CN208156225U - 一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片。所述基于金属亚波长光栅的颜色滤波片包括依次层叠设置的基底、介质‑金属复合光栅层和金属光栅层；所述介质‑金属复合光栅层包括依次交替设置的介质栅条和第一金属栅条，所述介质栅条由透光材料加工而成；所述金属光栅层的第二金属栅条对应所述介质栅条设置。本实用新型的有益效果在于：所述基于金属亚波长光栅的颜色滤波片通过对光栅和介质‑金属复合层厚度进行优化，在可见光的红绿蓝波段范围内获得对角度不敏感的窄带滤光片。
Description
技术领域
本实用新型涉及滤光片技术领域，具体地涉及一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片。
背景技术
滤光片是一种能够选择性的反射或透射特定波长的光学元件，其中红绿蓝三基色的颜色滤光片在平面显示、光通讯、传感探测和光学成像等领域有着广泛应用。
传统颜色滤光片按工作方式可以分为吸收型和干涉型两种。吸收型滤光片通常是利用材料分子在可见光波段对特定入射光选择性地吸收从而达到一定的滤光效果，但在应用过程中存在以下问题：其一是通带较宽，滤光效果不如干涉型光学滤光片；其二是化学颜色滤光片的制造过程对环境污染严重，不能承受长时间的强光照射，光能损耗较大；
光学干涉滤光片是种类繁多、结构复杂的一类光学薄膜，其通过多层折射率或厚度不同的薄膜堆栈对在在其中传播的电磁波进行调制，进而改变入射光的偏振态、相位和光谱分布，达到滤波的效果。控制堆栈层数可以设计出满足各种要求的滤光片，比如实现光的起偏、消偏、分束、合束、合色以及各个波段的带通、截止等。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片。
本实用新型的技术方案如下：一种基于金属亚波长光栅的角度不敏感颜色滤波片包括依次层叠设置的基底、介质-金属复合光栅层和金属光栅层；所述介质-金属复合光栅层包括依次交替设置的介质栅条和第一金属栅条，所述介质栅条由透光材料加工而成；所述金属光栅层的第二金属栅条对应所述介质栅条设置。
优选地，所介质-金属复合光栅层和所述金属光栅层的光栅周期相同。
优选地，所述光栅周期为300nm。
优选地，所述第一金属栅条和所述第二金属栅条的材料为金金属、银金属或铝金属。
优选地，所述基底为二氧化硅，所述介质栅条在所述基底的表面加工而成。
本实用新型的有益效果在于：所述基于金属亚波长光栅的颜色滤波片通过对光栅和介质-金属复合层厚度进行优化，在可见光的红绿蓝波段范围内获得对角度不敏感的窄带滤光片。透射光谱极值大于60％，具有较高的光能利用率；虽然透射光谱的峰值半高宽(FWHM)大于100nm，但是具有在获得良好的色度性能的同时充分提高了光能利用率的优点。在数码摄像机、投影仪、色彩合成图像显示、图像传感器、等领域的实际应用中具有重要作用。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的基于金属亚波长光栅的颜色滤波片的结构示意图；
图2是图1所示基于金属亚波长光栅的颜色滤波片的红绿蓝三色滤波输出特性示意图；
图3是TM偏振光正入射下上表面光栅层厚度(t1)与透射光谱的关系；
图4是TM偏振光正入射下上表面光栅层厚度(t2)与透射光谱的关系。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
除非上下文另有特定清楚的描述，本实用新型中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本实用新型并不对此进行限定。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
请参阅图1，所述基于金属亚波长光栅的颜色滤波片包括：包括依次层叠设置的基底10、介质-金属复合光栅层20和金属光栅层30。所述介质-金属复合光栅层20包括依次交替设置的介质栅条22和第一金属栅条21，所述介质栅条22由透光材料加工而成；所述金属光栅层30的第二金属栅条31对应所述介质栅条22设置。优选地，所述第一金属栅条21和所述第二金属栅条31的材料为金金属、银金属或铝金属等。
在本实施例中，所介质-金属复合光栅层20和所述金属光栅层30的光栅周期相同。优选地，所述光栅周期为300nm。
而且，所述基底10为二氧化硅，所述介质栅条22是在所述基底10的表面加工而成。例如，所述介质栅条22是在所述基底10的表面蚀刻而成。
需要说明的是，在所述介质-金属复合光栅层20内，任意相邻的两个所述第一金属栅条21之间夹设一个所述介质栅条22，显然所述介质栅条22形成所述介质-金属复合光栅层20的透光通道，即光线可以被所述透光通道引导至所述金属光栅层30；考虑到所述透光通道的宽度，则应当理解，通过调节所述透光通道的宽度，就可以有效地将特定波长的光波在所述金属光栅层30转化为表面等离子体。
