(57)【要約】【課題】蛍光を発光する発光素子において、照射される励起光による光密度消光を低減する。【解決手段】発光素子（１０）は、所定の励起光に基づき蛍光を発光する。発光素子は、蛍光体層（１１）と、物体層（１２）とを備える。蛍光体層は、蛍光を発光する蛍光体（１３）を含む。物体層は、蛍光体層における屈折率（ｎ１）とは異なる屈折率（ｎ２）を有する。蛍光体層と物体層とは、交互に複数、積層されている。積層された蛍光体層及び物体層を含む周期構造体（５）において、励起光が入射した場合における電場の強度分布のピークが物体層に位置するように、蛍光体層及び物体層が周期的に配置されている。【選択図】図３
2020095065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の励起光に基づき蛍光を発光する発光素子であって、
前記蛍光を発光する蛍光体を含んだ蛍光体層と、
前記蛍光体層における屈折率とは異なる屈折率を有する物体層とを備え、
前記蛍光体層と前記物体層とは、交互に複数、積層され、
前記積層された蛍光体層及び物体層を含む周期構造体において、前記励起光が入射した場合における電場の強度分布のピークが前記物体層に位置するように、前記蛍光体層及び物体層が周期的に配置された
発光素子。
【請求項２】
前記周期構造体は、光の分散関係を規定する第１フォトニックバンドと、前記第１フォトニックバンドよりもフォトニックバンドギャップ分、大きい周波数の光の分散関係を規定する第２フォトニックバンドとを有する
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記物体層における屈折率は、前記蛍光体層における屈折率よりも低く、
前記第２フォトニックバンドにおけるフォトニックバンドエッジの角振動数が、前記励起光の角振動数近傍の値を有する
請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記物体層における屈折率は、前記蛍光体層における屈折率よりも高く、
前記第１フォトニックバンドにおけるバンド端が、前記励起光の角振動数近傍の角振動数を有する
請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記蛍光を発光する蛍光体で構成されるバルク構造をさらに備え、
前記周期構造体は、前記バルク構造よりも前記励起光の入射側に設けられる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記励起光の入射側とは反対側に、光を反射する反射面がさらに設けられた
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記周期構造体において、前記蛍光体層と前記物体層とがそれぞれ、少なくとも１０層積層された
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子と、
前記発光素子に前記励起光を照射する励起光源と
を備えた発光装置。
【請求項９】
所定の励起光を照射する励起光源と、
前記励起光に基づき蛍光を発光する蛍光体を含んだ蛍光体層と、前記蛍光体層における屈折率よりも低い屈折率を有する物体層とを交互に複数、積層した周期構造体を備えた発光素子とを備え、
前記周期構造体は、光の分散関係を規定する第１フォトニックバンドと、前記第１フォトニックバンドよりもフォトニックバンドギャップ分、大きい角振動数の光の分散関係を規定する第２フォトニックバンドとを有し、
前記励起光は、前記第２フォトニックバンドにおけるバンド端近傍の角振動数を有する
発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、励起光に基づき蛍光を発光する発光素子及び発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、励起光に基づく蛍光発光を増強するために１次元フォトニック結晶を用いた技術を開示している。非特許文献１の１次元フォトニック結晶は、量子ドットの蛍光体を含んだ層と、別の材質の層とを繰り返し積層して構成され、各々の蛍光体の層の内部における励起光の電場強度が、隣接する別の層よりも大きくなるように設計されている。これにより、強度が小さい励起光を用いても大きな蛍光発光の強度が得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｋ．