CN110794498B - 光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学元件。该光学元件包括：一基板；多个金属栅，形成于该基板上；一图案化有机层，形成于这些金属栅上；一彩色滤光片，为该图案化有机层所包围；以及一光收集层，形成于该彩色滤光片与该基板之间，并为该图案化有机层所包围，其中该光收集层的折射率高于该图案化有机层的折射率。

Description

光学元件
技术领域
本发明有关于一种光学元件，特别是有关于一种具有形成于彩色滤光片与基板之间的特殊的光收集层(light collection layer)的光学元件。
背景技术
在具有复合金属栅(composite metal grid，CMG)结构的光学元件中，在彩色滤光片上是需要设置微透镜的。而在具有波导彩色滤光片(wave guide color filter，WGCF)结构的光学元件中，则是使用包围彩色滤光片的低折射率材料取代原本的微透镜形成波导结构。
然而，在具有波导彩色滤光片(WGCF)结构的光学元件中，由于金属栅会吸收斜向光线，致使像素的量子效率(QE)下降，特别对于位于基板边缘区的像素来说更是如此。
因此，开发一种可提升量子效率(QE)并使彩色滤光片之间维持低串音干扰(串扰)的具有波导彩色滤光片(WGCF)结构的光学元件是众所期待的。
发明内容
根据本发明的一实施例，提供一种光学元件。该光学元件包括：一基板；复数个金属栅(metal grids)，形成于该基板上；一图案化有机层，形成于这些金属栅上；一彩色滤光片，为该图案化有机层所包围；以及一光收集层(light collection layer)，形成于该彩色滤光片与该基板之间，并为该图案化有机层所包围。值得注意的是，该光收集层的折射率高于该图案化有机层的折射率。
在部分实施例中，该图案化有机层的折射率介于1.2至1.5之间。在部分实施例中，该彩色滤光片为一蓝色滤光片或一绿色滤光片。在部分实施例中，该彩色滤光片包括一红色滤光片、一绿色滤光片、或一蓝色滤光片。在部分实施例中，该光收集层的折射率高于该彩色滤光片的折射率。在部分实施例中，该光收集层的折射率介于1.6至1.9之间。
在部分实施例中，该光收集层为一聚光结构。在部分实施例中，该光收集层的形状包括曲形、锥形、或多边形。在部分实施例中，当该光收集层的形状为曲形(弯曲形)、锥形、或多边形时，该光收集层的高度小于该彩色滤光片的高度的一半。在部分实施例中，当该光收集层的形状为曲形、锥形、或多边形时，该光收集层与该彩色滤光片接触的表面的宽度定义为一最大宽度。在部分实施例中，该光收集层的该最大宽度大于该彩色滤光片的宽度的四分之一以及小于或等于该彩色滤光片的宽度。在部分实施例中，当该光收集层的形状为曲形时，该光收集层的宽度随着远离该彩色滤光片的方向连续式地减小。在部分实施例中，当该光收集层的形状为锥形时，该光收集层的宽度随着远离该彩色滤光片的方向连续式地减小。在部分实施例中，当该光收集层的形状为多边形时，该光收集层的宽度随着远离该彩色滤光片的方向阶梯式地减小。
在部分实施例中，该光收集层包括复数个分离部，形成于该彩色滤光片上。在部分实施例中，该光收集层的两个相邻分离部之间的距离自该彩色滤光片的两侧至其中心沿一水平方向逐渐地减小。在部分实施例中，该光收集层的折射率自该光收集层的两侧至其中心沿一水平方向逐渐地增加。
在部分实施例中，本发明光学元件还包括一氧化层，覆盖该金属栅。在部分实施例中，本发明光学元件还包括一平坦层，形成于该图案化有机层与该彩色滤光片上。在部分实施例中，本发明光学元件还包括一抗反射层(anti-reflection layer)，形成于该平坦层上。
在本发明中，是将特殊的高折射率(例如折射率介于1.6至1.9之间)光收集层(light collection layer)设置于彩色滤光片与基板之间。本发明光收集层的折射率高于相邻材料的折射率。借助设置此特殊的光收集层，使得位于基板边缘区的蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片的量子效率(QE)峰值可因此分别提升至例如约3％及约1％。本发明具有光收集层的光学元件亦可使彩色滤光片之间维持低的串音干扰。此外，根据产品需求，可将光收集层设置于单一或多重像素中。光收集层可包括各种不同且适合的形状，例如曲形、锥形、多边形、或其他具有相同聚光效果的形状等。本发明光收集层必须具备特定尺寸，例如可将光收集层的高度设定为小于彩色滤光片的高度的一半，以及将光收集层与彩色滤光片接触的表面的宽度定义为最大宽度，且将光收集层的最大宽度予以限制，例如使其大于彩色滤光片的宽度的四分之一以及小于或等于彩色滤光片的宽度，以避免原本要进入相邻像素的光被目前像素中的光收集层吸收。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例，一种光学元件的剖面示意图；
图2是根据本发明的一实施例，一种光学元件的剖面示意图；
图3是根据本发明的一实施例，一种光学元件的剖面示意图；
