(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する光学シャッタと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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た表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記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つの凹部の中心間距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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、
表示装置。
【請求項２】
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する光学シャッタと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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の表面に設けられた表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記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つの凹部の中心間距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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、
表示装置。
【請求項４】
前記光学シャッタにおける前記発光素子からの光が入射する側または前記光が出射する側に、透過波長帯域の異なる複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタアレイをさらに備える、請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記発光素子からの光を前記光学シャッタに伝播させる導光板をさらに備える、請求項１に記載の表示装置。
【請求項６】
前記励起光源からの前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に伝播させる導光板をさらに備える、請求項１に記載の表示装置。
【請求項７】
前記光学シャッタを画像信号に応じて駆動する駆動回路をさらに備える、請求項１に記載の表示装置。
【請求項８】
前記光学シャッタにおける前記発光素子からの光が出射する側に、タッチスクリーンをさらに備える、請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとし、前記第１の光に対する前記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の関係が成り立つ第１周期構造を含む、
請求項１から８のいずれかに記載の表示装置。
【請求項１０】
前記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と異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとすると
き、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関
係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記波長λaは、赤色の波長帯域に属し、
前記波長λbは、緑色の波長帯域に属する、
請求項９に記載の表示装置。
【請求項１１】
空気中の波長がλaおよびλbと異なるλcの第３の光に対する前記フォトルミネッセン
ス層の屈折率をｎwav-cとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐcとすると、λc／ｎwav-c＜ｐc＜λcの関
係が成り立つ第３周期構造をさらに含み、
前記波長λcは、青色の波長帯域に属する、
請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記励起光源は、青色の波長帯域の光を発する、請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造の周期は、前記フォトルミネッセンス層内部の電場振幅の最大値の周期と同じである請求項１に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造の周期は、前記フォトルミネッセンス層内部の電場振幅の最大値の周期と同じである請求項３に記載の表示装置。
【請求項１５】
前記フォトルミネッセンス層は、当該フォトルミネッセンス層内に擬似導波モードを発生させる厚みを有する請求項１に記載の表示装置。
【請求項１６】
前記フォトルミネッセンス層は、当該フォトルミネッセンス層内に擬似導波モードを発生させる厚みを有する請求項３に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、表示装置および発光装置に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子を備えた表示装置および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、このような材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献１は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光学デバイスにおいて、特定の方向に光を出射するためにリフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要がある。これらの光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。
【０００５】
本開示は、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る表示装置は、励起光源と、発光素子と、光学シャッタまたは導光板と、を備え、前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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および透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する。
【０００７】
上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、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】
【０００８】
本開示のある実施形態によれば、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。
【図１Ｃ】他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｃに示す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高さをそれぞれ変えて、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】一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発光素子の模式的な断面図である。
【図３５Ａ】フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図３５Ｂ】フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３５Ｃ】フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３５Ｄ】フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３６Ａ】フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図３６Ｂ】フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３６Ｃ】フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３７Ａ】周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図３７Ｂ】周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３８Ａ】透明高熱伝導層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図３８Ｂ】透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３８Ｃ】透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３８Ｄ】透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３９Ａ】放熱特性が改善された発光装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図３９Ｂ】放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３９Ｃ】放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
【図３９Ｄ】放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
【図４０Ａ】高熱伝導部材を有する発光素子の一例を示す模式断面図である。
【図４０Ｂ】図４０Ａに示す発光素子の平面図である。
【図４０Ｃ】高熱伝導部材を有する発光素子の他の例を示す模式断面図である。
【図４０Ｄ】図４０Ｃに示す発光素子の平面図である。
【図４１Ａ】タイリングされた複数の発光素子における高熱伝導部材の配置の例を示す模式図である。
【図４１Ｂ】図４１Ａに示す発光素子の平面図である。
【図４２Ａ】インターロック回路を備える発光装置の例を示す模式図である。
【図４２Ｂ】インターロック回路を備える発光装置の構成を示す模式図である。
【図４３Ａ】ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第１の図である。
【図４３Ｂ】ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第２の図である。
【図４３Ｃ】ビーズの充填状態の一例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図４３Ｄ】ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図４３Ｅ】ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図４３Ｆ】ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
【図４４】ある実施形態における表示装置を模式的に示す斜視図である。
【図４５】液晶モジュールによって実現される光学シャッタ３５０を有する表示装置３００ａの構成を模式的に示す断面図である。
【図４６】タッチスクリーン３７０をさらに備えた表示装置３００ｂの一例を示す模式斜視図である。
【図４７】導光板３３０が、励起光源３１０からの励起光をフォトルミネッセンス層３２１に伝播させるように配置された表示装置３００ｃの構成の一部を示す模式断面図である。
【図４８】表示装置のさらに他の実施形態を示す模式斜視図である。
【図４９】表示装置のさらに他の実施形態の一部を示す模式断面図である。
【図５０】ある実施形態における照明装置を模式的に示す斜視図である。
【図５１】他の実施形態における照明装置を模式的に示す部分断面図である。
【図５２】さらに他の実施形態における照明装置を模式的に示す断面図である。
【図５３】複数の発光素子を有する照明装置の構成例を示す断面図である。
【図５４】マイクロミラーによる配光制御が可能な照明装置（ヘッドライト）の概略構成を示す図である。
【図５５】回転機構およびホイール状の発光素子３２０を有する発光装置の一例を簡略化して示す図である。
【図５６】発光素子３２０を軸方向から見た場合の構成を示す図である。
【図５７】本開示の可視光通信システムの一例を示す図である。
【図５８】本開示の発光素子をスクリーンとして備える透明ディスプレイの構成を示す模式図である。
【図５９】信号機への応用例を示す図である。
【図６０】信号機のより詳細な構成を示す図である。
【図６１】植物用光源装置への応用例を示す図である。
【図６２】距離センサーへの応用例を示す図である。
【図６３Ａ】距離センサーにおける発光装置の概略構成を示す図である。
【図６３Ｂ】制御回路８２０によるパルス光の発生を説明するための図である。
【図６３Ｃ】駆動信号および受光信号の時間変化の一例を示す図である。
【図６４Ａ】発光素子８４０の光出射側に、光学シャッタ８５０を配置した変形例を示す図である。
【図６４Ｂ】図６４Ａに示す構成におけるパルス光の発生を説明するための図である。
【図６４Ｃ】発光素子８４０と光学シャッタ８５０との間、および光学シャッタ８５０の光出射側にレンズ８６０ａ、８６０ｂを設けた例を示す図である。
【図６５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［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発光素子、発光装置、表示装置、信号機、植物用発光装置、および距離センサーを含む。
【００１１】
［項目１］
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に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記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、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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、発光素子。
【００１２】
［項目２］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると
、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目１に記載の発光素子。
【００１３】
［項目３］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-aよりも小さい、項目１または２に記載の発光素子。
【００１４】
［項目４］
前記第１の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
【００１５】
［項目５］
前記第１の方向は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向である、項目４に記載の発光素子。
【００１６】
［項目６］
前記第１の方向に出射された前記第１の光は、直線偏光である、項目４または５に記載の発光素子。
【００１７】
［項目７］
