CN103547948A - 具有最小角度依赖性的用于可视显示器和成像的光谱滤光 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有降低的角度依赖性的光谱滤光装置例如滤色器，该光谱滤光装置包括包含高折射率电介质材料的干涉滤光器组合件，例如基于法布里-珀罗的共振器结构。滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射至电介质材料中以产生当从垂直（0°）至90°的入射角范围观察时，显示出最小角度依赖性的具有预定波长范围的滤波输出。还提供了制造最小角度依赖性的光谱滤光器以及降低该装置的角度依赖性的方法。

Description

具有最小角度依赖性的用于可视显示器和成像的光谱滤光

相关申请的交叉引用

该申请要求于2012年4月20日提交的美国专利申请第13/452,313号以及于2011年4月20日提交的美国临时申请第61/477,554号的优先权。通过引用将以上申请的全部公开内容并入本文。

技术领域

本公开内容涉及用于可视显示器的、从观察方向上具有最小角度依赖性的光谱滤光器，例如基于法布里-珀罗（Fabry-Perot）的光谱滤光器。本公开内容还涉及制造这样的具有最小角度依赖性的光谱滤光器的方法。

背景技术

该部分提供与本公开内容相关的并非必然为现有技术的背景信息。

电磁谱滤光器（例如滤色器）对于包括平板显示器、液晶显示器、投影显示器、眼镜显示器、互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器、发光二极管等的各种显示技术是重要部件。例如，透射光谱滤光器广泛地用在例如液晶显示（LCD）面板的应用中。常规光学滤光器使用颜料分散体来通过吸收互补色产生红绿蓝（RGB）色。

然而，这样的常规光学基于颜料的滤光器通过四个单独的工艺制造，其不但使制造工艺变复杂并且增加成本，而且还在工艺中浪费大量的化学材料。虽然已经提出基于法布里-珀罗的标准具滤色器，但是常规的基于法布里-珀罗的滤光器仍然存在关于不期望的角度依赖性的问题，角度依赖性是指离开滤光器装置的滤光波长依赖于观察角度经受显著的波长偏移以及因此的颜色偏移。这样的角度依赖性在各种成像和显示应用中是不期望的。

因此，需要可生产在可见或近红外范围内的滤光器的新光谱滤光器技术（如滤色器），例如具有高透射效率和最小角度依赖性以及降低的制造复杂性。

发明内容

该部分也提供了本公开内容的一般性概括，不是其全部范围或其所有特征的全面公开内容。根据本教导的原理，光谱滤光装置被设置为具有最小化的角度依赖。本技术提供了对于透射型和反射型两者实现光谱滤光功能的金属-电电介质-金属共振器结构。通过调整电介质层厚度，透射或反射峰覆盖了预定波长范围例如可见或近红外（近IR）范围。在某些方面，不同的颜色像素可以通过使用具有不同图案深度的模具的压印技术来制造。可以与蚀刻技术结合以将厚度对比度转化至任意期望的电介质层。

在某些方面，本公开内容提供了包括干涉滤光器组合件的光谱滤光装置。干涉滤光器组合件包括布置在一对平行反射表面之间的折射率大于约1.5的电介质材料。每个反射表面可选地包含金属。滤光器组合件能够透射电磁谱的一部分以产生理想地显示出最小角度依赖性的具有预定波长范围的滤波输出。

在其它一些方面，本公开内容提供了包括干涉滤光器组合件的光谱滤光装置。干涉滤光器组合件包括布置在一对平行反射表面之间的折射率大于约1.5的电介质材料。每个反射表面包含金属。滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射至电介质材料中以产生离开所述滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出，其中所述滤波输出具有预定波长范围并且显示出最小角度依赖性，使得从0°入射角至90°入射角变化时，所述预定波长范围变化小于或等于约50nm。

在其它又一些方面，本公开内容提供了包括包含布置在一对平行反射表面之间的高折射率电介质材料的干涉滤光器组合件的光谱滤光装置。每个反射表面可选地包含分布式布拉格反射器（DBR）或1维光子晶体。这样的滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射至电介质材料中以产生离开所述滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出。来自滤光器组合件的滤波输出具有预定波长范围并且显示出最小角度依赖性。

在其它一些方面，本教导提供了制造具有最小角度依赖性的光谱滤光装置的方法。该方法包括将聚合物抗蚀剂材料施加到折射率大于约1.5并且在某些变化方案中可选地大于约2的电介质材料。然后将聚合物抗蚀剂与具有预定高度的模具接触。然后蚀刻聚合物抗蚀剂和电介质材料。可以将金属施加到剩余电介质材料上以形成包括布置在一对平行反射表面之间的电介质材料的干涉滤光器组合件。在某些变化方案中，电介质材料具有大于或等于约2的有效折射率。来自干涉滤光器组合件的滤波输出产生显示出最小角度依赖性的预定波长范围。

在其它一些方面，通过本教导提供了降低光谱滤光装置的角度依赖性的方法。在一个变化方案中，该方法包括将折射率大于约1.5的电介质材料引入到包括一对平行反射表面的干涉滤光器组合件中。每个反射表面包含金属。因而，滤光器组合件产生具有预定波长范围的滤波输出，当从0°至90°的入射角观察滤光器组合件时，预定波长范围偏离小于或等于50nm。

在其它一些方面，本公开内容还提供了光谱滤光装置。该光谱滤光装置包括显出最小角度依赖性的共振滤光器组合件。在某些变化方案中，显出最小角度依赖性的共振滤光器组合件包括包含形成光学超材料的导电金属光栅结构的共振器结构。导电金属光栅结构包括至少两个开口。在某些方面，所述至少两个开口可以为亚波长的。在某些变化方案中，共振器结构可选地包含嵌入开口中的电介质材料。光谱滤光装置能够透射电磁谱的一部分以经由光学共振产生具有预定波长范围的经滤波和偏振的输出。

适用性的其它范围从本文中所提供的说明中将变得明显。在该发明内容中的描述和具体实例仅仅旨在说明的目的并且无意于限制本公开内容的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅用于说明所选择的实施方案而不是所有可能的实施方案的目的，并且无意于限制本公开内容的范围。

图1是根据本教导的某些方面制备的示例性光学滤光器组合件的透视图；

图2为沿图1的示例性光学滤光器组合件的线2-2所截取的截面图；

图3示出基于法布里-珀罗的标准具干涉滤光器的工作原理的示意图；

图4A至图4D是示出在基于法布里-珀罗的滤光器中滤光波长偏移对入射角（Θ）和电介质折射率（n）的依赖性的曲线图，其中图4A具有折射率为1.0的电介质材料，图4B具有折射率为1.5的电介质材料，图4C具有折射率为2.0的电介质材料，图4D具有折射率为2.5的电介质材料；

图5示出根据本教导的某些方面制备的具有对称层构造的示例性光学滤光器组合件的截面图；

图6A至图6B示出将对于低折射率电介质材料（SiO₂）（图6B）和高折射率电介质材料（Si₃N₄）（图6A）两者的波长对透射进行比较的模拟；

图7A至图7B示出根据本教导的某些方面制备的示例性光学透射滤光器组合件的截面图，其中图7A具有非对称层构造而图7B具有对称层构造；

图8A至图8C为示出将对于透射型滤光器组合件的波长对透射进行比较以表明经滤波的绿光输出的角度依赖性的模拟的曲线图。图8A具有厚度为约130nm的低折射率电介质材料（SiO₂）以提供经滤波的绿光输出；图8B具有厚度为约50nm的包含折射率为约2.5的硒化锌（ZnSe）的电介质材料以提供绿光；图8C包括厚度为约80nm的高折射率电介质材料（Si₃N₄）以提供绿光；

图9示出对于两个透射型滤光器的波长对透射进行的比较，其中第一滤光器具有对称层构造而第二滤光器具有非对称层构造；

图10A至图10D比较了示例性的红-绿-蓝透射滤光器，其中图10A至图10C对于透射型滤光器组合件的波长对透射进行比较。图10D示出在滤光器组合件中的为实现蓝色、绿色、以及红色滤光的每种电介质材料的相应厚度。图10A示出对于低折射率电介质材料（SiO₂）的红色、绿色以及蓝色滤光。图10B示出对于ZnSe电介质材料的红色、绿色以及蓝色滤光，而图10C示出电介质材料为高折射率材料（Si₃N₄）的红色、绿色以及蓝光色滤光；

图11A至图11C为示出将对于反射型光学滤光器组合件的波长对透射进行比较以表明经滤波的品红光输出的角度依赖性的模拟曲线图；图11A具有厚度为约130nm的低折射率电介质材料（SiO₂）以提供经滤波的品红光输出（入射角在从0至80°的范围内）。图11B具有厚度为约50nm的包含ZnSe（折射率，n=2.5）的具有高折射率的电介质材料以提供经滤波的品红光输出（入射角在从0至80°的范围内）。图11C包括厚度为约80nm的高折射率电介质材料（Si₃N₄）（折射率，n=2.0）以提供经滤波的品红光输出（入射角在从0至80°的范围内）；

