CN1969206B - 分色滤光器 - Google Patents
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Abstract
一种将入射光分成具有不同属性的第一和第二部分的分色滤光器。该分色滤光器包括布置在漏斗状结构(F1)中的反射滤光器(FR)。每个结构(F1)具有接收入射光(IL)的入口区域(IA1)和小于该入口区域的出口区域(OA1)。(IA1)使反射的入射光(RL)朝出口区域(OA1)会聚。结构(F1)包括第一组漏斗状结构(F1)，其构造成使具有第一属性(C1)的光朝其相应的第一出口区域(OA1)反射，以及使具有第二属性(C2)的光朝相应的第二出口区域(OA2)透射。
Description
技术领域
本发明涉及一种分色滤光器、包括这种分色滤光器的显示面板、包括这种显示面板的显示装置以及包括这种分色滤光器的太阳能板。
背景技术
Fu-Jen Ko和Han-Ping David Shieh于2000年3月1日在应用光学第39卷No.7发表的出版物“用于液晶投影系统应用的高效微光学滤色镜”公开了用于液晶(LC)投影系统的滤色镜。该滤色镜包括微棱镜阵列、光干涉滤色镜和增大LC投影系统的光通度的微透镜阵列光压缩器。该装置通过将光谱能分布到相应的彩色象素面积上来利用整个光谱的能量。该微棱镜阵列滤色镜包括45-90-45的棱镜阵列。每个棱镜构成一个子象素，并具有一斜边平面，该斜边平面涂覆有分离三基色的分色镜中相应的一个。斜边平面以45度的角度布置，分色镜将与斜边平面成45度角度的入射光反射到具有不同分色镜的相邻斜边平面。后一斜边平面使光朝象素反射。该透射过第一上述分色镜的光将到达另一个象素。
该结构使用了全内反射，但是全内反射不能为所有角度的入射光所获得。因此并不是所有从每一角度定向的光都能正确地传送到输出区域。如果使用漫散射显示(例如e-ink)，由于返回的光不能再准直，因此这将进一步降低结构的有效性。
发明内容
本发明的一个目的是增加到达合适象素的入射光量，即增加结构的受光角。
本发明的第一方面提供一种用于将入射光分离成具有不同属性的第一和第二部分的分色滤光器，其特征在于，该分色滤光器包括布置在第一组漏斗状结构和第二组漏斗状结构中的反射滤光器，每一个所述第一组漏斗状结构具有接收入射光的第一入口区域、小于该第一入口区域的第一出口区域和第一壁，所述第一壁之间的距离在朝向第一出口区域的方向上递减，用于使反射的入射光朝第一出口区域会聚，每一个所述第二组漏斗状结构具有接收入射光的第二入口区域、小于该第二入口区域的第二出口区域和第二壁，所述第二壁之间的距离在朝向第二出口区域的方向上递减，用于使反射的入射光朝第二出口区域会聚，其中该第一组漏斗状结构构造成使具有第一属性的光朝第一出口区域反射，并且使具有第二属性的光朝第二组漏斗状结构的第二出口区域透射，其中该第二组漏斗状结构构造成使具有第二属性的光朝第二出口区域反射，并且使具有第一属性的光朝第一组漏斗状结构的第一出口区域透射，第一出口区域和第二出口区域定位在同一平面中且彼此不重叠，其中该第一属性和该第二属性表示光的不同颜色或偏振状态。
本发明的第二方面提供一种包括如上所述的分色滤光器的显示面板，其中第一出口区域与显示器的相应的第一象素元件相联，第二出口区域与显示器的相应的第二象素元件相联。
本发明的第三方面提供一种显示装置，其包括上述显示面板和向该面板提供图象信息的电路。本发明的第四方面提供一种包括上述的分色滤光器的太阳能板，该第一属性和该第二属性表示光的不同颜色，第一出口区域与太阳能板的相应的第一太阳能电池相联，第二出口区域与太阳能板的相应的第二太阳能电池相联。有益的实施例在下文中加以描述。
根据本发明的第一方面的分色滤光器将入射光分离和准直成具有不同属性的第一和第二部分。不同的属性可以是不同的颜色(即光谱的不同部分)或不同的偏振态。该分色滤光器包括布置在漏斗状结构中的反射滤光器。这些结构的每一个具有接收入射光的入口区域和小于该入口区域的出口区域。所述结构的壁反射部分入射光，而透射另一部分入射光。反射光具有第一属性；透射光具有第二属性。所述壁具有朝出口区域相对彼此递减的距离，从而使反射光朝出口区域会聚。这样，漏斗状结构的壁从入口区域向出口区域朝彼此会聚，因此没有象在先前提到的现有技术的出版物中公开的那样平行地延伸。该结构包括第一组漏斗状结构，其构造成使具有第一属性的光朝其相应的第一出口区域反射，以及使具有第二属性的光朝相应的第二出口区域透射。这样，入射到漏斗状结构的反射滤光器上的光部分地被反射，部分地被透射。反射光具有不同于透射光的属性。
漏斗状结构的集聚效应以及反射滤光器的几何形状具有超过先前所述出版物的优点，即更大部分的光将到达象素，因此使用该漏斗结构得到的亮度高于使用现有技术的结构所得到的亮度。此外，没有到达出口区域的光线量更小，并且亮度由于更加对称的结构而更少地取决于视角。
该漏斗状结构可以是中空的漏斗，但是也可以充满透光材料。漏斗可以不是对称的漏斗；壁的陡度可以变化，甚至单个漏斗的陡度也可以变化。不同漏斗的壁的陡度可以不同。所述壁可以不是平面的，也可以使用凹入或凸出的壁。如果分色滤光器与显示器组合，那么每个出口区域与显示器的一个(或多个)(子)象素配合，并且分色滤光器将光谱的不同部分分开。那么，第一属性是第一颜色，而第二属性是不同于第一颜色的第二颜色。滤光器还可以将不同的偏振态分开。出口区域也可以与不同于象素的其他元件配合，如太阳能电池。由于对特定颜色的光可以使该太阳能电池最优化，因此可以更有效率地操作太阳能电池。通常，第一和第二出口区域定位在同一平面，但不彼此重叠。在相邻的出口区域之间可以设置自由空间，其中没有光或未透射过漏斗壁的光从滤光器离开。
在一个实施例中，第一组布置成形成多个覆盖第二出口区域的第一滤光器。其具有的优点是，可以使用同一反射滤光器来使具有第一属性的光朝第一出口区域会聚，以及使具有第二属性的光朝第二出口区域透射。这样，可以提供经济的解决方案。
在另一个实施例中，该结构包括第一组漏斗状结构，其构造成使具有第一属性的光朝其相应的第一出口区域反射，以及使具有第二属性的光朝第二组漏斗状结构的相应的第二出口区域透射。该第二组漏斗状结构构造成使具有第二属性的光朝其相应的第二出口区域反射，以及使具有第一属性的光朝相应的第一出口区域透射。因为指向第一出口区域和指向第二出口区域的光分别由第二组和第一组漏斗状结构过滤，因此该实施例具有改进的色分离。
在另一个实施例中，第一组漏斗状结构布置成形成多个覆盖第二出口区域的第一滤光器。第二组漏斗状结构布置成形成多个覆盖第一出口区域的第二滤光器。通过这种方式，邻近特定出口区域定位的出口区域的漏斗壁可覆盖该特定出口区域，并由此形成朝向该特定出口区域的透射滤光器。此外该实施例具有改进的色分离，因为指向第一出口区域和指向第二出口区域的光分别由第二组和第一组漏斗状结构过滤。进一步地，该实施例是经济的，因为使光朝特定出口区域会聚(以及还透射具有另一属性的光)的反射滤光器也会形成用于其他出口区域的透射滤光器。
通常，漏斗状结构的壁和相关出口区域之间的容积充满同一材料。然而，原则上，壁具有有限的厚度。滤光器可以刚好或大体上完全覆盖相关的出口区域，或者比该出口区域更大。
在另一个实施例中，覆盖第二出口区域的第一滤光器包括具有多边形底平面的结构，也称为底面。在朝向入射光的方向，与底面平行的横截面在一维或二维上逐渐变小。
在另一个实施例中，覆盖第二出口区域的第一滤光器包括锥形元件。每个锥形元件的底面指向与其相联的一个第二出口区域。这样，锥形元件的顶面指向入射光。锥形表示类似于金字塔的形状，其中其具有一底面，该底面覆盖了大体上大于顶面区域的一个区域。尽管这是优选的，但是不必将顶面弄尖，顶面可以是平的。进一步地，底面具有不同于三角形的另一形状。锥体的壁可以是平的、凹入的或凸出的。然而，凸出的壁将使会聚效应退化。
在另一个实施例中，第一滤光器包括具有指向第二出口区域的底平面的锥形元件，并且都具有第一高度。第二滤光器包括具有指向第一出口区域的底面的锥形元件，并且都具有不同于第一高度的第二高度。不同锥体的高度差使锥体的侧壁具有不同的角度。当滤色镜沉淀(evaporated)在锥形元件上时，该不同的角度可导致不同的层厚度。因此，具有不同高度的锥形滤光器的特性将不同，特别是如果滤色镜是干涉堆叠。
