JP6748905B2 - Light emitting device - Google Patents
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Description
本開示は、発光装置に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光装置に関する。 The present disclosure relates to a light emitting device, and particularly to a light emitting device having a photoluminescent layer.
照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色LEDなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、このような材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献1は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。
Optical devices such as lighting fixtures, displays, and projectors are required to emit light in a necessary direction in many applications. Photoluminescent materials used in fluorescent lamps, white LEDs and the like emit isotropic light. Therefore, such a material is used together with optical components such as a reflector and a lens in order to emit light only in a specific direction. For example,
光学デバイスにおいて、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズが大きくなる。したがって、これら光学部品を少しでも小型化できると光学デバイスを小型化し得るので有益である。 When optical components such as a reflector and a lens are arranged in the optical device, the size of the optical device itself increases in order to secure the space. Therefore, it is advantageous that the optical device can be downsized if these optical components can be downsized as much as possible.
本開示のある実施形態の発光装置は、励起光源と、前記励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、前記発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズとを備える。前記発光素子は、前記励起光を受けて空気中の波長がλaの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する。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。 A light emitting device according to an embodiment of the present disclosure is an excitation light source, a light emitting element arranged on an optical path of excitation light from the excitation light source, and a first light emitting element arranged on an optical path of light emitted from the light emitting element. And a condenser lens. The light-emitting element includes a photoluminescent layer that receives the excitation light and emits light having a wavelength of λ a in the air, a light-transmissive layer disposed in proximity to the photoluminescent layer, the photoluminescent layer and the light-transmissive layer. The surface structure is formed on at least one surface of the optical layer and includes at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions. The surface structure limits the directional angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。 The above general or specific aspects may be implemented in any element, device, system, method, or any combination thereof.
本開示のある実施形態によれば、小型化の容易な発光装置が提供される。 According to an embodiment of the present disclosure, a light emitting device that is easy to miniaturize 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発光素子、発光装置および投影装置を含む。
[1. Outline of Embodiments of Present Disclosure]
The present disclosure includes a light emitting element, a light emitting device, and a projection device described in the following items.
[項目1]
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、発光装置。
[Item 1]
Excitation light source,
A light emitting element arranged on the optical path of the excitation light from the excitation light source,
A first condenser lens disposed on the optical path of the light emitted from the light emitting element,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
Formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the translucent layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure is a light emitting device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目2]
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズと、を備え、
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、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、発光装置。
[Item 2]
Excitation light source,
A light emitting element arranged on the optical path of the excitation light from the excitation light source,
A first condenser lens disposed on the optical path of the light emitted from the light emitting element,
The light emitting element is
A transparent 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 which is arranged close to the surface structure and which receives excitation light and emits light having a wavelength in the air of λ a ;
The surface structure is a light emitting device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目3]
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、発光装置。
[Item 3]
Excitation light source,
A light emitting element arranged on the optical path of the excitation light from the excitation light source,
A first condenser lens disposed on the optical path of the light emitted from the light emitting element,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
Formed on the surface of the light-transmitting layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure is a light emitting device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目4]
励起光源と、
励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、発光装置。
[Item 4]
Excitation light source,
A light emitting element arranged on the optical path of the excitation light from the excitation light source,
A first condenser lens disposed on the optical path of the light emitted from the light emitting element,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
Formed on the surface of the photoluminescent layer, having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure is a light emitting device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目5]
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とすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目1から4のいずれかに記載の発光装置。
[Item 5]
The surface structure has at least one periodic structure,
When the period of at least one periodic structure and p a, λ a / n wav -a < relationship p a <λ a is satisfied, the light emitting device as described in any one of 1 to 4.
[項目6]
発光素子と第1の集光レンズとの間に配置されたコリメートレンズを有する、項目1から5のいずれかに記載の発光装置。
[Item 6]
Item 6. The light-emitting device according to any one of
[項目7]
第1の集光レンズから出射された光が入射する位置に光ファイバの接続部を有する、項目1から6のいずれかに記載の発光装置。
[Item 7]
7. The light-emitting device according to any one of
[項目8]
励起光源と発光素子との間に配置された第2の集光レンズを有する、項目1から7のいずれかに記載の発光装置。
[Item 8]
[項目9]
励起光源と発光素子との間に配置されたコリメートレンズを有する、項目1から7のいずれかに記載の発光装置。
[Item 9]
[項目10]
励起光源と第2の集光レンズとの間に配置されたコリメートレンズを有する、項目8に記載の発光装置。
[Item 10]
[項目11]
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。
[Item 11]
A light emitting element,
A support for supporting the light emitting element,
Equipped with
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
Formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the translucent layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The support contacts the other part of the light emitting element to support the light emitting element so that a part of the light emitting element is exposed.
Light emitting device.
[項目12]
支持体は、フォトルミネッセンス層に接触し、
支持体の熱伝導率は、フォトルミネッセンス層の熱伝導率よりも高い、
項目11に記載の発光装置。
[Item 12]
The support is in contact with the photoluminescent layer,
The thermal conductivity of the support is higher than the thermal conductivity of the photoluminescent layer,
[項目13]
支持体は、フォトルミネッセンス層の周囲を取り囲んでいる、項目11または12に記載の発光装置。
[Item 13]
Item 13. The light-emitting device according to
[項目14]
励起光を出射する励起光源をさらに備え、
励起光源は、励起光が発光素子において露出した部分に入射するように配置され、励起光はフォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した角度でフォトルミネッセンス層に入射する、
項目11から13のいずれかに記載の発光装置。
[Item 14]
An excitation light source for emitting excitation light is further provided,
The excitation light source is arranged so that the excitation light is incident on the exposed portion of the light emitting device, and the excitation light is incident on the photoluminescent layer at an angle inclined with respect to the normal direction of the photoluminescent layer,
14. The light emitting device according to any one of
[項目15]
支持体は、
発光素子に接する支持部と、
支持部から励起光源の側に広がる開口部であって、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した側面を有する開口部と、
を有する、項目14に記載の発光装置。
[Item 15]
The support is
A support portion in contact with the light emitting element,
An opening that spreads from the support to the excitation light source side, and an opening having a side surface that is inclined with respect to the normal direction of the photoluminescence layer,
15. The light-emitting device according to item 14, which comprises:
[項目16]
励起光源は、励起光が開口部の側面に沿って発光素子に入射するように配置されている、項目15に記載の発光装置。
[Item 16]
16. The light emitting device according to item 15, wherein the excitation light source is arranged so that the excitation light is incident on the light emitting element along the side surface of the opening.
[項目17]
支持体は、
発光素子に接する支持部と、
支持部から励起光の光路に沿って延びる開口部と、
を有する、項目11から14のいずれかに記載の発光装置。
[Item 17]
The support is
A support portion in contact with the light emitting element,
An opening extending from the support along the optical path of the excitation light,
15. The light-emitting device according to any one of
[項目18]
空気中の波長がλaの光に対する透光層の屈折率nt-aは、光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率nwav-aよりも小さい、項目11から17のいずれかに記載の発光装置。
[Item 18]
Item 18. The light-emitting device according to any one of
[項目19]
空気中の波長がλaの光は、表面構造によって予め決められた第1の方向において強度が最大になる、項目11から18のいずれかに記載の発光装置。
[Item 19]
19. The light-emitting device according to any one of
[項目20]
表面構造は、空気中の波長がλaの光の、第1の方向を基準とする指向角を15°未満に制限する、項目19に記載の発光装置。
[Item 20]
20. The light-emitting device according to
[項目21]
表面構造は、空気中の波長がλaの光がフォトルミネッセンス層の法線方向に最も強く出射され、波長λexの励起光がフォトルミネッセンス層の内部を伝播する場合に励起光がフォトルミネッセンス層の法線方向から角度θoutの方向に最も強く出射されるように構成され、
励起光源は、励起光が発光素子に入射角θoutで入射するように配置されている、
項目11から20のいずれかに記載の発光装置。
[Item 21]
The surface structure is such that light with a wavelength of λ a in the air is emitted most strongly in the normal direction of the photoluminescence layer, and excitation light with a wavelength of λ ex propagates inside the photoluminescence layer. It is configured to be emitted most strongly in the direction of the angle θ out from the normal direction of
The excitation light source is arranged so that the excitation light enters the light emitting element at an incident angle θ out ,
21. The light emitting device according to any one of
[項目22]
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
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、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し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。
[Item 22]
A light emitting element,
A support for supporting the light emitting element,
Equipped with
The light emitting element is
A transparent 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 which is arranged close to the surface structure and which receives excitation light and emits light having a wavelength in the air of λ a ;
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The support contacts the other part of the light emitting element to support the light emitting element so that a part of the light emitting element is exposed.
Light emitting device.
[項目23]
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。
[Item 23]
A light emitting element,
A support for supporting the light emitting element,
Equipped with
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
Formed on the surface of the light-transmitting layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The support contacts the other part of the light emitting element to support the light emitting element so that a part of the light emitting element is exposed.
Light emitting device.
[項目24]
発光素子と、
発光素子を支持する支持体と、
を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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し、
支持体は、発光素子の一部が露出するように、発光素子の他の部分に接触して発光素子を支持する、
発光装置。
[Item 24]
A light emitting element,
A support for supporting the light emitting element,
Equipped with
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
Formed on the surface of the photoluminescent layer, having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The support contacts the other part of the light emitting element to support the light emitting element so that a part of the light emitting element is exposed.
Light emitting device.
[項目25]
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
発光装置。
[Item 25]
Excitation light source,
A light emitting element,
A reflector provided on the optical path of the excitation light emitted from the excitation light source and reflecting the excitation light to the light emitting element,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
Formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the translucent layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting device.
[項目26]
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1から3、25のいずれかに記載の発光装置。
[Item 26]
26. The light emitting device according to any one of
[項目27]
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25または26に記載の発光装置。
[Item 27]
The surface structure has a quasi-guided mode that maximizes the intensity of light having a wavelength of λ a in the air emitted from the photoluminescence layer in the first direction that is predetermined by the surface structure, inside the photoluminescence layer. Item 27. The light-emitting device according to item 25 or 26, which is formed in the above.
[項目28]
リフレクターは、励起光が、フォトルミネッセンス層の主面に垂直な方向に対して傾斜した角度でフォトルミネッセンス層に入射するように励起光を反射する、項目25から27のいずれかに記載の発光装置。
[Item 28]
28. The light emitting device according to any one of Items 25 to 27, wherein the reflector reflects the excitation light so that the excitation light is incident on the photoluminescent layer at an angle inclined with respect to a direction perpendicular to the main surface of the photoluminescent layer. ..
[項目29]
発光素子を支持する支持体をさらに備え、
リフレクターは、支持体の一部に設けられている、
項目25から28のいずれかに記載の発光装置。
[Item 29]
Further comprising a support for supporting the light emitting element,
The reflector is provided on a part of the support,
29. The light emitting device according to any one of items 25 to 28.
[項目30]
支持体は、さらに、励起光源を支持する、項目29に記載の発光装置。
[Item 30]
30. The light emitting device according to item 29, wherein the support further supports an excitation light source.
[項目31]
リフレクターは、励起光の反射角を変化させる角度調整機構を有する、項目25から30のいずれかに記載の発光装置。
[Item 31]
31. The light emitting device according to any one of Items 25 to 30, wherein the reflector has an angle adjusting mechanism that changes a reflection angle of the excitation light.
[項目32]
励起光源と、
励起光源から出射された励起光の光路上に配置された発光素子と、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
発光装置。
[Item 32]
Excitation light source,
A light emitting element disposed on the optical path of the excitation light emitted from the excitation light source,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
Formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the translucent layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting device.
[項目33]
励起光源および発光素子を支持する支持体をさらに備える、項目32に記載の発光装置。
[Item 33]
33. The light emitting device according to item 32, further comprising a support that supports the excitation light source and the light emitting element.
[項目34]
励起光源と発光素子との間の光路上に配置されたコリメートレンズをさらに備える、項目25から33のいずれかに記載の発光装置。
[Item 34]
34. The light emitting device according to any one of items 25 to 33, further comprising a collimator lens arranged on an optical path between the excitation light source and the light emitting element.
[項目35]
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1から3、11から21、25から34のいずれかに記載の発光装置。
[Item 35]
Let D int be the distance between two adjacent convex portions or two adjacent concave portions in the surface structure, and let n wav-a be the refractive index of the photoluminescent layer for light with a wavelength λ a in the air, λ a 35. The light-emitting device according to any one of
[項目36]
表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、
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とし、少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目11から21、25から35のいずれかに記載の発光装置。
[Item 36]
The surface structure has at least one periodic structure,
Letting n wav-a be the refractive index of the photoluminescence layer for light having a wavelength of λ a in air, and p a be the period of at least one periodic structure, λ a /n wav-a <p a <λ a Item 36. The light-emitting device according to any one of
[項目37]
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、
発光素子。
[Item 37]
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
Formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the translucent layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting element.
[項目38]
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
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、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、
発光装置。
[Item 38]
Excitation light source,
A light emitting element,
A reflector provided on the optical path of the excitation light emitted from the excitation light source and reflecting the excitation light to the light emitting element,
The light emitting element is
A transparent 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 which is arranged close to the surface structure and which receives excitation light and emits light having a wavelength in the air of λ a ;
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting device.
[項目39]
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
発光装置。
[Item 39]
Excitation light source,
A light emitting element,
A reflector provided on the optical path of the excitation light emitted from the excitation light source and reflecting the excitation light to the light emitting element,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
Formed on the surface of the light-transmitting layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting device.
[項目40]
励起光源と、
発光素子と、
励起光源から出射された励起光の光路上に設けられ、励起光を反射して発光素子に導くリフレクターと、を備え、
発光素子は、
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
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、
発光装置。
[Item 40]
Excitation light source,
A light emitting element,
A reflector provided on the optical path of the excitation light emitted from the excitation light source and reflecting the excitation light to the light emitting element,
The light emitting element is
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
Formed on the surface of the photoluminescent layer, having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting device.
[項目41]
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、
発光素子。
[Item 41]
A transparent 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 which is arranged close to the surface structure and which receives excitation light and emits light having a wavelength in the air of λ a ;
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting element.
[項目42]
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、
発光素子。
[Item 42]
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
Formed on the surface of the light-transmitting layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting element.
[項目43]
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、
発光素子。
[Item 43]
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
Formed on the surface of the photoluminescent layer, having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer,
Light emitting element.
[項目44]
項目41から43のいずれかに記載の発光素子と、
発光素子におけるフォトルミネッセンス層に導入される励起光を出射する励起光源と、
を備える発光装置。
[Item 44]
The light-emitting element according to any one of items 41 to 43,
An excitation light source that emits excitation light that is introduced into the photoluminescent layer in the light emitting element,
A light emitting device comprising.
[項目45]
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44に記載の発光装置。
[Item 45]
Let D int be the distance between two adjacent convex portions or two adjacent concave portions in the surface structure, and let n wav-a be the refractive index of the photoluminescent layer for light with a wavelength λ a in the air, λ a Item 44. The light-emitting device according to item 44, wherein a relationship of /n wav-a <D int <λ a is established.
[項目46]
表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、
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とし、少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目45に記載の発光装置。
[Item 46]
The surface structure has at least one periodic structure,
Letting n wav-a be the refractive index of the photoluminescence layer for light having a wavelength of λ a in air, and p a be the period of at least one periodic structure, λ a /n wav-a <p a <λ a Item 45. The light-emitting device according to Item 45, wherein the relationship holds.
[項目47]
空気中の波長がλaの第1の光と、空気中の波長がλbの第2の光とを含む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であって、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの第1の光の指向角を制限し、第1の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において最大にし、第2の光の強度を、第1の方向と異なる第2の方向において最大にする表面構造と、
第1の光と第2の光とを合成する光学系と、
を備える発光装置。
[Item 47]
A photoluminescent layer that emits light including first light having a wavelength of λ a in air and second light having a wavelength of λ b in air;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
A first structure having a surface structure formed on at least one surface of a photoluminescent layer and a translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, wherein the wavelength in air emitted by the photoluminescent layer is λ a Of the first light is maximized in a first direction predetermined by at least one of the plurality of protrusions and the plurality of recesses, and the intensity of the second light is A surface structure that maximizes in a second direction different from the one direction;
An optical system for combining the first light and the second light,
A light emitting device comprising.
[項目48]
光学系は、第1の方向に出射された第1の光と第2の方向に出射された第2の光とを合成する、項目47に記載の発光装置。
[Item 48]
Item 48. The light emitting device according to item 47, wherein the optical system combines the first light emitted in the first direction and the second light emitted in the second direction.
[項目49]
光学系によって合成された光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーをさらに備える、項目47または48に記載の発光装置。
[Item 49]
49. The light emitting device according to item 47 or 48, further comprising an optical fiber that takes in the light combined by the optical system from one end and emits the light from the other end.
[項目50]
フォトルミネッセンス層におけるフォトルミネッセンス材料を励起して第1の光および第2の光を発生させる励起光を含む第3の光をフォトルミネッセンス層に入射させる光源をさらに備える、項目47から49のいずれかに記載の発光装置。
[Item 50]
Any one of Items 47 to 49, further comprising a light source that makes third light including excitation light that excites the photoluminescent material in the photoluminescent layer to generate first light and second light enter the photoluminescent layer. The light-emitting device according to.
[項目51]
光学系は、光源から出射され、フォトルミネッセンス層を透過した第3の光の一部と、第1の光と、第2の光とを合成する、項目50に記載の発光装置。
[Item 51]
51. The light emitting device according to
[項目52]
空気中の波長がλaの第1の光と、空気中の波長がλbの第2の光とを含む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であって、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの第1の光の指向角を制限し、第1の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において最大にし、第2の光の強度を、第1の光の方向と異なる第2の方向において最大にする表面構造と、
第1の光を第1の光ファイバーに導入する第1の光学系と、
第2の光を第2の光ファイバーに導入する第2の光学系と、
を備える発光装置。
[Item 52]
A photoluminescent layer that emits light including first light having a wavelength of λ a in air and second light having a wavelength of λ b in air;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
A first structure having a surface structure formed on at least one surface of a photoluminescent layer and a translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, wherein the wavelength in air emitted by the photoluminescent layer is λ a Of the first light is maximized in a first direction predetermined by at least one of the plurality of protrusions and the plurality of recesses, and the intensity of the second light is A surface structure that maximizes in a second direction different from the one direction of light;
A first optical system for introducing the first light into the first optical fiber;
A second optical system for introducing the second light into the second optical fiber;
A light emitting device comprising.
[項目53]
第1の光学系は、第1の方向に出射された第1の光を第1の光ファイバーに導入し、
第2の光学系は、第2の方向に出射された第2の光を第2の光ファイバーに導入する、
項目52に記載の発光装置。
[Item 53]
The first optical system introduces the first light emitted in the first direction into the first optical fiber,
The second optical system introduces the second light emitted in the second direction into the second optical fiber,
Item 52. The light-emitting device according to Item 52.
[項目54]
第1の光ファイバーと、第2の光ファイバーとをさらに備え、
第1の光ファイバーおよび第2の光ファイバーは、連結され、連結点において第1の光と第2の光とを合成する、
項目52または53に記載の発光装置。
[Item 54]
Further comprising a first optical fiber and a second optical fiber,
The first optical fiber and the second optical fiber are connected to combine the first light and the second light at a connection point,
The light-emitting device according to
[項目55]
フォトルミネッセンス層におけるフォトルミネッセンス材料を励起して第1の光および第2の光を発生させる励起光を含む第3の光をフォトルミネッセンス層に入射させる光源をさらに備える、項目52から54のいずれかに記載の発光装置。
[Item 55]
Any of items 52 to 54, further comprising a light source that causes third light including excitation light that excites the photoluminescent material in the photoluminescent layer to generate the first light and the second light to enter the photoluminescent layer. The light-emitting device according to.
[項目56]
光源から出射され、フォトルミネッセンス層を透過した第3の光の一部を第3の光ファイバーに導入する第3の光学系をさらに備える、項目55に記載の発光装置。
[Item 56]
Item 56. The light-emitting device according to
[項目57]
第1から第3の光ファイバーをさらに備え、
第1から第3の光ファイバーは、連結され、連結点において第1から第3の光を合成する、項目56に記載の発光装置。
[Item 57]
Further comprising first to third optical fibers,
57. A light emitting device according to item 56, wherein the first to third optical fibers are connected and combine the first to third lights at the connection points.
[項目58]
表面構造における隣接する2つの凸部の中心間または隣接する2つの凹部の中心間の距離をDintとし、空気中の波長がλaの第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、項目47から57のいずれかに記載の発光装置。
[Item 58]
Let D int be the distance between the centers of two adjacent convex portions or the centers of two adjacent concave portions in the surface structure, and let n wav be the refractive index of the photoluminescent layer for the first light having a wavelength λ a in air. The light-emitting device according to any one of Items 47 to 57, wherein the relationship of λ a /n wav-a <D int <λ a is satisfied when −a .
[項目59]
第1表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、
空気中の波長がλaの光に対する第1フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目47から58のいずれかに記載の発光装置。
[Item 59]
The first surface structure has at least one periodic structure,
When the refractive index of the first photoluminescent layer for light having a wavelength of λ a in air is n wav-a and the period of at least one periodic structure is p a , λ a /n wav-a <p a <λ relationship a holds, the light-emitting device according to any one of items 47 58.
[項目60]
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層とが互いに接している、項目1から3、11から23、25から39、41、42、47から59のいずれかに記載の発光装置。
[Item 60]
[項目61]
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、空気中の波長がλaの第1の光と、空気中の波長がλbの第2の光とを含む光を発するフォトルミネッセンス層と、
第1の光と第2の光とを合成する光学系と、
を備え、
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の第1の光の指向角を制限し、第1の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において最大にし、第2の光の強度を、第1の光の方向と異なる第2の方向において最大にする、
発光装置。
[Item 61]
A transparent 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 photoluminescent layer disposed adjacent to the surface structure and emitting light including first light having a wavelength λ a in air and second light having a wavelength λ b in air;
An optical system for combining the first light and the second light,
Equipped with
The surface structure limits the directivity angle of the first light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer, and predetermines the intensity of the first light by at least one of the plurality of convex portions and the plurality of concave portions. In a first direction, the intensity of the second light is maximized in a second direction different from the direction of the first light,
Light emitting device.
[項目62]
空気中の波長がλaの第1の光と、空気中の波長がλbの第2の光とを含む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であって、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し、第1の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において最大にし、第2の光の強度を、第1の光の方向と異なる第2の方向において最大にする表面構造と、
第1の光と第2の光とを合成する光学系と、
を備える、
発光装置。
[Item 62]
A photoluminescent layer that emits light including first light having a wavelength of λ a in air and second light having a wavelength of λ b in air;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
A surface structure that is formed on the surface of the translucent layer and includes at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, the wavelength in the air emitted by the photoluminescent layer limits the directivity angle of light having a λ a , The intensity of the first light is maximized in the first direction predetermined by at least one of the plurality of convex portions and the plurality of concave portions, and the intensity of the second light is changed to the second direction different from the direction of the first light. Surface structure that maximizes in the direction,
An optical system for combining the first light and the second light,
With
Light emitting device.
[項目63]
空気中の波長がλaの第1の光と、空気中の波長がλbの第2の光とを含む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であって、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し、第1の光の強度を、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において最大にし、第2の光の強度を、第1の光の方向と異なる第2の方向において最大にする表面構造と、
第1の光と第2の光とを合成する光学系と、
を備える、
発光装置。
[Item 63]
A photoluminescent layer that emits light including first light having a wavelength of λ a in air and second light having a wavelength of λ b in air;
A surface structure that is formed on the surface of the photoluminescent layer and includes at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, the wavelength in the air emitted by the photoluminescent layer limits the directivity angle of light of λ a , The intensity of the first light is maximized in the first direction predetermined by at least one of the plurality of convex portions and the plurality of concave portions, and the intensity of the second light is changed to the second direction different from the direction of the first light. Surface structure that maximizes in the direction,
An optical system for combining the first light and the second light,
With
Light emitting device.
[項目64]
第1光源と、
第2光源と、
を備え、
第1光源は、
空気中の波長がλaの光を含む第1の光を発する第1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第1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、複数の第1凸部および複数の第1凹部の少なくとも一方を含む第1表面構造であって、第1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第1表面構造と、
を備え、
第2光源は、空気中の波長がλbの光を含む第2の光を出射し、
第1光源から出射された第1の光と第2光源から出射された第2の光とが合成される、
発光装置。
[Item 64]
A first light source,
A second light source,
Equipped with
The first light source is
A first photoluminescent layer which emits a first light including a light having a wavelength of λ a in the air;
A first light-transmissive layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
A first surface structure, which is formed on at least one surface of a photoluminescent layer and a translucent layer and includes at least one of a plurality of first convex portions and a plurality of first concave portions, in the air emitted by the first photoluminescent layer. A first surface structure that limits the directivity angle of light having a wavelength of λ a ,
Equipped with
The second light source emits second light including light having a wavelength of λ b in the air,
The first light emitted from the first light source and the second light emitted from the second light source are combined,
Light emitting device.
[項目65]
第1表面構造における隣接する2つの第1凸部の中心間または隣接する2つの第1凹部の中心間の距離をDint-aとし、空気中の波長がλaの光に対する第1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-a<λaの関係が成り立つ、項目64に記載の発光装置。
[Item 65]
The distance between the centers of two adjacent first convex portions in the first surface structure or the distance between the centers of two adjacent first concave portions is D int-a, and the first photoluminescence for light with a wavelength of λ a in the air 65. The light emitting device according to item 64, wherein the relationship of λ a /n wav-a <D int-a <λ a is established, where n wav-a is the refractive index of the layer.