图4是根据本发明的一实施例，一种光学元件的剖面示意图；
图5是根据本发明的一实施例，一种光学元件的剖面示意图；
图6是显示一种传统光学元件的量子效率(QE)光谱图；以及
图7是根据本发明的一实施例，显示一种光学元件的量子效率(QE)光谱图。
【附图标记说明】
10 光学元件
12 基板
14 金属栅
16 图案化有机层
18 彩色滤光片
18’ 彩色滤光片的两侧
18” 彩色滤光片的中心
20 光收集层
20’ 光收集层与彩色滤光片接触的表面/光收集层的两侧
20” 光收集层的中心
20a、20b、20c 光收集层具有不同折射率的区域
21 光收集层的分离部
22 氧化层
24 透明平坦层
26 抗反射层
28 远离彩色滤光片的方向
30 水平方向
Ds1、Ds2、Ds3 光收集层的两相邻分离部之间的距离
HCF 彩色滤光片的高度
HLC 光收集层的高度
WCF 彩色滤光片的宽度
WEST 光收集层的最大宽度
WLC 光收集层的宽度
WLCS 光收集层与彩色滤光片接触的表面的宽度
具体实施方式
请参阅图1，根据本发明的一实施例，提供一种光学元件10。图1为光学元件10的剖面示意图。
光学元件10包括基板12、金属栅(metal grids)14、图案化有机层16、彩色滤光片18、以及光收集层(light collection layer)20。金属栅14形成于基板12上。图案化有机层16形成于金属栅14上。彩色滤光片18为图案化有机层16所包围。光收集层20形成于彩色滤光片18与基板12之间，并为图案化有机层16所包围。值得注意的是，光收集层20的折射率高于图案化有机层16的折射率。此外，光收集层20为具备聚光效果的特定形状，如图1所示形状。
在部分实施例中，图案化有机层16的折射率介于约1.2至约1.5之间。在部分实施例中，彩色滤光片18为蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片。在部分实施例中，彩色滤光片18包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、或蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，光收集层20位于一种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于两种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于所有种类的彩色滤光片下方，例如，位于红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20的折射率高于彩色滤光片18的折射率。在部分实施例中，光收集层20的折射率介于约1.6至约1.9之间。有关光收集层20的特定结构与尺寸将详述于下。
在图1中，光收集层20为曲形(弯曲形)。光收集层20的高度HLC小于彩色滤光片18的高度HCF的一半。光收集层20与彩色滤光片18接触的表面20’的宽度WLCS定义为最大宽度WEST。在部分实施例中，光收集层20的最大宽度WEST大于彩色滤光片18的宽度WCF的四分之一以及小于或等于彩色滤光片18的宽度WCF。在图1中，光收集层20的最大宽度WEST大于彩色滤光片18的宽度WCF的四分之一以及等于彩色滤光片18的宽度WCF。光收集层20的宽度WLC随着远离彩色滤光片18的方向28连续式地减小。在部分实施例中，光收集层20包括其他具有聚光效果的适当形状。
在图1中，光学元件10还包括氧化层22，其覆盖金属栅14。氧化层22可作为金属栅14的保护层。光学元件10还包括透明平坦层(planarization layer)24，形成于图案化有机层16与彩色滤光片18上。光学元件10还包括抗反射层(anti-reflection layer)26，形成于透明平坦层24上。
请参阅图2，根据本发明的一实施例，提供一种光学元件10。图2为光学元件10的剖面示意图。
光学元件10包括基板12、金属栅(metal grids)14、图案化有机层16、彩色滤光片18、以及光收集层(light collection layer)20。金属栅14形成于基板12上。图案化有机层16形成于金属栅14上。彩色滤光片18为图案化有机层16所包围。光收集层20形成于彩色滤光片18与基板12之间，并为图案化有机层16所包围。值得注意的是，光收集层20的折射率高于图案化有机层16的折射率。此外，光收集层20为具备聚光效果的特定形状，如图2所示形状。
