CN106252478B - 发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供发光元件，实现指向性高的红外光源。发光元件具备：光致发光层，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；以及透光层，与所述光致发光层接近地配置。在所述光致发光层以及所述透光层中的至少一方配置有至少一个周期构造。所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方。在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav‑a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav‑a＜p_a＜λ_a的关系。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及具有发出红外域的光的光致发光层的发光元件以及发光装置。

背景技术

红外线(以下，有时称为“红外光”。)利用于多种用途。例如，利用于生物体内部的观察、食品以及药品等物质的组成的检査、生物体认证、以及红外线通信等用途。在这些应用时，要求对观测对象正确地照射规定波段的红外线。

发出红外光以及可见光等的电磁波的光致发光材料一般各向同性地发光。因此，为了仅向特定方向射出电磁波，多数情况下使用反射器、透镜等光学部件。例如，专利文献1是可见光的例子，公开了使用配光板以及辅助反射板来确保了指向性的照明系统。

专利文献1：特开2010－231941号公报

发明内容

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

本发明提供具有能够对发出红外域的光的光致发光材料的发光效率、指向性或偏光特性进行控制的新的构造的发光元件以及具备该发光元件的发光装置。

本发明的一个技术方案的发光元件具备：光致发光层，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；以及透光层，与所述光致发光层而接近地配置。在所述光致发光层以及所述透光层的至少一方形成有至少一个周期构造。所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部的至少一方。设对于所述第1光的所述光致发光层的折射率为n_wav-a，所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

上述包括性的或者具体的技术方案也可以通过元件、装置、系统、方法、或者它们的任意的组合实现。

发明效果

根据本发明的一个技术方案的发光元件以及发光装置，元件自身能够射出高指向性的红外光。因此，即使不使用以往需要的反射器、透镜等光学部件也能够进行指向性高的发光。在某技术方案中，不仅能够控制光的指向性，而且还能控制亮度或偏光特性。

附图说明

图1A是表示某个实施方式的发光元件的构成的立体图。

图1B是图1A所示的发光元件的局部剖视图。

图1C是表示另一个实施方式的发光元件的构成的立体图。

图1D是图1C所示的发光元件的局部剖视图。

图2是表示分别改变发光波长和周期构造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＝345nm时计算向x方向导波的模式的电场分布的结果的图。

图5B是表示厚度t＝925nm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＝600nm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模式的情况计算光的增强度的结果的图。

图7A是表示二维周期构造的例子的俯视图。

图7B是表示就二维周期构造进行与图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构造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2000nm时的结果的图。

图10是表示改变发光波长和周期构造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相同的条件将周期构造的折射率设定为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构造时的计算结果的图。

图15是图示式(15)的条件的图表。

图16是表示具备图1A、1B所示的发光元件100和使激励光入射光致发光层110的光源180的发光装置200的构成例的图。

图17A是用于说明通过使激励光与模拟导波模式结合而高效地射出光的结构的图，表示具有x方向的周期p_x的一维周期构造。

图17B是用于说明通过使激励光与模拟导波模式结合而高效地射出光的结构的图，表示具有x方向的周期px以及y方向的周期p_y的二维周期构造的图。

图17C是表示图17A的结构中的光的吸收率的波长依赖性的图。

图17D是表示对于y方向的周期py以及波长的、光的增强度的依赖性的图。

图18A是表示二维周期构造的一个例子的图。

图18B是表示二维周期构造的另一个例子的图。

图19A是表示在透明基板上形成了周期构造的变形例的图。

图19B是表示在透明基板上形成了周期构造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构造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元件的构成的图。

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构造的例子的俯视图。

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元件的一个例子的图。

图23是表示在光致发光层110与周期构造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构造120的例子的图。

图25的(a)以及(b)是表示计算发光元件的射出光的角度依赖性的结果的图。

图26的(a)以及(b)是表示计算发光元件的射出光的角度依赖性的结果的图。

图27是用于说明在光致发光层110上具有周期构造120的发光元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28A是表示排列了显示发光增强效果的波长不同的多个周期构造的构成的例子的俯视示意图。

图28B是表示排列了显示发光增强效果的波长不同的多个周期构造的构成的例子的俯视示意图。

图28C是表示排列了显示发光增强效果的波长不同的多个周期构造的构成的另一个例子的俯视示意图。

图29具备微透镜的发光元件的剖视示意图。

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是表示进行红外成像的系统的概略的结构的图。

图32是表示将发光装置200和光纤500组合而成的系统的概略的结构的图。

附图标记说明

100、100a 发光元件

110 光致发光层(导波层)

120、120’、120a、120b、120c 透光层(周期构造)

