CN110673249A - 一种反射滤光片 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种反射滤光片，该反射滤光片包括衬底以及依次位于所述衬底上的第一金属层、吸收介质层和第二金属层，其中，第一金属层、吸收介质层以及第二金属层组成光学谐振腔，用于选择性的吸收特定波长或者反射特定波长的光。通过上述方式，本申请能够显著增强反射光的色纯度，提高反射滤光片的角度不敏感特性。

Description

一种反射滤光片

技术领域

本申请涉及滤光片领域，具体涉及一种反射滤光片。

背景技术

彩色滤光片(简称滤光片)作为关键元件已被广泛用于发光二极管、图像传感器、液晶显示技术等各个领域中。基于表面等离子激元纳米结构和亚波长光栅的滤光片已成为传统有机染料滤光片的替代品，用以解决传统有机染料滤光片中各种各样的内在缺点。传统有机染料滤光片容易受到环境因素影响，例如受到长时间的紫外线照射和高温会导致其性能下降。而基于表面等离子激元的纳米结构的滤光片所面临的最大挑战在于：共振波长会随着入射光的角度偏移，从而产生不同的颜色。这是因为其依靠光栅耦合实现动量匹配从而激发表面等离子激元或光子，不可避免的显示出角度敏感特性。这种与角度有关的光谱特性是纳米结构滤光片的一个显著缺点，这使得这种滤光片难以应用于实际。

发明内容

本申请提供一种反射滤光片，能够显著增强反射光的色纯度，提高反射滤光片的角度不敏感特性。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种反射滤光片，所述反射滤光片包括衬底以及依次位于所述衬底上的第一金属层、吸收介质层和第二金属层，其中，所述第一金属层、所述吸收介质层以及所述第二金属层组成光学谐振腔，用于选择性的吸收特定波长或者反射特定波长的光。

本申请的有益效果是：提供一种反射滤光片，通过采用在第一金属层及第二金属层之间夹设吸收介质层以形成光学谐振腔，可以选择性的吸收特定波长或者反射特定波长的光，能够显著增强反射光的色纯度，提高反射滤光片的角度不敏感特性。

附图说明

图1是本申请反射滤光片一实施方式的结构剖面示意图；

图2是不同金属层材料和不同吸收介质层材料组成的光学谐振腔的反射光谱的模拟对比示意图；

图3是本申请不同结构滤光片反射光谱显示颜色光色纯度在色坐标系中的对比示意图；

图4是本申请中不同颜色光正入射时反射光谱的计算和测量值的对比示意图；

图5是本申请入射光进入反射滤光片中不同膜层后的光的吸收率对比示意图；

图6是本申请横向磁偏振光在倾斜入射角为15°到65°范围内测量和计算的反射光谱对比示意图；

图7是本申请横向电偏振光在倾斜入射角为15°到65°范围内测量和计算的反射光谱的对比示意图；

图8是本申请四个不同角度下观测的三种颜色样品示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请所提供的各个示例性的实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。在不冲突的情况下，下述各个实施例以及实施例中的特征可以相互组合。并且，本申请全文所采用的方向性术语，例如“上”、“下”等，均是为了更好的描述各个实施例的技术方案，并非用于限制本申请的保护范围。

如图1所示，图1是本申请反射滤光片一实施方式的结构剖面示意图。如图1，本申请提供的反射滤光片100包括衬底110以及依次位于衬底110上的第一金属层120、吸收介质层130和第二金属层140。

其中，第一金属层120、吸收介质层130以及第二金属层140组成光学谐振腔，用以选择性的吸收特定波长范围的光或者反射特定波长范围的光。其中，衬底基板110可以为透明材质，具体可以是玻璃、陶瓷基板或者透明塑料等任意形式的基板，此处本申请不做具体限定。

