JP2016034015A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトルミネッセンス材料を利用する発光素子の輝度、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子およびそれを備える発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子は、励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層１１０と、フォトルミネッセンス層１１０に近接して配置された透光層１２０と、フォトルミネッセンス層１１０および透光層１２０の少なくとも一方に形成され、層の面内に広がるサブミクロン構造と、前記励起光をフォトルミネッセンス層１１０に導く導光構造２２０とを有し、サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、フォトルミネッセンス層１１０が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、第１の光に対するフォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。
【選択図】図３１

Description

本開示は、発光装置に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光装置に関する。

照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、この様な材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献１は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。

特開２０１０−２３１９４１号公報

光学デバイスにおいて、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要があり、これら光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。

本開示は、フォトルミネッセンス層の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光装置を提供する。

本開示のある実施形態の発光装置は、励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、を有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。

上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。

本開示のある実施形態による発光装置は、新規な構成を有し、新規なメカニズムに従って、輝度、指向性、または偏光特性を制御することができる。

ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。 他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。 発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。 式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。 発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝２３８ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 厚さｔ＝３００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。 図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。 ２次元の周期構造の例を示す平面図である。 ２次元周期構造に関して図２と同様の計算を行った結果を示す図である。 発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。 発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎ_p＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。 光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして図９に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。 図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。 屈折率が１．５の透明基板の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。 式（１５）の条件を図示したグラフである。 図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。 励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる構成を説明するための図であり、（ａ）はｘ方向の周期ｐ_xを有する１次元周期構造を示し、（ｂ）はｘ方向の周期ｐ_x、ｙ方向の周期ｐ_yを有する２次元周期構造を示し、（ｃ）は（ａ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示し、（ｄ）は（ｂ）の構成における光の吸収率の波長依存性を示している。 ２次元周期構造の一例を示す図である。 ２次元周期構造の他の例を示す図である。 透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。 透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。 図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。 複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。 フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。 表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。 フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。 フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成した例を示す図である。 周期構造を有するガラス基板上に形成されたフォトルミネッセンス層の断面ＴＥＭ像を示す図である。 試作した発光素子の出射光の正面方向のスペクトルを測定した結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 試作した発光素子の出射光（波長６１０ｎｍ）の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。 励起光の吸収効率を向上させる第１の実施形態における発光装置の一部を模式的に示す部分断面図である。 励起光の吸収効率を向上させる第１の実施形態における発光装置の一部を模式的に示す斜視図である。 励起光が全反射によって閉じ込められるための条件を説明するための図である。 導光構造体２２０の他の例を模式的に示す部分断面図である。 導光構造体２２０のさらに他の例を模式的に示す部分断面図である。 導光構造体２２０のさらに他の例を模式的に示す部分断面図である。 導光構造体２２０のさらに他の例を模式的に示す部分断面図である。 導光構造体２２０のさらに他の例を模式的に示す部分断面図である。 複数の透光性部材によって構成された導光構造体２２０の例を示す斜視図である。 複数の透光性部材によって構成された導光構造体２２０の他の例を示す斜視図である。 複数の透光性部材によって構成された導光構造体２２０のさらに他の例を示す斜視図である。 導光構造体２２０の配置の第１の例を説明するための図である。 導光構造体２２０の配置の第２の例を説明するための図である。 導光構造体２２０の配置の第３の例を説明するための図である。 導光構造体２２０を有する発光装置の第２の実施形態を模式的に示す部分断面図である。 励起光の入射角度を説明するための図である。 光源１８０からの励起光の出射方向をより詳細に説明するための図である。 フォトルミネッセンス層１１０内で生じた光が擬似導波モードに結合して外部に出射される様子を模式的に示す断面図である。 励起光の吸収効率を向上させる第３の実施形態の発光装置の一部を模式的に示す断面図である。 計算で想定した発光素子の構成を示す部分断面図である。 入射光の吸収率の波長および角度依存性を示す図である。 光ファイバー２３０を導光構造体として備えた発光装置の構成例を示す図である。 透明基板１４０内に励起光を閉じ込めつつ、フォトルミネッセンス層１１０への入射角度を共鳴吸収が起こる角度にして吸収効率を高める構成を示す図である。 周期構造１２０のライン方向に平行な軸を回転軸として回転させたときの回転角を入射角θとする構成を模式的に示す断面図である。 図５４の構成において、入射角度θおよび空気中の波長λに対する励起光の吸収率の依存性を計算した結果を示す図である。 図５３の構成において、入射光の吸収率の波長および角度依存性を示す図である。 周期構造１２０のライン方向に垂直な方向に延びた導光構造体２２０を有する発光装置の例を示す図である。 周期構造の作用により、フォトルミネッセンス層を含む発光素子の両側に指向性を有する光が出射することを示す断面図である。 フォトルミネッセンス層を含む発光素子に反射層を設ける形態を示す断面図である。 フォトルミネッセンス層の裏面側に設けられた反射層を構成する凸部分において光が全反射する様子を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、反射層の構成が異なる種々の実施形態の発光装置を示す断面図である。 発光素子から異なる波長の光が出射される場合の出射光の角度を示す図であり、（ａ）は異なる波長の光が異なる方向に出射される様子を示す断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、発光素子の背面側に反射層を設けることによって、異なる波長の光の出射方向を揃える形態を示す断面図である。 反射層を備える他の実施形態の発光装置を示す断面図である。 複数の発光素子をタイリングする形態を示す図であり（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

本開示は、以下の項目に記載の発光素子および発光装置を含む。
［項目１］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目１に記載の発光素子。
［項目３］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎ_t-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav-aよりも小さい、項目１または２に記載の発光素子。
［項目４］
前記第１の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第１の方向において強度が最大になる、項目１から３のいずれかに記載の発光素子。
［項目５］
前記第１の方向は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向である、項目４に記載の発光素子。
［項目６］
前記第１の方向に出射された前記第１の光は、直線偏光である、項目４または５に記載の発光素子。
［項目７］
前記第１の光の前記第１の方向を基準としたときの指向角は、１５°未満である、項目４から６のいずれかに記載の発光素子。
［項目８］
前記第１の光の波長λ_aと異なる波長λ_bを有する第２の光は、前記第１の方向と異なる第２の方向において強度が最大となる、項目４から７のいずれかに記載の発光素子。
［項目９］
前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１０］
前記フォトルミネッセンス層が前記サブミクロン構造を有する、項目１から９のいずれかに記載の発光素子。
［項目１１］
前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有する、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１２］
前記フォトルミネッセンス層は、透明基板に支持されている、項目１１に記載の発光素子。
［項目１３］
前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目１から８のいずれかに記載の発光素子。
［項目１４］
前記第１の光に対する前記透光層の屈折率ｎ_t-aは、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは１５０ｎｍ以下である、項目１または２に記載の発光素子。
［項目１５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ第１周期構造を含み、
前記第１周期構造は、１次元周期構造である、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１６］
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aと異なるλ_bの第２の光を含み、前記第２の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-bとするとき、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_bとすると、λ_b／ｎ_wav-b＜ｐ_b＜λ_bの関
係が成り立つ第２周期構造をさらに含み、
前記第２周期構造は、１次元周期構造である、項目１５に記載の発光素子。
［項目１７］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも２つの周期構造を含み、前記少なくとも２つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する２次元周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１８］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目１９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλ_exとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐ_exが、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_exの関係が成り立つ周期構造を含む、項目１および３から１４のいずれかに記載の発光素子。
［項目２０］
複数のフォトルミネッセンス層と、複数の透光層とを有し、
前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも２つと前記複数の透光層の少なくとも２つとは、それぞれ独立に、項目１から１９のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。
［項目２１］
前記複数のフォトルミネッセンス層と前記複数の透光層は、積層されている、項目２０に記載の発光素子。
［項目２２］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の内部に擬似導波モードを形成する光を出射する、発光素子。
［項目２３］
光が導波することができる導波層と、
前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。
［項目２４］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλ_exとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_exの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２５］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_exの関係が成り立つ第１周期構造を含む、項目２４に記載の発光素子。
［項目２６］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２７］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２８］
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光素子。
［項目２９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目１から２１、２４から２８のいずれかに記載の発光素子。
［項目３０］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目１から２２、２４から２７のいずれかに記載の発光素子。
［項目３１］
前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目２３に記載の発光素子。
［項目３２］
項目１から３１のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。
［項目３３］
励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
［項目３４］
前記導光構造体は、前記フォトルミネッセンス層における前記サブミクロン構造がある側の面に形成されている、請求項３３に記載の発光装置。
［項目３５］
前記導光構造体は、前記フォトルミネッセンス層における前記サブミクロン構造がある側の反対側の面に形成されている、請求項３３に記載の発光装置。
［項目３６］
前記励起光を前記導光構造体に向けて出射する光源をさらに有し、
前記導光構造体から前記フォトルミネッセンス層への前記励起光の入射角をθ_st、前記導光構造体の屈折率をｎ_stとするとき、ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＞１が成り立つ、請求項３４または３５に記載の発光装置。
［項目３７］
前記フォトルミネッセンス層を支持する透明基板をさらに有し、
前記導光構造体は、前記透明基板における前記フォトルミネッセンス層の側とは反対側の面に形成されている、請求項３３に記載の発光装置。
［項目３８］
前記励起光を前記導光構造体に向けて出射する光源をさらに備え、
前記導光構造体から前記透明基板への前記励起光の入射角をθ_st、前記導光構造体の屈折率をｎ_stとするとき、ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＞１が成り立つ、請求項３７に記載の発光装置。
［項目３９］
前記導光構造体は、少なくとも１つの角柱形状の透光性部材によって構成されている、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
［項目４０］
前記導光構造体は、少なくとも１つの半球形状の透光性部材から構成されている、請求項３３から３８のいずれかに記載の発光装置。
［項目４１］
前記導光構造体は、少なくとも１つのピラミッド形状の透光性部材から構成されている、請求項３３から３８のいずれかに記載の発光装置。
［項目４２］
前記励起光の空気中における波長をλ_exとするとき、
前記サブミクロン構造は、前記第１の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向に最も強く出射され、波長λ_exの第２の光が前記フォトルミネッセンス層の内部を伝播する場合に前記第２の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向から角度θ_outの方向に最も強く出射されるように構成され、
前記導光構造体は、前記励起光を、入射角θ_outで前記フォトルミネッセンス層に入射させる、請求項３３から４１のいずれかに記載の発光装置。
［項目４３］
前記サブミクロン構造は、１次元周期構造を有し、
前記導光構造体は、前記１次元周期構造のライン方向および前記フォトルミネッセンス層の厚さ方向の両方に垂直な方向に延びた構造を有している、請求項３３から４２のいずれかに記載の発光装置。
［項目４４］
空気中の波長がλ_exの励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記励起光を出射する光源と、
を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立ち、
前記第１の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向に最も強く出射され、波長λ_exの第２の光が前記フォトルミネッセンス層の内部を伝播する場合に前記第２の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向から角度θ_outの方向に最も強く出射されるように構成され、
前記光源は、前記励起光を入射角θ_outで前記フォトルミネッセンス層に入射させる、
発光装置。
［項目４５］
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置され、励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
を有し、
前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
［項目４６］
励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
を有し、
前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
［項目４７］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項３３から４６のいずれかに記載の発光装置。
［項目４８］
励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
を有し、
前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
［項目４９］
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、請求項３３から４８のいずれかに記載の発光装置。
[項目５０]
フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有する発光素子と、
前記発光素子が有する光出射面に対向するように配置された反射層と
を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、前記第１の光に対するフォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
[項目５１]
前記反射層は透光性の凹凸構造を含み、前記凹凸構造の表面で全反射が生じるように構成されている、項目５０に記載の発光装置。
[項目５２]
前記凹凸構造は、プリズム状構造体、ピラミッド状構造体、マイクロレンズアレイ、レンチキュラレンズ、および、コーナーキューブアレイのいずれかを含む、項目５１に記載の発光装置。
[項目５３]
前記反射層は、金属反射膜または誘電体多層膜を含む、項目５０に記載の発光装置。
[項目５４]
前記誘電体多層膜は、ダイクロイックミラーを構成する、項目５３に記載の発光装置。
[項目５５]
前記反射層は、拡散反射膜を含む、項目５０に記載の発光装置。
[項目５６]
前記反射層は、前記フォトルミネッセンス層の層面に対して０°超の角度θだけ傾いた反射面を備える、項目５０から５５のいずれかに記載の発光装置。
[項目５７]
前記フォトルミネッセンス層から出射される光は、前記周期構造の回折作用によって前記フォトルミネッセンス層の層面の法線方向に出射される第１の波長を有する光と、前記周期構造の回折作用によって前記フォトルミネッセンス層の層面の法線方向とは異なる方向に出射される第２の波長を有する光とを含み、
前記第２の波長を有する光は、前記フォトルミネッセンス層の層面の法線方向から角度２θだけずれた方向に沿って前記反射面に到達し、
前記反射面の前記角度θは、前記角度２θの１／２の角度である、項目５６に記載の発光装置。
[項目５８]
前記反射層は、前記角度θだけ傾いた反射面と前記発光素子との間に配置された空気層を含む、項目５６または５７に記載の発光装置。
[項目５９]
面内において互いに隣接して配置された複数の前記発光素子を含み、
前記複数の発光素子は、少なくとも第１の発光素子と第２の発光素子とを含み、
前記第１の発光素子のサブミクロン構造が有する周期構造の周期と、前記第２の発光素子のサブミクロン構造が有する周期構造の周期とが異なっている、項目５０から５８のいずれかに記載の発光装置。

