专利名称：具有非均匀偏振选择性的光学元件及其制作方法
技术领域：
本发明关于一种偏振光学元件，尤指一种具有非均勻偏振选择性的光学元件及其制作方法。
背景技术：
随着光电科技的快速发展，产业对于光学偏振或称之为偏极化的相关应用日益广泛。例如在半导体制造过程中，需要愈来越复杂的微显影处理，如何产生非均勻的偏振模场 (polarization mode)仍旧是业者的难题，这其中还包括成本与可选择性等问题。另外在生物医学影像检测的应用领域上，由于观测尺度的缩小，例如在纳米尺度下，待测物的形状与材料将与入射光产生吸收或散射等交互作用，在某些使用条件下，入射光的偏振方向必须符合特定的极化方式。另外在光通讯的应用领域，如果能够以经济的成本达到入射光符合特定的全频域极化方式，就可以方便处理Beam shaping等问题，更能增加光资讯的解析度与对比度。经过特殊不均勻极化方式处理的光也可以应用于艺术方面，如彩绘玻璃的道理， 让艺术品呈现不同的视觉效果。在材料的选择方面，本领域常用的偏振光学元件有液晶、光栅式模材、特殊晶体以及光学偏振片等等。然而液晶或特殊晶体材料的成本极高，通常又仅适用于单一波长的光线，无法提出宽频又低成本的解决方案。而目前所知的光栅式光学元件也难以提供非均勻的偏振模场的解决方案。另外，为能达到使光线偏极化或偏振的效果，也有人提出共振腔的方式或是以干涉方式来产生非均勻分布的偏振模场。共振腔只适用于单一波长的入射光；而用干涉法则需要复杂而精确的光路设计，不利于以符合成本考量的方式实施。职是之故，发明人鉴于已知技术的种种不足，乃经悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，发明出本案具有非均勻偏振选择性的光学元件及其制作方法，可以满足各种不同用途的非均勻特殊光学偏振的要求，而又能够以简单且合乎成本的方式制作出所需要的光学元件。以下为本案的简要说明。
发明内容
本发明提供了一种具有非均勻偏振选择性的光学元件，其包含有一透光基材、一第一光学片和一第二光学片。透光基材具有一表面；该第一和该第二光学片配置于该表面上，对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性，且该第一及该第二光学片的筛选方向不同。根据上述的另一构想，本发明提出一种光学元件，其包含具有一表面的一透光基材以及复数个光学片。该些光学片对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性并配置于该表面上不同的部位，且该些光学片至少其中之一对电磁波偏振的筛选方向异于其他光学片对电磁波偏振的筛选方向，以形成一非均勻性偏振模场。根据上述的另一构想，本发明提出一种具有全频域非均勻偏振选择性光学元件的制作方法，包含下列步骤(a)提供一透光基材，其具有一表面；以及(b)在该表面上配置复数个光学片，其中该些光学片对电磁波偏振方向具有筛选性，且各自依据其预定的筛选方向覆盖于该透光基材的该表面。
图1 本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例一的示意图。图2 本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例二的示意图。图3 本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例三的示意图。图4 本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例四的示意图。图5 本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例五的示意图。主要元件符号说明10、20、30、40、50 光学元件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 光学片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光学片穿透轴
具体实施例方式本发明的技术手段将详细说明如下，相信本发明的目的、特征与优点，当可由此得一深入且具体的了解，然而下列实施例与图示仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。依据本发明的基本构想，将具有偏振选择性的光学元件作为组合的基本元件。所述的具有偏振选择性的光学元件包括液晶、光栅式模材、特殊晶体以及光学偏振片等等，然而，光栅式模材与光学偏振片的成本低于其他种类的光学元件，使用这两种材料来制造产品比较符合经济效益。例如，将表面涂有一层碘分子的高分子透明物质沿相反方向伸展成为薄膜，其表面的碘分子会随着高分子透明物质的形变过程而逐渐的形成许多非常细密的平行线条。经由上述方法可以形成具有全频域偏振选择性的光学偏振片，可以应用于筛选波长范围极大的入射光线，例如白光或一般可见光，甚至于紫外线或红外线，使入射光线经过偏振片处理后，只有剩下偏振方向与偏振片的穿透轴相符合的一部分光线。这类光学偏振片通常有吸收式偏振片或反射式偏振片两种。按照上述的构想，利用多个上述具有偏振选择性的光学元件，在一个二维空间上按照应用上的需求而任意的旋转与排列，就能够组合出一个具二维空间电磁波局部偏振选择性的光学元件。使用不具有极化或偏振特性的光源照射，就可以经由反射或穿透方式而产生符合光学元件上面所配置的局部偏振的电磁波。