透鏡是一種常見的光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)儀器和系統(tǒng)中。由于透鏡材料一般都具有色散，單片的透鏡都通常存在色差問題。也就是不同波長的光照射到透鏡上會聚焦在光軸上不同的位置，導(dǎo)致在單個像面上最終形成的焦斑呈現(xiàn)色彩分離的現(xiàn)象， 這會嚴(yán)重影響如白光照明下的成像質(zhì)量�，F(xiàn)有解決色差的方法是通過多片鏡頭組合，但是導(dǎo)致了成像系統(tǒng)復(fù)雜龐大。

近年來，具有超薄特性的超構(gòu)透鏡研究興起，其高度靈活的設(shè)計與調(diào)控手段為單片消色差透鏡開拓了思路。不過，雖然消色差超構(gòu)透鏡的研究取得一系列進展，但是相關(guān)研究表明透鏡的尺寸、厚度、數(shù)值孔徑、消色差帶寬、成像效率等參數(shù)存在一定制約關(guān)系。由于微米級超薄厚度限制了透鏡色散補償?shù)南辔环秶�，因此可見光波段的消色差超�?gòu)透鏡的口徑很難突破毫米量級。另一類具有超薄特性的平面透鏡是衍射透鏡，它通常也是具有巨大的衍射色差。人們通過優(yōu)化它不同衍射環(huán)的高度，也是進行一定的色差補償。但在更大厚度下，同樣面臨著大深寬比結(jié)構(gòu)難以加工的問題，因此高效的大尺寸消色差衍射透鏡也難以實現(xiàn)。如何提出新的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是當(dāng)前高性能平面透鏡開發(fā)面臨的瓶頸性問題。

近日，南京大學(xué)李濤教授、祝世寧院士研究組針對平面透鏡寬帶消色差成像的綜合性能的表征引入一個新的參量—頻譜相干度（如圖1左側(cè)所示），可有效地評估與優(yōu)化寬波段下消色差平面透鏡可設(shè)計的口徑的理論上限。在此方法指導(dǎo)下，他們聯(lián)合南方科技大學(xué)李貴新教授研究組成功設(shè)計并研制出口徑達1厘米，且具有較高效率的消色差平面透鏡，工作波長覆蓋400-1100 nm。

圖1.焦點處的頻譜相干度分析示意圖。

首先，研究人員考慮到影響透鏡消色差成像性能的多重因素，包括成像效率、分辨率（與數(shù)值孔徑相關(guān)）、成像視場（透鏡口徑相關(guān)）、消色差范圍等，提出了一個頻譜相干度的物理量，可以全面的反映一個消色差透鏡的綜合性能。理論分析表明，在維持一定的頻譜相干度下，用15微米厚度的消色差平面透鏡可以達到的1厘米左右的口徑（如圖1右側(cè)所示）。與此同時，研究人員基于多階衍射透鏡的體系提出了一套完整的優(yōu)化設(shè)計框架，能夠有效降低衍射單元結(jié)構(gòu)的深寬比，成功設(shè)計出直徑1.024厘米的消色差多階衍射透鏡。接著，研究團隊基于灰度曝光的光刻工藝，成功研制出該厘米口徑的消色差多階衍射透鏡（AMDL），如圖2所示。

圖2.大面積消色差平面透鏡的設(shè)計和加工。(a) 設(shè)計流程。(b) 透鏡設(shè)計高度分布。(c) 平面透鏡實物圖。