在另一个实施例中，不同的锥形元件具有不同的尺寸，以便获得不同角度的侧壁。锥形元件的高度可以相同。此外，不同的角度使不同层厚的滤色镜沉淀在锥形元件上。
在另一个实施例中，第一组漏斗状结构和第二组漏斗状结构分别包括第一层堆叠和第二层堆叠，它们分别布置在第一和第二漏斗状结构的侧壁上。第一和第二堆叠的连续层具有不同的折射率。可以在使用或不使用掩模的情况下通过沉淀在漏斗状结构上提供层堆叠。如果使用掩模，可以在不同的漏斗状结构上形成不同的堆叠，从而获得不同的滤光器。如果不使用掩模，那么将按照相同的顺序在不同的漏斗状结构上沉淀相同的层。通过使漏斗状结构的侧壁相对被沉淀的材料通量形成不同的角度，在不同的漏斗状结构上形成不同的层厚度，可以获得不同的滤光器。
在另一个实施例中，通过在锥形元件的侧壁上布置层堆叠，获得第一和第二滤光器。该层堆叠包括至少两个具有不同折射率的层。优选地，堆叠是干涉堆叠，其包括多组连续的层。该连续的层具有不同的折射率。
优选地，在每一组中，不同的连续层按相同的顺序布置。对应层的厚度以及因此得到的堆叠的厚度对于第一和第二锥形元件的侧壁来说是不同的，从而在光的不同波长处获得具有峰值反射率的滤光器。
优选地，在第一和第二锥形元件上的每一层堆叠在一个且相同的处理步骤中应用于所有锥形元件上，优选是通过沉淀来应用。对应层堆叠的不同厚度也就是在堆叠的末端可通过适当地改变锥形元件的角度进行选择。层厚度随着一方面锥形元件的侧壁和另一方面锥形元件的底平面之间角度的递增而递减。优选地，所有锥形元件具有平行布置的底平面，并且所述层随着大体上垂直于底平面的通量(flux)而沉淀。通常，所有锥形元件的底平面位于同一平面。
优选地，堆叠包括多组的两个层。每一组的两个层具有按照相同顺序的同一类型的层。同一组中两个层的折射率是不同的。每一组中对应的层厚度可以不同，但是不同组中至少部分层的厚度应该大体上相同。对于其一半的波长等于该层组的光学厚度的光来说，可产生该层组堆叠的反射率的第一阶峰值。该光学厚度是层的物理厚度与折射率的乘积。对于其波长等于该层组的厚度的光来说，也就是对于具有较短波长的光来说，可产生该堆叠的反射率的第二阶峰值。在更短的波长处甚至可产生更高阶的反射率峰值。
在另一个实施例中，第一锥形元件的侧壁的角度和第二锥形元件的侧壁的角度选择成在第一锥形元件上获得的层堆叠的厚度不同于在第二锥形元件上的层堆叠的厚度。堆叠的不同厚度选择成在第一锥形元件上获得在一波长处具有第一阶反射峰值的第一滤光器，其第一阶反射峰值不同于在第二锥形元件上的第二滤光器的第一阶反射峰值。
当然可以在锥形元件上形成三个不同的滤光器，其包括具有三个不同角度的侧壁。通过赋予不同锥形元件三个不同的高度，可以获得不同的角度。
在另一个实施例中，第一锥形元件的侧壁的角度小于第二锥形元件的侧壁的角度。堆叠的不同厚度选择成获得第一滤光器的第一阶反射峰值，其在比第二滤光器的第一阶反射峰值更长的波长处发生。例如，该角度选择成对于红光获得第一滤光器的第一阶反射峰值，而对于蓝光获得第二滤光器的第一阶反射峰值。
在另一个实施例中，第一锥形元件的侧壁的角度小于第二锥形元件的侧壁的角度。堆叠的不同厚度选择成获得第一滤光器的第二阶反射峰值，其在比第二滤光器的第一阶反射峰值更短的波长处发生。例如，该角度选择成对于蓝光获得第一滤光器的第二阶反射峰值，而对于红光获得第二滤光器的第一阶反射峰值。
在另一个实施例中，堆叠选择成获得第一滤光器的第一阶反射峰值，其位于可见光范围之外。例如，如果对于蓝光产生第一滤光器的第二阶反射峰值，就可能在红外光范围中产生第一滤光器的第一阶反射峰值。
在另一个实施例中，锥形元件底面的形状为三角形、四边形、矩形、正方形或六边形。这些形状具有的优点是相邻的出口区域可以直接彼此连接。其他形状如五边形的锥体也是可能的，但是这将在至少一些相邻的出口区域之间形成一些自由空间，从而降低效率。可替换地，也可以使用例如五边形和四边形底面的组合，也就是所谓的Penrose瓦面。
在另一个实施例中，第一出口区域中特定的一个出口区域由第二出口区域包围，从而获得交替第一出口区域和第二出口区域的模式。这种结构具有的优点是，使光朝第一出口区域中特定的一个反射并构造成使光朝第二出口区域透射的漏斗状结构能够在所有方向上朝第二出口区域透射被透射的光，并且所有光将到达出口区域。
在另一个实施例中，分色滤光器还包括第三出口区域。第一组漏斗状结构定位成将具有第一属性的光朝相联的第一和相联的第三出口区域反射。第一组漏斗状结构透射具有第二属性的光。第一属性是第一颜色，并且第二属性是不同于第一颜色的第二颜色。第一滤色镜布置成过滤指向第三出口区域的光，而第二滤色镜布置成过滤指向第一出口区域的光。入射到第一、第二和第三出口区域的光的颜色是不同的。这种结构的分色滤光器能够将入射光分离成三种不同的颜色。通常，这三种不同的颜色是指向显示器的相联象素的三基色。这种具有漏斗和滤色镜的分色滤光器的效率高于传统的结构，其中每个象素具有其自己的吸收滤色镜。每一吸收滤色镜必须吸收所有未对基色作贡献的光。在根据本发明的结构中，由于光首先被分离成两个不同颜色的光流然后过滤，部分光在其被过滤之前引导到另一象素，因此被滤色镜吸收的光量很少。
必须注意，使用具有第一颜色的光意味着该光仅覆盖了光谱的第一部分。该第一部分实际上覆盖了几种颜色。通过相同的方式，具有第二颜色的光覆盖了光谱的第二部分，其不同于第一部分。该第二部分部分地重叠第一部分，但不必一致。例如，具有第一颜色的光可以覆盖可见光谱的蓝色部分，而第二颜色可以覆盖可见光谱的红色部分。因此，指向第一和第三出口区域的光带蓝色，而指向第二出口区域的光带黄色(或橙色)。
在另一个实施例中，第三滤色镜过滤指向第二出口区域的光以进一步改进色分离。该第三滤色镜实际上与通常的吸收滤光器相似。由于光被反射滤光器预先过滤了，所以将吸收很少的光，从而效率更高。
在另一个实施例中，第一滤光器包括与第一和第三出口区域中相应的一个相联的锥形元件，这些锥形元件的底面分别指向第一和第三出口区域。这样可以使用同一锥形结构朝第一和第三出口区域定位。
在另一个实施例中，第一组漏斗状结构中的至少一个漏斗状结构包括反射具有第一属性的光以及透射具有第二属性的光的第一部分，和对具有第一和第二属性的光是反射性的第二部分。通过这种方式，可获得非对称的漏斗状结构，如果不是所有的出口区域都被提供会聚漏斗的反射滤光器覆盖，可有利地利用该非对称的漏斗状结构。入射光可直接或通过吸收滤光镜到达该出口区域。
在另一个实施例中，对于具有第一和第二属性的光是反射性的第二部分大体上垂直于一平面布置，该平面中布置了第一和第二出口。现在未被还提供会聚漏斗的反射滤光器覆盖的出口区域布置在大体上垂直的第二部分之间，从而该出口区域最佳地定位成直接或通过一吸收滤光器接收入射光。
在另一个实施例中，分色滤光器包括布置在至少两个大体上垂直布置的第二部分之间的第三出口区域，所述第二部分对具有第一和第二属性的光是反射性的，其中第一属性是第一颜色，第二属性是不同于第一颜色的第二颜色。第一吸收滤色镜过滤指向第三出口区域的光。入射到第一、第二和第三出口区域的光的颜色是不同的。
在另一个实施例中，第一组漏斗状结构和第二组漏斗状结构布置在与输出平面平行的第一平面中，所述输出平面中布置了输出区域。该第一和第二组漏斗状元件将入射光分成具有第一属性的光和具有第二属性的光。显示器还包括布置在第二平面中的第三组漏斗状结构和第四组漏斗状结构，它们布置在输出平面平行的第二平面中并处于第一平面和输出平面之间。该第三和第四组漏斗状元件布置成至少将具有第一属性的光分成具有第三和第四属性的光，使得入射光被分成具有至少三种不同属性的光。
在另一个实施例中，限定了一种锥形结构的双平面堆叠的优选结构，其能够高效地将入射光分成三种不同的颜色。该实施例可参考图7详细地进行说明。
在另一个实施例中，显示面板包括分色滤光器。第一出口区域与显示器的相应的第一象素元件相联，第二出口区域与显示器的相应的第二象素元件相联。这样，入射光就被分成两种指向不同象素元件的颜色。被反射的光量取决于象素元件的状态。如果象素元件处于其反射状态，因为几乎所有的入射光都能够被反射，因此能够形成具有非常高的亮度的彩色显示器。该显示面板可以是能够显示图象、文本、视频或其它信息的矩阵显示器。象素元件例如是e-ink电池。
