光電工程學研究所 蘇國棟教授: 單透鏡仿生複眼光學鏡頭之研製

透鏡成像為人類科技中，至為重要且應用在許多領域。為確保成像品質，光學成像系統透鏡模組於實際製作過程中，必須滿足與標定值相偏差的極限容許量，亦即滿足國際公差規範所制定之設計容忍度。

傳統的成像系統， 例如手機相機， 乃採取疊加多個透鏡來提升攝像品質，然而多透鏡系統之設計方式於實際生產時，必須考量各透鏡彼此間之偏移狀態，以利滿足公差規範。理論上，透鏡數越多成像品質越高，但也意味有著更多的透鏡需滿足公差所訂規之允許變動量。故此，於實際生產過程中，更多的透鏡將造成公差規範更難以滿足，為了精確地擺設透鏡，勢必增加更高的製作成本。

為解決此一棘手的問題，微光學實驗室 蘇國棟教授所領導之光學系統設計團隊創新研發單透鏡成像系統。此一成像系統乃是基於人眼以及由生物啟發之多焦距人工複眼原理，所製作出之光學結構。人工複眼乃是類似於昆蟲複眼之曲面六邊形微透鏡陣列，當中的每個人造小眼排列成圓弧形陣列，並以小角度接受正向入射光來調整其焦距，此舉有助於本研究實現具有廣視野且結構緊湊之薄型化相機模組。並因系統中僅存在單一透鏡，故無須考量多透鏡彼此間之偏移情況，而使公差規範更容易滿足，如此得以降低製作成本。

由於半球型透鏡具有廣視角、無慧差等優異特性，故此本研究採用半球型透鏡作為光學系統中仿人眼之主透鏡設計。然而半球型透鏡存在場曲像差，以至於光學系統若僅使用半球型透鏡將無法得到較佳的成像品質。為解決此一難題，研究團隊特別引入微透鏡陣列製程技術，使得半球型透鏡表面得以結合曲面型微透鏡陣列。其乃利用噴墨技術滴再經翻模而成。各顆微透鏡之曲率半徑可藉由控制溶液滴數來進行調變，因此微透鏡之焦距可藉由調控溶液滴數而獲得改變。不同位置之微透鏡負責調整其存在位置所接收到之入射光場聚焦點，用以校正光學聚焦平面。如此僅需單一透鏡片，即可達成薄型化相機鏡頭。

本研究成果，已發表於高影響指數之光學和光電子學領域SCI期刊Optica。 研究經費感謝臺灣科技部「數位經濟前瞻技術研發與應用專案計畫」的支持。 [W.-L. Liang, J.-G. Pan, and G.-D. J. Su, “One-lens camera using a biologically-based artificial compound eye with multiple focal lengths,” Optica, Volume 6, Issue 3, 326-334 (2019). DOI: 10.1364/OPTICA.6.000326 (https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-3-326)]

關於Optica:為一基於學術研究結果應公開大眾取閱的精神，而採用開放取用期刊出版模式之光學和光電子學領域SCI期刊，其影響指數於OSA Publishing美國光學學會出版物（係光學領域權威的國際性學術組織，也是世界上最大的光學和光子學信息同行評審集合）中排名第二。