可选地，本申请中的第一金属层120可以采用过热蒸发的方式形成于衬底110上，且该第一金属层120的材料可以选用银、金、铜、铝、铬、铊、钨、镍、钼、钛、铌、钴、钯、钒中的一种。本实施例中，第一金属层120选用对入射光吸收率低、反射率高的金属银来反射入射光线。在具体实施方式中，该第一金属层120的厚度范围可以设置为50～200nm，具体可以是50nm、125nm、200nm等等，此处不做进一步限定。在本申请一应用场景中，该第一金属层120的厚度可以设置为150nm，用于阻挡所有的反射光线。

吸收介质层130形成于第一金属层120上以形成光学谐振腔。其中，该吸收介质层130需满足其折射率虚部小于材料锗折射率虚部，且该吸收介质层130的厚度和所吸收的光的波长相关，具体地该吸收介质层130的吸光能力(对光光强的吸收)小于等于：

其中，c为光速，ε₀为自由空间的介电常数，n为吸收介质层130折射率的实部，

为消光系数，α为吸收介质层130的吸光系数，E(x,λ)表示电场E是x和入射光波长λ的函数，x表示吸收介质层130沿着厚度方向的位置，λ表示入射光波长。

可选地，入射光穿透第二金属层140入射至吸收介质层130，该吸收介质层130在光照射下产生等离子激元(或者光子)，等离子激元在该光学谐振腔中来回反射以此形成谐振。且本实施例中，吸收介质层130的折射率虚部越大，光吸收系数越大，其对光的吸收能力越强，光学谐振腔的Q因子(品质因子)越大。进一步，吸收介质层130对光的反射能力越强，从而能够显著增强反射光颜色的纯度。

可选地，本实施例中的吸收介质层130的制造材料具体可以包括非晶硅(a-Si)、晶体硅、非晶锗，三氧化二铁，氮化钛，氧化铜，氧化亚铜，硫化锌，硫化硒，氧化钛，氧化铌，氧化锆，氧化锌，氧化铝，氧化硅中的一种。本实施例中选用在可见光范围内具有较高的光吸收系数非晶硅来具体说明。当然在其它实施例中，该吸收介质层130的材料还可以为上述所列举的材料中的任意一种，此处不作具体限定。其中，在制备工艺中可以采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)的方式对该吸收介质层130进行沉积。

可选地，本申请中的吸收介质层130的厚度和吸收光的波长相关，即吸收介质层130的厚度随需要吸收的光的波长而改变。在一具体实施方式中，该吸收介质层130的材料为非晶硅，对于青色(Cyan)、紫红色(Magenta)、黄色(Yellow)三种颜色来说，吸收介质层130的厚度值可以分别对应为34nm、20nm、14nm。

其中，本实施例中吸收介质层130的材料采用吸光系数较高的非晶硅以及吸收介质层130中强干涉效应的存在，可以进一步提升吸收介质层130和第一金属层120所组成的光学谐振腔的品质因子Q，且本申请所形成的超薄吸收介质谐振腔的厚度相比于传统的谐振腔显著减小，在后续配合其他膜层时可以改善反射光的色纯度。

可选地，第二金属层140形成于吸收介质层130上方，用以增加光学谐振腔反射的方式。其中，第二金属层140材料和第一金属层120的制造材料相同，也可以选用银、金、铜、铝、铬、铊、钨、镍、钼、钛、铌、钴、钯、钒中的一种。本实施例中，和第一金属层120一样，第二金属层140的材料选用金属银。可选地该第二金属层140同样也可以采用过热蒸发的方式形成于吸收介质层130上。在具体实施方式中，第一金属层120的厚度要远大于第二金属层140的厚度，其厚度范围为5-50nm，具体可以是5nm、27.5nm、50nm等等，此处不做具体限定。在本申请一实施方式中，该第二金属层140的厚度具体可以为18nm，即在允许入射光进入反射滤光片100的同时保证光学谐振腔内具有较强的光学谐振，可以显著的提高反射光的色纯度。

