JP2018169413A - Lighting device and lighting system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、照明装置に関する。 The present disclosure relates to a lighting device.
複数の人の間で情報を共有する手段の1つとして投影装置が広く利用されている。例えば、会議、講義などの場面において参加者に情報を提示する手段として投影装置が利用される。投影装置は、映画などの鑑賞を目的として家庭においても使用されることがある。例えば特許文献1は、天井に取り付けて使用する投影装置であって、床面と対向する面に照明装置を有する投影装置を開示している。
Projectors are widely used as one of means for sharing information among a plurality of people. For example, a projection device is used as a means for presenting information to participants in scenes such as meetings and lectures. The projection apparatus may be used at home for the purpose of watching movies and the like. For example,
投影装置は、画像を表示させたい箇所にディスプレイなどの表示装置を必要としない。そのため、投影装置は、所望の物体上に画像を表示させることが可能であり、近年、個人に向けて動的に情報を提示する手段の1つとして注目されている。また、投影装置は、室内に風景の画像を表示したり、壁面を光で彩ったりするなど、演出的な効果を与える手段としても注目されている。 The projection device does not require a display device such as a display at a location where an image is to be displayed. Therefore, the projection apparatus can display an image on a desired object, and has recently attracted attention as one of means for dynamically presenting information to an individual. In addition, the projection apparatus is attracting attention as a means for providing a stunning effect such as displaying an image of a landscape in a room or coloring a wall surface with light.
投影装置を用いた画像の表示においては、通常、周囲の照明を落とすことが行われる。例えば上述の特許文献1に記載の投影装置では、映像の鑑賞時、床面と対向して設けられた照明装置がオフされる。これは、表示された画像に照明光が入射すると、画像のコントラスト比が下がり、画像が不鮮明になるからである。
In displaying an image using a projection device, the surrounding illumination is usually turned off. For example, in the projection device described in
しかしながら、投影装置を用いて画像を表示する際に周囲を暗くすると、周囲が見えにくくなる。例えば会議の場面では、手元の資料が読みにくくなり、会議の参加者が不便を感じることがある。このように、従来、周囲の照明と、投影された画像における鮮明な表示とを両立させることは困難であった。 However, if the surroundings are darkened when an image is displayed using the projection device, the surroundings become difficult to see. For example, in a meeting situation, it is difficult to read the materials at hand, and the participants of the meeting may feel inconvenience. Thus, conventionally, it has been difficult to achieve both ambient illumination and clear display in a projected image.
本開示のある実施形態の照明装置は、白色光を生成する第1光源部を有し、前記白色光を出射することによって、第1領域と、前記第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成する第1投影装置と、複数の異なる色の光を生成する第2光源部、および、前記複数の異なる色の光のうちの少なくとも1つが入射する位置に配置された少なくとも1つの第1配光制御素子を有し、前記少なくとも1つの第1配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記複数の異なる色の光で前記第2領域の少なくとも一部を照射することにより、前記第2領域上に画像を表示する第2投影装置とを備える。 An illumination device according to an embodiment of the present disclosure includes a first light source unit that generates white light, and emits the white light to form a first region and a second region in the first region. A first projection device that forms a second region with relatively low illuminance, a second light source unit that generates light of a plurality of different colors, and at least one of the light of a plurality of different colors is incident At least one first light distribution control element disposed at a position, and the at least one first light distribution control element is changed in at least one of a traveling direction and intensity thereof with the plurality of different color lights. A second projection device that displays an image on the second region by irradiating at least a part of the second region;
上記の包括的または具体的な態様は、器具、システム、方法、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムが格納された記録媒体、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。 The comprehensive or specific aspect described above may be realized by an instrument, a system, a method, a computer program, a recording medium storing a computer program, or any combination thereof.
本開示のある実施形態によれば、照明と画像の提示とを両立させ得る照明装置が提供される。 According to an embodiment of the present disclosure, an illumination device that can achieve both illumination and image presentation is provided.
[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照明装置、照明システムおよび施設を含む。
[1. Outline of Embodiment of Present Disclosure]
The present disclosure includes lighting devices, lighting systems, and facilities described in the following items.
[項目1]
白色光を生成する第1光源部、および、白色光が入射する位置に配置された第1配光制御素子を有し、第1配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された白色光を出射することによって、第1領域と、第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成する第1投影装置と、
複数の異なる色の光を生成する第2光源部、および、複数の異なる色の光のうちの少なくとも1つが入射する位置に配置された少なくとも1つの第2配光制御素子を有し、少なくとも1つの第2配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された複数の異なる色の光で第2領域の少なくとも一部を照射することにより、第2領域上に画像を表示する第2投影装置と、を備える、照明装置。
[Item 1]
A first light source unit that generates white light, and a first light distribution control element disposed at a position where the white light is incident. At least one of the traveling direction and the intensity is changed by the first light distribution control element. A first projection device that forms a first region and a second region in the first region and having a relatively low illuminance by emitting white light;
A second light source unit that generates light of a plurality of different colors; and at least one second light distribution control element that is disposed at a position where at least one of the light of a plurality of different colors is incident. A second image is displayed on the second region by irradiating at least a part of the second region with a plurality of different color lights whose at least one of the traveling direction and intensity is changed by the two second light distribution control elements. And a projection device.
[項目2]
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目1に記載の照明装置。
[Item 2]
[項目3]
前記演色性は、JIS Z8726:1990またはCIE13.2,1974に基づいて定められる、項目2に記載の照明装置。
[Item 3]
The lighting device according to
[項目4]
第1配光制御素子および第2配光制御素子の少なくとも一方は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子である、項目1から3のいずれかに記載の照明装置。
[Item 4]
At least one of the first light distribution control element and the second light distribution control element is a light modulation element that modulates the intensity of incident light by reflecting or transmitting at least part of the incident light. 4. The illumination device according to any one of 3.
[項目5]
白色光を生成する第1光源部、および、白色光が入射する位置に配置された第1配光制御素子を有し、第1配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された白色光を出射することによって、第1領域と、第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成する第1投影装置と、
色光を生成する第2光源部、および、色光が入射する位置に配置された第2配光制御素子を有し、第2配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された色光で第2領域の少なくとも一部を照射することにより、第2領域上に画像を表示する第2投影装置と、を備える、照明装置。
[Item 5]
A first light source unit that generates white light, and a first light distribution control element disposed at a position where the white light is incident. At least one of the traveling direction and the intensity is changed by the first light distribution control element. A first projection device that forms a first region and a second region in the first region and having a relatively low illuminance by emitting white light;
Color light having a second light source unit that generates colored light and a second light distribution control element disposed at a position where the colored light is incident, and at least one of the traveling direction and intensity is changed by the second light distribution control element. An illumination device comprising: a second projection device that displays an image on the second region by irradiating at least a part of the second region.
[項目6]
第1配光制御素子および第2配光制御素子の少なくとも一方は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子である、項目5に記載の照明装置。
[Item 6]
At least one of the first light distribution control element and the second light distribution control element is a light modulation element that modulates the intensity of incident light by reflecting or transmitting at least part of the incident light. The lighting device described.
[項目7]
第1光源部は、
第1励起光源と、
第1励起光源からの第1励起光を受けて白色光を発する第1フォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
第2光源部は、
第2励起光源と、
各々が、第2励起光源からの第2励起光を受けて複数の異なる色の光のうちの1つを発する複数のフォトルミネッセンス部分を含む第2フォトルミネッセンス発光素子と、を有する、項目1から4のいずれかに記載の照明装置。
[Item 7]
The first light source unit
A first excitation light source;
A first photoluminescence light emitting element that emits white light in response to the first excitation light from the first excitation light source,
The second light source unit
A second excitation light source;
A second photoluminescent light emitting element comprising a plurality of photoluminescent portions each receiving a second excitation light from a second excitation light source and emitting one of a plurality of different colors of light, from
[項目8]
第1フォトルミネッセンス発光素子と第1配光制御素子との間に配置された第1光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された白色光で第1配光制御素子を照射する第1光ファイバー、および、
第2フォトルミネッセンス発光素子と少なくとも1つの第2配光制御素子との間に配置された少なくとも1つの第2光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された複数の異なる色の光のうちの少なくとも1つで第2配光制御素子を照射する少なくとも1つの第2光ファイバーの少なくとも一方を有する、項目7に記載の照明装置。
[Item 8]
A first optical fiber disposed between the first photoluminescence light-emitting element and the first light distribution control element, and irradiates the first light distribution control element with white light taken in from one end and emitted from the other end. A first optical fiber, and
A plurality of different colored lights that are taken in from one end and emitted from the other end, the at least one second optical fiber disposed between the second photoluminescence light emitting element and the at least one second light distribution
[項目9]
第1励起光源と第1フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第1光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された第1励起光で第1フォトルミネッセンス発光素子を照射する第1光ファイバー、および、
第2励起光源と第2フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第2光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された第2励起光で第2フォトルミネッセンス発光素子を照射する第2光ファイバーの少なくとも一方を有する、項目7または8に記載の照明装置。
[Item 9]
A first optical fiber disposed between a first excitation light source and a first photoluminescence light emitting element, and the first photoluminescence light emitting element is irradiated with the first excitation light taken in from one end and emitted from the other end. A first optical fiber, and
A second optical fiber disposed between the second excitation light source and the second photoluminescence light emitting element, and the second photoluminescence light emitting element is irradiated with the second excitation light taken in from one end and emitted from the other end.
[項目10]
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
白色光および複数の異なる色の光が入射する位置に配置された配光制御素子と、を備え、
配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された白色光を出射することによって、第1領域と、第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成し、かつ、配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された複数の異なる色の光を出射することによって、第2領域上に画像を表示する、照明装置。
[Item 10]
A light source unit that independently emits white light and light of different colors;
A light distribution control element arranged at a position where white light and a plurality of light of different colors are incident,
By emitting white light in which at least one of the traveling direction and intensity is changed by the light distribution control element, the first region and the second region in the first region, the second region having relatively low illuminance And an image is displayed on the second region by emitting light of a plurality of different colors whose at least one of the traveling direction and intensity is changed by the light distribution control element.
[項目11]
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目10に記載の照明装置。
[Item 11]
Item 11. The lighting device according to
[項目12]
前記演色性は、JIS Z8726:1990またはCIE13.2,1974に基づいて定められる、項目11に記載の照明装置。
[Item 12]
12. The lighting device according to item 11, wherein the color rendering properties are determined based on JIS Z8726: 1990 or CIE 13.2, 1974.
[項目13]
配光制御素子は、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子である、項目10から11のいずれかに記載の照明装置。
[Item 13]
Item 12. The illumination device according to any one of
[項目14]
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの励起光を受けて光を発するフォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
フォトルミネッセンス発光素子は、
励起光を受けて白色光を発する第1フォトルミネッセンス部分と、
励起光を受けて複数の異なる色の光のうちの1つを発する第2フォトルミネッセンス部分と、を含む、項目10から13のいずれかに記載の照明装置。
[Item 14]
The light source
An excitation light source;
A photoluminescence light emitting element that emits light in response to excitation light from an excitation light source,
Photoluminescence light emitting element
A first photoluminescence portion that emits white light upon receiving excitation light;
14. A lighting device according to any of
[項目15]
フォトルミネッセンス発光素子と配光制御素子との間に配置された光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された白色光および複数の異なる色の光で配光制御素子を照射する光ファイバーを有する、項目14に記載の照明装置。
[Item 15]
An optical fiber disposed between a photoluminescence light emitting element and a light distribution control element, which irradiates the light distribution control element with white light and a plurality of different color lights that are taken in from one end and emitted from the other end Item 15. The lighting device according to Item 14.
[項目16]
励起光源とフォトルミネッセンス発光素子との間に配置された光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された励起光でフォトルミネッセンス発光素子を照射する光ファイバーを有する、項目14または15に記載の照明装置。
[Item 16]
Item 14. The optical fiber disposed between the excitation light source and the photoluminescence light-emitting element, the optical fiber configured to irradiate the photoluminescence light-emitting element with excitation light taken in from one end and emitted from the other end. Lighting equipment.
[項目17]
第2フォトルミネッセンス発光素子は、
第2励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目7から9のいずれかに記載の照明装置。
[Item 17]
The second photoluminescence light emitting element is
A photoluminescence layer that receives the second excitation light and emits light having a wavelength λ a in the air;
A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer;
A surface structure formed on at least one surface of the photoluminescence layer and the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
10. The lighting device according to any one of items 7 to 9, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目18]
フォトルミネッセンス発光素子の第2フォトルミネッセンス部分は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目14から16のいずれかに記載の照明装置。
[Item 18]
The second photoluminescence portion of the photoluminescence light emitting element is
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer;
A surface structure formed on at least one surface of the photoluminescence layer and the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
Item 17. The illumination device according to any one of Items 14 to 16, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目19]
第2フォトルミネッセンス発光素子は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
表面構造に近接して配置され、第2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、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目7から9のいずれかに記載の照明装置。
[Item 19]
The second photoluminescence light emitting element is
A translucent layer;
A surface structure formed on the surface of the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions;
A photoluminescence layer disposed in the vicinity of the surface structure and receiving the second excitation light and emitting light having a wavelength of λ a in the air,
10. The lighting device according to any one of items 7 to 9, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目20]
フォトルミネッセンス発光素子の第2フォトルミネッセンス部分は、
透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、
表面構造に近接して配置され、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目14から16のいずれかに記載の照明装置。
[Item 20]
The second photoluminescence portion of the photoluminescence light emitting element is
A translucent layer;
A surface structure formed on the surface of the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions;
A photoluminescence layer disposed in the vicinity of the surface structure and receiving excitation light and emitting light having a wavelength of λ a in the air;
Item 17. The illumination device according to any one of Items 14 to 16, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目21]
第2フォトルミネッセンス発光素子は、
第2励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目7から9のいずれかに記載の照明装置。
[Item 21]
The second photoluminescence light emitting element is
A photoluminescence layer that receives the second excitation light and emits light having a wavelength λ a in the air;
A translucent layer having a higher refractive index than the photoluminescence layer;
A surface structure formed on the surface of the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
10. The lighting device according to any one of items 7 to 9, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目22]
フォトルミネッセンス発光素子の第2フォトルミネッセンス部分は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目14から16のいずれかに記載の照明装置。
[Item 22]
The second photoluminescence portion of the photoluminescence light emitting element is
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer having a higher refractive index than the photoluminescence layer;
A surface structure formed on the surface of the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
Item 17. The illumination device according to any one of Items 14 to 16, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目23]
フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接している、項目17から22のいずれかに記載の照明装置。
[Item 23]
[項目24]
第2フォトルミネッセンス発光素子は、
第2励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目7から9のいずれかに記載の照明装置。
[Item 24]
The second photoluminescence light emitting element is
A photoluminescence layer that receives the second excitation light and emits light having a wavelength λ a in the air;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescence layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
10. The lighting device according to any one of items 7 to 9, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目25]
フォトルミネッセンス発光素子の第2フォトルミネッセンス部分は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する、項目14から16のいずれかに記載の照明装置。
[Item 25]
The second photoluminescence portion of the photoluminescence light emitting element is
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescence layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
Item 17. The illumination device according to any one of Items 14 to 16, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
[項目26]
表面構造は、フォトルミネッセンス層から出射される空気中の波長がλaの光の強度を、表面構造によって予め決められた第1の方向において最大にする擬似導波モードを、フォトルミネッセンス層の内部に形成する、項目17から25のいずれかに記載の照明装置。
[Item 26]
The surface structure has a pseudo-waveguide mode that maximizes the intensity of light having a wavelength of λ a in the air emitted from the photoluminescence layer in a first direction predetermined by the surface structure. 26. The lighting device according to any one of items 17 to 25,
[項目27]
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を、15°未満に制限する、項目17から26のいずれかに記載の投影装置。
[Item 27]
27. The projection device according to any one of items 17 to 26, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer to less than 15 °.
[項目28]
表面構造における隣接する2つの凸部間または隣接する2つの凹部間の距離をDintとし、空気中の波長がλa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、項目17から27のいずれかに記載の照明装置。
[Item 28]
If the distance between two adjacent convex portions or two adjacent concave portions in the surface structure is D int and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to light having a wavelength of λ a in the air is n wav-a , λ a The lighting device according to any one of items 17 to 27, wherein a relationship of / n wav-a <D int <λ a is established.
[項目29]
表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、
少なくとも1つの周期構造の周期をpaとし、空気中の波長がλa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<pa<λaの関係が成り立つ、項目17から28のいずれかに記載の照明装置。
[Item 29]
The surface structure has at least one periodic structure;
The period of at least one periodic structure and p a, and the refractive index of the photoluminescence layer wavelength in air to light of lambda a and n wav-a, λ a / n wav-a < a p a <λ a 29. The lighting device according to any one of items 17 to 28, wherein the relationship is established.
