一种反射式彩色滤光片的制作方法与工艺

本发明涉及一种用于滤光的光学元件，尤其涉及一种具有光栅结构的反射式彩色滤光片。

背景技术：
彩色滤光片(colorfilter;CF)可以分为反射式彩色滤光片、透射式彩色滤光片和半反半透式彩色滤光片三种，分别用于不同的应用场合。其中反射式彩色滤光片可以使用在诸如电子纸、手机屏幕等需要借助前置光源或外部光源的电子产品上。与透射式彩色滤光片不同的是，反射式彩色滤光片除了考虑色彩的纯度外，还需要考虑材质的表面反射效率，因而对材料本身的平整度和光学性质都有一定的要求。目前已有的反射式滤光片按滤光原理分为两种，一种是染料型彩色滤光片，另一种是光栅型彩色滤光片。前一种彩色滤光片是通过光刻、印刷、沉积等方法，将R、G、B三种颜色的有机材料制作到透明基材上形成的。这种类型的彩色滤光片，需要在制作时，将三种不同的有机材料先后形成在基板上，因而会形成厚度不均、色彩纯度差等缺点，且由于工艺步骤复杂，使得制作成本极高，尤其不利于在大尺寸的面板上运用。第二种彩色滤光片，按其组成结构又可分为单层金属光栅结构、多层介质光栅结构及介质光栅和金属光栅的级联光栅结构。其中，级联光栅结构的彩色滤光片既克服了介质光栅反射效率低下的缺陷，又减少了金属光栅的色度干扰，因而成为光栅式彩色滤光片的一个热门研究方向。图1所示就是一种现有的级联光栅的彩色滤光片。如图所示，在该种彩色滤光片100中，基底110上设置了介质光栅层120和金属光栅层130，其中该金属光栅层130覆盖在该介质光栅层120的脊部121和沟槽部122上。当入射光频率与该级联光栅形成导模共振时，该入射光就被反射出去，而其他频率的光则被反射，由此达到滤光的作用。但是在这种光栅结构的彩色滤光片中，由于导模共振条件强依赖于入射光的入射角度，即当入射光的入射角度改变时，导模共振条件也将改变，使得反射光谱将向两边移动甚至消失，因而极大地限制了该彩色滤光片在实际生产中应用。

技术实现要素：
本发明的发明目的是提供一种反射式光栅结构的彩色滤光片，该彩色滤光片通过结构的改变，应能减少光线入射角度对共振条件的影响，以在一个比较宽的角度范围内实现滤波的功能；同时保持较高的表面平整度，以提高光线的反射效率。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种反射式彩色滤光片，包括介质光栅层、金属层以及第一介质层，其中所述金属层设置于所述介质光栅层的脊部、至少一个侧部和部分沟槽部之上，所述第一介质层设置于所述介质光栅层和所述金属层上，并反射外部光线。进一步的技术方案，还包括第二介质层，设置于所述介质光栅层和所述金属层上，并被所述第一介质层覆盖，所述第二介质层的折射率小于第一介质层的折射率。另一种技术方案是，具有一多层结构介质层，所述多层结构介质层设置于所述介质光栅层和所述金属层上，其中所述第一介质层为该多层结构介质层中的一层。上述三种反射式滤光片中，所述第一介质层的折射率大于1.65。上述技术方案中，所述部分沟槽部上的金属层与该沟槽两边的侧部中的至少一个留有间隔。上述技术方案中，所述金属层设置于该介质光栅层的脊部、单侧部和部分沟槽部，其中，该部分沟槽部上的金属层与该单侧部上的金属层相连，并与相对该设有金属层的单侧部的另一单侧部留有间隔。上述技术方案中，所述沟槽部上的金属层覆盖的面积为整个沟槽部面积的30%至80%。更优选的技术方案，所述沟槽部上的金属层覆盖的面积为整个沟槽部面积的70%。上述技术方案中，所述金属层的材料为铝、银、铜中的一种。