TWI709776B - 具有光線偏轉元件之光學構件，其製造方法及適合於光學構件之線偏轉元件 - Google Patents

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Abstract

本發明之光學構件具有一個帶有基板表面(1)的基板、一個設置在基板表面上的光線輸出元件(2)及/或一個設置在基板表面上的光線輸入元件(2)、以及一個設置在基板表面(1)上的光線輸出元件或光線輸入元件(2)上且在三個空間方向上的尺寸都小於1mm的光線偏轉元件(3)，其作用是將光線輸出元件(2)輸出的基本上垂直於基板表面(1)的電磁輻射偏轉，並形成一個比離開光線輸出元件的光線與基板表面所夾的出射角小或甚至是負角度的光線，或是平行於基板表面的光線，或是將以與基板表面夾有一特定角度射入光線偏轉元件(3)的電磁輻射聚焦並偏轉射入光線輸入元件(2)，其中光線偏轉元件(3)具有一個入射面及一個出射面，以及至少兩個能夠影響穿透光線偏轉元件之光線的路徑的面，其中一個面的作用是將至少一部分入射光線偏轉，另一個面的作用是改變光線發散/光線形狀，其中光線偏轉元件的至少一個入射面及一個出射面是平坦的，其特徵在於：這些平坦的面至少是部分直接位於所述光線輸出元件或光線輸入元件的出射面或入射面上。此外，本發明還包括一種製造此種光學構件的方法及適合於此種光學構件的光線偏轉元件。

Description

具有光線偏轉元件之光學構件，其製造方法及適合於光學構件之線偏轉元件
本發明涉及一種(微)光學構件，此種構件可以是一種含有其他光學及/或電子元件的構件，或是被整合到一具有其他光學及/或電子元件的構件內。本發明的構件具有一光線偏轉元件，其作用是在特別有利的幾何條件下，將光源發出的電磁輻射偏轉到光接收結構(或空間)，或是將光輸出結構(或空間)發出的電磁輻射偏轉到光學輸入端，此處提及的電磁輻射是以基本上垂直方向從發光器或經由光線輸出用的光柵或類似元件(一般稱為光線輸出元件)發出，或是以基本上垂直方向射入偵測器或光線輸入用的光柵(一般稱為光線輸入元件)。光線偏轉元件位於設置在光學構件上或位於光學構件旁的光線輸入元件或光線輸出元件的光線輸入端或光線輸出端上。本發明的內容亦包括適於於此種構件的光線偏轉元件。本發明還包括製造此種構件的方法，而且這種方法是第一種能夠將光線偏轉元件直接設置在光線輸入元件及/或光線輸出元件上的方法。
按光學構件或光電構件通常具有一或多個設置在光子晶片或光子載板內的光線輸入元件或光線輸出元件，例如光發射器(例如VCSEL，邊緣發射雷射，LED)、偵測器、光輸入用的光柵、光輸出用的光柵、光線偏轉器。在大多數的情況下，這些光線輸入元件或光線輸出元件是位於一基板上，並以基本上垂直於基板表面或與基板表面夾有一小角度的方式發射或接收電磁輻射。一種常見的情況是，如果直接將光導體(例如玻璃)設置在光線輸入元件或光線輸出元件上，則很難使光導體與基板表面平行，因為其前提是光導體的終端部分必須彎曲90度，但是材料技術卻無法在這麼微小的尺寸上實現這個要求。例如先前技術是利用設置玻璃纖維實現這個 目的。典型的彎曲半徑介於1-2cm(公分)之間。因此先前技術的元件或組件的尺寸會大於1cm。這會使得製造出的光學構件無法達到所需要的平坦程度。
但如果仍然要以垂直方向從光線輸出元件發出/或射入光線輸入元件的至少一部分光線發生偏轉，先前技術提出的方法是使用能夠將光線偏轉90度並收集部分光線的鏡面或凹面鏡。例如日本專利公開第JP 2005/338696 A號專利案建議使用一具有適當表面積的凹面鏡，以產生所需要的光線偏轉效果。美國專利公開第US 2011/0235964 A1號專利案提出的方法是經由波導體終端的傾斜面將被夾住固定的波導體發出的光線/射入波導體的光線偏轉。日本專利公開第JP 2008/250007 A號專利案提出的光電印刷電路板同樣具有一個波導體，這個波導體的核心的終端帶有一面傾斜45度的鏡子，因此能夠使波導體發出的光線偏轉90度射入一光接收元件。日本專利公開第JP 1020140077533 A專利案提出的光學基板同樣具有一個設置在基板表面上的波導體；而且在該處具有一個帶有金屬鍍膜的反光凹陷。
美國專利公開第US 2011/026208 A1號專利案提出一種由至少一個光電元件構成的活性光學連接，其中光電元件是經由接線與基板連接。接線被埋在一種構成光線偏轉表面的聚合物材料中。光電元件發出的光線經由這個表面被偏轉到一個與光線之光線方向垂直的光導體。這種由VCSEL之封入物、觸點接通的導線、引線鍵合及光纖饋送通道構成且終端設有漏斗狀開口的光偏轉器是以可紫外線硬化的環氧樹脂製成，而且是利用PDMS中間沖頭製造。這種光偏轉器與大氣接觸的表面可以是平坦的，但也可以如凹面鏡般的彎曲，以使輸入光導纖維的能量達到最大。
世界財產權組織專利公開第WO 2006/012819號專利案提出一種具有一可產生光線的半導體雷射晶片及一光學裝置的半導體雷射構件，其中該光學裝置具有一個載體、一個設置在該載體上的光線偏轉元件、以及一個設置在該載體上的外接反射鏡，其中該外接反射鏡屬於一外接光學諧 振器。該光線偏轉元件是陽極鍵合、黏合、或焊接在該載體上，而且至少將該半導體雷射晶片產生並被外接反射鏡反射的一部分光線偏轉。可以用玻璃棱鏡作為光線偏轉元件，其作用是將入射光偏轉90度，其中該玻璃棱鏡的反射面與該載體的主面所夾的角度大約是45度。根據一種變化方式，該玻璃棱鏡對第一光線具有高反射性，對在另一個位置頻率變換的光線具有高透射性，為達到所需的高反射性及高透射性，可以在反射面加上適當的塗層。根據另一種變化方式，可以將光線偏轉的該光線偏轉元件可以是一個二向色性光線分開器。
世界財產權組織專利公開第WO 2007/128022 A2號專利案提出一種具有一基板、一埋在可光聚合的層狀光學材料中的光電構件以及一可形成光學耦合的光-波導體的印刷電路板元件。該基板上設有一個預先製作好並埋在光學材料中的偏轉鏡。例如可以用矽或帶有金屬鍍膜的玻璃製作該偏轉鏡的材料，而且較佳是由一具有傾斜或凹陷鏡面的棱形體構成。以黏合的方式將該偏轉鏡設置在該基板上。利用TPA(雙光子吸收器)使光波導體在可光聚合的光學材料內被結構化，使其直接止於該偏轉鏡上，或是止於該偏轉鏡前方很近的位置。
世界財產權組織專利公開第WO 2007/128021 A1號專利案提出一種略為不同的偏轉鏡。這種偏轉鏡是由一種能夠成型的透明材料製成，例如一種無機-有機混合聚合物或矽膠。這種偏轉鏡的形狀類似半球形，或是非球面形，且在其外表面或背面形成鏡面。這種偏轉鏡是由一種光學複製材料(也就是尚未最終交聯的混合聚合物或較佳是屬於溶膠凝膠材料的矽膠)經多個步驟製成。在經過成型的溶膠凝膠材料上設置一個帶有相應缺口的透明掩模，然後穿透該掩模對該溶膠凝膠材料進行曝光，使其硬化。
