JP2017005054A - 発光装置 - Google Patents

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Akira Hashiya
享 橋谷
平澤　拓
Hiroshi Hirasawa
拓 平澤
安寿 稲田
Yasuhisa Inada
安寿 稲田
松尾　三紀子
Mikiko Matsuo
三紀子 松尾
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Abstract

【課題】挟角配光の発光と、広角配光の発光とを備えた新規な構造を備えた発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層３０と、フォトルミネッセンス層３０上に位置し、フォトルミネッセンス層３０から生じた光を出射する発光面４０と、を備える。発光面４０は、第１の領域４０ａおよび第２の領域４０ｂを含み、フォトルミネッセンス層３０が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含み、第１の領域４０ａから出射する第１の光の指向角は、第２の領域４０ｂから出射する第１の光の指向角よりも小さい。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、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には、指向性の高いものと低いものとがある。蛍光灯、白色ＬＥＤなどのデバイスで使用されてい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、これらのデバイスは、原理的に低い指向性、すなわち広角の配光特性を有する。しかし、多くの用途において、発光装置は必要な方向に強く光を出射する特性、即ち挟角の配光特性が求められる。特定の方向に強く光を出射させるために、一般的な発光装置では、フォトルミネッセンス材料とともに、リフレクターやレンズなどの光学部品が用いられる。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
従来の発光装置には、指向性の高い（即ち、挟角配光の）発光と、指向性の低い（即ち、広角配光の）発光とを同時に行うものは存在しない。
本開示は、挟角配光の発光と、広角配光の発光とを備えた新規な構造を備えた発光装置を提供する。
本開示の一態様に係る発光装置は、励起光を受けて発光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上に位置し、前記フォトルミネッセンス層から生じた光を出射する発光面と、を備える。前記発光面は、第１の領域および第２の領域を含み、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、前記第１の領域から出射する前記第１の光の指向角は、前記第２の領域から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい。
本開示の他の態様に係る発光装置は、励起光を受けて発光する第１のフォトルミネッセンス層を含む第１の発光層と、前記第１の発光層の少なくとも一部の上に位置する第２の発光層であって、前記第１の発光層を透過した前記励起光を受けて発光する第２のフォトルミネッセンス層を含む第２の発光層と、を備える。前記第１および第２の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の光を含む。前記第１および第２の発光層の一方は、前記第１または第２のフォトルミネッセンス層に平行な面に沿って拡がる少なくとも１つの周期構造を有する。前記周期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む。前記一方の発光層に含まれる前記フォトルミネッセンス層の、前記第１の光に対する屈折率を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。前記一方の発光層の表面から出射する前記第１の光の指向角は、他方の発光層の表面から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい。
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る発光装置は、挟角配光の領域と広角配光の領域とを備えるため、広い範囲を明るくしながら、特定の場所をさらに明るくするといった用途に使用することができる。
本開示のある実施形態による発光装置は、新規な構成を有し、新規なメカニズムに従って、輝度、指向性、または偏光特性を制御することができる。
本開示のある実施形態における発光装置１０の概略的な構造を示す断面図である。 他の実施形態における発光装置１０の概略的な構成を示す模式断面図である。 発光装置１０の発光面における挟角配光領域４０ａおよび広角配光領域４０ｂの配置の一例を示す平面図である。 発光装置１０から出射する光の配光特性を模式的に示す図である。 発光装置１０の他の変形例を示す図である。 発光装置１０から出射する光の配光特性の他の例を模式的に示す図である。 発光装置１０のさらに他の変形例を示す図である。 発光装置１０のさらに他の変形例を示す図である。 発光装置１０における挟角配光の領域と広角配光の領域との体積比を説明するための図である。 挟角配光の領域を広角配光の領域よりも大きくした発光装置１０の一例を示す平面図である。 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８Ａ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８Ｃ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９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９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１５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１７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１６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１６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９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８Ａ、８Ｂ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。 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構成を説明するための第１の図である。 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構成を説明するための第２の図である。 図２４Ａ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２４Ｂ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２６Ａ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。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、試作した発光素子の出射光の角度依存性を測定した結果（上段）および計算結果（下段）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。
［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および発光装置を含む。
［項目１］
励起光を受けて発光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上に位置し、前記フォトルミネッセンス層から生じた光を出射する発光面と、
を備え、
前記発光面は、第１の領域および第２の領域を含み、
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、
前記第１の領域から出射する前記第１の光の指向角は、前記第２の領域から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい、
発光装置。
［項目２］
前記第１の領域は、前記フォトルミネッセンス層に近接する透光層の表面である、項目１に記載の発光装置。
［項目３］
