(57)【要約】【課題】空間中の水滴を効率的に微細化することができる水滴微細化装置を提供する。【解決手段】水滴微細化装置１は、近赤外線を出力する励起光源１２と、表面の少なくとも一部が発光層１８で被覆された光透過性部材１６を含み、励起光源から出力された近赤外線を該光透過性部材１６で受光し、発光層において発生した赤外線を水滴に照射する赤外線照射部１０と、を備え、発光層１８は、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物とを含有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外線を出力する励起光源と、
表面の少なくとも一部が発光層で被覆された光透過性部材を含み、前記励起光源から出力された近赤外線を該光透過性部材で受光し、前記発光層において発生した赤外線を水滴に照射する赤外線照射部と、
を備え、
前記発光層は、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物を含有する、水滴微細化装置。
【請求項２】
前記発光層は、二酸化ケイ素を含有する釉薬とゲルマニウムとを含む混合物を塗布し、該混合物を加熱溶融することにより形成される、請求項１に記載の水滴微細化装置。
【請求項３】
前記光透過性部材が、石英ガラスにより構成され、筒状を呈する、請求項１又は２に記載の水滴微細化装置。
【請求項４】
前記光透過性部材は、一端が閉蓋部とされ、他端が開口部とされており、
前記閉蓋部から前記近赤外線の光軸に一致する方向に延びる透光性の突起部が前記光透過性部材の内側に形成されており、
前記突起部の表面が、前記発光層で被覆されている、請求項３に記載の水滴微細化装置。
【請求項５】
前記赤外線照射部が、複数の前記光透過性部材を含み、該複数の前記光透過性部材が互いに束ねられた状態で設けられている、請求項１〜４の何れか一項に記載の水滴微細化装置。
【請求項６】
前記赤外線照射部が、凹面の反射板を更に含み、
前記反射板が前記発光層において発生した赤外線を受光し、受光した該赤外線を水滴に向けて反射する、請求項１〜５の何れか一項に記載の水滴微細化装置。
【請求項７】
前記光透過性部材の内側面が前記発光層で被覆されており、
前記光透過性部材の外側面が、前記発光層において発生した赤外線を遮る遮光膜で覆われている、請求項３又は４に記載の水滴微細化装置。
【請求項８】
前記赤外線照射部から赤外線が照射される空間における光の透過率を計測する監視装置と、
前記監視装置により計測された前記透過率に基づいて前記励起光源から出力される近赤外線の強度を制御する制御部と、
を更に備える、請求項１〜７の何れか一項に記載の水滴微細化装置。
【請求項９】
前記励起光源に接続され、前記励起光源から出力された近赤外線を前記光透過性部材に伝播させる光ファイバを更に備える、請求項１〜８の何れか一項に記載の水滴微細化装置。
【請求項１０】
前記赤外線照射部は、３〜１４μｍの波長範囲の光を照射する、請求項１〜９の何れか一項に記載の水滴微細化装置。
【請求項１１】
前記赤外線照射部は、赤色の可視光を更に含む光を照射する、請求項１０に記載の水滴微細化装置。
【請求項１２】
励起光源から近赤外線を出力する工程と、
前記励起光源から出力された近赤外線を表面の少なくとも一部が発光層で被覆された光透過性部材で受光し、前記発光層において発生した赤外線を水滴に照射する工程と、
を含み、
前記発光層は、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物を含有する、水滴微細化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水滴微細化装置及び水滴微細化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
霧に赤外線を照射することにより、霧の水滴を分解して霧を除去する装置が知られている。例えば、特許文献１には、測定光の吸収率を計測して測定光の伝播空間内の霧の発生状況を計測する透過率計と、トンネル内に赤外線を放射するランプユニットと、ランプユニットに電力を供給する電源部と、透過率計の計測結果に応じてランプユニットの点灯又は消灯を制御する制御部とを備える消霧装置が記載されている。このランプユニットは、ハロゲンランプと、当該ハロゲンランプの表面にコーティングされた遠赤外線放射セラミックスとを含んで構成されており、当該遠赤外線放射セラミックスがハロゲンランプから放射された可視光や近赤外線を吸収して発熱することにより、３μｍのピーク波長を有する赤外線を発生させている。
【０００３】
