透鏡是一種常見的光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)儀器和系統(tǒng)中。由于透鏡材料一般都具有色散，單片的透鏡都通常存在色差問題。也就是不同波長(zhǎng)的光照射到透鏡上會(huì)聚焦在光軸上不同的位置，導(dǎo)致在單個(gè)像面上最終形成的焦斑呈現(xiàn)色彩分離的現(xiàn)象， 這會(huì)嚴(yán)重影響如白光照明下的成像質(zhì)量。現(xiàn)有解決色差的方法是通過多片鏡頭組合，但是導(dǎo)致了成像系統(tǒng)復(fù)雜龐大。

近年來，具有超薄特性的超構(gòu)透鏡研究興起，其高度靈活的設(shè)計(jì)與調(diào)控手段為單片消色差透鏡開拓了思路。不過，雖然消色差超構(gòu)透鏡的研究取得一系列進(jìn)展，但是相關(guān)研究表明透鏡的尺寸、厚度、數(shù)值孔徑、消色差帶寬、成像效率等參數(shù)存在一定制約關(guān)系。由于微米級(jí)超薄厚度限制了透鏡色散補(bǔ)償?shù)南辔环秶�，因此可見光波段的消色差超�?gòu)透鏡的口徑很難突破毫米量級(jí)。另一類具有超薄特性的平面透鏡是衍射透鏡，它通常也是具有巨大的衍射色差。人們通過優(yōu)化它不同衍射環(huán)的高度，也是進(jìn)行一定的色差補(bǔ)償。但在更大厚度下，同樣面臨著大深寬比結(jié)構(gòu)難以加工的問題，因此高效的大尺寸消色差衍射透鏡也難以實(shí)現(xiàn)。如何提出新的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是當(dāng)前高性能平面透鏡開發(fā)面臨的瓶頸性問題。

近日，南京大學(xué)李濤教授、祝世寧院士研究組針對(duì)平面透鏡寬帶消色差成像的綜合性能的表征引入一個(gè)新的參量—頻譜相干度（如圖1左側(cè)所示），可有效地評(píng)估與優(yōu)化寬波段下消色差平面透鏡可設(shè)計(jì)的口徑的理論上限。在此方法指導(dǎo)下，他們聯(lián)合南方科技大學(xué)李貴新教授研究組成功設(shè)計(jì)并研制出口徑達(dá)1厘米，且具有較高效率的消色差平面透鏡，工作波長(zhǎng)覆蓋400-1100 nm。

圖1.焦點(diǎn)處的頻譜相干度分析示意圖。

首先，研究人員考慮到影響透鏡消色差成像性能的多重因素，包括成像效率、分辨率（與數(shù)值孔徑相關(guān)）、成像視場(chǎng)（透鏡口徑相關(guān)）、消色差范圍等，提出了一個(gè)頻譜相干度的物理量，可以全面的反映一個(gè)消色差透鏡的綜合性能。理論分析表明，在維持一定的頻譜相干度下，用15微米厚度的消色差平面透鏡可以達(dá)到的1厘米左右的口徑（如圖1右側(cè)所示）。與此同時(shí)，研究人員基于多階衍射透鏡的體系提出了一套完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，能夠有效降低衍射單元結(jié)構(gòu)的深寬比，成功設(shè)計(jì)出直徑1.024厘米的消色差多階衍射透鏡。接著，研究團(tuán)隊(duì)基于灰度曝光的光刻工藝，成功研制出該厘米口徑的消色差多階衍射透鏡（AMDL），如圖2所示。

圖2.大面積消色差平面透鏡的設(shè)計(jì)和加工。(a) 設(shè)計(jì)流程。(b) 透鏡設(shè)計(jì)高度分布。(c) 平面透鏡實(shí)物圖。