光学装置的制作方法

1.本公开实施例涉及一种光学装置，尤其涉及一种包含至少两个超颖结构(meta
‑
structure)的光学装置。


背景技术：

2.一般而言，必须将例如滤色片、聚光透镜和分光镜之类的传统光学透镜组合在一起以提供特定的功能。此外，为了消除色差效应(chromatic effect)(这会降低其在全色成像应用中的表现)，设计者必须将多个具有相反色散的镜头整合在一起。这些传统光学透镜可能会造成使用它们的最终设备变得笨重。
3.近年来，已开发具有聚焦效果的薄透镜，称为超颖透镜(meta
‑
lens)。超颖透镜具有使用高折射率材料来改变光学相(optical phase)的纳米结构。这种结构相较于传统光学透镜大幅地改善了体积和重量。
4.然而，现有的超颖透镜并非在各个方面皆令人满意。


技术实现要素：

5.本公开实施例的目的在于提出一种光学装置，以解决上述至少一个问题。
6.由于一般的超颖透镜结构具有晶格，且晶格具有恒定(或固定)的间距尺寸，这可能造成相位图是截断的(truncated)，从而导致较差的聚光效率或图像失真。
7.根据本公开的实施例，提供一种包含至少两个超颖结构的光学装置。在一些实施例中，至少一个超颖结构相对于其他超颖结构是偏移的(offset)，从而可提高集光效率，并且可有效地降低图像失真的可能性。
8.本公开实施例包含一种光学装置，光学装置具有一第一区域与一第二区域，第二区域围绕第一区域。光学装置包含一基板。光学装置也包含一第一超颖结构，第一超颖结构设置于基板上且在第二区域中具有多个第一周边导柱。光学装置还包含一第二超颖结构，第二超颖结构设置于基板上且具有多个第二周边导柱，第二周边导柱对应于第一周边导柱。每个第二周边导柱在从光学装置的中心到光学装置的边缘的辐射方向上相对于对应的第一周边导柱具有一第一位移距离。
9.本公开实施例的有益效果在于，光学装置可包含至少一个超颖结构在远离光学装置的中心的区域相对于其他超颖结构是偏移的，可防止相位截断，从而可提高集光效率，并且可有效地降低图像失真的可能性。
附图说明
10.以下将配合所附附图详述本公开实施例。应注意的是，各种特征部件并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，元件的尺寸可能经放大或缩小，以清楚地表现出本公开实施例的技术特征。
11.图1显示根据本公开一实施例的光学装置的部分剖面图。
12.图2显示根据本公开另一实施例的光学装置的部分剖面图。
13.图3显示根据本公开另一实施例的光学装置的部分剖面图。
14.图4显示根据本公开另一实施例的光学装置的部分剖面图。
15.图5显示根据本公开另一实施例的光学装置的部分剖面图。
16.附图标记如下：
17.100,102,104,106,108:光学装置
18.100
‑
1,102
‑
1,104
‑
1,106
‑
1,108
‑
1:第一区域
19.100
‑
2,102
‑
2,104
‑
2,106
‑
2,108
‑
2:第二区域
20.108
‑
3:第三区域
21.10:基板
22.10t:第一表面
23.10b:第二表面
24.21:第一超颖结构
25.211:第一中央导柱
26.212,212e:第一周边导柱
27.22,22’:第二超颖结构
28.221,221e:第二中央导柱
29.222,222e,223,223e:第二周边导柱
30.23:第三超颖结构
31.233,233e:第三周边导柱
32.30:保护层
33.a
‑
a’:线
34.d:辐射方向
35.d1:第一位移距离
36.d2:第一超颖结构与第二超颖结构之间的距离
37.d3:第二位移距离
38.p1:第一间距
39.r:半径
40.r1:距离
具体实施方式
41.以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本公开实施例叙述了一第一特征部件形成于一第二特征部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征部件与上述第二特征部件是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征部件形成于上述第一特征部件与上述第二特征部件之间，而使上述第一特征部件与第二特征部件可能未直接接触的实施例。
42.应理解的是，额外的操作步骤可实施于所述方法之前、之间或之后，且在所述方法的其他实施例中，部分的操作步骤可被取代或省略。
43.此外，其中可能用到与空间相关用词，例如“在
…
下方”、“下方”、“较低的”、“在
…