Ｍｉｎ，ｅｔ  ａｌ，“Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｆｒｏｍ  ＣｄＳｅ／ＺｎＳ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ  ｎａｎｏｐｈｏｓｐｈｏｒｓ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｉｎ  ａ  ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｂａｃｋｂｏｎｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｎａｎｏｓｃａｌｅ，２０１４，６，１４５３１−１４５３７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、蛍光を発光する発光素子において、照射される励起光による光密度消光を低減することができる発光素子及び発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る発光素子は、所定の励起光に基づき蛍光を発光する。発光素子は、蛍光体層と、物体層とを備える。蛍光体層は、蛍光を発光する蛍光体を含む。物体層は、蛍光体層における屈折率とは異なる屈折率を有する。蛍光体層と物体層とは、交互に複数、積層されている。積層された蛍光体層及び物体層を含む周期構造体において、励起光が入射した場合における電場の強度分布のピークが物体層に位置するように、蛍光体層及び物体層が周期的に配置されている。
【０００６】
本開示の一態様に係る発光装置は、励起光源と、発光素子とを備える。励起光源は、所定の励起光を照射する。発光素子は、励起光に基づき蛍光を発光する蛍光体を含んだ蛍光体層と、蛍光体層における屈折率よりも低い屈折率を有する物体層とを交互に複数、積層した周期構造体を備える。周期構造体は、光の分散関係を規定する第１フォトニックバンドと、第１フォトニックバンドよりもフォトニックバンドギャップ分、大きい角振動数の光の分散関係を規定する第２フォトニックバンドとを有する。励起光は、第２フォトニックバンドにおけるバンド端近傍の角振動数を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示に係る発光素子及び発光装置によると、励起光が発光素子に入射した際に、電場強度のピーク位置が蛍光体層の外部になる。これにより、発光素子に照射される励起光による光密度消光を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の実施形態１におけるプロジェクタの構成を示す図
【図２】実施形態１に係る発光素子の構成を示す図
【図３】実施形態１に係る発光素子の機能を説明するための図
【図４】発光素子のフォトニック結晶における光の分散関係を説明するためのグラフ
【図５】発光素子に関する電場解析のシミュレーション結果を示すグラフ
【図６】実施形態１に係る発光素子の変形例を説明するための図
【図７】他の実施形態に係る発光素子の構成を例示する図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１０】
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１１】
（実施形態１）
実施形態１では、本開示に係る発光素子及び発光装置について、プロジェクタへの適用例を用いて説明する。
【００１２】
［１．構成］
本実施形態に係る発光装置及び発光素子の構成について、以下説明する。
【００１３】
［１−１．プロジェクタについて］
本開示に係る発光装置は、例えばプロジェクタにおける光源として用いられる。実施形態１におけるプロジェクタ及び発光装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態におけるプロジェクタ１の構成を示す図である。
【００１４】
プロジェクタ１は、図１に示すように、発光装置２と、導光光学系３と、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）４９と、投写レンズ５１とを備える。プロジェクタ１は、映像を示す投写光をスクリーン等に投写する。発光装置２は、例えば黄色光を発光する。プロジェクタ１は、例えば青色光を発光する青色光源（不図示）をさらに備え、発光装置２からの黄色光と上記の青色光とを用いて、投写光を生成する。
【００１５】
