JP2016534554A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

提供される照明装置(100, 150, 200, 300)は：アンテナアレイ面に配置される個々の複数のアンテナ要素(106)を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイ(114)であって、個々のアンテナ要素における局在化した表面プラズモン共鳴の回折結合から生じる第1波長の表面格子共鳴を維持するように構成される、周期的なプラズモニックアンテナアレイ；第1波長でフォトンを放出するように構成されるフォトンエミッタ(152)であって、放出されるフォトンの少なくとも一部が、フォトンエミッタ及びプラズモニックアンテナアレイを有する結合システムから放出されるように、プラズモニックアンテナアレイに近接して配置されるフォトンエミッタ；を有し、プラズモニックアンテナアレイは、プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するような面外非対称性のプラズモン共鳴モードを有するように構成される。

Description

本発明は照明装置に関連する。特に、本発明は、改善された放射特性を有する照明装置に関連する。

照明用途に使用する発光ダイオード(LED)の場合、白熱ランプにより生成されるものにほぼ匹敵する色温度を有する本質的に白色光を提供することが望ましい。

LEDからの白色光は、450nm付近の波長を有する青色光を放出するpnダイオードを利用することにより一般的には提供され、その青色光の一部は、ダイオードの上端又は近辺に配置される1つ以上の波長変換材料を利用して、より長い波長に変換される。変換された光と吸収されてない青色光とを混合することにより、白色光として知覚される妥当なブロードバンドスペクトルが取得されることが可能である。

現在、ほとんどの商用アプリケーションでは、波長変換材料はLED上に直接的に適用される。更に、波長変換材料は、角度による色の変動性を小さくするために散乱性(scattering)であるべきである。これは、青色光もダイオードの方へ散乱され、LEDにおける吸収損失を招いてしまうことを意味する。更に、一般的には燐光体である波長変換材料の実際のコンポーネントは、等方性のエミッタであり、これは、同じ量の波長変換光が全ての方向に放射されることを意味する。これは、発光装置の出力表面から光の一部分しか出て来ないという更なる損失を招く。

損失を減らす課題は、例えば、あまり分散しない燐光体を利用し、後方散乱してダイオードにより吸収されてしまう青色光の量を減らすことにより対処されている。しかしながら、燐光体からの等方的な放射はそのまま残る。

発光装置を後にする光の量は、放出方向が修正可能なフォトニックバンドギャップ材料を導入することにより、増やされてもよい。しかしながら、放射方向の制御を可能にするために、フォトニックバンドギャップ材料は、高い屈折率コントラストを有する材料から形成される必要があり、高いアスペクト比の孔又は柱がパターニングされ形成されなければならず、サイズの制御が非常に厳しく、更に、その材料は発光性でなければならない(これは散乱損失を被ることになる)。更に、フォトニックバンドギャップ材料は、材料の表面に垂直な面内(すなわち、ホール又はピラーに平行な方向)でのみ真に有効である。

従って、発光装置の放射効率を増やすように示唆されるアプローチは、克服することが困難な本質的な欠点を抱える。

発光装置の上記の所望の特性、及び、従来技術の上記ないし他の欠点に関し、本発明の課題は、改善された発光装置を提供することである。

本発明の第1側面により提供される照明装置は：アンテナアレイ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイであって、前記個々のアンテナ要素における局在化した表面プラズモン共鳴の回折結合から生じる第１波長の表面格子共鳴を維持するように構成される、周期的なプラズモニックアンテナアレイ；前記第１波長でフォトンを放出するように構成されるフォトンエミッタであって、放出されるフォトンの少なくとも一部が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムから放出されるように、前記プラズモニックアンテナアレイに近接して配置されるフォトンエミッタ；を有し、前記プラズモニックアンテナアレイは、前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するような面外非対称性のプラズモン共鳴モードを有するように構成される、照明装置である。

プラズモニクスのフィールド(field)は、典型的には金属構造である小さな伝導構造の光との相互作用に関連し、これにより、金属構造のそのサイズは光の波長に類似する。金属の伝導電子は外的な電場に応答し、電子は、駆動する光周波数で振動することが可能であり、より正に帯電した領域を後にし、電子が引き出される。金属構造の小さなサイズに起因して、共鳴は可視光の周波数に達することが可能である。その結果、金属構造は、そこに入射する何らかの光、又は、金属粒子の近辺に生じる光との強い相互作用を可能にする大きな散乱断面積を有する可能性がある。

規則的な配列(アレイ)は放射の指向性における強力な改善を示し、ハイブリッド結合LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance)及びフォトニックモードに寄与することが、発見されている。

光アンテナの整列したアレイは、集団的な共鳴を維持(サポート)する。放射の波長がアレイの周期のオーダーである場合、ある回折次数はアレイの面内で放射することを可能にする。このように個々の粒子により維持される局在化される表面プラズモンポラリトン(localized surface plasmon polaritons)は、回折により結合し、集団的な、格子により誘発される、ハイブリッドフォトニックプラズモニック共鳴をもたらし、これは表面格子共鳴(surface lattice resonances：SLRs)として知られる。これらの非局在化モードは、幾つものセル単位にわたって広がり、ソリッドステート照明に必要であるような大きな体積にわたって分散するエミッタからの放射の集団的な改善を得ることを可能にする。