[項目30]
第1照明装置および第2照明装置を含む照明システムであって、
第1照明装置および第2照明装置の各々は、項目1から29のいずれかに記載の照明装置であり、
第1照明装置における第1領域または第2領域の少なくとも一方は、第2照明装置における第1領域または第2領域の少なくとも一方との重なりを有する、照明システム。
[Item 30]
An illumination system including a first illumination device and a second illumination device,
Each of the first lighting device and the second lighting device is the lighting device according to any one of
At least one of the 1st field or the 2nd field in the 1st lighting device has an overlap with at least one of the 1st field or the 2nd field in the 2nd lighting device.
[項目31]
床面と、
天井と、
床面と天井とを結ぶ1以上の壁面と、
床面、天井および壁面の少なくともいずれかに設けられた複数の光出射部を含む照明システムと、と備え、
照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
複数の光出射部の各々の内部に配置された光変調素子と、
複数の光出射部と光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、白色光および複数の異なる色の光を複数の光出射部の各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
光変調素子の各々は、複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された白色光および複数の異なる色の光を変調し、
複数の光出射部の各々は、変調された白色光を出射することによって、第1領域と、第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成し、かつ、変調された複数の異なる色の光を出射することによって、第2領域上に画像を表示する、施設。
[Item 31]
Floor surface,
The ceiling,
One or more walls connecting the floor and the ceiling;
A lighting system including a plurality of light emitting portions provided on at least one of a floor surface, a ceiling, and a wall surface; and
Lighting system
A light source unit that independently emits white light and light of different colors;
A light modulation element disposed inside each of the plurality of light emitting portions;
A plurality of optical fibers disposed between the plurality of light emitting units and the light source unit, wherein the plurality of optical fibers transmit white light and a plurality of different color lights to each of the plurality of light emitting units. ,
Each of the light modulation elements modulates white light and a plurality of different colors emitted from the corresponding optical fiber among the plurality of optical fibers,
Each of the plurality of light emitting units emits modulated white light, thereby forming a first region and a second region in the first region that has a relatively low illuminance. A facility that displays an image on the second region by emitting a plurality of modulated light beams having different colors.
[項目32]
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目31に記載の施設。
[Item 32]
Item 32. The facility according to Item 31, wherein the color rendering property of white light is higher than the color rendering property of white light obtained by combining light of a plurality of different colors.
[項目33]
前記演色性は、JIS Z8726:1990またはCIE13.2,1974に基づいて定められる、項目32に記載の照明装置。
[Item 33]
Item 33. The lighting device according to Item 32, wherein the color rendering properties are determined based on JIS Z8726: 1990 or CIE 13.2, 1974.
[項目34]
競技が行われるフィールドを有する競技施設であって、
フィールドと、
フィールドの周囲の少なくとも一部を囲む観客席と、
観客席の上方に配置された複数の照明ユニットを含む照明システムと、
複数の照明ユニットを支持する1以上の柱と、を有し、
照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
複数の照明ユニットの各々の内部に配置された光変調素子と、
複数の照明ユニットと光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、白色光および複数の異なる色の光を複数の照明ユニットの各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
光変調素子の各々は、複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された白色光および複数の異なる色の光を変調し、
複数の照明ユニットの各々は、変調された白色光を出射することによって、第1領域と、第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とをフィールドの少なくとも一部に形成し、かつ、変調された複数の異なる色の光を出射することによって、第2領域上に画像を表示する、競技施設。
[Item 34]
A competition facility with a field where the competition takes place,
Field and
A spectator seat surrounding at least a part of the periphery of the field,
A lighting system including a plurality of lighting units disposed above the spectator seat;
One or more pillars supporting a plurality of lighting units;
Lighting system
A light source unit that independently emits white light and light of different colors;
A light modulation element disposed inside each of the plurality of lighting units;
A plurality of optical fibers disposed between the plurality of illumination units and the light source unit, the plurality of optical fibers transmitting white light and a plurality of different color lights to each of the plurality of illumination units,
Each of the light modulation elements modulates white light and a plurality of different colors emitted from the corresponding optical fiber among the plurality of optical fibers,
Each of the plurality of lighting units emits modulated white light, thereby causing a first region and a second region in the first region, which is a second region having a relatively low illuminance, to be at least in the field. A competition facility that displays an image on a second region by emitting a plurality of light beams of different colors formed and modulated in part.
[項目35]
白色光の演色性は、複数の異なる色の光を合成することによって得られる白色光の演色性よりも高い、項目34に記載の競技施設。
[Item 35]
35. A competition facility according to item 34, wherein the color rendering property of white light is higher than the color rendering property of white light obtained by combining light of a plurality of different colors.
[項目36]
前記演色性は、JIS Z8726:1990またはCIE13.2,1974に基づいて定められる、項目35に記載の照明装置。
[Item 36]
36. The lighting device according to item 35, wherein the color rendering properties are determined based on JIS Z8726: 1990 or CIE 13.2, 1974.
[2.照明装置の第1の実施形態]
図36は、本開示の実施形態に係る例示的な照明装置の概略を模式的に示す。図36に示す照明装置500Aは、概略的には、白色光を出射する第1の投影装置510と、投影光を出射する第2の投影装置520とを有する。後述するように、第1の投影装置510から出射される白色光WLとして、演色性の高い白色光が用いられる。第2の投影装置520から出射される投影光PLは、対象物(例えば壁面)に照射されることにより、対象物の表面に画像を形成する。
[2. First Embodiment of Lighting Device]
FIG. 36 schematically illustrates an exemplary illumination device according to an embodiment of the present disclosure. The
図36に例示する構成において、照明装置500Aは、さらに、制御回路530、入出力インタフェース540およびセンサ550を含む。これらの各部の構成および動作の詳細は、後述する。
In the configuration illustrated in FIG. 36,
図36に示す例では、第1の投影装置510から出射された白色光WLと、第2の投影装置520から出射された投影光PLとが、壁面700に照射されている。以下では、簡単のため、特に断りのない限り、壁面700に他の光源からの光が入射していない状況を想定して説明する。後に詳しく説明するように、投影光PLは、投影装置520内に配置された配光制御素子によって、進行方向および/または強度が変更された光である。投影装置510から出射される白色光WLは、比較的指向性の高い光であり得る。
In the example shown in FIG. 36, the
第1の投影装置510は、照射の対象物(ここでは壁面700)を白色光WLで照射することにより、対象物上に、白色光WLで照射された被照明領域LAを形成する。このとき、第1の投影装置510は、被照明領域LA中に、相対的に照度の低い暗領域DAを形成する。暗領域DAは、白色光WLが照射されない領域であり得る。すなわち、被照明領域LAは、白色光WLの入射しない領域をその一部に含んでいてもよい。以下では、被照明領域LAのうち、暗領域DA以外の部分を明領域BAと呼ぶ。暗領域DAおよび明領域BAでは、白色光WLの照度が互いに異なる。
The
図37は、壁面700上に形成された被照明領域LAの一例を模式的に示す。図37では、説明の便宜のため、投影光PLが壁面700に照射されていない状態を示している。図37に模式的に示すように、明領域BAは、被照明領域LAのうち、白色光WLの照度が相対的に高い領域である。暗領域DAは、被照明領域LA内に形成された、白色光WLの照度が相対的に低い領域である。投影装置510は、白色光WLを出射することによって、被照明領域LA内の一部の領域の照度が選択的に低下された照度の分布を形成する。このような照度の分布は、例えば、白色光WLとして、投影装置520内に配置された配光制御素子によって進行方向および/または強度が変更された白色光を照射の対象物(ここでは壁面700)に照射することによって実現され得る。
FIG. 37 schematically shows an example of the illuminated area LA formed on the
図38は、白色光WLおよび投影光PLで照射された状態の壁面700の一例を模式的に示す。図38は、壁面700のうち、白色光WLおよび投影光PLが入射する領域の一部を模式的に示している。投影装置520から出射された投影光PLは、暗領域DAのうちの少なくとも一部の上に照射される。投影光PLは、典型的には、複数の色の光を含む。暗領域DA上に投影光PLが照射されることにより、図38に示すように、暗領域DA上に画像が形成される。図37を参照して説明したように、暗領域DAにおける白色光WLの照度は、明領域BAよりも低い。そのため、暗領域DA内には、コントラスト比の高い鮮明な画像が表示され得る。
FIG. 38 schematically shows an example of a
なお、本明細書における「画像」は、静止画および動画を含む。「画像」が提示する内容は、例えば、撮像装置によって取得された画像データ、アニメーション、文書、標識または案内などの各種の表示であり得る。図38に示される例では、暗領域DA上に、空の風景と、現在の時刻および気温とが表示されている。本開示によれば、コントラスト比の高い表示を行うことが可能であるので、文字、数字などを表示した場合でも、それらを読みやすい。暗領域DA上に表示される画像は、特定の個人に向けて発信された情報を含んでいてもよい。 Note that “image” in this specification includes still images and moving images. The content presented by the “image” can be, for example, various displays such as image data, animation, documents, signs, or guidance acquired by the imaging device. In the example shown in FIG. 38, an empty landscape, the current time and temperature are displayed on the dark area DA. According to the present disclosure, since it is possible to perform display with a high contrast ratio, even when characters, numbers, and the like are displayed, they are easy to read. The image displayed on the dark area DA may include information transmitted to a specific individual.
このように、本開示の実施形態では、白色光WLのスポット(被照明領域LA)中に、照度が相対的に低い暗領域DAを形成し、暗領域DA上に画像を投影する。白色光WLの照度が相対的に低くされた領域に重畳するように画像を投影することにより、コントラスト比の高い表示を行うことが可能である。したがって、暗領域DAを例えば情報表示領域として利用することが可能である。 As described above, in the embodiment of the present disclosure, the dark area DA with relatively low illuminance is formed in the spot of the white light WL (illuminated area LA), and an image is projected onto the dark area DA. By projecting an image so as to be superimposed on a region where the illuminance of the white light WL is relatively low, display with a high contrast ratio can be performed. Therefore, the dark area DA can be used as an information display area, for example.
他方、白色光WLのスポットのうち、暗領域DAを除く明領域BAには、基本的に画像が表示されない。本開示の実施形態における投影装置510は、演色性の高い白色光を出射する。そのため、明領域BAを形成するための光(すなわち、白色光WLの少なくとも一部)を照明光として利用することが可能である。別の言い方をすれば、本開示の実施形態における照明装置は、一般照明としての機能も有している。
On the other hand, no image is basically displayed in the bright area BA excluding the dark area DA among the spots of the white light WL. The
ここで、本開示における白色光の演色性を説明する。演色性は、JIS規格 Z8726:1990において規定される、光源の演色性評価方法、または、CIE(Commission Internationale de l’Eclairage:国際照明委員会)規格:Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources, 2nd Edition, CIE13.2, 1974を用いて評価することができる。JIS規格 Z8726:1990を用いた評価において、白色光WLの平均演色評価数Raは、80以上であり得る。 Here, the color rendering property of white light in the present disclosure will be described. The color rendering property is defined by the JIS standard Z8726: 1990, which is a method for evaluating the color rendering property of a light source, or the CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) standard: Method of Measuring and Specifying Color Rendering Properties of Light Sources. , 2nd Edition, CIE13.2, 1974. In the evaluation using the JIS standard Z8726: 1990, the average color rendering index Ra of the white light WL can be 80 or more.
このように、本開示の実施形態によれば、対象物を照明しながら、その対象物上に画像を表示させることが可能である。特に、一般照明に代えて本開示の実施形態による照明装置を多数配置すれば、周囲を暗くすることなく、様々な場所に鮮明な画像の表示を行い得る。対象物が、移動中の人物の近傍の、壁、床または机などの表面である場合には、その人物を認識して追尾する機構を導入してもよい。これにより、照明を行いながら、あらゆる場所に動的に情報を表示させることも可能である。 Thus, according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to display an image on an object while illuminating the object. In particular, if a large number of lighting devices according to embodiments of the present disclosure are arranged instead of general lighting, clear images can be displayed in various places without darkening the surroundings. When the object is a surface such as a wall, floor, or desk near the moving person, a mechanism for recognizing and tracking the person may be introduced. As a result, it is possible to dynamically display information in any place while performing illumination.