140 透明基板

150 保护层

180 光源

200 发光装置

300 传感器

400 处理装置

500 光纤

具体实施方式

本发明包括以下的项目记载的发光元件以及发光装置。

[项目1]

一种发光元件，具备：光致发光层，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；以及透光层，与所述光致发光层近接地配置；在所述光致发光层以及所述透光层中的至少一方形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方，在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目2]

如项目1所述的发光元件，所述透光层对所述第1光的折射率n_t-a小于所述光致发光层对所述第1光的所述光致发光层的折射率n_wav-a。

[项目3]

如项目1或2所述的发光元件，所述第1光在由所述周期构造预先决定的第1方向上强度最大。

[项目4]

如项目3所述的发光元件，所述第1光的以所述第1方向为基准时的指向角小于15°。

[项目5]

一种发光元件，具备：光致发光层，发出包含红外域的光的光；以及透光层，与所述光致发光层接近地配置；在所述光致发光层以及所述透光层中的至少一方形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方；在设所述光致发光层所具有的光致发光材料的激励光在空气中的波长为λ_ex、所述光致发光层对所述激励光的折射率为n_wav-ex、所述至少一个周期构造的周期为p_ex时，成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的关系。

[项目6]

一种发光元件，具备：透光层，具有至少一个周期构造；以及光致发光层，与所述至少一个周期构造接近地配置，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方，在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目7]

一种发光元件，具备：光致发光层，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；以及透光层，该透光层对所述第1光的折射率高于所述光致发光层对所述第1光的折射率；在所述透光层形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方；在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目8]

如项目1至7中任一项所述的发光元件，所述光致发光层与所述透光层相互相接。

[项目9]

一种发光元件，具备光致发光层，该光致发光层发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；在所述光致发光层形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方，在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

本发明的实施方式的发光元件具有：光致发光层，发出红外域的光；透光层，与所述光致发光层接近地配置；以及至少一个周期构造，形成于所述光致发光层以及所述透光层中的至少一方。所述周期构造包含多个凸部及多个凹部中的至少一方。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在近红外或中红外的波长范围内(约0.75μm以上且4μm以下)。本说明书中，将该波长范围称为“红外域”，也有将红外域的电磁波(即红外线)也表现为“光”的情况。

光致发光层包含发出红外域的光的光致发光材料。光致发光材料是指接受激励光而发光的材料。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的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周期构造的情况下，空气层可以为透光层。

本发明的实施方式的发光元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方的周期构造，在光致发光层和透光层的内部形成独特的电场分布。这是导波光与周期构造相互作用形成的，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的构成和/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。

周期构造例如包含多个凸部及多个凹部中的至少一方，在设将相邻的凸部之间的距离(即，中心间距离)为D_int时，满足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。换言之，在设周期构造的周期为P_a时，成立λ_a/n_wav-a＜P_a＜λ_a的关系。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所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周期构造的情况下，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光方向(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。

周期构造形成在光致发光层和透光层中的至少一方。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周期构造。此时，光致发光层和透光层具有周期构造。光致发光层也可以不具有周期构造。此时，具有周期构造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(或其周期构造)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，导波模式的电场到达周期构造，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，因此透光层的周期构造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处于导波模式的电场到达周期构造、形成模拟导波模式那样的配置关系的情况下，有时表示为两者互相关联。

周期构造如上所述满足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系，因此以波长的大小被赋予特征。周期构造例如如以下详细说明的实施方式的发光元件中那样，不限于一个，也可以设有多个周期构造。模拟导波模式的光通过一边传播一边与周期构造反复相互作用，通过周期构造而衍射。这与在自由空间传播的光通过周期构造而衍射的现象不同，而是光一边导波(即一边反复全反射)一边与周期构造作用的现象。因此，即使由周期构造引起的相移小(即，即使周期构造的高度小)，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弯曲被周期构造规定的衍射角度。通过利用该现象，能够向特定方向射出特定波长的光。即，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1000nm)的直线偏光(例如TM模式)的发光元件。此时，向正面方向射出的光的指向角例如小于15°。此外，指向角为将正面方向设定为0°时的单侧的角度。

如果周期构造的周期性降低，则指向性、发光效率、偏光度以及波长选择性变弱。只要根据需要调整周期构造的周期性就行。周期构造既可以为偏光的选择性高的一维周期构造，也可以是能够减小偏光度的二维周期构造。

光致发光层以及透光层的至少一方可以包含多个周期构造。多个周期构造例如周期相互不同。或者，多个周期构造中，例如具有周期性的方向(轴)互相不同。多个周期构造既可以形成在同一个面内，也可以形成在不同的多个面(即层叠)。当然，也可以是，发光元件具有多个光致发光层和多个透光层，它们具有多个周期构造。

