CN110673250A

CN110673250A - 一种透射滤光片

Info

Publication number: CN110673250A
Application number: CN201810758343.2A
Authority: CN
Inventors: 季陈纲
Original assignee: Shenzhen Rongguang Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Rongguang Nanotechnology Co Ltd
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本申请公开一种透射滤光片，该透射滤光片包括衬底基板以及依次位于所述衬底基板上的第一金属层、吸收介质层和第二金属层，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，用以选择性的透射不同波长的光，其中，所述第一金属层和第二金属层的厚度相同。通过上述方式，本申请能够显著增强透射光的色纯度，提高透射滤光片的角度不敏感特性。

Description

一种透射滤光片

技术领域

本申请涉及滤光片领域，具体涉及一种透射滤光片。

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，其厚度在可见光的波长尺度范围内，使光在没有大的损耗情况下发生干涉，从而使得光子具有更长的寿命(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沉积超薄半导体材料组成的谐振腔中反射光存在较强的干涉现象，即在金属-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谐振腔的厚度。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化学色剂颜料，且在高温或者连续紫外线(UV)的照射下该化学色剂颜料容易变质。为了克服上述挑战，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

本申请提供一种透射滤光片，能够显著增强透射光的色纯度，提高透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：提供一种透射滤光片，所述透射滤光片包括衬底基板以及依次位于所述衬底基板上的第一金属层、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，用以选择性的透射不同波长的光。

本申请的有益效果是：提供一种透射滤光片，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的方式形成光学谐振腔，且利用该光学谐振腔的强干涉效应，可以实现超薄可见光透过型滤光片，且光在超薄吸收介质层的传播相移可以忽略不计，可以提高透射滤光片的角度不敏感特性。

附图说明

图1是本申请透射滤光片第一实施方式的结构剖面示意图；

图2是本申请透射滤光片第二实施方式的结构剖面示意图；

图3是本申请透射滤光片第三实施方式的结构剖面示意图；

图4是本申请中特定波长范围内垂直光入射下透射滤光片一实施方式的计算和测量的透射光谱对比图；

图5是为本申请入射光在不同界面传播时反射相移随入射角度变化对比示意图；

图6是本申请偏振光在不同入射角度下计算获得的透射光谱示意图；

图7是本申请偏振光在不同入射角度下测量得到的透射光谱示意图；

图8是本申请透射滤光片中不同介质涂层厚度时计算和测量的透射光谱对比图；

图9是本申请不同介质涂层厚度时的导纳示意图。

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是本申请透射滤光片一实施方式的结构剖面示意图。如图1，本申请提供的透射滤光片100包括衬底基板110以及依次位于衬底基板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，用以选择性的透射不同波长的光。

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和第二金属层140的厚度相同，且该第一金属层120和第二金属层140的制造材料相同，均可以选用银，金，铜，铝，铬，铊，钨，镍，钼，钛，铌，钴，钯，钒中的一种。本实施例中，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，第一金属层120和第二金属层140的制备均可以采用过热蒸发的方式分别形成于衬底基板110和吸收介质层130之上。且本申请中，第一金属层120和吸收介质层130可以形成一光学谐振，第二金属层140的形成可以在保证入射光进入该透射滤光片100的同时增强光线在该光学谐振腔中的反射，可以进一步增强透射光颜色的色纯度。

可选地，本申请中第一金属层120的厚度和第二金属层140，用于使入射光线穿透第二金属层140并进入光学谐振腔中产生谐振，二者的厚度相同，其厚度范围为5-50nm，具体可以是5nm、18nm、50nm等等，此处不做进一步限定。在本申请以具体应用场景中，该第一金属层120和第二金属层140的厚度具体可以为18nm，即在允许入射光进入透射滤光片100的同时保证光学谐振腔内具有较强的光学谐振，可以显著的提高透射光的色纯度。

可选地，本实施例中的第一金属层120及第二金属层140的厚度不能随意进行选取，在具体的实践中发现随着第一金属层120及第二金属层140的厚度增加，透射滤光片100的吸收光谱带宽会变窄，其透射光的色纯度会得到改善，但随金属层厚度增加其对入射光的吸收率降低又会影响透射光的色纯度变差，故本实施例中，第一金属层120及第二金属层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带宽变窄，且一般不会关注到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，进而在确定第一金属层120及第二金属层140的厚度为18nm时，其对入射光吸收的吸收率最高，吸收带宽最窄。

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的厚度和透射光的波长相关，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对光的透射能力越强，从而能够显著增强透射光颜色的纯度。

该吸收介质层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)的方式进行沉积。

可选地，本申请中的吸收介质层130的厚度和该透射滤光片需要透射光的波长相关，即吸收介质层130的厚度随需要透射光的波长而改变。在一具体实施方式中，对于红、绿、蓝三种颜色来说，吸收介质层130的厚度值可以分别对应为28nm、15nm以及9nm。本实施例中吸收介质层130的材料可以包括吸光系数较高的非晶硅，且吸收介质层130和第一金属层120组成的光学谐振腔中存在强干涉效应，可以进一步提升该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透射光的色纯度。

