本发明涉及一种用于滤光的光学元件， 尤其涉及一种具有光栅结构 的反射式彩色滤光片。 背景技术

彩色滤光片（color filter; CF)可以分为反射式彩色滤光片、 透射式彩 色滤光片和半反半透式彩色滤光片三种， 分别用于不同的应用场合。 其 中反射式彩色滤光片可以使用在诸如电子纸、 手机屏幕等需要借助前置 光源或外部光源的电子产品上。 与透射式彩色滤光片不同的是， 反射式 彩色滤光片除了考虑色彩的纯度外， 还需要考虑材质的表面反射效率， 因而对材料本身的平整度和光学性质都有一定 的要求。

目前已有的反射式滤光片按滤光原理分为两种 ， 一种是染料型彩色 滤光片， 另一种是光栅型彩色滤光片。 前一种彩色滤光片是通过光刻、 印刷、 沉积等方法， 将 1¾、 G、 B三种颜色的有机材料制作到透明基材上 形成的。 这种类型的彩色滤光片， 需要在制作时， 将三种不同的有机材 料先后形成在基板上， 因而会形成厚度不均、 色彩纯度差等缺点， 且由 于工艺步骤复杂， 使得制作成本极高， 尤其不利于在大尺寸的面板上运 用。 第二种彩色滤光片， 按其组成结构又可分为单层金属光栅结构、 多 层介质光栅结构及介质光栅和金属光栅的级联 光栅结构。 其中， 级联光 栅结构的彩色滤光片既克服了介质光栅反射效 率低下的缺陷， 又减少了 金属光栅的色度干扰， 因而成为光栅式彩色滤光片的一个热门研究方 向。

图 1 所示就是一种现有的级联光栅的彩色滤光片。 如图所示， 在该 种彩色滤光片 100 中， 基底 110上设置了介质光栅层 120和金属光栅层 130 , 其中该金属光栅层 130覆盖在该介质光栅层 120的脊部 121和沟槽 部 122 上。 当入射光频率与该级联光栅形成导模共振时， 该入射光就被 反射出去， 而其他频率的光则被反射， 由此达到滤光的作用。

但是在这种光栅结构的彩色滤光片中， 由于导模共振条件强依赖于 入射光的入射角度， 即当入射光的入射角度改变时， 导模共振条件也将 改变， 使得反射光谱将向两边移动甚至消失， 因而极大地限制了该彩色 滤光片在实际生产中应用。 发明内容

本发明的发明目的是提供一种反射式光栅结构 的彩色滤光片， 该彩 色滤光片通过结构的改变， 应能减少光线入射角度对共振条件的影响， 以在一个比较宽的角度范围内实现滤波的功能 ； 同时保持较高的表面平 整度， 以提高光线的反射效率。

为实现上述发明目的， 本发明采用的技术方案是：

一种反射式彩色滤光片， 包括介质光栅层、 金属层以及第一介质层， 其中所述金属层设置于所述介质光栅层的脊部 、 至少一个侧部和部分沟 槽部之上， 所述第一介质层设置于所述介质光栅层和所述 金属层上， 并 反射外部光线。

进一步的技术方案， 还包括第二介质层， 设置于所述介质光栅层和 所述金属层上， 并被所述第一介质层覆盖， 所述第二介质层的折射率小 于第一介质层的折射率。

另一种技术方案是， 具有一多层结构介质层， 所述多层结构介质层 设置于所述介质光栅层和所述金属层上， 其中所述第一介质层为该多层 结构介质层中的一层。

上述三种反射式滤光片中， 所述第一介质层的折射率大于 1.65。 上述技术方案中， 所述部分沟槽部上的金属层与该沟槽两边的侧 部 中的至少一个留有间隔。

上述技术方案中， 所述金属层设置于该介质光栅层的脊部、 单侧部 和部分沟槽部， 其中， 该部分沟槽部上的金属层与该单侧部上的金属 层 相连， 并与相对该设有金属层的单侧部的另一单侧部 留有间隔。

上述技术方案中， 所述沟槽部上的金属层覆盖的面积为整个沟槽 部 面积的 30 %至 80 %。

更优选的技术方案， 所述沟槽部上的金属层覆盖的面积为整个沟槽 部面积的 70 %。

上述技术方案中， 所述金属层的材料为铝、 银、 铜中的一种。

由于上述技术方案运用， 本发明与现有技术相比具有下列优点： 本发明中， 因金属层未完全覆盖介质光栅层， 因而使得该级联光栅 的导模共振条件被破坏， 从而降低了入射光角度对共振条件的影响， 另 一方面， 由于反射波长只依赖介质光栅层的周期和占空 比， 因而可以使 整个彩色滤光片具有统一的厚度， 提高了表面的平整度。

