反射型彩色滤光器以及彩色显示器装置

摘要

本发明涉及薄膜滤光器，并且能够用在液晶显示器(LCD)中以便增加其亮度并节省能耗。根据本发明，实质性地透射进入其中的选定光谱范围的光以及实质性地反射其他光谱范围的可见光的反射型彩色滤光器，包括总数为奇数个的交替非金属层和金属层，以及第一层和最后一层是非金属层，以及每个金属层被置于非金属层之间，每个非金属层具有不小于2.2的折射率以及不小于40纳米的厚度，以及每个金属层具有范围从10至40纳米的厚度。

说明书

发明背景

(a)发明领域

本发明涉及彩色滤光器，具体地涉及彩色透射反射滤光器，并且 本发明能够在用于光通信和信息处理的彩色显示器和装置中使用。

(b)背景技术

美国专利7,486,355中公开了一种公知的吸收型彩色滤光器，其 透射选定光谱范围的入射光而吸收其他光谱范围的光。在这种吸收型 彩色滤光器中，具体在应用于液晶显示器中的吸收型彩色滤光器中， 使用了光刻胶，并以染料或其颜料涂覆光刻胶。这种滤光器缺点是在 光吸收下的光能量损耗。

美国专利6,573,961中公知且公开了一种基于层胆固醇液晶设计 的彩色滤光器，其反射选定光谱范围的入射光而透射其他光谱范围的 光。同一个专利中还描述了液晶显示器中包含的这种滤光器。这种滤 光器和包含该滤光器的液晶显示器的缺点是其相对较大厚度(不小于 5微米)以及制造复杂性，相对较大厚度使之难以将滤光器置于液晶 显示器的面板之间而不改变工作电压值，因为面板之间的间隙是5-10 微米。

美国专利7,924,374中公知且公开了一种干涉型彩色滤光器，其 透射选定光谱范围的入射光而反射其他光谱范围的光，由高和低折射 率的交替层构成。同一个专利中还描述了液晶显示器中包含的这种滤 光器。但是，描述的滤光器仅在小工作角度下能够消除其中以及显示 器中的光能量吸收，根据我们的估算，该小工作角度不超过10度。 这是此滤光器的严重缺陷，所以将此滤光器应用于液晶显示器没有意 义。

美国专利7,811,725中公知且公开了一种法布里-珀罗型金属电 介质金属干涉滤光器，其透射选定光谱范围的入射光而反射其他光谱 范围的光，其中将电介质层置于两个反射金属层之间。这种滤光器被 置于在同一专利中也进行描述且具体应用于液晶显示器的基材上。此 滤光器的缺点是选定光谱范围的光透射低，根据我们的估算，不超过 70％，且工作角度小，根据我们的估算，不超过15度。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见光反射型彩色滤光器和包含该可 见光反射型彩色滤光器的显示器，其中由于在其他颜色的滤光器中使 用在光源中反复反射之后，选定光谱范围的进入可见光的实质性透射 以及其他(互补)光谱范围的进入可见光的实质性反射，实质性地所 存在的可见光能量损耗低。

本发明的另一个目的是构建具有宽工作角度且提供相对于法线 的入射角不小于50°且多种视角下的颜色恒定性。

本发明的再一个目的是构建厚度小至不大于5微米的可见光彩 色滤光器。

根据本发明，实质性地透射进入其中的选定光谱范围的光以及实 质性地反射其他光谱范围的可见光反射型彩色滤光器，包含总数为奇 数个的交替非金属层和金属层，以及第一层和最后一层是非金属层， 以及每个金属层被置于非金属层之间，每个非金属层具有不小于2.2 的折射率以及不小于40纳米的厚度，以及每个金属层具有范围从10 至40纳米的厚度。

附图简述

本发明通过附图来阐明，这些附图不完全涵盖且不限制本发明的 技术方案的整个权利要求范围，而仅是图示该彩色滤光器和包含该彩 色滤光器的彩色显示器的一些实施例。

图1示出可见光反射型彩色滤光器，其包含折射率不小于2.2且 厚度不小于40纳米的两个非金属层，以及厚度范围从10至40纳米 的一个金属层，以及所提及的金属层被置于所提及的非金属层之间。

图2示出在不同工作角度下根据图1的反射型彩色滤光器的透射 和反射光谱。

图3示出可见光反射型彩色滤光器，其包含折射率不小于2.2且 厚度不小于40纳米的三个非金属层，以及厚度范围从10至40纳米 的两个金属层，以及每个金属层位于所提及的非金属层之间。

