JP2015167111A - visible light source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は照明用光源、自動車用ランプ、プロジェクタ用光源、液晶（ＬＣＤ）バックライト光源等の各種光源として用いられる可視光源に関する。 The present invention relates to a visible light source used as various light sources such as an illumination light source, an automobile lamp, a projector light source, and a liquid crystal (LCD) backlight light source.
タングステン（Ｗ）等のフィラメントに電流を流すことによりフィラメントを加熱して発光源とする可視光源が広く用いられている。 A visible light source is widely used in which an electric current is passed through a filament such as tungsten (W) to heat the filament and use it as a light source.
図１０は一般的な可視光源の放射光スペクトルを示すグラフである。図１０に示すように、たとえばフィラメント温度３０００Ｋにおける赤外光成分が９０％以上存在するために、フィラメントの入力電力の可視光への変換効率は低く、約１５ ｌｍ／Ｗと低い値となる。尚、蛍光灯の場合の入力電力から可視光への変換効率は約９０ ｌｍ／Ｗである。従って、可視光源は太陽光に近い良演色性の放射スペクトルを有するにも拘らず、環境負荷の点からその使用がなされなくなりつつある。 FIG. 10 is a graph showing a radiation spectrum of a general visible light source. As shown in FIG. 10, for example, since the infrared light component at a filament temperature of 3000 K is 90% or more, the conversion efficiency of the filament input power into visible light is low, which is a low value of about 15 lm / W. In the case of a fluorescent lamp, the conversion efficiency from input power to visible light is about 90 lm / W. Therefore, although a visible light source has a good color rendering radiation spectrum close to that of sunlight, it is not being used from the viewpoint of environmental load.
図１０に示すように、フィラメントの入力電力から可視光への変換効率を向上させるためには、フィラメント温度を上げればよい。従って、可視光源を高変換効率化、高輝度化、長寿命化する試みとして以下の従来の可視光源がある。 As shown in FIG. 10, in order to improve the conversion efficiency from the input power of the filament to visible light, the filament temperature may be increased. Therefore, there are the following conventional visible light sources as an attempt to increase the conversion efficiency, the brightness, and the lifetime of the visible light source.
第１の従来の可視光源は、光源内部に不活性ガス及びハロゲンガスを封入した自動車用ランプとして用いられるハロゲン電球である（参照：特許文献１、２）。これにより、フィラメント温度をより高くしてフィラメントの入力電力の可視光への変換効率を向上せしめると同時に、フィラメントの寿命を伸ばす。この高変換効率化及び長寿命化に際しては、封入ガスの成分及び圧力の制御が重要である。 The first conventional visible light source is a halogen light bulb used as an automobile lamp in which an inert gas and a halogen gas are sealed inside the light source (see: Patent Documents 1 and 2). As a result, the filament temperature is raised to improve the conversion efficiency of the filament input power into visible light, and at the same time, the filament life is extended. In order to increase the conversion efficiency and extend the life, it is important to control the composition and pressure of the sealed gas.
しかしながら、上述の第１の従来の可視光源においては、ハロゲンサイクルを利用した寿命延伸効果を図ることができるが、高い変換効率の向上は困難であり、せいぜい２０ ｌｍ／Ｗ程度で蛍光灯の変換効率９０ ｌｍ／Ｗに遠く及ばない。 However, in the first conventional visible light source described above, it is possible to achieve a life extension effect using a halogen cycle, but it is difficult to improve the high conversion efficiency, and conversion of a fluorescent lamp at about 20 lm / W at most. The efficiency is far from 90 lm / W.
第２の従来の可視光源においては、フィラメント自体に微細構造体を形成し、この微細構造体の物理的効果により赤外光を抑制する（参照：特許文献３、４、５、６）。これにより、フィラメント温度をより高くしてフィラメントの入力電力から可視光への変換効率を向上せしめる。 In the second conventional visible light source, a fine structure is formed on the filament itself, and infrared light is suppressed by the physical effect of the fine structure (refer to Patent Documents 3, 4, 5, and 6). As a result, the filament temperature is increased to improve the conversion efficiency from the input power of the filament to visible light.
しかしながら、上述の第２の従来の可視光源においては、微細構造体の物理的効果つまり共振器構造による赤外光の抑制効果として赤外光スペクトルのごく一部分に対してしか放射増強及び抑制効果がない（参照：非特許文献１）。つまり、ある波長が抑制されると、他の波長が増強される。従って、広範囲の赤外光全体に亘る抑制効果は非常に困難である。この結果、やはり、高い変換効率の向上は困難である。また、微細構造を形成する際に、電子ビームリソグラフィ等の高度の微細加工技術を利用しているので、製造コストが高くなる。さらに、微細構造を形成した高融点材料であるタングステン等よりなるフィラメントは１０００℃程度の加熱温度で溶融かつ破壊する。 However, in the above-described second conventional visible light source, the physical effect of the fine structure, that is, the suppression effect of the infrared light by the resonator structure, has the radiation enhancement and suppression effect for only a part of the infrared light spectrum. No (Ref: Non-Patent Document 1). That is, when one wavelength is suppressed, other wavelengths are enhanced. Therefore, the suppression effect over the wide infrared light is very difficult. As a result, it is still difficult to improve high conversion efficiency. In addition, when a fine structure is formed, since a high-level fine processing technique such as electron beam lithography is used, the manufacturing cost increases. Furthermore, a filament made of tungsten or the like, which is a high melting point material having a fine structure, melts and breaks at a heating temperature of about 1000 ° C.