前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、項目４から６のいずれかに記載の発光素子。
【００１８】
［項目８］
前記第１の光の波長λaと異なる波長λbを有する第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向において強度が最大となる、項目４から７のいずれかに記載の発光素子。
【００１９】
［項目９］
前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
【００２０】
［項目１０］
前記フォトルミネッセンス層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
【００２１】
［項目１１］
前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
【００２２】
［項目１２］
前記フォトルミネッセンス層は、透明基板に支持されている、項目１１に記載の発光素子。
【００２３】
［項目１３］
前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
【００２４】
［項目１４］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎt-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは１５０ｎｍ以下である、項目１または２に記載の発光素子。
【００２５】
［項目１５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると
、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含み、
前記第１周期構造は、１次元周期構造である、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
【００２６】
［項目１６］
前記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と異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとすると、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記第２周期構造は、１次元周期構造である、項目１５に記載の発光素子。
【００２７】
［項目１７］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、前記少なくとも２つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する２次元周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
【００２８】
［項目１８］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
【００２９】
［項目１９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐexが、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
【００３０】
［項目２０］
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、
前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも２つと前記複数の透光層の少なくとも２つとは、それぞれ独立に、項目１から１９のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。
【００３１】
［項目２１］
前記複数のフォトルミネッセンス層と前記複数の透光層は、積層されている、項目２０に記載の発光素子。
【００３２】
［項目２２］
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に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の内部に擬似導波モードを形成する光を出射する、発光素子。
【００３３】
［項目２３］
光が導波することができる導波層と、
前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。
【００３４】
［項目２４］
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に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、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、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係
が成り立つ、発光素子。
【００３５】
［項目２５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目２４に記載の発光素子。
【００３６】
［項目２６］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記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、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
【００３７】
［項目２７］
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よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記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、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少な
くとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
【００３８】
［項目２８］
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形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記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、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとし、前記少な
くとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、発光素子。
【００３９】
［項目２９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目１から２１、２４から２８のいずれかに記載の発光素子。
【００４０】
［項目３０］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目１から２２、２４から２７のいずれかに記載の発光素子。
【００４１】
［項目３１］
前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目２３に記載の発光素子。
【００４２】
［項目３２］
項目１から３１のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
【００４３】
［項目３３］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する光学シャッタと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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た表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
表示装置。
【００４４】
［項目３４］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目３３に記載の表示装置。
【００４５】
［項目３５］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する光学シャッタと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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の表面に設けられた表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
表示装置。
【００４６】
［項目３６］
前記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つの凹部の中心間距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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３３から３５のいずれかに記載の表示装置。
【００４７】
［項目３７］
前記光学シャッタにおける前記発光素子からの光が入射する側または前記光が出射する側に、透過波長帯域の異なる複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタアレイをさらに備える、項目３３から３６のいずれかに記載の表示装置。
【００４８】
［項目３８］
前記発光素子からの光を前記光学シャッタに伝播させる導光板をさらに備える、項目３３から３７のいずれかに記載の表示装置。
【００４９】
［項目３９］
前記励起光源からの前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に伝播させる導光板をさらに備える、項目３３から３７のいずれかに記載の表示装置。
【００５０】
［項目４０］
前記光学シャッタを画像信号に応じて駆動する駆動回路をさらに備える、項目３３から３９のいずれかに記載の表示装置。
【００５１】
［項目４１］
前記光学シャッタにおける前記発光素子からの光が出射する側に、タッチスクリーンをさらに備える、項目４０に記載の表示装置。
【００５２】
［項目４２］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、
項目３３から４１のいずれかに記載の表示装置。
【００５３】
［項目４３］
前記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と異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記波長λaは、赤色の波長帯域に属し、
前記波長λbは、緑色の波長帯域に属する、
項目４２に記載の表示装置。
【００５４】
［項目４４］
空気中の波長がλaおよびλbと異なるλcの第３の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-cとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐcとすると、λc／ｎwav-c＜ｐc＜λcの関係が成り立つ第３周期構造をさらに含み、
前記波長λcは、青色の波長帯域に属する、
項目４３に記載の表示装置。
【００５５】
［項目４５］
前記励起光源は、青色の波長帯域の光を発する、項目４３または４４に記載の表示装置。
【００５６】
［項目４６］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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た表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００５７】
［項目４７］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、
前記導光板から出射された前記励起光の光路上に位置する発光素子と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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た表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００５８】
［項目４８］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目４６または４７に記載の発光装置。
【００５９】
［項目４９］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００６０】
［項目５０］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、
前記導光板から出射された前記励起光の光路上に位置する発光素子と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００６１】
［項目５１］
前記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つの凹部の中心間距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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４６から５０のいずれかに記載の発光装置。
【００６２】
［項目５２］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、
項目４６から５１のいずれかに記載の発光装置。
【００６３】
［項目５３］
前記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と異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記波長λaは、赤色の波長帯域に属し、
前記波長λbは、緑色の波長帯域に属する、
項目５２に記載の発光装置。
【００６４】
［項目５４］
空気中の波長がλaおよびλbと異なるλcの第３の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-cとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐcとすると、λc／ｎwav-c＜ｐc＜λcの関係が成り立つ第３周期構造をさらに含み、
前記波長λcは、青色または黄色の波長帯域に属する、
項目５３に記載の発光装置。
【００６５】
［項目５５］
前記励起光源は、青色の波長帯域の光を発する、項目５３または５４に記載の発光装置。
【００６６】
［項目５６］
項目５４に記載の発光装置と、
前記発光装置を収納する筐体と、
を備え、
前記波長λcは、黄色の波長帯域に属する、
信号機。
【００６７】
［項目５７］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する光学シャッタと、を備え、
前記発光素子は、
透光層と、
前記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、
前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記表面構造は、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
