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技術 発光装置および内視鏡

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 長尾宣明平澤拓稲田安寿新田充橋谷享足立安比古
出願日 2015年8月28日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2015-169024
公開日 2016年9月23日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 2016-171298
状態 特許登録済
技術分野 光集積回路 ライトガイド一般及び応用 半導体レーザ LED素子のパッケージ 回折格子、ホログラム光学素子 ライトガイドの光学的結合 照明装置の配光に係わる部品細部及び防護 内視鏡 孔内観察装置
主要キーワード 損傷検査 環状配線 宇宙探査 観察用開口 変形箇所 フォトルミネッセンス材料 一次元周期構造 高熱伝導層
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年9月23日)のものです。
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図面 (20)

課題

フォトルミネッセンス層を利用する新規な構造を有する発光装置および内視鏡を提供する。

解決手段

発光装置は、発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーとを備える。前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造とを有する。前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する。

概要

背景

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ステムを開示している。

概要

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

目的

本開示は、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、を備え、前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する、発光装置

請求項2

励起光源と、発光素子と、前記励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる光ファイバーと、を備え、前記発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する、発光装置。

請求項3

前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第1の発光領域と、青色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第2の発光領域と、を含む、請求項1または2に記載の発光装置。

請求項4

前記第1の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属し、前記第2の発光領域は、前記励起光を受けて空気中の波長がλbの第2の光を含む光を発する他のフォトルミネッセンス層と、前記他のフォトルミネッセンス層に近接して配置された他の透光層と、前記他のフォトルミネッセンス層および前記他の透光層の少なくとも一方の表面に形成された他の表面構造と、を有し、前記波長λbは、青色の波長帯域に属し、前記他の表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλbの前記第2の光の指向角を制限する、請求項3に記載の発光装置。

請求項5

前記第1の発光領域および前記第2の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に並んでいる、請求項3または4に記載の発光装置。

請求項6

前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる発光領域を有し、前記励起光は、青色の波長帯域の光であり、前記励起光の一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直に入射して透過する、請求項1または2に記載の発光装置。

請求項7

前記発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属する、請求項6に記載の発光装置。

請求項8

前記青色の波長帯域は、430nm以上470nm以下であり、前記緑色の波長帯域は、500nm以上570nm以下である、請求項3から7のいずれかに記載の発光装置。

請求項9

発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第1の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第2の光ファイバーの少なくとも一方と、を備え、前記発光素子は、透光層と、前記透光層の表面に形成された表面構造と、前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、発光装置。

請求項10

発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第1の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第2の光ファイバーの少なくとも一方と、を備え、前記発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、前記透光層の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、発光装置。

請求項11

前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、請求項1から10のいずれかに記載の発光装置。

請求項12

発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第1の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第2の光ファイバーの少なくとも一方と、を備え、前記発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、発光装置。

請求項13

前記表面構造における隣接する2つの凸部の中心間距離または隣接する2つの凹部の中心間距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、請求項1から12のいずれかに記載の発光装置。

請求項14

前記表面構造は、少なくとも1つの周期構造を含み、前記周期構造の周期をPaとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、請求項1から13のいずれかに記載の発光装置。

請求項15

請求項1から14のいずれかに記載の発光装置と、前記発光装置における前記発光素子から出射され、対象物反射された光を受けて受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子と、を備える内視鏡

請求項16

長尺状の挿入部をさらに備え、前記発光素子および前記撮像素子は、前記挿入部内に設けられている、請求項15に記載の内視鏡。

請求項17

前記撮像素子の撮像面に対向して配置され、前記対象物からの反射光を前記撮像面に集束させる光学系をさらに備える、請求項15または16に記載の内視鏡。

請求項18

請求項15から17のいずれかに記載の内視鏡と、前記内視鏡における前記撮像素子に電気的に接続され、前記電気信号に基づいて画像信号を生成して出力する処理装置と、前記処理装置に電気的に接続され、前記画像信号に基づく画像を表示するディスプレイと、を備える内視鏡システム

技術分野

0001

本開示は、フォトルミネッセンス層を有する発光素子を備えた発光装置および内視鏡に関する。

背景技術

0002

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ステムを開示している。

先行技術

0003

特開2010−231941号公報

発明が解決しようとする課題

0004

光学デバイスにおいて、特定の方向に光を出射するためにリフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要がある。これらの光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。
本開示は、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供する。

課題を解決するための手段

0005

本開示の一態様に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、を備え、前記発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。

0006

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。

発明の効果

0007

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。

図面の簡単な説明

0008

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周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。
式(10)におけるm=1およびm=3の条件を図示したグラフである。
発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
厚さt=238nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
厚さt=539nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
厚さt=300nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。
図2の計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。
次元の周期構造の例を示す平面図である。
次元周期構造に関して図2と同様の計算を行った結果を示す図である。
発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
図8と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を1000nmにした場合の結果を示す図である。
発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
図10と同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を示す図である。
光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして図9に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。
図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を示す図である。
屈折率が1.5の透明基板の上に、図2に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。
式(15)の条件を図示したグラフである。
図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光をフォトルミネッセンス層110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。
x方向の周期pxを有する1次元周期構造を示す図である。
x方向の周期px、y方向の周期pyを有する2次元周期構造を示す図である。
図17Aの構成における光の吸収率波長依存性を示す図である。
図17Bの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。
2次元周期構造の一例を示す図である。
2次元周期構造の他の例を示す図である。
透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。
透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。
図19Aの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。
複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。
フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。
表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層110が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。
フォトルミネッセンス層110と周期構造120との間に保護層150を設けた構成例を示す断面図である。
フォトルミネッセンス層110の一部のみを加工することによって周期構造120を形成した例を示す図である。
周期構造を有するガラス基板上に形成されたフォトルミネッセンス層の断面TEM像を示す図である。
試作した発光素子の出射光の正面方向のスペクトルを測定した結果を示すグラフである。
TMモード直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
試作した発光素子を図27Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
試作した発光素子を図27Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
試作した発光素子を図27Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
試作した発光素子を図27Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
試作した発光素子を図28Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
試作した発光素子を図28Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。
試作した発光素子を図28Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
試作した発光素子を図28Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。
試作した発光素子の出射光(波長610nm)の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。
スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。
フォトルミネッセンス層110上に周期構造120を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。
発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
一次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
複数の2次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。
マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。
発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の模式的な断面図である。
発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層バリア層)を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層シード層)を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層(シード層)を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層(シード層)を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
透明高熱伝導層を有する発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
透明高熱伝導層を有する発光素子の他の例を示す模式的な断面図である。
放熱特性が改善された発光装置の一例を示す模式的な断面図である。
放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
放熱特性が改善された発光装置の他の例を示す模式的な断面図である。
高熱伝導部材を有する発光素子の一例を示す模式断面図である。
図40Aに示す発光素子の平面図である。
高熱伝導部材を有する発光素子の他の例を示す模式断面図である。
図40Cに示す発光素子の平面図である。
タイリングされた複数の発光素子における高熱伝導部材の配置の例を示す模式図である。
図41Aに示す発光素子の平面図である。
インターロック回路を備える発光装置の例を示す模式図である。
インターフロック回路を備える発光装置の構成を示す模式図である。
ビーズを用いたサブミクロン構造形成方法を説明するための第1の図である。
ビーズを用いたサブミクロン構造の形成方法を説明するための第2の図である。
ビーズの充填状態の一例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱パターンを示す図である。
ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
ビーズの充填状態の他の例を模式的に示す図と、この充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。
本開示の発光素子をファイバー照明装置に応用した例を模式的に示す図である。
発光装置の変形例を示す図である。
発光装置の他の変形例を示す図である。
本開示の発光装置を利用した内視鏡システム500の一例を模式的に示す図である。
挿入部510における先端部510aの内部構造を簡略化して示す図である。
ある構成例における先端部510aを対象物400側から見たときの様子を示す図である。
従来のキセノンランプ発光スペクトルの例を示す図である。
従来の一般的なLED白色光源の構成および発光スペクトルを示す図である。
本実施形態の発光素子310を利用した光源の一例を示す図である。
内視鏡において用いられる波長の例を示す第1の図である。
内視鏡において用いられる波長の例を示す第2の図である。
内視鏡において用いられる波長の例を示す第3の図である。
内視鏡において用いられる波長の例を示す第4の図である。
内視鏡において用いられる波長の例を示す第5の図である。
内視鏡において用いられる波長の例を示す第6の図である。
水中ファイバー照明装置の構成例を示す図である。
光源装置600の概略構成を示す図である。
本開示の実施形態におけるファイバー照明装置を搭載する宇宙探査機の一例を簡略化して示す図である。
スタジアムで使用される光ファイバー照明装置の例を示す図である。
高速道路用照明装置の例を示す図である。
トンネル用の照明装置の例を示す図である。
ファイバー照明装置のより詳細な構成を説明するための図である。
照明部660の構造の一例を示す図である。
光源装置600のより詳細な構成例を示す断面図である。
光源装置600の他の構成例を示す上面図である。
光源装置600のさらに他の構成例を示す上面図である。
図61Cに示す光源装置600における発光素子310の拡大図である。
光源装置600のさらに他の構成例を示す上面図である。
車両用ファイバー照明装置を搭載した車両の一例を示す図である。
ヘッドライトテールランプドア用のランプ等に発光ユニット810を適用した例を示す図である。
ナビゲーションシステムと組み合わせて路面等の投影面にナビゲーションのための画像を表示する
光ファイバーセンサーを搭載した自動車の例を示す図である。
光ファイバーセンサーを搭載した飛行機の例を示す図である。
光ファイバーセンサーの構成および動作原理を説明するための図である。
駆動信号および受光信号時間変化の例を示す図である。
本開示の発光素子をスクリーンとして備える透明ディスプレイの構成を示す模式図である。
複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。

