CN117741847A - 一种增强反射型金属介质结构色薄膜以及f-p谐振腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强反射型金属介质结构色薄膜以及F‑P谐振腔。该结构色薄膜用于F‑P腔结构，其特征在于，包括吸收层、介质层、金属层；在介质层与金属层之间设置有增强反射层；该增强反射层由至少一组增强膜堆叠而成，每组增强膜由高折射率介质膜和低折射率介质膜堆叠组成，其中每层介质膜的厚度为λ0/4，其中λ0为F‑P腔反射中心波长。本发明提供一种增强反射型金属介质结构色薄膜，能够进一步提高传统F‑P腔结构金属介质结构色薄膜的反射率，压缩目标反射带的反射带宽，实现高于传统金属介质结构色薄膜的色彩亮度和饱和度。
Description
技术领域
本发明涉及结构色薄膜技术领域，尤其涉及一种增强反射型金属介质结构色薄膜以及F-P谐振腔。
背景技术
在日常的工业技术中，颜色承担着重要的作用，根据产生机理划分为化学色和物理色两类。化学色是380nm到780nm光波在发色基团的部分吸收作用下产生的，而物理色是物质结构对380nm到780nm的光波调制产生的，比如说光的干涉效应、衍射现象以及散射现象，又被称为结构色。
光学薄膜是产生结构色的重要材料之一，目前已知用作薄膜结构色的结构有基于F-P腔结构的金属介质材料堆叠膜系，也有使用全介质材料设计的结构色膜系，也有在上述结构的基础上通过光刻、刻蚀等复杂工艺制作成纳米阵列、矩形阵列等用来获得更高饱和度的结构色薄膜。虽然目前工业上已经对结构色薄膜进行了一定的研究，但以上传统的薄膜结构色膜系都有各自相应的不足。
在专利CN103744138A、CN109491002A、CN110412672B中通过纳米圆孔阵列或者纳米圆柱阵列使得可见光在材料的表面处耦合共振实现高反射和高吸收，从而显示出特定颜色。但这类方法往往需要使用反应离子刻蚀、湿法刻蚀、原子层沉积、光刻等方法，相比仅通过电子束蒸发制备光子晶体，这种实现方式的制造流程复杂，大大提高了制备成本。在专利CN116540331A中通过高、低折射率全介质材料堆叠设计出了一种薄膜结构色结构，采用全介质材料进行反射型结构色的设计，其反射率和反射带宽依赖于膜层数和高低折射率材料比值，能够获得的高反射率依赖于膜层数的堆叠。此外，由于其全介质特性，对于低反射波段是对应高透射区间，这在颜色显示上强烈依赖于基底的背景颜色。所以全介质结构的薄膜总厚度较厚，对制备工艺也提出了较高的要求。从其光谱特性来看，其薄膜在浅色基底上呈现出的反射色饱和度也相对较差。
基于F-P腔构造的结构色薄膜又分为对称式和非对称式。对称式结构由吸收层/介质层/金属层/介质层/吸收层构成，非对称式结构由吸收层/介质层/金属层构成。相关专利如CN100482746C、CN104730737 B均提出基于F-P腔构造的金属介质结构色薄膜。依次沉积金属层、介质层和吸收层，其反射层一般是有高反射金属铝、银、金、铜、铂、钛、铬、镍、钴、铑、铌等金属以及他们的合金来构成，在这些金属中包含有高反射率金属如金属铝、银、金、铜等，其单层基础反射率均大于90％，对于这类高反射率金属，银、金存在成本高的问题，铝的成本虽然较低，但存在环境稳定性差、在潮湿环境中容易发生水解反应。采用如钛、铬、钽、铌、镍等中性金属、其环境稳定性较好，但是该类金属属于中性金属，其在可见光部分反射率介于50％～60％左右，远不如金属银、金90％以上的可见光高反射率。其次，选用Al、Ag作为高反射率材料由于其金属的活泼性容易在沉积过程中与上层介质氧化物发生氧化反应，导致反射率降低甚至光谱偏移等缺陷，大大提高了制备难度。作为F-P腔结构中的反射金属层，采用中性金属会导致整体结构色膜系的反射率降低，最终导致其颜色亮度不高。金属层
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种增强反射型金属介质结构色薄膜，在传统F-P金属介质结构基础上，通过引入增强反射层，能够进一步提高金属层的反射率，同时该增强反射层的引入，可以和原有介质层共同压缩目标反射带的反射带宽，实现优于传统F-P腔结构的色彩亮度和饱和度。
根据本发明的一个方面，提供一种增强反射型金属介质结构色薄膜，包括：包括吸收层、介质层、金属层；
在介质层与金属层之间设置有介质反射增强膜堆；
该增强反射层由至少一组增强膜堆叠而成，每组增强膜由高折射率介质膜和低折射率介质膜堆叠组成，其中每层介质膜的厚度为λ0/4，其中λ0为F-P腔反射中心波长。