附图说明

图 1是现有技术中一种级联光栅的彩色滤光片结� �示意图； 图 2是本发明的第一实施方式的反射式彩色滤光� �结构示意图； 图 3A至 3C为第一实施方式中红、 绿、 蓝三色光在不同角度下的反 射率变化图；

图 4 是第一实施方式中绿色滤光片随金属覆盖率变 化时的反射光谱 图；

图 5是第一实施方式中绿色滤光片的金属覆盖率� � 0.3时，在不同角 度下的反射光谱图；

图 6是第一实施方式中绿色滤光片的金属覆盖率� � 0.8时，在不同角 度下的反射光谱图；

图 7 是第一实施方式中绿色滤光片在不同金属层厚 度下的反射光谱 图；

图 8是本发明的第二实施方式的反射式彩色滤光� �结构示意图； 图 9是第二实施方式中绿色滤光片在不同角度下� �反射率光谱图。 具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 ：

实施例一：

请参见图 2， 图 2是本发明的第一实施方式的反射式彩色滤光� �结构 示意图。 如图所示， 该反射式彩色滤光片 200包括基底 210， 介质光栅层 220、 金属层 230和第一介质层 240。 其中， 基底 210的材质可以与介质 光栅层 220相同， 以方便介质光栅层 220 的制作。 该介质光栅层 220具 有周期性排列的光栅结构， 包括脊部 221、 沟槽部 222和侧部 223。 金属 层 230 的材料为铝、 银、 铜中的一种， 该金属层 230分为三段： 金属层 231设置在该光栅结构的脊部 221上、金属层 233设置在该光栅结构的侧 部 223上， 金属层 232设置在该光栅结构的沟槽部 222上。 其中金属层 232只占据了部分沟槽部 222 , 未完全覆盖沟槽部 222。 第一介质层 240 覆盖在金属层 230 以及因该金属层 230未完全覆盖而暴露在外的部分介 质光栅层 220 上， 其折射率大于 1.65。 外部光线入射到第一介质层 240 表面后反射， 由于受介质光栅层 220、 金属层 230以及第一介质层 240的 共同作用， 入射光线中符合与介质光栅层 220 中的光栅结构的周期和占 空比形成共振条件的波段将被反射， 从而实现反射滤波的效果。

以最常见的红光滤光片、 绿光滤光片和蓝光滤光片为例， 表一给出 了这三种颜色的滤光片下的光栅结构：

表一： 红绿蓝三色光栅结构参数表格（单位： nm) :

hi : 260； h2: 60； h3 :20

P f λ 红 500 0.7 700 绿 500 0.35 540

350 0.4 470 其中， hi 是介质光栅层 220 的厚度， h2 是金属层 230 的厚度， h3 是第一介质层 240的厚度， P是介质光栅单个周期的宽度， f是该光栅结 构的占空比， λ是入射光波的波长。

由上表可以看出， 本发明的反射式彩色滤光片， 对于各种颜色的滤 光效果起决定作用的因数为光栅结构的周期 Ρ和占空比 f, 即横向结构参 数。 在制成诸如显示器件上的大尺寸多色彩复合滤 光片时， 只需控制光 栅的横向结构参数， 在相应的像素上制作相应结构的光栅结构， 而在厚 度方向上的尺寸均一致。 从而使得彩色滤光片的表面具有统一的高度， 大大提高了表面光洁度。

在一种实际应用中， 金属层 230设置在介质光栅层 320的脊部 221、 单侧部 223和部分沟槽部 222， 其中， 该部分沟槽部 222上的金属层 232 与该单侧部 223上的金属层 233相连， 并与相对该设有金属层的单侧部 223 的另一单侧部留有间隔 dl。 该种结构的金属层 230可以通过斜向溅 射一次成型于介质光栅 220 上， 利于制作。 也可以通过掩模光刻等比较 复杂的工艺方法， 先在介质光栅 220 上镀上一层金属， 然后利用掩模的 表面图形光刻出该间隔 dl。 应该注意的是， 金属层 230也可以以其它结 构分布在介质光栅层 220上， 比如可以在两个单侧部 223 上都形成金属 层， 也可以只形成在任意一个侧部上。 沟槽部 222上的金属层 232可以 与相夹的两个侧部都留有间隔， 也可以与其中任意一个留有间隔， 只要 保证在沟槽部 222 上留有空隙， 使一部分低折射率介质暴露出来即可。 也就是说， 该沟槽部 222上的金属层 232 的具体位置对本发明的发射滤 光效果影响不大， 而在下文中， 通过讨论可以发现金属层 232 在沟槽部 222上的覆盖率（将沟槽部上的金属层覆盖的面 积占整个沟槽部面积的比 定义为覆盖率） 将会影响本发明的发射滤光效果。

