JP6165346B2 - 側方放射ルミネッセンス構造体及び当該ルミネッセンス構造体を含む照明デバイス - Google Patents

Description

本発明は、側方放射ルミネッセンス構造体に関し、より具体的には、側方放射ルミネッセンス構造体と、当該側方放射ルミネッセンス構造体を含む照明デバイスとに関するが、これに限定されない。

現在の最新の固体照明デバイスは、例えば青色ＬＥＤの光の一部を、例えば赤色光であるより長い波長の光に変換するために、例えば蛍光体である波長変換材料を使用する。青色ＬＥＤの光の、蛍光体によって放射された光との混合は、人間によって白色光に知覚されるスペクトルをもたらす。

変換処理は、非常に効率的であるが、蛍光体変換固体光源は、無方向性（ランバート）配光、したがって、比較的大きいエタンデュを有する。これらの光源の無方向性配光によって、ライトガイド内への効率的な光結合を実現することが非常に困難である。したがって、当該光源は、ライトガイド応用に適していない、又は、少なくともあまり適していない。更に、無方向性配光は、しばしば、例えばプロジェクタのライト又はヘッドライトのスポットライトにおいて必要である均一分布強度を有する所望の平行光ビームを実現するためには、複雑な二次的光学部品を必要とする。二次的光学部品は、複雑さに加えて、しばしば、バルキーで非効率的である。したがって、光学系の全体的な効率の損失につながる。蛍光体変換光源の無方向性光を均一分布強度の平行ビームに成形するためには、例えば反射光学部品及び屈折光学部品の比較的複雑な組み合わせが必要である。

Ｌｏｚａｎｏ他は、その論文「Plasmonics for solid-state lighting: enhanced excitation and directional emission of highly efficient light sources」（ライト：サイエンス＆アプリケーションズ（２０１３）２、ｅ６６）において、順方向における光の方向性放射を増進するために、ルミネッセンス波長変換層に接触する金属ナノ粒子配列の使用について説明している。当該配列は、固体ルミネッセンス光源の無方向性光を、順方向に優先傾向を有する光に変換することを可能にする。当該配列から発生する光は、順方向の方向性を有するが、均一分布強度の平行ビームを実現するためには、比較的バルキーな屈折性の二次的光学部品が依然として必要である。更に順方向に方向性を有する光は、平面ライトガイドへの光注入には適していないか又はあまり適していない。

したがって、上記を鑑みて、横方向への光の効率的な方向性放射を可能にする固体光源用の単純なルミネッセンス構造体を提供することが望まれる。具体的には、平面ライトガイドに容易に結合可能であり、また、高輝度平行光ビームを形成するために、例えば複合放物面集光器（ＣＰＣ）である単純な反射光集光器と共に使用可能である、固体光源における使用のための側方放射ルミネッセンス構造体を提供することが望まれる。

本発明は、従来技術において知られている欠点のうちの少なくとも１つを軽減又は排除することを目的とする。

一態様において、本発明は、少なくとも第１の波長の光を受け取り、受け取った光を、少なくとも第２の波長の光に変換する波長変換層と、波長変換層と接触している又は波長変換層に近接する平面に配置されるナノ粒子の配列とを含み、配列の少なくとも一部は、少なくとも１つの格子周期によって特徴付けられる格子を形成し、格子周期は、動作時に、ナノ粒子の少なくとも一部の共鳴が、波長変換層内の第２の波長における１つ以上の集団共鳴モードに回折結合され、照明構造体によって、側方放射の放射パターンが生成されるように選択され、放射パターンは、配列平面に対して、１つ以上の大きい傾斜角θ_ｉ方向において、１つ以上の小さい傾斜角方向における電界強度よりも大きい電界強度を含む、照明構造体に関する。

したがって、驚くべきことに、波長変換層に近接するナノ粒子配列は、動作時に、局在ナノ粒子共鳴が、回折結合され、これにより、波長変換層内に第２の波長における１つ以上の集団共鳴モードを形成するように構成され、１つ以上の集団共鳴モードは、側方放射の放射パターンを提供することが分かっている。当該放射パターンは、（ナノ粒子配列の平面に対して）１つ以上の大きい傾斜角θ_ｉ方向において、１つ以上の小さい傾斜角方向における電界強度よりも大きい電界強度を含む。ここでは、「側方放射ルミネッセンス構造体」との用語は、いわゆるバットウィング（蝙蝠翼）放射パターン及び／又はサイドエミッティング放射パターンを有するルミネッセンス構造体を含む。このような側方放射ルミネッセンス構造体は、平らなライトガイドへの光注入及び高輝度平行光ビームの効率的な形成を含む多くの応用に使用される。

ここでは、「大きい傾斜角」及び「小さい傾斜角」との用語は、波長変換層の誘電体界面のその環境との臨界角を参照して定義される。したがって、大きい傾斜角とは、臨界角よりも大幅に大きい角度のことであり、小さい傾斜角とは、臨界角よりも大幅に小さい角度のことである。

一実施形態では、１つ以上の集団共鳴モードは、ナノ粒子の配列に関連付けられる１つ以上の表面格子共鳴モードを含み、少なくとも１つの格子周期は、１つ以上の表面格子共鳴モードのうちの少なくとも１つが、第２の波長の光と共鳴するように選択される。したがって、ナノ粒子配列の集団共鳴モード（表面格子共鳴モード）は、波長変換層によって放射される光と共鳴結合する。これらの共鳴モードは、ナノ粒子配列によって形成される粒子格子の格子周期によって制御される。