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が、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む少なくとも１つの周期構造を有し、
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、
項目２に記載の発光装置。
［項目４］
前記透光層が前記少なくとも１つの周期構造を有する、
項目２に記載の発光装置。
［項目５］
前記発光面は、前記フォトルミネッセンス層の表面である、項目１に記載の発光装置。
［項目６］
前記フォトルミネッセンス層は、前記第１の領域に、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む少なくとも１つの周期構造を有し、
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、
項目５に記載の発光装置。
［項目７］
前記フォトルミネッセンス層は、前記表面の逆側の面における前記第１の領域に対向する領域に、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む少なくとも１つの周期構造を有し、
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、
項目５に記載の発光装置。
［項目８］
前記第２の領域の少なくとも一部は、前記発光面の端部に位置している、項目１から７のいずれかに記載の発光装置。
［項目９］
前記第２の領域は、前記第１の領域を取り囲んでいる、項目１から８のいずれかに記載の発光装置。
［項目１０］
前記第１の領域の面積は、前記第２の領域の面積よりも大きい、項目１から９のいずれかに記載の発光装置。
［項目１１］
前記第２の領域の面積は、前記第１の領域の面積よりも大きい、項目１から１０のいずれかに記載の発光装置。
［項目１２］
励起光を受けて発光する第１のフォトルミネッセンス層を含む第１の発光層と、
前記第１の発光層の少なくとも一部の上に位置する第２の発光層であって、前記第１の発光層を透過した前記励起光を受けて発光する第２のフォトルミネッセンス層を含む第２の発光層と、
を備え、
前記第１および第２の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、
前記第１および第２の発光層の一方は、前記第１または第２のフォトルミネッセンス層に平行な面に沿って拡がる少なくとも１つの周期構造を有し、前記周期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、
前記一方の発光層に含まれる前記フォトルミネッセンス層の、前記第１の光に対する屈折率を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の関係が成り立ち、
前記一方の発光層の表面から出射する前記第１の光の指向角は、他方の発光層の表面から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい、
発光装置。
［項目１３］
前記第１および第２の発光層の前記一方は、前記一方の発光層に含まれる前記フォトルミネッセンス層に近接する透光層を含み、
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が前記周期構造を有する、
項目１２に記載の発光装置。
［項目１４］
前記第１および第２の発光層の前記一方に含まれる前記フォトルミネッセンス層が前記周期構造を有する、項目１２に記載の発光装置。
［項目１５］
前記第２の発光層が前記周期構造を有し、
前記第２の発光層の前記表面から出射する前記第１の光の指向角は、前記第１の発光層の前記表面から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい、
項目１２に記載の発光装置。
［項目１６］
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とは直接接している、項目２、３、４または１２に記載の発光装置。
［項目１７］
前記励起光を出射する励起光源をさらに備える項目１から１６のいずれかに記載の発光装置。
従来、相対的に狭い指向角（即ち挟角配光）の発光領域および相対的に広い指向角（即ち広角配光）の発光領域の両方を含む発光装置は存在しなかった。そのような発光装置を実現するためには、従来の広角配光の光源と、リフレクターやレンズなどの光学部品を用いて挟角配光を実現した光源とを組み合わせる以外に方法はなかった。しかし、そのような２種類の光源を単に組み合わせた構成では、それぞれの光源を別々に製造し、それらを結合させる必要があるため、製造工程が多くなる。
本発明者らは、上記の課題を見出し、挟角配光の発光領域と広角配光の発光領域とを１つの発光素子が備える構造を鋭意検討した。その結果、以下に説明する実施形態の構造を採用することにより、挟角配光および広角配光の両方の特性を有する発光装置を簡易に製造できることを見出した。
図１Ａは、本開示のある実施形態における発光装置１０の概略的な構造を示す断面図である。この発光装置１０は、励起光を発する励起光源２０と、励起光を受けて発光するフォトルミネッセンス層３０と、フォトルミネッセンス層３０の上に位置し、フォトルミネッセンス層３０から生じた光を出射する発光面４０とを備える。発光面４０は、第１の領域４０ａおよび第２の領域４０ｂを含む。フォトルミネッセンス層３０が発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含む。波長λａは、例えば可視光の波長域に含まれる任意の波長である。典型的には、フォトルミネッセンス層３０が発する光は、白色光に近い広い波長域の光であり得る。第１の領域４０ａから出射する第１の光の指向角は、第２の領域４０ｂから出射する第１の光の指向角よりも小さい。ここで「指向角」とは、発光面から出射する光の強度が最大である方向と、光の強度が最大強度の５０％になる方向との間の角度であると定義する。以下の説明では、第１の領域４０ａを「挟角配光領域４０ａ」、第２の領域４０ｂを「広角配光領域４０ｂ」と称することがある。
図１Ａに示す例では、発光面４０は、フォトルミネッセンス層３０の表面である。図１Ａでは発光面４０とフォトルミネッセンス層３０との間に界面が存在するように描かれているが、実際にはそのような界面は存在しない。
図１Ｂは、他の実施形態における発光装置１０の概略的な構成を示す模式断面図である。この発光装置１０ａは、フォトルミネッセンス層３０の上に位置する透光層５０をさらに備えている。この例では、透光層５０の表面が発光面４０である。図１Ｂでも発光面４０と透光層５０との間に界面が存在するように描かれているが、実際にはそのような界面は存在しない。
発光面４０における第１の領域４０ａには、本発明者らが見出した新規な構造（サブミクロン構造または周期構造と称する。）が設けられ得る。詳細は後述するが、この構造は、発光面に平行な面に沿って拡がる少なくとも１つの周期構造を有する。第１の光に対するフォトルミネッセンス層３０の屈折率をｎwav-aとし、上記周期構造の周期をｐaとすると、λa／ｎwav-a＜ｐa＜λaの関係が成り立つ。このような条件を満足することにより、後述するように高い指向性の発光が実現する。
上記の周期構造は、第１の領域４０ａ自体に設けられている必要はなく、第１の領域４０ａと励起光源２０との間の領域に設けられていてもよい。周期構造は、フォトルミネッセンス層３０または透光層５０の、発光面４０とは逆側の面における第１の領域４０ａに対向する部分に設けられていてもよい。
第２の領域４０ｂには、上記のような周期構造は設けられていない。第２の領域４０ｂは、例えばガラスや合成樹脂等の透光性のカバーや、光を散乱させる散乱板などの表面であり得る。
図２Ａは、発光装置１０の発光面における挟角配光領域４０ａおよび広角配光領域４０ｂの配置の一例を示す平面図である。図２Ｂは、発光装置１０から出射する光の配光特性を模式的に示す図である。この例では、第１の領域４０ａが発光面の中央付近に位置し、第２の領域４０ｂが第１の領域４０ｂを取り囲んでいる。発光面の第１の領域４０ａからは挟角配光の光Ｌ１が出射する。第２の領域４０ｂからは広角配光の光Ｌ２が出射する。このような構成により、広い範囲を明るく照らしながら、特定の場所をさらに強く照射することができる。
図３Ａおよび図３Ｂは、発光装置１０の他の変形例を示す図である。この発光装置１０では、第２の領域４０ｂが発光面４０の端部に位置している。このように、第２の領域４０ｂの少なくとも一部が発光面４０の端部に設けられていてもよい。これにより、例えば部屋全体を明るくしながら部屋の隅を強く照射することができる。