在另一个实施例中，分色滤光器可分离三种颜色，优选地这三种颜色是基色。显示面板具有每个都与一个出口区域相联的象素元件。现在就能够获得具有非常高的亮度效率的全色显示。
在室外应用中，反射显示器是优选的，因为要使用发射显示产生足够高的亮度和对比度是困难的。根据本发明的分色滤光器对于这种要优化其亮度的反射显示是特别相关的。该分色滤光器可以构造成在显示元件顶面上的一个层。实际上，分色滤光器可将不同的颜色聚焦在不同的表面区域上。显示器可以是平的，并具有象素元件，该显示元件包括透射和非透射态。
分色滤光器也可以将例如在LCD中使用的不同偏振态分开。通常的LCD需要吸收一半的入射光的偏振滤光器。这样，可以获得因子为2的增益。在彩色显示应用中，该增益甚至更高。在每个显示元件上布置的已知吸收滤色镜可吸收附加的三分之二的入射光。这样，总损失是大约85至90％。更亮的反射显示如E-ink具有大约70％的损失。
在另一个实施例中，使用分色滤光器在入射光到达不同(类型)的太阳能电池之前将其分离。
根据本发明，使用反射滤光器。入射到反射滤光器上的光被分离成反射光和透射光。原则上，反射光和透射过的总和等于入射光。反射光的属性不同于入射光的属性。例如，颜色和/或偏振态不同。因此，尽管滤光器表示为反射滤光器，但是也可以是透射滤光器。
本发明的这些和其他方面将变得明显，它们将在下文参考实施例进行说明。
附图说明
在附图中：
图1示意性地示出了与显示器的象素相结合的分色滤光器的一个实施例的横截面图，
图2示意性地示出了与显示器的象素相结合的分色滤光器的一个实施例的横截面图，
图3示意性地示出了与显示器的象素相结合的分色滤光器的一个实施例的横截面图，
图4示意性地示出了分色滤光器的一个实施例的顶视图，
图5示意性地示出了在出口区域具有吸收滤色镜的分色滤光器的一个实施例的横截面图，
图6示意性地示出了具有反射器的分色滤光器的一个实施例的横截面图，
图7A和7B分别示意性地示出了分色滤光器的顶平面和底平面的顶视图，所述分色滤光器将入射光分成三基色，
图8示意性地示出了具有反射器的分色滤光器的顶平面和底平面的透视图，
图9A示出了图8中底平面的可替换结构的透视图，图9B示出了图8中底平面的另一个结构的顶视图，
图10示出了和分色滤光器一起使用的显示装置，
图11示出了和分色滤光器一起使用的太阳能板，
图12示出了具有层堆叠的滤光器的反射率的一个实例，其具有成比例的层厚度，
图13示出了具有层堆叠的滤光器的反射率的一个实例，其中同一堆叠中不同的层具有不同的厚度，
图14示出了对于入射光的不同入射角来说具有成比例的层厚度的滤光器的反射率的一个实例，
图15示出了具有成比例的层厚度的两个滤光器的反射率的一个实例，所述两个滤光器分别使用第二和第一阶反射峰值。
具体实施方式
图1示意性地示出了与显示器的象素相结合的分色滤光器的一个实施例的横截面图。所示简化了的分色滤光器可以容易地说明其操作和所用的术语。分色滤光器还可称为滤光器，除非需要与其它滤光器区别开来。该滤光器与显示器的象素PR、PG结合使用。滤光器的出口区域OA1、OA2分别与象素PR、PG配合。入口区域IA1指向入射光IL。仅仅通过示例，所示出的是通过在锥形结构PE1上提供反射滤光器FR获得漏斗状结构F1。
反射滤光器FR将一部分入射光IL作为反射的入射光RL反射到出口区域OA1。反射光RL具有第一属性C1。例如，反射光RL具有随被反射的可见光谱部分而变化的第一颜色。漏斗状结构F1使反射的部分入射光IL朝相联的出口区域OA1会聚。
反射滤光器FR将另一部分入射光IL作为透射光TLG透射。例如，该透射光TLG具有不同于第一颜色的第二颜色。该第二颜色随被透射的可见光谱部分而变化。可替换地，反射光RL具有第一偏振态，而透射光TLG具有不同于第一偏振态的第二偏振态。在一个优选实施例中，第一和第二偏振态相对彼此垂直。该偏振态例如是偏振方向或左旋或右旋圆(椭圆)偏振。
锥形结构PE1具有底平面B1，其与相联的出口区域OA2配合，在示出的实施例中是与象素PG配合。锥形结构PE1具有远离出口区域OA2、指向入射光IL的顶面T1。锥形结构PE1覆盖了出口区域OA2，从而在出口区域OA2的顶面形成滤色镜CF1。
因此，由于反射滤光器FR的反射特性和其漏斗状的几何结构，具有第一属性C1的光朝第一出口区域OA1会聚。此外，由于反射滤光器FR的透射特性以及由于其覆盖了第二出口区域OA2，因此仅具有第二属性的光能够到达第二出口区域OA2。在该简化的结构中，入射光能够直般到达第一出口区域OA1，因而朝不同象素PR和PG的色分离不是最佳的。可以在第一出口区域OA1处增加一滤色镜，使得例如仅具有第一属性的光才能够到达第一出口区域OA1。这种附加的滤色镜可以是扁平的吸收滤光器，其布置在象素PR的顶面。但是，优选地，在象素PR顶面的滤色镜是如图2所示的锥形结构，使得具有第二属性的光被反射并朝象素PG会聚。
必须注意，漏斗状结构F1的精确几何形状对本发明来说不是关键。重要的是该几何形状形成为通过反射滤光器的漏斗状结构使反射光RL朝相联的出口区域OA1会聚。优选地，漏斗状结构F1由具有指向其它出口区域OA2的锥形结构PE1形成，使得它们形成朝向这些其它出口区域OA2的滤色镜。锥形结构(也称为锥体)PE1的边界或壁使反射光朝出口区域OA1会聚。优选地，锥体PE1所用材料的折射率n1比入射光IL在其中行进的材料(通常是空气)的折射率n0足够得更大。这和漏斗形状一起使透射光TLG朝出口区域OA2会聚。优选地，象素PG、PR的材料具有与锥体PE1的折射率n1相同的折射率n1。
底平面B1具有任何合适的形状，例如形成脊的矩形、形成四面锥体的正方形、形成熟知的三面锥体的三角形或形成具有超过四个侧面、具有超过四个顶点的多边形。尽管最佳地，可以不必将锥体PE1的顶面弄尖，该顶面可以是扁平的。然而，穿过锥体PE1平行于底平面B1的横截面应该从底面向顶面T1递减。锥体的侧面不必是平的，也可以是凹入或凸出的。锥体PE1不必是对称的；顶部T1的投影不必与底平面B1的中心一致。底平面B1不必刚好与象素PG覆盖的区域一样大。优选地，底平面B1不小于有效象素面积。锥体PE1可以由透明材料制成，该透明材料上布置有作为一个层的反射滤光器FR。锥体PE1之间的漏斗可以是空的，或者可以充满具有一定折射率的材料，该折射率优选等于锥体PE1材料的折射率n1，或者等于介于n0和n1之间的某个值。也可以是更高的折射率，但是这将使滤光器的性能退化。
图2示意性地示出了与显示器的象素相结合的分色滤光器的一个实施例的横截面图。该分色滤光器OF和显示器D的象素PR、PG基于图1中所示的结构。现在，在象素PR、PG之间存在一光学自由空间，并增加锥形滤色镜CF2。此外，漏斗状结构F1由锥体PE1侧壁上的反射滤光器FR提供，所述锥体PE1的底平面B1与覆盖了象素PG区域的出口区域OA2相联。漏斗状结构F2由锥体PE2侧壁上的反射滤光器FG提供，所述锥体PE2的底平面B2与覆盖了象素PR区域的出口区域OA1相联。漏斗F1的入口区域表示为IA1，漏斗F2的入口区域表示为IA2。分色滤光器OF和显示器D的组合被称为显示面板DP。尽管图2示出了具有相同尺寸的出口区域OA1、OA2和象素PR、PG，但是也可以不必如此。
底平面B1具有尺寸D1，底平面B2具有小于尺寸D1的尺寸D2。由于底平面B1、B2的不同尺寸D1、D2，因此锥体PE1、PE2与底平面之间的角度也不同。如果滤光层FR、FG沉淀在锥体PE1、PE2的壁上，由于角度不同将导致滤光器FR、FG的层厚度不同。这种层厚度的不同会导致不同的滤光器特性。反射滤光器FR反射具有第一属性C1的光，并透射具有第二属性C2的光。反射滤光器FG反射具有第二属性C2的光，并透射具有第一属性C1的光。因此，反射滤光器FR通过反射滤光器FG使具有第一属性的光朝象素PR会聚，所述反射滤光器FG对具有第一属性C1的光是透射性的。反射滤光器FG通过反射滤光器FR使具有第二属性C2的光朝象素PG会聚，所述反射滤光器FR对具有第二属性C2的光是透射性的。这样，理想地，仅具有第一属性C1的光能够到达象素PR，以及仅具有第二属性C2的光能够到达象素PG。原则上，可以使用所有的入射光；该入射光不会在吸收滤色镜中被吸收，而是分成了被完全使用的、具有不同属性的两个光流。因此，与根据本发明的分色滤光器OF一起使用的显示器D的亮度比传统的显示面板DP更亮，在传统的显示面板中每个象素都使用了吸收滤色镜。由于其结构对称，因此入射光相对结构的角度的相关性是最佳的。
