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TWI771112B - 用於合光的超穎光學元件 - Google Patents

用於合光的超穎光學元件 Download PDF

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TWI771112B TW110126861A TW110126861A TWI771112B TW I771112 B TWI771112 B TW I771112B TW 110126861 A TW110126861 A TW 110126861A TW 110126861 A TW110126861 A TW 110126861A TW I771112 B TWI771112 B TW I771112B
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Abstract

一種用於合光的超穎光學元件，適用於供N個光束入射，並包含一基板，及一超穎光學陣列。該基板具有沿一X軸與一Y軸延伸的表面。該超穎光學陣列設置於該表面，並供前述光束入射，該超穎光學陣列包括數個排列成陣列的奈米微結構，每一該奈米微結構沿一垂直於該表面的Z軸方向延伸。每一奈米微結構符合以下相對於光軸中心的相位差排列公式：

Description

用於合光的超穎光學元件
本發明是有關於一種超穎光學元件，特別是指一種用於合光的超穎光學元件。
傳統的光學系統，一般由多個光學構件組合在一起，也由佔有體積的曲面構成，且由於為了要讓這些光學構件發揮出特定功能，會使光學系統最終的體積龐大，例如：使光線合光需要一定體積與數量的稜鏡、透鏡等。
此外，由於傳統光學構件加工的加工技術，在曲面的曲率半徑很小時， 要維持加工精度很困難。
因此，本發明之目的，即在提供一種易於維持加工精度且減少體積的用於合光的超穎光學元件。
於是，本發明用於合光的超穎光學元件適用於供N個光束入射，並包含一基板，及一超穎光學陣列。
該基板具有沿一X軸與一Y軸延伸的表面。
該超穎光學陣列設置於該表面，並供前述光束入射，該超穎光學陣列包括數個排列成陣列的奈米微結構，每一該奈米微結構沿一垂直於該表面的Z軸方向延伸。該超穎光學陣列的每一奈米微結構符合以下相對於光軸中心的相位差排列公式：
Figure 02_image003
其中， n=不大於N的所有正整數，
Figure 02_image005
表示第n光束入射該超穎光學陣列之每一該奈米微結構相對於該超穎光學陣列之光軸中心的相位差，坐標系的原點(0,0)定義為該超穎光學陣列的光軸中心，定義
Figure 02_image007
，（x,y）為對應第n光束之每一該奈米微結構在該超穎光學陣列的X軸及Y軸座標，其中，
Figure 02_image009
為第n光束的工作波長，
Figure 02_image011
為第n光束的入射光束偏離X軸的方位角，
Figure 02_image013
為第n光束的入射光束偏離Z軸的方位角。
前述光束經該超穎光學陣列後，偏折成同一方位的成像光束。
本發明之功效在於：透過設置該超穎光學陣列，因為是使用該等奈米微結構產生特定光學效果，能達到減少合光光學系統體積的功效，前述特定效果為使光偏折沿該預定方位延伸，當N大於一時，更可以直接使該等光束偏折為沿同一預定方位的光，藉此產生多色合光的效果。
參閱圖1~圖2A至圖2C，本發明用於合光的超穎光學元件的實施例，適用於供第一光束L 1、第二光束L 2與第三光束L 3入射。在本實施例中，該超穎光學元件是應用於投影機的光學引擎，把各色光偏折到沿同一方位行進，為投影機裡光學引擎中的光學鏡片，在本實施例的其他變化態樣中，該超穎光學元件也可以應用於AR/VR的光學引擎中，或是光纖通訊的合光系統。
該超穎光學元件包括一基板1，及一超穎光學陣列2。
該基板1具有一沿一X軸與一Y軸延伸的表面11，且為二氧化矽(SiO 2)，在本發明的其他變化態樣中，該基板1的材質也可以是光學玻璃或Si,Ge等材料。
該超穎光學陣列2設置於該表面11，並適用於供該第一光束L 1、該第二光束L 2與該第三光束L 3入射。
該超穎光學陣列2為二氧化鈦(TiO 2)。值得說明的是，本發明較佳是透射型(入射光可以是可見光、紅外線或是其他波長的光)，前述超穎光學陣列2也可以是氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鋁(AlAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、鍺(Ge)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鈦(TiO 2)、矽(Si)、氮化矽(Si 3N 4)，以及其他高折射率的透光介電材料。
該超穎光學陣列2包括數個排成陣列的奈米微結構21。
每一該奈米微結構21沿一垂直於該表面111的Z軸方向延伸。
該超穎光學陣列2上的每一奈米微結構21皆符合以下相對於光軸中心的相位差排列公式：
Figure 02_image015
。
Figure 02_image005
表示第n光束入射該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21相對於該超穎光學陣列2之光軸中心的相位差，坐標系的原點(0,0)定義為該超穎光學陣列2的光軸中心，定義
Figure 02_image007
，（x,y）為對應第n光束之每一該奈米微結構21在該超穎光學陣列2的X軸及Y軸座標，其中，
Figure 02_image009
為第n光束的工作波長，
Figure 02_image011
