CN105190376B - 反射型彩色滤光器以及彩色显示器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄膜滤光器，并且能够用在液晶显示器(LCD)中以便增加其亮度并节省能耗。根据本发明，实质性地透射进入其中的选定光谱范围的光以及实质性地反射其他光谱范围的可见光的反射型彩色滤光器，包括总数为奇数个的交替非金属层和金属层，以及第一层和最后一层是非金属层，以及每个金属层被置于非金属层之间，每个非金属层具有不小于2.2的折射率以及不小于40纳米的厚度，以及每个金属层具有范围从10至40纳米的厚度。

Description

反射型彩色滤光器以及彩色显示器装置
发明背景
(a)发明领域
本发明涉及彩色滤光器，具体地涉及彩色透射反射滤光器，并且本发明能够在用于光通信和信息处理的彩色显示器和装置中使用。
(b)背景技术
美国专利7,486,355中公开了一种公知的吸收型彩色滤光器，其透射选定光谱范围的入射光而吸收其他光谱范围的光。在这种吸收型彩色滤光器中，具体在应用于液晶显示器中的吸收型彩色滤光器中，使用了光刻胶，并以染料或其颜料涂覆光刻胶。这种滤光器缺点是在光吸收下的光能量损耗。
美国专利6,573,961中公知且公开了一种基于层胆固醇液晶设计的彩色滤光器，其反射选定光谱范围的入射光而透射其他光谱范围的光。同一个专利中还描述了液晶显示器中包含的这种滤光器。这种滤光器和包含该滤光器的液晶显示器的缺点是其相对较大厚度(不小于5微米)以及制造复杂性，相对较大厚度使之难以将滤光器置于液晶显示器的面板之间而不改变工作电压值，因为面板之间的间隙是5-10微米。
美国专利7,924,374中公知且公开了一种干涉型彩色滤光器，其透射选定光谱范围的入射光而反射其他光谱范围的光，由高和低折射率的交替层构成。同一个专利中还描述了液晶显示器中包含的这种滤光器。但是，描述的滤光器仅在小工作角度下能够消除其中以及显示器中的光能量吸收，根据我们的估算，该小工作角度不超过10度。这是此滤光器的严重缺陷，所以将此滤光器应用于液晶显示器没有意义。
美国专利7,811,725中公知且公开了一种法布里-珀罗型金属电介质金属干涉滤光器，其透射选定光谱范围的入射光而反射其他光谱范围的光，其中将电介质层置于两个反射金属层之间。这种滤光器被置于在同一专利中也进行描述且具体应用于液晶显示器的基材上。此滤光器的缺点是选定光谱范围的光透射低，根据我们的估算，不超过70％，且工作角度小，根据我们的估算，不超过15度。
发明内容
本发明的目的是提供一种可见光反射型彩色滤光器和包含该可见光反射型彩色滤光器的显示器，其中由于在其他颜色的滤光器中使用在光源中反复反射之后，选定光谱范围的进入可见光的实质性透射以及其他(互补)光谱范围的进入可见光的实质性反射，实质性地所存在的可见光能量损耗低。
本发明的另一个目的是构建具有宽工作角度且提供相对于法线的入射角不小于50°且多种视角下的颜色恒定性。
本发明的再一个目的是构建厚度小至不大于5微米的可见光彩色滤光器。
根据本发明，实质性地透射进入其中的选定光谱范围的光以及实质性地反射其他光谱范围的可见光反射型彩色滤光器，包含总数为奇数个的交替非金属层和金属层，以及第一层和最后一层是非金属层，以及每个金属层被置于非金属层之间，每个非金属层具有不小于2.2的折射率以及不小于40纳米的厚度，以及每个金属层具有范围从10至40纳米的厚度。
附图简述
本发明通过附图来阐明，这些附图不完全涵盖且不限制本发明的技术方案的整个权利要求范围，而仅是图示该彩色滤光器和包含该彩色滤光器的彩色显示器的一些实施例。
图1示出可见光反射型彩色滤光器，其包含折射率不小于2.2且厚度不小于40纳米的两个非金属层，以及厚度范围从10至40纳米的一个金属层，以及所提及的金属层被置于所提及的非金属层之间。
图2示出在不同工作角度下根据图1的反射型彩色滤光器的透射和反射光谱。
图3示出可见光反射型彩色滤光器，其包含折射率不小于2.2且厚度不小于40纳米的三个非金属层，以及厚度范围从10至40纳米的两个金属层，以及每个金属层位于所提及的非金属层之间。
图4示出在不同工作角度下根据图3的反射型彩色滤光器的透射和反射光谱。
图5示出可见光反射型彩色滤光器，其包含总数为奇数个交替的非金属层和金属层(多于三个)，以及第一层和最后一层是非金属层，以及每个金属层唯一地位于非金属层之间。
图6示出附加地包含吸收型彩色滤光器的反射型彩色滤光器。
图7示出包含沉积在显示器面板上的两个可见光反射型彩色滤光器的彩色显示器。
