本發(fā)明涉及一種用于濾光的光學(xué)元件，尤其涉及一種具有光柵結(jié)構(gòu)的反射式彩色濾光片。

背景技術(shù)：
彩色濾光片(colorfilter;CF)可以分為反射式彩色濾光片、透射式彩色濾光片和半反半透式彩色濾光片三種，分別用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。其中反射式彩色濾光片可以使用在諸如電子紙、手機(jī)屏幕等需要借助前置光源或外部光源的電子產(chǎn)品上。與透射式彩色濾光片不同的是，反射式彩色濾光片除了考慮色彩的純度外，還需要考慮材質(zhì)的表面反射效率，因而對(duì)材料本身的平整度和光學(xué)性質(zhì)都有一定的要求。目前已有的反射式濾光片按濾光原理分為兩種，一種是染料型彩色濾光片，另一種是光柵型彩色濾光片。前一種彩色濾光片是通過光刻、印刷、沉積等方法，將R、G、B三種顏色的有機(jī)材料制作到透明基材上形成的。這種類型的彩色濾光片，需要在制作時(shí)，將三種不同的有機(jī)材料先后形成在基板上，因而會(huì)形成厚度不均、色彩純度差等缺點(diǎn)，且由于工藝步驟復(fù)雜，使得制作成本極高，尤其不利于在大尺寸的面板上運(yùn)用。第二種彩色濾光片，按其組成結(jié)構(gòu)又可分為單層金屬光柵結(jié)構(gòu)、多層介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)及介質(zhì)光柵和金屬光柵的級(jí)聯(lián)光柵結(jié)構(gòu)。其中，級(jí)聯(lián)光柵結(jié)構(gòu)的彩色濾光片既克服了介質(zhì)光柵反射效率低下的缺陷，又減少了金屬光柵的色度干擾，因而成為光柵式彩色濾光片的一個(gè)熱門研究方向。圖1所示就是一種現(xiàn)有的級(jí)聯(lián)光柵的彩色濾光片。如圖所示，在該種彩色濾光片100中，基底110上設(shè)置了介質(zhì)光柵層120和金屬光柵層130，其中該金屬光柵層130覆蓋在該介質(zhì)光柵層120的脊部121和溝槽部122上。當(dāng)入射光頻率與該級(jí)聯(lián)光柵形成導(dǎo)模共振時(shí)，該入射光就被反射出去，而其他頻率的光則被反射，由此達(dá)到濾光的作用。但是在這種光柵結(jié)構(gòu)的彩色濾光片中，由于導(dǎo)模共振條件強(qiáng)依賴于入射光的入射角度，即當(dāng)入射光的入射角度改變時(shí)，導(dǎo)模共振條件也將改變，使得反射光譜將向兩邊移動(dòng)甚至消失，因而極大地限制了該彩色濾光片在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種反射式光柵結(jié)構(gòu)的彩色濾光片，該彩色濾光片通過結(jié)構(gòu)的改變，應(yīng)能減少光線入射角度對(duì)共振條件的影響，以在一個(gè)比較寬的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)濾波的功能；同時(shí)保持較高的表面平整度，以提高光線的反射效率。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種反射式彩色濾光片，包括介質(zhì)光柵層、金屬層以及第一介質(zhì)層，其中所述金屬層設(shè)置于所述介質(zhì)光柵層的脊部、至少一個(gè)側(cè)部和部分溝槽部之上，所述第一介質(zhì)層設(shè)置于所述介質(zhì)光柵層和所述金屬層上，并反射外部光線。進(jìn)一步的技術(shù)方案，還包括第二介質(zhì)層，設(shè)置于所述介質(zhì)光柵層和所述金屬層上，并被所述第一介質(zhì)層覆蓋，所述第二介質(zhì)層的折射率小于第一介質(zhì)層的折射率。另一種技術(shù)方案是，具有一多層結(jié)構(gòu)介質(zhì)層，所述多層結(jié)構(gòu)介質(zhì)層設(shè)置于所述介質(zhì)光柵層和所述金屬層上，其中所述第一介質(zhì)層為該多層結(jié)構(gòu)介質(zhì)層中的一層。