発光装置２は、励起光源４１と、コリメートレンズ系４２と、ダイクロイックミラー４３と、集光光学系４４と、蛍光体ホイール２０とを備える。発光装置２は、蛍光体ホイール２０を用いて、例えば青色光の励起光から、黄色光の蛍光への波長変換を行う。
【００１６】
励起光源４１は、本実施形態では、励起光として波長４５０ｎｍを有する青色光を発光する。励起光源４１は、例えば複数の半導体レーザ（ＬＤ）で構成される。励起光源４１は、ＬＤに限らず、例えばＬＥＤなどの種々の光源素子で構成されてもよい。
【００１７】
コリメートレンズ系４２は、コリメートレンズ等の複数のレンズを含み、励起光源４１と蛍光体ホイール２０との間に配置される。コリメートレンズ系４２は、発光素子１０に入射する光を平行化する。
【００１８】
ダイクロイックミラー４３は、例えば青色光を透過すると共に黄色光を反射する光学特性を有する。ダイクロイックミラー４３は、コリメートレンズ系４２、蛍光体ホイール２０及び集光光学系４４を介して励起光源４１に対向して配置される。
【００１９】
集光光学系４４は、例えば複数の光学レンズを含む。集光光学系４４は、焦点位置が蛍光体ホイール２０の主面上に位置するように配置される。なお、集光光学系４４の焦点位置は、蛍光体ホイール２０の主面の近傍であってもよい。
【００２０】
発光装置２において、励起光源４１から出射した励起光は、コリメートレンズ系４２において図１に示すように平行化され、蛍光体ホイール２０の主面上における集光光学系４４の焦点位置に対応する位置に照射される。なお、発光装置２内部の光学系は上記の構成に限らず、適宜、設定されてもよい。
【００２１】
蛍光体ホイール２０は、励起光に基づき蛍光を発光する発光素子１０と、主面を有する基材２１と、モータ等を含む回転装置２２とを備える。発光素子１０は、基材２１の主面上に設けられる。回転装置２２は、同主面を回転面として、基材２１を回転駆動する。蛍光体ホイール２０は、基材２１上の発光素子１０における励起光の照射位置を回転させ、発光素子１０を冷却しながら励起光から蛍光への変換を行う。
【００２２】
本実施形態に係る発光素子１０によると、励起光の光強度を大きくした際に励起光から蛍光への変換における内部量子効率が低下する光密度消光を低減可能である。発光素子１０の構成については後述する。
【００２３】
本実施形態において、蛍光体ホイール２０は透過型であり、励起光の入射方向と同じ方向に変換後の蛍光を出射する。蛍光体ホイール２０から出射した蛍光（黄色光）は、集光光学系４４を逆行することにより、平行化された状態でダイクロイックミラー４３に入射する。発光装置２は、波長変換後の黄色光をダイクロイックミラー４３で反射して、導光光学系３に出射する。
【００２４】
導光光学系３は、集光レンズ４５と、ロッドインテグレータ４６と、リレーレンズ４７と、フィールドレンズ４８と、全反射プリズム５０とを備える。導光光学系３は、発光装置２からの黄色光を集光レンズ４５でロッドインテグレータ４６に集光し、ロッドインテグレータ４６において黄色光と別途、供給される青色光とを白色光に合成する。合成された白色光は、リレーレンズ４７、フィールドレンズ４８及び全反射プリズム５０を経由して、ＤＭＤ４９に導光される。
【００２５】
ＤＭＤ４９は、外部からの映像信号に基づく映像を表すように、導光光学系３から導光された白色光を空間変調して、投写光を生成する。なお、プロジェクタ１においては、ＤＭＤ４９に限らず、例えば液晶パネルなど、種々の空間光変調素子が用いられてもよい。
【００２６】
投写レンズ５１は、ＤＭＤ４９によって生成された投写光をプロジェクタ１の外部に投写する。これにより、プロジェクタ１からの投写光に基づいて、所望の映像が映し出される。この際、映像の輝度の上限は、発光装置２による光出力などによって規定される。
【００２７】
以上のようなプロジェクタ１においては、投写光の輝度を高くする高輝度化が求められている。プロジェクタ１の高輝度化を実現するためには、発光装置２の光出力を増大するべく、励起光源４１による励起光の光強度を大きくすることとなる。
【００２８】
従来のプロジェクタにおいては、励起光の光強度を大きくした場合に、光密度消光の影響によって励起光から蛍光への変換効率が低下するという課題があった。そこで、本実施形態に係る発光装置２では、発光素子１０によって、励起光源４１から照射する励起光による光密度消光を低減する。以下、本実施形態に係る発光素子１０の構成について説明する。
【００２９】
［１−２．発光素子の構成］
