CN105972474A - 发光器件、发光装置以及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能控制亮度、指向性或偏振特性的具有新型结构的发光器件、发光装置和检测装置。发光器件具有光致发光层和形成在该光致发光层或透光层中至少一者的至少一个周期结构。该周期结构包含多个凸部和多个凹部中至少一者，该光致发光层发出的光包括空气中波长为λ_a的第一光，将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、该周期结构的周期为p_a、该光致发光层对该第一光的折射率为n_wav‑a时，成立λ_a/n_wav‑a＜D_int＜λ_a或λ_a/n_wav‑a＜p_a＜λ_a的关系。经由该周期结构向与该光致发光层垂直方向射出光的光谱中强度达到峰值的波长A从该光致发光层所包含的光致发光材料的发光光谱中强度达到峰值的波长B偏离。

Description

发光器件、发光装置以及检测装置

技术领域

本发明涉及具有光致发光层的发光器件、发光装置以及检测装置。

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

对于光学设备而言，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。

本发明提供能够控制光致发光材料的发光效率、指向性或偏振特性的具有新型结构的发光器件、具备该发光器件的发光装置以及检测装置。

用于解决问题的手段

本发明的一个方案的发光器件具有光致发光层和形成在上述光致发光层和透光层中的至少一者上的至少一个周期结构。上述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，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、将上述周期结构的周期设定为p_a、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或λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。经由上述周期结构向与上述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由上述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

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

本发明的某些实施方式的发光器件、发光装置以及检测装置具有新型构成，根据新的机理，能够控制亮度、指向性或偏振特性。

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周期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 guidelight))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而使光高效地射出的构成的图；(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是表示在透明基板上形成了周期结构的变形例的图。

图19B是表示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)是表示试制的发光器件的出射光的角度依赖性的测定结果(上段)和计算结果(下段)的图表。

图28(a)和(b)是表示试制的发光器件的出射光的角度依赖性的测定结果(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31A是表示由亚微米结构以0°方向射出的光的强度的波长依赖性的一个例子的图。

图31B是表示由亚微米结构以5°方向射出的光的强度的波长依赖性的一个例子的图。

图32是表示被亚微米结构增强的光的波长和角度与光致发光材料的发光光谱的关系的图。

图33A是示意性地表示射出根据波长而在空间上分光的光的发光装置300的构成例的图。

图33B是表示发光装置的变形例的图。

图33C是表示发光装置的另一个变形例的图。

图33D是表示发光装置的又一个变形例的图。

图34是表示投影装置(投影仪)500的构成例的图。

图35A是示意性地表示检测装置400的构成的图。

图35B是表示检测装置的变形例的图。

图36是用于说明在光致发光层110上具有周期结构120的发光器件中的受到发光增强效果的光的波长与出射方向的关系的示意图。

图37A的(a)～(c)是表示排列了显示发光增强效果的波长不同的多个周期结构的构成的例子的俯视示意图。

图37B是具备微透镜的发光器件的剖视示意图。

图38(a)和(b)是具有发光波长不同的多个光致发光层的发光器件的剖视示意图。

图39(a)～(d)是表示在光致发光层之下具有防扩散层(阻隔层)的发光器件的剖视示意图。

图40(a)～(c)是表示在光致发光层之下具有晶体生长层(籽晶层)的发光器件的剖视示意图。

图41(a)和(b)是表示具有用于保护周期结构的表面保护层的发光器件的剖视示意图。

图42(a)～(d)是表示具有透明高热传导层的发光器件的剖视示意图。

图43(a)～(d)是表示改善了散热特性的发光装置的剖视示意图。

图44(a)～(d)是表示具有高热传导构件的发光器件的示意图。

图45(a)和(b)是表示敷设(tiling)后的多个发光器件中的高热传导构件的配置的例子的示意图。

图46(a)和(b)是表示具备联锁电路的发光装置的例子的示意图。

图47(a)～(f)是用于说明使用了珠子的亚微米结构的形成方法的图。

图48是表示具备本发明的发光器件作为屏幕的透明显示器的构成的示意图。

符号说明

100、100a 发光器件

110 光致发光层(导波层)

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

300、300a、300b 发光装置

310 发光器件

320 旋转机构

320a 滑动机构

330 光学滤波器

332 透光区域

334 遮光区域

340 光学体系

350 光学快门

400、400a 检测装置

410 检测器(detector)

420 保持构件

450 被检测物(检体)

500 投影装置(投影仪)

510 积分棒

520 全反射棱镜

530 数字镜设备

540a、540b、540c 光学体系

550 驱动电路

560 控制电路

具体实施方式

本发明包括以下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小于上述光致发光层对上述第一光的折射率n_wav-a。

[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，并且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，

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、将存在于至上述光致发光层或上述透光层的光路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双者。

[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

至少一个周期结构，该至少一个周期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，

其中，上述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由上述周期结构向与上述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由上述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

[项目34]

根据项目33所述的发光器件，其中，上述波长A大于上述波长B。

[项目35]

根据项目33或34所述的发光器件，其中，当将上述光致发光层所含的光致发光材料的发光光谱的半峰半宽设定为HWHM时，上述波长A从上述波长B偏离HWHM以上。

[项目36]

根据项目33～35中任一项所述的发光器件，其中，在上述光致发光层所含的光致发光材料的发光光谱中，存在两个强度为峰值的一半的波长，

当将上述两个波长中与上述波长B的差较大的波长C和上述波长B之差设定为W时，上述波长A从上述波长B偏离W以上。

[项目37]

根据项目33～36中任一项所述的发光器件，其中，上述波长λ_a与上述波长A一致。

[项目38]

一种发光器件，其具有：

透光层；

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在上述透光层上；以及

光致发光层，该光致发光层以与上述周期结构接近的方式配置，

其中，上述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由上述周期结构向与上述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由上述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

[项目39]

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

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在上述透光层上，

其中，上述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由上述周期结构向与上述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由上述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

[项目40]

根据项目33～39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41]

一种发光器件，其具有：

光致发光层；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在上述光致发光层上，

其中，上述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由上述周期结构向与上述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由上述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

[项目42]

一种发光装置，其具备：

项目33～41中任一项所述的发光器件；以及

光学快门，该光学快门具有分别配置在由上述发光器件分别向多个方向发出的多个光线的路径上的多个透光区域，并且使上述多个透光区域的透光率各自变化。

[项目43]

一种投影装置，其具备：

项目42所述的发光装置；以及

光学体系，该光学体系使由上述光学快门射出的光聚焦。

[项目44]

一种发光装置，其具备：

项目33～41中任一项所述的发光器件；以及

光学滤波器，该光学滤波器配置在由上述发光器件发出的光的路径上，并具有使由上述发光器件向特定方向射出的光线透过的透光区域。

[项目45]