图12A至图12D比较了具有非对称层构造的示例性黄-品红-青反射滤光器，其中图12A至图12C对于反射型光学滤光器组合件（其中两个反射层均包含银）的波长对反射进行比较。图12D示出在滤光器组合件中的为实现黄色、品红色以及青色滤光的每种电介质材料的相应厚度。图12A示出对于低折射率电介质材料（SiO₂）的黄色、品红色以及青色滤光。图12B示出对于高折射率ZnSe电介质材料的黄色、品红色以及青色滤光，而图12C示出电介质材料为高折射率材料（Si₃N₄）的黄色、品红色以及青色滤光。

图13A至图13D比较了具有非对称层构造的示例性黄-品红-青反射滤光器，其中图13A至图13C对于反射型光学滤光器组合件（其中第一反射层包含银，第二反射层包含铝）的波长对反射进行比较。图13D示出在滤光器组合件中为实现黄色、品红色以及青色滤光的每种电介质材料的相应厚度。图13A示出对于低折射率电介质材料（SiO₂）的黄色、品红色以及青色滤光。图13B示出对于高折射率电介质材料ZnSe的黄色、品红色以及青色滤光，而图13C示出电介质材料为高折射率材料（Si₃N₄）的黄色、品红色以及青色滤光；

图14A至图14B示出根据本公开内容某些方面的具有非对称层构造的透射和反射滤光器组合件，其中电介质材料为高折射率材料（Si₃N₄）并且反射层包含银。图14A示出红-蓝-绿透射滤光，图14B示出黄-品红-青反射滤光；

图15示出用于制造根据本教导的某些方面的用于可视显示器的具有不同颜色像素的滤光器组合件的工艺；

图16示出对于根据本教导的某些方面制备的包括液晶电介质的透射型的可调的基于法布里-珀罗光谱滤光器的波长对透射；

图17示出对于根据本教导的某些方面的用作在可调的基于法布里-珀罗的光谱滤光器中的电介质材料的液晶折射率对外加电压；

图18示出根据本教导的某些可替代的实施方案制备的具有最小角度依赖性的示例性光学滤光器组合件的截面图，该光学滤光器组合件具有在光栅开口中具有嵌入的电介质材料的高折射率光栅结构；

图19A至图19B示出根据本教导的某些变化方案制备的具有相对最小角度独立性的反射彩色滤光器。图19A示出在具有220nm的周期（比例尺为400nm）的狭缝开口特征的基底上由银制造的示例性高折射率导电网状光栅纳米结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。图19B示出在45°、55°、65°和75°的不同入射角下的横磁（TM）偏振光的波长对反射的曲线图；

图20A至图20B示出根据本教导的某些变化方案制备的另一个具有最小角度独立性的反射彩色滤光器。图20A示出在具有180nm的周期（比例尺为300nm）的狭缝开口特征的基底上由银制造的示例性高折射率导电网状光栅纳米结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。图20B示出在45°、55°、65°和75°的不同入射角下的横磁（TM）偏振光的波长对反射的曲线图；

图21示出将对于具有最小角度依赖性的光学滤光器组合件（其具有与图19所示类似的构造）的波长对透射进行比较的模拟；

图22是类似于图21中的具有角度独立性颜色过滤的光学滤光器组合件的反射的计算图，该光学滤光器组合件被设计为表现出最高达至少约60度的入射角的强的角度容差（当入射角改变时，示出相对小的偏移）的红色滤色器。

图23示出用于光学滤光器组合件的导电光栅结构的设计原理的示意图，其中导电光栅结构为亚波长的，表现出大的有效折射率，并且能够透射横磁（TM）偏振光，同时反射横电（TE）偏振光波。

在整个附图的多个图中，相应的附图标记表示相应部分。

具体实施方式

提供示例性实施方案使得该公开内容将完全地，并且将充分地传达给本领域技术人员。列出大量的具体细节（例如具体的部件、装置以及方法的实例）以提供对本公开内容的实施方案的彻底理解。对本领域技术人员而言明显的是：不需要采用具体的细节；示例性实施方案可以以许多不同形式实施并且两者都不应该解释为限制本公开内容的范围。在一些示例性实施方案中，对公知的工艺、公知的装置结构以及公知的技术未进行详细地描述。

本文中所使用的术语仅用于描述具体的示例性实施方案并且无意于进行限制。除非上下文清楚地另有说明，否则如本文中所使用的单数形式可以旨在同时包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“包括有”以及“具有”为包容性的，因而指定所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。除非明确指出执行的顺序，否则本文中所描述的方法步骤、工艺以及操作不解释为必需要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还要理解的是可以使用附加的或可替代的步骤。

当元件或层被称为“在…上”“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、接合到、连接到或耦合到其它元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接地在…上”、“直接地接合到”、“直接地连接到”或“直接地耦合到”另一个元件或层时，可没有中间元件或层存在。应该以类似方式理解用于描述元件之间的关系的其它词语（例如，“在…之间”与“直接地在…之间”、“相邻”与“直接地相邻”等）。如在本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联地列出的术语中的任意的和所有的组合。

虽然可以在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该由这些术语限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分进行区别。除非上下文清楚地表示，否则例如“第一”、“第二”的术语以及其它数字术语当在本文中使用时不意味次序或顺序。因而，在不脱离本示例性实施方案的教导下，以下所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

在本文中可以使用空间关系术语（例如“内部”、“外部”、“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”等）以便于描述如图所示的一个元件或特征与另一个或多个元件或者另一个或多个特征的关系。空间关系术语可以意旨包括装置在使用或操作时的除图中所示的方向之外的不同方向。例如，如果将图中的装置反转，描述为在其它元件或特征“下方”或者“之下”的元件随后将被定向为在其它元件或特征“上方”。因而，示例性术语“在…下方”可以包括在…上方和在…下方的两个方向。装置可以以其它方式定向（旋转90度或以其它方向）并且相应地理解本文中所使用的空间关系描述语。

在整个公开内容中，数字值表示对范围的近似的测量或限定以包括从给定值（以及具有大约为所提及的值的实施方案和具有刚好为所提及的值的实施方案）的较小偏差。除了在具体说明书的结尾处所提供的工作实例中之外，在该说明书（包括所附权利要求）中的参数（例如，数量或条件）的所有数字值应该理解为在所有示例中由术语“约”进行修饰，无论“约”是否实际上出现在数字值之前。“约”表示所述的数字值允许一些轻微的不精确度（数值精确度的一些近似值；大致或合理地接近数值；几乎）。如果由“约”所提供的不精确度在本技术领域中没有以它的其它普通含义来理解，那么本文中所使用的“约”至少表示可能由于测量并使用这样的参数的普通方法而产生的变化。

另外，范围的公开包括所有值以及在整个范围之内进一步划分的范围（包括对于范围给出的端点）。现在将参照附图更全面地描述示例性实施方案。

公开了基于光学干涉效应而不是通过着色剂材料的光学吸收而产生光谱过滤（例如颜色过滤）的新结构。在某些方面，本教导提供包括干涉滤光器组合件的光谱滤光器装置，该干涉滤光器组合件产生具有最小角度依赖性的经滤波的电磁能量输出。通过非限制性实例的方式，这样的干涉滤光器装置可以是对光进行过滤的法布里-珀罗标准具装置，同时还具有根据本教导的高折射率电介质层以使经过滤的光的角度依赖性最小。

透射和反射颜色过滤两者都可通过根据本教导制备的滤光器装置实现。因而，在某些变化方案中，光谱滤光装置可以为透射型滤光器，而在其它变化方案中，光谱滤光装置可以为反射型滤光器。在又一变化方案中，光谱滤光装置同时表现为透射型和反射型滤光器两者。

干涉滤光器组合件包含电介质材料。在某些变化方案中，这样的电介质材料具有相对高的折射率，例如大于约1.4。在某些方面，电介质材料具有相对高的折射率，优选大于约1.5、可选地大于或等于2、可选地大于或等于约3，并且在某些变化方案中大于或等于约4。在某些变化方案中，干涉滤光器组合件还包括一对平行反射表面，其中每个反射表面包含金属。电介质材料被布置在一对平行反射表面之间。

在某些方面中，滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射至电介质材料中以产生离开滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出。任意非透射光主要（非常小部分的光由金属吸收）被反射从而可再循环。滤波输出期望显示出最小角度依赖性，使其特别有利于在显示装置中用作像素（以非限制性实例的方式）。可以将光谱滤光器或滤色器制造成与偏振无关的。这样的光谱滤光装置滤光器比传统的基于颜料的滤光器更为能量高效的，并且此外可以经受高输出光功率。

参照图1和图2，光谱滤光装置20的一个实施方案包括滤光器组合件30。滤光器组合件30限定第一侧32和相反的第二侧34。滤光器组合件30包括第一透射基底或层40，布置成与透射层40相邻的第一反射表面42。滤光器组合件30还包括至少一个与第一反射表面42相邻的电介质材料层44。第二反射表面46被布置为在与第一反射表面42相反的一侧上与电介质材料层44相邻。第一反射表面42与第二反射表面46一起形成将电介质材料层44夹在中间的一对平行反射表面。如在图1和图2中所示，可选的第二透射层48被布置为与第二反射表面46相邻。光学第二透射层48可以为例如覆层。这样的滤光器组合件30具有“对称构造”，其中第一透射层40在位于电介质材料层44的两侧的一对平行反射表面42、46的另一侧34上具有匹配的第二透射层48。虽然未在图1中示出，但是如果忽略第二透射层48，则滤光器组合件30将具有非对称构造，原因是第二反射表面46将与空气56或其它外部介质而不是第二透射层48相接（从而，组合件构造将为非对称的）。