図４は、発光装置１０のさらに他の変形例を示す図である。この例では、発光装置１０は、広角配光の第１の発光層６０ａと、その上に位置する挟角配光の第２の発光層６０ｂとを備える。第１の発光層６０ａは、第１のフォトルミネッセンス層３０ａを含む。第２の発光層６０ｂは、第２のフォトルミネッセンス層３０ｂと、発光面４０とを含む。この例では、発光面４０はフォトルミネッセンス層３０ｂの表面であるが、前述の例のように、透光層の表面であってもよい。フォトルミネッセンス層３０ａ、３０ｂは、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。
フォトルミネッセンス層３０ａ、３０ｂが発する光は、空気中の波長がλaの第１の光を含む。発光層６０ｂにおける発光面４０は、その内部のフォトルミネッセンス層３０ｂに平行な面に沿って拡がる少なくとも１つの周期構造を有する。フォトルミネッセンス層３０ｂの第１の光に対する屈折率をｎwav-aとし、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。その結果、発光面４０から出射する第１の光の指向角は、発光層６０ａの表面（この例では、フォトルミネッセンス層３０ｂに接する面）から出射する第１の光の指向角よりも小さくなる。
この例では、第２の発光層６０ｂが周期構造を有しているが、第１の発光層６０ａが周期構造を有していてもよい。その場合、第１の発光層６０ａに含まれるフォトルミネッセンス層３０ａまたは不図示の透光層に周期構造が設けられ得る。
図５は、発光装置１０のさらに他の変形例を示す図である。この発光装置１０では、広角配光の発光層（発光領域）６０ａの一部の上に挟角配光の発光層（発光領域）６０ｂが位置している。この例のように、挟角配光の発光領域が広角配光の発光領域に埋め込まれていてもよい。
図４および図５に示す例のように、挟角配光の発光領域と広角配光の発光領域とを異なる面上に形成（積層）することにより、小型化を実現することができる。
以上の例において、挟角配光領域および広角配光領域の配置、形状、大きさについては、利用用途に応じて適宜設計され得る。挟角配光領域の位置をずらす車輪やモータなどの駆動機構を設けたり、リモコン等の操作に応じて挟角配光領域の位置、明るさ、色を変化させる制御機構を適用したりしてもよい。
図６は、発光装置１０における挟角配光の領域と広角配光の領域との体積比を説明するための図である。部屋を明るくするために必要な光束は、例えば約１６ｍ2の部屋で４０００〜５０００ｌｍ程度である。一方、作業をするために必要な光束は、例えば１ｍ2の作業スペースで７５０〜１５００ｌｍ程度である。この例では、挟角配光の光束よりも広角配光の光束の方が必要とされる量が多いため、挟角配光の発光領域の体積よりも広角配光の領域の体積の方が大きく設計される。この用途では、広角配光の発光領域の体積に対する挟角配光の領域の体積の割合は、例えば１／５以上１／２以下であり得る。
一方、挟角配光の領域を広角配光の領域よりも大きく設計してもよい。図７は、そのように設計された発光装置１０の一例を示す平面図である。この発光装置１０は、図１Ａまたは図１Ｂに示す構成と同様の構成を有する。ただし、挟角配向領域４０ａが広角配向領域４０ｂよりも著しく大きい点で前述の構成とは異なっている。この例では、挟角配向領域４０ａの面積は、発光面の面積の８割以上を占めている。このような構成は、主に指向性の高い光を利用する用途に適用される。広角配向領域４０ｂは、挟角配向領域４０ａを取り囲むガラスや合成樹脂等の枠（いわゆる額縁）であり得る。主に指向性の高い光を利用する用途の場合、広角配向領域４０ｂは発光領域としてよりもむしろ額縁として機能させても良い。すなわち、発光装置１０を筐体等の支持部に取り付ける際に掴む部分として機能させても良い。広角配向領域４０ｂを掴んで支持部に固定させれば、挟角配向領域４０ａを傷つけることなく組み立てを容易に行うことが可能となる。 以上の例では、発光装置１０が励起光源を備えているが、励起光源は発光装置１０の外部の要素であってもよい。また、挟角配光を実現するための構成は、周期構造を用いる構成に限定されない。図１Ａおよび図１Ｂに例示するように１つのフォトルミネッセンス層を複数の発光領域が共用するタイプでは、複数の領域から指向性の異なる光が出射するように設計されていればよい。例えば、第１の領域４０ａに既存の指向性の比較的高いＬＥＤなどの光源を組み込み、第２の領域４０ｂに光拡散板を設けたりしてもよい。
以下、挟角配光を実現するための周期構造をより詳細に説明する。周期構造は、完全に周期的な構造である必要はなく、少なくとも一部が周期的であればよい。また、複数の周期構造の組み合わせであってもよい。周期構造の周期がミクロンオーダよりも小さい場合、そのような構造は「サブミクロン構造」と称することができる。挟角配光のために用いられる発光素子には、例えば以下に説明する各種の構成を採用することができる。
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、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する。サブミクロン構造は、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λaの第１の光を含む。隣接する凸部間または凹部間の距離をＤintとし、第１の光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-aとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係が成り立つ。波長λaは、例えば、可視光の波長範囲内（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）にある。赤外線を利用する用途では、波長λaは、７８０ｎｍを超える場合もあり得る。本開示では、赤外線も含めた放射全般を「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で形成される。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。
発光素子は、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少なくとも一方に形成されたサブミクロン構造（例えば、周期構造）によって、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。この電場分布は、導波光がサブミクロン構造と相互作用して形成されるものであり、「擬似導波モード」と表現することもできる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および／または新規なメカニズムを説明することがある。以下の説明は、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、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む。隣接する凸部間または凹部間の距離（即ち、中心間距離）をＤintとすると、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足する。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す。ｎwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。一般に屈折率ｎは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをｎwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。ｎwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率である。ただし、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には、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をｎwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。
擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をｎeffとすると、ｎa＜ｎeff＜ｎwavを満たす。ここで、ｎaは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝播する光であると考えると、有効屈折率ｎeffは、ｎeff＝ｎwavｓｉｎθと表すことができる。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。このため、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向（ＴＥモードとＴＭモード）により、電場の分布は異なるので、ＴＥモードとＴＭモードとでは有効屈折率ｎeffは異なり得る。