本願では、集団的なナノアンテナとして振る舞うナノ粒子の周期アレイが利用される。そのようなアレイは集団的なプラズモニック共鳴を維持する。一方、金属ナノ粒子は大きな散乱断面積を有し、波長変換材料における燐光体の共鳴励起を許容し、光の変換を促す。他方、集団的なプラズモニック共鳴は、放射の角度パターンの整形を可能にし、所定の方向における非常に狭い角度範囲内にほとんどの光ビームを向ける。従って、波長変換媒体の励起における効率の増進と、拡張されたプラズモニックフォトニックモードに対するリン光体の放出のアウトカップリング効率、及び、以後の自由空間放射に対するアウトカップリング効率の改善との組み合わせとして、指向性の改善が説明される。

プラズモニックアンテナアレイの機能についての更なる詳細な記述については、WO2012/098487に見受けられる。

面外非対称な(out-of-plane asymmetric)共鳴モードを維持するようにプラズモニックアンテナアレイを構成し、アンテナアレイの近辺にフォトンエミッタを配置することにより、異方性の光分布が達成可能になるという理解に、本発明は基づいている。本発明の文脈において、面外非対称性は、アンテナアレイの面に対して反対方向から励起される場合に、共鳴モードの電磁場が異なり、アンテナアレイから放出される光の非対称な角度分布を導出することを意味する。従って、放射の異方性は、フォトンエミッタに向かう方向と比較した場合に、アンテナアレイから放出される光の大部分が、フォトンエミッタから遠ざかる方向に放射され、生成されるフォトンの大部分が照明装置から解放されるように構成されることが可能である。従って、再吸収は減り、より高い効率が達成され、フォトンエミッタから生じる多くの光が照明装置から放出される。更に、異方性の角度分布は、アンテナアレイにより放射される光の指向性を制御することも可能にし、光の大多数がアンテナアレイの面に対して比較的狭い角度範囲内に放射されるようになる。これは、所定の所望の方向に放出光を仕向けることが望まれるアプリケーションでは特に有利である。従って、プラズモニックアンテナアレイは、効率的でコンパクトな二次的コリメート光学機器として照明装置に統合されることが可能である。従って、プラズモニックアンテナアレイは、コリメート光学機器を置換できる点で有益である。

放出光の指向性を増進させるプラズモニックアンテナアレイは、例えば、層の厚みや寸法を注意深く調整する必要があるフォトニック結晶の観点からも恩恵を提供する。

本発明の特定の利点は、ハイブリッド結合LSPR及びプラズモニックアンテナアレイのフォトニックモードの空間的な広がりがフォトンエミッタに重複するようにフォトンエミッタを構成することにより、放出されるフォトンの方向が、上述したのと同じ方法でプラズモニックアンテナアレイにより制御されるように、放出されるフォトン及びプラズモニックアンテナアレイ間のカップリング(結合)が生じる点である。

従って、フォトンエミッタ及びプラズモニックアンテナアレイの間でカップリングが生じるように構成されるフォトンエミッタに関し、放出されるフォトンは、フォトンエミッタ及びプラズモニックアンテナアレイを有する結合システムから放出されるように見える。一般に、励起状態にあるフォトンエミッタは、直接的にフォトンを放出する、或いは、プラズモニックアンテナアレイのモード及びフォトンエミッタの間でカップリングが生じる結合放出によりフォトンを放出する。

フォトンエミッタのアンサンブル(集合)が使用され、個々のフォトンエミッタが異なる放出波長を有するアプリケーションでは、プラズモニックアンテナアレイは、特定の波長の指向性が強化されるように構成され、これにより、アンテナアレイにより決定される少なくとも特定の放射角度範囲に関し、照明装置から放射される結果のスペクトルを制御することも可能にする。

フォトンエミッタは、何らかの原子、分子、粒子又は構造として理解されるべきであり、エネルギーの追加によりエネルギーを励起状態まで上げることが可能であり、低いエネルギー状態への緩和(relaxation)はフォトンの放出によりなされる。

一般に、フォトルミネッセンスの改善(PLE)は、アレイの欠如において、同じフォトンエミッタのフォトルミネッセンスによりノーマライズされるアレイ上に配置されるフォトンエミッタから測定されるフォトルミネッセンス強度として規定され、PLEはフォトンエミッタの放射周波数での励起において生じる現象を説明する。一方、PLEは、フォトンエミッタが位置する場所及び励起波長におけるローカルフィールド(局所的な場)に依存する。一方、放射は次の(i)及び(ii)の組み合わせ効果に起因して修正される：(i)エミッタが放射波長での放出を減衰させることが可能な光状態の局所的な密度、及び、(ii)特定の立体角における自由空間放射に対するその放射のアウトカップリング。

更に、燐光体エミッタでは、指向性の改善に加えて、エミッタの照射周波数における共鳴に起因して、プラズモニクスは、ポンピング周波数における共鳴励起により、エミッタについての改善された励起効率/吸収断面積も提供する。

更に、アンテナアレイは、ロングレンジ対称性を示すアンテナ要素の規則的な格子として形成される。しかしながら、異方性の光分布の所望の効果を達成しつつ、アンテナアレイについてのある程度の非対称性が許容される。

