阅读说明：本技术 一种反射式彩色滤光片及应用 (reflection type color filter and application thereof ) 是由 谷雨 曹笈 裴海燕 谢咚咚 张海滨 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种反射式彩色滤光片,包括基底,所述基底上设置有金属层,所述金属层上设置介质层,在介质层上设置有金属光栅层,所述金属层的厚度小于可见光在金属层的趋肤深度；组成金属光栅层的金属光栅为一维金属光栅；所述基底和金属层之间还设置有第一介质层和第二介质层,第一介质层的折射率高于第二介质层的折射率。本发明利用减色原理,大幅度提高了光能的利用率,金属层厚度小于可见光在材料中的趋肤深度,节约了成本。通过对介质层厚度,金属光栅周期,占宽比以及金属层厚度的调节可以实现对不同颜色的调制,结构的反射光谱随偏振角呈规律性变化,可应用于防伪。(The invention provides reflective color filters, which comprise a substrate, wherein a metal layer is arranged on the substrate, a dielectric layer is arranged on the metal layer, a metal grating layer is arranged on the dielectric layer, the thickness of the metal layer is smaller than the skin depth of visible light on the metal layer, the metal grating forming the metal grating layer is a -dimensional metal grating, a dielectric layer and a second dielectric layer are also arranged between the substrate and the metal layer, and the refractive index of the dielectric layer is higher than that of the second dielectric layer.)

一种反射式彩色滤光片及应用

技术领域

本发明涉及滤光器件，具体是一种反射式彩色滤光片及应用。

背景技术

滤光片作为光学系统以及光电子器件中的重要部分，广泛应用于图像传感，光学显 示，光学检测以及光学调制等方面。传统的滤光片主要采用染色法来制备，包括染料着色和印刷等方法，此类滤光片经过长时间的紫外辐射和曝光后，性能会大幅度的降低， 随着微纳制造技术的发展，基于微纳结构的具有优异性能的可集成滤光片成为一种迫切 需求。

国内外的研究人员对基于微纳结构的滤光片进行了一系列的研究，并取得了一定的 进展。L.Jay Guo等人设计了一种基于金属-介质-金属的Fabry-Perot窄带反射型彩色滤 光片，这种结构利用高折射率的介质层对P型偏振光在0～80°的入射范围内可以保持中心波长不变，但这种结构需要受腔体长度的限制，不易于集成；Kening Mao等人在 2016年设计了一种基于金属-介质-金属的可以应用于白光的Fabry-Perot透射型彩色滤 光片，这种结构对P型和S型偏振光在0～60度的入射范围内都基本可以保持相同的中 心波长，但只有32％的透过率，且结构采用增色原理，大幅度降低了光能的利用率； YoshiakiKanamori等人利用圆柱形亚波长硅光栅设计了一种角度不敏感形反射式滤光 片，入射角在0～45°内变化时可以保持中心波长基本不变化，但大角度入射时反射率退 化严重；FeiCheng等人基于dipole共振的完美吸收原理设计了基于金属-介质-金属的圆 孔型微纳结构彩色印刷方法。这种结构具有色纯度高，串扰小，对入射角不敏感以及分 辨率高的优点，通过改变周期以及圆孔半径的大小可以实现对反射光颜色在可见光区的 大范围调制，但这种结构需要经过多次镀膜和刻蚀过程，增加了工艺的制作难度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种反射式彩色滤光片及 应用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种反射式彩色滤光片，包括基底，所述基底上设置有金属层，所述金属层上设置介质层，在介质层上设置有金属光栅层，所 述金属层的厚度小于可见光在金属层的趋肤深度；组成金属光栅层的金属光栅为一维金 属光栅；所述基底和金属层之间还设置有第一介质层和第二介质层，第一介质层的折射 率高于第二介质层的折射率。

优选地，所述第一介质层为高折射率介质层，折射率为1.7-2.5；所述第二介质层为 低折射率介质层，折射率为1.3～1.6。

优选地，所述基底为柔性透明材料或石英。

优选地，所述金属层的材料为金、银或铝。

优选地，所述介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或氧化铝。

优选地，所述金属光栅层的材料为金、银或铝。

优选地，所述金属光栅层的金属光栅为周期性或准周期性排列。

优选地，所述金属层的厚度小于40nm。

优选地，所述介质层的厚度为90nm～200nm。

本发明还提供一种液晶显示装置，包括偏振片和彩色滤光层，其特征在于：所述彩色滤光层由多个本发明的一种反射式彩色滤光片，所述多个反射式滤光片均布于偏振片的后方，偏振片的透振方向平行于金属光栅层的延伸方向，使入射到彩色滤光层的光为 TE光。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用减色原理，大幅度提高了光能的利用率，同时利用两种不同折射率的介质层，从而可以实现精细窄带光谱输出。。

