CN113363368B - 二维周期非对称光栅光学器件及电子设备 - Google Patents
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Abstract
该发明涉及一种二维周期非对称光栅光学器件及电子设备，所述二维周期非对称光栅光学器件包括：衬底；形成于所述衬底表面的周期性排布的至少一组二维光栅点阵；所述二维光栅点阵的至少一个周期满足预设条件，所述预设条件包括垂直入射的第一光线在空气中的衍射角度大于90°，在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种二维周期非对称光栅光学器件及电子设备。
背景技术
在白光LED照明中，人们用波长400-505纳米左右的蓝光光源通过泵浦黄色荧光粉而产生白光。长期的蓝紫光照射对人眼十分有害，尤其是波长在450纳米以下的蓝紫光对人眼视觉功能几乎没有贡献，却是人眼病变的祸首。
蓝紫光波长短、频率大、能量高，能够穿透人眼晶状体直达视网膜，对其造成损害。人眼长期处于过度曝光下，会引起眼干、眼痛、视力下降、黄斑病变和白内障等。
为了避免蓝紫光对眼睛的损害，现在主要采用滤光膜技术进行有害无益波长的波过滤。现有的蓝光过滤膜主要采用两种方案，它们却又产生了各自的缺陷：①利用黄色荧光粉吸收蓝光，这种方式过滤光谱过宽，会造成色差，影响视觉效果；②利用真空镀膜技术制作多层反射膜反射蓝光，阻止蓝光透射；但同时，它也会反射环境光中的蓝紫光进到人眼，反而损伤眼睛。
现有技术中，还常用一维光栅来使得入射的蓝紫色横电场偏振光-TE光(电场垂直于光栅线条)产生波导共振沿着波导横向传播，从而在透射方向上形成透射谷进而达到过滤有害蓝紫光的目的。这种方法只要控制一维光栅的周期、形貌和占空比，就可实现对蓝紫光的处理，但是一维光栅结构只能有效过滤TE偏振光，其只能在工作波段内产生单一共振波长，因此过滤的光谱范围较窄，影响过滤效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维周期非对称光栅光学器件及电子设备，能够提供在不同方向的衍射级，从而产生不同波长的波导共振透射谷，扩展光谱过滤的波段，达到更高效的过滤效果，有效过滤或阻止蓝紫光的透射以降低显示屏或者光源的照射对人眼的损害。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二维周期非对称光栅光学器件，包括：衬底；形成于所述衬底表面的周期性排布的至少一组二维光栅点阵；所述二维光栅点阵中的点阵单元在两个周期方向上的宽度大小不等，和/或，所述二维光栅点阵的周期大小不等；至少存在一个所述宽度或一个所述周期满足预设条件，所述预设条件包括垂直所述二维周期非对称光栅光学器件入射的第一光线在空气中的衍射角度大于90°，在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°。
可选的，满足所述预设条件的光栅级数为(±1，0)、(0，±1)和(±1，±1)中的至少三者之二。
可选的，所述二维光栅点阵的高度大于或等于20nm，小于或等于800nm，且所述二维光栅点阵在两个周期方向上的周期大小均小于或等于505nm，所述二维光栅点阵中各个点阵单元在两个周期方向上的宽度分别为对应的周期大小的0.1至0.9倍，从而在预设条件下至少两个周期方向各自产生波长小于505nm的两个波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
可选的，所述二维光栅点阵的高度大于或等于20nm，小于或等于800nm，且所述二维光栅点阵的一个周期小于或等于505nm，另外一个周期大于505nm；所述二维光栅点阵中各个点阵单元在两个周期方向上的宽度分别为对应的周期大小的0.1至0.9倍，通过控制两个周期的夹角使得他们的合矢量满足入射的第一光线在空气中的衍射角度大于90°，且在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°，从而在预设条件下周期小于505nm的周期方向和两个周期的合矢量(±1，±1)衍射方向产生波长小于505nm的波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
可选的，所述二维光栅点阵中的点阵单元呈矩形分布、三角形分布、蜂窝状分布或准晶分布中的至少一种。
可选的，所述二维光栅点阵的材料包括氧化铪、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氮化硅、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者光刻胶中的至少一种。
