CN105940509A - 发光装置 - Google Patents

Abstract

本申请的发光元件具有：光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；透光层，该透光层以与光致发光层接近的方式配置；亚微米结构，该亚微米结构形成在光致发光层和透光层中的至少一者上，并向光致发光层或透光层的面内扩散；以及导光结构，该导光结构以将上述激发光导向光致发光层的方式配置，其中，亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将光致发光层(110)对第一光的折射率设定为n_wav‑a时，成立λ_a/n_wav‑a＜D_int＜λ_a的关系。

Description

发光装置

技术领域

本申请涉及发光装置，特别涉及具有光致发光层的发光装置。

背景技术

对于照明器具、显示器、投影仪之类的光学设备而言，在多种用途中需要向所需的方向射出光。荧光灯、白色LED等所使用的光致发光材料各向同性地发光。因此，为了使光仅向特定方向射出，这种材料与反射器、透镜等光学部件一起使用。例如，专利文献1公开了使用布光板和辅助反射板来确保指向性的照明系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-231941号公报

发明内容

发明所要解决的问题

本申请提供能够对光致发光层的发光效率、指向性或偏振特性进行控制的具有新型结构的发光装置。

用于解决问题的手段

本申请的某个实施方式的发光装置具有：光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散；以及导光结构体，该导光结构体以将上述激发光导向上述光致发光层的方式配置，其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。

上述总的方案或具体的方案可以通过器件、装置、系统、方法或它们的任意组合来实现。

发明效果

本申请的某些实施方式的发光装置具有新型构成，能够根据新的机理对亮度、指向性或偏振特性进行控制。

附图说明

图1A是表示某个实施方式的发光器件的构成的立体图。

图1B是图1A所示的发光器件的局部剖视图。

图1C是表示另一个实施方式的发光器件的构成的立体图。

图1D是图1C所示的发光器件的局部剖视图。

图2是表示分别改变发光波长和周期结构的高度来计算向正面方向射出的光的增强度的结果的图。

图3是图示式(10)中的m＝1和m＝3的条件的图表。

图4是表示改变发光波长和光致发光层的厚度t来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图5A是表示厚度t＝238nm时计算向x方向导波(引导光(to guide light))的模式的电场分布的结果的图。

图5B是表示厚度t＝539nm时计算向x方向导波的模式的电场分布的结果的图。

图5C是表示厚度t＝300nm时计算向x方向导波的模式的电场分布的结果的图。

图6是表示以与图2的计算相同的条件就光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式时计算光的增强度的结果的图。

图7A是表示二维周期结构的例子的俯视图。

图7B是表示就二维周期结构进行与图2相同的计算的结果的图。

图8是表示改变发光波长和周期结构的折射率来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图9是表示以与图8相同的条件将光致发光层的膜厚设定为1000nm时的结果的图。

图10是表示改变发光波长和周期结构的高度来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图11是表示以与图10相同的条件将周期结构的折射率设定为n_p＝2.0时的计算结果的图。

图12是表示设定为光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式来进行与图9所示的计算相同的计算的结果的图。

图13是表示以与图9所示的计算相同的条件将光致发光层的折射率n_wav变更为1.5时的结果的图。

图14是表示在折射率为1.5的透明基板之上设置有与图2所示的计算相同的条件的光致发光层和周期结构时的计算结果的图。

图15是图示式(15)的条件的图表。

图16是表示具备图1A、1B所示的发光器件100和使激发光射入光致发光层110的光源180的发光装置200的构成例的图。

图17是用于说明通过使激发光与模拟导波模式结合来高效地射出光的构成的图；(a)表示具有x方向的周期p_x的一维周期结构；(b)表示具有x方向的周期p_x、y方向的周期p_y的二维周期结构；(c)表示(a)的构成中的光的吸收率的波长依赖性；(d)表示(b)的构成中的光的吸收率的波长依赖性。

图18A是表示二维周期结构的一个例子的图。

图18B是表示二维周期结构的另一个例子的图。

图19A是在透明基板上形成了周期结构的变形例的图。

图19B是在透明基板上形成了周期结构的另一个变形例的图。

图19C是表示在图19A的构成中改变发光波长和周期结构的周期来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图20是表示混合了多个粉末状发光器件的构成的图。

图21是表示在光致发光层之上二维地排列周期不同的多个周期结构的例子的俯视图。

图22是表示具有表面上形成有凹凸结构的多个光致发光层110层叠而成的结构的发光器件的一个例子的图。

图23是表示在光致发光层110与周期结构120之间设置了保护层150的构成例的剖视图。

图24是表示通过仅加工光致发光层110的一部分来形成周期结构120的例子的图。

图25是表示形成在具有周期结构的玻璃基板上的光致发光层的截面TEM图像的图。

图26是表示测定试制的发光器件的出射光的正面方向的光谱的结果的图表。

图27(a)和(b)是表示测定试制的发光器件的出射光的角度依赖性的结果(上段)和计算结果(下段)的图表。

图28(a)和(b)是表示测定试制的发光器件的出射光的角度依赖性的结果(上段)和计算结果(下段)的图表。

图29是表示测定试制的发光器件的出射光(波长为610nm)的角度依赖性的结果的图表。

图30是示意性地表示平板型波导的一个例子的立体图。

图31是示意性地表示使得激发光的吸收效率提高的第一实施方式的发光装置的一部分的局部剖视图。

图32是示意性地表示使得激发光的吸收效率提高的第一实施方式的发光装置的一部分的立体图。

图33是为了说明用于将激发光通过全反射来封闭的条件的图。

图34是示意性地表示导光结构体220的另一个例子的局部剖视图。

图35是示意性地表示导光结构体220的又一个例子的局部剖视图。

图36是示意性地表示导光结构体220的又一个例子的局部剖视图。

图37是示意性地表示导光结构体220的又一个例子的局部剖视图。

图38是示意性地表示导光结构体220的又一个例子的局部剖视图。

图39是表示由多个透光性构件构成的导光结构体220的例子的立体图。

图40是表示由多个透光性构件构成的导光结构体220的另一个例子的立体图。

图41是表示由多个透光性构件构成的导光结构体220的又一个例子的立体图。

图42是用于说明导光结构体220的配置的第一例的图。

图43是用于说明导光结构体220的配置的第二例的图。

图44是用于说明导光结构体220的配置的第三例的图。

图45是示意性地表示具有导光结构体220的发光装置的第二实施方式的局部剖视图。

图46是用于说明激发光的入射角度的图。

图47是用于对来自光源180的激发光的出射方向进行更详细说明的图。

图48是示意性地表示在光致发光层110内产生的光与模拟导波模式结合并向外部射出的状况的剖视图。

图49是示意性地表示使得激发光的吸收效率提高的第三实施方式的发光装置的一部分的剖视图。

图50是表示通过计算设定的发光器件的构成的局部剖视图。

图51是表示入射光的吸收率的波长和角度依赖性的图。

图52是表示具备光纤230作为导光结构体的发光装置的构成例的图。

图53是表示在透明基板140内封闭激发光并将对光致发光层110的入射角度设定为引起共振吸收的角度来提高吸收效率的构成的图。

图54是示意性地表示将与周期结构120的线方向平行的轴作为旋转轴旋转时的旋转角设定为入射角θ的构成的剖视图。

图55是表示在图54的构成中就激发光的吸收率对入射角度θ和空气中的波长λ的依赖性进行计算得到的结果的图。

图56是表示在图53的构成中入射光的吸收率的波长和角度依赖性的图。

图57是表示具有向与周期结构120的线方向垂直的方向延伸的导光结构体220的发光装置的例子的图。

图58是表示通过周期结构的作用使具有指向性的光向包含光致发光层的发光器件的两侧射出的情况的剖视图。

图59是表示在包含光致发光层的发光器件设置反射层的方案的剖视图。

图60是表示光在构成设置于光致发光层的背面侧的反射层的凸部分全反射的状况的剖视图。

图61(a)～(d)分别是表示反射层的构成不同的各种实施方式的发光装置的剖视图。

图62是表示不同波长的光由发光器件射出时的出射光的角度的图；(a)是表示不同波长的光向不同方向射出的状况的剖视图；(b)和(c)是表示通过在发光器件的背面侧设置反射层而使得不同波长的光的出射方向汇集(一致)的方案的剖视图。

图63是表示具备反射层的另一个实施方式的发光装置的剖视图。

图64是表示对多个发光器件进行敷设(tiling)的方案的图；(a)是俯视图；(b)是剖视图。

具体实施方式

在光学设备中，当配置反射器、透镜等光学部件时，需要增大光学设备自身的尺寸来确保它们的空间，优选不用这些光学部件，或者至少使它们小型化。

本申请包括以下的项目所述的发光器件以及发光装置。

[项目1]

一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；以及

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。

[项目2]

根据项目1所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少一个周期结构，上述至少一个周期结构包含当将周期设定为p_a时成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系的第一周期结构。

[项目3]

根据项目1或2所述的发光器件，其中，上述透光层对上述第一光的折射率n_t-a比上述光致发光层对上述第一光的折射率n_wav-a小。

[项目4]

根据项目1～3中任一项所述的发光器件，其中，上述第一光在由上述亚微米结构预先确定的第一方向上强度最大。

[项目5]

根据项目4所述的发光器件，其中，上述第一个方向为上述光致发光层的法线方向。

[项目6]

根据项目4或5所述的发光器件，其中，向上述第一个方向射出的上述第一光为直线偏振光。

[项目7]

根据项目4～6中任一项所述的发光器件，其中，以上述第一光的上述第一个方向为基准时的指向角小于15°。

[项目8]

根据项目4～7中任一项所述的发光器件，其中，具有与上述第一光的波长λ_a不同的波长λ_b的第二光在与上述第一个方向不同的第二方向上强度最大。

[项目9]

根据项目1～8中任一项所述的发光器件，其中，上述透光层具有上述亚微米结构。

[项目10]

根据项目1～9中任一项所述的发光器件，其中，上述光致发光层具有上述亚微米结构。

[项目11]

根据项目1～8中任一项所述的发光器件，其中，上述光致发光层具有平坦的主面，

上述透光层形成在上述光致发光层的上述平坦的主面上，并具有上述亚微米结构。

[项目12]

根据项目11所述的发光器件，其中，上述光致发光层被透明基板支撑。

[项目13]

根据项目1～8中任一项所述的发光器件，其中，上述透光层为在一个主面上具有上述亚微米结构的透明基板，

上述光致发光层被形成在上述亚微米结构之上。

[项目14]

根据项目1或2所述的发光器件，其中，上述透光层对上述第一光的折射率n_t-a为上述光致发光层对上述第一光的折射率n_wav-a以上，上述亚微米结构所具有的上述多个凸部的高度或上述多个凹部的深度为150nm以下。

[项目15]

根据项目1和3～14中任一项所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少一个周期结构，上述至少一个周期结构包含当将周期设定为p_a时成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系的第一周期结构，

上述第一周期结构为一维周期结构。

[项目16]

根据项目15所述的发光器件，其中，上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为与λ_a不同的λ_b的第二光，

在将上述光致发光层对上述第二光上述第二光的折射率设定为n_wav-b的情况下，上述至少一个周期结构还包含当将周期设定为p_b时成立λ_b/n_wav-b＜p_b＜λ_b的关系的第二周期结构，

上述第二周期结构为一维周期结构。

[项目17]

根据项目1和3～14中任一项所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少两个周期结构，上述至少两个周期结构包含在互相不同的方向具有周期性的二维周期结构。

[项目18]

根据项目1和3～14中任一项所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的多个周期结构，

上述多个周期结构包含以矩阵状排列而成的多个周期结构。

[项目19]

根据项目1和3～14中任一项所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的多个周期结构，

当将上述光致发光层所具有的光致发光材料的激发光在空气中的波长设定为λ_ex、将上述光致发光层对上述激发光的折射率设定为n_wav-ex时，上述多个周期结构包含周期p_ex成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的关系的周期结构。

[项目20]

一种发光器件，其具有多个光致发光层和多个透光层，

其中，上述多个光致发光层中的至少两个和上述多个透光层中的至少两个各自独立地分别相当于项目1～19中任一项所述的上述光致发光层和上述透光层。

[项目21]

根据项目20所述的发光器件，其中，上述多个光致发光层与上述多个透光层层叠。

[项目22]

一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；以及

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散，

上述发光器件射出在上述光致发光层和上述透光层的内部形成模拟导波模式的光。

[项目23]

一种发光器件，其具备：

光能够导波的导波层；以及

周期结构，该周期结构以与上述导波层接近的方式配置，

其中，上述导波层具有光致发光材料，

在上述导波层中，由上述光致发光材料发出的光存在一边与上述周期结构作用一边导波的模拟导波模式。

[项目24]

一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；以及

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将上述光致发光层所具有的光致发光材料的激发光在空气中的波长设定为λ_ex、将在到达上述光致发光层或上述透光层的光路中所存在的介质之中折射率最大的介质对上述激发光的折射率设定为n_wav-ex时，成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的关系。

