南大科研团队实现大面积消色差平面透镜

透镜是一种常见的光学元件，广泛应用于各类光学仪器和系统中。由于透镜材料一般都具有色散，单片的透镜都通常存在色差问题。也就是不同波长的光照射到透镜上会聚焦在光轴上不同的位置，导致在单个像面上最终形成的焦斑呈现色彩分离的现象， 这会严重影响如白光照明下的成像质量。现有解决色差的方法是通过多片镜头组合，但是导致了成像系统复杂庞大。

近年来，具有超薄特性的超构透镜研究兴起，其高度灵活的设计与调控手段为单片消色差透镜开拓了思路。不过，虽然消色差超构透镜的研究取得一系列进展，但是相关研究表明透镜的尺寸、厚度、数值孔径、消色差带宽、成像效率等参数存在一定制约关系。由于微米级超薄厚度限制了透镜色散补偿的相位范围，因此可见光波段的消色差超构透镜的口径很难突破毫米量级。另一类具有超薄特性的平面透镜是衍射透镜，它通常也是具有巨大的衍射色差。人们通过优化它不同衍射环的高度，也是进行一定的色差补偿。但在更大厚度下，同样面临着大深宽比结构难以加工的问题，因此高效的大尺寸消色差衍射透镜也难以实现。如何提出新的设计原理和结构优化方案是当前高性能平面透镜开发面临的瓶颈性问题。

近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士研究组针对平面透镜宽带消色差成像的综合性能的表征引入一个新的参量—频谱相干度（如图1左侧所示），可有效地评估与优化宽波段下消色差平面透镜可设计的口径的理论上限。在此方法指导下，他们联合南方科技大学李贵新教授研究组成功设计并研制出口径达1厘米，且具有较高效率的消色差平面透镜，工作波长覆盖400-1100 nm。

图1.焦点处的频谱相干度分析示意图。

首先，研究人员考虑到影响透镜消色差成像性能的多重因素，包括成像效率、分辨率（与数值孔径相关）、成像视场（透镜口径相关）、消色差范围等，提出了一个频谱相干度的物理量，可以全面的反映一个消色差透镜的综合性能。理论分析表明，在维持一定的频谱相干度下，用15微米厚度的消色差平面透镜可以达到的1厘米左右的口径（如图1右侧所示）。与此同时，研究人员基于多阶衍射透镜的体系提出了一套完整的优化设计框架，能够有效降低衍射单元结构的深宽比，成功设计出直径1.024厘米的消色差多阶衍射透镜。接着，研究团队基于灰度曝光的光刻工艺，成功研制出该厘米口径的消色差多阶衍射透镜（AMDL），如图2所示。

图2.大面积消色差平面透镜的设计和加工。(a) 设计流程。(b) 透镜设计高度分布。(c) 平面透镜实物图。