表示装置。
【００６８】
［項目５８］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する光学シャッタと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記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、
前記表面構造は、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
表示装置。
【００６９】
［項目５９］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目５７または５８に記載の表示装置。
【００７０】
［項目６０］
前記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つの凹部の中心間距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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５７から５９のいずれかに記載の表示装置。
【００７１】
［項目６１］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、
項目５７から５９のいずれかに記載の表示装置。
【００７２】
［項目６２］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、を備え、
前記発光素子は、
透光層と、
前記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、
前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記表面構造は、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００７３】
［項目６３］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記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、
前記表面構造は、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００７４】
［項目６４］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、
前記導光板から出射された前記励起光の光路上に位置する発光素子と、を備え、
前記発光素子は、
透光層と、
前記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、
前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記表面構造は、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００７５】
［項目６５］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板と、
前記導光板から出射された前記励起光の光路上に位置する発光素子と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記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、
前記表面構造は、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００７６】
［項目６６］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目６２から６５のいずれかに記載の発光装置。
【００７７】
［項目６７］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子からの光の光路上に位置する反射ミラーと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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た表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００７８】
［項目６８］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置するマイクロミラーと、
前記マイクロミラーによって反射された前記励起光の光路上に位置する発光素子と、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む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た表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
【００７９】
［項目６９］
前記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つの凹部の中心間距離をＤintとし、前記第１の光に対する前記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６２から６８のいずれかに記載の発光装置。
【００８０】
［項目７０］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ第１周期構造を含む、
項目６２から６８のいずれかに記載の発光装置。
【００８１】
［項目７１］
励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に位置する発光素子と、
前記発光素子を回転させる機構と、を備え、
前記発光素子は、
前記機構に連結された中心部と、
前記中心部の周囲に位置する第１から第３の領域と、を有し、
前記第１および第２の領域の各々は、
前記励起光によって発光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に形成された少なくとも１つの周期構造と、を有し、
前記周期構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、
前記第１の領域における前記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、前記第１の領域における隣接する凸部間または凹部間の距離をＤint-aとし、前記第１の光に対する前記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-a＜λaの関係が成り立ち、
前記第２の領域における前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλbの第２の光を含み、前記第２の領域における隣接する凸部間または凹部間の距離をＤint-bとし、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとすると
、λb／ｎwav-b＜Ｄint-b＜λbの関係が成り立ち、
前記第３の領域は、透明領域であり、
前記励起光源は、前記機構が前記発光素子を回転させているとき、前記第１から第３の領域に前記励起光を順次入射させる、
照明装置。
【００８２】
［項目７２］
前記波長λaは、赤の波長帯域に含まれ、
前記波長λbは、緑の波長帯域に含まれ、
前記励起光は、青の波長帯域の光を出射する、
項目７１に記載の照明装置。
【００８３】
［項目７３］
一列に配列された第１から第３の発光領域を有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、
前記第１の発光領域は、励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を発生させ、
前記第２の発光領域は、励起光を受けて空気中の波長がλbの第２の光を発生させ、
前記第３の発光領域は、励起光を受けて空気中の波長がλcの第３の光を発生させ、
前記表面構造は、前記第１の発光領域から生じた前記第１の光の指向角を制限する第１の部分と、前記第２の発光領域から生じた前記第２の光の指向角を制限する第２の部分と、前記第３の発光領域から生じた前記第３の光の指向角を制限する第３の部分と、を有し、
前記波長λaは、赤の波長帯域に含まれ、
前記波長λbは、緑の波長帯域に含まれ、
前記波長λcは、黄の波長帯域に含まれる、
信号機。
【００８４】
［項目７４］
一列に配列された第１および第２の発光領域を有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、
前記第１の発光領域は、励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を発生させ、
前記第２の発光領域は、励起光を受けて空気中の波長がλbの第２の光を発生させ、
前記表面構造は、前記第１の発光領域から生じた前記第１の光の指向角を制限する第１の部分と、前記第２の発光領域から生じた前記第２の光の指向角を制限する第２の部分と、を有し、
前記波長λaは、赤の波長帯域に含まれ、
前記波長λbは、緑の波長帯域に含まれる、
信号機。
【００８５】
［項目７５］
植物を載置する載置台と、
前記植物に向けて光を照射する発光素子と、
を備え、
前記発光素子は、
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た表面構造であって、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する表面構造と、
を有する、
植物用発光装置。
【００８６】
［項目７６］
植物を載置する載置台と、
前記植物に向けて第１の光を照射する第１の発光素子と、
前記植物に向けて第２の光を照射する第２の発光素子と、
を備え、
前記第１の発光素子は、
空気中の波長がλaの光を発する第１のフォトルミネッセンス層と、
前記第１のフォトルミネッセンス層に近接して配置された第１の透光層と、
前記第１のフォトルミネッセンス層および前記第１の透光層の少なくとも一方の表面に形成された第１の表面構造であって、複数の第１凸部および複数の第１凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する第１の表面構造と、
を有し、
前記第２の発光素子は、
空気中の波長がλaとは異なるλbの光を発する第２のフォトルミネッセンス層と、
前記第２のフォトルミネッセンス層に近接して配置された第２の透光層と、
前記第２のフォトルミネッセンス層および前記第２の透光層の少なくとも一方の表面に形成された第２の表面構造であって、複数の第２凸部および複数の第２凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλbの前記光の指向角を制限する第２の表面構造と、
を有する、
植物用発光装置。
【００８７】
［項目７７］
発光装置と、
イメージセンサーと、
前記発光装置および前記イメージセンサーを制御する制御回路と、
を備え、
前記発光装置は、
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た表面構造であって、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する表面構造と、
を有し、
前記制御回路は、前記発光装置に前記波長λaを含む波長帯域のパルス光を出射させな
がら、前記イメージセンサーに撮像させ、前記発光装置から出射された前記パルス光と、前記パルス光が対象物で反射されて前記イメージセンサーで検出された光との間の位相差に基づいて、前記対象物までの距離を検出する、
距離センサー。
【００８８】
［項目７８］
前記波長λaは、近赤外線の波長帯域に属する、項目７７に記載の距離センサー。
【００８９】
本開示の実施形態による発光素子は、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。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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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６５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。
【００９４】
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。
【００９５】
本開示の実施形態による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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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実施形態の発光素子におけるように、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。
【０１００】
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狭角にする。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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
［２．本開示の基礎となった知見］
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。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、上記のような光学部品は不要になる（若しくは小さくできる）。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。
【０１０６】
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】
0006566313.tif 000002
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
［３．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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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】
0006566313.tif 000003
【０１１５】
式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
【０１１６】
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】
0006566313.tif 000004
【数４】
0006566313.tif 000005
【０１１７】
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】
0006566313.tif 000006
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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】