本開示の実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造とを有し、前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。波長λ_aは、例えば、可視光の波長範囲内（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）にある。

フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料（即ち、ホスト材料）を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。

フォトルミネッセンス層に近接して配置される透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料で形成され、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体（特に、光の吸収が少ない絶縁体）で形成されていることが望ましい。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってよい。また、フォトルミネッセンス層の空気側の表面がサブミクロン構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。

本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成されたサブミクロン構造（例えば、周期構造）によって、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造と相互作用して形成されるものであり、擬似導波モードと表現することもできる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがあるが、１つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。

サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の距離（即ち、中心間距離）をＤ_intとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係を満足する。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有する場合を説明する。λは光の波長を表し、λ_aは空気中での光の波長であることを表現する。ｎ_wavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎ_wavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λ_aの光に対する屈折率であることをｎ_wav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎ_wavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎ_wavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。

擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎ_effとすると、ｎ_a＜ｎ_eff＜ｎ_wavを満たす。ここで、ｎ_aは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率ｎ_effは、ｎ_eff＝ｎ_wavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎ_effは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向（ＴＥモードとＴＭモード）により、電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは有効屈折率ｎ_effは異なり得る。

サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはそのサブミクロン構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λ_aの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λ_aの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。

サブミクロン構造は、上記のように、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係を満足するので、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、少なくとも１つの周期構造を含む。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Ｄ_intがｐ_aで一定の周期構造を有する。サブミクロン構造が周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら（即ち、全反射を繰り返しながら）周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても（即ち、周期構造の高さが小さくても）効率よく光の回折を起こすことができる。

以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる（指向性が顕著に向上）。さらに、ＴＥとＴＭモードで有効屈折率ｎ_eff（＝ｎ_wavｓｉｎθ）が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長（例えば６１０ｎｍ）の直線偏光（例えばＴＭモード）を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射される光の指向角は例えば１５°未満である。なお、指向角は正面方向を０°とした片側の角度とする。

逆に、サブミクロン構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、サブミクロン構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い１次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる２次元周期構造であってもよい。

また、サブミクロン構造は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期（ピッチ）が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向（軸）が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、積層されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。

サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλ_exとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜Ｄ_int＜λ_exの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎ_wav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をｐ_exとすると、λ_ex／ｎ_wav-ex＜ｐ_ex＜λ_exの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λ_exは、例えば、４５０ｎｍであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。

［１．本開示の基礎となった知見］
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光するので、特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学部品は不要になるので（若しくは小さくできるので）、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。

本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。

式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞²の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。

一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用するための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。

［２．特定の方向の電場のみを強くする構成］
本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造（複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方で形成された）とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。

つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）とすることで、発光を特定方向の伝播光へと変換される擬似導波モードへ結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。

導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図３０は、スラブ型導波路１１０Ｓの一例を模式的に示す斜視図である。導波路１１０Ｓの屈折率が導波路１１０Ｓを支持する透明基板１４０の屈折率よりも高いとき、導波路１１０Ｓ内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路をフォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なりをもつので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。

さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。

また、周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成され、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質となる。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。

本発明者らは、まずこのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに発光を結合させることについて検討を行った。図１Ａは、そのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）１１０と周期構造（例えば、透光層）１２０とを有する発光素子１００の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層１２０が周期構造を形成している場合（即ち、透光層１２０に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、透光層１２０を周期構造１２０ということがある。この例では、周期構造１２０は、各々がｙ方向に延びるストライプ状の複数の凸部がｘ方向に等間隔に並んだ１次元周期構造である。図１Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数ｋ_wavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋ_outは以下の式（２）で表すことができる。

式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。

ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θ_wavで伝播する光線であると考え、以下の式（３）および（４）が成立するとする。

これらの式において、λ₀は光の空気中の波長、ｎ_wavは導波路の屈折率、ｎ_outは出射側の媒質の屈折率、θ_outは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式（２）〜（４）から、出射角度θ_outは、以下の式（５）で表すことができる。

式（５）より、ｎ_wavｓｉｎθ_wav＝ｍλ₀／ｐが成立するとき、θ_out＝０となり、導波路の面に垂直な方向（即ち、正面）に光を出射させることができることがわかる。

以上のような原理に基づけば、発光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。

上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式（６）で表される。

この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式（５）において−１＜ｓｉｎθ_out＜１である必要がある。よって、以下の式（７）を満足する必要がある。

これに対し、式（６）を考慮すると、以下の式（８）が成立すればよいことがわかる。

さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θ_out＝０）にするためには、式（５）から、以下の式（９）が必要であることがわかる。

式（９）および式（６）から、必要な条件は、以下の式（１０）であることがわかる。

なお、図１Ａおよび図１Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いため、ｍ＝１である１次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、導波路（フォトルミネッセンス層）１１０が透明基板に接していない場合には、ｎ_outは空気の屈折率（約１．０）となるため、以下の式（１２）を満足するように周期ｐを決定すればよい。

一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板１４０の屈折率ｎ_sが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎ_out＝ｎ_sとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。

なお、式（１２）、（１３）では、式（１０）においてｍ＝１の場合を想定したが、ｍ≧２であってもよい。すなわち、図１Ａおよび図１Ｂに示すように発光素子１００の両面が空気層に接している場合には、ｍを１以上の整数として、以下の式（１４）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。

同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａのようにフォトルミネッセンス層１１０が透明基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（１５）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。

以上の不等式を満足するように周期構造の周期ｐを決定することにより、フォトルミネッセンス層１１０から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。

［３．計算による検証］
［３−１．周期、波長依存性］
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。

フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝１．８、周期構造の高さを５０ｎｍ、周期構造の屈折率を１．５とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図２に示す。計算モデルは、図１Ａに示すように、ｙ方向には均一な１次元周期構造とし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとして計算を行った。図２の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図２において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い（即ち黒い）方が増強度が大きく、淡い（即ち白い）方が増強度が小さい。

