CN102346269B - 一种反射式彩色滤光片 - Google Patents

Abstract

一种反射式彩色滤光片，包括三种颜色的像素阵列，每种颜色的像素为光栅结构，该光栅结构包括基底、介质光栅以及金属层，所述金属层全覆盖于介质光栅上，该金属层的厚度小于所述介质光栅槽宽的一半，所述介质光栅的厚度与所述光栅结构滤光颜色的补色光相对应。该反射式滤光片基于减色原理进行滤光，不仅具有较高的光能利用率，同时具有低的角度敏感性和利于制作等特点。

Description

一种反射式彩色滤光片

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颜色，将会在印刷和显示行业实现节能环保的目的。

开展探索和研究的必要性在于：1)液晶平板显示中使用的传统彩色滤光片由蒽醌、酞菁等有机物组成，通过对不同光谱的吸收，实现红绿蓝彩色显示。但是这种吸收型彩色滤光片透过效率极低，只有30％，造成光能的极大浪费，成为提高液晶显示光能利用效率的瓶颈；2)利用光学薄膜干涉效应，设计干涉膜系或者谐振腔，可以实现反射滤波，但是角度宽容度低，通常情况下只对某一角度的入射光起作用，当偏离此工作角度时，观察到的颜色会发生变化；3)蝴蝶翅膀经过数百万年的进化，其形成颜色的表面结构独特复杂，目前还很难大规模产业化制备，甚至实验室制作也有难度，因此需要简化结构，优化性能，使其易于批量复制，且满足宽角度高效率的滤光片的性能要求。

在利用微纳结构提高滤光片的光能利用率方面，韩国的Yeo-Taek Yoon在石英基底上制作了多晶硅-二氧化硅光栅结构，周期为446nm，多晶硅和二氧化硅光栅高度分别为96nm和198nm，实现了蓝光透射，透射效率只有40％，当入射角为16度时，透射效率下降到只有18％。韩国LG研究院等单位提出了一种基于亚波长金属光栅结构的透射式彩色滤光片，在石英基底上沉积50nm厚度的金属铝层，在铝层上采用电子束直写和干法刻蚀得到数百纳米的圆孔阵列。入射光与金属纳米结构作用，激发表面等离子体波，引起透射增强，理论透射效率可以达到55％以上。通过调节金属光栅的周期，产生红绿蓝三基色。

在改善微纳结构滤光片的角度特性方面，德国的Hans Lochbihler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。当入射角度在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。美国普林斯顿大学的Stephen Y.Chou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，对于非偏振入射光在±25度范围内，25度入射时透射峰位置基本不变，透射效率降低为垂直入射时的一半。上述结构能够改善角敏性的原因，据研究是由于金属光栅所具有的表面和色散的固有特性共同作用的结果。

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0～40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，但在器件制备和材料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，当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以及利于制作便成了反射式彩色滤光片的几大难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种反射式滤光片，该反射式滤光片不仅具有较高的光能利用率，同时具有低的角度敏感性和利于制作等特点。

根据本发明的目的提出的一种反射式滤光片，包括三种颜色的像素阵列，所述每种颜色的像素为光栅结构，该光栅结构包括基底、介质光栅以及金属层，所述金属层全覆盖于介质光栅上，该金属层的厚度小于所述介质光栅槽宽的一半，所述介质光栅的厚度与所述光栅结构滤光颜色的补色光相对应。

优选的，所述三种颜色的像素为品红色像素、黄色像素和青色像素。

优选的，所述品红色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度为270nm至290nm；所述黄色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度为210nm至230nm；所述青色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度为310nm至330nm。

优选的，所述介质光栅的周期小于400nm。

优选的，所述金属层的厚度为20nm至35nm。

优选的，所述介质光栅为一维光栅或者二维光栅。

优选的，所述基底是柔性透明材料。

优选的，所述基底为聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯中的一种。

优选的，所述介质光栅为石英或者柔性透明材料。

上述的反射式彩色滤光片，依据减色原理，利用介质光栅表面全覆盖金属层的特殊结构，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，本发明的结构简单，金属层直接全覆盖于介质光栅表面，利于制作；