周期构造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励光高效地导向光致发光层。即，激励光被周期构造衍射，与在光致发光层和透光层导波的模拟导波模式结合，由此能够高效地激励光致发光层。只要使用当将激励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励光的折射率设定为n_wav-ex时成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的关系的周期构造就行。n_wav-ex为光致发光材料在激励波长下的折射率。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的关系的周期构造的构造。激励光的波长λ_ex例如为450nm，但也可以为比可见光短的波长。在激励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红外光一起射出激励光。

[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，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，则不需要(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]

本申请的发明者们想到使用电场强的导波模式对发光进行控制。通过设定为导波构造本身含有光致发光材料的构成，能够使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构造，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，想到对包含光致发光材料的波导和由多个凸部和多个凹部中的至少一方形成的周期构造进行组合。在周期构造与波导接近、光的电场一边与周期构造重叠一边导波的情况下，通过周期构造的作用，存在模拟导波模式。即，该模拟导波模式是被周期构造所限制的导波模式，其特征在于，电场振幅的波腹以与周期构造的周期相同的周期产生。该模式是通过光被封闭在导波构造中从而电场向特定方向被增强的模式。进而，该模式与周期构造进行相互作用，从而通过衍射效应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，本申请的发明者们想到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)构成以周期构造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。

作为导波构造的简便构成，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构造的波导。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。通过使这样的平板型波导构成为包含光致发光层，从发光点产生的红外光的电场与导波模式的电场大为重合，因此能够使光致发光层中产生的红外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左右，能够产生仅存在电场振幅大的导波模式的状况。

进而，在周期构造与光致发光层接近的情况下，通过导波模式的电场与周期构造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到达周期构造，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，在由金属形成周期构造的情况下，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，作为周期构造，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)的表面形成周期构造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和周期构造(例如透光层)120的发光元件100的一个例子的立体图。以下，在透光层120具有周期构造的情况下(即，在透光层120形成有具有周期性的折射率的变动的构造的情况下)，有时将透光层120自身称为周期构造120。在该例子中，周期构造120是分别在y方向上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构造。图1B是将该发光元件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的周期构造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。

式(2)中的m为整数，表示衍射的级数。

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)。

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为射出侧的介质的折射率，θ_out为光射出到波导外的基板或空气时的射出角度。由式(2)～(4)可知，射出角度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，进而利用周期构造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构造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)。

对此，如果考虑式(6)，可知只要成立以下的式(8)就行。

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)。

此外，在设置如图1A和图1B所示的周期构造的情况下，由于m为2以上的高级的衍射效率低，所以只要以m＝1的一级衍射光为重点进行设计就行。因此，在本实施方式的周期构造中，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。

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。

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和周期构造120的构造。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。

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所示发光元件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。

同样地，在如图1C和图1D所示的发光元件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。

通过以满足以上的不等式的方式确定周期构造的周期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，在对发光元件由外部垂直地入射光时，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。由外部入射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，将周期构造的高度设定为100nm，将周期构造的折射率设定为1.8，分别改变发光波长和周期构造的周期，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构造、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，周期构造的截面设定为如图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，相比于三级以上的高级衍射光，一级衍射光的衍射效率高。不存在m＝2的峰是因为，周期构造中的衍射效率低。

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、将周期构造的周期设定为1200nm、将高度设定为100nm、将折射率设定为1.8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1500nm、厚度t＝345nm、925nm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＝600nm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构造。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＝345nm、925nm时有高的电场强度分布，而在t＝600nm时整体上电场强度低。这是因为，在t＝345nm、925nm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)，产生与周期构造120相关的电场。即，可知根据周期构造120的配置，可以得到导波的模式。另外，比较t＝345nm的情况和t＝925nm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.偏光依赖性]

接着，为了确认偏光依赖性，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模式的情况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光都有效。

[3-4.二维周期构造]

进而，进行了基于二维周期构造的效果的研究。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构造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。在这样的二维周期构造中，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构造计算光的增强度得到的结果表示在图7B中。除了周期构造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：通过二维周期构造，TE模式也通过衍射被转换而输出。另外，对于二维周期构造，还需要考虑关于x方向和y方向这两方向同时满足一级衍射条件的衍射。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，除了一维周期构造时的峰以外，还可以想到对于周期p的倍的周期也产生峰。图7B中，还能够确认到这样的峰。

作为二维周期构造，不限于如图7A所示的x方向和y方向的周期相等的正方点阵的构造，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构造。另外，根据方位方向也可以为(例如正方点阵时x方向和y方向)的周期不同的构造。

如上所述，本实施方式确认了：利用基于周期构造的衍射现象，能够将通过周期构造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励光激励光致发光层，可以得到具有指向性的发光。

