奈米「小眼睛」看得更清楚，輕薄如紙的「超穎透鏡」超微光學 ...

超穎介面（Metasurfaces）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，因此對於光電元件微型化的發展有著極大的助益。

目前研究學者已成功 ... 000文字分享友善列印000科快訊奈米「小眼睛」看得更清楚，輕薄如紙的「超穎透鏡」超微光學元件新契機PanSci・2017/08/26・1386字・閱讀時間約2分鐘・SR值581・九年級＋追蹤圖為基於集成共振單元之消色差超穎透鏡，由於色散已被完整消除，因此焦距不會隨著入射光波長的變化而改變。

圖片來源：中研院智慧型手機、眼鏡、顯微鏡必備的透鏡，受限於材料的折射率無法做到極微小的尺寸。

而超穎介面（Metasurfaces）的光學設計結構雖然可以做到極小，過去一直面臨會由於色散產生色差等問題，未來的奈米光學要如何做到更小、更精準的光學元件呢？中央研究院應用科學中心主任蔡定平特聘研究員，與臺灣大學電機系管傑雄教授及南京大學等研究團隊共同合作，利用自創的革命性新觀念—「集成共振單元」，研發出寬頻且消色差的「超穎透鏡」（AchromaticMeta-lens），成為國際上奈米光學領域近期最重要的發展之一，對未來研發輕、薄、微小、精、準的平面型光學元件有極大的幫助。

本論文已於8月4日發表於《自然通訊》（NatureCommunications）。

超穎透鏡的發明也已獲得美國與臺灣專利。

一般透鏡有色散的性質，焦距會隨著入射光波長的改變而變化，且整體尺寸略顯厚重。

圖片來源：中研院透鏡在日常生活中是一種被廣泛應用的光學元件，例如智慧型手機、眼鏡、顯微鏡等，但受限於自然界中光學材料的折射率，使得光學裝置的體積普遍都相當大。

超穎介面（Metasurfaces）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，因此對於光電元件微型化的發展有著極大的助益。

目前研究學者已成功利用超穎介面展示了平面超穎透鏡（Flatmeta-lens），並證明超穎透鏡的成像能力更優於目前市場上廣泛使用之物鏡。

然而，這些設計方法對於實際應用層面仍面臨了幾個重要的問題，色散所產生的色差便是其中之一。

如何在寬頻帶內消除色差是一項極大的挑戰，對於連續波段消色差的結果，日前最好的研究成果僅有140nm（近紅外波段，相較於中心波長約9.2%頻寬，Optica4,625-632,2017）以及60nm（可見光波段，相較於中心波長約11%頻寬，NanoLetters17,1819,2017）。

如何擁有一個完整的物理設計原理以達到極寬頻且消色差之超穎透鏡，對所有需要使用精準平面超微型光學元件的裝置來說便是十分重要的關鍵基石。

本次橫跨中研院、臺灣大學與南京大學的合作研究團隊，使用自創之革命性新觀念：「集成共振單位」，並結合幾何相位（Geometricphase）的概念，透過電腦精算設計出超穎表面結構，製作出寬頻、消色差的超穎透鏡。

值得一提的是，此超穎透鏡的消色差行為在近紅外波段達到了480nm的頻寬，相較於中心波長約33.3%頻寬，是目前為止最廣的工作頻寬。

平面超微型寬頻消色差超穎透鏡之光學照片和電子顯微鏡照片。

圖片來源：中研院蔡定平主任表示，「過去透鏡需要運用像是透鏡曲度等方式來控制光，往往需要將二至四個透鏡相疊後才能達到理想的效果，而超穎透鏡即是運用奈米科技就能精準的控制光，讓透鏡能變成非常小的平面，應用上可望讓透鏡如紙片一樣薄，也能有效解決一般透鏡出現色差的問題！」。

寬頻消色差的超穎透鏡的製程與半導體元件之製程相同，未來可望能大量低成本地生產出既小又平的各種超穎透鏡。

「這項新突破可為光學鏡頭帶來革命性發展，未來預計能夠在手機鏡頭、一般監視器鏡頭、或行車記錄器上，只要一片微小的超穎透鏡即可達成任務，會比目前的鏡頭更小更便宜、畫質更清楚，運用的範圍也更廣泛！」蔡主任表示。

本研究由科技部學術攻頂計畫支持。

 參考文獻S.Wangetal.,Broadbandachromaticopticalmetasurfacedevices.(2017)數感宇宙探索課程，現正募資中！相關標籤：熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論PanSci993篇文章・ 756位粉絲＋追蹤PanSci的編輯部帳號，會發自產內容跟各種消息喔。