根据项目44所述的发光装置，其中，上述光学滤波器具有包括上述透光区域在内的多个透光区域，

上述多个透光区域使由上述发光器件分别向特定多个方向射出的多个光线透过。

[项目46]

根据项目44或45所述的发光装置，其还具备以使不同波长的光线透过上述透光区域的方式使上述发光器件旋转的机构。

[项目47]

根据项目44或45所述的发光装置，其还具备以使不同波长的光线透过上述透光区域的方式使上述光学滤波器向与上述光线交叉的方向移动的机构。

[项目48]

一种检测装置，其具备：

项目33～41中任一项所述的发光器件；以及

检测器，该检测器配置在由上述发光器件射出的光的路径上，并检测被检测物。

[项目49]

根据项目48所述的检测装置，其还具备保持构件，该保持构件将上述被检测物保持在从上述发光器件到上述检测器的光路上。

[项目50]

根据项目48或49所述的检测装置，其还具备光学滤波器，该光学滤波器配置在由上述发光器件发出的光的路径上，并且具有使由上述发光器件向特定方向射出的光线透过的透光区域。

本发明的实施方式的发光器件具有：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，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～780nm)。

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。光致发光材料狭义地包括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例如无机材料、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。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。

本发明的实施方式的发光器件如后面参照计算结果和实验结果所详述的那样，根据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，也可以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。此外，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发明。

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，能够满足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，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为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，此时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为空气的折射率。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，所谓的透光层(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也可以超过波长λ_a的一半。本说明书中，在光致发光层与透光层在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，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。至少一个周期结构当将周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。即，亚微米结构可以包含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，由于在TE模式和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°。此外，指向角为将正面方向设定为0°时的单侧的角度。

相反地，如果亚微米结构的周期性降低，则指向性、发光效率、偏振度以及波长选择性变弱。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为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例如为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.作为本发明的基础的认识]

在说明本发明的具体实施方式之前，首先，对作为本发明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。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，从而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是表示位置的向量，λ为光的波长，d为偶极向量，E为电场向量，ρ为状态密度。就除了一部分结晶性物质以外的多种物质而言，偶极向量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，需要进行使偶极向量d汇集在特定方向或者增强电场向量的特定方向的成分中的任意一种。通过进行它们中的任意一种，能够实现指向性发光。本发明中，对用于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，能够使得产生的光与导波模式结合。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。另外，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由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)构成以周期结构接近的方式设置的波导，使产生的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。此外，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。所以，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具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，可以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为光在空气中的波长，n_wav为波导的折射率，n_out为出射侧的介质的折射率，θ_out为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)

根据式(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)，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)。

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

此外，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，由于透明基板140的折射率n_s比空气的折射率大，因此只要以满足在式(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。

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

此外，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。此外，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。将就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。此外，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，所以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值一定程度地提高，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，需要以满足将式(10)中的出射介质的折射率n_out设定为n_s的式(15)的方式来设定周期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，本发明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。此外，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。此外，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，从而在光致发光层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。因此，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。此外，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。

此外，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。此外，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。优选透光层120的折射率比光致发光层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，可以使用例如M₂MgSi₂O₇:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、SrSi₅AlO₂N₇:Eu²⁺、SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺、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，可以使用例如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⁺,Sm³⁺、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，可以使用例如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：MgF₂(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，通过光刻等方法进行图案化来形成周期结构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。

此外，上述的制造方法为一个例子，本发明的发光器件不限于上述的制造方法。

[实验例]

以下，对制作本发明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。

此外，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。例如，对于波长为610nm的光而言，由于为TM模式且仅在正面方向存在光，因此可知指向性高且偏振发光。另外，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。

由上述的测定结果，例如图29表示使波长为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。也就是说，可知实现了指向性发光。此外，由于其全都为TM模式的成分，因此可知同时也实现了偏振发光。

以上的验证使用了在广带域的波长带发光的YAG:Ce来进行了实验，但即使以发光为窄带域的光致发光材料设定为同样的构成，对于该波长的光也能够实现指向性和偏振发光。此外，此时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之类的光源。

[7.使倾斜方向的色纯度提高的实施方式]

接着，对本发明的其他实施方式进行说明。

根据本发明的发光器件，能够向特定方向射出特定波长的光。例如，能够向与光致发光层垂直的方向(即，正面方向)射出所期望的波长的光。如果使光致发光层所含的光致发光材料的发光光谱中达到峰值的波长与上述所期望的波长一致，则能够使所期望的波长的光向正面方向较强地射出。

另一方面，向从与光致发光层垂直的方向倾斜的方向(以下，有时称为“倾斜方向”)射出与上述所期望的波长不同的两个波长的光。如图27的中段以及下段的图所示，两个波长的光向相对于光致发光层的法线方向的角度为除了0°以外的方向较强地射出。

图31A是表示由亚微米结构向0°方向(即，正面方向)射出的光的强度的波长依赖性的一个例子的图。图31B是表示在相同条件下由亚微米结构向5°方向射出的光的强度的波长依赖性的一个例子的图。在这些例子中，向0°方向射出约620nm的基本单色的波长的光，但向5°方向射出约580nm的波长的光和约650nm的波长的光。这样，在倾斜方向上，较强地射出从向正面方向较强射出的光的波长向长波长侧位移的光以及向短波长侧位移的光。它们的位移量为相同程度。这可以认为是因为，被在光致发光层内向一个方向传播的光和向其相反方向传播的光所增强的光的出射角度相对于法线方向对称。

这样，就倾斜方向而言，两个波长的光被同时增强，因此不同的两种颜色的光混合。其结果是，产生倾斜方向的色纯度降低这一问题。

因此，本实施方式使向倾斜方向射出的光的色纯度提高，因此以由光致发光层产生的光仅较多地包含倾斜地较强射出的两个波长的光中的一个的方式设计发光器件。更具体而言，设计为：经由包含至少一个周期结构的亚微米结构向与光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B向长波长侧或短波长侧偏离。在图31A的例子中，约620nm相当于波长A。此外，波长A和波长B均表示空气中的波长。以下，只要没有特别说明，波长是指空气中的波长。

图32是表示被亚微米结构增强的光的波长和角度与光致发光材料的发光光谱的关系的图。图32(a)表示与图27(a)的下图相同的角度-波长特性。图32(b)表示本实施方式中的光致发光层所含的光致发光材料的发光光谱的一个例子。

图32(b)所示的发光光谱以波长B(在该例子中为约540nm)为峰，具有宽的波长分布。经由亚微米结构向正面方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A(在该例子中为约620nm)从波长B向长波长侧大幅偏离。由光致发光层几乎不产生波长比波长A长的光。其结果是，图32(a)中箭头所示的波长比波长A长的光几乎不向超过角度0°的倾斜方向射出。即，能够降低倾斜方向的二向色性。