[項目66]
第1表面構造は、少なくとも1つの第1周期構造を有し、
空気中の波長がλaの光に対する第1フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとし、少なくとも1つの第1周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目64または65に記載の発光装置。
[Item 66]
The first surface structure has at least one first periodic structure,
If the refractive index of the first photoluminescent layer for light having a wavelength of λ a in the air is n wav-a and the period of at least one first periodic structure is p a , then λ a /n wav-a <p a Item 66. The light-emitting device according to Item 64 or 65, wherein the relationship of &lgr; a holds.
[項目67]
第1光源から出射される空気中の波長がλaの光の強度は、複数の第1凸部および複数の第1凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において最大である、項目64から66のいずれかに記載の発光装置。
[Item 67]
The intensity of light having a wavelength λ a in the air emitted from the first light source is maximum in a first direction predetermined by at least one of the plurality of first convex portions and the plurality of first concave portions. The light emitting device according to any one of 64 to 66.
[項目68]
第2光源は、
空気中の波長がλbの光を含む第2の光を発する第2フォトルミネッセンス層と、
第2フォトルミネッセンス層に近接して配置された第2透光層と、
第2フォトルミネッセンス層および第2透光層の少なくとも一方の表面に形成された複数の第2凸部および複数の第2凹部の少なくとも一方を含む第2表面構造であって、第2フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλbの光の指向角を制限する第2表面構造と、
を有する、
項目64から67のいずれかに記載の発光装置。
[Item 68]
The second light source is
A second photoluminescent layer which emits a second light including a light having a wavelength of λ b in the air;
A second light transmissive layer disposed in proximity to the second photoluminescent layer;
A second photoluminescent layer having a second surface structure including at least one of a plurality of second convex portions and a plurality of second concave portions formed on at least one surface of the second photoluminescent layer and the second light transmissive layer. A second surface structure that limits the directivity angle of light having a wavelength λ b in the air emitted by
Have
The light-emitting device according to any of items 64 to 67.
[項目69]
第2表面構造における隣接する2つの第2凸部の中心間または隣接する2つの第2凹部の中心間の距離をDint-bとし、空気中の波長がλbの光に対する第2フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-bとすると、λb/nwav-b<Dint-b<λbの関係が成り立つ、項目68に記載の発光装置。
[Item 69]
The distance between the centers of two adjacent second convex portions in the second surface structure or the distance between the centers of two adjacent second concave portions is D int-b, and second photoluminescence with respect to light having a wavelength of λ b in the air. 69. The light-emitting device according to item 68, wherein the relationship of λ b /n wav-b <D int-b <λ b is established, where n wav-b is the refractive index of the layer.
[項目70]
第2表面構造は、少なくとも1つの第2周期構造を有し、
空気中の波長がλbの光に対する第2フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-bとし、少なくとも1つの第2周期構造の周期をpbとすると、λb/nwav-b<pb<λbの関係が成り立つ、項目68または69に記載の発光装置。
[Item 70]
The second surface structure has at least one second periodic structure,
If the refractive index of the second photoluminescent layer for light having a wavelength of λ b in the air is n wav-b and the period of at least one second periodic structure is p b , then λ b /n wav-b <
[項目71]
第2光源から出射される空気中の波長がλbの光の強度は、複数の第2凸部および複数の第2凹部の少なくとも一方によって予め決められた第2の方向において最大である、項目68から70のいずれかに記載の発光装置。
[Item 71]
The intensity of light having a wavelength λ b in the air emitted from the second light source is maximum in a second direction predetermined by at least one of the plurality of second convex portions and the plurality of second concave portions. The light-emitting device according to any one of 68 to 70.
[項目72]
第1光源から出射された第1の光と第2光源から出射された第2の光とが合成されて白色光が生成される、項目64から71のいずれかに記載の発光装置。
[Item 72]
72. The light emitting device according to any of items 64 to 71, wherein the first light emitted from the first light source and the second light emitted from the second light source are combined to generate white light.
[項目73]
第3光源をさらに備え、
第3光源は、
空気中の波長がλcの光を含む第3の光を発する第3フォトルミネッセンス層と、
第3フォトルミネッセンス層に近接して配置された第3透光層と、
第3フォトルミネッセンス層および第3透光層の少なくとも一方の表面に形成された複数の第3凸部および複数の第3凹部の少なくとも一方を含む第3表面構造であって、第3フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλcの光の指向角を制限する第3表面構造と、
を有し、
第1光源から出射された第1の光と、第2光源から出射された第2の光と、第3光源から出射された第3の光とが合成される、
項目64から72のいずれかに記載の発光装置。
[Item 73]
Further comprising a third light source,
The third light source is
A third photoluminescent layer which emits a third light containing light having a wavelength of λ c in the air;
A third light-transmitting layer disposed in proximity to the third photoluminescent layer,
A third photoluminescent layer having a third surface structure including at least one of a plurality of third convex portions and a plurality of third concave portions formed on at least one surface of the third photoluminescent layer and the third light transmissive layer. A third surface structure for limiting the directivity angle of light having a wavelength λ c in the air emitted by
Have
The first light emitted from the first light source, the second light emitted from the second light source, and the third light emitted from the third light source are combined.
73. The light emitting device according to any of items 64 to 72.
[項目74]
第3表面構造における隣接する2つの第3凸部の中心間または隣接する2つの第3凹部の中心間の距離をDint-cとし、空気中の波長がλcの光に対する第3フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-cとすると、λc/nwav-c<Dint-c<λcの関係が成り立つ、項目73に記載の発光装置。
[Item 74]
Let D int-c be the distance between the centers of two adjacent third protrusions or the centers of two adjacent third recesses in the third surface structure, and the third photoluminescence for light with a wavelength in the air of λ c. Item 73. The light-emitting device according to Item 73, wherein the relationship of λ c /n wav-c <D int-c <λ c is established, where n wav-c is the refractive index of the layer.
[項目75]
第3表面構造は、少なくとも1つの第3周期構造を有し、
空気中の波長がλcの光に対する第3フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-cとし、少なくとも1つの第3周期構造の周期をpcとすると、λc/nwav-c<pc<λcの関係が成り立つ、項目73または74に記載の発光装置。
[Item 75]
The third surface structure has at least one third periodic structure,
When the refractive index of the third photoluminescent layer wavelength in air to light of lambda c and n wav-c, a period of at least one third periodic structure and p c, λ c / n wav -c <p c Item 73. The light-emitting device according to Item 73 or 74, wherein the relationship of λ c is established.
[項目76]
第3光源から出射される空気中の波長がλcの光の強度は、複数の第3凸部および複数の第3凹部の少なくとも一方によって予め決められた第3の方向において最大である、項目73から75のいずれかに記載の発光装置。
[Item 76]
The intensity of light having a wavelength λ c in the air emitted from the third light source is maximum in a third direction predetermined by at least one of the plurality of third convex portions and the plurality of third concave portions. 73. The light emitting device according to any one of 73 to 75.
[項目77]
第1光源から出射された第1の光と、第2光源から出射された第2の光と、第3光源から出射された第3の光とが合成されて白色光が生成される、項目73から76のいずれかに記載の発光装置。
[Item 77]
Item: White light is generated by combining the first light emitted from the first light source, the second light emitted from the second light source, and the third light emitted from the third light source. 73. The light emitting device according to any one of 73 to 76.
[項目78]
第1光源から出射された第1の光を一端から取り込み、他端から出射させる光ファイバーをさらに備える、項目64から77のいずれかに記載の発光装置。
[Item 78]
Item 78. The light emitting device according to any one of Items 64 to 77, further including an optical fiber that receives the first light emitted from the first light source from one end and emits the first light from the other end.
[項目79]
第2光源は、第2の光が第1光源を通過するように配置され、
第1光源から出射された第1の光と、第1光源を通過した第2の光とが合成される、項目64から78のいずれかに記載の発光装置。
[Item 79]
The second light source is arranged such that the second light passes through the first light source,
79. The light emitting device according to any one of items 64 to 78, wherein the first light emitted from the first light source and the second light that has passed through the first light source are combined.
[項目80]
第1の光と第2の光とが第1光源の内部で合成される、項目64から78のいずれかに記載の発光装置。
[Item 80]
79. The light emitting device according to any of items 64 to 78, wherein the first light and the second light are combined inside the first light source.
[項目81]
第1の光と第2の光とを第1光源の外部で合成させる光学系をさらに備える、項目64から78のいずれかに記載の発光装置。
[Item 81]
79. The light emitting device according to any one of items 64 to 78, further including an optical system that combines the first light and the second light outside the first light source.
[項目82]
光学系は、第1の光と第2の光とを合成して光ファイバーに入射させる、項目81に記載の発光装置。
[Item 82]
Item 82. The light emitting device according to item 81, wherein the optical system combines the first light and the second light and makes them enter the optical fiber.
[項目83]
第2光源から出射される第2の光は、第1フォトルミネッセンス層内の発光材料を励起して発光させる励起光を含み、
第2光源は、第2の光を第1フォトルミネッセンス層に入射させ、
光学系は、第1発光素子から出射した第1の光と、第2光源から出射して第1光源を透過した第2の光とを合成して光ファイバーに入射させる、項目82に記載の発光装置。
[Item 83]
The second light emitted from the second light source includes excitation light that excites the luminescent material in the first photoluminescent layer to emit light,
The second light source causes the second light to be incident on the first photoluminescent layer,
Item 83. The light emission according to item 82, wherein the optical system combines the first light emitted from the first light emitting element and the second light emitted from the second light source and transmitted through the first light source, and makes the light enter the optical fiber. apparatus.
[項目84]
第1光源から出射された第1の光を一端から取り込む第1光ファイバーと、
第2光源から出射された第2の光を一端から取り込む第2光ファイバーと、
をさらに備え、
第1光ファイバーおよび第2光ファイバーは、連結され、連結点において第1の光と第2の光とを合成する、
項目64から77のいずれかに記載の発光装置。
[Item 84]
A first optical fiber that takes in the first light emitted from the first light source from one end,
A second optical fiber for taking in the second light emitted from the second light source from one end,
Further equipped with,
The first optical fiber and the second optical fiber are connected to combine the first light and the second light at a connection point,
Item 77. The light-emitting device according to any one of Items 64 to 77.
[項目85]
第1フォトルミネッセンス層と第1透光層とが互いに接している、項目64から84のいずれかに記載の発光装置。
[Item 85]
85. The light emitting device according to any of items 64 to 84, wherein the first photoluminescent layer and the first light transmitting layer are in contact with each other.
[項目86]
第1光源と、
第2光源と、
を備え、
第1光源は、
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、空気中の波長がλaの光を含む第1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し、
第2光源は、空気中の波長がλbの光を含む第2の光を出射し、
第1光源から出射された第1の光と第2光源から出射された第2の光とが合成される、
発光装置。
[Item 86]
A first light source,
A second light source,
Equipped with
The first light source is
A transparent 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 which is disposed in proximity to the surface structure and emits a first light including a light having a wavelength of λ a in air,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The second light source emits second light including light having a wavelength of λ b in the air,
The first light emitted from the first light source and the second light emitted from the second light source are combined,
Light emitting device.
[項目87]
第1光源と、
第2光源と、
を備え、
第1光源は、
空気中の波長がλaの光を含む第1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し、
第2光源は、空気中の波長がλbの光を含む第2の光を出射し、
第1光源から出射された第1の光と第2光源から出射された第2の光とが合成される、
発光装置。
[Item 87]
A first light source,
A second light source,
Equipped with
The first light source is
A photoluminescence layer that emits a first light including a light having a wavelength of λ a in the air;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
Formed on the surface of the light-transmitting layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The second light source emits second light including light having a wavelength of λ b in the air,
The first light emitted from the first light source and the second light emitted from the second light source are combined,
Light emitting device.
[項目88]
第1光源と、
第2光源と、
を備え、
第1光源は、
空気中の波長がλaの光を含む第1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し、
第2光源は、空気中の波長がλbの光を含む第2の光を出射し、
第1光源から出射された第1の光と第2光源から出射された第2の光とが合成される、
発光装置。
[Item 88]
A first light source,
A second light source,
Equipped with
The first light source is
A photoluminescence layer that emits first light including light having a wavelength of λ a in the air; and a surface structure that is formed on the surface of the photoluminescence layer and that includes at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions. Then
The surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The second light source emits second light including light having a wavelength of λ b in the air,
The first light emitted from the first light source and the second light emitted from the second light source are combined,
Light emitting device.
[項目89]
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの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、投影装置。
[Item 89]
A light source section,
An image forming unit having a light modulation element,
An optical fiber that takes in light from the light source part from one end and guides it to the image forming part,
Equipped with
The light source is
Excitation light source,
A photoluminescence layer which receives excitation light from an excitation light source and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
Formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the translucent layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目90]
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光を受ける光変調素子と、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、投影装置。
[Item 90]
A light source section having an excitation light source,
An image forming unit,
An optical fiber that receives the excitation light from the excitation light source from one end and guides it to the image forming unit,
Equipped with
The image forming unit
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
A surface structure formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the transparent layer, and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
And a light modulation element that receives light having a wavelength of λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目91]
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
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、励起光源からの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、投影装置。
[Item 91]
A light source section,
An image forming unit having a light modulation element,
An optical fiber that takes in light from the light source part from one end and guides it to the image forming part,
Equipped with
The light source is
Excitation light source,
A transparent 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 which is arranged in proximity to the surface structure and which receives excitation light from an excitation light source and emits light having a wavelength in air of λ a ;
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目92]
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光を受ける光変調素子と、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、投影装置。
[Item 92]
A light source section having an excitation light source,
An image forming unit,
An optical fiber that receives the excitation light from the excitation light source from one end and guides it to the image forming unit,
Equipped with
The image forming unit
A transparent 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 which is arranged close to the surface structure and which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
And a light modulation element that receives light having a wavelength of λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目93]
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの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、投影装置。
[Item 93]
A light source section,
An image forming unit having a light modulation element,
An optical fiber that takes in light from the light source part from one end and guides it to the image forming part,
Equipped with
The light source is
Excitation light source,
A photoluminescence layer which receives excitation light from an excitation light source and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent layer,
Formed on the surface of the light-transmitting layer, and having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目94]
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光を受ける光変調素子と、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、投影装置。
[Item 94]
A light source section having an excitation light source,
An image forming unit,
An optical fiber that receives the excitation light from the excitation light source from one end and guides it to the image forming unit,
Equipped with
The image forming unit
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A translucent layer having a refractive index higher than that of the photoluminescent 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,
And a light modulation element that receives light having a wavelength of λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目95]
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89から94のいずれかに記載の投影装置。
[Item 95]
95. The projection device according to any of items 89 to 94, wherein the photoluminescent layer and the translucent layer are in contact with each other.
[項目96]
光源部と、
光変調素子を有する画像形成部と、
光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
光源部は、
励起光源と、
励起光源からの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、投影装置。
[Item 96]
A light source section,
An image forming unit having a light modulation element,
An optical fiber that takes in light from the light source part from one end and guides it to the image forming part,
Equipped with
The light source is
Excitation light source,
A photoluminescence layer which receives excitation light from an excitation light source and emits light having a wavelength in air of λ a ;
Formed on the surface of the photoluminescent layer, having a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目97]
励起光源を有する光源部と、
画像形成部と、
励起光源からの励起光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーと、
を備え、
画像形成部は、
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、
フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光を受ける光変調素子と、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、投影装置。
[Item 97]
A light source section having an excitation light source,
An image forming unit,
An optical fiber that receives the excitation light from the excitation light source from one end and guides it to the image forming unit,
Equipped with
The image forming unit
A photoluminescence layer which receives excitation light and emits light having a wavelength in air of λ a ;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
And a light modulation element that receives light having a wavelength of λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The surface structure is a projection device that limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
[項目98]
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89から97のいずれかに記載の投影装置。
[Item 98]
The surface structure has a quasi-guided mode that maximizes the intensity of light having a wavelength of λ a in the air emitted from the photoluminescence layer in the first direction that is predetermined by the surface structure, inside the photoluminescence layer.
[項目99]
空気中の波長がλaの光は、表面構造によって予め決められた第1の方向において強度が最大になる、項目89から97のいずれかに記載の投影装置。
[Item 99]
98. The projection device according to any of items 89 to 97, wherein the light having a wavelength λ a in the air has a maximum intensity in a first direction predetermined by the surface structure.
[項目100]
空気中の波長がλaの光の第1の方向を基準としたときの指向角は、15°未満である、項目89から99のいずれかに記載の投影装置。
[Item 100]
101. The projection device according to any one of items 89 to 99, wherein a directivity angle with respect to a first direction of light having a wavelength in air of λ a is less than 15°.
[項目101]
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89から100のいずれかに記載の投影装置。
[Item 101]
101. The projection device according to any one of items 89 to 100, wherein the surface structure limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer to less than 15°.
[項目102]
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89から101のいずれかに記載の投影装置。
[Item 102]
Let D int be the distance between two adjacent convex portions or two adjacent concave portions in the surface structure, and let n wav-a be the refractive index of the photoluminescent layer for light with a wavelength λ a in the air, λ a 101. The projection device according to any one of items 89 to 101, wherein a relationship of /n wav-a <D int <λ a is established.
[項目103]
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とすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目89から102のいずれかに記載の投影装置。
[Item 103]
The surface structure has at least one periodic structure,
When the period of at least one periodic structure and p a, λ a / n wav -a < relationship p a <λ a is satisfied, projection apparatus as described in any one of 89 102.
本開示のある実施形態による発光装置は、励起光源と、励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、発光素子から出射された光の光路上に配置された集光レンズとを有する。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、本開示の発光装置における発光素子は、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。本開示のある実施形態によれば、フォトルミネッセンス材料を利用する新規な構造を有する発光装置を提供することができる。以下では、まず、本開示の発光装置に適用し得る発光素子の例を説明する。発光装置の全体的な構成の詳細は、後述する。 A light emitting device according to an embodiment of the present disclosure includes an excitation light source, a light emitting element arranged on an optical path of excitation light from the excitation light source, and a condenser lens arranged on an optical path of light emitted from the light emitting element. Have. The light emitting element includes a photoluminescence layer that receives excitation light and emits light having a wavelength λ a in air. As described later in detail, the light emitting element in the light emitting device of the present disclosure has a novel structure capable of controlling the light emission efficiency, directivity, or polarization characteristics of the photoluminescent material. According to an embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a light emitting device having a novel structure using a photoluminescent material. Hereinafter, first, an example of a light emitting element that can be applied to the light emitting device of the present disclosure will be described. Details of the overall configuration of the light emitting device will be described later.
本開示のある実施形態による発光素子は、フォトルミネッセンス層と、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む。フォトルミネッセンス層が発する光は、空気中の波長がλaの第1の光を含み、隣接する凸部間または凹部間の距離をDint、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 light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure is a photoluminescent layer, a light-transmissive layer disposed in proximity to the photoluminescent layer, a photoluminescent layer and at least one surface of the light-transmissive layer, and a plurality of convex portions. And a surface structure including at least one of the plurality of recesses. This surface structure limits the directional angle of light emitted by the photoluminescent layer and having a wavelength of λ a in air. The surface structure can be a submicron structure extending in-plane of the photoluminescent or light transmissive layer. The submicron structure may be, for example, a periodic structure including at least one of a convex portion and a concave portion. Submicron structures include, for example, multiple protrusions or multiple recesses. The light emitted from the photoluminescent layer includes the first light having a wavelength λ a in the air, the distance between adjacent convex portions or concave portions is D int , and the refractive index of the photoluminescent layer with respect to the first light is n. Assuming wav-a , the relationship of λ a /n wav-a <D int <λ a holds. Alternatively, if the period in the periodic structure is p a , the relationship of λ a /n wav-a <p a <λ a holds. The wavelength λ a is, for example, within the wavelength range of visible light (for example, 380 nm or more and 780 nm or less). For applications that utilize infrared light, the wavelength λ a can exceed 780 nm. On the other hand, in applications using ultraviolet light, the wavelength λ a may be less than 380 nm. In the present disclosure, electromagnetic waves including infrared rays and ultraviolet rays are generally referred to 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 comprises a photoluminescent material. The photoluminescent material means a material that emits light upon receiving excitation light. Photoluminescent materials include fluorescent materials and phosphorescent materials in a narrow sense, include not only inorganic materials but also organic materials (for example, dyes), and further include quantum dots (that is, semiconductor fine particles). 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 translucent layer arranged in the vicinity of the photoluminescent layer is formed of a material having a high transmittance for the light emitted by the photoluminescent layer, for example, an inorganic material or a resin. The translucent layer can be formed of, for example, a dielectric (in particular, an insulator that absorbs less light). The translucent layer may be, for example, a substrate that supports the photoluminescent layer. When the surface of the photoluminescence layer on the air side 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 the surface of at least one of the photoluminescent layer and the light transmitting layer. Here, the “surface” means a portion in contact with another substance (that is, an interface). When the light transmissive layer is a gas layer such as air, the interface between the gas layer and another substance (for example, the photoluminescence layer) is the surface of the light transmissive 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 dimension or two dimensions. Such surface structures can be referred to as "periodic structures". The plurality of protrusions and the plurality of recesses 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 changes in a certain direction. Here, the term “periodic” is not limited to a mode that is strictly periodic, but includes a mode that can be said to be approximately periodic. In the present specification, the distance between two adjacent centers (hereinafter, sometimes referred to as “center interval”) of a plurality of continuous protrusions or recesses is any two adjacent protrusions or recesses. Also, when is within a range of ±15% of a certain value p, that part is considered to be a periodic structure having a period 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107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 portion that is raised with respect to the reference height portion. The “recess” means a portion that is recessed with respect to the reference height portion. Depending on the shapes, sizes, and distributions of the convex portions and the concave portions, it may be difficult to easily determine which is the convex portion and which is the concave portion. For example, in the cross-sectional view shown in FIG. 107, 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」の用語を用いることがある。しかしながら、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 by the photoluminescent layer in air. .. When the light emitted from the photoluminescent layer is visible light, short-wave near-infrared rays, or ultraviolet rays, 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 "sub-micron structure" may include in part a portion having a center spacing or period greater than 1 micrometer (μm). In the following description, a photoluminescence layer that emits visible light is mainly assumed, and the term “submicron structure” may be used as a term that means a surface structure. However, the following discussion holds in the same manner even for a surface structure having a fine structure exceeding the sub-micron order (for example, a fine structure of the micron order used in the application utilizing infrared rays).
本開示の実施形態においては、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によって、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 embodiments of the present disclosure, a unique electric field distribution is formed inside the photoluminescent layer and the light transmissive layer, as will be described later in detail with reference to calculation results and experimental results. It is formed by the guided light interacting with submicron structures (ie surface structures). The mode of light forming such an electric field distribution can be expressed as a “pseudo-guided mode”. By utilizing this pseudo-guided mode, it is possible to obtain the effects of increasing the luminous efficiency of photoluminescence, improving the directivity, and selecting the polarization, as described below. In the following description, the term "pseudo-guided mode" may be used to describe a novel configuration and/or novel mechanism found by the present inventors. The description is merely an example and is not intended to limit the 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として説明する。λは光の波長を表し、下付きの「a」を有する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 when the center-to-center distance between adjacent convex portions is D int , the relationship of λ a /n wav-a <D int <λ a can be satisfied. The submicron structure may include a plurality of recesses instead of the plurality of projections. Hereinafter, for simplicity, the submicron structure will be described as having a plurality of convex portions. λ represents the wavelength of light, and λ a with the subscript “a” represents the wavelength of light in air. n wav is the refractive index of the photoluminescent 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 with each volume ratio is n wav . Since the refractive index n generally depends on the wavelength, it is desirable to clearly indicate that it is the refractive index for light of λ a as n wav-a , but it may be omitted for simplicity. n wav is basically the refractive index of the photoluminescent layer. However, when the refractive index of the layer adjacent to the photoluminescent layer is larger than the refractive index of the photoluminescent layer, the refractive index of the layer having the large refractive index and the photoluminescent layer. The average refractive index obtained by weighting the refractive index of the layer with each volume ratio is n wav . This is because, in this case, it 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)によって電場の分布は異なるので、有効屈折率neffはTEモードとTMモードとの間で異なり得る。 Letting n eff be the effective refractive index of the medium for light in the pseudo-guided mode, then n a <n eff <n wav is satisfied. Here, n a is the refractive index of air. Considering that light in the pseudo-waveguide mode propagates inside the photoluminescent layer while being totally reflected at an 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-guided 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 transparent layer. Also, since the electric field distribution differs depending on the polarization direction of the pseudo-guided mode (TE mode and TM mode), the effective refractive index n eff may differ 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しなくてもよい。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ので、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 photoluminescent layer and the light transmitting layer. A submicron structure may be formed at the interface between the photoluminescent layer and the transparent layer when the photoluminescent layer and the transparent layer are in contact with each other. At this time, the photoluminescent 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 arranged close to the photoluminescence layer. Here, that the light transmissive layer (or its submicron structure) is close to the photoluminescent layer typically means that the distance between them is not more than half the wavelength λ a . Thereby, the electric field of the guided mode reaches the submicron structure, and the pseudo guided mode is formed. However, when the refractive index of the light-transmitting layer is larger than that of the photoluminescent layer, the light reaches the light-transmitting layer even if the above relationship is not satisfied, so that the submicron structure of the light-transmitting layer and the photoluminescent layer are The distance between may be more than half the wavelength λ a . In this specification, when the photoluminescent layer and the light-transmitting layer are in a positional relationship such that the electric field of the guided mode reaches the submicron structure and the pseudo guided mode is formed, they are associated with each other. Sometimes expressed as being.
