TWI533035B - 具有金屬性結構的光電裝置 - Google Patents

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TWI533035B TW102116897A TW102116897A TWI533035B TW I533035 B TWI533035 B TW I533035B TW 102116897 A TW102116897 A TW 102116897A TW 102116897 A TW102116897 A TW 102116897A TW I533035 B TWI533035 B TW I533035B
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    • 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

Description

具有金屬性結構的光電裝置
本發明是有關於一種具有金屬性結構的光電裝置，且特別是有關於一種用以對電磁波進行濾波和/或偏極化的具有金屬性結構的光電裝置。
對特定頻率光譜的電磁波進行濾波或偏極化係電磁波的基本操作。能夠進行彩色濾光或偏極化的材料和裝置提供了光電系統中重要的功能，其常成為光電系統的關鍵組件，以進行科學、工程、工業上、消費者、國防和許多其他應用。對這些應用而言，峰值穿透效率和有效地縮小穿透光譜係相當重要的因子。
習知技術所使用的材料大多為能與電磁波產生交互作用的介電材料，如染料、有機材料、塑膠材料等，其經常是以薄膜的型式呈現。數十年前已發現到多層不同金屬線網的組合具有過濾微波頻率範圍之的電磁波的功能，其最近進步至可過濾紅外線頻率範圍的電磁波。
近來，科學家有發現到透過金屬膜片中的次波長(Subwavelength)孔洞可加強電磁波的穿透率。雖然穿過孔洞之電磁波的強度大於入射至孔洞區域之電磁波的強度，但電磁波的總穿透強度僅是入射電磁波的一小部分(例 如：小於10%的穿透率)而已。造成此現象的部分原因是由於孔洞的總面積遠小於入射電磁波所照射到的總面積。
因此，本發明之一態樣就是在提供一種具有金屬性結構的光電裝置，以增加特定電磁波的穿透率或有效地偏極化電磁波。
根據本發明之上述目的，提供一種具有金屬性結構的光電裝置，用以對一電磁波進行濾波和/或偏極化。此光電裝置包含：可透光介質和金屬性結構。此金屬性結構係設置於可透光介質中或上，並由至少一個金屬性單元排列而成，每一個金屬性單元包含：至少三個金屬性塊。此些金屬性塊之質心構成有一多邊形，電磁波係入射至金屬性塊上與金屬性塊之間，電磁波穿過金屬性結構後具一穿透率對波長的分佈曲線。此穿透率對波長的分佈曲線具有至少一穿透率峰值(Peak)，至少一個穿透率峰值係一對一地分別對應至至少一個波長，多邊形的面積(A)小於或等於λ 2，多邊形的最小邊長(d min)小於或等於λ，每一個金屬性塊之一平均寬度(W)滿足下列關係：0.01λ<W<d min，其中λ代表至少一個波長之其中一者。
根據本發明之又一實施例，每一個前述之金屬性塊之平均寬度(W)與長度(L)滿足下列關係：W<L<2λ。
所述之光電裝置，前述之多邊形的最大邊長(d max)小於或等於2 λ。
根據本發明之又一實施例，前述之光電裝置更包 含：至少一個輔助金屬性塊，其係設置於可透光介質中或上，及前述之金屬性塊之間。
根據本發明之又一實施例，前述之輔助金屬性塊朝電磁波之入射方向的截面形狀為多邊形、圓形、橢圓形或其組合。
根據本發明之又一實施例，前述之輔助金屬性塊朝電磁波之入射方向的截面積對多邊形的面積的比值係小於或等於50%。
根據本發明之又一實施例，前述之輔助金屬性塊係緊貼於前述之金屬性塊之其中一者。
根據本發明之又一實施例，前述之金屬性單元為一紅光濾波器、一綠光濾波器、一藍光濾波器、一紅外線濾波器或其組合。
根據本發明之又一實施例，前述之電磁波包含一範圍波長，此範圍波長係實質介於0.1微米至12微米之間。
根據本發明之又一實施例，前述之λ係對應至前述之穿透率峰值中之第一穿透率峰值，第一穿透率峰值係大於20%，而第一穿透率峰值與70%之第一穿透率峰值間所對應的光譜半寬度係小於2 λ/3。
根據本發明之又一實施例，前述之λ係對應至前述之穿透率峰值中之第一穿透率峰值，第一穿透率峰值係大於50%，而第一穿透率峰值與70%之第一穿透率峰值間所對應的光譜半寬度係小於λ/2。
根據本發明之又一實施例，前述之金屬性單元的數 目大於1，而此些金屬性單元係相互緊鄰。
根據本發明之又一實施例，前述之金屬性塊不同時接觸。
根據本發明之又一實施例，前述之金屬性塊同時接觸。
根據本發明之又一實施例，前述之金屬性塊朝電磁波之入射方向的截面形狀為多邊形、圓形、橢圓形或其組合。
因此，應用本發明之上述實施例，可增加電磁波的穿透率或有效地偏極化電磁波。
100‧‧‧可透光介質
110‧‧‧金屬性塊
112‧‧‧金屬性塊
114‧‧‧金屬性圓盤塊
116‧‧‧金屬性橢圓盤塊
