TW201821353A - 寬頻超穎光學裝置 - Google Patents
寬頻超穎光學裝置 Download PDFInfo
- Publication number
- TW201821353A TW201821353A TW105140070A TW105140070A TW201821353A TW 201821353 A TW201821353 A TW 201821353A TW 105140070 A TW105140070 A TW 105140070A TW 105140070 A TW105140070 A TW 105140070A TW 201821353 A TW201821353 A TW 201821353A
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- nano
- pillar
- pillars
- optical element
- array
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 59
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 claims description 250
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 43
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 43
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L magnesium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Mg+2] ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 abstract 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 38
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 27
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 3
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000001127 nanoimprint lithography Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/008—Surface plasmon devices
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/0009—Materials therefor
- G02F1/0054—Structure, phase transitions, NMR, ESR, Moessbauer spectra
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
- G03H1/024—Hologram nature or properties
- G03H1/0244—Surface relief holograms
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
- G03H1/08—Synthesising holograms, i.e. holograms synthesized from objects or objects from holograms
- G03H1/0891—Processes or apparatus adapted to convert digital holographic data into a hologram
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Optical Filters (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
本發明提供一種光學元件，包含一介電層及形成於該介電層上的一奈米柱陣列。該奈米柱陣列沿著一橫向方向及一縱向方向延伸。該奈米柱陣列包含多個沿著介電層延伸之奈米柱，該等奈米柱彼此間隔，且相異奈米柱之間具有一夾角。所述奈米柱的兩端分別形成有一凸塊。
Description
本發明涉及一種光學裝置/元件，尤其是一種基於由奈米結構引起電漿耦合的相位調變裝置/元件。
電漿超穎材料(Plasmonic metamaterial)所製作之光學元件是關於奈米材料及奈米光學的技術領域，主要是利用奈米金屬結構賦予電子達到共振時，所產生的異常光學現象來提供特殊的應用，如負折射率材料、超解析透鏡、相位調制(phase modulation)以及全像片(hologram)等的實現。
舉例而言，電漿奈米超穎介面(Plasmonic metasurface)是利用其介面上所設計的次波長(sub-wavelength)奈米結構來調制入射光(即電磁波)的相位，藉以達到電磁波波前(wavefront)的改變。
例如，有公開刊物(D.P.Tsai et al，High-Efficiency Broadband Anomalous Reflection by Gradient Meta-Surfaces，Nano Letters，2012)揭露一種由金奈米結構、氟化鎂及金鏡所構成的相位調制之光學元件，其在近紅外光的工作波長具有大幅度的相位調制能力，但對於其他波長的共振表現不佳，無法實現分波多工(Wavelength Division Multiplexing)及三原色顯示。
此外，刊物「Dual-polarity plasmonic metalens for visible light,Nat.Commun.3,1198(2012)」及刊物「Super-Dispersive Off-Axis Meta-Lenses for Compact High Resolution Spectroscopy,Nano Lett.16,3732-3737(2016)」公開了將相位之幾何關係導入超穎介面手段，即可於可見光及近紅外光 區段實現多功能之超穎透鏡。刊物「Decoupling optical function and geometrical form using conformal flexible dielectric metasurfaces,Nat.Commun.7,11618(2016)」及刊物「A Flat Lens with Tunable Phase Gradient by Using Random Access Reconfigurable Metamaterial,Adv.Mater.27,4739-4743(2015)」還分別公開了一種可調之超穎透鏡，其藉由微流控(microfluidic)系統或彈性物質與超穎介面的結合而實現。這些結果使得超穎介面成為製作超穎透鏡的候選者，並且可實現為修正色差(aberration-corrected)之平面透鏡，如刊物「Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces,Nano lett.12,4932-4936(2012)」、刊物「Aberrations of flat lenses and aplanatic metasurfaces,Opt.Express,21,31530-31539(2013)」及刊物「Multiwavelength achromatic metasurfaces by dispersive phase compensation,Science 347,1342-1345(2015)」所記載。
目前為止，所報導之消色差超穎透鏡是將多種結構之陣列整合至一晶片中，形成多波長消色差之超穎透鏡，其能夠消除特定波長的色差，如刊物「Achromatic Metasurface Lens at Telecommunication Wavelengths,Nano let.15,5358-5362(2015)」及刊物「Multiwavelength polarization-insensitive lenses based on dielectric metasurfaces with meta-molecules,Optica 3,628-633(2016)」。儘管，有多種用來改善這類透鏡表現的介電質超穎介面已被提出，然而其導致低成像品質之色差現象依然存在。
因此，一種能夠寬頻消色差的超穎裝置/元件是需要的，也是被期待發展的。
