(57)【要約】      （修正有）【課題】照明と画像の提示とを両立させ得る照明装置を提供する。【解決手段】第１投影装置５１０と、第２投影装置５２０とを有し、第１投影装置５１０は、白色光を生成する第１光源部を有する。第１投影装置５１０は、白色光ＷＬを出射することによって、第１領域ＬＡと、第１領域ＬＡ中の第２領域ＤＡであって、相対的に照度の低い第２領域ＤＡとを形成する。第２投影装置５２０は、複数の異なる色の光を生成する第２光源部と、複数の異なる色の光のうちの少なくとも１つが入射する位置に配置された少なくとも１つの配光制御素子とを有する。第２投影装置５２０は、配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された光ＰＬで第２領域ＤＡの少なくとも一部を照射することにより、第２領域ＤＡ上に画像を表示する。【選択図】図３６
2018169413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を生成する第１光源部を有し、前記白色光を出射することによって、第１領域と、前記第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成する第１投影装置と、
複数の異なる色の光を生成する第２光源部、および、前記複数の異なる色の光のうちの少なくとも１つが入射する位置に配置された少なくとも１つの第１配光制御素子を有し、前記少なくとも１つの第１配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記複数の異なる色の光で前記第２領域の少なくとも一部を照射することにより、前記第２領域上に画像を表示する第２投影装置と、を備える、照明装置。
【請求項２】
前記白色光の演色性は、前記複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
白色光を生成する第１光源部を有し、前記白色光を出射することによって、第１領域と、前記第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成する第１投影装置と、
色光を生成する第２光源部、および、前記色光が入射する位置に配置された第１配光制御素子を有し、前記第１配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記色光で前記第２領域の少なくとも一部を照射することにより、前記第２領域上に画像を表示する第２投影装置と、を備える、照明装置。
【請求項４】
前記第１投影装置は、前記白色光が入射する位置に配置された第２配光制御素子をさらに有し、前記第２配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記白色光を出射することによって、前記第１領域と、前記第２領域とを形成する、請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記第１配光制御素子および前記第２配光制御素子の少なくとも一方は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって前記入射した光の強度を変調する光変調素子である、請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記第１光源部は、
第１励起光源と、
前記第１励起光源からの第１励起光を受けて前記白色光を発する第１フォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
前記第２光源部は、
第２励起光源と、
各々が、前記第２励起光源からの第２励起光を受けて前記複数の異なる色の光のうちの１つを発する複数のフォトルミネッセンス部分を含む第２フォトルミネッセンス発光素子と、を有する、請求項４または５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記第１フォトルミネッセンス発光素子と前記第２配光制御素子との間に配置された第１光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記白色光で前記第２配光制御素子を照射する第１光ファイバー、および、
前記第２フォトルミネッセンス発光素子と前記少なくとも１つの第１配光制御素子との間に配置された少なくとも１つの第２光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記複数の異なる色の光のうちの少なくとも１つで前記第１配光制御素子を照射する少なくとも１つの第２光ファイバーの少なくとも一方を有する、請求項６に記載の照明装置。
【請求項８】
前記第１励起光源と前記第１フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第１光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記第１励起光で前記第１フォトルミネッセンス発光素子を照射する第１光ファイバー、および、
前記第２励起光源と前記第２フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第２光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記第２励起光で前記第２フォトルミネッセンス発光素子を照射する第２光ファイバーの少なくとも一方を有する、請求項６または７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記第２フォトルミネッセンス発光素子は、
前記第２励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、請求項６から８のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１０】
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
前記白色光および前記複数の異なる色の光が入射する位置に配置された配光制御素子と、を備え、
前記配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記白色光を出射することによって、第１領域と、前記第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成し、かつ、前記配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記複数の異なる色の光を出射することによって、前記第２領域上に画像を表示する、照明装置。
【請求項１１】
前記白色光の演色性は、前記複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、請求項１０に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記配光制御素子は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって前記入射した光の強度を変調する光変調素子である、請求項１０または１１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記光源部は、
励起光源と、
前記励起光源からの励起光を受けて光を発するフォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
前記フォトルミネッセンス発光素子は、
前記励起光を受けて前記白色光を発する第１フォトルミネッセンス部分と、
前記励起光を受けて前記複数の異なる色の光のうちの１つを発する第２フォトルミネッセンス部分と、を含む、請求項１０から１２のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１４】
前記フォトルミネッセンス発光素子と前記配光制御素子との間に配置された光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記白色光および前記複数の異なる色の光で前記配光制御素子を照射する光ファイバーを有する、請求項１３に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記励起光源と前記フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記励起光で前記フォトルミネッセンス発光素子を照射する光ファイバーを有する、請求項１３または１４に記載の照明装置。
【請求項１６】
前記フォトルミネッセンス発光素子の前記第２フォトルミネッセンス部分は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、請求項１３から１５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１７】
第１照明装置および第２照明装置を含む照明システムであって、
前記第１照明装置および前記第２照明装置の各々は、請求項１から１６のいずれかに記載の照明装置であり、
前記第１照明装置における第１領域または第２領域の少なくとも一方は、前記第２照明装置における第１領域または第２領域の少なくとも一方との重なりを有する、照明システム。
【請求項１８】
床面と、
天井と、
前記床面と前記天井とを結ぶ１以上の壁面と、
前記床面、前記天井および前記壁面の少なくともいずれかに設けられた複数の光出射部を含む照明システムと、と備え、
前記照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
前記複数の光出射部の各々の内部に配置された光変調素子と、
前記複数の光出射部と前記光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、前記白色光および前記複数の異なる色の光を前記複数の光出射部の各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
前記光変調素子の各々は、前記複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された前記白色光および前記複数の異なる色の光を変調し、
前記複数の光出射部の各々は、変調された前記白色光を出射することによって、第１領域と、前記第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成し、かつ、変調された前記複数の異なる色の光を出射することによって、前記第２領域上に画像を表示する、施設。
【請求項１９】
前記白色光の演色性は、前記複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、請求項１８に記載の施設。
【請求項２０】
競技が行われるフィールドを有する競技施設であって、
前記フィールドと、
前記フィールドの周囲の少なくとも一部を囲む観客席と、
前記観客席の上方に配置された複数の照明ユニットを含む照明システムと、
前記複数の照明ユニットを支持する１以上の柱と、を有し、
前記照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
前記複数の照明ユニットの各々の内部に配置された光変調素子と、
前記複数の照明ユニットと前記光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、前記白色光および前記複数の異なる色の光を前記複数の照明ユニットの各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
前記光変調素子の各々は、前記複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された前記白色光および前記複数の異なる色の光を変調し、
前記複数の照明ユニットの各々は、変調された前記白色光を出射することによって、第１領域と、前記第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを前記フィールドの少なくとも一部に形成し、かつ、変調された前記複数の異なる色の光を出射することによって、前記第２領域上に画像を表示する、競技施設。
【請求項２１】
前記白色光の演色性は、前記複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、請求項２０に記載の競技施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の人の間で情報を共有する手段の１つとして投影装置が広く利用されている。例えば、会議、講義などの場面において参加者に情報を提示する手段として投影装置が利用される。投影装置は、映画などの鑑賞を目的として家庭においても使用されることがある。例えば特許文献１は、天井に取り付けて使用する投影装置であって、床面と対向する面に照明装置を有する投影装置を開示している。
【０００３】
投影装置は、画像を表示させたい箇所にディスプレイなどの表示装置を必要としない。そのため、投影装置は、所望の物体上に画像を表示させることが可能であり、近年、個人に向けて動的に情報を提示する手段の１つとして注目されている。また、投影装置は、室内に風景の画像を表示したり、壁面を光で彩ったりするなど、演出的な効果を与える手段としても注目されている。
【０００４】
投影装置を用いた画像の表示においては、通常、周囲の照明を落とすことが行われる。例えば上述の特許文献１に記載の投影装置では、映像の鑑賞時、床面と対向して設けられた照明装置がオフされる。これは、表示された画像に照明光が入射すると、画像のコントラスト比が下がり、画像が不鮮明になるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８５７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、投影装置を用いて画像を表示する際に周囲を暗くすると、周囲が見えにくくなる。例えば会議の場面では、手元の資料が読みにくくなり、会議の参加者が不便を感じることがある。このように、従来、周囲の照明と、投影された画像における鮮明な表示とを両立させることは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示のある実施形態の照明装置は、白色光を生成する第１光源部を有し、前記白色光を出射することによって、第１領域と、前記第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成する第１投影装置と、複数の異なる色の光を生成する第２光源部、および、前記複数の異なる色の光のうちの少なくとも１つが入射する位置に配置された少なくとも１つの第１配光制御素子を有し、前記少なくとも１つの第１配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記複数の異なる色の光で前記第２領域の少なくとも一部を照射することにより、前記第２領域上に画像を表示する第２投影装置とを備える。
【０００８】
上記の包括的または具体的な態様は、器具、システム、方法、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムが格納された記録媒体、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本開示のある実施形態によれば、照明と画像の提示とを両立させ得る照明装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】ある実施形態による指向性発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す指向性発光素子の部分断面図である。
【図１Ｃ】他の実施形態による指向性発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｃに示す指向性発光素子の部分断面図である。
【図２】発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図３】式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。
【図４】発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図５Ａ】厚さｔ＝２３８ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図５Ｂ】厚さｔ＝５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図５Ｃ】厚さｔ＝３００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
【図６】図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図７Ａ】２次元の周期構造の例を示す平面図である。
【図７Ｂ】２次元周期構造に関して図２と同様の計算を行った結果を示す図である。
【図８】発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図９】図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。
【図１０】発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図１１】図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。
【図１２】光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして図９に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。
【図１３】図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。
【図１４】屈折率が１．５の透明基板の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。
【図１５】式（１５）の条件を図示したグラフである。
【図１６】図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。
【図１７Ａ】ｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示す図である。
【図１７Ｂ】ｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示す図である。
【図１７Ｃ】図１７Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。
【図１７Ｄ】図１７Ｂの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。
【図１８Ａ】２次元周期構造の一例を示す図である。
【図１８Ｂ】２次元周期構造の他の例を示す図である。
【図１９Ａ】透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。
【図１９Ｂ】透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
【図２０】複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。
【図２１】フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。
【図２２】表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。
【図２３】フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。
【図２４】フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成した例を示す図である。
【図２５】周期構造を有するガラス基板上に形成されたフォトルミネッセンス層の断面ＴＥＭ像を示す図である。
【図２６】試作した発光素子の出射光の正面方向のスペクトルを測定した結果を示すグラフである。
