JP2016171298A - 発光装置および内視鏡 - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトルミネッセンス層を利用する新規な構造を有する発光装置および内視鏡を提供する。
【解決手段】発光装置は、発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーとを備える。前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造とを有する。前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する。
【選択図】図４４

Description

本開示は、フォトルミネッセンス層を有する発光素子を備えた発光装置および内視鏡に関する。
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、このような材料は、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、特定の方向に光を出射するために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る。これらの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材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供する。
本開示の一態様に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、を備え、前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。
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れば、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供することができる。
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ｎp＝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ｎwav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。 ｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示す図である。 ｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示す図である。 図１７Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 図１７Ｂの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 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。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、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ている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果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。 フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。 発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 一次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 複数の２次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の一例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。 高熱伝導部材を有する発光素子の一例を示す模式断面図である。 図４０Ａに示す発光素子の平面図である。 高熱伝導部材を有する発光素子の他の例を示す模式断面図である。 図４０Ｃに示す発光素子の平面図である。 タイリングされた複数の発光素子における高熱伝導部材の配置の例を示す模式図である。 図４１Ａに示す発光素子の平面図である。 インターロック回路を備える発光装置の例を示す模式図である。 インターフロック回路を備える発光装置の構成を示す模式図である。 ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第１の図である。 ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第２の図である。 ビーズの充填状態の一例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 本開示の発光素子をファイバー照明装置に応用した例を模式的に示す図である。 発光装置の変形例を示す図である。 発光装置の他の変形例を示す図である。 本開示の発光装置を利用した内視鏡システム５００の一例を模式的に示す図である。 挿入部５１０における先端部５１０ａの内部構造を簡略化して示す図である。 ある構成例における先端部５１０ａを対象物４００側から見たときの様子を示す図である。 従来のキセノンランプの発光スペクトルの例を示す図である。 従来の一般的なＬＥＤ白色光源の構成および発光スペクトルを示す図である。 本実施形態の発光素子３１０を利用した光源の一例を示す図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第１の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第２の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第３の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第４の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第５の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第６の図である。 水中ファイバー照明装置の構成例を示す図である。 光源装置６００の概略構成を示す図である。 本開示の実施形態におけるファイバー照明装置を搭載する宇宙探査機の一例を簡略化して示す図である。 スタジアムで使用される光ファイバー照明装置の例を示す図である。 高速道路用の照明装置の例を示す図である。 トンネル用の照明装置の例を示す図である。 ファイバー照明装置のより詳細な構成を説明するための図である。 照明部６６０の構造の一例を示す図である。 光源装置６００のより詳細な構成例を示す断面図である。 光源装置６００の他の構成例を示す上面図である。 光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。 図６１Ｃに示す光源装置６００における発光素子３１０の拡大図である。 光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。 車両用ファイバー照明装置を搭載した車両の一例を示す図である。 ヘッドライト、テールランプ、ドア用のランプ等に発光ユニット８１０を適用した例を示す図である。 ナビゲーションシステムと組み合わせて路面等の投影面にナビゲーションのための画像を表示する 光ファイバーセンサーを搭載した自動車の例を示す図である。 光ファイバーセンサーを搭載した飛行機の例を示す図である。 光ファイバーセンサーの構成および動作原理を説明するための図である。 駆動信号および受光信号の時間変化の例を示す図である。 本開示の発光素子をスクリーンとして備える透明ディスプレイの構成を示す模式図である。 複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。
［１．本開示の実施形態の概要］
本開示は、以下の項目に記載の発光素子、発光装置、内視鏡、内視鏡システム、光ファイバー照明装置、および光ファイバーセンサーを含む。
［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λa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Ｄint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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λa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ｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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ｎt-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ｎwav-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λaと異なる波長λb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ｎt-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ｎwav-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ｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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λaと異なるλbの第２の光を含み、前記第２の光前記第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ｎwav-bとすると、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λb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λex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ｎwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐexが、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λex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Ｄint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λex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ｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λex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ｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λex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λa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ｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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λa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ｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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λa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ｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、
を備え、
前記発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目３４］
励起光源と、
発光素子と、
前記励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる光ファイバーと、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目３５］
前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第１の発光領域と、青色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第２の発光領域と、を含む、
項目３３または３４に記載の発光装置。
［項目３６］
前記第１の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属し、
前記第２の発光領域は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλbの第２の光を含む光を発する他のフォトルミネッセンス層と、
前記他のフォトルミネッセンス層に近接して配置された他の透光層と、
前記他のフォトルミネッセンス層および前記他の透光層の少なくとも一方の表面に形成された他の表面構造と、を有し、
前記波長λbは、青色の波長帯域に属し、
前記他の表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλbの前記第２の光の指向角を制限する、
項目３５に記載の発光装置。
［項目３７］
前記第１の発光領域および前記第２の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に並んでいる、項目３５または３６に記載の発光装置。
［項目３８］
前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる発光領域を有し、
前記励起光は、青色の波長帯域の光であり、前記励起光の一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直に入射して透過する、
項目３３または３４に記載の発光装置。
［項目３９］
前記発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属する、項目３８に記載の発光装置。
［項目４０］
前記青色の波長帯域は、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下であり、
前記緑色の波長帯域は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下である、
項目３５から３９のいずれかに記載の発光装置。
［項目４１］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
透光層と、
前記透光層の表面に形成された表面構造と、
前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目４２］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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い屈折率を有する透光層と、
前記透光層の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目４３］
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３３から４２のいずれかに記載の発光装置。
［項目４４］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目４５］
前記表面構造における隣接する２つの凸部の中心間距離または隣接する２つの凹部の中心間距離をＤint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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、
項目３３から４４のいずれかに記載の発光装置。
［項目４６］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記周期構造の周期をＰa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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
項目３３から４５のいずれかに記載の発光装置。
［項目４７］
項目３３から４６のいずれかに記載の発光装置と、
前記発光装置における前記発光素子から出射され、対象物で反射された光を受けて受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子と、
を備える内視鏡。
［項目４８］
長尺状の挿入部をさらに備え、
前記発光素子および前記撮像素子は、前記挿入部内に設けられている、
項目４７に記載の内視鏡。
［項目４９］
前記撮像素子の撮像面に対向して配置され、前記対象物からの反射光を前記撮像面に集束させる光学系をさらに備える、項目４７または４８に記載の内視鏡。
［項目５０］
項目４７から４９のいずれかに記載の内視鏡と、
前記内視鏡における前記撮像素子に電気的に接続され、前記電気信号に基づいて画像信号を生成して出力する処理装置と、
前記処理装置に電気的に接続され、前記画像信号に基づく画像を表示するディスプレイと、
を備える内視鏡システム。
［項目５１］
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、水中に設置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第１の光を含む光を一旦から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を水中に照射する、
光ファイバー照明装置。
［項目５２］
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、宇宙空間に配置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第１の光を含む光を一旦から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を宇宙空間に照射する、
光ファイバー照明装置。
［項目５３］
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、前記光源装置よりも高所に配置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第１の光を含む光を一旦から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を外部に照射する、
光ファイバー照明装置。
［項目５４］
前記光ファイバーは、コネクタを有し、前記コネクタを介して前記光源装置および前記照明部と接続されている、項目５１から５３のいずれかに記載の光ファイバー照明装置。
［項目５５］
前記光ファイバーは、複数本の光ファイバーケーブルと、前記複数本の光ファイバーケーブルを連結する光分岐装置とを含む、項目５１から５４のいずれかに記載の光ファイバー照明装置。
［項目５６］
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子から生じた光の光路上に配置され、入力された駆動信号に応答して透光状態と遮光状態とを切り替える光学シャッターと、
前記光学シャッターを透過した前記光の光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記光を一端から取り込む光ファイバーと、
前記光ファイバー内の変形部分で反射され、かつ前記ビームスプリッタでさらに反射された光を受けて、受けた前記光の強度に応じた受光信号を出力する受光器と、
前記光学シャッターに前記駆動信号を入力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記駆動信号に対する前記受光信号の遅延時間に基づいて、前記光ファイバー内の前記変形部分の位置を特定し、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
光ファイバーセンサー。
［項目５６］
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子を透過した前記光の光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記光を一端から取り込む光ファイバーと、
前記光ファイバー内の変形部分で反射され、かつ前記ビームスプリッタでさらに反射された光を受けて、受けた前記光の強度に応じた受光信号を出力する受光器と、
前記励起光源に、前記励起光の出射と停止とを切り替える駆動信号を入力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記駆動信号に対する前記受光信号の遅延時間に基づいて、前記光ファイバー内の前記変形部分の位置を特定し、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
光ファイバーセンサー。
本開示の実施形態による発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発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の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。波長λa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。赤外線を利用する用途では、波長λaは、７８０ｎｍを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λaは、３８０ｎｍ未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。
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、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）で形成され得る。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。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。
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の表面には、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造が形成される。ここで「表面」とは、他の物質と接している部分（即ち界面）を意味する。透光層が空気等の気体の層である場合は、その気体の層と他の物質（例えばフォトルミネッセンス層）との間の界面が、透光層の表面である。この表面構造は、「凹凸構造」と称することもできる。表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。そのような表面構造は、「周期構造」と称することができる。複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する２つの屈折率の異なる部材（または媒質）の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する２つの中心間の距離（以下、「中心間隔」と称することがある。）が、いずれの２つの隣接する凸部または凹部についても、ある値ｐの±１５％以内の範囲に収まっているとき、その部分は、周期ｐを有する周期構造であると考える。
本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図６９に示す断面図では、部材６１０が凹部を有し、部材６２０が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材６１０および部材６２０の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。
表面構造における隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間の距離（周期構造においては周期ｐ）は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー（即ちミクロンオーダー）よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に１マイクロメートル（μｍ）を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造（例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造）を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。
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（即ち表面構造）と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。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。その説明は、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、隣接する凸部間の中心間距離をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足し得る。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ものとして説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。ｎwav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ｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-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。ｎwav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ｎwav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ｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎa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ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎeff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ｎeff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λa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λa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。
サブミクロン構造が、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、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つの周期構造を含み得る。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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Ｄintがｐaで一定の周期構造を含み得る。サブミクロン構造がこのような周期構造を含むと、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。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥモードとＴＭモードとで有効屈折率ｎeff（＝ｎwavｓｉｎθ）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、正面方向に出射する光の指向角は例えば１５°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を０°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造（即ち表面構造）は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、周期構造がない場合と比較して狭角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図２９に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度（例えば２０°〜７０°）の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λaの出射光が０°〜２０°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。
なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を０次光（即ち透過光）、±１次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が０次光の両側に発生する。回折格子における、０次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度（例えば１５°程度）に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。
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。
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λex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ｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎwav-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ｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λex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λex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。
［２．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。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（若しくは小さくできる）。これにより、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。
Figure 2016171298
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。本開示の実施形態では、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。その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。
［３．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、発生した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、本願発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造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）によって構成することで、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、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るので、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。
