在美國宇航局和美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助的一項新研究中，科學(xué)家們開發(fā)了一種薄得不可思議的望遠(yuǎn)鏡鏡頭，解決了一個關(guān)鍵的天文學(xué)挑戰(zhàn)。

科學(xué)家們說，一種新型的扁平、極薄的望遠(yuǎn)鏡鏡頭可以將輕型但功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡安裝在飛機(jī)和衛(wèi)星上，從而改變深空觀星的方式。

折射望遠(yuǎn)鏡通常使用彎曲透鏡通過折射過程來放大遠(yuǎn)處的物體。與放大鏡類似，望遠(yuǎn)鏡的彎曲透鏡使光線彎曲并將其引導(dǎo)到一個焦點上，使物體看起來更大。

然而，對于研究數(shù)百萬光年外的恒星或星系的太空望遠(yuǎn)鏡來說，傳統(tǒng)的透鏡很快就變得不切實際了。這是因為物體離得越遠(yuǎn)，就需要越大的放大倍率來聚焦，因此鏡片就需要越厚越重。

這就是為什么科學(xué)家們探索平面透鏡，理論上它應(yīng)該更輕，體積更小。然而，它們的挑戰(zhàn)在于，光與它們的相互作用不同于與曲面透鏡的相互作用。

可見光是一種電磁輻射，它以不同波長和頻率的波或粒子的形式傳播。當(dāng)光線穿過平面透鏡時，它會發(fā)生衍射，將波長向多個方向散射，從而產(chǎn)生模糊、未聚焦的圖像。

但科學(xué)家們開發(fā)的一種新型“多層衍射透鏡”（MDL）具有由“微小同心環(huán)”組成的多層結(jié)構(gòu)。它們有效地將不同波長的光引導(dǎo)到同一個焦點上，從而產(chǎn)生清晰、色彩準(zhǔn)確的圖像。

新鏡頭直徑100毫米（3.9英寸），焦距200毫米（7.8英寸），厚度只有2.4微米。這種鏡片針對可見光的400至800納米波長范圍進(jìn)行了優(yōu)化，比傳統(tǒng)的曲面鏡片輕得多，并且消除了顏色失真。

科學(xué)家們在《應(yīng)用物理快報》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。該研究由美國國防高級研究計劃局（DARPA）、美國國家航空航天局（NASA）和海軍研究辦公室資助。

該研究的主要作者、猶他大學(xué)電子和計算機(jī)工程助理教授Apratim Majumder在一份聲明中說：“我們的演示是制造大口徑輕型平面透鏡的墊腳石，這種透鏡能夠捕捉全彩色圖像，用于空中和太空望遠(yuǎn)鏡。”

走在曲線前面

科學(xué)家們過去設(shè)計過平面透鏡，最著名的是菲涅耳波帶板（FZP），它的特點是在表面蝕刻出同心脊。然而，F(xiàn)ZPs的脊?fàn)钗飳⒐夥纸獬刹煌牟ㄩL，并以不同的角度衍射它們，導(dǎo)致顏色失真。

MDL的獨特之處在于它的同心圓存在于透鏡本身的不同深度。當(dāng)光線通過時，這些微小的凹痕會調(diào)整不同波長的衍射方式，防止它們像正常情況下那樣散開。這種受控制的衍射使所有波長的光同時聚焦，從而產(chǎn)生更清晰、色彩準(zhǔn)確的圖像。

研究人員說，除了避免FZPs的顏色扭曲外，新的平面透鏡還提供了與傳統(tǒng)曲面透鏡相同的光彎曲能力。在這項研究中，他們使用MDL捕捉太陽和月亮的圖像。他們拍攝的月球圖像揭示了關(guān)鍵的地質(zhì)特征，同時他們還將其用于太陽成像，以捕捉可見的太陽黑子。

Majumder在聲明中說：“在從可見光到近紅外的非常大的帶寬上模擬這些透鏡的性能，需要解決涉及非常大數(shù)據(jù)集的復(fù)雜計算問題。”“一旦我們優(yōu)化了透鏡微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，制造過程就需要非常嚴(yán)格的過程控制和環(huán)境穩(wěn)定性。”

研究人員表示，這項技術(shù)可以應(yīng)用于天文學(xué)、天體攝影和其他“遠(yuǎn)程成像任務(wù)”，包括“機(jī)載和天基成像應(yīng)用”。更重要的是，生產(chǎn)可能不會太遙遠(yuǎn)。

猶他大學(xué)電氣與計算機(jī)工程教授、研究合著者Rajesh Menon在聲明中表示：“我們的計算技術(shù)表明，我們可以設(shè)計具有大孔徑的多級衍射平面透鏡，可以聚焦可見光譜范圍內(nèi)的光，我們在猶他州納米晶圓廠擁有實際制造它們的資源。”

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