亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法，可应用于彩色包 装、光学防伪和结构色成像等领域。
【背景技术】
[0002] 被动显色通常是由颜料（染料）或结构色而实现。颜料或染料显色是通过其对入 射光特定波段的吸收而引起；结构色是由物质的亚波长结构特征所引起的可见光反射、干 涉或衍射而产生色彩。结构色种类丰富、颜色稳定、具备独特的变化特性如光色变、偏振色 变等使得其在彩色包装、光学防伪等领域展现出广泛的应用前景。随着微纳制造技术的发 展，通过一维或二维光栅从自然光中精确分离出红、绿、蓝三基色，再通过红、绿、蓝三基色 微光栅的不同组合而呈现出色彩斑斓的呈色产品已成为现实。
[0003] 现有的通过一维或二维光栅而实现的反射被动显色方案都是利用微结构对自然 光光谱中红、绿、蓝三基色的高反射而实现的，高反射光栅结构大都是介质结构。现有的通 过一维或二维光栅而实现的透过被动显色方案都是利用微结构对自然光光谱中红、绿、蓝 三基色的高透过而实现的，高透过光栅结构大都是金属光栅结构。这些显色方法都使得自 然光中大量的光能量未用来显色，导致呈色产品的亮度较低。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题在于提供一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方 法，此方法中的红、绿、蓝三基色是利用亚波长光栅波导结构对红、绿、蓝互补色的损耗而实 现的，因此它们的显色光谱具有更宽的光谱范围，包含更多的自然光能量，可以大大提高呈 色产品的亮度。
[0005] 为了解决以上技术问题，本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件的制作 方法，其包括以下步骤：
[0006] 选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，并采用衍射算法优化出各层的结构参数，所 述各层的结构参数对应使真彩元件损耗三基色的互补色进而显色；
[0007] 在衬底层上通过物理沉积或化学沉积的方法按照所述结构参数依次生长薄膜层 和光栅层；
[0008] 在光栅层表面涂布光刻胶；
[0009] 米用激光干涉曝光或掩模板曝光在光刻胶表面形成光栅图案；
[0010] 采用光刻胶形成的光栅图案作为掩模，刻蚀光栅层形成光栅结构，以得到真彩元 件。
[0011] 优选的，所述衍射算法为严格耦合波法或傅立叶模式法。
[0012] 优选的，所述衬底层为熔石英，所述薄膜层和光栅层采用多晶硅；所述熔石英的折 射率为1. 46,所述多晶硅的折射率为3. 44,所述薄膜层的厚度为15纳米，所述光栅层的周 期为315纳米，厚度为110纳米，占宽比为0. 55。
[0013] 优选的，所述真彩元件的结构参数采用目标函数进行优化，目标函数可以是色纯 度、亮度、结构最简单。
[0014] 优选的，所述真彩元件的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的色纯度 作为目标函数，则目标函数可以表示为：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，Αλ是太阳光谱的能量分布函数，Χλ、Υλ、Ζλ是太阳光的三刺激函数。
[0018] 优选的，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真 760 彩元件的亮度最大作为目标函数，则目标函数表示为：A = A、 380
，其中，Αλ是太阳光谱的能量分布函数，Χ λ、Υλ、Ζλ 分别是太阳光的三刺激函数。
[0019] 优选的，所述光栅波导层的结构参数采用目标函数进行优化，以真彩元件的结构 最简单作为目标函数，则目标函数可以表示为=H 2 = 0。
[0020] 为了解决以上技术问题，本发明还提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件。
[0021] 本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件及其制作方法，该真彩元件通常 由光栅层、薄膜层和衬底层构成，在确定了各层的材料之后，通过调整光栅层和薄膜层的周 期、占宽比、厚度等结构参数就可以从入射自然光中分离出红、绿、蓝三基色的真彩元件。反 射型红、绿、蓝三基色真彩元件的色彩是通过亚波长光栅波导结构损耗入射自然光中红、 绿、蓝的互补色而表现出来的，因此它使得呈色光谱包含更宽的范围和更多的能量，因而此 真彩元件的亮度大大增加。任何呈色产品都可以利用红、绿、蓝三基色真彩元件的不同排布 而再现，还可以利用刻制的母板通过压印工艺而复制。此呈色产品可用于彩色包装、光学防 伪和结构色成像等领域。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明亚波长光栅波导结构真彩元件的结构示意图。
[0023] 图2为本发明实施例中真彩元件的s偏振光的光谱图。
[0024] 图3为本发明实施例中真彩元件的s偏振光的色品图。
[0025] 图4为本发明亚波长光栅波导结构真彩元件制作方法的流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合附图以及具体实施例来对本发明作进一步详细说明。
[0027] 请参考图1，本发明提供了一种亚波长光栅波导结构真彩元件100,包括衬底层20 和位于衬底层20上的光栅波导层30,所述光栅波导层30包括薄膜层31和光栅层32。
[0028] 在本发明中，在确定了衬底层20、薄膜层31和光栅层32的材料之后，所述光栅波 导层30的结构参数是通过衍射算法计算得出的，所述衍射算法计算所述光栅层32的周期、 厚度以及薄膜层31的厚度，以使真彩元件100损耗（吸收或透过）三基色的互补色并反射 其他颜色光。所述衍射算法采用严格耦合波法或傅立叶模式法。
[0029] 在本发明的一种实施例中，如采用真彩元件损耗（吸收或透过）三基色中绿色的 互补色并反射其他颜色光的方式，所述各层的材料选择中，所述衬底层20为熔石英，所述 薄膜层31和光栅层32采用多晶硅，熔石英的折射率为1. 46,多晶硅的折射率为3. 44。通过 所述衍射算法，所述薄膜层31的厚度为15纳米；光栅层32的周期为315纳米，厚度为110 纳米，多晶硅的占宽比为〇. 55。
[0030] 请参考图2和图3,图2为所述实施例中反射型真彩元件的光谱图，图3为所述实 施例中反射型真彩元件的色品图，从图中可以看出，其主波长对应于标准的三基色中绿色 的波长，色纯度为31%。
[0031] 在实际中，任意呈色产品都可以分割为不同的微小单元，每个微小单元的色彩由 真彩元件来实现。参考人眼睛的分辨能力，为了达到较好的显色效果，每个真彩元件的尺寸 一般不大于100微米。
[0032] 请参考图4,本发明还提供了一种亚波长光栅真彩元件的制作方法，其包括以下步 骤：
[0033] S1、选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，并采用衍射算法优化出各层的结构参数， 所述各层的结构参数对应使真彩元件损耗三基色的互补色而显色；
[0034] 在步骤Sl中，首先选定光栅层、薄膜层、衬底层的材料，进而通过衍射算法优化出 各层的结构参数，并根据实际情况。可以选取真彩元件的结构最简单作为优化程序的目标 函数，也可以选取真彩元件的亮度最大作为优化程序的目标函数，还可以选取真彩元件的 色纯度最高作为优化程序的目标函数。
[0035] 其中，为了产生单个或多个较大带宽的高反特性，光栅层要由深调制光栅构成，因 此，常常选择通过物理气相沉积或化学气相沉积方法得到的硅薄膜来制作光栅层。
[0036] 其中，所述衍射算法（如严格耦合波法、傅立叶模式法）给出求解亚波长光栅波 导结构的反射谱方法；其反射谱是亚波长光栅波导结构的结构参数的函数，数学上可以 表示为L = R(