第３の従来の可視光源においては、光源ガラスの表面に赤外光反射多層膜を被覆し、赤外光反射多層膜により可視光以外の赤外光を反射し、再度、この赤外光をフィラメントに吸収させてフィラメントを再加熱する（参照：特許文献７、８、９）。これにより、フィラメント温度をより高くしてフィラメントの入力電力の可視光への変換効率を向上せしめる。 In the third conventional visible light source, the surface of the light source glass is coated with an infrared light reflecting multilayer film, and infrared light other than visible light is reflected by the infrared light reflecting multilayer film. The filament is absorbed and reheated (refer to Patent Documents 7, 8, and 9). This raises the filament temperature and improves the conversion efficiency of the filament input power into visible light.
しかしながら、上述の第３の従来の可視光源においては、つまり、図１１に示すように、フィラメント１０１、フィラメント１０１を包容する石英管１０２及び石英管１０２の外面に形成された赤外光反射多層膜１０３よりなる可視光源においては、フィラメント１０１から石英管１０２、赤外光反射多層膜１０３への赤外光反射率が角度依存性を有する。たとえば、入射角θが０〜３０°の場合には、赤外光反射率は大きいが、入射角θが３０〜９０°の場合には、赤外光反射率が著しく低下し、この結果、赤外光が赤外光反射多層膜１０３から外部空間へ漏れる。この結果、やはり高い変換効率の向上は困難であり、せいぜい２０ ｌｍ／Ｗ程度で蛍光灯の変換効率９０ ｌｍ／Ｗに遠く及ばないという課題がある。 However, in the above-mentioned third conventional visible light source, that is, as shown in FIG. 11, the filament 101, the quartz tube 102 enclosing the filament 101, and the infrared light reflecting multilayer film formed on the outer surface of the quartz tube 102 In the visible light source consisting of 103, the infrared light reflectance from the filament 101 to the quartz tube 102 and the infrared light reflecting multilayer film 103 has angle dependency. For example, when the incident angle θ is 0 to 30 °, the infrared light reflectance is large, but when the incident angle θ is 30 to 90 °, the infrared light reflectance is remarkably lowered. Infrared light leaks from the infrared light reflecting multilayer film 103 to the external space. As a result, it is still difficult to improve high conversion efficiency, and there is a problem that the conversion efficiency of fluorescent lamps is not far from 90 lm / W at most at about 20 lm / W.
また、赤外光反射多層膜１０３はフィラメント１０１により１０００Ｋ以上の温度に加熱され、光源の場合、長期に亘って点灯消灯を繰返すので、赤外光反射多層膜１０３は熱履歴を受け、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の低屈折率層と酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）の高屈折率層との熱物性定数の相違から、ひび割れ、剥離を生じるという課題もある。 In addition, the infrared light reflecting multilayer film 103 is heated to a temperature of 1000 K or more by the filament 101, and in the case of a light source, since it is repeatedly turned on and off over a long period of time, the infrared light reflecting multilayer film 103 receives a thermal history, for example, Another problem is that cracking and peeling occur due to the difference in thermal physical constants between the low refractive index layer of silicon oxide (SiO 2 ) and the high refractive index layer of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
上述の課題を解決するために、本発明に係る可視光源は、フィラメントと、フィラメントを包容する可視光及び赤外光に対して透明な透明基材と、透明基材の外面もしくは内面を被覆する非通電状態の単一の透明導電層とを具備するものである。 In order to solve the above-described problems, a visible light source according to the present invention covers a filament, a transparent base material transparent to visible light and infrared light surrounding the filament, and an outer surface or an inner surface of the transparent base material. And a single transparent conductive layer in a non-energized state.
本発明によれば、透明導電層の赤外光反射率の角度依存性がないので、赤外光反射率を高くでき、従って、赤外光の外部空間への漏れを小さくでき、入力電力の可視光への変換効率を高めることができる。また、透明導電層は単層なので、ひび割れ、剥離はほとんどない。 According to the present invention, since there is no angle dependency of the infrared light reflectance of the transparent conductive layer, the infrared light reflectance can be increased. Therefore, the leakage of infrared light to the external space can be reduced, and the input power can be reduced. The conversion efficiency into visible light can be increased. Further, since the transparent conductive layer is a single layer, there is almost no cracking or peeling.
本発明の可視光源の原理を図１を用いて説明する。すなわち、２μｍ以上の赤外光領域でほぼ１、かつ０．８μｍ〜０．３５μｍの可視光領域で急激に０に落ち込むような反射率特性Ｒ（λ）を有する単一の透明導電層を真空中のフィラメント近傍に形成し、０．３５〜０．８μｍの可視光領域に放射強度のピークを有するようにする。このような物理的特性を作り出すことによって効率の良い可視光源を実現することができる。尚、この透明導電層は非通電状態とされる。 The principle of the visible light source of the present invention will be described with reference to FIG. That is, a single transparent conductive layer having a reflectance characteristic R (λ) that substantially drops to 1 in the infrared region of 2 μm or more and suddenly falls to 0 in the visible region of 0.8 μm to 0.35 μm is vacuumed. It is formed in the vicinity of the filament inside, and has a peak of radiation intensity in the visible light region of 0.35 to 0.8 μm. An efficient visible light source can be realized by creating such physical characteristics. This transparent conductive layer is not energized.
