CN105549137B

CN105549137B - 一种亚波长光栅结构呈色元件及含有该元件的呈色产品

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Publication number: CN105549137B
Application number: CN201610057595.3A
Authority: CN
Inventors: 陈永利; 刘文霞; 李龙成
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: CN105549137A

Abstract

本发明提供了一种亚波长光栅结构呈色元件及含有该元件的呈色产品，该呈色元件由下至上依次包括四个结构功能层：金属‑介质光栅层2、透明介质层3、介质光栅层4和5。所述的功能层2由透明介质和等离子金属间隔排列构成，排列周期为0.05‑0.35μm且层深度为0.002‑0.045μm；所述的功能层4和5由高、低折射率透明介质间隔排列构成，排列周期为0.1‑0.4μm，深度为0.05‑0.2μm且两层总深度为0.15‑0.3μm。通过四个功能层的参数匹配，可实现对任意波长及波段TE、TM以及TE和TM模光的光谱滤波调控，呈现特殊的颜色、颜色变化和/或偏振特性，用于彩色装饰、光学防伪、彩色显示和成像等领域。

Description

一种亚波长光栅结构呈色元件及含有该元件的呈色产品

技术领域

本发明涉及一种亚波长光栅结构呈色元件及含有该元件的呈色产品，隶属于人造结构色和微纳米光学的技术范畴，可应用于结构色彩色装饰、光学防伪、透明显示、彩色显示和成像等领域。

背景技术

通过入射光与物质材料结构的相互作用包括干涉、衍射、散射等而非吸收所呈现的颜色被称为结构色。结构色现象广泛存在于自然界中并被众多动植物所利用，这是大自然的杰作。而在人类社会中，利用特征尺寸接近或小于入射光波长的微纳米结构对入射光波进行调控，也能够创建(人造)结构色并使之具有与自然界中的结构色相似或不同的特殊光色现象。由于结构色拥有颜色鲜艳、永不褪色、光色可变等诸多优点，使得它在彩色装饰、光学防伪、透明显示、彩色显示和成像等领域具有很好的市场应用价值。

专利CN200810036676.0公开了一种多峰窄带反射滤光片，该滤光片由多层介质材料交叠构成，可控制反射光谱峰的宽度和位置；专利CN200910028285.9公开了一种亚波长光栅结构彩色滤光片，该滤光片由透明基底和两个介质光栅层构成，能够使透过的光具有光谱峰及宽波段滤波功能；专利CN200910209648.9公开了一种包括介质光栅层的光学防伪元件，可使之反射光拥有颜色变化特征；专利CN201110410055.6公开了一种包括亚波长浮雕结构的光学防伪元件，能够产生颜色及颜色变化特征；专利CN201110377643.4公开了一种包括亚波长金属-介质光栅的反射偏振光变膜，其反射光具有偏振光变性能；专利申请CN201210388245.7公开了一种偏振无关的窄带彩色滤光片，它由基底层、两层薄膜层和单层介质光栅构成，其反射光谱具有峰及窄带滤波性能；专利申请CN201310027301.9公开了一种具有七个结构层的亚波长光栅真彩元件，能够产生较为丰富的颜色外貌；专利CN201310689440.8公开了一种对入射角度不敏感的颜色介质滤光片，包括基底和基底上布置的正六边形排列的圆柱形光栅，该滤光片利用二维介质光栅的谐振效应使之反射光谱具有峰及窄带滤波特性；专利申请CN201410693385.4公开了一种由金属和介质构成的具有全方向结构色特征的多层叠层；专利申请CN201410196066.2提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件，该元件由介质材料构成，包括衬底层、薄膜层和单光栅层，能够从入射的自然光中分离出红、绿、蓝反射光三基色；专利申请CN201410059313.4公开了一种亚波长光栅结构红外双波段马赛克阵列滤光片，该滤光片由硅基底和位于基底上的亚波长光栅阵列构成，能够使透过的光拥有光谱峰及窄带滤波特征。

