CN102798918B - 一种反射式彩色滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反射式彩色滤光片。基底、高反金属层、共振腔层以及半反半透金属层。其中，共振腔层和半反半透金属层的交界面处为线栅结构，半反半透金属层覆盖在该线栅结构上，形成金属光栅，该金属光栅的周期小于400nm。通过调整线栅共振腔的厚度、线栅的占宽比、反射层2的厚度和覆盖层的厚度等参数，可以获得低角敏、带宽合适且旁带反射率低的反射式彩色滤光片，且可实现不同颜色的反射滤波。

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，具体涉及一种反射式彩色滤光片，可应用于无油墨印刷领域。

背景技术

传统的印刷技术是在纸张、塑料等材料表面通过不同颜色的油墨印刷出图像和色彩。存在的问题是：油墨中包括芳香烃、重金属、苯、酮类等有害物质，在油墨的生产和印刷的过程中，对操作人员和环境的危害性很高。因此，近几年全球开始倡导绿色环保无油墨印刷。

自然界中蝴蝶翅膀由于其表面的微纳结构，显示出随视角变化的五颜六色。在纳米结构金属光栅上也观察到了类似的不用颜料而产生颜色的现象。这些现象给了人们灵感，人们尝试采用微纳结构实现颜色，且这种颜色必须具有较宽的角度敏感性，才可以替代油墨，最终实现绿色环保无油墨印刷。

基于传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的反射式彩色滤光片，主要由高反金属层、介质层和半反半透金属层组成。介质层一般为氧化物，如SiO2、Al2O3，通过控制介质层的厚度，可以得到不同颜色的反射滤光效果。此结构的优点是反射效率高，缺点是带宽较宽，为100-150nm，且旁带反射率比较高，大于20％。这将导致RGB三基色反射光谱重叠，彩色显示效果受到影响。

参见图1，为基于传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的反射式彩色滤光片的结构示意图，由基底11、高反金属层12、介质层13和半反半透金属层14构成。高反金属层12的厚度为h1，介质层13的厚度为h2，半反半透金属层14的厚度为h3。基底11为柔性材料，12为铝，13为PMMA(折射率为1.48)，14为镍。其中h1＝0.03um，h3＝0.02um。当h2分别为0.2um、0.17um、0.13um时，分别反射红、绿、蓝三色。图2表示基于传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的反射式彩色滤光片红、绿、蓝三色的TM光的反射效率与入射波长的关系图。图3为图2中的红色滤波器在入射角从0度到30度变化时反射效率与入射波长的关系图。从图2和图3中可以看出，此结构的优点是反射效率高，缺点是带宽较宽，100-150nm，旁带反射率比较高，约20％，导致RGB三基色反射光谱重叠，另外随着入射角度的增加，反射光谱蓝移比较明显。

已经证实，亚波长金属光栅在滤光方面具有低角敏的特性。这是因为金属光栅在一定的条件下能够激发表面等离子共振，同时金属本身特有的色散特性可以降低角度对共振条件的影响。但是现有的金属光栅由于其传导特性被大多数运用在了透射型彩色滤光片中，而对于反射式彩色滤光片的运用则非常少。

因此，本发明主要解决的问题是：在传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的介质层上增加了亚波长介质线栅结构，形成线栅共振腔层，降低了旁带反射效率，减小了带宽，且该结构具有低角敏性。这将改变必须使用颜料才能实现彩色印刷的传统观念，为无油墨印刷提供了解决方案。它的优点在于：1)通过设计优化结构参数和材料，可以获得低角敏、低旁带的滤光效果。而且利用纳米压印技术可以实现该结构的制作，快速高效；2)由于微纳结构中包括的金属层厚度很薄(＜60nm)，仅仅是传统的颜料或染料中金属含量的几百分之一，可以做到绿色无污染或者少污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种反射式彩色滤光片，该滤光片的带宽适中(约100nm)，旁带反射率低，在30度视角范围内颜色变化不敏感。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种反射式彩色滤光片，包括：基底、高反金属层、共振腔层以及半反半透金属层。其中，共振腔层和半反半透金属层的交界面处为线栅结构，半反半透金属层覆盖在该线栅结构上，形成金属光栅，该金属光栅的周期小于400nm。通过调整线栅共振腔的厚度、线栅的占宽比、半反半透金属层的厚度和覆盖层的厚度等参数，可以获得低角敏、带宽合适且旁带反射率低的反射式彩色滤光片，且可实现不同颜色的反射滤波，设计很灵活。同时可以在半反半透金属层的外面增加一层覆盖层，可以起保护作用，同时其厚度对旁带反射率也产生影响。