為第n光束的入射光束偏離X軸的方位角，
Figure 02_image013
為第n光束的入射光束偏離Z軸的方位角。
在本實施例中，有三道光束(N=3)和一個超穎光學陣列2，因此，n為不大於三(N=3)的所有正整數，也就是n=1,2,3，該超穎光學陣列2符合三個相位差排列公式。值得說明的是，在本實施例的其他變化態樣中， n也可以是不大於其他正整數的所有正整數，例如，有二(N=2)道光束，該超穎光學陣列2符合兩個相位差排列公式，n為不大於二(N=2)的所有正整數，也就是n=1,2。
以下詳細說明每一超穎光學陣列2相對於光軸中心的相位差排列公式。
該超穎光學陣列2的每一奈米微結構21，符合以下相對於光軸中心的相位差排列公式(1)、(2)與(3)。
相位差排列公式(1)：
Figure 02_image017
其中，
Figure 02_image019
表示第一光束L 1入射該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21相對於光軸中心的相位差，坐標系的原點(0,0)定義為該超穎光學陣列21的光軸中心，定義
Figure 02_image021
，（x,y）為該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21在該超穎光學陣列2的X軸及Y軸座標，其中，
Figure 02_image023
為第一光束L 1的工作波長，
Figure 02_image025
為第一光束L 1的入射光束偏離X軸的方位角，
Figure 02_image027
為第一光束L 1的入射光束偏離Z軸的方位角。
相位差排列公式(2)：
Figure 02_image029
)
其中，
Figure 02_image019
表示第二光束L 2入射該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21相對於光軸中心的相位差，坐標系的原點(0,0)定義為該超穎光學陣列21的光軸中心，定義
Figure 02_image031
，（x,y）為該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21在該超穎光學陣列2的X軸及Y軸座標，其中，
Figure 02_image033
為第二光束L 2的工作波長，
Figure 02_image035
為第二光束L 2的入射光束偏離X軸的方位角，
Figure 02_image037
為第一光束L 2的入射光束偏離Z軸的方位角。
相位差排列公式(3)：
Figure 02_image039
其中，
Figure 02_image041
表示第三光束L 3入射該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21相對於光軸中心的相位差，坐標系的原點(0,0)定義為該超穎光學陣列21的光軸中心，定義
Figure 02_image043
，（x,y）為該超穎光學陣列2之每一該奈米微結構21在該超穎光學陣列2的X軸及Y軸座標，其中，
Figure 02_image045
為第三光束L 3的工作波長，
Figure 02_image047
為第三光束L 3的入射光束偏離X軸的方位角，
Figure 02_image049
為第三光束L 3的入射光束偏離Z軸的方位角。
以下就本發明所提供的超穎光學元件的功能與特性及製備方法進行詳細說明。
一、奈米微結構21
在本實施例中，各超穎光學陣列2的奈米微結構21是數個x-y截面為長方形的奈米柱且由TiO 2材質製成，且每一該奈米微結構的尺寸對應於第n光束的工作波長，長度為
Figure 02_image051
~
Figure 02_image053
，寬度為
Figure 02_image051
~
Figure 02_image053
，且高度為
Figure 02_image055
~2
Figure 02_image053
。
值得說明的是，在本實施例的其他變化態樣中，每一奈米微結構21的x-y截面可以為正方形、圓形、多邊形(例如：三角形、五邊形、六邊形)的奈米柱，且可以是空心或實心，只要符合前述的相位差排列公式(1)、(2)與(3)，即可達到本發明的目的。
二、相位偏移與奈米微結構21的關係(基板11材質SiO 2，奈米微結構21材質TiO 2，每一奈米微結構21沿Z軸延伸的高度為750nm)。
表一、奈米結構與相位偏移的關係
奈米微結構21 沿X軸延伸的長度(奈米) 沿Y軸延伸的寬度(奈米) X偏光相位( 。) Y偏光相位( 。)
奈米微結構21(對第一光線工作波長640nm) 50 50 17.7 17.7
50 100 34.1 51.5
50 150 45.5 106.3
100 50 51.5 34.1
100 100 97.1 97.1
100 150 129.6 194.2
奈米微結構21(對第二光線工作波長520nm) 50 50 24.9 24.9
50 100 46.8 74.3
50 150 61.9 159.6
100 50 74.3 46.8
100 100 146.5 146.5
100 150 199.5 301.3
奈米微結構21(對第二光線工作波長450nm) 50 50 33.6 33.6
50 100 62.9 108.3
50 150 82.9 242.0
100 50 108.3 62.9
100 100 226.2 226.2
100 150 315.2 107.9
補充說明的是，以上僅為例示，本領域之技術人員可根據以上內容了解到製備其他尺寸的奈米微結構。
三、本發明超穎光學元件的製備
＜步驟(1)＞
先透過公式(1)~公式(3)，計算出該超穎光學陣列2上的每個位置的相位差
