專利名稱：具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種偏振光學(xué)元件，尤指一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件及其制作方法。
背景技術(shù)：
隨著光電科技的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)對于光學(xué)偏振或稱之為偏極化的相關(guān)應(yīng)用日益廣泛。例如在半導(dǎo)體制造過程中，需要愈來越復(fù)雜的微顯影處理，如何產(chǎn)生非均勻的偏振模場 (polarization mode)仍舊是業(yè)者的難題，這其中還包括成本與可選擇性等問題。另外在生物醫(yī)學(xué)影像檢測的應(yīng)用領(lǐng)域上，由于觀測尺度的縮小，例如在納米尺度下，待測物的形狀與材料將與入射光產(chǎn)生吸收或散射等交互作用，在某些使用條件下，入射光的偏振方向必須符合特定的極化方式。另外在光通訊的應(yīng)用領(lǐng)域，如果能夠以經(jīng)濟(jì)的成本達(dá)到入射光符合特定的全頻域極化方式，就可以方便處理Beam shaping等問題，更能增加光資訊的解析度與對比度。經(jīng)過特殊不均勻極化方式處理的光也可以應(yīng)用于藝術(shù)方面，如彩繪玻璃的道理， 讓藝術(shù)品呈現(xiàn)不同的視覺效果。在材料的選擇方面，本領(lǐng)域常用的偏振光學(xué)元件有液晶、光柵式模材、特殊晶體以及光學(xué)偏振片等等。然而液晶或特殊晶體材料的成本極高，通常又僅適用于單一波長的光線，無法提出寬頻又低成本的解決方案。而目前所知的光柵式光學(xué)元件也難以提供非均勻的偏振模場的解決方案。另外，為能達(dá)到使光線偏極化或偏振的效果，也有人提出共振腔的方式或是以干涉方式來產(chǎn)生非均勻分布的偏振模場。共振腔只適用于單一波長的入射光；而用干涉法則需要復(fù)雜而精確的光路設(shè)計(jì)，不利于以符合成本考量的方式實(shí)施。職是之故，發(fā)明人鑒于已知技術(shù)的種種不足，乃經(jīng)悉心試驗(yàn)與研究，并一本鍥而不舍的精神，發(fā)明出本案具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件及其制作方法，可以滿足各種不同用途的非均勻特殊光學(xué)偏振的要求，而又能夠以簡單且合乎成本的方式制作出所需要的光學(xué)元件。以下為本案的簡要說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件，其包含有一透光基材、一第一光學(xué)片和一第二光學(xué)片。透光基材具有一表面；該第一和該第二光學(xué)片配置于該表面上，對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性，且該第一及該第二光學(xué)片的篩選方向不同。根據(jù)上述的另一構(gòu)想，本發(fā)明提出一種光學(xué)元件，其包含具有一表面的一透光基材以及復(fù)數(shù)個(gè)光學(xué)片。該些光學(xué)片對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性并配置于該表面上不同的部位，且該些光學(xué)片至少其中之一對電磁波偏振的篩選方向異于其他光學(xué)片對電磁波偏振的篩選方向，以形成一非均勻性偏振模場。根據(jù)上述的另一構(gòu)想，本發(fā)明提出一種具有全頻域非均勻偏振選擇性光學(xué)元件的制作方法，包含下列步驟(a)提供一透光基材，其具有一表面；以及(b)在該表面上配置復(fù)數(shù)個(gè)光學(xué)片，其中該些光學(xué)片對電磁波偏振方向具有篩選性，且各自依據(jù)其預(yù)定的篩選方向覆蓋于該透光基材的該表面。