第三，本发明的光栅结构，对角度的敏感性降低，能够在宽角度范围内实现滤光。

附图说明

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1是本发明的彩色滤光片的结构示意图；

图2是图1中单个像素的剖面示意图；

图3为TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；

图4为入射角度为0度时，TE光的反射效率与入射波长的关系图；

图5为TM光的反射效率与入射波长、介质光栅的高度h1的关系图；

图6为TM光的反射效率与入射波长、介质光栅的占宽比的关系图；

图7为TM光的反射效率与入射波长、金属层厚度的关系图；

图8为TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；

图9为TE光的反射效率与入射波长、入射角的关系图；

图10为TM光的反射效率与入射波长、两维介质光栅的高度h1的关系图。

具体实施方式

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，由于吸收较少的光波而反射大多数光波，因此其光能利用率可以达到55％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1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，每个像素都具有光栅结构。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，图2是图1中单个像素的剖面示意图。如图所示，该每个像素的光栅结构100包括基底110、介质光栅120和金属层130。该基底110为柔性透明材料，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。在基底110为柔性材料的情况下，可以使用卷对卷纳米压印的方式，方便整个滤光片的制作。该介质光栅120为亚波长光栅，其周期小于400nm。该介质光栅120可以是条状的一维光栅，也可以是点阵状的二维光栅，其材质可以是石英，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。该金属层130全覆盖在介质光栅层120上，即介质光栅120的顶部、谷部以及侧壁上都覆盖有金属层130。为了防止金属层130填满介质光栅的凹槽中，其厚度要小于介质光栅槽宽的一半，较佳地，该金属层130的厚度为20nm至35nm。这种全覆盖式的金属层，不仅可以实现局部金属表面等离子体耦合，将符合金属表面等离子体共振频率的光波吸收，而且还可以加大其它光波的反射效率，进一步提高光能的利用率。另外，在本发明的光栅结构中，金属表面等离子体共振频率可以由介质光栅的厚度、周期、占空比以及材质决定，相对其它几个参数来说，控制光栅结构的厚度更加便于实现，因此只要在同一块彩色滤光片上制作出不同厚度的介质光栅，就能实现对不同颜色光波的滤光作用，简便了光栅式彩色滤光片的制造过程。

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。介质光栅120为一维光栅，材料为PMMA。金属层130为铝。进一步的，介质光栅120的周期p＝200nm，占空比F＝0.5，厚度h1＝280nm。金属层厚度h2＝30nm。

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，透过率几乎为0。TM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3为TM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535nm处，反射效率为0.3％，反射带宽约90nm。入射角在0度到45度范围变化时，反射谷位置基本不变，即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4为入射角度为0度时，TE光的反射效率与入射波长的关系图。在可见光波段，TE偏振光的反射效率达到90％。也就是说，一维光栅结构仅针对TM偏振光具有反射滤光特性。在TM偏振光的反射谷处，TM光反射效率为0.3％，TE光反射效率为90％，反射消光比为300。也就是说，一维结构还具有窄带TE偏振反射特性。

实施例二：

本实施例是研究不同介质光栅厚度下对应的不同颜色的滤光结构。除了介质光栅厚度，其他参数与实施例一中的一致。

请参见图5，图5为TM光的反射效率与入射波长、介质光栅的高度h1的关系图。h1在0.23um～0.33um之间变化时，反射谷位置发生变化。也就是说，通过控制不同的介质光栅的高度，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厚度的介质光栅结构，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，其介质光栅厚度应该是对应品红色的补色光绿色光波段被吸收的区域，从图中可知为270nm至290nm；黄色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度应该是对应黄色的补色光蓝色光波段被吸收的区域，为210nm至230nm；青色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度应该是对应青色的补色光红色光波段被吸收的区域，为310nm至330nm。