相較於簡單的光線偏轉面，先前技術建議的下凹結構的優點是：不僅可以將光線偏轉，而且可以將光線聚攏。但是凹面鏡或聚焦鏡的缺點是：光源發出的光錐在單獨一個面被偏轉及聚焦，使光束大多是以平行光束的方式從偏轉裝置發出。光線的高度決定了射出光束的直徑。理想 的薄透鏡或理想的反射鏡(凹面結構)不會改變光線位置，只是會改變光線方向。如果聚焦元件將光線水平聚攏，光線射入透鏡後，光線直徑不會再改變。因此光線必須在透鏡或反射鏡的位置就已具有額定直徑。也就是說光源及透鏡或反射鏡之間的距離是確定的。因此根據所需要的幾何形狀，可能會需要使用相當大的偏轉鏡。但使用較小的偏轉鏡的優點比較大，因為可以製造出更緊密、尺寸更小的光學構件及「組合件」。但使用較小的偏轉鏡可能無法達到所需要的光線額定高度或光線直徑。
美國專利公開第US 2006/239605 A1專利案提出的光電電路中的光學偏轉結構具有直徑0.5mm-1mm(公釐)的反射鏡及準直透鏡。經由光纖入射的光線被準直器偏轉90度，然後被輸入耦合到一個矽(Si)-IC波導體。這個IC在其面對準直透鏡的那一個面上具有一個聚焦矽透鏡。在準直透鏡及矽透鏡之間有一間隙，其中透鏡組在IC背面以上的總高度小於2mm。
世界財產權組織專利公開第WO 2011/135877 A1號專利案提出一種將光纖的光線輸入耦合到光接收元件的光學元件。這種光學元件具有一個光入射面，以及一個光輸出面，其中一個面是平坦的，另一個面是彎曲的。入射光在光反射面上被偏轉45度到光輸出面。使用這種光學元件可以縮小光學裝置的高度。
本發明的目的是提出具有偏轉元件的光學構件，其作用是耦合電磁輻射，這種光學構件能夠以較小的構造高度各別確定光線高度及輸出光線的直徑。此外，本發明的另一目的是達到進一步的微縮化，例如提高在光學構件或包含此光學構件之晶片上的排列密度。
為達到上述目的，本發明提出的光學構件具有一個帶有基板表面(1)的基板、一個設置在該基板表面上的光線輸出元件/光線輸入元件(2)、以及一個設置在該光線輸出元件/光線輸入元件(2)上的光線偏轉元件(3)，其作用是將該光線輸出元件/光線輸入元件(2)輸出的基本上垂直於該基板表面(1)的電磁輻射偏轉，並形成一個比離開該光線輸出元件的光線與 該基板表面所夾的出射角小(或甚至是負角度)的光線，或是平行於該基板表面的光線，或是將與該基板表面夾有一特定角度射入光線偏轉元件(3)的電磁輻射聚焦並偏轉射入該光線輸出元件/光線輸入元件(2)，其中該光線偏轉元件(3)具有一個入射面及一個出射面，以及至少兩個能夠影響穿透該光線偏轉元件之光線的路徑的面，其中一個面的作用是將至少一部分入射光線偏轉，另一個面的作用是改變光線發散/光線形狀，本發明之光學構件的特徵在於，該光線偏轉元件的至少一個入射面及一個出射面是平坦的，而且該等平坦的面至少是部分直接位於前面提及光線輸出元件或光線輸入元件的出射面或入射面上。
本發明之製造光學構件的方法的特徵是，直接將可光致結構化的初始材料滴在該光學構件所在的位置，使其經光致固化形成該光線偏轉元件(3)。本發明提出的方法是第一個不需要使用黏著劑或其他黏著方法，就能夠直接在該光線輸出元件/光線輸入元件上設置該偏轉元件或輸入耦合元件/輸出耦合元件的方法。
這種方法可以使光學構件高度減除黏著劑的高度，而先前技術則必須將另外製造的光線偏轉元件以黏著劑固定在該光線輸出元件/光線輸入元件上。此外，由於黏著劑會對光線引導造成重大影響，因此在計算光線引導時，必須將黏著劑的光學特性考慮進去。由於本發明的方法無需使用黏著劑，因此除了可以減低光學構件高度外，也可以減化整個光學構件的製造流程。這是一個被動調整的過程，也就是在最大信號時進行調整，因為硬化是因為光輸入而引起。
根據本發明的有利的實施方式，該光線偏轉元件是利用雙光子或多光子吸收(TPAMPA)製成，此部分將在下面詳細說明。
此外，本發明還包括適用於本發明特定的專射偏轉元件。這些光線偏轉元件是用於設置在光學構件(例如光子晶片或光子積體電路)的光線輸出元件及/或光線輸入元件上，因此其在三個空間方向上的尺寸均小於1mm，且較佳是均小於600μm。該光線偏轉元件具有一個入射面及一個出 射面，而且入射面及出射面中至少有一個面是平坦的，因此該光線偏轉元件可以平放在該光線輸出元件或該光線輸入元件的一個出射面或入射面上。該入射面及該出射面彼此夾有一個角度，該角度介於70度至110度之間、較佳是80度至100度之間、或最佳是90度左右。但是在特殊情況下，該角度也可以小於70度。該光線偏轉元件具有至少兩個能夠影響穿透光線偏轉元件之光線的路徑的面，其中一個面的作用是將至少一部分入射光線偏轉，另一個面的作用是改變光線發散/光線形狀。因此該光線偏轉元件具有以下任一種特徵：(a)改變光線發散/光線形狀的面是一位於該光線偏轉元件內部的繞射光學元件、透鏡、透鏡組、面全息圖、體全息圖、超材料、或該等元件的任意組合，或改變光線發散/光線形狀的面是一設置在該光線偏轉元件的一個反射面上的繞射光學元件，其中入射面及出射面彼此夾有一個角度，該角度介於70度至110度之間、較佳是80度至100度之間、或最佳是90度左右；或(b)該光線偏轉元件是由兩個部分或多個部分組成，其中該光線偏轉元件的第一部分的一個面是平坦的，因此該光線偏轉元件可以平放在光線輸出元件或光線輸入元件的一個出射面或一個入射面上，同時該光線偏轉元件的第二部分是位於一基板上，其中該光線偏轉元件的第一部分具有一個將至少一部分入射光線偏轉的面，該光線偏轉元件的第二部分具有一個改變光線發散/光線形狀的面，或反之亦然，或(c)該光線偏轉元件具有一個入射面及一個出射面，其中該入射面及該出射面彼此平行，而且最佳是位於同一平面上，該光線偏轉元件具有至少兩個將至少一部分入射光線偏轉的面，以及至少兩個使入射光線改變光線發散/光線形狀的面，其中該等面彼此的位置關係使該光線輸出元件發出的光線能夠被該光線偏轉元件引導到該光線輸入元件，其中尤其是(c’)改變光線發散/光線形狀的至少兩個面中的每一個面都是透鏡、含有兩 個或多個透鏡的透鏡組、菲涅爾波帶片、光柵、繞射光學元件、面全息圖、體全息圖、或超材料的一個組成部分，或(d)該光線偏轉元件的內部設有至少一個光線分開器，其作用是將光線輸出元件發出的光線分成兩個或多個彼此平行或朝不同空間方向前進的子光線，或是該光線偏轉元件具有一個光線聚攏裝置，其中光線是按照空間及/或波長被分開或聚攏。
在本發明中，所謂「影響光線的面」是指以下的元件：元件與(a)周圍大氣(例如空氣)或(b)環繞光線偏轉元件材料(例如光導體的材料)的光學作用交界面，其中交界面的光學作用來自於元件在交界面處的材料折射係數與周圍環境的折射係數的差異，或是(c)元件內的光學作用交界面，例如因元件內存在兩種折射係數不同的材料，因此形成的光學作用交界面。
在本發明中，所謂「至少是部分直接位於出射面或入射面上」是指，該光線偏轉元件必須至少有一部分位於這個面上，以實現文中描述的光線引導。該光線偏轉元件可以是整個(當然是直接)位於這個面上；但也可以是突出於這個面，也就是有一部分不是位於這個面上。
所謂「光學作用」是指所提及的交界面能夠影響光束中的光線的方向，也就是說具有折射能力，例如繞射元件、折射元件、或反射元件產生的折射能力。只要一個交界面即可產生數個這樣的功能，例如作為光線分開器。