[项目25]

根据项目24所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少一个周期结构，上述至少一个周期结构包含当将周期设定为p_ex时成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的关系的第一周期结构。

[项目26]

一种发光器件，其具有：

透光层；

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述透光层上，并向上述透光层的面内扩散；以及

光致发光层，该光致发光层以与上述亚微米结构接近的方式配置，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目27]

一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层具有比上述光致发光层高的折射率；以及

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述透光层上，并向上述透光层的面内扩散，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目28]

一种发光器件，其具有：

光致发光层；以及

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层上，并向上述光致发光层的面内扩散，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述亚微米结构包含由上述多个凸部或上述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目29]

根据项目1～21和24～28中任一项所述的发光器件，其中，上述亚微米结构包含上述多个凸部和上述多个凹部这两者。

[项目30]

根据项目1～22和24～27中任一项所述的发光器件，其中，上述光致发光层与上述透光层互相接触。

[项目31]

根据项目23所述的发光器件，其中，上述导波层与上述周期结构互相接触。

[项目32]

一种发光装置，其具备项目1～31中任一项所述的发光器件和向上述光致发光层照射激发光的激发光源。

[项目33]

一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；

透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散；以及

导光结构体，该导光结构体以将上述激发光导向上述光致发光层的方式配置，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。

[项目34]

根据项目33所述的发光装置，其中，上述导光结构体形成在上述光致发光层中存在上述亚微米结构一侧的面。

[项目35]

根据项目33所述的发光装置，其中，上述导光结构体形成在上述光致发光层中与存在上述亚微米结构一侧相反一侧的面。

[项目36]

根据项目34或35所述的发光装置，其还具有使上述激发光向上述导光结构体射出的光源，

其中，当将上述激发光由上述导光结构体到上述光致发光层的入射角设定为θ_st、将上述导光结构体的折射率设定为n_st时，成立n_stsin(θ_st)＞1。

[项目37]

根据项目33所述的发光装置，其还具备支撑上述光致发光层的透明基板，

其中，上述导光结构体形成在上述透明基板中与上述光致发光层一侧相反一侧的面。

[项目38]

根据项目37所述的发光装置，其还具备使上述激发光向上述导光结构体射出的光源，

其中，当将上述激发光由上述导光结构体到上述透明基板的入射角设定为θ_st、将上述导光结构体的折射率设定为n_st时，成立n_stsin(θ_st)＞1。

[项目39]

根据项目1～6中任一项所述的发光装置，其中，上述导光结构体由至少一个棱柱形状的透光性构件构成。

[项目40]

根据项目33～38中任一项所述的发光装置，其中，上述导光结构体由至少一个半球形状的透光性构件构成。

[项目41]

根据项目33～38中任一项所述的发光装置，其中，上述导光结构体由至少一个金字塔形状的透光性构件构成。

[项目42]

根据项目33～41中任一项所述的发光装置，其中，当将上述激发光在空气中的波长设定为λ_ex时，上述亚微米结构以上述第一光向上述光致发光层的法线方向最强地射出、在波长为λ_ex的第二光在上述光致发光层的内部传播的情况下上述第二光向与上述光致发光层的法线方向成角度θ_out的方向最强地射出的方式构成，

上述导光结构体使上述激发光以入射角θ_out射入上述光致发光层。

[项目43]

根据项目33～42中任一项所述的发光装置，其中，上述亚微米结构具有一维周期结构，

上述导光结构体具有向与上述一维周期结构的线方向和上述光致发光层的厚度方向这两者垂直的方向延伸的结构。

[项目44]

一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受空气中的波长为λ_ex的激发光而发光；

透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散；以及

光源，该光源射出上述激发光，

其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系，

上述亚微米结构以上述第一光向上述光致发光层的法线方向最强地射出、在波长为λ_ex的第二光在上述光致发光层的内部传播的情况下上述第二光向与上述光致发光层的法线方向成角度θ_out的方向最强地射出的方式构成，

上述光源使上述激发光以入射角θ_out射入上述光致发光层。

[项目45]

一种发光装置，其具有：

透光层；

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述透光层上，并向上述透光层的面内扩散；

光致发光层，该光致发光层以与上述亚微米结构接近的方式配置，并接受激发光而发光；以及

导光结构体，该导光结构体以将上述激发光导向上述光致发光层的方式配置，

其中，上述亚微米结构至少包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述亚微米结构至少包含由上述多个凸部或者上述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目46]

一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；

透光层，该透光层具有比上述光致发光层高的折射率；

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述透光层上，并向上述透光层的面内扩散；以及

导光结构体，该导光结构体以将上述激发光导向上述光致发光层的方式配置，

其中，上述亚微米结构至少包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述亚微米结构至少包含由上述多个凸部或者上述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目47]

根据项目33～46中任一项所述的发光装置，其中，上述光致发光层与上述透光层互相接触。

[项目48]

一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；

亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层上，并向上述光致发光层的面内扩散；以及

导光结构体，该导光结构体以将上述激发光导向上述光致发光层的方式配置，

其中，上述亚微米结构至少包含多个凸部或多个凹部，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述亚微米结构至少包含由上述多个凸部或者上述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目49]

根据项目33～48中任一项所述的发光装置，其中，上述亚微米结构包含上述多个凸部和上述多个凹部这两者。

[项目50]

一种发光装置，其具有：

发光器件；以及

反射层，该反射层以与上述发光器件所具有的光出射面相对置的方式配置，

其中，上述发光器件具有：光致发光层；透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；以及亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散，

上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光、将光致发光层110对上述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。

[项目51]

根据项目50所述的发光装置，其中，上述反射层包含透光性的凹凸结构，并以在上述凹凸结构的表面产生全反射的方式构成。

[项目52]

根据项目51所述的发光装置，其中，上述凹凸结构包含棱镜状结构体、金字塔状结构体、微透镜阵列、柱状透镜(lenticular lens)和角锥棱镜阵列(corner cube array)中的任一种。

[项目53]

根据项目50所述的发光装置，其中，上述反射层包含金属反射膜或电介质多层膜。

[项目54]

根据项目53所述的发光装置，其中，上述电介质多层膜构成分色镜(dichroicmirror)。

[项目55]

根据项目50所述的发光装置，其中，上述反射层包含漫反射膜。

[项目56]

根据项目50～55中任一项所述的发光装置，其中，上述反射层具备相对于上述光致发光层的层面仅倾斜了超过0°的角度θ的反射面。

[项目57]

根据项目56所述的发光装置，其中，由上述光致发光层射出的光包括：具有第一波长的光，该具有第一波长的光通过上述周期结构的衍射作用向上述光致发光层的层面法线方向射出；以及具有第二波长的光，该具有第二波长的光通过上述周期结构的衍射作用向与上述光致发光层的层面法线方向不同的方向射出，

上述具有第二波长的光沿着从上述光致发光层的层面法线方向仅偏移了角度2θ的方向到达上述反射面，

上述反射面的上述角度θ是上述角度2θ的1/2的角度。

[项目58]

根据项目56或57所述的发光装置，其中，上述反射层包含配置在上述仅倾斜了角度θ的反射面与上述发光器件之间的空气层。

[项目59]

根据项目50～58中任一项所述的发光装置，其包含以在面内互相相邻的方式配置的多个上述发光器件，

其中，上述多个发光器件至少包含第一发光器件和第二发光器件，

上述第一发光器件的亚微米结构所具有的周期结构的周期与上述第二发光器件的亚微米结构所具有的周期结构的周期不同。

本申请的实施方式的发光器件具备：光致发光层；透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；以及亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一者上，并向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散，其中，上述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光、将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。波长λ_a例如在可见光的波长范围内(例如380nm以上且780nm以下)。

光致发光层包含光致发光材料。光致发光材料是指接受激发光而发光的材料。光致发光材料包括狭义的荧光材料和磷光材料，不仅包括无机材料，也包括有机材料(例如色素)，还包括量子点(即，半导体微粒)。光致发光层除了光致发光材料以外，还可以包含基质材料(即，主体材料)。基质材料例如为玻璃、氧化物等无机材料、树脂。

以与光致发光层接近的方式配置的透光层由对于光致发光层所发出的光透射率高的材料形成，例如由无机材料、树脂形成。透光层例如优选由电介质(特别是光的吸收少的绝缘体)形成。透光层例如可以为支撑光致发光层的基板。另外，在光致发光层的空气侧的表面具有亚微米结构的情况下，空气层可以为透光层。

对于本申请的实施方式的发光器件而言，如后面参照计算结果和实验结果所详述的那样，由于形成在光致发光层和透光层中的至少一者上的亚微米结构(例如周期结构)，在光致发光层和透光层的内部形成独特的电场分布。这是导波光与亚微米结构相互作用形成的，可以将其表示为模拟导波模式。通过利用该模拟导波模式，如以下所说明的那样，能够得到光致发光的发光效率增大、指向性提高、偏振光的选择性效果。另外，以下的说明中，有时使用模拟导波模式这一用语来对本申请的发明者们发现的新型构成和/或新的机理进行说明，但该说明不过是一种例示性的说明，任何意义上来说都不是要限定本申请。

亚微米结构例如包含多个凸部，当将相邻的凸部之间的距离(即，中心间距离)设定为D_int时，满足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。亚微米结构也可以包含多个凹部来代替多个凸部。以下，为了简化起见，以亚微米结构具有多个凸部的情况进行说明。λ表示光的波长，λ_a表示空气中的光的波长。n_wav是光致发光层的折射率。在光致发光层为混合有多种材料的介质的情况下，将各材料的折射率以各自的体积比率加权而得到的平均折射率设定为n_wav。通常折射率n依赖于波长，因此优选将对λ_a的光的折射率表示为n_wav-a，但有时为了简化起见会省略。n_wav基本上是光致发光层的折射率，但在与光致发光层相邻的层的折射率大于光致发光层的折射率的情况下，将该折射率大的层的折射率和光致发光层的折射率以各自的体积比率加权而得到的平均折射率设定为n_wav。这是因为，这种情况光学上与光致发光层由多个不同材料的层构成的情况等价。

当将介质对模拟导波模式的光的有效折射率设定为n_eff时，满足n_a＜n_eff＜n_wav。这里，n_a是空气的折射率。如果认为模拟导波模式的光为在光致发光层的内部一边以入射角θ全反射一边传播的光，则有效折射率n_eff可写作n_eff＝n_wavsinθ。另外，有效折射率n_eff由存在于模拟导波模式的电场分布的区域中的介质的折射率确定，因此例如在透光层形成了亚微米结构的情况下，不仅依赖于光致发光层的折射率，还依赖于透光层的折射率。另外，由于根据模拟导波模式的偏振方向(TE模式和TM模式)的不同，电场的分布不同，因此在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff可以不同。

亚微米结构形成在光致发光层和透光层中的至少一者上。在光致发光层与透光层互相接触时，也可以在光致发光层与透光层的界面上形成亚微米结构。此时，光致发光层和透光层具有亚微米结构。光致发光层也可以不具有亚微米结构。此时，具有亚微米结构的透光层以与光致发光层接近的方式配置。这里，透光层(或其亚微米结构)与光致发光层接近典型而言是指：它们之间的距离为波长λ_a的一半以下。由此，导波模式的电场达到亚微米结构，形成模拟导波模式。但是，在透光层的折射率比光致发光层的折射率大时，即使不满足上述的关系，光也到达透光层，因此透光层的亚微米结构与光致发光层之间的距离可以超过波长λ_a的一半。本说明书中，在光致发光层与透光层处于导波模式的电场到达亚微米结构、形成模拟导波模式那样的配置关系的情况下，有时表示两者互相关联。

亚微米结构如上所述满足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系，因此具有大小为亚微米量级的特征。亚微米结构例如如以下详细说明的实施方式的发光器件中那样，可以包含至少一个周期结构。当将周期设定为p_a时，至少一个周期结构成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。即，亚微米结构具有相邻的凸部之间的距离D_int为p_a且固定的周期结构。如果亚微米结构包含周期结构，则模拟导波模式的光通过一边传播一边与周期结构反复相互作用，被亚微米结构衍射。这与在自由空间传播的光通过周期结构而衍射的现象不同，而是光一边导波(即，一边反复全反射)一边与周期结构作用的现象。因此，即使由周期结构引起的相移小(即，即使周期结构的高度小)，也能够高效地引起光的衍射。

如果利用如上所述的机理，则通过由模拟导波模式增强电场的效果，光致发光的发光效率增大，并且产生的光与模拟导波模式结合。模拟导波模式的光的前进角度仅弯曲被周期结构规定的衍射角度。通过利用该现象，能够向特定方向射出特定波长的光(指向性显著提高)。进而，在TE和TM模式中，有效折射率n_eff(＝n_wavsinθ)不同，因此还能够同时得到高偏振光的选择性。例如，如后面实验例所示，能够得到向正面方向射出强的特定波长(例如610nm)的直线偏振光(例如TM模式)的发光器件。此时，向正面方向射出的光的指向角例如低于15°。另外，指向角设定为将正面方向设成0°的单侧的角度。

