JP2017040905A

JP2017040905A - 発光装置

Info

Publication number: JP2017040905A
Application number: JP2016070837A
Authority: JP
Inventors: 平澤　拓; Hiroshi Hirasawa; 拓平澤; 安寿稲田; Yasuhisa Inada; 享橋谷; Akira Hashiya; 長尾　宣明; Nobuaki Nagao; 宣明長尾; 辻本　光; Hikari Tsujimoto; 光辻本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: CN106469770A; CN106469770B; JP6748905B2

Abstract

【課題】小型化の容易な発光装置を提供する。【解決手段】ある実施形態における発光装置は、励起光源と、励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズとを有する。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、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、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、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する。表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。【選択図】図３５

Description

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

照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色ＬＥＤなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、このような材料は、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、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が大きくなる。したがって、これら光学部品を少しでも小型化できると光学デバイスを小型化し得るので有益である。

本開示のある実施形態の発光装置は、励起光源と、前記励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、前記発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズとを備える。前記発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλ_a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する。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λ_a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、小型化の容易な発光装置が提供される。

ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。図１Ａに示す発光素子の部分断面図である。他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。図１Ｃに示す発光素子の部分断面図である。発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。式（１０）におけるｍ＝１およびｍ＝３の条件を図示したグラフである。発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。厚さｔ＝２３８ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。厚さｔ＝５３９ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。厚さｔ＝３００ｎｍのときに、ｘ方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。図２の計算と同じ条件で、光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。２次元の周期構造の例を示す平面図である。２次元周期構造に関して図２と同様の計算を行った結果を示す図である。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。図８と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を１０００ｎｍにした場合の結果を示す図である。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。図１０と同様の条件で、周期構造の屈折率をｎ_p＝２．０とした場合の計算結果を示す図である。光の偏光がｙ方向に垂直な電場成分を有するＴＥモードであるものとして図９に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。図９に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavを１．５に変更した場合の結果を示す図である。屈折率が１．５の透明基板の上に、図２に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。式（１５）の条件を図示したグラフである。図１Ａ、１Ｂに示す発光素子１００と、励起光をフォトルミネッセンス層１１０に入射させる光源１８０とを備える発光装置２００の構成例を示す図である。ｘ方向の周期ｐ_xを有する１次元周期構造を示す図である。ｘ方向の周期ｐ_x、ｙ方向の周期ｐ_yを有する２次元周期構造を示す図である。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と表面構造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表面構造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上に表面構造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。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。本開示の実施形態による発光装置の例示的な構成を示す模式図である。本開示の実施形態による発光装置における、発光素子１００と集光レンズ２０２との間の結合効率を説明するための模式図である。比較例の発光装置５１０における、蛍光体５１２と集光レンズ２０２との間の結合効率を説明するための模式図である。本開示の実施形態による発光装置の他の変形例を示す模式図である。本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す模式図である。本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す模式図である。本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す模式図である。本開示のある態様による投影装置の一例を示す外観図である。図４２に示す投影装置２３００における光学系の一例を示す模式図である。図４２に示す投影装置２３００の構成の一例の概略を示すブロック図である。ＭＥＭＳミラー２３２２Ａで反射された光によって画像が形成される様子を示す模式図である。光ファイバー２２５０から出射される光の波長を切り替え可能な光学系の他の例を示す模式図である。投影装置２３００における光学系の他の一例を示す模式図である。図４６に示す光学系に対応した構成の一例の概略を示すブロック図である。光源と光ファイバーとの間における光学的結合を説明するための模式図である。光源２２８０の発光面積Ｓと、光ファイバー２２５０に導入される光の量Ａとの間の関係を模式的に示すグラフである。画像形成用の光学系の全ての光学部品が収容された投光ユニットを有する、比較例の投影装置の外観図である。図５０に示す投影装置２５００の投光ユニット２５１０の内部に配置された、画像形成のための構成を示す模式図である。投影装置２３００における光学系のさらに他の一例を示す模式図である。投影装置２３００における光学系のさらに他の一例を示す模式図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置の例を模式的に示す断面図である。図５４Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。励起光を効率よくフォトルミネッセンス層１１０内に導く光の取り込み構造３５９０を有する例を示す図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置の他の例を模式的に示す断面図である。図５５Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図５６Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図５７Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図５８Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図５９Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６０Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６１Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６２Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６３Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６４Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６５Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６６Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６７Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６８Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図６９Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図７０Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図７１Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図７２Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図７３Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図７４Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す断面図である。図７５Ａに示す発光装置を上方向から見た平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す平面図である。発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置のさらに他の例を模式的に示す平面図である。リフレクターを有する発光装置の概略構成を示す図である。リフレクターを有しない発光装置の概略構成を示す図である。リフレクターを有する発光装置の他の例を示す図である。支持体を有する発光装置の例を示す図である。支持体を有する発光装置の他の例を示す図である。支持体を有する発光装置のさらに他の例を示す図である。支持体によって励起光源および発光素子が支持された発光装置の例を示す図である。従来の発光素子を用いた照明装置のサイズを示す図である。本開示の実施形態における発光素子を用いた照明装置のサイズを示す図である。本開示の実施形態における発光素子と、リフレクターとを用いた照明装置のサイズを示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに詳細な構成例を示す図である。追加光源５５００が励起光としても機能する構成の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。複数の光源からの光を合成する発光装置のさらに他の例を示す図である。家庭用ファイバー照明システムへの応用例を示す図である。発光素子から異なる方向に出射される複数の波長域の光を合成する発光装置の例を示す図である。複数の波長域の光を合成する発光装置の構成例の詳細を示す図である。特定の３波長の光を合成することで白色光を得る発光装置の例を示す図である。発光素子１００’から第１の方向に出射される第１の光と、第２の方向に出射される第２の光とが、異なる光ファイバー６５３０ａ、６５３０ｂにそれぞれ導入される例を示す図である。複数の光ファイバーを連結した発光装置の他の例を示す図である。図１０１の構成における発光素子１００’の代わりに、複数の発光素子１００ｒ、１００ｇ、１００ｂがタイリングされた構造を用いた例を示す図である。図９７に示す構成において、さらに励起光源１８０から出射される光の一部を利用する例を示す図である。図１０３における励起光源１８０の位置を変えた例を示す図である。図１００に示す構成において、さらに励起光源１８０から出射される光の一部を利用する例を示す図である。家庭用ファイバー照明システムへの応用例を示す図である。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、発光装置および投影装置を含む。

［項目１］
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限
する、発光装置。

［項目２］
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、発光装置。

［項目３］
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、発光装置。

［項目４］
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、発光装置。

［項目５］
表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目１から４のいずれかに記載の発光装置。

［項目６］
発光素子と第１の集光レンズとの間に配置されたコリメートレンズを有する、項目１から５のいずれかに記載の発光装置。

［項目７］
第１の集光レンズから出射された光が入射する位置に光ファイバの接続部を有する、項目１から６のいずれかに記載の発光装置。

［項目８］
励起光源と発光素子との間に配置された第２の集光レンズを有する、項目１から７のいずれかに記載の発光装置。

［項目９］
励起光源と発光素子との間に配置されたコリメートレンズを有する、項目１から７のいずれかに記載の発光装置。

［項目１０］
励起光源と第２の集光レンズとの間に配置されたコリメートレンズを有する、項目８に記載の発光装置。

［項目１１］
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。

［項目１２］
支持体は、フォトルミネッセンス層に接触し、
支持体の熱伝導率は、フォトルミネッセンス層の熱伝導率よりも高い、
項目１１に記載の発光装置。

［項目１３］
支持体は、フォトルミネッセンス層の周囲を取り囲んでいる、項目１１または１２に記載の発光装置。

［項目１４］
励起光を出射する励起光源をさらに備え、
励起光源は、励起光が発光素子において露出した部分に入射するように配置され、励起光は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フォトルミネッセンス層に入射する、
項目１１から１３のいずれかに記載の発光装置。

［項目１５］
支持体は、
発光素子に接する支持部と、
支持部から励起光源の側に広がる開口部であって、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した側面を有する開口部と、
を有する、項目１４に記載の発光装置。

［項目１６］
励起光源は、励起光が開口部の側面に沿って発光素子に入射するように配置されている、項目１５に記載の発光装置。

［項目１７］
支持体は、
発光素子に接する支持部と、
支持部から励起光の光路に沿って延びる開口部と、
を有する、項目１１から１４のいずれかに記載の発光装置。

［項目１８］
空気中の波長がλ_aの光に対する透光層の屈折率ｎ_t-aは、光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav-aよりも小さい、項目１１から１７のいずれかに記載の発光装置。

［項目１９］
空気中の波長がλ_aの光は、表面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１１から１８のいずれかに記載の発光装置。

［項目２０］
表面構造は、空気中の波長がλ_aの光の、第１の方向を基準とする指向角を１５°未満に制限する、項目１９に記載の発光装置。

［項目２１］
表面構造は、空気中の波長がλ_aの光がフォトルミネッセンス層の法線方向に最も強く出射され、波長λ_exの励起光がフォトルミネッセンス層の内部を伝播する場合に励起光がフォトルミネッセンス層の法線方向から角度θ_outの方向に最も強く出射されるように構成され、
励起光源は、励起光が発光素子に入射角θ_outで入射するように配置されている、
項目１１から２０のいずれかに記載の発光装置。

［項目２２］
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。

［項目２３］
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。

［項目２４］
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。

［項目２５］
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光装置。

［項目２６］
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を、１５°未満に制限する、項目１から３、２５のいずれかに記載の発光装置。

［項目２７］
表面構造は、フォトルミネッセンス層から出射される空気中の波長がλ_aの光の強度を、表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、フォトルミネッセンス層の内部に形成する、項目２５または２６に記載の発光装置。

［項目２８］
リフレクターは、励起光が、フォトルミネッセンス層の主面に垂直な方向に対して傾斜した角度でフォトルミネッセンス層に入射するように励起光を反射する、項目２５から２７のいずれかに記載の発光装置。

［項目２９］
発光素子を支持する支持体をさらに備え、
リフレクターは、支持体の一部に設けられている、
項目２５から２８のいずれかに記載の発光装置。

［項目３０］
支持体は、さらに、励起光源を支持する、項目２９に記載の発光装置。

［項目３１］
リフレクターは、励起光の反射角を変化させる角度調整機構を有する、項目２５から３０のいずれかに記載の発光装置。

［項目３２］
励起光源と、
励起光源から出射された励起光の光路上に配置された発光素子と、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光装置。

［項目３３］
励起光源および発光素子を支持する支持体をさらに備える、項目３２に記載の発光装置。

［項目３４］
励起光源と発光素子との間の光路上に配置されたコリメートレンズをさらに備える、項目２５から３３のいずれかに記載の発光装置。

［項目３５］
表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤ_intとし、空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、項目１から３、１１から２１、２５から３４のいずれかに記載の発光装置。

［項目３６］
表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目１１から２１、２５から３５のいずれかに記載の発光装置。

［項目３７］
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光素子。

［項目３８］
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光装置。

［項目３９］
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光装置。

［項目４０］
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光装置。

［項目４１］
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光素子。

［項目４２］
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光素子。

［項目４３］
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、
発光素子。

［項目４４］
項目４１から４３のいずれかに記載の発光素子と、
発光素子におけるフォトルミネッセンス層に導入される励起光を出射する励起光源と、
を備える発光装置。

［項目４５］
表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤ_intとし、空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、項目４４に記載の発光装置。

［項目４６］
表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目４５に記載の発光装置。

［項目４７］
空気中の波長がλ_aの第１の光と、空気中の波長がλ_bの第２の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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であって、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの第１の光の指向角を制限し、第１の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第１の方向において最大にし、第２の光の強度を、第１の方向と異なる第２の方向において最大にする表面構造と、
第１の光と第２の光とを合成する光学系と、
を備える発光装置。

［項目４８］
光学系は、第１の方向に出射された第１の光と第２の方向に出射された第２の光とを合成する、項目４７に記載の発光装置。

［項目４９］
光学系によって合成された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をさらに備える、項目４７または４８に記載の発光装置。

［項目５０］
フォトルミネッセンス層におけるフォトルミネッセンス材料を励起して第１の光および第２の光を発生させる励起光を含む第３の光をフォトルミネッセンス層に入射させる光源をさらに備える、項目４７から４９のいずれかに記載の発光装置。

［項目５１］
光学系は、光源から出射され、フォトルミネッセンス層を透過した第３の光の一部と、第１の光と、第２の光とを合成する、項目５０に記載の発光装置。

［項目５２］
空気中の波長がλ_aの第１の光と、空気中の波長がλ_bの第２の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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であって、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの第１の光の指向角を制限し、第１の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第１の方向において最大にし、第２の光の強度を、第１の光の方向と異なる第２の方向において最大にする表面構造と、
第１の光を第１の光ファイバーに導入する第１の光学系と、
第２の光を第２の光ファイバーに導入する第２の光学系と、
を備える発光装置。

［項目５３］
第１の光学系は、第１の方向に出射された第１の光を第１の光ファイバーに導入し、
第２の光学系は、第２の方向に出射された第２の光を第２の光ファイバーに導入する、
項目５２に記載の発光装置。

［項目５４］
第１の光ファイバーと、第２の光ファイバーとをさらに備え、
第１の光ファイバーおよび第２の光ファイバーは、連結され、連結点において第１の光と第２の光とを合成する、
項目５２または５３に記載の発光装置。

［項目５５］
フォトルミネッセンス層におけるフォトルミネッセンス材料を励起して第１の光および第２の光を発生させる励起光を含む第３の光をフォトルミネッセンス層に入射させる光源をさらに備える、項目５２から５４のいずれかに記載の発光装置。

［項目５６］
光源から出射され、フォトルミネッセンス層を透過した第３の光の一部を第３の光ファイバーに導入する第３の光学系をさらに備える、項目５５に記載の発光装置。

［項目５７］
第１から第３の光ファイバーをさらに備え、
第１から第３の光ファイバーは、連結され、連結点において第１から第３の光を合成する、項目５６に記載の発光装置。

［項目５８］
表面構造における隣接する２つの凸部の中心間または隣接する２つの凹部の中心間の距離をＤ_intとし、空気中の波長がλ_aの第１の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、項目４７から５７のいずれかに記載の発光装置。

［項目５９］
第１表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
空気中の波長がλ_aの光に対する第１フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目４７から５８のいずれかに記載の発光装置。

［項目６０］
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３、１１から２３、２５から３９、４１、４２、４７から５９のいずれかに記載の発光装置。

［項目６１］
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、空気中の波長がλ_aの第１の光と、空気中の波長がλ_bの第２の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
第１の光と第２の光とを合成する光学系と、
を備え、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの第１の光の指向角を制限し、第１の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第１の方向において最大にし、第２の光の強度を、第１の光の方向と異なる第２の方向において最大にする、
発光装置。

［項目６２］
空気中の波長がλ_aの第１の光と、空気中の波長がλ_bの第２の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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であって、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、第１の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第１の方向において最大にし、第２の光の強度を、第１の光の方向と異なる第２の方向において最大にする表面構造と、
第１の光と第２の光とを合成する光学系と、
を備える、
発光装置。

［項目６３］
空気中の波長がλ_aの第１の光と、空気中の波長がλ_bの第２の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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であって、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、第１の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第１の方向において最大にし、第２の光の強度を、第１の光の方向と異なる第２の方向において最大にする表面構造と、
第１の光と第２の光とを合成する光学系と、
を備える、
発光装置。

［項目６４］
第１光源と、
第２光源と、
を備え、
第１光源は、
空気中の波長がλ_aの光を含む第１の光を発する第１フォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に近接して配置された第１透光層と、
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、複数の第１凸部および複数の第１凹部の少なくとも一方を含む第１表面構造であって、第１フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する第１表面構造と、
を備え、
第２光源は、空気中の波長がλ_bの光を含む第２の光を出射し、
第１光源から出射された第１の光と第２光源から出射された第２の光とが合成される、
発光装置。

［項目６５］
第１表面構造における隣接する２つの第１凸部の中心間または隣接する２つの第１凹部の中心間の距離をＤ_int-aとし、空気中の波長がλ_aの光に対する第１フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int-a＜λ_aの関係が成り立つ、項目６４に記載の発光装置。

［項目６６］
第１表面構造は、少なくとも１つの第１周期構造を有し、
空気中の波長がλ_aの光に対する第１フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、少なくとも１つの第１周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目６４または６５に記載の発光装置。

［項目６７］
第１光源から出射される空気中の波長がλ_aの光の強度は、複数の第１凸部および複数の第１凹部の少なくとも一方によって予め決められた第１の方向において最大である、項目６４から６６のいずれかに記載の発光装置。

［項目６８］
第２光源は、
空気中の波長がλ_bの光を含む第２の光を発する第２フォトルミネッセンス層と、
第２フォトルミネッセンス層に近接して配置された第２透光層と、
第２フォトルミネッセンス層および第２透光層の少なくとも一方の表面に形成された複数の第２凸部および複数の第２凹部の少なくとも一方を含む第２表面構造であって、第２フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_bの光の指向角を制限する第２表面構造と、
を有する、
項目６４から６７のいずれかに記載の発光装置。