近些年，光学矢量衍射理论的逐步完善和微结构精加工技术的快速发展，使得人造结构色的创建和实际应用，无论是在理论建模设计上还是在制作上，逐步成为可能。如何利用尺寸极小的微纳米结构的特殊光学效应，使之展现与众不同且可控的结构呈色颜色现象，无论是利用波导共振还是表面等离子激励以及光子晶体效应，目前来看，仍然是一个很具有挑战性的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚波长光栅结构呈色元件。通过对该元件内不同结构功能层微结构的参数设计和匹配，能够实现对可见光波段(0.4-0.7μm)内任意波长及波段的TE和TM模光的光谱进行分别滤波调控，以及对TE和TM模光的光谱进行滤波综合调控，获得呈色质量高、种类丰富、效果特殊的可控人造结构色效应。

本发明的另一目的是提供一种呈色产品，包括上述的亚波长光栅结构呈色元件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种亚波长光栅结构呈色元件，由下至上依次包括四个核心结构功能层：亚波长金属-介质光栅层2、透明介质层3、亚波长介质光栅层4和亚波长介质光栅层5；所述的结构功能层2由透明介质n₁和等离子金属(用“Metal”表示)沿x轴方向间隔排列构成，材料排列周期Λ为0.05-0.35μm且介质n₁的宽度与Λ的比值f为0.35-0.85，层2的深度为0.002-0.045μm，层2相对层5的水平移位Δ≤Λ′；所述功能层3由透明介质n₂构成，深度为0.001-10μm；所述功能层4和5分别由低折射率透明介质n₃、高折射率透明介质n′₃，和高折射率透明介质n′₄、低折射率透明介质n₄，沿x轴方向间隔排列构成，材料排列周期Λ′为0.1-0.4μm，介质n₃(和n′₄)宽度与Λ′比值f′(和f″)为0.3-0.7，介质n′₃、n₃以及介质n′₄、n₄之间的折射率差均不小于0.35，层4相对层5的水平移位Δ′≤f″Λ′/2，层4和5的深度d₃、d₄为0.05-0.2μm且d₃+d₄介于0.15-0.3μm间；所述的介质n₁、n₂，n′4、n′3，n₄、n₃的折射率分别为1.2-2.6，1.8_-2.6和1.2_-2.0。通过所述功能层2-3(和层4-5)内微结构的参数设计和匹配，可实现对可见光波段(0.4-0.7μm)内任意波长及波段TM(和TE)模光的光谱进行滤波分别调控，使之反射光和/或透射光呈现特定的颜色、颜色变化和/或偏振特性；而通过所述功能层2-3和4-5之间的微结构参数匹配，可以实现对特定波长及波段TE和TM模光的光谱进行综合滤波调控，使之呈现与众不同的颜色、颜色变化和/或偏振特性。

上述技术方案中，优选地，所述的结构功能层5内介质n′₄的宽度不大于所述结构功能层4的介质n₃的宽度。

上述技术方案中，优选地，所述的等离子金属Metal为铝(A1)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)及其合金。

上述技术方案中，所述的结构功能层5的上方可以进一步设置透明介质保护层6。

上述技术方案中，所述的结构功能层2的下方可以进一步设置介质基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色基材。

上述技术方案中，所述的结构功能层5的上方可以进一步设置透明介质保护层6，同时在所述的结构功能层2的下方进一步设置介质基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色介质基材。

上述技术方案中，所述的亚波长光栅结构呈色元件还包括将该呈色元件埋入到透明介质8中所形成的嵌入或埋入式亚波长光栅结构呈色元件。

上述技术方案中所述的保护层6、介质基材7和介质8，可选用二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、五氧化二钽、五氧化二锆、聚对苯二甲酸已二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯等以及其他透明树脂材料。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有的呈色技术相比，具有下列特点：

1.本发明提供的结构呈色元件，含有超薄亚波长金属-介质光栅层，厚度仅为几十个纳米。当表面等离子激元被激励耦合共振时，该光栅层会使特定波长及波段的TM偏振入射光(振动方向与沟槽垂直)出现异常的透射极低特性。本发明的结构呈色元件即是利用这一特殊的光学行为，实现了对TM模光的可在整个可见光波段内进行调控的透射减色滤波功能。