0006566313.tif 000007
【０１２１】
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】
0006566313.tif 000008
【０１２２】
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】
0006566313.tif 000009
【０１２３】
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】
0006566313.tif 000010
【０１２４】
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】
0006566313.tif 000011
【０１２５】
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】
0006566313.tif 000012
【０１２６】
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】
0006566313.tif 000013
【０１２７】
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】
0006566313.tif 000014
【０１２８】
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】
0006566313.tif 000015
【０１２９】
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】
0006566313.tif 000016
【０１３０】
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装置を実現できる。
【０１３１】
［４．計算による検証］
［４−１．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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
［４−２．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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
［４−３．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。
【０１３８】
［４−４．２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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
［５．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。
【０１４２】
［５−１．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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
［５−２．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。
【０１４６】
［５−３．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。
【０１４７】
［５−４．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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
［６．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
【０１５０】
［６−１．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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
［６−２．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。
【０１５４】
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】
0006566313.tif 000017
【０１５５】
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。
【０１５６】
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】
0006566313.tif 000018
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
［６−３．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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
［６−４．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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
［６−５．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。
【０１６５】
［６−６．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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
［６−７．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。
【０１６８】
［７．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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成されてもよい。
【０１７３】
［８．製造方法］
続いて、製造方法の一例を説明する。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。
【０１７８】
[９．実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
[１０．他の変形例]
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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および一次元周期構造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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
フォトルミネッセンス層１１０を形成する材料として、無機材料（例えばＹＡＧ）を用いる場合、その製造過程で、１０００℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地（典型的には、基板）から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層（バリア層）１０８を設けてもよい。図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、拡散防止層１０８は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層１１０の下層に形成される。
【０１９９】
例えば、図３５Ａに示すように、基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。また、図３５Ｂに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれの下層に拡散防止層１０８ａまたは１０８ｂが形成される。
【０２００】
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３５Ｃ、図３５Ｄに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。図３５Ｃに示すように、基板１４０の上に低屈折率層１０７を設けた場合、低屈折率層１０７とフォトルミネッセンス層１１０との間の拡散防止層１０８が形成される。さらに、図３５Ｄに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂがそれぞれ形成される。
【０２０１】
なお、低屈折率層１０７は、基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成される。低屈折率層１０７の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。低屈折率層１０７は、例えば、ＭｇＦ2、
ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、石英、樹脂、ＨＳＱ・ＳＯＧなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層１０７の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板１４０は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ガラス、樹脂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成される。
【０２０２】
拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶や窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂの厚さは、例えば、５０ｎｍ以下である。
【０２０３】
なお、拡散防止層１０８や後述する結晶成長層１０６のような、フォトルミネッセンス層１１０に隣接する層を有する構成においては、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。
【０２０４】
また、無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層１１０においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層１１０を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図３６Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０の下地に、結晶成長層（「シード層」ということもある。）１０６を形成してもよい。結晶成長層１０６は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層１１０の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±５％以内であることが望ましい。基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層１０６または１０６ａの屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さいことが望ましい。
【０２０５】
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３６Ｂに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。結晶成長層１０６は、フォトルミネッセンス層１１０と接するので、基板１４０上に低屈折率層１０７が形成される場合には、低屈折率層１０７上に結晶成長層１０６が形成される。また、図３６Ｃに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対応する結晶成長層１０６ａまたは１０６ｂを形成することが望ましい。結晶成長層１０６、１０６ａおよび１０６ｂの厚さは、例えば、例えば、５０ｎｍ以下である。
【０２０６】
図３７Ａおよび図３７Ｂに示すように、周期構造１２０を保護するために、表面保護層１３２を設けてもよい。
【０２０７】
表面保護層１３２は、図３７Ａに示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図３７Ｂに示すように、基板１４０を有するタイプのものにも設けられる。また、図３７Ａに示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層１１０の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層１３２は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造１２０は、図３７Ａおよび図３７Ｂに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。
【０２０８】
表面保護層１３２は、例えば、樹脂、ハードコート材、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ
）、ＳｉＯＣ、ＤＬＣを用いて形成することができる。表面保護層１３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１０μｍである。
【０２０９】
表面保護層１３２を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層１３２は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層１３２の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。
【０２１０】
また、フォトルミネッセンス材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層１１０の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率（１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）は、ＹＡＧの熱伝導率（１１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも約１桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層（例えばＹＡＧ層）１１０で発生した熱が基板（例えば石英基板）１４０を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層１１０の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。
【０２１１】
そこで、図３８Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間に、透明高熱伝導層１０５を形成することによって、フォトルミネッセンス層１１０の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板１４０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には、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層１０５は、フォトルミネッセンス層１１０とともに導波層を形成するので、５０ｎｍ以下であることが望ましい。図３８Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と透明高熱伝導層１０５との間に、低屈折率層１０７を形成すれば、厚い透明高熱伝導層１０５を利用できる。
