(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
緩和状態に戻る際にフォトンエミッタがフォトンを放出するように、フォトンエミッタを励起するように構成されるエネルギー源；
第１波長範囲内の光を第２波長範囲内の光に変換するように構成される第１波長変換媒体を有する第１波長変換層；及び
前記第２波長範囲内の光を第３波長範囲内の光に変換するように構成される第２波長変換媒体を有する第２波長変換層；
を有し、前記第１波長変換層及び前記第２波長変換層のうちの少なくとも何れかが、アンテナ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイを内部に有し；
前記プラズモニックアンテナアレイが配置される波長変換層の前記の波長変換媒体は、当該波長変換層から放出されるフォトンの少なくとも一部が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムにより放出されるように、前記プラズモニックアンテナアレイの近辺に配置されるフォトンエミッタを有し；
前記プラズモニックアンテナアレイは、前記プラズモニックアンテナアレイが配置される層における前記フォトンエミッタの波長範囲に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持し、前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するように構成される；
照明装置。
【請求項２】
放出されるフォトンの過半数が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムにより放出されるように、前記フォトンエミッタは前記プラズモニックアンテナアレイから距離をおいて配置される、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記フォトンエミッタは波長変換粒子である、請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記フォトンエミッタ、前記第１波長変換層及び前記第２波長変換層は、前記照明装置から白色光が放出されるように構成及び配置される、請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第１波長範囲は青色光に対応し、前記第２波長範囲は赤色光に対応し、前記第３波長範囲は緑色光に対応する、請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記第１波長範囲は青色光に対応し、前記第２波長範囲は緑色光に対応し、前記第３波長範囲は赤色光に対応する、請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記第１波長変換層は、アンテナ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的な第１のプラズモニックアンテナアレイを有し、前記第１のプラズモニックアンテナアレイは、前記第１のプラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するようにするために、前記第２波長範囲に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成され；
前記第２波長変換層は、アンテナ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的な第２のプラズモニックアンテナアレイを有し、前記第２のプラズモニックアンテナアレイは、前記第２のプラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するようにするために、前記第３波長範囲に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成される；
請求項１ないし６のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記第２波長範囲は赤色光に対応し、前記第３波長範囲は緑色光に対応する、請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記第２波長範囲は緑色光に対応し、前記第３波長範囲は赤色光に対応する、請求項７に記載の照明装置。
【請求項１０】
緑色光を有するように構成される波長変換媒体は、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＬａＡＧ：Ｃｅ、ユーロピウムドープチオガレート硫化物、量子ドット、有機色素又はラインエミッタを有する、請求項１ない９のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項１１】
赤色光を放出するように構成される波長変換媒体は、量子ドット、有機色素又はラインエミッタを有する、請求項１ないし１０のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項１２】
赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイを有し、前記プラズモニックアンテナアレイは、３５０ないし４５０ｎｍの範囲内のピッチを有する矩形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は１００ないし２００ｎｍの範囲内の高さ及び１００ないし２００ｎｍの範囲内の直径を有する、請求項１ないし１１のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項１３】
赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイを有し、前記プラズモニックアンテナアレイは、４００ないし５００ｎｍの範囲内のピッチを有する六角形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は１００ないし２００ｎｍの範囲内の高さ及び１００ないし２００ｎｍの範囲内の直径を有する、請求項１ないし１１のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項１４】
緑色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイを有し、前記プラズモニックアンテナアレイは、３００ないし４００ｎｍの範囲内のピッチを有する矩形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は１００ないし２００ｎｍの範囲内の高さ及び１００ないし２００ｎｍの範囲内の直径を有する、請求項１ないし１１のうち何れか一項に記載の照明装置。
【請求項１５】
緑色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイを有し、前記プラズモニックアンテナアレイは、３５０ないし４５０ｎｍの範囲内のピッチを有する六角形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は１００ないし２００ｎｍの範囲内の高さ及び１００ないし２００ｎｍの範囲内の直径を有する、請求項１ないし１１のうち何れか一項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明装置に関連する。特に、本発明は、改善された放射効率を有する照明装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
照明用途に使用する発光ダイオード(LED)の場合、白熱ランプにより生成されるものにほぼ匹敵する色温度を有する本質的に白色光を提供することが望ましい。
【０００３】
LEDからの白色光は、450nm付近の波長を有する青色光を放出するpnダイオードを利用することにより一般的には提供され、その青色光の一部は、ダイオードの上端又は近辺に配置される1つ以上の波長変換材料を利用して、より長い波長に変換される。吸収されてない青色光とともに、白色光として知覚される妥当なブロードバンドスペクトルを有する光の取得が可能である。
【０００４】
現在、ほとんどの商用アプリケーションでは、波長変換材料はLED上に直接的に適用される。更に、波長変換材料は、角度による色の変動性を小さくするために散乱性(scattering)であるべきである。これは、青色光もダイオードの方へ散乱され、LEDにおける吸収損失を招いてしまうことを意味する。更に、一般的には燐光体である波長変換材料の実際のコンポーネントは、等方性のエミッタであり、これは、同じ量の波長変換光が全ての方向に放射されることを意味し、これは、光の一部分しか波高装置の表面に到達しないという更なる損失を招く。
【０００５】
損失を減らす課題は、例えば、あまり分散しない燐光体を利用し、後方散乱してダイオードにより吸収されてしまう青色光の量を減らすことにより対処されている。しかしながら、燐光体からの等方的な放射はそのまま残る。
【０００６】
発光装置を後にする光の量は、放出方向が修正可能なフォトニックバンドギャップ材料を導入することにより、増やされてもよい。しかしながら、放射方向の制御を可能にするために、フォトニックバンドギャップ材料は、高い屈折率コントラストを有する材料から形成される必要があり、高いアスペクト比の孔又は柱がパターニングされ形成されなければならず、サイズの制御が非常に厳しく、更に、その材料は発光性でなければならない(これは散乱損失を被ることになる)。更に、フォトニックバンドギャップ材料は、材料の表面に垂直な面内(すなわち、ホール又はピラーに平行な方向)でのみ真に有効である。
【０００７】
従って、発光装置の放射効率を増やすように示唆されるアプローチは、克服することが困難な本質的な欠点を抱える。
【発明の概要】
【０００８】
発光装置の上記の所望の特性、及び、従来技術の上記ないし他の欠点に関し、本発明の課題は、改善された発光装置を提供することである。
【０００９】
本発明の第1形態により提供される照明装置は：緩和状態(relaxed  state)に戻る際にフォトンエミッタがフォトンを放出するために、フォトンエミッタを励起するように構成されるエネルギー源；第１波長範囲内の光を第２波長範囲内の光に変換するように構成される第１波長変換媒体を有する第１波長変換層；及び、前記第２波長範囲内の光を第３波長範囲内の光に変換するように構成される第２波長変換媒体を有する第２波長変換層；を有し、前記第１波長変換層及び前記第２波長変換層のうちの少なくとも何れかが、アンテナ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイを有し；前記プラズモニックアンテナアレイが配置される波長変換層の前記の波長変換媒体は、当該波長変換層から放出されるフォトンの少なくとも一部が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムにより放出されるように、前記プラズモニックアンテナアレイの近辺に配置されるフォトンエミッタを有し；前記プラズモニックアンテナアレイは、前記プラズモニックアンテナアレイが配置される層における前記フォトンエミッタの波長範囲に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴(plasmonic-photonic  lattice  resonances)を維持し、前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するように構成される。