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、表面構造はサブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光装置の発光素子におけるように、少なくとも1つの周期構造を含み得る。少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係を満たし得る。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。 When the submicron structure satisfies the relationship of λ a /n wav-a <D int <λ a as described above, the surface structure is characterized by the size of submicron order in the application utilizing visible light. To be The sub-micron structure may include at least one periodic structure, such as in a light emitting element of a light emitting device of the embodiments described in detail below. At least one of the periodic structure, when the period as p a, may satisfy the relation of λ a / n wav-a < p a <λ a. That is, the submicron structure may include a periodic structure in which the distance D int between adjacent convex portions is constant at p a . When the submicron structure includes such a periodic structure, the light of the pseudo-guided mode is diffracted by the submicron structure by repeating the interaction with the periodic structure while propagating. This is a phenomenon in which light acts on the periodic structure while being guided (that is, repeating total reflection), unlike the phenomenon that light propagating in free space is diffracted by the periodic structure. Therefore, even if the phase shift due to the periodic structure is small (that is, even if 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狭角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「狭角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを狭角に出射するのではない。例えば後述する図29に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度(例えば20°〜70°)の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかしながら、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 described above is used, the luminous efficiency of photoluminescence is increased by the effect of the electric field being enhanced by the pseudo-guided mode, and the generated light is coupled to the pseudo-guided mode. The traveling angle of the light in the pseudo-guided mode is bent by the diffraction angle defined by the periodic structure. By utilizing this, it is possible to emit light of a specific wavelength in a specific direction. That is, the directivity is remarkably improved as compared with the case where the periodic structure does not exist. Further, since the TE mode and the TM mode have different effective refractive indices n eff (=n wav sin θ), it is possible to obtain high polarization selectivity at the same time. For example, as will be shown later as an experimental example, it is possible to obtain a light emitting element that strongly emits linearly polarized light (for example, TM mode) of a specific wavelength (for example, 610 nm) in the front direction. At this time, the directivity angle of the light emitted in the front direction is less than 15°, for example. Here, the "directivity angle" is defined as the angle between the direction in which the intensity is maximum and the direction in which the intensity is 50% of the maximum intensity for 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°. As described above, 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 λ a . In other words, the light distribution of the light of the wavelength λ a is made narrower than that in the case where there is no periodic structure. Such a light distribution in which the directivity angle is reduced as compared with the case where no periodic structure exists 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, which will be described later, light of the wavelength λ a is slightly emitted also in the direction of an angle (for example, 20° to 70°) away from the direction of maximum intensity. However, as a whole, the emitted light of the wavelength λ a is concentrated in the range of 0° to 20°, and the directivity 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 light of a specific wavelength is diffracted into a plurality of diffracted lights such as 0th order light (that is, transmitted light) and ±1st order diffracted light. It is divided into two and emitted. In such a diffraction grating, high-order diffracted light is generated on both sides of the 0th-order light. High-order diffracted light generated on both sides of the 0th-order light in the diffraction grating makes it difficult to realize narrow-angle light distribution. In other words, the conventional diffraction grating does not exert the effect peculiar to the embodiment of the present disclosure that the directivity angle of light is limited to a predetermined angle (for example, about 15°). In this respect, the periodic structure in the embodiment of the present disclosure has a property that is significantly different from the conventional diffraction grating.
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 becomes low, the directivity, the luminous efficiency, the degree of polarization and the wavelength selectivity become weak. If necessary, the periodicity of the submicron structure may be adjusted. The periodic structure may be a one-dimensional periodic structure having high polarization selectivity or a two-dimensional periodic structure capable of reducing the polarization degree.
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得る。これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。 Submicron structures may include multiple periodic structures. For example, the plurality of periodic structures have mutually different periods (pitch). Alternatively, the plurality of periodic structures have mutually different directions (axes) having periodicity, for example. The plurality of periodic structures may be formed in the same plane or may be laminated. Of course, the light emitting element may have a plurality of photoluminescent layers and a plurality of light transmitting layers. They may have multiple 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 for controlling the light emitted by the photoluminescent layer but also for efficiently guiding the excitation light to the photoluminescent layer. That is, the excitation light is diffracted by the submicron structure and is coupled to the pseudo-waveguide mode that guides the photoluminescence layer and the light transmitting layer, whereby the photoluminescence layer can be efficiently excited. Letting λ ex be the wavelength of light exciting the photoluminescent material in air and n wav-ex being the refractive index of the photoluminescent layer for this exciting light, the relationship of λ ex /n wav-ex <D int <λ ex It suffices to use a submicron structure in which n wav-ex is the refractive index at the excitation wavelength of the photoluminescent material. When 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 is established 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 in the visible light range, the excitation light may be emitted together with the light emitted by the photoluminescence layer.
[2.本開示の基礎となった知見]
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明し、続けて、フォトルミネッセンス層を有する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。フォトルミネッセンス材料を用い、特定の方向を光で照らすためには、一般に、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。
[2. Knowledge as the basis of the present disclosure]
Before describing specific embodiments of the present disclosure, first, the knowledge on which the present disclosure is based will be described, and subsequently, an exemplary configuration of a light emitting device having a photoluminescence layer will be described. As described above, photoluminescent materials used in fluorescent lamps, white LEDs and the like emit isotropic light. Optical components such as a reflector and a lens are generally required to illuminate a specific direction with light using a photoluminescent material. However, if the photoluminescent layer itself emits light with directivity, for example, the lens can be made smaller, which can greatly reduce the size of the optical device or instrument. Based on such an idea, the present inventors have studied in detail the structure of the photoluminescent 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 Expression (1), r is a vector representing a position, λ is a wavelength of light, d is a dipole vector, E is an electric field vector, and ρ is a density of states. In many substances except some crystalline substances, 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 emission rate Γ is constant regardless of the direction. Therefore, in most cases, the photoluminescent layer emits light 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とがわかる。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, from the formula (1), in order to obtain anisotropic light emission, it is necessary to arrange the dipole vector d in a specific direction or to enhance the component of the electric field vector in a specific direction. I know there is. Directional light emission can be realized by making any of these measures. In the embodiment of the present disclosure, a pseudo-guided mode in which an electric field component in a specific direction is enhanced by the effect of confining light in the photoluminescent layer is used. The configuration for that purpose is examined, and the detailed analysis results are described below.
[3.特定の方向の電場のみを強くする構成]
本発明者らは、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。しかしながら、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形成される。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により、回折効果により特定方向の伝播光へと変換される。そのため、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。
[3. Configuration that strengthens only the electric field in a specific direction]
The present inventors considered controlling light emission using a guided mode with a strong electric field. When the waveguide structure itself includes a photoluminescent material, the generated light can be coupled to the waveguide mode. However, if the waveguiding structure is simply formed by using the photoluminescent material, the emitted light becomes a waveguiding mode, so that almost no light is emitted in the front direction. Therefore, the present inventors considered combining a waveguide containing a photoluminescent material and a periodic structure. When the periodic structure is close to the waveguide and the electric field of light is guided while overlapping with the periodic structure, a pseudo-guided mode is formed by the action of the periodic structure. That is, this pseudo-guided mode is a guided mode limited by the periodic structure, and is characterized in that the antinode of the electric field amplitude occurs at 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. Further, this mode interacts with the periodic structure and is converted into propagating light in a specific direction by the diffraction effect. Therefore, light can be emitted to the outside of the waveguide. Furthermore, the electric field is not enhanced because light other than the pseudo-guided mode has a small effect of being confined in the waveguide. Therefore, most of the emitted light is coupled into the pseudo-guided mode having a large electric field component.
つまり、本発明者らは、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。 That is, the present inventors configured the waveguide provided with the periodic structure close to each other by the photoluminescence layer containing the photoluminescence material (or the waveguide layer having the photoluminescence layer) to generate light. , It was considered to realize a directional light source by coupling with a pseudo-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、スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。図30に示す導波路110Sの屈折率が、導波路110Sを支持する基板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, we focused on a slab type waveguide. The slab type waveguide is a waveguide in which the light guiding portion has a flat plate structure. FIG. 30 is a perspective view schematically showing an example of a slab type waveguide. When the refractive index 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によって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得る。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 photoluminescent layer, the electric field of the guided mode interacts with the periodic structure to form a pseudo guided mode. Even if the photoluminescent layer is composed of a plurality of layers, a pseudo-guided mode can be formed if the electric field of the guided mode reaches the periodic structure. It is not necessary that all of the photoluminescent layer is a photoluminescent material, and it is sufficient that at least a part of the region 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と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にロスが大きくなり、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と有益である。 When the periodic structure is made of metal, a mode is formed by the guided mode and the effect of plasmon resonance. This mode has different properties from the above-mentioned pseudo-guided mode. Further, 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 beneficial to use a dielectric material having a small 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によって、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)、表面構造120を透光層120ということがある。この例では、表面構造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、導波路内を導波する光を、近似的に、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)に光を出射させ得ることがわかる。 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 (that is, in 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 into a specific pseudo-guided mode, and is converted into light with a specific emission angle by using the periodic structure, so that strong light is emitted 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ので、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、本開示の典型的な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(例えば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)となるので、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、基板140上に導波路110としてのフォトルミネッセンス層および表面構造120を形成した構造を採用してもよい。基板140としては、典型的には透明基板が用いられる。以下、基板140を透明基板140と呼ぶことがある。
On the other hand, as illustrated in FIGS. 1C and 1D, a structure in which a photoluminescent layer as the
透明基板140上に導波路110および表面構造120を形成した場合には、基板の屈折率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のように導波路110としてのフォトルミネッセンス層が透明基板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から発生した光を正面方向に出射させることができ、指向性を有する発光装置を実現できる。なお、以下では、導波路110をフォトルミネッセンス層110と呼ぶことがある。
By determining the period p of the periodic structure so as to satisfy the above inequality, the light generated from the photoluminescence layer can be emitted in the front direction, and a light emitting device having directivity can be realized. In the following, the
[4.計算による検証]
[4−1.周期、波長依存性]
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することによって、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。
[4. Verification by calculation]
[4-1. Period, wavelength dependence]
The present inventors verified by optical analysis whether it is possible to actually emit light in the specific direction as described above. The optical analysis was performed by calculation using Cybernet's Diffract MOD. In these calculations, when the light is vertically incident on the light emitting element from the outside, the increase or decrease in the absorption of the light in the photoluminescent layer is calculated to obtain the enhancement degree of the light emitted vertically to the outside. The process in which light incident from the outside is coupled to the pseudo-guided mode and is absorbed by the photoluminescent layer is a process in which light emitted from the photoluminescent layer is coupled to the pseudo-guided mode and converted into propagating light that is emitted vertically to the outside. Corresponds to calculating the reverse process of the process. Further, also in the calculation of the electric field distribution of the pseudo-guided mode, the electric field when light is incident from the outside is similarly calculated.
フォトルミネッセンス層の厚さを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 thickness of the photoluminescent layer is 1 μm, the refractive index of the photoluminescent layer is n wav =1.8, the height of the periodic structure is 50 nm, and the refractive index of the periodic structure is 1.5. FIG. 2 shows the result of calculating the enhancement degree of the light emitted in the front direction while changing the respective values. As shown in FIG. 1A, the calculation model has a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, and the light polarization is calculated as a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. From the results of FIG. 2, it can be seen that the peak of enhancement exists in a certain combination of a wavelength and a period. In addition, in FIG. 2, the magnitude of the enhancement is represented by the shade of the color. 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 a rectangle as shown in FIG. 1B. FIG. 3 is a graph showing the conditions of m=1 and m=3 in the equation (10). Comparing FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the peak positions in FIG. 2 exist at the positions corresponding to m=1 and m=3. The intensity is higher when m=1 because the diffraction efficiency of the 1st-order diffracted light is higher than that of the 3rd-order or higher-order diffracted light. The peak of m=2 does not exist because 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。 It can be confirmed in FIG. 2 that a plurality of lines exist in the regions corresponding to m=1 and m=3 shown in FIG. It is considered that this is because there are a plurality of pseudo guided modes.
[4−2.厚さ依存性]
図4は、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造の周期を400nm、高さを50nm、屈折率を1.5とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて、正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す。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。
[4-2. Thickness dependence]
In FIG. 4, the refractive index of the photoluminescent 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 photoluminescent layer are changed. Then, the result of calculating the enhancement degree of the light output in the front direction is shown. It can be seen that the enhancement of light reaches a peak when the thickness t of the photoluminescent layer is a specific value.
図4においてピークが存在する、波長が600nm、厚さtが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。比較のために、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ことに対して、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、表面構造120(この例では周期構造)と相関のある電場が発生している。つまり、表面構造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、これらが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わかる。
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 is 600 nm and the thickness t is 238 nm and 539 nm in which the peak exists in FIG. For comparison, FIG. 5C shows the result of similar calculation performed at t=300 nm where no peak exists. Similar to the above, the calculation model was assumed to be a one-dimensional periodic structure that was uniform in the y direction. 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. When t=238 nm and 539 nm, there is a distribution of high electric field strength, whereas when t=300 nm, the electric field strength is low overall. This is because when t=238 nm and 539 nm, a guided mode exists and light is strongly confined. Further, there is always a portion (belly) having the strongest electric field immediately below the convex portion or the convex portion, and an electric field having a correlation with the surface structure 120 (in this example, the periodic structure) is generated. That is, it is understood that the guided mode is obtained according to the arrangement of the
[4−3.偏光依存性]
次に偏光依存性を確認するために、図2の計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図6に示す。TMモードのとき(図2)に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図3で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、TMモード、TEモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
[4-3. Polarization dependence]
Next, in order to confirm the polarization dependence, light enhancement was calculated under the same conditions as in the calculation of FIG. 2 for the case where the polarization of light was the TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction. The result of this calculation is shown in FIG. Compared to the case of the TM mode (FIG. 2), the peak position is slightly changed, but the peak position is within the area shown in FIG. Therefore, it was confirmed that the configuration of this embodiment is effective for both TM mode and TE mode polarized light.
[4−4.2次元周期構造]
さらに、2次元の周期構造による効果の検討を行った。図7Aは、x方向およびy方向の両方向に凹部および凸部が配列された2次元の表面構造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。
[4-4.2 Two-dimensional periodic structure]
Furthermore, the effect of the two-dimensional periodic structure was examined. FIG. 7A is a plan view showing a part of a two-
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)周期が異なる構造であってもよい。 The two-dimensional periodic structure is not limited to the structure of a square lattice having the same period in the x direction and the y direction as shown in FIG. 7A, but a lattice structure in which hexagons and triangles are arranged as shown in FIGS. 18A and 18B. Good. Further, the structure may have different periods depending on the azimuth direction (for example, the x direction and the y direction in the case of a square lattice).
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。このような構成のもとで、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 the present embodiment, the light of the characteristic pseudo-waveguide mode formed by the periodic structure and the photoluminescence layer is selectively emitted only in the front direction by utilizing the diffraction phenomenon by the periodic structure. I confirmed that I could do it. With such a structure, the photoluminescence layer is excited with excitation light such as ultraviolet rays or blue light, whereby light emission having directivity can be obtained.
[5.周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討]
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
[5. Examination of periodic structure and structure of photoluminescence layer]
Next, the effect of changing various conditions such as the periodic structure, the structure of the photoluminescent layer, and the refractive index will be described.
[5−1.周期構造の屈折率]
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の厚さを200nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、表面構造は図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厚さを1000nmにした場合の結果を図9に示す。
[5-1. Refractive index of periodic structure]
First, the refractive index of the periodic structure was examined. The thickness of the photoluminescence layer is 200 nm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav =1.8, and the surface structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A, and the height is 50 nm and the period is The calculation was performed on the assumption that the wavelength was 400 nm and the polarization of light was the TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 8 shows the result of calculation of the enhancement factor 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 result when the thickness of the photoluminescent layer was set to 1000 nm under the same conditions.
まず、フォトルミネッセンス層の厚さに着目すると、厚さが200nmの場合(図8)に比べ、厚さが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厚さが小さいほど、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、フォトルミネッセンス層の厚さ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 thickness of the photoluminescent layer, the light intensity with respect to the change in the refractive index of the periodic structure is more increased when the thickness is 1000 nm (FIG. 9) than when the thickness is 200 nm (FIG. 8). It can be seen that the shift of the peak wavelength (referred to as peak wavelength) is small. This is because as the thickness of the photoluminescence layer is smaller, the pseudo-waveguide mode is more susceptible to the refractive index of the periodic structure. That is, the higher the refractive index of the periodic structure, the larger the effective refractive index, and the peak wavelength shifts to the longer wavelength side by that amount, but this effect becomes more remarkable as the thickness of the photoluminescent layer becomes smaller. 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ない材料を周期構造に用いる方が有利であることがわかる。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, focusing on 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 is, the higher the rate of radiating the light of the pseudo-guided mode to the outside is, so that the effect of confining the light is reduced, that is, the Q value is lowered. In order to keep the peak intensity high, it is only necessary to use a pseudo-guided mode that has a high light confining effect (that is, a high Q value) to appropriately emit light to the outside. In order to realize this, it can be seen that it is advantageous to use a material whose refractive index is not too large as compared with the refractive index of the photoluminescent 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 material (that is, the light-transmitting layer) forming the periodic structure may be equal to or less than the refractive index of the photoluminescence layer. The same applies when the photoluminescent layer contains a material other than the photoluminescent material.
[5−2.周期構造の高さ]
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の厚さを1000nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、表面構造は図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には、周期構造の高さを150nm以下に設定すればよい。
[5-2. Height of periodic structure]
Next, the height of the periodic structure was examined. The thickness of the photoluminescent layer is 1000 nm, the refractive index of the photoluminescent layer is n wav =1.8, and the surface 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. The calculation was performed assuming that the period was 400 nm and the polarization of light was the TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 10 shows the result of calculation of the enhancement factor 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 Q value (that is, the line width of the peak) do not change at a certain height or higher, 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 more. This is because when the refractive index n wav of the photoluminescent layer is higher than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 10 ), light is totally reflected, so that the electric field (evanescent) portion of the pseudo-guided mode is extruded. Only due to the interaction with the periodic structure. The effect of the interaction between the evanescent part of the electric field and the periodic structure is constant if the height of the periodic structure is sufficiently large, 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), light reaches the surface of the periodic structure without being totally reflected, and therefore the height of the periodic structure is high. The larger is, the more affected it is. 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 photoluminescent 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.
[5−3.偏光方向]
次に、偏光方向に関して検討を行った。図9に示す計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして計算した結果を図12に示す。TEモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがTMモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率npがフォトルミネッセンス層の屈折率nwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびQ値の低下がTMモードよりも著しい。
[5-3. Polarization direction]
Next, the polarization direction was examined. FIG. 12 shows the result of calculation under the same conditions as the calculation shown in FIG. 9, assuming that the polarization of light is the TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction. In the TE mode, the seepage of the electric field in the pseudo-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 photoluminescent layer, the peak intensity and the Q value decrease more significantly than the TM mode.
[5−4.フォトルミネッセンス層の屈折率]
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を図13に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが1.5の場合においても概ね図9と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が600nm以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式(10)より、λ0<nwav×p/m=1.5×400nm/1=600nmとなるからである。
[5-4. Refractive index of photoluminescence layer]
Next, the refractive index of the photoluminescent layer was examined. FIG. 13 shows the result when the refractive index n wav of the photoluminescence layer was changed to 1.5 under the same condition as the calculation shown in FIG. It can be seen that even when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is 1.5, the same effect as in FIG. 9 is obtained. 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 from the formula (10), λ 0 <n wav ×p/m=1.5×400 nm/1=600 nm.
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, the refractive index of the periodic structure should be equal to or lower than the refractive index of the photoluminescent layer, or if the refractive index of the periodic structure is equal to or higher than the refractive index of the photoluminescent layer, the height should be 150 nm or less. It can be seen that the peak intensity and the Q value can be increased.
[6.変形例]
以下、発光素子の実施形態の変形例を説明する。
[6. Modification]
Hereinafter, modified examples of the embodiment of the light emitting element will be described.
[6−1.基板を有する構成]
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および表面構造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、その上に表面構造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と表面構造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を設定すればよい。
[6-1. Configuration with substrate]
The light emitting device may have a structure in which a
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および表面構造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, 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と表面構造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
[6−2.励起光源を有する発光装置]
図16は、図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光をフォトルミネッセンス層110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源180を設けることにより、指向性をもつ発光装置200を実現できる。光源180から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層110を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図16では、光源180がフォトルミネッセンス層110の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層110の上面から励起光を入射させてもよい。励起光は、フォトルミネッセンス層110の主面(即ち、上面または下面)に垂直な方向に対して傾斜した方向から(即ち、斜めに)入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層110内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、フォトルミネッセンス層110をより効率的に発光させることができる。
[6-2. Light emitting device having excitation light source]
FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of a
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および表面構造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表面構造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。
In this way, by setting the period 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。
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 structures shown in FIGS. 17A and 17B, respectively. In this calculation, p x =365 nm, p y =265 nm, the emission wavelength λ from the
図17Bに示す表面構造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、表面構造120側から入射させても同じ効果が得られる。
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 are periodically arranged as shown in FIG. 18B. With the side-by-side configuration, a plurality of main axes (
[6−3.透明基板上の周期構造]
図19Aおよび図19Bに示すように、透明基板140上に表面構造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上の凹凸からなる表面構造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表面構造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の表面が平坦化されている。これらの構成例においても、表面構造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。
[6-3. 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の厚さを1000nm、フォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav=1.8、表面構造120aはy方向に均一な1次元周期構造であって、その高さを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 emission wavelength and the period of the periodic structure were changed, and the enhancement of the light output in the front direction was calculated. Here, the thickness of the
[6−4.粉体]
以上に説明したような実施形態によれば、周期構造の周期、フォトルミネッセンス層の厚さなどを調整することによって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、図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、図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、図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。
[6-4. powder]
According to the embodiment as described above, it is possible to enhance the emission of light of an arbitrary wavelength by adjusting the period of the periodic structure, the thickness of the photoluminescence layer, and the like. For example, if a photoluminescence material that emits light in a wide band is used and the structure shown in FIGS. 1A and 1B is used, it is possible to emphasize only light of a certain wavelength. Therefore, the structure of the
図1A、図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ので、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、フォトルミネッセンス層の厚さなどの条件の異なる複数の粉末状の発光素子100を混ぜた混合体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。
With a single structure as shown in FIGS. 1A and 1B, only certain wavelengths can be emitted in a certain direction, so it is difficult to realize white light emission having a spectrum in a wide wavelength range. Therefore, as shown in FIG. 20, by using a mixture in which a plurality of powdery
[6−5.周期の異なる構造を配列]
図21は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。図21に例示する発光素子100cでは、3種類の表面構造120a、120b、120cが隙間なく配列されている。表面構造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、上記に限定されず、任意に設定してよい。
[6-5. 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 photoluminescent layer. In the
[6−6.積層構造]
図22は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層110が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層110の間には、透明基板140が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層110の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図22に示す例では、3層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層110の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
[6-6. Laminated structure]
FIG. 22 shows an example of a light emitting element having a structure in which a plurality of
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に示す例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
[6−7.保護層を有する構成]
図23は、フォトルミネッセンス層110と表面構造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を設けてもよい。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の厚さが波長よりも大きい場合には、表面構造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は薄いほうが有利である。なお、保護層150を表面構造(あるいは透光層)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よりも小さいと有益である。
[6-7. Configuration Having Protective Layer]
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a configuration example in which the
[7.材料]
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層(あるいは導波層)および表面構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。表面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)や表面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)および表面構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低い材料が用いられ得る。
[7. material]
If the photoluminescence layer (or the waveguiding layer) and the surface structure are made of materials satisfying the above conditions, directional light emission can be realized. Any material can be used for the surface structure. However, if the medium forming the photoluminescence layer (or the waveguide layer) or the surface structure has high light absorption, the effect of confining light is reduced, and the peak intensity and Q value are reduced. Therefore, as the medium forming the photoluminescence layer (or the waveguide layer) and the surface structure, a material having a relatively low light absorption property can be used.
表面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、前述のとおり表面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 surface structure, for example, a dielectric material having low light absorption can be used. As a candidate for the material of the periodic structure, 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 surface structure is made lower than that of the photoluminescent layer, the refractive index is about 1.3 to 1.5 such as MgF 2 , LiF, CaF 2 , SiO 2 , glass, and resin. 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(例えば半導体微粒子)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。
Photoluminescent materials include fluorescent materials and phosphorescent materials in a narrow sense, include not only inorganic materials but also organic materials (for example, dyes), and further include quantum dots (for example, semiconductor fine particles). Generally, a fluorescent material having an inorganic material as a host tends to have a high refractive index. Examples of the fluorescent material that emits 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 the fluorescent material that emits green light include M 2 MgSi 2 O 7 :Eu 2+ (M=Ba, at least one selected from 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+ (M=at least one selected from Ba, Sr and Ca) , BaSi 3 O 4 n 2: Eu 2+
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, materials such as CdS, CdSe, core/shell type 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、図1Dなどに示す基板140は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、MgF2(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂が挙げられる。なお、基板140を介さずにフォトルミネッセンス層110に励起光を入射させるような構成においては、基板140が透明であることは必須ではない。基板140は、例えば、BaF2、SrF2、MgO、MgAl2O4、サファイア(Al2O3)、SrTiO3、LaAlO3、TiO2、Gd3Ga5O12、LaSrAlO4、LaSrGaO4、LaTaO3、SrO、YSZ(ZrO2・Y2O3)、YAG、Tb3Ga5O12を用いて形成されてもよい。
The
[8.製造方法]
続いて、発光素子の製造方法の一例を説明する。
[8. Production method]
Next, an example of a method for manufacturing the light emitting element will be described.
図1C、図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、塗布などによって堆積することにより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表面構造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表面構造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の一部を加工することによって表面構造120を形成してもよい。その場合、表面構造120がフォトルミネッセンス層110と同じ材料で形成される。
As a method of realizing the configuration shown in FIGS. 1C and 1D, for example, a thin film of the
図1A、図1Bに示す発光素子100は、例えば、図1C、図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および表面構造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表面構造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表面構造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 structure shown in FIG. 19A, for example, after the
なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。 Note that the above manufacturing method is an example, and the light emitting element of the present disclosure is not limited to the above manufacturing method.