优选地，锥体PE1、PE2和象素PR、PG具有相同的折射率n1，该折射率大于环境介质的折射率n0。锥体PE1、PE2之间的区域由具有折射率n1的透射性材料填充，或者可以是空的，因而具有折射率n0，或者具有介于n0和n1之间的折射率。通常地通过在锥体PE1、PE2的顶面增加一透射板(未示出)来对其进行保护。
仅通过示例，滤光器FR反射红光，但透射(可见)光谱的其它部分，而滤光器FG透射红光，同时反射光谱的其它部分。
图3示意性地示出了与显示器的象素相结合的分色滤光器的一个实施例的横截面图。图3中所示的分色滤光器基于图1中所示的滤光器OF。通过以如图2所示的相同方式，锥形结构PE1布置在出口区域2也就是象素PG上方，锥形结构PE2布置在出口区域OA1也就是PR上方。锥体PE1具有高度H1，其大于锥体PE2的高度H2。由于高度差，锥体PE1的侧面相对其底平面B1的角度大于锥体PE2的侧面相对其底平面B2的角度。此外，由于形成反射滤光器FR和FG的沉淀材料的层厚度的不同，因此滤光器的特性也将不同。优选地，不同的锥体PE1、PE2具有不同的顶角，该顶角选择成满足下面的方程式0.5＜sin(锥体PE1的顶角)/sin(锥体PE2的顶角)＜＝2.0。如果该比率为1.0，那么锥体PE1和PE2相等，且滤色镜必须以不同的方式制成。如果该比率为2.0，那么波长差大约为因子2。优选地，该比率在0.625至0.8或1.25至1.6的范围中。缩写sin表示正弦。
图4示意性地示出了分色滤光器的一个实施例的顶视图。没有标记的直线分别示出了输出区域OA1或底平面B1的边界以及输出区域OA2或底平面B2的边界。锥体PE1具有顶面T1，锥体PE2具有顶面T2。锥体PE1侧面的边角线用小圆点表示，锥体PE2侧面的边角线用小正方形表示。还应该注意，锥体PE1的所有侧面反射具有第一属性C1的光，并透射具有第二属性C2的光，而锥体PE2的所有侧面反射具有第二属性C2的光，并透射具有第一属性C1的光。
图5示意性地示出了在出口区域具有吸收滤色镜的分色滤光器的一个实施例的横截面图。图5中所示的结构基于图2中所示的结构。图5和图2中相同的参考标记表示具有相同功能的相同部件。现在，第二锥形结构PE2布置在用PR和PB表示的象素上方。第一锥形结构PE1仍然布置在用PG表示的象素上方。现在，通过示例，锥体PE1、PE2的所有底面B1、B2具有相同的尺寸，并且在象素PR、PB、PG之间没有自由空间。应该注意，尽管用不同的参考标记表示象素PR、PB、PG，实际上象素PR、PB、PG的结构是相同的，仅仅是象素上入射光的属性和/或由象素反射的入射光的属性不同。进一步地，现在增加吸收滤色镜CF3、CF4、CF5以便分别过滤指向象素PB、PR、PG的光。
下文将说明所示结构的操作。仅仅通过示例，如果象素PR、PB、PG必须分别透射或反射基色即蓝色B、红色R和绿色G，则说明括号中的部件。在所示的示例中，入射到象素PG上方的锥体PE1中反射滤光器FR上的入射光IL穿过相邻锥体PE2的反射滤光器FG(透射颜色R和B)和滤色镜CF3(吸收颜色R和透射颜色B)朝象素PB被反射为具有第一属性C1的反射光RL。由于滤色镜CF3仅对部分光谱(颜色B)是透射的，因此被象素PB反射的光BL(颜色B)的属性会变化。该入射到相邻锥体PE1上的光BL由反射滤光器FR(反射颜色R和B)向观众反射。
入射到象素PG上方的锥体PE1中反射滤光器FR上的入射光IL穿过锥体PE1被透射为具有第二属性(颜色G)的透射光TL。该透射光通过可选的吸收滤光器CF5(仅透射颜色G或颜色G的有限光谱，吸收其它颜色)到达象素PG。滤光器CF5可以改进基色G的色点。由象素PG反射的光可以撞击到相邻锥体PE2的滤光器FG(它可反射颜色G)上，并向观众反射。
由锥体PE1向象素PR(未示出)反射的光再次具有第一属性C1(包括颜色R和B)。吸收滤光器CF4(透射颜色R和吸收颜色B)过滤具有属性C1的光，使得象素PR仅对具有第四属性(仅仅颜色R)的光有效。
图6示意性地示出了具有反射器的分色滤光器的一个实施例的横截面图。图6和图5中相同的参考标记表示具有相同功能的相同部件。反射器RS对具有第一属性的光和具有第二属性的光是反射性的。在所示的实施例中，象素按PR、PG、PB的顺序交替。为了便于说明，并且仅通过示例，假定象素PR、PG、PB分别必须调制红色R、绿色G和蓝色B的光。一方面分别在锥形结构PE2和PE1的底面之间以及另一方面分别在象素PR和PG之间布置吸收滤色镜CF6和CF7。在象素PB顶面布置吸收滤色镜CF8。反射器RS位于蓝色象素PB侧面，优选地相对包括象素PR、PG、PB的平面大体上垂直地延伸。锥形结构PE1和PE2实际上是图5的锥形结构的一半。输出区域OA1、OA2、OA3分别对应于象素PR、PG、PB的区域。反射滤色镜C1和C2共同地表示为反射滤光器RTS。
下文将说明所示结构的操作。入射光IL1以预定角度入射到蓝色象素PB上方的显示面板上，对着反射器RS反射为反射光RL1。反射光RL1由吸收滤光器CF8过滤，使得仅有蓝色(实际上，通常是蓝色区域中的部分光谱)向象素PB透射。由象素PB向观众反射的蓝光BL的量取决于象素PB的光学状态。
入射光IL2入射到分别由红和绿象素PR、PG形成的区域上方的显示面板上。该入射光IL2入射到象素PR上方的反射滤色镜C1上。该滤光器C1反射绿光RL2，并透射红光和蓝光TL。红光TL包含仅覆盖超过红光的光谱部分，吸收滤光器CF6将透射期望的红光光谱部分。由象素PR向观众反射的红光RE的量取决于象素PR的光学状态。反射的绿光RL2穿过象素PG上方的反射滤光器C2。该滤光器C2反射红光，并透射绿和蓝光，其包含仅覆盖了超过绿光的光谱部分。吸收滤光器CF7将透射期望的绿光光谱部分到象素PG。由象素PG向观众反射的绿光GL的量取决于象素PG的光学状态。
在该实施例中，漏斗状结构F1由反射滤色镜C2和其与相对的反射器RS形成，而漏斗状结构F2由反射滤色镜C1和与其相对的反射器RS形成。此外，漏斗状结构F1和F2使光分别朝其相应的象素PG、PR会聚。如果滤光器C1对于红光具有足够小的透射带，那么可以省略滤光器CF6。如果滤光器C2对于绿光具有足够小的透射带，那么可以省略滤光器CF7。对于滤光器C1、CF6、C2、CF7和CF8，可以使用其它不同的颜色，并提供多色显示器。根据应用，滤光器C1、CF6、C2、CF7和CF8中的任何一个或几个可以是代替滤色镜的偏振滤光镜。
图7A和7B分别示意性地示出了分色滤光器的顶平面和底平面的顶视图，所述分色滤光器将入射光分成三个基色。该结构包括反射滤光器的两个平面的堆叠，其布置在锥形结构中。顶平面和底平面实际上是两个不同的层或板，但是也可以是单个层或板。
在图7A中示出的顶平面包括多个锥体，其具有用实线示出的三角形底面。锥体TP的底面具有粗线以清楚地显示其形状。底面指向观众。锥体的顶面T1远离观众地指向。锥体的边角线用虚线表示。在锥体侧面上的反射滤光器的颜色用R、G和B表示。用R表示的滤光器反射红光并透射绿光和蓝光(或者对于绿光和蓝光是透明的)。用G表示的滤光器反射绿光并对红光和蓝光是透明的，用B表示的滤光器反射蓝光并对红光和绿光是透明的。
在图7B中示出的底平面包括具有指向观众的顶面T2的六边形锥体。该顶面T2定位在顶面T1之间，使得顶平面和底平面的锥体配合在彼此中间。底平面中锥体底面边界用实线表示。虚线表示锥体的边角线。锥体的六个侧面表示为S21至S26。为了进一步说明底平面中锥体相对顶平面的位置，用其上增加了小圆点的虚线表示顶平面中锥体TP的底面的位置。正如从图7B中所看到的，顶平面中锥体BP1、BP2、BP3的侧面与顶部锥体的两种不同颜色的侧面配合。与所示的顶部锥体TP相联的部分侧面S21至S26用S21a至S26a表示，这些侧壁的其它部分用S21b至S26b表示。存在几种选择顶平面的反射滤色镜的可能性。
在第一实例中，底平面锥体BP1、BP2和BP3的侧面分别具有青滤光器、黄滤光器和品红滤光器。青滤光器对红光是透明的并反射绿光和蓝光，黄滤光器对蓝光是透明的并反射绿光和红光，品红滤光器对绿光是透明的并反射蓝光和红光。
