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(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員利用3D打印和多孔硅，開發(fā)出了緊湊型可見光波長(zhǎng)消色差透鏡，這對(duì)小型化和輕量化光學(xué)器件至關(guān)重要。這些高性能混合微光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)了高聚焦效率，同時(shí)最大限度地減少了體積和厚度。此外，這些微透鏡可以構(gòu)建成陣列，形成更大面積的圖像，用于消色差光場(chǎng)成像儀和顯示器。

這項(xiàng)研究由材料科學(xué)與工程教授保羅·布勞恩(Paul Braun)和大衛(wèi)·卡希爾(David Cahill)、電氣與計(jì)算機(jī)工程教授林福德·戈達(dá)德(Lynford Goddard)和前研究生科里·理查茲(Corey Richards)領(lǐng)導(dǎo)。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。

布勞恩說：“我們開發(fā)了一種方法，通過非傳統(tǒng)制造方法，以高度微型化的薄片形式，創(chuàng)造出具有經(jīng)典復(fù)合光學(xué)功能的結(jié)構(gòu)。”

在許多成像應(yīng)用中，存在多種波長(zhǎng)的光，例如白光。如果使用單個(gè)透鏡來聚焦這種光，不同波長(zhǎng)會(huì)聚焦在不同點(diǎn)，導(dǎo)致彩色模糊圖像。為了解決這個(gè)問題，多個(gè)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(gè)透鏡，你會(huì)有相當(dāng)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(diǎn)。”

然而，挑戰(zhàn)在于制造消色差透鏡所需的透鏡元件堆疊相對(duì)較厚，這使得經(jīng)典消色差透鏡不適合新的、縮小的技術(shù)平臺(tái)，如超緊湊可見波長(zhǎng)相機(jī)、便攜式顯微鏡甚至可穿戴設(shè)備。

通過單透鏡，不同波長(zhǎng)的光聚焦在不同點(diǎn)。

為了制成一個(gè)更薄的透鏡，該團(tuán)隊(duì)將折射透鏡和平面衍射透鏡結(jié)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(chuàng)建緊湊型混合消色差成像系統(tǒng)，研究人員開發(fā)了一種名為“通過光束照射實(shí)現(xiàn)亞表面可控折射率”(SCRIBE)的制造工藝，其中聚合物結(jié)構(gòu)在多孔硅宿主介質(zhì)中3D打印，該介質(zhì)機(jī)械地支撐光學(xué)元件。在這個(gè)過程中，將液態(tài)聚合物填充到多孔硅中，并使用超快激光將液態(tài)聚合物轉(zhuǎn)化為固態(tài)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(shí)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(gè)鏡片堆疊在一起，你需要先打印第一個(gè)鏡片，然后圍繞它建立一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。然后，你需要在這個(gè)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)打印第二個(gè)鏡片。但在多孔硅中，你可以將兩個(gè)鏡片懸掛在彼此之上。從這個(gè)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(chǎng)信息，這對(duì)傳統(tǒng)聚合物微透鏡來說是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)聚合物微透鏡通常不是消色差的，這將為光場(chǎng)相機(jī)和光場(chǎng)顯示器等應(yīng)用鋪平道路。

審核編輯 黃宇