霧とは空気中の微粒子に水蒸気が付着することにより形成される微小な水滴の集合体である。例えば１０〜１００μｍ程度の粒径を有する比較的大きな水滴が空間内に高密度に存在すると、可視光が透過されにくくなり、空間内の視認性が低下する。ここで、霧の水滴に対して赤外線が照射されると、水滴が赤外線を吸収することにより水滴の熱又は運動エネルギーが増加する。これにより、水滴の内部エネルギーと表面張力のバランスが崩れて水滴が分裂する。特許文献１に記載の装置は、このように霧の水滴に赤外線を照射して霧の水滴を微細化することにより、トンネル内の視認性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１６６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水滴を構成する水分子は特定の波長を有する赤外線の照射により共振又は共振現象が生じて赤外線のエネルギーを吸収するが、水滴の赤外線吸収スペクトルは水滴の粒径によって変化する。例えば分子レベルに近い粒径１μｍ程度の微小な水滴は２〜６μｍの波長を有する赤外線を強く吸収する性質を有する。ここで、特許文献１に記載の装置では、３μｍのピーク波長を有する赤外線を照射しているので、照射された赤外線の一部は分子レベルにまで分裂された微小な水滴に吸収されることになる。このため、ランプユニットから照射された赤外線は微小な水滴により減衰してしまい、視認性を悪化させる主要因である粒径の大きな水滴に十分に赤外線を吸収させることができない場合がある。このため、特許文献１に記載の装置では、水滴を効率的に微細化することが困難である。
【０００６】
したがって、当技術分野においては、空間中の水滴を効率的に微細化することができる水滴微細化装置及び水滴微細化方法が要請されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る水滴微細化装置は、近赤外線を出力する励起光源と、表面の少なくとも一部が発光層で被覆された光透過性部材を含み、励起光源から出力された近赤外線を該光透過性部材で受光し、発光層において発生した赤外線を水滴に照射する赤外線照射部と、を備え、発光層は、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物を含有する。
【０００８】
本発明の一側面に係る水滴微細化装置では、励起光である近赤外線が照射される光透過性部材の表面に、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物を含有する発光層が配置される。発光層に含有されるゲルマニウムに近赤外線が照射されることにより、ゲルマニウムの価電子帯の電子（正孔）が励起されて伝導帯に遷移される。そして、価電子帯の重い正孔バンドと軽い正孔バンドとの間で正孔又は電子の遷移が生じることにより、赤外線領域（中赤外線領域を含む）の波長成分を含む光が放出される。比較的粒径の大きな水滴には中赤外線領域の全ての成分の光が吸収されるが、分子レベルの微小な水滴には吸収されにくい赤外線成分が存在する。本水滴微細化装置から放出される赤外線は、分子レベルの微小な水滴に吸収されにくく、比較的粒径の大きな水滴に吸収されやすいような波長成分を含んでいる。したがって、本水滴微細化装置から水滴に照射された赤外線は、水滴を分解した後も減衰することなく、前方の水滴を次々と分解することとなる。その結果、空間中の水滴を効率的に微細化することができる。
【０００９】
一実施形態においては、発光層は、二酸化ケイ素を含有する釉薬とゲルマニウムとを含む混合物を塗布し、該混合物を加熱溶融することにより形成されてもよい。このように構成されることにより、光透過性部材の表面に発光層を容易に形成することができる。
【００１０】
一実施形態においては、光透過性部材が、石英ガラスにより構成され、筒状を呈していてもよい。光透過性部材が、石英ガラスにより構成されることにより、励起光である近赤外線を透過して発光層に伝播することができる。また、光透過性部材を筒状にすることにより、その表面に形成される発光層の量を多くすることができる。
【００１１】
一実施形態においては、光透過性部材は、一端が閉蓋部とされ、他端が開口部とされており、閉蓋部から近赤外線の光軸に一致する方向に延びる透光性の突起部が光透過性部材の内側に形成されており、突起部の表面が、発光層で被覆されていてもよい。この場合には、突起部に設けられた発光層に高い強度の励起光が照射されることになるので、発光層から放出される赤外線の出力強度を高めることができる。
【００１２】
一実施形態においては、赤外線照射部が、複数の光透過性部材を含み、該複数の光透過性部材が互いに束ねられた状態で設けられていてもよい。このように構成することにより、赤外線を放出するゲルマニウムの量を増加させることができ、その結果、赤外線照射部から放出される赤外線の出力強度を高めることができる。