上記の計算において、周期構造の断面は、図１Ｂに示すような矩形であるものとしている。式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフを図３に示す。図２と図３とを比較すると、図２におけるピーク位置はｍ＝１とｍ＝３に対応するところに存在することがわかる。ｍ＝１の方が強度が強いのは、３次以上の高次の回折光よりも１次の回折光の回折効率の方が高いからである。ｍ＝２のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。

図３で示したｍ＝１およびｍ＝３のそれぞれに対応する領域内において、図２では複数のラインが存在することが確認できる。これは、擬似導波モードが複数存在するからであると考えられる。

［３−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝１．８、周期構造の周期を４００ｎｍ、高さを５０ｎｍ、屈折率を１．５とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さｔが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。

図４においてピークが存在する波長６００ｎｍ、厚さｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないｔ＝３００ｎｍの場合について同様の計算を行った結果を図５Ｃに示す。計算モデルは、上記と同様、ｙ方向に均一な１次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、ｔ＝３００ｎｍでは全体的に電場強度が低い。これは、ｔ＝２３８ｎｍ、５３９ｎｍの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。さらに、凸部または凸部の直下に電場が最も強い部分（腹）が必ず存在しており、周期構造１２０と相関のある電場が発生している特徴が見て取れる。つまり、周期構造１２０の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。また、ｔ＝２３８ｎｍの場合とｔ＝５３９ｎｍの場合とを比較すると、ｚ方向の電場の節（白い部分）の数が１つだけ異なるモードであることが分かる。

［３−３．偏光依存性］
次に偏光依存性を確認するために、図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図６に示す。ＴＭモードのとき（図２）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図３で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、ＴＭモード、ＴＥモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。

［３−４．２次元周期構造］
さらに、２次元の周期構造による効果の検討を行った。図７Ａは、ｘ方向およびｙ方向の両方向に凹部および凸部が配列された２次元の周期構造１２０’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような２次元周期構造では、ｘ方向とｙ方向の両方の回折を考慮する必要がある。ｘ方向のみ、あるいはｙ方向のみの回折に関しては１次元の場合と同様であるが、ｘ、ｙ両方の成分を有する方向（例えば、斜め４５°方向）の回折も存在するため、１次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような２次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図７Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図２の条件と同じである。図７Ｂに示すように、図２に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図６に示すＴＥモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、２次元周期構造により、ＴＥモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、２次元周期構造については、ｘ方向およびｙ方向の両方について、同時に１次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期ｐの√２倍（即ち、２^1/2倍）の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、１次元周期構造の場合のピークに加えて、周期ｐの√２倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図７Ｂでは、このようなピークも確認できる。

２次元周期構造としては、図７Ａに示すようなｘ方向およびｙ方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図１８Ａおよび図１８Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）の周期が異なる構造であってもよい。

以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。

［４．周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討］
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。

［４−１．周期構造の屈折率］
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を２００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造とし、高さを５０ｎｍ、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図８に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を図９に示す。

まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が２００ｎｍの場合（図８）に比べ、膜厚が１０００ｎｍの場合（図９）のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長（ピーク波長と称する。）のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。

次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちＱ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い（即ちＱ値が高い）擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体（即ち、透光層）の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。

［４−２．周期構造の高さ］
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝１．８、周期構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造で屈折率をｎ_p＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図１０に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をｎ_p＝２．０とした場合の計算結果を図１１に示す。図１０に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないのに対して、図１１に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_pよりも高い場合（図１０）には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し（エバネッセント）部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_pよりも低い場合（図１１）は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図１１を見る限り、高さは１００ｎｍ程度あれば十分であり、１５０ｎｍを超える領域ではピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_pよりも低い場合に、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを１５０ｎｍ以下に設定すればよい。

［４−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図９に示す計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして計算した結果を図１２に示す。ＴＥモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがＴＭモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率ｎ_pがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavよりも大きい領域では、ピーク強度およびＱ値の低下がＴＭモードよりも著しい。

［４−４．フォトルミネッセンス層の屈折率］
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavを１．５に変更した場合の結果を図１３に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが１．５の場合においても概ね図９と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が６００ｎｍ以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１０）より、λ₀＜ｎ_wav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。

以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを１５０ｎｍ以下にすれば、ピーク強度およびＱ値を高くできることがわかる。

［５．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。

［５−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎ_sはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎ_outをｎ_sとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定する必要がある。

このことを確認するために、屈折率が１．５の透明基板１４０の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図１４に示す。図２の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図２の結果とは異なることがわかる。これに対して、式（１０）の条件をｎ_out＝ｎ_sとした式（１５）の条件を図１５に示す。図１４において、図１５に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。

したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを設けた発光素子１００ａでは、式（１５）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（１３）を満足する周期ｐの範囲において特に顕著な効果が得られる。

［５−２．励起光源を有する発光装置］
図１６は、図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源１８０を設けることにより、指向性をもつ発光装置２００を実現できる。光源１８０から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図１６では、光源１８０がフォトルミネッセンス層１１０の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層１１０の上面から励起光を入射させてもよい。

励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図１７は、そのような方法を説明するための図である。この例では、図１Ｃ、１Ｄに示す構成と同様、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成されている。まず、図１７（ａ）に示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐ_xを決定し、続いて、図１７（ｂ）に示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期ｐ_yを決定する。周期ｐ_xは、式（１０）においてｐをｐ_xに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐ_yは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλ_ex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち、周期構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎ_outとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。

ここで、ｎ_outは、図１７の例では透明基板１４０のｎ_sであるが、図１６のように透明基板１４０を設けない構成では、空気の屈折率（約１．０）である。

特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐ_yを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。

このように、式（１６）の条件（特に式（１７）の条件）を満足するように周期ｐ_yを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０に効率的に波長λ_exの励起光を吸収させることができる。

図１７（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図１７（ａ）、（ｂ）に示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、ｐ_x＝３６５ｎｍ、ｐ_y＝２６５ｎｍとし、フォトルミネッセンス層１１０からの発光波長λを約６００ｎｍ、励起光の波長λ_exを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数は０．００３としている。図１７（ｄ）に示すように、フォトルミネッセンス層１１０から生じた光だけでなく、励起光である約４５０ｎｍの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約６００ｎｍに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約６００ｎｍの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図１７（ｂ）に示す周期構造１２０は、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期の異なる構造（周期成分）を有する２次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する２次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図１７では励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射しても同じ効果が得られる。

さらに、複数の周期成分を有する２次元周期構造としては、図１８Ａまたは図１８Ｂに示すような構成を採用してもよい。図１８Ａに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図１８Ｂに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸（図の例では軸１〜３）を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式（１０）に相当する条件を満足するように各周期が設定される。

［５−３．透明基板上の周期構造］
図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、透明基板１４０上に周期構造１２０ａを形成し、その上にフォトルミネッセンス層１１０を設けてもよい。図１９Ａの構成例では、基板１４０上の凹凸からなる周期構造１２０ａに追従するようにフォトルミネッセンス層１１０が形成された結果、フォトルミネッセンス層１１０の表面にも同じ周期の周期構造１２０ｂが形成されている。一方、図１９Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。

この効果を検証するため、図１９Ａの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層１１０の膜厚を１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_wav＝１．８、周期構造１２０ａはｙ方向に均一な１次元周期構造で高さを５０ｎｍ、屈折率をｎ_p＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるものとした。本計算の結果を図１９Ｃに示す。本計算においても、式（１５）の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。

［５−４．粉体］
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図１Ａ、１Ｂのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図１Ａ、１Ｂのような発光素子１００を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。

図１Ａ、１Ｂのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図２０に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子１００の一方向のサイズは、例えば数μｍ〜数ｍｍ程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の１次元または２次元の周期構造を含み得る。

［５−５．周期の異なる構造を配列］
図２１は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を２次元に配列した例を示す平面図である。この例では、３種類の周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが隙間なく配列されている。周期構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。

［５−６．積層構造］
図２２は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層１１０が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層１１０の間には、透明基板１４０が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図２２に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。

なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２２に示すものとは逆転していてもよい。図２２に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。

［５−７．保護層を有する構成］
図２３は、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０との間に保護層１５０を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層１１０を保護するための保護層１５０を設けても良い。ただし、保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い場合は、保護層１５０の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層１５０が波長よりも厚い場合には、周期構造１２０に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層１５０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層１５０の内部にまで光が到達する。よって、保護層１５０に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分（以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。）の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層１５０は薄いほうが望ましい。なお、保護層１５０を周期構造（透光層）１２０と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層１２０の屈折率はフォトルミネッセンス層１１０よりも小さいことが望ましい。

［６．材料および製造方法］
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。

周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ₂（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ₂（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ₂（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ₂（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ₂Ｏ₅（五酸化タンタル）、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３〜１．５程度であるＭｇＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＦ₂、ＳｉＯ₂、ガラス、樹脂を用いることができる。

フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、Ｍ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ₅ＳｉＯ₄Ｃｌ₆：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ₅ＡｌＯ₂Ｎ₇：Ｅｕ²⁺、ＳｒＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、ＢａＡｌ₂Ｏ₄：Ｅｕ²⁺、ＢａＺｒＳｉ₃Ｏ₉：Ｅｕ²⁺、Ｍ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ₃Ｏ₄Ｎ₂：Ｅｕ²⁺Ｃａ₈Ｍｇ（ＳｉＯ₄）₄Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺、Ｃａ₃ＳｉＯ₄Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺、ＣａＳｉ_12-(m+n)Ａｌ_(m+n)Ｏ_nＮ_16-n：Ｃｅ³⁺、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ²⁺を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、ＳｒＡｌＳｉ₄Ｏ₇：Ｅｕ²⁺、Ｍ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｙｂ²⁺（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺，Ｓｍ³⁺、Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺，Ｓｍ³⁺、ＣａＷＯ₄：Ｌｉ¹⁺，Ｅｕ³⁺，Ｓｍ³⁺、Ｍ₂ＳｉＳ₄：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ₃ＳｉＯ₅：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、ＣａＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、Ｃａ₃Ｓｃ₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、ＣａＳｃ₂Ｏ₄：Ｃｅ³⁺、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ²⁺、ＭＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ₇（ＳｉＯ₃）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。