在图1中，第二透射层48限定可见表面50。将电磁辐射的源52沿着第一侧32朝向光谱滤光装置20的滤光器组合件30。滤光器组合件30能够使来自源52的电磁辐射谱的一部分透射至组合件30中。因而，电磁辐射的一部分进入穿过第一透射层40并且穿过第一反射层42以进入电介质材料层44。干涉滤光器内部的电磁辐射的路径依赖于光谱滤光器装置20是被设计为透射型滤光器、反射型滤光器、还是透射和反射型滤光器。如图1的透射型基于法布里-珀罗的滤光器中所示，进入电介质材料44的电磁能量的部分在一对平行反射表面之间共振（类似于基于法布里-珀罗的标准具干涉滤光器）。电磁能量的一部分透射穿过第二反射表面46以及第二透射层48以产生离开滤光器组合件30的具有预定波长范围的滤波输出60。

作为背景，在图3中示出基于法布里-珀罗的滤光器的一般操作原理并且将在本文中进行讨论。电磁波100以入射角Θ₁接近第一反射表面102。电介质材料104被布置为与第一反射表面102相邻。基本平行的第二反射表面106被布置在电介质材料104的相反侧上。电介质材料104的厚度（也是第一和第二平行反射表面102、106之间的距离）由d表示，电介质材料的折射率由n表示。值得注意的是，对于干涉滤光器（例如基于法布里-珀罗的标准具），d小于在结构中的待进行滤波的目标波长，使得d为亚波长的。电磁波100的被反射的每个部分表示为R_n，其中n为整数，电磁波100的每个透射部分表示为T_n，其中n为整数。每个随后透射的光束之间的相差（例如T₁、T₂等）为：

$\mathrm{\δ}=2\mathrm{kd}\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)=2\frac{2\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}d\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)$

透射最大量发生在δ＝2mπ处使得2nd cos(θ₂)＝mλ，其中λ为波长。Θ₂可以通过斯涅尔定律：sin(θ₁)＝n sin(θ₂)来确定。Θ₁为外部媒介（例如，空气）中的入射角。滤波输出的波长偏移依赖于入射角（Θ₁）和电介质折射率（n）。通过以上解析方程计算结果并且第一反射层和第二反射层中金属的厚度未包括在计算中。

在各个方面中，本公开内容提供了具有降低的角度依赖性的滤光器，指的是随着观察角度从垂直于可视表面（0°）偏离到平行于可视表面（几乎90°），经过滤的光的波长未显著偏移。如上所述，角度依赖性是关于用于显示装置中的常规滤色器、甚至在常规基于法布里-珀罗（F-P）的滤光器中常见的问题。然而，通过在根据本教导制备的组合件中使用高折射率电介质降低了对于增加入射角（Θ₁）的透射波长的偏移。这是因为根据斯涅尔定律存在Θ₁到Θ₂的转变，并且F-P共振器的大折射率夹层有力地减小了角度Θ₂。因此，根据本发明技术的原理，通过包括具有期望的高折射率的特定电介质材料，滤光器装置的角度依赖性可以显著降低/最小化。本文中所描述的高折射率材料可以包括传统的电介质材料，但是也可以包括光学超材料、液晶以及以下所描述的其它高折射率材料。该原理适用于透射和反射光谱滤光器两者，如滤色器。

因而，在各个方面，光谱滤光装置包括包含布置在一对平行反射表面之间的折射率大于约1.5的电介质材料的干涉滤光器组合件。在某些变化方案中，每个反射表面包含反射材料（通过非限制性实例的方式，例如类似银或铝的金属）。滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射至电介质材料中以产生离开滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出，其中滤波输出具有预定波长范围并且显示出最小角度依赖性。

特别适合的可见以及红外电磁辐射包括具有从约390nm至约750nm的范围内的波长的可见光以及红外辐射（IR）（包括从约0.75μm至1.4μm范围内的近红外（NIR））。经滤波的电磁辐射可具有红色的约625nm至740nm范围内的波长；橙色为在约590nm至约625nm；黄色在约565nm至约590nm；绿色在约520nm至约565nm；蓝色或青色在约500nm至约520nm；蓝色或靛青色在与435nm至约500nm；紫色在约380nm至约435nm。此外，在某些方面，经过滤的光可以是谱外的或者数个不同波长的混合。例如，品红色为红色（625nm至740nm）与蓝色（435nm至500nm）波长的谱外混合。

在某些方面，光谱滤光装置为透射型滤光器。在这样的情况下，滤光器组合件能够使电磁谱的一部分穿过一对平行反射表面的第一表面透射到电介质材料中。因而电磁谱的透射部分透射到一对平行反射表面的另一第二表面，其穿过该第二表面透射。因而，电磁谱（例如，图1和图2的52）的该部分在滤光器组合件30的第一侧（图1和图2的第一侧32）进入并且滤波输出60在与第一侧32相对的第二侧（图1和图2的第二侧34）离开。

在某些变化方案中，光谱滤光装置透射型滤光器产生离开滤光器组合件的具有在可见光范围内的预定波长范围的滤波输出。这样的预定波长范围可以包括选自以下的颜色：红色、绿色、蓝色以及其组合。

在其它方面，光谱滤光装置为反射型滤光器，使得滤光器组合件能够使电磁谱的一部分穿过一对平行反射表面之一透射到电介质材料中到达一对平行反射表面中的另一表面。然而，在滤光器组合件的第一侧进入的电磁谱的一部分在组合件之内进行反射使得滤波输出在其进入的滤光器组合件的同一侧（第一侧）离开。

在某些变化方案中，光谱滤光装置为反射型滤光器，该反射型滤光器产生离开滤光器组合件的具有在可见光范围内的预定波长范围的滤波输出。这样的预定波长范围可以包括选自以下的颜色：青色、品红色、黄色以及其组合。

在某些其它的变化方案中，光谱滤光装置可以同时为透射型滤光器和反射型滤光器两者，使得在电磁谱进入滤光器组合件之后产生光的透射部分和光的反射部分两者。因而，在某些实施方案中，通过光谱滤光装置产生的透射的预定波长范围在可见光范围内并且可包括选自以下的颜色：红色、绿色、蓝色以及其组合，而反射的预定波长范围也可包括选自以下的颜色：青色、品红色、黄色以及其组合。

图4A至图4D表明根据本发明原理的滤波输出减少的角度依赖性，其示出在基于法布里-珀罗的滤光器中经过滤的光波长偏移对入射角（Θ）和折射率（n）的依赖性。在图4A中，滤光器组合件中的电介质材料的折射率为1.0并且示出显著的非期望的波长偏移（在从刚刚大于0°的入射角处的约1.0至随着入射角增加至80°时的小于0.2的范围内的归一化值）。图4B在滤光器组合件中具有折射率为1.5的电介质材料并且示出在经过滤的光波长偏移上的显著改进，其中归一化值在从刚刚大于0°的入射角处的约1.0至随着入射角增加至80°时的0.75的范围内。图4C在滤光器组合件中具有折射率为2.0的电介质材料并且示出在减小的波长偏移方面的进一步的改进，其中归一化波长在从刚刚大于0°的入射角处的约1.0至随着入射角增加至80°时的小于0.88的范围内。图4D在滤光器组合件中具有折射率为2.5的电介质材料并且示出在经过滤的光减小的波长偏移方面的最佳改进，其中归一化波长在从刚刚大于0°的入射角处的约1.0至随着入射角增加至80°时的小于0.92的范围内。因此，滤光器组合件结构中的电介质材料的折射率越高，所产生的滤波输出的角度依赖性的最小化越大。

图5示出根据本教导的某些方面的具有对称层构造的示例性光学滤光器组合件的截面图。第一透射层200与包含反射材料的第一反射层202相邻。第二反射层212基本平行于第一反射层202并且同样包含反射材料（其可以为与第一反射层202中的反射材料相同或不同）。因而，第一或第二反射层202、212形成位于电介质材料210的两侧的一对平行反射基底或层。

在一个实施方案中，第一透射层200可以为玻璃基底（包含二氧化硅－SiO₂）。第一反射层202可选地包含银并且厚度为约20nm。第二反射层212同样包含银并且厚度为约20nm。在根据本教导的某些方面的一个实施方案中，电介质材料210可选地包含高折射率材料例如氮化硅（Si₃N₄，折射率为约2），并且可选地厚度为约100nm。与玻璃基底200和厚度为约100nm的硅石覆层220相邻的包含20nm厚的银的两个反射层202和212可以包围电介质材料210。在根据本教导的某些方面的另一实施方案中，电介质材料210可选地包含高折射率材料例如氮化硅（Si₃N₄，折射率为约2），可选地厚度为约40nm并且具有包含20nm厚度的银、玻璃基底200以及厚度约100nm的硅石覆层220的两个反射层202和212。在第一对比例中，反射层、基底以及覆层可以与以上所描述的那些实施方案一样，但是电介质材料210可以为包含硅石（二氧化硅（SiO₂），折射率为1.5）、厚度为约150nm的相对低折射率的材料。在第二对比例中，反射层、基底以及覆层可以与以上所描述的那些实施方案相同，但是电介质材料210又可以是包含硅石（二氧化硅（SiO₂），折射率为1.5）、厚度为约120nm的相对低折射率的材料。