下文将说明分色滤光器的操作，其包括图7A的顶平面和这种底平面。顶平面中锥体TP(还称为顶部锥体TP或锥体TP)上的绿滤光器将红光和蓝光分别透射到锥体BP2和BP1的分段S23a和S26a上。分段S26a的青滤光器将红光透射到底层的象素上并反射蓝光。分段S23a的黄滤光器将蓝光透射到底层的象素上并反射红光。锥体TP上的红滤光器将绿光和蓝光分别透射到锥体BP2和BP3的分段S22a和S25a上。分段S22a的黄滤光器将蓝光透射到底层的象素上并反射绿光。分段S25a的品红滤光器将绿光透射到底层的象素上并反射蓝光。锥体TP上的蓝滤光器将绿光和红光分别透射到锥体BP1和BP3的分段S21a和S24a上。分段S21a的青滤光器将红光透射到底层的象素上并反射绿光。分段S24a的品红滤光器将绿光透射到底层的象素上并反射红光。因此，对应于分段S21a和S26a的象素用作红象素，对应于分段S22a和S23a的象素用作蓝象素，以及对应于分段S24a和S25a的象素用作绿象素。这样，锥体BP1、BP2、BP3的底面分别相应于红象素、蓝象素、绿象素。
在另一个实例中，底平面锥体BP1、BP2和BP3的侧面对于每个锥体具有交替不同的反射滤色镜。锥体BP1具有蓝和绿反射滤光器，侧面S21、S23和S25具有蓝反射滤光器，侧面S22、S24和S26具有绿反射滤光器。锥体BP2的侧面S21、S23、S25具有红反射滤光器；锥体BP2的侧面S22、S24、S26具有绿反射滤光器。锥体BP3的侧面S21、S23、S25具有蓝反射滤光器；锥体BP3的侧面S22、S24、S26具有红反射滤光器。在底平面中使用的反射滤光器的颜色属性与在顶平面中使用的相同。
下文将说明分色滤光器的操作，其包括图7A的顶平面和这种底平面。顶平面中锥体TP上的绿滤光器将红光和蓝光分别透射到锥体BP2和BP1的分段S23a和S26a上。分段S26a的蓝滤光器将红光透射到底层的象素上并反射蓝光。分段S23a的红滤光器将蓝光透射到底层的象素上并反射红光。锥体TP上的红滤光器将绿光和蓝光分别透射到锥体BP2和BP3的分段S22a和S25a上。分段S22a的绿滤光器将蓝光透射到底层的象素上并反射绿光。分段S25a的蓝滤光器将绿光透射到底层的象素上并反射蓝光。锥体TP上的蓝滤光器将绿光和红光分别透射到锥体BP1和BP3的分段S21a和S24a上。分段S21a的绿滤光器将红光透射到底层的象素上并反射绿光。分段S24a的红滤光器将绿光透射到底层的象素上并反射红光。因此，对应于分段S21a和S26a的象素用作红象素，对应于分段S22a和S23a的象素用作蓝象素，以及对应于分段S24a和S25a的象素用作绿象素。这样，锥体BP1、BP2、BP3的底面分别相应于红象素、蓝象素、绿象素。
许多可替换的结构都是可能的。锥体的底面可以具有除三角形之外的其它形状，例如矩形、正方形和六边形。顶部锥体TP的侧壁和底部锥体BP1至BP3不必彼此接触，相对锥体的对应侧壁不必平行地延伸。反射滤色镜可以具有其它颜色。唯一重要的是顶部锥体TP的侧壁的滤色镜和底部锥体BP1至BP3选择成彼此相配合，从而至少三种不同的颜色指向象素。
图8示意性地示出了具有反射器的分色滤光器的顶平面和底平面的透视图。顶平面TPL包括将入射光IL分成光谱的两个分段L1、L2(为了便于说明也称为两种颜色)的分色滤光器。通过提供细长的脊状结构可以获得漏斗状结构F1、F2，所述脊状结构包括按交替顺序的第一和第二反射滤光器CF10、CF20。该结构等效地操作成如图2和3所示的结构。实际上，可以使用在这些附图中所示的相同结构，但是现在使用脊状结构代替锥体。
底平面BPL必须还包括反射滤色镜，该反射滤色镜定位成使得第一颜色的光L1和/或第二颜色的光L2进一步被分成光谱的两个子分段，从而可以获得三种或四种不同的子分段(也称为颜色)。相反地，可以用反射偏振滤光器代替一些滤色镜，所述反射偏振滤光器反射具有第一偏振态的光，并对具有另一偏振态的光是透射性的。底平面BPL包括布置成使第一颜色的光L1和第二颜色的光L2保持分离的反射器RE。在所示的实施例中，反射器RE在与脊相同的方向上延伸，并定位在两个滤光器CF10和CF20之间。
如果要将光分成三种颜色，就不需要在一个滤色镜下方布置附加分色滤光器，而是在另一滤色镜CF10下方布置附加色分离结构。该附加色分离结构布置在相邻的反射器RE之间，并具有如前所述的结构。在图8所示的实施例中，该附加色分离结构包括具有不同的反射滤色镜的锥形结构PSS1、PSS2，用于将光L1分成两个子分段L1a和L1b。如果要将光分成四种颜色，就需要在滤色镜CF10和CF20下方布置附加分色滤光器。
例如，滤光器CF10是反射红光和透射蓝光及绿光的红滤光器，滤光器CF20是反射绿光和透射红光及蓝光的绿滤光器。在由两个相邻反射器RE形成的滤光器CF20下方的隔间中，提供吸收滤光器以吸收蓝光，使得只有红光离开该隔间，例如到达调制反射回到观众的红光的量的象素。在滤光器CF10下方的隔间中，提供分色滤光器以分离蓝光和绿光。这样，应该提供分别反射蓝光和绿光并且分别透射红光和绿光以及红光和蓝光的蓝反射滤光器和绿反射滤光器。
可替换地，可以用在一方向上延伸的脊状结构替代所示的锥体，该方向不同于顶平面TPL的脊状结构延伸的方向。优选地，底平面BPL的脊状结构在一方向上延伸，该方向垂直于顶平面TPL的脊状结构。这些脊状结构在使用如图8所示的锥体的实施例中是优选的。
图9A示出了图8中底平面的可替换结构的透视图，图9B示出了图8中底平面的另一个结构的顶视图。应该注意，为了清晰起见，在图9A中所示的结构旋转了90度。底平面BPL的反射器RE必须在另一方向上延伸，该方向不同于(优选垂直于)顶平面TPL的脊。
图9A示出了具有在一方向上延伸的反射器RE的底平面，该方向垂直于图8中顶平面TPL上的脊状滤光器CF10、CF20。底平面BPL还包括形成附加反射滤色镜CF30和CF40的脊状结构。优选地，反射器垂直于一平面，底平面BPL在该平面中延伸。
例如，如果在顶平面TPL中使用相同的红滤光器CF10和绿滤光器CF20，就能够在底平面BPL中使用蓝滤光器和绿滤光器CF30、CF40。
图9B示出了一底平面，其中具有不同反射滤色镜CFR、CFG的不同锥体PR、PG具有一定的几何形状，使得由所述锥体之一反射的光指向具有其它滤色镜的锥体。图9B示出了一个特殊的实施例，其中锥体的底面是三角形，但是可以选择许多其它形状的底面来获得相同的效果。在所示的实施例中，滤光器是红R和绿G滤光器。可以使用任何其它颜色或偏振态代替所述颜色。反射器RE将锥体分段成形成包括两个不同反射滤色镜CFR、CFG的隔间，所述反射滤色镜向彼此反射光。优选地，滤光器CFR、CFG对称地定位在隔间中。也可以在没有顶平面TPL的情况下使用这种底平面BPL作为图4中所示结构的替换结构。
图10示出了和分色滤光器一起使用的显示装置。该显示装置包括显示器1，其显示了其象素阵列P11、P1n、Pm1。该象素与选择电极6和数据电极5的交点相联。选择驱动器4向选择电极6提供选择信号，数据驱动器3向数据电极5提供数据信号。处理和控制电路2接收要在显示器1上显示的输入视频信号VI，向数据驱动器3提供信号DA，向选择驱动器4提供信号SE。通常，信号DA包括表示输入视频信号VI和定时信号的数据，用于使给数据电极6的数据信号的提供与输入视频信号VI同步。信号SE包括定时信息，用于使给数据电极6提供选择信号与提供数据信号同步。通常，一个接一个地选择显示器1的行，同时并行地向选择的行提供数据信号。
图11示出了和分色滤光器一起使用的太阳能板，该太阳能板包括太阳能电池SC11至SCmm，其被分成两种用SCa(虚线区域)和SCb(实线区域)表示的不同类型的太阳能电池。仅通过示例，太阳能电池SCa和SCb在行和列的方向上彼此交替为正方形。太阳能电池SC11至SCmm可以具有其它形状，不必以矩阵的形式布置。分色滤光器可以将入射光分离成两种颜色范围，该颜色范围可最优地调节成对不同太阳能电池的敏感颜色范围。