2.本发明提供的结构呈色元件，含有在光栅结构上相互匹配的两个亚波长介质光栅层，在特定条件下能够产生光栅共振效应，使特定波长及波段的TE偏振光产生特殊的光谱峰共振和峰分裂效应。本发明的结构呈色元件即是利用这一特殊的光学行为，实现了对TE模光的可在整个可见光波段进行调控的反射滤波功能。

3.本发明提供的结构呈色元件，具有四个相互关联的结构功能层。通过不同结构功能层内微结构的参数设计和匹配，能够实现特殊效果的结构色彩及其变色效果，包括色光加色呈色、色光减色呈色、TE和/或TM偏振呈色、结构色变色效应等。

4.本发明提供的结构呈色元件，其结构功能层2-3主要对入射的TM模光成分进行透射减色调控，而结构功能层4-5主要对入射的TE模光成分进行反射滤波调控。

5.本发明提供的结构呈色元件，通过对其不同结构功能层的参数设计和匹配，可TE模光成分全部透过而TM模光成分呈现高质量的可在整个可见光波段进行调控的减色结构色特征，具有高效透射显示的应用潜能。

6.本发明提供的结构呈色元件，在TE和TM模白光及自然白光下，能够产生相同的和/或不同的，结构色外貌特征；对TM模光的调控所产生的颜色，几乎不随入射条件的改变而变化，然而对TE模光的调控所产生的颜色和光谱，会随着入射条件的改变而变化；因此通过对本发明的结构呈色元件的参数设计和匹配，利用其对TE和TM模光成分的不同光谱及颜色调控功能，可以创建与现有光学防伪元件截然不同的结构色彩及变色效果迥异的新型光学防伪产品。例如，在单一线偏振白光照射下，旋转所述的呈色元件，其反射和/或透射光的颜色外貌改变；同一呈色元件，在TE和TM线偏振白光以及自然白光照射下，它所呈现的结构色外貌截然不同。

附图说明

图1-2为本发明提供(一种实施方式)的亚波长光栅结构呈色元件的x-z轴和y-z轴截面示意图。

图3为入射光照射及传播光检测的示意图。

图4为本发明另一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。

图5为本发明又一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。

图6为本发明又一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。

图7为本发明又一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。

图8为本发明实施例一中的亚波长光栅结构呈色元件的TE和TM模光的特征光谱图。

图9为本发明实施例二中的亚波长光栅结构呈色元件的TE和TM模光的特征光谱图。

图10为本发明实施例三中的亚波长光栅结构呈色元件的TE和TM模光的特征光谱图。

图11为本发明实施例四中的亚波长光栅结构呈色元件的TE和TM模光的特征光谱图。

图12为本发明实施例五中的亚波长光栅结构呈色元件的TE和TM模光的特征光谱图。

图13为本发明实施例六中的亚波长光栅结构呈色元件的TE和TM模光的特征光谱图。

具体实施方式

下面结合附图、实施方式及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-2，为本发明提供(一种实施方式)的亚波长光栅结构呈色元件的x-z轴和y-z轴的截面示意图。该呈色元件1由四个结构功能层构成：亚波长金属-介质光栅层2、介质层3、亚波长介质光栅层4和亚波长介质光栅层5，其深度分别为d₁、d₂、d₃和d₄，且满足：d₁为0.002-0.045μm，d₃和d₄为0.05-0.2μm，d₃+d₄为0.15-0.3μm；结构功能层2由透明介质n₁和等离子金属(用“Metal”表示)沿x轴间隔排列构成，排列周期Λ为0.05-0.35μm，介质n₁的宽度与Λ的比值f为0.35-0.85；结构功能层3由透明介质n₂构成，深度为0.001-10μm；结构功能4(和5)由低折射率透明介质n₃、高折射率透明介质n′₃(和高折射率透明介质n′₄、低折射率透明介质n₄)沿x轴间隔排列构成，排列周期Λ′为0.1-0.4μm，介质n₃(和n′₄)宽度与Λ′比值f′(和f″)为0.3-0.7，介质n′₃、n₃以及介质n′₄、n₄之间的折射率差均不小于0.35，层4相对层5的水平移位Δ′≤f″Λ′/2；层2相对层5的水平移位Δ≤Λ′；等离子金属Metal，优选地，可选用铝(A1)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)等及其合金；介质n′₄、n′₃的折射率为1.8-2.6，可选用二氧化锆、二氧化钛、硫化锌、五氧化二钽、五氧化二锆和三氧化二铝等；介质n₁、n₂(和n₃、n₄)的折射率为1.2-2.6(和1.2-2.0)，可选用二氧化锆、二氧化钛、氟化镁、二氧化硅、聚对苯二甲酸已二醇酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯等以及其他透明树脂材料。

