[发明专利]一种反射式彩色滤光片

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学滤光元件，具体涉及一种具有光栅结构的宽角度反射式滤光片。

背景技术

人们由自然界中生物表皮结构对光的选择作用获得启发，发现纳米结构能够实现三原色，且具有一定光谱宽度和视角宽容度。如果能够人工设计和制备特定的纳米结构实现颜色，将会在印刷和显示行业实现节能环保的目的。

开展探索和研究的必要性在于：1)液晶平板显示中使用的传统彩色滤光片由蒽醌、酞菁等有机物组成，通过对不同光谱的吸收，实现红绿蓝彩色显示。但是这种吸收型彩色滤光片透过效率极低，只有30％，造成光能的极大浪费，成为提高液晶显示光能利用效率的瓶颈；2)利用光学薄膜干涉效应，设计干涉膜系或者谐振腔，可以实现反射滤波，但是角度宽容度低，通常情况下只对某一角度的入射光起作用，当偏离此工作角度时，观察到的颜色会发生变化；3)蝴蝶翅膀经过数百万年的进化，其形成颜色的表面结构独特复杂，目前还很难大规模产业化制备，甚至实验室制作也有难度，因此需要简化结构，优化性能，使其易于批量复制，且满足宽角度高效率的滤光片的性能要求。

在利用微纳结构提高滤光片的光能利用率方面，韩国的Yeo-Taek Yoon在石英基底上制作了多晶硅-二氧化硅光栅结构，周期为446nm，多晶硅和二氧化硅光栅高度分别为96nm和198nm，实现了蓝光透射，透射效率只有40％，当入射角为16度时，透射效率下降到只有18％。韩国LG研究院等单位提出了一种基于亚波长金属光栅结构的透射式彩色滤光片，在石英基底上沉积50nm厚度的金属铝层，在铝层上采用电子束直写和干法刻蚀得到数百纳米的圆孔阵列。入射光与金属纳米结构作用，激发表面等离子体波，引起透射增强，理论透射效率可以达到55％以上。通过调节金属光栅的周期，产生红绿蓝三基色。

在改善微纳结构滤光片的角度特性方面，德国的Hans Lochbihler在介质光栅上蒸发沉积了“Z”形的金属铝栅，设计了透射式滤光片。当入射角度在0到30度范围变化时，TM和TE偏振光的透射峰位置基本不变。美国普林斯顿大学的Stephen Y.Chou在石英基底上加工了介质栅格阵列，然后通过倾斜电子蒸发在介质栅格阵列上面沉积金属铝，对于非偏振入射光在±25度范围内，25度入射时透射峰位置基本不变，透射效率降低为垂直入射时的一半。上述结构能够改善角敏性的原因，据研究是由于金属光栅所具有的表面和色散的固有特性共同作用的结果。

反射式彩色滤光片是一类非常有前景的光学元器件，在节电型平板显示、新型印刷等领域有广泛的应用。在光学性能方面，它也要求有高反射效率和合适的反射带宽。韩国三星技术研究院在玻璃基底上制作硅点阵结构，利用硅和玻璃之间的大折射率差，在0～40度入射角实现了约80nm的反射带宽，最大反射效率可达55％以上。另外，通过自组装堆叠二氧化硅小球形成光子晶体结构，也可以实现反射式彩色滤光片。加拿大多伦多大学的A.C.Arsenault等利用这种方式，利用聚二茂铁硅烷的电化学可调谐特性，实现了一种可调的彩色滤光器件，但在器件制备和材料方面还有很多工作需要探索。

上述的反射式彩色滤光片，都是基于RGB增色原理，既当两种或两种以上的色光进入人眼，视觉便会产生另一种色光的效果。例如，当相同比例的红光和绿光会在人眼中产生黄色。这种基于增色原理的滤光片，在设计光栅结构时，往往使光栅结构反射所需颜色的光波，而将其它颜色的光波吸收，比如红色滤光片上的光栅结构，只能够反射红色光波，而其它颜色的光波都被光栅结构吸收，以此表现红色。这种滤光片由于吸收了大多数颜色的光波，因此其光能利用率比较低，只有30％左右，不利于节能环保。

因此，提高光能利用率、降低角度的敏感性、具有合适带宽的反射波段以及利于制作便成了反射式彩色滤光片的几大难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种反射式滤光片，该反射式滤光片不仅具有较高的光能利用率，同时具有低的角度敏感性和利于制作等特点。

根据本发明的目的提出的一种反射式滤光片，包括三种颜色的像素阵列，所述每种颜色的像素为光栅结构，该光栅结构包括基底、介质光栅以及金属层，所述金属层全覆盖于介质光栅上，该金属层的厚度小于所述介质光栅槽宽的一半，所述介质光栅的厚度与所述光栅结构滤光颜色的补色光相对应。

优选的，所述三种颜色的像素为品红色像素、黄色像素和青色像素。