アンテナアレイの共鳴周波数及び帯域幅は、アンテナ要素の分布(すなわち、格子、アンテナ要素の配置(形状)、アンテナ要素が形成される材料)により、及び、アンテナアレイの近辺の層の材料及び構成により、支配される。従って、上述したパラメータを調整することにより、所望の共鳴周波数及び帯域幅が達成されることが可能である。本願の文脈では、狭い周波数バンドは、数ナノメートルの波長範囲に対応する共鳴周波数として理解されることが可能である。カラーレンダリングのLEDアプリケーションでは、(30nmのFWHMに及ぶほどの)より広い共鳴も有用である。

本発明の一実施形態によれば、放出されるフォトンの過半数が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムにより放出されるように、前記フォトンエミッタは前記プラズモニックアンテナアレイから距離をおいて配置される。プラズモニックアンテナアレイのハイブリッドモード及び放出されるフォトンの間にカップリングが生じる場合、フォトンのエネルギーはアレイに転送され、その結果の放出の方向はアレイの特性により支配される。共鳴モードへの放出光の高いカップリング効率が望まれる。特に、エミッタ及びプラズモニックハイブリッドモードの間のカップリング効率を最大化することが望ましい。プラズモニックアンテナアレイの十分近くにフォトンエミッタを選択的に配置することにより、強固なエミッタ・アンテナカップリングの形態に入ることなく、カップリング効率が増進される。

高いカップリング効率を達成するため、フォトンエミッタとプラズモニックアンテナアレイの1つ以上のアンテナ要素との間の距離は、好ましくは5マイクロメートル未満であり、より好ましくは2マイクロメートル未満である。フォトンエミッタ及びアンテナアレイ間の適切な距離は、屈折率により補正される有効波長の観点から決定されることも可能である。そして、その距離は、有効波長の高々10個分であってもよく、別の実施形態では有効波長の高々6個分であってもよい。代替的又は追加的に、その距離は、クエンチングを回避するように10ナノメートルより大きいことが有利である。

本発明の一実施形態では、前記フォトンエミッタは、有利なことに、外部エネルギー源により励起されるポイントエミッタであってもよく、前記ポイントエミッタは、希土類イオン、色素分子、及び、量子ドットを含む群から選択される。原則として、励起がフォトンの放出をもたらす任意のポイントエミッタが本願の状況で使用されてよい。

本発明の一実施形態によれば、外部エネルギー源は、有利なことに、電子エミッタ、X線エミッタ又はガンマ線エミッタを含んでもよい。原則として、十分に高いエネルギーを有する電子、X線又はガンマ線、熱、電子正孔対の注入などのような任意の外部エネルギー源が、ポイントエミッタを励起するために使用されてよい。例えば、電子は、陰極線管(CRT)により放出されてもよく、X線及びガンマ線は例えば真空管から提供されてもよく、例えば、X線についてはコンピュータトモグラフィ(CT)及びガンマ線についてはポジトロン放出トモグラフィ(PET)が使用されてもよい。

本発明の一実施形態において、前記フォトンエミッタは、有利なことに、発光ダイオード(LED)又はソリッドステートレーザーであってもよい。例えば、バーレーザー(bar laser)がフォトンエミッタとして使用される場合、放出されるフォトンの方向は、レーザー閾値が低減されるように、レーザーバーの所望のウェーブガイドモードで放出されるように制御されてもよい。LEDに関し、放出されるフォトンは半導体の逃げ円錐(エスケープコーン)(escape cone)の中にあり、これにより、装置の光取り出し効率を増進し、輝度の増加を許容する。その利点は、僅かな光しかLED内に反射されず、損失の低減をもたらす。

本発明の一実施形態では、前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するように前記プラズモニックアンテナアレイが構成され、前記アンテナアレイ面に垂直な第1方向に放出される光の第1部分は、前記アンテナアレイ面に垂直な第2方向に放出される光の第2部分より多く、前記第2方向は前記第1方向と反対である。面外非対称性の構成を選択することにより、反対方向に放出される光と比較して、生成されるフォトンの内のより多くの部分が、装置の外方に放出されるように、或いはその逆になるように、発光装置から生じる光放出を制御することが可能である。平面に垂直な第1方向に放出される光は、その平面に垂直な法線を中心とする或る角度範囲内で放出される光として解釈されるべきである。

更に、本発明の一実施形態では、前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するように前記プラズモニックアンテナアレイが構成され、前記アンテナアレイ面に関する第1方向における第1角度分布は、前記アンテナアレイ面に関する第2方向における第2角度分布と相違し、前記第2方向は前記第1方向と反対である。これにより、例えば特定のビーム形状又はパターンが望まれる場合に、光の分布が制御されることが可能である。異方性の角度分布は、有利なことに、放出されるフォトンの大部分が所望の方向に放出されるように、上記のフォトン量に関する角度分布の相違と組み合わせられ、その方向では、放出される光が、アンテナアレイの構成に依存するビーム形状を有する。

本発明の一実施形態によれば、前記アンテナ要素は第1屈折率を有する第1層上に配置され、前記アンテナ要素は、前記第1屈折率とは異なる第2屈折率を有する第2層内に埋め込まれてもよい。上記の面外非対称な共鳴モードを達成する方法の1つは、非対称な誘電体特性を有する環境の中にアンテナ要素を配置することである。材料の周波数依存性の誘電定数は、材料の屈折率に関連し、照明用途で使用するのに適した異なる屈折率を有する材料は、誘電定数の相違により、非対称な電磁環境がアンテナアレイにより体験されるように、選択されることが可能である。更に、粒子アレイ内の放射カップリングは、アレイの面内を伝播する回折次数(diffracted orders)及びフォトニック構造により維持される導波モード(guided modes)により、強化されることが可能である。後者は、薄い誘電体層における導波モードと導波層の近辺のアンテナアレイのLSPRとのハイブリッド化から成る。これらのハイブリッドモードは導波管構造を必要とし、すなわち、導波層の屈折率は周囲の材料のものより高くなっている必要がある。