［項目６９］
第２表面構造における隣接する２つの第２凸部の中心間または隣接する２つの第２凹部の中心間の距離をＤ_int-bとし、空気中の波長がλ_bの光に対する第２フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-bとすると、λ_b／ｎ_wav-b＜Ｄ_int-b＜λ_bの関係が成り立つ、項目６８に記載の発光装置。

［項目７０］
第２表面構造は、少なくとも１つの第２周期構造を有し、
空気中の波長がλ_bの光に対する第２フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-bとし、少なくとも１つの第２周期構造の周期をｐ_bとすると、λ_b／ｎ_wav-b＜ｐ_b＜λ_bの関係が成り立つ、項目６８または６９に記載の発光装置。

［項目７１］
第２光源から出射される空気中の波長がλ_bの光の強度は、複数の第２凸部および複数の第２凹部の少なくとも一方によって予め決められた第２の方向において最大である、項目６８から７０のいずれかに記載の発光装置。

［項目７２］
第１光源から出射された第１の光と第２光源から出射された第２の光とが合成されて白色光が生成される、項目６４から７１のいずれかに記載の発光装置。

［項目７３］
第３光源をさらに備え、
第３光源は、
空気中の波長がλ_cの光を含む第３の光を発する第３フォトルミネッセンス層と、
第３フォトルミネッセンス層に近接して配置された第３透光層と、
第３フォトルミネッセンス層および第３透光層の少なくとも一方の表面に形成された複数の第３凸部および複数の第３凹部の少なくとも一方を含む第３表面構造であって、第３フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_cの光の指向角を制限する第３表面構造と、
を有し、
第１光源から出射された第１の光と、第２光源から出射された第２の光と、第３光源から出射された第３の光とが合成される、
項目６４から７２のいずれかに記載の発光装置。

［項目７４］
第３表面構造における隣接する２つの第３凸部の中心間または隣接する２つの第３凹部の中心間の距離をＤ_int-cとし、空気中の波長がλ_cの光に対する第３フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-cとすると、λ_c／ｎ_wav-c＜Ｄ_int-c＜λ_cの関係が成り立つ、項目７３に記載の発光装置。

［項目７５］
第３表面構造は、少なくとも１つの第３周期構造を有し、
空気中の波長がλ_cの光に対する第３フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-cとし、少なくとも１つの第３周期構造の周期をｐ_cとすると、λ_c／ｎ_wav-c＜ｐ_c＜λ_cの関係が成り立つ、項目７３または７４に記載の発光装置。

［項目７６］
第３光源から出射される空気中の波長がλ_cの光の強度は、複数の第３凸部および複数の第３凹部の少なくとも一方によって予め決められた第３の方向において最大である、項目７３から７５のいずれかに記載の発光装置。

［項目７７］
第１光源から出射された第１の光と、第２光源から出射された第２の光と、第３光源から出射された第３の光とが合成されて白色光が生成される、項目７３から７６のいずれかに記載の発光装置。

［項目７８］
第１光源から出射された第１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をさらに備える、項目６４から７７のいずれかに記載の発光装置。

［項目７９］
第２光源は、第２の光が第１光源を通過するように配置され、
第１光源から出射された第１の光と、第１光源を通過した第２の光とが合成される、項目６４から７８のいずれかに記載の発光装置。

［項目８０］
第１の光と第２の光とが第１光源の内部で合成される、項目６４から７８のいずれかに記載の発光装置。

［項目８１］
第１の光と第２の光とを第１光源の外部で合成させる光学系をさらに備える、項目６４から７８のいずれかに記載の発光装置。

［項目８２］
光学系は、第１の光と第２の光とを合成して光ファイバーに入射させる、項目８１に記載の発光装置。

［項目８３］
第２光源から出射される第２の光は、第１フォトルミネッセンス層内の発光材料を励起して発光させる励起光を含み、
第２光源は、第２の光を第１フォトルミネッセンス層に入射させ、
光学系は、第１発光素子から出射した第１の光と、第２光源から出射して第１光源を透過した第２の光とを合成して光ファイバーに入射させる、項目８２に記載の発光装置。

［項目８４］
第１光源から出射された第１の光を一端から取り込む第１光ファイバーと、
第２光源から出射された第２の光を一端から取り込む第２光ファイバーと、
をさらに備え、
第１光ファイバーおよび第２光ファイバーは、連結され、連結点において第１の光と第２の光とを合成する、
項目６４から７７のいずれかに記載の発光装置。

［項目８５］
第１フォトルミネッセンス層と第１透光層とが互いに接している、項目６４から８４のいずれかに記載の発光装置。

［項目８６］
第１光源と、
第２光源と、
を備え、
第１光源は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、空気中の波長がλ_aの光を含む第１の光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
第２光源は、空気中の波長がλ_bの光を含む第２の光を出射し、
第１光源から出射された第１の光と第２光源から出射された第２の光とが合成される、
発光装置。

［項目８７］
第１光源と、
第２光源と、
を備え、
第１光源は、
空気中の波長がλ_aの光を含む第１の光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
第２光源は、空気中の波長がλ_bの光を含む第２の光を出射し、
第１光源から出射された第１の光と第２光源から出射された第２の光とが合成される、
発光装置。

［項目８８］
第１光源と、
第２光源と、
を備え、
第１光源は、
空気中の波長がλ_aの光を含む第１の光を発するフォトルミネッセンス層と、フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限し、
第２光源は、空気中の波長がλ_bの光を含む第２の光を出射し、
第１光源から出射された第１の光と第２光源から出射された第２の光とが合成される、
発光装置。

［項目８９］
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９０］
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
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、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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光を受ける光変調素子と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９１］
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、励起光源からの励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９２］
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光を受ける光変調素子と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９３］
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９４］
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
透光層の表面に形成され、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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光を受ける光変調素子と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９５］
フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接している、項目８９から９４のいずれかに記載の投影装置。

［項目９６］
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９７］
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光を受ける光変調素子と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する、投影装置。

［項目９８］
表面構造は、フォトルミネッセンス層から出射される空気中の波長がλ_aの光の強度を、表面構造によって予め決められた第１の方向において最大にする擬似導波モードを、フォトルミネッセンス層の内部に形成する、項目８９から９７のいずれかに記載の投影装置。

［項目９９］
空気中の波長がλ_aの光は、表面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８９から９７のいずれかに記載の投影装置。

［項目１００］
空気中の波長がλ_aの光の第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８９から９９のいずれかに記載の投影装置。

［項目１０１］
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を、１５°未満に制限する、項目８９から１００のいずれかに記載の投影装置。

［項目１０２］
表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤ_intとし、空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、項目８９から１０１のいずれかに記載の投影装置。

［項目１０３］
表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、項目８９から１０２のいずれかに記載の投影装置。

本開示のある実施形態による発光装置は、励起光源と、励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、発光素子から出射された光の光路上に配置された集光レンズとを有する。発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層を含む。後に詳しく説明するように、本開示の発光装置における発光素子は、フォトルミネッセンス材料の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な新規な構造を有する。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。以下では、まず、本開示の発光装置に適用し得る発光素子の例を説明する。発光装置の全体的な構成の詳細は、後述する。

本開示のある実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、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、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、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する。この表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する、空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する。表面構造は、フォトルミネッセンス層または透光層の面内に広がるサブミクロン構造であり得る。サブミクロン構造は、例えば、凸部または凹部の少なくとも一方を含む周期構造であってもよい。サブミクロン構造は、例えば、複数の凸部または複数の凹部を含む。フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλ_aの第１の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をＤ_int、第１の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ。あるいは、周期構造における周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ。波長λ_aは、例えば、可視光の波長範囲内（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）にある。赤外線を利用する用途では、波長λ_a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λ_a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１０７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λ_a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」の用語を用いることがある。しかしながら、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によって、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Ｄ_intとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_a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として説明する。λは光の波長を表し、下付きの「ａ」を有するλ_aは、空気中での光の波長であることを表現する。ｎ_wavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎ_wavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λ_aの光に対する屈折率であることをｎ_wav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎ_wavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎ_wavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。

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

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

サブミクロン構造が、上記のように、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、表面構造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装置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ｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係を満たし得る。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Ｄ_intがｐ_aで一定の周期構造を含み得る。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ｎ_eff（＝ｎ_wavｓｉｎθ）が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長（例えば６１０ｎｍ）の直線偏光（例えばＴＭモード）を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射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λ_aの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λ_a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λ_aの光の指向角を制限するが、波長λ_a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λ_aの光が僅かに出射する。しかしながら、全体的には、波長λ_a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λ_aよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λ_a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得る。これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。

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

［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し、続けて、フォトルミネッセンス層を有する発光素子の例示的な構成を説明する。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。フォトルミネッセンス材料を用い、特定の方向を光で照らすためには、一般に、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、例えばレンズを小さくできるので、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。

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とがわかる。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。しかしながら、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形成される。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により、回折効果により特定方向の伝播光へと変換される。そのため、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。

つまり、本発明者らは、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、スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。図３０に示す導波路１１０Ｓの屈折率が、導波路１１０Ｓを支持する基板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によって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得る。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と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にロスが大きくなり、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と有益である。

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によって、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）、表面構造１２０を透光層１２０ということがある。この例では、表面構造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の周期構造を設けると、面内方向の波数ｋ_wavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋ_outは以下の式（２）で表すことができる。

式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。

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

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

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

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。

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

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

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

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

なお、図１Ａおよび図１Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いので、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、本開示の典型的な実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。

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

一方、図１Ｃおよび図１Ｄに例示するような、基板１４０上に導波路１１０としてのフォトルミネッセンス層および表面構造１２０を形成した構造を採用してもよい。基板１４０としては、典型的には透明基板が用いられる。以下、基板１４０を透明基板１４０と呼ぶことがある。

透明基板１４０上に導波路１１０および表面構造１２０を形成した場合には、基板の屈折率ｎ_sが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎ_out＝ｎ_sとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。

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

同様に、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａのように導波路１１０としてのフォトルミネッセンス層が透明基板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が設定されればよい。

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

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

上記の計算において、周期構造の断面は、図１Ｂに示すような矩形であるとしている。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ｎ_wav＝１．８、周期構造の周期を４００ｎｍ、高さを５０ｎｍ、屈折率を１．５とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて、正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す。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、波長が６００ｎｍ、厚さｔが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。比較のために、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ことに対して、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、表面構造１２０（この例では周期構造）と相関のある電場が発生している。つまり、表面構造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、これらが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わかる。

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

２次元周期構造としては、図７Ａに示すようなｘ方向およびｙ方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図１８Ａおよび図１８Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）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。このような構成のもとで、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厚さを２００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝１．８、表面構造は図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厚さを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厚さに着目すると、厚さが２００ｎｍの場合（図８）に比べ、厚さが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厚さが小さいほど、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、フォトルミネッセンス層の厚さ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ない材料を周期構造に用いる方が有利であることがわかる。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厚さを１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav＝１．８、表面構造は図１Ａに示すようなｙ方向に均一な１次元周期構造で屈折率をｎ_p＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて、正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図１０に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をｎ_p＝２．０とした場合の計算結果を図１１に示す。図１０に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やＱ値（即ち、ピークの線幅）が変化していないのに対して、図１１に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_pよりも高い場合（図１０）には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し（エバネッセント）部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_pよりも低い場合（図１１）は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図１１を見る限り、高さは１００ｎｍ程度あれば十分であり、１５０ｎｍを超える領域ではピーク強度およびＱ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavが周期構造の屈折率ｎ_pよりも低い場合に、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするには、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ｎ_pがフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wavよりも大きい領域では、ピーク強度およびＱ値の低下がＴＭモードよりも著しい。

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

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

［６．変形例］
以下、発光素子の実施形態の変形例を説明する。

［６−１．基板を有する構成］
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および表面構造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、その上に表面構造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と表面構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎ_sはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎ_wav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎ_outをｎ_sとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定すればよい。

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および表面構造１２０を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図１４に示す。図２の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図２の結果とは異なることがわかる。これに対して、式（１０）の条件をｎ_out＝ｎ_sとした式（１５）の条件を図１５に示す。図１４において、図１５に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。

したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と表面構造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、フォトルミネッセンス層１１０を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および表面構造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ｐ_x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ｐ_yを決定する。周期ｐ_xは、式（１０）においてｐをｐ_xに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐ_yは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλ_ex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち表面構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎ_outとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。

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

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

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

図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、ｐ_x＝３６５ｎｍ、ｐ_y＝２６５ｎｍとし、フォトルミネッセンス層１１０からの発光波長λを約６００ｎｍ、励起光の波長λ_exを約４５０ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の消衰係数を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。

図１７Ｂに示す表面構造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、表面構造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上に表面構造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上の凹凸からなる表面構造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表面構造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の表面が平坦化されている。これらの構成例においても、表面構造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の厚さを１０００ｎｍ、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_wav＝１．８、表面構造１２０ａはｙ方向に均一な１次元周期構造であって、その高さを５０ｎｍ、屈折率をｎ_p＝１．５、周期を４００ｎｍとし、光の偏光はｙ方向に平行な電場成分を有するＴＭモードであるとした。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］
以上に説明したような実施形態によれば、周期構造の周期、フォトルミネッセンス層の厚さなどを調整することによって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、図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、図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、図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、図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ので、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、フォトルミネッセンス層の厚さなどの条件の異なる複数の粉末状の発光素子１００を混ぜた混合体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。図２１に例示する発光素子１００ｃでは、３種類の表面構造１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが隙間なく配列されている。表面構造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に示す例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と表面構造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を設けてもよい。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の厚さが波長よりも大きい場合には、表面構造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は薄いほうが有利である。なお、保護層１５０を表面構造（あるいは透光層）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よりも小さいと有益である。

［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）および表面構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。表面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）や表面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）および表面構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低い材料が用いられ得る。

表面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、前述のとおり表面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（例えば半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、Ｍ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ₅ＳｉＯ₄Ｃｌ₆：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ₂ＭｇＳｉ₂Ｏ₇：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ₅ＡｌＯ₂Ｎ₇：Ｅｕ²⁺、ＳｒＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、ＢａＡｌ₂Ｏ₄：Ｅｕ²⁺、ＢａＺｒＳｉ₃Ｏ₉：Ｅｕ²⁺、Ｍ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ₃Ｏ₄Ｎ₂：Ｅｕ²⁺Ｃａ₈Ｍｇ（ＳｉＯ₄）₄Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺、Ｃａ₃ＳｉＯ₄Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺、ＣａＳｉ_12-(m+n)Ａｌ_(m+n)Ｏ_nＮ_16-n：Ｃｅ³⁺、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ²⁺を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、ＳｒＡｌＳｉ₄Ｏ₇：Ｅｕ²⁺、Ｍ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｙｂ²⁺（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺，Ｓｍ³⁺、Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺，Ｓｍ³⁺、ＣａＷＯ₄：Ｌｉ¹⁺，Ｅｕ³⁺，Ｓｍ³⁺、Ｍ₂ＳｉＳ₄：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ₃ＳｉＯ₅：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、ＣａＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、Ｃａ₃Ｓｃ₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、ＣａＳｃ₂Ｏ₄：Ｃｅ³⁺、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ²⁺、ＭＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ₇（ＳｉＯ₃）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。

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

図１Ｃ、図１Ｄなどに示す基板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、発光素子の製造方法の一例を説明する。

図１Ｃ、図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、塗布などによって堆積することにより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表面構造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表面構造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の一部を加工することによって表面構造１２０を形成してもよい。その場合、表面構造１２０がフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成される。

図１Ａ、図１Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図１Ｃ、図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および表面構造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表面構造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表面構造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装置に適用し得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を堆積し、厚さ２１０ｎｍの膜を形成した。この断面図のＴＥＭ像を図２５に示し、これを４５０ｎｍのＬＥＤで励起することによって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モードに関する測定結果と、垂直な偏光成分を持つＴＥモードに関する測定結果とを示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合と比較して、特定の波長の光が著しく増加している。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わかる。

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〜図２７Ｆおよび図２８Ａ〜図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〜図２７Ｆおよび図２８Ａ〜図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ないことがわかる。また、正面方向に出射される光の指向角が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、他の波長の光が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］
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上に表面構造１２０を有する発光素子を考える。ここでは、表面構造１２０が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次元周期構造を有する場合を例示する。１次元周期構造によって発光増強を受ける光は、１次元周期構造の周期をｐ（ｎｍ）、フォトルミネッセンス層１１０の屈折率をｎ_wav、光が出射される外部の媒質の屈折率をｎ_outとし、１次元周期構造への入射角をθ_wav、１次元周期構造から外部の媒質への出射角をθ_outとすると、ｐ×ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｐ×ｎ_out×ｓｉｎθ_out＝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、θ_out＝ａｒｃｓｉｎ［（ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｍλ／ｐ）／ｎ_out］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θ_out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、（ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｍλ／ｐ）／ｎ_outが、波長λによらず一定となるように、ｎ_wavおよびｎ_out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、（ｎ_wav×ｓｉｎθ_wav−ｍλ／ｐ）／ｎ_outが波長λに依存しないような、ｎ_wavおよびｎ_out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、ｎ_out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１次元周期構造を形成する材料として、屈折率ｎ_wavの波長分散が小さい材料を選択すればよい。さらに、屈折率ｎ_wav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を用いてもよい。