量子ドットについては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、コア・シェル型ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、合金型ＣｄＳＳｅ／ＺｎＳなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。

図１Ｃ、１Ｄなどに示す透明基板１４０は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、ＭｇＦ（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ₂（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ₂（石英）、ガラス、樹脂が挙げられる。

続いて、製造方法の一例を説明する。

図１Ｃ、１Ｄに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板１４０上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層１１０の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造１２０を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造１２０を形成してもよい。また、図２４に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。

図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、１Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。

図１９Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造１２０ａを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層１１０を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造１２０ａの凹部をフォトルミネッセンス層１１０で埋め込むことによって図１９Ｂに示す構成を実現することもできる。

なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。

[実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。

図１９Ａと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。

ガラス基板に、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍの１次元周期構造（ストライプ状の凸部）を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるＹＡＧ：Ｃｅを２１０ｎｍ成膜した。この断面図のＴＥＭ像を図２５に示し、これを４５０ｎｍのＬＥＤで励起することでＹＡＧ：Ｃｅを発光させたときの、正面方向のスペクトルを測定した結果を図２６に示す。図２６には、周期構造がない場合の測定結果（ｒｅｆ）と、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードと、垂直な偏光成分を持つＴＥモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。

さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図２７および図２８に示す。図２７は、１次元周期構造（周期構造１２０）のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させた場合について、図２８は、１次元周期構造（即ち、周期構造１２０）のライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合についての測定結果（上段）および計算結果（下段）を示している。また、図２７および図２８のそれぞれにおいて、ＴＭモードおよびＴＥモードの直線偏光についての結果を示しており、図２７（ａ）はＴＭモード、図２７（ｂ）はＴＥモード、図２８（ａ）はＴＥモード、図２８（ｂ）はＴＭモードの直線偏光についての結果をそれぞれ示している。図２７および図２８から明らかなように、ＴＭモードの方が増強する効果が高く、また増強される波長は角度によってシフトしていく様子が見て取れる。例えば、６１０ｎｍの光においては、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性かつ偏光発光していることがわかる。また、各図の上段と下段とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。

上記の測定結果から例えば、６１０ｎｍの光において、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示したのが図２９である。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は１５°未満であることがわかる。なお、指向角は、強度が最大強度の５０％となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。つまり、指向性発光が実現していることがわかる。さらにこれは、全てＴＭモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。

以上の検証は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って実験を行ったが、発光が狭帯域のフォトルミネッセンス材料で同様の構成としても、その波長の光に対して指向性や偏光発光を実現することができる。さらに、この場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や偏光状態の光は発生しないような光源を実現することができる。

［７．励起光の吸収効率を向上させる実施形態］
次に、フォトルミネッセンス層１１０に励起光を効率的に吸収させるための実施形態を説明する。

励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる構成として、例えば、前述した図１６に示す構成が考えられる。図１６の構成では、励起光がフォトルミネッセンス層１１０にほぼ垂直に入射する。このため、励起光の多くがフォトルミネッセンス層１１０を透過してしまい、吸収効率を高くできない可能性がある。励起光の一部を外部に取り出して利用する形態（例えば、青色の励起光と黄色の蛍光とから白色光を取り出す形態）であれば問題はないが、そうでない形態では、可能な限り多くの励起光をフォトルミネッセンス材料に吸収させることが要求される。そこで、励起光の吸収効率を向上させる実施形態を以下に説明する。

（実施形態１）
図３１は、第１の実施形態における発光装置の一部を模式的に示す部分断面図である。図３２は、この発光装置の一部を模式的に示す斜視図である。この発光装置は、透明基板１４０、フォトルミネッセンス層１１０、周期構造１２０に加え、導光構造体２２０をさらに備えている。導光構造体２２０は、光源１８０から出射された励起光をフォトルミネッセンス層１１０に導く励起光導入ガイドとして機能する。光源１８０から出射された励起光は、図３１に矢印で示すように、導光構造体２２０を透過してフォトルミネッセンス層１１０に入射し、フォトルミネッセンス層１１０内を伝播する。透明基板１４０に光が侵入する場合には、図３１に破線で示すように、透明基板１４０内にも光が伝播し得る。

導光構造体２２０は、フォトルミネッセンス層１１０において周期構造１２０の側の表面に形成されている。これにより、周期構造１２０がある側の面から励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させ、フォトルミネッセンス層１１０に励起光を閉じ込めることができる。導光構造体２２０は、三角柱状の透光性部材（三角プリズム）によって構成されている。この例における導光構造体２２０は、周期構造１２０のライン方向（即ち、各凸部の長手方向）に平行な方向に延びた形状を有する。導光構造体２２０を構成する材料には、例えば周期構造１２０の材料として例示した上述の材料のいずれかを用いることができる。

図３１および図３２は、各構成要素の現実のサイズを反映していない。例えば、導光構造体２２０は、周期構造１２０の周期の１０倍以上の幅を有し得る。ここで、導光構造体２２０の幅とは、図３１に示す導光構造体２２０の断面の三角形における一辺の長さを意味する。導光構造体２２０の幅は、例えば、数μｍから数ｍｍの範囲内に設定され得る。

導光構造体２２０は、光源１８０から出射された励起光をフォトルミネッセンス層１１０に所定の入射角度で入射させる。この入射角度は、フォトルミネッセンス層１１０と透明基板１４０との界面、または透明基板１４０と外部の空気層との界面で全反射が生じるように設定される。これにより、励起光をフォトルミネッセンス層１１０の内部、またはフォトルミネッセンス層１１０および透明基板１４０の内部に閉じ込めることができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０の発光効率を向上させることができる。

図３３は、励起光が全反射によって閉じ込められるための条件を説明するための図である。導光構造体２２０の屈折率をｎ_st、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_fl、透明基板１４０の屈折率をｎ_sub、導光構造体２２０からフォトルミネッセンス層１１０への励起光の入射角をθ_st、出射角をθ_flとする。また、励起光が透明基板１４０内に侵入する場合のフォトルミネッセンス層１１０から透明基板１４０への入射角をθ_fl、出射角をθ_subとする。

励起光がフォトルミネッセンス層１１０内に閉じ込められる条件は、以下の式（１８）で表される。
ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＝ｎ_flｓｉｎ（θ_fl）＞ｎ_sub （１８）

励起光がフォトルミネッセンス層１１０および透明基板１４０内に閉じ込められる条件は、以下の式（１９）で表される。
ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＝ｎ_flｓｉｎ（θ_fl）＝ｎ_subｓｉｎ（θ_sub）＞１ （１９）

したがって、式（１９）を満足するように光源１８０からの励起光の出射角度、ならびに導光構造体２２０の屈折率および形状が決定されていれば、全反射によって励起光をフォトルミネッセンス層１１０を含む領域内に閉じ込めることができる。このため、フォトルミネッセンス層１１０からの発光が促進され、出射効率が向上する。

導光構造体２２０の構造および配置は、上記の例に限定されず、様々な構成が考えられる。例えば、導光構造体２２０は、１つに限らず、複数のプリズムを含むプリズムアレイによって構成されていてもよい。その場合、各プリズムは、三角柱形状に限らず、三角柱以外の角柱、半球、または錐体などの他の形状を有していてもよい。導光構造体２２０は、フォトルミネッセンス層１１０において周期構造１２０がある側の面に限らず、その反対側の面に設けられていてもよい。その場合、周期構造１２０がある側の反対側の面から励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させ、フォトルミネッセンス層１１０に励起光を閉じ込めることができる。

図３４から図３８は、導光構造体２２０の他の例を模式的に示す部分断面図である。図３４は、図３１に示す構成から透明基板１４０を除いた構成を示している。この例でも、ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＞１が成立するように導光構造体２２０の屈折率ｎ_stおよび励起光の入射方向を決定すれば、励起光をフォトルミネッセンス層１１０内に閉じ込めることができる。

図３５は、導光構造体２２０が半球状の透光性部材によって構成されている例を示している。この例では、励起光を球の中心に向けて出射すれば、屈折の影響を受けないため、角度の調整がし易い。

図３６は、導光構造体２２０が回折格子によって構成されている例を示している。この回折格子は、複数の凹凸形状の透光性部材が、周期構造１２０の配列方向（即ち、図の横方向）に配列された構造を有する。この例では、回折によって生じた光がフォトルミネッセンス層１１０内を伝播するように、励起光が回折格子に入射する。図示される例では、励起光はフォトルミネッセンス層１１０に垂直に入射しているが、入射角度はこの例に限定されない。なお、回折格子の周期は励起光と共鳴する周期にする事が望ましい。

図３７は、導光構造体２２０がブレーズド回折格子によって構成されている例を示している。ブレーズド回折格子では、ある次数の回折光強度を強くすることができる。このブレーズド回折格子は、複数の三角柱状の透光性部材が、周期構造１２０の配列方向（即ち、図の横方向）に配列された構造を有する。この例では、回折によって生じた光がフォトルミネッセンス層１１０内の周期構造１２０が存在する方向に強く伝播するように、励起光がブレーズド回折格子に入射する。図示される例では、励起光はフォトルミネッセンス層１１０に垂直に入射しているが、入射角度はこの例に限定されない。