【図２７Ａ】ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２７Ｂ】試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２７Ｃ】試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２７Ｄ】ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２７Ｅ】試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２７Ｆ】試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２８Ａ】ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２８Ｂ】試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２８Ｃ】試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２８Ｄ】ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
【図２８Ｅ】試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２８Ｆ】試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
【図２９】試作した指向性発光素子の出射光（波長６１０ｎｍ）の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図３０】スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３１】フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。
【図３２Ａ】発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図３２Ｂ】１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図３２Ｃ】複数の２次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
【図３３】マイクロレンズを備える指向性発光素子の模式的な断面図である。
【図３４Ａ】発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する指向性発光素子の模式的な断面図である。
【図３４Ｂ】発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の指向性発光素子の模式的な断面図である。
【図３５】複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。
【図３６】本開示の実施形態に係る例示的な照明装置の概略を示す模式図である。
【図３７】壁面７００上に形成された被照明領域ＬＡの一例を示す模式図である。
【図３８】白色光ＷＬおよび投影光ＰＬで照射された状態の壁面７００を示す模式図である。
【図３９】第２の投影装置５２０の例示的な構成の概略を示す模式図である。
【図４０】第２の投影装置５２０の構成の具体例を示す模式図である。
【図４１】発光波長が互いに異なる複数の光源を用いた光学系の例を示す。
【図４２】配光制御素子としてＭＥＭＳミラーを適用した構成の例を示す模式図である。
【図４３】第１の投影装置５１０の例示的な構成の概略を示す模式図である。
【図４４】第１の投影装置５１０における光源部５１１に指向性発光素子を適用した構成の例を示す概略図である。
【図４５】光源部５１１に指向性発光素子１００Ｗが配置された、第１の投影装置の変形例を示す模式図である。
【図４６】光源部５１１に指向性発光素子１００Ｗが配置された、第１の投影装置の他の変形例を示す模式図である。
【図４７】第２の投影装置５２０における光源部５２１に指向性発光素子を適用した構成の例を示す概略図である。
【図４８】光源部５２１に指向性発光素子を適用した構成の具体例を示す模式図である。
【図４９】光源部５２１に指向性発光素子が配置された、第２の投影装置の変形例を示す模式図である。
【図５０】光源部５２１に指向性発光素子が配置された、第２の投影装置の他の変形例を示す模式図である。
【図５１】本開示の実施形態に係る他の例示的な照明装置の概略を示す模式図である。
【図５２】照明装置５００Ｂにおける光学系の具体例を示す模式図である。
【図５３】光源部６０１に指向性発光素子が配置された構成の一例を示す模式図である。
【図５４】光源部６０１に指向性発光素子が配置された構成の変形例を示す模式図である。
【図５５】本開示の実施形態に係る照明システムが設置された部屋の一例を示す模式的な断面図である。
【図５６】本開示の実施形態に係る照明システム５００Ｓにおける制御の一例を説明するための図である。
【図５７】照明システムを住宅に適用した例を示す模式図である。
【図５８】照明システムを住宅に適用した例を示す模式図である。
【図５９】複数の画像を投影した例を示す模式図である。
【図６０】照明システムを有する競技施設の一例を示す模式図である。
【図６１】照明システムを競技施設に適用した例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［１．本開示の実施形態の概要］
本開示は、以下の項目に記載の照明装置、照明システムおよび施設を含む。
【００１２】
［項目１］
白色光を生成する第１光源部、および、白色光が入射する位置に配置された第１配光制御素子を有し、第１配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された白色光を出射することによって、第１領域と、第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成する第１投影装置と、
複数の異なる色の光を生成する第２光源部、および、複数の異なる色の光のうちの少なくとも１つが入射する位置に配置された少なくとも１つの第２配光制御素子を有し、少なくとも１つの第２配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された複数の異なる色の光で第２領域の少なくとも一部を照射することにより、第２領域上に画像を表示する第２投影装置と、を備える、照明装置。
【００１３】
［項目２］
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目１に記載の照明装置。
【００１４】
［項目３］
前記演色性は、ＪＩＳ  Ｚ８７２６：１９９０またはＣＩＥ１３．２，１９７４に基づいて定められる、項目２に記載の照明装置。
【００１５】
［項目４］
第１配光制御素子および第２配光制御素子の少なくとも一方は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子である、項目１から３のいずれかに記載の照明装置。
【００１６】
［項目５］
白色光を生成する第１光源部、および、白色光が入射する位置に配置された第１配光制御素子を有し、第１配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された白色光を出射することによって、第１領域と、第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成する第１投影装置と、
色光を生成する第２光源部、および、色光が入射する位置に配置された第２配光制御素子を有し、第２配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された色光で第２領域の少なくとも一部を照射することにより、第２領域上に画像を表示する第２投影装置と、を備える、照明装置。
【００１７】
［項目６］
第１配光制御素子および第２配光制御素子の少なくとも一方は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子である、項目５に記載の照明装置。
【００１８】
［項目７］
第１光源部は、
第１励起光源と、
第１励起光源からの第１励起光を受けて白色光を発する第１フォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
第２光源部は、
第２励起光源と、
各々が、第２励起光源からの第２励起光を受けて複数の異なる色の光のうちの１つを発する複数のフォトルミネッセンス部分を含む第２フォトルミネッセンス発光素子と、を有する、項目１から４のいずれかに記載の照明装置。
【００１９】
［項目８］
第１フォトルミネッセンス発光素子と第１配光制御素子との間に配置された第１光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された白色光で第１配光制御素子を照射する第１光ファイバー、および、
第２フォトルミネッセンス発光素子と少なくとも１つの第２配光制御素子との間に配置された少なくとも１つの第２光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された複数の異なる色の光のうちの少なくとも１つで第２配光制御素子を照射する少なくとも１つの第２光ファイバーの少なくとも一方を有する、項目７に記載の照明装置。
【００２０】
［項目９］
第１励起光源と第１フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第１光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された第１励起光で第１フォトルミネッセンス発光素子を照射する第１光ファイバー、および、
第２励起光源と第２フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第２光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された第２励起光で第２フォトルミネッセンス発光素子を照射する第２光ファイバーの少なくとも一方を有する、項目７または８に記載の照明装置。
【００２１】
［項目１０］
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
白色光および複数の異なる色の光が入射する位置に配置された配光制御素子と、を備え、
配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された白色光を出射することによって、第１領域と、第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成し、かつ、配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された複数の異なる色の光を出射することによって、第２領域上に画像を表示する、照明装置。
【００２２】
［項目１１］
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目１０に記載の照明装置。
【００２３】
［項目１２］
前記演色性は、ＪＩＳ  Ｚ８７２６：１９９０またはＣＩＥ１３．２，１９７４に基づいて定められる、項目１１に記載の照明装置。
【００２４】
［項目１３］
配光制御素子は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子である、項目１０から１１のいずれかに記載の照明装置。
【００２５】
［項目１４］
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの励起光を受けて光を発するフォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
フォトルミネッセンス発光素子は、
励起光を受けて白色光を発する第１フォトルミネッセンス部分と、
励起光を受けて複数の異なる色の光のうちの１つを発する第２フォトルミネッセンス部分と、を含む、項目１０から１３のいずれかに記載の照明装置。
【００２６】
［項目１５］
フォトルミネッセンス発光素子と配光制御素子との間に配置された光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された白色光および複数の異なる色の光で配光制御素子を照射する光ファイバーを有する、項目１４に記載の照明装置。
【００２７】
［項目１６］
励起光源とフォトルミネッセンス発光素子との間に配置された光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された励起光でフォトルミネッセンス発光素子を照射する光ファイバーを有する、項目１４または１５に記載の照明装置。
【００２８】
［項目１７］
第２フォトルミネッセンス発光素子は、
第２励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目７から９のいずれかに記載の照明装置。
【００２９】
［項目１８］
フォトルミネッセンス発光素子の第２フォトルミネッセンス部分は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目１４から１６のいずれかに記載の照明装置。
【００３０】
［項目１９］
第２フォトルミネッセンス発光素子は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
表面構造に近接して配置され、第２励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目７から９のいずれかに記載の照明装置。
【００３１】
［項目２０］
フォトルミネッセンス発光素子の第２フォトルミネッセンス部分は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目１４から１６のいずれかに記載の照明装置。
【００３２】
［項目２１］
第２フォトルミネッセンス発光素子は、
第２励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目７から９のいずれかに記載の照明装置。
【００３３】
［項目２２］
フォトルミネッセンス発光素子の第２フォトルミネッセンス部分は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目１４から１６のいずれかに記載の照明装置。
【００３４】
［項目２３］
フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接している、項目１７から２２のいずれかに記載の照明装置。
【００３５】
［項目２４］
第２フォトルミネッセンス発光素子は、
第２励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目７から９のいずれかに記載の照明装置。
【００３６】
［項目２５］
フォトルミネッセンス発光素子の第２フォトルミネッセンス部分は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目１４から１６のいずれかに記載の照明装置。
【００３７】
［項目２６］
表面構造は、フォトルミネッセンス層から出射される空気中の波長がλaの光の強度を、表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、フォトルミネッセンス層の内部に形成する、項目１７から２５のいずれかに記載の照明装置。
【００３８】
［項目２７］
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を、１５°未満に制限する、項目１７から２６のいずれかに記載の投影装置。
【００３９】
［項目２８］
表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤintとし、空気中の波長がλaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、項目１７から２７のいずれかに記載の照明装置。
【００４０】
［項目２９］
表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとし、空気中の波長がλaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、項目１７から２８のいずれかに記載の照明装置。
【００４１】
［項目３０］
第１照明装置および第２照明装置を含む照明システムであって、
第１照明装置および第２照明装置の各々は、項目１から２９のいずれかに記載の照明装置であり、
第１照明装置における第１領域または第２領域の少なくとも一方は、第２照明装置における第１領域または第２領域の少なくとも一方との重なりを有する、照明システム。
【００４２】
［項目３１］
床面と、
天井と、
床面と天井とを結ぶ１以上の壁面と、
床面、天井および壁面の少なくともいずれかに設けられた複数の光出射部を含む照明システムと、と備え、
照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
複数の光出射部の各々の内部に配置された光変調素子と、
複数の光出射部と光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、白色光および複数の異なる色の光を複数の光出射部の各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
光変調素子の各々は、複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された白色光および複数の異なる色の光を変調し、
複数の光出射部の各々は、変調された白色光を出射することによって、第１領域と、第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とを形成し、かつ、変調された複数の異なる色の光を出射することによって、第２領域上に画像を表示する、施設。
【００４３】
［項目３２］
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目３１に記載の施設。
【００４４】
［項目３３］
前記演色性は、ＪＩＳ  Ｚ８７２６：１９９０またはＣＩＥ１３．２，１９７４に基づいて定められる、項目３２に記載の照明装置。
【００４５】
［項目３４］
競技が行われるフィールドを有する競技施設であって、
フィールドと、
フィールドの周囲の少なくとも一部を囲む観客席と、
観客席の上方に配置された複数の照明ユニットを含む照明システムと、
複数の照明ユニットを支持する１以上の柱と、を有し、
照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
複数の照明ユニットの各々の内部に配置された光変調素子と、
複数の照明ユニットと光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、白色光および複数の異なる色の光を複数の照明ユニットの各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
光変調素子の各々は、複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された白色光および複数の異なる色の光を変調し、
複数の照明ユニットの各々は、変調された白色光を出射することによって、第１領域と、第１領域中の第２領域であって、相対的に照度の低い第２領域とをフィールドの少なくとも一部に形成し、かつ、変調された複数の異なる色の光を出射することによって、第２領域上に画像を表示する、競技施設。
【００４６】
［項目３５］
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目３４に記載の競技施設。
【００４７】
［項目３６］
前記演色性は、ＪＩＳ  Ｚ８７２６：１９９０またはＣＩＥ１３．２，１９７４に基づいて定められる、項目３５に記載の照明装置。
【００４８】
［２．照明装置の第１の実施形態］
