TWI680311B - 超透鏡、其製備方法及應用其的光學元件 - Google Patents

超透鏡、其製備方法及應用其的光學元件 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種超透鏡，包括：透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；以及多個柱狀微結構，其形成在透鏡主體的第一表面上且相互間隔設置；其中每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離所述第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm。本發明還提供上述超透鏡的製備方法和應用上述超透鏡的光學元件。

Description

超透鏡、其製備方法及應用其的光學元件
本發明涉及一種超透鏡、該超透鏡的製備方法及應用該超透鏡的光學元件。
習知的一種用於面部識別且具有3D深度偵測功能的光學模組，其包括上下依次設置的雷射光源、准直透鏡和繞射透鏡。規則排列的雷射光源發出的雷射穿過准直透鏡轉換為平行雷射，平行雷射進入繞射透鏡，以形成具有60度-70度發散角的發散光束出射於標的物上。然，習知的繞射透鏡具有精細的且結構圖形不規則的繞射微結構，其加工的精度要求很高。此外，所述光學模組在組裝時還要求准直透鏡與繞射透鏡高精度對準。
鑒於此，本發明提供一種超透鏡，包括：透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；以及多個柱狀微結構，其形成在透鏡主體的第一表面上且相互間隔設置；其中每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm。
本發明還提供一種光學元件，其包括： 光源，用於發出光；超透鏡，與所述光源間隔設置，並位於光源所發光的出射路徑上，所述超透鏡包括：透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；以及多個柱狀微結構，其形成在透鏡主體的第一表面上且相互間隔設置；其中每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm。
本發明還提供一種超透鏡的製備方法，其包括：提供一透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；在透鏡主體的第一表面上形成一材料層；對所述材料層進行圖案化使其形成間隔設置的多個柱狀微結構，其中每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm。
本發明超透鏡可接收面光源的光線並將面光源轉為預定的圖案投影出光，因此其不要求與其他的光學元件高度對準，且其柱狀微結構排佈為規則的，便於加工。
100‧‧‧超透鏡
10‧‧‧透鏡主體
101‧‧‧第一表面
103‧‧‧第二表面
20‧‧‧柱狀微結構
21‧‧‧材料層
23‧‧‧硬質遮蔽層
25‧‧‧光阻層
252‧‧‧柱狀微孔洞
27‧‧‧金屬鉻層
200‧‧‧光學元件
210‧‧‧光源
230‧‧‧光學擴散元件
220‧‧‧基板
250‧‧‧支架
251‧‧‧容置空間
253‧‧‧第一開口
255‧‧‧第二開口
257‧‧‧卡持槽
圖1為本發明一實施方式的超透鏡的平面示意圖。
圖2為圖1沿II-II線的剖面示意圖。
圖3A至圖3F為本發明一實施方式的超透鏡的製備流程示意圖。
圖4為本發明一實施方式的超透鏡的製備流程圖。
圖5為一實施例提供的應用圖1的超透鏡的光學元件的剖面示意圖。
附圖中示出了本發明的實施例，本發明可以藉由多種不同形式實現，而並不應解釋為僅局限於這裡所闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本發明更為全面和完整的公開，並使本領域的技術人員更充分地瞭解本發明的範圍。
圖1和圖2示出了本發明一實施方式的超透鏡100。請參閱圖1，超透鏡100包括透鏡主體10以及形成在透鏡主體10上的多個柱狀微結構20。如圖2所示，透鏡主體10包括相對的第一表面101和第二表面103，多個柱狀微結構20形成在第一表面101上且相互間隔設置。在一實施例中，每一柱狀微結構20大致垂直於第一表面101。每一個柱狀微結構20呈圓柱狀，其沿垂直透鏡主體10的第一表面101方向延伸高度為500nm-1500nm。在其他實施例中，柱狀微結構20也可為棱柱狀。
如圖1所示，在一實施例中，每一個柱狀微結構20沿第一方向D1的長度為20nm-200nm，沿第二方向D2的寬度為20nm-200nm。第一方向D1與第二方向D2正交，且第一方向D1與第二方向D2均平行透鏡主體10的第一表面101。柱狀微結構20的長度和寬度對不同波長的波前(波傳播到某一位置處等相位面組成的曲面稱為波前)有影響。多個柱狀微結構20可排列為規則的圖案，如L型、T型或I型等。
透鏡主體10的材質可為玻璃、藍寶石等透光材料。柱狀微結構20的材質可與透鏡主體10的材質相同，也可不相同，例如，柱狀微結構20的材質可為不同於透鏡主體10材質的其他的透明材料。柱狀微結構20的材質還可以為非透明材質，如金屬材質或半導體材質，所述半導體材質包括但不限於氮化鎵。