图8示出包含沉积在显示器面板上的多组三个可见光反射型彩色滤光器的彩色显示器，以及将吸收型彩色滤光器附加地沉积在反射型彩色滤光器上，以使“透射”颜色一致：例如，红色透射为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。
图9示出包含沉积在显示器上面板内侧上的多组三个可见光反射型彩色滤光器的彩色显示器。
图10示出包含沉积在显示器下面板内侧上的多组三个可见光反射型彩色滤光器的彩色显示器；在反射型彩色滤光器上方，附加地沉积吸收型彩色滤光器，以使其<<透射>>颜色一致：例如，红色透射为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。
图11示出包含沉积在吸收型彩色滤光器上的多组三个可见光反射型彩色滤光器的彩色显示器；吸收型彩色滤光器附加地沉积在显示器上面板内侧上，以使两种类型的滤光器的<<透射>>颜色一致：例如，红色透射为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。
图12示出包含多组沉积在显示器下面板内侧上的三个可见光反射型彩色滤光器和附加地沉积在显示器下面板内侧上的吸收型彩色滤光器的彩色显示器，以使两种类型的滤光器的<<透射>>颜色一致：例如，红色透射为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。
具体实施方式
在图1中，示出可见光反射型彩色滤光器，其包含折射率不小于2.2且厚度不小于40纳米的两个非金属层1，以及厚度范围从10至40纳米的一个金属层2，以及金属层2位于所提及的非金属层1之间。
反射型彩色滤光器按如下工作。来自光源(图1中未示出光源)的白光3进入滤光器，滤光器实质性地透射选定光谱范围的光4，例如绿色的光，以及实质性地反射其他光谱范围的光5，如蓝色和红色的光。
相应地，在光源中(或其他反射元件，图1中也未示出)反射多次之后，光5至少部分地被其他反射型彩色滤光器(图1中未示出)透射，实质性地透射蓝色和红色。
金属层不小于15纳米且非金属层折射率不小于2.3的彩色滤光器版本是优选。
金属层不小于20纳米且非金属层折射率不小于2.5的彩色滤光器版本更为优选。
图2中图示该彩色滤光器的宽工作角度，其中以多种工作角度示出图1的反射型彩色滤光器的透射和反射光谱，所述滤光器正在透射绿色并反射蓝色和红色。在图2中显而易见，在相对于反射型彩色滤光器的法线成最大50°的角度下，透射和反射光谱实际中不因为改变从空气进入的光束的入射角而改变。
可以将该反射型彩色滤光器沉积在任何透明材料制成的抛光基材上，例如该抛光材料由玻璃或聚合物以多种公知的方式，例如热蒸镀、电子束蒸镀等来制成。
金属层优选地由选自如下组成的集合中的材料制成：金Au、银Ag、铝Al、铬Cr、铜Cu、钛Ti、镍Ni、锰Mn、钼Mo、铋Bi、锡Sn、铑Rh、铂Pt、锑Sb以及所述物质的任何合金或固溶体。为了更好地粘合到所提及的非金属层，所提及的金属层可以包含附加的从属层，该附加的从属层总厚度不大于5纳米且由选自包含如下的组中的材料制成：铬Cr、钛Ti、镍Ni、钒V、锆Zr、铪Hf、铌Nb、钼Mo以及所述物质的任何混合物、合金或固溶体。
所提及的非金属层优选地由选自包含如下的组中的材料制成：二氧化钛TiO2、硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe、磷化镓GaP、氮化镓GaN、五氧化二钽Ta2O5、五氧化二铌Nb2O5、钼酸铅PbMoO4、氮化硅Si3N4、硅Si、锗Ge、半导体A3B5型、半导体A2B6型以及所述物质的任何混合物或固溶体。提及的这两个非金属层1可以由相同或不同的材料制成，且这些层的厚度可以是相同或不同的厚度。
在图3中，示出可见光的反射型彩色滤光器，其包含三个非金属层1和两个金属层2，在此，第一金属层位于第一和第二非金属层之间，以及第二金属层位于第二和第三非金属层之间。反射型彩色滤光器按如下工作。来自光源(图3中未示出光源)的白光3进入反射型彩色滤光器，该反射型彩色滤光器实质性地透射选定光谱范围的光4进其中，在该版本的反射型彩色滤光器中为绿色的光，以及实质性地反射其他光谱范围的光5，在该版本中为蓝色和红色的光。相应地，在光源中(或图3中也未示出的其他反射元件中)反射多次之后，光5至少部分地被其他颜色的反射型彩色滤光器(图3中未示出)透射，实质性地透射蓝色和红色。