圖1 本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例一的示意圖。圖2 本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例二的示意圖。圖3 本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例三的示意圖。圖4 本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例四的示意圖。圖5 本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例五的示意圖。主要元件符號(hào)說明10、20、30、40、50 光學(xué)元件100、200、300、400、500 透光基材101、201、301、401、501 表面110、120、130、140、210、220、230、240、310、320、330、340、410、420、430、440、450、460、470、480、510、520、530、540、550、560 光學(xué)片111、121、131、141、211、221、231、241、311、321、331、341、411、421、431、441、451、461、471、481、511、521、531、541、551、561光學(xué)片穿透軸
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)手段將詳細(xì)說明如下，相信本發(fā)明的目的、特征與優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)可由此得一深入且具體的了解，然而下列實(shí)施例與圖示僅提供參考與說明之用，并非用來對本發(fā)明加以限制。依據(jù)本發(fā)明的基本構(gòu)想，將具有偏振選擇性的光學(xué)元件作為組合的基本元件。所述的具有偏振選擇性的光學(xué)元件包括液晶、光柵式模材、特殊晶體以及光學(xué)偏振片等等，然而，光柵式模材與光學(xué)偏振片的成本低于其他種類的光學(xué)元件，使用這兩種材料來制造產(chǎn)品比較符合經(jīng)濟(jì)效益。例如，將表面涂有一層碘分子的高分子透明物質(zhì)沿相反方向伸展成為薄膜，其表面的碘分子會(huì)隨著高分子透明物質(zhì)的形變過程而逐漸的形成許多非常細(xì)密的平行線條。經(jīng)由上述方法可以形成具有全頻域偏振選擇性的光學(xué)偏振片，可以應(yīng)用于篩選波長范圍極大的入射光線，例如白光或一般可見光，甚至于紫外線或紅外線，使入射光線經(jīng)過偏振片處理后，只有剩下偏振方向與偏振片的穿透軸相符合的一部分光線。這類光學(xué)偏振片通常有吸收式偏振片或反射式偏振片兩種。按照上述的構(gòu)想，利用多個(gè)上述具有偏振選擇性的光學(xué)元件，在一個(gè)二維空間上按照應(yīng)用上的需求而任意的旋轉(zhuǎn)與排列，就能夠組合出一個(gè)具二維空間電磁波局部偏振選擇性的光學(xué)元件。使用不具有極化或偏振特性的光源照射，就可以經(jīng)由反射或穿透方式而產(chǎn)生符合光學(xué)元件上面所配置的局部偏振的電磁波。隨著不同的應(yīng)用，當(dāng)需要時(shí)，可經(jīng)由偏振元件的配置而形成非均勻偏振態(tài)的電磁波。請參閱圖1，其為本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件的實(shí)施例一的示意圖，圖左表示光學(xué)元件10的正面，圖右則是光學(xué)元件10的側(cè)視圖。如圖1所示，光學(xué)元件10由一透光基材100和多個(gè)光學(xué)片所構(gòu)成，所述的光學(xué)片配置于透光基材100的一表面101。為方便說明，圖中一部份的光學(xué)片110、120、130、140以元件符號(hào)標(biāo)示，光學(xué)片110、 120、130、140以及未標(biāo)示的各光學(xué)片都具有十六分之一圓的形狀，而本例的透光基材100 為圓形，因此，這些光學(xué)片共同組成透光基材10的外形。本圖是以圓形為例，光學(xué)元件10 并不限于圓形，配合應(yīng)用上的需要或是制作上的考量，光學(xué)元件10的外形可能做成多邊形或其他特殊形狀，而所需光學(xué)片的數(shù)量也不限于16片，可視需要而調(diào)整。如圖1所示，光學(xué)片110、120、130、140以及未標(biāo)示的各光學(xué)片各自具有其單一方向的偏振選擇性，以雙箭頭符號(hào)表示其穿透軸。