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る。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。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、発生した光を結合させることを検討した。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、透光層の一部）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、透光層が周期構造を有している場合（即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、周期構造１２０を透光層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ｋwav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ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
Figure 2016171298
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θwav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。
Figure 2016171298

Figure 2016171298
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θout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θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
Figure 2016171298
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝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、発生した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。
Figure 2016171298
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＜ｓｉｎθout＜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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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、ｎout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。
Figure 2016171298
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ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎs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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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。
［４．計算による検証］
［４−１．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ｎwav＝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。
［４−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝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。
［４−３．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。
［４−４．２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、２1/2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。
［５．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。
［５−１．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ｎwav＝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。
［５−２．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ｎwav＝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ｎp＝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ｎp＝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ｎwavが周期構造の屈折率ｎp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ｎwavが周期構造の屈折率ｎp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ｎwavが周期構造の屈折率ｎp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。
［５−３．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ｎpがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav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。
［５−４．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ｎwav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ｎwav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＜ｎwav×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。
［６．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
［６−１．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ｎsはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav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ｎoutをｎs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ｎout＝ｎs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。
［６−２．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。励起光は、フォトルミネッセンス層１１０の主面（即ち、上面または下面）に垂直な方向に対して傾斜した方向から（即ち、斜めに）入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層１１０内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。
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方法もある。図１７Ａから図１７Ｄ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１７Ａに示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７Ｂ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ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐx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ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、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ｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
Figure 2016171298
ここで、ｎoutは、図１７Ｂの例では透明基板１４０のｎs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ｐy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。
Figure 2016171298
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ｐy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λexの励起光を吸収させることができる。
図１７Ｃおよび図１７Ｄは、それぞれ、図１７Ａおよび図１７Ｂ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、ｐx＝３６５ｎｍ、ｐy＝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λexを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数を０．００３としている。図１７Ｄ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１７Ｂ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（周期成分と称する。）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１７Ａ、１７Ｂでは励起光を基板１４０側から入射させているが、周期構造１２０側から入射させ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。
［６−３．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が形成されている。その結果、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ｎwav＝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ｎp＝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。
［６−４．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。
［６−５．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。
［６−６．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。
［６−７．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。
［７．材料］
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+、ＣａＳｉ12-(m+n)Ａｌ(m+n)ＯnＮ16-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、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、樹脂が挙げられる。なお、基板１４０を介さずにフォトルミネッセンス層１１０に励起光を入射させるような構成においては、基板１４０が透明であることは必須ではない。基板１４０は、例えば、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成されてもよい。
［８．製造方法］
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。
[９．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２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆに示す。図２７Ａは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｂおよび図２７Ｃは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２７Ｄは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｅおよび図２７Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２８Ａは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、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ている状況を示している。図２８Ｂおよび図２８Ｃは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２８Ｄは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｅおよび図２８Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆから明らかなように、ＴＭモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長６１０ｎｍの光については、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図２７Ｂと図２７Ｃ、図２７Ｅと図２７Ｆ、図２８Ｂと図２８Ｃ、図２８Ｅと図２８Ｆのそれぞれの測定結果と計算結果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。
図２９は、波長６１０ｎｍの光について、図２８Ｄに示すように、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ている。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、前述のように、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。図２９に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全て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。
以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。
[１０．他の変形例]
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。
上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図３１に示す、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、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ており、図１Ａに示した１次元周期構造１２０を有する場合を例示する。１次元周期構造１２０によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造１２０の周期ｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎwav、光が出射される外部の媒質の屈折率ｎoutとし、１次元周期構造１２０への入射角をθwav、１次元周期構造１２０から外部の媒質への出射角をθoutとすると、ｐ×ｎwav×ｓｉｎθwav−ｐ×ｎout×ｓｉｎθout＝ｍλの関係を満足する（上記の式（５）参照）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。
上記式から、θout＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎout］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図３１に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。
この視角依存性を低減させるためには、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが、波長λによらず一定となるように、ｎwavおよびｎoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが波長λに依存しないような、ｎwavおよびｎoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎoutは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および一次元周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率ｎwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。
また、図３２Ａに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図３２Ａに示す例では、赤色光（Ｒ）を増強できる周期構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる周期構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる周期構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。
マトリクス状に配列された各周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。
また、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。
図３２Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造（周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む）を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図３２Ｂのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図３２Ｂの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。
もちろん、周期構造は、１次元周期構造に限らず、図３２Ｃに示すように、複数の２次元周期構造（周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む）を配列してもよい。このとき、周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。
図３３に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ１３０のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ１３０のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。
図３３に示した発光素子は、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂをそれぞれ有する領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｒによって、赤色光Ｒが法線方向に出射され、例えば緑色光Ｇは斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Ｇは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図３２Ｂまたは図３２Ｃに示した構成にも適用できる。
斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズであってもよい。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。
白色光（あるいは、広いスペクトル幅を有する光）を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図３４Ａおよび図３４Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図３４Ａに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層１１０ｂ、１１０ｇ、１１０ｒを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図３４Ｂに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｙを積層してもよい。フォトルミネッセンス層１１０ｙは、例えばＹＡＧを用いて形成することができる。
この他、蛍光色素などマトリクス（ホスト）材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合し、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。この様な白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図３２Ａ〜図３２Ｃを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。
フォトルミネッセンス層１１０を形成する材料として、無機材料（例えばＹＡＧ）を用いる場合、その製造過程で、１０００℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地（典型的には、基板）から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層（バリア層）１０８を設けてもよい。図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、拡散防止層１０８は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層１１０の下層に形成される。
例えば、図３５Ａに示すように、基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。また、図３５Ｂに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれの下層に拡散防止層１０８ａまたは１０８ｂが形成される。
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３５Ｃ、図３５Ｄに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。図３５Ｃに示すように、基板１４０の上に低屈折率層１０７を設けた場合、低屈折率層１０７とフォトルミネッセンス層１１０との間の拡散防止層１０８が形成される。さらに、図３５Ｄに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂがそれぞれ形成される。
なお、低屈折率層１０７は、基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成される。低屈折率層１０７の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。低屈折率層１０７は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、石英、樹脂、ＨＳＱ・ＳＯＧなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層１０７の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板１４０は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ガラス、樹脂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成される。
拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶や窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂの厚さは、例えば、５０ｎｍ以下である。
なお、拡散防止層１０８や後述する結晶成長層１０６のような、フォトルミネッセンス層１１０に隣接する層を有する構成においては、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ｎwav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。
また、無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層１１０においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層１１０を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図３６Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０の下地に、結晶成長層（「シード層」ということもある。）１０６を形成してもよい。結晶成長層１０６は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層１１０の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±５％以内であることが望ましい。基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層１０６または１０６ａの屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さいことが望ましい。
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３６Ｂに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。結晶成長層１０６は、フォトルミネッセンス層１１０と接するので、基板１４０上に低屈折率層１０７が形成される場合には、低屈折率層１０７上に結晶成長層１０６が形成される。また、図３６Ｃに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対応する結晶成長層１０６ａまたは１０６ｂを形成することが望ましい。結晶成長層１０６、１０６ａおよび１０６ｂの厚さは、例えば、例えば、５０ｎｍ以下である。
図３７Ａおよび図３７Ｂに示すように、周期構造１２０を保護するために、表面保護層１３２を設けてもよい。
表面保護層１３２は、図３７Ａに示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図３７Ｂに示すように、基板１４０を有するタイプのものにも設けられる。また、図３７Ａに示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層１１０の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層１３２は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造１２０は、図３７Ａおよび図３７Ｂに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。
表面保護層１３２は、例えば、樹脂、ハードコート材、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＳｉＯＣ、ＤＬＣを用いて形成することができる。表面保護層１３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１０μｍである。
表面保護層１３２を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層１３２は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層１３２の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。
また、フォトルミネッセンス材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層１１０の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率（１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）は、ＹＡＧの熱伝導率（１１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも約１桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層（例えばＹＡＧ層）１１０で発生した熱が基板（例えば石英基板）１４０を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層１１０の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。
そこで、図３８Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間に、透明高熱伝導層１０５を形成することによって、フォトルミネッセンス層１１０の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板１４０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には、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層１０５は、フォトルミネッセンス層１１０とともに導波層を形成するので、５０ｎｍ以下であることが望ましい。図３８Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と透明高熱伝導層１０５との間に、低屈折率層１０７を形成すれば、厚い透明高熱伝導層１０５を利用できる。
また、図３８Ｃに示すように、周期構造１２０を高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７で覆ってもよい。さらに、図３８Ｄに示すように、周期構造１２０を低屈折率層１０７で覆った上に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層１０７が高い熱伝導率を有する必要はない。
透明高熱伝導層１０５の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｙ2Ｏ3、ダイヤモンド、グラフェン、ＣａＦ2、ＢａＦ2を挙げることができる。これらの内、ＣａＦ2、ＢａＦ2は、屈折率が低いので、低屈折率層１０７として利用することができる。
次に、図３９Ａ〜３９Ｄを参照して、発光素子１００と光源１８０とを備える発光装置の放熱特性を高めた構造を説明する。
図３９Ａに示す発光装置は、光源１８０としてのＬＥＤチップ１８０と、発光素子１００とを有している。発光素子１００は、上述のいずれのタイプでもよい。ＬＥＤチップ１８０は、支持基板１９０上に実装されており、発光素子１００は、ＬＥＤチップと所定の間隔をあけて配置されている。発光素子１００は、ＬＥＤチップから出射される励起光を受けて発光する。支持基板１９０上において、ＬＥＤチップ１８０および発光素子１００は、封止部１４２に覆われている。
封止部１４２は、高熱伝導性と透光性とを備えている。封止部１４２を形成する材料（「封止材料」ということがある）は、例えば、高熱伝導性のフィラーと樹脂材料とを含む複合材料である。高熱伝導性フィラーとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｙ2Ｏ3、グラフェンおよびＡｌＮを例示することができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。特に、封止材料として、高熱伝導性フィラーのサイズがナノメートルサイズ（即ち、サブミクロンサイズ）を用いたナノコンポジット材料を用いることができる。ナノコンポジット材料を用いると、光の拡散反射（または散乱）を抑制することができる。ナノコンポジット材料としては、フィラーとしてＺｎＯまたはＡｌ2Ｏ3を用い、樹脂として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いたものを例示することができる。
なお、発光素子１００が、図３９Ａに例示したように、表面に周期構造が露出しているタイプの場合には、周期構造の周りの媒質の屈折率は、周期構造の屈折率よりも低いことが望ましい。すなわち、封止部１４２の屈折率は、周期構造が透光層によって形成されている場合は、透光層の屈折率よりも低く、周期構造がフォトルミネッセンス層と同じ材料で形成されている場合は、フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低いことが望ましい。
