一种红绿蓝三通道可重构的滤色片

1.本发明属于可见光显示与成像领域，更具体地，涉及一种红绿蓝三通道可重构的滤色片。


背景技术：

2.目前的摄像头模组中的全彩显示要通过一个像素内的红绿绿蓝四个像素块实现，其中，模组中的滤色片分别控制颜色到传感器上的光照强度，再进行不同比例的混合以达到全彩显示。然而这种滤光模式会大大降低显示的分辨率，这就迫切需要一种依靠单像素来实现全彩显示的方法，单像素滤色片不仅可以将分辨率提高三倍，还可以将尺寸缩小，减小在相机模组中所占体积。
3.因此，如何在一个像素内实现红绿蓝三原色的分时切换是亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种红绿蓝三通道可重构的滤色片，能够在一个像素内实现红绿蓝三原色的分时切换，有效提高显示的分辨率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，所述滤色片架构采用陷波移动架构或双波段开关架构，各架构中均包括级联的基于相变材料的两层滤光片，且各层滤光片被配置为在其相变材料不同的结晶状态对不同波长的光有相应不同的透过率，使得两层滤光片级联在一起后，通过四种状态的不同组合，实现可见光波段内红绿蓝三原色的切换；
6.其中，在陷波移动架构中，其中一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行黄色和品红色之间的切换，另一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行品红色和青色之间的切换；在双波段开关架构中，其中一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行黄色和蓝色之间的切换，另一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行红色和青色之间的切换。
7.在其中一个实施例中，当两层滤光片的相变材料同时处于非晶态时，两层滤光片级联在一起后透过红色波长的光；当其中一层滤光片的相变材料处于非晶态、另一层滤光片的相变材料处于晶态时，两层滤光片级联在一起后透过绿色波长的光；当两层滤光片的相变材料同时处于晶态时，两层滤光片级联在一起后透过通过蓝色的光。
8.在其中一个实施例中，蓝色光的波长为400～500nm，绿色光的波长为500～600nm，红色光的波长为600～700nm。
9.在其中一个实施例中，各层滤光片采用相变材料超表面结构或相变材料多层膜结构。
10.在其中一个实施例中，各层滤光片对不同波长光的透过率根据其相变材料晶化前后的介电常数变化进行选取，所述相变材料晶化前后的介电常数变化由所选取的相变材料性质决定。
11.在其中一个实施例中，所述相变材料采用可硫化锑或硒化锑，其厚度为50～300nm。
12.在其中一个实施例中，所述相变材料的晶化状态通过施加电压脉冲、激光加热或退火方式调控。
13.本发明提供的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，采用两层滤光片，通过调制各层滤光片通过的波长光，可实现在一个像素内实现红绿蓝三原色的分时切换，有效提高显示的分辨率，并提升空间利用率；另外，由于本发明是利用各层滤光片中相变材料的相变来进行红绿蓝三原色切换，由于相变材料发生相变的速度非常快，同时该相变变化非易失，在下一个刺激到来之前，会一直保持着当前的状态，在稳态的时候不消耗能量，可使得其具有响应速度快、功耗低的特点。
附图说明
14.图1是本发明提供的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构的架构图；
15.图2是本发明提供的陷波移动架构中两层滤光片的透过率示意图；
16.图3是本发明提供的双波段开关架构中两层滤光片的透过率示意图；
17.图4是本发明提供的两层滤光片级联后最终输出光谱；
18.图5是本发明提供的两层滤光片级联后最终色度图；
19.图6是本发明一具体实施例提供的陷波移动架构中各层滤光片采用超表面结构的结构示意图；
20.图7是本发明一具体实施例提供的相变材料介电常数与透过波长的关系图；
21.图8是本发明一具体实施例提供的当功能层的介电常数分别为9、12、16.5时超表面滤光片的透过率曲线；
22.图9是本发明一具体实施例提供的当这两层滤光片级联在一起后，r、g、b三状态的透过率曲线；
23.图10是本发明一具体实施例提供的的两层滤光片级联后最终色度图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.通过研究发现，相变材料在受到光电热等外加刺激的条件下会发生相变，且在相变过程中相变材料的物理性质也会发生相应的变化，具体表现为折射率和消光系数物理性质的改变。基于此，本发明提供了一种基于相变材料的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，通过利用相变材料的相变来进行红绿蓝三原色的切换，从而控制各色彩的透过强度以达到全彩显示。
