CN116381837A - 一种漫反射互补色滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种漫反射互补色滤光片，滤光片包括由上至下依次设置的彩色滤光膜、透明基板和漫反射单元。该滤光片在镜面反射的同时，不会对透射的光进行吸收来实现滤光，而是将透射的光通过漫反射单元均匀地漫反射回入射介质。通过对彩色滤光膜结构的设计，使入射光大部分都被均匀漫反射，只有少部分能够镜面反射，因此滤光片最终呈现的颜色就是透色光的颜色，也就是镜面反射光的互补色。同时，由于漫反射互补色滤光片对可见‑近红外波段吸收率低，其对太阳辐射能量的吸收也低，在彩色装饰、辐射制冷、无油墨印刷等领域具有巨大的应用前景。

Description

一种漫反射互补色滤光片

技术领域

本发明属于装饰元件技术领域，具体涉及一种漫反射互补色滤光片，可应用于彩色印刷、辐射制冷、多波段伪装和彩色装饰等领域。

背景技术

基于薄膜结构或微纳结构的彩色滤光片已越来越多地应用在彩色印刷、光伏应用等诸多领域中，这些利用结构产生的颜色，被广泛称为结构色。与常用的染料/油墨滤光片相比，结构色滤光片基于干涉、谐振等原理，只需要特定的材料满足一定的规则排布即可实现，因此不含染料或油墨，从而使得这种滤光片的环境危害显著减小，长时间高强度照射的环境稳定性大幅提高。

其中，基于光学薄膜的滤光片是目前结构色滤光片中应用最广泛的，已在防伪、消费电子等领域应用。该类滤光片是基于平面化的多层膜层堆叠，利用不同材料光学常数之间的差异实现特异性光谱，具有高亮度、高饱和度、大调节范围等优点。但是，由于不同入射角度所导致的光程差的变化，这种干涉型滤光片随入射角度变化明显；另外，传统的反射式颜色滤光片在反射特定颜色光的同时会吸收透射的光以实现滤光，而长时间的强光照射会使得滤光片器件吸收过多热量，造成损坏；此外，在其他结构色应用中，完全反射太阳光谱或增加不同角度颜色的变化特性也是关注的重点，现有技术中的结构色滤光片已不能满足目前对滤光片的多样化要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种漫反射互补色滤光片，该滤光片结构简单，制备工艺简便，可根据需要实现入射角度不敏感、完全反射太阳光谱、增加反射颜色闪烁性等特性，大大拓展了普通干涉型或吸收型滤光片的应用范围，在辐射制冷、彩色装饰、无油墨印刷等领域有巨大的应用前景。

一种漫反射互补色滤光片，包括由上至下依次设置的彩色滤光膜、透明基板和漫反射单元；

漫反射单元用于将经彩色滤光膜透射的光漫反射回入射介质。

上述滤光片中，光由彩色滤光膜侧入射，彩色滤光膜是多层的薄膜结构，由高低折射率材料交替堆叠而成，沉积在透明基板的顶部。彩色滤光膜也可以是微纳结构，由柱状、孔状等阵列排列组成，置于透明基板的顶部。

彩色滤光膜的作用顾名思义是对入射光波段进行过滤，入射到彩色滤光膜的光一部分反射一部分透射，反射光的颜色和透射光的颜色形成互补色。

传统反射式滤光片会在反射特定波段的光的同时吸收掉与其颜色互补的透射光，从而呈现的是反射光的颜色。与传统的反射式滤光片不同，本发明提出的透射部分的光，不会采用吸收材料对其进行吸收，而是使用漫反射单元将透射部分的光漫反射回入射空间(入射介质)。因此滤光片最终所呈现的颜色为彩色滤光膜反射的光的颜色和透射的光的颜色的结合。

作为优选，所述彩色滤光膜在可见-近红外波段的吸收率小于20％。

由于设计的彩色滤光膜在自然光照射下反射能量很小，可以忽略不计，因此本发明漫反射互补色滤光片的最终颜色效果并不取决于彩色滤光膜反射的光的颜色，而是其互补色，也就是透过彩色滤光膜的光的颜色，这就要求彩色滤光膜在设计时考虑互补色的效果。