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）を増強できる表面構造１２０ｒと、緑色光（Ｇ）を増強できる表面構造１２０ｇと、青色光（Ｂ）を増強できる表面構造１２０ｂとがマトリクス状に配列されている。表面構造１２０ｒ、１２０ｇおよび１２０ｂは、例えば、１次元周期構造で、それぞれの凸部が互いに平行に配列されている。したがって、この例では、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。表面構造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表面構造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と有益であり、例えば、一辺の長さは１ｍｍよりも小さい。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、互いに隣接する表面構造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、表面構造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、表面構造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（表面構造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における表面構造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、タイリングに適用する周期構造は、１次元周期構造に限らず、図３２Ｃに示すように、例えば複数の２次元周期構造（表面構造１２０ｋ、１２０ｍおよび１２０ｎを含む）を配列してもよい。このとき、表面構造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における表面構造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、表面構造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方法の他、例えば、図３４Ａおよび図３４Ｂを参照して説明するように、２以上のフォトルミネッセンス層による方法もある。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。

［１１．集光レンズを有する発光装置］
以下、本開示の実施形態による発光装置の例示的な構成を説明する。図３５は、本開示の実施形態による発光装置の例示的な構成を模式的に示す。図３５に示す発光装置２１０Ａは、概略的には、図１６を参照して説明した発光装置２００と、発光装置２００から出射された光を受ける集光レンズ２０２とを有する。つまり、発光装置２１０Ａは、励起光源１８０と、発光素子１００と、集光レンズ２０２とを含んでいる。

発光素子１００は、励起光源１８０から出射された励起光が進行する光路上に配置されている。発光素子１００が励起光の光路上に配置されることにより、励起光源１８０から出射された励起光が発光素子１００のフォトルミネッセンス層１１０に入射する。フォトルミネッセンス層１１０中のフォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する。フォトルミネッセンス層１１０が発した光は、表面構造１２０を介して発光素子１００の外部に出射する（例えば図１６参照）。既に説明したように、発光素子１００は、光を特定の方向に出射することが可能である。この例では、光が発光素子１００の正面方向に出射している。もちろん、発光素子１００に代えて、図１Ｃおよび図１Ｄに示す発光素子１００ａを適用してもよい。

発光素子１００から出射した光は、表面構造１２０に対向する集光レンズ２０２に入射する。図３５に例示する構成では、集光レンズ２０２は、ハウジング３００によって支持されることにより、発光素子１００から出射された光の光路上に配置されている。ハウジング３００は、発光素子１００および集光レンズ２０２を、これらが位置決めされた状態で保持していてもよい。

図３５に例示する構成において、発光装置２１０Ａには、光ファイバー２５０が接続されている。この例では、ハウジング３００は、集光レンズ２０２から出射された光が入射する位置に設けられた開口部３００ａを有しており、光ファイバー２５０は、開口部３００ａにその一端が挿入されることにより、発光装置２１０Ａに固定されている。

発光装置２１０Ａに光ファイバー２５０が接続された状態において、光ファイバー２５０の一端は、集光レンズ２０２から出射された光が入射する位置にある。したがって、集光レンズ２０２から出射された光の少なくとも一部が、光ファイバー２５０に入射する。すなわち、光ファイバー２５０は、発光装置２１０Ａに接続されることにより、発光装置２１０Ａに光学的に結合される。このように、図３５に例示する構成において、開口部３００ａは、光ファイバー２５０の接続部としての機能を有する。なお、この例では、集光レンズ２０２の光軸と、光ファイバー２５０の軸とは、一致している。

光ファイバの接続のための構成は、光ファイバの入射部を受け入れ可能な構成であればよく、図３５に示す構成に限定されない。開口部３００ａに、集光レンズ２０２から出射された光を透過可能な、透明な部材が配置されていてもよい。開口部３００ａに配置される透明な部材は、反射防止コーティングを有し得る。発光装置２１０Ａは、集光レンズ２０２から出射された光が入射する位置に、光コネクタ、ソケット、スロット、プラグなどを光ファイバの接続部として有していてもよい。

既に説明したように、発光素子１００は、出射される光の指向性を制御可能な新規な構造を有するので、例えば、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選択的に出射させることが可能である。したがって、図３６に模式的に示すように、コリメートレンズなどを用いることなく出射光束のほぼ全てを集光レンズ２０２に入射させ得る。このように、発光素子１００が指向性の高い光を出射可能であるので、本開示の実施形態によれば、大型の集光レンズを用いることなく、光の利用効率を向上させ得る。したがって、より小型の発光装置または光学デバイスを提供し得る。

図３７は、発光素子１００に代えて従来の蛍光体５１２を有する発光装置５１０を比較例として示す。なお、図３７および前述の図３６においては、図３５に示すハウジング３００の図示を省略している。以下においても、ハウジング３００の図示を省略することがある。

発光装置５１０では、蛍光体５１２が等方的に発光する。そのため、蛍光体５１２からの出射光束は、集光レンズ２０２に入射させることが原理的に不可能な光束を含んでいる。つまり、蛍光体５１２において発生した光を有効に利用することができない。例えば、図３７に模式的に示すように、蛍光体５１２から集光レンズ２０２に入射する出射光束の割合は、２０％程度であり得る。蛍光体５１２からの出射光束の残りの８０％は、損失である。

例えば、図３６および図３７に示すように、光源（ここでは発光素子１００または蛍光体５１２）から出射された光を光ファイバー２５０に入射させる光学系を想定する。光学系においては、拡散などがなければ、エテンデュ（Etendue）と呼ばれる量が保存されることが知られている。例えば光源のエテンデュは、光源における発光面積と、その光源から発散していく光の立体角との積によって定義される。エテンデュは、光源から光を受ける照射面についても定義することができ、受光側のエテンデュは、受光側における光の取り込みの能力の大きさを表す。受光側のエテンデュが光源のエテンデュよりも小さいと、光源から発せられた光の全てを取り込むことはできずに損失が生じる。つまり、光源側のエテンデュと照射対象である光ファイバのエテンデュとが等しいとき、光の利用効率が最大であるといえる。光ファイバー２５０のエテンデュは、光ファイバー２５０の開口数によって決まる。光源側のエテンデュが光ファイバのエテンデュよりも大きければ、損失が生じる。

図３６に示す発光装置２１０Ａでは、光ファイバー２５０の開口数に応じて、適切な大きさの焦点距離を有する集光レンズ２０２を用い、かつ、集光レンズ２０２と光ファイバー２５０の端面との間の距離を適切に調整すれば、集光レンズ２０２から出射される光のほぼ全てを光ファイバー２５０に入射させ得る。発光装置２１０Ａに光ファイバの接続部を設けると、発光装置２１０Ａと光ファイバー２５０との間の配置を固定できるので、発光装置２１０Ａと光ファイバー２５０との間で高い結合効率を実現しやすく、有益である。

これに対し、発光素子１００に代えて従来の蛍光体５１２を用いた構成（図３７参照）では、蛍光体５１２が等方的に発光するために、一般に、光ファイバのエテンデュよりも蛍光体５１２のエテンデュの方が大きく、したがって蛍光体５１２と光ファイバー２５０との間において高い結合効率が得られない。図３７に示す例では、蛍光体５１２と光ファイバー２５０との間の結合効率は、２０％に過ぎない。なお、受光側のエテンデュの大きさが一定であれば、光源（ここでは蛍光体５１２）の発光面積を拡大しても、光ファイバー２５０内部に導入できる光の量は増えない。上述したように、光ファイバー２５０のエテンデュは、光ファイバー２５０の開口数によって決まるので、集光レンズ２０２に入射する光束を増加させようとして、より大きな径を有するレンズを単純に適用しても、光ファイバー２５０の開口数が同じであれば、光ファイバー２５０に入射する光束を増やすことにはならない。

発光装置２１０Ａでは、発光素子１００からの出射光束のほぼ全てを集光レンズ２０２に入射させ得る（図３６参照）。すなわち、発光素子１００からの出射された光のほぼ全てを光ファイバー２５０に入射させ得る。このように、本開示の実施形態によれば、発光素子１００からの光の出射方向を、集光レンズ２０２を通ることによって光ファイバー２５０に入射するような方向に制御することが可能であるので、発光素子１００と光ファイバー２５０との間の結合効率を向上させ得る。

本開示の実施形態によれば、発光素子１００と光ファイバー２５０との間において高い結合効率を実現し得るので、光ファイバー２５０から同じ出力（光束といってもよい）を得るために必要な投入エネルギ量を低減することが可能である。例えば、励起光源１８０として、電力変換効率が４０％のレーザーダイオードを用いて光ファイバー２５０から２．３Ｗの出力が得られたとする。蛍光体における変換効率を５５％とすると、このときに励起光源１８０に投入される単位時間当たりのエネルギ量は、図３７に示す比較例の発光装置５１０ではおよそ５３．９Ｗであることに対し、図３６に示す発光装置２１０Ａではおよそ１０．７Ｗである。すなわち、発光装置の省エネルギ化を達成し得る。

なお、図３５〜図３７では、集光レンズ２０２が両凸レンズとして図示されている。しかしながら、集光レンズ２０２は、両凸レンズに限定されず、平凸レンズ、フレネルレンズ、または、軸に沿って変化する屈折率を有するグリンレンズなどであってもよい。集光レンズ２０２は、光ファイバの端面に結合されたレンズであってもよい。

［１１−１．集光レンズを有する発光装置の変形例］
図３８は、本開示の実施形態による発光装置の他の変形例を示す。図３８に示す発光装置２１０Ｂは、発光素子１００と集光レンズ２０２との間に、コリメートレンズ２０４を有する。発光素子１００から出射される光の指向角が比較的小さいので、コリメートレンズ２０８として、小さな径を有するレンズを用いながらも、高い光の利用効率が得られる。また、このような構成によれば、発光素子１００から光ファイバー２５０の接続部までの距離を拡大し得るので、光学系の設計の自由度が向上する。

図３９は、本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す。図３９に示す発光装置２１０Ｃは、励起光源１８０と発光素子１００との間に、コリメートレンズ２０８を有する。このような構成によれば、発光素子１００に対してコリメートされた励起光を照射し得る。したがって、フォトルミネッセンス層１１０を均一に励起し得る。

図４０は、本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す。図４０に示す発光装置２１０Ｄは、励起光源１８０と発光素子１００との間に、コリメートレンズ２０８を有し、さらに、コリメートレンズ２０８と発光素子１００との間に、集光レンズ２０６を有する。このような構成によれば、励起光を収束させることが可能であるので、発光素子１００を小型化し得る。したがって、光学系を小型化し得る。また、励起光源１８０から発光素子１００までの距離を拡大し得るので、光学系の設計の自由度が向上する。

図４１は、本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す。図４１に示す発光装置２１０Ｅは、図３８に示す発光装置２１０Ｂと同様に、発光素子１００と集光レンズ２０２との間に、コリメートレンズ２０４を有する。また、図４０に示す発光装置２１０Ｄと同様に、励起光源１８０と発光素子１００との間に、コリメートレンズ２０８および集光レンズ２０６を有する。図４１に示すように、コリメートレンズ２０８および集光レンズ２０６は、励起光源１８０から発光素子１００に向かってこの順に配置されている。図４１に例示するように、励起光源１８０と、発光素子１００との間、および、発光素子１００と、発光装置から出射される光を受ける光学部品（ここでは光ファイバー２５０）との間のそれぞれに、コリメートレンズおよび集光レンズを配置してもよい。これにより、図３８に示す発光装置２１０Ｂおよび図４０に示す発光装置２１０Ｄと同様の効果が得られる。

このように、本開示の発光装置における光学系は、多様に設計が可能である。図３８〜図４１に例示する構成のほか、例えば、図４０に示す発光装置２１０Ｄまたは図４１に示す発光装置２１０Ｅからコリメートレンズ２０８を省略したような構成も可能である。つまり、励起光源１８０と発光素子１００の間にコリメートレンズが配置されない構成も可能である。なお、図３５〜図４１においては、集光レンズ（集光レンズ２０２、２０６）が単一の両凸レンズとして図示されている。しかしながら、これはあくまで説明の便宜のためであり、本開示の発光装置における集光レンズは、複数のレンズの組み合わせであってもよい。コリメートレンズ（コリメートレンズ２０４、２０８）についても同様である。もちろん、コリメートレンズ（コリメートレンズ２０４、２０８）は、両凸レンズに限定されない。

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。例えば、以下に述べるような応用が可能である。

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し得る。

また、例えば図３５に示す発光装置２１０Ａを複数台使用し、発光装置２１０Ａに光学的に結合された光ファイバー２５０の光出射側の端面を平面的に敷き詰めれば、発光装置２１０Ａの集合を表示装置として機能させ得る。発光装置２１０Ａに代えて、図３８〜図４１を参照して説明した発光装置２１０Ｂ〜２１０Ｅのいずれかを適用してもよい。

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、例えば反射板を含む光学部品が用いられる。これに対して、本開示の実施形態によれば、発光素子と光ファイバーとを高い結合効率で光学的に結合することが可能であるので、反射板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。

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ことによって、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）という技術に好適に用いられ得る。また、可視光通信にも好適に用いることができる。

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得る。

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。例えば、以下に述べるように、本開示の発光素子を用いて、より小型の投影装置を実現し得る。

[１２．投影装置]
以下、本開示の発光素子が適用された投影装置の例示的な構成を説明する。本開示のある例示的な態様による投影装置は、光源部と、光変調素子を有する画像形成部と、光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーとを有する。換言すれば、光源部と画像形成部とは、光ファイバーを介して接続される。後に詳しく説明するように、光変調素子は、例えば、光ファイバーからの出射光線の進行方向を画像信号に応じて変えることにより、スクリーン、壁面などの投影の対象上に画像を形成する。

本開示のある態様において、光源部は、励起光源と、励起光源からの励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層と、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、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、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する。フォトルミネッセンス層、透光層および表面構造としては、上述したような構成を適用することができる。つまり、フォトルミネッセンス層から高い指向性の光を取り出すことが可能であり、リフレクター、レンズなどの光学部品を不要としながら（あるいは小型としながら）、特定の方向を光で照らすことが可能である。したがって、投影装置の大きさを従来と比較して大幅に小さくすることができる。

光ファイバーを介して光源部から画像形成部に導かれる光は、励起光源からの励起光であり得る。本開示の他のある態様では、フォトルミネッセンス層、透光層および表面構造が、画像形成部の内部に配置される。この場合、光変調素子は、フォトルミネッセンス層が発する、空気中の波長がλ_aの光を受ける。

[１２−１．励起光源を光源部に有する投影装置]
図４２は、本開示のある態様による投影装置の外観の一例を示す。図４２に例示する構成において、投影装置２３００は、本体ユニット２３５０と、投光ユニット２３１０とを有する。本体ユニット２３５０は、例えば室内の天井に取り付け可能に構成される。図示するように、投影装置２３００は、本体ユニット２３５０と投光ユニット２３１０とを接続する光ファイバー２２５０を有する。投影装置２３００においては、本体ユニット２３５０内において光が生成され、生成された光が光ファイバー２２５０を介して投光ユニット２３１０に送られる。

投光ユニット２３１０は、画像（動画または静止画）を形成するための光をスクリーン、壁などに向けて出射する。図４２に例示する構成において、投光ユニット２３１０には開口部２３３０が設けられており、画像を形成するための光は、開口部２３３０を介して投光ユニット２３１０の外部に向けて出射される。投光ユニット２３１０は、ヒンジなどのジョイントによって本体ユニット２３５０に接続されており、光の出射方向を変更可能に構成されている。

図４３は、図４２に示す投影装置２３００における光学系の一例を示す。投影装置２３００における光学系は、概略的には、光源部２３６０Ａと、画像形成部２３２０Ａと、これらを光学的に結合する光ファイバー２２５０とを含む。光源部２３６０Ａおよび画像形成部２３２０Ａは、それぞれ、上述の本体ユニット２３５０内および投光ユニット２３１０内に配置される。

図４３に例示する構成において、光源部２３６０Ａは、励起光源１８０と、円盤状の発光素子１００ｗとを含む。発光素子１００ｗは、円盤状の円周方向に沿って複数の領域に分割されており、複数の領域の各々は、上述の発光素子１００または１００ａと同様の構造を有する。すなわち、発光素子１００ｗにおける複数の領域の各々は、フォトルミネッセンス層および表面構造を含む。この例では、発光素子１００ｗにおける複数の領域の各々は、図４３において模式的に示すように、図１９Ａを参照して説明した発光素子と同様の構造を有している。ここでは、基板１４０（ここでは透明基板）上にフォトルミネッセンス層１１０が形成された発光素子１００ａを適用した例を説明するが、発光素子１００ａに代えて、上述の発光素子１００を用いてももちろん構わない。

発光素子１００ｗは、励起光源１８０からの励起光の光路上に配置される。励起光源１８０の例は、ＬＥＤ、レーザダイオードである。この例では、基板１４０が励起光源１８０に対向するようにして発光素子１００ｗが上述の本体ユニット２３５０内に配置されており、励起光源１８０から出射された励起光は、基板１４０を介して発光素子１００ｗのフォトルミネッセンス層１１０に入射する。既に説明したように、発光素子１００ｗにおける表面構造（ここでは周期構造１２０ａおよび／または１２０ｂ）は、フォトルミネッセンス層１１０が発する特定の光の指向角を制限する機能を有する。したがって、発光素子１００ｗからは、特定の方向（例えば正面方向）に向けて特定の波長の光が強く出射される。