上方”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些空间相关用词是为了便于描述图示中一个(些)元件或特征部件与另一个(些)元件或特征部件之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及附图中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。
44.在说明书中，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，或10％之内，或5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，也就是在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。
45.除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇公开所属的本领域技术人员所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本公开的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本公开实施例有特别定义。
46.以下所公开的不同实施例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
47.图1显示根据本公开一实施例的光学装置100的部分剖面图。应注意的是，为了简便起见，图1中可能省略部分部件。
48.如图1所示，光学装置100可被区分为一第一区域100
‑
1与一第二区域100
‑
2，且第二区域100
‑
2可围绕第一区域100
‑
1。在一些实施例中，光学装置100的俯视图可为具有半径r的圆形(即，光学装置100的中心到光学装置100的边缘的半径为r)，且第一区域100
‑
1的中心与第一区域100
‑
1的边缘之间的距离r1可以是光学装置100的半径r的1/3。举例来说，距离r1可介于约4μm至约250μm，但本公开实施例并非以此为限。
49.参照图1，光学装置100包含一基板10，基板10具有一第一表面10t及与第一表面10t相对的一第二表面10b。在一些实施例中，基板10的材料可包含氧化硅(sio2)、折射率约为1.5的聚合物(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,pmma)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,pdms)、聚甲基戊烯(polymethylpentene,pmp))或其组合，但本公开实施例并非以此为限。在一些实施例中，基板10可为一绝缘层上半导体(semiconductor
‑
on
‑
insulator,soi)基板。
50.参照图1，光学装置100包含一第一超颖结构21，第一超颖结构21设置于基板10上。更详细而言，第一超颖结构21可设置于基板10的第一表面10t上，且在第一区域100
‑
1具有多个第一中央导柱211，在第二区域100
‑
2中具有多个第一周边导柱212(212e)。在一些实施例中，第一中央导柱211的材料与第一周边导柱212(212e)的材料可包含单晶硅、多晶硅、非晶硅、si3n4、gap、tio2、alsb、alas、algaas、algainp、bp、zngep2、其他合适的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。
51.在一些实施例中，第一中央导柱211与第一周边导柱212(212e)的顶表面可为圆形，且这些圆形的直径可以变化。举例来说，圆形的直径可以在约0.15μm至约0.30μm之间变化，但本公开实施例并非以此为限。此外，第一中央导柱211与第一周边导柱212(212e)的高度可为约0.5μm，但本公开实施例并非以此为限。第一中央导柱211与第一周边导柱212(212e)的形状与尺寸可依实际需求调整。
52.参照图1，光学装置100包含一第二超颖结构22，第二超颖结构22设置于基板10上。更详细而言，第二超颖结构22可设置于基板10的第二表面10b上，且具有多个第二周边导柱222(222e)。在本实施例中，第二周边导柱222(222e)设置于第二区域100
‑
2中。在一些实施例中，第二周边导柱222(222e)的材料可与第一中央导柱211和第一周边导柱212(212e)的材料相同或相似，在此不多加赘述。