在本發明中，所謂「聚焦」通常是指造成光線形狀改變，其中在產生聚焦作用的面(具有折射能力的面)後方的光線朝焦點的方向前進(聚焦光線)。在某些情況下，這個詞指的可能是更廣義的光線形狀改變，例如光線擴大(發散光線)。對熟悉光學領域之技術人士言，不難從上下文中推斷出這個詞在文中的含意。
在本發明中，所謂「準直」通常是指光線的平行化。在某些情況下，這個詞可能有更廣義的意思，熟悉該項技術人士不難從上下文中推斷出這個詞在文中的含意。
在有反射作用的交界面上發生的反射有可能完全是由折射係數的差異所造成；另一種可能的方式是，具有反射作用的面是偏轉元件的外表面，例如這個外表面是一具有反射金屬鍍膜的面。
根據本發明，由於將偏轉及聚焦分配到兩個不同的面上，因此光線高度及光線直徑可以被各別單獨確定。此外，只要微光學構件具有至少兩個有折射能力的面，光學鏡組就能夠達到更好的成像效率。改善效果主要出現在：- 系統的總折射能力更高，- 可容許的製造公差變大，- 顏色修正，例如可透過繞射光學元件(DOE)及透鏡的組合來達到修正顏色，及/或-透過有限場修正光學鏡組補償偏轉元件在基板或光線輸出元件/光線輸入元件上的定位誤差。
以下將以具有光線輸出元件且光線偏轉元件設置於該光線輸出元件上的光學構件的實施方式為例，進一步說明本發明的內容。根據這種實施方式，光線導引的方式是，光線輸出元件發出的光線進入光線偏轉元件，在該處被偏轉，並形成一個比離開光線輸出元件的光線與基板表面所夾的出射角小(或甚至是負角度)的光線，或是平行於基板表面的光線。經過偏轉元件形成的光線可以是平行或聚焦(亦包括擴展)的光線。
但有一點必須說明的是，關於這種實施方式的說明亦適用於光線是由外部射到光線偏轉元件，並被導引進入位於基板上的光線輸入元件(輸入耦合)的實施方式，反之亦然。在這樣的情況下，光線被偏轉並聚焦，使其能夠進入光線輸入元件。
本發明使用的基板可以是光學或光子領域常用的基板，例如印刷電路板、剛性或軟性的基板(例如薄膜，尤其是有機聚合物製的薄膜)、晶片(例如矽晶片，InP晶片，Triplex晶片)、光子積體電路。在基板表面上至少有一個光線輸出元件或光線輸入元件。光線輸出元件可以是一種如光 發射器的主動元件(例如雷射，VCSELn，LEDs)或是將輸入其內部的光線導引到其他位置的被動元件(例如光輸出耦合用的光柵，或基板內的(玻璃)偏轉鏡)(例如導入光線的光柵)。同樣的，光線輸入元件也可以是一種主動元件(例如傳導器，偵測器)或被動元件(例如光輸入耦合元件或位於基板內的偏轉鏡)。在任何情況下，本發明使用的光線輸出元件及光線輸入元件都是以垂直或基本上垂直於基板表面、或以與基板之垂直線夾有一很小的角度(小於20度，或最佳是小於或等於10度)的方式輸入或輸出光線。在個別情況下，基板及光線輸出元件是完全相同的，例如LED(發光二極體)可以同時作為基板及發絲光線。在必要的情況下，基板可以具有至少兩個光線輸出元件或至少兩個光線輸入元件，或是具有至少一個光線輸出元件及一個光線輸入元件。本發明使用的構件較佳是屬於微光學鏡組，因此具有盡可能小的尺寸。
本發明的光線偏轉元件是直接設置在光線輸出元件/光線輸入元件上，或直接設置在至少一個光線輸出元件/光線輸入元件上，光線偏轉元件通常是以一個平坦的面與光線輸出元件/光線輸入元件的平坦表面連接，且其範圍通常會超出光線輸出元件/光線輸入元件的平坦表面。
光線偏轉元件是由一或多種具有所需要之折射係數的材料製成。材料的折射係數通常是1.50或更高，但也可以是低於1.50。以下將進一步說明適當的材料及其在製造上的可能性。光線偏轉元件的尺寸應根據使用目的妥當選擇，但此處要指出的是，本發明可以使用非常小的光線偏轉元件，例如高度在1mm至500μm之間，或甚至小於300μm的光線偏轉元件。例如，以下將詳細說明的「簡單型」光線偏轉元件的高度只有200μm或更小(甚至只有100μm左右)，寬度只有150μm左右；「組合型」光線偏轉元件的高度與「簡單型」差不多，但是寬度較大。由於本發明的光線偏轉元件的高度較小，因此可以製造出佔用空間極小，同時又能極精確的進行光線導引及光線控制的光學構件。
在本發明的所有實施方式中，光線偏轉元件的形狀會使光線輸出元件發出的電磁輻射(通常光線角為7-10度)在大多數的情況下(並非永遠)會先射到光線偏轉元件的一個至少具有部分反射特性的平坦或彎曲的交界面上。這個面可以是平坦的，也可以是彎曲的，也就是說，具有額外的準直或聚焦(包括光線擴展)特性。這個面通常是光線偏轉元件的一個外表面，為改善反射作用，可以選擇性的將這個面鏡面化。根據本發明的一種特殊的實施方式，這個面是作為光線分開器，也就是說，一部分光線被反射，另一部分光線會發生折射在這個位置從光線偏轉元件射出。根據本發明的另一種特殊的實施方式，這個面是一個繞射面，也就是說，這個面是一個光柵、類似菲涅爾波帶片的相位板或DOE，或是具有體結構化折射率調制(全息圖，超材料)的形狀。
當光線到達這個前面提及會影響光線且具有光學作用的面時，至少有一部分光線會被引導到光線偏轉元件的內部。
根據本發明，如果光線首先射到這個面，被偏轉到光線偏轉元件內部的光線最遲在最終離開光線偏轉元件時，會再度被變形。這個變形通常是經由一透鏡狀的元件獲得實現，其中光線偏轉元件(如果是以下描述的多部分光線偏轉元件：則是最後一個光線偏轉元件)的出射面及/或光線被引導穿過元件內一個以另一種折射係數的材料製成的透鏡。可以配合偏轉元件的材料與周圍環境之間的折射率差，選擇透鏡的彎曲度，以便從偏轉元絍射出平行光線、聚焦光線、或發散光線。如果要射出平行光線，則出射面是沒有彎曲的。例如，達到平行光線的一種方法是，使偏轉元件材料與周圍環境之間的折射率差配合光線與這個面的夾角，以產生額外的偏轉作用，例如使光線產生比其在偏轉元件內的形狀(更強的)聚焦。根據另一種實施方式，光線在偏轉元件內經由一繞射光學元件、透鏡、透鏡組、面全息圖、體全息圖、超材料(一種波長或子波長等級的結構化材料)、或是前面提及元件的組合被變形或聚焦。這個元件還可以具有額外的由波長決定的光學作用。
在本發明的某些實施方式中，光線首先被前面提及的元件或相應的元件組合導引，然後才到達前面描述的光線偏轉元件的至少具有部分反射特性的平坦或彎曲的交界面。
根據本發明的一種特殊的實施方式，光線偏轉元件是由兩部分或多部分組成，其中第一部分和前面提及的整個專射偏轉元件一樣是直接設置在一個光線輸出元件/光線輸入元件上，而且其範圍通常會超出該光線輸出元件/光線輸入元件。第二部分位於基板表面上的位置使其直接位於第一部分發出或射入第一部分的光線(或至少是部分光線)的光程上。在本發明的這種實施方式中，該至少兩個會影響穿過偏轉元件之光線的光程的面是分配在兩個部分上，其中(在大多數的情況下)位於射入輸出元件/光線輸入元件上的第一部分具有使至少一部分入射光線偏轉的面，而另一個面(也就是改變光線直徑的那一個面)則位於偏轉元件的第二部分(在極少數的情況下是反過來的)。尤其是在這種實施方式中，偏轉元件的第一部分可以單純的只是由平坦的面構成，其作用是前面提及使光線折射。第二部分可以是一個位於一適當的狹窄部位的透鏡或相應的透鏡組，其作用是將第一部分射出的光線成型。成型後的光線可以是從唯一一個透鏡(或透鏡組的最後一個透鏡)射出的平行光線、聚焦光線、或分散光線。