為了將所述基於奈米電漿結構之光學元件的應用延伸至更短波長，實現三原色顯示，本發明主要目的在於提供一種光學元件，其包含一介電層以及形成在該介電層上的一奈米柱主 陣列。其中，所述奈米柱主陣列形成在該介電層上以定義一畫素，且該奈米柱主陣列係由複數個奈米柱子陣列以二維陣列方式排列所構成。每一個奈米柱子陣列係由複數個奈米柱以二維陣列方式排列所構成，且個別奈米柱子陣列中的奈米柱為相同形狀之矩形柱。每一奈米柱具有一寬度及一長度，該長度延伸的方向為該奈米柱的方向。每一奈米柱子陣列中的所有奈米柱的長度相等，且每一奈米柱子陣列中的該等奈米柱的方向一致。其中，該畫素中該複數個奈米柱子陣列中至少三個奈米柱子陣列中的奈米柱之長度相異。該畫素沿著奈米柱寬度方向包含至少兩奈米柱子陣列，該畫素沿著奈米柱長度方向包含至少兩奈米柱子陣列。該等奈米柱由金屬製成，其具有相對較高的電漿共振頻率，使得工作頻譜延伸至更短波長。
基於上述光學元件，本發明更提供一種顯示裝置，其包含一光源及所述光學元件。該光源投射一極化光至該光學元件。該光學元件投射出一影像以回應入射該光學元件之極化光，該影像與該等畫素的排列有關，該影像的顏色由該光源及該等畫素中的該等奈米柱子陣列中的奈米柱長度所決定。
本發明還提供一種光學元件，包含一介電層；及形成於該介電層上的一奈米柱陣列。該奈米柱陣列沿著一橫向方向及一縱向方向延伸，該奈米柱陣列係由多種奈米柱圖案所陣列而成，每一種圖案由一或多個奈米柱所定義。所述多種圖案之每一者具有一長軸，所述多種奈米柱圖案中的複數個相同種的圖案係沿著所述橫向方向相鄰排列，且該等相同種圖案之每一者的長軸與該等相同種圖案之其他相鄰者的長軸之間定義一夾角，該夾角介於0.0度與90.0度之間。
根據本發明的一實施例，所述奈米柱圖案由多個奈米柱所定義，且該等奈米柱相互平行。
根據本發明的一實施例，所述奈米柱圖案由多個奈 米柱所定義，且該等奈米柱相互垂直。
根據本發明的一實施例，該等相同種圖案的長軸與該橫向方向之間的一夾角沿著該橫向方向係逐漸減少。
根據本發明的一實施例，該等相同種圖案的長軸與該橫向方向之間的一夾角沿著該橫向方向係逐漸增加。
根據本發明的一實施例，所述多種奈米柱圖案中的複數個相同種的圖案係沿著所述縱向方向相鄰排列，且縱向排列的該等相同種圖案之方向一致。
根據本發明的一實施例，該奈米柱陣列包含多個沿著介電層延伸之奈米柱，該等奈米柱彼此間隔，且相鄰之相異奈米柱之間具有一夾角，該夾角介於0.0度與90.0度之間，該夾角由所述相鄰之相異奈米柱各別的一長度所決定，並隨著相異奈米柱在橫向方向上之間的距離而不同。所述奈米柱的兩端分別形成有一凸塊，如同像是分裂環的結構。
本發明的其他特徵和優點將通過下述實施方式以及申請專利範圍變得明顯。
11‧‧‧金屬層
12‧‧‧介電層
13‧‧‧奈米柱
2‧‧‧畫素(主陣列)
20‧‧‧子陣列
20(R)‧‧‧子陣列(紅色)
20(G)‧‧‧子陣列(綠色)
20(B)‧‧‧子陣列(藍色)
20(R)’‧‧‧子陣列(紅色)
H1‧‧‧厚度
H2‧‧‧厚度
H3‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
L‧‧‧長度
Px‧‧‧邊長
Py‧‧‧邊長
50‧‧‧雷射二極體(藍光)
51‧‧‧雷射二極體(綠光)
52‧‧‧雷射二極體(紅光)
53‧‧‧第一分色
54‧‧‧第二分色鏡
55‧‧‧光束調整元件
56‧‧‧極化調制元件
57‧‧‧聚焦透鏡
58‧‧‧感光元件
81‧‧‧金屬層
82‧‧‧介電層
83a、83b、83c‧‧‧奈米柱圖案
84a、84b、84c‧‧‧長軸
85‧‧‧奈米柱
86‧‧‧凸塊
La、Lb、Lc‧‧‧長度
θa、θb、θc‧‧‧夾角(方向夾角)
Gb、Gc‧‧‧距離
Hc‧‧‧高度
90、91、92、93、94‧‧‧奈米柱圖案
901、911、921、931、941‧‧‧奈米柱
902、912、922、932、942‧‧‧長軸
903、913、923、933、943‧‧‧長度
904、914、924、934、944‧‧‧遠端
905、915、925、935、945‧‧‧遠端
100‧‧‧列
101‧‧‧欄
111‧‧‧第一圖案集合
112‧‧‧第二圖案集合
113‧‧‧第三圖案集合
114‧‧‧第四圖案集合
115‧‧‧第五圖案集合
116、117、118‧‧‧圖案集合
第一圖為推倒廣義Snell’s Law的示意圖。
第二圖例示本發明奈米光學元件的共振單元。
第三A圖為本發明奈米光學元件的奈米柱主陣列及子陣列示意圖。
第三B圖為SEM影像，例示第二圖共振單元所構成的奈米光學元件的表面陣列，其中Λ為一個畫素的邊長。
第四(a)圖至第四(c)圖，例示本發明奈米光學元件所呈現的異常反射係數及其相位調變，依據不同奈米柱長度L及不同波長而變化。
第五圖為示意圖，例示一影像重建系統，用以重建本發明奈米光學元件中所記錄之影像。
第六(a)圖至第六(c)圖例示一系列本發明奈米光學元件之重建影像，由y方向極化光束(包含紅光、綠光及藍光光源)所重建。
第六(d)圖至第六(f)圖例示一系列本發明奈米光學元件之重建影像，分別由y方向極化光束、45°極化光束以及x方向極化光束所重建。
第七(a)圖至第七(c)圖例示本發明奈米光學元件的異常反射係數與其奈米柱長度於不同工作波長下的關係，以及SEM的反射影像。
第八(a)圖至第八(c)圖例示本發明消色差光學元件之共振單元。
第九(a)圖至第九(e)為本發明消色差光學元件之各種奈米柱排列實施例。
第十圖例示本發明消色差奈米柱陣列的布局。
本發明所例示之奈米光學元件即為一種超穎介面的型態。在該介面上通常具有數個周期性排列地奈米金屬結構，而這些金屬結構的設計與其排列方式與電磁波的相位調制有關。當電磁波入射至該介面上，奈米金屬結構因而受激發而產生電漿共振響應，使金屬結構進一步輻射出電磁波。由奈米金屬結構輻射出的電磁波，其強度及相位皆已受到改變，並遵守廣義Snell’s Law的定律進行傳播。
廣義Snell’s Law
參閱第一圖所示，就超穎介面而言，由兩個介質所 定義的介面上的人造結構(如本發明之奈米金屬結構)提供了電磁波相位的改變，如兩入射光在介面上的相位分別表示為Φ及Φ+dΦ，其中Φ可表示為位置x的函數。依據動量守恆定律，入射光由A點傳播至B點的行為可表示成以下方程式：
其中，θ t和θ i分別為折射角和反射角，nt和ni分別為入射空間的折射率和折射空間的折射率。
另外，與方程式(1)相似，就該介面而言，該入射光與其反射光(若反射角為θ r)的關係可表示成以下方程式：
將方程式(2)等號的左右兩邊分別乘上入射波的波向量k i，則方程式(2)轉變為介面上水平分量之波向量的手守恆關係，表示成以下方程式：k r,x =k i,x +ξ..................................(3.1)
k i,x =k i sin θ i ..................................(3.2)
k r,x =k i sin θ r ..................................(3.3)
當然，對一入射超穎介面之電磁波而言，可能同時存在正常反射及異常反射。以下實施例之說明，除非特別指明，否則所述反射皆指本發明奈米光學元件的異常反射。
奈米光學元件之設計
同時參閱第二圖及第三A圖至第三B圖，其例示本發明奈米光學元件之一實施例的堆疊結構及其陣列。第二圖顯示本發明奈米光學元件能夠產生共振的最小單元(unit cell)，此處稱共振單元。共振單元為一堆疊結構，包含一金屬層11、一介電層12及一奈米柱13。金屬層11為具有厚度H1的均勻層，且該金屬層11的一面為所述光學元件提供一反射面。一般而言，金屬層11的厚度H1小於可見光波長，較佳範圍可介於100nm至200nm之間，例如可為130nm。金屬層11的材質可視該光學元件的工作波長而選用適合的金屬，較佳可為具有高頻電漿共振的金屬或半導體，例如鋁、銀或電容率(permittivity)小於零的半導體。
介電層12形成於金屬層11的一側。例如，介電層12可形成於金屬層11的反射面上。介電層12為具有厚度H2的均勻層，其中厚度H2小於可見光的波長，較佳範圍可介於5nm至150nm之間，例如可為30nm。介電層12一般為透明材質(針對可見光)，其可選自絕緣體或電容率大於零的半導體，例如可為氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)等。上述電容率小於零的一些半導體，其光學性質如同金屬；而電容率大於零的一些半導體，其光學性質如同介電質。介電層12具有一承載面，其相對於介電層12與金屬層11的結合面。介電層12的承載面上可形成有一或多個奈米柱13，如第三A圖。
