超穎透鏡：未來光學的新趨勢 余沛慈教授實驗室
嘿，各位！你是否想過，未來我們手機上的相機模組會變得像一張信用卡那麼薄？不僅如此，它的功能可能還會超越我們今天所知的。這不是電影場景，而是真實即將發生的事情，而「超穎透鏡」就是推動這一切變革的關鍵。
首先，讓我們簡單了解一下，什麼是超穎透鏡？它是一種使用微小的奈米結構來操縱光的特殊透鏡。這些微小的結構像魔法一樣，能夠精準地控制光的方向和焦距，使得它在光學領域中的表現遠超過我們以前所知的任何技術。
那麼，為什麼我們要如此興奮地談論超穎透鏡呢？
• 薄如紙張：想像一下，未來的手機相機鏡頭可能只有我們今天的一小部分厚度，但效果卻更出色。
• 多功能性：不僅在攝影上，超穎透鏡還可以廣泛應用於通訊、醫療影像、擴增實境等領域，而且對於各種光波都能有效應對。
• 設計靈活：超穎透鏡可以根據不同的應用需求進行調整，讓我們在使用時更加方便。
總有一天，我們可能會拿著一支薄如紙張的手機，享受到前所未有的攝影體驗。超穎透鏡的出現，不僅是光學技術的革命，也是科技和生活品質提升的代表。
u 什麼是超穎透鏡?
超穎透鏡由上千萬至上億個次波長奈米柱狀結構所組成，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。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，而且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,通常會選擇氮化矽(Si3N4)、二氧化鈦(TiO2)、氮化鎵(GaN)作為材料，而紅外波段常會選擇非晶矽(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。
u 面積25毫米平方的超穎透鏡中具有約上億個奈米柱
u 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：
• 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、虛擬/擴增實境(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。
u 超穎表面實現全息影像 (Metasurface Optical Elements, MOEs)
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。
u 大面積、高效率、兼容 CMOS 的超穎透鏡
鏡頭的尺寸與光學系統的解析度有密切關係。因此，大面積超穎透鏡的製作技術對於光學系統的性能至關重要。目前，大多數超穎透鏡或超穎表面的製造仍依賴於電子束直寫技術，這限制了大規模生產的可能性。儘管現有的半導體光學微影技術可用於製造超穎透鏡，但由於未使用解析度增益技術，低階的光學微影技術（如i-line, KrF 248）並未達到理想的效果，導致製程窗口狹窄和元件效率低下。此外，傳統的光罩修正系統在大面積超穎透鏡的製造中也面臨著計算量大和計算時間長的問題。
為了解決這些挑戰，我們開發了一種基於深度學習的光罩修正系統，名為智能鄰近修正技術(Intelligent Proximity Correction, IPC)。這種技術利用深度學習卷積網路模型來預測顯影後的光阻圖形，取代了傳統的光學模擬方法。實驗結果顯示，IPC技術不僅在預測精度上超越了傳統方法，還能大幅提高修正速度。我們成功地使用IPC技術在八吋晶圓上製造332個近紅外超穎透鏡與超過上千個可見波段的超穎透鏡，其效率達到了國際水平。與半導體產業常用的光學鄰近修正方法相比，IPC技術能更準確地校正超穎透鏡的次波長結構，同時還能大幅減少計算時間。未來，我們計劃進一步優化這一技術，以滿足更多應用場景的需求。
u 光罩智慧鄰近修正Intelligent Proximity Correction (IPC)系統流程圖
u (a) 未使用 (b) 使用智慧鄰近修正Intelligent Proximity Correction (IPC) 的超穎透鏡
u 在8吋玻璃基板上製造超穎透鏡 (a) 近紅外波段(b) 可見波段