在上述技术方案中，本实施例提出一种由吸收层、介质层、介质增强膜堆、金属层共同构成的新型薄膜结构色结构。此结构金属层金属层通过引入介质增强膜堆来解决传统金属层反射率较低的问题。同时引入的介质增强膜堆可以和原有介质层共同调整反射带宽，一来可以增强金属层的反射率，二来增强反射层因为也是介质膜构成，所以增强反射层和介质层共同叠加可以看作一个加厚的介质层，增强了光在介质中的干涉光程，实现高级次干涉，压缩反射带宽，改善了色彩饱和度，从而实现高于传统F-P腔结构的结构色薄膜色彩亮度和饱和度。本实施例设计的具体膜层结构可以是对称结构也可以是非对称结构。对于非对称结构来说，从基底往上沉积为金属层M/介质增强膜堆D1/介质层D2/吸收层A；对于对称结构，可采用吸收层A/介质层D2/介质增强膜堆D1/金属层M/介质增强膜堆D1/介质层D2/吸收层A的基本结构来构造。
在一些实施例中，所述增强膜堆中低折射率介质膜比所述高折射率介质膜更靠近于所述金属层。
在上述技术方案中，本实施例结构通过在金属层与介质层之间增加介质反射增强膜堆，从而达到增强整体膜系反射率的效果。该膜层结构用到了λ0/4膜堆的堆叠原理，即在金属膜层上镀以折射率n1、n2的两层λ0/4厚度的介质膜，并且n2紧贴金属，那么在垂直入射时，波长为λ0的导纳为：其反射率为可以看出在/>时，其总体的反射率会大于底层金属层的反射率，并且比值/>越大，其反射率的增加越多，要满足上述条件，需要折射率n1大于折射率n2，即靠近金属层的介质材料为折射率n2的低折射率介质薄膜材料。故在本增强反射层增大其堆叠次数或者增大高、低折射率材料的折射率差值能调节该层反射增强的强弱。
在一些实施例中，所述高折射率介质膜为波长在380nm～780nm范围内折射率介于1.7-3的材料。
在上述技术方案中，本实施例规定在380nm～780nm范围内折射率介于1.7-3的材料定义为高折射率材料。本实施例高折射率材料设定的范围需要两点来考虑：一是本发明针对结构色薄膜，对于颜色评估，从光谱上考虑就是考查可见光波段，波长范围就是380nm-780nm，所以对波长范围做了限定。二是折射率定于为介于1.7-3，主要也是考虑常规的透明介质薄膜材料，一般的最高折射率在2.7左右，最低折射率在1.3左右，所以这里对高折射率材料做了一个常规界定1.7-3。但本发明创新点在于在传统FP腔金属层中，引入了增强反射层，而这个增强反射层必须是由高低折射率两种介质薄膜叠加才能实现所需有益的效果，因此在常规的光学薄膜介质材料从1.2-3之间做了一个高低分类，以1.7为分界值，使得最终成型的结构效果最佳。
在一些实施例中，所述高折射率介质膜的材料包括：氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌(Nb2O5)、钛酸镧(La2Ti2O7)、氧化钇(Y2O3)、硫化锌(ZnS)、氮化硅(Si3N4)、氧化铋(Bi2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钕(Nd2O3)、氧化锌(ZnO)的一种或上述材料中至少两种的混合物
在上述技术方案中，上述材料的优点是折射率位于1.7-3之间，材料生长稳定，堆积密度高，在可见光波段低吸收，具有高透明性。
在一些实施例中，所述低折射率介质膜为波长在380nm～780nm范围内折射率介于1.2-1.7的材料。
在上述技术方案中，本实施例规定在380nm～780nm范围内折射率介于1.2-1.7的材料定义为低折射率材料。本实施例低折射率材料设定的范围需要两点来考虑：一是本发明针对结构色薄膜，对于颜色评估，从光谱上考虑就是考查可见光波段，波长范围就是380nm-780nm，所以对波长范围做了限定。二是折射率定于为介于1.2-1.7，主要也是考虑常规的透明介质薄膜材料，一般的最高折射率在2.7左右，最低折射率在1.3左右，所以这里对低折射率材料做了一个常规界定1.2-1.7。但本发明创新点在于在传统FP腔金属层中，引入了增强反射层，而这个增强反射层必须是由高低折射率两种介质薄膜叠加才能实现所需有益的效果，因此在常规的光学薄膜介质材料从1.2-3之间做了一个高低分类，以1.7为分界值，使得最终成型的结构效果最佳。
在一些实施例中，所述低折射率介质膜的材料包括：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氟化镁(MgF2)、氟化铝(AlF3)、氟化铈(CeF3)、氯化镧(LaF3)、六氟合铝酸钠(Na3AlF6)、氟化钕(NdF3)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)或氟化锂(LiF))的一种或上述材料中至少两种的混合物。
