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。」