JP6598184B2 - COLOR FILTER, AND LIGHT EMITTING DEVICE AND DISPLAY DEVICE USING THE SAME - Google Patents

COLOR FILTER, AND LIGHT EMITTING DEVICE AND DISPLAY DEVICE USING THE SAME Download PDF

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本発明は、カラーフィルタと、これを使用する発光装置および表示装置に関するものであり、特に、表面プラズモンの励起により光を透過させるとともに、その透過波長を調整可能にしたカラーフィルタと、これを使用する発光装置および表示装置に関するものである。   The present invention relates to a color filter, and a light emitting device and a display device using the color filter, and in particular, a color filter which transmits light by excitation of surface plasmons and whose transmission wavelength is adjustable, and uses the same. The present invention relates to a light emitting device and a display device.

液晶パネルに代表される表示素子で使用されるカラーフィルタは、カラーレジストなどを用いて、光吸収によりRBGの各色に対応させるように形成されている。近年では、情報通信技術の発展に伴って、情報端末の小型化またはモバイル化が進み、表示素子の微細化、高輝度化および低消費電力化などの重要性が高まってきている。液晶パネルの場合には、光の透過率が10%程度であり、十分な輝度を実現するために高輝度の光源が使用されるが、低消費電力化に逆行するものとなっていた。また、カラーフィルタにおける各色に対応させるカラーレジストは、同一の材料で形成することができず、当然に作製工程が多くなり、また、画素の小型化が困難なものとなっていた。   A color filter used in a display element typified by a liquid crystal panel is formed using a color resist or the like so as to correspond to each color of RBG by light absorption. In recent years, with the development of information communication technology, information terminals have become smaller or mobile, and the importance of miniaturizing display elements, increasing brightness, and reducing power consumption has increased. In the case of a liquid crystal panel, the light transmittance is about 10%, and a high-luminance light source is used in order to realize sufficient luminance, but it goes against low power consumption. In addition, the color resist corresponding to each color in the color filter cannot be formed of the same material, naturally, the number of manufacturing steps is increased, and it is difficult to reduce the size of the pixel.

そこで、上述のカラーレジストを用いずに特定の波長の光を透過させることができる技術として、金属薄膜にナノ周期構造を形成し、表面プラズモン励起による光の異常透過を利用したカラーフィルタが注目されている。非特許文献1には、アルミニウム薄膜にナノホールを特定の周期で形成したホールアレイによる光透過特性について開示されており、ホールアレイの周期を変化させることにより、当該周期に対応した透過帯の中心波長がシフトすることが報告されている。   Therefore, as a technology that can transmit light of a specific wavelength without using the above-described color resist, a color filter using a nano-periodic structure in a metal thin film and utilizing abnormal transmission of light by surface plasmon excitation has attracted attention. ing. Non-Patent Document 1 discloses the light transmission characteristics of a hole array in which nanoholes are formed in an aluminum thin film at a specific period. By changing the period of the hole array, the center wavelength of the transmission band corresponding to the period is disclosed. Have been reported to shift.

他方、本願発明者らは、ブラックマトリックスおよび三原色(RBG)を少ない素子によって実現すべく、梁体の間隙を可変にしたサブ波長格子を開発した(特許文献1参照)。このサブ波長格子は、格子の一単位当たりに、少なくとも一つの所定の間隙を構成する二対の梁体を備え、アクチュエータによって上記間隙を変更させて、特定波長の光を透過させる構成であった。   On the other hand, the inventors of the present application have developed a sub-wavelength grating in which the gap between the beam bodies is variable in order to realize a black matrix and three primary colors (RBG) with a small number of elements (see Patent Document 1). The sub-wavelength grating has two pairs of beams constituting at least one predetermined gap per unit of the grating, and the gap is changed by an actuator to transmit light of a specific wavelength. .

また、特許文献2および非特許文献2には、上述の両技術を組み合わせた構成であって、金属梁によるサブ波長格子の間隙をアクチュエータによって変更し、表面プラズモン励起による透過波長を変化させる技術が開示されている。   Further, Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 have a configuration in which both of the above-described technologies are combined, and a technique for changing a transmission wavelength by surface plasmon excitation by changing a gap of a sub-wavelength grating by a metal beam by an actuator. It is disclosed.

なお、金属の薄膜にナノ周期構造を形成し、表面プラズモン励起による光の異常透過を利用するカラーフィルタについて、注目されていることが非特許文献3ないし10に記述されている。   Non-Patent Documents 3 to 10 describe that a color filter that forms a nano-periodic structure in a metal thin film and uses an abnormal transmission of light by surface plasmon excitation attracts attention.

特開2011−99936号公報JP 2011-99936 A 特開2013−178498号公報JP 2013-178498 A

池田直樹、津谷大樹、杉本喜正、小出康夫、三浦篤志、井上大介、野村壮子、藤川久喜、佐藤和夫、“アルミニウム表面プラズモンカラーフィルタ”、電子情報通信学会研究報告.PN,フォトニックネットワーク109(401),pp.129-132,2007Naoki Ikeda, Taiki Tsuya, Yoshimasa Sugimoto, Yasuo Koide, Atsushi Miura, Daisuke Inoue, Souko Nomura, Hisaki Fujikawa, Kazuo Sato, “Aluminum Surface Plasmon Color Filter”, IEICE Research Report. PN, Photonic Network 109 (401), pp.129-132,2007 K.Yamaguchi, M.Fujii, T.Okamoto, M.Haraguchi, "Electrically driven plasmon chip: Active plasmon filter", Applied Physics Express 7, 012201(2014)K. Yamaguchi, M. Fujii, T. Okamoto, M. Haraguchi, "Electrically driven plasmon chip: Active plasmon filter", Applied Physics Express 7, 012201 (2014) B.Zeng, Y.Gao, F.J.Bartoli, "Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Color Filters," Scientific Reports 3, 2840,2013.B. Zeng, Y. Gao, F.J. Bartoli, "Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Color Filters," Scientific Reports 3, 2840,2013. T.Xu, Y.K.Wu, X.Luo, L.J.Guo, "Plasmonic nanoresonators for high-resolution colour filtering and spectral imaging," Nature communications 1, pp.59, 2010.T.Xu, Y.K.Wu, X.Luo, L.J.Guo, "Plasmonic nanoresonators for high-resolution color filtering and spectral imaging," Nature communications 1, pp.59, 2010. H.S.Lee, Y.T.Yoon, S.S.Lee, S.H.Kim, K.D.Lee, "Color filter based on a subwavelength patterned metal grating," Optics Express 15, No.23, 2007.H.S.Lee, Y.T.Yoon, S.S.Lee, S.H.Kim, K.D.Lee, "Color filter based on a subwavelength patterned metal grating," Optics Express 15, No.23, 2007. A.Krishnan, T.Thio, T.J.Kim, H.J.Lezec, T.W.Ebbesen, P.A.Wolff, J.Pendry, L.Martin-Moreno, F.J.Grarcia-Vidal, "Evanescently coupled resonance in surface plasmon enhanced transmission," Optics Communications 200, pp.1-7, 2001.A.Krishnan, T.Thio, TJKim, HJLezec, TWEbbesen, PAWolff, J.Pendry, L.Martin-Moreno, FJGrarcia-Vidal, "Evanescently coupled resonance in surface plasmon enhanced transmission," Optics Communications 200, pp.1-7, 2001. W.L.Barnes, A.Dereux, T.W.Ebbesen, "Surface plasmon subwavelength optics," Nature 424, pp.824-830, 2003.W.L.Barnes, A.Dereux, T.W.Ebbesen, "Surface plasmon subwavelength optics," Nature 424, pp.824-830, 2003. Q.Chen, D.R.S.Cumming, "High transmission and low color cross-talk plasmonic color filters using triangular-lattice hole arrays in aluminum films," Optics Express 18, 13, 2010.Q.Chen, D.R.S.Cumming, "High transmission and low color cross-talk plasmonic color filters using triangular-lattice hole arrays in aluminum films," Optics Express 18, 13, 2010. M.A.Vincenti, M.Grande, D. de Ceglia, T.Stomeo, V.Petruzzelli, M. De Vittorio, M.Scalora, A.D'Orazio, "Color control through plasmonic metal gratings," Aoolied Physics Letters 100, 201107, 2012.MAVincenti, M. Grande, D. de Ceglia, T. Stomeo, V. Petruzzelli, M. De Vittorio, M. Scalora, A. D'Orazio, "Color control through plasmonic metal gratings," Aoolied Physics Letters 100, 201107 , 2012. T.Lee, A.Higo, H.Fujita, Y.Nakano, H.Toshiyoshi, "A Study on Color-tunable MEMS Device based on Plasmon Photonics," Int. Conf. Optical MEMS & Nanophotonics 2010, pp.107-108, 2010.T.Lee, A.Higo, H.Fujita, Y.Nakano, H.Toshiyoshi, "A Study on Color-tunable MEMS Device based on Plasmon Photonics," Int. Conf. Optical MEMS & Nanophotonics 2010, pp.107-108 , 2010.

