CN107771301A - 光学器件 - Google Patents

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Abstract

一种透射式光学器件，包括：处于固态的光吸收材料层(10)，优选地是由诸如GeSbTe之类的相变材料制成，该相变材料具有可切换的折射率；部分反射层(12)；以及介于光吸收材料层(10)与部分反射层(12)之间的间隔层(14)。该间隔层(14)和可选覆盖层(16)可以是透明导电ITO层，该透明导电ITO层可以作为相变材料层(10)的相的电开关，从而对透射式光学器件的透射/反射特性进行切换。

Description

光学器件
技术领域
本发明涉及一种透射式光学器件。
背景技术
人们一直期望改进光学滤光片，使得可以定制该光学滤光片的光谱特征，并且该光学滤光片的制造稳定且可行，而且是紧凑的。这种光学器件至少在可见光谱和红外光谱中是有实际应用的。
在一些领域中，期望能够在用于诸如透视显示器、安全应用、或光和/或热控制的使用中改变透射特性。
发明内容
本发明是针对上述问题而设计的。
相应地，本发明提供了一种透射式光学器件，该透射式光学器件包括：
处于固态的光吸收材料层；
部分反射层；以及
介于光吸收材料层与部分反射层之间的间隔层。
在从属权利要求中限定了其他可选方面。
在整篇说明书中，使用术语“光学”和“光”，因为这是涉及电磁辐射领域的惯用术语，但应当理解的是，在本说明书的上下文中，术语“光学”和“光”不限于可见光。按照设想，本发明还可以用于可见光谱以外的诸如红外光和紫外光之类的波长。
附图说明
现在仅通过示例并参照附图来描述本发明的实施例，附图中：
图1是根据本发明实施例的光学器件的一部分的示意性横截面；
图2(a)和图2(b)是根据本发明实施例的针对器件的间隔层的数个不同厚度的透射与波长关系的绘图；
图3示出了根据本发明实施例的针对器件的间隔层的数个不同厚度的反射与波长关系的绘图；
图4示意性地示出了本发明的一个实施例的横截面，其中，间隔层的厚度在机械上是可变的；
图5是根据本发明的另一个实施例的作为光学器件的分光计的示意图；以及
图6是示意性的横截面，该横截面示出了制作图5中的器件的方法的步骤。
具体实施方式
现在将参照图1来描述透射式光学器件的第一实施例，图1示意性地示出了横截面的层状结构。该层状结构设置有光吸收材料固体层10。该层也被称为是薄膜吸收层，并且材料通常具有在宽波长范围内非零的折射率虚部(k)。可以使用许多合适的材料，并且稍后会给出一些具体示例。层10的厚度通常小于100纳米，例如在5纳米厚至15纳米厚的范围内。在该具体实施例中，吸收材料是Ge2Sb2Te5(GST)，并且层10的厚度是7纳米。
吸收材料层10设置在部分反射层12上。间隔层14夹在吸收层10和部分反射层12之间。可选覆盖层16设置在器件的正面。在该具体实施例中，间隔层14和覆盖层16由导电的氧化铟锡(ITO)制成，并因此提供了与吸收层10的材料的电接触。然而，一般而言，间隔层14和覆盖层16不一定非要是导电的，也不一定非要由相同的材料制成。间隔层14和覆盖层16都是光透射式的，并且理想的情况是尽可能的透明。
因为层12仅是部分反射的，所以从图1左侧入射至器件正面(覆盖层16)上的(以实线箭头表示的)光会至少部分透射穿过该器件，并且如图1虚线箭头所示地出射。然而，吸收材料层10的吸收以及层10和层14之间的干涉效应改变了透射光的光谱，间隔层14的厚度t控制该干涉效应。换言之，穿过器件的透射随波长的变化而变化。针对间隔层14的厚度t的五个不同值，图2(a)示出了随波长变化的透射百分比。可以清楚地看出，针对不同的厚度t获得了明显不同的透射光谱。因此该器件可以充当彩色滤光片，当通过该器件看基本上白色的光时，会具有彩色的外观。
图2涉及具体实施例，其中，吸收层10由GST、相变材料(PCM)组成。图2(a)的透射光谱针对的是当GST以非晶态形式沉积时的器件。然而，通过电压源20来施加合适的电压脉冲，GST可以经历诱导的可逆相变以使得该GST结晶。图2(b)示出了GST是结晶态时的相应的透射光谱。可以看出的是，获得了一组明显不同的光谱响应(不同的宽带彩色滤光片)。
针对相同的器件，图3示出了在间隔层14的数个不同厚度t下的反射光谱。有趣的是，反射时所观察到的颜色(光谱)取决于照射该器件的哪一侧以及从该器件的哪一侧观察而不同；图3左侧的绘图是从正面(覆盖层16)观察的反射；而图3右侧的绘图是从该器件的背面(部分反射层12)观察的。
材料
