TWI434029B - 分光元件、分光裝置及分光方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用以將輸入光分光之分光元件，分光裝置，及其使用方法。
就分光元件，分光裝置，及分光方法而言，已有習知的各種結構。但是，一般而言，它們都是使用稜鏡將輸入光分光，然後在使用影像感測器轉換成電訊號之後記錄分離的光束。因為待分離波長的改變響應稜鏡的驅動機構之機械上的改變，所以如上述方式構成之傳統分光儀很難同時檢測複數波長。因此，完成下列發明以解決此一問題。
日本未審專利公報第8(1996)-193884號揭露一種分光裝置，其具有以下依序串列配置於光學路徑上之構件：第一成像透鏡、狹縫板、第一準直透鏡、分光裝置、第二準直透鏡、微稜鏡陣列、第二成像透鏡及二維陣列感測器。具有藉由分光裝置分離之分光的預定波長之光束藉由微稜鏡陣列偏折，然後沿預定方向輸出。此造成分光影像形成在二維陣列感測器的預定感測器上，於是可以實現能夠同時獲得多分光之分光裝置。
美國專利第5,729,011號揭露一種分光裝置，其中除了透鏡和影像感測器之外，還有形成場遮罩和複數光折射表面，此等光折射表面在異於光學系統的光軸方向之方向具
有多數法線，而且稜鏡配置在透鏡的瞳孔表面附近，使得透鏡的瞳孔表面被每一個折射表面分離。此造成產生在影像感測器上之複數相同影像形成為具有彼此不同波長分量之複數相同的分光影像，於是同時實現能夠獲得對應於複數波長之分光影像的分光裝置。
這些分光裝置需要包含用於影像感測器之稜鏡和使分光影像成像的光學系統用透鏡，所以就組件配置或光學設計而言，需要很大空間。因此，這些分光裝置的尺寸變得非常大。再者，包含稜鏡、透鏡和影像感測器之組件係在整個罩框內對準，所以需要花很長的時間調整，而且對準精確性也受到限制。
因此，本發明之目的在於提供一種新穎分光元件，其無習知分光元件、分光裝置及分光方法的那些問題。
根據本發明之分光元件係一種包含金屬板之元件，該金屬板具有形成多邊形之孔洞或孔徑，該多邊形具有至少一對水平截面彼此不相互平行之相對面，而孔洞或孔徑係在上側開口，其中：孔洞或孔徑的內側面係被加工成像鏡子一樣的反射表面；及駐波係藉由從開口輸入到孔洞或孔徑之偏振輸入光在反射表面上反射所造成的干涉，產生在孔洞或孔徑內部，於是輸入光被分離成複數波長範圍。
此處所使用的“孔洞”和”孔徑”一詞意思是分別具有底部
和貫穿孔徑之孔洞。
孔洞或孔徑具有可以藉由將輸入其中之光反射而在其內部產生駐波之尺寸，亦即，尺寸明顯不大於光的波長，例如，波長的若干倍。
“金屬板”一詞一般意思是具有彼此相互平行之上表面(正面)和底面(背面)之薄金屬，但是此處未必侷限於具有精確平行的上表面和底面之金屬板。此外，其並不限於與在水平方向之尺寸相較，厚度較小之金屬板。
此處所使用的“輸入光被分離成複數波長範圍”一詞意思是具有不同波長範圍之光束被聚焦或導引在孔洞或孔徑內部的不同位置上，而且若配置具有響應這些位置之光接收組件的感測器，具有不同波長之光束即可藉個別光接收組件檢測。例如，具有不同波長範圍之分光分量可被聚焦在孔洞或孔徑的底部上之不同水平位置。
孔洞或孔徑在至少具有一對彼此不相互平行之相對面的水平截面，須具有多邊形，其係一種用以產生上述駐波和將不同波長範圍聚焦在不同位置之情況。尤其，例如，形狀可以為梯形，如等腰梯形。梯形的邊形成一對彼此不相互平行之相對面，所以自孔洞或孔徑的上側輸入，換言之，自上述的開口輸入之偏振光，在相對面之間重複反射，於是不同波長範圍被聚焦在鄰近孔洞或孔徑的底部之不同位置。