上述の特許文献2および非特許文献2に開示される技術は、サブ波長の金属梁をサブ波長の間隙で配置し、その両端にサスペンション梁を連続させ、そのサスペンション梁を基板に固定させる構造となっている。そして、隣接する金属梁同士を静電引力または静電斥力により接近または離間させ、金属梁を撓ませることによって、間隙を変化させる構成であった。   The technologies disclosed in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 described above have a structure in which metal beams having sub-wavelengths are arranged with a gap between sub-wavelengths, suspension beams are continuous at both ends, and the suspension beams are fixed to a substrate. It has become. And it was the structure which changes a gap | interval by making adjacent metal beams approach or separate by electrostatic attraction or electrostatic repulsion, and bending a metal beam.

しかしながら、金属梁の両端(サスペンション梁の両端)が固定されていることから、例えば、静電引力により金属梁を接近させる場合、一対の金属梁による間隙について接近させることができるものの、その周辺の金属梁との間隙は離間することとなるため、結果的に金属梁が形成する格子周期を変化させることができなかった。すなわち、間隙の変更により透過波長を変化させることができるものの、その透過波長は、特定の波長の透過強度を抑制することの反射的効果として実現されるものであり、透過率は全体的に減衰する傾向となるものであった。この種の現象は、特許文献1に開示されるサブ波長格子においても同様であった。   However, since both ends of the metal beam (both ends of the suspension beam) are fixed, for example, when approaching the metal beam by electrostatic attraction, the gap between the pair of metal beams can be approached, Since the gap with the metal beam is separated, the lattice period formed by the metal beam cannot be changed as a result. That is, although the transmission wavelength can be changed by changing the gap, the transmission wavelength is realized as a reflective effect of suppressing the transmission intensity of a specific wavelength, and the transmittance is attenuated as a whole. It was a tendency to do. This kind of phenomenon is the same in the sub-wavelength grating disclosed in Patent Document 1.

本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、透過波長帯域における透過率を減衰させることなく、透過波長を調整することができるカラーフィルタを提供し、さらに当該カラーフィルタを使用する受光装置および表示装置をも提供することである。   The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to provide a color filter that can adjust the transmission wavelength without attenuating the transmittance in the transmission wavelength band. Another object is to provide a light receiving device and a display device using the color filter.

そこで、本発明者らは、サブ波長格子の間隙を変化させると同時に格子周期を変化させることによって、透過波長帯域における透過率の減衰を解消できると考え、本発明の完成に至ったものである。   Therefore, the present inventors have considered that the attenuation of the transmittance in the transmission wavelength band can be eliminated by changing the gap of the sub-wavelength grating and simultaneously changing the grating period, and thus the present invention has been completed. .

すなわち、カラーフィルタにかかる本発明は、微細な金属ワイヤを平行かつ周期的に配置し、各々の金属ワイヤの周期を光波長よりも狭くしてなり、各々の金属ワイヤによる各周期を同時に拡張方向または収縮方向へ適宜変化させることにより、光の透過波長帯域を変化させることを特徴とするものである。   That is, according to the present invention relating to the color filter, fine metal wires are arranged in parallel and periodically, the period of each metal wire is made narrower than the light wavelength, and each period of each metal wire is simultaneously expanded in the extending direction. Alternatively, the transmission wavelength band of light is changed by appropriately changing in the contraction direction.

上記構成によれば、微細な金属ワイヤを平行かつ周期的に配置するとともに、当該金属ワイヤの周期を光波長よりも狭くする(光波長と同程度またはそれ以下とするサブ波長とする)ことにより、表面プラズモンの励起により、特定の透過波長帯域における透過光を得ることができる。そして、各金属ワイヤの周期を同時に拡張方向または収縮方向へ変化させることにより、各々の金属ワイヤによって形成される格子周期は同時に(ほぼ均等に)変化させることができることから、光の透過波長帯域を任意に調整することができるものとなる。   According to the said structure, while arrange | positioning a fine metal wire in parallel and periodically, and making the period of the said metal wire narrower than a light wavelength (it is set as the sub wavelength which is comparable as or less than a light wavelength). The transmitted light in a specific transmission wavelength band can be obtained by excitation of the surface plasmon. By changing the period of each metal wire in the expansion direction or contraction direction at the same time, the grating period formed by each metal wire can be changed at the same time (substantially evenly). It can be arbitrarily adjusted.

また、カラーフィルタにかかる本発明は、複数の微細な金属ワイヤを相互に適宜間隔を有しつつ軸線を平行にして整列させ、各金属ワイヤの隣接する両端を変形可能な連結部によって相互に連結してなるサブ波長格子と、前記サブ波長格子を基部表面から浮上させた状態で支持する支持部と、前記金属ワイヤの軸線方向に対して直交方向における前記サブ波長格子の両側のうち、少なくとも片方を該直交方向へ進退させるアクチュエータとを備えることを特徴するものである。   Further, according to the present invention relating to the color filter, a plurality of fine metal wires are aligned with their axes parallel to each other with an appropriate interval therebetween, and adjacent ends of each metal wire are connected to each other by a deformable connecting portion. At least one of the sub-wavelength grating, a support portion that supports the sub-wavelength grating in a state of being levitated from the base surface, and both sides of the sub-wavelength grating in a direction perpendicular to the axial direction of the metal wire. And an actuator for advancing and retreating the actuator in the orthogonal direction.

上記構成によれば、サブ波長格子を構成する各金属ワイヤは、隣接する当該金属ワイヤの両端が弾性変形可能な連結部によって相互に連結されていることから、全ての金属ワイヤが連続する一体的なサブ波長格子を形成している。また、このサブ波長格子は、支持部によって基部表面から浮上させた状態であるため、各金属ワイヤの位置を容易に変更することができる。   According to the above configuration, since the metal wires constituting the sub-wavelength grating are connected to each other by the elastically deformable connecting portions at both ends of the adjacent metal wires, all the metal wires are continuous and integrated. A sub-wavelength grating is formed. In addition, since the sub-wavelength grating is in a state of being levitated from the base surface by the support portion, the position of each metal wire can be easily changed.

そこで、アクチュエータによりサブ波長格子の少なくとも片方を進退させることにより、連結部がほぼ均等に変形し、この連結部の変形に応じて複数の金属ワイヤが移動することとなり、これらの金属ワイヤで形成されるそれぞれの間隙を同時かつほぼ均等に変更させることが可能となる。そして、各金属ワイヤによる間隙が変化することにより格子周期をも変更させ得ることから、透過波長特性が調整可能となるものである。   Therefore, by moving at least one of the sub-wavelength gratings by the actuator, the connecting portion is deformed almost evenly, and a plurality of metal wires move in accordance with the deformation of the connecting portion, and these metal wires are formed. It is possible to change the respective gaps simultaneously and almost uniformly. Since the grating period can be changed by changing the gap between the metal wires, the transmission wavelength characteristics can be adjusted.

上記構成の発明において、金属ワイヤとしては、アルミニウムによって構成され、または、金属層と絶縁体層とでMIM構造が形成されたものを使用することができる。   In the invention having the above-described configuration, as the metal wire, a metal wire made of aluminum or having a MIM structure formed of a metal layer and an insulator layer can be used.

アルミニウムによって金属ワイヤを構成する場合には、金および銀に比較して短波長の光で表面プラズモンが励起されるため、透過波長特性の可変範囲を広くすることができる。また、金属−絶縁体−金属(MIM)の積層構造によってワイヤを構成する場合には、表面プラズモンの波長選択性が高くなるために、透過率や彩度などのカラーフィルタの特性が向上する。   When the metal wire is made of aluminum, surface plasmons are excited by light having a shorter wavelength than gold and silver, so that the variable range of transmission wavelength characteristics can be widened. Further, when the wire is formed by a metal-insulator-metal (MIM) laminated structure, the wavelength selectivity of the surface plasmon is increased, so that the characteristics of the color filter such as transmittance and saturation are improved.

また、上記各構成の発明において、支持部は、前記サブ波長格子の両側に位置する前記金属ワイヤの両端との間で前記連結部によって連結されており、少なくとも一方がアクチュエータによって進退可能となるように構成することができる。   Further, in the invention of each configuration described above, the support portion is connected by the connecting portion between both ends of the metal wire located on both sides of the sub-wavelength grating, so that at least one of the support portions can be advanced and retracted by the actuator. Can be configured.

このような構成の場合、支持部による支持力は、サブ波長格子を形成する金属ワイヤに
対し直接作用することがなく、金属ワイヤを移動自在な状態としつつ連結部を介して支持することができる。また、少なくとも一方の支持部がアクチュエータの可動部(進退方向に駆動される部分)に連結されることにより、当該支持部の進退によって金属ワイヤ間の間隙を接近または離間させるように作動し得ることとなる。
In such a configuration, the support force by the support portion does not directly act on the metal wire forming the sub-wavelength grating, and the metal wire can be supported through the connecting portion while being movable. . Further, by connecting at least one of the support parts to the movable part of the actuator (part driven in the advance / retreat direction), the support part can be operated to approach or separate the gap between the metal wires by the advance / retreat of the support part. It becomes.

