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電漿子光學實驗室 (II) 實驗室房號 :IL-504 連絡電話: +886-3-4227151-65404 | 實驗室網站:
指導教授:
研究介紹: 研究領域:

奈微米光學系統,超穎光學元件開發與應用,表面電漿子學,人工智慧開發 我們以光學系統的角度切入探討超穎材料的光學特性並實現我們有興趣的光電應用。




研究內容:

什麼是超穎元件

超穎元件(metadevice)是一種新興的人造光學元件,通常由數百萬個單元結構(或稱奈米天線)組成。這些單元結構的尺寸通常處於次波長等級,其中「次波長」一詞並非用來形容某種電磁波的波長,而是用於形容極微小的材料結構,其尺寸小於操作光波長的半個波長。在奈米光學中,當設計的結構尺寸小於作用於該材料的光波長時,這種結構表現出的特性無法單純以古典電磁理論解釋。在自然界中,也存在許多相對於可見光波長的次波長結構,例如烏鴉的羽毛在特定角度的光線照射下會展現出彩虹般的色彩,或者部分金龜子的甲殼只會反射特定偏振方向的光線,使得甲殼的色澤隨著入射光的狀態而改變。通過精密排列這些單元結構,可以製造出具有應用價值的超穎元件,如超穎透鏡、天線系統、感測器、光纖內視鏡等。

超穎透鏡V.S.傳統透鏡

超穎透鏡的單元結構數量眾多且尺寸小,在製作上無法仰賴傳統透鏡的研磨與塑膠射出的製程方法,取而代之的是使用半導體製程的黃光微影及乾式蝕刻製程,使用半導體製程的最大好處是能大量且快速的生產超穎透鏡,且半導體製程的精準度都在奈米等級,因此能製作出高精度的超穎透鏡。超穎透鏡可以具有單片透鏡消除球差色差的能力,而傳統透鏡則需要多片透鏡才可以消除球差及色差,因此利用超穎透鏡所設計出的鏡頭模組更能維持輕薄的特徵。

輕薄

傳統凸透鏡在光學聚焦過程中主要依賴於透鏡的曲率。這類透鏡的中心部分較為厚實,而邊緣部分相對較薄,光線進入透鏡後被折射,形成一個聚焦點。因此,傳統凸透鏡的設計通常顯得笨重,擁有相對較大的厚度。為了改善這種厚重的問題,菲涅爾透鏡應運而生。菲涅爾透鏡通過將透鏡劃分為一系列理論上無窮多的同心圓紋路,即菲涅爾帶,以實現相同的光學效果。這種設計節省了材料的使用,因為透鏡的總體厚度因此減小,厚度可達毫米等級。相較之下,超穎透鏡則由眾多微小結構組成,並以繞射的方式實現透鏡的聚焦效果。這種結構使得超穎透鏡的厚度能夠達到微米等級。由於這種繞射的設計,超穎透鏡的厚度更為細薄,不僅減輕了重量,也減少了對材料的需求。


半導體製程技術

傳統透鏡的製作主要仰賴研磨及塑膠射出技術。在其中,熱影像傳統透鏡通常以矽鍺為材料,而唯一的加工方法是研磨法。由於這種方法的加工難度較高,因此台灣廠商難以自主生產。相較之下,熱影像超穎透鏡的製作過程採用半導體製程,如下圖所示,主要包括黃光曝光和乾式蝕刻製程。圖中展示的照片即為我們團隊自主開發的超穎透鏡。借助半導體代工廠卓越的代工能力,超穎透鏡可實現大量生產並降低生產成本,而半導體製程的精準度達到奈米等級,提供高精準度的超穎透鏡。





色散

超穎透鏡是透過單一片透鏡結構,並由眾多共振單元組成,以巧妙的折射率調節來實現色散的有效消除。這種透鏡利用特殊的材料或結構,使得不同波長的光在透鏡中獲得相似的折射率,進而極大地降低色散效應。此外,超穎透鏡的非球面形狀採用了非傳統的設計,有助於實現各個波長的光在透鏡中的均勻焦距,進一步減小了色散的影響。光學異向性也被精心應用,利用材料在不同方向上的折射率變化,以實現在不同波長下更均勻的焦點。