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採訪撰文／寒波美術設計／林洵安、蔡宛潔魚耳石與古生物研究魚耳石是硬骨魚類耳朵裡的碳酸鈣結晶，可以由新鮮生魚取樣，也能從地層發掘化石。

中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心的林千翔助研究員，他是臺灣少有的古生物學家，就讀博士之前就已經記錄超過1,000種現生魚類耳石，並持續投入魚耳石化石研究。

解析魚耳石化石可以得到什麼資訊呢？從魚耳石形態可以判定魚的物種、體型和群聚構造等，還可以分析累積在耳石的同位素看到魚類的生命史。

從比較解剖學到魚耳石研究中研院生物多樣性研究中心的林千翔助研究員，在成功大學生命科學系就讀時，察覺自己不喜歡生醫、細胞、神經、生理等領域，因此準備考研究所時他決定選考「比較解剖學」，而全臺灣只有一間研究所考這科：臺灣大學動物學研究所。

林千翔進入臺大動物所後，拜師陶錫珍教授，成為罕有的陶門弟子。

如今已經退休的陶錫珍教授，在臺灣大學教授脊椎動物解剖學超過40年，是臺灣少有的古生物學家。

陶錫珍教授的招牌研究是魚類化石，而林千翔對魚類的耳石（otolith）化石特別感興趣。

從19世紀末開始，便有學者研究魚類耳石化石，林千翔最早是在大學時，從地球科學系的課程接觸到魚耳石。

臺灣有幾位擅長魚耳石的研究人員，都是臺灣大學漁業科學研究所曾萬年教授的弟子，他們都專注於現今魚類，林千翔的目光則望向古代魚類。

在林千翔前往義大利的巴里大學（UniversitàdegliStudidiBariAldoMoro）就讀博士以前，和國立海洋生物博物館的張至維教授，一起發表過《臺灣魚類耳石圖鑑》（OtolithAtlasofTaiwanFishes），記錄超過1,000種現生魚類耳石，已經算是小有所成的研究者。

但是他仍然選擇出國深造，投入魚耳石化石的領域。

在深入探討地中海與東北大西洋一帶的魚耳石化石，並升級知識過後，林千翔可謂此一領域最新世代的專家，他總算可以回答之前無法解決的疑惑，也發現還有好多新的題材等待探索！魚耳石是什麼，有什麼用？人也有耳石嗎？魚耳石是硬骨魚類耳朵裡的「石頭」，在此當然不是指真正的石頭，魚耳石的主要成分是碳酸鈣，可以由新鮮活魚取樣，也能從地層發掘化石。

一條魚頭部的內耳兩側通常各有3顆耳石：矢狀石、星狀石、礫石。

最常用於分析，體積最大的是矢狀石。

魚類從小魚苗逐漸成長時，耳石也漸漸一起長大；耳石和聽覺神經相連，是魚類的聽覺零件；演化歷程及生活環境有別的魚類，受到不同功能需求影響，會衍生出不同的耳石形態。

林千翔實驗室人員展示取出魚耳石的過程，魚耳石是硬骨魚類耳朵裡的「石頭」，主要成份為碳酸鈣。

圖／研之有物魚耳石形態主要和物種有關，根據不同魚類的耳石形態特徵，可以鑑定是什麼物種；而且血緣關係愈近的魚，彼此間的耳石形態往往愈相似，比較耳石的差異，也能判斷魚類間的親疏遠近、演化關係。