【００１０】
プラズモニクスのフィールド(field)は、典型的には金属構造である小さな伝導構造の光との相互作用に関連し、これにより、金属構造のそのサイズは光の波長に類似する。金属中の自由電子は外的な電場に応答し、電子は、駆動する光周波数で振動することが可能であり、より正に帯電した領域を後にし、電子が引き出される。金属構造の小さなサイズに起因して、共鳴は可視光の周波数に達することが可能である。その結果、金属構造は、そこに入射する何らかの光、又は、金属粒子の近辺に生じる光との強い相互作用を可能にする大きな散乱断面積を有する可能性がある。
【００１１】
規則的な配列(アレイ)の近辺に配置される変換材料は、放射の指向性における強力な改善を示し、ハイブリッド結合LSPR(Localized  Surface  Plasmon  Resonance)及びフォトニックモードに寄与することが、発見されている。
【００１２】
光アンテナの整列したアレイは、集団的な共鳴を維持(サポート)する。放射の波長がアレイの周期のオーダーである場合、ある回折次数はアレイの面内で放射することを可能にする。このように個々の粒子により維持される局在化される表面プラズモンポラリトン(localized  surface  plasmon  polaritons)は、回折により結合し、集団的な、格子により誘発される、ハイブリッドフォトニックプラズモニック共鳴をもたらし、これは表面格子共鳴(surface  lattice  resonances：SLRs)として知られる。これらの非局在化モードは、幾つものセル単位にわたって広がり、ソリッドステート照明に必要であるような大きな体積にわたって分散するエミッタからの放射の集団的な改善を得ることを可能にする。
【００１３】
本願では、集団的なナノアンテナとして振る舞うナノ粒子の周期アレイが利用される。そのようなアレイは集団的なプラズモニック共鳴を維持する。一方、金属ナノ粒子は大きな散乱断面積を有し、波長変換材料における燐光体の共鳴励起を許容し、光の変換を促す。他方、集団的なフォトニック-プラズモニック共鳴は、放射の角度パターンの整形を可能にし、所定の方向における非常に狭い角度範囲内にほとんどの光ビームを向ける。従って、波長変換媒体の励起における効率の増進と、拡張されたプラズモニックフォトニックモードに対するリン光体の放出のアウトカップリング効率、及び、以後の自由空間放射に対するアウトカップリング効率の改善との組み合わせとして、異方性放射が説明される。
【００１４】
プラズモニックアンテナアレイの機能についての更なる詳細な記述については、WO2012/098487に見受けられる。
【００１５】
装置により放出される光の指向性増加をもたらすように少なくとも1つのプラズモニックアンテナアレイを有する照明装置を形成することは有利であること、及び、プラズモニックアンテナアレイを有するそのような照明装置における波長変換層の並び(sequence)は、照明装置の全体的な効率に影響する点で重要であること等の理解に、本発明は基づいている。更に、非等方的な角度分布は、大多数の光がアンテナアレイ面に対して比較的狭い角度範囲内で放出されるように、アンテナアレイから放出される光の指向性を制御することも可能にする。これは、所定の所望方向に放出光を仕向けることが望まれるアプリケーションで特に有利である。従って、プラズモニックアンテナアレイは、効率的でコンパクトな二次的コリメート光学機器として照明装置に統合されることが可能である。狭い角度範囲内で放出される光は、光ビームとして言及されることが可能である。
【００１６】
更に、アンテナアレイは、ロングレンジ対称性を示すアンテナ要素の規則的な格子として形成される。しかしながら、異方性の光分布の所望の効果を達成しつつ、アンテナアレイについてのある程度の非対称性が許容される。
【００１７】
アンテナアレイの共鳴周波数及び帯域幅は、アンテナ要素の分布(すなわち、格子、アンテナ要素の配置(形状)、アンテナ要素が形成される材料)により、及び、アンテナアレイの近辺の層の材料及び構成により、支配される。従って、上述したパラメータを調整することにより、所望の共鳴周波数及び帯域幅の達成が可能である。一般に、帯域幅と指向性の改善との間にトレードオフが存在し、これは、狭い周波数バンドで共鳴を有するアンテナアレイは、より広いブロードバンド共鳴を有するアンテナアレイと比較して、より大きな指向性の改善を示すことを意味する。本願の文脈では、狭い周波数バンドは、数ナノメートルの波長範囲に対応する共鳴周波数として理解されることが可能である。従って、プラズモニックアンテナアレイは、コリメート光学機器の置換に有用である。
【００１８】