如第二圖所示，共振單元的水平尺寸可由延伸於x方向上的邊長Px與延伸於y方向上的Py定義，例如Px=Py=200nm。一般而言，Px及/或Py小於兩倍的工作波長。奈米柱13由一長度 L、一寬度W及一厚度H3所定義，其中長度L大致平行於Py且小於Py，寬度W大致平行於Px且小於Px。因此，奈米柱13的佔據面積不超過由Px與Py定義的面積。一般而言，L≧W>H3。厚度H3小於可見光的波長，較佳範圍可介於10nm至100nm之間。L可介於50nm至180nm之間，W為50nm，H3為25nm。如第二圖所示之奈米柱13大致為矩形，其長度方向與寬度方向與入射電磁波引起的電漿共振方向有關。在本發明其他實施例中，奈米柱13的體積可由其他邊長定義，例如由一厚度及一周長定義。奈米柱13的材料選自金屬，如鋁、銀、金或半導體等，尤其鋁賦予奈米柱13的電漿共振頻譜涵蓋可見光的範圍(400nm-700nm)，甚至擴及至近紅外光及紫外光。
在其他實施例中，本發明奈米光學元可包含其他層結構，例如基板或是基板與金屬層13之間的緩衝層。上述奈米光學元件中的層結構可經由電子束微影(e-beam lithography)、奈米壓印(nanoimprint lithography)或離子束加工(ion beam milling)等慣用手段達成，故不再此贅述。
如第三A圖，本發明光學元件具有一陣列結構，其由多個如第二圖所示之共振單元構成。所述陣列具有複數個奈米柱主陣列2，而每個奈米柱主陣列2又包含複數個子陣列20，每個子陣列20包含多個具有相同尺寸之奈米柱13。即在該子陣列20中的所有奈米柱13具有相同的長度L且在x和y方向上呈週期排列，如圖所示為4×4二維陣列之奈米柱設置於每個子陣列20中。每個子陣列20的邊長為共振單元邊長Px或Py的總和，如Px=200nm，則4×4二維陣列奈米柱構成的子陣列20的邊長為800nm。子陣列20中的奈米柱13具有大致上一致的方向性。此方向一致性賦予子陣列20具有特定方向上的共振效果，藉此調制入射波的反射率及相位延遲。關於奈米柱長度L與工作波長之間的關係，尤其是反射率及相位調制，將於後續段落說明。
本發明奈米光學元件包含多個畫素(即奈米柱主陣 列2)，該等畫素與記錄在光學元件中的圖案有關。一個畫素是由複數個子陣列20所組成之主陣列2所定義，該畫素可具有至少三個相異長度奈米柱陣列之子陣列(如圖示為2×2二維陣列，其中三個子陣列各自的奈米柱長度L皆不同)。該光學元件的表面的一部分佈滿多個奈米柱13，其沿著x方向和y方向呈現週期性排列。該光學元件的表面可具有數列×數欄的奈米柱13陣列。該光學元件可包含或由數列×數欄之共振單元所組成。所述子陣列中的每個奈米柱13具有大致相同的寬度W及厚度H3。每個奈米柱13座落於各自的共振單元的區域(即由Px和Py所定義)。在x方向上，兩個相鄰的奈米柱13之間的間隔為Px，因此沿著x方向上的奈米柱13為周期性地排列。所述主陣列包含有至少兩長度L相異之奈米柱13。
第三B圖為SEM影像，顯示本發明光學元件的部分陣列的俯視圖，其比例尺為500nm。第三B圖所示之畫素是由2×2二維陣列個相鄰子陣列20(R)、20(G)、20(B)及20(R)’所組成，亦即該畫素沿著奈米柱寬度方向包含至少兩子陣列，該畫素沿著奈米柱長度方向包含至少兩子陣列。雖未顯示，但該畫素之子陣列亦可有2×3或3×4二維陣列等組合。這些子陣列20(R)、20(G)、20(B)及20(R)’，依據其光學特性(即電漿共振特性)，可分為紅色子陣列20(R)與20(R)’、藍色子陣列20(B)及綠色子陣列20(G)。其中，就紅色子陣列而言，20(R)與20(R)’各自具有相同的奈米柱長度，此設計是為因應紅色子陣列的反射較綠、藍色子陣列低的原因。子陣列的工作波長與其頻譜分布有關，相關說明如第七圖所示。
如圖所示，該畫素佔據Λ×Λ(1600×1600nm2)的面積，且由2×2二維陣列子陣列20(R)、20(G)、20(B)及20(R)’組成，每個子陣列又由4×4二維陣列奈米柱組成。在本發明其他實施例中，畫素可由更多的子陣列所組成，甚至可具有三種以上之奈米柱長度。
在本發明的一些實施例中，依據子陣列的光學特性或共振特性，本發明奈米光學元件可具有多個紅色子陣列、多個綠色子陣列及多個藍色子陣列。該等紅色子陣列又分為兩種奈米柱長度L之子陣列，且這兩種長度的奈米柱分別構成不同的子陣列(如第三B圖所示)。同樣地，其他該等綠色子陣列及該等藍色子陣列也可分別具有兩種奈米柱長度L之子陣列。藉此安排，本發明奈米光學元件被賦予二階相位調變(two-level phase modulation)的能力。亦即，對於每個單色的工作波長而言，本發明光學元件可提供兩個相異的共振模態。若以三原色的工作波長而言，本發明奈米光學元件可提供六個相異的共振模態。
參閱第四(a)及四(b)圖所示，分別例示反射頻譜、相位皆為奈米柱長度L的函數(此處H1、H2、H3、W皆為定值)，且共振範圍可涵蓋375nm至800nm。此處的反射係數與反射波的振幅有關。相位大小與反射波的反射角有關(即前述θ r)，其原因在於相位的改變、延遲會影響反射波波前的傳遞。根據反射頻譜及相位的分布，本發明奈米光學元件的反射係數及其相位控制，可由奈米柱長度L而決定。如圖所例示，藍色圓點、綠色三角形及紅色方形之分布，代表本發明光學元件的一種設計選擇。
舉例而言，兩藍色圓點分別指出L=55nm和70nm的奈米柱，且由兩者構成之共振單元(如第二圖)或子陣列(如第三圖)，針對特定的藍光工作波長，可產生相位差約π為的共振效果。相似地，綠色三角形分別指出L=84nm和104nm的奈米柱，而紅色方形分別指出L=113nm和128nm的奈米柱。藉此設計，本發明的光學元件可提供六個電漿共振模態。當然，基於奈米柱長度L的選擇，本發明光學元件可提供更多的共振模態。再者，奈米柱長度L的方向性可視特殊情況而設計。例如第三圖中，一部分子陣列中的奈米柱長度L可沿著x方向延伸，其他部分子陣列中的奈米柱長度L沿著y方向延伸，或者相異子陣列中的奈米 柱彼此可具有一夾角，藉此本發明奈米光學元件可產生更多的電漿共振方向。
參閱第四(c)圖，其例示工作波長鎖在405nm、532nm及658nm時，其反射係數及相位的關係。當奈米柱長度L介於55-70nm之間，波長405nm有最低的反射係數；當奈米柱長度L介於84-104nm之間，波長532nm有最低的反射係數；當奈米柱長度L介於113-128nm之間，波長658nm有最低反射係數。
由第四圖可知，對於整個可見光頻譜而言，每個共振單元或子陣列所呈現的反射以及相位偏移，隨著奈米柱的長度L而呈非線性變化。而這樣的非線性變化可由奈米柱的尺寸、奈米柱陣列的安排及/或介電層和金屬層的選用而決定。
具體而言，本發明奈米光學元件可為一種具有超穎介面的反射鏡。圖形的儲存是利用多個相異子陣列構成的多個畫素的排列而建立。
影像重建
第五圖例示一影像重建系統，用以重建本發明奈米光學元件中所記錄之影像。該系統利用三個雷射二極體50、51、52產生波長分別為405nm、532nm及658nm的雷射光束，作為影像重建的工作波長。該等光束先後經由一第一分色53鏡(dichromic mirror)及一第二分色鏡54結合成一光束。光束調整元件55包含至少兩透鏡及一針孔(pin hole)用以調整結合的光束光點大小(spot size)。極化調制元件56包括極化器(polarizer)、四分之一波片及濾波片，用以控制光束的線性極化方向。線性極化後的光束經由聚焦透鏡57透射至其聚焦平面上。該聚焦平面與本發明奈米光學元件的超穎介面重疊。經相位調制後所反射出的影像(或重建影像)被感光元件58記錄並處理。
第六(a)圖至第六(b)圖例示根據上述系統及第 三圖之配置，分別在y極化的工作波長405nm、532nm和658nm下，所獲得的重建影像。針對各工作波長所建構的子陣列，如20(R)、20(G)、20(B)，依據所對應的入射光波長而重建出特定的影像。這些影像與所述畫素的安排有關。
第六(d)圖至第六(f)圖例示根據上述系統及第三圖之配置，分別在y極化、45°極化及x極化的混合工作波長下，所獲得的重建影像。值得注意的是，當入射光的極化從y方向逐漸轉向x方向，重建影像也逐漸消失。用於重建影像之入射光極化方向可由奈米柱的長邊L方向所決定。
鋁奈米柱vs.反射頻譜
由前述說明可了解，本發明所提供之鋁奈米柱將超穎介面的工作頻譜延伸至375nm，實現可見光頻譜的應用。另外，奈米光學元件的反射頻譜分布由奈米柱的尺寸決定，尤其是由奈米柱的長邊L決定。
第七(a)圖至七(c)圖示範相異奈米柱子陣列的光學元件的光學特性。七(b)圖的一系列SEM影像顯示六種奈米柱子陣列的一部分。所述奈米柱子陣列是基於30nm厚的氧化矽介電層以及130nm厚的鋁金屬層所形成。其中，這些SEM影像(比例尺為200nm)由頂部至底部分別顯示L1=55nm、L2=70nm、L3=84nm、L4=104nm、L5=113nm、L6=126nm之奈米柱子陣列，並分別對應至第七(a)圖的反射率頻譜及第七(c)圖的反射影像。七(c)圖(比例尺為20μm)顯示基於七(b)圖之光學元件的反射影像。