例如，光學(xué)片110具有穿透軸111，光學(xué)片 120具有穿透軸121，光學(xué)片130具有穿透軸131，而光學(xué)片140具有穿透軸141。特別注意的是，圖中相鄰的兩光學(xué)片(例如光學(xué)片110、120)其偏振方向不同。從圖左所顯示的光學(xué)片組合可以了解，各穿透軸的方向共同圍繞著圓心位置而能使原先不具偏振特性的光線穿透或反射之后形成一幾何對稱且均勻的模場，本實(shí)施例又稱為方位角(azimuthal)偏振態(tài)，利用偏振膜材或偏振片所制作的光學(xué)元件10相較于本領(lǐng)域已知的藉由液晶開關(guān)方可達(dá)成的偏振功效，更具有低成本且易于生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。請參閱圖2，其為本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件施例二的示意圖， 圖左表示光學(xué)元件20的正面，圖右則是光學(xué)元件20的側(cè)視圖。如圖2所示，光學(xué)元件20是由一透光基材200和多個(gè)光學(xué)片210、220、230、240所構(gòu)成，所述的光學(xué)片配置于透光基材 200的一表面201。相同的，光學(xué)元件20并不限于圓形，配合應(yīng)用上的需要或是制作上的考量，光學(xué)元件20的外形可能做成多邊形或其他特殊形狀，光學(xué)片的數(shù)量也不限于4片。圖中所示的透光基材200由光學(xué)片210、220、230、240所完整覆蓋。然而，若只需要達(dá)到局部偏振的效果，或其他應(yīng)用上的目的，則只需要讓一些光學(xué)片按照設(shè)定的配置方式局部貼在透光基材200上。而且，透光基材200的功能是提供一表面用以配置所需要的光學(xué)片，如果技術(shù)上可行，也可以用其他不同的方法來讓光學(xué)片配置于所預(yù)定的位置，例如用框架或其他固定位置的器材或方法。如圖2所示，光學(xué)片210、220、230、240各自具有其單一方向的偏振選擇性，以雙箭頭符號(hào)表示其穿透軸。光學(xué)片210具有穿透軸211，光學(xué)片220具有穿透軸221，光學(xué)片230 具有穿透軸231，而光學(xué)片240具有穿透軸Ml。特別注意的是，圖中相鄰的兩光學(xué)片(例如光學(xué)片210、220)其偏振方向不同，因此，光學(xué)元件20對于電磁波可產(chǎn)生特殊的非均勻且不對稱的局部偏振模場。請參閱圖3，其為本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例三的示意圖，圖左表示光學(xué)元件30的正面，圖右則是光學(xué)元件30的側(cè)視圖。如圖3所示，光學(xué)元件 30是由一透光基材300和多個(gè)光學(xué)片所構(gòu)成，所述的光學(xué)片配置于透光基材300的一表面 301。為方便說明，圖中一部份的光學(xué)片310、320、330、340以元件符號(hào)標(biāo)示，光學(xué)片310、320,330,340以及未標(biāo)示的各光學(xué)片都具有十六分之一圓的形狀，而本例的透光基材300 為圓形，因此，這光學(xué)片共同組成透光基材30的外形。相同的，本圖雖以圓形為例，光學(xué)元件30并不限于圓形，配合應(yīng)用上的需要或是制作上的考量，光學(xué)元件30的外形可能做成多邊形或其他特殊形狀，而所需光學(xué)片的數(shù)量也不限于16片，可視需要而調(diào)整。如圖3所示，光學(xué)片310、320、330、340以及未標(biāo)示的各光學(xué)片各自具有其單一方向的偏振選擇性，以雙箭頭符號(hào)表示其穿透軸。例如，光學(xué)片310具有穿透軸311，光學(xué)片 320具有穿透軸321，光學(xué)片330具有穿透軸331，而光學(xué)片340具有穿透軸341。特別注意的是，圖中相鄰的兩光學(xué)片(例如光學(xué)片310、320)其偏振方向不同。