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][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Sole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Sole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] -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娃氧化娃SiOx或者 富娃氮化娃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，所述富娃氧化娃SiOx的折射率为1. 52-4. 2 ;所述富娃氮化娃SiNy的 折射率为2-4. 2。所述X优选为0. 1彡X彡1. 3 ;所述y优选为0. 1彡y彡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 SiOx0
[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] -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由反应磁控派射制得，在派射纯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Si0x、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，派射气压低于5 X 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娃氧化娃（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 (富娃氧化娃（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