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層（またはそのサブミクロン構造）がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。
サブミクロン構造は、上記のように、λa／ｎwav-a＜Ｄint＜λaの関係を満足するので、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つの周期構造を含む。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、この場合、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有する。サブミクロン構造が周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝播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（指向性が顕著に向上）。さらに、ＴＥとＴＭモードで有効屈折率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、正面方向に出射される光の指向角は例えば１５°未満である。
逆に、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、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、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、異なる面に形成されていてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。
サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav-exとすると、λex／ｎwav-ex＜Ｄint＜λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。ｎwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をｐexとすると、λex／ｎwav-ex＜ｐex＜λexの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、４５０ｎｍであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。
［２．本開示の基礎となった知見］
次に、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ので、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ので（若しくは小さくできるので）、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式（１）で表される。
Figure 2017005054
式（１）において、ｒは位置を表すベクトル、λは光の波長、ｄは双極子ベクトル、Ｅは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルｄはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Ｅの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、＜（ｄ・Ｅ（ｒ））＞2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。
一方、式（１）から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルｄを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示では、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。
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、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造（複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方で形成された）とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層（あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層）とすることで、発光を特定方向の伝播光へと変換される擬似導波モードへ結合させ、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３７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りをもつので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。
さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。
また、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、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質となる。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。
本発明者らは、まずこのような導波路（例えば、フォトルミネッセンス層）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光を結合させることについて検討を行った。図８Ａ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）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。なお、図８Ａは、図１Ａから図７を参照して説明した挟角配向領域４０ａに対応する部分の構造を示している。周期構造を示す以降の図についても同様である。以下、透光層１２０が周期構造を形成している場合（即ち、透光層１２０に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合）、透光層１２０を周期構造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８Ｂは、この発光素子１００をｘｚ面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路１１０に接するように周期ｐの周期構造１２０を設けると、面内方向の波数ｋwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数ｋoutは以下の式（２）で表すことができる。
Figure 2017005054
式（２）におけるｍは整数であり、回折の次数を表す。
ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式（３）および（４）が成立するとする。
Figure 2017005054
Figure 2017005054
これらの式において、λ0は光の空気中の波長、ｎwavは導波路の屈折率、ｎoutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式（２）〜（４）から、出射角度θoutは、以下の式（５）で表すことができる。
Figure 2017005054
式（５）より、ｎwavｓｉｎθwav＝ｍλ0／ｐが成立するとき、θout＝０となり、導波路の面に垂直な方向（即ち、正面）に光を出射させることができることがわかる。
以上のような原理に基づけば、発光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。
上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式（６）で表される。
Figure 2017005054
この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式（５）において−１＜ｓｉｎθout＜１である必要がある。よって、以下の式（７）を満足する必要がある。
Figure 2017005054
これに対し、式（６）を考慮すると、以下の式（８）が成立すればよいことがわかる。
