CN105093405B - 亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法。该真彩元件一般由光栅层、薄膜层和衬底层构成，在确定了各层的材料之后，通过调整光栅的周期、占宽比以及光栅层和薄膜层的厚度就可以从入射自然光中分离出红、绿、蓝三基色的真彩元件。反射型红、绿、蓝三基色真彩元件的色彩是通过真彩元件损耗入射自然光中红、绿、蓝的互补色而表现出来的，因此它使得呈色光谱包含更宽的范围和更多的能量，因此，真彩元件的亮度大大增加。任何呈色产品都可以利用红、绿、蓝三基色真彩元件的不同排布而再现，还可以利用刻制的母板通过压印工艺而复制。所述呈色产品可用于彩色包装、光学防伪和结构色成像等领域。

Description

亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法，可应用于彩色包装、光学防伪和结构色成像等领域。

背景技术

被动显色通常是由颜料(染料)或结构色而实现。颜料或染料显色是通过其对入射光特定波段的吸收而引起；结构色是由物质的亚波长结构特征所引起的可见光反射、干涉或衍射而产生色彩。结构色种类丰富、颜色稳定、具备独特的变化特性如光色变、偏振色变等使得其在彩色包装、光学防伪等领域展现出广泛的应用前景。随着微纳制造技术的发展，通过一维或二维光栅从自然光中精确分离出红、绿、蓝三基色，再通过红、绿、蓝三基色微光栅的不同组合而呈现出色彩斑斓的呈色产品已成为现实。

现有的通过一维或二维光栅而实现的反射被动显色方案都是利用微结构对自然光光谱中红、绿、蓝三基色的高反射而实现的，高反射光栅结构大都是介质结构。现有的通过一维或二维光栅而实现的透过被动显色方案都是利用微结构对自然光光谱中红、绿、蓝三基色的高透过而实现的，高透过光栅结构大都是金属光栅结构。这些显色方法都使得自然光中大量的光能量未用来显色，导致呈色产品的亮度较低。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法，此方法中的红、绿、蓝三基色是利用亚波长光栅波导结构对红、绿、蓝互补色的损耗而实现的，因此它们的显色光谱具有更宽的光谱范围，包含更多的自然光能量，可以大大提高呈色产品的亮度。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其包括以下步骤：

选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，并采用衍射算法优化出各层的结构参数，所述各层的结构参数对应使真彩元件损耗三基色的互补色进而显色；

在衬底层上通过物理沉积或化学沉积的方法按照所述结构参数依次生长薄膜层和光栅层；

在光栅层表面涂布光刻胶；

采用激光干涉曝光或掩模板曝光在光刻胶表面形成光栅图案；

采用光刻胶形成的光栅图案作为掩模，刻蚀光栅层形成光栅结构，以得到真彩元件。

优选的，所述衍射算法为严格耦合波法或傅立叶模式法。

优选的，所述衬底层为熔石英，所述薄膜层和光栅层采用多晶硅；所述熔石英的折射率为1.46，所述多晶硅的折射率为3.44，所述薄膜层的厚度为15纳米，所述光栅层的周期为315纳米，厚度为110纳米，占宽比为0.55。

优选的，所述真彩元件的结构参数采用目标函数进行优化，目标函数可以是色纯度、亮度、结构最简单。

优选的，所述真彩元件的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的色纯度作为目标函数，则目标函数可以表示为：

其中，A_λ是太阳光谱的能量分布函数，X_λ、Y_λ、Z_λ是太阳光的三刺激函数。

优选的，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的亮度最大作为目标函数，则目标函数表示为： 其中，A_λ是太阳光谱的能量分布函数，X_λ、Y_λ、Z_λ分别是太阳光的三刺激函数。

优选的，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的结构最简单作为目标函数，则目标函数可以表示为：H₂＝0。

为了解决以上技术问题，本发明还提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件。

本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法，该真彩元件通常由光栅层、薄膜层和衬底层构成，在确定了各层的材料之后，通过调整光栅层和薄膜层的周期、占宽比、厚度等结构参数就可以从入射自然光中分离出红、绿、蓝三基色的真彩元件。反射型红、绿、蓝三基色真彩元件的色彩是通过亚波长光栅波导结构损耗入射自然光中红、绿、蓝的互补色而表现出来的，因此它使得呈色光谱包含更宽的范围和更多的能量，因而此真彩元件的亮度大大增加。任何呈色产品都可以利用红、绿、蓝三基色真彩元件的不同排布而再现，还可以利用刻制的母板通过压印工艺而复制。此呈色产品可用于彩色包装、光学防伪和结构色成像等领域。