[3.投影装置の構成例]
以下、第1の投影装置510および第2の投影装置520の構成の具体例を説明する。上述したように、第2の投影装置520は、対象物上に画像を表示するための投影光PLを出射する。本開示の照明装置における画像の表示には、公知の構成の投影装置と同様の原理を適用し得る。以下では、第1の投影装置510の構成の例の説明に先立ち、まず、第2の投影装置520の構成の例を説明する。
[3. Example of Projector Configuration]
Hereinafter, specific examples of configurations of the
[3−1.第2の投影装置の構成例]
図39は、第2の投影装置520の例示的な構成の概略を示す。図示するように、第2の投影装置520は、光源部521および配光制御部526を含む。後述するように、配光制御部526は、1以上の配光制御素子を含む。図39に示す例では、投影装置520は、配光制御部526から出射された光を受ける投影レンズ528を有している。光源部521は、光源522および色分離部530を含み、複数の異なる色の光を生成する。光源部521によって生成される複数の色の光の典型例は、赤色光、緑色光および青色光である。
[3-1. Configuration example of second projection apparatus]
FIG. 39 shows an outline of an exemplary configuration of the
図40は、第2の投影装置520の構成の具体例を示す。図40に例示する構成は、色分離部530にダイクロイックミラー530dおよびミラー530mを用い、かつ、配光制御部526に液晶パネル526r、526gおよび526bならびにダイクロイックプリズム526pを用いた例である。光源522としては、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。光源522として、白色LEDを使用してもよい。
FIG. 40 shows a specific example of the configuration of the
光源522から出射された光は、2つのダイクロイックミラー530dによって赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbに分離される。これらの赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbは、それぞれ、配光制御素子としての液晶パネル526r、526gおよび526bに入射する。赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbは、対応する液晶パネルを通過することによって強度の変調を受ける。強度の変調により、赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbに、各色に応じた画像の情報が重畳される。液晶パネル526r、526gおよび526bは、入射した光の少なくとも一部を反射または透過させることによって、入射した光の強度を変調する光変調素子の一例である。光変調素子として、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)を用いることも可能である。このように、本明細書における「配光制御」は、光の強度の変調を包含する。本明細書における「配光制御」には、後述する、光の進行方向の変化も含まれる。
The light emitted from the
変調を受けた赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbは、ダイクロイックプリズム526pに入射する。ダイクロイックプリズム526pに入射した赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbは、ダイクロイックプリズム526pによって合成された後、投影レンズ528を介して暗領域DA(図37参照)に照射され、暗領域DA上にカラー画像を形成する。光源部521が生成する複数の色の光は、赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbに限定されず、他の色の組み合わせであってもよい。
The modulated red light Rr, green light Rg, and blue light Rb enter the
図40を参照して説明した構成は、いわゆる3板式の光学系の例である。もちろん、いわゆる単板式の光学系を適用することも可能であり、この場合、配光制御素子としての液晶パネルの個数は1つでよい。単板式の光学系では、液晶パネルのカラーフィルタが色分離部530に相当する。なお、単色で文字を描画するなど、カラー画像を表示する必要がない場合には、光源522として、ある波長にピークを有するLEDまたはレーザーダイオードなど、色光を生成する光源を用いればよい。この場合、色分離部530を省略し得る。
The configuration described with reference to FIG. 40 is an example of a so-called three-plate optical system. Of course, it is also possible to apply a so-called single-plate type optical system. In this case, the number of liquid crystal panels as the light distribution control element may be one. In the single-plate optical system, the color filter of the liquid crystal panel corresponds to the
発光のスペクトルにおけるピーク位置が互いに異なる複数の光源を用いてもよい。この場合、光源部521から色分離部530を省略し得る。図41は、発光波長が互いに異なる複数の光源を用いた構成の例を示す。図41に例示する構成において、光源部521Aは、赤色光Rrを出射するLED522r、緑色光Rgを出射するLED522gおよび青色光Rbを出射するLED522bを含む。この例では、配光制御素子として、デジタルマイクロミラーデバイス(Digital Micromirror Device:DMD)526dが配置されている。すなわち、投影装置520として、DLP(Digital Light Processing)方式の投影装置を用いることもできる。
A plurality of light sources having different peak positions in the emission spectrum may be used. In this case, the
DMD526dは、基板26sと、基板26s上に配置された多数の微小なミラー26mとを有し、各ミラー26mに入射した光を所定の方向に反射することにより、画像を形成する。図41では、簡単のため、例えば数千行、数千列のマトリクス状に配置されるミラー26mのうちの2つを図示している。ミラー26mの各々は、不図示のアクチュエータによって傾きを変更可能に基板26s上に支持されており、入力信号に応じてその傾きが約10°程度変化させられる。各ミラー26mは、その傾きに応じて、入射した光の進行方向を変化させる。具体的には、各ミラー26mは、入射した光を投影レンズ528または投影装置520内の吸光体のいずれかに向けて反射させる。
The
図示するように、LED522r、LED522gおよびLED522bとDMD526dとの間には、レンズ系532が配置される。レンズ系532は、赤色光Rrのビーム、緑色光Rgのビームおよび青色光Rbのビームを均一に拡大してデジタルマイクロミラーデバイスに照射する。レンズ系532を介して、DMD526dを赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbでタイムシーケンシャルに照射することにより、所望のカラー画像を照射の対象(例えば壁面)上に表示させることができる。
As illustrated, a
配光制御素子としてMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーを適用してもよい。図42は、配光制御素子としてMEMSミラーを適用した構成の例を示す。図42に例示する構成において、MEMSミラー526mは、光源部521から出射された光を受ける。MEMSミラー526mは、例えば、微小な梁で支持された可動ミラーと、可動ミラーの傾きを変化させる駆動機構(静電気アクチュエータ)とを含む。図42に例示する構成において、MEMSミラー526mは、直交する2つの軸(ここではα軸およびβ軸)周りにそれぞれ回転可能に可動ミラーが支持された二次元MEMSミラーである。駆動信号として、適切な大きさの電圧を適切な時間、MEMSミラー526mに印加することにより、所望の方向に可動ミラーを傾けることができる。可動ミラーの傾きを制御することにより、暗領域DA上の所望の位置に向けて、入射した光を反射させることができる。α軸およびβ軸に関して駆動周波数を互いに異ならせることにより、MEMSミラー526mで反射された光ビームを水平方向および垂直方向に走査することができる。これにより、暗領域DA上に画像を形成することができる。
A MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror may be applied as the light distribution control element. FIG. 42 shows an example of a configuration in which a MEMS mirror is applied as a light distribution control element. In the configuration illustrated in FIG. 42, the
図42に示す例では、光源522とMEMSミラー526mとの間に、カラーホイール530wが配置されている。カラーホイール530wは、投影装置520内において回転可能に支持されており、不図示の駆動装置(例えばモータ)によって回転させられる。カラーホイール530wの回転により、MEMSミラー526mに入射する光の色が切り替えられる。カラーホイール530wの回転に同期させてMEMSミラー526mにおける可動ミラーの傾きを制御することにより、所望のカラー画像を投影することができる。カラーホイール530wの回転および可動ミラーの傾きは、例えば、制御回路530(図36参照)からの制御信号に基づいて制御され得る。
In the example shown in FIG. 42, a
[3−2.第1の投影装置の構成例]
次に、第1の投影装置510の構成の例を説明する。図43は、第1の投影装置510の例示的な構成の概略を示す。図43に例示するように、投影装置510は、典型的には、光源部511および配光制御部516を有する。配光制御部516は、第2の投影装置520における配光制御部526と同様に、配光制御素子を含む。図示する例では、投影装置510は、配光制御部516から出射した光を受ける投影レンズ518を含んでいる。図43からわかるように、投影装置510は、図39を参照して説明した、第2の投影装置520の構成から、色分離部530が省略された構成を有するといえる。
[3-2. Configuration example of first projection apparatus]
Next, an example of the configuration of the
投影装置510の光源部511は、光源512を含む。光源512としては、投影装置520の光源部522と同様の光源を用い得る。ただし、光源512には、演色性の高い白色光を出射する光源が選ばれる。
The
光源部511から出射された白色光は、配光制御部516によって進行方向および/または強度が変更され、白色光WLとして投影装置510の外部に向けて出射する。配光制御部516は、例えば、配光制御素子としての液晶パネルを含む。液晶パネルの表示面中の一部の領域の透過率を低下させることにより、照射の対象上に、任意の形状の明領域BAと暗領域DAと(図37参照)を形成することができる。配光制御部516は、配光制御素子としてDMDを含んでいてもよい。マトリクス状に配列されたミラーのうちの一部の領域のミラーの傾きを、入射した光が吸光体に反射されるように制御することにより、照射の対象上に、任意の形状の明領域BAと暗領域DAとを形成することができる。
The white light emitted from the
液晶パネルにおける各画素の透過率、および、暗領域DAに形成される画像の画素に対応する、DMDにおける各ミラーの傾きは、電気的に制御可能であり、被照明領域LA、ならびに、被照明領域LA中の暗領域DAの位置、形状および大きさを容易に変更し得る。液晶パネルにおける各画素の透過率またはDMDにおける各ミラーの傾きは、例えば、制御回路530(図36参照)からの制御信号に基づいて変更される。 The transmittance of each pixel in the liquid crystal panel and the inclination of each mirror in the DMD corresponding to the pixel of the image formed in the dark area DA can be electrically controlled, and the illuminated area LA and illuminated The position, shape and size of the dark area DA in the area LA can be easily changed. The transmittance of each pixel in the liquid crystal panel or the inclination of each mirror in the DMD is changed based on, for example, a control signal from the control circuit 530 (see FIG. 36).
なお、図37に示す例において、被照明領域LAおよび暗領域DAの形状は、矩形である。しかしながら、被照明領域LAおよび暗領域DAの形状は、この例に限定されない。暗領域DAの全周が明領域BAに囲まれている必要もない。例えば、暗領域DAが被照明領域LAの外縁に達していてもよい。すなわち、被照明領域LAがC字状、L字状などであってもよい。暗領域DAによって被照明領域LAが複数の部分に分離されていてもよい。照明装置500Aによって複数の被照明領域LAおよび複数の暗領域DAが形成されてもよい。すなわち、単一の照明装置500Aによって形成される被照明領域LAの数および暗領域DAの数は、1つに限定されない。このように、暗領域DAおよび明領域BAのパターンは任意に設定可能である。
In the example shown in FIG. 37, the shapes of the illuminated area LA and the dark area DA are rectangular. However, the shapes of the illuminated area LA and the dark area DA are not limited to this example. It is not necessary that the entire circumference of the dark area DA is surrounded by the bright area BA. For example, the dark area DA may reach the outer edge of the illuminated area LA. That is, the illuminated area LA may be C-shaped, L-shaped, or the like. The illuminated area LA may be separated into a plurality of portions by the dark area DA. A plurality of illuminated areas LA and a plurality of dark areas DA may be formed by the
なお、一般的な投影装置を用いた場合でも、照射の対象上に画像を表示し、その画像の周りを白色光で照射することは可能である。しかしながら、一般的な投影装置では、白色光源を用いる場合であっても、白を表現する場合には、複数の色の光を合成することによって生成された白色光が用いられる。例えば、図40に示す構成では、白色光源から出射された光から赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbを生成し、赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbを用いて画像を形成する。これは、色再現性の向上には、純度の高い単色光を用いることが有利だからである。そのため、一般的な投影装置から出射される光のスペクトルは、例えば、赤、緑および青の波長に特徴的なピークを有し、白色光源から出射される白色光と比較して演色性が低い。このような理由から、一般的な投影装置から出射される白色光は、照明光には不適である。 Even when a general projection apparatus is used, it is possible to display an image on an irradiation target and irradiate the periphery of the image with white light. However, in a general projection apparatus, even when a white light source is used, white light generated by combining light of a plurality of colors is used to express white. For example, in the configuration shown in FIG. 40, red light Rr, green light Rg, and blue light Rb are generated from light emitted from a white light source, and an image is formed using red light Rr, green light Rg, and blue light Rb. . This is because it is advantageous to use monochromatic light with high purity in order to improve color reproducibility. For this reason, the spectrum of light emitted from a general projector has, for example, peaks characteristic of red, green, and blue wavelengths, and has lower color rendering than white light emitted from a white light source. . For this reason, white light emitted from a general projector is not suitable for illumination light.
これに対し、投影装置510から出射される白色光WLは、複数の色の光を合成することによって得られた光ではないので、演色性が高く、照明光に適している。別の言い方をすれば、第1の投影装置510の外部に出射される白色光WLは、第2の投影装置520の光源部521によって生成された複数の色の光が合成された白色光よりも演色性が高い。本実施形態によれば、照明装置が、白色光を出射する第1の投影装置と、投影光を出射する第2の投影装置とを有しているので、画像を観察しない人には演色性の高い光を提供でき、かつ、画像を観察する人には、鮮明な画像を提供することが可能である。なお、第1の投影装置と第2の投影装置とは、暗領域DA上に画像を投影できる限りにおいて、離れた位置に配置されていてもよい。第1の投影装置および第2の投影装置の配置、ならびに、第1の投影装置と照射の対象を結ぶ方向および第2の投影装置と照射の対象を結ぶ方向との間の関係が永久的に固定されている必要はない。
On the other hand, the white light WL emitted from the
[3−3.指向性発光素子を適用した構成例]
本発明者らは、輝度、指向性または偏光特性を制御することが可能な新規な発光素子(以下、「指向性発光素子」と呼ぶことがある。)を完成させた。本発明者らが見出した指向性発光素子は、励起光を受けて光を発するフォトルミネッセンス層を有するフォトルミネッセンス発光素子である。指向性発光素子は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射することが可能な新規な構造を有する。指向性発光素子の構造の詳細は、後述する。このような指向性発光素子を、第1の投影装置510における光源部511、または、第2の投影装置520の光源部521に適用してもよい。
[3-3. Configuration example using directional light-emitting elements]
The present inventors have completed a novel light-emitting element (hereinafter sometimes referred to as “directional light-emitting element”) capable of controlling luminance, directivity, or polarization characteristics. The directional light-emitting element found by the present inventors is a photoluminescence light-emitting element having a photoluminescence layer that emits light upon receiving excitation light. The directional light-emitting element has a novel structure that can strongly emit light of a specific wavelength in a specific direction. Details of the structure of the directional light emitting element will be described later. Such a directional light-emitting element may be applied to the
図44は、第1の投影装置510における光源部511に指向性発光素子を適用した構成の例の概略を示す。図44に例示する構成において、光源部511は、励起光源512eと、励起光源512eからの励起光を受ける指向性発光素子100Wとを含む。指向性発光素子100Wは、励起光源512eからの励起光を受けて白色光を発する。励起光源512eの例は、LED、レーザダイオードである。指向性発光素子100Wとしては、例えば、後に構造を詳細に説明する発光素子(例えば発光素子100)を用いることができる。指向性発光素子100Wが、フォトルミネッセンス層を支持する基板を有していてもよい。この例では、指向性発光素子100Wから出射された光を配光制御部516に入射させることによって白色光WLを得ている。上述したように、指向性発光素子は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射することができる。指向性発光素子から白色光を取り出す方法は、指向性発光素子の構造の詳細とともに後に詳しく説明する。
FIG. 44 shows an outline of an example of a configuration in which a directional light emitting element is applied to the
図45は、光源部511に指向性発光素子100Wが配置された、第1の投影装置の変形例を示す。図45に示すように、指向性発光素子100Wと配光制御部516との間に、指向性発光素子100Wから出射された白色光を伝送する光ファイバー515を配置してもよい。指向性発光素子100Wは、従来のフォトルミネッセンス発光素子とは異なり、指向角が低減された配光を示す。別の言い方をすれば、指向性発光素子100Wを用いることにより、従来のフォトルミネッセンス発光素子よりも小さいエテンデュ(Etendue)が得られる。そのため、指向性発光素子100Wと光ファイバー515との間で高い結合効率が得られ、光ファイバー515は、指向性発光素子100Wから出射された光を一端から効率よく取り込むことができる。光ファイバー515と指向性発光素子100Wとの間に集光レンズなどが配置されてもよい。
FIG. 45 shows a modification of the first projection device in which the directional
光ファイバー515の他端から出射された光は、配光制御部516に入射する。図示するように、光ファイバー515の他端と配光制御部516との間には、コリメートレンズ517などの他の光学部品が介在し得る。光ファイバー515から出射される光は、光ファイバー515の開口数に応じて広がる。光ファイバー515のと配光制御部516との間にコリメートレンズ517を配置することにより、平行光を得ることができる。配光制御部516は、光ファイバー515から出射された光が直接的または間接的に入射する位置に配置されていればよい。
The light emitted from the other end of the
図46は、光源部511に指向性発光素子100Wが配置された、第1の投影装置の他の変形例を示す。図46に例示するように、励起光源512eと指向性発光素子100Wとの間に光ファイバー515を配置してもよい。この例では、光源部511が光ファイバー515を含んでいるといってもよい。光ファイバー515は、励起光源512eから発せられた励起光を一端から取り込み、取り込まれた励起光を他端から出射する。指向性発光素子100Wは、光ファイバー515から出射された励起光が直接的または間接的に入射する位置に配置される。
