TWI673518B - 光學元件 - Google Patents

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TWI673518B
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Abstract

本發明提供一種光學元件。該光學元件包括：一基板；複數個金屬柵，形成於該基板上；一圖案化有機層，形成於該等金屬柵上；一彩色濾光片，為該圖案化有機層所包圍；以及一光收集層，形成於該彩色濾光片與該基板之間，並為該圖案化有機層所包圍，其中該光收集層的折射率高於該圖案化有機層的折射率。

Description

光學元件
本發明係有關於一種光學元件，特別是有關於一種具有形成於彩色濾光片與基板之間的特殊光收集層(light collection layer)的光學元件。
在具有複合金屬柵(composite metal grid，CMG)結構的光學元件中，於彩色濾光片上，是需要設置微透鏡的。而在具有波導彩色濾光片(wave guide color filter，WGCF)結構的光學元件中，則是使用包圍彩色濾光片的低折射率材料取代原本的微透鏡形成波導結構。
然而，在具有波導彩色濾光片(WGCF)結構的光學元件中，由於金屬柵會吸收斜向光線，致畫素的量子效率(QE)下降，特別對於位在基板邊緣區的畫素來說更是如此。
因此，開發一種可提升量子效率(QE)並使彩色濾光片之間維持低串音干擾的具有波導彩色濾光片(WGCF)結構的光學元件是眾所期待的。
根據本發明的一實施例，提供一種光學元件。該光學元件包括：一基板；複數個金屬柵(metal grids)，形成於該基板上；一圖案化有機層，形成於該等金屬柵上；一彩色濾光片，為該圖案化有機層所包圍；以及一光收集層(light collection layer)，形成於該彩色濾光片與該基板之間，並為該圖案化有機層所包圍。值得注意的是，該光收集層的折射率係高於該圖案化有機層的折射率。
在部分實施例中，該圖案化有機層的折射率介於1.2至1.5之間。在部分實施例中，該彩色濾光片為一藍色濾光片或一綠色濾光片。在部分實施例中，該彩色濾光片包括一紅色濾光片、一綠色濾光片、或一藍色濾光片。在部分實施例中，該光收集層的折射率高於該彩色濾光片的折射率。在部分實施例中，該光收集層的折射率介於1.6至1.9之間。
在部分實施例中，該光收集層為一聚光結構。在部分實施例中，該光收集層的形狀包括曲形、錐形、或多邊形。在部分實施例中，當該光收集層的形狀為曲形、錐形、或多邊形時，該光收集層的高度小於該彩色濾光片的高度的一半。在部分實施例中，當該光收集層的形狀為曲形、錐形、或多邊形時，該光收集層與該彩色濾光片接觸的表面的寬度定義為一最大寬度。在部分實施例中，該光收集層的該最大寬度大於該彩色濾光片的寬度的四分之一以及小於或等於該彩色濾光片的寬度。在部分實施例中，當該光收集層的形狀為曲形時，該光收集層的寬度隨著遠離該彩色濾光片的方向連續式地減小。在部分實施例中，當該光收集層的形狀為錐形時，該光收集層的寬度隨著遠離該彩色濾光片的方向連續式地減小。在部分實施例中，當該光收集層的形狀為多邊形時，該光收集層的寬度隨著遠離該彩色濾光片的方向階梯式地減小。
在部分實施例中，該光收集層包括複數個分離部，形成於該彩色濾光片上。在部分實施例中，該光收集層的兩相鄰分離部之間的距離自該彩色濾光片的兩側至其中心沿一水平方向逐漸地減小。在部分實施例中，該光收集層的折射率自該光收集層的兩側至其中心沿一水平方向逐漸地增加。
在部分實施例中，本發明光學元件更包括一氧化層，覆蓋該金屬柵。在部分實施例中，本發明光學元件更包括一平坦層，形成於該圖案化有機層與該彩色濾光片上。在部分實施例中，本發明光學元件更包括一抗反射層(anti-reflection layer)，形成於該平坦層上。
在本發明中，係將特殊的高折射率(例如折射率介於1.6至1.9之間)光收集層(light collection layer)設置於彩色濾光片與基板之間。本發明光收集層的折射率高於相鄰材料的折射率。藉由設置此特殊的光收集層，使得位於基板邊緣區的藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片的量子效率(QE)峰值可因此分別提升至例如約3%及約1%。本發明具有光收集層的光學元件亦可使彩色濾光片之間維持低的串音干擾。此外，根據產品需求，可將光收集層設置於單一或多重畫素中。光收集層可包括各種不同且適合的形狀，例如曲形、錐形、多邊形、或其他具有相同聚光效果的形狀等。本發明光收集層必須具備特定尺寸，例如可將光收集層的高度設定小於彩色濾光片的高度的一半，以及將光收集層與彩色濾光片接觸的表面的寬度定義為最大寬度，且將光收集層的最大寬度予以限制，例如使其大於彩色濾光片的寬度的四分之一以及小於或等於彩色濾光片的寬度，以避免原本欲進入相鄰像素的光被目前像素中的光收集層吸收。
請參閱第1圖，根據本發明的一實施例，提供一種光學元件10。第1圖為光學元件10的剖面示意圖。