随着不同的应用，当需要时，可经由偏振元件的配置而形成非均勻偏振态的电磁波。请参阅图1，其为本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件的实施例一的示意图，图左表示光学元件10的正面，图右则是光学元件10的侧视图。如图1所示，光学元件10由一透光基材100和多个光学片所构成，所述的光学片配置于透光基材100的一表面101。为方便说明，图中一部份的光学片110、120、130、140以元件符号标示，光学片110、 120、130、140以及未标示的各光学片都具有十六分之一圆的形状，而本例的透光基材100 为圆形，因此，这些光学片共同组成透光基材10的外形。本图是以圆形为例，光学元件10 并不限于圆形，配合应用上的需要或是制作上的考量，光学元件10的外形可能做成多边形或其他特殊形状，而所需光学片的数量也不限于16片，可视需要而调整。如图1所示，光学片110、120、130、140以及未标示的各光学片各自具有其单一方向的偏振选择性，以双箭头符号表示其穿透轴。例如，光学片110具有穿透轴111，光学片 120具有穿透轴121，光学片130具有穿透轴131，而光学片140具有穿透轴141。特别注意的是，图中相邻的两光学片(例如光学片110、120)其偏振方向不同。从图左所显示的光学片组合可以了解，各穿透轴的方向共同围绕着圆心位置而能使原先不具偏振特性的光线穿透或反射之后形成一几何对称且均勻的模场，本实施例又称为方位角(azimuthal)偏振态，利用偏振膜材或偏振片所制作的光学元件10相较于本领域已知的藉由液晶开关方可达成的偏振功效，更具有低成本且易于生产的优点。请参阅图2，其为本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件施例二的示意图， 图左表示光学元件20的正面，图右则是光学元件20的侧视图。如图2所示，光学元件20是由一透光基材200和多个光学片210、220、230、240所构成，所述的光学片配置于透光基材 200的一表面201。相同的，光学元件20并不限于圆形，配合应用上的需要或是制作上的考量，光学元件20的外形可能做成多边形或其他特殊形状，光学片的数量也不限于4片。图中所示的透光基材200由光学片210、220、230、240所完整覆盖。然而，若只需要达到局部偏振的效果，或其他应用上的目的，则只需要让一些光学片按照设定的配置方式局部贴在透光基材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学片，如果技术上可行，也可以用其他不同的方法来让光学片配置于所预定的位置，例如用框架或其他固定位置的器材或方法。如图2所示，光学片210、220、230、240各自具有其单一方向的偏振选择性，以双箭头符号表示其穿透轴。光学片210具有穿透轴211，光学片220具有穿透轴221，光学片230 具有穿透轴231，而光学片240具有穿透轴Ml。特别注意的是，图中相邻的两光学片(例如光学片210、220)其偏振方向不同，因此，光学元件20对于电磁波可产生特殊的非均勻且不对称的局部偏振模场。请参阅图3，其为本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例三的示意图，图左表示光学元件30的正面，图右则是光学元件30的侧视图。如图3所示，光学元件 30是由一透光基材300和多个光学片所构成，所述的光学片配置于透光基材300的一表面 301。为方便说明，图中一部份的光学片310、320、330、340以元件符号标示，光学片310、320,330,340以及未标示的各光学片都具有十六分之一圆的形状，而本例的透光基材300 为圆形，因此，这光学片共同组成透光基材30的外形。相同的，本图虽以圆形为例，光学元件30并不限于圆形，配合应用上的需要或是制作上的考量，光学元件30的外形可能做成多边形或其他特殊形状，而所需光学片的数量也不限于16片，可视需要而调整。如图3所示，光学片310、320、330、340以及未标示的各光学片各自具有其单一方向的偏振选择性，以双箭头符号表示其穿透轴。例如，光学片310具有穿透轴311，光学片 320具有穿透轴321，光学片330具有穿透轴331，而光学片340具有穿透轴341。特别注意的是，图中相邻的两光学片(例如光学片310、320)其偏振方向不同。从图左所显示的光学片组合可以了解，各穿透轴的方向共同朝向圆心位置而能使原先不具偏振特性的光线穿透或反射之后形成一几何对称且均勻的模场，本实施例又称为径向对称(radial)偏振态，利用偏振膜材或偏振片所制作的光学元件30相较于本领域已知的藉由液晶开关方可达成的偏振功效，更具有低成本且易于生产的优点。相较于图1、3所示可形成几何对称且均勻的模场光学元件，为了配合在使用上的需要，光学片的偏振方向也可以各自依据其预定的筛选方向配置于透光基材的表面。参阅图4所示，配置于基材400的一表面401上面的光学片410、420、440、450、470、480的穿透轴方向是方位角型态；而光学片430、460的穿透轴方向是径向型态，当光通光学元件40时， 经由光学片的筛选而形成非均勻偏振态。如此一来，即可按照使用者的需求而在同一平面上同时产生偏振方向相异的TE波与TM波，增加使用与设计上的弹性。为了依使用上的需求而在光线通过的截面上局部调整光的偏振方向，本发明也提供更具有设计弹性的具体实施例。请参阅图5，其为本发明一种具有非均勻偏振选择性的光学元件实施例五的示意图。