附图说明

图1为本发明亚波长光栅波导结构真彩元件的结构示意图。

图2为本发明实施例中真彩元件的s偏振光的光谱图。

图3为本发明实施例中真彩元件的s偏振光的色品图。

图4为本发明亚波长光栅波导结构真彩元件制作方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来对本发明作进一步详细说明。

请参考图1，本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件100，包括衬底层20和位于衬底层20上的光栅波导层30，所述光栅波导层30包括薄膜层31和光栅层32。

在本发明中，在确定了衬底层20、薄膜层31和光栅层32的材料之后，所述光栅波导层30的结构参数是通过衍射算法计算得出的，所述衍射算法计算所述光栅层32的周期、厚度以及薄膜层31的厚度，以使真彩元件100损耗(吸收或透过)三基色的互补色并反射其他颜色光。所述衍射算法采用严格耦合波法或傅立叶模式法。

在本发明的一种实施例中，如采用真彩元件损耗(吸收或透过)三基色中绿色的互补色并反射其他颜色光的方式，所述各层的材料选择中，所述衬底层20为熔石英，所述薄膜层31和光栅层32采用多晶硅，熔石英的折射率为1.46，多晶硅的折射率为3.44。通过所述衍射算法，所述薄膜层31的厚度为15纳米；光栅层32的周期为315纳米，厚度为110纳米，多晶硅的占宽比为0.55。

请参考图2和图3，图2为所述实施例中反射型真彩元件的光谱图，图3为所述实施例中反射型真彩元件的色品图，从图中可以看出，其主波长对应于标准的三基色中绿色的波长，色纯度为31％。

在实际中，任意呈色产品都可以分割为不同的微小单元，每个微小单元的色彩由真彩元件来实现。参考人眼睛的分辨能力，为了达到较好的显色效果，每个真彩元件的尺寸一般不大于100微米。

请参考图4，本发明还提供了一种亚波长光栅真彩元件的制作方法，其包括以下步骤：

S1、选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，并采用衍射算法优化出各层的结构参数，所述各层的结构参数对应使真彩元件损耗三基色的互补色而显色；

在步骤S1中，首先选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，进而通过衍射算法优化出各层的结构参数，并根据实际情况。可以选取真彩元件的结构最简单作为优化程序的目标函数，也可以选取真彩元件的亮度最大作为优化程序的目标函数，还可以选取真彩元件的色纯度最高作为优化程序的目标函数。

其中，为了产生单个或多个较大带宽的高反特性，光栅层要由深调制光栅构成，因此，常常选择通过物理气相沉积或化学气相沉积方法得到的硅薄膜来制作光栅层。

其中，所述衍射算法(如严格耦合波法、傅立叶模式法)给出求解亚波长光栅波导结构的反射谱方法；其反射谱是亚波长光栅波导结构的结构参数的函数，数学上可以表示为R_λ＝R(λ,Λ,f,d,h,n)，并由目标函数优化出亚波长光栅波导结构的结构参数Λ,f,d,h,n。

在一个实施例中，选取真彩元件的色纯度作为目标函数，则目标函数可以表示为：

其中，A_λ是太阳光谱的能量分布函数，X_λ、Y_λ、Z_λ是太阳光的三刺激函数。优化目标是使P_X和P_Y分别接近红、绿、蓝三基色色品值的最大值。

在一个实施例中，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的最大亮度作为目标函数，则目标函数可以表示为： 其中，A_λ是太阳光谱的能量分布函数，X_λ、Y_λ、Z_λ是太阳光的三刺激函数。

在一个实施例中，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的最简结构作为目标函数，则目标函数可以表示为：H₂＝0或其它函数。

另外，在实际应用过程中，为了便于加工呈色产品，我们在优化红、绿、蓝三基色真彩元件的时候要保证薄膜层材料、厚度和光栅层材料、厚度都相等；为了消除偏振对真彩元件的影响，我们可以简单地通过制作相同结构参数的二维光栅来实现。

S2、在衬底层上通过物理沉积或化学沉积的方法按照所述结构参数依次生长薄膜层和光栅层；

在步骤S2中，根据S1中的结构参数，在一种实施例中，所述衬底层为熔石英，所述薄膜层和光栅层采用多晶硅，熔石英的折射率为1.46，多晶硅的折射率为3.44；所述薄膜层的厚度为15纳米，所述光栅层的周期为315纳米，厚度为110纳米，占宽比为0.55。

