发光装置的制作方法

本申请涉及具有光致发光层的发光装置。

背景技术：

对于照明器具、显示器、投影仪之类的光学设备而言，存在指向性高的设备和指向性低的设备。荧光灯、白色LED等设备所使用的光致发光材料各向同性地发光。因此，这些设备在原理上具有指向性低即广角的布光特性。但是，多种用途需要发光装置向所需方向射出强光的特性；即，需要狭角的布光特性。通常的发光装置为了向特定方向射出强光，与光致发光材料一起使用反射器、透镜等光学部件。例如，专利文献1公开了使用布光板和辅助反射板来确保指向性的照明系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-231941号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题

对于现有的发光装置而言，不存在同时进行指向性高的(即，狭角布光的)发光和指向性低的(即，广角布光的)发光的装置。

本申请提供一种具备新型结构的发光装置，该新型结构具备狭角布光的发光和广角布光的发光。

用于解决问题的手段

本申请的一个方案的发光装置具备：光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；以及发光面，该发光面位于上述光致发光层上，并且射出由上述光致发光层产生的光。上述发光面包含第一区域和第二区域，上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，由上述第一区域 射出的上述第一光的指向角小于由上述第二区域射出的上述第一光的指向角。

本申请的另一个方案的发光装置具备：第一发光层，该第一发光层包含接受激发光而发光的第一光致发光层；以及第二发光层，该第二发光层位于上述第一发光层的至少一部分之上，并且包含接受从上述第一发光层透过的上述激发光而发光的第二光致发光层。上述第一和第二光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光。上述第一和第二发光层中的一个具有沿着与上述第一或第二光致发光层平行的面扩大的至少一个周期结构。上述至少一个周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者。当将上述一个发光层所包含的上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。由上述一个发光层的表面射出的上述第一光的指向角小于由另一个发光层的表面射出的上述第一光的指向角。

上述总的方案或具体的方案可以通过器件、装置、系统、方法或它们的任意组合来实现。

发明效果

基于本申请的某些实施方式的发光装置由于具备狭角布光的区域和广角布光的区域，因此能够用于在使宽范围明亮的同时使特定位置更明亮之类的用途。

基于本申请的某些实施方式的发光装置具有新型构成，能够根据新的机理对亮度、指向性或偏振特性进行控制。

附图说明

图1A是表示本申请某个实施方式的发光装置10的示意性结构的剖视图。

图1B是表示另一个实施方式的发光装置10的示意性构成的剖视示意图。

图2A是表示发光装置10的发光面中的狭角布光区域40a和广角布光区域40b的配置的一个例子的俯视图。

图2B是示意性地表示由发光装置10射出的光的布光特性的图。

图3A是表示发光装置10的另一个变形例的图。

图3B是示意性地表示由发光装置10射出的光的布光特性的另一个例子的图。

图4是表示发光装置10的又一个变形例的图。

图5是表示发光装置10的再一个变形例的图。

图6是用于对发光装置10中的狭角布光的区域与广角布光的区域的体积比进行说明的图。

图7是表示使狭角布光的区域大于广角布光的区域的发光装置10的一个例子的俯视图。

图8A是表示基于某个实施方式的发光器件的构成的立体图。

图8B是图8A所示的发光器件的局部剖视图。

图8C是表示基于另一个实施方式的发光器件的构成的立体图。

图8D是图8C所示的发光器件的局部剖视图。

图9是表示分别改变发光波长和周期结构的周期来计算向正面方向射出的光的增强度的结果的图。

图10是图示式(10)中的m＝1和m＝3的条件的图表。

图11是表示改变发光波长和光致发光层的厚度t来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图12A是表示厚度t＝238nm时计算向x方向导波(引导光(to guide light))的模式的电场分布的结果的图。

图12B是表示厚度t＝539nm时计算向x方向导波的模式的电场分布的结果的图。

图12C是表示厚度t＝300nm时计算向x方向导波的模式的电场分布的结果的图。

图13是表示以与图9的计算相同的条件就光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式时计算光的增强度的结果的图。

图14A是表示二维周期结构的例子的俯视图。

图14B是表示就二维周期结构进行与图9相同的计算的结果的图。

图15是表示改变发光波长和周期结构的折射率来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图16是表示以与图15相同的条件将光致发光层的膜厚设定为1000nm时的结果的图。

图17是表示改变发光波长和周期结构的高度来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图18是表示以与图17相同的条件将周期结构的折射率设定为n_p＝2.0时的计算结果的图。

图19是表示设定为光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式来进行与图16所示的计算相同的计算的结果的图。

图20是表示以与图16所示的计算相同的条件将光致发光层的折射率n_wav变更为1.5时的结果的图。

图21是表示在折射率为1.5的透明基板之上设置有与图9所示的计算相同的条件的光致发光层和周期结构时的计算结果的图。

图22是图示式(15)的条件的图表。

图23是表示具备图8A、8B所示的发光器件100和使激发光射入光致发光层110的光源180的发光装置200的构成例的图。

图24A是用于对通过使激发光与模拟导波模式结合而使光高效地射出的构成进行说明的第一图。

图24B是用于对通过使激发光与模拟导波模式结合而使光高效地射出的构成进行说明的第二图。

图24C是表示图24A的构成中的光的吸收率的波长依赖性的图。

图24D是表示图24B的构成中的光的吸收率的波长依赖性的图。

图25A是表示二维周期结构的一个例子的图。

图25B是表示二维周期结构的另一个例子的图。

图26A是表示在透明基板上形成了周期结构的变形例的图。

图26B是表示在透明基板上形成了周期结构的另一个变形例的图。

图26C是表示在图26A的构成中改变发光波长和周期结构的周期来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。

图27是表示混合了多个粉末状的发光器件的构成的图。

图28是表示在光致发光层之上二维地排列周期不同的多个周期结构的例子的俯视图。

图29是表示具有在表面上形成有凹凸结构的多个光致发光层110层叠而成的结构的发光器件的一个例子的图。

图30是表示在光致发光层110与周期结构120之间设置了保护层150的构成例的剖视图。

图31是表示通过仅加工光致发光层110的一部分来形成周期结构120的例子的图。

图32是表示形成在具有周期结构的玻璃基板上的光致发光层的截面TEM图像的图。

图33是表示测定试制的发光器件的出射光的正面方向的光谱的结果的图表。

图34(a)和(b)是表示试制的发光器件的出射光的角度依赖性的测定结果(上段)和计算结果(下段)的图表。

图35(a)和(b)是表示试制的发光器件的出射光的角度依赖性的测定结果(上段)和计算结果(下段)的图表。

图36是表示测定试制的发光器件的出射光(波长为610nm)的角度依赖性的结果的图表。

图37是示意性地表示平板型波导的一个例子的立体图。

符号说明

10 发光装置

20 激发光源

30、30a、30b 光致发光层

40 发光面

40a 狭角取向区域

40b 广角取向区域

60a 第一发光层

60b 第二发光层

100、100a 发光器件

110 光致发光层(导波层)

120、120’、120a、120b、120c 透光层(周期结构、亚微米结构)

140 透明基板

150 保护层

180 光源

200 发光装置

具体实施方式

[1.本申请的实施方式的概要]

本申请包括以下项目所述的发光器件和发光装置。

[项目1]

一种发光装置，其具备：

光致发光层，该光致发光层接受激发光而发光；以及

发光面，该发光面位于上述光致发光层上，并且射出由上述光致发光层产生的光，

其中，上述发光面包含第一区域和第二区域，

上述光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

由上述第一区域射出的上述第一光的指向角小于由上述第二区域射出的上述第一光的指向角。

[项目2]

