新型多能级衍射平面透镜问世，消色差聚焦性能获验证
在光学成像领域，镜头的发展一直备受关注。几个世纪以来，传统镜头依靠有曲率的玻璃或塑料来聚焦图像，其原理虽经典，但随着科技发展，弊端逐渐凸显——光焦度增加时，镜头会变得更重更厚。对于普通相机和望远镜而言，镜头体积问题或许尚可接受，可对于需要聚焦遥远星系光线的大型望远镜，大而重的镜头不仅增加成本，且效率低下，这使得天文台和太空望远镜更多地依赖大型曲面反射镜来聚焦光线。
长期以来，研究人员不断探索让镜头更轻且不牺牲性能的方法。尽管出现过一些小型替代品，却因生产难度大、成本高、产能有限等问题，难以广泛应用。就在这一困境中，犹他大学工程学教授RajeshMenon和普莱斯工程学院的同事们取得了重大突破，相关研究成果发表在《Applied Physics Letters》上。
他们开发出一种新型聚合物平面透镜——多能级衍射透镜（MDL）。这款透镜直径达100mm，厚度却仅有2.4μm，焦距为200mm，并且针对400-800nm波长范围进行了优化。MDL运用逆向设计方法和灰度光刻技术，成功实现消色差聚焦，这一性能通过高光谱点扩散函数（PSF）得到验证。
在成像实验中，MDL表现出色，能够分辨高达181lp/mm的空间频率。研究人员用它捕获月球、太阳和遥远地球场景的高质量全彩图像，彩色增强的月球图像清晰揭示了关键地质特征，太阳成像则精准确定了可见的太阳黑子。不仅如此，MDL与折射消色差透镜集成形成混合望远镜，显著减轻了机载和天基成像应用的重量，展现出在天文摄影和其他远程成像任务中，作为传统折射系统轻型替代品的巨大潜力。
研究的关键在于，团队成功在衬底上创建微观小的同心环。与仅针对单个波长调谐的FZP不同，MDL平面透镜压痕的大小和间距经过巧妙设计，使光的衍射波长足够接近，从而产生全彩、清晰的图像。不过，模拟这些镜头在从可见光到近红外的大带宽上的性能，面临着复杂计算问题，需要处理庞大的数据集。优化镜头微观结构设计后，制造过程对过程控制和环境稳定性要求极为严格。
电气与计算机工程系的研究助理教授ApratimMajumder领导了这项研究，研究得到了国防高级研究计划局（DARPA）、海军研究办公室和美国宇航局的支持。这一成果对天文学以及多个行业意义重大，有望为光学成像领域带来全新变革，推动相关技术迈向新高度。
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2026-04-09