在许多应用中，光吸收材料层10并不一定是相变材料，尽管它可以是。如果不使用电开关状态的特性，则省略图1中的电压源20。层10设置为超薄吸收层，优选厚度小于10nm。用于吸收的合适的材料示例包括：以下将提及的任何相变材料；加上非晶硅、非晶碳、Ge、GaAs、InAs、InP、CdTe、Ag2S、有机半导体；可以吸收光并且可以沉积在几nm厚的薄膜中的任何合适的材料(对此，半导体材料通常是理想材料)。可以改变化学计量，并且可以使用掺杂来制作所期望的吸收特性。事实上，没有必要在本体状态下使用吸收光的材料；这些材料可以设计成在吸收方面具有所期望的特性的超材料。
许多合适的相变材料可以单独使用或者组合使用，包括从以下列表中选择的元素组合的化合物或合金：GeSbTe、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe以及AlSb。还应理解的是，这些材料的各种化学计量形式是可能的；例如GexSbyTez；以及另一合适的材料是Ag3In4Sb76Te17(也被称为AIST)。其他合适的材料包括任何所谓的“莫特忆阻器(Mott memristors)”(在某种特定温度下经历金属-绝缘体转变(MIT)的材料)，例如VOx或NbOx。此外，材料可以包括一个或多个诸如C或N之类的掺杂剂。
这种所谓的相变材料(PCM)在非晶相和晶相之间切换时，在折射率实部和折射率虚部上会经历重大变化。可以通过如下加热方式实现切换：例如通过由合适的电脉冲或由来自激光光源的光脉冲所引起的加热，或可以是例如使用与相变材料进行热接触的相邻层的电阻加热的热加热。当材料在非晶相和晶相之间切换时，折射率有显著变化。该材料在这两种状态下都是稳定的。该切换可以有效地执行无数次。然而，并不一定必须要切换是可逆的。
适用于所有实施例的进一步强化是：层10的材料不必在完全晶态和完全非晶态之间进行简单地切换。可以实现诸如20％晶态、40％晶态之类的混合相。由此产生的材料的有效折射率取决于部分结晶的程度而介于完全晶态和完全非晶态的两个极端之间。可以容易地实现4到8个不同的混合相，该4到8个不同的混合相具有相应数量的不同的可探测的反射率，但是通过适当的控制，该数量可以更高，例如128。
尽管文中描述的一些实施例提及了材料层可以在诸如晶相和非晶相之类的两个状态之间进行切换，但是转化可以在任何两个固相之间发生，包括但不限于：晶相到另一晶相或准晶相，反之亦然；非晶相到晶相或准晶相/半有序，反之亦然，以及介于中间的所有形式。实施例也不仅限于两个状态。
在优选实施例中，吸收材料层10由Ge2Sb2Te5(GST)组成，该Ge2Sb2Te5(GST)的厚度小于100nm，优选地厚度小于10nm，例如6nm或7nm厚。
间隔层14和(可选)覆盖层16都是光透射式的，并且理想的情况是尽可能的透明。在第一示例中，间隔层14和覆盖层16均由氧化铟锡(ITO)制成，但是间隔层14和覆盖层16不一定非要是导电的(除非用在这些层用作电极的可切换器件中)，也不一定非要由相同的材料制成。其他合适的材料包括二氧化硅、氧化铝、硫化锌以及聚合物材料，但是可以使用任何固体透明或半透明的材料。间隔层14的厚度的示例是小于300nm。覆盖层16保护表面并且例如厚度介于5nm至50nm的范围内，例如20nm。
部分反射层12通常是金属薄膜，该金属薄膜的厚度介于5nm至15nm的范围内，例如由Au、Ag、Al或Pt组成。
可以在衬底(未示出)上设置图1所示的全部结构，该衬底诸如是玻璃、石英或塑料材料、聚碳酸酯、PET之类。在诸如吸收材料10、ITO、SiO2之类的无机材料层的情况下，使用溅射来沉积这些层，可以在100℃或70℃甚至更低的相对低温下执行该沉积过程。通过旋涂和固化可以形成聚合物层。在必要时也可以设置附加层。低温处理意味着：不必与包括衬底的物品(该物品可能例如是玻璃窗)同时制造光学器件；可以将光学器件改装成稍后应用于例如现有的窗户或面板的表面涂层。
应用
根据文中的任一实施例，光学器件可以用作透射式彩色(光谱)滤光片(可切换或固定)，例如用于LCD/OLED显示器和投影仪的超薄彩色滤光片。这些光学器件还可以用于诸如平视显示器(HUD)之类的透视显示器中。
根据文中的任一实施例，光学器件可以用作透射式安全标记，该透射式安全标记可以应用于物品、包装、ID徽章/执照、银行票据等等。图案可以通过设置不同区域的结晶态来存储在相变材料层中。图案可以简单的是可识别图像，或者可以是诸如条形编码、QR编码或其他合适的编码形式之类的编码特定信息。图案不是必要的，因为人们可以只依赖于预定的颜色变化或者光学器件固有的难以复制的光谱响应。
在一实施例中，诸如智能标签或ID薄膜之类的安全标记是在柔性衬底上，该柔性衬底可以弯曲以显示已知的颜色变化或向安全人员显示图案。发生颜色变化和/或图案显示是因为对器件进行弯曲改变了层的厚度，尤其是间隔层的厚度，从而改变了器件的光谱透射响应。
