亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件及其制作方法，可應(yīng)用于彩色包 裝、光學(xué)防偽和結(jié)構(gòu)色成像等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 被動顯色通常是由顏料（染料）或結(jié)構(gòu)色而實(shí)現(xiàn)。顏料或染料顯色是通過其對入 射光特定波段的吸收而引起；結(jié)構(gòu)色是由物質(zhì)的亞波長結(jié)構(gòu)特征所引起的可見光反射、干 涉或衍射而產(chǎn)生色彩。結(jié)構(gòu)色種類豐富、顏色穩(wěn)定、具備獨(dú)特的變化特性如光色變、偏振色 變等使得其在彩色包裝、光學(xué)防偽等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。隨著微納制造技術(shù)的發(fā) 展，通過一維或二維光柵從自然光中精確分離出紅、綠、藍(lán)三基色，再通過紅、綠、藍(lán)三基色 微光柵的不同組合而呈現(xiàn)出色彩斑斕的呈色產(chǎn)品已成為現(xiàn)實(shí)。
[0003] 現(xiàn)有的通過一維或二維光柵而實(shí)現(xiàn)的反射被動顯色方案都是利用微結(jié)構(gòu)對自然 光光譜中紅、綠、藍(lán)三基色的高反射而實(shí)現(xiàn)的，高反射光柵結(jié)構(gòu)大都是介質(zhì)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的通 過一維或二維光柵而實(shí)現(xiàn)的透過被動顯色方案都是利用微結(jié)構(gòu)對自然光光譜中紅、綠、藍(lán) 三基色的高透過而實(shí)現(xiàn)的，高透過光柵結(jié)構(gòu)大都是金屬光柵結(jié)構(gòu)。這些顯色方法都使得自 然光中大量的光能量未用來顯色，導(dǎo)致呈色產(chǎn)品的亮度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件及其制作方 法，此方法中的紅、綠、藍(lán)三基色是利用亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對紅、綠、藍(lán)互補(bǔ)色的損耗而實(shí) 現(xiàn)的，因此它們的顯色光譜具有更寬的光譜范圍，包含更多的自然光能量，可以大大提高呈 色產(chǎn)品的亮度。
[0005] 為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件的制作 方法，其包括以下步驟：
[0006] 選定光柵層、薄膜層、襯底層的材料，并采用衍射算法優(yōu)化出各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所 述各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)使真彩元件損耗三基色的互補(bǔ)色進(jìn)而顯色；
[0007] 在襯底層上通過物理沉積或化學(xué)沉積的方法按照所述結(jié)構(gòu)參數(shù)依次生長薄膜層 和光柵層；
[0008] 在光柵層表面涂布光刻膠；
[0009] 米用激光干涉曝光或掩模板曝光在光刻膠表面形成光柵圖案；
[0010] 采用光刻膠形成的光柵圖案作為掩模，刻蝕光柵層形成光柵結(jié)構(gòu)，以得到真彩元 件。
[0011] 優(yōu)選的，所述衍射算法為嚴(yán)格耦合波法或傅立葉模式法。
[0012] 優(yōu)選的，所述襯底層為熔石英，所述薄膜層和光柵層采用多晶硅；所述熔石英的折 射率為1. 46,所述多晶硅的折射率為3. 44,所述薄膜層的厚度為15納米，所述光柵層的周 期為315納米，厚度為110納米，占寬比為0. 55。
[0013] 優(yōu)選的，所述真彩元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)可以是色純 度、亮度、結(jié)構(gòu)最簡單。
[0014] 優(yōu)選的，所述真彩元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以真彩元件的色純度 作為目標(biāo)函數(shù)，則目標(biāo)函數(shù)可以表示為：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，Αλ是太陽光譜的能量分布函數(shù)，Χλ、Υλ、Ζλ是太陽光的三刺激函數(shù)。
[0018] 優(yōu)選的，所述光柵波導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以真 760 彩元件的亮度最大作為目標(biāo)函數(shù)，則目標(biāo)函數(shù)表示為：A = A、 380
，其中，Αλ是太陽光譜的能量分布函數(shù)，Χ λ、Υλ、Ζλ 分別是太陽光的三刺激函數(shù)。
[0019] 優(yōu)選的，所述光柵波導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以真彩元件的結(jié)構(gòu) 最簡單作為目標(biāo)函數(shù)，則目標(biāo)函數(shù)可以表示為=H 2 = 0。
[0020] 為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件。