为了展现不同的颜色效果，彩色滤光膜的薄膜层数和各层材料的厚度都会根据实际需要发生改变。在辐射制冷领域，所述各层材料需要在可见-近红外波段(0.3～2.5μm)吸收尽可能小以减少对太阳辐射的吸收。常见的镀膜材料包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化钽、硫化锌、氟化镁等。上述材料在可见-近红外波段的消光系数几乎为0，即对该波段没有吸收或吸收很小，可以作为彩色滤光膜的材料。

作为优选，低折射材料可以是二氧化硅，高折射率材料可以是二氧化钛。

作为优选，所述彩色滤光膜的层数可以在1～20层，即0.5～10对高低折射率交替的单元。

各层材料的厚度不一定相同，作为进一步优选，每一层材料的厚度为50～400nm。

所述透明基板材料为可见-近红外波段透明材料，既可以是K9、熔融石英等无机材料，也可以是单层聚合物材料有机玻璃(亚克力、PMMA、聚甲基丙烯酸甲酯等)、聚对苯二甲酸乙二醇酯CR-39(聚丙烯基二甘醇碳酸酯)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等有机聚合物材料。在辐射制冷领域，透明基板材料还要求在中红外波段(8～14μm)有较大的吸收以实现高效辐射。透明基板的上表面(顶部)沉积着彩色滤光膜，同时，透明基板结合漫反射单元，对透过彩色滤光膜的光进行漫反射。

作为优选，所述透明基板在可见-近红外波段的透过率大于85％。其中透过率指在可见光近红外波段的平均透过率。

作为优选，透明基板的材料为K9，厚度为0.5～5mm。

作为优选，所述漫反射单元包括用于反射透射光金属反射层，以及用于实现漫反射的粗糙表面。粗糙表面与金属反射层共同作用对透射光进行漫反射。

其中，粗糙表面通过打磨光滑表面得到，可以采用细沙进行打磨；细沙可以选用280目粒度。粗糙表面也可通过化学腐蚀等方法得到。

作为进一步优选，所述金属反射层靠近空气的一侧设有介质保护层。介质保护层材料可以是氧化硅、氧化钛、氧化铝的其中一种或其组合。

所述介质保护层的厚度优选为10～500nm。

为保证金属反射层不透光，作为进一步优选，所述金属反射层的厚度为50～500nm。更进一步优选为50～400nm。作为更进一步优选，所述金属反射层的厚度为80～200nm。

作为进一步优选，所述金属反射层在可见-近红外波段的反射率大于95％。

作为进一步优选，所述金属反射层材料为金、银、铝、铜、铂及其合金中的一种。进一步优选为银。

作为进一步优选，所述粗糙表面设于所述透明基板的下侧面(底部)，金属反射层设于粗糙表面的下侧(远离透明基板的一侧)。

作为进一步优选，所述滤光片还包括上侧面(顶部)光滑且边缘与透明基板下侧面(底部)边缘胶合的第二基板；

所述粗糙表面设于所述透明基板的下侧面，所述金属反射层设于所述第二基板的上侧面。此时，粗糙表面与金属反射层之间存在空气间隙，粗糙表面与金属反射层及其空气间隙形成漫反射单元。