图4中也图示该彩色滤光器的宽工作角度，其中以多种工作角度示出图3的反射型彩色滤光器的透射和反射光谱。该反射型彩色滤光器版本透射绿色并反射蓝色和红色。应用三个非金属层1和两个金属层2，这样能够得到该反射型彩色滤光器的透射和反射光谱的更陡峭的沿，以及反射型彩色滤光器透射光谱带之外的光的更大反射系数，这样改善了滤光器的整体色彩特征。在图4中也显而易见，在相对于反射型彩色滤光器的法线成最大50°的角度下，透射和反射光谱实际中不因为改变从空气进入的光束的入射角而改变。
在图5中，示出可见光的反射型彩色滤光器，其包含总数为奇数个交替的非金属层1和金属层2，在此，第一层和最后一层是非金属层1，以及每个金属层2唯一地位于非金属层1之间。增加彩色滤光器中层的数量改善了其色彩特征。
在图6中，示出附加地包含吸收型彩色滤光器6的反射型可见光彩色滤光器，吸收型彩色滤光器6(在光3的方向上)位于反射型滤光器之后。吸收型彩色滤光器6的作用是通过吸收互补色的残余光来提高外发光的颜色纯度。
在图7中，示出一种彩色显示器，其包含其上设有控制电极(图7上未示出电极)的一个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改变光学属性且沉积在面板7上的光电材料层8以及光源9。此版本的显示器包含两个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如蓝绿色10和红色11，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，以及滤光器的颜色在透射和反射光谱上是不同的。
来自光源9的白光3落在蓝绿色反射型彩色滤光器10上，蓝绿色反射型彩色滤光器10透射蓝和绿色光12，但是反射红色光13。在多次反射到光源9中之后，反射的红色光13的至少一部分落在红色反射型彩色滤光器11上并透射，形成红色光14。
相似地，来自光源9的白光3落在红色反射型彩色滤光器11上，红色反射型彩色滤光器11透射红色光15，但是反射蓝和绿色光16。在多次反射到光源9中之后，反射的蓝和绿色光16的至少一部分落在蓝绿色反射型彩色滤光器10上并透射，形成蓝绿色光17。
所以，蓝绿色反射型彩色滤光器10不仅透射蓝绿色的光12，而且透射是红色反射型彩色滤光器11反射的蓝绿色光16的至少一部分的蓝绿色光17。因此，不存在蓝绿色光的吸收，相反，所有蓝绿色光均从蓝绿色反射型彩色滤光器10透射出去。
相似地，红色反射型彩色滤光器11不仅透射红色的光15，而且透射是蓝绿色反射型彩色滤光器10反射的红色光13的至少一部分的红色光14。因此，不存在红色光的吸收，相反，所有红色光均从红色反射型彩色滤光器11透射出去。
本发明的彩色显示器的特征在于包含可见光反射型彩色滤光器10和11，其包含总数为奇数个的交替非金属层和金属层，以及第一层和最后一层是非金属层，以及每个金属层被置于非金属层之间，每个非金属层具有不小于2.2的折射率以及不小于40纳米的厚度，以及每个金属层具有范围从10至40纳米的厚度。
所指定的这些特征提供了技术效果的实现，即：反射型彩色滤光器中没有可见光能量的吸收以及显示器的工作角度宽。此效果通过最优平衡非金属层的厚度、其折射率和金属层的厚度来实现。
因为光电材料层8(图7中未示出此层的像素)能够因为施加于例如聚合物阵列中封装的控制电极液晶材料的电压而局部地改变其光学属性(双折射率、光散射、相移、选光性及其他)，并且能够使用多个其他。光电材料层8仅改变经滤光器10和11透射的光的强度，但是不改变透射出每个滤光器的光的颜色。
在图8中，示出本发明的彩色显示器的另一种版本，其包含其上设有控制电极(图8上未示出电极)的一个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改变光学属性且沉积在面板7上的光电材料层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，即，所有三个反射型彩色滤光器在透射和反射光谱上是不同的。图8所示的这种彩色显示器附加地包含三色(红色、绿色和蓝色)吸收型彩色滤光器20的阵列，以使反射型彩色滤光器11、18、19位于吸收型彩色滤光器20和光源9之间，并且每个吸收型彩色滤光器的颜色与反射型彩色滤光器11、18、19的颜色吻合。吸收型彩色滤光器20的阵列的作用是通过吸收互补色的残余光来提高(来自每个子像素的)外发光的颜色纯度。