波长A从波长B的位移量越大，二向色性的降低效果越高。其位移量例如被设定为光致发光材料的发光光谱的半峰半宽(HWHM)以上。半峰半宽是指在发光光谱中强度成为峰值的一半的两个波长的宽度(即，半峰全宽)的一半长度。在某些例子中，当将强度成为峰值的一半的两个波长中与波长B之差较大的波长C和波长B的差设定为W时，波长A被设定为从波长B偏离W以上。在图32(b)的例子中，波长A与波长B的差比半峰半宽(HWHM)和宽度W都大。

通过这样的构成，向倾斜方向仅较强地射出比正面方向被增强的光的波长A靠短波长侧的光。因此，如后所述，能够适用于利用色纯度高的多个波长的光的各种应用例。

在该例子中，虽然波长A大于波长B，但波长A也可以小于波长B。此时，能够向倾斜方向仅较强地射出比波长A靠长波长侧的光。但是，为了减小波长A，需要缩短亚微米结构的凸部之间或凹部之间的间距(或周期结构的周期)。因此，使波长A大于波长B容易制造。另外，通常来说，如图32(b)所示，由光致发光材料发出的光的强度相比于短波长侧，更向长波长侧缓慢变化。这是因为，特别是在广带域发光的情况下，由于发光能级间的能量弛豫，存在发光光谱向长波长侧缓慢扩散的倾向。因此，通过使波长A比波长B大，还具有能够减小相对于角度变化的波长变化的优点。

此外，在图32(b)所示的发光光谱中，存在两个强度为峰值的一半的波长，但也可以认为有存在三个以上这样的波长的发光光谱。在这样的发光光谱中，只要将强度为峰值的一半的多个波长中与峰最近的第一波长和第二近的第二波长作为上述两个波长来操作就行。此时，第二波长相当于上述的波长C。

本实施方式与已经进行了说明的实施方式同样地，周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，当将周期结构中相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将光致发光层对光致发光层所发出的光所包含的第一光(波长λ_a)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。该条件如上所述是用于向接近正面方向的方向较强地射出波长λ_a的光的条件。该波长λ_a在某些例子中可以被设定为与向亚微米结构向正面方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A一致。

接着，对本实施方式的几个应用例进行说明。

本实施方式的发光器件可以用于能够使波长变化的发光装置(即，波长可变光源)。

现有的波长可变光源将来自白色光源的光使用波长分离滤波器(例如分色镜)或衍射光栅等光学器件进行分光，经由狭缝或滤波器进行波长的取舍选择。这样的装置需要用于色分离的光学器件，因此存在装置的尺寸大这一问题。

本实施方式的发光器件射出由于根据波长而在空间上分光的光，因此能够省略这样的光学器件，能够小型化。

图33A是示意性地表示这样的发光装置300的构成例的图。发光装置300具备：发光器件310、与发光器件310连结并使发光器件310旋转的旋转机构320以及配置在由发光器件310发出的光的路径上的光学滤波器330。此外，图33A将各构成要素简化表示，因此与实际的结构并不一定一致。以下的图也同样。

光学滤波器330具有使由发光器件310向特定方向射出的特定波长的光线通过的透光区域332。除了透光区域332以外的部位为遮光区域334。透光区域332例如由狭缝或透明构件形成。遮光区域334对发光的一部分进行遮光或使其衰减。

旋转机构320以与发光器件310中的亚微米结构的多个凸部或凹部的排列方向垂直的方向为旋转轴，使发光器件310向一方向或双方向旋转。旋转机构320由电机和齿轮等部件构成。由此，能够调整为使不同波长的光线通过透光区域332。通过这样的构成，能够将任意的波长的光取出到外部加以利用。

图33B是表示发光装置的变形例的图。该发光装置300a具备具有多个透光区域332的光学滤波器330a。光学滤波器330a中的多个透光区域332使由发光器件310分别向特定多个方向射出的多个光线透过。通过这样的构成，能够同时取出多个波长的光。

在图33A和图33B所示的例子中，设置有旋转机构320，但也可以省略旋转机构320。在仅利用特定波长的光的用途中，不需要旋转机构320。旋转机构320可以为能够以电机等自动调节角度的机构，还可以为能够以手动调节发光器件310的角度的机构。

图33C是表示发光装置的另一个变形例的图。该发光装置300b具备包含至少一个透镜的聚光光学体系340和可动式光学滤波器330b。光学体系340将由发光器件310射出的多个波长的光线聚光使其成为平行光束。滑动机构320a与光学滤波器330b连结，由使光学滤波器330b向一方向或双方向滑动的电机和齿轮等部件构成。更具体而言，滑动机构320a以使不同波长的光线透过透光区域332的方式，使光学滤波器330b向与平行光束交叉的(例如垂直的)方向移动。根据这样的构成，也能够将任意波长的光取出到外部。此外，在该例子中，使用了光学体系340和滑动机构320a，但也可以省略光学体系340和滑动机构320a。

图33D是表示发光装置的又一个变形例的图。该发光装置300c具备发光器件310、光学体系340和光学快门350。

光学快门350具有多个透光区域。多个透光区域分别配置在由发光器件310分别向多个方向发出的多个光线的路径上。光学快门350能够使上述多个透光区域的透光率各自变化。由此，能够取出任意光谱的光。在该例子中，也可以省略光学体系340。

光学快门350例如可以使用液晶来实现。通过未图示的驱动电路对每个透光区域使施加于液晶分子的电压变化，由此能够使各透光区域的光的透射率变化。多个透光区域不限于一维，也可以以二维排列。

图34是表示应用了图33D所示的发光装置300c的构成的投影装置(投影仪)500的构成例的图。

投影装置500除了发光装置300c(发光器件310、光学体系340、光学快门350)以外，还具备光学体系540a、540b、540c、积分棒510、全反射棱镜520、数字镜设备(DMD)530、驱动电路550和控制电路560。

投影装置500利用来自发光器件310的发光或发光及激发光将映像投影于屏幕。这里，假定激发光为蓝色光(例如波长为450nm)、发光器件310的光致发光层包含接受激发光而发出黄色光(例如主波长为570nm)的黄色荧光体的情况。激发光的一部分从发光器件310通过。

驱动电路550与光学快门350电连接，使光学快门350的各透光区域的透射率变化。驱动电路550使各透光区域的透射率比所显示的映像的帧速率更高速地变化。由此，能够使任意颜色的光由光学快门350射出。驱动电路550例如使红、绿、蓝的光由光学快门350以每1/3帧依次射出。

光学体系540a使由光学快门350射出的光聚焦，射入积分棒510。积分棒510使入射光的强度均匀并射出。光学体系540b和全反射棱镜520使由积分棒510射出的光聚焦于DMD530的反射面。