放射率が波長に依存せずに一定の材料、例えば黒体またはＷよりなる灰色体でフィラメントを構成した場合、フィラメントの放射光スペクトルＥＢ（λ）はプランクの放射則に従う。つまり、数１で示される。
β ＝ １．４３８７×１０４ μｍ・Ｋ
When the filament is made of a material whose emissivity does not depend on the wavelength, for example, a black body or a gray body made of W, the emitted light spectrum E B (λ) of the filament follows Planck's radiation law. That is, it is expressed by the following equation (1).
β = 1.4387 × 10 4 μm ・ K
この場合、図１のＥＢ（λ）に示すように、入力電力の殆ど全て（９０％以上）が赤外光に変換される。 In this case, as shown by E B (λ) in FIG. 1, almost all of the input power (90% or more) is converted into infrared light.
ところで、図１のＲ（λ）に示すような反射率を有する構造をフィラメント周囲に形成すると、波長λでの放射光スペクトルはε（λ）・ＥＢ （λ）で表わされるようになり、従って、数２で示される。
ここで、放射率ε（λ）と反射率Ｒ（λ）は以下のキルヒホッフの法則に従うので、反射率特性を考慮することによって、所望の放射光スペクトルを得ることが出来る。
ε（λ） ＝ １ − Ｒ（λ）
Here, since the emissivity ε (λ) and the reflectivity R (λ) follow Kirchhoff's law below, a desired radiated light spectrum can be obtained by considering the reflectivity characteristics.
ε (λ) = 1-R (λ)
図１のε（λ）・ＥＢ （λ）で示されるように、この場合は入力電力の殆ど全てが可視光に変換され、可視光放射の観点からみると効率の良い光源を形成することが出来る。その際、本発明で得られる可視光源の放射光の全エネルギーＰＲは図１のε（λ）・ＥＢ （λ）を波長λで積分した値で表わされる。つまり、数３で示される。
即ち、上述の透明導電層によってフィラメント近傍を覆うことにより、必要な可視光を透過させる一方、可視光以外の不要な赤外光を反射させ、再度フィラメントに吸収させてこれを再加熱する。これにより、赤外光の外部空間への出射を抑制すると共に、入力電力から可視光への変換効率を高める可視光源を実現する。赤外光反射多層膜と異なり、透明導電層は金属的赤外光反射特性を有し、その赤外光反射率の角度依存性はない。また、透明導電層は単一層であるので、ひび割れ、剥離等は生じにくい。 That is, by covering the vicinity of the filament with the transparent conductive layer described above, necessary visible light is transmitted, while unnecessary infrared light other than visible light is reflected, absorbed again by the filament, and reheated. This realizes a visible light source that suppresses the emission of infrared light to the external space and increases the conversion efficiency from input power to visible light. Unlike the infrared light reflective multilayer film, the transparent conductive layer has metallic infrared light reflection characteristics, and there is no angle dependency of the infrared light reflectance. Moreover, since the transparent conductive layer is a single layer, cracks, peeling, and the like are unlikely to occur.
図２は本発明に係る可視光源の実施の形態を示す断面図である。 FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of a visible light source according to the present invention.
図２において、高融点金属たとえばタングステン（Ｗ）よりフィラメント１の近傍を可視光及び赤外光に対して透明な透明基材よりなる管、例えば石英管２で被覆し、石英管２の外面をインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等よりなる透明導電層３で被覆する。また、石英管２の端部には可視光及び赤外光を反射する白色散乱体（もしくはミラー）４を設ける。透明導電層３は非通電状態とされる。このように、透明導電層３はフィラメント１の近傍に設けられているので、急激な温度低下を避けることができ、高寿命に寄与することができる。 In FIG. 2, the vicinity of the filament 1 is covered with a tube made of a transparent base material transparent to visible light and infrared light, for example, a quartz tube 2 from a refractory metal such as tungsten (W), and the outer surface of the quartz tube 2 is covered. The transparent conductive layer 3 made of indium tin oxide (ITO) or the like is covered. A white scatterer (or mirror) 4 that reflects visible light and infrared light is provided at the end of the quartz tube 2. The transparent conductive layer 3 is not energized. Thus, since the transparent conductive layer 3 is provided in the vicinity of the filament 1, it is possible to avoid a rapid temperature drop and contribute to a long life.
図３は比較例として図２の可視光源の光束（赤外光）のシミュレーション結果を示す図であって、本発明に係る透明導電層３が石英管２の外面に被覆されていない場合を示す。ここで、フィラメント１のサイズは以下の通りである。
直径 ０．１ｍｍ
コイル径 １．２５ｍｍ
コイル巻数 ３２ターン
コイル長 ５．２ｍｍ
また、フィラメント１の２５００Ｋでの反射率は、光波長λ＝２μｍに対して０．８、光波長０．６μｍに対して０．６である。また、石英管２のサイズは次の通りである。
外径 ３ｍｍ
内径 ２ｍｍ
長さ １０ｍｍ
である。この場合、ほとんどの赤外光は外部空間へ放出される。
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of the luminous flux (infrared light) of the visible light source of FIG. 2 as a comparative example, and shows a case where the transparent conductive layer 3 according to the present invention is not covered on the outer surface of the quartz tube 2. . Here, the size of the filament 1 is as follows.
