WO2012159397A1 - 一种彩色图像制作方法及使用该方法制作的彩色滤光片 - Google Patents

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陈林森
周云
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申溯
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SVG Optronics Co Ltd
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    • G02B5/285—Interference filters comprising deposited thin solid films
    • G02B5/288—Interference filters comprising deposited thin solid films comprising at least one thin film resonant cavity, e.g. in bandpass filters

Definitions

  • the present invention relates to the field of image production technology, and more particularly to a color image producing method and a color filter manufactured using the same.
  • the Fabry-Perot harmonic 100 cavity includes an all-antimetal layer 101, a semi-transmissive metal layer 103, and a dielectric layer 102 interposed therebetween.
  • the resonance frequency of the entire Fabry-Perot cavity is made to conform to a specific light wave, so that the light wave of the frequency is absorbed by the resonance, thereby producing a color effect on the surface.
  • the present invention proposes a color image producing method that does not require a dye.
  • the fabrication method utilizes the resonance characteristics of the Fabry-Perot cavity to form different Fabry-Perot resonators on the surface of the substrate, that is, having different resonance frequencies, which can reflect different colors of light, Thereby achieving the expression of color.
  • a method for fabricating a color image according to the object of the present invention mainly comprises: (1) fabricating a Fabry-Perot cavity on a surface of a substrate, wherein a dielectric layer of the Fabry-Perot cavity is thermoplastic (2) designing a metal stamper having at least two protrusions of different heights, the distribution of the protrusions corresponding to the pixel points after the color image is digitally divided; (3) using the above metal stamper pair method
  • the Brill-Perot cavity is thermally embossed, and the Fabry-Perot cavity is embossed into a plurality of first Fabry-Perot resonators having a first thickness dielectric layer, and a plurality of a second Fabry-Perot cavity of the two-thick dielectric layer and a plurality of third Fabry-Perot resonators having a third thickness dielectric layer, wherein the resonance of the first Fabry-Perot cavity The frequency corresponds to the red light wave, and the
  • This method of nanoimprinting characterizes an image as one pixel at a time, and divides each pixel into three gray components of red, green, and blue according to the color separation principle. As long as the three thicknesses of the corresponding Fabry-Perot cavity are calculated and the stamper is designed and manufactured, batch color image production can be realized. At the same time, a roll-to-roll nanoimprint method can be introduced to further improve production efficiency.
  • a color filter produced by the production method of the present invention is also provided.
  • the color filter is a reflective color filter comprising a plurality of pixels, each of which includes three sub-pixels of red, green and blue, which are produced by the above-described method of producing a color image.
  • the designed stamper is more conducive to the production, and the dye-free color filter can be truly brought into the stage of industrial production.
  • Figure 1 is an optical filter of a conventional Fabry-Perot
  • FIG. 2 is a flow chart of fabricating a Fabry-Perot resonant cavity of the present invention
  • 3 is a reflection spectrum diagram of three different dielectric layer thicknesses of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a color image creation process of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart of the fabrication of the Fabry-Perot cavity of the present invention.
  • step S11 the entire anti-metal layer 101 is vapor-deposited on the surface of the substrate layer 110.
  • step S12 the dielectric layer 102 is coated on the all-reflective metal layer 101.
  • step S13 a semi-transmissive metal layer 103 is evaporated on the dielectric layer 102 to form a Fabry-Perot cavity 100.
  • the substrate layer 110 is a transparent film on which an exfoliating layer and an attaching layer may be attached to attach the Fabry-Perot cavity 100 to the target product; or, the substrate layer 110 itself may As the transfer layer, the Fabry-Perot cavity 100 is transferred to other materials and removed.
  • the substrate layer 110 is a flexible film, a roll-to-roll nanoimprint process can be realized in a subsequent color process, thereby improving production efficiency.
  • the all-anti-metal layer 101 is a highly reflective metal material such as gold, silver, aluminum, copper, etc., which is between 25 and 40 nanometers thick.
  • the dielectric layer 102 has a thickness between 100 and 550 nanometers.
