新型光学微透镜：具有高数值孔径和高聚焦效率的混合消色差微透镜

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用三维打印技术和多孔硅，开发出了小型可见光波长消色差透镜，这对于实现光学器件的小型化和轻量化至关重要。这些高性能混合微光学器件可实现高聚焦效率，同时最大限度地减少体积和厚度。此外，这些微透镜还可以构成阵列，为消色差光场成像仪和显示器形成更大面积的图像。这项研究由材料科学与工程教授Paul Braun和David Cahill、电子与计算机工程教授Lynford Goddard以及前研究生Corey Richards领导。研究成果发表在《Nature Communications》上。

图1：利用亚表面微透镜进行白光成像。a. 利用高 NA 值衍射透镜在宽带白光照明下进行色差成像的图解。透镜聚焦来自物体的光线，形成点扩散函数（PSF）和一定距离外的图像。由于色散作用，白光被分离成单个颜色成分，从而形成彩虹色模糊图像。插图显示的是在相距 30 μm的不同平面上测量的实验采集图像。色度模糊会导致在每个平面上形成不同颜色的图像（红色、橙色、绿色、青色或蓝色）（不会形成单一的白光图像）。插图中的刻度线为 45 μm。 b. 混合双光束在宽带白光照明下的消色差成像示意图。在单个平面上形成 PSF 和物体的白光图像。插图显示了实验测量的几何混合消色差和 GRIN 混合消色差在其成像平面上形成的白光图像。由于使用了暖白光 LED 作为照明，因此图像带有淡黄色调。插图中的比例尺为 45 μm。资料来源：Corey A. Richards等人，《Hybrid achromatic microlenses with high numerical apertures and focusing efficiencies across the visible》，《Nature Communications》, 2023。

Braun说：我们开发出了一种可以通过非传统制造方法，制造出具有经典复合光学功能的结构，而且是高度微型化的薄型结构。在许多成像应用中，会出现多种波长的光，例如白光。如果使用单透镜来聚焦这些光，不同波长的光会聚焦在不同的点上，从而导致图像颜色模糊。为了解决这个问题，需要将多个透镜叠加在一起，形成消色差透镜。Braun说：在白光成像中，如果使用单透镜，就会产生相当大的色散，因此每种颜色都会聚焦在不同的位置。而使用消色差透镜时，所有颜色都会聚焦在同一个点上。然而，挑战在于制作消色差透镜所需的透镜元件堆叠相对较厚，这可能使经典的消色差透镜不适合更新、更小的技术平台，如超小型可见光波长相机、便携式显微镜甚至可穿戴设备。

图 2：可见光波长下衍射透镜和混合透镜的焦距曲线。a、b 对聚焦 633、612、542 和 488 nm光的低 NA 值衍射透镜（a）和高 NA 值衍射透镜（b）进行 X-Z 共焦扫描。c, d是 一个 GRIN 混合透镜（c）和一个几何混合透镜（d）的 X-Z 共焦扫描，聚焦 633、612、542 和 488 nm光。这些透镜的负色散减少。对于所有透镜，水平白色虚线是 633 nm光的近似参考焦平面。水平白色实线表示 PSiO2 主介质和空气之间的大致界面。透镜示意图表示打印透镜的大致位置。所有扫描在X轴上都是90 μm，Z轴距按比例缩放。资料来源：Corey A. Richards等人，《Hybrid achromatic microlenses with high numerical apertures and focusing efficiencies across the visible》，《Nature Communications》, 2023。

为了形成更薄的透镜，研究小组将折射透镜与平面衍射透镜结合在一起。Braun解释说：例如，底部透镜是衍射透镜，可以将红光聚焦得更近，而顶部透镜是折射透镜，可以将红光聚焦得更远。它们相互抵消，聚焦到同一个点。

为了创建紧凑型混合消色差成像系统，研究人员开发了一种名为 "通过光束曝光实现表面下可控折射率（SCRIBE）"的制造工艺，在这种工艺中，聚合物结构被三维打印在多孔硅主介质中，该介质在机械上支撑着光学元件。在此过程中，液态聚合物被填充到多孔硅中，然后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，他们能够整合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，提高制造的便利性，并提供高效的消色差聚焦。

Richards解释说：如果你在空气中打印透镜，并想将两个透镜叠加在一起，你需要打印第一个透镜，然后在其周围建立一个支撑结构。接着你需要在支撑结构内打印第二个透镜。但在多孔硅中，你可以直接将两个透镜悬挂在一起。从这个意义上说，整合要无缝得多。

图 3：焦距和聚焦效率的特征。a. 较低和较高数值孔径（NA）衍射透镜、几何混合透镜和 GRIN 混合透镜的焦距与波长关系图。每个数据点是十个打印透镜的平均值。b. 每种透镜的测量对焦效率与波长的关系图。每个数据点是十个打印透镜的平均值。c. 描述测量微透镜聚焦效率的实验装置示意图。微透镜（图中左侧）放置在电动平台上，由准直激光照射。一个50:50 分光器将一半光线传输到照相机，一半传输到功率计，这样就可以同时对小孔和测量功率。资料来源：Corey A. Richards等人，《Hybrid achromatic microlenses with high numerical apertures and focusing efficiencies across the visible》，《Nature Communications》, 2023。

利用这种方法，可以从混合消色差微透镜阵列中重建较大面积的图像。该阵列可以捕捉光场信息，这对于通常不消色差的传统聚合物微透镜来说是一个重大挑战，并将为光场相机和光场显示器等应用铺平道路。

图 4：使用消色差微型透镜阵列成像。a. 消色差微透镜阵列在白光 LED 照射下的光学显微镜图像。 b. 微透镜阵列在宽带白光照射下形成的图像阵列。收集USAF分辨率目标上第 6 和第 7 组的光场信息。插图显示的是根据收集到的图像阵列重建的渲染图像。比例尺为 45 μm。资料来源：Corey A. Richards等人，《Hybrid achromatic microlenses with high numerical apertures and focusing efficiencies across the visible》，《Nature Communications》, 2023。