目錄
當我們拿起手機拍照、戴上VR眼鏡、或看到車用LiDAR掃描時，其實都在與「透鏡」打交道。過去百年，鏡頭為了修正像差，從單片球面一路演化到多片組鏡、菲涅耳(Fresnel)薄型化、再到以繞射為主的Diffractive Optical Element。而近年，奈米製程把光學帶進「超表面時代：超穎透鏡(Metalens) 用亞波長結構操控相位，讓透鏡可以像IC一樣被設計、像薄膜一樣被製作。我們今天就來認識這個被譽為下一代光學黑科技的產物「超穎透鏡」吧!
透鏡的演化：從「折射」走向「繞射」
最早的人類用的是球面透鏡：玻璃磨成圓弧，靠折射把光聚到焦點。它的長處是好做、可靠；但一旦追求更高畫質與更大光圈，像差(球差、彗差、場曲)就冒出來，只能用「多片堆疊」去相互抵消。結果鏡頭越做越厚、越重，成本與體積都上不去行動裝置的需求。
於是工程師開始想：既然厚度是負擔，有沒有辦法把同一個「彎曲面」拆薄？這催生了菲涅耳透鏡。它把連續曲面切成一圈圈的階梯，好比把「厚玻璃坡道」切成「薄薄的階梯」。厚度和重量一下子降下來，投影燈、車燈、薄型放大鏡都受惠。但階梯邊緣帶來的散射與鬼影，讓高畫質成像與強逆光下的對比度受限——薄了，卻還不夠「乾淨」。
接著，光學設計師再往前一步：既然我們已經在微結構上做文章，能不能不再依賴彎曲玻璃，而是直接用微小結構來安排光怎麼走？這就是繞射光學元件(DOE)。DOE用細微圖樣把光分配到想要的相位分佈，做到前所未有的薄。同時，利用繞射的色散特性，還能設計出「折射+繞射」的消色差組合，在某些波段讓色差更好地被抵消。不過，DOE多半是單層、離散相位，對白光仍敏感；一旦視場與數值孔徑(NA)拉大，效率與離軸像質又成為新瓶頸。薄了、也更能「補色差」了，但寬頻、高視場、低雜散還沒一次到位。
最後，半導體奈米製程把光學推入超表面時代：如果把每個微小單元當成「奈米天線」，它能以尺寸、形狀、旋轉角去連續地控制相位(含幾何相位與共振相位)。這就是超穎透鏡(Metalens)。它承接了DOE「靠結構操光」的思路，但把相位控制從「台階式」提升為「連續且高解析度」；因此不只薄，還能把聚焦、偏振控制、消色差、抗像差補償等功能同片整合。同時，因為它是平面結構，可以像晶片一樣在晶圓上做陣列，直接與感測器或波導整合，解決了傳統鏡群在體積、裝配與對準上的老問題。
傳統透鏡 > 降階成非涅爾透鏡 > 繞射透鏡
何謂超穎透鏡：奈米天線控制光的相位
傳統透鏡靠材料折射，超穎透鏡靠幾何相位與共振相位。想像有一片超薄「光學電路板」，上面排滿微小天線(尺寸約50–300 nm)。當光遇到每根天線，因形狀/尺寸/旋轉角不同，會被「延後」不同相位，就像在每一格畫素上給光一點「遲到」。把整片設計成特定相位分佈，就能像傳統透鏡那樣把光聚焦。
材料常見：可見光常用TiO₂、SiN；近紅外常用a-Si、GaN；基板可為玻璃、石英或塑膠膜。
超穎透鏡的應用
- 手機/可穿戴：超薄化感測(近紅外/ToF/3D 人臉辨識)、微型投影、彩色濾波+聚焦合一。
- AR/VR/MR：與Pancake或波導耦合，縮短鏡片堆疊，降低前端重量與厚度，改善配戴舒適度。
- 車用/工業LiDAR：光束整形、均勻化、DOE替代；在近紅外波段效率較成熟。
- 生醫與顯微：超薄內視鏡、便攜顯微、片上顯微(Chip-scale microscope)，利於一次性或拋棄式裝置。