FIG. 46 shows another modification of the first projection device in which the directional
図45および図46に例示する形態によれば、配光制御部516および光源部511、あるいは、指向性発光素子100Wおよび励起光源512eを互いに分離して配置することが容易である。したがって、例えば、複数の場所に配光制御部516を配置し、光ファイバー515を介して、単一の光源部511からの白色光を複数の配光制御部516の各々に分配するといった運用が可能である。あるいは、複数の場所に指向性発光素子100Wおよび配光制御部516を配置し、光ファイバー515を介して、単一の励起光源512eからの励起光を複数の指向性発光素子100Wの各々に分配してもよい。
45 and 46, it is easy to arrange the light
第2の投影装置520における光源部521に指向性発光素子を用いてもよい。図47は、第2の投影装置520における光源部521に指向性発光素子を適用した構成の例の概略を示す。図47に例示する構成において、光源部521は、励起光源522eおよび色分離部530を含む。色分離部530は、指向性発光素子100r、100gおよび100bを有している。指向性発光素子100r、100gおよび100bは、それぞれ、励起光源522eからの励起光を受けることにより、赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbを例えば正面方向に向けて強く出射するフォトルミネッセンス発光素子である。
A directional light emitting element may be used for the
この例では、励起光源522eから出射された励起光を指向性発光素子100r、100gおよび100bの各々に照射することによって赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbを得ているが、励起光源522eの個数は、1つに限定されない。指向性発光素子100r、100gおよび100bに対応させて、指向性発光素子100r用の励起光源、指向性発光素子100g用の励起光源および指向性発光素子100b用の励起光源を光源部521に配置してもよい。なお、第1の投影装置510における光源部511および第2の投影装置520における光源部521がともに指向性発光素子を有する場合には、光源部511と光源部521との間で励起光源を共有させてもよい。すなわち、単一の励起光源から出射された励起光によって、光源部511中の指向性発光素子および光源部521中の指向性発光素子を励起してもよい。
In this example, the red light Rr, the green light Rg, and the blue light Rb are obtained by irradiating each of the directional
図48は、光源部521に指向性発光素子を適用した構成の具体例を示す。図48に例示する構成では、色分離部530として、円盤状の発光素子530aが用いられている。図示するように、発光素子530aは、円盤状の円周方向に沿って複数の領域に分割されている。これらの複数の領域の各々は、上述の指向性発光素子100r、100gおよび100bと同様の構造を有する。すなわち、発光素子530aは、励起光を受けて赤色光Rrを出射する赤色発光部分、緑色光Rgを出射する緑色発光部分および青色光Rbを出射する青色発光部分を含む。
FIG. 48 shows a specific example of a configuration in which a directional light emitting element is applied to the
発光素子530aは、励起光源522eからの励起光が、上述の複数の領域のいずれかに入射するようにして励起光の光路上に配置される。発光素子530aは、上述のカラーホイールと同様に、投影装置520内において回転可能に支持される。発光素子530aは、投影装置520の動作時、駆動装置(例えばモータ、図48において不図示)によって回転させられる。励起光源522eから出射された励起光は、発光素子530aの回転角度に応じて、指向性発光素子100r、100gおよび100bのいずれかに入射する。
The
上述したように、指向性発光素子100r、100gおよび100bは、励起光源522eからの励起光を受けることにより、赤色光Rr、緑色光Rgおよび青色光Rbを特定の方向(例えば正面方向)に向けて強く出射する。したがって、発光素子530aを回転させて、励起光の入射する領域を切り替えることにより、配光制御素子(ここではDMD526d)に照射される光の色を時間的に変化させることができる。発光素子530aを指向性発光カラーホイールと呼んでもよい。
As described above, the directional
このように、光源部521から出射される光の色を時間的に切り替えてもよい。ここでは、配光制御部526にDMD526dを適用した例を説明したが、この例に限定されず、上述のMEMSミラー526mを配光制御部526に適用してもよい。
As described above, the color of the light emitted from the
第1の投影装置510と同様に、指向性発光素子と配光制御部との間および/または励起光源と指向性発光素子との間に光ファイバーを配置してもよい。図49は、光源部521に指向性発光素子が配置された、第2の投影装置の変形例を示す。図49に示すように、色分離部530と配光制御部526との間に、光ファイバー525を配置してもよい。典型的には、光ファイバー525と配光制御部526との間にコリメートレンズ527が配置される。光ファイバー525によって伝送され、配光制御部526に入射した光は、例えば投影レンズ528を介して投影装置520の外部に出射される。図48を参照して説明した指向性発光カラーホイール530aが使用される場合には、光ファイバー525は、異なる色の光をタイムシーケンシャルに伝送する。
Similarly to the
指向性発光素子100r、100gおよび100bに対応させて、各指向性発光素子と配光制御部526との間に複数の光ファイバー525を配置してもよい。この場合、複数の光ファイバー525の各々は、指向性発光素子が特定の方向に向けて強く出射する特定の波長の光をそれぞれ伝送する。
A plurality of
図50は、光源部521に指向性発光素子が配置された、第2の投影装置の他の変形例を示す。図50に例示するように、励起光源522eと色分離部530との間に光ファイバー525を配置してもよい。この例では、光源部521が光ファイバー525を含んでいるといえる。光ファイバー525は、励起光源522eから発せられた励起光を一端から取り込み、他端から出射される励起光で指向性発光素子100r、100gおよび100bをタイムシーケンシャルに、または、同時に照射する。指向性発光素子100r、100gおよび100bに対応させて、複数の励起光源522eを光源部521に配置し、励起光源522eと各指向性発光素子との間に複数の光ファイバー525を配置してもよいし、光ファイバー525として分岐を有する光ファイバーを用いることによって、単一の励起光源522eからの励起光を各指向性発光素子に分配してもよい。
FIG. 50 shows another modification of the second projection device in which a directional light emitting element is arranged in the
[4.照明装置の第2の実施形態]
図51は、本開示の他の実施形態に係る例示的な照明装置の概略を模式的に示す。図51示す照明装置500Bは、光源部601と、光源部601によって生成された光を受ける配光制御部606とを有する。図51に示す照明装置500Bと、図36を参照して説明した照明装置500Aとの間の主な相違点は、照明装置500Bが、白色光および複数の色の光を独立して出射することが可能に構成された光源部601を有する点である。図51に例示する構成において、光源部601および配光制御部606における動作は、制御回路530によって制御され得る。
[4. Second Embodiment of Lighting Device]
FIG. 51 schematically illustrates an outline of an exemplary illumination device according to another embodiment of the present disclosure. An
図52は、照明装置500Bにおける光学系の具体例を示す。図52に例示する光学系は、配光制御部606にDMD606dが適用された例である。
FIG. 52 shows a specific example of an optical system in the
図52に例示するように、照明装置500Bにおける光学系は、図48を参照して説明した構成と似た構成を有し得る。図52に例示する構成において、光源部601は、光源(励起光源602e)および色分離部(色分離部630)を含む点で、図48に示す光源部521の構成と共通する。ただし、図52に示す例では、発光素子530aに代えて、蛍光体ホイール630pが色分離部630に用いられている。
As illustrated in FIG. 52, the optical system in the
蛍光体ホイール630pは、上述の発光素子530aと同様に、円盤状の円周方向に沿って配置された複数の領域を含む。これらの複数の領域から出射される光の色は、互いに異なる。図52に示す例では、蛍光体ホイール630pは、赤色光を出射する赤色発光部分630r、緑色光を出射する緑色発光部分630gおよび青色光を出射する青色発光部分630bを含む。例えば、赤色発光部分630r、緑色発光部分630gおよび青色発光部分630bは、それぞれ、励起光を受けて赤色光を発する蛍光体、励起光を受けて緑色光を発する蛍光体および励起光を受けて青色光を発する蛍光体を含んでいる。この場合、励起光源602eとしては、近紫外線を出射する光源が用いられる。青色光を出射する光源を励起光源602eとして用いる場合には、青色発光部分630bは、励起光を透過させる部分であり得る。
The
蛍光体ホイール630pは、さらに、励起光を受けて白色光を出射する白色発光部分630wを含む。白色発光部分630wは、励起光が照射されることによって、比較的高い演色性を有する白色光を出射する。白色発光部分630wは、例えば、発光波長のピーク位置が異なる複数の蛍光体を母材(例えばガラス)中に分散させることによって形成される。励起光としての青色光が照射されることにより赤色光を発する蛍光体と、緑色光を発する蛍光体とを用いることにより、比較的高い演色性を有する白色光が得られる。励起光としての近紫外線が照射されることにより赤色光を発する蛍光体、緑色光を発する蛍光体および青色光を発する蛍光体を用いてもよい。
The
このような構成によれば、蛍光体ホイール630pを回転させて、蛍光体ホイール630pにおいて励起光が入射する領域を切り替えることにより、配光制御素子としてのDMD606dに照射される光を、赤色光、緑色光、青色光、および、演色性の高い白色光の間で切り替えることができる。すなわち、第2の実施形態では、同一の光源部601から、異なる複数の色の光と演色性の高い白色光とが時間的に分離されて出射される。異なる複数の色の光および白色光は、DMD606dによって進行方向が変えられ、投影光PLおよび白色光WLとして照明装置500Bからそれぞれ出射される(図51参照)。照明装置500Bから出射された白色光WLによって照射の対象(ここでは壁面700)上に被照明領域LAと、被照明領域LA中の暗領域DAとが形成される点、および、照明装置500Bから出射された投影光PLによって暗領域DA上に画像が形成される点は、既に説明した第1の実施形態と同様である。DMD606dに代えて、上述したMEMSミラー(MEMSミラー526m、図42参照)または液晶パネルを配光制御部606に適用してもよい。
According to such a configuration, by rotating the
蛍光体ホイール630pに代えて、上述の指向性発光カラーホイールを用いてもよい。図53は、光源部601に指向性発光素子を適用した構成の具体例を示す。図53に示す発光素子630aは、白色発光部分100wを含むことを除いて、図48を参照して説明した発光素子530aとほぼ同様の構成を有する。白色発光部分100wは、後述する指向性発光素子と同様の構造を有する。より詳細には、白色発光部分100wは、出射される光の指向角を制限する表面構造のパターンを有する。後述するように、例えば、赤、緑および青の波長域の光をそれぞれ正面方向に強く出射するように周期が設定された表面構造のパターンを適用することにより、指向性発光素子から白色光を出射させることができる。周期構造のパターンに、赤、緑および青の波長域とは異なる波長域の光を正面方向に強く出射するように周期が設定された表面構造をさらに含めることにより、白色光における演色性を向上させ得る。
Instead of the
第1の実施形態と同様に、指向性発光素子と配光制御部との間および/または励起光源と指向性発光素子との間に光ファイバーを配置してもよい。図53に示すように、色分離部630としての発光素子630aと配光制御部606との間に、光ファイバー605を配置してもよい。光ファイバー605は、発光素子630aから出射された白色光および複数の色の光を配光制御部606に伝送する。あるいは、図54に示すように、励起光源602eと色分離部630としての発光素子630aとの間に光ファイバー605を配置してもよい。この例では、光ファイバー605は、励起光源602eから発せられた励起光を発光素子630aに伝送する。
Similarly to the first embodiment, an optical fiber may be disposed between the directional light emitting element and the light distribution control unit and / or between the excitation light source and the directional light emitting element. As illustrated in FIG. 53, an
本開示の第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、周囲の照明と、投影された画像における鮮明な表示とを両立させることが可能である。本開示の第2の実施形態によれば、同一の光源部によって白色光と異なる色の光とを独立して生成できるので、より小型の照明装置を提供し得る。 According to the second embodiment of the present disclosure, similarly to the first embodiment, it is possible to achieve both ambient illumination and a clear display in a projected image. According to the second embodiment of the present disclosure, white light and light of a different color can be independently generated by the same light source unit, so that a smaller illuminating device can be provided.
[5.照明装置における制御の例]
図36および図51に例示する構成において、照明装置(照明装置500A、500B)は、制御回路530および入出力インタフェース540を有している。入出力インタフェース540は、外部装置(例えばコンピュータ、取り外し可能なメモリなど)と電気信号の授受が可能な構成を有し、有線または無線により、外部装置(例えば、ネットワークに接続されたサーバーまたは端末装置など)から画像データ、制御信号などを受け取る。制御回路530は、典型的には、メモリおよびCPUと、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)などの画像処理回路とを含む。制御回路530は、入出力インタフェース540を介して入力された画像データ(または信号)に基づいて画像信号を生成する。また、制御回路530は、入出力インタフェース540からの入力に基づき、照明装置における各部の動作の制御を行う。制御回路530は、例えば、配光制御素子としての液晶パネル、DMDまたはMEMSミラー、および、光源の駆動を制御するための信号を送出する。光源部が指向性発光カラーホイール、蛍光体ホイールなどを含む場合には、ホイールの回転を制御するための信号が制御回路530から送出され得る。
[5. Example of control in lighting device]
In the configuration illustrated in FIGS. 36 and 51, the lighting device (
[5−1.センサ出力を利用した制御]
既に説明したように、本開示の照明装置は、演色性の高い白色光WLの照度が相対的に高い明領域BAと、白色光WLの照度が相対的に低い暗領域DAとを形成し、暗領域DA上に画像を投影する。典型的には、明領域BAは、暗領域DAの周囲を取り囲むように形成される。第1の実施形態に係る照明装置500Aにおける制御回路530は、画像が投影される領域をその内側の少なくとも一部に含む被照明領域が、演色性の高い白色光WLによって照射され、かつ、画像が投影される領域における白色光WLの照度が、被照明領域の他の領域における白色光WLの照度よりも相対的に低くなるように投影装置510および投影装置520を制御する。同様に、第2の実施形態に係る照明装置500Bにおける制御回路530は、画像が投影される領域をその内側の少なくとも一部に含む被照明領域が、演色性の高い白色光WLによって照射され、かつ、画像が投影される領域における白色光WLの照度が、被照明領域の他の領域における白色光WLの照度よりも相対的に低くなるような制御を実行する。このような基本的な制御のほかに、種々の制御が可能である。以下、制御回路530による制御の例を説明する。ここでは、より簡易な構成を有する照明装置500Bにおける制御の例を説明する。照明装置500Aにおいても同様の制御は、もちろん可能である。
[5-1. Control using sensor output]
As already described, the illumination device of the present disclosure forms a bright area BA in which the illuminance of the white light WL having high color rendering properties is relatively high and a dark area DA in which the illuminance of the white light WL is relatively low, An image is projected on the dark area DA. Typically, the bright area BA is formed so as to surround the dark area DA. In the
照射の対象と照明装置500Bとの間の位置関係が予めわかっている場合には、被照明領域LA内の暗領域DAに選択的に投影光PLを照射することは、比較的容易である。照射の対象と照明装置500Bとの間の位置関係に関する情報が、例えば、制御回路530内のメモリに格納されていてもよい。上述したように、投影装置は、基本的には、画像を形成するための光が照射される対象によらずに、画像を投影することが可能である。したがって、白色光WLおよび投影光PLの照射の対象は、壁面に限定されず、任意の物体であり得る。白色光WLおよび投影光PLは、例えば、スクリーン、天井、床、ドア、机、テーブル、家電製品などの表面のほか、タブレット型コンピュータなどの携帯端末にも照射され得る。そのため、照射の対象が移動したり、画像を観察する観察者が移動したりすることが想定される。つまり、画像を投影すべき領域が移動することがあり得る。画像を投影すべき領域の位置、形状などの変化に合わせて、投影光PLが照射される領域を動的に変更できると有益である。
When the positional relationship between the irradiation target and the
図51に例示する構成において、照明装置500Bは、センサ550を有する。センサ550は、画像センサ、変位センサ、カメラなどを含み得る。したがって、例えば、投影光PLが照射されていない状態において画像認識を利用することによって、白色光WLの照度が低い領域の位置、大きさ、形状などを検出することが可能である。制御回路530は、センサ550の検出結果に基づいて、画像を投影すべき領域、すなわち、照射の対象上の暗領域DAの位置などに関する情報を取得することができる。制御回路530は、認識された暗領域DA上に投影光PLが照射されるように、光源部601および配光制御部606を制御してもよい。
In the configuration illustrated in FIG. 51, the
センサ550の出力を利用して、照射の対象および/または観察者の移動を検出してもよい。照射の対象および/または観察者の移動を検出することにより、制御回路530は、画像の表示に適した領域(例えば光沢の少ない平坦面)に暗領域DAが移動し、かつ、その暗領域DA上に画像が投影されるように光源部601および配光制御部606を制御することが可能である。このような制御により、例えば、観察者の移動に追従するように画像を移動させることが可能である。
The output of the
白色光WLおよび投影光PLの照射の対象は、平面に限定されず、立体であり得る。白色光WLおよび投影光PLが照射される面は、平面に限定されず、曲面、凹凸を有する面であり得る。センサ550の出力を利用して、平坦面の検出、照射の対象の表面形状および/または色に応じた画像の補正を制御回路530が実行してもよい。
The target of irradiation with the white light WL and the projection light PL is not limited to a plane, and may be a solid. The surface irradiated with the white light WL and the projection light PL is not limited to a flat surface, and may be a surface having a curved surface or unevenness. Using the output of the
センサ550の出力を利用して、画像を提示すべき観察者の動きを検出してもよい。例えば、観察者のジェスチャーを照明装置500Bへの指示として利用してもよい。制御回路550は、例えば、観察者のジェスチャーを解析し、ジェスチャーに応じた位置に画像を投影するように光源部601および配光制御部606を制御する。このようなジェスチャーによる入力を、個人を認証するための情報として活用してもよい。個人の認証を行うことにより、照明装置500Bは、個々の観察者に応じた情報を提示することができる。
The output of the
センサによる情報の取得に、一般的な撮像装置に用いられている測距方法(コントラスト検出、位相差検出など)、近赤外線を照射し、反射光を検出するまでの時間を利用した測距方法などを組み合わせてもよい。上述した各種の制御のための指示が記述されたプログラムは、例えば、制御回路530のメモリ内に格納され得る。制御回路530中のプロセッサは、例えば、メモリからプログラムを読み出すことにより、上述した制御を実行する。
Ranging method (contrast detection, phase difference detection, etc.) used in general imaging devices for information acquisition by sensors, distance measuring method using the time to irradiate near infrared rays and detect reflected light Etc. may be combined. The program in which the above-described various control instructions are described can be stored in the memory of the
さらに、投影光PLとして、予め決めておいた、平行線またはグリッドなどの幾何学模様を投影し、その投影された模様を画像として取得することによって、投影光PLが照射された面の傾き、立体形状などを計測することもできる。また、投影光PLが照射される面の傾き、形状に合わせて投影する画像を変形させることにより、投影される画像の不自然な歪みを除くことができる。 Furthermore, as the projection light PL, a predetermined geometric pattern such as a parallel line or a grid is projected, and the projected pattern is acquired as an image, whereby the tilt of the surface irradiated with the projection light PL is obtained. A three-dimensional shape can also be measured. Further, by deforming the projected image according to the tilt and shape of the surface irradiated with the projection light PL, unnatural distortion of the projected image can be eliminated.
