《宽入射角彩色滤光器》读书报告

读书报告基于多层膜的宽入射角彩色滤光器的结构设计与特性分析针对我毕业设计的方向，我主要读了以下几篇论文：[1]余鹏.光学薄膜反射型彩色滤光片研究[D].浙江大学,2012[2]邵仁锦.基于纳米结构的宽角度滤光器件及应用研究[D].苏州大学，2013[3]:Mao,K.etal.AngleInsensitiveColorFiltersinTransmissionCoveringtheVisibleRegion.Sci.Rep.6,19289;doi:10.1038/srep19289(2016).[4]Eunt-HyoungCho,Hae-SungKim,Byoung-HoCheongetal..Two-dimensionalphotoniccrystalcolorfilterdevelopment[J].Opt.Express,2009,17(10):8621~8629[5]丁秋兰，周云，叶燕，陈林森.基于金属-介质-金属结构的反射式彩色滤光片特性研究[J].应用光学，2012，33（4）：693~697[6]HAOJia-ming,WANGjing,LIUXian-liang,etal.Highperformanceopticalabsorberbasedonaplasmonicmetematerial[J].AppliedPhysicsLetters,2010,96(25):251104-1-3[7]潘永强,施洋,杭凌侠.太阳能模拟器滤光片的研制[J].真空科学与技术学报,2010(30),5:470一473[8]钱时恒,吕淑珍,张连娣.1.06μm高功率激光反射膜[J].激光与红外,1991(22),1:63一66[9]段微波,刘定权,张凤山一种用于多通道成像系统的宽光谱红外分色片[J].红外与毫米波学报,2008(27),5:397一400[10]Y.T.Yoon,S.S.Lee.Transmissiontypecolorfilterincorporatingasilverfilmbasedetalon[J].Opti.Express,2010,18(5):5344-5349[11]洪亮.基于微纳结构的入射角不敏感颜色滤光片的研究[D].浙江大学,2013滤光片的概念及分类滤光片是用以改变入射光的光谱强度分布或偏振特性的光学元件[1]。它在光电显示、摄影照相、光谱分析、激光系统等领域都起到了举足轻重的作用。滤光片主要以三种方式进行分类：工作波段、滤波功能、工作原理。按照工作原理，滤光片可分为红外滤光片、可见滤光片和紫外滤光片。按照滤波功能，可分为带通滤光片、截止滤光片、分束镜、偏振分束镜等[1]。带通滤波片是从复合光中分离出某一波段单色光的滤光片，通常用于光谱仪器消除光栅光谱级的重叠。截止滤光片是指能从复合光中滤掉全部长波或短波而仅保留所需波段范围的滤光片，分成长波截止滤光片和短波截止滤光片两种。在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，这时一束光投射到镀膜玻璃上后，通过反射和折射，光束就被分为两束或更多束，这种镀膜玻璃就叫做分束镜，透射和反射比为50/50的中性分束镜最为常用。而偏振分束镜则是指将非偏振的入射光分解成偏振态不同的反射光和透射光。按照工作原理，滤光片可分为吸收滤光片和干涉滤光片。前者利用材料对光的吸收作用，典型应用是TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）。而后者则利用多光束干涉原理，典型应用是法布里-珀罗干涉滤光片。干涉型滤光片按照结构和分为金属-介质薄膜滤光片和全介质滤光片。表征滤光片的光学参数主要包括了入射角度、中心波长、半高全宽、平均投射/反射率等。彩色滤光片的典型运用及工作原理彩色滤光片(ColorFilter,CF)是一种能够呈现颜色的滤光器件，通常选择投射型或反射入射光谱来呈现不同的颜色，在电子工业中的TFT-LCD上广泛应用[1]。