実施例

0009

[1.本開示の実施形態の概要
本開示は、以下の項目に記載の発光素子、発光装置、内視鏡、内視鏡システム、光ファイバー照明装置、および光ファイバーセンサーを含む。

0010

[項目1]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、発光素子。

0011

[項目2]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目1に記載の発光素子。

0012

[項目3]
前記第1の光に対する前記透光層の屈折率nt-aは、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率nwav-aよりも小さい、項目1または2に記載の発光素子。

0013

[項目4]
前記第1の光は、前記サブミクロン構造によって予め決められた第1の方向において強度が最大になる、項目1から3のいずれかに記載の発光素子。

0014

[項目5]
前記第1の方向は、前記フォトルミネッセンス層の法線方向である、項目4に記載の発光素子。

0015

[項目6]
前記第1の方向に出射された前記第1の光は、直線偏光である、項目4または5に記載の発光素子。

0016

[項目7]
前記第1の光の前記第1の方向を基準としたときの指向角は、15°未満である、項目4から6のいずれかに記載の発光素子。

0017

[項目8]
前記第1の光の波長λaと異なる波長λbを有する第2の光は、前記第1の方向と異なる第2の方向において強度が最大となる、項目4から7のいずれかに記載の発光素子。

0018

[項目9]
前記透光層が前記サブミクロン構造を有する、項目1から8のいずれかに記載の発光素子。
[項目10]
前記フォトルミネッセンス層が前記サブミクロン構造を有する、項目1から9のいずれかに記載の発光素子。

0019

[項目11]
前記フォトルミネッセンス層は、平坦な主面を有し、
前記透光層は前記フォトルミネッセンス層の前記平坦な主面上に形成されており、かつ、前記サブミクロン構造を有する、項目1から8のいずれかに記載の発光素子。

0020

[項目12]
前記フォトルミネッセンス層は、透明基板に支持されている、項目11に記載の発光素子。

0021

[項目13]
前記透光層は、前記サブミクロン構造を一方の主面に有する透明基板であって、
前記フォトルミネッセンス層は、前記サブミクロン構造の上に形成されている、項目1から8のいずれかに記載の発光素子。

0022

[項目14]
前記第1の光に対する前記透光層の屈折率nt-aは、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率nwav-a以上であって、前記サブミクロン構造が有する前記複数の凸部の高さまたは前記複数の凹部の深さは150nm以下である、項目1または2に記載の発光素子。

0023

[項目15]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ第1周期構造を含み、
前記第1周期構造は、1次元周期構造である、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。

0024

[項目16]
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaと異なるλbの第2の光を含み、前記第2の光前記第2の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-bとすると、
前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpbとすると、λb/nwav-b<pb<λbの関係が成り立つ第2周期構造をさらに含み、
前記第2周期構造は、1次元周期構造である、項目15に記載の発光素子。

0025

[項目17]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも2つの周期構造を含み、前記少なくとも2つの周期構造は、互いに異なる方向に周期性を有する2次元周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。

0026

[項目18]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記複数の周期構造は、マトリクス状に配列された複数の周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。

0027

[項目19]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された複数の周期構造を含み、
前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-exとすると、
前記複数の周期構造は、周期pexが、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ周期構造を含む、項目1および3から14のいずれかに記載の発光素子。
[項目20]
複数のフォトルミネッセンス層と、複数の透光層とを有し、
前記複数のフォトルミネッセンス層の少なくとも2つと前記複数の透光層の少なくとも2つとは、それぞれ独立に、項目1から19のいずれかに記載の前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とにそれぞれ該当する、発光素子。

0028

[項目21]
前記複数のフォトルミネッセンス層と前記複数の透光層は、積層されている、項目20に記載の発光素子。

0029

[項目22]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の内部に擬似導波モードを形成する光を出射する、発光素子。

0030

[項目23]
光が導波することができる導波層と、
前記導波層に近接して配置された周期構造と
を備え、
前記導波層はフォトルミネッセンス材料を有し、
前記導波層において、前記フォトルミネッセンス材料から発せられた光が前記周期構造と作用しながら導波する擬似導波モードが存在する、発光素子。

0031

[項目24]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方に形成され、前記フォトルミネッセンス層または前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、前記フォトルミネッセンス層が有するフォトルミネッセンス材料の励起光の空気中における波長をλexとし、前記励起光に対する前記フォトルミネッセンス層または前記透光層に至る光路に存在する媒質の内で最も屈折率が大きい媒質の屈折率をnwav-exとすると、λex/nwav-ex<Dint<λexの関係が成り立つ、発光素子。