在上述技术方案中，上述材料的优点是折射率位于1.2-1.7之间，所选择材料在可见光波段低吸收，具有高透明性。适合和前面所讲介质高折射率材料进行组合叠加，实现反射的干涉增强，而不引入吸收。
在一些实施例中，所述介质层为波长在380nm～780nm范围内折射率介于1.2-3.0的材料，其厚度控制在50nm～1000nm之间。
在上述技术方案中，结构中的中间介质层D2可选用380nm～780nm波长范围内折射率介于1.2-3之间的全介质薄膜材料，通过调节该层的材料和厚度可以设计出不同颜色的结构色薄膜。该层的厚度在50nm～1000nm之间，优选的100nm-800nm之间。
在一些实施例中，所述金属层为金属单质及其混合物，且厚度在20nm-200nm之间。
在上述技术方案中，结构中的金属层可选用各种金属单质，可选用传统的F-P金属层中的高反射金属如：金、银，也可以选用反射率较低的金属如：钛、钽、铁、铝、镍、铬、铌等。本结构中的反射层与传统F-P腔结构中的反射层起到相同的作用，都是提高膜系整体的反射率，作为底层反射层使用。使用低反射率的金属虽然反射率不如高反射率金属，但是可以通过增强介质层提高膜系的整体反射率，同时又可以降低工业成本，为其他金属在结构色反射层中的运用提供解决方案。反射层的厚度需大于20nm，同时不宜太厚应小于200nm，一般优选厚度范围在40nm-150nm之间，不易太厚主要是为了降低制造成本，同时减少膜层过厚而引入的散射损耗。
在一些实施例中，所述结构色薄膜还包括吸收层，该吸收层设置于介质层远离增强反射层一侧，材质为金属单质及其混合物或者具有一定吸收特性的半导体材料，且厚度在3nm-30nm之间，优选的5nm-20nm。
在上述技术方案中，结构中的吸收层选用金属单质材料或其混合物，通常选用具有部分吸收特性的金属作为本层首选材料。常用的材料如：铬、钛、钽、镍、铌、钴、铁或其混合物。该层的金属由于其在厚度小于20nm时通常会展现出高透射率、低反射率的特性，这与本材料厚度大于100nm时的特性完全相反，同时还能伴有部分吸收作用，是作为顶层饱和度调控吸收层的极佳选择。根据上述所要求的材料特性，本层的厚度在3nm-30nm之间，优选的5nm-20nm。
根据本发明的另一个方面，提供一种F-P谐振腔，包含上述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的对称式膜系结构示意图。
图2为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的非对称式膜系结构示意图。
图3为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之一在垂直入射下的反射光谱图。
图4为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之一在垂直入射下的色品坐标图。
图5为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之二在垂直入射下的反射光谱图。
图6为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之二在垂直入射下的色品坐标图。
图7为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之三在垂直入射下的反射光谱图。
图8为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之三在垂直入射下的色品坐标图。
图9为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之四在垂直入射下的反射光谱图。
图10为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之四在垂直入射下的色品坐标图。
图11为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之五在垂直入射下的反射光谱图。
图12为本发明一种增强反射型金属介质结构色薄膜的实施例之五在垂直入射下的色品坐标图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种增强反射型金属介质结构色薄膜，该结构能够进一步提高金属层在颜色主波长波段的反射率，压缩主波长反射带的反射带宽，实现更高的色彩亮度和饱和度。