放出光の指向性を増進させるプラズモニックアンテナアレイは、例えば、層の厚みや寸法を注意深く調整する必要があるフォトニック結晶の観点からも恩恵を提供する。
【００１９】
本発明の特定の利点は、ハイブリッド結合LSPR及びプラズモニックアンテナアレイのフォトニックモードの空間的な広がりがフォトンエミッタに重複するように、プラズモニックアンテナアレイが存在する波長変換材料におけるフォトンエミッタを構成することにより、放出されるフォトンの方向が、上述したのと同じ方法でプラズモニックアンテナアレイにより制御されるように、放出されるフォトン及びプラズモニックアンテナアレイ間のカップリング(結合)が生じる点である。
【００２０】
従って、フォトンエミッタ及びプラズモニックアンテナアレイの間でカップリングが生じるように構成されるフォトンエミッタに関し、放出されるフォトンは、フォトンエミッタ及びプラズモニックアンテナアレイを有する結合システムから放出されるように見える。一般に、励起状態にあるフォトンエミッタは、直接的にフォトンを放出する、或いは、プラズモニックアンテナアレイのモード及びフォトンエミッタの間でカップリングが生じる結合放出によりフォトンを放出する。
【００２１】
フォトンエミッタのアンサンブル(集合)が使用され、個々のフォトンエミッタが異なる放出波長を有するアプリケーションでは、プラズモニックアンテナアレイは、特定の波長の指向性が強化されるように構成され、これにより、アンテナアレイにより決定される少なくとも特定の放射角度範囲に関し、照明装置から放射される結果のスペクトルを制御することも可能にする。
【００２２】
フォトンエミッタは、何らかの原子、分子、粒子又は構造として理解されるべきであり、エネルギーの追加によりエネルギーを励起状態まで上げることが可能であり、低いエネルギー状態への緩和(relaxation)はフォトンの放出によりなされる。
【００２３】
一般に、フォトルミネッセンスの改善(PLE)は、アレイの欠如において、同じフォトンエミッタのフォトルミネッセンスによりノーマライズされるアレイ上に配置されるフォトンエミッタから測定されるフォトルミネッセンス強度として規定され、PLEはフォトンエミッタの放射周波数での励起において生じる現象を説明する。一方、PLEは、フォトンエミッタが位置する場所及び励起波長におけるローカルフィールド(局所的な場)に依存する。一方、放射は次の(i)及び(ii)の組み合わせ効果に起因して修正される：(i)エミッタが放射波長での放出を減衰させることが可能な光状態の局所的な密度、及び、(ii)特定の立体角における自由空間放射に対するその放射のアウトカップリング。
【００２４】
フォトンエミッタは、希土類イオン、色素分子及び量子ドットを含む群から選択されるポイントエミッタであってもよい。原則として、励起がフォトンの放出をもたらす任意のポイントエミッタが本願の状況で使用されてよい。
【００２５】
外部エネルギー源は、例えば、電子エミッタ、X線エミッタ又はガンマ線エミッタであってもよい。原則として、十分に高いエネルギーを有する電子、X線又はガンマ線、熱、電子正孔対の注入などのような任意の外部エネルギー源が、ポイントエミッタを励起するために使用されてよい。例えば、電子は、陰極線管(CRT)により放出されてもよく、X線及びガンマ線は例えば真空管から提供されてもよく、例えば、X線についてはコンピュータトモグラフィ(CT)及びガンマ線についてはポジトロン放出トモグラフィ(PET)が使用されてもよい。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、放出されるフォトンの過半数が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムにより放出されるように、前記フォトンエミッタは前記プラズモニックアンテナアレイから距離をおいて配置される。プラズモニックアンテナアレイのハイブリッドモード及び放出されるフォトンの間にカップリングが生じる場合、フォトンのエネルギーはアレイに転送され、その結果の放出の方向はアレイの特性により支配される。共鳴モードへの放出光の高いカップリング効率が望まれる。特に、エミッタ及びプラズモニックハイブリッドモードの間のカップリング効率を最大化することが望ましい。プラズモニックアンテナアレイの十分近くにフォトンエミッタを選択的に配置することにより、強固なエミッタ・アンテナカップリングの形態に入ることなく、カップリング効率が増進される。
【００２７】
高いカップリング効率を達成するため、フォトンエミッタとプラズモニックアンテナアレイの1つ以上のアンテナ要素との間の距離は、好ましくは5マイクロメートル未満であり、より好ましくは2マイクロメートル未満である。フォトンエミッタ及びアンテナアレイ間の適切な距離は、屈折率により補正される有効波長の観点から決定されることも可能である。そして、その距離は、有効波長の高々10個分であってもよく、別の実施形態では有効波長の高々6個分であってもよい。代替的又は追加的に、その距離は、クエンチングを回避するように10ナノメートルより大きいことが有利である。
【００２８】
本発明の一実施形態では、フォトンエミッタは、有利なことに、波長変換粒子であってもよい。フォトンエミッタは、波長変換層における波長変換器として機能してもよい。そのような粒子も燐光体又は色素粒子と言及されてもよい。
【００２９】
更に、燐光体エミッタに関し、指向性改善に加えて、エミッタの放出周波数での共鳴に起因して、プラズモニクスは、ポンピング周波数における共鳴励起に起因して、エミッタの改善された励起効率/吸収断面積をも提供する。
