CN108919404A - 角度不敏感透射滤光片 - Google Patents

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Abstract

一种角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：自下而上依次包括衬底，下金属银层，吸收介质层和上金属银层，其中吸收介质层的厚度根据需要的波长而改变厚度值，其吸收能力小于其中c为光速，ε0为自由空间的介电常数，n为折射率的实部，为消光系数，α为Ge的吸收系数，所述下金属银层与上金属银层具有相同的厚度，所述滤光片具有高达±70°的角度不敏感特性。

Description

角度不敏感透射滤光片
技术领域
本发明涉及一种透射滤光片，尤其涉及一种对角度不敏感的透射滤光片。
背景技术
光谐振器广泛应用于滤波器、激光器、传感器和调制器等各种应用领域。传统的法布里-珀罗(F-P)型谐振器是由透明或低吸收介质组成，其厚度在波长尺度，使光在没有大的损耗情况下发生干涉，从而提供更长的光子寿命(即高品质因数，q因子)。近年来，在光频范围,科研人员发现了在金属基底上超薄半导体材料反射光强烈的干涉现象。在金属-半导体界面上半导体的强吸收和非寻常的反射相移(既不是0也不是π)使得在在半导体中纳米厚度范围产生了强烈的吸收共振，因此，可利用这种特性显著减小腔的厚度。然而，在许多实际应用中，能够产生传输共振比强吸收特性更受欢迎。
彩色滤光片在液晶显示器(LCD)，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等多个领域发挥了关键作用。典型的彩色滤光技术依赖于易受热量和连续紫外线(UV)照射影响而变质的化学色剂颜料。为了克服这些挑战，许多研究人员已经开发出了带有亚波长光栅的彩色滤光片，这些滤光片是基于导模共振(GMR)和利用金属纳米结构作为替代的表面等离子激元过滤器。然而，由于这些结构利用光栅耦合激发表面等离子体极化(SPP)或波导光子模式，根据动量匹配条件，它们的光学性质不可避免地依赖于入射角度。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于纳米谐振腔的新型高纯度色透射型滤光片，以解决上述技术问题。
根据本发明的一实施例，提供了一种角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：自下而上依次包括衬底，下金属银层，吸收介质层和上金属银层，其中吸收介质层的厚度根据需要的波长而改变厚度值，其吸收能力小于其中c为光速，ε0为自由空间的介电常数，n为折射率的实部，为消光系数，α为Ge的吸收系数，所述下金属银层与上金属银层具有相同的厚度，所述滤光片具有高达±70°的角度不敏感特性。
根据本发明的一实施例，在吸收介质层和上金属银层之间还包括润湿层。
根据本发明的一实施例，所述吸收介质层为a-Si层，针对红、绿、蓝三种颜色来说，其厚度值分别为28nm、15nm和9nm。
根据本发明的一实施例，所述上金属银层和下金属银层的厚度为18nm。
根据本发明的一实施例，所述有机层为PTCBI层，厚度为5nm。
根据本发明的一实施例，所述上金属银层，下金属银层和PTCBI用过热蒸发的方式加工，所述a-Si层通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。
根据本发明的一实施例，所述滤光片顶部和/或玻璃基板上具有介质涂层，空气和所述介质涂层的光学常数之间的对比度小于空气和Ag之间的对比度，以进一步提高透过效率。
根据本发明的一实施例，所述介质涂层为15nm或30nm的WO3层。
附图说明
附图1示出了本发明透射滤光片的结构示意图；
附图2：图2(a)表示垂直入射下，本发明的透射滤光片的计算出的透射谱线，图2(b)表示垂直入射下，本发明的透射滤光片的测量出的透射谱线，可以发现两者一致；
附图3：图3(a)-图3(c)为计算的光在a-Si腔层中的传播相位以及在顶部和底部a-Si/Ag界面上的反射相移随着入射角度的变化；为了进行比较，图中也给出了透明腔层(SiO2)结构对应的传播相位变化；
附图4：图4(a)-图4(c)计算了本发明的透射滤光片的可见波长在TM偏振光下透射率随着角度的变化，入射角度范围为0°-70°；图4(d)-图4(f)为相应结构的测量透射率，测量结果与模拟计算的结果相吻合；
附图5(a)和图5(b)分别为模拟和测量的本发明透射滤光片的光透射光谱，绿色、红色、蓝色谱线分别为顶部增加了15nm WO3、30nm WO3以及没加WO3层的谱线；图5(c)-图5(e)分别为顶层未加WO3层和加了15nm、30nm WO3层结构的导纳图；所有结构中导纳图的起始点都是玻璃衬底(1.45，0)，而具有30nm WO3层结构的导纳终点非常接近于空气(1，0)。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的角度不敏感透射滤光片由下向上依次包括玻璃衬底，下金属银层，吸收介质层，润湿层(例如PTCBI层)，上金属银层。所述吸收介质层为a-Si层，其中吸收介质层的厚度根据需要的波长而改变厚度值，例如针对红、绿、蓝三种颜色来说，其厚度值分别为28nm、15nm和9nm，并且该层材料的折射率虚部小于Ge，其吸收能力小于等于其中c为光速，ε0为自由空间的介电常数，n为折射率的实部，为消光系数，α为吸收介质的吸收系数，E(x,λ)表示电场E是x和λ的函数，x为吸收介质层沿着厚度方向的位置，λ为波长。