本发明提出一种由吸收层、介质层、介质增强膜堆、金属层共同构成的新型薄膜结构色。此结构通过引入增介质强膜堆来解决传统金属层反射率较低的问题。同时引入的介质增强膜堆可以和原有介质层共同调整反射带宽，改善色彩饱和度，从而实现高于传统F-P腔结构的结构色薄膜色彩亮度和饱和度。
请参阅图1、图2本发明设计的具体膜层结构可以是对称结构也可以是非对称结构。对于非对称结构来说，从基底往上沉积为金属层M介质增强膜堆D1/介质层D2/吸收层A；对于对称结构，可采用吸收层A/介质层D2/介质增强膜堆D1/金属层M/介质增强膜堆D1/介质层D2/吸收层A的基本结构来构造。
膜系结构中的介质增强膜堆D1采用高折射率介质层H和低折射率介质层L堆叠组成。堆叠的周期数n越大则光谱的主波长反射率越高，对应反射带宽也更窄。故本发明的对称式和非对称式膜系结构可以分别用符号表示为：Sub/A/D2/(HL)^n/M/(LH)^n/D2/A；Sub/M/(LH)^n/D2/A其中Sub代表衬底。其中，规定在380nm～780nm范围内折射率介于1.7-3的材料定义为高折射率材料，如氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌(Nb2O5)、钛酸镧(La2Ti2O7)、氧化钇(Y2O3)、硫化锌(ZnS)、氮化硅(Si3N4)、氧化铋(Bi2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钕(Nd2O3)、氧化锌(ZnO)等材料；定义在380nm～780nm范围内折射率介于1.2-1.7的材料为低折射率材料，如二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氟化镁(MgF2)、氟化铝(AlF3)、氟化铈(CeF3)、氯化镧(LaF3)、六氟合铝酸钠(Na3AlF6)、氟化钕(NdF3)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)或氟化锂(LiF))等材料。通过调节高、低折射率介质层的光学厚度，使得整个该层能起到反射增强和压缩反射带宽，达到增强颜色亮度和调节饱和度的作用。其中该膜堆高低折射率层的厚度一般为所需增强反射中心波长的1/4光学厚度，之后再根据所需颜色的亮度和饱和度要求进行微调，该膜堆光学厚度的调整范围以结构色薄膜主反射中心波长λ的四分之一厚度为基础单位，光学厚度变化范围在0.5个四分之一厚度到1.5个四分之一厚度之间，。
结构中的中间介质层D2作为结构色薄膜主色调控制层，选用介质薄膜材料，定义在380nm～780nm波长范围内折射率介于1.2-3之间的全介质薄膜材料。为了达到所需的颜色特性，通过调节该层的材料和厚度可以设计出不同颜色的结构色薄膜。该层作为主要的色调控制层，其厚度在50nm～1000nm之间，优选的100nm-800nm之间。
结构中的金属层M可选用所述金属层的材质为金属单质或多种金属单质的混合物，可选用传统的F-P金属层中的高反射金属如：金、银、铝，也可以选用反射率较低的金属如：钛、钽、铁、镍、铬、铌等。本结构中的反射层与传统F-P腔结构中的反射层起到相同的作用，都是提高膜系整体的反射率，作为底层反射层使用。使用低反射率的金属虽然反射率不如高反射率金属，但是可以通过介质增强膜堆来提高膜系的整体反射率，同时又可以降低工业成本，为其他金属在结构色反射层中的运用提供解决方案，在保证不降低整体反射率情况下发挥其材料独特的部分吸收优势。该层的物理厚度在20nm-200nm之间，太薄反射率会明显降低，透光率增大，太厚会导致薄膜散射损耗加大，反而会降低反射，优选的厚度范围在40nm-150nm之间。
结构中的吸收层选用金属单质材料及其混合物或者具有一定吸收特性的半导体材料，通常选用具有部分吸收特性的金属作为本层首选材料。常用的材料如：铬、钛、钽、镍、铌、钴、铁以及硅、锗等材料。该层由于其在厚度小于20nm时通常会展现出高透射率、低反射率的特性，这与本材料厚度大于100nm时的特性完全相反，同时还能伴有部分吸收作用，是作为顶层饱和度调控吸收层的极佳选择。根据上述所要求的材料特性，本层的厚度在3nm-30nm之间，优选的5nm-20nm。
本发明基底材料采用高度抛光的刚性玻璃基底、不锈钢基底、铝合金基底，也可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、三醋酸纤维素(TAC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料(PC/PMMA)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)或聚氨酯弹性体(TPU)，聚四氟乙烯(PTFE)，氟代乙基丙烯(FEP)，聚二氟乙烯(PVDF)等光学塑料基底中的一种。