53.如图1所示，第一周边导柱212(212e)在第二区域100
‑
2中可对应于第二周边导柱222(222e)。此外，每个第二周边导柱222(例如，第二周边导柱222e)在从光学装置100的中心到光学装置100的边缘的辐射方向d上相对于对应的第一周边导柱212(例如，第一周边导柱212e)可具有一第一位移距离d1。
54.在一些实施例中，两个相邻的第一周边导柱212(或两个相邻的第一中央导柱211)可具有一第一间距p1，且第一位移距离d1可大于0且小于第一间距p1(即0<d1<p1)。举例来说，第一位移距离d1可为p1/2，但本公开实施例并非以此为限。
55.也就是说，根据本公开的实施例，在光学装置100的第二区域100
‑
2中，第二超颖结构22可相对于第一超颖结构21偏移。
56.如图1所示，在沿着平行于辐射方向d的线a
‑
a’所切的光学装置100的剖面图中，在光学装置100的第一区域100
‑
1中可至少有八个第一中央导柱211。举例来说，在光学装置100的第一区域100
‑
1中可至少有三十二个、二十个、十六个等第一中央导柱211，但本公开实施例并非以此为限。
57.一般而言，当将光发射到传统光学装置中时，在远离传统光学装置的中心的区域中可能发生相位截断(phase truncation)，从而导致较差的聚光效率或图像失真。根据本公开的实施例，由于在光学装置100的第二区域100
‑
2(即远离中心的区域)中，第二超颖结构22可相对于第一超颖结构21偏移，因此可防止相位截断，从而可提高集光效率，并且可有效地降低图像失真的可能性。
58.在一些实施例中，光可从第二超颖结构22进入光学装置100中并从第一超颖结构21射出，但本公开实施例并非以此为限。此外，在图1所示的实施例中，第二超颖结构22在光学装置100的第一区域100
‑
1中不具有导柱，但本公开实施例并非以此为限。
59.图2显示根据本公开另一实施例的光学装置102的部分剖面图。应注意的是，为了简便起见，图2中可能省略部分部件。
60.参照图2，光学装置102包含一基板10，基板10具有一第一表面10t及与第一表面10t相对的一第二表面10b。光学装置102也包含一第一超颖结构21，第一超颖结构21设置于基板10的第一表面10t上，且第一超颖结构21在第一区域102
‑
1中具有多个第一中央导柱211(211e)，在第二区域102
‑
2中具有多个第一周边导柱212(212e)。光学装置102还包含一第二超颖结构22’，第二超颖结构22’设置于基板10的第二表面10b上，且第二超颖结构22’在第二区域102
‑
2中具有多个第二周边导柱222(222e)。
61.与图1所示的光学装置100的不同之处在于，光学装置102的第二超颖结构22’在第一区域102
‑
1中还具有多个第二中央导柱221(221e)。
62.如图2所示，在一些实施例中，第二中央导柱221(221e)在第一区域102
‑
1中可对应于第一中央导柱211(211e)。此外，每个第二中央导柱221(例如，第二中央导柱221e)在第一区域102
‑
1中可与对应的第一中央导柱211(例如，第一中央导柱211e)对齐。
63.类似地，在第二区域102
‑
2中，每个第二周边导柱222(例如，第二周边导柱222e)在辐射方向d上相对于对应的第一周边导柱212(例如，第一周边导柱212e)可具有一第一位移距离d1。此外，如图2所示，两个相邻的第一周边导柱212(或两个相邻的第一中央导柱211)可具有一第一间距p1，且第一位移距离d1可大于0且小于第一间距p1(即0<d1<p1)。举例来说，第一位移距离d1可为p1/2，但本公开实施例并非以此为限。
64.图3显示根据本公开另一实施例的光学装置104的部分剖面图。应注意的是，为了简便起见，图3中可能省略部分部件。
65.参照图3，光学装置104包含一基板10，基板10具有一第一表面10t及与第一表面10t相对的一第二表面10b。光学装置104也包含一第一超颖结构21，第一超颖结构21设置于基板10的第一表面10t上，且第一超颖结构21在第一区域104
‑
1中具有多个第一中央导柱211(211e)，在第二区域104
‑
2中具有多个第一周边导柱212(212e)。光学装置104还包含一第二超颖结构22，第二超颖结构22设置于基板10上，且第二超颖结构22在第二区域104
‑
2中具有多个第二周边导柱222(222e)。
66.与图1所示的光学装置100的不同之处在于，光学装置104的第二超颖结构22也可设置于基板10的第一表面10t上。也就是说，光学装置104的第一超颖结构21与第二超颖结构22可设置于基板10的相同侧。在图3所示的实施例中，该第二超颖结构22设置于基板10与第一超颖结构21之间，但本公开实施例并非以此为限。
