CN111413758B - 光学元件 - Google Patents

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CN111413758B CN201910646089.1A CN201910646089A CN111413758B CN 111413758 B CN111413758 B CN 111413758B CN 201910646089 A CN201910646089 A CN 201910646089A CN 111413758 B CN111413758 B CN 111413758B
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Abstract

本公开提供一种光学元件。该光学元件包括一基板；多个彩色滤光片，形成于该基板上；以及多个间隔物，形成于所述多个彩色滤光片之间。每一间隔物具有一第一侧壁与一第二侧壁，该第二侧壁相对于该第一侧壁。每一间隔物的该第一侧壁与该基板的该上表面的一法线之间形成一第一角度。每一间隔物的该第二侧壁与该基板的该上表面的该法线之间形成一第二角度。该第一角度与该第二角度至少其中之一朝向该基板的边缘逐渐递增。

Description

光学元件
技术领域
本发明涉及一种光学元件，特别涉及一种具有倾斜低折射率栅的光学元件。
背景技术
在具有复合金属栅(composite metal grid，CMG)结构的光学元件中，于彩色滤光片上，是需要设置微透镜的。而在具有波导彩色滤光片(waveguide 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层取代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，致像素的量子效率(QE)下降，特别对于位在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，且不须于边缘像素中导入偏移设计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；多个彩色滤光片，形成于该基板上；以及多个间隔物，形成于所述多个彩色滤光片之间。每一间隔物具有一第一侧壁与一第二侧壁，该第二侧壁相对于该第一侧壁。每一间隔物的该第一侧壁与该基板的该上表面的一法线之间形成一第一角度。每一间隔物的该第二侧壁与该基板的该上表面的该法线之间形成一第二角度。该第一角度与该第二角度至少其中之一朝向该基板的边缘逐渐递增。
在部分实施例中，该基板包括一中心区、一中间区、以及一边缘区，该中间区位于该中心区与该边缘区之间。
在部分实施例中，于该中心区内，该第一角度与该第二角度为0度。在部分实施例中，于该中间区内，该第一角度大于0度，该第二角度为0度。在部分实施例中，于该中间区内，该第一角度大于或等于8度，且小于或等于16度。在部分实施例中，该边缘区内的该第一角度大于该中间区内的该第一角度，且于该边缘区内，该第二角度为0度。在部分实施例中，于该边缘区内，该第一角度大于16度，且小于或等于30度。
在部分实施例中，于该中间区内，该第一角度与该第二角度相等。在部分实施例中，于该中间区内，该第一角度与该第二角度大于0度。在部分实施例中，于该中间区内，该第一角度与该第二角度大于或等于8度，且小于或等于16度。在部分实施例中，该边缘区内的该第一角度大于该中间区内的该第一角度，且该边缘区内的该第二角度大于该中间区内的该第二角度。在部分实施例中，于该边缘区内，该第一角度与该第二角度大于16度，且小于或等于30度。
在部分实施例中，该间隔物的折射率介于1.2至1.5之间。在部分实施例中，本发明光学元件还包括一第一高折射率材料层，形成于所述多个彩色滤光片与所述多个间隔物上。在部分实施例中，本发明光学元件还包括一平坦层(planarization layer)，形成于该第一高折射率材料层上。在部分实施例中，本发明光学元件还包括一抗反射层，形成于该平坦层上。在部分实施例中，本发明光学元件还包括一第二高折射率材料层，形成于该第一高折射率材料层与该平坦层之间。在部分实施例中，每一彩色滤光片的折射率大于该第一高折射率材料层的折射率，该第一高折射率材料层的该折射率大于该第二高折射率材料层的折射率，该第二高折射率材料层的该折射率大于该平坦层的折射率，以及该平坦层的该折射率大于该抗反射层的折射率。
