TWI706186B - 光學裝置 - Google Patents

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Abstract

一種包含以下層之堆疊的光學裝置：覆蓋層；光吸收材料層；及反射層，其中該覆蓋層之折射係數係至少1.6。

Description

光學裝置
發明領域 本發明係有關於光學裝置。
發明背景 存在對於光譜特性可定製之經改良光學裝置之需求，例如用於光譜測定法之濾色器，或在裝置可切換時用於彩色顯示器。
裝置之先前建議根據以下原理：使用光學透射層(即，如同標準具)之相反表面處之反射來實現之干擾；此提供反射或透射之光譜響應(即，顏色)。光譜(顏色)可藉由併入光吸收材料層來設定。若光吸收體材料係相變材料(PCM)，則裝置之光學性質可藉由切換PCM之相來切換。
然而，僅在使用超薄PCM層，諸如7 nm時可建置可觀察到之顏色對比。若裝置在粗糙襯底，諸如可撓性聚合物上製造，此係成問題的。
另一個想法係使用液晶材料作為顯示器之可切換元件。然而，習知裝置需要1-2微米最小厚度之液晶(取決於所使用之液晶之雙折射)。此厚度限制最大切換速度，以及使用更多材料，及使得裝置更厚。其他概念使用電光活性材料，但是此等通常需要很高電壓，諸如10 kV，產生該等電壓係成問題的。
本發明鑒於以上問題來設計。
發明概要 因此，本發明提供包含以下層之堆疊的光學裝置：覆蓋層；光吸收材料層；及反射層，其中覆蓋層之折射係數係至少1.6。
本發明之另一態樣提供包含以下層之堆疊的光學裝置：覆蓋層；光吸收材料層；光學活性材料層；及反射層。
進一步任擇態樣在附屬申請專利範圍中定義。
在本說明書中通篇，使用術語『光學』及『光』，因為其係在與電磁輻射有關之技術中之常用術語，但是應瞭解在本說明書之情形中，其不限於可見光。設想本發明亦可用於可見光譜以外之波長，諸如紅外及紫外光。
較佳實施例之詳細說明 光學裝置之第一實施例現在參照在橫截面中示意性地展示分層結構之圖1來描述。設置有光吸收材料之固體層10。此層亦稱為薄膜吸收體，並且材料通常具有在廣泛波長範圍內為非零的折射係數(k )之虛分量。可使用許多合適材料，並且一些特定實例稍後給出。層10總體上大於10奈米厚。在此特定實施例中，吸收材料係Ge2 Sb2 Te5 (GST)。
吸收材料層10設置於反射層12(部分或完全反射，取決於是否裝置在透射模式中使用與否)上。
在較早建議中，間隔層夾在吸收層10與反射層12之間，並且二氧化矽或ITO(銦錫氧化物)之覆蓋層設置於裝置之前側(頂側)。習知地，覆蓋層不促成顏色效能，並且吸收層必須超薄。
相比之下，在此特定實施例中，具有高折射係數(在此情況下折射係數之實分量；折射係數之虛分量應盡可能小以使得材料盡可能透明)之材料用作覆蓋層16。折射係數大於1.6，諸如1.8或更大，並且可大於2.0或甚至2.2。覆蓋層16之材料之實例包括TiO2 、ZnO、AgO、金剛石、SiO2 、SiN及TaO。與在習知裝置中相比，進入高折射係數覆蓋層16之光傾向於更多地保持在此層中(以與光可在波導管，諸如光纖中受到限制相同的方式)。經由以『洩漏』吸收層及較低介面之干擾來產生顏色。對於超薄吸收層之要求得以消除。在GST作為構成吸收層10之PCM的情況下，當GST呈非結晶相時，其具有更小吸收性並且覆蓋層16中之光不太受影響；當GST呈結晶相時，其具有更大吸收性(更大金屬性)，並且因此光在特定波長下洩漏，從而藉由干擾而產生顏色及顏色調變。
