色彩是视觉体验的一个重要成分,现今电子产品屏幕基本已由原始的黑白色变为彩色显示,彩色显示给予我们更好的视觉体验。目前大多数电子产品比如液晶显示器所呈现的色彩都是采用传统的染料着色剂吸收某特定波长光而呈现出某种色彩,这种基于染料吸收显色称为化学色,但是基于化学色的方法所制备的器件无法承受高温照射或紫外辐射,随着时间的推移色彩褪色严重,并且工艺上需要多步对准光刻技术,制备过程非常复杂。科学家们得益于自然界的生物现象,比如五彩缤纷的蝴蝶翅膀,揭开了一种机理与传统显色完全不同的方法,即物理色,也称之为结构色。结构色来自于自然光与微纳米结构的相互作用,通常呈现于干涉、衍射、散射等光学现象中。结构色可以克服传统的化学色的缺点,即可以实现一步工艺的简单制备,极大的缩小器件的尺寸,经久不褪色,绿色环保,同时也对多功能器件集成和新原理器件应用提供了新的思路。本论文主要研究微纳米结构中表面等离子体共振和导模共振两个纳米光学效应,并分析基于此两种机制的结构色特性,分别在图像传感器和比色传感器两个应用背景下具体研究了结构色器件的特点与性能,为发展下一代高分辨率图像传感器和高灵敏的便携式比色传感器提供新的思路。具体可分为以下几个部分:第一章对论文的背景进行一个概述。包括课题来源;表面等离子共振效应;导模共振效应;CIE三原色的介绍;论文的主要研究内容。第二章详细的研究了基于表面等离子体共振效应的彩色滤波器集成到CMOS图像传感器中代替传统的化学色滤波器,并定量计算其空间光学串扰的大小。提出将彩色滤波器集成到距离底部感光区500nm附近的位置可极大地降低空间光学串扰提高器件的成像质量。第三章主要是研究基于表面等离子体共振效应的彩色滤波器在比色折射率传感器中的应用研究。理论上可实现当周围媒质折射率改变0.01时色差改变4.17。且实验上通过无需光刻技术纳米球自组装的半导体工艺制备出纳米结构其得到475nm/RIU的灵敏度,在样品滴加无水乙醇后,样品表面由鲜绿色变为黄绿色,实现比色传感功能。第四章主要是研究基于导模共振效应的结构色滤波器及其在比色传感器中的应用。分别包括两种比色传感器的应用,一种是比色折射率传感器,重点研究了光谱分布与空间光场分布对比色灵敏度的影响,利用波导的多个波导模式实现高灵敏度的比色传感器,当周围媒质折射率改变0.01时色差改变3.33。另一种是比色偏振传感器的应用,利用非对称介质光栅的偏振特性及介质的无损特性,设计高色彩饱和度的RGB全色域的比色偏振传感器。实现了入射光0-90度偏振改变时色差改变62,偏振角平均改变5度范围内的色差平均值可达到3.1。第五章为论文的总结与展望。总结了本论文的主要研究内容,即结构色滤波器及其在图像传感器与比色传感器中的应用,并总结了本论文的三个创新点。对本论文工作存在的不足和后续工作的计划做了展望。目前的工作已经基本阐明了结构色在图像传感器与比色传感器中应用的可行性和有效性,下一步工作将进一步提高结构色滤波器的光学效率、角度灵敏性、光场局域等方面的特性,并发展更有效的纳米结构制备技术,推动其在图像传感器、比色生物传感器和比色偏振传感器中的应用。