对于类似于图5中的结构在图6A至图6B中示出了波长对透射的比较模拟结果。第一对比滤光组合件包含厚度为约120nm的硅石（SiO₂）的相对低折射率的电介质材料（n=1.5），结果在图6B中示出，并且根据本公开内容的某些方面制备的第二组合件包含与图6A中所示的高折射率（n=2.0）电介质材料相同的包含氮化硅（Si₃N₄）的高折射率电介质材料层。包含Si₃N₄电介质的电介质层的厚度为约40nm。

如可以在图6B中看到的，利用用于光学滤光器组合件的低折射率硅石电介质材料，随着入射角从0°增加至60°时，波长非期望地偏移约120nm。在反映根据本教导的某些方面的光学滤光器组合件的图6A中，随着入射角从0°增加至60°时，发生的最小波长偏移小于约40nm，因而表明本发明技术显著减小了光谱滤光装置的角度依赖性。

图7A至图7B示出根据本教导的某些方面制备的示例性光学透射滤光器组合件，其示出了图7A中干涉滤光器组合件的比较非对称层构造与图7B中干涉滤光器组合件的对称层构造。图7A示出包括第一透射层300的透射型光学滤光器组合件，该第一透射层300可选地包括对于进入光学滤光装置的电磁波长为透射性的材料例如玻璃基底（包含二氧化硅——SiO₂）。第一反射层302包含第一反射材料例如银。通过非限制性实例的方式，这样的第一反射层302厚度可以为约20nm。第二反射层312基本平行于第一反射层302并且第一反射层302和第二反射层312一起形成电介质材料310两侧的一对平行反射基底。通过非限制性实例的方式，第二反射层312包含第二反射材料例如银，并且厚度为约20nm。通过非限制性实例的方式，电介质层310可以可选地包含厚度为约100nm的氮化硅（Si₃N₄）。值得注意的是，第二反射层312具有与周围气氛316（例如空气）相接的可视表面314。因而，图7A中的透射滤光器组合件具有非对称层构造，其包括在以下材料之间的界面：空气（外部环境或气氛316）、20nmAg层（第二反射层312）、电介质层（310）、20nmAg层（第一反射层302）以及玻璃基底（第一透射层/基底300）。

图7B包括与图7A的实施方案的上述透射滤光器组合件部件相同的透射滤光器组合件部件，但是还包括布置在第二反射层312之上的透射覆层320。透射覆层320包含对于进入光学滤光装置的波长基本是透射性的材料例如玻璃（二氧化硅，SiO₂）。因而，第二透射覆层320匹配第一透射层300以形成对称构造。因而，在图7B中，光学滤光器组合件具有对称层构造，其包括以下材料之间的界面：空气（外部环境或气氛316）、第二透射玻璃上覆层（320）、20nmAg层（第二反射层312）、电介质层（310）、20nmAg层（第一反射层302）以及玻璃基底（第一透射层/基底300）。

图8A至图8C为示出将对于透射型对称滤光器组合件的波长对透射进行比较以说明经滤波的绿光输出的角度依赖性的模拟的曲线图。图8A具有厚度为约130nm的低折射率（n=1）电介质材料（SiO₂）以提供在0°入射角的经滤波的绿光输出。图8B具有厚度为约50nm的高折射率材料（n=2.5）ZnSe以提供在0°入射角的经滤波的绿光。最后，图8C包括厚度为约80nm的高折射率（n=2.0）电介质材料（Si₃N₄）以提供在0°入射角的经滤波的绿光。如可以看到的，当入射角从0°增加至80°时，最低折射率的电介质材料（图8A中的二氧化硅）表现出所有三种电介质材料中最大的波长偏移，其中波长偏移为约100nm。随着入射角从0°增加至80°时，图8C中的高折射率电介质材料（Si₃N₄）具有约50nm的波长偏移，同时随着入射角从0°增加至80°时，图8B中的最高折射率的电介质材料（ZnSe）期望地具有仅约30nm的波长偏移。

图9示出对两个透射型滤光器的波长对透射的比较。第一滤光器具有对称层构造，第二滤光器具有非对称层构造。如可以看到的，与非对称滤光器组合件（如图7A）相比，对称构造（如同图7B中所示的滤光器组合件）中的滤光器组合件的对称性增加了经滤波的电磁辐射的透射的量。然而，对称和非对称滤光器组合件两者作为滤光器均呈现出降低的角度依赖性，从而两者都为预期的本教导的变化方案。

图10A至图10D示出根据本公开内容的某些变化方案所制造的比较的多色（红-绿-蓝）透射干涉滤光器的结果。图10A至图10C比较了对于透射型光学滤光器组合件的波长对透射。图10D示出用于实现在透射滤光器中的蓝光、绿光以及红光过滤的滤光器组合件中每个电介质材料的相应厚度。例如，比较的滤光器包括包含用于产生蓝色滤波输出的厚度为约100nm的二氧化硅（SiO₂）、用于产生绿色滤波输出的厚度为约130nm的二氧化硅（SiO₂）、用于产生红色滤波输出的厚度为约170nm的二氧化硅（SiO₂）的相对低折射率的电介质材料。根据本公开内容的某些方面制备的光学透射型滤光器包括包含用于产生蓝色滤波输出的厚度为约60nm的氮化硅（Si₃N₄）、用于产生绿色滤波输出的厚度为约80nm的氮化硅（Si₃N₄）、用于产生红色滤波输出的厚度为约110nm的氮化硅（Si₃N₄）的高折射率电介质材料。最后，根据本公开内容的其它方面制备的其它光学透射型滤光器包括包含硒化锌（ZnSe）的高折射率电介质材料。该电介质材料用于产生蓝色滤波输出厚度为约30nm，用于产生绿色滤波输出厚度为约50nm，用于产生红色滤波输出的厚度为约80nm。

图10A至图10C示出用于同时发生红色、绿色和蓝色滤波的垂直入射（0°的入射角）。图10A具有低折射率的电介质材料（SiO₂）的对比例。图10B示出对于根据本发明技术的某些方面制备的高折射率ZnSe电介质材料的同时发生的红色、绿色以及蓝色滤波，而图10C示出根据本发明技术的某些方面制备的滤光装置的高折射率电介质材料为Si₃N₄的红色、绿色以及蓝色滤波。红色、绿色和蓝色滤波输出的整体透射水平对于高折射率Si₃N₄电介质材料和低折射率二氧化硅（SiO₂）电介质材料是最大的。然而，如以上所讨论的，根据入射观察角度（例如角度依赖性），低折射率二氧化硅电介质材料经受高水平的波长偏移。

反射型光学滤光器组合件的模拟在图11A至图11C中示出，其中波长对反射说明了经滤波的品红色光输出的角度依赖性。滤光器具有类似以上所描述的，具有银反射层和二氧化硅基底的那些结构。图11A具有厚度为约130nm的低折射率电介质材料（SiO₂）以提供经滤波的品红色反射光输出（入射角在从0°至80°的范围内）。图11B具有厚度为约50nm的ZnSe，n=2.2的高折射率电介质材料以提供经滤波的品红色光输出（入射角在从0°至80°的范围内）。最后，图11C包括厚度为约80nm的高折射率电介质材料（Si₃N₄）（n=2.0）以提供经滤波的品红色光输出（入射角在从0°至80°的范围内）。

如可以看到的，当入射角从0°增加至80°时，对于反射型滤光器，最低折射率电介质材料（图11A中的二氧化硅）呈现出最大的波长偏移，其中偏移为约130nm。随着入射角从0°增加至80°时，图11C中的高折射率电介质材料（Si₃N₄）具有约80nm的波长偏移，而随着入射角从0°增加至80°时，图11B中的最高折射率电介质材料（ZnSe）具有仅约50nm的波长偏移。

图12A至图12D示出根据本公开内容的某些变化方案制造的比较的多色（黄色-品红色-青色）反射干涉滤光器。图12A至图12C比较了对于具有非对称层结构的反射型滤光器组合件的波长对反射。图12D示出用于在反射滤光器中实现黄色、品红色和青色滤光的滤光器组合件中每个电介质材料的相应厚度。例如，包含二氧化硅的相对低折射率的电介质材料用于产生黄色滤波输出厚度为约100nm，用于产生品红色滤波输出厚度为约130nm，用于产生青色滤波输出的的厚度约170nm。根据本教导的某些方面制备的包含氮化硅（Si₃N₄）的高折射率电介质材料用于产生黄色滤波输出厚度为约60nm，用于产生品红色滤波输出厚度为约80nm，用于产生青色滤波输出厚度为约110nm。最后，根据本教导的某些方面制备的其它滤光器具有包含硒化锌（ZnSe）的高折射率电介质材料并且其用于产生黄色滤波输出厚度为约30nm，用于产生品红色滤波输出厚度为约50nm，用于产生青色滤波输出厚度为约80nm。