Diameter 0.1mm
Coil diameter 1.25mm
Number of coil turns 32 turns
Coil length 5.2mm
Further, the reflectance of the filament 1 at 2500 K is 0.8 for the light wavelength λ = 2 μm and 0.6 for the light wavelength 0.6 μm. The size of the quartz tube 2 is as follows.
Outer diameter 3mm
2mm inside diameter
Length 10mm
It is. In this case, most of the infrared light is emitted to the external space.
図４は図２の可視光源の光束（赤外光）のシミュレーション結果を示す図であって、本発明に係る透明導電層３が石英管２の外面に被覆されている場合を示す。尚、この場合、石英管２の端部には白色散乱体４（図示せず）も設けられている。ここで、フィラメント１のサイズ、反射率及び石英管２のサイズは上述のごとくであり、さらに、石英管２の外面すなわち透明導電層３の反射率は、光波長λ＝２μｍに対して０．９５、光波長λ＝０．６μｍに対して０．１である。この場合、ほとんどの赤外光は、透明導電層３によって折り返され、従って、フィラメント１の光束密度が大きくなり、フィラメント１に吸収されてフィラメント１の再加熱に利用されていることが分かる。このとき、白色散乱体４は透明導電層３によって折り返された赤外光を石英管２の端部からフィラメント１に戻すので、よりフィラメント１の光束密度が大きくなる。 FIG. 4 is a diagram showing a simulation result of the luminous flux (infrared light) of the visible light source of FIG. 2, and shows a case where the transparent conductive layer 3 according to the present invention is coated on the outer surface of the quartz tube 2. In this case, a white scatterer 4 (not shown) is also provided at the end of the quartz tube 2. Here, the size of the filament 1, the reflectance, and the size of the quartz tube 2 are as described above. Further, the reflectance of the outer surface of the quartz tube 2, that is, the transparent conductive layer 3, is 0.00 for the light wavelength λ = 2 μm. 95, 0.1 for light wavelength λ = 0.6 μm. In this case, it can be seen that most of the infrared light is folded back by the transparent conductive layer 3, so that the luminous flux density of the filament 1 is increased and absorbed by the filament 1 and used for reheating the filament 1. At this time, since the white scatterer 4 returns the infrared light folded back by the transparent conductive layer 3 from the end of the quartz tube 2 to the filament 1, the luminous flux density of the filament 1 is further increased.
ＩＴＯ等よりなる透明導電層３の誘電率η（ω）の特性は数４で示されるドルデ・ローレンツモデルに従う。
ωｐはプラズマ角周波数
ｆｊは透明導電層３において角周波数ωｊ（ω０＝０）を有する振動子強度
ｋは透明導電層３における振動子強度ｆｊの個数
γｊは電子の散乱項（１／γｊは緩和時間）
である。尚、反射率Ｒ（ω）は誘電率η（ω）から演算でき、特に垂直反射Ｒ⊥（ω）の場合は、数５で示される簡単な表式に従う。また、ω＝２πｃ／λ（ｃは光速度）であるので、反射率Ｒ（ω）も数４から演算できる。
ω p is the plasma angular frequency f j is the vibrator strength having the angular frequency ω j (ω 0 = 0) in the transparent conductive layer 3 k is the number of vibrator strengths f j in the transparent conductive layer 3 γ j is the electron scattering term (1 / γ j is the relaxation time)
It is. The reflectance R (ω) can be calculated from the dielectric constant η (ω). In particular, in the case of the vertical reflection R ⊥ (ω), it follows the simple expression shown in Equation 5. Since ω = 2πc / λ (c is the speed of light), the reflectance R (ω) can also be calculated from Equation 4.
図５は数４から演算した透明導電層３の反射率Ｒ（λ）を示すグラフであり、（Ａ）はｈωｐ／２π＝０．５ｅＶの場合、（Ｂ）はｈωｐ＝０．７５ｅＶの場合、（Ｃ）はｈωｐ／２π＝１．０ｅＶの場合、（Ｄ）はｈωｐ＝１．５ｅＶの場合を示す。尚、ｈはプランク定数である。 FIG. 5 is a graph showing the reflectance R (λ) of the transparent conductive layer 3 calculated from the equation (4), where (A) is hω p /2π=0.5 eV, and (B) is hω p = 0.75 eV. (C) shows the case where hω p /2π=1.0 eV, and (D) shows the case where hω p = 1.5 eV. Here, h is a Planck constant.