さらに、上記各構成の発明おいて、サブ波長格子の各金属ワイヤの幅および肉厚の各寸法は任意であり、各金属ワイヤ間の間隙についても所望の周期を形成するように決定されることとなる。このとき、金属ワイヤの幅寸法および間隙の調整によって周期が決定し、さらに当該間隙を拡張させることにより周期を変化させることができる。この場合、初期の間隙幅等および間隙の拡張の範囲は、変化させるべき所望の透過波長帯域に応じて適宜選択されるものであるが、透過波長帯域を可視光の範囲に限定させることも可能である。可視光の範囲において透過波長帯域を変化させる場合には、例えば、サブ波長格子の各金属ワイヤの幅を250nm、肉厚を100nmとし、各金属ワイヤ間の間隙を150nmとして、基本的な格子周期を400nmとして作製し、前記アクチュエータにより金属ワイヤ間の間隙を350nmまで、前記格子周期を600nmまで、それぞれ拡張可能に構成することができる。   Furthermore, in the inventions of the above-mentioned configurations, the width and thickness of each metal wire of the sub-wavelength grating are arbitrary, and the gap between each metal wire is determined so as to form a desired period. It becomes. At this time, the period can be determined by adjusting the width dimension of the metal wire and the gap, and the period can be changed by further expanding the gap. In this case, the initial gap width and the range of gap expansion are appropriately selected according to the desired transmission wavelength band to be changed, but it is also possible to limit the transmission wavelength band to the visible light range. It is. When changing the transmission wavelength band in the visible light range, for example, the width of each metal wire of the sub-wavelength grating is 250 nm, the thickness is 100 nm, and the gap between each metal wire is 150 nm. The gap between the metal wires can be expanded to 350 nm and the grating period can be expanded to 600 nm by the actuator.

上記構成によれば、各金属ワイヤの幅寸法と、各金属ワイヤ間の間隙寸法とによって、格子周期が決定されることとなるが、その格子周期を400nm〜600nmの範囲で変化させることができる。ここで、サブ波長格子における表面プラズモン共鳴が励起される波長は、実質的に格子周期に依存することから、金属ワイヤの幅寸法を一定とした場合においても、格子周期を変化させることにより表面プラズモン共鳴の励起される波長を変化させることができる。そして、金属ワイヤの幅寸法を250nmと固定した場合、金属ワイヤ間の間隙寸法は150nm〜350nmの範囲で可変とすることにより、格子周期を400nm〜600nmの範囲で変化させることができる。   According to the above configuration, the grating period is determined by the width dimension of each metal wire and the gap dimension between each metal wire, but the grating period can be changed in the range of 400 nm to 600 nm. . Here, the wavelength at which the surface plasmon resonance in the sub-wavelength grating is excited substantially depends on the grating period. Therefore, even when the width dimension of the metal wire is constant, the surface plasmon resonance is changed by changing the grating period. The wavelength at which resonance is excited can be varied. And when the width dimension of a metal wire is fixed to 250 nm, the gap | interval dimension between metal wires can be changed in the range of 150 nm-350 nm, and a grating | lattice period can be changed in the range of 400 nm-600 nm.

他方、受光装置にかかる本発明は、前記に示したいずれかのカラーフィルタを使用する受光装置であって、受光素子が作製された基板の表面に、該基板表面から浮上させた状態で前記サブ波長格子が形成されていることを特徴とするものである。   On the other hand, the present invention relating to the light receiving device is a light receiving device using any one of the color filters described above, wherein the sub filter is floated on the surface of the substrate on which the light receiving element is manufactured. A wavelength grating is formed.

上記構成によれば、受光素子に対して照射される光により、サブ波長格子において表面プラズモンが励起され、そのサブ波長格子における格子周期を変化させることにより、透過波長特性を変更し、特定波長の透過強度を検出することができる。蛍光物質等の蛍光強度を測定する場合のように、特定波長の光の強度を測定する場合などに利用することができるものである。   According to the above configuration, the surface plasmon is excited in the sub-wavelength grating by the light irradiated to the light receiving element, and the transmission wavelength characteristic is changed by changing the grating period in the sub-wavelength grating. The transmission intensity can be detected. It can be used when measuring the intensity of light of a specific wavelength, such as when measuring the fluorescence intensity of a fluorescent substance or the like.

また、表示装置にかかる本発明は、前記に示したいずれかのカラーフィルタを使用する表示装置であって、前記カラーフィルタを形成する前記サブ波長格子をアレイ化してなるカラーフィルタ基板と、該カラーフィルタ基板に対して白色光を照射する光源とを備えることを特徴とするものである。   Further, the present invention relating to a display device is a display device using any one of the color filters described above, a color filter substrate formed by arraying the sub-wavelength gratings forming the color filter, and the color filter And a light source that emits white light to the filter substrate.

上記構成によれば、光源から照射される光によって、カラーフィルタ基板にアレイ化された個々のサブ波長格子には表面プラズモンが励起され、このサブ波長格子を特異透過することにより、特定波長の光を表示させることができる。サブ波長格子の格子周期は可変であることから、この格子周期を調整することにより、任意の色彩を有する光を透過させることができ、各種の色彩を出現させる表示装置を構成することができる。なお、光源には、白色光を発するLEDを使用することができ、白色光を照射する光源を使用することにより、紫外領域の波長に表面プラズモンを励起させることで黒を表示することができる。   According to the above configuration, surface plasmons are excited in the individual sub-wavelength gratings arrayed on the color filter substrate by the light emitted from the light source, and light having a specific wavelength is transmitted by specifically transmitting through the sub-wavelength gratings. Can be displayed. Since the grating period of the sub-wavelength grating is variable, by adjusting the grating period, light having an arbitrary color can be transmitted and a display device in which various colors appear can be configured. Note that an LED that emits white light can be used as the light source. By using a light source that emits white light, black can be displayed by exciting surface plasmons to wavelengths in the ultraviolet region.

カラーフィルタにかかる本発明によれば、サブ波長格子の間隙を変化させると同時に格子周期を変化させることができ、これによって、サブ波長格子に表面プラズモンが励起される波長が変更することとなり、透過波長を調整することができる。また、金属ワイヤ間の間隙のみを変更して特定波長の透過率を制限する構成(従来の構成)とは異なり、特定波長の表面プラズモン共鳴の励起を促す構成であるから、特定波長の透過光を得るために他の波長の透過を制限させるものではなく、透過率を向上させることができる。   According to the present invention relating to the color filter, it is possible to change the grating period at the same time as changing the gap of the sub-wavelength grating, thereby changing the wavelength at which the surface plasmon is excited in the sub-wavelength grating and transmitting it. The wavelength can be adjusted. Also, unlike the configuration that limits the transmittance at a specific wavelength by changing only the gap between metal wires (conventional configuration), it is a configuration that promotes excitation of surface plasmon resonance at a specific wavelength. Therefore, the transmittance of other wavelengths is not limited, and the transmittance can be improved.

また、受光装置にかかる本発明は、上記のような効果を奏するカラーフィルタを使用するものであることから、受光素子に対して照射される光によって励起される表面プラズモンの波長を、サブ波長格子により調整することができることとなる。これにより、特定波長の透過光強度を検出することができる。   Further, since the present invention according to the light receiving device uses the color filter having the above-described effects, the wavelength of the surface plasmon excited by the light irradiated to the light receiving element is changed to the sub-wavelength grating. It can be adjusted by. Thereby, the transmitted light intensity of a specific wavelength can be detected.

さらに、表示装置にかかる本発明は、上記のような効果を奏するカラーフィルタを使用するものであることから、光源の光によって励起される表面プラズモンの波長をサブ波長格子によって調整することにより、各種の色を表示させることができる。このサブ波長格子は、アクチュエータによって格子周期を変更することができることから、単一の構造により異なる波長の光を表示させることができるものである。従って、小型化された表示装置における微細化に資するものである。   Furthermore, since the present invention according to the display device uses the color filter having the above-described effects, various wavelengths can be obtained by adjusting the wavelength of the surface plasmon excited by the light of the light source using the sub-wavelength grating. Can be displayed. Since this sub-wavelength grating can change the grating period by an actuator, it can display light of different wavelengths by a single structure. Therefore, it contributes to miniaturization in a miniaturized display device.

カラーフィルタの実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows embodiment of a color filter. 連結部による金属ワイヤの連結状態、および金属ワイヤ間の間隙の変化の状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the connection state of the metal wire by a connection part, and the state of the change of the clearance gap between metal wires. 図1のIII−III線による切断部端面図である。FIG. 3 is an end view of a cut portion taken along line III-III in FIG. 1. カラーフィルタの作製方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the preparation methods of a color filter. カラーフィルタの作製方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the preparation methods of a color filter. カラーフィルタの他の作製方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other preparation methods of a color filter. カラーフィルタの他の作製方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other preparation methods of a color filter. 受光装置の実施形態の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of embodiment of a light-receiving device. 表示装置の実施形態の概略を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline of embodiment of a display apparatus. 実験用に作製したサブ波長格子のSEM写真である。It is a SEM photograph of the subwavelength grating produced for experiment. 格子周期の変化に伴う透過波長特性の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of the transmission wavelength characteristic accompanying the change of a grating period. (a)はTM偏光の入射時の透過スペクトルを、(b)はTE偏光の入射時の透過スペクトルを、それぞれ示すグラフである。(A) is a graph showing a transmission spectrum when TM polarized light is incident, and (b) is a graph showing a transmission spectrum when TE polarized light is incident.

以下、カラーフィルタと、これを使用する発光装置および表示装置にかかる発明の実施
の形態について、図面に基づいて説明する。
Embodiments of a color filter and a light emitting device and a display device using the color filter will be described below with reference to the drawings.