Figure 2017005054
さらに、導波路１１０から出射される光の方向を正面方向（θout＝０）にするためには、式（５）から、以下の式（９）が必要であることがわかる。
Figure 2017005054
式（９）および式（６）から、必要な条件は、以下の式（１０）であることがわかる。
Figure 2017005054
なお、図８Ａおよび図８Ｂに示すような周期構造を設けた場合には、ｍが２以上の高次の回折効率は低いため、ｍ＝１である１次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、ｍ＝１として、式（１０）を変形した以下の式（１１）を満足するように周期ｐが決定される。
Figure 2017005054
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、導波路（フォトルミネッセンス層）１１０が透明基板に接していない場合には、ｎoutは空気の屈折率（約１．０）となるため、以下の式（１２）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
Figure 2017005054
一方、図８Ｃおよび図８Ｄに例示するような透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板１４０の屈折率ｎsが空気の屈折率よりも大きいことから、式（１１）においてｎout＝ｎsとした次式（１３）を満足するように周期ｐを決定すればよい。
Figure 2017005054
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８Ａおよび図８Ｂに示すように発光素子１００の両面が空気層に接している場合には、ｍを１以上の整数として、以下の式（１４）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
Figure 2017005054
同様に、図８Ｃおよび図８Ｄに示す発光素子１００ａのようにフォトルミネッセンス層１１０が透明基板１４０上に形成されている場合には、以下の式（１５）を満足するように周期ｐが設定されていればよい。
Figure 2017005054
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。
［３．計算による検証］
［３−１．周期、波長依存性］
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
フォトルミネッセンス層の膜厚を１μｍ、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の高さを５０ｎｍ、周期構造の屈折率を１．５とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図９に示す。計算モデルは、図８Ａ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９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９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８Ｂ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１０に示す。図９と図１９とを比較すると、図９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１０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９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。
［３−２．厚さ依存性］
図１１は、フォトルミネッセンス層の屈折率をｎwav＝１．８、周期構造の周期を４００ｎｍ、高さを５０ｎｍ、屈折率を１．５とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さｔを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さｔが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
図１１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１２Ａおよび図１２Ｂ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１２Ｃ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。
［３−３．偏光依存性］
次に偏光依存性を確認するために、図９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１３に示す。ＴＭモードのとき（図９）に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図１０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。
［３−４．２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１４Ａ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１４Ｂに示す。周期構造以外の計算条件は図９の条件と同じである。図１４Ｂに示すように、図９に示すＴＭモードのピーク位置に加えて、図１３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１４Ｂ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１４Ａ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２３Ａおよび図２３Ｂのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって（例えば、正方格子の場合ｘ方向およびｙ方向）の周期が異なる構造であってもよい。
以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。
［４．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。
［４−１．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８Ａ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１５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１６に示す。
まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が２００ｎｍの場合（図１５）に比べ、膜厚が１０００ｎｍの場合（図１６）のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長（ピーク波長と称する。）のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。
次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちＱ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い（即ちＱ値が高い）擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびＱ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体（即ち、透光層）の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。
［４−２．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８Ａ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１７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１８に示す。図１７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１８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１７）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１８）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１８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。