另一变体是在定义标记时使用诸如VOx或NbOx之类的莫特忆阻器的图案作为相变材料。当标记被加热到转变温度以上时，颜色对比度会发生变化，因此可以通过对器件进行加热来显示安全标记，当温度再次下降时，标记消失。
装有简单分光计的设备读取器可以评估不同角度(弯曲或不弯曲)下标记的颜色变化，并将该变化与先前存储的响应进行比较，从而以极高的置信度来验证标记的可靠性。
另一设备读取器使用一个或多个低功率激光二极管来测量随角度变化的固定波长下的透射率，并将该透射率与已知响应进行比较。
在图案写入到标记中的情况下，设备读取器可以包括相机，以在特定的照明波长或照明角度下捕获标记的一个或多个图像，并且可以使用对比比较和/或图像识别来校验该标记。
在如上所述的任何安全标记中，当然可以使用如之前所描述的适当的切换手段(诸如激光、电或热之类)来擦除和/或重写标记。这使得能够支持多功能的安全层级，例如，用户卡片在第一检查点验证时设备读取器也会将第二信息写入标记中。然后第二检查点验证第二信息的存在，随后删除和/或写入更多的信息。通过这种方式，检查点只能按顺序通过；绕过检查点将导致被拒绝访问随后的检查点。
光学器件的另一应用是作为以机械方式激活颜色变化的薄膜，例如作为压力传感器，以及上面所讨论的安全标记。参照图4，中间的插图示出了器件在放松状态下以特定光谱对光进行传输。当将压力F施加在该分层器件上时，改变间隔层14的厚度t，从而影响了该器件的表观颜色。图4的左边部分示出了向器件施加压缩力F，以及图4的右边部分示出了向器件施加膨胀力F。由此产生的颜色变化是瞬时的、可逆的(在材料的弹性范围内)，并且与大范围内施加的压力直接相关。因此，光学器件提供了压力传感器。为了读取该压力，将器件的颜色与已知施加压力下的经校准颜色(光谱)进行比较。可以通过眼睛、或者通过简单的相机、或者通过更复杂的分光计来完成该比较。压力测量的精度是由光学测量的质量限定的。
在压力传感器中，间隔层14可以是任何光透射式(理想情况是透明)材料，该材料可以通过压力来压缩以改变厚度t，从而改变器件的颜色。材料的弹性模量将决定器件的灵敏度以及压力的工作范围。材料必须工作在其弹性范围内，否则永久变形将改变器件的特征和校准。在优选实施例中，间隔层14是具有高压缩性的诸如弹性体之类的软材料。任何基本透明的弹性体都是合适的。一示例是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)；另一示例是诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)之类的任何硅树脂。通常间隔层14的厚度介于10nm至300nm的范围内，例如150nm。
改变间隔层14的厚度t以改变器件的透射光谱的其他手段包括：
以电的方式，使用电驱动的弹性体；
使用微流体，其中，将透明液体注入到间隔层14的腔中或从腔中抽出以改变间隔层14的厚度；以及
以压电的方式，使用下述材料(诸如PZT之类)，当将电信号施加在该材料上时会改变该材料的形状。
尽管图2的透射光谱主要涉及电磁光谱的可见光部分，但是透射类型的薄膜还可以用于调制光谱的诸如红外(IR)光之类的其他部分。因此，可以制造用于透射或减弱特定频带的IR滤光片。如果使用可切换的吸收材料层10，则该器件可以实施作为玻璃表面涂层以用于例如建筑物的热量管理。在吸收层的非晶态和晶态之间可以实现光谱红外部分的透射比的大变化，以使得透射穿过器件的总红外能量的变化可以以超过25％的变化进行切换。因此，太阳能红外光能量可以透射穿过玻璃以向建筑物内部供暖，或器件可以切换成反射更多的红外光，以减少建筑物内部不需要的热量。
通过适当地选择材料和层厚度，器件可以在光谱的红外部分提供大的变化，同时只略微影响可见光。例如，在可见光波长处透射的总能量可能受到的影响不到20％。以这种方式，可以维持通过玻璃进入建筑物的可见光的亮度，同时还可以悄无声息地调节透射的热量(红外光)。换言之，即使在改变红外光透射时，也不一定会改变可见光外观或使可见光外观看起来着色。针对该应用的结构的特定示例包括：作为覆盖层和电极的10nm的ITO；作为可切换吸收层的10nm厚的GST层；作为间隔层(以及对GST进行切换的第二电极)的95nm厚的ITO层；以及作为部分反射层的15nm厚的银层。
分光计
有一种分光计被称为基于宽带滤光片的分光计。代表要分析的光谱的光通过具有作为波长函数的已知透射特征的宽带滤光片。不同的波段将以不同量进行衰减，由此产生的光到达单一的探测器，该探测器提供单一的所产生的总强度值。用多个宽带滤光片重复该过程，每个宽带滤光片以不同的方式改变光谱。根据强度测量以及所有宽带滤光片的已知透射光谱，可以以计算方式重建原始光谱。