来自光源9的白光3落在绿色反射型彩色滤光器18上，绿色反射型彩色滤光器18透射绿色光21，但是反射红色光13和蓝色光22。在多次反射到光源9中之后，反射的红色光13的至少一部分落在红色反射型彩色滤光器11上并透射，形成红色光14。在多次反射到光源中之后，反射的蓝色光22的至少一部分落在蓝色反射型彩色滤光器19上并透射，形成蓝色光23。
当来自光源9的白光3落在红色反射型彩色滤光器11以及落在蓝色反射型彩色滤光器19上时，发生相似的透射和反射，红色反射型彩色滤光器11透射红色光15但是反射蓝色和绿色光(图8中未示出)，以及蓝色反射型彩色滤光器19透射蓝色光但是反射红色和绿色光(图8中未示出)。
所以，不仅透射来自红色反射型彩色滤光器11的红色光15，而且透射作为绿色反射型彩色滤光器18反射的红色光13的至少一部分以及作为蓝色反射型彩色滤光器19反射的红色光(图8未示出)的至少一部分的红色光14。
相似地，不仅透射来自绿色反射型彩色滤光器18的绿色光21，而且透射作为红色反射型彩色滤光器11反射的绿色光的至少一部分以及作为蓝色反射型彩色滤光器19反射的绿色光(图8未示出)的至少一部分的绿色光。
相似地，不仅透射来自蓝色反射型彩色滤光器19的蓝色光24，而且透射作为红色反射型彩色滤光器11反射的蓝色光的至少一部分以及作为绿色反射型彩色滤光器18反射的蓝色光(图8未示出)的至少一部分的蓝色光。
因此，不存在任何颜色光的吸收，相反，所有红色、绿色和蓝色光均从反射型彩色滤光器11、18和19相应地透射出去。
在图9中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控制电极(图9中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改变光学属性且设在面板7之间的光电液晶材料层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，即，所有三个滤光器在透射和反射光谱上是不同的。在面板7之一的内侧上沉积指定的反射型彩色滤光器。
在图10中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控制电极(图10中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改变光学属性且设在指定的面板7之间的光电液晶材料层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，即，所有三个彩色滤光器在透射和反射光谱上是不同的，以及吸收型彩色滤光器20的阵列。指定的反射型彩色滤光器11、18、19沉积在面板中更靠近光源的内侧，吸收型彩色滤光器20的阵列沉积在反射型彩色滤光器11、18和19上，以使每个吸收型彩色滤光器的颜色相应地与反射型彩色滤光器11、18、19的颜色吻合。
在图11中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控制电极(图11中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改变光学属性且设在指定的面板7之间的光电液晶材料层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，即，所有三个反射型彩色滤光器在透射和反射光谱上是不同的，以及吸收型彩色滤光器20的阵列。指定阵列的吸收型彩色滤光器20沉积在面板7中较远离光源9的内侧，而反射型彩色滤光器11、18、19沉积在吸收型滤光器20的阵列上，以使每个吸收型彩色滤光器的颜色相应地与反射型彩色滤光器11、18、19的颜色吻合。
在图12中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控制电极(图12中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改变光学属性且设在指定的面板7之间的光电液晶材料层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，即，所有三个反射型彩色滤光器在透射和反射光谱上是不同的，以及吸收型彩色滤光器20的阵列。指定阵列的吸收型彩色滤光器20沉积在面板7中较远离光源9的内侧，而反射型彩色滤光器11、18、19沉积在面板7中更靠近光源9的内侧，以使每个吸收型彩色滤光器的颜色相应地与反射型彩色滤光器11、18、19的颜色吻合。
本文描述的反射型彩色滤光器的叠加属性所确保的技术效果是：工作角度宽且滤光器厚度小以及无光能量吸收。此效果通过最优平衡非金属层的厚度、其折射率和金属层的厚度来实现。

