大尺寸宽光谱消色差平面透镜

1. 痛点问题

在光学成像领域，获得宽光谱消色差成像是光学成像的重要目标之一。在传统的成像系统中，通常是利用多种不同材料组成的复合透镜来消除材料色散产生的折射色差，以此实现整个光谱内的清晰成像，或是将多个折射透镜组成透镜组，实现对色差的抑制。

采用多种不同材料组成的消色差复合透镜，目前大致分为三类：消色差透镜，复消色差透镜，超消色差透镜；其中消色差透镜采用至少两种材料，能够消除两个波长处(红光和蓝光)的色差；复消色差透镜采用至少三种材料，消除三个波长处的色差；超消色差透镜采用至少四种材料，消除四个波长处的色差。由于这类透镜的消色差性能需要通过增加材料种类来提升，相比于普通透镜，其体积更大，且加工精度要求高，制作昂贵。

利用不同材料和不同曲率的折射透镜色散规律不同，通过将多个折射透镜组合成一个透镜组也能实现消色差。这种方案成倍地增加了整个系统的体积和成本，同时透镜之间的对准也是一个精度要求非常高的过程，增加了制造的难度，极大地限制了消色差成像装置的推广和应用。

2.解决方案
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)。

3.竞争优势分析
(1)以焦点强度作为消色差优化目标，计算复杂度低、耗时短;
(2)通过结合全局优化算法与局部优化算法，相比仅采用全局优化算法优化速度更快，提升了透镜性能，实现了宽光谱范围内的高质量消色差成像为一个平面透镜，极大地降低了消色差成像系统的体积和成本;(3)实现了大尺寸宽光谱消色差平面透镜设计，将传统的消色差系统压纩(4)对结构高度分布进行平滑处理，大大降低了加工难度，使得具有较7厚度的多阶衍射透镜加工变得可行

（左）焦点处的频谱相干度分析示意图

（右）研制成功的消色差平面透镜及其成像效果