【００１３】
一実施形態においては、赤外線照射部が、凹面の反射板を更に含み、反射板が発光層において発生した赤外線を受光し、受光した該赤外線を水滴に向けて反射してもよい。このように構成することにより、光透過性部材から放出された赤外線を水滴の存在する空間に向けて照射することができる。
【００１４】
一実施形態においては、光透過性部材の内側面が発光層で被覆されており、光透過性部材の外側面が、発光層において発生した赤外線を遮る遮光膜で覆われていてもよい。この場合には、光透過性部材の側面から赤外線が放出されることが防止されるので、赤外線を光透過性部材の端部から放出することができる。
【００１５】
一実施形態においては、赤外線照射部から赤外線が照射される空間における光の透過率を計測する監視装置と、監視装置により計測された透過率に基づいて励起光源から出力される近赤外線の強度を制御する制御部と、を更に備えていてもよい。このように構成することにより、比較的粒径の大きな水滴が空間中に高密度に存在することにより空間中の光の透過率を低下した場合には、励起光の強度が調整される。これにより、赤外線照射部から放出される赤外線の出力強度が変化する。よって、微細化が必要とある比較的粒径の大きな水滴の存在量に応じて、赤外線照射部から放出される赤外線の出力強度を調整することができる。
【００１６】
一実施形態においては、励起光源に接続され、励起光源から出力された近赤外線を光透過性部材に伝播させる光ファイバを更に備えていてもよい。このように構成することにより、励起光源からの近赤外線を光透過性部材の目的とする部位に適切に照射することができる。
【００１７】
一実施形態においては、赤外線照射部は、３〜１４μｍの波長範囲の光を照射してもよい。また、一実施形態においては、赤外線照射部は、赤色の可視光を更に含む光を照射してもよい。このように構成することにより、空間中の水滴を効率的に微細化することができる。
【００１８】
本発明の一側面に係る水滴微細化方法は、励起光源から近赤外線を出力する工程と、前記励起光源から出力された近赤外線を表面の少なくとも一部が発光層で被覆された光透過性部材で受光し、前記発光層において発生した赤外線を水滴に照射する工程と、を含み、前記発光層は、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物とを含有する。本水滴微細化方法によれば、上述のように空間中の水滴を効率的に微細化することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、空間中の水滴を効率的に微細化することができる水滴微細化装置及び水滴微細化方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態に係る水滴微細化装置を概略的に示す模式図である。
【図２】一実施形態に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【図３】発光層内に存在する微粒子の構造の一例を示す図である。
【図４】発光部から放出される中赤外線のスペクトルを示す図である。
【図５】一実施形態に係る水滴微細化方法のフロー図である。
【図６】水滴の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図７】ゲルマニウムのバンド構造を示す図である。
【図８】変形例１に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【図９】変形例２に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【図１０】変形例３に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【図１１】変形例４に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【図１２】変形例５に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【図１３】変形例６に係る赤外線発光部を概略的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。
【００２２】
図１は、一実施形態に係る水滴微細化装置を概略的に示す模式図である。図１に示す水滴微細化装置１は、中赤外線を空間Ｓに照射し、空間Ｓ内の水滴を微細化する装置である。空間Ｓ内には、自然的又は人工的に発生させた水滴が高密度に存在しており、この水滴が霧を構成しているものとする。
【００２３】