尤其，本發明之分光元件可以為一包含金屬板之元件，
其中金屬板之厚度均勻，且具有從上表面延伸到底面的孔徑，其中：當孔徑的橫截面取平行金屬板的上表面和底面，而且形成橫截面的其中三個邊係以長度遞減順序選擇時，三個邊的延伸線形成具有很窄的頂角之等腰三角形；至少接觸等腰三角形的等腰側邊之孔徑內側面被加工成像鏡子一樣的反射表面；及藉由輸入光在孔徑的反射表面上之反射所造成的干涉，自金屬板的上表面輸入到孔徑之偏振輸入光被分離成複數波長範圍。
再者，本發明之分光元件還可以包含在其上側之偏振組件，而且偏振組件的偏振方向被設定在平行或正交等腰三角形底邊的垂直等分線之方向。
本發明之分光裝置可以是一種包含任何上述分光元件之裝置，而且孔徑垂直延伸到金屬板的上表面和底面。
再者，本發明之分光裝置還可以是一種裝置，其包含任何上述分光元件，及配置在對應輸入光的分光分佈之局部化位置之分光元件底面上的位置之光接收組件，其中分光分佈係藉由光接收組件轉換成電訊號。
此外，本發明之分光裝置可以是一種裝置，其包含配置在對應分光分佈之複數局部化位置的位置之複數光接收組件。
再者，本發明之分光裝置可以是一種二維分光裝置，其
包含二維配置，各自組合分光元件和一個或多個光接收組件之複數分光裝置。
本發明之分光方法包含下列步驟：提供一種具有形成多邊形之孔洞或孔徑之金屬板，其中至少具有一對在水平截面彼此不相互平行之相對面，而孔洞或孔徑係在上側開口，其中孔洞或孔徑的內側面係被加工成像鏡子一樣的反射表面；及將偏振輸入光從開口輸入到孔洞或孔徑，然後藉由在反射表面上之輸入光的反射所造成之干涉，而在孔洞或孔徑內部產生駐波，於是輸入光被分離成複數波長範圍。本發明之分光元件包含一種具有形成多邊形之孔洞或孔徑之金屬板，其中至少具有一對在水平截面彼此不相互平行之相對面。孔洞或孔徑係在上側開口，其中孔洞或孔徑的內側面係被加工成像鏡子一樣的反射表面，以及駐波係藉由從開口輸入到孔洞或孔徑之偏振輸入光在反射表面上反射所造成的干涉而產生在孔洞或孔徑內部，於是輸入光被分離成複數波長範圍。因此，本發明之分光元件具有非常簡單的結構，但是其可以提供與傳統分光元件相同之分光效應。
再者，分光元件和光接收組件可以藉由半導體製程製造，所以可以實現小巧的和高精確的分光裝置。
此外，用以將分光影像成像之影像感測器，不需要包含稜鏡和透鏡之光學系統，所以可以減少根據構件配置或光學設計所需之空間。因此，分光裝置的尺寸可以變得非常
小巧。再者，構件包含不使用之稜鏡，透鏡，及影像感測器，所以其不需要在整個罩框內對準。因此，可以不用考慮構件調整所需之時間，而且同時也可以改善對準精確性。
下面，將參考附圖詳細說明本發明之分光元件，分光裝置，及分光方法。
第1A圖，第1B圖，和第1C圖顯示本發明之分光元件10的結構範例。第1A圖係分光元件10的俯視圖，其圖示從光輸入面所觀察到之形狀。分光元件10係由具有均勻厚度之金屬板所製成之結構，其中具有孔徑20，其係從上表面，即輸入面，垂直延伸到底面，即輸出面。第1A圖說明猶如某一分光元件與其他的分光元件無關，但是從製造和使用的觀點，其最好具有被其他相鄰的分光元件分享之金屬板的結構。因此，第1A圖所示外形係虛構的形狀。第1B圖係沿第1A圖的線A-A’所取的橫截面圖。形成分光元件10結構之金屬板將入射光反射在孔徑20的內壁上。在本實施例中，反射表面11，12與輸入面16和輸出面18垂直相交。第1C圖係沿第1A圖的線B-B’所取的橫截面圖。反射表面13，14與輸入面16和輸出面18垂直相交，與第1B圖相同。
