美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队成功利用3D 打印和多孔硅，设计出一种在可见光范围内紧凑的消色差透镜，能够实现高聚焦效率，同时最大限度地减小体积和厚度，对光学器件的小型化和轻量化至关重要。此外，这些微透镜还可以构建成阵列，用于消色差光场成像器和显示器，以进行更大面积的成像。该团队主要成员包括材料科学与工程教授 Paul Braun 、 David Cahill，电气与计算机工程教授 Lynford Goddard 和研究生 Corey Richards ，他们的成果以“Hybrid achromatic microlenses with high numerical apertures and focusing efficiencies across the visible”为题发表在  Nature Communications 上（https://doi.org/10.1038/s41467-023-38858-y）。

图1 使用单透镜对白光进行彩色成像（左）和使用混合透镜对白光进行消色差成像（右）的对比

      Braun称，他们通过非传统的制造方法，以高度小型化的方式设计了具有经典复合光学功能的结构。在用白光进行成像时，如果使用单个透镜来聚焦，会因不同波长的光有不同的折射率造成的色散，而使不同波长的光具有不同的传播路径，最终聚集在不同的位置而引起色差，导致图像模糊。因此，人们一般将多个透镜胶合在一起形成消色差透镜，以使不同波长的光聚焦在同一点。然而，这种消色差透镜有一个挑战就是多个透镜堆叠在一起使得厚度相对较厚，不利于新型微型化系统的集成，比如超紧凑可见光相机、便携式显微镜以及可穿戴设备等。

      为了解决这个问题，该团队将折射透镜与平面衍射透镜相结合。Braun解释道，底部透镜是衍射透镜，顶部透镜是折射透镜，前者可以将可见光中的某些波长聚焦的更近，后者可以聚焦的更远，从而相互抵消并聚焦到同一位置，消除色差。

图2 使用单个透镜时，不同波长的光会聚焦在不同的点。

      为了设计这种紧凑型混合消色差成像系统，研究人员通过一种称之为光束曝光控制次表面折射率（SCRIBE）的制造工艺，将聚合物结构3D打印在机械支撑光学元件的多孔硅基质介质中。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，该团队能够在不需要外部支撑的情况下集成透镜的衍射元件和折射元件，同时还能最大限度地减少体积，增加制造的便利性，并提供高效的消色差聚焦。

      Richards 解释道，如果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，最后在该支撑结构内打印第二个透镜。但在多孔硅中，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。

      该团队表示，通过这种方法，可以在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，解决了传统聚合物微透镜无法消色差的痛点，为光场相机和光场显示器等应用铺平了道路。