根据本发明的分色滤光器利用了环境的折射率n0和用于提供漏斗结构F1、F2的材料的折射率n1之间的差。在一维中可以使表面减小n1/n0*sin(α)，同时所有的光仍将到达出口区域，其中α是漏斗F1、F2的角度，也就是反射滤光器CF1、CF2与出口OA1、OA2的平面产生的角度。这是基于当光进入具有较高折射率的材料时会朝平面的法线弯曲的事实。进一步减小出口的表面积将反射回一定量的入射光，并且这些入射光不会到达漏斗的底部。这样，如果漏斗的高度较大，角度α达到90度，那么在一维中最大的压缩比是因子n1/n0。在实际的实施例中，该压缩比为1.5。然而，如果使用具有高折射率的特殊材料，最大压缩比可以更大。在二维中可能的压缩比是(n1/n0)2。为了分成两种颜色，需要的折射率比率为1.42，为了分成三种颜色，需要的折射率比率为1.73。这样，优选地，漏斗的入口区域和漏斗的出口区域的比率不大于这些压缩因子。这意味着如果达到折射率为1.5的实际比率，那么在滤光器的单平面内仅能够分成两种颜色。如果使用足够高的折射率n1的材料，就能够在滤光器的单平面内分成三种颜色。
能够使用根据本发明的分色滤光器部分地分离颜色，以及增加吸收滤色镜以吸收不期望的颜色。尽管损失了部分光效率，但是在没有本发明的分色滤光器的情况下在每一象素上使用吸收滤色镜仍然具有改进。
图12示出了具有层堆叠的滤光器的反射率的一个实例，其具有成比例的层厚度。反射率RF表示为沿纵轴的百分比，光的波长用λ以nm(纳米)沿横轴表示。通过形成交替层的堆叠可以形成反射滤色镜，所述交替层包括具有不同折射率的材料。例如，一个层由SiO2制成，另一个层由Ta2O5制成。然而，可以使用任何其它合适的材料，只要其折射率不同，并且它们对光是透射性的。一般地，堆叠的周期由SiO2层和Ta2O5层的光学厚度的总和确定，该堆叠的周期可确定一波长，层堆叠的反射率在该波长具有最大值。
图12中示出了一个实例，对于使用SiO2和Ta2O5的交替层的15层堆叠来说，所示的反射率FC1是入射光的波长λ的函数，上述交替层的厚度分别为111.63nm和77.27nm。反射率函数FC1的第一阶峰值P1位于650nm的波长处，在此两个层的光学厚度的总和正好是0.5个波长。光学厚度的总和是物理厚度的总和与相应折射率的乘积。对于使用SiO2和Ta2O5的交替层的15层堆叠来说，所示的反射率FC2是入射光的波长λ的函数，上述交替层的厚度分别为79.26nm和54.86nm。反射率函数FC2的第一阶峰值P2位于450nm的波长处，在此两个层的光学厚度的总和正好是0.5个波长。因此，在该实例中，由函数FC1限定的第一滤光器反射红光，而由函数FC2限定的第二滤光器反射蓝光。未被反射的光透射过或穿过滤光器。
必须注意，111.63和79.26之间的比率与77.27和54.86之间的比率相同。因此实际上，由反射率函数FC1限定的滤光器的层的光学厚度全部以相同的因子成比例，从而获得由反射率函数FC2限定的滤光器。在该实例中，比例因子是sin(23.5度)/sin(16.5度)。这些角是锥形结构的顶角，角度的正弦表示被沉淀的层厚度部分。
图12示出反射峰值P1、P2的位置取决于层堆叠的层厚度。通过适当地选择锥形元件的侧壁相对其底平面的角度可获得不同的层厚度。该合适的角度可以通过改变锥形元件的底平面的高度和/或尺寸来选择。如果对于整个结构来说现在以相同的束通量将滤光器淀积在锥体的表面上，那么不同锥形结构的表面的角度差会导致层厚度不同，并因此导致层堆叠的反射光的色差。
在该实施例中，其中不同地选择锥形元件的高度，以便获得不同的滤光器，淀积在下部锥形元件上的堆叠及其层比淀积在上部锥形元件的堆叠及其层更厚。因此，下部锥形元件上的滤光器具有用FC1表示的反射率函数，而上部锥形元件上的滤光器具有用FC2表示的反射率函数。
然而，该按比例缩放的方法仅可移动反射峰值P1、P2，而不同的反射率函数FC1、FC2的形状几乎不受影响。利用在图12中所示的反射率函数FC1、FC2，由于峰值波瓣P1、P2旁边的干扰带，会在两个滤光器之间产生显著的重叠。这就会降低系统的性能，因为特定的光线在没有到达显示器表面的情况下会向后反射，因此对比度会退化。然而，如果在两个滤光器的峰值波瓣P1、P2之间存在间隙，那么特定的光线将不能到达正确的显示区域，因此可能降低色纯度。
另一个缺陷是峰值P1、P2的位置取决于如图14所示的光的入射角度。从图14中可以看出，当入射角变化时，峰值会产生显著的移动。对于某些角度来说，这可能导致两个滤光器之间的重叠增大，而对其它角度来说可能在滤光器之间导致波长间隙。
可以使滤色镜对于干扰带引起的问题和对于由于入射角而使滤光器特性在波长中移动所引起的问题最优化。通过改变两个不同锥体的侧壁的角度差，可以改变两个滤光器之间的重叠量。根据层的数量，堆叠中单个的层厚度可以选择成(部分地)抑制在某些波长中的干扰带。例如，如果SiO2和Ts2O5的光学层厚度选择成用用0.166和0.333替代0.25和0.25，可以抑制在反射峰值的低波长侧的干扰带。这种情况如图13所示。
然而，通过使用计算机程序可以使滤光器之间的串扰最优化，所述计算机程序为多个层厚度的滤光器计算优值图形。计算机程序使优值图形最优化，从而在堆叠中提供最佳的层厚度。图14中示出了最佳滤光器的一个实例。图14的滤光器所用的优值图形是两个数值之间的差值。第一数值是滤光器和其成比例版本之间的重叠，第二数字是滤光器自身的反射率的平方，也就是滤光器自身的重叠。对于从400nm至700nm的波长范围来说，使用0至80度的入射角来确定优值图形。两个数值的相对大小是可调节的。下面在表1中给出利用该优化方法确定的层厚度的实例，其中对于图14所示的滤光器的层厚度为700nm，其中折射率为：nTa2O5＝2.096和nSiO2＝1.4545，比例因子为sin(23.5度)/sin(16.5度)。
层 材料 厚度(nm) 光学厚度(700纳
米波长的数量)
0 空气
1 SiO2 119.7803 0.249
2 Ta2O5 22.9290 0.069
3 SiO2 65.2581 0.136
4 Ta2O5 119.7893 0.359
5 SiO2 87.0892 0.181
6 Ta2O5 113.4835 0.340
7 SiO2 64.1528 0.133
8 Ta2O5 111.4554 0.334
9 SiO2 88.0978 0.183
10 Ta2O5 105.4428 0.316
11 SiO2 99.9071 0.208
12 Ta2O5 114.8116 0.344
13 SiO2 34.8626 0.072
14 Ta2O5 114.3586 0.342
15 SiO2 155.8301 0.324
16 玻璃
正如表1中明显所示，周期仍然是大约0.5个波长。例如看层4和5、6和7、8和9的组，它们具有的总光学厚度分别是0.54、0.473、0.517。在光学厚度的总和上的小伸展可以更好地抑制干扰带。Ta2O5层比SiO2层相对较厚。图14示出了干扰带在很大程度上被减小。但是，得到的滤光器是不理想的，它是色纯度和对比度之间的折衷。
图13示出了具有层堆叠的滤光器的反射率的一个实例，其中同一堆叠中不同的层具有不同的厚度。反射率RF表示为沿纵轴的百分比，光的波长用λ以nm(纳米)沿横轴表示。作为参考，在图13中重复已经在图12中示出的反射率函数FC1。反射率函数FC3显示出，通过选择堆叠中不同层的不同厚度，可以减小干扰带的振幅。在图13所示的实例中，用15层SiO2和Ta2O5的堆叠获得反射率函数FC3。SiO2层的厚度为74.42nm，而Ta2O5层的厚度为103.03nm。
图14示出了对于入射光的不同入射角来说具有成比例的层厚度的滤光器的反射率。反射率RF表示为沿纵轴的百分比，光的波长用λ以nm(纳米)沿横轴表示。所示的反射率是两个滤光器的波长的函数。每个滤光器的三条曲线示出了三个不同入射角的反射率。第一滤光器由分别对70度、45度、和0度的入射角的曲线T11、T12、T13限定。第二滤光器由分别对70度、45度、和0度的入射角的曲线T21、T22、T23限定。两个滤光器的层厚度的比例因子是sin(23.5度)/sin(16.5度)。第一滤光器具有比第二滤光器更薄的层。根据表1来确定层厚度，从而抑制因干扰带引起的串扰。锥形元件的侧壁的角度应该选择成使反射率函数的重叠最小，同时仍然获得最佳的色纯度。