実施形態１に係る発光素子１０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る発光素子１０の構成を示す図である。
【００３０】
本実施形態に係る発光素子１０は、蛍光体ホイール２０（図１）の基材２１上に多層膜を積層して構成される。図２では、発光素子１０の断面構造を示している。
【００３１】
以下では、発光素子１０の厚さ方向をＸ方向とし、発光素子１０の主面に沿って互いに直交する二方向をＹ方向及びＺ方向とする。また、励起光は、発光素子１０の−Ｘ側から入射することとする。
【００３２】
発光素子１０は、図２に示すように、複数の蛍光体層１１と、複数の低屈折率層１２と、基板１６と、ダイクロイックフィルタ１７とを備える。
【００３３】
蛍光体層１１は、入射する励起光（青色光）によって励起して、蛍光（黄色光）を発光する蛍光体を含む。蛍光体層１１の屈折率ｎ１は、例えばｎ１＝１．８であり、蛍光体層１１の厚さＴＨ１は、例えばＴＨ１＝７５ｎｍである。
【００３４】
本実施形態では、蛍光体層１１は、蛍光体の粒子を構成する量子ドット１３を含んだナノコンポジット材料で構成される。量子ドット１３は、例えばＣｄＳｅ，ＣｕＩｎＳ２等で構成される。本実施形態における蛍光体層１１によると、量子ドット１３の密度等を制御することにより、所望の屈折率ｎ１等の物理特性を得ることができる。
【００３５】
低屈折率層１２は、励起光を透過する各種材料（例えばＰＭＭＡやＣＡ樹脂など）で構成される。低屈折率層１２の屈折率ｎ２は、例えばｎ２＝１．５であり、低屈折率層１２の厚さＴＨ２は、例えばＴＨ２＝７２ｎｍである。低屈折率層１２は、ナノコンポジット材料で構成されてもよい。低屈折率層１２は、本実施形態における物体層の一例である。
【００３６】
本実施形態に係る発光素子１０においては、図２に示すように、蛍光体層１１と低屈折率層１２とが交互に複数、積層されている。積層された複数の蛍光体層１１と複数の低屈折率層１２とは、フォトニック結晶５を構成する。フォトニック結晶５における蛍光体層１１の層数と低屈折率層１２の層数とはそれぞれ、例えば１０層以上であり、例えば数百層である。
【００３７】
本実施形態に係る発光素子１０では、例えば上記のような厚さＴＨ１，ＴＨ２及び屈折率ｎ１，ｎ２に設定された蛍光体層１１と低屈折率層１２とを周期的に配置したフォトニック結晶５の周期構造により、励起光の強度分布を制御し、光密度消光を低減する。フォトニック結晶５は、本実施形態における周期構造体の一例である。フォトニック結晶５の詳細については後述する。
【００３８】
基板１６は、例えばサファイア基板である。基板１６は、蛍光体ホイール２０（図１）における基材２１の主面上に固定されてもよいし、基材２１と一体的に構成されてもよい。
【００３９】
ダイクロイックフィルタ１７は誘電体多層膜であり、励起光の波長帯（例えば青色光）を透過し、蛍光の波長帯（例えば黄色光）を反射する光学特性を有する。ダイクロイックフィルタ１７は、基板１６の励起光の入射する面に設けられる。
【００４０】
［２．動作］
本実施形態に係る発光装置２及び発光素子１０の動作について以下に説明する。
【００４１】
本実施形態に係る発光装置２（図１）において、励起光源４１は励起光を発光素子１０に照射する。図２に示すように、励起光源４１からの励起光は、発光素子１０の−Ｘ側から＋Ｘ向きに入射する。励起光は、発光素子１０においてダイクロイックフィルタ１７を透過し、フォトニック結晶５として複数、積層された蛍光体層１１と低屈折率層１２とを順次、通過するように伝播する。励起光は、蛍光体層１１を伝播する度に蛍光体の量子ドット１３に吸収されて、蛍光に変換される。
【００４２】
発光素子１０における変換後の蛍光には、図２に示すように、＋Ｘ向きのままで＋Ｘ側から出射する光と、−Ｘ向きの蛍光でダイクロイックフィルタ１７により反射され＋Ｘ側から出射する光との２種類の光がある。すなわち、発光素子１０Ｂは、−Ｘ側から入射した励起光に基づいて、＋Ｘ側から透過させるように上記の変換後の光を出射する。発光装置２は、発光素子１０から出射した蛍光（黄色光）を出力する。
【００４３】
［２−１．発光素子について］
本実施形態に係る発光素子１０は、以上のように発光装置２において励起光を蛍光に変換する際に、フォトニック結晶５の周期構造によって励起光の電場分布を制御する機能を有する。このような発光素子１０の機能について、図３を用いて説明する。
【００４４】