在部分实施例中，图案化有机层16的折射率介于约1.2至约1.5之间。在部分实施例中，彩色滤光片18为蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片。在部分实施例中，彩色滤光片18包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、或蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，光收集层20位于一种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于两种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于所有种类的彩色滤光片下方，例如，位于红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20的折射率高于彩色滤光片18的折射率。在部分实施例中，光收集层20的折射率介于约1.6至约1.9之间。有关光收集层20的特定结构与尺寸将详述于下。
在图2中，光收集层20为锥形。光收集层20的高度HLC小于彩色滤光片18的高度HCF的一半。光收集层20与彩色滤光片18接触的表面20’的宽度WLCS定义为最大宽度WEST。在部分实施例中，光收集层20的最大宽度WEST大于彩色滤光片18的宽度WCF的四分之一以及小于或等于彩色滤光片18的宽度WCF。在图2中，光收集层20的最大宽度WEST大于彩色滤光片18的宽度WCF的四分之一以及等于彩色滤光片18的宽度WCF。光收集层20的宽度WLC随着远离彩色滤光片18的方向28连续式地减小。在部分实施例中，光收集层20包括其他具有聚光效果的适当形状。
在图2中，光学元件10还包括氧化层22，其覆盖金属栅14。氧化层22可作为金属栅14的保护层。光学元件10还包括透明平坦层(planarization layer)24，形成于图案化有机层16与彩色滤光片18上。光学元件10还包括抗反射层(anti-reflection layer)26，形成于透明平坦层24上。
请参阅图3，根据本发明的一实施例，提供一种光学元件10。图3为光学元件10的剖面示意图。
光学元件10包括基板12、金属栅(metal grids)14、图案化有机层16、彩色滤光片18、以及光收集层(light collection layer)20。金属栅14形成于基板12上。图案化有机层16形成于金属栅14上。彩色滤光片18为图案化有机层16所包围。光收集层20形成于彩色滤光片18与基板12之间，并为图案化有机层16所包围。值得注意的是，光收集层20的折射率高于图案化有机层16的折射率。此外，光收集层20为具备聚光效果的特定形状，如图3所示形状。
在部分实施例中，图案化有机层16的折射率介于约1.2至约1.5之间。在部分实施例中，彩色滤光片18为蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片。在部分实施例中，彩色滤光片18包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、或蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，光收集层20位于一种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于两种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于所有种类的彩色滤光片下方，例如，位于红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20的折射率高于彩色滤光片18的折射率。在部分实施例中，光收集层20的折射率介于约1.6至约1.9之间。有关光收集层20的特定结构与尺寸将详述于下。
在图3中，光收集层20为多边形。光收集层20的高度HLC小于彩色滤光片18的高度HCF的一半。光收集层20与彩色滤光片18接触的表面20’的宽度WLCS定义为最大宽度WEST。在部分实施例中，光收集层20的最大宽度WEST大于彩色滤光片18的宽度WCF的四分之一以及小于或等于彩色滤光片18的宽度WCF。在图3中，光收集层20的最大宽度WEST大于彩色滤光片18的宽度WCF的四分之一以及小于彩色滤光片18的宽度WCF。光收集层20的宽度WLC随着远离彩色滤光片18的方向28阶梯式地减小。在部分实施例中，光收集层20包括其他具有聚光效果的适当形状。
在图3中，光学元件10还包括氧化层22，其覆盖金属栅14。氧化层22可作为金属栅14的保护层。光学元件10还包括透明平坦层(planarization layer)24，形成于图案化有机层16与彩色滤光片18上。光学元件10还包括抗反射层(anti-reflection layer)26，形成于透明平坦层24上。
请参阅图4，根据本发明的一实施例，提供一种光学元件10。图4为光学元件10的剖面示意图。
光学元件10包括基板12、金属栅(metal grids)14、图案化有机层16、彩色滤光片18、以及光收集层(light collection layer)20。金属栅14形成于基板12上。图案化有机层16形成于金属栅14上。彩色滤光片18为图案化有机层16所包围。光收集层20形成于彩色滤光片18与基板12之间，并为图案化有机层16所包围。值得注意的是，光收集层20的折射率高于图案化有机层16的折射率。此外，光收集层20为具备聚光效果的特定形状，如图4所示形状。