图15示出了具有成比例的层厚度的两个滤光器的反射率，所述两个滤光器分别使用第二和第一阶反射峰值。反射率RF表示为沿纵轴的百分比，光的波长用λ以nm(纳米)沿横轴表示。
优选地，层堆叠包括多组的两个层。每一组的两个层具有按相同顺序的同一类型的层。在同一组中两个层的折射率不同。组中相应层的厚度可以不同，但是组的厚度优选大体上相同。对于其一半的波长等于该层组的光学厚度的光来说，可产生该层组堆叠的反射率的第一阶峰值。对于其波长等于该层组的厚度的光来说，也就是对于具有较短波长的光来说，可产生该堆叠的反射率的第二阶峰值。在更短的波长处甚至可产生更高阶的反射率峰值。可替换地，可以在层组中提供超过两个层。
在图12和14中示出的根据本发明的滤色镜的实施例使用了两个堆叠的反射率的第一阶峰值。因此，最厚的堆叠由于较厚的堆叠将在较长的波长处具有其反射峰值。
在图15中所示的滤色镜的实施例中，分色滤光器包括第一和第二组锥形元件PE1、PE2，其上分别布置了第一和第二滤光器CF1、CF2。第一滤光器CF1具有用函数CF21表示的反射率，第二滤光器CF2具有用函数CF22表示的反射率。第一锥形元件PE1的侧壁相对其底面的角度小于第二锥形元件PE2的侧壁相对其底面的角度。例如，第一组的锥形元件PE1具有比第二组的锥形元件PE2更低的高度。堆叠的不同高度选择成获得第一滤光器CF1的第二阶反射峰值P21b，其在比第二滤光器CF2的第一阶反射峰值P22a更短的波长λ1出产生。例如，该角度选择成对于蓝光获得第一滤光器CF1的反射率CF21的第二阶反射峰值P21b，而对于红光获得第二滤光器CF2的反射率CF22的第一阶反射峰值P22a。
优选地，堆叠选择成使得第一滤光器CF1的第一阶反射峰值P21a和第二滤光器CF2的第二阶反射峰值P22b位于可见光VR的范围之外。例如，如果对于蓝光产生第一滤光器CF1的第二阶反射峰值P21b，则在红外范围中产生第一滤光器CF1的第一阶反射峰值P21a。
必须注意，反射率的第二阶峰值的使用所基于的属性是：具有某一周期的滤光器不仅反射光，在该周期两个光学层厚度的总和与波长的一半匹配。这种滤光器还反射更高的阶，例如如果一个完整的波长与两个光学层厚度的总和相匹配。但是，使两个层中的每个层的厚度为刚好0.5个波长将导致第二阶峰值的消除。例如使两个层的不同厚度为0.33和0.66可以产生第二阶峰值。该滤光器沉淀在所有的锥形元件PE1、PE2上。将这种滤光器沉淀在上部锥形元件PE2的陡峭表面上使得在可见范围VR中产生第一阶峰值P22a，在可见范围之外的相对短的波长处产生第二阶峰值P22b。由于缩放比例，在下部锥形元件PE1的较不陡峭的表面上，在比第一阶峰值P22a更长的波长处产生第一阶峰值P21a，在比第二阶峰值P22b更长的波长处产生第二阶峰值P21b。通过选择第一和第二锥形元件PE1、PE2的角度之间的合适差，在比第一阶峰值P22a更短的波长处产生第二阶峰值P21b，在可见范围VR之外的相对较长的波长处产生第一阶峰值P21a。
该方法提供了用于滤光器的不同的优化可能性。不为每个滤光器优化在每一侧上具有零反射的一个反射峰值，而是使在中间具有零反射的两个反射峰值优化。该方法的另一个优点是，第二阶反射峰值通常具有比第一阶反射峰值更尖锐的边界，从而导致两个滤光器之间的重叠更小。下面在表2中给出相对表1利用与前述方法类似的优化方法确定的层厚度，其中层厚度为500nm，折射率为：nTa2O5＝2.146和nSiO2＝1.4615，其中比例因子为sin(23.5度)/sin(16.5度)：
层 材料 厚度(nm) 光学厚度(700纳
米波长的数量)
0 空气
1 SiO2 111.3099 0.325
2 Ta2O5 104.335 0.448
3 SiO2 205.8197 0.602
4 Ta2O5 150.6325 0.647
5 SiO2 58.67113 0.171
6 Ta2O5 180.5103 0.775
7 SiO2 82.43481 0.241
8 Ta2O5 178.724 0.767
9 SiO2 90.22715 0.264
10 Ta2O5 178.8828 0.768
11 SiO2 93.19559 0.272
12 Ta2O5 180.6934 0.776
13 SiO2 81.46763 0.238
14 Ta2O5 172.6236 0.741
15 SiO2 6.883115 0.020
16 玻璃
总之，已经论述过，通过使用具有不同高度的锥形元件，能够在一系列相同的步骤中沉淀超过一种类型的反射滤色镜。不同的滤光器通过所有的层厚度的比例彼此相关联。对于使用具有两种颜色的系统来说有两种可能：首先，在两个锥体的下部锥体上沉淀一滤光器，其在红色波长范围中具有第一阶反射峰值，并且锥形元件的高度选择成使得在相同的步骤中在上部锥形元件上沉淀一滤光器，其在蓝光范围中具有第一阶反射峰值。其次，在下部锥形元件上沉淀一滤光器，其在蓝色波长范围中具有第二阶反射峰值，并且锥形元件的高度选择成使得在相同的步骤中在上部锥形元件上沉淀一滤光器，其在红光范围中具有第一阶反射峰值。
在第一种技术方案中，滤光器优选包括在两侧具有零反射的一个反射峰值。在第二种技术方案中，滤光器优选包括在中间具有零反射的两个反射峰值。
优选地，滤光器的优化要考虑色散(即，折射率与波长的相关性)和/或波长中的变化，由于入射角的变化可在该波长处产生反射峰值。进一步地，层厚度可以调节成使得干扰带被(部分地)抑制。
由于在锥体上入射光的角度不均匀，有利地是利用滤色镜的不均匀性。这是有利的，因为光的入射角倾向于在锥体的底部更加垂直于滤色镜以及在锥体的顶部更加倾斜。这种不均匀的涂层可以用于所描述的双滤光器型。不均匀的涂层例如可以通过在锥形孔中喷溅滤色镜而获得。随着滤色镜在孔中的进一步形成，淀积通量和层厚度将减小。
应该注意，上述实施例说明了而不是限制了发明，在不脱离随附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多可替换的实施例。
例如，如果限定了观众，则分色滤光器位于观众和显示器的反射象素中间。但是如果象素调制了它们的透射，且该观众坐在显示器附近，那么显示器位于观众和分色滤光器中间。
不只是使用第一阶峰值，我们也可以仅使用第二阶(或第三阶等)峰值。但是，通常这会导致更厚的层。此外我们可以在第二阶滤光器的顶面上堆叠第一阶滤光器。这样可以在同一滤光器中得到0.5和1.0的周期。可替换地，对于两个锥形结构中的上部锥形结构不使用第一阶峰值以及对于两个锥形结构中的下部锥形结构不使用第二阶峰值，而使用第二和第三阶(等等)峰值。
代替使用两种层，可以使用三种或更多种类的层。
进一步地，可以使用锥形结构，其具有的不同高度超过两个。这例如可得到三个锥体高度：1)所有的三个锥形结构具有第一阶滤光器，2)最下面的锥形结构具有第二阶滤光器，而其它两个具有第一阶滤光器，3)最下面两个锥形结构具有第二阶滤光器，最上面的锥形结构具有第一阶滤光器。
上面的滤色镜也可以实施成分离超过两种不同的颜色。
根据本发明的分色滤光器可以与几个显示器配合，例如e-ink显示器、LCD、电子润湿显示器、电致变色显示器。优选地，显示器应该是漫反射显示器，因为这种显示器可提供最好的可读图像。有利的是增加一吸收滤色镜，以便防止由于不理想的滤光器特性或结构的机械偏差而导致的色差。
在任何论述了将颜色分开的地方，这表示光谱被分成部分重叠的子光谱。如果可见光谱被分成子光谱，这些子光谱作为不同的颜色是可见的。代替滤色镜，也可以使用偏振滤光器，其具有的优点是偏振光可指向不同的象素，因而可以使用所有入射光来代替仅仅一半的入射光。
根据本发明的分色滤光器还可以用于后部点亮的显示器如LCD。
尽管对于可见光来说已经描述了所有实施例，但是本发明也可以用于将可见光谱之外的光谱的不同部分分开。这样，本发明可以用于红外光、紫外光、x-射线等等。
在权利要求书中，放在括号内的任何参考标记不应该解释为限制了权利要求。动词“包括”的使用和其变化不排除存在不同于权利要求中所述的那些元件或步骤。元件前面的冠词“一”或“一个”并不排除存在多个这种元件。本发明可以通过包括几个特殊元件的硬件，通过适当编程的计算机来实施。在产品权利要求中，列举的几个装置、这些装置中的几个可以由硬件的一个且相同的项目具体化。唯一的事实是在相互不同的从属权利要求中陈述的某些措施并不表示这些措施的组合不能够有利地使用。
