研發服務平台亮點成果獎-佳作獎

王智明 教授/國立中央大學光電科學與工程學系

• 亮點成果：顯微高光譜技術在超穎光學的應用
  
• 使用平台：台灣儀器科技研究中心 (TIRI) - 高光譜顯微影像分析研發服務平台
  

以人造材料組成的「超穎材料」（metamaterial），具有薄如紙張、多功能性、設計靈活的優勢，目前相關產業已具備設計、製造能力，然而在檢測技術上仍有不足。中央大學光電科學與工程學系教授王智明運用顯微高光譜技術仔細量測，未來可依資料庫數據改善設計，亦可進行工業檢測。

以人造結構 控制電磁波的特性

超穎材料可說是近20年來發展最快速的研究領域之一。超穎材料指的是用人工排列的方式，調整材料的幾何形狀、晶格結構、尺寸和方向，展現出原本材料不具有的電磁特性：能夠吸收、阻擋、增強或彎曲電磁波，就像許多奈米等級的天線一樣，來獲得勝過傳統材料的優勢。在普通化學、普通物理的範疇中，以水分子為例，當電磁波穿透時，電荷就會隨之振盪，形成正負極，稱之為「偶極」，這些現象都是因電磁振盪產生的；而在超穎材料的範疇中，就是透過人造結構，來產生本來電磁波不存在的振盪，進而控制電磁波的特性，包括行進方向、偏振、相位等，以達到希望產生的結果。

當光線穿過中間厚、兩側薄的凸透鏡時，因為玻璃的折射率比空氣大，光線行經玻璃的速度比空氣中慢，因此光線經過玻璃板中間時，行經距離比較短，而兩側的光線行經距離比較長，達到聚光的目的。當超穎材料應用在光學領域中，就會在平面上，藉由奈米等級天線的設計，使中間的天線和兩側的不一樣，讓電磁波經過中間天線的時候振盪比較久、經過兩側天線時振盪比較快，運用人造結構的設計，在平面上實現透鏡的效果。王智明表示，超穎材料應用在光學領域中，好處就是往後的透鏡就不需以傳統製程進行，可以用半導體的方式做人造透鏡，是一個全新的透鏡製造方式。

超穎透鏡具有薄如紙張、多功能性、設計靈活的優勢，目前已經開始應用在智慧型手機中。想像一下，傳統透鏡有厚度，如果以傳統透鏡製作智慧型手機鏡頭，裡面可能有六到九片透鏡，勢必會凸於平面，消費者就需要買更厚的手機保護殼；但是如果使用超穎材料技術，可以減少透鏡數量，甚至只需要一片透鏡，就可以把成像的鏡頭製造出來。

現階段，超穎透鏡已廣泛運用在感測器的使用中，例如手機的人臉解鎖、門鎖的解鎖中。尤其是運用在智慧型手機中的感測器，目前位在手機的正面，只會看到一個前鏡頭和一個喇叭，實際上，裡面還藏有一個感測環境光的感測器，但這個感測器是小到看不見的，當能以微小尺寸製造時，手機就不需要長「瀏海」、影響美觀。

圖(a)是以傳統顯微光譜量測的超穎透鏡x-, y-偏振的平均穿透光譜，圖(b)(c) 分別為在x-及y-偏振光之下的顯微高光譜資訊，其中第一到四象限分別代表中心波長532nm, 479 nm, 633 nm及470~750nm的影像。

對傳統透鏡來說，我們通常會希望透鏡是完全透明的，而由顯微高光譜可以發現超穎透鏡的穿透率在空間上具有特定的排列，這樣的特性通常會對影像品質造成負面的影響。藉由這樣的資訊反饋，超穎透鏡研究者可以知道如何修正超穎透鏡的晶胞結構。

以顯微高光譜技術 補足產業「檢測」缺口

光學桌上的架構為「共軛焦顯微光譜儀」，一般用來量測微小樣品的光譜資訊，若需要影像資訊則需要另外架設移動平台進行空間掃描。利用共軛焦顯微光譜可以量測比顯微高光譜更細的波長資訊，但是無法快速得到儀科中心顯微高光譜的影像資訊。

過去關於超穎透鏡的研究，都將超穎透鏡的亮度空間分佈當作是均勻的，意味著透鏡是透明的。王智明表示，事實上超穎透鏡不完全是透明的，甚至內外圈的亮度與顏色都不一樣，這件事是過去忽略的，「我們想知道的是，超穎透鏡厚度可能只有1毫米，從中心到外圍的亮度到底差多少？」想像一下，戴眼鏡時，如果內外圈的亮度、顏色不一樣，就會影響「看」的品質；同樣地，超穎透鏡如果內外圈顏色不一樣，就好像戴了一副五顏六色的眼鏡，非常奇怪。

在研究初始，王智明先打一束光測量超穎透鏡的穿透率，發現中間與外圍的穿透率不同，此時就需要透過顯微鏡，仔細測量每個位置的光譜到底有什麼不一樣。他首先在實驗室中建置共軛焦顯微鏡、複式顯微鏡，但發現測量的效益都不是很理想；後來與台灣儀器科技研究中心（簡稱儀科中心）合作，運用「高光譜顯微影像分析研發服務平台」，目前此平台已將測量空間解析度由毫米推展到微米等級，並具備700萬像素顯微光譜資訊、涵蓋頻寬470~900奈米（nm），以及光譜解析度可達10nm，能測量高光譜影像穿透率、反射率及吸收率等，「透過顯微高光譜技術，我們就可以分析透鏡，在內圈與外圈，光的亮度上有何不同，在後續設計時，就能依據這樣的資料庫去設計透鏡。」

在應用面上，目前超穎透鏡在製程上是完備的，可以運用半導體製程進行製造，在設計面上也可以運用EDA輔助設計軟體，但是王智明發現在「檢測」上有缺口，而顯微高光譜技術可以清楚觀測到超穎透鏡亮度的空間分布，可以以非破壞性光學檢測方式檢測超穎透鏡品質，補足產業在「檢測」領域的不足。

談到未來的研究方向，王智明說，未來希望將製造技術推展到更高層次的晶圓級，有機會實現價格親民的超穎透鏡。而在檢測技術上，相對應也必須發展出晶圓級的技術。在整個研究的過程中，他特別感謝儀科中心在顯微高光譜技術上的支持，以關鍵技術突破研究困難點。此外，儀科中心在氧化物的乾蝕刻上，也提供莫大的助益，他說明，可見光的超穎透鏡材料必須是透明的，而半導體廠常用的矽或氮化矽，對超穎透鏡來說都不夠透明，而儀科中心的獨到技術，讓王智明研究團隊的蝕刻特別穩定，對研究帶來很大的幫忙。