［４−３．偏光方向］
次に、偏光方向に関して検討を行った。図１６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１９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。
［４−４．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１６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２０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１６と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が６００ｎｍ以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式（１０）より、λ0＜ｎwav×ｐ／ｍ＝１．５×４００ｎｍ／１＝６００ｎｍとなるからである。
以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを１５０ｎｍ以下にすれば、ピーク強度およびＱ値を高くできることがわかる。
［５．変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
［５−１．基板を有する構成］
上述のように、発光素子は、図８Ｃおよび図８Ｄに示すように、透明基板１４０の上にフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子１００ａを作製するには、まず、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０を構成するフォトルミネッセンス材料（必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。）で薄膜を形成し、その上に周期構造１２０を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板１４０の屈折率ｎsはフォトルミネッセンス層の屈折率ｎwav以下にする必要がある。透明基板１４０をフォトルミネッセンス層１１０に接するように設けた場合、式（１０）における出射媒質の屈折率ｎoutをｎsとした式（１５）を満足するように周期ｐを設定する必要がある。
このことを確認するために、屈折率が１．５の透明基板１４０の上に、図９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２１に示す。図９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９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２２に示す。図２１において、図２２に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。
したがって、透明基板１４０上にフォトルミネッセンス層１１０と周期構造１２０とを設けた発光素子１００ａでは、式（１５）を満足する周期ｐの範囲において効果が得られ、式（１３）を満足する周期ｐの範囲において特に顕著な効果が得られる。
［５−２．励起光源を有する発光装置］
図２３は、図８Ａ、８Ｂ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２３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２４Ａ〜２４Ｄ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８Ｃ、８Ｄ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２４Ａ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２４Ｂに示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにｙ方向の周期ｐyを決定する。周期ｐxは、式（１０）においてｐをｐxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期ｐyは、ｍを１以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層１１０に接する媒質のうち、周期構造１２０を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をｎoutとして、以下の式（１６）を満足するように決定される。
Figure 2017005054
ここで、ｎoutは、図２４の例では透明基板１４０のｎsであるが、図２３のように透明基板１４０を設けない構成では、空気の屈折率（約１．０）である。
特に、ｍ＝１として、次の式（１７）を満足するように周期ｐyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。
Figure 2017005054
このように、式（１６）の条件（特に式（１７）の条件）を満足するように周期ｐyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層１１０に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。
図２４Ｃおよび図２４Ｄは、それぞれ、図２４Ａおよび図２４Ｂ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の消衰係数は０．００３としている。図２４Ｄ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２４Ｂ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）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２４Ａ〜２４Ｄの例では、励起光を基板側から入射しているが、周期構造側から入射し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２５Ａまたは図２５Ｂに示すような構成を採用してもよい。図２５Ａ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２５Ｂ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。
［５−３．透明基板上の周期構造］
図２６Ａおよび図２６Ｂ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２６Ａ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が形成された結果、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２６Ｂの構成例では、フォトルミネッセンス層１１０の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造１２０ａの周期ｐを式（１５）を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。この効果を検証するため、図２６Ａ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２６Ｃ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。
［５−４．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８Ａ、８Ｂ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８Ａ、８Ｂ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８Ａ、８Ｂ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８Ａ、８Ｂ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２７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。
［５−５．周期の異なる構造を配列］
図２８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。