【００３０】
本発明の一実施形態によれば、前記フォトンエミッタ、前記第１波長変換層及び前記第２波長変換層は、前記照明装置から白色光が放出されるように構成及び配置されてもよい。多くの用途では、例えば汎用の照明では白色光を提供することが好ましい。
【００３１】
本発明の一実施形態では、前記第１波長範囲は青色光に対応し、前記第２波長範囲は赤色光に対応し、前記第３波長範囲は緑色光に対応してもよい。白色光は、赤、緑及び青の色を混合することにより形成されることが可能である。更に、青色波長範囲で光を放出する発光ダイオードは、良く知られており、従来の方法を用いて製造されることが可能である。従って、青色光の全部又は少なくとも大部分を直接的に白色光に変換すること、又は、青色光を赤及び緑色光に変換した後に混合して白色光を形成するために、波長変換が必要とされる。青色光は、典型的には、450-495nmの波長を有し、緑色光は520-570nmの範囲内にあり、赤色光は590-740nmの範囲内にある。
【００３２】
プラズモニックアンテナアレイが第2波長変換層に配置されかつ緑色光に対応する共鳴を維持するように構成される例では、青色光の一部がプラズモニックアンテナアレイに到達する前に赤色に変換されることで、より高い効率が達成され、その理由は、プラズモニックアンテナアレイのアンテナ要素は、より長い波長を有する光と比較して、より高い周波数(すなわち、より短い波長)を有する光をより多く吸収しやすいからである。従って、プラズモニックアンテナアレイを有する層に到達するために、青色光の一部を赤色に先ず変換することにより、より低い吸収素質が達成可能になる。
【００３３】
プラズモニックアンテナアレイが第1波長変換層に配置されかつ赤色光に対応する共鳴を維持するように構成される例では、生成される青色光の大多数は、先ず第1波長変換層に到達するので、赤色に変換される。白色光のうちほとんどの光はスペクトルの赤色部分に所属するので、赤色光は、青色光の一部が緑色に変換される第2波長変換層を介してビーム化され、これにより強い指向性を有する白色光を提供することが可能になる。更に、赤色光は、プラズモニックアンテナアレイを有しない非回折性の第2層により保存される。
【００３４】
本発明の一実施形態によれば、前記第１波長範囲は青色光に対応し、前記第２波長範囲は緑色光に対応し、前記第３波長範囲は赤色光に対応してもよい。
プラズモニックアンテナアレイが第2波長変換層に配置され、赤色光に対応する共鳴を維持するように、プラズモニックアンテナアレイが構成される例では、青色光の一部が第1波長変換層で緑に変換される。従って、緑色光は第2層でほとんど吸収されず、これは高い効率をもたらす。従って、強い赤色ビーム放出が第2波長変換層から提供され、上述したように、白色光のうち大部分はスペクトルの赤色部分に属するので、白色光についての高い放出効率を達成することが可能である。
【００３５】
プラズモニックアンテナアレイが、第1波長変換層に配置され、緑色光に対応する共鳴を維持するように構成される例では、緑色は光学ワット(optical  Watt)当たり最高の明るさを有し、取得される空間的に構成される緑放出はアプリケーションにおいて効率的に使用されることが可能である。第2波長変換層は、緑色及び青色の一部分のみを変換し、緑色ビーム放出を維持し、これにより効率を増進する。赤色光(白色光のフォトンのうち大部分の成分)は、アレイによっては回折されず、損失は削減される。
【００３６】
本発明の一実施形態によれば、前記第１波長変換層は、アンテナ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的な第１のプラズモニックアンテナアレイを有し、前記第１のプラズモニックアンテナアレイは、前記第１のプラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するようにするために、前記第２波長範囲に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成され；前記第２波長変換層は、アンテナ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的な第２のプラズモニックアンテナアレイを有し、前記第２のプラズモニックアンテナアレイは、前記第２のプラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するようにするために、前記第３波長範囲に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されてもよい。
【００３７】
2つの異なるアレイは、赤色及び緑色の光が方向付けられる角度範囲の独立制御を許容する。平坦な変換層で生成される光は等方的に放出されることを仮定することが可能である。また、プラズモニックアンテナアレイを有する変換層で生成される光は、異方性の角度分布を示すであろう。所望の立体角で適切なカラーポイントの光を生成するために、緑色光及び赤色光の双方が同じ角度範囲内で出力され結合されるべきである。これは、2つの異なるアレイが、緑色及び赤色の変換層の放出を独立に適合させるように設計される場合に限り生じる。具体的には、緑色層との組み合わせに使用されるアレイは、赤色層の放出を適合させるために使用されるものよりも僅かに短い格子定数を有する必要がある。2つの異なる格子の適切な設計は、非常に異なる方向に緑色光及び赤色光をビーム制御することを許容する。手短に言えば、追加的な金属アレイは、照明装置の放射指向性及び色の見え方についての設計における追加的な自由度をもたらす。