図３６は、本開示の実施形態に係る例示的な照明装置の概略を模式的に示す。図３６に示す照明装置５００Ａは、概略的には、白色光を出射する第１の投影装置５１０と、投影光を出射する第２の投影装置５２０とを有する。後述するように、第１の投影装置５１０から出射される白色光ＷＬとして、演色性の高い白色光が用いられる。第２の投影装置５２０から出射される投影光ＰＬは、対象物（例えば壁面）に照射されることにより、対象物の表面に画像を形成する。
【００４９】
図３６に例示する構成において、照明装置５００Ａは、さらに、制御回路５３０、入出力インタフェース５４０およびセンサ５５０を含む。これらの各部の構成および動作の詳細は、後述する。
【００５０】
図３６に示す例では、第１の投影装置５１０から出射された白色光ＷＬと、第２の投影装置５２０から出射された投影光ＰＬとが、壁面７００に照射されている。以下では、簡単のため、特に断りのない限り、壁面７００に他の光源からの光が入射していない状況を想定して説明する。後に詳しく説明するように、投影光ＰＬは、投影装置５２０内に配置された配光制御素子によって、進行方向および／または強度が変更された光である。投影装置５１０から出射される白色光ＷＬは、比較的指向性の高い光であり得る。
【００５１】
第１の投影装置５１０は、照射の対象物（ここでは壁面７００）を白色光ＷＬで照射することにより、対象物上に、白色光ＷＬで照射された被照明領域ＬＡを形成する。このとき、第１の投影装置５１０は、被照明領域ＬＡ中に、相対的に照度の低い暗領域ＤＡを形成する。暗領域ＤＡは、白色光ＷＬが照射されない領域であり得る。すなわち、被照明領域ＬＡは、白色光ＷＬの入射しない領域をその一部に含んでいてもよい。以下では、被照明領域ＬＡのうち、暗領域ＤＡ以外の部分を明領域ＢＡと呼ぶ。暗領域ＤＡおよび明領域ＢＡでは、白色光ＷＬの照度が互いに異なる。
【００５２】
図３７は、壁面７００上に形成された被照明領域ＬＡの一例を模式的に示す。図３７では、説明の便宜のため、投影光ＰＬが壁面７００に照射されていない状態を示している。図３７に模式的に示すように、明領域ＢＡは、被照明領域ＬＡのうち、白色光ＷＬの照度が相対的に高い領域である。暗領域ＤＡは、被照明領域ＬＡ内に形成された、白色光ＷＬの照度が相対的に低い領域である。投影装置５１０は、白色光ＷＬを出射することによって、被照明領域ＬＡ内の一部の領域の照度が選択的に低下された照度の分布を形成する。このような照度の分布は、例えば、白色光ＷＬとして、投影装置５２０内に配置された配光制御素子によって進行方向および／または強度が変更された白色光を照射の対象物（ここでは壁面７００）に照射することによって実現され得る。
【００５３】
図３８は、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬで照射された状態の壁面７００の一例を模式的に示す。図３８は、壁面７００のうち、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬが入射する領域の一部を模式的に示している。投影装置５２０から出射された投影光ＰＬは、暗領域ＤＡのうちの少なくとも一部の上に照射される。投影光ＰＬは、典型的には、複数の色の光を含む。暗領域ＤＡ上に投影光ＰＬが照射されることにより、図３８に示すように、暗領域ＤＡ上に画像が形成される。図３７を参照して説明したように、暗領域ＤＡにおける白色光ＷＬの照度は、明領域ＢＡよりも低い。そのため、暗領域ＤＡ内には、コントラスト比の高い鮮明な画像が表示され得る。
【００５４】
なお、本明細書における「画像」は、静止画および動画を含む。「画像」が提示する内容は、例えば、撮像装置によって取得された画像データ、アニメーション、文書、標識または案内などの各種の表示であり得る。図３８に示される例では、暗領域ＤＡ上に、空の風景と、現在の時刻および気温とが表示されている。本開示によれば、コントラスト比の高い表示を行うことが可能であるので、文字、数字などを表示した場合でも、それらを読みやすい。暗領域ＤＡ上に表示される画像は、特定の個人に向けて発信された情報を含んでいてもよい。
【００５５】
このように、本開示の実施形態では、白色光ＷＬのスポット（被照明領域ＬＡ）中に、照度が相対的に低い暗領域ＤＡを形成し、暗領域ＤＡ上に画像を投影する。白色光ＷＬの照度が相対的に低くされた領域に重畳するように画像を投影することにより、コントラスト比の高い表示を行うことが可能である。したがって、暗領域ＤＡを例えば情報表示領域として利用することが可能である。
【００５６】
他方、白色光ＷＬのスポットのうち、暗領域ＤＡを除く明領域ＢＡには、基本的に画像が表示されない。本開示の実施形態における投影装置５１０は、演色性の高い白色光を出射する。そのため、明領域ＢＡを形成するための光（すなわち、白色光ＷＬの少なくとも一部）を照明光として利用することが可能である。別の言い方をすれば、本開示の実施形態における照明装置は、一般照明としての機能も有している。
【００５７】
ここで、本開示における白色光の演色性を説明する。演色性は、ＪＩＳ規格 Z8726:1990において規定される、光源の演色性評価方法、または、ＣＩＥ（Commission Internationale de l’Eclairage：国際照明委員会）規格：Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources, 2nd Edition, CIE13.2, 1974を用いて評価することができる。ＪＩＳ規格 Z8726:1990を用いた評価において、白色光ＷＬの平均演色評価数Ｒａは、８０以上であり得る。
【００５８】
このように、本開示の実施形態によれば、対象物を照明しながら、その対象物上に画像を表示させることが可能である。特に、一般照明に代えて本開示の実施形態による照明装置を多数配置すれば、周囲を暗くすることなく、様々な場所に鮮明な画像の表示を行い得る。対象物が、移動中の人物の近傍の、壁、床または机などの表面である場合には、その人物を認識して追尾する機構を導入してもよい。これにより、照明を行いながら、あらゆる場所に動的に情報を表示させることも可能である。
【００５９】
［３．投影装置の構成例］
以下、第１の投影装置５１０および第２の投影装置５２０の構成の具体例を説明する。上述したように、第２の投影装置５２０は、対象物上に画像を表示するための投影光ＰＬを出射する。本開示の照明装置における画像の表示には、公知の構成の投影装置と同様の原理を適用し得る。以下では、第１の投影装置５１０の構成の例の説明に先立ち、まず、第２の投影装置５２０の構成の例を説明する。
【００６０】
［３−１．第２の投影装置の構成例］
図３９は、第２の投影装置５２０の例示的な構成の概略を示す。図示するように、第２の投影装置５２０は、光源部５２１および配光制御部５２６を含む。後述するように、配光制御部５２６は、１以上の配光制御素子を含む。図３９に示す例では、投影装置５２０は、配光制御部５２６から出射された光を受ける投影レンズ５２８を有している。光源部５２１は、光源５２２および色分離部５３０を含み、複数の異なる色の光を生成する。光源部５２１によって生成される複数の色の光の典型例は、赤色光、緑色光および青色光である。
【００６１】
図４０は、第２の投影装置５２０の構成の具体例を示す。図４０に例示する構成は、色分離部５３０にダイクロイックミラー５３０ｄおよびミラー５３０ｍを用い、かつ、配光制御部５２６に液晶パネル５２６ｒ、５２６ｇおよび５２６ｂならびにダイクロイックプリズム５２６ｐを用いた例である。光源５２２としては、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。光源５２２として、白色ＬＥＤを使用してもよい。
【００６２】
光源５２２から出射された光は、２つのダイクロイックミラー５３０ｄによって赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂに分離される。これらの赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂは、それぞれ、配光制御素子としての液晶パネル５２６ｒ、５２６ｇおよび５２６ｂに入射する。赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂは、対応する液晶パネルを通過することによって強度の変調を受ける。強度の変調により、赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂに、各色に応じた画像の情報が重畳される。液晶パネル５２６ｒ、５２６ｇおよび５２６ｂは、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子の一例である。光変調素子として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を用いることも可能である。このように、本明細書における「配光制御」は、光の強度の変調を包含する。本明細書における「配光制御」には、後述する、光の進行方向の変化も含まれる。
【００６３】
変調を受けた赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂは、ダイクロイックプリズム５２６ｐに入射する。ダイクロイックプリズム５２６ｐに入射した赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂは、ダイクロイックプリズム５２６ｐによって合成された後、投影レンズ５２８を介して暗領域ＤＡ（図３７参照）に照射され、暗領域ＤＡ上にカラー画像を形成する。光源部５２１が生成する複数の色の光は、赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂに限定されず、他の色の組み合わせであってもよい。
【００６４】
図４０を参照して説明した構成は、いわゆる３板式の光学系の例である。もちろん、いわゆる単板式の光学系を適用することも可能であり、この場合、配光制御素子としての液晶パネルの個数は１つでよい。単板式の光学系では、液晶パネルのカラーフィルタが色分離部５３０に相当する。なお、単色で文字を描画するなど、カラー画像を表示する必要がない場合には、光源５２２として、ある波長にピークを有するＬＥＤまたはレーザーダイオードなど、色光を生成する光源を用いればよい。この場合、色分離部５３０を省略し得る。
【００６５】
発光のスペクトルにおけるピーク位置が互いに異なる複数の光源を用いてもよい。この場合、光源部５２１から色分離部５３０を省略し得る。図４１は、発光波長が互いに異なる複数の光源を用いた構成の例を示す。図４１に例示する構成において、光源部５２１Ａは、赤色光Ｒｒを出射するＬＥＤ５２２ｒ、緑色光Ｒｇを出射するＬＥＤ５２２ｇおよび青色光Ｒｂを出射するＬＥＤ５２２ｂを含む。この例では、配光制御素子として、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device：ＤＭＤ）５２６ｄが配置されている。すなわち、投影装置５２０として、ＤＬＰ（Digital Light Processing）方式の投影装置を用いることもできる。
【００６６】
ＤＭＤ５２６ｄは、基板２６ｓと、基板２６ｓ上に配置された多数の微小なミラー２６ｍとを有し、各ミラー２６ｍに入射した光を所定の方向に反射することにより、画像を形成する。図４１では、簡単のため、例えば数千行、数千列のマトリクス状に配置されるミラー２６ｍのうちの２つを図示している。ミラー２６ｍの各々は、不図示のアクチュエータによって傾きを変更可能に基板２６ｓ上に支持されており、入力信号に応じてその傾きが約１０°程度変化させられる。各ミラー２６ｍは、その傾きに応じて、入射した光の進行方向を変化させる。具体的には、各ミラー２６ｍは、入射した光を投影レンズ５２８または投影装置５２０内の吸光体のいずれかに向けて反射させる。
【００６７】
図示するように、ＬＥＤ５２２ｒ、ＬＥＤ５２２ｇおよびＬＥＤ５２２ｂとＤＭＤ５２６ｄとの間には、レンズ系５３２が配置される。レンズ系５３２は、赤色光Ｒｒのビーム、緑色光Ｒｇのビームおよび青色光Ｒｂのビームを均一に拡大してデジタルマイクロミラーデバイスに照射する。レンズ系５３２を介して、ＤＭＤ５２６ｄを赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂでタイムシーケンシャルに照射することにより、所望のカラー画像を照射の対象（例えば壁面）上に表示させることができる。
【００６８】
配光制御素子としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーを適用してもよい。図４２は、配光制御素子としてＭＥＭＳミラーを適用した構成の例を示す。図４２に例示する構成において、ＭＥＭＳミラー５２６ｍは、光源部５２１から出射された光を受ける。ＭＥＭＳミラー５２６ｍは、例えば、微小な梁で支持された可動ミラーと、可動ミラーの傾きを変化させる駆動機構（静電気アクチュエータ）とを含む。図４２に例示する構成において、ＭＥＭＳミラー５２６ｍは、直交する２つの軸（ここではα軸およびβ軸）周りにそれぞれ回転可能に可動ミラーが支持された二次元ＭＥＭＳミラーである。駆動信号として、適切な大きさの電圧を適切な時間、ＭＥＭＳミラー５２６ｍに印加することにより、所望の方向に可動ミラーを傾けることができる。可動ミラーの傾きを制御することにより、暗領域ＤＡ上の所望の位置に向けて、入射した光を反射させることができる。α軸およびβ軸に関して駆動周波数を互いに異ならせることにより、ＭＥＭＳミラー５２６ｍで反射された光ビームを水平方向および垂直方向に走査することができる。これにより、暗領域ＤＡ上に画像を形成することができる。
【００６９】
図４２に示す例では、光源５２２とＭＥＭＳミラー５２６ｍとの間に、カラーホイール５３０ｗが配置されている。カラーホイール５３０ｗは、投影装置５２０内において回転可能に支持されており、不図示の駆動装置（例えばモータ）によって回転させられる。カラーホイール５３０ｗの回転により、ＭＥＭＳミラー５２６ｍに入射する光の色が切り替えられる。カラーホイール５３０ｗの回転に同期させてＭＥＭＳミラー５２６ｍにおける可動ミラーの傾きを制御することにより、所望のカラー画像を投影することができる。カラーホイール５３０ｗの回転および可動ミラーの傾きは、例えば、制御回路５３０（図３６参照）からの制御信号に基づいて制御され得る。
【００７０】
［３−２．第１の投影装置の構成例］
次に、第１の投影装置５１０の構成の例を説明する。図４３は、第１の投影装置５１０の例示的な構成の概略を示す。図４３に例示するように、投影装置５１０は、典型的には、光源部５１１および配光制御部５１６を有する。配光制御部５１６は、第２の投影装置５２０における配光制御部５２６と同様に、配光制御素子を含む。図示する例では、投影装置５１０は、配光制御部５１６から出射した光を受ける投影レンズ５１８を含んでいる。図４３からわかるように、投影装置５１０は、図３９を参照して説明した、第２の投影装置５２０の構成から、色分離部５３０が省略された構成を有するといえる。
【００７１】
投影装置５１０の光源部５１１は、光源５１２を含む。光源５１２としては、投影装置５２０の光源部５２２と同様の光源を用い得る。ただし、光源５１２には、演色性の高い白色光を出射する光源が選ばれる。
【００７２】
光源部５１１から出射された白色光は、配光制御部５１６によって進行方向および／または強度が変更され、白色光ＷＬとして投影装置５１０の外部に向けて出射する。配光制御部５１６は、例えば、配光制御素子としての液晶パネルを含む。液晶パネルの表示面中の一部の領域の透過率を低下させることにより、照射の対象上に、任意の形状の明領域ＢＡと暗領域ＤＡと（図３７参照）を形成することができる。配光制御部５１６は、配光制御素子としてＤＭＤを含んでいてもよい。マトリクス状に配列されたミラーのうちの一部の領域のミラーの傾きを、入射した光が吸光体に反射されるように制御することにより、照射の対象上に、任意の形状の明領域ＢＡと暗領域ＤＡとを形成することができる。
【００７３】
液晶パネルにおける各画素の透過率、および、暗領域ＤＡに形成される画像の画素に対応する、ＤＭＤにおける各ミラーの傾きは、電気的に制御可能であり、被照明領域ＬＡ、ならびに、被照明領域ＬＡ中の暗領域ＤＡの位置、形状および大きさを容易に変更し得る。液晶パネルにおける各画素の透過率またはＤＭＤにおける各ミラーの傾きは、例えば、制御回路５３０（図３６参照）からの制御信号に基づいて変更される。
【００７４】
なお、図３７に示す例において、被照明領域ＬＡおよび暗領域ＤＡの形状は、矩形である。しかしながら、被照明領域ＬＡおよび暗領域ＤＡの形状は、この例に限定されない。暗領域ＤＡの全周が明領域ＢＡに囲まれている必要もない。例えば、暗領域ＤＡが被照明領域ＬＡの外縁に達していてもよい。すなわち、被照明領域ＬＡがＣ字状、Ｌ字状などであってもよい。暗領域ＤＡによって被照明領域ＬＡが複数の部分に分離されていてもよい。照明装置５００Ａによって複数の被照明領域ＬＡおよび複数の暗領域ＤＡが形成されてもよい。すなわち、単一の照明装置５００Ａによって形成される被照明領域ＬＡの数および暗領域ＤＡの数は、１つに限定されない。このように、暗領域ＤＡおよび明領域ＢＡのパターンは任意に設定可能である。
【００７５】
なお、一般的な投影装置を用いた場合でも、照射の対象上に画像を表示し、その画像の周りを白色光で照射することは可能である。しかしながら、一般的な投影装置では、白色光源を用いる場合であっても、白を表現する場合には、複数の色の光を合成することによって生成された白色光が用いられる。例えば、図４０に示す構成では、白色光源から出射された光から赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂを生成し、赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂを用いて画像を形成する。これは、色再現性の向上には、純度の高い単色光を用いることが有利だからである。そのため、一般的な投影装置から出射される光のスペクトルは、例えば、赤、緑および青の波長に特徴的なピークを有し、白色光源から出射される白色光と比較して演色性が低い。このような理由から、一般的な投影装置から出射される白色光は、照明光には不適である。
【００７６】
これに対し、投影装置５１０から出射される白色光ＷＬは、複数の色の光を合成することによって得られた光ではないので、演色性が高く、照明光に適している。別の言い方をすれば、第１の投影装置５１０の外部に出射される白色光ＷＬは、第２の投影装置５２０の光源部５２１によって生成された複数の色の光が合成された白色光よりも演色性が高い。本実施形態によれば、照明装置が、白色光を出射する第１の投影装置と、投影光を出射する第２の投影装置とを有しているので、画像を観察しない人には演色性の高い光を提供でき、かつ、画像を観察する人には、鮮明な画像を提供することが可能である。なお、第１の投影装置と第２の投影装置とは、暗領域ＤＡ上に画像を投影できる限りにおいて、離れた位置に配置されていてもよい。第１の投影装置および第２の投影装置の配置、ならびに、第１の投影装置と照射の対象を結ぶ方向および第２の投影装置と照射の対象を結ぶ方向との間の関係が永久的に固定されている必要はない。
【００７７】
［３−３．指向性発光素子を適用した構成例］
本発明者らは、輝度、指向性または偏光特性を制御することが可能な新規な発光素子（以下、「指向性発光素子」と呼ぶことがある。）を完成させた。本発明者らが見出した指向性発光素子は、励起光を受けて光を発するフォトルミネッセンス層を有するフォトルミネッセンス発光素子である。指向性発光素子は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射することが可能な新規な構造を有する。指向性発光素子の構造の詳細は、後述する。このような指向性発光素子を、第１の投影装置５１０における光源部５１１、または、第２の投影装置５２０の光源部５２１に適用してもよい。
【００７８】
図４４は、第１の投影装置５１０における光源部５１１に指向性発光素子を適用した構成の例の概略を示す。図４４に例示する構成において、光源部５１１は、励起光源５１２ｅと、励起光源５１２ｅからの励起光を受ける指向性発光素子１００Ｗとを含む。指向性発光素子１００Ｗは、励起光源５１２ｅからの励起光を受けて白色光を発する。励起光源５１２ｅの例は、ＬＥＤ、レーザダイオードである。指向性発光素子１００Ｗとしては、例えば、後に構造を詳細に説明する発光素子（例えば発光素子１００）を用いることができる。指向性発光素子１００Ｗが、フォトルミネッセンス層を支持する基板を有していてもよい。この例では、指向性発光素子１００Ｗから出射された光を配光制御部５１６に入射させることによって白色光ＷＬを得ている。上述したように、指向性発光素子は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射することができる。指向性発光素子から白色光を取り出す方法は、指向性発光素子の構造の詳細とともに後に詳しく説明する。
