本申請涉及具有光致發(fā)光層的發(fā)光裝置。

背景技術：

對于照明器具、顯示器、投影儀之類的光學設備而言，存在指向性高的設備和指向性低的設備。熒光燈、白色LED等設備所使用的光致發(fā)光材料各向同性地發(fā)光。因此，這些設備在原理上具有指向性低即廣角的布光特性。但是，多種用途需要發(fā)光裝置向所需方向射出強光的特性；即，需要狹角的布光特性。通常的發(fā)光裝置為了向特定方向射出強光，與光致發(fā)光材料一起使用反射器、透鏡等光學部件。例如，專利文獻1公開了使用布光板和輔助反射板來確保指向性的照明系統(tǒng)。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2010-231941號公報

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

對于現(xiàn)有的發(fā)光裝置而言，不存在同時進行指向性高的(即，狹角布光的)發(fā)光和指向性低的(即，廣角布光的)發(fā)光的裝置。

本申請?zhí)峁┮环N具備新型結構的發(fā)光裝置，該新型結構具備狹角布光的發(fā)光和廣角布光的發(fā)光。

用于解決問題的手段

本申請的一個方案的發(fā)光裝置具備：光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)光；以及發(fā)光面，該發(fā)光面位于上述光致發(fā)光層上，并且射出由上述光致發(fā)光層產(chǎn)生的光。上述發(fā)光面包含第一區(qū)域和第二區(qū)域，上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，由上述第一區(qū)域 射出的上述第一光的指向角小于由上述第二區(qū)域射出的上述第一光的指向角。

本申請的另一個方案的發(fā)光裝置具備：第一發(fā)光層，該第一發(fā)光層包含接受激發(fā)光而發(fā)光的第一光致發(fā)光層；以及第二發(fā)光層，該第二發(fā)光層位于上述第一發(fā)光層的至少一部分之上，并且包含接受從上述第一發(fā)光層透過的上述激發(fā)光而發(fā)光的第二光致發(fā)光層。上述第一和第二光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。上述第一和第二發(fā)光層中的一個具有沿著與上述第一或第二光致發(fā)光層平行的面擴大的至少一個周期結構。上述至少一個周期結構包含多個凸部和多個凹部中的至少一者。當將上述一個發(fā)光層所包含的上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設定為n_wav-a、將上述至少一個周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。由上述一個發(fā)光層的表面射出的上述第一光的指向角小于由另一個發(fā)光層的表面射出的上述第一光的指向角。

上述總的方案或具體的方案可以通過器件、裝置、系統(tǒng)、方法或它們的任意組合來實現(xiàn)。

發(fā)明效果

基于本申請的某些實施方式的發(fā)光裝置由于具備狹角布光的區(qū)域和廣角布光的區(qū)域，因此能夠用于在使寬范圍明亮的同時使特定位置更明亮之類的用途。

基于本申請的某些實施方式的發(fā)光裝置具有新型構成，能夠根據(jù)新的機理對亮度、指向性或偏振特性進行控制。

附圖說明

圖1A是表示本申請某個實施方式的發(fā)光裝置10的示意性結構的剖視圖。

圖1B是表示另一個實施方式的發(fā)光裝置10的示意性構成的剖視示意圖。

圖2A是表示發(fā)光裝置10的發(fā)光面中的狹角布光區(qū)域40a和廣角布光區(qū)域40b的配置的一個例子的俯視圖。

圖2B是示意性地表示由發(fā)光裝置10射出的光的布光特性的圖。

圖3A是表示發(fā)光裝置10的另一個變形例的圖。

圖3B是示意性地表示由發(fā)光裝置10射出的光的布光特性的另一個例子的圖。

圖4是表示發(fā)光裝置10的又一個變形例的圖。

圖5是表示發(fā)光裝置10的再一個變形例的圖。

圖6是用于對發(fā)光裝置10中的狹角布光的區(qū)域與廣角布光的區(qū)域的體積比進行說明的圖。

圖7是表示使狹角布光的區(qū)域大于廣角布光的區(qū)域的發(fā)光裝置10的一個例子的俯視圖。

圖8A是表示基于某個實施方式的發(fā)光器件的構成的立體圖。

圖8B是圖8A所示的發(fā)光器件的局部剖視圖。

圖8C是表示基于另一個實施方式的發(fā)光器件的構成的立體圖。

圖8D是圖8C所示的發(fā)光器件的局部剖視圖。

圖9是表示分別改變發(fā)光波長和周期結構的周期來計算向正面方向射出的光的增強度的結果的圖。

圖10是圖示式(10)中的m＝1和m＝3的條件的圖表。

圖11是表示改變發(fā)光波長和光致發(fā)光層的厚度t來計算向正面方向輸出的光的增強度的結果的圖。

圖12A是表示厚度t＝238nm時計算向x方向?qū)Р?引導光(to guide light))的模式的電場分布的結果的圖。

圖12B是表示厚度t＝539nm時計算向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植嫉慕Y果的圖。

圖12C是表示厚度t＝300nm時計算向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植嫉慕Y果的圖。

圖13是表示以與圖9的計算相同的條件就光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式時計算光的增強度的結果的圖。

圖14A是表示二維周期結構的例子的俯視圖。

圖14B是表示就二維周期結構進行與圖9相同的計算的結果的圖。

圖15是表示改變發(fā)光波長和周期結構的折射率來計算向正面方向輸出的光的增強度的結果的圖。

圖16是表示以與圖15相同的條件將光致發(fā)光層的膜厚設定為1000nm時的結果的圖。

圖17是表示改變發(fā)光波長和周期結構的高度來計算向正面方向輸出的光的增強度的結果的圖。

圖18是表示以與圖17相同的條件將周期結構的折射率設定為n_p＝2.0時的計算結果的圖。

圖19是表示設定為光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式來進行與圖16所示的計算相同的計算的結果的圖。

圖20是表示以與圖16所示的計算相同的條件將光致發(fā)光層的折射率n_wav變更為1.5時的結果的圖。

圖21是表示在折射率為1.5的透明基板之上設置有與圖9所示的計算相同的條件的光致發(fā)光層和周期結構時的計算結果的圖。

圖22是圖示式(15)的條件的圖表。

圖23是表示具備圖8A、8B所示的發(fā)光器件100和使激發(fā)光射入光致發(fā)光層110的光源180的發(fā)光裝置200的構成例的圖。

圖24A是用于對通過使激發(fā)光與模擬導波模式結合而使光高效地射出的構成進行說明的第一圖。

圖24B是用于對通過使激發(fā)光與模擬導波模式結合而使光高效地射出的構成進行說明的第二圖。

圖24C是表示圖24A的構成中的光的吸收率的波長依賴性的圖。

圖24D是表示圖24B的構成中的光的吸收率的波長依賴性的圖。

圖25A是表示二維周期結構的一個例子的圖。

圖25B是表示二維周期結構的另一個例子的圖。

圖26A是表示在透明基板上形成了周期結構的變形例的圖。

圖26B是表示在透明基板上形成了周期結構的另一個變形例的圖。

圖26C是表示在圖26A的構成中改變發(fā)光波長和周期結構的周期來計算向正面方向輸出的光的增強度的結果的圖。

圖27是表示混合了多個粉末狀的發(fā)光器件的構成的圖。

圖28是表示在光致發(fā)光層之上二維地排列周期不同的多個周期結構的例子的俯視圖。

圖29是表示具有在表面上形成有凹凸結構的多個光致發(fā)光層110層疊而成的結構的發(fā)光器件的一個例子的圖。

圖30是表示在光致發(fā)光層110與周期結構120之間設置了保護層150的構成例的剖視圖。

圖31是表示通過僅加工光致發(fā)光層110的一部分來形成周期結構120的例子的圖。

圖32是表示形成在具有周期結構的玻璃基板上的光致發(fā)光層的截面TEM圖像的圖。

圖33是表示測定試制的發(fā)光器件的出射光的正面方向的光譜的結果的圖表。

圖34(a)和(b)是表示試制的發(fā)光器件的出射光的角度依賴性的測定結果(上段)和計算結果(下段)的圖表。

圖35(a)和(b)是表示試制的發(fā)光器件的出射光的角度依賴性的測定結果(上段)和計算結果(下段)的圖表。

圖36是表示測定試制的發(fā)光器件的出射光(波長為610nm)的角度依賴性的結果的圖表。

圖37是示意性地表示平板型波導的一個例子的立體圖。

符號說明

10 發(fā)光裝置

20 激發(fā)光源

30、30a、30b 光致發(fā)光層

40 發(fā)光面

40a 狹角取向區(qū)域

40b 廣角取向區(qū)域

60a 第一發(fā)光層

60b 第二發(fā)光層

100、100a 發(fā)光器件

110 光致發(fā)光層(導波層)

120、120’、120a、120b、120c 透光層(周期結構、亞微米結構)

140 透明基板

150 保護層

180 光源

200 發(fā)光裝置

具體實施方式

[1.本申請的實施方式的概要]

本申請包括以下項目所述的發(fā)光器件和發(fā)光裝置。

[項目1]