图12A至图12C示出用于同时发生黄色、品红色以及青色滤光的垂直入射（入射角为0°）。图12A具有低折射率电介质材料（SiO₂）的对比例。图12B示出对于高折射率ZnSe电介质材料同时发生的黄色、品红色以及青色滤光，而图12C示出高折射率电介质材料为Si₃N₄的黄色、品红色以及青色滤光。黄色、品红色以及青色滤光输出的整体透射水平对于高折射率Si₃N₄电介质材料和低折射率二氧化硅（SiO₂）电介质材料是最大的。然而，如以上所讨论的，根据入射观察角度（例如角度依赖性），低折射率二氧化硅电介质材料经受高水平的波长偏移。

图13A至图13D示出根据本公开内容的某些变化方案所制造的比较的多色（黄色-品红色-青色）反射干涉滤光器以具有降低的角度依赖性。图13A至图13C比较了对于具有非对称层结构的反射型滤光器组合件的波长对反射。图13D示出用于在反射滤光器中实现黄色、品红色以及青色滤光的在滤光器组合件中的每个电介质材料的相应厚度。例如，包含二氧化硅的相对低折射率电介质材料用于产生黄色滤波输出厚度为约110nm，用于产生品红色滤波输出厚度为约140nm以及用于产生青色滤波输出厚度为约180nm。根据本发明技术的某些方面制备的包含氮化硅（Si₃N₄）的高折射率电介质材料用于产生黄色滤波输出厚度为约70nm，用于产生品红色滤波输出厚度为约90nm以及用于产生青色滤波输出厚度为约120nm。最后，另一种高折射率电介质材料包含硒化锌（ZnSe）并且其用于产生黄色滤波输出厚度为约45nm，用于产生品红色滤波输出厚度为约60nm以及用于产生青色滤波输出厚度为约85nm。

两个反射器（反射层）可以由不同的结构或材料制成。例如为了成本效率，反射滤色器中的底部反射器可以由较厚的铝（Al）金属代替并且装置性能没有显著变化。图13A至图13C示出用于同时发生的黄色、品红色和青色滤光的垂直入射（入射角为0°）。图13A具有低折射率电介质材料（SiO₂）。图13B示出对于高折射率ZnSe电介质材料同时发生的黄色、品红色以及青色滤光，而图13C示出高折射率电介质材料为Si₃N₄的黄色、品红色以及青色滤光。黄色、品红色以及青色滤光的整体反射水平对于高折射率Si₃N₄电介质材料和低折射率二氧化硅（SiO₂）电介质材料是最大的。然而，如上所讨论的，根据入射观察角度（例如，角度依赖性），低折射率二氧化硅电介质材料经受高水平的波长偏移。

本教导的某些实施方案可以同时实现透射和反射颜色过滤两者。通过非限制性实例的方式，图14A至图14B示出根据本公开内容的具有非对称层构造的透射和反射滤光器组合件，该非对称层构造包含空气、包含厚度为约20nm的银的第一反射层、高折射率电介质材料（例如，Si₃N₄）、包含厚度为约20nm的银的第二反射层、以及玻璃基底。在图14A中滤光器组合件示出红色-蓝色-绿色透射滤光，在图14B中示出黄色-品红色-青色反射滤光。

在至此所述的实施方案中，干涉滤光器组合件呈现出最小角度依赖性并且可以包含布置在一对平行反射表面之间的折射率大于约1.5的电介质材料。各个反射表面可选地包含金属。这样的滤光器组合件能够透射电磁谱的一部分以产生离开滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出，其中滤波输出具有预定波长范围并且显示出最小角度依赖性。

干涉滤光器组合件包含电介质材料。在某些变化方案中，这样的电介质材料具有相对高的折射率例如大于约1.5。在某些方面，电介质材料具有优选地大于或等于2、可选地大于或等于约3、并且在某些变化方案中大于或等于约4的相对高的折射率。干涉滤光器组合件也包括一对平行反射表面，其中每个反射表面包含金属。电介质材料被布置在一对平行反射表面之间。

在各个方面，本公开内容也提供了用于制造根据以上或本文中所描述的实施方案中的任何实施方案的具有降低的角度依赖性的干涉滤光器组合件的方法。图15示出可以用来根据本教导的某些方面制造具有不同颜色像素的滤光器组合件用于可视显示的某些工艺。首先，将抗蚀剂材料400施加到布置在透射基底406上面的第一反射表面层404（例如，包含如银或铝的金属）的高折射率电介质材料402的表面。在步骤1中，模具400使具有第一深度的第一区域412、具有第二深度的第二区域414以及具有第三深度的第三区域416通过所施加的压力压印在抗蚀剂材料400中。合适的聚合物抗蚀剂材料包括现有技术中公知的可以通过加热变形的宽范围的热塑性聚合物、或者在受压之后可以紫外（UV）固化或热固化的前体材料。用于形成这些结构的材料描述在Fu等人的“MATERIALCOMPOSITIONFORNANO-ANDMICRO-LITHOGRAPHY”的美国专利第7,648,767号和Fu等人的“UV Curable Silsesquioxane Resins ForNanoimprint Lithography”的美国专利公开第2009/0256287（2009年4月9日提交的申请序列第12/421,333号），通过引用将每个专利相应的全部内容并入本文。在将模具410移除之后，抗蚀剂材料400具有与第一区域412的第一深度、第二区域414的第二深度以及第三区域416的第三深度相对应的不同的高度。可对抗蚀剂材料进一步固化或处理。

在步骤2中，可在抗蚀剂材料400的表面上进行蚀刻处理（例如反应离子蚀刻）来将深度对比图案转移至下面的高折射率电介质层402。这将不同的厚度赋予对应于不同的光谱滤光器的高折射率电介质材料402，使得滤光器能够成为多色滤光器或多光谱滤光器。此外，如现有技术所公知的，蚀刻处理可选地将聚合物抗蚀剂材料400从高折射率电介质材料402移除，或者通过显影剂或溶剂将其移除。

在步骤3中，将薄金属层420施加到高折射率电介质的每个阶梯部分的上表面以形成第二反射表面。如此，创建了多色滤色器组合件，其中滤光器组合件的第一区域430具有对应于第一滤光颜色（例如蓝色）的第一厚度的高折射率电介质层402，而第二区域440具有对应于第二滤光颜色（例如绿色）的大于第一区域430的厚度的第二厚度的高折射率电介质层402。最后，滤光器组合件的第三区域450具有对应于第三滤光的颜色（例如红色）的第三厚度的高折射率电介质层402。如本领域技术人员所理解的，这样的制造技术可以用来制造多个不同的滤色器或者可以用于制造用于单个颜色或光谱波长范围的滤色器组合件。

重新参照图1和图2，示例性光谱滤光装置20包括滤光器组合件30。在这样的变化方案中，滤光器组合件30包括将至少一个电介质材料层44夹在中间的一对平行反射表面42、46。在某些变化方案中，反射表面可以包含如金属的反射材料，例如银、铝或其组合（例如，一个反射表面可以包含银，这一对中的另一反射表面包含铝）。而在某些变化方案中，选择如银的金属用于两个反射器表面可以是优选的，在可替代的方面，在不会经受任何显著的降低的性能的情况下，可以用较厚的铝（Al）金属代替反射器之一（例如，反射滤色器中的底部反射器），而另一反射表面包含银。在某些实施方案中，包围一对平行反射表面的透射基底包含二氧化硅。如以下更为详细地讨论的，在其它变化方案中，平行反射表面中的一个或两者可以包含具有折射率对比度的电介质层的堆叠体。

在各个方面中，电介质材料包含高折射率材料或根据本发明的原理使光谱滤光装置的角度依赖性最小化的材料。例如，合适的电介质材料具有大于约1.5、可选地大于或等于约1.6、可选地大于或等于约1.7、可选地大于或等于约1.8、可选地大于或等于约2.0、可选地大于或等于约2.2、可选地大于或等于约2.5、可选地大于或等于约3、可选地大于或等于约3.5、可选地大于或等于约4、并且在某些变化方案中可以可选地大于或等于约5的折射率。

以非限制性实例的方式，根据本公开内容可使用的合适的高折射率材料包括折射率为2.0的氮化硅（Si₃N₄）、折射率为约2.5的硒化锌（ZnSe）、折射率为约2.0的氧化锌（ZnO）、折射率为约2.2的氧化锆（ZrO₂）以及折射率为约2.2的氧化钛（TiO₂）。这些高折射率材料可以单独或组合使用。

其它预期的高折射率材料为光学超材料。超材料为设计为具有基于它们的结构而非材料本身的组成的性质的合成材料，通过使用小的不均一性来创建通常为各向异性或不均一的微观特征。许多这样的光学超材料具有高折射率或者可以被设计为在目标频谱范围仍具有在最小吸收的同时具有高折射率，例如，超材料可以具有以下折射率：大于或等于约2、可选地大于或等于约3、可选地大于或等于约3.5、可选地大于或等于约4，并且在某些方面，可选地高达或超过5的折射率。在以下所述的某些另外的实施方案中，这样的超材料可以用在可替代的光学滤光装置实施方案中以提供具有最小角度依赖性的颜色过滤。