【００７９】
図４５は、光源部５１１に指向性発光素子１００Ｗが配置された、第１の投影装置の変形例を示す。図４５に示すように、指向性発光素子１００Ｗと配光制御部５１６との間に、指向性発光素子１００Ｗから出射された白色光を伝送する光ファイバー５１５を配置してもよい。指向性発光素子１００Ｗは、従来のフォトルミネッセンス発光素子とは異なり、指向角が低減された配光を示す。別の言い方をすれば、指向性発光素子１００Ｗを用いることにより、従来のフォトルミネッセンス発光素子よりも小さいエテンデュ（Etendue）が得られる。そのため、指向性発光素子１００Ｗと光ファイバー５１５との間で高い結合効率が得られ、光ファイバー５１５は、指向性発光素子１００Ｗから出射された光を一端から効率よく取り込むことができる。光ファイバー５１５と指向性発光素子１００Ｗとの間に集光レンズなどが配置されてもよい。
【００８０】
光ファイバー５１５の他端から出射された光は、配光制御部５１６に入射する。図示するように、光ファイバー５１５の他端と配光制御部５１６との間には、コリメートレンズ５１７などの他の光学部品が介在し得る。光ファイバー５１５から出射される光は、光ファイバー５１５の開口数に応じて広がる。光ファイバー５１５のと配光制御部５１６との間にコリメートレンズ５１７を配置することにより、平行光を得ることができる。配光制御部５１６は、光ファイバー５１５から出射された光が直接的または間接的に入射する位置に配置されていればよい。
【００８１】
図４６は、光源部５１１に指向性発光素子１００Ｗが配置された、第１の投影装置の他の変形例を示す。図４６に例示するように、励起光源５１２ｅと指向性発光素子１００Ｗとの間に光ファイバー５１５を配置してもよい。この例では、光源部５１１が光ファイバー５１５を含んでいるといってもよい。光ファイバー５１５は、励起光源５１２ｅから発せられた励起光を一端から取り込み、取り込まれた励起光を他端から出射する。指向性発光素子１００Ｗは、光ファイバー５１５から出射された励起光が直接的または間接的に入射する位置に配置される。
【００８２】
図４５および図４６に例示する形態によれば、配光制御部５１６および光源部５１１、あるいは、指向性発光素子１００Ｗおよび励起光源５１２ｅを互いに分離して配置することが容易である。したがって、例えば、複数の場所に配光制御部５１６を配置し、光ファイバー５１５を介して、単一の光源部５１１からの白色光を複数の配光制御部５１６の各々に分配するといった運用が可能である。あるいは、複数の場所に指向性発光素子１００Ｗおよび配光制御部５１６を配置し、光ファイバー５１５を介して、単一の励起光源５１２ｅからの励起光を複数の指向性発光素子１００Ｗの各々に分配してもよい。
【００８３】
第２の投影装置５２０における光源部５２１に指向性発光素子を用いてもよい。図４７は、第２の投影装置５２０における光源部５２１に指向性発光素子を適用した構成の例の概略を示す。図４７に例示する構成において、光源部５２１は、励起光源５２２ｅおよび色分離部５３０を含む。色分離部５３０は、指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂを有している。指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂは、それぞれ、励起光源５２２ｅからの励起光を受けることにより、赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂを例えば正面方向に向けて強く出射するフォトルミネッセンス発光素子である。
【００８４】
この例では、励起光源５２２ｅから出射された励起光を指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂの各々に照射することによって赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂを得ているが、励起光源５２２ｅの個数は、１つに限定されない。指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂに対応させて、指向性発光素子１００ｒ用の励起光源、指向性発光素子１００ｇ用の励起光源および指向性発光素子１００ｂ用の励起光源を光源部５２１に配置してもよい。なお、第１の投影装置５１０における光源部５１１および第２の投影装置５２０における光源部５２１がともに指向性発光素子を有する場合には、光源部５１１と光源部５２１との間で励起光源を共有させてもよい。すなわち、単一の励起光源から出射された励起光によって、光源部５１１中の指向性発光素子および光源部５２１中の指向性発光素子を励起してもよい。
【００８５】
図４８は、光源部５２１に指向性発光素子を適用した構成の具体例を示す。図４８に例示する構成では、色分離部５３０として、円盤状の発光素子５３０ａが用いられている。図示するように、発光素子５３０ａは、円盤状の円周方向に沿って複数の領域に分割されている。これらの複数の領域の各々は、上述の指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂと同様の構造を有する。すなわち、発光素子５３０ａは、励起光を受けて赤色光Ｒｒを出射する赤色発光部分、緑色光Ｒｇを出射する緑色発光部分および青色光Ｒｂを出射する青色発光部分を含む。
【００８６】
発光素子５３０ａは、励起光源５２２ｅからの励起光が、上述の複数の領域のいずれかに入射するようにして励起光の光路上に配置される。発光素子５３０ａは、上述のカラーホイールと同様に、投影装置５２０内において回転可能に支持される。発光素子５３０ａは、投影装置５２０の動作時、駆動装置（例えばモータ、図４８において不図示）によって回転させられる。励起光源５２２ｅから出射された励起光は、発光素子５３０ａの回転角度に応じて、指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂのいずれかに入射する。
【００８７】
上述したように、指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂは、励起光源５２２ｅからの励起光を受けることにより、赤色光Ｒｒ、緑色光Ｒｇおよび青色光Ｒｂを特定の方向（例えば正面方向）に向けて強く出射する。したがって、発光素子５３０ａを回転させて、励起光の入射する領域を切り替えることにより、配光制御素子（ここではＤＭＤ５２６ｄ）に照射される光の色を時間的に変化させることができる。発光素子５３０ａを指向性発光カラーホイールと呼んでもよい。
【００８８】
このように、光源部５２１から出射される光の色を時間的に切り替えてもよい。ここでは、配光制御部５２６にＤＭＤ５２６ｄを適用した例を説明したが、この例に限定されず、上述のＭＥＭＳミラー５２６ｍを配光制御部５２６に適用してもよい。
【００８９】
第１の投影装置５１０と同様に、指向性発光素子と配光制御部との間および／または励起光源と指向性発光素子との間に光ファイバーを配置してもよい。図４９は、光源部５２１に指向性発光素子が配置された、第２の投影装置の変形例を示す。図４９に示すように、色分離部５３０と配光制御部５２６との間に、光ファイバー５２５を配置してもよい。典型的には、光ファイバー５２５と配光制御部５２６との間にコリメートレンズ５２７が配置される。光ファイバー５２５によって伝送され、配光制御部５２６に入射した光は、例えば投影レンズ５２８を介して投影装置５２０の外部に出射される。図４８を参照して説明した指向性発光カラーホイール５３０ａが使用される場合には、光ファイバー５２５は、異なる色の光をタイムシーケンシャルに伝送する。
【００９０】
指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂに対応させて、各指向性発光素子と配光制御部５２６との間に複数の光ファイバー５２５を配置してもよい。この場合、複数の光ファイバー５２５の各々は、指向性発光素子が特定の方向に向けて強く出射する特定の波長の光をそれぞれ伝送する。
【００９１】
図５０は、光源部５２１に指向性発光素子が配置された、第２の投影装置の他の変形例を示す。図５０に例示するように、励起光源５２２ｅと色分離部５３０との間に光ファイバー５２５を配置してもよい。この例では、光源部５２１が光ファイバー５２５を含んでいるといえる。光ファイバー５２５は、励起光源５２２ｅから発せられた励起光を一端から取り込み、他端から出射される励起光で指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂをタイムシーケンシャルに、または、同時に照射する。指向性発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂに対応させて、複数の励起光源５２２ｅを光源部５２１に配置し、励起光源５２２ｅと各指向性発光素子との間に複数の光ファイバー５２５を配置してもよいし、光ファイバー５２５として分岐を有する光ファイバーを用いることによって、単一の励起光源５２２ｅからの励起光を各指向性発光素子に分配してもよい。
【００９２】
［４．照明装置の第２の実施形態］
図５１は、本開示の他の実施形態に係る例示的な照明装置の概略を模式的に示す。図５１示す照明装置５００Ｂは、光源部６０１と、光源部６０１によって生成された光を受ける配光制御部６０６とを有する。図５１に示す照明装置５００Ｂと、図３６を参照して説明した照明装置５００Ａとの間の主な相違点は、照明装置５００Ｂが、白色光および複数の色の光を独立して出射することが可能に構成された光源部６０１を有する点である。図５１に例示する構成において、光源部６０１および配光制御部６０６における動作は、制御回路５３０によって制御され得る。
【００９３】
図５２は、照明装置５００Ｂにおける光学系の具体例を示す。図５２に例示する光学系は、配光制御部６０６にＤＭＤ６０６ｄが適用された例である。
【００９４】
図５２に例示するように、照明装置５００Ｂにおける光学系は、図４８を参照して説明した構成と似た構成を有し得る。図５２に例示する構成において、光源部６０１は、光源（励起光源６０２ｅ）および色分離部（色分離部６３０）を含む点で、図４８に示す光源部５２１の構成と共通する。ただし、図５２に示す例では、発光素子５３０ａに代えて、蛍光体ホイール６３０ｐが色分離部６３０に用いられている。
【００９５】
蛍光体ホイール６３０ｐは、上述の発光素子５３０ａと同様に、円盤状の円周方向に沿って配置された複数の領域を含む。これらの複数の領域から出射される光の色は、互いに異なる。図５２に示す例では、蛍光体ホイール６３０ｐは、赤色光を出射する赤色発光部分６３０ｒ、緑色光を出射する緑色発光部分６３０ｇおよび青色光を出射する青色発光部分６３０ｂを含む。例えば、赤色発光部分６３０ｒ、緑色発光部分６３０ｇおよび青色発光部分６３０ｂは、それぞれ、励起光を受けて赤色光を発する蛍光体、励起光を受けて緑色光を発する蛍光体および励起光を受けて青色光を発する蛍光体を含んでいる。この場合、励起光源６０２ｅとしては、近紫外線を出射する光源が用いられる。青色光を出射する光源を励起光源６０２ｅとして用いる場合には、青色発光部分６３０ｂは、励起光を透過させる部分であり得る。
【００９６】
蛍光体ホイール６３０ｐは、さらに、励起光を受けて白色光を出射する白色発光部分６３０ｗを含む。白色発光部分６３０ｗは、励起光が照射されることによって、比較的高い演色性を有する白色光を出射する。白色発光部分６３０ｗは、例えば、発光波長のピーク位置が異なる複数の蛍光体を母材（例えばガラス）中に分散させることによって形成される。励起光としての青色光が照射されることにより赤色光を発する蛍光体と、緑色光を発する蛍光体とを用いることにより、比較的高い演色性を有する白色光が得られる。励起光としての近紫外線が照射されることにより赤色光を発する蛍光体、緑色光を発する蛍光体および青色光を発する蛍光体を用いてもよい。
【００９７】
このような構成によれば、蛍光体ホイール６３０ｐを回転させて、蛍光体ホイール６３０ｐにおいて励起光が入射する領域を切り替えることにより、配光制御素子としてのＤＭＤ６０６ｄに照射される光を、赤色光、緑色光、青色光、および、演色性の高い白色光の間で切り替えることができる。すなわち、第２の実施形態では、同一の光源部６０１から、異なる複数の色の光と演色性の高い白色光とが時間的に分離されて出射される。異なる複数の色の光および白色光は、ＤＭＤ６０６ｄによって進行方向が変えられ、投影光ＰＬおよび白色光ＷＬとして照明装置５００Ｂからそれぞれ出射される（図５１参照）。照明装置５００Ｂから出射された白色光ＷＬによって照射の対象（ここでは壁面７００）上に被照明領域ＬＡと、被照明領域ＬＡ中の暗領域ＤＡとが形成される点、および、照明装置５００Ｂから出射された投影光ＰＬによって暗領域ＤＡ上に画像が形成される点は、既に説明した第１の実施形態と同様である。ＤＭＤ６０６ｄに代えて、上述したＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳミラー５２６ｍ、図４２参照）または液晶パネルを配光制御部６０６に適用してもよい。
【００９８】
蛍光体ホイール６３０ｐに代えて、上述の指向性発光カラーホイールを用いてもよい。図５３は、光源部６０１に指向性発光素子を適用した構成の具体例を示す。図５３に示す発光素子６３０ａは、白色発光部分１００ｗを含むことを除いて、図４８を参照して説明した発光素子５３０ａとほぼ同様の構成を有する。白色発光部分１００ｗは、後述する指向性発光素子と同様の構造を有する。より詳細には、白色発光部分１００ｗは、出射される光の指向角を制限する表面構造のパターンを有する。後述するように、例えば、赤、緑および青の波長域の光をそれぞれ正面方向に強く出射するように周期が設定された表面構造のパターンを適用することにより、指向性発光素子から白色光を出射させることができる。周期構造のパターンに、赤、緑および青の波長域とは異なる波長域の光を正面方向に強く出射するように周期が設定された表面構造をさらに含めることにより、白色光における演色性を向上させ得る。
【００９９】
第１の実施形態と同様に、指向性発光素子と配光制御部との間および／または励起光源と指向性発光素子との間に光ファイバーを配置してもよい。図５３に示すように、色分離部６３０としての発光素子６３０ａと配光制御部６０６との間に、光ファイバー６０５を配置してもよい。光ファイバー６０５は、発光素子６３０ａから出射された白色光および複数の色の光を配光制御部６０６に伝送する。あるいは、図５４に示すように、励起光源６０２ｅと色分離部６３０としての発光素子６３０ａとの間に光ファイバー６０５を配置してもよい。この例では、光ファイバー６０５は、励起光源６０２ｅから発せられた励起光を発光素子６３０ａに伝送する。
【０１００】
本開示の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、周囲の照明と、投影された画像における鮮明な表示とを両立させることが可能である。本開示の第２の実施形態によれば、同一の光源部によって白色光と異なる色の光とを独立して生成できるので、より小型の照明装置を提供し得る。
【０１０１】
［５．照明装置における制御の例］
図３６および図５１に例示する構成において、照明装置（照明装置５００Ａ、５００Ｂ）は、制御回路５３０および入出力インタフェース５４０を有している。入出力インタフェース５４０は、外部装置（例えばコンピュータ、取り外し可能なメモリなど）と電気信号の授受が可能な構成を有し、有線または無線により、外部装置（例えば、ネットワークに接続されたサーバーまたは端末装置など）から画像データ、制御信号などを受け取る。制御回路５３０は、典型的には、メモリおよびＣＰＵと、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの画像処理回路とを含む。制御回路５３０は、入出力インタフェース５４０を介して入力された画像データ（または信号）に基づいて画像信号を生成する。また、制御回路５３０は、入出力インタフェース５４０からの入力に基づき、照明装置における各部の動作の制御を行う。制御回路５３０は、例えば、配光制御素子としての液晶パネル、ＤＭＤまたはＭＥＭＳミラー、および、光源の駆動を制御するための信号を送出する。光源部が指向性発光カラーホイール、蛍光体ホイールなどを含む場合には、ホイールの回転を制御するための信号が制御回路５３０から送出され得る。
【０１０２】
［５−１．センサ出力を利用した制御］
既に説明したように、本開示の照明装置は、演色性の高い白色光ＷＬの照度が相対的に高い明領域ＢＡと、白色光ＷＬの照度が相対的に低い暗領域ＤＡとを形成し、暗領域ＤＡ上に画像を投影する。典型的には、明領域ＢＡは、暗領域ＤＡの周囲を取り囲むように形成される。第１の実施形態に係る照明装置５００Ａにおける制御回路５３０は、画像が投影される領域をその内側の少なくとも一部に含む被照明領域が、演色性の高い白色光ＷＬによって照射され、かつ、画像が投影される領域における白色光ＷＬの照度が、被照明領域の他の領域における白色光ＷＬの照度よりも相対的に低くなるように投影装置５１０および投影装置５２０を制御する。同様に、第２の実施形態に係る照明装置５００Ｂにおける制御回路５３０は、画像が投影される領域をその内側の少なくとも一部に含む被照明領域が、演色性の高い白色光ＷＬによって照射され、かつ、画像が投影される領域における白色光ＷＬの照度が、被照明領域の他の領域における白色光ＷＬの照度よりも相対的に低くなるような制御を実行する。このような基本的な制御のほかに、種々の制御が可能である。以下、制御回路５３０による制御の例を説明する。ここでは、より簡易な構成を有する照明装置５００Ｂにおける制御の例を説明する。照明装置５００Ａにおいても同様の制御は、もちろん可能である。
【０１０３】
照射の対象と照明装置５００Ｂとの間の位置関係が予めわかっている場合には、被照明領域ＬＡ内の暗領域ＤＡに選択的に投影光ＰＬを照射することは、比較的容易である。照射の対象と照明装置５００Ｂとの間の位置関係に関する情報が、例えば、制御回路５３０内のメモリに格納されていてもよい。上述したように、投影装置は、基本的には、画像を形成するための光が照射される対象によらずに、画像を投影することが可能である。したがって、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬの照射の対象は、壁面に限定されず、任意の物体であり得る。白色光ＷＬおよび投影光ＰＬは、例えば、スクリーン、天井、床、ドア、机、テーブル、家電製品などの表面のほか、タブレット型コンピュータなどの携帯端末にも照射され得る。そのため、照射の対象が移動したり、画像を観察する観察者が移動したりすることが想定される。つまり、画像を投影すべき領域が移動することがあり得る。画像を投影すべき領域の位置、形状などの変化に合わせて、投影光ＰＬが照射される領域を動的に変更できると有益である。
【０１０４】
図５１に例示する構成において、照明装置５００Ｂは、センサ５５０を有する。センサ５５０は、画像センサ、変位センサ、カメラなどを含み得る。したがって、例えば、投影光ＰＬが照射されていない状態において画像認識を利用することによって、白色光ＷＬの照度が低い領域の位置、大きさ、形状などを検出することが可能である。制御回路５３０は、センサ５５０の検出結果に基づいて、画像を投影すべき領域、すなわち、照射の対象上の暗領域ＤＡの位置などに関する情報を取得することができる。制御回路５３０は、認識された暗領域ＤＡ上に投影光ＰＬが照射されるように、光源部６０１および配光制御部６０６を制御してもよい。
【０１０５】
センサ５５０の出力を利用して、照射の対象および／または観察者の移動を検出してもよい。照射の対象および／または観察者の移動を検出することにより、制御回路５３０は、画像の表示に適した領域（例えば光沢の少ない平坦面）に暗領域ＤＡが移動し、かつ、その暗領域ＤＡ上に画像が投影されるように光源部６０１および配光制御部６０６を制御することが可能である。このような制御により、例えば、観察者の移動に追従するように画像を移動させることが可能である。