可选的，所述第一光线包括波长小于505纳米的光线，且所述预设条件还包括垂直所述二维周期非对称光栅光学器件入射的所述第一光线至少有两个方向或者两个衍射级在所述衬底、二维光栅点阵、覆盖层以及保护层共同构成的波导内的衍射角度小于90°。
可选的，还包括：覆盖层，至少覆盖于所述二维光栅点阵的上表面；保护层，形成于所述覆盖层上表面；所述二维光栅点阵、覆盖层以及保护层中至少两个器件的折射率不同。
可选的，所述覆盖层还形成于所述二维光栅点阵的侧壁，部分或者完全填充在二维光栅点阵的点阵单元之间的间隙，且所述覆盖层的折射率满足使得所述二维光栅点阵的折射率差值为一非零值。
可选的，所述覆盖层的材料包括氧化铪、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氮化硅、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者光刻胶中的至少一种，且所述覆盖层的高度大于等于10纳米，小于等于150nm。
可选的，所述保护层的材料包括空气、玻璃、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、光刻胶、氧化锌、氧化钛、氧化锆或者氮化硅中的至少一种。
可选的，所述二维周期非对称光栅光学器件在垂直衬底上表面方向上呈膜状。
本申请还提供了一种电子设备，所述电子设备包括发光光源，所述二维周期非对称光栅光学器件设置于所述发光光源的出射光的光路上。
可选的，所述二维周期非对称光栅光学器件铺设于所述发光光源的表面。
本申请中的二维周期非对称光栅光学器件具有周期性排布的二维光栅点阵，并且所述二维光栅点阵中至少一个周期，和/或所述二维光栅点阵中的点阵单元的至少一个在周期方向上的宽度满足所述预设条件，该预设条件下，当入射角度为垂直入射时，入射505纳米以下波长的蓝紫光在空气中的衍射角度大于90度，在光栅层、覆盖层或者衬底形成的波导层内的衍射角小于90度。通过控制光栅的周期、占空比、折射率和高度使得其在波长小于505nm的范围内至少出现两个共振透射谷，通过两个方向光栅的共同作用扩展光谱过滤的波段宽度，克服一维光栅或者二维对称光栅共振波长单一，光谱过滤谱线宽度窄的缺点。
当将该二维周期非对称光栅光学器件应用于电子设备，如电视、电脑、手机等时，可将该二维周期非对称光栅光学器件铺贴于所述电子设备的显示屏的显示表面，过滤掉蓝紫有害光，并且可以防止环境中的有害蓝光透射和反射，从而可以实现更好的护眼效果。进一步的，所述二维周期非对称光栅光学器件还可以应用到LED照明灯具中，防止灯具等中的蓝紫有害光伤害人眼。
附图说明
图1为本发明二维周期非对称光栅光学膜的几何结构示意图；
图2为本发明二维周期非对称光栅光学膜的一个周期单元的截面图；
图3为本发明二维周期非对称光栅光学膜的第1实施例的透射率的模拟结果图，入射光为0度入射，入射光的电场方向与X轴方向夹角45度；
图4为本发明二维周期非对称光栅光学膜的点阵单元的示意图；
图5为本发明二维周期非对称光栅光学膜的第2实施例的透射率的模拟结果图，入射光为0度入射，电场方向与X轴夹角为45度时的滤光效果；
图6为本发明二维周期非对称光栅光学膜的第3实施例的透射率的模拟结果图，入射光为0度入射，电场方向与X轴夹角为45度时的滤光效果；
图中：1：衬底；2：覆盖层；3：二维光栅点阵；4：保护层；P1：x方向的周期大小；P2：y方向的周期大小；L1：x方向的二维光栅点阵宽度；L2：y方向的二维光栅点阵宽度；h1：覆盖层厚度；h2：二维光栅点阵高度；L3覆盖层宽度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的二维周期非对称光栅光学器件以及电子设备作进一步详细说明。
请参照图1，为本发明二维周期非对称光栅光学膜的几何结构示意图。
该实施例中提供了一种二维周期非对称光栅光学器件，包括：衬底1；形成于所述衬底1表面的周期性排布的二维光栅点阵3；所述二维光栅点阵3在两个周期方向上的宽度不等，和/或，所述二维光栅点阵的周期大小不等；至少一个所述宽度或一个所述周期满足预设条件，使得垂直所述二维周期非对称光栅光学器件入射的第一光纤在空气中的衍射角度大于90°，在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°。
所述二维周期非对称光栅光学器件在垂直衬底1上表面方向上尺寸较小，使得整体呈膜状，便于铺贴。这里所指的垂直所述二维周期非对称光栅光学器件入射，即为垂直于所述膜状表面。
