一种入射角度不敏感的颜色滤光片及其制备方法

摘要

本发明公开了一种入射角度不敏感的颜色滤光片和制备方法，其中滤光片包括基底，所述基底上依次设有金属薄膜、介质薄膜和金属薄膜，三层薄膜构成谐振结构；所述介质薄膜材料选自富硅氧化硅SiOx或者富硅氮化硅SiNy；其中x，y取值范围分别为：0＜x

权利要求

1.一种入射角度不敏感的颜色滤光片，包括基底，其特征在于，所述基底上依次设有金属薄膜、介质薄膜和金属薄膜，三层薄膜构成谐振结构；所述介质薄膜材料选自富硅氧化硅SiOx或者富硅氮化硅SiNy；其中x，y取值范围分别为：0＜x<2，0＜y<4/3；所述富硅氧化硅SiOx的折射率为1.52-4.2；所述富硅氮化硅SiNy的折射率为2-4.2；

在滤光片的中心波长处，介质薄膜的折射率与金属薄膜的消光系数相等；

介质薄膜层的光学厚度等于滤光片中心波长的四分之一。

2.根据权利要求1所述的入射角度不敏感的颜色滤光片，其特征在于，所述基底选自K9玻璃、熔融石英或浮法玻璃。

3.根据权利要求1所述的入射角度不敏感的颜色滤光片，其特征在于，所述金属薄膜材料选自银、铝或金。

4.根据权利要求3所述的入射角度不敏感的颜色滤光片，其特征在于，所述金属薄膜材料为银；所述介质薄膜材料为富硅氧化硅SiOx。

5.根据权利要求1所述的入射角度不敏感的颜色滤光片，其特征在于，所述金属薄膜层的厚度为16-25nm。

6.一种透射型入射角不敏感颜色滤光片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对于预期特定中心波长的颜色滤光片，选定金属薄膜材料，设定介质薄膜厚度、金属薄膜厚度、介质薄膜折射率；

设定的介质薄膜的折射率由介电常数匹配原理确定，即在滤光片的中心波长处，介质薄膜的折射率与金属薄膜的消光系数相等；

设定的介质薄膜厚度由介质薄膜层的光学厚度与介质薄膜的折射率的关系求得，所述介质薄膜层的光学厚度等于滤光片中心波长的四分之一；

(2)确定需要控制的反应磁控溅射的条件：溅射功率，溅射气压，氧气流量或氮气流量以及氩气流量；

(3)按照步骤(2)条件制备单层的介质薄膜，通过光度法测定单层膜的折射率、吸收系数及其厚度；

若折射率与设定的介质薄膜折射率相符，通过薄膜厚度确定介质薄膜生长速度；进入步骤(4)；

若折射率与设定的介质薄膜折射率不符，返回步骤(2)调整反应磁控溅射的条件；

(4)按照步骤(3)确定的反应磁控溅射条件和介质薄膜生长速度参数，依次在基底上溅射金属薄膜，介质薄膜和金属薄膜，最终得到透射型入射角不敏感颜色滤光片。

7.根据权利要求6所述的透射型入射角不敏感颜色滤光片的制备方法，其特征在于，步骤(4)制备介质薄膜的反应磁控溅射的条件为：溅射功率大于等于400w，溅射气压低于5×-2

10 Pa；氧气或氮气流量小于5sccm。

说明书

一种入射角度不敏感的颜色滤光片及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种入射角度不敏感的颜色滤光片及其制备方法，可应用于液晶显示、彩色印刷、传感探测和防伪等领域。

背景技术

[0002] 角度不敏感颜色滤光片在图像传感器，液晶显示以及太阳能电池等方面具有广泛的应用。颜色滤光片经由化学染料滤光片，传统介质薄膜滤光片演化到现如今的微结构光栅滤光片，虽然性能得到不断改善，依然具有明显的不足。化学染料滤光片在长时间紫外光的照射下具有质量变差褪色等缺点，传统介质薄膜滤光片不具有角度容忍特性，当光线斜入射时会发生光谱蓝移现象。微结构光栅滤光片在制作过程中要用到电子束曝光技术，耗时长且不便于大规模应用。

[0003] 公开号为CN103744138A的中国专利文献公开了一种入射角不敏感的颜色滤光片，包括基底，所述的基底上布置有若干圆柱形的光栅，所述光栅以正六边形排列，光栅材料为硅，基底材料为熔融石英。