<カラーフィルタ>
図1は、カラーフィルタにかかる発明の実施形態の概略を示す図である。この図に示すように、本実施形態のカラーフィルタの概略は、サブ波長格子1と、このサブ波長格子1を支持する支持部2,3と、この支持部2,3のうちの片方を進退可能に作動するアクチュエータ4とで構成されている。
<Color filter>
FIG. 1 is a diagram showing an outline of an embodiment of the invention relating to a color filter. As shown in this figure, the outline of the color filter of the present embodiment is as follows. It is composed of an actuator 4 that operates as possible.

サブ波長格子1は、微細な金属ワイヤ11,12,13,・・・15を平行かつ周期的に配置したものであり、各々の金属ワイヤの周期を光波長よりも狭くしており(光波長と同程度またはそれ以下としており)、いわゆるサブ波長としている。そして、これらの金属ワイヤによる各周期を同時に拡張方向または収縮方向へ適宜変化させることができるように構成されるものである。この周期を拡張方向または収縮方向への変化を同時に行うことにより、複数の金属ワイヤ11〜15によって形成される周期が同時にほぼ均等に変化させるものである。なお、このような周期の拡張または収縮のための構成は後述する。   The sub-wavelength grating 1 is a structure in which fine metal wires 11, 12, 13,... 15 are arranged in parallel and periodically, and the period of each metal wire is narrower than the optical wavelength (optical wavelength). The so-called sub-wavelength. And it is comprised so that each period by these metal wires can be suitably changed to an expansion direction or a contraction direction simultaneously. By simultaneously changing the period in the expansion direction or the contraction direction, the period formed by the plurality of metal wires 11 to 15 is changed almost uniformly at the same time. A configuration for expanding or contracting such a cycle will be described later.

ところで、前記のサブ波長格子1は、前述のとおり、軸線を平行にして整列させた複数の金属ワイヤ11,12,13,・・・15で構成されている。この金属ワイヤ11〜15は、アルミニウムで形成され、MEMS技術を使用することにより、例えば、幅250nm、肉厚100nm、長さ10μmの金属ワイヤを形成させることができる。この金属ワイヤ11〜15は、それぞれが隣接する両側の金属ワイヤとの間で、その両端が連結部16a,16b,17a,17b・・・19a,19bによって連結されている。例えば、一方の支持部2から第二列目に位置する金属ワイヤ12の両端は、これに隣接する第一列目の金属ワイヤ11との間で連結部16a,16bによって連結されるとともに、第三列目の金属ワイヤ13との間においても連結部17a,17bによって連結されている。なお、詳細は後述する。   By the way, the sub-wavelength grating 1 is composed of a plurality of metal wires 11, 12, 13,... The metal wires 11 to 15 are formed of aluminum, and by using the MEMS technology, for example, a metal wire having a width of 250 nm, a thickness of 100 nm, and a length of 10 μm can be formed. The metal wires 11 to 15 are respectively connected to adjacent metal wires on both sides by connecting portions 16a, 16b, 17a, 17b... 19a, 19b. For example, both ends of the metal wires 12 positioned in the second row from the one support portion 2 are connected to the first row of metal wires 11 adjacent thereto by connecting portions 16a and 16b, and The third row metal wires 13 are also connected by the connecting portions 17a and 17b. Details will be described later.

サブ波長格子1の両側を支持する支持部2,3は、当該サブ波長格子1を基部Aの表面から浮上させた状態で支持するものである。この支持部2,3のうち一方の支持部2は、アクチュエータ4の可動部41と一体化しており、他方の支持部3は、基部Aの表面に固定されている。ここで例示されるアクチュエータ4は、電子部品の駆動装置として使用される櫛歯電極型静電駆動アクチュエータであり、可動部41と固定部42との双方に、櫛歯状の電極43,44を形成し、両電極43,44を対向させつつ、相互に櫛歯の間に侵入させた状態で配置してなるものである。そして、両電極43,44に逆符号または同符号の電荷を帯電させることにより、静電引力または静電斥力を作用させ、可動部41を進退可能に駆動することができるものである。なお、本実施形態では、両電極43,44のうち一方を接地し他方に正または負の電荷を帯電させる(例えば、可動部41をグラウンドに連結し、固定部42の電極44に電圧を印加する)ことにより、静電引力のみを作用させ、引張方向に対する駆動力のみを供給するように構成している。これは、静電斥力による駆動力が期待できないことから、安定した駆動力を得るために、静電引力のみを利用するものである。また、本実施形態の場合には、後述のように、金属ワイヤ11〜15の両端を連結する連結部16a〜19bが弾性変形することから、引張方向への駆動によって移動(前進)させた後は、連結部16a〜19bの復元力によって逆向きの移動(後退)が可能となるので、敢えて静電斥力によって駆動させる必要がないことも理由の一つである。   The support portions 2 and 3 that support both sides of the sub-wavelength grating 1 support the sub-wavelength grating 1 in a state of being levitated from the surface of the base A. One of the support portions 2 and 3 is integrated with the movable portion 41 of the actuator 4, and the other support portion 3 is fixed to the surface of the base A. The actuator 4 exemplified here is a comb-teeth electrode type electrostatic drive actuator used as an electronic component drive device, and comb-like electrodes 43 and 44 are provided on both the movable portion 41 and the fixed portion 42. It is formed and arranged in such a manner that both electrodes 43 and 44 are opposed to each other and are inserted between the comb teeth. Then, by charging the electrodes 43 and 44 with the opposite sign or the same sign, an electrostatic attractive force or an electrostatic repulsive force is applied, and the movable portion 41 can be driven to move forward and backward. In the present embodiment, one of the electrodes 43 and 44 is grounded, and the other is charged with a positive or negative charge (for example, the movable part 41 is connected to the ground, and a voltage is applied to the electrode 44 of the fixed part 42. Thus, only the electrostatic attractive force is applied, and only the driving force in the pulling direction is supplied. In this case, since a driving force due to electrostatic repulsion cannot be expected, only electrostatic attraction is used to obtain a stable driving force. In the case of the present embodiment, as will be described later, since the connecting portions 16a to 19b that connect both ends of the metal wires 11 to 15 are elastically deformed, after being moved (advanced) by driving in the pulling direction. One of the reasons is that it is not necessary to drive by electrostatic repulsive force because the reverse movement (retreat) is enabled by the restoring force of the connecting portions 16a to 19b.

また、可動部41には、その両側にサスペンション45a,45bが連続して設けられ、このサスペンション45a,45bの先端46a,46bが基部Aの表面に固定されることにより、当該可動部41を基部Aの表面から浮上させている。そして、前記支持部2は、当該可動部41に一体化されることにより、サブ波長格子1の片側を支持するように構
成しているのである。
Also, the movable portion 41 is provided with suspensions 45a and 45b continuously on both sides thereof, and the distal ends 46a and 46b of the suspensions 45a and 45b are fixed to the surface of the base portion A, so that the movable portion 41 is attached to the base portion. It floats from the surface of A. The support portion 2 is configured to support one side of the sub-wavelength grating 1 by being integrated with the movable portion 41.

なお、両支持部2,3によってサブ波長格子1を支持させるために、これらの支持部2,3に近接する金属ワイヤ11,15の両端との間を、それぞれ前記と同様の連結部20a,20b,30a,30bによって連結している。   In addition, in order to support the sub-wavelength grating 1 by both the support portions 2 and 3, the connecting portions 20a and 20b similar to the above are respectively provided between both ends of the metal wires 11 and 15 adjacent to the support portions 2 and 3. It is connected by 20b, 30a, 30b.

ここで、金属ワイヤ11,12,13,・・・15によって形成されるサブ波長格子1の構成について図2を参照しつつ説明する。図2は、一方の支持部2から第一列目に位置する金属ワイヤ11、第二列目に位置する金属ワイヤ12、および第三列目に位置する金属ワイヤ13ならびにこれらの近傍の構成について、平面視における状態を拡大した図である。   Here, the configuration of the sub-wavelength grating 1 formed by the metal wires 11, 12, 13,... 15 will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the configuration of the metal wire 11 located in the first row, the metal wire 12 located in the second row, the metal wire 13 located in the third row and the vicinity thereof from one support portion 2. It is the figure which expanded the state in planar view.