[9.実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光装置に適用し得る発光素子を作製した例を説明する。
[9. Experimental example]
Hereinafter, an example of manufacturing a light emitting element applicable to the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure 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 device having the same structure as that of FIG. 19A was manufactured as a prototype and its characteristics were evaluated. The light emitting device 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を堆積し、厚さ210nmの膜を形成した。この断面図のTEM像を図25に示し、これを450nmのLEDで励起することによって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モードに関する測定結果と、垂直な偏光成分を持つTEモードに関する測定結果とを示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合と比較して、特定の波長の光が著しく増加している。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わかる。 A one-dimensional periodic structure (striped convex portion) having a period of 400 nm and a height of 40 nm was provided on a glass substrate, and YAG:Ce, which is a photoluminescent material, was deposited on the one-dimensional periodic structure to form a film having a thickness of 210 nm. 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 was made to emit light by exciting this with a 450 nm LED. FIG. 26 shows the measurement result (ref) when there is no periodic structure, the measurement result for the TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure, and the measurement result for the TE mode having a vertical polarization component. showed that. When the periodic structure is provided, the light having a specific wavelength is significantly increased as compared with the case where the periodic structure is not provided. Further, it is understood 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〜図27Fおよび図28A〜図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。
Further, in the same sample, the measurement result and the calculation result of the angle dependence of the emitted light intensity are shown in FIGS. 27A to 27F and 28A to 28F. FIG. 27A shows a situation 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〜図27Fおよび図28A〜図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 apparent from FIGS. 27A to 27F and FIGS. 28A to 28F, the TM mode has a higher effect of being enhanced. Also, it can be seen that the wavelength of the enhanced light shifts depending on the angle. For example, with respect to the light having the wavelength of 610 nm, it is understood that the light is in the TM mode and only in the front direction, so that the directivity is high and the polarized light is emitted. 27B and FIG. 27C, FIG. 27E and FIG. 27F, FIG. 28B and FIG. 28C, and FIG. 28E and FIG. Backed 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ないことがわかる。また、正面方向に出射される光の指向角が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 angular dependence of the intensity of light with a wavelength of 610 nm when rotated about a direction perpendicular to the line direction as a rotation axis, as shown in FIG. 28D. It can be seen that strong emission enhancement occurs in the front direction, and light is hardly enhanced at other angles. Further, 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 the direction of the maximum intensity as the center. From the results shown in FIG. 29, it can be seen that directional light emission is realized. Further, it can be seen that all the emitted light is a TM mode component, so that polarized light emission is also 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、他の波長の光が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 above experiment for verification was performed using YAG:Ce that emits light in a wide wavelength band. Even if an experiment is performed using a photoluminescent material that emits light in a narrow band with the same configuration, it is possible to realize high directivity and polarized light emission for light of that wavelength. Furthermore, when such a photoluminescent material is used, a light source that does not generate light of other wavelengths and thus does not generate light of other directions or polarization states can be realized.
[10.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上に表面構造120を有する発光素子を考える。ここでは、表面構造120が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次元周期構造を有する場合を例示する。1次元周期構造によって発光増強を受ける光は、1次元周期構造の周期をp(nm)、フォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav、光が出射される外部の媒質の屈折率をnoutとし、1次元周期構造への入射角をθwav、1次元周期構造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。
[10. Other modifications]
As described above, due to the submicron structure of the light emitting device according to the present disclosure, the wavelength and emission direction of light that undergoes the emission enhancement effect depend on the configuration of the submicron structure. Consider a light emitting device 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, generally, 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 visible light varies depending on the viewing direction.
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ればよい。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を用いてもよい。
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 a substance has wavelength dispersion (wavelength dependence), the wavelengths of n wav and n out are 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 the material 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)を増強できる表面構造120rと、緑色光(G)を増強できる表面構造120gと、青色光(B)を増強できる表面構造120bとがマトリクス状に配列されている。表面構造120r、120gおよび120bは、例えば、1次元周期構造で、それぞれの凸部が互いに平行に配列されている。したがって、この例では、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。表面構造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。
Further, as shown in FIG. 32A, it is possible to emit white light by arranging a plurality of periodic structures having mutually different wavelengths which have a light emission enhancing effect. In the example shown in FIG. 32A, a
マトリクス状に配列された各表面構造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と有益であり、例えば、一辺の長さは1mmよりも小さい。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、互いに隣接する表面構造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、表面構造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、表面構造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。
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(表面構造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における表面構造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、タイリングに適用する周期構造は、1次元周期構造に限らず、図32Cに示すように、例えば複数の2次元周期構造(表面構造120k、120mおよび120nを含む)を配列してもよい。このとき、表面構造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 applied to the tiling is not limited to the one-dimensional periodic structure, and as shown in FIG. 32C, for example, 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における表面構造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、表面構造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 device 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 a function of bending the light emitted in the oblique direction may be a lenticular lens instead of the microlens array. Further, not only a lens but also a prism can be used. An array of prisms may be used. You may arrange|position a prism individually 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方法の他、例えば、図34Aおよび図34Bを参照して説明するように、2以上のフォトルミネッセンス層による方法もある。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。
As a method of obtaining white light (or light having a wide spectrum width), a method of using two or more photoluminescence layers as described with reference to FIG. 34A and FIG. There is also. 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, in the case of using a photoluminescent material 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. It can emit white light. Such a photoluminescence layer capable of emitting white light can be used in the configuration in which the unit periodic structure is tiled, which is described with reference to FIGS. 32A to 32C.
[11.集光レンズを有する発光装置]
以下、本開示の実施形態による発光装置の例示的な構成を説明する。図35は、本開示の実施形態による発光装置の例示的な構成を模式的に示す。図35に示す発光装置210Aは、概略的には、図16を参照して説明した発光装置200と、発光装置200から出射された光を受ける集光レンズ202とを有する。つまり、発光装置210Aは、励起光源180と、発光素子100と、集光レンズ202とを含んでいる。
[11. Light Emitting Device Having Condensing Lens]
Hereinafter, an exemplary configuration of the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure will be described. FIG. 35 schematically illustrates an exemplary configuration of the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure. A
発光素子100は、励起光源180から出射された励起光が進行する光路上に配置されている。発光素子100が励起光の光路上に配置されることにより、励起光源180から出射された励起光が発光素子100のフォトルミネッセンス層110に入射する。フォトルミネッセンス層110中のフォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する。フォトルミネッセンス層110が発した光は、表面構造120を介して発光素子100の外部に出射する(例えば図16参照)。既に説明したように、発光素子100は、光を特定の方向に出射することが可能である。この例では、光が発光素子100の正面方向に出射している。もちろん、発光素子100に代えて、図1Cおよび図1Dに示す発光素子100aを適用してもよい。
The
発光素子100から出射した光は、表面構造120に対向する集光レンズ202に入射する。図35に例示する構成では、集光レンズ202は、ハウジング300によって支持されることにより、発光素子100から出射された光の光路上に配置されている。ハウジング300は、発光素子100および集光レンズ202を、これらが位置決めされた状態で保持していてもよい。
The light emitted from the
図35に例示する構成において、発光装置210Aには、光ファイバー250が接続されている。この例では、ハウジング300は、集光レンズ202から出射された光が入射する位置に設けられた開口部300aを有しており、光ファイバー250は、開口部300aにその一端が挿入されることにより、発光装置210Aに固定されている。
In the configuration illustrated in FIG. 35, an
発光装置210Aに光ファイバー250が接続された状態において、光ファイバー250の一端は、集光レンズ202から出射された光が入射する位置にある。したがって、集光レンズ202から出射された光の少なくとも一部が、光ファイバー250に入射する。すなわち、光ファイバー250は、発光装置210Aに接続されることにより、発光装置210Aに光学的に結合される。このように、図35に例示する構成において、開口部300aは、光ファイバー250の接続部としての機能を有する。なお、この例では、集光レンズ202の光軸と、光ファイバー250の軸とは、一致している。
In a state where the
光ファイバの接続のための構成は、光ファイバの入射部を受け入れ可能な構成であればよく、図35に示す構成に限定されない。開口部300aに、集光レンズ202から出射された光を透過可能な、透明な部材が配置されていてもよい。開口部300aに配置される透明な部材は、反射防止コーティングを有し得る。発光装置210Aは、集光レンズ202から出射された光が入射する位置に、光コネクタ、ソケット、スロット、プラグなどを光ファイバの接続部として有していてもよい。
The structure for connecting the optical fibers is not limited to the structure shown in FIG. 35 as long as it can receive the incident portion of the optical fiber. A transparent member capable of transmitting the light emitted from the
既に説明したように、発光素子100は、出射される光の指向性を制御可能な新規な構造を有するので、例えば、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選択的に出射させることが可能である。したがって、図36に模式的に示すように、コリメートレンズなどを用いることなく出射光束のほぼ全てを集光レンズ202に入射させ得る。このように、発光素子100が指向性の高い光を出射可能であるので、本開示の実施形態によれば、大型の集光レンズを用いることなく、光の利用効率を向上させ得る。したがって、より小型の発光装置または光学デバイスを提供し得る。
As described above, since the
図37は、発光素子100に代えて従来の蛍光体512を有する発光装置510を比較例として示す。なお、図37および前述の図36においては、図35に示すハウジング300の図示を省略している。以下においても、ハウジング300の図示を省略することがある。
FIG. 37 shows a
発光装置510では、蛍光体512が等方的に発光する。そのため、蛍光体512からの出射光束は、集光レンズ202に入射させることが原理的に不可能な光束を含んでいる。つまり、蛍光体512において発生した光を有効に利用することができない。例えば、図37に模式的に示すように、蛍光体512から集光レンズ202に入射する出射光束の割合は、20%程度であり得る。蛍光体512からの出射光束の残りの80%は、損失である。
In the
例えば、図36および図37に示すように、光源(ここでは発光素子100または蛍光体512)から出射された光を光ファイバー250に入射させる光学系を想定する。光学系においては、拡散などがなければ、エテンデュ(Etendue)と呼ばれる量が保存されることが知られている。例えば光源のエテンデュは、光源における発光面積と、その光源から発散していく光の立体角との積によって定義される。エテンデュは、光源から光を受ける照射面についても定義することができ、受光側のエテンデュは、受光側における光の取り込みの能力の大きさを表す。受光側のエテンデュが光源のエテンデュよりも小さいと、光源から発せられた光の全てを取り込むことはできずに損失が生じる。つまり、光源側のエテンデュと照射対象である光ファイバのエテンデュとが等しいとき、光の利用効率が最大であるといえる。光ファイバー250のエテンデュは、光ファイバー250の開口数によって決まる。光源側のエテンデュが光ファイバのエテンデュよりも大きければ、損失が生じる。
For example, as shown in FIGS. 36 and 37, assume an optical system in which light emitted from a light source (here, the
図36に示す発光装置210Aでは、光ファイバー250の開口数に応じて、適切な大きさの焦点距離を有する集光レンズ202を用い、かつ、集光レンズ202と光ファイバー250の端面との間の距離を適切に調整すれば、集光レンズ202から出射される光のほぼ全てを光ファイバー250に入射させ得る。発光装置210Aに光ファイバの接続部を設けると、発光装置210Aと光ファイバー250との間の配置を固定できるので、発光装置210Aと光ファイバー250との間で高い結合効率を実現しやすく、有益である。
In the
これに対し、発光素子100に代えて従来の蛍光体512を用いた構成(図37参照)では、蛍光体512が等方的に発光するために、一般に、光ファイバのエテンデュよりも蛍光体512のエテンデュの方が大きく、したがって蛍光体512と光ファイバー250との間において高い結合効率が得られない。図37に示す例では、蛍光体512と光ファイバー250との間の結合効率は、20%に過ぎない。なお、受光側のエテンデュの大きさが一定であれば、光源(ここでは蛍光体512)の発光面積を拡大しても、光ファイバー250内部に導入できる光の量は増えない。上述したように、光ファイバー250のエテンデュは、光ファイバー250の開口数によって決まるので、集光レンズ202に入射する光束を増加させようとして、より大きな径を有するレンズを単純に適用しても、光ファイバー250の開口数が同じであれば、光ファイバー250に入射する光束を増やすことにはならない。
On the other hand, in the configuration in which the
発光装置210Aでは、発光素子100からの出射光束のほぼ全てを集光レンズ202に入射させ得る(図36参照)。すなわち、発光素子100からの出射された光のほぼ全てを光ファイバー250に入射させ得る。このように、本開示の実施形態によれば、発光素子100からの光の出射方向を、集光レンズ202を通ることによって光ファイバー250に入射するような方向に制御することが可能であるので、発光素子100と光ファイバー250との間の結合効率を向上させ得る。
In the
本開示の実施形態によれば、発光素子100と光ファイバー250との間において高い結合効率を実現し得るので、光ファイバー250から同じ出力(光束といってもよい)を得るために必要な投入エネルギ量を低減することが可能である。例えば、励起光源180として、電力変換効率が40%のレーザーダイオードを用いて光ファイバー250から2.3Wの出力が得られたとする。蛍光体における変換効率を55%とすると、このときに励起光源180に投入される単位時間当たりのエネルギ量は、図37に示す比較例の発光装置510ではおよそ53.9Wであることに対し、図36に示す発光装置210Aではおよそ10.7Wである。すなわち、発光装置の省エネルギ化を達成し得る。
According to the embodiment of the present disclosure, a high coupling efficiency can be realized between the light emitting
なお、図35〜図37では、集光レンズ202が両凸レンズとして図示されている。しかしながら、集光レンズ202は、両凸レンズに限定されず、平凸レンズ、フレネルレンズ、または、軸に沿って変化する屈折率を有するグリンレンズなどであってもよい。集光レンズ202は、光ファイバの端面に結合されたレンズであってもよい。
35 to 37, the
[11−1.集光レンズを有する発光装置の変形例]
図38は、本開示の実施形態による発光装置の他の変形例を示す。図38に示す発光装置210Bは、発光素子100と集光レンズ202との間に、コリメートレンズ204を有する。発光素子100から出射される光の指向角が比較的小さいので、コリメートレンズ208として、小さな径を有するレンズを用いながらも、高い光の利用効率が得られる。また、このような構成によれば、発光素子100から光ファイバー250の接続部までの距離を拡大し得るので、光学系の設計の自由度が向上する。
[11-1. Modified Example of Light Emitting Device Having Condensing Lens]
FIG. 38 illustrates another modification of the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure. A
図39は、本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す。図39に示す発光装置210Cは、励起光源180と発光素子100との間に、コリメートレンズ208を有する。このような構成によれば、発光素子100に対してコリメートされた励起光を照射し得る。したがって、フォトルミネッセンス層110を均一に励起し得る。
FIG. 39 shows another modification of the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure. A
図40は、本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す。図40に示す発光装置210Dは、励起光源180と発光素子100との間に、コリメートレンズ208を有し、さらに、コリメートレンズ208と発光素子100との間に、集光レンズ206を有する。このような構成によれば、励起光を収束させることが可能であるので、発光素子100を小型化し得る。したがって、光学系を小型化し得る。また、励起光源180から発光素子100までの距離を拡大し得るので、光学系の設計の自由度が向上する。
FIG. 40 illustrates yet another modification of the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure. A
図41は、本開示の実施形態による発光装置のさらに他の変形例を示す。図41に示す発光装置210Eは、図38に示す発光装置210Bと同様に、発光素子100と集光レンズ202との間に、コリメートレンズ204を有する。また、図40に示す発光装置210Dと同様に、励起光源180と発光素子100との間に、コリメートレンズ208および集光レンズ206を有する。図41に示すように、コリメートレンズ208および集光レンズ206は、励起光源180から発光素子100に向かってこの順に配置されている。図41に例示するように、励起光源180と、発光素子100との間、および、発光素子100と、発光装置から出射される光を受ける光学部品(ここでは光ファイバー250)との間のそれぞれに、コリメートレンズおよび集光レンズを配置してもよい。これにより、図38に示す発光装置210Bおよび図40に示す発光装置210Dと同様の効果が得られる。
FIG. 41 shows another modification of the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure. The
このように、本開示の発光装置における光学系は、多様に設計が可能である。図38〜図41に例示する構成のほか、例えば、図40に示す発光装置210Dまたは図41に示す発光装置210Eからコリメートレンズ208を省略したような構成も可能である。つまり、励起光源180と発光素子100の間にコリメートレンズが配置されない構成も可能である。なお、図35〜図41においては、集光レンズ(集光レンズ202、206)が単一の両凸レンズとして図示されている。しかしながら、これはあくまで説明の便宜のためであり、本開示の発光装置における集光レンズは、複数のレンズの組み合わせであってもよい。コリメートレンズ(コリメートレンズ204、208)についても同様である。もちろん、コリメートレンズ(コリメートレンズ204、208)は、両凸レンズに限定されない。
As described above, the optical system in the light emitting device of the present disclosure can be designed in various ways. In addition to the configurations illustrated in FIGS. 38 to 41, for example, a configuration in which the
上述したように、本開示の発光素子およびそれを備える発光装置は、種々の利点を有しているので、種々の光学デバイスに適用することによって、有利な効果を奏し得る。例えば、以下に述べるような応用が可能である。 As described above, the light emitting device of the present disclosure and the light emitting device including the same have various advantages, and therefore, by applying to various optical devices, advantageous effects can be obtained. For example, the following applications are possible.
本開示の発光素子は、特定の方向に指向性の高い光を出射することができる。この高い指向性は、例えば、液晶表示装置の導光板を利用するエッジライト型のバックライトとして好適に用いられる。例えば、従来の指向性の低い光源を用いた場合には、光源から出射した光を反射板および/または拡散材により、導光板へ光を導入していた。特定方向の指向性が高い光源の場合、これらの光学部品を省略しても効率よく導光板へ光を導入し得る。 The light emitting element of the present disclosure can emit light with high directivity in a specific direction. This high directivity is suitably used, for example, as an edge light type backlight that uses a light guide plate of a liquid crystal display device. For example, when a conventional light source with low directivity is used, the light emitted from the light source is introduced into the light guide plate by the reflecting plate and/or the diffusing material. In the case of a light source having a high directivity in a specific direction, light can be efficiently introduced into the light guide plate even if these optical components are omitted.
また、例えば図35に示す発光装置210Aを複数台使用し、発光装置210Aに光学的に結合された光ファイバー250の光出射側の端面を平面的に敷き詰めれば、発光装置210Aの集合を表示装置として機能させ得る。発光装置210Aに代えて、図38〜図41を参照して説明した発光装置210B〜210Eのいずれかを適用してもよい。
Further, for example, if a plurality of light emitting
従来の照明器具は、等方的に発せられた光を所望の方向に導くために、例えば反射板を含む光学部品が用いられる。これに対して、本開示の実施形態によれば、発光素子と光ファイバーとを高い結合効率で光学的に結合することが可能であるので、反射板を省略することが可能となる。あるいは、等方的な光に対する複雑な設計を、指向性の高い光に対する単純な設計に置き換えることができる。その結果、照明器具を小型化、あるいは、設計工程を簡略化することができる。 Conventional luminaires use optical components including, for example, reflectors to guide isotropically emitted light in a desired direction. On the other hand, according to the embodiment of the present disclosure, since the light emitting element and the optical fiber can be optically coupled with high coupling efficiency, the reflector can be omitted. Alternatively, the complex design for isotropic light can be replaced by a simple design for highly directional light. As a result, the luminaire can be downsized or the design process can be simplified.
本開示の発光素子は、特定の波長の光だけを増強することができる。したがって、必要とされる波長だけを出射する光源を容易に実現できる。また、フォトルミネッセンス層の材料を変えずに、周期構造を変更することによって、出射される光の波長を変えることができる。さらに、周期構造に対する角度によって、異なる波長の光を出射させることもできる。このような波長選択性は、例えば、狭帯域イメージング(narrow band imaging:NBI、登録商標)という技術に好適に用いられ得る。また、可視光通信にも好適に用いることができる。 The light emitting device of the present disclosure can enhance only light having a specific wavelength. Therefore, a light source that emits only the required wavelength can be easily realized. Further, the wavelength of emitted light can be changed by changing the periodic structure without changing the material of the photoluminescence layer. Further, it is possible to emit light having different wavelengths depending on the angle with respect to the periodic structure. Such wavelength selectivity can be suitably used for, for example, a technique called narrow band imaging (NBI, registered trademark). Further, it can be suitably used for visible light communication.
また、照明の分野では、彩光色照明および美光色照明という技術が開発されている。これらは、照明の対象の色を美しく見せるもので、彩光色照明は例えば野菜などの食品をよりおいしそうに見せる効果があり、美光色照明は、肌をより美しく見せる効果がある。これらは、いずれも光源のスペクトル(即ち、発光する光の波長の強度分布)を対象物に応じて制御することによって行われる。従来は、光学フィルタを用いて光源から出射された光を選択透過させることによって、照明に用いる光のスペクトルを制御していた。すなわち、不要な光を光学フィルタによって吸収させていたので、光の利用効率を低下させていた。これに対し、本開示の発光素子は、特定の波長の光を増強できるので、光学フィルタを必要とせず、その結果、光の利用効率を向上させることができる。 Further, in the field of lighting, technologies called chromatic color lighting and beautiful color lighting have been developed. These are intended to make the color of the illumination target look beautiful. Chromatic color illumination has the effect of making food such as vegetables look more delicious, while beautiful light illumination has the effect of making the skin look more beautiful. All of these are performed by controlling the spectrum of the light source (that is, the intensity distribution of the wavelength of the emitted light) according to the object. Conventionally, the spectrum of the light used for illumination is controlled by selectively transmitting the light emitted from the light source using an optical filter. That is, since unnecessary light is absorbed by the optical filter, the light utilization efficiency is reduced. On the other hand, the light emitting device of the present disclosure can enhance light of a specific wavelength, and thus does not require an optical filter, and as a result, can improve light utilization efficiency.
本開示の発光素子は、偏光(直線偏光)を出射することができる。従来、直線偏光は、光源から出射された非偏光を構成する直交する2つの直線偏光の内の一方を偏光フィルタ(「偏光板」ともいわれる。)を用いて吸収させることによって作られていた。したがって、光の利用効率は50%以下であった。本開示の発光素子を偏光光源として用いれば、偏光フィルタを用いる必要がないので、光の利用効率を向上させることができる。偏光照明は、例えば、ショーウィンドウや展望レストランの窓ガラスなど、反射光を低減させたい場合に用いられる。また、皮膚表面の反射特性が偏光に依存することを利用した、洗面・化粧用の照明、さらには、内視鏡による病変部の観察を容易にするために用いられ得る。 The light emitting device of the present disclosure can emit polarized light (linearly polarized light). Conventionally, linearly polarized light has been created by absorbing one of two orthogonal linearly polarized lights that form non-polarized light emitted from a light source using a polarizing filter (also referred to as a “polarizing plate”). Therefore, the light utilization efficiency was 50% or less. When the light emitting device of the present disclosure is used as a polarized light source, it is not necessary to use a polarizing filter, and thus the light utilization efficiency can be improved. Polarized illumination is used, for example, when it is desired to reduce reflected light, such as in a show window or a window glass of a view restaurant. Moreover, it can be used for facilitating the observation of a lesion site by an endoscope, as well as illumination for wash and makeup, which utilizes the fact that the reflection property of the skin surface depends on polarized light.
偏光光源は、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる他、液晶プロジェクターの光源にも好適に用いられる。液晶プロジェクターの光源として用いる場合には、上述の波長選択性と組み合わせて、3原色の偏光を出射できる光源を構成することができる。例えば、赤色の直線偏光を出射する発光素子と、緑色の直線偏光を出射する発光素子と、青色の直線偏光を出射する発光素子とをつなぎあわせて円盤を形成し、この円盤に励起光を照射しながら、円盤を回転させることによって、時系列に赤、緑、青の三原色の偏光を出射する光源とすることができる。 The polarized light source is suitably used as a backlight of a liquid crystal display device, and also suitably used as a light source of a liquid crystal projector. When used as a light source of a liquid crystal projector, a light source capable of emitting polarized light of three primary colors can be configured by combining with the wavelength selectivity described above. For example, a light emitting element that emits red linearly polarized light, a light emitting element that emits green linearly polarized light, and a light emitting element that emits blue linearly polarized light are connected together to form a disk, and this disk is irradiated with excitation light. However, by rotating the disk, a light source that emits polarized light of the three primary colors of red, green, and blue in time series can be obtained.
本開示の発光素子の応用例は上記に限られず、種々の光学デバイスに適用され得る。例えば、以下に述べるように、本開示の発光素子を用いて、より小型の投影装置を実現し得る。 The application example of the light emitting element of the present disclosure is not limited to the above, and may be applied to various optical devices. For example, as described below, a light emitting device of the present disclosure can be used to realize a smaller projection device.
[12.投影装置]
以下、本開示の発光素子が適用された投影装置の例示的な構成を説明する。本開示のある例示的な態様による投影装置は、光源部と、光変調素子を有する画像形成部と、光源部からの光を一端から取り込み、画像形成部に導く光ファイバーとを有する。換言すれば、光源部と画像形成部とは、光ファイバーを介して接続される。後に詳しく説明するように、光変調素子は、例えば、光ファイバーからの出射光線の進行方向を画像信号に応じて変えることにより、スクリーン、壁面などの投影の対象上に画像を形成する。
[12. Projector]
Hereinafter, an exemplary configuration of a projection device to which the light emitting device of the present disclosure is applied will be described. A projection apparatus according to an exemplary aspect of the present disclosure includes a light source unit, an image forming unit having a light modulation element, and an optical fiber that takes in light from the light source unit from one end and guides the light to the image forming unit. In other words, the light source unit and the image forming unit are connected via the optical fiber. As will be described later in detail, the light modulation element forms an image on a projection target such as a screen or a wall surface by changing the traveling direction of a light beam emitted from an optical fiber according to an image signal.