一実施形態に係る水滴微細化装置１は、赤外線照射部１０及び励起光源１２を備えている。励起光源１２は、励起光として近赤外線を出力する。励起光源１２から出力される近赤外線は、例えば０．８μｍ〜１．２μｍの波長を有している。励起光源１２としては、例えば、近赤外線を発光するレーザダイオード（ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ））が用いられる。励起光源１２には、光ファイバＯＦの一端が接続されており、励起光源１２は光ファイバＯＦを介して励起光を赤外線照射部１０に出力する。励起光源１２には、電源１２ａが接続されている。電源１２ａは、励起光を生成するための電力を励起光源１２に供給する。電源１２ａから供給される電力は、例えば１０Ｗよりも小さな電力とし得る。
【００２４】
図２は、一実施形態に係る赤外線照射部１０を概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０は、発光部１４及び反射板２０を含んで構成されている。発光部１４は、円筒軸Ｚを中心とする円筒形状を有する光透過性部材１６を含んでいる。光透過性部材１６は、その円筒軸Ｚが光ファイバＯＦの他端（出力端）から出力される励起光の光軸と一致するように配置されている。光透過性部材１６の一方の端部は、当該端部を閉じる閉蓋部１６ａとされている。閉蓋部１６ａは、発光部１４の外側に向けて突出する曲面状に形成されていてもよい。光透過性部材１６の他方の端部は開口部１６ｂとされている。光透過性部材１６は、近赤外線の透光性の高い材料、例えば石英ガラスにより構成される。
【００２５】
一実施形態では、閉蓋部１６ａには中空管１７が接続されている。中空管１７は、光ファイバＯＦよりも大きな内径を有する中空の石英ガラス管であり、円筒軸Ｚ方向に沿って光透過性部材１６の外側に延びている。この中空管１７の内部空間には、光ファイバＯＦが挿入されている。光ファイバＯＦの励起光の出力端は、閉蓋部１６ａに対向するように、離間して配置されている。これにより、光ファイバＯＦから出力された励起光は、光透過性部材１６の閉蓋部１６ａにおいて分散されつつ、光透過性部材１６内を伝播する。なお、一実施形態では、中空管１７を備えずに、光ファイバＯＦの出力端が閉蓋部１６ａに溶着又は挿入されていてもよい。
【００２６】
円筒形状の光透過性部材１６の内側面１６ｃ及び外側面１６ｄは、発光層１８により被覆されている。発光層１８は、二酸化ケイ素及びゲルマニウムを含有する薄膜又は厚膜である。発光層１８は、ゲルマニウム酸化物を更に含有していてもよい。一実施形態では、発光層１８は、溶融された釉薬にゲルマニウムを含有した混合物から形成される。釉薬としては、例えば二酸化ケイ素を主成分とする材料を用いることができる。例えば、発光層１８は、二酸化ケイ素及びゲルマニウムの微粒子を含む混合物を光透過性部材１６の内側面１６ｃ及び外側面１６ｄに塗布し、該混合物を加熱溶融することにより形成され得る。このように混合物を加熱溶融することにより、図３に示すように、発光層１８内のゲルマニウムの微粒子の表面が酸化され、ゲルマニウムの微粒子がゲルマニウム酸化物で覆われた状態となる。このゲルマニウム酸化物は、例えば一酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ）又は二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）である。なお、発光層１８は、１〜２ｍｍ程度の膜厚とすることができる。また、ゲルマニウムの微粒子の径は、１００オングストローム程度とすることができ、このゲルマニウムの微粒子は発光層１８内に１〜１０％程度の濃度で存在していてもよい。
【００２７】
なお、発光層１８は、図２に示すように、中空管１７が形成された部分を除き、光透過性部材１６の全面を覆うように形成され得る。これにより、光透過性部材１６を伝播する励起光が発光部１４の外部に漏れることが防止される。また、光透過性部材１６の形状は、円筒形状に限られず、任意の筒状であってもよいし、円柱形状や多角柱形状であってもよい。
【００２８】
励起光源１２から出力された励起光は、光透過性部材１６内を伝播して光透過性部材１６を覆う発光層１８に照射される。励起光は、近赤外線であるため、光透過性部材１６や発光層１８に含有される釉薬やゲルマニウムの微粒子を覆うゲルマニウム酸化物を透過し、発光層１８内のゲルマニウムに到達する。そして、励起光が、ゲルマニウムの価電子帯の電子を励起して伝導帯に遷移させる。そして、価電子帯の重い正孔バンドと軽い正孔バンドとの間で正孔又は電子の遷移が生じることにより、赤外線領域（中赤外線領域を含む）の波長成分を含む光が発生する。ゲルマニウムにおいて発生した光は、他のゲルマニウムの微粒子を透過するか、他のゲルマニウムの価電子帯の電子を励起して更に中赤外線領域の光を発生させる。また、発光層１８内において隣接するゲルマニウムの微粒子同士の間隔は励起光の波長よりも小さいので、ゲルマニウムにおいて発生した光はトンネル効果により発光層１８内を伝播し、最終的に発光層１８の外部に放出される。このようにして、発光部１４から中赤外線領域（例えば、３〜１４μｍ）を含む赤外線が放出される。