在本发明中，通过调整间隔物(也就是，低折射率栅)单一侧壁的倾斜角度，使间隔物的倾斜角度自基板的中心区至边缘区逐渐递增，可使位于基板边缘区的间隔物的倾斜角度足够大而提供一最佳波导效应，提升位于基板边缘区像素的量子效率(QE)(也就是，提升大角度入射光的光学效率响应(optical efficiency response))。
同样地，通过同时调整间隔物双侧壁的倾斜角度，使间隔物的倾斜角度自基板的中心区至边缘区逐渐递增，可使位于基板边缘区的间隔物的倾斜角度足够大而提供一最佳波导效应，提升位于基板边缘区像素的量子效率(QE)。
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，显示一种光学元件中具有不同倾斜实施方式的低折射率间隔物与量子效率(QE)的关系；
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，显示一种光学元件中具有不同倾斜实施方式的低折射率间隔物与量子效率(QE)的关系；
图5是根据本发明的一实施例，一种光学元件结构单元的剖面示意图；以及
图6是根据本发明的一实施例，一种光学元件结构单元的剖面示意图。
附图标记说明：
10 光学元件
10’ 光学元件的结构单元
12 基板
12’ 基板的边缘
12a 基板的中心区
12b 基板的中间区
12c 基板的边缘区
14、14a、14b、14c 彩色滤光片
16、16a、16b、16c 间隔物
18 法线
20 (第一)高折射率材料层
22 平坦层
24 抗反射层
26 (第二)高折射率材料层
B 曲线(以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的蓝色滤光片其不同的量子效率数据)
G 曲线(以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的绿色滤光片其不同的量子效率数据)
R 曲线(以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的红色滤光片其不同的量子效率数据)
S 基板的上表面
S1 第一侧壁
S2 第二侧壁
θ 角度
θ1 第一角度
θ2 第二角度
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、多个彩色滤光片(14a、14b、14c)、以及多个间隔物(16a、16b、16c)。基板12具有中心区12a、中间区12b、以及边缘区12c。中间区12b位于中心区12a与边缘区12c之间。彩色滤光片(14a、14b、14c)形成于基板12上。间隔物(16a、16b、16c)(也就是，低折射率栅，low-refractive-index grids(LNG))形成于彩色滤光片(14a、14b、14c)之间。每一间隔物(16a、16b、16c)具有第一侧壁S1与第二侧壁S2，第二侧壁S2相对于第一侧壁S1。每一间隔物(16a、16b、16c)的第一侧壁S1与基板12的上表面S的法线18之间形成第一角度θ1。每一间隔物(16a、16b、16c)的第二侧壁S2与基板12的上表面S的法线18之间形成第二角度(未图示)。值得注意的是，第一角度θ1朝向基板12的边缘12’逐渐递增，而在中心区12a、中间区12b、以及边缘区12c内，第二角度(未图示)为0度。
在部分实施例中，彩色滤光片(14a、14b、14c)包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，间隔物(16a、16b、16c)的折射率大约介于1.2至1.5之间。
在部分实施例中，自基板12的中心区12a至边缘区12c，第一角度θ1大约介于0度至30度。在部分实施例中，于基板12的中心区12a内，第一角度θ1大约为0度。在部分实施例中，于基板12的中间区12b内，第一角度θ1大于0度，例如，约大于或等于8度且约小于或等于16度。在部分实施例中，于基板12的边缘区12c内，第一角度θ1约大于16度且约小于或等于30度。
在图1中，间隔物(16a、16b、16c)的倾斜实施方式可视为低折射率栅(LNG)的单侧壁倾斜。