一実施形態では、１つ以上の集団共鳴モードは、波長変換層に関連付けられる１つ以上の導波モードを含み、少なくとも１つの格子周期は、１つ以上の導波モードのうちの少なくとも１つが、第２の波長の光と共鳴するように選択される。この実施形態では、個々のナノ粒子が、波長変換層の１つ以上の導波モードに、集団的にかつ共鳴的に結合する。

一実施形態では、波長変換層の少なくとも一部は、波長変換層内に強い導波モードを提供するために、１つ以上の低指数層に接触し、低指数層の屈折率は、波長変換層の屈折率よりも小さい。したがって、波長変換層は、例えば空気と、波長変換層の屈折率との間の屈折率である、適切な屈折率を有する材料を選択することによって、強い導波モードをサポートする。

一実施形態では、波長変換層の厚さは、１つ以上の大きい傾斜角θ_ｉ方向における電界強度が、第２の波長の光と共鳴する１つ以上の導波モードのうちの少なくとも１つによって高められるように選択される。大きい傾斜角の方向における光の放射は、１つ以上の導波モードへの共鳴結合によって高められる。

一実施形態では、波長変換層の厚さは、４００と４０００ｎｍとの間で選択される。別の実施形態では、波長変換層は、１３００と２０００ｎｍとの間で選択される。導波モードへの共鳴結合による増大は、厚さが３００と４０００ｎｍとの間で選択されると特に強力である。この厚さ範囲では、波長変換層によって規定される導波路内の閉じ込め係数が大きい。

一実施形態では、少なくとも１つの格子周期は、波長変換層がライトガイドに接触している場合に、１つ以上の大きい傾斜角方向θ_ｉの少なくとも一部が、ライトガイド内の全反射のための臨界角よりも大きいように選択される。したがって、ナノ粒子配列の格子周期は、光が、ライトガイド内に効率よく注入されるように選択される。

一実施形態では、少なくとも１つの格子周期ｐは、
λ／（ｎ_１＋ｎ_２）＜Λ＜λ／（１＋ｎ_２）
であるように選択され、ここで、格子距離Λ（φ）は、方位角φにおける格子ベクトル（即ち、長さｐを有する格子ベクトルの方位投影）として定義され、ｎ_１は、波長変換層の屈折率であり、ｎ_２は、ライトガイド層の屈折率であり、λは、第２の波長の光の波長である。この条件は、光の放射が、すべての方位角について又は少なくとも大部分の方位角について、臨界角よりも大きいことを確実にする所定の格子の格子間隔を選択するために使用される。

一実施形態では、格子は、実質的に左右対称の側方放射の放射パターンを提供するために、１つ以上の対称性を有するように配置される。一実施形態では、格子は、回転対称性、鏡映対称性、並進対称性、らせん対称性、スケール対称性及び／又はフラクタル対称性を有する。別の実施形態では、格子は、非周期的な傾斜によって形成され、好適には、この非周期的な傾斜は、ペンローズ格子を形成する。更に別の実施形態では、格子は、ブルズアイパターン又はサンフラワーパターンを有する。

一実施形態では、ナノ粒子の少なくとも一部は、金属ナノ粒子である。一実施形態では、金属ナノ粒子は、Ａｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｕ、Ａｕ又はこれらの合金を含むナノ粒子を含む。別の実施形態では、ナノ粒子は、誘電体ナノ粒子、好適には、低指数誘電体ナノ粒子である。一実施形態では、誘電体ナノ粒子は、金属酸化物、半導体又はポリマーを含むナノ粒子を含む。

一実施形態では、ナノ粒子の少なくとも一部は、角錐（台）又は円錐（台）の形状を有し、好適には、当該角錐台は、１００〜３００ｎｍの範囲内の底部側長さと、３０〜２５０ｎｍの範囲内の頂部側長さとを有し、当該円錐台は、１００〜３００ｎｍの範囲内の底面直径と、３０〜２５０ｎｍの範囲内の頂面直径と、３０〜４００ｎｍの範囲内の高さとを有する。したがって、粒子の形状は、回折を介して集団的に結合できる強い局在共鳴を提供するために、最適化される。

更なる態様では、本発明は、少なくとも第１の波長の光を放射する少なくとも１つの光源と、１つ以上の上記された照明構造体とを含む照明デバイスに関する。

一実施形態では、照明デバイスは更に、大きい傾斜角を有する光の少なくとも一部が、ライトガイド内に注入されるように、照明構造体に光学的に結合される又は接触する少なくとも１つのライトガイドを含む。このような光注入は、ライトタイル又はフレキシブル発光フォイルといった薄層発光デバイスにおいて、特に好都合である。注入された光は、ライトガイド媒体内に留まるべきであるため、ナノ粒子配列は、放射された光の大部分が、臨界角以上の傾斜角を有するように構成され、これにより、光は、全反射を介して、ライトガイドの放射面まで内部で運ばれる。

一実施形態では、光学結合層が、ライトガイドと照明構造体との間に配置され、当該結合層の屈折率は、ライトガイドの屈折指数と空気の屈折指数との間で選択される。（低指数の）光学結合層は、強い導波モードを提供し、これは、放射層が、ライトガイドのマッチングする指数を有する例えば接着剤又はガラスに接触させられると消滅する。空気とライトガイドの屈折率との間の屈折率を有する材料を選択することによって、導波モードと、臨界角以下の結合との両方が可能である。