67.如图3所示，光学装置104可进一步包含一保护层30，保护层30设置于第一超颖结构21与第二超颖结构22之间。更详细而言，保护层30可设置于第一超颖结构21的第一中央导柱211之间及第一周边导柱212(212e)之间，且保护层30也可设置于第二超颖结构22的第二周边导柱222(222e)之间，但本公开实施例并非以此为限。
68.在一些实施例中，第一超颖结构21的第一中央导柱211与第一周边导柱212(212e)的折射率(或第二超颖结构22的第二周边导柱222(222e)的折射率)可介于约1.8至约5.2(例如折射率为1.8)，且保护层30的折射率与第一超颖结构21的第一周边导柱212(212e)(或第一中央导柱211)的折射率(或第二超颖结构22的第二周边导柱222(222e)的折射率)的差值可大于0.3且小于5.0。
69.在一些实施例中，保护层30的折射率可小于第一超颖结构21的第一周边导柱212(212e)(或第一中央导柱211)的折射率(或第二超颖结构22的第二周边导柱222(222e)的折射率)。举例来说，保护层30的折射率可介于约1.2至约1.7，且保护层30的材料可包含有机材料(例如，pmma、pdms、pmp)、sio2、mgo、al2o3、geo2、beo、其他合适的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。
70.在一些实施例中，保护层30的折射率可大于第一超颖结构21的第一周边导柱212(212e)(或第一中央导柱211)的折射率(或第二超颖结构22的第二周边导柱222(222e)的折射率)。举例来说，保护层30的折射率可介于约2.0至约5.2，且保护层30的材料可包含sin、tio2、sih、gan、hfo2、gap、inp、gase、pbte、pbse、其他合适的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。
71.在一些实施例中，射入光学装置104的光可具有一波长λ，第一超颖结构21与第二超颖结构22之间的距离d2可大于光的波长λ且小于光的波长λ的20倍(即λ<d2<20λ)，但本公开实施例并非以此为限。
72.类似地，在第二区域104
‑
2中，每个第二周边导柱222(例如，第二周边导柱222e)在辐射方向d上相对于对应的第一周边导柱212(例如，第一周边导柱212e)可具有一第一位移距离d1。此外，如图3所示，两个相邻的第一周边导柱212(或两个相邻的第一中央导柱211)可具有一第一间距p1，且第一位移距离d1可大于0且小于第一间距p1(即0<d1<p1)。举例来说，第一位移距离d1可为p1/2，但本公开实施例并非以此为限。在图3所示的实施例中，第二超颖结构22在光学装置104的第一区域104
‑
1中不具有导柱，但本公开实施例并非以此为限。
73.在一些其他的实施例中，光学装置104的第二超颖结构22也可具有第二中央导柱(未示出)。此外，每个第二中央导柱在第一区域104
‑
1中可与对应的第一中央导柱211对齐。
74.图4显示根据本公开另一实施例的光学装置106的部分剖面图。应注意的是，为了简便起见，图4中可能省略部分部件。
75.参照图4，光学装置106包含一基板10。光学装置106也包含一第一超颖结构21，第一超颖结构21设置于基板10上，且第一超颖结构21在第一区域106
‑
1中具有多个第一中央导柱211，在第二区域106
‑
2中具有多个第一周边导柱212。光学装置106还包含一第二超颖结构22，第二超颖结构22设置于基板10上，且第二超颖结构22在第二区域106
‑
2中具有多个第二周边导柱222。
76.与图3所示的光学装置104的不同之处在于，光学装置106的第一超颖结构21设置于基板10与第二超颖结构22之间，其他相似之处在此不多加赘述。
77.图5显示根据本公开另一实施例的光学装置108的部分剖面图。应注意的是，为了简便起见，图5中可能省略部分部件。
78.参照图5，与图3所示的光学装置104的不同之处在于，光学装置108可被区分为一第一区域108
‑
1、一第二区域108
‑
2与一第三区域108
‑
3，第二区域108
‑
2围绕第一区域108
‑
1，第三区域108
‑
3围绕第二区域108
‑
2；光学装置108可进一步包含一第三超颖结构23，第三超颖结构23设置于基板10上，且第三超颖结构23在第三区域108
‑