林千翔表示，以魚耳石形態鑑定物種，概念類似哺乳動物的牙齒，就像哺乳類分類專家可以根據牙齒形態，判斷貓、金錢豹、馬、狼、羊、河馬、人等動物。

不是魚類的動物也有耳石嗎？其實人類等陸生動物的耳朵內仍然有耳石，但是作用不是聽覺。

人類聽覺的功能，改由磷酸鈣形成的耳骨負責。

陸生動物的耳石體積很小，主要作用是保持身體的平衡，例如人的耳石小小一顆，萬一移位可是會感到天旋地轉的！林千翔實驗室的魚耳石化石，放置在標本架內。

其中，黑姑魚和黃姑魚的耳石特別大。

圖／研之有物魚愈抓愈小？用耳石重現族群組成魚耳石可以用於鑑定物種，但是這只是最基本的用途。

分類固然重要，林千翔強調，人為認定的分類體系不斷變化，反映我們對生物認知的改變；持續累積的新知識、新觀念將改變舊的框架，那才是更有意義的知識進步。

魚的耳石隨身體一起長大，因此兩者的體積呈正相關：耳石愈大，魚體也愈大。

同一種魚類，搜集許多個體的耳石，便能評估該族群的體型組成。

追蹤不同時期的族群組成，能掌握該魚類的演變；倘若和幾年前相比，魚類體型普遍變小，便能懷疑棲地是否遭到破壞，或是發生「過漁」──過度捕撈。

林千翔實驗室的人馬會定期去大溪漁港等地，從下雜魚獲知不少訊息。

不過林千翔提到，耳石大小儘管和體型相關，生長速度則不一定。

一種魚即使最後耳石一樣大，也可能生長比較慢或比較快，也就是晚熟或早熟；缺乏其他資訊下，光靠耳石形態不見得能分辨成長史，必須要切片研磨讀取其年齡資訊。

「石首魚科」（Sciaenidae）是林千翔深入研究的一群，可食用的大黃魚、小黃魚都屬於這群；兩者受人類大量捕撈影響很大，中國沿海也有不少魚塭養殖。

大黃魚、小黃魚是不同的魚，大黃魚即使體型縮水，還是大黃魚。

林千翔便由耳石觀察到，在過度捕撈和人為飼養下，出現「小隻的大黃魚」，牠們現今的族群年齡結構也與古代有所不同。

左邊是被當成中藥材販售的魚耳石，為一般大小；右邊標本盒內是林千翔實驗室最大的魚耳石，屬於石首魚科，可推估這隻魚體型一定相當大！圖／研之有物珊瑚礁旁有哪些魚？穿越數千年古今比較耳石能判斷魚的不同種類，可由一批取樣辨識其中有多少物種、各種魚的相對比例（豐度）為何，也就是「群聚構造」（communitystructure）。

自然或人為引起的環境變化、過度捕撈，讓某些魚變少，其他魚比例增加，都可能影響群聚構造。

林千翔在博士後研究時，前往加勒比海研究魚耳石，比較古代和現代的群聚差異。

古代魚耳石的保存與尋找，也是一門大學問。

魚類死亡後，耳石、牙齒、骨頭、鱗片等構造，都有機會變成化石留存，而不同構造的化學成分不同，各有適宜的保存環境。

耳石的成分是碳酸鈣，和同屬碳酸鈣的貝殼、有孔蟲比較容易一起保存；但是磷酸鈣構成的魚骨、方解石形成的扇貝，與耳石適合的埋藏條件不同，不容易在地層中一同見到。

林千翔的博士後題目是研究加勒比海地區，珊瑚礁魚類的組成與改變。

珊瑚礁周圍一向有豐富的魚類生活，它們死亡後想必會留下不少耳石，但是從珊瑚礁石灰岩中取出裡頭的耳石，技術上有困難。

幸運的是，多明尼加一處7,000年前的古代的潟湖與海阻隔後，其尚未形成石灰岩的礁體，貢獻不少耳石及不同海洋生物遺骸樣本。

比較後意外發現，現代魚群的多樣性比古代更大。

推論是由於周圍環境改變，有些和珊瑚礁關係不大的魚類也移入附近，而不是珊瑚礁魚群原本就這麼多元。

由此看來，礁體也可以作為魚耳石的取材來源，研究附近的魚類群聚構造。

地層、考古遺址與鮪魚肚——認識不同時空的群聚構造假如往更久遠的年代探尋耳石，便有機會得知更遠古的魚類狀態，甚至見到同一類魚，在不同年代的演化改變。

林千翔分析過更新世早期嘉義牛埔地區的魚耳石化石（距今122到195萬年前），以及中新世晚期臺灣北部的魚耳石化石（距今500到800多萬年前）。

最近又取得一批海洋岩芯樣本，可以調查距今46萬年來，西太平洋的魚類多樣性與豐度。

然而林千翔提醒，魚耳石雖然好用，也只能重現古代魚群一部分的資訊。

有些環境條件根本不會有耳石留存，某些魚類的耳石也不易留下（例如河豚所屬的魨形目，耳石很小），還是要搭配牙齒、骨頭、鱗片等材料，加上其他方面的資訊，才能更完整地認識古代魚群，以及它們所屬的生態系。

林千翔提醒，魚耳石雖然好用，也只能重現古代魚群一部分的資訊，還是要搭配牙齒、骨頭、鱗片等材料，才能更完整地認識古代魚群，以及它們所屬的生態系。

圖／研之有物與人為活動相關的考古遺址，也可能保留魚耳石。

臺灣的南科考古遺址群，從近五千年前的南關里東、南關里遺址開始，延續數千年之久；分析遺址中出土的魚耳石，可以推敲古人的資源利用，以及當時的生態環境。

出土年代較早的魚耳石非常多，後來卻明顯變少；這是利用資源的方式改變，或是過度捕撈所致嗎？林千翔團隊分析後發現，和過漁沒有關係，主要是因為海岸線地貌變化導致利用資源方式改變。