[0004] 高丹等人(入射角度不敏感型石英光双折射滤波器，高丹、盛荔、金亓、吴轲、王梦樱、陶音、孔勇、韩华，《激光技术》2015年第39卷第3期329-332页，共4页)提出了一个新型的两级改进型的Lyot滤波器，它由两个光轴互相垂直的波片和3个相间隔的方位角互成一定角度的Clan棱镜组成。

[0005] 郑国梁等人(角度不敏感Solc型电光滤波器设计，郑国梁，徐世祥，欧阳征标，贺威，《光学学报》2014年第13期367-370页，共4页)利用二维环形周期极化铌酸锂能提供辐射状固定倒格矢的特性，设计出基于环形周期极化铌酸锂的角度不敏感Solc型电光滤波器。

[0006] 基于MDM结构的滤光片已被证实具有角度不敏感特性但是由于介质薄膜和金属薄膜材料在工作波段上的介电常数正负相反的要求，常用介质薄膜材料作为介质层时仅能工作在单个谐振波长。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种入射角度不敏感的颜色滤光片，采用金属介质金属结构，基于介质薄膜折射率可调的特性，入射角不敏感的颜色滤光片的中心波长可以覆盖整个可见光波段，大大扩展了颜色滤光片使用场合。

[0008] 本发明同时提供了一种入射角度不敏感的颜色滤光片的制备方法，该方法回避了电子束曝光、激光直写或者纳米压印等复杂技术，制备简单，成本低，便于大规模、批量化生产。

[0009] 一种入射角度不敏感的颜色滤光片，包括基底，所述基底上依次设有金属薄膜、介质薄膜和金属薄膜，三层薄膜构成谐振结构；所述介质薄膜材料选自富硅氧化硅SiOx或者富硅氮化硅SiNy；其中x，y取值范围分别为：0＜x<2，0＜y<4/3。

[0010] 本发明中，介质薄膜和金属薄膜材料在工作波段上的介电常数正负相反，绝对值相同，基于SiOx、SiNy折射率可调的特性，入射角不敏感的颜色滤光片的中心波长可以覆盖整个可见光波段。

[0011] 作为优选，所述富硅氧化硅SiOx的折射率为1.52-4.2；所述富硅氮化硅SiNy的折射率为2-4.2。所述x优选为0.1≤x≤1.3；所述y优选为0.1≤y≤1.3。

[0012] 作为优选，所述基底选自K9玻璃(或BK7玻璃)、熔融石英或浮法玻璃。

[0013] 作为优选，所述金属薄膜材料选自银、铝或金。

[0014] 作为进一步优选，所述金属薄膜材料为银；所述介质薄膜材料为富硅氧化硅SiOx。

[0015] 作为优选，所述金属薄膜层的厚度为16-25nm。所述介质薄膜的厚度为40-60nm。

[0016] 一种透射型入射角不敏感颜色滤光片的制备方法，包括如下步骤：

[0017] (1)对于预期特定中心波长的颜色滤光片，选定金属薄膜材料，设定介质薄膜厚度、金属薄膜厚度、介质薄膜折射率；

[0018] (2)确定需要控制的反应磁控溅射的条件：溅射功率，溅射气压，氧气流量或氮气流量以及氩气流量；

[0019] (3)按照步骤(2)条件制备单层的介质薄膜，通过光度法测定单层膜的折射率、吸收系数及其厚度；

[0020] 若折射率与设定的介质薄膜折射率相符，通过薄膜厚度确定介质薄膜生长速度(即确定介质薄膜的沉积速度)；进入步骤(4)；

[0021] 若折射率与设定的介质薄膜折射率不符，返回步骤(2)调整反应磁控溅射的条件；

[0022] (4)按照步骤(3)确定的反应磁控溅射条件和介质薄膜生长速度参数，依次在基底上溅射金属薄膜，介质薄膜和金属薄膜，最终得到透射型入射角不敏感颜色滤光片。

[0023] 步骤(1)中设定介质薄膜厚度、金属薄膜厚度、介质薄膜折射率通过结构参数优化得到；步骤(1)中，设定的介质薄膜的折射率由介电常数匹配原理确定，即在滤光片的中心波长处，介质薄膜的折射率与金属薄膜的消光系数相等。作为优选，选择SiOx介质薄膜材料时，预期特定中心波长(即预先设计中心波长)选自300-800nm中的某一具体数值；

