超薄透鏡革命：天文望遠鏡的新時代

猶他大學的科學家團隊最近研發出一款超薄透鏡，不僅能媲美傳統曲面透鏡的效能，還能消除色差問題。這項突破性技術利用微小的環狀結構來操控光線，有望讓太空望遠鏡和天文攝影裝置變得更輕便、更實用。

數百年來，透鏡一直依賴曲面玻璃或塑膠來折射光線並聚焦影像。然而，透鏡的效能越強，其體積和重量就越大。科學家長期以來一直在尋找一種既能保持效能，又能減輕重量的透鏡設計。雖然市面上已有一些較薄的替代方案，但它們往往存在侷限性，且製造過程複雜且成本高昂。

由猶他大學工程學教授Rajesh Menon領導的研究團隊，開發出一種極具潛力的新方案：一款大口徑的平面透鏡，能夠像傳統曲面透鏡一樣有效地聚焦光線，同時保持色彩的精準度。這項突破將徹底改變天文攝影和望遠鏡設計，尤其是在需要最小化體積和重量的應用場景中，例如飛機、衛星和太空望遠鏡。

這項最新研究發表在《應用物理快報》（Applied Physics Letters）期刊的封面，由Menon實驗室的成員Apratim Majumder主導。研究團隊還包括Alexander Ingold、Monjurul Meem、Tanner Obray、Paul Ricketts以及Oblate Optics的Nicole Brimhall。

如果你曾使用過放大鏡，就會知道透鏡透過折射光線來放大物體。透鏡越厚越重，折射光線的能力就越強，放大效果也越明顯。對於日常相機和家用望遠鏡來說，透鏡的厚度並不是大問題。但當望遠鏡需要聚焦來自數百萬光年外的星系光線時，厚重的透鏡就變得非常不切實際。這就是為什麼天文臺和太空望遠鏡通常依賴大而薄的曲面鏡來實現相同的折射效果。

科學家也曾嘗試透過設計平面透鏡來解決厚重問題，這些透鏡以不同的方式操控光線。其中一種現有的設計稱為菲涅爾波帶片（FZP），它利用同心環狀結構來聚焦光線，而不是依賴厚重的曲面。雖然這種方法確實能製造出輕巧的透鏡，但它有一個缺點：無法呈現真實色彩。FZP的環狀結構會以不同角度衍射可見光的波長，導致影像出現色差。

Rajesh Menon及其團隊的新款平面透鏡則克服了這一問題，既能像傳統曲面透鏡一樣折射光線，又能避免FZP的色差問題。Menon表示：「我們的計算技術表明，我們可以設計出大口徑的多層衍射平面透鏡，能夠聚焦整個可見光譜範圍的光線，而猶他奈米製造中心也具備製造這些透鏡的資源。」

這項技術的關鍵創新在於研究人員能夠在基板上刻畫出微小的同心環狀結構。與FZP的環狀結構不同，新款平面透鏡的凹槽尺寸和間距使衍射的光波長保持足夠接近，從而產生全綵且清晰的影像。

Majumder指出：「模擬這些透鏡在從可見光到近紅外光的大頻寬範圍內的效能，涉及解決非常複雜的計算問題。一旦我們最佳化了透鏡微結構的設計，製造過程就需要非常嚴格的工藝控制和環境穩定性。」

這款大口徑、色彩精準的平面透鏡在各行各業都具有巨大的應用潛力，但其最直接的應用領域是天文學。研究團隊透過拍攝太陽和月亮的測試影像，展示了這款透鏡的強大功能。Majumder表示：「我們的演示是朝著製造大口徑輕量化平面透鏡邁出的重要一步，這些透鏡將能夠捕捉全綵影像，用於空基和太空望遠鏡。」

這項研究得到了美國國防高階研究計劃局（DARPA）、海軍研究辦公室（ONR）和美國國家航空暨太空總署（NASA）的支援。研究內容僅代表作者的觀點，並不必然反映這些資助機構的官方立場。