一実施形態では、ライトガイドの少なくとも一部が、頂面、底面、及び、１つ以上の側面を含む透明シートとして構成され、頂面及び／又は底面は、ライトガイドから光を出力させる１つ以上の光抽出構造体を含む。これに代えて及び／又は加えて、ライトガイドの上記側面のうちの１つの少なくとも一部は、透明材料でできた角度−領域変換器として構成される光抽出構造体に結合され、角度−領域の変換は、光抽出構造体内の全反射によって達成される。

一実施形態では、照明デバイスは更に、照明構造体の（全反射によって、ライトガイドの側面の１つに、実質的な損失なく運ばれる）側方放射光の少なくとも一部を、実質的に平行な光ビームに変換する１つ以上の反射部材を含む。一実施形態では、１つ以上の反射部材は、角度−領域変換器を形成する。別の実施形態では、１つ以上の反射部材は、複合放物面集光器又はその等価物を形成する。

したがって、照明構造体の側方放射光の少なくとも一部を、高輝度な平行光ビームに変換するために、複合放物面集光器（ＣＰＣ）といった反射性の角度−領域変換器が使用される。反射光学要素及び屈折光学要素の組み合わせを含む、損失が多くかつバルキーである二次的光学部品を必要とする従来の固体ルミネッセンス光源とは対照的に、ルミネッセンス側方放射構造体は、方向性光ビームを実現するために、反射要素しか必要としない側方放射固体光源を実現できる。これは、高輝度方向性光源（例えば投影用）、自動車のヘッドライトのスポットライト等の場合に特に好都合である。

本発明は、本発明による実施形態を概略的に示す添付図面を参照して、更に例示される。当然ながら、本発明はこれらの特定の実施形態に何ら限定されない。

図１は、本発明の一実施形態によるルミネッセンス側方放射構造体を概略的に示す。 図２Ａは、ナノ粒子のプラズモン配列に接触する波長変換層における電界強度増大を示す。 図２Ｂは、ナノ粒子のプラズモン配列に接触する波長変換層における電界強度増大を示す。 図３Ａは、一実施形態による側方放射構造体の実験結果を示す。 図３Ｂは、一実施形態による側方放射構造体の実験結果を示す。 図３Ｃは、一実施形態による側方放射構造体の実験結果を示す。 図４Ａは、特定周波数の共鳴放射光の傾斜角と、逆格子空間における格子周期との関係を説明する概略図である。 図４Ｂは、特定周波数の共鳴放射光の傾斜角と、逆格子空間における格子周期との関係を説明する概略図である。 図５は、波長変換層の層厚及び放射光の傾斜角の関数としてのフォトルミネッセンス増大を示す。 図６は、本発明の一実施形態によるルミネッセンス側方放射構造体の横断面における光の電界強度の空間分布を示す。 図７Ａは、本発明の一実施形態による照明デバイスを示す。 図７Ｂは、本発明の一実施形態による照明デバイスを示す。 図８は、本発明の別の実施形態による照明デバイスを示す。 図９は、本発明の更に別の実施形態による照明デバイスを示す。

図１は、本発明の一実施形態によるルミネッセンス側方放射構造体を概略的に示す。側方放射構造体１００は、波長変換層１０２に近接するナノ粒子１０４の配列を含む。ここでは、「近接」とは、ナノ粒子と波長変換層との間の距離が、入射光、又は、波長変換層によって放射される光の波長以下程度であることを意味する。

波長変換層は、少なくとも第１の波長の光、好適には、光学スペクトルの青色部分における光を受け取り、受け取った光の少なくとも一部を、少なくとも第２の波長、好適には、光学スペクトルの赤色又は緑色部分における光に変換する。そのため、波長変換層は、波長変換材料がその中に埋め込まれている透明材料で作られていてよい。波長変換材料は、少なくとも第１の波長の光を吸収し、少なくとも第２の波長の光を放射する能力を有する分子、イオン及び／又は粒子を含む。通常、波長変換材料は、蛍光体、染料（例えばＲｅｄ３０５といったＢＡＳＦ（ＴＭ）社のＬｕｍｏｇｅｎ Ｆシリーズからの染料）、量子ドット（例えばＣｄＳｅ／ＣｄＳ量子ドット）及び／若しくは希土類イオン、又は、これらの組み合わせを含み、ＵＶ又は電磁スペクトルの青色部分における光を吸収し、電磁スペクトルの赤又は緑色部分における光を放射する１つ以上の蛍光及び／又はルミネッセンス材料を含む。

波長変換層の透明材料は、波長変換材料のマトリクス（ホスト）材料として機能するのに十分に透明で、安定している適切な（光学等級の）ポリマーで作られる。好適な光学的に透明であるポリマーの例としては、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）又はそれらの誘導体が挙げられる。これに代えて及び／又は加えて、透明材料は、例えばシリカゲル又は例えばソルゲル法等によって形成されるハイブリッド有機／無機の網状組織である透明の無機材料を含んでもよい。図１における波長変換層は、１つ以上の光学透明材料層を含み、当該層のうちの少なくとも１つが、波長変換材料を含むと考える。

波長変換層及びナノ粒子配列は、例えば透明ポリマー又はガラス層である透明支持基板１１２上に形成される。波長変換層は、例えば１つ以上の発光ダイオード及び／又はレーザを含む固体光源である光源１０９から発生する少なくとも第１の波長の光１０８を受光する第１の表面１０６を含む。