通过所述呈色元件1的层2-3(和层4-5)内微结构的参数设计和匹配，可以实现对可见光波段(0.4-0.7μm)任意波长及波段TM(和TE)模光的光谱进行分别滤波调控，使之反射光和/或透射光呈现特定的颜色、颜色变化和/或偏振特性；而通过所述呈色元件1的层2-3和4-5内微结构之间的参数设计和匹配，可以实现对特定波长及波段TE和TM模光的光谱进行滤波综合调控，使之呈现与众不同的颜色、颜色变化和/或偏振特性。

参见图3，为入射光照射及传播光检测的示意图。入射平面6与x-z轴所在平面的夹角为ψ;入射光7位于入射平面6内且与z轴的夹角为θ；反射光8和透射光9位于入射平面6内，为待检测的传播光；TE(和TM)模光指振动方向与入射平面6垂直(和平行)的入射光7。

参见图4，为本发明另一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。该结构呈色元件在图1-2所示的呈色元件1的上方进一步设置了保护层6，保护层6由透明介质材料构成。

参见图5，为本发明又一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。该结构呈色元件在图1-2所示的呈色元件1的下方进一步设置了基材7，包括透明基材、不透明基材及彩色介质基材等。

参见图6，为本发明又一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。该结构呈色元件在图1-2所示的呈色元件1的上方进一步设置了保护层6，同时在呈色元件1的下方设置了基材7。

参见图7，为本发明又一实施方式的亚波长光栅结构呈色元件的截面示意图。该结构呈色元件是将图1-2所示的呈色元件1埋入到透明介质8中所形成的嵌入或埋入式亚波长光栅结构呈色元件。

图4-7所示的呈色元件与图1-2所示的呈色元件1，具有类似的光学及颜色性能，对之功能进行调控的方式也是相似的。为此，下面将以图1-2所示的呈色元件1的实施例为例对本发明提供的亚波长光栅结构呈色元件(图1-2和图4-7)进行详细的描述。

实施例一：

参见图1-2，d₁＝0.02μm，d₂＝0.01μm，d₃＝0.05μm，d₄＝0.1μm，Λ＝Λ′＝0.25μm，f为0.35-0.85，f′和f″为0.3-0.7，Δ≤Λ′，Δ′≤f″Λ′/2；Metal为Ag；介质n₁、n₂折射率为1.2-2.6，介质n₃、n₄折射率为1.2-2.0，介质n′₃、n′₄折射率为1.8-2.6；入射光波长为0.1-1.0μm，ψ和θ为0°。

图8为本发明实施例一的亚波长光栅结构呈色元件(图1-7所示的结构呈色元件1)的TE和TM模光的特征光谱图。对于入射的TE模白光7，其反射光谱有一个尖锐的光谱峰和很低的边带效率，峰效率不小于80％，边带效率最大值不高于30％，该光学行为主要源于所述呈色元件1的结构功能层4和5；通过对结构功能层4-5内微结构的参数设计和匹配包括d₃(0.05-0.2μm)、d₄(0.05-0.2μm)、d₃+d₄(0.15-0.3μm)、Λ′(0.1-0.4μm)、f′和f″(0.3-0.7)、Δ′(0-f″Λ′/2)、n₃和n₄(1.2-2.0)、n′₃和n′₄(1.8-2.6)、n′₄和n₄以及n′₃和n₃之间的折射率差均不小于0.35，能够使图8所示的TE模光的反射特征光谱在0.2-0.7μm波段内平移调控。对于入射的TM模白光7，其透射光谱有一个效率不大于10％的低谷，该光学行为主要源于所述呈色元件1的结构功能层1和2；通过对结构功能层1-2内微结构的参数设计和匹配调控，包括d₁(0.002-0.045μm)、d₂(0.001-10μm)、Λ(0.05-0.35μm)、f(0.35-0.85)、Δ≤Λ′、n₁(1.2-2.6)、n₂(1.2-2.6)，就能够使图8所示的TM模光的透射特征光谱在0.4-0.7μm波段内平移调控。