可見光反射頻譜的谷值隨奈米柱的長度L增加而往長波長偏移，致使其對應的反射影像顏色為其共振波長顏色的互補色，由頂部至底部從黃色變為橘色，再從藍色變為青綠色(cyan)。換句話說，奈米柱子陣列(如前述子陣列20)的顏色可由奈米柱的長度所決定。舉例而言，但非限制本發明之範疇，L介於55至 84nm時(包含55至70nm及70至84nm)，奈米柱子陣列反射黃色至橘色；L介於104至128nm(包含104至113nm及113至128nm)時，奈米柱子陣列反射藍色至青綠色。圖示雖未揭露，但該領域具有通常知識者應了解，奈米柱的寬度、厚度或奈米柱子陣列的密度也可能是影像反射頻譜的因素之一。此處所示之奈米柱長度與顏色的關係並非限制本發明。在其他實施例中，即使具有相同的奈米柱長度，依據不同的陣列態樣或材質之選用皆會使奈米柱陣列的共振頻譜產生偏移。
本發明所提供之奈米光學元件，利用鋁奈米柱的高頻電漿共振將元件的應用擴展至藍光頻譜。另外，本發明所提供之奈米光學元件可應用於全像片(hologram)，其係利用奈米柱的長度L變化所建構出針對特定工作波長的子陣列或畫素，再由這些畫素建構出與各工作波長有關的圖案，實現波長多工影像的重建。本發明所提供之奈米光學元件所重建的影像，基於相異的工作波長以特定的反射角而分散，投射出特有的圖案分布，因此，亦可用於全彩的防偽標籤之製作。再者，基於多波分工的特性，本發明奈米光學元件亦可適用於顯示器，例如全彩顯示或全彩投影。再者，本發明所應用之全相片可為「2階相位全像片」，意即該全像片針對一種顏色需要兩種不同長度的奈米柱，藉此可針對單一顏色達到相位差π(180度)的調變。若是「3階相位全像片」，則針對一種顏色需要三種不同長度的奈米柱，各相位差可達2π/3(120度)；若是「4階相位全像片」，則針對一種顏色需要四種不同長度的奈米柱，各相位差可達π/2(90度)。其他階之相位全像片與相位差調變的關係，可依該發明所屬領域之通常知識來推得。
消色差奈米光學元件之設計
本發明提供之消色差光學元件仍是利用電漿超穎介面之手段達成。藉由導入相鄰光波長與奈米柱(或稱奈米天線)之近場耦合，光傳播所累積之相位差可被補償，進而實現將相異 波長光線聚焦在自由空間之同一焦平面上。甚至，可將線性極化入射光轉換為圓極化光。
第八(a)、八(b)及八(c)圖分別具體例示本發明消色差奈米光學元件的獨立共振單元。如同前述第二圖，這些共振單元為一堆疊結構，包含一金屬層81及一介電層82，更包含一或多個奈米柱(83a、83b、83c)。作為一反射式元件，金屬層81為具有厚度的均勻層，且該金屬層81與介電層82的接觸面為所述光學元件提供一反射面。一般而言，金屬層81的厚度小於可見光波長，較佳範圍可介於100nm至200nm之間，例如可為130nm。金屬層81的材質可視該光學元件的工作波長而選用適合的金屬，較佳可為具有高頻電漿共振的金屬或半導體，例如鋁、銀或電容率(permittivity)小於零的半導體。在本發明的其他實施例中，作為一穿透式元件，奈米柱83可形成於玻璃基板上，例如BK7玻璃，且不包含前述金屬層。此處共振單元的水平尺寸可由延伸於x方向上的邊長Px與延伸於y方向上的Py定義，例如Px=Py=550nm。一般而言，Px及/或Py小於兩倍的工作波長。
介電層82形成於金屬層81的一側。介電層82為具有厚度的均勻層，其厚度小於可見光的波長，較佳範圍可介於5nm至100nm之間，例如可為30nm。介電層82一般為透明材質(針對可見光)，其可選自絕緣體或電容率大於零的半導體，例如可為氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鉿(HfO2)等。介電層82具有一承載面，其相對於介電層82與金屬層81的結合面。介電層82的承載面上係形成有一圖案化之奈米柱83。
本發明之消色差光學元件包含有一奈米柱陣列，形成於介電層的一表面上，該奈米柱陣列係由一或多種奈米柱圖案所陣列而成，每一種圖案又由一或多個奈米柱所定義而成。奈米柱陣列沿著一橫向方向(以下將以x軸表示)及一縱向方向(以下將以y軸表示)延伸。
第八(a)圖之奈米柱83a係類似於第二圖之奈米柱13之圖案，但該奈米柱83a沿著介電層82的表面相對於x軸或y軸偏轉一角度。第八(b)圖之奈米柱圖案為兩個相互平行之奈米柱83b，且兩者不相接觸。第八(c)圖之奈米柱圖案類似於一分裂環(split ring)，其由兩端形成有凸塊之奈米柱所形成。本發明應涵蓋更多不同的奈米柱圖案，非以圖示實施例為限制。
可看到，第八(a)至八(c)圖中的奈米柱圖案分別具有一長軸(84a、84b、84c)，其由圖案之奈米柱的一長度(La、Lb、Lc)所決定。具體而言，所述長軸(84a、84b、84c)係與所述奈米柱的長度(La、Lb、Lc)延伸方向平行。奈米柱圖案之長軸(84a、84b、84c)與陣列的橫向方向定義一夾角θ(θa、θb、θc)。該夾角θ決定了奈米柱圖案在陣列中的方向性，且依需求該夾角θ可為特定角度範圍並依奈米柱圖案在陣列中不同位置而不同。因此，不同於第三A圖之手段，本發明消色差光學元件所採用之超穎介面具有方向性相異之奈米柱偏轉結構。
第八(a)圖之奈米柱圖案由單一奈米柱83a構成，類似一長寬高所定義之矩形，其中奈米柱的長度La延伸方向決定該奈米柱圖案的一長軸84a，其與奈米柱陣列的一延伸方向(x軸)定義一夾角θa(可以是任意角度)。以單一奈米柱作為獨立共振單元已於第二圖的對應內容描述，故不再次重複。
第八(b)圖之奈米柱圖案具有兩個相互平行之奈米柱83b。在其他實施例中，更多的奈米柱數量可被包含在圖案中，且該等奈米柱的長度Lb可不必相等。例如，圖案中的奈米柱長度Lb可以是介於一個範圍中，像是30nm至530nm，且該等奈米柱83b彼此以一距離Gb隔開，其中Gb大約為10nm至100nm。在另一實施例中，奈米柱圖案可為兩個相互垂直的奈米柱沿著介電層排列成類似於形狀“T”，即其中一奈米柱的寬邊面向且與另一奈米柱的長邊平行，且兩者以一距離隔開。可看到，圖中奈米柱圖案具有一長軸84b，其與奈米柱陣列的一延伸方向(x軸)定義一 夾角θb(可以是任意角度)，其中長軸84b是由奈米柱的長度Lb的延伸方向決定。長軸84b決定奈米柱圖案在奈米柱陣列中的方向性。若圖案為“T”形狀，則可視該圖案的一對稱軸為該圖案在陣列中的方向性。
第八(c)圖之奈米柱圖案為一分裂環，其包含沿著介電層延伸之一奈米柱85以及在該奈米柱85兩端上形成之凸塊86。兩者結合類似於開口朝上之形狀“U”。凸塊86大致上沿著z軸延伸，且具有大約100nm之高度Hc(包含奈米柱85的厚度)。凸塊86不一定是矩形，其亦可為球形隆起，且兩端的凸塊86以一距離Gc隔開，其中Gc約為25nm。在其他實施例中，奈米柱圖案可包含更多類似形狀“U”的結構。例如，可形成多個如第八(b)圖之奈米柱(其長度可不必相等)，且每個奈米柱的兩端沿著z軸形成凸塊(其高度可不必一致)。可看到，圖中奈米柱圖案具有一長軸84c，其與奈米柱陣列的一延伸方向(x軸)定義一夾角θc(可以是任意角度)，其中長軸84c是由奈米柱的長度Lc的延伸方向決定。長軸84c決定奈米柱圖案在奈米柱陣列中的方向性。
上述奈米光學元件中的層結構可經由電子束微影(e-beam lithography)、奈米壓印(nanoimprint lithography)或離子束加工(ion beam milling)等慣用手段達成。舉例而言，科學期刊文章「Plasmon coupling in vertical split-ring resonator metamolecules(Scientific Reports 5/9726(2015)/DOI：10.1038/srep09726)」即公開了一種利用電子束微影與精確校正技術製作類似第八(c)圖奈米柱圖案之方法及其物理特性分析。
如同前述超穎全像片奈米光學元件是基於電漿共振效應影響光傳播相位所致，本發明提供之消色差奈米光學元件係進一步基於幾何相位(geometric phase或稱Pancharatnam-Berry phase)達到光相位調變之目的。第八(a)至八(c)圖顯示之夾角θ不只決定了奈米柱圖案在一奈米柱陣列中的方向性，而對於光傳播而言，該夾角θ還決定了該奈米柱圖案所賦予的相位調變。 而奈米柱及其形成圖案的尺寸及/或形狀，還有奈米柱陣列之單位面積密度及排列週期等物理特徵係與消色差奈米光學元件的工作表現有關，像是對於元件之操作波長及操作頻寬的影響。
因此，在奈米柱陣列中提供多個方向性相異之多種相異奈米柱圖案，即可控制相位調變，達到寬頻消色差之目的。第九(a)圖至第九(f)圖分別顯示奈米柱陣列的一部分，其例示奈米柱圖案之排列及偏轉。本發明消色差奈米光學元件包含一奈米柱陣列，其沿著一橫向方向及一縱向方向延伸。該奈米柱陣列包含多個沿著介電層延伸之奈米柱及/或奈米柱圖案，這些奈米柱及/或圖案彼此間隔排列。兩相鄰相異奈米柱(或兩相鄰相異奈米柱圖案)之間具有一夾角，該夾角介於0.0度與90.0度之間並隨著相異奈米柱在橫向方向上之間的距離而不同。在一實施例中，所述相異奈米柱圖案之間所定義之夾角係沿著橫向方向逐漸增加，意即沿著該方向奈米柱圖案的偏轉變化程度變得明顯。
