JP2017174610A

JP2017174610A - 任意スペクトル光源

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Publication number: JP2017174610A
Application number: JP2016058926A
Authority: JP
Inventors: 聡隅田; Satoshi Sumida; 松田　宏; Hiroshi Matsuda; 宏松田; 尚久太田; Naohisa Ota
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: JP6745122B2

Abstract

【課題】複雑な制御や装置構成を要することなく単一の光源で任意のスペクトルに調整可能な光源を提供すること。
【解決手段】２種類以上の形状の孔２１１が配列されてなるキャビティ構造２１を表面に有する輻射体としてのフィラメント２を備え、キャビティ構造２１は、紫外光領域から赤外光領域にかけての波長の輻射を増幅する任意スペクトル光源１。キャビティ構造２１の少なくとも表面は金属で被覆され、孔２１１の形状は角孔状であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、任意でスペクトルを調整可能な任意スペクトル光源に関する。

従来、任意でスペクトルを調整出来る光源として、例えば、自然光である太陽光に近いスペクトルに調整出来る光源は、照明装置や試験用途等に広く用いられている。

太陽光には複数の異なるスペクトルを有する光が含まれているため、太陽光に近い光色を作り出す方法としては、複数の異なるスペクトルを有する光を重ね合わせる方法が挙げられる。このような方法として、例えば、それぞれ異なる波長の光を出力する複数の光源の発光強度を制御する方法が提案されている（例えば、後述の特許文献１参照）。

国際公開第２０１３／１２８５４４号

特許文献１に記載された発明は、複数の光源を要し、且つそれぞれの出力調整を要するため制御が複雑となる。また、複数の光を集光及び合成するためのレンズや、戻り光を遮断するためのアイソレータが必要となるため、装置の規模が大きくなり、且つ構成が複雑となる問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、複雑な制御や装置構成を要することなく単一の光源で任意のスペクトルに調整可能な光源を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、２種類以上の形状の孔（例えば、後述の孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ）が配列されてなるキャビティ構造（例えば、後述のキャビティ構造２１）を表面に有する輻射体（例えば、後述のフィラメント２）を備え、前記キャビティ構造は、紫外光領域から赤外光領域にかけての波長の輻射を増幅する任意スペクトル光源を提供する。

前記キャビティ構造の少なくとも表面は金属で被覆されることが好ましい。

前記輻射体は金属製であることが好ましい。

前記孔の形状は、角孔状であることが好ましい。

前記孔の形状は、それぞれ深さが同一であり、孔径形状が相違することが好ましい。

前記キャビティ構造は、可視光領域の波長の輻射を増幅することが好ましい。

本発明によれば、複雑な制御や装置構成を要することなく単一の光源で任意のスペクトルに調整可能な光源を提供できる。

本発明の一実施形態に係る任意スペクトル光源を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るキャビティ構造を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るキャビティ構造の共振のモードを模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係る任意スペクトル光源により得られるスペクトルを模式的に示すグラフである。

以下、本発明の好ましい一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

本実施形態に係る任意スペクトル光源１は、単一の光源で任意のスペクトル、例えば太陽光に近いスペクトルの光を作り出すことができる。このような任意スペクトル光源は、例えば照明装置として用いられる。

＜任意スペクトル光源＞
図１は、本実施形態に係る任意スペクトル光源１を模式的に示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る任意スペクトル光源１は、輻射体としてのフィラメント２と、電源装置３と、を備える。

フィラメント２は、後述する電源装置３により通電加熱されることで、紫外光領域から赤外光領域にかけての波長の光（電磁波）を輻射する。
フィラメント２の材質は、一定の耐熱性を有する材質であることが好ましい。フィラメント２をより高温にすることで、フィラメント２から輻射される光のスペクトルはより短波長側である可視光側にシフトするため、任意スペクトル光源１の発光効率を高めることができる。従ってフィラメント２の材質としても、高温に耐え得る材質であることが好ましい。そのような材質としては、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属が挙げられる。