光學元件10包括基板12、金屬柵(metal grids) 14、圖案化有機層16、彩色濾光片18、以及光收集層(light collection layer) 20。金屬柵14形成於基板12上。圖案化有機層16形成於金屬柵14上。彩色濾光片18為圖案化有機層16所包圍。光收集層20形成於彩色濾光片18與基板12之間，並為圖案化有機層16所包圍。值得注意的是，光收集層20的折射率高於圖案化有機層16的折射率。此外，光收集層20為具備聚光效果的特定形狀，如第1圖所示形狀。
在部分實施例中，圖案化有機層16的折射率介於約1.2至約1.5之間。在部分實施例中，彩色濾光片18為藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片。在部分實施例中，彩色濾光片18包括紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、或藍色(B)濾光片。在部分實施例中，光收集層20位於一種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於兩種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於所有種類的彩色濾光片下方，例如，位於紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、以及藍色(B)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20的折射率高於彩色濾光片18的折射率。在部分實施例中，光收集層20的折射率介於約1.6至約1.9之間。有關光收集層20的特定結構與尺寸將詳述於下。
在第1圖中，光收集層20為曲形。光收集層20的高度H LC小於彩色濾光片18的高度H CF的一半。光收集層20與彩色濾光片18接觸的表面20’的寬度W LCS定義為最大寬度W EST。在部分實施例中，光收集層20的最大寬度W EST大於彩色濾光片18的寬度W CF的四分之一以及小於或等於彩色濾光片18的寬度W CF。在第1圖中，光收集層20的最大寬度W EST大於彩色濾光片18的寬度W CF的四分之一以及等於彩色濾光片18的寬度W CF。光收集層20的寬度W LC隨著遠離彩色濾光片18的方向28連續式地減小。在部分實施例中，光收集層20包括其他具有聚光效果的適當形狀。
在第1圖中，光學元件10更包括氧化層22，覆蓋金屬柵14。氧化層22可作為金屬柵14的保護層。光學元件10更包括透明平坦層(planarization layer) 24，形成於圖案化有機層16與彩色濾光片18上。光學元件10更包括抗反射層(anti-reflection layer) 26，形成於透明平坦層24上。
請參閱第2圖，根據本發明的一實施例，提供一種光學元件10。第2圖為光學元件10的剖面示意圖。
光學元件10包括基板12、金屬柵(metal grids) 14、圖案化有機層16、彩色濾光片18、以及光收集層(light collection layer) 20。金屬柵14形成於基板12上。圖案化有機層16形成於金屬柵14上。彩色濾光片18為圖案化有機層16所包圍。光收集層20形成於彩色濾光片18與基板12之間，並為圖案化有機層16所包圍。值得注意的是，光收集層20的折射率高於圖案化有機層16的折射率。此外，光收集層20為具備聚光效果的特定形狀，如第2圖所示形狀。
在部分實施例中，圖案化有機層16的折射率介於約1.2至約1.5之間。在部分實施例中，彩色濾光片18為藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片。在部分實施例中，彩色濾光片18包括紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、或藍色(B)濾光片。在部分實施例中，光收集層20位於一種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於兩種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於所有種類的彩色濾光片下方，例如，位於紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、以及藍色(B)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20的折射率高於彩色濾光片18的折射率。在部分實施例中，光收集層20的折射率介於約1.6至約1.9之間。有關光收集層20的特定結構與尺寸將詳述於下。
在第2圖中，光收集層20為錐形。光收集層20的高度H LC小於彩色濾光片18的高度H CF的一半。光收集層20與彩色濾光片18接觸的表面20’的寬度W LCS定義為最大寬度W EST。在部分實施例中，光收集層20的最大寬度W EST大於彩色濾光片18的寬度W CF的四分之一以及小於或等於彩色濾光片18的寬度W CF。在第2圖中，光收集層20的最大寬度W EST大於彩色濾光片18的寬度W CF的四分之一以及等於彩色濾光片18的寬度W CF。光收集層20的寬度W LC隨著遠離彩色濾光片18的方向28連續式地減小。在部分實施例中，光收集層20包括其他具有聚光效果的適當形狀。