根据项目1所述的发光装置，其中，上述第一区域为与上述光致发光层接近的透光层的表面。

[项目3]

根据项目2所述的发光装置，其中，上述光致发光层和上述透光层中的至少一个具有包含多个凸部和多个凹部中的至少一者的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目4]

根据项目3所述的发光装置，其中，上述透光层具有上述至少一个周期结构。

[项目5]

根据项目1所述的发光装置，其中，上述发光面为上述光致发光层的表面。

[项目6]

根据项目5所述的发光装置，其中，上述光致发光层在上述第一区域具有包含多个凸部和多个凹部中的至少一者的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目7]

根据项目5所述的发光装置，其中，上述光致发光层在上述表面相反一侧的面上的与上述第一区域相对置的区域具有包含多个凸部和多个凹部中的至少一者的至少一个周期结构，

当将上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。

[项目8]

根据项目1～7中任一项所述的发光装置，其中，上述第二区域的至少一部分位于上述发光面的端部。

[项目9]

根据项目1～8中任一项所述的发光装置，其中，上述第二区域包围上述第一区域。

[项目10]

根据项目1～9中任一项所述的发光装置，其中，上述第一区域的面积大于上述第二区域的面积。

[项目11]

根据项目1～10中任一项所述的发光装置，其中，上述第二区域的面积大于上述第一区域的面积。

[项目12]

一种发光装置，其具备：

第一发光层，该第一发光层包含接受激发光而发光的第一光致发光层；以及

第二发光层，该第二发光层位于上述第一发光层的至少一部分之上， 并且包含接受从上述第一发光层透过的上述激发光而发光的第二光致发光层，

其中，上述第一和第二光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光，

上述第一和第二发光层中的一个具有沿着与上述第一或第二光致发光层平行的面扩大的至少一个周期结构，上述至少一个周期结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者，

当将上述一个发光层所包含的上述光致发光层对上述第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系，

由上述一个发光层的表面射出的上述第一光的指向角小于由另一个发光层的表面射出的上述第一光的指向角。

[项目13]

根据项目12所述的发光装置，其中，上述第一和第二发光层中的上述一个包含与上述一个发光层所包含的上述光致发光层接近的透光层，

上述光致发光层和上述透光层中的至少一个具有上述至少一个周期结构。

[项目14]

根据项目12所述的发光装置，其中，上述第一和第二发光层中的上述一个所包含的上述光致发光层具有上述至少一个周期结构。

[项目15]

根据项目12所述的发光装置，其中，上述第二发光层具有上述至少一个周期结构，

由上述第二发光层的上述表面射出的上述第一光的指向角小于由上述第一发光层的上述表面射出的上述第一光的指向角。

[项目16]

根据项目2、3、4或13所述的发光装置，其中，上述光致发光层与上述透光层直接接触。

[项目17]

根据项目1～16中任一项所述的发光装置，其还具备射出上述激发光 的激发光源。

以往，不存在包含相对窄的指向角(即狭角布光)的发光区域和相对宽的指向角(即广角布光)的发光区域这两者的发光装置。为了实现这样的发光装置，除了将现有的广角布光的光源与使用反射器、透镜等光学部件实现狭角布光的光源组合起来以外，没有其他方法。但是，就这样的仅将两种光源组合起来的构成来说，需要分别制造各个光源，并使它们结合起来，因此制造工序变多。

本申请的发明者们发现了上述问题，对一个发光器件具备狭角布光的发光区域和广角布光的发光区域的结构进行了深入研究。其结果发现：通过采用以下说明的实施方式的结构，能够简易地制造具有狭角布光和广角布光这两种特性的发光装置。

图1A是表示本申请的某个实施方式的发光装置10的示意性结构的剖视图。该发光装置10具备：激发光源20，该激发光源20发出激发光；光致发光层30，该光致发光层30接受激发光而发光；以及发光面40，该发光面40位于光致发光层30之上，并且射出由光致发光层30产生的光。发光面40包含第一区域40a和第二区域40b。光致发光层30所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光。波长λ_a例如为可见光波长区域所包含的任意波长。典型来说，光致发光层30所发出的光可以为与白色光接近的宽波长区域的光。由第一区域40a射出的第一光的指向角小于由第二区域40b射出的第一光的指向角。这里“指向角”定义为由发光面射出的光的强度为最大的方向与光的强度为最大强度的50％的方向之间的角度。以下说明中，有时将第一区域40a称为“狭角布光区域40a”，将第二区域40b称为“广角布光区域40b”。

在图1A所示的例子中，发光面40为光致发光层30的表面。图1A虽然被绘制为像是在发光面40与光致发光层30之间存在界面，但实际上并不存在这样的界面。

图1B是表示另一个实施方式的发光装置10的示意性构成的剖视示意图。该发光装置10a还具备位于光致发光层30之上的透光层50。在该例子中，透光层50的表面为发光面40。图1B虽然也被绘制为像是在发光面40与透光层50之间存在界面，但实际上并不存在这样的界面。

本申请的发明者们所发现的新型结构(称为亚微米结构或周期结构)可以设置在发光面40中的第一区域40a。详细内容将会在后面叙述，不过该结构具有沿着发光面平行的面扩大的至少一个周期结构。当将光致发光层30对第一光的折射率设定为n_wav-a、将上述周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。通过满足这样的条件，如后所述实现指向性高的发光。

上述的周期结构不需要设置在第一区域40a本身上，可以设置在第一区域40a与激发光源20之间的区域。周期结构也可以设置在光致发光层30或透光层50的发光面40相反一侧的面上的与第一区域40a相对置的部分。

上述那样的周期结构没有设置在第二区域40b。第二区域40b可以为例如玻璃、合成树脂等透光性的罩或使光散射的散射板等的表面。

图2A是表示发光装置10的发光面上的狭角布光区域40a和广角布光区域40b的配置的一个例子的俯视图。图2B是示意性地表示由发光装置10射出的光的布光特性的图。在该例子中，第一区域40a位于发光面的中央附近，第二区域40b包围第一区域40b。由发光面的第一区域40a射出狭角布光的光L1。由第二区域40b射出广角布光的光L2。通过这样的构成，能够在照亮宽范围的同时对特定位置进行更强烈的照射。

图3A和图3B是表示发光装置10的另一个变形例的图。在该发光装置10中，第二区域40b位于发光面40的端部。这样，第二区域40b的至少一部分可以设置在发光面40的端部。由此，例如能够在使房间整体明亮的同时对照射房间的角落进行更强烈的照射。

图4表示发光装置10的又一个变形例的图。在该例子中，发光装置10具备广角布光的第一发光层60a和位于其之上的狭角布光的第二发光层60b。第一发光层60a包含第一光致发光层30a。第二发光层60b包含第二光致发光层30b和发光面40。在该例子中，发光面40为光致发光层30b的表面，但如上述的例子那样，也可以为透光层的表面。光致发光层30a、30b既可以由相同材料构成，也可以由不同的材料构成。

光致发光层30a、30b所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光。发光层60b上的发光面40具有沿着与其内部的光致发光层30b平行的面扩大的至少一个周期结构。当将光致发光层30b对第一光的折射率设定为n_wav-a、 将至少一个周期结构的周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。其结果是，由发光面40射出的第一光的指向角小于由发光层60a的表面(该例子为与光致发光层30b接触的面)射出的第一光的指向角。

该例子是第二发光层60b具有周期结构，但第一发光层60a也可以具有周期结构。此时，可以在第一发光层60a所包含的光致发光层30a或未图示的透光层设置周期结构。

图5是表示发光装置10的又一个变形例的图。在该发光装置10中，狭角布光的发光层(发光区域)60b位于广角布光的发光层(发光区域)60a的一部分之上。如该例子那样，狭角布光的发光区域也可以埋入广角布光的发光区域。