相反，如果亚微米结构的周期性降低，则指向性、发光效率、偏振度和波长选择性变弱。只要根据需要调整亚微米结构的周期性就行。周期结构既可以为偏振光的选择性高的一维周期结构，也可以是能够减小偏振度的二维周期结构。

另外，亚微米结构可以包含多个周期结构。多个周期结构例如周期(间距)互相不同。或者，多个周期结构例如具有周期性的方向(轴)互相不同。多个周期结构既可以形成在同一个面内，也可以层叠。当然，发光器件可以具有多个光致发光层和多个透光层，它们也可以具有多个亚微米结构。

亚微米结构不仅能够用于控制光致发光层所发出的光，而且还能够用于将激发光高效地导向光致发光层。即，激发光被亚微米结构衍射，与将光致发光层和透光层导波的模拟导波模式结合，由此能够高效地激发光致发光层。只要使用当将激发光致发光材料的光在空气中的波长设定为λ_ex、将光致发光层对该激发光的折射率设定为n_wav-ex时成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的关系的亚微米结构就行。n_wav-ex是光致发光材料对激发波长的折射率。可以使用具有当将周期设定为p_ex时成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的关系的周期结构的亚微米结构。激发光的波长λ_ex例如是450nm，但也可以为比可见光短的波长。在激发光的波长处于可见光的范围内的情况下，也可以设定为与光致发光层所发出的光一起射出激发光。

[1.作为本申请的基础的认识]

在说明本申请的具体实施方式之前，首先，对作为本申请的基础的认识进行说明。如上所述，荧光灯、白色LED等所使用的光致发光材料各向同性地发光，因此为了用光照射特定方向，需要反射器、透镜等光学部件。然而，如果光致发光层自身以指向性地发光，就不需要(或者能够减小)如上所述的光学部件，由此能够大幅缩小光学设备或器具的大小。本申请的发明者们根据这样的设想，为了得到指向性发光，详细研究了光致发光层的构成。

本申请的发明者们首先认为：为了使来自光致发光层的光偏向特定方向，要使发光本身具有特定方向性。作为表征发光的指标的发光率Γ根据费米的黄金法则，由以下的式(1)表示。

式(1)中，r是表示位置的矢量，λ是光的波长，d是偶极矢量，E是电场矢量，ρ是状态密度。就除了一部分结晶性物质以外的多种物质而言，偶极矢量d具有随机的方向性。另外，在光致发光层的尺寸和厚度比光的波长足够大的情况下，电场E的大小也不依赖于朝向而基本固定。因此，在绝大多数情况下，<(d·E(r))>²的值不依赖于方向。即，发光率Γ不依赖于方向而固定。因此，在绝大多数情况下，光致发光层各向同性地发光。

另一方面，为了由式(1)得到各向异性的发光，需要花工夫进行使偶极矢量d汇集在特定方向或者增强电场矢量的特定方向的成分中的任意一种。通过花工夫进行它们中的任意一种，能够实现指向性发光。在本申请中，利用通过将光封闭在光致发光层中的效果将特定方向的电场成分增强的模拟导波模式，对于用于此的构成进行了研究，以下说明详细分析的结果。

[2.仅增强特定方向的电场的构成]

本申请的发明者们认为要使用电场强的导波模式对发光进行控制。通过设定为导波结构本身含有光致发光材料的构成，能够使得发光与导波模式结合。但是，如果仅使用光致发光材料形成导波结构，则由于发出的光成为导波模式，因此向正面方向几乎出不来光。于是，本申请的发明者们认为要对包含光致发光材料的波导和周期结构(由多个凸部和多个凹部中的至少一者来形成)进行组合。在周期结构与波导接近、光的电场一边与周期结构重叠一边导波的情况下，通过周期结构的作用，存在模拟导波模式。即，该模拟导波模式是被周期结构所限制的导波模式，其特征在于，电场振幅的波腹以与周期结构的周期相同的周期产生。该模式是通过光被封闭在导波结构中从而电场向特定方向被增强的模式。进而，由于通过该模式与周期结构进行相互作用，通过衍射效果转换为特定方向的传播光，因此能够向波导外部射出光。进而，由于除了模拟导波模式以外的光被封闭在波导内的效果小，因此电场不被增强。所以，大多数发光与具有大的电场成分的模拟导波模式结合。

即，本申请的发明者们认为通过将包含光致发光材料的光致发光层(或者具有光致发光层的导波层)设定为以与周期结构接近的方式设置的波导，使发光与转换为特定方向的传播光的模拟导波模式结合，实现具有指向性的光源。

作为导波结构的简便构成，着眼于平板型波导。平板型波导是指光的导波部分具有平板结构的波导。图30是示意性地表示平板型波导110S的一个例子的立体图。在波导110S的折射率比支撑波导110S的透明基板140的折射率高时，存在在波导110S内传播的光的模式。通过将这样的平板型波导设定为包含光致发光层的构成，由于由发光点产生的光的电场与导波模式的电场大幅重合，因此能够使光致发光层中产生的光的大部分与导波模式结合。进而，通过将光致发光层的厚度设定为光的波长程度，能够作出仅存在电场振幅大的导波模式的状况。

进而，在周期结构与光致发光层接近的情况下，通过导波模式的电场与周期结构相互作用而形成模拟导波模式。即使在光致发光层由多个层构成的情况下，只要导波模式的电场达到周期结构，就会形成模拟导波模式。不需要光致发光层全部都为光致发光材料，只要其至少一部分区域具有发光的功能就行。

另外，在由金属形成周期结构的情况下，形成导波模式和基于等离子体共振效应的模式，该模式具有与上面所述的模拟导波模式不同的性质。另外，该模式由于由金属导致的吸收多，因此损失变大，发光增强的效果变小。因此，作为周期结构，优选使用吸收少的电介质。

本申请的发明者们首先研究了使发光与通过在这样的波导(例如光致发光层)的表面形成周期结构而能够作为特定角度方向的传播光射出的模拟导波模式结合。图1A是示意性地表示具有这样的波导(例如光致发光层)110和周期结构(例如透光层)120的发光器件100的一个例子的立体图。以下，在透光层120形成有周期结构的情况下(即，在透光层120形成有周期性的亚微米结构的情况下)，有时将透光层120称为周期结构120。在该例子中，周期结构120是分别在y方向延伸的条纹状的多个凸部在x方向上等间隔排列的一维周期结构。图1B是将该发光器件100用与xz面平行的平面切断时的剖视图。如果以与波导110接触的方式设置周期p的周期结构120，则面内方向的具有波数k_wav的模拟导波模式被转换为波导外的传播光，该波数k_out能够用以下的式(2)表示。

$k_{out}=k_{wav}-m\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p}---\left(2\right)$

式(2)中的m为整数，表示衍射的次数。

这里，为了简化起见，近似地将在波导内导波的光看作是以角度θ_wav传播的光线，成立以下的式(3)和(4)。

$\frac{k_{wav}{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}=n_{wav}{\mathrm{sin\&theta;}}_{wav}---\left(3\right)$

$\frac{k_{out}{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}=n_{out}{\mathrm{sin\&theta;}}_{out}---\left(4\right)$

在这些式子中，λ₀是光在空气中的波长，n_wav是波导的折射率，n_out是出射侧的介质的折射率，θ_out是光射出到波导外的基板或空气时的出射角度。由式(2)～(4)可知，出射角度θ_out能够用以下的式(5)表示。

n_outsinθ_out＝n_wavsinθ_wav-mλ₀/p (5)

由式(5)可知，在n_wavsinθ_wav＝mλ₀/p成立时，θ_out＝0，能够使光向与波导的面垂直的方向(即，正面)射出。

根据如上的原理，可以认为通过使发光与特定模拟导波模式结合，进而利用周期结构转换为特定出射角度的光，能够使强的光向该方向射出。

为了实现如上所述的状况，有几个制约条件。首先，为了使模拟导波模式存在，需要在波导内传播的光全反射。用于此的条件用以下的式(6)表示。

n_out＜n_wavsinθ_wav (6)

为了使该模拟导波模式通过周期结构衍射并使光射出到波导外，式(5)中需要-1＜sinθ_out＜1。因此，需要满足以下的式(7)。

$-1<\frac{n_{wav}}{n_{out}}{\mathrm{sin\&theta;}}_{wav}-\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{out}p}<1---\left(7\right)$

对此，如果考虑式(6)，则可知只要成立以下的式(8)就行。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{2n_{out}}<p---\left(8\right)$

进而，为了使得由波导110射出的光的方向为正面方向(θ_out＝0)，由式(5)可知需要以下的式(9)。

p＝mλ₀/(n_wavsinθ_wav) (9)

由式(9)和式(6)可知，必要条件为以下的式(10)。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{out}}---\left(10\right)$

另外，在设置如图1A和图1B所示的周期结构的情况下，由于m为2以上的高次的衍射效率低，所以只要以m＝1的一次衍射光为重点进行设计就行。因此，在本实施方式的周期结构中，设定为m＝1，以满足将式(10)变形得到的以下的式(11)的方式，确定周期p。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{out}}---\left(11\right)$

如图1A和图1B所示，在波导(光致发光层)110不与透明基板接触的情况下，n_out为空气的折射率(约1.0)，因此只要以满足以下的式(12)的方式确定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<{\mathrm{\&lambda;}}_0---\left(12\right)$

另一方面，可以采用如图1C和图1D所例示的那样在透明基板140上形成有光致发光层110和周期结构120的结构。在这种情况下，透明基板140的折射率n_s比空气的折射率大，因此只要以满足式(11)中设定为n_out＝n_s得到的下式(13)的方式确定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_s}---\left(13\right)$

另外，式(12)、(13)考虑了式(10)中m＝1的情况，但也可以m≥2。即，在如图1A和图1B所示发光器件100的两面与空气层接触的情况下，只要将m设定为1以上的整数并以满足以下的式(14)的方式设定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<{\mathrm{m\&lambda;}}_0---\left(14\right)$

同样地，在如图1C和图1D所示的发光器件100a那样将光致发光层110形成在透明基板140上的情况下，只要以满足以下的式(15)的方式设定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_s}---\left(15\right)$

通过以满足以上的不等式的方式确定周期结构的周期p，能够使由光致发光层110产生的光向正面方向射出，因此能够实现具有指向性的发光装置。

[3.通过计算进行的验证]

[3-1.周期、波长依赖性]

本申请的发明者们利用光学解析验证了如上那样向特定方向射出光实际上是否可能。光学解析通过使用了Cybernet公司的DiffractMOD的计算来进行。这些计算中，在对发光器件由外部垂直地射入光时，通过计算光致发光层中的光吸收的增减，求出向外部垂直地射出的光的增强度。由外部射入的光与模拟导波模式结合而被光致发光层吸收的过程对应于：对与光致发光层中的发光和模拟导波模式结合而转换为向外部垂直地射出的传播光的过程相反的过程进行计算。另外，在模拟导波模式的电场分布的计算中，也同样计算由外部射入光时的电场。

将光致发光层的膜厚设定为1μm，将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8，将周期结构的高度设定为50nm，将周期结构的折射率设定为1.5，分别改变发光波长和周期结构的周期，计算向正面方向射出的光的增强度，将其结果表示在图2中。计算模型如图1A所示，设定为在y方向上为均匀的一维周期结构、光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式，由此进行计算。由图2的结果可知，增强度的峰在某个特定波长和周期的组合中存在。另外，在图2中，增强度的大小用颜色的深浅来表示，深(即黑)的增强度大，浅(即白)的增强度小。

在上述的计算中，周期结构的截面设定为如图1B所示的矩形。图3表示图示式(10)中的m＝1和m＝3的条件的图表。比较图2和图3可知，图2中的峰位置存在于与m＝1和m＝3相对应的地方。m＝1的强度强是因为，相比于三次以上的高次衍射光，一次衍射光的衍射效率高。不存在m＝2的峰是因为，周期结构中的衍射效率低。

在图3所示的分别与m＝1和m＝3相对应的区域内，图2中能够确认存在多个线。可以认为这是因为存在多个模拟导波模式。

[3-2.厚度依赖性]

图4是表示将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8、将周期结构的周期设定为400nm、将高度设定为50nm、将折射率设定为1.5并改变发光波长和光致发光层的厚度t来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。可知当光致发光层的厚度t为特定值时，光的增强度达到峰值。

