犹他大学的一个科学家小组设计出了一种平面透镜，它可以与传统的曲面透镜相媲美，同时消除了色彩失真。利用微环来操纵光线，这一突破可以使太空望远镜和天体摄影设备变得更轻、更实用。

犹他州的研究人员通过太阳和月亮的测试图像展示了他们的平面透镜的功能。 图片来源：犹他大学梅农实验室

几个世纪以来，镜头一直依靠弯曲的玻璃或塑料来弯曲光线并使图像对焦。 然而，镜头的功能越强，体积和重量就越大。 长期以来，科学家们一直在寻找一种既能制造轻型透镜，又不影响性能的方法。 虽然存在一些更薄的替代品，但它们往往有局限性，而且生产难度大、成本高。

犹他大学工程学教授拉杰什-梅农（Rajesh Menon）领导的研究小组开发出了一种很有前途的新解决方案：一种大孔径平面透镜，它能像传统的曲面透镜一样有效地聚焦光线，同时保持准确的色彩。 这一突破可能会彻底改变天体摄影和望远镜的设计，尤其是在那些对尺寸和重量要求极高的应用领域，如飞机、卫星和天基望远镜。

他们的最新研究成果登上了Applied Physics Letters期刊的封面，该研究由梅农实验室成员、电气与amp; 计算机工程系研究助理教授Apratim Majumder领导。 共同作者包括梅农实验室成员 Alexander Ingold 和 Monjurul Meem、物理与天文系的 Tanner Obray 和 Paul Ricketts 以及 Oblate Optics 的 Nicole Brimhall。

研究人员用太阳和月亮的测试图像展示了他们的平面透镜的功能。 图片来源：犹他大学梅农实验室

如果你用过放大镜，就会知道透镜会弯曲光线，使物体看起来更大。 镜片越厚、越重，对光线的弯曲就越大，放大倍数就越强。 对于日常使用的照相机和后院望远镜来说，镜片厚度并不是一个大问题。 但是，当望远镜必须从数百万光年之外的星系聚焦光线时，镜片的厚度就变得不切实际了。 这就是为什么天文台和太空望远镜依靠巨大的曲面镜来实现同样的光线弯曲效果，因为曲面镜比透镜更薄、更轻。

科学家们还试图通过设计平面透镜来解决体积大的问题。 现有的一种透镜被称为菲涅尔区域板（FZP），它使用同心脊来聚焦光线，而不是使用厚而弯曲的表面。 虽然这种方法能制造出轻便小巧的透镜，但它也有一个缺点：无法产生真实的色彩。 FZP 的棱线不是以相同的角度弯曲所有波长的可见光，而是以不同的角度衍射这些波长的可见光，从而导致图像出现色差或色彩失真。

研究人员的平面透镜上的同心圆微缩环经过优化，可同时聚焦所有波长的光线。 资料来源：犹他大学梅农实验室

拉杰什-梅农和他在美国加州大学的团队研发的新型平面透镜具有与传统曲面透镜相同的弯光能力，同时避免了 FZP 的色彩失真。

"我们的计算技术表明，我们可以设计出具有大孔径的多层次衍射平面透镜，这种透镜可以聚焦整个可见光谱的光线，而且我们在犹他州纳米实验室拥有实际制造这种透镜的资源，"犹他州大学光学纳米技术实验室主任梅农说。

创新的关键在于研究人员可以在基底上形成微小的同心圆环。 与针对单一波长进行优化的 FZPs 脊线不同，平面透镜压痕的大小和间距使衍射光波长足够接近，从而产生全彩对焦图像。

"模拟这些透镜在从可见光到近红外的超大带宽范围内的性能，需要解决涉及超大数据集的复杂计算问题，"Majumder 说。"优化了透镜微结构的设计后，制造过程就需要非常严格的过程控制和环境稳定性。"

大型、平面、色彩精确的透镜可能会对各行各业产生巨大影响，但其最直接的应用是在天文学领域。 研究人员用太阳和月亮的测试图像展示了他们的平面透镜的功能。

Majumder说："我们的演示为创造具有捕捉全彩图像能力的超大孔径轻质平面透镜，以用于空基望远镜奠定了基础。"

编译自/ScitechDaily