如图4和图5所示的例子那样，通过在不同的面上形成(层叠)狭角布光的发光区域和广角布光的发光区域，能够实现小型化。

以上的例子对于狭角布光区域和广角布光区域的配置、形状、大小，可以根据利用用途来适当设计。也可以设置用于错开狭角布光区域的位置的车轮、电机等驱动机构，或者使用根据遥控器等的操作使狭角布光区域的位置、亮度、颜色变化的控制机构。

图6是用于对发光装置10中的狭角布光的区域与广角布光的区域的体积比进行说明的图。为了使房间明亮所需的光束例如对约16m²的房间来说为4000～5000lm左右。而为了作业所需的光束例如对1m²的作业空间来说为750～1500lm左右。该例子由于广角布光的光束所需的量比狭角布光的光束所需的量更多，因此设计为广角布光的区域的体积大于狭角布光的发光区域的体积。在该用途中，狭角布光的区域的体积与广角布光的发光区域的体积的比例可以为例如1/5～1/2。

另一方面，也可以设计为狭角布光的区域大于广角布光的区域。图7是表示这样设计出来的发光装置10的一个例子的俯视图。该发光装置10具有与图1A或图1B所示的构成相同的构成。其中，在狭角取向区域40a明显大于广角取向区域40b这一点上，与上述的构成不同。在该例子中，狭角取向区域40a的面积占到发光面的面积的八成以上。这样的构成主要适用于利用指向性高的光的用途。广角取向区域40b可以为包围狭角取向区域40a的玻璃或合成树脂等的框(所谓的框子)。在主要利用指向性高的 光的用途的情况下，广角取向区域40b与其说是可以作为发光区域发挥功能，不如说是可以作为框子发挥功能。即，也可以在将发光装置10安装于壳体等支撑部时作为抓握部分发挥功能。当抓握广角取向区域40b来固定于支撑部时，能够不损伤狭角取向区域40a而容易地进行组装。以上的例子是发光装置10具备激发光源，但激发光源也可以为发光装置10的外部要素。另外，用于实现狭角布光的构成不限于使用周期结构的构成。当为如图1A和图1B所例示的那样多个发光区域共用一个光致发光层的类型时，只要以由多个区域射出指向性不同的光的方式进行设计就行。例如，可以在第一区域40a装入现存的指向性较高的LED等光源，在第二区域40b设置光扩散板。

以下，对用于实现狭角布光的周期结构进行更详细说明。周期结构不需要完全为周期性的结构，只要至少一部分为周期性的就行。另外，也可以是多个周期结构的组合。在周期结构的周期小于微米级的情况下，也可以将这样的结构称为“亚微米结构”。用于狭角布光的发光器件可以采用例如以下说明的各种构成。

基于本申请的某个实施方式的发光器件具有：光致发光层；透光层，该透光层以与上述光致发光层接近的方式配置；以及亚微米结构，该亚微米结构形成在上述光致发光层和上述透光层中的至少一个上，并且向上述光致发光层或上述透光层的面内扩散。亚微米结构包含多个凸部或多个凹部。光致发光层所发出的光包括空气中的波长为λ_a的第一光。当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离设定为D_int、将光致发光层对第一光的折射率设定为n_wav-a时，成立λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。波长λ_a例如在可见光的波长范围内(例如380nm～780nm)。在利用红外线的用途中，波长λ_a有时也可以超过780nm。在本申请中，将包括红外线在内的放射线全部表示为“光”。

光致发光层包含光致发光材料。光致发光材料是指接受激发光而发光的材料。光致发光材料狭义地包括荧光材料和磷光材料，不仅包括无机材料，也包括有机材料(例如色素)，还包括量子点(即，半导体微粒)。光致发光层除了光致发光材料以外，还可以包含基质材料(即，主体材料)。基质材料例如为玻璃、氧化物等无机材料、树脂。

以与光致发光层接近的方式配置的透光层由对于光致发光层所发出的 光透射率高的材料形成。例如，由无机材料、树脂形成。透光层例如优选由电介质(特别是光的吸收少的绝缘体)形成。透光层例如可以为支撑光致发光层的基板。在光致发光层的空气侧的表面具有亚微米结构的情况下，空气层可以为透光层。

发光器件如后面参照计算结果和实验结果所详述的那样，根据形成在光致发光层和透光层中的至少一个上的亚微米结构(例如周期结构)，在光致发光层和透光层的内部形成独特的电场分布。该电场分布是导波光与亚微米结构相互作用而形成的，也可以表示为“模拟导波模式”。通过利用该模拟导波模式，如在以下所说明的那样，能够得到光致发光的发光效率增大、指向性提高、偏振光的选择性的效果。此外，以下的说明中，有时使用模拟导波模式这一用语对本申请的发明者们发现的新型构成和/或新的机理进行说明。以下的说明不过是一种例示性的说明，任何意义上来说都不是要限定本申请。

亚微米结构包含多个凸部和多个凹部中的至少一者。当将相邻的凸部之间或凹部之间的距离(即，中心间距离)设定为D_int时，满足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系。λ表示光的波长，λ_a表示空气中的光的波长。n_wav为光致发光层的折射率。在光致发光层为混合有多种材料的介质的情况下，将各材料的折射率以各自的体积比率加权而得到的平均折射率设定为n_wav。通常折射率n依赖于波长，因此优选将对λ_a的光的折射率表示为n_wav-a，但有时为了简化会省略。n_wav基本上是光致发光层的折射率。但是，在与光致发光层相邻的层的折射率大于光致发光层的折射率的情况下，将该折射率大的层的折射率和光致发光层的折射率以各自的体积比率加权而得到的平均折射率设定为n_wav。这是因为，此时光学上与光致发光层由多个不同材料的层构成的情况等价。

当将介质对模拟导波模式的光的有效折射率设定为n_eff时，满足n_a＜n_eff＜n_wav。这里，n_a为空气的折射率。如果认为模拟导波模式的光为在光致发光层的内部一边以入射角θ全反射一边传播的光，则有效折射率n_eff可写作n_eff＝n_wavsinθ。另外，有效折射率n_eff由存在于模拟导波模式的电场分布的区域中的介质的折射率确定，因此例如在透光层形成了亚微米结构的情况下，不仅依赖于光致发光层的折射率，还依赖于透光层的折射率。另外，由于 根据模拟导波模式的偏振方向(TE模式和TM模式)的不同，电场的分布不同，因此在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff可以不同。

亚微米结构形成在光致发光层和透光层中的至少一个上。在光致发光层与透光层互相接触时，也可以在光致发光层与透光层的界面上形成亚微米结构。此时，光致发光层和透光层具有亚微米结构。光致发光层也可以不具有亚微米结构。此时，具有亚微米结构的透光层以与光致发光层接近的方式配置。这里，所谓的透光层(或其亚微米结构)与光致发光层接近典型来说是指：它们之间的距离为波长λ_a的一半以下。由此，导波模式的电场达到亚微米结构，形成模拟导波模式。但是，在透光层的折射率比光致发光层的折射率大时，即使不满足上述的关系，光也到达透光层，因此透光层的亚微米结构与光致发光层之间的距离也可以超过波长λ_a的一半。本说明书中，在光致发光层与透光层处于导波模式的电场到达亚微米结构、形成模拟导波模式那样的配置关系的情况下，有时表示两者互相关联。