  • the dielectric layer 102 is preferably a thermoplastic material such as poly(mercapto acrylate) (PMMA).
  • the material of the semi-transverse metal layer 103 may be nickel, chromium, tungsten or the like. Because of the need to consider its light transmission properties, the thickness should not be too high, generally between 10 and 20 nanometers.
  • the entire Fabry-Perot cavity 100 is less than 600 nm thick and is a common dye layer.
  • the resonance frequency is related to the thickness of the total anti-metal layer, the semi-transmissive metal layer and the dielectric layer. Therefore, we can achieve a variety of color characterization by fixing the thickness of the all-reflective metal layer and the semi-transmissive metal layer and changing only the thickness of the dielectric layer.
  • FIG. 3 is a reflection optical map of three different dielectric layer thicknesses of the present invention.
  • the thickness of the all-reflective metal layer 101 is 50 nm
  • the thickness of the semi-transverse metal layer 103 is 20 nm
  • the corresponding reflection efficiency is curve 1. It can be seen that at the thickness of the dielectric layer, the position where the maximum value of the reflection efficiency occurs is about 450 nm, corresponding to the blue region, that is, the Fabry-Perot cavity reflects blue light and filters other colors. The light is expressed as a blue light.
  • the corresponding reflection efficiency is curve 2. It can be seen that at the thickness of the dielectric layer, the position where the maximum value of the reflection efficiency occurs is about 570 nm, corresponding to the green light region, that is, the Fabry-Perot cavity reflects the green light and filters other The color of the light is expressed in green light.
  • the corresponding reflection efficiency is curve 3. It can be seen that at the thickness of the dielectric layer, the position where the maximum value of the reflection efficiency occurs is about 670 nm, corresponding to the red region, that is, the Fabry-Perot cavity reflects red light and filters other The light of the color is expressed as red light.
  • a color image having a plurality of colors can be produced by integrating Fabry-Perot resonators of different thicknesses.
  • the following section details how to make a color image using the Fabry-Perot cavity.
  • a color separation principle can usually be used to decompose a color image into small pixels composed of gray, red, green and blue colors.
  • the scale of such pixels is usually between a few micrometers and a few hundred micrometers. Therefore, as long as a small Fabry-Perot cavity of different heights can be made in this scale range, color image production can be realized.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a color image creation process of the present invention.
  • step S1 the fabrication of the above-described integral Fabry-Perot cavity is completed.
  • a metal stamper is produced.
  • the surface of the metal stamper 200 has at least two protrusions 201 and 202 of different heights, the distribution and size of the protrusions corresponding to the pixel points after the color image is digitally divided.
  • One possible method is to use the photolithography + electroplating process to complete the fabrication of the above protrusions.
  • the metal stamper needs to have a hardness greater than or equal to the hardness of the semi-transverse metal layer, and a nickel mold is used in the present invention.
  • step S3 the Fabry-Perot cavity is thermally embossed using the above metal stamper.
  • the temperature of the imprint is controlled between 100 and 250 degrees, and the pressure is controlled between IMpa and 20 MPa.
  • a plurality of first methods having a first thickness dielectric layer are formed on the Fabry-Perot cavity.
  • a Brill-Perot cavity 121 a Brill-Perot cavity 121, a plurality of second Fabry-Perot resonators 122 having a second thickness dielectric layer, and a plurality of third Fabry-Perot resonators 123 having a third thickness dielectric layer
  • the resonant frequency of the first Fabry-Perot cavity 121 corresponds to a red light wave
  • the resonant frequency of the second Fabry-Perot cavity 122 corresponds to a green light wave
  • the resonant frequency of the cavity 123 corresponds to a blue light wave.
  • the distribution of these tiny Fabry-Perot resonators has a macroscopic effect on the macroscopic image.
  • the metal stamper can be formed into a roll stamper, and the flexible substrate layer wound on the other drum can be realized by a roll-to-roll nanoimprint process.
  • the above embossing step can be formed into a roll stamper, and the flexible substrate layer wound on the other drum can be realized by a roll-to-roll nanoimprint process.
  • the present invention can be used to produce reflective color filters on display devices in addition to color images.
