有望徹底顛覆傳統光學！兩岸合作研發「超透鏡」，三月內實現量產

《科學》雜誌在 2016 年公布的十大重大科技突破中，除了 AlphaGo 戰勝人類圍棋高手外，還有一項被稱為超材料（Metamaterial）鏡頭的技術同樣引起了極大關注。

不同於當前利用玻璃材料做出像人眼一樣有球面、曲面的鏡頭，科學家們利用納米光學結構對光進行控制，讓進來的光投射到它該在的地方。而這項有望徹底顛覆傳統光學的技術就是——超透鏡（Metalens）。

圖丨登上《科學》的超透鏡

透鏡是光學儀器的關鍵零件，從眼鏡、相機、顯微鏡到望遠鏡等都使用了許多透鏡。傳統透鏡是以玻璃或其他透明材料製成，具有彎曲的表面以及固定的焦距，比如凸透鏡會聚光，並將物體放大；凹透鏡使光發散，併產生縮小的影像。生活中常使用的相機是由許多透鏡組合而成，才能解決色散或像差的問題，有好的成像品質，所以相機鏡頭的體積都偏大，單反鏡頭又比手機鏡頭更大。

但與傳統透鏡相比，超透鏡最大的優點就是體積非常微型化，小到人的肉眼都難看見，而且超透鏡所能實現的功能遠超傳統透鏡。一般來講，只需要一片超透鏡就可以取代相機中的透鏡組，若是想要打造可辨識焦距的鏡頭，搭配兩三片超透鏡使用也能達成。

因為超透鏡的厚度是在納米級，儘管用了許多片，但對使用者來說，可能都不會感覺到它的存在。所以拿超透鏡來做各式應用，例如手機、相機的鏡頭或是馬路上或公司里的監視器鏡頭都會變得很小，甚至是薄如一張紙，一旦鏡頭小了，這些產品的總體積自然可以變得輕量化。

圖丨略顯笨重的VR設備

目前的 VR 頭顯往往遭人詬病過重，使用體驗有待改進，因此 Google 就對超透鏡相當感興趣。此外，得益於關鍵元件的縮小，設計人員未來在設計產品時也能開發出更多有創意、新穎的造型。

另外，超透鏡除了可見光之外，還適用於傳統透鏡無法使用的光譜下，例如紅外光、紫外光等。在戰爭電影中，我們可能都看過一個畫面，當軍人進入黑暗的山區或民宅里，會戴上一個特殊的夜視儀，多是使用紅外線把目標轉化成為可見光，人眼才看得到。而超透鏡可以在紅外光下使用，因此軍事應用也是日後超透鏡可以發展的一個領域。

圖丨軍用夜視儀

過去，超透鏡的應用未能普及的主要原因就是色散。不過，台灣的「中央研究院」（簡稱「中研院」）、台灣大學以及大陸的南京大學三方攜手，開發出的「集成共振單元」進一步解決了超透鏡的色散問題。

藉助這項技術，不論是相機、智能手機上的鏡頭都可以大幅縮小，更可能讓如索尼、佳能的傳統鏡頭廠商業績大幅流失。

科技巨頭趨之若鶩

台灣上市公司「股王」大立光是蘋果最重要的鏡頭模組供應商，正當蘋果供應鏈為量產 iPhone 8 忙得不可開交的時候，大立光 CTO 黃有執卻忙裡偷閒，領著一位研發主管進入「中研」院探刺軍情。

「大立光來談有沒有合作機會，他們很關心可不可能量產、成本價格多少。三星、Google、微軟同樣非常關注，看看是不是可以用在手機、VR頭顯、HoloLens 上。」中研院應用科學中心主任蔡定平在接受 DT 君獨家採訪時透露。

圖丨台灣中央研究院應用科學中心主任蔡定平（右）與南京大學介電體超晶格實驗室專職研究人員王漱明（左）（圖片來源：詹子嫻）

為什麼這項技術能讓大立光如此緊張？甚至吸引全球科技巨頭們的目光？這要先從一篇在 8 月初發表於《自然通訊》（Nature Communications）的論文談起。蔡定平與台灣大學電機系管傑雄教授、南京大學介電體超晶格實驗室專職研究人員王漱明合作，利用自創的「集成共振單元」研發出寬頻、且能消除色差的超透鏡（Achromatic Metalens），並在美國和台灣取得專利。