封止部１４２は、図３９Ｂに示すように、発光素子１００の表面近傍（例えば、周期構造を有する透光層またはフォトルミネッセンス層）を露出するように設けてもよい。このとき、封止部１４２の屈折率は特に制限されない。
また、図３９Ｃに示すように、発光素子１００として、周期構造が低屈折率層１０７（図３８Ｃ参照）で覆われているタイプのものを用いる場合にも、封止部１４２の屈折率は、周期構造の屈折率よりも高くてもよい。このような構成を採用するようことによって、封止部１４２の材料の選択範囲が広がる。
また、図３９Ｄに示すように、発光素子１００の周辺を高熱伝導性を有するフォルダー１５２に固定してもよい。フォルダー１５２は、例えば、金属で形成され得る。例えば、光源として、レーザーダイオード１８２を用いる場合のように、発光素子１００と光源との間に封止材料を充填できない場合に、上記の構造を好適に用いられ得る。例えば、図３８Ａ〜３８Ｄに例示した構成を有する発光素子１００は、透明高熱伝導層１０５または高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７を有するので、素子の面内の熱伝導性が高いので、効果的にフォルダー１５２を介して放熱することができる。
図４０Ａ〜４０Ｄに示すように、発光素子１００の表面に、高熱伝導部材１４４を配置してもよい。高熱伝導部材１４４は、例えば、金属で形成される。
例えば、図４０Ａに断面図を示し、図４０Ｂに平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の一部を覆うように高熱伝導部材１４４を配置してもよい。図４０Ａおよび４０Ｂには、１次元周期構造を形成する複数の凸部の１つだけを覆う線状の高熱伝導部材１４４を示しているが、これに限られない。
また、図４０Ｃに断面図を示し、図４０Ｄに平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の両端の凸部およびフォトルミネッセンス層１１０の端面を覆うように、高熱伝導部材１４６を形成してもよい。いずれの場合も、周期構造およびフォトルミネッセンス層の、高熱伝導部材１４６に覆われる部分の面積が大きくなると、発光素子１００の特性に影響する恐れがあるので、発光素子１００の表面に形成する高熱伝導部材１４６の面積は小さい方がよい。
また、図４１Ａに断面図を示し、図４１Ｂに平面図を示すように、異なる構造を有する複数の発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂをタイリングする場合、隣接する発光素子の間に、それぞれの発光素子の端部を覆うように、高熱伝導部材１４８を配置してもよい。例えば、ここで例示するように、赤色光を増強する発光素子１００ｒ、緑色光を増強する１００ｇおよび青色光を増強する１００ｂを配列する場合、例えば、金属で形成された高熱伝導部材１４８を隣接する発光素子間に配置すると、高熱伝導部材１４８は遮光性を有しているので、混色を抑制することができる。このように、高熱伝導部材１４８を表示パネルにおけるブラックマトリクスのように使用することもできる。
図４２Ａおよび４２Ｂに、インターロック回路１８５を備える発光装置の例を示す。図４２Ａは発光素子１００の裏面を示す模式図であり、図４２Ｂは発光素子１００の断面図を含む、発光装置の模式図である。図４２Ａおよび４２Ｂに示すように、発光素子１００が有する基板１４０の裏面に、環状配線１７２が形成されている。環状配線１７２は、発光素子１００の裏面の外周近傍に形成されており、基板１４０が破損したら、断線するように形成されている。環状配線１７２は、例えば金属材料で形成されている。環状配線１７２の２つの端部は、インターロック回路１８５のリレー回路に電気的に接続されている。環状配線１７２に断線が発生した場合、リレー回路は、光源１８２への電力の供給を遮断する。光源１８２が、特に、レーザーダイオードのように強度の強い光を発する場合には、安全性等の観点から、インターロック回路１８５を設けることが望ましい。
上述の実施形態の発光素子が有するサブミクロン構造は、例えば周期構造であり、フォトリソグラフィ技術やナノプリント技術を用いて形成され得る。図４３Ａ〜４３Ｆを参照して、サブミクロン構造の他の形成方法を説明する。
図４３Ａに示すように、基板１４０に支持されたフォトルミネッセンス層１１０の表面にビーズ１２２を配置する。ビーズ１２２の一部をフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込むことで、ビーズ１２２をフォトルミネッセンス層１１０に固定することができる。このように、多数のビーズ１２２のそれぞれの一部がフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込まれて、残りの部分がフォトルミネッセンス層１１０から突き出ている場合、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しくてもよいし、小さくてもよい。例えば、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さい場合、多数のビーズ１２２によって形成される層（フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分と埋め込まれた部分の両方）が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。また、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しい場合、ビーズ１２２とフォトルミネッセンス層１１０とは実質的に一体となり、フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。
あるいは、図４３Ｂに示すように、基板１４０上に、多数のビーズ１２２を配置した上に、フォトルミネッセンス層１１０を形成してもよい。このとき、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。
ここで、ビーズ１２２の直径は例えば上述のＤintと等しいかそれよりも小さい。ビー
ズ１２２が緻密に充填された場合には、ビーズ１２２の直径がＤintとほぼ一致する。隣
接するビーズ１２２の間に間隙が形成される場合、ビーズ１２２の直径に間隙を加えた長さがＤintに対応することになる。
また、ビーズ１２２としては、中空のビーズであっても、中実のビーズであってもよい。
図４３Ｃ〜４３Ｆは、種々のビーズの充填状態を模式的に示す図と、それぞれ充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。図４３Ｃ〜４３Ｆにおいて、黒い部分は中実ビーズまたは中空ビーズ内の中実部分を示し、白い部分は、中空ビーズまたは、中空ビーズ内の空隙部分を示している。
図４３Ｃは、卵形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、卵の底の位置に形成されている。図４３Ｄは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、外形の球に接するように形成されている。図４３Ｅは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、２つのほぼ球形の空隙を含んでおり、２つの球形の空隙は、外形の球の直径にそって配列されている。図４３Ｆは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズとほぼ球形の外形を有する中実ビーズとが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。中空ビーズおよび中実ビーズはほぼ同じ直径を有しており、ほぼ同じ体積比率で混合されている。また、中空ビーズおよび中実ビーズの配置に規則性はなく、ほぼランダムである。
中空ビーズや中実ビーズは、種々のガラスまたは樹脂で形成されたものが市販されている。ここで例示したビーズは、例えば、研磨材料として広く市販されているアルミナの粉体や日鉄鉱業株式会社の中空シリカなどを用い、得られたビーズに分散剤を添加し、溶媒（例えば水やアルコール類など）に分散し、この分散液を基板１４０上またはフォトルミネッセンス層１１０上に付与し、乾燥することによって、多数のビーズが密に充填された層を形成することができる。
［８．応用例］
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。
［８−１．ファイバー照明装置］
図４４は、本開示の発光素子をファイバー照明装置に応用した例を模式的に示す図である。このファイバー照明装置（即ち、発光装置）３００は、発光素子３１０と、発光素子３１０からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバー３２０とを備える。光ファイバー３２０は、発光素子３１０から出射した光を伝播して対象物４００に照射する。発光素子３１０は、既に説明したいずれかの構造を有する。対象物４００は、検査対象物であり、検体と呼ぶこともある。
対象物４００に白色光を照射する用途では、発光素子３１０は、例えば図３２Ａ〜図３３を参照して説明した構造を有する。対象物４００に特定の波長帯域の光を照射する用途では、発光素子３１０は、その波長帯域の光を特定の方向（例えば正面方向）に強く出射するように構成される。
本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更するだけで、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ：ＮＢＩ、登録商標）と呼ばれる技術に用いられ得る。狭帯域イメージングは、青および緑の２つの狭帯域の波長の光を粘膜に照射することにより、粘膜表層の毛細血管および微細な模様を観察する技術である。狭帯域イメージングにより、例えば後述する内視鏡による病変部の観察を容易にすることができる。
このような狭帯域イメージングに利用される場合、発光素子３１０は、青および緑の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層に垂直な方向（以下、「法線方向」または「垂直方向」と称することがある。）にそれぞれ出射する２種類の発光領域を有する。それらの発光領域は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向または平行な方向に並べて配置される。励起光として青色光を使用し、その一部を発光素子３１０を透過させて利用する場合には、発光素子３１０は緑色の波長帯域の光を垂直な方向に出射する発光領域のみを有していてもよい。本明細書において、青色の波長帯域は、４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の波長の範囲を意味する。緑色の波長帯域は、４９０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の波長の範囲を意味する。典型的には、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長の青色光と、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光とが用いられる。
従来の光ファイバー照明装置では、例えばエキシマランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプなどの光源が用いられていた。本実施形態における発光装置３００は、発光素子３１０から出射される光の指向性が高いため、従来の光ファイバー照明装置と比較して、例えば次のような利点を有する。（１）ファイバーカップラーまたはレンズなどの部品の全部または一部を不要にできる。（２）励起光源として半導体発光素子を利用できるため、小型化が可能である。（３）光学的損失が少ない（例えば、エキシマランプの約１／１０）ため、高効率化が可能である。（４）ランプ交換が不要なため、メンテナンスを容易にできる。
図４５は、発光装置の変形例を示す図である。この例における発光装置３００ａは、励起光源３４０および光学系３３０を備えている。励起光源３４０は、例えば青色の波長帯域の光を励起光として出射する。励起光源３４０は、励起光を、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に垂直に入射させる。光学系３３０は、光ファイバー３２０から出射した光を集束させる少なくとも１つのレンズを有する。光学系３３０のレンズの構成は、用途に応じて適宜設計される。この例のように、発光装置３００ａは、光学系３３０および励起光源３４０を有していてもよい。あるいは、発光装置３００ａは、これらの一方のみを備えていてもよい。
図４６は、発光装置の他の変形例を示す図である。この発光装置３００ｂは、光ファイバー３２０が、励起光源３４０から出射された励起光を発光素子３１０に伝播させる点で、先の例とは異なっている。光ファイバー３２０は、励起光を一端から取り込み、他端から発光素子３１０に向けて出射させる。図４６の例では、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に背面側（即ち、表面構造が設けられた側の反対側）から励起光を入射させているが、正面または側面の側から入射させてもよい。このような形態では、光ファイバー３２０の先端に発光素子３１０が取り付けられていてもよい。この例でも、光学系３３０を省略してもよい。
［８−２．内視鏡］
上記のいずれかの構成を有する発光装置は、例えば内視鏡に利用され得る。以下、内視鏡への応用例を説明する。
図４７は、本開示の発光装置を利用した内視鏡システム５００の一例を模式的に示す図である。内視鏡システム５００は、内視鏡５０５と、内視鏡５０５に接続された処理装置５５０と、処理装置５５０に接続されたディスプレイ５６０とを備えている。ここで「接続」とは、電気信号の授受が可能なように電気的に接続されていることを意味する。
内視鏡５０５は、体腔内に挿入される挿入部５１０と、鉗子挿入口５１７と、操作部５２０と、処理装置５５０に接続されるケーブル５３０とを有する。挿入部５１０は、ある程度柔軟な材料によって構成される長尺状（または管状）の部材である。挿入部５１０の先端（先端部５１０ａ）は、術者の操作によって湾曲可能に構成され得る。
先端部５１０ａの内部には、発光素子、撮像素子、および光学系が設けられる。発光素子から光が対象物に照射される。その反射光が光学系で集束され、撮像素子の撮像面に入射する。これを受けて、撮像素子は、画素ごとの受光量に応じた電気信号を出力する。
操作部５２０は、内視鏡５０５を操作するための各種のスイッチ、ボタン等を含む。操作部５２０は、例えば、電源スイッチ、照明のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるボタン、先端部５１０ａの向きを変えるアングルノブ、先端部５１０ａから空気または水を噴出させるためのボタン、撮影の開始／停止を指示するためのレリーズボタンを含み得る。
ケーブル５３０は、励起光源３４０からの励起光を一端から取り込み、他端から出射させるライトガイド（即ち、光ファイバー）と、撮像素子から出力された電気信号を処理装置５５０に伝送する信号線とを内部に有する。これらの他に、給水・給気用の管を含み得る。
処理装置５５０は、励起光源３４０、ＣＰＵなどのプロセッサ、画像処理回路、メモリ、および入出力インタフェースを有する。励起光源３４０から出射された励起光は、ケーブル５３０内のライトガイド内を伝播して先端部５１０ａ内の発光素子に入射する。これを受けて発光素子が発光する。処理装置５５０は、撮像素子から送られてきた電気信号に各種の処理を施して画像信号を生成して出力する。この画像信号は、ディスプレイ５６０に送られる。
図４８は、挿入部５１０における先端部５１０ａの内部構造を簡略化して示す図である。内視鏡５０５は、先端部５１０ａの内部に、発光素子３１０、撮像素子５７０、および光学系５７５を有する。光学系５７５は、撮像素子５７０の撮像面５７０ａに対向して配置される。
発光素子３１０は、ライトガイド５８５の先端の近傍に、または、先端に直接接して配置される。ライトガイド５８５から出射した励起光によってフォトルミネッセンス材料が励起されて発光する。この光は、照明用開口５９２を経て外部に出射される。照明用開口５９２の近傍には、光を拡散または集束する光学系が配置されていてもよい。
撮像素子５７０は、信号線５８０に接続されている。信号線５８０は、撮像素子５７０から出力された電気信号を処理装置５５０まで伝送する。撮像素子５７０は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサーなどのイメージセンサーである。撮像素子５７０の撮像面５７０ａには、複数の光検知セル（例えば、フォトダイオード）が配列されている。各光検知セルは、光電変換により、受けた光の強度（受光量とも呼ぶ。）に応じた電気信号を出力する。複数の光検知セルに対向して、複数のカラーフィルタが配置され得る。複数のカラーフィルタは、２次元（典型的には正方格子状）に配列される。複数のカラーフィルタの配列は、例えば一般的なベイヤー配列、即ち、赤、２つの緑、青の４つのカラーフィルタを１つの単位としてこれらが繰り返された配列であり得る。各光検知セルおよびそれに対向するカラーフィルタは、１つの画素を構成する。なお、カラーフィルタはなくてもよい。
発光素子３１０から出射された光は、照明用開口５９２を通過して対象物４００に向かう。その光の一部は対象物４００で反射され、観察用開口５９０を通過する。観察用開口５９０を通過した光は、対物レンズを含む光学系５７５によって撮像素子５７０の撮像面５７０ａに集束される。その結果、撮像面５７０ａには対象物４００の像が形成される。複数の光検知セルは、その像に応じた電気信号を出力する。信号線５８０は、その電気信号を処理装置５５０に伝送する。
処理装置５５０は、伝送された電気信号に基づいて、画像信号を生成する。例えば、伝送された電気信号に基づいて、色補間、ホワイトバランス調整、ガンマ補正、ノイズリダクション、色変換などの各種の画像処理を行うことによって画像信号を生成する。これらの画像処理は、処理装置５５０の内部のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの画像処理回路が実行する。このようにして生成された画像信号は、処理装置５５０からディスプレイ５６０に送られる。ディスプレイ５６０は、この画像信号に基づく画像を表示する。これにより、術者は、対象物４００を映像で観察することができる。
図４８は、先端部５１０ａの内部構造を簡略化して表しているが、典型的には、鉗子用の開口または給水・給気ノズルなどの図示されていない構成要素が含まれ得る。以下、これらについて簡単に説明する。
図４９は、ある構成例における先端部５１０ａを対象物４００側から見たときの様子を示す図である。この例では、先端部５１０ａは、２つの照明用開口５９２ａ、５９２ｂと、鉗子用開口５９４と、給水・吸気用ノズル５９６とを有している。複数の照明用開口５９２ａ、５９２ｂのそれぞれの奥には、前述の発光素子３１０およびライトガイド５８５が設けられる。鉗子用開口５９４は、鉗子挿入口５１７から挿入された鉗子を外部に出すための穴である。給水・給気用ノズル５９６は、血液または粘液が先端部５１０ａに付着したときにこれらを洗い流すための水または空気を噴出する。この例では、複数の照明用開口５９２ａ、５９２ｂが中心軸に対して対称に配置されている。これにより、撮影時の影の発生を抑えることができる。
本実施形態における内視鏡５０５の光源の発光波長は、例えば青色の波長帯域および緑色の波長帯域であり得る。発光素子３１０は、例えば、緑色の波長帯域の光を法線方向に出射する第１の発光領域と、青色の波長帯域の光を法線方向に出射する第２の発光領域とを有する。第１および第２の発光領域は、フォトルミネッセンス層に垂直または水平な方向に並んで配置される。第１の発光領域では、隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち周期）をＤint-aとし、緑の波長帯域に含まれる波長λaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint-a＜λaの関係が成り立つ。同様に、第２の発光領域では、隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち周期）をＤint-bとし、青の波長帯域に含まれる波長λbの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとすると、λb／ｎwav-b＜Ｄint-b＜λbの関係が成り立つ。
青色の波長帯域の励起光も光源として利用するのであれば、発光素子３１０は、第１の発光領域だけを有していてもよい。その場合、発光素子３１０は、青色の励起光の一部を透過させるように設計される。
本実施形態における内視鏡は、癌などの微細な病変部位を認識し易いという効果を奏する。血液中のヘモグロビンは、青色光を吸収する性質をもつ。このため、青色光を照射することにより、表面の毛細血管を浮かび上がらせることができる。ただし、青色光だけを利用すると、光量が不足するため、本実施形態では、緑色光も併用される。これにより、全体的に見やすい画像を生成できる。
本実施形態では、特に、狭帯域の青色光および緑色光を発光素子３１０が直接出射するため、従来必要であったカラーフィルタを省略できるという利点がある。以下、この効果を詳しく説明する。
図５０は、従来のキセノンランプの発光スペクトルの例を示す図である。この発光スペクトルは、可視光の波長帯域の全域にわたってブロードな強度特性を有する。このため、青色の波長帯域の光と緑色の波長帯域の光とを利用するためには、それ以外の波長帯域の光を除去するカラーフィルタが必要である。そのようなカラーフィルタを用いると、光の損失が多くなり、効率が低下する。
図５１は、従来の一般的なＬＥＤ白色光源の構成および発光スペクトルを示す図である。このＬＥＤ白色光源では、青色の波長帯域の励起光を受けて黄色の蛍光（即ち、赤色光および緑色光）を発するＹＡＧなどの蛍光物質と、蛍光物質を透過した青色光との組み合わせにより、白色光が得られる。この例でも、黄色の発光から狭帯域の緑色光を得るためには、緑色の光を選択的に透過させるカラーフィルタが必要である。このため、光の利用効率の低下を招く。
図５２は、本実施形態の発光素子３１０を利用した光源の一例を示す図である。この例では、励起光として青色ＬＤから出射される青色光が利用される。石英から形成される透光層とフォトルミネッセンス層との界面に周期構造が形成されている。透光層における励起光の入射面には、反射防止膜（ＡＲ）が形成されている。周期構造は、緑の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直な方向に出射するように設計されている。すなわち、隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち周期）をＤintとし、緑の波長帯域λaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。フォトルミネッセンス層は、ＹＡＧを含む薄膜であり、励起光を受けて黄色（即ち、赤および緑）の波長帯域の光を発生させる。しかし、周期構造が、緑の波長帯域の光を垂直方向に出射するように設計されているため、発光素子３１０から垂直方向に出射される光の大部分は、緑色光、および発光素子３１０を透過した青色光である。
図５２に示す例では、狭帯域の青色光および緑色光が発光素子３１０から直接出射される。このため、カラーフィルタを用いることなく必要な狭帯域の光が得られる。したがって、従来の光源と比較して、光の損失を大幅に低減できる。
このように、狭帯域イメージングを利用する内視鏡に本開示の発光素子を適用した場合、カラーフィルタを不要にできるため、光の利用効率を向上させることができる。このため、小型化が可能でメンテナンスが容易という前述の効果に加え、高い効率の内視鏡を実現できる。
なお、上述した内視鏡の構成は、あくまでも例示であり、本開示の内視鏡は上記の構成に限定されない。例えば、発光素子３１０および撮像素子５７０の少なくとも一方が、先端部５１０ａから離れた位置に配置されていてもよい。例えば、操作部５２０の付近もしくは内部、または処理装置５５０の付近もしくは内部に配置されていてもよい。本開示の内視鏡は、白色光を出射するように構成されていてもよい。その場合、発光素子３１０は、例えば図３２Ａ〜図３４Ｂを参照して説明した構造を有する。本開示の発光素子は、例えば特開２０１３−０００１７５号公報などの公知の内視鏡の構成に広く適用できる。
ここで、内視鏡において用いられる波長の例を説明する。
図５３Ａ〜図５３Ｆは、内視鏡において用いられる波長の例を示す図である。これらの例においては、励起光源３４０が発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜した角度で励起光を入射させ、発光素子３１０から生じた光を、レンズ３３０を介して光ファイバー３２０に導入する構成を想定する。
図５３Ａは、内視鏡の照明光として、４１５ｎｍの波長の光と、５４０ｎｍの波長の光とを用いる例を示している。４１５ｎｍの波長の光は、例えばレーザーダイオードを含む励起光源３４０から出射された励起光の一部である。５４０ｎｍの波長の光は、例えばＹＡＧを含むフォトルミネッセンス層から生じた黄色光の一部である。レンズ３３０は、発光素子３１０を透過した４１５ｎｍの波長の光と、発光素子３１０から正面方向に出射される５４０ｎｍの波長の光とを集束して光ファイバー３２０に導入する。使用される波長は、この例に限らず、他の波長であってもよい。例えば４００〜４３０ｎｍ、好ましくは波長４１０〜４２０ｎｍから選択される波長の光と、波長５２０〜５６０ｎｍ、好ましくは波長５３０〜５５０ｎｍから選択される波長の光とが用いられ得る。
本開示の実施形態における内視鏡は、蛍光観察（Ａｕｔｏ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：ＡＦＩ）、即ち、コラーゲンなどの蛍光物質からの自家蛍光の観察のための波長（３９０〜４７０ｎｍ）と、血液中のヘモグロビンに吸収される波長（５４０〜５６０ｎｍ）とを使用してもよい。これらの２つの波長帯域に含まれる光を用いることにより、腫瘍性病変と正常粘膜とを異なる色調で強調表示する特殊光観察が可能となる。
図５３Ｂおよび図５３Ｃは、そのような用途に使用され得る内視鏡の構成例を示す図である。図５３Ｂは、内視鏡の照明光として、４３０ｎｍの波長の光と、５５０ｎｍの波長の光とを用いる例を示している。４３０ｎｍの波長の光は、例えばレーザーダイオードを含む励起光源３４０から出射された励起光の一部である。５５０ｎｍの波長の光は、例えばＹＡＧを含むフォトルミネッセンス層から生じた黄色光の一部である。レンズ３３０は、発光素子３１０を透過した４３０ｎｍの波長の光と、発光素子３１０から正面方向に出射される５５０ｎｍの波長の光とを集束して光ファイバー３２０に導入する。一方、図５３Ｃは、内視鏡の照明光として、４３０ｎｍの波長の光と、５５０ｎｍの波長の光とを用いる点では同じであるが、これらの両方の光を発光素子３１０が出射する点で図５３Ｂに示す例とは異なっている。この例では、励起光源３４０は、波長４０５ｎｍの光を発光素子３１０に入射させる。発光素子３１０は、波長５５０ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造と、波長４３０ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造との積層構造を有する。使用される発光材料は、例えば、５５０ｎｍの波長の光を含む光を発するＹＡＧ等の材料と、４３０ｎｍの波長の光を含む光を発するＢＡＭ（バリウム・アルミニウム酸化物）等の材料である。この例では、レンズ３３０は、発光素子３１０から正面方向に出射される４３０ｎｍおよび５５０ｎｍの波長の光を光ファイバー３２０に導入する。発光素子３１０を透過した波長４０５ｎｍの励起光は、レンズ３３０に入射しないため、光ファイバー３２０に導入されない。
本開示の実施形態における内視鏡は、赤外光観察（Ｉｎｆｒａ Ｒｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ：ＩＲＩ）にも使用することができる。赤外光が吸収されやすい赤外指標薬剤を静脈に注射した上で、２つの波長帯域（７９０〜８２０ｎｍおよび９０５〜９７０ｎｍ）の赤外光を照射することにより、通常光を用いた観察では視認が難しい粘膜深部の血管や血流の情報を強調して表示する特殊光観察を行うことができる。
図５３Ｄおよび図５３Ｅは、そのような赤外光観察に使用され得る内視鏡の構成例を示す図である。図５３Ｄは、内視鏡の照明光として、８０５ｎｍの波長の光と、９４０ｎｍの波長の光とを用いる例を示している。８０５ｎｍの波長の光は、例えばレーザーダイオードを含む励起光源３４０から出射された励起光の一部である。９４０ｎｍの波長の光は、例えば量子ドットを含むフォトルミネッセンス層から生じた光である。レンズ３３０は、発光素子３１０を透過した８０５ｎｍの波長の光と、発光素子３１０から正面方向に出射された９４０ｎｍの波長の光とを集束して光ファイバー３２０に導入する。一方、図５３Ｅは、内視鏡の照明光として、８０５ｎｍの波長の光と、９４０ｎｍの波長の光とを用いる点では同じであるが、これらの両方の光を発光素子３１０が出射する点で図５３Ｄに示す例とは異なっている。この例では、励起光源３４０は、波長６５０ｎｍの光を発光素子３１０に入射させる。発光素子３１０は、波長８０５ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造と、波長９４０ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造との積層構造を有する。使用される発光材料は、例えば、８０５ｎｍの波長の光を発するＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）蛍光体と、９４０ｎｍの波長の光を発する量子ドットであり得る。この例では、レンズ３３０は、発光素子３１０から正面方向に出射される８０５ｎｍおよび９４０ｎｍの波長の近赤外光を光ファイバー３２０に導入する。発光素子３１０を透過した波長６５０ｎｍの励起光は、レンズ３３０に入射しないため、光ファイバー３２０に導入されない。
本開示の実施形態における内視鏡は、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）蛍光法にも使用することができる。ＩＣＧは、一定の波長の近赤外線（例えば波長７７４ｎｍ）によって励起され、他の波長の近赤外線（例えば８０５ｎｍ）の蛍光を発する物質である。ＩＧＣ蛍光法は、体内に注入されたＩＣＧに、例えば波長７７４ｎｍの励起光を照射し、これによって生じた波長８０５ｎｍの蛍光を赤外線カメラで検出する方法である。これにより、組織表面下の血管やリンパ管等の生体組織を低侵襲で簡便に観察することができる。
図５３Ｆは、そのようなＩＣＧ蛍光法に使用され得る内視鏡または撮像システムの構成例を示す図である。図５３Ｆは、照明光として、７７４ｎｍの波長の光を用いる例を示している。７７４ｎｍの波長の光は、例えば６５０ｎｍの励起光を受けて発光するＧＧＧを含むフォトルミネッセンス層から生じた光である。レンズ３３０は、発光素子３１０から正面方向に出射された７７４ｎｍの波長の光を光ファイバー３２０に導入する。発光素子３１０を透過した波長６５０ｎｍの励起光は、レンズ３３０に入射しないため、光ファイバー３２０に導入されない。図５３Ｆには示されていないが、ＩＣＧ蛍光法に使用される撮像システムは、ＩＣＧから生じた蛍光（近赤外線）を検出する撮像素子をさらに備える。
［８−３．水中ファイバー照明］
本開示の発光装置は、水中ファイバー照明にも利用できる。以下、そのような応用例を説明する。
図５４Ａは、水中ファイバー照明装置の構成例を示す図である。この照明装置は、光源装置６００と、照明部６４０と、光源装置６００と照明部６４０とを接続する光ファイバー３２０とを備える。照明部６４０は水槽６７０内の水中に配置され、光源装置６００は水槽６７０の外側に配置される。光源装置６００から発せられた光が光ファイバー３２０内を伝播し、照明部６４０の照明窓６４０から出射され、水中を照らす。
図５４Ｂは、光源装置６００の概略構成を示す図である。光源装置６００は、発光素子３１０と、励起光源３４０とを有する。発光素子３１０は、前述したいずれかの実施形態における発光素子と同様の構造を有する。励起光源３４０から出射された励起光は、発光素子３１０に入射し、発光素子３１０内のフォトルミネッセンス材料を励起して発光させる。発光素子３１０から生じた光は光ファイバー３２０に導入され、照明部６４０まで伝達される。なお、光源装置６００は、発光素子３１０と光ファイバー３２０との間に、発光素子３１０から生じた光を光ファイバー３２０に集束させるレンズを有していてもよい。
このような水中ファイバー照明には、従来、例えば特開平１−２６２９５９号公報に開示されているように、ランプ光源が使用されていた。このため、光ファイバーとのカップリング効率が低いために、光の損失が大きく、消費電力が大きかった。また、例えば特開２００３−２５７２０４号公報に開示されているように、冷陰極管および電源ケーブルを水中に沈めて使用される水槽用照明装置は、漏電の危険性が大きいという課題を有していた。
本応用例の構成によれば、指向性の高い発光素子３１０が用いられているため、発光素子３１０と光ファイバー３２０とのカップリング効率を高くすることができる。また、光ファイバー３２０を用いることにより、光源装置６００および電源を水槽６７０の外側に配置することができるため、漏電の危険性がない。このように、効率と安全性とを両立した水中ファイバー照明装置を実現することができる。
なお、水中ファイバー照明装置は、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成に限らず、多様な変形が可能である。例えば、前述の特開平１−２６２９５９号公報に開示されている例のように、噴水ノズルの近傍に照明部を配置することにより、噴水用のファイバー照明を実現することができる。また、例えば特開昭５６−７２６３７号公報に開示されている例のように、船上の光源装置から複数の光ファイバーを用いて、海中の魚網の近傍を照射するファイバー照明を実現することもできる。そのような構成では、捕獲しようとする魚の習性に応じた適切な波長帯域の光を水中に照射することにより、効率よく魚を捕獲することができる。本開示の発光素子を用いることで、光の損失および消費電力を低減させることができるため、漁船の燃費の向上に寄与することができる。さらに、例えば特開平４−９５８６４号公報に開示されている例のように、水中の構造物の欠陥を検出する装置に本開示の構成を適用することもできる。例えば、原子炉内の冷却水プールの損傷検査に適用できる。冷却水プールの外に配置された光源から、光ファイバーを用いて冷却水プール内の構造物に光を照射し、その反射光を、撮像素子を用いて検出することにより、構造物の欠陥を検査できる。光源が水の外に配置されるため、バッテリー切れ等による不具合の際に、バッテリーや光源の交換を容易に行うことができる。