在部分实施例中，不同角度的入射光分别对应基板12的中心区12a、中间区12b、以及边缘区12c，例如，0度角的入射光对应中心区12a，15度角的入射光对应中间区12b，30度角的入射光对应边缘区12c。
图2显示当入射光为30度时，一种光学元件中具有不同倾斜实施方式(也就是，不同低折射率栅(LNG)倾角)的间隔物(也就是，低折射率材料层或低折射率栅(LNG))与量子效率(QE)数据的关系。
在图2中，曲线G显示以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的绿色滤光片其不同的量子效率(QE)数据，曲线R显示以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的红色滤光片其不同的量子效率(QE)数据，曲线B显示以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的蓝色滤光片其不同的量子效率(QE)数据。
在曲线G中，当包围绿色滤光片的间隔物未倾斜时，绿色滤光片的量子效率值仅大约0.66，此时，大部分的斜向光为金属栅所吸收并漏至邻近像素，然而，随着包围绿色滤光片的间隔物倾斜角度的增加，绿色滤光片的量子效率值亦增加(也就是，更多的斜向光定位在目前像素中并减少了对相邻像素的漏光)，例如，当包围绿色滤光片的间隔物倾斜大约5度时，绿色滤光片的量子效率值可提升至大约0.70。同样地，当包围绿色滤光片的间隔物倾斜大约25度时，绿色滤光片的量子效率值亦可提升至大约0.70。此外，值得注意的是，当包围绿色滤光片的间隔物倾斜大约16度时，绿色滤光片的量子效率值可提升至大约0.75。因此，当入射光为30度时(也就是，对应位于基板边缘区的像素)，若包围绿色滤光片的间隔物倾斜大约16度，则绿色滤光片可达到最大的量子效率。
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、多个彩色滤光片(14a、14b、14c)、以及多个间隔物(16a、16b、16c)。基板12具有中心区12a、中间区12b、以及边缘区12c。中间区12b位于中心区12a与边缘区12c之间。彩色滤光片(14a、14b、14c)形成于基板12上。间隔物(16a、16b、16c)(也就是，低折射率栅，low-refractive-index grids(LNG))形成于彩色滤光片(14a、14b、14c)之间。每一间隔物(16a、16b、16c)具有第一侧壁S1与第二侧壁S2，第二侧壁S2相对于第一侧壁S1。每一间隔物(16a、16b、16c)的第一侧壁S1与基板12的上表面S的法线18之间形成第一角度θ1。每一间隔物(16a、16b、16c)的第二侧壁S2与基板12的上表面S的法线18之间形成第二角度θ2。值得注意的是，第一角度θ1以及第二角度θ2朝向基板12的边缘12’逐渐递增。
在部分实施例中，彩色滤光片(14a、14b、14c)包括红色(R)滤光片、绿色(G)滤光片、以及蓝色(B)滤光片。在部分实施例中，间隔物(16a、16b、16c)的折射率大约介于1.2至1.5之间。
在部分实施例中，自基板12的中心区12a至边缘区12c，第一角度θ1以及第二角度θ2大约介于0度至30度。在部分实施例中，于基板12的中心区12a内，第一角度θ1以及第二角度θ2大约为0度。在部分实施例中，于基板12的中间区12b内，第一角度θ1以及第二角度θ2相等。在部分实施例中，于基板12的中间区12b内，第一角度θ1以及第二角度θ2大于0度，例如，约大于或等于8度且约小于或等于16度。在部分实施例中，于基板12的边缘区12c内，第一角度θ1以及第二角度θ2相等。在部分实施例中，于基板12的边缘区12c内，第一角度θ1以及第二角度θ2约大于16度且约小于或等于30度。
在图3中，间隔物(16a、16b、16c)的倾斜实施方式可视为低折射率栅(LNG)的双侧壁倾斜。
在部分实施例中，不同角度的入射光分别对应基板12的中心区12a、中间区12b、以及边缘区12c，例如，0度角的入射光对应中心区12a，15度角的入射光对应中间区12b，30度角的入射光对应边缘区12c。
图4显示当入射光分别为0度与30度时，一种光学元件中具有不同倾斜实施方式(也就是，不同低折射率栅(LNG)倾角)的间隔物与量子效率(QE)数据的关系。