ナノ粒子配列は、波長変換層に近接するナノ粒子を含む。以下により詳細に説明されるように、ナノ粒子配列及びその光学特性は、その（回転又は軸）対称性、周期性、その格子定数、粒子形状、粒子寸法及び／又はその寸法によって特徴付けられる。ナノ粒子は、角錐（台）、円錐（台）又は円筒を含む非対称形状を有する。典型的な粒子寸法（幅、高さ、直径）は、２０〜５００ｎｍの範囲に及ぶ。例えば、一実施形態では、ナノ粒子は、１００〜３００ｎｍの範囲内の底部側長さと、３０〜２５０ｎｍの範囲内の頂部側長さとを有する角錐台の形状を有する。別の実施形態では、ナノ粒子は、１００〜３００ｎｍの範囲内の底面直径と、３０〜１００ｎｍの範囲内の頂面直径と、５０〜４００ｎｍの範囲内の高さを有する円錐台の形状を有する。

ナノ粒子は、波長変換層における光の放射を共鳴励起することができる。例えば金属ナノ粒子は、ナノ粒子の寸法程度の波長の光が当てられると、プラズモン共鳴を示す。このような金属ナノ粒子は、Ａｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｕ、Ａｕ又はこれらの合金を含む。同様に、誘電体ナノ粒子は、ナノ粒子の寸法程度の波長の光が当てられると、ミー（Mie）共鳴を示す。このような誘電体ナノ粒子は、金属酸化物ナノ粒子（例えばＡｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２及びＳｉ３Ｎ４）、半導体（例えばＳｉ）又は絶縁（例えばＳｉＯ２、ナノ多孔性酸化ケイ素（テンプレート法によって作られる、例えば半導体産業から知られている低Ｋ材料）＝低指数（ＬＯＷ ＩＮＤＥＸ））ナノ粒子、及び／又は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）若しくはそれらの誘導体、シリコーン又はフルオロポリマーを含むナノ粒子を含むポリマーナノ粒子を含む。

図１に示されるように、波長変換層は、ｘｙ面に平行である頂面及び底面を有する長方形の透明シートを画成する。実際には、波長変換層は、その中を光が内面反射によって進行できるライトガイド構造体を画成する。波長変換材料によって放射される光の方向は、傾斜角θｉと方位角φとを含む球座標の用語に基づいて説明される。傾斜角は、ｚ軸（波長変換層の（頂）面に垂直な軸）に対して規定され、方位角φは、ｘ又はｙ軸に対して規定される。臨界角以上である傾斜角θ_ｉ１１４下で（頂）面に向かって放射される波長変換層内の光は、全反射によって、波長変換層内を進行する。

図２Ａ及び図２Ｂは、ルミネッセンス染料がその中に埋め込まれているポリマー層によって覆われる基板上の単一の金属ナノ粒子の周りの電界の局所的強度増大のプロットを示す。この例では、少し先が細くなっている円筒状のアルミニウムナノ粒子（直径１４０ｍｎ及び高さ１５０ｎｍ）からなる正方形配列（格子周期４００ｎｍ）が使用される。ナノ粒子は、１．４６の屈折率を有する溶融石英基板上に形成され、１．５９の屈折率を有し、６５０ｎｍの厚さのポリスチレン層で覆われている。ポリスチレン層は、２ｗｔ−％の濃度で染料分子（Ｌｕｍｏｎｇｅｎ Ｆ ＲＥＤ３０５ ＢＡＳＦ）を含む。このようなナノ粒子配列は、例えば（ナノ）インプリント技術に基づいて、簡単に組み付けられる。図２Ａは、１．８５ｅＶの周波数における電界強度の空間分布を示し、共鳴挙動は、単一のナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴によって起きる。共鳴によって、粒子の場所（即ち、ナノ粒子の金属／誘電体界面に近い特定の領域）における電界強度を４倍に増加させる。この局在表面プラズモン共鳴は、波長変換層内に、ナノ粒子の上方で波長変換層内の大きい領域に亘って延在する高電界強度の領域を示す共鳴モードを誘発する。高電界強度の領域は、染料の放射を高める。

１つのタイプの共鳴モードは、表面格子共鳴（ＳＬＲ）と知られる集団光子共鳴を引き起こす、個々のナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴の回折結合に関連している。別のタイプの集団共鳴モードは、波長変換層の導波モードへの局在表面の回折結合に関連している。このような共鳴モードの一例が、２．０４ｅＶの周波数における電界強度の空間分布を示す図２Ｂに示される。約６０の電界増大の領域が、ナノ粒子の上方で波長変換層内の大きい領域に亘って延在する。同様の効果が、局在ミー共鳴を示す誘電体ナノ粒子に基づいて得られる。

驚くべきことに、図１におけるナノ粒子配列は、波長変換材料によって放射される光が横方向、即ち、比較的小さい傾斜角を有する方向に比べて、大きい傾斜角θ_ｉを有する方向において、共鳴励起可能であるように構成可能であることが分かっている。より一般的には、驚くべきことに、波長変換層に近接するナノ粒子配列は、側方放射ルミネッセンス構造体を形成することが分かっている。１つ以上の大きい傾斜角θ_ｉを有する方向における当該構造体の光度は、小さい傾斜角を有する方向における光度よりも大きい。ここでは、「大きい傾斜角」との用語は、波長変換層の誘電体界面のその環境との臨界角以上の傾斜角を含む。その一方で、「小さい傾斜角」との用語は、臨界角よりも大幅に小さい傾斜角を含む。「側方放射ルミネッセンス構造体」との用語は、当技術分野において、バットウィング放射パターン及びサイドエミッティング放射パターンと知られている放射パターンを有するルミネッセンス構造体を含む。