図３では、励起光が発光素子１０に入射した際に、フォトニック結晶５の内部に分布する電場強度の空間分布を示している。以下、励起光は、Ｘ方向に伝播するＴＥ波であり、電場の横波成分の振動方向がＹ方向であることとする。図３において、横軸はＸ方向の位置を示し、縦軸は電場のＹ成分Ｅｙの強度（即ちＴＥ波の光強度）を示している。
【００４５】
励起光は、発光素子１０に入射すると、フォトニック結晶５の周期構造によって規定される光の分散関係に従って、励起光の周波数に対応する波数ｋｘの波として分布する。この際、図３に示すように、励起光の電場強度の分布には、周期的なピーク（極大値）及びバレー（極小値）が形成される。ここで、励起光の電場強度のピーク近傍では、励起光の光強度が周囲よりも大きくなり、光密度消光の影響が大きいと考えられる。
【００４６】
そこで、本実施形態では、フォトニック結晶５の内部における励起光の電場強度Ｅｙ２の周期的なピークが、それぞれ低屈折率層１２に位置するように、フォトニック結晶５を構成しておく。この際、各々の蛍光体層１１には、例えば電場強度Ｅｙ２の周期的なバレーが位置する（図３）。
【００４７】
以上のような発光素子１０によると、励起光を発光素子１０に照射した際、発光素子１０の内部では蛍光体層１１における電場強度Ｅｙ２がピーク値よりも低くなり、当該ピーク値で生じ得る光密度消光よりも、発光素子１０中での光密度消光を低減することができる。これにより、励起光源４１から出力する励起光の光強度を大きくした際に光密度消光による損失を減らして、発光装置２における励起光から蛍光への変換効率を良くすることができる。
【００４８】
［２−１−１．フォトニック結晶について］
以上のような発光素子１０の機能を実現するためのフォトニック結晶５の詳細について、図４を用いて説明する。
【００４９】
図４は、発光素子１０のフォトニック結晶５における光の分散関係を説明するためのグラフである。図４の横軸は、Ｘ方向における波数ｋｘである（図２参照）。図４の縦軸は、波長λである。曲線Ｃ１，Ｃ２は、フォトニック結晶５における光の分散関係を示している。
【００５０】
本実施形態に係る発光素子１０（図２）では、蛍光体層１１と低屈折率層１２との周期構造により、フォトニック結晶５の内部において、光の分散関係が次式のように規定される。
【００５１】
【数１】
2020095065.tif 000003
上式（１）において、ａは蛍光体層１１の厚さを表すパラメータであり、ｂは低屈折率層１２の厚さを表すパラメータであり、ｃは（真空中又は空気中の）光速である。また、変数ｋ１ｘは上式（２）のとおり蛍光体層１１の屈折率ｎ１と光の角振動数ω（周波数の２π倍）とに依存し、変数ｋ２ｘは上式（３）のとおり低屈折率層１２の屈折率ｎ２と光の角振動数ωとに依存する。
【００５２】
式（１）は、Ｘ方向に伝播する電磁波の波動方程式（マクスウェル方程式）において、ブロッホの定理に基づきフォトニック結晶５の周期構造に対応する電磁波解を代入すると共に、誘電率をフーリエ級数展開すること等により得られる。
【００５３】
フォトニック結晶５においては、式（１）に従って光の角振動数ωに対応する波数ｋｘが複素数になり、実数で存在しない周波数区間、即ちフォトニックバンドギャップが生じる（図４参照）。フォトニック結晶５は、式（１）に基づきフォトニックバンドギャップ外の光の角振動数ωの光の分散関係を規定する第１及び第２フォトニックバンドを有する。
【００５４】
第１フォトニックバンドは、フォトニック結晶５において上記のフォトニックバンドギャップ以下の光の角振動数ωと実数の波数ｋｘとを対応付ける。第２フォトニックバンドは、同フォトニックバンドギャップ以上の光の角振動数ωと実数の波数ｋｘとを対応付ける。
【００５５】
図４において、曲線Ｃ１は第１フォトニックバンドに対応する。また、曲線Ｃ２は第２フォトニックバンドに対応する。図４では、縦軸に波長λ（＝２πｃ／ω）を用いているため、第１フォトニックバンドの曲線Ｃ１が、第２フォトニックバンドの曲線Ｃ２よりも上側にある。
【００５６】
第１フォトニックバンドの曲線Ｃ１の最小値は、第１フォトニックバンド側のフォトニックバンドエッジ（ＰＢＥ）、即ち第１フォトニックバンドにおけるバンド端を表す。また、第２フォトニックバンドの曲線Ｃ２の最大値は、第２フォトニックバンド側のＰＢＥ、即ち第２フォトニックバンドにおけるバンド端を表す。
【００５７】