[4.周期构造和光致发光层的构成的研究]

接着，对于改变周期构造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.周期构造的折射率]

首先，对于周期构造的折射率进行研究。将光致发光层的膜厚设定为400nm，将光致发光层的折射率n_wav设定为1.8，将周期构造设定为如图1A所示那样的在y方向上均匀的一维周期构造，将高度h设定为100nm，将周期p设定为1200nm，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构造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t设定为2000nm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400nm时(图8)相比，膜厚为2000nm时(图9)相对于周期构造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构造的折射率的影响。即，周期构造的折射率越高，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所分布的区域中的介质的折射率决定。

接着，着眼于相对于周期构造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。这是因为周期构造的折射率越高，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构造。因此，为了将峰强度和Q值提高一定程度，只要将构成周期构造的电介质(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.周期构造的高度]

接着，对于周期构造的高度进行研究。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，周期构造为如图1A所示那样的在y方向上均匀的一维周期构造，并且将折射率设定为n_p＝1.5，将周期设定为1200nm，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构造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构造的折射率设定为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，峰强度和Q值(即，峰的线宽)不变化，而在图11所示的结果中，周期构造的高度越大，峰强度和Q值越低。这是因为，在光致发光层的折射率n_wav比周期构造的折射率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)部分与周期构造相互作用。在周期构造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构造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比周期构造的折射率n_p低的情况(图11)下，由于光不进行全反射而到达周期构造的表面，因此周期构造的高度越大，越受其影响。仅观察图11，可知高度为200nm左右就足够，在超过300nm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比周期构造的折射率n_p低的情况下，为了使峰强度和Q值一定程度地提高，只要将周期构造的高度设定为300nm以下就行。

[4-3.偏光方向]

接着，对于偏光方向进行研究。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构造产生的影响。所以，在周期构造的折射率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1800nm以上的红外光没有向正面方向射出。这是因为，根据式(10)，λ₀＜n_wav×p/m＝1.5×1200nm/1＝1800nm。

由以上的分析可知，在将周期构造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构造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300nm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，发光元件也可以具有在透明基板140之上形成有光致发光层110和周期构造120的构造。为了制作这样的发光元件100a，可以考虑如下的方法：首先，在透明基板140上用构成光致发光层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，在其之上形成周期构造120。在这样的构成中，为了通过光致发光层110和周期构造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)中的射出介质的折射率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和周期构造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和周期构造120的发光元件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.具有激励光源的发光装置]

图16是表示具备图1A、1B所示的发光元件100和使激励光射入光致发光层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励光激励，得到具有指向性的发光。通过设置以射出这样的激励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射出的激励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被配置为从光致发光层110的下表面射入激励光，但不限于这样的例子，例如也可以从光致发光层110的上表面射入激励光。

也有通过使激励光与模拟导波模式结合来使光高效地射出的方法。图17A、17B是用于说明这样的方法的图。在该例子中，与图1C、1D所示的结构同样，在透明基板140上形成有光致发光层110以及周期构造120。首先，如图17A所示，为了增强发光而确定x方向的周期p_x，接下来，如图17B所示，为了使激励光与模拟导波模式结合而确定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、将激励光的波长设定为λ_ex、将与光致发光层110接触的介质中除了周期构造120以外的折射率最高的介质的折射率设定为n_out时满足以下的式(16)的方式确定。

在此，n_out在图17A、17B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的结构中为空气的折射率(约1.0)。

特别是，如果以设定为m＝1时满足下式(17)的方式决定周期p_y，则能够进一步提高将激励光转换为模拟导波模式的效果。

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，能够将激励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的激励光。

图17C是表示将对图17A所示的构造入射了光时光被吸收的比例按每个波长计算的结果的图。在该计算中，设p_x＝1200nm、激励光的波长λ_ex为约450nm、光致发光层110的消光系数为0.003。图17D是表示在图17B所示的构造中针对y方向的周期py的、每个波长的增强度的图。如图17D所示，可知不仅对由光致发光层110产生的光，而且对于作为激励光的约450nm的光也显示高的吸收率。这是因为，通过将入射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，虽然对约1400nm及约1900nm，吸收率也增大，但这如果在将上述波长的近红外光入射到该构造中的情况下，则同样被有效地转换为模拟导波模式。这样，图17B所示的周期构造120为在x方向和y方向分别具有周期不同的构造(周期成分)的二维周期构造。这样，通过使用具有多个周期成分的二维周期构造，能够提高激励效率，并且提高射出强度。此外，图17A、图17B中是使激励光从基板侧入射，但从周期构造侧入射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构造，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。这些各个周期既可以为了提高多个波长的光的指向性而设定，也可以为了高效地吸收激励光而设定。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.透明基板上的周期构造]