［５−６．積層構造］
図２９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２９に示す例では、３層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層１１０の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層１１０および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば２層の構成では、透光性の基板を介して第１のフォトルミネッセンス層と第２のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第１および第２のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第１および第２の周期構造が形成されることになる。この場合、第１のフォトルミネッセンス層および第１の周期構造の対と、第２のフォトルミネッセンス層および第２の周期構造の対のそれぞれについて、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。３層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式（１５）に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図２９に示すものとは逆転していてもよい。図２９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。
［５−７．保護層を有する構成］
図３０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。
［６．材料］
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびＱ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層（あるいは導波層）および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、ＭｇＦ2（フッ化マグネシウム）、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、ＳｉＯ2（石英）、ガラス、樹脂、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）、ＺｒＯ2（ジルコニア）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が１．３〜１．５程度であるＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＣａＦ2、ＳｉＯ2、ガラス、樹脂を用いることができる。
フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料（例えば色素）を包含し、さらには、量子ドット（即ち、半導体微粒子）を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+、Ｍ3ＭｇＳｉ2Ｏ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ5ＳｉＯ4Ｃｌ6：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｍ2ＭｇＳｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＳｒＳｉ5ＡｌＯ2Ｎ7：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、ＢａＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、ＢａＺｒＳｉ3Ｏ9：Ｅｕ2+、Ｍ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＢａＳｉ3Ｏ4Ｎ2：Ｅｕ2+Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3ＳｉＯ4Ｃｌ2：Ｅｕ2+、ＣａＳｉ12-(m+n)Ａｌ(m+n)ＯnＮ16-n：Ｃｅ3+、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+、ＳｒＡｌＳｉ4Ｏ7：Ｅｕ2+、Ｍ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉＮ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｙｂ2+（Ｍ＝ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｌａ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、ＣａＷＯ4：Ｌｉ1+，Ｅｕ3+，Ｓｍ3+、Ｍ2ＳｉＳ4：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ3ＳｉＯ5：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12：Ｃｅ3+、ＣａＳｃ2Ｏ4：Ｃｅ3+、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+、ＭＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）、Ｍ7（ＳｉＯ3）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+（Ｍ＝Ｂａ，ＳｒおよびＣａから選ばれる少なくとも１種）を用いることができる。
量子ドットについては、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、コア・シェル型ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、合金型ＣｄＳＳｅ／ＺｎＳなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。
図８Ｃ、８Ｄ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、ＭｇＦ（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。
［７．製造方法］
続いて、製造方法の一例を説明する。
図８Ｃ、８Ｄ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。この際、図１Ａ等に示す広角配向領域４０ｂに相当する部分にはマスキングして周期構造が形成されないようにする。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３１に示すように、フォトルミネッセンス層１１０の一部のみを加工することによって周期構造１２０を形成してもよい。その場合、周期構造１２０はフォトルミネッセンス層１１０と同じ材料で形成されることになる。
図８Ａ、８Ｂに示す発光素子１００は、例えば、図８Ｃ、８Ｄに示す発光素子１００ａを作製した後、基板１４０からフォトルミネッセンス層１１０および周期構造１２０の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。
図２６Ａに示す構成は、例えば、透明基板１４０上の挟角配向領域４０ａに相当する部分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２６Ｂ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。
［７．実験例］
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。
図２６Ａと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。
ガラス基板に、周期４００ｎｍ、高さ４０ｎｍの１次元周期構造（ストライプ状の凸部）を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるＹＡＧ：Ｃｅを２１０ｎｍ成膜した。この断面図のＴＥＭ像を図３２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３３に示す。図３３には、周期構造がない場合の測定結果（ｒｅｆ）と、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードと、垂直な偏光成分を持つＴＥモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、１次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つＴＭモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。
さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図３４および図３５に示す。図３４は、１次元周期構造（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た場合について、図３５は、１次元周期構造（即ち、周期構造１２０）の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についての測定結果（上段）および計算結果（下段）を示している。また、図３４および図３５のそれぞれにおいて、ＴＭモードおよびＴＥモードの直線偏光についての結果を示しており、図３４（ａ）はＴＭモード、図３４（ｂ）はＴＥモード、図３５（ａ）はＴＥモード、図３５（ｂ）はＴＭモードの直線偏光についての結果をそれぞれ示している。図３４および図３５から明らかなように、ＴＭモードの方が増強する効果が高く、また増強される波長は角度によってシフトしていく様子がわかる。例えば、６１０ｎｍの光においては、ＴＭモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性かつ偏光発光していることがわかる。各図の上段と下段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。
上記の測定結果に基づき、一例として、６１０ｎｍの光において、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調べた。図３６は、その結果を示すグラフである。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ことがわかる。正面方向に出射される光の指向角（即ち、強度が最高強度の５０％になる角度）は１５°未満であることがわかる。つまり、指向性発光が実現していることがわかる。さらにこれは、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。
以上の検証は、広帯域の波長帯で発光するＹＡＧ：Ｃｅを使って実験を行ったが、発光が狭帯域のフォトルミネッセンス材料で同様の構成としても、その波長の光に対して指向性や偏光発光を実現することができる。さらに、この場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や偏光状態の光は発生しないような光源を実現することができる。
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。
１０ 発光装置
２０ 励起光源
３０、３０ａ、３０ｂ フォトルミネッセンス層
４０ 発光面
４０ａ 挟角配向領域
４０ｂ 広角配向領域
６０ａ 第１の発光層
６０ｂ 第２の発光層
１００、１００ａ 発光素子
１１０ フォトルミネッセンス層（導波層）
１２０、１２０’、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ 透光層（周期構造、サブミクロン構造）
１４０ 透明基板
１５０ 保護層
１８０ 光源
２００ 発光装置

Claims (17)

  1. 励起光を受けて発光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上に位置し、前記フォトルミネッセンス層から生じた光を出射する発光面と、
    を備え、
    前記発光面は、第１の領域および第２の領域を含み、
    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、
    前記第１の領域から出射する前記第１の光の指向角は、前記第２の領域から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい、
    発光装置。
  2. 前記第１の領域は、前記フォトルミネッセンス層に近接する透光層の表面である、請求項１に記載の発光装置。
  3. 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が、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む少なくとも１つの周期構造を有し、
    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、
    請求項２に記載の発光装置。
  4. 前記透光層が前記少なくとも１つの周期構造を有する、
    請求項２に記載の発光装置。
  5. 前記発光面は、前記フォトルミネッセンス層の表面である、請求項１に記載の発光装置。
  6. 前記フォトルミネッセンス層は、前記第１の領域に、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む少なくとも１つの周期構造を有し、
    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、
    請求項５に記載の発光装置。
  7. 前記フォトルミネッセンス層は、前記表面の逆側の面における前記第１の領域に対向する領域に、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む少なくとも１つの周期構造を有し、
    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、
    請求項５に記載の発光装置。
  8. 前記第２の領域の少なくとも一部は、前記発光面の端部に位置している、請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
  9. 前記第２の領域は、前記第１の領域を取り囲んでいる、請求項１から８のいずれかに記載の発光装置。
  10. 前記第１の領域の面積は、前記第２の領域の面積よりも大きい、請求項１から９のいずれかに記載の発光装置。
  11. 前記第２の領域の面積は、前記第１の領域の面積よりも大きい、請求項１から１０のいずれかに記載の発光装置。
  12. 励起光を受けて発光する第１のフォトルミネッセンス層を含む第１の発光層と、
    前記第１の発光層の少なくとも一部の上に位置する第２の発光層であって、前記第１の発光層を透過した前記励起光を受けて発光する第２のフォトルミネッセンス層を含む第２の発光層と、
    を備え、
    前記第１および第２の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、
    前記第１および第２の発光層の一方は、前記第１または第２のフォトルミネッセンス層に平行な面に沿って拡がる少なくとも１つの周期構造を有し、前記周期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、
    前記一方の発光層に含まれる前記フォトルミネッセンス層の、前記第１の光に対する屈折率を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の関係が成り立ち、
    前記一方の発光層の表面から出射する前記第１の光の指向角は、他方の発光層の表面から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい、
    発光装置。
  13. 前記第１および第２の発光層の前記一方は、前記一方の発光層に含まれる前記フォトルミネッセンス層に近接する透光層を含み、
    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が前記周期構造を有する、
    請求項１２に記載の発光装置。
  14. 前記第１および第２の発光層の前記一方に含まれる前記フォトルミネッセンス層が前記周期構造を有する、請求項１２に記載の発光装置。
  15. 前記第２の発光層が前記周期構造を有し、
    前記第２の発光層の前記表面から出射する前記第１の光の指向角は、前記第１の発光層の前記表面から出射する前記第１の光の指向角よりも小さい、
    請求項１２に記載の発光装置。
  16. 前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とは直接接している、請求項２、３、４または１２に記載の発光装置。
  17. 前記励起光を出射する励起光源をさらに備える請求項１から１６のいずれかに記載の発光装置。
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