從圖左所顯示的光學(xué)片組合可以了解，各穿透軸的方向共同朝向圓心位置而能使原先不具偏振特性的光線穿透或反射之后形成一幾何對稱且均勻的模場，本實(shí)施例又稱為徑向?qū)ΨQ(radial)偏振態(tài)，利用偏振膜材或偏振片所制作的光學(xué)元件30相較于本領(lǐng)域已知的藉由液晶開關(guān)方可達(dá)成的偏振功效，更具有低成本且易于生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。相較于圖1、3所示可形成幾何對稱且均勻的模場光學(xué)元件，為了配合在使用上的需要，光學(xué)片的偏振方向也可以各自依據(jù)其預(yù)定的篩選方向配置于透光基材的表面。參閱圖4所示，配置于基材400的一表面401上面的光學(xué)片410、420、440、450、470、480的穿透軸方向是方位角型態(tài)；而光學(xué)片430、460的穿透軸方向是徑向型態(tài)，當(dāng)光通光學(xué)元件40時(shí)， 經(jīng)由光學(xué)片的篩選而形成非均勻偏振態(tài)。如此一來，即可按照使用者的需求而在同一平面上同時(shí)產(chǎn)生偏振方向相異的TE波與TM波，增加使用與設(shè)計(jì)上的彈性。為了依使用上的需求而在光線通過的截面上局部調(diào)整光的偏振方向，本發(fā)明也提供更具有設(shè)計(jì)彈性的具體實(shí)施例。請參閱圖5，其為本發(fā)明一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件實(shí)施例五的示意圖。如圖所示，光學(xué)元件50是由一透光基材500和多個(gè)光學(xué)片所構(gòu)成，所述的光學(xué)片配置于透光基材500的一表面501。為方便說明，圖中一部份的光學(xué)片以元件符號(hào)標(biāo)示。光學(xué)片510、520、530、540、550、560各自具有其單一方向的偏振選擇性， 其穿透軸分別為511、521、531、541、551、561。光學(xué)片510,540,560的穿透軸方向是垂直方向；而光學(xué)片520、530、550的穿透軸方向是水平方向，因此，光學(xué)元件50對于電磁波可產(chǎn)生特殊的非均勻且不對稱的局部偏振模場。由于圖左所示的透光基材50的外形是由形狀相同的光學(xué)片組合而成，每一片光學(xué)片各自占據(jù)透光基材50的表面501上的一個(gè)面積單位，這些相鄰的面積單位就可以構(gòu)成一個(gè)較大面積的形狀。如圖5中具有水平方向穿透軸的光學(xué)片520、530、550共同構(gòu)成一個(gè) L形的區(qū)域，而被其他具有垂直方向穿透軸的光學(xué)片所包圍。因此，表面501上形成一個(gè)局部水平方向偏振型態(tài)的L形區(qū)域，而其他區(qū)域則為垂直方向偏振型態(tài)。相同的概念之下，使用者也可以按照特定的方式來配置偏振片或偏振膜片的位置，以組合成為各種不同的局部偏振區(qū)塊。本發(fā)明提供簡單的方式，依照使用者需求而產(chǎn)生特殊的非均勻偏振模場，并具備易于制造、低成本、使用彈性高等等優(yōu)點(diǎn)。在各種需要特殊非均勻偏振模場光源的技術(shù)領(lǐng)域中，例如半導(dǎo)體制造、生醫(yī)影像、光鉗、感測、乃至于藝術(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)需要采用非均勻偏振模場光源時(shí)，本發(fā)明都能提供良好的實(shí)施方式。實(shí)施例六本發(fā)明提供了一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件，其包含
一透光基材，其具有一表面；—第一光學(xué)片，配置于該表面上；以及一第二光學(xué)片，配置于該表面上，其中該第一及該第二光學(xué)片對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性，且該第一及該第二光學(xué)片的篩選方向不同。優(yōu)選的，其中該透光基材的外形為圓形、方形、或多邊形，該些光學(xué)片具有相同的形狀，且經(jīng)配置以共同組成該透光基材的該外形。優(yōu)選的，其中該些光學(xué)片含有碘。優(yōu)選的，其中該些光學(xué)片為光柵式模材或光學(xué)薄膜。優(yōu)選的，其中該些光學(xué)片為吸收式偏振片或反射式偏振片。