【００２９】
図４は、発光部１４から放出される光の発光スペクトルを示す図である。図４において、横軸は波数（ｃｍ−１）を表しており、縦軸は各波数における光の強度を表している。図４中のグラフＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、それぞれ電源１２ａから発光部１４に供給される電力をそれぞれ５Ｗ、１Ｗ、０Ｗとしたときの発光部１４から放出される光の発光スペクトルを示している。図４に示すように、発光部１４から放出される光は、３〜１４μｍの波長帯（波長範囲）を主な成分として有する中赤外線である。電源１２ａからの供給電力を１Ｗとした場合には、波長１０μｍ（波数１０００ｃｍ−１）にピークを有する中赤外線が放出される（グラフＧ２参照）。また、この中赤外線は、電源１２ａから供給される電力が大きくなるほど強度が大きくなり、且つ、波長が短くなる（グラフＧ１参照）。これは、電源１２ａから発光部１４に供給される電力が大きくなることにより、発光部１４から放出される光の発光エネルギーが増加するためである。
【００３０】
図１、２の説明に戻り、反射板２０は、内側に放物面状の反射面を有する凹面鏡である。反射板２０は、その焦点位置が光透過性部材１６の設置位置に一致するように設けられており、発光部１４から放出された中赤外線を反射面で受光し、受光した中赤外線を反射して当該赤外線を平行光として空間Ｓ内の水滴に向けて照射する。この反射板２０により、発光部１４から放出された中赤外線を集光して空間Ｓに投光することができる。
【００３１】
また、一実施形態に係る水滴微細化装置１は、監視装置２２を更に備え得る。監視装置２２は、空間Ｓの近傍に設けられ、空間Ｓにおける光の透過率を計測する。監視装置２２は、任意の計測方法を用いて空間Ｓ内の透過率を計測し得る。例えば、監視装置２２は、撮像素子を備え、空間Ｓを撮像して得られた画像データの輝度値から空間Ｓにおける透過率を計測することができる。また、監視装置２２は、空間Ｓ内に参照光を照射して、その透過光量に基づいて空間Ｓ内の光の透過率を計測してもよい。ここで、空間Ｓ内の透過率が低いということは、空間Ｓ内に比較的粒径の大きな水滴が高密度に存在していることを表している。監視装置２２は、計測により得られた空間Ｓの光の透過率を示すデータを制御部２４に出力する。
【００３２】
制御部２４は、監視装置２２から空間Ｓ内の光透過率を示すデータを受け、その結果に基づいて励起光源１２から出力される励起光の強度を制御する。制御部２４は、例えば空間Ｓの光透過率が基準値よりも低い場合には、電源１２ａからの供給電力を増加させるための制御信号を電源１２ａに出力し、励起光源１２からの励起光の出力強度を増加させる。反対に、制御部２４は、例えば空間Ｓの光透過率が基準値よりも高い場合には、電源１２ａからの供給電力を維持させるための制御信号を電源１２ａに出力し、励起光源１２からの励起光の出力強度を維持する。このように、水滴微細化装置１においては、監視装置２２及び制御部２４を備えることにより、比較的粒径の大きな水滴が空間中に高密度に分布して空間中の光の透過率を低下した場合に、励起光の強度が調整される。これにより、赤外線照射部１０から放出される赤外線の出力強度が変化する。よって、微細化が必要となる比較的粒径の大きな水滴の存在量に応じて、赤外線照射部１０から放出される赤外線の出力強度を調整することができる。
【００３３】
次に、図５を参照して、上述の水滴微細化装置１を用いた一実施形態の水滴微細化方法について説明する。後述する工程Ｓ１〜Ｓ６は、予め設定された周期で繰り返し実行される。一実施形態では、まず工程Ｓ１において、励起光源１２から発光部１４に励起光である近赤外線を出力する。次に、工程Ｓ２において、発光部１４が励起光を受光して中赤外線を放出し、当該中赤外線を空間Ｓ内の水滴に照射する。続いて、工程Ｓ３において、監視装置２２が空間Ｓ内の光の透過性を計測する。
【００３４】
その後、工程Ｓ４において空間Ｓ内の光の透過率が所定の閾値ＴＨよりも低いか否かを判定する。空間Ｓ内の光の透過率が所定の閾値ＴＨよりも低い場合には、工程Ｓ５において励起光源１２から出力される励起光の出力強度を大きくする。一方、空間Ｓ内の光の透過率が所定の閾値ＴＨ以上である場合には、工程Ｓ６において励起光源１２から出力される励起光の出力強度を維持する。工程Ｓ５又は工程Ｓ６が終了すると、一実施形態に係る水滴微細化方法の一周期の処理が終了する。