将在图4中存在峰的波长为600nm、厚度t＝238nm、539nm时对向x方向导波的模式的电场分布进行计算的结果分别表示在图5A和图5B中。为了比较，对于不存在峰的t＝300nm的情况进行了相同的计算，将其结果表示在图5C中。计算模型与上述同样，设定为在y方向为均匀的一维周期结构。在各图中，越黑的区域，表示电场强度越高；越白的区域，表示电场强度越低。在t＝238nm、539nm时有高的电场强度分布，而在t＝300nm时整体上电场强度低。这是因为，在t＝238nm、539nm的情况下，存在导波模式，光被较强地封闭。进而，可以观察出如下特征：在凸部或凸部的正下方，必然存在电场最强的部分(波腹)，产生与周期结构120相关的电场。即，可知根据周期结构120的配置，可以得到导波的模式。另外，比较t＝238nm的情况和t＝539nm的情况，可知是z方向的电场的波节(白色部分)的数目仅差一个的模式。

[3-3.偏振光依赖性]

接着，为了确认偏振光依赖性，以与图2的计算相同的条件，对于光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式时进行了光的增强度的计算。本计算的结果表示在图6中。与TM模式时(图2)相比，尽管峰位置多少有变化，但峰位置仍旧处于图3所示的区域内。因此，确认了本实施方式的构成对于TM模式、TE模式中的任意一种偏振光都有效。

[3-4.二维周期结构]

进而，进行了基于二维周期结构的效果的研究。图7A是表示凹部和凸部在x方向和y方向这两方向排列而成的二维周期结构120’的一部分的俯视图。图中的黑色区域表示凸部，白色区域表示凹部。在这样的二维周期结构中，需要考虑x方向和y方向这两方向的衍射。就仅x方向或者仅y方向的衍射而言，与一维时相同但也存在具有x、y两方向的成分的方向(例如倾斜45°方向)的衍射，因此能够期待得到与一维时不同的结果。将对于这样的二维周期结构计算光的增强度得到的结果表示在图7B中。除了周期结构以外的计算条件与图2的条件相同。如图7B所示，除了图2所示的TM模式的峰位置以外，还观测到了与图6所示的TE模式中的峰位置一致的峰位置。该结果表示：基于二维周期结构，TE模式也通过衍射被转换而输出。另外，对于二维周期结构而言，还需要考虑x方向和y方向这两方向同时满足一次衍射条件的衍射。这样的衍射光向与周期p的倍(即，2^1/2倍)的周期相对应的角度的方向射出。因此，除了一维周期结构时的峰以外，还可以考虑在周期p的倍的周期也产生峰。图7B中，也能够确认到这样的峰。

作为二维周期结构，不限于如图7A所示的x方向和y方向的周期相等的四方点阵的结构，也可以是如图18A和图18B所示的排列六边形或三角形的点阵结构。另外，根据方位方向也可以为(例如四方点阵时x方向和y方向)的周期不同的结构。

如上所述，本实施方式确认了：利用基于周期结构的衍射现象，能够将通过周期结构和光致发光层所形成的特征性的模拟导波模式的光仅向正面方向选择性地射出。通过这样的构成，用紫外线或蓝色光等激发光使光致发光层激发，可以得到具有指向性的发光。

[4.周期结构和光致发光层的构成的研究]

接着，对于改变周期结构和光致发光层的构成、折射率等各种条件时的效果进行说明。

[4-1.周期结构的折射率]

首先，对于周期结构的折射率进行研究。将光致发光层的膜厚设定为200nm，将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8，将周期结构设定为如图1A所示那样的在y方向上均匀的一维周期结构，将高度设定为50nm，将周期设定为400nm，光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式，由此进行计算。将改变发光波长和周期结构的折射率计算向正面方向输出的光的增强度得到的结果表示在图8中。另外，将以相同的条件将光致发光层的膜厚设定为1000nm时的结果表示在图9中。

首先，着眼于光致发光层的膜厚，可知与膜厚为200nm时(图8)相比，膜厚为1000nm时(图9)相对于周期结构的折射率变化的光强度达到峰值的波长(称为峰值波长)的位移更小。这是因为，光致发光层的膜厚越小，模拟导波模式越容易受到周期结构的折射率的影响。即，周期结构的折射率越高，有效折射率越大，相应地峰值波长越向长波长侧位移，但该影响在膜厚越小时越明显。另外，有效折射率由存在于模拟导波模式的电场分布的区域中的介质的折射率决定。

接着，着眼于相对于周期结构的折射率变化的峰的变化，可知折射率越高，则峰越宽，强度越降低。这是因为周期结构的折射率越高，则模拟导波模式的光放出到外部的速率越高，因此封闭光的效果减少，即，Q值变低。为了保持高的峰强度，只要设定为利用封闭光的效果高(即Q值高)的模拟导波模式适度地将光放出到外部的构成就行。可知为了实现该构成，不优选将折射率与光致发光层的折射率相比过大的材料用于周期结构。因此，为了将峰强度和Q值提高一定程度，只要将构成周期结构的电介质(即，透光层)的折射率设定为光致发光层的折射率的同等以下就行。光致发光层包含除了光致发光材料以外的材料时也是同样的。

[4-2.周期结构的高度]

接着，对于周期结构的高度进行研究。将光致发光层的膜厚设定为1000nm，将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8，周期结构为如图1A所示的那样的在y方向上均匀的一维周期结构，并且将折射率设定为n_p＝1.5，将周期设定为400nm，光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式，由此进行计算。将改变发光波长和周期结构的高度计算向正面方向输出的光的增强度的结果表示在图10中。将以相同的条件将周期结构的折射率设定为n_p＝2.0时的计算结果表示在图11中。可知在图10所示的结果中，在一定程度以上的高度，峰强度、Q值(即，峰的线宽)不变化，而在图11所示的结果中，周期结构的高度越大，峰强度和Q值越低。这是因为，在光致发光层的折射率n_wav比周期结构的折射率n_p高的情况(图10)下，光进行全反射，因此仅模拟导波模式的电场的溢出(瞬逝)部分与周期结构相互作用。在周期结构的高度足够大的情况下，即使高度变化到更高，电场的瞬逝部分与周期结构的相互作用的影响也是固定的。另一方面，在光致发光层的折射率n_wav比周期结构的折射率n_p低的情况(图11)下，由于光不全反射而到达周期结构的表面，因此周期结构的高度越大，越受其影响。仅观察图11，可知高度为100nm左右就足够，在超过150nm的区域，峰强度和Q值降低。因此，在光致发光层的折射率n_wav比周期结构的折射率n_p低的情况下，为了使峰强度和Q值一定程度提高，只要将周期结构的高度设定为150nm以下就行。

[4-3.偏振方向]

接着，对于偏振方向进行研究。将以与图9所示的计算相同的条件设定为光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式进行计算得到的结果表示在图12中。在TE模式时，由于模拟导波模式的电场溢出比TM模式的电场溢出大，因此容易受到由周期结构产生的影响。所以，在周期结构的折射率n_p大于光致发光层的折射率n_wav的区域，峰强度和Q值的降低比TM模式明显。

[4-4.光致发光层的折射率]

接着，对于光致发光层的折射率进行研究。将以与图9所示的计算相同的条件将光致发光层的折射率n_wav变更为1.5时的结果表示在图13中。可知即使是光致发光层的折射率n_wav为1.5的情况下，也可以得到大致与图9同样的效果。但是，可知波长为600nm以上的光没有向正面方向射出。这是因为，根据式(10)，λ₀＜n_wav×p/m＝1.5×400nm/1＝600nm。

由以上的分析可知，在将周期结构的折射率设定为与光致发光层的折射率同等以下或者周期结构的折射率为光致发光层的折射率以上的情况下，只要将高度设定为150nm以下就能够提高峰强度和Q值。

[5.变形例]

以下，对本实施方式的变形例进行说明。

[5-1.具有基板的构成]

如上所述，如图1C和图1D所示，发光器件也可以具有在透明基板140之上形成有光致发光层110和周期结构120的结构。为了制作这样的发光器件100a，可以考虑如下的方法：首先，在透明基板140上由构成光致发光层110的光致发光材料(根据需要包含基质材料；以下同)形成薄膜，在其之上形成周期结构120。在这样的构成中，为了通过光致发光层110和周期结构120而使其具有将光向特定方向射出的功能，透明基板140的折射率n_s需要设定为光致发光层的折射率n_wav以下。在将透明基板140以与光致发光层110相接触的方式设置的情况下，需要以满足式(10)中的出射介质的折射率n_out设定为n_s的式(15)来设定周期p。

为了确认上述内容，进行了在折射率为1.5的透明基板140之上设置有与图2所示的计算相同条件的光致发光层110和周期结构120时的计算。本计算的结果表示在图14中。与图2的结果同样地，能够确认对于每个波长以特定周期出现光强度的峰，但可知峰出现的周期的范围与图2的结果不同。对此，将式(10)的条件设定为n_out＝n_s得到的式(15)的条件表示在图15中。图14中可知在与图15所示的范围相对应的区域内，出现光强度的峰。

因此，对于在透明基板140上设置有光致发光层110和周期结构120的发光器件100a而言，在满足式(15)的周期p的范围可以获得效果，在满足式(13)的周期p的范围可以得到特别显著的效果。

[5-2.具有激发光源的发光装置]

图16是表示具备图1A、1B所示的发光器件100和使激发光射入光致发光层110的光源180的发光装置200的构成例的图。如上所述，本申请的构成通过使光致发光层被紫外线或蓝色光等激发光激发，得到具有指向性的发光。通过设置以射出这样的激发光的方式构成的光源180，能够实现具有指向性的发光装置200。由光源180射出的激发光的波长典型地为紫外或蓝色区域的波长，但不限于这些，可以根据构成光致发光层110的光致发光材料适当确定。另外，在图16中，光源180被配置为由光致发光层110的下表面射入激发光，但不限于这样的例子，例如也可以由光致发光层110的上表面射入激发光。

也有通过使激发光与模拟导波模式结合来使光高效地射出的方法。图17是用于说明这样的方法的图。在该例子中，与图1C、1D所示的构成同样地，在透明基板140上形成有光致发光层110和周期结构120。首先，如图17(a)所示，为了增强发光，确定x方向的周期p_x；接着，如图17(b)所示，为了使激发光与模拟导波模式结合，确定y方向的周期p_y。周期p_x以满足在式(10)中将p置换为p_x后的条件的方式确定。另一方面，周期p_y以将m设定为1以上的整数、将激发光的波长设定为λ_ex、将与光致发光层110接触的介质中除了周期结构120以外折射率最高的介质的折射率设定为n_out并满足以下的式(16)的方式确定。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_{ex}}{n_{wav}}<p_y<\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_{ex}}{n_{out}}---\left(16\right)$

这里，n_out在图17的例子中为透明基板140的n_s，但在如图16所示不设置透明基板140的构成中，为空气的折射率(约1.0)。

特别是，如果设定为m＝1以满足下式(17)的方式确定周期p_y，则能够进一步提高将激发光转换为模拟导波模式的效果。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{ex}}{n_{wav}}<p_y<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{ex}}{n_{out}}---\left(17\right)$

这样，通过以满足式(16)的条件(特别是式(17)的条件)的方式设定周期p_y，能够将激发光转换为模拟导波模式。其结果是，能够使光致发光层110有效地吸收波长λ_ex的激发光。

图17(c)、(d)分别是表示相对于图17(a)、(b)所示的结构射入光时对每个波长计算光被吸收的比例的结果的图。在该计算中，设定为p_x＝365nm、p_y＝265nm，将来自光致发光层110的发光波长λ设定为约600nm，将激发光的波长λ_ex设定为约450nm，将光致发光层110的消光系数设定为0.003。如图17(d)所示，不仅对由光致发光层110产生的光，而且对于作为激发光的约450nm的光也显示高的吸收率。这是因为，通过将射入的光有效地转换为模拟导波模式，能够使光致发光层所吸收的比例增大。另外，虽然即使对作为发光波长的约600nm，吸收率也增大，但这如果在约600nm的波长的光射入该结构的情况下，则同样被有效地转换为模拟导波模式。这样，图17(b)所示的周期结构120为在x方向和y方向分别具有周期不同的结构(周期成分)的二维周期结构。这样，通过使用具有多个周期成分的二维周期结构，能够提高激发效率，并且提高出射强度。另外，图17中是使激发光由基板侧射入，但即使由周期结构侧射入也可以得到相同效果。

进而，作为具有多个周期成分的二维周期结构，也可以采用如图18A或图18B所示的构成。通过设定为如图18A所示将具有六边形的平面形状的多个凸部或凹部周期性地排列而成的构成或如图18B所示将具有三角形的平面形状的多个凸部或凹部周期性地排列而成的构成，能够确定可视为周期的多个主轴(图的例子中为轴1～3)。因此，能够对于各个轴向分配不同的周期。可以为了提高多个波长的光的指向性分别设定这些周期，也可以为了高效地吸收激发光而分别设定这些周期。在任何一种情况下，都以满足相当于式(10)的条件的方式设定各周期。

[5-3.透明基板上的周期结构]