120‧‧‧金屬性塊
130‧‧‧金屬性塊
132‧‧‧金屬性塊
134‧‧‧金屬性塊
136‧‧‧金屬性塊
140‧‧‧三角形
142‧‧‧四邊形
144‧‧‧五邊形
146‧‧‧六邊形
300‧‧‧偵測範圍
310‧‧‧偵測範圍
400‧‧‧輔助金屬性塊
C1、C2、C3‧‧‧質點
C4、C5、C6‧‧‧質點
d1、d2、d3‧‧‧邊長
L1、L2、L3‧‧‧長度
t1、t2、t3‧‧‧厚度
w1、w2、w3‧‧‧寬度
為了能夠對本發明之觀點有較佳之理解，請參照上述之詳細說明並配合相應之圖式。要強調的是，根據工業之標準常規，附圖中之各種特徵並未依比例繪示。事實上，為清楚說明上述實施例，可任意地放大或縮小各種特徵之尺寸。相關圖式內容說明如下。
第1A圖係繪示根據本發明之第一實施例之金屬性結構的立體示意圖。
第1B圖係繪示根據本發明之第一實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第1C圖係繪示模擬第一實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第1D圖係繪示模擬第一實施例之對照例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第2A圖係繪示根據本發明之第二實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第2B圖係繪示模擬第二實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第3A圖係繪示模擬第三實施例之第一應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第3B圖係繪示模擬第三實施例之第二應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第4A圖係繪示根據本發明之第四實施例之光電裝置的俯視示意圖。
，第4B圖係繪示模擬第四實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第5A圖係繪示根據本發明之第五實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第5B圖係繪示模擬第五實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第6A圖係繪示根據本發明之第六實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第6B圖係繪示模擬第六實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第7A圖係繪示根據本發明之第七實施例之光電裝置 的俯視示意圖。
第7B圖係繪示模擬第七實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第8A圖係繪示根據本發明之第八實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第8B圖係繪示模擬第八實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第9A圖係繪示根據本發明之第九實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第9B圖係繪示模擬第九實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第10A圖係繪示根據本發明之第十實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第10B圖係繪示模擬第十實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第11A圖係繪示根據本發明之第十一實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第11B圖係繪示模擬第十一實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第12A圖係繪示根據本發明之第十二實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第12B圖係繪示模擬第十二實施例之第一應用例所獲 得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第12C圖係繪示模擬第十二實施例之第二應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第12D圖係繪示模擬第十二實施例之第三應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第12E圖係繪示模擬第十二實施例之對照例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