实施例三：

考虑到实验加工制作滤光片过程中存在误差，观察介质光栅的占宽比、金属膜的厚度对反射效率的影响。

首先，观察介质光栅的占宽比对反射效率的影响。

在其它参数与实施例一中一致的情况下，改变介质光栅的占空比F。图6为TM光的反射效率与入射波长、介质光栅的占宽比的关系图。

F在0.45um～0.55um之间变化时，反射谷位置发生变化，但是变化的范围不大，基本仍处于绿光波段(510nm-560nm)中。也就是说，介质光栅的占宽比在20％的误差下，本发明的彩色滤光片的滤光效果基本没有影响。

其次，观察金属膜的厚度对反射效率的影响。

在其它参数与实施例一中一致的情况下，改变金属层的厚度h2。图7为TM光的反射效率与入射波长、金属层厚度的关系图。如图所示，h2在25nm-35nm之间变化时，反射谷的位置发生变化，但是变化的范围不大，基本仍处于绿光波段(510nm-560nm)中。也就是说，金属层厚度在40％的误差下，本发明的彩色滤光片的滤光效果基本没有影响。

因此，在制作本发明提出的彩色滤光片结构时，可针对期望获得的颜色，考虑工艺误差，设计滤光片的具体结构参数。

实施例四：

在上面的讨论中，介质光栅都是指一维光栅。本发明提出的结构包括了两维光栅。此实施例对品红色的情况进行说明。

介质光栅在两个方向上周期均为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：p＝0.2um，F＝0.5，h1＝0.28um，h2＝0.03um。通过严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性及角度宽容性进行分析。TM偏振光、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8为TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷出现在540nm处，反射效率几乎为0，带宽约90nm。入射角在0度到45度范围变化时，反射谷位置基本不变，也就是说，在0度到45度范围内，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。此时人眼观察到品红色，且在0度到45度视角范围内不变化。

图9为TE光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。反射谷出现在540nm处，反射效率几乎为0，带宽约90nm。入射角在0度到15度范围变化时，反射谷位置基本不变。也就是说，在0度到15度范围内，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。入射角在0度到45度范围变化时，反射谷位置向短波长移动40nm。此时人眼看到的是TM光和TE光综合的颜色效果，在0度到45度范围内观察时，仍旧观察到品红色。

实施例五：

观察两维介质光栅的高度对反射效率的影响。

在其它参数与实施例四一致的情况下，改变h1。图10为TM光的反射效率与入射波长、两维介质光栅的高度h1的关系图。

h1在0.23um～0.33um之间变化时，反射谷的位置发生变化。也就是说，通过调整两维介质光栅的高度，可以改变反射谷的位置，获得不同的颜色。其它参数不变，品红色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度应该是对应品红色的补色光绿色光波段被吸收的区域，从图中可知为270nm至290nm；黄色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度应该是对应黄色的补色光蓝色光波段被吸收的区域，为210nm至230nm；青色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度应该是对应青色的补色光红色光波段被吸收的区域，为310nm至330nm。

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，利用介质光栅表面全覆盖金属层的特殊结构，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，大大提高了光能的利用率；

第二，本发明的结构简单，金属层直接全覆盖于介质光栅表面，利于制作；

第三，本发明的光栅结构，对角度的敏感性降低，能够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。

Claims (6)

1.一种反射式彩色滤光片，包括三种颜色的像素阵列，其特征在于：所述三种颜色的像素为品红色像素、黄色像素和青色像素，所述每种颜色的像素为光栅结构，该光栅结构包括基底、介质光栅以及金属层，所述金属层全覆盖于介质光栅上，所述介质光栅的顶部、谷部以及侧壁上都覆盖有金属层，该金属层的厚度小于所述介质光栅槽宽的一半，所述介质光栅的周期小于400nm，所述介质光栅的厚度与所述光栅结构滤光颜色的补色光相对应，所述品红色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度为270nm至290nm；所述黄色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度为210nm至230nm；所述青色像素对应的光栅结构，其介质光栅厚度为310nm至330nm。

2.如权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述金属层的厚度为20nm至35nm。

3.如权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述介质光栅为一维光栅或者二维光栅。

4.如权利要求1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。

5.如权利要求4所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述基底为聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯中的一种。

6.如权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述介质光栅为石英或者柔性透明材料。