超透鏡100設置有柱狀微結構20的一側為出光側，透鏡主體10的第二表面103為超透鏡100的入光面。使用時，光線從第二表面103入射 到透鏡主體10，穿過透鏡主體10，經過柱狀微結構20而出射光線，透鏡主體10未設置柱狀微結構20的位置光線將直接穿出。超透鏡100可接收面光源的光線並將面光源轉為預定的圖案投影出光。
請參閱圖4，本發明實施例提供的超透鏡100的製備方法包括如下步驟：步驟S1：提供一透鏡主體10，如圖3A所示；步驟S2：在透鏡主體10的一表面上形成一材料層21，如圖3B所示；步驟S3：對所述材料層21進行圖案化使其形成間隔設置的多個柱狀微結構20，如圖3B至圖3F所示。
於一實施例中，步驟S1中的透鏡主體10為雙面拋光的藍寶石。
於一實施例中，製備方法中的材料層21為連續的氮化鎵層，但不限於氮化鎵，還可替換為其他的材質，如透明材料、金屬材質或其他半導體材質。
於一實施例中，步驟S2中的氮化鎵層採用金屬有機化合物化學氣相沉積法形成，例如可採用三甲基鎵(TMGa)作為鎵源，氨氣作為氮源，且使用高純氫氣作為載體氣體，形成的氮化鎵層厚度為800nm左右。形成材料層21前，透鏡主體10(藍寶石)可進行表面清潔處理，例如在氫氣氣體環境中高溫熱處理以去除其表面的雜質和氧化物。
於一實施例中，步驟S3還包括在材料層21上依次形成一硬質遮蔽層23和一光阻層25，如圖3B所示。於一實施例中，硬質遮蔽層23為二氧化矽層，其採用金屬有機化合物化學氣相沉積法形成，厚度為400nm左右。於一實施例中，光阻層25採用塗覆法形成，如旋塗法，厚度為100nm左右。
步驟S3還包括對光阻層25進行圖案化(例如採用曝光顯影技術)以使光阻層25形成間隔設置的多個柱狀微孔洞252，如圖3C所示；然後在圖案化後的光阻層25上沉積一層金屬鉻層(例如採用電子槍蒸發器設備)；去除附著在硬質遮蔽層(二氧化矽)上的光阻層，剩下呈間隔設置的多個柱狀微結構的金屬鉻層27，於一實施例中，柱狀微結構的金屬鉻層27可以為圓形柱狀、矩形柱狀或其它任何形狀的柱狀結構，如圖3D所示；以金屬鉻層27作為蝕刻遮蔽層，蝕刻硬質遮蔽層23(例如採用活性離子蝕刻)，使硬質遮蔽層23圖案化形成為間隔設置的多個柱狀微結構，如圖3E所示；以硬質遮蔽層23為遮蔽蝕刻材料層21(例如採用電感耦合等離子體反應離子蝕刻)，使材料層21圖案化形成為間隔設置的多個柱狀微結構20並去除剩餘的硬質遮蔽層，如圖3F所示。步驟S3不限於上述的方式，還可採用其他的方式，例如提供一遮罩利用遮罩對材料層21進行圖案化使其形成間隔設置的多個柱狀微結構20。
圖5示出了一實施例提供的應用上述超透鏡100的光學元件200。光學元件200包括從下至上依次層疊的光源210、光學擴散元件230、超透鏡100。其中光學擴散元件230設置在光源210與超透鏡100之間，且均與光源210和超透鏡100相間隔。光源210用以發射光，光學擴散元件230和超透鏡100設置在光源所發光的出射路徑上。
光源210固定設置在一基板220上，基板220可為印刷電路板PCB。光源210可為自發光之光源，例如雷射光源、LED、燈泡、主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)、LCD投影等。
光學擴散元件230用於將來自光源210的光線的光型轉為面光源，如果光源210本身發出光線的光型為面光源，如AMOLED/LCD，則光學擴散元件230可以省略去除。
光學元件200的光源210，不限於使用准直的雷射光源，也可使用常規的點光源或面光源。超透鏡100可接收面光源的光線並將面光源轉為預定的圖案投影出光。
使用時，光源210發出光線入射到光學擴散元件230轉換為發散的光線，發散的光線再經超透鏡100轉為預定的圖案投影出光。
為使光源210、光學擴散元件230、超透鏡100固定排佈，光學元件200還包括支架250，以將光學擴散元件230、超透鏡100固定對準。支架250形成有一容置空間251，其中容置空間251具有相對的第一開口253和第二開口255。光源210設置在第一開口253處，光源210的基板220可封閉第一開口253。超透鏡100設置在第二開口255處，以封閉第二開口255。光學擴散元件230設置在容置空間251，且位於第一開口253與第二開口255之間。
為固定光學擴散元件230於容置空間251內，支架250朝向容置空間251的表面設置有卡持槽257，以將光學擴散元件230的邊緣部分卡持到卡持槽257中從而使光學擴散元件230相對固定在支架250上。另外，為固定光學擴散元件230和超透鏡100於支架250上，還可在光學擴散元件230與支架250相接觸的區域設置膠黏劑，在超透鏡100與支架250相接觸的區域設置膠黏劑。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，圖示中出現的上、下、左及右方向僅為了方便理解，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