以下により詳細に示されるように、大きい傾斜角、具体的には、波長変換層の臨界角以上の傾斜角を有する放射光は、ナノ粒子配列のパラメータ（左右対称性、格子周期、粒子形状、粒子材料）、及び／又は、波長変換層のパラメータ（材料、寸法）を制御することによって実現される。

図３Ａ乃至図３Ｃは、一実施形態による側方放射構造体の実験結果を示す。具体的には、図３Ｂ及び図３Ｃは、ナノ粒子配列が、図３Ａに示されるように、六角形構成を有する側方放射構造体の実験測定結果を示す。配列は、ナノ粒子（この例では、アルミニウムでできている金属ナノ粒子）の六角形格子を画成する。格子は、この例ではｐ＝２７５ｎｍに選択されている、格子周期を有する。格子距離Λ（φ）は、方位角φにおける格子ベクトルとして規定される。したがって、この特定の場合では、六角形格子の方位方向φ＝０°、３０°、６０°及び９０°において、様々な格子距離が規定される。

ナノ粒子は、溶融石英基板（ｎ＝１．４６）上に組み付けられ、この例では６２０ｎｍの波長の赤色光を放射する有機ルミネッセンス染料Ｆ３０５である波長変換材料を含む、７００ｎｍの厚さのポリスチレン層（ｎ＝１．５８）でできた波長変換層で覆われる。アルミニウム粒子は、１５０ｎｍの高さ、１４０ｎｍの底部直径及び８０ｎｍの頂部直径を有する円錐台形状を有する。

角度に依存する放射は、６２０（±１０）ｎｍにおけるフィルタと、１．５２の屈折率を有する液浸油を使用するフーリエ顕微鏡によって測定される。図３Ｂ及び図３Ｃに結果が示される。図３Ｂは、ナノ粒子配列のフォトルミネッセンスの角度依存性のグラフを表す。このグラフは、方位角φに依存して、特定の方向に共鳴励起される光の傾斜角は、４１°＜θ＜９０°（即ち、この特定の例では、約４１°であるライトガイドの臨界角θ_ｃ以上の傾斜角の範囲）で変動することを示す。図３Ｃは、０度の方位角φについて、図３Ｂのグラフの横断面を示す。図３Ｃは、フォトルミネッセンスが、約４２°の傾斜角において、光の放射が高められたことを示す。方位角φを増加すると、図３Ｃにおけるピークは、図３Ｂに示される４１°＜θ_ｉ＜９０°の範囲内で移動する。

図３Ｂは更に、ナノ粒子配列の対称性が、放射パターンの対称性に直接的な影響を及ぼすことを示す。したがって、より対象な放射パターンを生成するためには、高度の対称性（例えば回転対称性、鏡映対称性、並進対称性、らせん対称性、スケール対称性及び／又はフラクタル対称性を含む）を有する配列を使用することができる。有利なナノ粒子配列パターンは、ブルズアイパターン、サンフラワーパターン又はペンローズ格子といった特殊な対称パターンを含んでもよい。

図４Ａ及び図４Ｂに、ナノ粒子配列の格子周期による放射された光の傾斜角の影響が更に示される。これらの図面は、平行波ベクトルｋ_ｌｌ＝２π／λｓｉｎθ_ｉの関数として周波数ω＝ｈｃ／λの概略図を示す。図４Ａ及び図４Ｂは、特定の周波数ω＝ｈｃ／λの共鳴放射光の傾斜角θ_ｉと、格子周期ｐとの関係を示す。λは、放射された光の波長である。表面格子モードでは、最も高い放射強度の角度は、レーリー（Rayleigh）の条件：
λ／Λ＝｜±ｎ_１ｓｉｎθ_ｉ±ｎ_２｜ （１）
から推定される。ここで、Λは、長さｐ及び方位角φの格子ベクトルに関連付けられる格子距離であり、ｎ_１は、その中で放射が行われる媒体（例えばライトガイド又はライトガイドが使用されない場合は空気）の屈折率であり、ｎ_２は、表面格子（レーリー）モード用の媒体（例えば波長変換層）の屈折率である。

式（１）は、全反射のための臨界角θｃ＝ａｓｉｎ（１／ｎ_１）よりも大きい傾斜角（即ち、θｃ＜θ＜９０°）について、特定の方位方向における格子距離Λ（φ）は、
λ／（ｎ_１＋ｎ_２）＜Λ＜λ／１＋ｎ_２） （２）
の範囲内であるべきということを示す。

条件（２）は、様々な対称性の配列に適用される。例えば図３Ａに示されるような格子周期ｐを含む六角形格子構造体が選択されてよい。この場合、関連の（最小及び最大）格子距離Λ（φ）は、（φ＝０°及び６０°に沿って）Λ_１＝１／２ｐ√３、（φ＝３０°及び９０°に沿って）Λ_２＝３／４ｐと定義される。ここで、ｐは、格子周期であり、φは、方位角である。これらの格子距離に基づいて、条件（２）は、すべての方位角について最適な格子周期ｐは、範囲４／３λ／（ｎ_１＋ｎ_２）＜ｐ＜２／√３λ／（１＋ｎ_２）内にあるべきであることを示唆する。