本实施例结构通过在金属层与介质层之间增加介质反射增强膜堆，从而达到增强整体膜系反射率的效果。该膜层结构用到了λ0/4膜堆的堆叠原理，即在金属膜层上镀以折射率n1、n2的两层λ0/4厚度的介质膜，并且n2紧贴金属，那么在垂直入射时，波长为λ0的导纳为：
其反射率为
由上式，可以看出在时，其总体的反射率会大于底层金属层的反射率，并且比值/>越大，其反射率的增加越多，要满足上述条件，需要折射率n1大于折射率n2，即靠近金属层的介质材料为折射率n2的低折射率介质薄膜材料。故在本增强反射层增大其堆叠次数或者增大高、低折射率材料的折射率差值能调节该层反射增强的强弱。
增强反射层不仅能起到反射增强的作用，同时由于其整个膜堆都由介质材料堆叠而成，其可以等效成一个与介质层D2折射率不同的介质层。当两个不同折射率的介质层组合在一起时，能够通过调节其厚度或者改变膜层中材料使其光学厚度与上层的介质层D2进行导纳匹配，从光谱上来看能够改变其光谱的波峰半高全宽和波峰峰值，从而对颜色进行调控，从而提高传统F-P腔结构色结构颜色改变的能力，达到更高色域范围的颜色实现。
本发明提出了一种新型金属介质构建的结构色薄膜结构，该结构能在传统结构色薄膜能达到的极限反射率基础上进一步大提升薄膜的整体反射率，这为薄膜结构色的反射色亮度提升和金属层的材料选取扩宽了选材可能。使用多种不同的材料进行搭配不但可以增加结构色薄膜颜色的设计范围，也可以提供更多的材料搭配组合，最终能设计红、绿、蓝等颜色的结构色薄膜。利用本发明对称结构可以制作成薄膜涂层，利用喷涂的方法应用在各种光学器件或有特殊光学性能需求的器件表面。本发明的非对称结构设计的膜系可以直接沉积在需要光学结构色的应用场景，这种方式沉积的薄膜相比于喷涂薄膜涂层与沉积基底的粘合度更为紧密。相比于以往的结构，利用本发明结构设计的薄膜能够运用在军事武器表面，一方面能够扩宽颜色调节范围使其表面颜色达到与环境颜色相匹配的饱和度要求，另一方面又可以提高其整体的反射色亮度，使其更为逼真。
实施例之一
如图2所示，该结构色薄膜由基底Sub、基底上的金属层M(Ni)、反射增强膜堆D1(MgF2/ZnS)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Cr)组成，基底采用直径为80毫米、厚度为2毫米、表面质量为20/10的K9玻璃沉积薄膜。其每一层的具体厚度由表1给出，该膜系中反射增强膜堆D1仅进行一次堆叠，其中组成的高、低折射率层分别用H、L表示。按照表1给出的厚度值可以制备出一种非对称的金属介质增强结构色膜系。图3为实施例1在垂直入射时的反射光谱图以及未采用反射增强膜堆结构对应的反射光谱，图4为实例1在垂直入射角度下的色品坐标图。作为对比，给出未引入反射增强膜堆D1是的非对称F-P结构，该结构由基底Sub、基底上的金属层M(Ni)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Cr)组成，厚度和表1对应膜层材料厚度相同，即
Sub/M(66nm)/D2(224nm)/A(4nm)，从图3可以看出，该膜系的反射率可以达到86％，未采用反射增强膜堆是的峰值反射率仅达到70％，通过反射增强膜堆的引入，将该薄膜的反射率提高了16％。从图4可以看出，该膜系的色品坐标为x＝0.4745，y＝0.468，色纯度达到0.8214，表现为橙黄色，并且靠近色品轨迹的边缘，体现出其颜色饱和度越高。
表1实施例之一膜层厚度参数表(单位：nm)
| 实施例 | Substrate | Layer1 M | Layer2 L | Layer3 H | Layer4 D2 | Layer5 A |
| 1 | Glass | 66 | 90 | 52 | 224 | 4 |
实施例之二
如图2所示，该结构色薄膜由基底Sub、基底上的金属层M(Ni)、增强反射层D1(MgF2/ZnS)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Cr)组成，基底采用直径为80毫米、厚度为2毫米、表面质量为20/10的K9玻璃沉积薄膜。其每一层的具体厚度由表2给出，该膜系中增强反射层D1进行了两次堆叠，其中组成的高、低折射率层分别用H、L表示，两次增强膜堆的堆叠，将获得更高的峰值反射率，。按照表2给出的厚度值可以制备出一种非对称的金属介质增强结构色膜系。图5为实施例2在垂直入射时的反射光谱图，图6为实例2在垂直入射角度下的色品坐标图。从图5可以看出，该膜系的反射率可以达到93％，仅仅增加了一个介质增强层的堆叠周期就在实例1的基础上增加了7个百分点，并且其波峰半高全宽有了很大的缩窄，增强效果显著。同时其从图6可以看出，该膜系的色品坐标x＝0.4457，y＝0.4833，色纯度达到0.8478，表现为黄色。