本发明提供的结构呈色元件1的外貌性能，就是通过对之结构及材料参数的设计和匹配，达到对之TE、TM模光以及TE和TM模光的光谱峰、谷及带宽的调控，最终实现结构色颜色创建、颜色变化和/或偏振的目的的。对于所述的呈色元件1，层4_-5(和层2-3)内微结构的参数设计优化能够实现对之TE(和TM)模光谱的滤波分别调控，层4-5和层2-3之间的参数匹配则可以实现对之TE和TM模光的光谱的滤波综合调控，从而使得本发明提供的结构呈色元件1能够广泛用于结构色彩色装饰、光学防伪、透明显示、彩色显示和成像等领域。

实施例二：

参见图1-2，d₁＝0.024μm，d₂＝0.001μm，d₃＝0.1um，d₄＝0.05μm，Λ＝0.22μm，Λ′＝0.28μm，f为0.35-0.85，f′和f″为0.3-0.7，Δ≤Λ′，Δ′≤f″Λ′/2；Metal为Al；介质n₁、n₂折射率为1.2-2.6，介质n₃、n₄为1.2-2.0，介质n′₃、n′₄折射率为1.8-2.6；入射光波长为0.4-0.7μm，ψ和θ为0°。

图9为本发明实施例二中的亚波长光栅结构呈色元件(图1-7所示的结构呈色元件1)的TE和TM模光的特征光谱图。对于入射的TE模白光7，其反射光谱的特征峰位于可见光波段内，约0.464μm处，在外貌上该反射光表现为鲜艳的蓝色，而透射光的颜色则为反射光的补色；该反射光谱峰的位置主要受所述呈色元件1结构功能层4-5参数Λ′的调控：随着Λ′的增大而红移，结构功能层4-5的其他参数用于光谱峰的微调以及光谱线形的修整。对于入射的TM模白光7，其透射光谱的唯一低谷位于可见光波段内，约0.562μm处，在外貌上该透射光表现为明亮的紫红色，而反射光的颜色则为透射光的补色；该透射光的光谱低谷所处的位置主要受所述呈色元件1结构功能层1的参数Λ和d₁的调控：随Λ(和d₁)增大而红移(和蓝移)，而光谱带宽主要由参数f调控：随f减小而展宽同时引起光谱低谷的蓝移。

利用所述的结构呈色元件1，通过调控其结构功能层1-4的结构和材料参数：d₁(0.002-0.045um)、d₂(0.001-10μm)、d₃(0.05-0.2μm)、d₄(0.05-0.2μm)、d₃+d₄(0.15-0.3μm)、Λ′(0.28-0.4μm)、Λ(0.05-0.35μm)、f(0.35-0.85)、f′和f″(0.3-0.7)、Δ′(0-f″Λ′/2)、Δ≤Λ′、n₁和n₂(1.2-2.6)、n₃和n₄(1.2-2.0)、n′₃和n′₄(1.8-2.6)、n′₄和n₄以及n′₃和n₃之间的折射率差均不小于0.35，能够使之TE和/或TM模光的光谱在0.4-0.7μm任意位置处产生峰和/或低谷效应，这在外观上表现为鲜艳的结构色颜色特征。