在部分实施例中，图案化有机层16的折射率介于约1.2至约1.5之间。在部分实施例中，彩色滤光片18为蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片。在部分实施例中，彩色滤光片18包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、或蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，光收集层20位于一种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于两种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于所有种类的彩色滤光片下方，例如，位于红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20的折射率高于彩色滤光片18的折射率。在部分实施例中，光收集层20的折射率介于约1.6至约1.9之间。有关光收集层20的特定结构与尺寸将详述于下。
在图4中，光收集层20包括多个分离部21，形成于彩色滤光片18上。光收集层20的两相邻分离部21之间的距离(例如Ds1、Ds2、Ds3)从相对应的彩色滤光片18的两侧18’至其中心18”沿水平方向30逐渐地减小，例如距离Ds3大于距离Ds2，距离Ds2大于距离Ds1。在部分实施例中，光收集层20包括其他具有聚光效果的适当形状。
在图4中，光学元件10还包括氧化层22，其覆盖金属栅14。氧化层22可作为金属栅14的保护层。光学元件10还包括透明平坦层(planarization layer)24，形成于图案化有机层16与彩色滤光片18上。光学元件10还包括抗反射层(anti-reflection layer)26，形成于透明平坦层24上。
请参阅图5，根据本发明的一实施例，提供一种光学元件10。图5为光学元件10的剖面示意图。
光学元件10包括基板12、金属栅(metal grids)14、图案化有机层16、彩色滤光片18、以及光收集层(light collection layer)20。金属栅14形成于基板12上。图案化有机层16形成于金属栅14上。彩色滤光片18为图案化有机层16所包围。光收集层20形成于彩色滤光片18与基板12之间，并为图案化有机层16所包围。值得注意的是，光收集层20的折射率高于图案化有机层16的折射率。此外，光收集层20为具备聚光效果的特定形状，如图5所示形状。
在部分实施例中，图案化有机层16的折射率介于约1.2至约1.5之间。在部分实施例中，彩色滤光片18为蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片。在部分实施例中，彩色滤光片18包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、或蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，光收集层20位于一种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片或绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于两种彩色滤光片下方，例如，位于蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20位于所有种类的彩色滤光片下方，例如，位于红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片下方。在部分实施例中，光收集层20的折射率高于彩色滤光片18的折射率。在部分实施例中，光收集层20的折射率介于约1.6至约1.9之间。有关光收集层20的特定结构将详述于下。
在图5中，光收集层20包括多个具有不同折射率的区域(20a、20b、20c)。区域20a、区域20b、区域20c从光收集层20的中心20”至其两侧20’呈对称分布。而光收集层20的折射率从光收集层20的两侧20’至其中心20”沿水平方向30逐渐地增加，也就是，在光收集层20中，区域20a的折射率大于区域20b的折射率，区域20b的折射率大于区域20c的折射率。在部分实施例中，光收集层20包括其他具有聚光效果的适当形状。
在图5中，光学元件10还包括氧化层22，其覆盖金属栅14。氧化层22可作为金属栅14的保护层。光学元件10还包括透明平坦层(planarization layer)24，形成于图案化有机层16与彩色滤光片18上。光学元件10还包括抗反射层(anti-reflection layer)26，形成于透明平坦层24上。
实施例1
光学元件量子效率(QE)光谱的提升