上述三種反射式濾光片中，所述第一介質(zhì)層的折射率大于1.65。上述技術(shù)方案中，所述部分溝槽部上的金屬層與該溝槽兩邊的側(cè)部中的至少一個(gè)留有間隔。上述技術(shù)方案中，所述金屬層設(shè)置于該介質(zhì)光柵層的脊部、單側(cè)部和部分溝槽部，其中，該部分溝槽部上的金屬層與該單側(cè)部上的金屬層相連，并與相對(duì)該設(shè)有金屬層的單側(cè)部的另一單側(cè)部留有間隔。上述技術(shù)方案中，所述溝槽部上的金屬層覆蓋的面積為整個(gè)溝槽部面積的30%至80%。更優(yōu)選的技術(shù)方案，所述溝槽部上的金屬層覆蓋的面積為整個(gè)溝槽部面積的70%。上述技術(shù)方案中，所述金屬層的材料為鋁、銀、銅中的一種。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明中，因金屬層未完全覆蓋介質(zhì)光柵層，因而使得該級(jí)聯(lián)光柵的導(dǎo)模共振條件被破壞，從而降低了入射光角度對(duì)共振條件的影響，另一方面，由于反射波長(zhǎng)只依賴介質(zhì)光柵層的周期和占空比，因而可以使整個(gè)彩色濾光片具有統(tǒng)一的厚度，提高了表面的平整度。附圖說明圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種級(jí)聯(lián)光柵的彩色濾光片結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的反射式彩色濾光片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3A至3C為第一實(shí)施方式中紅、綠、藍(lán)三色光在不同角度下的反射率變化圖；圖4是第一實(shí)施方式中綠色濾光片隨金屬覆蓋率變化時(shí)的反射光譜圖；圖5是第一實(shí)施方式中綠色濾光片的金屬覆蓋率為0.3時(shí)，在不同角度下的反射光譜圖；圖6是第一實(shí)施方式中綠色濾光片的金屬覆蓋率為0.8時(shí)，在不同角度下的反射光譜圖；圖7是第一實(shí)施方式中綠色濾光片在不同金屬層厚度下的反射光譜圖；圖8是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的反射式彩色濾光片結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是第二實(shí)施方式中綠色濾光片在不同角度下的反射率光譜圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：實(shí)施例一：請(qǐng)參見圖2，圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的反射式彩色濾光片結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該反射式彩色濾光片200包括基底210，介質(zhì)光柵層220、金屬層230和第一介質(zhì)層240。其中，基底210的材質(zhì)可以與介質(zhì)光柵層220相同，以方便介質(zhì)光柵層220的制作。該介質(zhì)光柵層220具有周期性排列的光柵結(jié)構(gòu)，包括脊部221、溝槽部222和側(cè)部223。金屬層230的材料為鋁、銀、銅中的一種，該金屬層230分為三段：金屬層231設(shè)置在該光柵結(jié)構(gòu)的脊部221上、金屬層233設(shè)置在該光柵結(jié)構(gòu)的側(cè)部223上，金屬層232設(shè)置在該光柵結(jié)構(gòu)的溝槽部222上。其中金屬層232只占據(jù)了部分溝槽部222，未完全覆蓋溝槽部222。第一介質(zhì)層240覆蓋在金屬層230以及因該金屬層230未完全覆蓋而暴露在外的部分介質(zhì)光柵層220上，其折射率大于1.65。