【００３５】
次に、一実施形態に係る水滴微細化装置１の作用効果を説明する。励起光源１２から出力された励起光は、発光層１８に含有されるゲルマニウムを励起して発光層１８から中赤外線領域の波長帯を有する赤外線を放出する。光透過性部材１６の内側面１６ｃを被覆する発光層１８から放出された中赤外線は、光透過性部材１６の内側面１６ｃにおいて反射しつつ開口部１６ｂ側に伝播して発光部１４の外部に放出され、空間Ｓに向けて照射される。また、外側面１６ｄを被覆する発光層１８から放出された中赤外線は、反射板２０の放物面状の反射面において反射され、空間Ｓに照射される。
【００３６】
中赤外線が空間Ｓ内の水滴に対して照射されると、水滴が中赤外線を吸収して水滴の熱又は運動エネルギーが増加する。水滴の内部エネルギーが増加すると、水滴の内部エネルギーと表面張力のバランスが崩れて水滴が分裂する。中赤外線が照射された水滴は、分裂を繰り返すことにより最終的には分子レベルにまで分裂され、可視光を透過しやすい状態に変化する。
【００３７】
図６は、液体状の水、氷、及び粒径１μｍ程度の微小水滴の赤外線吸収スペクトルを示している。図６に示すように、微小水滴は、２〜６μｍ帯に吸収帯を有しているが、波長６．３μｍ及び１０μｍ付近においては赤外線吸収率が低下している。これに対し、液体状の水や氷は、６．３μｍ及び１０μｍ付近の波長帯を有する赤外線に対して高い吸収率を有している。粒径の大きな水滴は、液体状の水に近い赤外線吸収スペクトルを有しているので、発光部１４から放出された１０μｍの波長ピークを有する赤外線は、粒径の大きな水滴に選択的に吸収されることになる。このため、水滴微細化装置１によれば、微小水滴により赤外線が減衰することが抑制され、遠方の水滴まで赤外線が照射されることになる。これにより、空間中の水滴を効率的に微細化することができる。
【００３８】
また、一実施形態に係る水滴微細化装置１では、図３に示すように、ゲルマニウムの微粒子の表面がゲルマニウム酸化物で覆われている。ゲルマニウム酸化物及び二酸化ケイ素は、ゲルマニウムよりも小さい屈折率を有している（ゲルマニウムの屈折率が約４であるのに対し、ゲルマニウム酸化物及び二酸化ケイ素の屈折率は１．２〜１．５）。このため、発光層１８がゲルマニウム及びゲルマニウム酸化物を含有することによって、ゲルマニウムから放射される中赤外線が、効率よく発光層１８の外部に放出されることになる。
【００３９】
また、一実施形態に係る水滴微細化装置１は、空間Ｓにおける光の透過率を計測する監視装置２２と、監視装置２２により計測された透過率に基づいて励起光源１２から出力される近赤外線の強度を制御する制御部２４とを更に備えている。このため、比較的粒径の大きな水滴が空間中に多量に存在することで空間中の光の透過率を低下した場合には、励起光の強度を調整して、赤外線照射部１０から放出される赤外線の出力強度を変化させることができる。よって、微細化が必要とある比較的粒径の大きな水滴の密度に応じて、赤外線照射部から放出される赤外線の出力強度を調整することができる。
【００４０】
ここで、参考までにゲルマニウムが中赤外線を含む赤外光を発生させる原理とメカニズムについて以下に説明する。
【００４１】
図７は、ゲルマニウムのバンド構造を示している。図７に示すように、ゲルマニウムは、重い正孔バンド（Ｈｅａｖｙ  Ｍａｓｓ  Ｂａｎｄ）と軽い正孔バンド（Ｌｉｇｈｔ  Ｍａｓｓ  Ｂａｎｄ）の二種類の正孔バンドを有している。ここで、例えば波長０．１μｍの近赤外線は、１．２４ｅＶのエネルギーを有しているので、ゲルマニウムに波長０．１μｍの近赤外線を照射すると、価電子帯の電子はＥｒ１（０．８ｅＶ）のバンドに励起される。これにより、重い正孔バンドと軽い正孔バンドには正孔が生じる。これにより、価電子帯の重い正孔バンドから軽い正孔バンドとの間に正孔又は電子の遷移が生じることとなり、重い正孔バンドから軽い正孔バンドの正孔に電子が落ちる際に、中赤外線領域の波長帯を有する赤外線が放出される。
【００４２】
この重い正孔バンドと軽い正孔バンドには、熱平衡状態で０．０２６ｅＶ（ｋＴ、ｋ＝１．３８×１０−３４、Ｔ＝３００Ｋ）の幅において多くの正孔が存在し、その中では電子が少なくなっている。ここで、ゲルマニウムに照射される近赤外線のエネルギーはＥｒ１よりも大きいので、軽い正孔バンド内の低いエネルギー側から電子が励起されることになる。近赤外線のエネルギーとＥｒ１の差は０．４４ｅＶであるので、重い正孔バンドから軽い正孔バンドの正孔に電子が落ちる電子は、波長１２μｍに対応する０．１０４ｅＶ（４ｋＴ、ｋ＝１．３８×１０−３４、Ｔ＝３００Ｋ）のエネルギーを有ることになる。したがって、ゲルマニウムに１μｍの近赤外線を照射することにより、波長１２μｍ付近の中赤外線が放出されることになる。