表2实施例之二膜层厚度参数表(单位：nm)
实施例之三
如图2所示，该结构色薄膜由基底Sub、基底上的金属层M(Cr)、增强反射层D1(MgF2/ZnS)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Cr)组成，基底采用直径为80毫米、厚度为2毫米、表面质量为20/10的K9玻璃沉积薄膜。其每一层的具体厚度由表3给出，该膜系中增强反射层D1进行了一次堆叠，其中组成的高、低折射率层分别用H、L表示。按照表1给出的厚度值可以制备出一种非对称的金属介质增强结构色膜系。图7为实施例3在垂直入射时的反射光谱图，图8为实例3在垂直入射角度下的色品坐标图。从图7可以看出，该膜系的反射率可以达到79.5％。从图8可以看出，该膜系的色品坐标x＝0.4508，y＝0.296，色纯度为0.326，表现为粉红色。
表3实施例之三膜层厚度参数表(单位：nm)
| 实施例 | Substrate | Layer1 M | Layer2 L | Layer3 H | Layer4 D2 | Layer5 A |
| 2 | Glass | 66 | 90 | 52 | 263 | 4 |
实施例之四
如图2所示，该结构色薄膜由基底Sub、基底上的金属层M(Al)、增强反射层D1(MgF2/ZnS)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Cr)组成，基底采用直径为80毫米、厚度为2毫米、表面质量为20/10的K9玻璃沉积薄膜。其每一层的具体厚度由表4给出，该膜系中增强反射层D1仅进行一次堆叠，其中组成的高、低折射率层分别用H、L表示。按照表1给出的厚度值可以制备出一种非对称的金属介质增强结构色膜系。图9为实施例1在垂直入射时的反射光谱图，图10为实例1在垂直入射角度下的色品坐标图。从图9可以看出，该膜系的反射率可以达到96.6％左右，主反射波长位于绿色波段530nm，。从图10可以看出，该膜系的色品坐标x＝0.2522，y＝0.5512，色纯度为0.6947，其反射色为翠绿色。
表4实施例之四膜层厚度参数表(单位：nm)
| 实施例 | Substrate | Layer1 M | Layer2 L | Layer3 H | Layer4 D2 | Layer5 A |
| 4 | Glass | 66 | 85 | 53 | 360 | 5 |
实施例之五
如图1所示，该结构色薄膜由基底Sub、基底上的吸收层A(Ti)、介质层D2(MgF2)、增强反射层D1(ZnS/MgF2)、金属层M(Ti)、增强反射层D1(MgF2/ZnS)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Ti)组成对称式结构，相对于中心金属层M在两侧对称分布，分布材料和厚度均相同，基底采用直径为80毫米、厚度为2毫米、表面质量为20/10的K9玻璃沉积薄膜。其每一层的具体厚度由表5给出，该膜系中增强反射层D1仅进行一次堆叠，其中组成的高、低折射率层分别用H、L表示。按照表5给出的厚度值可以制备出一种对称的金属介质增强结构色膜系。图11为实施例5在垂直入射时的反射光谱图以及未采用反射增强膜堆结构对应的反射光谱，图12为实例5在垂直入射角度下的色品坐标图。作为对比，给出未引入反射增强膜堆D1的对称F-P结构，该结构由基底Sub、基底上的吸收层A(Ti)、介质层D2(MgF2)、金属层M(Ti)、介质层D2(MgF2)、吸收层A(Ti)组成对称式结构，相对于中心金属层M在两侧对称分布，分布材料和厚度均相同，即Sub/A(6nm)/D2(329nm)M(66nm)/D2(329nm)/A(6nm)，从图11可以看出，该膜系的反射率可以达到76.8％，未采用反射增强膜堆是的峰值反射率仅达到55％，通过反射增强膜堆的引入，将该薄膜的反射率提高了21.8％。从图12可以看出，该膜系的色品坐标为x＝0.178，y＝0.182，色纯度达到0.3317，表现其反射色为蓝色。该膜系用了相对环保的金属Ti，这种对称环保型薄膜可以作为涂层应用在工业器件涂敷领域。