如第2圖中根據本發明之分光元件的概念圖所示，分光可以藉由從分光元件10的輸入面16輸入光，而且沒有顯
示在反射表面上反射之輸入光的反射光到達輸出面，並且彼此干涉時所產生的駐波達成。在輸出面18之駐波對應分光強度分佈。
第3A圖和第3B圖顯示本發明之分光元件的孔徑形狀。第3A圖所示本發明分光元件的孔徑20之形狀係以下列方式界定。換言之，藉由那些形成孔徑20之三個邊，邊22，邊26，和邊28的延伸線所包圍之幾何，即，藉由延伸線23，延伸線27，和延伸線29所包圍之幾何形成具有第3B圖所示窄頂角H的等腰三角形30，即，形成三角形。第3A圖所示孔徑20的形狀係梯形，其藉由平形其底邊28切割等腰三角形30的頂點區域所形成。此取決於獲得之分光結果的波長範圍。若不需要獲得之分光結果的短波長範圍，則等腰三角形的頂點區域可以被省略。相反地，若分光係要執行短波長範圍，則孔徑就會更像等腰三角形，而且最後會變成等腰三角形。
在本發明之分光元件中，輸入光被內壁之反射表面反射，然後分光藉由反射光和輸入光所產生的駐波達成。因此，若輸入光被反射表面反射時光能量損失很大，分光裝置之結構內壁反射時的輸入光能量即會損失，而且在輸出面很難獲得完全的強度分佈。因此，有必要選擇具有低反射能量損失之材料用於金屬板。例如，銀係習知具有良好反射率之金屬，而且也已被使用。此外，也可以使用金，銅，和鏡子材料，如金，銅，銅和錫的合金，鋁，及類似
的材料。在這些材料中精確提供孔徑之技術可以包含半導體製程技術之非等向性蝕刻，使用脈衝雷射，光纖雷射，或類似方式之超精密機械加工。半導體製程技術的使用允許穩定製造高精確性之分光元件。
因為只有孔徑的內壁才需要反射，所以孔徑及其所包圍之其他結構可以由矽製之半導體基板形成，其中此材料和後面要說明的光接收組件或類似的組件相同，而且內壁可以只使用金，銀，銅，或銅和錫的合金之薄膜或金屬板。孔徑也可以藉由半導體製程技術提供在半導體基板之中。當在提供在半導體基板之孔徑的內壁上形成金，銀，銅，或銅和錫的合金之薄膜時，可以使用濺鍍，氣相沉積，電鍍，或類似技術。在採用此結構處，可以實行具有由相同半導體基板製作的光接收組件之整合結構。
第4A圖到第4F圖顯示使用本發明之分光元件，Y方向偏振輸入光的分光結果。第4A圖所示左邊座標系統對應第1A圖到第1C圖所示分光元件之座標系統。此為座標系統之指示方式，其垂直軸表示從上方觀察之分光元件的X方向，水平軸表示從上方觀察之分光元件的Y方向，其中Y方向偏振之輸入光係從440nm(第4A圖)到690nm(第4F圖)以每六個波長分光。在第4A圖到第4F圖的每一個圖式中，更白的部分表示波峰，其中具有該波長之光強烈地表示為駐波。波峰部分隨波長改變，顯示本實施例的分光元件具有分光元件之功能。
第5圖顯示使用第4A圖到第4F圖所示分光元件的Y方向偏振輸入光之光譜強度。在第5圖所示圖式中，Y方向的座標(距離)係畫在Y軸，而在分光元件的X方向之中央軸上，光譜強度係畫在X軸。Y座標藉由光譜強度的最大值作歸一化，所以圖式係顯示相對值。圖式清楚顯示關於每一個波長強烈出現駐波之位置，而其在第4A圖到第4F圖中並不清楚。例如，440nm波長在Y軸靠近250，2000，和4200nm的三個位置有波峰。觀察從2500到4500nm之Y座標，可以知道590nm波長之波峰出現在2700nm附近，而當Y座標的值增加時，出現較短波長之波峰。
注意，640和690nm的兩個波長之清楚波峰在圖式中並沒有觀察到。從第4A圖到第4F圖就很清楚，此係因為在遠離分光元件的X方向之中央軸的位置，這兩個波長具有其波峰。