通过结构层1-2和结构层3-4之间的参数匹配，可以实现多种特殊效果的结构色效应，包括：

(1)在TE模白光照射下，其反射光外貌表现为红色、绿色、蓝色以及它们之间的颜色，透射光外貌则为相应反射光的补色；

(2)在TM模白光照射下，其透射光外貌为黄色、品红色、青色以及它们之间的颜色，而反射光外貌则为透射光的补色；

(3)在自然白光照射下，利用线偏振片检测所述的呈色元件1，随着偏振片的旋转角度的变化，所述的呈色元件能够产生不同的颜色效果。

(4)所述的呈色元件1在TE和TM模白光以及自然白光下具有相同的颜色外貌，但其光谱成分及光谱随入射角的变化规律却不同。

(5)所述的呈色元件1在TE和TM模白光以及自然白光下具有不同的颜色外貌，并且随着ψ和θ的改变，其TE模和TM模光颜色外貌以及其光谱的变化规律不同。

因此，所述的结构色呈色元件1在颜色科学、信息隐藏等相关领域，包括结构色创建、结构色防伪、光色防伪、信息隐藏再现、版权保护、图像复制、彩色装饰、彩色涂料等领域等，具有很好的应用价值。

实施例三：

参见图1-2，d₁＝0.002μm，d₂＝10μm，d₃＝d₄＝0.1μm，Λ为0.05-0.15μm，Λ′为0.28-0.4μm，f为0.35-0.85，f′和f″为0.3-0.7，Δ≤Λ′，Δ′≤f″Λ′/2；Metal为Au；介质n₁、n₂折射率为1.2-2.6，介质n₃、n₄为1.2-2.0，介质n′₃、n′₄折射率为1.8-2.6；入射光波长为0.4-0.7μm，ψ和θ为0°。

图10为本发明实施例三中的亚波长光栅结构呈色元件(图1-7所示的结构呈色元件1)的TE和TM模光的特征光谱图。对于入射的TE模白光7，在ψ和θ为0°时，其反射光谱的特征峰位于0.525μm处，在外貌上该反射光表现为鲜艳的绿色，而透射光的颜色则为反射光的补色；但在入射光由垂直变为斜入射时，上述单一光谱峰则变为双峰且随着入射角θ增大分别向红波段和蓝波段方向以相同的速率平移，例如ψ为0°和θ为10°时双峰的平移位置分别位于0.456μm和0.602μm处；此时所述呈色元件1的颜色外貌主要由该双峰的位置决定且符合色光加色呈色原则，例如ψ为0°和θ为10°时反射光在外貌上仍为绿色。上述反射光谱峰的位置主要受所述呈色元件1结构功能层4-5参数Λ′的调控：随着Λ′的增大而红移，结构功能层4-5的其他参数用于光谱峰的微调以及光谱线形的修整。对于入射的TM模白光7，其透射光谱的唯一低谷位于可见光波段内，约0.525μm处，在外貌上该透射光表现为明亮的紫红色，而反射光的颜色则为透射光的补色；该透射光的光谱低谷所处的位置主要受所述呈色元件1结构功能层1的参数Λ和d₁的调控：随Λ(和d₁)增大而红移(和蓝移)，而光谱带宽主要由参数f调控：随f减小而展宽同时引起光谱低谷的蓝移。值得注意的是，当ψ为90°时，所述呈色元件1的TE和TM模光的反射及透射光谱并不随入射角θ的改变而发生变化，且与ψ为0°、θ为0°时光谱的特征相同。因此此时的呈色元件1在TE、TM及自然光下，具有相似的颜色外貌，但光谱及其随入射角度的变化规律不同，在不变色以及变色结构色光变图像防伪、基于颜色的信息隐藏、图像复制、彩色装饰、涂料等领域具有很好的应用潜力价值。同样利用所述的结构呈色元件1，通过调控其结构功能层1-4的结构和材料参数，能够使之TE和/或TM模光的光谱在可见光波段0.4-0.7μm的任意位置产生峰和/或谷效应，在外观上表现为鲜艳的结构色颜色特征。