用于高折射率电介质材料型材料的其它合适的选项包括高折射率的聚合物例如折射率为约1.6的聚苯乙烯、或折射率为约2的液晶材料或铁电聚合物或聚合物基体。在其它变化方案中，电介质材料可以为包含聚合物和多个具有高折射率的纳米颗粒的聚合物基体。通过非限制性实例的方式，用于电介质材料的聚合物基体可以包含聚苯乙烯作为聚合物并且均一分布的多个纳米颗粒可以包含氧化锆（ZrO₂）或任意其它高折射率材料，特别是以上述的形式。

在某些方面，特别是在光谱过滤在可见光范围（颜色过滤）的那些方面，电介质材料可以选自：氮化硅（Si₃N₄）、硒化锌（ZnSe）、氧化锌（ZnO）、氧化锆（ZrO₂）以及氧化钛（TiO₂）。在其它变化方案中，例如在离开滤光器组合件的滤波输出的预定波长范围在红外光谱范围的那些变化方案中，电介质材料选自硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、硫化镉（CdS）以及其组合的半导体。

在某些方面，电介质材料可以包含单一材料；而在其它方面，电介质材料可以包含具有不同组分的多个不同的层。如上所述，电介质层（或多个层）厚度优选为目标光谱波长的亚波长的，并且与本领域技术人员所公知的其它变化方案相结合来确定从基于法布里-珀罗的光学干涉滤光器中所过滤的光的波长。

此外，在某些可替代的变化方案中，基于法布里-珀罗的光学滤光装置可以具有可调的滤光器。因此，在一对反射表面（例如，两个反射镜）之间的高折射率电介质材料可响应于外部场而可调。例如，高折射率电介质材料可以具有电场可调的特性，例如液晶（通常也具有较大的折射率）以及响应于外加电场以改变电介质材料的物理特性的某些类型的压电材料，例如，聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物。

在本公开内容的其它又一些变化方案中，光谱滤光装置的可替代的实施方案包含产生具有所提供的最小角度依赖性的经滤波的电磁能量输出的干涉滤光器组合件。通过非限制性实例的方式，这样的滤光器装置可以为过滤光的法布里-珀罗标准具，同时根据本教导还可以具有电介质层以将滤光的角度依赖性最小化。

图18示出具有最小的观察角度依赖性并且使用包含高折射率光学超材料的共振滤光器组合件的光学滤光器组合件500的示例性可替代的实施方案的截面图。光学滤光器组合件包含与透明电介质层504相邻的基底502。基底502和透明电介质层504可以包含二氧化硅（SiO₂）或在上述较早的实施方案的上下文中先前所讨论的其它透射材料中的任何材料。导电的纳米尺度或微米尺度的导电/金属线栅或光栅结构506被布置在电介质层504上面。导电材料可以为以上所述的那些材料中的任何材料，通过非限制性实例的方式为例如铝或银。

至于“光栅结构”其意味着高导电材料（比如金属或石墨）用于形成包含贯穿的一个或更多个开口以允许某些波长的光穿过的结构。例如，在某些优选的方面，光栅结构可以包含间隔开但基本上彼此平行的多个导电材料行或离散区域。相邻行之间的间隙限定某些波长的光可以通过的多个开口。光栅也可以包含具有不同于第一多个行的方向的同样间隔开但基本上彼此平行的第二多个导电行。第一和第二多个行可以在一个或更多个位置彼此交叉或接触以形成网格或网结构。应该注意在优选的方面，光栅包含至少两个行以形成至少两个开口，但不同的光栅结构的行和层的数目不限于只有两个，而是可以包含多个不同设计或层。此外，如以下所述，当多个相邻导电行或其它区域优选地彼此相距亚波长的距离（小于目标波长或目标范围波长的距离），每个相应的一对行可以限定每个开口之间的不同距离（或狭缝宽度）从而将允许不同波长的光穿过。因此，作为非限制实例，可以使用可选地包含导电金属或石墨烯的光栅结构作为在光学偏光器中的共振结构。

这样的光栅结构可以根据最终应用具有各种不同加工形状，例如，合适的线栅偏振器具有小于约1μm的周期（例如，第一特征与第二特征之间的间隔/距离，例如见图18中的周期“d”），其适合于对可见（波长在从约400nm至约800nm的范围内）至IR（波长在从约0.75μm至约1mm的范围内，包括在约1μm至约10μm的近IR）中的电磁能量波进行偏振和/或过滤。亚波长的光栅结构对于等离子体共振是特别期望的，其意味着光栅尺寸中的一个或更多个小于由装置过滤的波长或波长范围（例如，亚波长的光栅意味着用于可见光的光栅结构具有小于0.7μm、优选地小于约200nm的波长的一个或更多个尺寸）。根据本教导的亚波长的金属光栅的形式的线栅或光栅结构是常规偏振滤光器的有吸引力的替代方案，原因是它们在宽波长范围内提供了透射的横磁（TM）偏振光与反射的横电（TE）偏振光之间的高消光比。

在某些方面，过滤至少部分地经由光学共振过程发生。显示装置可以包括包含用于经由光学共振进行颜色过滤的等离子体共振器的显示像素。等离子体共振器结构包含自然地限定两个平行反射表面的导电光栅结构。导电光栅结构包含至少两个能够透射由显示装置产生的电磁谱的一部分的开口。电磁波可以透过两个或更多个开口以经由光学共振产生具有预定波长范围的经滤波和偏振的输出。在某些变化方案中，这样的显示装置为液晶显示（LCD）装置。共振结构可以用作透明导电电极以及用于这样的LCD显示的像素中的偏振器。

形成在电介质层504上的金属行506的格栅或光栅图案限定周期“d”（从多个金属行506中的第一行515中的第一侧514至金属行506中的第二相邻行517中的第一侧516所限定的距离）。每个行506具有“L”的厚度。相邻行515、517之间的距离“a”被认为是开口（或缝隙或狭缝）或间隙512。应该注意距离“d”可以在光栅图案506上变化。金属行506具有高度“L”并且每个金属行506的宽度为“w”。占空比定义为f=w/d。周期是指光栅图案中的一对行之间的至少一个周期（d），但存在多于两个开口的地方通常是指光栅图案中的重复周期（d）。因此，可以通过例如调整金属行506宽度（w）和周期（d）来设计透明共振结构使得不同波长的光可以穿过开口512（a）透射。通过调整形成行506的金属材料的膜的厚度（L）同样可以实现高导电率。这样的光栅图案500提供了可以根据不同性能标准容易加工的高灵活性的设计。

在某些方面，反射型滤色器装置可以包含这样的导电金属光栅图案。在某些方面，可以将厚的导电金属层施加到基底（或可选的电介质层）。在施加金属之前，基底可以为图案化或基本上平坦的。可以在厚金属层中进行钻孔、蚀刻或其它方式形成多个开口例如狭缝。在某些方面，可以对如二氧化硅的电介质材料膜以纳米光栅的形式进行图案化，该纳米光栅限定具有高纵横比的多个行或片。然后，通过溅射用导电金属对纳米光栅进行回填充。例如见本文中进一步所述的图19A和图19B。

在一个示例性实施方案中，行506之间的间隙512（a）为约40nm，行506之间的周期（d）为大于或等于约170nm，并且每个金属行506（例如包含铝）的高度（L）或厚度为约70nm。在其它实施方案中，行506之间的间隙512（a）为约40nm，行506之间的周期（d）为大于或等于约190nm，并且每个金属行506（例如包含铝）的高度（L）或厚度为约80nm。在又一其它示例性实施方案中，行506之间的间隙512（a）为约40nm，行506之间的周期（d）为大于或等于约190nm，并且每个金属行506（例如包含铝）的高度（L）或厚度为约110nm。

作为进一步的背景，图23示出用于导电光栅结构的设计原理的示意图，该导电光栅用作具有亚波长的电磁共振的光学滤光器之间的光学超材料，其中导电光栅结构为亚波长的、呈现出大的有效折射率，并且能够透射横磁（TM）偏振光，同时反射横电（TE）偏振光波。由于在金属系统中亚波长的传播模式的存在，可以用这样的光栅结构创建高折射率超材料。由金属膜形成的具有开口或间隙的周期排布的导电光栅结构可以被看作具有不依赖于频率的有效折射率的电介质层。在该系统中的有效折射率通过几何条件控制，从而可以创建任意高的折射率膜，其在低的角度依赖性光学滤光器的某些变化方案中是特别有用的。因而，在利用这样的光栅结构设计作为超材料中，有效折射率通过金属膜的几何条件控制，是绝对不依赖于频率的，并且可能的是可被设计为任意大。