第6圖顯示使用本發明之分光元件的Y方向偏振輸入光之光譜強度的波長與峰值位置關係。圖式的X軸表示輸入光的波長，而Y軸則表示光譜強度的峰值位置。光譜強度的峰值位置0對應第3A圖所示分光元件的底邊28。
各波長之光譜強度的峰值主要可以分成兩組。在第一組中，較接近Y軸方向的0，在波長範圍從440nm到540nm之中，當波長變得更長時，強度的波峰位置幾乎線性移動更接近0。相反地，在波長範圍從590nm到690nm之中，當波長變得更長時，強度的波峰位置幾乎線性移動遠離0。
在另一組中，換言之，在第二組中，在波長範圍從440nm到640nm之中，當波長變得更長時，強度的波峰位置幾乎線性移動更接近0。相反地，在波長範圍從640nm到690nm之中，當波長變得更長時，強度的波峰位置幾乎線性移動遠離0。
當波長變得更長時，強度的所有波峰位置不會幾乎線性移動更接近0之原因在於輸入光在具有細小尺寸之孔徑中振盪。底邊28的反射表面具有振盪的效果。若底邊28係位在無限遠的距離，則當波長變得更長時，強度的波峰位置幾乎線性移動更接近0。
第7A圖到第7F圖顯示使用本發明之分光元件，X方向偏振輸入光的分光結果。第7A圖所示左邊之座標系統對應第1A圖所示分光元件之座標系統。第7A圖到第7F圖為圖示方式，其中輸入光係從440nm(第7A圖)到690nm(第7F圖)以每六個波長分光。在第7A圖到第7F圖的每一個圖式中，更白的部分表示波峰，其中具有該波長之光強烈地表示為駐波。波峰部分隨波長改變，顯示本實施例的分光元件具有分光元件之功能。不像第4A圖到第4F圖所示Y方向偏振光的結果，可以觀察到平行X軸之類線形波峰。
第8圖顯示使用第4A圖到第4F圖之分光元件的X方向偏振輸入光之光譜強度。在第8圖所示圖式中，Y方向的
座標(距離)係畫在Y軸，而在分光元件的X方向之中央軸上，光譜強度係畫在X軸。Y座標係藉由光譜強度的最大值作歸一化，所以圖式係顯示相對值。
關於每一個可以個別確認之波長強烈出現駐波之位置，係在440nm波長之Y座標的2800和3800nm附近。若考慮波長範圍，例如，從490到590nm之Y座標，則波峰被認為出現在Y座標的3400nm附近，所以分光可以藉由使用這些特性之本分光元件達成。
第9A圖和第9B圖顯示根據本發明之分光元件的孔徑形狀修正例。第9A圖和第9B圖基本上是相同的，所以此處將主要說明第9B圖。本實施例之分光元件的孔徑92係以下列方式界定。換言之，藉由那些形成孔徑92之三個邊，邊22，邊26，和邊28的延伸線所包圍之幾何，即，藉由延伸線23，延伸線27，和延伸線29所包圍之幾何形成具有窄頂角H的等腰三角形30，即，形成三角形。第9B圖所示孔徑92的形狀係梯形，其藉由平形其底邊28切割等腰三角形30的頂點區域所形成。孔徑92不同於第一實施例，其具有圓形轉角。
在第9A圖中，圓形轉角Ra=0.1μm，而在第9B圖中，圓形轉角Rb=0.5μm。第1圖所示孔徑的形狀係理想的形狀，而且若形狀像此，則可以提供最高的性能。但是，在考慮到機械加工的精確度之處，具有圓形轉角之形狀可以
更廉價地製造。
第10A圖到第10H圖顯示使用根據本實施例之分光元件，Y方向偏振輸入光的分光結果。雖然沒有圖示，第10A圖到第10H圖的座標系統和示於第9A圖所示分光裝置的座標系統相同。第10A圖到第10H圖係圖示輸入光從380nm(第10A圖和第10E圖)到680nm(第10D圖和第10H圖)間隔100nm被分光的四個波長之方式。在第10A圖到第10H圖的每一個圖式中，更白的部分表示波峰，其中具有該波長之光強烈地表示為駐波，而且雖然細部是不同的，但是在其係具有半徑為0.1μm之圓角的孔徑之分光結果的第10A圖到第10D圖，和其係具有半徑為0.5μm之圓角的孔徑之分光結果的第10E圖到第10H圖之間，其分佈大致上是相同的。此顯示兩者都具有分光元件之功能。
