伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用3D打印和多孔硅开发了紧凑的可见光波长消色差镜，这对于小型化和轻量化光学器件至关重要。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，这些微透镜可以构建成阵列，以形成更大面积的图像，用于消色差光场成像仪和显示器。
这项研究由材料科学与工程教授Paul Braun和David Cahill，电气和计算机工程教授Lynford Goddard和前研究生Corey Richards领导。这项研究的结果发布在《自然通讯》上。
Braun说：“我们开发了一种方法，通过非传统的制造方法，可以创建具有经典化合物光学功能但高度小型化薄的结构。
在许多成像应用中，存在多种波长的光，例如白光。如果使用单个透镜聚焦这种光，则不同波长的聚焦在不同的点上，从而导致图像颜色模糊。为了解决这个问题，将多个透镜堆叠在一起形成消色差透镜。“在白光成像中，如果你使用单个镜头，你就会有相当大的色散，因此每种成分颜色都聚焦在不同的位置。然而，使用消色差透镜时，所有颜色都聚焦在同一点上，“Braun 说。
然而，挑战在于，制造消色差透镜所需的透镜元件堆叠相对较厚，这使得经典消色差透镜不适合更新的、缩小的技术平台，如超紧凑的可见光波长相机、便携式显微镜甚至可穿戴设备。
为了形成更薄的透镜，该团队将折射透镜与平面衍射透镜相结合。Braun解释说，底部透镜是衍射透镜，例如，将红光聚焦得更近，而顶部透镜是折射透镜，可以进一步聚焦红色。它们相互抵消并聚焦到同一位置。
为了创建紧凑的混合消色差成像系统，研究人员开发了一种制造工艺，称为通过光束曝光的次表面可控折射率，其中聚合物结构在多孔硅主体介质中3D打印，该介质机械地支撑光学元件。在这个过程中，液态聚合物被填充到多孔硅中，并使用超快激光将液态聚合物转化为固体聚合物。通过这种方法，他们能够在不需要外部支撑的情况下集成透镜的衍射和折射元件，同时还最大限度地减少了体积，提高了制造的便利性，并提供了高效的消色差聚焦。
Richards解释道：“如果你在空气中打印镜头，并且你想把两个镜头堆叠在一起，你需要打印第一个镜头，然后在它周围建立一个支撑结构。“然后，您需要在该支撑结构内打印第二个镜头。但是在多孔硅中，您可以将两个透镜相互悬挂。从这个意义上说，集成更加无缝。
使用这种方法，可以从混合消色差微透镜阵列中重建更大面积的图像。该阵列可以捕获光场信息，这对于传统的聚合物微透镜来说是一个重大挑战，因为传统的聚合物微透镜通常不是消色差的，这将为光场相机和光场显示器等应用铺平道路。