本発明の実施形態では、前記アンテナ要素は第1層上に配置され第2層に埋め込まれてカバーされ、前記第2層上に第3層が配置され、前記第3層は前記第2層の屈折率とは異なる屈折率を有してもよい。

非対称な誘電体環境は多種多様な方法で達成されもよく、異なる誘電体特性を有する材料層の代替的な配置が、所望の非対称性を達成するために使用されてもよい。例えば、異なる材料のスタックが使用されてもよい。原則として、アンテナ要素に関連する異なる層の境界の正確な位置は重要ではなく、その理由は、共鳴モードは各自のモード特性に関連する誘電体特性の平均を体験するからである。

モード特性は、電場の空間分布に関連する。相互の関係により、波長変換層の特定の波長変換分子からの所定方向への放射強度は、上記の方向からアレイに入射する平面波に起因するそのエミッタの場所での局所的な電界強度に等しい。これは、数値的な3次元時間領域有限差分(finite-difference in time- domain：FDTD)シミュレーションにより示される。特に、この共鳴の電場向上はポリマ層を上回って伸び、アレイ平面に垂直な方向における光-物質相互作用の増進を招くことが分かる。更に、特定の幾何学に関し、波長変換層の電場向上は、その構造が、反対側からでなく基板側から照明される場合よりも大きい。ローカルフィールド強度改善の異方性の振る舞いは、後方放出転送に対する非対称性を準備する。

本発明の一実施形態において、波長変換材料は上記の第3層で構成されてもよい。これにより、波長変換層はアンテナ要素を囲まない。更に、第2層は、アンテナ要素の各々の上方に少なくとも10nmだけ伸び、波長変換材料がアンテナ要素に全く接触しないことが保証される。これは、波長変換材料がアンテナ要素の共鳴モードを乱すかもしれない場合に有利である。

本発明の一実施形態によれば、複数のアンテナ要素の各々は、有利なことに、非対称な形状を有してもよい。必要な面外非対称性のプラズモン共鳴モードを達成する代替方法は、アンテナ要素を非対称にすることである。これにより、各アンテナ要素に対する結果の共鳴モードは非対称になり、非対称な光放出特性をもたらす。アンテナ要素の非対称な形状は、アンテナ要素の縦軸に平行な面内におけるそのような要素の断面(すなわち、「直立する」アンテナ要素の縦断面)の非対称性に関連する。

本発明の一実施形態において、前記複数のアンテナ要素の各々は、有利なことに、ピラミッド、先端が断ち切られたピラミッド、円錐、又は、先端が断ち切られた円錐の形状を有してもよい。アンテナ要素の先細り(テーパー化)は、放射の異方性にとって重要である。特に、異方性は、アンテナ要素の電場及び磁場共鳴の同時励起に基づく。以下において更に説明されるように、それは、主に、崩れた対称性により強化される磁気的及び電磁的(クロスカップリング)応答である。磁気的な応答は、入射光の磁場に対するアンテナ要素の応答であり、「電磁的」は、入射磁場による電場の励起又はその逆に関連する。

単独の磁気双極子に結合される単独の電気双極子は、ダイポールの相対位相に応じて前方/後方散乱比を適合させることが可能であることが、電気力学で知られている。典型的には、多くの材料は光学周波数で磁気的な応答を持たず、従ってその効果は光に対して分かりづらい。しかしながら、金属ナノ構造は、これらの電気特性に匹敵する強度の磁気的な励起を維持するように設計されることが可能である。更に、これら2つの励起はクロスカップリングし、磁気的電気的応答をもたらす。

アンテナ要素のテーパー化を増やすこと(ここで、テーパー化は上面の直径に対する底面の直径の比率を示す)は、磁気的及び電磁的応答の双方を増やす。従って、テーパー化を増やすことにより、2つの応答は増やされ、増加した異方性を示すアンテナアレイを設計することが可能である。これらの構造からの放射の異方性は、同様な振幅の電磁励起を有するものを当てにすることにも留意を要する。

本発明の一実施形態において、前記の先端が断ち切られたピラミッドの形状のアンテナ要素が、100ないし300nmの範囲内にある底面の辺の長さと、30ないし150nmの範囲内にある上面の辺の長さとを有し、前記の先端が断ち切られた円錐の形状のアンテナ要素が、100ないし300nmの範囲内にある底面直径と、30ないし100nmの範囲内にある上面直径とを有してもよい。

更に、アンテナ要素は、有利なことに、50ないし400nmの範囲内、好ましくは100ないし200nmの範囲内にある高さを有してもよい。一般に、上記のサイズの範囲に関し、可視スペクトルの赤方端の方に寄って共鳴する大きなアンテナ要素と比較し、より小さなアンテナ要素に基づくアレイは可視スペクトルの青方端の方に寄って共鳴する。