0032

[項目25]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、前記少なくとも1つの周期構造は、周期をpexとすると、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ第1周期構造を含む、項目24に記載の発光素子。

0033

[項目26]
透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、
前記サブミクロン構造に近接して配置されたフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。

0034

[項目27]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層に形成され、前記透光層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。

0035

[項目28]
フォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に形成され、前記フォトルミネッセンス層の面内に広がるサブミクロン構造と、を有し、
前記サブミクロン構造は、複数の凸部または複数の凹部を含み、
前記フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部または前記複数の凹部によって形成された少なくとも1つの周期構造を含み、
前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、発光素子。

0036

[項目29]
前記サブミクロン構造は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との双方を含む、項目1から21、24から28のいずれかに記載の発光素子。

0037

[項目30]
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目1から22、24から27のいずれかに記載の発光素子。

0038

[項目31]
前記導波層と前記周期構造とが互いに接している、項目23に記載の発光素子。

0039

[項目32]
項目1から31のいずれかに記載の発光素子と、
前記フォトルミネッセンス層に励起光を照射する、励起光源と、
を備える発光装置。

0040

[項目33]
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーと、
を備え、
前記発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する、
発光装置。

0041

[項目34]
励起光源と、
発光素子と、
前記励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる光ファイバーと、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する、
発光装置。

0042

[項目35]
前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第1の発光領域と、青色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる第2の発光領域と、を含む、
項目33または34に記載の発光装置。

0043

[項目36]
前記第1の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属し、
前記第2の発光領域は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλbの第2の光を含む光を発する他のフォトルミネッセンス層と、
前記他のフォトルミネッセンス層に近接して配置された他の透光層と、
前記他のフォトルミネッセンス層および前記他の透光層の少なくとも一方の表面に形成された他の表面構造と、を有し、
前記波長λbは、青色の波長帯域に属し、
前記他の表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλbの前記第2の光の指向角を制限する、
項目35に記載の発光装置。

0044

[項目37]
前記第1の発光領域および前記第2の発光領域は、前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に並んでいる、項目35または36に記載の発光装置。

0045

[項目38]
前記発光素子は、緑色の波長帯域の光を前記フォトルミネッセンス層に垂直な方向に出射させる発光領域を有し、
前記励起光は、青色の波長帯域の光であり、前記励起光の一部は、前記フォトルミネッセンス層に垂直に入射して透過する、
項目33または34に記載の発光装置。

0046

[項目39]
前記発光領域は、前記フォトルミネッセンス層と、前記透光層と、前記表面構造と、を有し、前記波長λaは前記緑色の波長帯域に属する、項目38に記載の発光装置。

0047

[項目40]
前記青色の波長帯域は、430nm以上470nm以下であり、
前記緑色の波長帯域は、500nm以上570nm以下である、
項目35から39のいずれかに記載の発光装置。

0048

[項目41]
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第1の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第2の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
透光層と、
前記透光層の表面に形成された表面構造と、
前記表面構造に近接して配置され、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。

0049

[項目42]
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第1の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第2の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。

0050

[項目43]
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目33から42のいずれかに記載の発光装置。

0051

[項目44]
発光素子と、
前記発光素子からの光を一端から取り込み、他端から出射させる第1の光ファイバー、および、励起光源からの励起光を一端から取り込み、他端から前記発光素子に向けて出射させる第2の光ファイバーの少なくとも一方と、
を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する、
発光装置。

0052

[項目45]
前記表面構造における隣接する2つの凸部の中心間距離または隣接する2つの凹部の中心間距離をDintとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、
項目33から44のいずれかに記載の発光装置。

0053

[項目46]
前記表面構造は、少なくとも1つの周期構造を含み、前記周期構造の周期をPaとし、前記第1の光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、
項目33から45のいずれかに記載の発光装置。

0054

[項目47]
項目33から46のいずれかに記載の発光装置と、
前記発光装置における前記発光素子から出射され、対象物で反射された光を受けて受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子と、
を備える内視鏡。

0055

[項目48]
長尺状の挿入部をさらに備え、
前記発光素子および前記撮像素子は、前記挿入部内に設けられている、
項目47に記載の内視鏡。

0056

[項目49]
前記撮像素子の撮像面に対向して配置され、前記対象物からの反射光を前記撮像面に集束させる光学系をさらに備える、項目47または48に記載の内視鏡。

0057

[項目50]
項目47から49のいずれかに記載の内視鏡と、
前記内視鏡における前記撮像素子に電気的に接続され、前記電気信号に基づいて画像信号を生成して出力する処理装置と、
前記処理装置に電気的に接続され、前記画像信号に基づく画像を表示するディスプレイと、
を備える内視鏡システム。

0058

[項目51]
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、水中に設置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第1の光を含む光を一旦から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を水中に照射する、
光ファイバー照明装置。

0059

[項目52]
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、宇宙空間に配置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第1の光を含む光を一旦から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を宇宙空間に照射する、
光ファイバー照明装置。

0060

[項目53]
光源装置と、
前記光源装置に接続された光ファイバーと、
前記光ファイバーに接続され、前記光源装置よりも高所に配置される照明部と、
を備え、
前記光源装置は、
励起光源と、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限し、
前記光ファイバーは、前記フォトルミネッセンス層から出射された前記第1の光を含む光を一旦から取り込み、他端から前記照明部内に出射させ、
前記照明部は、前記光ファイバーから導入された前記光を外部に照射する、
光ファイバー照明装置。

0061

[項目54]
前記光ファイバーは、コネクタを有し、前記コネクタを介して前記光源装置および前記照明部と接続されている、項目51から53のいずれかに記載の光ファイバー照明装置。

0062

[項目55]
前記光ファイバーは、複数本光ファイバーケーブルと、前記複数本の光ファイバーケーブルを連結する光分岐装置とを含む、項目51から54のいずれかに記載の光ファイバー照明装置。

0063

[項目56]
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子から生じた光の光路上に配置され、入力された駆動信号に応答して透光状態遮光状態とを切り替え光学シャッターと、
前記光学シャッターを透過した前記光の光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記光を一端から取り込む光ファイバーと、
前記光ファイバー内の変形部分で反射され、かつ前記ビームスプリッタでさらに反射された光を受けて、受けた前記光の強度に応じた受光信号を出力する受光器と、
前記光学シャッターに前記駆動信号を入力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記駆動信号に対する前記受光信号の遅延時間に基づいて、前記光ファイバー内の前記変形部分の位置を特定し、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する、
光ファイバーセンサー。

0064

[項目56]
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を受けて発光する発光素子と、
前記発光素子を透過した前記光の光路上に配置されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記光を一端から取り込む光ファイバーと、
前記光ファイバー内の変形部分で反射され、かつ前記ビームスプリッタでさらに反射された光を受けて、受けた前記光の強度に応じた受光信号を出力する受光器と、
前記励起光源に、前記励起光の出射と停止とを切り替える駆動信号を入力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記駆動信号に対する前記受光信号の遅延時間に基づいて、前記光ファイバー内の前記変形部分の位置を特定し、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの第1の光を含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成された表面構造と、を有し、
前記表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、前記空気中の波長がλaの前記第1の光の指向角を制限する、
光ファイバーセンサー。