  • a color filter includes a plurality of pixels, and each pixel includes three sub-pixels of red, green, and blue, and the arrangement between pixels and pixels is in accordance with a red sub-pixel, a green sub-pixel, and a blue
  • the dice pixels are arranged at intervals. Therefore, unlike the color image, the different protrusions on the metal stamper have a regular arrangement and are easier to fabricate.
  • the color filter produced by the invention has the filtering principle realized by the resonance principle of the Fabry-Perot cavity, and has better color purity and environmental protection than the common dye color filter. .
  • the present invention adopts a method of nanoimprinting to form microcavities with different resonance frequencies on a Fabry-Perot cavity, so that different microcavities respectively reflect one color, and finally combine to form an overall effect.
  • Color image can also be used to fabricate reflective color filters, which are arranged by the regular arrangement of Fabry-Perot resonators corresponding to red, green and blue colors, and the red, green and blue sub-color filters. The pixels are coming out.
  • the color image and the color filter produced by the present invention use the resonance characteristics of the Fabry-Perot cavity to express the color, get rid of the application of the dye, greatly reduce the pollution to the environment, and realize a kind without Color printing of inks.

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Abstract

一种彩色图像的制作方法及使用该方法制作的彩色滤光片。彩色图像和彩色滤光片的色彩由法布里-珀罗谐振腔（100）的共振特性表征。通过纳米压印工艺，制作出具有不同厚度的法布里-珀罗谐振腔，不同厚度的法布里-珀罗谐振腔分别对应红色、绿色和蓝色。红色、绿色和蓝色法布里-珀罗谐振腔根据分色原理分布，并且其组合在宏观上满足具有表现整体图像的效果。

Description

一种彩色图像制作方法及使用该方法制作的彩色滤光片 本申请要求于 2011年 5月 25 日 提交中 国专利局、 申请号为 201110136683.X,发明名称为 "一种彩色图像制作方法及使用该方法制作的彩 色滤光片 "的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及图像制作技术领域， 更具体地说， 涉及一种彩色图像制作方法 及使用该方法制作的彩色滤光片。