アンテナ要素のサイズは、局在化されるプラズモン共鳴にとって重要である。底面及び上面は局在化されるモードをサポートし、上面及び底面のサイズの相違は、アンテナの結合されるローカル共鳴を広げる。

先端が断ち切られたアンテナ要素の上面及び底面に関して様々な共鳴が存在し、上面及び底面の共鳴は互いに結合することが可能である。すなわち、アンテナ要素の高さは、位相遅延を導入し、共鳴のカップリングを支配し、これにより、部分的に電磁共鳴に起因して部分的に遅延に起因して、異方性を決定する。

本発明の一実施形態によれば、アンテナ要素は、有利なことに、金属を含んでもよく、特に、アンテナ要素は有利なことにAg、Al、Ga又はAuを含んでもよい。アンテナ要素を形成する材料は、好ましくは、可視光に対応する周波数で局在化されるプラズモンを維持すべきである。一般に、Auはスペクトルのうち赤ないし近赤外部分に特に相応しく、Agはスペクトルのうち緑ないし赤の部分に相応しく、Alはスペクトルの可視領域を超えて紫外線に広がるプラズモン共鳴を許容する。

誘電体材料から形成されるアンテナ要素を利用することも可能である。しかしながら、誘電体アンテナ要素を有するそのようなアンテナアレイは、金属のアンテナ要素を有するアンテナアレイと比較して、狭い帯域幅を有する共鳴をもたらすであろう。

本発明の一実施形態によれば、照明装置は、有利なことに、前記照明装置の第1部分における第1の周期的なプラズモニックアンテナアレイと、前記照明装置の第2部分における第2の周期的なプラズモニックアンテナアレイとを有し、前記第1の周期的なプラズモニックアンテナアレイは第1波長範囲の面外非対称なプラズモン共鳴モードを有するように構成され、前記第2の周期的なプラズモニックアンテナアレイは、前記第1波長範囲とは異なる第2波長範囲の面外非対称なプラズモン共鳴モードを有するように構成される。広い波長範囲にわたって光が非等方的に放射される照明装置を提供するために、異なる波長範囲の放射のために特化された2つ以上の別個のプラズモニックアンテナアレイを設けることが有利であるかもしれない。そのような照明は、1つのアンテナ装置が例えば可視スペクトルのような広い波長範囲で光を提供するために使用される場合と比較して、より効率的である。

2つ以上のプラズモニックアンテナアレイは、放射波長に影響を及ぼす上記のパラメータのうちの1つ以上(例えば、材料、アンテナ要素の配置(幾何学)及び形状、アレイの格子配置(幾何学)、誘電体環境など)に関して異なっていてよい。

本発明の一実施形態において、照明装置は、有利なことに、同一面内で重なることなく配置される第1及び第2の周期的なプラズモニックアンテナアレイを有してもよい。同じアンテナアレイ面内で重なる金属アンテナ要素を有する2つの異なるアンテナアレイは、互いに邪魔し合い、放射の異方性の効率が減少するので、従って、照明装置の異なる領域の部分をカバーする同一面内で、そのような2つのアレイを互いに隣接して配置することが有利である。しかしながら、金属のアンテナ要素を有する第1アンテナアレイは、有利なことに、アンテナ要素が誘電体材料を有する第2アンテナアレイと重なってもよい。誘電体アレイによる狭いバンド共鳴は、金属アンテナアレイのプラズモン共鳴と重ならないように及び邪魔しないように調整されることが可能である。その代わりに、有利なことに、誘電体アレイが金属アレイの改善を促すために使用されることが可能である。放射プロセスは、放射周波数及び励起周波数という2つの異なる周波数に係わる。従って、全体的な放射改善は、放射の改善及び励起の改善(又はポンプ改善)という2つの寄与に分けることが可能である。放射波長変換層の吸収、及び、その後の放出は、波長変換分子が存在する空間領域において、ポンピング周波数での全体的な近接電界強度の改善により増進されることが可能である。金属ナノ粒子はその伝導性に起因して本来的な損失を招くので、波長変換層における光吸収を最大化する一方、金属で吸収されるパワーを最小化することが必要とされる。この点は、ある誘電体材料をなすナノ粒子を用いることにより完全に克服でき、その理由は、ポンピング周波数で如何なる寄生吸収も招かない誘電体の選択が可能であるからである。

本発明の一実施形態では、有利なことに、第1及び第2の周期的なプラズモニックアンテナアレイが、異なる面に配置されてもよい。異なる面内に別々に構成されたアンテナ要素を配置することにより、即ち、アレイのスタックを提供することにより、より広い波長範囲での異方性放出が、特定の装置から提供される。

本発明の更なる特徴及びそれに伴う利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を学ぶことにより更に明らかになるであろう。本発明の様々な特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、以下に説明されるもの以外の形態をもたらすように組み合わせられてよいことを、当業者は認める。

本発明のこれら及び他の側面は、本発明の実施例を示す添付図面に関連して以下に詳細に説明される。
図1a-cは本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。 図1a-cは本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。 図1a-cは本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。 図2a及び2bは本発明の代替実施形態による照明装置を概略的に示す。 図2a及び2bは本発明の代替実施形態による照明装置を概略的に示す。 図3は本発明の代替実施形態による照明装置を概略的に示す。 図4a-dは本発明の実施形態による照明装置の要素を概略的に示す。 図4a-dは本発明の実施形態による照明装置の要素を概略的に示す。 図4a-dは本発明の実施形態による照明装置の要素を概略的に示す。 図4a-dは本発明の実施形態による照明装置の要素を概略的に示す。 図5a-bは本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。 図5a-bは本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。 図6は本発明の実施形態による照明装置を概略的に示す。

