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中研院與臺大團隊的超穎透鏡再進化

消除全可見光波段色差

2018/02/01 整理/編輯部

利用氮化鎵結合集成共振單元設計概念之消色差超穎透鏡,由於整個可見光波段的色散已被完整消除,因此完整的白色影像可完整地藉由超穎透鏡呈現。

利用氮化鎵結合集成共振單元設計概念之消色差超穎透鏡,由於整個可見光波段的色散已被完整消除,因此完整的白色影像可完整地藉由超穎透鏡呈現。

在科技部學術攻頂計畫支持下,中央研究院應用科學研究中心蔡定平特聘研究員及臺灣大學團隊的透鏡研究再突破。團隊最新研究證實並製作出可消除整個可見光波段中色差的超穎刻作透鏡(Achromatic Meta-lens),且成功應用於全彩成像系統。研究成果已於上月29日發表於國際期刊《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)。

日常生活中透鏡的應用相當廣泛,從眼鏡、光學望遠鏡、攝像鏡頭與相機感測元件到手機、內視鏡以及成像系統等。不過,受限於光學材料的折射率,體積通常較厚大,而且,光學材料的折射率會隨光的波長差異而改變,進而產生色差,透鏡在全彩影像應用也因而受到極大限制。

超穎介面(metasurfaces)則是一種通過於次波長尺度下操控電磁波特性如相位、振幅與偏振等的光學設計結構,能微型化光電元件。過往研究已成功利用超穎介面展示平面超穎透鏡(flat meta-lens),證明超穎透鏡的成像能力優於目前廣泛使用之物鏡。然而,設計方法於實際應用層面仍面臨幾個重要問題,如色散所產生的色差。

寬頻消色差超穎透鏡之光學照片和電子顯微鏡照片。

寬頻消色差超穎透鏡之光學照片和電子顯微鏡照片。

蔡定平與研究團隊2017年已成功研發出消色差行為在近紅外波段達到了480nm頻寬的超穎透鏡。今年再進一步利用半導體材料氮化鎵,結合「幾何相位(Geometric phase)」操控與自創概念「集成共振單元」,成功設計出消除全可見光波段色差的穿透式超穎透鏡。

有別於傳統消色差光學透鏡組,超穎刻作透鏡使用單一層設計即能消除色差。在極小體積中達到透鏡在寬廣頻段內消除色差的聚焦效果,對平面型的微光電元件裝置的發展十分關鍵。如此一來,便能縮小光學系統的厚度,設計與製程也更簡便,極具實際應用價值。

此研究成果為國際奈米光學與光電領域重要進展之一,對未來輕、薄、多工的平面型光學元件發展亦有極大幫助。

利用可見光寬頻消色差超穎透鏡拍攝之彩色圖片。

利用可見光寬頻消色差超穎透鏡拍攝之彩色圖片。

 

 

論文連結:https://www.nature.com/articles/s41565-017-0052-4

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