ｎ_１＝ｎ_２＝１．５２（例えばＰＭＭＡ又はガラス等）を使用する場合、条件（２）は、特定の関心波長λについて、格子周期は、所定範囲内であるべきことを示唆する。例えばλ＝６２０ｎｍ（赤色蛍光体によって放射される光の波長）を選択すると、格子周期ｐは、２７２＜ｐ＜２８４ｎｍの範囲内であるべきである。同様に、緑色蛍光体によって放射されるλ＝５３０ｎｍの緑色光については、格子周期ｐは、２３２＜ｐ＜２４３ｎｍの範囲内であるべきである。

図４Ａ及び図４Ｂは、放射された放射線の共鳴条件のグラフィカル表現を提供する。これらの共鳴条件は、関心放射周波数４１０、４１２と、表面格子共鳴モード及び／又は導波モードの分散曲線４２１、４２２、４２３、４２４との交点４０２、４０４、４０６、４０８によって決定される。ここでは、図４Ａの図は、格子周期が、放射された波長に比べて比較的小さい状況に該当し、図４Ｂの図は、格子周期が、放射された波長に比べて比較的大きい状況に該当する。

上記されたように、個々のナノ粒子の局在共鳴（例えばプラズモン共鳴又はミー共鳴）は、波長変換層の屈折率が、それを囲む媒体の屈折率よりも高い場合に存在する、波長変換層の導波モードにも集団的に結合する。

更に、局在共鳴の導波モードへの回折結合について、図４Ａ及び図４Ｂにおいて説明されたものと同様の図面を使用して、特定の周波数ω＝ｈｃ／λの共鳴放射光の傾斜角θ_ｉと格子周期ｐとの間の関係が決定される。一般に、導波モードは、（常に）、含まれる媒体（波長変換層）のレーリーモードの間である。波長変換層の導波モードは、低屈折率層を波長変換層上に与えることによって、また、波長変換層の寸法、特に厚さによって制御される。

したがって、波長変換層の厚さは、フォトルミネッセンスが、局在共鳴の特定の所望周波数（通常、波長変換層内の波長変換材料によって放射される光の波長）における導波モードへの集団的結合によって最大限に高められるように、最適化される。

図５は、図４Ａ乃至図４Ｃを参照して説明されたプラズモン構造体（即ち、周期ｐ＝２７５ｎｍ及び６２０ｎｍにおけるフォトルミネッセンス強度を有する六角形配列）について、ｐ偏光された光のフォトルミネッセンス増大を、波長変換層の層厚及び放射された光の傾斜角の関数として示す。図５には、０次、１次、２次及び３次（及び１次回折）の導波モードの計算された位置も示される。ここでは、傾斜角は、方位角０°ついて、４１°の臨界角より少し高い角度で試験される。

図５に示されるように、共鳴挙動は、金属粒子と（比較的低指数の）上部媒体との間にある（高指数）層における導波モードへの一次回折によるものである。これらの層は、（６２０ｎｍの波長、屈折率１．５８及び示される傾斜角の）導波モードをサポートすることができる。図５に、電界強度の計算された増大が示される。更に、図５には、様々な導波モードの計算された位置も示される。これらの位置は、最大増大を示す厚さに対して、１５０ｎｍの金属粒子厚さで移動される。図５は更に、０番目の導波次数が、５００と２０００との間、好適には１３００と１９００ｎｍとの間の厚さについて、最も強いモードをサポートすることを示す。これらのモードは、約１５００ｎｍの厚さまで、厚さの増加に伴って強くなり、それ以降は、再び減少する。この増加は、厚さに伴って増加する閉じ込め係数（即ち、中央の高指数層にある電磁エネルギーの一部）の周知の挙動によるものである。非常に大きい厚さでは、金属粒子との重なりはあまりにも小さいので、粒子と導波モードとの間の任意の結合がほとんどない。この理由から、増大は、１５０ｎｍより上では縮小する。したがって、図５における結果に基づいて、波長変換層の厚さは、４００と４０００との間、好適には、１３００と１９００ｎｍとの間で選択されるということになる。

図６は、図４Ａ乃至図４Ｃを参照して説明したようなルミネッセンス側方放射構造体の横断面における、波長６２０ｎｍを有するｓ及びｐ偏光された光の電界強度の空間分布を示す。ただし、波長変換層の厚さは、１０００ｎｍであり、放射された光は、４３°の傾斜角を有する。これらの図面は、局在プラズモン共鳴の導波モードへの結合による波長変換層における電界強度が高められた領域を示す。

上記された効果は、例えば［材料］のナノ粒子といった低屈折率の無機誘電体ナノ粒子、及び／又は、金属酸化物ナノ粒子（例えばＡｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２及びＳｉ３Ｎ４、半導体（例えばＳｉ）又は絶縁（ＳｉＯ２）ナノ粒子）及び／又は、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）若しくはそれらの誘導体、シリコーン又はフルオロポリマーであるポリマーナノ粒子といった低屈折率の有機誘電体ナノ粒子である、低指数誘電体ナノ粒子の配列についても有効である。誘電体ナノ粒子の利点は、少なくとも、金属ほどには強く光を吸収しない点である。

図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の様々な実施形態による照明デバイスを示す。これらの実施形態では、照明デバイスは、本発明の様々な実施形態による、平面ライトガイドに結合される側方放射構造体を含む。

