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一種超薄、超強平面透鏡可使太空望遠鏡大幅輕量化 猶他大學(xué)的一支科學(xué)家團隊設(shè)計出一種平面透鏡，其性能媲美傳統(tǒng)曲面透鏡，同時消除了色彩失真。 這種通過微觀環(huán)形結(jié)構(gòu)操控光線的突破性技術(shù)，可使太空望遠鏡和天文攝影設(shè)備大幅輕量化并更實用。 重新構(gòu)想傳統(tǒng)透鏡 數(shù)百年來，透鏡依賴曲面玻璃或塑料來折射光線并聚焦成像。然而，透鏡性能越強，體積和重量就越大。科學(xué)家長期尋求在不犧牲性能的前提下制造輕量化透鏡的方法。雖然現(xiàn)有一些更薄的替代方案，但它們往往存在局限性且制造困難、成本高昂。 新型平面透鏡 由猶他大學(xué)工程學(xué)教授Rajesh Menon領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)出了一種前景廣闊的新方案：一種大孔徑平面透鏡，其聚焦效果與傳統(tǒng)曲面透鏡相當，同時能保持精準色彩。這項突破可能徹底改變天文攝影和望遠鏡設(shè)計，尤其對飛行器、衛(wèi)星和太空望遠鏡等對尺寸重量敏感的應(yīng)用場景意義重大。 他們的最新研究發(fā)表在《應(yīng)用物理學(xué)快報》封面，由Menon實驗室成員、電氣與計算機工程系研究助理教授Apratim Majumder主導(dǎo)。合作者包括Menon實驗室成員Alexander Ingold和Monjurul Meem，物理與天文學(xué)系的Tanner Obray和Paul Ricketts，以及Oblate Optics公司的Nicole Brimhall。  研究人員通過拍攝太陽和月球的測試圖像展示了其平面透鏡的性能。 突破體積限制 使用過放大鏡的人都知道，透鏡通過折射光線使物體顯大。透鏡越厚越重，折射光線能力越強，放大倍率越高。對日常相機和后院望遠鏡而言，鏡片厚度尚不構(gòu)成大問題。但當望遠鏡需要聚焦數(shù)百萬光年外星系的光線時，笨重的透鏡就變得不切實際。這正是天文臺和太空望遠鏡改用大型曲面鏡的原因——通過反射實現(xiàn)同等光線彎曲效果，且能做得比透鏡更輕薄。 平面透鏡的局限 科學(xué)家也曾嘗試通過設(shè)計以不同方式操控光線的平面透鏡來解決體積問題。現(xiàn)有的一種菲涅耳波帶片（FZP）使用同心脊狀結(jié)構(gòu)而非厚重曲面來聚焦光線。雖然這種方法能制造輕便緊湊的透鏡，但存在代價：無法呈現(xiàn)真實色彩。FZP的脊狀結(jié)構(gòu)將可見光不同波長以不同角度衍射，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)色差或色彩失真。  研究人員設(shè)計的平面透鏡上的微觀凹槽同心環(huán)經(jīng)過優(yōu)化，可同時將所有波長光線聚焦。 光線折射的革命性方案 Rajesh Menon及其團隊研發(fā)的新型平面透鏡在保持傳統(tǒng)曲面透鏡光線折射能力的同時，避免了FZP的色彩失真問題。"我們的計算技術(shù)表明，可以設(shè)計出大孔徑多級衍射平面透鏡，在整個可見光譜范圍內(nèi)聚焦光線，而猶他納米實驗室具備實際制造條件，"負責該校光學(xué)納米技術(shù)實驗室的Menon解釋道。 高精度光學(xué)解決方案的工程實現(xiàn) 關(guān)鍵創(chuàng)新在于研究人員在基底上制造的微觀同心環(huán)結(jié)構(gòu)。與FZP僅針對單一波長優(yōu)化的脊狀結(jié)構(gòu)不同，這種平面透鏡的凹槽尺寸和間距使衍射光波長保持足夠接近，從而生成全彩清晰圖像。 "在從可見光到近紅外的超寬波段模擬這種透鏡性能，需要處理涉及龐大數(shù)據(jù)集的復(fù)雜計算問題，"Majumder表示，"完成微結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化后，制造過程需要極其嚴格的工藝控制和環(huán)境穩(wěn)定性。" 改變天文學(xué)及其他領(lǐng)域 大型、平面、保真色彩透鏡可能引發(fā)多行業(yè)變革，但其最直接應(yīng)用將出現(xiàn)在天文學(xué)領(lǐng)域。研究人員已通過太陽和月球的測試圖像驗證了該透鏡的性能。 "我們的成果為制造超大孔徑輕型平面透鏡鋪平了道路，未來可應(yīng)用于空基和天基望遠鏡的全彩成像捕獲，"Majum德指出。這項技術(shù)突破預(yù)示著光學(xué)設(shè)備即將迎來輕量化革命，為深空探索和天文觀測開啟新的可能。 相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0242208 |
