結(jié)構(gòu)化偏振器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)化偏振器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)化偏振器用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，例如偏振成像檢測或干涉。由于圖像傳感器的 分辨率較高，因此要求結(jié)構(gòu)化偏振器偏振方向不同的部分具有高空間分辨率。此外，要求該 結(jié)構(gòu)化偏振器的光學(xué)活性層較薄，并提供高偏振襯度。
[0003] -種獲得具有所要求的特點的結(jié)構(gòu)化偏振器的方法是將線柵用于光學(xué)透明材料 上。但是，該方法獲得的最大分辨率受到限制。此外，制備成本相當(dāng)高。而且，表面特別容 易受到機械接觸或撞擊的影響。
[0004] 另一種獲得具有所要求的特點的結(jié)構(gòu)化偏振器的方法是將金屬納米微粒嵌入光 學(xué)透明基板，由此將納米微粒，例如銀，作為球形膠體引入基板表面附近。為了獲得空間結(jié) 構(gòu)化偏振器，然后通過加熱和機械拉伸或激光照射對該球形膠體進(jìn)行處理。所述處理將微 粒沿共同方向進(jìn)行拉伸和排列，從而展示偏振特點。
[0005]US7, 256, 937B2公開了一種空間結(jié)構(gòu)化偏振裝置，其中使用多個相互疊加的結(jié) 構(gòu)化偏振基板，每個基板相對于整個基板具有一個共同的偏振方向，基板的偏振方向各不 相同，其中每個基板的結(jié)構(gòu)為去除基板的上部分，例如通過對嵌入金屬微粒的部分進(jìn)行蝕 刻處理。但是，由于每個基板只提供一個偏振方向，因此，為了獲得具有不同偏振方向部分 的結(jié)構(gòu)化偏振器，需要使用多個相互疊加的結(jié)構(gòu)化偏振基板。因此，由于基板相互疊加，該 方法導(dǎo)致具有不同偏振方向的臨近部分的空間分辨率受到限制。此外，由于需使用多個相 互置加的基板，制備成本相當(dāng)尚。
[0006] 如圖1所示，DE100 64 456B4公開了一種空間結(jié)構(gòu)化偏振裝置，其中具有不同 偏振方向的多個部分11、12、13和14相互并排排列在一個層內(nèi)。相鄰偏振區(qū)域11、12、13和 14的邊界由參考標(biāo)志15描述。為了獲得具有不同偏振方向的部分，具有不同偏振方向的脈 沖激光光束照射到該不同部分上，使嵌入的金屬微粒沿光束的偏振方向拉伸并對齊。但是， 由于如圖2所示的高斯光束強度剖面41，產(chǎn)生的相對于激光強度的形變的非線性相應(yīng)43， 即微粒形變43程度不均勻，即每個部分11、12、13和14的中央?yún)^(qū)域較周邊區(qū)域展示出更高 的偏振襯度。這導(dǎo)致沿相鄰偏振區(qū)域之間的邊界出現(xiàn)模糊的過渡區(qū)44,從而出現(xiàn)偏振不充 分或不正確的區(qū)域（圖la)或出現(xiàn)偏振不明確或重疊的區(qū)域46。但是，這極大地限制了該 結(jié)構(gòu)化偏振裝置的空間分辨率。
[0007] 因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷的一種結(jié)構(gòu)化偏振器及其制備 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種結(jié)構(gòu)化偏振器，包括一個由一種介電材料組 成的基板，其中嵌入伸長的金屬微粒以形成一個偏振層，該偏振層包括其第一伸長的金屬 微粒全部沿一個第一（偏振）方向?qū)R的多個第一偏振區(qū)域以及多個具有第二金屬微粒的 第二區(qū)域，其中該第一偏振區(qū)域和該第二區(qū)域以相鄰的方式并排排列，其中該第一偏振區(qū) 域的該第一金屬微粒與該第二區(qū)域的該第二金屬微粒排列在該偏振層的相同平面，其中相 對于到該第一偏振區(qū)域和該第二區(qū)域之間一條邊界距離為0. 