Claims (13)

1.一种彩色显示器装置，其包括
其上设有控制电极的至少一个透明面板、沉积在所述面板上的光电材料层、光源以及至少两个反射型彩色滤光器，
其中每个反射型彩色滤光器实质性地透射选定光谱范围的入射可见光以及实质性地反射其他光谱范围的入射可见光，其包含总数为奇数个的交替非金属层和金属层，以及第一层和最后一层是非金属层，以及每个金属层被置于非金属层之间，其中每个非金属层具有不小于2.2的折射率以及不小于40纳米的厚度，以及每个金属层具有范围从10至40纳米的厚度，并且
其中所述至少两个反射型彩色滤光器具有彼此不同的透射光谱和反射光谱，其中在所述光源中反复反射多次之后，从每个所述反射型彩色滤光器反射的光至少部分地经其他所述反射型彩色滤光器透射。
2.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中所述反射型彩色滤光器包含两个所述非金属层和一个所述金属层，以及所述金属层被置于所述非金属层之间。
3.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中所述反射型彩色滤光器包含第一、第二和第三所述非金属层以及第一和第二所述金属层，以及所述第一金属层被置于所述第一和第二非金属层之间，以及所述第二金属层被置于所述第二和第三非金属层之间。
4.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中对于所述反射型彩色滤光器，每个所述金属层的厚度不小于15纳米，以及每个所述非金属层的折射率不小于2.3。
5.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中对于所述反射型彩色滤光器，每个所述金属层的厚度不小于20纳米，以及每个所述非金属层的折射率不小于2.5。
6.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中对于所述反射型彩色滤光器，所述金属层由选自由如下构成的组的物质制成：金Au、银Ag、铝Al、铬Cr、铜Cu、钛Ti、镍Ni、锰Mn、钼Mo、铋Bi、锡Sn以及所述物质的任何合金或固溶体。
7.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中对于所述反射型彩色滤光器，所述金属层包括附加的从属层，所述从属层的厚度不超过5纳米且由选自由如下构成的组的物质制成：铬Cr、钛Ti、镍Ni、钒V、锆Zr、铪Hf、铌Nb、钼Mo以及所述物质的任何混合物或固溶体。
8.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中对于所述反射型彩色滤光器，所述非金属层由选自由如下构成的组的物质制成：二氧化钛TiO2、硫化锌ZnS、五氧化二钽Ta2O5、硒化锌ZnSe、磷化镓GaP、氮化镓GaN、五氧化二铌Nb2O5、钼酸铅PbMoO4、氮化硼BN、氮化硅Si3N4、氮化铝AlN、硅Si、锗Ge、半导体A3B5型、半导体A2B6型以及所述物质的任何混合物或固溶体。
9.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其中所述至少两个反射型彩色滤光器包含多组具有不同透射光谱和不同反射光谱的至少三个反射型彩色滤光器，其中在光源中反复反射多次之后，从每个所述反射型彩色滤光器反射的光至少部分地经其他所述反射型彩色滤光器透射。
10.如权利要求1所述的彩色显示器装置，其包含两个透明面板，所述两个透明面板的至少其中之一上设有控制电极，以及被置于所述面板之间的所述光电材料层是液晶层，以及所述反射型彩色滤光器沉积在面板之一的内侧上。
11.如权利要求10所述的彩色显示器装置，其中所述反射型彩色滤光器沉积在所述面板中更靠近光源的内侧上，以及附加地吸收型彩色滤光器的阵列沉积在另一个面板的内侧上。
12.如权利要求10所述的彩色显示器装置，其中所述反射型彩色滤光器沉积在所述面板中更靠近光源的内侧上，以及附加地吸收型彩色滤光器的阵列沉积在所述反射型滤光器上。
13.如权利要求10所述的彩色显示器装置，其中附加地吸收类型的彩色滤光器的阵列沉积在所述面板中较远离光源的内侧上，以及反射型彩色滤光器沉积在所述吸收型滤光器的阵列上。
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