如图1所示，TFT-LCD主要由背光源、下偏振片、TFT阵列、液晶层、彩色滤光片、上偏振片等组成。背光系统发射的白色光源形成灰阶显示后通过滤光片的红、绿、蓝三基色彩色膜提供色相，从而实现彩色显示。图1.TFT-LCD面板结构示意图TFT-LCD彩色滤光片由玻璃基板、黑色矩阵、RGB彩色层、保护层及ITO透明导电膜等部件组成，如图2所示。RGB彩色层是彩色滤光片的核心部件，它由阵列化的颜色像素组成，每个像素由R、G、B三原色子像素构成。RGB子像素的排布方式主要有条纹形、马赛克形和三角形等形式。入射白光源经过阵列化颜色像素后，形成不同的子像素颜色，依据加法混色原理构成复杂的彩色图像。图2.TFT-LCD彩色滤光片结构示意图TFT-LCD彩色滤光片的滤光通过颜料对光的吸收原理来进行，其透过率大约只有27%，加上偏振片等其他部件的损耗，系统的光能利用率只有低于6%左右。此外，TFT-LCD的亮度、分辨率、视角宽度等性能品质也起着关键的作用。自从提出利用彩色滤光片来实现LCD全彩色显示以来，各类彩色滤光片制造方法相继被提出。其发展过程中出现过的方法有颜料分散法、染色法、干膜转写法电镀法、、印刷法、激光打印法、电镀发等。形成RGB彩色层所采用的材料和制备工艺决定了它滤光性能、那热、耐光、平整度和耐化学腐蚀性等性能。而无论采取哪种方法，彩色滤光器都有其如下的性能：（1）高透过率和高色纯度透过率决定了颜色亮度，即透过率越高显示的颜色越明亮。色纯度即色饱和度，光波波段越窄，纯度越高，则会使颜色越鲜艳；反之则暗淡。（2）良好的平整度和耐热、耐光性TFT-LCD彩色滤光片必须具有良好的平整度，要求其起伏必须小于0.1μm。液晶显示器厚道工序中有250℃，这边要求了其具有很好的耐热性，不能因为受热而变色甚至变形。彩色滤光片受背光源长时间的照射，这也要求了它必须具有耐光性。（3）高对比度高对比度指在标准的照明条件下，显示图像的亮度的最大值与最小值的比值。比值越大意味着颜色越丰富。对比度对视觉效果的影响非常大，对比度高则图像清晰鲜艳。反之换面模糊不清。彩色滤光器包括有机染料的化学滤波器、薄膜型的光学滤波器器和具有特定结构的纳米滤波器，所以除了被广泛应用于液晶显示器，还在光栅阵列和在成像传感器、装饰器件和太阳能电池等众多应用中起重要作用[3]。目前，吸收滤光片和光学薄膜滤光片已被运用于实际生产中，而利用光栅和光子晶体设计的彩色滤光片则处于试验阶段[4]。基于金属-介质-金属薄膜结构的彩色滤光器近几年，微纳米技术的不断发展，彩色滤光片的设计制造成为了光学领域的热门方向。而现有的微纳米结构大多对角度很敏感，即仅在特定的某一入射角才能进行滤光，这对很多领域造成了限制[5]。这时，金属-介质-金属结构在红外波段[6]、太赫兹波段的宽角度吸收特性引起了人们的关注。光学薄膜滤光片通过其独特的多膜结构对在其中传播的光的振幅或相位进行调制，可运用于光谱修正[7]、激光系统[8]、光谱仪器[9]等领域。光学薄膜彩色滤光片具有以下的优点：性能稳定，不易褪色；制备工艺简单；反射或投射率高；材料环保，对环境污染小。薄膜型滤光片通常被分为透射型和反射型两种。目前而言，前者运用的更为普遍。如图3所示，2010年Y.T.Yoon等[10]设计了以石英玻璃为基底的基于金属银薄膜Fabry-Perot标准具结构的透射型彩色滤光片。二氧化硅薄膜处于两金属银薄膜之间，起到共振腔的作用。通过实验获得红、绿、蓝彩色滤光片的透射率皆大于60%，其带宽分别为130nm、115nm、110nm。图3.基于Fabry-Perot标准具结构的透射型彩色滤光片及其透射光谱当然，随着市场的需求以及技术的不断发展，反射型滤光片也越来越引起了研究人员的注意。与透射型滤光片相比，这种滤光片在一些场合下更有利于系统的摆放和集成。