［８−４．宇宙探査機用ファイバー照明］
次に、本開示の発光装置を宇宙探査機用の照明装置に応用する例を説明する。
図５５は、本開示の実施形態におけるファイバー照明装置を搭載する宇宙探査機６５０の一例を示す図である。なお、図５５は宇宙探査機６５０の本体の構造を簡略化して示しているが、具体的な構造は、例えばDavid S. F. Prtree, "Mir Hardware Heritage", NASA Reference Publication 1357, Johnson Space Center Reference Series, March 1995 (http://ston.jsc.nasa.gov/collections/TRS/#techrep/RP1357.pdf)に開示されたいずれかの宇宙探査機と同様であり得る。この例における照明装置は、宇宙探査機６５０内に配置された光源装置６００と、宇宙探査機６５０の外側に設けられたレンズ３３０を含む照明部６４０と、光源装置６００と照明部６４０とを接続する光ファイバー３２０とを備える。光源装置６００は、図５４Ｂに示す光源装置６００と同様の構成を有する。光源装置６００における発光素子３１０から生じた光が、光ファイバー３２０およびレンズ３３０を介して宇宙探査機６５０の外側に出射される。なお、レンズ３３０は省略してもよい。
このような構成により、小型で高効率、低消費電力の宇宙探査機用照明を実現できる。従来の宇宙探査機または宇宙船用の照明装置は、例えば実開昭６１−１５７０９８号公報に開示されているように、ランプ光源を用いるものが一般的であった。このため、照明装置が大型で、効率が低く、消費電力が大きいという課題があった。消費電力が大きいと、バッテリー寿命の短縮化を招き、宇宙探査に致命的な課題となり得る。本開示の発光素子を用いることで、光の損失および消費電力を低減させることができるため、バッテリー寿命を長くすることができる。
また、宇宙空間で使用される照明装置には、以下の要件が要求される。（１）破損時にゴミを極力出さない。（２）真空中でも放熱できる。（３）真空中でも耐えられる信頼性の高い構造および材料が用いられる。（４）超低温および超高温に耐えられる。
本応用例によれば、以上の要件を全て満たすことができる。（１）については、光ファイバー３２０の先端またはレンズ３３０を含む照明部のみを船外に出し、光源装置６００を船内に配置しているため、破損する可能性が低く、光源装置６００の破損に伴うゴミも出ない。（２）については、船内に光源装置６００を配置し、発熱のない光ファイバー３２０を船外に出すことにより、船内で光源装置６００の放熱が可能である。（３）については、接着剤などの樹脂材料はガスを発生するため、船外に配置することは避けなければならない。封着時に空気が中に残っていると真空中で破損のおそれがある。本応用例では、船内に発光装置６００が配置されるため、その懸念はない。また、光ファイバー３２０は、基本的にガラス、およびそれを保護する樹脂のカバーのみで構成されるため、真空中でも劣化しにくい。（４）については、地上では−４０℃〜１００℃程度の温度範囲で耐えられれば十分だが、宇宙では光が当たらない場所ではより低温に、光が当たる場所ではより高温になる。樹脂材料を利用する場合、宇宙空間における低温または高温の環境に耐えられない場合がある。本応用例では、ガラスを主成分とする光ファイバー３２０を用いることで、低温および高温の両方の環境に耐えることができる。
［８−５．高所照明用ファイバー照明］
本開示の発光素子と光ファイバーとを組み合わせた発光装置は、高所に設置される照明の用途にも適している。高所に設置される照明装置には、例えばスタジアムや高速道路、トンネル、橋梁用の照明装置がある。
図５６は、高所照明用の発光装置の一例として、スタジアムで使用される光ファイバー照明装置を示す図である。この照明装置は、光源装置６００と、光ファイバー３２０と、複数の照明部６６０とを備えている。光源装置６００は、図５４Ｂに示すものと同様の構成を有し、地上（即ち低所）に設置される。光ファイバー３２０は、途中で複数の光ファイバーに分岐しており、光源装置６００と複数の照明部６６０との間を接続する。複数の照明部６６０の各々は、光ファイバー３２０の先端の近傍に設けられ、高所に設置される。照明部６６０は、レンズまたは拡散板を含んでいてもよい。光ファイバー３２０内を伝播した光は、照明部６６０から外部に出射する。
このような構成により、小型でかつ効率およびメンテナンス性に優れたスタジアム用照明装置を実現できる。従来のスタジアム照明は、高所に多数のランプ光源が設置されるために、設置およびメンテナンス（ランプの交換など）が困難であるという課題があった。また、高所での高い風圧に耐えられるだけの大掛かりな筐体が必要であった。本応用例のように、光ファイバーを用いて地上の光源装置６００から高所の照明部６６０まで光を伝達することにより、設置およびメンテナンスが容易で、かつ小型の照明装置を実現できる。
図５７は、高所照明用の発光装置の他の例として、高速道路用の照明装置を示す図である。この照明装置は、複数の光源装置６００と、複数の光ファイバー３２０と、複数の光分岐装置６８０と、複数の照明部６６０とを備えている。この例でも、光源装置６００は、図５４Ｂに示すものと同様の構成を有し、地上（即ち低所）に設置される。光源装置６００は、光ファイバー３２０に接続され、その光ファイバー３２０は、光分岐装置６８０を介して、高所まで延びる他の光ファイバー３２０に接続されている。高所まで延びる複数の光ファイバー３２０の各々の先端には、光が出射する照明部６６０が設けられている。照明部６６０は、先の例と同様、レンズまたは拡散板を含み得る。
このような構成により、多数のランプが高所に設置された従来の高速道路用照明装置と比較して、メンテナンス性に優れ、かつ小型の高速道路用照明装置を実現できる。
なお、同様の構成は、高速道路に限らず、橋梁にも適用できる。橋梁は、河川上、海上、または山間に位置し、高所かつ強風下に照明が設けられる。照明の設置およびメンテナンスに多大な危険を伴うことから、本応用例の光ファイバー照明が特に好適である。
図５８は、高所照明用の発光装置の他の例として、トンネル用の照明装置を示す図である。この照明装置は、前述する例と同様、光源装置６００と、光ファイバー３２０と、複数の照明部６６０とを備える。光源装置６００は、トンネルの入り口付近に設置され、トンネル内に設けられた複数の照明部６６０と、光ファイバー３２０（および光分岐装置）を介して接続される。光源装置６００、光ファイバー３２０、および照明部６６０の構造は、前述の例と同様である。
このような構成により、多数のランプが高所に、そして長距離にわたって配置された従来のトンネル用照明と比較して、メンテナンス性に優れ、かつ小型のトンネル用照明装置を実現できる。
ここで、本応用例におけるファイバー照明装置の構成について、より詳細に説明する。
図５９は、前述の各例におけるファイバー照明装置のより詳細な構成を説明するための図である。図示されるように、光源装置６００および光ファイバー３２０は、コネクタ６９０を有し、コネクタ６９０を介して互いに接続される。光源装置６００は、電源ケーブル７１０および通信ケーブル７２０に接続されている。電源ケーブル７１０を介して電源から電力の供給を受け、通信ケーブル７２０を介して他の機器（例えば、遠隔地のコンピュータ）と通信を行う。光ファイバー３２０は、光分岐装置６８０を介して他の光ファイバーと接続される。高所その他の設置が困難な場所に配置される照明部６６０は、１本以上の光ファイバー３２０と、光分岐装置６８０とを介して光源装置６００と接続される。このように、１つの光源装置６００からの光を、光ファイバー３２０で分岐し、複数の照明部６６０に導くことで、メンテナンスの負担を大幅に軽減することができる。なお、この例のように、光分岐装置６８０によって複数本の光ファイバー３２０（即ち複数本の光ファイバーケーブル）を接続して光源装置６００から照明部６６０に光を伝達する構成においては、光源装置６００と照明部６６０との間の複数本の光ファイバー３２０を１本の光ファイバーであるとみなしてもよい。その場合、その光ファイバーは、複数本の光ファイバーケーブルと、これらを連結する光分岐装置とを含む。
図６０は、照明部６６０の構造の一例を示す図である。この例における照明部６６０は、光ファイバー３２０の先端の近傍に配置されたレンズ３３０を有している。レンズ３３０は、図示されるものに限らず、例えば、非球面レンズ、シングレットレンズ、ダブレットレンズ、およびトリプレットレンズのいずれでもよい。レンズを調整することにより、照射角度を自由に調整できる。なお、照明部６６０は、レンズ３３０を含んでいなくてもよい。レンズ３３０に代えて、光拡散板を含んでいてもよい。
図６１Ａは、光源装置６００のより詳細な構成例を示す断面図である。この光源装置６００は、励起光を出射する複数のレーザーダイオード７４０（励起光源）と、励起光を受けて発光する発光素子７３０と、発光素子７３０から出射された光を集束して光ファイバー３２０ａに導入するレンズ３３０とを備えている。光ファイバー３２０ａは、光コネクタ６９０を介して外部の光ファイバー３２０と接続される。光ファイバー３２０ａは、ファイバー治具７６０に固定され、レンズ３３０はレンズ治具７５０に固定される。レンズ３３０は、例えば、非球面レンズ、シングレットレンズ、ダブレットレンズ、およびトリプレットのいずれかであり得る。発光素子３１０は、治具７７０に固定される。複数のレーザーダイオード７４０は、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に平行に配列されている。これにより、発光素子３１０におけるフォトルミネッセンス層の複数の箇所で発光を生じさせることができる。各レーザーダイオード７４０は、レーザー電源７３０から電力を得る。レーザー電源７３０は、電源ケーブル７１０を介して外部電源から電力を得る。レーザー電源７３０は、二次電池を含んでいてもよい。この例におけるレーザー電源７３０は、通信ケーブル７２０にも接続されている。通信ケーブル７２０を介して、光源装置６００から離れた位置にあるコンピュータから、各レーザーダイオード７４０の出力を制御する制御信号が入力され得る。これにより、レーザー電源７３０は、発光素子３１０からの発光を制御することができる。なお、この例では、レーザー電源７３０が、各レーザーダイオード７４０の出力を制御する制御回路と、情報の送受信を行う通信回路とを含んでいる。この例では、励起光源としてレーザーダイオード７４０が用いられているが、ＬＥＤを代わりに用いてもよい。
図６１Ｂは、光源装置６００の他の構成例を示す上面図である。この光源装置６００は、レーザーダイオード７４０を１つだけ有し、レーザーダイオード７４０から発光素子３１０の側面まで、光ファイバー３２０ｂを介して励起光が送られる点で、図６１Ａの例とは異なっている。このような構成によっても、図６１Ａの例と同様の機能を実現できる。
図６１Ｃは、光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。この光源装置６００は、励起光源として、レーザーダイオードではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）７９０が用いられる点で、上記の例とは異なっている。図６１Ｄの拡大図に示すように、複数のＬＥＤ７９０が、発光素子３１０の周囲に設けられている。複数のＬＥＤ７９０は、電源ケーブル７１０ａを介してＬＥＤ電源７８０から電力の供給を受ける。ＬＥＤ電源７８０は、通信ケーブル７２０に接続される。通信ケーブル７２０を介して、光源装置６００から離れた位置にあるコンピュータから、各ＬＥＤ７９０の出力を制御する制御信号が入力され得る。これにより、ＬＥＤ電源７８０は、発光素子３１０からの発光を制御することができる。なお、この例では、ＬＥＤ電源７８０が、各ＬＥＤ７９０の出力を制御する制御回路と、情報の送受信を行う通信回路とを含んでいる。このように、励起光源として、ＬＥＤを用いても、同様の機能を実現できる。
図６１Ｅは、光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。この発光装置６００は、１つのレーザーダイオード７４０と、レーザーダイオード７４０から出射された励起光を集光して発光素子３１０に斜めに入射させるレンズ３３０ａとを備えている。それ以外の点は、図６１Ａに示す例と同様である。この例では、励起光は、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した角度で発光素子３１０に入射する。この角度は、フォトルミネッセンス層内で励起光が全反射するように設定される。このような構成によっても、上記の各例と同様の機能を実現できる。
以上のように、光源装置６００は、多様な変形が可能である。このような光源装置６００の構成は、高所用ファイバー照明装置に限らず、本開示の他の用途の照明装置にも同様に適用できる。
［８−６．車両用ファイバー照明］
次に、本開示の発光素子を利用した車両用の光ファイバー照明装置の例を説明する。
図６２は、本応用例における照明装置を搭載した車両の一例を示す図である。本応用例における照明装置は、車内に設置された励起光源ユニット８２０と、複数の光ファイバー３２０と、車外に設置された複数の発光ユニット８１０とを備える。複数の発光ユニット８１０は、複数の光ファイバー３２０によって励起光源ユニット８２０に接続されている。励起光源ユニット８２０は、励起光源と、光ファイバー３２０を接続する光コネクタとを備える。各発光ユニット８１０は、前述のいずれかの実施形態における発光素子と、光ファイバー３２０を接続する光コネクタとを備える。
複数の発光ユニット８２０を車体の周囲に取り付け、光ファイバー３２０の先端（光出射口）と接続することで、車内から見えにくい車両後方や上方など、任意の方向を照らすことが可能である。また、図６３に示すように、ヘッドライト、テールランプ、ドア用のランプ等に発光ユニット８１０を適用することもできる。
なお、発光素子は、発光ユニット８１０ではなく励起光源ユニット８２０の内部に設けられていてもよい。その場合、励起光源ユニット８２０は、前述の「光源ユニット６００」と同様の構成を有し、発光ユニット８１０は、前述の「照明部６６０」と同様の構成を有する。
図６４は、車両への他の応用例を示す図である。この例では、ナビゲーションシステムと組み合わせて路面等の投影面にナビゲーションのための画像を表示することができる。このような機能を実現するために、車両にはプロジェクターが搭載される。そのようなプロジェクターは、本開示における発光素子を光源とする新規な構造のプロジェクターであり得る。そのようなプロジェクターの構成は、公知のプロジェクター（例えば、特開２０１２−８１７７号公報および特開２０１４−１９１００３号公報に開示）における蛍光体ホイールにおける蛍光体を、本開示における指向性の高い発光素子に置換した構成であり得る。例えば、特開２０１４−１９１００３号公報に開示された蛍光体ホイールにおける赤色蛍光体層および緑色蛍光体層を、赤色の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直に出射する発光素子、および緑色の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直に出射する発光素子に置換した構造を利用できる。
本応用例では、発光ユニット８１０が、照明として機能するだけでなく、目的地へのナビゲーションのための画像を表示する表示装置としても機能する。これにより、従来にない利便性の高いカーナビゲーションシステムを実現し得る。
［８−７．ファイバーセンサー］
本開示の発光素子は、車両や航空機等の変位または変形を検出する光ファイバーセンサーにも好適に用いることができる。車両の変位・変形を検出する光ファイバーセンサーの例が、例えば特開２００６−２８２１１４号公報に開示されている。しかし、従来の光ファイバーセンサーには、レイリー散乱による後方散乱光が弱いために、光源、検出器および回路が大型になるという課題があった。車載用途では、システムの小型化が要求されるため、この課題の解決が求められる。本開示の発光素子を用いることで、小型で感度の高い光ファイバーセンサーを実現することができる。以下、そのような光ファイバーセンサーの例を説明する。
本実施形態の光ファイバーセンサーは、シングルエンドの光ファイバーを自動車または航空機のボディーに張り巡らし、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）の原理を利用してボディーの変形や損傷した箇所を検出する。光ファイバーにパルス光を入力し、パルス光の（群）遅延時間を解析することにより、変形箇所または変位を検出する。
図６５Ａは、本実施形態の光ファイバーセンサーを搭載した自動車の例を示す図である。図６５Ｂは、本実施形態の光ファイバーセンサーを搭載した飛行機の例を示す図である。いずれの例においても、ボディーの広い範囲に亘って光ファイバー３２０が張り巡らされている。
図６６は、光ファイバーセンサーの構成および動作原理を説明するための図である。光ファイバーセンサーは、励起光源３４０と、発光素子３１０と、光学シャッター９４０と、ハーフミラー９５０と、受光器９６０と、制御回路９７０と、光ファイバー３２０とを備える。発光素子３１０は、前述のいずれかの実施形態における発光素子と同様の構成を有する。発光素子３１０は、励起光源３４０からの励起光を受け、光を狭角に出射する。光学シャッター９４０は、発光素子３１０から出射された光の経路上に配置される。光学シャッター９４０は、例えば液晶層と、その両側の２つの電極層とを含む。光学シャッター９４０は、制御回路９７０から入力される駆動信号に応答して、発光素子３１０から出射した光を透過させる状態（透光状態と呼ぶ）と、当該光を遮断する状態（遮光状態と呼ぶ）とを切り替える。ハーフミラー９５０は、光学シャッターを透過した光の経路上に配置される。ハーフミラー９５０を透過した光は、光ファイバー３２０に導入される。ハーフミラー９５０で反射された光は、受光器９６０に入射する。受光器９６０は、例えばフォトダイオードを含み、受けた光の量に応じた電気信号（受光信号と称する）を出力する。制御回路９７０は、光学シャッター９４０の透光状態と遮光状態とを切り替える駆動信号を光学シャッター９４０に入力する。これにより、光学シャッター９４０からパルス光を出射させることができる。制御回路９７０はまた、受光器９６０から出力された電気信号を解析する。制御回路９７０は、例えばマイクロコントローラ（マイコン）などの、プロセッサを含む集積回路によって実現され得る。なお、図６６では、簡単のため、光ファイバー３２０は直線状の形状を有するものとして描かれている。
発光素子３１０と光学シャッター９４０との間、および光学シャッター９４０とハーフミラー９５０との間にレンズを設けてもよい。レンズによって発光素子３１０からの光が結像する位置に光学シャッター９４０を配置することにより、液晶シャッター９４０を小型にでき、より高速に透光状態と遮光状態とを切り替えることができる。このような小型のシャッターは、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）によって実現することができる。また、ハーフミラー９５０は、透過率と反射率とが完全に同じである必要はなく、これらが異なるビームスプリッタでもよい。
このような構成により、励起光によって励起された発光素子３１０から出射した光は、駆動信号を受けた光学シャッター９４０によってパルス光に変調され、ハーフミラー９５０を透過した光ファイバー３２０に入射する。その入射光は、ボディーに張り巡らされた光ファイバー３２０内を伝播し、光ファイバーが変形した部分において、少なくとも一部が反射される。その反射光はハーフミラー９５０によって受光器９６０に導かれる。受光器９６０は、その反射光の強度に応じた受光信号を制御回路９７０に送る。
図６７は、駆動信号および受光信号の時間変化の例を示す図である。制御回路９７０は、駆動信号と受光信号との間の遅延時間Δｔに基づき、光ファイバー３２０における端部から変形部分までの距離Ｌを測定する。距離Ｌは、次の式に基づいて計算される。
Ｌ＝光ファイバー３２０内の光速×遅延時間Δｔ／２
＝（光速ｃ／光ファイバー３２０の屈折率ｎ）×遅延時間Δｔ／２
この変形部分までの距離Ｌから、ボディーに張り巡らされた光ファイバー３２０のうち、変形部分の位置が特定できる。このため、事故などで変形した箇所を特定することができる。
本実施形態における発光素子３１０は、出射ビームの広がり角が非常に狭いため、光ファイバー３２０とのカップリング効率が高く、光損失が非常に少ない。このため、光ファイバー３２０内の非常に弱い反射光を検出することができ、検出器および電源回路を小型かつ軽量にすることができる。
なお、本実施形態では、光学シャッター９４０を制御することによってパルス光が生成されるが、本開示はこのような形態に限定されない。例えば、光学シャッター９４０の制御に代えて、励起光源３４０のオンおよびオフの状態を制御することによってパルス光を生成してもよい。
本実施形態では、変形箇所が１箇所であるものとしたが、変形箇所が複数の場合も変形箇所を特定できる。複数の変形箇所が存在する場合、反射光は位相および振幅の異なる複数のパルス光が合成されたものになる。その場合、受光信号に含まれる合成波を、例えばＦＦＴアナライザーによってフーリエ変換する等の処理により、個々の反射光を特定することができる。これにより、反射光ごとに遅延時間Δｔを求め、各変形部分までの距離Ｌを計算することができる。
［８−８．その他の応用例］
次に、本開示の発光素子のその他の応用例を説明する。
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、液晶表示装置の導光板を利用するエッジライト型のバックライトとしても好適に用いられる。例えば、従来の指向性の低い光源を用いた場合には、光源から出射した光を反射板および／または拡散材により、導光板へ光を導入していた。特定方向の指向性が高い光源の場合、これらの光学部品を省略しても効率よく導光板へ光を導入することができる。
種々の光学デバイスにおいて、光源からの光を所定の方向に効率よく導く必要がある。そのために、例えば、レンズ、プリズムまたは反射板が用いられている。例えば、プロジェクターにおいては、光源からの光を表示パネルに導くために、ライトガイドを用いる構成が知られている（例えば、特開２０１０−１５６９２９号公報）。本開示の発光素子を光源に用いることによって、ライトガイドを省略することができる。
従来の照明器具は、等方的に発せられた光を所望の方向に導くために、レンズおよび／または反射板を含む光学部品が用いられる。これに対して、本開示の発光素子を用いることによって、これらを省略することが可能となる。あるいは、等方的な光に対する複雑な設計を、指向性の高い光に対する単純な設計に置き換えることができる。その結果、照明器具を小型化、あるいは、設計工程を簡略化することができる。
また、照明の分野では、彩光色照明および美光色照明という技術が開発されている。これらは、照明の対象の色を美しく見せるもので、彩光色照明は例えば野菜などの食品をよりおいしそうに見せる効果があり、美光色照明は、肌をより美しく見せる効果がある。これらは、いずれも光源のスペクトル（即ち、発光する光の波長の強度分布）を対象物に応じて制御することによって行われる。従来は、光学フィルタを用いて光源から出射された光を選択透過させることによって、照明に用いる光のスペクトルを制御していた。すなわち、不要な光を光学フィルタによって吸収させていたので、光の利用効率を低下させていた。これに対し、本開示の発光素子は、特定の波長の光を増強できるので、光学フィルタを必要とせず、その結果、光の利用効率を向上させることができる。
本開示の発光素子は、偏光（直線偏光）を出射することができる。従来、直線偏光は、光源から出射された非偏光を構成する直交する２つの直線偏光の内の一方を偏光フィルタ（「偏光板」ともいわれる。）を用いて吸収させることによって作られていた。したがって、光の利用効率は５０％以下であった。本開示の発光素子を偏光光源として用いれば、偏光フィルタを用いる必要がないので、光の利用効率を向上させることができる。偏光照明は、例えば、ショーウィンドウや展望レストランの窓ガラスなど、反射光を低減させたい場合に用いられる。また、皮膚表面の反射特性が偏光に依存することを利用した、洗面・化粧用の照明、さらには、内視鏡による病変部の観察を容易にするために用いられる。
偏光光源は、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる他、液晶プロジェクターの光源にも好適に用いられる。液晶プロジェクターの光源として用いる場合には、上述の波長選択性と組み合わせて、３原色の偏光を出射できる光源を構成することができる。例えば、赤色の直線偏光を出射する発光素子と、緑色の直線偏光を出射する発光素子と、青色の直線偏光を出射する発光素子とをつなぎあわせて円盤を形成し、この円盤に励起光を照射しながら、円盤を回転させることによって、時系列に赤、緑、青の三原色の偏光を出射する光源とすることができる。
本開示の発光素子は、図６８に模式的に示すように、透明表示装置のスクリーン１００Ｓとして用いることもできる。
スクリーン１００Ｓは、例えば、赤色光（Ｒ）を増強する発光素子と、緑色光（Ｇ）を増強する発光素子と、青色光（Ｂ）を増強する発光素子とで構成する画素がマトリクス状に配列されている。これらの発光素子は、励起光源１８０Ｓ１から対応する励起光（例えば紫外線）が照射されたときにだけ所定の色光を発光し、画像を表示することができる。各発光素子は、可視光を透過するので、観察者は、スクリーン１００Ｓを介して、背景を観察することができる。スクリーン１００Ｓに励起光が照射されないときは、透明な窓のように見える。励起光源１８０Ｓ１として、レーザーダイオードを用い画像データに合わせて、出力を変えながらスキャンさせることによって、高解像度の表示が可能となる。また、レーザー光はコヒーレント光であるので、周期構造と干渉させることによって、励起効率も高めることができる。また、紫外線などの好ましくない波長の光を励起光として用いる場合には、励起光源をスクリーン１００Ｓの観察者と反対側に設置し、スクリーン１００Ｓの観察者側に励起光をカットするフィルタを設けることによって、不要な光の漏洩を防止することができる。
スクリーン１００Ｓは、高い指向性を有し得るので、例えば、所定の方から観察する人だけが画像を観察できるように構成することができる。
励起光源１８０Ｓ１に代えて、励起光源１８０Ｓ２を用いることができる。このとき、スクリーン１００Ｓの背面（即ち、観察者側とは反対側）に、導光シートＳを配置し、導光シートＳに励起光源１８０Ｓ２から励起光を照射する。導光シートＳに入射した励起光は、導光シートＳ内を伝播しながら、スクリーン１００Ｓを裏面から照射する。この時、表示したい画像の部分に合わせて、発光素子を配置すると任意の画像をアクティブに表示することはできないが、励起光が照射されていない場合は、窓のように透明であり、励起光が照射された時にのみ画像あるいは図形や文字などが表示される表示機器を構成することができる。
また、本開示の発光素子では、例えば図８および図９を参照して上述したように、周期構造の屈折率が変化すると、増強される光の波長が変化し、増強される光の出射方向も変化する。また、フォトルミネッセンス層の屈折率によっても、増強される光の波長および出射方向が変化する。したがって、発光素子の近傍の媒質の屈折率変化を容易に感度良く検知することができる。
例えば、以下の様にして、本開示の発光素子を用いて、様々な物質を検出するセンサーを構成することができる。
本開示の発光素子の周期構造に近接して、測定対象の物質（タンパク質や匂い分子、ウィルスなど）と選択的に結合する物質（酵素など）を配置しておく。測定対象の物質が結合すると、発光素子の近傍の媒質の屈折率が変化する。この屈折率の変化を、上述の増強される光の波長または出射方向の変化をとして検出することによって、様々な物質の存在を検知することができる。
本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。
本開示の発光素子および発光装置は、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。
以上の説明において引用した全ての文献の開示内容全体は、本願明細書に援用される。
１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波層）
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
３００、３００ａ、３００ｂ 発光装置
３１０ 発光素子
３２０ 光ファイバー
３３０ レンズ
３４０ 励起光源
４００ 対象物（検体）
５００ 内視鏡システム
５１０ 挿入部
５１０ａ 先端部
５１７ 鉗子挿入口
５２０ 操作部
５３０ ケーブル
５４０ 励起光源
５５０ 処理装置
５６０ ディスプレイ
５７０ 撮像素子
５７０ａ 撮像面
５８０ 信号線
５８５ ライトガイド（光ファイバー）
５９０ 観察用開口
５９２ 照明用開口
５９４ 鉗子用開口
５９６ 給気・給水ノズル
６００ 光源装置
６４０ 照明部
６４２ 照明窓
６５０ 宇宙探査機
６６０ 照明部
６７０ 水槽
６８０ 光分岐装置
６９０ 光コネクタ
７１０、７１０ａ 電源ケーブル
７２０ 通信ケーブル
７３０ レーザー電源
７４０ レーザーダイオード（励起光源）
７５０ レンズ治具
７６０ ファイバー治具
７７０ 発光素子治具
７８０ ＬＥＤ電源
７９０ ＬＥＤ（励起光源）
８１０ 発光ユニット
８２０ 励起光源ユニット
９１０ 発光素子
９２０ 回転機構
９４０ 光学シャッター
９５０ ハーフミラー
９６０ 受光器
９７０ 制御回路
本開示は、フォトルミネッセンス層を有する発光素子を備えた発光装置および内視鏡に関する。
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、このような材料は、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、特定の方向に光を出射するために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る。これらの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材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供する。
本開示の一態様に係る発光装置は、発光素子と、光ファイバーと、を備え、前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発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および透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。
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れば、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供することができる。