間隔層(未展示)可仍然選擇性地設置於層10與12之間。若吸收層10係PCM，則若需要，可設置電極來切換該層之相(電力或熱力)，即，藉由施加來自電壓源之合適電壓脈衝，PCM可經歷誘導可逆相。反射層12可充當底部電極(或若任擇間隔層係導電的，諸如ITO，則其可充當底部電極)；並且與PCM接觸之第二電極(未展示)可設置於側面或頂部(在層10與16之間)。或者，如例如WO 2015/097468 A1或EP16000280.4所描述，PCM層可藉由與PCM相鄰，或相對於PCM之鏡層之相反側上之加熱元件提供之熱脈衝來活化。在此情況下，間隔層可為非導電的並且出於僅其光學及熱性質來選擇。
圖2示出TiO2 之覆蓋層16係10、50及100奈米厚之裝置之光譜響應之實例；虛線係當GST呈非結晶相時並且實線係當GST呈結晶相時。如可以在此等實例中看出，在切換期間，顏色可從蒼白轉變至明亮。使用此結構，可建置RGB類型像素，其中接通狀態係蒼白(幾乎白色)並且另一種狀態係明亮原色(諸如明亮藍色、紅色或綠色)。使用較薄覆蓋層16，裝置可具有相當平坦光譜，或因此僅用於在像素之明亮與黑暗狀態之間切換。在圖2之所有實例中，反射層12係100 nm厚之Ag層。
吸收層10之厚度本身可獨立地產生顏色。
結構圖1可容易地與從CMOS電路頂部上之PCM記憶體裝置已知的架構整合，該整合係藉由將頂電極改變至薄透明電極層(諸如10 nm ITO)頂部之高折射係數層16來進行的。
使用根據本發明之當前態樣之實施例之裝置，色域(在彩色空間中可達到的顏色範圍)可極大地改良。在圖3(a)之色度圖中繪製之點示出先前使用ITO覆蓋層可實現之色域，而圖3(b)示出使用高折射係數覆蓋層16可實現的大得多的色域，在此實例中覆蓋層係金剛石(例如藉由CVD生長之人造金剛石)。
在本發明之進一步實施例中，間隔層與覆蓋層中之一者或兩者可包含「複合」層，其包含具有不同折射係數之多個材料層。以此方式，進一步部分內部反射在此等多個層之介面處產生，提供可允許增加對於可用狀態之反射光譜之控制的更複雜干擾模式的可能性。此可包括藉由在較窄波長範圍內之較高反射率來產生反射光譜，從而產生更鮮豔顏色以及由此更大色域的能力，以及在裝置之多個狀態下更獨立地調諧所需反射光譜的能力。可用作複合間隔或覆蓋層內之子層的材料可包括(但是不限於)ZnO、TiO2 、SiO2 、Si3 N4 、TaO及ITO。具有此複合間隔或覆蓋層之示例性裝置例示於圖11-15中。
圖11示出示例性堆疊，其中覆蓋層16包含多個覆蓋層子層161-162。覆蓋層子層161-162中之至少兩者具有相對於彼此之不同折射係數。通常，至少直接彼此相鄰的彼等覆蓋層子層具有相對於彼此之不同折射係數。在所示特定實例中，覆蓋層16包含具有第一折射係數之兩個覆蓋層子層161，其夾住具有不同於第一折射係數之第二折射係數的單一覆蓋層子層162，但是其他組態係可能的。在所示實例中，間隔層40另外設置於反射層12與光吸收材料層10之間。在此特定實例中，間隔層40包含多個間隔層子層401-402。間隔層子層401-402中之至少兩者具有相對於彼此之不同折射係數。通常，至少直接彼此相鄰的彼等間隔層子層具有相對於彼此之不同折射係數。在圖11之特定實例中，僅設置兩個間隔層子層，但是其他實施例可包含超過兩個間隔層子層。在此實施例中，堆疊從反射層12下方之襯底50開始來形成。如下參照圖15論述，此並非必需的。堆疊亦可以從覆蓋層16上方之光學厚蓋層70開始之逆向順序來形成(在此情況下反射層下方之襯底50係任擇的)。
在實例描繪於圖12-14中之更進一步實施例中，裝置進一步包含被動光吸收材料層60。被動光吸收材料層60可包含光吸收材料之薄層或薄膜。被動光吸收材料層60可提供為覆蓋層16之一部分(例如夾在兩個覆蓋層子層之間)，直接與覆蓋層16相鄰(不論是否覆蓋層包含多個覆蓋層子層)，作為間隔層40之一部分(例如夾在兩個間隔層子層之間)，及/或直接與間隔層40相鄰(不論是否間隔層包含多個間隔層子層)。