図７Ａは、側方放射構造体７０２に、光源（図示せず）から発生する第１の波長の光７０４が当てられ、当該構造体は、大きい傾斜角θ下で、ライトガイド媒体７０６内に効率よく注入される第２の波長の光７０５を生成する照明デバイスを示す。このような光注入は、ライトタイル又はフレキシブル発光フォイルといった薄層発光デバイスにおいて、特に好都合である。注入された光は、ライトガイド媒体内に留まるべきであるため、ナノ粒子配列は、放射された光の大部分が、全反射のための臨界角θｃ＝ａｓｉｎ（１／ｎ_１）以上の傾斜角（即ち、θｃ＜θ＜９０°）を有するように構成され、これにより、光は、全反射を介して、ライトガイドの１つ以上の放射領域まで内部で運ばれる。ライトガイドへの効率的な光注入は、ナノ粒子配列の格子周期及び対称性を、共鳴励起された光の傾斜角が臨界角よりも大きいように制御することによって達成される。幾つかの実施形態では、例えばライトタイル又は発光フォイルの場合、ライトガイドの放射領域は、ライトガイドの頂面７０８又は底面７１０に配置される。放射領域は、ライトガイドから光を出力させる光抽出構造体（図示せず）を含む。他の実施形態では、ライトガイドの側面７１２の一部が、放射領域として構成される。

図７Ｂは、図７Ａを参照して説明されたのと同様に、側方放射構造体７０２が、ライトガイド媒体７０６内に光を効率よく注入するために使用される照明デバイスを示す。しかし、この特定の実施形態では、側方放射構造体とライトガイド（又は基板）との間の低指数層７０７が、側方放射構造体をライトガイドに光学的に結合させるために使用される。低指数層は、強い導波モードを提供し、これは、放射層が、例えばライトガイドのマッチング指数の接着剤又はガラスに接触させられると消滅する。空気とライトガイドの屈折率との間の屈折率を有する材料を選択することによって、導波モードと、臨界角以下の結合との両方が依然として可能である。例えば放射層及びライトダイオードの両方がｎ＝１．５２を有する場合、ｎ＝１．４３を有する低指数層が、７０°までの傾斜角を有する放射線を漏光させる。低指数材料の例としては、ＭｇＦ_２、ナノ多孔性シリカ及びシリコン酸化物が挙げられる。

図８は、本発明の別の実施形態による照明デバイスを示す。具体的には、図８は、側方放射構造体８０２に、光源（図示せず）から発生する第１の波長の光８０４に当てられ、当該構造体は、第２の波長の光８１０を生成する照明デバイスを示す。側方放射構造体は、１つ以上の大きい傾斜角θ_ｉの方向において、１つ以上の小さい傾斜角の方向における電界強度よりも大きい電界強度を含む放射パターンを生成する。任意選択的に、側方放射層は、１つ以上のライトガイド部材８０６に光学的に結合される。照明構造体の側方放射された光の少なくとも一部を、高輝度の平行光ビームに変換するために、複合放物面集光器（ＣＰＣ）といった反射角−領域変換器８１４が使用される。

図９は、本発明の更に別の実施形態による照明デバイスを示す。具体的には、図９は、図７Ａ及び図７Ｂの照明デバイスと同様に、ライトガイド部材９０６内に光を注入する側方放射構造体９０２を示す。ライトガイド部材は、頂面９０８及び底面９１０と、１つ以上の側面９１２とを有する。例えばガラス又は透明ポリマーで作られた複合放物面集光器である、透明材料でできた角度−領域変換器９１４が、ライトガイドの側面の１つの一部に光学的に結合され（例えば接着され）、これにより導波路から光が抽出される。この特定の実施形態では、角度−領域変換器における光９１０の角度−領域の変換は、角度−領域変換器の空気界面における光による全反射によって達成される。

反射光学要素及び屈折光学要素の組み合わせを含む、非効率的かつバルキーである二次的光学部品を必要とする従来の固体ルミネッセンス光源とは対照的に、ルミネッセンス側方放射構造体は、方向性光ビームを実現するために、１つ又は複数の反射要素しか必要としない照明デバイスを実現できる。これは、高輝度方向性光源（例えば投影用）、自動車のヘッドライトのスポットライト等の場合に特に好都合である。

本明細書において使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を限定することを意図していない。「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」の単数形は、本明細書において使用される場合、特に指示のない限り、複数形も含むことを意図している。更に、当然ながら、「含む」及び／又は「含んでいる」との用語は、本明細書において使用される場合、説明された特徴、整数値、ステップ、作業、要素及び／又はコンポーネントの存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数値、ステップ、作業、要素、コンポーネント及び／又はこれらのグループの存在又は追加を排除するものではない。

以下の請求項におけるすべての手段又はステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造、材料、動作及び等価物は、具体的にクレームされるように、他のクレームされる要素と組み合わされる、機能を行うための任意の構造、材料又はステップを含むことを意図している。本発明の説明は、例示及び説明のために提示されたものであって、開示された形式の本発明に限定することを意図していない。本発明の範囲及び精神から離れることなく、多くの修正態様及び変形態様が当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の応用を最もよく説明し、また、当業者の他の人々が、考えられる特定の使用に適した様々な修正態様を有する様々な実施形態について、本発明を理解できるようにするために選択され説明されたものである。

Claims (22)