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ｎp＝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ｎwav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。 ｘ方向の周期ｐxを有する１次元周期構造を示す図である。 ｘ方向の周期ｐx、ｙ方向の周期ｐyを有する２次元周期構造を示す図である。 図１７Ａの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 図１７Ｂの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。 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。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２７Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、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ている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ａに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。 ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。 試作した発光素子を図２８Ｄに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果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。 フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。 発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 一次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 複数の２次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。 マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の模式的な断面図である。 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層（バリア層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層（シード層）を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の一例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。 放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。 高熱伝導部材を有する発光素子の一例を示す模式断面図である。 図４０Ａに示す発光素子の平面図である。 高熱伝導部材を有する発光素子の他の例を示す模式断面図である。 図４０Ｃに示す発光素子の平面図である。 タイリングされた複数の発光素子における高熱伝導部材の配置の例を示す模式図である。 図４１Ａに示す発光素子の平面図である。 インターロック回路を備える発光装置の例を示す模式図である。 インターロック回路を備える発光装置の構成を示す模式図である。 ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第１の図である。 ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第２の図である。 ビーズの充填状態の一例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。 本開示の発光素子をファイバー照明装置に応用した例を模式的に示す図である。 発光装置の変形例を示す図である。 発光装置の他の変形例を示す図である。 本開示の発光装置を利用した内視鏡システム５００の一例を模式的に示す図である。 挿入部５１０における先端部５１０ａの内部構造を簡略化して示す図である。 ある構成例における先端部５１０ａを対象物４００側から見たときの様子を示す図である。 従来のキセノンランプの発光スペクトルの例を示す図である。 従来の一般的なＬＥＤ白色光源の構成および発光スペクトルを示す図である。 本実施形態の発光素子３１０を利用した光源の一例を示す図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第１の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第２の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第３の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第４の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第５の図である。 内視鏡において用いられる波長の例を示す第６の図である。 水中ファイバー照明装置の構成例を示す図である。 光源装置６００の概略構成を示す図である。 本開示の実施形態におけるファイバー照明装置を搭載する宇宙探査機の一例を簡略化して示す図である。 スタジアムで使用される光ファイバー照明装置の例を示す図である。 高速道路用の照明装置の例を示す図である。 トンネル用の照明装置の例を示す図である。 ファイバー照明装置のより詳細な構成を説明するための図である。 照明部６６０の構造の一例を示す図である。 光源装置６００のより詳細な構成例を示す断面図である。 光源装置６００の他の構成例を示す上面図である。 光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。 図６１Ｃに示す光源装置６００における発光素子３１０の拡大図である。 光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。 車両用ファイバー照明装置を搭載した車両の一例を示す図である。 ヘッドライト、テールランプ、ドア用のランプ等に発光ユニット８１０を適用した例を示す図である。 ナビゲーションシステムと組み合わせて路面等の投影面にナビゲーションのための画像を表示する 光ファイバーセンサーを搭載した自動車の例を示す図である。 光ファイバーセンサーを搭載した飛行機の例を示す図である。 光ファイバーセンサーの構成および動作原理を説明するための図である。 駆動信号および受光信号の時間変化の例を示す図である。 本開示の発光素子をスクリーンとして備える透明ディスプレイの構成を示す模式図である。 複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。
［１．本開示の実施形態の概要］
本開示は、以下の項目に記載の発光素子、発光装置、内視鏡、内視鏡システム、光ファイバー照明装置、および光ファイバーセンサーを含む。
［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λa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Ｄint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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λa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ｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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ｎt-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ｎwav-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λaと異なる波長λb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ｎt-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ｎwav-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ｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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λaと異なるλb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ｎwav-bとすると、
前記少なくとも１つの周期構造は、周期をｐbとすると、λb／ｎwav-b＜ｐb＜λb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λex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ｎwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期ｐexが、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λex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Ｄint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λex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ｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λex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ｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λex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λa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ｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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λa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ｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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λa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ｎwav-aとし、前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、
を備え、
前記発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目３４］
励起光源と、
発光素子と、
前記励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる光ファイバーと、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目３５］
前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第１の発光領域と、青色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第２の発光領域と、を含む、
項目３３または３４に記載の発光装置。
［項目３６］
前記第１の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属し、
前記第２の発光領域は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλbの第２の光を含む光を発する他のフォトルミネッセンス層と、
前記他のフォトルミネッセンス層に近接して配置された他の透光層と、
前記他のフォトルミネッセンス層および前記他の透光層の少なくとも一方の表面に形成された他の表面構造と、を有し、
前記波長λbは、青色の波長帯域に属し、
前記他の表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλbの前記第２の光の指向角を制限する、
項目３５に記載の発光装置。
［項目３７］
前記第１の発光領域および前記第２の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に並んでいる、項目３５または３６に記載の発光装置。
［項目３８］
前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる発光領域を有し、
前記励起光は、青色の波長帯域の光であり、前記励起光の一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直に入射して透過する、
項目３３または３４に記載の発光装置。
［項目３９］
前記発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属する、項目３８に記載の発光装置。
［項目４０］
前記青色の波長帯域は、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下であり、
前記緑色の波長帯域は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下である、
項目３５から３９のいずれかに記載の発光装置。
［項目４１］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
透光層と、
前記透光層の表面に形成された表面構造と、
前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目４２］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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い屈折率を有する透光層と、
前記透光層の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目４３］
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３３から４２のいずれかに記載の発光装置。
［項目４４］
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。
［項目４５］
前記表面構造における隣接する２つの凸部の中心間距離または隣接する２つの凹部の中心間距離をＤint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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、
項目３３から４４のいずれかに記載の発光装置。
［項目４６］
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記周期構造の周期をｐ a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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
項目３３から４５のいずれかに記載の発光装置。
［項目４７］
項目３３から４６のいずれかに記載の発光装置と、
前記発光装置における前記発光素子から出射され、対象物で反射された光を受けて受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子と、
を備える内視鏡。
［項目４８］
長尺状の挿入部をさらに備え、
前記発光素子および前記撮像素子は、前記挿入部内に設けられている、
項目４７に記載の内視鏡。
［項目４９］
前記撮像素子の撮像面に対向して配置され、前記対象物からの反射光を前記撮像面に集束させる光学系をさらに備える、項目４７または４８に記載の内視鏡。
［項目５０］
項目４７から４９のいずれかに記載の内視鏡と、
前記内視鏡における前記撮像素子に電気的に接続され、前記電気信号に基づいて画像信号を生成して出力する処理装置と、
前記処理装置に電気的に接続され、前記画像信号に基づく画像を表示するディスプレイと、
を備える内視鏡システム。
［項目５１］
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、水中に設置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第１の光を含む光を一端から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を水中に照射する、
光ファイバー照明装置。
［項目５２］
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、宇宙空間に配置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第１の光を含む光を一端から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を宇宙空間に照射する、
光ファイバー照明装置。
［項目５３］
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、前記光源装置よりも高所に配置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第１の光を含む光を一端から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を外部に照射する、
光ファイバー照明装置。
［項目５４］
前記光ファイバーは、コネクタを有し、前記コネクタを介して前記光源装置および前記照明部と接続されている、項目５１から５３のいずれかに記載の光ファイバー照明装置。
［項目５５］
前記光ファイバーは、複数本の光ファイバーケーブルと、前記複数本の光ファイバーケーブルを連結する光分岐装置とを含む、項目５１から５４のいずれかに記載の光ファイバー照明装置。
［項目５６］
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子から生じた光の光路上に配置され、入力された駆動信号に応答して透光状態と遮光状態とを切り替える光学シャッターと、
前記光学シャッターを透過した前記光の光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記光を一端から取り込む光ファイバーと、
前記光ファイバー内の変形部分で反射され、かつ前記ビームスプリッタでさらに反射された光を受けて、受けた前記光の強度に応じた受光信号を出力する受光器と、
前記光学シャッターに前記駆動信号を入力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記駆動信号に対する前記受光信号の遅延時間に基づいて、前記光ファイバー内の前記変形部分の位置を特定し、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
光ファイバーセンサー。
［項目５７］
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子を透過した前記光の光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記光を一端から取り込む光ファイバーと、
前記光ファイバー内の変形部分で反射され、かつ前記ビームスプリッタでさらに反射された光を受けて、受けた前記光の強度に応じた受光信号を出力する受光器と、
前記励起光源に、前記励起光の出射と停止とを切り替える駆動信号を入力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記駆動信号に対する前記受光信号の遅延時間に基づいて、前記光ファイバー内の前記変形部分の位置を特定し、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
光ファイバーセンサー。
本開示の実施形態による発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発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の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。波長λa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。赤外線を利用する用途では、波長λaは、７８０ｎｍを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λaは、３８０ｎｍ未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。
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、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）で形成され得る。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。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。
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の表面には、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造が形成される。ここで「表面」とは、他の物質と接している部分（即ち界面）を意味する。透光層が空気等の気体の層である場合は、その気体の層と他の物質（例えばフォトルミネッセンス層）との間の界面が、透光層の表面である。この表面構造は、「凹凸構造」と称することもできる。表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。そのような表面構造は、「周期構造」と称することができる。複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する２つの屈折率の異なる部材（または媒質）の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する２つの中心間の距離（以下、「中心間隔」と称することがある。）が、いずれの２つの隣接する凸部または凹部についても、ある値ｐの±１５％以内の範囲に収まっているとき、その部分は、周期ｐを有する周期構造であると考える。
本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図６９に示す断面図では、部材６１０が凹部を有し、部材６２０が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材６１０および部材６２０の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。
表面構造における隣接する２つの凸部または隣接する２つの凹部の中心間の距離（周期構造においては周期ｐ）は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー（即ちミクロンオーダー）よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に１マイクロメートル（μｍ）を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造（例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造）を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。
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（即ち表面構造）と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。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。その説明は、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、隣接する凸部間の中心間距離をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足し得る。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ものとして説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。ｎwav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ｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-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。ｎwav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ｎwav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ｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎa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ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと書ける。また、有効屈折率ｎeff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ｎeff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λa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λa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。
サブミクロン構造が、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、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つの周期構造を含み得る。少なくとも１つの周期構造は、周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λa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Ｄintがｐaで一定の周期構造を含み得る。サブミクロン構造がこのような周期構造を含むと、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。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、ＴＥモードとＴＭモードとで有効屈折率ｎeff（＝ｎwavｓｉｎθ）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、正面方向に出射する光の指向角は例えば１５°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を０°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造（即ち表面構造）は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、周期構造がない場合と比較して狭角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図２９に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度（例えば２０°〜７０°）の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λaの出射光が０°〜２０°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。
なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を０次光（即ち透過光）、±１次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が０次光の両側に発生する。回折格子における、０次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度（例えば１５°程度）に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。
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。
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λex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ｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎwav-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ｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λex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λex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。
［２．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。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（若しくは小さくできる）。これにより、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。
Figure 2016171298
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。本開示の実施形態では、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。その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。
［３．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、発生した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、本願発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造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）によって構成することで、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、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るので、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。
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る。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。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、発生した光を結合させることを検討した。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、透光層の一部）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、透光層が周期構造を有している場合（即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、周期構造１２０を透光層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ｋwav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ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
Figure 2016171298
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θwav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。
Figure 2016171298
Figure 2016171298
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θout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θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
Figure 2016171298
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝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、発生した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。
Figure 2016171298
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＜ｓｉｎθout＜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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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、ｎout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。
Figure 2016171298
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ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎs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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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。
Figure 2016171298
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。
［４．計算による検証］
［４−１．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ｎwav＝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。
［４−２．厚さ依存性］
図４は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝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。
［４−３．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。