不希望受理論束縛，發明者目前相信添加此被動光吸收材料層有助於增加此層之介面處之內部反射，並且優先吸收由裝置之其他層在被動光吸收材料層之位置處所提供的一個或多個諧振腔上具有駐波波腹的波長之光。此再次可增加裝置之多個狀態之反射光譜之顏色選擇性，從而擴展可實現反射顏色之範圍及/或在每個狀態下所反射之顏色之獨立性。在一實施例中，被動光吸收材料層60係被動之含義在於其不可在不同狀態之間切換，例如以與PCM層相同的方式。被動光吸收材料層60不含有任何相變材料。在一實施例中，被動光吸收材料層60係金屬，例如由金屬材料諸如Ag、Au、Al或Pt來形成。被動吸收材料層60通常被設計成足夠厚以產生所需光學效應，同時不太厚以致於吸收或反射較大比例之入射光。3nm-30nm已經被識別為最佳範圍。為了防止被動光吸收材料層60氧化(例如，在層由傾向於氧化之金屬材料形成的情況下)，穩定材料層可沉積於金屬層之一或兩側上。此層可足夠厚(通常小於10nm)，只要不影響由裝置產生之反射光譜，或可為本身有助於理想反射光譜的較厚層。或者，被動吸收材料層60包含非金屬吸收體。
圖12示出具有被動光吸收材料層60之示例性堆疊。在此特定實施例中，堆疊包含多個覆蓋層子層161-162。被動光吸收材料層60設置於覆蓋層內，夾在兩個覆蓋層子層161-162之間。
圖13示出具有被動光吸收材料層60之進一步示例性堆疊。在此特定實施例中，堆疊包含多個間隔層子層401-402。被動光吸收材料層60設置於間隔層內，夾在兩個間隔層子層401-402之間。
圖14示出具有兩個被動光吸收材料層60之示例性堆疊。被動光吸收材料層60之第一者設置於覆蓋層內，夾在兩個覆蓋層子層161-162之間。被動光吸收材料層60之第二者設置於間隔層內，夾在兩個間隔層子層401-402之間。
本發明之另一實施例在圖4中例示。在此實施例中，液晶材料層設置於光吸收層10與反射層12之間。透明電極21、22(由例如ITO製成，10 nm厚)設置於液晶腔之每一側，如從LCD(液晶顯示器)技術已知。裝置具有由例如ITO、二氧化矽、氧化鋁、硫化鋅或聚合材料製成之透明頂層24，及偏光板26。將合適電壓施加至電極21、22將切換液晶分子之定向以改變腔穴之折射係數，並且由此調變該裝置(可呈薄膜形式，並且可像素化)之顏色。
習知液晶裝置需要1至2微米之某一最小厚度以便運作。此厚度藉由以下方程決定：d =λ /(4Dn ) 其中d 係最小厚度，λ 係波長，並且Dn 係用於裝置中之特定液晶之雙折射。
然而，對於本發明之當前實施例，此方程不適用，因為光藉由改變奈米腔(層20)之折射係數，而並非如在傳統LCD裝置中藉由處理光之相來調變。結果為液晶層20可比習知者薄約十倍，諸如大約200 nm。此意味著裝置可變得超薄，並且可以比習知裝置高得多的速度來切換。因此，裝置有利於電訊應用。然而，其亦可用於使用具有低功耗之顏色調變的裝飾應用，或用於被動、反射類型顯示器。減少反射層12之厚度使得能夠以透射模式來進行顏色調變，並且可用作光譜儀之濾色器或可調諧寬頻帶吸收體。
圖5例示此實施例之變體，其中吸收層10與反射層12相鄰以提供與圖1類似之『洩漏類型』裝置。頂層24並非必需的。
在根據圖4及5之實施例之裝置中，吸收層10諸如GST不需要可切換，亦不展示相變，因此不需要具有其自己的電極。然而，其可預置於所需相中。
圖6示出根據圖4之一系列裝置之光譜響應(在反射中)，該等裝置依序包含ITO頂層24、GST吸收層10、ITO電極21、TL216之液晶層20、ITO電極22及Ag之反射層12。厚度GST及TL216如在圖6之圖例中給出。對於每一對厚度，示出具有可藉由在由電極21、22施加之電場中切換液晶所獲得的尋常(no )或異常(ne )折射係數的液晶TL216之繪圖。如可以看出，顯著光譜變化以及由此顏色變化係明顯的。