0065

本開示の実施形態による発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限する。波長λaは、例えば、可視光波長範囲内(例えば、380nm以上780nm以下)にある。赤外線を利用する用途では、波長λaは、780nmを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λaは、380nm未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。

0066

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、ガラス酸化物などの無機材料や樹脂である。

0067

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。

0068

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。

0069

本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図69に示す断面図では、部材610が凹部を有し、部材620が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材610および部材620の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。

0070

表面構造における隣接する2つの凸部または隣接する2つの凹部の中心間の距離(周期構造においては周期p)は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルオーダー(即ちミクロンオーダー)よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に1マイクロメートル(μm)を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造(例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造)を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。

0071

本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造(即ち表面構造)と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンス発光効率の増大、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。

0072

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

0073

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

0074

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

0075

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

0076

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曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、TEモードとTMモードとで有効屈折率neff(=nwavsinθ)が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長(例えば610nm)の直線偏光(例えばTMモード)を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射する光の指向角は例えば15°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の50%になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を0°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造(即ち表面構造)は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、周期構造がない場合と比較して狭角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図29に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度(例えば20°〜70°)の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λaの出射光が0°〜20°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。

0077

なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を0次光(即ち透過光)、±1次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が0次光の両側に発生する。回折格子における、0次光の両側に発生する高次の回折光は、狭角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度(例えば15°程度)に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。

0078

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。

0079

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

0080

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

0081

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

0082

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。発光を特徴付け指標である発光レートΓは、フェルミ黄金則により、以下の式(1)で表される。

0083

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。

0084

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

0085

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

0086

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

0087

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

0088

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

0089

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

0090

本発明者らは、まずこのような導波路の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに、発生した光を結合させることを検討した。図1Aは、そのような導波路(例えば、フォトルミネッセンス層)110と周期構造(例えば、透光層の一部)120とを有する発光素子100の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層が周期構造を有している場合(即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合)、周期構造120を透光層120ということがある。この例では、周期構造120は、各々がy方向に延びるストライプ状の複数の凸部がx方向に等間隔に並んだ1次元周期構造である。図1Bは、この発光素子100をxz面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路110に接するように周期pの周期構造120を設けると、面内方向の波数kwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数koutは以下の式(2)で表すことができる。

0091

式(2)におけるmは整数であり、回折の次数を表す。

0092

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

0093

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

0094

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

0095

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。

0096

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。

0097

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

0098

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。

0099

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

0100

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。

0101

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

0102

図1Aおよび図1Bに示すように、導波路(フォトルミネッセンス層)110が透明基板に接していない場合には、noutは空気の屈折率(約1.0)となるため、以下の式(12)を満足するように周期pを決定すればよい。

0103

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

0104

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

0105

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

0106

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

0107

[4.計算による検証]
[4−1.周期、波長依存性]
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。

0108

フォトルミネッセンス層の膜厚を1μm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造の高さを50nm、周期構造の屈折率を1.5とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図2に示す。計算モデルは、図1Aに示すように、y方向には均一な1次元周期構造とし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるとして計算を行った。図2の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図2において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い(即ち黒い)方が増強度が大きく、淡い(即ち白い)方が増強度が小さい。

0109

上記の計算において、周期構造の断面は、図1Bに示すような矩形であるものとしている。式(10)におけるm=1およびm=3の条件を図示したグラフを図3に示す。図2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。

0110

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。

0111

[4−2.厚さ依存性
図4は、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造の周期を400nm、高さを50nm、屈折率を1.5とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さtが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。

0112

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

0113

[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。

0114

[4−4.2次元周期構造]
さらに、2次元の周期構造による効果の検討を行った。図7Aは、x方向およびy方向の両方向に凹部および凸部が配列された2次元の周期構造120’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような2次元周期構造では、x方向とy方向の両方の回折を考慮する必要がある。x方向のみ、あるいはy方向のみの回折に関しては1次元の場合と同様であるが、x、y両方の成分を有する方向(例えば、斜め45°方向)の回折も存在するため、1次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような2次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図7Bに示す。周期構造以外の計算条件図2の条件と同じである。図7Bに示すように、図2に示すTMモードのピーク位置に加えて、図6に示すTEモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、2次元周期構造により、TEモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、2次元周期構造については、x方向およびy方向の両方について、同時に1次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期pの√2倍(即ち、21/2倍)の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、1次元周期構造の場合のピークに加えて、周期pの√2倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図7Bでは、このようなピークも確認できる。

0115

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のような六角形三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって(例えば、正方格子の場合x方向およびy方向)の周期が異なる構造であってもよい。

0116

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

0117

[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。

0118

[5−1.周期構造の屈折率]
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を200nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造とし、高さを50nm、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図8に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を1000nmにした場合の結果を図9に示す。

0119

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

0120

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

0121

[5−2.周期構造の高さ]
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を1000nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造で屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図10に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を図11に示す。図10に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やQ値(即ち、ピークの線幅)が変化していないのに対して、図11に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも高い場合(図10)には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し(エバネッセント)部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合(図11)は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図11を見る限り、高さは100nm程度あれば十分であり、150nmを超える領域ではピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合に、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを150nm以下に設定すればよい。

0122

[5−3.偏光方向]
次に、偏光方向に関して検討を行った。図9に示す計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして計算した結果を図12に示す。TEモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがTMモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率npがフォトルミネッセンス層の屈折率nwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびQ値の低下がTMモードよりも著しい。

0123

[5−4.フォトルミネッセンス層の屈折率]
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を図13に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが1.5の場合においても概ね図9と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が600nm以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式(10)より、λ0<nwav×p/m=1.5×400nm/1=600nmとなるからである。

0124

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。

0125

[6.変形例]
以下、本実施形態の変形例を説明する。

0126

[6−1.基板を有する構成]
上述のように、発光素子は、図1Cおよび図1Dに示すように、透明基板140の上にフォトルミネッセンス層110および周期構造120が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子100aを作製するには、まず、透明基板140上にフォトルミネッセンス層110を構成するフォトルミネッセンス材料(必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。)で薄膜を形成し、その上に周期構造120を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層110と周期構造120とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板140の屈折率nsはフォトルミネッセンス層の屈折率nwav以下にする必要がある。透明基板140をフォトルミネッセンス層110に接するように設けた場合、式(10)における出射媒質の屈折率noutをnsとした式(15)を満足するように周期pを設定する必要がある。

0127

このことを確認するために、屈折率が1.5の透明基板140の上に、図2に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層110および周期構造120を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図14に示す。図2の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図2の結果とは異なることがわかる。これに対して、式(10)の条件をnout=nsとした式(15)の条件を図15に示す。図14において、図15に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。

0128

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

0129

[6−2.励起光源を有する発光装置]
図16は、図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光をフォトルミネッセンス層110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源180を設けることにより、指向性をもつ発光装置200を実現できる。光源180から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層110を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図16では、光源180がフォトルミネッセンス層110の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層110の上面から励起光を入射させてもよい。励起光は、フォトルミネッセンス層110の主面(即ち、上面または下面)に垂直な方向に対して傾斜した方向から(即ち、斜めに)入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層110内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。