可选地，本申请中的透射滤光片100进一步包括介质涂层150，该介质涂层150可以设置于第二金属层140上方和/或位于衬底基板110及第一金属层120之间。参见图1中的介质涂层150设置于第二金属层140上方，在其它实施方式中，该介质涂层150还可以设置于图2所示的设置于衬底基板110及第一金属层120之间，当然该介质涂层150还可以同时设置于衬底基板110及第一金属层120之间以及第二金属层140上方，以提高该透射滤光片光的透过率，如图3所示的结构。

可选地，该介质涂层150的材料可以为氧化钨，氧化钛，氧化铌，氧化锆，氧化锌，氧化铝，氧化硅中的一种其厚度范围为10～100nm，具体可以是10nm、55nm、100nm等等，此处不做进一步限定。本实施例中的介质涂层150采用氧化钨(WO₃)。其中，该空气介质和介质涂层150的光学常数之间的对比度小于空气和第二金属层140的光学常数之间的对比度，可以进一步提高该透射滤光片100对入射光的传输效率，减小对入射光的反射，以使得更多的入射光进入该透射滤光片100中。

可选地，本申请中的透射滤光片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160，该润湿层160用于促进第二金属层成膜保证第二金属层140的平整性，以及减少入射光的散射损耗。本申请中的润湿层160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。在具体实施方式中发现透射滤光片100的散射损耗会加宽该透射滤光片100的吸收带宽，故该润湿层160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160厚度为5nm时，其对于透射滤光片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160的制备也可以采用过热蒸发的方式进行制备。

此外，本申请中透射滤光片的各层叠结构的制备均采用简单的镀膜工艺，便可以实现不同结构色的加工，相比于依赖于亚波长的纳米槽或光栅，其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，本申请可以简化制造工艺，为光学结构色大面积使用的前景创造了可能性。

相比现有技术中的滤光片一般会存在透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，本申请中所提供的透射滤光片因其超薄的吸收介质层130(非晶硅)的传播相移可以忽略不计，故该透射滤光片可以表现出极佳的角度稳定性，具体可以高达±70°，也即是入射光的入射角度在上述动态范围内变化时，外观颜色不随观测角度变化，能够彻底解决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。

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的方式形成光学谐振腔，且利用该光学谐振腔的强干涉效应，可以实现超薄可见光透过型滤光片以及选择性的透射所需要的光线增强透射光的色纯度，提高透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透射滤光片的理论研究：

请参阅图4，图4为本申请中特定波长范围内垂直光入射下透射滤光片一实施方式的计算和测量的透射光谱对比图。如图4中的a)为本申请光垂直入射进透射滤光片计算出的透射谱线图，其中，分别包括红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色光的透过率谱线。b)为本申请光垂直入射进透射滤光片测量出的透射谱线图，其中，分别包括红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色光的透过率谱线。

其中，a)和b)中的波长范围可以选用300-900nm，其中，该透射滤光片模型的计算可以采用傅立叶模方法(FMM)获得。该计算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，且在FMM模拟中，介电常数等材料参数以张量形式表示。可选地，该透射滤光片透射光谱的实验数据采用光谱仪(型号为HR4000CG，海洋光学)测得，比较二者可以得到该透射滤光片的实验测量值和模拟计算的结果相吻合。

进一步参阅图5，图5为本申请入射光在不同界面传播时反射相移随入射角度变化对比示意图。如图5所示图a)、b)和c)中分别对应的共振波长分别454nm、508nm以及614nm，分别对应蓝光、绿光以及红光。其中，图a)、b)和c)中四条曲线A、B、C、D分别代表入射光在不同界面传播时反射相移的变化曲线图。其中，曲线A代表入射光在第一金属层120反射时的相移曲线，曲线B代表入射光第二金属层140反射时的相移曲线，曲线C代表入射光在非晶硅层(吸收介质层)传输时的相移曲线，曲线D代表入射光在透明介质(二氧化硅)中传输时的相移曲线。

其中，本实施例中采用二氧化硅作为吸收介质层和本申请中采用非晶硅作为吸收介质层作为对比。其中，二氧化硅的折射率可以为1.45，且在具体的结构中，以二氧化硅作为吸收介质层的第一金属层及第二金属层的材料和厚度均相同，即为金属银，其厚度设置为18nm，且二氧化硅相对于红绿蓝三原色的厚度为分别为152nm,114nm和95nm，相应的共振波长分别为614nm、508nm和454nm。

如上图a)、b)和c)中所示，与传统使用透明介质的谐振腔相比(曲线D)，三原色光在本申请谐振腔结构中的传播相位的偏移(曲线C)明显要小于光在使用传统透明介质谐振腔中的传播。此外，当入射光角度增大的时候，光在吸收介质层和第一金属层(a-Si/Ag)表面的反射相移对光在吸收介质层(a-Si)中的传播相位有特殊的补偿效应。这两种效应结合在一起，可以提高该透射滤光片对角度不敏感的特性。