【００３８】
2つのプラズモニックシステムが積層される場合、第2アレイは第1アレイからのビーム放出を回折させることが可能であり、従って、第1アレイの角度分布は第2アレイに起因して生じる更なる角度分布も考慮すべきである、と考える必要がある。しかしながら、有利なことに、第1ビームの第2アレイによる回折により取得される最終的な所望のビーム形状を形成することにより、所望の形状をもたらす回折が使用されてもよい。
【００３９】
本発明の一実施形態では、プラズモニックアンテナアレイは第1及び第2波長変換層の双方に配置され、第2波長範囲は赤色光に対応し、第3波長範囲は緑色光に対応してもよい。緑色光の大多数は第1層で赤色光に変換され、その後に第2層によりビーム化される。緑色光に対応する共鳴周波数を有するように構成される第2層のプラズモニックアレイが、可視光の波長より短い周期を有する場合、アレイ面にほぼ垂直な方向では赤色光の如何なる回折もなく、第2層を介して伝搬する場合に赤色放出が主に保存される状況をもたらす。
【００４０】
本発明の一実施形態によれば、プラズモニックアンテナアレイは、第1及び第2波長変換層の双方に配置され、第2波長範囲は緑色光に対応し、第3波長範囲は赤色光に対応してもよい。青色光のほとんどが緑色光に変換され、緑色光は、赤色を生成するための第2アレイのポンプ波長として使用される。フォトンのほとんどは緑色なので、第2アレイの金属における損失は、青色光でポンピングする場合と比較して少ない。有利なことに、第1波長変換層からの緑色光のビーム放出は、次に、第2波長変換層において、緑色光の一部を赤色光に経関するために使用され、ポンプの緑は或る角度及び波長範囲に制限され、これは、ポンプの改善及び変換効率に関して第2アレイを最適化しやすくする。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、有利なことに、緑色光を放出するように構成される波長変換媒体は、ＹＡＧ：Ｃｅ(cerium  doped  yttrium-aluminum  garnet)、ＬａＡＧ：Ｃｅ、(cerium  doped  lutetium  -  aluminum  garnet)、ユーロピウムドープチオガレート硫化物(europium  doped  thiogalate  sulphides)、量子ドット、有機色素又はラインエミッタを有してもよい。しかしながら、当業者に既知の他のタイプの波長変換材料も等しく適切に使用されてよい。
【００４２】
本発明の一実施形態では、赤又は緑色光を放出するように構成される波長変換媒体は、有利なことに、量子ドット、有機色素又はラインエミッタ(希土類元素のイオンの形式によるもの)を含んでよい。適切な色の見え方を達成するには、人間の眼の感度曲線(sensitivity  curve)に関連して波長変換層の放出の帯域幅を制御することが重要である。一般に、波長変換媒体の放出ピークは、システムからの所望の最終的な放出(例えば、飽和した緑及び赤)とオーバーラップすべきである。更に、波長変換媒体の波長は、それがプラズモニックアンテナアレイの最適な効率とオーバーラップするように(例えば、所望のピーク波長とアレイの放出角度との整合)、選択されるべきである。本発明の一実施形態では、赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、有利なことに、350ないし450nmの範囲内のピッチを有する矩形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は100ないし200nmの範囲内の高さ及び100ないし200nmの範囲内の直径を有する。矩形配列は、正方形格子と言及されてもよい。
【００４３】
更に、赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、400ないし500nmの範囲内のピッチを有する6角形配列(すなわち、6角形格子)で構成されるアンテナ要素を有してもよく、各々のアンテナ要素は100ないし200nmの範囲内の高さ及び100ないし200nmの範囲内の直径を有する。
【００４４】
更に、赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、350ないし375nmの範囲内のピッチを有する6角形配列(すなわち、6角形格子)で構成されるアンテナ要素を有してもよく、各々のアンテナ要素は100ないし200nmの範囲内の高さ及び100ないし200nmの範囲内の直径を有する。これは、表面法線から〜40-50°未満の角度という狭い範囲に形成される放射を提供する。
【００４５】
緑色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、300ないし400nmの範囲内のピッチを有する矩形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は100ないし200nmの範囲内の高さ及び100ないし200nmの範囲内の直径を有する。
【００４６】
更に、緑色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、350ないし450nmの範囲内のピッチを有する6角形配列で構成されるアンテナ要素を有し、各々のアンテナ要素は100ないし200nmの範囲内の高さ及び100ないし200nmの範囲内の直径を有する。