在图4中，曲线G显示以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的绿色滤光片其不同的量子效率(QE)数据，曲线R显示以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的红色滤光片其不同的量子效率(QE)数据，曲线B显示以具有不同倾斜实施方式的间隔物所包围的蓝色滤光片其不同的量子效率(QE)数据。
在曲线G中，当入射光为0度时，绿色滤光片的量子效率值大约为0.78。当入射光为30度，而包围绿色滤光片的间隔物未倾斜时，绿色滤光片的量子效率值会下降至大约0.66，此时，大部分的斜向光为金属栅所吸收并漏至邻近像素。当入射光为30度，而包围绿色滤光片的间隔物其单一侧壁倾斜大约16度时(也就是，低折射率栅的单侧壁倾斜)，绿色滤光片的量子效率值可提升至大约0.72。且随着包围绿色滤光片的间隔物其倾斜侧壁数量的增加，绿色滤光片的量子效率值亦增加(也就是，更多的斜向光定位在目前像素中并减少了对相邻像素的漏光)，例如，当入射光为30度时，而包围绿色滤光片的间隔物其双侧壁同时倾斜大约16度时(也就是，低折射率栅的双侧壁倾斜)，绿色滤光片的量子效率值可提升至大约0.78，其值已近似入射光为0度时的程度。因此，当入射光为30度时(也就是，对应位于基板边缘区的像素)，若包围绿色滤光片的间隔物其双侧壁同时倾斜大约16度，则绿色滤光片可达到最大的量子效率。
请参阅图5，根据本发明的一实施例，提供一种如图3所示光学元件10的结构单元10’。图5为结构单元10’的剖面示意图。
作为举例说明的结构单元10’位于基板12的边缘区12c。结构单元10’包括基板12、彩色滤光片14、间隔物16、高折射率材料层20、平坦层(planarization layer)22、以及抗反射层(anti-reflection layer)24。彩色滤光片14形成于基板12上。间隔物16具有第一侧壁S1与第二侧壁S2，第二侧壁S2相对于第一侧壁S1。间隔物16的第一侧壁S1或第二侧壁S2与基板12的法线18之间形成角度θ。间隔物16与彩色滤光片14相邻。高折射率材料层20形成于彩色滤光片14与间隔物16上。平坦层22形成于高折射率材料层20上。抗反射层24形成于平坦层22上。
在部分实施例中，彩色滤光片14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，间隔物16的折射率大约介于1.2至1.5之间。
在部分实施例中，于基板12的边缘区12c内，间隔物16的第一侧壁S1或第二侧壁S2与基板12的法线18之间的角度θ约大于16度且约小于或等于30度。
在部分实施例中，彩色滤光片14的折射率大于高折射率材料层20的折射率，高折射率材料层20的折射率大于平坦层22的折射率，以及平坦层22的折射率大于抗反射层24的折射率。在部分实施例中，位于红色(R)滤光片14上的高折射率材料层20的折射率大于位于绿色(G)滤光片14上的高折射率材料层20的折射率，位于绿色(G)滤光片14上的高折射率材料层20的折射率大于位于蓝色(B)滤光片14上的高折射率材料层20的折射率。于上述情况下，包围红色(R)滤光片14、绿色(G)滤光片14、以及蓝色(B)滤光片14的间隔物16具有相同的倾斜角度θ。可通过在彩色滤光片14上设置高折射率材料层20来减少包围红色(R)滤光片14、绿色(G)滤光片14、以及蓝色(B)滤光片14的间隔物16的倾斜角度θ。
在部分实施例中，具有30度角的入射光对应边缘区12c。
请参阅图6，根据本发明的一实施例，提供一种如图3所示光学元件10的结构单元10’。图6为结构单元10’的剖面示意图。
作为举例说明的结构单元10’位于基板12的边缘区12c。结构单元10’包括基板12、彩色滤光片14、间隔物16、第一高折射率材料层20、第二高折射率材料层26、平坦层22、以及抗反射层24。彩色滤光片14形成于基板12上。间隔物16具有第一侧壁S1与第二侧壁S2，第二侧壁S2相对于第一侧壁S1。间隔物16的第一侧壁S1或第二侧壁S2与基板12的法线18之间形成角度θ。间隔物16与彩色滤光片14相邻。第一高折射率材料层20形成于彩色滤光片14与间隔物16上。第二高折射率材料层26形成于第一高折射率材料层20上。平坦层22形成于第二高折射率材料层26上。抗反射层24形成于平坦层22上。