第13A圖係繪示根據本發明之第十三實施例之光電裝置的俯視示意圖。
第13B圖係繪示模擬第十三實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。
在此詳細參照本發明之實施例，其例子係與圖式一起說明。儘可能地，圖式中所使用的相同元件符號係指相同或相似組件。
金屬性材料表面之電子可與電場產生強烈的交互作用，此交互作用係視偏極化的方向而定。事實上，此整體的電子運動具有電漿子的特徵模式(Plasmonic Eigenmodes)，其頻率係與電子密度的平方根成正比，其中一般金屬所產生的電子密度較高，而摻雜半導體所產生的電子密度較低。典型之電漿子頻率係介於紫外線與紅外線之間。本發明係利用前述之交互作用來達成優良的電磁波濾波與偏極化效應，並具有高穿透效率，藉以製作出光電裝置。電磁力係一種超距力，故前述之交互作用並不需要實際接觸。雖然設置於可透光介質中或上之多個金屬性塊或薄膜可能有接觸或未接觸，一個金屬性塊上之電子可與多個電磁波場產生交互作用，而此些電磁波場同時亦與鄰近之另一個金屬性塊上之電子產生交互作用。即使兩個金屬性塊/金屬性薄膜間並未實際接觸，此些偶合的交互作用亦能發生，以讓表面電漿子(或電子和電子振盪)從一個金屬性塊/金屬性薄膜傳遞至一個金屬性塊/金屬性薄膜。電磁波之電場具有垂直於金屬性塊/金屬性薄膜之邊界的分量(垂直偏極化波)，與平行於金屬性塊/金屬薄膜之邊界的分量(平行偏極化波)，此些穿過電場的偶合交互作用可進一步被金屬性塊/金屬性薄膜之邊界表面上所誘發出之偏極化效應所加強。本發明所述之金屬性塊係指由金屬性材料所製成之正方塊、長方塊或其他形狀的元件，而金屬性材料係指例如銅、鋁、合金等金屬材料，或具部分金屬性質的材料係指例如半導體，或其混合物的材料。本發明所述之可透光介質可為任何透光材料，例如：空氣、玻璃、介電材料等。
當介質(如金屬性塊的邊界或寬度)有變化時，電子 的振盪將會被反射或部分反射。此些電子振盪或被反射的電子振盪會與平行偏極化波/垂直偏極化波強烈地交互作用，而分別影響到平行偏極化波和垂直偏極化波的穿透與反射。金屬性塊的幾何形狀(如其長、寬和厚度的變異)二者均會影響電子振盪和它們與光之平行偏極化波和垂直偏極化波的交互作用，因而影響光之穿透、濾波和偏極化，其中此交互作用可藉由有限時域差分(Finite Difference Time Domain)模擬來瞭解。
本發明之光電裝置包含有一可透光介質及一金屬性結構。金屬性結構係設置於可透光介質中或上，並由至少一個金屬性單元排列而成。每一個金屬性單元包含有至少三個金屬性塊，其中此些金屬性塊之質心構成有一多邊形。電磁波係入射至此些金屬性塊上與此些金屬性塊之間。金屬性塊朝電磁波之入射方向的截面形狀為例如：多邊形、圓形、橢圓形或其組合。
當電磁波穿過該金屬性結構後，電磁波具一穿透率對波長的分佈曲線。此穿透率對波長的分佈曲線具有至少一穿透率峰值(Peak)，此至少一穿透率峰值係一對一地分別對應至至少一波長。本發明之金屬性結構滿足下列關係：多邊形的面積(A)≦λ 2 (1)
多邊形的最小邊長(d min)≦λ (2)
0.01λ<W<d min (3)
其中λ代表前述之至少一波長之其中一者；W代表每一個金屬性塊之平均寬度。
在一些實施例中，每一個金屬性塊之平均寬度(W)與長度(L)滿足下列關係：W<L<2λ (4)
在一些實施例中，本發明之金屬性結構滿足下列關係：多邊形的最大邊長(d max)≦2 λ (5)
值得一提的是，λ是使用本發明之光電裝置進行濾波操作所欲得到之電磁波波長，例如：紅光波長、綠光波長或藍光波長等。
在一些實施例中，本發明之光電裝置，更包含有輔助金屬性塊，設置於該可透光介質中或上，其中輔助金屬性塊係設置於前述之金屬性塊之間。輔助金屬性塊朝電磁波之入射方向的截面積對前述之多邊形的面積的比值係小於或等於50%。在一些實施例中，輔助金屬性塊可緊貼於金屬性塊之其中一者。
另一方面，本發明之光電裝置可為例如：濾波元件、偏極化元件、分波元件、影像處理元件、感測元件、顯示裝置等。本發明之金屬性結構係用以對一電磁波進行濾波(或分波)或偏極化，其中電磁波之較佳範圍波長可為實質介於0.1微米至12微米之間，更較佳是實質介於0.1微米至2微米之間(如以下各模擬結果所示)。然而，本發明之金屬性結構所能處理的電磁波之範圍波長並不受限於此，其亦可為任何範圍波長。在一些實施例中，本發明之金屬性單元為一紅光濾波器、一綠光濾波器、一藍光濾波器、一紅外線濾波器或其組合。
以下使用多個實施例來說明本發明之具有金屬性 結構的光電裝置，其中對應至各實施例中所使用的金屬性塊係由鋁銅合金所製成，可透光介質為空氣，而金屬性塊可視不同的需要藉由適當的機構固定於光電裝置。在以下實施例中，圖示中相同的元件符號係代表相同或類似的元件。