一種發(fā)光裝置，其具備：

光致發(fā)光層，該光致發(fā)光層接受激發(fā)光而發(fā)光；以及

發(fā)光面，該發(fā)光面位于上述光致發(fā)光層上，并且射出由上述光致發(fā)光層產(chǎn)生的光，

其中，上述發(fā)光面包含第一區(qū)域和第二區(qū)域，

上述光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

由上述第一區(qū)域射出的上述第一光的指向角小于由上述第二區(qū)域射出的上述第一光的指向角。

[項目2]

根據(jù)項目1所述的發(fā)光裝置，其中，上述第一區(qū)域為與上述光致發(fā)光層接近的透光層的表面。

[項目3]

根據(jù)項目2所述的發(fā)光裝置，其中，上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一個具有包含多個凸部和多個凹部中的至少一者的至少一個周期結構，

當將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設定為n_wav-a、將上述至少一個周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。

[項目4]

根據(jù)項目3所述的發(fā)光裝置，其中，上述透光層具有上述至少一個周期結構。

[項目5]

根據(jù)項目1所述的發(fā)光裝置，其中，上述發(fā)光面為上述光致發(fā)光層的表面。

[項目6]

根據(jù)項目5所述的發(fā)光裝置，其中，上述光致發(fā)光層在上述第一區(qū)域具有包含多個凸部和多個凹部中的至少一者的至少一個周期結構，

當將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設定為n_wav-a、將上述至少一個周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。

[項目7]

根據(jù)項目5所述的發(fā)光裝置，其中，上述光致發(fā)光層在上述表面相反一側(cè)的面上的與上述第一區(qū)域相對置的區(qū)域具有包含多個凸部和多個凹部中的至少一者的至少一個周期結構，

當將上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設定為n_wav-a、將上述至少一個周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。

[項目8]

根據(jù)項目1～7中任一項所述的發(fā)光裝置，其中，上述第二區(qū)域的至少一部分位于上述發(fā)光面的端部。

[項目9]

根據(jù)項目1～8中任一項所述的發(fā)光裝置，其中，上述第二區(qū)域包圍上述第一區(qū)域。

[項目10]

根據(jù)項目1～9中任一項所述的發(fā)光裝置，其中，上述第一區(qū)域的面積大于上述第二區(qū)域的面積。

[項目11]

根據(jù)項目1～10中任一項所述的發(fā)光裝置，其中，上述第二區(qū)域的面積大于上述第一區(qū)域的面積。

[項目12]

一種發(fā)光裝置，其具備：

第一發(fā)光層，該第一發(fā)光層包含接受激發(fā)光而發(fā)光的第一光致發(fā)光層；以及

第二發(fā)光層，該第二發(fā)光層位于上述第一發(fā)光層的至少一部分之上， 并且包含接受從上述第一發(fā)光層透過的上述激發(fā)光而發(fā)光的第二光致發(fā)光層，

其中，上述第一和第二光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光，

上述第一和第二發(fā)光層中的一個具有沿著與上述第一或第二光致發(fā)光層平行的面擴大的至少一個周期結構，上述至少一個周期結構包含多個凸部和多個凹部中的至少一者，

當將上述一個發(fā)光層所包含的上述光致發(fā)光層對上述第一光的折射率設定為n_wav-a、將上述至少一個周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系，

由上述一個發(fā)光層的表面射出的上述第一光的指向角小于由另一個發(fā)光層的表面射出的上述第一光的指向角。

[項目13]

根據(jù)項目12所述的發(fā)光裝置，其中，上述第一和第二發(fā)光層中的上述一個包含與上述一個發(fā)光層所包含的上述光致發(fā)光層接近的透光層，

上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一個具有上述至少一個周期結構。

[項目14]

根據(jù)項目12所述的發(fā)光裝置，其中，上述第一和第二發(fā)光層中的上述一個所包含的上述光致發(fā)光層具有上述至少一個周期結構。

[項目15]

根據(jù)項目12所述的發(fā)光裝置，其中，上述第二發(fā)光層具有上述至少一個周期結構，

由上述第二發(fā)光層的上述表面射出的上述第一光的指向角小于由上述第一發(fā)光層的上述表面射出的上述第一光的指向角。

[項目16]

根據(jù)項目2、3、4或13所述的發(fā)光裝置，其中，上述光致發(fā)光層與上述透光層直接接觸。

[項目17]

根據(jù)項目1～16中任一項所述的發(fā)光裝置，其還具備射出上述激發(fā)光 的激發(fā)光源。

以往，不存在包含相對窄的指向角(即狹角布光)的發(fā)光區(qū)域和相對寬的指向角(即廣角布光)的發(fā)光區(qū)域這兩者的發(fā)光裝置。為了實現(xiàn)這樣的發(fā)光裝置，除了將現(xiàn)有的廣角布光的光源與使用反射器、透鏡等光學部件實現(xiàn)狹角布光的光源組合起來以外，沒有其他方法。但是，就這樣的僅將兩種光源組合起來的構成來說，需要分別制造各個光源，并使它們結合起來，因此制造工序變多。

本申請的發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)了上述問題，對一個發(fā)光器件具備狹角布光的發(fā)光區(qū)域和廣角布光的發(fā)光區(qū)域的結構進行了深入研究。其結果發(fā)現(xiàn)：通過采用以下說明的實施方式的結構，能夠簡易地制造具有狹角布光和廣角布光這兩種特性的發(fā)光裝置。

圖1A是表示本申請的某個實施方式的發(fā)光裝置10的示意性結構的剖視圖。該發(fā)光裝置10具備：激發(fā)光源20，該激發(fā)光源20發(fā)出激發(fā)光；光致發(fā)光層30，該光致發(fā)光層30接受激發(fā)光而發(fā)光；以及發(fā)光面40，該發(fā)光面40位于光致發(fā)光層30之上，并且射出由光致發(fā)光層30產(chǎn)生的光。發(fā)光面40包含第一區(qū)域40a和第二區(qū)域40b。光致發(fā)光層30所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。波長λ_a例如為可見光波長區(qū)域所包含的任意波長。典型來說，光致發(fā)光層30所發(fā)出的光可以為與白色光接近的寬波長區(qū)域的光。由第一區(qū)域40a射出的第一光的指向角小于由第二區(qū)域40b射出的第一光的指向角。這里“指向角”定義為由發(fā)光面射出的光的強度為最大的方向與光的強度為最大強度的50％的方向之間的角度。以下說明中，有時將第一區(qū)域40a稱為“狹角布光區(qū)域40a”，將第二區(qū)域40b稱為“廣角布光區(qū)域40b”。

在圖1A所示的例子中，發(fā)光面40為光致發(fā)光層30的表面。圖1A雖然被繪制為像是在發(fā)光面40與光致發(fā)光層30之間存在界面，但實際上并不存在這樣的界面。

圖1B是表示另一個實施方式的發(fā)光裝置10的示意性構成的剖視示意圖。該發(fā)光裝置10a還具備位于光致發(fā)光層30之上的透光層50。在該例子中，透光層50的表面為發(fā)光面40。圖1B雖然也被繪制為像是在發(fā)光面40與透光層50之間存在界面，但實際上并不存在這樣的界面。

本申請的發(fā)明者們所發(fā)現(xiàn)的新型結構(稱為亞微米結構或周期結構)可以設置在發(fā)光面40中的第一區(qū)域40a。詳細內(nèi)容將會在后面敘述，不過該結構具有沿著發(fā)光面平行的面擴大的至少一個周期結構。當將光致發(fā)光層30對第一光的折射率設定為n_wav-a、將上述周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。通過滿足這樣的條件，如后所述實現(xiàn)指向性高的發(fā)光。

上述的周期結構不需要設置在第一區(qū)域40a本身上，可以設置在第一區(qū)域40a與激發(fā)光源20之間的區(qū)域。周期結構也可以設置在光致發(fā)光層30或透光層50的發(fā)光面40相反一側(cè)的面上的與第一區(qū)域40a相對置的部分。

上述那樣的周期結構沒有設置在第二區(qū)域40b。第二區(qū)域40b可以為例如玻璃、合成樹脂等透光性的罩或使光散射的散射板等的表面。

圖2A是表示發(fā)光裝置10的發(fā)光面上的狹角布光區(qū)域40a和廣角布光區(qū)域40b的配置的一個例子的俯視圖。圖2B是示意性地表示由發(fā)光裝置10射出的光的布光特性的圖。在該例子中，第一區(qū)域40a位于發(fā)光面的中央附近，第二區(qū)域40b包圍第一區(qū)域40b。由發(fā)光面的第一區(qū)域40a射出狹角布光的光L1。由第二區(qū)域40b射出廣角布光的光L2。通過這樣的構成，能夠在照亮寬范圍的同時對特定位置進行更強烈的照射。

圖3A和圖3B是表示發(fā)光裝置10的另一個變形例的圖。在該發(fā)光裝置10中，第二區(qū)域40b位于發(fā)光面40的端部。這樣，第二區(qū)域40b的至少一部分可以設置在發(fā)光面40的端部。由此，例如能夠在使房間整體明亮的同時對照射房間的角落進行更強烈的照射。