DMD530具有以二维排列的多个镜。如果将各镜的区域称为像素，则DMD530对每个像素切换反射光的状态和吸收光的状态。该切换通过使施加于各镜背部的电极的电压变化来控制。控制DMD530的控制电路560根据所输入的图像信号，在每个像素使反射吸收特性变化。由此，就各颜色成分，能够调节每个像素的亮度，因此能够构成图像。

被DMD530反射的光从全反射棱镜520通过，被光学体系540c聚焦。由此，图像被投影于屏幕。

现有的投影仪(例如日本特开2014-21223号公报和日本特开2014-160227号公报)为了投影彩色图像，使用荧光体轮。荧光体轮具有涂布了荧光体的区域和缺口区域，通过利用电机使其旋转，将光按照每个颜色分离。根据本实施方式，能够省略荧光体轮和驱动该荧光体轮的电机，因此能够小型化。

此外，在本实施方式中，光学快门350分时使红、绿、蓝的光透过，但本发明的投影装置不限于这样的工作。例如，可以省略光学快门350，使用多个分色棱镜等器件将红、绿、蓝的光分别各自以DMD控制。此时，通过包括镜在内的光学体系合成由三个DMD反射的三色的光，由此能够向屏幕投影彩色图像。

接着，对测定被检测物的分光透过率的检测装置中的应用例进行说明。

图35A是示意性地表示这样的检测装置400的构成的图。该检测装置400具备发光器件310、光学体系340、检测器(detector)410和保持构件420。

保持构件420以被检测物450(也称为检体)位于从发光器件310到检测器410的光路上的方式保持被检测物450。保持构件420例如可以包括设置在检测装置400的壳体上的载置检体的台或夹具等夹着检体的构件。检体可以为气体、液体、板状固体等任何物质。在检测气体的装置中，可以省略保持构件420。

检测器410配置在由发光器件310射出的光的路径上。检测器410具有以阵列状排列的多个检测单元。多个检测单元排列在与由发光器件310发出的光的分离方向相对应的方向上。

由发光器件310射出的光通过光学体系340聚光，通过检体450射入检测器410。检测器410通过检测每个波长的光强度，能够测定检体450的光的透过特性和吸收特性。

图35B是表示检测装置的变形例的图。该检测装置400a具有参照图33A进行了说明的发光装置300(发光器件310、旋转机构320和光学滤波器330)来代替图35A所示的发光器件310和光学体系340。进而，具有具备一个检测单元的检测器410a来代替具有阵列状的多个检测单元的检测器410。

在该例子中，检测器410a检测从光学滤波器330中的透光区域(例如狭缝)通过后的单一波长的光。通过以旋转机构320使发光器件310旋转，从透光区域通过的光的波长变化。由此，能够对于任意波长，测定检体450的透射率和吸收率。

[8.其他变形例]

接着，对本发明的发光器件和发光装置的变形例进行说明。

如上所述，通过本发明的发光器件所具有的亚微米结构，受到发光增强效果的光的波长和出射方向依赖于亚微米结构的构成。考虑图36所示的在光致发光层110上具有周期结构120的发光器件。这里，例示了周期结构120由与光致发光层110相同的材料形成、具有图1A所示的一维周期结构120的情况。对于通过一维周期结构120受到发光增强的光而言，当设定为一维周期结构120的周期p(nm)、光致发光层110的折射率n_wav、出射光的外部的介质的折射率n_out、将向一维周期结构120的入射角设定为θ_wav、由一维周期结构120向外部介质的出射角设定为θ_out时，满足p×n_wav×sinθ_wav-p×n_out×sinθ_out＝mλ的关系(参照上述的式(5))。其中，λ为光在空气中的波长，m为整数。

由上述式可以得到θ_out＝arcsin[(n_wav×sinθ_wav-mλ/p)/n_out]。因此，通常如果波长λ不同，则受到发光增强的光的出射角θ_out也不同。其结果是，如图36所示意性地表示那样，根据观察的方向，所能看到的光的颜色不同。

为了降低该视角依赖性，只要以(n_wav×sinθ_wav-mλ/p)/n_out不依赖于波长λ而固定的方式选择n_wav以及n_out就行。由于物质的折射率具有波长分散(波长依赖性)，因此只要选择(n_wav×sinθ_wav-mλ/p)/n_out不依赖于波长λ这样的具有n_wav和n_out的波长分散性的材料就行。例如，在外部的介质为空气时，n_out不依赖于波长基本为1.0，因此作为形成光致发光层110和一维周期结构120的材料，优选选择折射率n_wav的波长分散小的材料。进而，优选折射率相对于折射率n_wav更短波长的光变低那样的逆分散材料。

另外，如图37A的(a)所示，通过排列显示发光增强效果的波长互相不同的多个周期结构，能够射出白色光。在图37A的(a)所示的例子中，能够增强红色光(R)的周期结构120r、能够增强绿色光(G)的周期结构120g和能够增强蓝色光(B)的周期结构120b以矩阵状排列。周期结构120r、120g和120b例如为一维周期结构且各自的凸部互相平行地排列。因此，偏振特性对于红、绿、蓝的全部颜色的光都相同。通过周期结构120r、120g和120b，受到发光增强的三原色的光被射出、混色，从而可以得到白色光且直线偏振光。

当将以矩阵状排列而成的各周期结构120r、120g和120b称为单位周期结构(或像素)时，单位周期结构的大小(即，一边的长度)例如为周期的三倍以上。另外，为了获得混色的效果，优选不能用人眼识别出单位周期结构，例如优选一边的长度小于1mm。这里，以正方形绘制各单位周期结构，但不限于此，例如相互相邻的周期结构120r、120g和120b可以为长方形、三角形、六边形等除了正方形以外的形状。

另外，设置在周期结构120r、120g和120b之下的光致发光层既可以对周期结构120r、120g和120b而言都相同，也可以设置具有根据各种颜色的光而不同的光致发光材料的光致发光层。

如图37A的(b)所示，可以排列一维周期结构的凸部延伸的方位不同的多个周期结构(包括周期结构120h、120i和120j)。多个周期结构发光增强的光的波长可以相同也可以不同。例如，如果将相同的周期结构如图37A的(b)所示排列，则能够得到不偏振的光。另外，对于图37A的(a)中的周期结构120r、120g和120b而言，如果分别适用图37A的(b)的排列，则作为整体能够得到不偏振的白色光。

当然，周期结构不限于一维周期结构，也可以如图37A的(c)所示，排列多个二维周期结构(包括周期结构120k、120m和120n)。此时，周期结构120k、120m和120n的周期、方位如上所述，既可以相同也可以不同，可以根据需要适当设定。