在本發明的一具體實施例中，奈米柱陣列包含複數個相同種的奈米柱圖案，其係沿著陣列的一或多個延伸方向(像是所述橫向與縱向方向)相鄰排列。而在陣列的一或多個延伸方向上，像是陣列的橫向方向上，所述相同種奈米柱圖案之排列具有方向性變化。第九(a)圖至第九(f)圖分別顯示複數個相同種奈米柱圖案沿著陣列的橫向方向(x軸)之週期排列，其中所述週期可由獨立共振單元之邊長決定，像是第八(a)圖之邊長Px或Py。沿著x軸，相同種圖案之每一者的一長軸與該等相同種圖案之其他相鄰者的一長軸之間定義一夾角。較佳地，該夾角介於0.0度與90.0度之間(較佳地，介於0.0度與15.0度之間)。在一實施例中，該等相同種圖案的長軸與該橫向方向之間的一夾角沿著該橫向方向(x軸)逐漸減少。在另一實施例中，該等相同種圖案的長軸與該橫向方向(x軸)之間的一夾角沿著該橫向方向逐漸增加。
第九(a)圖顯示之奈米柱圖案90為五個相互平行 之奈米柱901所排列而成。該等奈米柱901彼此以一距離隔開。在一具體實施例中，該圖案90的該等奈米柱901之相鄰兩者彼此以25nm之距離隔開。該等奈米柱901的每一者具有450nm之長度及40nm之寬度。該等奈米柱圖案90的每一者具有一長軸902，其與奈米柱901的一長度903平行。長軸902決定奈米柱圖案90在陣列中的一方向。沿x軸排列之各奈米柱圖案90與相鄰的另一奈米柱圖案90之方向不一致。奈米柱圖案90之長軸902與x軸定義一夾角(以下稱方向夾角)，其相同於第八(a)圖之θ且隨著x軸的位置而變化。在一具體實施例中，位於x軸上一遠端904至另一遠端905之圖案90的方向夾角係於0至45度之間變化。雖然未顯示全部，但第九(a)圖在該遠端904及另一該遠端905之間可包含至少十個方向角度相異之奈米柱圖案90。
第九(b)圖顯示之奈米柱圖案91為三個相互平行之奈米柱911所排列而成。該等奈米柱911彼此以一距離隔開。在一具體實施例中，該圖案91的該等奈米柱911之相鄰兩者彼此以35nm之距離隔開。該等奈米柱911的每一者具有400nm之長度及70nm之寬度。該等奈米柱圖案91的每一者具有一長軸912，其與奈米柱911的一長度913平行。長軸912決定奈米柱圖案91在陣列中的一方向。沿x軸排列之各奈米柱圖案91與相鄰的另一奈米柱圖案91之方向不一致。奈米柱圖案91之長軸912與x軸定義一方向夾角，其隨著x軸的位置而變化。在一具體實施例中，位於x軸上一遠端914至另一遠端915之圖案91的方向夾角係於0至45度之間變化。雖然未顯示全部，但第九(b)圖在該遠端914及另一該遠端915之間可包含至少十個(或少於奈米柱圖案90之數量)方向角度相異之奈米柱圖案91。
第九(c)圖顯示之奈米柱圖案92為相互平行之兩奈米柱921所形成。該圖案92的該等奈米柱921彼此以一距離隔開。在一具體實施例中，該等奈米柱921之彼此以40nm之距離隔開。該等奈米柱921的每一者具有380nm之長度及170nm之 寬度。該等奈米柱圖案92的每一者具有一長軸922，其與奈米柱921的一長度923平行。長軸922決定奈米柱圖案92在陣列中的一方向。沿x軸排列之各奈米柱圖案92與相鄰的另一奈米柱圖案92之方向不一致。奈米柱圖案92之長軸922與x軸定義一方向夾角，其隨著x軸的位置而變化。在一具體實施例中，位於x軸上一遠端924至另一遠端925之圖案92的方向夾角係於0至45度之間變化。雖然未顯示全部，但第九(c)圖在該遠端924及另一該遠端925之間可包含少於十個(或少於奈米柱圖案91之數量)之方向角度相異之奈米柱圖案92。
第九(d)圖顯示之奈米柱圖案93為單一奈米柱931圖案。在一具體實施例中，該等奈米柱931的每一者具有390nm之長度及240nm之寬度。該等奈米柱圖案93的每一者具有一長軸932，其與奈米柱931的一長度933平行。長軸932決定奈米柱圖案93在陣列中的一方向。沿X軸排列之各奈米柱圖案93與相鄰的另一奈米柱圖案93之方向不一致。奈米柱圖案93之長軸932與x軸定義一方向夾角，其隨著x軸的位置而變化。在一具體實施例中，位於x軸上一遠端934至另一遠端935之圖案93的方向夾角係於0至45度之間變化。雖然未顯示全部，但第九(d)圖在該遠端934及另一該遠端935之間可包含少於十個(或少於奈米柱圖案92之數量)之方向角度相異之奈米柱圖案93。
第九(e)圖顯示之奈米柱圖案94為相互垂直之兩奈米柱941排列而成，其類似於前述形狀“T”之排列。在一具體實施例中，該圖案94的兩奈米柱941彼此以約35至40nm的距離隔開，而該圖案94其中一奈米柱941具有約330至370nm之長度及約90至120nm之寬度，至於該圖案94其中另一奈米柱941則具有約170至245nm之長度及約240至280nm之寬度。該等奈米柱圖案94的每一者具有一長軸942，其與該圖案94的其中一奈米柱941的一長度943平行。長軸942決定奈米柱圖案94在陣列中的一方向。沿x軸排列之各奈米柱圖案94與相鄰的另一奈米 柱圖案94之方向不一致。奈米柱圖案94之長軸942與x軸定義一方向夾角，其隨著x軸的位置而變化。在一具體實施例中，位於x軸上一遠端944至另一遠端945之圖案94的方向夾角係於0至45度之間變化。雖然未顯示全部，但第九(e)圖在該遠端944及另一該遠端945之間可包含少於十個(或少於奈米柱圖案93之數量)之方向角度相異之奈米柱圖案94。
第十圖示意本發明消色差奈米柱陣列的一實施例。可看到，該奈米柱陣列係沿著一橫向方向(x軸)及一縱向方向(y軸)延伸。該奈米柱陣列沿著橫向方向(即奈米柱陣列的每一列100)包含多種奈米柱圖案之排列，且相同種類的奈米柱圖案至少一部分係彼此相鄰排列。該奈米柱陣列沿著縱向方向(即奈米柱陣列的每一欄101)相鄰排列有多個相同種奈米柱圖案，且每一欄101中的該等相同種圖案方向一致。
該奈米柱陣列之橫向方向的排列係由多個相同種奈米柱圖案之集合所組成。如第十圖，沿著-x方向，依序為第一圖案集合111、第二圖案集合112、第三圖案集合113、第四圖案集合114及第五圖案集合115。在一具體實施例中，第一圖案集合111為第九(a)圖之相同種圖案排列；第二圖案集合112為第九(b)圖之相同種圖案排列；第三圖案集合113為第九(c)圖之相同種圖案排列；第四圖案集合114為第九(d)圖之相同種圖案排列；第五圖案集合115為第九(e)圖之相同種圖案排列。在其他實施例中，這些圖案集合的順序可不必按照圖案的奈米柱數量而決定。較佳地，該等圖案集合111、112、113、114及115中的奈米柱圖案方向沿著-x方向係以順時針偏轉。較佳地，所述偏轉係沿著-x的一遠端而變得明顯。
如第十圖，沿著x方向，還可依序排列多個圖案集合116、117及118，其係重複前述圖案集合111至115的圖案，但排列順序不同。舉例而言，圖案集合116為根據圖案集合111的重新排列，圖案集合117為根據圖案集合112的重新排列，圖 案集合118為根據圖案集合113的重新排列。較佳地，該等圖案集合116、117及118中的奈米柱圖案方向沿著+x方向係以順時針逐漸旋轉。第十圖之奈米柱陣列在橫向方向上可包含更多的圖案集合。例如，第五圖案集合115往-x方向可接續地排列有相似圖案，但不同尺寸之奈米柱圖案。此外，本發明之奈米柱陣列可具有週期性排列，例如在第十圖的橫向方向上可週期性地重複前述圖案集合(111至118)或更多的集合。
在本發明的其他實施例中，更多或更少種類的奈米柱圖案可被包含在前述奈米柱陣列中。例如，本發明消色差奈米柱陣列可包含如第八(c)圖奈米柱83c之排列組合。
每一圖案集合中的相同種圖案之每一者的長軸(如前述定義)與該等相同種圖案之其他相鄰者的長軸之間定義一夾角。因此，奈米柱陣列沿橫向方向上的相鄰奈米柱圖案係不同方向。換言之，橫向方向上排列之奈米柱及其構成之奈米柱圖案係隨著橫向方向分布而相對地偏轉。不同於第三A圖之奈米柱陣列的奈米柱僅有單一方向，第十圖例示之消色差奈米柱陣列的多種奈米圖案及奈米柱係具有隨一橫向位置變化之方向性，因而能夠賦予晶片產生更密集且更多樣的電漿耦合效應，達到寬頻相位調變之效果。
應用上，本發明所提供之奈米光學元件可作為如手機鏡頭、相機鏡頭、顯微鏡聚焦成像系統以及光學微影系統等日常需透鏡的元件之一。
本發明所涵蓋的範圍並不限於前述具體實施例。本發明所屬領域具有通常知識者應可至少自本案圖示的教示，在不背離本發明精神之下，達成其他不同的排列組合。上述實施例及其他實施例在以下申請專利範圍的範疇內皆為顯而易知。
Claims (14)
- 一種光學元件，包含：一介電層；及一奈米柱陣列，形成於該介電層的一表面上，該奈米柱陣列沿著一橫向方向(x)及一縱向方向(y)延伸，該奈米柱陣列係由多種奈米柱圖案(83a、83b、83c)所陣列而成，每一種圖案由一或多個奈米柱所定義，其中，所述多種圖案之每一者具有一長軸(84a、84b、84c)，所述多種奈米柱圖案中的複數個相同種的圖案係沿著所述橫向方向相鄰排列，且該等相同種圖案之每一者的長軸與該等相同種圖案之其他相鄰者的長軸之間定義一夾角。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中所述奈米柱圖案由多個奈米柱所定義，且該等奈米柱相互平行。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中所述奈米柱圖案由多個奈米柱所定義，且該等奈米柱相互垂直。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中該等奈米柱由鋁、銀、金或半導體所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，進一步包含一金屬層，該介電層係形成於該金屬層上，該金屬層用以提供一光反射面。
