在美国宇航局和美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助的一项新研究中，科学家们开发了一种薄得不可思议的望远镜镜头，解决了一个关键的天文学挑战。

科学家们说，一种新型的扁平、极薄的望远镜镜头可以将轻型但功能强大的望远镜安装在飞机和卫星上，从而改变深空观星的方式。

折射望远镜通常使用弯曲透镜通过折射过程来放大远处的物体。与放大镜类似，望远镜的弯曲透镜使光线弯曲并将其引导到一个焦点上，使物体看起来更大。

然而，对于研究数百万光年外的恒星或星系的太空望远镜来说，传统的透镜很快就变得不切实际了。这是因为物体离得越远，就需要越大的放大倍率来聚焦，因此镜片就需要越厚越重。

这就是为什么科学家们探索平面透镜，理论上它应该更轻，体积更小。然而，它们的挑战在于，光与它们的相互作用不同于与曲面透镜的相互作用。

可见光是一种电磁辐射，它以不同波长和频率的波或粒子的形式传播。当光线穿过平面透镜时，它会发生衍射，将波长向多个方向散射，从而产生模糊、未聚焦的图像。

但科学家们开发的一种新型“多层衍射透镜”（MDL）具有由“微小同心环”组成的多层结构。它们有效地将不同波长的光引导到同一个焦点上，从而产生清晰、色彩准确的图像。

新镜头直径100毫米（3.9英寸），焦距200毫米（7.8英寸），厚度只有2.4微米。这种镜片针对可见光的400至800纳米波长范围进行了优化，比传统的曲面镜片轻得多，并且消除了颜色失真。

科学家们在《应用物理快报》上发表了他们的研究结果。该研究由美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家航空航天局（NASA）和海军研究办公室资助。

该研究的主要作者、犹他大学电子和计算机工程助理教授Apratim Majumder在一份声明中说：“我们的演示是制造大口径轻型平面透镜的垫脚石，这种透镜能够捕捉全彩色图像，用于空中和太空望远镜。”

走在曲线前面

科学家们过去设计过平面透镜，最著名的是菲涅耳波带板（FZP），它的特点是在表面蚀刻出同心脊。然而，FZPs的脊状物将光分解成不同的波长，并以不同的角度衍射它们，导致颜色失真。

MDL的独特之处在于它的同心圆存在于透镜本身的不同深度。当光线通过时，这些微小的凹痕会调整不同波长的衍射方式，防止它们像正常情况下那样散开。这种受控制的衍射使所有波长的光同时聚焦，从而产生更清晰、色彩准确的图像。

研究人员说，除了避免FZPs的颜色扭曲外，新的平面透镜还提供了与传统曲面透镜相同的光弯曲能力。在这项研究中，他们使用MDL捕捉太阳和月亮的图像。他们拍摄的月球图像揭示了关键的地质特征，同时他们还将其用于太阳成像，以捕捉可见的太阳黑子。

Majumder在声明中说：“在从可见光到近红外的非常大的带宽上模拟这些透镜的性能，需要解决涉及非常大数据集的复杂计算问题。”“一旦我们优化了透镜微观结构的设计，制造过程就需要非常严格的过程控制和环境稳定性。”

研究人员表示，这项技术可以应用于天文学、天体摄影和其他“远程成像任务”，包括“机载和天基成像应用”。更重要的是，生产可能不会太遥远。

犹他大学电气与计算机工程教授、研究合著者Rajesh Menon在声明中表示：“我们的计算技术表明，我们可以设计具有大孔径的多级衍射平面透镜，可以聚焦可见光谱范围内的光，我们在犹他州纳米晶圆厂拥有实际制造它们的资源。”

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