在该实施例中，所述二维周期非对称光栅光学器件包括纳米光学膜，呈膜状，以便铺贴至发光光源的表面。
所述二维光栅点阵的材料包括氧化铪、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氮化硅、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者光刻胶中的至少一种。
在该实施例中，所述二维光栅点阵中的点阵单元呈矩形、三角形、蜂窝状或准晶中的至少一种，实际上也可根据需要设置所述二维光栅点阵的分布形状。
在该实施例中，所述二维光栅点阵的高度大于或等于20nm，小于或等于800nm，且所述二维光栅点阵在第一方向上的周期和在第二方向上的周期均小于或等于505nm，所述二维光栅点阵中各个点阵单元的在两个周期方向上的宽宽度为对应的周期大小的0.1至0.9倍，从而在预设条件下产生505nm的波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
该实施例中，利用二维光栅点阵的光栅耦合波导共振原理，在二维光栅点阵的两个方向和对角线方向形成不同的共振波长，并且至少有两个方向的共振波长小于505nm，从而在蓝紫光波段形成至少两个共振透射谷，有效过滤蓝紫有害光，并且通过合理设计各层折射率、占空比和高度，使共振波长处的透射效率最低。
在一种其他的实施方式中，所述二维光栅点阵的高度大于或等于20nm，小于或等于800nm，且所述二维光栅点阵的一个周期小于或等于505nm，另外一个周期大于505nm；所述二维光栅点阵中各个点阵单元在两个周期方向上的宽度分别为对应的周期大小的0.1至0.9倍。通过控制两个周期的夹角使得他们的合矢量满足入射的第一光线在空气中的衍射角度大于90°，且在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°，从而在预设条件下周期小于505nm的周期方向和两个周期的合矢量(±1，±1)衍射方向产生波长小于505nm的波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
所述二维光栅点阵的第一周期P1和在第二周期P2不相等，和/或者所述二维光栅点阵中的点阵单元在两个周期方向的宽度L1和L2不相等，使得该二维光栅点阵在两个方向的波导共振波长不相等。通过合理选择二维光栅点阵的周期大小和周期夹角，使得所述二维光栅点阵中(±1，0)、(0，±1)和(±1，±1)中至少两个衍射级能使505纳米以下入射蓝紫光在空气中的衍射角度大于90度，以及在二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角小于90度。
所述二维周期非对称光栅光学器件还包括：覆盖层，至少覆盖于所述二维光栅点阵的上表面；保护层，形成于所述覆盖层上表面；所述预设条件中，垂直入射的第一光线在所述衬底、二维光栅点阵、覆盖层以及保护层共同构成的波导内的衍射角度小于90°，且所述二维光栅点阵、覆盖层以及保护层中至少两个器件的折射率不同。
在预设条件下，在二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角小于90度时，即对应至第一光线在所述衬底、光栅层、覆盖层和保护层所构成的波导层内的衍射角小于90度。
在该所述二维光栅点阵和覆盖层的材料折射率不相等。覆盖层为单层或者多层不同材料组成。
覆盖层2的厚度或高度h1＝10nm至150nm，所述覆盖层的材料包括氧化铪、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氮化硅、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者光刻胶中的至少一种，且所述覆盖层的高度大于或等于10纳米。在一种优选的实施例中，所述覆盖层的高度也小于或等于150nm。
所述覆盖层还形成于所述二维光栅点阵的侧壁，部分或者完全填充在二维光栅点阵的点阵单元之间的间隙，且所述覆盖层的折射率满足使得所述二维光栅点阵的折射率差值为一非零值。
所述保护层的材料包括空气、玻璃、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、光刻胶、氧化锌、氧化钛、氧化锆或者氮化硅中的至少一种。
通过控制二维光栅在一个周期单元内的尺寸比例(占空比)以及控制二维光栅点阵、覆盖层和保护层的折射率和高度，使得所需要过滤的505nm以下蓝紫光的共振波长透射效率最低，优选共振波长在蓝光LED泵浦光源的中心波长及其以下。
