單透鏡的白光彩色成像(左)和混合透鏡的白光消色差成像(右)

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員利用3D打印和多孔硅，開發出了緊湊型可見光波長消色差透鏡，這對小型化和輕量化光學器件至關重要。這些高性能混合微光學器件實現了高聚焦效率，同時最大限度地減少了體積和厚度。此外，這些微透鏡可以構建成陣列，形成更大面積的圖像，用于消色差光場成像儀和顯示器。

這項研究由材料科學與工程教授保羅·布勞恩(Paul Braun)和大衛·卡希爾(David Cahill)、電氣與計算機工程教授林福德·戈達德(Lynford Goddard)和前研究生科里·理查茲(Corey Richards)領導。這項研究成果發表在《自然·通訊》上。

布勞恩說：“我們開發了一種方法，通過非傳統制造方法，以高度微型化的薄片形式，創造出具有經典復合光學功能的結構。”

在許多成像應用中，存在多種波長的光，例如白光。如果使用單個透鏡來聚焦這種光，不同波長會聚焦在不同點，導致彩色模糊圖像。為了解決這個問題，多個透鏡堆疊在一起形成消色差透鏡。布勞恩說：“在白光成像中，如果你使用單個透鏡，你會有相當大的色散，因此每種組成顏色都聚焦在不同的位置。然而，使用消色差透鏡，所有顏色都聚焦在同一點。”

然而，挑戰在于制造消色差透鏡所需的透鏡元件堆疊相對較厚，這使得經典消色差透鏡不適合新的、縮小的技術平臺，如超緊湊可見波長相機、便攜式顯微鏡甚至可穿戴設備。

通過單透鏡，不同波長的光聚焦在不同點。

為了制成一個更薄的透鏡，該團隊將折射透鏡和平面衍射透鏡結合在一起。布勞恩解釋說，底部透鏡是聚焦紅光的衍射透鏡，例如，更近，頂部透鏡是聚焦紅光的折射透鏡。它們相互抵消并聚焦到同一位置。

為了創建緊湊型混合消色差成像系統，研究人員開發了一種名為“通過光束照射實現亞表面可控折射率”(SCRIBE)的制造工藝，其中聚合物結構在多孔硅宿主介質中3D打印，該介質機械地支撐光學元件。在這個過程中，將液態聚合物填充到多孔硅中，并使用超快激光將液態聚合物轉化為固態聚合物。通過這種方法，他們能夠集成透鏡的衍射和折射元件，而不需要外部支撐，同時也能最大限度地減少體積，提高制造的便利性，并提供高效消色差聚焦。

理查茲解釋說：“如果你在空氣中打印鏡片，并且想將兩個鏡片堆疊在一起，你需要先打印第一個鏡片，然后圍繞它建立一個支撐結構。然后，你需要在這個支撐結構內打印第二個鏡片。但在多孔硅中，你可以將兩個鏡片懸掛在彼此之上。從這個意義上講，集成更加無縫。”

使用這種方法，可以從混合消色差微透鏡陣列中重建更大面積的圖像。該陣列可以捕獲光場信息，這對傳統聚合物微透鏡來說是一個重大挑戰，因為傳統聚合物微透鏡通常不是消色差的，這將為光場相機和光場顯示器等應用鋪平道路。

審核編輯 黃宇