在第2圖中，光學元件10更包括氧化層22，覆蓋金屬柵14。氧化層22可作為金屬柵14的保護層。光學元件10更包括透明平坦層(planarization layer) 24，形成於圖案化有機層16與彩色濾光片18上。光學元件10更包括抗反射層(anti-reflection layer) 26，形成於透明平坦層24上。
請參閱第3圖，根據本發明的一實施例，提供一種光學元件10。第3圖為光學元件10的剖面示意圖。
光學元件10包括基板12、金屬柵(metal grids) 14、圖案化有機層16、彩色濾光片18、以及光收集層(light collection layer) 20。金屬柵14形成於基板12上。圖案化有機層16形成於金屬柵14上。彩色濾光片18為圖案化有機層16所包圍。光收集層20形成於彩色濾光片18與基板12之間，並為圖案化有機層16所包圍。值得注意的是，光收集層20的折射率高於圖案化有機層16的折射率。此外，光收集層20為具備聚光效果的特定形狀，如第3圖所示形狀。
在部分實施例中，圖案化有機層16的折射率介於約1.2至約1.5之間。在部分實施例中，彩色濾光片18為藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片。在部分實施例中，彩色濾光片18包括紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、或藍色(B)濾光片。在部分實施例中，光收集層20位於一種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於兩種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於所有種類的彩色濾光片下方，例如，位於紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、以及藍色(B)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20的折射率高於彩色濾光片18的折射率。在部分實施例中，光收集層20的折射率介於約1.6至約1.9之間。有關光收集層20的特定結構與尺寸將詳述於下。
在第3圖中，光收集層20為多邊形。光收集層20的高度H LC小於彩色濾光片18的高度H CF的一半。光收集層20與彩色濾光片18接觸的表面20’的寬度W LCS定義為最大寬度W EST。在部分實施例中，光收集層20的最大寬度W EST大於彩色濾光片18的寬度W CF的四分之一以及小於或等於彩色濾光片18的寬度W CF。在第3圖中，光收集層20的最大寬度W EST大於彩色濾光片18的寬度W CF的四分之一以及小於彩色濾光片18的寬度W CF。光收集層20的寬度W LC隨著遠離彩色濾光片18的方向28階梯式地減小。在部分實施例中，光收集層20包括其他具有聚光效果的適當形狀。
在第3圖中，光學元件10更包括氧化層22，覆蓋金屬柵14。氧化層22可作為金屬柵14的保護層。光學元件10更包括透明平坦層(planarization layer) 24，形成於圖案化有機層16與彩色濾光片18上。光學元件10更包括抗反射層(anti-reflection layer) 26，形成於透明平坦層24上。
請參閱第4圖，根據本發明的一實施例，提供一種光學元件10。第4圖為光學元件10的剖面示意圖。
光學元件10包括基板12、金屬柵(metal grids) 14、圖案化有機層16、彩色濾光片18、以及光收集層(light collection layer) 20。金屬柵14形成於基板12上。圖案化有機層16形成於金屬柵14上。彩色濾光片18為圖案化有機層16所包圍。光收集層20形成於彩色濾光片18與基板12之間，並為圖案化有機層16所包圍。值得注意的是，光收集層20的折射率高於圖案化有機層16的折射率。此外，光收集層20為具備聚光效果的特定形狀，如第4圖所示形狀。
在部分實施例中，圖案化有機層16的折射率介於約1.2至約1.5之間。在部分實施例中，彩色濾光片18為藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片。在部分實施例中，彩色濾光片18包括紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、或藍色(B)濾光片。在部分實施例中，光收集層20位於一種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於兩種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於所有種類的彩色濾光片下方，例如，位於紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、以及藍色(B)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20的折射率高於彩色濾光片18的折射率。在部分實施例中，光收集層20的折射率介於約1.6至約1.9之間。有關光收集層20的特定結構與尺寸將詳述於下。