本開示のある態様において、光源部は、励起光源と、励起光源からの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する。フォトルミネッセンス層、透光層および表面構造としては、上述したような構成を適用することができる。つまり、フォトルミネッセンス層から高い指向性の光を取り出すことが可能であり、リフレクター、レンズなどの光学部品を不要としながら(あるいは小型としながら)、特定の方向を光で照らすことが可能である。したがって、投影装置の大きさを従来と比較して大幅に小さくすることができる。 In an aspect of the present disclosure, a light source unit is disposed in proximity to an excitation light source, a photoluminescence layer that receives excitation light from the excitation light source and emits light having a wavelength of λ a in air, and the photoluminescence layer. It has a light-transmitting layer and a surface structure formed on the surface of at least one of the photoluminescent layer and the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions. The above-described configurations can be applied to the photoluminescence layer, the light-transmitting layer, and the surface structure. In other words, it is possible to take out highly directional light from the photoluminescence layer, and it is possible to illuminate a specific direction with light without using optical components such as a reflector and a lens (or with a small size). Therefore, the size of the projection device can be significantly reduced as compared with the conventional one.
光ファイバーを介して光源部から画像形成部に導かれる光は、励起光源からの励起光であり得る。本開示の他のある態様では、フォトルミネッセンス層、透光層および表面構造が、画像形成部の内部に配置される。この場合、光変調素子は、フォトルミネッセンス層が発する、空気中の波長がλaの光を受ける。 The light guided from the light source unit to the image forming unit via the optical fiber may be excitation light from the excitation light source. In another aspect of the present disclosure, the photoluminescent layer, the transparent layer, and the surface structure are disposed inside the image forming unit. In this case, the light modulation element receives the light emitted by the photoluminescence layer and having a wavelength of λ a in the air.
[12−1.励起光源を光源部に有する投影装置]
図42は、本開示のある態様による投影装置の外観の一例を示す。図42に例示する構成において、投影装置2300は、本体ユニット2350と、投光ユニット2310とを有する。本体ユニット2350は、例えば室内の天井に取り付け可能に構成される。図示するように、投影装置2300は、本体ユニット2350と投光ユニット2310とを接続する光ファイバー2250を有する。投影装置2300においては、本体ユニット2350内において光が生成され、生成された光が光ファイバー2250を介して投光ユニット2310に送られる。
[12-1. Projector having excitation light source in light source section]
42 shows an example of an external appearance of a projection device according to an aspect of the present disclosure. In the configuration illustrated in FIG. 42, the
投光ユニット2310は、画像(動画または静止画)を形成するための光をスクリーン、壁などに向けて出射する。図42に例示する構成において、投光ユニット2310には開口部2330が設けられており、画像を形成するための光は、開口部2330を介して投光ユニット2310の外部に向けて出射される。投光ユニット2310は、ヒンジなどのジョイントによって本体ユニット2350に接続されており、光の出射方向を変更可能に構成されている。
The
図43は、図42に示す投影装置2300における光学系の一例を示す。投影装置2300における光学系は、概略的には、光源部2360Aと、画像形成部2320Aと、これらを光学的に結合する光ファイバー2250とを含む。光源部2360Aおよび画像形成部2320Aは、それぞれ、上述の本体ユニット2350内および投光ユニット2310内に配置される。
43 shows an example of an optical system in the
図43に例示する構成において、光源部2360Aは、励起光源180と、円盤状の発光素子100wとを含む。発光素子100wは、円盤状の円周方向に沿って複数の領域に分割されており、複数の領域の各々は、上述の発光素子100または100aと同様の構造を有する。すなわち、発光素子100wにおける複数の領域の各々は、フォトルミネッセンス層および表面構造を含む。この例では、発光素子100wにおける複数の領域の各々は、図43において模式的に示すように、図19Aを参照して説明した発光素子と同様の構造を有している。ここでは、基板140(ここでは透明基板)上にフォトルミネッセンス層110が形成された発光素子100aを適用した例を説明するが、発光素子100aに代えて、上述の発光素子100を用いてももちろん構わない。
In the configuration illustrated in FIG. 43, the
発光素子100wは、励起光源180からの励起光の光路上に配置される。励起光源180の例は、LED、レーザダイオードである。この例では、基板140が励起光源180に対向するようにして発光素子100wが上述の本体ユニット2350内に配置されており、励起光源180から出射された励起光は、基板140を介して発光素子100wのフォトルミネッセンス層110に入射する。既に説明したように、発光素子100wにおける表面構造(ここでは周期構造120aおよび/または120b)は、フォトルミネッセンス層110が発する特定の光の指向角を制限する機能を有する。したがって、発光素子100wからは、特定の方向(例えば正面方向)に向けて特定の波長の光が強く出射される。
The
発光素子100wは、投光ユニット2310内において回転可能に支持されており、投影装置2300の動作時、駆動装置(例えばモータ、図43において不図示)によって回転させられる。励起光源180から出射された励起光は、発光素子100wの回転角度に応じて発光素子100wにおける複数の領域のいずれかに入射する。
The
典型的には、発光素子100wは、複数の領域ごとに互いに異なる周期構造を有する。つまり、発光素子100wから特定の方向に向けて強く出射される光の波長は、発光素子100wにおける複数の領域ごとに異なる。そのため、発光素子100wは、複数の領域のいずれに励起光が入射するかに応じて異なった波長の光を出射する。発光素子100wを指向性発光カラーホイールと呼んでもよい。
Typically, the
発光素子100wから出射された光の光路上に、光ファイバー2250の一端が配置される。発光素子100wから出射された光の光路上に光ファイバー2250の一端が配置されることにより、発光素子100wに光ファイバー2250が光学的に結合される。既に説明したように、本開示の発光素子は、出射される光の指向性を制御可能な新規な構造を有する。そのため、発光素子100wと光ファイバー2250との間で高い結合効率を実現し得る。光ファイバー2250と発光素子100wとの間に集光レンズなどが配置されてもよい。
One end of the
光ファイバー2250は、本体ユニット2350における光源部2360Aからの光を取り込み、取り込まれた光を投光ユニット2310に導く(図42参照)。このように、光源部2360Aにおいて生成された光は、光ファイバー2250を介して、投光ユニット2310内に配置された画像形成部2320Aに送られる。
The
画像形成部2320Aは、光ファイバー2250から出射された光を受けるMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラー2322Aを含む。光ファイバー2250の一端から取り込まれた光源部2360Aからの光は、光ファイバー2250の他端からMEMSミラー2322Aに向けて出射される。なお、光ファイバー2250から出射される光は、光ファイバー2250の開口数に応じて広がる。そのため、典型的には、光ファイバー2250とMEMSミラー2322Aとの間に、平行光を得るためのコリメートレンズ2260が配置される。MEMSミラー2322Aは、光ファイバー2250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く、MEMSミラー2322Aと光ファイバー2250との間には、コリメートレンズ2260などの他の光学部品が介在し得る。
The
MEMSミラー2322Aに入射した光は、MEMSミラー2322Aにおける可動ミラー2323の傾きに応じた角度に反射される。可動ミラー2323において反射された光は、開口部2330を介して投光ユニット2310の外部に向けて出射され、画像を形成する。
The light incident on the
図44は、図42に示す投影装置2300の構成の一例の概略を示す。上述したように、本体ユニット2350は、励起光源180を含む光源部2360Aを有する。この例では、本体ユニット2350内に配置された光源部2360Aが、発光素子100wを含んでいる。図示するように、本体ユニット2350は、さらに、発光素子100wの駆動装置2352、励起光源180のドライバ2354、制御回路2356および入出力インタフェース2358を有し得る。
FIG. 44 shows an outline of an example of the configuration of the
入出力インタフェース2358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2356は、例えば、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み、入出力インタフェース2358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2356は、入出力インタフェース2358からの入力に基づき、投影装置2300における各部の動作の制御を行う。制御回路2356は、例えば、ドライバ2354に制御信号を送出することによって励起光源180における点灯および消灯を制御する。光ファイバー2250と励起光源180との間にシャッターを設け、このシャッターの動作をドライバ2354によって制御することによって、光ファイバー2250への励起光の入射および遮断を切り替えてもよい。シャッターは、励起光源180から、後述する光変調素子2322に至るまでのいずれかの位置に配置されればよい。制御回路2356は、また、発光素子100wを回転させるための駆動装置2352(典型的にはモーター)を制御し、励起光源180からの励起光が発光素子100wにおける複数の領域のいずれの領域に入射するかを切り替える。
The input/
この例では、投光ユニット2310は、画像形成部2320Aの光変調素子2322を駆動するためのドライバ2324を有する。上述のMEMSミラー2322Aは、光変調素子2322の一例である。図44に例示する構成において、制御回路2356は、ドライバ2324の制御を実行する。
In this example, the
[12−2.画像の形成]
次に、MEMSミラー2322Aを用いた画像の形成方法を説明する。
[12-2. Image formation]
Next, a method for forming an image using the
図45Aは、MEMSミラー2322Aで反射された光によって画像が形成される様子を模式的に示す。MEMSミラー2322A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45Aに例示する構成において、MEMSミラー2322A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2322A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、入射光をスクリーンなどの投影対象の所望の位置に向けて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2322A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。
FIG. 45A schematically shows how an image is formed by the light reflected by the
図43を参照して説明したように、MEMSミラー2322Aには、発光素子100wから出射され、光ファイバー2250によって伝送された光が直接的または間接的に入射する。上述したように、発光素子100wは、特定の方向(例えば発光素子100wの法線方向)に向けて強く出射される光の波長が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、発光素子100wにおけるある領域は、赤色光に対応した波長の光を増強するような周期構造を有し、他のある領域は、緑色光に対応した波長の光を増強するような周期構造を有する。また、さらに他のある領域は、青色光に対応した波長の光を増強するような周期構造を有する。このように、発光素子100wの法線方向に出射される光のピーク波長は、領域ごとに異なり得る。
As described with reference to FIG. 43, the light emitted from the
したがって、発光素子100wを回転させ、発光素子100w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、光ファイバー2250に結合される光の波長を切り替えることができる。即ち、MEMSミラー2322Aに入射する光の波長をタイムシーケンシャルに切り替えることができる。したがって、投影対象上における光ビームの走査に同期させて発光素子100wの回転を制御することにより、図45Aに模式的に示すように、投影対象上に例えばR光、G光およびB光のスポットを形成することが可能である。例えばR光、G光およびB光のビームを走査することにより、投影装置2300に供給された画像信号に基づいて、所望のカラー画像を表示することができる。黒を表現したいときには、例えば、MEMSミラー2322Aに入射した光を投光ユニット2310内に配置された吸光体に向けて反射させればよい。なお、発光素子100wの複数の領域の間で周期構造を共通とし、かつ、複数の領域の間で、発光波長が異なるフォトルミネッセンス材料を用いてもよい。
Therefore, the wavelength of the light coupled to the
光ファイバー2250から光変調素子2322に向けて所望の波長の光を出射させるための構成は、図43に例示した構成に限定されない。図45Bに例示するように、各々が、互いに異なる波長の光を強く出射する発光素子に光学的に結合された複数の光ファイバーと、上述の光ファイバー2250とを光ファイバカプラ2252を介して接続することにより、所望の波長の光を生成してもよい。
The configuration for emitting light of a desired wavelength from the
図45Bに例示する構成において、励起光源180と光ファイバー2250rとの間、励起光源180と光ファイバー2250gとの間、および、励起光源180と光ファイバー2250bとの間に、それぞれ、発光素子100r、100gおよび100bが配置されている。図示する例では、励起光源180と発光素子100r、100gおよび100bのそれぞれとの間には、コリメートレンズ2270が配置されている。発光素子100r、100gおよび100bは、それぞれ、例えば、赤、緑および青の波長域の光を正面に強く出射するように周期が設定された周期構造を有する。したがって、光ファイバー2250r、2250gおよび2250rのそれぞれの一端には、赤、緑および青の波長域の光がそれぞれ入射する。発光素子100r、100gおよび100bは、発光波長が互いに異なるフォトルミネッセンス層を有することにより、互いに異なる波長域の光を強く出射するように設計されていてもよい。図示するように、発光素子100rと光ファイバー2250rとの間、発光素子100gと光ファイバー2250gとの間、および、発光素子100bと光ファイバー2250bとの間に集光レンズ2272を配置してもよい。
In the configuration illustrated in FIG. 45B, the
光ファイバー2250r、2250gおよび2250bの他端は、光ファイバカプラ2252を介して、一端が光変調素子2322に向けられた光ファイバー2250の他端に接続されている。光ファイバカプラ2252は、例えば、溶融により複数の光ファイバーが結合された構造、あるいは、導波路を利用した構造を有する。光ファイバー2250rによって伝送された赤色光、光ファイバー2250gによって伝送された緑色光、および、光ファイバー2250bによって伝送された青色光は、光ファイバカプラ2252において合成され、合成された光が、光ファイバー2250の他端から出射される。このとき、各励起光源180の出力を調整することにより、所望の色(すなわち、スペクトル)の光を光ファイバー2250の他端から出射させることが可能である。これにより、投影対象に向かって進行する光ビームの色を任意に変更することができる。各励起光源180から出射される励起光における強度は、励起光源180にそれぞれ接続されたドライバ2354r、ドライバ2354gおよびドライバ2354bによって制御され得る。これらのドライバ2354r、ドライバ2354gおよびドライバ2354bは、例えば、上述の制御回路2356の制御に基づいて動作する。
The other ends of the
あるいは、例えば、発光素子100rと光ファイバー2250rとの間、発光素子100gと光ファイバー2250gとの間、および、発光素子100bと光ファイバー2250bとの間に絞りを設け、ドライバ2354r、ドライバ2354gおよびドライバ2354bにより、各色に対応して設けられた絞りの開き具合を制御してもよい。絞りの開き具合を調整すれば、合成される光の強度比を調整することが可能であり、任意の色の合成光が得られる。なお、ここでは、赤色光、緑色光および青色光を合成する例を説明したが、合成される光の波長域、および、用いる発光素子の数などは任意に設定してよい。
Alternatively, for example, diaphragms are provided between the light emitting
[12−3.投影装置の変形例]
図46は、投影装置2300における光学系の他の一例を示す。図47は、図46に示す光学系に対応した構成の一例の概略を示す。
[12-3. Modification of Projector]
FIG. 46 shows another example of the optical system in the
図46および図47に例示する構成において、投影装置2300は、励起光源180を含む光源部2360Bと、MEMSミラー2322Aを含む画像形成部2320Bと、これらを光学的に結合する光ファイバー2250とを有する。この例では、画像形成部2320Bが、発光素子100wを含んでいる。すなわち、この例では、図47に模式的に示すように、光変調素子2322および発光素子100wが、投光ユニット2310内に配置されている。なお、発光素子100wの駆動装置2352も投光ユニット2310内に配置される。励起光源180が本体ユニット2350内に配置される点は、図43および図44を参照して説明した例と共通である。
In the configuration illustrated in FIGS. 46 and 47, the
図46および図47に例示する構成において、光ファイバー2250の一端は、励起光源180からの励起光の光路上に配置されている。光ファイバー2250は、励起光源180からの励起光を取り込み、画像形成部2320Bに励起光を導く。光ファイバー2250から出射した励起光が入射する位置には、画像形成部2320Bの発光素子100wが配置されている。すなわち、光ファイバー2250は、取り込んだ励起光を他端から発光素子100wに向けて出射する。光ファイバー2250と発光素子100wとの間にコリメートレンズなどが配置されてもよい。
In the configuration illustrated in FIGS. 46 and 47, one end of the
励起光を受けた発光素子100wは、特定の波長の光を特定の方向(例えば発光素子100wの法線方向)に強く出射する。画像形成部2320B中のMEMSミラー2322Aは、発光素子100wによって増強された光を受ける。即ち、MEMSミラー2322Aは、発光素子100wから出射された光が入射する位置に配置される。MEMSミラー2322Aは、発光素子100wによって増強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く、発光素子100wとMEMSミラー2322Aとの間に集光レンズなどが配置されてもよい。MEMSミラー2322Aは、入射した光の進行方向を駆動信号に応じて変化させる。
Upon receiving the excitation light, the
このように、光源部2360Bにおいて生成された励起光を光ファイバー2250を介して画像形成部2320Bに伝送してもよい。このような構成によっても、所望の画像をスクリーンなどの上に表示させることが可能である。
In this way, the excitation light generated in the
[12−4.発光素子と光ファイバーとの間の光学的結合]
図48は、光源と光ファイバーとの間における光学的結合を説明するための模式図である。図48は、光源2280から発せられた光を、集光レンズ2290を介して光ファイバー2250内部に導入する様子を模式的に示している。
[12-4. Optical coupling between light emitting element and optical fiber]
FIG. 48 is a schematic diagram for explaining the optical coupling between the light source and the optical fiber. FIG. 48 schematically shows how the light emitted from the
上述したように、光学系においては、拡散などがなければ、エテンデュが保存される。図48に示す例では、光源2280の中心、集光レンズ2290の光軸および光ファイバー2250の軸Lが一致しており、光源2280から発散していく光線と軸Lとのなす最大角をθとし、光源2280の発光面積をSとすれば、光源2280のエテンデュEsは、Ssin2θと表される。なお、ここでは、空気の屈折率を1としている。
As described above, the etendue is preserved in the optical system if there is no diffusion or the like. In the example shown in FIG. 48, the center of the
上述したように、受光側における光の取り込みの能力の大きさを表す受光側のエテンデュが光源のエテンデュよりも小さいと、光源から発せられた光の全てを取り込むことはできずに損失が生じる。図48中の濃い網掛けは、光ファイバー2250に導入される光を模式的に示し、一方、薄い網掛けは、光源2280のエテンデュが大きい場合に、光ファイバー2250に導入できない光を模式的に示している。
As described above, when the etendue on the light receiving side, which represents the size of the light receiving ability on the light receiving side, is smaller than the etendue of the light source, it is not possible to take in all the light emitted from the light source, resulting in loss. The dark shaded area in FIG. 48 schematically shows the light introduced into the
受光側である光ファイバー2250のエテンデュEfは、光ファイバー2250の開口数NAを用いて表すことができる。光ファイバー2250の開口数NAは、光ファイバー2250が取り込み可能な光線と軸Lとのなす最大角θfを用いて表され、この角θfの大きさは、光ファイバー2250内部で全反射が起きる条件によって決まる。すなわち、光ファイバー2250内に光を導入する場合、受光側のエテンデュの大きさは、どのような光ファイバー2250を使用するかによって決まっている。
The etendue Ef of the
受光側のエテンデュの大きさが一定であれば、光源2280の発光面積を拡大しても、光ファイバー2250内部に導入できる光の量は増えない。このことは、光源2280と光ファイバー2250との間に配置された集光レンズ2290の径を拡大しても同様である。
If the size of the etendue on the light receiving side is constant, the amount of light that can be introduced into the
図49は、光源2280の発光面積Sと、光ファイバー2250に導入される光の量Aとの間の関係を模式的に示す。図49中の破線は、光源2280における発光が等方的であり、光源2280のエテンデュEsが比較的大きい場合を示している。このときの光源2280と光ファイバー2250との間の結合効率は、例えば20%程度であり得る。図49中の一点鎖線は、光源2280が指向性を有し、エテンデュEsが比較的小さい場合を示している。図49中の実線は、光源2280が完全な指向性を有し、エテンデュEsがほぼ0である場合を示している。このとき、ほぼ100%の結合効率を達成し得る。このように、ある程度の発光面積を有する光源と光ファイバーとの間の光学的結合においては、光源が高い指向性を有すると有利である。
FIG. 49 schematically shows the relationship between the light emitting area S of the
発光素子100wにおける表面構造(ここでは周期構造120aおよび/または120b)は、フォトルミネッセンス層110から出射される特定の波長の光の強度を、特定の方向(例えば正面方向)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110の内部に形成する。発光素子100wにおける表面構造は、例えば、フォトルミネッセンス層110が発する波長λaの光の指向角を、15°未満に制限する。これにより、狭角配光が実現される。このように、発光素子100wは、出射される光の指向性を制御可能な構造を有するので、発光素子100wと光ファイバー2250との間で高い結合効率が得られる。したがって、発光素子100wから出射された光の光ファイバー2250を介した伝送(例えば図43を参照)を高効率で行い得る。そのため、発光素子100wと光変調素子2322(ここではMEMSミラー2322A)との間に光ファイバー2250を介在させても、明るい表示を実現し得る。また、発光素子100wと光ファイバー2250との間で高い結合効率が得られるので、消費電力の低減された投影装置を提供し得る。
The surface structure (here, the
なお、本開示の発光素子によれば、図42に例示するように、本体ユニット2350と投光ユニット2310とを光ファイバー2250によって光学的に結合することが可能であるので、画像形成用の光学系の全ての光学部品を投光ユニット2310内に収容する必要がない。そのため、投光ユニットの小型化が容易であり、投光ユニットのデザインの自由度も向上する。
According to the light emitting device of the present disclosure, as illustrated in FIG. 42, the
図50は、画像形成用の光学系の全ての光学部品が収容された投光ユニットを有する投影装置の外観の一例を比較例として示す。図50に示す投影装置2500は、本体ユニット2550に投光ユニット2510が接続された構成を有する。投光ユニット2510は、開口部2530を有し、開口部2530内に結像レンズ2332が配置されている。
FIG. 50 shows, as a comparative example, an example of the appearance of a projection device having a light projecting unit in which all the optical components of the image forming optical system are housed. The
図51は、図50に示す投影装置2500の投光ユニット2510の内部に配置された、画像形成のための構成を示す。投影装置2500は、デジタルマイクロミラーデバイス(Digital Micromirror Device:DMD)を用いたDLP(Digital Light Processing)方式の投影装置である。図示するように、投光ユニット2510の内部には、白色光を出射する光源2580と、カラーホイール2520と、カラーホイール2520を通過した光を受けるデジタルマイクロミラーデバイス2322B(以下、「DMD2322B」と呼ぶ。)と、結像レンズ2332とが収容されている。カラーホイール2520は、円盤形状を有し、円周方向に沿って配列された複数の領域を含む。複数の領域の各々は、互いに異なる色のカラーフィルタであり、例えば、赤色光(R)を透過させる領域、緑色光(G)を透過させる領域、青色光(B)を透過させる領域、および、光源2580から出射された白色光(W)をそのまま透過させる領域を含む。カラーホイール2520は、投光ユニット2510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2520が回転することにより、DMD2322Bに入射する光の色が切り替えられる。DMD2322Bは、基板2326と、基板2326上に配置された多数の微小なミラー2325とを有し、各ミラー2325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51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2325のうちの2つを図示している。DMD2322Bの構成および動作の詳細は、後述する。
FIG. 51 shows a structure for forming an image, which is arranged inside the
図50および図51に例示するように、投光ユニット2510内に光源2580を配置する構成では、比較的大きなヒートシンク、ファンなど(図51において不図示)の、光源2580の冷却のための部材が投光ユニット2510内に配置される。そのため、投光ユニット2510を小型化することは困難である。図50に示すような概略円筒形状の投光ユニット2510において、その直径および軸に沿った長さは、それぞれ、例えば20cmおよび30cm程度であり得る。また、大型のヒートシンクを用いることにより、投光ユニット2510の重量も増加する。投光ユニット2510の重量は、例えば、3kg程度であり得る。
As illustrated in FIGS. 50 and 51, in the configuration in which the
これに対し、本開示の発光素子が適用された投影装置によれば、光源部と画像形成部とを光ファイバーによって光学的に結合することが可能であるので、励起光源180と光変調素子2322とを、本体ユニット2350と投光ユニット2310との間で分離して配置することが容易である。そのため、投光ユニット2310の内部に発熱の大きい部品を配置する必要がなく、投光ユニット2310の内部にヒートシンクなどを配置する必要がない。このように、投光ユニット2310の内部からヒートシンクなどを省略可能であるので、より小型かつ軽量な投光ユニット2310を実現し得る。投光ユニット2310の重量は、例えば0.3kg程度であり得る。上述した態様によれば、投光ユニット2310の小型化および軽量化が比較的容易であるので、住居、店舗、オフィスなどにおけるスポットライト、ダウンライトを投光ユニット2310に置き換えるといった利用方法も可能である。
On the other hand, according to the projection device to which the light emitting element of the present disclosure is applied, the light source section and the image forming section can be optically coupled by the optical fiber, and thus the
なお、従来、スクリーン上に画像を表示するための光としてレーザ光が用いられることがある。例えば、図51に示す光学系において、光源2580としてレーザダイオード(LD)が用いられることがある。これに対し、本開示の投影装置では、発光素子100wから出射された光を用いて画像を表示する。このような構成によれば、励起光を受けて発光素子100wから発せられた光が投影の対象に向けて出射されるので、より安全性の高い投影装置を提供することが可能である。また、画像を表示するための光としてレーザ光を用いる構成では、スペックルノイズを低減するための対策が必要である。これに対し、本開示の投影装置では、画像を表示するための光がレーザ光ではないので、スペックルノイズを低減するための特別な機構を省略し得る。
Conventionally, laser light may be used as light for displaying an image on a screen. For example, in the optical system shown in FIG. 51, a laser diode (LD) may be used as the
[12−5.投影装置の他の変形例]
図52および図53は、投影装置2300における光学系のさらに他の一例を示す。図52および図53に例示するように、図51を参照して説明したDMD2322Bを光変調素子2322として用いてもよい。
[12-5. Other Modifications of Projector]
52 and 53 show still another example of the optical system in the
図52に例示する構成において、投影装置2300は、上述の光源部2360Aと、DMD2322Bを含む画像形成部2320Cと、これらを光学的に結合する光ファイバー2250とを有する。光源部2360Aおよび画像形成部2320Cは、それぞれ、本体ユニット2350内および投光ユニット2310内(図42参照)に配置される。
In the configuration illustrated in FIG. 52, the
光源部2360Aで生成された光は、光ファイバー2250を介して画像形成部2320Cに送られる。光ファイバー2250から出射した光が直接的または間接的に入射する位置に、DMD2322Bが配置されている。この例では、光ファイバー2250とDMD2322Bとの間にレンズ系2340が配置されている。レンズ系2340は、光ファイバー2250から出射された光から、拡大された光ビームを形成する。DMD2322Bは、レンズ系2340によって拡大された光ビームで一様に照射される。
The light generated by the
上述したように、DMD2322Bは、基板2326上に配置された多数の微小なミラー2325を有する。ミラー2325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2326上に支持されている。ミラー2325の各々における傾きは、例えば、ドライバ2324(図44参照)からのデジタル入力信号に応じて約10°程度変化させられる。各ミラー2325は、その傾きに応じて、入射した光を結像レンズ2332または投光ユニット2310内の吸光体のいずれかに向けて反射させる。既に説明したように、発光素子100wを回転させることにより、光ファイバー2250を介してDMD2322Bに入射する光の波長を切り替えることが可能である。そのため、発光素子100wの回転に同期させて各ミラー2325における傾きを独立して変化させることにより(例えば毎秒数千回程度)、所望のカラー画像をスクリーン上に映し出すことが可能である。
As described above, the
このように、光変調素子2322としてDMDを用い、光ファイバー2250を介して、DMDに発光素子100wを光学的に結合するような構成も可能である。本開示の実施形態によれば、発光素子100wと光ファイバー2250との間で高い結合効率が得られるので、光学的損失の少ない光学系を実現し得る。したがって、明るい表示を行い得る。また、励起光源180を本体ユニット2350内に配置できるので、図43および図46を参照して説明した構成と同様の効果が得られる。
As described above, it is also possible to use a DMD as the
図46を参照して説明した構成と同様に、投光ユニット2310側に発光素子100wを配置してもよい。図53は、投光ユニット2310側に発光素子100wが配置された構成例を示している。図53に例示する構成において、投光ユニット2310の画像形成部2320Dは、DMD2322Bと、発光素子100wとを含んでいる。このような構成においても、励起光源180が本体ユニット2350内に配置されるので、図43および図46を参照して説明した構成と同様の効果が得られる。
Similar to the configuration described with reference to FIG. 46, the
上述した態様のほか、本開示の技術は、種々の改変が可能である。例えば、光変調素子2322として例えばLCOS(Liquid Crystal on Silicon)を用いてもよい。光変調素子2322は、入射した光を反射または透過させて画像を形成する素子であればよい。上述した態様では、発光素子100wにおける複数の領域のいずれに励起光が入射するかを切り替えることにより、光変調素子2322に入射する光の波長を切り替えている。しかしながら、この例に限定されず、カラー画像の形成に使用する波長域(例えば、赤色、緑色および青色)ごとに独立して発光素子を配置してもよい。
In addition to the aspects described above, the technology of the present disclosure can be variously modified. For example, LCOS (Liquid Crystal on Silicon) may be used as the
[13.フォトルミネッセンス層の支持体を有する発光装置]
以下、本開示の発光装置のさらに他の変形例を説明する。
[13. Light Emitting Device Having Support for Photoluminescence Layer]
Hereinafter, still another modification of the light emitting device of the present disclosure will be described.