圖4表示發(fā)光裝置10的又一個變形例的圖。在該例子中，發(fā)光裝置10具備廣角布光的第一發(fā)光層60a和位于其之上的狹角布光的第二發(fā)光層60b。第一發(fā)光層60a包含第一光致發(fā)光層30a。第二發(fā)光層60b包含第二光致發(fā)光層30b和發(fā)光面40。在該例子中，發(fā)光面40為光致發(fā)光層30b的表面，但如上述的例子那樣，也可以為透光層的表面。光致發(fā)光層30a、30b既可以由相同材料構成，也可以由不同的材料構成。

光致發(fā)光層30a、30b所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。發(fā)光層60b上的發(fā)光面40具有沿著與其內(nèi)部的光致發(fā)光層30b平行的面擴大的至少一個周期結構。當將光致發(fā)光層30b對第一光的折射率設定為n_wav-a、 將至少一個周期結構的周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。其結果是，由發(fā)光面40射出的第一光的指向角小于由發(fā)光層60a的表面(該例子為與光致發(fā)光層30b接觸的面)射出的第一光的指向角。

該例子是第二發(fā)光層60b具有周期結構，但第一發(fā)光層60a也可以具有周期結構。此時，可以在第一發(fā)光層60a所包含的光致發(fā)光層30a或未圖示的透光層設置周期結構。

圖5是表示發(fā)光裝置10的又一個變形例的圖。在該發(fā)光裝置10中，狹角布光的發(fā)光層(發(fā)光區(qū)域)60b位于廣角布光的發(fā)光層(發(fā)光區(qū)域)60a的一部分之上。如該例子那樣，狹角布光的發(fā)光區(qū)域也可以埋入廣角布光的發(fā)光區(qū)域。

如圖4和圖5所示的例子那樣，通過在不同的面上形成(層疊)狹角布光的發(fā)光區(qū)域和廣角布光的發(fā)光區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。

以上的例子對于狹角布光區(qū)域和廣角布光區(qū)域的配置、形狀、大小，可以根據(jù)利用用途來適當設計。也可以設置用于錯開狹角布光區(qū)域的位置的車輪、電機等驅(qū)動機構，或者使用根據(jù)遙控器等的操作使狹角布光區(qū)域的位置、亮度、顏色變化的控制機構。

圖6是用于對發(fā)光裝置10中的狹角布光的區(qū)域與廣角布光的區(qū)域的體積比進行說明的圖。為了使房間明亮所需的光束例如對約16m²的房間來說為4000～5000lm左右。而為了作業(yè)所需的光束例如對1m²的作業(yè)空間來說為750～1500lm左右。該例子由于廣角布光的光束所需的量比狹角布光的光束所需的量更多，因此設計為廣角布光的區(qū)域的體積大于狹角布光的發(fā)光區(qū)域的體積。在該用途中，狹角布光的區(qū)域的體積與廣角布光的發(fā)光區(qū)域的體積的比例可以為例如1/5～1/2。

另一方面，也可以設計為狹角布光的區(qū)域大于廣角布光的區(qū)域。圖7是表示這樣設計出來的發(fā)光裝置10的一個例子的俯視圖。該發(fā)光裝置10具有與圖1A或圖1B所示的構成相同的構成。其中，在狹角取向區(qū)域40a明顯大于廣角取向區(qū)域40b這一點上，與上述的構成不同。在該例子中，狹角取向區(qū)域40a的面積占到發(fā)光面的面積的八成以上。這樣的構成主要適用于利用指向性高的光的用途。廣角取向區(qū)域40b可以為包圍狹角取向區(qū)域40a的玻璃或合成樹脂等的框(所謂的框子)。在主要利用指向性高的 光的用途的情況下，廣角取向區(qū)域40b與其說是可以作為發(fā)光區(qū)域發(fā)揮功能，不如說是可以作為框子發(fā)揮功能。即，也可以在將發(fā)光裝置10安裝于殼體等支撐部時作為抓握部分發(fā)揮功能。當抓握廣角取向區(qū)域40b來固定于支撐部時，能夠不損傷狹角取向區(qū)域40a而容易地進行組裝。以上的例子是發(fā)光裝置10具備激發(fā)光源，但激發(fā)光源也可以為發(fā)光裝置10的外部要素。另外，用于實現(xiàn)狹角布光的構成不限于使用周期結構的構成。當為如圖1A和圖1B所例示的那樣多個發(fā)光區(qū)域共用一個光致發(fā)光層的類型時，只要以由多個區(qū)域射出指向性不同的光的方式進行設計就行。例如，可以在第一區(qū)域40a裝入現(xiàn)存的指向性較高的LED等光源，在第二區(qū)域40b設置光擴散板。

以下，對用于實現(xiàn)狹角布光的周期結構進行更詳細說明。周期結構不需要完全為周期性的結構，只要至少一部分為周期性的就行。另外，也可以是多個周期結構的組合。在周期結構的周期小于微米級的情況下，也可以將這樣的結構稱為“亞微米結構”。用于狹角布光的發(fā)光器件可以采用例如以下說明的各種構成。

基于本申請的某個實施方式的發(fā)光器件具有：光致發(fā)光層；透光層，該透光層以與上述光致發(fā)光層接近的方式配置；以及亞微米結構，該亞微米結構形成在上述光致發(fā)光層和上述透光層中的至少一個上，并且向上述光致發(fā)光層或上述透光層的面內(nèi)擴散。亞微米結構包含多個凸部或多個凹部。光致發(fā)光層所發(fā)出的光包括空氣中的波長為λ_a的第一光。當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離設定為D_int、將光致發(fā)光層對第一光的折射率設定為n_wav-a時，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關系。波長λ_a例如在可見光的波長范圍內(nèi)(例如380nm～780nm)。在利用紅外線的用途中，波長λ_a有時也可以超過780nm。在本申請中，將包括紅外線在內(nèi)的放射線全部表示為“光”。

光致發(fā)光層包含光致發(fā)光材料。光致發(fā)光材料是指接受激發(fā)光而發(fā)光的材料。光致發(fā)光材料狹義地包括熒光材料和磷光材料，不僅包括無機材料，也包括有機材料(例如色素)，還包括量子點(即，半導體微粒)。光致發(fā)光層除了光致發(fā)光材料以外，還可以包含基質(zhì)材料(即，主體材料)。基質(zhì)材料例如為玻璃、氧化物等無機材料、樹脂。

以與光致發(fā)光層接近的方式配置的透光層由對于光致發(fā)光層所發(fā)出的 光透射率高的材料形成。例如，由無機材料、樹脂形成。透光層例如優(yōu)選由電介質(zhì)(特別是光的吸收少的絕緣體)形成。透光層例如可以為支撐光致發(fā)光層的基板。在光致發(fā)光層的空氣側(cè)的表面具有亞微米結構的情況下，空氣層可以為透光層。

發(fā)光器件如后面參照計算結果和實驗結果所詳述的那樣，根據(jù)形成在光致發(fā)光層和透光層中的至少一個上的亞微米結構(例如周期結構)，在光致發(fā)光層和透光層的內(nèi)部形成獨特的電場分布。該電場分布是導波光與亞微米結構相互作用而形成的，也可以表示為“模擬導波模式”。通過利用該模擬導波模式，如在以下所說明的那樣，能夠得到光致發(fā)光的發(fā)光效率增大、指向性提高、偏振光的選擇性的效果。此外，以下的說明中，有時使用模擬導波模式這一用語對本申請的發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)的新型構成和/或新的機理進行說明。以下的說明不過是一種例示性的說明，任何意義上來說都不是要限定本申請。

亞微米結構包含多個凸部和多個凹部中的至少一者。當將相鄰的凸部之間或凹部之間的距離(即，中心間距離)設定為D_int時，滿足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關系。λ表示光的波長，λ_a表示空氣中的光的波長。n_wav為光致發(fā)光層的折射率。在光致發(fā)光層為混合有多種材料的介質(zhì)的情況下，將各材料的折射率以各自的體積比率加權而得到的平均折射率設定為n_wav。通常折射率n依賴于波長，因此優(yōu)選將對λ_a的光的折射率表示為n_wav-a，但有時為了簡化會省略。n_wav基本上是光致發(fā)光層的折射率。但是，在與光致發(fā)光層相鄰的層的折射率大于光致發(fā)光層的折射率的情況下，將該折射率大的層的折射率和光致發(fā)光層的折射率以各自的體積比率加權而得到的平均折射率設定為n_wav。這是因為，此時光學上與光致發(fā)光層由多個不同材料的層構成的情況等價。

當將介質(zhì)對模擬導波模式的光的有效折射率設定為n_eff時，滿足n_a＜n_eff＜n_wav。這里，n_a為空氣的折射率。如果認為模擬導波模式的光為在光致發(fā)光層的內(nèi)部一邊以入射角θ全反射一邊傳播的光，則有效折射率n_eff可寫作n_eff＝n_wavsinθ。另外，有效折射率n_eff由存在于模擬導波模式的電場分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率確定，因此例如在透光層形成了亞微米結構的情況下，不僅依賴于光致發(fā)光層的折射率，還依賴于透光層的折射率。另外，由于 根據(jù)模擬導波模式的偏振方向(TE模式和TM模式)的不同，電場的分布不同，因此在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff可以不同。