第11A圖，第11B圖，和第11C圖顯示根據本發明之分光元件10第二實施例。分光元件10係由具有均勻厚度之金屬板所製成之結構，其中具有錐形孔徑21，其係從上表面，即輸入面，延伸到底面，即輸出面。其與根據示於第1圖之第一實施例的分光元件10不同，其中孔徑21具有一種使得分光元件10之輸入光的輸入面形狀1101和輸出面形狀1102變成很類似之形狀。因此，連接輸入面形狀1101和輸出面形狀1102之反射表面以直角以外之角度相交。
第11B圖係沿第11A圖的線B-B’所取的橫截面圖。形成分光元件10結構之金屬板將入射光反射在孔徑21的內壁上。在本實施例中，反射表面1103與輸入面1104和輸出面1105以直角以外之角度相交。第11C圖係沿第11A圖的線C-C’所取橫截面圖。反射表面1103與輸入面1104和輸出面1105以直角以外之角度相交，與第11B圖相同。
第12A圖到第12C圖為使用本發明之分光元件10的第二實施例，Y方向偏振輸入光的分光結果圖。第12A圖所示左邊之座標系統對應第11A圖到第11C圖所示分光元件之座標系統。但是，注意X軸的正方向係在反方向(此處，圖式可倒過來以對準方向)。第11A圖為440nm波長的分光結果，第11B圖為540nm波長的分光結果，而第11C圖為640nm波長的分光結果。在第12A圖可以目視觀察到藍光，在第12B圖為綠藍光，在第12C圖為紅光。比較第12A圖和第12B圖，顯示雖然差距很小，但是波峰位置在Y方向從106nm移到110nm。再者，比較第12B圖和第12C圖，顯示波峰位置更移到112nm，而且第二和第三波峰分別出現在145nm和170nm附近。結果顯示本實施例的分光元件具有分光元件之功能。
第13圖顯示使用本發明之分光元件10所建構之分光裝置1300的範例。分光元件10可以為上述分光元件的任一者。分光元件的輸入光(例如，白光)係藉由孔徑20分光，
而光接收組件(1302到1312)係位在底面上分光分佈的局部位置，於是可以實行能夠將分光分佈轉換成電訊號之分光裝置。
光接收組件(1302到1312)形成在半導體(如，矽)基板(1301)上。光接收組件可以使用普通製造方法，形成在一般的半導體基板上。
因為藉由各光接收組件所接收的波長都是固定的，所以若個別的光接收組件(1302到1312)能夠根據波長改變接收靈敏度，則有效率的分光裝置可以藉由針對個別的接收波長調整個別的光接收組件之接收靈敏度建構。例如，光接收組件1302接收藍光波長，如此使用具有靈敏度因藍光波長而增加的分光特性之光接收組件，可以允許分光裝置1300係一種即使當輸入光很弱時，還能夠可靠地獲得分光結果之裝置。
在個別的光接收組件(1302到1312)建構成具有相同的分光特性處，它們可以藉由和傳統影像感測器相同的製程製造，其可容許量產光接收組件，容許以低成本實行分光裝置。
第14圖顯示併入本發明分光裝置之影像感測器的\構成。第14圖所示影像感測器係一種CMOS影像感測器，但是也可以使用CMOS影像感測器以外之CCD影像感測器或其他型式之影像感測器。
每一個光接收組件1410都包含：光偵測二極體1402，