另一項研究由印度洋的大目鮪肚子裡取材，分析鮪魚肚中的耳石，研究大目鮪吃的小魚組成。

光憑遺傳學分析方法「DNA條形碼」（DNAbarcoding）也能得知食用魚的種類，不過林千翔表示，唯有耳石才能釐清鮪魚吃進小魚的體型，並藉此得知個頭較大的鮪魚，吃下的食物魚也比較大。

從大目鮪魚的肚子中回收的魚耳石，比例尺為1mm。

圖／FrontiersinMarineScience成分分析：深入回顧一條魚的生命史除了形態方面的資訊，耳石隨著魚一同成長到死亡，也紀錄著一條魚的生命歷史。

魚的耳石是逐漸形成，並且包含當時進入魚體的微量元素。

比較耳石先後形成的部分，各種成分的變化，可以認識這條魚在不同時期，周遭的生活環境。

像是在魚耳石中偵測到重金屬，意謂那時水中有重金屬汙染。

穩定同位素（stableisotope）意指半衰期非常長，可視為不衰變而持續存在的同位素。

各種穩定同位素，進入魚體後留存於耳石之中，反映當時的狀態。

例如分析氧18、氧16穩定同位素的比例，能估計當時的水溫高低；而交叉比對碳、氧、硼等不同元素的穩定同位素，可以獲知鹽度、酸鹼值等環境訊息。

耳石除了碳酸鈣之外，也有極低比例的蛋白質。

蛋白質中的碳、氮皆源於食物，所以碳、氮的穩定同位素可以記錄魚的攝食來源。

大魚吃小魚、小魚吃蝦、蝦吃藻類……這稱作「營養階層」（trophiclevel），穩定同位素氮（d15N，以下稱氮15）會隨著營養階層增加而累積，假如主要吃肉類，氮15的相對比例會比只吃植物、藻類更高。

分析氮15能評估該魚的攝食來源（或是對象）落在哪個營養階層。

有些魚幼小階段和成魚階段的攝食對象不同，可以由氮15的差異看出變化。

理想狀況下，綜合耳石內多種元素的穩定同位素，有機會認識一條魚在生命不同階段，飲食成分、水溫、住在淡水或海水、鹽度、酸鹼值、周遭是否有汙染等訊息。

海洋中的營養階層示意圖，階層愈高，氮15會隨著營養階層增加而累積。

圖／研之有物重現古代海洋的聲音，期待更多研究新秀加入！除了上述研究之外，林千翔最有野心的想法或許是「重現古代海洋的聲音」。

耳石是魚的聽覺構造，形態反映魚的聽力。

聲音稍縱即逝，不會留下任何記錄，可是假如能找到耳石形態和聲音的關聯，或許就有機會根據古代魚類耳石的形態，回推當時它所能聽到的聲音。

本題材潛力很高，目前仍在初步階段。

臺灣有很多人對化石收藏、研究有熱忱，林千翔在訪談中提到，他歡迎對魚類及海洋生物有好奇心的學生，加入他主持的海洋古生物實驗室，目前有一系列與海洋生物化石相關的研究正在進行著，特別是針對臺灣及西太平洋地區的材料。

研究者只要認真投入，都有機會從中實現自我。

延伸閱讀林千翔實驗室網站臺灣西南部嘉義牛埔地區常見的早更新世魚類耳石CoastaldevelopmentthreatensDatanareasupportinggreatestfishdiversityatTaoyuanAlgalReef,northwesternTaiwanFeedingHabitsofBigeyeTuna(Thunnusobesus)intheWesternIndianOceanRevealaSize-RelatedShiftinItsFine-ScalePiscivorousDietFishfossilsofTaiwan:areviewandprospectionFishotolithassemblagesfromRecentNEAtlanticseabottoms:AcomparativestudyofpalaeoecologyFishotolithsinsuperficialsedimentsoftheMediterraneanSeaFishotolithsfromtheLutetianoftheAquitaineBasin(SWFrance),abreakthroughintheknowledgeoftheEuropeanEoceneichthyofaunaLateMioceneotolithsfromnorthernTaiwan:insightsintotherarelyknownNeogenecoastalfishcommunityofthesubtropicalnorthwestPacificReconstructingreeffishcommunitiesusingfishotolithsincoralreefsedimentsTortonianteleostotolithsfromnorthernItaly:taxonomicsynthesisandstratigraphicsignificance數感宇宙探索課程，現正募資中！相關標籤：化石古生物珊瑚礁碳酸鈣魚耳石魚類熱門標籤：大麻量子力學CT值女科學家後遺症快篩時間文章難易度剛好太難所有討論 0登入與大家一起討論研之有物│中央研究院18篇文章・ 8位粉絲＋追蹤研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。

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