如图19A和图19B所示，可以在透明基板140上形成周期构造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构造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构造120b。另一方面，在图19B的构成例中，光致发光层110的表面被处理成平坦。在这些构成例中，通过以周期构造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。为了验证其效果，在图19A的构成中，改变发光波长和周期构造的周期来计算向正面方向输出的光的增强度。这里，设光致发光层110的膜厚为1000nm，光致发光层110的折射率为n_wav＝1.8，周期构造120a为在y方向均匀的一维周期构造且高度为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。本计算是在可见光的波段进行的，但在红外光的波段也能够确认到同样的一致性。

[5-4.粉体]

根据以上的实施方式，能够通过调整周期构造的周期、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所示那样的发光元件100的构成设定为粉末状，并作为荧光材料进行利用。另外，也可以将如图1A、1B所示那样的发光元件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，只有某特定的波长才能够向特定的方向射出，因此难以实现例如具有宽波段的光谱的红外光的发光。因此，通过使用如图20所示混合了周期构造的周期、光致发光层的膜厚等条件不同的多个发光元件100的结构，能够实现具有宽波段的光谱的发光装置。此时，各个发光元件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构造。

[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构造以二维排列而成的例子的俯视图。在该例子中，三种周期构造120e、120f、120g没有间隙地排列。周期构造120e、120f、120g的周期被设定为将不同波段的红外光分别向正面射出。这样，通过在光致发光层之上排列周期不同的多个构造，也能够对于宽波段的光谱发挥指向性。此外，多个周期构造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表示具有在表面形成有凹凸构造的多个光致发光层110被层叠而成的构造的发光元件的一个例子。在多个光致发光层110之间设置有透明基板140，形成在各层的光致发光层110的表面上的凹凸构造相当于上述的周期构造。在图22所示的例子中，形成了三层的周期不同的周期构造，周期分别被设定为将不同波段的红外光向正面射出。另外，以发出与各周期构造的周期相对应的波长的红外光的方式选择各层的光致发光层110的材料。这样，通过层叠周期不同的多个周期构造，也能够对于宽波段的光谱发挥指向性。

此外，层数、各层的光致发光层110和周期构造的构成不限于上述的构成，可以任意设定。例如，在两层的构成中形成为，第一光致发光层与第二光致发光层隔着透光性的基板而对置，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构造。此时，只要第一光致发光层与第一周期构造这一对和第二光致发光层与第二周期构造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构造满足相当于式(15)的条件就行。光致发光层和周期构造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与周期构造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，光达不到周期构造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。此外，也可以使用与周期构造(透光层)120相同的材料形成保护层150。此时，具有周期构造的透光层兼作保护层。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]

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)和周期构造，则能够实现指向性发光。周期构造可以使用任意材料。然而，如果形成光致发光层(或者导波层)、周期构造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)和周期构造的介质，可以使用光吸收性较低的材料。

作为周期构造的材料，例如可以使用光吸收性低的电介质。作为周期构造的材料的候补，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，在如上所述使周期构造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。

作为在近红外域(波长为约750nm～约2500nm)的区域中发光的荧光材料，例如可以使用CaAlSiN₃：Eu²⁺、SrAlSi₄O₇：Eu²⁺、M₂Si₅N₈：Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr以及Ca中的至少1种)、MSiN₂：Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr以及Ca中的至少1种)、MSi₂O₂N₂：Yb²⁺(M＝选自Sr以及Ca中的至少1种)、Y₂O₂S：Eu³⁺，Sm³⁺、La₂O₂S：Eu³⁺，Sm³⁺、CaWO₄：Li¹⁺，Eu³⁺，Sm³⁺、M₂SiS₄：Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr以及Ca中的至少1种)、M₃SiO₅：Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr以及Ca中的至少1种)、YAG：Cr、Zn3Ga2Ge2O10：Cr、Lu3Al5O12(LuAG)：Cr、LiAl5O8：Cr、GGG：Cr、K2O·Al2O3·2SiO2·xH2O：Nd、Ce、Lu2O2S：Nd、Yb、LaOCl：Nd、Yb、YVO4系：Nd、YbY(PO3)3：Nd、Yb、CaGa2S4：Mn、LiAlO2：Fe、CaS：Yb、Cl、CaTiAlO3：Bi、Y2O3：Yb、Er、Gd2O3：Yb、Er、Gd2O2S：Yb、Er、CaSc2O4：Ce3+，Nd3+。

作为在中红外(波长为约2.5μm～约4μm)的区域中发光的材料，例如可以使用掺杂有稀土类离子(Yb3+，Er3+，Tm3+，Ho3+，Dy3+)的玻璃、荧光体。

关于量子点，例如可以使用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。

[7.制造方法]