0130

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

0131

ここで、noutは、図17Bの例では透明基板140のnsであるが、図16のように透明基板140を設けない構成では、空気の屈折率(約1.0)である。

0132

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

0133

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

0134

図17Cおよび図17Dは、それぞれ、図17Aおよび図17Bに示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、px=365nm、py=265nmとし、フォトルミネッセンス層110からの発光波長λを約600nm、励起光の波長λexを約450nm、フォトルミネッセンス層110の消衰係数を0.003としている。図17Dに示すように、フォトルミネッセンス層110から生じた光だけでなく、励起光である約450nmの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約600nmに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約600nmの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図17Bに示す周期構造120は、x方向およびy方向のそれぞれに周期の異なる構造(周期成分と称する。)を有する2次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する2次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図17A、17Bでは励起光を基板140側から入射させているが、周期構造120側から入射させても同じ効果が得られる。

0135

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。

0136

[6−3.透明基板上の周期構造]
図19Aおよび図19Bに示すように、透明基板140上に周期構造120aを形成し、その上にフォトルミネッセンス層110を設けてもよい。図19Aの構成例では、基板140上の凹凸からなる周期構造120aに追従するようにフォトルミネッセンス層110が形成されている。その結果、フォトルミネッセンス層110の表面にも同じ周期の周期構造120bが形成されている。一方、図19Bの構成例では、フォトルミネッセンス層110の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造120aの周期pを式(15)を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。

0137

この効果を検証するため、図19Aの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層110の膜厚を1000nm、フォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav=1.8、周期構造120aはy方向に均一な1次元周期構造で高さを50nm、屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとした。本計算の結果を図19Cに示す。本計算においても、式(15)の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。

0138

[6−4.粉体
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図1A、1Bのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図1A、1Bのような発光素子100の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図1A、1Bのような発光素子100を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。

0139

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

0140

[6−5.周期の異なる構造を配列]
図21は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。この例では、3種類の周期構造120a、120b、120cが隙間なく配列されている。周期構造120a、120b、120cは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。

0141

[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。

0142

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

0143

[6−7.保護層を有する構成]
図23は、フォトルミネッセンス層110と周期構造120との間に保護層150を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層110を保護するための保護層150を設けても良い。ただし、保護層150の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い場合は、保護層150の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層150が波長よりも厚い場合には、周期構造120に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層150の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層150の内部にまで光が到達する。よって、保護層150に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分(以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。)の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層150は薄いほうが望ましい。なお、保護層150を周期構造(透光層)120と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層120の屈折率はフォトルミネッセンス層110よりも小さいことが望ましい。

0144

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

0145

周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、MgF2(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂、MgO(酸化マグネシウム)、ITO(酸化インジウム錫)、TiO2(酸化チタン)、SiN(窒化シリコン)、Ta2O5(五酸化タンタル)、ZrO2(ジルコニア)、ZnSe(セレン化亜鉛)、ZnS(硫化亜鉛)などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が1.3〜1.5程度であるMgF2、LiF、CaF2、SiO2、ガラス、樹脂を用いることができる。

0146

フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料(例えば色素)を包含し、さらには、量子ドット(即ち、半導体微粒子)を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、M10(PO4)6Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、BaMgAl10O17:Eu2+、M3MgSi2O8:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M5SiO4Cl6:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、M2MgSi2O7:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、SrSi5AlO2N7:Eu2+、SrSi2O2N2:Eu2+、BaAl2O4:Eu2+、BaZrSi3O9:Eu2+、M2SiO4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、BaSi3O4N2:Eu2+Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+、Ca3SiO4Cl2:Eu2+、CaSi12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n:Ce3+、β−SiAlON:Eu2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、CaAlSiN3:Eu2+、SrAlSi4O7:Eu2+、M2Si5N8:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSiN2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSi2O2N2:Yb2+(M=SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、Y2O2S:Eu3+,Sm3+、La2O2S:Eu3+,Sm3+、CaWO4:Li1+,Eu3+,Sm3+、M2SiS4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M3SiO5:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Y3Al5O12:Ce3+、CaSi2O2N2:Eu2+、Ca3Sc2Si3O12:Ce3+、CaSc2O4:Ce3+、α−SiAlON:Eu2+、MSi2O2N2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M7(SiO3)6Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。

0147

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。

0148

図1C、1Dなどに示す透明基板140は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、MgF2(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂が挙げられる。なお、基板140を介さずにフォトルミネッセンス層110に励起光を入射させるような構成においては、基板140が透明であることは必須ではない。基板140は、例えば、BaF2、SrF2、MgO、MgAl2O4、サファイア(Al2O3)、SrTiO3、LaAlO3、TiO2、Gd3Ga5O12、LaSrAlO4、LaSrGaO4、LaTaO3、SrO、YSZ(ZrO2・Y2O3)、YAG、Tb3Ga5O12を用いて形成されてもよい。

0149

[8.製造方法]
続いて、製造方法の一例を説明する。

0150

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

0151

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

0152

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

0153

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。

0154

[9.実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。

0155

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。

0156

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

0157

さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図27A〜27Fおよび図28A〜28Fに示す。図27Aは、TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図27Bおよび図27Cは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図27Dは、TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図27Eおよび図27Fは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図28Aは、TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図28Bおよび図28Cは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図28Dは、TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図28Eおよび図28Fは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図27A〜27Fおよび図28A〜28Fから明らかなように、TMモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長610nmの光については、TMモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図27B図27C図27E図27F図28B図28C図28E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。

0158

図29は、波長610nmの光について、図28Dに示すように、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示している。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は15°未満であることがわかる。なお、指向角は、前述のように、強度が最大強度の50%となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。図29に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全てTMモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。

0159

以上の検証のための実験は、広帯域波長帯で発光するYAG:Ceを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。

0160

[10.他の変形例]
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。

0161

上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図31に示す、フォトルミネッセンス層110上に周期構造120を有する発光素子を考える。ここでは、周期構造120はフォトルミネッセンス層110と同じ材料で形成されており、図1Aに示した1次元周期構造120を有する場合を例示する。1次元周期構造120によって発光増強を受ける光は、1次元周期構造120の周期p(nm)、フォトルミネッセンス層110の屈折率nwav、光が出射される外部の媒質の屈折率noutとし、1次元周期構造120への入射角をθwav、1次元周期構造120から外部の媒質への出射角をθoutとすると、p×nwav×sinθwav−p×nout×sinθout=mλの関係を満足する(上記の式(5)参照)。ここで、λは空気中における光の波長であり、mは整数である。

0162

上記式から、θout=arcsin[(nwav×sinθwav−mλ/p)/nout]が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図31に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。

0163

この視角依存性を低減させるためには、(nwav×sinθwav−mλ/p)/noutが、波長λによらず一定となるように、nwavおよびnoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散(波長依存性)を有しているので、(nwav×sinθwav−mλ/p)/noutが波長λに依存しないような、nwavおよびnoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、noutは、波長によらずほぼ1.0なので、フォトルミネッセンス層110および一次元周期構造120を形成する材料として、屈折率nwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率nwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。

0164

また、図32Aに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図32Aに示す例では、赤色光(R)を増強できる周期構造120rと、緑色光(G)を増強できる周期構造120gと、青色光(B)を増強できる周期構造120bとがマトリクス状に配列されている。周期構造120r、120gおよび120bは、例えば、1次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造120r、120gおよび120bによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。