第一實施例：
請參照第1A圖和第1B圖，第1A圖係繪示根據本發明之第一實施例之金屬性結構的立體示意圖，而第1B圖係繪示根據本發明之第一實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中第一實施例為本發明之最簡單的金屬性結構；為方便說明起見，第1A圖省略了可透光介質100。本發明之光電裝置包含有可透光介質100及如第1A圖所示知金屬性結構。本發明之最簡單金屬性結構係由金屬性塊110、120和130所組成，用以對一電磁波進行濾波或偏極化。如第1B圖所示，金屬性塊110、120和130可設置於可透光介質100中或表面上，其中可透光介質100的大小僅係用以舉例說明，並無意圖限制本發明之實施例。事實上，可透光介質100的大小可依實際需要而所調整。此外，若可透光介質100無法提供金屬性塊的支撐時，則需另設計適當的支持機構。至於支持機構的設計，其係習於此技藝之人士所熟知，故不在此贅述。如第1B圖所示，金屬性塊110、120和130係互不接觸。然而，金屬性塊110、120和130亦可同時或不同時接觸，故本發明並不在此限。金屬性塊110的質點C1、金屬性塊120的質點C2和金屬性塊130的質點C3構 成有一三角形140。電磁波係沿著Y軸方向入射至金屬性塊110、120和130的表面上；及金屬性塊110、120、130之間。
請參照第1C圖，第1C圖係繪示模擬第一實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。穿透率係指穿過或入射至金屬性塊110、120、130間之面積Ac加上金屬性塊110、120、130之面積前後的電磁波強度比值。由於三角形140的最小邊長(d min)和/或最大邊長(d max)小於或等於λ，使得金屬性塊110、120、130上之電子或電漿子與電磁波之電場產生偶合作用，而有優良的濾波和偏極化效應。穿透率可分為穿透過沿著x軸(實質垂直於金屬性塊110、120、130之長寬平面)電場的分量(如第1C圖之Ex曲線所示)；和穿透過沿著z軸(實質平行於金屬性塊110、120、130之長寬平面)之電場的分量(如第1C圖之Ez曲線所示)。由沿x軸電場與沿z軸電場之穿透率對波長的分佈曲線可看出本實施例之金屬性結構的濾波與偏極化效果，其中沿著x軸和z軸電場的分量可代表金屬性結構的偏極化效果，而穿透率為峰值、谷值或零可代表金屬性結構的濾波效果。當穿透率為峰值時，代表具所對應之波長的電磁波可通過金屬性結構；當穿透率為谷值或零時，代表具所對應之波長的電磁波被金屬性結構過濾掉。
在本應用例中，金屬性塊110之長度L1為600nm；寬度w1為200nm；厚度t1為100nm。金屬性塊120之長 度L2為680nm；寬度w2為200nm；厚度t2為100nm。金屬性塊130之長度L3為730nm；寬度w3為200nm；厚度t3為100nm。金屬性塊110、120、130的質點C1、C2、C3所構成之三角形140的邊長d1、d2、d3分別為540nm、600nm、660nm，而三角形140的面積為152735nm2，其中三角形140的最小邊長(d min)為540nm，最大邊長(d max)為660nm。
如第1C圖之曲線Ex所示，對應至本應用例之曲線具有多個穿透率峰值。當穿透率峰值為約120%時，其對應之波長λ約為600nm，λ 2則為360000 nm2。因此，三角形140的面積(152735nm2)≦λ 2(360000 nm2)；d min(540nm)≦λ(600nm)；0.01λ(6nm)<W(200nm)<d min(540nm)；W(200nm)<L(600nm,680nm,730nm)<2λ(1200nm)；d max(660nm)≦2 λ(1200nm)，故本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。此外，穿透率峰值(120%)與70%之穿透率峰值(120×0.7=84%)間所對應的光譜半寬度(600nm-450nm=150nm)亦小於2 λ/3(400nm)。穿透率峰值(120%)與70%之第一穿透率峰值(84%)間所對應的光譜半寬度(150nm)係小於λ/2(300nm)。
如第1C圖之曲線Ez所示，對應至本應用例之曲線具有多個穿透率峰值。當穿透率峰值為約140%時，其對應之波長λ約為600nm，λ 2則為360000 nm2。因此，本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。此外，穿透率峰值(140%)與70%之穿透率峰值(140×0.7=98%)間所對應的 光譜半寬度(600nm-450nm=150nm)亦小於2 λ/3(400nm)。穿透率峰值(140%)與70%之第一穿透率峰值(98%)間所對應的光譜半寬度(150nm)係小於λ/2(300nm)。由第1C圖和第1D圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