[0024] 步骤(1)中，设定的介质薄膜厚度由介质薄膜层的光学厚度与介质薄膜的折射率的关系求得，所述介质薄膜层的光学厚度等于滤光片中心波长的四分之一。

[0025] 步骤(2)中，SiOx、SiNy做为一种折射率可调的材料，其折射率由制备条件决定。SiOx、SiNy由反应磁控溅射制得，在溅射纯Si的过程中，控制气压并通入适当流量的氧气以获得折射率不同的SiOx、SiNy。实际制备过程中，可根据经验预先固定其余参数，通过调整氧气或氮气流量调整x、y的值，从而实现对SiOx、SiNy折射率的调整。

[0026] 本发明中，步骤(4)制备介质薄膜的反应磁控溅射的条件为：溅射功率大于等于400w，溅射气压低于5×10-2Pa；氧气或氮气流量小于5sccm。

[0027] 本发明的入射角不敏感颜色滤光片，与传统的化学滤光片和传统的干涉滤光片不同，它采用金属介质金属结构，以Ag与SiOx为例，利用Ag与SiOx介电常数正负相反确定工作波长以达到入射角不敏感的滤光效果。

[0028] 本发明制备的入射角不敏感的颜色滤光片，基于MDM结构，通过控制溅射条件得到与Ag(铝或金)介电常数和工作波长相匹配的SiOx(SiNy)作为中间层，从而制备出入射角不敏感的颜色滤光片。这种方法巧妙利用SiOx(SiNy)折射率可调特性，入射角不敏感的颜色滤光片的中心波长可以覆盖整个可见光波段。本发明仅利用成熟的反应磁控溅射，成功地回避了电子束曝光、激光直写或者纳米压印等复杂技术，适于大面积批量化地生产，从而使得入射角不敏感颜色滤光片成本大大降低。本发明入射角不敏感的颜色滤光片的制备方法，制备简单，成本低，便于大规模、批量化生产。因此该发明有望在液晶显示、彩色印刷、传感探测和防伪等领域广泛应用。

附图说明

[0029] 图1为本发明入射角不敏感的颜色滤光片的结构示意图，其中：1为基底，2为金属薄膜，3为介质薄膜，4为金属薄膜；

[0030] 图2为本发明入射角不敏感的颜色滤光片参数确定原理图(SiOx)；

[0031] 图3-7为本发明实施例1～5中设计的五种滤光片样品分别对应的P偏振光透射光谱图；

[0032] 图8-12为本发明实施例1～5中设计的五种滤光片样品分别对应的S偏振光透射光谱图；

[0033] 图13为本发明入射角不敏感的颜色滤光片参数确定原理图(SiNx)；

[0034] 图14-19为本发明实施例6～11中设计的五种滤光片样品分别对应的P偏振光透射光谱图；

[0035] 图20-25为本发明实施例6～11中设计的五种滤光片样品分别对应的S偏振光透射光谱图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明进行进一步地详细说明。

[0037] 实施例1～5

[0038] 金属薄膜材料选择Ag；介质薄膜材料选择富硅氧化硅(SiOx)

[0039] 如图1所示，一种入射角不敏感的颜色滤光片由基底1、以及依次设置在基底1上的金属薄膜2(Ag)、介质薄膜3(富硅氧化硅(SiOx))和金属薄膜4(Ag)组成，所述的介质薄膜和金属薄膜材料在工作波段上的介电常数正负相反，绝对值相同，基于SiOx折射率可调的特性，入射角不敏感的颜色滤光片的中心波长可以覆盖整个可见光波段。

[0040] 一种入射角不敏感的颜色滤光片制备方法，包括以下步骤，

[0041] 1)对于预期特定中心波长的颜色滤光片，通过结构参数优化，设计出与之对应的介质薄膜SiOx厚度，金属薄膜Ag厚度，介质薄膜SiOx折射率。

[0042] 具体参见图2，其中介质薄膜的折射率(由材料中x和y值决定)，由介电常数匹配原理确定，即在滤光片的中心波长处，介质薄膜的折射率与金属薄膜的消光系数相等。介质薄膜层的光学厚度(折射率与物理厚度的乘积)等于滤光片中心波长的四分之一，由此可以确定介质薄膜层的物理厚度。

