一种超薄、超强平面透镜可使太空望远镜大幅轻量化

　　犹他大学的一支科学家团队设计出一种平面透镜，其性能媲美传统曲面透镜，同时消除了色彩失真。

　　这种通过微观环形结构操控光线的突破性技术，可使太空望远镜和天文摄影设备大幅轻量化并更实用。

　　重新构想传统透镜

　　数百年来，透镜依赖曲面玻璃或塑料来折射光线并聚焦成像。然而，透镜性能越强，体积和重量就越大。科学家长期寻求在不牺牲性能的前提下制造轻量化透镜的方法。虽然现有一些更薄的替代方案，但它们往往存在局限性且制造困难、成本高昂。

　　新型平面透镜

　　由犹他大学工程学教授Rajesh Menon领导的研究团队开发出了一种前景广阔的新方案：一种大孔径平面透镜，其聚焦效果与传统曲面透镜相当，同时能保持精准色彩。这项突破可能彻底改变天文摄影和望远镜设计，尤其对飞行器、卫星和太空望远镜等对尺寸重量敏感的应用场景意义重大。

　　他们的最新研究发表在《应用物理学快报》封面，由Menon实验室成员、电气与计算机工程系研究助理教授Apratim Majumder主导。合作者包括Menon实验室成员Alexander Ingold和Monjurul Meem，物理与天文学系的Tanner Obray和Paul Ricketts，以及Oblate Optics公司的Nicole Brimhall。

　　研究人员通过拍摄太阳和月球的测试图像展示了其平面透镜的性能。

　　突破体积限制

　　使用过放大镜的人都知道，透镜通过折射光线使物体显大。透镜越厚越重，折射光线能力越强，放大倍率越高。对日常相机和后院望远镜而言，镜片厚度尚不构成大问题。但当望远镜需要聚焦数百万光年外星系的光线时，笨重的透镜就变得不切实际。这正是天文台和太空望远镜改用大型曲面镜的原因——通过反射实现同等光线弯曲效果，且能做得比透镜更轻薄。

　　平面透镜的局限

　　科学家也曾尝试通过设计以不同方式操控光线的平面透镜来解决体积问题。现有的一种菲涅耳波带片(FZP)使用同心脊状结构而非厚重曲面来聚焦光线。虽然这种方法能制造轻便紧凑的透镜，但存在代价：无法呈现真实色彩。FZP的脊状结构将可见光不同波长以不同角度衍射，导致图像出现色差或色彩失真。

　　研究人员设计的平面透镜上的微观凹槽同心环经过优化，可同时将所有波长光线聚焦。

　　光线折射的革命性方案

　　Rajesh Menon及其团队研发的新型平面透镜在保持传统曲面透镜光线折射能力的同时，避免了FZP的色彩失真问题。"我们的计算技术表明，可以设计出大孔径多级衍射平面透镜，在整个可见光谱范围内聚焦光线，而犹他纳米实验室具备实际制造条件，"负责该校光学纳米技术实验室的Menon解释道。

　　高精度光学解决方案的工程实现

　　关键创新在于研究人员在基底上制造的微观同心环结构。与FZP仅针对单一波长优化的脊状结构不同，这种平面透镜的凹槽尺寸和间距使衍射光波长保持足够接近，从而生成全彩清晰图像。

　　"在从可见光到近红外的超宽波段模拟这种透镜性能，需要处理涉及庞大数据集的复杂计算问题，"Majumder表示，"完成微结构设计优化后，制造过程需要极其严格的工艺控制和环境稳定性。"

　　改变天文学及其他领域

　　大型、平面、保真色彩透镜可能引发多行业变革，但其最直接应用将出现在天文学领域。研究人员已通过太阳和月球的测试图像验证了该透镜的性能。

　　"我们的成果为制造超大孔径轻型平面透镜铺平了道路，未来可应用于空基和天基望远镜的全彩成像捕获，"Majum德指出。这项技术突破预示着光学设备即将迎来轻量化革命，为深空探索和天文观测开启新的可能。