在具体实施方式中，为了验证本申请中提供的透射滤光片的角度不敏感的特性，本申请还利用分光光度法获得吸收介质层(a-Si)和第一金属层(Ag)的折射率数据，用传输矩阵方法进行了数值模拟，详细描述如下：

参阅图6和图7，图6为本申请偏振光在不同入射角度下计算获得的透射光谱示意图，图7为本申请偏振光在不同入射角度下测量得到的透射光谱示意图。其中，该实验的波长动态范围为可见光的波长范围，且偏振光选用横向磁(TM)偏振光，且其入射光的入射角度范围为0°至70°。结合图6和图7，可知实验测量得到的透射光谱与模拟计算得到的结果相互匹配，透射峰值的位置随入射角度的变化没有发生变化。

进一步参阅图8，图8为本申请透射滤光片中不同介质涂层厚度时计算和测量的透射光谱对比图。

如图8中a)所代表的是计算不同介质涂层厚度时计算的透射光谱，b)所代表的是不同介质涂层厚度时测量的透射光谱。其中，图a)和b)中所代表的曲线分别为绿光光谱G、红光光谱R以及蓝光光谱B，且其分别对应的设置于第二金属层140上方的介质涂层的厚度分别为15nm、30nm以及0nm。从图a)和b)的模拟和测量的结果可以看出，介质涂层厚度为15nm和30nm比没有涂覆介质涂层的透射滤光片具有更高的传输效率，其原因可归因于空气和介质涂层(本实施例中采用的是氧化钨WO₃)的光学常数之间的对比度小于空气和第一金属层Ag之间大对比度所引起的。

为了证实该结论，本申请还做了如下实验来进一步验证：

请进一步参阅图9，图9为本申请不同介质涂层厚度时的导纳示意图。如图9所示，其中导纳指阻抗的倒数，本实施例中该透射滤光片整个结构的导纳从衬底基板开始，本实施例选用玻璃作为衬底基板，其导纳点为(1.45，0)，该透射滤光片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，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。

可选地，对于第二金属层上方未增设介质涂层WO3的滤光片，如图9中的a)结构的导纳终点(1.311，1.646)距离空气导纳点很远，导致相当强烈的反射，其入射光的反射率可以达35％。如图9中b)在加了15nm厚度的介质涂层WO3的滤光片中，导纳终止于(0.842，0.799)，它比未加介质涂层WO3的情况更接近(1，0)，但仍然产生高反射，其入射光的反射率可以达17％。如图9中c)对于介质涂层为30nm厚度时的滤光片，其导纳终点是(0.736，0.106)，它比前两种情况更接近于空气(1，0)，从而可以抑制入射光的反射，此种情况下入射光的反射率仅为2％。

可选地，作为替换方式，在其它实施例中还可以在第一金属层沉积之前，在衬底基板上引入同样的介质涂层，可达到同样的效果，如图2所示。除此之外还可以通过在第二金属层上方以及衬底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，如图3，且具体的实施原理和本申请透射滤光片第一实施方式的原理类似，此处不做进一步限定。

上述实施方式，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的方式形成光学谐振腔，且利用该光学谐振腔的强干涉效应，可以实现超薄可见光透过型滤光片，且光在超薄吸收介质层的传播相移可以忽略不计，可以提高透射滤光片的角度不敏感特性。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种透射滤光片，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的方式形成光学谐振腔，且利用该光学谐振腔的强干涉效应，可以实现超薄可见光透过型滤光片，且光在超薄吸收介质层的传播相移可以忽略不计，可以提高透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

1.一种透射滤光片，其特征在于，所述透射滤光片包括衬底基板以及依次位于所述衬底基板上的第一金属层、吸收介质层和第二金属层，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，用以选择性的透射不同波长的光。

2.根据权利要求1所述的透射滤光片，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，氧化钨，氧化铝，氧化硅中的一种。

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

5.根据权利要求4所述的透射滤光片，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度为5-50nm，用于使入射光线穿透所述第二金属层并进入所述光学谐振腔中产生谐振。

6.根据权利要求1所述的透射滤光片，其特征在于，所述透射滤光片还包括介质涂层，所述介质涂层设置于所述第二金属层上方和/或位于所述衬底基板及所述第一金属层之间，用于提高入射光的透过率效率。

7.根据权利要求6所述的透射滤光片，其特征在于，所述介质涂层的厚度为10-100nm；

所述介质涂层为的材料为氧化钨，氧化钛，氧化铌，氧化锆，氧化锌，氧化铝，氧化硅中的一种。

8.根据权利要求1所述的透射滤光片，其特征在于，所述透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8所述的透射滤光片，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红、绿、蓝三种颜色的厚度值分别为28nm、15nm和9nm。