根據本發明的另一個獨立的實施方式，光線輸出元件及光線輸入面位於基板表面。在這兩個元件上各有一個光線偏轉元件，其中這兩個光線偏轉元件彼此對準，使得從一個光線偏轉元件發出的光線會射入另一個光線偏轉元件。這兩個光線偏轉元件可以具有完全相同的形狀，但也可以是不同的形狀，而且可以將光線輸出元件發出的光線引導到光線輸入元件。
根據本發明的一種特殊的實施方式，兩個光線偏轉元件是設置在光線輸入元件/光線輸出元件上，其中光線輸入元件/光線輸出元件並非位於同一個基板表面上，而是位於兩個相鄰的光學構件的基板上，其中這兩個光學構件是固定在具有其他電子及/或光學組件的晶片上，或是固定在另 一個基板上。在這種實施方式中，偏轉元件的作用是將第一光學元件發出的光線分配到第二光學元件上的偵測器或光輸入耦合用的光柵。同樣的，在這種實施方式中，兩個偏轉元件的形狀可以是相同的，也可以是不同的。
前面提及的本發明的實施方式均涉及所謂的「簡單型」光線偏轉元件。此外，本發明還包括所謂的「組合型」光線偏轉元件。所謂組合型光線偏轉元件並非前面描述的由多部分組成的元件，而是具有之必要功能及幾何結構均為「簡單型」元件的兩倍的元件，而且通常(但並非一定)具有鏡像對稱的形式。因此可以將組合型元件定義為由兩個「簡單型」元件組合而成。
本發明的一種特殊的實施方式提出一種組合型元件，此種組合型元件和「簡單型」元件一樣，也是設置在一個光線輸出元件及一個光線輸入元件上。在這種情況下，從輸出元件發出的光線較佳是射到至少具有部分反射特性的光線偏轉元件的平坦或彎曲的第一交界面。這個面通常光線偏轉元件的一個外表面，為改善反射作用，可以選擇性的將這個面鏡面化。根據本發明的一種特殊的實施方式，這個面是作為光線分開器，也就是說，一部分光線被反射，另一部分光線會發生折射在這個位置從光線偏轉元件射出。根據本發明的另一種特殊的實施方式，這個面是一個繞射面，也就是說，這個面是一個光柵、類似菲涅爾波帶片的相位板或DOE。
當光線到達這個前面提及會影響光線且具有光學作用的面時，至少有一部分光線會被引導到光線偏轉元件內部。根據這種實施方式的最簡單形式，鏡面是彎曲的，並賦予光線平行光線的形狀，也就是使光線在光線偏轉元件內以平行於基板表面的方式行進，直到光線到達這個元件的一個位於對面並可選擇性鏡面化的外表面為止，其中這個外表面與第一個外表面具有相同的幾何形狀。這個外表面將光線朝光線輸入元件的方向反射及準直或聚焦。因此這種組合型元件的作用是將光線輸出元件發出的光線引導到光線輸入元件。
根據本發明的一種較複雜的實施方式，在光線偏轉元件內的光線會射到改變光線直徑的第二個面。這個面較佳是一個以不同於偏轉元件之材料(因此具有不同的折射係數)製成的透鏡的一部分，同時光線會從透鏡的另一邊射出。例如，透過透鏡可以將離開反射鏡的分散光線聚焦。然後和前面關於「簡單型」元件的描述一樣，這個光線被引導到一個位於對面的鏡面，最後再射入光線輸入元件。
也可以使用透鏡組或其他的光學元件取代埋設在光線成型元件中的透鏡，例如菲涅爾波帶片、光柵、繞射光學元件、面全息圖、體全息圖、或超材料。
根據本發明的另一種實施方式，組合型元件的作用並非將光線輸出元件發出的光線引導到位於同一基板上的光線輸出元件/光線輸入元件，而是將該光線引導到第二基板上的光線輸出元件/光線輸入元件。從這個作用來看，組合型元件相當於前面描述的兩個彼此面對面、但位於不同基板上的光線偏轉元件。
同樣的，在本發明的這種實施方式中，光線可以先被前面提及的元件或相應的元件組合引導，然後到達光線偏轉元件的至少具有部分反射特性的平坦或彎曲的交界面。可以設置第二個這樣的元件或一個這樣的元件組合，但也可以不設置。
在本發明的一系列的實施方式，光線偏轉元件具有缺口或側凹。先前技術的所有製造光線偏轉元件的方法都製造不出這樣種形狀的光線偏轉元件。但是本發明提出的製造方法卻可以製造出這樣的光線偏轉元件。
如果光線偏轉元件具有一透鏡狀的垂直出射面，則光線偏轉元件需具有側凹。根據一種有利的情況，所有組合型元件在其與光線輸入元件及光線輸出元件接觸的面之間的區域都具有一個缺口。這個區域並非光線引導所需，之所有要有缺口是為了節省材料，以及使定位更為精確。此外，這種實施方式還具有額外的可以彎曲的表面，且其折射能力可被用於 光線成型，或僅是具有其他的光學功能。這亦適用於具有額外的光學元件的光線偏轉元件，其中該等額外的光學元件通常是用於延長偏轉元件在光線方向(通常平行於基板表面)的長度：同樣的，偏轉元件面向基板表面的區域也不具有光學上的作用。
由於有多種可能的幾何形狀及折射率差，因此可以使光線偏轉元件發出的光線形成任何一種形狀；光線可以是發散的，也可以是聚焦的，以及在可能的幾何形狀的範圍內具有一任意大小的直徑。同樣的，光線輪廓及波前的幾何形狀也沒有任何限制。此外，也可以將光線分開，例如將光線分成兩個或多個平行或朝不同的空間方向的子光線；反之亦可多個光線組合在一起(多工)。必要時亦可根據波長將光線分開。
本發明的光線偏轉元件通常是用於將光線出元件發出的光線引導到一個波導體(光導體)，或反之亦然。可以將波導體(光導體)直接設置在光線偏轉元件的一個(通常是平坦的)面上；但在光線到達光導體的入口之前，也可以引導光線穿過一種中間介質(例如空氣或一種填料)。光線可以具有電磁頻譜的任意波長；光線的波長通常是1550nm或1310nm，也可以是位可見光範圍的波長、850nm、或980nm。對這些波長具有很高的透明性的材料是已知的，而且已被廣泛應用。本發明的光線偏轉元件特別適於以下的應用：
(a)將位於光子晶片或光子積體電路上的柵級耦合器發出的光線輸出耦合及準直到光纖。
(b)將主動光電光發射器發出的光線輸出耦合及準直到光纖。
(c)將要聚攏的光線輸出耦合及聚焦，以及輸入耦合到光纖(從位於光子晶片或光子積體電路上的柵級耦合器發出)。
(d)將要聚攏的光線輸出耦合及聚焦，以及輸入耦合到光纖(從主動光電光發射器發出)。
(e)將VCSEL發出的光線輸出耦合並聚焦到偵測器。
(f)將位於光子晶片上的光柵發出的光線耦合到位於同一個光子晶片上 或光子積體電路上的另一個光柵。
(h)將光纖發出的準直光線輸入耦合到偵測器。
(i)將光纖發出的發散光線輸入耦合到光柵。
(j)將光纖發出的發散光線輸入耦合到偵測器。
(k)將光纖發出的發散光線輸入耦合到光柵。
本發明的光線偏轉元件可以是由不同的適當的光學材料製成，尤其是對前面提及之波長具有高透明性的材料，因此材料的阻尼性很小。例如玻璃、有機聚合物、無機-有機混合聚合物(除了有機聚合基外，通常還含有Si-O-Si鍵構成的無機網絡，其中一部分矽(Si)原子可以被其他的金屬原子取代)。這種混合聚合物在先前技術中是已知的。端視製造技術而定，也可以使用其他的材料。這些材料的折射指數較佳是在1.3至1.6之間，其中有些純有機材料可能具有相當低的折射指數，而無機-有機混合材料的折射指數(可視情況調整)通常在1.40至1.9之間，較佳是在1.45至1.6之間。有時玻璃可能具有較高的折射指數，例如含有較重的金屬離子(例如鈦)的玻璃。