[5−2.複数の照明装置の制御]
本開示の照明装置は、複数で使用されてもよい。照明を行いたい空間に複数の照明装置(照明装置500Aまたは500B)を配置することにより、空間全体を照明し得る。
[5-2. Control of multiple lighting devices]
A plurality of lighting devices of the present disclosure may be used. By arranging a plurality of lighting devices (
図55は、本開示の実施形態に係る照明システムが設置された部屋の一例を模式的に示す。図55に示す例では、複数の照明装置500Bを含む照明システム500Sが部屋Rmの天井710に設置されている。図55では、3つの照明装置500Bが図示されている。しかしながら、照明システム500Sにおける照明装置500Bの数は、3つに限定されないし、照明システム500Sが、第1の実施形態に係る照明装置500Aを含んでいてもよい。
FIG. 55 schematically illustrates an example of a room in which a lighting system according to an embodiment of the present disclosure is installed. In the example shown in FIG. 55, a
図55に例示する構成において、天井710には、3つの照明装置500Bにそれぞれ対応するように3つの光出射部712(例えば開口部)が設けられている。照明装置500Bから出射された白色光WLおよび投影光PLは、床面720に向けて照射されている。この例では、複数の被照明領域LAによって床面720の全体が覆われている。このように、家などの部屋の天井、壁面および床面の少なくともいずれかに光出射部712を設けることにより、本開示の照明装置から出射された光によって空間全体を照明し得る。なお、図55に示すように、照明システム500Sに含まれる照明装置の全てが、白色光WLおよび投影光PLの両方を出射する必要はない。必要に応じて被照明領域LA中に暗領域DAを形成し、投影光PLを照射するように照明装置500Bが制御されてもよい。
In the configuration illustrated in FIG. 55, the
図56を参照して、本開示の実施形態に係る照明システム500Sにおける制御の一例を説明する。既に説明したように、本開示の実施形態では、照射の対象上に白色光WLのスポットを形成するとともに、そのスポット内に暗領域DAを形成するので、一般照明と比較してある程度の指向性を有する光が白色光WLとして用いられる。そのため、図56に模式的に示すように、照明装置500Bと照射の対象(ここでは床面720)との間に例えば観察者900の身体が介在すると、影が生じ、床面720に投影される画像の一部が欠落してしまう。また、このとき、観察者900の身体上に投影光PLが照射されることにより、観察者900の身体上に画像が表示されてしまう。
With reference to FIG. 56, an example of control in the
図56に示す例では、右側の照明装置500Bから出射された投影光PLが遮られた領域を照射するように、左側の照明装置500Bにおける被照明領域がシフトされている。つまり、この例では、左側の照明装置500Bにおける被照明領域が、右側の照明装置500Bにおける被照明領域との重なりを有している。さらに、右側の照明装置500Bにおいて、投影光PLによって形成される画像のうち、観察者900の身体上に投影される部分を明領域BAに置き換えてもよい。照明システム500Sに含まれる照明装置の各々は、例えば、センサ550の検出結果に基づいて、自身とは異なる照明装置によって形成される被照明領域を認識することが可能である。認識結果に応じて白色光WLが照射される領域および投影光PLが照射される領域を変化させるような制御を制御回路530が実行することにより、画像の欠落を防止し、照明を行うべき空間全体についての画像の表示を制御することが可能である。このように、照明システム500Sにおける複数の被照明領域のうちのいくつかが互いに重畳するように、2以上の照明装置が連動するような制御が実行されてもよい。このような制御は、ジェスチャー入力などを行う際に特に有用である。
In the example shown in FIG. 56, the illuminated area in the
なお、照明システム500Sにおける各照明装置の制御は、各照明装置の制御回路によって実行される必要はない。例えば、照明システム500Sに含まれる複数の照明装置の数よりも少ない制御回路によって、照明システム500Sにおける複数の照明装置の制御が一括して実行されてもよい。複数の照明装置の制御を実行する制御回路を集中させることにより、複数の照明装置の連動した制御がより容易になり得る。
Note that the control of each lighting device in the
[6.照明装置の適用例]
以下、図面を参照しながら、照明装置または照明システムの適用例を説明する。
[6. Application example of lighting device]
Hereinafter, application examples of the lighting device or the lighting system will be described with reference to the drawings.
図57および図58は、照明システムを住宅に適用した例を示す。図57は、光源部601を含む照明システム510Sを有する住宅800の一例を示す。図57に例示する構成において、光源部601は、白色光WLおよび投影光PLを生成する。光源部601によって生成された白色光WLおよび投影光PLは、光ファイバー605を介して住宅800内の各部および敷地内の各部に分配される。例えば、光ファイバー605によって伝送された光は、部屋Rmの天井などに設けられた光出射部712内に配置された不図示の配光制御素子に照射される。配光制御素子によって例えば進行方向が変えられた白色光WLおよび投影光PLは、部屋Rmの内部に向けて出射される。
57 and 58 show an example in which the lighting system is applied to a house. FIG. 57 shows an example of a
この例のように、白色光WLおよび投影光PLを生成する光源ユニットを一箇所に配置し、光ファイバーによって白色光WLおよび投影光PLを所望の場所に伝送してもよい。このような構成によれば、自由度の高い照明の設計が可能になる。図58に例示するように、光出射部712ごとに配光制御部606を配置してもよい。配光制御素子は比較的小型であるので、光出射部712は、小型化が比較的容易である。例えば従来のダウンライトを光出射部712に置き換えれば、図58に示すような、あたかも光源が見えないかのような照明の設計も可能である。
As in this example, the light source unit that generates the white light WL and the projection light PL may be arranged in one place, and the white light WL and the projection light PL may be transmitted to a desired place by an optical fiber. According to such a configuration, it is possible to design an illumination with a high degree of freedom. As illustrated in FIG. 58, a light
図59は、複数の画像を投影した例を示す。本開示の照明装置および照明システムは、一般照明の機能と投影装置の機能とを兼ね備えている。したがって、図59に示すように、空間の照明を行いながら、あらゆるところに情報を表示することが可能である。風景、絵画などを投影することにより、空間演出の効果を得ることもできる。 FIG. 59 shows an example in which a plurality of images are projected. The illumination device and the illumination system according to the present disclosure have both a general illumination function and a projection device function. Therefore, as shown in FIG. 59, information can be displayed everywhere while the space is illuminated. By projecting scenery, paintings, etc., it is also possible to obtain the effect of space production.
さらに、照明を行う空間内にいる個々の観察者に応じた情報を画像として提示することも可能である。図59に示す例では、出勤前の観察者900Aの前のテーブル上に、新聞の内容が画像Nsとして投影されており、朝食を準備中の観察者900Bの前のカウンタートップ上に、料理のレシピが画像Rpとして投影されている。テーブル上に照射される投影光PLは、観察者900Aにコントラスト比の高い画像Nsを提示し、テーブル上に照射される白色光WLは、観察者900Bにとっては照明光として機能する。
Furthermore, it is also possible to present information according to individual observers in the space to be illuminated as an image. In the example shown in FIG. 59, the content of the newspaper is projected as an image Ns on the table in front of the
光出射部712(または照明装置500A、500B)の配置された空間内の個人を検出して、検出結果に応じて、特定の個人に特定の情報を提示してもよい。照明を行うべき空間に上述のセンサ550(例えば図55参照)を複数配置しておけば、その空間にいる個人の位置(または動線)を特定することも可能である。例えば、照明を行うべき空間に人がいるか否かを赤外線センサによって検出し、人の存在が検出されたら、カメラによりその人を撮影する。撮影によって取得された画像データにパターンマッチングなどを適用することにより、照明を行うべき空間にいる個人を特定することができる。上述の制御回路530(例えば図55参照)は、特定された個人に合わせて、表示すべき画像のデータを選択する。また、制御回路530は、選択された画像を形成するための投影光PLが、特定された個人の近傍の対象物(図59に示す例ではテーブルまたはカウンタートップ)に照射されるように、光源部および配光制御部の駆動を制御する。このとき、照射の対象物の表面の形状、照射の対象物上に物体が置かれているかなどを検出し、検出結果に応じて、画像に補正を施したり、画像を表示する場所を変更したりしてもよい。
An individual in a space where the light emitting unit 712 (or the
例えば、住宅の玄関に複数の光出射部712および複数のセンサ550を設置しておく。制御回路530は、複数のセンサ550の検出結果に基づいて、玄関に人がいるかどうかを判定する。玄関に人がいると判定された場合には、複数のセンサ550の検出結果を解析して、人の位置の変化を求める。制御回路530は、位置の変化の情報に基づいて、人が帰宅したのか、あるいは、外出しようとしているのかを判定する。例えば、人が帰宅したと判定された場合、制御回路530は、センサ550中のカメラの動作を制御し、例えば帰宅した人の顔を撮影する。制御回路530は、撮影されたデータに基づいて、家族のうちの誰が帰宅したかを特定して、帰宅した人に応じた画像を表示するように、光源部および配光制御部の駆動を制御する。提示すべき画像は、家族の各個人に割り当てられたIDと、提示すべき情報の種類(翌日の予定表、来客の記録、その日届いたメールの送信者のリストなど)とが記述されたテーブルを予め用意しておき、特定された個人のIDに基づいてそのテーブルを参照することによって決定できる。テーブルは、帰宅する時および外出する時のそれぞれについて、各IDに応じ、提示すべき情報の種類が記述されていてもよい。なお、各個人の行動パターン(曜日ごとの外出時刻および帰宅時刻など)に関する情報をネットワーク上のサーバ、制御回路530内のメモリなどに保存しておいてもよい。照明を行うべき空間にいる個人を特定し、その個人に応じた情報を提示する方法は、例えば、特開2007−086545号公報に開示されている。参考のために、特開2007−086545号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
For example, a plurality of light emitting
照明システム510Sは、インターネットなどのネットワークとの接続を有し得る。例えば、センサによって取得された情報を、ネットワーク上のサーバに保存された情報と照らし合わせることにより、照明を行うべき空間にいる個人を特定してもよい。認証結果に応じて、特定された個人に天気予報、ニュースなどの画像が提示されてもよい。提示すべき画像のデータが、ネットワーク上のサーバから取得されてもよい。
The
観察者に応じた、このような情報の提示は、オフィスにおいて特に有用である。例えば、どの部屋のどのデスクを利用するかに関わらず、スケジュール、必要とする業務データなどを各個人に応じてデスク上に表示し得る。 Presenting such information in response to the observer is particularly useful in the office. For example, regardless of which desk in which room is used, a schedule, necessary business data, and the like can be displayed on the desk according to each individual.
なお、本開示の照明システムは、住宅に限定されず、施設に適用され得る。本明細書における「施設」は、床、天井および壁面を有する工作物を広く含む。施設の例は、住宅、学校、ビル、教会、ホテル、病院、体育館、店舗、工場、空港、コンサートホール、水族館、美術館、博物館、図書館、映画館、カジノ、ドーム型球場、駅のホーム上の構造物などである。照明システムにおける光出射部の設置場所は、居室に限定されず、廊下、倉庫など、継続的に利用されない場所であってもよい。本開示の照明システムを公共施設に適用すれば、例えば、来館者に応じた案内を画像として提示することが可能である。 Note that the lighting system of the present disclosure is not limited to a house and can be applied to a facility. As used herein, “facility” broadly includes workpieces having a floor, a ceiling, and wall surfaces. Examples of facilities are houses, schools, buildings, churches, hotels, hospitals, gymnasiums, stores, factories, airports, concert halls, aquariums, museums, libraries, cinemas, casinos, dome stadiums, station platforms It is a structure. The installation location of the light emitting unit in the illumination system is not limited to a living room, and may be a location that is not continuously used, such as a hallway or a warehouse. If the lighting system of the present disclosure is applied to a public facility, for example, it is possible to present a guide according to a visitor as an image.
本開示の照明システムは、競技施設にも適用可能である。図60は、照明システムを有する競技施設の一例を示す。図60に示す競技施設810は、競技が行われるフィールドFdと、フィールドFdの周囲に配置された観客席812と、観客席812の上方に配置された複数の照明ユニット814と、複数の照明ユニット814のうちの少なくとも1つを直接または間接に支持する柱816とを有する。
The lighting system of the present disclosure can also be applied to a competition facility. FIG. 60 shows an example of a competition facility having a lighting system. A
図60に例示する構成において、競技施設810は、複数の照明ユニット814を含む照明システム520Sを有している。照明システム520Sは、光源部601と、照明ユニット814内に配置された配光制御部606と、配光制御部606における配光制御素子および光源部601を光学的に結合する光ファイバー605とを含んでいる。複数の照明ユニット814の各々は、白色光WLおよび投影光PLをフィールドFdに照射する。したがって、競技施設810は、フィールドFdの照明を行いながら、フィールドFd上に所望の画像を表示することが可能である。
In the configuration illustrated in FIG. 60, the
図61は、照明システムを競技施設に適用した例を示す。図61に示す例では、照明ユニット814から出射された投影光PLによって、フィールドFd上の選手の近くに、各選手に応じたプロフィール画像Pfが表示されている。例えば複数の被照明領域の間で重なりを有するように複数の照明ユニット814を配置しておけば、各選手の動きに合わせて画像を移動させることも容易である。このように、フィールドFd上に画像を表示することにより、観客は、選手に関する情報をリアルタイムで入手することができ、競技をより楽しむことができる。プロフィール画像Pfに代えて、または、プロフィール画像Pfとともに、世界記録を示すラインをフィールドFd上に表示してもよい。投影光PLを用いて広告の画像を例えばフィールドFd上に表示してもよい。
FIG. 61 shows an example in which the lighting system is applied to a competition facility. In the example shown in FIG. 61, a profile image Pf corresponding to each player is displayed near the player on the field Fd by the projection light PL emitted from the
本明細書における「競技」は、野球、サッカーなどの球技、陸上競技、氷上競技、水上競技、車両・船舶競技、雪上競技、馬術競技、体操競技、各種公営レースなどを広く含む。本明細書における「競技」には、マインドスポーツも含まれる。 The term “competition” in this specification widely includes ball games such as baseball and soccer, athletics, ice competition, water competition, vehicle / ship competition, snow competition, equestrian competition, gymnastic competition, various public competitions, and the like. “Sports” in this specification includes mind sports.
[7.指向性発光素子]
以下、指向性発光素子を詳細に説明する。
[7. Directional light emitting device]
Hereinafter, the directional light emitting device will be described in detail.
指向性発光素子は、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を含む。後に詳しく説明するように、指向性発光素子は、フォトルミネッセンス材料の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な新規な構造を有する。 The directional light emitting element includes a photoluminescence layer that receives excitation light and emits light having a wavelength of λ a in the air. As will be described in detail later, the directional light-emitting element has a novel structure capable of controlling the light emission efficiency, directivity, or polarization characteristics of the photoluminescent material.
ある態様による指向性発光素子は、フォトルミネッセンス層と、フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造とを有する。この表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する、空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。表面構造は、フォトルミネッセンス層または透光層の面内に広がるサブミクロン構造であり得る。サブミクロン構造は、例えば、凸部または凹部の少なくとも一方を含む周期構造であってもよい。サブミクロン構造は、例えば、複数の凸部または複数の凹部を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、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、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。あるいは、周期構造における周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<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。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。 A directional light emitting device according to an aspect is formed on a surface of at least one of a photoluminescence layer, a light transmission layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, the photoluminescence layer and the light transmission layer, and a plurality of protrusions and And a surface structure including at least one of the plurality of recesses. This surface structure limits the directivity angle of light emitted from the photoluminescence layer and having a wavelength λ a in the air. The surface structure may be a submicron structure that extends in the plane of the photoluminescent layer or the light transmissive layer. The submicron structure may be a periodic structure including at least one of a convex portion or a concave portion, for example. The submicron structure includes, for example, a plurality of convex portions or a plurality of concave portions, a distance between adjacent convex portions or concave portions is D int, and the light emitted from the photoluminescence layer has a wavelength of λ a in the air. The relationship of λ a / n wav-a <D int <λ a is established, where n wav-a is the refractive index of the photoluminescence layer with respect to the first light. Alternatively, when the period of the periodic structure and p a, λ a / n wav -a <p a <λ relationship a holds. The wavelength λ a is, for example, in the wavelength range of visible light (for example, 380 nm to 780 nm). In applications that use infrared, the wavelength λ a may exceed 780 nm. On the other hand, in applications using ultraviolet light, the wavelength λ a may be less than 380 nm. In this disclosure, electromagnetic waves in general including infrared rays and ultraviolet rays are expressed as “light” for convenience.
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。 The photoluminescent layer includes a photoluminescent material. The photoluminescent material means a material that emits light upon receiving excitation light. The photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle). The photoluminescent layer may include a matrix material (ie, host material) in addition to the photoluminescent material. The matrix material is, for example, an inorganic material such as glass or oxide, or a resin.
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。 The light-transmitting layer disposed in the vicinity of the photoluminescence layer is formed of a material having a high transmittance with respect to light emitted from the photoluminescence layer, for example, an inorganic material or a resin. The light transmitting layer can be formed of, for example, a dielectric (particularly, an insulator that absorbs little light). The light transmissive layer may be, for example, a substrate that supports the photoluminescence layer. When the air-side surface of the photoluminescence layer has a submicron structure, the air layer can be a light-transmitting layer.