如图所示，光学元件50是由一透光基材500和多个光学片所构成，所述的光学片配置于透光基材500的一表面501。为方便说明，图中一部份的光学片以元件符号标示。光学片510、520、530、540、550、560各自具有其单一方向的偏振选择性， 其穿透轴分别为511、521、531、541、551、561。光学片510,540,560的穿透轴方向是垂直方向；而光学片520、530、550的穿透轴方向是水平方向，因此，光学元件50对于电磁波可产生特殊的非均勻且不对称的局部偏振模场。由于图左所示的透光基材50的外形是由形状相同的光学片组合而成，每一片光学片各自占据透光基材50的表面501上的一个面积单位，这些相邻的面积单位就可以构成一个较大面积的形状。如图5中具有水平方向穿透轴的光学片520、530、550共同构成一个 L形的区域，而被其他具有垂直方向穿透轴的光学片所包围。因此，表面501上形成一个局部水平方向偏振型态的L形区域，而其他区域则为垂直方向偏振型态。相同的概念之下，使用者也可以按照特定的方式来配置偏振片或偏振膜片的位置，以组合成为各种不同的局部偏振区块。本发明提供简单的方式，依照使用者需求而产生特殊的非均勻偏振模场，并具备易于制造、低成本、使用弹性高等等优点。在各种需要特殊非均勻偏振模场光源的技术领域中，例如半导体制造、生医影像、光钳、感测、乃至于艺术设计，当需要采用非均勻偏振模场光源时，本发明都能提供良好的实施方式。实施例六本发明提供了一种具有非均勻偏振选择性的光学元件，其包含
一透光基材，其具有一表面；—第一光学片，配置于该表面上；以及一第二光学片，配置于该表面上，其中该第一及该第二光学片对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性，且该第一及该第二光学片的筛选方向不同。优选的，其中该透光基材的外形为圆形、方形、或多边形，该些光学片具有相同的形状，且经配置以共同组成该透光基材的该外形。优选的，其中该些光学片含有碘。优选的，其中该些光学片为光栅式模材或光学薄膜。优选的，其中该些光学片为吸收式偏振片或反射式偏振片。本发明还提供了一种光学元件，其包含一透光基材，其具有一表面；以及复数个光学片，该些光学片对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性并配置于该表面上不同的部位，且该些光学片至少其中之一对电磁波偏振的筛选方向异于其他光学片对电磁波偏振的筛选方向，以形成一非均勻性偏振模场。优选的，其中该些光学片为吸收式偏振片或反射式偏振片。优选的，其中该些光学片各自依据一预定筛选方向，且配置于该表面不同的部位。本发明还提供了一种具有全频域非均勻偏振选择性光学元件的制作方法，包含下列步骤提供一透光基材，其具有一表面；以及在该表面上配置复数个光学片，其中该些光学片对电磁波偏振方向具有筛选性， 且各自依据其预定的筛选方向覆盖于该透光基材的该表面。优选的，其中该些光学片为一吸收式偏振片或一反射式偏振片。虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种具有非均勻偏振选择性的光学元件，其包含 一透光基材，其具有一表面；一第一光学片，配置于该表面上；以及一第二光学片，配置于该表面上，其中该第一及该第二光学片对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性，且该第一及该第二光学片的筛选方向不同。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中该透光基材的外形为圆形、方形、或多边形，该些光学片具有相同的形状，且经配置以共同组成该透光基材的该外形。
3.如权利要求1所述的光学元件，其中该些光学片含有碘。
4.如权利要求1所述的光学元件，其中该些光学片为光栅式模材或光学薄膜。
5.如权利要求1或4所述的光学元件，其中该些光学片为吸收式偏振片或反射式偏振片。
6.一种光学元件，其包含 一透光基材，其具有一表面；以及复数个光学片，该些光学片对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性并配置于该表面上不同的部位，且该些光学片至少其中之一对电磁波偏振的筛选方向异于其他光学片对电磁波偏振的筛选方向，以形成一非均勻性偏振模场。
7.如权利要求6所述的光学元件，其中该些光学片为吸收式偏振片或反射式偏振片。
8.如权利要求6或7所述的光学元件，其中该些光学片各自依据一预定筛选方向，且配置于该表面不同的部位。
9.一种具有全频域非均勻偏振选择性光学元件的制作方法，包含下列步聚 提供一透光基材，其具有一表面；以及在该表面上配置复数个光学片，其中该些光学片对电磁波偏振方向具有筛选性，且各自依据其预定的筛选方向覆盖于该透光基材的该表面。
10.如权利要求9所述的方法，其中该些光学片为吸收式偏振片或反射式偏振片。
全文摘要
提出一种具有非均匀偏振选择性的光学元件，其包含有一透光基材、一第一光学片和一第二光学片。透光基材具有一表面；该第一和该第二光学片配置于该表面上，对电磁波偏振方向至少于可见光全频域具有筛选性，且该第一及该第二光学片的筛选方向不同。
文档编号G02B5/30GK102565910SQ20111006107
公开日2012年7月11日 申请日期2011年3月14日 优先权日2010年12月27日
发明者李杰恩, 田仲豪, 蓝子翔 申请人:财团法人交大思源基金会