亚微米结构如上所述满足λ_a/n_wav-a＜D_int＜λ_a的关系，具有大小为亚微米量级的特征。亚微米结构例如如以下详细说明的实施方式的发光器件中那样，可以包含至少一个周期结构。至少一个周期结构当将周期设定为p_a时，成立λ_a/n_wav-a＜p_a＜λ_a的关系。即，此时，亚微米结构可以包含相邻的凸部之间的距离D_int为p_a且固定的周期结构。如果亚微米结构包含周期结构，则模拟导波模式的光通过一边传播一边与周期结构反复相互作用，被亚微米结构衍射。这与在自由空间传播的光通过周期结构而衍射的现象不同，而是光一边导波(即，一边反复全反射)一边与周期结构作用的现象。因此，即使由周期结构引起的相移小(即，即使周期结构的高度小)，也能够高效地引起光的衍射。

如果利用如上所述的机理，则通过由模拟导波模式增强电场的效果，光致发光的发光效率增大，并且产生的光与模拟导波模式结合。模拟导波模式的光的前进角度仅弯曲被周期结构规定的衍射角度。通过利用该现象，能够向特定方向射出特定波长的光(指向性显著提高)。进而，由于在TE模式和TM模式中，有效折射率n_eff(＝n_wavsinθ)不同，因此还能够同时得到高偏振光的选择性。例如，如后面实验例所示，能够得到向正面方向射出强的特定波长(例如610nm)的直线偏振光(例如TM模式)的发光器 件。此时，向正面方向射出的光的指向角例如低于15°。

相反地，如果亚微米结构的周期性降低，则指向性、发光效率、偏振度以及波长选择性变弱。只要根据需要调整亚微米结构的周期性就行。周期结构既可以为偏振光的选择性高的一维周期结构，也可以是能够减小偏振度的二维周期结构。

亚微米结构可以包含多个周期结构。多个周期结构例如周期互相不同，或者，具有周期性的方向(轴)互相不同。多个周期结构可以形成在同一面内，也可以形成在不同的面。当然，发光器件可以具有多个光致发光层和多个透光层，它们也可以具有多个亚微米结构。

亚微米结构不仅能够用于控制光致发光层所发出的光，而且还能够用于将激发光高效地导向光致发光层。即，激发光被亚微米结构衍射，与将光致发光层和透光层导波的模拟导波模式结合，由此能够高效地激发光致发光层。只要使用当将激发光致发光材料的光在空气中的波长设定为λ_ex、将光致发光层对该激发光的折射率设定为n_wav-ex时成立λ_ex/n_wav-ex＜D_int＜λ_ex的关系的亚微米结构就行。n_wav-ex为光致发光材料对激发波长的折射率。可以使用具有当将周期设定为p_ex成立λ_ex/n_wav-ex＜p_ex＜λ_ex的关系的周期结构的亚微米结构。激发光的波长λ_ex例如为450nm，但也可以为比可见光短的波长。在激发光的波长处于可见光的范围内的情况下，也可以设定为与光致发光层所发出的光一起射出激发光。

[2.作为本申请的基础的认识]

接着，对作为本申请的基础的认识进行说明。如上所述，荧光灯、白色LED等所使用的光致发光材料各向同性地发光。为了用光照射特定方向，需要反射器、透镜等光学部件。然而，如果光致发光层自身以指向性地发光，就不需要(或者能够减小)如上所述的光学部件，从而能够大幅缩小光学设备或器具的大小。本申请的发明者们根据这样的设想，为了得到指向性发光，对光致发光层的构成进行了详细研究。

本申请的发明者们首先认为：为了使来自光致发光层的光偏向特定方向，要使发光本身具有特定方向性。作为表征发光的指标的发光率Γ根据费米的黄金法则，由以下的式(1)表示。

式(1)中，r是表示位置的向量，λ为光的波长，d为偶极向量，E为电场向量，ρ为状态密度。就除了一部分结晶性物质以外的多种物质而言，偶极向量d具有随机的方向性。另外，在光致发光层的尺寸和厚度比光的波长足够大的情况下，电场E的大小也不依赖于朝向而基本固定。因此，在绝大多数情况下，<(d·E(r))>²的值不依赖于方向。即，发光率Γ不依赖于方向而固定。因此，在绝大多数情况下，光致发光层各向同性地发光。

另一方面，为了由式(1)得到各向异性的发光，需要进行使偶极向量d汇集在特定方向或者增强电场向量的特定方向的成分中的任意一种。通过进行它们中的任意一种，能够实现指向性发光。本申请中，对用于利用通过将光封闭在光致发光层中的效果将特定方向的电场成分增强的模拟导波模式的构成进行了研究，以下对分析的结果进行详细说明。

本申请的发明者们认为要使用电场强的导波模式对发光进行控制。通过设定为导波结构本身含有光致发光材料的构成，能够使得发光与导波模式结合。但是，如果仅使用光致发光材料形成导波结构，则由于发出的光成为导波模式，因此向正面方向几乎出不来光。于是，本申请的发明者们认为要对包含光致发光材料的波导和周期结构(由多个凸部和多个凹部中的至少一者形成)进行组合。在周期结构与波导接近、光的电场一边与周期结构重叠一边导波的情况下，通过周期结构的作用，存在模拟导波模式。即，该模拟导波模式是被周期结构所限制的导波模式，其特征在于，电场振幅的波腹以与周期结构的周期相同的周期产生。该模式是通过光被封闭在导波结构中从而电场向特定方向被增强的模式。进而，由于通过该模式与周期结构进行相互作用，通过衍射效果转换为特定方向的传播光，因此能够向波导外部射出光。另外，由于除了模拟导波模式以外的光被封闭在波导内的效果小，因此电场不被增强。所以，大多数发光与具有大的电场成分的模拟导波模式结合。

即，本申请的发明者们认为通过将以周期结构接近的方式设置的波导设定为包含光致发光材料的光致发光层(或者具有光致发光层的导波层)，使发光与转换为特定方向的传播光的模拟导波模式结合，实现具有指向性的光源。

作为导波结构的简便构成，着眼于平板型波导。平板型波导是指光的 导波部分具有平板结构的波导。图37是示意性地表示平板型波导110S的一个例子的立体图。在波导110S的折射率比支撑波导110S的透明基板140的折射率高时，存在在波导110S内传播的光的模式。通过将这样的平板型波导设定为包含光致发光层的构成，由于由发光点产生的光的电场与导波模式的电场大幅重合，因此能够使光致发光层中产生的光的大部分与导波模式结合。进而，通过将光致发光层的厚度设定为光的波长程度，能够作出仅存在电场振幅大的导波模式的状况。

进而，在周期结构与光致发光层接近的情况下，通过导波模式的电场与周期结构相互作用而形成模拟导波模式。即使在光致发光层由多个层构成的情况下，只要导波模式的电场达到周期结构，就会形成模拟导波模式。不需要光致发光层全部都为光致发光材料，只要其至少一部分区域具有发光的功能就行。

另外，在由金属形成周期结构的情况下，形成导波模式和基于等离子体共振效应的模式，该模式具有与上面所述的模拟导波模式不同的性质。此外，该模式由于金属导致的吸收多，因此损失变大，发光增强的效果变小。所以，作为周期结构，优选使用吸收少的电介质。

本申请的发明者们首先研究了使发光与通过在这样的波导(例如光致发光层)的表面形成周期结构而能够作为特定角度方向的传播光射出的模拟导波模式结合。图1A是示意性地表示具有这样的波导(例如光致发光层)110和周期结构(例如透光层)120的发光器件100的一个例子的立体图。此外，图8A示出了参照图1A～图7进行了说明的与狭角取向区域40a相对应的部分的结构。示出周期结构以后的图也是相同的。以下，在透光层120形成了周期结构的情况下(即，在透光层120形成有周期性的亚微米结构的情况下)，有时将透光层120称为周期结构120。在该例子中，周期结构120是分别在y方向延伸的条纹状的多个凸部在x方向上等间隔排列的一维周期结构。图8B是将该发光器件100用与xz面平行的平面切断时的剖视图。如果以与波导110接触的方式设置周期p的周期结构120，则面内方向的具有波数k_wav的模拟导波模式被转换为波导外的传播光，该波数k_out能够用以下的式(2)表示。