先前技術是以分離方式製造光線偏轉元件，例如用可壓印的材料製造光線偏轉元件。可以直接在光學構件上進行壓印；一種適當的材料是可以再固化的聚合物，例如世界財產權組織專利公開第WO 2007/128021 A1號專利案或美國專利公告US 8,876,408 B2號專利案提出的建議。另一種可行的方法是先用玻璃或聚合物製造出偏轉元件，然後再安裝到需要的位置，例如以黏著方式安裝。
另一種可行的製造方法是利用雷射燒結(3D列印SiOx粉末)，或是以3D列印有機聚合物或無幾-有幾混合聚合物。通常每加上一層或結束材料塗覆後，要利用光線(例如紫外線)進行固化(有些情況需進行結構化固化)。另外還可以加上熱處理步驟，以控制對整個體積進行預固化或再固化。必要時可以對所產生的玻璃體或聚合物體進行拋光處理。
一種有利的方式是使用可光結構化的材料。例如有機聚合物，例如加聚物(丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，含乙烯基、丙烯基、或苯乙烯基的聚合物或環氧聚合物)、具有無機晶格(通常帶有Si-O-Si鍵橋，其中一部分Si原子可以被其他金屬原子取代)及有機交聯基(例如乙烯基，丙烯基，苯乙烯基，丙烯酸基甲基丙烯酸基，原冰片烯基，交聯的環氧基)的無機-有機混合聚合物。例如世界財產權組織專利公開第WO 03/031499 A2號專利案揭示這些材料；如前所述，這些材料的折射係數通常大於或等於1.50，這樣的折射係數對於本發明是非常有利的。由於無機及有機交聯混合聚合物的變異性很大，因此也可以被調整成較低的折射係數。根據先前技術，由於具有可光結構化的特性，因此可以經由灰色調微影或立體微影從有材料池的材料結構化出純有機及無機-有機混合材料。在這些材料中，無機-有機混合聚合物最為有利，因為其通常是經由單初始化合物(通常是矽烷)的水解縮聚反應製成。經過水解縮聚、但在光化學上仍未交聯的縮聚物(通常稱為樹脂)通常是液狀或膏狀，因此無需溶劑或只需極少的溶劑(例如製造完成後很難或無法從縮聚物中去除的溶劑僅佔全部重量的1%或2%)即可製成。經過光結構化後，通常會將剩下的液態材料洗掉，也就是說會「形成」光線偏轉元件。當然也可以使用純有機材料及可光結構化或光熱折射的玻璃執行前面提及的微影方法。
若使用光結構化，例如立體微影術(光造形)，可能以此方式產生光學組件之其它元件。
如果可光結構化的材料也能夠熱固化，則可以將光結構化及熱固化結合在一起，例如用於後固化，以獲得最終固化的元件。當然這個加工最好是在元件形成之後進行。
立體微影法通常會產生較高的表面粗糙度。在某些情況下，這是沒關係的，例如基於光學理由，粗糙度大於λ/10即已足夠。在某些情況下則需要進後拋光處理。
本發明的光線偏轉元件的表面粗糙度通常應在非常小(只有數個nm，也就是說小於10nm)到100nm之間，且較佳是最大不要超過50nm。
本發明的一種特別有利有實施方式是利用所謂的雙光子吸收(TPA)或多光子吸收(MPA)技術製造光線偏轉元件(必要時亦包括其他以此種技術可製造出的光學元件)。這種技術屬於先前技術，例如世界財產權組織專利公開第WO 03/037606 A1號專利案揭示有關這種技術的詳細說明，並以無機-有機混合物(經有機改良的有機可聚合矽酸(雜)縮聚物或矽氧烷)為例說明此種技術。TPA/MPA亦可用於將純有機可光結構化材料製造成本體。一般是從一種液態的「材料池」材料將本體結構化出來。相較於立體微影，這種技術的優點是可以非常精確的結構化出非常細小的本體，同時本體的形狀不受任何限制，且具有非常好的表面性質。世界財產權組織專利公開第WO 2011/141521 A1號專利案有揭示適用於此種技術的適當裝置及製造方法。製造出的本體的表面粗糙度最小可小到1-4nm，其中典型的粗糙度為10至50nm，有時端視材料而定，也可以是100nm。利用這種技術，可以另外製造出光線偏轉元件，或是在光學構件上直接從初始材料的滴液製造出光線偏轉元件；必要時亦可同時從相同的滴液製造出其他的光學元件，例如波導體或棱鏡。也可以利用其他的光結構化方法(例如前面提及的立體微影)直接在構件本底上形成光線偏轉元件，但這樣做通常無法達到所需要的表面性質(或小於20μm)。以這種方式可以直接將光線偏轉元件設置在光線輸入口或輸出口上，這樣就可以不必使用對高度及光學計算的要求都很高的黏著材料。
有些玻璃是可光結構化的，這些玻璃的化學特性(例如可溶性)會因為曝光而改變。因此在光結構化之後，可以用氫氟酸、氟化銨溶液、或氫氟酸及氟化銨溶液的混合物將曝光的玻璃洗淨，也就是說，這是一種正向方法。
也可以使用TPA或MPA方法，以產生光線偏轉元件的實施方式，這些實施方式具有一個位於內部或外部的透鏡，例如以下根據基本型 式E(圖5-1)顯示的透鏡。例如，這個透鏡可以是玻璃透鏡，並在TPA/MPA方法(在本情況中是從一個獨立的材料池產出)中作為固定可光結構化材料用的載體。
只要所使用的初始材料能夠被光化學結構化及加熱固化，就可以將光線偏轉元件製作成具有兩個不同的主結構區域(也就是說具有由不同的化學聯結(例如影響交聯度的聯結)區分的區域，或是依據所產生的重新排序或重新配置區分的區域)的本體，及/或具有不同的次結構(此次是指分子在本體複合物中的排序，例如受折疊或濃縮影響的排序)的本體，其中不同的主結構及/或次結構可以具有不同的折射係數。例如世界財產權組織專利公開第WO 2014/108546 A2號專利案及第WO 2014/108538 A2號專利案均有描述這方面的技術：將物件(此處為光線偏轉元件)塑造成適當的(外部)形狀，而且較佳是加熱(某些情況是以聚光照射加熱)使其預固化，然後利用雷射及TPA/MPA形成(「寫入」)具有不同的主結構及/或次結構的內部結構，最後以根據需要進行最終固化，如果沒有預固化，則一定要進行最終固化。令人訝異的是，即使是經過加熱預固化的材料也可以被TPA/MPA進一步加工並受到影響，即使必須假定可能的聚合反應已經在加熱預固化過程中全部完成。即使是這樣，材料也會在雷射光的強度能夠造成TPA/MPA的位置(立體像素)發生改變；尤其是材料具有其他的折射係數。這種方法適用用來製造本發明之所有具有下述特色的光線偏轉元件：內部有寫入一個二維面(例如格柵)或體積元件(例如透鏡或波導體)，該二維面或體積元件可以影響穿過之光線的光程，例如透鏡能夠透過反射將光線分裂成不同波長，或是將具有不同波長的光線分裂成每個波長行經不同的路徑，彎曲90度的波導體在彎曲處具有光子結構(例如光子晶體)。
根據本發明的另一種實施方式，可以用這種方法在一固體環境中製造出光線偏轉元件。其作法是將一種可加熱固化及可光結構化的液態材料加到在光學構件上應帶有固體材料且具有至少一個光線輸入元件或光線輸出元件的區域上，例如可以加上這種液態材料的滴液或一層這種液態 材料，而且這層材料能夠使光學構件的高度達到需要的高度，或是將光學構件整個覆蓋住。接著最好再利用聚光照射或加熱使液態材料固化。然後利用TPA/MPA從滴液或預固化的材料製造出光線偏轉元件，並將其結構化到光線輸入元件或光線輸出元件上。也可以利用相同的方法從滴液或預固化的材料製造出其他的光學元件，例如波導體結構。如前所述，除了預固化之外，接著還可以進行後固化；如果之前沒有進行預固化，則一定要進行後固化。