26.图1是本发明一实施例提供的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构的结构示意图，如图1所示，该滤色片架构包括级联的基于相变材料的两层滤光片，即滤光片cf1和滤光片cf2，各层滤光片被配置为在其相变材料不同的结晶状态对不同波长的光有相应不同的透过率，使得两层滤光片级联后，通过四种状态的不同组合，可实现可见光波段内红绿蓝三原
色的切换。
27.在本实施例中，为实现可见光波段内红绿蓝三原色的切换，本实施例提供的滤色片架构可采用陷波移动架构或双波段开关架构。
28.其中，在陷波移动架构中，滤光片cf1被配置为在其相变材料晶化前后进行黄色和品红色之间的切换，滤光片cf2被配置为在其相变材料晶化前后进行品红色和青色之间的切换。根据本领域红绿蓝三原色光叠加的原理可知，在陷波移动架构中，如图2所示，滤光片cf1被配置为：当其相变材料处于非晶态时，对于绿色和红色波段的光高透过率，对于蓝色波段的光低透过率；当其相变材料处于晶态时，对于蓝色和红色波段的光高透过率，对于绿色波段的光低透过率；滤光片cf2被配置为：当其相变材料处于非晶态时，对于蓝色和红色波段的光是高透过率，对于绿色波段的光低透过率；当其相变材料处于晶态时，对于蓝色和绿色波段的光高透过率，对于红色波段的光低透过率。由此可见，在陷波移动架构中，两层滤光片在晶化前后可实现陷波的移动，向长波段移动了100nm。
29.本实施例提供的陷波移动架构实现可见光波段内红绿蓝三原色的切换的工作原理为：两层滤光片叠加在一起的透过率为两层滤光片的透过率相乘，也就是说，本实施例当滤光片cf1和滤光片cf2的相变材料同时处于非晶态时，可通过红色的光，为r状态；当滤光片cf1的相变材料处于非晶态，滤光片cf2的相变材料处于晶态时，可通过绿色的光，为g状态；当滤光片cf1和滤光片cf2的相变材料同时处于晶态时，可通过蓝色的光，为b状态。
30.在双波段开关架构中，滤光片cf1被配置为在其相变材料晶化前后进行黄色和蓝色之间的切换，滤光片cf2被配置为在其相变材料晶化前后进行红色和青色之间的切换。根据本领域红绿蓝三原色光叠加的原理可知，在双波段开关架构中，如图3所示，滤光片cf1被配置为：当其相变材料处于非晶态时，对于绿色和红色波段的光高透过率，对于蓝色波段的光低透过率；当其相变材料处于晶态时，对于蓝色波段的光高透过率，对于绿色和红色波段的光低透过率；滤光片cf2被配置为：当其相变材料处于非晶态时，对于红色波段的光高透过率，对于蓝色和绿色波段的光低透过率；当其相变材料处于晶态时，对于蓝色和绿色波段的光高透过率，对于红色波段的光低透过率。由此可见，滤光片cf1分别在400～500nm区间和500～700nm区间实现了开关；滤光片cf2分别在400～600nm区间和600～700nn区间实现了开关。
31.本实施例提供的双波段开关架构实现可见光波段内红绿蓝三原色的切换的工作原理为：两层滤光片叠加在一起的透过率为两层滤光片的透过率相乘，也就是说，本实施例当滤光片cf1和滤光片cf2的相变材料同时处于非晶态时，可通过红色的光，为r状态；当滤光片cf1的相变材料处于非晶态，滤光片cf2的相变材料处于晶态时，可通过绿色的光，为g状态；当滤光片cf1和滤光片cf2的相变材料同时处于晶态时，可通过蓝色的光，为b状态。
32.本实施例提供的两种架构最终功能是实现红绿蓝三原色的动态调谐，两层滤光片级联后三种状态的输出波形曲线如图4所示。其中，显示红色为r状态，可透过600～700nm的光；显示绿色为g状态，可透过500～600nm的光；显示蓝色为b状态，可透过400～500nm的光。具体rgb三状态在色度图中的位置如图5所示。
33.具体地，本实施例提供的两种架构所包含的各层滤光片可采用相变材料超表面结构或相变材料多层膜结构。经过研究发现：当相变材料超表面结构或相变材料多层膜结构的介电常数ε与其相对磁导率μ相等时，其向后散射为0，可用于制造抗反射涂层以及吸收涂
层。因此，本实施例提供的各层滤光片对不同波长光的透过率可根据其相变材料晶化前后的介电常数变化进行选取，该相变材料晶化前后的介电常数变化由所选取的相变材料性质(种类、厚度等)决定。
34.优选地，本实施例提供的相变材料可采用可见光波段内低损耗的材料，包括但不限于硫化锑或者硒化锑等采用硫化锑或者硒化锑等材料，该相变材料的厚度可设置为50～300nm。实现相变材料相变状态的调控方式可采用施加电压脉冲、激光加热或退火方式等方式。
35.以下结合具体实施例，对本实施例提供的两种架构中的各层滤光片结构内的相变材料选取进行详细说明：
36.本实施例提供了一个可以利用陷波移动架构实现红绿蓝三原色分时切换功能的超表面滤光片，该超表面的结构如图6所示，分为衬底和功能层两部分，功能层设置在衬底上方，功能层由大小不同的两对圆柱组成，四个圆柱呈矩阵排布，位于矩阵同一对角线上的两个圆柱半径相同，位于矩阵不同对角线上的圆柱半径不同。其中，功能层采用相变材料；衬底包括二氧化硅基片及设置在该基片上的氧化铟锡薄膜，氧化铟锡的作用是导电层，可在导电层施加电刺激使功能层上的相变材料发生相变。