用以將光轉換成電荷；重置電晶體1404，用以在開始曝光之前，根據來自重置線1405之訊號重置儲存在光偵測二極體1402中之電荷；放大器1406，用以放大來自光偵測二極體1402之訊號；及讀取電晶體1408，用以根據來自讀取選擇訊號線1409之訊號將放大的訊號讀取到讀取線1421。在本實施例中，每一列之讀取選擇訊號線都連接到垂直的移位暫存器1460，並且允許某一列的訊號在相同的時間輸出。每一條讀取選擇線都需要藉由垂直的移位暫存器1460選擇。
藉由個別的光接收組件所接收之接收光的訊號係透過讀取線1421到1431讀取。水平的選擇電晶體1441到1451係被連接到每一條讀取線，然後根據來自水平的移位暫存器1470之訊號導通以建立連接，於是訊號被輸出到輸出線1480，最後從輸出端1482輸出。本發明之組態可以察知並不限於此，而且這些組件的組態可以自由選擇。
第13圖所示光接收組件1302到1312對應到光接收組件1420到1430或光接收組件1440到1450。分光裝置可以根據需要的分光解析度，藉由配置光接收組件建構。在光接收組件係以固定間隔配置處，大致相同間距的波長之分光結果，從使用本發明之分光元件的Y方向偏振輸入光之分光光譜強度就很清楚。這是一項優點，因為可以使用現有的影像感測器和各種不同型式的光感測器陣列。
分光元件和光接收組件係藉由下列步驟彼此相互連接。
首先，光接收組件係藉由半導體製程形成在矽基板或類似基板上，然後若表面不平滑，則堆疊氧化矽玻璃或類似材料，使表面平滑。之後，藉由電漿CVD或氣相沉積法，將金屬膜堆疊在光接收組件的平滑表面上，最後藉由蝕刻或類似製程形成孔徑。或者，再堆疊氧化矽玻璃，然後形成孔徑，並且藉由氣相沉積法，CVD，或無電沉積法，在孔徑的反射表面上形成金屬膜。這些步驟可以在半導體製程中執行，其提供分光元件可以關於光接收組件精確定位之有利的效應。
第15圖顯示藉由以二維方式配置根據本發明實施之複數分光裝置所形成之二維分光裝置。換言之，分光元件1510係在XY方向串接配置，以形成二維分光裝置1500。這允許複數光源的分光或要執行之光源分光分佈的量測。如上所述，半導體製程的使用允許複數分光元件以高精確度製作在相同的分光裝置上，所以可以實行高精確的二維分光量測裝置。訊號輸出可以和普通的影像感測器相同的方式讀取，而且輸出可以整合，或當有需要時可以從各分光裝置個別輸出。再者，因為獲得的分光結果係二維的，所以二維分光裝置可以被使用當作普通的影像感測器。當使用作為影像感測器時，因為分光係藉由駐波達成，而且輸入光的損失很小，所以可以實行高靈敏度的影像感測器。
第16圖顯示本發明之分光元件10的另一實施例。第16圖係其孔徑的俯視圖。換言之，分光元件10係由具有均勻厚度之金屬板所製成之結構，其中具有孔徑20，其係從上表面，即輸入面，垂直延伸到底面，即輸出面。孔徑20的形狀在深度方向具有6.27μm之厚度(未圖示)。第17A圖到第17E圖為使用本發明之分光元件，Y方向偏振輸入光的分光結果圖。注意，與第16圖之座標系統相較，第17A圖到第17E圖之座標系統係有旋轉，用以容易排列第17A圖到第17E圖。第17A圖到第17E圖係圖示390nm(第17A圖)，490nm(第17B圖)，590nm(第17C圖)，690nm(第17D圖)，和790nm(第17E圖)間隔100nm之五種波長的每一個之輸入光，在深度方向Z的八個橫截面，從Z=0到Z=6.3μm被分光。第17A圖到第17E圖的每一個圖式中，更白的部分表示波峰，其中具有該波長之光強烈地表示為駐波。