【０１０６】
白色光ＷＬおよび投影光ＰＬの照射の対象は、平面に限定されず、立体であり得る。白色光ＷＬおよび投影光ＰＬが照射される面は、平面に限定されず、曲面、凹凸を有する面であり得る。センサ５５０の出力を利用して、平坦面の検出、照射の対象の表面形状および／または色に応じた画像の補正を制御回路５３０が実行してもよい。
【０１０７】
センサ５５０の出力を利用して、画像を提示すべき観察者の動きを検出してもよい。例えば、観察者のジェスチャーを照明装置５００Ｂへの指示として利用してもよい。制御回路５５０は、例えば、観察者のジェスチャーを解析し、ジェスチャーに応じた位置に画像を投影するように光源部６０１および配光制御部６０６を制御する。このようなジェスチャーによる入力を、個人を認証するための情報として活用してもよい。個人の認証を行うことにより、照明装置５００Ｂは、個々の観察者に応じた情報を提示することができる。
【０１０８】
センサによる情報の取得に、一般的な撮像装置に用いられている測距方法（コントラスト検出、位相差検出など）、近赤外線を照射し、反射光を検出するまでの時間を利用した測距方法などを組み合わせてもよい。上述した各種の制御のための指示が記述されたプログラムは、例えば、制御回路５３０のメモリ内に格納され得る。制御回路５３０中のプロセッサは、例えば、メモリからプログラムを読み出すことにより、上述した制御を実行する。
【０１０９】
さらに、投影光ＰＬとして、予め決めておいた、平行線またはグリッドなどの幾何学模様を投影し、その投影された模様を画像として取得することによって、投影光ＰＬが照射された面の傾き、立体形状などを計測することもできる。また、投影光ＰＬが照射される面の傾き、形状に合わせて投影する画像を変形させることにより、投影される画像の不自然な歪みを除くことができる。
【０１１０】
［５−２．複数の照明装置の制御］
本開示の照明装置は、複数で使用されてもよい。照明を行いたい空間に複数の照明装置（照明装置５００Ａまたは５００Ｂ）を配置することにより、空間全体を照明し得る。
【０１１１】
図５５は、本開示の実施形態に係る照明システムが設置された部屋の一例を模式的に示す。図５５に示す例では、複数の照明装置５００Ｂを含む照明システム５００Ｓが部屋Ｒｍの天井７１０に設置されている。図５５では、３つの照明装置５００Ｂが図示されている。しかしながら、照明システム５００Ｓにおける照明装置５００Ｂの数は、３つに限定されないし、照明システム５００Ｓが、第１の実施形態に係る照明装置５００Ａを含んでいてもよい。
【０１１２】
図５５に例示する構成において、天井７１０には、３つの照明装置５００Ｂにそれぞれ対応するように３つの光出射部７１２（例えば開口部）が設けられている。照明装置５００Ｂから出射された白色光ＷＬおよび投影光ＰＬは、床面７２０に向けて照射されている。この例では、複数の被照明領域ＬＡによって床面７２０の全体が覆われている。このように、家などの部屋の天井、壁面および床面の少なくともいずれかに光出射部７１２を設けることにより、本開示の照明装置から出射された光によって空間全体を照明し得る。なお、図５５に示すように、照明システム５００Ｓに含まれる照明装置の全てが、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬの両方を出射する必要はない。必要に応じて被照明領域ＬＡ中に暗領域ＤＡを形成し、投影光ＰＬを照射するように照明装置５００Ｂが制御されてもよい。
【０１１３】
図５６を参照して、本開示の実施形態に係る照明システム５００Ｓにおける制御の一例を説明する。既に説明したように、本開示の実施形態では、照射の対象上に白色光ＷＬのスポットを形成するとともに、そのスポット内に暗領域ＤＡを形成するので、一般照明と比較してある程度の指向性を有する光が白色光ＷＬとして用いられる。そのため、図５６に模式的に示すように、照明装置５００Ｂと照射の対象（ここでは床面７２０）との間に例えば観察者９００の身体が介在すると、影が生じ、床面７２０に投影される画像の一部が欠落してしまう。また、このとき、観察者９００の身体上に投影光ＰＬが照射されることにより、観察者９００の身体上に画像が表示されてしまう。
【０１１４】
図５６に示す例では、右側の照明装置５００Ｂから出射された投影光ＰＬが遮られた領域を照射するように、左側の照明装置５００Ｂにおける被照明領域がシフトされている。つまり、この例では、左側の照明装置５００Ｂにおける被照明領域が、右側の照明装置５００Ｂにおける被照明領域との重なりを有している。さらに、右側の照明装置５００Ｂにおいて、投影光ＰＬによって形成される画像のうち、観察者９００の身体上に投影される部分を明領域ＢＡに置き換えてもよい。照明システム５００Ｓに含まれる照明装置の各々は、例えば、センサ５５０の検出結果に基づいて、自身とは異なる照明装置によって形成される被照明領域を認識することが可能である。認識結果に応じて白色光ＷＬが照射される領域および投影光ＰＬが照射される領域を変化させるような制御を制御回路５３０が実行することにより、画像の欠落を防止し、照明を行うべき空間全体についての画像の表示を制御することが可能である。このように、照明システム５００Ｓにおける複数の被照明領域のうちのいくつかが互いに重畳するように、２以上の照明装置が連動するような制御が実行されてもよい。このような制御は、ジェスチャー入力などを行う際に特に有用である。
【０１１５】
なお、照明システム５００Ｓにおける各照明装置の制御は、各照明装置の制御回路によって実行される必要はない。例えば、照明システム５００Ｓに含まれる複数の照明装置の数よりも少ない制御回路によって、照明システム５００Ｓにおける複数の照明装置の制御が一括して実行されてもよい。複数の照明装置の制御を実行する制御回路を集中させることにより、複数の照明装置の連動した制御がより容易になり得る。
【０１１６】
［６．照明装置の適用例］
以下、図面を参照しながら、照明装置または照明システムの適用例を説明する。
【０１１７】
図５７および図５８は、照明システムを住宅に適用した例を示す。図５７は、光源部６０１を含む照明システム５１０Ｓを有する住宅８００の一例を示す。図５７に例示する構成において、光源部６０１は、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬを生成する。光源部６０１によって生成された白色光ＷＬおよび投影光ＰＬは、光ファイバー６０５を介して住宅８００内の各部および敷地内の各部に分配される。例えば、光ファイバー６０５によって伝送された光は、部屋Ｒｍの天井などに設けられた光出射部７１２内に配置された不図示の配光制御素子に照射される。配光制御素子によって例えば進行方向が変えられた白色光ＷＬおよび投影光ＰＬは、部屋Ｒｍの内部に向けて出射される。
【０１１８】
この例のように、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬを生成する光源ユニットを一箇所に配置し、光ファイバーによって白色光ＷＬおよび投影光ＰＬを所望の場所に伝送してもよい。このような構成によれば、自由度の高い照明の設計が可能になる。図５８に例示するように、光出射部７１２ごとに配光制御部６０６を配置してもよい。配光制御素子は比較的小型であるので、光出射部７１２は、小型化が比較的容易である。例えば従来のダウンライトを光出射部７１２に置き換えれば、図５８に示すような、あたかも光源が見えないかのような照明の設計も可能である。
【０１１９】
図５９は、複数の画像を投影した例を示す。本開示の照明装置および照明システムは、一般照明の機能と投影装置の機能とを兼ね備えている。したがって、図５９に示すように、空間の照明を行いながら、あらゆるところに情報を表示することが可能である。風景、絵画などを投影することにより、空間演出の効果を得ることもできる。
【０１２０】
さらに、照明を行う空間内にいる個々の観察者に応じた情報を画像として提示することも可能である。図５９に示す例では、出勤前の観察者９００Ａの前のテーブル上に、新聞の内容が画像Ｎｓとして投影されており、朝食を準備中の観察者９００Ｂの前のカウンタートップ上に、料理のレシピが画像Ｒｐとして投影されている。テーブル上に照射される投影光ＰＬは、観察者９００Ａにコントラスト比の高い画像Ｎｓを提示し、テーブル上に照射される白色光ＷＬは、観察者９００Ｂにとっては照明光として機能する。
【０１２１】
光出射部７１２（または照明装置５００Ａ、５００Ｂ）の配置された空間内の個人を検出して、検出結果に応じて、特定の個人に特定の情報を提示してもよい。照明を行うべき空間に上述のセンサ５５０（例えば図５５参照）を複数配置しておけば、その空間にいる個人の位置（または動線）を特定することも可能である。例えば、照明を行うべき空間に人がいるか否かを赤外線センサによって検出し、人の存在が検出されたら、カメラによりその人を撮影する。撮影によって取得された画像データにパターンマッチングなどを適用することにより、照明を行うべき空間にいる個人を特定することができる。上述の制御回路５３０（例えば図５５参照）は、特定された個人に合わせて、表示すべき画像のデータを選択する。また、制御回路５３０は、選択された画像を形成するための投影光ＰＬが、特定された個人の近傍の対象物（図５９に示す例ではテーブルまたはカウンタートップ）に照射されるように、光源部および配光制御部の駆動を制御する。このとき、照射の対象物の表面の形状、照射の対象物上に物体が置かれているかなどを検出し、検出結果に応じて、画像に補正を施したり、画像を表示する場所を変更したりしてもよい。
【０１２２】
例えば、住宅の玄関に複数の光出射部７１２および複数のセンサ５５０を設置しておく。制御回路５３０は、複数のセンサ５５０の検出結果に基づいて、玄関に人がいるかどうかを判定する。玄関に人がいると判定された場合には、複数のセンサ５５０の検出結果を解析して、人の位置の変化を求める。制御回路５３０は、位置の変化の情報に基づいて、人が帰宅したのか、あるいは、外出しようとしているのかを判定する。例えば、人が帰宅したと判定された場合、制御回路５３０は、センサ５５０中のカメラの動作を制御し、例えば帰宅した人の顔を撮影する。制御回路５３０は、撮影されたデータに基づいて、家族のうちの誰が帰宅したかを特定して、帰宅した人に応じた画像を表示するように、光源部および配光制御部の駆動を制御する。提示すべき画像は、家族の各個人に割り当てられたＩＤと、提示すべき情報の種類（翌日の予定表、来客の記録、その日届いたメールの送信者のリストなど）とが記述されたテーブルを予め用意しておき、特定された個人のＩＤに基づいてそのテーブルを参照することによって決定できる。テーブルは、帰宅する時および外出する時のそれぞれについて、各ＩＤに応じ、提示すべき情報の種類が記述されていてもよい。なお、各個人の行動パターン（曜日ごとの外出時刻および帰宅時刻など）に関する情報をネットワーク上のサーバ、制御回路５３０内のメモリなどに保存しておいてもよい。照明を行うべき空間にいる個人を特定し、その個人に応じた情報を提示する方法は、例えば、特開２００７−０８６５４５号公報に開示されている。参考のために、特開２００７−０８６５４５号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
【０１２３】
照明システム５１０Ｓは、インターネットなどのネットワークとの接続を有し得る。例えば、センサによって取得された情報を、ネットワーク上のサーバに保存された情報と照らし合わせることにより、照明を行うべき空間にいる個人を特定してもよい。認証結果に応じて、特定された個人に天気予報、ニュースなどの画像が提示されてもよい。提示すべき画像のデータが、ネットワーク上のサーバから取得されてもよい。
【０１２４】
観察者に応じた、このような情報の提示は、オフィスにおいて特に有用である。例えば、どの部屋のどのデスクを利用するかに関わらず、スケジュール、必要とする業務データなどを各個人に応じてデスク上に表示し得る。
【０１２５】
なお、本開示の照明システムは、住宅に限定されず、施設に適用され得る。本明細書における「施設」は、床、天井および壁面を有する工作物を広く含む。施設の例は、住宅、学校、ビル、教会、ホテル、病院、体育館、店舗、工場、空港、コンサートホール、水族館、美術館、博物館、図書館、映画館、カジノ、ドーム型球場、駅のホーム上の構造物などである。照明システムにおける光出射部の設置場所は、居室に限定されず、廊下、倉庫など、継続的に利用されない場所であってもよい。本開示の照明システムを公共施設に適用すれば、例えば、来館者に応じた案内を画像として提示することが可能である。
【０１２６】
本開示の照明システムは、競技施設にも適用可能である。図６０は、照明システムを有する競技施設の一例を示す。図６０に示す競技施設８１０は、競技が行われるフィールドＦｄと、フィールドＦｄの周囲に配置された観客席８１２と、観客席８１２の上方に配置された複数の照明ユニット８１４と、複数の照明ユニット８１４のうちの少なくとも１つを直接または間接に支持する柱８１６とを有する。
【０１２７】
図６０に例示する構成において、競技施設８１０は、複数の照明ユニット８１４を含む照明システム５２０Ｓを有している。照明システム５２０Ｓは、光源部６０１と、照明ユニット８１４内に配置された配光制御部６０６と、配光制御部６０６における配光制御素子および光源部６０１を光学的に結合する光ファイバー６０５とを含んでいる。複数の照明ユニット８１４の各々は、白色光ＷＬおよび投影光ＰＬをフィールドＦｄに照射する。したがって、競技施設８１０は、フィールドＦｄの照明を行いながら、フィールドＦｄ上に所望の画像を表示することが可能である。
【０１２８】
図６１は、照明システムを競技施設に適用した例を示す。図６１に示す例では、照明ユニット８１４から出射された投影光ＰＬによって、フィールドＦｄ上の選手の近くに、各選手に応じたプロフィール画像Ｐｆが表示されている。例えば複数の被照明領域の間で重なりを有するように複数の照明ユニット８１４を配置しておけば、各選手の動きに合わせて画像を移動させることも容易である。このように、フィールドＦｄ上に画像を表示することにより、観客は、選手に関する情報をリアルタイムで入手することができ、競技をより楽しむことができる。プロフィール画像Ｐｆに代えて、または、プロフィール画像Ｐｆとともに、世界記録を示すラインをフィールドＦｄ上に表示してもよい。投影光ＰＬを用いて広告の画像を例えばフィールドＦｄ上に表示してもよい。
【０１２９】
本明細書における「競技」は、野球、サッカーなどの球技、陸上競技、氷上競技、水上競技、車両・船舶競技、雪上競技、馬術競技、体操競技、各種公営レースなどを広く含む。本明細書における「競技」には、マインドスポーツも含まれる。
【０１３０】
［７．指向性発光素子］
以下、指向性発光素子を詳細に説明する。
【０１３１】
指向性発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層を含む。後に詳しく説明するように、指向性発光素子は、フォトルミネッセンス材料の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な新規な構造を有する。
【０１３２】
ある態様による指向性発光素子は、フォトルミネッセンス層と、フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造とを有する。この表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する、空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。表面構造は、フォトルミネッセンス層または透光層の面内に広がるサブミクロン構造であり得る。サブミクロン構造は、例えば、凸部または凹部の少なくとも一方を含む周期構造であってもよい。サブミクロン構造は、例えば、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、第１の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。あるいは、周期構造における周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。波長λaは、例えば、可視光の波長範囲内（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）にある。赤外線を利用する用途では、波長λaは、７８０ｎｍを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λaは、３８０ｎｍ未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。
【０１３３】
フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料（即ち、ホスト材料）を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。
【０１３４】
フォトルミネッセンス層に近接して配置される透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）で形成され得る。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってよい。フォトルミネッセンス層の空気側の表面がサブミクロン構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。
【０１３５】
フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面には、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造が形成される。ここで「表面」とは、他の物質と接している部分（即ち界面）を意味する。透光層が空気等の気体の層である場合は、その気体の層と他の物質（例えばフォトルミネッセンス層）との間の界面が、透光層の表面である。この表面構造は、「凹凸構造」と称することもできる。表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。そのような表面構造は、「周期構造」と称することができる。複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する２つの屈折率の異なる部材（または媒質）の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する２つの中心間の距離（以下、「中心間隔」と称することがある。）が、いずれの２つの隣接する凸部または凹部についても、ある値ｐの±１５％以内の範囲に収まっているとき、その部分は、周期ｐを有する周期構造であると考える。
【０１３６】
本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図３５に示す断面図では、部材６１０が凹部を有し、部材６２０が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材６１０および部材６２０の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。
【０１３７】
表面構造における隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間の距離（周期構造においては周期ｐ）は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー（即ちミクロンオーダー）よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に１マイクロメートル（μｍ）を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造（例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造）を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。
【０１３８】
指向性発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造（即ち表面構造）と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがある。その説明は、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。