- 如申請專利範圍第5項所述之光學元件，其中該金屬層由鋁製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中該介電層由氧化矽、氟化鎂、氧化鋁或二氧化鉿所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中該等相同種圖案的長軸與該橫向方向之間的一夾角沿著該橫向方向係逐漸減少。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中該等相同種圖案的長軸與該橫向方向之間的一夾角沿著該橫向方向係逐漸增加。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中所述多種奈米柱圖案中的複數個相同種的圖案係沿著所述縱向方向相鄰排列，且縱向排列的該等相同種圖案之方向一致。
- 一種光學元件，包含：一介電層；及一奈米柱陣列，形成於該介電層的一表面上，該奈米柱陣列沿著一橫向方向及一縱向方向延伸，該奈米柱陣列包含多個沿著介電層延伸之奈米柱(85)，該等奈米柱彼此間隔，且相鄰之相異奈米柱之間具有一夾角，該夾角由所述相鄰之相異奈米柱各別的一長度(Lc)所決定，且該夾角隨著相異奈米柱在橫向方向上之間的距離而不同，其中，所述奈米柱的兩端分別形成有一凸塊(86)。
- 如申請專利範圍第12項所述之光學元件，所述凸塊具有一延伸方向，其垂直於該橫向方向及該縱向方向。
- 如申請專利範圍第12項所述之光學元件，進一步包含一金屬層，該介電層係形成於該金屬層上，該金屬層用以提供一光反射面。
- 如申請專利範圍第12項所述之光學元件，其中一奈米柱上的一對凸塊間距與另一奈米柱上的一對凸塊間距不同。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW105140070A TWI649259B (zh) | 2016-12-05 | 2016-12-05 | 寬頻超穎光學裝置 |
| US15/599,943 US11086051B2 (en) | 2016-12-05 | 2017-05-19 | Broadband meta-optical device |
| CN201711020235.7A CN108152997B (zh) | 2016-12-05 | 2017-10-27 | 宽频超颖光学装置 |
| EP17878080.5A EP3548934A4 (en) | 2016-12-05 | 2017-11-21 | WIDEBAND META-OPTICAL DEVICE |
| PCT/US2017/062802 WO2018106448A1 (en) | 2016-12-05 | 2017-11-21 | Broadband meta-optical device |
| KR1020197015452A KR102209458B1 (ko) | 2016-12-05 | 2017-11-21 | 광대역 메타-광학 장치 |
| JP2019530384A JP2020509398A (ja) | 2016-12-05 | 2017-11-21 | 広帯域メタ光学デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW105140070A TWI649259B (zh) | 2016-12-05 | 2016-12-05 | 寬頻超穎光學裝置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201821353A true TW201821353A (zh) | 2018-06-16 |
| TWI649259B TWI649259B (zh) | 2019-02-01 |
Family
ID=62243047
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW105140070A TWI649259B (zh) | 2016-12-05 | 2016-12-05 | 寬頻超穎光學裝置 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11086051B2 (zh) |
| EP (1) | EP3548934A4 (zh) |
| JP (1) | JP2020509398A (zh) |
| KR (1) | KR102209458B1 (zh) |
| CN (1) | CN108152997B (zh) |
| TW (1) | TWI649259B (zh) |
| WO (1) | WO2018106448A1 (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI728605B (zh) * | 2018-12-20 | 2021-05-21 | 中央研究院 | 用於光場成像的超穎透鏡 |
| TWI771112B (zh) * | 2021-07-21 | 2022-07-11 | 舞蘊股份有限公司 | 用於合光的超穎光學元件 |
| TWI773070B (zh) * | 2021-01-04 | 2022-08-01 | 大陸商廣州立景創新科技有限公司 | 影像擷取模組 |
Families Citing this family (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11656386B2 (en) * | 2015-07-05 | 2023-05-23 | Purdue Research Foundation | Tunable plasmonic color device and method of making the same |
| US10514296B2 (en) | 2015-07-29 | 2019-12-24 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Spectrometer including metasurface |
| US11268854B2 (en) | 2015-07-29 | 2022-03-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Spectrometer including metasurface |
| US11867556B2 (en) | 2015-07-29 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Spectrometer including metasurface |
| US11231544B2 (en) | 2015-11-06 | 2022-01-25 | Magic Leap, Inc. | Metasurfaces for redirecting light and methods for fabricating |
| US10489924B2 (en) * | 2016-03-30 | 2019-11-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Structured light generator and object recognition apparatus including the same |
| KR20210032022A (ko) * | 2016-05-06 | 2021-03-23 | 매직 립, 인코포레이티드 | 광을 재지향시키기 위한 비대칭 격자들을 가진 메타표면들 및 제조를 위한 방법들 |
| DE102016225344A1 (de) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | System zur Analyse von elektromagnetischer Strahlung und Bauelement zur Herstellung desselben |
| KR102663100B1 (ko) | 2017-01-27 | 2024-05-03 | 매직 립, 인코포레이티드 | 메타표면들을 위한 반사 방지 코팅들 |