また、フィラメント２は、キャビティ構造２１を表面に有する。
キャビティ構造２１は、特定波長の光（電磁波）を共振により増幅させ輻射する孔２１１が多数配列された構造である。キャビティ構造２１により増幅される光は、紫外光領域から赤外光領域にかけての特定の波長の光である。
例えば任意スペクトル光源１によって太陽光を模す場合、太陽光には紫外光や赤外光等、可視光以外の波長領域の光も含まれるため、これらの波長領域の光を増幅させることが有用な場合もある。一方、単なる光源として任意スペクトル光源１を用いる場合、キャビティ構造２１に配列された孔２１１は、可視光領域の波長領域の光のみを増幅するものであればよい。かかる構成により任意スペクトル光源１のエネルギー効率を向上させることができる。

キャビティ構造２１は、図１に示すように、２種類以上の形状の孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃが配列されてなる。
２種類以上の形状の孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃにより、孔の形状に対応する各特定波長の光が増幅され輻射される。従って、各特定波長の光を重ね合わせることで、任意のスペクトルに近いスペクトルを有する光が得られる。孔の形状の種類は２種類以上であればよく、特に制限されない。しかし、孔の形状の種類が多いほど、孔の形状に対応して増幅される特定波長の光の種類も多くなるため、フィラメント２から輻射される光のスペクトルを、任意のスペクトルにより近づけることができる。このような特定波長の光の重ね合わせによるスペクトルの調整方法については、後段で詳述する。

なお、２種類以上の形状の孔で増幅された各特定波長の光は、ミクロな空間で自動的に重ね合わされるため、本実施形態に係る任意スペクトル光源１は、レンズやアイソレータ等の装置を要しない。

図２は、キャビティ構造２１を模式的に示す図である。図２に示す通り、キャビティ構造２１は、孔２１１と、壁部２１２とを有する。図２中、Ｌ_Ｘ及びＬ_Ｙは孔２１１の開口部の一辺の長さをそれぞれ示し、Ｌ_Ｚは孔２１１の深さ方向の長さを示す。かかる孔２１１により、特定波長の電磁波が共振により増幅され、孔２１１の開口部から輻射される。

孔２１１の形状は、特定波長の共振が起こり得る形状であれば特に制限されず、例えば丸孔状であってもよい。しかし、孔２１１を密に配列することができ、また、後述する特定波長を増幅するための形状設計が容易であることから、図２に示すような角孔状であることが好ましい。

図３は、キャビティ構造２１の共振のモードを模式的に示す図である。図３に示すように、孔２１１においては、αで示す１次共振の他に、δで示す２次共振や、θで示す３次共振等、様々なモードで共振が起こる。孔２１１の形状に基づく共振波長λは、以下の式（１）によって示される。

（式（１）中、ｎ_Ｘ、ｎ_Ｙ、ｎ_Ｚは、孔２１１のそれぞれの方向に対応するモードナンバーを示す整数である。）

ここで、最も輻射率が増幅する共振波長のモードは、（ｎ_Ｘ、ｎ_Ｙ、ｎ_Ｚ）が（１，０，０）又は（０，１，０）である。従って、上記のモード時に共振波長が特定波長となるよう、孔２１１のＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙ、Ｌ_Ｚを設計することで、特定波長の輻射率の増幅効果が高いキャビティ構造２１が得られる。

本実施形態に係るキャビティ構造２１における、２種類以上の孔の形状設計方法は、特に制限されないが、上記Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙ、Ｌ_ＺのうちＬ_Ｚを一定とし、Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙを変更して複数種類の孔を設計することが、キャビティ構造２１の製造工程を簡易化できるため好ましい。

孔２１１のＬ_Ｚ、即ち深さ方向の長さは、径方向の長さであるＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙに対し一定以上の長さを有することが好ましい。具体的には、Ｌ_ＺはＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙの平均値に対し０．５倍以上の長さであることが好ましい。Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙに対しＬ_Ｚが小さすぎる場合、回折現象により、特定波長の輻射率の好ましい増幅効果が得られない。

孔２１１同士の間隔である壁部２１２の厚みは、キャビティ構造２１の十分な耐久性を確保できる限りにおいて小さい方が好ましい。キャビティ構造２１において、孔２１１においては特定波長の輻射率の増幅が起こるが、壁部２１２においては特定波長の輻射率の増幅は起こらず、通常の材料に由来する輻射が起こる。そのため、壁部２１２の厚みを小さくし、即ち孔２１１同士の間隔を密にして、孔２１１の開口部の面積割合を増大させることで、特定波長の輻射率の増幅効果をより高めることができる。