如第17A圖到第17E圖清楚顯示，當在Z方向的深度增加時，駐波強烈出現之波峰位置及其分佈顯示在靠近中央之位置。在Z=0μm處，顯示平行孔徑20的Y方向側(梯形的斜邊)之駐波，但是強烈顯示之位置並沒有出現。比較第17A圖到第17E圖，顯示當波長變長時，駐波的波數(圖中的條紋)有減少的趨勢。在第17E圖所示790nm波長，強烈的波峰出現在深度大於或等於Z=2.7μm的中央。對於在第17D圖所示690nm波長，強烈的波峰出現在深度大於
或等於Z=3.6μm的中央，對於在第17C圖和第17B圖所示590nm和490nm波長，出現在深度大於或等於Z=4.5μm，而對於第17A圖所示390nm波長，出現在深度大於或等於Z=5.4μm。此顯示當期望對於第17A圖到第17E圖所示所有波長在中央獲得分光時，深度要大於或等於Z=5.4μm才足夠。
第18圖顯示表列本發明分光元件之各種不同的孔徑形狀。在第18圖中，孔徑形狀主要分成分別具有12.8μm和6.4μm的Y方向長度之左側組和右側組。各組還又分成分別具有6.4，4.8，和3.2μm的X方向長度之三組。關於六種不同的形狀的每一種，右邊對左邊的比率係從0%(即，等腰三角形)改變到75%，每次增加25%，以製造孔徑樣品。這些孔徑形狀與分光元件之關係已經說明。
10,1510‧‧‧分光元件
11,12,13,14,1103‧‧‧反射表面
16,1104‧‧‧輸入面
18,1105‧‧‧輸出面
20,21,92‧‧‧孔徑
22,26,28‧‧‧邊
23,27,29‧‧‧延伸線
30‧‧‧等腰三角形
1101‧‧‧輸入面形狀
1102‧‧‧輸出面形狀
1300,1500‧‧‧分光裝置
1301‧‧‧基板
1302,1304,1306,1308,1310,1312,1410,1420,1422,1424,1426,1428,1430,1440,1442,1444,1446,1448,1450‧‧‧光接收組件
1402‧‧‧光偵測二極體
1404‧‧‧重置電晶體
1405‧‧‧重置線
1406‧‧‧放大器
1408‧‧‧讀取電晶體
1409‧‧‧讀取選擇訊號線
1421,1423,1425,1427,1429,1431‧‧‧讀取線
1441,1443,1445,1447,1449,1451‧‧‧水平的選擇電晶體
1460‧‧‧垂直的移位暫存器
1470‧‧‧水平的移位暫存器
1480‧‧‧輸出線
1482‧‧‧輸出端
第1A圖，第1B圖，和第1C圖顯示本發明之分光元件的結構範例；第2圖為本發明之分光元件的概念圖；第3A圖和第3B圖界定本發明之分光元件的孔徑形狀；第4A圖到第4F圖顯示使用本發明之分光元件，關於每一個波長之Y方向偏振輸入光的分光結果；第5圖顯示使用本發明之分光元件的Y方向偏振輸入光之分光光譜強度；
第6圖顯示使用本發明之分光元件的Y方向偏振輸入光之分光光譜強度的波長與峰值位置關係；第7A圖到第7F圖顯示使用本發明之分光元件，關於每一個波長之X方向偏振輸入光的分光結果；第8圖顯示使用本發明之分光元件的X方向偏振輸入光之分光光譜強度\(原始資料)；第9A圖和第9B圖顯示本發明之分光元件的孔徑形狀修正例；第10A圖到第10H圖顯示使用具有修正形狀孔徑之分光元件，Y方向偏振輸入光的分光結果；第11A圖，第11B圖，和第11C圖顯示本發明之分光元件的第二實施例圖；第12A圖，第12B圖，和第12C圖顯示使用本發明之分光元件的第二實施例，Y方向偏振輸入光的分光結果；第13圖顯示使用本發明之分光元件所建構之分光裝置的範例；第14圖顯示併入分光裝置之影像感測器的構成；第15圖顯示藉由以二維方式配置本發明之複數分光裝置所形成之二維分光裝置；第16圖顯示本發明之分光元件的第五實施例；第17A圖到第17E圖顯示使用本發明之分光元件，關於Z方向之Y方向偏振輸入光的分光光譜強度；及第18圖顯示本發明之分光元件的第六實施例圖。