請參照第1D圖，第1D圖係繪示模擬第一實施例之對照例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。與前述應用例不同的是，本對照例之金屬性塊110、120、130之質點C1、C2、C3間的距離增加。在本對照例中，金屬性塊110、120、130之質點C1、C2、C3所構成之三角形140的邊長d1、d2、d3分別為1200nm、1350nm、1470nm，而三角形140的面積為761744nm2，其中三角形140的最小邊長(d min)為1200nm，最大邊長(d max)為1470nm。電磁波係沿著Y軸方向入射至金屬性塊110、120和130的表面上；及金屬性塊110、120、130之間。
如第1D圖之曲線Ex所示，對應至本對照例之曲線具有多個穿透率峰值。當穿透率峰值為約138%時，其對應之波長λ約為1000nm；當穿透率峰值為約130%時，其對應之波長λ約為1500nm，其中1000nm<d min(1200nm)，故波長λ約為1500nm。λ 2則為2250000 nm2。因此，三角形140的面積(761744nm2)≦λ 2(2250000 nm2)；d min(1200nm)≦λ(1500nm)；0.01λ(15nm)<W(200nm)<d min(1200nm)；W(200nm)<L(600nm,680nm,730nm)<2λ(3000nm)；d max(1470nm) ≦2 λ(3000nm)。然而，無法由第1D圖之曲線Ex找到波長λ為1500nm左側之70%之穿透率峰值(130×0.7=91%)間所對應的光譜半寬度。換言之，本對照例之光電裝置的濾波與偏極化效果不佳。同理，如第1D圖之曲線Ez所示，對應至本對照例之曲線具有多個穿透率峰值。當穿透率峰值為約130%時，其對應之波長λ約為1050nm或1700nm，其中1050nm<d min(1200nm)，故波長λ約為1700nm。由於無法由第1D圖之曲線Ez找到波長λ為1700nm左側之70%之穿透率峰值(130×0.7=91%)間所對應的光譜半寬度。換言之，本對照例之光電裝置的濾波與偏極化效果不佳。
由本對照例可知，質點C1、C2、C3所構成之三角形140的邊長d1、d2、d3的長度與光電裝置的濾波與偏極化效果息息相關。
第二實施例：
請參照第2A圖，第2A圖係繪示根據本發明之第二實施例之光電裝置的俯視示意圖。與第一實施例之不同的是，本實施例之金屬性塊110和金屬性塊130相接觸。在一些實施例中，金屬性塊110、120、130三者可同時接觸，或其中一者同時接觸其餘二者但此其餘二者互不接觸。
請參照第2B圖，第2B圖係繪示模擬第二實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。金屬性塊110之長度為800nm；寬度為200nm；厚度為100nm。金屬性塊120之長度為1000nm；寬度為200nm；厚度為100nm。金屬性塊130之 長度為730nm；寬度為200nm；厚度為100nm。金屬性塊110、120、130的質點C1、C2、C3所構成之三角形140的邊長d1、d2、d3分別為540nm、600nm、660nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第2B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第三實施例：
與第一實施例之不同的是，本發明之第三實施例之光電裝置的金屬性塊110、120、130之厚度增加。
請參照第3A圖，第3A圖係繪示模擬第三實施例之第一應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性塊110、120、130之厚度均為400nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第3A圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
請參照第3B圖，第3B圖係繪示模擬第三實施例之第二應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性塊110、120、130之厚度均為600nm，而金屬性塊110、120、130的其他尺寸與幾何關係則與第一實施例之應用例相同。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第3B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第四實施例：
請參照第4A圖，第4A圖係繪示根據本發明之第 四實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第四實施例係以寬度較大的金屬性塊112取代第一實施例之金屬性塊110。