图4示出在不同工作角度下根据图3的反射型彩色滤光器的透射 和反射光谱。

图5示出可见光反射型彩色滤光器，其包含总数为奇数个交替的 非金属层和金属层(多于三个)，以及第一层和最后一层是非金属层， 以及每个金属层唯一地位于非金属层之间。

图6示出附加地包含吸收型彩色滤光器的反射型彩色滤光器。

图7示出包含沉积在显示器面板上的两个可见光反射型彩色滤 光器的彩色显示器。

图8示出包含沉积在显示器面板上的多组三个可见光反射型彩 色滤光器的彩色显示器，以及将吸收型彩色滤光器附加地沉积在反射 型彩色滤光器上，以使“透射”颜色一致：例如，红色透射为红色、 绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。

图9示出包含沉积在显示器上面板内侧上的多组三个可见光反 射型彩色滤光器的彩色显示器。

图10示出包含沉积在显示器下面板内侧上的多组三个可见光反 射型彩色滤光器的彩色显示器；在反射型彩色滤光器上方，附加地沉 积吸收型彩色滤光器，以使其<<透射>>颜色一致：例如，红色透射 为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。

图11示出包含沉积在吸收型彩色滤光器上的多组三个可见光反 射型彩色滤光器的彩色显示器；吸收型彩色滤光器附加地沉积在显示 器上面板内侧上，以使两种类型的滤光器的<<透射>>颜色一致：例 如，红色透射为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色。

图12示出包含多组沉积在显示器下面板内侧上的三个可见光反 射型彩色滤光器和附加地沉积在显示器下面板内侧上的吸收型彩色 滤光器的彩色显示器，以使两种类型的滤光器的<<透射>>颜色一致： 例如，红色透射为红色、绿色透射为绿色以及蓝色透射为蓝色_。

具体实施方式

在图1中，示出可见光反射型彩色滤光器，其包含折射率不小于 2.2且厚度不小于40纳米的两个非金属层1，以及厚度范围从10至 40纳米的一个金属层2，以及金属层2位于所提及的非金属层1之间。

反射型彩色滤光器按如下工作。来自光源(图1中未示出光源) 的白光3进入滤光器，滤光器实质性地透射选定光谱范围的光4，例 如绿色的光，以及实质性地反射其他光谱范围的光5，如蓝色和红色 的光。

相应地，在光源中(或其他反射元件，图1中也未示出)反射多 次之后，光5至少部分地被其他反射型彩色滤光器(图1中未示出) 透射，实质性地透射蓝色和红色。

金属层不小于15纳米且非金属层折射率不小于2.3的彩色滤光 器版本是优选。

金属层不小于20纳米且非金属层折射率不小于2.5的彩色滤光 器版本更为优选。

图2中图示该彩色滤光器的宽工作角度，其中以多种工作角度示 出图1的反射型彩色滤光器的透射和反射光谱，所述滤光器正在透射 绿色并反射蓝色和红色。在图2中显而易见，在相对于反射型彩色滤 光器的法线成最大50°的角度下，透射和反射光谱实际中不因为改变 从空气进入的光束的入射角而改变。

可以将该反射型彩色滤光器沉积在任何透明材料制成的抛光基 材上，例如该抛光材料由玻璃或聚合物以多种公知的方式，例如热蒸 镀、电子束蒸镀等来制成。

金属层优选地由选自如下组成的集合中的材料制成：金Au、银 Ag、铝Al、铬Cr、铜Cu、钛Ti、镍Ni、锰Mn、钼Mo、铋Bi、锡 Sn、铑Rh、铂Pt、锑Sb以及所述物质的任何合金或固溶体。为了更 好地粘合到所提及的非金属层，所提及的金属层可以包含附加的从属 层，该附加的从属层总厚度不大于5纳米且由选自包含如下的组中的 材料制成：铬Cr、钛Ti、镍Ni、钒V、锆Zr、铪Hf、铌Nb、钼 Mo以及所述物质的任何混合物、合金或固溶体。

所提及的非金属层优选地由选自包含如下的组中的材料制成：二 氧化钛TiO₂、硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe、磷化镓GaP、氮化镓GaN、 五氧化二钽Ta₂O₅、五氧化二铌Nb₂O₅、钼酸铅PbMoO₄、氮化硅Si₃N₄、 硅Si、锗Ge、半导体A₃B₅型、半导体A₂B₆型以及所述物质的任何混 合物或固溶体。提及的这两个非金属层1可以由相同或不同的材料制 成，且这些层的厚度可以是相同或不同的厚度。

在图3中，示出可见光的反射型彩色滤光器，其包含三个非金属 层1和两个金属层2，在此，第一金属层位于第一和第二非金属层之 间，以及第二金属层位于第二和第三非金属层之间。反射型彩色滤光 器按如下工作。来自光源(图3中未示出光源)的白光3进入反射型 彩色滤光器，该反射型彩色滤光器实质性地透射选定光谱范围的光4 进其中，在该版本的反射型彩色滤光器中为绿色的光，以及实质性地 反射其他光谱范围的光5，在该版本中为蓝色和红色的光。相应地， 在光源中(或图3中也未示出的其他反射元件中)反射多次之后，光 5至少部分地被其他颜色的反射型彩色滤光器(图3中未示出)透射， 实质性地透射蓝色和红色。

