光學的數位化時刻：超透鏡（Metalens）技術與產業鏈分析

2025/12/25 更新2025/12/25 發佈閱讀 6 分鐘

傳統光學產業正經歷一場類似於電子管轉向電晶體的典範轉移。長期以來，鏡頭設計受限於物理介質的曲率與厚度，導致光學模組成為現代電子產品微型化的主要瓶頸。超透鏡（Metalens）技術的出現，標誌著光學製造從「類比式」的機械研磨，正式轉向「數位式」的半導體微影製程。本文將解析其技術邏輯、量產路線之爭，並評估相關供應鏈的投資潛力。

物理本質：從幾何光學到波動光學

傳統透鏡依賴斯涅爾定律（Snell's Law），透過透鏡厚度的變化來累積光程差以實現聚焦，這導致了大光圈鏡頭必然伴隨著體積與重量的增加。超透鏡則基於廣義斯涅爾定律（Generalized Snell's Law），利用在平面基板上排列的次波長（Sub-wavelength）奈米結構，直接對光場的振幅、相位及偏振進行調控。

這項技術的核心優勢在於「功能集成化」與「平面化」：

體積縮減：超透鏡僅需微米級厚度即可實現聚焦，大幅降低光學模組的高度（Z-height），直接解決智慧型手機鏡頭凸起的問題。
光學效率：相較於傳統繞射光學元件（DOE）約 30%-50% 的效率，超透鏡理論效率可達 90% 以上，且能消除零級光干擾，提升感測信噪比。
偏振感知：透過特定的奈米結構設計（如幾何相位機制），單一元件即可具備偏振光識別能力。例如 Metalenz 開發的 Polar ID 技術，利用偏振特徵區分真實皮膚與面具，使 FaceID 模組體積縮小 50% 。

目前主流材料依應用波長而異：非晶矽（a-Si）因製程成熟，主導 940nm 近紅外光應用（如 ToF、FaceID）；氮化矽（SiN）則因在可見光波段透明，成為 AR 眼鏡與手機成像鏡頭的首選材料。

製程路線之爭：半導體 DUV vs. 奈米壓印 NIL

超透鏡的量產技術目前分裂為兩大陣營，這直接影響了未來的供應鏈格局。

1. 深紫外光微影（DUV）：半導體廠的主場

以台積電（TSMC）與采鈺科技（VisEra）為代表。此路線利用現有的 12 吋 CMOS 產線，透過 193nm ArF 掃描機進行微影曝光。

優勢：具備極高的對準精度與良率控制能力，供應鏈生態成熟。
劣勢：光罩成本高昂，且受限於曝光場尺寸（Field Size），大面積元件需進行拼接曝光，技術難度較高。

2. 奈米壓印（NIL）：光學廠的逆襲

以 Canon、NIL Technology（被瑞儀收購）為代表。此製程類似「蓋章」，將奈米圖案壓印至晶圓上。

優勢：設備成本（CAPEX）遠低於 DUV 機台，且能一步製作複雜的 3D 結構，不受視場拼接限制。
劣勢：接觸式製程容易引入微粒缺陷，且殘膠層厚度的控制直接影響蝕刻精度，是大規模量產的主要挑戰。

應用場景演進與市場預測

超透鏡的商業化路徑遵循「從主動感測到被動成像」的邏輯。根據市場預測，該領域在 2025 至 2031 年間的年複合成長率（CAGR）將超過 78% 。

智慧型手機（2025 年爆發點）：目前已導入 dToF 輔助對焦模組（如 STMicro VL53L8）。下一階段將利用偏振特性重塑 FaceID，甚至實現屏下生物識別，消除螢幕「瀏海」。
AR/VR 頭戴裝置：超表面光柵（Metasurface Gratings）能解決波導片色散與視場角受限的問題，是輕量化 AR 眼鏡的關鍵技術。
車用電子：矽基超透鏡在 -40°C 至 125°C 環境下具有極佳的熱穩定性，無需複雜的熱補償機構，適合用於 LiDAR 的光束整形與車載鏡頭。
醫療內視鏡：結合 Chip-on-Tip 技術，可將鏡頭直徑縮小至 500 微米以下，並透過低成本量產實現「一次性使用」模式，降低交叉感染風險。

供應鏈生態與投資邏輯

產業鏈結構正從傳統的光學加工，轉變為「設計（Fabless）—製造（Foundry）—封裝（OSAT）」的半導體分工模式。

關鍵廠商動態

采鈺科技 (6789.TW)：作為全球最大的晶圓級光學代工廠，采鈺掌握 DUV 製程與光學鍍膜技術，是 Metalenz 等設計公司的主要製造合作夥伴。其在 12 吋製程的壟斷地位使其成為光學元件「晶片化」的最大受惠者。
瑞儀光電 (6176.TW)：傳統背光模組廠的轉型典範。透過收購丹麥 NILT（掌握超透鏡設計與主模）及芬蘭 Inkron（掌握高折射率材料），瑞儀建立了非半導體體系的 NIL 垂直整合產線，主要瞄準 AR/VR 與車用市場。
Metalenz：擁有哈佛大學 Capasso 實驗室的基礎專利授權，商業模式類似 ARM，專注於 IP 授權與晶片設計。