本实施例通过简单的参数设计可以实现非常好的蓝紫光过滤效果，比多层镀膜技术成本更低，并且蓝紫光被衍射过滤不会产生反光危害，并且，二维非对称周期结构可以产生至少两个不相等的共振波长，可以有效扩展过滤的波段。
所述二维周期非对称光栅光学器件具有周期性排布的二维光栅，并且所述二维光栅点阵中至少一个周期，或所述点阵单元在一个周期方向上的宽度满足预设条件，该预设条件下，当入射角度为垂直入射时，入射505纳米以下波长的蓝紫光在空气中的衍射角度大于90度，在光栅层、覆盖层或者衬底的衍射角小于90度。通过控制光栅的周期、占空比、折射率和高度使得其在波长小于505nm的范围内至少出现两个共振透射谷，通过两个方向光栅的共同作用扩展光谱过滤的波段宽度，克服一维光栅或者二维对称光栅共振波长单一，光谱过滤谱线宽度窄的缺点。
本申请中还包括以下实施例：
实施例1，如图1和图2所示的一种非对称矩形晶格二维光栅，其周期P1＝280nm，P2＝285nm，其二维光栅点阵3为椭圆柱，折射率为1.51，椭圆柱直径L1＝140nm，L2＝142.5nm，点阵高度h2＝100nm，覆盖层2的折射率为2.3，覆盖层厚度h1＝30nm，覆盖层宽度L3＝10nm，衬底1和保护层4的折射率都为1.51。如图3所示的严格耦合波模模拟透射光结果，在垂直入射条件下，可以发现透射的谷值(对应(±1，0)和(0，±1)级衍射)分别为445nm和452nm，表现出良好的宽带蓝光过滤效果。相比一维光栅只有一个窄线宽共振波长，二维周期非对称光栅具有更高的过滤效果。
实施例2，一种矩形晶格二维光栅，其周期P1＝290nm，P2＝295nm，其二维光栅点阵3为如图4所示的矩形柱，折射率为2.05，矩形柱L1＝145nm，L2＝147.5nm，点阵高度h1＝150nm，覆盖层2、衬底1和保护层4的折射率都为1.51。如图5所示，垂直入射光电场方向与X轴45度夹角下的严格耦合波模拟透射光结果，在垂直入射条件下，可以发现透射谷值(对应(±1，±1))的波长分别为443nm和451nm，表现出良好的蓝光过滤效果。
实施例3，一种二维周期对称和非对称光栅的对比效果，其结构如图2所示。两者的共同参数为：周期P1＝285nm，P2＝285nm，其二维光栅点阵3为椭圆柱，折射率为1.51，点阵高度h2＝100nm，覆盖层2的折射率为2.3，覆盖层厚度h1＝30nm，覆盖层宽度L3＝10nm，衬底1和保护层4的折射率都为1.51。对称情况下，圆柱直径L1＝142.5nm，L2＝142.5nm，非对称情况下椭圆柱直径L1＝171nm，L2＝154nm。如图6所示的严格耦合波模模拟透射光结果，在垂直入射条件下，非对称情况下的两个不同波长的共振透射谷相互交叠因此光谱透射曲线(点线)比对称情况下的光谱透射曲线(实线)更宽，表现更宽谱的蓝光过滤效果。
本申请中的一实施例中还提供了一种电子设备。
在该实施例中，所述电子设备包括发光光源，所述二维周期非对称光栅光学器件设置于所述发光光源的出射光的光路上。
所述二维周期非对称光栅光学器件铺设于所述发光光源的表面。
在一种实施例中，所述电子设备包括电视、电脑、手机、LED灯等。
所述电子设备具备所述二维周期非对称光栅光学器件，可将该二维周期非对称光栅光学器件铺贴于所述电子设备的显示屏的显示表面，过滤掉蓝紫有害光，并且可以防止环境中的有害蓝光透射和反射，从而可以实现更好的护眼效果。进一步的，所述二维周期非对称光栅光学器件还可以应用到LED照明灯具中，防止灯具等中的蓝紫有害光伤害人眼。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底表面的周期性排布的至少一组二维光栅点阵；
所述二维光栅点阵中的点阵单元在两个周期方向上的宽度大小不等，和/或，所述二维光栅点阵的周期大小不等；
至少存在一个所述宽度或一个所述周期满足预设条件，所述预设条件包括垂直所述二维周期非对称光栅光学器件入射的第一光线在空气中的衍射角度大于90°，在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°；
在预设条件下至少两个周期方向各自产生波长小于505nm的两个波导共振，且共振波长处的透射效率最低；或在预设条件下两个周期的合矢量衍射方向产生波长小于505nm的波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
2.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，满足所述预设条件的光栅级数为(±1，0)、(0，±1)和(±1，±1)中的至少三者之二。