図５に示すように、プラズマ角周波数ωｐと反射率Ｒ（λ）の反射カットオフ波長λｃとは相関している。すなわち、プラズマ角周波数ωｐが小さい（つまり、プラズマエネルギーｈωｐ／２πが小さい）場合には、反射カットオフ波長λｃは長波長側へシフトし、他方、プラズマ角周波数ωｐが大きい（つまり、プラズマエネルギーｈωｐ／２πが大きい）場合には、反射カットオフ波長λｃは短波長側へシフトする。ところで、プラズマ角周波数ωｐの２乗は透明導電層３のキャリア密度に比例する。結局、反射カットオフ波長λｃは透明導電層３のキャリア密度を制御することにより調整できる。たとえば、透明導電層３がＩＴＯよりなる場合、成膜時の酸素空孔量及びＳｎの量を制御することにより、あるいは成膜後の焼成時の焼成雰囲気及び温度を制御することにより透明導電層３のキャリア密度を制御できる。 As shown in FIG. 5, the plasma angular frequency ω p and the reflection cutoff wavelength λ c of the reflectance R (λ) are correlated. That is, when the plasma angular frequency ω p is small (that is, the plasma energy hω p / 2π is small), the reflection cutoff wavelength λ c is shifted to the longer wavelength side, while the plasma angular frequency ω p is large (that is, When the plasma energy hω p / 2π is large), the reflection cutoff wavelength λ c is shifted to the short wavelength side. Incidentally, the square of the plasma angular frequency omega p is proportional to the carrier density of the transparent conductive layer 3. As a result, the reflection cutoff wavelength λ c can be adjusted by controlling the carrier density of the transparent conductive layer 3. For example, when the transparent conductive layer 3 is made of ITO, the transparent conductive layer can be controlled by controlling the amount of oxygen vacancies and Sn during film formation, or by controlling the firing atmosphere and temperature during firing after film formation. 3 carrier density can be controlled.
図２の透明導電層３のプラズマエネルギーｈωｐ／２πとフィラメント１の温度Ｔ１＝２５００Ｋ、３０００Ｋにおける可視光源の光束効率との関係を示す図６を参照すると、光束効率を向上させるためには、透明導電層３のプラズマエネルギーｈωｐ／２πは０．５ｅＶ以上であることが必要である。 Referring to FIG. 6 showing the relationship between the plasma energy hω p / 2π of the transparent conductive layer 3 in FIG. 2 and the luminous efficiency of the visible light source at the temperature T 1 = 2500K and 3000K of the filament 1, in order to improve the luminous efficiency. The plasma energy hω p / 2π of the transparent conductive layer 3 needs to be 0.5 eV or more.
図５に戻ると、透明導電層３のプラズマエネルギーｈωｐ／２πが０．５ｅＶ以上において、透明導電層３の反射率Ｒ（λ）は透明導電層３の温度Ｔ３に依存していることが分かる。この温度依存性は透明導電層３の音響フォノン散乱と密接に関係しており、上述の数４の式において、γ０＝αｋＴ３（但し、ＩＴＯではα＝１、ｋはボルツマン定数）とすることにより反射率Ｒ（λ）を定量的に把握できる。透明導電層３のプラズマ角周波数ωｐが小さい（プラズマエネルギーｈωｐ／２πが小さい）場合には、透明導電層３の温度Ｔ３が低いときにも反射率Ｒ（λ）が低下する。従って、透明導電層３を被覆した石英管２の外面をフィラメント１近傍に配置する場合、フィラメント１の温度Ｔ１及び透明導電層３の温度Ｔ３の両方を勘案し、反射率Ｒ（λ）の効果を損失しない場所に配置する。具体的には、図５の（Ａ）から、プラズマエネルギーｈωｐ／２π＝０．５ｅＶの場合、透明導電層３の温度Ｔ３は７００Ｋ以下、図５の（Ｂ）から、プラズマエネルギーｈωｐ／２π＝０．７５ｅＶの場合、透明導電層３の温度Ｔ３は９００Ｋ以下、図５の（Ｃ）から、プラズマエネルギーｈωｐ／２π＝１．０ｅＶの場合、透明導電層３の温度Ｔ３は１２００Ｋ以下、図５の（Ｄ）から、プラズマエネルギーｈωｐ／２π＝１．５ｅＶの場合、透明導電層３の温度Ｔ３は１５００Ｋ以下となる。これらをまとめると、定量的には、
ｋＴ３≦（１／８）ｈωｐ／２π
つまり、ｈωｐ／２π≧８ｋＴ３
を満足する。
Returning to FIG. 5, when the plasma energy hω p / 2π of the transparent conductive layer 3 is 0.5 eV or more, the reflectance R (λ) of the transparent conductive layer 3 depends on the temperature T 3 of the transparent conductive layer 3. I understand. This temperature dependence is closely related to the acoustic phonon scattering of the transparent conductive layer 3, and in the above-described equation 4, γ 0 = αkT 3 (where α = 1 and k is Boltzmann constant in ITO). Thus, the reflectance R (λ) can be grasped quantitatively. When the plasma angular frequency ω p of the transparent conductive layer 3 is small (plasma energy hω p / 2π is small), the reflectance R (λ) is lowered even when the temperature T 3 of the transparent conductive layer 3 is low. Therefore, when placing the outer surface of the transparent conductive layer 3 was coated quartz tube 2 in the vicinity of the filament 1, taking into account both the temperature T 3 of the temperature T 1 and the transparent conductive layer 3 of the filament 1, the reflectance R (lambda) Place it where it will not lose its effect. Specifically, from FIG. 5A, when the plasma energy hω p /2π=0.5 eV, the temperature T 3 of the transparent conductive layer 3 is 700 K or less, and from FIG. 5B, the plasma energy hω p When /2π=0.75 eV, the temperature T 3 of the transparent conductive layer 3 is 900 K or less. From FIG. 5C, the temperature T 3 of the transparent conductive layer 3 when the plasma energy hω p /2π=1.0 eV. Is 1200K or less, and from FIG. 5D, when the plasma energy hω p /2π=1.5 eV, the temperature T 3 of the transparent conductive layer 3 is 1500 K or less. To summarize these, quantitatively,
kT 3 ≦ (1/8) hω p / 2π
That is, hω p / 2π ≧ 8 kT 3
Satisfied.