本発明の実施形態が示される添付図面に関連して、以下、本発明が十分に説明される。しかしながら、本発明は多種多様な形式で組み込まれてよく、ここで説明される形態に限定されるように解釈されるべきでない；むしろ、これらの実施形態は、充実性及び完全性のため及び当業者に発明の意図を十分に伝えるために提供される。図中、同様な参照文字は同様な要素を指す。

図1aは照明装置150の概略的な図であり、照明装置150は周期的なプラズモニックアンテナアレイ(periodic plasmonic antenna array)114に近接して配置される複数のフォトンエミッタ152を有し、アンテナアレイ114は図1cに示されるようなアンテナアレイプレートに配置される個々の複数のアンテナ要素106を有する。アンテナアレイ114はここでは基板108上に配置され、基板108はフォトンエミッタ102を構成するように示されている。

フォトンエミッタとプラズモニックアンテナアレイの1つ以上のアンテナ要素との間の距離は、好ましくは5マイクロメートル未満であり、他の実施形態では有効波長10個分未満であり、更に他の実施形態では有効波長6個分未満である。追加的又は代替的に、その距離は、クエンチング(quenching)を回避するために10ナノメートルより大きいことが有益である。フォトンエミッタとプラズモニックアンテナアレイとの間の距離は、一般に、既知の製造方法を利用して非常に適切に制御されることが可能である。フォトンエミッタとアンテナアレイのアンテナ要素との間の距離は、任意の方向から、例えばアンテナ要素の上端面、側面又は底面に至るように測定されてよい。

ここで、フォトンエミッタ102は、外部エネルギー源により励起されることが可能なポイントエミッタ(point emitter)として示されている。ポイントエミッタは、例えば、希土類イオン、色素分子又は量子ドットであってもよい。ポイントエミッタを励起するための外部エネルギー源は、例えば、電子エミッタ、X線エミッタ又はガンマ線エミッタであってもよく、或いは、ポイントエミッタは電子正孔対(electron-hole pairs)の注入により励起されてもよい。

原則として、任意の外部エネルギー源が、ポイントエミッタを励起するために使用されてよく、例えば、十分に高いエネルギーを有する電子、X線、ガンマ放射線、熱、電子正孔対の注入などであってよい。電子は例えば陰極線管(CRT)により放出されてもよく、X線及びガンマ線は例えば真空管から提供されてもよく、例えばX線についてはコンピュータ断層撮影(Computed Tomography：CT)及びガンマ線についてはポジトロン放出断層撮影(Positron Emission Tomography：PET)であってもよい。

しかしながら、フォトンエミッタは、例えばLED又はソリッドステートレーザーのような同様に適切なアクティブコンポーネントであってよく、そのコンポーネントからの光子放出を達成するように、電子エネルギーが外部エネルギー源から提供される。

図1bは照明装置100の概略図であり、照明装置100は、第1波長の光を発光するように構成される光源102の形式による外部エネルギー源と、光源に隣接して配置される波長変換層104とを有し、波長変換層104は、光源からの光を受信し、光を第1波長から第2波長へ変換する。波長変換層104は、第1波長を有する光を第2波長を有する光へ変換する分子又は粒子の形式で波長変換媒体を有する。ここで、波長変換媒体内の分子又は粒子は、フォトンエミッタに対応し、この例では光源102からの光により励起される。フォトンエミッタとプラズモニックアンテナアレイとの間の距離は、例えば、波長変換層の厚みを制御することにより、或いは、層内のフォトンエミッタの分布を制御することにより、制御されることが可能である。更に、波長変換層104は、照明装置100から光を放出する放出層として言及されてもよい。当業者に既知の様々なタイプの波長変換材料が使用されてよい。波長変換材料は、蛍光材料、リン光材料又は染料(dyes)などと言及されてもよい。本願では、波長変換フォトンエミッタとして量子ドットや希土類イオンを利用することも可能である。ここで、光源102は、光がそこから放出される領域として示され、例えば、半導体基板108に形成される半導体発光ダイオードである。しかしながら、外部エネルギー源102も同様に適切な個別素子(例えば、発光ダイオード又はレーザー)であってもよく、個別素子は、波長変換材料から及び照明装置の残りの部分から或る距離の位置に別々に配置される。照明装置100は周期的なプラズモニックアンテナアレイ114を更に有し、アンテナアレイ114は、図1bに示されるようなアンテナアレイ面に配置される個々の複数のアンテナ要素106を有する。アンテナアレイはここでは基板108上にかつ波長変換層104内に配置され、フォトンエミッタ及びアンテナアレイを有する結合システムによりフォトンが放出されるように、フォトンエミッタに結合される。従って、アンテナアレイは、フォトンエミッタにより放出されるフォトンの波長で表面格子共鳴(surface lattice resonances)を維持するように構成され、そのフォトンは、個々のアンテナ要素に局在する表面プラズモン共鳴の回折結合(diffractive coupling of localized surface plasmon resonances)から生じる。図1a-cにおいて、アンテナ要素106は正方形断面を有するかのように描かれているが、アンテナ要素は同様に適切な多角形断面又は円形断面を有してもよい。更に、プラズモニックアンテナアレイから放出される光が光分散110として示される異方性の角度分散を有するように、プラズモニックアンテナアレイは面外非対称(out-of plane asymmetric)であるプラズモン共鳴モードを有するように構成される。プラズモニックアンテナアレイ114からの非等方的な角度分布は、アンテナアレイ114により放出される光のうち、基板の方に向かって放出されるものより多くの光が、照明装置の放射面112に向かって放出されるという効果を有する。プラズモニックアンテナアレイは、反対の効果をもたらすように構成されることも可能であり、すなわち、アンテナアレイにより放出される光の多くが、光放出面に向かって放出されるものと比較した場合に、基板の方に向かって放出されてもよい。これは例えば透明基板を用いる場合に有益であるかもしれない。また、光放出面112から放出される光の角度分布は、光が所定の角度範囲内で(角度116で示される)放射されるように、制御されることが可能である。