分光计可以通过同时测量一组强度而变得更有效率。用于这样做的一个实施例如图5所示。衬底30上设置有诸如电荷耦合器件(CCD)之类的探测器的二维阵列32。探测器阵列的正面是一组光谱滤光片34，每个光谱滤光片34包括如前所述的透射式滤光片，该透射式滤光片至少具有光吸收材料层、间隔层以及部分反射层。通过调节层的组成和/或厚度，每个滤光片34的光谱透射可以是不同的。
尽管图5中示出了每个探测器32有一个滤光片34，但是这不是一定的，一个滤光片可以服务多个探测器元件。此外，不必独立地制造每一个滤光片34。图6示出了一种制造连续的滤光片阵列的技术。作为部分反射层12的薄金属层沉积在探测器阵列32上。然后使该器件相对于溅射枪40进行倾斜。随后，间隔层14被溅射在该器件上，因为离枪较远的部分将会有较少的沉积材料，所以在层14中会产生自然的厚度梯度。接下来，重新设置枪和衬底，以使得剩余层(例如图1中的10和16)可以以均匀厚度进行沉积。
这种结构和技术使得该器件易于在CCD阵列上以廉价并快速的方式进行制造，从而提供一种片上分光计(spectrometer-on-a-chip)。该器件可以用作红外光和紫外光分光计以及可见光分光计，并且在整个光谱范围内的电磁辐射下都是稳定的。阵列中不同的滤光片34和探测器32的数量可以是几百个，甚至更多，并且该数量将决定光谱分辨率。可以实现+/-1nm的光谱分辨率。
上面所描述的任何器件的另一应用是作为装饰层。例如，可以将太阳镜的镜片设置成涂覆有该光学器件。可以预先设定和/或可以随后改变颜色和图案。

Claims (18)

1.一种透射式光学器件，包括：
处于固态的光吸收材料层；
部分反射层；以及
介于所述光吸收材料层与所述部分反射层之间的间隔层。
2.根据前一项权利要求所述的器件，其中，所述部分反射层的厚度小于20nm。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述部分反射层包括金属。
4.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述部分反射层包括Ag、Au、Pt和Al中的至少一种。
5.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述部分反射层的厚度介于5nm至15nm的厚度范围内。
6.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述间隔层的厚度介于5nm至300nm的范围内。
7.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述间隔层的厚度在使用中是能够调节的，以改变所述器件的光透射特性。
8.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述间隔层的厚度至少能够通过下列一种方式进行调节：以机械的方式、以电的方式、使用微流体以及以压电的方式。
9.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述间隔层包括可压缩材料，优选地是弹性材料。
10.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述光吸收材料是相变材料，所述相变材料具有能设置为至少两个值的折射率，所述至少两个值为所述器件提供了不同的光学透射特性。
11.根据权利要求10所述的器件，其中，所述相变材料的层的不同部分被设置为不同的折射率值来定义图案。
12.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述相变材料包括元素组合的化合物或合金，所述元素组合选自以下组合列表：GeSbTe、VOx、NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe以及AlSb。
13.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述相变材料的层的厚度介于5nm至15nm的范围内。
14.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，红外光的透射率能够调节至少25％，而在可见光波长下透射的总能量受到的影响不到20％。
15.根据任一前述权利要求所述的器件，其中，所述间隔层的厚度在整个器件上是变化的。
16.根据任一前述权利要求所述的器件，包括多个具有不同光谱透射特性的区域。
17.根据权利要求15或16所述的器件，所述器件设置在光探测器的阵列上。
18.一种显示器、安全标记、彩色滤光片、装饰层、分光计或窗户，包括根据任一前述权利要求所述的光学器件。
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