0165

マトリクス状に配列された各周期構造120r、120gおよび120bを単位周期構造(または画素)と呼ぶと、単位周期構造の大きさ(即ち、一辺の長さ)は、例えば、周期の3倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは1mmよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造120r、120gおよび120bが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。

0166

また、周期構造120r、120gおよび120bの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造120r、120gおよび120bに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。

0167

図32Bに示すように、1次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造(周期構造120h、120iおよび120jを含む)を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図32Bのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図32Aにおける周期構造120r、120gおよび120bのそれぞれについて、図32Bの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。

0168

もちろん、周期構造は、1次元周期構造に限らず、図32Cに示すように、複数の2次元周期構造(周期構造120k、120mおよび120nを含む)を配列してもよい。このとき、周期構造120k、120mおよび120nの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。

0169

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。

0170

図33に示した発光素子は、図32Aにおける周期構造120r、120gおよび120bをそれぞれ有する領域R1、R2およびR3を有する。領域R1においては、周期構造120rによって、赤色光Rが法線方向に出射され、例えば緑色光Gは斜め方向に出射される。マイクロレンズ130の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Gは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Rと緑色光Gとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ130を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図32Bまたは図32Cに示した構成にも適用できる。

0171

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。

0172

白色光(あるいは、広いスペクトル幅を有する光)を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図34Aおよび図34Bに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図34Aに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層110b、110g、110rを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図34Bに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層110bの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層110yを積層してもよい。フォトルミネッセンス層110yは、例えばYAGを用いて形成することができる。

0173

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。

0174

フォトルミネッセンス層110を形成する材料として、無機材料(例えばYAG)を用いる場合、その製造過程で、1000℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地(典型的には、基板)から不純物拡散し、フォトルミネッセンス層110の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図35A〜35Dに示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層(バリア層)108を設けてもよい。図35A〜35Dに示すように、拡散防止層108は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層110の下層に形成される。

0175

例えば、図35Aに示すように、基板140とフォトルミネッセンス層110との間に拡散防止層108が形成される。また、図35Bに示すように、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび100bを有する場合には、フォトルミネッセンス層110aおよび110bのそれぞれの下層に拡散防止層108aまたは108bが形成される。

0176

基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも大きい場合には、図35C図35Dに示すように、基板140上に低屈折率層107を形成すればよい。図35Cに示すように、基板140の上に低屈折率層107を設けた場合、低屈折率層107とフォトルミネッセンス層110との間の拡散防止層108が形成される。さらに、図35Dに示すように、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび100bを有する場合には、フォトルミネッセンス層110aおよび110bの下層に拡散防止層108aおよび108bがそれぞれ形成される。

0177

なお、低屈折率層107は、基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成される。低屈折率層107の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い。低屈折率層107は、例えば、MgF2、LiF、CaF2、BaF2、SrF2、石英、樹脂、HSQ・SOGなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層107の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板140は、例えば、MgF2、LiF、CaF2、BaF2、SrF2、ガラス、樹脂、MgO、MgAl2O4、サファイア(Al2O3)、SrTiO3、LaAlO3、TiO2、Gd3Ga5O12、LaSrAlO4、LaSrGaO4、LaTaO3、SrO、YSZ(ZrO2・Y2O3)、YAG、Tb3Ga5O12を用いて形成される。

0178

拡散防止層108、108a、108bは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層108、108a、108bの厚さは、例えば、50nm以下である。

0179

なお、拡散防止層108や後述する結晶成長層106のような、フォトルミネッセンス層110に隣接する層を有する構成においては、隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をnwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。

0180

また、無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層110においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層110の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層110を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図36Aに示すように、フォトルミネッセンス層110の下地に、結晶成長層(「シード層」ということもある。)106を形成してもよい。結晶成長層106は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層110の結晶格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±5%以内であることが望ましい。基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層106または106aの屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも小さいことが望ましい。

0181

基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも大きい場合には、図36Bに示すように、基板140上に低屈折率層107を形成すればよい。結晶成長層106は、フォトルミネッセンス層110と接するので、基板140上に低屈折率層107が形成される場合には、低屈折率層107上に結晶成長層106が形成される。また、図36Cに示すように、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび110bを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび110bのそれぞれに対応する結晶成長層106aまたは106bを形成することが望ましい。結晶成長層106、106aおよび106bの厚さは、例えば、例えば、50nm以下である。

0182

図37Aおよび図37Bに示すように、周期構造120を保護するために、表面保護層132を設けてもよい。

0183

表面保護層132は、図37Aに示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図37Bに示すように、基板140を有するタイプのものにも設けられる。また、図37Aに示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層110の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層132は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造120は、図37Aおよび図37Bに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。

0184

表面保護層132は、例えば、樹脂、ハードコート材、SiO2、Al2O3(アルミナ)、SiOC、DLCを用いて形成することができる。表面保護層132の厚さは、例えば、100nm〜10μmである。

0185

表面保護層132を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層132は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層132の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。

0186

また、フォトルミネッセンス材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層110の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率(1.6W/m・K)は、YAGの熱伝導率(11.4W/m・K)よりも約1桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層(例えばYAG層)110で発生した熱が基板(例えば石英基板)140を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層110の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。

0187

そこで、図38Aに示すように、フォトルミネッセンス層110と基板140との間に、透明高熱伝導層105を形成することによって、フォトルミネッセンス層110の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層105の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い場合には、透明高熱伝導層105の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層105は、フォトルミネッセンス層110とともに導波層を形成するので、50nm以下であることが望ましい。図38Bに示すように、フォトルミネッセンス層110と透明高熱伝導層105との間に、低屈折率層107を形成すれば、厚い透明高熱伝導層105を利用できる。

0188

また、図38Cに示すように、周期構造120を高い熱伝導率を有する低屈折率層107で覆ってもよい。さらに、図38Dに示すように、周期構造120を低屈折率層107で覆った上に、透明高熱伝導層105を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層107が高い熱伝導率を有する必要はない。

0189

透明高熱伝導層105の材料としては、例えば、Al2O3、MgO、Si3N4、ZnO、AlN、Y2O3、ダイヤモンドグラフェン、CaF2、BaF2を挙げることができる。これらの内、CaF2、BaF2は、屈折率が低いので、低屈折率層107として利用することができる。

0190

次に、図39A〜39Dを参照して、発光素子100と光源180とを備える発光装置の放熱特性を高めた構造を説明する。

0191

図39Aに示す発光装置は、光源180としてのLEDチップ180と、発光素子100とを有している。発光素子100は、上述のいずれのタイプでもよい。LEDチップ180は、支持基板190上に実装されており、発光素子100は、LEDチップと所定の間隔をあけて配置されている。発光素子100は、LEDチップから出射される励起光を受けて発光する。支持基板190上において、LEDチップ180および発光素子100は、封止部142に覆われている。

0192

封止部142は、高熱伝導性と透光性とを備えている。封止部142を形成する材料(「封止材料」ということがある)は、例えば、高熱伝導性のフィラー樹脂材料とを含む複合材料である。高熱伝導性フィラーとしては、Al2O3、ZnO、Y2O3、グラフェンおよびAlNを例示することができる。また、樹脂材料としては、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂を例示することができる。特に、封止材料として、高熱伝導性フィラーのサイズがナノメートルサイズ(即ち、サブミクロンサイズ)を用いたナノコンポジット材料を用いることができる。ナノコンポジット材料を用いると、光の拡散反射(または散乱)を抑制することができる。ナノコンポジット材料としては、フィラーとしてZnOまたはAl2O3を用い、樹脂として、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いたものを例示することができる。