【０１３９】
サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の中心間距離をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足し得る。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有するものとして説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。ｎwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。
【０１４０】
擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎaは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎeffは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向（ＴＥモードとＴＭモード）により、電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは有効屈折率ｎeffは異なり得る。
【０１４１】
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはそのサブミクロン構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。
【０１４２】
サブミクロン構造が、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明するように、少なくとも１つの周期構造を含み得る。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Ｄintがｐaで一定の周期構造を含み得る。サブミクロン構造がこのような周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら（即ち、全反射を繰り返しながら）周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても（即ち、周期構造の高さが小さくても）効率よく光の回折を起こすことができる。
【０１４３】
以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥモードとＴＭモードとで有効屈折率ｎeff（＝ｎwavｓｉｎθ）が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長（例えば６１０ｎｍ）の直線偏光（例えばＴＭモード）を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射する光の指向角は例えば１５°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を０°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造（即ち表面構造）は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、周期構造がない場合と比較して挟角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図２９に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度（例えば２０°〜７０°）の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λaの出射光が０°〜２０°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。
【０１４４】
なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を０次光（即ち透過光）、±１次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が０次光の両側に発生する。回折格子における、０次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度（例えば１５°程度）に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。
【０１４５】
サブミクロン構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、サブミクロン構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い１次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる２次元周期構造であってもよい。
【０１４６】
サブミクロン構造は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期（ピッチ）が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向（軸）が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、積層されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。
【０１４７】
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、４５０ｎｍであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。
【０１４８】
［８．本発明者らが見出した知見］
指向性発光素子の構成の詳細を説明する前に、まず、本発明者らが見出した知見を説明し、続けて、指向性発光素子の例示的な構成を説明する。上述のように、蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、例えばレンズを小さくできるので、これにより、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
【０１４９】
本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。
【数１】
2018169413.tif 000003
【０１５０】
式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。
【０１５１】
一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示の実施形態では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用する。そのための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。
【０１５２】
［９．特定の方向の電場のみを強くする構成］
本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発生した光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、本願発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
【０１５３】
つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）によって構成することで、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。
【０１５４】
導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図３０は、スラブ型導波路１１０Ｓの一例を模式的に示す斜視図である。導波路１１０Ｓの屈折率が導波路１１０Ｓを支持する透明基板１４０の屈折率よりも高いとき、導波路１１０Ｓ内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路をフォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なるので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
【０１５５】
さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。
【０１５６】
周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成される。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。
【０１５７】
本発明者らは、まずこのような導波路の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに、発生した光を結合させることを検討した。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層の一部）１２０とを有する発光素子１００の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層が周期構造を有している場合（即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、周期構造１２０を透光層１２０ということがある。この例では、周期構造１２０は、各々がｙ方向に延びるストライプ状の複数の凸部がｘ方向に等間隔に並んだ１次元周期構造である。図１Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数ｋwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
【数２】
2018169413.tif 000004
【０１５８】
式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
【０１５９】
ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式（３）および（４）が成立するとする。
【数３】
2018169413.tif 000005
【数４】
2018169413.tif 000006
【０１６０】
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式（２）〜（４）から、出射角度θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
【数５】
2018169413.tif 000007
【０１６１】
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝０となり、導波路の面に垂直な方向（即ち、正面）に光を出射させることができることがわかる。
【０１６２】
以上のような原理に基づけば、発生した光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。
【０１６３】
上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式（６）で表される。
【数６】
2018169413.tif 000008
【０１６４】
この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式（５）において−１＜ｓｉｎθout＜１である必要がある。よって、以下の式（７）を満足する必要がある。
【数７】
2018169413.tif 000009
【０１６５】
これに対し、式（６）を考慮すると、以下の式（８）が成立すればよいことがわかる。
【数８】
2018169413.tif 000010
【０１６６】
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝０）にするためには、式（５）から、以下の式（９）が必要であることがわかる。
【数９】
2018169413.tif 000011
【０１６７】
式（９）および式（６）から、必要な条件は、以下の式（１０）であることがわかる。
【数１０】
2018169413.tif 000012
【０１６８】
なお、図１Ａおよび図１Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いため、ｍ＝１である１次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。
【数１１】
2018169413.tif 000013
【０１６９】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、導波路（フォトルミネッセンス層）１１０が透明基板に接していない場合には、ｎoutは空気の屈折率（約１．０）となるため、以下の式（１２）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数１２】
2018169413.tif 000014
【０１７０】
一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板１４０の屈折率ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎsとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
【数１３】
2018169413.tif 000015
【０１７１】
なお、式（１２）、（１３）では、式（１０）においてｍ＝１の場合を想定したが、ｍ≧２であってもよい。すなわち、図１Ａおよび図１Ｂに示すように発光素子１００の両面が空気層に接している場合には、ｍを１以上の整数として、以下の式（１４）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
【数１４】
2018169413.tif 000016
【０１７２】
同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａのようにフォトルミネッセンス層１１０が透明基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（１５）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
【数１５】
2018169413.tif 000017
【０１７３】
以上の不等式を満足するように周期構造の周期ｐを決定することにより、フォトルミネッセンス層１１０から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光素子を実現できる。
【０１７４】
［１０．計算による検証］
［１０−１．周期、波長依存性］
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
【０１７５】
フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の高さを５０ｎｍ、周期構造の屈折率を１．５とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図２に示す。計算モデルは、図１Ａに示すように、ｙ方向には均一な１次元周期構造とし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとして計算を行った。図２の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図２において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い（即ち黒い）方が増強度が大きく、淡い（即ち白い）方が増強度が小さい。
【０１７６】
上記の計算において、周期構造の断面は、図１Ｂに示すような矩形であるものとしている。式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフを図３に示す。図２と図３とを比較すると、図２におけるピーク位置はｍ＝１とｍ＝３に対応するところに存在することがわかる。ｍ＝１の方が強度が強いのは、３次以上の高次の回折光よりも１次の回折光の回折効率の方が高いからである。ｍ＝２のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。
【０１７７】
図３で示したｍ＝１およびｍ＝３のそれぞれに対応する領域内において、図２では複数のラインが存在することが確認できる。これは、擬似導波モードが複数存在するからであると考えられる。
【０１７８】
［１０−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の周期を４００ｎｍ、高さを５０ｎｍ、屈折率を１．５とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さｔが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
【０１７９】
図４においてピークが存在する波長６００ｎｍ、厚さｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないｔ＝３００ｎｍの場合について同様の計算を行った結果を図５Ｃに示す。計算モデルは、上記と同様、ｙ方向に均一な１次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、ｔ＝３００ｎｍでは全体的に電場強度が低い。これは、ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。さらに、凸部または凸部の直下に電場が最も強い部分（腹）が必ず存在しており、周期構造１２０と相関のある電場が発生している特徴が見て取れる。つまり、周期構造１２０の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。また、ｔ＝２３８ｎｍの場合とｔ＝５３９ｎｍの場合とを比較すると、ｚ方向の電場の節（白い部分）の数が１つだけ異なるモードであることが分かる。
【０１８０】
［１０−３．偏光依存性］
次に偏光依存性を確認するために、図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図６に示す。ＴＭモードのとき（図２）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図３で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、ＴＭモード、ＴＥモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
【０１８１】
［１０−４．２次元周期構造］
さらに、２次元の周期構造による効果の検討を行った。図７Ａは、ｘ方向およびｙ方向の両方向に凹部および凸部が配列された２次元の周期構造１２０’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような２次元周期構造では、ｘ方向とｙ方向の両方の回折を考慮する必要がある。ｘ方向のみ、あるいはｙ方向のみの回折に関しては１次元の場合と同様であるが、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在するため、１次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような２次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図７Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図２の条件と同じである。図７Ｂに示すように、図２に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図６に示すＴＥモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、２次元周期構造により、ＴＥモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、２次元周期構造については、ｘ方向およびｙ方向の両方について、同時に１次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期ｐの√２倍（即ち、２1/2倍）の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、１次元周期構造の場合のピークに加えて、周期ｐの√２倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図７Ｂでは、このようなピークも確認できる。