表5实施例之五膜层厚度参数表(单位：nm)
通过上述实施例可以发现，本发明提出了一种新型金属介质构建的结构色薄膜结构，该结构能在传统结构色薄膜能达到的极限反射率基础上进一步大提升薄膜的整体反射率，这为薄膜结构色的反射色亮度提升和金属层的材料选取扩宽了选材可能。使用多种不同的材料进行搭配不但可以增加结构色薄膜颜色的设计范围，也可以提供更多的材料搭配组合，最终能设计红、绿、蓝等颜色的结构色薄膜。利用本发明对称结构做出的结构可以制作成薄膜涂层，利用喷涂的方法应用在各种光学器件或有特殊光学性能需求的器件表面。本发明的非对称结构设计的膜系可以直接沉积在需要光学结构色的应用场景，这种方式沉积的薄膜相比于喷涂薄膜涂层与沉积基底的粘合度更为紧密。相比于以往的结构，利用本发明结构设计的薄膜能够运用在军事武器表面，一方面能够扩宽颜色调节范围使其表面颜色达到与环境颜色相匹配的饱和度要求，另一方面又可以提高其整体的反射色亮度，使其更为逼真。
实施例之六
一种F-P谐振腔，包含上述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜。该薄膜的优点已在上文中表述，此处不再赘述。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种增强反射型金属介质结构色薄膜，该结构色薄膜用于F-P腔结构，其特征在于，包括介质层、金属层；
在介质层与金属层之间设置有增强反射层；
该增强反射层由至少一组增强膜堆叠而成，每组增强膜由高折射率介质膜和低折射率介质膜堆叠组成，其中每层介质膜的厚度为λ0/4，其中λ0为F-P腔反射中心波长；
所述高折射率介质膜为波长在380nm～780nm范围内折射率介于1.7-3的材料；所述低折射率介质膜为波长在380nm～780nm范围内折射率介于1.2-1.70的材料。
2.如权利要求1所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜，其特征在于，所述增强膜堆中低折射率介质膜比所述高折射率介质膜更靠近于所述金属层。
3.如权利要求1所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜，其特征在于，
所述高折射率介质膜的材料包括：氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌(Nb2O5)、钛酸镧(La2Ti2O7)、氧化钇(Y2O3)、硫化锌(ZnS)、氮化硅(Si3N4)、氧化铋(Bi2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钕(Nd2O3)、氧化锌(ZnO)中的一种或上述材料中至少两种的混合物。
4.如权利要求1所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜，其特征在于，
所述低折射率介质膜的材料包括：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氟化镁(MgF2)、氟化铝(AlF3)、氟化铈(CeF3)、氯化镧(LaF3)、六氟合铝酸钠(Na3AlF6)、氟化钕(NdF3)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)或氟化锂(LiF))中的一种或上述材料中至少两种的混合物。
5.如权利要求1所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜，其特征在于，
所述介质层为波长在380nm～780nm范围内折射率介于1.2-3.0的材料，其厚度在50nm～1000nm之间。
6.如权利要求1所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜，其特征在于，所述金属层的材质为金属单质或多种金属单质的混合物，其厚度在20nm～200nm之间。
7.如权利要求1所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜，其特征在于，
所述结构色薄膜还包括吸收层，该吸收层设置于介质层远离增强反射层一侧，材质为金属单质及其混合物或者具有吸收特性的半导体材料，且厚度在3nm-30nm之间。
8.一种F-P谐振腔，其特征在于，包含权利要求1-7任一项所述的一种增强反射型金属介质结构色薄膜。
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