【００４７】
本発明の更なる特徴及びそれに伴う利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を学ぶことにより更に明らかになるであろう。本発明の様々な特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、以下に説明されるもの以外の形態をもたらすように組み合わせられてよいことを、当業者は認める。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本発明のこれら及び他の側面は、本発明の実施例を示す添付図面に関連して以下に詳細に説明される。
【図１】図1は本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。
【図２】図2は本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。
【図３】図3は本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。
【図４】図4は本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明の実施形態が示される添付図面に関連して、以下、本発明が十分に説明される。しかしながら、本発明は多種多様な形式で組み込まれてよく、ここで説明される形態に限定されるように解釈されるべきでない；むしろ、これらの実施形態は、充実性及び完全性のため及び当業者に発明の意図を十分に伝えるために提供される。図中、同様な参照文字は同様な要素を指す。
【００５０】
図1は照明装置100の概略図であり、照明装置100は周期的なプラズモニックアンテナアレイ(periodic  plasmonic  antenna  array)に近接して配置される複数のフォトンエミッタ152を有し、アンテナアレイは図4に示されるようなアンテナアレイプレートに配置される個々の複数のアンテナ要素108を有する。
【００５１】
フォトンエミッタ152とプラズモニックアンテナアレイの1つ以上のアンテナ要素との間の距離は、好ましくは5マイクロメートル未満であり、他の実施形態では有効波長10個分未満であり、更に他の実施形態では有効波長6個分未満である。追加的又は代替的に、その距離は、クエンチング(quenching)を回避するために10ナノメートルより大きいことが有益である。フォトンエミッタとプラズモニックアンテナアレイとの間の距離は、一般に、既知の製造方法を利用して非常に適切に制御されることが可能である。フォトンエミッタとアンテナアレイのアンテナ要素との間の距離は、任意の方向から、例えばアンテナ要素の上端面、側面又は底面に至るように測定されてよい。
【００５２】
ここで、フォトンエミッタ102は、外部エネルギー源102により励起されることが可能なポイントエミッタ(point  emitter)として示されている。ポイントエミッタは、例えば、希土類イオン、色素分子又は量子ドットであってもよい。ポイントエミッタを励起するための外部エネルギー源102は、例えば、電子エミッタ、X線エミッタ又はガンマ線エミッタであってもよく、或いは、ポイントエミッタは電子正孔対(electron-hole  pairs)の注入により励起されてもよい。
【００５３】
原則として、任意の外部エネルギー源が、ポイントエミッタを励起するために使用されてよく、例えば、十分に高いエネルギーを有する電子、X線、ガンマ放射線、熱、電子正孔対の注入などであってよい。電子は例えば陰極線管(CRT)により放出されてもよく、X線及びガンマ線は例えば真空管から提供されてもよく、例えばX線についてはコンピュータ断層撮影(Computed  Tomography：CT)及びガンマ線についてはポジトロン放出断層撮影(Positron  Emission  Tomography：PET)であってもよい。
【００５４】
しかしながら、フォトンエミッタは、例えばLED又はソリッドステートレーザーのような同様に適切なアクティブコンポーネントであってよく、そのコンポーネントからの光子放出を達成するように、電子エネルギーが外部エネルギー源から提供される。
【００５５】
図1は、フォトンエミッタ152がエネルギーを吸収して励起状態に到達するために、エネルギー源102からエネルギーを受信するようにエネルギー源102に隣接して配置される第1波長変換層104にフォトンエミッタ152が配置されることを更に示す。フォトンエミッタは、光を第1波長範囲から第2波長範囲へ変換するように更に構成される。照明装置100は、第1波長変換層104に隣接して配置され、光を第2波長範囲から第3波長範囲へ変換するように構成される第2波長変換層106を更に有する。第2波長変換層106は、光を第1波長から他のものへ変換する分子又は粒子の形式で波長変換媒体を有する。当業者に知られる様々なタイプの波長変換材料が使用されてよい。波長変換材料は、蛍光材料、燐光材料、色素などと言及されてもよい。波長変換材料として、量子ドットや希土類イオンを利用することも可能である。この場合において、エネルギー源102は、例えば、発光ダイオード又はレーザー等のように別個に配置されかつ波長変換層及び照明装置の残りの部分から距離を隔てて別個に配置される発光ダイオードのように示される光源102であってもよい。しかしながら、光源102は、半導体基板内に形成される半導体発光ダイオードのように同様に適切に統合されてもよい。