図54Aは、発光素子100’と、発光素子100’を支持する支持体3540とを備える発光装置の例を模式的に示す断面図である。図54Bは、この発光装置を図54Aにおける上方向から見た平面図である。これらの図では、発光素子100’における表面構造120が極端に大きく描かれているが、実際には表面構造120は多数の微細な凸部または凹部を有し得る。この点は、本開示の他の図でも同様である。図54Aおよび図54Bに示す発光装置では、発光素子100’の周囲を取り囲むように発光素子100’を支持する支持体3540が設けられている。
FIG. 54A is a cross-sectional view schematically showing an example of a light emitting device including a light emitting element 100' and a
支持体3540は、発光素子100’の側部に接触し、発光素子100’を固定する。このような支持体3540を設けることにより、発光素子100’の周囲を保護するとともに、持ちやすくなるという利点がある。支持体3540は、例えばフォトルミネッセンス層110よりも高い熱伝導率をもつ材料から構成され得る。これにより、支持体3540を、フォトルミネッセンス層110で発生した熱を外部に放出する熱浴またはヒートシンクとしても機能させることができる。
The
放熱のための熱浴がない場合、高出力時にフォトルミネッセンス層110が高温になって発光効率が低下する可能性がある。熱伝導率の高い支持体3540をフォトルミネッセンス層110に接触させることにより、放熱を促進し、発光効率の低下を抑制することができる。支持体3540は、例えばアルミニウム、真鍮、銅といった熱伝導率の比較的高い材料で構成され得る。ただしこのような材料に限定されない。単に発光素子100’を衝撃から保護する目的で支持体3540を設ける場合には、フォトルミネッセンス層110よりも熱伝導率の低い材料で支持体3540を構成してもよい。
If there is no heat bath for heat dissipation, the
発光素子100’は、既に説明した本開示のいずれかの発光素子と同様の構成を備え得る。図54Aは、一例として、基板140上に透光層3520とフォトルミネッセンス層110とが形成された発光素子100’の構成を示している。透光層3520とフォトルミネッセンス層との間、およびフォトルミネッセンス層110と空気層との間に表面構造(典型的には周期構造)120が形成されている。このような構成は、特に、基板140の材料に安価なソーダガラスや硼珪酸ガラスなどの透明な材料を用いる場合に有効である。ただし、上記の安価なガラスを用いると、発光素子100’を製造する際のフォトルミネッセンス材料を焼結させる工程で、基板140が損傷するおそれがある。これを回避するために、低コストの基板140の上に耐熱性の高い材料(例えば、SiO2、Al2O3、MgO、SiN、Ta2O3、TiO2等)で、表面構造120を有する透光層3520を形成することが有効である。これにより、フォトルミネッセンス層110側からレーザー光などで短時間加熱する際に、焼結時の熱を透光層3520で遮断し、基板140へのダメージを防ぐことができる。発光素子100’は、図54Aに示す構成に限らず、後述するように多様な変形が可能である。
The
図示される例では、発光装置は、さらに励起光源3510を備える。励起光源3510は、発光素子100’の底面(すなわち、基板140と空気との界面)に向けて斜めに励起光を照射する。励起光の入射角は0°よりも大きく、好ましくは光の取り込み構造を設け、フォトルミネッセンス層110内で励起光が全反射する条件を満たすように設定される。光の取り込み構造は、例えば図54Cに示すように、基板140の励起光源3510側の表面に設けられた三角柱の形状を有する三角プリズムであり得る。光の取り込み構造3590(この例では三角プリズム)は、半球、ピラミッド、回折格子、ブレーズド回折格子などの他の構造を有していてもよい。このような構造体を設けることにより、基板140の表面での反射を抑制し、フォトルミネッセンス層110内に効率よく励起光を導入することができる。このような構造体は、詳しくは出願人による特願2015−031515に導光構造体として説明されている。参考のために、特願2015−031515の開示内容全体を本明細書に援用する。そのような入射角を実現するように励起光源3510の位置および向きが調整される。その結果、フォトルミネッセンス層110の法線方向に対して傾斜した角度で励起光がフォトルミネッセンス層110に入射し、フォトルミネッセンス層110内を伝搬する。これにより、励起光がフォトルミネッセンス層110に垂直に入射する場合と比較して、発光効率を向上させることができる。
In the illustrated example, the light emitting device further comprises an
表面構造120は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射させる。このため、表面構造120は、励起光も特定の方向に最も強く出射させる構造であるといえる。その出射角をθoutとすると、励起光源は、励起光が発光素子100’にθoutと同じ入射角で入射するように配置され得る。これにより、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層110内に導入することができ、発光効率を高くすることができる。
The
励起光を発光素子100’に斜めに入射させるために、図54A〜図54Cに示す構成例における支持体3540は、励起光源3510の側が大きく開放された構造を有し得る。その開放された部分を開口部と呼ぶと、開口部は、フォトルミネッセンス層110の法線方向に対して傾斜した側面3540aを有する。図示されるように、この開口部は、発光素子100’に接触する部分(「支持部」と呼ぶ。)3540bから励起光源3510の側に向かって徐々に広がっている。言い換えれば、開口部の側面はテーパー状の構造を有する。このような構造により、励起光は、開口部の側面3540aに沿って発光素子100’に斜めに入射することができる。図54A〜図54Cに例示する開口部の形状は底面が正方形の四角錐台であるが、励起光の光路を妨げない限り、任意の形状であってよい。例えば、側面3540aをテーパー状にする代わりに、段差を設けてもよい。
In order to allow the excitation light to obliquely enter the
図54A〜図54Cに例示する発光装置は、既に述べた他の実施形態と同様、特定の波長の光の指向角を制限する表面構造120を有している。このため、特定の波長の光の指向性を向上させることができる。さらに、発光素子100’は、励起光が入射する部分(ここでは基板140の底面)が露出するように、支持体3540に固定されている。これにより、発光素子100’を保護しながら励起光を所望の角度で入射させることができる。フォトルミネッセンス層110よりも熱伝導率の高い材料で支持体3540を構成すれば、放熱性に優れた、発光効率が低下しにくい発光装置を実現できる。
The light emitting device illustrated in FIGS. 54A to 54C has a
図55Aおよび図55Bは、上記の例とは異なる構造の発光素子100’を用いた例を示す図である。この発光素子100’は、図54Aおよび図54Bに示す構成から透光層3520およびその表面の表面構造120を除いた構成を有する。即ち、この発光素子100’は、基板140と、その上のフォトルミネッセンス層110と、その表面の表面構造120とを備える。発光素子100’以外の構成は、図54Aおよび図54Bに示す構成と同様である。図55Aおよび図55Bに示す例では、表面構造120がフォトルミネッセンス層110の上部にのみ設けられているので、製造工程を簡略化できる。この構成は、特に基板140が耐熱性の高い石英ガラスから構成される場合に有効である。石英ガラスは耐熱性が高いため、フォトルミネッセンス材料の焼結時でも損傷のおそれが低い。よって、基板140の上に直接フォトルミネッセンス層110を形成し、表面構造120を形成することができる。
55A and 55B are diagrams showing an example using a light emitting device 100' having a structure different from the above example. This
図56Aおよび図56Bは、さらに異なる構造の発光素子100’を用いた例を示す図である。この発光素子100’は、図54Aおよび図54Bに示す構成からフォトルミネッセンス層110の表面の表面構造120を除いた構成を有する。即ち、この発光素子100’は、基板140と、その上の透光層3520と、その表面の表面構造120と、その上のフォトルミネッセンス層110とを備える。表面構造120はフォトルミネッセンス層110と透光層3520との界面にのみ設けられている。このような構造によっても製造工程を簡略化できる。
56A and 56B are diagrams showing an example using a
図57Aおよび図57Bは、図54Aおよび図54Bに示す例とは異なる構造の支持体3540を備える例を示す図である。この支持体3540は、図57Bに示すように、フォトルミネッセンス層に垂直な方向から見た支持体3540の側面3540aの外周部および内周部の形状が四角形ではなく円形である。言い換えれば、開口部の形状が四角錐台ではなく円錐台である。この点を除けば、図54Aおよび図54Bの構造と同様である。このような構造であっても、図54Aおよび図54Bに示す構成と同様の効果が得られる。
57A and 57B are diagrams showing an example including a
図58Aおよび図58Bは、図55Aおよび図55Bに示す発光装置における支持体3540を、図57Aおよび図57Bに示す支持体に置換した構成例を示す図である。このような構成でも、支持体の開口部の側面の形状が異なるだけなので、図55Aおよび図55Bに示す構成と同様の効果が得られる。
58A and 58B are diagrams showing a configuration example in which the
図59Aおよび図59Bは、図56Aおよび図56Bに示す発光装置における支持体3540を、図57Aおよび図57Bに示す支持体に置換した構成例を示す図である。このような構成でも、支持体の開口部の側面の形状が異なるだけなので、図56Aおよび図56Bに示す構成と同様の効果が得られる。
59A and 59B are diagrams showing a configuration example in which the
図60Aおよび図60Bは、発光素子100’の側面にのみ支持体3540が設けられている発光装置の例を示す図である。この例では、支持体3540の周辺部が励起光源3510の側に突出していない、即ち、励起光源3510の側に広がった開口部を有していない。この点を除けば、図54Aおよび図54Bに示す構成と同様である。この例では、簡便な構造で耐衝撃性または放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。
FIG. 60A and FIG. 60B are diagrams showing an example of a light emitting device in which the
図61Aおよび図61Bは、図60Aおよび図60Bに示す構成において発光素子100’を、図55Aおよび図55Bに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。この例でも、簡便な構造で放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。 61A and 61B are diagrams showing an example of a light emitting device in which the light emitting element 100' in the configuration shown in FIGS. 60A and 60B is replaced with the light emitting element shown in FIGS. 55A and 55B. Also in this example, a directional light emitting device having a simple structure and excellent heat dissipation can be realized.
図62Aおよび図62Bは、図60Aおよび図60Bに示す構成において発光素子100’を、図56Aおよび図56Bに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。この例でも、同様に簡便な構造で放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。 62A and 62B are diagrams showing an example of a light emitting device in which the light emitting element 100' in the configuration shown in FIGS. 60A and 60B is replaced with the light emitting element shown in FIGS. 56A and 56B. In this example as well, it is possible to realize a directional light emitting device having a similarly simple structure and excellent heat dissipation.
図63Aおよび図63Bは、図54Aおよび図54Bに示す発光装置において、支持体3540の構造を、さらに異なる構造に置換した例を示す図である。この例における支持体3540は、発光素子100’に接する支持部3540bから励起光の光路に沿って延びる開口部3540cを有する。この開口部3540cは、励起光を発光素子100’に導く導光路として機能する。励起光源3510から出射された励起光は、開口部3540cに沿って伝播し、発光素子100’の底面に斜めに入射する。このような構造によっても、耐衝撃性または放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。
63A and 63B are diagrams showing an example in which the structure of the
図64Aおよび図64Bは、図63Aおよび図63Bに示す構成において発光素子100’を、図55Aおよび図55Bに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。図65Aおよび図65Bは、図63Aおよび図63Bに示す構成において発光素子100’を、図56Aおよび図56Bに示す発光素子に置換した発光装置の例を示す図である。これらの例でも、発光素子100’の構造が異なるだけであるので、図63Aおよび図63Bに示す構成と同様の効果が得られる。 64A and 64B are diagrams showing an example of a light emitting device in which the light emitting element 100' in the configuration shown in FIGS. 63A and 63B is replaced with the light emitting element shown in FIGS. 55A and 55B. 65A and 65B are diagrams showing an example of a light emitting device in which the light emitting element 100' in the configuration shown in FIGS. 63A and 63B is replaced with the light emitting element shown in FIGS. 56A and 56B. In these examples as well, only the structure of the light emitting element 100' is different, and therefore the same effect as that of the configuration shown in FIGS. 63A and 63B can be obtained.
図66Aおよび図66Bは、導光路の途中に励起光を反射する反射ミラー(リフレクター)3530が設けられた構成例を示している。発光素子100’の構成は、図54Aおよび図54Bに示す構成と同様であり得る。この例では、支持体3540の開口部3540c(即ち導光路)が、途中で屈曲しており、屈曲する箇所にリフレクター3530が配置されている。このリフレクター3530は、励起光の波長域に反射特性を有する。リフレクター3530は、通常のミラーに限らず、ダイクロイックミラーでもよい。リフレクター3530によって反射された励起光は、発光素子100’の底面に入射する。導光路内にリフレクター3530を設けることで、励起光源3510の配置の制約が低減される。これにより、より小型の発光装置を実現し得る。
66A and 66B show a configuration example in which a reflection mirror (reflector) 3530 that reflects excitation light is provided in the middle of the light guide path. The structure of the light emitting device 100' may be similar to the structure shown in FIGS. 54A and 54B. In this example, the
図67Aおよび図67Bは、図66Aおよび図66Bに示す発光装置における発光素子100’を、図55Aおよび図55Bに示す発光素子に置換した構成例を示す図である。図68Aおよび図68Bは、図66Aおよび図66Bに示す発光装置における発光素子100’を、図56Aおよび図56Bに示す発光素子に置換した構成例を示す図である。これらの例でも、発光素子100’の構造が異なるだけであるので、図66Aおよび図66Bに示す構成と同様の効果が得られる。 67A and 67B are diagrams showing a configuration example in which the light emitting element 100' in the light emitting device shown in FIGS. 66A and 66B is replaced with the light emitting element shown in FIGS. 55A and 55B. 68A and 68B are diagrams showing a configuration example in which the light emitting element 100' in the light emitting device shown in FIGS. 66A and 66B is replaced with the light emitting element shown in FIGS. 56A and 56B. In these examples as well, only the structure of the light emitting element 100' is different, and therefore, the same effect as the configuration shown in FIGS. 66A and 66B can be obtained.
図69A〜図71Bは、フォトルミネッセンス層110の側面から励起光が入射する構成例を示す図である。図69Aおよび図69Bは、図54Aおよび図54Bに示す発光素子100’を有する例を示している。図70Aおよび図70Bは、図55Aおよび図55Bに示す発光素子100’を有する例を示している。図71Aおよび図71Bは、図56Aおよび図56Bに示す発光素子100’を有する例を示している。図69A〜図71Bに示す例では、支持体3540は、フォトルミネッセンス層110の側面(即ち主面ではない面)から励起光源3510に向かって延びる開口部(即ち導光路)3540cを有している。この開口部3540cに沿って励起光が伝搬し、フォトルミネッセンス層110の側面に斜めに入射する。このように、励起光は直接フォトルミネッセンス層110に入射する。このような構成により、特に縦方向(即ち、フォトルミネッセンス層に垂直な方向)について小型の指向性発光装置を実現できる。
69A to 71B are diagrams showing a configuration example in which the excitation light is incident from the side surface of the
図72A〜図75Bは、支持体3540に加えて複数の放熱フィン3560をさらに備えた発光装置の例を示す図である。図72Aおよび図72Bは、図55Aおよび図55Bに示す発光装置に放熱フィン3560が付加された構成を示している。図73Aおよび図73Bは、図64Aおよび図64Bに示す発光装置に放熱フィン3560が付加された構成を示している。図74Aおよび図74Bは、図67Aおよび図67Bに示す発光装置に放熱フィン3560が付加された構成を示している。図75Aおよび図75Bは、図70Aおよび図70Bに示す発光装置に放熱フィン3560が付加された構成を示している。これらの例では、発光素子100’として、図55Aおよび図55Bに示されている発光素子が用いられているが、発光素子100’は既に説明した他の構造を有していてもよい。
72A to 75B are diagrams illustrating an example of a light emitting device further including a plurality of
図72A〜図75Bに示す各例では、発光素子100’の周囲の支持体3540の外周部に、複数の放熱フィン3560が等間隔に接続されている。支持体3540および放熱フィン3560は、フォトルミネッセンス層110よりも高い熱伝導率の材料(例えば、アルミ、真鍮、または銅)で構成される。放熱フィン3560および支持体3540の材料は同じでもよいし異なっていてもよい。フォトルミネッセンス層110で発生した熱は、支持体3540を介して複数の放熱フィン3560によって外部に放出される。これにより、さらに放熱性に優れた指向性発光装置を実現できる。なお、複数の放熱フィン3560の形状および配置は、図示される例に限定されず、効率よく放熱できる構造であればよい。
In each of the examples shown in FIGS. 72A to 75B, a plurality of
以上の例では、支持体3540は、連続した単一の構造体であり、発光素子100’の周囲の全体を取り囲んでいるが、支持体3540は必ずしもこのような構造である必要はない。例えば、図76Aに示すように、発光素子100’の周囲において支持体3540の一部が切断されており、その部分でフォトルミネッセンス層110の一部が露出していてもよい。また、図76Bに示すように、支持体3540が2つの部分に分かれ、それらが発光素子100’を挟むように固定してもよい。このように、支持体3540は、必ずしも連結された単一の構造体である必要はない。励起光の光路を妨げないように、一部が開放され、発光素子100’における励起光が入射する部分が露出するように、発光素子100’を固定する構造であればよい。例えば、支持体3540は、フォトルミネッセンス層110の一部のみに接していてもよい。
In the above example, the
[14.リフレクターを有する光源ユニット]
図77は、リフレクター(即ち反射部材)を有する光源ユニット(即ち発光装置)の概略構成を示す図である。図77に示す光源ユニット4500は、励起光源4510と、発光素子100aと、リフレクター4530と、コリメートレンズ4520とを備える。発光素子100aは、図1Cに示す発光素子100aと同じ構造を有する。発光素子100aに代えて、既に説明した他の構造を有する発光素子を用いてもよい。図77では、発光素子100aの表面構造120が極端に大きく描かれているが、実際には表面構造120は多数の微細な凸部または凹部を有し得る。
[14. Light source unit with reflector]
FIG. 77 is a diagram showing a schematic configuration of a light source unit (that is, a light emitting device) having a reflector (that is, a reflecting member). The
リフレクター4530は、励起光の波長域に反射特性を有する反射部材である。リフレクター4530は、例えば複数の金属の合金からなる一般的なミラー、または誘電体多層膜から形成されるダイクロイックミラーであり得る。リフレクター4530は、励起光源4510から出射した励起光の光路上に配置され、励起光を反射して発光素子100aに導く。この際、励起光が、フォトルミネッセンス層110の内部で全反射しながら伝播するように、励起光源4510およびリフレクター4530の位置および向きが調整されている。
The
コリメートレンズ4520は、励起光源4510とリフレクター4530との間に配置される。励起光源4510が例えばレーザーダイオード等の光源であるとき、励起光は、一般的に、拡がりをもった光束として出射される。コリメートレンズ4520は、その拡がった光束を平行光に変換してリフレクター4530に入射させる。図77では、コリメートレンズ4520は、単一のレンズとして描かれているが、複数のレンズの組み合わせであってもよい。また、その形状も、必要な性能に応じて適宜設計され得る。
The
発光素子100a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110と、基板140(典型的には透明基板)と、フォトルミネッセンス層110の表面に形成された表面構造120(典型的には周期構造)とを有する。表面構造120は、既に説明したいずれかの表面構造と同様の構造であり得る。表面構造120は、フォトルミネッセンス層110が発する波長λaの光の指向角を、例えば15°未満に制限する。これにより、狭角配光が実現される。
The
図77に示す光源ユニット4500においては、励起光がリフレクター4530で反射されてからフォトルミネッセンス層110に入射する。即ち、励起光の光路が折りたたまれるようにしてフォトルミネッセンス層110に入射する。このため、励起光源4510と発光素子100aとの配置関係の自由度を向上させることができる。その結果、光源ユニット4500を小型化することができる。
In the
図78は、比較のため、リフレクター4530が設けられていない光源ユニットの例を示している。図78に示す光源ユニット4500cでは、励起光を斜めに入射させるために、励起光源4510が発光素子100aから離れた場所に配置されている。その結果、図77の構成と比較して、発光素子100aの各層に平行な方向における装置のサイズが大きくなる。
FIG. 78 shows an example of a light source unit in which the
図79は、他の構成例を示す図である。この例では、励起光源4510の位置および向き、ならびにリフレクター4530の向きが、図77に示す例とは異なっている。この例における励起光源4510は、フォトルミネッセンス層110の主面にほぼ垂直な方向に励起光を出射する。リフレクター4530は、その励起光を反射し、フォトルミネッセンス層110に斜めに入射させる。このような構成によっても、図77と同様、装置のサイズを小型にできる。
FIG. 79 is a diagram showing another configuration example. In this example, the position and orientation of the
図80は、さらに他の構成例を示す図である。この例では、発光装置は、発光素子100aを支持する部材(支持体と称する。)4540を備えている。支持体4540は、発光素子100aの周囲を囲むように発光素子100aを支持する。図80では支持体4540が2つの部分に分離しているように見えるが、実際には連結された単一の構造体であり得る。支持体4540を設けることにより、発光素子100aの周囲を保護するとともに、持ちやすくなるという利点がある。
FIG. 80 is a diagram showing still another configuration example. In this example, the light emitting device includes a member (referred to as a support) 4540 that supports the
支持体4540の一部は、励起光を反射する材料で形成されたリフレクター4530である。リフレクター4530は、励起光を反射してフォトルミネッセンス層110に導く。これにより、図79に示す構成と同様の機能が実現される。この例では、支持体4540とリフレクター4530とが一体化されているため、耐衝撃性を向上させることができる。支持体4540を熱伝導率の高い材料で構成すれば、支持体4540を、発光素子100aが発する熱を効率よく外部に放出するヒートシンクとして機能させることもできる。
A part of the
図81は、図80の変形例を示している。この例の発光装置では、支持体4540の構造が図80に示す例とは異なっている。支持体4540は、発光素子100aに加えて、励起光源4510およびコリメートレンズ4520を内部に収納して保持する。発光素子100aを保持する部分の近傍における傾斜した部分は、リフレクター4530として機能する。この構成例では、励起光源4510、コリメートレンズ4520、リフレクター4530、および発光素子100aが所定の配置関係を保って支持される。このような構造により、衝撃によって励起光の光路がずれることを抑制できる。すなわち、耐衝撃性をさらに向上させることができる。
81 shows a modification of FIG. 80. In the light emitting device of this example, the structure of the
図82は、他の変形例を示す図である。この例における発光装置は、発光素子100aと、レーザーモジュール4580と、安全フィルター4560と、レンズ4550と、リフレクター4530と、これらを支持する支持体4540とを備える。レーザーモジュール4580は、レーザーダイオードを含む励起光源4510とコリメートレンズ4520とを有する。励起光源4510から出射した励起光は、コリメートレンズ4520を介してリフレクター4530で反射され、発光素子100aに最適な角度で入射する。
FIG. 82 is a diagram showing another modification. The light emitting device in this example includes a
励起光源4510としてレーザーダイオードを用いる場合、発光素子100aで変換されなかった一部の励起光が発光素子100aを通過する。この通過したレーザー光はコヒーレント性を有しており、人体、特に目に損傷を与える可能性がある。このレーザー光の漏洩を防止するために励起光源4510の波長の光をカットする安全フィルター4560が設けられている。レンズ4550は、安全フィルター4560を透過した光を集光し、例えば光ファイバーに導入する。
When a laser diode is used as the
この例におけるリフレクター4530は、角度調整機構として機能する回転軸4570を有する。リフレクター4530を、回転軸4570のまわりに手動で回転させることができる。このような構造により、発光素子100aへの励起光の入射角度を自由に調整できる。この調整は、例えば製品出荷前に手動で行われ得る。角度調整機構としては、他にも、モーターと、モーターを駆動する制御回路との組み合わせによって自動で角度調整が行われるような機構を導入してもよい。リフレクター4530が角度調整機構を有する代わりに励起光源4510の側に角度調整機構が設けられていてもよい。そのような角度調整機構は、例えば、励起光源4510をある回転軸の周りに回転させる機構によって実現され得る。
The
図82に示す例では、支持体4540がレンズ4550、安全フィルター4560、発光素子100a、リフレクター4530、およびレーザーモジュール4580を保持する。このため、衝撃が生じたとしても各部品の相対的な位置関係がずれることがなく、安定に動作する発光装置を実現できる。
In the example shown in FIG. 82, the
以上のように、リフレクター4530を設けることにより、励起光源4510から出射された励起光の光路を曲げてフォトルミネッセンス層110に入射させることができる。このため、励起光源4510と発光素子との配置関係の自由度が向上し、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
As described above, by providing the
図83は、支持体4540を有する発光装置の他の変形例を示す図である。この発光装置は、励起光源4510と、コリメートレンズ4520と、発光素子100aと、これらを支持する支持体4540とを備える。この例ではリフレクターは設けられていない。励起光源4510から出射された励起光は、コリメートレンズ4520を介して発光素子100aのフォトルミネッセンス層に所望の角度で入射する。励起光源4510と、コリメートレンズ4520と、発光素子100aとが支持体4540を介して一体化されていることにより、耐衝撃性が向上する。
FIG. 83 is a diagram showing another modification of the light emitting device having the
続いて、リフレクター4530を有する光源ユニットによる小型化の効果の具体例を説明する。
Subsequently, a specific example of the effect of downsizing by the light source unit having the
図84A〜図84Cは、リフレクター4530を設けることによる効果の一例を示す図である。図84Aは、高い指向性を有しない従来の発光素子700cを用いた光源ユニットの構成例を示している。図84Bは、本開示の実施形態による発光素子を有し、リフレクターを有しない光源ユニットの構成例を示している。図84Cは、本開示の実施形態による発光素子およびリフレクターを有する光源ユニットの構成例を示している。
84A to 84C are diagrams showing an example of the effect obtained by providing the
これらの構成例において、励起光源4510としてレーザーダイオード(LD)が用いられている。各光源ユニットは、照明装置の部品として用いられ得る。例えば8畳(約13m2)の部屋に適した照明装置では、約5000lmの光束を出射することが必要である。各LDの光出力を約4.3Wとし、各光源ユニットから正面方向に出射される光束を500ルーメン(lm)とすると、10個程度の発光モジュールを集積する必要がある。このため、各発光モジュールを小型化することが要求される。
In these configuration examples, a laser diode (LD) is used as the
図84Aに示す光源ユニットでは、指向性の低い従来の発光素子700cが用いられている。このため、正面方向に500lmの光束を出射させるためには、多数の励起光源4510が必要である。したがって、個々の光源ユニットのサイズが大きくなり、多数の光源ユニットを集積した照明装置のサイズも大きくなる。
In the light source unit shown in FIG. 84A, a conventional
図84Bに示す光源ユニットでは、本開示の実施形態における指向性の高い発光素子100aが用いられている。このため、例えば1個の励起光源4510で500lmの光束を正面方向に出射させることができる。個々の光源ユニットのサイズを小さくすることができるので、照明装置のサイズを小さくすることができる。図84Aに示す光源ユニットの体積を100とすると、図84Bに示す光源ユニットの体積は、例えば62.5に低減させることができる。
In the light source unit shown in FIG. 84B, the
図84Cに示す光源ユニットは、リフレクター4530によって励起光の光束を曲げて発光素子100aに入射させる。このため、個々の光源ユニットのサイズをさらに小さくすることができる。結果として、照明装置のサイズを大幅に小さくすることができる。図84Aに示す光源ユニットの体積を100とすると、図84Cに示す光源ユニットの体積は、例えば36に低減させることができる。
In the light source unit shown in FIG. 84C, the
[15.追加光源を有する発光装置]
以下に説明する態様は、複数の光源からの光を合成することによって所望の色(即ちスペクトル)の光を得る発光装置に関する。ここで説明される態様における発光装置は、前述のいずれかの態様における発光素子(以下、「指向性発光素子」または「指向性光源」と称することがある。)に加えて、他の光源(以下、「追加光源」と称することがある。)を有する。追加光源は、指向性光源が発する光のスペクトルとは異なるスペクトルの光を出射する。指向性光源から出射された光および追加光源から出射された光は、指向性光源の内部または外部で合成される。合成された光は、例えば光ファイバーケーブル(以下、単に「光ファイバー」と称する。)に導入され得る。そのような発光装置は、例えば光ファイバー照明に利用され得る。
[15. Light emitting device with additional light source]
Aspects described below relate to a light emitting device that obtains light of a desired color (that is, spectrum) by combining lights from a plurality of light sources. The light emitting device according to the aspect described here includes, in addition to the light emitting element according to any of the aspects described above (hereinafter, also referred to as “directional light emitting element” or “directional light source”), another light source ( Hereinafter, it may be referred to as an "additional light source"). The additional light source emits light having a spectrum different from the spectrum of the light emitted by the directional light source. The light emitted from the directional light source and the light emitted from the additional light source are combined inside or outside the directional light source. The combined light can be introduced into, for example, an optical fiber cable (hereinafter, simply referred to as “optical fiber”). Such a light emitting device can be used, for example, for optical fiber illumination.