図３８は、ブレーズド回折格子からなる導光構造体２２０がフォトルミネッセンス層１１０の裏面（即ち、周期構造１２０がある側の反対側の面）に設けられた構成例を示している。この例では、フォトルミネッセンス層１１０は透明基板１４０上に形成されている。導光構造体２２０は、透明基板１４０の内部に設けられている。この例でも、回折によって生じた光がフォトルミネッセンス層１１０（または透明基板１４０）内を伝播するように、励起光がブレーズド回折格子に入射される。励起光の入射方向は、フォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に限らず、傾斜した方向であってもよい。なお、ブレーズド回折格子に限らず、図３６に示すような回折格子をフォトルミネッセンス層１１０の裏面に設けても良い。

図３９から図４１は、複数の透光性部材によって構成された導光構造体２２０の他の例を示す斜視図である。図３９は、周期構造１２０の配列方向と同じ方向に配列された複数の三角プリズムからなるプリズムアレイによって構成された導光構造体２２０の例を示している。図４０は、２次元に配列された複数の半球プリズムのアレイによって構成された導光構造体２２０の例を示している。図４１は、周期構造１２０の各凸部が延びる方向に配列された複数のピラミッド形状のプリズムのアレイによって構成された導光構造体２２０の例を示している。いずれの例においても、励起光を効率的にフォトルミネッセンス層１１０に導入することが可能である。

導光構造体２２０を構成する透光性部材の数は図示される数に限定されず、さらに多数の透光性部材によって導光構造体２２０が構成されていてもよい。また、各部材の配列方向は、図示される方向に限定されない。しかし、周期構造１２０の配列方向と同じまたは垂直な方向に万遍なく透光性部材が配列されていれば、薄膜蛍光体であるフォトルミネッセンス層１１０全体に励起光を吸収させやすい。

図４２から図４４は、導光構造体２２０の配置の例を説明するための図である。導光構造体２２０は、図４２に示されるようにフォトルミネッセンス層１１０の一端に位置していてもよいし、図４３に示すように周期構造１２０の間（例えばフォトルミネッセンス層１１０の中央付近）に位置していてもよい。図４４に示すように、複数の導光構造体２２０がフォトルミネッセンス層１１０の両端に配置されていてもよい。いずれの配置であっても、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に閉じ込めることが可能である。

（実施形態２）
図４５は、導光構造体２２０を有する発光装置の第２の実施形態を模式的に示す部分断面図である。この発光装置では、導光構造体２２０が透明基板１４０におけるフォトルミネッセンス層１１０の側の反対側に形成されている点で、実施形態１と異なっている。このように、透明基板１４０と外部の媒質（例えば空気）との界面の一部に導光構造体２２０が設けられている。これにより、光源１８０から出射された励起光を、周期構造１２０がある側の反対側から、透明基板１４０を介してフォトルミネッセンス層１１０に入射させ、フォトルミネッセンス層１１０に閉じ込めることができる。

図４５に示す例では、導光構造体２２０は三角柱の形状を有する三角プリズムであるが、実施形態１で説明したように、半球、ピラミッド、回折格子、ブレーズド回折格子などの他の構造を有していてもよい。導光構造体２２０は複数の透光性部材によって構成されていてもよい。

図４６は、本実施形態における励起光の入射角度を説明するための図である。導光構造体２２０と透明基板１４０との界面における励起光の入射角をθ_st、出射角をθ_subとし、透明基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との界面における励起光の出射角をθ_flとする。実施形態１と同様に、導光構造体２２０の屈折率をｎ_st、透明基板１４０の屈折率をｎ_sub、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_flとする。すると、フォトルミネッセンス層１１０内を光が伝播する条件は、以下の式（２０）で表される。
ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＝ｎ_subｓｉｎ（θ_sub）＝ｎ_flｓｉｎ（θ_fl）＞１ （２０）

したがって、光源１８０は、式（２０）を満足するように励起光を導光構造体２２０に向けて出射するように構成される。

図４７は、光源１８０からの励起光の出射方向をより詳細に説明するための図である。図４７では、簡単のため、透明基板１４０および導光構造体２２０以外の構成要素の記載は省略されている。屈折率ｎ_outの外気（例えば空気）と導光構造体２２０との界面における励起光の入射角をθ_i、出射角をθ_o、励起光の導光構造体２２０への入射方向が透明基板１４０の面方向となす角度をθ_in、導光構造体２２０の断面形状の三角形の頂角をθ_tとする。

この構成例では、以下の関係式が成立する。
θ_in＝９０−（θ_t＋θ_i）
θ_st＝θ_t＋θ_o
ｎ_outｓｉｎ（θ_i）＝ｎ_stｓｉｎ（θ_o）

これらの関係式と式（２０）の条件とから、角度θ_iおよびθ_inの条件を求めることができる。例えば、ｎ_st＝１．５、θ_t＝６０°の場合、θ_in＜５６．８という条件が得られる。

導光構造体２２０が半球状の透光性部材である場合、球の中心に向けて励起光を出射すれば理想的には屈折が生じないため、以上の式においてθ_in＝θ_oとすればよい。

（実施形態３）
次に、励起光の吸収効率を向上させる第３の実施形態を説明する。本実施形態の発光装置は、励起光を擬似導波モードに効果的に結合させることにより、発光効率を向上させる。

図４８は、フォトルミネッセンス層１１０内で生じた光が擬似導波モードに結合して外部に出射される様子を模式的に示す断面図である。回折現象は波長に依存するため、特定の波長の光がフォトルミネッセンス層１１０の法線方向に最も強く出射される場合、他の波長の光はフォトルミネッセンス層１１０の法線方向から傾斜した方向（斜め方向）に最も強く出射される。図４８は、赤色光（Ｒ）がフォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に最も強く出射され、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）が赤色光（Ｒ）とは異なる方向に出射している例を示している。この例では、フォトルミネッセンス層１１０内を伝播する光の入射角θ_inに対して、青色光（Ｂ）は出射角θ_outの方向に最も強く出射される。

このことは、青色光（Ｂ）と同じ波長の励起光を入射角度θ_outでフォトルミネッセンス層１１０に入射させると、励起光がフォトルミネッセンス層１１０を構成する薄膜蛍光体に共鳴吸収される事を意味する。この効果を利用すれば、導光構造体２２０がない場合でも、励起光の吸収効率を高めることができる。共鳴条件は、周期構造１２０の周期をｐ、空気中の励起光の波長をλ_exとして、以下の式（２１）で表される。
ｐｎ_inｓｉｎ（θ_in）−ｐｎ_outｓｉｎ（θ_out）＝ｍλ_ex （ｍは整数） （２１）

したがって、本実施形態の発光装置における励起光源１８０は、図４９に示すように、空気中の波長λ_exの励起光を、入射角θ_outでフォトルミネッセンス層１１０に入射させるように構成されている。励起光源１８０は、フォトルミネッセンス層１１０における周期構造１２０がある側に限らず、その反対側に入射角θ_outで励起光を入射させてもよい。

上記の共鳴吸収の効果を確認するために、本発明者らは、励起光の吸収率の入射角度依存性を計算した。図５０は、本計算で想定した発光素子の構成を示す部分断面図である。この発光素子は、表面に１次元周期構造を有する透明基板１４０と、その上に形成された蛍光体を含むフォトルミネッセンス層１１０とを備えている。フォトルミネッセンス層１１０は、表面に１次元周期構造１２０を有する。

本計算では、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率を１．７７、吸収係数を０．０３とし、透明基板１４０の屈折率を１．５、吸収係数を０とした。周期構造１２０の高さｈは４０ｎｍとし、フォトルミネッセンス層１１０の厚さは１８５ｎｍとした。周期構造１２０の周期ｐは４００ｎｍとした。この条件は、約６２０ｎｍの波長を有する赤色光がフォトルミネッセンス層１１０の法線方向に出射するように決定した。励起光の電場は、周期構造１２０における各凸部が延びる方向（ライン方向）に平行に振動するＴＭモードとした。入射角度θは、図５０（ａ）に示すように、周期構造１２０におけるライン方向と平行な軸を回転軸として回転させた場合の回転角に相当する。これは、図２８からわかるように、ライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させた場合には、励起光の波長（例えば４５０ｎｍまたは４０５ｎｍ）では共鳴が生じないからである。入射角度θおよび波長λを変数とし、空気中から周期構造１２０に光を入射させたときのフォトルミネッセンス層１１０における光の吸収率を計算した。

図５１は、本計算の結果を示す図である。この図では、色が薄いほど吸収率が高いことを示している。約６２０ｎｍの赤色光がフォトルミネッセンス層１１０に垂直な方向に出射されるように設計されているので、吸収率も６２０ｎｍ付近で共鳴的に高くなっている。波長４５０ｎｍの箇所に注目すると、入射角度が約２８．５度の場合に共鳴吸収が生じている。つまり、励起光の波長が４５０ｎｍの場合は、約２８．５度の入射角で励起光を入射させればよい。励起光の波長が４０５ｎｍの場合は、約３７度の入射角で励起光を入射させればよい。

特定の入射角で励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる方法には、例えば、F. V. Laere et al., IEEE J. lightwave Technol. 25, 151 (2007) に開示されているような光ファイバーを用いる方法がある。図５２は、そのような光ファイバー２３０を導光構造体として備えた発光装置の構成例を示す図である。この例では、端が斜めにカットされた光ファイバー２３０が、発光素子の端に配置されている。コア２３２の内部に励起光を伝播させることにより、光をフォトルミネッセンス層１１０に対して斜めに入射させることができる。光ファイバー２３０は、フォトルミネッセンス層１１０の端に限らず、他の位置に設けられていてもよい。

前述の構成を採用した場合であっても、まだ励起光の多くはフォトルミネッセンス層１１０および透明基板１４０を透過する。そこで、透明基板１４０内に励起光を閉じ込めつつ、フォトルミネッセンス層１１０への入射角度を共鳴吸収が起こる角度にして吸収効率を高める構成を検討した。