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

式(2)中的m为整数，表示衍射的次数。

这里，为了简化，可以近似地将在波导内导波的光看作是以角度θ_wav传播的光线，成立以下的式(3)和(4)。

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

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

在这些式子中，λ₀为光在空气中的波长，n_wav为波导的折射率，n_out为出射侧的介质的折射率，θ_out为光射出到波导外的基板或空气时的出射角度。由式(2)～(4)可知，出射角度θ_out能够用以下的式(5)表示。

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

根据式(5)可知，在n_wavsinθ_wav＝mλ₀/p成立时，θ_out＝0，能够使光向与波导的面垂直的方向(即，正面)射出。

根据如上的原理，可以认为通过使发光与特定模拟导波模式结合，进而利用周期结构转换为特定出射角度的光，能够使强的光向该方向射出。

为了实现如上所述的状况，有几个制约条件。首先，为了使模拟导波模式存在，需要在波导内传播的光全反射。用于此的条件用以下的式(6)表示。

n_out＜n_wavsinθ_wav (6)

为了使该模拟导波模式通过周期结构衍射并使光射出到波导外，式(5)中需要-1＜sinθ_out＜1。因此，需要满足以下的式(7)。

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

对此，如果考虑式(6)，可知只要成立以下的式(8)就行。

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

进而，为了使得由波导110射出的光的方向为正面方向(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，必要条件为以下的式(10)。

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

此外，在设置如图8A和图8B所示的周期结构的情况下，由于m为2以上的高次的衍射效率低，所以只要以m＝1的一次衍射光为重点进行设计就行。因此，在本实施方式的周期结构中，设定为m＝1，以满足将式(10)变形得到的以下的式(11)的方式，确定周期p。

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

如图8A和图8B所示，在波导(光致发光层)110不与透明基板接触的情况下，n_out为空气的折射率(约1.0)，因此只要以满足以下的式(12)的方式确定周期p就行。

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

另一方面，可以采用如图8C和图8D所例示的那样在透明基板140上形成有光致发光层110和周期结构120的结构。在这种情况下，由于透明基板140的折射率n_s比空气的折射率大，因此只要以满足在式(11)中设定为n_out＝n_s得到的下式(13)的方式确定周期p就行。

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

此外，式(12)、(13)考虑了式(10)中m＝1的情况，但也可以m≥2。即，在如图8A和图8B所示发光器件100的两面与空气层接触的情况下，只要将m设定为1以上的整数并以满足以下的式(14)的方式设定周期p就行。

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

同样地，在如图8C和图8D所示的发光器件100a那样将光致发光层110形成在透明基板140上的情况下，只要以满足以下的式(15)的方式设定周期p就行。

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

通过以满足以上的不等式的方式确定周期结构的周期p，能够使由光致发光层110产生的光向正面方向射出，因此能够实现具有指向性的发光装置。

[3.通过计算进行的验证]

[3-1.周期、波长依赖性]

本申请的发明者们利用光学解析验证了如上那样向特定方向射出光实际上是否可能。光学解析通过使用了Cybernet公司的DiffractMOD的计算进行。这些计算中，在对发光器件由外部垂直地射入光时，通过计算光致发光层中的光吸收的增减，求出向外部垂直地射出的光的增强度。由外部射入的光与模拟导波模式结合而被光致发光层吸收的过程对应于：对与光致发光层中的发光和模拟导波模式结合而转换为向外部垂直地射出的传播光的过程相反的过程进行计算。另外，在模拟导波模式的电场分布的计算中，也同样计算由外部射入光时的电场。

将光致发光层的膜厚设定为1μm，将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8，将周期结构的高度设定为50nm，将周期结构的折射率设定为1.5，分别改变发光波长和周期结构的周期，计算向正面方向射出的光的增强度，将其结果表示在图9中。计算模型如图8A所示，设定为在y方向上为均匀的一维周期结构、光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式，由此进行计算。由图9的结果可知，增强度的峰在某个特定波长和周期的组合中存在。此外，在图9中，增强度的大小用颜色的深浅来表示，深(即黑)的增强度大，浅(即白)的增强度小。

在上述的计算中，周期结构的截面设定为如图8B所示的矩形。图10表示图示式(10)中的m＝1和m＝3的条件的图表。比较图9和图19可知，图9中的峰位置存在于与m＝1和m＝3相对应的地方。m＝1的强度强是因为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的峰是因为周期结构中的衍射效率低。

在图10所示的分别与m＝1和m＝3相对应的区域内，图9中能够确认存在多个线。可以认为这是因为存在多个模拟导波模式。

[3-2.厚度依赖性]

图11是表示将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8、将周期结构的周 期设定为400nm、将高度设定为50nm、将折射率设定为1.5并改变发光波长和光致发光层的厚度t来计算向正面方向输出的光的增强度的结果的图。可知当光致发光层的厚度t为特定值时，光的增强度达到峰值。

将在图11中存在峰的波长600nm、厚度t＝238nm、539nm时对向x方向导波的模式的电场分布进行计算的结果分别表示在图12A和图12B中。为了比较，对于不存在峰的t＝300nm的情况进行了相同的计算，将其结果表示在图12C中。计算模型与上述同样，设定为在y方向为均匀的一维周期结构。在各图中，越黑的区域表示电场强度越高，越白的区域表示电场强度越低。在t＝238nm、539nm时有高的电场强度分布，而在t＝300nm时整体上电场强度低。这是因为，在t＝238nm、539nm的情况下，存在导波模式，光被较强地封闭。进而，可以观察出如下特征：在凸部或凸部的正下方，必然存在电场最强的部分(波腹)，产生与周期结构120相关的电场。即，可知根据周期结构120的配置，可以得到导波的模式。另外，比较t＝238nm的情况和t＝539nm的情况，可知是z方向的电场的波节(白色部分)的数目仅差一个的模式。

[3-3.偏振光依赖性]

接着，为了确认偏振光依赖性，以与图9的计算相同的条件，对于光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式时进行了光的增强度的计算。本计算的结果表示在图13中。与TM模式时(图9)相比，尽管峰位置多少有变化，但峰位置仍旧处于图10所示的区域内。因此，确认了本实施方式的构成对于TM模式、TE模式中的任意一种偏振光都有效。

[3-4.二维周期结构]

进而，进行了基于二维周期结构的效果的研究。图14A是表示凹部和凸部在x方向和y方向这两方向排列而成的二维周期结构120’的一部分的俯视图。图中的黑色区域表示凸部，白色区域表示凹部。在这样的二维周期结构中，需要考虑x方向和y方向这两方向的衍射。就仅x方向或者仅y方向的衍射而言，与一维时相同，但也存在具有x、y两方的成分的方向(例如倾斜45°方向)的衍射，因此能够期待得到与一维时不同的结果。将就这样的二维周期结构计算光的增强度得到的结果表示在图14B中。除了周期结构以外的计算条件与图9的条件相同。如图14B所示，除了图9所示 的TM模式的峰位置以外，还观测到了与图13所示的TE模式中的峰位置一致的峰位置。该结果表示：基于二维周期结构，TE模式也通过衍射被转换而输出。另外，对于二维周期结构而言，还需要考虑x方向和y方向这两方向同时满足一次衍射条件的衍射。这样的衍射光向与周期p的倍(即，2^1/2倍)的周期相对应的角度的方向射出。因此，除了一维周期结构时的峰以外，还可以考虑在周期p的倍的周期也产生峰。图14B中，也能够确认到这样的峰。