如图19A和图19B所示，可以在透明基板140上形成周期结构120a，在其之上设置光致发光层110。在图19A的构成例中，以追随基板140上的由凹凸构成的周期结构120a的方式形成光致发光层110，结果在光致发光层110的表面也形成有相同周期的周期结构120b。另一方面，在图19B的构成例中，进行了使光致发光层110的表面变得平坦的处理。在这些构成例中，通过以周期结构120a的周期p满足式(15)的方式进行设定，也能够实现指向性发光。

为了验证该效果，在图19A的构成中，改变发光波长和周期结构的周期来计算向正面方向输出的光的增强度。这里，将光致发光层110的膜厚设定为1000nm，将光致发光层110的折射率设定为n_wav＝1.8，周期结构120a为在y方向均匀的一维周期结构且高度为50nm，折射率n_p＝1.5，周期为400nm，光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式。本计算的结果表示在图19C中。本计算中，也以满足式(15)的条件的周期观测到了光强度的峰。

[5-4.粉体]

根据以上的实施方式，能够通过调整周期结构的周期、光致发光层的膜厚，突出任意波长的发光。例如，如果使用以宽带域发光的光致发光材料并设定为如图1A、1B所示的构成，则能够仅突出某个波长的光。因此，也可以将如图1A、1B所示那样的发光器件100的构成设定为粉末状，并制成荧光材料进行利用。另外，也可以将如图1A、1B所示那样的发光器件100埋入树脂、玻璃等进行利用。

在如图1A、1B所示那样的单体的构成中，制成仅向特定方向射出某个特定波长，因此难以实现例如具有宽波长区域的光谱的白色等的发光。于是，通过使用如图20所示混合了周期结构的周期、光致发光层的膜厚等条件不同的多个粉末状发光器件100的构成，能够实现具有宽波长区域的光谱的发光装置。此时，各个发光器件100的一个方向的尺寸例如为数μm～数mm左右；其中，例如可以包含数周期～数百周期的一维或二维周期结构。

[5-5.排列周期不同的结构]

图21是表示在光致发光层之上将周期不同的多个周期结构以二维排列而成的例子的俯视图。在该例子中，三种周期结构120a、120b、120c没有间隙地排列。周期结构120a、120b、120c例如以分别将红、绿、蓝的波长区域的光向正面射出的方式设定周期。这样，也能够通过在光致发光层之上排列周期不同的多个结构，对于宽波长区域的光谱发挥指向性。另外，多个周期结构的构成不限于上述的构成，可以任意设定。

[5-6.层叠结构]

图22表示具有表面上形成有凹凸结构的多个光致发光层110层叠而成的结构的发光器件的一个例子。多个光致发光层110之间设置有透明基板140，形成在各层的光致发光层110的表面上的凹凸结构相当于上述的周期结构或亚微米结构。在图22所示的例子中，形成了三层的周期不同的周期结构，分别以将红、蓝、绿的波长区域的光向正面射出的方式设定周期。另外，以发出与各周期结构的周期相对应的颜色的光的方式选择各层的光致发光层110的材料。这样，即使通过层叠周期不同的多个周期结构，也能够对于宽波长区域的光谱发挥指向性。

另外，层数、各层的光致发光层110和周期结构的构成不限于上述的构成，可以任意设定。例如，在两层的构成中，隔着透光性的基板，第一光致发光层与第二光致发光层以相对置的方式形成，在第一和第二光致发光层的表面分别形成第一和第二周期结构。此时，只要第一光致发光层与第一周期结构这一对和第二光致发光层与第二周期结构这一对分别满足相当于式(15)的条件就行。在三层以上的构成中也同样地，只要各层中的光致发光层和周期结构满足相当于式(15)的条件就行。光致发光层和周期结构的位置关系可以与图22所示的关系相反。虽然在图22所示的例子中，各层的周期不同，但也可以将它们全部设定为相同周期。此时，虽然不能使光谱变宽，但能够增大发光强度。

[5-7.具有保护层的构成]

图23是表示在光致发光层110与周期结构120之间设置有保护层150的构成例的剖视图。这样，也可以设置用于保护光致发光层110的保护层150。但是，在保护层150的折射率低于光致发光层110的折射率的情况下，在保护层150的内部，光的电场只能溢出波长的一半左右。因此，在保护层150比波长厚的情况下，光达不到周期结构120。因此，不存在模拟导波模式，得不到向特定方向放出光的功能。在保护层150的折射率为与光致发光层110的折射率相同程度或者其以上的情况下，光到达保护层150的内部。因此，对保护层150没有厚度的制约。但是，在这种情况下，由光致发光材料形成光导波的部分(以下将该部分称为“导波层”)的大部分可以得到大的光输出。因此，在这种情况下，也优选保护层150较薄者。另外，也可以使用与周期结构(透光层)120相同的材料形成保护层150。此时，具有周期结构的透光层兼为保护层。透光层120的折射率优选比光致发光层110的折射率小。

[6.材料和制造方法]

如果用满足如上所述的条件的材料构成光致发光层(或者导波层)和周期结构，则能够实现指向性发光。周期结构可以使用任意材料。然而，如果形成光致发光层(或者导波层)、周期结构的介质的光吸收性高，则封闭光的效果下降，峰强度和Q值降低。因此，作为形成光致发光层(或者导波层)和周期结构的介质，可以使用光吸收性较低的材料。

作为周期结构的材料，例如可以使用光吸收性低的电介质。作为周期结构的材料的候补，例如可以列举：MgF₂(氟化镁)、LiF(氟化锂)、CaF₂(氟化钙)、SiO₂(石英)、玻璃、树脂、MgO(氧化镁)、ITO(氧化铟锡)、TiO₂(氧化钛)、SiN(氮化硅)、Ta₂O₅(五氧化钽)、ZrO₂(氧化锆)、ZnSe(硒化锌)、ZnS(硫化锌)等。但是，在如上所述使周期结构的折射率低于光致发光层的折射率的情况下，可以使用折射率为1.3～1.5左右的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃、树脂。

光致发光材料包括狭义的荧光材料和磷光材料，不仅包括无机材料，也包括有机材料(例如色素)，还包括量子点(即，半导体微粒)。通常，以无机材料为主体的荧光材料存在折射率高的倾向。作为以蓝色发光的荧光材料，可以使用例如M₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、M₃MgSi₂O₈:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、M₅SiO₄Cl₆:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)。作为以绿色发光的荧光材料，可使用例如M₂MgSi₂O₇:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、SrSi₅AlO₂N₇:Eu²⁺、SrSi₂O₂N₂:Eu^{2 +}、BaAl₂O₄:Eu²⁺、BaZrSi₃O₉:Eu²⁺、M₂SiO₄:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、BaSi₃O₄N₂:Eu²⁺、Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺、Ca₃SiO₄Cl₂:Eu²⁺、CaSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_16-n:Ce³⁺、β-SiAlON:Eu²⁺。作为以红色发光的荧光材料，可使用例如CaAlSiN₃:Eu²⁺、SrAlSi₄O₇:Eu²⁺、M₂Si₅N₈:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、MSiN₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、MSi₂O₂N₂:Yb²⁺(M＝选自Sr和Ca中的至少一种)、Y₂O₂S:Eu³⁺,Sm³⁺、La₂O₂S:Eu³⁺,Sm³⁺、CaWO₄:Li¹⁺,Eu³⁺,Sm^{3 +}、M₂SiS₄:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、M₃SiO₅:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)。作为以黄色发光的荧光材料，可使用例如Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、CaSi₂O₂N₂:Eu²⁺、Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce³⁺、CaSc₂O₄:Ce³⁺、α-SiAlON:Eu²⁺、MSi₂O₂N₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、M₇(SiO₃)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)。

量子点可以使用例如CdS、CdSe、核壳型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS等材料，根据材质能够得到各种发光波长。作为量子点的基质，例如可以使用玻璃、树脂。

图1C、1D等所示的透明基板140由比光致发光层110的折射率低的透光性材料构成。作为这样的材料，例如可以列举：MgF(氟化镁)、LiF(氟化锂)、CaF₂(氟化钙)、SiO₂(石英)、玻璃、树脂。

接着，对制造方法的一个例子进行说明。

作为实现图1C、1D所示的构成的方法，例如有如下方法：在透明基板140上通过蒸镀、溅射、涂布等工序将荧光材料形成光致发光层110的薄膜，然后形成电介质膜，通过光刻等方法进行图案化(布图)来形成周期结构120。也可以代替上述方法，通过纳米压印来形成周期结构120。另外，如图24所示，也可以通过仅加工光致发光层110的一部分来形成周期结构120。此时，周期结构120就由与光致发光层110相同的材料形成。

图1A、1B所示的发光器件100例如能够通过在制作图1C、1D所示的发光器件100a之后进行从基板140剥除光致发光层110和周期结构120的部分的工序来实现。

图19A所示的构成例如能够通过在透明基板140上以半导体工艺或纳米压印等方法形成周期结构120a，然后在其之上通过蒸镀、溅射等方法将构成材料形成光致发光层110来实现。或者，也能够通过利用涂布等方法将周期结构120a的凹部嵌入光致发光层110来实现图19B所示的构成。

另外，上述的制造方法为一个例子，本申请的发光器件不限于上述的制造方法。

[实验例]

以下，对制作本申请的实施方式的发光器件的例子进行说明。

试制具有与图19A同样构成的发光器件的样品，评价特性。发光器件如下操作来制作。

在玻璃基板上设置周期为400nm、高度为40nm的一维周期结构(条纹状的凸部)，从其之上形成210nm光致发光材料YAG:Ce膜。将其剖视图的TEM图像表示在图25中，通过将其用450nm的LED激发而使YAG:Ce发光时，测定其正面方向的光谱，将得到的结果表示在图26中。在图26中示出了测定没有周期结构时的测定结果(ref)、具有与一维周期结构平行的偏振光成分的TM模式和具有与一维周期结构垂直的偏振光成分的TE模式的结果。在存在周期结构时，与没有周期结构时相比，可以观察到特定波长的光显著增加。另外，可知具有与一维周期结构平行的偏振光成分的TM模式的光的增强效果大。

进而，将在相同的样品中出射光强度的角度依赖性的测定结果和计算结果表示在图27和图28中。图27表示以与一维周期结构(周期结构120)的线方向平行的轴为旋转轴旋转时的测定结果(上段)和计算结果(下段)；图28表示以与一维周期结构(即，周期结构120)的线方向垂直的方向为旋转轴旋转时的测定结果(上段)和计算结果(下段)。

另外，图27和图28分别表示与TM模式和TE模式的直线偏振光有关的结果；图27(a)表示与TM模式的直线偏振光有关的结果；图27(b)表示与TE模式的直线偏振光有关的结果；图28(a)表示与TE模式的直线偏振光有关的结果；图28(b)表示与TM模式的直线偏振光有关的结果。由图27和图28可知：TM模式的增强效果更高，而且被增强的波长随着角度不同而发生位移。例如，对于610nm的光而言，由于为TM模式且仅在正面方向存在光，因此可知指向性且偏振发光。此外，由于各图的上段和下段一致，因此上述计算的正确性得到了实验证实。

图29表示了由上述测定结果例如使610nm的光以与线方向垂直的方向为旋转轴旋转时的强度的角度依赖性。可以观察出：在正面方向上产生了强的发光增强，对于其他角度而言，光几乎没有被增强的情况。可知向正面方向射出的光的指向角小于15°。此外，指向角是强度为最大强度的50％的角度，用以最大强度的方向为中心的单侧的角度表示。即，可知实现了指向性发光。此外，由于所射出的光全都为TM模式的成分，因此可知同时也实现了偏振发光。

以上的验证使用在广带域的波长带发光的YAG:Ce来进行实验，但即使使用发光为窄带域的光致发光材料以同样的构成进行实验，对于该波长的光也能够实现指向性和偏振发光。此外，在这样的情况下，由于不产生其他波长的光，因此能够实现不产生其他方向和偏振状态的光的光源。

[7.使激发光的吸收效率提高的实施方式]

接着，对用于使光致发光层110高效地吸收激发光的实施方式进行说明。

作为使激发光射入光致发光层110的构成，例如可以考虑上述的图16所示的构成。在图16的构成中，激发光大致垂直地射入光致发光层110。由此，导致激发光的大部分从光致发光层110透过，有可能无法提高吸收效率。如果是将激发光的一部分取出到外部来利用的方案(例如，从蓝色的激发光和黄色的荧光取出白色光的方案)则没有问题，但是对于不是这样的方案而言，要求使光致发光材料吸收尽可能多的激发光。因此，以下对使得激发光的吸收效率提高的实施方式进行说明。

(实施方式1)

图31是示意性地表示第一实施方式的发光装置的一部分的局部剖视图。图32是示意性地表示该发光装置的一部分的立体图。该发光装置除了具备透明基板140、光致发光层110、周期结构120以外，还具备导光结构体220。导光结构体220作为将由光源180射出的激发光导向光致发光层110的激发光导入导向件起作用。由光源180射出的激发光如图31中箭头所示，从导光结构体220透过而射入光致发光层110，在光致发光层110内传播。在光侵入透明基板140的情况下，如图31中虚线所示，光还能在透明基板140内传播。

