2016年8月11日

未來手機相機能達到 單眼相機的照片品質嗎?

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%。

菲涅耳波帶片。

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。


奈米麻將。(插圖:吳宛蓁)

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;但是相機需要用同一個鏡頭,五顏六色的光聚焦成像。目前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。......【更詳細的內容請見科學月刊第560期】

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