【００４３】
なお、水滴微細化装置１は、励起光源１２から出力される光を変化させることにより、中赤外線領域とは異なる波長帯を含む光を照射することができる。例えば、励起光源１２が１０Ｗ以上の高パワー（例えば１０Ｗ〜１００Ｗ）で近赤外線を出力した場合には、上述した中赤外線領域に加え可視光領域の波長帯を含む光が赤外線照射部１０から出力される。これは、高パワーの近赤外線が照射されると、励起状態へと遷移する際に２つの光子を吸収することにより起こる現象である。この可視光は、０．７μｍ付近の波長を有する赤色の可視光である。この赤色可視光は、ゲルマニウム微粒子を覆う一酸化ゲルマニウム又は二酸化ゲルマニウムに高パワーの近赤外線が照射されることにより放出される。また近年、この波長帯を有する赤色可視光は、人体や植物に影響を及ぼすことが知られてきており、この赤色可視光を人体や植物の治療等への応用することが考えられる。また、このような赤色可視光は、励起光源１２の出力が小さい場合であっても、発光層１８に含有されるゲルマニウムの濃度が小さい場合（例えば１％以下の場合）や発光層１８の膜厚が薄い場合（例えば１μｍ以下の場合）に発生される。
【００４４】
なお、上述した実施形態は本発明に係る水滴微細化装置の一例を示すものである。本発明に係る水滴微細化装置は、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。
【００４５】
例えば、赤外線照射部１０を種々の構成に変形することが可能である。以下では、赤外線照射部１０の変形例について説明する。
【００４６】
（変形例１）
まず、変形例１に係る赤外線照射部１０Ａについて説明する。図８は、赤外線照射部１０Ａを概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０Ａは、反射板を備えておらず、発光部１４に代えて発光部１４Ａを備えている。以下では、発光部１４Ａについて発光部１４と異なる部分についてのみ説明し、同一の部分についての説明は省略する。
【００４７】
発光部１４Ａでは、光透過性部材１６の表面の一部である内側面１６ｃのみに発光層１８が形成されている。光透過性部材１６の外側面１６ｄには、中赤外線を遮る遮光膜３０が設けられている。遮光膜３０としては、例えば銀箔が挙げられる。赤外線照射部１０Ａでは、励起光源１２からの励起光が遮光膜３０により光透過性部材１６の内側に向けて反射されるので発光層１８内のゲルマニウムを強く励起することができる。光透過性部材１６内で生じた中赤外線が光透過性部材１６の側壁を透過することが防止されるので、中赤外線が開口部１６ｂから放出されることになる。したがって、赤外線照射部１０Ａによれば、反射板２０を用いることなく赤外線を空間Ｓの方向に向けて照射することができる。
【００４８】
（変形例２）
次に、変形例２に係る赤外線照射部１０Ｂについて説明する。図９は、赤外線照射部１０Ｂを概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０Ｂは、発光部１４Ｂ及び反射板２０を備えている。以下では、発光部１４Ｂについて発光部１４と異なる部分についてのみ説明し、同一の部分についての説明は省略する。
【００４９】
発光部１４Ｂは、閉蓋部１６ａから円筒軸Ｚに沿って延びる長尺状の突起部２６が設けられている。即ち、突起部２６の延在方向は、光ファイバＯＦを介して発光部１４Ａ内に入射する励起光の光軸に一致している。突起部２６の材料としては、光透過性部材１６と同一の材料を用いることができ、例えば石英ガラスを用いることができる。突起部２６の表面は、発光層２８で被覆されている。発光層２８は、発光層１８と同一の材料により構成され得る。即ち、発光層２８は、二酸化ケイ素、ゲルマニウム、及びゲルマニウム酸化物を含有している。
【００５０】
変形例に係る発光部１４Ｂでは、光ファイバＯＦを介して発光部１４Ｂ内に入射した励起光が、突起部２６を覆う発光層２８に照射される。励起光は、発光層２８に含有されるゲルマニウムを励起して、中赤外線領域の波長帯を含む赤外線を放出させる。この際、突起部２６は励起光の光軸に沿って配置されているので、突起部２６を覆う発光層２８には高い強度の励起光の照射されることになり、発光層２８からは高い強度の赤外線が平行光として放出される。また、光透過性部材１６を伝播する励起光は、光透過性部材１６の内側面１６ｃ及び外側面１６ｄを覆う発光層１８を励起して、中赤外線を放出させる。このように、発光部１４Ａでは、発光層１８及び発光層２８から中赤外線が放出されるので、赤外線の出力強度を高めることができる。
【００５１】
（変形例３）