作为二维周期结构，不限于如图14A所示的x方向和y方向的周期相等的四方点阵的结构，也可以是如图23A和图23B所示的排列六边形或三角形的点阵结构。另外，根据方位方向也可以为(例如四方点阵时x方向和y方向)的周期不同的结构。

如上所述，本实施方式确认了：利用基于周期结构的衍射现象，能够将通过周期结构和光致发光层所形成的特征性的模拟导波模式的光仅向正面方向选择性地射出。通过这样的构成，用紫外线或蓝色光等激发光使光致发光层激发，可以得到具有指向性的发光。

[4.周期结构和光致发光层的构成的研究]

接着，对于改变周期结构和光致发光层的构成、折射率等各种条件时的效果进行说明。

[4-1.周期结构的折射率]

首先，对于周期结构的折射率进行研究。将光致发光层的膜厚设定为200nm，将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8，将周期结构设定为如图8A所示那样的在y方向上均匀的一维周期结构，将高度设定为50nm，将周期设定为400nm，光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式，由此进行计算。将改变发光波长和周期结构的折射率计算向正面方向输出的光的增强度得到的结果表示在图15中。另外，将以相同的条件将光致发光层的膜厚设定为1000nm时的结果表示在图16中。

首先，着眼于光致发光层的膜厚，可知与膜厚为200nm时(图15)相比，膜厚为1000nm时(图16)的相对于周期结构的折射率变化的光强度达到峰值的波长(称为峰值波长)的位移更小。这是因为，光致发光层的膜厚越小，模拟导波模式越容易受到周期结构的折射率的影响。即，周期 结构的折射率越高，有效折射率越大，相应地峰值波长越向长波长侧位移，但该影响在膜厚越小时越明显。此外，有效折射率由存在于模拟导波模式的电场分布的区域中的介质的折射率确定。

接着，着眼于相对于周期结构的折射率变化的峰的变化，可知折射率越高，则峰越宽，强度越降低。这是因为周期结构的折射率越高，则模拟导波模式的光放出到外部的速率越高，因此封闭光的效果减少，即，Q值变低。为了保持高的峰强度，只要设定为利用封闭光的效果高(即Q值高)的模拟导波模式适度地将光放出到外部的构成就行。可知为了实现该构成，不优选将折射率与光致发光层的折射率相比过大的材料用于周期结构。因此，为了将峰强度和Q值提高一定程度，只要将构成周期结构的电介质(即，透光层)的折射率设定为光致发光层的折射率的同等以下就行。光致发光层包含除了光致发光材料以外的材料时也是同样的。

[4-2.周期结构的高度]

接着，对于周期结构的高度进行研究。将光致发光层的膜厚设定为1000nm，将光致发光层的折射率设定为n_wav＝1.8，周期结构为如图8A所示那样的在y方向上均匀的一维周期结构，并且将折射率设定为n_p＝1.5，将周期设定为400nm，光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式，由此进行计算。将改变发光波长和周期结构的高度计算向正面方向输出的光的增强度的结果表示在图17中。将以相同的条件将周期结构的折射率设定为n_p＝2.0时的计算结果表示在图18中。可知在图17所示的结果中，在一定程度以上的高度，峰强度、Q值(即，峰的线宽)不变化，而在图18所示的结果中，周期结构的高度越大，峰强度和Q值越低。这是因为，在光致发光层的折射率n_wav比周期结构的折射率n_p高的情况(图17)下，光进行全反射，所以仅模拟导波模式的电场的溢出(瞬逝)部分与周期结构相互作用。在周期结构的高度足够大的情况下，即使高度变化到更高，电场的瞬逝部分与周期结构的相互作用的影响也是固定的。另一方面，在光致发光层的折射率n_wav比周期结构的折射率n_p低的情况(图18)下，由于光不全反射而到达周期结构的表面，因此周期结构的高度越大，越受其影响。仅观察图18，可知高度为100nm左右就足够，在超过150nm的区域，峰强度和Q值降低。因此，在光致发光层的折射率n_wav比周期结构的折射 率n_p低的情况下，为了使峰强度和Q值一定程度地提高，只要将周期结构的高度设定为150nm以下就行。

[4-3.偏振方向]

接着，对于偏振方向进行研究。将以与图16所示的计算相同的条件设定为光的偏振为具有与y方向垂直的电场成分的TE模式进行计算得到的结果表示在图19中。在TE模式时，由于模拟导波模式的电场溢出比TM模式大，因此容易受到由周期结构产生的影响。所以，在周期结构的折射率n_p大于光致发光层的折射率n_wav的区域，峰强度和Q值的降低比TM模式明显。

[4-4.光致发光层的折射率]

接着，对于光致发光层的折射率进行研究。将以与图16所示的计算相同的条件将光致发光层的折射率n_wav变更为1.5时的结果表示在图20中。可知即使是光致发光层的折射率n_wav为1.5的情况下，也可以得到大致与图16同样的效果。但是，可知波长为600nm以上的光没有向正面方向射出。这是因为，根据式(10)，λ₀＜n_wav×p/m＝1.5×400nm/1＝600nm。

由以上的分析可知，在将周期结构的折射率设定为与光致发光层的折射率同等以下或者周期结构的折射率为光致发光层的折射率以上的情况下，只要将高度设定为150nm以下就能够提高峰强度和Q值。

[5.变形例]

以下，对本实施方式的变形例进行说明。

[5-1.具有基板的构成]

如上所述，如图8C和图8D所示，发光器件也可以具有在透明基板140之上形成有光致发光层110和周期结构120的结构。为了制作这样的发光器件100a，可以考虑如下的方法：首先，在透明基板140上由构成光致发光层110的光致发光材料(根据需要包含基质材料；以下同)形成薄膜，在其之上形成周期结构120。在这样的构成中，为了通过光致发光层110和周期结构120而使其具有将光向特定方向射出的功能，透明基板140的折射率n_s需要设定为光致发光层的折射率n_wav以下。在将透明基板140以与光致发光层110相接触的方式设置的情况下，需要以满足将式(10)中的出射介质的折射率n_out设定为n_s的式(15)的方式来设定周期p。

为了确认上述内容，进行了在折射率为1.5的透明基板140之上设置有与图9所示的计算相同条件的光致发光层110和周期结构120时的计算。本计算的结果表示在图21中。与图9的结果同样地，能够确认对于每个波长以特定周期出现光强度的峰，但可知峰出现的周期的范围与图9的结果不同。对此，将式(10)的条件设定为n_out＝n_s得到的式(15)的条件表示在图22中。图21中可知在与图22所示的范围相对应的区域内，出现光强度的峰。

因此，对于在透明基板140上设置有光致发光层110和周期结构120的发光器件100a而言，在满足式(15)的周期p的范围可以获得效果，在满足式(13)的周期p的范围可以得到特别显著的效果。

[5-2.具有激发光源的发光装置]

图23是表示具备图8A、8B所示的发光器件100和使激发光射入光致发光层110的光源180的发光装置200的构成例的图。如上所述，本申请的构成通过使光致发光层被紫外线或蓝色光等激发光激发，得到具有指向性的发光。通过设置以射出这样的激发光的方式构成的光源180，能够实现具有指向性的发光装置200。由光源180射出的激发光的波长典型地为紫外或蓝色区域的波长，但不限于这些，可以根据构成光致发光层110的光致发光材料适当确定。此外，在图23中，光源180被配置为由光致发光层110的下表面射入激发光，但不限于这样的例子，例如也可以由光致发光层110的上表面射入激发光。