1. 少なくとも第１の波長の光を受け取り、受け取った前記第１の波長の光を、少なくとも第２の波長の光に変換する波長変換層と、
   前記波長変換層と接触している又は前記波長変換層に近接している平面に配置されるナノ粒子の配列と、
   を含む照明構造体であって、
   前記配列の少なくとも一部は、少なくとも１つの格子周期によって特徴付けられる格子を形成し、
   前記格子周期は、動作時に、
   前記ナノ粒子の少なくとも一部の共鳴が、前記波長変換層内の前記第２の波長における１つ以上の集団共鳴モードに回折結合され、
   前記照明構造体によって、側方放射の放射パターンが生成されるように選択され、
   前記放射パターンは、前記配列平面に対して１つ以上の大きい傾斜角方向において、１つ以上の小さい傾斜角方向における電界強度よりも大きい電界強度を含む、照明構造体。
2. 前記１つ以上の集団共鳴モードは、前記ナノ粒子の配列に関連付けられる１つ以上の表面格子共鳴モードを含み、前記少なくとも１つの格子周期は、前記１つ以上の表面格子共鳴モードのうちの少なくとも１つが、前記第２の波長の光と共鳴するように選択される、請求項１に記載の照明構造体。
3. 前記１つ以上の集団共鳴モードは、前記波長変換層に関連付けられる１つ以上の導波モードを含み、前記少なくとも１つの格子周期は、前記１つ以上の導波モードのうちの少なくとも１つが、前記第２の波長の光と共鳴するように選択される、請求項１又は２に記載の照明構造体。
4. 前記波長変換層の少なくとも一部は、前記波長変換層内に強い導波モードを提供するために、低指数層に接触し、前記低指数層の屈折率は、前記波長変換層の屈折率よりも小さい、請求項３に記載の照明構造体。
5. 前記波長変換層の厚さは、１つ以上の大きい傾斜角方向における前記電界強度が、前記第２の波長の光と共鳴する前記１つ以上の導波モードのうちの前記少なくとも１つによって高められるように選択される、請求項３又は４に記載の照明構造体。
6. 前記少なくとも１つの格子周期は、前記波長変換層がライトガイドに接触している場合に、前記１つ以上の大きい傾斜角方向の少なくとも一部が、前記ライトガイド内の全反射のための臨界角よりも大きいように選択される、請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明構造体。
7. 前記少なくとも１つの格子周期は、
   λ／（ｎ_１＋ｎ_２）＜Λ＜λ／（１＋ｎ_２）
   であるように選択され、ここで、格子距離Λ（φ）は、方位角φにおける格子ベクトルとして定義され、ｎ_１は、前記波長変換層の屈折率であり、ｎ_２は、前記ライトガイド層の屈折率であり、λは、前記第２の波長の光の波長である、請求項６に記載の照明構造体。
8. 前記格子は、１つ以上の対称性を有するように配置される、請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明構造体。
9. 前記１つ以上の対称性は、回転対称性、鏡映対称性、並進対称性、らせん対称性、スケール対称性及びフラクタル対称性の少なくとも１つを含む、請求項８に記載の照明構造体。
10. 前記格子は、非周期的な傾斜によって形成される、請求項１乃至８に記載の照明構造体。
11. 前記非周期的な傾斜は、ペンローズ格子を形成する、請求項１０に記載の照明構造体。
12. 前記ナノ粒子の少なくとも一部は、金属ナノ粒子又は誘電体ナノ粒子である、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の照明構造体。
13. 前記ナノ粒子の少なくとも一部は、角錐（台）又は円錐（台）の形状を有し、前記角錐台は、１００〜３００ｎｍの範囲内の底部側長さと、３０〜２５０ｎｍの範囲内の頂部側長さとを有し、前記円錐台は、１００〜３００ｎｍの範囲内の底面直径と、３０〜２５０ｎｍの範囲内の頂面直径と、５０〜４００ｎｍの範囲内の高さとを有する、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の照明構造体。
14. 前記波長変換層の厚さは、４００と４０００ｎｍとの間で選択される、請求項１乃至１３の何れか一項に記載の照明構造体。
15. 前記波長変換層の厚さは、１３００と１９００ｎｍとの間で選択される、請求項１４に記載の照明構造体。
16. 少なくとも第１の波長の光を放射する少なくとも１つの光源と、
    請求項１乃至１５の何れか一項に記載の１つ以上の照明構造体と、
    を含む、照明デバイス。
17. 大きい傾斜角を有する前記光の少なくとも一部が、ライトガイド内に注入されるように、前記照明構造体に光学的に結合される前記ライトガイドを更に含み、前記ライトガイドと前記照明構造体との間に、光学結合層が配置され、前記光学結合層の屈折率は、前記ライトガイドの屈折指数と空気の屈折指数との間で選択される、請求項１６に記載の照明デバイス。
18. 前記照明構造体の側方放射光の少なくとも一部を、実質的に平行な光ビームに変換する１つ以上の反射部材を更に含む、請求項１６又は１７に記載の照明デバイス。
19. 前記１つ以上の反射部材は、角度−領域変換器を形成する、請求項１８に記載の照明デバイス。
20. 前記１つ以上の反射部材は、複合放物面集光器又はその等価物を形成する、請求項１８に記載の照明デバイス。
21. 前記ライトガイドの少なくとも一部は、頂面、底面、及び、１つ以上の側面を含む透明シートとして構成され、前記頂面及び／又は前記底面は、前記ライトガイドから光を出力させる１つ以上の光抽出構造体を含み、或いは、前記１つ以上の側面のうちの１つの少なくとも一部は、透明材料でできた角度−領域変換器として構成される少なくとも１つの光抽出構造体に結合される、請求項１７に記載の照明デバイス。
22. 前記角度−領域変換器における角度−領域の変換は、全反射によって達成される、請求項２１に記載の照明デバイス。