［４−４．２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、２1/2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。
［５．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。
［５−１．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ｎwav＝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。
［５−２．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ｎwav＝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ｎp＝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ｎp＝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ｎwavが周期構造の屈折率ｎp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ｎwavが周期構造の屈折率ｎp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ｎwavが周期構造の屈折率ｎp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。
［５−３．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ｎpがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav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。
［５−４．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ｎwav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ｎwav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＜ｎwav×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。
［６．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
［６−１．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ｎs
はフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav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ｎoutをｎs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ｎout＝ｎs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。
［６−２．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。励起光は、フォトルミネッセンス層１１０の主面（即ち、上面または下面）に垂直な方向に対して傾斜した方向から（即ち、斜めに）入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層１１０内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。
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方法もある。図１７Ａから図１７Ｄ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１７Ａに示すように、発光増強のためにｘ方向の周期ｐxを決定し、続いて、図１７Ｂ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ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐx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ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、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ｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
Figure 2016171298
ここで、ｎoutは、図１７Ｂの例では透明基板１４０のｎs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ｐy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。
Figure 2016171298
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ｐy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λexの励起光を吸収させることができる。
図１７Ｃおよび図１７Ｄは、それぞれ、図１７Ａおよび図１７Ｂ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、ｐx＝３６５ｎｍ、ｐy＝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λexを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数を０．００３としている。図１７Ｄ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１７Ｂ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（周期成分と称する。）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１７Ａ、１７Ｂでは励起光を基板１４０側から入射させているが、周期構造１２０側から入射させ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。
［６−３．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が形成されている。その結果、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ｎwav＝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ｎp＝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。
［６−４．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。
［６−５．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。
［６−６．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。
［６−７．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。
［７．材料］
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+、ＣａＳｉ12-(m+n)Ａｌ(m+n)ＯnＮ16-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、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、樹脂が挙げられる。なお、基板１４０を介さずにフォトルミネッセンス層１１０に励起光を入射させるような構成においては、基板１４０が透明であることは必須ではない。基板１４０は、例えば、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成されてもよい。
［８．製造方法］
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。
[９．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２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆに示す。図２７Ａは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｂおよび図２７Ｃは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２７Ｄは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２７Ｅおよび図２７Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２８Ａは、ＴＥモードの直線偏光を出射する発光素子を、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ている状況を示している。図２８Ｂおよび図２８Ｃは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図２８Ｄは、ＴＭモードの直線偏光を出射する発光素子を、１次元周期構造１２０のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図２８Ｅおよび図２８Ｆは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図２７Ａ〜２７Ｆおよび図２８Ａ〜２８Ｆから明らかなように、ＴＭモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長６１０ｎｍの光については、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図２７Ｂと図２７Ｃ、図２７Ｅと図２７Ｆ、図２８Ｂと図２８Ｃ、図２８Ｅと図２８Ｆのそれぞれの測定結果と計算結果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。
図２９は、波長６１０ｎｍの光について、図２８Ｄに示すように、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ている。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、前述のように、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。図２９に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全て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。
以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。
[１０．他の変形例]
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。
上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図３１に示す、フォトルミネッセンス層１１０上に周期構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、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ており、図１Ａに示した１次元周期構造１２０を有する場合を例示する。１次元周期構造１２０によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造１２０の周期ｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率ｎwav、光が出射される外部の媒質の屈折率ｎoutとし、１次元周期構造１２０への入射角をθwav、１次元周期構造１２０から外部の媒質への出射角をθoutとすると、ｐ×ｎwav×ｓｉｎθwav−ｐ×ｎout×ｓｉｎθout＝ｍλの関係を満足する（上記の式（５）参照）。ここで、λは空気中における光の波長であり、ｍは整数である。
上記式から、θout＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎout］が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図３１に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。
この視角依存性を低減させるためには、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが、波長λによらず一定となるように、ｎwavおよびｎoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散（波長依存性）を有しているので、（ｎwav×ｓｉｎθwav−ｍλ／ｐ）／ｎoutが波長λに依存しないような、ｎwavおよびｎoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、ｎoutは、波長によらずほぼ１．０なので、フォトルミネッセンス層１１０および一次元周期構造１２０を形成する材料として、屈折率ｎwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率ｎwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。
また、図３２Ａに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図３２Ａに示す例では、赤色光（Ｒ）を増強できる周期構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる周期構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる周期構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。
マトリクス状に配列された各周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂを単位周期構造（または画素）と呼ぶと、単位周期構造の大きさ（即ち、一辺の長さ）は、例えば、周期の３倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。
また、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。
図３２Ｂに示すように、１次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造（周期構造１２０ｈ、１２０ｉおよび１２０ｊを含む）を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図３２Ｂのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂのそれぞれについて、図３２Ｂの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。
もちろん、周期構造は、１次元周期構造に限らず、図３２Ｃに示すように、複数の２次元周期構造（周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む）を配列してもよい。このとき、周期構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。
図３３に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ１３０のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ１３０のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。
図３３に示した発光素子は、図３２Ａにおける周期構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂをそれぞれ有する領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３を有する。領域Ｒ１においては、周期構造１２０ｒによって、赤色光Ｒが法線方向に出射され、例えば緑色光Ｇは斜め方向に出射される。マイクロレンズ１３０の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Ｇは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ１３０を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図３２Ｂまたは図３２Ｃに示した構成にも適用できる。
斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズであってもよい。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。
白色光（あるいは、広いスペクトル幅を有する光）を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図３４Ａおよび図３４Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図３４Ａに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層１１０ｂ、１１０ｇ、１１０ｒを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図３４Ｂに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｂの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層１１０ｙを積層してもよい。フォトルミネッセンス層１１０ｙは、例えばＹＡＧを用いて形成することができる。
この他、蛍光色素などマトリクス（ホスト）材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合し、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。この様な白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図３２Ａ〜図３２Ｃを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。
フォトルミネッセンス層１１０を形成する材料として、無機材料（例えばＹＡＧ）を用いる場合、その製造過程で、１０００℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地（典型的には、基板）から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層（バリア層）１０８を設けてもよい。図３５Ａ〜３５Ｄに示すように、拡散防止層１０８は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層１１０の下層に形成される。
例えば、図３５Ａに示すように、基板１４０とフォトルミネッセンス層１１０との間に拡散防止層１０８が形成される。また、図３５Ｂに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれの下層に拡散防止層１０８ａまたは１０８ｂが形成される。
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３５Ｃ、図３５Ｄに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。図３５Ｃに示すように、基板１４０の上に低屈折率層１０７を設けた場合、低屈折率層１０７とフォトルミネッセンス層１１０との間の拡散防止層１０８が形成される。さらに、図３５Ｄに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１００ｂを有する場合には、フォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂの下層に拡散防止層１０８ａおよび１０８ｂがそれぞれ形成される。
なお、低屈折率層１０７は、基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成される。低屈折率層１０７の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低い。低屈折率層１０７は、例えば、ＭｇＦ2、
ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、石英、樹脂、ＨＳＱ・ＳＯＧなどの常温硬化ガラ
スを用いて形成される。低屈折率層１０７の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板１４０は、例えば、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＳｒＦ2、ガラス、樹脂、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＴｉＯ2、Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12、ＬａＳｒＡｌＯ4、ＬａＳｒＧａＯ4、ＬａＴａＯ3、ＳｒＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ2・Ｙ2Ｏ3）、ＹＡＧ、Ｔｂ3Ｇａ5Ｏ12を用いて形成される。
拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶や窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層１０８、１０８ａ、１０８ｂの厚さは、例えば、５０ｎｍ以下である。
なお、拡散防止層１０８や後述する結晶成長層１０６のような、フォトルミネッセンス層１１０に隣接する層を有する構成においては、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ｎwav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。
また、無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層１１０においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層１１０の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層１１０を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図３６Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０の下地に、結晶成長層（「シード層」ということもある。）１０６を形成してもよい。結晶成長層１０６は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層１１０の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±５％以内であることが望ましい。基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層１０６または１０６ａの屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さいことが望ましい。
基板１４０の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも大きい場合には、図３６Ｂに示すように、基板１４０上に低屈折率層１０７を形成すればよい。結晶成長層１０６は、フォトルミネッセンス層１１０と接するので、基板１４０上に低屈折率層１０７が形成される場合には、低屈折率層１０７上に結晶成長層１０６が形成される。また、図３６Ｃに示すように、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層１１０ａおよび１１０ｂのそれぞれに対応する結晶成長層１０６ａまたは１０６ｂを形成することが望ましい。結晶成長層１０６、１０６ａおよび１０６ｂの厚さは、例えば、例えば、５０ｎｍ以下である。
図３７Ａおよび図３７Ｂに示すように、周期構造１２０を保護するために、表面保護層１３２を設けてもよい。
表面保護層１３２は、図３７Ａに示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図３７Ｂに示すように、基板１４０を有するタイプのものにも設けられる。また、図３７Ａに示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層１１０の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層１３２は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造１２０は、図３７Ａおよび図３７Ｂに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。
表面保護層１３２は、例えば、樹脂、ハードコート材、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ
）、ＳｉＯＣ、ＤＬＣを用いて形成することができる。表面保護層１３２の厚さは、例えば、１００ｎｍ〜１０μｍである。
表面保護層１３２を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層１３２は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層１３２の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。
また、フォトルミネッセンス材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層１１０の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率（１．６Ｗ／ｍ・Ｋ）は、ＹＡＧの熱伝導率（１１．４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも約１桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層（例えばＹＡＧ層）１１０で発生した熱が基板（例えば石英基板）１４０を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層１１０の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。
そこで、図３８Ａに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と基板１４０との間に、透明高熱伝導層１０５を形成することによって、フォトルミネッセンス層１１０の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板１４０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には、透明高熱伝導層１０５の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層１０５は、フォトルミネッセンス層１１０とともに導波層を形成するので、５０ｎｍ以下であることが望ましい。図３８Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層１１０と透明高熱伝導層１０５との間に、低屈折率層１０７を形成すれば、厚い透明高熱伝導層１０５を利用できる。
また、図３８Ｃに示すように、周期構造１２０を高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７で覆ってもよい。さらに、図３８Ｄに示すように、周期構造１２０を低屈折率層１０７で覆った上に、透明高熱伝導層１０５を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層１０７が高い熱伝導率を有する必要はない。
透明高熱伝導層１０５の材料としては、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｙ2Ｏ3、ダイヤモンド、グラフェン、ＣａＦ2、ＢａＦ2を挙げることができる。これらの内、ＣａＦ2、ＢａＦ2は、屈折率が低いので、低屈折率層１０７として利用することができる。
次に、図３９Ａ〜３９Ｄを参照して、発光素子１００と光源１８０とを備える発光装置の放熱特性を高めた構造を説明する。
図３９Ａに示す発光装置は、光源１８０としてのＬＥＤチップ１８０と、発光素子１００とを有している。発光素子１００は、上述のいずれのタイプでもよい。ＬＥＤチップ１８０は、支持基板１９０上に実装されており、発光素子１００は、ＬＥＤチップと所定の間隔をあけて配置されている。発光素子１００は、ＬＥＤチップから出射される励起光を受けて発光する。支持基板１９０上において、ＬＥＤチップ１８０および発光素子１００は、封止部１４２に覆われている。
封止部１４２は、高熱伝導性と透光性とを備えている。封止部１４２を形成する材料（「封止材料」ということがある）は、例えば、高熱伝導性のフィラーと樹脂材料とを含む複合材料である。高熱伝導性フィラーとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、Ｙ2Ｏ3、グラフェンおよびＡｌＮを例示することができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。特に、封止材料として、高熱伝導性フィラーのサイズがナノメートルサイズ（即ち、サブミクロンサイズ）を用いたナノコンポジット材料を用いることができる。ナノコンポジット材料を用いると、光の拡散反射（または散乱）を抑制することができる。ナノコンポジット材料としては、フィラーとしてＺｎＯまたはＡｌ2Ｏ3を用い、樹脂として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いたものを例示することができる。
なお、発光素子１００が、図３９Ａに例示したように、表面に周期構造が露出しているタイプの場合には、周期構造の周りの媒質の屈折率は、周期構造の屈折率よりも低いことが望ましい。すなわち、封止部１４２の屈折率は、周期構造が透光層によって形成されている場合は、透光層の屈折率よりも低く、周期構造がフォトルミネッセンス層と同じ材料で形成されている場合は、フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低いことが望ましい。
封止部１４２は、図３９Ｂに示すように、発光素子１００の表面近傍（例えば、周期構造を有する透光層またはフォトルミネッセンス層）を露出するように設けてもよい。このとき、封止部１４２の屈折率は特に制限されない。
また、図３９Ｃに示すように、発光素子１００として、周期構造が低屈折率層１０７（図３８Ｃ参照）で覆われているタイプのものを用いる場合にも、封止部１４２の屈折率は、周期構造の屈折率よりも高くてもよい。このような構成を採用するようことによって、封止部１４２の材料の選択範囲が広がる。
また、図３９Ｄに示すように、発光素子１００の周辺を高熱伝導性を有するホルダー１５２に固定してもよい。ホルダー１５２は、例えば、金属で形成され得る。例えば、光源として、レーザーダイオード１８２を用いる場合のように、発光素子１００と光源との間に封止材料を充填できない場合に、上記の構造を好適に用いられ得る。例えば、図３８Ａ〜３８Ｄに例示した構成を有する発光素子１００は、透明高熱伝導層１０５または高い熱伝導率を有する低屈折率層１０７を有するので、素子の面内の熱伝導性が高いので、効果的にホルダー１５２を介して放熱することができる。
図４０Ａ〜４０Ｄに示すように、発光素子１００の表面に、高熱伝導部材１４４又は１４６を配置してもよい。高熱伝導部材１４４又は１４６は、例えば、金属で形成される。
例えば、図４０Ａに断面図を示し、図４０Ｂに平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の一部を覆うように高熱伝導部材１４４を配置してもよい。図４０Ａおよび４０Ｂには、１次元周期構造を形成する複数の凸部の１つだけを覆う線状の高熱伝導部材１４４を示しているが、これに限られない。
また、図４０Ｃに断面図を示し、図４０Ｄに平面図を示すように、発光素子１００の周期構造１２０の両端の凸部およびフォトルミネッセンス層１１０の端面を覆うように、高熱伝導部材１４６を形成してもよい。いずれの場合も、周期構造およびフォトルミネッセンス層の、高熱伝導部材１４６に覆われる部分の面積が大きくなると、発光素子１００の特性に影響する恐れがあるので、発光素子１００の表面に形成する高熱伝導部材１４６の面積は小さい方がよい。
また、図４１Ａに断面図を示し、図４１Ｂに平面図を示すように、異なる構造を有する複数の発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂをタイリングする場合、隣接する発光素子の間に、それぞれの発光素子の端部を覆うように、高熱伝導部材１４８を配置してもよい。例えば、ここで例示するように、赤色光を増強する発光素子１００ｒ、緑色光を増強する１００ｇおよび青色光を増強する１００ｂを配列する場合、例えば、金属で形成された高熱伝導部材１４８を隣接する発光素子間に配置すると、高熱伝導部材１４８は遮光性を有しているので、混色を抑制することができる。このように、高熱伝導部材１４８を表示パネルにおけるブラックマトリクスのように使用することもできる。