| US11187655B2 (en) * | 2018-05-16 | 2021-11-30 | Sensera, Inc. | Compact gas sensors |
| US10777970B2 (en) | 2018-09-04 | 2020-09-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Metamaterial-based reflector, optical cavity structure including the same and vertical cavity surface emitting laser |
| CN109270606B (zh) * | 2018-10-08 | 2021-12-03 | 桂林电子科技大学 | 一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法 |
| KR20200074662A (ko) | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 삼성전자주식회사 | 금속-유전체 복합 구조를 구비하는 위상 변환 소자 |
| KR20200092525A (ko) | 2019-01-24 | 2020-08-04 | 삼성전자주식회사 | 고정 위상 변조기를 구비한 광신경망 장치 |
| KR102220770B1 (ko) * | 2019-03-08 | 2021-02-26 | 포항공과대학교 산학협력단 | 메타물질 암호화 표면 및 이의 제조 방법 |
| CN110221362A (zh) * | 2019-06-11 | 2019-09-10 | 南开大学 | 偏振光学元件及图像显示组件 |
| CN110333560B (zh) * | 2019-07-09 | 2020-11-10 | 合肥工业大学 | 一种基于介质超表面的宽带消色差器件 |
| CN110568526B (zh) * | 2019-08-08 | 2021-06-04 | 武汉大学 | 基于金属纳米砖阵列的彩色印刷器件及印刷方法 |
| CN110444557A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-11-12 | 江苏集萃智能传感技术研究所有限公司 | 一种基于纳米盘结构的多波段滤光传感器及其制备方法 |
| CN110488406A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-11-22 | 江苏集萃智能传感技术研究所有限公司 | 一种多波段滤光片及其制备方法 |
| CN110879429B (zh) * | 2019-11-13 | 2021-07-16 | 武汉大学 | 一种可实现双基色显示的超表面及其应用 |
| CN111258060B (zh) * | 2020-03-05 | 2021-05-18 | 武汉大学 | 可实现透反双通道全息复用的超表面的设计方法 |
| CN111474611B (zh) * | 2020-06-05 | 2023-08-08 | 浙江舜宇光学有限公司 | 超透镜组、超成像装置 |
| CN112135028A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-25 | Oppo（重庆）智能科技有限公司 | 图像传感器、成像模组和电子装置 |
| KR20220077724A (ko) * | 2020-12-02 | 2022-06-09 | 삼성전자주식회사 | 메타 표면을 이용한 디스플레이 장치 |
| CN113552072B (zh) * | 2021-04-13 | 2023-03-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于全反射增强机制的光学传感器 |
| CN115265401A (zh) * | 2021-04-29 | 2022-11-01 | 华为技术有限公司 | 摄像头模组及电子设备 |
| CN113504184B (zh) * | 2021-07-08 | 2022-08-19 | 西安邮电大学 | 可调控的介质手性纳米增强装置及系统 |
| CN113671606A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-19 | 维沃移动通信有限公司 | 超构透镜、摄像模组和电子设备 |
| CN114994811B (zh) * | 2021-12-10 | 2023-05-30 | 荣耀终端有限公司 | 超表面透镜、透镜模组、透镜模组的设计方法、电子设备 |
| TWI796888B (zh) * | 2021-12-21 | 2023-03-21 | 博瑞先進股份有限公司 | 超穎透鏡、超穎透鏡組及其影像呈現或解密方法 |
| CN114696109B (zh) * | 2022-03-08 | 2023-05-26 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种透射圆极化spp波束分离器 |
| CN116626920B (zh) * | 2023-07-21 | 2023-11-03 | 南京大学 | 一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3821079A (en) * | 1970-09-09 | 1974-06-28 | Babcock & Wilcox Co | Pressurized water nuclear reactor with upper and lower core support and positioning means |
| US7456383B2 (en) * | 2003-08-06 | 2008-11-25 | University Of Pittsburgh | Surface plasmon-enhanced nano-optic devices and methods of making same |
| JP2007071615A (ja) * | 2005-09-06 | 2007-03-22 | Tohoku Univ | 表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置 |
| JP2008014732A (ja) * | 2006-07-04 | 2008-01-24 | Tohoku Univ | 表面プラズモン共鳴測定装置 |
| CN102884414B (zh) * | 2010-03-31 | 2016-06-29 | 株式会社钟化 | 结构体、定域型表面等离子共振传感器用芯片、及定域型表面等离子共振传感器、以及它们的制造方法 |
| GB201011720D0 (en) * | 2010-07-13 | 2010-08-25 | Univ Southampton | Controlling the colours of metals: bas-relief and intaglio metamaterials |
| JP5971240B2 (ja) * | 2011-05-19 | 2016-08-17 | コニカミノルタ株式会社 | 表面プラズモン励起増強蛍光測定装置およびこれを用いた蛍光検出方法 |
| WO2013033591A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-03-07 | President And Fellows Of Harvard College | Amplitude, phase and polarization plate for photonics |
| JP2013165152A (ja) * | 2012-02-10 | 2013-08-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | プラズモン薄膜レーザ |
| KR101455063B1 (ko) * | 2012-09-07 | 2014-10-30 | 한국과학기술원 | 레이저 간섭 리소그래피를 이용한 광결정 구조가 결합된 표면 플라즈모닉 컬러 필터의 제조 방법 |
| CN104570402B (zh) * | 2013-10-12 | 2018-05-29 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 基于超颖材料结构的空间光调制器及其制备方法 |