発光素子１００ｗは、投光ユニット２３１０内において回転可能に支持されており、投影装置２３００の動作時、駆動装置（例えばモータ、図４３において不図示）によって回転させられる。励起光源１８０から出射された励起光は、発光素子１００ｗの回転角度に応じて発光素子１００ｗにおける複数の領域のいずれかに入射する。

典型的には、発光素子１００ｗは、複数の領域ごとに互いに異なる周期構造を有する。つまり、発光素子１００ｗから特定の方向に向けて強く出射される光の波長は、発光素子１００ｗにおける複数の領域ごとに異なる。そのため、発光素子１００ｗは、複数の領域のいずれに励起光が入射するかに応じて異なった波長の光を出射する。発光素子１００ｗを指向性発光カラーホイールと呼んでもよい。

発光素子１００ｗから出射された光の光路上に、光ファイバー２２５０の一端が配置される。発光素子１００ｗから出射された光の光路上に光ファイバー２２５０の一端が配置されることにより、発光素子１００ｗに光ファイバー２２５０が光学的に結合される。既に説明したように、本開示の発光素子は、出射される光の指向性を制御可能な新規な構造を有する。そのため、発光素子１００ｗと光ファイバー２２５０との間で高い結合効率を実現し得る。光ファイバー２２５０と発光素子１００ｗとの間に集光レンズなどが配置されてもよい。

光ファイバー２２５０は、本体ユニット２３５０における光源部２３６０Ａからの光を取り込み、取り込まれた光を投光ユニット２３１０に導く（図４２参照）。このように、光源部２３６０Ａにおいて生成された光は、光ファイバー２２５０を介して、投光ユニット２３１０内に配置された画像形成部２３２０Ａに送られる。

画像形成部２３２０Ａは、光ファイバー２２５０から出射された光を受けるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー２３２２Ａを含む。光ファイバー２２５０の一端から取り込まれた光源部２３６０Ａからの光は、光ファイバー２２５０の他端からＭＥＭＳミラー２３２２Ａに向けて出射される。なお、光ファイバー２２５０から出射される光は、光ファイバー２２５０の開口数に応じて広がる。そのため、典型的には、光ファイバー２２５０とＭＥＭＳミラー２３２２Ａとの間に、平行光を得るためのコリメートレンズ２２６０が配置される。ＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、光ファイバー２２５０から出射された光が直接的または間接的に入射する位置に配置されていればよく、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａと光ファイバー２２５０との間には、コリメートレンズ２２６０などの他の光学部品が介在し得る。

ＭＥＭＳミラー２３２２Ａに入射した光は、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａにおける可動ミラー２３２３の傾きに応じた角度に反射される。可動ミラー２３２３において反射された光は、開口部２３３０を介して投光ユニット２３１０の外部に向けて出射され、画像を形成する。

図４４は、図４２に示す投影装置２３００の構成の一例の概略を示す。上述したように、本体ユニット２３５０は、励起光源１８０を含む光源部２３６０Ａを有する。この例では、本体ユニット２３５０内に配置された光源部２３６０Ａが、発光素子１００ｗを含んでいる。図示するように、本体ユニット２３５０は、さらに、発光素子１００ｗの駆動装置２３５２、励起光源１８０のドライバ２３５４、制御回路２３５６および入出力インタフェース２３５８を有し得る。

入出力インタフェース２３５８は、外部装置（例えばコンピュータ、取り外し可能なメモリなど）と電気信号の授受が可能な構成を有し、有線または無線により、外部装置（例えば、ネットワークに接続されたサーバーまたは端末装置など）から画像データ、制御信号などを受け取る。制御回路２３５６は、例えば、メモリおよびＣＰＵと、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などの画像処理回路とを含み、入出力インタフェース２３５８を介して入力された画像データ（または信号）に基づいて画像信号を生成する。また、制御回路２３５６は、入出力インタフェース２３５８からの入力に基づき、投影装置２３００における各部の動作の制御を行う。制御回路２３５６は、例えば、ドライバ２３５４に制御信号を送出することによって励起光源１８０における点灯および消灯を制御する。光ファイバー２２５０と励起光源１８０との間にシャッターを設け、このシャッターの動作をドライバ２３５４によって制御することによって、光ファイバー２２５０への励起光の入射および遮断を切り替えてもよい。シャッターは、励起光源１８０から、後述する光変調素子２３２２に至るまでのいずれかの位置に配置されればよい。制御回路２３５６は、また、発光素子１００ｗを回転させるための駆動装置２３５２（典型的にはモーター）を制御し、励起光源１８０からの励起光が発光素子１００ｗにおける複数の領域のいずれの領域に入射するかを切り替える。

この例では、投光ユニット２３１０は、画像形成部２３２０Ａの光変調素子２３２２を駆動するためのドライバ２３２４を有する。上述のＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、光変調素子２３２２の一例である。図４４に例示する構成において、制御回路２３５６は、ドライバ２３２４の制御を実行する。

[１２−２．画像の形成]
次に、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａを用いた画像の形成方法を説明する。

図４５Ａは、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａで反射された光によって画像が形成される様子を模式的に示す。ＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、例えば、微小な梁で支持された可動ミラーと、可動ミラーの傾きを変化させる駆動機構（静電気アクチュエータ）とを含む。図４５Ａに例示する構成において、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、直交する２つの軸（ここではα軸およびβ軸）周りにそれぞれ回転可能に可動ミラーが支持された二次元ＭＥＭＳミラーである。駆動信号として、適切な大きさの電圧を適切な時間、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａに印加することにより、所望の方向に可動ミラーを傾けることができる。可動ミラーの傾きを制御することにより、入射光をスクリーンなどの投影対象の所望の位置に向けて反射させることができる。α軸およびβ軸に関して駆動周波数を互いに異ならせることにより、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａで反射された光ビームを水平方向および垂直方向に走査することができる。

図４３を参照して説明したように、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａには、発光素子１００ｗから出射され、光ファイバー２２５０によって伝送された光が直接的または間接的に入射する。上述したように、発光素子１００ｗは、特定の方向（例えば発光素子１００ｗの法線方向）に向けて強く出射される光の波長が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、発光素子１００ｗにおけるある領域は、赤色光に対応した波長の光を増強するような周期構造を有し、他のある領域は、緑色光に対応した波長の光を増強するような周期構造を有する。また、さらに他のある領域は、青色光に対応した波長の光を増強するような周期構造を有する。このように、発光素子１００ｗの法線方向に出射される光のピーク波長は、領域ごとに異なり得る。

したがって、発光素子１００ｗを回転させ、発光素子１００ｗにおいて励起光が入射する領域を切り替えることにより、光ファイバー２２５０に結合される光の波長を切り替えることができる。即ち、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａに入射する光の波長をタイムシーケンシャルに切り替えることができる。したがって、投影対象上における光ビームの走査に同期させて発光素子１００ｗの回転を制御することにより、図４５Ａに模式的に示すように、投影対象上に例えばＲ光、Ｇ光およびＢ光のスポットを形成することが可能である。例えばＲ光、Ｇ光およびＢ光のビームを走査することにより、投影装置２３００に供給された画像信号に基づいて、所望のカラー画像を表示することができる。黒を表現したいときには、例えば、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａに入射した光を投光ユニット２３１０内に配置された吸光体に向けて反射させればよい。なお、発光素子１００ｗの複数の領域の間で周期構造を共通とし、かつ、複数の領域の間で、発光波長が異なるフォトルミネッセンス材料を用いてもよい。

光ファイバー２２５０から光変調素子２３２２に向けて所望の波長の光を出射させるための構成は、図４３に例示した構成に限定されない。図４５Ｂに例示するように、各々が、互いに異なる波長の光を強く出射する発光素子に光学的に結合された複数の光ファイバーと、上述の光ファイバー２２５０とを光ファイバカプラ２２５２を介して接続することにより、所望の波長の光を生成してもよい。

図４５Ｂに例示する構成において、励起光源１８０と光ファイバー２２５０ｒとの間、励起光源１８０と光ファイバー２２５０ｇとの間、および、励起光源１８０と光ファイバー２２５０ｂとの間に、それぞれ、発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂが配置されている。図示する例では、励起光源１８０と発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂのそれぞれとの間には、コリメートレンズ２２７０が配置されている。発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂは、それぞれ、例えば、赤、緑および青の波長域の光を正面に強く出射するように周期が設定された周期構造を有する。したがって、光ファイバー２２５０ｒ、２２５０ｇおよび２２５０ｒのそれぞれの一端には、赤、緑および青の波長域の光がそれぞれ入射する。発光素子１００ｒ、１００ｇおよび１００ｂは、発光波長が互いに異なるフォトルミネッセンス層を有することにより、互いに異なる波長域の光を強く出射するように設計されていてもよい。図示するように、発光素子１００ｒと光ファイバー２２５０ｒとの間、発光素子１００ｇと光ファイバー２２５０ｇとの間、および、発光素子１００ｂと光ファイバー２２５０ｂとの間に集光レンズ２２７２を配置してもよい。

光ファイバー２２５０ｒ、２２５０ｇおよび２２５０ｂの他端は、光ファイバカプラ２２５２を介して、一端が光変調素子２３２２に向けられた光ファイバー２２５０の他端に接続されている。光ファイバカプラ２２５２は、例えば、溶融により複数の光ファイバーが結合された構造、あるいは、導波路を利用した構造を有する。光ファイバー２２５０ｒによって伝送された赤色光、光ファイバー２２５０ｇによって伝送された緑色光、および、光ファイバー２２５０ｂによって伝送された青色光は、光ファイバカプラ２２５２において合成され、合成された光が、光ファイバー２２５０の他端から出射される。このとき、各励起光源１８０の出力を調整することにより、所望の色（すなわち、スペクトル）の光を光ファイバー２２５０の他端から出射させることが可能である。これにより、投影対象に向かって進行する光ビームの色を任意に変更することができる。各励起光源１８０から出射される励起光における強度は、励起光源１８０にそれぞれ接続されたドライバ２３５４ｒ、ドライバ２３５４ｇおよびドライバ２３５４ｂによって制御され得る。これらのドライバ２３５４ｒ、ドライバ２３５４ｇおよびドライバ２３５４ｂは、例えば、上述の制御回路２３５６の制御に基づいて動作する。

あるいは、例えば、発光素子１００ｒと光ファイバー２２５０ｒとの間、発光素子１００ｇと光ファイバー２２５０ｇとの間、および、発光素子１００ｂと光ファイバー２２５０ｂとの間に絞りを設け、ドライバ２３５４ｒ、ドライバ２３５４ｇおよびドライバ２３５４ｂにより、各色に対応して設けられた絞りの開き具合を制御してもよい。絞りの開き具合を調整すれば、合成される光の強度比を調整することが可能であり、任意の色の合成光が得られる。なお、ここでは、赤色光、緑色光および青色光を合成する例を説明したが、合成される光の波長域、および、用いる発光素子の数などは任意に設定してよい。

[１２−３．投影装置の変形例]
図４６は、投影装置２３００における光学系の他の一例を示す。図４７は、図４６に示す光学系に対応した構成の一例の概略を示す。

図４６および図４７に例示する構成において、投影装置２３００は、励起光源１８０を含む光源部２３６０Ｂと、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａを含む画像形成部２３２０Ｂと、これらを光学的に結合する光ファイバー２２５０とを有する。この例では、画像形成部２３２０Ｂが、発光素子１００ｗを含んでいる。すなわち、この例では、図４７に模式的に示すように、光変調素子２３２２および発光素子１００ｗが、投光ユニット２３１０内に配置されている。なお、発光素子１００ｗの駆動装置２３５２も投光ユニット２３１０内に配置される。励起光源１８０が本体ユニット２３５０内に配置される点は、図４３および図４４を参照して説明した例と共通である。

図４６および図４７に例示する構成において、光ファイバー２２５０の一端は、励起光源１８０からの励起光の光路上に配置されている。光ファイバー２２５０は、励起光源１８０からの励起光を取り込み、画像形成部２３２０Ｂに励起光を導く。光ファイバー２２５０から出射した励起光が入射する位置には、画像形成部２３２０Ｂの発光素子１００ｗが配置されている。すなわち、光ファイバー２２５０は、取り込んだ励起光を他端から発光素子１００ｗに向けて出射する。光ファイバー２２５０と発光素子１００ｗとの間にコリメートレンズなどが配置されてもよい。

励起光を受けた発光素子１００ｗは、特定の波長の光を特定の方向（例えば発光素子１００ｗの法線方向）に強く出射する。画像形成部２３２０Ｂ中のＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、発光素子１００ｗによって増強された光を受ける。即ち、ＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、発光素子１００ｗから出射された光が入射する位置に配置される。ＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、発光素子１００ｗによって増強された光が直接的または間接的に入射する位置に配置されていればよく、発光素子１００ｗとＭＥＭＳミラー２３２２Ａとの間に集光レンズなどが配置されてもよい。ＭＥＭＳミラー２３２２Ａは、入射した光の進行方向を駆動信号に応じて変化させる。

このように、光源部２３６０Ｂにおいて生成された励起光を光ファイバー２２５０を介して画像形成部２３２０Ｂに伝送してもよい。このような構成によっても、所望の画像をスクリーンなどの上に表示させることが可能である。

[１２−４．発光素子と光ファイバーとの間の光学的結合]
図４８は、光源と光ファイバーとの間における光学的結合を説明するための模式図である。図４８は、光源２２８０から発せられた光を、集光レンズ２２９０を介して光ファイバー２２５０内部に導入する様子を模式的に示している。

上述したように、光学系においては、拡散などがなければ、エテンデュが保存される。図４８に示す例では、光源２２８０の中心、集光レンズ２２９０の光軸および光ファイバー２２５０の軸Ｌが一致しており、光源２２８０から発散していく光線と軸Ｌとのなす最大角をθとし、光源２２８０の発光面積をＳとすれば、光源２２８０のエテンデュＥｓは、Ｓｓｉｎ²θと表される。なお、ここでは、空気の屈折率を１としている。

上述したように、受光側における光の取り込みの能力の大きさを表す受光側のエテンデュが光源のエテンデュよりも小さいと、光源から発せられた光の全てを取り込むことはできずに損失が生じる。図４８中の濃い網掛けは、光ファイバー２２５０に導入される光を模式的に示し、一方、薄い網掛けは、光源２２８０のエテンデュが大きい場合に、光ファイバー２２５０に導入できない光を模式的に示している。

受光側である光ファイバー２２５０のエテンデュＥｆは、光ファイバー２２５０の開口数ＮＡを用いて表すことができる。光ファイバー２２５０の開口数ＮＡは、光ファイバー２２５０が取り込み可能な光線と軸Ｌとのなす最大角θｆを用いて表され、この角θｆの大きさは、光ファイバー２２５０内部で全反射が起きる条件によって決まる。すなわち、光ファイバー２２５０内に光を導入する場合、受光側のエテンデュの大きさは、どのような光ファイバー２２５０を使用するかによって決まっている。

受光側のエテンデュの大きさが一定であれば、光源２２８０の発光面積を拡大しても、光ファイバー２２５０内部に導入できる光の量は増えない。このことは、光源２２８０と光ファイバー２２５０との間に配置された集光レンズ２２９０の径を拡大しても同様である。

図４９は、光源２２８０の発光面積Ｓと、光ファイバー２２５０に導入される光の量Ａとの間の関係を模式的に示す。図４９中の破線は、光源２２８０における発光が等方的であり、光源２２８０のエテンデュＥｓが比較的大きい場合を示している。このときの光源２２８０と光ファイバー２２５０との間の結合効率は、例えば２０％程度であり得る。図４９中の一点鎖線は、光源２２８０が指向性を有し、エテンデュＥｓが比較的小さい場合を示している。図４９中の実線は、光源２２８０が完全な指向性を有し、エテンデュＥｓがほぼ０である場合を示している。このとき、ほぼ１００％の結合効率を達成し得る。このように、ある程度の発光面積を有する光源と光ファイバーとの間の光学的結合においては、光源が高い指向性を有すると有利である。

発光素子１００ｗにおける表面構造（ここでは周期構造１２０ａおよび／または１２０ｂ）は、フォトルミネッセンス層１１０から出射される特定の波長の光の強度を、特定の方向（例えば正面方向）において最大にする擬似導波モードを、フォトルミネッセンス層１１０の内部に形成する。発光素子１００ｗにおける表面構造は、例えば、フォトルミネッセンス層１１０が発する波長λ_aの光の指向角を、１５°未満に制限する。これにより、狭角配光が実現される。このように、発光素子１００ｗは、出射される光の指向性を制御可能な構造を有するので、発光素子１００ｗと光ファイバー２２５０との間で高い結合効率が得られる。したがって、発光素子１００ｗから出射された光の光ファイバー２２５０を介した伝送（例えば図４３を参照）を高効率で行い得る。そのため、発光素子１００ｗと光変調素子２３２２（ここではＭＥＭＳミラー２３２２Ａ）との間に光ファイバー２２５０を介在させても、明るい表示を実現し得る。また、発光素子１００ｗと光ファイバー２２５０との間で高い結合効率が得られるので、消費電力の低減された投影装置を提供し得る。