实施例四：

参见图1-2，d₁＝0.022-0.045μm，d₂＝0.01μm，d₃＝0.1μm，d₄＝0.2μm，Λ为0.05-0.1μm，Λ′为0.1-0.28μm，f为0.35-0.85，f′和f″为0.3-0.7，Δ≤Λ′，Δ′≤f″Λ′/2；Metal为Cu；介质n₁、n₂折射率为1.2-2.6，介质n₃、n₄为1.2-2.0，介质n′₃、n′₄折射率为1.8-2.6；入射光波长为0.4-0.7μm，ψ和θ为0°。

图11为本发明实施例四中的亚波长光栅结构呈色元件(图1-7所示的结构呈色元件1)的TE和TM模光的特征光谱图。对于入射的TE模白光7，所述呈色元件1在整个可见光波段内拥有很好的透光性能，透射效率最低值不低于75％、反射光效率最大值不高于20％；但对于入射的TM模白光7，所述呈色元件1拥有优良的透射带阻滤波性能，透射光谱拥有唯一的效率不高于10％且带宽约为0.05μm的光谱低谷，这在外貌上表现为鲜艳明亮的黄色，而反射光谱具有峰效率接近60％的单峰，在颜色上为透射光的补色。因此所述呈色元件1具有优良的黄色减色滤波性能，可作为成像设备的感光基色像素、偏振光色变防伪元件等使用，尤其可以作为黄色减色基色像素用于透明显示领域的彩色成像。

实施例五：

参见图1-2，d₁＝0.022μm，d₂＝0.01μm，d₃＝0.2μm，d₄＝0.1μm，Λ＝0.15μm，Λ′为0.1-0.28μm，f为0.35-0.85，f′和f″为0.3-0.7，Δ≤Λ′，Δ′≤f″Λ′/2；Metal为Ag；介质n₁、n₂折射率为1.2-2.6，介质n₃、n₄为1.2-2.0，介质n′₃、n′₄折射率为1.8-2.6；入射光波长为0.4-0.7μm，ψ和θ为0°。

图12为本发明实施例五中的亚波长光栅结构呈色元件(图1-7所示的结构呈色元件1)的TE和TM模光的特征光谱图。对于入射的TE模白光7，所述呈色元件1在整个可见光波段内均拥有很好的透光性能，透光效率最低值不低于75％、反射光效率均不高于20％；但对于入射的TM模白光7，所述呈色元件1拥有优良的透射带阻滤波性能，透射光谱具有效率不高于5％且带宽约为0.1μm的唯一光谱低谷，这在外貌上表现为鲜艳明亮的品红色，而反射光谱拥有峰效率不低于70％的单峰，在颜色上表现为透射光的补色。因此所述呈色元件1具有优良的品红色减色滤波性能，可作为成像设备的感光基色像素、偏振光色变防伪元件等使用，尤其可以作为品红色减色基色像素用于透明显示领域的彩色成像。

实施例六：

参见图1-2，d₁为0.002-0.015μm，d₂＝0.01μm，d₃＝d₄＝0.1μm，Λ为0.2-0.35μm，Λ′为0.1-0.28μm，f为0.35-0.85，f′和f″为0.3-0.7，Δ≤Λ′，Δ′≤f″Λ′/2；Metal为Ag；介质n₁、n₂折射率为1.2-2.6，介质n₃、n₄为1.2-2.0，介质n′₃、n′₄折射率为1.8-2.6；入射光波长为0.4-0.7μm，ψ和θ为0°。

图13为本发明实施例六中的亚波长光栅结构呈色元件(图1-7所示的结构呈色元件1)的TE和TM模光的特征光谱图。对于入射的TE模白光7，所述呈色元件1在整个可见光波段内拥有很好的透光性能，透光效率不低于75％、反射光效率均不高于20％；但对于入射的TM模白光7，所述呈色元件1拥有优良的透射带阻滤波性能，透射光谱具有效率不高于5％且带宽约为0.1μm的唯一光谱低谷，这在外貌上表现为鲜艳明亮的青色，而反射光谱拥有峰效率接近70％的单峰，在颜色上为透射光的补色。因此所述呈色元件1具有优良的品红色减色滤波性能，可作为成像设备的感光基色像素、偏振光色变防伪元件等使用，尤其可以作为青色减色基色像素用于透明显示领域的彩色成像。