另外，如图37B所示，例如可以在发光器件的光出射侧配置微透镜130，通过将向倾斜方向射出的光弯曲到法线方向，由此能够得到混色的效果。

图37B所示的发光器件具有分别具有图37A的(a)中的周期结构120r、120g和120b的区域R1、R2和R3。在区域R1中，通过周期结构120r，红色光R向法线方向射出，例如绿色光G向倾斜方向射出。根据微透镜130的折射作用，向倾斜方向射出的绿色光G弯曲到法线方向。其结果是，在法线方向上，红色光R和绿色光G被混色，从而被观察到。这样，通过设置微透镜130，所射出的光的波长根据角度不同而不同的现象得到抑制。这里，例示了将与多个周期结构相对应的多个微透镜一体化的微透镜阵列，但不限于此。当然，敷设的周期结构不限于上述的例子，在敷设相同的周期结构的情况下也能够适用，还能够适用于图37A的(b)或(c)所示的构成。

此外，具有将向倾斜方向射出的光弯曲的作用的光学器件可以为双凸透镜来代替微透镜阵列。另外，不仅为透镜，也可以使用棱镜。棱镜还可以设定为阵列。可以与周期结构相对应地分别配置。棱镜的形状没有特别限制，例如可以使用三角棱镜或金字塔型棱镜。

得到白色光(或者具有宽光谱宽度的光)的方法除了利用上述的周期结构的方法以外，例如还有如图38(a)和(b)所示利用光致发光层的方法。如图38(a)所示，通过层叠发光波长不同的多个光致发光层110b、110g、110r，能够得到白色光。层叠顺序不限于图示的例子。另外，也可以如图38(b)所示，在发出蓝色光的光致发光层110b之上，层叠发出黄色光的光致发光层110y。光致发光层110y例如可以使用YAG来形成。

此外，在使用与荧光色素等基体(主体)材料混合来使用的光致发光材料的情况下，能够将发光波长不同的多个光致发光材料与基质材料混合，以单一的光致发光层发出白色光。这样的能够发出白色光的光致发光层可以使用参照图37A的(a)～(c)进行了说明的敷设了单位周期结构的构成。

在使用无机材料(例如YAG)作为形成光致发光层110的材料的情况下，在其制造过程中有时会经过超过1000℃的热处理。此时，杂质由基底(典型地为基板)扩散，有时会使光致发光层110的发光特性降低。为了防止杂质扩散到光致发光层，例如如图39(a)～(d)所示，可以在光致发光层之下设置防扩散层(阻隔层)108。如图39(a)～(d)所示，防扩散层108在目前为止例示的各种构成中，形成在光致发光层110的下层。

例如，如图39(a)所示，在基板140与光致发光层110之间形成防扩散层108。另外，如图39(b)所示，在具有多个光致发光层110a和110b的情况下，在光致发光层110a和110b各自的下层形成防扩散层108a或108b。

在基板140的折射率比光致发光层110的折射率大的情况下，如图39(c)、图39(d)所示，只要在基板140上形成低折射率层107就行。如图39(c)所示，在基板140之上设置低折射率层107的情况下，形成低折射率层107与光致发光层110之间的防扩散层108。进而，如图39(d)所示，在具有多个光致发光层110a和100b的情况下，在光致发光层110a和110b的下层分别形成防扩散层108a和108b。

此外，低折射率层107在基板140的折射率与光致发光层110的折射率同等或比其大的情况下形成。低折射率层107的折射率比光致发光层110的折射率低。低折射率层107例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、石英、树脂、HSQ·SOG等常温固化玻璃形成。优选低折射率层107的厚度比光的波长大。基板140例如使用MgF₂、LiF、CaF₂、BaF₂、SrF₂、玻璃、树脂、MgO、MgAl₂O₄、蓝宝石(Al₂O₃)、SrTiO₃、LaAlO₃、TiO₂、Gd₃Ga₅O₁₂、LaSrAlO₄、LaSrGaO₄、LaTaO₃、SrO、YSZ(ZrO₂·Y₂O₃)、YAG、Tb₃Ga₅O₁₂来形成。

防扩散层108、108a、108b只要根据防止扩散的对象元素来适当选择就行，例如可以使用共价键合性强的氧化物晶体、氮化物晶体来形成。防扩散层108、108a、108b的厚度例如为50nm以下。

此外，在具有防扩散层108或后述的晶体生长层106这样的与光致发光层110相邻的层的构成中，当相邻的层的折射率比光致发光层的折射率大时，将该折射率大的层的折射率和光致发光层的折射率分别以体积比率加权而得到的平均折射率设定为n_wav。这是因为，这种情况在光学上与光致发光层由多个不同材料的层构成的情况是等价的。

另外，在使用无机材料形成的光致发光层110中，由于无机材料的结晶性低，因此有时光致发光层110的发光特性低。为了提高构成光致发光层110的无机材料的结晶性，也可以如图40(a)所示，在光致发光层110的基底形成晶体生长层(有时也称为“籽晶层”)106。晶体生长层106利用与形成在其之上的光致发光层110的晶体晶格匹配的材料来形成。晶格匹配例如优选在±5％以内。在基板140的折射率比光致发光层110的折射率大的情况下，优选晶体生长层106或106a的折射率比光致发光层110的折射率小。

在基板140的折射率大于光致发光层110的折射率的情况下，如图40(b)所示，只要在基板140上形成低折射率层107就行。由于晶体生长层106与光致发光层110相接触，因此在基板140上形成低折射率层107的情况下，在低折射率层107上形成晶体生长层106。另外，如图40(c)所示，在具有多个光致发光层110a和110b的构成中，优选形成与多个光致发光层110a和110b各自相对应的晶体生长层106a或106b。晶体生长层106、106a和106b的厚度例如为50nm以下。

如图41(a)和(b)所示，为了保护周期结构120，也可以设置表面保护层132。

表面保护层132可以如图41(a)所示为不具有基板的类型，也可以如图41(b)所示设置为具有基板140的类型。另外，在图41(a)所示的不具有基板的类型的发光器件中，可以在光致发光层110的下层也设置表面保护层。这样，表面保护层132可以设置在上述任意一种发光器件的表面上。周期结构120不限于图41(a)和图41(b)所例示的结构，可以为上述任意一种类型。

表面保护层132例如可以利用树脂、硬涂材料、SiO₂、Al₂O₃(氧化铝)、SiOC、DLC来形成。表面保护层132的厚度例如为100nm～10μm。

通过设置表面保护层132，能够保护发光器件不受外部环境影响，抑制发光器件的劣化。表面保护层132保护发光器件的表面不受伤、水分、氧、酸、碱或热的影响。表面保护层132的材料、厚度可以根据用途来适当设定。