上述技术方案中，所述透明基底是柔性材料，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。线栅可以是一维或者两维线栅结构。

上述技术方案中，高反金属层的厚度为30nm左右，半反半透金属层的厚度为10～30nm。共振腔层为可压印的塑性材料，如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，通过压印形成台阶线栅结构。

上述技术方案中，线栅包括一维和两维线栅结构。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明的反射式滤光片，具有合适的带宽(约100nm)，旁带反射率低。因为可见光区的光谱带宽约300nm，约100nm带宽的反射有利于色纯度的提高。

2.本发明的滤光片，在30度视角范围内颜色变化不敏感。

附图说明

图1为基于传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的反射式滤光片的结构示意图。

图2为基于传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的反射式滤光片的红、绿、蓝三色的TM光的反射效率与入射波长的关系图。

图3为图2中的红色滤波器在入射角从0度到30度变化时反射效率与入射波长的关系图。

图4为本发明实施例中反射式彩色滤光片的结构示意图。

图5为本发明实施例一中R、G、B三色的TM光的反射效率与入射波长的关系图。

图6为本发明实施例一中R、G、B三色的TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。

图7为本发明实施例二中反射式滤光片的TM光的反射效率与入射波长、周期的关系图。

图8为本发明实施例三中反射式滤光片的TM光的反射效率与入射波长、占宽比的关系图。

图9为本发明实施例四中反射式滤光片的TM光的反射效率与入射波长的关系图。

图10中本发明实施例五中反射式彩色滤光片的TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。

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。

参见图4，为本发明设计的反射式彩色滤光片的结构示意图。该滤光片包括：基底31、高反金属层32、共振腔层33、半反半透金属层34和覆盖层35。共振腔层33和半反半透金属层34的交界面处为线栅结构，半反半透金属层34覆盖在该线栅结构上，形成金属光栅，该金属光栅的周期小于400nm。线栅的周期为p，脊部宽度为w，占宽比F＝w/p。高反金属层32的厚度为h1，线栅底部与高反金属层32之间的间隔为h2，线栅脊部与高反金属层32之间的间隔为h3，半反半透金属层34的厚度为h4，覆盖层35的厚度为h5。需要指出的是，覆盖层35在本发明中并不是必须的，但是在增加覆盖层35后，不仅起到保护的作用，其厚度也会对旁带反射效率造成影响。

实施例一：

31为柔性材料PET或者PC，32为铝，33为PMMA，34为镍和35为PMMA。

针对红、绿、蓝三色反射式彩色滤光片设计结构参数。红色：p＝0.3um，F＝0.3，h1＝0.03um，h2＝0.2um，h3＝0.4um，h4＝0.02um，h5＝0.4um；绿色：p＝0.35um，F＝0.5，h1＝0.03um，h2＝0.18um，h3＝0.35um，h4＝0.01um，h5＝0.35um；蓝色：p＝0.35um，F＝0.5，h1＝0.03um，h2＝0.14um，h3＝0.29um，h4＝0.01um，h5＝0.25um。通过严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性及角敏性进行分析。TM偏振光从此结构顶部入射，该光的入射角度在0度到30度范围变化。

图5中R(FP)、G(FP)、B(FP)分别表示基于传统的法布里一珀罗(FP)腔结构反射式彩色滤光片的红、绿、蓝三色的TM光的反射效率与入射波长的关系图。图5中R、G、B分别表示本发明设计的反射式彩色滤光片红、绿、蓝三色的TM光的反射效率与入射波长的关系图。参见图5，本发明设计的红色滤光片的峰值位置位于650nm附近，入射角度为0度时峰值位置的光的反射效率达到80％，带宽约100nm；本发明设计的绿色滤光片的峰值位置位于550nm附近，入射角度为0度时峰值位置的光的反射效率达到85％，带宽约100nm；本发明设计的蓝色滤光片的峰值位置位于450nm附近，入射角度为0度时峰值位置的光的反射效率达到80％，带宽约100nm。从图5可以看出，在传统的法布里一珀罗(FP)腔结构的介质层上增加了亚波长介质线栅结构，形成线栅共振腔层，降低了旁带反射效率，减小了带宽。

