清華大學(xué)與北京科技大學(xué)聯(lián)合研發(fā)新型消色差微透鏡，攻克微型光學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)難題

    在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、微型顯微成像及生物內(nèi)窺鏡等領(lǐng)域，光學(xué)系統(tǒng)的色差問題長(zhǎng)期制約成像質(zhì)量，表現(xiàn)為圖像邊緣色偏、細(xì)節(jié)模糊，成為微型光學(xué)設(shè)備向高性能、緊湊型發(fā)展的核心瓶頸。近日，清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫競(jìng)博團(tuán)隊(duì)與北京科技大學(xué)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心白洋團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，成功研發(fā)一種基于低色散材料的高效寬帶消色差微透鏡。相關(guān)研究成果以發(fā)表于中國工程院院刊，為微型光學(xué)技術(shù)突破提供重要技術(shù)支撐。

    色差問題的技術(shù)瓶頸與傳統(tǒng)解決方案局限
    色差是光學(xué)成像中的固有問題，其本質(zhì)是不同波長(zhǎng)的可見光（如410~680nm波段的紫、藍(lán)、綠、紅等光）通過透鏡時(shí)，因折射率差異導(dǎo)致折射路徑不同，最終在成像面無法匯聚于同一點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)圖像失真。在微型光學(xué)設(shè)備中，該問題尤為突出——受限于設(shè)備體積，傳統(tǒng)色差校正方案難以適用，主要體現(xiàn)在兩方面：
    1.傳統(tǒng)多透鏡組合方案：需通過多片不同材質(zhì)、曲率的透鏡疊加實(shí)現(xiàn)色差補(bǔ)償，雖能一定程度校正色差，但顯著增加光學(xué)系統(tǒng)的體積、重量與復(fù)雜度，與微型設(shè)備“緊湊集成”的核心需求存在根本矛盾，無法應(yīng)用于VR/AR頭顯、微型顯微鏡等場(chǎng)景。
    2.超透鏡技術(shù)方案：基于納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控光傳播的超透鏡技術(shù)，雖具備微型化潛力，但存在兩大關(guān)鍵短板：一是制造工藝復(fù)雜，需依賴高精度納米刻蝕技術(shù)，成本高且量產(chǎn)難度大；二是聚焦效率偏低，多數(shù)超透鏡在可見光波段的聚焦效率不足50%，難以滿足實(shí)際成像的亮度與清晰度需求。

    新型消色差微透鏡的核心技術(shù)突破
    聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)以“低色散材料應(yīng)用+精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”為核心思路，突破傳統(tǒng)技術(shù)局限，構(gòu)建兼具高效消色、高聚焦效率與微型化特性的微透鏡方案，具體技術(shù)路徑如下：
    1.核心材料選型：低色散熔融石英的應(yīng)用
    團(tuán)隊(duì)摒棄傳統(tǒng)光學(xué)玻璃，選用熔融石英作為微透鏡基材。該材料具有優(yōu)異的低色散特性——在410~680nm可見光波段，其色散曲線平緩，不同波長(zhǎng)光的折射率差異極小，從源頭降低色差產(chǎn)生的可能性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，熔融石英在該波段的透射率高，且物理化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，為微透鏡的長(zhǎng)期使用與性能穩(wěn)定提供保障。
    2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：弧面輪廓與厚度梯度的精準(zhǔn)調(diào)控
    基于熔融石英的材料特性，團(tuán)隊(duì)通過理論建模與仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)微透鏡的弧面輪廓與厚度分布梯度：
    弧面曲率經(jīng)多輪迭代計(jì)算，確保不同波長(zhǎng)光通過透鏡時(shí)的折射路徑精準(zhǔn)匹配，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)對(duì)齊；
    透鏡徑向不同區(qū)域的厚度梯度被精細(xì)調(diào)控，進(jìn)一步抵消材料殘留的微小色散效應(yīng)，提升消色精度。
    為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)物落地，團(tuán)隊(duì)采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)進(jìn)行微透鏡制備。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的表面輪廓加工，確保設(shè)計(jì)參數(shù)在實(shí)物制備中精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)。最終制成的微透鏡樣品中，最小直徑僅21.3μm（約為人類頭發(fā)絲直徑的1/4），中心厚度1.27μm，數(shù)值孔徑（NA）達(dá)0.109，完全滿足微型光學(xué)設(shè)備的集成需求。