如果「消色差超透鏡」聽起來令人摸不著頭緒，那就得先了解一下超材料（Metamaterial）、超表面（Metasurfaces）。

簡單來說，超材料是發展僅有十多年的新領域，是一種人造材料，利用金屬線圈、導線、開口環式諧振器（Split-Ring Resonator，SRR）等人為的方式創造對電場及磁場的反應，所以具有一般自然物質沒有的電磁特性。

正是因為超材料的性質不是由構成的材料決定，而是取決於人工結構，所以在人為設計、控制的情況下，就能以全新的方式對光進行折射和操控，進而創造多種不尋常的光學效果，例如負折射、相位全相片、超級透鏡等，甚至是科幻小說里的隱形斗篷。

圖丨隱形斗篷

隨著超材料發展及演進，科學家大約在 2011 年左右開始進一步研究超表面。超表面是一種極薄的超材料，由不同幾何形貌的納米金屬結構分佈所構成，運用納米科技精準的控制光，可以讓透鏡變成非常小的平面。再說得更簡單一點，超材料跟超表面都是基於納米科技而生，如果超材料是一塊鐵磚，那超表面就是一片鐵皮。

眾所周知，透鏡是光學應用的基礎，在日常生活中被廣泛應用，包括相機、眼鏡、顯微鏡等。而傳統透鏡對不同波長的光有不同的折射率，所以無法把各種色光聚焦在同一點上，於是就產生了「色差」，會模糊成像效果。

圖丨色差效果

為了解決受限於自然界中光學材料的折射率問題，可以把透鏡做成曲面等方式來控制光。最普通的方式是把兩種不同折射率的透鏡組合在一起，一片的色差由另一片來抵消，也就是「消色差」。但要達到理想效果，往往需要將二至四個透鏡進行疊加。當然，相機業者也會使用色彩校正軟體作為輔助，不過，光學裝置的體積普遍都相當大，比如單眼相機或是專業攝影用到的「大炮」鏡頭等。

不同於傳統透鏡，超表面具有在亞波長（Subwavelength）維度下調控電磁波的特性。例如振幅、相位與偏振性。所以對於發展光電元件微型化有極大的幫助。少了層層疊疊的透鏡，未來手機、相機就能大幅「瘦身」。

此外，還有一項很大的優勢，就是成像的效果比傳統透鏡更好、更清晰。已有學者成功利用超表面展示平面超透鏡（Flat Metalens），並引起了來自全球的科技巨頭們的極大關注。

其中最積極的莫過於 Google。據了解，Google 早在 2012 年就與哈佛大學團隊探討利用超表面來取代手機中光學控制元件的可能性。另外，Google 旗下最神秘的實驗室 Google X內部的Google Glass小組，也曾於2014年找上哈佛大學教授 Federico Capasso 的研究團隊，希望以先進的超材料技術來開發具有更高效率、更易於大量生產、體積更小的產品。

圖丨哈佛大學教授 Federico Capasso

Federico Capasso 團隊去年在《科學》上發表了相關技術，他們以二氧化鈦納米纖維（titanium dioxide nanofins）為材料開發的超透鏡，厚度只有 600 納米，是一般玻璃鏡頭的十萬分之一。這讓外界了解到，以超材料製成的透鏡將具有極大的商業潛力。

自創集成共振單元

儘管學術界及產業界都對超透鏡寄予厚望，期待取代傳統光學設備的那一天儘快到來。不過，在實際應用層面仍面臨了幾個問題，第一個挑戰就是如何在寬頻帶內消除色差，因為有色差就會影響成像品質。

台灣「中研院」應用科學中心主任蔡定平指出，先前對於連續波段消色差最好的研究成果僅有 140 納米（近紅外波段，相較於中心波長約 9.2% 頻寬）以及 60納米（可見光波段，相較於中心波長約 11% 頻寬）。

圖丨透過電腦計算最佳的排列位置，組成集成共振單位（灰色圖）（資料來源：蔡定平研發團隊提供）

由蔡定平領導的團隊自創「集成共振單位」，就是要解決上述問題。身為核心開發人員的王漱明解釋，整個開發流程可以分為四個階段：第一是設計超表面的共振單元，以及想要實現消色差效果，就需要將這些單元進行特殊排布，通過電腦精算設計出超表面結構；第二是樣品的加工製成；第三階段以實驗測試樣品的效果；最後才是進行結果分析。