亞微米結構形成在光致發(fā)光層和透光層中的至少一個上。在光致發(fā)光層與透光層互相接觸時，也可以在光致發(fā)光層與透光層的界面上形成亞微米結構。此時，光致發(fā)光層和透光層具有亞微米結構。光致發(fā)光層也可以不具有亞微米結構。此時，具有亞微米結構的透光層以與光致發(fā)光層接近的方式配置。這里，所謂的透光層(或其亞微米結構)與光致發(fā)光層接近典型來說是指：它們之間的距離為波長λ_a的一半以下。由此，導波模式的電場達到亞微米結構，形成模擬導波模式。但是，在透光層的折射率比光致發(fā)光層的折射率大時，即使不滿足上述的關系，光也到達透光層，因此透光層的亞微米結構與光致發(fā)光層之間的距離也可以超過波長λ_a的一半。本說明書中，在光致發(fā)光層與透光層處于導波模式的電場到達亞微米結構、形成模擬導波模式那樣的配置關系的情況下，有時表示兩者互相關聯(lián)。

亞微米結構如上所述滿足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的關系，具有大小為亞微米量級的特征。亞微米結構例如如以下詳細說明的實施方式的發(fā)光器件中那樣，可以包含至少一個周期結構。至少一個周期結構當將周期設定為p_a時，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的關系。即，此時，亞微米結構可以包含相鄰的凸部之間的距離D_int為p_a且固定的周期結構。如果亞微米結構包含周期結構，則模擬導波模式的光通過一邊傳播一邊與周期結構反復相互作用，被亞微米結構衍射。這與在自由空間傳播的光通過周期結構而衍射的現(xiàn)象不同，而是光一邊導波(即，一邊反復全反射)一邊與周期結構作用的現(xiàn)象。因此，即使由周期結構引起的相移小(即，即使周期結構的高度小)，也能夠高效地引起光的衍射。

如果利用如上所述的機理，則通過由模擬導波模式增強電場的效果，光致發(fā)光的發(fā)光效率增大，并且產(chǎn)生的光與模擬導波模式結合。模擬導波模式的光的前進角度僅彎曲被周期結構規(guī)定的衍射角度。通過利用該現(xiàn)象，能夠向特定方向射出特定波長的光(指向性顯著提高)。進而，由于在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff(＝n_wavsinθ)不同，因此還能夠同時得到高偏振光的選擇性。例如，如后面實驗例所示，能夠得到向正面方向射出強的特定波長(例如610nm)的直線偏振光(例如TM模式)的發(fā)光器 件。此時，向正面方向射出的光的指向角例如低于15°。

相反地，如果亞微米結構的周期性降低，則指向性、發(fā)光效率、偏振度以及波長選擇性變?nèi)?。只要根?jù)需要調(diào)整亞微米結構的周期性就行。周期結構既可以為偏振光的選擇性高的一維周期結構，也可以是能夠減小偏振度的二維周期結構。

亞微米結構可以包含多個周期結構。多個周期結構例如周期互相不同，或者，具有周期性的方向(軸)互相不同。多個周期結構可以形成在同一面內(nèi)，也可以形成在不同的面。當然，發(fā)光器件可以具有多個光致發(fā)光層和多個透光層，它們也可以具有多個亞微米結構。

亞微米結構不僅能夠用于控制光致發(fā)光層所發(fā)出的光，而且還能夠用于將激發(fā)光高效地導向光致發(fā)光層。即，激發(fā)光被亞微米結構衍射，與將光致發(fā)光層和透光層導波的模擬導波模式結合，由此能夠高效地激發(fā)光致發(fā)光層。只要使用當將激發(fā)光致發(fā)光材料的光在空氣中的波長設定為λ_ex、將光致發(fā)光層對該激發(fā)光的折射率設定為n_wav-ex時成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的關系的亞微米結構就行。n_wav-ex為光致發(fā)光材料對激發(fā)波長的折射率?？梢允褂镁哂挟攲⒅芷谠O定為p_ex成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的關系的周期結構的亞微米結構。激發(fā)光的波長λ_ex例如為450nm，但也可以為比可見光短的波長。在激發(fā)光的波長處于可見光的范圍內(nèi)的情況下，也可以設定為與光致發(fā)光層所發(fā)出的光一起射出激發(fā)光。

[2.作為本申請的基礎的認識]

接著，對作為本申請的基礎的認識進行說明。如上所述，熒光燈、白色LED等所使用的光致發(fā)光材料各向同性地發(fā)光。為了用光照射特定方向，需要反射器、透鏡等光學部件。然而，如果光致發(fā)光層自身以指向性地發(fā)光，就不需要(或者能夠減小)如上所述的光學部件，從而能夠大幅縮小光學設備或器具的大小。本申請的發(fā)明者們根據(jù)這樣的設想，為了得到指向性發(fā)光，對光致發(fā)光層的構成進行了詳細研究。

本申請的發(fā)明者們首先認為：為了使來自光致發(fā)光層的光偏向特定方向，要使發(fā)光本身具有特定方向性。作為表征發(fā)光的指標的發(fā)光率Γ根據(jù)費米的黃金法則，由以下的式(1)表示。

式(1)中，r是表示位置的向量，λ為光的波長，d為偶極向量，E為電場向量，ρ為狀態(tài)密度。就除了一部分結晶性物質(zhì)以外的多種物質(zhì)而言，偶極向量d具有隨機的方向性。另外，在光致發(fā)光層的尺寸和厚度比光的波長足夠大的情況下，電場E的大小也不依賴于朝向而基本固定。因此，在絕大多數(shù)情況下，<(d·E(r))>²的值不依賴于方向。即，發(fā)光率Γ不依賴于方向而固定。因此，在絕大多數(shù)情況下，光致發(fā)光層各向同性地發(fā)光。

另一方面，為了由式(1)得到各向異性的發(fā)光，需要進行使偶極向量d匯集在特定方向或者增強電場向量的特定方向的成分中的任意一種。通過進行它們中的任意一種，能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。本申請中，對用于利用通過將光封閉在光致發(fā)光層中的效果將特定方向的電場成分增強的模擬導波模式的構成進行了研究，以下對分析的結果進行詳細說明。

本申請的發(fā)明者們認為要使用電場強的導波模式對發(fā)光進行控制。通過設定為導波結構本身含有光致發(fā)光材料的構成，能夠使得發(fā)光與導波模式結合。但是，如果僅使用光致發(fā)光材料形成導波結構，則由于發(fā)出的光成為導波模式，因此向正面方向幾乎出不來光。于是，本申請的發(fā)明者們認為要對包含光致發(fā)光材料的波導和周期結構(由多個凸部和多個凹部中的至少一者形成)進行組合。在周期結構與波導接近、光的電場一邊與周期結構重疊一邊導波的情況下，通過周期結構的作用，存在模擬導波模式。即，該模擬導波模式是被周期結構所限制的導波模式，其特征在于，電場振幅的波腹以與周期結構的周期相同的周期產(chǎn)生。該模式是通過光被封閉在導波結構中從而電場向特定方向被增強的模式。進而，由于通過該模式與周期結構進行相互作用，通過衍射效果轉(zhuǎn)換為特定方向的傳播光，因此能夠向波導外部射出光。另外，由于除了模擬導波模式以外的光被封閉在波導內(nèi)的效果小，因此電場不被增強。所以，大多數(shù)發(fā)光與具有大的電場成分的模擬導波模式結合。

即，本申請的發(fā)明者們認為通過將以周期結構接近的方式設置的波導設定為包含光致發(fā)光材料的光致發(fā)光層(或者具有光致發(fā)光層的導波層)，使發(fā)光與轉(zhuǎn)換為特定方向的傳播光的模擬導波模式結合，實現(xiàn)具有指向性的光源。

作為導波結構的簡便構成，著眼于平板型波導。平板型波導是指光的 導波部分具有平板結構的波導。圖37是示意性地表示平板型波導110S的一個例子的立體圖。在波導110S的折射率比支撐波導110S的透明基板140的折射率高時，存在在波導110S內(nèi)傳播的光的模式。通過將這樣的平板型波導設定為包含光致發(fā)光層的構成，由于由發(fā)光點產(chǎn)生的光的電場與導波模式的電場大幅重合，因此能夠使光致發(fā)光層中產(chǎn)生的光的大部分與導波模式結合。進而，通過將光致發(fā)光層的厚度設定為光的波長程度，能夠作出僅存在電場振幅大的導波模式的狀況。

進而，在周期結構與光致發(fā)光層接近的情況下，通過導波模式的電場與周期結構相互作用而形成模擬導波模式。即使在光致發(fā)光層由多個層構成的情況下，只要導波模式的電場達到周期結構，就會形成模擬導波模式。不需要光致發(fā)光層全部都為光致發(fā)光材料，只要其至少一部分區(qū)域具有發(fā)光的功能就行。

另外，在由金屬形成周期結構的情況下，形成導波模式和基于等離子體共振效應的模式，該模式具有與上面所述的模擬導波模式不同的性質(zhì)。此外，該模式由于金屬導致的吸收多，因此損失變大，發(fā)光增強的效果變小。所以，作為周期結構，優(yōu)選使用吸收少的電介質(zhì)。