【００５６】
照明装置108は、アンテナアレイプレーンに配置される個々の複数のアンテナ要素108を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイを更に有する。アンテナアレイは、ここでは、第1波長変換媒体及び光源102から放出される光を受信する第1波長変換層104内に配置される。更に、アンテナアレイは、第1波長変換媒体により放出される第2波長で表面格子共鳴(surface  lattice  resonances)を維持するように構成され、これは個々のアンテナ要素の局在化される表面プラズモン共鳴(localized  surface  plasmon  resonances)の回折結合から生じる。
【００５７】
図1は、光110が、制限された角度範囲112の範囲内で照明装置100の発光面からどのように放出されるかを更に示す。
【００５８】
図2は照明装置200を概略的に示し、そこでは、個々の複数のアンテナ要素108を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイが第2波長変換層106の中に配置される。
【００５９】
図3は照明装置300を概略的に示し、そこでは、個々の複数のアンテナ要素108を有する第1の周期的なプラズモニックアンテナアレイが第1波長変換層104内に配置され、個々の複数のアンテナ要素302を有する第2の周期的なプラズモニックアンテナアレイが第2波長変換層106内に配置される。第1波長変換層104に関して上述したものと同様に、フォトンエミッタ304も第2波長変換層106に配置される。これにより、アンテナアレイの構成により決定される角度分布を有する一様な白色光の放出として、照明装置から全体的な放出が提供されるために、各々のプラズモニックアンテナアレイは、可視スペクトルの一部分である所定の波長範囲内で光を放出するように適合されることが可能である。容易に理解されるように、本発明の様々な実施形態により別様に構成される如何なる数のアンテナアレイも、所望の特性を達成するように組み合わせられてよい。
【００６０】
図4は図1に示される照明装置100の斜視図を示し、そこでは、プラズモニックアンテナアレイが第1波長変換層104内に配置されている。
【００６１】
図1-4では、アンテナ要素108、302は矩形断面を有するブロックとして示されているが、アンテナ要素は、例えば多角形又は円形の断面のような他の形状を等しく同様に有してよい。更に、アンテナ要素は例えばアルミニウムナノ粒子の形式で提供されてもよい。
【００６２】
赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、例えば、約150nmの高さ及び矩形アレイで構成される140nmの底辺(又は直径)を有し、約400nmのピッチを有するアンテナ要素(群)を有してもよい。
【００６３】
赤色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、例えば、約150nmの高さ及び六角形アレイで構成される140nmの底辺(又は直径)を有し、約450nmのピッチを有するアンテナ要素(群)を有してもよい。
【００６４】
緑色光に対応する周波数範囲でプラズモニックフォトニック格子共鳴を維持するように構成されるプラズモニックアンテナアレイは、例えば、約150nmの高さ及び矩形配列で構成される140nmの底辺(又は直径)を有し、約345nmのピッチを有するアンテナ要素(群)を有してもよい。
【００６５】
上記の具体例は、アレイ面の法線に近いビーム放出を提供するプラズモニックアンテナアレイの形態を示す。
【００６６】
有利なことに、放出光110の波長スペクトル及び角度範囲112が所望のアプリケーションに応じて異なるように、照明装置は構成されることが可能である。
【００６７】
本発明は具体的な実施形態に関連して説明されてきたが、多くの様々な代替や変形などが当業者にとって明らかであろう。例えば、プラズモニックアンテナアレイは、放出される光についての別の角度分布を達成するように多種多様な方法で構成されてもよい。更に、照明装置は、様々な波長の光又は様々な波長範囲内の光を放出するように構成されてもよい。特に、照明装置は主に可視光の放出に関連して説明されてきたが、本発明の様々な実施形態は、紫外線又は赤外線のスペクトルに属する光を放出することが望ましいアプリケーションにも等しく適用可能である。システムの一部分は、様々な仕方で省略、置換又は構成されてもよく、照明装置はそれでも本発明の機能を実行することが可能であることに留意すべきである。
【００６８】
更に、明細書、添付の特許請求の範囲及び図面を参照することにより、開示される形態に対する変形は、請求項に係る発明を実施する当業者により理解され適用されることが可能である。特許請求の範囲において、「有する(comprising)」という言葉は他の要素又はステップを排除しておらず、「或る」又は「ある」のような不定冠詞的な言葉も複数個を排除していない。所定の事項が相互に異なる従属請求項で引用されているというそれだけの事実は、それらの事項の組み合わせが有利に使用できないことを示してはいない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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