Figure 02_image005
，並決定各超穎光學陣列2之原點(光軸中心)的相位偏移(
Figure 02_image057
)，就可以得出每一位置的相位偏移
Figure 02_image059
，再根據表一製作對應該
Figure 02_image059
的奈米微結構。
例如：使用者根據表一製作的一個光軸中心的相位偏移
Figure 02_image061
的奈米微結構21，
Figure 02_image005
經公式計算後為b，則
Figure 02_image063
。
＜步驟2＞
準備一SiO 2的基板11，使用者再根據表一的尺寸，並透過半導體蝕刻技術在該基板11的表面111上製作出所對應的TiO 2奈米微結構21以形成該超穎光學陣列2。此製備方法為半導體製程常見的方式，在此不再贅述。
採用上述製備方法製得實驗例1~3進行光學測試，詳細說明如下。
[測試光學系統]
＜實驗例1＞
第一光束L 1偏離X軸方位角
Figure 02_image065
=0度，第一光束L 1偏離Z軸方位角
Figure 02_image027
=15度，第二光束L 2偏離X軸方位角
Figure 02_image067
=0度，第二光束L 2偏離Z軸方位角
Figure 02_image037
=0度，第三光束L 3偏離X軸方位角
Figure 02_image069
=180度，第三光束L 3偏離Z軸方位角
Figure 02_image049
=15度。前述方位角在光源設置完畢後即可得知。
＜實驗例2＞
第一光束L 1偏離X軸方位角
Figure 02_image065
=90度，第一光束L 1偏離Z軸方位角
Figure 02_image027
=15度，第二光束L 2偏離X軸方位角
Figure 02_image067
=0度，第二光束L 2偏離Z軸方位角
Figure 02_image037
=0度，第三光束L 3偏離X軸方位角
Figure 02_image069
=180度，第三光束L 3偏離Z軸方位角
Figure 02_image049
=15度。
＜實驗例3＞
第一光束L 1偏離X軸方位角
Figure 02_image065
=90度，第一光束L 1偏離Z軸方位角
Figure 02_image027
=15度，第二光束L 2偏離X軸方位角
Figure 02_image067
=0度，第二光束L 2偏離Z軸方位角
Figure 02_image037
=0度，第三光束L 3偏離X軸方位角
Figure 02_image069
=270度(-90度)，第三光束L 3偏離Z軸方位角=
Figure 02_image049
=15度。
入射光束(第一光束L 1、第二光束L 2、第三光束L 3)穿過本發明後的光強度分佈係以圖3所示的光學系統進行測試。其中，成像光束是經過一偏光片3，透過波前感測器4量測波前誤差值以得出準直光品質，及一雷射光束分析器5可以準確量測成像光束的角度誤差。此為本發明領域的通常知識者可以透過以上描述推之其他細節，在此不再贅述。
測試時，所採用光束工作波長如下表所列：
第一光束L 1工作波長
Figure 02_image023
 紅光640nm
第二光束L 2工作波長
Figure 02_image033
 綠光520nm
第三光束L 3工作波長
Figure 02_image045
 藍光450nm
[成像結果]
成像結果表列如下：
  實驗例1 實驗例2 實驗例3
光路模擬示意圖 圖4~圖5 圖7~圖8 圖10~11
入射光形 圖6 圖9 圖12
一般來說，光線由於直進性，並不會偏折，因此為三道分開的光束，圖6中，顯示了通過本實施例的實驗例1的光學元件後，前述光束確實沿同一個該預定方位延伸。綜合圖6、圖9與圖12可知通過本實施例的實驗例1、2、與3的光學元件，前述光束確實會沿同一個該預定方位延伸，顯示符合
Figure 02_image015
的超穎光學陣列2，確實可以使原本三個不同方向的光束(該第一光束L 1、該第二光束L 2與該第三光束L 3)，成像光線偏折成確實沿同一個該預定方位延伸，也就是偏折成同一方位的光學效果。
經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：
1. 透過設置該超穎光學陣列，因為是使用該等奈米微結構21產生特定光學效果，能達到減少合光光學系統體積的功效，前述特定效果為使光偏折沿該預定方位延伸，當N大於一時，更可以直接使該等光束偏折為沿同一預定方位的光，藉此產生多色合光的效果。
2. 此外，本發明的超穎光學陣列2是以半導體製程製造，其技術成熟，加工方便且精度高。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:基板 11:表面 2:超穎光學陣列 21:奈米微結構 3:偏光片 4:波前感測器 5:雷射光束分析器 L 1:第一光束 L 2:第二光束 L 3:第三光束
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1為一座標示意圖，說明本發明用於合光的超穎光學元件的的一實施例； 圖2A~圖2C各為說明該實施例不完整的立體圖，其中，圖2B為圖2A中B區的放大圖，圖2C為圖2A中C區的放大圖； 圖3是該實施例的實驗量測示意圖； 圖4~圖5皆是該實施例中的實驗例1的光路模擬示意圖； 圖6是實驗例1中，光源於S1模擬的光型圖； 圖7~圖8皆是該實施例中的實驗例2的光路模擬示意圖； 圖9是該實驗例2中，光源於S2模擬的光型圖； 圖10~圖11皆是該實施例中的實驗例3的光路模擬示意圖；及 圖12是實驗例3中，光源於S3模擬的光型圖。
1:基板
11:表面
2:超穎光學陣列
21:奈米微結構