図４２Ａおよび４２Ｂに、インターロック回路１８５を備える発光装置の例を示す。図４２Ａは発光素子１００の裏面を示す模式図であり、図４２Ｂは発光素子１００の断面図を含む、発光装置の模式図である。図４２Ａおよび４２Ｂに示すように、発光素子１００が有する基板１４０の裏面に、環状配線１７２が形成されている。環状配線１７２は、発光素子１００の裏面の外周近傍に形成されており、基板１４０が破損したら、断線するように形成されている。環状配線１７２は、例えば金属材料で形成されている。環状配線１７２の２つの端部は、インターロック回路１８５のリレー回路に電気的に接続されている。環状配線１７２に断線が発生した場合、リレー回路は、光源１８２への電力の供給を遮断する。光源１８２が、特に、レーザーダイオードのように強度の強い光を発する場合には、安全性等の観点から、インターロック回路１８５を設けることが望ましい。
上述の実施形態の発光素子が有するサブミクロン構造は、例えば周期構造であり、フォトリソグラフィ技術やナノプリント技術を用いて形成され得る。図４３Ａ〜４３Ｆを参照して、サブミクロン構造の他の形成方法を説明する。
図４３Ａに示すように、基板１４０に支持されたフォトルミネッセンス層１１０の表面にビーズ１２２を配置する。ビーズ１２２の一部をフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込むことで、ビーズ１２２をフォトルミネッセンス層１１０に固定することができる。このように、多数のビーズ１２２のそれぞれの一部がフォトルミネッセンス層１１０に均等に埋め込まれて、残りの部分がフォトルミネッセンス層１１０から突き出ている場合、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しくてもよいし、小さくてもよい。例えば、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも小さい場合、多数のビーズ１２２によって形成される層（フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分と埋め込まれた部分の両方）が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。また、ビーズ１２２の屈折率がフォトルミネッセンス層１１０の屈折率と等しい場合、ビーズ１２２とフォトルミネッセンス層１１０とは実質的に一体となり、フォトルミネッセンス層１１０から突き出た部分が、サブミクロン構造を有する透光層１２０として機能する。
あるいは、図４３Ｂに示すように、基板１４０上に、多数のビーズ１２２を配置した上に、フォトルミネッセンス層１１０を形成してもよい。このとき、ビーズ１２２の屈折率は、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率よりも低いことが望ましい。
ここで、ビーズ１２２の直径は例えば上述のＤintと等しいかそれよりも小さい。ビーズ１２２が緻密に充填された場合には、ビーズ１２２の直径がＤintとほぼ一致する。隣接するビーズ１２２の間に間隙が形成される場合、ビーズ１２２の直径に間隙を加えた長さがＤintに対応することになる。
また、ビーズ１２２としては、中空のビーズであっても、中実のビーズであってもよい。
図４３Ｃ〜４３Ｆは、種々のビーズの充填状態を模式的に示す図と、それぞれ充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。図４３Ｃ〜４３Ｆにおいて、黒い部分は中実ビーズまたは中空ビーズ内の中実部分を示し、白い部分は、中空ビーズまたは、中空ビーズ内の空隙部分を示している。
図４３Ｃは、卵形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、卵の底の位置に形成されている。図４３Ｄは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、外形の球に接するように形成されている。図４３Ｅは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、２つのほぼ球形の空隙を含んでおり、２つの球形の空隙は、外形の球の直径にそって配列されている。図４３Ｆは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズとほぼ球形の外形を有する中実ビーズとが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。中空ビーズおよび中実ビーズはほぼ同じ直径を有しており、ほぼ同じ体積比率で混合されている。また、中空ビーズおよび中実ビーズの配置に規則性はなく、ほぼランダムである。
中空ビーズや中実ビーズは、種々のガラスまたは樹脂で形成されたものが市販されている。ここで例示したビーズは、例えば、研磨材料として広く市販されているアルミナの粉体や日鉄鉱業株式会社の中空シリカなどを用い、得られたビーズに分散剤を添加し、溶媒（例えば水やアルコール類など）に分散し、この分散液を基板１４０上またはフォトルミネッセンス層１１０上に付与し、乾燥することによって、多数のビーズが密に充填された層を形成することができる。
［１１．応用例］
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。
［１１−１．ファイバー照明装置］
図４４は、本開示の発光素子をファイバー照明装置に応用した例を模式的に示す図である。このファイバー照明装置（即ち、発光装置）３００は、発光素子３１０と、発光素子３１０からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバー３２０とを備える。光ファイバー３２０は、発光素子３１０から出射した光を伝播して対象物４００に照射する。発光素子３１０は、既に説明したいずれかの構造を有する。対象物４００は、検査対象物であり、検体と呼ぶこともある。
対象物４００に白色光を照射する用途では、発光素子３１０は、例えば図３２Ａ〜図３３を参照して説明した構造を有する。対象物４００に特定の波長帯域の光を照射する用途では、発光素子３１０は、その波長帯域の光を特定の方向（例えば正面方向）に強く出射するように構成される。
本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更するだけで、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ：ＮＢＩ、登録商標）と呼ばれる技術に用いられ得る。狭帯域イメージングは、青および緑の２つの狭帯域の波長の光を粘膜に照射することにより、粘膜表層の毛細血管および微細な模様を観察する技術である。狭帯域イメージングにより、例えば後述する内視鏡による病変部の観察を容易にすることができる。
このような狭帯域イメージングに利用される場合、発光素子３１０は、青および緑の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層に垂直な方向（以下、「法線方向」または「垂直方向」と称することがある。）にそれぞれ出射する２種類の発光領域を有する。それらの発光領域は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向または平行な方向に並べて配置される。励起光として青色光を使用し、その一部を発光素子３１０を透過させて利用する場合には、発光素子３１０は緑色の波長帯域の光を垂直な方向に出射する発光領域のみを有していてもよい。本明細書において、青色の波長帯域は、４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の波長の範囲を意味する。緑色の波長帯域は、４９０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の波長の範囲を意味する。典型的には、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長の青色光と、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光とが用いられる。
従来の光ファイバー照明装置では、例えばエキシマランプ、メタルハライドランプ、ハロゲンランプなどの光源が用いられていた。本実施形態における発光装置３００は、発光素子３１０から出射される光の指向性が高いため、従来の光ファイバー照明装置と比較して、例えば次のような利点を有する。（１）ファイバーカップラーまたはレンズなどの部品の全部または一部を不要にできる。（２）励起光源として半導体発光素子を利用できるため、小型化が可能である。（３）光学的損失が少ない（例えば、エキシマランプの約１／１０）ため、高効率化が可能である。（４）ランプ交換が不要なため、メンテナンスを容易にできる。
図４５は、発光装置の変形例を示す図である。この例における発光装置３００ａは、励起光源３４０および光学系３３０を備えている。励起光源３４０は、例えば青色の波長帯域の光を励起光として出射する。励起光源３４０は、励起光を、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に垂直に入射させる。光学系３３０は、光ファイバー３２０から出射した光を集束させる少なくとも１つのレンズを有する。光学系３３０のレンズの構成は、用途に応じて適宜設計される。この例のように、発光装置３００ａは、光学系３３０および励起光源３４０を有していてもよい。あるいは、発光装置３００ａは、これらの一方のみを備えていてもよい。
図４６は、発光装置の他の変形例を示す図である。この発光装置３００ｂは、光ファイバー３２０が、励起光源３４０から出射された励起光を発光素子３１０に伝播させる点で、先の例とは異なっている。光ファイバー３２０は、励起光を一端から取り込み、他端から発光素子３１０に向けて出射させる。図４６の例では、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に背面側（即ち、表面構造が設けられた側の反対側）から励起光を入射させているが、正面または側面の側から入射させてもよい。このような形態では、光ファイバー３２０の先端に発光素子３１０が取り付けられていてもよい。この例でも、光学系３３０を省略してもよい。
［１１−２．内視鏡］
上記のいずれかの構成を有する発光装置は、例えば内視鏡に利用され得る。以下、内視鏡への応用例を説明する。
図４７は、本開示の発光装置を利用した内視鏡システム５００の一例を模式的に示す図である。内視鏡システム５００は、内視鏡５０５と、内視鏡５０５に接続された処理装置５５０と、処理装置５５０に接続されたディスプレイ５６０とを備えている。ここで「接続」とは、電気信号の授受が可能なように電気的に接続されていることを意味する。
内視鏡５０５は、体腔内に挿入される挿入部５１０と、鉗子挿入口５１７と、操作部５２０と、処理装置５５０に接続されるケーブル５３０とを有する。挿入部５１０は、ある程度柔軟な材料によって構成される長尺状（または管状）の部材である。挿入部５１０の先端（先端部５１０ａ）は、術者の操作によって湾曲可能に構成され得る。
先端部５１０ａの内部には、発光素子、撮像素子、および光学系が設けられる。発光素子から光が対象物に照射される。その反射光が光学系で集束され、撮像素子の撮像面に入射する。これを受けて、撮像素子は、画素ごとの受光量に応じた電気信号を出力する。
操作部５２０は、内視鏡５０５を操作するための各種のスイッチ、ボタン等を含む。操作部５２０は、例えば、電源スイッチ、照明のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるボタン、先端部５１０ａの向きを変えるアングルノブ、先端部５１０ａから空気または水を噴出させるためのボタン、撮影の開始／停止を指示するためのレリーズボタンを含み得る。
ケーブル５３０は、励起光源３４０からの励起光を一端から取り込み、他端から出射させるライトガイド（即ち、光ファイバー）と、撮像素子から出力された電気信号を処理装置５５０に伝送する信号線とを内部に有する。これらの他に、給水・給気用の管を含み得る。
処理装置５５０は、励起光源３４０、ＣＰＵなどのプロセッサ、画像処理回路、メモリ、および入出力インタフェースを有する。励起光源３４０から出射された励起光は、ケーブル５３０内のライトガイド内を伝播して先端部５１０ａ内の発光素子に入射する。これを受けて発光素子が発光する。処理装置５５０は、撮像素子から送られてきた電気信号に各種の処理を施して画像信号を生成して出力する。この画像信号は、ディスプレイ５６０に送られる。
図４８は、挿入部５１０における先端部５１０ａの内部構造を簡略化して示す図である。内視鏡５０５は、先端部５１０ａの内部に、発光素子３１０、撮像素子５７０、および光学系５７５を有する。光学系５７５は、撮像素子５７０の撮像面５７０ａに対向して配置される。
発光素子３１０は、ライトガイド５８５の先端の近傍に、または、先端に直接接して配置される。ライトガイド５８５から出射した励起光によってフォトルミネッセンス材料が励起されて発光する。この光は、照明用開口５９２を経て外部に出射される。照明用開口５９２の近傍には、光を拡散または集束する光学系が配置されていてもよい。
撮像素子５７０は、信号線５８０に接続されている。信号線５８０は、撮像素子５７０から出力された電気信号を処理装置５５０まで伝送する。撮像素子５７０は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサーなどのイメージセンサーである。撮像素子５７０の撮像面５７０ａには、複数の光検知セル（例えば、フォトダイオード）が配列されている。各光検知セルは、光電変換により、受けた光の強度（受光量とも呼ぶ。）に応じた電気信号を出力する。複数の光検知セルに対向して、複数のカラーフィルタが配置され得る。複数のカラーフィルタは、２次元（典型的には正方格子状）に配列される。複数のカラーフィルタの配列は、例えば一般的なベイヤー配列、即ち、赤、２つの緑、青の４つのカラーフィルタを１つの単位としてこれらが繰り返された配列であり得る。各光検知セルおよびそれに対向するカラーフィルタは、１つの画素を構成する。なお、カラーフィルタはなくてもよい。
発光素子３１０から出射された光は、照明用開口５９２を通過して対象物４００に向かう。その光の一部は対象物４００で反射され、観察用開口５９０を通過する。観察用開口５９０を通過した光は、対物レンズを含む光学系５７５によって撮像素子５７０の撮像面５７０ａに集束される。その結果、撮像面５７０ａには対象物４００の像が形成される。複数の光検知セルは、その像に応じた電気信号を出力する。信号線５８０は、その電気信号を処理装置５５０に伝送する。
処理装置５５０は、伝送された電気信号に基づいて、画像信号を生成する。例えば、伝送された電気信号に基づいて、色補間、ホワイトバランス調整、ガンマ補正、ノイズリダクション、色変換などの各種の画像処理を行うことによって画像信号を生成する。これらの画像処理は、処理装置５５０の内部のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの画像処理回路が実行する。このようにして生成された画像信号は、処理装置５５０からディスプレイ５６０に送られる。ディスプレイ５６０は、この画像信号に基づく画像を表示する。これにより、術者は、対象物４００を映像で観察することができる。
図４８は、先端部５１０ａの内部構造を簡略化して表しているが、典型的には、鉗子用の開口または給水・給気ノズルなどの図示されていない構成要素が含まれ得る。以下、これらについて簡単に説明する。
図４９は、ある構成例における先端部５１０ａを対象物４００側から見たときの様子を示す図である。この例では、先端部５１０ａは、２つの照明用開口５９２ａ、５９２ｂと、鉗子用開口５９４と、給水・給気用ノズル５９６とを有している。複数の照明用開口５９２ａ、５９２ｂのそれぞれの奥には、前述の発光素子３１０およびライトガイド５８５が設けられる。鉗子用開口５９４は、鉗子挿入口５１７から挿入された鉗子を外部に出すための穴である。給水・給気用ノズル５９６は、血液または粘液が先端部５１０ａに付着したときにこれらを洗い流すための水または空気を噴出する。この例では、複数の照明用開口５９２ａ、５９２ｂが中心軸に対して対称に配置されている。これにより、撮影時の影の発生を抑えることができる。
本実施形態における内視鏡５０５の光源の発光波長は、例えば青色の波長帯域および緑色の波長帯域であり得る。発光素子３１０は、例えば、緑色の波長帯域の光を法線方向に出射する第１の発光領域と、青色の波長帯域の光を法線方向に出射する第２の発光領域とを有する。第１および第２の発光領域は、フォトルミネッセンス層に垂直または水平な方向に並んで配置される。第１の発光領域では、隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち周期）をＤint-aとし、緑の波長帯域に含まれる波長λaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint-a＜λaの関係が成り立つ。同様
に、第２の発光領域では、隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち周期）をＤint-bとし、青の波長帯域に含まれる波長λbの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-bとすると、λb／ｎwav-b＜Ｄint-b＜λbの関係が成り立つ。
青色の波長帯域の励起光も光源として利用するのであれば、発光素子３１０は、第１の発光領域だけを有していてもよい。その場合、発光素子３１０は、青色の励起光の一部を透過させるように設計される。
本実施形態における内視鏡は、癌などの微細な病変部位を認識し易いという効果を奏する。血液中のヘモグロビンは、青色光を吸収する性質をもつ。このため、青色光を照射することにより、表面の毛細血管を浮かび上がらせることができる。ただし、青色光だけを利用すると、光量が不足するため、本実施形態では、緑色光も併用される。これにより、全体的に見やすい画像を生成できる。
本実施形態では、特に、狭帯域の青色光および緑色光を発光素子３１０が直接出射するため、従来必要であったカラーフィルタを省略できるという利点がある。以下、この効果を詳しく説明する。
図５０は、従来のキセノンランプの発光スペクトルの例を示す図である。この発光スペクトルは、可視光の波長帯域の全域にわたってブロードな強度特性を有する。このため、青色の波長帯域の光と緑色の波長帯域の光とを利用するためには、それ以外の波長帯域の光を除去するカラーフィルタが必要である。そのようなカラーフィルタを用いると、光の損失が多くなり、効率が低下する。
図５１は、従来の一般的なＬＥＤ白色光源の構成および発光スペクトルを示す図である。このＬＥＤ白色光源では、青色の波長帯域の励起光を受けて黄色の蛍光（即ち、赤色光および緑色光）を発するＹＡＧなどの蛍光物質と、蛍光物質を透過した青色光との組み合わせにより、白色光が得られる。この例でも、黄色の発光から狭帯域の緑色光を得るためには、緑色の光を選択的に透過させるカラーフィルタが必要である。このため、光の利用効率の低下を招く。
図５２は、本実施形態の発光素子３１０を利用した光源の一例を示す図である。この例では、励起光として青色ＬＤから出射される青色光が利用される。石英から形成される透光層とフォトルミネッセンス層との界面に周期構造が形成されている。透光層における励起光の入射面には、反射防止膜（ＡＲ）が形成されている。周期構造は、緑の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直な方向に出射するように設計されている。すなわち、隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち周期）をＤintとし、緑の波長帯域λaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。フォトルミネッセンス層は、ＹＡＧを含む薄膜であり、励起光を受
けて黄色（即ち、赤および緑）の波長帯域の光を発生させる。しかし、周期構造が、緑の波長帯域の光を垂直方向に出射するように設計されているため、発光素子３１０から垂直方向に出射される光の大部分は、緑色光、および発光素子３１０を透過した青色光である。
図５２に示す例では、狭帯域の青色光および緑色光が発光素子３１０から直接出射される。このため、カラーフィルタを用いることなく必要な狭帯域の光が得られる。したがって、従来の光源と比較して、光の損失を大幅に低減できる。
このように、狭帯域イメージングを利用する内視鏡に本開示の発光素子を適用した場合、カラーフィルタを不要にできるため、光の利用効率を向上させることができる。このため、小型化が可能でメンテナンスが容易という前述の効果に加え、高い効率の内視鏡を実現できる。
なお、上述した内視鏡の構成は、あくまでも例示であり、本開示の内視鏡は上記の構成に限定されない。例えば、発光素子３１０および撮像素子５７０の少なくとも一方が、先端部５１０ａから離れた位置に配置されていてもよい。例えば、操作部５２０の付近もしくは内部、または処理装置５５０の付近もしくは内部に配置されていてもよい。本開示の内視鏡は、白色光を出射するように構成されていてもよい。その場合、発光素子３１０は、例えば図３２Ａ〜図３４Ｂを参照して説明した構造を有する。本開示の発光素子は、例えば特開２０１３−０００１７５号公報などの公知の内視鏡の構成に広く適用できる。
ここで、内視鏡において用いられる波長の例を説明する。
図５３Ａ〜図５３Ｆは、内視鏡において用いられる波長の例を示す図である。これらの例においては、励起光源３４０が発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に垂直な方向に対して傾斜した角度で励起光を入射させ、発光素子３１０から生じた光を、レンズ３３０を介して光ファイバー３２０に導入する構成を想定する。
図５３Ａは、内視鏡の照明光として、４１５ｎｍの波長の光と、５４０ｎｍの波長の光とを用いる例を示している。４１５ｎｍの波長の光は、例えばレーザーダイオードを含む励起光源３４０から出射された励起光の一部である。５４０ｎｍの波長の光は、例えばＹＡＧを含むフォトルミネッセンス層から生じた黄色光の一部である。レンズ３３０は、発光素子３１０を透過した４１５ｎｍの波長の光と、発光素子３１０から正面方向に出射される５４０ｎｍの波長の光とを集束して光ファイバー３２０に導入する。使用される波長は、この例に限らず、他の波長であってもよい。例えば４００〜４３０ｎｍ、好ましくは波長４１０〜４２０ｎｍから選択される波長の光と、波長５２０〜５６０ｎｍ、好ましくは波長５３０〜５５０ｎｍから選択される波長の光とが用いられ得る。
本開示の実施形態における内視鏡は、蛍光観察（Ａｕｔｏ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ：ＡＦＩ）、即ち、コラーゲンなどの蛍光物質からの自家蛍光の観察のための波長（３９０〜４７０ｎｍ）と、血液中のヘモグロビンに吸収される波長（５４０〜５６０ｎｍ）とを使用してもよい。これらの２つの波長帯域に含まれる光を用いることにより、腫瘍性病変と正常粘膜とを異なる色調で強調表示する特殊光観察が可能となる。
図５３Ｂおよび図５３Ｃは、そのような用途に使用され得る内視鏡の構成例を示す図である。図５３Ｂは、内視鏡の照明光として、４３０ｎｍの波長の光と、５５０ｎｍの波長の光とを用いる例を示している。４３０ｎｍの波長の光は、例えばレーザーダイオードを含む励起光源３４０から出射された励起光の一部である。５５０ｎｍの波長の光は、例えばＹＡＧを含むフォトルミネッセンス層から生じた黄色光の一部である。レンズ３３０は、発光素子３１０を透過した４３０ｎｍの波長の光と、発光素子３１０から正面方向に出射される５５０ｎｍの波長の光とを集束して光ファイバー３２０に導入する。一方、図５３Ｃは、内視鏡の照明光として、４３０ｎｍの波長の光と、５５０ｎｍの波長の光とを用いる点では同じであるが、これらの両方の光を発光素子３１０が出射する点で図５３Ｂに示す例とは異なっている。この例では、励起光源３４０は、波長４０５ｎｍの光を発光素子３１０に入射させる。発光素子３１０は、波長５５０ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造と、波長４３０ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造との積層構造を有する。使用される発光材料は、例えば、５５０ｎｍの波長の光を含む光を発するＹＡＧ等の材料と、４３０ｎｍの波長の光を含む光を発するＢＡＭ（バリウム・アルミニウム酸化物）等の材料である。この例では、レンズ３３０は、発光素子３１０から正面方向に出射される４３０ｎｍおよび５５０ｎｍの波長の光を光ファイバー３２０に導入する。発光素子３１０を透過した波長４０５ｎｍの励起光は、レンズ３３０に入射しないため、光ファイバー３２０に導入されない。
本開示の実施形態における内視鏡は、赤外光観察（Ｉｎｆｒａ Ｒｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ：ＩＲＩ）にも使用することができる。赤外光が吸収されやすい赤外指標薬剤を静脈に注射した上で、２つの波長帯域（７９０〜８２０ｎｍおよび９０５〜９７０ｎｍ）の赤外光を照射することにより、通常光を用いた観察では視認が難しい粘膜深部の血管や血流の情報を強調して表示する特殊光観察を行うことができる。
図５３Ｄおよび図５３Ｅは、そのような赤外光観察に使用され得る内視鏡の構成例を示す図である。図５３Ｄは、内視鏡の照明光として、８０５ｎｍの波長の光と、９４０ｎｍの波長の光とを用いる例を示している。８０５ｎｍの波長の光は、例えばレーザーダイオードを含む励起光源３４０から出射された励起光の一部である。９４０ｎｍの波長の光は、例えば量子ドットを含むフォトルミネッセンス層から生じた光である。レンズ３３０は、発光素子３１０を透過した８０５ｎｍの波長の光と、発光素子３１０から正面方向に出射された９４０ｎｍの波長の光とを集束して光ファイバー３２０に導入する。一方、図５３Ｅは、内視鏡の照明光として、８０５ｎｍの波長の光と、９４０ｎｍの波長の光とを用いる点では同じであるが、これらの両方の光を発光素子３１０が出射する点で図５３Ｄに示す例とは異なっている。この例では、励起光源３４０は、波長６５０ｎｍの光を発光素子３１０に入射させる。発光素子３１０は、波長８０５ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造と、波長９４０ｎｍの光を正面方向に出射する周期構造との積層構造を有する。使用される発光材料は、例えば、８０５ｎｍの波長の光を発するＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）蛍光体と、９４０ｎｍの波長の光を発する量子ドットであり得る。この例では、レンズ３３０は、発光素子３１０から正面方向に出射される８０５ｎｍおよび９４０ｎｍの波長の近赤外光を光ファイバー３２０に導入する。発光素子３１０を透過した波長６５０ｎｍの励起光は、レンズ３３０に入射しないため、光ファイバー３２０に導入されない。
本開示の実施形態における内視鏡は、インドシアニングリーン（ＩＣＧ）蛍光法にも使用することができる。ＩＣＧは、一定の波長の近赤外線（例えば波長７７４ｎｍ）によって励起され、他の波長の近赤外線（例えば８０５ｎｍ）の蛍光を発する物質である。ＩＣＧ蛍光法は、体内に注入されたＩＣＧに、例えば波長７７４ｎｍの励起光を照射し、これによって生じた波長８０５ｎｍの蛍光を赤外線カメラで検出する方法である。これにより、組織表面下の血管やリンパ管等の生体組織を低侵襲で簡便に観察することができる。
図５３Ｆは、そのようなＩＣＧ蛍光法に使用され得る内視鏡または撮像システムの構成例を示す図である。図５３Ｆは、照明光として、７７４ｎｍの波長の光を用いる例を示している。７７４ｎｍの波長の光は、例えば６５０ｎｍの励起光を受けて発光するＧＧＧを含むフォトルミネッセンス層から生じた光である。レンズ３３０は、発光素子３１０から正面方向に出射された７７４ｎｍの波長の光を光ファイバー３２０に導入する。発光素子３１０を透過した波長６５０ｎｍの励起光は、レンズ３３０に入射しないため、光ファイバー３２０に導入されない。図５３Ｆには示されていないが、ＩＣＧ蛍光法に使用される撮像システムは、ＩＣＧから生じた蛍光（近赤外線）を検出する撮像素子をさらに備える。
［１１−３．水中ファイバー照明］
本開示の発光装置は、水中ファイバー照明にも利用できる。以下、そのような応用例を説明する。
図５４Ａは、水中ファイバー照明装置の構成例を示す図である。この照明装置は、光源装置６００と、照明部６４０と、光源装置６００と照明部６４０とを接続する光ファイバー３２０とを備える。照明部６４０は水槽６７０内の水中に配置され、光源装置６００は水槽６７０の外側に配置される。光源装置６００から発せられた光が光ファイバー３２０内を伝播し、照明部６４０の照明窓６４２から出射され、水中を照らす。
図５４Ｂは、光源装置６００の概略構成を示す図である。光源装置６００は、発光素子３１０と、励起光源３４０とを有する。発光素子３１０は、前述したいずれかの実施形態における発光素子と同様の構造を有する。励起光源３４０から出射された励起光は、発光素子３１０に入射し、発光素子３１０内のフォトルミネッセンス材料を励起して発光させる。発光素子３１０から生じた光は光ファイバー３２０に導入され、照明部６４０まで伝達される。なお、光源装置６００は、発光素子３１０と光ファイバー３２０との間に、発光素子３１０から生じた光を光ファイバー３２０に集束させるレンズを有していてもよい。
このような水中ファイバー照明には、従来、例えば特開平１−２６２９５９号公報に開示されているように、ランプ光源が使用されていた。このため、光ファイバーとのカップリング効率が低いために、光の損失が大きく、消費電力が大きかった。また、例えば特開２００３−２５７２０４号公報に開示されているように、冷陰極管および電源ケーブルを水中に沈めて使用される水槽用照明装置は、漏電の危険性が大きいという課題を有していた。
本応用例の構成によれば、指向性の高い発光素子３１０が用いられているため、発光素子３１０と光ファイバー３２０とのカップリング効率を高くすることができる。また、光ファイバー３２０を用いることにより、光源装置６００および電源を水槽６７０の外側に配置することができるため、漏電の危険性がない。このように、効率と安全性とを両立した水中ファイバー照明装置を実現することができる。
なお、水中ファイバー照明装置は、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成に限らず、多様な変形が可能である。例えば、前述の特開平１−２６２９５９号公報に開示されている例のように、噴水ノズルの近傍に照明部を配置することにより、噴水用のファイバー照明を実現することができる。また、例えば特開昭５６−７２６３７号公報に開示されている例のように、船上の光源装置から複数の光ファイバーを用いて、海中の魚網の近傍を照射するファイバー照明を実現することもできる。そのような構成では、捕獲しようとする魚の習性に応じた適切な波長帯域の光を水中に照射することにより、効率よく魚を捕獲することができる。本開示の発光素子を用いることで、光の損失および消費電力を低減させることができるため、漁船の燃費の向上に寄与することができる。さらに、例えば特開平４−９５８６４号公報に開示されている例のように、水中の構造物の欠陥を検出する装置に本開示の構成を適用することもできる。例えば、原子炉内の冷却水プールの損傷検査に適用できる。冷却水プールの外に配置された光源から、光ファイバーを用いて冷却水プール内の構造物に光を照射し、その反射光を、撮像素子を用いて検出することにより、構造物の欠陥を検査できる。光源が水の外に配置されるため、バッテリー切れ等による不具合の際に、バッテリーや光源の交換を容易に行うことができる。
［１１−４．宇宙探査機用ファイバー照明］
次に、本開示の発光装置を宇宙探査機用の照明装置に応用する例を説明する。
図５５は、本開示の実施形態におけるファイバー照明装置を搭載する宇宙探査機６５０の一例を示す図である。なお、図５５は宇宙探査機６５０の本体の構造を簡略化して示しているが、具体的な構造は、例えばDavid S. F. Prtree, "Mir Hardware Heritage", NASA Reference Publication 1357, Johnson Space Center Reference Series, March 1995 (http://ston.jsc.nasa.gov/collections/TRS/#techrep/RP1357.pdf)に開示されたいずれかの宇宙探査機と同様であり得る。この例における照明装置は、宇宙探査機６５０内に配置された光源装置６００と、宇宙探査機６５０の外側に設けられたレンズ３３０を含む照明部６４０と、光源装置６００と照明部６４０とを接続する光ファイバー３２０とを備える。光源装置６００は、図５４Ｂに示す光源装置６００と同様の構成を有する。光源装置６００における発光素子３１０から生じた光が、光ファイバー３２０およびレンズ３３０を介して宇宙探査機６５０の外側に出射される。なお、レンズ３３０は省略してもよい。
このような構成により、小型で高効率、低消費電力の宇宙探査機用照明を実現できる。従来の宇宙探査機または宇宙船用の照明装置は、例えば実開昭６１−１５７０９８号公報に開示されているように、ランプ光源を用いるものが一般的であった。このため、照明装置が大型で、効率が低く、消費電力が大きいという課題があった。消費電力が大きいと、バッテリー寿命の短縮化を招き、宇宙探査に致命的な課題となり得る。本開示の発光素子を用いることで、光の損失および消費電力を低減させることができるため、バッテリー寿命を長くすることができる。
また、宇宙空間で使用される照明装置には、以下の要件が要求される。（１）破損時にゴミを極力出さない。（２）真空中でも放熱できる。（３）真空中でも耐えられる信頼性の高い構造および材料が用いられる。（４）超低温および超高温に耐えられる。