在第4圖中，光收集層20包括多個分離部21，形成於彩色濾光片18上。光收集層20的兩相鄰分離部21之間的距離(例如Ds1、Ds2、Ds3)從相對應的彩色濾光片18的兩側18’至其中心18”沿水平方向30逐漸地減小，例如距離Ds3大於距離Ds2，距離Ds2大於距離Ds1。在部分實施例中，光收集層20包括其他具有聚光效果的適當形狀。
在第4圖中，光學元件10更包括氧化層22，覆蓋金屬柵14。氧化層22可作為金屬柵14的保護層。光學元件10更包括透明平坦層(planarization layer) 24，形成於圖案化有機層16與彩色濾光片18上。光學元件10更包括抗反射層(anti-reflection layer) 26，形成於透明平坦層24上。
請參閱第5圖，根據本發明的一實施例，提供一種光學元件10。第5圖為光學元件10的剖面示意圖。
光學元件10包括基板12、金屬柵(metal grids) 14、圖案化有機層16、彩色濾光片18、以及光收集層(light collection layer) 20。金屬柵14形成於基板12上。圖案化有機層16形成於金屬柵14上。彩色濾光片18為圖案化有機層16所包圍。光收集層20形成於彩色濾光片18與基板12之間，並為圖案化有機層16所包圍。值得注意的是，光收集層20的折射率高於圖案化有機層16的折射率。此外，光收集層20為具備聚光效果的特定形狀，如第5圖所示形狀。
在部分實施例中，圖案化有機層16的折射率介於約1.2至約1.5之間。在部分實施例中，彩色濾光片18為藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片。在部分實施例中，彩色濾光片18包括紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、或藍色(B)濾光片。在部分實施例中，光收集層20位於一種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片或綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於兩種彩色濾光片下方，例如，位於藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20位於所有種類的彩色濾光片下方，例如，位於紅色(R)濾光片、綠色(G)濾光片、以及藍色(B)濾光片下方。在部分實施例中，光收集層20的折射率高於彩色濾光片18的折射率。在部分實施例中，光收集層20的折射率介於約1.6至約1.9之間。有關光收集層20的特定結構將詳述於下。
在第5圖中，光收集層20包括多個具有不同折射率的區域(20a、20b、20c)。區域20a、區域20b、區域20c從光收集層20的中心20”至其兩側20’呈對稱分布。而光收集層20的折射率從光收集層20的兩側20’至其中心20”沿水平方向30逐漸地增加，也就是，在光收集層20中，區域20a的折射率大於區域20b的折射率，區域20b的折射率大於區域20c的折射率。在部分實施例中，光收集層20包括其他具有聚光效果的適當形狀。
在第5圖中，光學元件10更包括氧化層22，覆蓋金屬柵14。氧化層22可作為金屬柵14的保護層。光學元件10更包括透明平坦層(planarization layer) 24，形成於圖案化有機層16與彩色濾光片18上。光學元件10更包括抗反射層(anti-reflection layer) 26，形成於透明平坦層24上。
實施例1
光學元件量子效率 (QE) 光譜的提升
在本實施例中，藉由在光學元件中設置特殊光收集層(light collection layer)的方式已確認可提升彩色濾光片的量子效率(quantum efficiency，QE)，特別是可提升位於基板邊緣區的藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片的量子效率。首先，請參閱第6圖，曲線A顯示位於基板中心區的紅色(R)/綠色(G)/藍色(B)濾光片的量子效率光譜，而曲線B顯示位於基板邊緣區的紅色(R)/綠色(G)/藍色(B)濾光片的量子效率光譜。明顯可看出，位於基板邊緣區的藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片的量子效率峰值會下降。
接著，請參閱第7圖，曲線C顯示本發明光學元件(包含如第1圖所示的特殊光收集層)位於基板邊緣區的紅色(R)/綠色(G)/藍色(B)濾光片的量子效率光譜，而曲線D顯示未設置光收集層的光學元件其位於基板邊緣區的紅色(R)/綠色(G)/藍色(B)濾光片的量子效率光譜。由本發明包含如第1圖所示的特殊光收集層的光學元件所建立的量子效率光譜(曲線C)顯示其藍色(B)濾光片的量子效率峰值較曲線D的藍色(B)濾光片的量子效率峰值大幅提升約3%，而綠色(G)濾光片的量子效率峰值亦較曲線D的綠色(G)濾光片的量子效率峰值提升約1%。此外，曲線C的量子效率光譜亦顯示其彩色濾光片之間具有低的串音(cross-talk)干擾。