【０１８２】
２次元周期構造としては、図７Ａに示すようなｘ方向およびｙ方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図１８Ａおよび図１８Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）の周期が異なる構造であってもよい。
【０１８３】
以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。
【０１８４】
［１１．周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討］
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
【０１８５】
［１１−１．周期構造の屈折率］
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を２００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造とし、高さを５０ｎｍ、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図８に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を図９に示す。
【０１８６】
まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が２００ｎｍの場合（図８）に比べ、膜厚が１０００ｎｍの場合（図９）のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長（ピーク波長と称する。）のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。
【０１８７】
次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちＱ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い（即ちＱ値が高い）擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体（即ち、透光層）の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。
【０１８８】
［１１−２．周期構造の高さ］
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造で屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図１０に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をｎp＝２．０とした場合の計算結果を図１１に示す。図１０に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないのに対して、図１１に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも高い場合（図１０）には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し（エバネッセント）部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合（図１１）は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図１１を見る限り、高さは１００ｎｍ程度あれば十分であり、１５０ｎｍを超える領域ではピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが周期構造の屈折率ｎpよりも低い場合に、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを１５０ｎｍ以下に設定すればよい。
【０１８９】
［１１−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図９に示す計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして計算した結果を図１２に示す。ＴＥモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＭモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率ｎpがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびＱ値の低下がＴＭモードよりも著しい。
【０１９０】
［１１−４．フォトルミネッセンス層の屈折率］
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavを１．５に変更した場合の結果を図１３に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwavが１．５の場合においても概ね図９と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が６００ｎｍ以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１０）より、λ0＜ｎwav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。
【０１９１】
以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを１５０ｎｍ以下にすれば、ピーク強度およびＱ値を高くできることがわかる。
【０１９２】
［１２．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
【０１９３】
［１２−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎsはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎoutをｎsとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定する必要がある。
【０１９４】
このことを確認するために、屈折率が１．５の透明基板１４０の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図１４に示す。図２の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図２の結果とは異なることがわかる。これに対して、式（１０）の条件をｎout＝ｎsとした式（１５）の条件を図１５に示す。図１４において、図１５に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。
【０１９５】
したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを設けた発光素子１００ａでは、式（１５）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（１３）を満足する周期ｐの範囲において特に顕著な効果が得られる。
【０１９６】
［１２−２．励起光源を有する発光装置］
図１６は、図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源１８０を設けることにより、指向性をもつ発光装置２００を実現できる。光源１８０から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図１６では、光源１８０がフォトルミネッセンス層１１０の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の上面から励起光を入射させてもよい。励起光は、フォトルミネッセンス層１１０の主面（即ち、上面または下面）に垂直な方向に対して傾斜した方向から（即ち、斜めに）入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層１１０内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。
【０１９７】
励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図１７Ａから図１７Ｄは、そのような方法を説明するための図である。この例では、図１Ｃ、１Ｄに示す構成と同様、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成されている。まず、図１７Ａに示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７Ｂに示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち、周期構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
【数１６】
2018169413.tif 000018
【０１９８】
ここで、ｎoutは、図１７Ｂの例では透明基板１４０のｎsであるが、図１６のように透明基板１４０を設けない構成では、空気の屈折率（約１．０）である。
【０１９９】
特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。
【数１７】
2018169413.tif 000019
【０２００】
このように、式（１６）の条件（特に式（１７）の条件）を満足するように周期ｐyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。
【０２０１】
図１７Ｃおよび図１７Ｄは、それぞれ、図１７Ａおよび図１７Ｂに示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、ｐx＝３６５ｎｍ、ｐy＝２６５ｎｍとし、フォトルミネッセンス層１１０からの発光波長λを約６００ｎｍ、励起光の波長λexを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数を０．００３としている。図１７Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層１１０から生じた光だけでなく、励起光である約４５０ｎｍの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約６００ｎｍに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約６００ｎｍの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図１７Ｂに示す周期構造１２０は、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期の異なる構造（周期成分と称する。）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７Ａ、１７Ｂでは励起光を基板１４０側から入射させているが、周期構造１２０側から入射させても同じ効果が得られる。
【０２０２】
さらに、複数の周期成分を有する２次元周期構造としては、図１８Ａまたは図１８Ｂに示すような構成を採用してもよい。図１８Ａに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図１８Ｂに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸（図の例では軸１〜３）を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式（１０）に相当する条件を満足するように各周期が設定される。
【０２０３】
［１２−３．透明基板上の周期構造］
図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、透明基板１４０上に周期構造１２０ａを形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０を設けてもよい。図１９Ａの構成例では、基板１４０上の凹凸からなる周期構造１２０ａに追従するようにフォトルミネッセンス層１１０が形成されている。その結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。一方、図１９Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。
【０２０４】
この効果を検証するため、図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造１２０ａはｙ方向に均一な１次元周期構造で高さを５０ｎｍ、屈折率をｎp＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとした。本計算の結果を図１９Ｃに示す。本計算においても、式（１５）の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。
【０２０５】
［１２−４．粉体］
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図１Ａ、１Ｂのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
【０２０６】
図１Ａ、１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図２０に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子１００の一方向のサイズは、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の１次元または２次元の周期構造を含み得る。
【０２０７】
［１２−５．周期の異なる構造を配列］
図２１は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。この例では、３種類の周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが隙間なく配列されている。周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
【０２０８】
［１２−６．積層構造］
図２２は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層１１０の間には、透明基板１４０が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図２２に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
【０２０９】
なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２２に示すものとは逆転していてもよい。図２２に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。
【０２１０】
［１２−７．保護層を有する構成］
図２３は、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層１１０を保護するための保護層１５０を設けても良い。ただし、保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い場合は、保護層１５０の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層１５０が波長よりも厚い場合には、周期構造１２０に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層１５０の内部にまで光が到達する。よって、保護層１５０に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分（以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。）の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いほうが望ましい。なお、保護層１５０を周期構造（透光層）１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層１２０の屈折率はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さいことが望ましい。
【０２１１】
［１３．材料］
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
【０２１２】
周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３〜１．５程度であるＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＳｉＯ2、ガラス、樹脂を用いることができる。
【０２１３】
フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+、Ｍ3ＭｇＳｉ2Ｏ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ5ＳｉＯ4Ｃｌ6：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることが
できる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ2ＭｇＳｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ5ＡｌＯ2Ｎ7：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、ＢａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、ＢａＺｒＳｉ3Ｏ9：Ｅｕ2+、Ｍ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ3Ｏ4Ｎ2：Ｅｕ2+Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3ＳｉＯ4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、ＣａＳｉ12-(m+n)Ａｌ(m+n)ＯnＮ16-n：Ｃｅ3+、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+、ＳｒＡｌＳｉ4Ｏ7：Ｅｕ2+、Ｍ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｙｂ2+（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｌａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、ＣａＷＯ4：Ｌｉ1+，Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｍ2ＳｉＳ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ3ＳｉＯ5：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ7（ＳｉＯ3）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。