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构图来形成周期构造120。也可以代替上述方法，通过纳米压印来形成周期构造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构造120。此时，周期构造120就由与光致发光层110相同的材料形成。

图1A、1B所示的发光元件100例如能够通过在制作图1C、1D所示的发光元件100a后，进行从基板140剥除光致发光层110和周期构造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构造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构造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，本发明的发光元件不限于上述的制造方法。

[8.角度依赖性]

将计算射出光强度的角度依赖性的结果如图25以及图26所示。图25表示以与一维周期构造120的线方向平行的轴为旋转轴旋转时的计算结果(下段)。图26表示以与一维周期构造120的线方向垂直的方向为旋转轴旋转时的计算结果(下段))。图25以及图26中分别关于TM模式以及TE模式的直线偏光进行了计算。图25(a)表示关于TM模式的直线偏光的结果，图25(b)表示关于TE模式的直线偏光的结果，图26(a)表示关于TE模式的直线偏光的结果，图26(b)表示关于TM模式的直线偏光的结果。从图25以及图26可知，TM模式的对光进行增强的效果较高，被增强的光的波长根据角度而移位。例如，对约2400nm的光而言，由于为TM模式且仅在正面方向上存在光，因此可知指向性高且偏振发光。能够使向正面方向射出的光的指向角例如小于15％。在此“指向角”意味着光强度为最大强度的50％的方向相对于最大强度的方向的角度。

如上所述，通过本发明的发光元件所具有的周期构造，受到发光增强效果的光的波长和射出方向依赖于周期构造的构成。考虑图27所示在光致发光层110上具有周期构造120的发光元件。这里，例示了周期构造120由与光致发光层110相同的材料形成、具有图1A所示的一维周期构造120的情况。对于通过一维周期构造120受到发光增强的光而言，当设一维周期构造120的周期为p(nm)、光致发光层110的折射率为n_wav、射出光的外部的介质的折射率为n_out时，若设向一维周期构造120的入射角为θ_wav、从一维周期构造120向外部介质的射出角为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射出角θ_out也不同。其结果是，如图27中意性地表示那样，根据观察的方向，波长不同。

为了降低该角度依赖性，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和一维周期构造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n_wav对于更短波长的光变低那样的逆分散材料。

此外，如图28A所示，通过将表示发光增强效果的波长互相不同的多个周期构造进行排列，能够射出多个波段的红外光。在图28A所示的例子中，能够增强第1波段的红外光的周期构造120e、能够增强第2波段的红外光的周期构造120f、以及能够增强第3波段的红外光的周期构造120g以矩阵状排列。周期构造120e、120f和120g例如为一维周期构造且各自的凸部互相平行地排列。因此，偏光特性对于第1至第3波段的全部的红外光都相同。通过周期构造120e、120f和120g，射出受到发光增强的三波长的红外域的直线偏光。

当将以矩阵状排列的多个周期构造分别称为单位周期构造(或者像素)时，单位周期构造的大小(即，一边的长度)例如为周期的3倍以上。在此，以正方形绘制各单位周期构造，但不限于此，例如也可以是长方形、三角形、六边形等除了正方形以外的形状。

设置在周期构造120e、120f以及120g之下的光致发光层既可以对这些周期构造而言都共通，也可以设置具有与各个波长对应而不同的光致发光材料的光致发光层。

如图28B所示，也可以排列一维周期构造的凸部或凹部所延伸的方位不同的多个周期。在图28B所示的例子中，包括周期构造120h、120i以及120j的多个周期构造排列在矩阵上。多个周期构造所增强的光的波长既可以相同也可以不同。如图28B所示，如果排列朝向不同的周期构造，则能够得到没有偏振的光。此外，对于图28A中的周期构造120e、120f、120g，如果分别如图28B那样改变朝向来配置，则作为整体能够得到不偏振的宽波段的红外光。

如上述那样，周期构造不限于一维周期构造，也可以如图28C所示是二维周期构造。图28C所示的二维周期构造包括周期构造120k、120m以及120n。周期构造120k、120m以及120n的周期、方位如上所述，既可以相同也可以不同，根据需要适当设计。

图29是表示发光元件的其他例的部分截面图。如图29所示，也可以在发光元件的光射出侧配置有微透镜130。由此，能够将斜向射出的波长的红外光向法线方向弯曲，能够使多个波长的红外光向特定方向(例如正面方向)射出。