最終，他們成功製作出寬頻且消色差的超透鏡（Achromatic Metalens）。這種超透鏡的消色差在近紅外波段達到了 480nm 的頻寬，相較於中心波長約 33.3% 頻寬，是目前為止最廣的工作頻寬。這項研發成果大幅解決了色差的問題，因此成了近期國際上納米光學領域最重要的成果之一，讓超透鏡距離商業化往前邁進了一大步。

圖丨左圖為色彩示意圖，右圖為讓所有波長都精準聚焦在同一個點上，成像才會清晰（資料來源：蔡定平研發團隊提供）

從多元中找到靈感

有意思的是，來自兩岸的研發團隊合作開發出的集成共振單位，其靈感來源也讓人出乎意料。

台灣「中研院」應用科學中心主任蔡定平表示：西醫的概念是頭痛醫頭、腳痛醫腳。不論張三李四來看病，癥狀相同吃得都是一樣的藥丸。但中醫則不同，望聞問切，人盡不同。雖然醫生開出的藥方是類似的草藥，但病人服用的劑量、帖數卻因人而異、甚至還因時而異。這樣的哲學給了我們一個啟示，研發超透鏡時一定要用多元的方法。

他進一步解釋，人的眼睛可以看到很多光，不同的光有不同波長，看不清楚就會模糊掉。過去的研究在設計透鏡時，每一個基本結構單元都很簡單，都只適用於固定波長。

但研究人員想的是，必須讓所有波長都精準聚焦在同一個點上，成像才會清晰。所以他們考慮的參數要複雜許多倍，但又不能一次放入過多的參數，必須經過精密控制及計算，讓參數彼此又可以起作用。A+B 之後，可以變成 ABCDE，這就是集成共振單位的原理。若用電子顯微鏡來看他們開發的透鏡，可以發現在邊緣、中心擺放的元件數量不同，方向及大小也有差異。

「平面超透鏡要做的是超越現有透鏡。」首先，是透鏡體積的超微縮化，一般手機鏡頭透鏡直徑大約是 0.8 厘米，而他們開發的超透鏡以電子顯微鏡來看，透鏡直徑只有 250 微米，而且厚度在 100 納米以內。未來在手機鏡頭、一般監視器鏡頭、行車記錄器、穿戴裝置上。不難想像，只要一片微小的超透鏡就可滿足所有需求。

圖丨超透鏡的特色就是微縮化，上圖的薄片大約包含 20 個超透鏡，得用電子顯微鏡才能看見（圖片來源：詹子嫻）

另外，新技術、新材料往往會因為成本過高而無法快速商業化，可是這點在超透鏡上似乎不成立！因為寬頻且消色差的超透鏡採用標準的半導體元件製程。

而且製造材料也跟集成電路晶元密切相關，現有的半導體製備工藝就足夠應對。這代表著超透鏡未來完全可以實現大規模量產，而且不像傳統透鏡，需要精細打磨、拋光，因此價格會比目前的鏡頭更便宜。

蔡定平說，有學者評估超透鏡大量生產後的價格大概只有傳統鏡頭的 1/4，雖然這還是跟產量有關係，「但一般鏡頭光是材料成本就高於超透鏡。而且畫質更清楚，體積更小、可應用的範圍也更廣。」目前鏡頭只能看到可見光，但其他波段如紅外線、紫外線就看不到，故平面超透鏡能全面超越現有透鏡的功能，這也就是為什麼傳統鏡頭公司會感到如坐針氈的原因。

對於超透鏡何時可以被量產？蔡定平坦言，超表面是相當前沿的領域，要商業化取決於掌握多少技術。以他們實驗室團隊的技術積累，如果要將超透鏡量產，大概三個月就可以實現。

但是，科研機構並非以盈利為最終目的，這就看有沒有廠商有意願進行授權合作。目前超透鏡已經做到人眼可見光範圍全部適用。包括手機鏡頭、行車記錄器、各種感應器，未來的 AR、VR 裝置、夜視鏡、紅外成像等各式各樣的光學器材都是可應用的領域。