可选地，本实施例中的第二金属层140的厚度不能随意进行选取，在具体的实践中发现随着第二金属层140的厚度增加，反射滤光片100的吸收光谱带宽会变窄，虽然其反射光的色纯度会得到改善，但随第二金属层140厚度增加其对入射光的吸收率降低又会影响反射光的色纯度变差，故第二金属层140存在一最优厚度，即为18nm。现有技术中的研究重点往往集中在光谱的吸收带宽变窄，一般不会关注到随着第二金属层140厚度的增加，其对光的吸收效率的降低会带来相反的影响。本申请首次发现了上述规律的存在，进而在确定第二金属层140厚度为18nm时，其对入射光吸收的吸收率最高，吸收带宽最窄。

此外，本申请中的反射滤光片100进一步包括位于第二金属层140和吸收介质层130之间的润湿层150，该润湿层150用于促进第二金属层成膜140保证第二金属层140的平整性以及减少入射光的结构散射。

可选地，本申请中的润湿层150的材料可以选用有机材料，例如苝四羧酸二苯并咪唑(perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole，PTCBI)、半导体材料，例如锗、金属材料，例如铜、铝中的至少一种。本申请中选用苝四羧酸二苯并咪唑。在具体实施方式中发现反射滤光片100的散射损耗会加宽该反射滤光片100的吸收带宽，故该润湿层150的厚度范围可以为2～10nm，具体可以是2nm、5nm、10nm等等，此处不作具体限定。当然本实施例中，选取润湿层150厚度为5nm时，其对于反射滤光片100的散射损耗的减少效果最为明显。可选地，在具体实施方式中，该润湿层150的制备也可以采用过热蒸发的方式进行制备。

可选地，还需要说明的是，本实施例中青色，紫红色和黄色三种颜色对应的吸收介质层130的厚度依次为34nm、20nm和14nm，且其相应的共振波长(即反射波谷或吸收峰位置)为650nm、545nm和490nm。其中，入射光在空气和吸收介质层130界面反射时发生的相移大于第一金属层120和吸收介质层130界面时的相移。因此，为了得到相同的谐振位置，即当传播相位和两个反射相位的净移位等于2mπ时，在设置了第二金属层140后的结构中需要相对较厚的吸收介质层130，也即是说上述的吸收介质层130的厚度值并不是随意确定的，该吸收介质层130的厚度值均基于上述理论。

相比现有技术中的滤光片一般会存在反射带位置随着入射角度的变化而变化，从而使得在不同的入射角度或者不同的观察角度上看到的颜色会有偏差，影响显示效果，而本申请中的反射滤光片的具有高达±70°的角度不敏感特性，以保证观测者在不同角度或者不同位置观测到的显示效果不变。且在一具体应用场景中，该反射滤光片的吸收带宽最窄范围可以达到74nm，其具有高达±65°的角度不敏感特性。

上述实施方式中，通过采用在第一金属层及第二金属层之间夹设吸收介质层以形成光学谐振腔，可以选择性的吸收特定波长或者反射特定波长的光，能够显著增强反射光的色纯度，提高反射滤光片的角度不敏感特性。

下面结合仿真计算来验证上述反射滤光片的理论研究：

请参阅图2，图2为本申请不同金属层材料和不同吸收介质层材料组成的光学谐振腔反射光谱的模拟对比示意图。如图2所示，本实施例中采用的A、B、C、D四组不同的金属层材料和不同吸收介质层材料组成光学谐振腔。其中，A组中金属层材料为Au，吸收介质层材料锗，其厚度为9nm，B组中金属层材料为Ag，吸收介质层材料非晶硅，其厚度为16nm，C组中金属层材料为Au，吸收介质层材料非晶硅，其厚度为12nm，D组为本申请所提供的反射滤光片，其金属层包括第一金属层及第二金属层，其材料均为Ag，其中第二金属层的厚度为10nm，吸收介质层材料为非晶硅，其厚度为20nm。且本实施例中吸光介质层的所需要吸收的光为品红色，故其相应的共振波长在545nm附近。其中，图2中的横坐标x代表波长范围，纵坐标y代表吸收介质层对入射光的反射率。