例如，如图1所示，平面波以与垂直于所述基底10所在平面的方向成θ角入射，在上表面的金属光栅层30中透射出来，覆盖层为空气，基底10选为二氧化硅(SiO2)，上表面的金属光栅层30为银(Ag)光栅层，且光栅周期T＝300nm,占空比为f1，介质-金属复合光栅层20由Ag和SiO2两种介质构成，占空比为f2，金属光栅层30和介质-金属复合光栅层20的厚度分别为t1和t2，并且涉及的各层都视为各向同性的均匀介质，这种双层波导结构的本征方程为：
PcA+PcPsB+C+PsD＝0
式中，A、B、C和D分别为特征矩阵的分量：
式中γ1＝k0d1P1，γ2＝k0d2P2，k0＝2π/λ，而P1、P2、Pc、Ps分别为：
式中，β为波导层的模传播常数，是一个固定值。
根据有效介质理论，当光栅周期远小于入射光波长时，可以把光栅层当作与其等效折射率相等的均匀膜层。设计光栅滤光片时，通常的做法是用上述的平面波导理论近似分析光栅层各参数的关系，然后利用严格耦合波分析(RCWA)法进行精确地求解麦克斯韦方程。
利用基于RCWA的DiffractMOD软件进行了模拟，金属Ag的折射率nAg＝nr+jni，根据Drude模型，在可见光波段，nr和ni分别在0.5-1.8和4.3-7.1之间变化。针对光透射率的优化结构参数为：Λ＝300nm，f1＝0.53，t1＝0.15μm，t2＝0.2μm。
模拟结果如图2所示，TM偏振波正入射时(入射角为0°)，共振峰出现在452nm处，此时其透射光谱输出为绿光，透射光谱极值为81.23％。随着占空比为f2的增大，激发GMR的峰值波长向长波方向移动，峰值波长分别为590nm和705nm，透射光谱极值分别为81.24％和66.4％。对于本文所设计的结构，透射光谱极值大于60％，具有较高的光能利用率；虽然透射光谱的峰值半高宽(FWHM)大于100nm，但是具有在获得良好的色度性能的同时充分提高了光能利用率的优点。
考察上表面光栅层厚度时，固定其它参数不变，即T＝300nm，f1＝0.53，t1＝0.15μm，t2＝0.2μm。图3给出了其中四个厚度的反射率曲线。可以看出，在TM偏振光正射的情况下，在一定范围内，随着厚度的增加，反射带的带宽逐渐增加，峰值位置向长波方向移动，而透射率峰值先增大再减小。当厚度增大到0.3μm时，其反射光谱的特性已经很差。
考察下表面光栅厚度时，固定其它参数不变，即T＝300nm，f1＝0.53，t1＝0.15μm，t2＝0.2μm。图4展示了在TM偏振光正入射的情况下其中四个t2值的透射光谱。整体来看，光栅高度t2从50nm变化到200nm，可见光波段光谱图具有比较好的蓝色滤波现象，透射率峰值均保持在在75％以上。随着t2的增加，反射带的带宽逐渐增加，峰值位置向长波方向移动，而透射率峰值逐渐在增大。
进一步，考虑颜色滤波片的角度容忍性，由上所述，这个滤波片是建立在入射角0°的情况下进行使用的。实际上，根据模拟结果表面，当入射角在0°到80°范围内变化时，三种颜色的滤波偏的透射光谱在60°以内都保持不变，所有的滤光片都有较好的角度特性，其透射谱的峰值波长均未发生明显变化，仅仅是峰值透过率和透过谱的FWHM发生了变化。
也就是说，通过控制结构的几何参数，诸如光栅层占空比、光栅层高度、介质-金属复合光栅层20高度等，可以实现结构在整个可见光波段的高透射率、大角度输出。TM偏振光入射的情况下，入射角在60°以内的透射光谱几乎没有变化，而继续增大入射角，透射光谱的透过率有所降低，但整体表现为对入射角度的不敏感。
实际上，应当理解，在本实用新型提供的基于金属亚波长光栅的颜色滤波片中，光线穿过所述基底10后，进入所述介质-金属复合光栅层20内的透光通道后，被所述透光通道引导至所述金属光栅层30，并激发局域表面等离激元，而且，根据所述透光通道的宽度实现亚波长尺度下的光波调控。
显然，由于光波在所述金属光栅层30激发局域表面等离激元，因此所述颜色滤波片表现出弱角度相关性。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片，其特征在于，包括依次层叠设置的基底、介质-金属复合光栅层和金属光栅层；
所述介质-金属复合光栅层包括依次交替设置的介质栅条和第一金属栅条，所述介质栅条由透光材料加工而成；
所述金属光栅层的第二金属栅条对应所述介质栅条设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片，其特征在于，所介质-金属复合光栅层和所述金属光栅层的光栅周期相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片，其特征在于，所述光栅周期为300nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片，其特征在于，所述第一金属栅条和所述第二金属栅条的材料为金属、银金属或铝金属。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属亚波长光栅的颜色滤波片，其特征在于，所述基底为二氧化硅，所述介质栅条在所述基底的表面加工而成。
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