この図2(a)に示すように、各金属ワイヤ11,12,13は、それぞれが隣接する両端11a,11b,12a,12b,13a,13bの間が連結部16a,16b,17a,17bによって連結された状態となっている。これらの連結部16a,16b,17a,17bは、いずれも湾曲部分を有する略U字状に形成され、同大かつ同形状のものであり、湾曲部を金属ワイヤ11〜13の両端11a〜13bから外方に向けて配置され、隣接する両端11a〜13bに跨がるように連結されている。すなわち、第一列目の金属ワイヤ11と第二列目の金属ワイヤ12の両先端11a,12aに跨がるように一つの連結部16aが連結され、第二列目の金属ワイヤ12と第三列目列目13の両先端12a,13aに跨がるようにも一つの連結部17aが連結されているのである。同様に、他端11b,12b,13bについても、各連結部16b,17bが跨がるように連結されている。そして、各連結部16a〜17bは、湾曲部分の曲率を変更するように変形する一種のヒンジとして機能するものである。   As shown in FIG. 2 (a), the metal wires 11, 12, and 13 are connected between the adjacent ends 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, and 13b by connecting portions 16a, 16b, 17a, and 17b. It is in a connected state. These connecting portions 16a, 16b, 17a, and 17b are all formed in a substantially U shape having a curved portion, and have the same size and the same shape. The curved portions are formed at both ends 11a to 13b of the metal wires 11 to 13. It arrange | positions toward outward and is connected so that it may straddle the adjacent both ends 11a-13b. That is, one connecting portion 16a is connected so as to straddle both ends 11a, 12a of the first row of metal wires 11 and the second row of metal wires 12, and the second row of metal wires 12 and the second row of metal wires 12 are connected. One connecting portion 17a is connected so as to straddle both ends 12a, 13a of the third row 13 as well. Similarly, the other ends 11b, 12b, and 13b are connected so that the connecting portions 16b and 17b straddle. And each connection part 16a-17b functions as a kind of hinge which deform | transforms so that the curvature of a curved part may be changed.

これにより、中間に位置する第二列目の金属ワイヤ12の両端12a,12bは、隣接する両隣の金属ワイヤ11,13との間で連続した状態となり、全ての金属ワイヤ11〜15が一体的に連続してサブ波長格子1を形成するものである(図1)。そして、上記のように、隣接する金属ワイヤ11〜13の両端が連結部16a〜17bによって連結されることにより、連続する環形状が形成されることとなる(波形に連続するものではない)。   Thereby, both ends 12a and 12b of the metal wire 12 of the 2nd row located in the middle will be in the state which continued between adjacent metal wires 11 and 13 adjacent, and all the metal wires 11-15 are integrated. A sub-wavelength grating 1 is formed continuously (FIG. 1). And as mentioned above, the both ends of the adjacent metal wires 11-13 are connected by the connection parts 16a-17b, and a continuous ring shape will be formed (it is not what continues to a waveform).

そこで、図2(b)に示すように、連結部16a〜17bが弾性変形(略U字状の両端を拡大)することにより、隣接する金属ワイヤ11〜13は、軸線を平行に維持しつつ、相互の間隙を変更させることができるようになっている。従って、例えば、第一列目の金属ワイヤ11が、軸線方向に対して直交方向に移動する場合、この両端11a,11bに連続する連結部16a,16bが弾性変形し、第二列目の金属ワイヤ12との間隙を拡大させるように作用すると同時に、連結部16a,16bの弾性力によって第二列目の金属ワイヤ12を引き寄せることとなる。引き寄せられた第二列目のワイヤ12は、次の連結部17a,17bを弾性変形させ、間隙を拡大させつつ第三列目の金属ワイヤ13を引き寄せるように作用する。これがその他の連結部およびその他の金属ワイヤにも同様に作用し、結果的に、全ての連結部16a〜19a,16b〜19b(図1)が均等に弾性変形する状態となり、隣接する金属ワイヤ11〜15の間隙がほぼ均等な状態で変更されるのである。なお、このような金属ワイヤ11の移動は、前述のアクチュエータ4(図1)によって駆動されるものであり、アクチュエータ4による進退方向への駆動力が一方の支持部2を介して伝達されるものである。また、連結部16a〜17bは、適度な弾性力によりヒンジとして機能するものであることから、弾性変形可能な材料(例えば、窒化シリコンなどを挙げることができる)によって構成されている。   Therefore, as shown in FIG. 2 (b), the connecting portions 16a to 17b are elastically deformed (enlarged both ends of the substantially U-shape), so that the adjacent metal wires 11 to 13 maintain the axes in parallel. The mutual gap can be changed. Therefore, for example, when the metal wire 11 in the first row moves in a direction orthogonal to the axial direction, the connecting portions 16a and 16b continuous to both ends 11a and 11b are elastically deformed, and the metal in the second row At the same time as acting to expand the gap with the wire 12, the metal wires 12 in the second row are attracted by the elastic force of the connecting portions 16a and 16b. The attracted second row of wires 12 acts so as to draw the third row of metal wires 13 while elastically deforming the next connecting portions 17a and 17b and expanding the gap. This also acts on the other connecting portions and other metal wires in the same manner. As a result, all the connecting portions 16a to 19a and 16b to 19b (FIG. 1) are uniformly elastically deformed, and the adjacent metal wires 11 The gap of ~ 15 is changed in a substantially uniform state. Such movement of the metal wire 11 is driven by the above-described actuator 4 (FIG. 1), and the driving force in the forward / backward direction by the actuator 4 is transmitted via one support portion 2. It is. Moreover, since the connection parts 16a-17b function as a hinge by moderate elastic force, they are comprised with the material (For example, silicon nitride etc. can be mentioned) which can be elastically deformed.

このように、サブ波長格子1は、支持部2,3により、基部Aの表面から浮上した状態
で支持されるとともに、個々の金属ワイヤ11〜15が連結部16a〜19bにより連続され、一体的に構成されたものである。従って、一方の支持部2が進退方向に移動するとき、金属ワイヤ11〜15の間隙を変化させ、サブ波長格子1の格子周期を変更させることができるのである。この状態を図3に示す。
As described above, the sub-wavelength grating 1 is supported by the support portions 2 and 3 in a state of floating from the surface of the base A, and the individual metal wires 11 to 15 are continuously connected by the connecting portions 16a to 19b. It is composed of. Therefore, when one support part 2 moves in the forward / backward direction, the gap between the metal wires 11 to 15 can be changed, and the grating period of the sub-wavelength grating 1 can be changed. This state is shown in FIG.

図3は、図1中のIII−III線における切断部端面図である。この図に示すように、アクチュエータ4を構成する可動部41および固定部42のうち、可動部41は、基部Aの表面Aaから適宜間隔を有した位置に支持され、固定部42が基部Aの表面に固定されているため、相互に同じ高さが維持されている。そして、両者間(櫛歯状の両電極間、図1参照)に静電引力または静電斥力を生じさせることにより、可動部41は、その高さ(基部Aの表面Aaとの間隙)を維持させつつ、固定部42に接近または離間させ、結果として進退することとなる。また、可動部41が進退することにより、一方の支持部2も同時に進退し、両支持部2,3の間隔を変化させることとなる。   3 is an end view of a cut portion taken along line III-III in FIG. As shown in this figure, of the movable part 41 and the fixed part 42 constituting the actuator 4, the movable part 41 is supported at a position appropriately spaced from the surface Aa of the base A, and the fixed part 42 is Since they are fixed to the surface, the same height is maintained. Then, by generating an electrostatic attractive force or electrostatic repulsive force between the two (between the comb-like electrodes, see FIG. 1), the movable portion 41 has its height (gap with the surface Aa of the base A). While maintaining, it approaches or separates from the fixing | fixed part 42, and will advance / retreat as a result. Moreover, when the movable part 41 advances and retreats, one support part 2 also advances and retreats simultaneously, and the space | interval of both the support parts 2 and 3 will be changed.

支持部2,3の間隔が変化することにより、一方の支持部2に連結される連結部20a,20bを介して、第一列目の金属ワイヤ11を移動させることができ、これに伴って、各連結部16a〜19a,16b〜19bがそれぞれ連結する他の金属ワイヤ12〜15を移動させることとなる。なお、他方の支持部3は固定されていることから、両支持部2,3の間において、連結部16a〜19a,16b〜19bが同様に変形することとなり、各金属ワイヤ11〜15の間隙Gはほぼ均等な状態で拡散・収縮することとなる。そして、 この間隙Gと金属ワイヤ11〜15の幅寸法Wとで決定する格子周期Λを変化させることができるのである。このような支持部2および金属ワイヤ11〜15の移動は、これらが基部Aの表面Aaから浮上していることにより可能となるものである。   By changing the distance between the support portions 2 and 3, the metal wire 11 in the first row can be moved via the connecting portions 20 a and 20 b connected to the one support portion 2. Then, the other metal wires 12 to 15 connected by the connecting portions 16a to 19a and 16b to 19b are moved. Since the other support portion 3 is fixed, the connecting portions 16a to 19a and 16b to 19b are similarly deformed between the support portions 2 and 3, and the gap between the metal wires 11 to 15 is changed. G diffuses and contracts in an almost uniform state. And the grating period Λ determined by the gap G and the width dimension W of the metal wires 11 to 15 can be changed. Such movement of the support portion 2 and the metal wires 11 to 15 is possible because they float from the surface Aa of the base portion A.

本実施形態は、上記のような構成であるから、櫛歯電極型静電駆動アクチュエータ4を作動させることにより、可動部41および一方の支持部2を進退させることにより、各金属ワイヤ11〜15の間隙Gをほぼ均等な状態で拡散・収縮し、サブ波長格子1の全体について、格子周期Λを変更することができる。この格子周期Λの変更により、励起される表面プラズモンの波長λが変化することとなるのである。   Since the present embodiment is configured as described above, by operating the comb electrode type electrostatic drive actuator 4, the movable portion 41 and the one support portion 2 are advanced and retracted, whereby each of the metal wires 11 to 15. The grating period Λ can be changed for the entire sub-wavelength grating 1. By changing the lattice period Λ, the wavelength λ of the excited surface plasmon changes.