导光结构体220形成在光致发光层110中周期结构120一侧的表面。由此，能够使激发光由存在周期结构120一侧的面射入光致发光层110，在光致发光层110封闭激发光。导光结构体220由三棱柱状的透光性构件(三棱镜)构成。该例子中的导光结构体220具有向与周期结构120的线方向(即，各凸部的长度方向)平行的方向延伸的形状。对于构成导光结构体220的材料而言，例如可以使用例示过的上述材料中的任意材料作为周期结构120的材料。

图31和图32没有反映各构成要素的现实尺寸。例如，导光结构体220可以具有周期结构120周期的10倍以上的宽度。这里，导光结构体220的宽度是指图31所示的导光结构体220的截面三角形中的一边长度。导光结构体220的宽度可以设定在例如数μm～数mm的范围内。

导光结构体220使由光源180射出的激发光以规定的入射角度射入光致发光层110。该入射角度以在光致发光层110与透明基板140的界面或在透明基板140与外部的空气层的界面产生全反射的方式进行设定。由此，能够将激发光封闭在光致发光层110的内部或光致发光层110和透明基板140的内部中。其结果是，能够使得光致发光层110的发光效率提高。

图33是为了说明用于将激发光通过全反射来封闭的条件的图。将导光结构体220的折射率设定为n_st，将光致发光层110的折射率设定为n_fl，将透明基板140的折射率设定为n_sub，将从导光结构体220到光致发光层110的激发光的入射角设定为θ_st，将出射角设定为θ_fl。另外，将激发光侵入透明基板140内时从光致发光层110到透明基板140的入射角设定为θ_fl，将出射角设定为θ_sub。

将激发光封闭在光致发光层110内的条件由以下的式(18)表示。

n_stsin(θ_st)＝n_flsin(θ_fl)＞n_sub (18)

将激发光封闭在光致发光层110和透明基板140内的条件由以下的式(19)表示。

n_stsin(θ_st)＝n_flsin(θ_fl)＝n_subsin(θ_sub)＞1 (19)

因此，如果以满足式(19)的方式来确定来自光源180的激发光的出射角度以及导光结构体220的折射率和形状，则能够将激发光通过全反射封闭在包括光致发光层110在内的区域内。由此，来自光致发光层110的发光得到促进，出射效率提高。

导光结构体220的结构和配置不限于上述例子，可以考虑各种构成。例如，导光结构体220不限于一个，还可以由包含多个棱镜的棱镜阵列构成。在这种情况下，各棱镜不限于三棱柱形状，还可以具有除了三棱柱以外的棱柱、半球或锥体等其他形状。导光结构体220不限于设置在光致发光层110中存在周期结构120一侧的面，还可以设置在与其相反一侧的面。在这种情况下，能够使激发光从与存在周期结构120一侧相反一侧的面射入光致发光层110，将激发光封闭在光致发光层110中。

图34～图38是示意性地表示导光结构体220的另一个例子的局部剖视图。图34示出从图31所示的构成中除去透明基板140后的构成。就算在该例子中，如果以成立n_stsin(θ_st)＞1的方式来确定导光结构体220的折射率n_st和激发光的入射方向，则也能够将激发光封闭在光致发光层110内。

图35示出导光结构体220由半球状透光性构件构成的例子。在该例子中，如果使激发光向球的中心射出，则不受折射的影响，因此容易调整角度。

图36示出导光结构体220由衍射光栅构成的例子。该衍射光栅具有多个凹凸形状的透光性构件在周期结构120的排列方向(即，图的横向)上排列而成的结构。在该例子中，激发光以由衍射产生的光在光致发光层110内传播的方式射入衍射光栅。在图示的例子中，激发光垂直地射入光致发光层110，但是入射角度不限于该例子。另外，衍射光栅的周期优选设定成与激发光共振的周期。

图37示出导光结构体220由闪耀衍射光栅构成的例子。在闪耀衍射光栅中，能够增强某个次数的衍射光强度。该闪耀衍射光栅具有多个三棱柱状的透光性构件在周期结构120的排列方向(即，图的横向)上排列而成的结构。在该例子中，激发光以由衍射产生的光在光致发光层110内存在周期结构120的方向上较强地传播的方式射入闪耀衍射光栅。在图示的例子中，激发光垂直地射入光致发光层110，但是入射角度不限于该例子。

图38示出将由闪耀衍射光栅构成的导光结构体220设置在光致发光层110的背面(即，与存在周期结构120一侧相反一侧的面)的构成例。在该例子中，光致发光层110形成在透明基板140上。导光结构体220设置在透明基板140的内部。就算在该例子中，激发光也以由衍射产生的光在光致发光层110(或者透明基板140)内传播的方式射入闪耀衍射光栅。激发光的入射方向不限于与光致发光层110垂直的方向，还可以是倾斜的方向。另外，不限于闪耀衍射光栅，还可以将图36所示的衍射光栅设置在光致发光层110的背面。

图39～图41是表示由多个透光性构件构成的导光结构体220的另一个例子的立体图。图39示出由棱镜阵列构成的导光结构体220的例子，该棱镜阵列由在与周期结构120的排列方向相同的方向上排列的多个三棱镜形成。图40示出由二维排列的多个半球棱镜的阵列构成的导光结构体220的例子。图41示出由在周期结构120的各凸部延伸的方向上排列的多个金字塔形状棱镜的阵列构成的导光结构体220的例子。在任一个例子中，均能够将激发光高效地导入光致发光层110。

构成导光结构体220的透光性构件的个数不限于图示的个数，还可以由多个透光性构件构成导光结构体220。另外，各构件的排列方向不限于图示的方向。但是，如果在与周期结构120的排列方向相同或者垂直的方向没有遗漏地均匀排列透光性构件，则使得作为薄膜荧光体的光致发光层110整体容易吸收激发光。

图42～图44是用于说明导光结构体220的配置的例子的图。导光结构体220可以如图42所示位于光致发光层110的一端，还可以如图43所示位于周期结构120之间(例如光致发光层110的中央附近)。如图44所示，多个导光结构体220还可以配置在光致发光层110的两端。在任一个配置中，均能够将激发光封闭在光致发光层110中。

(实施方式2)

图45是示意性地表示具有导光结构体220的发光装置的第二实施方式的局部剖视图。在该发光装置与实施方式1不同点在于：导光结构体220形成在透明基板140中与光致发光层110一侧相反一侧。这样，导光结构体220设置在透明基板140与外部的介质(例如空气)的界面的一部分。由此，能够使由光源180射出的激发光从与存在周期结构120一侧相反一侧经由透明基板140射入光致发光层110，封闭在光致发光层110中。

在图45所示的例子中，导光结构体220是具有三棱柱形状的三棱镜，但是如实施方式1中进行了说明那样，还可以具有半球、金字塔、衍射光栅、闪耀衍射光栅等其他结构。导光结构体220还可以由多个透光性构件构成。

图46是用于说明本实施方式的激发光的入射角度的图。将导光结构体220与透明基板140的界面处的激发光的入射角设定为θ_st，将出射角设定为θ_sub，将透明基板140与光致发光层110的界面处的激发光的出射角设定为θ_fl。与实施方式1同样地，将导光结构体220的折射率设定为n_st，将透明基板140的折射率设定为n_sub，将光致发光层110的折射率设定为n_fl。于是，光在光致发光层110内传播的条件由以下的式(20)表示。

n_stsin(θ_st)＝n_subsin(θ_sub)＝n_flsin(θ_fl)＞1 (20)

因此，光源180被构成为以满足式(20)的方式使激发光向导光结构体220射出。

图47是用于对来自光源180的激发光的出射方向进行更详细说明的图。在图47中，为了简单起见，省略除了透明基板140和导光结构体220以外的构成要素的记载内容。将折射率n_out的外气(例如空气)与导光结构体220的界面处的激发光的入射角设定为θ_i，将出射角设定为θ_o，将激发光向导光结构体220的入射方向与透明基板140的面方向所成的角度设定为θ_in，将导光结构体220截面形状的三角形的顶角设定为θ_t。

在该构成例中，成立以下的关系式。

θ_in＝90-(θ_t+θ_i)

θ_st＝θ_t+θ_o

n_outsin(θ_i)＝n_stsin(θ_o)

根据这些关系式和式(20)的条件，能够求出角度θ_i和θ_in的条件。例如，在n_st＝1.5、θ_t＝60°的情况下，得到θ_in＜56.8这一条件。

在导光结构体220为半球状的透光性构件的情况下，如果向球的中心射出激发光则理想来说不会产生折射，因此只要在以上的式中设定为θ_in＝θ_o就行。

(实施方式3)

接着，对使得激发光的吸收效率提高的第三实施方式进行说明。本实施方式的发光装置通过高效地使激发光与模拟导波模式结合，由此使得发光效率提高。

图48是示意性地表示在光致发光层110内产生的光与模拟导波模式结合并向外部射出的状况的剖视图。衍射现象依赖于波长，因此在特定波长的光向光致发光层110的法线方向最强地射出的情况下，其他波长的光向从光致发光层110的法线方向倾斜的方向(斜向)最强地射出。图48示出红色光(R)向与光致发光层110垂直的方向最强地射出、绿色光(G)和蓝色光(B)向与红色光(R)不同的方向射出的例子。在该例子中，相对于在光致发光层110内传播的光的入射角θ_in，蓝色光(B)向出射角θ_out的方向最强地射出。

这是指：当使波长与蓝色光(B)相同的激发光以入射角度θ_out射入光致发光层110时，激发光被构成光致发光层110的薄膜荧光体共振吸收。如果利用该效果，则就算在没有导光结构体220的情况下，也能够提高激发光的吸收效率。就共振条件而言，将周期结构120的周期设定为p，将空气中的激发光的波长设定为λ_ex，由以下的式(21)表示。

pn_insin(θ_in)-pn_outsin(θ_out)＝mλ_ex(m为整数) (21)

因此，本实施方式的发光装置的激发光源180如图49所示以使空气中的波长λ_ex的激发光以入射角θ_out射入光致发光层110的方式构成。激发光源180不限于光致发光层110中存在周期结构120一侧，还可以使激发光以入射角θ_out射入与其相反一侧。

为了确认上述的共振吸收效果，本申请者们对激发光的吸收率的入射角度依赖性进行了计算。图50是表示本计算设定的发光器件的构成的局部剖视图。该发光器件具备在表面具有一维周期结构的透明基板140以及形成在其上的包含荧光体的光致发光层110。光致发光层110在表面具有一维周期结构120。

在本计算中，将光致发光层110的折射率设定为1.77，将吸收系数设定为0.03，将透明基板140的折射率设定为1.5，将吸收系数设定为0。周期结构120的高度h设定为40nm，光致发光层110的厚度设定为185nm。周期结构120的周期p设定为400nm。该条件以使具有约620nm的波长的红色光向光致发光层110的法线方向射出的方式来确定。激发光的电场设定为与周期结构120中各凸部延伸的方向(线方向)平行地振动的TM模式。入射角度θ如图50(a)所示相当于以与周期结构120中的线方向平行的轴作为旋转轴旋转时的旋转角。这是因为，如图28所示可知，在以与线方向垂直的轴作为旋转轴旋转时，在激发光的波长(例如450nm或405nm)不产生共振。将入射角度θ和波长λ设定为变量，对使光由空气射入周期结构120时光致发光层110中的光的吸收率进行计算。

图51是表示本计算的结果的图。在该图中，颜色越淡表示吸收率越高。以使约620nm的红色光向与光致发光层110垂直的方向射出的方式进行设计，因此吸收率也在620nm附近共振地变高。当关注于波长为450nm的位置时，在入射角度为约28.5度的情况下产生共振吸收。也就是说，在激发光的波长为450nm的情况下，只要以约28.5度的入射角使激发光射入就行。在激发光的波长为405nm的情况下，只要以约37度的入射角使激发光射入就行。

作为以特定的入射角使激发光射入光致发光层110的方法，例如有使用如F.V.Laere et al.,IEEE J.lightwave Technol.25,151(2007)所公开的光纤的方法。图52是表示具备那样的光纤230作为导光结构体的发光装置的构成例的图。在该例子中，端被斜着切割而成的光纤230配置在发光器件的端。通过使激发光在芯232的内部传播，由此能够使光相对于光致发光层110倾斜地射入。光纤230不限于设置在光致发光层110的端，还可以设置在其他位置。

就算在采取了上述构成的情况下，激发光的大部分依然也会从光致发光层110和透明基板140透过。因此，对在透明基板140内封闭激发光并且将向光致发光层110的入射角度设定成引起共振吸收的角度来提高吸收效率的构成进行了研究。