示例性的材料可包括a-Si。这样可以在提升纳米谐振腔Q因子的同时仍然在超薄谐振腔中实现了强光学干涉，这样在与其他层的配合当中可改善反射颜色的纯度。下金属银层与上金属银层具有相同的厚度，其厚度设计为18nm，允许入射光进入结构的同时保证谐振腔内较强的光学谐振。本申请在两个金属银层之间夹住吸收介质层，这种新颖的三层结构中，通过选择吸收低、反射率高的Ag作为基底材料，并在结构顶部额外加上一层Ag层，以此来增加谐振腔反射，显著增强了透射颜色的纯度。需要特别说明的是，Ag金属层的厚度不能随意进行选取，因为我们研究发现，随着金属银层的厚度增加，吸收光谱带宽会变窄从而色纯度的改善，但是吸收效率的降低反而会使得颜色纯度又变差，因此上下金属Ag层有一个最优厚度，也即为18nm，现有技术中的研究往往集中在带宽变窄，而一般不会关注到吸收效率的降低会带来相反的影响，我们首次发现了上述规律的存在，进而在确定了取值特定值所带来的优越效果。
润湿层预先镀在上金属Ag层下方，其目的是减少结构散射，促进薄金属银层成膜，因为我们研究发现，散射损耗会加宽吸收光谱，该层的厚度值例如可选择3-10nm,5nm时效果最佳，有机层的材料例如可包括PTCBI(，perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole，苝四羧酸二苯并咪唑)。Ag和PTCBI可以用过热蒸发的方式加工。下面以a-Si为例来说明吸收介质层的制作，a-Si通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。
图2(a)和2(b)给出了300-900nm范围内光垂直入射下,滤光片的计算和测量的透射光谱。计算的透射率是通过傅立叶模方法(FMM)获得的，该方法在空间频域将麦克斯韦方程转化为代数特征值方程，电磁场的分布由Bloch特征模式展开描述。一套完整的光学结构特征模式跨越了有限维度数值框架中的所有可能的光学场。在FMM模拟中，介电常数等材料参数以张量形式表示。我们用光谱仪(HR4000CG，海洋光学)测量结构的透射率。图2中测量和模拟结果基本一致。
图3(a)-图3(c)计算了光在腔体中的传播相位以及在顶部和底部a-Si/Ag界面上反射相移随着入射角度的变化关系。我们同样也给出了光在透明介质(在本例中为SiO2,n＝1.45)腔体中的传播相位作为对比。对于用作对比的透明腔结构，顶部和底部的Ag层也采用了与本发明相同的厚度，产生相应的RGB共振透射所需的SiO2厚度分别为152nm,114nm和95nm，相应的共振波长分别为614nm,508nm和454nm。如图所示，与传统使用透明介质的F-P腔相比(最上面的实线)，光在本发明的谐振腔结构中的传播相位(中间的实线)要小得多。此外，当入射角度增大的时候，光在a-Si/Ag表面的反射相移对光在a-Si层中的传播相位有特殊的补偿效应。这两种效应结合在一起，导致了我们提出的这种滤光片颜色对角度不敏感的特性。
为了证明我们设计的滤光片对角度的不敏感特性，我们利用分光光度法获得a-Si和Ag的折射率数据，用传输矩阵方法进行了数值模拟。图4(a)-4(c)为TM偏振光在不同入射角度下计算获得的透射光谱，图4(d)-4(f)为相应的实验测量透射光谱，角度变化范围为0°到70°，实验结果显示与模拟结果相互匹配。透射峰的位置随入射角度都没有变化。
除了这个对许多应用领域来说很重要的角度不敏感特性之外，本工作另外一个突破在于，只利用了简单的镀膜工艺就实现了不同结构色的加工。这比以前其他的要达到类似结果的加工工艺要简单得多，之前的工作依赖于亚波长的纳米槽或光栅，使用了包括纳米尺度的图案加工和蚀刻在内更复杂的制造技术。因此本工作为光学结构色大面积使用的前景创造了可能性。
在本发明进一步的创新结构当中，通过在上金属银层上面添加透明的介质涂层可提高滤光片的传输效率。分别用15nm、30nm厚度的三氧化钨(WO3)被用作介质涂层。如图5(a)和5(b)所示的模拟和测量的结果中，15nm和30nm厚度比没有WO3层的滤光片具有更高的传输效率，这可归因于空气和WO3的光学常数之间的小对比度与空气和Ag之间大的对比度相比而引起的。我们使用了如图5(c)-5(e)所示的导纳图(即阻抗的倒数)来进一步证实这一论断。整个结构的导纳从玻璃基板(1.45，0)开始，它的轨迹取决于材料的厚度和光学常数。为了降低整体结构的反射，我们需要最大程度地减少总导纳(即整体结构的导纳终点)与空气对应的导纳点(1，0)之间的距离。对于顶层没有加WO3的滤光片，结构的导纳终点(1.311，1.646)距离空气导纳点很远，导致了相当强烈的反射(35％)。在加了15nm的WO3层的滤光片中，导纳终止于(0.842，0.799)，它比未加WO3的情况更接近(1，0)，但仍然产生高反射(17％)。30nm厚度WO3层的滤光片的导纳终点是(0.736，0.106)，它比前两种情况更接近于空气(1，0)，从而导致被抑制的反射(2％)。作为替换方式，我们可以在下金属Ag层沉积之前，在玻璃基板上引入同样的介质涂层，可达到同样的效果，进一步的，我们可以通过在顶部以及玻璃基板上同时引入介质涂层来达到进一步提高透过效率的目的。
总之，利用金属-半导体-金属谐振腔中强干涉效应，我们实现了超薄可见光透过型滤光片。由于光在超薄a-Si层的传播相移可以忽略不计，这些滤光片表现出极佳的角度稳定性(高达到±70°)，克服了许多以前研究报告中观察到的显著的角度依赖的颜色变化的问题。通过添加一个抗反射层可以显著提高整体传输效率。此外，本工作的结构加工只需要简单的镀膜制造工艺，就可以达到产生颜色的目的，该方法将适用于大面积生产。