在部分实施例中，彩色滤光片14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，间隔物16的折射率大约介于1.2至1.5之间。
在部分实施例中，于基板12的边缘区12c内，间隔物16的第一侧壁S1或第二侧壁S2与基板12的法线18之间的角度θ约大于16度且约小于或等于30度。
在部分实施例中，彩色滤光片14的折射率大于第一高折射率材料层20的折射率，第一高折射率材料层20的折射率大于第二高折射率材料层26的折射率，第二高折射率材料层26的折射率大于平坦层22的折射率，以及平坦层22的折射率大于抗反射层24的折射率。在部分实施例中，位于红色(R)滤光片14上的第一高折射率材料层20的折射率大于位于绿色(G)滤光片14上的第一高折射率材料层20的折射率，位于绿色(G)滤光片14上的第一高折射率材料层20的折射率大于位于蓝色(B)滤光片14上的第一高折射率材料层20的折射率。于上述情况下，包围红色(R)滤光片14、绿色(G)滤光片14、以及蓝色(B)滤光片14的间隔物16具有相同的倾斜角度θ。可通过在彩色滤光片14上设置第一高折射率材料层20以及第二高折射率材料层26来减少包围红色(R)滤光片14、绿色(G)滤光片14、以及蓝色(B)滤光片14的间隔物16的倾斜角度θ。
在部分实施例中，具有30度角的入射光对应边缘区12c。
在本发明中，通过调整间隔物(也就是，低折射率栅)单一侧壁的倾斜角度，使间隔物的倾斜角度自基板的中心区至边缘区逐渐递增，可使位于基板边缘区的间隔物的倾斜角度足够大而提供一最佳波导效应，提升位于基板边缘区像素的量子效率(QE)(也就是，提升大角度入射光的光学效率响应(optical efficiency response))。
同样地，通过同时调整间隔物双侧壁的倾斜角度，使间隔物的倾斜角度自基板的中心区至边缘区逐渐递增，可使位于基板边缘区的间隔物的倾斜角度足够大而提供一最佳波导效应，提升位于基板边缘区像素的量子效率(QE)。
上述实施例的特征有利于本技术领域中技术人员理解本发明。本技术领域中技术人员应理解可采用本发明作基础，设计并变化其他制程与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本技术领域中技术人员亦应理解，这些等效置换并未脱离本发明精神与范围，并可在未脱离本发明的精神与范围的前提下进行改变、替换、或变动。

Claims (6)

1.一种光学元件，包括：
一基板，具有一上表面，该基板包括一中心区、一中间区、以及一边缘区，该中间区位于该中心区与该边缘区之间；
多个彩色滤光片，形成于该基板上；以及
多个间隔物，形成于所述多个彩色滤光片之间，每一间隔物具有一第一侧壁与一第二侧壁，该第二侧壁相对于该第一侧壁，该第二侧壁较该第一侧壁邻近该基板的边缘，
其中每一间隔物的该第一侧壁与该基板的该上表面的一法线之间形成一第一角度，以及每一间隔物的该第二侧壁与该基板的该上表面的该法线之间形成一第二角度，
其中该第一角度从该中心区朝向该边缘区逐渐递增，该第二角度为0度。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中于该中心区内，该第一角度为0度，以及该间隔物的折射率介于1.2至1.5之间。
3.如权利要求2所述的光学元件，其中于该中间区内，该第一角度大于或等于8度，且小于或等于16度，该第二角度为0度。
4.如权利要求3所述的光学元件，其中于该边缘区内，该第一角度大于16度，且小于或等于30度，该第二角度为0度。
5.如权利要求1所述的光学元件，还包括一第一高折射率材料层、一平坦层、一抗反射层、以及一第二高折射率材料层，其中该第一高折射率材料层形成于所述多个彩色滤光片与所述多个间隔物上，该平坦层形成于该第一高折射率材料层上，该抗反射层形成于该平坦层上，以及该第二高折射率材料层形成于该第一高折射率材料层与该平坦层之间。
6.如权利要求5所述的光学元件，其中每一彩色滤光片的折射率大于该第一高折射率材料层的折射率，该第一高折射率材料层的该折射率大于该第二高折射率材料层的折射率，该第二高折射率材料层的该折射率大于该平坦层的折射率，以及该平坦层的该折射率大于该抗反射层的折射率。
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