本發明之進一步實施例在圖7及8中例示。此等結構類似於圖4及5之裝置，除了液晶層置換為被稱為EO層30之電光活性材料層30以外。透明電極31、32(由例如ITO製成，10 nm厚)設置於EO層之每一側上。圖7之裝置具有透明頂層34，其例如由ITO、二氧化矽、氧化鋁、硫化鋅或聚合材料製成。
電光活性材料基於施加電場之強度來改變其折射係數。EO材料之實例包括：磷酸二氫銨(ADP)、磷酸二氫鉀(KDP)、鈮酸鋰、鉭酸鋰、碲化鎘及各種聚合物發色團諸如DANS、DR、FTC、CLD1、AJL8。將合適電壓施加至電極31、32將切換EO層30之折射係數，並且由此調變該裝置(可呈薄膜形式，並且可像素化)之顏色。
裝置可使用極薄EO層，諸如在10至200 nm範圍內。此意味著導致可見切換之高電場可甚至使用諸如100 V或更低之相對低電壓來產生。操作高達100 V之表面安裝裝置DC-DC轉換器係易於得到的。EO材料全部為高度絕緣的，因此實際上沒有電流循環，甚至在高電壓下亦如此。因此能量消耗很低，甚至在高電壓下操作亦如此，因此電池操作係可能的。
切換速度亦可難以置信地高，諸如120 GHz，並且可實現極大數量之切換週期的壽命。因此，裝置有利於電訊應用。然而，其亦可用於使用具有低功耗之顏色調變的裝飾應用，或用於顯示器。減少反射層12之厚度使得能夠以透射模式來進行顏色調變，並且可用作光譜儀之濾色器或可調諧寬頻帶吸收體。
在根據圖7及8之實施例之裝置中，吸收層10諸如GST不需要可切換，亦不展示相變，因此不需要具有其自己的電極。
圖9示出根據圖7之裝置之光譜響應(在反射中)，其依序包含40 nm厚SiO2 頂層34、5 nm厚GST(非結晶)吸收層10、10 nm厚ITO電極31、20 nm LiNbO3 EO層30、10 nm ITO電極32及Ag之100 nm厚反射層12。當電壓從+100 V降低至-100 V時，相對平坦光譜展示黑色至明亮轉變。圖10示出具有與圖9相同結構之實例之光譜響應，除了GST係6 nm厚，並且EO層30係CLD1聚合物以外，在兩個實例中具有20 nm及120 nm之相應厚度。如可以看出，隨著從+100 V切換至-100 V，顯著光譜變化以及由此顏色變化係明顯的。
在上述實施例中，液晶材料及EO材料均由通用術語『光學活性材料』涵蓋。 材料
在許多應用中，光吸收材料層10並非特定地必須為相變材料，雖然其可為相變材料。用於吸收層10之合適材料之實例包括：以下提到之相變材料中之任一者；特別非結晶矽、非結晶碳、Ge、GaAs、InAs、InP、CdTe、Ag2 S、有機半導體；吸收光並且可沉積至幾nm厚之薄膜的任何合適材料(半導體材料通常理想地用於此目的)。化學計量比可改變並且可使用摻雜來建置所需吸收性質。事實上，不需要使用在整體狀態下吸收光之材料；此材料可工程化以建置在吸收方面具有所需性質的超材料。
許多合適相變材料可個別地或組合地利用，包括選自以下清單之元素之組合之化合物或合金：GeSbTe、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe及AlSb。亦應瞭解各種化學計量形式之此等材料係可能的；例如Gex Sby Tez ；並且另一種合適材料係Ag3 In4 Sb76 Te17 (亦稱為AIST)。其他合適材料包括所謂「莫特憶阻器」(在某一特定溫度下經歷金屬至絕緣體轉變MIT的材料)中之任一者，例如VOx 或NbOx 。此外，材料可包含一或多種摻雜劑，諸如C或N。
當在非結晶與結晶相之間切換時，此等所謂相變材料(PCM)經歷實及虛折射係數之急劇變化。切換可例如藉由合適電脈衝誘導之加熱或來自雷射光源之光脈衝來達成，或可例如使用與相變材料熱接觸之相鄰層之電阻加熱來熱力加熱。當材料在非結晶與結晶相之間切換時，存在折射係數之實質性變化。材料在任一狀態下係穩定的。切換可事實上執行無數次。然而，不需要切換係可逆的。