3.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述二维光栅点阵的高度大于或等于20nm，小于或等于800nm，且所述二维光栅点阵在两个周期方向上的周期大小均小于或等于505nm，所述二维光栅点阵中各个点阵单元在两个周期方向上的宽度分别为对应的周期大小的0.1至0.9倍，从而在预设条件下至少两个周期方向各自产生波长小于505nm的两个波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
4.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述二维光栅点阵的高度大于或等于20nm，小于或等于800nm，且所述二维光栅点阵的一个周期小于或等于505nm，另外一个周期大于505nm；所述二维光栅点阵中各个点阵单元在两个周期方向上的宽度分别为对应的周期大小的0.1至0.9倍，通过控制两个周期的夹角使得它们的合矢量满足入射的第一光线在空气中的衍射角度大于90°，且在所述二维周期非对称光栅光学器件内的衍射角度小于90°，从而在预设条件下周期小于505nm的周期方向和周期大于505nm的周期方向的合矢量(±1，±1)的衍射方向产生波长小于505nm的波导共振，且共振波长处的透射效率最低。
5.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述二维光栅点阵中的点阵单元呈矩形分布、三角形分布、蜂窝状分布或准晶分布中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述二维光栅点阵的材料包括氧化铪、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氮化硅、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者光刻胶中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述第一光线包括波长小于505纳米的光线，且所述预设条件还包括垂直所述二维周期非对称光栅光学器件入射的所述第一光线至少有两个方向或者两个衍射级在所述衬底、二维光栅点阵、覆盖层以及保护层共同构成的波导内的衍射角度小于90°。
8.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，还包括：
覆盖层，至少覆盖于所述二维光栅点阵的上表面；
保护层，形成于所述覆盖层上表面；
所述二维光栅点阵、覆盖层以及保护层中至少两个器件的折射率不同。
9.根据权利要求8所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述覆盖层还形成于所述二维光栅点阵的侧壁，部分或者完全填充在二维光栅点阵的点阵单元之间的间隙，且所述覆盖层的折射率满足使得所述二维光栅点阵的折射率差值为一非零值。
10.根据权利要求8所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述覆盖层的材料包括氧化铪、氧化锌、氧化钛、氧化锆、氮化硅、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者光刻胶中的至少一种，且所述覆盖层的高度大于或等于10纳米。
11.根据权利要求8所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述保护层的材料包括空气、玻璃、树脂、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、光刻胶、氧化锌、氧化钛、氧化锆或者氮化硅中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的二维周期非对称光栅光学器件，其特征在于，所述二维周期非对称光栅光学器件在垂直衬底上的表面方向上呈膜状。
13.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括发光光源，二维周期非对称光栅光学器件如权利要求1至12中的任一项所述，设置于所述发光光源的出射光的光路上。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述二维周期非对称光栅光学器件铺设于所述发光光源的表面。
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