图6为本发明设计的反射式彩色滤光片红、绿、蓝三色的TM光的反射效率与入射波长、入射角的关系图。从图6可以看出，随着入射角度的增大，峰值位置只出现了稍微的蓝移现象，反映出增加了线栅结构的法布里-珀罗腔在0度到30度的范围内，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。

实施例二：

调整线栅的周期p，观察周期变化对滤光片反射特性的影响。以红色滤光片为例。p＝0.3um，F＝0.3，h1＝0.03um，h2＝0.2um，h3＝0.4um，h4＝0.02um，h5＝0.4um。通过严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性进行分析。TM偏振光从此结构顶部入射，该光的入射角度为0度。从图7可以看出，周期对反射峰值位置及带宽产生影响，但是影响很小。

实施例三：

调整线栅的占宽比F，观察占宽比变化对滤光片反射特性的影响。以红色滤光片为例。p＝0.25um，h1＝0.03um，h2＝0.2um，h3＝0.4um，h4＝0.02um，h5＝0.4um。通过严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性进行分析。TM偏振光从此结构顶部入射，入射角度为0度。从图8可以看出，占宽比对反射峰值位置及带宽产生影响，但是影响很小。

实施例四：

改变半反半透金属层的材料，分别为Ni、Cr和Cu，其它结构参数相同，观察不同材料对滤光片反射特性的影响。p＝0.3um，F＝0.3，h1＝0.03um，h2＝0.2um，h3＝0.4um，h4＝0.02um，h5＝0.4um。通过严格耦合波理论(RCWA)对滤光片的反射特性进行分析。TM偏振光从此结构顶部入射，入射角度为0度。从图9可以看出，在相同的参数条件下，Ni和Cr的反射特性比Cu好。

实施例五：

在上面的讨论中，线栅都是指一维线栅。本发明提出的结构包括了两维线栅。此实施例对两维线栅的情况进行说明。线栅在两个方向上周期均为p，占宽比均为F。针对绿色反射式彩色滤光片设计结构参数。绿p＝0.35um，F＝0.5，h1＝0.03um，h2＝0.17um，h3＝0.34um，h4＝0.02um，h5＝0.4um。图10中G(FP)表示基于传统的法布里-珀罗(FP)腔结构反射式彩色滤光片(绿色)的TM光的反射效率与入射波长的关系图。图10中G(0度)、G(15度)、G(30度)表示入射角分别为0度、15度、30度时，设计的反射式彩色滤光片的TM光的反射效率与入射波长的关系图。TE光的反射效果与TM光相同。参见图10，本发明设计的绿色滤光片的峰值位置位于550nm附近，入射角度为0度时峰值位置的光的反射效率达到80％，带宽约100nm。从图10可以看出，在传统的法布里-珀罗(FP)腔结构的介质层上增加了两维亚波长介质线栅结构，形成线栅共振腔层，降低了旁带反射效率，减小了带宽。随着入射角度的增大，峰值位置只出现了稍微的蓝移现象，反映出增加了线栅结构的法布里-珀罗腔在0度到30度的范围内，反射光的颜色几乎不随入射角度的改变而改变。

Claims (7)

1.一种反射式彩色滤光片，包括：基底，位于基底上的高反金属层，位于高反金属层上的共振腔层以及位于共振腔层上的半反半透金属层，其特征在于：所述共振腔层和半反半透金属层的交界面处为线栅结构，半反半透金属层覆盖在该线栅结构上，形成金属光栅，该金属光栅的周期小于400nm，所述高反金属层的厚度至少为30nm，所述半反半透金属层的厚度为10～30nm，所述滤光片在30度视角范围内颜色变化不敏感。

2.根据权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述基底为透明柔性材料。

3.根据权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述高反金属层的材质为铝、银、金或铜中的一种，所述半反半透金属层的材质为镍、铬、钨、或钛中的一种。

4.根据权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述共振腔层为可压印的塑性材料，该共振腔层通过纳米压印在其与半反半透金属层的交界面形成线栅结构。

5.根据权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述线栅结构为一维线栅结构或两维线栅结构。

6.根据权利要求1所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：还包括覆盖层，覆盖在半反半透金属层的表面。

7.根据权利要求6所述的反射式彩色滤光片，其特征在于：所述覆盖层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。