37.因为相变材料在可见光波段的折射率会有波动，并且存在一定的消光系数，会对共振的分析产生较大影响，所以在仿真过程中，首先应用“自设材料”，假设材料的折射率保持恒定且消光系数为零。如图7所示，当相变材料的介电常数增加时，范围为100nm的低透区域发生了红移。根据透射曲线分析可知，若想实现陷波移动架构的功能需求，滤光片cf1表面功能层的介电常数(相变材料性质)需要从9切换到12，滤光片cf2表面功能层的介电常数需要从12切换到16.5，即滤光片cf1的功能层非晶态介电常数为9，结晶态介电常数为12，才能实现黄色和品红色之间的切换，滤光片cf2非晶态介电常数为12，结晶态介电常数为16.5，才能实现品红色和青色之间的切换。图8为当功能层的介电常数分别为9、12、16.5时超表面滤光片的透过率曲线。当这两层滤光片级联在一起后，r、g、b三状态的透过率曲线如图9所示，色度图如图10所示。
38.同理可知，在陷波移动架构中各层滤光片采用多层膜结构的结构参数设置，以及在双波段开关架构中各层滤光片采用超表面结构和多层膜结构的结构参数设置，本实施例不再赘述。
39.本实施例提供的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，采用两层滤光片，通过调制各层滤光片通过的波长光，可实现在一个像素内实现红绿蓝三原色的分时切换，有效提高显示的分辨率，并提升空间利用率；另外，由于本实施例是利用各层滤光片中相变材料的相变来进行红绿蓝三原色切换，由于相变材料发生相变的速度非常快，同时该相变变化非易失，在下一个刺激到来之前，会一直保持着当前的状态，在稳态的时候不消耗能量，可使得其具有响应速度快、功耗低的特点。
40.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，所述滤色片架构采用陷波移动架构或双波段开关架构，各架构中均包括级联的基于相变材料的两层滤光片，且各层滤光片被配置为在其相变材料不同的结晶状态对不同波长的光有相应不同的透过率，使得两层滤光片级联在一起后，通过四种状态的不同组合，实现可见光波段内红绿蓝三原色的切换；其中，在陷波移动架构中，其中一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行黄色和品红色之间的切换，另一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行品红色和青色之间的切换；在双波段开关架构中，其中一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行黄色和蓝色之间的切换，另一层滤光片被配置为在其相变材料晶化前后进行红色和青色之间的切换。2.根据权利要求1所述的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，当两层滤光片的相变材料同时处于非晶态时，两层滤光片级联在一起后透过红色波长的光；当其中一层滤光片的相变材料处于非晶态、另一层滤光片的相变材料处于晶态时，两层滤光片级联在一起后透过绿色波长的光；当两层滤光片的相变材料同时处于晶态时，两层滤光片级联在一起后透过通过蓝色的光。3.根据权利要求2所述的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，蓝色光的波长为400～500nm，绿色光的波长为500～600nm，红色光的波长为600～700nm。4.根据权利要求1所述的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，各层滤光片采用相变材料超表面结构或相变材料多层膜结构。5.根据权利要求1或4所述的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，各层滤光片对不同波长光的透过率根据其相变材料晶化前后的介电常数变化进行选取，所述相变材料晶化前后的介电常数变化由所选取的相变材料性质决定。6.根据权利要求1所述的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，所述相变材料采用可硫化锑或硒化锑，其厚度为50～300nm。7.根据权利要求1所述的红绿蓝三通道可重构的滤色片架构，其特征在于，所述相变材料的晶化状态通过施加电压脉冲、激光加热或退火方式调控。

技术总结
本发明公开了一种红绿蓝三通道可重构的滤色片，采用陷波移动架构或双波段开关架构，各架构中均包括级联的基于相变材料的两层滤光片，且各层滤光片被配置为在其相变材料不同的结晶状态对不同波长的光有相应不同的透过率，使得两层滤光片级联在一起后，通过四种状态的不同组合，实现可见光波段内红绿蓝三原色的切换；其中，陷波移动中架构的两层滤光片的调节功能分别是黄色和品红色之间进行切换、品红色和青色之间进行切换；双波段开关架构中的两层滤光片的调节功能分别是黄色和蓝色之间进行切换、红色和青色之间进行切换。本发明可在一个像素内实现红绿蓝三原色的分时切换，可有效提高显示的分辨率，同时具有响应速度快、功耗低的优点。功耗低的优点。功耗低的优点。


技术研发人员：何强 邓硕 崔梦茜 谢雨欣 缪向水
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/24