S3、在光栅层表面涂布光刻胶；

S4、采用激光干涉曝光或掩模板曝光在光刻胶表面形成光栅图案；

S5、采用光刻胶形成的光栅图案作为掩模，刻蚀光栅层形成光栅结构，以得到真彩元件。

在得到真彩元件之后，需进一步加工为呈色产品，其步骤基本如下：

S6、将所需的呈色产品划分为小于100微米的微区域，计算出每个微区域的颜色，分别用红、绿、蓝三基色来呈现；

S7、通过镀膜、曝光、腐蚀等过程将设计好的红、绿、蓝三基色真彩元件的亚波长光栅波导结构制作在衬底层上，从而生成所需的呈色产品。

为了方便大批量复制其呈色产品，还可以考虑制作出呈色产品的压印模板。本发明的呈色产品可以通过制作母板、经过纳米压印的方式而得到复制。

本发明所述制作方法的有益效果在于：此方法中的反射三基色是利用亚波长光栅波导结构对其互补色的吸收或透过而实现的，因此呈色光谱具有更宽的光谱范围，包含更多的自然光能量，可以大大提高呈色产品的亮度。另一方面，我们还可以做出不同的结构，使其呈现出相同的色彩，这种同色异谱结构在光学防伪中有很大的益处。此发明制作的载体脱离了传统的油墨印刷技术，即节省资源又安全无污染。

总体来说，本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法，该真彩元件通常由光栅层、薄膜层和衬底层构成，通过调整光栅层和薄膜层的周期、厚度、材料的折射率等结构参数就可以从入射自然光中分离出红、绿、蓝三基色的真彩元件。反射型红、绿、蓝三基色真彩元件的色彩是通过亚波长光栅波导结构损耗(吸收或透过)入射自然光中红、绿、蓝的互补色而表现出来的，因此它使得呈色光谱包含更宽的范围和更多的能量，因而此真彩元件的亮度大大增加。任何呈色产品都可以利用红、绿、蓝三基色真彩元件的不同排布而再现，还可以利用刻制的母板通过压印工艺而复制。此呈色产品可用于彩色包装、光学防伪和结构色成像等领域。

在提高显色元件和呈色产品亮度的同时，也会导致其色纯度有所降低。所以在实际的应用中，我们要在显色元件及其呈色产品的亮度与色纯度之间做出较好的平衡，以实现所需要的最佳效果。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其他各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，并采用衍射算法优化出各层的结构参数，所述各层的结构参数对应使真彩元件损耗三基色的互补色而显色；

在衬底层上通过物理沉积或化学沉积的方法按照所述结构参数依次生长薄膜层和光栅层；

在光栅层表面涂布光刻胶；

采用激光干涉曝光或掩模板曝光在光刻胶表面形成光栅图案；

采用光刻胶形成的光栅图案作为掩模，刻蚀光栅层形成光栅结构，以得到真彩元件；

所述真彩元件的结构参数采用目标函数进行优化，目标函数为：色纯度、亮度、结构最简单；

所述光栅层和所述薄膜层构成光栅波导层。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其特征在于，所述衍射算法为严格耦合波法或傅立叶模式法。

3.根据权利要求1所述的亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其特征在于：所述衬底层为熔石英，所述薄膜层和光栅层采用多晶硅；所述熔石英的折射率为1.46，所述多晶硅的折射率为3.44，所述薄膜层的厚度为15纳米，所述光栅层的周期为315纳米，厚度为110纳米，占宽比为0.55。

4.根据权利要求1所述的亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其特征在于，所述真彩元件的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的色纯度作为目标函数，则目标函数表示为：

其中，A_λ是太阳光谱的能量分布函数，X_λ、Y_λ、Z_λ是太阳光的三刺激函数。

5.根据权利要求1所述的亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其特征在于，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的亮度最大作为目标函数，则目标函数表示为： 其中，A_λ是太阳光谱的能量分布函数，X_λ、Y_λ、Z_λ分别是太阳光的三刺激函数。

6.根据权利要求1所述亚波长光栅波导结构真彩元件的制作方法，其特征在于，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的结构最简单作为目标函数，则目标函数表示为：H₂＝0。

7.一种亚波长光栅波导结构真彩元件，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的真彩元件。