外部光線入射到第一介質(zhì)層240表面后反射，由于受介質(zhì)光柵層220、金屬層230以及第一介質(zhì)層240的共同作用，入射光線中符合與介質(zhì)光柵層220中的光柵結(jié)構(gòu)的周期和占空比形成共振條件的波段將被反射，從而實(shí)現(xiàn)反射濾波的效果。以最常見的紅光濾光片、綠光濾光片和藍(lán)光濾光片為例，表一給出了這三種顏色的濾光片下的光柵結(jié)構(gòu)：表一：紅綠藍(lán)三色光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)表格(單位：nm)：其中，h1是介質(zhì)光柵層220的厚度，h2是金屬層230的厚度，h3是第一介質(zhì)層240的厚度，P是介質(zhì)光柵單個(gè)周期的寬度，f是該光柵結(jié)構(gòu)的占空比，λ是入射光波的波長(zhǎng)。由上表可以看出，本發(fā)明的反射式彩色濾光片，對(duì)于各種顏色的濾光效果起決定作用的因數(shù)為光柵結(jié)構(gòu)的周期P和占空比f，即橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)。在制成諸如顯示器件上的大尺寸多色彩復(fù)合濾光片時(shí)，只需控制光柵的橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)，在相應(yīng)的像素上制作相應(yīng)結(jié)構(gòu)的光柵結(jié)構(gòu)，而在厚度方向上的尺寸均一致。從而使得彩色濾光片的表面具有統(tǒng)一的高度，大大提高了表面光潔度。在一種實(shí)際應(yīng)用中，金屬層230設(shè)置在介質(zhì)光柵層320的脊部221、單側(cè)部223和部分溝槽部222，其中，該部分溝槽部222上的金屬層232與該單側(cè)部223上的金屬層233相連，并與相對(duì)該設(shè)有金屬層的單側(cè)部223的另一單側(cè)部留有間隔d1。該種結(jié)構(gòu)的金屬層230可以通過斜向?yàn)R射一次成型于介質(zhì)光柵220上，利于制作。也可以通過掩模光刻等比較復(fù)雜的工藝方法，先在介質(zhì)光柵220上鍍上一層金屬，然后利用掩模的表面圖形光刻出該間隔d1。應(yīng)該注意的是，金屬層230也可以以其它結(jié)構(gòu)分布在介質(zhì)光柵層220上，比如可以在兩個(gè)單側(cè)部223上都形成金屬層，也可以只形成在任意一個(gè)側(cè)部上。溝槽部222上的金屬層232可以與相夾的兩個(gè)側(cè)部都留有間隔，也可以與其中任意一個(gè)留有間隔，只要保證在溝槽部222上留有空隙，使一部分低折射率介質(zhì)暴露出來即可。也就是說，該溝槽部222上的金屬層232的具體位置對(duì)本發(fā)明的發(fā)射濾光效果影響不大，而在下文中，通過討論可以發(fā)現(xiàn)金屬層232在溝槽部222上的覆蓋率（將溝槽部上的金屬層覆蓋的面積占整個(gè)溝槽部面積的比定義為覆蓋率）將會(huì)影響本發(fā)明的發(fā)射濾光效果。請(qǐng)先參見圖3A至圖3C，圖3A至3C為第一實(shí)施方式中，紅、綠、藍(lán)三色光在不同角度下的反射率變化圖。如圖所示，當(dāng)入射光的角度在0度到40度之間變化時(shí)，紅、綠、藍(lán)三色光的反射率極大值所對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)幾乎沒有變化，說明本發(fā)明的反射式彩色濾光片可以在一個(gè)比較寬泛的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)反射濾波的功能。而實(shí)現(xiàn)這一功能的原理，正是依靠金屬層230在介質(zhì)光柵層220上的未完全覆蓋分布，使得原本金屬與介質(zhì)在光柵結(jié)構(gòu)上引起的導(dǎo)模共振對(duì)角度的敏感性降低，從而克服了原有的級(jí)聯(lián)光柵結(jié)構(gòu)的窄角缺點(diǎn)。