本申請的發(fā)明者們首先研究了使發(fā)光與通過在這樣的波導(例如光致發(fā)光層)的表面形成周期結構而能夠作為特定角度方向的傳播光射出的模擬導波模式結合。圖1A是示意性地表示具有這樣的波導(例如光致發(fā)光層)110和周期結構(例如透光層)120的發(fā)光器件100的一個例子的立體圖。此外，圖8A示出了參照圖1A～圖7進行了說明的與狹角取向區(qū)域40a相對應的部分的結構。示出周期結構以后的圖也是相同的。以下，在透光層120形成了周期結構的情況下(即，在透光層120形成有周期性的亞微米結構的情況下)，有時將透光層120稱為周期結構120。在該例子中，周期結構120是分別在y方向延伸的條紋狀的多個凸部在x方向上等間隔排列的一維周期結構。圖8B是將該發(fā)光器件100用與xz面平行的平面切斷時的剖視圖。如果以與波導110接觸的方式設置周期p的周期結構120，則面內(nèi)方向的具有波數(shù)k_wav的模擬導波模式被轉(zhuǎn)換為波導外的傳播光，該波數(shù)k_out能夠用以下的式(2)表示。

$k_{out}=k_{wav}-m\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p}---\left(2\right)$

式(2)中的m為整數(shù)，表示衍射的次數(shù)。

這里，為了簡化，可以近似地將在波導內(nèi)導波的光看作是以角度θ_wav傳播的光線，成立以下的式(3)和(4)。

$\frac{k_{wav}{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}=n_{wav}{\mathrm{sin\&theta;}}_{wav}---\left(3\right)$

$\frac{k_{out}{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\mathrm{\&pi;}}=n_{out}{\mathrm{sin\&theta;}}_{out}---\left(4\right)$

在這些式子中，λ₀為光在空氣中的波長，n_wav為波導的折射率，n_out為出射側(cè)的介質(zhì)的折射率，θ_out為光射出到波導外的基板或空氣時的出射角度。由式(2)～(4)可知，出射角度θ_out能夠用以下的式(5)表示。

n_out sinθ_out＝n_wav sinθ_wav-mλ₀/p (5)

根據(jù)式(5)可知，在n_wavsinθ_wav＝mλ₀/p成立時，θ_out＝0，能夠使光向與波導的面垂直的方向(即，正面)射出。

根據(jù)如上的原理，可以認為通過使發(fā)光與特定模擬導波模式結合，進而利用周期結構轉(zhuǎn)換為特定出射角度的光，能夠使強的光向該方向射出。

為了實現(xiàn)如上所述的狀況，有幾個制約條件。首先，為了使模擬導波模式存在，需要在波導內(nèi)傳播的光全反射。用于此的條件用以下的式(6)表示。

n_out＜n_wavsinθ_wav (6)

為了使該模擬導波模式通過周期結構衍射并使光射出到波導外，式(5)中需要-1＜sinθ_out＜1。因此，需要滿足以下的式(7)。

$-1<\frac{n_{wav}}{n_{out}}{\mathrm{sin\&theta;}}_{wav}-\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{out}p}<1---\left(7\right)$

對此，如果考慮式(6)，可知只要成立以下的式(8)就行。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{2n_{out}}<p---\left(8\right)$

進而，為了使得由波導110射出的光的方向為正面方向(θ_out＝0)，由式(5)可知需要以下的式(9)。

p＝mλ₀/(n_wavsinθ_wav) (9)

由式(9)和式(6)可知，必要條件為以下的式(10)。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{out}}---\left(10\right)$

此外，在設置如圖8A和圖8B所示的周期結構的情況下，由于m為2以上的高次的衍射效率低，所以只要以m＝1的一次衍射光為重點進行設計就行。因此，在本實施方式的周期結構中，設定為m＝1，以滿足將式(10)變形得到的以下的式(11)的方式，確定周期p。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{out}}---\left(11\right)$

如圖8A和圖8B所示，在波導(光致發(fā)光層)110不與透明基板接觸的情況下，n_out為空氣的折射率(約1.0)，因此只要以滿足以下的式(12)的方式確定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<{\mathrm{\&lambda;}}_0---\left(12\right)$

另一方面，可以采用如圖8C和圖8D所例示的那樣在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110和周期結構120的結構。在這種情況下，由于透明基板140的折射率n_s比空氣的折射率大，因此只要以滿足在式(11)中設定為n_out＝n_s得到的下式(13)的方式確定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{n_s}---\left(13\right)$

此外，式(12)、(13)考慮了式(10)中m＝1的情況，但也可以m≥2。即，在如圖8A和圖8B所示發(fā)光器件100的兩面與空氣層接觸的情況下，只要將m設定為1以上的整數(shù)并以滿足以下的式(14)的方式設定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<{\mathrm{m\&lambda;}}_0---\left(14\right)$

同樣地，在如圖8C和圖8D所示的發(fā)光器件100a那樣將光致發(fā)光層110形成在透明基板140上的情況下，只要以滿足以下的式(15)的方式設定周期p就行。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_{wav}}<p<\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{n_s}---\left(15\right)$

通過以滿足以上的不等式的方式確定周期結構的周期p，能夠使由光致發(fā)光層110產(chǎn)生的光向正面方向射出，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的發(fā)光裝置。

[3.通過計算進行的驗證]

[3-1.周期、波長依賴性]

本申請的發(fā)明者們利用光學解析驗證了如上那樣向特定方向射出光實際上是否可能。光學解析通過使用了Cybernet公司的DiffractMOD的計算進行。這些計算中，在對發(fā)光器件由外部垂直地射入光時，通過計算光致發(fā)光層中的光吸收的增減，求出向外部垂直地射出的光的增強度。由外部射入的光與模擬導波模式結合而被光致發(fā)光層吸收的過程對應于：對與光致發(fā)光層中的發(fā)光和模擬導波模式結合而轉(zhuǎn)換為向外部垂直地射出的傳播光的過程相反的過程進行計算。另外，在模擬導波模式的電場分布的計算中，也同樣計算由外部射入光時的電場。

將光致發(fā)光層的膜厚設定為1μm，將光致發(fā)光層的折射率設定為n_wav＝1.8，將周期結構的高度設定為50nm，將周期結構的折射率設定為1.5，分別改變發(fā)光波長和周期結構的周期，計算向正面方向射出的光的增強度，將其結果表示在圖9中。計算模型如圖8A所示，設定為在y方向上為均勻的一維周期結構、光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式，由此進行計算。由圖9的結果可知，增強度的峰在某個特定波長和周期的組合中存在。此外，在圖9中，增強度的大小用顏色的深淺來表示，深(即黑)的增強度大，淺(即白)的增強度小。

在上述的計算中，周期結構的截面設定為如圖8B所示的矩形。圖10表示圖示式(10)中的m＝1和m＝3的條件的圖表。比較圖9和圖19可知，圖9中的峰位置存在于與m＝1和m＝3相對應的地方。m＝1的強度強是因為相比于三次以上的高次衍射光，一次衍射光的衍射效率高。不存在m＝2的峰是因為周期結構中的衍射效率低。

在圖10所示的分別與m＝1和m＝3相對應的區(qū)域內(nèi)，圖9中能夠確認存在多個線?？梢哉J為這是因為存在多個模擬導波模式。

[3-2.厚度依賴性]

圖11是表示將光致發(fā)光層的折射率設定為n_wav＝1.8、將周期結構的周 期設定為400nm、將高度設定為50nm、將折射率設定為1.5并改變發(fā)光波長和光致發(fā)光層的厚度t來計算向正面方向輸出的光的增強度的結果的圖?？芍敼庵掳l(fā)光層的厚度t為特定值時，光的增強度達到峰值。

將在圖11中存在峰的波長600nm、厚度t＝238nm、539nm時對向x方向?qū)Рǖ哪Ｊ降碾妶龇植歼M行計算的結果分別表示在圖12A和圖12B中。為了比較，對于不存在峰的t＝300nm的情況進行了相同的計算，將其結果表示在圖12C中。計算模型與上述同樣，設定為在y方向為均勻的一維周期結構。在各圖中，越黑的區(qū)域表示電場強度越高，越白的區(qū)域表示電場強度越低。在t＝238nm、539nm時有高的電場強度分布，而在t＝300nm時整體上電場強度低。這是因為，在t＝238nm、539nm的情況下，存在導波模式，光被較強地封閉。進而，可以觀察出如下特征：在凸部或凸部的正下方，必然存在電場最強的部分(波腹)，產(chǎn)生與周期結構120相關的電場。即，可知根據(jù)周期結構120的配置，可以得到導波的模式。另外，比較t＝238nm的情況和t＝539nm的情況，可知是z方向的電場的波節(jié)(白色部分)的數(shù)目僅差一個的模式。

[3-3.偏振光依賴性]

接著，為了確認偏振光依賴性，以與圖9的計算相同的條件，對于光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式時進行了光的增強度的計算。本計算的結果表示在圖13中。與TM模式時(圖9)相比，盡管峰位置多少有變化，但峰位置仍舊處于圖10所示的區(qū)域內(nèi)。因此，確認了本實施方式的構成對于TM模式、TE模式中的任意一種偏振光都有效。

[3-4.二維周期結構]