图29所示的发光元件具有区域R1、R2以及R3。区域R1、R2以及R3分别具有图28A所示周期构造120e、120f以及120g。在区域R1中，通过周期构造120e，波长λ1的红外光向法线方向射出，例如波长λ2的红外光斜向射出。通过微透镜130的折射作用，斜向射出的波长λ2的红外光向法线方向弯曲。结果，在法线方向上，波长λ1的红外光与波长λ2的红外光被混合而被观察到。同样，在区域R2中，通过周期构造120f，波长λ2的红外光向法线方向射出，例如波长λ3的红外光斜向射出。通过微透镜130的折射作用，斜向射出的波长λ3的红外光向法线方向弯曲。结果，在法线方向上，波长λ2的红外光与波长λ3的红外光被混合而被观察到。像这样，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。在此，例示了将与多个周期构造对应的多个微透镜130一体化的微透镜阵列，但不限于此。当然，敷设的周期构造不限于上述的例子，在敷设相同的周期构造的情况下也能够适用，还能够适用于图28B或图28C所示的结构。

此外，具有将斜向射出的光弯曲的作用的光学元件不限于微透镜阵列，例如也可以使用双凸透镜。另外，不仅为透镜，也可以使用棱镜。棱镜还可以设定为阵列。可以与周期构造相对应地分别配置。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。

[9.应用例]

如上所述，本发明的发光元件和具备该发光元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。

本发明的发光元件能够向特定方向射出指向性高的红外光。该高指向性例如应用于生物体组织的观察、食品以及药品等物质的组成检査、生物体认证、以及红外线通信等。通过使用具有高指向性的本发明的发光元件，能够仅向希望的场所照射红外光。此外，由于能够增强特定波长的红外光，因此能够提高成像的灵敏度。

图31是表示进行这样的红外成像的系统的概略的结构的图。该系统具备发光装置200、传感器300以及处理装置400。发光装置200是具有与上述的某一个实施方式相同的结构的发光装置。通过上述的至少一个周期构造，射出规定的波长的红外光IR。传感器300是对包含红外光IR的波段的红外光具有灵敏度的成像传感器。传感器300接受被检体S散射或反射的红外光IR并输出电信号或图像信号。处理装置400包括对从传感器300输出的电信号或图像信号进行处理的处理电路(或处理器)。如果发光装置200向检体S射出红外线，则检体S根据内部的物性来吸收光。传感器300接受不被吸收而被散射或反射的红外光。传感器300所接受到的红外光的强度根据检体S的组成或物性因位置而不同。因此，能够基于从传感器300输出的电信号或图像信息来检测检体S的组成及状态。在该例子中，传感器300检测检体S的散射光或反射光，但也可以构成为根据用途而检测透射光。

这样的系统例如可以用于人脑等生物体组织的观察。生物体组织的观察中使用例如700nm～1400nm的波段中包含的波长的近红外线。有生物体内的血红蛋白吸收700nm以下的光、水吸收1400nm以上的近红外线的性质。另一方面，700nm～1400nm的近红外线的吸收率较低。因此，如果向生物体照射该波段的光，则侵入至生物体内部，能够观察其散射光。由此，能够得到例如脑等生物体内部的信息。

同样的系统还能够利用于生物体认证。例如，使用图31所示的发光装置200向人的手掌照射近红外线，如果由传感器300检测到其反射光以及散射光，则能够确定手掌的静脉的位置。这是因为，静脉中流动的血红蛋白(还原血红蛋白)较好地吸收近红外线。由传感器300检测的图像在静脉的位置上的亮度较低，其他位置上的亮度较高。基于从该图像得到的静脉的分布，能够识别个人。

在食品等的成分分析中也能够适当地利用本系统。食品中包含的水分、蛋白质、脂肪吸收近红外线，但其吸收波段不同。例如蛋白质的吸收波段为约1.3～1.7μm，水的吸收波段为约1.4μm～2μm，脂肪的吸收波段为约2.2μm～约2.5μm。因此，通过使用根据计测对象的成分选择的波段的红外线来拍摄，能够进行食品的成分分析及检査。通过同样的结构，还能够实现药品的成分分析、产品中混入的异物的检测、产品的调配不均匀的自动检査等。

本发明的发光装置还能够利用于红外光通信。在该情况下，发光装置可以用作例如向光纤导入的红外光源。图32是表示将发光装置200与光纤500组合而成的系统的概略的结构的图。该发光装置200中的发光元件100被设计成射出例如1260nm～1625nm(O－Band)或1460nm～1530nm(S－Band)的波段的近红外光。通过将该近红外光向光纤500导入，能够利用于通信。

本发明的发光元件以及发光装置还能够利用于在太阳光下也以较高的灵敏度进行成像的摄像系统。太阳光发出大致300nm～3μm的范围内的波段的光(近紫外线～中红外线)。其中一部分光被在大气的上层中存在的臭氧、大气中的水蒸气、碳酸气体、氧等气体吸收。结果，存在不到达地表的波长的光。例如，1.3～1.5μm以及1.8～2.0μm的波段的近红外线几乎不到达地表。因此，通过使用被设计成射出这些波段的近红外线的发光元件、以及具有对该波段具有灵敏度的成像传感器，白天也不会饱和地以高灵敏度拍摄。