請參照第4B圖，第4B圖係繪示模擬第四實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性塊112之寬度增加為500nm，而金屬性塊120、130的尺寸與幾何關係則與第一實施例之應用例相同。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第4B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第五實施例：
請參照第5A圖，第5A圖係繪示根據本發明之第五實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第五實施例係以金屬性圓盤塊114取代第一實施例之金屬性塊110。
請參照第5B圖，第5B圖係繪示模擬第五實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性圓盤塊114的半徑為200nm、厚度為100nm，而金屬性塊120、130的尺寸與幾何關係則與第一實施例之應用例相同。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第5B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第六實施例：
請參照第6A圖，第6A圖係繪示根據本發明之第 六實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第六實施例係以金屬性橢圓盤塊116取代第一實施例之金屬性塊110。
請參照第6B圖，第6B圖係繪示模擬第六實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性橢圓盤塊116的長徑為600nm、短徑為200nm、厚度為100nm、而金屬性塊120、130的尺寸與幾何關係則與第一實施例之應用例相同。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第6B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第七實施例：
請參照第7A圖，第7A圖係繪示根據本發明之第七實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第七實施例增加一金屬性塊132，其中金屬性塊金屬性塊110的質點C1、金屬性塊120的質點C2、金屬性塊130的質點C3和金屬性塊132的質點C4構成有一四邊形142，而四邊形142的每一邊長均為600nm。
請參照第7B圖，第7B圖係繪示模擬第七實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性塊110、120、130和132的長度均為600nm、寬度均為200nm、厚度均為100nm，而四邊形142的邊長為600nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第7B圖可知，本應用 例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第八實施例：
請參照第8A圖，第8A圖係繪示根據本發明之第八實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第八實施例增加兩金屬性塊132、134，其中金屬性塊金屬性塊110的質點C1、金屬性塊120的質點C2、金屬性塊130的質點C3、金屬性塊132的質點C4和金屬性塊134的質點C5構成有一五邊形144，而五邊形144的每一邊長均為540nm。
請參照第8B圖，第8B圖係繪示模擬第八實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性塊110、120、130、和132和134的長度均為500nm、寬度均為200nm、厚度均為100nm，而五邊形144的邊長為540nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第8B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第九實施例：
請參照第9A圖，第9A圖係繪示根據本發明之第九實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第九實施例增加三金屬性塊132、134、136，其中金屬性塊金屬性塊110的質點C1、金屬性塊120的質點C2、金屬性塊130的質點C3、金屬性塊132的質點C4、金屬性塊134的質點C5和金屬性塊136的質點C6構成有一六邊形146，而六邊形146的每一邊長均為540nm。