なお、本開示の発光素子によれば、図４２に例示するように、本体ユニット２３５０と投光ユニット２３１０とを光ファイバー２２５０によって光学的に結合することが可能であるので、画像形成用の光学系の全ての光学部品を投光ユニット２３１０内に収容する必要がない。そのため、投光ユニットの小型化が容易であり、投光ユニットのデザインの自由度も向上する。

図５０は、画像形成用の光学系の全ての光学部品が収容された投光ユニットを有する投影装置の外観の一例を比較例として示す。図５０に示す投影装置２５００は、本体ユニット２５５０に投光ユニット２５１０が接続された構成を有する。投光ユニット２５１０は、開口部２５３０を有し、開口部２５３０内に結像レンズ２３３２が配置されている。

図５１は、図５０に示す投影装置２５００の投光ユニット２５１０の内部に配置された、画像形成のための構成を示す。投影装置２５００は、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device：ＤＭＤ）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing）方式の投影装置である。図示するように、投光ユニット２５１０の内部には、白色光を出射する光源２５８０と、カラーホイール２５２０と、カラーホイール２５２０を通過した光を受けるデジタルマイクロミラーデバイス２３２２Ｂ（以下、「ＤＭＤ２３２２Ｂ」と呼ぶ。）と、結像レンズ２３３２とが収容されている。カラーホイール２５２０は、円盤形状を有し、円周方向に沿って配列された複数の領域を含む。複数の領域の各々は、互いに異なる色のカラーフィルタであり、例えば、赤色光（Ｒ）を透過させる領域、緑色光（Ｇ）を透過させる領域、青色光（Ｂ）を透過させる領域、および、光源２５８０から出射された白色光（Ｗ）をそのまま透過させる領域を含む。カラーホイール２５２０は、投光ユニット２５１０内において回転可能に支持されており、不図示の駆動装置（例えばモータ）によって回転させられる。カラーホイール２５２０が回転することにより、ＤＭＤ２３２２Ｂに入射する光の色が切り替えられる。ＤＭＤ２３２２Ｂは、基板２３２６と、基板２３２６上に配置された多数の微小なミラー２３２５とを有し、各ミラー２３２５に入射した光を所定の方向に反射することにより、画像を形成する。図５１では、簡単のため、例えば数千行、数千列のマトリクス状に配置されるミラー２３２５のうちの２つを図示している。ＤＭＤ２３２２Ｂの構成および動作の詳細は、後述する。

図５０および図５１に例示するように、投光ユニット２５１０内に光源２５８０を配置する構成では、比較的大きなヒートシンク、ファンなど（図５１において不図示）の、光源２５８０の冷却のための部材が投光ユニット２５１０内に配置される。そのため、投光ユニット２５１０を小型化することは困難である。図５０に示すような概略円筒形状の投光ユニット２５１０において、その直径および軸に沿った長さは、それぞれ、例えば２０ｃｍおよび３０ｃｍ程度であり得る。また、大型のヒートシンクを用いることにより、投光ユニット２５１０の重量も増加する。投光ユニット２５１０の重量は、例えば、３ｋｇ程度であり得る。

これに対し、本開示の発光素子が適用された投影装置によれば、光源部と画像形成部とを光ファイバーによって光学的に結合することが可能であるので、励起光源１８０と光変調素子２３２２とを、本体ユニット２３５０と投光ユニット２３１０との間で分離して配置することが容易である。そのため、投光ユニット２３１０の内部に発熱の大きい部品を配置する必要がなく、投光ユニット２３１０の内部にヒートシンクなどを配置する必要がない。このように、投光ユニット２３１０の内部からヒートシンクなどを省略可能であるので、より小型かつ軽量な投光ユニット２３１０を実現し得る。投光ユニット２３１０の重量は、例えば０．３ｋｇ程度であり得る。上述した態様によれば、投光ユニット２３１０の小型化および軽量化が比較的容易であるので、住居、店舗、オフィスなどにおけるスポットライト、ダウンライトを投光ユニット２３１０に置き換えるといった利用方法も可能である。

なお、従来、スクリーン上に画像を表示するための光としてレーザ光が用いられることがある。例えば、図５１に示す光学系において、光源２５８０としてレーザダイオード（ＬＤ）が用いられることがある。これに対し、本開示の投影装置では、発光素子１００ｗから出射された光を用いて画像を表示する。このような構成によれば、励起光を受けて発光素子１００ｗから発せられた光が投影の対象に向けて出射されるので、より安全性の高い投影装置を提供することが可能である。また、画像を表示するための光としてレーザ光を用いる構成では、スペックルノイズを低減するための対策が必要である。これに対し、本開示の投影装置では、画像を表示するための光がレーザ光ではないので、スペックルノイズを低減するための特別な機構を省略し得る。

[１２−５．投影装置の他の変形例]
図５２および図５３は、投影装置２３００における光学系のさらに他の一例を示す。図５２および図５３に例示するように、図５１を参照して説明したＤＭＤ２３２２Ｂを光変調素子２３２２として用いてもよい。

図５２に例示する構成において、投影装置２３００は、上述の光源部２３６０Ａと、ＤＭＤ２３２２Ｂを含む画像形成部２３２０Ｃと、これらを光学的に結合する光ファイバー２２５０とを有する。光源部２３６０Ａおよび画像形成部２３２０Ｃは、それぞれ、本体ユニット２３５０内および投光ユニット２３１０内（図４２参照）に配置される。

光源部２３６０Ａで生成された光は、光ファイバー２２５０を介して画像形成部２３２０Ｃに送られる。光ファイバー２２５０から出射した光が直接的または間接的に入射する位置に、ＤＭＤ２３２２Ｂが配置されている。この例では、光ファイバー２２５０とＤＭＤ２３２２Ｂとの間にレンズ系２３４０が配置されている。レンズ系２３４０は、光ファイバー２２５０から出射された光から、拡大された光ビームを形成する。ＤＭＤ２３２２Ｂは、レンズ系２３４０によって拡大された光ビームで一様に照射される。

上述したように、ＤＭＤ２３２２Ｂは、基板２３２６上に配置された多数の微小なミラー２３２５を有する。ミラー２３２５の各々は、不図示のアクチュエータによって傾きを変更可能に基板２３２６上に支持されている。ミラー２３２５の各々における傾きは、例えば、ドライバ２３２４（図４４参照）からのデジタル入力信号に応じて約１０°程度変化させられる。各ミラー２３２５は、その傾きに応じて、入射した光を結像レンズ２３３２または投光ユニット２３１０内の吸光体のいずれかに向けて反射させる。既に説明したように、発光素子１００ｗを回転させることにより、光ファイバー２２５０を介してＤＭＤ２３２２Ｂに入射する光の波長を切り替えることが可能である。そのため、発光素子１００ｗの回転に同期させて各ミラー２３２５における傾きを独立して変化させることにより（例えば毎秒数千回程度）、所望のカラー画像をスクリーン上に映し出すことが可能である。

このように、光変調素子２３２２としてＤＭＤを用い、光ファイバー２２５０を介して、ＤＭＤに発光素子１００ｗを光学的に結合するような構成も可能である。本開示の実施形態によれば、発光素子１００ｗと光ファイバー２２５０との間で高い結合効率が得られるので、光学的損失の少ない光学系を実現し得る。したがって、明るい表示を行い得る。また、励起光源１８０を本体ユニット２３５０内に配置できるので、図４３および図４６を参照して説明した構成と同様の効果が得られる。

図４６を参照して説明した構成と同様に、投光ユニット２３１０側に発光素子１００ｗを配置してもよい。図５３は、投光ユニット２３１０側に発光素子１００ｗが配置された構成例を示している。図５３に例示する構成において、投光ユニット２３１０の画像形成部２３２０Ｄは、ＤＭＤ２３２２Ｂと、発光素子１００ｗとを含んでいる。このような構成においても、励起光源１８０が本体ユニット２３５０内に配置されるので、図４３および図４６を参照して説明した構成と同様の効果が得られる。

上述した態様のほか、本開示の技術は、種々の改変が可能である。例えば、光変調素子２３２２として例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を用いてもよい。光変調素子２３２２は、入射した光を反射または透過させて画像を形成する素子であればよい。上述した態様では、発光素子１００ｗにおける複数の領域のいずれに励起光が入射するかを切り替えることにより、光変調素子２３２２に入射する光の波長を切り替えている。しかしながら、この例に限定されず、カラー画像の形成に使用する波長域（例えば、赤色、緑色および青色）ごとに独立して発光素子を配置してもよい。

[１３．フォトルミネッセンス層の支持体を有する発光装置]
以下、本開示の発光装置のさらに他の変形例を説明する。

図５４Ａは、発光素子１００’と、発光素子１００’を支持する支持体３５４０とを備える発光装置の例を模式的に示す断面図である。図５４Ｂは、この発光装置を図５４Ａにおける上方向から見た平面図である。これらの図では、発光素子１００’における表面構造１２０が極端に大きく描かれているが、実際には表面構造１２０は多数の微細な凸部または凹部を有し得る。この点は、本開示の他の図でも同様である。図５４Ａおよび図５４Ｂに示す発光装置では、発光素子１００’の周囲を取り囲むように発光素子１００’を支持する支持体３５４０が設けられている。

支持体３５４０は、発光素子１００’の側部に接触し、発光素子１００’を固定する。このような支持体３５４０を設けることにより、発光素子１００’の周囲を保護するとともに、持ちやすくなるという利点がある。支持体３５４０は、例えばフォトルミネッセンス層１１０よりも高い熱伝導率をもつ材料から構成され得る。これにより、支持体３５４０を、フォトルミネッセンス層１１０で発生した熱を外部に放出する熱浴またはヒートシンクとしても機能させることができる。

放熱のための熱浴がない場合、高出力時にフォトルミネッセンス層１１０が高温になって発光効率が低下する可能性がある。熱伝導率の高い支持体３５４０をフォトルミネッセンス層１１０に接触させることにより、放熱を促進し、発光効率の低下を抑制することができる。支持体３５４０は、例えばアルミニウム、真鍮、銅といった熱伝導率の比較的高い材料で構成され得る。ただしこのような材料に限定されない。単に発光素子１００’を衝撃から保護する目的で支持体３５４０を設ける場合には、フォトルミネッセンス層１１０よりも熱伝導率の低い材料で支持体３５４０を構成してもよい。

発光素子１００’は、既に説明した本開示のいずれかの発光素子と同様の構成を備え得る。図５４Ａは、一例として、基板１４０上に透光層３５２０とフォトルミネッセンス層１１０とが形成された発光素子１００’の構成を示している。透光層３５２０とフォトルミネッセンス層との間、およびフォトルミネッセンス層１１０と空気層との間に表面構造（典型的には周期構造）１２０が形成されている。このような構成は、特に、基板１４０の材料に安価なソーダガラスや硼珪酸ガラスなどの透明な材料を用いる場合に有効である。ただし、上記の安価なガラスを用いると、発光素子１００’を製造する際のフォトルミネッセンス材料を焼結させる工程で、基板１４０が損傷するおそれがある。これを回避するために、低コストの基板１４０の上に耐熱性の高い材料（例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＮ、Ｔａ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等）で、表面構造１２０を有する透光層３５２０を形成することが有効である。これにより、フォトルミネッセンス層１１０側からレーザー光などで短時間加熱する際に、焼結時の熱を透光層３５２０で遮断し、基板１４０へのダメージを防ぐことができる。発光素子１００’は、図５４Ａに示す構成に限らず、後述するように多様な変形が可能である。

図示される例では、発光装置は、さらに励起光源３５１０を備える。励起光源３５１０は、発光素子１００’の底面（すなわち、基板１４０と空気との界面）に向けて斜めに励起光を照射する。励起光の入射角は０°よりも大きく、好ましくは光の取り込み構造を設け、フォトルミネッセンス層１１０内で励起光が全反射する条件を満たすように設定される。光の取り込み構造は、例えば図５４Ｃに示すように、基板１４０の励起光源３５１０側の表面に設けられた三角柱の形状を有する三角プリズムであり得る。光の取り込み構造３５９０（この例では三角プリズム）は、半球、ピラミッド、回折格子、ブレーズド回折格子などの他の構造を有していてもよい。このような構造体を設けることにより、基板１４０の表面での反射を抑制し、フォトルミネッセンス層１１０内に効率よく励起光を導入することができる。このような構造体は、詳しくは出願人による特願２０１５−０３１５１５に導光構造体として説明されている。参考のために、特願２０１５−０３１５１５の開示内容全体を本明細書に援用する。そのような入射角を実現するように励起光源３５１０の位置および向きが調整される。その結果、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に対して傾斜した角度で励起光がフォトルミネッセンス層１１０に入射し、フォトルミネッセンス層１１０内を伝搬する。これにより、励起光がフォトルミネッセンス層１１０に垂直に入射する場合と比較して、発光効率を向上させることができる。

表面構造１２０は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射させる。このため、表面構造１２０は、励起光も特定の方向に最も強く出射させる構造であるといえる。その出射角をθ_outとすると、励起光源は、励起光が発光素子１００’にθ_outと同じ入射角で入射するように配置され得る。これにより、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層１１０内に導入することができ、発光効率を高くすることができる。

励起光を発光素子１００’に斜めに入射させるために、図５４Ａ〜図５４Ｃに示す構成例における支持体３５４０は、励起光源３５１０の側が大きく開放された構造を有し得る。その開放された部分を開口部と呼ぶと、開口部は、フォトルミネッセンス層１１０の法線方向に対して傾斜した側面３５４０ａを有する。図示されるように、この開口部は、発光素子１００’に接触する部分（「支持部」と呼ぶ。）３５４０ｂから励起光源３５１０の側に向かって徐々に広がっている。言い換えれば、開口部の側面はテーパー状の構造を有する。このような構造により、励起光は、開口部の側面３５４０ａに沿って発光素子１００’に斜めに入射することができる。図５４Ａ〜図５４Ｃに例示する開口部の形状は底面が正方形の四角錐台であるが、励起光の光路を妨げない限り、任意の形状であってよい。例えば、側面３５４０ａをテーパー状にする代わりに、段差を設けてもよい。

図５４Ａ〜図５４Ｃに例示する発光装置は、既に述べた他の実施形態と同様、特定の波長の光の指向角を制限する表面構造１２０を有している。このため、特定の波長の光の指向性を向上させることができる。さらに、発光素子１００’は、励起光が入射する部分（ここでは基板１４０の底面）が露出するように、支持体３５４０に固定されている。これにより、発光素子１００’を保護しながら励起光を所望の角度で入射させることができる。フォトルミネッセンス層１１０よりも熱伝導率の高い材料で支持体３５４０を構成すれば、放熱性に優れた、発光効率が低下しにくい発光装置を実現できる。

図５５Ａおよび図５５Ｂは、上記の例とは異なる構造の発光素子１００’を用いた例を示す図である。この発光素子１００’は、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成から透光層３５２０およびその表面の表面構造１２０を除いた構成を有する。即ち、この発光素子１００’は、基板１４０と、その上のフォトルミネッセンス層１１０と、その表面の表面構造１２０とを備える。発光素子１００’以外の構成は、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成と同様である。図５５Ａおよび図５５Ｂに示す例では、表面構造１２０がフォトルミネッセンス層１１０の上部にのみ設けられているので、製造工程を簡略化できる。この構成は、特に基板１４０が耐熱性の高い石英ガラスから構成される場合に有効である。石英ガラスは耐熱性が高いため、フォトルミネッセンス材料の焼結時でも損傷のおそれが低い。よって、基板１４０の上に直接フォトルミネッセンス層１１０を形成し、表面構造１２０を形成することができる。

図５６Ａおよび図５６Ｂは、さらに異なる構造の発光素子１００’を用いた例を示す図である。この発光素子１００’は、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成からフォトルミネッセンス層１１０の表面の表面構造１２０を除いた構成を有する。即ち、この発光素子１００’は、基板１４０と、その上の透光層３５２０と、その表面の表面構造１２０と、その上のフォトルミネッセンス層１１０とを備える。表面構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と透光層３５２０との界面にのみ設けられている。このような構造によっても製造工程を簡略化できる。

図５７Ａおよび図５７Ｂは、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す例とは異なる構造の支持体３５４０を備える例を示す図である。この支持体３５４０は、図５７Ｂに示すように、フォトルミネッセンス層に垂直な方向から見た支持体３５４０の側面３５４０ａの外周部および内周部の形状が四角形ではなく円形である。言い換えれば、開口部の形状が四角錐台ではなく円錐台である。この点を除けば、図５４Ａおよび図５４Ｂの構造と同様である。このような構造であっても、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成と同様の効果が得られる。

図５８Ａおよび図５８Ｂは、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す発光装置における支持体３５４０を、図５７Ａおよび図５７Ｂに示す支持体に置換した構成例を示す図である。このような構成でも、支持体の開口部の側面の形状が異なるだけなので、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す構成と同様の効果が得られる。

図５９Ａおよび図５９Ｂは、図５６Ａおよび図５６Ｂに示す発光装置における支持体３５４０を、図５７Ａおよび図５７Ｂに示す支持体に置換した構成例を示す図である。このような構成でも、支持体の開口部の側面の形状が異なるだけなので、図５６Ａおよび図５６Ｂに示す構成と同様の効果が得られる。