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。 A surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions is formed on at least one surface of the photoluminescence layer and the light transmitting layer. Here, the “surface” means a portion in contact with another substance (that is, an interface). When the light-transmitting layer is a gas layer such as air, the interface between the gas layer and another substance (for example, a photoluminescence layer) is the surface of the light-transmitting layer. This surface structure can also be referred to as an “uneven structure”. The surface structure typically includes a portion in which a plurality of convex portions or a plurality of concave portions are periodically arranged in one or two dimensions. Such a surface structure can be referred to as a “periodic structure”. The plurality of convex portions and the plurality of concave portions are formed at the boundary between two members (or media) having different refractive indexes that are in contact with each other. Therefore, it can be said that the “periodic structure” includes a portion in which the refractive index periodically varies in a certain direction. Here, the term “periodic” is not limited to an aspect that is strictly periodic, but includes an aspect that can be said to be approximately periodic. In this specification, among a plurality of continuous convex portions or concave portions, a distance between two adjacent centers (hereinafter sometimes referred to as “center interval”) is any two adjacent convex portions or concave portions. Is also considered to be a periodic structure having a period p when it falls within a range of ± 15% of a certain value p.
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35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。
In the present specification, the “convex portion” means a raised portion with respect to a reference height portion. The “recessed portion” means a recessed portion with respect to a reference height portion. Depending on the shape, size, and distribution of the convex and concave portions, it may not be easy to determine which is the convex portion and which is the concave portion. For example, in the cross-sectional view shown in FIG. 35, it can be interpreted that the
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、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー(即ちミクロンオーダー)よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に1マイクロメートル(μm)を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。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。 The distance between the centers of two adjacent convex portions or two adjacent concave portions in the surface structure (period p in the periodic structure) is typically shorter than the wavelength λ a of the light emitted from the photoluminescence layer in the air. . When the light emitted from the photoluminescence layer is visible light, short-wavelength near infrared light, or ultraviolet light, the distance is shorter than the order of micrometers (that is, the order of microns). Therefore, such a surface structure may be referred to as a “submicron structure”. A “submicron structure” may include a portion having a central interval or period exceeding 1 micrometer (μm) in part. In the following description, a photoluminescence layer that emits visible light is mainly assumed, and the term “submicron structure” is mainly used as a term meaning a surface structure. However, the following discussion holds true for the surface structure having a fine structure exceeding the sub-micron order (for example, a fine structure of the micron order used in applications using infrared rays).
指向性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の発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および/または新規なメカニズムを説明することがある。その説明は、1つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。 In the directional light emitting device, as will be described in detail later with reference to calculation results and experimental results, a unique electric field distribution is formed inside the photoluminescence layer and the light transmission layer. This is formed by the guided light interacting with the submicron structure (ie, the surface structure). The mode of light forming such an electric field distribution can be expressed as a “pseudo-waveguide mode”. By utilizing this pseudo waveguide mode, as described below, it is possible to obtain the effects of increased photoluminescence emission efficiency, improved directivity, and polarization selectivity. In the following description, the term pseudo-waveguide mode may be used to describe a new configuration and / or a new mechanism found by the present inventors. The description is merely one illustrative description and should not limit the present disclosure in any way.
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。 The submicron structure includes, for example, a plurality of convex portions, and can satisfy the relationship of λ a / n wav−a <D int <λ a where D int is the distance between the centers of adjacent convex portions. The submicron structure may include a plurality of concave portions instead of the plurality of convex portions. Hereinafter, for the sake of simplicity, the submicron structure will be described as having a plurality of convex portions. λ represents the wavelength of light, and λ a represents the wavelength of light in the air. n wav is the refractive index of the photoluminescence layer. When the photoluminescence layer is a medium in which a plurality of materials are mixed, the average refractive index obtained by weighting the refractive index of each material by the respective volume ratio is defined as n wav . Since generally the refractive index n depends on the wavelength, that is a refractive index to light of lambda a it is desirable to express the n wav-a, may be omitted for simplicity. n wav is basically the refractive index of the photoluminescence layer. When the refractive index of the layer adjacent to the photoluminescence layer is larger than the refractive index of the photoluminescence layer, the refractive index and the photoluminescence of the layer having the larger refractive index are used. Let n wav be the average refractive index obtained by weighting the refractive indices of the layers by their respective volume ratios. This is because this is optically equivalent to the case where the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers of different materials.
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。 When the effective refractive index of the medium with respect to the light in the pseudo waveguide mode is n eff , n a <n eff <n wav is satisfied. Here, n a is the refractive index of air. Considering that the light in the quasi-waveguide mode propagates while totally reflecting inside the photoluminescence layer at the incident angle θ, the effective refractive index n eff can be written as n eff = n wav sin θ. Further, since the effective refractive index n eff is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed, for example, when the submicron structure is formed in the light transmitting layer, the photoluminescence layer It depends not only on the refractive index but also on the refractive index of the translucent layer. In addition, since the electric field distribution varies depending on the polarization direction of the pseudo waveguide mode (TE mode and TM mode), the effective refractive index n eff may be different between the TE mode and the TM mode.
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。 The submicron structure is formed in at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer. When the photoluminescence layer and the light transmission layer are in contact with each other, a submicron structure may be formed at the interface between the photoluminescence layer and the light transmission layer. At this time, the photoluminescence layer and the translucent layer have a submicron structure. The photoluminescent layer may not have a submicron structure. At this time, the light-transmitting layer having a submicron structure is disposed in the vicinity of the photoluminescence layer. Here, the phrase “the light-transmitting layer (or its submicron structure) is close to the photoluminescence layer” typically means that the distance between them is not more than half the wavelength λ a . As a result, the electric field of the waveguide mode reaches the submicron structure, and the pseudo waveguide mode is formed. However, when the refractive index of the light-transmitting layer is larger than the refractive index of the photoluminescent layer, the light reaches the light-transmitting layer even if the above relationship is not satisfied. Therefore, the submicron structure of the light-transmitting layer and the photoluminescent layer the distance between the may be more than half of the wavelength lambda a. In this specification, when the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are in a positional relationship such that the electric field of the guided mode reaches a submicron structure and a pseudo-guided mode is formed, the two are associated with each other. Sometimes expressed.
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。 As described above, when the submicron structure satisfies the relationship of λ a / n wav-a <D int <λ a , the submicron structure is characterized by a size on the order of submicron in applications using visible light. The submicron structure can include at least one periodic structure, for example, as described in detail below. At least one of the periodic structure, when the period as p a, λ a / n wav -a <p a <λ relationship a holds. That is, the sub-micron structures, the distance D int between adjacent convex portions may comprise constant of the periodic structure in the p a. When the submicron structure includes such a periodic structure, the light in the pseudo waveguide mode is diffracted by the submicron structure by repeating the interaction with the periodic structure while propagating. This is different from the phenomenon in which light propagating in free space is diffracted by the periodic structure, and is a phenomenon in which light acts on the periodic structure while being guided (that is, repeating total reflection). Therefore, even if the phase shift due to the periodic structure is small (that is, the height of the periodic structure is small), light can be efficiently diffracted.
以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、TEモードとTMモードとで有効屈折率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挟角にする。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。 If the mechanism as described above is used, the luminous efficiency of photoluminescence increases due to the effect of the electric field being enhanced by the pseudo waveguide mode, and the generated light is coupled to the pseudo waveguide mode. The light of the quasi-waveguide mode is bent at a traveling angle by a diffraction angle defined by the periodic structure. By utilizing this, light of a specific wavelength can be emitted in a specific direction. That is, the directivity is remarkably improved as compared with the case where no periodic structure is present. Further, since the effective refractive index n eff (= n wav sin θ) is different between the TE mode and the TM mode, high polarization selectivity can be obtained at the same time. For example, as shown in an experimental example later, it is possible to obtain a light emitting element that emits linearly polarized light (for example, TM mode) having a specific wavelength (for example, 610 nm) strongly in the front direction. At this time, the directivity angle of the light emitted in the front direction is, for example, less than 15 °. Here, “directivity angle” is defined as an angle between the direction in which the intensity is maximum and the direction in which the intensity is 50% of the maximum intensity with respect to the linearly polarized light having a specific wavelength to be emitted. That is, the directivity angle is an angle on one side when the direction in which the intensity is maximum is 0 °. Thus, the periodic structure (that is, the surface structure) in the embodiment of the present disclosure limits the directivity angle of light having a specific wavelength λa. In other words, the distribution of light of the wavelength lambda a, to narrow angle as compared to when there is no periodic structure. Such a light distribution in which the directivity angle is reduced as compared with the case where there is no periodic structure may be referred to as “narrow angle light distribution”. The periodic structure of the embodiment of the present disclosure, limits the directivity angle of light of wavelength lambda a, but the embodiment is not emit any light of the wavelength lambda a narrow angle. For example, in the example shown in FIG. 29 described later, light having a wavelength λa is slightly emitted also in a direction away from the direction in which the intensity is maximum (for example, 20 ° to 70 °). Overall, however, the emitted light having a wavelength lambda a is concentrated in the range of 0 ° to 20 °, the orientation angle is limited.
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。 Note that the periodic structure in the exemplary embodiment of the present disclosure has a period shorter than the wavelength λ a of light, unlike a general diffraction grating. A general diffraction grating has a period sufficiently longer than the wavelength λ a of light, and as a result, a specific wavelength of light is diffracted into a plurality of diffracted lights such as zero-order light (that is, transmitted light) and ± first-order diffracted light. The light is emitted separately. In such a diffraction grating, high-order diffracted light is generated on both sides of zero-order light. High-order diffracted light generated on both sides of zero-order light in the diffraction grating makes it difficult to realize narrow-angle light distribution. In other words, the conventional diffraction grating does not have an effect peculiar to the embodiment of the present disclosure in which the directivity angle of light is limited to a predetermined angle (for example, about 15 °). In this regard, the periodic structure according to the embodiment of the present disclosure has properties that are significantly different from those of conventional diffraction gratings.
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。 When the periodicity of the submicron structure is lowered, the directivity, light emission efficiency, polarization degree, and wavelength selectivity are weakened. What is necessary is just to adjust the periodicity of a submicron structure as needed. The periodic structure may be a one-dimensional periodic structure with high polarization selectivity or a two-dimensional periodic structure capable of reducing the degree of polarization.
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。 The submicron structure can include a plurality of periodic structures. The plurality of periodic structures have different periods (pitch), for example. Alternatively, the plurality of periodic structures are different from each other in the direction (axis) having periodicity, for example. The plurality of periodic structures may be formed in the same plane or may be stacked. Of course, the light-emitting element has a plurality of photoluminescence layers and a plurality of light-transmitting layers, and these may have a plurality of submicron structures.
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。 The submicron structure can be used not only to control the light emitted from the photoluminescence layer, but also to efficiently guide the excitation light to the photoluminescence layer. That is, the excitation light is diffracted by the submicron structure and coupled to the pseudo-waveguide mode in which the excitation light is guided through the photoluminescence layer and the light transmission layer, so that the photoluminescence layer can be efficiently excited. Λ ex / n wav-ex <D int <λ ex , where λ ex is the wavelength of light in the air that excites the photoluminescent material, and n wav-ex is the refractive index of the photoluminescence layer for this excitation light. A sub-micron structure in which is satisfied may be used. n wav-ex is the refractive index at the excitation wavelength of the photoluminescent material. If the period is p ex , a submicron structure having a periodic structure in which the relationship of λ ex / n wav-ex <p ex <λ ex may be used. The wavelength λ ex of the excitation light is, for example, 450 nm, but may be shorter than visible light. When the wavelength of the excitation light is within the range of visible light, the excitation light may be emitted together with the light emitted from the photoluminescence layer.
[8.本発明者らが見出した知見]
指向性発光素子の構成の詳細を説明する前に、まず、本発明者らが見出した知見を説明し、続けて、指向性発光素子の例示的な構成を説明する。上述のように、蛍光灯、白色LEDなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。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、例えばレンズを小さくできるので、これにより、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
[8. Knowledge discovered by the present inventors]
Before describing the details of the configuration of the directional light emitting element, first, the knowledge found by the present inventors will be described, and then an exemplary configuration of the directional light emitting element will be described. As described above, photoluminescent materials used in fluorescent lamps, white LEDs, and the like emit light isotropically. In order to illuminate a specific direction with light, optical components such as a reflector and a lens are required. However, if the photoluminescence layer itself emits light with directivity, for example, the lens can be made smaller, so that the size of the optical device or instrument can be greatly reduced. Based on such an idea, the present inventors have studied in detail the configuration of the photoluminescence layer in order to obtain directional light emission.
本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式(1)で表される。
式(1)において、rは位置を表すベクトル、λは光の波長、dは双極子ベクトル、Eは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルdはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Eの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、<(d・E(r))>2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。 In equation (1), r is a position vector, λ is the wavelength of light, d is a dipole vector, E is an electric field vector, and ρ is a density of states. In many materials except some crystalline materials, the dipole vector d has a random orientation. Further, when the size and thickness of the photoluminescence layer are sufficiently larger than the wavelength of light, the magnitude of the electric field E is almost constant regardless of the direction. Therefore, in most cases, the value of <(d · E (r))> 2 does not depend on the direction. That is, the light emission rate Γ is constant regardless of the direction. For this reason, in most cases, the photoluminescence layer emits isotropically.
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。 On the other hand, in order to obtain anisotropic light emission from the formula (1), it is necessary to devise either a dipole vector d aligned in a specific direction or a component in a specific direction of the electric field vector to be enhanced. is there. Directional emission can be realized by any one of these devices. In an embodiment of the present disclosure, a pseudo waveguide mode in which an electric field component in a specific direction is enhanced due to the effect of confining light in the photoluminescence layer is used. The structure for that purpose is examined and the result analyzed in detail is demonstrated below.
[9.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。
[9. Configuration to strengthen only the electric field in a specific direction]
The inventors of the present application considered controlling light emission by using a waveguide mode with a strong electric field. When the waveguide structure itself includes a photoluminescence material, the generated light can be coupled to the waveguide mode. However, if the waveguide structure is simply formed using a photoluminescence material, the emitted light becomes a waveguide mode, so that almost no light is emitted in the front direction. Therefore, the inventors of the present application considered combining a waveguide including a photoluminescent material with a periodic structure. When the periodic structure is close to the waveguide and the light is guided while overlapping the periodic structure, a pseudo waveguide mode exists due to the action of the periodic structure. That is, this pseudo waveguide mode is a waveguide mode limited by the periodic structure, and is characterized in that the antinodes of the electric field amplitude are generated in the same period as the period of the periodic structure. This mode is a mode in which the electric field in a specific direction is strengthened by confining light in the waveguide structure. Furthermore, since this mode interacts with the periodic structure and is converted into propagating light in a specific direction by the diffraction effect, light can be emitted to the outside of the waveguide. Furthermore, since the light other than the pseudo waveguide mode has a small effect of being confined in the waveguide, the electric field is not enhanced. Therefore, most of the light emission is coupled to the pseudo waveguide mode having a large electric field component.
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。 In other words, the inventors of the present application configure a waveguide having a periodic structure close thereto by a photoluminescence layer containing a photoluminescence material (or a waveguide layer having a photoluminescence layer), thereby generating generated light. We considered to realize a directional light source by coupling to a quasi-guided mode that is converted into propagating light in a specific direction.
導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図30は、スラブ型導波路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。
As a simple structure of the waveguide structure, attention was paid to a slab type waveguide. The slab type waveguide is a waveguide in which a light guiding portion has a flat plate structure. FIG. 30 is a perspective view schematically showing an example of the
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。 Further, when the periodic structure is close to the photoluminescence layer, the pseudo-waveguide mode is formed by the electric field of the waveguide mode interacting with the periodic structure. Even when the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers, if the electric field of the waveguide mode reaches the periodic structure, a pseudo waveguide mode is formed. It is not necessary for all of the photoluminescence layer to be a photoluminescence material, and it is sufficient that at least a part of the photoluminescence layer has a function of emitting light.
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。 When the periodic structure is formed of a metal, a mode based on the waveguide mode and the effect of plasmon resonance is formed. This mode has different properties from the quasi-guided mode described above. In addition, in this mode, since the absorption by the metal is large, the loss becomes large and the effect of enhancing the light emission becomes small. Therefore, it is desirable to use a dielectric material with low absorption as the periodic structure.
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。
式(2)におけるmは整数であり、回折の次数を表す。 M in Formula (2) is an integer and represents the order of diffraction.
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。
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。
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。 From equation (5), it can be seen that when n wav sin θ wav = mλ 0 / p holds, θ out = 0, and light can be emitted in a direction perpendicular to the plane of the waveguide (ie, the front).
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。 Based on the above principle, the generated light is coupled to a specific quasi-waveguide mode, and further converted into light having a specific emission angle using a periodic structure, thereby emitting strong light in that direction. It is considered possible.
