猶他大學的科學家小組設計出了一種平面透鏡，它可以與傳統的曲面透鏡相媲美，同時消除了色彩失真。利用微環來操縱光線，這項突破可以讓太空望遠鏡和天體攝影設備變得更輕、更實用。

猶他州的研究人員透過太陽和月亮的測試影像展示了他們的平面透鏡的功能。 圖片來源：猶他大學梅農實驗室

幾個世紀以來，鏡頭一直依靠彎曲的玻璃或塑膠來彎曲光線並使影像對焦。 然而，鏡頭的功能越強，體積和重量就越大。 長期以來，科學家一直在尋找一種既能製造輕型透鏡，又不影響性能的方法。 雖然存在一些較薄的替代品，但它們往往有局限性，而且生產難度高、成本高。

由猶他大學工程學教授拉傑什-梅農（Rajesh Menon）領導的研究小組開發出了一個很有前途的新解決方案：一種大孔徑平面透鏡，它能像傳統的曲面透鏡一樣有效地聚焦光線，同時保持準確的色彩。 這項突破可能會徹底改變天體攝影和望遠鏡的設計，尤其是在那些對尺寸和重量要求極高的應用領域，如飛機、衛星和天基望遠鏡。

他們的最新研究成果登上了Applied Physics Letters期刊的封面，該研究由梅農實驗室成員、電機與amp; 電腦工程系研究助理教授Apratim Majumder領導。 共同作者包括梅農實驗室成員Alexander Ingold 和Monjurul Meem、物理與天文系的Tanner Obray 和Paul Ricketts 以及Oblate Optics 的Nicole Brimhall。

研究人員用太陽和月亮的測試影像展示了他們的平面透鏡的功能。 圖片來源：猶他大學梅農實驗室

如果你用過放大鏡，就會知道透鏡會彎曲光線，讓物體看起來更大。 鏡片越厚、越重，光線的彎曲就越大，放大倍率越強。 對於日常使用的相機和後院望遠鏡來說，鏡片厚度並不是一個大問題。 但是，當望遠鏡必須從數百萬光年以外的星系聚焦光線時，鏡片的厚度就變得不切實際了。 這就是為什麼天文台和太空望遠鏡依靠巨大的曲面鏡來實現相同的光線彎曲效果，因為曲面鏡比透鏡更薄、更輕。

科學家也試圖透過設計平面透鏡來解決體積大的問題。 現有的一種透鏡被稱為菲涅爾區域板（FZP），它使用同心脊來聚焦光線，而不是使用厚而彎曲的表面。 雖然這種方法能製造出輕盈小巧的透鏡，但它也有一個缺點：無法產生真實的色彩。 FZP 的稜線不是以相同的角度彎曲所有波長的可見光，而是以不同的角度衍射這些波長的可見光，從而導致影像出現色差或色彩失真。

研究人員的平面透鏡上的同心圓微縮環經過最佳化，可同時聚焦所有波長的光線。 資料來源：猶他大學梅農實驗室

拉傑什-梅農和他在美國加州大學的團隊研發的新型平面透鏡具有與傳統曲面透鏡相同的彎光能力，同時避免了FZP 的色彩失真。

“我們的計算技術表明，我們可以設計出具有大孔徑的多層次衍射平面透鏡，這種透鏡可以聚焦整個可見光譜的光線，而且我們在猶他州奈米實驗室擁有實際製造這種透鏡的資源，”猶他州大學光學奈米技術實驗室主任梅農說。

創新的關鍵在於研究人員可以在基底上形成微小的同心圓環。 與針對單一波長進行最佳化的FZPs 脊線不同，平面透鏡壓痕的大小和間距使衍射光波長足夠接近，從而產生全彩對焦影像。

“模擬這些透鏡在從可見光到近紅外線的超大頻寬範圍內的性能，需要解決涉及超大數據集的複雜計算問題，”Majumder 說。 “優化了透鏡微結構的設計後，製造過程就需要非常嚴格的製程控制和環境穩定性。”

大型、平面、色彩精確的透鏡可能會對各行各業產生巨大影響，但其最直接的應用是在天文學領域。 研究人員用太陽和月亮的測試影像展示了他們的平面透鏡的功能。

Majumder說：”我們的演示為創造具有捕捉全彩影像能力的超大孔徑輕質平面透鏡，以用於空基望遠鏡奠定了基礎。”

編譯自/ ScitechDaily