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2016-08-01未來手機相機能達到單眼相機的照片品質嗎？
560 期
Author 作者
林宮玄／《科學月刊》副總編輯，任職於中央研究院物理研究所。
2016年6月，哈佛大學卡巴索（Federico Capasso）團隊在Science發表新的透鏡技術，有媒體以「哈佛大學研發超材料鏡片，把智慧手機變更薄」為標題，本文進一步討論其可能性。
一般透鏡，或者人們熟悉的放大鏡，是由透明的玻璃所做成。以凸透鏡為例，中間比較厚，邊緣比較薄。由於光在玻璃與空氣中的行進速度不同，一束光進入凸透鏡並離開玻璃後，不同位置厚度不同所造成的光相位差，會使光束聚焦。折射率反映了光在材料中行進的速度，相同厚度的材料而折射率不同，也會讓光的相位不同。因此也可以藉由設計不同位置的折射率，來達到聚焦目的。一般設計的透鏡厚度至少在5公釐以上。
凸透鏡。
若要達到更薄，目前有另一個技術，稱為菲涅耳波帶片（Fresnel zone plate）。不同於上述控制相位差，菲涅耳波帶片利用繞射原理聚焦。本技術所需材料厚度只要能將光擋住即可，因此可以小於1公釐。藉由在基板上，設計出讓光會產生繞射大小的狹縫圖形，就可將光聚焦。不過菲涅耳波帶片將許多光的能量擋掉，因此能聚焦的光能量通常小於30%。
然而，卡巴索團隊用以控制光相位的裝置厚度，只有600奈米左右，比細菌還薄。該團隊用二氧化鈦做成一個類似麻將的長方體，尺寸在幾十到幾百奈米，姑且稱為「奈米麻將」。藉由許多奈米麻將的排列，控制不同位置的光相位。奈米麻將彼此排列非常緊密，間隙只有幾十奈米。每一個奈米麻將放置的角度，決定該位置的相位差。該團隊所演示的透鏡，是在直徑約2公釐的圓面積中，利用上億個奈米麻將排列出圖形，且每個奈米麻將位置定位精準度必須控制在直徑的十萬分之一以下（即20奈米甚至10奈米以下）。由奈米圖案來控制光性質的結構材料，稱為超穎材料（metamaterial），這個技術所製備的透鏡，因此稱為超穎透鏡（metalens）。根據該團隊的測試結果，波長405奈米的藍光雷射，經過超穎透鏡後，可被聚焦成大小約280奈米的光點，非常接近繞射極限，也就是光波長的二分之一左右。實際能聚焦的能量，最多可高達86%，遠比菲涅耳波帶片優異。
菲涅耳波帶片。
這是一個創新的設計概念，但是目前還不適合作為相機鏡頭。奈米麻將的大小，是針對不同波長而設計的。目前的設計若要將藍光聚焦得很好，紅光就會聚焦得很差，這就是所謂的色散；但是相機需要用一個鏡頭，同時將五顏六色的光聚焦成像。超穎透鏡的色散非常嚴重，只能用在單色光，無法與一般透鏡相比。當前也還有另一個重大問題待克服──該結構是針對圓形極化光（circularly polarized light）設計，只能聚焦圓形極化光；而傳統透鏡可以聚焦任何極化的光，仍具有很強大的優勢。
利用奈米麻將所排列而成的超穎透鏡。（插畫：吳宛蓁）
品質好的鏡頭，會利用不同透鏡組成解決色散及像差（aberration）問題，或藉由增大面積以提高解析度，因此單眼相機的鏡頭比手機鏡頭大且重很多，但換來的是品質優異的光學成像。顯微鏡的物鏡為解決類似問題，也會增大尺寸以提高成像品質。若是只針對一個波長的光設計透鏡，就不需考慮色散問題，並得以將透鏡縮小至公釐的尺寸。譬如藍光光碟機裡面的小透鏡，大小只有幾公釐，只需考慮藍光單一波長。這個小透鏡以不到1000元新台幣的成本，就可將波長405奈米的藍光聚焦成600奈米大小的光點，NA（數值孔徑）為0.85，聚焦品質主要由透鏡表面弧度的工藝品質所決定。哈佛團隊演示的超穎透鏡，NA為0.8，可將波長405奈米的藍光聚焦成280奈米左右的光點，表現更優異，厚度從公釐尺度可縮小至1微米以下。雖然目前超穎透鏡的製造成本為傳統透鏡的千倍、甚至萬倍以上，但超穎透鏡超薄且可整合到晶片中的優勢，是傳統透鏡無法達到的。
目前已有可降低成本的大量製造方式，如臺積電的曝光顯影技術，可在12吋矽晶圓上讓每個元件達到奈米解析度，提供了明確的研發方向。筆者期待超穎透鏡技術能繼續突破，克服色散、像差及光極化的問題，未來也許能用輕薄的照相手機，照出大又重的單眼相機照片品質。
延伸閱讀
1. 〈Shrinking microscope lenses〉：https://youtu.be/ETx_fjM5pms
2. Khorasaninejad, M.et al., Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging, Science, Vol. 352(6290): 1190-1194, 2016.
3. 林宮玄，〈超解析超音波影像〉，《科學月刊》第559期500-503頁。