Claims (8)

  1. 一種超透鏡，其改良在於，包括：透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；以及多個柱狀微結構，其形成在透鏡主體的第一表面上且相互間隔設置；其中每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離所述第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm，每一個柱狀微結構沿第一方向的長度為20nm-200nm，沿與所述第一方向正交的第二方向的寬度為20nm-200nm，所述第一方向與所述第二方向均平行所述第一表面。
  2. 如請求項1所述的超透鏡，其中：所述多個柱狀微結構排列為規則的圖案。
  3. 如請求項1所述的超透鏡，其中：所述透鏡主體的第二表面為入光面，所述超透鏡設置有柱狀微結構的一側為出光側。
  4. 一種光學元件，其改良在於，包括：光源，用於發出光；超透鏡，與所述光源間隔設置，並位於光源所發光的出射路徑上，所述超透鏡包括：透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；以及多個柱狀微結構，其形成在透鏡主體的第一表面上且相互間隔設置，每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離所述第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm，每一個柱狀微結構沿第一方向的長度為20nm-200nm，沿與所述第一方向正交的第二方向的寬度為20nm-200nm，所述第一方向與所述第二方向均平行所述第一表面。
  5. 如請求項4所述的光學元件，其中：所述透鏡主體的第二表面為入光面，所述超透鏡設置有柱狀微結構的一側為出光側，所述光源設置在所述入光面遠離所述多個柱狀微結構的一側。
  6. 如請求項4所述的光學元件，其中：所述光學元件還包括設置在所述光源與所述超透鏡之間的光學擴散元件，所述光學擴散元件用於將來自光源的光線的光型轉為面光源，所述光學擴散元件均與所述光源和所述超透鏡相間隔。
  7. 如請求項6所述的光學元件，其中：光學元件還包括支架，所述支架形成有一容置空間，所述容置空間具有相對的第一開口和第二開口，所述光源設置在所述第一開口處，所述超透鏡設置在所述第二開口處以封閉所述第二開口；所述光學擴散元件設置在容置空間，且位於第一開口與第二開口之間，所述支架朝向所述容置空間的表面設置有卡持槽，以將所述光學擴散元件的邊緣部分卡持到卡持槽中從而使所述光學擴散元件相對固定在所述支架上。
  8. 一種超透鏡的製備方法，其改良在於，其包括：提供一透鏡主體，其包括相對設置的第一表面和第二表面；在透鏡主體的第一表面上形成一材料層；對所述材料層進行圖案化使其形成間隔設置的多個柱狀微結構，其中每一個柱狀微結構呈柱狀，其沿遠離所述第一表面的方向延伸高度為500nm-1500nm，每一個柱狀微結構沿第一方向的長度為20nm-200nm，沿與所述第一方向正交的第二方向的寬度為20nm-200nm，所述第一方向與所述第二方向均平行所述第一表面。
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