図７は比較例として図２において透明導電層３がない場合のフィラメント１の温度Ｔ１＝３０００Ｋにおける石英管２、及びフィラメント１が示す反射率特性スペクトルである。この場合、反射率Ｒ（λ）は波長λに対して穏やかな変化し、この結果、フィラメント１の放射スペクトルの放射強度は７．１３Ｅ＋１５ Ｗ／ｍ２と大きくなり、従って、視感度内光束の光束効率は２５．３ ｌｍ／Ｗとなる。これに対し、図８は図２において透明導電層がある場合のフィラメント１の温度Ｔ１＝３０００Ｋにおける石英管２、透明導電層３、及びフィラメント１が示す反射率特性スペクトルである。この場合、透明導電層の効果により反射率Ｒ（λ）は波長λの増大につれて大きくなり、この結果、赤外光が透明導電層３からフィラメント１に、より多く打ち返されるので、フィラメント１の放射スペクトルの放射強度は５．２９Ｅ＋１５ Ｗ／ｍ２と小さくてすみ、赤外放射が抑制される。従って、視感度内光束の光束効率は相対的に向上し、３６．ｌｍ／Ｗとなり、透明導電層３がない場合と比較して４０％以上もその光束効率を向上させることができる。 FIG. 7 is a reflectance characteristic spectrum shown by the quartz tube 2 and the filament 1 at a temperature T 1 = 3000 K of the filament 1 when the transparent conductive layer 3 is not provided in FIG. 2 as a comparative example. In this case, the reflectance R (λ) changes gently with respect to the wavelength λ. As a result, the radiation intensity of the emission spectrum of the filament 1 becomes as large as 7.13E + 15 W / m 2 . The luminous efficiency is 25.3 lm / W. On the other hand, FIG. 8 is a reflectance characteristic spectrum of the quartz tube 2, the transparent conductive layer 3, and the filament 1 at the temperature T 1 = 3000 K of the filament 1 in the case where the transparent conductive layer is present in FIG. In this case, the reflectivity R (λ) increases as the wavelength λ increases due to the effect of the transparent conductive layer, and as a result, more infrared light is repulsed from the transparent conductive layer 3 to the filament 1. The spectrum radiation intensity is as small as 5.29E + 15 W / m 2, and infrared radiation is suppressed. Therefore, the luminous efficiency of the luminous flux within the visibility is relatively improved, and 36. Therefore, the luminous efficiency can be improved by 40% or more compared to the case where the transparent conductive layer 3 is not provided.
図９は図２の可視光源を白熱電球として構成した一部切欠き断面図である。 FIG. 9 is a partially cutaway sectional view in which the visible light source of FIG. 2 is configured as an incandescent bulb.
図９において、少なくとも可視光に対して透明な硬質ガラスバルブにより構成される透光性気密容器９１内に、フィラメント１、石英管２及び透明導電層３を設ける。フィラメント１はリード線９２ａ、９２ｂ間に電気的に接続される。透光性気密容器９１の封止部には口金９３が接合されている。口金９３は、リード線９２ａに接続された中心電極９３１、リード線９２ｂに接続された側面電極９３２及び中心電極９３１と側面電極９３２とを絶縁する絶縁部９３３により構成されている。 In FIG. 9, the filament 1, the quartz tube 2, and the transparent conductive layer 3 are provided in a light-transmitting hermetic container 91 constituted by a hard glass bulb transparent to at least visible light. The filament 1 is electrically connected between the lead wires 92a and 92b. A base 93 is joined to the sealing portion of the translucent airtight container 91. The base 93 includes a center electrode 931 connected to the lead wire 92a, a side electrode 932 connected to the lead wire 92b, and an insulating portion 933 that insulates the center electrode 931 and the side electrode 932 from each other.
透光性気密容器９１内部は１０−１〜１０−６Ｐａの高真空になっている。但し、１０５〜１０−１Ｐａの酸素（０２）、水素（Ｈ２）、ハロゲンガス、炭化物系ガス、あるいはこれらの混合ガスを導入することもできる。この場合、ハロゲン電球と同様に、透明導電層３の昇華及び劣化を制御し、白熱電球の高寿命化を図れる。 The inside of the translucent airtight container 91 is in a high vacuum of 10 −1 to 10 −6 Pa. However, 10 5 to 10 −1 Pa of oxygen (0 2 ), hydrogen (H 2 ), halogen gas, carbide gas, or a mixed gas thereof can be introduced. In this case, similarly to the halogen bulb, it is possible to control the sublimation and deterioration of the transparent conductive layer 3 and to increase the life of the incandescent bulb.
尚、上述の実施の形態においては、透明導電層３はＩＴＯにより形成しているが、他の透明導電性材料たとえばＳｎＯ２、ＺｎＯ２等により形成することもできる。 In the above-described embodiment, the transparent conductive layer 3 is formed of ITO, but may be formed of other transparent conductive materials such as SnO 2 and ZnO 2 .