適用於所有實施例之進一步增強係層10之材料不需要僅在完全結晶與完全非結晶狀態之間切換。可達成相之混合物，諸如20%結晶、40%結晶等。材料之所得有效折射係數在完全結晶與完全非結晶之兩個極值之間某處，取決於部分結晶之程度。可容易地達成4個與8個之間之不同混合相，其具有對應數目之不同可偵測反射率，但是藉由合適控制，數目可高得多，諸如128個。
雖然本文所述之一些實施例提及材料層可在兩個狀態諸如結晶與非結晶相之間切換，但是轉變可在任何兩個固體相之間，包括但不限於：結晶至另一種結晶或準結晶相或反之亦然；非結晶至結晶或準結晶/半有序或反之亦然，以及其之間之所有形式。實施例亦不限於僅兩個狀態。
在較佳實施例中，吸收材料層10由小於200 nm厚之Ge2 Sb2 Te5 (GST)組成。
反射層12通常係薄金屬膜，由例如Au、Ag、Al或Pt組成。若此層係部分反射性，則可選擇5至15 nm範圍內之厚度，否則可使層變得更厚，諸如100 nm，以便大致上完全反射。
圖1、4、5、7、8、11、12、13、14示出之完整結構可設置於襯底50(例如在圖11-14中示出)諸如玻璃、石英或塑膠材料、聚碳酸酯、PET等上，以便於製造或結構堅穩性。襯底50可為光學厚的，只要不影響反射光譜，或設置於完全不透明反射層12之後面。在諸如吸收材料10、ITO、SiO2 等之無機材料層的情況下使用濺射來沉積層，其可在100C或甚至70C或更低之相對低溫下執行。聚合物層可藉由旋塗及固化來形成。必要時，亦可設置額外層。低溫過程意味著光學裝置不需要如包含襯底之製品(製品可為例如窗玻璃)同時製造；光學裝置可作為例如稍後施加之表面塗層在現有窗或面板上改裝。或者，光學重要層可以逆向順序沉積於透明、光學厚的上層(亦被稱為光學厚蓋層70)，然後選擇性地層疊或另外連接至任擇襯底50以實現進一步堅穩性或密封。此組態之實例在圖15中示出。在此特定實例中，堆疊包含覆蓋層16、光吸收材料層10、間隔層40及反射層12，但是應瞭解本文揭示之任何堆疊組態(包括具有多個覆蓋層子層及/或多個間隔層子層及/或一或多個被動光吸收材料層之堆疊)可以對應方式形成於光學厚蓋層70上(具有或不具有額外襯底50)。襯底50及/或上層70可為剛性的諸如玻璃或矽，或可為可撓的諸如聚合物薄板或想可撓性玻璃(think flexible glass)。上層可選擇性地用抗反射膜塗佈於上部(觀察者側)表面以改良由裝置所產生的有色反射之可見性。 應用
根據本文中之任何實施例之光學裝置可用作透射彩色(光譜)濾光器(可切換或固定)，諸如用於LCD/OLED顯示器及投影儀之超薄濾色器。其亦可用於透通顯示器，諸如抬頭顯示器(HUD)中。
根據本文中之任何實施例之光學裝置可用作透射安全標記，該等安全標記施加於製品、包裝、ID徽章/通行證、鈔票等等。可藉由設定不同區域之結晶狀態來將圖案儲存於相變材料層中。圖案可僅為可識別影像，或可編碼特定資訊，諸如呈條形碼、QR碼或其他合適碼形式。基於PCM之光調變器之一個優勢係寫入裝置中之極高解析度圖案之潛力(參看Nature 511, 206–211 (10 July 2014))。此允許使用全像圖案之可能性。全像圖案可用於衍射入射光以便在或不在額外鏡片或其他光學元件之輔助下、在裝置之一定距離或一組距離處形成實像、多個實像或三維體積影像。全像圖案亦可與裝置一起使用以便為輸入光束賦予光束轉向、聚焦、多工或其他光學效應。
在本發明之進一步實施例中，如圖16示意性地描繪，堆疊被組配來在對應多個不同區域80中提供對於入射光之多個不同光譜響應。在一實施例中，不同光譜響應至少部分地藉由組配區域80之至少一子集以具有層之不同序列(更多或更少層及/或不同層組合序列及/或厚度)及/或一或多個對應層之不同厚度(例如層之組成序列相同但是序列中之一或多個層在不同區域中具有不同厚度)來提供。替代地或另外，不同光譜響應至少部分地藉由組配區域80之至少一子集以使得光吸收材料層切換至不同狀態，例如不同相來提供。每個區域可個別地包含本文揭示之任何堆疊。多個區域80可形成更大多個區域(亦可被稱為像素)之子集。在一實施例中，裝置被組配來使用在不同區域中提供之多個不同光譜響應以提供全像效應，例如如上所述之全像圖案。