図５３は、そのような構成の例を示す部分断面図である。図５３は、図５０におけるＡ−Ａ’線断面を示している。この例では、光源１８０は、透明基板１４０の側から励起光を出射する。このような構成において、励起光の吸収率の入射角度依存性を計算した。本計算でも、入射光の電場は、周期構造１２０のライン方向に平行に振動するＴＭモードとした。この例では、フォトルミネッセンス層１１０と透明基板１４０との界面への入射角度θは、図５３（ａ）に示すように、周期構造１２０におけるライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させた場合の回転角である。これは、ライン方向に平行な軸を回転軸として回転させた場合には、励起光の波長（例えば４５０ｎｍまたは４０５ｎｍ）では、共鳴する角度が全反射角よりも低く、励起光を閉じ込められないからである。

図５４は、周期構造１２０のライン方向に平行な軸を回転軸として回転させたときの回転角を入射角θとする構成を模式的に示す断面図である。図５５は、入射角度θおよび空気中の波長λに対する励起光の吸収率の依存性を計算した結果を示す図である。図５５の計算条件は、入射光がＴＥモードである点を除き、図５０および図５１における計算条件と同じである。図５５の結果から、共鳴吸収が生じる角度が全反射角（この例では約４２度）よりも小さいことがわかる。

そこで、図５３に示す例では、１次元周期構造１２０のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させたときの回転角を入射角度θとしている。図５３の構成において、入射角度θおよび空気中の波長λを変数として、励起光の吸収率を計算した。計算条件は、図５０および図５１における計算条件と同じものとした。

図５６は、本計算の結果を示す図である。波長４５０ｎｍに注目すると、入射角度θが約５２度の場合に共鳴吸収が起きている。したがって、励起光源の波長が４５０ｎｍの場合は周期構造１２０のライン方向と平行に入射角度θが約５２度になる方向に励起光を出射すればよい。励起光源の波長が４０５ｎｍの場合は、周期構造１２０のライン方向と平行に入射角度θが約６１．６度になる方向に励起光を出射すればよい。図５６の結果が示すように、本構成例では、励起光の吸収効率をさらに向上させることができる。

本実施形態では、実施形態１、または、実施形態２のような導光構造体２２０を用いて透明基板１４０に励起光を入射させてもよい。図５３の構成において、共鳴吸収が生じる入射角度θを全反射角度よりも大きくするには、実施形態２のような導光構造体２２０を設けることが有効である。すなわち、図５７のように、励起光が周期構造１２０のライン方向およびフォトルミネッセンス層１１０の厚さ方向の両方に垂直な方向（図５７の紙面垂直方向）に伝播する成分を有しないように励起光を透明基板１４０に入射させる導光構造体２２０を設けてもよい。そのような導光構造体２２０は、周期構造１２０のライン方向および層１１０の厚さ方向の両方に垂直な方向に延びた構造を有する。これにより、フォトルミネッセンス層１１０での励起光の吸収率を向上させ、かつ、励起光をフォトルミネッセンス層１１０および透明基板１４０に閉じ込めることができる。このような導光構造体２２０は、三角プリズムに限らず、他の形状を有していてもよい。なお、実施形態１および２の各構成例においても、導光構造体２２０が周期構造１２０のライン方向および層１１０の厚さ方向の両方に垂直な方向に延びた構造を有していてもよい。

以上のように、本実施形態では、周期構造（サブミクロン構造）１２０は、空気中の波長がλ_aの第１の光がフォトルミネッセンス層１１０の法線方向に最も強く出射され、波長λ_exの第２の光がフォトルミネッセンス層１１０の内部を伝播する場合にフォトルミネッセンス層１１０の法線方向から角度θ_outの方向に最も強く出射されるように構成される。光源１８０および／または導光構造体２２０は、励起光を、入射角θ_outでフォトルミネッセンス層１１０に入射させるように構成されている。このような構成により、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に共鳴吸収させることができるため、発光効率をさらに向上させることができる。

［８．発光素子の片側に反射層を設ける実施形態］
図５８は、フォトルミネッセンス層３２を有する発光装置３９００を示す断面図である。図５８に示すように、発光装置３９００では、フォトルミネッセンス層３２の表面、および、フォトルミネッセンス層３２と透明基材３８との界面に周期構造３５が設けられている。この周期構造３５の作用により、特定方向（例えばフォトルミネッセンス層３２の法線方向）に高い指向性を有する光が出射される。この指向性の高い光は、発光装置３９００の表面側と裏面側との両方から出射される。

ただし、通常の用途では、フォトルミネッセンス層３２を含む発光素子の光出射面の一方側からのみ光を出射させることが望まれることが多い。そこで、図５９に示すように、本実施形態の発光装置３０００では、フォトルミネッセンス層３２の片側（背面側）に、フォトルミネッセンス層３２からの光を反射するための反射層５０を設けている。

発光装置３０００において、反射層５０は、透光性の材料から形成されており、例えば、図において三角形の断面を示す横向き三角柱状のプリズム５０Ｐを含んでいてよい。三角柱状のプリズム５０Ｐは、例えば、ストライプ状に形成された周期構造３５と平行に延びていてよいが、その他の方向（例えば直交する方向）に沿って延びていてもよい。なお、本明細書では、反射層５０が設けられている側を発光素子（またはフォトルミネッセンス層３２）の背面側と称し、その反対側を発光素子（またはフォトルミネッセンス層３２）の前面側と称することがある。

また、図５９には、フォトルミネッセンス層３２の前面側の表面、および、フォトルミネッセンス層３２と反射層５０との界面に周期構造３５を設けた形態を示しているが、これに限られず、上述した種々の態様で周期構造３５が設けられていてよい。例えば、フォトルミネッセンス層３２の前面側にだけ周期構造３５が設けられていてもよい。また、疑似導波モードが適切に形成されるように、反射層５０の屈折率が、フォトルミネッセンス層３２の屈折率よりも小さく設定されていてもよい。本実施形態において、反射層５０は、フォトルミネッセンス層３２を支持するための基材としての機能も兼ねていてもよい。

三角柱状のプリズム５０Ｐは、外側の媒質（例えば空気）５５に対して露出する２つの帯状の傾斜面５０Ｓを有している。これらの傾斜面５０Ｓは、互いに対して異なる角度で配置され、プリズム先端の稜線において接続されている。三角柱状プリズム５０Ｐの屈折率ｎ１は、外側の媒質５５の屈折率ｎ２よりも大きい。このため、フォトルミネッセンス層３２から、その背面側に出射され、三角柱状のプリズム５０Ｐ内を伝播した光は、２つの傾斜面５０Ｓにおいて全反射し得る。

この構成において、フォトルミネッセンス層３２の背面側に出射した光の少なくとも一部は、反射層５０で反射されてフォトルミネッセンス層３２に向かう。これにより、フォトルミネッセンス層３２を含む発光素子の前面側から出射される光の量を増加させることができる。

図５９に示す構成では、反射層５０の背面側から、反射層５０を介して、フォトルミネッセンス層３２に励起光を入射させてもよい。すなわち、上記の［７．励起光の吸収効率を向上させる実施形態］において説明したように、フォトルミネッセンス層３２の層面に対して斜め方向からプリズム５０Ｐに適切な入射角度で励起光を照射することで、励起光の吸収効率を向上させることもできる。そのような構成では、反射層５０は「導光構造体」としても機能する。

反射層５０は、上述の三角柱状のプリズム５０Ｐに限らず、レンチキュラレンズを有していてもよい。また、反射層５０は、角錐（ピラミッド）状または円錐状の複数の凸部や、マイクロレンズアレイ、コーナーキューブアレイ（互いに直交する３平面を含む凸部および凹部を単位構造とする再帰反射構造）などの微細な凸部および／または凹部を有していてもよい。また、反射層５０においてストライプ状またはドット状に配列された上記の種々の凹凸構造のピッチは、周期構造のピッチに比べて十分に大きくてもよく、例えば、１０μｍ〜１０００μｍ程度であってよい。反射層５０に設けられる凹凸構造は、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの有機材料、あるいは、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂などの無機材料から形成されていてよい。ただし、これらの材料に限定されるものではない。

また、上記の凹凸構造は、反射層５０として用いられる透明基材の裏面に直接的に形成されていてもよい。透明基材としては、例えば、ガラス基板やプラスチック基板などを用いることができる。ガラス基板の材料としては、例えば、石英ガラス、ソーダライムガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。プラスチック板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネートなどを用いることができる。プラスチック板を用いる場合、プラスチック基板の表面に、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜などを成膜したものを用いてもよい。この場合、水分の透過を効果的に抑えることできる。なお、透明基材は、リジッドなものであってもよいし、フレキシブルなものであってもよい。これらの透明基材の裏面において、公知の表面加工法によって、プリズムやレンズなどの凹凸構造を形成し得る。

また、図５９に示す形態において、反射層５０は、三角柱状プリズム５０Ｐを支持する基部（厚さ部分）を含んでいるが、これに限定されない。反射層５０は、実質的に基部を有さず、フォトルミネッセンス層３２に接するように設けられた複数の凸構造から構成されていてもよい。また、反射層５０とフォトルミネッセンス層３２との間には、透明バッファ層などが挟まれていてもよい。

図６０は、反射層５０の三角柱状プリズムの傾斜面（反射面）５０Ｓの傾斜角度θを説明するための図である。傾斜面５０Ｓの傾斜角度θは、図に示すように、プリズムの底面５０Ｂ（または発光層の層面）に対して傾斜面５０Ｓがなす角度として規定される。ここでは、例示として、２つの傾斜面５０Ｓの傾斜角度θが同じである場合を説明する。２つの傾斜面５０Ｓの傾斜角度が同じである場合、三角柱状プリズムの断面は、二等辺三角形を形成する。