图4中也图示该彩色滤光器的宽工作角度，其中以多种工作角度 示出图3的反射型彩色滤光器的透射和反射光谱。该反射型彩色滤光 器版本透射绿色并反射蓝色和红色。应用三个非金属层1和两个金属 层2，这样能够得到该反射型彩色滤光器的透射和反射光谱的更陡峭 的沿，以及反射型彩色滤光器透射光谱带之外的光的更大反射系数， 这样改善了滤光器的整体色彩特征。在图4中也显而易见，在相对于 反射型彩色滤光器的法线成最大50°的角度下，透射和反射光谱实际 中不因为改变从空气进入的光束的入射角而改变。

在图5中，示出可见光的反射型彩色滤光器，其包含总数为奇数 个交替的非金属层1和金属层2，在此，第一层和最后一层是非金属 层1，以及每个金属层2唯一地位于非金属层1之间。增加彩色滤光 器中层的数量改善了其色彩特征。

在图6中，示出附加地包含吸收型彩色滤光器6的反射型可见光 彩色滤光器，吸收型彩色滤光器6(在光3的方向上)位于反射型滤 光器之后。吸收型彩色滤光器6的作用是通过吸收互补色的残余光来 提高外发光的颜色纯度。

在图7中，示出一种彩色显示器，其包含其上设有控制电极(图 7上未示出电极)的一个透明面板7、由于对控制电极施加电压而改 变光学属性且沉积在面板7上的光电材料层8以及光源9。此版本的 显示器包含两个不同的可见光反射型彩色滤光器，例如蓝绿色10和 红色11，此处，这些颜色是基于<<透射>>给出的，以及滤光器的颜 色在透射和反射光谱上是不同的。

来自光源9的白光3落在蓝绿色反射型彩色滤光器10上，蓝绿 色反射型彩色滤光器10透射蓝和绿色光12，但是反射红色光13。在 多次反射到光源9中之后，反射的红色光13的至少一部分落在红色 反射型彩色滤光器11上并透射，形成红色光14。

相似地，来自光源9的白光3落在红色反射型彩色滤光器11上， 红色反射型彩色滤光器11透射红色光15，但是反射蓝和绿色光16。 在多次反射到光源9中之后，反射的蓝和绿色光16的至少一部分落 在蓝绿色反射型彩色滤光器10上并透射，形成蓝绿色光17。

所以，蓝绿色反射型彩色滤光器10不仅透射蓝绿色的光12，而 且透射是红色反射型彩色滤光器11反射的蓝绿色光16的至少一部分 的蓝绿色光17。因此，不存在蓝绿色光的吸收，相反，所有蓝绿色 光均从蓝绿色反射型彩色滤光器10透射出去。

相似地，红色反射型彩色滤光器11不仅透射红色的光15，而且 透射是蓝绿色反射型彩色滤光器10反射的红色光13的至少一部分的 红色光14。因此，不存在红色光的吸收，相反，所有红色光均从红 色反射型彩色滤光器11透射出去。

本发明的彩色显示器的特征在于包含可见光反射型彩色滤光器 10和11，其包含总数为奇数个的交替非金属层和金属层，以及第一 层和最后一层是非金属层，以及每个金属层被置于非金属层之间，每 个非金属层具有不小于2.2的折射率以及不小于40纳米的厚度，以 及每个金属层具有范围从10至40纳米的厚度。

所指定的这些特征提供了技术效果的实现，即：反射型彩色滤光 器中没有可见光能量的吸收以及显示器的工作角度宽。此效果通过最 优平衡非金属层的厚度、其折射率和金属层的厚度来实现。

因为光电材料层8(图7中未示出此层的像素)能够因为施加于 例如聚合物阵列中封装的控制电极液晶材料的电压而局部地改变其 光学属性(双折射率、光散射、相移、选光性及其他)，并且能够使 用多个其他。光电材料层8仅改变经滤光器10和11透射的光的强度， 但是不改变透射出每个滤光器的光的颜色。

在图8中，示出本发明的彩色显示器的另一种版本，其包含其上 设有控制电极(图8上未示出电极)的一个透明面板7、由于对控制 电极施加电压而改变光学属性且沉积在面板7上的光电材料层8以及 光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光 器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>> 给出的，即，所有三个反射型彩色滤光器在透射和反射光谱上是不同 的。图8所示的这种彩色显示器附加地包含三色(红色、绿色和蓝色) 吸收型彩色滤光器20的阵列，以使反射型彩色滤光器11、18、19位 于吸收型彩色滤光器20和光源9之间，并且每个吸收型彩色滤光器 的颜色与反射型彩色滤光器11、18、19的颜色吻合。吸收型彩色滤 光器20的阵列的作用是通过吸收互补色的残余光来提高(来自每个 子像素的)外发光的颜色纯度。

