●什麼是超穎透鏡
隨著手機、電腦和其他電子產品變得越來越小,內置的光學元件卻很難縮小,因為用傳統的玻璃切割彎曲技術很難製造出多功能、高效率的微型鏡片,而且玻璃鏡片通常需要堆疊才能正確聚焦光線。超穎透鏡是未來相機鏡頭的關鍵技術,由上千萬至上億個次波長奈米柱狀結構所組成的超穎透鏡,這些奈米柱可以任意控制光波的振幅、相位、吸收反射等物理性質,這是傳統折射透鏡無法實現的。而超穎透鏡能夠實現相位操控,需要讓奈米柱的折射率與周圍材料折射率具有一定差異,使得在應用的波段下光被材料的吸收的程度越少。當應用於可見波長範圍,會選擇氮化矽(Si3N4)、二氧化鈦(TiO2)、氮化鎵(GaN)作為材料,而進紅外常會選擇矽(Si)作為材料。而且由於超穎透鏡非常薄,可以將多個超穎透鏡疊放在一起,而不會顯著增加尺寸。因此超穎透鏡被視為縮減光學系統體積的最佳解決方案。隨著智慧型手機的功能越來越強大,各品牌也在競逐著讓手機體積更輕、更薄,在超穎透鏡的橫空出世之後,未來擁有一支輕薄如紙的手機不再只是夢想。
面積25毫米平方的超穎透鏡中具有約上億個奈米柱
●超穎透鏡的應用與優勢
超穎透鏡具有超薄設計、光學性能優越、多功能性、可客製性等特性,在商業應用上有許多優勢。
例如:
例如:
- 超穎透鏡的設計可以精確調整,以實現卓越的光學性能,如更高的分辨率、更低的像差和更廣的波長範圍,適用於成像、感測 和雷射等領域。
- 超穎透鏡可以透過調整其設計參數來實現多種光學功能,如聚焦、散射和波前調製,這使其在商業應用中具有廣泛的用途,如雷射成像、VR/AR設備和醫療成像。
- 超穎透鏡也能實現全息影像(Metasurface Optical Elements,MOEs)可廣泛應用於安全認證、教育、藝術、醫學和娛樂等領域,可用於製作防偽標籤、展示立體物體、教育訓練中的模擬、醫學影像重建,甚至是互動娛樂體驗。 MOE全息影像通過捕捉光的相位和振幅信息,能呈現出真實感極強的三維效果,具有廣泛的應用前景。
- 超穎透鏡可以使用先進的製造技術製造,例如光學微影和電子束微影,以實現高度精密的光學元件,適用於高端商業應用,如半導體製造和雷射切割。
超穎透鏡的設計可根據不同應用的要求進行客製化,從而提供更多商業機會。總的來說,超穎透鏡在商業應用中具有廣泛的潛力,可以提供更輕薄、高效能和多功能的光學解決方案,有助於推動各種商業領域的創新和進步。然而,目前超穎透鏡製作的方式以電子束微影(E-beam Lithography)為主流,難以將數千萬個奈米(nanometer)級的元件精確地製造在厘米(millimeter)等級的IC晶片上,因而限制其普及與應用。
●大面積、高效率、兼容 CMOS 的超穎透鏡
為了解決當今超穎透鏡製作的難題,本團隊使用半導體CMOS製程常見的材料與設備,透過低成本的光學微影(Photolithography)與解析度增益技術實現大量製造大面積近紅外與可見光的超穎透鏡,因可精準地控制奈米柱的尺寸,本技術展示的超穎透鏡有接近繞射極限的轉換效率,使其應用於CMOS圖像感測器與距離感應器成為可能。
研究團隊成功在8吋玻璃基板上製造出332顆大面積近紅外超穎透鏡
現今半導體製程經常使用的低成本的光學微影技術,雖然經濟實惠但是解析度不足以製造超穎透鏡的奈米結構,因此需要光罩修正技術,稱作光學鄰近修正技術(Optical Proximity Correction, OPC)推升解析度,並精準地控制奈米結構的尺寸,當目標圖形尺寸接近曝光極限時,需要利用OPC優化光阻曝光成像品質。然而傳統的OPC計算需要不斷的進行光學模擬疊代,累積龐大的計算時間,沒辦法有效率的修正大面積超穎透鏡所需超過數千萬組奈米結構。
本技術團隊提出結合深度學習微影模型及分布式光罩修正流程,整合出智能光學微影技術,又稱作智能鄰近修正(Intelligent Proximity Correction, IPC),並藉由IPC技術成功在8吋玻璃基板製造出332顆大面積,直徑8毫米,每顆包含超過7000萬組奈米結構的高效率近紅外超穎透鏡。大面積NIR經實際量測聚焦效率能達到64%,極為接近理論計算值69%,是國際技術文獻中以低成本i-line光學微影技術實現的最高效率。
本技術團隊提出結合深度學習微影模型及分布式光罩修正流程,整合出智能光學微影技術,又稱作智能鄰近修正(Intelligent Proximity Correction, IPC),並藉由IPC技術成功在8吋玻璃基板製造出332顆大面積,直徑8毫米,每顆包含超過7000萬組奈米結構的高效率近紅外超穎透鏡。大面積NIR經實際量測聚焦效率能達到64%,極為接近理論計算值69%,是國際技術文獻中以低成本i-line光學微影技術實現的最高效率。
智慧鄰近修正Intelligent Proximity Correction (IPC)