為了優化裝置對於全像應用之效能，可調整間隔層、主動及被動薄膜吸收體及覆蓋層之組態以在意欲照明該裝置以重現全像效應之特定窄帶波長下給出高對比調變。此高對比調變可基於振幅(亦即，特定波長頻帶下之反射率之強烈變化)或其可為在多個狀態下反射時光相之較大變化(理想地π或2π弧度)。或者，可指定光學層之組態以在足夠寬波長範圍內給出足夠調變以便在一系列波長下實現全像效應。
圖案並非必需的，因為可僅依賴於難以複製的為光學裝置固有的預定顏色變化或光譜響應。
在一實施例中，安全標記可在撓性襯底，諸如智慧型標籤或ID膜上，其可彎曲以展現已知顏色變化或向保全人員展現圖案。發生顏色變化及/或圖案展現，因為彎曲該裝置改變層，尤其間隔層之厚度，並且由此改變裝置之光譜透射響應。
進一步變體係當使用作為相變材料之諸如VOx 或NbOx 之莫特憶阻器之圖案來定義標記時。當將標記加熱至高於轉變溫度時，發生顏色對比變化，因此安全標記可藉由加熱裝置來顯示，並且在其再次冷卻時，標記消失。
併入簡單光譜儀之裝置讀取器可評估標記在不同角度下之顏色變化(在或不在彎曲的情況下)並且與先前儲存響應比較以便以非常高的置信度來驗證標記之真實性。
另一種裝置讀取器使用一或多個低功率雷射二極體來量測在固定波長下隨著角度變化之透射率，並且與已知響應比較。
在寫入標記中之圖案的情況下，裝置讀取器可包括攝影機以在特定照明波長或角度下捕獲標記之一或多個影像，並且可使用對比度比較及或影像識別來驗證標記。
對於如上所述之任何安全標記，標記當然可使用如前所述之合適切換手段(諸如雷射、電或熱)來擦除及/或重寫。此能夠實現多用途的安全層級，例如其中使用者之卡在第一檢控點處驗證，在該檢控點處，裝置讀取器亦將第二資訊寫入標記。第二檢控點然後驗證存在第二資訊，然後擦除及/或寫入進一步資訊。以此方式，可僅依序通過檢控點；並且繞過檢控點導致隨後檢控點處進入被拒絕。寫入及重新寫入在裝置上施加之圖案的能力亦允許將裝置作為顯示器或空間光調變器來使用，以便直接觀看，或在本身作為投影或全像投影系統之一部分之裝置的一定距離處形成影像。當用作顯示系統中之光調變元件時，裝置可被組配來調變一組不同波長頻帶以便提供完整顏色能力。此可藉由在顯示器中設置具有間隔層、主動及被動薄膜吸收體及覆蓋層之不同組態的多個區域(即，顯示器內之不同類型之子像素)以便調變不同波長頻帶來達成，或基於相變材料之裝置之快速(通常亞微秒)切換能力可用於提供一系列輸入顏色的依序調變。
雖然圖2、6、9、10之光譜主要涉及電磁譜之可見部分，但是透射類型薄膜亦可用於調變光譜之其他部分，諸如紅外(IR)光。因此，可製造用於透射或降低特定頻帶之IR濾波器。若使用可切換吸收材料層10，則裝置可作為例如用於建築物之熱管理之玻璃的表面塗層來施用。光譜之紅外線部分之透射率之較大變化可在吸收層之非結晶與結晶狀態之間達成以使得經由裝置透射之總紅外能量之變化可切換超過25%。因此太陽紅外光能量可經由玻璃透射以提供建築物內部之加熱，或裝置可切換以反射更多紅外線以減少建築物內部的不必要加熱。
藉由合適選擇材料及層厚度，裝置可提供在光譜之紅外線部分中之較大變化，同時僅在小得多的程度上影響可見光。舉例而言，可實現小於20%的在可見波長度下傳輸之總能量。以此方式，可保持允許經由玻璃進入建築物之可見光之亮度，同時仍然不受干涉地調控所傳輸的熱能(紅外線)。換言之，甚至在改變紅外線透射時，可見外觀不一定變化或出現著色。 光譜儀