来自光源9的白光3落在绿色反射型彩色滤光器18上，绿色反 射型彩色滤光器18透射绿色光21，但是反射红色光13和蓝色光22。 在多次反射到光源9中之后，反射的红色光13的至少一部分落在红 色反射型彩色滤光器11上并透射，形成红色光14。在多次反射到光 源中之后，反射的蓝色光22的至少一部分落在蓝色反射型彩色滤光 器19上并透射，形成蓝色光23。

当来自光源9的白光3落在红色反射型彩色滤光器11以及落在 蓝色反射型彩色滤光器19上时，发生相似的透射和反射，红色反射 型彩色滤光器11透射红色光15但是反射蓝色和绿色光(图8中未示 出)，以及蓝色反射型彩色滤光器19透射蓝色光但是反射红色和绿色 光(图8中未示出)。

所以，不仅透射来自红色反射型彩色滤光器11的红色光15，而 且透射作为绿色反射型彩色滤光器18反射的红色光13的至少一部分 以及作为蓝色反射型彩色滤光器19反射的红色光(图8未示出)的 至少一部分的红色光14。

相似地，不仅透射来自绿色反射型彩色滤光器18的绿色光21， 而且透射作为红色反射型彩色滤光器11反射的绿色光的至少一部分 以及作为蓝色反射型彩色滤光器19反射的绿色光(图8未示出)的 至少一部分的绿色光。

相似地，不仅透射来自蓝色反射型彩色滤光器19的蓝色光24， 而且透射作为红色反射型彩色滤光器11反射的蓝色光的至少一部分 以及作为绿色反射型彩色滤光器18反射的蓝色光(图8未示出)的 至少一部分的蓝色光。

因此，不存在任何颜色光的吸收，相反，所有红色、绿色和蓝色 光均从反射型彩色滤光器11、18和19相应地透射出去。

在图9中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控制 电极(图9中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极施加 电压而改变光学属性且设在面板7之间的光电液晶材料层8以及光源 9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型彩色滤光器， 例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基于<<透射>> 给出的，即，所有三个滤光器在透射和反射光谱上是不同的。在面板 7之一的内侧上沉积指定的反射型彩色滤光器。

在图10中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控 制电极(图10中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极 施加电压而改变光学属性且设在指定的面板7之间的光电液晶材料 层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型 彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基 于<<透射>>给出的，即，所有三个彩色滤光器在透射和反射光谱上 是不同的，以及吸收型彩色滤光器20的阵列。指定的反射型彩色滤 光器11、18、19沉积在面板中更靠近光源的内侧，吸收型彩色滤光 器20的阵列沉积在反射型彩色滤光器11、18和19上，以使每个吸 收型彩色滤光器的颜色相应地与反射型彩色滤光器11、18、19的颜 色吻合。

在图11中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控 制电极(图11中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极 施加电压而改变光学属性且设在指定的面板7之间的光电液晶材料 层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型 彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基 于<<透射>>给出的，即，所有三个反射型彩色滤光器在透射和反射 光谱上是不同的，以及吸收型彩色滤光器20的阵列。指定阵列的吸 收型彩色滤光器20沉积在面板7中较远离光源9的内侧，而反射型 彩色滤光器11、18、19沉积在吸收型滤光器20的阵列上，以使每个 吸收型彩色滤光器的颜色相应地与反射型彩色滤光器11、18、19的 颜色吻合。

在图12中，示出彩色显示器的又一种版本，其包含其上设有控 制电极(图12中未示出电极)的两个透明面板7、由于对控制电极 施加电压而改变光学属性且设在指定的面板7之间的光电液晶材料 层8以及光源9。此版本的显示器包含多组三个不同的可见光反射型 彩色滤光器，例如红色11、绿色18和蓝色19，此处，这些颜色是基 于<<透射>>给出的，即，所有三个反射型彩色滤光器在透射和反射 光谱上是不同的，以及吸收型彩色滤光器20的阵列。指定阵列的吸 收型彩色滤光器20沉积在面板7中较远离光源9的内侧，而反射型 彩色滤光器11、18、19沉积在面板7中更靠近光源9的内侧，以使 每个吸收型彩色滤光器的颜色相应地与反射型彩色滤光器11、18、 19的颜色吻合。

本文描述的反射型彩色滤光器的叠加属性所确保的技术效果是： 工作角度宽且滤光器厚度小以及无光能量吸收。此效果通过最优平衡 非金属层的厚度、其折射率和金属层的厚度来实现。