プリズムの傾斜角度θによって、フォトルミネッセンス層３２の背面側に出射された光ＬＴの反射率が異なる。高い反射率を得るためには、傾斜角度θは、反射層５０の屈折率ｎ１と、反射層５０の外側の媒質５５（例えば、空気）の屈折率ｎ２とを用いて、スネルの法則より導出される、θ＞ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）を満足することが望ましい。この式は、フォトルミネッセンス層３２からプリズムの底面５０Ｂに対して垂直方向に入射した光ＬＴが、臨界角以上の角度で傾斜面５０Ｓに入射し、傾斜面５０Ｓと外側の媒質５５との界面で全反射する条件を表している。

また、図６０に示すように、一方の傾斜面５０Ｓで全反射した光ＬＴが他方の傾斜面５０Ｓで全反射するときの入射角度をθ’とする。このとき、図に示す、光ＬＴの経路と、底面５０Ｂを表す水平線とによって囲まれた四角形の内角の和について、９０°＋２θ＋２θ’＋（θ＋ｂ）＝３６０°が成り立つので、３θ＋２θ’＋ｂ＝２７０°であることがわかる。また、ｂ＋θ’＝９０°であるので、上記の式から３θ＋θ’＝１８０°、すなわち、θ’＝１８０°−３θが導かれる。

他方の傾斜面５０Ｓで全反射が生じるには、入射角θ’が臨界角よりも大きい、すなわち、θ’＞ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）を満足する必要がある。ここで、上記のθ’＝１８０°−３θを代入すると、１８０°−ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）＞３θを満たすときに他方の傾斜面５０Ｓでも全反射することがわかる。以上のことから、θの範囲としては、ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）＜θ＜６０°−（１／３）×ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）を満たすことが、発光素子からの光ＬＴをプリズムの２つの傾斜面５０Ｓでそれぞれ全反射させて入射側に戻すために望ましいことがわかる。つまり、プリズムの傾斜面の傾斜角度θを、プリズムを形成する材料の屈折率ｎ１と外側媒質の屈折率ｎ２とに応じて、上記の式を満足するように適切に選択すれば、発光素子から出射された特に垂直方向に高い指向性を有する光ＬＴを、反射層５０において発光素子側へと反射させることができる。例えば、プリズムの屈折率ｎ１が１．５であり、外側媒質の屈折率ｎ２が１．０であるとき、上記式から約４１°＜θ＜約４６°を満足すればよいことが導かれる。つまり、ガラス基板の裏面に形成されたプリズムが空気に晒されているような場合、プリズムの傾斜角度θを４１°超４６°未満に設定することによって、垂直方向の光を効率的に反射することができる。特に、傾斜角度θを４５°近辺に設定してもよい。

以下、図６１（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、反射層５０が他の構成を有する種々の実施形態について説明する。

図６１（ａ）は、フォトルミネッセンス層３２の背面側に、透明基材４８を介して、反射層としての金属反射膜５０ａを設ける形態を示す。金属反射膜５０ａは、フォトルミネッセンス層３２の背面側から出射された光を反射するように機能する。これにより、フォトルミネッセンス層３２の前面側から出射する光の量を増やすことができる。なお、金属反射膜５０ａは、例えば、銀やアルミニウムなどの金属材料を用いて、真空製膜法またはウェット製膜法などの種々の成膜方法によって形成されていてよいが、これらに限定されない。なお、金属反射膜５０ａを設ける場合、励起光をフォトルミネッセンス層３２および透明基材４８の側面から、あるいは、フォトルミネッセンス層３２の前面側から入射させてもよい。

図６１（ｂ）は、フォトルミネッセンス層３２の背面側に、透明基材４８を介して、反射層としての誘電体多層膜５０ｂを設ける形態を示す。誘電体多層膜５０ｂは、フォトルミネッセンス層３２の背面側から出射された光を反射するように機能する。これにより、フォトルミネッセンス層３２の前面側から出射する光の量を増やすことができる。

誘電体多層膜５０ｂは、高屈折率の誘電体層と低屈折率の誘電体層とを交互に積層することで形成される。誘電体多層膜５０ｂに入射した光は、上記の誘電体層の各界面において反射される。また、誘電体層の厚さを入射光または反射光の波長の１／４に設定することによって、各界面で反射した光の位相を整合させることができ、より強い反射光を得ることができる。

なお、誘電体多層膜５０ｂを構成する材料としては、反射させたい光の波長領域について吸収が小さい材料を選択することが望ましい。一般的には、酸化チタン、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、ニオブ、酸化アルミなどの無機材料、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂やこれらに屈折率調整材料を混合したものなどの有機材料などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。また、誘電体多層構膜５０ｂは、例えば、真空蒸着法、分子線蒸着法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの真空製膜法、あるいは、スピンコート塗布法、スロットダイ塗布法、バーコート塗布法などのウェット製膜法などを用いて形成されてよい。ただし、これらの製造方法に限定されるものではない。

図６１（ｃ）は、フォトルミネッセンス層３２の背面側に、透明基材４８を介して、反射層としてのダイクロイックミラー５０ｃを設ける形態を示す。ダイクロイックミラー５０ｃは、フォトルミネッセンス層３２の背面側から出射された光を反射するように機能する。これにより、フォトルミネッセンス層３２の前面側から出射する光の量を増やすことができる。

図６１（ｃ）に示す構成において、フォトルミネッセンス層３２には、ダイクロイックミラー５０ｃを介して背面側から励起光を入射させることができる。ダイクロイックミラー５０ｃは、特定の波長を有する光を透過させ、それ以外の波長の光を反射させることができる。このため、ダイクロイックミラー５０ｃを介してフォトルミネッセンス層３２に励起光を入射させる場合には、励起光を選択的に透過させ、かつ、それ以外の波長の光を反射するように、ダイクロイックミラー５０ｃを設計すればよい。このようにすれば、フォトルミネッセンス層３２への励起光の入射を妨げることなく、かつ、フォトルミネッセンス層３２で発光して背面側に出射した光を適切に反射させることができる。

ダイクロイックミラー５０ｃは、上記の誘電体多層膜５０ｂと同様に誘電体多層膜から構成することができる。ダイクロイックミラー５０ｃは、２種類の屈折率を有する薄膜を交互に積層することによって形成することができる。高屈折率膜および低屈折率膜を形成する材料としては、酸化チタン、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、ニオブ、酸化アルミニウムなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

図６１（ｄ）は、フォトルミネッセンス層３２の背面側に、透明基材４８を介して、反射層としての拡散反射層５０ｄを設ける形態を示す。拡散反射層５０ｄは、フォトルミネッセンス層３２の背面側から出射された光を反射するように機能する。これにより、フォトルミネッセンス層３２の前面側から出射する光の量を増やすことができる。拡散反射層５０ｄとしては、シリカ、酸化チタンなどの無機材料からなる微粒子や、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリスチレンなどの有機材料からなる微粒子を、これらの微粒子を保持するための各種樹脂などからなるバインダーと混合することによって得られる膜を用いることができる。また、チタン酸バリウム、酸化亜鉛などの蒸着膜を用いて構成することができるが、これらに限定されるものではない。

なお、上記の図６１（ａ）〜（ｄ）には、透明基材４８を介して、各反射層５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄをフォトルミネッセンス層３２の背面側に設ける形態を示したが、他の態様を有していてもよい。反射層５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄと透明基材４８とは、一体的に形成されていてもよい。また、透明基材４８を設けることなく、反射層５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄがフォトルミネッセンス層３２の裏面に接するように設けられていてもよい。

また、上記の図６１（ａ）〜（ｄ）に示す形態において、［７．励起光の吸収効率を向上させる実施形態］において説明したように、上記の透明基材４８の側方または内部にプリズムやレンズなどを設け、フォトルミネッセンス層３２に対して背面側斜め方向から励起光を入射させる構成を採用してもよい。

以下、図６２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、多色光の反射に適した反射層を設ける形態を説明する。

図６２（ａ）は、発光素子において、色（すなわち波長）の異なる光Ｌ１、Ｌ２が出射されるときの出射角度の違いを示す図である。フォトルミネッセンス層３２の表面には周期構造３５が設けられており、フォトルミネッセンス層３２からは少なくとも２色の異なる光Ｌ１、Ｌ２が出射されている。異なる色の光Ｌ１、Ｌ２は、蛍光と励起光との組み合わせでもよい。

図６２（ａ）に示すように、フォトルミネッセンス層３２の屈折率をｎｉとし、光出射側の媒質の屈折率をｎｏとし、周期構造の周期をｄ（ｎｍ）とする。また、フォトルミネッセンス層３２の内部を周期ｄの周期構造に従って導波する光Ｌｉの界面への入射角（回折角）をθｉ、外側媒質側に出射した光の出射角をθｏとすると、ｄ×ｎｉ×ｓｉｎθｉ―ｄ×ｎｏ×ｓｉｎθｏ＝ｍλが共鳴条件となる。ここで、ｍは次数、λはフォトルミネッセンス層３２から出射する光の波長を意味している。この式からわかるように、周期構造の周期ｄが、出射光の波長λに適合させるように設定されているとき（例えば、ｄ×ｎｉ×ｓｉｎθｉ＝ｍλのとき）、法線方向（θｏ＝０）に波長λの光Ｌ１が選択的に出射される。ただし、このように周期ｄが設定されている場合には、その他の波長λ’の光Ｌ２については法線方向からずれた方向に指向性を有して出射される。

この場合、法線方向に出射される光は特定波長λの光Ｌ１を多く含み、正面方向からずれた所定方向に出射される光は異なる波長λ’の光Ｌ２を多く含むことになる。その結果、発光素子からの出射角度によって色合いが異なるものとなるおそれがある。