進而，進行了基于二維周期結構的效果的研究。圖14A是表示凹部和凸部在x方向和y方向這兩方向排列而成的二維周期結構120’的一部分的俯視圖。圖中的黑色區(qū)域表示凸部，白色區(qū)域表示凹部。在這樣的二維周期結構中，需要考慮x方向和y方向這兩方向的衍射。就僅x方向或者僅y方向的衍射而言，與一維時相同，但也存在具有x、y兩方的成分的方向(例如傾斜45°方向)的衍射，因此能夠期待得到與一維時不同的結果。將就這樣的二維周期結構計算光的增強度得到的結果表示在圖14B中。除了周期結構以外的計算條件與圖9的條件相同。如圖14B所示，除了圖9所示 的TM模式的峰位置以外，還觀測到了與圖13所示的TE模式中的峰位置一致的峰位置。該結果表示：基于二維周期結構，TE模式也通過衍射被轉(zhuǎn)換而輸出。另外，對于二維周期結構而言，還需要考慮x方向和y方向這兩方向同時滿足一次衍射條件的衍射。這樣的衍射光向與周期p的倍(即，2^1/2倍)的周期相對應的角度的方向射出。因此，除了一維周期結構時的峰以外，還可以考慮在周期p的倍的周期也產(chǎn)生峰。圖14B中，也能夠確認到這樣的峰。

作為二維周期結構，不限于如圖14A所示的x方向和y方向的周期相等的四方點陣的結構，也可以是如圖23A和圖23B所示的排列六邊形或三角形的點陣結構。另外，根據(jù)方位方向也可以為(例如四方點陣時x方向和y方向)的周期不同的結構。

如上所述，本實施方式確認了：利用基于周期結構的衍射現(xiàn)象，能夠?qū)⑼ㄟ^周期結構和光致發(fā)光層所形成的特征性的模擬導波模式的光僅向正面方向選擇性地射出。通過這樣的構成，用紫外線或藍色光等激發(fā)光使光致發(fā)光層激發(fā)，可以得到具有指向性的發(fā)光。

[4.周期結構和光致發(fā)光層的構成的研究]

接著，對于改變周期結構和光致發(fā)光層的構成、折射率等各種條件時的效果進行說明。

[4-1.周期結構的折射率]

首先，對于周期結構的折射率進行研究。將光致發(fā)光層的膜厚設定為200nm，將光致發(fā)光層的折射率設定為n_wav＝1.8，將周期結構設定為如圖8A所示那樣的在y方向上均勻的一維周期結構，將高度設定為50nm，將周期設定為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式，由此進行計算。將改變發(fā)光波長和周期結構的折射率計算向正面方向輸出的光的增強度得到的結果表示在圖15中。另外，將以相同的條件將光致發(fā)光層的膜厚設定為1000nm時的結果表示在圖16中。

首先，著眼于光致發(fā)光層的膜厚，可知與膜厚為200nm時(圖15)相比，膜厚為1000nm時(圖16)的相對于周期結構的折射率變化的光強度達到峰值的波長(稱為峰值波長)的位移更小。這是因為，光致發(fā)光層的膜厚越小，模擬導波模式越容易受到周期結構的折射率的影響。即，周期 結構的折射率越高，有效折射率越大，相應地峰值波長越向長波長側(cè)位移，但該影響在膜厚越小時越明顯。此外，有效折射率由存在于模擬導波模式的電場分布的區(qū)域中的介質(zhì)的折射率確定。

接著，著眼于相對于周期結構的折射率變化的峰的變化，可知折射率越高，則峰越寬，強度越降低。這是因為周期結構的折射率越高，則模擬導波模式的光放出到外部的速率越高，因此封閉光的效果減少，即，Q值變低。為了保持高的峰強度，只要設定為利用封閉光的效果高(即Q值高)的模擬導波模式適度地將光放出到外部的構成就行?？芍獮榱藢崿F(xiàn)該構成，不優(yōu)選將折射率與光致發(fā)光層的折射率相比過大的材料用于周期結構。因此，為了將峰強度和Q值提高一定程度，只要將構成周期結構的電介質(zhì)(即，透光層)的折射率設定為光致發(fā)光層的折射率的同等以下就行。光致發(fā)光層包含除了光致發(fā)光材料以外的材料時也是同樣的。

[4-2.周期結構的高度]

接著，對于周期結構的高度進行研究。將光致發(fā)光層的膜厚設定為1000nm，將光致發(fā)光層的折射率設定為n_wav＝1.8，周期結構為如圖8A所示那樣的在y方向上均勻的一維周期結構，并且將折射率設定為n_p＝1.5，將周期設定為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式，由此進行計算。將改變發(fā)光波長和周期結構的高度計算向正面方向輸出的光的增強度的結果表示在圖17中。將以相同的條件將周期結構的折射率設定為n_p＝2.0時的計算結果表示在圖18中?？芍趫D17所示的結果中，在一定程度以上的高度，峰強度、Q值(即，峰的線寬)不變化，而在圖18所示的結果中，周期結構的高度越大，峰強度和Q值越低。這是因為，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期結構的折射率n_p高的情況(圖17)下，光進行全反射，所以僅模擬導波模式的電場的溢出(瞬逝)部分與周期結構相互作用。在周期結構的高度足夠大的情況下，即使高度變化到更高，電場的瞬逝部分與周期結構的相互作用的影響也是固定的。另一方面，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期結構的折射率n_p低的情況(圖18)下，由于光不全反射而到達周期結構的表面，因此周期結構的高度越大，越受其影響。僅觀察圖18，可知高度為100nm左右就足夠，在超過150nm的區(qū)域，峰強度和Q值降低。因此，在光致發(fā)光層的折射率n_wav比周期結構的折射 率n_p低的情況下，為了使峰強度和Q值一定程度地提高，只要將周期結構的高度設定為150nm以下就行。

[4-3.偏振方向]

接著，對于偏振方向進行研究。將以與圖16所示的計算相同的條件設定為光的偏振為具有與y方向垂直的電場成分的TE模式進行計算得到的結果表示在圖19中。在TE模式時，由于模擬導波模式的電場溢出比TM模式大，因此容易受到由周期結構產(chǎn)生的影響。所以，在周期結構的折射率n_p大于光致發(fā)光層的折射率n_wav的區(qū)域，峰強度和Q值的降低比TM模式明顯。

[4-4.光致發(fā)光層的折射率]

接著，對于光致發(fā)光層的折射率進行研究。將以與圖16所示的計算相同的條件將光致發(fā)光層的折射率n_wav變更為1.5時的結果表示在圖20中?？芍词故枪庵掳l(fā)光層的折射率n_wav為1.5的情況下，也可以得到大致與圖16同樣的效果。但是，可知波長為600nm以上的光沒有向正面方向射出。這是因為，根據(jù)式(10)，λ₀＜n_wav×p/m＝1.5×400nm/1＝600nm。

由以上的分析可知，在將周期結構的折射率設定為與光致發(fā)光層的折射率同等以下或者周期結構的折射率為光致發(fā)光層的折射率以上的情況下，只要將高度設定為150nm以下就能夠提高峰強度和Q值。

[5.變形例]

以下，對本實施方式的變形例進行說明。

[5-1.具有基板的構成]

如上所述，如圖8C和圖8D所示，發(fā)光器件也可以具有在透明基板140之上形成有光致發(fā)光層110和周期結構120的結構。為了制作這樣的發(fā)光器件100a，可以考慮如下的方法：首先，在透明基板140上由構成光致發(fā)光層110的光致發(fā)光材料(根據(jù)需要包含基質(zhì)材料；以下同)形成薄膜，在其之上形成周期結構120。在這樣的構成中，為了通過光致發(fā)光層110和周期結構120而使其具有將光向特定方向射出的功能，透明基板140的折射率n_s需要設定為光致發(fā)光層的折射率n_wav以下。在將透明基板140以與光致發(fā)光層110相接觸的方式設置的情況下，需要以滿足將式(10)中的出射介質(zhì)的折射率n_out設定為n_s的式(15)的方式來設定周期p。

為了確認上述內(nèi)容，進行了在折射率為1.5的透明基板140之上設置有與圖9所示的計算相同條件的光致發(fā)光層110和周期結構120時的計算。本計算的結果表示在圖21中。與圖9的結果同樣地，能夠確認對于每個波長以特定周期出現(xiàn)光強度的峰，但可知峰出現(xiàn)的周期的范圍與圖9的結果不同。對此，將式(10)的條件設定為n_out＝n_s得到的式(15)的條件表示在圖22中。圖21中可知在與圖22所示的范圍相對應的區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)光強度的峰。

因此，對于在透明基板140上設置有光致發(fā)光層110和周期結構120的發(fā)光器件100a而言，在滿足式(15)的周期p的范圍可以獲得效果，在滿足式(13)的周期p的范圍可以得到特別顯著的效果。

[5-2.具有激發(fā)光源的發(fā)光裝置]