[0021] 本發(fā)明提供了一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件及其制作方法，該真彩元件通常 由光柵層、薄膜層和襯底層構(gòu)成，在確定了各層的材料之后，通過調(diào)整光柵層和薄膜層的周 期、占寬比、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)就可以從入射自然光中分離出紅、綠、藍(lán)三基色的真彩元件。反 射型紅、綠、藍(lán)三基色真彩元件的色彩是通過亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)損耗入射自然光中紅、 綠、藍(lán)的互補(bǔ)色而表現(xiàn)出來的，因此它使得呈色光譜包含更寬的范圍和更多的能量，因而此 真彩元件的亮度大大增加。任何呈色產(chǎn)品都可以利用紅、綠、藍(lán)三基色真彩元件的不同排布 而再現(xiàn)，還可以利用刻制的母板通過壓印工藝而復(fù)制。此呈色產(chǎn)品可用于彩色包裝、光學(xué)防 偽和結(jié)構(gòu)色成像等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中真彩元件的s偏振光的光譜圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中真彩元件的s偏振光的色品圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件制作方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 請參考圖1，本發(fā)明提供了一種亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)真彩元件100,包括襯底層20 和位于襯底層20上的光柵波導(dǎo)層30,所述光柵波導(dǎo)層30包括薄膜層31和光柵層32。
[0028] 在本發(fā)明中，在確定了襯底層20、薄膜層31和光柵層32的材料之后，所述光柵波 導(dǎo)層30的結(jié)構(gòu)參數(shù)是通過衍射算法計(jì)算得出的，所述衍射算法計(jì)算所述光柵層32的周期、 厚度以及薄膜層31的厚度，以使真彩元件100損耗（吸收或透過）三基色的互補(bǔ)色并反射 其他顏色光。所述衍射算法采用嚴(yán)格耦合波法或傅立葉模式法。
[0029] 在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，如采用真彩元件損耗（吸收或透過）三基色中綠色的 互補(bǔ)色并反射其他顏色光的方式，所述各層的材料選擇中，所述襯底層20為熔石英，所述 薄膜層31和光柵層32采用多晶硅，熔石英的折射率為1. 46,多晶硅的折射率為3. 44。通過 所述衍射算法，所述薄膜層31的厚度為15納米；光柵層32的周期為315納米，厚度為110 納米，多晶硅的占寬比為〇. 55。
[0030] 請參考圖2和圖3,圖2為所述實(shí)施例中反射型真彩元件的光譜圖，圖3為所述實(shí) 施例中反射型真彩元件的色品圖，從圖中可以看出，其主波長對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的三基色中綠色 的波長，色純度為31%。
[0031] 在實(shí)際中，任意呈色產(chǎn)品都可以分割為不同的微小單元，每個微小單元的色彩由 真彩元件來實(shí)現(xiàn)。參考人眼睛的分辨能力，為了達(dá)到較好的顯色效果，每個真彩元件的尺寸 一般不大于100微米。
[0032] 請參考圖4,本發(fā)明還提供了一種亞波長光柵真彩元件的制作方法，其包括以下步 驟：
[0033] S1、選定光柵層、薄膜層、襯底層的材料，并采用衍射算法優(yōu)化出各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 所述各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)使真彩元件損耗三基色的互補(bǔ)色而顯色；
[0034] 在步驟Sl中，首先選定光柵層、薄膜層、襯底層的材料，進(jìn)而通過衍射算法優(yōu)化出 各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況?？梢赃x取真彩元件的結(jié)構(gòu)最簡單作為優(yōu)化程序的目標(biāo) 函數(shù)，也可以選取真彩元件的亮度最大作為優(yōu)化程序的目標(biāo)函數(shù)，還可以選取真彩元件的 色純度最高作為優(yōu)化程序的目標(biāo)函數(shù)。
[0035] 其中，為了產(chǎn)生單個或多個較大帶寬的高反特性，光柵層要由深調(diào)制光柵構(gòu)成，因 此，常常選擇通過物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積方法得到的硅薄膜來制作光柵層。
[0036] 其中，所述衍射算法（如嚴(yán)格耦合波法、傅立葉模式法）給出求解亞波長光柵波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)的反射譜方法；其反射譜是亞波長光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，數(shù)學(xué)上可以 表示為L = R(