由于金属反射层足够的厚，入射光并不会透过金属反射层，所以第二基板材料也可以选择其他适合镀金属的材料而不要求其具备和透明基板一样光学特性。

作为更进一步优选，第二基板材料为k9，厚度为0.5～5mm。

作为进一步优选，所述滤光片还包括上侧面(顶部)边缘与透明基板下侧面(底部)边缘胶合的第二基板；

所述粗糙表面设于所述第二基板的上侧面，所述金属反射层设于粗糙表面上。

由于金属反射层足够的厚，入射光并不会透过金属反射层，所以第二基板材料也可以选择其他适合镀金属的材料而不要求其具备和透明基板一样光学特性。

作为更进一步优选，第二基板材料为k9，厚度为0.5～5mm。

本发明还提供一种漫反射互补色滤光片的制备方法，包括以下步骤：

(1)基于互补色的光谱特征以及其他波段的使用要求，对彩色滤光膜的材料及厚度进行优化选择，设计出符合要求的膜系结构；

(2)打磨透明基板下侧面或第二基板上侧面；

(3)采用电子束蒸发镀膜将彩色滤光膜沉积到透明基板上侧面；

(4)采用物理气相沉积技术在透明基板下侧面或第二基板上侧面镀金属反射层，根据结构组成确定是否胶合，最后得到漫反射的滤光片。

上述制备方法制备工艺简单、周期短、成本低等优点，适合大规模批量生产。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的漫反射互补色滤光片在镜面反射的同时，不会对透射的光进行吸收来实现滤光，而是将透射的光通过漫反射单元均匀地漫反射回入射介质。通过对彩色滤光膜结构的设计，使入射光大部分都被均匀漫反射，只有少部分能够镜面反射，因此滤光片最终呈现的颜色就是透色光的颜色，也就是镜面反射光的互补色。同时，由于漫反射互补色滤光片对可见-近红外波段吸收率极低，其对太阳辐射能量的吸收也极低，在彩色装饰、辐射制冷、无油墨印刷等领域具有巨大的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的漫反射互补色滤光片的结构及原理示意图；

图2为本发明实施例的漫反射互补色滤光片的基本原理示意图；漫反射光谱与镜面反射光谱互补，漫反射颜色是镜面反射颜色的互补色，漫反射颜色在主要角度均可见，而镜面反射颜色只在特性角度(某个角度)范围内可见，两者共同形成了反射效果；

图3为本发明实施例的漫反射互补色滤光片结构示意图，透明基板顶部的彩色滤光膜由高低折射率膜堆组成，形成特定波段的反射/透射特性；

图4为第一种粗糙表面和金属反射层设置情况示意图；其中，透明基板与漫反射单元合二为一，即透明基板底部为粗糙表面，金属反射层及其保护层沉积在粗糙表面上，用以增强漫反射率；

图5为第二种粗糙表面和金属反射层设置情况示意图；其中，透明基板与漫反射单元半结合，即透明基板底部设置粗糙表面，金属反射层及其介质保护层设于第二基板光滑的顶部(表面)，透明基板底部边缘与第二基板顶部边缘胶合在一起，内含空气间隙，粗糙表面与金属反射层及其空气间隙形成漫反射单元；

图6为第三种粗糙表面和金属反射层设置情况示意图；其中，透明基板与漫反射单元各自独立，透明基板底部为光滑表面，金属反射层及其保护层沉积在第二基板顶部的粗糙表面上，透明基板底部边缘与漫反射单元顶部边缘胶合在一起；

图7为应用例1中漫反射绿色滤光片滤光膜的镜面反射仿真可见光光谱图；

图8为应用例1中实际制备的绿色滤光片的漫反射可见光光谱图；

图9为应用例1中绿色滤光片在近红外波段(700-2500nm)的反射光谱图；

图10为应用例1中绿色滤光片在中红外波段(8-14μm)的反射/吸收光谱图；

图11为应用例1中绿色滤光片的辐射制冷特性曲线，以染料绿色塑料片为对比；

图12为应用例2中漫反射品红滤光片中滤光膜的镜面反射仿真可见光光谱图；

图13为应用例2中实际制备的漫反射品红滤光片的漫反射可见光光谱图；

图14为应用例3中漫反射蓝色滤光片中滤光膜的镜面反射仿真可见光光谱图；

图15为应用例3中实际制备的漫反射蓝色滤光片的漫反射可见光光谱图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例及应用例对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1所示，一种漫反射互补色滤光片，由透明基板1、彩色滤光膜2、漫反射单元3三个模块组成，彩色滤光膜2、透明基板1和漫反射单元3由上至下依次设置。