圖23是表示具備圖8A、8B所示的發(fā)光器件100和使激發(fā)光射入光致發(fā)光層110的光源180的發(fā)光裝置200的構成例的圖。如上所述，本申請的構成通過使光致發(fā)光層被紫外線或藍色光等激發(fā)光激發(fā)，得到具有指向性的發(fā)光。通過設置以射出這樣的激發(fā)光的方式構成的光源180，能夠?qū)崿F(xiàn)具有指向性的發(fā)光裝置200。由光源180射出的激發(fā)光的波長典型地為紫外或藍色區(qū)域的波長，但不限于這些，可以根據(jù)構成光致發(fā)光層110的光致發(fā)光材料適當確定。此外，在圖23中，光源180被配置為由光致發(fā)光層110的下表面射入激發(fā)光，但不限于這樣的例子，例如也可以由光致發(fā)光層110的上表面射入激發(fā)光。

也有通過使激發(fā)光與模擬導波模式結合來使光高效地射出的方法。圖24A～24D是用于說明這樣的方法的圖。在該例子中，與圖8C、8D所示的構成同樣地，在透明基板140上形成有光致發(fā)光層110和周期結構120。首先，如圖24A所示，為了增強發(fā)光，確定x方向的周期p_x；接著，如圖24B所示，為了使激發(fā)光與模擬導波模式結合，確定y方向的周期p_y。周期p_x以滿足在式(10)中將p置換為p_x后的條件的方式確定。另一方面，周期p_y以將m為1以上的整數(shù)、將激發(fā)光的波長設定為λ_ex、將與光致發(fā)光層110接觸的介質(zhì)中除了周期結構120以外折射率最高的介質(zhì)的折射率設定為n_out并滿足以下的式(16)的方式確定。

$\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_{ex}}{n_{wav}}<p_y<\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_{ex}}{n_{out}}---\left(16\right)$

這里，n_out在圖24的例子中為透明基板140的n_s，但在如圖23所示不設置透明基板140的構成中，為空氣的折射率(約1.0)。

特別是，如果設定為m＝1以滿足下式(17)的方式確定周期p_y，則能夠進一步提高將激發(fā)光轉(zhuǎn)換為模擬導波模式的效果。

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{ex}}{n_{wav}}<p_y<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{ex}}{n_{out}}---\left(17\right)$

這樣，通過以滿足式(16)的條件(特別是式(17)的條件)的方式設定周期p_y，能夠?qū)⒓ぐl(fā)光轉(zhuǎn)換為模擬導波模式。其結果是，能夠使光致發(fā)光層110有效地吸收波長λ_ex的激發(fā)光。

圖24C和圖24D分別是表示相對于圖24A和圖24B所示的結構射入光時對每個波長計算光被吸收的比例的結果的圖。在該計算中，設定為p_x＝365nm、p_y＝265nm，將來自光致發(fā)光層110的發(fā)光波長λ設定為約600nm，將激發(fā)光的波長λ_ex設定為約450nm，將光致發(fā)光層110的消光系數(shù)設定為0.003。如圖24D所示，不僅對由光致發(fā)光層110產(chǎn)生的光，而且對于作為激發(fā)光的約450nm的光也顯示高的吸收率。這是因為，通過將射入的光有效地轉(zhuǎn)換為模擬導波模式，能夠使光致發(fā)光層所吸收的比例增大。另外，雖然即使對作為發(fā)光波長的約600nm，吸收率也增大，但這如果在約600nm的波長的光射入該結構的情況下，則同樣被有效地轉(zhuǎn)換為模擬導波模式。這樣，圖24B所示的周期結構120為在x方向和y方向分別具有周期不同的結構(周期成分)的二維周期結構。這樣，通過使用具有多個周期成分的二維周期結構，能夠提高激發(fā)效率，并且提高出射強度。此外，圖24A～24D的例子中是使激發(fā)光由基板側(cè)射入，但即使由周期結構側(cè)射入也可以得到相同效果。

進而，作為具有多個周期成分的二維周期結構，也可以采用如圖25A或圖25B所示的構成。通過設定為如圖25A所示將具有六邊形的平面形狀的多個凸部或凹部周期性地排列而成的構成或如圖25B所示將具有三角形的平面形狀的多個凸部或凹部周期性地排列而成的構成，能夠確定可視為周期的多個主軸(圖的例子中為軸1～3)。因此，能夠?qū)τ诟鱾€軸向分配不同的周期。可以為了提高多個波長的光的指向性分別設定這些周期，也 可以為了高效地吸收激發(fā)光而分別設定這些周期。在任何一種情況下，都以滿足相當于式(10)的條件的方式設定各周期。

[5-3.透明基板上的周期結構]

如圖26A和圖26B所示，可以在透明基板140上形成周期結構120a，在其之上設置光致發(fā)光層110。在圖26A的構成例中，以追隨基板140上的由凹凸構成的周期結構120a的方式形成光致發(fā)光層110，從而在光致發(fā)光層110的表面也形成有相同周期的周期結構120b。另一方面，在圖26B的構成例中，以使光致發(fā)光層110的表面變得平坦的方式進行了處理。在這些構成例中，通過以周期結構120a的周期p滿足式(15)的方式進行設定，也能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。為了驗證該效果，在圖26A的構成中，改變發(fā)光波長和周期結構的周期來計算向正面方向輸出的光的增強度。這里，將光致發(fā)光層110的膜厚設定為1000nm，將光致發(fā)光層110的折射率設定為n_wav＝1.8，周期結構120a為在y方向均勻的一維周期結構且高度為50nm，折射率n_p＝1.5，周期為400nm，光的偏振為具有與y方向平行的電場成分的TM模式。本計算的結果表示在圖26C中。本計算中，也以滿足式(15)的條件的周期觀測到了光強度的峰。

[5-4.粉體]

根據(jù)以上的實施方式，能夠通過調(diào)整周期結構的周期、光致發(fā)光層的膜厚，突出任意波長的發(fā)光。例如，如果使用以寬帶域發(fā)光的光致發(fā)光材料并設定為如圖8A、8B所示的構成，則能夠僅突出某個波長的光。因此，也可以將如圖8A、8B所示那樣的發(fā)光器件100的構成設定為粉末狀，并制成熒光材料進行利用。另外，也可以將如圖8A、8B所示那樣的發(fā)光器件100埋入樹脂、玻璃等進行利用。

在如圖8A、8B所示那樣的單體的構成中，制成僅向特定方向射出某個特定波長，因此難以實現(xiàn)例如具有寬波長區(qū)域的光譜的白色等的發(fā)光。因此，通過使用如圖27所示混合了周期結構的周期、光致發(fā)光層的膜厚等條件不同的多個粉末狀發(fā)光器件100的構成，能夠?qū)崿F(xiàn)具有寬波長區(qū)域的光譜的發(fā)光裝置。此時，各個發(fā)光器件100的一個方向的尺寸例如為數(shù)μm～數(shù)mm左右；其中，例如可以包含數(shù)周期～數(shù)百周期的一維或二維周期結構。

[5-5.排列周期不同的結構]

圖28是表示在光致發(fā)光層之上將周期不同的多個周期結構以二維排列而成的例子的俯視圖。在該例子中，三種周期結構120a、120b、120c沒有間隙地排列。周期結構120a、120b、120c例如以分別將紅、綠、藍的波長區(qū)域的光向正面射出的方式設定周期。這樣，也能夠通過在光致發(fā)光層之上排列周期不同的多個結構，對于寬波長區(qū)域的光譜發(fā)揮指向性。此外，多個周期結構的構成不限于上述的構成，可以任意設定。

[5-6.層疊結構]

圖29表示具有表面上形成有凹凸結構的多個光致發(fā)光層110層疊而成的結構的發(fā)光器件的一個例子。多個光致發(fā)光層110之間設置有透明基板140，形成在各層的光致發(fā)光層110的表面上的凹凸結構相當于上述的周期結構或亞微米結構。在圖29所示的例子中，形成了三層的周期不同的周期結構，分別以將紅、藍、綠的波長區(qū)域的光向正面射出的方式設定周期。另外，以發(fā)出與各周期結構的周期相對應的顏色的光的方式選擇各層的光致發(fā)光層110的材料。這樣，即使通過層疊周期不同的多個周期結構，也能夠?qū)τ趯挷ㄩL區(qū)域的光譜發(fā)揮指向性。

此外，層數(shù)、各層的光致發(fā)光層110和周期結構的構成不限于上述的構成，可以任意設定。例如，在兩層的構成中，隔著透光性的基板，第一光致發(fā)光層與第二光致發(fā)光層以相對置的方式形成，在第一和第二光致發(fā)光層的表面分別形成第一和第二周期結構。此時，只要第一光致發(fā)光層與第一周期結構這一對和第二光致發(fā)光層與第二周期結構這一對分別滿足相當于式(15)的條件就行。在三層以上的構成中也同樣地，只要各層中的光致發(fā)光層和周期結構滿足相當于式(15)的條件就行。光致發(fā)光層和周期結構的位置關系可以與圖29所示的關系相反。雖然在圖29所示的例子中，各層的周期不同，但也可以將它們?nèi)吭O定為相同周期。此時，雖然不能使光譜變寬，但能夠增大發(fā)光強度。

[5-7.具有保護層的構成]