【０２１４】
量子ドットについては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、コア・シェル型ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、合金型ＣｄＳＳｅ／ＺｎＳなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。
【０２１５】
図１Ｃ、１Ｄなどに示す透明基板１４０は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。なお、基板１４０を介さずにフォトルミネッセンス層１１０に励起光を入射させるような構成においては、基板１４０が透明であることは必須ではない。基板１４０は、例えば、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、Ｌａ
ＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成されてもよい。
【０２１６】
［１４．製造方法］
続いて、発光素子の製造方法の一例を説明する。
【０２１７】
図１Ｃ、１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板１４０上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層１１０の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造１２０を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造１２０を形成してもよい。また、図２４に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。
【０２１８】
図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、１Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。
【０２１９】
図１９Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造１２０ａを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造１２０ａの凹部をフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって図１９Ｂに示す構成を実現することもできる。
【０２２０】
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の指向性発光素子の製造方法は、上記に限定されない。
【０２２１】
[１５．実験例]
以下に、本開示の実施形態に適用し得る指向性発光素子を作製した例を説明する。
【０２２２】
図１９Ａと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。
【０２２３】
ガラス基板に、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍの１次元周期構造（ストライプ状の凸部）を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるＹＡＧ：Ｃｅを２１０ｎｍ成膜した。この断面図のＴＥＭ像を図２５に示し、これを４５０ｎｍのＬＥＤで励起することでＹＡＧ：Ｃｅを発光させたときの、正面方向のスペクトルを測定した結果を図２６に示す。図２６には、周期構造がない場合の測定結果（ｒｅｆ）と、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードと、垂直な偏光成分を持つＴＥモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。
【０２２４】
さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆに示す。図２７Ａは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｂおよび図２７Ｃは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２７Ｄは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｅおよび図２７Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２８Ａは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｂおよび図２８Ｃは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２８Ｄは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｅおよび図２８Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。
【０２２５】
図２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆから明らかなように、ＴＭモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長６１０ｎｍの光については、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図２７Ｂと図２７Ｃ、図２７Ｅと図２７Ｆ、図２８Ｂと図２８Ｃ、図２８Ｅと図２８Ｆのそれぞれの測定結果と計算結果とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。
【０２２６】
図２９は、波長６１０ｎｍの光について、図２８Ｄに示すように、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示している。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は１５°未満であることがわかる。なお、指向角は、前述のように、強度が最大強度の５０％となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。図２９に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全てＴＭモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。
【０２２７】
以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。
【０２２８】
［１６．他の変形例］
上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図３１に示す、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されており、図１Ａに示した１次元周期構造１２０を有する場合を例示する。１次元周期構造１２０によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造１２０の周期ｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎwav、光が出射される外部の媒質の屈折率ｎoutとし、１次元周期構造１２０への入射角をθwav、１次元周期構造１２０から外部の媒質への出射角をθoutとすると、ｐ×ｎwav×ｓｉｎθwav−ｐ×ｎout×ｓｉｎθout＝ｍλの関係を満足する（上記の式（５）参照）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。
【０２２９】
上記式から、θout＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎout］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図３１に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。
【０２３０】
この視角依存性を低減させるためには、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが、波長λによらず一定となるように、ｎwavおよびｎoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが波長λに依存しないような、ｎwavおよびｎoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎoutは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および１次元周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率ｎwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。
【０２３１】
また、図３２Ａに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図３２Ａに示す例では、赤色光（Ｒ）を増強できる周期構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる周期構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる周期構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。
【０２３２】
マトリクス状に配列された各周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。
【０２３３】
また、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。
【０２３４】
図３２Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造（周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む）を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図３２Ｂのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図３２Ｂの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。
【０２３５】
もちろん、周期構造は、１次元周期構造に限らず、図３２Ｃに示すように、複数の２次元周期構造（周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む）を配列してもよい。このとき、周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。
【０２３６】
図３３に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ１３０のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ１３０のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。
【０２３７】
図３３に示した発光素子は、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂをそれぞれ有する領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｒによって、赤色光Ｒが法線方向に出射され、例えば緑色光Ｇは斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Ｇは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図３２Ｂまたは図３２Ｃに示した構成にも適用できる。
【０２３８】
斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズであってもよい。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。
【０２３９】
白色光（あるいは、広いスペクトル幅を有する光）を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図３４Ａおよび図３４Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図３４Ａに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層１１０ｂ、１１０ｇ、１１０ｒを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図３４Ｂに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｙを積層してもよい。フォトルミネッセンス層１１０ｙは、例えばＹＡＧを用いて形成することができる。
【０２４０】
この他、蛍光色素などマトリクス（ホスト）材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合し、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。この様な白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図３２Ａ〜図３２Ｃを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２４１】
本開示の照明装置は、情報を画像として提示可能な照明として利用可能である。
【符号の説明】
【０２４２】
１００、１００ａ、１００Ｗ、５３０ａ、６３０ａ    発光素子
１００ｗ、６３０ｗ    白色発光部分
５００Ａ、５００Ｂ    照明装置
５００Ｓ、５１０Ｓ、５２０Ｓ    照明システム
５１０、５２０    投影装置
５１１、５２１、５２１Ａ、５２２、６０１    光源部
５１２、５２２    光源
５１２ｅ、５２２ｅ、６０２ｅ    励起光源
５１５、５２５、６０５    光ファイバー
５１６、５２６、６０６    配光制御部
８００    住宅
８１０    競技施設
【図１Ａ】
2018169413.tif 000020
【図１Ｂ】
2018169413.tif 000021
【図１Ｃ】
2018169413.tif 000022
【図１Ｄ】
2018169413.tif 000023
【図２】
2018169413.tif 000024
【図３】
2018169413.tif 000025
【図４】
2018169413.tif 000026
【図５Ａ】
2018169413.tif 000027
【図５Ｂ】
2018169413.tif 000028
【図５Ｃ】
2018169413.tif 000029
【図６】
2018169413.tif 000030
【図７Ａ】
2018169413.tif 000031
【図７Ｂ】
2018169413.tif 000032
【図８】
2018169413.tif 000033
【図９】
2018169413.tif 000034
【図１０】
2018169413.tif 000035
【図１１】
2018169413.tif 000036
【図１２】
2018169413.tif 000037
【図１３】
2018169413.tif 000038
【図１４】
2018169413.tif 000039
【図１５】
2018169413.tif 000040
【図１６】
2018169413.tif 000041
【図１７Ａ】
2018169413.tif 000042
【図１７Ｂ】
2018169413.tif 000043
【図１７Ｃ】
2018169413.tif 000044
【図１７Ｄ】
2018169413.tif 000045
【図１８Ａ】
2018169413.tif 000046
【図１８Ｂ】
2018169413.tif 000047
【図１９Ａ】
2018169413.tif 000048
【図１９Ｂ】
2018169413.tif 000049
【図１９Ｃ】
2018169413.tif 000050
【図２０】
2018169413.tif 000051
【図２１】
2018169413.tif 000052
【図２２】
2018169413.tif 000053
【図２３】
2018169413.tif 000054
【図２４】
2018169413.tif 000055
【図２５】
2018169413.tif 000056
【図２６】
2018169413.tif 000057
【図２７Ａ】
2018169413.tif 000058
【図２７Ｂ】
2018169413.tif 000059
【図２７Ｃ】
2018169413.tif 000060
【図２７Ｄ】
2018169413.tif 000061
【図２７Ｅ】
2018169413.tif 000062
【図２７Ｆ】
2018169413.tif 000063
【図２８Ａ】
2018169413.tif 000064
【図２８Ｂ】
2018169413.tif 000065
【図２８Ｃ】
2018169413.tif 000066
【図２８Ｄ】
2018169413.tif 000067
【図２８Ｅ】
2018169413.tif 000068
【図２８Ｆ】
2018169413.tif 000069
【図２９】
2018169413.tif 000070
【図３０】
2018169413.tif 000071
【図３１】
2018169413.tif 000072
【図３２Ａ】
2018169413.tif 000073
【図３２Ｂ】
2018169413.tif 000074
【図３２Ｃ】
2018169413.tif 000075
【図３３】
2018169413.tif 000076
【図３４Ａ】
2018169413.tif 000077
【図３４Ｂ】
2018169413.tif 000078
【図３５】
2018169413.tif 000079
【図３６】
2018169413.tif 000080
【図３７】
2018169413.tif 000081
【図３８】
2018169413.tif 000082
【図３９】
2018169413.tif 000083
【図４０】
2018169413.tif 000084
【図４１】
2018169413.tif 000085
【図４２】
2018169413.tif 000086
【図４３】
2018169413.tif 000087
【図４４】
2018169413.tif 000088
【図４５】
2018169413.tif 000089
【図４６】
2018169413.tif 000090
【図４７】
2018169413.tif 000091
【図４８】
2018169413.tif 000092
【図４９】
2018169413.tif 000093
【図５０】
2018169413.tif 000094
【図５１】
2018169413.tif 000095
【図５２】
2018169413.tif 000096
【図５３】
2018169413.tif 000097
【図５４】
2018169413.tif 000098
【図５５】
2018169413.tif 000099
【図５６】
2018169413.tif 000100
【図５７】
2018169413.tif 000101
【図５８】
2018169413.tif 000102
【図５９】
2018169413.tif 000103
【図６０】
2018169413.tif 000104
【図６１】
2018169413.tif 000105