传统的反射式颜色滤光片在反射特定颜色的同时会吸收透射的光以实现滤光，因此其反射的光决定了滤光片最终呈现的颜色，且长时间强光照射会使得器件吸收热量过多。上述漫反射互补色滤光片的三个模块构成一个整体，实现的最终效果是让滤光片呈现特定的颜色，且减少对入射光的吸收，减小整体反射颜色角度敏感性。入射光4从彩色滤光膜2侧入射，实际反射的光包含镜面反射5和漫反射6两部分(见图2)，漫反射光谱与镜面反射光谱互补，漫反射颜色是镜面反射颜色的互补色，漫反射颜色在主要角度均可见，而镜面反射颜色只在特定角度范围内可见，两者共同形成了反射效果。

彩色滤光膜2的结构如图3所示，其为多层的薄膜结构，由高低折射率(201、202)的薄膜材料交替堆叠而成，沉积在透明基板1的顶部；入射光4经彩色滤光膜2后大部分透射后经漫反射单元3漫反射回入射介质，而只有少量的入射光4经彩色滤光膜2镜面反射回入射介质。常见的镀膜材料包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氧化钽、硫化锌、氟化镁等。

透明基板材料既可以是K9、熔融石英等无机材料，也可以是单层聚合物材料有机玻璃(亚克力、PMMA、聚甲基丙烯酸甲酯等)、聚对苯二甲酸乙二醇酯CR-39(聚丙烯基二甘醇碳酸酯)、PC(聚碳酸酯)、PS(聚苯乙烯)、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等有机聚合物材料。

由于彩色滤光膜2和透明基板1对可见-近红外波段的吸收率极低，因此经彩色滤光膜2的透射光基本不会被彩色滤光膜2和透明基板1吸收，而全部经漫反射单元均匀反射回入射介质。滤光片的最终反射光即可看作是全部的入射光，但由于彩色滤光膜2在自然光照射下反射能量较低，且其反射光的颜色只有在特定角度下才能看到，而滤光片所呈现的颜色主要是来自于经漫反射回入射介质的光的颜色，即透射光的颜色，也是反射光颜色的互补色。

漫反射单元3包括粗糙表面301和金属反射层302，可选择地，金属反射层302远离粗糙表面301的一侧设有介质保护层。粗糙表面301和金属反射层302的设置有以下三种情况：

第一种情况，如图4所示，粗糙表面301设于透明基板1的底部，通过打磨透明基板1的底部得到；金属反射层302设于粗糙表面301远离透明基板1的一侧，整个漫反射单元3与透明基板1合二为一。

第二种情况，如图5所示，粗糙表面301设于透明基板1的底部，通过打磨透明基板1的底部得到；透明基板1的下侧还设有顶部光滑的第二基板7，金属反射层302及其介质保护层设于第二基板7的顶部。第二基板7顶部边缘与透明基板1底部边缘胶合，二者之间存在空气间隙，粗糙表面301、空气间隙和金属反射层302共同构成漫反射单元3。

第三种情况，如图6所示，透明基板1的下侧还设有第二基板7，二者通过边缘胶合固定连接；第二基板7的顶部经打磨形成粗糙表面301，金属反射层302设于粗糙表面301上。

应用例1

采用上述第二种粗糙表面和金属反射层的设置形式，即图5中所示的结构形式。所用透明基板材料为K9，厚度为2mm，基板正面光滑，背面用280目细砂打磨成毛面，形成粗糙表面；金属反射层材料为银，厚度为100nm，镀在第二基板K9光滑的表面(顶部)，其边缘通过UV胶与透明基板的粗糙表面边缘胶合，金属反射层、粗糙表面以及二者之间的空气间隙构成漫反射单元。彩色滤光膜由高低折射率材料二氧化钛和二氧化硅交替堆叠而成。

自透明基板从下往上至入射侧，彩色滤光膜的具体膜系结构如下：

该膜系(不加漫反射模块时)的可见光镜面反射仿真如图7所示。加入漫反射模块，根据该膜系制得的漫反射互补色滤光片的可见光漫反射光谱如图8所示，可见实际制备的滤光片所呈现的颜色是彩色滤光膜镜面反射光颜色的互补色，为绿色滤光片。