背景技术
节能环保已经成为我国的基本国策。 目前，我国印刷行业每年需要消耗 60 万吨的油墨 (染料)， 这些油墨由于缺乏有效的处理措施， 被大量排放到自然界 污染环境。 因此如何减少印刷行业的油墨用量， 推进绿色印刷技术的创新， 是 刻不容緩的事情。
在申请号为 CN200480042867的中国专利申请文献中， 指出了一种利用法 布里 -珀罗谐振腔的共振特性， 在基材表面制作颜色层的方法。 如图 1所示， 该 法布里-珀罗谐 100振腔包括全反金属层 101、半反半透性金属层 103以及位于两 者中间的介质层 102, 通过调节介质层 102的厚度， 使整个法布里 -珀罗谐振腔 的共振频率符合特定的光波，使该频率的光波被共振吸收，从而在表面制作出 颜色的效果。 但是在该专利申请中， 仅记载了将法布里-珀罗谐振腔作为单色 滤波器， 而对于彩色图像或复杂色彩的表述， 则没有提及。 另一方面， 考虑到 无油墨印刷产品的商业化生产，对于彩色图像的制作方法必须要求具有可批量 化以及低成本化。
发明内容
有鉴于此， 本发明提出了一种无需染料的彩色图像制作方法。该制作方法 利用法布里-珀罗谐振腔的共振特性， 通过在基材表面制作出不同厚度的法布 里-珀罗谐振腔， 即具有不同的共振频率， 其能够反射不同颜色的光， 从而实 现色彩的表达。
根据本发明的目的提出的一种彩色图像的制作方法， 主要包括： （1)在基 材表面制作法布里-珀罗谐振腔， 其中该法布里-珀罗谐振腔的介质层为热塑性 材料； （2)设计金属压模， 该金属压模表面具有至少两种不同高度的突起， 该 些突起的分布对应彩色图像被数字分割后的像素点； （3)用上述金属压模对法 布里-珀罗谐振腔进行热压印， 使该法布里-珀罗谐振腔被压印成多个具有第一 厚度介质层的第一法布里 -珀罗谐振腔、 多个具有第二厚度介质层的第二法布 里-珀罗谐振腔以及多个具有第三厚度介质层的第三法布里-珀罗谐振腔， 其中 该第一法布里 -珀罗谐振腔的共振频率对应红色光波， 该第二法布里-珀罗谐振 腔的共振频率对应绿色光波， 该第三法布里 -珀罗谐振腔的共振频率对应蓝色 光波。
这种纳米压印的方法，将图像表征为一个一个的像素点， 同时根据分色原 理， 将每个像素点分成红、 绿、 蓝三个灰度分量。 只要计算出对应的法布里- 珀罗谐振腔的三种厚度， 设计制作压模， 就能实现批量化的彩色图像制作。 同 时， 可以引入卷对卷的纳米压印方法， 进一步提高生产效率。
另外，作为本发明的一个特殊运用方案， 同时给出了一种利用本发明的制 作方法制作的彩色滤光片。该彩色滤光片为反射式彩色滤光片， 包括多个像素 点， 每个像素点包括红色、 绿色和蓝色三个子像素， 由上述彩色图像的制作方 法制作而成。
相对来说， 由于彩色滤光片只是三原色的简单排列，设计的压模更利于制 作， 能够将无染料的彩色滤光片真正带入工业化生产的阶段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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为一种现有的法布里-珀罗的光学滤波器；
图 2为本发明的法布里-珀罗谐振腔的制作流程图；
图 3为本发明的三种不同介质层厚度下的反射光谱图；
图 4为本发明的彩色图像制作流程示意图。
具体实施方式 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
请参见图 2, 图 2是本发明的法布里-珀罗谐振腔的制作流程图。 如图 2 所示，首先是步骤 S11 ,在基材层 110表面蒸镀全反金属层 101。接着步骤 S12, 在全反金属层 101上涂布介质层 102。 最后步骤 S13 , 在介质层 102上蒸镀半 反半透性金属层 103 , 形成法布里 -珀罗谐振腔 100。
其中， 基材层 110为透明薄膜， 其上可以附上离性层和贴附层， 以便将法 布里 -珀罗谐振腔 100贴附到目标产品上； 或者， 基材层 110其本身可以作为 转移层， 将法布里 -珀罗谐振腔 100转移到其他材料上后便除去。 较佳地， 当 该基材层 110为柔性薄膜时，可以在后续的制作颜色过程中实现卷对卷式的纳 米压印工艺， 从而提高生产效率。