[0043] 2)SiOx作为一种折射率可调的材料，其折射率由制备条件决定。SiOx由反应磁控溅射制得，在溅射纯Si的过程中，控制气压并通入适当流量的氧气以获得折射率不同的SiOx，也就是说其他参数固定的条件下，氧气流量决定了其中的x值的大小。根据1)对SiOx折射率的要求，确定反应磁控溅射的条件。其具体参数为溅射功率射频400w，底真空为5×10-5Pa，通入工作气后，溅射时底气压为1×10-2Pa，氧气流量为0-3sccm，如表1所示，氩气流量90sccm，基板(即基底)温度为室温约30摄氏度，靶材到基板距离为15cm。依据期望获得的折射率适当调节氧气流量。

[0044] 3)按照2)的条件制备单层的SiOx，通过光度法测定单层膜的光学常数(折射率和吸收系数)及其厚度。通过薄膜厚度确定SiOx沉积速度，当氧气含量不同时，沉积速度也会有所不同。

[0045] 4)在3)的条件下，按照1)的设计依次通过磁控溅射沉积金属薄膜Ag介质薄膜、富硅氧化硅(SiOx)介质薄膜、金属薄膜Ag。沉积金属薄膜Ag时的参数为溅射功率射频70w，底-5 -1真空为5×10 Pa，通入工作气后，溅射时底气压1.5×10 Pa，氩气流量50sccm，基板温度为室温约30摄氏度，靶材到基板距离为15cm，Ag沉积速度为2.67×10-1nm/s。

[0046] 实施例参数如下表1：

[0047] 表1

[0048]

[0049] 按照以上表格所示参数可以制得5种不同谐振波长的角度不敏感滤光片。

[0050] 分别对实施例1-5制备得到的滤光片进行P偏振光透射实验，得到的P偏振光透射光谱图参见图3-7，其中图3为实施例1对应的P偏振光透射光谱图，图4为实施例2对应的P偏振光透射光谱图，图5为实施例3对应的P偏振光透射光谱图，图6为实施例4对应的P偏振光透射光谱图，图7为实施例5对应的P偏振光透射光谱图；

[0051] 分别对实施例1-5制备得到的滤光片进行S偏振光透射实验，得到的S偏振光透射光谱图参见图8-12，其中图8为实施例1对应的S偏振光透射光谱图，图9为实施例2对应的S偏振光透射光谱图，图10为实施例3对应的S偏振光透射光谱图，图11为实施例4对应的S偏振光透射光谱图，图12为实施例5对应的S偏振光透射光谱图。

[0052] 由上述检测结果可知，本发明制备得到的滤光片，具有较好的角度不敏感度，适于液晶显示、彩色印刷、传感探测和防伪等领域使用。

[0053] 实施例6-11

[0054] 参见图13，选择以富硅氮化硅SiNy为介质薄层材料；Ag金属薄膜材料；

[0055] 利用实施例1-5类似的方法，按照表2所示参数进行实施例6-11，可以制得另外6种不同谐振波长的角度不敏感滤光片。

[0056] 表2

[0057]

[0058] 分别对实施例6-11制备得到的滤光片进行P偏振光透射实验，得到的P偏振光透射光谱图参见图14-19，其中图14为实施例6对应的P偏振光透射光谱图，图15为实施例7对应的P偏振光透射光谱图，图16为实施例8对应的P偏振光透射光谱图，图17为实施例9对应的P偏振光透射光谱图，图18为实施例10对应的P偏振光透射光谱图，图19为实施例11对应的P偏振光透射光谱图；

[0059] 分别对实施例6-11制备得到的滤光片进行S偏振光透射实验，得到的S偏振光透射光谱图参见图20-25，其中图20为实施例6对应的S偏振光透射光谱图，图21为实施例7对应的S偏振光透射光谱图，图22为实施例8对应的S偏振光透射光谱图，图23为实施例9对应的S偏振光透射光谱图，图24为实施例10对应的S偏振光透射光谱图，图25为实施例11对应的S偏振光透射光谱图。

[0060] 由上述检测结果可知，本发明制备得到的滤光片，均具有较好的角度不敏感度，适于液晶显示、彩色印刷、传感探测和防伪等领域使用。