請參照第9B圖，第9B圖係繪示模擬第九實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，金屬性塊110、120、130、132、134和136的長度均為450nm、寬度均為200nm、厚度均為100nm，而六邊形146的邊長為540nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第9B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第十實施例：
請參照第10A圖，第10A圖係繪示根據本發明之第十實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，第一實施例的金屬性結構僅有一個三角形金屬性單元，而本實施例的金屬性結構係由多個三角形金屬性單元排列而成，其中此些三角形金屬性單元係相互緊鄰。
請參照第10B圖，第10B圖係繪示模擬第十實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，每一個三角形金屬性單元的尺寸與幾何關係與第一實施例的金屬性單元相同，其中偵測範圍300為280nm×450nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第10B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第十一實施例：
請參照第11A圖，第11A圖係繪示根據本發明之第十一實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中本實施例的金屬性結構係由一個四邊形金屬性單元與多個三角形金屬 性單元排列而成。
請參照第11B圖，第11B圖係繪示模擬第十一實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，每一個金屬性塊的長度均為500nm、寬度均為160nm、厚度均為100nm，而金屬性的質心所構成之四邊形的邊長為600nm，金屬性的質心所構成之三角形的邊長為420nm，偵測範圍310為1000nm×1000nm。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第11B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
第十二實施例：
請參照第12A圖，第12A圖係繪示根據本發明之第十二實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第一實施例之不同的是，本實施例的金屬性結構係於第一實施例之三角形金屬性單元中加入一輔助金屬性塊400。輔助金屬性塊400朝電磁波之入射方向的截面積對三角形的面積的比值係小於或等於50%。值得一提的是，輔助金屬性塊的數目可多於兩個，而其朝電磁波之入射方向的截面形狀可為例如多邊形、圓形、橢圓形或其組合，或其他形狀。
請參照第12B圖，第12B圖係繪示模擬第十二實施例之第一應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，三角形金屬性單元的尺寸與幾何關係與第一實施例的金屬性單元相同，而輔助金屬性塊400為正立方形金屬塊，其邊長為 100nm，輔助金屬性塊400朝電磁波之入射方向的截面積(10000nm2)對三角形140的面積(761744nm2)的比值(6.5%)係小於50%。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第12B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
請參照第12C圖，第12C圖係繪示模擬第十二實施例之第二應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，三角形金屬性單元的尺寸與幾何關係與第一實施例的金屬性單元相同，而輔助金屬性塊400為正立方形金屬塊，其邊長為200nm，輔助金屬性塊400朝電磁波之入射方向的截面積(40000nm2)對三角形140的面積(761744nm2)的比值(26.2%)係小於50%。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第12C圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