図６０Ａおよび図６０Ｂは、発光素子１００’の側面にのみ支持体３５４０が設けられている発光装置の例を示す図である。この例では、支持体３５４０の周辺部が励起光源３５１０の側に突出していない、即ち、励起光源３５１０の側に広がった開口部を有していない。この点を除けば、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成と同様である。この例では、簡便な構造で耐衝撃性または放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。

図６１Ａおよび図６１Ｂは、図６０Ａおよび図６０Ｂに示す構成において発光素子１００’を、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。この例でも、簡便な構造で放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。

図６２Ａおよび図６２Ｂは、図６０Ａおよび図６０Ｂに示す構成において発光素子１００’を、図５６Ａおよび図５６Ｂに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。この例でも、同様に簡便な構造で放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。

図６３Ａおよび図６３Ｂは、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す発光装置において、支持体３５４０の構造を、さらに異なる構造に置換した例を示す図である。この例における支持体３５４０は、発光素子１００’に接する支持部３５４０ｂから励起光の光路に沿って延びる開口部３５４０ｃを有する。この開口部３５４０ｃは、励起光を発光素子１００’に導く導光路として機能する。励起光源３５１０から出射された励起光は、開口部３５４０ｃに沿って伝播し、発光素子１００’の底面に斜めに入射する。このような構造によっても、耐衝撃性または放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。

図６４Ａおよび図６４Ｂは、図６３Ａおよび図６３Ｂに示す構成において発光素子１００’を、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。図６５Ａおよび図６５Ｂは、図６３Ａおよび図６３Ｂに示す構成において発光素子１００’を、図５６Ａおよび図５６Ｂに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。これらの例でも、発光素子１００’の構造が異なるだけであるので、図６３Ａおよび図６３Ｂに示す構成と同様の効果が得られる。

図６６Ａおよび図６６Ｂは、導光路の途中に励起光を反射する反射ミラー（リフレクター）３５３０が設けられた構成例を示している。発光素子１００’の構成は、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成と同様であり得る。この例では、支持体３５４０の開口部３５４０ｃ（即ち導光路）が、途中で屈曲しており、屈曲する箇所にリフレクター３５３０が配置されている。このリフレクター３５３０は、励起光の波長域に反射特性を有する。リフレクター３５３０は、通常のミラーに限らず、ダイクロイックミラーでもよい。リフレクター３５３０によって反射された励起光は、発光素子１００’の底面に入射する。導光路内にリフレクター３５３０を設けることで、励起光源３５１０の配置の制約が低減される。これにより、より小型の発光装置を実現し得る。

図６７Ａおよび図６７Ｂは、図６６Ａおよび図６６Ｂに示す発光装置における発光素子１００’を、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す発光素子に置換した構成例を示す図である。図６８Ａおよび図６８Ｂは、図６６Ａおよび図６６Ｂに示す発光装置における発光素子１００’を、図５６Ａおよび図５６Ｂに示す発光素子に置換した構成例を示す図である。これらの例でも、発光素子１００’の構造が異なるだけであるので、図６６Ａおよび図６６Ｂに示す構成と同様の効果が得られる。

図６９Ａ〜図７１Ｂは、フォトルミネッセンス層１１０の側面から励起光が入射する構成例を示す図である。図６９Ａおよび図６９Ｂは、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す発光素子１００’を有する例を示している。図７０Ａおよび図７０Ｂは、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す発光素子１００’を有する例を示している。図７１Ａおよび図７１Ｂは、図５６Ａおよび図５６Ｂに示す発光素子１００’を有する例を示している。図６９Ａ〜図７１Ｂに示す例では、支持体３５４０は、フォトルミネッセンス層１１０の側面（即ち主面ではない面）から励起光源３５１０に向かって延びる開口部（即ち導光路）３５４０ｃを有している。この開口部３５４０ｃに沿って励起光が伝搬し、フォトルミネッセンス層１１０の側面に斜めに入射する。このように、励起光は直接フォトルミネッセンス層１１０に入射する。このような構成により、特に縦方向（即ち、フォトルミネッセンス層に垂直な方向）について小型の指向性発光装置を実現できる。

図７２Ａ〜図７５Ｂは、支持体３５４０に加えて複数の放熱フィン３５６０をさらに備えた発光装置の例を示す図である。図７２Ａおよび図７２Ｂは、図５５Ａおよび図５５Ｂに示す発光装置に放熱フィン３５６０が付加された構成を示している。図７３Ａおよび図７３Ｂは、図６４Ａおよび図６４Ｂに示す発光装置に放熱フィン３５６０が付加された構成を示している。図７４Ａおよび図７４Ｂは、図６７Ａおよび図６７Ｂに示す発光装置に放熱フィン３５６０が付加された構成を示している。図７５Ａおよび図７５Ｂは、図７０Ａおよび図７０Ｂに示す発光装置に放熱フィン３５６０が付加された構成を示している。これらの例では、発光素子１００’として、図５５Ａおよび図５５Ｂに示されている発光素子が用いられているが、発光素子１００’は既に説明した他の構造を有していてもよい。

図７２Ａ〜図７５Ｂに示す各例では、発光素子１００’の周囲の支持体３５４０の外周部に、複数の放熱フィン３５６０が等間隔に接続されている。支持体３５４０および放熱フィン３５６０は、フォトルミネッセンス層１１０よりも高い熱伝導率の材料（例えば、アルミ、真鍮、または銅）で構成される。放熱フィン３５６０および支持体３５４０の材料は同じでもよいし異なっていてもよい。フォトルミネッセンス層１１０で発生した熱は、支持体３５４０を介して複数の放熱フィン３５６０によって外部に放出される。これにより、さらに放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。なお、複数の放熱フィン３５６０の形状および配置は、図示される例に限定されず、効率よく放熱できる構造であればよい。

以上の例では、支持体３５４０は、連続した単一の構造体であり、発光素子１００’の周囲の全体を取り囲んでいるが、支持体３５４０は必ずしもこのような構造である必要はない。例えば、図７６Ａに示すように、発光素子１００’の周囲において支持体３５４０の一部が切断されており、その部分でフォトルミネッセンス層１１０の一部が露出していてもよい。また、図７６Ｂに示すように、支持体３５４０が２つの部分に分かれ、それらが発光素子１００’を挟むように固定してもよい。このように、支持体３５４０は、必ずしも連結された単一の構造体である必要はない。励起光の光路を妨げないように、一部が開放され、発光素子１００’における励起光が入射する部分が露出するように、発光素子１００’を固定する構造であればよい。例えば、支持体３５４０は、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみに接していてもよい。

[１４．リフレクターを有する光源ユニット]
図７７は、リフレクター（即ち反射部材）を有する光源ユニット（即ち発光装置）の概略構成を示す図である。図７７に示す光源ユニット４５００は、励起光源４５１０と、発光素子１００ａと、リフレクター４５３０と、コリメートレンズ４５２０とを備える。発光素子１００ａは、図１Ｃに示す発光素子１００ａと同じ構造を有する。発光素子１００ａに代えて、既に説明した他の構造を有する発光素子を用いてもよい。図７７では、発光素子１００ａの表面構造１２０が極端に大きく描かれているが、実際には表面構造１２０は多数の微細な凸部または凹部を有し得る。

リフレクター４５３０は、励起光の波長域に反射特性を有する反射部材である。リフレクター４５３０は、例えば複数の金属の合金からなる一般的なミラー、または誘電体多層膜から形成されるダイクロイックミラーであり得る。リフレクター４５３０は、励起光源４５１０から出射した励起光の光路上に配置され、励起光を反射して発光素子１００ａに導く。この際、励起光が、フォトルミネッセンス層１１０の内部で全反射しながら伝播するように、励起光源４５１０およびリフレクター４５３０の位置および向きが調整されている。

コリメートレンズ４５２０は、励起光源４５１０とリフレクター４５３０との間に配置される。励起光源４５１０が例えばレーザーダイオード等の光源であるとき、励起光は、一般的に、拡がりをもった光束として出射される。コリメートレンズ４５２０は、その拡がった光束を平行光に変換してリフレクター４５３０に入射させる。図７７では、コリメートレンズ４５２０は、単一のレンズとして描かれているが、複数のレンズの組み合わせであってもよい。また、その形状も、必要な性能に応じて適宜設計され得る。

発光素子１００ａは、励起光を受けて空気中の波長がλ_aの光を発するフォトルミネッセンス層１１０と、基板１４０（典型的には透明基板）と、フォトルミネッセンス層１１０の表面に形成された表面構造１２０（典型的には周期構造）とを有する。表面構造１２０は、既に説明したいずれかの表面構造と同様の構造であり得る。表面構造１２０は、フォトルミネッセンス層１１０が発する波長λ_aの光の指向角を、例えば１５°未満に制限する。これにより、狭角配光が実現される。

図７７に示す光源ユニット４５００においては、励起光がリフレクター４５３０で反射されてからフォトルミネッセンス層１１０に入射する。即ち、励起光の光路が折りたたまれるようにしてフォトルミネッセンス層１１０に入射する。このため、励起光源４５１０と発光素子１００ａとの配置関係の自由度を向上させることができる。その結果、光源ユニット４５００を小型化することができる。

図７８は、比較のため、リフレクター４５３０が設けられていない光源ユニットの例を示している。図７８に示す光源ユニット４５００ｃでは、励起光を斜めに入射させるために、励起光源４５１０が発光素子１００ａから離れた場所に配置されている。その結果、図７７の構成と比較して、発光素子１００ａの各層に平行な方向における装置のサイズが大きくなる。

図７９は、他の構成例を示す図である。この例では、励起光源４５１０の位置および向き、ならびにリフレクター４５３０の向きが、図７７に示す例とは異なっている。この例における励起光源４５１０は、フォトルミネッセンス層１１０の主面にほぼ垂直な方向に励起光を出射する。リフレクター４５３０は、その励起光を反射し、フォトルミネッセンス層１１０に斜めに入射させる。このような構成によっても、図７７と同様、装置のサイズを小型にできる。

図８０は、さらに他の構成例を示す図である。この例では、発光装置は、発光素子１００ａを支持する部材（支持体と称する。）４５４０を備えている。支持体４５４０は、発光素子１００ａの周囲を囲むように発光素子１００ａを支持する。図８０では支持体４５４０が２つの部分に分離しているように見えるが、実際には連結された単一の構造体であり得る。支持体４５４０を設けることにより、発光素子１００ａの周囲を保護するとともに、持ちやすくなるという利点がある。

支持体４５４０の一部は、励起光を反射する材料で形成されたリフレクター４５３０である。リフレクター４５３０は、励起光を反射してフォトルミネッセンス層１１０に導く。これにより、図７９に示す構成と同様の機能が実現される。この例では、支持体４５４０とリフレクター４５３０とが一体化されているため、耐衝撃性を向上させることができる。支持体４５４０を熱伝導率の高い材料で構成すれば、支持体４５４０を、発光素子１００ａが発する熱を効率よく外部に放出するヒートシンクとして機能させることもできる。

図８１は、図８０の変形例を示している。この例の発光装置では、支持体４５４０の構造が図８０に示す例とは異なっている。支持体４５４０は、発光素子１００ａに加えて、励起光源４５１０およびコリメートレンズ４５２０を内部に収納して保持する。発光素子１００ａを保持する部分の近傍における傾斜した部分は、リフレクター４５３０として機能する。この構成例では、励起光源４５１０、コリメートレンズ４５２０、リフレクター４５３０、および発光素子１００ａが所定の配置関係を保って支持される。このような構造により、衝撃によって励起光の光路がずれることを抑制できる。すなわち、耐衝撃性をさらに向上させることができる。

図８２は、他の変形例を示す図である。この例における発光装置は、発光素子１００ａと、レーザーモジュール４５８０と、安全フィルター４５６０と、レンズ４５５０と、リフレクター４５３０と、これらを支持する支持体４５４０とを備える。レーザーモジュール４５８０は、レーザーダイオードを含む励起光源４５１０とコリメートレンズ４５２０とを有する。励起光源４５１０から出射した励起光は、コリメートレンズ４５２０を介してリフレクター４５３０で反射され、発光素子１００ａに最適な角度で入射する。

励起光源４５１０としてレーザーダイオードを用いる場合、発光素子１００ａで変換されなかった一部の励起光が発光素子１００ａを通過する。この通過したレーザー光はコヒーレント性を有しており、人体、特に目に損傷を与える可能性がある。このレーザー光の漏洩を防止するために励起光源４５１０の波長の光をカットする安全フィルター４５６０が設けられている。レンズ４５５０は、安全フィルター４５６０を透過した光を集光し、例えば光ファイバーに導入する。

この例におけるリフレクター４５３０は、角度調整機構として機能する回転軸４５７０を有する。リフレクター４５３０を、回転軸４５７０のまわりに手動で回転させることができる。このような構造により、発光素子１００ａへの励起光の入射角度を自由に調整できる。この調整は、例えば製品出荷前に手動で行われ得る。角度調整機構としては、他にも、モーターと、モーターを駆動する制御回路との組み合わせによって自動で角度調整が行われるような機構を導入してもよい。リフレクター４５３０が角度調整機構を有する代わりに励起光源４５１０の側に角度調整機構が設けられていてもよい。そのような角度調整機構は、例えば、励起光源４５１０をある回転軸の周りに回転させる機構によって実現され得る。

図８２に示す例では、支持体４５４０がレンズ４５５０、安全フィルター４５６０、発光素子１００ａ、リフレクター４５３０、およびレーザーモジュール４５８０を保持する。このため、衝撃が生じたとしても各部品の相対的な位置関係がずれることがなく、安定に動作する発光装置を実現できる。

以上のように、リフレクター４５３０を設けることにより、励起光源４５１０から出射された励起光の光路を曲げてフォトルミネッセンス層１１０に入射させることができる。このため、励起光源４５１０と発光素子との配置関係の自由度が向上し、装置全体をよりコンパクトにすることができる。

図８３は、支持体４５４０を有する発光装置の他の変形例を示す図である。この発光装置は、励起光源４５１０と、コリメートレンズ４５２０と、発光素子１００ａと、これらを支持する支持体４５４０とを備える。この例ではリフレクターは設けられていない。励起光源４５１０から出射された励起光は、コリメートレンズ４５２０を介して発光素子１００ａのフォトルミネッセンス層に所望の角度で入射する。励起光源４５１０と、コリメートレンズ４５２０と、発光素子１００ａとが支持体４５４０を介して一体化されていることにより、耐衝撃性が向上する。

続いて、リフレクター４５３０を有する光源ユニットによる小型化の効果の具体例を説明する。

図８４Ａ〜図８４Ｃは、リフレクター４５３０を設けることによる効果の一例を示す図である。図８４Ａは、高い指向性を有しない従来の発光素子７００ｃを用いた光源ユニットの構成例を示している。図８４Ｂは、本開示の実施形態による発光素子を有し、リフレクターを有しない光源ユニットの構成例を示している。図８４Ｃは、本開示の実施形態による発光素子およびリフレクターを有する光源ユニットの構成例を示している。

これらの構成例において、励起光源４５１０としてレーザーダイオード（ＬＤ）が用いられている。各光源ユニットは、照明装置の部品として用いられ得る。例えば８畳（約１３ｍ²）の部屋に適した照明装置では、約５０００ｌｍの光束を出射することが必要である。各ＬＤの光出力を約４．３Ｗとし、各光源ユニットから正面方向に出射される光束を５００ルーメン（ｌｍ）とすると、１０個程度の発光モジュールを集積する必要がある。このため、各発光モジュールを小型化することが要求される。

図８４Ａに示す光源ユニットでは、指向性の低い従来の発光素子７００ｃが用いられている。このため、正面方向に５００ｌｍの光束を出射させるためには、多数の励起光源４５１０が必要である。したがって、個々の光源ユニットのサイズが大きくなり、多数の光源ユニットを集積した照明装置のサイズも大きくなる。

図８４Ｂに示す光源ユニットでは、本開示の実施形態における指向性の高い発光素子１００ａが用いられている。このため、例えば１個の励起光源４５１０で５００ｌｍの光束を正面方向に出射させることができる。個々の光源ユニットのサイズを小さくすることができるので、照明装置のサイズを小さくすることができる。図８４Ａに示す光源ユニットの体積を１００とすると、図８４Ｂに示す光源ユニットの体積は、例えば６２．５に低減させることができる。

図８４Ｃに示す光源ユニットは、リフレクター４５３０によって励起光の光束を曲げて発光素子１００ａに入射させる。このため、個々の光源ユニットのサイズをさらに小さくすることができる。結果として、照明装置のサイズを大幅に小さくすることができる。図８４Ａに示す光源ユニットの体積を１００とすると、図８４Ｃに示す光源ユニットの体積は、例えば３６に低減させることができる。

[１５．追加光源を有する発光装置]
以下に説明する態様は、複数の光源からの光を合成することによって所望の色（即ちスペクトル）の光を得る発光装置に関する。ここで説明される態様における発光装置は、前述のいずれかの態様における発光素子（以下、「指向性発光素子」または「指向性光源」と称することがある。）に加えて、他の光源（以下、「追加光源」と称することがある。）を有する。追加光源は、指向性光源が発する光のスペクトルとは異なるスペクトルの光を出射する。指向性光源から出射された光および追加光源から出射された光は、指向性光源の内部または外部で合成される。合成された光は、例えば光ファイバーケーブル（以下、単に「光ファイバー」と称する。）に導入され得る。そのような発光装置は、例えば光ファイバー照明に利用され得る。