参照图23，厚金属膜600具有一维周期性的贯穿狭缝或开口602。在开口中，无论宽度（“a”）如何小，存在电场定位在x方向上传播的TEM模式。该模式的存在允许光穿过亚波长的狭缝阵列完全地透射。如所示“a”为相应金属行604之间的开口或间隙的宽度，“d”为周期，并且“L”为金属膜的厚度。有效折射率被认为是

同时厚度

金属膜600的用于TM偏振的特性被认为渐近靠近那些具有唯一地限定的折射率“n”和宽度或厚度

的电介质层。大的

比因此折合为高的有效折射率n。因而，具有狭缝或开口602的金属膜600的透射特性看似渐近地等同于那些具有折射率

以及厚度的电介质板层。光栅结构与电介质板层的这种对应性期望地对于所有倾斜入射角也保持有效。在这点上，可以利用金属膜600的厚度L、每个开口602的间隙宽度a和周期d来设计在进行颜色过滤时使角度依赖性最小化的期望地高折射率材料。

具有期望的折射率的这种导电光栅结构的设计已经在Shen等人、“Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index ofRefraction”，Physical Review Letters,94(19),pp.197401-1:4（2005年5月20日）中描述，通过引用将其全部内容并入本文。根据本发明技术的某些方面的光谱滤光器可以通过在一组电介质层的上面制造亚波长的金属光栅来获得，在某些方面中的该光谱滤光器在Kaplan等人，“HighEfficiency Resonance-Based Color Filters with Tunable TransmissionBandwidth Fabricated Using Nanoimprint Lithography”，Appl.Phys.Lett.99,143111,2011中描述，通过引用并入本文。图19A和图20A示出在基底（比例尺分别为400nm和300nm）上制造的高折射率导电网光栅纳米结构（光学超材料）的两个不同的实施方案的扫描电子显微镜（SEM）图片。

在图19A中，纳米光栅结构具有约220nm的周期，并且在图20A中纳米光栅结构具有约180nm的周期。图19B和图20B示出在45°、55°、65°、以及75°的相应入射观察角度下对于这些结构中的每个的横磁（TM）偏振光的波长的反射。如可以看到的，在图20A中的180nm周期结构呈现出比图19A中的结构更小的角度依赖性（在相应观察角度下波长的更小偏移）。然而，这样的纳米光栅结构可以被设计并优化为基于待进行过滤（反射或透射）的期望波长减小光的角度依赖性，从而提供形成具有最小观察角度依赖性的超级滤光装置的能力。

此外，在本发明中的某些方面，滤光器组合件500可以包含填充并嵌入图18中的间隙512（或开口或狭缝）并且覆盖图18中的金属光栅结构506的材料520。这样的材料520可以为第二电介质材料例如以上所讨论的材料中的任何材料，如氧化铝（Al₂O₃）、氮化硅（Si₃N₄）或二氧化硅（SiO₂）或者具有现有技术中所公知的电介质特性的各种聚合物。因此，如图18所示，提供了角度容差法布里-珀罗滤色器的另一设计，该设计使用亚波长的金属光栅的大的有效折射率，其中电磁辐射或光共振地透过光栅中的纳米狭缝或开口。可以将电介质材料（可以为添加至纳米光栅下面的任选层的第二电介质材料）嵌入金属光栅结构的开口或狭缝中。此外，这样的实施方案有利地提供了偏振的滤色器，其使透射的横磁（TM）偏振光透射，同时反射横电（TE）偏振光波。在某些变化方案中，TE的透射小于1%。

因此，在某些方面，光谱滤光装置被设置为包含显示出最小角度依赖性的共振滤光器组合件。滤光器组合件包含电介质材料以及包含导电金属光栅结构的共振器结构。导电金属光栅结构包含至少两个开口，其能够透射电磁谱的一部分以经由光学共振产生具有预定波长范围的经滤波和偏振的输出。偏振的输出优选地为透射的横磁（TM）偏振光，同时横电（TE）偏振光波基本上被反射。这样的偏振器光学滤光装置的使用可以通过消除偏振器结构的需要来提供简化的LCD结构。其也产生有利于LCD平板应用的偏振的透射，这是因为可消除一个偏置器片。

在某些方面，通过本教导提供了降低光谱滤光器装置的角度依赖性的方法。在一个变化方案中，该方法包括将包含电介质材料的共振滤光器组合件与包含导电金属光栅结构的共振滤光器组合件结合。导电金属光栅结构包含至少两个开口，其能够透射电磁谱的一部分以经由光学共振产生具有预定波长范围的经滤波和偏振的输出。因此，滤光器组合件具有最小角度依赖性并且能够产生具有预定波长范围的滤波输出，当从0°至90°的范围内的入射角观察滤光器组合件时，该预定波长范围偏离小于或等于50nm。

对于具有嵌入在光栅结构的一个或更多个开口或狭缝（光栅结构的尺寸）中的二氧化硅（SiO₂）电介质材料的与图18类似的结构，波长对透射的比较模拟结果在图21中示出。嵌入的电介质材料可以为任何常规电介质材料。由嵌有电介质材料的导电光栅结构形成的光学超材料因而可以具有以下的整体有效折射率：大于约1.5、可选地大于或等于约1.75、可选地大于或等于约2、可选地大于或等于约3、可选地大于或等于约4。

蓝色滤色器被设计为具有约40nm的间隙a、约170nm的周期（d）以及约70nm的厚度或高度（L）的包含铝的光学超材料光栅结构，其中电介质层和基底包含二氧化硅（SiO₂）并且填充光栅开口之间的间隙的上电介质层为Al₂O₃。具有较高折射率的其它电介质材料例如Si₃N₄也可以用作填充导电光栅结构中的开口的材料。绿色滤色器被设计为具有约40nm的间隙a、约190nm的周期（d）以及约80nm的厚度或高度（L）的包含铝的光学超材料光栅结构，其中电介质层和基底包含二氧化硅（SiO₂）并且填充光栅开口之间的间隙的上电介质层为具有约1.76的有效折射率的Al₂O₃。最终，红色滤色器被设计为具有约40nm的间隙a、约190nm的周期（d）以及约110nm的厚度或高度（L）的包含铝的光学超材料光栅结构，其中电介质层和基底包含二氧化硅（SiO₂）并且填充光栅开口之间的间隙的上电介质层为具有约1.45的有效折射率的Al₂O₃。如从图21可以看到的，蓝色、绿色以及红色滤光器中的每个在感兴趣的部分波长处具有至少75%的透射率。

图22利用反射的计算图示出具有以上刚刚讨论的红色滤色器设计的实例并且表明最高达60度入射观察角度的强的角度容差。这些滤光器的角度独立性被认为是由于增加到理想金属的（d/a）倍（即反占空比）的金属狭缝结构的有效折射率。因为层的有效折射率增加到d/a倍，其中d为光栅的周期并且a为狭缝宽度，即使光倾斜的入射，光在有效法布里-珀罗腔内部接近于垂直方向折射。在具有例如图18所示的设计的该结构中，金属光栅的两个表面自然地提供反射表面。在各个方面，本教导提供根据以上或本文中所述的实施方案中任何方案的包含具有降低的角度依赖性的干涉滤光器组合件的光谱滤光装置。

此外，在某些变化方案中，光谱滤光器装置可以为法布里-珀罗型滤色器，其具有根据本教导的最小角度依赖性并且还可以可选地被制造为具有可调的特性。例如，通过使用折射率可以通过电场的施加而修改的高折射率材料，具有预定波长范围（颜色光谱）的经滤波的颜色输出可以为电可调的。此外，均包含金属的一对平行反射表面可以方便地用作用于施加电压的电极。图16示出通过从这样的滤光装置施加电场使透射颜色光谱从蓝色调节至绿色的实例（对于包含液晶电介质的透射型可调基于法布里-珀罗的光谱滤光器的波长对透射）。图17示出对于用作根据本教导的某些方面的可调的基于法布里-珀罗的光谱滤光器中的电介质材料的液晶折射率对外加电压的示意图。合适的材料教导在Zhang等人，“NovelTunable Liquid Crystal Fabry-Perot Filters For Fiber-OpticalSystems”,Prog.SPIE.0277(2001)中，通过引用将其全部内容并入本文。如果例如背光单元（光源）由具有特定发射光谱的发光二极管制成，则这样的性质也可以用于控制颜色像素的透射密度。

如上所讨论的，在某些实施方案中，光谱滤光装置可以具有为对称的滤光器组合件构造。滤光器组合件中的层的这种对称被认为增加了穿过光学滤光装置的滤光波长的整体反射或透射。

在各个方面，本公开内容也提供了降低光谱滤光装置的角度依赖性的方法。方法包含将具有大于约1.5的折射率的电介质材料结合到如上所述的包含一对平行反射表面的干涉滤光器组合件中。用于在滤光器组合件中使用的所选择的特别优选的电介质材料具有大于或等于约1.6、可选地大于或等于约1.7、可选地大于或等于约1.8、可选地大于或等于约2.0、可选地大于或等于约2.2、可选地大于或等于约2.5、可选地大于或等于约3、可选地大于或等于约3.5、可选地大于或等于约4、并且在某些变化方案中，可以大于或等于约5的折射率。