请先参见图 3A至图 3C， 图 3A至 3C为第一实施方式中， 红、 绿、 蓝三色光在不同角度下的反射率变化图。 如图所示， 当入射光的角度在 0 度到 40度之间变化时， 红、 绿、 蓝三色光的反射率极大值所对应的中心 波长几乎没有变化， 说明本发明的反射式彩色滤光片可以在一个比 较宽 泛的角度范围内实现反射滤波的功能。 而实现这一功能的原理， 正是依 靠金属层 230在介质光栅层 220上的未完全覆盖分布， 使得原本金属与 介质在光栅结构上引起的导模共振对角度的敏 感性降低， 从而克服了原 有的级联光栅结构的窄角缺点。

进一步地， 针对本实施方式中的绿色滤光片， 定义金属薄层 232 与 沟槽部 222的宽度比值 f2 , 即 f2表示金属层的覆盖率， 金属层 232在沟 槽部 222的覆盖率 f2从 0.1增加到 9， 其相应的反射光谱如图 4所示。 当 f2为 0.1 , 其反射光谱效率较低， 且次峰输出较大， 而 f2为 0.9时， 反射 光谱带宽过宽， 三原色光输出时， 会造成三色光谱之间的光谱覆盖区域 过大， 降低彩色滤光片的色纯度。

入射角从 0度变化到 40度时， 当 f2为 0.3时， 其反射光谱如图 5所 示， 当入射角大于 30度时， 输出光谱振荡严重， 影响输出光谱色纯度。 当 f2为 0.8时， 其透射光谱如图 6所示， 在较大的入射角下， 输出光谱 的振荡可以忽略。 因此覆盖率应选择 0.3<f2<0.8。 较佳地， 当该覆盖率 f2 为 0.7时， 其反射光谱具有较高的透过率和较好的单一性 。

针对该实施方式中的绿色滤光片， 当 230 的厚度 h2在 0.01-0.16μπι 之间变化的时候， 其相应透射光谱如图 7所示， 当厚度大于 0.04μπι时， 反射率相对较大， 且厚度的变化对反射率及中心光谱的位置影响 较小， 但其厚度的增加会引起反射光谱的带宽的增加 。

实施例二：

请参照图 8， 图 8是本发明的第二实施方式的反射式彩色滤光� �结构 示意图。 如图所示， 在该种实施方式中， 该反射式彩色滤光片 300 还包 括第二介质层 350， 设置于介质光栅层 320和金属层上 330， 并被第一介 质层 340覆盖。 该第二介质层 350的折射率小于第一介质层 340， 具有部 分过滤的作用， 体现在对反射率极大值所处的波段两边的分波 段的压制， 使得反射光具有更高的单一性。 以绿光波段为例， 表二给出了第二实施 方式中绿光滤光光栅的具体结构：

表二： 绿光光栅结构参数表格（单位： nm) :

h4: 260； h5: 40； h6:20； h7:20

P f λ

450 0.45 540 其中， h4 是介质光栅层 320 的厚度， h5 是金属层 330 的厚度， h6 第二介质层 350的厚度， h7是第一介质层 340的厚度， P是光栅结构单 个周期的宽度， f是该光栅结构的占空比， λ是入射光波的波长。

请参见图 9， 图 9是第二实施方式中绿色滤光片在不同角度下� �反射 率光谱图。 如图所示， 该种滤光光栅不仅能在一个比较宽泛的角度范 围 内， 对绿光进行反射式滤光， 并且与第一实施方式相比具有更好的单一 性， 减少了其他波段的光的干扰。

作为该种实施方式的几个可能的变形， 可以将第二介质层 350 替换 成由多层介质组成的多层结构介质层， 同时第一介质层可以是该多层结 构介质层中的一层。

综上所述， 本发明提供了一种反射式彩色滤光片， 该反射式彩色滤 光片采用介质光栅层、 金属层和高折射率层的级联结构， 使滤光片的表 面具有较高的平整度， 同时通过将覆盖在光栅沟槽部上的金属层开设 缺 口， 露出部分介质光栅层， 降低了共振输出的角度敏感性， 减少了光线 入射角度对共振条件的影响， 从而在一个比较宽泛的角度范围内都能实 现反射滤光作用。