また、透明導電層３は石英管２の外面に被覆しているが、石英管２の内面に被覆してもよい。 Further, although the transparent conductive layer 3 is coated on the outer surface of the quartz tube 2, it may be coated on the inner surface of the quartz tube 2.
さらに、石英管２は石英でなく、可視光及び赤外光に対して透明な他の透明材料たとえばサファイア等により形成してもよい。 Furthermore, the quartz tube 2 may be formed of other transparent material that is transparent to visible light and infrared light, such as sapphire, instead of quartz.
さらにまた、Ｗよりなるフィラメント１はより低反射率の黒体フィラメントたとえば炭素系フィラメントに代えることもできる。黒体フィラメントは透明導電層３によって折り返された赤外光を再度反射せずにより多く吸収する。従って、フィラメント自体の温度を上昇させ、この結果、より高光束効率の可視光源を実現できる。黒体フィラメントでの反射率は光波長λ＝２μｍ及び０．６μｍに対して共に０となり、従って、可視光の外部空間への出力は２５％減衰する一方、赤外光は５０％以上抑制される。この結果、総計として黒体フィラメントを用いた場合、Ｗフィラメントの場合に比較して、光束効率を２倍以上向上させることができる。 Furthermore, the filament 1 made of W can be replaced with a black body filament having a lower reflectance, such as a carbon-based filament. The black body filament absorbs more infrared light reflected by the transparent conductive layer 3 without reflecting it again. Therefore, the temperature of the filament itself is raised, and as a result, a visible light source with higher luminous flux efficiency can be realized. The reflectivity at the black body filament is 0 for both light wavelengths λ = 2 μm and 0.6 μm. Therefore, the output of visible light to the external space is attenuated by 25%, while infrared light is suppressed by 50% or more. The As a result, when the black body filament is used as the total, the luminous efficiency can be improved by two times or more as compared with the case of the W filament.
さらにまた、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。 Furthermore, the present invention can be applied to any modifications within the obvious scope of the above-described embodiments.
１：フィラメント
２：石英管
３：透明導電層
４：白色散乱体（ミラー）
９１：透光性気密容器
９２ａ、９２ｂ：リード線
９３：口金
９３１：中心電極
９３２：側面電極
９３３：絶縁部
１０１：フィラメント
１０２：石英管
１０３：赤外光反射多層膜
1: Filament 2: Quartz tube 3: Transparent conductive layer 4: White scatterer (mirror)
91: Translucent airtight containers 92a, 92b: lead wire 93: base 931: center electrode 932: side electrode 933: insulating part 101: filament 102: quartz tube 103: infrared light reflecting multilayer film
ところで、図１のＲ（λ）に示すような反射率を有する構造をフィラメント周囲に形成すると、波長λでの放射光スペクトルはη（λ）・ＥＢ （λ）で表わされるようになり、従って、数２で示される。
ここで、放射率η（λ）と反射率Ｒ（λ）は以下のキルヒホッフの法則に従うので、反射率特性を考慮することによって、所望の放射光スペクトルを得ることが出来る。
η（λ） ＝ １ − Ｒ（λ）
Here, since the emissivity η (λ) and the reflectivity R (λ) follow Kirchhoff's law below, a desired radiated light spectrum can be obtained by considering the reflectivity characteristics.
η (λ) = 1-R (λ)
図１のη（λ）・ＥＢ （λ）で示されるように、この場合は入力電力の殆ど全てが可視光に変換され、可視光放射の観点からみると効率の良い光源を形成することが出来る。その際、本発明で得られる可視光源の放射光の全エネルギーＰＲは図１のη（λ）・ＥＢ （λ）を波長λで積分した値で表わされる。つまり、数３で示される。
ＩＴＯ等よりなる透明導電層３の放射率η（ω）の特性は数４で示されるドルデ・ローレンツモデルに従う。
ωｐはプラズマ角周波数
ｆｊは透明導電層３において角周波数ωｊ（ω０＝０）を有する振動子強度
ｋは透明導電層３における振動子強度ｆｊの個数
γｊは電子の散乱項（１／γｊは緩和時間）
である。尚、反射率Ｒ（ω）は放射率η（ω）から演算でき、特に垂直反射Ｒ⊥（ω）の場合は、数５で示される簡単な式に従う。また、ω＝２πｃ／λ（ｃは光速度）であるので、反射率Ｒ（λ）も数４から演算できる。
ω p is the plasma angular frequency f j is the vibrator strength having the angular frequency ω j (ω 0 = 0) in the transparent conductive layer 3 k is the number of vibrator strengths f j in the transparent conductive layer 3 γ j is the electron scattering term (1 / γ j is the relaxation time)
It is. Note that the reflectance R (ω) can be calculated from the emissivity η (ω). In particular, in the case of the vertical reflection R ⊥ (ω), the simple equation expressed by Equation 5 is used. Since ω = 2πc / λ (c is the speed of light), the reflectance R (λ) can also be calculated from Equation 4.