另外，光致发光材料有时会因为热而劣化。热主要由光致发光层110的非辐射损失、斯托克斯损失而产生。例如，石英的热传导率(1.6W/m·K)比YAG的热传导率(11.4W/m·K)约小一个数量级。因此，在光致发光层(例如YAG层)110处产生的热难以从基板(例如石英基板)140通过而热传导至外部来散热，光致发光层110的温度上升，有时引起热劣化。

因此，如图42(a)所示，通过在光致发光层110与基板140之间形成透明高热传导层105，能够使光致发光层110的热高效地传导至外部，防止温度上升。此时，优选透明高热传导层105的折射率比光致发光层110的折射率低。此外，在基板140的折射率比光致发光层110的折射率低的情况下，透明高热传导层105的折射率也可以高于光致发光层110的折射率。但是，在这种情况下，透明高热传导层105与光致发光层110一起形成导波层，因此优选为50nm以下。如果如图42(b)所示在光致发光层110与透明高热传导层105之间形成低折射率层107，则可以利用厚的透明高热传导层105。

另外，如图42(c)所示，也可以将周期结构120用具有高的热传导率的低折射率层107覆盖。进而，也可以如图42(d)所示，将周期结构120用低折射率层107覆盖，再形成透明高热传导层105。在该构成中，低折射率层107不需要具有高的热传导率。

作为透明高热传导层105的材料，例如可以列举：Al₂O₃、MgO、Si₃N₄、ZnO、AlN、Y₂O₃、金刚石、石墨烯、CaF₂、BaF₂。这些之中，由于CaF₂、BaF₂的折射率低，因此能够作为低折射率层107来利用。

接着，参照图43(a)～(d)，对提高了具备发光器件100和光源180的发光装置的散热特性的结构进行说明。

图43(a)所示的发光装置具有作为光源180的LED芯片180和发光器件100。发光器件100可以为上述任意一种类型。LED芯片180安装在支撑基板190上，发光器件100与LED芯片隔开规定间隔配置。发光器件100受到由LED芯片射出的激发光而发光。在支撑基板190上，LED芯片180和发光器件100被密封部142覆盖。

密封部142具备高热传导性和透光性。形成密封部142的材料(有时称为“密封材料”)例如为包含高热传导性填料和树脂材料的复合材料。作为高热传导性填料，可以例示Al₂O₃、ZnO、Y₂O₃、石墨烯和AlN。另外，作为树脂材料，可以例示环氧树脂和硅树脂。特别是，作为密封材料，可以采用高热传导性填料的尺寸使用了纳米尺寸(即，亚微米尺寸)的纳米复合材料。使用纳米复合材料时，能够抑制光的扩散反射(或散射)。作为纳米复合材料，可以例示使用ZnO或Al₂O₃作为填料、使用环氧树脂或硅树脂作为树脂的材料。

此外，在发光器件100如图43(a)所例示的那样为周期结构露出在表面的类型的情况下，优选周期结构周围的介质的折射率低于周期结构的折射率。即，密封部142的折射率优选的是：在周期结构由透光层形成的情况下低于透光层的折射率，在周期结构由与光致发光层相同的材料形成的情况下低于光致发光层的折射率。

密封部142如图43(b)所示的那样也可以以将发光器件100的表面附近(例如具有周期结构的透光层或光致发光层)露出的方式设置。此时，密封部142的折射率没有特别限制。

另外，如图43(c)所示，在使用周期结构被低折射率层107(参照图42(c))覆盖的类型的器件作为发光器件100的情况下，密封部142的折射率也可以比周期结构的折射率高。通过采用这样的构成，密封部142的材料的选择范围变宽。

此外，如图43(d)所示，也可以将发光器件100的周边固定在具有高热传导性的固定器152中。固定器152例如可以由金属形成。例如，在使用激光二极管182作为光源的情况下，当在发光器件100与光源之间无法填充密封材料时，可以适合使用上述的结构。例如，具有图42(a)～(d)中所例示的构成的发光器件100具有透明高热传导层105或具有高热传导率的低折射率层107，因此器件的面内的热传导性高，从而能够有效地隔着固定器152散热。

如图44(a)～(d)所示，也可以在发光器件100的表面配置高热传导构件144或146。高热传导构件144或146例如由金属形成。

例如，可以如图44(a)中表示的剖视图、图44(b)中表示的俯视图那样，以覆盖发光器件100的周期结构120的一部分的方式配置高热传导构件144。图44(a)和(b)中表示仅覆盖形成一维周期结构的多个凸部中的一个的线状高热传导构件144，但不限于此。

另外，也可以如图44(c)中表示的剖视图、图44(d)中表示的俯视图那样，以覆盖发光器件100的周期结构120的两端的凸部和光致发光层110的端面的方式，形成高热传导构件146。在任何一种情况下，如果周期结构和光致发光层被高热传导构件146覆盖的部分的面积变大，则有可能会影响发光器件100的特性，因此形成在发光器件100的表面上的高热传导构件146的面积优选较小。

此外，也可以如图45(a)中表示的剖视图、图45(b)中表示的俯视图那样，在敷设具有不同结构的多个发光器件100r、100g和100b的情况下，以在相邻的发光器件之间覆盖各个发光器件的端部的方式，配置高热传导构件148。例如，如这里所例示的那样，在排列增强红色光的发光器件100r、增强绿色光的发光器件100g以及增强蓝色光的发光器件100b的情况下，例如在将由金属形成的高热传导构件148配置在相邻的发光器件之间时，由于高热传导构件148具有遮光性，因此能够抑制混色。这样，也能够如显示面板中的黑矩阵那样使用高热传导构件148。

图46表示具备联锁电路185的发光装置的例子。图46(a)是表示发光器件100的背面的示意图；图46(b)是包括发光器件100的剖视图在内的发光装置的示意图。如图46(a)和(b)所示，在发光器件100所具有的基板140的背面形成有环状配线172。环状配线172形成在发光器件100的背面的外周附近，形成为在基板140破损后断线。环状配线172例如由金属材料形成。环状配线172的两个端部与联锁电路185的继电器电路电连接。在环状配线172发生断线的情况下，继电器电路切断向光源182的电力供给。从像激光二极管那样发出强度强的光时的安全性等观点考虑，光源182特别优选设置联锁电路185。

上述实施方式的发光器件所具有的亚微米结构例如为周期结构，可以利用光刻技术或纳米印刷技术来形成。参照图47(a)～(f)，对亚微米结构的其他形成方法进行说明。

如图47(a)所示，在被基板140支撑的光致发光层110的表面上配置珠子122。通过将珠子122的一部分均等地埋入光致发光层110，能够将珠子122固定在光致发光层110。这样，在大量的珠子122各自的一部分被均等地埋入光致发光层110而剩余部分由光致发光层110突出的情况下，珠子122的折射率既可以与光致发光层110的折射率相等，也可以比其小。例如，在珠子122的折射率小于光致发光层110的折射率的情况下，由大量的珠子122形成的层(由光致发光层110突出的部分和被埋入的部分这两部分)作为亚微米结构的透光层120发挥功能。另外，在珠子122的折射率与光致发光层110的折射率相等的情况下，珠子122与光致发光层110实质上成为一体，由光致发光层110突出的部分作为具有亚微米结构的透光层120发挥功能。