在本發明中，係將特殊的高折射率(例如折射率介於1.6至1.9之間)光收集層(light collection layer)設置於彩色濾光片與基板之間。本發明光收集層的折射率高於相鄰材料的折射率。藉由設置此特殊的光收集層，使得位於基板邊緣區的藍色(B)濾光片與綠色(G)濾光片的量子效率(QE)峰值可因此分別提升至例如約3%及約1%。本發明具有光收集層的光學元件亦可使彩色濾光片之間維持低的串音干擾。此外，根據產品需求，可將光收集層設置於單一或多重畫素中。光收集層可包括各種不同且適合的形狀，例如曲形、錐形、多邊形、或其他具有相同聚光效果的形狀等。本發明光收集層必須具備特定尺寸，例如可將光收集層的高度設定小於彩色濾光片的高度的一半，以及將光收集層與彩色濾光片接觸的表面的寬度定義為最大寬度，且將光收集層的最大寬度予以限制，例如使其大於彩色濾光片的寬度的四分之一以及小於或等於彩色濾光片的寬度，以避免原本欲進入相鄰像素的光被目前像素中的光收集層吸收。
上述實施例之特徵有利於本技術領域中具有通常知識者理解本發明。本技術領域中具有通常知識者應理解可採用本發明作基礎，設計並變化其他製程與結構以完成上述實施例之相同目的及/或相同優點。本技術領域中具有通常知識者亦應理解，這些等效置換並未脫離本發明精神與範疇，並可在未脫離本發明之精神與範疇的前提下進行改變、替換、或更動。
10‧‧‧光學元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧金屬柵
16‧‧‧圖案化有機層
18‧‧‧彩色濾光片
18’‧‧‧彩色濾光片的兩側
18”‧‧‧彩色濾光片的中心
20‧‧‧光收集層
20’‧‧‧光收集層與彩色濾光片接觸的表面/光收集層的兩側
20”‧‧‧光收集層的中心
20a、20b、20c‧‧‧光收集層具有不同折射率的區域
21‧‧‧光收集層的分離部
22‧‧‧氧化層
24‧‧‧透明平坦層
26‧‧‧抗反射層
28‧‧‧遠離彩色濾光片的方向
30‧‧‧水平方向
Ds1、Ds2、Ds3‧‧‧光收集層的兩相鄰分離部之間的距離
HCF‧‧‧彩色濾光片的高度
HLC‧‧‧光收集層的高度
WCF‧‧‧彩色濾光片的寬度
WEST‧‧‧光收集層的最大寬度
WLC‧‧‧光收集層的寬度
WLCS‧‧‧光收集層與彩色濾光片接觸的表面的寬度
第1圖係根據本發明的一實施例，一種光學元件的剖面示意圖； 第2圖係根據本發明的一實施例，一種光學元件的剖面示意圖； 第3圖係根據本發明的一實施例，一種光學元件的剖面示意圖； 第4圖係根據本發明的一實施例，一種光學元件的剖面示意圖； 第5圖係根據本發明的一實施例，一種光學元件的剖面示意圖； 第6圖係顯示一種傳統光學元件的量子效率(QE)光譜圖；以及 第7圖係根據本發明的一實施例，顯示一種光學元件的量子效率(QE)光譜圖。

Claims (10)

  1. 一種光學元件，包括： 一基板； 複數個金屬柵(metal grids)，形成於該基板上； 一圖案化有機層，形成於該等金屬柵上； 一彩色濾光片，為該圖案化有機層所包圍；以及 一光收集層(light collection layer)，形成於該彩色濾光片與該基板之間，並為該圖案化有機層所包圍，其中該光收集層的折射率高於該圖案化有機層的折射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該圖案化有機層的折射率介於1.2至1.5之間，該光收集層的折射率高於該彩色濾光片的折射率，該光收集層的折射率介於1.6至1.9之間，該光收集層的高度小於該彩色濾光片的高度的一半，以及該光收集層與該彩色濾光片接觸的表面的寬度定義為一最大寬度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，其中該光收集層為一聚光結構，其形狀包括曲形、錐形、或多邊形。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的光學元件，其中該光收集層的該最大寬度大於該彩色濾光片的寬度的四分之一以及小於或等於該彩色濾光片的寬度。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的光學元件，其中當該光收集層的形狀為曲形時，該光收集層的寬度隨著遠離該彩色濾光片的方向連續式地減小。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的光學元件，其中當該光收集層的形狀為錐形時，該光收集層的寬度隨著遠離該彩色濾光片的方向連續式地減小。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的光學元件，其中當該光收集層的形狀為多邊形時，該光收集層的寬度隨著遠離該彩色濾光片的方向階梯式地減小。
  8. 如申請專利範圍第3項所述的光學元件，其中該光收集層包括複數個分離部，形成於該彩色濾光片上，且該光收集層的兩相鄰分離部之間的距離自該彩色濾光片的兩側至其中心沿一水平方向逐漸地減小。
  9. 如申請專利範圍第3項所述的光學元件，其中該光收集層的折射率自該光收集層的兩側至其中心沿一水平方向逐漸地增加。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光學元件，更包括一氧化層、一平坦層、以及一抗反射層，其中該氧化層覆蓋該金屬柵，該平坦層形成於該圖案化有機層與該彩色濾光片上，以及該抗反射層形成於該平坦層上。
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