也有通过使激发光与模拟导波模式结合来使光高效地射出的方法。图24A～24D是用于说明这样的方法的图。在该例子中，与图8C、8D所示的构成同样地，在透明基板140上形成有光致发光层110和周期结构120。首先，如图24A所示，为了增强发光，确定x方向的周期p_x；接着，如图24B所示，为了使激发光与模拟导波模式结合，确定y方向的周期p_y。周期p_x以满足在式(10)中将p置换为p_x后的条件的方式确定。另一方面，周期p_y以将m为1以上的整数、将激发光的波长设定为λ_ex、将与光致发光层110接触的介质中除了周期结构120以外折射率最高的介质的折射率设定为n_out并满足以下的式(16)的方式确定。

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

这里，n_out在图24的例子中为透明基板140的n_s，但在如图23所示不设置透明基板140的构成中，为空气的折射率(约1.0)。

特别是，如果设定为m＝1以满足下式(17)的方式确定周期p_y，则能够进一步提高将激发光转换为模拟导波模式的效果。

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

这样，通过以满足式(16)的条件(特别是式(17)的条件)的方式设定周期p_y，能够将激发光转换为模拟导波模式。其结果是，能够使光致发光层110有效地吸收波长λ_ex的激发光。

图24C和图24D分别是表示相对于图24A和图24B所示的结构射入光时对每个波长计算光被吸收的比例的结果的图。在该计算中，设定为p_x＝365nm、p_y＝265nm，将来自光致发光层110的发光波长λ设定为约600nm，将激发光的波长λ_ex设定为约450nm，将光致发光层110的消光系数设定为0.003。如图24D所示，不仅对由光致发光层110产生的光，而且对于作为激发光的约450nm的光也显示高的吸收率。这是因为，通过将射入的光有效地转换为模拟导波模式，能够使光致发光层所吸收的比例增大。另外，虽然即使对作为发光波长的约600nm，吸收率也增大，但这如果在约600nm的波长的光射入该结构的情况下，则同样被有效地转换为模拟导波模式。这样，图24B所示的周期结构120为在x方向和y方向分别具有周期不同的结构(周期成分)的二维周期结构。这样，通过使用具有多个周期成分的二维周期结构，能够提高激发效率，并且提高出射强度。此外，图24A～24D的例子中是使激发光由基板侧射入，但即使由周期结构侧射入也可以得到相同效果。

进而，作为具有多个周期成分的二维周期结构，也可以采用如图25A或图25B所示的构成。通过设定为如图25A所示将具有六边形的平面形状的多个凸部或凹部周期性地排列而成的构成或如图25B所示将具有三角形的平面形状的多个凸部或凹部周期性地排列而成的构成，能够确定可视为周期的多个主轴(图的例子中为轴1～3)。因此，能够对于各个轴向分配不同的周期。可以为了提高多个波长的光的指向性分别设定这些周期，也 可以为了高效地吸收激发光而分别设定这些周期。在任何一种情况下，都以满足相当于式(10)的条件的方式设定各周期。

[5-3.透明基板上的周期结构]

如图26A和图26B所示，可以在透明基板140上形成周期结构120a，在其之上设置光致发光层110。在图26A的构成例中，以追随基板140上的由凹凸构成的周期结构120a的方式形成光致发光层110，从而在光致发光层110的表面也形成有相同周期的周期结构120b。另一方面，在图26B的构成例中，以使光致发光层110的表面变得平坦的方式进行了处理。在这些构成例中，通过以周期结构120a的周期p满足式(15)的方式进行设定，也能够实现指向性发光。为了验证该效果，在图26A的构成中，改变发光波长和周期结构的周期来计算向正面方向输出的光的增强度。这里，将光致发光层110的膜厚设定为1000nm，将光致发光层110的折射率设定为n_wav＝1.8，周期结构120a为在y方向均匀的一维周期结构且高度为50nm，折射率n_p＝1.5，周期为400nm，光的偏振为具有与y方向平行的电场成分的TM模式。本计算的结果表示在图26C中。本计算中，也以满足式(15)的条件的周期观测到了光强度的峰。

[5-4.粉体]

根据以上的实施方式，能够通过调整周期结构的周期、光致发光层的膜厚，突出任意波长的发光。例如，如果使用以宽带域发光的光致发光材料并设定为如图8A、8B所示的构成，则能够仅突出某个波长的光。因此，也可以将如图8A、8B所示那样的发光器件100的构成设定为粉末状，并制成荧光材料进行利用。另外，也可以将如图8A、8B所示那样的发光器件100埋入树脂、玻璃等进行利用。

在如图8A、8B所示那样的单体的构成中，制成仅向特定方向射出某个特定波长，因此难以实现例如具有宽波长区域的光谱的白色等的发光。因此，通过使用如图27所示混合了周期结构的周期、光致发光层的膜厚等条件不同的多个粉末状发光器件100的构成，能够实现具有宽波长区域的光谱的发光装置。此时，各个发光器件100的一个方向的尺寸例如为数μm～数mm左右；其中，例如可以包含数周期～数百周期的一维或二维周期结构。

[5-5.排列周期不同的结构]

图28是表示在光致发光层之上将周期不同的多个周期结构以二维排列而成的例子的俯视图。在该例子中，三种周期结构120a、120b、120c没有间隙地排列。周期结构120a、120b、120c例如以分别将红、绿、蓝的波长区域的光向正面射出的方式设定周期。这样，也能够通过在光致发光层之上排列周期不同的多个结构，对于宽波长区域的光谱发挥指向性。此外，多个周期结构的构成不限于上述的构成，可以任意设定。

[5-6.层叠结构]

图29表示具有表面上形成有凹凸结构的多个光致发光层110层叠而成的结构的发光器件的一个例子。多个光致发光层110之间设置有透明基板140，形成在各层的光致发光层110的表面上的凹凸结构相当于上述的周期结构或亚微米结构。在图29所示的例子中，形成了三层的周期不同的周期结构，分别以将红、蓝、绿的波长区域的光向正面射出的方式设定周期。另外，以发出与各周期结构的周期相对应的颜色的光的方式选择各层的光致发光层110的材料。这样，即使通过层叠周期不同的多个周期结构，也能够对于宽波长区域的光谱发挥指向性。

此外，层数、各层的光致发光层110和周期结构的构成不限于上述的构成，可以任意设定。例如，在两层的构成中，隔着透光性的基板，第一光致发光层与第二光致发光层以相对置的方式形成，在第一和第二光致发光层的表面分别形成第一和第二周期结构。此时，只要第一光致发光层与第一周期结构这一对和第二光致发光层与第二周期结构这一对分别满足相当于式(15)的条件就行。在三层以上的构成中也同样地，只要各层中的光致发光层和周期结构满足相当于式(15)的条件就行。光致发光层和周期结构的位置关系可以与图29所示的关系相反。虽然在图29所示的例子中，各层的周期不同，但也可以将它们全部设定为相同周期。此时，虽然不能使光谱变宽，但能够增大发光强度。

[5-7.具有保护层的构成]

图30是表示在光致发光层110与周期结构120之间设置有保护层150的构成例的剖视图。这样，也可以设置用于保护光致发光层110的保护层150。但是，在保护层150的折射率低于光致发光层110的折射率的情况下， 在保护层150的内部，光的电场只能溢出波长的一半左右。因此，在保护层150比波长厚的情况下，光达不到周期结构120。因此，不存在模拟导波模式，得不到向特定方向放出光的功能。在保护层150的折射率为与光致发光层110的折射率相同程度或者其以上的情况下，光到达保护层150的内部。因此，对保护层150没有厚度的制约。但是，在这种情况下，由光致发光材料形成光导波的部分(以下，将该部分称为“导波层”)的大部分可以得到大的光输出。因此，在这种情况下，也优选保护层150较薄者。此外，也可以使用与周期结构(透光层)120相同的材料形成保护层150。此时，具有周期结构的透光层兼为保护层。优选透光层120的折射率比光致发光层110的折射率小。