進(jìn)一步地，針對(duì)本實(shí)施方式中的綠色濾光片，定義金屬薄層232與溝槽部222的寬度比值f2，即f2表示金屬層的覆蓋率，金屬層232在溝槽部222的覆蓋率f2從0.1增加到9，其相應(yīng)的反射光譜如圖4所示。當(dāng)f2為0.1，其反射光譜效率較低，且次峰輸出較大，而f2為0.9時(shí)，反射光譜帶寬過寬，三原色光輸出時(shí)，會(huì)造成三色光譜之間的光譜覆蓋區(qū)域過大，降低彩色濾光片的色純度。入射角從0度變化到40度時(shí)，當(dāng)f2為0.3時(shí)，其反射光譜如圖5所示，當(dāng)入射角大于30度時(shí)，輸出光譜振蕩嚴(yán)重，影響輸出光譜色純度。當(dāng)f2為0.8時(shí)，其透射光譜如圖6所示，在較大的入射角下，輸出光譜的振蕩可以忽略。因此覆蓋率應(yīng)選擇0.3<f2<0.8。較佳地，當(dāng)該覆蓋率f2為0.7時(shí)，其反射光譜具有較高的透過率和較好的單一性。針對(duì)該實(shí)施方式中的綠色濾光片，當(dāng)230的厚度h2在0.01-0.16μm之間變化的時(shí)候，其相應(yīng)透射光譜如圖7所示，當(dāng)厚度大于0.04μm時(shí)，反射率相對(duì)較大，且厚度的變化對(duì)反射率及中心光譜的位置影響較小，但其厚度的增加會(huì)引起反射光譜的帶寬的增加。實(shí)施例二：請(qǐng)參照?qǐng)D8，圖8是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的反射式彩色濾光片結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，在該種實(shí)施方式中，該反射式彩色濾光片300還包括第二介質(zhì)層350，設(shè)置于介質(zhì)光柵層320和金屬層上330，并被第一介質(zhì)層340覆蓋。該第二介質(zhì)層350的折射率小于第一介質(zhì)層340，具有部分過濾的作用，體現(xiàn)在對(duì)反射率極大值所處的波段兩邊的分波段的壓制，使得反射光具有更高的單一性。以綠光波段為例，表二給出了第二實(shí)施方式中綠光濾光光柵的具體結(jié)構(gòu)：表二：綠光光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)表格(單位：nm)：其中，h4是介質(zhì)光柵層320的厚度，h5是金屬層330的厚度，h6第二介質(zhì)層350的厚度，h7是第一介質(zhì)層340的厚度，P是光柵結(jié)構(gòu)單個(gè)周期的寬度，f是該光柵結(jié)構(gòu)的占空比，λ是入射光波的波長(zhǎng)。請(qǐng)參見圖9，圖9是第二實(shí)施方式中綠色濾光片在不同角度下的反射率光譜圖。如圖所示，該種濾光光柵不僅能在一個(gè)比較寬泛的角度范圍內(nèi)，對(duì)綠光進(jìn)行反射式濾光，并且與第一實(shí)施方式相比具有更好的單一性，減少了其他波段的光的干擾。作為該種實(shí)施方式的幾個(gè)可能的變形，可以將第二介質(zhì)層350替換成由多層介質(zhì)組成的多層結(jié)構(gòu)介質(zhì)層，同時(shí)第一介質(zhì)層可以是該多層結(jié)構(gòu)介質(zhì)層中的一層。綜上所述，本發(fā)明提供了一種反射式彩色濾光片，該反射式彩色濾光片采用介質(zhì)光柵層、金屬層和高折射率層的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，使濾光片的表面具有較高的平整度，同時(shí)通過將覆蓋在光柵溝槽部上的金屬層開設(shè)缺口，露出部分介質(zhì)光柵層，降低了共振輸出的角度敏感性，減少了光線入射角度對(duì)共振條件的影響，從而在一個(gè)比較寬泛的角度范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)反射濾光作用。