专利名称：一种反射式彩色滤光片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学滤光元件，具体涉及一种具有光栅结构的宽角度反射式滤光片。
背景技术：
人们由自然界中生物表皮结构对光的选择作用获得启发，发现纳米结构能够实现彩色滤光器件的三原色，且具有一定光谱宽度和视角宽容度。如果能够人工设计和制备特定的纳米结构实现彩色滤光，将会在光显示、光伏、光传感、光检测和无油墨印刷等行业实现节能环保的目的。随着微纳米制造技术的不断发展，彩色滤光器件的设计与制备成为微纳光学领域的热点研究方向。现有的微纳结构滤光片大多对入射角度很敏感，仅适用于某一特定入射角度范围，在宽角度入射条件下光学特性严重退化，限制了其在很多领域的应用，如气体·探测、成像光谱以及角度调谐滤光片等。国内外一些公司和研究机构，如美国普林斯顿大学、密歇根大学、德国PAPIERFABRIK LOUISENTHAL GMBH公司、日本大阪大学、清华大学、上海理工大学、大连理工大学和中科院系统的多家研究单位开展了宽角度滤光器件方面的研究，并取得了一定进展。利用高折射率的强调制或者增加高折射率介质层厚度，视角宽容性可增至40度左右。其中高折射率材料通常选择多晶硅，需采用低压化学气相沉积或准分子激光诱导才能制备。韩国三星研究院的Yeo-Taek Yoon等人在石英基底上制作了多晶硅-二氧化硅光栅结构(周期为446nm)，实现了蓝色光波透射，但是入射角度从0度变化至15度时，透过率从40%下降到18%。研究发现，金属光栅所具有的表面和色散的固有特性共同作用，能够改善角度敏感性。德国的Hans Lochbihler提出采用介质-金属光栅复合结构进行滤光,在介质光栅上蒸发沉积了 “Z”形的金属铝栅，设计了透射式滤光片，入射角在0到30度范围变化时，TM和TE偏振光的透射峰位置基本不变，但是TM偏振光的共振峰透射效率较低，只有20%。美国普林斯顿大学的Stephen Y. Chou[110]在石英基底上加工了介质栅格阵列，然后，通过倾斜电子蒸发在介质栅格阵列上面沉积金属铝，发现对于非偏振入射光，在±25度范围内，峰值位置基本不变，透射效率降低。彩色滤光器件主要包括透射式彩色滤光片和反射式彩色滤光片，其中反射式彩色滤光片是一类非常有前景的光学元器件，在节电型平板显示、新型印刷等领域有广泛的应用。在光学性能方面，它也要求有高反射效率和合适的反射带宽。韩国三星技术研究院在玻璃基底上制作硅点阵结构，利用硅和玻璃之间的大折射率差，在(T40度入射角实现了约80nm的反射带宽，最大反射效率可达55%以上。另外，通过自组装堆叠二氧化硅小球形成光子晶体结构，也可以实现反射式彩色滤光片。加拿大多伦多大学的A. C. Arsenault等利用这种方式，利用聚二茂铁硅烷的电化学可调谐特性，实现了一种可调的彩色滤光器件，在其制备和材料选择方面还有很多工作需要探索。上述的反射式彩色滤光片，都是基于RGB增色原理，既当两种或两种以上的色光进入人眼，视觉便会产生另一种色光的效果。例如，相同比例的红光和绿光会在人眼中产生黄色。这种基于增色原理的滤光片，在设计光栅结构时，往往使光栅结构反射所需颜色的光波，而将其它颜色的光波吸收，比如红色滤光片上的光栅结构，只能够反射红色光波，而其它颜色的光波都被光栅结构吸收，以此表现红色。这种滤光片由于吸收了大多数颜色的光波，因此其光能利用率比较低，只有30%左右，不利于节能环保。因此，提高光能利用率、降低角度的敏感性、具有合适带宽的反射波段便成了拓宽微纳结构反射式彩色滤光片的应用领域面临的几大难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于减色原理的反射式滤光片，该反射式滤光片不仅具有高光能利用率、低的角度敏感性，同时具有对偏振不敏感的特点。根据本发明的目的提出的一种反射式彩色滤光片，该反射式彩色滤光片基于减色原理，其包括品红色、黄色和青色三种颜色的像素阵列，每种颜色的像素结构包括基底、位·于基底之上的金属层、位于金属层上的介质层以及位于介质层上的二维金属光栅层，所述金属层的厚度大于可见光在该金属层内的趋肤深度，所述像素结构的表面等离子体共振频率为该像素颜色的补色光频率。优选的，所述介质层为介质光栅层，该介质光栅层的光栅结构与二维金属光栅层相对应。优选的，所述介质光栅层和/或金属光栅层的光栅周期小于400nm。优选的，所述金属层为高反射金属。优选的，所述二维金属光栅层在X方向和Y方向上的周期和占宽比相等。优选的，所述基底是柔性透明材料或者玻璃。优选的，所述介质层为石英或者柔性透明材料。优选的，所述柔性透明材料为聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯中的一种。上述的反射式彩色滤光片，依据减色原理，具有金属层、介质层(或者介质光栅层)、金属光栅层的三层复合结构，其中金属层的厚度大于可见光在材料内的趋肤深度，主要起类似反射镜的作用。