球面像差

結構由眾多共振單元精心組成,這些共振單元在設計階段就被優化以實現超穎透鏡的消球差與像差效果,下圖是我們開發能消除像差的超穎透鏡之聚焦點大小,從量測的結果來看,有消除像差能力的超穎透鏡其具焦點非承接近理論上的繞射極限,提供更佳的成像品質。



超穎透鏡+人工智慧模型

當前的行動裝置,例如手機,在拍攝照片時常利用演算法對影像進行優化,以提供使用者更高品質的影像體驗。各大手機製造商也會針對自家產品開發專屬的影像優化演算法。超穎透鏡的輕薄特性使其在行動裝置的輕薄化趨勢中具有優勢,因此有望成為行動裝置中的重要光學元件。此外,針對超穎透鏡成像系統開發的演算法也將成為超穎光學生態系統中的一個重要發展方向。這些演算法的發展將進一步提升超穎透鏡在行動裝置等產品中的應用價值,並推動超穎光學技術的發展與普及。



將超穎透鏡拍攝的影像與卷積神經網路的人工智慧模型結合,可以讓超穎透鏡提供更高品質的影像。舉例來說,氮化鎵超穎透鏡由於本身材料的藍光損耗,可能讓拍攝出來的影像出現紅色的色偏,同時影像的細節也可能不夠清晰。透過卷積神經網路人工智慧模型,能夠有效修復影像的色偏,同時提升照片的影像細節。這種結合技術的應用,能夠讓超穎透鏡在影像處理上更加出色,為用戶帶來更好的使用體驗。


D/MOE (Face ID)

近年智慧型手機和各種穿戴式裝置的興起,生物識別技術便是其中熱門的話題之一,透過對裝置的使用者進行面部辨識(Face ID),比起傳統的輸入密碼和指紋解鎖更可以快速識別且更高程度的保障使用者個人資料。而Face ID 的運作方式是使用點陣投影器和 3D 深度感測器來識別裝置使用者的面部資訊,其中的點陣投影器(Dot projector)是透過手機內部的紅外線經過繞射元件(DOE)後產生的繞射點投影在人臉上。

DOE利用微細結構改變光的相位或幾何形狀,以實現各種光學功能,包括光束整形、波前調制、輕量化光學系統和多波長操作,廣泛應用於雷射技術、干涉儀器、通信等領域。

傳統的點陣投影器主要是由垂直腔表面發射雷射陣列(VCSEL)、準直透鏡和DOE所組成,需要透過中間的準直透鏡將光變成平行光後再入射DOE,而中間的準直透鏡通常為塑膠材料,容易因為時間黃化而使整體的繞射效率降低。相比之下MOE(Meta-Optic Element)便可以解決此問題。



研究計畫
執行職稱 計畫名稱 計畫執行時間 補助單位 補助經費
主要儀器設備:
測試設備

論文著作與專利:
教授課程

近代物理(大學必修)

雷射物理(博士班必修)

工程數學(一)

工程數學(二)

基礎光學與幾何光學

表面電漿子超穎材料(研究所選修)

研究團隊
博士後研究員
許維綸博士
在學學生
博士生:


曾秋淳(109-2 入學)

陳彥鈞(109-2 入學)

余宸逸 (111-1 入學)

在職: 葉上平,劉勇志


碩士生:

陳宗榆(111-1 入學)

李宗翰(111-1 入學)

侯明宏(111-1 入學)

李承諭(112-1 入學)

陳品多(112-1 入學)

劉丞祖(112-1 入學)

馮連挺(112-1 入學)

學士生:
畢業學生
博士班畢業生:
碩士班畢業生:
學士班畢業生:
實驗室招生資訊


我們實驗室目前主要工作會集中在利用超穎介面做影像相關的研究主題。本實驗室學生大致上會從幾何光學光束追跡開始學習光學設計,再利用次波長尺度的天線操控電磁波特性,以微小的天線(週期/非週期)陣列實現幾何光學的設計結果。在實作上則大致上會基於 CMOS 製程技術製作次波長尺度的天線陣列。製作完成後則須自行設計並架設量測系統量測元件特性。簡單來說經過碩博士的訓練將會得到以下技能:

設計及模擬方面: 幾何光學光束追跡,電磁波計算(FDTD FEM RCWA 等),波動光學計算(BPM)

製程方面: ebeam lithography,奈米壓印以及一般常見的半導體製程技術

量測方面: 光學桌技能


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實驗室活動相片 

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