或者，如图47(b)所示，也可以在基板140上配置大量的珠子122，然后再形成光致发光层110。此时，优选珠子122的折射率低于光致发光层110的折射率。

这里，珠子122的直径例如与上述的D_int相等或比其小。在珠子122致密地充填的情况下，珠子122的直径与D_int基本一致。在相邻的珠子122之间形成间隙的情况下，珠子122的直径加上间隙所得到的长度与D_int相对应。

另外，作为珠子122，既可以为中空珠子，也可以为中实珠子。

图47(c)～(f)是示意性地表示各种珠子的充填状态的图和由各个充填状态的珠子得到的光散射图案的图。在图47(c)～(f)中，黑色部分表示中实珠子或中空珠子内的中实部分，白色部分表示中空珠子或中空珠子内的空隙部分。

图47(c)表示具有卵形的外形的中空珠子密集充填的状态和其光散射图案。该中空珠子的空隙部分为大致球形且形成在卵的底部的位置。图47(d)表示具有大致球形的外形的中空珠子密集充填的状态和其光散射图案。该中空珠子的空隙部分为大致球形且以与外形的球相接触的方式形成。图47(e)表示具有大致球形的外形的中空珠子密集充填的状态和其光散射图案。该中空珠子的空隙部分包含两个大致球形的空隙，两个球形空隙沿着外形的球的直径排列。图47(f)表示具有大致球形的外形的中空珠子及具有大致球形的外形的中实珠子密集充填的状态和其光散射图案。中空珠子与中实珠子具有基本相同的直径，以基本相同的体积比率混合。另外，中空珠子和中实珠子的配置没有规律性，基本为随机。

就中空珠子、中实珠子而言，由各种玻璃或树脂形成的珠子在市面上有售。这里所例示的珠子例如使用作为研磨材料广泛市售的氧化铝的粉体、日铁矿业株式会社的中空二氧化硅等，向所得到的珠子添加分散剂，分散在溶剂(例如水和/或醇类等)中，将该分散液施于基板140上或光致发光层110上，进行干燥，由此能够形成大量的珠子密集地充填的层。

[9.应用例]

如上所述，本发明的发光器件和具备该发光器件的发光装置由于具有各种优点，因此通过应用于各种光学设备，可以发挥有利的效果。以下，列举应用例。

本发明的发光器件能够向特定方向射出指向性高的光。该高指向性例如优选作为利用液晶显示装置的导光板的边光型背光源来使用。例如，在使用了现有的指向性低的光源的情况下，由光源射出的光是利用反射板和/或扩散材料向导光板导入光。在特定方向的指向性高的光源的情况下，省略这些光学部件也能够高效地向导光板导入光。

另外，在各种光学设备中，需要将来自光源的光高效地导向规定的方向，因此例如使用了透镜、棱镜或反射板。例如，在投影仪中，为了将来自光源的光导向显示面板，已知有使用光导的构成(例如日本特开2010-156929号公报)。通过将本发明的发光器件用于光源，能够省略光导。

此外，照明器具为了将各向异性地发出的光导向所期望的方向，使用了包含透镜和/或反射板在内的光学部件；而通过使用本发明的发光器件，可以省略这些光学部件。或者，能够将对于各向同性的光的复杂设计置换成对于指向性高的光的单纯设计。其结果是，能够将照明器具小型化，或者将设计工序简化。

本发明的发光器件能够仅增强特定波长的光。因此，能够容易实现仅射出所需要的波长的光源。另外，不改变光致发光层的材料，仅变更周期结构，就能够改变所射出的光的波长。进而，根据相对于周期结构的角度，也能够射出不同波长的光。这样的波长选择性例如可以用于窄带成像(narrow band imaging：NBI；注册商标)这一技术。此外，也能够适合用于可见光通信。

另外，在照明的领域，开发了彩光色照明和美光色照明之类的技术。这些技术是使照明的对象的颜色看起来更美的技术，彩光色照明例如具有使蔬菜等食品看起来更可口的效果，美光色照明具有使肌肤看起来更美的效果。这些技术均通过根据对象物控制光源的光谱(即，所发出的光的波长的强度分布)来进行。以往，通过使用光学滤波器使由光源射出的光选择透过，控制照明中所使用的光的光谱。即，由于不需要的光被光学滤波器吸收，因此使光的利用效率降低。与此相对，本发明的发光器件由于能够增强特定波长的光，因此不需要光学滤波器，从而能够使光的利用效率提高。

本发明的发光器件能够射出偏振光(直线偏振光)。以往，直线偏振光通过使用偏振滤波器(也被称为“偏振片”)来吸收构成由光源射出的不偏振光的正交的两个直线偏振光内的一个来制作。因此，光的利用效率为50％以下。如果使用本发明的发光器件作为偏振光源，则由于不需要使用偏振滤波器，因此能够提高光的利用效率。偏振光照明例如用于橱窗、展望餐厅的窗玻璃等想要降低反射光的情况。另外，用于利用了皮肤表面的反射特性依赖于偏振光这一认识的洗漱化妆用照明，进而用于使通过内窥镜观察病变部变得容易。

偏振光源除了适合作为液晶显示装置的背光源来使用以外，也适合用于液晶投影仪的光源。在作为液晶投影仪的光源使用的情况下，能够与上述的波长选择性组合，构成能够射出三原色的偏振光的光源。例如，将射出红色的直线偏振光的发光器件、射出绿色的直线偏振光的发光器件和射出蓝色的直线偏振光的发光器件连接起来形成圆盘，一边对该圆盘照射激发光，一边使圆盘旋转，由此能够实现以时间序列射出红、绿、蓝这三原色的偏振光的光源。

本发明的发光器件如图48示意性地所示，也能够作为透明显示装置的屏幕100S来使用。

屏幕100S是例如由增强红色光(R)的发光器件、增强绿色光(G)的发光器件和增强蓝色光(B)的发光器件构成的像素以矩阵状排列。这些发光器件仅在由激发光源180S1照射对应的激发光(例如紫外线)时发出规定颜色的光，能够显示图像。各发光器件由于透过可见光，因此观察者隔着屏幕100S能够观察背景。在不对屏幕100S照射激发光时，看起来就像透明的窗。作为激发光源180S1，使用激光二极管配合图像数据，一边改变输出一边扫描，由此能够进行高分辨率的显示。另外，由于激光为相干光，因此通过使其与周期结构进行干涉，也能够提高激发效率。此外，在使用紫外线等不优选的波长的光作为激发光时，通过将激发光源设置在屏幕100S的与观察者相反一侧，并在屏幕100S的观察者侧设置截止激发光的滤波器，由此能够防止不需要的光泄露。