【０２１２】
また、図３８Ｃに示すように、周期構造１２０を高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７で覆ってもよい。さらに、図３８Ｄに示すように、周期構造１２０を低屈折率層１０７で覆った上に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層１０７が高い熱伝導率を有する必要はない。
【０２１３】
透明高熱伝導層１０５の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｙ2Ｏ3、ダイヤモンド、グラフェン、ＣａＦ2、ＢａＦ2を挙げることができる。これらの内、ＣａＦ2、ＢａＦ2は、屈折率が低いので、低屈折率層１０７として利用することができる。
【０２１４】
次に、図３９Ａ〜３９Ｄを参照して、発光素子１００と光源１８０とを備える発光装置の放熱特性を高めた構造を説明する。
【０２１５】
図３９Ａに示す発光装置は、光源１８０としてのＬＥＤチップ１８０と、発光素子１００とを有している。発光素子１００は、上述のいずれのタイプでもよい。ＬＥＤチップ１８０は、支持基板１９０上に実装されており、発光素子１００は、ＬＥＤチップと所定の間隔をあけて配置されている。発光素子１００は、ＬＥＤチップから出射される励起光を受けて発光する。支持基板１９０上において、ＬＥＤチップ１８０および発光素子１００は、封止部１４２に覆われている。
【０２１６】
封止部１４２は、高熱伝導性と透光性とを備えている。封止部１４２を形成する材料（「封止材料」ということがある）は、例えば、高熱伝導性のフィラーと樹脂材料とを含む複合材料である。高熱伝導性フィラーとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｙ2Ｏ3、グラフェンおよびＡｌＮを例示することができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。特に、封止材料として、高熱伝導性フィラーのサイズがナノメートルサイズ（即ち、サブミクロンサイズ）を用いたナノコンポジット材料を用いることができる。ナノコンポジット材料を用いると、光の拡散反射（または散乱）を抑制することができる。ナノコンポジット材料としては、フィラーとしてＺｎＯまたはＡｌ2Ｏ3を用い、樹脂として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いたものを例示することができる。
【０２１７】
なお、発光素子１００が、図３９Ａに例示したように、表面に周期構造が露出しているタイプの場合には、周期構造の周りの媒質の屈折率は、周期構造の屈折率よりも低いことが望ましい。すなわち、封止部１４２の屈折率は、周期構造が透光層によって形成されている場合は、透光層の屈折率よりも低く、周期構造がフォトルミネッセンス層と同じ材料で形成されている場合は、フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低いことが望ましい。
【０２１８】
封止部１４２は、図３９Ｂに示すように、発光素子１００の表面近傍（例えば、周期構造を有する透光層またはフォトルミネッセンス層）を露出するように設けてもよい。このとき、封止部１４２の屈折率は特に制限されない。
【０２１９】
また、図３９Ｃに示すように、発光素子１００として、周期構造が低屈折率層１０７（図３８Ｃ参照）で覆われているタイプのものを用いる場合にも、封止部１４２の屈折率は、周期構造の屈折率よりも高くてもよい。このような構成を採用するようことによって、封止部１４２の材料の選択範囲が広がる。
【０２２０】
また、図３９Ｄに示すように、発光素子１００の周辺を高熱伝導性を有するホルダー１５２に固定してもよい。ホルダー１５２は、例えば、金属で形成され得る。例えば、光源として、レーザーダイオード１８２を用いる場合のように、発光素子１００と光源との間に封止材料を充填できない場合に、上記の構造を好適に用いられ得る。例えば、図３８Ａ〜３８Ｄに例示した構成を有する発光素子１００は、透明高熱伝導層１０５または高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７を有するので、素子の面内の熱伝導性が高いので、効果的にホルダー１５２を介して放熱することができる。
【０２２１】
図４０Ａ〜４０Ｄに示すように、発光素子１００の表面に、高熱伝導部材１４４又は１４６を配置してもよい。高熱伝導部材１４４又は１４６は、例えば、金属で形成される。
【０２２２】
例えば、図４０Ａに断面図を示し、図４０Ｂに平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の一部を覆うように高熱伝導部材１４４を配置してもよい。図４０Ａおよび４０Ｂには、１次元周期構造を形成する複数の凸部の１つだけを覆う線状の高熱伝導部材１４４を示しているが、これに限られない。
【０２２３】
また、図４０Ｃに断面図を示し、図４０Ｄに平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の両端の凸部およびフォトルミネッセンス層１１０の端面を覆うように、高熱伝導部材１４６を形成してもよい。いずれの場合も、周期構造およびフォトルミネッセンス層の、高熱伝導部材１４６に覆われる部分の面積が大きくなると、発光素子１００の特性に影響する恐れがあるので、発光素子１００の表面に形成する高熱伝導部材１４６の面積は小さい方がよい。
【０２２４】
また、図４１Ａに断面図を示し、図４１Ｂに平面図を示すように、異なる構造を有する複数の発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂをタイリングする場合、隣接する発光素子の間に、それぞれの発光素子の端部を覆うように、高熱伝導部材１４８を配置してもよい。例えば、ここで例示するように、赤色光を増強する発光素子１００ｒ、緑色光を増強する１００ｇおよび青色光を増強する１００ｂを配列する場合、例えば、金属で形成された高熱伝導部材１４８を隣接する発光素子間に配置すると、高熱伝導部材１４８は遮光性を有しているので、混色を抑制することができる。このように、高熱伝導部材１４８を表示パネルにおけるブラックマトリクスのように使用することもできる。
【０２２５】
図４２Ａおよび４２Ｂに、インターロック回路１８５を備える発光装置の例を示す。図４２Ａは発光素子１００の裏面を示す模式図であり、図４２Ｂは発光素子１００の断面図を含む、発光装置の模式図である。図４２Ａおよび４２Ｂに示すように、発光素子１００が有する基板１４０の裏面に、環状配線１７２が形成されている。環状配線１７２は、発光素子１００の裏面の外周近傍に形成されており、基板１４０が破損したら、断線するように形成されている。環状配線１７２は、例えば金属材料で形成されている。環状配線１７２の２つの端部は、インターロック回路１８５のリレー回路に電気的に接続されている。環状配線１７２に断線が発生した場合、リレー回路は、光源１８２への電力の供給を遮断する。光源１８２が、特に、レーザーダイオードのように強度の強い光を発する場合には、安全性等の観点から、インターロック回路１８５を設けることが望ましい。
【０２２６】
上述の実施形態の発光素子が有するサブミクロン構造は、例えば周期構造であり、フォトリソグラフィ技術やナノプリント技術を用いて形成され得る。図４３Ａ〜４３Ｆを参照して、サブミクロン構造の他の形成方法を説明する。
【０２２７】
図４３Ａに示すように、基板１４０に支持されたフォトルミネッセンス層１１０の表面にビーズ１２２を配置する。ビーズ１２２の一部をフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込むことで、ビーズ１２２をフォトルミネッセンス層１１０に固定することができる。このように、多数のビーズ１２２のそれぞれの一部がフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込まれて、残りの部分がフォトルミネッセンス層１１０から突き出ている場合、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しくてもよいし、小さくてもよい。例えば、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さい場合、多数のビーズ１２２によって形成される層（フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分と埋め込まれた部分の両方）が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。また、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しい場合、ビーズ１２２とフォトルミネッセンス層１１０とは実質的に一体となり、フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。
【０２２８】
あるいは、図４３Ｂに示すように、基板１４０上に、多数のビーズ１２２を配置した上に、フォトルミネッセンス層１１０を形成してもよい。このとき、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。
【０２２９】
ここで、ビーズ１２２の直径は例えば上述のＤintと等しいかそれよりも小さい。ビーズ１２２が緻密に充填された場合には、ビーズ１２２の直径がＤintとほぼ一致する。隣接するビーズ１２２の間に間隙が形成される場合、ビーズ１２２の直径に間隙を加えた長さがＤintに対応することになる。
【０２３０】
また、ビーズ１２２としては、中空のビーズであっても、中実のビーズであってもよい。
【０２３１】
図４３Ｃ〜４３Ｆは、種々のビーズの充填状態を模式的に示す図と、それぞれ充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。図４３Ｃ〜４３Ｆにおいて、黒い部分は中実ビーズまたは中空ビーズ内の中実部分を示し、白い部分は、中空ビーズまたは、中空ビーズ内の空隙部分を示している。
【０２３２】
図４３Ｃは、卵形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、卵の底の位置に形成されている。図４３Ｄは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、外形の球に接するように形成されている。図４３Ｅは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、２つのほぼ球形の空隙を含んでおり、２つの球形の空隙は、外形の球の直径にそって配列されている。図４３Ｆは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズとほぼ球形の外形を有する中実ビーズとが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。中空ビーズおよび中実ビーズはほぼ同じ直径を有しており、ほぼ同じ体積比率で混合されている。また、中空ビーズおよび中実ビーズの配置に規則性はなく、ほぼランダムである。
【０２３３】
中空ビーズや中実ビーズは、種々のガラスまたは樹脂で形成されたものが市販されている。ここで例示したビーズは、例えば、研磨材料として広く市販されているアルミナの粉体や日鉄鉱業株式会社の中空シリカなどを用い、得られたビーズに分散剤を添加し、溶媒（例えば水やアルコール類など）に分散し、この分散液を基板１４０上またはフォトルミネッセンス層１１０上に付与し、乾燥することによって、多数のビーズが密に充填された層を形成することができる。
【０２３４】
［１１．応用例］
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。
【０２３５】
［１１−１．表示装置］
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、液晶表示装置の導光板を利用するエッジライト型のバックライトとして好適に用いられる。従来の指向性の低い光源を用いた表示装置では、光源から出射した光を、反射板および／または拡散材により、導光板へ導入することが必要であった。これに対し、特定方向の指向性が高い本開示の実施形態における光源を用いた表示装置では、これらの光学部品を省略または簡略化しても効率よく導光板へ光を導入することできる。
【０２３６】
図４４は、そのような表示装置の一例を模式的に示す斜視図である。この表示装置３００は、励起光源３１０と、励起光源３１０からの励起光の光路上に位置する発光素子３２０と、発光素子３２０からの光の光路上に位置する光学シャッタ３５０とを備える。この実施形態では、表示装置３００は、さらに、発光素子３２０からの光を光学シャッタ３５０に伝播させる導光板３３０と、光学シャッタ３５０における発光素子３２０からの光が入射する側に配置されたカラーフィルタアレイ３４０とを備える。
【０２３７】
発光素子３２０は、励起光を受けて、赤、緑、青の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層の法線方向にそれぞれ出射する複数の領域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を有する。図４４には６個の領域しか描かれていないが、実際にはさらに多くの領域が存在し得る。
【０２３８】
ここで、赤、緑、青の波長帯域は、それぞれ、赤：６００〜７５０ｎｍ、緑：４９０〜５７０ｎｍ、青：４３０ｎｍ〜４７０ｎｍとする。
【０２３９】
発光素子３２０は、上述した各実施形態と同様、励起光によって発光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に形成され、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とを有する。ここで「近接」とは、直接接することを含む。サブミクロン構造における複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方により、Ｒ、Ｇ、Ｂの各領域の周期構造が形成される。
【０２４０】
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の光と、空気中の波長がλbの第２の光と、空気中の波長がλcの第３の光とを含む。λa、λb、λcは、それぞれ赤、緑、青の波長帯域に属する。領域Ｒでは、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とし、周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。領域Ｇでは、第２の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとし、周期構造の周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λbの関係が成り立つ。領域Ｂでは、第３の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-cとし、周期構造の周期をｐcとすると、λc／ｎwav-c＜ｐc＜λcの関係が成り立つ。
【０２４１】