ここで光の「合成」とは、スペクトルの異なる複数の光束が交わり、混合された状態になることを意味する。必ずしも、合成された後の各光束の伝播方向および拡がり角度が同じである必要はない。指向性光源から出射された第１の光および追加光源から出射された第２の光は、指向性光源の内部または外部で合成される。第２の光が指向性光源を通過する態様では、第１および第２の光が指向性光源の内部で合成され得る。第１の光および第２の光は、光学系またはライトガイド等によって指向性光源の外部で合成されてもよい。

指向性光源から出射される光のスペクトルは、実際の利用シーンで要求される光のスペクトルと比べて、一部の波長成分が欠落している場合がある。追加光源を用いることにより、不足する波長成分を補うことができる。さらに、各光源が発する光のスペクトルおよび強度を調整することにより、照明光の色および明るさを調整することもできる。

図８５は、このような発光装置の一例を概略的に示す図である。この発光装置は、発光素子１００’と、励起光源１８０と、追加光源５５００と、光学系５５２０と、光ファイバー５５３０とを備える。光学系５５２０は、コリメートレンズ５５２０ａと、集光レンズ５５２０ｂとを含む。図示する例では、発光素子１００’は、図１Ｃに示す発光素子１００ａと同様の構造を有しているが、図１Ａ等の他の構造を有していてもよい。

追加光源５５００は、例えばレーザーダイオードまたは他の指向性発光素子を用いた光源であり得る。追加光源５５００は、発光素子１００’から出射される光のスペクトルとは異なるスペクトルの光を出射する。追加光源５５００が出射する光は、発光素子１００’から出射される光において不足するスペクトル成分の光である。例えば、白色光が所望の光である場合において、発光素子１００’が黄色（赤および緑）の波長域の光を出射する場合には、追加光源５５００は青の波長域の光を出射するように構成され得る。追加光源５５００からの光は、フォトルミネッセンス層内の導波モードに共鳴的に結合する特定の角度で入射した場合を除き、ほとんど吸収も散乱もされない。したがって、図８５に示すように発光素子１００’におけるフォトルミネッセンス層に垂直に追加光源５５００からの光を入射させた場合には、ほとんどの光が発光素子１００’を透過する。

励起光源１８０は、追加光源５５００とは別に設けられ、発光素子１００’内のフォトルミネッセンス材料を励起して発光させる。励起光源１８０は、例えば発光素子１００’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方向から励起光を入射させる。

発光素子１００’に励起光が入射することによって生じた第１の光、および追加光源５５００から出射され発光素子１００’に入射した第２の光は、発光素子１００’の内部で合成される。より詳細には、第２の光が発光素子１００’内のフォトルミネッセンス層内のある点に集束され、その点で第１の光が発生した瞬間に合成される。合成された第１および第２の光は、混合された状態で発光素子１００’の外部を伝播する。この合成光は、コリメートレンズ５５２０ａで平行光に変換され、集光レンズ５５２０ｂで集束される。集束された光は、光ファイバー５５３０に入射する。このように、レンズ５５２０ａ、５５２０ｂを含む光学系５５２０は、第１の光と第２の光とを合成（あるいは合波）して光ファイバー５５３０に導入する。光ファイバー５５３０は、導入された光を先端部から出射させる。これにより、発光素子１００’および追加光源５５００を有する光源部から離れた位置に所望の色の光を出射させることができる。なお、図８５に示す光ファイバー５５３０は比較的短い形状をもつ要素として描かれているが、用途によっては数メートルから数百メートルといった長い光ファイバー５５３０が用いられ得る。

図８６は、発光装置のさらに詳細な構成例を示す図である。この発光装置５４００は、前述の発光素子１００’、追加光源５５００、励起光源１８０、光学系５５２０に加え、励起光源１８０および追加光源５５００を制御する制御回路５５７０と、光ファイバー５５３０を接続するためのコネクター５５８０とを備えている。この例では、光ファイバー５５３０は発光装置５４００の外部の要素である。

制御回路５５７０は、例えば励起光源１８０および追加光源５５００に接続されたマイクロコントローラ（マイコン）等の、プロセッサを含む集積回路であり得る。制御回路５５７０は、例えばユーザーからの入力に応じて、励起光源１８０および追加光源５５００に、出射光の強度を変化させるように指示する。これにより、発光素子１００’から出射される第１の光と追加光源５５００から出射される第２の光との強度比が調整される。その結果、合成される光の強度および色を変化させることができる。このような制御以外にも、例えば光学系５５２０と発光素子１００’との間に配置された絞り５５４０の大きさを変化させることによって第１の光と第２の光との強度比を調整してもよい。

励起光源１８０は、例えばレーザー光源であり、発光素子１００’におけるフォトルミネッセンス層内で全反射が生じる角度で励起光を発光素子１００’に入射させる。これにより、発光素子１００’内で効率よく発光を生じさせることができる。

コネクター５５８０は、光ファイバー５５３０を接続するための端子であり、発光装置５４００の筐体に設けられている。コネクター５５８０に光ファイバー５５３０を挿抜することができる。これにより、例えば光ファイバー５５３０が建物内に敷設された長いケーブルである場合において、発光装置５４００が故障した場合や、異なる発光特性の発光装置５４００に交換したい場合でも、発光装置５４００を容易に交換できる。

以上のように、図８５および図８６に例示する発光装置は、指向性光源である第１光源と、追加光源である第２光源とを備える。第１光源は、空気中の波長がλ_aの光を含む第１の光を発するフォトルミネッセンス層と、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、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する。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、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλ_aの光の指向角を制限する。例えば、表面構造における隣接する２つの凸部の中心間または隣接する２つの凹部の中心間の距離をＤ_int-aとし、空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int-a＜λ_aの関係が成り立つ。あるいは、表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ。その結果、第１光源から出射される空気中の波長がλ_aの光は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方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。一方、第２光源は、空気中の波長がλ_b（≠λ_a）の光を含む第２の光を出射する。第１光源から出射された第１の光と第２光源から出射された第２の光とが合成される。合成された光は、例えば光ファイバーの一端に取り込まれ、他端から出射される。

このような構成により、指向性光源である第１光源だけでは不足するスペクトルを第２光源で補い、所望のスペクトルの光を得ることができる。第１光源および第２光源の強度比を調整することによって最終的に得られる光のスペクトルを調整することもできる。これにより、色および明るさを調整できる光ファイバー照明を実現できる。なお、光ファイバーに代えて、第１および第２の光が合成される位置に光拡散板を配置してもよい。光拡散板によって拡散される光を照明として利用することができる。後述する他の例においても同様に、光ファイバー５５３０に代えて光拡散板を配置してもよい。

図８７は、追加光源５５００が励起光としても機能する構成の例を示す図である。この例では、追加光源５５００が出射する第２の光が、励起光として機能する光の成分を含む。第２の光の一部は発光素子１００’を透過し、発光素子１００’から出射される第１の光とともに光学系５５２０によって合成される。追加光源５５００は、励起光が発光素子１００’に対して特定の入射角θで入射するように配置されている。

フォトルミネッセンス材料を共鳴的に励起する場合、特定の斜めの角度θで励起光を入射することで効率よく励起することができる。一般的に、励起光の波長は発光素子１００’からの狭角配光の光の波長よりも短いため、狭角配光の光は角度θよりも小さい角度で出射する。そこで、この態様では、正面（角度０度）から角度θまでの光を取り込むために、開口数（ＮＡ_lens）がsinθ以上のレンズ５５２０ａが用いられる。そのようなレンズ５５２０ａを用いることによって、狭角配光の光と励起光の両方を光学系５５２０に取り込むことができる。

さらに、レンズ５５２０ｂの構成がレンズ５５２０ａと同じ構成である場合、開口数（ＮＡ_fiber）がsinθ以上であるような光ファイバー５５３０を選択することにより、光学系５５２０で取り込んだ光の大部分（理想的には全て）を光ファイバー５５３０に導入することができる。なお、レンズ５５２０ｂがレンズ５５２０ａとは異なる構成を有する場合には、レンズ５５２０ｂが集光する光束の光ファイバー５５３０への入射角をθ'（≠θ）として、ＮＡ_fiber＞sinθ'を満たす光ファイバー５５３０を用いればよい。

図８７に示す例では、追加光源５５００が励起光源の機能を兼ねるため、光源の数を少なくすることができる。このため、コストおよび装置のサイズを小さくすることができる。

図８８は、発光装置のさらに他の構成例を示す図である。この発光装置は、光学系５５２０の構成と、追加光源５５００の位置が前述の例とは異なっている。この例における光学系５５２０は、レンズ５５２０ａとレンズ５５２０ｂとの間に配置されたダイクロイックミラー５５２０ｃを有している。追加光源５５００は、発光素子１００’の背面側（図の左側）ではなく正面側（図の右側）に配置されている。追加光源５５００は、ダイクロイックミラー５５２０ｃに第２の光を入射させるように配置されている。なお、図８８では、励起光を発光素子１００’に入射させる励起光源の図示は省略されている。以降の図でも同様に励起光源の図示を省略することがある。

ダイクロイックミラー５５２０ｃは、発光素子１００’から出射される第１の光の波長域において高い透過率を有し、追加光源５５００から出射される第２の光の波長域において高い反射率を有するように設計されている。追加光源５５００は、第２の光が発光素子１００’からの第１の光に交差（図８８の例では直交）するように配置されている。第１の光と第２の光とが交差する位置にダイクロイックミラー５５２０ｃが配置されている。ダイクロイックミラー５５２０ｃの角度は、第１の光の透過光と、第２の光の反射光とが同じ方向に伝搬するように調整されている。ダイクロイックミラー５５２０ｃによって第１および第２の光が合成され、レンズ５５２０ｂで集光されて光ファイバー５５３０に導入される。このような構成によっても、前述した他の例と同様、所望のスペクトルの光を得ることができる。

図８９は、発光装置のさらに他の構成例を示す図である。この発光装置は、光学系５５２０ではなく光ファイバー５５３０によって第１の光と第２の光とが合成される点で、前述の例とは異なっている。この例における発光装置は、途中で２方向に分岐した光ファイバー５５３０を備えている。以下、分岐した一方の部分５５３０ａを第１光ファイバーと呼び、他方の部分５５３０ｂを第２光ファイバーと呼ぶことにする。第１光ファイバー５５３０ａと第２光ファイバー５５３０ｂとは、連結点５５３０ｃにおいて連結されている。発光素子１００’からの第１の光は、光学系５５２０を介して第１光ファイバー５５３０ａに入射する。一方、追加光源５５００からの第２の光は、第２光ファイバー５５３０ｂに入射する。これらの光は、光ファイバーの連結点５５３０ｃにおいて合成される。

このような構成によっても所望の光を光ファイバー５５３０から出射することができる。なお、図８９に示す光ファイバー５５３０の連結点５５３０ｃに相当する箇所に、光を分岐・結合する機器を設けてもよい。その場合、複数本の光ファイバーを当該機器に接続することによって同様の構成を実現できる。

図９０は、発光装置のさらに他の変形例を示す図である。この例では、追加光源５５００が、発光素子１００’と同様の指向性発光素子によって構成されている。追加光源５５００は、発光素子１００’と同様、フォトルミネッセンス層と、透光層と、表面構造とを有している。発光素子１００’における表面構造が波長λ_aの光の指向角を制限するのに対し、追加光源５５００は波長λ_b（≠λ_a）の光の指向角を制限する。発光素子１００’と追加光源５５００とは、積層された単一の構造体であってもよい。この例においても、発光素子１００’からの第１の光と追加光源５５００からの第２の光とが光学系５５２０によって合成され、光ファイバー５５３０に導入される。

図９１は、複数の指向性発光素子のタイリングによって実現される発光装置の一部を示す図である。この発光装置は、赤色の波長域の光を出射する複数の発光素子（第１光源）１００ｒと、緑色の波長域の光を出射する複数の発光素子（第２光源）１００ｇと、青色の波長域の光を出射する複数の発光素子（第３光源）１００ｂとが１次元または２次元的に配列された構造を有する。図９１には５つの発光素子が描かれているが、実際にはさらに多数の発光素子が配列され得る。これらの発光素子１００ｒ、１００ｇ、１００ｂから出射された光は、レンズ５５２０ｄによって集光され、光ファイバー５５３０に導入される。これにより、光ファイバー５５３０から白色光を出射させることができる。この例では、赤、緑、青の３色の光源が用いられるが、第１光源、第２光源、および第３光源の各々から出射される光の色（即ちスペクトル）は、任意に設定してよい。この例のように、３種類の指向性光源を組み合わせることにより、より柔軟に出射光の色を調整することができる。この例では３種類の光源を用いているが、４種類以上の光源を組み合わせてもよい。また、第２光源および第３光源は指向性発光素子に限らず、例えばレーザー光源等の他の光源でもよい。

図９２は、発光装置のさらに他の例を示す図である。この例における発光装置は、励起光源の機能を兼ねる追加光源５５００を有し、かつ、光ファイバー５５３０によって第１の光と第２の光とが合成される。図示されるように、発光素子１００’からの第１の光は、レンズ５５２０ａおよびレンズ５５２０ｅによって集光され、光ファイバー５５３０の分岐した２つの部分の一方である第１光ファイバー５５３０ａに導入される。一方、追加光源５５００からの第２の光は発光素子１００’を通過した後、レンズ５５２０ａおよびレンズ５５２０ｆによって集光され、光ファイバー５５３０の分岐した２つの部分の他方である第２光ファイバー５５３０ｂに導入される。これにより、第１および第２の光が連結点５５３０ｃにおいて合成され、光ファイバー５５３０から出射される。

図９３は、発光装置のさらに他の例を示す図である。この例は、図８７に示す構成に類似しているが、レンズの数が異なる。レンズ５５２０ａと発光素子１００’との間に他のレンズ５５２０ｇが配置されている。レンズ５５２０ｇは発光素子１００’に近い位置に配置されているので、追加光源５５００からの第２の光の入射角が大きくても発光素子１００’を透過した第２の光を取り込むことができる。レンズ５５２０ａは、レンズ５５２０ｇによって曲げられた第２の光の光路の曲げ足りない分を補う。その結果、発光素子１００’からの第１の光の光軸と、追加光源５５００からの第２の光の光軸とがほぼ平行に調整される。これらの光は、レンズ５５２０ｂで集光され、光ファイバー５５３０に導入される。この例では３つのレンズが用いられるが、レンズの数は任意である。また、各レンズの形状、サイズ、および位置についても図示される例に限らず、適宜設計してよい。例えば、図９４に示すように、光学系におけるレンズの数が１枚（図示する例ではレンズ５５２０ａ）であってもよい。この例では、レンズの数が少ないため、低いコストで発光装置を構成できる。

図９５は、発光装置のさらに他の構成例を示す図である。この例における発光装置は、発光素子１００’と、発光素子１００’の一方の側に配置されたレンズ５５２０ａと、他方の側に配置されたミラー（リフレクター）５５６０と、２つに分岐した光ファイバー５５３０と、追加光源５５００とを備えている。追加光源５５００は、光ファイバー５５３０の分岐した部分の一方に励起光を導入する。その励起光は、レンズ５５２０ａを通過し、発光素子１００’に入射する。発光素子１００’に入射した励起光の一部はフォトルミネッセンス層で吸収されて第１の光に変換される。励起光の他の一部は、発光素子１００’を通過してミラー５５６０で反射され、再び発光素子１００’を通過する。発光素子１００’から出射された第１の光と、発光素子１００’を通過した励起光（第２の光）は、レンズ５５２０ａによって集光され、光ファイバー５５３０に導入される。これにより、第１の光と第２の光とが合成されて光ファイバー５５３０から出射される。このように、ミラー５５６０を用いて、反射された励起光を活用してもよい。

以上のように、追加光源を有する発光装置は、多様な変形が可能である。いずれの変形例においても、指向性光源である第１光源から出射される第１の光と、第２光源から出射される第２の光とが合成され、所望のスペクトルの光を得ることができる。

図９６は、家庭用ファイバー照明システムへの応用例を示す図である。このファイバー照明システムは、発光装置（光源ユニットともいう）５４００と、複数の光ファイバー５５３０とを備える。光源ユニット５４００は住宅の所定の場所に設置され、光源ユニット５４００から各部屋の照明取り付け位置まで複数の光ファイバー５５３０が敷設される。なお、図９６において１本の光ファイバーのように描かれている部分は、実際には複数の光ファイバーを束ねたものであり得る。光源ユニット５４００の構成は、図８６を参照して説明した構成に限定されない。図９６に示す光源ユニット５４００は、上述の図８５〜図９６のいずれかの発光装置と同様の構成を有し、少なくとも１つの指向性光源を含む複数の光源からの光を合成して複数の光ファイバー５５３０に導入する。これにより、各照明取り付け位置に所望の光が送られ、照明光として利用できる。状況に応じて複数の光源の出力を変えることにより、照明光の色および明るさを変えることができる。このようなファイバー照明システムは、家庭内に限らず、オフィスビル、地下街、スタジアム等の様々な施設で利用され得る。