存在被稱為基於寬頻帶濾波器之光譜儀的一種類型之光譜儀。代表待分析之光譜之光通過具有隨著波長而變化之已知透射特性的寬頻帶濾波器。不同頻帶減弱不同量並且所得光達到提供單一所得總強度值的單一偵測器。此過程使用多個寬頻帶濾波器來重複，其中之每一者以不同方式來改變光譜。根據所有寬頻帶濾波器之已知透射光譜，及強度量測結果，原始光譜可計算重建。
光譜儀可藉由同時量測一組強度來變得更有效。進行此舉的一實施例係使用具有諸如電荷耦合裝置(CCD)之偵測器之二維陣列的襯底。在偵測器陣列前面係一組光譜濾波器，其各自包含具有部分反射層的諸如先前描述之透射濾波器。藉由調整層之組合及/或厚度，每個濾波器之光譜透射可為不同的。
不需要每個偵測器都有一個濾波器，與替代地一個濾波器可服務於多個偵測器元件。此外，濾波器各自不需要分離地製造。
此結構及技術使得裝置簡單地在CCD陣列上便宜地及快速地製造以提供晶片上之光譜儀。裝置可用作紅外線及紫外線以及可見光之光譜儀，並且在暴露於在光譜上之電磁輻射時係穩定的。陣列中之不同濾波器34及偵測器32之數目可為大約幾百，或甚至多得多，並且此數目將判定光譜解析度。可達成+/-1nm之光譜解析度。
如上所述之任何裝置之進一步應用係作為裝飾層。舉例而言，可提供用光學裝置塗佈之太陽鏡之鏡片。顏色及圖案可預定且/或可隨後改變。
10‧‧‧光吸收材料層12‧‧‧反射層16‧‧‧覆蓋層20‧‧‧液晶層21、22、31、32‧‧‧透明電極24、34‧‧‧透明頂層26‧‧‧偏光板30‧‧‧電光活性材料層40‧‧‧間隔層50‧‧‧襯底60‧‧‧被動光吸收材料層70‧‧‧光學厚蓋層80‧‧‧區域161-162‧‧‧覆蓋層子層401-402‧‧‧間隔層子層
本發明之實施例現在僅作為舉例參照附圖來描述，其中： 圖1係裝置之根據本發明之一實施例的光學裝置之一部分之示意性橫截面； 圖2示出根據本發明之一實施例的裝置之反射率相對於波長之繪圖； 圖3(a)及3(b)係展示可使用(a)習知裝置，及(b)根據本發明實施例之裝置來實現之顏色範圍的色度圖； 圖4係包含液晶層之本發明之另一實施例在橫截面中之示意圖； 圖5係包含液晶層之本發明之進一步實施例在橫截面中之示意圖； 圖6示出基於圖4結構之根據本發明之一實施例的裝置之反射率相對於波長之繪圖； 圖7係包含電光活性材料層之本發明之實施例在橫截面中之示意圖； 圖8係包含電光活性材料層之本發明之進一步實施例在橫截面中之示意圖； 圖9示出基於圖7結構之根據本發明之一實施例的具有不同施加電壓之裝置之反射率相對於波長之繪圖； 圖10示出基於圖7結構之根據本發明之一實施例的裝置之反射率相對於波長之繪圖，該等裝置具有不同施加電壓及電光活性材料層之不同厚度；並且 圖11示出包含由多個覆蓋層子層形成之覆蓋層及由多個間隔層子層形成之間隔層的示例性堆疊； 圖12示出包含在覆蓋層內設置之被動光吸收材料層的示例性堆疊； 圖13示出包含在間隔層內設置之被動光吸收材料層的示例性堆疊； 圖14示出包含在覆蓋層內設置之被動光吸收材料層及在間隔層內設置之被動光吸收材料層的示例性堆疊； 圖15示出在光學厚蓋板上形成之示例性堆疊；並且 圖16示出具有提供不同光譜響應之多個區域的裝置。
10‧‧‧光吸收材料層
12‧‧‧反射層
16‧‧‧覆蓋層

Claims (20)

  1. 一種光學裝置，其包含一以下層之堆疊：一覆蓋層；一光吸收材料層；一反射層；及一於該反射層與該光吸收材料層之間的間隔層，其中：該覆蓋層之折射係數係至少1.6；該光吸收材料係一具有複折射係數之相變材料，該複折射係數可設定為賦予該裝置不同光學性質的至少兩個值；該間隔層包含多個間隔層子層，該等間隔層子層中之至少兩者具有相對於彼此之不同折射係數；且設置有一或多個電極，以使得相變材料之折射係數能夠藉由施加一電壓及/或藉由施加一熱來改變。