0193

なお、発光素子100が、図39Aに例示したように、表面に周期構造が露出しているタイプの場合には、周期構造の周りの媒質の屈折率は、周期構造の屈折率よりも低いことが望ましい。すなわち、封止部142の屈折率は、周期構造が透光層によって形成されている場合は、透光層の屈折率よりも低く、周期構造がフォトルミネッセンス層と同じ材料で形成されている場合は、フォトルミネッセンス層の屈折率よりも低いことが望ましい。

0194

封止部142は、図39Bに示すように、発光素子100の表面近傍(例えば、周期構造を有する透光層またはフォトルミネッセンス層)を露出するように設けてもよい。このとき、封止部142の屈折率は特に制限されない。

0195

また、図39Cに示すように、発光素子100として、周期構造が低屈折率層107(図38C参照)で覆われているタイプのものを用いる場合にも、封止部142の屈折率は、周期構造の屈折率よりも高くてもよい。このような構成を採用するようことによって、封止部142の材料の選択範囲が広がる。

0196

また、図39Dに示すように、発光素子100の周辺を高熱伝導性を有するフォルダー152に固定してもよい。フォルダー152は、例えば、金属で形成され得る。例えば、光源として、レーザーダイオード182を用いる場合のように、発光素子100と光源との間に封止材料を充填できない場合に、上記の構造を好適に用いられ得る。例えば、図38A〜38Dに例示した構成を有する発光素子100は、透明高熱伝導層105または高い熱伝導率を有する低屈折率層107を有するので、素子の面内の熱伝導性が高いので、効果的にフォルダー152を介して放熱することができる。

0197

図40A〜40Dに示すように、発光素子100の表面に、高熱伝導部材144を配置してもよい。高熱伝導部材144は、例えば、金属で形成される。

0198

例えば、図40Aに断面図を示し、図40Bに平面図を示すように、発光素子100の周期構造120の一部を覆うように高熱伝導部材144を配置してもよい。図40Aおよび40Bには、1次元周期構造を形成する複数の凸部の1つだけを覆う線状の高熱伝導部材144を示しているが、これに限られない。

0199

また、図40Cに断面図を示し、図40Dに平面図を示すように、発光素子100の周期構造120の両端の凸部およびフォトルミネッセンス層110の端面を覆うように、高熱伝導部材146を形成してもよい。いずれの場合も、周期構造およびフォトルミネッセンス層の、高熱伝導部材146に覆われる部分の面積が大きくなると、発光素子100の特性に影響する恐れがあるので、発光素子100の表面に形成する高熱伝導部材146の面積は小さい方がよい。

0200

また、図41Aに断面図を示し、図41Bに平面図を示すように、異なる構造を有する複数の発光素子100r、100gおよび100bをタイリングする場合、隣接する発光素子の間に、それぞれの発光素子の端部を覆うように、高熱伝導部材148を配置してもよい。例えば、ここで例示するように、赤色光を増強する発光素子100r、緑色光を増強する100gおよび青色光を増強する100bを配列する場合、例えば、金属で形成された高熱伝導部材148を隣接する発光素子間に配置すると、高熱伝導部材148は遮光性を有しているので、混色を抑制することができる。このように、高熱伝導部材148を表示パネルにおけるブラックマトリクスのように使用することもできる。

0201

図42Aおよび42Bに、インターロック回路185を備える発光装置の例を示す。図42Aは発光素子100の裏面を示す模式図であり、図42Bは発光素子100の断面図を含む、発光装置の模式図である。図42Aおよび42Bに示すように、発光素子100が有する基板140の裏面に、環状配線172が形成されている。環状配線172は、発光素子100の裏面の外周近傍に形成されており、基板140が破損したら、断線するように形成されている。環状配線172は、例えば金属材料で形成されている。環状配線172の2つの端部は、インターロック回路185のリレー回路に電気的に接続されている。環状配線172に断線が発生した場合、リレー回路は、光源182への電力の供給を遮断する。光源182が、特に、レーザーダイオードのように強度の強い光を発する場合には、安全性等の観点から、インターロック回路185を設けることが望ましい。

0202

上述の実施形態の発光素子が有するサブミクロン構造は、例えば周期構造であり、フォトリソグラフィ技術やナノプリント技術を用いて形成され得る。図43A〜43Fを参照して、サブミクロン構造の他の形成方法を説明する。

0203

図43Aに示すように、基板140に支持されたフォトルミネッセンス層110の表面にビーズ122を配置する。ビーズ122の一部をフォトルミネッセンス層110に均等に埋め込むことで、ビーズ122をフォトルミネッセンス層110に固定することができる。このように、多数のビーズ122のそれぞれの一部がフォトルミネッセンス層110に均等に埋め込まれて、残りの部分がフォトルミネッセンス層110から突き出ている場合、ビーズ122の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率と等しくてもよいし、小さくてもよい。例えば、ビーズ122の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも小さい場合、多数のビーズ122によって形成される層(フォトルミネッセンス層110から突き出た部分と埋め込まれた部分の両方)が、サブミクロン構造を有する透光層120として機能する。また、ビーズ122の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率と等しい場合、ビーズ122とフォトルミネッセンス層110とは実質的に一体となり、フォトルミネッセンス層110から突き出た部分が、サブミクロン構造を有する透光層120として機能する。

0204

あるいは、図43Bに示すように、基板140上に、多数のビーズ122を配置した上に、フォトルミネッセンス層110を形成してもよい。このとき、ビーズ122の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低いことが望ましい。

0205

ここで、ビーズ122の直径は例えば上述のDintと等しいかそれよりも小さい。ビー
ズ122が緻密に充填された場合には、ビーズ122の直径がDintとほぼ一致する。隣
接するビーズ122の間に間隙が形成される場合、ビーズ122の直径に間隙を加えた長さがDintに対応することになる。

0206

また、ビーズ122としては、中空のビーズであっても、中実のビーズであってもよい。

0207

図43C〜43Fは、種々のビーズの充填状態を模式的に示す図と、それぞれ充填状態のビーズから得られる光散乱のパターンを示す図である。図43C〜43Fにおいて、黒い部分は中実ビーズまたは中空ビーズ内の中実部分を示し、白い部分は、中空ビーズまたは、中空ビーズ内の空隙部分を示している。

0208

図43Cは、卵形外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、の底の位置に形成されている。図43Dは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、ほぼ球形で、外形の球に接するように形成されている。図43Eは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。この中空ビーズの空隙部分は、2つのほぼ球形の空隙を含んでおり、2つの球形の空隙は、外形の球の直径にそって配列されている。図43Fは、ほぼ球形の外形を有する中空ビーズとほぼ球形の外形を有する中実ビーズとが密に充填されている状態と、その光散乱のパターンを示している。中空ビーズおよび中実ビーズはほぼ同じ直径を有しており、ほぼ同じ体積比率で混合されている。また、中空ビーズおよび中実ビーズの配置に規則性はなく、ほぼランダムである。