5μπι和1μπι處的該第一偏振 區(qū)域（所有區(qū)域）內(nèi)的該第一（偏振）方向的偏振度大于90%，并且相對于到該第一偏振 區(qū)域和該第二區(qū)域之間一條邊界距離為〇. 5μm和1μm處的該第二區(qū)域（所有區(qū)域）內(nèi)的 該第一（偏振）方向的偏振度小于10%。上述條件下的優(yōu)選距離為0.75μπι。
[0009] 本發(fā)明的主要目的是提供一種結(jié)構(gòu)化偏振器，其中多個具有不同偏振（或非共 同）方向的部分在一個層（平面）內(nèi)彼此并排排列，一個單獨區(qū)域內(nèi)緊鄰所述（偏振）區(qū) 域之間邊界的偏振度大于90%，且在該單獨區(qū)域外的該偏振度小于10%。由于上述屬性， 該結(jié)構(gòu)化偏振器可以更好地獲得高空間分辨率。換句話說，沿著一個區(qū)域（亦可稱為部分） 的偏振度的剖面不具有高斯曲線或類似的形狀，而是具有階梯式或近似階梯式的剖面，階 梯位于上述兩個區(qū)域之間的邊界（部分）。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明，一個偏振區(qū)域被定義為具有統(tǒng)一偏振方向的區(qū)域。統(tǒng)一偏振方向可 以理解為與平均偏振方向之差為5°的偏振方向，優(yōu)選為小于2°且較優(yōu)選為小于Γ(完 整的圓為360° )。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明，一個非偏振區(qū)域被定義為沒有展示偏振的區(qū)域和/或大部分納米微 粒為球體或方向不固定的伸長的納米微粒的區(qū)域。較優(yōu)選地，一個非偏振區(qū)域的偏振度小 于5 %，較優(yōu)選地位小于2 %，較優(yōu)選地位小于1 %，且依然較優(yōu)選地為小于0. 2 %。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，具有不同偏振方向的兩個相鄰偏振區(qū)域之間的一條邊界被定義為一 條在兩個區(qū)域之間延伸的線，其中一個第一（偏振）方向（兩個相鄰偏振區(qū)域的第一區(qū)域 的共同方向）的偏振度等于一個第二（偏振）方向（兩個相鄰偏振區(qū)域的第二區(qū)域的共同 方向）的偏振度。定義了該邊界的所述線優(yōu)選為平行于嵌入金屬微粒的基板的一個表面延 伸。較優(yōu)選地，定義了該邊界的所述線沿密度最大的金屬微粒的深度延伸。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，一個偏振區(qū)域和一個非偏振區(qū)域之間的一條邊界被定義為在兩個區(qū) 域之間延伸的一條線，其中偏振方向（該偏振區(qū)域的共同方向）的偏振度為50%。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，一個指定位置的偏振度是（Ts減去Τρ)除以（Ts加上Τρ)的商，其中 Ts是具有特定波長（或范圍）、沿一個預(yù)期偏振方向偏振的線性偏振光的光學(xué)透射率值，且 Τρ具有相同照射（即相同波長或相同范圍）的所述線性偏振光沿垂直于所述預(yù)期偏振方向 的偏振方向的光學(xué)透射率值。優(yōu)選地，Ts和Τρ利用一個偏振光源、一個傳感器以及放置在 光源和傳感器之間的樣品通過后續(xù)透射率測量測得。