複数種類の孔の配列方法については特に制限されず、図１に示すように斜め方向に同一種類の孔を配列させてもよいが、縦方向に同一種類の孔を配列させてもよく、又はランダムに配列させてもよい。若しくは、好ましい光の重ね合わせ効果が得られる限りにおいて、同一種類の孔を複数列にわたり、任意の方向に配列させてもよい。

孔２１１において共振が起こる条件は、孔２１１で図３に示すような電磁波の反射が起こることである。従って、孔２１１が配列されるキャビティ構造２１の少なくとも表面は電磁波の反射率が高い金属等で被覆されていることが好ましい。このような金属等としては特に制限されないが、例えば、金、銀、銅、アルミ、チタン等の金属を用いる事ができる。金属の被覆方法としては特に制限されず、例えば、めっき法、蒸着法、スパッタリング法等、公知の方法を用いる事ができる。

孔２１１の共振により、特定波長の光が増幅されると共に、特定波長以上の波長領域における光の輻射強度は減衰する。このため、本実施形態に係る任意スペクトル光源１は、例えば、可視光領域よりも長波長側の赤外領域の輻射エネルギーを可視光領域の輻射エネルギーに転換することができ、エネルギー効率を高めることができる。また、フィラメント２の温度を低下させ、輻射スペクトルが長波長側にシフトした場合においても、従来の光源と同様の光量が得られると考えられる。

本実施形態において、キャビティ構造２１は３種類の形状の孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃを有し、孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃはそれぞれの形状に応じた特定波長の光を増幅して輻射する。これらの各孔２１１の数を調整することで、フィラメント２から輻射される光のスペクトルを任意のスペクトルに近づけることができる。

図４は、本実施形態に係るフィラメント２から輻射される光のスペクトルを模式的に示したグラフである。なお、孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃはそれぞれ赤色光、緑色光、青色光の輻射率を増幅させる孔であるとする。
図４中、縦軸は発光強度（単位は任意単位Ａ．Ｕ．）を示し、横軸は波長（単位はｎｍ）を示す。グラフ中、二点鎖線は孔２１１ａによって増幅された赤色光を、一点鎖線は孔２１１ｂによって増幅された緑色光を、破線は孔２１１ｃによって増幅された青色光をそれぞれ示す。また、実線はキャビティ構造２１を備えるフィラメント２全体から輻射される光のスペクトルを示す。

図４に示すように、フィラメント２全体から輻射される光のスペクトルは、孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃにより増幅される光のスペクトルの重ね合わせにより得られる。ここで、フィラメント２に配列される孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの数をそれぞれ増減することにより、各孔により増幅される光の発光強度のピーク値や積分強度が増減し、スペクトルが変化する。従って、これらの光の重ね合わせによって得られる光のスペクトルも変化する。

例えば、キャビティ構造２１において、赤色光を増幅して輻射する孔２１１ａの数を増大させ、緑色光及び青色光を増幅して輻射する孔２１１ｂ、２１１ｃの数を減少させたとする。かかる場合、孔２１１ａにより増幅される赤色光の発光強度のピーク値や積分強度は増大し、孔２１１ｂ、２１１ｃにより増幅される緑色光及び青色光の発光強度のピーク値や積分強度は低下する。この結果、フィラメント２全体から輻射される光のスペクトルは赤色光側にシフトし、より赤みがかった光となる。
このように、それぞれ増幅する特定波長が異なる孔の数を増減することで、フィラメント２全体から得られる光のスペクトルを調整することができる。

電源装置３は、フィラメント２に通電する装置である。電源装置３によって通電されたフィラメント２は、内部抵抗によりジュール熱を発生し加熱される。フィラメント２は一定以上の温度に達すると可視光領域の電磁波を輻射する。
電源装置３は、フィラメント２に通電可能な装置であれば特に制限されない。

＜フィラメント２の製造方法＞
キャビティ構造２１を表面に有するフィラメント２の製造方法としては、特に制限されないが、例えばフォトリソグラフィによる方法が挙げられる。フォトリソグラフィによるキャビティ構造２１の形成方法を以下に例示する。