導光板３３０は、その側面に発光素子３２０からの光が入射するように配置される。導光板３３０は、エッジライト方式のバックライトにおいて用いられる一般的な導光板と同様の構成を有する。例えば、特開平８−２３４２００号公報に開示された導光板の構成を採用することができる。そのような構成では、導光板３３０の一方の面に反射板が設けられ、他方の面に拡散板が設けられる。導光板３３０中を光が伝播しながら、拡散板側の面から光がほぼ一様に出射する。
【０２４２】
カラーフィルタアレイ３４０は、２次元に配列された複数のカラーフィルタを有する。複数のカラーフィルタは、赤、緑、青の光をそれぞれ選択的に透過させる３種類のカラーフィルタを含む。互いに近接して配置された赤、緑、青の３つのカラーフィルタの集合は、格子状に配列されている。これらの集合は、１つの画素に対応し、１つのカラーフィルタはサブ画素に対応する。なお、カラーフィルタアレイ３４０は、光学シャッタ３５０における光の入射側に限らず、出射側に設けられていてもよい。後述する例のように、カラーフィルタアレイ３４０が光学シャッタ３５０の内部に設けられていてもよい。
【０２４３】
光学シャッタ３５０は、各々がサブ画素に対応する複数の単位領域に分割されている。単位領域ごとに光の透過率を変化させることができる。光学シャッタ３５０は、例えば液晶モジュールによって実現され得る。
【０２４４】
以下、液晶を用いた光学シャッタ３５０の例を説明する。以下の例では、カラーフィルタアレイ３４０が、光学シャッタ３５０（即ち、液晶モジュール）の内部に設けられている。
【０２４５】
図４５は、液晶モジュールによって実現される光学シャッタ３５０を有する表示装置３００ａの構成を模式的に示す断面図である。なお、図４５における各層の厚さおよび相互の間隔は、現実の厚さおよび間隔を反映していない。他の図についても同様である。この表示装置３００ａは、光学シャッタ３５０を画像信号に応じて駆動する駆動回路３６０をさらに備える。この例における光学シャッタ３５０は、偏光フィルタ３５１、透明基板３５２、透明電極３５３、液晶層３５５、透明電極３５６、カラーフィルタアレイ３４０、透明基板３５７、および偏光フィルタ３５８が、この順に形成された構造を有する。導光板３３０に近い偏光フィルタ３５１と、導光板３３０から遠い偏光フィルタ３５８とでは、偏光透過軸の方向が９０度ずれている。２つの透明電極３５３、３５６は、駆動回路３６０に電気的に接続される。駆動回路３６０が２つの透明電極３５３、３５６に印加する電圧を、サブ画素ごとに変化させることにより、液晶層３５５における液晶分子の配向を変化させる。これにより、サブ画素ごとに光透過率を変化させる。
【０２４６】
なお、導光板３３０から出射する光が直線偏光である場合には、偏光フィルタ３５１を省略することができる。液晶層３５５の両側には、配向層が設けられていてもよい。配向層は、液晶層３５５に電圧が印加されない場合に液晶分子を特定の方向に整列させる。
【０２４７】
次に、本実施形態における動作を説明する。
【０２４８】
励起光源３１０から出射した励起光は、発光素子３２０におけるフォトルミネッセンス層に入射する。フォトルミネッセンス層は、励起光を受けて、赤、緑、青の波長帯域の光を発生させる。赤、緑、青の光は、それぞれ、領域Ｒ、Ｇ、Ｂにおける周期構造をほぼ垂直に出射して導光板３３０に導入される。導光板３３０に導入された光は、導光板３３０の内部で反射を繰り返しながら導光する間に、混ざり合い、導光板３３０の一方の面からほぼ均一な白色光として出射する。導光板３３０からの出射光は、光学シャッタ３５０によってサブ画素ごとに強度が変調され、外部に出射される。これにより、駆動回路３６０に入力された画像信号に応じた画像が表示される。
【０２４９】
本実施形態における表示装置は、例えば、テレビ、ＰＣ用モニタ、スマートフォン、タブレット端末などの機器に利用され得る。スマートフォンまたはタブレット端末のような、タッチによる入力操作が可能な機器に利用される場合、表示装置は、タッチスクリーン（またはタッチパネル）をさらに備える。
【０２５０】
図４６は、タッチスクリーン３７０をさらに備えた表示装置３００ｂの一例を示す模式斜視図である。タッチスクリーン３７０は、光学シャッタ３５０の光出射面側に設けられる。タッチスクリーン３７０は、例えば静電容量方式などの公知の方式によって指などの接触を検出する。
【０２５１】
次に、表示装置の他の実施形態を説明する。
【０２５２】
図４７は、導光板３３０が、励起光源３１０からの励起光をフォトルミネッセンス層３２１に伝播させるように配置された表示装置３００ｃの構成の一部を示す模式断面図である。この表示装置３００ｃでは、励起光源３１０から出射された励起光は、導光板３３０内を伝播しながら、フォトルミネッセンス層３２１にほぼ均一に入射する。フォトルミネッセンス層３２１、およびその表面に形成されたサブミクロン構造３２２は、白色光をフォトルミネッセンス層３２１とほぼ垂直に出射させるように設計されている。このため、サブミクロン構造３２２は、例えば図３１〜図３３を参照しながら説明したいずれかの構造を有する。例えば、複数の単位周期構造をタイリングした構造、またはＲ、Ｇ、Ｂの３色にそれぞれ対応した３つのフォトルミネッセンス層を積層した構造などを有する。複数の単位周期構造をタイリングした構造においては、各単位周期構造のサイズは、サブ画素のサイズよりも小さい。
【０２５３】
本実施形態では、光学シャッタ３５０と偏光フィルタ３５８との間にカラーフィルタアレイ３４０が設けられている。前述のように、カラーフィルタアレイ３４０は、光学シャッタ３５０の光が入射する側、または光学シャッタ３５０の内部に設けられていてもよい。
【０２５４】
本実施形態におけるサブミクロン構造３２２は１次元周期構造である。よって、各単位周期構造から出射される光は直線偏光である。このため、発光素子３２０と光学シャッタ３５０との間には偏光フィルタが設けられていない。サブミクロン構造３２２が２次元周期構造である場合には、偏光フィルタが必要である。
【０２５５】
発光素子３２０から出射した白色光は、光学シャッタ３５０、カラーフィルタアレイ３４０、および偏光フィルタ３５８を透過する。前述の実施形態と同様、光学シャッタ３５０は、画像信号に応じてサブ画素ごとに光の透過率を変化させる。これにより、画像を表示する。
【０２５６】
図４８は、表示装置のさらに他の実施形態を示す模式斜視図である。この表示装置３００ｄは、図４４に示す実施形態から、カラーフィルタアレイ３４０を除去した構造を有する。この実施形態では、発光素子３２０から出射された各色の光は、導光板３３０を他の色の光と混ざり合わないように伝播し、伝播方向の位置に関わらずほぼ均一に光学シャッタ３５０に入射する。図４８では簡略化して表されているが、Ｒ、Ｇ、Ｂの各領域（即ち、単位周期構造）は微細であり、各領域の数は、表示される画像の一方向の画素数（例えば、数十〜数万）と同程度であり得る。１つの単位周期構造のサイズが例えば１００μｍで、画像の一方向の画素数が例えば１０００である場合、全ての単位周期構造の配列の長さは、０．３ｍ（＝１００μｍ×３×１０００）程度であり得る。発光素子３２０におけるＲ、Ｇ、Ｂの各領域のサイズおよび数は、この例に限らず、表示される画像の精細度および製造の難易度に応じて適宜決定される。光学シャッタ３５０は、先に説明した実施形態と同様、画像信号に応じてサブ画素ごとに光の透過率を変化させる。これにより、カラーフィルタアレイ３４０を用いることなく、カラー画像を表示することができる。
【０２５７】
図４９は、表示装置のさらに他の実施形態の一部を示す模式断面図である。この実施形態における表示装置３００ｅは、図４７に示す表示装置３００ｃから、カラーフィルタアレイ３４０を除去した構造を有する。さらに、サブミクロン構造３２２が、赤の波長帯域の光をほぼ垂直方向に出射する周期構造３２２Ｒと、緑の波長帯域の光をほぼ垂直方向に出射する周期構造３２２Ｇと、青の波長帯域の光をほぼ垂直方向に出射する周期構造３２２Ｂとを有する。３種類の周期構造３２２Ｒ、３２２Ｇ、３２２Ｂは、一方向に順に繰り返し配列されている。近接する３つの周期構造３２２Ｒ、３２２Ｇ、３２２Ｂの領域が、１つの画素に対応し、各周期構造の領域が１つのサブ画素に対応する。
【０２５８】
光学シャッタ３５０は、サブ画素ごとに光の透過率を変化させることにより、各サブ画素から発する光の強度を変化させる。このような構造により、カラーフィルタアレイ３４０を設けることなく、図４７に示す表示装置３００ｃと同様のカラー表示が可能である。
【０２５９】
この実施形態では、フォトルミネッセンス層３２１は、周期構造３２２Ｒに対応する領域では赤色の光を出射し、周期構造３２２Ｇに対応する領域では緑色の光を出射し、周期構造３２２Ｂに対応する領域では青色の光を出射するようにしてもよい。即ち、これらの領域ごとに発光材料を変えてもよい。励起光源３１０が青の波長帯域の励起光を出射する場合には、フォトルミネッセンス層３２１には、赤および緑（即ち黄）の波長帯域の光を出射する発光材料を用いることもできる。そのような発光材料には、例えばＹ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+などのＹＡＧが挙げられる。
【０２６０】
以上のような表示装置によれば、従来の指向性の低い光源を用いた場合に必要な反射板または拡散材などの光学部品を省略または簡略化できる。また、従来のカラーフィルタは、白色の光から不要な光を吸収することによって、所望の青、緑、赤の光を透過させるため、ロスが生じる。一方、本方式は、必要な色の光のみを発生させるので、ロスを減らすことができる。これにより、表示装置の小型化、省電力化が可能である。
【０２６１】
［１１−２．照明（発光）装置］
本開示の発光素子は、照明（または発光）装置に用いることもできる。従来の照明器具は、等方的に発せられた光を所望の方向に導くために、レンズおよび／または反射板を含む光学部品が用いられる。これに対して、本開示の発光素子を用いることによって、これらを省略することが可能となる。あるいは、等方的な光に対する複雑な設計を、指向性の高い光に対する単純な設計に置き換えることができる。その結果、照明器具を小型化、あるいは、設計工程を簡略化することができる。以下、そのような照明装置の例を説明する。
【０２６２】
図５０は、照明装置の一例を模式的に示す斜視図である。この照明装置４００は、励起光源３１０と、励起光源３１０からの励起光の光路上に位置する発光素子３２０と、発光素子３２０からの光を取り込み、外部に放射する導光板３３０とを備える。導光板３３０は、その側面に、発光素子３２０から出射される光が入射するように配置される。
【０２６３】
発光素子３２０は、既に説明したように、赤、緑、青の各波長帯域の光を出射する複数の領域を有する。図５０では簡略化しているが、実際には、各領域は微細であり、巨視的にほぼ白色光が出射するように設計され得る。白色光を出射するための構成として、積層構造などの前述した他の構成を採用してもよい。あるいは、フォトルミネッセンス層またはサブミクロン構造の構成を変更することにより、白以外の色（例えば、赤、緑、または青）の光を出射するようにしてもよい。狭帯域の単色光のみをフォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射する用途では、サブミクロン構造は、１つの周期構造のみを有していてもよい。導光板３３０の構成は、既に説明したものと同じである。
【０２６４】
発光素子３２０から出射した光は、導光板３３０内を伝播しながら、一方の面から出射される。この出射光を照明として利用できる。
【０２６５】
図５１は、照明装置の他の例を模式的に示す部分断面図である。この照明装置４００ａは、励起光源３１０と、励起光源３１０からの励起光を取り込み、外部に出射するように配置された導光板３３０と、導光板３３０から出射された励起光の光路上に位置する発光素子３２０とを備える。
【０２６６】
励起光源３１０から出射された励起光は、導光板３３０内を伝播しながら、その一方の面からほぼ均一に出射する。出射した励起光は、フォトルミネッセンス層３２１に入射する。発光素子３２０におけるフォトルミネッセンス層３２１は、励起光によって発光する。フォトルミネッセンス層３２１およびサブミクロン構造３２２は、前述のいずれかの構成により、白色光を出射させる。この出射光を照明として利用できる。本実施形態でも、フォトルミネッセンス層またはサブミクロン構造の構成を変更することにより、白以外の色（例えば、赤、緑、または青）の光を出射するようにしてもよい。
【０２６７】
図５２は、本開示における照明装置の他の例を示す断面図である。この照明装置４００ｂは、放熱基板４２０と、放熱基板４２０に固定された２つの発光素子３２０と、発光素子３２０を取り囲む反射ミラー４１０とを備える。２つの発光素子３２０の各々は、上述したいずれかの実施形態における発光素子と同様の構成を有する。放熱基板４２０は、発光素子３２０および反射ミラー４１０を支持するとともに、発光素子３２０から生じる熱を外部に放出する。
【０２６８】
２つの発光素子３２０から生じた光は、凹面を有する反射ミラー４１０で反射され、外部に出射される。このように、発光素子３２０と反射ミラー４１０とを組み合わせてもよい。
【０２６９】
反射ミラーを用いた発光装置の構成は、上述のものに限定されない。発光素子からの発光が指向性を持つことにより、反射ミラーの面積を小さくすることができる。例えば、特表２０１３−５３３５８３号公報、特表２００９−５３５７７５号公報、または特表２００５−５３７６６５号公報に開示された他の反射ミラーの構成を採用してもよい。
【０２７０】
発光素子３２０から生じた熱を外部に放出する放熱機構は、上記の構成以外にも、様々な構成が可能である。例えば、特開２０１４−１４６５０９号公報に開示されているように、発光素子の周囲に設けられた反射ミラーの一部を覆うように設けられた放熱部材を用いてもよい。
【０２７１】
本開示における照明装置の光源は、プリント基板上に実装されてもよい。例えば、特表２０１０−５３７４３７号公報に開示されているＬＥＤケーシングにおけるＬＥＤチップの代わりに、本開示の発光素子を用いてもよい。あるいは、特開２０１４−１８３１９２号公報に開示されている偏光ＬＥＤモジュールにおけるＬＥＤ素子の代わりに、本開示の発光素子を用いてもよい。
【０２７２】
複数個の発光素子を並べて高輝度の照明を実現することもできる。例えば、特開２０１１−１８１４２９号公報に開示されている、１０以上のＬＥＤを設けた照明装置のように、１０以上の発光素子を並べて高輝度の照明を実現してもよい。
【０２７３】
図５３は、そのような照明装置４００ｃの構成例を示す断面図である。この照明装置４００ｃは、回路基板４３０と、その上に形成された複数の発光素子３２０と、凹面形状の反射ミラー４１０と、反射ミラー４１０の内部に形成された拡散板４４０と、反射ミラー４１０の外縁部に設けられたレンズ４５０とを備える。複数の発光素子３２０の各々は、上記のいずれかの発光素子と同様の構成を有する。一般に、レンズは中心軸付近に入射する光は、入射角度が小さく設計が容易である。指向性の発光により、発光した光を中心軸付近にすることができるので、光学設計を容易にすることができる。
【０２７４】
複数の発光素子３２０から出射された光は、拡散板４４０によって拡散され、レンズ４５０に到達する。レンズ４５０は、レンズに到達した光を屈折させ、広範囲に光を出射させる。
【０２７５】
なお、レンズを用いた構成は、上記の他にも、例えば特許第４６３２８９９号公報に開示された構成を採用してもよい。特開２０１２−０５９５７５号公報に開示されているように、複数のレンズを組み合わせてもよい。特許第４５２３１００号公報に開示されているように、反射板とレンズとを組み合わせた他の構成を採用してもよい。
【０２７６】
本開示の発光素子は、車両用のヘッドライトにも適用できる。例えば、特表２０１３−５２６７５９号公報に開示されているような、マイクロミラーによる配光制御が可能なヘッドライトに適用できる。
【０２７７】