本実施形態では、発光装置２（図１）の励起光源４１から照射する励起光の角振動数（或いは等価的に波長）と、第２フォトニックバンド側のＰＢＥの近傍とが合致するように、フォトニック結晶５を構成する（図４）。ＰＢＥの近傍は、例えば、フォトニック結晶５による光の反射率の周波数スペクトルにおいて反射率が極小となる周波数位置であって、ＰＢＥに隣接する周波数位置を含む範囲内である。
【００５８】
上記のフォトニック結晶５の構成によると、励起光と同じ角振動数の光がフォトニック結晶５内部に分布する場合に、上述のように、電場強度のピークが低屈折率層１２に位置するようになる（図３参照）。このような構成は、式（１）に基づくＰＢＥ近傍の角振動数を、基準とする励起光の角振動数に合致させるように、各層１１，１２の厚さＴＨ１，ＴＨ２及び屈折率ｎ１，ｎ２を設定することによって得られる。各種パラメータＴＨ１，ＴＨ２，ｎ１，ｎ２の値は、式（１）から上記の関係が成立する範囲内で適宜、選択することができる。また、基準とする励起光の周波数を適宜、設定してもよい。
【００５９】
また、励起光の角振動数が、ＰＢＥ近傍において、反射率スペクトルが極小の角振動数位置付近となることにより、励起光を発光素子１０に入射させる際の反射による損失を低減でき、励起光から蛍光への変換効率を良くすることができる。
【００６０】
［２−２．シミュレーションについて］
以上のようなフォトニック結晶５に基づく発光素子１０に関して、本願発明者が行ったシミュレーションについて、図５を用いて説明する。
【００６１】
図５は、発光素子１０のフォトニック結晶５における電場の解析シミュレーションの結果を示すグラフである。図５の縦軸は、時間Ｔを、光速ｃを用いて距離換算して表しており（ｃＴ［μｍ］）、横軸は、電場強度Ｅｙ２を任意単位で表している。
【００６２】
図５の解析シミュレーションでは、本実施形態に係る発光素子１０のフォトニック結晶５に、励起光（ＴＥ波）を入射させた場合の電場の強度をＦＤＴＤ法でシミュレーションした。この際、蛍光発光による励起光の減衰はないこととするという仮定を用いた。このようなフォトニック結晶５のシミュレーションモデルにおいて、透過光と、反射光と、蛍光体層１１内部の所定位置を通過する光とについて、電場強度Ｅｙ２の時間変化を数値計算すると、図５のような結果が得られた。
【００６３】
図５によると、蛍光体層１１の内部では、励起光の電場強度Ｅｙ２が、透過光の２割程度にまで低減されている。上記の仮定によると、フォトニック結晶５のシミュレーションモデルに入射した光は吸収されずに透過することとなる。このことから、図５における透過光の曲線は、本実施形態におけるフォトニック結晶５のような周期構造を用いない従来の蛍光体構造（例えばバルク構造）中で生じる電場強度Ｅｙ２に対応すると考えられる。よって、本実施形態におけるフォトニック結晶５によると、蛍光体層１１において、従来構造よりも励起光の光強度を低減できることが確認された。
【００６４】
［３．効果等］
以上のように、本実施形態に係る発光素子１０は、予め設定された励起光に基づき蛍光を発光する。発光素子１０は、蛍光体層１１と、物体層としての低屈折率層１２とを備える。蛍光体層１１は、蛍光を発光する蛍光体の量子ドット１３を含む。低屈折率層１２は、蛍光体層１１における屈折率ｎ１とは異なる屈折率ｎ２を有する。蛍光体層１１と低屈折率層１２とは、交互に複数、積層されている。積層された蛍光体層１１及び低屈折率層１２を含む周期構造体であるフォトニック結晶５において、励起光が入射した場合における電場の強度分布のピークが低屈折率層１２に位置するように、蛍光体層１１及び低屈折率層１２が周期的に配置されている。
【００６５】
以上の発光素子１０によると、励起光が発光素子１０に入射した際に、電場強度のピーク位置が蛍光体層１１の外部になる。これにより、発光素子１０に照射される励起光による光密度消光を低減することができる。
【００６６】
本実施形態において、フォトニック結晶５は、光の分散関係を規定する第１フォトニックバンドと、第１フォトニックバンドよりもフォトニックバンドギャップ分、大きい周波数の光の分散関係を規定する第２フォトニックバンドとを有する。このようなフォトニックバンド構造に基づいて、励起光の電場強度の分布を制御し、光密度消光を低減することができる。
【００６７】
また、本実施形態において、低屈折率層１２における屈折率ｎ２は、蛍光体層１１における屈折率ｎ１よりも低い。第２フォトニックバンドにおけるバンド端が、励起光の周波数近傍の周波数を有する（図４）。屈折率ｎ２＜ｎ１の場合には、第２フォトニックバンド側のＰＢＥを励起光の周波数近傍に設定することで、発光素子１０における光密度消光を低減できる。
【００６８】