  2. 如請求項1之裝置，其中該折射係數係至少2.0。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該覆蓋層包含以下中之至少一者：TiO2、ZnO、金剛石、SiO2、Si3N4及TaO。
  4. 如請求項1或2之裝置，其進一步包含該覆蓋層與該反射層之間之一間隔層。
  5. 如請求項1或2之裝置，其中該光吸收層之厚度係至少10nm。
  6. 一種光學裝置，其包含一以下層之堆疊：一覆蓋層；一光吸收材料層；一光學活性材料層；一反射層；及一於該反射層與該光吸收材料層之間的間隔層，其中：該光吸收材料係一具有複折射係數之相變材料，該複折射係數可設定為賦予該裝置不同光學性質的至少兩個值；該間隔層包含多個間隔層子層，該等間隔層子層中之至少兩者具有相對於彼此之不同折射係數；且設置有一或多個電極，以使得相變材料之折射係數能夠藉由施加一電壓及/或藉由施加一熱來改變。
  7. 如請求項6之裝置，其中設置有電極以使得該光學活性材料之折射係數能夠藉由施加一電壓來改變。
  8. 如請求項6或7之裝置，其中該光學活性材料係一液晶材料，選擇性地厚度小於300nm，並且該堆疊進一步包含一偏光板層。
  9. 如請求項6或7之裝置，其中該光學活性材料係一電光活性材料，選擇性地厚度小於100nm。
  10. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其中該覆蓋層包含多個覆蓋層子層、該等覆蓋層子層中之至 少兩者具有相對於彼此之不同折射係數。
  11. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其中該光吸收材料包含選自以下組合清單之元素組合之一化合物或合金：GeSbTe、VOx、NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe及AlSb。
  12. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其進一步包含一被動光吸收材料層，選擇性地其中該被動光吸收材料層係金屬。
  13. 如請求項12之裝置，其中該被動光吸收材料層不包含任何相變材料。
  14. 如請求項12之裝置，其中：該覆蓋層包含多個覆蓋層子層，該等覆蓋層子層中之至少兩者具有相對於彼此之不同折射係數，並且該被動光吸收材料層係設置於該覆蓋層內，夾在該等覆蓋層子層中之兩者之間，或該被動光吸收材料層直接與該覆蓋層相鄰地設置。
  15. 如請求項12之裝置，其中：該被動光吸收材料層係設置於該間隔層內，夾在該等間隔層子層中之兩者之間，或該被動光吸收材料層直接與該間隔層相鄰地設置。
  16. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其中該反射層係部分反射性並且該裝置係透射性，或其中該反射層係完全反射性。
  17. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其中該等層中之一或多者包含決定該裝置對於入射光之光譜響應的一光學腔。
  18. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其中該堆疊被組配來在對應多個不同區域中提供對於入射光之多個不同光譜響應。
  19. 如請求項18之裝置，其中該裝置被組配來使用該等多個不同光譜響應來提供一全像效應。
  20. 如請求項1、2、6、7中任一項之裝置，其係用於形成顯示器、彩色顯示器、安全標記、濾色器、裝飾層、光譜儀或窗。
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