如图2所示，A组因Au的带间跃迁吸收和锗在可见光范围内的强吸收导致其滤光片的吸收带宽最宽。相比之下，B组中的在Ag金属层衬底上加上吸收相对较弱的非晶硅所形成结构的反射谱线变得陡峭一些，即其滤光片的吸收带宽相比于A组滤光片的吸收带宽较窄。再来看C组，C组中由于远离带间跃迁波长，Au在波长为550nm处的吸收并不显著，所以C组的对应的品红色光的色纯度与B组中品红色的纯度相似，如图3所示。其中图3为本申请不同结构滤光片反射光谱显示颜色光色纯度在色坐标系中的对比示意图。再来看D组，也就是本申请中的反射滤光片在吸收介质层的上方额外增加一层薄金属层(Ag)，通过新颖的三层结构组成的反射滤光片可以显著的提高品红色光的色纯度，具体表现为其对应的颜色光在色坐标中沿着横坐标的方向移动，其中，横坐标代表表示可见光谱的波长，纵坐标代表三基色X，Y和Z的相对值。当然，本实施例中的结论也适用于青色、紫红色、黄色三原色中的其它两种颜色(即青色和黄色)。

进一步地，可以看到图2中B组中的非晶硅的厚度(16nm)和D组中非晶硅的厚度(20nm)不相同，因为B组中入射光在空气和非晶硅界面反射时发生的相移大于D组中入射光在金属Ag和非晶硅界面时发生的相移，所以为了得到相同的谐振位置，即当传播相位和两个反射相位的净移位等于2mπ时，在吸收介质层(非晶硅)的上方额外增加了金属Ag层，故需要相对较厚的非晶硅层，且该模拟仿真也同样验证了上述关于反射滤光片的理论。

进一步参见图4，图4为本申请中不同颜色光正入射时反射光谱的计算和测量值的对比示意图。如图4所示，本申请青色光(Cyan)正入射时曲线C代表的是计算出的反射光谱图，曲线c代表实际测得反射光谱图，紫红色(Magenta)正入射时曲线M代表的是计算出的反射光谱图，曲线m代表实际测得反射光谱图，黄色(Yellow)正入射时曲线Y代表的是计算出的反射光谱图，曲线y代表实际测得反射光谱图，由此可见青色光、紫红色、黄色三原色正入射时其反射光谱的测量值和模拟值相吻合。

进一步参见图5，图5为本申请入射光进入反射滤光片中不同膜层后的光的吸收率对比示意图。如图5所示，其中E代表入射光经过第一金属层及第二金属层后的吸收曲线图，F代表入射光经过吸收介质层后的吸收曲线图，G代表入射光经过润湿层后的吸收曲线图，H代表入射光经过整个反射滤光片后的吸收曲线图。具体地，以波长为545nm的品红色光为例，将整个反射滤光片结构的吸收曲线与各层材料单独的吸收对比可以发现，由于吸收介质层(非晶硅)具有较大的折射率虚部(即较高的光吸收系数)，吸收主要来自于非晶硅层。此外，因为谐振波长处的入射光可以比非共振波长的光更多地穿过每一层，每一层材料中的吸收峰都落在共振波长附近，从而导致最终在谐振波长处整体的高吸收率。由此可见，本申请中反射滤光片对应的曲线H其对入射光的吸收率最高。