全反金属层 101为高反射率的金属材质， 比如： 金、 银、 铝、 铜等等， 其 厚度在 25至 40纳米之间。
介质层 102的厚度在 100至 550纳米之间。 为了实现后续的压印工艺， 该 介质层 102最好是热塑性材质， 比如： 聚曱基丙烯酸曱酯（PMMA )等。
半反半透性金属层 103的材质可以为镍、铬、钨等等。 因为需要考虑到其 透光性能， 厚度不宜做的太高， 一般在 10至 20纳米之间。
整个法布里 -珀罗谐振腔 100 的厚度小于 600 纳米， 是普通染料层的
1/15-1/10, 大大节省了用料， 降低了对环境的影响。
需要指出的是， 本发明中提及的材料及尺寸，仅是对一些具体实施例的应 用， 凡是适用本发明设想的其他可以实现法布里-珀罗谐振腔的材料和尺寸， 都应保护在本发明的范围中。
根据法布里 -珀罗谐振腔的共振原理， 其共振频率与全反金属层、 半反半 透性金属层以及介质层的厚度有关。 因此，我们通过固定全反金属层和半反半 透性金属层厚度， 只改变介质层厚度的方法， 来实现多种色彩的表征。
请参见图 3 , 图 3是本发明的三种不同介质层厚度下的反射光语图。 如图 3所示， 当全反金属层 101的厚度为 50nm, 半反半透性金属层 103的厚度为 20nm, 此时， 当介质层 102的厚度在 130nm时， 对应的反射效率为曲线 1。 可以看出， 在该介质层厚度下， 出现反射效率极大值的位置在 450nm的光波 左右， 对应蓝色光区， 也就是说， 此时法布里-珀罗谐振腔反射蓝光而过滤其 他颜色的光， 表现为发出蓝光。
当介质层 102的厚度在 170nm时， 对应的反射效率为曲线 2。 可以看出， 在该介质层厚度下， 出现反射效率极大值的位置在 570nm的光波左右， 对应 绿色光区， 也就是说， 此时法布里-珀罗谐振腔反射绿光而过滤其他颜色的光， 表现为发出绿光。
当介质层 102的厚度在 200nm时， 对应的反射效率为曲线 3。 可以看出， 在该介质层厚度下， 出现反射效率极大值的位置在 670nm的光波左右， 对应 红色光区， 也就是说， 此时法布里-珀罗谐振腔反射红光而过滤其他颜色的光， 表现为发出红光。
由上述分析可知， 只要能将不同厚度的法布里 -珀罗谐振腔集成在一起， 就能制作出具有多种色彩的彩色图像。 下面将详细介绍如何利用法布里-珀罗 谐振腔制作彩色图像。
众所周知， 通常可以采用数字分色原理将一副彩色图像分解成由红、 绿、 蓝三种颜色灰度所组成的一个个小像素点。这种像素点的尺度通常在零点几个 微米至几百个微米之间。 因而， 只要能在这个尺度范围做出一个个高低不同的 微小法布里 -珀罗谐振腔， 即可实现彩色图像的制作。
请参见图 4, 图 4是本发明的彩色图像制作流程示意图。
首先是步骤 S1 , 完成上述整体法布里-珀罗谐振腔的制作。
接着是步骤 S2, 制作金属压模。 该金属压模 200表面具有至少两种不同 高度的突起 201和 202, 该些突起的分布以及尺寸对应彩色图像被数字分割后 的像素点。 一种可行的方法是采用光刻 +电镀的工艺完成上述突起的制作。 通 常金属压模需采用硬度大于或等于半反半透性金属层的硬度，在本发明中采用 镍模。
最后是步骤 S3 , 利用上述金属压模对法布里 -珀罗谐振腔进行热压印。 压 印的温度控制在 100度至 250度之间， 压力控制在 IMpa至 20Mpa之间。 完 成压印后， 在法布里-珀罗谐振腔上会形成多个具有第一厚度介质层的第一法 布里 -珀罗谐振腔 121、多个具有第二厚度介质层的第二法布里 -珀罗谐振腔 122 以及多个具有第三厚度介质层的第三法布里 -珀罗谐振腔 123 ,其中该第一法布 里 -珀罗谐振腔 121的共振频率对应红色光波， 该第二法布里 -珀罗谐振腔 122 的共振频率对应绿色光波， 该第三法布里 -珀罗谐振腔 123 的共振频率对应蓝 色光波。 而这些微小法布里-珀罗谐振腔的分布使得其组成在宏观上具有整体 图像的效果。
在一种较佳的具体应用中， 该金属压模可以制作成滚筒性压模上， 配合卷 绕在另一个滚筒上的柔性基材层，便能采用卷对卷式的纳米压印工艺实现上述 压印步骤。
值得一提的是， 本发明除了能制作彩色图像外，还可以用来制作显示装置 上的反射彩色滤光片。