例えば、前記例示の寸法による金属ワイヤ11〜15の場合、初期の間隙寸法を150nmとすれば、初期の格子周期Λは400nmとなる。そして、上記間隙寸法を初期値の150nmから拡張し、350nmまでの範囲で可変とすることにより、格子周期Λは初期の400nmから600nmの範囲で変更することができる。このとき、サブ波長格子1によって励起される表面プラズモンの波長λは、下記式によって算出することができる。   For example, in the case of the metal wires 11 to 15 having the above exemplary dimensions, if the initial gap dimension is 150 nm, the initial lattice period Λ is 400 nm. Then, by extending the gap size from the initial value of 150 nm and making it variable in the range up to 350 nm, the grating period Λ can be changed in the initial range of 400 nm to 600 nm. At this time, the wavelength λ of the surface plasmon excited by the sub-wavelength grating 1 can be calculated by the following equation.

ただし、上式において、λはサブ波長格子に励起される表面プラズモンの波長、Λは格子構造の周期(格子周期)、mはサブ波長格子の分散関係のパラメータ(回折次数)、εmは金属梁の誘電定数、εdは金属梁に接する誘電体の誘電定数を示す。 Where λ is the wavelength of the surface plasmon excited by the subwavelength grating, Λ is the period of the grating structure (grating period), m is the parameter of the subwavelength grating dispersion (diffraction order), and ε m is the metal The dielectric constant of the beam, ε d indicates the dielectric constant of the dielectric in contact with the metal beam.

上式からも明らかなとおり、サブ波長格子1に励起される表面プラズモンの波長λは、格子周期Λに比例する関係にあるため、格子周期Λを変化させることにより、透過波長を容易に変更することができるものとなる。そして、上述のように、本実施形態におけるサブ波長格子1を構成する各金属ワイヤ11〜15の各間隙Gはほぼ均等に変化するため、サブ波長格子1の全体にわたって格子周期Λを同様に変化させることができる。従って、サブ波長格子1の全体において透過波長の変更を可能にするものである。   As is clear from the above equation, the wavelength λ of the surface plasmon excited by the sub-wavelength grating 1 is proportional to the grating period Λ, so that the transmission wavelength can be easily changed by changing the grating period Λ. Will be able to. As described above, since the gaps G of the metal wires 11 to 15 constituting the sub-wavelength grating 1 in the present embodiment change substantially evenly, the grating period Λ similarly changes throughout the sub-wavelength grating 1. Can be made. Therefore, the transmission wavelength can be changed in the entire sub-wavelength grating 1.

<カラーフィルタの製造方法>
上述のような構成とするカラーフィルタの製造方法を簡単に説明する。図4および図5に、ガラス基板上にカラーフィルタを作製する工程の概略を示す。
<Color filter manufacturing method>
A method for manufacturing a color filter having the above-described configuration will be briefly described. 4 and 5 show an outline of a process for producing a color filter on a glass substrate.

まず、ガラス基板100の表面に、遮光膜101として機能するTi/TiN層をパターニングによって成膜する(図4(a)参照)。この遮光膜101は、サブ波長格子が形成される部分を除く範囲(アクチュエータ等)への光に照射を遮るためのものである。次に、ガラス基板100の表面および遮光膜101の表面の全体に、犠牲層102となるシリコンを堆積する(図4(b)参照)。さらに犠牲層102の表面のうち、金属ワイヤ等によって構成させる部分をリフトオフによりパターニングする(図4c(a)〜図5(b)参照)。すなわち、後の工程で除去する領域にレジスト103を直接描画し(図4(c)参照)、その後、全体に金属材料104を蒸着し(図5(a)参照)、最後にレジスト103を除去する(図5(b)参照)のである。金属材料104は後に金属ワイヤとして機能するため、所望の金属材料(短波長の光で表面プラズモンを励起させるためにアルミニウム)を使用することができる。また、金属ワイヤをMIM構造とする場合には、金属材料104を蒸着した後、絶縁材料を積層し、さらに再度金属材料を蒸着させることになる。金属材料としては、アルミニウムを使用することができるが、これに限定されず、金や銀などの材料を使用することができる。また、絶縁材料としては、SiO2、Ta25またはZrO2などを使用することができるが、これに限定されるものではない。 First, a Ti / TiN layer functioning as the light shielding film 101 is formed on the surface of the glass substrate 100 by patterning (see FIG. 4A). The light-shielding film 101 is for shielding the irradiation of light to a range (actuator or the like) excluding the portion where the sub-wavelength grating is formed. Next, silicon serving as the sacrificial layer 102 is deposited on the entire surface of the glass substrate 100 and the surface of the light shielding film 101 (see FIG. 4B). Further, a portion of the surface of the sacrificial layer 102 formed by a metal wire or the like is patterned by lift-off (see FIGS. 4c (a) to 5 (b)). That is, the resist 103 is directly drawn in a region to be removed in a later process (see FIG. 4C), and then a metal material 104 is deposited on the entire surface (see FIG. 5A), and finally the resist 103 is removed. (See FIG. 5B). Since the metal material 104 later functions as a metal wire, the desired metal material (aluminum to excite surface plasmons with short wavelength light) can be used. When the metal wire has an MIM structure, after depositing the metal material 104, an insulating material is laminated, and the metal material is again deposited. Aluminum can be used as the metal material, but the material is not limited to this, and materials such as gold and silver can be used. Further, as the insulating material, SiO 2 , Ta 2 O 5, ZrO 2 or the like can be used, but is not limited to this.

上記のようにリフトオフによってパターニングされた金属材料104は、犠牲層102の表面に所定の形状により積層されており、その形状は、前述のサブ波長格子1(金属ワイヤ11〜15、連結部16a〜19b)、支持部2,3およびアクチュエータ4(サスペンション45a,45bを含む)である。そして、犠牲層102をエッチングによって除去することにより、サブ波長格子1および支持部2,3をガラス基板100の表面から浮上させた状態とするのである(図5(c)参照)。   The metal material 104 patterned by lift-off as described above is laminated in a predetermined shape on the surface of the sacrificial layer 102, and the shape thereof is the above-described sub-wavelength grating 1 (metal wires 11 to 15, connecting portions 16 a to 16 a. 19b), support portions 2 and 3, and actuator 4 (including suspensions 45a and 45b). Then, the sacrificial layer 102 is removed by etching, so that the sub-wavelength grating 1 and the support portions 2 and 3 are floated from the surface of the glass substrate 100 (see FIG. 5C).

なお、エッチングによる犠牲層102の除去は、全ての犠牲層102を除去するのではなく、エッチングレートを予測し、アクチュエータ4の固定部(その他、図示していないが、サスペンションまたは片方の支持部3など適宜選択される部分)の下層部分を残している。また、図4,5は、サブ波長格子1の両側にアクチュエータ4を形成する場合を示しているが、片方の支持部3は、アクチュエータ4とせず、ガラス基板100の表面に固定させるように金属材料をパターニングしてもよい。   The removal of the sacrificial layer 102 by etching does not remove all of the sacrificial layer 102, but estimates the etching rate, so that the fixed portion of the actuator 4 (the suspension or one support portion 3 is not shown). The lower layer part of the part appropriately selected) is left. 4 and 5 show the case where the actuators 4 are formed on both sides of the sub-wavelength grating 1, the one support portion 3 is not the actuator 4 but is a metal that is fixed to the surface of the glass substrate 100. The material may be patterned.

次に、他の作製方法について説明する。図6および図7は、シリコン基板を使用したカラーフィルタの作製方法について、その概略を示す図である。   Next, another manufacturing method will be described. 6 and 7 are diagrams showing an outline of a method for manufacturing a color filter using a silicon substrate.

まず、シリコン基板200の裏面にシリコン酸化膜201を成膜し、さらに、後の工程によりサブ波長格子が形成される領域、およびシリコン基板200を分離すべき(図中の紙面に直交する方向に連続する)領域を除く全体(裏面側のみ)について、フォトレジストによりレジスト202をパターニングする(図6(a)参照)。ドライエッチングまたはウエットエッチングにより、シリコン酸化膜201を部分的に除去する(図6(b)参
照)。これにより、裏面側には、シリコン酸化膜201が除去された領域について、シリコン基板200が露出することとなる。その後、当該領域におけるシリコン基板200を裏面側から深掘り反応性イオンエッチング(Deep−RIE)により適宜深さまで深掘りする。このとき、エッチングレートを予測して、当該領域の基板200における表面までの肉厚が1/10〜1/30程度で残余するように調整している(図6(c)参照)。
First, a silicon oxide film 201 is formed on the back surface of the silicon substrate 200, and the region where the sub-wavelength grating is formed in a later process and the silicon substrate 200 should be separated (in a direction perpendicular to the paper surface in the figure). The resist 202 is patterned with a photoresist for the entire region (only the back surface side) except for a continuous region (see FIG. 6A). The silicon oxide film 201 is partially removed by dry etching or wet etching (see FIG. 6B). As a result, the silicon substrate 200 is exposed on the back side in the region where the silicon oxide film 201 is removed. Thereafter, the silicon substrate 200 in the region is dug to an appropriate depth by deep digging reactive ion etching (Deep-RIE) from the back side. At this time, the etching rate is predicted and adjusted so that the thickness up to the surface of the substrate 200 in the region remains at about 1/10 to 1/30 (see FIG. 6C).