まず、フィラメント２の基材表面に感光物質（レジスト）をスピンコート等により均一に塗布し、乾燥させた後、孔２１１の孔径（Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙ）に対応する所望のパターンで露光する。
次に、不要箇所のレジストを現像液により除去する。
次に、レジストが除去された箇所をドライエッチング、ウェットエッチング等によりエッチングする。この際のエッチング条件により、孔２１１のＬ_Ｚを調整できる。従って、２種類以上の形状の孔を設ける場合、孔の孔径（Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙ）を露光パターンにより調整し、Ｌ_Ｚは同一として形状調整を行うことで容易に孔の形状を調整できる。
エッチング後、基材上に残ったレジストを除去することにより、キャビティ構造２１を表面に有するフィラメント２が得られる。

上記工程後、必要に応じてスパッタリング法等により、フィラメント２の表面を金属で被覆する。以上により、キャビティ構造２１を表面に有するフィラメント２を製造できる。

以上、本実施形態に係る任意スペクトル光源によれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態に係る任意スペクトル光源１は、２種類以上の形状の孔２１１が配列されてなるキャビティ構造２１を表面に有するフィラメント２を備え、キャビティ構造２１は、紫外光領域から赤外光領域にかけての波長の輻射を増幅する。
これにより、各孔２１１の数を調整することで、各孔２１１により増幅される波長の輻射強度を調整できるため、複雑な制御や装置構成を要することなく単一の光源で任意のスペクトルに調整可能な任意スペクトル光源１が得られる。

また、キャビティ構造２１の少なくとも表面は金属で被覆される。
これにより、キャビティ構造２１により共振が起こりやすくなるため、より確実に特定波長の輻射の増幅と、特定波長以上の輻射の減衰が起こる任意スペクトル光源１が得られる。

また、フィラメント２は金属製である。
これにより、フィラメント２をより高温にすることが可能となるため、より発光効率の良い任意スペクトル光源１が得られる。

また、孔２１１の形状は角孔状である。
これにより、キャビティ構造２１において孔２１１を密に形成することができるため、特定波長の輻射の増幅効果が増大する。また、孔２１１の形状設計が容易となる。

また、孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃの形状は、それぞれ深さＬ_Ｚが同一であり、孔径形状（Ｌ_Ｘ、Ｌ_Ｙ）が相違する。
これにより、フォトリソグラフィ等の方法により複数種類の孔２１１を製造する際に、孔２１１の種類ごとに深さＬ_Ｚの調整を行う必要が無く、製造方法を簡易化することができる。

また、キャビティ構造２１は、可視光領域の波長の輻射を増幅する。
これにより、単に光源として任意スペクトル光源１を用いる場合、可視光領域以上の波長領域の輻射エネルギーが減衰されて可視光領域の波長の輻射エネルギーが増幅されるため、エネルギー効率の良い任意スペクトル光源１が得られる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

例えば、本実施形態において、２種類以上の形状の孔２１１をそれぞれ赤色光、緑色光、青色光の輻射率を増幅させる３種の孔２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃとして説明したが、これに限定されない。キャビティ構造２１における孔は２種類以上の形状のものが存在していればよく、４種類以上であってもよい。また、輻射率が増幅される波長域としても、赤色光、緑色光、青色光以外の光色の波長域であってもよいし、紫外光領域や赤外光領域であってもよい。

１任意スペクトル光源
２輻射体（フィラメント）
２１キャビティ構造
２１１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ孔

Claims

２種類以上の形状の孔が配列されてなるキャビティ構造を表面に有する輻射体を備え、
前記キャビティ構造は、紫外光領域から赤外光領域にかけての波長の輻射を増幅する任意スペクトル光源。
前記キャビティ構造の少なくとも表面は金属で被覆される請求項１に記載の任意スペクトル光源。
前記輻射体は金属製である、請求項１又は２に記載の任意スペクトル光源。
前記孔の形状は、角孔状である、請求項１から３いずれかに記載の任意スペクトル光源。
前記孔の形状は、それぞれ深さが同一であり、孔径形状が相違する請求項１から４いずれかに記載の任意スペクトル光源。
前記キャビティ構造は、可視光領域の波長の輻射を増幅する請求項１から５いずれかに記載の任意スペクトル光源。