面外非対称なプラズモン共鳴モードは、層の屈折率を選択することにより、図1aないし1cにおいて示されるように達成されることが可能であり、その層内でプラズモニックアンテナアレイは基板108の屈折率と相違しているように構成される。

面外非対称なプラズモン共鳴モードは、図2a及び2bの照明装置200に示されるような非対称なアンテナ要素を利用することにより達成されることが可能であり、そこでは先端が断ち切られた円錐アンテナ要素202が示されている。他の非対称な形状も可能であり、例えば、円錐状、ピラミッド状、又は、何らかの多角形底面を有する角錐体の先端を断ち切ったもの等であってもよい。

図3は照明装置300を示し、アンテナ要素106は、基板108上に配置されかつ中間層302の中に組み込まれ、中間層302の上面に波長変換層104が配置される。ここで、中間層302の屈折率は、波長変換層104の屈折率とは異なり、アンテナ要素106から見える非対称な誘電体環境によって、面外非対称性が達成される。

図4aはアルミニウムナノ粒子の形式によるアンテナ要素を示し、この粒子は、130nmの底面直径402、60nmの上面直径404、及び、130nmの高さ406を有する。図4b、4c、4dは、アンテナ要素400の底面402及び上面404が、異なる波長に関し、相違する局在化した共鳴モードをどのように維持するかについての数値シミュレーションを更に示す。特に、アンテナ要素400のうち小さな上面404の共鳴モードは波長スペクトルの青方(端)の方に寄っており、アンテナ要素400のうち大きな底面402の共鳴モードは赤方(端)の方に寄っていることが分かる。更に、アンテナ要素の高さは、上面及び底面共鳴モード間のカップリングを決定する際に重要である。

図5aは、アンテナアレイを有する照明装置500を概略的に示し、アンテナ要素は、140nmの底面直径、80nmの上面直径、及び、150nmの高さを有する先端が断ち切られた円錐形状で設けられている。アンテナ要素506は、400nmのピッチを有する矩形アレイ内に配置される。更に、アンテナ要素506は1.44の屈折率を有するSiO₂層上に配置され、それらは、赤色色素を有し及び1.58の屈折率を有する波長変換層504内に組み込まれる。波長変換層504は、反対側で屈折率が1である空気に接している。図5aでは、光源が図示されていない。

図5aに示される照明装置500に関し、図5bは、442nmの波長を有する光が例えば青色LEDであってもよい光源により提供される場合において、650nmの波長を有する光の放出を示す極座標プロット結果を示す。図5bにおいて、0°及び180°は装置の発光面112に垂直な方向に対応し、ここで、0°は波長変換層504からSiO2層502の方へ向かう方向であり、180°は周囲の空気の方へ向かう発光面112に垂直な方向である。図示されるように、照明装置の表面に垂直な反対方向に放射される光の量、及び、各方向のビームの形状の双方の観点から、放射は等方的ではない(異方性である)。図示の角度分布は光源の位置に実質的に無関係であり、このことは、原則として光源は図5aに示される構造の何れの側に配置されてもよいことを意味する点に、更に留意すべきである。例えば、透明基板を利用することにより、照明装置の構成の柔軟性の増進をもたらす。

図6は例示的な照明装置600を示し、異なるプラズモニックアンテナアレイ602、604が照明装置600の異なる領域部分に配置されている。これにより、各々のプラズモニックアンテナアレイは、可視スペクトルの一部分である所定の波長範囲内で光を放出するように適合させることが可能になり、照明装置からの放射全体は、アンテナアレイの構成により決定される角度分布を有する白色光の一様な放射として提供される。容易に理解されるように、本発明の様々な実施形態に従う様々に構成される任意の数のアンテナアレイが、所望の放射特性を達成するように組み込まれてよい。

本発明は具体的な実施形態に関連して説明されてきたが、多くの様々な代替や変形などが当業者にとって明らかであろう。例えば、プラズモニックアンテナアレイは、放出される光についての別の非対称な角度分布を達成するように多種多様な方法で構成されてもよい。更に、照明装置は、様々な波長の光又は様々な波長範囲内の光を放出するように構成されてもよい。特に、照明装置は主に可視光の放出に関連して説明されてきたが、本発明の様々な実施形態は、紫外線又は赤外線のスペクトルに属する光を放出することが望ましいアプリケーションにも等しく適用可能である。システムの一部分は、様々な仕方で省略、置換又は構成されてもよく、照明装置はそれでも本発明の機能を実行することが可能であることに留意すべきである。