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明中，因金属层未完全覆盖介质光栅层，因而使得该级联光栅的导模共振条件被破坏，从而降低了入射光角度对共振条件的影响，另一方面，由于反射波长只依赖介质光栅层的周期和占空比，因而可以使整个彩色滤光片具有统一的厚度，提高了表面的平整度。附图说明图1是现有技术中一种级联光栅的彩色滤光片结构示意图；图2是本发明的第一实施方式的反射式彩色滤光片结构示意图；图3A至3C为第一实施方式中红、绿、蓝三色光在不同角度下的反射率变化图；图4是第一实施方式中绿色滤光片随金属覆盖率变化时的反射光谱图；图5是第一实施方式中绿色滤光片的金属覆盖率为0.3时，在不同角度下的反射光谱图；图6是第一实施方式中绿色滤光片的金属覆盖率为0.8时，在不同角度下的反射光谱图；图7是第一实施方式中绿色滤光片在不同金属层厚度下的反射光谱图；图8是本发明的第二实施方式的反射式彩色滤光片结构示意图；图9是第二实施方式中绿色滤光片在不同角度下的反射率光谱图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：实施例一：请参见图2，图2是本发明的第一实施方式的反射式彩色滤光片结构示意图。如图所示，该反射式彩色滤光片200包括基底210，介质光栅层220、金属层230和第一介质层240。其中，基底210的材质可以与介质光栅层220相同，以方便介质光栅层220的制作。该介质光栅层220具有周期性排列的光栅结构，包括脊部221、沟槽部222和侧部223。金属层230的材料为铝、银、铜中的一种，该金属层230分为三段：金属层231设置在该光栅结构的脊部221上、金属层233设置在该光栅结构的侧部223上，金属层232设置在该光栅结构的沟槽部222上。其中金属层232只占据了部分沟槽部222，未完全覆盖沟槽部222。第一介质层240覆盖在金属层230以及因该金属层230未完全覆盖而暴露在外的部分介质光栅层220上，其折射率大于1.65。外部光线入射到第一介质层240表面后反射，由于受介质光栅层220、金属层230以及第一介质层240的共同作用，入射光线中符合与介质光栅层220中的光栅结构的周期和占空比形成共振条件的波段将被反射，从而实现反射滤波的效果。以最常见的红光滤光片、绿光滤光片和蓝光滤光片为例，表一给出了这三种颜色的滤光片下的光栅结构：表一：红绿蓝三色光栅结构参数表格(单位：nm)：其中，h1是介质光栅层220的厚度，h2是金属层230的厚度，h3是第一介质层240的厚度，P是介质光栅单个周期的宽度，f是该光栅结构的占空比，λ是入射光波的波长。由上表可以看出，本发明的反射式彩色滤光片，对于各种颜色的滤光效果起决定作用的因数为光栅结构的周期P和占空比f，即横向结构参数。在制成诸如显示器件上的大尺寸多色彩复合滤光片时，只需控制光栅的横向结构参数，在相应的像素上制作相应结构的光栅结构，而在厚度方向上的尺寸均一致。从而使得彩色滤光片的表面具有统一的高度，大大提高了表面光洁度。在一种实际应用中，金属层230设置在介质光栅层320的脊部221、单侧部223和部分沟槽部222，其中，该部分沟槽部222上的金属层232与该单侧部223上的金属层233相连，并与相对该设有金属层的单侧部223的另一单侧部留有间隔d1。该种结构的金属层230可以通过斜向溅射一次成型于介质光栅220上，利于制作。也可以通过掩模光刻等比较复杂的工艺方法，先在介质光栅220上镀上一层金属，然后利用掩模的表面图形光刻出该间隔d1。应该注意的是，金属层230也可以以其它结构分布在介质光栅层220上，比如可以在两个单侧部223上都形成金属层，也可以只形成在任意一个侧部上。