清华大学与北京科技大学联合研发新型消色差微透镜，攻克微型光学领域关键技术难题

    在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、微型显微成像及生物内窥镜等领域，光学系统的色差问题长期制约成像质量，表现为图像边缘色偏、细节模糊，成为微型光学设备向高性能、紧凑型发展的核心瓶颈。近日，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室孙竞博团队与北京科技大学北京材料基因工程高精尖创新中心白洋团队联合攻关，成功研发一种基于低色散材料的高效宽带消色差微透镜。相关研究成果以发表于中国工程院院刊，为微型光学技术突破提供重要技术支撑。

    色差问题的技术瓶颈与传统解决方案局限
    色差是光学成像中的固有问题，其本质是不同波长的可见光（如410~680nm波段的紫、蓝、绿、红等光）通过透镜时，因折射率差异导致折射路径不同，最终在成像面无法汇聚于同一点，进而引发图像失真。在微型光学设备中，该问题尤为突出——受限于设备体积，传统色差校正方案难以适用，主要体现在两方面：
    1.传统多透镜组合方案：需通过多片不同材质、曲率的透镜叠加实现色差补偿，虽能一定程度校正色差，但显著增加光学系统的体积、重量与复杂度，与微型设备“紧凑集成”的核心需求存在根本矛盾，无法应用于VR/AR头显、微型显微镜等场景。
    2.超透镜技术方案：基于纳米微结构调控光传播的超透镜技术，虽具备微型化潜力，但存在两大关键短板：一是制造工艺复杂，需依赖高精度纳米刻蚀技术，成本高且量产难度大；二是聚焦效率偏低，多数超透镜在可见光波段的聚焦效率不足50%，难以满足实际成像的亮度与清晰度需求。

    新型消色差微透镜的核心技术突破
    联合研究团队以“低色散材料应用+精准结构设计”为核心思路，突破传统技术局限，构建兼具高效消色、高聚焦效率与微型化特性的微透镜方案，具体技术路径如下：
    1.核心材料选型：低色散熔融石英的应用
    团队摒弃传统光学玻璃，选用熔融石英作为微透镜基材。该材料具有优异的低色散特性——在410~680nm可见光波段，其色散曲线平缓，不同波长光的折射率差异极小，从源头降低色差产生的可能性。实验数据显示，熔融石英在该波段的透射率高，且物理化学稳定性强，为微透镜的长期使用与性能稳定提供保障。
    2.结构优化设计：弧面轮廓与厚度梯度的精准调控
    基于熔融石英的材料特性，团队通过理论建模与仿真分析，优化设计微透镜的弧面轮廓与厚度分布梯度：
    弧面曲率经多轮迭代计算，确保不同波长光通过透镜时的折射路径精准匹配，实现聚焦点对齐；
    透镜径向不同区域的厚度梯度被精细调控，进一步抵消材料残留的微小色散效应，提升消色精度。
    为实现设计方案的实物落地，团队采用聚焦离子束（FIB）技术进行微透镜制备。该技术可实现纳米级精度的表面轮廓加工，确保设计参数在实物制备中精准复现。最终制成的微透镜样品中，最小直径仅21.3μm（约为人类头发丝直径的1/4），中心厚度1.27μm，数值孔径（NA）达0.109，完全满足微型光学设备的集成需求。

    新型微透镜的性能验证与技术优势
    通过理论分析与实验测试，团队从多维度验证了新型消色差微透镜的性能，其核心优势体现在以下方面：
    1.宽带高效消色：在410~680nm全可见光波段，微透镜的色差校正效果显著，不同波长光的聚焦偏差远低于瑞利判据（光学成像清晰度的核心评价标准），实现全波段无明显色偏成像。
    2.高聚焦效率：实测平均聚焦效率达65%，显著优于同类超透镜技术的平均水平，减少光能量损耗，提升成像亮度。
    3.偏振不敏感：对不同偏振方向的入射光均具备稳定成像性能，无需额外偏振调控组件，简化光学系统结构，尤其适用于VR/AR等需接收复杂环境光的场景。
    4.近衍射极限成像：通过对1951年美国空军（USAF）分辨率测试板的成像测试，该微透镜可清晰分辨第5组细微线条；对染色洋葱细胞、鸟羽绒毛、草履虫等生物样本的观测中，图像无明显色差，细节分辨率接近衍射极限（光学成像的理论最高分辨率阈值）。
    对比已报道的可见光波段消色差超薄透镜技术，该微透镜在“工作带宽聚焦效率偏振敏感性”的综合性能上表现突出。从团队绘制的性能对比图可见，其工作带宽覆盖完整可见光区，平均聚焦效率高于多数偏振敏感型透镜，且具备偏振不敏感优势，综合技术指标处于国际领先水平。

    技术应用前景与行业价值
    该新型消色差微透镜技术凭借“微型化、高效率、易制备”的核心优势，在多领域具备明确应用潜力，将推动微型光学设备的性能升级与场景拓展：
    VR/AR设备：微型化特性助力头显设备轻量化设计，无偏振依赖性与高效消色能力可降低用户视觉疲劳，提升虚拟场景的真实感还原度；
    超紧凑显微镜：可集成于便携式、手持式显微设备，实现“手机级”微型显微镜的高清晰成像，适用于野外检测、基层医疗诊断等场景；
    生物内窥镜：纤细的透镜结构可减少内窥镜探头直径，降低患者检查时的不适感，高清晰度成像助力医生精准识别病灶；
    半导体与可穿戴设备：在半导体芯片光刻检测、智能手表微型摄像头等领域，其高效成像性能可提升设备精度，同时满足集成化设计需求。
    此外，该技术的制备工艺相对简化，制造成本低于超透镜技术，为规模化量产与产业化应用奠定基础。

    清华大学与北京科技大学的联合研究，通过“材料创新—结构优化—工艺落地”的协同攻关，为消色差微透镜技术提供了兼具性能优势与实用价值的解决方案，突破了传统技术在微型化、高效率与低成本间的平衡难题。该成果不仅丰富了微型光学领域的技术体系，更为VR/AR、生物医疗、半导体等行业的设备升级提供关键支撑。未来，随着技术的进一步优化（如数值孔径提升、制造成本降低），其应用场景将进一步拓展，为全球微型光学技术发展注入“中国方案”。