Claims (27)
1.一种用于将入射光分离成具有不同属性的第一和第二部分的分色滤光器，其特征在于，该分色滤光器包括布置在第一组漏斗状结构和第二组漏斗状结构中的反射滤光器，每一个所述第一组漏斗状结构具有接收入射光的第一入口区域、小于该第一入口区域的第一出口区域和第一壁，所述第一壁之间的距离在朝向第一出口区域的方向上递减，用于使反射的入射光朝第一出口区域会聚，每一个所述第二组漏斗状结构具有接收入射光的第二入口区域、小于该第二入口区域的第二出口区域和第二壁，所述第二壁之间的距离在朝向第二出口区域的方向上递减，用于使反射的入射光朝第二出口区域会聚，
其中该第一组漏斗状结构构造成使具有第一属性的光朝第一出口区域反射，并且使具有第二属性的光朝第二组漏斗状结构的第二出口区域透射，其中该第二组漏斗状结构构造成使具有第二属性的光朝第二出口区域反射，并且使具有第一属性的光朝第一组漏斗状结构的第一出口区域透射，第一出口区域和第二出口区域定位在同一平面中且彼此不重叠，
其中该第一属性和该第二属性表示光的不同颜色或偏振状态。
2.如权利要求1所述的分色滤光器，其中第一组漏斗状结构布置成形成多个覆盖第二出口区域的第一滤光器，并且其中第二组漏斗状结构布置成形成多个覆盖所述第一出口区域的第二滤光器。
3.如权利要求2所述的分色滤光器，其中第一滤光器包括具有多边形的第一底平面的多边形结构，并且其中在朝向入射光的方向，平行于第一底平面的横截面在一维或二维上逐渐变窄。
4.如权利要求3所述的分色滤光器，其中多边形结构包括具有指向第二出口区域的第一底平面的锥形元件。
5.如权利要求2所述的分色滤光器，其中第一滤光器包括具有指向第二出口区域的第一底平面的锥形元件，并且都具有第一高度，其中第二滤光器包括具有指向第一出口区域的第二底平面的锥形元件，并且都具有不同于第一高度的第二高度，从而获得具有侧壁的第一锥形元件和第二锥形元件，它们的侧壁相对其底面分别具有第一角和第二角，所述第一角和所述第二角不同。
6.如权利要求2所述的分色滤光器，其中第一滤光器包括具有指向第二出口区域的第一底平面的第一锥形元件，并且所述第一底平面都具有第一尺寸，其中第二滤光器包括具有指向第一出口区域的第二底平面的第二锥形元件，并且所述第二底平面都具有不同于第一尺寸的第二尺寸，从而获得具有侧壁的第一锥形元件和第二锥形元件，它们的侧壁相对其底面分别具有第一角和第二角，所述第一角和所述第二角不同。
7.如权利要求1所述的分色滤光器，其中
第一组漏斗状结构包含布置在第一组漏斗状结构的侧壁上的第一层堆叠，第二组漏斗状结构包括布置在第二组漏斗状结构的侧壁上的第二层堆叠，其中第一层堆叠和第二层堆叠的连续层具有不同的折射率。
8.如权利要求5或6所述的分色滤光器，其中
第一滤光器包括布置在第一锥形元件的侧壁上的第一层堆叠，第二滤光器包括布置在第二锥形元件的侧壁上的第二层堆叠，其中第一层堆叠和第二层堆叠的连续层具有不同的折射率，并且其中第一层堆叠和第二层堆叠包括按照相同顺序排列的相同数量的层，并且第一层堆叠的第一厚度不同于第二层堆叠的第二厚度。
9.如权利要求8所述的分色滤光器，其中所述第一角和所述第二角被选择以分别获得第一厚度和第二厚度，以便获得在一波长处具有第一阶反射峰值的第一滤光器，其第一阶反射峰值不同于第二滤光器的第一阶反射峰值。
10.如权利要求9所述的分色滤光器，其中所述第一角小于所述第二角，以便获得第一滤光器的第一阶反射峰值，其在比第二滤光器的第一阶反射峰值更长的波长处产生。
11.如权利要求9所述的分色滤光器，其中所述第一角小于所述第二角，以便获得第一滤光器的第二阶反射峰值，其在比第二滤光器的第一阶反射峰值更短的波长处产生。
12.如权利要求11所述的分色滤光器，其中第一滤光器的第一阶反射峰值位于可见光范围之外。
13.如权利要求3所述的分色滤光器，其中第一底平面的形状为三角形、矩形、正方形、五边形或六边形。
14.如权利要求4所述的分色滤光器，其中第一出口区域中特定的一个出口区域由第二出口区域包围，从而获得交替第一出口区域和第二出口区域的模式。
15.如权利要求2所述的分色滤光器，还包括：
第三出口区域，第一组漏斗状结构进一步构造成将具有第一属性的光朝第三出口区域反射，并且透射具有第二属性的光，其中第一属性是第一颜色，第二属性是不同于第一颜色的第二颜色，
第一吸收滤色镜，用于过滤指向第三出口区域的光，以及
第二吸收滤色镜，用于过滤指向第一出口区域的光，其中入射到第一出口区域、第二出口区域和第三出口区域的光的颜色是不同的。
16.如权利要求15所述的分色滤光器，还包括第三滤色镜，用于过滤指向第二出口区域的光。
17.如权利要求15所述的分色滤光器，其中第一滤光器包括与第一出口区域和第三出口区域中对应的一个相联的锥形元件，这些锥形元件的第一底平面和第二底平面分别指向第一出口区域和第三出口区域。
18.如权利要求2所述的分色滤光器，其中第一组漏斗状结构中的至少一个漏斗状结构包括
反射具有第一属性的光并且透射具有第二属性的光的第一部分，和
对具有第一属性和第二属性的光是反射性的第二部分。
19.如权利要求18所述的分色滤光器，其中对于具有第一属性和第二属性的光是反射性的第二部分大体上垂直于一平面布置，该平面中布置了第一出口区域和第二出口区域。
20.如权利要求18所述的分色滤光器，还包括
布置在至少两个第二部分之间的第三出口区域，所述至少两个第二部分大体上垂直于所述第三出口区域所在的平面，所述第二部分对具有第一属性和第二属性的光是反射性的，其中第一属性是第一颜色，第二属性是不同于第一颜色的第二颜色，以及
第一吸收滤色镜，用于过滤指向第三出口区域的光，其中入射到第一出口区域、第二出口区域和第三出口区域的光的颜色是不同的。
21.如权利要求1所述的分色滤光器，其中第一组漏斗状结构和第二组漏斗状结构布置在与输出平面平行的第一平面中，所述输出平面中布置了第一出口区域和第二出口区域，该分色滤光器还包括布置在第二平面中的第三组漏斗状结构和第四组漏斗状结构，该第二平面与输出平面平行并处于第一平面和输出平面之间，所述第三组漏斗状结构和第四组漏斗状结构布置成与第一组漏斗状结构和第二组漏斗状结构配合，以便将入射光分成具有至少三种不同属性的光。
22.如权利要求21所述的分色滤光器，其中
第一平面包括第一锥形结构，其具有三角形底面、具有三种不同的反射滤色镜的三个侧面以及指向第二平面的第一顶面，所述反射滤色镜分别反射红、绿、以及蓝光，并且分别透射绿和蓝光、红和蓝光以及红和绿光，以及
第二平面包括第二锥形结构，其具有五边形的底面、具有附加的反射滤色镜的五个侧面以及附加的第二顶面，所述附加的第二顶面指向第一平面，并定位在所述第一顶面之间，其中附加的反射滤色镜
(i)对于相同的第二锥形结构的平面是相同的，但对于相邻的锥形结构是不同的，附加的反射滤色镜分别对红、绿和蓝光是透明的，并且分别对绿和蓝光、绿和红光以及蓝和红光是反射性的，或者
(ii)对相同的第二锥形结构的相邻侧面是不同的和交替的，从而获得三种不同的第二锥形结构，其具有的附加反射滤色镜中有两个是不同的，所述反射滤色镜选自分别反射红、绿、以及蓝光并且分别透射绿和蓝光、红和蓝光以及红和绿光的反射滤色镜。
23.一种包括如权利要求1所述的分色滤光器的显示面板，第一出口区域与显示器的相应的第一象素元件相联，第二出口区域与显示器的相应的第二象素元件相联。
24.一种包括如权利要求15或19所述的分色滤光器的显示面板，第一出口区域与显示器的相应的第一象素元件相联，第二出口区域与显示器的相应的第二象素元件相联，第三出口区域与显示器的相应的第三象素元件相联。
25.一种如权利要求23所述的显示面板，其中显示器包括矩阵显示器。
26.一种显示装置，其包括权利要求23至24中任何一项的显示面板和向该面板提供图象信息的电路。
27.一种包括权利要求1至2中任何一项所述的分色滤光器的太阳能板，该第一属性和该第二属性表示光的不同颜色，第一出口区域与太阳能板的相应的第一太阳能电池相联，第二出口区域与太阳能板的相应的第二太阳能电池相联。
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