利用TPA製造波導體屬於先前技術；例如世界財產權組織專利公開第WO 2007/128021 A1號專利案所建議的方法。如前所述，根據本發明，除了光線偏轉元件外，當然也可以利用TPA結構化製造出波導體。必要時可以在同一個製造步驟製造波導體。和前面關於光線偏轉元件的說明一樣，這個製造步驟也可以只在固體環境中直接製造出波導體，其中周圍的材料是作為覆蓋材料，或是也同時製造出埋設在固體材料中的光線偏轉元件。如果光線偏轉元件的光線輸出面是平坦的，則所形成的波導體可以直接與光線輸出面相鄰；另一種可能的方式是波導體與光線輸出面相隔一段距離，光束可以跨越這段距離(二者之間的空間可以填充空氣作為介質，或是填充其他的氣態環境介質，也可以填充固體材料，例如前所述之製造光線偏轉元件及/或波導體的材料)。
如前所述，如果是利用光結構化然後再顯影的方式製造出波導體，則可以用一種適當的材料(例如一種固體、液體或氣體)將環繞波導體的空間填滿。這種材料的化學成分及/或物理特性(尤其是折射係數)應與波導體的材料不同，而且最好也與光線偏轉件的材料不同。如果是一種液體材料，則應使用能夠經過光化學及/或加熱交聯的液體材料。這樣做的好處是可以達到較高的NA/較大的折射率差異，因而提高波導體的效率。
此處要指出的是，除了可以利用TPA/MPA製造波導體或其他光學元件外，也可以利用1-光子-聚合法製造波導體或其他光學元件。當然也可以將不同的方法組合在一起製造波導體或其他光學元件。
1:基板表面
2:光線輸出元件/光線輸入元件
2’:光線輸出元件/光線輸入元件
3:光線偏轉元件
4:光束
4’:透鏡
4”:多路轉換器
5:光纖
5’:光線輸入元件
5”:光束
5''':透鏡狀的面
5'''':平面元件
5”''':立體元件
6:光纖
6’:光束
6”:透鏡狀的面
7、8:光線分量
圖1-1顯示本發明具有G型光線偏轉元件的光學構件之示意圖；圖1-2及圖1-3顯示習知具有光線偏轉元件的光學構件之示意圖；圖2-1顯示本發明具有A型光線偏轉元件的光學構件之示意圖；圖2-2顯示本發明光學構件之準直光束進入一條光纖之路徑示意圖；圖2-3顯示圖2-1的一種變化方式之示意圖；圖2-4顯示圖2-1的另一種變化方式之示意圖圖3-1顯示本發明具有B型光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖3-2顯示圖3-1的一種變化方式之示意圖；圖4-1顯示本發明具有C型光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖4-2顯示本發明具有D型光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖5-1顯示本發明具有E型光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖5-2顯示圖5-1的一種變化方式之示意圖；圖5-3顯示圖5-1的另一種變化方式之示意圖；圖5-4顯示圖5-1的再一種變化方式之示意圖；圖5-5顯示圖5-1的又一種變化方式之示意圖；圖5-6顯示圖5-1的額外一種變化方式之示意圖；圖6-1顯示本發明具有F型光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖6-2顯示圖6-1的一種變化方式之示意圖；圖6-3顯示圖6-1的另一種變化方式之示意圖；圖6-4顯示圖6-3的再一種變化方式之示意圖；圖6-5顯示圖6-3的又一種變化方式之示意圖；圖7-1顯示本發明具有非彎曲出射面的光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖8-1顯示本發明具有多路轉換器的光線偏轉元件之光學構件的示意圖；圖8-2顯示圖8-1的一種變化方式之示意圖；圖8-3顯示圖8-1的另一種變化方式之示意圖； 圖8-4顯示圖8-1的再一種變化方式之示意圖；圖8-5顯示圖8-1的又一種變化方式之示意圖；圖8-6顯示圖8-1的額外一種變化方式之示意圖；以及圖9顯示本發明兩個A型光線偏轉元件的示意圖。
以下將配合實施例對本發明的內容做進一步的說明。雖然通常是以離開光線輸出元件的光線或光線行經的路線描述光程，但有一點必須說明的是，光程當然也具有相反的方向，並能夠進入一相應的光線輸入元件。以下所有的圖式都具有一個基板(例如光子晶片或光子積體電路)，且在一個基板表面1上設有一個光線輸出元件/光線輸入元件2。該光線輸出元件/光線輸入元件2本身也可以作為基板，在這種情況下，基板表面1及光線輸出元件/光線輸入元件2是同一個元件。如前所述，這種元件的光線的射束角通常是7-10度。在所有的情況中，都是將光線偏轉元件直接設置在光線輸出元件/光線輸入元件2上。
圖1-1顯示光線偏轉元件的一個具有基本型(G型)的微光學構件，這種基本型利用的是屬於先前技術的光線偏轉原理。一個光線偏轉元件3具有一個彎曲面，其作用是作為將光線輸出元件發出的光線聚焦的聚焦反射鏡(反射鏡加上透鏡)。經由這個反射鏡準直的光束通過偏轉元件的另一個面，光束4是以垂直方式通過這個面，因此這個面不會影響光束形狀，隨後光束4會從光線偏轉元件3射出，並進入自由空間。在先前技術中，這種光線偏轉元件是埋設在一種固體材料內，而且該固體材料的折射係數不同於光線偏轉元件材料的折射係數。為節省材料，圖1-1中的光線偏轉元件在光線出射面下方有一個側凹，目前已知之製造這種元件的方法均無法實現這個側凹。因此這種光線偏轉元件的形狀是新的。但是側凹對於光程並無任何影響。
圖1-2及圖1-3明確顯示了這種光線偏轉元件的技術極限：如前所述，僅利用一個面將光線偏轉及準直(或其他的成形)的缺點是無法將光線 高度及光線直徑分開來個別決定；也就是說，在獲得所需要的光線直徑時，就已經自由決定了光線高度。在圖1-2的實施方式中，雖然已達到所需要的狹窄的光線直徑，但是卻達到準直光線的額定高度，原因是為了形成狹窄的光線，彎曲面與光源之間的距離必須保持在很小的程度。圖1-3顯示一種相反的情況：雖然能夠達到光線的額定高度，但是無法達到額定直徑；這是因為彎曲面與光源之間的距離較大，因此會產生較寬的光線。
本發明的光線偏轉元件可以克服這個缺點，以下將配合數個實施方式對本發明的射偏偏轉元件做進一步的說明。從以下關於實施方式的說明可以清楚的看出，不同的實施方式的不同的特徵可以彼此組合在一起；當然這些組合亦屬於本發明的範圍。