本応用例によれば、以上の要件を全て満たすことができる。（１）については、光ファイバー３２０の先端またはレンズ３３０を含む照明部のみを船外に出し、光源装置６００を船内に配置しているため、破損する可能性が低く、光源装置６００の破損に伴うゴミも出ない。（２）については、船内に光源装置６００を配置し、発熱のない光ファイバー３２０を船外に出すことにより、船内で光源装置６００の放熱が可能である。（３）については、接着剤などの樹脂材料はガスを発生するため、船外に配置することは避けなければならない。封着時に空気が中に残っていると真空中で破損のおそれがある。本応用例では、船内に光源装置６００が配置されるため、その懸念はない。また、光ファイバー３２０は、基本的にガラス、およびそれを保護する樹脂のカバーのみで構成されるため、真空中でも劣化しにくい。（４）については、地上では−４０℃〜１００℃程度の温度範囲で耐えられれば十分だが、宇宙では光が当たらない場所ではより低温に、光が当たる場所ではより高温になる。樹脂材料を利用する場合、宇宙空間における低温または高温の環境に耐えられない場合がある。本応用例では、ガラスを主成分とする光ファイバー３２０を用いることで、低温および高温の両方の環境に耐えることができる。
［１１−５．高所照明用ファイバー照明］
本開示の発光素子と光ファイバーとを組み合わせた発光装置は、高所に設置される照明の用途にも適している。高所に設置される照明装置には、例えばスタジアムや高速道路、トンネル、橋梁用の照明装置がある。
図５６は、高所照明用の発光装置の一例として、スタジアムで使用される光ファイバー照明装置を示す図である。この照明装置は、光源装置６００と、光ファイバー３２０と、複数の照明部６６０とを備えている。光源装置６００は、図５４Ｂに示すものと同様の構成を有し、地上（即ち低所）に設置される。光ファイバー３２０は、途中で複数の光ファイバーに分岐しており、光源装置６００と複数の照明部６６０との間を接続する。複数の照明部６６０の各々は、光ファイバー３２０の先端の近傍に設けられ、高所に設置される。照明部６６０は、レンズまたは拡散板を含んでいてもよい。光ファイバー３２０内を伝播した光は、照明部６６０から外部に出射する。
このような構成により、小型でかつ効率およびメンテナンス性に優れたスタジアム用照明装置を実現できる。従来のスタジアム照明は、高所に多数のランプ光源が設置されるために、設置およびメンテナンス（ランプの交換など）が困難であるという課題があった。また、高所での高い風圧に耐えられるだけの大掛かりな筐体が必要であった。本応用例のように、光ファイバーを用いて地上の光源装置６００から高所の照明部６６０まで光を伝達することにより、設置およびメンテナンスが容易で、かつ小型の照明装置を実現できる。
図５７は、高所照明用の発光装置の他の例として、高速道路用の照明装置を示す図である。この照明装置は、複数の光源装置６００と、複数の光ファイバー３２０と、複数の光分岐装置６８０と、複数の照明部６６０とを備えている。この例でも、光源装置６００は、図５４Ｂに示すものと同様の構成を有し、地上（即ち低所）に設置される。光源装置６００は、光ファイバー３２０に接続され、その光ファイバー３２０は、光分岐装置６８０を介して、高所まで延びる他の光ファイバー３２０に接続されている。高所まで延びる複数の光ファイバー３２０の各々の先端には、光が出射する照明部６６０が設けられている。照明部６６０は、先の例と同様、レンズまたは拡散板を含み得る。
このような構成により、多数のランプが高所に設置された従来の高速道路用照明装置と比較して、メンテナンス性に優れ、かつ小型の高速道路用照明装置を実現できる。
なお、同様の構成は、高速道路に限らず、橋梁にも適用できる。橋梁は、河川上、海上、または山間に位置し、高所かつ強風下に照明が設けられる。照明の設置およびメンテナンスに多大な危険を伴うことから、本応用例の光ファイバー照明が特に好適である。
図５８は、高所照明用の発光装置の他の例として、トンネル用の照明装置を示す図である。この照明装置は、前述する例と同様、光源装置６００と、光ファイバー３２０と、複数の照明部６６０とを備える。光源装置６００は、トンネルの入り口付近に設置され、トンネル内に設けられた複数の照明部６６０と、光ファイバー３２０（および光分岐装置）を介して接続される。光源装置６００、光ファイバー３２０、および照明部６６０の構造は、前述の例と同様である。
このような構成により、多数のランプが高所に、そして長距離にわたって配置された従来のトンネル用照明と比較して、メンテナンス性に優れ、かつ小型のトンネル用照明装置を実現できる。
ここで、本応用例におけるファイバー照明装置の構成について、より詳細に説明する。
図５９は、前述の各例におけるファイバー照明装置のより詳細な構成を説明するための図である。図示されるように、光源装置６００および光ファイバー３２０は、コネクタ６９０を有し、コネクタ６９０を介して互いに接続される。光源装置６００は、電源ケーブル７１０および通信ケーブル７２０に接続されている。電源ケーブル７１０を介して電源から電力の供給を受け、通信ケーブル７２０を介して他の機器（例えば、遠隔地のコンピュータ）と通信を行う。光ファイバー３２０は、光分岐装置６８０を介して他の光ファイバーと接続される。高所その他の設置が困難な場所に配置される照明部６６０は、１本以上の光ファイバー３２０と、光分岐装置６８０とを介して光源装置６００と接続される。このように、１つの光源装置６００からの光を、光ファイバー３２０で分岐し、複数の照明部６６０に導くことで、メンテナンスの負担を大幅に軽減することができる。なお、この例のように、光分岐装置６８０によって複数本の光ファイバー３２０（即ち複数本の光ファイバーケーブル）を接続して光源装置６００から照明部６６０に光を伝達する構成においては、光源装置６００と照明部６６０との間の複数本の光ファイバー３２０を１本の光ファイバーであるとみなしてもよい。その場合、その光ファイバーは、複数本の光ファイバーケーブルと、これらを連結する光分岐装置とを含む。
図６０は、照明部６６０の構造の一例を示す図である。この例における照明部６６０は、光ファイバー３２０の先端の近傍に配置されたレンズ３３０を有している。レンズ３３０は、図示されるものに限らず、例えば、非球面レンズ、シングレットレンズ、ダブレットレンズ、およびトリプレットレンズのいずれでもよい。レンズを調整することにより、照射角度を自由に調整できる。なお、照明部６６０は、レンズ３３０を含んでいなくてもよい。レンズ３３０に代えて、光拡散板を含んでいてもよい。
図６１Ａは、光源装置６００のより詳細な構成例を示す断面図である。この光源装置６００は、励起光を出射する複数のレーザーダイオード７４０（励起光源）と、励起光を受けて発光する発光素子７３０と、発光素子７３０から出射された光を集束して光ファイバー３２０ａに導入するレンズ３３０とを備えている。光ファイバー３２０ａは、光コネクタ６９０を介して外部の光ファイバー３２０と接続される。光ファイバー３２０ａは、ファイバー治具７６０に固定され、レンズ３３０はレンズ治具７５０に固定される。レンズ３３０は、例えば、非球面レンズ、シングレットレンズ、ダブレットレンズ、およびトリプレットのいずれかであり得る。発光素子３１０は、治具７７０に固定される。複数のレーザーダイオード７４０は、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層に平行に配列されている。これにより、発光素子３１０におけるフォトルミネッセンス層の複数の箇所で発光を生じさせることができる。各レーザーダイオード７４０は、レーザー電源７３０から電力を得る。レーザー電源７３０は、電源ケーブル７１０を介して外部電源から電力を得る。レーザー電源７３０は、二次電池を含んでいてもよい。この例におけるレーザー電源７３０は、通信ケーブル７２０にも接続されている。通信ケーブル７２０を介して、光源装置６００から離れた位置にあるコンピュータから、各レーザーダイオード７４０の出力を制御する制御信号が入力され得る。これにより、レーザー電源７３０は、発光素子３１０からの発光を制御することができる。なお、この例では、レーザー電源７３０が、各レーザーダイオード７４０の出力を制御する制御回路と、情報の送受信を行う通信回路とを含んでいる。この例では、励起光源としてレーザーダイオード７４０が用いられているが、ＬＥＤを代わりに用いてもよい。
図６１Ｂは、光源装置６００の他の構成例を示す上面図である。この光源装置６００は、レーザーダイオード７４０を１つだけ有し、レーザーダイオード７４０から発光素子３１０の側面まで、光ファイバー３２０ｂを介して励起光が送られる点で、図６１Ａの例とは異なっている。このような構成によっても、図６１Ａの例と同様の機能を実現できる。
図６１Ｃは、光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。この光源装置６００は、励起光源として、レーザーダイオードではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）７９０が用いられる点で、上記の例とは異なっている。図６１Ｄの拡大図に示すように、複数のＬＥＤ７９０が、発光素子３１０の周囲に設けられている。複数のＬＥＤ７９０は、電源ケーブル７１０ａを介してＬＥＤ電源７８０から電力の供給を受ける。ＬＥＤ電源７８０は、通信ケーブル７２０に接続される。通信ケーブル７２０を介して、光源装置６００から離れた位置にあるコンピュータから、各ＬＥＤ７９０の出力を制御する制御信号が入力され得る。これにより、ＬＥＤ電源７８０は、発光素子３１０からの発光を制御することができる。なお、この例では、ＬＥＤ電源７８０が、各ＬＥＤ７９０の出力を制御する制御回路と、情報の送受信を行う通信回路とを含んでいる。このように、励起光源として、ＬＥＤを用いても、同様の機能を実現できる。
図６１Ｅは、光源装置６００のさらに他の構成例を示す上面図である。この光源装置６００は、１つのレーザーダイオード７４０と、レーザーダイオード７４０から出射された励起光を集光して発光素子３１０に斜めに入射させるレンズ３３０ａとを備えている。それ以外の点は、図６１Ａに示す例と同様である。この例では、励起光は、発光素子３１０のフォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した角度で発光素子３１０に入射する。この角度は、フォトルミネッセンス層内で励起光が全反射するように設定される。このような構成によっても、上記の各例と同様の機能を実現できる。
以上のように、光源装置６００は、多様な変形が可能である。このような光源装置６００の構成は、高所用ファイバー照明装置に限らず、本開示の他の用途の照明装置にも同様に適用できる。
［１１−６．車両用ファイバー照明］
次に、本開示の発光素子を利用した車両用の光ファイバー照明装置の例を説明する。
図６２は、本応用例における照明装置を搭載した車両の一例を示す図である。本応用例における照明装置は、車内に設置された励起光源ユニット８２０と、複数の光ファイバー３２０と、車外に設置された複数の発光ユニット８１０とを備える。複数の発光ユニット８１０は、複数の光ファイバー３２０によって励起光源ユニット８２０に接続されている。励起光源ユニット８２０は、励起光源と、光ファイバー３２０を接続する光コネクタとを備える。各発光ユニット８１０は、前述のいずれかの実施形態における発光素子と、光ファイバー３２０を接続する光コネクタとを備える。
複数の発光ユニット８１０を車体の周囲に取り付け、光ファイバー３２０の先端（光出射口）と接続することで、車内から見えにくい車両後方や上方など、任意の方向を照らすことが可能である。また、図６３に示すように、ヘッドライト、テールランプ、ドア用のランプ等に発光ユニット８１０を適用することもできる。
なお、発光素子は、発光ユニット８１０ではなく励起光源ユニット８２０の内部に設けられていてもよい。その場合、励起光源ユニット８２０は、前述の「光源装置６００」と同様の構成を有し、発光ユニット８１０は、前述の「照明部６６０」と同様の構成を有する。
図６４は、車両への他の応用例を示す図である。この例では、ナビゲーションシステムと組み合わせて路面等の投影面にナビゲーションのための画像を表示することができる。このような機能を実現するために、車両にはプロジェクターが搭載される。そのようなプロジェクターは、本開示における発光素子を光源とする新規な構造のプロジェクターであり得る。そのようなプロジェクターの構成は、公知のプロジェクター（例えば、特開２０１２−８１７７号公報および特開２０１４−１９１００３号公報に開示）における蛍光体ホイールにおける蛍光体を、本開示における指向性の高い発光素子に置換した構成であり得る。例えば、特開２０１４−１９１００３号公報に開示された蛍光体ホイールにおける赤色蛍光体層および緑色蛍光体層を、赤色の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直に出射する発光素子、および緑色の光をフォトルミネッセンス層にほぼ垂直に出射する発光素子に置換した構造を利用できる。
本応用例では、発光ユニット８１０が、照明として機能するだけでなく、目的地へのナビゲーションのための画像を表示する表示装置としても機能する。これにより、従来にない利便性の高いカーナビゲーションシステムを実現し得る。
［１１−７．ファイバーセンサー］
本開示の発光素子は、車両や航空機等の変位または変形を検出する光ファイバーセンサーにも好適に用いることができる。車両の変位・変形を検出する光ファイバーセンサーの例が、例えば特開２００６−２８２１１４号公報に開示されている。しかし、従来の光ファイバーセンサーには、レイリー散乱による後方散乱光が弱いために、光源、検出器および回路が大型になるという課題があった。車載用途では、システムの小型化が要求されるため、この課題の解決が求められる。本開示の発光素子を用いることで、小型で感度の高い光ファイバーセンサーを実現することができる。以下、そのような光ファイバーセンサーの例を説明する。
本実施形態の光ファイバーセンサーは、シングルエンドの光ファイバーを自動車または航空機のボディーに張り巡らし、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）の原理を利用してボディーの変形や損傷した箇所を検出する。光ファイバーにパルス光を入力し、パルス光の（群）遅延時間を解析することにより、変形箇所または変位を検出する。
図６５Ａは、本実施形態の光ファイバーセンサーを搭載した自動車の例を示す図である。図６５Ｂは、本実施形態の光ファイバーセンサーを搭載した飛行機の例を示す図である。いずれの例においても、ボディーの広い範囲に亘って光ファイバー３２０が張り巡らされている。
図６６は、光ファイバーセンサーの構成および動作原理を説明するための図である。光ファイバーセンサーは、励起光源３４０と、発光素子３１０と、光学シャッター９４０と、ハーフミラー９５０と、受光器９６０と、制御回路９７０と、光ファイバー３２０とを備える。発光素子３１０は、前述のいずれかの実施形態における発光素子と同様の構成を有する。発光素子３１０は、励起光源３４０からの励起光を受け、光を狭角に出射する。光学シャッター９４０は、発光素子３１０から出射された光の経路上に配置される。光学シャッター９４０は、例えば液晶層と、その両側の２つの電極層とを含む。光学シャッター９４０は、制御回路９７０から入力される駆動信号に応答して、発光素子３１０から出射した光を透過させる状態（透光状態と呼ぶ）と、当該光を遮断する状態（遮光状態と呼ぶ）とを切り替える。ハーフミラー９５０は、光学シャッターを透過した光の経路上に配置される。ハーフミラー９５０を透過した光は、光ファイバー３２０に導入される。ハーフミラー９５０で反射された光は、受光器９６０に入射する。受光器９６０は、例えばフォトダイオードを含み、受けた光の量に応じた電気信号（受光信号と称する）を出力する。制御回路９７０は、光学シャッター９４０の透光状態と遮光状態とを切り替える駆動信号を光学シャッター９４０に入力する。これにより、光学シャッター９４０からパルス光を出射させることができる。制御回路９７０はまた、受光器９６０から出力された電気信号を解析する。制御回路９７０は、例えばマイクロコントローラ（マイコン）などの、プロセッサを含む集積回路によって実現され得る。なお、図６６では、簡単のため、光ファイバー３２０は直線状の形状を有するものとして描かれている。
発光素子３１０と光学シャッター９４０との間、および光学シャッター９４０とハーフミラー９５０との間にレンズを設けてもよい。レンズによって発光素子３１０からの光が結像する位置に光学シャッター９４０を配置することにより、光学シャッター９４０を小型にでき、より高速に透光状態と遮光状態とを切り替えることができる。このような小型のシャッターは、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｓｙｓｔｅｍｓ）によって実現することができる。また、ハーフミラー９５０は、透過率と反射率とが完全に同じである必要はなく、これらが異なるビームスプリッタでもよい。
このような構成により、励起光によって励起された発光素子３１０から出射した光は、駆動信号を受けた光学シャッター９４０によってパルス光に変調され、ハーフミラー９５０を透過して光ファイバー３２０に入射する。その入射光は、ボディーに張り巡らされた光ファイバー３２０内を伝播し、光ファイバーが変形した部分において、少なくとも一部が反射される。その反射光はハーフミラー９５０によって受光器９６０に導かれる。受光器９６０は、その反射光の強度に応じた受光信号を制御回路９７０に送る。
図６７は、駆動信号および受光信号の時間変化の例を示す図である。制御回路９７０は、駆動信号と受光信号との間の遅延時間Δｔに基づき、光ファイバー３２０における端部から変形部分までの距離Ｌを測定する。距離Ｌは、次の式に基づいて計算される。
Ｌ＝光ファイバー３２０内の光速×遅延時間Δｔ／２
＝（光速ｃ／光ファイバー３２０の屈折率ｎ）×遅延時間Δｔ／２
この変形部分までの距離Ｌから、ボディーに張り巡らされた光ファイバー３２０のうち、変形部分の位置が特定できる。このため、事故などで変形した箇所を特定することができる。
本実施形態における発光素子３１０は、出射ビームの広がり角が非常に狭いため、光ファイバー３２０とのカップリング効率が高く、光損失が非常に少ない。このため、光ファイバー３２０内の非常に弱い反射光を検出することができ、検出器および電源回路を小型かつ軽量にすることができる。
なお、本実施形態では、光学シャッター９４０を制御することによってパルス光が生成されるが、本開示はこのような形態に限定されない。例えば、光学シャッター９４０の制御に代えて、励起光源３４０のオンおよびオフの状態を制御することによってパルス光を生成してもよい。
本実施形態では、変形箇所が１箇所であるものとしたが、変形箇所が複数の場合も変形箇所を特定できる。複数の変形箇所が存在する場合、反射光は位相および振幅の異なる複数のパルス光が合成されたものになる。その場合、受光信号に含まれる合成波を、例えばＦＦＴアナライザーによってフーリエ変換する等の処理により、個々の反射光を特定することができる。これにより、反射光ごとに遅延時間Δｔを求め、各変形部分までの距離Ｌを計算することができる。
［１１−８．その他の応用例］
次に、本開示の発光素子のその他の応用例を説明する。
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、液晶表示装置の導光板を利用するエッジライト型のバックライトとしても好適に用いられる。例えば、従来の指向性の低い光源を用いた場合には、光源から出射した光を反射板および／または拡散材により、導光板へ光を導入していた。特定方向の指向性が高い光源の場合、これらの光学部品を省略しても効率よく導光板へ光を導入することができる。
種々の光学デバイスにおいて、光源からの光を所定の方向に効率よく導く必要がある。そのために、例えば、レンズ、プリズムまたは反射板が用いられている。例えば、プロジェクターにおいては、光源からの光を表示パネルに導くために、ライトガイドを用いる構成が知られている（例えば、特開２０１０−１５６９２９号公報）。本開示の発光素子を光源に用いることによって、ライトガイドを省略することができる。
従来の照明器具は、等方的に発せられた光を所望の方向に導くために、レンズおよび／または反射板を含む光学部品が用いられる。これに対して、本開示の発光素子を用いることによって、これらを省略することが可能となる。あるいは、等方的な光に対する複雑な設計を、指向性の高い光に対する単純な設計に置き換えることができる。その結果、照明器具を小型化、あるいは、設計工程を簡略化することができる。
また、照明の分野では、彩光色照明および美光色照明という技術が開発されている。これらは、照明の対象の色を美しく見せるもので、彩光色照明は例えば野菜などの食品をよりおいしそうに見せる効果があり、美光色照明は、肌をより美しく見せる効果がある。これらは、いずれも光源のスペクトル（即ち、発光する光の波長の強度分布）を対象物に応じて制御することによって行われる。従来は、光学フィルタを用いて光源から出射された光を選択透過させることによって、照明に用いる光のスペクトルを制御していた。すなわち、不要な光を光学フィルタによって吸収させていたので、光の利用効率を低下させていた。これに対し、本開示の発光素子は、特定の波長の光を増強できるので、光学フィルタを必要とせず、その結果、光の利用効率を向上させることができる。
本開示の発光素子は、偏光（直線偏光）を出射することができる。従来、直線偏光は、光源から出射された非偏光を構成する直交する２つの直線偏光の内の一方を偏光フィルタ（「偏光板」ともいわれる。）を用いて吸収させることによって作られていた。したがって、光の利用効率は５０％以下であった。本開示の発光素子を偏光光源として用いれば、偏光フィルタを用いる必要がないので、光の利用効率を向上させることができる。偏光照明は、例えば、ショーウィンドウや展望レストランの窓ガラスなど、反射光を低減させたい場合に用いられる。また、皮膚表面の反射特性が偏光に依存することを利用した、洗面・化粧用の照明、さらには、内視鏡による病変部の観察を容易にするために用いられる。
偏光光源は、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる他、液晶プロジェクターの光源にも好適に用いられる。液晶プロジェクターの光源として用いる場合には、上述の波長選択性と組み合わせて、３原色の偏光を出射できる光源を構成することができる。例えば、赤色の直線偏光を出射する発光素子と、緑色の直線偏光を出射する発光素子と、青色の直線偏光を出射する発光素子とをつなぎあわせて円盤を形成し、この円盤に励起光を照射しながら、円盤を回転させることによって、時系列に赤、緑、青の三原色の偏光を出射する光源とすることができる。
本開示の発光素子は、図６８に模式的に示すように、透明表示装置のスクリーン１００Ｓとして用いることもできる。
スクリーン１００Ｓは、例えば、赤色光（Ｒ）を増強する発光素子と、緑色光（Ｇ）を増強する発光素子と、青色光（Ｂ）を増強する発光素子とで構成する画素がマトリクス状に配列されている。これらの発光素子は、励起光源１８０Ｓ１から対応する励起光（例えば紫外線）が照射されたときにだけ所定の色光を発光し、画像を表示することができる。各発光素子は、可視光を透過するので、観察者は、スクリーン１００Ｓを介して、背景を観察することができる。スクリーン１００Ｓに励起光が照射されないときは、透明な窓のように見える。励起光源１８０Ｓ１として、レーザーダイオードを用い画像データに合わせて、出力を変えながらスキャンさせることによって、高解像度の表示が可能となる。また、レーザー光はコヒーレント光であるので、周期構造と干渉させることによって、励起効率も高めることができる。また、紫外線などの好ましくない波長の光を励起光として用いる場合には、励起光源をスクリーン１００Ｓの観察者と反対側に設置し、スクリーン１００Ｓの観察者側に励起光をカットするフィルタを設けることによって、不要な光の漏洩を防止することができる。
スクリーン１００Ｓは、高い指向性を有し得るので、例えば、所定の方から観察する人だけが画像を観察できるように構成することができる。
励起光源１８０Ｓ１に代えて、励起光源１８０Ｓ２を用いることができる。このとき、スクリーン１００Ｓの背面（即ち、観察者側とは反対側）に、導光シートＳを配置し、導光シートＳに励起光源１８０Ｓ２から励起光を照射する。導光シートＳに入射した励起光は、導光シートＳ内を伝播しながら、スクリーン１００Ｓを裏面から照射する。この時、表示したい画像の部分に合わせて発光素子を配置すると、任意の画像をアクティブに表示することはできないが、励起光が照射されていない場合は、窓のように透明であり、励起光が照射された時にのみ画像あるいは図形や文字などが表示される表示機器を構成することができる。
また、本開示の発光素子では、例えば図８および図９を参照して上述したように、周期構造の屈折率が変化すると、増強される光の波長が変化し、増強される光の出射方向も変化する。また、フォトルミネッセンス層の屈折率によっても、増強される光の波長および出射方向が変化する。したがって、発光素子の近傍の媒質の屈折率変化を容易に感度良く検知することができる。
例えば、以下の様にして、本開示の発光素子を用いて、様々な物質を検出するセンサーを構成することができる。
本開示の発光素子の周期構造に近接して、測定対象の物質（タンパク質や匂い分子、ウィルスなど）と選択的に結合する物質（酵素など）を配置しておく。測定対象の物質が結合すると、発光素子の近傍の媒質の屈折率が変化する。この屈折率の変化を、上述の増強される光の波長または出射方向の変化をとして検出することによって、様々な物質の存在を検知することができる。
本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。
本開示の発光素子および発光装置は、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。
以上の説明において引用した全ての文献の開示内容全体は、本願明細書に援用される。
１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波層）
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
３００、３００ａ、３００ｂ 発光装置
３１０ 発光素子
３２０ 光ファイバー
３３０ レンズ
３４０ 励起光源
４００ 対象物（検体）
５００ 内視鏡システム
５１０ 挿入部
５１０ａ 先端部
５１７ 鉗子挿入口
５２０ 操作部
５３０ ケーブル
５４０ 励起光源
５５０ 処理装置
５６０ ディスプレイ
５７０ 撮像素子
５７０ａ 撮像面
５８０ 信号線
５８５ ライトガイド（光ファイバー）
５９０ 観察用開口
５９２ 照明用開口
５９４ 鉗子用開口
５９６ 給気・給水ノズル
６００ 光源装置
６４０ 照明部
６４２ 照明窓
６５０ 宇宙探査機
６６０ 照明部
６７０ 水槽
６８０ 光分岐装置
６９０ 光コネクタ
７１０、７１０ａ 電源ケーブル
７２０ 通信ケーブル
７３０ レーザー電源
７４０ レーザーダイオード（励起光源）
７５０ レンズ治具
７６０ ファイバー治具
７７０ 発光素子治具
７８０ ＬＥＤ電源
７９０ ＬＥＤ（励起光源）
８１０ 発光ユニット
８２０ 励起光源ユニット
９１０ 発光素子
９２０ 回転機構
９４０ 光学シャッター
９５０ ハーフミラー
９６０ 受光器
９７０ 制御回路

Claims (18)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、
    を備え、
    前記発光素子は、
    励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
    前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
    発光装置。
  2. 励起光源と、
    発光素子と、
    前記励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる光ファイバーと、
    を備え、
    前記発光素子は、
    前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
    前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第１の光の指向角を制限する、
    発光装置。
  3. 前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第１の発光領域と、青色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第２の発光領域と、を含む、
    請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記第１の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属し、
    前記第２の発光領域は、
    前記励起光を受けて空気中の波長がλbの第２の光を含む光を発する他のフォトルミネッセンス層と、
    前記他のフォトルミネッセンス層に近接して配置された他の透光層と、
    前記他のフォトルミネッセンス層および前記他の透光層の少なくとも一方の表面に形成された他の表面構造と、を有し、
    前記波長λbは、青色の波長帯域に属し、
    前記他の表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλbの前記第２の光の指向角を制限する、
    請求項３に記載の発光装置。
  5. 前記第１の発光領域および前記第２の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に並んでいる、請求項３または４に記載の発光装置。
  6. 前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる発光領域を有し、
    前記励起光は、青色の波長帯域の光であり、前記励起光の一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直に入射して透過する、
    請求項１または２に記載の発光装置。
  7. 前記発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属する、請求項６に記載の発光装置。
  8. 前記青色の波長帯域は、４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下であり、
    前記緑色の波長帯域は、５００ｎｍ以上５７０ｎｍ以下である、
    請求項３から７のいずれかに記載の発光装置。
  9. 発光素子と、
    前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
    を備え、
    前記発光素子は、
    透光層と、
    前記透光層の表面に形成された表面構造と、
    前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
    前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
    発光装置。
  10. 発光素子と、
    前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
    を備え、
    前記発光素子は、
    前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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い屈折率を有する透光層と、
    前記透光層の表面に形成された表面構造と、を有し、
    前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
    発光装置。
  11. 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１０のいずれかに記載の発光装置。
  12. 発光素子と、
    前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第１の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第２の光ファイバーの少なくとも一方と、
    を備え、
    前記発光素子は、
    前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第１の光を含む光を発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の表面に形成された表面構造と、を有し、
    前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
    発光装置。
  13. 前記表面構造における隣接する２つの凸部の中心間距離または隣接する２つの凹部の中心間距離をＤint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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ、
    請求項１から１２のいずれかに記載の発光装置。
  14. 前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を含み、前記周期構造の周期をＰa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ｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ、
    請求項１から１３のいずれかに記載の発光装置。
  15. 請求項１から１４のいずれかに記載の発光装置と、
    前記発光装置における前記発光素子から出射され、対象物で反射された光を受けて受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子と、
    を備える内視鏡。
  16. 長尺状の挿入部をさらに備え、
    前記発光素子および前記撮像素子は、前記挿入部内に設けられている、
    請求項１５に記載の内視鏡。
  17. 前記撮像素子の撮像面に対向して配置され、前記対象物からの反射光を前記撮像面に集束させる光学系をさらに備える、請求項１５または１６に記載の内視鏡。
  18. 請求項１５から１７のいずれかに記載の内視鏡と、
    前記内視鏡における前記撮像素子に電気的に接続され、前記電気信号に基づいて画像信号を生成して出力する処理装置と、
    前記処理装置に電気的に接続され、前記画像信号に基づく画像を表示するディスプレイと、
    を備える内視鏡システム。
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