Ts是在樣品置于傳感器和光源之間且 該樣品的偏振平行于該光源的偏振的條件下得到的傳感器值與在傳感器和光源之間無任 何樣品情況下得到的傳感器值的商。Τρ與Ts的測量方法相同，除了該區(qū)域的偏振垂直于該 光源的偏振。光束直徑應(yīng)小于該區(qū)域的橫向尺寸。優(yōu)選地，測量裝置為一個光譜儀。優(yōu)選 地，入射角為0度（垂直于樣品表面）。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，偏振襯度是具有一定波長（或范圍）且偏振方向平行于所通過的一 個濾波器的一條偏振軸的線性偏振光的一個透射部分與具有相同波長（或相同范圍）且偏 振方向垂直于該所通過的濾波器的偏振軸的線性偏振光的一個透射部分的比值。
[0016] -個偏振濾波器的一條偏振軸為具有一定波長（或范圍）的入射線性偏振光所有 角度中透射程度最高的一個偏振角度。
[0017] 優(yōu)選地，相對于到該第一偏振區(qū)域和該第二區(qū)域之間一條邊界距離為0.5μπι和 Ιμπι處的該第一偏振區(qū)域（所有區(qū)域）內(nèi)的該第一（偏振）方向的偏振度大于99%，并且 相對于到該第一偏振區(qū)域和該第二區(qū)域之間一條邊界距離為0. 5μm和1μm處的該第二 區(qū)域（所有區(qū)域）內(nèi)的該第一（偏振）方向的偏振度小于1%。上述條件下的優(yōu)選距離為 0. 75μm〇
[0018] 優(yōu)選地，該第二區(qū)域的組成方式為具有沿不同于該第一（偏振）方向的一個第二 (偏振）方向整體對齊的第二伸長金屬微粒的第二偏振區(qū)域，或其中該第二區(qū)域的組成方 式為非偏振區(qū)域。
[0019]優(yōu)選為超過50 %，較優(yōu)選為超過90 %的所有金屬微粒的（最大）尺寸在100和 2000nm之間，較優(yōu)選地位200和1500nm之間，且依然較優(yōu)選地位400和800nm之間。優(yōu)選 地，該介電材料由玻璃或塑料組成。
[0020] 優(yōu)選地，金屬微粒選自一組銀、銅、鋁、金、鉑金和合金或核殼結(jié)構(gòu)。
[0021] 優(yōu)選地，該基本包括一個平坦的上表面。
[0022] 優(yōu)選為超過50%，較優(yōu)選為超過90%的所有金屬微粒嵌入該基板的深度為1μπι 和100μm之間，較優(yōu)選為5μm和20μm之間。
[0023] 優(yōu)選地，嵌入金屬微粒的層的一個層厚度（相對于該基板的上表面的垂直延伸） 的范圍為1μπι和100μπι之間，較優(yōu)選為5μπι和20μπι之間。
[0024] 優(yōu)選地，每個區(qū)域的最大橫向尺寸為小于20μπι，較優(yōu)選為小于15μπι，較優(yōu)選為 小于10μm且依然較優(yōu)選為小于8μm。
[0025] 優(yōu)選地，相對于到該第一偏振區(qū)域和該第二偏振區(qū)域之間一條邊界距離為0. 5μm 和lym處的該第二偏振區(qū)域（所有區(qū)域）內(nèi)的該第二（偏振）方向的偏振度大于90%，較 優(yōu)選為大于99%。上述條件下的優(yōu)選距離為0. 75μπι。
[0026] 優(yōu)選地，相對于到該第一偏振區(qū)域和該第二偏振區(qū)域之間一條邊界距離為0. 5μm 和lym處的該第一偏振區(qū)域（所有區(qū)域）內(nèi)的該第二（偏振）方向的偏振度小于10%，較 優(yōu)選為小于1%。上述條件下的優(yōu)選距離為0.75μπι。
[0027] 優(yōu)選地，該多個第一偏振區(qū)域和第二偏振區(qū)域設(shè)置在一個單一層內(nèi)。該單一層嵌 入該基板內(nèi)。
[0028] 優(yōu)選地，該偏振層具有統(tǒng)一厚度。
[0029] 優(yōu)