对于实施例4-6所述的呈色元件1，通过调控其结构功能层1-4的结构和材料参数，能够使之TE模光在整个可见光波段(0.4-0.7μm)拥有优良的透光性能，此时其反射光谱的共振波长位于紫外波段，不能够产生颜色效应；而TM模光在0.4-0.7μm内拥有性能优良透射带阻滤波性能，透射光谱的低谷效率不高于10％、带阻带宽不小于0.05μm，该低谷位置及带宽主要受所述呈色元件1的参数Λ、d₁及.f的调控，用之能够创建由黄色→品红色→青色的系列减色结构色效果。因此利用所述的呈色元件1，能够创建由黄色到青色的系列透射减色滤波器，也可作为彩色成像设备的颜色复制三原色(青色、品色、黄色)用于透明显示、图像复制以及光学防伪等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种亚波长光栅结构呈色元件，该亚波长光栅结构呈色元件由下至上依次包括四个结构功能层：亚波长金属-介质光栅层(2)、透明介质层(3)、亚波长介质光栅层一(4)和亚波长介质光栅层二(5)；其特征在于：

所述亚波长金属-介质光栅层(2)由透明介质n₁和等离子金属沿x轴方向间隔排列构成，材料排列周期Λ为0.05-0.35μm且介质n₁的宽度与周期Λ的比值f为0.35-0.85，亚波长金属-介质光栅层(2)的深度为0.002-0.045μm，亚波长金属-介质光栅层(2)相对亚波长介质光栅层二(5)的水平移位Δ小于等于亚波长介质光栅层一(4)、亚波长介质光栅层二(5)的材料排列周期Λ′即Δ≤Λ′；所述透明介质层(3)由透明介质n₂构成，深度为0.001-10μm；所述的介质n₁和介质n₂的折射率为1.2-2.6；

所述亚波长介质光栅层一(4)由低折射率透明介质n₃、高折射率透明介质n′₃沿x轴方向间隔排列构成，亚波长介质光栅层二(5)由高折射率透明介质n′₄、低折射率透明介质n₄沿x轴方向间隔排列构成，所述亚波长介质光栅层一(4)、亚波长介质光栅层二(5)的材料排列周期Λ′为0.1-0.4μm；所述介质n₃宽度与周期Λ′比值f′为0.3-0.7，介质n′₄宽度与周期Λ′比值f″为0.3-0.7，介质n′₃与介质n₃之间的折射率差、介质n′₄与介质n₄之间的折射率差均不小于0.35，亚波长介质光栅层一(4)相对亚波长介质光栅层二(5)的水平移位Δ′为Δ′≤f″Λ′/2，亚波长介质光栅层一(4)的深度d₃、亚波长介质光栅层二(5)的深度d₄均为0.05-0.2μm且d₃+d₄介于0.15-0.3μm间；所述介质n′₄、介质n′₃的折射率为1.8-2.6，介质n₄、介质n₃的折射率为1.2-2.0。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构呈色元件，其特征在于：所述的等离子金属为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的亚波长光栅结构呈色元件，其特征在于：所述的亚波长光栅结构呈色元件还包括覆盖在亚波长介质光栅层二(5)上方的透明介质保护层(6)。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的亚波长光栅结构呈色元件，其特征在于：所述的亚波长光栅结构呈色元件还包括位于亚波长金属-介质光栅层(2)下面的介质基材(7)，介质基材(7)包括透明基材、不透明基材以及彩色基材。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的亚波长光栅结构呈色元件，其特征在于：所述的亚波长光栅结构呈色元件还包括覆盖在亚波长介质光栅层二(5)上面的透明介质保护层(6)和位于亚波长金属-介质光栅层(2)下面的介质基材(7)。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的亚波长光栅结构呈色元件，其特征在于：所述的亚波长光栅结构呈色元件还包括将该亚波长光栅结构呈色元件埋入到透明介质(8)中所形成的嵌入或埋入式亚波长光栅结构呈色元件。

7.一种呈色产品，包括根据权利要求1-6中任一项所述的亚波长光栅结构呈色元件。