上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式(6)で表される。
この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式(5)において−1<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。
これに対し、式(6)を考慮すると、以下の式(8)が成立すればよいことがわかる。
さらに、導波路110から出射される光の方向を正面方向(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。
式(9)および式(6)から、必要な条件は、以下の式(10)であることがわかる。
なお、図1Aおよび図1Bに示すような周期構造を設けた場合には、mが2以上の高次の回折効率は低いため、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。
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。
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。
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。
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。
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素子を実現できる。
By determining the period p of the periodic structure so as to satisfy the above inequality, light generated from the
[10.計算による検証]
[10−1.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。
[10. Verification by calculation]
[10-1. Period, wavelength dependence]
The present inventors have verified by optical analysis whether light can be emitted in a specific direction as described above. The optical analysis was carried out by calculation using the Cybernet DiffractMOD. In these calculations, when light is vertically incident on the light emitting element from the outside, the increase or decrease in light absorption in the photoluminescence layer is calculated, thereby obtaining the enhancement of the light emitted vertically to the outside. The process in which light incident from the outside is coupled to the quasi-waveguide mode and absorbed by the photoluminescence layer is converted into propagating light that is emitted from the photoluminescence layer to the quasi-waveguide mode and exits perpendicularly to the outside. This corresponds to the calculation of the opposite process. Further, in the calculation of the electric field distribution in the pseudo waveguide mode, the electric field when light is incident from the outside was calculated in the same manner.
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。 The film thickness of the photoluminescence layer is 1 μm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the height of the periodic structure is 50 nm, the refractive index of the periodic structure is 1.5, the emission wavelength and the period of the periodic structure are FIG. 2 shows the result of calculating the intensities of the light emitted in the front direction while changing each. As shown in FIG. 1A, the calculation model was calculated with a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. From the result of FIG. 2, it can be seen that a peak of enhancement exists at a certain combination of wavelength and period. In FIG. 2, the magnitude of the enhancement is represented by the shade of the color, and the darker (that is, black) has a larger enhancement and the lighter (that is, white) has a smaller enhancement.
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と図3とを比較すると、図2におけるピーク位置はm=1とm=3に対応するところに存在することがわかる。m=1の方が強度が強いのは、3次以上の高次の回折光よりも1次の回折光の回折効率の方が高いからである。m=2のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。 In the above calculation, the cross section of the periodic structure is assumed to be rectangular as shown in FIG. 1B. A graph illustrating the conditions of m = 1 and m = 3 in equation (10) is shown in FIG. Comparing FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the peak positions in FIG. 2 exist at locations corresponding to m = 1 and m = 3. The reason why m = 1 is stronger is that the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is higher than that of the third-order or higher-order diffracted light. The reason why the peak of m = 2 does not exist is that the diffraction efficiency in the periodic structure is low.
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。 In the region corresponding to each of m = 1 and m = 3 shown in FIG. 3, it can be confirmed that there are a plurality of lines in FIG. This is considered to be because there are a plurality of pseudo waveguide modes.
[10−2.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。
[10-2. Thickness dependence]
In FIG. 4, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the period of the periodic structure is 400 nm, the height is 50 nm, the refractive index is 1.5, and the emission wavelength and the thickness t of the photoluminescence layer are changed. It is a figure which shows the result of having calculated the intensification of the light output in a front direction. It can be seen that the light intensity reaches a peak when the thickness t of the photoluminescence layer is a specific value.
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。
FIG. 5A and FIG. 5B show the results of calculating the electric field distribution of the mode guided in the x direction when the wavelength where the peak exists in FIG. 4 is 600 nm and the thickness is t = 238 nm and 539 nm. For comparison, FIG. 5C shows the result of the same calculation performed when t = 300 nm where no peak exists. The calculation model was assumed to be a one-dimensional periodic structure uniform in the y direction, as described above. In each figure, the black region indicates that the electric field strength is high, and the white region indicates that the electric field strength is low. In the case of t = 238 nm and 539 nm, there is a high electric field intensity distribution, whereas in the case of t = 300 nm, the electric field intensity is low overall. This is because when t = 238 nm and 539 nm, a waveguide mode exists and light is strongly confined. Furthermore, there is always a convex portion or a portion (antinode) where the electric field is strongest immediately below the convex portion, and it can be seen that the electric field correlated with the
[10−3.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。
[10-3. Polarization dependence]
Next, in order to confirm the polarization dependence, the light enhancement was calculated for the case where the polarization of the light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those in FIG. The result of this calculation is shown in FIG. Compared to the TM mode (FIG. 2), the peak position is slightly changed, but the peak position is within the region shown in FIG. Therefore, it was confirmed that the configuration of this embodiment is effective for both TM mode and TE mode polarization.
[10−4.2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は図2の条件と同じである。図7Bに示すように、図2に示すTMモードのピーク位置に加えて、図6に示すTEモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、2次元周期構造により、TEモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、2次元周期構造については、x方向およびy方向の両方について、同時に1次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期pの√2倍(即ち、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。
[10-4. Two-dimensional periodic structure]
Furthermore, the effect by a two-dimensional periodic structure was examined. FIG. 7A is a plan view showing a part of a two-dimensional
2次元周期構造としては、図7Aに示すようなx方向およびy方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図18Aおよび図18Bのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって(例えば、正方格子の場合x方向およびy方向)の周期が異なる構造であってもよい。 The two-dimensional periodic structure is not limited to a square lattice structure having the same period in the x direction and the y direction as shown in FIG. 7A, but is a lattice structure in which hexagons and triangles are arranged as shown in FIGS. 18A and 18B. Also good. Moreover, the structure where the period of a direction differs (for example, x direction and y direction in the case of a square lattice) may be sufficient.
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。 As described above, in this embodiment, the characteristic pseudo-waveguide mode light formed by the periodic structure and the photoluminescence layer is selectively emitted only in the front direction using the diffraction phenomenon due to the periodic structure. I was able to confirm that it was possible. With such a configuration, light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet rays or blue light.
[11.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。
[11. Study of periodic structure and photoluminescence layer configuration]
Next, the effect when various conditions such as the structure of the periodic structure and the photoluminescence layer and the refractive index are changed will be described.
[11−1.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。
[11-1. Refractive index of periodic structure]
First, the refractive index of the periodic structure was examined. The film thickness of the photoluminescence layer is 200 nm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A, the height is 50 nm, and the period is The calculation was performed on the assumption that the light polarization was TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 8 shows the result of calculating the enhancement of the light output in the front direction by changing the emission wavelength and the refractive index of the periodic structure. Further, FIG. 9 shows the results when the film thickness of the photoluminescence layer is 1000 nm under the same conditions.
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。 First, focusing on the film thickness of the photoluminescence layer, the light intensity with respect to the change in the refractive index of the periodic structure is more peak when the film thickness is 1000 nm (FIG. 9) than when the film thickness is 200 nm (FIG. 8). It can be seen that the shift of the wavelength (referred to as the peak wavelength) becomes small. This is because the pseudo-waveguide mode is more susceptible to the refractive index of the periodic structure as the film thickness of the photoluminescence layer is smaller. That is, the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the effective refractive index, and the corresponding peak wavelength shifts to the longer wavelength side. This effect becomes more pronounced as the film thickness decreases. The effective refractive index is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed.
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。 Next, paying attention to the change in the peak with respect to the change in the refractive index of the periodic structure, it can be seen that the higher the refractive index, the wider the peak and the lower the intensity. This is because the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the rate at which the light in the pseudo waveguide mode is emitted to the outside, so that the effect of confining the light decreases, that is, the Q value decreases. In order to keep the peak intensity high, a configuration in which light is appropriately emitted to the outside by using a pseudo-waveguide mode having a high light confinement effect (that is, a high Q value) may be used. In order to realize this, it is understood that it is not desirable to use a material having a refractive index that is too large compared to the refractive index of the photoluminescence layer for the periodic structure. Therefore, in order to increase the peak intensity and the Q value to some extent, the refractive index of the dielectric (that is, the translucent layer) constituting the periodic structure may be made equal to or less than the refractive index of the photoluminescence layer. The same applies when the photoluminescence layer contains a material other than the photoluminescence material.
[11−2.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。
[11-2. Periodic structure height]
Next, the height of the periodic structure was examined. The film thickness of the photoluminescence layer is 1000 nm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A, and the refractive index is n p = 1. 5. Calculation was performed assuming that the period was 400 nm and the polarization of light was TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 10 shows the result of calculating the enhancement of the light output in the front direction by changing the emission wavelength and the height of the periodic structure. FIG. 11 shows the calculation result when the refractive index of the periodic structure is n p = 2.0 under the same conditions. In the result shown in FIG. 10, the peak intensity and the Q value (that is, the line width of the peak) do not change at a height above a certain level, whereas in the result shown in FIG. 11, the height of the periodic structure is large. It can be seen that the peak intensity and the Q value are lowered. This is because, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is higher than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 10), the light is totally reflected, so that the electric field bleeds out (evanescent) in the pseudo waveguide mode. Only due to the interaction with the periodic structure. When the height of the periodic structure is sufficiently large, the influence of the interaction between the evanescent part of the electric field and the periodic structure is constant even if the height changes further. On the other hand, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is lower than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 11), the light reaches the surface of the periodic structure without being totally reflected, so the height of the periodic structure The larger the is, the more affected. As can be seen from FIG. 11, it is sufficient that the height is about 100 nm, and the peak intensity and the Q value are lowered in the region exceeding 150 nm. Therefore, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is lower than the refractive index n p of the periodic structure, the height of the periodic structure may be set to 150 nm or less in order to increase the peak intensity and the Q value to some extent. .
[11−3.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。
[11-3. Polarization direction]
Next, the polarization direction was examined. FIG. 12 shows the result of calculation assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those shown in FIG. In the TE mode, the electric field of the quasi-guided mode is larger than that in the TM mode, so that it is easily affected by the periodic structure. Therefore, in the region where the refractive index n p of the periodic structure is larger than the refractive index n wav of the photoluminescence layer, the peak intensity and the Q value are significantly decreased as compared with the TM mode.
[11−4.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。
[11-4. Refractive index of photoluminescence layer]
Next, the refractive index of the photoluminescence layer was examined. FIG. 13 shows the result when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is changed to 1.5 under the same conditions as the calculation shown in FIG. It can be seen that the same effect as in FIG. 9 is obtained even when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is 1.5. However, it can be seen that light having a wavelength of 600 nm or more is not emitted in the front direction. This is because λ 0 <n wav × p / m = 1.5 × 400 nm / 1 = 600 nm from Equation (10).
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。 From the above analysis, if the refractive index of the periodic structure is less than or equal to the refractive index of the photoluminescence layer, or if the refractive index of the periodic structure is greater than or equal to the refractive index of the photoluminescence layer, the height should be 150 nm or less. It can be seen that the peak intensity and the Q value can be increased.
[12.変形例]
以下、本実施形態の変形例を説明する。
[12. Modified example]
Hereinafter, modifications of the present embodiment will be described.
[12−1.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。
[12-1. Configuration with substrate]
As described above, the light-emitting element may have a structure in which the
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。
In order to confirm this, a calculation was performed when the
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。
Therefore, in the
[12−2.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。
[12-2. Light emitting device having excitation light source]
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a light-emitting
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。
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。
Here, n out is n s of the
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。
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。
Thus, by setting the cycle p y so as to satisfy the condition (in particular the condition of equation (17)) of formula (16) can be converted excitation light to the pseudo guided mode. As a result, the
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。
FIG. 17C and FIG. 17D are diagrams showing the results of calculating the ratio of light absorption for each wavelength when light is incident on the structure shown in FIG. 17A and FIG. 17B, respectively. In this calculation, p x = 365 nm and p y = 265 nm, the emission wavelength λ from the
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。 Furthermore, as a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components, a configuration as shown in FIG. 18A or 18B may be adopted. A configuration in which a plurality of convex portions or concave portions having a hexagonal planar shape are periodically arranged as shown in FIG. 18A, or a plurality of convex portions or concave portions having a triangular planar shape as shown in FIG. 18B are periodically arranged. By arranging them in a line, a plurality of main axes (in the example of the figure, axes 1 to 3) that can be regarded as periods can be determined. For this reason, a different period can be assigned to each axial direction. Each of these periods may be set to increase the directivity of light having a plurality of wavelengths, or may be set to efficiently absorb the excitation light. In any case, each cycle is set so as to satisfy the condition corresponding to the equation (10).
[12−3.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。
[12-3. Periodic structure on transparent substrate]
As shown in FIGS. 19A and 19B, the
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。
In order to verify this effect, in the configuration of FIG. 19A, the intensity of light output in the front direction was calculated by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure. Here, the film thickness of the
[12−4.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。
[12-4. powder]
According to the above embodiment, light emission of an arbitrary wavelength can be emphasized by adjusting the period of the periodic structure and the film thickness of the photoluminescence layer. For example, if a photoluminescent material that emits light in a wide band is used as shown in FIGS. 1A and 1B, only light of a certain wavelength can be emphasized. Therefore, the structure of the
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。
1A and 1B, since only a specific wavelength can be emitted in a specific direction, it is difficult to realize light emission such as white having a spectrum in a wide wavelength range. Therefore, as shown in FIG. 20, by using a mixture of a plurality of powdered
[12−5.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。
[12-5. Arrange structures with different periods]
FIG. 21 is a plan view showing an example in which a plurality of periodic structures having different periods are two-dimensionally arranged on the photoluminescence layer. In this example, three types of
[12−6.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。
[12-6. Laminated structure]
FIG. 22 illustrates an example of a light-emitting element having a structure in which a plurality of photoluminescence layers 110 having an uneven structure formed on the surface are stacked. A
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。
Note that the number of layers, the structure of the
[12−7.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。
[12-7. Configuration with protective layer]
FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a
[13.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。
[13. material]
If the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure are made of a material that satisfies the above conditions, directional light emission can be realized. Any material can be used for the periodic structure. However, if the light absorptivity of the medium forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) or the periodic structure is high, the effect of confining light is reduced, and the peak intensity and the Q value are reduced. Therefore, a medium having a relatively low light absorption can be used as a medium for forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure.
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。 As the material of the periodic structure, for example, a dielectric having low light absorption can be used. Examples of the material of the periodic structure include, for example, MgF 2 (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, resin, MgO (magnesium oxide), ITO (indium tin oxide), TiO 2 (titanium oxide), SiN (silicon nitride), Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide), ZrO 2 (zirconia), ZnSe (zinc selenide), ZnS (zinc sulfide), etc. Can be mentioned. However, as described above, when the refractive index of the periodic structure is made lower than the refractive index of the photoluminescence layer, MgF 2 , LiF, CaF 2 , SiO 2 , glass, resin having a refractive index of about 1.3 to 1.5. Can be used.
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。
The photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle). In general, a fluorescent material having an inorganic material as a host tends to have a high refractive index. Examples of fluorescent materials that emit blue light include M 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca), BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ , M 3 MgSi 2 O 8 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), M 5 SiO 4 Cl 6 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) Can be used. Examples of fluorescent materials that emit green light include M 2 MgSi 2 O 7 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca), SrSi 5 AlO 2 N 7 : Eu 2+ , SrSi 2. O 2 N 2 : Eu 2+ , BaAl 2 O 4 : Eu 2+ , BaZrSi 3 O 9 : Eu 2+ , M 2 SiO 4 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) BaSi 3 O 4 N 2 : Eu 2+ Ca 8 Mg (SiO 4 ) 4 Cl 2 : Eu 2+ , Ca 3 SiO 4 Cl 2 : Eu 2+ , CaSi 12-(m + n) Al (m + n ) ) O n n 16-n: Ce 3+, β-SiAlON:
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。 For the quantum dots, for example, materials such as CdS, CdSe, core / shell CdSe / ZnS, and alloy type CdSSe / ZnS can be used, and various emission wavelengths can be obtained depending on the material. As the matrix of quantum dots, for example, glass or resin can be used.
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、La
SrAlO4、LaSrGaO4、LaTaO3、SrO、YSZ(ZrO2・Y2O3)、YAG、Tb3Ga5O12を用いて形成されてもよい。
The
SrAlO 4 , LaSrGaO 4 , LaTaO 3 , SrO, YSZ (ZrO 2 .Y 2 O 3 ), YAG, or Tb 3 Ga 5 O 12 may be used.
[14.製造方法]
続いて、発光素子の製造方法の一例を説明する。
[14. Production method]
Then, an example of the manufacturing method of a light emitting element is demonstrated.