| US9684221B2 (en) * | 2015-01-06 | 2017-06-20 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Broadband terahertz generation of metamaterials |
| GB2535515A (en) * | 2015-02-19 | 2016-08-24 | Univ Birmingham | Metasurface for control of light propogation |
| US9952557B2 (en) * | 2015-05-11 | 2018-04-24 | Purdue Research Foundation | System for producing ultra-thin color phase hologram with metasurfaces |
| TWI538875B (zh) | 2015-09-09 | 2016-06-21 | 中央研究院 | 表面電漿全彩影像超穎全像片 |
-
2016
- 2016-12-05 TW TW105140070A patent/TWI649259B/zh active
-
2017
- 2017-05-19 US US15/599,943 patent/US11086051B2/en active Active
- 2017-10-27 CN CN201711020235.7A patent/CN108152997B/zh active Active
- 2017-11-21 JP JP2019530384A patent/JP2020509398A/ja active Pending
- 2017-11-21 KR KR1020197015452A patent/KR102209458B1/ko active IP Right Grant
- 2017-11-21 EP EP17878080.5A patent/EP3548934A4/en not_active Withdrawn
- 2017-11-21 WO PCT/US2017/062802 patent/WO2018106448A1/en active Application Filing
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI728605B (zh) * | 2018-12-20 | 2021-05-21 | 中央研究院 | 用於光場成像的超穎透鏡 |
| US11686885B2 (en) | 2018-12-20 | 2023-06-27 | Academia Sinica | Metalens for light field imaging |
| TWI773070B (zh) * | 2021-01-04 | 2022-08-01 | 大陸商廣州立景創新科技有限公司 | 影像擷取模組 |
| TWI771112B (zh) * | 2021-07-21 | 2022-07-11 | 舞蘊股份有限公司 | 用於合光的超穎光學元件 |
| US11828951B2 (en) | 2021-07-21 | 2023-11-28 | Wuyun Co., Inc. | Meta-optical device for light beam combining |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2020509398A (ja) | 2020-03-26 |
| WO2018106448A1 (en) | 2018-06-14 |
| CN108152997B (zh) | 2022-06-07 |
| CN108152997A (zh) | 2018-06-12 |
| EP3548934A4 (en) | 2020-07-22 |
| EP3548934A1 (en) | 2019-10-09 |
| KR102209458B1 (ko) | 2021-01-29 |
| KR20190096984A (ko) | 2019-08-20 |
| US11086051B2 (en) | 2021-08-10 |
| US20180156949A1 (en) | 2018-06-07 |
| TWI649259B (zh) | 2019-02-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI649259B (zh) | 寬頻超穎光學裝置 | |
| Chen et al. | Principles, functions, and applications of optical meta‐lens | |
| TWI538875B (zh) | 表面電漿全彩影像超穎全像片 | |
| Zou et al. | Imaging based on metalenses | |
| Hu et al. | All-dielectric metasurfaces for polarization manipulation: principles and emerging applications | |
| Sung et al. | Progresses in the practical metasurface for holography and lens | |
| Pan et al. | Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges | |
| US11880047B2 (en) | System and method for controlling light by an array of optical resonators | |
| TWI696297B (zh) | 可見光寬頻消色差的超穎透鏡 | |
| WO2021031807A1 (zh) | 偏振多通道超构表面光学元件及重建全彩全息图像的方法 | |
| Li et al. | Advances in exploiting the degrees of freedom in nanostructured metasurface design: from 1 to 3 to more | |
| US11268854B2 (en) | Spectrometer including metasurface | |
| Feng et al. | RGB achromatic metalens doublet for digital imaging | |
| Scheuer | Optical metasurfaces are coming of age: Short-and long-term opportunities for commercial applications | |
| JP2019184986A (ja) | カラー撮像素子および撮像装置 | |
| Jeong et al. | Emerging advanced metasurfaces: Alternatives to conventional bulk optical devices | |
| US20180259700A1 (en) | Broadband dispersion-compensated and chiral meta-holograms | |
| He et al. | Optical metalenses: fundamentals, dispersion manipulation, and applications | |
| Jeon et al. | Recent advancements of metalenses for functional imaging | |
| Luo et al. | Symmetric and asymmetric photonic spin-orbit interaction in metasurfaces | |
| US11774635B2 (en) | Achromatic multi-zone metalens | |
| TWI514097B (zh) | 可由偏振調控重建影像的多光學維度超穎全像片 | |
| Peng et al. | Metalens in Improving Imaging Quality: Advancements, Challenges, and Prospects for Future Display | |
| Hu et al. | Ultra-broadband dispersion-manipulated dielectric metalenses by nonlinear dispersive phase compensation | |
| CN114488366A (zh) | 一种反射式偏振双聚焦等离子体超透镜及其制备方法 |