一種入射角度不敏感的顏色濾光片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，具體涉及一種入射角度不敏感的顏色濾光片及其制備 方法，可應(yīng)用于液晶顯示、彩色印刷、傳感探測(cè)和防偽等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 角度不敏感顏色濾光片在圖像傳感器，液晶顯示以及太陽(yáng)能電池等方面具有廣泛 的應(yīng)用。顏色濾光片經(jīng)由化學(xué)染料濾光片，傳統(tǒng)介質(zhì)薄膜濾光片演化到現(xiàn)如今的微結(jié)構(gòu)光 柵濾光片，雖然性能得到不斷改善，依然具有明顯的不足?；瘜W(xué)染料濾光片在長(zhǎng)時(shí)間紫外光 的照射下具有質(zhì)量變差褪色等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)介質(zhì)薄膜濾光片不具有角度容忍特性，當(dāng)光線斜 入射時(shí)會(huì)發(fā)生光譜藍(lán)移現(xiàn)象。微結(jié)構(gòu)光柵濾光片在制作過程中要用到電子束曝光技術(shù)，耗 時(shí)長(zhǎng)且不便于大規(guī)模應(yīng)用。
[0003][0004] 高丹等人（入射角度不敏感型石英光雙折射濾波器，高丹、盛荔、金亓、吳軻、王夢(mèng) 櫻、陶音、孔勇、韓華，《激光技術(shù)》2015年第39卷第3期329-332頁(yè)，共4頁(yè)）提出了一個(gè) 新型的兩級(jí)改進(jìn)型的Lyot濾波器，它由兩個(gè)光軸互相垂直的波片和3個(gè)相間隔的方位角互 成一定角度的Clan棱鏡組成。
[0005] 鄭國(guó)梁等人（角度不敏感Sole型電光濾波器設(shè)計(jì)，鄭國(guó)梁，徐世祥，歐陽(yáng)征標(biāo)，賀 威，《光學(xué)學(xué)報(bào)》2014年第13期367-370頁(yè)，共4頁(yè)）利用二維環(huán)形周期極化鈮酸鋰能提供 輻射狀固定倒格矢的特性，設(shè)計(jì)出基于環(huán)形周期極化鈮酸鋰的角度不敏感Sole型電光濾 波器。
[0006] 基于MDM結(jié)構(gòu)的濾光片已被證實(shí)具有角度不敏感特性但是由于介質(zhì)薄膜和金屬 薄膜材料在工作波段上的介電常數(shù)正負(fù)相反的要求，常用介質(zhì)薄膜材料作為介質(zhì)層時(shí)僅能 工作在單個(gè)諧振波長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種入射角度不敏感的顏色濾光片，采用金屬介質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)，基于 介質(zhì)薄膜折射率可調(diào)的特性，入射角不敏感的顏色濾光片的中心波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)可見光 波段，大大擴(kuò)展了顏色濾光片使用場(chǎng)合。
[0008] 本發(fā)明同時(shí)提供了一種入射角度不敏感的顏色濾光片的制備方法，該方法回避了 電子束曝光、激光直寫或者納米壓印等復(fù)雜技術(shù)，制備簡(jiǎn)單，成本低，便于大規(guī)模、批量化生 產(chǎn)。
[0009] -種入射角度不敏感的顏色濾光片，包括基底，所述基底上依次設(shè)有金屬薄膜、介 質(zhì)薄膜和金屬薄膜，三層薄膜構(gòu)成諧振結(jié)構(gòu)；所述介質(zhì)薄膜材料選自富娃氧化娃SiOx或者 富娃氮化娃SiNy ;其中X，y取值范圍分別為：0 < x〈2,0 < y〈4/3。
[0010] 本發(fā)明中，介質(zhì)薄膜和金屬薄膜材料在工作波段上的介電常數(shù)正負(fù)相反，絕對(duì)值 相同，基于SiOx、SiNy折射率可調(diào)的特性，入射角不敏感的顏色濾光片的中心波長(zhǎng)可以覆 蓋整個(gè)可見光波段。
[0011] 作為優(yōu)選，所述富娃氧化娃SiOx的折射率為1. 52-4. 2 ;所述富娃氮化娃SiNy的 折射率為2-4. 2。所述X優(yōu)選為0. 1彡X彡1. 3 ;所述y優(yōu)選為0. 1彡y彡1. 3。
[0012] 作為優(yōu)選，所述基底選自K9玻璃（或BK7玻璃）、熔融石英或浮法玻璃。
[0013] 作為優(yōu)選，所述金屬薄膜材料選自銀、鋁或金。
[0014] 作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述金屬薄膜材料為銀；所述介質(zhì)薄膜材料為富硅氧化硅 SiOx0
[0015] 作為優(yōu)選，所述金屬薄膜層的厚度為16-25nm。所述介質(zhì)薄膜的厚度為40-60nm。
[0016] -種透射型入射角不敏感顏色濾光片的制備方法，包括如下步驟：
[0017] (1)對(duì)于預(yù)期特定中心波長(zhǎng)的顏色濾光片，選定金屬薄膜材料，設(shè)定介質(zhì)薄膜厚 度、金屬薄膜厚度、介質(zhì)薄膜折射率；
[0018] (2)確定需要控制的反應(yīng)磁控濺射的條件：濺射功率，濺射氣壓，氧氣流量或氮?dú)?流量以及氬氣流量；
[0019] (3)按照步驟（2)條件制備單層的介質(zhì)薄膜，通過光度法測(cè)定單層膜的折射率、吸 收系數(shù)及其厚度；
[0020] 若折射率與設(shè)定的介質(zhì)薄膜折射率相符，通過薄膜厚度確定介質(zhì)薄膜生長(zhǎng)速度 (即確定介質(zhì)薄膜的沉積速度）；進(jìn)入步驟（4);