该滤光片在近红外波段(700-2500nm)上的全部反射光谱如图9所示，可见其在该波段的反射率接近100％，能够减少对太阳辐射中近红外波段能量的吸收，降低滤光片表面的温度。其在中红外波段(8-14μm)的反射/吸收光谱如图10所示，可见该滤光片在中红外波段的平均吸收率大于95％，能够对大气透明窗口(8-14μm)的光进行有效吸收。高吸收率同样对应于高辐射率，说明该滤光片能够将大气透明窗口的光辐射到外太空，实现热量交换，达到辐射制冷的效果。本应用例实际制备的滤光片的辐射制冷特性曲线如图11所示，相较于传统染料型绿色滤光片，本应用例的漫反射互补色滤光片能够实现辐射制冷的效果，在同样条件的阳光照射下实现13.4℃的降温效果(与染色塑料滤光片相比)，辐射制冷效果显著。

应用例2

采用上述第二种粗糙表面和金属反射层的设置形式，即图5中所示的结构形式。所用透明基板材料为K9，厚度为2mm，基板正面光滑，背面用280目细砂打磨成毛面，形成粗糙表面；金属反射层材料为银，厚度为100nm，镀在第二基板K9光滑的表面(顶部)，其边缘通过UV胶与透明基板的粗糙表面的边缘胶合，金属反射层、粗糙表面以及二者之间的空气间隙构成漫反射单元。彩色滤光膜由高低折射率材料二氧化钛和二氧化硅交替堆叠而成。

自透明基板从下往上至入射侧，彩色滤光膜的具体膜系结构如下：

该膜系(不加漫反射模块时)的镜面反射仿真如图12所示。加入漫反射模块，根据该膜系制得的漫反射互补色滤光片的可见光漫反射光谱如图13所示，可见实际制备的滤光片所呈现的颜色是彩色滤光膜反射光颜色的互补色，为品红滤光片。

应用例3

采用上述第二种粗糙表面和金属反射层的设置形式，即图5中所示的结构形式。所用透明基板材料为K9，厚度为2mm，基板正面光滑，背面用280目细砂打磨成毛面，形成粗糙表面；金属反射层材料为银，厚度为100nm，镀在第二基板K9光滑的表面(顶部)，其边缘通过UV胶与透明基板的粗糙表面的边缘胶合，金属反射层、粗糙表面以及二者之间的空气间隙构成漫反射单元。彩色滤光膜由高低折射率材料二氧化钛和二氧化硅交替堆叠而成。

自透明基板从下往上至入射侧，彩色滤光膜的具体膜系结构如下：

该膜系(不加漫反射模块时)的镜面反射仿真如图14所示。加入漫反射模块，根据该膜系制得的漫反射互补色滤光片的可见光漫反射光谱如图15所示，可见实际制备的滤光片所呈现的颜色是彩色滤光膜反射光颜色的互补色，为蓝色滤光片。

Claims (10)

1.一种漫反射互补色滤光片，其特征在于，包括由上至下依次设置的彩色滤光膜、透明基板和漫反射单元；

漫反射单元用于将经彩色滤光膜透射的光漫反射回入射介质。

2.根据权利要求1所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述彩色滤光膜在可见-近红外波段的吸收率小于20％。

3.根据权利要求1所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述漫反射单元包括用于反射透射光的金属反射层，以及用于实现漫反射的粗糙表面。

4.根据权利要求3所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述粗糙表面设于所述透明基板的下侧面，金属反射层设于粗糙表面的下侧。

5.根据权利要求3所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，还包括上侧面光滑且边缘与透明基板下侧面边缘胶合的第二基板；

所述粗糙表面设于所述透明基板的下侧面，所述金属反射层设于所述第二基板的上侧面。

6.根据权利要求3所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，还包括上侧面边缘与透明基板下侧面边缘胶合的第二基板；

所述粗糙表面设于所述第二基板的上侧面，所述金属反射层设于粗糙表面上。

7.根据权利要求3所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述金属反射层靠近空气的一侧设有介质保护层。

8.根据权利要求3所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述金属反射层的厚度为50～500nm。

9.根据权利要求3所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述金属反射层在可见-近红外波段的反射率大于95％。

10.根据权利要求1所述的漫反射互补色滤光片，其特征在于，所述透明基板在可见-近红外波段的平均透过率大于85％。

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