更に、明細書、添付の特許請求の範囲及び図面を参照することにより、開示される形態に対する変形は、請求項に係る発明を実施する当業者により理解され適用されることが可能である。特許請求の範囲において、「有する(comprising)」という言葉は他の要素又はステップを排除しておらず、「或る」又は「ある」のような不定冠詞的な言葉も複数個を排除していない。所定の事項が相互に異なる従属請求項で引用されているというそれだけの事実は、それらの事項の組み合わせが有利に使用できないことを示してはいない。

Claims (15)

1. アンテナアレイ面に配置される個々の複数のアンテナ要素を有する周期的なプラズモニックアンテナアレイであって、前記個々のアンテナ要素における局在化される表面プラズモン共鳴の回折結合から生じる第１波長の表面格子共鳴を維持するように構成される、周期的なプラズモニックアンテナアレイ；
   前記第１波長でフォトンを放出するように構成されるフォトンエミッタであって、放出されるフォトンの少なくとも一部が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムから放出されるように、前記プラズモニックアンテナアレイに近接して配置されるフォトンエミッタ；
   を有し、前記プラズモニックアンテナアレイは、前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するような面外非対称なプラズモン共鳴モードを有するように構成される、照明装置。
2. 放出されるフォトンの過半数が、前記フォトンエミッタ及び前記プラズモニックアンテナアレイを有する結合システムにより放出されるように、前記フォトンエミッタは前記プラズモニックアンテナアレイから距離をおいて配置される、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記フォトンエミッタは外部エネルギー源により励起されることが可能なポイントエミッタであり、前記ポイントエミッタは、希土類イオン、色素分子、量子ドット及び金属クラスタを含む群から選択される、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. フォトンエミッタ、電子エミッタ、X線エミッタ、ガンマ線エミッタ又は電子正孔対の形式の外部エネルギー源を更に有する請求項３に記載の照明装置。
5. 前記フォトンエミッタは、発光ダイオード又はソリッドステートレーザーである、請求項１に記載の照明装置。
6. 前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するように前記プラズモニックアンテナアレイが構成され、前記アンテナアレイ面に垂直な第１方向に放出される光の第１部分は、前記アンテナアレイ面に垂直な第２方向に放出される光の第２部分より多く、前記第２方向は前記第１方向と反対である、請求項１に記載の照明装置。
7. 前記プラズモニックアンテナアレイから放出される光が異方性の角度分布を有するように前記プラズモニックアンテナアレイが構成され、前記アンテナアレイ面に関する第１方向における第１角度分布は、前記アンテナアレイ面に関する第２方向における第２角度分布と相違し、前記第２方向は前記第１方向と反対である、請求項１ないし６のうちの何れか１項に記載の照明装置。
8. 前記アンテナ要素は第１屈折率を有する第１層上に配置され、前記アンテナ要素は、前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する第２層内に埋め込まれる、請求項１ないし７のうちの何れか１項に記載の照明装置。
9. 前記アンテナ要素は第１層上に配置され第２層に埋め込まれてカバーされ、前記第２層上に第３層が配置され、前記第３層は前記第２層の屈折率とは異なる屈折率を有する、請求項１ないし８のうちの何れか１項に記載の照明装置。
10. 複数のアンテナ要素の各々が、非対称な形状を有する、請求項１ないし９のうちの何れか１項に記載の照明装置。
11. 前記複数のアンテナ要素の各々が、ピラミッド、先端が断ち切られたピラミッド、円錐、又は、先端が断ち切られた円錐の形状を有する、請求項１ないし１０のうちの何れか１項に記載の照明装置。
12. 前記の先端が断ち切られたピラミッドの形状のアンテナ要素が、１００ないし３００ｎｍの範囲内にある底面の辺の長さと、３０ないし１５０ｎｍの範囲内にある上面の辺の長さとを有し、
    前記の先端が断ち切られた円錐の形状のアンテナ要素が、１００ないし３００ｎｍの範囲内にある底面直径と、３０ないし１００ｎｍの範囲内にある上面直径と、５０ないし４００ｎｍの範囲内、好ましくは１００ないし２００ｎｍの範囲内にある高さとを有する、請求項１２に記載の照明装置。
13. 前記アンテナ要素が、Ａｇ、Ａｌ、Ｇａ及びＡｕを含む群から選択される金属を有する、請求項１ないし１２のうちの何れか１項に記載の照明装置。
14. 前記照明装置の第１部分における第１の周期的なプラズモニックアンテナアレイと、前記照明装置の第２部分における第２の周期的なプラズモニックアンテナアレイとを有し、
    前記第１の周期的なプラズモニックアンテナアレイは第１波長範囲の面外非対称なプラズモン共鳴モードを有するように構成され、前記第２の周期的なプラズモニックアンテナアレイは、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の面外非対称なプラズモン共鳴モードを有するように構成される、請求項１ないし１３のうちの何れか１項に記載の照明装置。
15. 前記第１及び第２の周期的なプラズモニックアンテナアレイは同一面内で重なることなく配置される、或いは、前記第１及び第２の周期的なプラズモニックアンテナアレイは異なる面に配置される、請求項１５に記載の照明装置。

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