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。
As a method of realizing the configuration shown in FIGS. 1C and 1D, for example, a thin film of the
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。
The light-emitting
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。
In the configuration shown in FIG. 19A, for example, after the
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の指向性発光素子の製造方法は、上記に限定されない。 In addition, said manufacturing method is an example and the manufacturing method of the directional light emitting element of this indication is not limited above.
[15.実験例]
以下に、本開示の実施形態に適用し得る指向性発光素子を作製した例を説明する。
[15. Experimental example]
Hereinafter, an example in which a directional light emitting element that can be applied to the embodiment of the present disclosure is manufactured will be described.
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。 A sample of a light-emitting element having the same structure as that in FIG. 19A was prototyped, and the characteristics were evaluated. The light emitting element was manufactured as follows.
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。 A glass substrate was provided with a one-dimensional periodic structure (stripe-shaped convex portion) having a period of 400 nm and a height of 40 nm, and YAG: Ce, which is a photoluminescence material, was formed to a thickness of 210 nm thereon. FIG. 25 shows a TEM image of this cross-sectional view, and FIG. 26 shows the result of measuring the spectrum in the front direction when YAG: Ce is emitted by exciting it with a 450 nm LED. FIG. 26 shows measurement results (ref) in the absence of a periodic structure, results of measuring a TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure, and a TE mode having a perpendicular polarization component. . In the case where there is a periodic structure, it can be seen that the light of a specific wavelength is remarkably increased compared to the case where there is no periodic structure. It can also be seen that the TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure has a larger light enhancement effect.
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。
Furthermore, in the same sample, the results of measuring the angle dependency of the emitted light intensity and the calculation results are shown in FIGS. 27A to 27F and FIGS. 28A to 28F. FIG. 27A shows a state in which a light emitting element that emits TM mode linearly polarized light is rotated about an axis parallel to the line direction of the one-dimensional
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と図27C、図27Eと図27F、図28Bと図28C、図28Eと図28Fのそれぞれの測定結果と計算結果とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。 As is clear from FIGS. 27A to 27F and FIGS. 28A to 28F, the TM mode has a higher effect of enhancement. It can also be seen that the wavelength of the enhanced light shifts with angle. For example, it can be seen that light having a wavelength of 610 nm has a high directivity and emits polarized light because the light exists only in the TM mode and in the front direction. 27B and 27C, FIG. 27E and FIG. 27F, FIG. 28B and FIG. 28C, and FIG. 28E and FIG. Supported by.
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。 FIG. 29 shows the angle dependence of the intensity when light having a wavelength of 610 nm is rotated about a direction perpendicular to the line direction as the rotation axis, as shown in FIG. 28D. There is a strong light emission enhancement in the front direction, and it can be seen that the light is hardly enhanced at other angles. It can be seen that the directivity angle of the light emitted in the front direction is less than 15 °. As described above, the directivity angle is an angle at which the intensity is 50% of the maximum intensity, and is represented by an angle on one side with respect to the direction of the maximum intensity. From the results shown in FIG. 29, it can be seen that directional light emission is realized. Furthermore, since all the emitted light is a TM mode component, it can be seen that polarized light emission is realized at the same time.
以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するYAG:Ceを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光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。 The verification experiment described above was performed using YAG: Ce that emits light in a wide wavelength band. Even if an experiment is performed with a similar configuration using a photoluminescent material that emits light in a narrow band, high directivity and polarized light emission can be realized for light of that wavelength. Further, when such a photoluminescent material is used, a light source that does not generate light in other directions and in other polarization states can be realized because light of other wavelengths is not generated.
[16.他の変形例]
上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図31に示す、フォトルミネッセンス層110上に周期構造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。
[16. Other variations]
As described above, the wavelength and emission direction of light subjected to the light emission enhancement effect by the submicron structure of the light emitting element of the present disclosure depend on the configuration of the submicron structure. Consider a light-emitting element having a
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。 From the above equation, θ out = arcsin [(n wav × sin θ wav −mλ / p) / n out ] is obtained. Therefore, in general, when the wavelength λ is different, the emission angle θ out of the light subjected to the emission enhancement is different. As a result, as schematically shown in FIG. 31, the color of the visible light differs depending on the direction of observation.
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1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。
In order to reduce the viewing angle dependency, n wav and n out may be selected so that (n wav × sin θ wav −mλ / p) / n out is constant regardless of the wavelength λ. Since the refractive index of the material has wavelength dispersion (wavelength dependence), the wavelength of n wav and n out such that (n wav × sin θ wav −mλ / p) / n out does not depend on the wavelength λ. A material having dispersibility may be selected. For example, when the external medium is air, n out is approximately 1.0 regardless of the wavelength. Therefore, as a material for forming the
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。
Also, as shown in FIG. 32A, white light can be emitted by arranging a plurality of periodic structures having different wavelengths that exhibit a light emission enhancement effect. In the example shown in FIG. 32A, a
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。
When the
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。
In addition, the photoluminescence layer provided under the
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。
As shown in FIG. 32B, a plurality of periodic structures (including
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。
Of course, the periodic structure is not limited to a one-dimensional periodic structure, and a plurality of two-dimensional periodic structures (including
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。
As shown in FIG. 33, for example, an array of
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。
The light-emitting element shown in FIG. 33 has regions R1, R2, and R3 having the
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。 The optical element having an action of bending light emitted in an oblique direction may be a lenticular lens instead of the microlens array. In addition to a lens, a prism can also be used. An array of prisms may be used. You may arrange | position a prism separately corresponding to a periodic structure. The shape of the prism is not particularly limited. For example, a triangular prism or a pyramid prism can be used.
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。
A method for obtaining white light (or light having a wide spectral width) is not only based on the above-described periodic structure but also based on a photoluminescence layer as shown in FIGS. 34A and 34B, for example. As shown in FIG. 34A, white light can be obtained by stacking a plurality of
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。 In addition, when using a photoluminescent material that is mixed with a matrix (host) material such as a fluorescent dye, a plurality of photoluminescent materials having different emission wavelengths are mixed with the matrix material, and a single photoluminescent layer is used. White light can be emitted. Such a photoluminescence layer capable of emitting white light can be used in the configuration in which the unit periodic structure is tiled as described with reference to FIGS. 32A to 32C.
本開示の照明装置は、情報を画像として提示可能な照明として利用可能である。 The illumination device of the present disclosure can be used as illumination that can present information as an image.
100、100a、100W、530a、630a 発光素子
100w、630w 白色発光部分
500A、500B 照明装置
500S、510S、520S 照明システム
510、520 投影装置
511、521、521A、522、601 光源部
512、522 光源
512e、522e、602e 励起光源
515、525、605 光ファイバー
516、526、606 配光制御部
800 住宅
810 競技施設
100, 100a, 100W, 530a, 630a
Claims (21)
複数の異なる色の光を生成する第2光源部、および、前記複数の異なる色の光のうちの少なくとも1つが入射する位置に配置された少なくとも1つの第1配光制御素子を有し、前記少なくとも1つの第1配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記複数の異なる色の光で前記第2領域の少なくとも一部を照射することにより、前記第2領域上に画像を表示する第2投影装置と、を備える、照明装置。 A first light source unit configured to generate white light, and emitting the white light; thereby, a first region, a second region in the first region, and a second region having relatively low illuminance; A first projection device forming
A second light source unit for generating a plurality of different color lights, and at least one first light distribution control element disposed at a position where at least one of the plurality of different color lights is incident, By irradiating at least a part of the second area with the light of the plurality of different colors whose traveling direction and / or intensity is changed by at least one first light distribution control element, an image is formed on the second area. A second projection device for displaying the illumination device.
色光を生成する第2光源部、および、前記色光が入射する位置に配置された第1配光制御素子を有し、前記第1配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記色光で前記第2領域の少なくとも一部を照射することにより、前記第2領域上に画像を表示する第2投影装置と、を備える、照明装置。 A first light source unit configured to generate white light, and emitting the white light; thereby, a first region, a second region in the first region, and a second region having relatively low illuminance; A first projection device forming
A second light source unit that generates color light; and a first light distribution control element disposed at a position where the color light is incident. At least one of a traveling direction and intensity is changed by the first light distribution control element. And a second projection device that displays an image on the second region by irradiating at least a part of the second region with the colored light.
第1励起光源と、
前記第1励起光源からの第1励起光を受けて前記白色光を発する第1フォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
前記第2光源部は、
第2励起光源と、
各々が、前記第2励起光源からの第2励起光を受けて前記複数の異なる色の光のうちの1つを発する複数のフォトルミネッセンス部分を含む第2フォトルミネッセンス発光素子と、を有する、請求項4または5に記載の照明装置。 The first light source unit is
A first excitation light source;
A first photoluminescence light emitting element that emits the white light in response to the first excitation light from the first excitation light source,
The second light source unit is
A second excitation light source;
A second photoluminescent light emitting element that includes a plurality of photoluminescent portions each receiving a second excitation light from the second excitation light source and emitting one of the plurality of different colored lights. Item 6. The lighting device according to Item 4 or 5.
前記第2フォトルミネッセンス発光素子と前記少なくとも1つの第1配光制御素子との間に配置された少なくとも1つの第2光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記複数の異なる色の光のうちの少なくとも1つで前記第1配光制御素子を照射する少なくとも1つの第2光ファイバーの少なくとも一方を有する、請求項6に記載の照明装置。 A first optical fiber disposed between the first photoluminescence light emitting element and the second light distribution control element, wherein the second light distribution control is performed by the white light taken in from one end and emitted from the other end. A first optical fiber for illuminating the element; and
At least one second optical fiber disposed between the second photoluminescence light emitting element and the at least one first light distribution control element, wherein the plurality of different optical fibers are taken in from one end and emitted from the other end. The lighting device according to claim 6, comprising at least one of at least one second optical fiber that irradiates the first light distribution control element with at least one of colored light.
前記第2励起光源と前記第2フォトルミネッセンス発光素子との間に配置された第2光ファイバーであって、一端から取り込まれ、他端から出射された前記第2励起光で前記第2フォトルミネッセンス発光素子を照射する第2光ファイバーの少なくとも一方を有する、請求項6または7に記載の照明装置。 A first optical fiber disposed between the first excitation light source and the first photoluminescence light-emitting element, the first photoluminescence emission by the first excitation light taken in from one end and emitted from the other end; A first optical fiber for illuminating the element; and
A second optical fiber disposed between the second excitation light source and the second photoluminescence light emitting element, the second photoluminescence emission by the second excitation light taken in from one end and emitted from the other end; The lighting device according to claim 6, comprising at least one of the second optical fibers that irradiates the element.
前記第2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、請求項6から8のいずれかに記載の照明装置。 The second photoluminescence light emitting element is:
A photoluminescence layer that receives the second excitation light and emits light having a wavelength of λ a in the air;
A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer;
A surface structure formed on at least one surface of the photoluminescence layer and the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The lighting device according to claim 6, wherein the surface structure limits a directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
前記白色光および前記複数の異なる色の光が入射する位置に配置された配光制御素子と、を備え、
前記配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記白色光を出射することによって、第1領域と、前記第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成し、かつ、前記配光制御素子によって進行方向および強度の少なくとも一方が変更された前記複数の異なる色の光を出射することによって、前記第2領域上に画像を表示する、照明装置。 A light source unit that independently emits white light and light of different colors;
A light distribution control element disposed at a position where the white light and the plurality of light of different colors are incident,
By emitting the white light whose at least one of the traveling direction and intensity is changed by the light distribution control element, the first region and the second region in the first region have relatively low illuminance. The second region is formed, and the plurality of different colors of light whose at least one of the traveling direction and intensity is changed by the light distribution control element are emitted to display an image on the second region. , Lighting equipment.
励起光源と、
前記励起光源からの励起光を受けて光を発するフォトルミネッセンス発光素子と、を有し、
前記フォトルミネッセンス発光素子は、
前記励起光を受けて前記白色光を発する第1フォトルミネッセンス部分と、
前記励起光を受けて前記複数の異なる色の光のうちの1つを発する第2フォトルミネッセンス部分と、を含む、請求項10から12のいずれかに記載の照明装置。 The light source unit is
An excitation light source;
A photoluminescence light emitting element that emits light in response to excitation light from the excitation light source,
The photoluminescence light emitting element is
A first photoluminescence portion that emits the white light in response to the excitation light;
The lighting device according to claim 10, further comprising: a second photoluminescence portion that receives the excitation light and emits one of the plurality of different colors of light.
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、請求項13から15のいずれかに記載の照明装置。 The second photoluminescence portion of the photoluminescence light emitting element is:
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength of λ a in the air in response to the excitation light;
A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer;
A surface structure formed on at least one surface of the photoluminescence layer and the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The lighting device according to claim 13, wherein the surface structure limits a directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer.
前記第1照明装置および前記第2照明装置の各々は、請求項1から16のいずれかに記載の照明装置であり、
前記第1照明装置における第1領域または第2領域の少なくとも一方は、前記第2照明装置における第1領域または第2領域の少なくとも一方との重なりを有する、照明システム。 An illumination system including a first illumination device and a second illumination device,
Each of the first lighting device and the second lighting device is the lighting device according to any one of claims 1 to 16,
At least one of the first region or the second region in the first lighting device has an overlap with at least one of the first region or the second region in the second lighting device.
天井と、
前記床面と前記天井とを結ぶ1以上の壁面と、
前記床面、前記天井および前記壁面の少なくともいずれかに設けられた複数の光出射部を含む照明システムと、と備え、
前記照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
前記複数の光出射部の各々の内部に配置された光変調素子と、
前記複数の光出射部と前記光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、前記白色光および前記複数の異なる色の光を前記複数の光出射部の各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
前記光変調素子の各々は、前記複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された前記白色光および前記複数の異なる色の光を変調し、
前記複数の光出射部の各々は、変調された前記白色光を出射することによって、第1領域と、前記第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを形成し、かつ、変調された前記複数の異なる色の光を出射することによって、前記第2領域上に画像を表示する、施設。 Floor surface,
The ceiling,
One or more wall surfaces connecting the floor surface and the ceiling;
An illumination system including a plurality of light emitting portions provided on at least one of the floor surface, the ceiling, and the wall surface; and
The lighting system includes:
A light source unit that independently emits white light and light of different colors;
A light modulation element disposed inside each of the plurality of light emitting portions;
A plurality of optical fibers disposed between the plurality of light emitting units and the light source unit, wherein the plurality of optical fibers transmit the white light and the plurality of different color lights to each of the plurality of light emitting units. And having
Each of the light modulation elements modulates the white light and the plurality of different colors emitted from the corresponding optical fiber among the plurality of optical fibers,
Each of the plurality of light emitting units emits the modulated white light, thereby generating a first region, a second region in the first region, and a second region having a relatively low illuminance. And displaying an image on the second region by emitting the modulated light of different colors.
前記フィールドと、
前記フィールドの周囲の少なくとも一部を囲む観客席と、
前記観客席の上方に配置された複数の照明ユニットを含む照明システムと、
前記複数の照明ユニットを支持する1以上の柱と、を有し、
前記照明システムは、
白色光および複数の異なる色の光を独立して出射する光源部と、
前記複数の照明ユニットの各々の内部に配置された光変調素子と、
前記複数の照明ユニットと前記光源部との間に配置された複数の光ファイバーであって、前記白色光および前記複数の異なる色の光を前記複数の照明ユニットの各々に伝送する複数の光ファイバーと、を有し、
前記光変調素子の各々は、前記複数の光ファイバーのうち、対応する光ファイバーから出射された前記白色光および前記複数の異なる色の光を変調し、
前記複数の照明ユニットの各々は、変調された前記白色光を出射することによって、第1領域と、前記第1領域中の第2領域であって、相対的に照度の低い第2領域とを前記フィールドの少なくとも一部に形成し、かつ、変調された前記複数の異なる色の光を出射することによって、前記第2領域上に画像を表示する、競技施設。 A competition facility with a field where the competition takes place,
The field;
A spectator seat surrounding at least a part of the periphery of the field;
An illumination system including a plurality of illumination units disposed above the audience seat;
One or more pillars supporting the plurality of lighting units;
The lighting system includes:
A light source unit that independently emits white light and light of different colors;
A light modulation element disposed inside each of the plurality of lighting units;
A plurality of optical fibers disposed between the plurality of illumination units and the light source unit, the plurality of optical fibers transmitting the white light and the plurality of different color lights to each of the plurality of illumination units; Have
Each of the light modulation elements modulates the white light and the plurality of different colors emitted from the corresponding optical fiber among the plurality of optical fibers,
Each of the plurality of illumination units emits the modulated white light, thereby providing a first region and a second region in the first region that has a relatively low illuminance. A competition facility that displays an image on the second region by emitting the plurality of different colors of light that are formed and modulated in at least a part of the field.
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