通常来说， 彩色滤光片包括多个像素点， 且每个像素点包括红色、 绿色和 蓝色三个子像素，像素点与像素点之间的排列规则按红色子像素、绿色子像素 以及蓝色子像素依次间隔排列。 因此， 比起彩色图像来说， 其金属压模上的不 同突起也具有规则排列的特征， 更容易制作。 利用本发明制作的彩色滤光片， 其滤光原理是通过法布里-珀罗谐振腔的共振原理来实现， 相比较普通的染料 性彩色滤光片 , 具有更好的色彩纯度和环保性。
综上所述， 本发明采用纳米压印的方法， 在法布里-珀罗谐振腔上制作出 具有不同共振频率的微腔，使不同的微腔分别反射一种颜色， 最后组合成整体 效果的彩色图像。 同时， 本发明还可以用来制作反射式彩色滤光片， 通过红、 绿、 蓝三色对应的法布里 -珀罗谐振腔的规则排列， 将彩色滤光片的红、 绿、 蓝子像素变现出来。通过本发明制作出来的彩色图像和彩色滤光片， 由于使用 法布里-珀罗谐振腔的共振特性来表现色彩， 摆脱了染料的应用， 大大降低了 对环境的污染， 实现了一种无油墨的彩色印刷。
由以上较佳具体实施例的详述， 希望能更加清楚描述本发明的特征与精 神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的权利要求范围加以限 制。相反地， 其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申 请的权利要求的范围内。

Claims

权 利 要 求
1. 一种彩色图像制作方法， 该彩色图像的色彩由基材表面的法布里 -珀罗 谐振腔表征， 该法布里-珀罗谐振腔包括全反金属层、 半反半透性金属层以及 位于两者中间的介质层， 其特征在于， 该彩色图像的制作步骤包括：
(1)在基材表面制作法布里-珀罗谐振腔，其中该法布里 -珀罗谐振腔的介质 层为热塑性材料；
(2)设计金属压模， 该金属压模表面具有至少两种不同高度的突起， 该些 突起的分布对应彩色图像被数字分割后的像素点；
(3)用上述金属压模对法布里-珀罗谐振腔进行热压印，使该法布里-珀罗谐 振腔被压印成多个具有第一厚度介质层的第一法布里-珀罗谐振腔、 多个具有 第二厚度介质层的第二法布里 -珀罗谐振腔以及多个具有第三厚度介质层的第 三法布里-珀罗谐振腔， 其中该第一法布里-珀罗谐振腔的共振频率对应红色光 波， 该第二法布里 -珀罗谐振腔的共振频率对应绿色光波， 该第三法布里 -珀罗 谐振腔的共振频率对应蓝色光波。
2. 如权利要求 1所述的彩色图像制作方法， 其特征在于： 所述步骤 (1)进 一步包括：
(1.1 )在基材上蒸镀全反金属层；
(1.2)在上述全反金属层上涂布介质层， 该介质层为热塑性材料；
(1.3)在上述介质层上蒸镀半反半透性金属层。
3. 如权利要求 2所述的彩色图像制作方法， 其特征在于： 所述全反金属 层的厚度在 25至 40纳米之间，半反半透性金属层的厚度在 10至 20纳米之间， 介质层厚度在 100至 550纳米之间。
4. 如权利要求 2所述的彩色图像制作方法， 其特征在于： 所述全反金属 层为铝； 所述半反半透性金属层为镍、 铬或钨中的一种； 所述介质层为聚曱基 丙烯酸曱酯。
5. 如权利要求 1所述的彩色图像制作方法， 其特征在于： 所述步骤 (2)中 的图像数字分割是通过分色原理，将彩色图像分解成多个像素点， 且每个像素 点具有红、 绿、 蓝三个灰度分量。
6. 如权利要求 1 所述的彩色图像制作方法， 其特征在于： 所述基材为柔 性薄膜， 所述金属压模为滚筒性压模， 其中， 在步骤 (3)中的热压印采用卷对 卷纳米压印工艺完成。
7. 如权利要求 1 所述的彩色图像制作方法， 其特征在于： 所述半反半透 性金属层的硬度小于或等于金属压模的硬度。
8. —种彩色滤光片， 该彩色滤光片为反射式彩色滤光片， 包括多个像素 点， 每个像素点包括红色、 绿色和蓝色三个子像素， 其特征在于： 所述彩色滤 光片是通过权利要求 1至权利要求 7任意一项所述的彩色图像制作方法制作而 成的。
9. 如权利要求 8所述的彩色滤光片， 其特征在于： 所述多个像素点的排 列规则按红色子像素、 绿色子像素以及蓝色子像素依次间隔排列。
PCT/CN2011/079933 2011-05-25 2011-09-21 一种彩色图像制作方法及使用该方法制作的彩色滤光片 Ceased WO2012159397A1 (zh)

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