在光學(xué)成像領(lǐng)域，鏡頭的發(fā)展一直備受關(guān)注。幾個世紀以來，傳統(tǒng)鏡頭依靠有曲率的玻璃或塑料來聚焦圖像，其原理雖經(jīng)典，但隨著科技發(fā)展，弊端逐漸凸顯——光焦度增加時，鏡頭會變得更重更厚。對于普通相機和望遠鏡而言，鏡頭體積問題或許尚可接受，可對于需要聚焦遙遠星系光線的大型望遠鏡，大而重的鏡頭不僅增加成本，且效率低下，這使得天文臺和太空望遠鏡更多地依賴大型曲面反射鏡來聚焦光線。

    長期以來，研究人員不斷探索讓鏡頭更輕且不犧牲性能的方法。盡管出現(xiàn)過一些小型替代品，卻因生產(chǎn)難度大、成本高、產(chǎn)能有限等問題，難以廣泛應(yīng)用。就在這一困境中，猶他大學(xué)工程學(xué)教授RajeshMenon和普萊斯工程學(xué)院的同事們?nèi)〉昧酥卮笸黄疲嚓P(guān)研究成果發(fā)表在《Applied Physics Letters》上。

    他們開發(fā)出一種新型聚合物平面透鏡——多能級衍射透鏡（MDL）。這款透鏡直徑達100mm，厚度卻僅有2.4μm，焦距為200mm，并且針對400-800nm波長范圍進行了優(yōu)化。MDL運用逆向設(shè)計方法和灰度光刻技術(shù)，成功實現(xiàn)消色差聚焦，這一性能通過高光譜點擴散函數(shù)（PSF）得到驗證。

    在成像實驗中，MDL表現(xiàn)出色，能夠分辨高達181lp/mm的空間頻率。研究人員用它捕獲月球、太陽和遙遠地球場景的高質(zhì)量全彩圖像，彩色增強的月球圖像清晰揭示了關(guān)鍵地質(zhì)特征，太陽成像則精準確定了可見的太陽黑子。不僅如此，MDL與折射消色差透鏡集成形成混合望遠鏡，顯著減輕了機載和天基成像應(yīng)用的重量，展現(xiàn)出在天文攝影和其他遠程成像任務(wù)中，作為傳統(tǒng)折射系統(tǒng)輕型替代品的巨大潛力。

    研究的關(guān)鍵在于，團隊成功在襯底上創(chuàng)建微觀小的同心環(huán)。與僅針對單個波長調(diào)諧的FZP不同，MDL平面透鏡壓痕的大小和間距經(jīng)過巧妙設(shè)計，使光的衍射波長足夠接近，從而產(chǎn)生全彩、清晰的圖像。不過，模擬這些鏡頭在從可見光到近紅外的大帶寬上的性能，面臨著復(fù)雜計算問題，需要處理龐大的數(shù)據(jù)集。優(yōu)化鏡頭微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計后，制造過程對過程控制和環(huán)境穩(wěn)定性要求極為嚴格。

    電氣與計算機工程系的研究助理教授ApratimMajumder領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，研究得到了國防高級研究計劃局（DARPA）、海軍研究辦公室和美國宇航局的支持。這一成果對天文學(xué)以及多個行業(yè)意義重大，有望為光學(xué)成像領(lǐng)域帶來全新變革，推動相關(guān)技術(shù)邁向新高度。