3中具有多个第三周边导柱233(233e)。
79.类似地，光学装置108可包含一第一超颖结构21，第一超颖结构21设置于基板10上，且第一超颖结构21在第一区域108
‑
1中具有多个第一中央导柱211，在第二区域108
‑
2中具有多个第一周边导柱212。光学装置108也可包含一第二超颖结构22，第二超颖结构22设置于基板10上，且第二超颖结构22在第二区域108
‑
2中具有多个第二周边导柱222。此外，第一超颖结构21的第一周边导柱212可进一步设置于第三区域108
‑
3中，而第二超颖结构22的第二周边导柱223(223e)可进一步设置于第三区域108
‑
3中。
80.如图5所示，第一超颖结构21设置于基板10与第二超颖结构22之间，而第二超颖结构22设置于第一超颖结构21与第三超颖结构23之间，但本公开实施例并非以此为限。
81.类似地，在第二区域108
‑
2(与第三区域108
‑
3)中，每个第二周边导柱222(223、223e)在辐射方向d上相对于对应的第一周边导柱212可具有一第一位移距离。
82.在本实施例中，在第三区域108
‑
3中，每个第三周边导柱233(例如，第三周边导柱233e)在辐射方向d上相对于对应的第二周边导柱223(例如，第二周边导柱223e)可具有一第二位移距离d3。此外，如图5所示，两个相邻的第一周边导柱212(或两个相邻的第一中央导柱211)可具有一第一间距p1，且第二位移距离d3可大于0且小于第一间距p1(即0<d3<
p1)。举例来说，第二位移距离d3可为p1/3，但本公开实施例并非以此为限。
83.也就是说，根据本公开的实施例，在光学装置108的第二区域108
‑
2与第三区域108
‑
3中，第二超颖结构22可相对于第一超颖结构21偏移，而在光学装置108的第三区域108
‑
3中，第三超颖结构23可相对于第二超颖结构22偏移。
84.如图5所示，光学装置108可进一步包含一保护层30，保护层30设置于第一超颖结构21与第二超颖结构22之间，并设置于第二超颖结构22与第三超颖结构23之间。更详细而言，保护层30可设置于第一超颖结构21的第一中央导柱211之间及第一周边导柱212之间，保护层30也可设置于第二超颖结构22的第二周边导柱222(223、223e)之间，保护层30还可设置于第三超颖结构23的第三周边导柱233(233e)之间，但本公开实施例并非以此为限。
85.再者，射入光学装置108的光可具有一波长λ，第一超颖结构21与第二超颖结构22之间的距离(或第二超颖结构22与第三超颖结构23之间的距离)可大于光的波长λ且小于光的波长λ的20倍，但本公开实施例并非以此为限。
86.综上所述，由于根据本公开实施例的光学装置可包含至少一个超颖结构在远离光学装置的中心的区域相对于其他超颖结构是偏移的，可防止相位截断，从而可提高集光效率，并且可有效地降低图像失真的可能性。
87.以上概述数个实施例的部件，以便在本公开所属技术领域中技术人员可以更理解本公开实施例的观点。在本公开所属技术领域中技术人员应该理解，他们能以本公开实施例为基础，设计或修改其他工艺和结构以达到与在此介绍的实施例相同的目的及/或优势。在本公开所属技术领域中技术人员也应该理解到，此类等效的结构并无悖离本公开的精神与范围，且他们能在不违背本公开的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。因此，本公开的保护范围当视随附的权利要求所界定者为准。另外，虽然本公开已以数个较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本公开。
88.整份说明书对特征、优点或类似语言的引用，并非意味可以利用本公开实现的所有特征和优点应该或者可以在本公开的任何单个实施例中实现。相对地，涉及特征和优点的语言被理解为其意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因而，在整份说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定代表相同的实施例。
89.再者，在一个或多个实施例中，可以任何合适的方式组合本公开的所描述的特征、优点和特性。根据本文的描述，相关领域的技术人员将意识到，可在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实现本公开。在其他情况下，在某些实施例中可辨识附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本公开的所有实施例中。