此外，本发明的发光元件中，例如参照图8以及图9，如上所述，如果周期构造的折射率变化，则被增强的光的波长变化，被增强的光的射出方向也变化。此外，被增强的光的波长以及射出方向还根据光致发光层的折射率而变化。因此，能够容易地灵敏度良好地检测发光元件的附近的介质的折射率变化。例如，能够如以下那样构成检测多种物质的传感器。

首先，与发明的发光元件的周期构造接近地配置与测定对象物质(蛋白质、气味分子、病毒等)有选择地结合的物质(酶原等)。如果与测定对象物质结合，则发光元件的附近的介质的折射率变化。能够检测该折射率的变化，作为上述的被增强的光的波长或射出方向的变化。由此，能够检测多种物质的存在。

如以上那样，本发明的发光元件能够仅增强特定波长的光。因此，能够容易地实现仅射出需要的波长的光源。此外，不改变光致发光层的材料，仅通过变更周期构造就能够改变所射出的光的波长。进而，根据相对于周期构造的角度，还能够射出不同波长的红外光。因此，能够利用于使用红外光的多种用途。

本发明的发光元件的应用例不限于上述情况，可以适用于各种光学设备。

工业实用性

本发明的发光元件以及发光装置可以适用于生物体内部的观察、食品以及药品等物质的组成的检査、生物体认证、以及红外线通信等各种用途。

Claims (14)

1.一种发光元件，其特征在于，具备：

光致发光层，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；以及

透光层；

在所述光致发光层以及所述透光层中的至少一方形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方；

所述光致发光层与所述透光层接近地配置，以使在所述光致发光层及所述透光层的内部形成的导波模式的电场到达所述至少一个周期构造；

在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

2.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

所述透光层对所述第1光的折射率n_t-a小于所述光致发光层对所述第1光的折射率n_wav-a。

3.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

所述第1光在由所述周期构造预先决定的第1方向上强度最大。

4.如权利要求3所述的发光元件，其特征在于，

所述第1光的以所述第1方向为基准时的指向角小于15°。

5.如权利要求1所述的发光元件，其特征在于，

所述光致发光层与所述透光层相互相接。

6.一种发光元件，其特征在于，具备：

光致发光层，发出包含红外域的光的光；以及

透光层；

在所述光致发光层以及所述透光层中的至少一方形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方；

所述光致发光层与所述透光层接近地配置，以使在所述光致发光层及所述透光层的内部形成的导波模式的电场到达所述至少一个周期构造；

在设所述光致发光层所具有的光致发光材料的激励光在空气中的波长为λ_ex、所述光致发光层对所述激励光的折射率为n_wav-ex、所述至少一个周期构造的周期为p_ex时，成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的关系。

7.如权利要求6所述的发光元件，其特征在于，

所述光致发光层与所述透光层相互相接。

8.一种发光元件，其特征在于，具备：

透光层，具有至少一个周期构造；以及

光致发光层，与所述至少一个周期构造接近地配置，以使在所述光致发光层及所述透光层的内部形成的导波模式的电场到达所述至少一个周期构造，该光致发光层发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；

所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方，在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

9.如权利要求8所述的发光元件，其特征在于，

所述光致发光层与所述透光层相互相接。

10.一种发光元件，其特征在于，具备：

光致发光层，发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；以及

透光层，该透光层对所述第1光的折射率高于所述光致发光层对所述第1光的折射率；

在所述透光层形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方；

所述光致发光层与所述透光层接近地配置，以使在所述光致发光层及所述透光层的内部形成的导波模式的电场到达所述至少一个周期构造；

在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

11.如权利要求10所述的发光元件，其特征在于，

所述光致发光层与所述透光层相互相接。

12.一种发光元件，其特征在于，

具备光致发光层，该光致发光层发出包含空气中的波长为λ_a的红外域的第1光的光；

在所述光致发光层形成有至少一个周期构造，所述至少一个周期构造包括多个凸部以及多个凹部中的至少一方，在设所述光致发光层对所述第1光的折射率为n_wav-a、所述至少一个周期构造的周期为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

13.如权利要求1～12中任一项所述的发光元件，其特征在于，

所述至少一个周期构造的周期p_a与所述光致发光层内部的电场振幅的最大值的周期相同。

14.如权利要求1～12中任一项所述的发光元件，其特征在于，

所述光致发光层具有在该光致发光层内发生模拟导波模式的厚度。