また、本実施形態では、周期構造体において、蛍光体層１１と低屈折率層１２とがそれぞれ、少なくとも１０層積層される。これにより、周期構造体がフォトニック結晶５として機能し、電場強度の分布を制御できる。
【００６９】
また、本実施形態において、発光装置２は、発光素子１０と、発光素子１０に励起光を照射する励起光源４１とを備える。発光素子１０は、フォトニック結晶５を備える。フォトニック結晶５は、蛍光体層１１と、蛍光体層１１における屈折率ｎ１よりも低い屈折率ｎ２を有する低屈折率層１２とを交互に複数、積層した周期構造体である。フォトニック結晶５は、第１フォトニックバンドと第２フォトニックバンドとを有する。励起光は、第２フォトニックバンドにおけるバンド端近傍の周波数を有する。
【００７０】
以上の発光装置２によると、蛍光を発光する発光素子１０において、発光素子１０に照射される励起光による光密度消光を低減することができる。
【００７１】
（変形例）
実施形態１に係る発光素子１０は、フォトニック結晶５を備えた。本開示に係る発光素子においては、フォトニック結晶５のような周期構造が部分的に設けられてもよい。この変形例について、図６を用いて説明する。
【００７２】
図６は、実施形態１の変形例に係る発光素子１０Ａを説明するための図である。本変形例に係る発光素子１０Ａは、図６に示すように、フォトニック結晶５と、バルク構造６とを備える。バルク構造６は、例えばフォトニック結晶５の蛍光体層１１と同様の材料、或いは同様の蛍光特性を有する材料で構成される。フォトニック結晶５は、バルク構造６の−Ｘ側（励起光の入射側）に積層される。
【００７３】
発光装置２において、励起光による光密度消光は、発光素子１０Ａにおける励起光の入射側において顕著であると考えられる。そこで、本変形例に係る発光素子１０Ａでは、励起光の入射側にフォトニック結晶５を設け、残りの部分についてはバルク状の蛍光体（バルク構造６）を用いる。
【００７４】
一例として、フォトニック結晶５において、蛍光体層１１と低屈折率層１２とがそれぞれ２００層、積層され、１層当たりの蛍光体層１１の厚さＴＨ１＝７０ｎｍ、蛍光体の吸収率α＝１０００ｃｍ−１の場合について検討する。この場合、フォトニック結晶５における蛍光体層１１の部分の厚さの合計は１４μｍになる。この場合、励起光の発光素子１０Ａへの入射前の光強度をＩ０とすると、励起光がフォトニック結晶５の内部を伝播した後の光強度は、次式のように計算できる。
【００７５】
Ｉ０＊ｅｘｐ（−０．００１４＊１０００）＝０．２４７＊Ｉ０  …（４）
上式（４）によると、フォトニック結晶５の内部を伝播した後の光強度は、約１／４倍に減衰している。よって、上記のようにフォトニック結晶５をバルク構造６の−Ｘ側に設けることで、励起光がフォトニック結晶５を通ってバルク構造６に入射する際に、励起光の光強度を約１／４倍にまで低減させることができる。
【００７６】
バルク構造６においては、励起光の光強度がフォトニック結晶５を介して低減されていることから、光密度消光の影響が抑制され、励起光を効率良く吸収して蛍光に変換することができる。バルク構造６の厚さは、フォトニック結晶５で低減された励起光の光強度を考慮して、当該励起光が充分に吸収されると想定される程度の厚さに適宜、設定することができる（例えば１００μｍ〜２００μｍ）。
【００７７】
以上のように、本変形例に係る発光素子１０Ａは、蛍光を発光する蛍光体で構成されるバルク構造６をさらに備える。周期構造体であるフォトニック結晶５は、バルク構造６よりも励起光の入射側（−Ｘ側）に設けられる。これにより、フォトニック結晶５において光密度消光を低減し、バルク構造６においても効率良く励起光を蛍光に変換することができる。
【００７８】
（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１及びその変形例を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
【００７９】
上記の各実施形態では、透過型の蛍光体ホイール２０における発光素子１０について説明したが、本開示に係る発光素子は、透過型に限らず、反射型の蛍光体ホイールに適用することができる。図７を用いて、反射型の発光素子１０Ｂについて説明する。
【００８０】