Claims (6)

  1. 一種用於合光的超穎光學元件，適用於供N個光束入射，該用於合光的超穎光學元件包含： 一基板，具有沿一X軸與一Y軸延伸的表面；及 一超穎光學陣列，設置於該表面，並供前述光束入射，該超穎光學陣列包括數個排列成陣列的奈米微結構，每一該奈米微結構沿一垂直於該表面的Z軸方向延伸， 該超穎光學陣列的每一奈米微結構符合以下相對於光軸中心的相位差排列公式：
    Figure 03_image001
    ； 其中， n=不大於N的所有正整數，
    Figure 03_image071
    表示第n光束入射該超穎光學陣列之每一該奈米微結構相對於該超穎光學陣列之光軸中心的相位差，坐標系的原點(0,0)定義為該超穎光學陣列的光軸中心，定義
    Figure 03_image073
    ，（x,y）為對應第n光束之每一該奈米微結構在該超穎光學陣列的X軸及Y軸座標，其中，
    Figure 03_image075
    為第n光束的工作波長，
    Figure 03_image077
    為第n光束的入射光束偏離X軸的方位角，
    Figure 03_image079
    為第n光束的入射光束偏離Z軸的方位角， 前述光束經該超穎光學陣列後，偏折為沿一預定方位前進的成像光束。
  2. 如請求項1所述的用於合光的超穎光學元件，其中，每一該奈米微結構的尺寸對應於第n光束的工作波長，長度為
    Figure 03_image081
    ~
    Figure 03_image083
    ，寬度為
    Figure 03_image081
    ~
    Figure 03_image083
    ，且高度為
    Figure 03_image085
    ~2
    Figure 03_image083
    。
  3. 如請求項1所述的用於合光的超穎光學元件，其中，該超穎光學元件為投影機裡光學引擎中的鏡片。
  4. 如請求項1所述的用於合光的超穎光學元件，其中，N不小於2。
  5. 如請求項4所述的用於合光的超穎光學元件，其中，該等光束經該超穎光學陣列後，偏折成沿同一個該預定方位的成像光束。
  6. 如請求項4所述的用於合光的超穎光學元件，其中，N=3。
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