通过金属层与金属光栅层之间的等离子作用，使该结构能够吸收与其表面等离子体共振频率相耦合的光波，反射其他波段的光波，从而实现不同颜色的滤光效果。与现有技术相比，本发明的技术效果如下第一，本发明利用减色原理实现滤光，大大提高了光能利用率；第二，本发明的结构，通过对金属光栅的周期和占宽比进行调制，可以实现不同颜色的滤光效果；第三，本发明的结构，具有对偏振不依赖的特性，TM偏振光和TE偏振光的共振位置相同，从而保证对两种偏振光，观察到的颜色相同； 第四，本发明的结构，对角度的敏感性降低，能够在宽角度范围内实现滤光。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明的彩色滤光片的结构示意图；图2是图I中单个像素的结构示意图；图3是图I中单个像素的第二种结构示意图；图4为实施例一中T M光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；图5为实施例一中TE光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；图6为实施例二中TM光的反射效率与入射波长、金属光栅的占宽比的关系·
图7为实施例三中TM光的反射效率与入射波长、金属光栅的周期的关系图；图8为实施例四中TM光的反射效率与入射波的关系图；图9为实施例五中TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；图10为实施例五中TE光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；图11为实施例六中TM光的反射效率与入射波长、金属光栅的占宽比的关系图；图12为实施例七中TM光的反射效率与入射波长、金属光栅的周期的关系图。
具体实施例方式如背景技术中提到的，现有的反射式滤光片，大都依据增色原理进行滤光，因此其光能利用率较低。而本发明提出的一种反射式彩色滤光片，根据减色原理进行滤光。所谓减色原理是指，将白光照射到滤光片上时，吸收一种颜色波段的光，而将其他颜色的光反射，形成混色光，比如将白光中的绿色光吸收后，反射形成的混色光为品红色。这种以减色原理作为滤光特性的彩色滤光片，由于吸收窄带光波而反射宽带光波，因此其光能利用率可以达到50%以上。通常，以减色原理实现彩色表达时，其三种基色为品红色、黄色和青色，相当于绿色、蓝色和红色三原色的补色，即当白光中的绿光部分被吸收时，反射出来的混色光为品红色，当白光中的蓝色部分被吸收时，反射出来的混色光为黄色，当白光中的红光部分被吸收时，反射出来的混色光为青色。当然，除了该三基色的组合，其它符合色彩搭配的组合也是可行的，在此不做赘述。请参见图1，图I是本发明的彩色滤光片的结构示意图。如图所示，该彩色滤光片表面包括三种颜色的像素阵列10，该三种颜色的像素分别为品红色像素11、黄色像素12以及青色像素13，每个像素都具有基底、金属层、介质层和金属光栅层。图中该三种颜色的像素以横向间隔排列，在其他应用中，该三种颜色的像素也可以是纵向间隔排列或纵横交错排列等方式。请参见图2是一种图I中单个像素的结构示意图。如图2所示，该每个像素结构包括基底110、位于基底上110的金属层120、位于金属层120上的介质层130和位于介质层130上的二维金属光栅层140。基底110为玻璃或者柔性透明材料。柔性透明材料如聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等，或者玻璃。在基底110为柔性材料的情况下，可以使用基于卷对卷方式的镀膜和压印的方式制备。介质层130设置在金属层120和二维金属光栅层140之间，耦合这两层金属激发的光波模式，其材质可以是二氧化硅，也可以是柔性透明材料，比如聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)等。金属层120为高反射金属材料，如铝、银等，其厚度需要大于120可见光在该金属层120内的趋肤深度，以此起到反射镜的作用，提高对可见光波段的反射效率，从而提高光的利用率。二维金属光栅140为点阵状的二维光栅，其周期尺寸达到亚波长量级，，即周期小于 400nm。请参见图3，图3是本发明的另一种单像素的结构示意图。在这种像素结构中，位于金属层120和二维金属光栅层140之间的介质层也具有光栅结构，该介质光栅层131的光栅结构与二维金属光栅140层的光栅结构对应，即二维金属光栅层140位于该介质层光栅131上。其余与第一种像素结构中相同，此处不再赘述。上述两种像素结构的反射式彩色滤光片，依据减色原理，利用金属层、介质层、金·属光栅层的特殊结构，通过金属层与金属光栅层之间的等离子作用，使该像素结构能够吸收与其表面等离子体共振频率相耦合的光波，即该像素结构的表面等离子体共振频率为该像素颜色的补色光频率，反射其他波段的光波，从而实现不同颜色的滤光效果。