消色差透镜的发明可以追溯到18世纪，现成为几乎所有现代光学设备如望远镜、照相机镜头或显微镜等的重要组成部分。该透镜背后的基本原理是通过消除色像差来提高图像质量：通过将两种色散不同的材料组合在一个透镜设计中，使不同波长的焦点重合，以减少光学图像中的这种缺陷。虽然这些具有校正色差的透镜现已被广泛用于宏观应用，但是它们在微观尺度上的制造仍然十分具有挑战。

 

　　从宏观角度来讲，复合透镜由具有不同光学特性的材料制成，通常用于校正望远镜或显微镜物镜等高质量光学系统中的色像差。如今，斯图加特大学（UniversityofStuttgart）的科学家们研究出了一种3D打印多材料混合透镜，用于校正微尺度应用中的色像差。

 

　　2PP技术应用于近乎理想的微纳光学元件制造

 

　　斯图加特大学UniversityofStuttgart的科学家们利用Nanoscribe的微纳加工技术实现了近乎完美的微透镜制造。利用双光子聚合技术（2PP）固有的极高设计自由度特点，研究人员3D打印的自由曲面的透镜不仅可以补偿球面透镜造成的缺陷，还可以补偿色差。科学家们首先打印了一个折射/衍射混合微透镜，将500纳米和700纳米两个可见波长的焦点合并在一起。为了进一步补偿色差，研究人员在混合透镜中加入了两种具有不同光学特性的材料，通过双光子聚合原理制作了世界上第一个复消色差折射/衍射微透镜。

 

 

　　无色像差校正的非球面透镜、消色差混合透镜和复消色差多材料混合透镜的3D打印透镜的显微图像和焦平面示意图。

 

　　图片来自于MichaelSchmid,UniversityofStuttgart

 

　　为了减少色像差，研究人员利用折射和衍射光学的不同色散行为制作了一个直径为400µm的折射/衍射混合透镜。折射透镜所表现出的正色散使得它们的焦距随着波长的增加而增加，而衍射光学则相反，聚焦波长较长的光束。探究人员利用激光直写等增材制造技术极高设计自由度的特点，实现了在一个透镜中结合折射和衍射元件设计。这种混合微透镜将红光和蓝光带到相同的焦距，与非球面折射透镜相比，测试对象的图像质量得到了显著提高。

 

　　使用Nanoscribe光刻胶进行3D复消色透镜打印

 

　　斯图加特大学（UniversityofStuttgart）的研究小组满怀雄心，寻求进一步改进消色透镜的方法，使之成为近乎完美的复消色差透镜。这意味着需要针对600nm的第三波长进行校正，并使其进入消色像差透镜的两个校正波长的焦平面。

 

　　由具有不同色散特性的镜片制成的传统宏观双透镜可以进行矫正并将不同的波长带到同一焦点。科学家们从该经典方法中获得灵感来制作复消色像差镜，他们使用2PP技术打印了一个由具有不同光学特性的材料组成的双透镜。Nanoscribe的功能性IP感光树脂IP-n162系列被证明是打印复消色差双透镜的一个极好的选择。该高折射率材料具有很强的色散特性，可用作透镜的负凹面部分。在透镜的第一个元件上，科学家们打印了一个凸透镜，该透镜具有折射/衍射混合透镜的集成衍射设计。

 

　　所有的设计使得微透镜能够完美地校正可见波长范围内的色像差，为新的高级微光学系统奠定了基础。

 

　　科研团队：UniversityofStuttgart–4thPhysicsInstitute

 

　　相关文献：

 

　　网址：https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-10-2485