図７は、他の実施形態に係る発光素子１０Ｂの構成を例示する図である。本例の発光素子１０Ｂでは、実施形態１と同様の構成（図２）において、−Ｘ側に設けられた基板１６及びダイクロイックフィルタ１７が省略され、代わりに＋Ｘ側に金属基板１５及び接着層１４が設けられる。金属基板１５は、例えば銀等で構成され、発光素子１０Ｂにおいて励起光の入射側（−Ｘ側）とは反対側（＋Ｘ側）に、蛍光等の光を反射する反射面を形成する。接着層１４は、各種接着剤で構成され、フォトニック結晶５と金属基板１５とを接着する。
【００８１】
本例の発光素子１０Ｂにおいては、＋Ｘ向きに伝播する光は、金属基板１５による反射面において反射し、伝播方向が−Ｘ向きになる。このため、実施形態１と同様に−Ｘ側から励起光が＋Ｘ向きに入射すると、励起光が変換された蛍光は、発光素子１０の−Ｘ向きに出射する。発光素子１０Ｂの反射面は、金属コーティング等によって形成されてもよい。
【００８２】
以上のように、本例の発光素子１０Ｂには、励起光の入射側（−Ｘ側）とは反対側（＋Ｘ側）に、光を反射する反射面がさらに設けられる。これにより、発光素子１０Ｂは、入射した励起光を反射するように、変換後の光を出射する。
【００８３】
上記の各実施形態では、発光素子１０〜１０Ｂにおける物体層として低屈折率層１２を用いた。本開示に係る発光素子において、物体層は、低屈折率層１２に限らず、屈折率が蛍光体層１１よりも高い高屈折率層であってもよい。
【００８４】
この場合、第１フォトニックバンド側のＰＢＥ近傍が励起光に合致するように、蛍光体層１１と高屈折率層との周期構造によるフォトニック結晶を構成する（図４参照）。これにより、当該フォトニック結晶において、励起光が入射した場合における電場の強度分布のピークが高屈折率層に位置するように設定することができる。
【００８５】
以上のように、物体層における屈折率は、蛍光体層１１における屈折率よりも高くてもよい。この場合、第１フォトニックバンドにおけるバンド端が、励起光の周波数近傍の周波数を有する。これにより、高屈折率層を用いて発光素子１０における光密度消光を低減できる。
【００８６】
また、上記の各実施形態では、発光素子１０〜１０Ｂにおいて、蛍光体層１１における蛍光体として量子ドットを用いた。本開示において、蛍光体層等における蛍光体は特に量子ドットに限らず、種々の蛍光体材料を用いてもよく、例えばＹＡＧ等であってもよい。
【００８７】
また、上記の各実施形態では、発光装置２が青色光の励起光を蛍光に変換して黄色光を出力する例を説明した。本開示に係る発光装置はこれに限定されない。例えば、発光装置は、青色光の励起光の一部を黄色光に変換し、残りの青色光を併せて白色光を生成してもよい。この場合、プロジェクタ１において、別途の青色光源を省略することができる。
【００８８】
また、本開示において、励起光は、青色光に限らず、種々の波長帯の光であってもよい。また、蛍光も、黄色光に限らず、種々の波長帯の光であってもよい。以上のように、本開示に係る発光装置は、種々の励起光に基づき各種の光を出力してもよい。
【００８９】
また、上記の各実施形態では、発光装置２をプロジェクタ１に適用する適用例について説明した。本開示に係る発光装置はプロジェクタ１に限らず、励起光に基づく蛍光発光を用いる種々の技術に適用可能である。
【００９０】
また、上記の各実施形態では、発光装置２は、蛍光体ホイール２０に組み込まれた発光素子１０を備えた。本開示に係る発光装置は、特に蛍光体ホイールに組み込まれずに、本開示に係る発光素子を備えてもよい。例えば発光素子の冷却が特に必要出ない場合や他の機構によって冷却可能な場合など、発光装置２において回転装置２２が省略されてもよい。
【００９１】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【００９２】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００９３】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本開示は、励起光に基づく蛍光発光を用いる種々の技術に適用可能であり、例えばプロジェクタに適用可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１０，１０Ａ，１０Ｂ    発光素子
１１    蛍光体層
１２    低屈折率層
１３    量子ドット
２    発光装置
４１    励起光源
５    フォトニック結晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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