图53是表示那样的构成的例子的局部剖视图。图53示出图50中的A-A’线截面。在该例子中，光源180由透明基板140一侧射出激发光。就这样的构成，对激发光的吸收率的入射角度依赖性进行计算。即使在本计算中，入射光的电场也设定为向周期结构120的线方向平行地振动的TM模式。在该例子中，向光致发光层110与透明基板140的界面的入射角度θ如图53(a)所示是以与周期结构120中的线方向垂直的轴作为旋转轴旋转时的旋转角。这是因为，在以与线方向平行的轴作为旋转轴旋转时，在激发光的波长(例如450nm或405nm)，共振的角度比全反射角低，没有封闭激发光。

图54是示意性地表示将以与周期结构120的线方向平行的轴作为旋转轴旋转时的旋转角设定为入射角θ的构成的剖视图。图55是表示就激发光的吸收率对入射角度θ和空气中的波长λ的依赖性进行计算得到的结果的图。图55的计算条件除了入射光为TE模式这一点以外，与图50和图51中的计算条件相同。由图55的结果可知：产生共振吸收的角度比全反射角(该例子中为约42度)小。

因此，在图53所示的例子中，将以与一维周期结构120的线方向垂直的轴作为旋转轴旋转时的旋转角设定为入射角度θ。在图53的构成中，将入射角度θ和空气中的波长λ设定为变量，对激发光的吸收率进行计算。计算条件设定为与图50和图51中的计算条件相同。

图56是表示本计算的结果的图。当关注于波长450nm时，在入射角度θ为约52度的情况下引起共振吸收。因此，激发光源的波长为450nm的情况下，只要使激发光与周期结构120的线方向平行地向入射角度θ为约52度的方向射出就行。在激发光源的波长为405nm的情况下，只要使激发光与周期结构120的线方向平行地向入射角度θ为约61.6度的方向射出就行。如图56的结果所示，本构成例能够使激发光的吸收效率进一步提高。

本实施方式还可以使用如实施方式1或实施方式2那样的导光结构体220来使激发光射入透明基板140。在图53的构成中，为了使产生共振吸收的入射角度θ比全反射角度大，设置如实施方式2那样的导光结构体220是有效的。即，如图57所示，还可以设置导光结构体220，该导光结构体220以使激发光不具有在与周期结构120的线方向和光致发光层110的厚度方向这两者垂直的方向(图57的纸面垂直方向)传播的成分的方式使激发光射入透明基板140。那样的导光结构体220具有向与周期结构120的线方向和层110的厚度方向这两者垂直的方向延伸的结构。由此，能够使得光致发光层110中的激发光的吸收率提高，并且将激发光封闭在光致发光层110和透明基板140中。这样的导光结构体220不限于三棱镜，还可以具有其他形状。另外，就算在实施方式1和2的各构成例中，也可以具有导光结构体220向与周期结构120的线方向和层110的厚度方向这两者垂直的方向延伸的结构。

如以上所示，在本实施方式中，周期结构(亚微米结构)120以空气中的波长为λ_a的第一光向光致发光层110的法线方向最强地射出、波长构成λ_ex的第二光在光致发光层110的内部传播的情况下由光致发光层110的法线方向向角度为θ_out的方向最强地射出的方式构成。光源180和/或导光结构体220以使激发光以入射角θ_out射入光致发光层110的方式构成。通过这样的构成，能够使激发光被光致发光层110共振吸收，因此能够使得发光效率进一步提高。

[8.在发光器件的单侧设置反射层的实施方式]

图58是表示具有光致发光层32的发光装置3900的剖视图。如图58所示，在发光装置3900中，在光致发光层32的表面和光致发光层32与透明基材38的界面设置有周期结构35。通过该周期结构35的作用，向特定方向(例如光致发光层32的法线方向)射出具有高指向性的光。该指向性高的光由发光装置3900的表面侧和背面侧这两者射出。

但是，就通常的用途而言，大多期望使光仅由包含光致发光层32的发光器件的光出射面一侧射出。于是，如图59所示，本实施方式的发光装置3000在光致发光层32的单侧(背面侧)设置了用于反射来自光致发光层32的光的反射层50。

在发光装置3000中，反射层50由透光性的材料形成，例如，可以包含图中示出三角形截面的横向三棱柱状的棱镜50P。三棱柱状的棱镜50P例如可以与形成为条纹状的周期结构35平行地延伸，但也可以沿着其他方向(例如正交的方向)延伸。另外，在本说明书中，将设置了反射层50一侧称为发光器件(或者光致发光层32)的背面侧，将与其相反一侧称为发光器件(或者光致发光层32)的前面侧。

另外，图59示出在光致发光层32的前面侧的表面和光致发光层32与反射层50的界面设置周期结构35的方案，但是不限于此，可以在上述的各种形态中设置周期结构35。例如，也可以仅在光致发光层32的前面侧设置周期结构35。另外，为了适当地形成模拟导波模式，反射层50的折射率还可以设定为比光致发光层32的折射率小。在本实施方式中，反射层50还可以兼具作为用于支撑光致发光层32的基材的功能。

三棱柱状的棱镜50P具有相对于外侧的介质(例如空气)55露出的两个带状的倾斜面50S。这些倾斜面50S以相互相对不同的角度配置，并在棱镜前端的棱线处连接。三棱柱状棱镜50P的折射率n1比外侧的介质55的折射率n2大。由此，由光致发光层32射出到其背面侧并且在三棱柱状的棱镜50P内传播的光可以在两个倾斜面50S全反射。

在该构成中，向光致发光层32的背面侧射出的光的至少一部分被反射层50反射并朝向光致发光层32。由此，能够使由包含光致发光层32的发光器件的前面侧射出的光的量增加。

在图59所示的构成中，还可以使激发光由反射层50的背面侧经由反射层50射入光致发光层32。即，如在上述的[7.使得激发光的吸收效率提高的实施方式]中进行了说明那样，通过使激发光相对于光致发光层32的层面以适当的入射角度由斜向照射棱镜50P，也能够使得激发光的吸收效率提高。在这样的构成中，反射层50还作为“导光结构体”起作用。

反射层50不限于上述的三棱柱状的棱镜50P，还可以具有柱状透镜。另外，反射层50还可以具有棱锥(金字塔)状或圆锥状的多个凸部、微透镜阵列、角锥棱镜阵列(以包括互相正交的三个平面的凸部和凹部为单位结构的回归反射结构)等细微的凸部和/或凹部。另外，在反射层50中排列成条纹状或点状的上述各种凹凸结构的间距与周期结构的间距相比还可以足够大，例如可以为10μm～1000μm左右。设置在反射层50的凹凸结构例如可以由丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂等有机材料或SiO₂，TiO₂等无机材料形成。但是，并不限于这些材料。

另外，上述的凹凸结构还可以直接形成在作为反射层50来使用的透明基材的背面。作为透明基材，例如可以使用玻璃基板、塑料基板等。作为玻璃基板的材料，例如可以使用石英玻璃、钠钙玻璃、无碱玻璃等。作为塑料板的材料，例如可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜、聚碳酸酯等。在使用塑料板的情况下，还可以使用在塑料基板的表面形成了SiON膜、SiN膜等的塑料板。在这种情况下，能够高效地抑制水分透过。另外，透明基材可以是刚性的，也可以是柔性的。在这些透明基材的背面，可以通过公知的表面加工法来形成棱镜、透镜等凹凸结构。

另外，在图59所示的方案中，反射层50包含支撑三棱柱状棱镜50P的基部(厚度部分)，但不限于此。反射层50也可以由实质上不具有基部而以与光致发光层32接触的方式设置的多个凸结构构成。另外，在反射层50与光致发光层32之间，还可以夹着透明缓冲层等。

图60是用于对反射层50的三棱柱状棱镜的倾斜面(反射面)50S的倾斜角度θ进行说明的图。倾斜面50S的倾斜角度θ如图所示被规定为倾斜面50S相对于棱镜的底面50B(或者发光层的层面)所成的角度。这里，作为例示，对两个倾斜面50S的倾斜角度θ相同的情况进行说明。在两个倾斜面50S的倾斜角度为相同的情况下，三棱柱状棱镜的截面形成等腰三角形。

根据棱镜的倾斜角度θ，射出到光致发光层32的背面侧的光LT的反射率不同。为了得到高反射率，倾斜角度θ优选满足使用反射层50的折射率n1和反射层50外侧的介质55(例如空气)的折射率n2由斯涅耳定律导出的θ＞arcsin(n2/n1)。该式示出了由光致发光层32向与棱镜的底面50B垂直的方向射入的光LT以临界角以上的角度射入倾斜面50S并且在倾斜面50S与外侧的介质55的界面全反射的条件。

另外，如图60所示，将在一个倾斜面50S全反射后的光LT在另一个倾斜面50S全反射时的入射角度设定为θ’。此时，如图所示，由光LT的路线和示出底面50B的水平线包围而成的四边形的内角之和成立90°+2θ+2θ’+(θ+b)＝360°，因此可知3θ+2θ’+b＝270°。另外，由于b+θ’＝90°，因此由上述式导出3θ+θ’＝180°，即，θ’＝180°-3θ。

为了在另一个倾斜面50S产生全反射，需要入射角θ’比临界角大，即，满足θ’＞arcsin(n2/n1)。这里，可知：如果代入上述的θ’＝180°-3θ。则在满足180°-arcsin(n2/n1)＞3θ的情况下，在另一个倾斜面50S也会全反射。由以上内容可知：为了使得来自发光器件的光LT在棱镜的两个倾斜面50S均全反射并返回入射侧。θ的范围优选满足arcsin(n2/n1)＜θ＜60°-(1/3)×arcsin(n2/n1)。也就是说，如果与形成棱镜的材料的折射率n1和外侧介质的折射率n2相对应地以满足上述的式的方式来适当地选择棱镜的倾斜面的倾斜角度θ，则能够使得由发光器件射出的尤其向垂直方向具有高指向性的光LT被反射层50向发光器件侧反射。例如，在棱镜的折射率n1为1.5、外侧介质的折射率n2为1.0时，由上述式导出只要满足约41°＜θ＜约46°就行。也就是说，在形成于玻璃基板背面的棱镜曝露于空气中那样的情况下，通过将棱镜的倾斜角度θ设定为超过41°且小于46°，能够高效地反射垂直方向的光。尤其是，还可以将倾斜角度θ设定为45°附近。

以下，参照图61(a)～(d)，对反射层50具有其他构成的各种实施方式进行说明。

图61(a)示出在光致发光层32的背面侧隔着透明基材48设置作为反射层的金属反射膜50a的方案。金属反射膜50a以反射由光致发光层32的背面侧射出的光的方式起作用。由此，能够增加由光致发光层32的前面侧射出的光的量。另外，金属反射膜50a例如可以使用银、铝等金属材料通过真空制膜法或湿式制膜法等各种成膜方法来形成，但是不限于此。另外，在设置金属反射膜50a的情况下，还可以使激发光由光致发光层32和透明基材48的侧面或由光致发光层32的前面侧射入。

图61(b)示出在光致发光层32的背面侧隔着透明基材48设置作为反射层的电介质多层膜50b。电介质多层膜50b以反射由光致发光层32的背面侧射出的光的方式起作用。由此，能够增加由光致发光层32的前面侧射出的光的量。

电介质多层膜50b通过交互层叠高折射率的电介质层和低折射率的电介质层来形成。射入电介质多层膜50b的光在上述的电介质层的各界面被反射。另外，通过将电介质层的厚度设定为入射光或者反射光的波长的1/4，能够调整在各界面反射的光的相位，能够得到更强的反射光。

此外，作为构成电介质多层膜50b的材料，优选选择对于想要反射的光的波长区域吸收小的材料。通常来说，可以使用氧化钛、氧化硅、氟化镁、铌、氧化铝之类的无机材料、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂以及在它们之中混合折射率调整材料而成的材料之类的有机材料等，但是不限于这些。另外，电介质多层构膜50b例如可以使用真空蒸镀法、分子线蒸镀法(MBE)、离子镀法、溅射法、热CVD法、等离子体CVD法等真空制膜法或旋转涂布法、狭缝模具涂布法、刮棒涂布法等湿式制膜法等形成。但是，并不限于这些制造方法。

图61(c)示出在光致发光层32的背面侧隔着透明基材48设置作为反射层的分色镜50c的方案。分色镜50c以反射由光致发光层32的背面侧射出的光的方式起作用。由此，能够增加由光致发光层32的前面侧射出的光的量。

就图61(c)所示的构成而言，能够经由分色镜50c由背面侧使激发光射入光致发光层32。分色镜50c能够使具有特定波长的光透过，并使除其以外的波长的光反射。由此，在经由分色镜50c使激发光射入光致发光层32的情况下，只要以选择性地使激发光透过并使除其以外的波长的光反射的方式设置分色镜50c就行。这样，能够不妨碍向光致发光层32射入激发光，并且使得在光致发光层32发光并向背面侧射出的光适当地反射。