2、本发明底层金属层小于厚度小于可见光在材料中的趋肤深度，节约了成本。

3、本发明通过对介质层厚度，金属光栅周期，占宽比以及金属层厚度的调节可以实现对不同颜色的调制。

4、本发明的一维金属光栅结构对偏振角敏感，反射光谱随偏振角呈规律性变化，从而实现对输出光的选择性，可应用于防伪。

5、本发明的结构，在制作工艺上与现行的平面微纳加工技术相兼容，集成于光学系统和光电子器件中。

6、本发明结构，在工作方式上采用反射式，较之透射型对仪器的对准更为精确，可在阳光直射下工作，在特殊摄像、彩色装饰、光纤通信方面有独特的优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明结构的反射效率与入射光波长、介质厚度的关系图；

图4为依据三种不同介质厚度下的反射光谱得出的CIE图；

图5为本发明结构反射率与入射光波长、入射光偏振态的关系图；

图6为根据四种不同偏振角下的反射光谱得出的CIE图；

图7本发明的结构反射率与入射光波长、金属光栅占宽比的关系图；

图8为本发明的结构反射率与入射光波长、金属层厚度的关系；

图9为根据四种不同金属层厚度下的反射光谱得出的CIE图；

图10为本发明的结构反射率与入射光波长、金属光栅周期的关系；

图11为本发明所述液晶显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种反射式彩色滤光片，包括基底110，在基底110 之上设置一层高折射率介质膜层160，高折射率介质膜层160的折射率1.7～2.5，采用如 二氧化钛、氮化硅，碳化硅等材料，在高折射率膜层160上设置有低折射率介质膜层150， 低折射率介质膜层150的折射率1.3～1.6，采用如二氧化硅、氟化镁等材料，利用薄膜干 涉效应，可以有效减小光谱带宽，增强光谱的单色性。需要指出的是，高低折射率间隔 薄膜结构不局限于一组，通过增加薄膜组数可以实现精细窄带光谱输出。低折射率介质 膜层150上面设有一层金属层120，在金属层120上面设有一层介质层130，在介质层 130上面设有一层周期性的金属光栅层140，金属光栅层140由周期型排列的多个一维 金属光栅组成，本申请实施例中的一维金属光栅指的是结构只在一个方向上具有周期性 排列。基底110选择透明介质基底，比如石英玻璃、聚酯(PET)或者聚氯乙烯(PVC) 等。金属层120为良导体金属材料，如金、银、铝等，其厚度为10nm～40nm，金属层 120厚度的变化对反射光谱具有较小的调制作用，可用于小幅度调制反射颜色；介质层 130选择二氧化硅、氧化铝或氮化硅等绝缘介质，位于金属层120和金属光栅层140之 间，使两者进行耦合以产生表面等离子体共振，其厚度为90nm～200nm，优先选择的厚 度为94nm、130nm和160nm，介质厚度的变化对反射光谱影响较大，通过合理设置后 可用于输出多种颜色；金属光栅层140的金属材料选择金、银或铝等良导体材料，金属 光栅呈周期性或准周期性排列，光栅高度为10nm～30nm，占宽比为0.4～0.7，周期为300nm～600nm。具体的结构尺寸视应用情况而定。

本发明是基于减色原理的反射式彩色滤光片，利用一维金属光栅对偏振角的敏感性 可实现青品黄三原色的反射输出，且对偏振角显示规律性变化。该结构由基底、金属层、介质层和一维金属光栅层组成，其中金属层的厚度小于可见光在材料中的趋肤深度，利 用上层金属光栅与底层金属层的等离子耦合作用实现不同颜色的滤波作用。

实施例1

如图2所示，在本实施例中，基底110为石英，金属层120为铝，介质层130为二 氧化硅，金属光栅层140为铝。进一步的，一维的金属光栅层140在x方向的周期为P， 占宽比为F。该实施例研究的是介质层厚度对滤光片反射颜色的影响，介质层130厚度 分别取94nm、130nm和160nm，其余结构参数如下：金属层120厚度h1＝10nm，金属 光栅层140的周期P＝300nm，占宽比F＝0.5，高度h3＝20nm。TE偏振光从本发明顶部 入射，如图3所示，当介质层130厚度h2＝94nm时，反射光谱的谷值在431nm处，即 蓝色光被吸收或透射，其余波段光被反射，根据减色原理此时结构反射的颜色为黄色； 当介质层130厚度h2＝130nm时，反射光谱的谷值在537nm处，即绿色光被吸收或透射， 其余波段光被反射，根据减色原理此时结构反射的颜色为品红色；当介质层130厚度 h3＝160nm时，反射光谱的谷值在626nm处，即红色光被吸收或透射，其余波段光被反 射，根据减色原理此时结构反射的颜色为青色。如图4所示，介质层130厚度分别为 94nm、130nm和160nm时反射颜色分别对应黄色、品红色和青色。