ここで光の「合成」とは、スペクトルの異なる複数の光束が交わり、混合された状態になることを意味する。必ずしも、合成された後の各光束の伝播方向および拡がり角度が同じである必要はない。指向性光源から出射された第1の光および追加光源から出射された第2の光は、指向性光源の内部または外部で合成される。第2の光が指向性光源を通過する態様では、第1および第2の光が指向性光源の内部で合成され得る。第1の光および第2の光は、光学系またはライトガイド等によって指向性光源の外部で合成されてもよい。 Here, the “combination” of light means that a plurality of light beams having different spectra intersect with each other to be in a mixed state. It is not always necessary that the propagating directions and divergence angles of the combined light beams are the same. The first light emitted from the directional light source and the second light emitted from the additional light source are combined inside or outside the directional light source. In an aspect where the second light passes through the directional light source, the first and second light may be combined inside the directional light source. The first light and the second light may be combined outside the directional light source by an optical system, a light guide, or the like.
指向性光源から出射される光のスペクトルは、実際の利用シーンで要求される光のスペクトルと比べて、一部の波長成分が欠落している場合がある。追加光源を用いることにより、不足する波長成分を補うことができる。さらに、各光源が発する光のスペクトルおよび強度を調整することにより、照明光の色および明るさを調整することもできる。 The spectrum of light emitted from the directional light source may lack some wavelength components as compared with the spectrum of light required in an actual usage scene. By using the additional light source, the deficient wavelength component can be compensated. Furthermore, the color and brightness of the illumination light can also be adjusted by adjusting the spectrum and intensity of the light emitted by each light source.
図85は、このような発光装置の一例を概略的に示す図である。この発光装置は、発光素子100’と、励起光源180と、追加光源5500と、光学系5520と、光ファイバー5530とを備える。光学系5520は、コリメートレンズ5520aと、集光レンズ5520bとを含む。図示する例では、発光素子100’は、図1Cに示す発光素子100aと同様の構造を有しているが、図1A等の他の構造を有していてもよい。
FIG. 85 is a diagram schematically showing an example of such a light emitting device. This light emitting device includes a
追加光源5500は、例えばレーザーダイオードまたは他の指向性発光素子を用いた光源であり得る。追加光源5500は、発光素子100’から出射される光のスペクトルとは異なるスペクトルの光を出射する。追加光源5500が出射する光は、発光素子100’から出射される光において不足するスペクトル成分の光である。例えば、白色光が所望の光である場合において、発光素子100’が黄色(赤および緑)の波長域の光を出射する場合には、追加光源5500は青の波長域の光を出射するように構成され得る。追加光源5500からの光は、フォトルミネッセンス層内の導波モードに共鳴的に結合する特定の角度で入射した場合を除き、ほとんど吸収も散乱もされない。したがって、図85に示すように発光素子100’におけるフォトルミネッセンス層に垂直に追加光源5500からの光を入射させた場合には、ほとんどの光が発光素子100’を透過する。
The additional
励起光源180は、追加光源5500とは別に設けられ、発光素子100’内のフォトルミネッセンス材料を励起して発光させる。励起光源180は、例えば発光素子100’のフォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した方向から励起光を入射させる。
The
発光素子100’に励起光が入射することによって生じた第1の光、および追加光源5500から出射され発光素子100’に入射した第2の光は、発光素子100’の内部で合成される。より詳細には、第2の光が発光素子100’内のフォトルミネッセンス層内のある点に集束され、その点で第1の光が発生した瞬間に合成される。合成された第1および第2の光は、混合された状態で発光素子100’の外部を伝播する。この合成光は、コリメートレンズ5520aで平行光に変換され、集光レンズ5520bで集束される。集束された光は、光ファイバー5530に入射する。このように、レンズ5520a、5520bを含む光学系5520は、第1の光と第2の光とを合成(あるいは合波)して光ファイバー5530に導入する。光ファイバー5530は、導入された光を先端部から出射させる。これにより、発光素子100’および追加光源5500を有する光源部から離れた位置に所望の色の光を出射させることができる。なお、図85に示す光ファイバー5530は比較的短い形状をもつ要素として描かれているが、用途によっては数メートルから数百メートルといった長い光ファイバー5530が用いられ得る。
The first light generated by the excitation light incident on the light emitting element 100' and the second light emitted from the additional
図86は、発光装置のさらに詳細な構成例を示す図である。この発光装置5400は、前述の発光素子100’、追加光源5500、励起光源180、光学系5520に加え、励起光源180および追加光源5500を制御する制御回路5570と、光ファイバー5530を接続するためのコネクター5580とを備えている。この例では、光ファイバー5530は発光装置5400の外部の要素である。
FIG. 86 is a diagram showing a more detailed configuration example of the light emitting device. The
制御回路5570は、例えば励起光源180および追加光源5500に接続されたマイクロコントローラ(マイコン)等の、プロセッサを含む集積回路であり得る。制御回路5570は、例えばユーザーからの入力に応じて、励起光源180および追加光源5500に、出射光の強度を変化させるように指示する。これにより、発光素子100’から出射される第1の光と追加光源5500から出射される第2の光との強度比が調整される。その結果、合成される光の強度および色を変化させることができる。このような制御以外にも、例えば光学系5520と発光素子100’との間に配置された絞り5540の大きさを変化させることによって第1の光と第2の光との強度比を調整してもよい。
The
励起光源180は、例えばレーザー光源であり、発光素子100’におけるフォトルミネッセンス層内で全反射が生じる角度で励起光を発光素子100’に入射させる。これにより、発光素子100’内で効率よく発光を生じさせることができる。
The
コネクター5580は、光ファイバー5530を接続するための端子であり、発光装置5400の筐体に設けられている。コネクター5580に光ファイバー5530を挿抜することができる。これにより、例えば光ファイバー5530が建物内に敷設された長いケーブルである場合において、発光装置5400が故障した場合や、異なる発光特性の発光装置5400に交換したい場合でも、発光装置5400を容易に交換できる。
The
以上のように、図85および図86に例示する発光装置は、指向性光源である第1光源と、追加光源である第2光源とを備える。第1光源は、空気中の波長がλaの光を含む第1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た表面構造とを有する。表面構造は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含み、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。例えば、表面構造における隣接する2つの凸部の中心間または隣接する2つの凹部の中心間の距離をDint-a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-a<λaの関係が成り立つ。あるいは、表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、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とし、少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ。その結果、第1光源から出射される空気中の波長がλaの光は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において強度が最大になる。一方、第2光源は、空気中の波長がλb(≠λa)の光を含む第2の光を出射する。第1光源から出射された第1の光と第2光源から出射された第2の光とが合成される。合成された光は、例えば光ファイバーの一端に取り込まれ、他端から出射される。 As described above, the light emitting device illustrated in FIGS. 85 and 86 includes the first light source that is a directional light source and the second light source that is an additional light source. The first light source includes a photoluminescence layer that emits first light including light having a wavelength of λ a in air, a light-transmissive layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, and a photoluminescence layer and a light-transmissive layer. And a surface structure formed on at least one surface. The surface structure includes at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and limits the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer. For example, let D int-a be the distance between the centers of two adjacent convex portions or the centers of two adjacent concave portions in the surface structure, and let n be the refractive index of the photoluminescent layer for light having a wavelength λ a in air. Assuming wav-a , the relationship of λ a /n wav-a <D int-a <λ a holds. Alternatively, assuming that the surface structure has at least one periodic structure, the refractive index of the photoluminescent layer for light having a wavelength λ a in air is n wav-a, and the period of at least one periodic structure is p a , Λ a /n wav-a <p a <λ a . As a result, the light emitted from the first light source and having the wavelength λ a in the air has the maximum intensity in the first direction that is predetermined by at least one of the plurality of convex portions and the plurality of concave portions. On the other hand, the second light source emits second light including light having a wavelength of λ b (≠λ a ) in the air. The first light emitted from the first light source and the second light emitted from the second light source are combined. The combined light is taken into one end of the optical fiber and emitted from the other end, for example.
このような構成により、指向性光源である第1光源だけでは不足するスペクトルを第2光源で補い、所望のスペクトルの光を得ることができる。第1光源および第2光源の強度比を調整することによって最終的に得られる光のスペクトルを調整することもできる。これにより、色および明るさを調整できる光ファイバー照明を実現できる。なお、光ファイバーに代えて、第1および第2の光が合成される位置に光拡散板を配置してもよい。光拡散板によって拡散される光を照明として利用することができる。後述する他の例においても同様に、光ファイバー5530に代えて光拡散板を配置してもよい。
With such a configuration, it is possible to supplement the spectrum that is insufficient with the first light source, which is a directional light source, with the second light source, and obtain light with a desired spectrum. It is also possible to adjust the spectrum of the light finally obtained by adjusting the intensity ratio of the first light source and the second light source. As a result, it is possible to realize an optical fiber illumination whose color and brightness can be adjusted. Instead of the optical fiber, a light diffusing plate may be arranged at a position where the first and second lights are combined. The light diffused by the light diffusion plate can be used as illumination. Similarly, in other examples described later, a light diffusing plate may be arranged instead of the
図87は、追加光源5500が励起光としても機能する構成の例を示す図である。この例では、追加光源5500が出射する第2の光が、励起光として機能する光の成分を含む。第2の光の一部は発光素子100’を透過し、発光素子100’から出射される第1の光とともに光学系5520によって合成される。追加光源5500は、励起光が発光素子100’に対して特定の入射角θで入射するように配置されている。
FIG. 87 is a diagram showing an example of a configuration in which the additional
フォトルミネッセンス材料を共鳴的に励起する場合、特定の斜めの角度θで励起光を入射することで効率よく励起することができる。一般的に、励起光の波長は発光素子100’からの狭角配光の光の波長よりも短いため、狭角配光の光は角度θよりも小さい角度で出射する。そこで、この態様では、正面(角度0度)から角度θまでの光を取り込むために、開口数(NAlens)がsinθ以上のレンズ5520aが用いられる。そのようなレンズ5520aを用いることによって、狭角配光の光と励起光の両方を光学系5520に取り込むことができる。
When the photoluminescent material is resonantly excited, it can be efficiently excited by entering the excitation light at a specific oblique angle θ. Generally, the wavelength of the excitation light is shorter than the wavelength of the light of the narrow-angle light distribution from the
さらに、レンズ5520bの構成がレンズ5520aと同じ構成である場合、開口数(NAfiber)がsinθ以上であるような光ファイバー5530を選択することにより、光学系5520で取り込んだ光の大部分(理想的には全て)を光ファイバー5530に導入することができる。なお、レンズ5520bがレンズ5520aとは異なる構成を有する場合には、レンズ5520bが集光する光束の光ファイバー5530への入射角をθ'(≠θ)として、NAfiber>sinθ'を満たす光ファイバー5530を用いればよい。
Further, when the configuration of the
図87に示す例では、追加光源5500が励起光源の機能を兼ねるため、光源の数を少なくすることができる。このため、コストおよび装置のサイズを小さくすることができる。
In the example shown in FIG. 87, since the additional
図88は、発光装置のさらに他の構成例を示す図である。この発光装置は、光学系5520の構成と、追加光源5500の位置が前述の例とは異なっている。この例における光学系5520は、レンズ5520aとレンズ5520bとの間に配置されたダイクロイックミラー5520cを有している。追加光源5500は、発光素子100’の背面側(図の左側)ではなく正面側(図の右側)に配置されている。追加光源5500は、ダイクロイックミラー5520cに第2の光を入射させるように配置されている。なお、図88では、励起光を発光素子100’に入射させる励起光源の図示は省略されている。以降の図でも同様に励起光源の図示を省略することがある。
FIG. 88 is a diagram showing still another configuration example of the light emitting device. In this light emitting device, the configuration of the
ダイクロイックミラー5520cは、発光素子100’から出射される第1の光の波長域において高い透過率を有し、追加光源5500から出射される第2の光の波長域において高い反射率を有するように設計されている。追加光源5500は、第2の光が発光素子100’からの第1の光に交差(図88の例では直交)するように配置されている。第1の光と第2の光とが交差する位置にダイクロイックミラー5520cが配置されている。ダイクロイックミラー5520cの角度は、第1の光の透過光と、第2の光の反射光とが同じ方向に伝搬するように調整されている。ダイクロイックミラー5520cによって第1および第2の光が合成され、レンズ5520bで集光されて光ファイバー5530に導入される。このような構成によっても、前述した他の例と同様、所望のスペクトルの光を得ることができる。
The
図89は、発光装置のさらに他の構成例を示す図である。この発光装置は、光学系5520ではなく光ファイバー5530によって第1の光と第2の光とが合成される点で、前述の例とは異なっている。この例における発光装置は、途中で2方向に分岐した光ファイバー5530を備えている。以下、分岐した一方の部分5530aを第1光ファイバーと呼び、他方の部分5530bを第2光ファイバーと呼ぶことにする。第1光ファイバー5530aと第2光ファイバー5530bとは、連結点5530cにおいて連結されている。発光素子100’からの第1の光は、光学系5520を介して第1光ファイバー5530aに入射する。一方、追加光源5500からの第2の光は、第2光ファイバー5530bに入射する。これらの光は、光ファイバーの連結点5530cにおいて合成される。
FIG. 89 is a diagram showing still another configuration example of the light emitting device. This light emitting device is different from the above-described example in that the first light and the second light are combined by the
このような構成によっても所望の光を光ファイバー5530から出射することができる。なお、図89に示す光ファイバー5530の連結点5530cに相当する箇所に、光を分岐・結合する機器を設けてもよい。その場合、複数本の光ファイバーを当該機器に接続することによって同様の構成を実現できる。
With such a configuration, desired light can be emitted from the
図90は、発光装置のさらに他の変形例を示す図である。この例では、追加光源5500が、発光素子100’と同様の指向性発光素子によって構成されている。追加光源5500は、発光素子100’と同様、フォトルミネッセンス層と、透光層と、表面構造とを有している。発光素子100’における表面構造が波長λaの光の指向角を制限するのに対し、追加光源5500は波長λb(≠λa)の光の指向角を制限する。発光素子100’と追加光源5500とは、積層された単一の構造体であってもよい。この例においても、発光素子100’からの第1の光と追加光源5500からの第2の光とが光学系5520によって合成され、光ファイバー5530に導入される。
FIG. 90 is a diagram showing still another modification of the light emitting device. In this example, the additional
図91は、複数の指向性発光素子のタイリングによって実現される発光装置の一部を示す図である。この発光装置は、赤色の波長域の光を出射する複数の発光素子(第1光源)100rと、緑色の波長域の光を出射する複数の発光素子(第2光源)100gと、青色の波長域の光を出射する複数の発光素子(第3光源)100bとが1次元または2次元的に配列された構造を有する。図91には5つの発光素子が描かれているが、実際にはさらに多数の発光素子が配列され得る。これらの発光素子100r、100g、100bから出射された光は、レンズ5520dによって集光され、光ファイバー5530に導入される。これにより、光ファイバー5530から白色光を出射させることができる。この例では、赤、緑、青の3色の光源が用いられるが、第1光源、第2光源、および第3光源の各々から出射される光の色(即ちスペクトル)は、任意に設定してよい。この例のように、3種類の指向性光源を組み合わせることにより、より柔軟に出射光の色を調整することができる。この例では3種類の光源を用いているが、4種類以上の光源を組み合わせてもよい。また、第2光源および第3光源は指向性発光素子に限らず、例えばレーザー光源等の他の光源でもよい。
FIG. 91 is a diagram showing a part of a light emitting device realized by tiling a plurality of directional light emitting elements. This light emitting device includes a plurality of light emitting elements (first light sources) 100r that emit light in a red wavelength range, a plurality of light emitting elements (second light sources) 100g that emit light in a green wavelength range, and a blue wavelength range. It has a structure in which a plurality of light emitting elements (third light sources) 100b that emit light in the region are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Although five light emitting elements are shown in FIG. 91, a larger number of light emitting elements may be arranged in practice. The light emitted from these
図92は、発光装置のさらに他の例を示す図である。この例における発光装置は、励起光源の機能を兼ねる追加光源5500を有し、かつ、光ファイバー5530によって第1の光と第2の光とが合成される。図示されるように、発光素子100’からの第1の光は、レンズ5520aおよびレンズ5520eによって集光され、光ファイバー5530の分岐した2つの部分の一方である第1光ファイバー5530aに導入される。一方、追加光源5500からの第2の光は発光素子100’を通過した後、レンズ5520aおよびレンズ5520fによって集光され、光ファイバー5530の分岐した2つの部分の他方である第2光ファイバー5530bに導入される。これにより、第1および第2の光が連結点5530cにおいて合成され、光ファイバー5530から出射される。
FIG. 92 is a diagram showing still another example of the light emitting device. The light emitting device in this example has an additional
図93は、発光装置のさらに他の例を示す図である。この例は、図87に示す構成に類似しているが、レンズの数が異なる。レンズ5520aと発光素子100’との間に他のレンズ5520gが配置されている。レンズ5520gは発光素子100’に近い位置に配置されているので、追加光源5500からの第2の光の入射角が大きくても発光素子100’を透過した第2の光を取り込むことができる。レンズ5520aは、レンズ5520gによって曲げられた第2の光の光路の曲げ足りない分を補う。その結果、発光素子100’からの第1の光の光軸と、追加光源5500からの第2の光の光軸とがほぼ平行に調整される。これらの光は、レンズ5520bで集光され、光ファイバー5530に導入される。この例では3つのレンズが用いられるが、レンズの数は任意である。また、各レンズの形状、サイズ、および位置についても図示される例に限らず、適宜設計してよい。例えば、図94に示すように、光学系におけるレンズの数が1枚(図示する例ではレンズ5520a)であってもよい。この例では、レンズの数が少ないため、低いコストで発光装置を構成できる。
FIG. 93 is a diagram showing still another example of the light emitting device. This example is similar to the configuration shown in FIG. 87, but the number of lenses is different. Another lens 5520g is arranged between the
図95は、発光装置のさらに他の構成例を示す図である。この例における発光装置は、発光素子100’と、発光素子100’の一方の側に配置されたレンズ5520aと、他方の側に配置されたミラー(リフレクター)5560と、2つに分岐した光ファイバー5530と、追加光源5500とを備えている。追加光源5500は、光ファイバー5530の分岐した部分の一方に励起光を導入する。その励起光は、レンズ5520aを通過し、発光素子100’に入射する。発光素子100’に入射した励起光の一部はフォトルミネッセンス層で吸収されて第1の光に変換される。励起光の他の一部は、発光素子100’を通過してミラー5560で反射され、再び発光素子100’を通過する。発光素子100’から出射された第1の光と、発光素子100’を通過した励起光(第2の光)は、レンズ5520aによって集光され、光ファイバー5530に導入される。これにより、第1の光と第2の光とが合成されて光ファイバー5530から出射される。このように、ミラー5560を用いて、反射された励起光を活用してもよい。
FIG. 95 is a diagram showing still another configuration example of the light emitting device. The light emitting device in this example includes a
以上のように、追加光源を有する発光装置は、多様な変形が可能である。いずれの変形例においても、指向性光源である第1光源から出射される第1の光と、第2光源から出射される第2の光とが合成され、所望のスペクトルの光を得ることができる。 As described above, the light emitting device having the additional light source can be variously modified. In any of the modified examples, the first light emitted from the first light source, which is a directional light source, and the second light emitted from the second light source are combined to obtain light having a desired spectrum. it can.
