新型微透镜：具有高聚焦效率的混合消色差透镜

单透镜的白光彩色成像(左)和混合透镜的白光消色差成像(右)

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用3D打印和多孔硅，开发出了紧凑型可见光波长消色差透镜，这对小型化和轻量化光学器件至关重要。这些高性能混合微光学器件实现了高聚焦效率，同时最大限度地减少了体积和厚度。此外，这些微透镜可以构建成阵列，形成更大面积的图像，用于消色差光场成像仪和显示器。

这项研究由材料科学与工程教授保罗·布劳恩(Paul Braun)和大卫·卡希尔(David Cahill)、电气与计算机工程教授林福德·戈达德(Lynford Goddard)和前研究生科里·理查兹(Corey Richards)领导。这项研究成果发表在《自然·通讯》上。

布劳恩说：“我们开发了一种方法，通过非传统制造方法，以高度微型化的薄片形式，创造出具有经典复合光学功能的结构。”

在许多成像应用中，存在多种波长的光，例如白光。如果使用单个透镜来聚焦这种光，不同波长会聚焦在不同点，导致彩色模糊图像。为了解决这个问题，多个透镜堆叠在一起形成消色差透镜。布劳恩说：“在白光成像中，如果你使用单个透镜，你会有相当大的色散，因此每种组成颜色都聚焦在不同的位置。然而，使用消色差透镜，所有颜色都聚焦在同一点。”

然而，挑战在于制造消色差透镜所需的透镜元件堆叠相对较厚，这使得经典消色差透镜不适合新的、缩小的技术平台，如超紧凑可见波长相机、便携式显微镜甚至可穿戴设备。

通过单透镜，不同波长的光聚焦在不同点。

为了制成一个更薄的透镜，该团队将折射透镜和平面衍射透镜结合在一起。布劳恩解释说，底部透镜是聚焦红光的衍射透镜，例如，更近，顶部透镜是聚焦红光的折射透镜。它们相互抵消并聚焦到同一位置。

为了创建紧凑型混合消色差成像系统，研究人员开发了一种名为“通过光束照射实现亚表面可控折射率”(SCRIBE)的制造工艺，其中聚合物结构在多孔硅宿主介质中3D打印，该介质机械地支撑光学元件。在这个过程中，将液态聚合物填充到多孔硅中，并使用超快激光将液态聚合物转化为固态聚合物。通过这种方法，他们能够集成透镜的衍射和折射元件，而不需要外部支撑，同时也能最大限度地减少体积，提高制造的便利性，并提供高效消色差聚焦。

理查兹解释说：“如果你在空气中打印镜片，并且想将两个镜片堆叠在一起，你需要先打印第一个镜片，然后围绕它建立一个支撑结构。然后，你需要在这个支撑结构内打印第二个镜片。但在多孔硅中，你可以将两个镜片悬挂在彼此之上。从这个意义上讲，集成更加无缝。”

使用这种方法，可以从混合消色差微透镜阵列中重建更大面积的图像。该阵列可以捕获光场信息，这对传统聚合物微透镜来说是一个重大挑战，因为传统聚合物微透镜通常不是消色差的，这将为光场相机和光场显示器等应用铺平道路。

审核编辑 黄宇