屏幕100S可以具有高指向性，因此例如能够构成为仅从规定方向观察的人能够观察到图像。

也可以使用激发光源180S2来代替激发光源180S1。此时，在屏幕100S的背面(即，与观察者侧相反一侧)配置导光片S，由激发光源180S2对导光片S照射激发光。射入导光片S的激发光一边在导光片S内传播，一边从背面照射屏幕100S。此时，如果配合想要显示的图像部分来配置发光器件，则能够构成为如下的显示设备：虽然不能主动地显示任意图像，但在未照射激发光的情况下，如窗户般透明，仅在照射激发光时，显示图像或者图形、文字等。

另外，在本发明的发光器件中，例如参照图8和图9如上所述，如果周期结构的折射率变化，则所增强的光的波长变化，所增强的光的出射方向也变化。根据光致发光层的折射率，所增强的光的波长和出射方向也会变化。因此，能够容易且灵敏度良好地探测发光器件附近的介质的折射率变化。

例如，能够如下操作，使用本发明的发光器件来构成检测各种物质的传感器。

预先将与测定对象的物质(蛋白质或气味分子、病毒等)选择性结合的物质(酶等)以接近本发明的发光器件的周期结构的方式配置。如果结合测定对象的物质，则发光器件附近的介质的折射率变化。通过根据上述被增强的光的波长或出射方向的变化检测该折射率的变化，能够探测各种物质的存在。

本发明的发光器件的应用例不限于上述内容，能够适用于各种光学设备。

产业上的可利用性

本发明的发光器件和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。

Claims (30)

1.一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层以与所述光致发光层接近的方式配置；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期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，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从所述光致发光层所包含的光致发光材料的发光光谱中强度达到峰值的波长B偏离。

2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述波长A大于所述波长B。

3.根据权利要求1所述的发光器件，其中，当将所述光致发光层所含的光致发光材料的发光光谱的半峰半宽设定为HWHM时，所述波长A从所述波长B偏离HWHM以上。

4.根据权利要求1所述的发光器件，其中，在所述光致发光层所含的光致发光材料的发光光谱中，存在两个强度为峰值的一半的波长，

当将所述两个波长中与所述波长B的差更大的波长C与所述波长B的差设定为W时，所述波长A从所述波长B偏离W以上。

5.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述波长λ_a与所述波长A一致。

6.一种发光器件，其具有：

透光层；

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在所述透光层上；以及

光致发光层，该光致发光层以与所述周期结构接近的方式配置，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从所述光致发光层所包含的光致发光材料的发光光谱中强度达到峰值的波长B偏离。

7.一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层具有比所述光致发光层高的折射率；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在所述透光层上，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从所述光致发光层所包含的光致发光材料的发光光谱中强度达到峰值的波长B偏离。

8.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述光致发光层与所述透光层互相接触。

9.一种发光器件，其具有：

光致发光层；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在所述光致发光层上，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从所述光致发光层所包含的光致发光材料的发光光谱中强度达到峰值的波长B偏离。

10.一种发光装置，其具备：

权利要求1～9中任一项所述的发光器件；以及

光学快门，该光学快门具有分别配置在由所述发光器件分别向多个方向发出的多个光线的路径上的多个透光区域，并且使所述多个透光区域的透光率各自变化。

11.一种投影装置，其具备：

权利要求10所述的发光装置；以及

光学体系，该光学体系使由所述光学快门射出的光聚焦。

12.一种发光装置，其具备：

权利要求1～9中任一项所述的发光器件；以及

光学滤波器，该光学滤波器配置在由所述发光器件发出的光的路径上，并具有使由所述发光器件向特定方向射出的光线透过的透光区域。

13.根据权利要求12所述的发光装置，其中，所述光学滤波器具有包括所述透光区域在内的多个透光区域，

所述多个透光区域使由所述发光器件分别向特定多个方向射出的多个光线透过。

14.根据权利要求12所述的发光装置，其还具备以使不同的波长的光线透过所述透光区域的方式使所述发光器件旋转的机构。

15.根据权利要求12所述的发光装置，其还具备以使不同波长的光线透过所述透光区域的方式使所述光学滤波器向与所述光线交叉的方向移动的机构。

16.一种检测装置，其具备：

权利要求1～9中任一项所述的发光器件；以及

检测器，该检测器配置在由所述发光器件射出的光的路径上，并检测被检测物。

17.根据权利要求16所述的检测装置，其还具备保持构件，该保持构件将所述被检测物保持在从所述发光器件到所述检测器的光路上。

18.根据权利要求16所述的检测装置，其还具备光学滤波器，该光学滤波器配置在由所述发光器件发出的光的路径上，并且具有使由所述发光器件向特定方向射出的光线透过的透光区域。

19.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述至少一个周期结构内部的周期与所述光致发光层的电场振幅的最大值的周期相同。

20.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述至少一个周期结构内部的周期与所述光致发光层的电场振幅的最大值的周期相同。

21.根据权利要求7所述的发光装置，其中，所述至少一个周期结构内部的周期与所述光致发光层的电场振幅的最大值的周期相同。

22.根据权利要求9所述的发光装置，其中，所述至少一个周期结构内部的周期与所述光致发光层的电场振幅的最大值的周期相同。

23.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述光致发光层具有使所述光致发光层内产生模拟导波模式的厚度。

24.根据权利要求6所述的发光装置，其中，所述光致发光层具有使所述光致发光层内产生模拟导波模式的厚度。

25.根据权利要求7所述的发光装置，其中，所述光致发光层具有使所述光致发光层内产生模拟导波模式的厚度。

26.根据权利要求9所述的发光装置，其中，所述光致发光层具有使所述光致发光层内产生模拟导波模式的厚度。

27.一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层以与所述光致发光层接近的方式配置；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期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，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由所述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

28.一种发光器件，其具有：

透光层；

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在所述透光层上；以及

光致发光层，该光致发光层以与所述周期结构接近的方式配置，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由所述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

29.一种发光器件，其具有：

光致发光层；

透光层，该透光层具有比所述光致发光层高的折射率；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在所述透光层上，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由所述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。

30.一种发光器件，其具有：

光致发光层；以及

至少一个周期结构，该至少一个周期结构形成在所述光致发光层上，

其中，所述周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

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，

经由所述周期结构向与所述光致发光层垂直的方向射出的光的光谱中强度达到峰值的波长A从由所述光致发光层所发出的光的强度达到峰值的波长B偏离。