分色镜50c可以与上述的电介质多层膜50b同样地由电介质多层膜构成。分色镜50c可以通过交互层叠具有两种折射率的薄膜而形成。作为形成高折射率膜和低折射率膜的材料，可以列举氧化钛、氧化硅、氟化镁、铌、氧化铝等，但不限于这些。

图61(d)示出在光致发光层32的背面侧隔着透明基材48设置作为反射层的漫反射层50d的方案。漫反射层50d以反射由光致发光层32的背面侧射出的光的方式起作用。由此，能够增加由光致发光层32的前面侧射出的光的量。作为漫反射层50d，可以使用通过将由二氧化硅、氧化钛等无机材料形成的微粒、由丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚苯乙烯等有机材料形成的微粒与用于保持这些微粒的由各种树脂等形成的粘结剂混合而得到的膜。另外，可以使用钛酸钡、氧化锌等的蒸镀膜来构成，但不限于这些。

而且，上述的图61(a)～(d)示出了隔着透明基材48将各反射层50a、50b、50c、50d设置在光致发光层32的背面侧的方案，但也可以具有其他形态。反射层50a、50b、50c、50d与透明基材48还可以被一体地形成。另外，还可以按照不设置透明基材48而使反射层50a、50b、50c、50d与光致发光层32的背面相接触的方式来设置。

此外，在上述的图61(a)～(d)所示的方案中，如在[7.使得激发光的吸收效率提高的实施方式]中进行了说明那样，还可以采用在上述的透明基材48的侧方或者内部设置棱镜、透镜等、使激发光相对于光致发光层32由背面侧斜向射入的构成。

以下，参照图62(a)～(c)，对设置适合于反射多色光的反射层的方案进行说明。

图62(a)是表示在发光器件中色(即波长)不同的光L1、L2射出时出射角度的不同的图。在光致发光层32的表面设置有周期结构35，由光致发光层32射出至少两种色不同的光L1、L2。不同颜色的光L1、L2还可以是荧光与激发光的组合。

如图62(a)所示，将光致发光层32的折射率设定为ni，将光出射侧的介质的折射率设定为no，将周期结构的周期设定为d(nm)。另外，当将在光致发光层32的内部按照周期d的周期结构导波的光Li到界面的入射角(衍射角)设定为θi、将向外侧介质侧射出的光的出射角设定为θo时，d×ni×sinθi-d×no×sinθo＝mλ为共振条件。这里，m是指次数，λ是指由光致发光层32射出的光的波长。由该式可知：在周期结构的周期d以与出射光的波长λ相适应的方式设定时(例如在d×ni×sinθi＝mλ时)，波长λ的光L1向法线方向(θo＝0)选择性地射出。但是，在如上述那样设定了周期d的情况下，就其他波长λ’的光L2而言，以向从法线方向偏移后的方向具有指向性的方式射出。

在这种情况下，向法线方向射出的光包括大量特定波长λ的光L1，向从正面方向偏移后的规定方向射出的光包括大量不同波长λ’的光L2。其结果是，根据来自发光器件的出射角度，着色有可能会不同。

于是，在发出多色光的情况下，如图62(b)所示，在透明基材64的背面，形成具有倾斜面66S的斜面部66，该倾斜面66S相对于光致发光层32的层面成规定的倾斜角度θ。另外，以设定为与倾斜面66S相接触的方式来设置反射构件(例如金属膜、电介质多层膜等)等，从而使倾斜面66S作为反射面起作用。

这里，倾斜面66S的倾斜角度θ被设定为图62(b)和(c)所示的角度2θ的一半。如果进行更具体说明，则角度2θ是不同波长λ’的光L2通过具有周期d的周期结构向除了法线方向以外的方向射出、该波长λ’的向背面方向的光在光致发光层32与透明基材64的界面处折射时的出射角(向透明基材64侧的出射角)。

在该构成中，通过周期结构35的作用向法线方向射出的波长λ的光L1之中向光致发光层32的背面侧射出并向法线方向前进的光L1b被倾斜面66S反射。此时，倾斜面66S的倾斜角被设定为角度2θ的1/2的角度θ(即，光L1b相对于倾斜面66S以入射角θ射入)，因此被倾斜面66S反射到方向仅进一步偏移了角度θ的方向。

另一方面，向从法线方向偏移后的方向射出的其他波长λ’的光L2之中向光致发光层32的背面侧射出并被透明基材64的界面折射而朝向倾斜面66S的光L2b沿着从法线方向仅偏移角度2θ后的方向前进并被倾斜面66S反射。此时，倾斜面66S仅倾斜倾斜角度θ，因此相对于倾斜面66S以入射角θ射入。另外，进过反射后的光的方向仅进一步偏移角度θ，因此沿着法线方向前进。其结果是，波长互相不同的光L1、L2作为具有相同的指向性的光射出。因此，根据出射角度会突出特定颜色的光的现象减少。

另外，倾斜面66S不限于如图62(b)所示那样形成锯齿截面的方案，即，不限于有互相平行的关系的相邻的倾斜面66S介由垂直面连接的方案。例如，如图63(c)所示，互相对称配置的相邻的倾斜面66S(其中，倾斜角度相同)还可以连续地设置成屋顶型。此外，还可以组合图63(b)所示的截面锯齿的方案与图63(b)所示的屋顶型的方案来使用。

这样，以具有与由周期结构35的排列间距、发光波长确定的角度相对应地被适当设定出的倾斜角度的方式来设置反射面，由此能够使不同波长的出射光的指向性汇集。由此，在通过发出多个颜色的光来射出白色光那样的情况下，对于任意的角度均能够射出不易突出特定颜色的均质白色光。

以下，参照图63，对设置另一个形态的反射层的方案进行说明。另外，在以下的方案中，有时对与图59所示的方案相同的构成要素赋予相同的附图标记，并省略说明。

图63所示的发光装置具有在反射层50的基部50T与棱镜50P之间夹着低折射率层70的构成。这里，低折射率层70具有比反射层50的折射率n1小的折射率n3，例如可以是空气层。

通过设置低折射率层(空气层)70，能够使在基部50T传播的光之中向当以光致发光层32的法线方向为基准时角度大的方向行进的光在基部50T与低折射率层70的界面处反射。由此，能够将没有被例如以倾斜角度45°设置的棱镜50P的倾斜面50S反射的光(即，相对于倾斜面50S的入射角较小的光)也在低折射率层70的界面反射，并导向光致发光层32的前面侧。

基部50T与低折射率层70的界面典型地设置为与光致发光层32的层面平行的平面。但是，不限于此，例如基部50T与低折射率层70的界面还可以被形成为包含以比棱镜的倾斜面50S的倾斜角度θ小的角度与光致发光层32的层面相交的各种倾斜面。另外，还可以在光致发光层32与棱镜50P之间设置多个低折射率层70。此外，如果低折射率层70具有对激发光的透光性，则能够使激发光经由反射层50和低折射率层70由反射层50的背面侧射入光致发光层32。

以下，参照图64(a)和(b)，对敷设RGB发光器件的方案进行说明。如图64(a)所示，将射出红色R、绿色G和蓝色B各颜色的光的发光器件没有间隙地在横竖向排列，即进行所谓的敷设，由此能够射出白色光。另外，通过以如上述所示设置周期结构并形成模拟导波模式的方式来构成各色的发光器件，能够向规定的方向以高指向性射出白色光。另外，在图示的方案中，红色R、绿色G和蓝色B的发光器件以相同颜色分别位于斜向的方式排列，但是也可以是其他形态的排列。

如图64(b)所示，与各色相对应地，发光器件的周期结构的间距可以不同。由此，能够使所期望的颜色的光以高指向性高效地射出。另外，在发光器件的背面侧还可以设置反射层80R、80G、80B。与各发光器件相对应的反射层80R、80G、80B可以被一体地形成，也可以分开设置。反射层80R、80G、80B还可以是相同形状的凸部结构。

产业上的可利用性

本申请的发光装置能够适用于以照明器具、显示器、投影仪为代表的各种光学设备。

符号说明

100、100a 发光器件

110 光致发光层(波导)

120、120’、120a、120b、120c 透光层(周期结构、亚微米结构)

140 透明基板

150 保护层

180 光源

200 发光装置

220 激发光导入结构

230 光纤

232 光纤的芯

Claims (17)

1.一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；

透光层，该透光层以与所述光致发光层接近的方式配置；

亚微米结构，该亚微米结构形成在所述光致发光层和所述透光层中的至少一者上，并向所述光致发光层或所述透光层的面内扩散；以及

导光结构体，该导光结构体以将所述激发光导向所述光致发光层的方式配置，

其中，所述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

所述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将所述光致发光层对所述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述导光结构体形成在所述光致发光层中存在所述亚微米结构一侧的面。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述导光结构体形成在所述光致发光层中与存在所述亚微米结构一侧相反一侧的面。

4.根据权利要求2或3所述的发光装置，其还具有使所述激发光向所述导光结构体射出的光源，

其中，当将所述激发光由所述导光结构体到所述光致发光层的入射角设定为θ_st、将所述导光结构体的折射率设定为n_st时，成立n_stsin(θ_st)＞1。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其还具有支撑所述光致发光层的透明基板，

其中，所述导光结构体形成在所述透明基板中与所述光致发光层一侧相反一侧的面。

6.根据权利要求5所述的发光装置，其还具备使所述激发光向所述导光结构体射出的光源，

其中，当将所述激发光由所述导光结构体到所述透明基板的入射角设定为θ_st、将所述导光结构体的折射率设定为n_st时，成立n_stsin(θ_st)＞1。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的发光装置，其中，所述导光结构体由至少一个棱柱形状的透光性构件构成。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的发光装置，其中，所述导光结构体由至少一个半球形状的透光性构件构成。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的发光装置，其中，所述导光结构体由至少一个金字塔形状的透光性构件构成。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的发光装置，其中，当将所述激发光在空气中的波长设定为λ_ex时，所述亚微米结构以所述第一光向所述光致发光层的法线方向最强地射出、在波长为λ_ex的第二光在所述光致发光层的内部传播的情况下所述第二光向与所述光致发光层的法线方向成角度θ_out的方向最强地射出的方式构成，

所述导光结构体使所述激发光以入射角θ_out射入所述光致发光层。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的发光装置，其中，所述亚微米结构具有一维周期结构，

所述导光结构体具有向与所述一维周期结构的线方向和所述光致发光层的厚度方向这两者垂直的方向延伸的结构。

12.一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受空气中的波长为λ_ex的激发光而发光；

透光层，该透光层以与所述光致发光层接近的方式配置；

亚微米结构，该亚微米结构形成在所述光致发光层和所述透光层中的至少一者上，并向所述光致发光层或所述透光层的面内扩散；以及

光源，该光源射出所述激发光，

其中，所述亚微米结构包含多个凸部或多个凹部，

所述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将所述光致发光层对所述第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系，

所述亚微米结构以所述第一光向所述光致发光层的法线方向最强地射出、在波长为λ_ex的第二光在所述光致发光层的内部传播的情况下所述第二光向与所述光致发光层的法线方向成角度θ_out的方向最强地射出的方式构成，

所述光源使所述激发光以入射角θ_out射入所述光致发光层。

13.一种发光装置，其具有：

透光层；

亚微米结构，该亚微米结构形成在所述透光层上，并向所述透光层的面内扩散；

光致发光层，该光致发光层以与所述亚微米结构接近的方式配置，并接受激发光而发光；以及

导光结构体，该导光结构体以将所述激发光导向所述光致发光层的方式配置，

其中，所述亚微米结构至少包含多个凸部或多个凹部，

所述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

所述亚微米结构至少包含由所述多个凸部或者所述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将所述光致发光层对所述第一光的折射率设定为n_wav-a、将所述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

14.一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；

透光层，该透光层具有比所述光致发光层高的折射率；

亚微米结构，该亚微米结构形成在所述透光层上，并向所述透光层的面内扩散；以及

导光结构体，该导光结构体以将所述激发光导向所述光致发光层的方式配置，

其中，所述亚微米结构至少包含多个凸部或多个凹部，

所述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

所述亚微米结构至少包含由所述多个凸部或者所述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将所述光致发光层对所述第一光的折射率设定为n_wav-a、将所述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

15.根据权利要求1～14中任一项所述的发光装置，其中，所述光致发光层与所述透光层互相接触。

16.一种发光装置，其具有：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；

亚微米结构，该亚微米结构形成在所述光致发光层上，并向所述光致发光层的面内扩散；以及

导光结构体，该导光结构体以将所述激发光导向所述光致发光层的方式配置，

其中，所述亚微米结构至少包含多个凸部或多个凹部，

所述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

所述亚微米结构至少包含由所述多个凸部或者所述多个凹部形成的至少一个周期结构，

当将所述光致发光层对所述第一光的折射率设定为n_wav-a、将所述至少一个周期结构的周期设定为p_a，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

17.根据权利要求1～16中任一项所述的发光装置，其中，所述亚微米结构包含所述多个凸部和所述多个凹部这两者。