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媒體報導

直徑僅頭髮百分之一 清大研發出比紙薄的鏡頭
新聞來源:蘋果即時   發佈時間:2019-01-30 15:48:02

 2019-01-24 突發中心黃羿馨 新竹報導

 
微型相機鏡頭大突破!清華大學光電所助理教授劉昌樺與美國華盛頓大學研究團隊合作,研發出不用玻璃折射成像,而是以數萬個極微小的奈米柱排列為同心圓,來改變光穿透速度的超平面透鏡,厚度比紙還薄、甚至還可像貼紙一樣撕下轉貼,未來可應用在相機、手機及微創手術導管等鏡頭上。這項研究成果登上了國際頂尖期刊Nano Letters,也讓清華大學的研究能量揚名國際。
 
「傳統透鏡由厚厚的玻璃鏡片構成,需要經過打磨、拋光等昂貴製作過程,厚度往往達數個毫米」,劉昌樺表示,近2、3年來奈米技術和奈米光學精進,開啟了人工平面透鏡「介電質超平面透鏡」的研究領域,採用半導體材料如二氧化矽來「長」成數萬一樣高度的微米等級柱子,並排列成一圈圈同心圓的圖案,來改變光穿透的速度,達到跟傳統透鏡一樣好的效果。但因為構成透鏡的微細柱子高度至少得是直徑的5倍以上,又高又細的柱子很容易倒塌。
 
劉昌樺採用創新的光學設計方法,成功降低這些柱子的高度至奈米等級,柱高只要達直徑2倍即可。柱子變矮了,更方便製作、更穩固,製作出的透鏡也更加輕薄。以此方式製作出的鏡頭,直徑只有頭髮的百分之一;厚度僅190奈米,比五萬分之一公分還要薄,創下世界上最薄介電質平面透鏡的紀錄。
 
此外,劉昌樺研究團隊也首度提出採用凡得瓦(Van der Waals)材料來製作奈米柱的構想,採用六方氮化硼、二硫化鉬等凡得瓦材料製作奈米柱來形成超平面透鏡,就能像貼紙一樣撕下來再貼在其他的基板上,「就像壁虎的腳能輕易地攀附並爬行在天花板上,也是因為凡得瓦力。」劉昌樺說明。
 
劉昌樺目前在實驗室使用電子束顯微鏡來製作超平面透鏡,成功證明不同的奈米柱排列方式,可取得清晰度不等的成像。但因上萬個奈米柱都得用人工一個個排列出來,製作速度較慢。劉昌樺表示,未來這套技術如獲業界採用,用半導體製程的曝光機及光罩來製作透鏡,數秒就可完成。
 
光學鏡頭微型化的重大突破,竟起於一次不經意的錯誤。根據光學原理,透鏡的奈米柱高度週期設計應為0到2π。劉昌樺笑說,在某一次實驗中,奈米柱高度週期被誤設為0到π,因透鏡仍可有效聚光、成像,一開始他們還沒發現出錯,直到回頭檢視,才大驚「為何這樣也行?」開啟了新的研究方向。
 
劉昌樺說,未來透鏡輕薄化,不只改變手機及相機鏡頭、放大鏡、近視眼鏡、太陽眼鏡等,更可讓由許多鏡頭組合而成的儀器微型化,如以目鏡、物鏡、反光鏡組合而成的顯微鏡,未來甚至能打造鑽進人體血管的微型醫療機器人,「小小的光學元件改變,也可能帶動醫療領域的重大革命。」