スペクトルを容易に調整できる機能は、例えば上述の美光色照明および彩光色照明と呼ばれる技術に適用できる。これらは、光源のスペクトル（即ち、発光する光の波長の強度分布）を制御することによって照明の対象を美しく見せる技術である。例えば、肌のくすみが目立つ原因となる５７０ｎｍ〜５８０ｎｍ前後の波長の光を減らすことで、肌をより美しく見せることができる。本開示の発光装置を用い、例えば５７０ｎｍ以下の青色〜緑色の波長域の光と、５８０ｎｍ以上の赤色の波長域の光とを合成することにより、このような美光色照明を実現することが可能である。

また、例えば、５８０ｎｍ前後の波長の成分を抑え、長波長側の赤色成分を強くすることにより、食品の赤い色をより鮮やかに見えるようにすることができる。これにより、例えば肉や魚の赤身、および赤い果物や野菜をより鮮やかに見せることができる。本開示の発光装置を用い、例えば５７０ｎｍ以下の青色〜緑色の波長域の光と、５９０ｎｍ以上の赤色の波長域の光とを合成することにより、このような彩光色照明を実現することが可能である。同様の波長制御は、赤い花や紅葉などの景色をより鮮やかに見せる用途にも利用できる。

上述したような、出射光のスペクトルの調節が可能な態様による発光装置は、食品の鮮度を判別する用途に利用することもできる。多くの食品は、鮮度が低下すると反射光のスペクトルが変化する。例えば、牛肉であれば、鮮度の低下に応じて６００ｎｍ〜７００ｎｍ前後の波長域の成分が低下する。そこで、鮮度に応じて反射率が大きく変化する波長域の光のみを食品に照射し、その反射光の強度を観測することによって、食品の鮮度を容易に判別することができる。食品によっては複数の異なる波長域において反射率の変化が大きい場合がある。そのような場合であっても、複数の光源からの異なるスペクトルの光を合成する発光装置を用いれば、所望の複数の波長域の光を容易に得ることができる。

[１６．互いに異なる方向に出射された光を合成する発光装置]
次に述べる態様は、１つの発光素子から出射される異なる波長域の光を合成して利用する発光装置に関する。前述のように、本開示の発光素子は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射し、他の波長の光を他の方向に強く出射する。この特性を利用し、異なる方向に出射された異なる波長域の複数の光束を、光学系またはライトガイド等を用いて合成して活用することができる。複数の波長域の光を合成することにより、一方の光束で不足するスペクトル成分を他方の光束で補い、所望のスペクトルの光に近づけることができる。合成された光は、例えば光ファイバーに導入され得る。そのような発光装置も、例えば光ファイバー照明に利用可能である。

図９７は、発光素子から異なる方向に出射される複数の波長域の光を合成する発光装置の一例を概略的に示す図である。この発光装置は、発光素子１００’と、光学系６５２０と、光ファイバー６５３０とを備える。光学系６５２０は、コリメートレンズ６５２０ａと、集光レンズ６５２０ｂとを含む。図９７では、発光素子１００’として、図１Ａに示す発光素子１００と同様の構造を図示しているが、図１Ｃ等を参照して説明した他の構造を有する発光素子を用いてもよい。なお、図９７は、各構成要素を簡略化して表しているため、実際の構造とは必ずしも一致しいない。他の図においても同様である。図９７では省略されているが、実際には発光素子１００’に励起光を入射させる励起光源が設けられ得る。

ここでは、フォトルミネッセンス層におけるフォトルミネッセンス材料として、ブロードな発光スペクトルを示す材料が用いられる。フォトルミネッセンス材料から発せられるある波長λ_aの光は特定の出射角度の方向に指向性をもち、別の波長λ_bの光は別の出射角度の方向に指向性をもつ。光学系６５２０は、波長λ_aの第１の光を含む光束と波長λ_bの第２の光を含む光束とを合成（あるいは合波）して光ファイバー６５３０に導入する。光ファイバー６５３０は、導入された光を先端部から出射させる。これにより、発光素子１００’を有する光源部から離れた位置に所望のスペクトルの光を出射させる光ファイバー照明を実現することができる。なお、図９７に示す光ファイバー６５３０は比較的短い形状をもつ要素として描かれているが、用途によっては数メートルから数百メートルといった長い光ファイバー６５３０が用いられ得る。

図９８は、発光装置の構成例の詳細を示す図である。この発光装置６４００は、前述の発光素子１００’および光学系６５２０に加え、励起光源１８０と、励起光源１８０を制御する制御回路６５７０と、光ファイバー６５３０を接続するためのコネクター６５８０とを備えている。この例では、光ファイバー６５３０は発光装置６４００の外部の要素である。

制御回路６５７０は、例えば励起光源１８０に接続されたマイクロコントローラ（マイコン）等の、プロセッサを含む集積回路であり得る。制御回路６５７０は、例えばユーザーからの入力に応じて、励起光源１８０に、出射光の強度を変化させるように指示する。これにより、発光素子１００’から出射される第１の光および第２の光の強度を変化させることができる。このような制御に加えて、光学系６５２０と発光素子１００’との間に配置された絞り６５４０の大きさを変化させることによって第１の光と第２の光との強度比を変化させることもできる。これにより、合成される光のスペクトルを調整することができる。

コネクター６５８０は、光ファイバー６５３０を接続するための端子であり、発光装置６４００の筐体に設けられている。コネクター６５８０に光ファイバー６５３０を挿抜することができる。これにより、例えば光ファイバー６５３０が建物内に敷設された長いケーブルである場合において、発光装置６４００が故障した場合や、異なる発光特性の発光装置６４００に交換したい場合でも、発光装置６４００を容易に交換できる。

以上のように、図９７および図９８に例示する発光装置は、空気中の波長がλ_aの第１の光と空気中の波長がλ_bの第２の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、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、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、第１の光と第２の光とを合成する光学系とを備える。表面構造は、複数の凸部および複数の凹部を有し、第１の光の指向角を制限する。例えば、表面構造における隣接する２つの凸部の中心間または隣接する２つの凹部の中心間の距離をＤ_intとし、空気中の波長がλ_aの第１の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int-a＜λ_aの関係が成り立つ。あるいは、表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、空気中の波長がλ_aの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとし、少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ。その結果、第１の光は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方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り、第２の光は、第１の光の方向と異なる第２の方向において強度が最大になる。光学系は、第１の方向に出射された第１の光を含む光束と、第２の方向に出射された第２の光を含む光束とを合成する。合成された光は、例えば光ファイバーの一端に取り込まれ、他端から出射される。

このような構成により、１つの方向に出射される第１の光だけでは不足するスペクトル成分を第２の光で補うことができる。前述のように、絞り６５４０の大きさを調整する等の制御により、第１の光および第２の光の強度比を調整することができる。これにより、色および明るさを調整できる光ファイバー照明を実現できる。ここで説明する態様によれば、複数の光源からの光を合成する場合と比較して、装置を小型化できるという利点もある。１つの発光素子から出射される２種類以上の波長または色の光を合成することで、スペクトルを制御できる小型の発光装置を実現できる。なお、光ファイバーに代えて、第１および第２の光が合成される位置に光拡散板を配置してもよい。光拡散板によって拡散される光を照明として利用することができる。後述する他の例においても同様に、光ファイバー６５３０に代えて光拡散板を配置してもよい。

図９９は、特定の３波長の光を合成することで白色光を得る発光装置の例を示す図である。この例では、発光素子１００’は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの波長域の光を異なる方向に出射する。光学系６５２０は、これらの３色の光を合成して光ファイバー６５３０に導入する。これにより、光ファイバー６５３０から白色光を出射させることができる。なお、この例では赤、緑、青の光を用いて白色光を得ているが、色の組み合わせは任意に設定してよい。

図１００は、発光素子１００’から第１の方向に出射される第１の光と、第２の方向に出射される第２の光とが、異なる光ファイバー６５３０ａ、６５３０ｂに導入される例を示している。この例における発光装置は、レンズ６５２０ａ、６５２０ｂを含む第１の光学系と、レンズ６５２０ｃ、６５２０ｄを含む第２の光学系とを有する。第１の光学系は第１の光を第１の光ファイバー６５３０ａに導入し、第２の光学系は第２の光を第２の光ファイバー６５３０ｂに導入するように配置されている。第１の光ファイバー６５３０ａと第２の光ファイバー６５３０ｂとは、合成器６６４０によって１本の光ファイバー６５３０ｄに連結されている。第１の光と第２の光とは、２つの光ファイバー６５３０ａ、６５３０ｂの連結点である合成器６６４０によって合成される。このような構成でも、上記の例と同様の効果が得られる。

図１０１は、複数の光ファイバーを連結した発光装置の他の例を示す図である。この発光装置は、発光素子１００’と、レンズ６５２０ａと、レンズアレイ６６１０と、複数の光変調器６５８２と、複数の光ファイバー６５３０と、合成器６６４０とを備える。この発光装置は、発光素子１００’から異なる方向に出射した赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光をレンズ６５２０ａで平行光にし、レンズアレイ６６１０で集光して、複数の光変調器６５８２を介して複数の光ファイバー６５３０に導入する。各光変調器６５８２は、その位置に応じて赤、緑、青のいずれかの光を受け、対応する光ファイバー６５３０に出力する。光変調器６５８２は、光ファイバー６５３０への不要な光を弱めたり遮断したりすることができる。複数の光ファイバー６５３０中を伝播した光は、合成器６６４０によって合成され、１本の光ファイバーから出射される。

このような構成により、任意のスペクトルの光を生成することができる。この例では、赤、緑、青の３原色の光を個別に出力することができるため、照明だけでなくディスプレイやプロジェクター等の表示機器に利用することもできる。

図１０２は、図１０１の構成における発光素子１００’の代わりに、複数の発光素子１００ｒ、１００ｇ、１００ｂがタイリングされた構造を用いた例を示す図である。発光素子１００ｒ、１００ｇ、１００ｂは、それぞれ、赤、緑、青の波長域の光を狭角に出射する指向性発光素子である。複数の発光素子１００ｒ、１００ｇ、１００ｂが、１次元または２次元的に配列されている。図１０２には５つの発光素子が描かれているが、実際にはさらに多数の発光素子が配列され得る。これらの発光素子１００ｒ、１００ｇ、１００ｂから出射された光は、レンズ６５２０ａによって集光され、レンズアレイ６６１０および複数の光変調器６５８２を介して複数の光ファイバー６５３０に導入される。このような構成によっても、図１０１の構成と同様の効果が得られる。

図１０１および図１０２の例では、赤、緑、青の光を組み合わせているが、この組み合わせに限らず、他の色の組み合わせを用いてもよい。また、組み合わせる色の種類の数は３種類に限らず、２種類または４種類以上でもよい。

図１０３は、図９７に示す構成において、さらに励起光源１８０から出射される光の一部を利用する例を示す図である。この例では、励起光源１８０が、発光素子１００’に、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した方向から（入射角θで）励起光を含む第３の光（例えば青色光）を入射させるように配置されている。第３の光の一部は発光に利用され、他の一部は発光素子１００’を透過する。光学系６５２０は、発光素子１００’から出射した第１の光および第２の光に加えて、発光素子１００’を透過した第３の光を光ファイバー６５３０に導入する。このような構成により、発光素子１００’から出射される光だけでは所望のスペクトルを生成することができない場合に、不足するスペクトル成分を補うことができる。

上述したように、フォトルミネッセンス材料を共鳴的に励起する場合、特定の斜めの角度θで励起光を入射することで効率よく励起することができる。また、一般的に、励起光の波長は発光素子１００’からの狭角配光の光の波長よりも短く、狭角配光の光は角度θよりも小さい角度で出射する。図８７を参照して説明したように、開口数（ＮＡ_lens）がsinθ以上であるようなレンズ６５２０ａを用いることにより、正面（角度０度）から角度θまでの光を取り込み、狭角配光の光と励起光の両方を光学系６５２０に取り込むことができる。

レンズ６５２０ｂの構成がレンズ６５２０ａと同じ構成である場合、開口数（ＮＡ_fiber）がsinθ以上であるような光ファイバー６５３０を選択することにより、光学系６５２０で取り込んだ光の大部分（理想的には全て）を光ファイバー６５３０に導入することができる。レンズ６５２０ｂがレンズ６５２０ａとは異なる構成を有する場合には、レンズ６５２０ｂが集光する光束の光ファイバー６５３０への入射角をθ'（≠θ）として、ＮＡ_fiber＞sinθ'を満たす光ファイバー６５３０を用いればよい。

図１０４は、図１０３における励起光源１８０の位置を変えた例を示す図である。この例では、励起光源１８０は発光素子１００’に垂直に、励起光を含む第３の光を入射させるように配置されている。このような構成では、第３の光の多くが発光素子１００’を透過するため、第３の光の成分を強くすることができる。一方、フォトルミネッセンス層における発光効率が低下するため、別途励起光源を補ってもよい。別途励起光源を補う場合には、励起光源１８０に代えて、励起光とは異なる波長域の光を出射する光源を用いてもよい。

図１０５は、図１００に示す構成において、さらに励起光源１８０から出射される光の一部を利用する例を示す図である。この例における発光装置は、励起光源１８０から出射され、フォトルミネッセンス層を透過した第３の光の一部を第３の光ファイバー６５３０ｃに導入する第３の光学系（レンズ）６５２０ｅをさらに備える。第１から第３の光ファイバー６５３０ａ、６５３０ｂ、６５３０ｃは、連結され、連結点である合成器６６４０において、発光素子１００’から出射した第１および第２の光と、発光素子１００’を透過した第３の光とを合成する。このような構成においても、励起光源１８０からの光を活用して、所望のスペクトルの光を生成することができる。

以上のように、発光素子から異なる方向に出射される複数の波長域の光を合成するように構成された発光装置は、多様な変形が可能である。いずれの変形例においても、発光素子から出射される第１の光と第２の光とが合成され、所望のスペクトルの光を得ることができる。

図１０６は、家庭用ファイバー照明システムへの応用例を示す図である。このファイバー照明システムは、発光装置（光源ユニットともいう）６４００と、複数の光ファイバー６５３０とを備える。光源ユニット６４００は住宅の所定の場所に設置され、光源ユニット６４００から各部屋の照明取り付け位置まで複数の光ファイバー６５３０が敷設される。なお、図１０５において１本の光ファイバーのように描かれている部分は、実際には複数の光ファイバーを束ねたものであり得る。光源ユニット６４００の構成は、図９８を参照して説明した構成に限定されない。図１０６に示す光源ユニット６４００は、上述の図９７〜図１０５のいずれかの発光装置と同様の構成を有し、複数の波長域の光を合成して光ファイバー６５３０に導入する。これにより、図９６を参照して説明した応用例と同様に、各照明取り付け位置に所望の光が送られ、照明光として利用できる。状況に応じて複数の波長域の光の合成比率を変えることにより、照明光の色および明るさを変えることができる。

図９７〜図１０６を参照しながらここで説明した態様によれば、スペクトルを容易に調整し得る。したがって、ここで説明した態様は、図８５〜図９６を参照して説明した態様と同様に、美光色照明および彩光色照明と呼ばれる技術に適用可能である。また、例えば、彩光色照明によって、肉や野菜などの食品をよりおいしそうに見せたり、赤い花や紅葉などの景色をより鮮やかに見せたり、あるいは、食品の鮮度を判別する用途に利用したりすることもできる。

既に説明したように、従来、光のスペクトルの制御においては、光学フィルタを用いて、光源から出射された光のうち、不要な波長域の成分を除去することが行われている。このため、光の利用効率が低い。これに対し、本開示の発光装置は、特定の波長の光を増強して出射できるので、光学フィルタを必要としない。したがって、従来の発光装置と比較して、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。

１００、１００ａ、１００ｗ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励起光源
２００、２１０Ａ〜２１０Ｇ発光装置
２０２、２０６集光レンズ
２０４、２０８コリメートレンズ
２５０光ファイバー
３００ハウジング
３００ａハウジング３００の開口部

Claims

励起光源と、
前記励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
前記発光素子から出射された光の光路上に配置された第１の集光レンズと、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λ_a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λ_aの前記光の指向角を制限する、発光装置。
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λ_aの前記光の指向角を、１５°未満に制限する、請求項１に記載の発光装置。
前記表面構造における隣接する２つの凸部間または隣接する２つの凹部間の距離をＤ_intとし、空気中の波長がλ_aの前記光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をｎ_wav-aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜Ｄ_int＜λ_aの関係が成り立つ、請求項１または２に記載の
発光装置。
前記表面構造は、少なくとも１つの周期構造を有し、
前記少なくとも１つの周期構造の周期をｐ_aとすると、λ_a／ｎ_wav-a＜ｐ_a＜λ_aの関係が成り立つ、請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
前記発光素子と前記第１の集光レンズとの間に配置されたコリメートレンズを有する、請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
前記第１の集光レンズから出射された光が入射する位置に光ファイバの接続部を有する、請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
前記励起光源と前記発光素子との間に配置された第２の集光レンズを有する、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
前記励起光源と前記発光素子との間に配置されたコリメートレンズを有する、請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
前記励起光源と前記第２の集光レンズとの間に配置されたコリメートレンズを有する、請求項７に記載の発光装置。
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９のいずれかに記載の発光装置。