伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用3D打印和多孔硅，开发出了紧凑的可见波长消色差透镜，这对于小型化和轻量化光学器件至关重要。这些高性能混合微光学器件可实现高聚焦效率，同时最大限度地减小体积和厚度。此外，这些微透镜可以构建成阵列，以形成用于消色差光场成像器和显示器的更大面积的图像。

这项研究由材料科学与工程教授PaulBraun和DavidCahill、电气与计算机工程教授LynfordGoddard和前研究生CoreyRichards领导。这项研究的结果发表在《自然通讯》上。

布劳恩说：“我们开发了一种方法，通过非传统的制造方法，以高度小型化的方式创建具有经典复合光学功能的结构。”

在许多成像应用中，存在多种波长的光，例如白光。如果使用单个透镜来聚焦这种光，则不同的波长会聚焦在不同的点，从而导致颜色模糊的图像。为了解决这个问题，将多个透镜堆叠在一起形成消色差透镜。“在白光成像中，如果使用单个透镜，就会产生相当大的色散，因此每种成分的颜色都会聚焦在不同的位置。然而，使用消色差透镜，所有颜色都会聚焦在同一点，”布劳恩说。

然而，挑战在于制造消色差透镜所需的透镜元件堆叠相对较厚，这可能使经典消色差透镜不适合更新的、按比例缩小的技术平台，例如超紧凑可见波长相机、便携式显微镜，甚至可穿戴设备。

使用单个透镜时，不同波长的光会聚焦在不同的点。图片来源：伊利诺伊大学格兰杰工程学院

为了形成更薄的透镜，该团队将折射透镜与平面衍射透镜结合起来。布劳恩解释说，底部透镜是衍射透镜，例如将红光聚焦得更近，而顶部透镜是折射透镜，将红光聚焦得更远。他们互相抵消并聚焦到同一个地方。

为了创建紧凑的混合消色差成像系统，研究人员开发了一种称为通过光束曝光控制次表面折射率(SCRIBE)的制造工艺，其中将聚合物结构3D打印在机械支撑光学元件的多孔硅主体介质中。在此过程中，将液态聚合物填充到多孔硅中，并使用超快激光将液态聚合物转化为固态聚合物。通过这种方法，他们能够集成透镜的衍射和折射元件，而无需外部支撑，同时还能最大限度地减少体积，提高制造难度并提供高效的消色差聚焦。

“如果你在空气中打印透镜并且想要将两个透镜堆叠在一起，则需要打印第一个透镜，然后在其周围构建支撑结构，”理查兹解释道。“然后你需要在该支撑结构内打印第二个透镜。但是在多孔硅中，你可以将两个透镜悬挂在彼此之上。从这个意义上说，集成更加无缝。”

使用这种方法，可以从混合消色差微透镜阵列重建更大面积的图像。该阵列可以捕获光场信息，这对于通常不是消色差的传统聚合物微透镜来说是一个重大挑战，并且将为光场相机和光场显示器等应用铺平道路。

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