そこで、多色光が発せられる場合において、図６２（ｂ）に示すように、透明基材６４の裏面において、フォトルミネッセンス層３２の層面に対して所定の傾斜角度θをなす傾斜面６６Ｓを有する斜面部６６を形成する。また、傾斜面６６Ｓと接するようにして反射部材（例えば、金属膜や、誘電体多層膜など）を設けるなどして傾斜面６６Ｓを反射面として機能させる。

ここで、傾斜面６６Ｓの傾斜角度θは、図６２（ｂ）および（ｃ）に示す角度２θの半分に設定されている。より具体的に説明すると、角度２θは、周期ｄを有する周期構造によって、異なる波長λ’の光Ｌ２が法線方向以外の方向に出射され、この波長λ’の背面方向への光がフォトルミネッセンス層３２と透明基材６４との界面で屈折されるときの出射角（透明基材６４側への出射角）である。

この構成において、周期構造３５の作用によって法線方向に出射される波長λの光Ｌ１のうち、フォトルミネッセンス層３２の背面側に出射され、法線方向に進む光Ｌ１ｂが傾斜面６６Ｓで反射される。このとき、傾斜面６６Ｓの傾斜角が角度２θの１／２の角度θに設定されている（すなわち、傾斜面６６Ｓに対して光Ｌ１ｂが入射角θで入射される）ので、傾斜面６６Ｓでさらに角度θだけ方向がずれた方向に反射される。

一方、法線方向からずれた方向に出射される他の波長λ’の光Ｌ２のうち、フォトルミネッセンス層３２の背面側に出射され、透明基材６４の界面で屈折されて傾斜面６６Ｓに向かう光Ｌ２ｂは、法線方向から角度２θだけずれた方向に沿って進んで傾斜面６６Ｓで反射される。この時、傾斜面６６Ｓが傾斜角度θだけ傾いているので、傾斜面６６Ｓに対して入射角θで入射することになる。また、反射された光はさらに角度θだけ方向がずれるので、法線方向に沿って進むことになる。この結果、互いに波長の異なる光Ｌ１、Ｌ２が、同様の指向性を有する光として出射されることになる。したがって、出射角度によって特定の色の光が強調される現象が低減される。

なお、傾斜面６６Ｓは、図６２（ｂ）に示したように、鋸歯断面を形成する形態、すなわち、互いに平行な関係を有する隣接する傾斜面６６Ｓが垂直面を介して接続される形態に限られない。例えば、図６３（ｃ）に示すように、互いに対称的に配置された隣接する傾斜面６６Ｓ（ただし、傾斜角度は同じ）が連続的に屋根型に設けられていてもよい。また、図６３（ｂ）に示した断面鋸歯の形態と、図６３（ｂ）に示した屋根型の形態とが組み合わせて用いられてもよい。

このように周期構造３５の配列ピッチや発光波長に応じて決まる角度に応じて適切に設定された傾斜角度を有するように反射面を設けることによって、異なる波長の出射光の指向性を揃えることが可能になる。これにより、複数の色を発光させることで白色光を出射させるような場合において、任意の角度について、特定の色が強調されにくい均質な白色光を出射させることが可能になる。

以下、図６３を参照しながら、さらに他の態様の反射層を設ける形態について説明する。なお、以下の形態において、図５９に示した形態と同様の構成要素には同様の参照符号を付すとともに説明を省略する場合がある。

図６３に示す発光装置は、反射層５０の基部５０Ｔとプリズム５０Ｐとの間に、低屈折率層７０が介在された構成を有する。ここでは、低屈折率層７０は、反射層５０の屈折率ｎ１よりも小さい屈折率ｎ３を有しており、例えば、空気層であってよい。

低屈折率層（空気層）７０が設けられていることによって、基部５０Ｔを伝播する光のうち、フォトルミネッセンス層３２の法線方向を基準として角度が大きい方向に進行する光を、基部５０Ｔと低屈折率層７０との界面において反射させることができる。このため、例えば傾斜角度４５°で設けられたプリズム５０Ｐの傾斜面５０Ｓでは反射されない光（すなわち、傾斜面５０Ｓに対する入射角が比較的小さい光）をも低屈折率層７０の界面にて反射して、フォトルミネッセンス層３２の前面側に導くことができる。

基部５０Ｔと低屈折率層７０との界面は、典型的には、フォトルミネッセンス層３２の層面と平行な平面として設けられる。ただし、これに限らず、例えば、基部５０Ｔと低屈折率層７０との界面は、プリズムの傾斜面５０Ｓの傾斜角度θよりも小さい角度でフォトルミネッセンス層３２の層面と交わる種々の傾斜面を含むように形成されていてもよい。また、フォトルミネッセンス層３２とプリズム５０Ｐとの間には、複数の低屈折率層７０が設けられていてもよい。なお、低屈折率層７０が励起光に対する透光性を有していれば、反射層５０および低屈折率層７０を介して、反射層５０の背面側からフォトルミネッセンス層３２に励起光を入射させることもできる。

以下、図６４（ａ）および（ｂ）を参照しながら、ＲＧＢ発光素子をタイリングする形態を説明する。図６４（ａ）に示すように、赤色Ｒ、緑色Ｇ、および、青色Ｂのそれぞれの色の光を出射する発光素子を隙間なく縦横に並べる、いわゆるタイリングすることで、白色光を出射させることができる。また、各色の発光素子を、上記のように周期構造を設けて疑似導波モードが形成されるように構成することで、所定の方向に指向性高く白色光を出射させることができる。なお、図示する形態では、赤色Ｒ、緑色Ｇ、および青色Ｂの発光素子が、それぞれ斜め方向に同色が位置するように配列されているが、他の態様の配列であってもよい。

図６４（ｂ）に示すように、各色に対応して、発光素子の周期構造のピッチは異なっていてよい。これによって、所望の色の光を指向性高く効率的に出射させることができる。また、発光素子の背面側には反射層８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂが設けられていてよい。各発光素子に対応した反射層８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは、一体的に形成されていてもよいし、別個に設けられていてもよい。反射層８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは同一形状の凸部構造であってもよい。

本開示の発光装置は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。

１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波路）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１４０ 透明基板
１５０ 保護層
１８０ 光源
２００ 発光装置
２２０ 励起光導入構造
２３０ 光ファイバー
２３２ 光ファイバーのコア

Claims (17)

1. 励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
   前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
   前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
   前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
   を有し、
   前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
   前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
   隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
2. 前記導光構造体は、前記フォトルミネッセンス層における前記サブミクロン構造がある側の面に形成されている、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記導光構造体は、前記フォトルミネッセンス層における前記サブミクロン構造がある側の反対側の面に形成されている、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記励起光を前記導光構造体に向けて出射する光源をさらに有し、
   前記導光構造体から前記フォトルミネッセンス層への前記励起光の入射角をθ_st、前記導光構造体の屈折率をｎ_stとするとき、ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＞１が成り立つ、請求項２または３に記載の発光装置。
5. 前記フォトルミネッセンス層を支持する透明基板をさらに有し、
   前記導光構造体は、前記透明基板における前記フォトルミネッセンス層の側とは反対側の面に形成されている、請求項１に記載の発光装置。
6. 前記励起光を前記導光構造体に向けて出射する光源をさらに備え、
   前記導光構造体から前記透明基板への前記励起光の入射角をθ_st、前記導光構造体の屈折率をｎ_stとするとき、ｎ_stｓｉｎ（θ_st）＞１が成り立つ、請求項５に記載の発光装置。
7. 前記導光構造体は、少なくとも１つの角柱形状の透光性部材によって構成されている、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
8. 前記導光構造体は、少なくとも１つの半球形状の透光性部材から構成されている、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
9. 前記導光構造体は、少なくとも１つのピラミッド形状の透光性部材から構成されている、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
10. 前記励起光の空気中における波長をλ_exとするとき、
    前記サブミクロン構造は、前記第１の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向に最も強く出射され、波長λ_exの第２の光が前記フォトルミネッセンス層の内部を伝播する場合に前記第２の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向から角度θ_outの方向に最も強く出射されるように構成され、
    前記導光構造体は、前記励起光を、入射角θ_outで前記フォトルミネッセンス層に入射させる、請求項１から９のいずれかに記載の発光装置。
11. 前記サブミクロン構造は、１次元周期構造を有し、
    前記導光構造体は、前記１次元周期構造のライン方向および前記フォトルミネッセンス層の厚さ方向の両方に垂直な方向に延びた構造を有している、請求項１から１０のいずれかに記載の発光装置。
12. 空気中の波長がλ_exの励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
    前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    前記励起光を出射する光源と、
    を有し、
    前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
    隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_intとし、前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立ち、
    前記第１の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向に最も強く出射され、波長λ_exの第２の光が前記フォトルミネッセンス層の内部を伝播する場合に前記第２の光が前記フォトルミネッセンス層の法線方向から角度θ_outの方向に最も強く出射されるように構成され、
    前記光源は、前記励起光を入射角θ_outで前記フォトルミネッセンス層に入射させる、
    発光装置。
13. 透光層と、
    前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    前記サブミクロン構造に近接して配置され、励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
    前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
    を有し、
    前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
    前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
    前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
14. 励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層よりも高屈折率を有する透光層と、
    前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
    を有し、
    前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
    前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
    前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
15. 前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項１から１４のいずれかに記載の発光装置。
16. 励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層と、
    前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、
    前記励起光を前記フォトルミネッセンス層に導くように配置された導光構造体と、
    を有し、
    前記サブミクロン構造は、少なくとも複数の凸部または複数の凹部を含み、
    前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、
    前記サブミクロン構造は、少なくとも前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも１つの周期構造を含み、
    前記第１の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、発光装置。
17. 前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、請求項１から１６のいずれかに記載の発光装置。

Images