需要指出的是，在上述结构的反射式彩色滤光片中，金属表面等离子体共振频率可以由介质层的厚度、介质光栅层和金属光栅层的周期、占空比、厚度以及材质这几个参数决定。因此通过调节上述几个参数，可以实现不同颜色像素的形成。在本发明中，作为彩色滤光片的三种基础色，即三种像素的颜色，分别为品红色、黄色和青色，这三种颜色的补色分别为绿色、蓝色和红色。因此当实现品红色的像素颜色时，需要将整个光栅结构的金属表面等离子体共振频率调节至500飞00纳米波段；因此当实现黄色的像素颜色时，需要将整个光栅结构的金属表面等离子体共振频率调节至40(T500纳米波段；因此当实现青色的像素颜色时，需要将整个光栅结构的金属表面等离子体共振频率调节至60(T700纳米波段。下面将以几个具体实施方式
对本发明的反射式彩色滤光片做详细说明。实施例一在此实施例中，以形成品红色的光栅结构为例进行说明。请继续参见图2，在本实施例中，基底110为柔性材料，具体为PET或者PC。金属层120为铝。介质层130的材料为PMMA。金属光栅层140的材料为铝。进一步的，点阵状金属光栅120在X方向和Y方向上周期均为px = py = p，占宽比均为F。针对品红色反射滤光片设计得到如下结构参数周期p=190nm,占空比F = O. 45。金属层的厚度hl=150nm。介质层厚度h2=15nm。金属光栅层的厚度h3 = 25nm。TM偏振光和TE偏振光从此结构顶部入射。光的入射角度在0度到45度范围变化。采用严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性及角度宽容性进行分析。由于金属层为高反射金属材料，其厚度大于可见光在材料内的趋肤深度，导致透过率几乎为O。因此该结构主要呈现出反射和吸收特性。由于亚波长光栅激发的近场衍射波与金属层表面等离子体发生耦合，一部分光被反射，另一部分光被吸收。图4为TM偏振光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷位置出现在545nm处，反射效率为接近O。入射角为45度时，反射谷位置出现在542nm处，可以认为，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。也就是说，在TM偏振光入射条件下，人眼观察到品红色，且在O度到45度视角范围内不变化。图5为TE偏振光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷位置出现在544nm处，反射效率为接近O。入射角为45度时，反射谷位置出现在551nm处，可以认为，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。也就是说，在TE偏振光入射条件下，人眼观察到品红色，且在0度到45度视角范围内不变化。另外，从图4和图5可以看出，在这种像素结构中，反射光的频率范围几乎跟光的偏振方向无关。实施例二 本实施例是研究不同占宽比对应的不同颜色的滤光结构。在该实施例中，像素结构的占宽比分别取0. 33,0. 44,0. 55三个值，而其它参数则保持不变，这些参数的具体数值与实施例一中相同，即周期P=190nm,金属层的厚度hl=150nm。介质层厚度h2=15nm。金属光栅层的厚度h3 = 25nm。·请参见图6，图6为TM光的反射效率与入射波长、占宽比的关系图。F在0. 33、. 55之间变化时，反射谷位置发生变化。比如当F=O. 33时，接近450nm处的蓝色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为黄色；当F=O. 44时，接近550nm处的绿色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为品红色；iF=0. 55时，接近675nm处的红色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为青色。也就是说，通过控制不同的占宽比，在TM光入射条件下，人眼将观察到不同的颜色。根据这个特性，只要在滤光片的不同像素上设计不同占宽比的金属光栅结构，就能实现彩色滤光片的制作。比如品红色像素对应的光栅结构，其占宽比应该是对应品红色的补色光绿色光波段被吸收的区域。实施例三本实施例是研究不同的金属光栅周期对应的不同颜色的滤光结构。在该实施方式中，像素结构中的金属光栅的周期分别为0. 15um、0. 19um、0. 23um，其他参数与实施例一中的一致。即占宽比F=O. 45,金属层的厚度hl=150nm。介质层厚度h2=15nm。金属光栅层的厚度 h3 = 25nm。请参见图7，图7为TM光的反射效率与入射波长、周期的关系图。p在0. 15^0. 