圖30是表示在光致發(fā)光層110與周期結構120之間設置有保護層150的構成例的剖視圖。這樣，也可以設置用于保護光致發(fā)光層110的保護層150。但是，在保護層150的折射率低于光致發(fā)光層110的折射率的情況下， 在保護層150的內(nèi)部，光的電場只能溢出波長的一半左右。因此，在保護層150比波長厚的情況下，光達不到周期結構120。因此，不存在模擬導波模式，得不到向特定方向放出光的功能。在保護層150的折射率為與光致發(fā)光層110的折射率相同程度或者其以上的情況下，光到達保護層150的內(nèi)部。因此，對保護層150沒有厚度的制約。但是，在這種情況下，由光致發(fā)光材料形成光導波的部分(以下，將該部分稱為“導波層”)的大部分可以得到大的光輸出。因此，在這種情況下，也優(yōu)選保護層150較薄者。此外，也可以使用與周期結構(透光層)120相同的材料形成保護層150。此時，具有周期結構的透光層兼為保護層。優(yōu)選透光層120的折射率比光致發(fā)光層110的折射率小。

[6.材料]

如果用滿足如上所述的條件的材料構成光致發(fā)光層(或者導波層)和周期結構，則能夠?qū)崿F(xiàn)指向性發(fā)光。周期結構可以使用任意材料。然而，如果形成光致發(fā)光層(或者導波層)、周期結構的介質(zhì)的光吸收性高，則封閉光的效果下降，峰強度和Q值降低。因此，作為形成光致發(fā)光層(或者導波層)和周期結構的介質(zhì)，可以使用光吸收性較低的材料。

作為周期結構的材料，例如可以使用光吸收性低的電介質(zhì)。作為周期結構的材料的候補，例如可以列舉：MgF₂(氟化鎂)、LiF(氟化鋰)、CaF₂(氟化鈣)、SiO₂(石英)、玻璃、樹脂、MgO(氧化鎂)、ITO(氧化銦錫)、TiO₂(氧化鈦)、SiN(氮化硅)、Ta₂O₅(五氧化鉭)、ZrO₂(氧化鋯)、ZnSe(硒化鋅)、ZnS(硫化鋅)等。但是，在如上所述使周期結構的折射率低于光致發(fā)光層的折射率的情況下，可以使用折射率為1.3～1.5左右的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃、樹脂。

光致發(fā)光材料包括狹義的熒光材料和磷光材料，不僅包括無機材料，也包括有機材料(例如色素)，還包括量子點(即，半導體微粒)。通常以無機材料為主體的熒光材料存在折射率高的傾向。作為以藍色發(fā)光的熒光材料，可以使用例如M₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、M₃MgSi₂O₈:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、M₅SiO₄Cl₆:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)。作為以綠色發(fā)光的熒光材料，可使用例如M₂MgSi₂O₇:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr 和Ca中的至少一種)、SrSi₅AlO₂N₇:Eu²⁺、SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺、BaAl₂O₄:Eu²⁺、BaZrSi₃O₉:Eu²⁺、M₂SiO₄:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、Ba Si₃O₄N₂:Eu²⁺、Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺、Ca₃SiO₄Cl₂:Eu²⁺、CaSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_n N_16-n:Ce³⁺、β-SiAlON:Eu²⁺。作為以紅色發(fā)光的熒光材料，可使用例如CaAl SiN₃:Eu²⁺、SrAlSi₄O₇:Eu²⁺、M₂Si₅N₈:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、MSiN₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、MSi₂O₂N₂:Yb²⁺(M＝選自Sr和Ca中的至少一種)、Y₂O₂S:Eu³⁺,Sm³⁺、La₂O₂S:Eu³⁺,S m³⁺、CaWO₄:Li¹⁺,Eu³⁺,Sm³⁺、M₂SiS₄:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、M₃SiO₅:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)。作為以黃色發(fā)光的熒光材料，可以使用例如Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、CaSi₂O₂N₂:Eu²⁺、Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce³⁺、CaSc₂O₄:Ce³⁺、α-SiAlON:Eu²⁺、MSi₂O₂N₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)、M₇(SiO₃)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝選自Ba、Sr和Ca中的至少一種)。

量子點可以使用例如CdS、CdSe、核殼型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS等材料，根據(jù)材質(zhì)能夠得到各種發(fā)光波長。作為量子點的基質(zhì)，例如可以使用玻璃、樹脂。

圖8C、8D等所示的透明基板140由比光致發(fā)光層110的折射率低的透光性材料構成。作為這樣的材料，例如可以列舉：MgF₂(氟化鎂)、LiF(氟化鋰)、CaF₂(氟化鈣)、SiO₂(石英)、玻璃、樹脂。

[7.制造方法]

接著，對制造方法的一個例子進行說明。

作為實現(xiàn)圖8C、8D所示的構成的方法，例如有如下方法：在透明基板140上通過蒸鍍、濺射、涂布等工序?qū)晒獠牧闲纬晒庵掳l(fā)光層110的薄膜，然后形成電介質(zhì)的層，通過光刻等方法進行布圖來形成周期結構120。此時，對與圖1A等所示的廣角取向區(qū)域40b相當?shù)牟糠诌M行掩蔽以使其不形成周期結構。也可以代替上述方法，通過納米壓印來形成周期結構120。另外，如圖31所示，也可以通過僅加工光致發(fā)光層110的一部分來形成周期結構120。此時，周期結構120就由與光致發(fā)光層110相同的材料形成。

圖8A、8B所示的發(fā)光器件100例如能夠通過在制作圖8C、8D所示的發(fā)光器件100a后，進行從基板140剝除光致發(fā)光層110和周期結構120的 部分的工序來實現(xiàn)。

圖26A所示的構成例如能夠通過在透明基板140上的與狹角取向區(qū)域40a相當?shù)牟糠忠园雽w工藝或納米壓印等方法形成周期結構120a，然后在其之上通過蒸鍍、濺射等方法將構成材料形成光致發(fā)光層110來實現(xiàn)。或者，也能夠通過利用涂布等方法將周期結構120a的凹部埋入光致發(fā)光層110來實現(xiàn)圖26B所示的構成。

此外，上述的制造方法為一個例子，本申請的發(fā)光器件不限于上述的制造方法。

[7.實驗例]

以下，對制作基于本申請的實施方式的發(fā)光器件的例子進行說明。

試制具有與圖26A相同構成的發(fā)光器件的樣品，評價特性。發(fā)光器件如下操作來制作。

在玻璃基板上設置周期為400nm、高度為40nm的一維周期結構(條紋狀的凸部)，從其之上形成210nm光致發(fā)光材料YAG:Ce的膜。將其剖視圖的TEM圖像表示在圖32中，通過將其用450nm的LED激發(fā)而使YAG:Ce發(fā)光時，測定其正面方向的光譜，將得到的結果表示在圖33中。在圖33中示出了測定沒有周期結構時的測定結果(ref)、具有與一維周期結構平行的偏振光成分的TM模式和具有與一維周期結構垂直的偏振光成分的TE模式的結果。在存在周期結構時，與沒有周期結構時相比，可以觀察到特定波長的光顯著增加。另外，可知具有與一維周期結構平行的偏振光成分的TM模式的光的增強效果大。

此外，將在相同的樣品中出射光強度的角度依賴性的測定結果和計算結果表示在圖34和圖35中。圖34表示以與一維周期結構(周期結構120)的線方向平行的軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的測定結果(上段)和計算結果(下段)；圖35表示以與一維周期結構(即，周期結構120)的線方向垂直的方向為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的測定結果(上段)和計算結果(下段)。另外，圖34和圖35分別表示與TM模式和TE模式的直線偏振光有關的結果；圖34(a)表示與TM模式的直線偏振光有關的結果；圖34(b)表示與TE模式的直線偏振光有關的結果；圖35(a)表示與TE模式的直線偏振光有關的結果；圖35(b)表示與TM模式的直線偏振光有關的結果。從圖34和圖35可知 如下情況：TM模式的增強效果高，而且被增強的波長隨著角度逐漸發(fā)生位移。例如，對于波長為610nm的光而言，由于為TM模式且僅在正面方向存在光，因此可知指向性高且偏振發(fā)光。另外，各圖的上段和下段一致，因此上述計算的正確性得到了實驗證實。

由上述的測定結果，作為一個例子，研究在610nm的光中，以與線方向垂直的方向為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的強度的角度依賴性。圖36是表示其結果的圖表。可以觀察出：在正面方向上產(chǎn)生了強的發(fā)光增強，對于其他角度而言，光幾乎沒有被增強的情況。可知向正面方向射出的光的指向角(即，強度為最大強度的50％的角度)小于15°。也就是說，可知實現(xiàn)了指向性發(fā)光。此外，由于其全都為TM模式的成分，因此可知同時也實現(xiàn)了偏振發(fā)光。

以上的驗證使用了在廣帶域的波長帶發(fā)光的YAG:Ce來進行了實驗，但即使以發(fā)光為窄帶域的光致發(fā)光材料設定為同樣的構成，對于該波長的光也能夠?qū)崿F(xiàn)指向性和偏振發(fā)光。此外，此時由于不產(chǎn)生其他波長的光，因此能夠?qū)崿F(xiàn)不產(chǎn)生其他方向和偏振狀態(tài)的光之類的光源。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本申請的發(fā)光器件和發(fā)光裝置能夠適用于以照明器具、顯示器、投影儀為代表的各種光學設備。