請參照第12D圖，第12D圖係繪示模擬第十二實施例之第三應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，三角形金屬性單元的尺寸與幾何關係與第一實施例的金屬性單元相同，而輔助金屬性塊400為正立方形金屬塊，其邊長為250nm，輔助金屬性塊400朝電磁波之入射方向的截面積(62500nm2)對三角形140的面積(761744nm2)的比值(40.9%)係小於50%。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第12D圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的 濾波與偏極化效果。
請參照第12E圖，第12E圖係繪示模擬第十二實施例之對照例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，三角形金屬性單元的尺寸與幾何關係與第一實施例的金屬性單元相同，而輔助金屬性塊400為正立方形金屬塊，其邊長為300nm，輔助金屬性塊400朝電磁波之入射方向的截面積(90000nm2)對三角形140的面積(761744nm2)的比值(58.9%)係大於50%。由第12E圖可知，本對照例之光電裝置的濾波與偏極化效果不佳。
第十三實施例：
請參照第13A圖，第13A圖係繪示根據本發明之第十三實施例之光電裝置的俯視示意圖，其中與第十二實施例之不同的是，本實施例的輔助金屬性塊400係緊貼於金屬性塊130。在其他實施例中，輔助金屬性塊400亦可緊貼於金屬性塊110或120。
請參照第13B圖，第13B圖係繪示模擬第十三實施例之應用例所獲得之沿x軸電場(Ex)和沿z軸電場(Ez)的穿透率對波長的分佈曲線。在本應用例中，三角形金屬性單元和輔助金屬性塊400的尺寸與第十二實施例的金屬性單元相同。本應用例之金屬性結構滿足上述之關係式(1)至(5)。由第13B圖可知，本應用例之光電裝置具有優良的濾波與偏極化效果。
要特別說明的是，各實施例的應用例的結構僅係用 以舉例說明，並不意圖限制本發明之金屬性結構。因此，本發明之金屬性結構的應用，並不以上述之實施例與應用例為限。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧可透光介質
110‧‧‧金屬性塊
120‧‧‧金屬性塊
130‧‧‧金屬性塊
140‧‧‧三角形
C1、C2、C3‧‧‧質點
d1、d2、d3‧‧‧邊長

Claims (14)

  1. 一種光電裝置，用以對一電磁波進行濾波和/或偏極化，其中該光電裝置包含：一可透光介質；以及一金屬性結構，設置於該可透光介質中或上，其中該金屬性結構係由至少一金屬性單元排列而成，每一該至少一金屬性單元包含：至少三金屬性塊，其中該些金屬性塊之質心構成有一多邊形，該電磁波係入射至該些金屬性塊上與該些金屬性塊之間，該電磁波穿過該金屬性結構後具一穿透率對波長的分佈曲線，該穿透率對波長的分佈曲線具有至少一穿透率峰值(Peak)，該至少一穿透率峰值係一對一地分別對應至至少一波長，該多邊形的面積(A)小於或等於λ 2，該多邊形的最小邊長(d min)小於或等於λ，每一該些金屬性塊之一平均寬度(W)滿足下列關係：0.01λ<W<d min，其中λ代表該至少一波長之其中一者；λ係對應至該至少一穿透率峰值中之一第一穿透率峰值，該第一穿透率峰值係大於20%，而該第一穿透率峰值與70%之該第一穿透率峰值間所對應的光譜半寬度係小於2λ/3。
  2. 如請求項1所述之光電裝置，其中每一該些金屬性塊之該平均寬度(W)與一長度(L)滿足下列關係：W<L<2λ。
  3. 如請求項1所述之光電裝置，其中該多邊形的最大邊 長(d max)小於或等於2λ。
  4. 如請求項1所述之光電裝置，更包含：至少一輔助金屬性塊，設置於該可透光介質中或上，其中該至少一輔助金屬性塊係設置於該些金屬性塊之間中。
  5. 如請求項4所述之光電裝置，其中該至少一輔助金屬性塊朝該電磁波之入射方向的截面形狀為多邊形、圓形、橢圓形或其組合。
  6. 如請求項4所述之光電裝置，其中該至少一輔助金屬性塊朝該電磁波之入射方向的截面積對該多邊形的面積的比值係小於或等於50%。
  7. 如請求項4所述之光電裝置，其中該至少一輔助金屬性塊係緊貼於該些金屬性塊之其中一者。
  8. 如請求項1所述之光電裝置，其中該至少一金屬性單元為一紅光濾波器、一綠光濾波器、一藍光濾波器、一紅外線濾波器或其組合。
  9. 如請求項1所述之光電裝置，其中該電磁波包含一範圍波長，該範圍波長係實質介於0.1微米至12微米之間。
  10. 如請求項1所述之光電裝置，其中該第一穿透率峰值係大於50%，而該第一穿透率峰值與70%之該第一穿透率峰值間所對應的光譜半寬度係小於λ/2。
  11. 如請求項1所述之光電裝置，其中該至少一金屬性單元的數目大於1，該些金屬性單元係相互緊鄰。
  12. 如請求項1所述之光電裝置，其中該些金屬性塊不同時接觸。
  13. 如請求項1所述之光電裝置，其中該些金屬性塊同時接觸。
  14. 如請求項1所述之光電裝置，其中該些金屬性塊朝該電磁波之入射方向的截面形狀為多邊形、圓形、橢圓形或其組合。
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