図５４は、そのような照明装置（ヘッドライト）４００ｄの概略構成を示す図である。この照明装置４００ｄは、励起光源３１０と、発光素子３２０と、レンズ４５０と、マイクロミラー４６０とを備えている。マイクロミラー４６０には、不図示の駆動回路が接続される。
【０２７８】
励起光源３１０から出射した励起光は、マイクロミラー４６０によって反射され、発光素子３２０の特定の位置に入射する。発光素子３２０のその位置では、発光が生じ、特定の色の光がフォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射する。この光は、レンズ４５０によって集束され、外部を照射する。
【０２７９】
マイクロミラー４６０は、駆動回路により、特定の軸（例えば水平軸）を中心に回転することができる。この回転により、励起光が到達する発光素子３２０の位置を変化させることができる。
【０２８０】
本実施形態の構成は、例えばハイビームとロービームとの切り替えに利用できる。不図示のセンサーと組み合わせれば、例えば前方に人または車両が存在しない場合はハイビームにし、前方に人または車両が存在する場合にはロービームに切り替えるといった制御を自動で行うこともできる。あるいは、前方に人がいる場合には励起光源３１０を自動で停止させて照明をオフにするといった制御も可能である。
【０２８１】
以上のように、本開示の照明装置によれば、等方的に発せられた光を所望の方向に導くための光学部品を省略または簡略化できる。このため、照明器具の小型化あるいは設計工程の簡略化が可能である。
【０２８２】
照明の分野では、彩光色照明および美光色照明という技術が開発されている。これらは、照明の対象の色を美しく見せるもので、彩光色照明は例えば野菜などの食品をよりおいしそうに見せる効果があり、美光色照明は、肌をより美しく見せる効果がある。これらは、いずれも光源のスペクトル（即ち、発光する光の波長の強度分布）を対象物に応じて制御することによって行われる。従来は、光学フィルタを用いて光源から出射された光を選択透過させることによって、照明に用いる光のスペクトルを制御していた。すなわち、不要な光を光学フィルタによって吸収させていたので、光の利用効率を低下させていた。これに対し、本開示の発光素子は、特定の波長の光を増強できるので、光学フィルタを必要とせず、その結果、光の利用効率を向上させることができる。
【０２８３】
本開示の発光素子は、偏光（直線偏光）を出射することができる。従来、直線偏光は、光源から出射された非偏光を構成する直交する２つの直線偏光の内の一方を偏光フィルタ（「偏光板」ともいわれる。）を用いて吸収させることによって作られていた。したがって、光の利用効率は５０％以下であった。本開示の発光素子を偏光光源として用いれば、偏光フィルタを用いる必要がないので、光の利用効率を向上させることができる。偏光照明は、例えば、ショーウィンドウや展望レストランの窓ガラスなど、反射光を低減させたい場合に用いられる。また、皮膚表面の反射特性が偏光に依存することを利用した、洗面・化粧用の照明、さらには、内視鏡による病変部の観察を容易にするために用いられる。
【０２８４】
［１１−３．プロジェクター用光源］
種々の光学デバイスにおいて、光源からの光を所定の方向に効率よく導く必要がある。そのために、前述のように、例えば、レンズ、プリズムまたは反射板が用いられることが多い。例えば、プロジェクターにおいては、光源からの光を表示パネルに導くために、ライトガイドを用いる構成が知られている（例えば、特開２０１０−１５６９２９号公報）。本開示の発光素子を光源に用いることによって、ライトガイドを省略することができる。
【０２８５】
偏光光源は、液晶プロジェクターの光源にも用いられ得る。液晶プロジェクターの光源として用いる場合には、上述の波長選択性と組み合わせて、３原色の偏光を出射できる光源を構成することができる。例えば、赤色の直線偏光を出射する発光素子と、緑色の直線偏光を出射する発光素子と、青色の直線偏光を出射する発光素子とをつなぎあわせて円盤を形成し、この円盤に励起光を照射しながら、円盤を回転させることによって、時系列に赤、緑、青の三原色の偏光を出射する光源を実現することができる。このような円盤は、蛍光体ホイールと呼ばれる。
【０２８６】
このように、本開示の発光素子は、プロジェクターに用いられる蛍光体ホイールにも用いられ得る。例えば、特開２０１２−８１７７号公報または特開２０１４−１９１００３号公報に開示された蛍光体ホイールにおける蛍光体の代わりに、本開示の発光素子を利用することができる。一例として、特開２０１４−１９１００３号公報に開示された構成における赤色蛍光体層および緑色蛍光体層の代わりに、赤色の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直に出射する発光素子、および緑色の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直に出射する発光素子を用いてもよい。
【０２８７】
図５５は、そのような発光装置の一例を簡略化して示す図である。この発光装置５００は、励起光源３１０と、ホイール状の発光素子３２０と、回転機構５１０とを備える。発光装置５００は、他にも拡散板、レンズ、ミラー、制御回路などの構成要素を含み得るが、これらの構成要素の説明は省略する。
【０２８８】
発光素子３２０は、円板状（またはドーナツ状）であり、中心部が回転機構５１０に連結している。発光素子３２０の周辺部に励起光源３１０からの励起光が入射するように配置されている。回転機構５１０は、発光素子３２０を、その中心を軸として一方向又は双方向に回転させるためのモータを含む。回転機構５１０は、例えば、１／６０秒に１回転の角速度で発光素子３２０を回転させる。
【０２８９】
図５６は、発光素子３２０を軸方向から見た場合の構成を示す図である。発光素子３２０は、赤色の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直な方向に出射させる領域３２０Ｒと、緑色の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直な方向に出射させる領域３２０Ｇと、透明領域３２０Ｔとを有する。励起光が例えば青色の波長帯域の光である場合、透明領域３２０Ｔからは青色の光が出射する。
【０２９０】
回転機構５１０が発光素子３２０を回転させながら励起光源３１０が励起光を出射することにより、時系列に赤、緑、青の三原色の光を出射することができる。このような構成により、例えば回転機構５１０および励起光源３１０に接続された制御回路が、回転機構５１０のモータを回転させながら励起光源３１０の出力を調整することにより、プロジェクターから出射する光の色を変化させることができる。
【０２９１】
［１１−４．狭帯域イメージング］
本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更するだけで、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング（ｎａｒｒｏｗ  ｂａｎｄ  ｉｍａｇｉｎｇ：ＮＢＩ、登録商標）という技術に用いられ得る。狭帯域イメージングは、青および緑の２つの狭帯域の波長の光を粘膜に照射することにより、粘膜表層の毛細血管および微細な模様を観察する技術である。狭帯域イメージングにより、内視鏡による病変部の観察を容易にすることができる。
【０２９２】
［１１−５．可視光通信］
本開示の発光素子は、可視光通信にも用いることができる。可視光通信は、照明光の強度を変調することによって信号を送信する技術である。そのような照明装置からの信号は、フォトダイオードまたは汎用のイメージセンサーを備えた受信器によって受信される。これにより、照明装置から受信装置に情報を送信することができる。可視光通信は、例えば特許第５１７９２６０号公報または特開２０１４−１３５７１６号公報などに開示されている。可視光通信システムでは、通常、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。ＬＥＤの代わりに、本開示における発光素子を利用することができる。
【０２９３】
図５７は、そのような可視光通信システムの一例を示す図である。この可視光通信システム６００は、照明装置６１０と、受信装置６２０とを備える。照明装置６１０は、変調回路６１２と、励起光源３１０と、発光素子３２０とを備える。変調回路６１２は、受信装置６２０に送信する信号に応じて励起光源３１０から出射する励起光の強度を高い周波数で変調させる。これにより、発光素子３２０から出射される光の強度も、信号に応じて変調する。この光強度の変化を受信装置６２０が備えるイメージセンサーなどで検出することにより、信号を受信できる。
【０２９４】
このようなシステムにおいては発光素子に指向性を持たせることにより、受光素子に効率的に光を届けることができる。
【０２９５】
［１１−６．透明表示装置］
本開示の発光素子は、図５８に模式的に示すように、透明表示装置のスクリーン１００Ｓとして用いることもできる。
【０２９６】
スクリーン１００Ｓは、例えば、赤色光（Ｒ）を増強する発光素子と、緑色光（Ｇ）を増強する発光素子と、青色光（Ｂ）を増強する発光素子とで構成される画素がマトリクス状に配列されている。これらの発光素子は、励起光源１８０Ｓ１から対応する励起光（例えば紫外線）が照射されたときにだけ所定の色光を発光し、画像を表示することができる。各発光素子は、可視光を透過するので、観察者は、スクリーン１００Ｓを介して、背景を観察することができる。スクリーン１００Ｓに励起光が照射されないときは、透明な窓のように見える。励起光源１８０Ｓ１として、レーザーダイオードを用い画像データに合わせて、出力を変えながらスキャンさせることによって、高解像度の表示が可能となる。また、レーザー光はコヒーレント光であるので、周期構造と干渉させることによって、励起効率も高めることができる。また、紫外線などの好ましくない波長の光を励起光として用いる場合には、励起光源をスクリーン１００Ｓの観察者と反対側に設置し、スクリーン１００Ｓの観察者側に励起光をカットするフィルタを設けることによって、不要な光の漏洩を防止することができる。
【０２９７】
スクリーン１００Ｓは、高い指向性を有し得るので、例えば、所定の方から観察する人だけが画像を観察できるように構成することができる。
【０２９８】
励起光源１８０Ｓ１に代えて、励起光源１８０Ｓ２を用いることができる。このとき、スクリーン１００Ｓの背面（即ち、観察者側とは反対側）に、導光シートＳを配置し、導光シートＳに励起光源１８０Ｓ２から励起光を照射する。導光シートＳに入射した励起光は、導光シートＳ内を伝播しながら、スクリーン１００Ｓを裏面から照射する。この時、表示したい画像の部分に合わせて発光素子を配置すると、任意の画像をアクティブに表示することはできないが、励起光が照射されていない場合は、窓のように透明であり、励起光が照射された時にのみ画像あるいは図形や文字などが表示される表示機器を構成することができる。
【０２９９】
［１１−７．センサー］
本開示の発光素子では、例えば図８および図９を参照して上述したように、周期構造の屈折率が変化すると、増強される光の波長が変化し、増強される光の出射方向も変化する。フォトルミネッセンス層の屈折率によっても、増強される光の波長および出射方向が変化する。したがって、発光素子から出射される光の波長および出射方向の少なくとも一方に基づいて、発光素子の近傍の媒質の屈折率変化を容易に感度良く検知することができる。
【０３００】
例えば、以下の様にして、本開示の発光素子を用いて、様々な物質を検出するセンサーを構成することができる。
【０３０１】
本開示の発光素子の周期構造に近接して、測定対象の物質（タンパク質や匂い分子、ウィルスなど）と選択的に結合する物質（酵素など）を配置しておく。測定対象の物質が結合すると、発光素子の近傍の媒質の屈折率が変化する。この屈折率の変化を、上述の増強される光の波長または出射方向の変化に基づいて検出することによって、様々な物質の存在を検知することができる。
【０３０２】
［１１−８．信号機］
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、交通信号機や公共の表示装置のような特定の方向からの交通車両または人物にのみ限定して情報を提供する表示装置にも好適に用いられる。例えば、従来の指向性の低い光源を用いた場合には、光源から出射した光が側方にも射出されるため、側方から信号機や表示装置が視認され、誤認が生じる可能性があった。その為、特に誤認が生じると不具合がある信号機等の安全性に関わる表示装置には、例えば、登録実用新案公報第３０１４７９９号に開示されているような、側方への射出を防止する遮蔽部品（ルーバ）が用いられていた。本開示における発光装置のように特定方向の指向性が高い光源を用いた場合、所定の方向の交通車両または人物に情報を効率よく提供することができるため、これらの遮蔽部品を省略することができる。さらに、表示装置を小さくすることができるため、風雪から受ける力を小さくすることができる。よって、信号機等の表示装置を支持する構造を簡素化することができる。
【０３０３】
図５９は、そのような指向性表示装置の一例である交通用の信号機７００を模式的に示す図である。図示される信号機７００は、赤、黄色、緑（または青）の波長帯域の光をそれぞれ出射する３つの表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇを含む発光装置７１０と、発光装置７１０を収納する筐体７４０とを有する。信号機７００は、２本のアーム７５０およびポール７６０によって支持される。信号機７００は、ケーブル７２０を介して、ポール７６０に固定された表示制御装置７３０内の制御回路７３２に接続されている。制御回路７３２によって表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇにおける発光が制御される。
【０３０４】
図６０は、信号機７００のより詳細な構成の例を示す模式図である。この例では、信号機７００は、さらに、３つの励起光源１８０と、励起光源１８０からの励起光を表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇにそれぞれ導く３つの導光板３３０とを備える。励起光は、透明基板１４０を介して表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇにおけるフォトルミネッセンス層１１０ｒ、１１０ｙ、１１０ｇに入射する。フォトルミネッセンス層１１０ｒ、１１０ｙ、１１０ｇは、励起光を受けて、それぞれ、赤（Ｒ）、黄（Ｙ）、緑（Ｇ）の波長帯域に属する光を出射する。フォトルミネッセンス層１１０ｒ、１１０ｙ、１１０ｇの表面にそれぞれ形成された表面構造１２０ｒ、１２０ｙ、１２０ｇは、それぞれ、赤、黄、緑の波長帯域に属する光を、所定の方向に狭角に出射する。制御回路７３２は、３つの励起光源１８０に接続されており、これらのオンおよびオフの制御を行う制御信号を供給する。これにより、表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇを順次点灯させたり、黄色の表示部７１０ｙを点滅させたりすることができる。
【０３０５】
前述のように、本明細書では、赤、緑、青の波長帯域は、それぞれ、赤：６００〜７５０ｎｍ、緑：４９０〜５７０ｎｍ、青：４３０ｎｍ〜４７０ｎｍとする。黄色の波長帯域は、赤と緑の間の波長帯域である５７０ｎｍ〜６００ｎｍとする。表示部７１０ｒは、例えば中心波長が６４２ｎｍの光を所定の方向に出射するように設計され得る。表示部７１０ｙは、例えば中心波長が５９５ｎｍの光を所定の方向に出射するように設計され得る。表示部７１０ｇは、例えば中心波長が５００ｎｍの光を所定の方向に出射するように設計され得る。
【０３０６】
