CN113359220A

CN113359220A - 一种基于三维环状结构的光谱滤光片及应用

Info

Publication number: CN113359220A
Application number: CN202110649124.2A
Authority: CN
Inventors: 何欣; 刘旭; 郝翔
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2041-06-10
Also published as: CN113359220B

Abstract

本发明公开了一种基于三维环状结构的光谱滤光片及应用，该光谱滤光片由上至下依次为保护层、三维环状结构和衬底；保护层和衬底在光谱滤光片的工作波长具有高透射性；通过改变环的宽度、环间隙的大小、环的数量、每层环的厚度、环的材料，调整光谱曲线。本发明的优点是其光学特性完全独立于所有不同偏振方向的线偏振光，以及两个或多个可正交分解的非线偏振光；且制作本发明的光谱滤光片阵列无需套刻技术，生产成本较低。

Description

一种基于三维环状结构的光谱滤光片及应用

技术领域

本发明属于成像设备、光学器件领域，涉及一种基于三维环状结构的光谱滤光片及其应用。

背景技术

光谱滤光片作为一种可用于选取所需波段的光谱被广泛应用到各类成像设备(如照相机、显示器)、各种光电传感器(如信号分离器)、太阳能电池、彩色全息显示器、增强现实显示器等领域中。目前大多数滤光片是通过染色或镀膜技术进行制作的，其优点是尺寸可以做的很大，缺点是受限于材料。比如染色所用的染料或薄膜所用的靶材均需是在自然界可找到的。而且使用该技术制作可集成于图像传感器的滤光片阵列时，需要用到微纳米套刻技术，工艺十分复杂，生产成本高。且如果在制作某一个滤光器过程中出现问题，将会导致整个滤光器阵列的报废。基于超表面微纳米结构的滤光片，其原理可以是等离子体光子学、光子晶体等，由于其特征尺寸远远小于设计波长，虽然使用的仍是自然界能找到的材料，但通过改变微纳米结构的形状、大小等参数可实现对入射光偏振、相位、振幅等特性的调控，产生传统材料无法实现的功能。现有的采用超表面微纳米结构设计制作的滤光片，都有一个共同的缺点，其光学特性不能完全独立于不同偏振角度的入射光，即在不同偏振角度的入射光下，其光谱曲线会发生变化。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于三维环状结构的光谱滤光片，由于其沿着x-y平面中的任意方向对称的结构特点，该光谱滤光片的光学特性可以实现完全独立于所有偏振方向的线偏振光及任意两个或多个可正交分解的非线偏振光。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本说明书的第一方面，提供一种基于三维环状结构的光谱滤光片，该光谱滤光片由上至下依次为保护层、三维环状结构和衬底；

所述保护层和衬底在光谱滤光片的工作波长具有高透射性；

所述环状结构由一层或若干层同心圆环组成，同一层的相邻两个圆环至少有一个是非金属材料，对于同一个圆环的相邻两层至少有一层是非金属材料；

通过改变环的宽度、环间隙的大小、环的数量、每层环的厚度、环的材料，调整光谱曲线，具体为：在金属与非金属之间产生等离子体并发生特定波长的共振耦合，或基于法布里珀罗原理产生特定的光谱曲线；在非金属与非金属之间产生光子晶体效应。

进一步地，所述保护层和衬底在光谱滤光片的工作波长的透射性通常大于60％，材料选自二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、氧化铝、氟化钙、氟化镁、硒化锌、硅、锗等；所述衬底可以采用石英或BK7形式的二氧化硅，所述保护层可以采用参杂或未参杂的旋涂式玻璃形式的二氧化硅。

进一步地，该光谱滤光片基于三维环状结构，对于任意偏振角度的线偏振光，和任意两个及多个成正交分解的非线偏振光，不会发生光谱变化，从而实现偏振完全不敏感。

进一步地，该光谱滤光片通过采用不同材料的衬底，其工作波长的范围为紫外线到无线电波。

进一步地，通过调整保护层的厚度及材料，进一步调整光谱曲线。

进一步地，所述光谱曲线的特征包括：透射光谱曲线的带宽大小、透射率的高低及多个波谷波峰的位置。

进一步地，所述三维环状结构中，每一层不同圆环的材料可以不同，宽度可以不同；同一圆环的不同层的材料可以不同，厚度可以不同。

根据本说明书的第二方面，提供一种显示器，包括上述基于三维环状结构的光谱滤光片。

根据本说明书的第三方面，提供一种成像设备，包括上述基于三维环状结构的光谱滤光片。

根据本说明书的第四方面，提供一种信号分离器或解复用器，包括上述基于三维环状结构的光谱滤光片。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

1.本发明光谱滤光片基于三维环状结构，对于任意偏振角度的线偏振光，和任意两个及多个成正交分解的非线偏振光，不会发生光谱变化，从而实现偏振完全不敏感；

2.本发明的光谱滤光片阵列的制作无需套刻技术，生产成本较低。

附图说明

图1为以三层环为例的基于三维环状结构的光谱滤光片示例1；

图2为以三层环为例的基于三维环状结构的光谱滤光片示例2；

图3为图1俯视图，每一层不同圆环的材料可以不同，宽度可以不同；

图4为图2俯视图，同一圆环不同层的材料可以不同，厚度可以不同；

图5为本发明实施例中光谱滤光片在0、45、90、135、180度线偏振光下的透射光谱曲线；

图6为本发明实施例中光谱滤光片在任意两个成正交分解的非线偏振光下的透射光谱曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明实施例提供一种基于三维环状结构的光谱滤光片，由上至下依次为保护层、三维环状结构和衬底；所述保护层和衬底在光谱滤光片的工作波长具有高透射性。