[0021] 若折射率與設(shè)定的介質(zhì)薄膜折射率不符，返回步驟（2)調(diào)整反應(yīng)磁控濺射的條 件；
[0022] (4)按照步驟（3)確定的反應(yīng)磁控濺射條件和介質(zhì)薄膜生長(zhǎng)速度參數(shù)，依次在基 底上濺射金屬薄膜，介質(zhì)薄膜和金屬薄膜，最終得到透射型入射角不敏感顏色濾光片。
[0023] 步驟（1)中設(shè)定介質(zhì)薄膜厚度、金屬薄膜厚度、介質(zhì)薄膜折射率通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu) 化得到；步驟（1)中，設(shè)定的介質(zhì)薄膜的折射率由介電常數(shù)匹配原理確定，即在濾光片的中 心波長(zhǎng)處，介質(zhì)薄膜的折射率與金屬薄膜的消光系數(shù)相等。作為優(yōu)選，選擇SiOx介質(zhì)薄膜 材料時(shí)，預(yù)期特定中心波長(zhǎng)（即預(yù)先設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)）選自300-800nm中的某一具體數(shù)值；
[0024] 步驟（1)中，設(shè)定的介質(zhì)薄膜厚度由介質(zhì)薄膜層的光學(xué)厚度與介質(zhì)薄膜的折射率 的關(guān)系求得，所述介質(zhì)薄膜層的光學(xué)厚度等于濾光片中心波長(zhǎng)的四分之一。
[0025] 步驟（2)中，SiOx、SiNy做為一種折射率可調(diào)的材料，其折射率由制備條件決定。 SiOx、SiNy由反應(yīng)磁控派射制得，在派射純Si的過程中，控制氣壓并通入適當(dāng)流量的氧氣 以獲得折射率不同的Si0x、SiNy。實(shí)際制備過程中，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先固定其余參數(shù)，通過調(diào) 整氧氣或氮?dú)饬髁空{(diào)整X、y的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SiOx、SiNy折射率的調(diào)整。
[0026] 本發(fā)明中，步驟（4)制備介質(zhì)薄膜的反應(yīng)磁控濺射的條件為：濺射功率大于等于 400w，派射氣壓低于5 X 10 2Pa ;氧氣或氮?dú)饬髁啃∮?sccm。
[0027] 本發(fā)明的入射角不敏感顏色濾光片，與傳統(tǒng)的化學(xué)濾光片和傳統(tǒng)的干涉濾光片不 同，它采用金屬介質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)，以Ag與SiOx為例，利用Ag與SiOx介電常數(shù)正負(fù)相反確定 工作波長(zhǎng)以達(dá)到入射角不敏感的濾光效果。
[0028] 本發(fā)明制備的入射角不敏感的顏色濾光片，基于MDM結(jié)構(gòu)，通過控制濺射條件得 到與Ag(鋁或金）介電常數(shù)和工作波長(zhǎng)相匹配的SiOx(SiNy)作為中間層，從而制備出入射 角不敏感的顏色濾光片。這種方法巧妙利用SiOx(SiNy)折射率可調(diào)特性，入射角不敏感的 顏色濾光片的中心波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)可見光波段。本發(fā)明僅利用成熟的反應(yīng)磁控濺射，成 功地回避了電子束曝光、激光直寫或者納米壓印等復(fù)雜技術(shù)，適于大面積批量化地生產(chǎn)，從 而使得入射角不敏感顏色濾光片成本大大降低。本發(fā)明入射角不敏感的顏色濾光片的制備 方法，制備簡(jiǎn)單，成本低，便于大規(guī)模、批量化生產(chǎn)。因此該發(fā)明有望在液晶顯示、彩色印刷、 傳感探測(cè)和防偽等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明入射角不敏感的顏色濾光片的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：1為基底，2為金屬 薄膜，3為介質(zhì)薄膜，4為金屬薄膜；
[0030] 圖2為本發(fā)明入射角不敏感的顏色濾光片參數(shù)確定原理圖（SiOx);
[0031] 圖3-7為本發(fā)明實(shí)施例1~5中設(shè)計(jì)的五種濾光片樣品分別對(duì)應(yīng)的P偏振光透射 光譜圖；
[0032] 圖8-12為本發(fā)明實(shí)施例1~5中設(shè)計(jì)的五種濾光片樣品分別對(duì)應(yīng)的S偏振光透 射光譜圖；
[0033] 圖13為本發(fā)明入射角不敏感的顏色濾光片參數(shù)確定原理圖（SiNx);
[0034] 圖14-19為本發(fā)明實(shí)施例6~11中設(shè)計(jì)的五種濾光片樣品分別對(duì)應(yīng)的P偏振光 透射光譜圖；
[0035] 圖20-25為本發(fā)明實(shí)施例6~11中設(shè)計(jì)的五種濾光片樣品分別對(duì)應(yīng)的S偏振光 透射光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
[0037] 實(shí)施例1~5
[0038] 金屬薄膜材料選擇Ag ;介質(zhì)薄膜材料選擇富娃氧化娃（SiOx)
[0039] 如圖1所示，一種入射角不敏感的顏色濾光片由基底1、以及依次設(shè)置在基底1上 的金屬薄膜2 (Ag)、介質(zhì)薄膜3 (富娃氧化娃（SiOx))和金屬薄膜4 (Ag)組成，所述的介質(zhì)薄 膜和金屬薄膜材料在工作波段上的介電常數(shù)正負(fù)相反，絕對(duì)值相同，基于SiOx折射率可調(diào) 的特性，入射角不敏感的顏色濾光片的