10‧‧‧分光元件
16‧‧‧輸入面
18‧‧‧輸出面
20‧‧‧孔徑
1300‧‧‧分光裝置
1301‧‧‧基板
1302,1304,1306,
1308,1310,1312‧‧‧光接收組件
Claims (15)
- 一種分光元件，包含具有形成多邊形之孔洞或孔徑之金屬板，該孔洞或孔徑至少具有一對在水平截面彼此不相互平行之相對面，而該孔洞或孔徑係在上側開口，其中：該孔洞或孔徑的內側面被加工成像鏡子一樣的反射表面；及駐波係藉由從該開口輸入到該孔洞或孔徑之偏振輸入光在該反射表面上反射所造成的干涉而產生在該孔洞或孔徑內部，藉此該輸入光被分離成複數個波長範圍。
- 如申請專利範圍第1項之分光元件，其中具有不同波長範圍之分光分量被聚焦在該孔洞或孔徑底部上之水平方向不同的位置。
- 如申請專利範圍第1項之分光元件，其中該孔洞或孔徑之水平截面的形狀係等腰三角形。
- 如申請專利範圍第2項之分光元件，其中該孔洞或孔徑之水平截面的形狀係等腰三角形。
- 如申請專利範圍第1項之分光元件，其中該孔洞或孔徑之水平截面的形狀係等腰梯形。
- 如申請專利範圍第2項之分光元件，其中該孔洞或孔徑之水平截面的形狀係等腰梯形。
- 一種分光元件，包含一金屬板，其厚度均勻且具有從上表面延伸到底面的孔徑，其中：當該孔徑的橫截面是平行該金屬板的上表面和底面， 而且形成該橫截面的其中三個邊係以長度遞減順序被選擇時，該三個邊的延伸線形成具有一窄頂角之等腰三角形；在該孔徑的內側面當中至少接觸該等腰三角形的等腰側邊之該孔徑的內側面被加工成像鏡子一樣的反射表面；及自該金屬板的上表面輸入到該孔徑之偏振輸入光，係藉由該輸入光在該孔徑的該反射表面上之反射所造成的干涉，而被分離成複數個波長範圍。
- 如申請專利範圍第7項之分光元件，其中該分光元件還包含在其上側之偏振組件，而且該偏振組件的偏振方向係被設定在平行該等腰三角形底邊的垂直等分線之方向。
- 如申請專利範圍第7項之分光元件，其中該分光元件還包含在其上側之偏振組件，而且該偏振組件的偏振方向被設定在與該等腰三角形底邊的垂直等分線正交之方向。
- 如申請專利範圍第7項之分光元件，其中該孔徑垂直地延伸到該金屬板的上表面和底面。
- 一種分光裝置，包含：如申請專利範圍第7項之分光元件；及光接收組件，其配置在該分光元件底面上的一位置而相當於該輸入光的分光分佈之局部化位置， 其中該分光分佈係藉由該光接收組件轉換成電訊號。
- 如申請專利範圍第11項之分光裝置，其中複數個光接收組件係配置在對應該分光分佈之複數個局部位置的位置。
- 一種二維分光裝置，包含複數個如申請專利範圍第11項之分光裝置，該等分光裝置係以二維配置。
- 一種二維分光裝置，包含複數個如申請專利範圍第12項之分光裝置，該等分光裝置係以二維配置。
- 一種分光方法，包含下列步驟：包含一種具有形成多邊形之孔洞或孔徑之金屬板，該孔洞或孔徑至少具有一對在水平截面彼此不相互平行之相對面，而該孔洞或孔徑係在上側開口，其中該孔洞或孔徑的內側面係被加工成像鏡子一樣的反射表面；及將偏振輸入光從該開口輸入到該孔洞或孔徑，然後藉由該輸入光在該反射表面上的反射所造成之干涉，而在該孔洞或孔徑內部產生駐波，藉此該輸入光被分離成複數個波長範圍。
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