首先，根据工作波长选择合适的常见衬底，材料可以选自：二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、氧化铝、氟化钙、氟化镁、硒化锌、硅、锗等，衬底可以采用石英或BK7形式的二氧化硅；所述环状结构由一层或若干层同心圆环组成，同一层的相邻两个圆环至少有一个是非金属材料，对于同一个圆环的相邻两层至少有一层是非金属材料；通过改变环的宽度、环间隙的大小、环的数量、每层环的厚度、环的材料，调整光谱曲线，具体为：在金属与非金属之间产生等离子体并发生特定波长的共振耦合，或基于法布里珀罗原理产生特定的光谱曲线；在非金属与非金属之间产生光子晶体效应。

其次，关于尺寸大小，其特征尺寸应不大于工作波长的五分之一。特征尺寸指下列参数中的最小尺寸参数，即环状结构中环形的大小、环与环之间间隙大小、每层环的厚度。

最后，在上述结构的最上方镀上保护层，其材料选择为二氧化钛、二氧化硅(包括参杂或未参杂的旋涂式玻璃)、氧化铝、硫化锌、氟化钙、硒化锌、氟化镁、硅、锗等。通过调整保护层的厚度及材料，进一步调整光谱曲线。

如图1-4所示，给出了以三层环为例的基于三维环状结构的光谱滤光片的两种具体结构。每一层不同圆环的材料可以不同，宽度可以不同；同一圆环的不同层的材料可以不同，厚度可以不同。

本发明实施例通过使用多物理场仿真软件COMSOL设计三维结构并模拟真实场景下的物理现象，具体设计过程如下：

1、建立几何图形；

2、设定结构所用的材料；

3、设定边界条件，在超材料结构的周围设定完美匹配层，同时在其上下两面设定入射和出射条件；

4、用网格对模型进行分割；

5、设定工作波长实施仿真。

本发明实施例的基于三维环状结构的光谱滤光片的制作过程如下：

1、对于导电衬底，如硅、锗等，采用自上向下加工工艺：首先在衬底上根据结构镀上多层薄膜和光刻胶，使用电子束或光刻机光刻的方法在光刻胶上直写结构，再使用离子法刻蚀机或化学刻蚀法将环状结构转移到薄膜层，最后洗去光刻胶，镀上保护层；

2、对于导电性不好的衬底，如石英、二氧化硅、BK7、硫化锌、氧化铝、氟化钙、氟化镁、硒化锌等，采用自下向上加工工艺：首先在衬底上镀上光刻胶，再在光刻胶上镀上一层薄金属如铬、铝、铜、金、银、钛、铂或导电胶，使用电子束或光刻机光刻的方法在光刻胶上直写结构，使用腐蚀剂或酸剂移除金属层，或用水移除导电胶，在完成显影之后的样品上，镀上一层或多层薄膜，最后移除光刻胶、镀上保护层。

图5为本发明实施例中光谱滤光片在0、45、90、135、180度线偏振光下的透射光谱曲线，5个角度的透射光谱曲线完全重合。

图6为本发明实施例中光谱滤光片在任意两个成正交分解的非线偏振光下的透射光谱曲线，透射光谱曲线完全重合。

本发明光谱滤光片对于任意偏振角度的线偏振光，和任意两个及多个成正交分解的非线偏振光，不会发生光谱变化，从而实现偏振完全不敏感。

在一个实施例中，提出了一种显示器，包括上述基于三维环状结构的光谱滤光片。

在一个实施例中，提出了一种成像设备，包括上述基于三维环状结构的光谱滤光片。

在一个实施例中，提出了一种信号分离器或解复用器，包括上述基于三维环状结构的光谱滤光片。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围内。

Claims

1.一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，由上至下依次为保护层、三维环状结构和衬底；

所述保护层和衬底在光谱滤光片的工作波长具有高透射性；

2.根据权利要求1所述的一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，所述保护层和衬底在光谱滤光片的工作波长的透射性通常大于60％，材料选自二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、氧化铝、氟化钙、氟化镁、硒化锌、硅、锗等；所述衬底可以采用石英或BK7形式的二氧化硅，所述保护层可以采用参杂或未参杂的旋涂式玻璃形式的二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，该光谱滤光片基于三维环状结构，对于任意偏振角度的线偏振光，和任意两个及多个成正交分解的非线偏振光，不会发生光谱变化，从而实现偏振完全不敏感。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，该光谱滤光片通过采用不同材料的衬底，其工作波长的范围为紫外线到无线电波。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，通过调整保护层的厚度及材料，进一步调整光谱曲线。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，所述光谱曲线的特征包括：透射光谱曲线的带宽大小、透射率的高低及多个波谷波峰的位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维环状结构的光谱滤光片，其特征在于，所述三维环状结构中，每一层不同圆环的材料可以不同，宽度可以不同；同一圆环的不同层的材料可以不同，厚度可以不同。

8.一种显示器，其特征是：包括如权利要求1-7中任一项所述的光谱滤光片。

9.一种成像设备，其特征是：包括权利要求1-7中任一项所述的光谱滤光片。

10.一种信号分离器或解复用器，其特征是：包括权利要求1-7中任一项所述的光谱滤光片。