在2012年，余鹏等人提出的光学薄膜反射型彩色滤光片[1]就是根据该滤光片薄膜干涉理论设计，利用介质膜层S诱导高反射率的金属层M1,使其在中心获得最大反射率；利用吸收率高的金属膜M2来实现反射波段以外的截止，由此实现了宽反射带，高色彩饱和度的红绿蓝反射滤光器，如图4所示。图4.金属-介质薄膜诱导反射型彩色滤光片结构图金属-介质-金属薄膜反射型滤光片的诱导反射原理如上图4所示，该反射型彩色滤光片的膜系为Air/M2/S/M1/Sub，即自然光从空气入射透过极薄的M2层，然后又透过有一定厚度的S层后，在M1层表面反射，成为某一特定颜色的反射光后原路返回。介质层S作为匹配层，其作用是将特定波长的反射率诱导到最大。而此特定颜色的反射光是通过改变S层的厚度来实现。分析此光学系统的光学特性，可从薄膜干涉理论来出发。首先，我们规定金属膜M1的光学常数是n'一ik'（Ml的厚度不能太薄）。S层的光学常数设为n1,物理厚度为D。金属膜M2的光学常数设为n一ik,其物理厚度为d。基板的光学常数是ns,入射介质空气的折射率为no。M2金属薄膜厚度极薄,需要其消光系数k与折射率n接近,使n与k的乘积较大，才可获得很高的吸收率。因此假定kn，0d（λ0为反射中心波长），金属薄膜M2的位相厚度为dikn)(2，M2的特征矩阵为：cossin)()/(sincosikniikniM（1）因为0d，所以0，对于式（1）中的cosδ、sinδ进行泰勒展开，只取第一项且忽略高次项，同时考虑nk，M2的特性矩阵就可化为：1/4/21nkddiM（2）将Sub/M1/S的等效导纳假设为iYXZ，则膜系Sub/S/M2的组合导纳为：/2/21/4dXidYiYXnkd(3)那么当入射介质为空气时，Air/M2/S/M1/Sub的反射率可表示为：200020200*0000)2()42()2()42(YdXnknddYnXnYdXnknddYnXnnnnnR（4）由（4）式可以得到，如果能够使滤光片膜系Sub/M1/S在中心波长的等效导纳iYXZ的实部X,虚部Y,就可以得出1R,即实现了中心波长处的高反射，而此时的导纳Z就是最大反射匹配导纳。如图5所示，在滤光片膜系Sub/M1/S中，可以将介质层S视为两层：与反射金属膜M1紧挨着的S1层，与吸收金属膜M2紧挨着的S2层。图5.介质层S视为S1、S2两层的组合首先，以适当厚度的S1层将M1金属层的导纳诱导至0,再使S2层的光学厚度等于1/4λ0的奇数倍，从而将Sub/M1/S等效导纳的实部和虚部都诱导至无穷大,这样就达到了最大反射匹配导纳。设介质层S中,S1层的厚度为D1,其相位厚度为11012Dn；S2层的厚度为D2,1024/)12(nmD（m为整数），M1金属膜厚度较大，可作基板处理，且对于高反射金属通常可近似认为其导纳实部0'n，根据S1和M1的特征矩阵，可得出Sub/M1/S1的导纳为：11''111tan/1tannkkni（5）要实现01，就要求S1层的厚度)arctan(21'101nknD。因此，确定膜系中S层的厚度为：101'104/)12()arctan(2nmnknD（6）上式中m是干涉级次。由式（6）可看出,在同一级次m中,S层的厚度D与λ0呈线性关系，这一特性对于所设计的滤光片具有很重要的意义,因为正是依赖于参数D的不同反射光才呈现出不同色差。彩色滤光片的入射角不敏感特性在近几十年，虽然彩色滤光片得到了很大的发展，但是还有一个问题至今没有得到很好的解决，即这些滤光片的反射带位置会随着入射角的变化而产生变化，从而使得在不同观察觉或不同入射角上所见的颜色产生偏差，这严重影响了显示器的显示效果。因此，寻求对入射角不敏感的一种彩色滤光片成为了各位科学工作者的研究方向。在此研究领域已被报道的入射角不敏感的彩色滤光片的实现途径大致包括基于二位亚波长光栅结构、仿生、基于纳米硬球紧密堆积的结构等[11]。而2013年邵仁锦的基于纳米结构的宽角度