这样的滤光器组合件产生具有预定波长范围的滤波输出，该预定波长范围当以在从0°至90°的范围内的入射角观察滤光器组合件时具有最小的偏差，因此，降低了滤光器组合件的角度依赖性。例如，滤波输出的最小偏差可以表示为最小角度依赖性。

在某些变化方案中，光学滤光装置的最小角度依赖性对应于当对在0°的入射角处的第一波长相比于在90°的入射角处的第二波长之间的差进行比较时具有以小于或等于约80nm、可选地小于或等于70nm、可选地小于或等于60nm变化的预定波长范围的滤波输出。在某些特别有利的变化方案中，光学滤光装置的最小角度依赖性对应于基于入射潜在的角度（当对在0°的入射角处的第一波长相比于在90°的入射角处的第二波长之间的差进行对比时）具有以小于或等于约50nm、可选地小于或等于45nm、可选地小于或等于40nm、可选地小于或等于35nm、可选地小于或等于30nm变化的预定波长范围的滤波输出。

在某些其它变化方案中，形成基于法布里-珀罗的光学滤光器的一对反射表面的第一和第二反射表面也可以可替代地由其它材料制成。例如，在其它方面，通过使用由两个反射器夹在中间的包含将反射性质维持在一定波长范围之内的分布式布拉格反射器（DBR）或1维光子晶体结构的高折射率缺陷腔层，光谱过滤装置可以具有最小角度依赖性变化。DBR通常由具有不同折射率的交替材料的多层形成，或者具有导致DBR的有效折射率上的周期性改变的特定性质（例如高度）的周期性改变。通常，光子晶体包含对高电介质常数和低电介质常数的内部区域进行有规律地重复的周期性电介质或金属电介质纳米结构。一维光子晶体使不同电介质常数的多层沉积或粘合到一起来在单个方向上形成带间隙（例如布拉格光栅）。

在各个方面，根据本教导的光谱滤光装置特别适合于作为滤色器（例如用于显示装置的像素）使用。因而，具有最小角度依赖性的光谱滤光装置在以下应用中特别有用：平板显示、液晶显示、投影显示、眼镜显示、互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器、发光二极管等。

因此，本技术提供了包括透射型和反射型两者的，可以在不呈现出观察角度依赖性的情况下提供光谱过滤功能的金属-电介质-金属共振器结构或金属光栅-电介质共振器结构。以上所述的技术通常适用于任何透射型或反射型的平板显示，尤其适用于高输出功率应用例如三维（3-D）投影显示。薄膜滤光器结构的设计可以简化滤色器制造，并且使反射的光再循环用于整体较高的透射效率。

已经提供实施方案的前述描述用于说明和描述目的。其并非意旨是详尽的或限制本公开内容。具体实施方案的单独要素或特征通常不限制于具体的实施方案，而是在可适用时是可互换的并且可以用在所选择的实施方案中，即使未特别地示出或描述也是如此。这些实施方案也可以以许多方式变化。这样的变化方案不是被看作与本公开内容的偏离，并且所有这样的修改意旨被包括在本公开内容的范围之中。

Claims (24)

1.一种光谱滤光装置，包括:

干涉滤光器组合件，所述干涉滤光器组合件包括布置在一对平行反射表面之间的折射率大于约1.5的电介质材料；其中所述滤光器组合件能够透射电磁谱的一部分以产生具有显示出最小角度依赖性的预定波长范围的滤波输出。

2.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述平行反射表面中的每一个均包含选自以下的金属：银、铝以及其组合。

3.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述平行反射表面中的每一个均包含具有折射率对比度的电介质层的堆叠体。

4.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述电介质材料形成有效折射率大于或等于约2的光学超材料的一部分。

5.根据权利要求4所述的光谱滤光装置，其中所述光学超材料包括包含多个亚波长的狭缝的金属光栅结构，其中所述电介质材料嵌入所述亚波长的狭缝中。

6.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述光谱滤光装置为透射滤光器，使得所述滤光器组合件能够使所述电磁谱的一部分穿过所述一对平行反射表面之一透射到所述电介质材料中，到达所述一对平行反射表面中的另一表面，在所述另一表面处被透射，使得所述电磁谱的所述部分在所述滤光器组合件的第一侧进入而所述滤波输出在与所述第一侧相反的第二侧离开。

7.根据权利要求6所述的光谱滤光装置，其中离开所述滤光器组合件的所述滤波输出的所述预定波长范围在可见光范围内并且具有选自下列的颜色：红色、绿色以及蓝色。

8.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述光谱滤光装置为反射滤光器，使得所述滤光器组合件能够使所述电磁谱的所述一部分穿过所述一对平行反射表面之一透射到所述电介质材料中，到达所述一对平行反射表面中的另一表面，在所述另一表面处被反射，使得所述电磁谱的所述一部分在所述滤光器组合件的第一侧进入并且所述滤波输出在所述滤光器组合件的所述第一侧离开。

9.根据权利要求8所述的光谱滤光装置，其中离开所述滤光器组合件的所述滤波输出的所述预定波长范围在可见光范围内并且具有选自以下的颜色：青色、品红色以及黄色。

10.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述电介质材料选自：氧化铝（Al₂O₃）、氮化硅（Si₃N₄）、硒化锌（ZnSe）、氧化锌（ZnO）、氧化锆（ZrO₂）以及氧化钛（TiO₂）。

11.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中离开所述滤光器组合件的所述滤波输出的所述预定波长范围在红外光谱范围内，并且所述电介质材料选自：硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及硫化镉（CdS）。

12.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述一对平行反射表面包括第一反射表面，并且所述滤光器组合件还包括限定相邻于所述电介质材料的第一侧的透射基底，其中所述第一反射表面布置在所述透射基底的所述第一侧上。

13.根据权利要求12所述的光谱滤光装置，其中所述滤光器组合件的构造为对称的以增强所述滤波输出的透射或反射。

14.根据权利要求12所述的光谱滤光装置，其中所述一对平行反射表面包括将所述电介质材料夹在中间的第一反射表面和第二反射表面，其中从与所述第一反射表面相邻的一侧到与所述第二反射表面相邻的相反侧测得的所述电介质材料的厚度确定透过所述滤光器组合件的所述预定波长范围。

15.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述滤光器组合件用作用于显示装置或成像装置的滤色器，并且所述最小角度依赖性对应于：相对于滤光器组合件入射角在从0°至90°之间变化时，所述预定波长范围的变化小于或等于50nm。

16.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述滤光器组合件为可调结构并且包括具有电场可调特性的电介质材料。

17.根据权利要求1所述的光谱滤光装置，其中所述电介质材料的折射率大于或等于约3。

18.一种光谱滤光装置，包括：

干涉滤光器组合件，所述干涉滤光器组合件包括布置在一对平行反射表面之间的折射率大于约1.5的电介质材料；其中每个所述反射表面包含金属；以及

其中所述滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射到所述电介质材料中以产生离开所述滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出，其中所述滤波输出具有预定波长范围并且显示出最小角度依赖性，使得从0°入射角至90°入射角变化时，所述预定波长范围的变化小于或等于约50nm。

19.一种光谱滤光装置，包括：

干涉滤光器组合件，所述干涉滤光器组合件包括布置在一对平行反射表面之间的高折射率电介质材料，其中每个所述反射表面包含分布式布拉格反射器（DBR）或1维光子晶体；以及

其中所述滤光器组合件能够使电磁谱的一部分透射到电介质材料中以产生离开所述滤光器组合件的具有预定波长范围的滤波输出，其中所述滤波输出具有预定波长范围并且显示出最小角度依赖性。

20.根据权利要求19所述的光谱滤光装置，其中从0°入射角至90°入射角变化时，所述预定波长范围变化小于或等于约50nm。

21.一种制造具有最小角度依赖性的光谱滤光装置的方法，所述方法包括：

将聚合物抗蚀剂材料施加到折射率大于约2的电介质材料并且将所述聚合物抗蚀剂与具有预定高度的模具接触；

蚀刻所述聚合物抗蚀剂和电介质材料；以及

将金属施加到剩余电介质材料上以形成折射率大于约2的包括一对平行反射表面的干涉滤光器组合件，其中来自所述干涉滤光器组合件的滤波输出产生显示出最小角度依赖性的预定波长范围。

22.一种降低光谱滤光装置的角度依赖性的方法，所述方法包括：

将折射率大于约1.5的电介质材料引入到包括一对平行反射表面的干涉滤光器组合件中，其中每个所述反射表面包含金属；使得所述滤光器组合件产生具有预定波长范围的滤波输出，当从0°至90°范围的入射角观察所述滤光器组合件时，所述预定波长范围偏离小于或等于50nm。

23.一种光谱滤光装置，包括：

显示出最小角度依赖性的包括共振器结构的共振滤光器组合件，所述共振器结构包括形成光学超材料的导电金属光栅结构，其中所述导电金属光栅结构包括至少两个开口，所述至少两个开口能够透射电磁谱的一部分以经由光学共振产生具有预定波长范围的经滤波和偏振的输出。

24.根据权利要求23所述的光谱滤光装置，其中所述至少两个开口为亚波长的，并且包括所述导电金属光栅结构的所述共振器结构还包括嵌入所述至少两个开口中的电介质材料。

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