このように、表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇは、交通表示装置として求められる赤、黄、緑の光を高い指向性で出射するように設計される。表示制御装置７３０により、フォトルミネッセンス層１１０ｒ、１１０ｙ、１１０ｇのうちの特定の１つを指向性をもって発光させることができる。これにより、特定の方向からのみ視認できる信号装置を実現できる。特定の方向からのみ視認できることにより、運転者による信号の誤認の可能性を低減させることができる。
【０３０７】
なお、図５９、６０に示す構成は一例であり、多様な変形が可能である。例えば、各表示部７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｇは、図６０に示す構造に限らず、既に説明した他の発光素子の構造を有していてもよい。また、励起光源１８０を制御回路７３２の近傍に配置し、励起光源１８０から各表示部に光ファイバー等のライトガイドを介して励起光を供給してもよい。さらに、導光板３３０は、不要であれば省略してもよい。
【０３０８】
上記の例では、赤、黄、緑の３色の光を発する信号機７００を説明したが、例えば赤および緑（または青）の２色の光を発する歩行者用の信号機にも同様の構成を適用できる。
【０３０９】
このような交通表示装置は、例えば画像によって交差点への侵入の可否を示す運転支援システムに適用することもできる。そのようなシステムは、例えば特開２０１３−１１４５５７に開示されている。そのようなシステムに上記交通表示装置を適用することにより、運転者の認識の精度を高めることができるため、安全性が向上する。
【０３１０】
［１１−９．植物工場用光源］
本開示における発光素子は、植物工場における光源としても利用され得る。植物工場では、植物の健全な生育のために、様々な波長帯域の光を植物に照射することが行われている。例えば、光合成による成長には、６４０ｎｍ〜６９０ｎｍの光が主に用いられる。葉の正常な形態形成（種子発芽、花芽分化、開花、子葉の展開、葉緑素合成、節間伸長などの植物の質的な変化）には、４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの光が主に用いられる。植物工場における光源には、比較的狭帯域の光を出射することが要求される。
【０３１１】
従来の植物工場では、例えば蛍光灯、高圧ナトリウムランプ、ＬＥＤ等の光源が用いられていた。これらの光源は、線幅（即ち、波長の範囲）が広いので、光の利用効率が低いという課題がある。これらの光源に代えて、本開示における高い指向性の発光素子を利用することにより、光の利用効率を向上させることができる。
【０３１２】
植物工場において用いられる光源の例が、例えば特開２０１１−９７９００号公報に開示されている。この文献に開示されている光源の代わりに、本開示における発光素子を利用することができる。
【０３１３】
図６１は、上記文献の図１２と同様の構成を有する植物工場用の光源装置を示す図である。この光源装置は、植物を載置する載置台３０と、植物の上方に設置された主光源ユニット１０と、複数の補助光源ユニット２０とを備える。主光源ユニット１０は、例えば、赤色および青色の波長帯域の光を出射するように構成され得る。補助光源ユニット２０は、例えば近赤外線、近紫外線、緑色、または黄色の波長帯域の光を出射するように構成され得る。ここで、近赤外線の波長帯域は、およそ７００ｎｍ〜２５００ｎｍであり、近紫外線の波長帯域は、およそ２００ｎｍ〜３８０ｎｍである。主光源ユニット１０および補助光源ユニット２０を、本開示におけるいずれかの発光素子を用いて構成することにより、光を効率よく植物に照射することができる。なお、本開示における発光素子は、図６１に示す例に限らず、任意の植物工場用光源に利用できる。使用される発光素子の数、配置、および発光波長についても任意に決定してよい。
【０３１４】
［１１−１０．光線力学治療］
本開示の発光素子の高い指向性は、光を用いて皮膚の疾患（例えば癌の病巣）を治療する光線力学治療にも有用である。例えば、表面近傍の皮膚疾患の治療には、４００ｎｍ付近の光が用いられる。また、深部の皮膚疾患の治療には、６００ｎｍ付近の光が用いられる。このような光線力学治療を行う際に、従来はランプ光源から特定の光をフィルタで取り出して利用していたため、光の損失を招いていた。これに対し、本開示における指向性の高い発光素子を光源に用いるようにすれば、光の利用効率を向上させることができる。本開示の発光素子は、光線力学的治療の他、光を用いてニキビの改善、肌の赤みの改善、発毛の促進などを行う用途にも利用され得る。
【０３１５】
［１１−１１．距離センサー］
本開示における発光素子は、距離センサーにも適用できる。距離センサーは、光源からパルス光を出射し、対象物から反射してきたパルス光を検出して、それらのパルス光の位相差に基づいて対象物までの距離を検出するセンサーである。距離センサーは、例えば撮影範囲全体の距離画像を生成する距離画像センサーまたは撮影範囲内の主要被写体の動きを検出するモーションセンサーに利用することができる。そのような距離センサーでは、従来、ＬＥＤ光源が主に用いられてきた。ＬＥＤ光源に代えて、本開示における高い指向性の発光素子を用いることができる。
【０３１６】
図６２は、本開示における発光素子を用いた距離センサーの構成例を示す模式図である。この距離センサーは、発光装置８００と、イメージセンサー８１０と、これらを制御する制御回路８２０とを備えている。
【０３１７】
図６３Ａは、発光装置８００の概略構成を示す図である。発光装置８００は、すでに説明したいずれかの構造を有する発光素子８４０と、励起光源８３０とを有する。発光素子８４０は、近赤外線または可視光を狭角に出射する表面構造を備えている。発光装置８００は、制御回路８２０からの制御信号に応じて励起光源８３０を駆動し、近赤外線または可視光のパルス光を出射する。イメージセンサー８１０は、複数の光検出セルを有し、発光装置８００から出射され、対象物から反射されたパルス光を検出する。制御回路８２０は、例えばマイクロコントローラ（マイコン）などの集積回路であり得る。制御回路８２０は、ＣＰＵ等のプロセッサと、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等の画像処理回路との組み合わせであってもよい。制御回路８２０は、発光装置８００の発光のタイミングとイメージセンサー８１０の信号電荷の蓄積および読出しのタイミングとを制御する。制御回路８２０は、さらに、発光装置８００が出射するパルス光の位相と、イメージセンサー８１０が検出したパルス光の位相との差分に基づいて、対象物までの距離を計測する。
【０３１８】
図６３Ｂは、制御回路８２０によるパルス光の発生を説明するための図である。制御回路８２０は、励起光源８３０に、パルス信号である駆動信号を入力する。励起光源８３０は、駆動信号に応答して、パルス的に強度が変化する励起光を発光素子８４０に入射させる。これに応じて、発光素子８４０から、励起光と同じ周期で強度が変化する光（パルス光と称する）が出射される。出射されたパルス光は、対象物で反射され、イメージセンサー８１０に入射する。イメージセンサー８１０は、複数の光検出セルによって、その反射光を検出し、光検出セル（画素ともいう）ごとに、受けた光の強度（受光量ともいう）に応じた電気信号を出力する。この電気信号を、受光信号と呼ぶ。
【０３１９】
図６３Ｃは、駆動信号および受光信号の時間変化の一例を示す図である。制御回路８２０は、画素ごとに、駆動信号と受光信号との間の遅延時間Δｔに基づき、対象物までの距離Ｌを測定する。距離Ｌは、次の式に基づいて計算される。
Ｌ＝光速ｃ×遅延時間Δｔ／２
【０３２０】
制御回路８２０は、距離Ｌを画素ごとに求め、その値に応じて輝度が異なる画像を距離画像として生成することができる。この例における距離センサーは、高速撮影が可能なイメージセンサー８１０を使用し、パルス光の周波数を十分に高くすることにより、モーションセンサーとして利用することも可能である。
【０３２１】
上記の例では、制御回路８２０が励起光源８３０を駆動することによってパルス光を発生させているが、他の方法を用いてもよい。例えば、図６４Ａに示すように、発光素子８４０の光出射側に、光学シャッタ８５０を配置し、制御回路８２０が光学シャッタ８５０の光透過率を制御することによってパルス光を発生させてもよい。光学シャッタ８５０は、例えば液晶層とその両側の電極層とを含み、駆動信号の印加によって光を透過させる状態（透光状態と呼ぶ）と、光を遮光する状態（遮光状態と呼ぶ）とを切り替えることができる。図６４Ｂに示すように、制御回路８２０が光学シャッタ８５０にパルス状の駆動信号を入力し、それに応じて透光状態と遮光状態とが切り替わる。これにより、光学シャッタ８５０からパルス光が出射される。
【０３２２】
図６４Ｃに示すように、発光素子８４０と光学シャッタ８５０との間、および光学シャッタ８５０の光出射側にレンズ８６０ａ、８６０ｂを設けてもよい。レンズ８６０ａによって発光素子８４０からの光が結像する位置に光学シャッタ８５０を配置することにより、光学シャッタ８５０を小型にでき、より高速に透光状態と遮光状態とを切り替えることができる。このような小型のシャッタは、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）によって実現することができる。  本開示における発光素子を用いることにより、特定の波長の近赤外線または可視光を正面方向に出射し、その周辺の波長の近赤外線をその周辺方向に出射できる。これらの波長帯域の光をイメージセンサー８１０が受光することにより、対象物までの距離を計測できる。
【０３２３】
本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。
【０３２４】
以上の説明において引用した全ての特許文献の開示内容全体は、本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０３２５】
本開示の発光素子および発光装置は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。
【符号の説明】
【０３２６】
１０    主光源ユニット
２０    補助光源ユニット
３０    載置台
１００、１００ａ    発光素子
１１０    フォトルミネッセンス層（導波層）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ    透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１４０    透明基板
１５０    保護層
１８０    光源
２００    発光装置
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄ、３００ｅ    表示装置
３１０    励起光源
３２０    発光素子
３２１    フォトルミネッセンス層
３２２    サブミクロン構造（周期構造）
３３０    導光板
３４０    カラーフィルタアレイ
３５０    光学シャッタ
３５１    偏光フィルタ
３５２    透明基板
３５３    透明電極
３５５    液晶層
３５７    透明基板
３５８    偏光フィルタ
３６０    駆動回路
３７０    タッチスクリーン
４００    照明装置
４１０    凹面反射鏡
４２０    放熱基板
４３０    回路基板
４４０    拡散板
４５０    レンズ
４６０    マイクロミラー
５００    発光装置
５１０    回転機構
６００    可視光通信システム
６１０    照明装置
６１２    変調回路
６２０    受信装置
７００    信号機
７１０ｒ、７１０ｙ、７１０ｂ  表示部
７２０    ケーブル
７３０    表示制御装置
７３２    制御回路
７４０    筐体
７５０    アーム
７６０    ポール
８００    発光装置
８１０    イメージセンサー
８２０    制御回路
８３０    励起光源
８４０    発光素子
８５０    光学シャッタ
８６０ａ、８６０ｂ    レンズ
【図１Ａ】
0006566313.tif 000019
【図１Ｂ】
0006566313.tif 000020
【図１Ｃ】
0006566313.tif 000021
【図１Ｄ】
0006566313.tif 000022
【図２】
0006566313.tif 000023
【図３】
0006566313.tif 000024
【図４】
0006566313.tif 000025
【図５Ａ】
0006566313.tif 000026
【図５Ｂ】
0006566313.tif 000027
【図５Ｃ】
0006566313.tif 000028
【図６】
0006566313.tif 000029
【図７Ａ】
0006566313.tif 000030
【図７Ｂ】
0006566313.tif 000031
【図８】
0006566313.tif 000032
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２７Ｅ】
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【図２７Ｆ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２８Ｅ】
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【図２８Ｆ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３２Ｃ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３５Ｃ】
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【図３５Ｄ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３６Ｃ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｃ】
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【図３８Ｄ】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図３９Ｄ】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｃ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４３Ａ】
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【図４３Ｂ】
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【図４３Ｃ】
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【図４３Ｆ】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３Ａ】
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【図６３Ｂ】
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【図６３Ｃ】
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【図６４Ａ】
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【図６４Ｂ】
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【図６４Ｃ】
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【図６５】
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