进一步，为了探索本申请中反射滤光片对入射角度的依赖性，本实施例中将横向磁(TM)和横向电(TE)偏振光随角度变化的反射光谱的计算结果和测量结果分别表示入下：

参见图6-图8，图6为本申请横向磁偏振光在倾斜入射角为15°到65°范围内测量和计算的反射光谱对比示意图，图7为本申请横向电偏振光在倾斜入射角为15°到65°范围内测量和计算的反射光谱的对比示意图，图8为本申请四个不同角度下观测的三种颜色样品示意图。

结合图6和图7，其中，图6和图7中的a)和的d)图中对应的谐振波长为485nm处的黄色样品，b)和e)图为对应谐振波长在545nm处的紫红色样品，c)和f)图为对应谐振波长在645nm的青色样品。如图6和7可以发现，当入射光的入射角度在15°到65°的范围内变化时，不管哪种偏振光，其三种颜色的共振波长在很大的该入射范围内均保持不变，即实际的计算结构和实验数据相吻合。进一步还可以发现，当入射光的入射角度在大于65°时，共振波长的位置仍然保持不变，只是吸收强度降低了一些。可以参见图8中拍摄图，图8中的拍摄图是在是个不同角度拍摄的样品，可见其样品未发生任何颜色变化，且本申请中的角度不变的共振行为与常见的法布里-珀罗(F-P)共振器(通过在两个反射金属薄膜之间夹入透明介质)中的现象截然不同。

本申请中的反射滤光片的吸收带宽能达到74nm，且实验数据和与仿真结果非常吻合。此外，该反射滤光片还具有高达±65°的角度不敏感特性，即外观颜色不随观测角度变化，能够彻底解决了目前基于表面等离子激元和光子纳米结构滤光片中存在的角度敏感性问题，可以为发光器件，显示技术和图像传感器在内的各种应用打开新的大门。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种反射滤光片，通过采用在第一金属层及第二金属层之间夹设吸收介质层以形成光学谐振腔，可以选择性的吸收所需要的光线，能够显著增强反射光的色纯度，提高反射滤光片的角度不敏感特性。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种反射滤光片，其特征在于，所述反射滤光片包括衬底以及依次位于所述衬底上的第一金属层、吸收介质层和第二金属层，其中，所述第一金属层、所述吸收介质层以及所述第二金属层组成光学谐振腔，用于选择性的吸收特定波长的光或者反射特定波长的光。

2.根据权利要求1所述的反射滤光片，其特征在于，所述吸收介质层的制造材料至少包括非晶硅、晶体硅、非晶锗、三氧化二铁、氮化钛、氧化铜、氧化亚铜、硫化锌、硫化硒、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化硅中的一种。

3.根据权利要求2所述的反射滤光片，其特征在于，所述吸收介质层的厚度和吸收光的波长相关，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。

4.根据权利要求1所述的反射滤光片，其特征在于，所述第一金属层的厚度大于所述第二金属层的厚度，其中，所述第二金属层用于使入射光穿透第二金属层并进入所述光学谐振腔内产生谐振，所述第一金属层用于反射所述入射光。

5.根据权利要求3所述的反射滤光片，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的制造材料相同，至少包括银、金、铜、铝、铬、铊、钨、镍、钼、钛、铌、钴、钯、钒中的一种。

6.根据权利要求4所述的反射滤光片，其特征在于,所述第二金属层的厚度范围为5-50nm。

7.根据权利要求4所述的反射滤光片，其特征在于，所述第一金属层的厚度范围为50-200nm。

8.根据权利要求4所述的反射滤光片，其特征在于，所述反射滤光片还包括位于所述第二金属层和所述吸收介质层之间的润湿层，所述润湿层用于促进所述第二金属层成膜，减少结构散射。

9.根据权利要求7所述的反射滤光片，其特征在于，所述润湿层的制造材料为有机材料PTCBI、半导体材料锗、金属材料铜、铝中的至少一种，厚度范围为2-10nm。

10.根据权利要求3所述的反射滤光片，其特征在于，所述吸收介质层对应于青色、紫红色、黄色的厚度值分别为34nm、20nm、14nm。

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