次に、裏面側のシリコン酸化膜201およびレジスト202を除去した後、表面側にリフトオフにより金属材料をパターニングする(図6(d)〜図7(b)参照)。すなわち、後の工程で除去する領域にレジスト203を直接描画し(図6(d)参照)、その後、全体に金属材料204を蒸着し(図7(a)参照)、最後にレジスト203を除去する(図7(b)参照)のである。これにより、シリコン基板200の表面に金属材料204が所望の形状でパターニングされた状態となっている。サブ波長格子1が形成されるべき領域は、適宜間隔を有して金属ワイヤを構成するように金属材料が堆積されている。そして、金属材料が堆積されていない間隙部分はシリコン基板200の表面が露出しており、この露出領域を利用してシリコン基板200の表面を所定の深さまでエッチングするのである(図7(c)参照)。   Next, after removing the silicon oxide film 201 and the resist 202 on the back surface side, a metal material is patterned on the front surface side by lift-off (see FIGS. 6D to 7B). That is, the resist 203 is directly drawn in a region to be removed in a later process (see FIG. 6D), and then a metal material 204 is deposited on the entire surface (see FIG. 7A), and finally the resist 203 is removed. (See FIG. 7B). Thereby, the metal material 204 is patterned on the surface of the silicon substrate 200 in a desired shape. In the region where the sub-wavelength grating 1 is to be formed, a metal material is deposited so as to form a metal wire with an appropriate interval. The surface of the silicon substrate 200 is exposed in the gap portion where no metal material is deposited, and the surface of the silicon substrate 200 is etched to a predetermined depth using this exposed region (FIG. 7C). reference).

このエッチングはエッチングガス(例えば、二フッ化キセノンガス)を使用した等方性エッチングによることができ、エッチングレートを予測して、シリコン基板200の表面側から除去される部分が、裏面側から深掘りされた残余の肉厚相当となるように調整している。このように、シリコン基板200の表面からのエッチングにより、裏面側からエッチングされた部分と表面側からエッチングされた部分とが連続し、シリコン基板200は左右に分割されることとなる。また、金属材料が堆積された部分は、シリコン基板200の表面から浮上することとなり、サブ波長格子1を形成する金属ワイヤを構成することとなる。   This etching can be performed by isotropic etching using an etching gas (for example, xenon difluoride gas), and the portion removed from the front surface side of the silicon substrate 200 is estimated from the back surface side by predicting the etching rate. It is adjusted to be equivalent to the thickness of the remaining dug. Thus, by etching from the front surface of the silicon substrate 200, a portion etched from the back surface side and a portion etched from the front surface side are continuous, and the silicon substrate 200 is divided into left and right. In addition, the portion where the metal material is deposited floats from the surface of the silicon substrate 200 and constitutes a metal wire that forms the sub-wavelength grating 1.

<受光装置>
次に、受光装置にかかる実施形態について図8を参照しつつ説明する。なお、図8には受光素子としてフォトダイオード301を例示し、符号302,303は電極を示す。この図に示すように、受光装置としては、基板300に予めフォトダイオード301などの受光素子を形成し、その受光面に、前記カラーフィルタCFを設置するものが想定される。本実施形態では、ガラス基板上にサブ波長格子を形成する作製方法(図4および図5参照)により作成したカラーフィルタCFを貼り合わせによって、受光素子301の受光面に設置したものを示している。また、表面プラズモンの励起のための光源Lが備えられている。光源Lから照射される光によってカラーフィルタCFにおいて表面プラズモンが励起され、サブ波長格子の格子周期を調整することにより、特定波長の透過光がフォトダイオード301の受光面に到達することとなる。
<Light receiving device>
Next, an embodiment of the light receiving device will be described with reference to FIG. 8 illustrates a photodiode 301 as a light receiving element, and reference numerals 302 and 303 denote electrodes. As shown in this figure, as the light receiving device, it is assumed that a light receiving element such as a photodiode 301 is previously formed on a substrate 300 and the color filter CF is installed on the light receiving surface. In this embodiment, a color filter CF created by a production method (see FIGS. 4 and 5) for forming a subwavelength grating on a glass substrate is attached to the light receiving surface of the light receiving element 301 by bonding. . Further, a light source L for exciting surface plasmons is provided. Surface plasmons are excited in the color filter CF by light emitted from the light source L, and transmitted light of a specific wavelength reaches the light receiving surface of the photodiode 301 by adjusting the grating period of the sub-wavelength grating.

このように、フォトダイオードの受光面にカラーフィルタを設置することにより、特定波長の透過光強度を測定することができる。これは、例えば蛍光物質から放出される特定波長の光を検出する場合、または、タンパク質の特定に際して蛍光ラベルを使用する蛍光標識技術における特定波長の光の検出などに使用することができる。   As described above, by installing the color filter on the light receiving surface of the photodiode, the transmitted light intensity of a specific wavelength can be measured. This can be used, for example, when detecting light of a specific wavelength emitted from a fluorescent substance, or for detecting light of a specific wavelength in a fluorescent labeling technique that uses a fluorescent label when specifying a protein.

<表示装置>
また、表示装置としては、図9に示すように、バックライト400および導光板500とともにカラーフィルタ基板600によって構成されるものである。ここで使用されるカラーフィルタ基板600は、前記サブ波長格子がアレイ化されたものであり、画素ごとに透過光波長を調整することにより、同じ構成で作製されたものでありながら、異なる色彩を表示することができる。なお、カラーフィルタ基板600の表面にはガラス基板700が設けられ、透過光はガラス基板700を介して視認することができるようになっている
<Display device>
As shown in FIG. 9, the display device includes a backlight 400 and a light guide plate 500 and a color filter substrate 600. The color filter substrate 600 used here is an array of the sub-wavelength gratings, and is manufactured with the same configuration by adjusting the transmitted light wavelength for each pixel, but with different colors. Can be displayed. Note that a glass substrate 700 is provided on the surface of the color filter substrate 600 so that transmitted light can be visually recognized through the glass substrate 700.

このとき、バックライト400により発せられる光を白色光とすることにより、前記サブ波長格子の格子周期の調整によって、紫外領域の波長に表面プラズモンを励起させることができ、これにより黒を表示することも可能となる。このように、同一構造のカラーフィルタをアレイ化したカラーフィルタ基板600により、RBGおよび黒色を表示することができることから、作製が容易であり、また、小型の表示装置を提供することができる。   At this time, by making the light emitted from the backlight 400 white light, surface plasmons can be excited to wavelengths in the ultraviolet region by adjusting the grating period of the sub-wavelength grating, thereby displaying black. Is also possible. In this manner, RBG and black can be displayed by the color filter substrate 600 in which the color filters having the same structure are arrayed, and thus manufacturing is easy and a small display device can be provided.

本発明の実施形態は上記のとおりであるが、これらは一例を示すものであり、本発明がこれらの実施形態に限定されるものではない。従って、本発明の趣旨の範囲内で種々の変更を加えることは可能である。   Although the embodiments of the present invention are as described above, these are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments. Therefore, various modifications can be made within the scope of the present invention.

例えば、カラーフィルタの実施形態において、サブ波長構成を形成する金属ワイヤを連結する連結部16a〜19bは、弧状の湾曲部を有する略U字形に構成しているが、この湾曲部を直線状とし、全体の形状を略コ字状としてもよい。要諦は、全ての連結部を同じ形状とし、同様の弾性変形を可能にすることにより、各金属ワイヤの間隙を均等に拡張・収縮させるように構成することである。   For example, in the embodiment of the color filter, the connecting portions 16a to 19b that connect the metal wires forming the sub-wavelength configuration are configured in a substantially U shape having an arc-shaped curved portion. The overall shape may be substantially U-shaped. The point is that all the connecting portions have the same shape and can be similarly elastically deformed so that the gaps between the metal wires are uniformly expanded and contracted.

また、アクチュエータの例示として、櫛歯電極型静電駆動アクチュエータを示したが、この種のアクチュエータに限定されるものではなく、効率的かつ高精度に進退駆動が可能であれば、他の構造のアクチュエータを構成してもよい。   As an example of an actuator, a comb electrode type electrostatic drive actuator has been shown. However, the actuator is not limited to this type of actuator, and other structures can be used as long as they can be advanced and retracted efficiently and accurately. An actuator may be configured.