在本实施例中，藉由在光学元件中设置特殊光收集层(light collection layer)的方式已确认可提升彩色滤光片的量子效率(quantum efficiency，QE)，特别是可提升位于基板边缘区的蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片的量子效率。首先，请参阅图6，曲线A显示位于基板中心区的红色(R)/绿色(G)/蓝色(B)滤光片的量子效率光谱，而曲线B显示位于基板边缘区的红色(R)/绿色(G)/蓝色(B)滤光片的量子效率光谱。明显可看出，位于基板边缘区的蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片的量子效率峰值会下降。
接着，请参阅图7，曲线C显示本发明光学元件(包含如图1所示的特殊光收集层)位于基板边缘区的红色(R)/绿色(G)/蓝色(B)滤光片的量子效率光谱，而曲线D显示未设置光收集层的光学元件其位于基板边缘区的红色(R)/绿色(G)/蓝色(B)滤光片的量子效率光谱。由本发明包含如图1所示的特殊光收集层的光学元件所建立的量子效率光谱(曲线C)显示其蓝色(B)滤光片的量子效率峰值较曲线D的蓝色(B)滤光片的量子效率峰值大幅提升约3％，而绿色(G)滤光片的量子效率峰值亦较曲线D的绿色(G)滤光片的量子效率峰值提升约1％。此外，曲线C的量子效率光谱亦显示其彩色滤光片之间具有低的串音(cross-talk)干扰。
在本发明中，是将特殊的高折射率(例如折射率介于1.6至1.9之间)光收集层(light collection layer)设置于彩色滤光片与基板之间。本发明光收集层的折射率高于相邻材料的折射率。通过设置此特殊的光收集层，使得位于基板边缘区的蓝色(B)滤光片与绿色(G)滤光片的量子效率(QE)峰值可因此分别提升至例如约3％及约1％。本发明具有光收集层的光学元件亦可使彩色滤光片之间维持低的串音干扰。此外，根据产品需求，可将光收集层设置于单一或多重像素中。光收集层可包括各种不同且适合的形状，例如曲形、锥形、多边形、或其他具有相同聚光效果的形状等。本发明光收集层必须具备特定尺寸，例如可将光收集层的高度设定小于彩色滤光片的高度的一半，以及将光收集层与彩色滤光片接触的表面的宽度定义为最大宽度，且将光收集层的最大宽度予以限制，例如使其大于彩色滤光片的宽度的四分之一以及小于或等于彩色滤光片的宽度，以避免原本要进入相邻像素的光被目前像素中的光收集层吸收。
上述实施例的特征有利于本技术领域中的一般技术人员理解本发明。本技术领域中的一般技术人员应理解可采用本发明作基础，设计并改变其他工艺与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本技术领域中的一般技术人员亦应理解，这些等效置换并未脱离本发明的精神与范畴，并可在未脱离本发明的精神与范畴的前提下进行改变、替换、或更动。

Claims (9)

1.一种光学元件，包括：
一基板；
多个金属栅，形成于该基板上；
一图案化有机层，形成于所述多个金属栅上；
一彩色滤光片，为该图案化有机层所包围；以及
一光收集层，形成于该彩色滤光片与该基板之间，并为该图案化有机层所包围，其中该光收集层的折射率高于该图案化有机层的折射率，且该光收集层为一聚光结构，其形状包括曲形、锥形、或多边形，且该光收集层的高度小于该彩色滤光片的高度的一半。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中该图案化有机层的折射率介于1.2至1.5之间，该光收集层的折射率高于该彩色滤光片的折射率，该光收集层的折射率介于1.6至1.9之间，以及该光收集层与该彩色滤光片接触的表面的宽度定义为一最大宽度。
3.如权利要求2所述的光学元件，其中该光收集层的该最大宽度大于该彩色滤光片的宽度的四分之一以及小于或等于该彩色滤光片的宽度。
4.如权利要求2所述的光学元件，其中当该光收集层的形状为曲形时，该光收集层的宽度沿着远离该彩色滤光片的方向连续式地减小。
5.如权利要求2所述的光学元件，其中当该光收集层的形状为锥形时，该光收集层的宽度沿着远离该彩色滤光片的方向连续式地减小。
6.如权利要求2所述的光学元件，其中当该光收集层的形状为多边形时，该光收集层的宽度沿着远离该彩色滤光片的方向阶梯式地减小。
7.如权利要求1所述的光学元件，其中该光收集层包括多个分离部，所述多个分离部形成于该彩色滤光片上，且该光收集层的两个相邻的分离部之间的距离自该彩色滤光片的两侧至其中心沿一水平方向逐渐地减小。
8.如权利要求2所述的光学元件，其中该光收集层的折射率自该光收集层的两侧至其中心沿一水平方向逐渐地增加。
9.如权利要求1所述的光学元件，还包括氧化层、一平坦层、以及一抗反射层，其中所述氧化层覆盖所述金属栅，该平坦层形成于该图案化有机层与该彩色滤光片上，以及该抗反射层形成于该平坦层上。
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