23um之间变化时，反射谷位置发生变化。比如当P=O. 15um时，接近450nm处的蓝色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为黄色；当P=O. 19um时，接近550nm处的绿色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为品红色；当口=0. 23um时,接近630nm处的红色光被吸收,而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为青色。也就是说，通过控制不同的周期，在TM光入射条件下，人眼将观察到不同的颜色。根据这个特性，只要在滤光片的不同像素上设计不同周期的金属光栅结构，就能实现彩色滤光片的制作。比如品红色像素对应的光栅结构，其周期应该是对应品红色的补色光绿色光波段被吸收的区域。实施例四本实施例是研究当金属层材料为银时的像素结构的反射光分布情况，其他参数与实施例一中的一致。请参见图8，图8为TM光的反射效率与入射波长、周期的关系图。图4为TM偏振光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷位置出现在570nm处，反射效率为接近O。也就是说，在TM偏振光入射条件下，人眼观察到品红色。因此金属层起类似反射镜的作用，还可选择其它高反射率金属材料，其厚度大于可见光在材料内的趋肤深度即可。实施例五在此实施例中，以形成品红色的光栅结构为例进行说明。请继续参见图3，在本实施例中，基底110为柔性材料，具体为PET或者PC。金属层120为铝。介质光栅层131和二维金属光栅层140为两维光栅。介质光栅层131的材料为PMMA。二维金属光栅层140的材料为铝。进一步的，二维介质光栅131和二维金属光栅120在两个方向上周期均为Px = py = P，占宽比均为F。针对品红色反射滤光片设计得到如下结构参数周期p=180nm,占空比F = 0. 5,金属层的厚度hl=150nm。介质层厚度h2=15nm。金属光栅层的厚度h3 = 25nm。采用严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性及角度宽容性进行分析。由于金·属层的厚度大于可见光在材料内的趋肤深度，导致透过率几乎为O。因此该结构主要呈现出反射和吸收特性。由于金属层的表面等离子体共振现象和光与表面周期结构的耦合作用，一部分光被反射，另一部分光被吸收。TM偏振光和TE偏振光从此结构顶部入射,该光的入射角度在0度到45度范围变化。图9为TM偏振光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷位置出现在538nm处，反射效率为接近O。入射角为45度时，反射谷位置出现在526nm处，可以认为，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。也就是说，在TM光入射条件下，人眼观察到品红色，且在0度到45度视角范围内不变化。图10为TE偏振光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷位置出现在538nm处，反射效率为接近O。入射角为45度时，反射谷位置出现在541nm处，可以认为，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。也就是说，在TE光入射条件下，人眼观察到品红色，且在0度到45度视角范围内不变化。实施例六本实施例是研究在第二种像素结构中不同占宽比对应的不同颜色的滤光结构。在该实施例中，像素结构的占宽比分别取0. 4,0. 5,0. 6三个值，而其它参数则保持不变，这些参数的具体数值与实施例五中相同，即周期P=180nm,金属层的厚度hl=150nm。介质层厚度h2=15nm。金属光栅层的厚度h3 = 25nm。请参见图11，图11为TM光的反射效率与入射波长、占宽比的关系图。F在0.4 0.6之间变化时，反射谷位置发生变化。比如当F=O. 4时，接近425nm处的蓝色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为黄色；当F=O. 5时，接近550nm处的绿色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为品红色；当F=O. 6时，接近675nm处的红色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为青色。也就是说，通过控制不同的占宽比，在TM光入射条件下，人眼将观察到不同的颜色。根据这个特性，只要在滤光片的不同像素上设计不同占宽比的介质光栅和金属光栅结构，就能实现彩色滤光片的制作。比如品红色像素对应的光栅结构，其占宽比应该是对应品红色的补色光绿色光波段被吸收的区域。