Claims (8)

1.一种角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：自下而上依次包括衬底，下金属银层，吸收介质层和上金属银层，所述吸收介质层为a-Si层，其中吸收介质层的厚度根据需要的波长而改变厚度值，其吸收能力小于等于其中c为光速，ε0为自由空间的介电常数，n为折射率的实部，为消光系数，α为吸收介质的吸收系数，E(x,λ)表示电场E是x和λ的函数，x为吸收介质层沿着厚度方向的位置，λ为波长，所述下金属银层与上金属银层具有相同的厚度，所述滤光片具有高达±70°的角度不敏感特性。
2.根据权利要求1所述的角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：在吸收介质层和上金属银层之间还包括润湿层。
3.根据权利要求1或2所述的角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：所述吸收介质层针对红、绿、蓝三种颜色来说，其厚度值分别为28nm、15nm和9nm。
4.根据上述任一权利要求所述的角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：所述上金属银层和下金属银层的厚度为18nm。
5.根据上述利要求2-4任一所述的角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：所述有润湿为PTCBI层，厚度为5nm。
6.根据权利要求5所述的角度不敏感的透射滤光片，其特征在于：所述上金属银层，下金属银层和PTCBI用过热蒸发的方式加工，所述a-Si层通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式沉积。
7.根据权利要求6所述的角度不敏感透射滤光片，其特征在于：所述滤光片顶部和/或玻璃基板上具有介质涂层，空气和所述介质涂层的光学常数之间的对比度小于空气和Ag之间的对比度，以进一步提高透过效率。
8.根据权利要求7所述的角度不敏感透射滤光片，其特征在于：所述介质涂层为15-30nm的WO3层。
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