[6.材料]

如果用满足如上所述的条件的材料构成光致发光层(或者导波层)和周期结构，则能够实现指向性发光。周期结构可以使用任意材料。然而，如果形成光致发光层(或者导波层)、周期结构的介质的光吸收性高，则封闭光的效果下降，峰强度和Q值降低。因此，作为形成光致发光层(或者导波层)和周期结构的介质，可以使用光吸收性较低的材料。

作为周期结构的材料，例如可以使用光吸收性低的电介质。作为周期结构的材料的候补，例如可以列举：MgF₂(氟化镁)、LiF(氟化锂)、CaF₂(氟化钙)、SiO₂(石英)、玻璃、树脂、MgO(氧化镁)、ITO(氧化铟锡)、TiO₂(氧化钛)、SiN(氮化硅)、Ta₂O₅(五氧化钽)、ZrO₂(氧化锆)、ZnSe(硒化锌)、ZnS(硫化锌)等。但是，在如上所述使周期结构的折射率低于光致发光层的折射率的情况下，可以使用折射率为1.3～1.5左右的MgF₂、LiF、CaF₂、SiO₂、玻璃、树脂。

光致发光材料包括狭义的荧光材料和磷光材料，不仅包括无机材料，也包括有机材料(例如色素)，还包括量子点(即，半导体微粒)。通常以无机材料为主体的荧光材料存在折射率高的倾向。作为以蓝色发光的荧光材料，可以使用例如M₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、M₃MgSi₂O₈:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、M₅SiO₄Cl₆:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)。作为以绿色发光的荧光材料，可使用例如M₂MgSi₂O₇:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr 和Ca中的至少一种)、SrSi₅AlO₂N₇:Eu²⁺、SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺、BaAl₂O₄:Eu²⁺、BaZrSi₃O₉:Eu²⁺、M₂SiO₄:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、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⁺。作为以红色发光的荧光材料，可使用例如CaAl SiN₃:Eu²⁺、SrAlSi₄O₇:Eu²⁺、M₂Si₅N₈:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、MSiN₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、MSi₂O₂N₂:Yb²⁺(M＝选自Sr和Ca中的至少一种)、Y₂O₂S:Eu³⁺,Sm³⁺、La₂O₂S:Eu³⁺,S m³⁺、CaWO₄:Li¹⁺,Eu³⁺,Sm³⁺、M₂SiS₄:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、M₃SiO₅:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)。作为以黄色发光的荧光材料，可以使用例如Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、CaSi₂O₂N₂:Eu²⁺、Ca₃Sc₂Si₃O₁₂:Ce³⁺、CaSc₂O₄:Ce³⁺、α-SiAlON:Eu²⁺、MSi₂O₂N₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)、M₇(SiO₃)₆Cl₂:Eu²⁺(M＝选自Ba、Sr和Ca中的至少一种)。

量子点可以使用例如CdS、CdSe、核壳型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnS等材料，根据材质能够得到各种发光波长。作为量子点的基质，例如可以使用玻璃、树脂。

图8C、8D等所示的透明基板140由比光致发光层110的折射率低的透光性材料构成。作为这样的材料，例如可以列举：MgF₂(氟化镁)、LiF(氟化锂)、CaF₂(氟化钙)、SiO₂(石英)、玻璃、树脂。

[7.制造方法]

接着，对制造方法的一个例子进行说明。

作为实现图8C、8D所示的构成的方法，例如有如下方法：在透明基板140上通过蒸镀、溅射、涂布等工序将荧光材料形成光致发光层110的薄膜，然后形成电介质的层，通过光刻等方法进行布图来形成周期结构120。此时，对与图1A等所示的广角取向区域40b相当的部分进行掩蔽以使其不形成周期结构。也可以代替上述方法，通过纳米压印来形成周期结构120。另外，如图31所示，也可以通过仅加工光致发光层110的一部分来形成周期结构120。此时，周期结构120就由与光致发光层110相同的材料形成。

图8A、8B所示的发光器件100例如能够通过在制作图8C、8D所示的发光器件100a后，进行从基板140剥除光致发光层110和周期结构120的 部分的工序来实现。

图26A所示的构成例如能够通过在透明基板140上的与狭角取向区域40a相当的部分以半导体工艺或纳米压印等方法形成周期结构120a，然后在其之上通过蒸镀、溅射等方法将构成材料形成光致发光层110来实现。或者，也能够通过利用涂布等方法将周期结构120a的凹部埋入光致发光层110来实现图26B所示的构成。

此外，上述的制造方法为一个例子，本申请的发光器件不限于上述的制造方法。

[7.实验例]

以下，对制作基于本申请的实施方式的发光器件的例子进行说明。

试制具有与图26A相同构成的发光器件的样品，评价特性。发光器件如下操作来制作。

在玻璃基板上设置周期为400nm、高度为40nm的一维周期结构(条纹状的凸部)，从其之上形成210nm光致发光材料YAG:Ce的膜。将其剖视图的TEM图像表示在图32中，通过将其用450nm的LED激发而使YAG:Ce发光时，测定其正面方向的光谱，将得到的结果表示在图33中。在图33中示出了测定没有周期结构时的测定结果(ref)、具有与一维周期结构平行的偏振光成分的TM模式和具有与一维周期结构垂直的偏振光成分的TE模式的结果。在存在周期结构时，与没有周期结构时相比，可以观察到特定波长的光显著增加。另外，可知具有与一维周期结构平行的偏振光成分的TM模式的光的增强效果大。

此外，将在相同的样品中出射光强度的角度依赖性的测定结果和计算结果表示在图34和图35中。图34表示以与一维周期结构(周期结构120)的线方向平行的轴为旋转轴旋转时的测定结果(上段)和计算结果(下段)；图35表示以与一维周期结构(即，周期结构120)的线方向垂直的方向为旋转轴旋转时的测定结果(上段)和计算结果(下段)。另外，图34和图35分别表示与TM模式和TE模式的直线偏振光有关的结果；图34(a)表示与TM模式的直线偏振光有关的结果；图34(b)表示与TE模式的直线偏振光有关的结果；图35(a)表示与TE模式的直线偏振光有关的结果；图35(b)表示与TM模式的直线偏振光有关的结果。从图34和图35可知 如下情况：TM模式的增强效果高，而且被增强的波长随着角度逐渐发生位移。例如，对于波长为610nm的光而言，由于为TM模式且仅在正面方向存在光，因此可知指向性高且偏振发光。另外，各图的上段和下段一致，因此上述计算的正确性得到了实验证实。

由上述的测定结果，作为一个例子，研究在610nm的光中，以与线方向垂直的方向为旋转轴旋转时的强度的角度依赖性。图36是表示其结果的图表。可以观察出：在正面方向上产生了强的发光增强，对于其他角度而言，光几乎没有被增强的情况。可知向正面方向射出的光的指向角(即，强度为最大强度的50％的角度)小于15°。也就是说，可知实现了指向性发光。此外，由于其全都为TM模式的成分，因此可知同时也实现了偏振发光。

以上的验证使用了在广带域的波长带发光的YAG:Ce来进行了实验，但即使以发光为窄带域的光致发光材料设定为同样的构成，对于该波长的光也能够实现指向性和偏振发光。此外，此时由于不产生其他波长的光，因此能够实现不产生其他方向和偏振状态的光之类的光源。

产业上的可利用性

本申请的发光器件和发光装置能够适用于以照明器具、显示器、投影仪为代表的各种光学设备。