圖2-1顯示A型的光線偏轉元件。這種型式的光線偏轉元件具有兩個能夠影響光線形狀的外表面。在具體情況中選擇的形狀當然也與折射係數有關，也就是光線偏轉元件材料的折射係數，以及與周圍空間的折射率差異。離開光源的光線到達一個選擇性反射(例如帶有金屬)的平坦傾斜(外表)面，並在這個面上被反射。經過反射後，必要時光線擴大現象會在光線偏轉元件內繼續進行。光線朝會對其造成影響的第二個(外表)面的方向移動，這個面彎曲成透鏡狀。光線在這個面上被偏轉及準直。在這種實施方式中，光線最後以平行光束4的方式離開偏轉元件，進入自由空間(例如空氣，真空)，例如可以在經過一特定距離後到達一具有光學輸入端的元件，例如光導體、傳感器、偵測器、或光柵。一種可能的變化方式是將光線偏轉元件埋到一種液態或固態介質中，且該介質的折射係數不同於偏轉元件材料的折射係數。很明顯的，在這種實施方式中，即使光源與反射面之間的距離很短，因而形成緊密的結構，以及產生可自由選擇且寬度很大的光線。
圖2-2顯示準直光束的進一步路徑，也就是進入一條光纖5。該光纖可以是由玻璃或其他透明材料製成，且被一個覆蓋層環繞住。例如，如前所述，可以利用TPA/MPA在一液態或預固化的材料內結構化製造出這種 光纖。該光纖可以是光線偏轉元件3所在之光學構件的一部分，例如光線偏轉元件3是錨定在光學構件的表面1上，但該光纖並非必須是光學構件的一部分(例如光纖可以連接兩個這種元件，或是將光線引導到另一個物件)。
圖2-3顯示該光學構件的一種變化方式。在這種實施方式中，從一光線偏轉元件3發出的準直光束4經由鏡像成形及鏡像設置的第二光線偏轉元件3被引導到一個光線輸入元件5’，其中該光線輸入元件5’及該光線輸出元件2位於同一個光學元件上。
根據圖2-4的該光學構件另一種變化方式，光束4經由自由空間傳播被引導到一具有第二基板表面1的第二光學元件，以便在該處經由一鏡像成形及鏡像設置的第二光線偏轉元件3射入一位於第二光學元件之基板表面1上的光線輸入元件5’，例如射入一個偵測器或光輸入耦合用的光柵。
如果和前面描述的A型光線偏轉元件一樣，這個元件的兩個影響通過光線偏轉元件之光線路徑的面都是這個元件的外表面，則離開光線偏轉元件3的光束4就不是一定必須是平行光束。另一種可行的方式是將透鏡設計成使光束能夠被聚焦在任一物件上，如圖3-1的B型光線偏轉元件所示。很明顯的，除了產形成聚焦光束外，也可以選擇光線偏轉元件的形狀及透鏡形狀，以產生發散的光束。
圖3-2顯示B型光線偏轉元件的一種變化方式，其中光線被聚焦到光纖5的輸入端。此處之光纖可以是一種玻璃光纖或是如圖2-2之經由TPA/MPA結構化的光纖。尤其是這種實施方式對單模光纖最為適合。
在圖4-1的實施方式中，光線偏轉元件分成兩個部分或多個部分，其中第一部分直接設置在光線輸出元件/光線輸入元件2上，或設置在至少一個光線輸出元件/光線輸入元件2上，而且通常略微突出於光線輸出元件/光線輸入元件2之外。在圖4-1顯示的C型光線偏轉元件中，該光線偏轉元件3的第一部分具有一個如A型及B型光線偏轉元件的反射面(參見圖2及圖3)。但是光束在離開光線偏轉元件的這個部分時並未被準直或聚焦。光束離開的面並未改變光束或是僅將光束略微折射(光束是以90度角或與 90度略有差異的角度到達這個面)。然後是在一個獨立的透鏡4’進行所需的準直，例如可以將透鏡4’直接設置在基板上的一根桿子(但並非一定要這樣做)。光束通過透鏡4’，並被透鏡4’準直成所需要的光束5”形狀(平行化，如第4圖所示，或是被聚焦，如圖4-2顯示「D型」光線偏轉元件。此外，也可以將光束擴大)。
C型及D型光線偏轉元件都可以有很多不同的變化方式。例如，可以不只用一個透鏡，而是用多個透鏡。另一種可能的方式是將光線偏轉元件3的第一部分3的出射面製作成透鏡形、凹形、或其他適當的形狀。
如前面關於A型及B型光線偏轉元件的說明，射出的光束可以傳播到自由空間，或進入周圍的液態或固態介質。
圖5-1顯示E型光線偏轉元件，其中透鏡4’表面不是光線偏轉元件3的一個外表面，也不是在離開光線偏轉元件的第一部分的光線的光程上設置一個獨立的透鏡，而是在光線偏轉元件3的內部設置一個透鏡4’，而且這個透鏡的表面能夠影響光程。為實現這種設計方式，製作透鏡的材料及光線偏轉元件圍繞透鏡周圍的材料必須是兩種光學密度不同的材料。例如可以將玻璃透鏡置於液態或膏狀的有機可聚合材料中，然後在聚合成適當的形狀，其中所形成的聚合物具有不同於玻璃透鏡的折射率。一種更為靈巧的製造途徑是利用TPA/MPA將透鏡「寫入」，其作法是將光線偏轉元件的外形預結構化，例如利用聚合(照射光線或加熱)、立體微影法、或是印刷方法。然後利用雷射在預固化的材料內進行雙光子或多光子聚合，其中雷射光造成額外的TPA/MPA，因而產生固化作用(如前所述，改變主結構及/或次結構)。這樣達到的與未照射雷射光的材料的折射率差異足以使光束發生偏轉。
在此要說明的一點是，透鏡必非一定要整個位於光線偏轉元件內；另一種可行的方式是使透鏡的一個面構成光束通過光線偏轉元件的(外表)面。光線偏轉元件可以是由兩個以不同材料製成的元件組合而成，例如 將透鏡置於剩下的光線偏轉元件的下凹缺口，並以黏貼或其他方式將透鏡固定住。
在圖5-2的變化方式中，光線偏轉元件3的出射面直接與一條光纖6連接(直接耦合)。同樣的，這條光纖6也可以是玻璃光纖，尤其是雙模光纖，或是由TPA/MPA結構化的波導體。
從圖5-3可以看出，光線偏轉並非一定要按照「先反射，再光線成型」的順序進行。圖5-3顯示E型光線偏轉元件的一種變化方式，其中光束是先通過透鏡，然後再通過反射面。
從圖5-4中可以看出，不只是透鏡可以作為內建的光線成型元件。圖5-4以示意方式顯示將一個元件4’整合到本發明的偏轉元件中，其中元件4’代表任意一種產生體結構化的元件，例如一種「典型」的透鏡、多個透鏡構成的透鏡組、繞射光學元件、面全息圖、體全息圖、或超材料。元件4’也可以是一種產生光線聚攏的裝置(輸入元件)的裝置，或是一種光線分離的裝置(輸出元件)。
在這種實施方式中，光束從光線偏轉元件的一個彎曲的面向外射出，不過視光線之前在光線偏轉元件內部受到的條件而定，這個面也可以是平坦的。
圖5-5顯示一種特殊情況，也就是內建的繞射光學元件4”(DOE)。
圖5-6顯示另一種特殊的情況。在這種變化方式中，繞射光學元件4”(DOE)被整合到光線偏轉元件的反射面。因此到達反射面的光線不只被反射，而是其相位/振輻也會被調制，因而在光線幾何內形成干涉圖案及/或強度圖案。
例如，在以上兩種情況中，DOE可以是一種形狀如菲涅爾波帶片的聚焦用相位板。
圖6-1顯示F型光線偏轉元件。其是帶有透鏡的E型光線偏轉元件的一種變化方式，其中，透鏡4’的形狀使離開光線偏轉元件3的光束5”不 是平行光束，而是收斂光束。這個收斂光束可以對準一任意光學元件或物件，例如對準光纖6的輸入端(顯示於圖6-2)，或是對準一獨立的透鏡(如前文關於C型及D型光線偏轉元件的說明，這個透鏡是光線偏轉元件的一個組成部分)。
圖6-3顯示以F型為基礎的一種變化方式，這種變化方式一般稱為「組合元件」，也就是說，光線偏轉元件具有「簡單的E型元件」雙倍的必要功能及幾何結構，而且是鏡像對稱(在這種情況下，透鏡的兩個外表面是作為改變光線發散/光線形狀的元件，其中一個元件屬於組合元件的第一部分，另一個元件屬於組合元件的第二部分)。利用這種元件可以將光線設置在基板表面1上的光線輸出元件/光線輸入元件2(例如雷射或類元件)引導到設置在同一個表面上的光線輸入元件5’(例如偵測器或類元件)，其中可以利用透鏡4’(或透鏡組或類似元件)改變從光源到偵測器之路徑上的光線形狀、輸入及輸出耦合方向、以及數值孔徑等光學特徵。這種光線偏轉元件當然能夠以相同的方式將光線是設置在第一基板表面上的光線輸出元件傳送到設置在第二基板表面上的光線輸入元件。