<実験例>
前記カラーフィルタによる透過波長特性を得るため、アルミニウムによるサブ波長格子を作製し白色光を照射したときの透過波長特性を解析した。使用したサブ波長格子は、幅寸法が250nmで肉厚(高さ寸法)が100nmのアルミニウムワイヤを使用し、間隙を150nm(格子周期400nm)、200nm(格子周期450nm)、250nm(格子周期500nm)、300nm(格子周期550nm)および350nm(格子周期600nmに変化させた場合の各波長の透過率を解析した。なお、解析実験のため、前記ワイヤ間の間隙は、可動式ではなく、前記間隙(格子周期)の各寸法に合致させた固定のサブ波長格子を作製した。また、サブ波長格子が基部から浮上する場合を再現するために、サブ波長格子の下部は空間を形成した。実験に使用したサブ波長格子を図10に示す。図中のアルミニウムワイヤの幅寸法は、250nmの前後20nmを許容範囲とし、格子周期は所望周期の前後10nmとなるものを使用した。上記実験による解析結果を図11に示す。
<Experimental example>
In order to obtain the transmission wavelength characteristic by the color filter, a sub-wavelength grating made of aluminum was prepared, and the transmission wavelength characteristic when irradiated with white light was analyzed. The sub-wavelength grating used was an aluminum wire having a width dimension of 250 nm and a thickness (height dimension) of 100 nm, and a gap of 150 nm (lattice period 400 nm), 200 nm (lattice period 450 nm), 250 nm (lattice period 500 nm). , 300 nm (grating period 550 nm) and 350 nm (grating period 600 nm), the transmittance of each wavelength was analyzed. For the analysis experiment, the gap between the wires was not movable, but the gap ( A fixed subwavelength grating matched to each dimension of the grating period was created, and a space was formed below the subwavelength grating to reproduce the case where the subwavelength grating floated from the base. The sub-wavelength grating is shown in Fig. 10. The width dimension of the aluminum wire in the figure is 20 nm before and after 250 nm, and the allowable range. Cycle 11 the analysis result by. The experiment was used as the front and rear 10nm desired period.

図11から明らかなとおり、アルミニウムワイヤの間隙が150nm〜350nm(格子周期が400nm〜600nm)に拡大するに応じて、透過波長のピークが紫から赤色へ変化することが確認できる。   As is clear from FIG. 11, it can be confirmed that the peak of the transmission wavelength changes from purple to red as the gap between the aluminum wires is increased to 150 nm to 350 nm (lattice period is 400 nm to 600 nm).

また、透過波長のピークの変化が表面プラズモンの励起によるものであるか否かを判断すべく、TM偏光とTE偏光を入射した際の透過スペクトルを測定した。このときの結果を図12(a)および(b)に示す。図12(a)はTM偏光を入射した際の各波長における透過率を示し、図12(b)は、TE偏光を入射した際の透過率を示す。   Further, in order to determine whether or not the change in the peak of the transmission wavelength is due to excitation of the surface plasmon, a transmission spectrum when TM polarized light and TE polarized light were incident was measured. The results at this time are shown in FIGS. 12A shows the transmittance at each wavelength when TM polarized light is incident, and FIG. 12B shows the transmittance when TE polarized light is incident.

図12(a)および(b)の比較により明らかなとおり、TM偏光を入射した場合には、格子周期を大きくすることにより、透過ピークが長波長側へシフトするが、TE偏光を入射した場合には、比較的平坦な透過スペクトルとなり、透過ピークが表れなかった。周
知のとおり、TE偏光の場合には表面波が存在できないことから、TM偏光の場合にのみ表面プラズモンが励起され得る。従って、上記透過波長のピークの変化は、表面プラズモンの励起に起因するものと判断される。
As apparent from the comparison between FIGS. 12A and 12B, when TM polarized light is incident, the transmission peak is shifted to the longer wavelength side by increasing the grating period, but when TE polarized light is incident. Had a relatively flat transmission spectrum, and no transmission peak appeared. As is well known, since surface waves cannot exist in the case of TE polarized light, surface plasmons can be excited only in the case of TM polarized light. Therefore, it is determined that the change in the peak of the transmission wavelength is caused by the excitation of the surface plasmon.

なお、格子周期を450nm、500nm、550nmおよび600nmとするサブ波長格子について、それぞれに対しランダム偏光を照射した場合の透過光を目視で観察したところ、それぞれ青色、緑色、黄色および赤色に発現した状態を確認することができた。   For sub-wavelength gratings with a grating period of 450 nm, 500 nm, 550 nm, and 600 nm, the transmitted light when irradiated with random polarized light was visually observed, and the states were expressed in blue, green, yellow, and red, respectively. I was able to confirm.

1 サブ波長格子
2,3 支持部
4 アクチュエータ
11,12,13,15 金属ワイヤ(アルミニウムワイヤ)
11a,11b 第一列目の金属ワイヤの両端
12a,12b 第二列目の金属ワイヤの両端
13a,13b 第三列目の金属ワイヤの両端
16a,16b,17a,17b,19a,19b 連結部
20a,20b,30a,30b 連結部
41 アクチュエータの可動部
42 アクチュエータの固定部
43,44 アクチュエータの電極
45a,45b サスペンション
46a,46b サスペンションの先端
100 ガラス基板
101 遮光膜
102 犠牲層
103 レジスト
104 金属材料
200 シリコン基板
201 シリコン酸化膜
202 レジスト
203 レジスト
204 金属材料
300 基板
301 フォトダイオード
302,203 電極
400 バックライト
500 導光板
600 カラーフィルタ基板
700 ガラス基板
A 基部
Aa 基部表面
CF カラーフィルタ
G 金属ワイヤ間の間隙
W 金属ワイヤの幅寸法
Λ 格子周期
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sub wavelength grating 2, 3 Support part 4 Actuator 11, 12, 13, 15 Metal wire (aluminum wire)
11a, 11b Both ends 12a, 12b of the first row of metal wires Both ends 13a, 13b of the second row of metal wires Both ends 16a, 16b, 17a, 17b, 19a, 19b of the third row of metal wires , 20b, 30a, 30b Connecting portion 41 Actuator movable portion 42 Actuator fixed portion 43, 44 Actuator electrodes 45a, 45b Suspension 46a, 46b Suspension tip 100 Glass substrate 101 Light shielding film 102 Sacrificial layer 103 Resist 104 Metal material 200 Silicon Substrate 201 Silicon oxide film 202 Resist 203 Resist 204 Metal material 300 Substrate 301 Photodiode 302, 203 Electrode 400 Backlight 500 Light guide plate 600 Color filter substrate 700 Glass substrate A Base Aa Base surface CF Color Width Λ the grating period of the gap W metal wires between the filters G metal wire

Claims (5)

表面プラズモンの励起により、特定の透過波長帯域における透過光を得ることができるカラーフィルタであって、複数の微細な金属ワイヤを相互に適宜間隔を有しつつ軸線を平行にして整列させ、各金属ワイヤの隣接する両端を弾性変形可能な連結部によって相互に連結してなるサブ波長格子と、
前記サブ波長格子を基部表面から浮上させた状態で支持する支持部と、
前記金属ワイヤの軸線方向に対して直交方向における前記サブ波長格子の両側のうち、少なくとも片方を該直交方向へ進退させるアクチュエータとを備え、
前記支持部は、前記サブ波長格子の両側に位置する前記金属ワイヤの両端との間で前記連結部によって連結されており、その一方のみが前記基部表面に先端を固定されているサスペンションに連続して該基部表面から浮上する可動部に一体化され、前記アクチュエータによって進退可能であり、
前記支持部の一方において一体化された可動部の進退のみにより、前記サブ波長格子の金属ワイヤによって形成される各周期を同時に拡張方向または収縮方向へ適宜変化させることにより、光の透過波長帯域を変化させることを特徴とするカラーフィルタ。
A color filter capable of obtaining transmitted light in a specific transmission wavelength band by excitation of surface plasmons, wherein a plurality of fine metal wires are aligned with their axes parallel to each other with appropriate spacing therebetween, and each metal A sub-wavelength grating formed by mutually connecting adjacent ends of a wire by a connecting portion capable of elastic deformation;
A support portion for supporting the sub-wavelength grating in a state of being levitated from the base surface;
An actuator for advancing and retracting at least one of the two sides of the sub-wavelength grating in a direction orthogonal to the axial direction of the metal wire in the orthogonal direction;
The support portion is connected by the connecting portion between both ends of the metal wire located on both sides of the sub-wavelength grating, and only one of the support portions is continuous with a suspension whose tip is fixed to the base surface. Integrated with the movable part floating from the surface of the base part, and can be advanced and retracted by the actuator,
By changing the period formed by the metal wires of the sub-wavelength grating at the same time in the expansion direction or the contraction direction only by moving the movable part integrated in one of the support parts, the light transmission wavelength band can be changed. A color filter characterized by changing.
前記金属ワイヤは、アルミニウムによって構成されている請求項1に記載のカラーフィルタ。   The color filter according to claim 1, wherein the metal wire is made of aluminum. 前記金属ワイヤは、金属層と絶縁体層とでMIM構造が形成されている請求項1または2に記載のカラーフィルタ。   The color filter according to claim 1, wherein the metal wire has a MIM structure formed of a metal layer and an insulator layer. 請求項1ないし3のいずれかに記載のカラーフィルタを使用する受光装置であって、
受光素子が作製された基板の表面に、該基板表面から浮上させた状態で前記サブ波長格子が形成されていることを特徴とする受光装置。
A light receiving device using the color filter according to any one of claims 1 to 3,
A light receiving device, wherein the sub-wavelength grating is formed on a surface of a substrate on which a light receiving element is manufactured in a state of being floated from the surface of the substrate.
請求項1ないし3のいずれかに記載のカラーフィルタを使用する表示装置であって、
前記カラーフィルタを形成する前記サブ波長格子をアレイ化してなるカラーフィルタ基板と、該カラーフィルタ基板に対して白色光を照射する光源とを備えることを特徴とする表示装置。
A display device using the color filter according to any one of claims 1 to 3,
A display device comprising: a color filter substrate formed by arraying the sub-wavelength gratings that form the color filter; and a light source that irradiates the color filter substrate with white light.
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