0209

中空ビーズや中実ビーズは、種々のガラスまたは樹脂で形成されたものが市販されている。ここで例示したビーズは、例えば、研磨材料として広く市販されているアルミナの粉体や日鉄鉱業株式会社の中空シリカなどを用い、得られたビーズに分散剤を添加し、溶媒(例えば水やアルコール類など)に分散し、この分散液を基板140上またはフォトルミネッセンス層110上に付与し、乾燥することによって、多数のビーズが密に充填された層を形成することができる。

0210

[8.応用例]
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。以下に、応用例を挙げる。

0211

[8−1.ファイバー照明装置]
図44は、本開示の発光素子をファイバー照明装置に応用した例を模式的に示す図である。このファイバー照明装置(即ち、発光装置)300は、発光素子310と、発光素子310からの光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバー320とを備える。光ファイバー320は、発光素子310から出射した光を伝播して対象物400に照射する。発光素子310は、既に説明したいずれかの構造を有する。対象物400は、検査対象物であり、検体と呼ぶこともある。

0212

対象物400に白色光を照射する用途では、発光素子310は、例えば図32A図33を参照して説明した構造を有する。対象物400に特定の波長帯域の光を照射する用途では、発光素子310は、その波長帯域の光を特定の方向(例えば正面方向)に強く出射するように構成される。

0213

本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更するだけで、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング(narrow band imaging:NBI、登録商標)と呼ばれる技術に用いられ得る。狭帯域イメージングは、青および緑の2つの狭帯域の波長の光を粘膜に照射することにより、粘膜表層毛細血管および微細模様を観察する技術である。狭帯域イメージングにより、例えば後述する内視鏡による病変部の観察を容易にすることができる。

0214

このような狭帯域イメージングに利用される場合、発光素子310は、青および緑の波長帯域の光をフォトルミネッセンス層に垂直な方向(以下、「法線方向」または「垂直方向」と称することがある。)にそれぞれ出射する2種類の発光領域を有する。それらの発光領域は、フォトルミネッセンス層に垂直な方向または平行な方向に並べて配置される。励起光として青色光を使用し、その一部を発光素子310を透過させて利用する場合には、発光素子310は緑色の波長帯域の光を垂直な方向に出射する発光領域のみを有していてもよい。本明細書において、青色の波長帯域は、400nm以上480nm以下の波長の範囲を意味する。緑色の波長帯域は、490nm以上580nm以下の波長の範囲を意味する。典型的には、430nm以上470nm以下の波長の青色光と、500nm以上570nm以下の緑色光とが用いられる。

0215

従来の光ファイバー照明装置では、例えばエキシマランプメタルハライドランプハロゲンランプなどの光源が用いられていた。本実施形態における発光装置300は、発光素子310から出射される光の指向性が高いため、従来の光ファイバー照明装置と比較して、例えば次のような利点を有する。(1)ファイバーカップラーまたはレンズなどの部品の全部または一部を不要にできる。(2)励起光源として半導体発光素子を利用できるため、小型化が可能である。(3)光学的損失が少ない(例えば、エキシマランプの約1/10)ため、高効率化が可能である。(4)ランプ交換が不要なため、メンテナンスを容易にできる。

0216

図45は、発光装置の変形例を示す図である。この例における発光装置300aは、励起光源340および光学系330を備えている。励起光源340は、例えば青色の波長帯域の光を励起光として出射する。励起光源340は、励起光を、発光素子310のフォトルミネッセンス層に垂直に入射させる。光学系330は、光ファイバー320から出射した光を集束させる少なくとも1つのレンズを有する。光学系330のレンズの構成は、用途に応じて適宜設計される。この例のように、発光装置300aは、光学系330および励起光源340を有していてもよい。あるいは、発光装置300aは、これらの一方のみを備えていてもよい。

0217

図46は、発光装置の他の変形例を示す図である。この発光装置300bは、光ファイバー320が、励起光源340から出射された励起光を発光素子310に伝播させる点で、先の例とは異なっている。光ファイバー320は、励起光を一端から取り込み、他端から発光素子310に向けて出射させる。図46の例では、発光素子310のフォトルミネッセンス層に背面側(即ち、表面構造が設けられた側の反対側)から励起光を入射させているが、正面または側面の側から入射させてもよい。このような形態では、光ファイバー320の先端に発光素子310が取り付けられていてもよい。この例でも、光学系330を省略してもよい。

0218

[8−2.内視鏡]
上記のいずれかの構成を有する発光装置は、例えば内視鏡に利用され得る。以下、内視鏡への応用例を説明する。

0219

図47は、本開示の発光装置を利用した内視鏡システム500の一例を模式的に示す図である。内視鏡システム500は、内視鏡505と、内視鏡505に接続された処理装置550と、処理装置550に接続されたディスプレイ560とを備えている。ここで「接続」とは、電気信号の授受が可能なように電気的に接続されていることを意味する。

0220

内視鏡505は、体腔内に挿入される挿入部510と、鉗子挿入口517と、操作部520と、処理装置550に接続されるケーブル530とを有する。挿入部510は、ある程度柔軟な材料によって構成される長尺状(または管状)の部材である。挿入部510の先端(先端部510a)は、術者の操作によって湾曲可能に構成され得る。

0221

先端部510aの内部には、発光素子、撮像素子、および光学系が設けられる。発光素子から光が対象物に照射される。その反射光が光学系で集束され、撮像素子の撮像面に入射する。これを受けて、撮像素子は、画素ごとの受光量に応じた電気信号を出力する。

0222

操作部520は、内視鏡505を操作するための各種のスイッチ、ボタン等を含む。操作部520は、例えば、電源スイッチ、照明のON/OFFを切り替えるボタン、先端部510aの向きを変えるアングルノブ、先端部510aから空気または水を噴出させるためのボタン、撮影の開始/停止を指示するためのレリーズボタンを含み得る。

0223

ケーブル530は、励起光源340からの励起光を一端から取り込み、他端から出射させるライトガイド(即ち、光ファイバー)と、撮像素子から出力された電気信号を処理装置550に伝送する信号線とを内部に有する。これらの他に、給水・給気用の管を含み得る。

0224

処理装置550は、励起光源340、CPUなどのプロセッサ画像処理回路メモリ、および入出力インタフェースを有する。励起光源340から出射された励起光は、ケーブル530内のライトガイド内を伝播して先端部510a内の発光素子に入射する。これを受けて発光素子が発光する。処理装置550は、撮像素子から送られてきた電気信号に各種の処理を施して画像信号を生成して出力する。この画像信号は、ディスプレイ560に送られる。

0225

図48は、挿入部510における先端部510aの内部構造を簡略化して示す図である。内視鏡505は、先端部510aの内部に、発光素子310、撮像素子570、および光学系575を有する。光学系575は、撮像素子570の撮像面570aに対向して配置される。

0226

発光素子310は、ライトガイド585の先端の近傍に、または、先端に直接接して配置される。ライトガイド585から出射した励起光によってフォトルミネッセンス材料が励起されて発光する。この光は、照明用開口592を経て外部に出射される。照明用開口592の近傍には、光を拡散または集束する光学系が配置されていてもよい。

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