図５は数４から演算した透明導電層３の反射率Ｒ（λ）を示すグラフであり、（Ａ）はｈωｐ／２π＝０．５ｅＶの場合、（Ｂ）はｈωｐ ／２π＝０．７５ｅＶの場合、（Ｃ）はｈωｐ／２π＝１．０ｅＶの場合、（Ｄ）はｈωｐ ／２π＝１．５ｅＶの場合を示す。尚、ｈはプランク定数である。 FIG. 5 is a graph showing the reflectance R (λ) of the transparent conductive layer 3 calculated from the equation (4), where (A) is hω p /2π=0.5 eV, and (B) is hω p / 2π = 0. for .75eV, (C) in the case of hω p /2π=1.0eV, shows the case of (D) is hω p / 2π = 1.5eV. Here, h is a Planck constant.
図７は比較例として図２において透明導電層３がない場合のフィラメント１の温度Ｔ１＝３０００Ｋにおける石英管２、及びフィラメント１が示す反射率特性スペクトルである。この場合、反射率Ｒ（λ）は波長λに対して穏やかな変化し、この結果、フィラメント１の放射スペクトルの放射強度は７．１３Ｅ＋１５ Ｗ／ｍ２と大きくなり、従って、視感度内光束の光束効率は２５．３ ｌｍ／Ｗとなる。これに対し、図８は図２において透明導電層がある場合のフィラメント１の温度Ｔ１＝３０００Ｋにおける石英管２、透明導電層３、及びフィラメント１が示す反射率特性スペクトルである。この場合、透明導電層の効果により反射率Ｒ（λ）は波長λの増大につれて大きくなり、この結果、赤外光が透明導電層３からフィラメント１に、より多く打ち返されるので、フィラメント１の放射スペクトルの放射強度は５．２９Ｅ＋１５ Ｗ／ｍ２と小さくてすみ、赤外放射が抑制される。従って、視感度内光束の光束効率は相対的に向上し、３６．１ ｌｍ／Ｗとなり、透明導電層３がない場合と比較して４０％以上もその光束効率を向上させることができる。 FIG. 7 is a reflectance characteristic spectrum shown by the quartz tube 2 and the filament 1 at a temperature T 1 = 3000 K of the filament 1 when the transparent conductive layer 3 is not provided in FIG. 2 as a comparative example. In this case, the reflectance R (λ) changes gently with respect to the wavelength λ. As a result, the radiation intensity of the emission spectrum of the filament 1 becomes as large as 7.13E + 15 W / m 2 . The luminous efficiency is 25.3 lm / W. On the other hand, FIG. 8 is a reflectance characteristic spectrum of the quartz tube 2, the transparent conductive layer 3, and the filament 1 at the temperature T 1 = 3000 K of the filament 1 in the case where the transparent conductive layer is present in FIG. In this case, the reflectivity R (λ) increases as the wavelength λ increases due to the effect of the transparent conductive layer, and as a result, more infrared light is repulsed from the transparent conductive layer 3 to the filament 1. The spectrum radiation intensity is as small as 5.29E + 15 W / m 2, and infrared radiation is suppressed. Therefore, the luminous efficiency of the luminous flux within the visibility is relatively improved to 36.1 lm / W , and the luminous efficiency can be improved by 40% or more compared with the case where the transparent conductive layer 3 is not provided.
ＩＴＯ等よりなる透明導電層３の誘電率ε（ω）の特性は数４で示されるドルデ・ローレンツモデルに従う。
ωｐはプラズマ角周波数
ｆｊは透明導電層３において角周波数ωｊ（ω０＝０）を有する振動子強度
ｋは透明導電層３における振動子強度ｆｊの個数
γｊは電子の散乱項（１／γｊは緩和時間）
である。尚、反射率Ｒ（ω）は誘電率ε（ω）から演算でき、特に垂直反射Ｒ⊥（ω）の場合は、数５で示される簡単な式に従う。また、ω＝２πｃ／λ（ｃは光速度）であるので、反射率Ｒ（λ）も数４から演算できる。
ω p is the plasma angular frequency f j is the vibrator strength having the angular frequency ω j (ω 0 = 0) in the transparent conductive layer 3 k is the number of vibrator strengths f j in the transparent conductive layer 3 γ j is the electron scattering term (1 / γ j is the relaxation time)
It is. Incidentally, the reflectance R (omega) can be calculated from the dielectric constant epsilon (omega), particularly if the vertical reflection R ⊥ (omega), according to a simple formula given by Equation 5. Since ω = 2πc / λ (c is the speed of light), the reflectance R (λ) can also be calculated from Equation 4.
Claims (7)
前記フィラメントを包容する可視光及び赤外光に対して透明な透明基材と、
前記透明基材の外面もしくは内面を被覆する非通電状態の単一の透明導電層と
を具備する可視光源。 A transparent substrate that is transparent to visible light and infrared light that encloses the filament;
A visible light source comprising: a non-energized single transparent conductive layer covering an outer surface or an inner surface of the transparent substrate.
前記透明導電層のプラズマエネルギー≧８ｋＴ３
但し、ｋはボルツマン定数
Ｔ３は前記透明導電層の温度、
を満足するように決定される請求項１に記載の可視光源。 The carrier density of the transparent conductive layer is
Plasma energy of the transparent conductive layer ≧ 8 kT 3
Where k is the Boltzmann constant T 3 is the temperature of the transparent conductive layer,
The visible light source according to claim 1, which is determined so as to satisfy
Furthermore, the visible light source of Claim 1 which comprises the white scatterer or mirror which reflects visible light and infrared light in the edge part of the said transparent base material.
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