实施例2

本实施例研究偏振角度的变化对反射光谱的影响。在本实施例中，金属层120厚度h1＝10nm，介质层130厚度h2＝94nm，金属光栅层140的光栅周期P＝300nm，占宽比 F＝0.5，光栅高度h3＝20nm，各层材料的设置与实施例1中相同，并设定TE偏振时偏振 角为0°，TM偏振时偏振角为90°，其余角度为介于TE偏振和TM偏振之间的偏振 状态。

如图5所示，随着偏振角的增大，位于蓝光区的光谱波谷中心波长位置发生略微的红移，且带宽变窄，当偏振角为60°和90°时，反射光谱分别在512nm处和515nm处 出现了反射波谷，导致结构反射颜色的饱和度降低。如图6所示，黑色箭头指向偏振角 度增大的方向，可以看出随着偏振角度的增大，CIE图中对应点的位置向白光中心移动， 意味着反射颜色的饱和度逐渐降低。本申请实施例中，一维金属光栅结构上具有不对称 性，因而对偏振角很敏感，通过改变入射光的偏振角，从而可以实现不同颜色反射光的 输出，实现对输出光的选择性。

实施例3

本实施例研究占宽比的变化对反射光谱的影响。在本实施例中，金属层120厚度h1＝10nm，介质层130厚度h2＝94nm，金属光栅层140的光栅周期P＝300nm，光栅高度 h3＝20nm，入射光为TE偏振光，金属光栅占宽比分别取0.4、0.5、0.6和0.7，各层材 料的设置与实施例1中相同。

如图7所示，随着占宽比的增大，反射波谷的中心波长位置发生蓝移，带宽逐渐减小，且中心波长处的反射率降低，表明占宽比的改变对反射光谱有调制作用，实际应用 中应设计合适的带宽，保证反射颜色的亮度与饱和度。

实施例4

本实施例研究金属层厚度的变化对反射光谱的影响。本实施例中，介质层130厚度h2＝94nm，金属光栅层140的光栅周期P＝300nm，光栅高度h3＝20nm，占宽比F＝0.5， 入射光为TE偏振光，金属层120厚度分别取10nm、20nm、30nm和40nm，各层材料 的设置与实施例1中相同。

如图8所示，随着金属厚度的增大，波谷处中心波长位置发生略微的蓝移，且谷值逐渐增大。例如，当金属层120厚度为10nm时，反射光谱的谷值波长在431nm处，谷 值几乎为0，即蓝色光被吸收或透射，其余波段的光被反射，根据减色原理滤光片所反 射的颜色为黄色且色调较好；当金属层厚度为40nm时，反射光谱的谷值波长在427nm 处，谷值为0.25，即蓝紫光被吸收或透射，根据减色原理滤光片所反射的颜色色调变弱 的黄色。如图9所示，黑色箭头指向金属层厚度增大的方向，可以看出随着金属层厚度 的增大，CIE图中对应点的位置向白光中心移动，意味着反射颜色的饱和度逐渐降低。 简而言之，金属层120的厚度不宜太厚，通过改变金属层120厚度的值，滤光片反射的 颜色和色调会在较小范围内同时改变。依据这个特性，在设置彩色滤光片时需选择合适 的金属层厚度实现对反射颜色的微调。

实施例5

本实施例研究金属光栅周期的变化对反射光谱的影响。本实施例中，金属层120厚度h1＝10nm，介质层130厚度h2＝94nm，金属光栅层140的光栅高度h3＝20nm，占宽比 F＝0.5，入射光为TE偏振光，光栅周期分别取300nm、400nm、500nm和600nm，各层 材料的设置与实施例二中相同。

如图10所示，随着光栅周期的增大，波谷处中心波长位置发生红移。例如，当光 栅周期为300nm时，波谷中心波长为431nm；当光栅周期为400nm时，波谷中心波长 为464nm；当光栅周期为500nm时，波谷中心波长为510nm；当光栅周期为600nm时， 波谷中心波长为600nm。简而言之，光栅周期的改变可以调制波谷中心波长的位置，进 而调制反射颜色。

实施例6

本实施例提出了一种液晶显示装置，包括偏振片和彩色滤光层，其彩色滤光层由本 发明的一种反射式彩色滤光片组成。如图11所示，环境光通过偏振片变为线偏振光， 根据实施例1的研究，偏振片的透振方向应平行于金属光栅层的延伸方向，使入射到彩 色滤光层的光为TE光。反射式彩色滤光片1、2、3的介质膜厚层不同，具体参数见实 施例1。利用一维金属光栅对偏振光的敏感性，此时三个位置分别反射青品黄三种颜色 光，实现减色三原色的输出。