根據這種實施方式的一種特殊的變方式，元件的反射面可以是彎曲的，以便將光束準直，並以平行於對面的彎曲反射面的方式被導引。這種情況無需使用到透鏡。可以將這種變化方式(顯示於圖6-4)稱為以先前技術之基本型(G型)為基礎構成的「組合元件」，其中本發明對組合元件的改良不像G型(先前技術)一樣具有無法同時顧及光線偏轉及聚焦之需求的技術缺點，因為光束在其從光線輸出元件到光線輸入元件路徑上並未離開元件，因此在光線偏轉元件的幾何結構範圍內，不論是光線的額定高度或額定直徑都可以任意選擇。因為根據本發明的這種變化方式，光線偏轉元件具有兩個影響光線的面，其中第一個面將至少一部分的入射光線偏轉，第二個面則是改變光線發散/光線形狀。但是對本發明而言，這種變化方式(光線偏轉元件僅具有兩個影響通過元件之光線的路徑的面，這兩個面是兩 個位於外部且彼此相對而立的彎曲反射面)不及本發明的其他變化方式有利。
圖6-4顯示的變化方式除了不是必須是對稱的外，其他的部分均適用於本發明的所有「組合」光線偏轉元件。例如，如圖6-5所示，如果光線輸出元件發出的光線首先一個彎曲的反射面，且其彎曲方式使得先形成一(收斂)光束，此光束的重心與基板表面夾有一個角度，則位於對面那邊的一個適當傾斜的鏡面能夠補捉這個光束，並將其引導到光線輸入元件。例如，在這種實施方式中，發射極可以具有一不同於偵測器接受的光線發散。例如，如果發射極發出一±10度的光錐，而偵測器僅接受垂直(容許偏差±1度)的光線，則到達第二反射鏡的光束必須非常狹窄，以便將所有的光線耦合到偵測器。反對稱的光程需要反對稱的元件。同樣的，光線形狀也可以與之配合。例如，在將具有矩形出射面之邊緣發射雷射發出的光線偏轉時，這種變化方式可應用於具有圓形入射面的偵測器作為光線輸出元件。
圖7-1顯示一個具有非彎曲出射面的光線偏轉元件。偏轉元件材料及外圍環境材料之間的折射率差異，加上光線在這個面上的入射角，會產生另一個偏轉，也就是使光束的收斂程度大於其在偏轉元件內的形狀。
根據本發明的一種特殊的實施方式，光線偏轉元件還具有其他的光學作用元件。例如一種所謂的「多路轉換器」，其作用是將不同波長之光束的光程分開。這種元件可以是光柵、DOE、全息圖、光子晶體、或二向色性反射鏡。在某些情況下，可以利用TPA/MPA直接將多路轉換器「寫入」光線偏轉元件。如前面關於E型光線偏轉元件之變化方式(圖6-1、圖6-3)中的透鏡的說明，另一種可能的方式是將多路轉換器作為預製元件埋設到光線偏轉元件的尚未最終固化的材料中。
圖8-1顯示具有一多路轉換器之光線偏轉元件的一種可能的變化方式。多路轉換器4”將光線分解成兩個垂直的光線分量7、8(二者波長不同)，這兩個光線分量通過透鏡狀的面5'''、透鏡狀的面6”，然後離開光線偏轉元件。這種變化方式的先決條件是非常高的定位精準性。
圖8-2顯示具有多路轉換器之光線偏轉元件的另一種變化方式，其中多路轉換器4”光線分解成兩個水平的光線分量7、8，然後這兩個光線分量通過相應的透鏡狀的面5'''、透鏡狀的面6”離開光線偏轉元件3。
上述的變化方式可以實現許多可能的光線形狀。例如，經由一個被寫入光線偏轉元件的元件，可以將兩個或多個不同波長的光線的光程分開，其中這些光線是從兩個或多個屬於一個光線偏轉元件的光線輸出元件射出，然後射入光線偏轉元件。這樣就可以形成平行、聚焦、或發散的光束，例如由不同波長的光線組成的水平、聚焦、或發散的光束，其中從橫斷面看過去，光線的不同部分以不同的方式含有不同波長的光線。如圖8-3所示，可以經由一個平面光柵或其他的平面元件5''''形成一個光束，此光束的核心構成兩個光線輸出元件2、2’發出之光線的共同光程，其中兩個光線輸出元件2、2’發出的是不同波長的光線。光線偏轉元件的形狀使光線輸出元件2發出的光線(波長1)在一反射面上被反射，並在通過光線偏轉元件3之透鏡狀交界面後，形成寬度大於光線輸出元件2’發出之光線(波長2，在平面元件5被反射)的平行光束6’。其中波長1的光線能夠直接穿過平面元件5。
如果元件5具有與波長有關的折射能力(分散能力)，則所選擇的折射能力應使兩個光程的位置、方向及直徑均相同。如圖8-4所示，在這個情況下，準直光束6’在其直徑上的所有位置都是由光線輸出元件2、2’發出之波長的光線的相同混合光線所組成。
除了可以使用平面元件外，也可以在光線偏轉元件內設置複雜的立體結構化元件，例如光子晶體、全息圖、或超材料。這樣能夠達到可與使用平面元件相比的光線圖譜，請參閱圖8-5，其中正方形5'''''代表一立體元件。
當然，兩個光線輸出元件並不是一定要前後排列，從圖8-4及第圖8-5的實施例的光程可以看出，兩個光線輸出元件也可以是相鄰排列。圖8-6顯示的就是一個相鄰排列的例子。
圖9顯示兩個A型的光線偏轉元件的電子顯示攝影示意圖。左邊的偏轉元件是完整的，右邊的偏轉元件是不完整的(為了便於觀察內部情況，將上蓋去除，剩下的元件部分是空的)。光線輸出元件位於元件後半部的下方，光束沿著路徑向上到達在左後方可見到的傾斜面，並在傾斜面上被反射。光束從後方沿著傾斜路徑向前通過略呈錐形的元件本體，然後從前面的彎曲面射出。
1:基板表面
2:光線輸出元件/光線輸入元件
3:光線偏轉元件
4:光束

Claims (6)

  1. 一種製造光學構件的方法，其特徵在於：一光線偏轉元件(3)是經由光感應固化可光結構化的材料，直接從初始材料的滴液形成於一光學構件上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中係利用TPA/MPA產生該光感應固化。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵在於：從相同的該滴液製造出至少另一個光學元件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該另一個光學元件是一個波導體，且該波導體與該光線偏轉元件的一個平坦的光線輸入面或光線輸出面直接相鄰或相隔一段距離。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該光線偏轉元件及/或該另一個光學元件經過該光結構化後，將殘留的液態材料洗掉。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該另一個光學元件是一個波導體，且在洗掉殘留的液態材料後，將該光線偏轉元件的平坦的光線輸入面或光線輸出面與該波導體之間的空間填充氣體、液體或固體，或是抽真空，其中該液體或固體的折射係數不同於構成該光線偏轉元件之光線輸入面或光線輸出面的材料的折射係數，亦不同於構成該波導體之材料的折射係數。
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