図96は、家庭用ファイバー照明システムへの応用例を示す図である。このファイバー照明システムは、発光装置(光源ユニットともいう)5400と、複数の光ファイバー5530とを備える。光源ユニット5400は住宅の所定の場所に設置され、光源ユニット5400から各部屋の照明取り付け位置まで複数の光ファイバー5530が敷設される。なお、図96において1本の光ファイバーのように描かれている部分は、実際には複数の光ファイバーを束ねたものであり得る。光源ユニット5400の構成は、図86を参照して説明した構成に限定されない。図96に示す光源ユニット5400は、上述の図85〜図96のいずれかの発光装置と同様の構成を有し、少なくとも1つの指向性光源を含む複数の光源からの光を合成して複数の光ファイバー5530に導入する。これにより、各照明取り付け位置に所望の光が送られ、照明光として利用できる。状況に応じて複数の光源の出力を変えることにより、照明光の色および明るさを変えることができる。このようなファイバー照明システムは、家庭内に限らず、オフィスビル、地下街、スタジアム等の様々な施設で利用され得る。
FIG. 96 is a diagram showing an application example to a home fiber lighting system. This fiber lighting system includes a light emitting device (also referred to as a light source unit) 5400 and a plurality of
スペクトルを容易に調整できる機能は、例えば上述の美光色照明および彩光色照明と呼ばれる技術に適用できる。これらは、光源のスペクトル(即ち、発光する光の波長の強度分布)を制御することによって照明の対象を美しく見せる技術である。例えば、肌のくすみが目立つ原因となる570nm〜580nm前後の波長の光を減らすことで、肌をより美しく見せることができる。本開示の発光装置を用い、例えば570nm以下の青色〜緑色の波長域の光と、580nm以上の赤色の波長域の光とを合成することにより、このような美光色照明を実現することが可能である。 The function of easily adjusting the spectrum can be applied to, for example, the above-mentioned technologies called beautiful color illumination and chromatic color illumination. These are techniques for making an illuminated object look beautiful by controlling the spectrum of the light source (that is, the intensity distribution of the wavelength of emitted light). For example, it is possible to make the skin look more beautiful by reducing the light having a wavelength of about 570 nm to 580 nm that causes the dullness of the skin to be noticeable. By using the light emitting device of the present disclosure and synthesizing light in the blue to green wavelength range of 570 nm or less and light in the red wavelength range of 580 nm or more, such beautiful light color illumination can be realized. Is.
また、例えば、580nm前後の波長の成分を抑え、長波長側の赤色成分を強くすることにより、食品の赤い色をより鮮やかに見えるようにすることができる。これにより、例えば肉や魚の赤身、および赤い果物や野菜をより鮮やかに見せることができる。本開示の発光装置を用い、例えば570nm以下の青色〜緑色の波長域の光と、590nm以上の赤色の波長域の光とを合成することにより、このような彩光色照明を実現することが可能である。同様の波長制御は、赤い花や紅葉などの景色をより鮮やかに見せる用途にも利用できる。 Further, for example, by suppressing the component of wavelength around 580 nm and strengthening the red component on the long wavelength side, the red color of food can be made to appear more vivid. As a result, for example, red meat and fish, and red fruits and vegetables can be made more vivid. By using the light-emitting device of the present disclosure and synthesizing light in the blue to green wavelength range of 570 nm or less and light in the red wavelength range of 590 nm or more, such chromatic color illumination can be realized. It is possible. Similar wavelength control can also be used to make the scenery of red flowers and autumn leaves look more vivid.
上述したような、出射光のスペクトルの調節が可能な態様による発光装置は、食品の鮮度を判別する用途に利用することもできる。多くの食品は、鮮度が低下すると反射光のスペクトルが変化する。例えば、牛肉であれば、鮮度の低下に応じて600nm〜700nm前後の波長域の成分が低下する。そこで、鮮度に応じて反射率が大きく変化する波長域の光のみを食品に照射し、その反射光の強度を観測することによって、食品の鮮度を容易に判別することができる。食品によっては複数の異なる波長域において反射率の変化が大きい場合がある。そのような場合であっても、複数の光源からの異なるスペクトルの光を合成する発光装置を用いれば、所望の複数の波長域の光を容易に得ることができる。 The light emitting device according to the above-described mode in which the spectrum of the emitted light can be adjusted can also be used for the purpose of determining the freshness of food. For many foods, the spectrum of reflected light changes as the freshness decreases. For example, in the case of beef, the components in the wavelength range of about 600 nm to 700 nm decrease as the freshness decreases. Therefore, the freshness of the food can be easily determined by irradiating the food with only light in the wavelength range in which the reflectance greatly changes according to the freshness and observing the intensity of the reflected light. Depending on the food, the reflectance may change greatly in a plurality of different wavelength ranges. Even in such a case, by using a light emitting device that combines lights of different spectra from a plurality of light sources, it is possible to easily obtain light of a plurality of desired wavelength bands.
[16.互いに異なる方向に出射された光を合成する発光装置]
次に述べる態様は、1つの発光素子から出射される異なる波長域の光を合成して利用する発光装置に関する。前述のように、本開示の発光素子は、特定の波長の光を特定の方向に強く出射し、他の波長の光を他の方向に強く出射する。この特性を利用し、異なる方向に出射された異なる波長域の複数の光束を、光学系またはライトガイド等を用いて合成して活用することができる。複数の波長域の光を合成することにより、一方の光束で不足するスペクトル成分を他方の光束で補い、所望のスペクトルの光に近づけることができる。合成された光は、例えば光ファイバーに導入され得る。そのような発光装置も、例えば光ファイバー照明に利用可能である。
[16. Light emitting device that combines lights emitted in mutually different directions]
The aspect described below relates to a light emitting device that combines and uses lights of different wavelength ranges emitted from one light emitting element. As described above, the light emitting device of the present disclosure strongly emits light of a specific wavelength in a specific direction and strongly emits light of another wavelength in another direction. By utilizing this characteristic, a plurality of light beams emitted in different directions and having different wavelength ranges can be combined and utilized by using an optical system or a light guide. By synthesizing light in a plurality of wavelength ranges, it is possible to supplement the spectrum component lacking in one light flux with the other light flux, and bring it closer to light having a desired spectrum. The combined light can be introduced into an optical fiber, for example. Such a light emitting device can also be used, for example, for optical fiber illumination.
図97は、発光素子から異なる方向に出射される複数の波長域の光を合成する発光装置の一例を概略的に示す図である。この発光装置は、発光素子100’と、光学系6520と、光ファイバー6530とを備える。光学系6520は、コリメートレンズ6520aと、集光レンズ6520bとを含む。図97では、発光素子100’として、図1Aに示す発光素子100と同様の構造を図示しているが、図1C等を参照して説明した他の構造を有する発光素子を用いてもよい。なお、図97は、各構成要素を簡略化して表しているため、実際の構造とは必ずしも一致しいない。他の図においても同様である。図97では省略されているが、実際には発光素子100’に励起光を入射させる励起光源が設けられ得る。
FIG. 97 is a diagram schematically showing an example of a light emitting device that combines lights in a plurality of wavelength bands emitted in different directions from a light emitting element. This light emitting device includes a
ここでは、フォトルミネッセンス層におけるフォトルミネッセンス材料として、ブロードな発光スペクトルを示す材料が用いられる。フォトルミネッセンス材料から発せられるある波長λaの光は特定の出射角度の方向に指向性をもち、別の波長λbの光は別の出射角度の方向に指向性をもつ。光学系6520は、波長λaの第1の光を含む光束と波長λbの第2の光を含む光束とを合成(あるいは合波)して光ファイバー6530に導入する。光ファイバー6530は、導入された光を先端部から出射させる。これにより、発光素子100’を有する光源部から離れた位置に所望のスペクトルの光を出射させる光ファイバー照明を実現することができる。なお、図97に示す光ファイバー6530は比較的短い形状をもつ要素として描かれているが、用途によっては数メートルから数百メートルといった長い光ファイバー6530が用いられ得る。
Here, a material having a broad emission spectrum is used as the photoluminescent material in the photoluminescent layer. Light of a certain wavelength λ a emitted from the photoluminescent material has directivity in the direction of a specific emission angle, and light of another wavelength λ b has a directivity in the direction of another emission angle. The
図98は、発光装置の構成例の詳細を示す図である。この発光装置6400は、前述の発光素子100’および光学系6520に加え、励起光源180と、励起光源180を制御する制御回路6570と、光ファイバー6530を接続するためのコネクター6580とを備えている。この例では、光ファイバー6530は発光装置6400の外部の要素である。
FIG. 98 is a diagram showing details of a configuration example of the light emitting device. The
制御回路6570は、例えば励起光源180に接続されたマイクロコントローラ(マイコン)等の、プロセッサを含む集積回路であり得る。制御回路6570は、例えばユーザーからの入力に応じて、励起光源180に、出射光の強度を変化させるように指示する。これにより、発光素子100’から出射される第1の光および第2の光の強度を変化させることができる。このような制御に加えて、光学系6520と発光素子100’との間に配置された絞り6540の大きさを変化させることによって第1の光と第2の光との強度比を変化させることもできる。これにより、合成される光のスペクトルを調整することができる。
The
励起光源180は、例えばレーザー光源であり、発光素子100’におけるフォトルミネッセンス層内で全反射が生じる角度で励起光を発光素子100’に入射させる。これにより、発光素子100’内で効率よく発光を生じさせることができる。
The
コネクター6580は、光ファイバー6530を接続するための端子であり、発光装置6400の筐体に設けられている。コネクター6580に光ファイバー6530を挿抜することができる。これにより、例えば光ファイバー6530が建物内に敷設された長いケーブルである場合において、発光装置6400が故障した場合や、異なる発光特性の発光装置6400に交換したい場合でも、発光装置6400を容易に交換できる。
The
以上のように、図97および図98に例示する発光装置は、空気中の波長がλaの第1の光と空気中の波長がλbの第2の光とを含む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た表面構造と、第1の光と第2の光とを合成する光学系とを備える。表面構造は、複数の凸部および複数の凹部を有し、第1の光の指向角を制限する。例えば、表面構造における隣接する2つの凸部の中心間または隣接する2つの凹部の中心間の距離をDintとし、空気中の波長がλaの第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-a<λaの関係が成り立つ。あるいは、表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、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とし、少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ。その結果、第1の光は、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方によって予め決められた第1の方向において強度が最大になり、第2の光は、第1の光の方向と異なる第2の方向において強度が最大になる。光学系は、第1の方向に出射された第1の光を含む光束と、第2の方向に出射された第2の光を含む光束とを合成する。合成された光は、例えば光ファイバーの一端に取り込まれ、他端から出射される。 As described above, the light emitting device illustrated in FIGS. 97 and 98 emits light including the first light having the wavelength λ a in the air and the second light having the wavelength λ b in the air. A layer, a light-transmissive layer disposed in the vicinity of the photoluminescent layer, a surface structure formed on at least one surface of the photoluminescent layer and the light-transmissive layer, and first light and second light. And an optical system for The surface structure has a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and limits the directivity angle of the first light. For example, let D int be the distance between the centers of two adjacent convex portions or the centers of two adjacent concave portions in the surface structure, and let the refractive index of the photoluminescent layer for the first light with a wavelength λ a in air be If n wav-a , the relationship of λ a /n wav-a <D int-a <λ a is established. Alternatively, assuming that the surface structure has at least one periodic structure, the refractive index of the photoluminescent layer for light having a wavelength λ a in air is n wav-a, and the period of at least one periodic structure is p a , Λ a /n wav-a <p a <λ a . As a result, the intensity of the first light becomes maximum in the first direction predetermined by at least one of the plurality of convex portions and the plurality of concave portions, and the second light is different from the direction of the first light. The intensity is maximum in the second direction. The optical system combines the light flux including the first light emitted in the first direction and the light flux including the second light emitted in the second direction. The combined light is taken into one end of the optical fiber and emitted from the other end, for example.
このような構成により、1つの方向に出射される第1の光だけでは不足するスペクトル成分を第2の光で補うことができる。前述のように、絞り6540の大きさを調整する等の制御により、第1の光および第2の光の強度比を調整することができる。これにより、色および明るさを調整できる光ファイバー照明を実現できる。ここで説明する態様によれば、複数の光源からの光を合成する場合と比較して、装置を小型化できるという利点もある。1つの発光素子から出射される2種類以上の波長または色の光を合成することで、スペクトルを制御できる小型の発光装置を実現できる。なお、光ファイバーに代えて、第1および第2の光が合成される位置に光拡散板を配置してもよい。光拡散板によって拡散される光を照明として利用することができる。後述する他の例においても同様に、光ファイバー6530に代えて光拡散板を配置してもよい。
With such a configuration, it is possible to supplement the spectrum component, which is insufficient with the first light emitted in one direction, with the second light. As described above, the intensity ratio of the first light and the second light can be adjusted by control such as adjusting the size of the
図99は、特定の3波長の光を合成することで白色光を得る発光装置の例を示す図である。この例では、発光素子100’は、赤(R)、緑(G)、青(B)の3つの波長域の光を異なる方向に出射する。光学系6520は、これらの3色の光を合成して光ファイバー6530に導入する。これにより、光ファイバー6530から白色光を出射させることができる。なお、この例では赤、緑、青の光を用いて白色光を得ているが、色の組み合わせは任意に設定してよい。
FIG. 99 is a diagram showing an example of a light emitting device that obtains white light by combining lights of three specific wavelengths. In this example, the light emitting element 100' emits light in three wavelength bands of red (R), green (G), and blue (B) in different directions. The
図100は、発光素子100’から第1の方向に出射される第1の光と、第2の方向に出射される第2の光とが、異なる光ファイバー6530a、6530bに導入される例を示している。この例における発光装置は、レンズ6520a、6520bを含む第1の光学系と、レンズ6520c、6520dを含む第2の光学系とを有する。第1の光学系は第1の光を第1の光ファイバー6530aに導入し、第2の光学系は第2の光を第2の光ファイバー6530bに導入するように配置されている。第1の光ファイバー6530aと第2の光ファイバー6530bとは、合成器6640によって1本の光ファイバー6530dに連結されている。第1の光と第2の光とは、2つの光ファイバー6530a、6530bの連結点である合成器6640によって合成される。このような構成でも、上記の例と同様の効果が得られる。
FIG. 100 shows an example in which the first light emitted from the
図101は、複数の光ファイバーを連結した発光装置の他の例を示す図である。この発光装置は、発光素子100’と、レンズ6520aと、レンズアレイ6610と、複数の光変調器6582と、複数の光ファイバー6530と、合成器6640とを備える。この発光装置は、発光素子100’から異なる方向に出射した赤(R)、緑(G)、青(B)の光をレンズ6520aで平行光にし、レンズアレイ6610で集光して、複数の光変調器6582を介して複数の光ファイバー6530に導入する。各光変調器6582は、その位置に応じて赤、緑、青のいずれかの光を受け、対応する光ファイバー6530に出力する。光変調器6582は、光ファイバー6530への不要な光を弱めたり遮断したりすることができる。複数の光ファイバー6530中を伝播した光は、合成器6640によって合成され、1本の光ファイバーから出射される。
FIG. 101 is a diagram showing another example of a light emitting device in which a plurality of optical fibers are connected. This light emitting device includes a light emitting element 100', a
このような構成により、任意のスペクトルの光を生成することができる。この例では、赤、緑、青の3原色の光を個別に出力することができるため、照明だけでなくディスプレイやプロジェクター等の表示機器に利用することもできる。 With such a configuration, light having an arbitrary spectrum can be generated. In this example, since the lights of the three primary colors of red, green, and blue can be output individually, the light can be used not only for illumination but also for display devices such as a display and a projector.
図102は、図101の構成における発光素子100’の代わりに、複数の発光素子100r、100g、100bがタイリングされた構造を用いた例を示す図である。発光素子100r、100g、100bは、それぞれ、赤、緑、青の波長域の光を狭角に出射する指向性発光素子である。複数の発光素子100r、100g、100bが、1次元または2次元的に配列されている。図102には5つの発光素子が描かれているが、実際にはさらに多数の発光素子が配列され得る。これらの発光素子100r、100g、100bから出射された光は、レンズ6520aによって集光され、レンズアレイ6610および複数の光変調器6582を介して複数の光ファイバー6530に導入される。このような構成によっても、図101の構成と同様の効果が得られる。
102 is a diagram showing an example in which a plurality of
図101および図102の例では、赤、緑、青の光を組み合わせているが、この組み合わせに限らず、他の色の組み合わせを用いてもよい。また、組み合わせる色の種類の数は3種類に限らず、2種類または4種類以上でもよい。 In the examples of FIGS. 101 and 102, the lights of red, green, and blue are combined, but the combination is not limited to this combination, and a combination of other colors may be used. Further, the number of types of colors to be combined is not limited to three, and may be two or four or more.
図103は、図97に示す構成において、さらに励起光源180から出射される光の一部を利用する例を示す図である。この例では、励起光源180が、発光素子100’に、フォトルミネッセンス層の法線方向に対して傾斜した方向から(入射角θで)励起光を含む第3の光(例えば青色光)を入射させるように配置されている。第3の光の一部は発光に利用され、他の一部は発光素子100’を透過する。光学系6520は、発光素子100’から出射した第1の光および第2の光に加えて、発光素子100’を透過した第3の光を光ファイバー6530に導入する。このような構成により、発光素子100’から出射される光だけでは所望のスペクトルを生成することができない場合に、不足するスペクトル成分を補うことができる。
FIG. 103 is a diagram showing an example in which a part of the light emitted from the
上述したように、フォトルミネッセンス材料を共鳴的に励起する場合、特定の斜めの角度θで励起光を入射することで効率よく励起することができる。また、一般的に、励起光の波長は発光素子100’からの狭角配光の光の波長よりも短く、狭角配光の光は角度θよりも小さい角度で出射する。図87を参照して説明したように、開口数(NAlens)がsinθ以上であるようなレンズ6520aを用いることにより、正面(角度0度)から角度θまでの光を取り込み、狭角配光の光と励起光の両方を光学系6520に取り込むことができる。
As described above, when the photoluminescent material is resonantly excited, it can be efficiently excited by entering the excitation light at a specific oblique angle θ. Further, generally, the wavelength of the excitation light is shorter than the wavelength of the light of the narrow-angle light distribution from the
レンズ6520bの構成がレンズ6520aと同じ構成である場合、開口数(NAfiber)がsinθ以上であるような光ファイバー6530を選択することにより、光学系6520で取り込んだ光の大部分(理想的には全て)を光ファイバー6530に導入することができる。レンズ6520bがレンズ6520aとは異なる構成を有する場合には、レンズ6520bが集光する光束の光ファイバー6530への入射角をθ'(≠θ)として、NAfiber>sinθ'を満たす光ファイバー6530を用いればよい。
When the configuration of the
図104は、図103における励起光源180の位置を変えた例を示す図である。この例では、励起光源180は発光素子100’に垂直に、励起光を含む第3の光を入射させるように配置されている。このような構成では、第3の光の多くが発光素子100’を透過するため、第3の光の成分を強くすることができる。一方、フォトルミネッセンス層における発光効率が低下するため、別途励起光源を補ってもよい。別途励起光源を補う場合には、励起光源180に代えて、励起光とは異なる波長域の光を出射する光源を用いてもよい。
FIG. 104 is a diagram showing an example in which the position of the
図105は、図100に示す構成において、さらに励起光源180から出射される光の一部を利用する例を示す図である。この例における発光装置は、励起光源180から出射され、フォトルミネッセンス層を透過した第3の光の一部を第3の光ファイバー6530cに導入する第3の光学系(レンズ)6520eをさらに備える。第1から第3の光ファイバー6530a、6530b、6530cは、連結され、連結点である合成器6640において、発光素子100’から出射した第1および第2の光と、発光素子100’を透過した第3の光とを合成する。このような構成においても、励起光源180からの光を活用して、所望のスペクトルの光を生成することができる。
FIG. 105 is a diagram showing an example in which a part of the light emitted from the
以上のように、発光素子から異なる方向に出射される複数の波長域の光を合成するように構成された発光装置は、多様な変形が可能である。いずれの変形例においても、発光素子から出射される第1の光と第2の光とが合成され、所望のスペクトルの光を得ることができる。 As described above, the light emitting device configured to combine the light in the plurality of wavelength bands emitted from the light emitting element in different directions can be variously modified. In any of the modified examples, the first light and the second light emitted from the light emitting element are combined to obtain light having a desired spectrum.
図106は、家庭用ファイバー照明システムへの応用例を示す図である。このファイバー照明システムは、発光装置(光源ユニットともいう)6400と、複数の光ファイバー6530とを備える。光源ユニット6400は住宅の所定の場所に設置され、光源ユニット6400から各部屋の照明取り付け位置まで複数の光ファイバー6530が敷設される。なお、図105において1本の光ファイバーのように描かれている部分は、実際には複数の光ファイバーを束ねたものであり得る。光源ユニット6400の構成は、図98を参照して説明した構成に限定されない。図106に示す光源ユニット6400は、上述の図97〜図105のいずれかの発光装置と同様の構成を有し、複数の波長域の光を合成して光ファイバー6530に導入する。これにより、図96を参照して説明した応用例と同様に、各照明取り付け位置に所望の光が送られ、照明光として利用できる。状況に応じて複数の波長域の光の合成比率を変えることにより、照明光の色および明るさを変えることができる。
FIG. 106 is a diagram showing an application example to a home fiber lighting system. This fiber lighting system includes a light emitting device (also referred to as a light source unit) 6400 and a plurality of
図97〜図106を参照しながらここで説明した態様によれば、スペクトルを容易に調整し得る。したがって、ここで説明した態様は、図85〜図96を参照して説明した態様と同様に、美光色照明および彩光色照明と呼ばれる技術に適用可能である。また、例えば、彩光色照明によって、肉や野菜などの食品をよりおいしそうに見せたり、赤い花や紅葉などの景色をより鮮やかに見せたり、あるいは、食品の鮮度を判別する用途に利用したりすることもできる。 According to the aspect described here with reference to FIGS. 97 to 106, the spectrum can be easily adjusted. Therefore, the aspect described here is applicable to the techniques called aesthetic color illumination and chromatic color illumination, similarly to the aspects described with reference to FIGS. 85 to 96. In addition, for example, by using colored illumination, foods such as meat and vegetables look more delicious, scenery such as red flowers and autumn leaves look more vivid, or it is used for distinguishing the freshness of foods. You can also do it.
既に説明したように、従来、光のスペクトルの制御においては、光学フィルタを用いて、光源から出射された光のうち、不要な波長域の成分を除去することが行われている。このため、光の利用効率が低い。これに対し、本開示の発光装置は、特定の波長の光を増強して出射できるので、光学フィルタを必要としない。したがって、従来の発光装置と比較して、光の利用効率を向上させることができる。 As described above, conventionally, in the control of the spectrum of light, an optical filter is used to remove an unnecessary wavelength component from the light emitted from the light source. Therefore, the light utilization efficiency is low. On the other hand, the light emitting device of the present disclosure does not need an optical filter because it can enhance and emit light of a specific wavelength. Therefore, the light utilization efficiency can be improved as compared with the conventional light emitting device.
本開示の発光素子および発光装置は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。 The light emitting element and the light emitting device of the present disclosure can be applied to various optical devices such as a lighting fixture, a display, and a projector.
100、100a、100w 発光素子
110 フォトルミネッセンス層(導波層)
120、120’、120a、120b、120c 透光層(周期構造、サブミクロン構造)
140 透明基板
150 保護層
180 励起光源
200、210A〜210G 発光装置
202、206 集光レンズ
204、208 コリメートレンズ
250 光ファイバー
300 ハウジング
300a ハウジング300の開口部
100, 100a, 100w
120, 120', 120a, 120b, 120c Light-transmitting layer (periodic structure, submicron structure)
140
Claims (11)
前記励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、
前記発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズと、を備え、
前記発光素子は、
前記励起光を受けて空気中の波長がλaの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、を備え、
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を表面に有し、
前記フォトルミネッセンス層の厚さは、前記フォトルミネッセンス層が前記光を発している状態において、前記フォトルミネッセンス層の内部に、前記複数の凸部または前記複数の凹部の位置で振幅が最大になる電場が形成される厚さであり、
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、発光装置。 Excitation light source,
A light emitting element arranged on the optical path of the excitation light from the excitation light source,
A first condenser lens disposed on the optical path of the light emitted from the light emitting element,
The light emitting element,
A photoluminescence layer which receives the excitation light and emits light having a wavelength of λ a in air,
A light-transmitting layer disposed in proximity to the photoluminescent layer ,
At least one of the photoluminescent layer and the transparent layer has a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions on the surface ,
The thickness of the photoluminescent layer is such that, in a state where the photoluminescent layer emits the light, inside the photoluminescent layer, the electric field having the maximum amplitude at the positions of the plurality of convex portions or the plurality of concave portions. Is the thickness at which
The light emitting device, wherein the surface structure limits a directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescent layer.
前記第1の方向と、前記光が前記最大の強度の50%の強度で出射される方向との角度は、15°未満である、請求項1に記載の発光装置。 The light is emitted with maximum intensity in a first direction predetermined by the surface structure,
The light emitting device according to claim 1 , wherein an angle between the first direction and a direction in which the light is emitted with an intensity of 50% of the maximum intensity is less than 15° .
前記励起光源からの励起光の光路上に配置された発光素子と、A light emitting element arranged on the optical path of the excitation light from the excitation light source,
前記発光素子から出射された光の光路上に配置された第1の集光レンズと、を備え、A first condenser lens disposed on the optical path of the light emitted from the light emitting element,
前記発光素子は、The light emitting element,
前記励起光を受けて空気中の波長がλWhen the excitation light is received, the wavelength in air is λ aa の光を発するフォトルミネッセンス層と、A photoluminescent layer that emits light of
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、を備え、A light-transmitting layer disposed in proximity to the photoluminescent layer,
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を表面に有し、At least one of the photoluminescent layer and the transparent layer has a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions on the surface,
隣接する凸部間または凹部間の距離をDThe distance between adjacent convex parts or concave parts is D intint とし、前記光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnAnd the refractive index of the photoluminescent layer with respect to the light is n. wav-awav-a とすると、λThen λ aa /n/N wav-awav-a <D<D intint <λ<λ aa の関係が成り立ち、The relationship of
前記光は、前記表面構造によって予め決められた第1の方向に最大の強度で出射され、The light is emitted with maximum intensity in a first direction predetermined by the surface structure,
前記第1の方向と、前記光が前記最大の強度の50%の強度で出射される方向との角度は、15°未満である、発光装置。The light emitting device, wherein an angle between the first direction and a direction in which the light is emitted with an intensity of 50% of the maximum intensity is less than 15°.
前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、請求項1から4のいずれかに記載の発光装置。 The surface structure has at least one periodic structure,
When the period of the at least one periodic structure and p a, λ a / n wav -a < relationship p a <λ a is satisfied, the light emitting device according to any one of claims 1 to 4.
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