- 矽光子/資料通訊：片上耦合、分光、波前整形，為CPO/短距光互連提供更緊湊耦合界面。
- 雷射加工/投影：光束匯聚、塑形、均勻化，提高能量利用。
如何製造：微影與奈米壓印
微影(Lithography)—高精度、設計自由
- 母模/直接寫：以電子束(E-beam)在抗蝕劑上寫出奈米圖樣(解析度最高、速度慢)；或用DUV步進機/多重曝光提升產能。
- 顯影：顯影出奈米圖樣。
- 薄膜沉積/乾蝕刻：將TiO₂、a-Si等介電層沉積，使用ICP-RIE將圖樣轉移到功能層。
- 封裝/鍍膜：加上增透、保護層，切割成單片或留在晶圓上。
優點：解析度高、形狀參數可精密控制、適合研發與首批量產。
限制：成本高、吞吐量有限；大口徑與高視場時，版圖與均勻性要求嚴苛。
奈米壓印(Nanoimprint)—高產能、低成本
- 製作「硬式母模」：多以石英/矽基板用E-beam製作一次高精母模。
- 複製「工作模」：用高硬度PDMS(h-PDMS)或複合材料翻製，取得可反覆壓印的彈性模具，兼顧細節與耐用。
- 塗佈UV可固化樹脂：在玻璃/塑膠基板上旋塗或塗佈。
- 壓印+UV固化：將工作模壓入樹脂並UV曝光固定。
- 去模+後蝕刻：脫模後，以輕微RIE去除殘留層，必要時再轉印到高折射材料。
優點：晶圓級/大面積量產、成本友善；與現有WLO(晶圓級光學)相容。
限制：模具壽命與污染控制、殘留層均勻度、翹曲/收縮誤差、對準與大口徑平整度；量產需要嚴格的品保與壓印設備。
| 項目 | 微影蝕刻 | 奈米壓印（UV-NIL） |
|---|---|---|
| 精度 | 高，相對穩定 | 低，受「脫模、氣泡、殘留層、模具壽命」影響 |
| 單片成本 | 高 | 低，耗材少 |
| 速度 | 慢，製程站多 | 快，量產可擴性高 |
| 粗糙度 | 佳，散射最低 | 樹脂/轉刻造成圓角與RLT殘留，邊緣更易散射 |
| 材料選擇 | 直接在 TiO₂/SiN/a-Si 等低損高折介質 | 較少，多為聚合物 |
| 效率上限 | 潛力高（高折+低損+直壁） | 純樹脂 n 低、吸收小但相位效率受限；加轉刻可提升 |
| 設計迭代速 | 改版直接重曝/重刻 | 變更需重做母模，迭代較慢 |
| 典型缺陷 | 過蝕、偏蝕 | 拔柱、崩塌、氣泡、殘留層厚、模具污染/磨耗 |
▲ 比較表
技術關卡
- 寬頻消色差：單層結構對波長敏感，白光成像易色散；多層/多材料能改善但製程更複雜。
- 效率與離軸表現：大NA、廣視場下的繞射效率與像差控制仍具挑戰。
- 大口徑良率：均勻性、應力、圖樣缺陷、顆粒控制影響良率與一致性。
- 材料與耐候：可見光低損材料、環境穩定(溫度、濕度、紫外)與耐刮等封裝議題。
- 成本結構與生態：與成熟的玻塑鏡群、射出與鍍膜供應鏈相比，規模化、標準化、設計工具鏈仍在建設中。
超穎透鏡不是魔法，而是把光學帶進半導體，用奈米結構數位化地分配相位。它的價值在於薄/輕/可整合/可編程，能把多片鏡頭的功能濃縮到一片，特別適合空間受限與高度整合的場景。短期內，最務實的路徑是混合式與特定波段/用途(如近紅外感測、AR/VR、片上耦合等)；中長期，隨著奈米壓印與材料突破、設計自動化成熟，「片上光學+超表面」將把成像、顯示、通訊與感測推向全新外形與成本曲線。當你下次看到「超穎透鏡量產」「NIL導入」「消色差Metalens」的新聞，基本上，就是下一代相機模組、AR眼鏡、車用感測或CPO走向更薄、更快、更省電的信號。