实施例七本实施例是研究不同的金属光栅和介质光栅周期对应的不同颜色的滤光结构。在该实施方式中，像素结构中的金属光栅的周期分别为0. 14um、0. 15um、0. 22um，其他参数与实施例五中的一致。即占宽比F=O. 5,金属层的厚度hl=150nm。介质层厚度h2=15nm。金属光栅层的厚度h3 = 25nm。请参见图12，图12为TM光的反射效率与入射波长、周期的关系图。p在0. iro. 22um之间变化时，反射谷位置发生变化。比如当p=0. 14um时，接近450nm处的蓝色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为黄色；当p=0. 18um时,接近550nm处的绿色光被吸收,而其余波段的光被反射,使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为品红色；当P=O. 22um时，接近630nm处的红色光被吸收，而其余波段的光被反射，使该占宽比下的像素结构所反射出来的光的颜色为青色。也就是说，通过控制不同的金属光栅和介质光栅的周期，在TM光入射条件下，人眼将观察到不 同的颜色。根据这个特性，只要在滤光片的不同像素上设计不同周期的金属光栅和介质光栅结构，就能实现彩色滤光片的制作。比如品红色像素对应的光栅结构，其金属光栅和介质光栅的周期应该是对应品红色的补色光绿色光波段被吸收的区域。综上所述，本发明提出的一种反射式彩色滤光片，依据减色原理，利用基底、金属层、介质层(或者介质光栅层)以及金属光栅层形成的单像素结构，使金属层能够吸收与其表面等离子体共振频率相耦合的光波，反射其他波段的光波，从而实现不同颜色的滤光效果。与现有技术相比，本发明的技术效果如下第一，本发明利用减色原理实现滤光，大大提高了光能利用率；第二，本发明的结构，通过对金属光栅的周期和占宽比进行调制，可以实现不同颜色的滤光效果；第三，本发明的结构，具有对偏振不依赖的特性，TM偏振光和TE偏振光的共振位置相同，从而保证对两种偏振光，观察到的颜色相同；第四，本发明的结构，对角度的敏感性降低，能够在宽角度范围内实现滤光。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种反射式彩色滤光片，该反射式彩色滤光片基于减色原理，其包括品红色、黄色和青色三种颜色的像素阵列，其特征在于每种颜色的像素结构包括基底、位于基底之上的金属层、位于金属层上的介质层以及位于介质层上的二维金属光栅层，所述金属层的厚度大于可见光在该金属层内的趋肤深度，所述像素结构的表面等离子体共振频率为该像素颜色的补色光频率。
2.如权利要求I所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述介质层为介质光栅层，该介质光栅层的光栅结构与二维金属光栅层相对应。
3.如权利要求I或2所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述介质光栅层和/或金属光栅层的光栅周期小于400nm。
4.如权利要求I所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述金属层为高反射金属。
5.如权利要求I所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述二维金属光栅层在X方向和Y方向上的周期和占宽比相等。
6.如权利要求I所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述基底是柔性透明材料或者玻璃。
7.如权利要求I所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述介质层为石英或者柔性透明材料。
8.如权利要求6或7所述的反射式彩色滤光片，其特征在于所述柔性透明材料为聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯中的一种。
全文摘要
一种反射式彩色滤光片，包括三种颜色的像素阵列，每种颜色的像素结构包括基底、位于基底之上的金属层、位于金属层上的介质层以及位于介质层上的二维金属光栅层，所述金属层的厚度大于可见光在该金顺层内的趋肤深度，所述像素结构的表面等离子体共振频率为该像素颜色的补色光频率。该反射式滤光片基于减色原理进行滤光，不仅具有高光能利用率、低的角度敏感性，同时具有对偏振不敏感的特点。
文档编号G02B5/26GK102789021SQ20121031949
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者叶燕, 周云, 申溯, 陈林森 申请人:苏州大学, 苏州苏大维格光电科技股份有限公司