本發(fā)明還提供了一種光學(xué)元件，其包含一透光基材，其具有一表面；以及復(fù)數(shù)個(gè)光學(xué)片，該些光學(xué)片對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性并配置于該表面上不同的部位，且該些光學(xué)片至少其中之一對電磁波偏振的篩選方向異于其他光學(xué)片對電磁波偏振的篩選方向，以形成一非均勻性偏振模場。優(yōu)選的，其中該些光學(xué)片為吸收式偏振片或反射式偏振片。優(yōu)選的，其中該些光學(xué)片各自依據(jù)一預(yù)定篩選方向，且配置于該表面不同的部位。本發(fā)明還提供了一種具有全頻域非均勻偏振選擇性光學(xué)元件的制作方法，包含下列步驟提供一透光基材，其具有一表面；以及在該表面上配置復(fù)數(shù)個(gè)光學(xué)片，其中該些光學(xué)片對電磁波偏振方向具有篩選性， 且各自依據(jù)其預(yù)定的篩選方向覆蓋于該透光基材的該表面。優(yōu)選的，其中該些光學(xué)片為一吸收式偏振片或一反射式偏振片。雖然本發(fā)明已以數(shù)個(gè)較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件，其包含 一透光基材，其具有一表面；一第一光學(xué)片，配置于該表面上；以及一第二光學(xué)片，配置于該表面上，其中該第一及該第二光學(xué)片對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性，且該第一及該第二光學(xué)片的篩選方向不同。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中該透光基材的外形為圓形、方形、或多邊形，該些光學(xué)片具有相同的形狀，且經(jīng)配置以共同組成該透光基材的該外形。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中該些光學(xué)片含有碘。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其中該些光學(xué)片為光柵式模材或光學(xué)薄膜。
5.如權(quán)利要求1或4所述的光學(xué)元件，其中該些光學(xué)片為吸收式偏振片或反射式偏振片。
6.一種光學(xué)元件，其包含 一透光基材，其具有一表面；以及復(fù)數(shù)個(gè)光學(xué)片，該些光學(xué)片對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性并配置于該表面上不同的部位，且該些光學(xué)片至少其中之一對電磁波偏振的篩選方向異于其他光學(xué)片對電磁波偏振的篩選方向，以形成一非均勻性偏振模場。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其中該些光學(xué)片為吸收式偏振片或反射式偏振片。
8.如權(quán)利要求6或7所述的光學(xué)元件，其中該些光學(xué)片各自依據(jù)一預(yù)定篩選方向，且配置于該表面不同的部位。
9.一種具有全頻域非均勻偏振選擇性光學(xué)元件的制作方法，包含下列步聚 提供一透光基材，其具有一表面；以及在該表面上配置復(fù)數(shù)個(gè)光學(xué)片，其中該些光學(xué)片對電磁波偏振方向具有篩選性，且各自依據(jù)其預(yù)定的篩選方向覆蓋于該透光基材的該表面。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該些光學(xué)片為吸收式偏振片或反射式偏振片。
全文摘要
提出一種具有非均勻偏振選擇性的光學(xué)元件，其包含有一透光基材、一第一光學(xué)片和一第二光學(xué)片。透光基材具有一表面；該第一和該第二光學(xué)片配置于該表面上，對電磁波偏振方向至少于可見光全頻域具有篩選性，且該第一及該第二光學(xué)片的篩選方向不同。
文檔編號(hào)G02B5/30GK102565910SQ20111006107
公開日2012年7月11日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者李杰恩, 田仲豪, 藍(lán)子翔 申請人:財(cái)團(tuán)法人交大思源基金會(huì)