沟槽部222上的金属层232可以与相夹的两个侧部都留有间隔，也可以与其中任意一个留有间隔，只要保证在沟槽部222上留有空隙，使一部分低折射率介质暴露出来即可。也就是说，该沟槽部222上的金属层232的具体位置对本发明的发射滤光效果影响不大，而在下文中，通过讨论可以发现金属层232在沟槽部222上的覆盖率（将沟槽部上的金属层覆盖的面积占整个沟槽部面积的比定义为覆盖率）将会影响本发明的发射滤光效果。请先参见图3A至图3C，图3A至3C为第一实施方式中，红、绿、蓝三色光在不同角度下的反射率变化图。如图所示，当入射光的角度在0度到40度之间变化时，红、绿、蓝三色光的反射率极大值所对应的中心波长几乎没有变化，说明本发明的反射式彩色滤光片可以在一个比较宽泛的角度范围内实现反射滤波的功能。而实现这一功能的原理，正是依靠金属层230在介质光栅层220上的未完全覆盖分布，使得原本金属与介质在光栅结构上引起的导模共振对角度的敏感性降低，从而克服了原有的级联光栅结构的窄角缺点。进一步地，针对本实施方式中的绿色滤光片，定义金属薄层232与沟槽部222的宽度比值f2，即f2表示金属层的覆盖率，金属层232在沟槽部222的覆盖率f2从0.1增加到9，其相应的反射光谱如图4所示。当f2为0.1，其反射光谱效率较低，且次峰输出较大，而f2为0.9时，反射光谱带宽过宽，三原色光输出时，会造成三色光谱之间的光谱覆盖区域过大，降低彩色滤光片的色纯度。入射角从0度变化到40度时，当f2为0.3时，其反射光谱如图5所示，当入射角大于30度时，输出光谱振荡严重，影响输出光谱色纯度。当f2为0.8时，其透射光谱如图6所示，在较大的入射角下，输出光谱的振荡可以忽略。因此覆盖率应选择0.3<f2<0.8。较佳地，当该覆盖率f2为0.7时，其反射光谱具有较高的透过率和较好的单一性。针对该实施方式中的绿色滤光片，当230的厚度h2在0.01-0.16μm之间变化的时候，其相应透射光谱如图7所示，当厚度大于0.04μm时，反射率相对较大，且厚度的变化对反射率及中心光谱的位置影响较小，但其厚度的增加会引起反射光谱的带宽的增加。实施例二：请参照图8，图8是本发明的第二实施方式的反射式彩色滤光片结构示意图。如图所示，在该种实施方式中，该反射式彩色滤光片300还包括第二介质层350，设置于介质光栅层320和金属层上330，并被第一介质层340覆盖。该第二介质层350的折射率小于第一介质层340，具有部分过滤的作用，体现在对反射率极大值所处的波段两边的分波段的压制，使得反射光具有更高的单一性。以绿光波段为例，表二给出了第二实施方式中绿光滤光光栅的具体结构：表二：绿光光栅结构参数表格(单位：nm)：其中，h4是介质光栅层320的厚度，h5是金属层330的厚度，h6第二介质层350的厚度，h7是第一介质层340的厚度，P是光栅结构单个周期的宽度，f是该光栅结构的占空比，λ是入射光波的波长。请参见图9，图9是第二实施方式中绿色滤光片在不同角度下的反射率光谱图。如图所示，该种滤光光栅不仅能在一个比较宽泛的角度范围内，对绿光进行反射式滤光，并且与第一实施方式相比具有更好的单一性，减少了其他波段的光的干扰。作为该种实施方式的几个可能的变形，可以将第二介质层350替换成由多层介质组成的多层结构介质层，同时第一介质层可以是该多层结构介质层中的一层。综上所述，本发明提供了一种反射式彩色滤光片，该反射式彩色滤光片采用介质光栅层、金属层和高折射率层的级联结构，使滤光片的表面具有较高的平整度，同时通过将覆盖在光栅沟槽部上的金属层开设缺口，露出部分介质光栅层，降低了共振输出的角度敏感性，减少了光线入射角度对共振条件的影响，从而在一个比较宽泛的角度范围内都能实现反射滤光作用。