    新型微透鏡的性能驗(yàn)證與技術(shù)優(yōu)勢(shì)
    通過理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，團(tuán)隊(duì)從多維度驗(yàn)證了新型消色差微透鏡的性能，其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面：
    1.寬帶高效消色：在410~680nm全可見光波段，微透鏡的色差校正效果顯著，不同波長(zhǎng)光的聚焦偏差遠(yuǎn)低于瑞利判據(jù)（光學(xué)成像清晰度的核心評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)），實(shí)現(xiàn)全波段無明顯色偏成像。
    2.高聚焦效率：實(shí)測(cè)平均聚焦效率達(dá)65%，顯著優(yōu)于同類超透鏡技術(shù)的平均水平，減少光能量損耗，提升成像亮度。
    3.偏振不敏感：對(duì)不同偏振方向的入射光均具備穩(wěn)定成像性能，無需額外偏振調(diào)控組件，簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其適用于VR/AR等需接收復(fù)雜環(huán)境光的場(chǎng)景。
    4.近衍射極限成像：通過對(duì)1951年美國空軍（USAF）分辨率測(cè)試板的成像測(cè)試，該微透鏡可清晰分辨第5組細(xì)微線條；對(duì)染色洋蔥細(xì)胞、鳥羽絨毛、草履蟲等生物樣本的觀測(cè)中，圖像無明顯色差，細(xì)節(jié)分辨率接近衍射極限（光學(xué)成像的理論最高分辨率閾值）。
    對(duì)比已報(bào)道的可見光波段消色差超薄透鏡技術(shù)，該微透鏡在“工作帶寬聚焦效率偏振敏感性”的綜合性能上表現(xiàn)突出。從團(tuán)隊(duì)繪制的性能對(duì)比圖可見，其工作帶寬覆蓋完整可見光區(qū)，平均聚焦效率高于多數(shù)偏振敏感型透鏡，且具備偏振不敏感優(yōu)勢(shì)，綜合技術(shù)指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平。

    技術(shù)應(yīng)用前景與行業(yè)價(jià)值
    該新型消色差微透鏡技術(shù)憑借“微型化、高效率、易制備”的核心優(yōu)勢(shì)，在多領(lǐng)域具備明確應(yīng)用潛力，將推動(dòng)微型光學(xué)設(shè)備的性能升級(jí)與場(chǎng)景拓展：
    VR/AR設(shè)備：微型化特性助力頭顯設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)，無偏振依賴性與高效消色能力可降低用戶視覺疲勞，提升虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感還原度；
    超緊湊顯微鏡：可集成于便攜式、手持式顯微設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“手機(jī)級(jí)”微型顯微鏡的高清晰成像，適用于野外檢測(cè)、基層醫(yī)療診斷等場(chǎng)景；
    生物內(nèi)窺鏡：纖細(xì)的透鏡結(jié)構(gòu)可減少內(nèi)窺鏡探頭直徑，降低患者檢查時(shí)的不適感，高清晰度成像助力醫(yī)生精準(zhǔn)識(shí)別病灶；
    半導(dǎo)體與可穿戴設(shè)備：在半導(dǎo)體芯片光刻檢測(cè)、智能手表微型攝像頭等領(lǐng)域，其高效成像性能可提升設(shè)備精度，同時(shí)滿足集成化設(shè)計(jì)需求。
    此外，該技術(shù)的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)化，制造成本低于超透鏡技術(shù)，為規(guī)模化量產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

    清華大學(xué)與北京科技大學(xué)的聯(lián)合研究，通過“材料創(chuàng)新—結(jié)構(gòu)優(yōu)化—工藝落地”的協(xié)同攻關(guān)，為消色差微透鏡技術(shù)提供了兼具性能優(yōu)勢(shì)與實(shí)用價(jià)值的解決方案，突破了傳統(tǒng)技術(shù)在微型化、高效率與低成本間的平衡難題。該成果不僅豐富了微型光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)體系，更為VR/AR、生物醫(yī)療、半導(dǎo)體等行業(yè)的設(shè)備升級(jí)提供關(guān)鍵支撐。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化（如數(shù)值孔徑提升、制造成本降低），其應(yīng)用場(chǎng)景將進(jìn)一步拓展，為全球微型光學(xué)技術(shù)發(fā)展注入“中國方案”。