次に、変形例３に係る赤外線照射部１０Ｃについて説明する。図１０は、赤外線照射部１０Ｃを概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０Ｃは、反射板２０を備えておらず、発光部１４に代えて発光部１４Ｃを備えている。以下では、発光部１４Ｃについて発光部１４と異なる部分についてのみ説明し、同一の部分についての説明は省略する。
【００５２】
発光部１４Ｃには、発光部１４Ｂと同様に、閉蓋部１６ａから円筒軸Ｚに沿って延びる長尺状の突起部２６が設けられている。また、発光部１４Ｃでは、光透過性部材１６の内側面１６ｃのみに発光層１８が形成されており、光透過性部材１６の外側面１６ｄには、中赤外線を遮る遮光膜３０が設けられている。赤外線照射部１０Ｃでは、遮光膜３０により、光透過性部材１６内で生じた中赤外線が光透過性部材１６の側壁を透過して放出されることが防止されるので、中赤外線が開口部１６ｂから放出されることになる。したがって、赤外線照射部１０Ｃによれば、反射板２０を用いることなく赤外線を空間Ｓの方向に向けて照射することができる。
【００５３】
（変形例４）
次に、変形例４に係る赤外線照射部１０Ｄについて説明する。図１１は、赤外線照射部１０Ｄを概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０Ｄは、発光部１４Ｄ及び反射板２０を備えている。以下では、発光部１４Ｄについて発光部１４と異なる部分についてのみ説明し、同一の部分についての説明は省略する。
【００５４】
発光部１４Ｄでは、光透過性部材１６の外側面１６ｄのみに発光層１８が形成されている。また、開口部１６ｂが光ファイバＯＦの励起光の出力端に対向するように光透過性部材１６が配置されている。即ち、発光部１４Ｄでは、励起光の入力側の端部が開口部１６ｂとされている。そして、開口部１６ｂの反対側の端部が、閉蓋部１６ａとされている。発光部１４Ｄでは、光ファイバＯＦから出力された励起光が光透過性部材１６を透過し、光透過性部材１６の外側面１６ｄを覆う発光層１８に照射される。発光部１４Ｄでは、光透過性部材１６の外側面１６ｄを覆う発光層１８から中赤外線が放出されるので、この中赤外線は発光部１４Ｂを中心として全方向に放射され易くなる。そして、放出された中赤外線は、反射板２０により空間Ｓの方向に向けて反射される。
【００５５】
なお、一実施形態では、複数の発光部１４Ｄを束ねて一つの発光部としてもよい。このように構成することにより、赤外線を放出するゲルマニウムの量を増加させることができるので、放出される赤外線の出力強度を高めることができる。この場合には、励起光源１２から出力される励起光を分岐し、この分岐された励起光を複数の発光部１４Ｄに出力してもよい。
【００５６】
（変形例５）
次に、変形例５に係る赤外線照射部１０Ｅについて説明する。図１２は、赤外線照射部１０Ｅを概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０Ｅは、発光部１４Ｅ及び反射板２０を備えている。以下では、発光部１４Ｅについて発光部１４と異なる部分についてのみ説明し、同一の部分についての説明は省略する。
【００５７】
発光部１４Ｅでは、光透過性部材１６の両端部が閉蓋部１６ａにより覆われている。また、光透過性部材１６の外側面１６ｄのみに発光層１８が形成されている。この発光部１４Ｅでは、光ファイバＯＦから出力された励起光が光透過性部材１６を伝播し、光透過性部材１６の外側面１６ｄを覆う発光層１８に照射される。発光層１８では、励起光が照射されることにより発光部１４Ｅの外側方向に向けて中赤外線が放出される。そして、放出された中赤外線は、反射板２０により空間Ｓの方向に向けて反射される。
【００５８】
（変形例６）
次に、変形例６に係る赤外線照射部１０Ｆに付いて説明する。図１３は、赤外線照射部１０Ｆを概略的に示す縦断面図である。赤外線照射部１０Ｆは、発光部１４Ｆ及び反射板２０を備えている。
【００５９】
発光部１４Ｆの光透過性部材１６は、小径の第１の部分３２と大径の第２の部分３４とが連結されて構成されている。第１の部分３２及び第２の部分３４の内部空間は、互いに連通している。第１の部分３２の一端は、開放されている。第１の部分３２の他端は、第１の部分３２及び第２の部分３４の内部空間が互いに連通するよう、第２の部分３４の一端と接続されている。第２の部分３４の他端は閉蓋部１６ａとされている。光透過性部材１６の外側面１６ｄには発光層１８が形成されている。
【００６０】
光ファイバＯＦは、第１の部分３２及び第２の部分３４の内部空間に挿入されており、その出力端は、第２の部分３４の内部空間に配置されている。この発光部１４Ｆでは、光ファイバＯＦの出力端から出力された励起光が光透過性部材１６を透過し、光透過性部材１６の外側面１６ｄを覆う発光層１８に照射される。発光層１８では、励起光が照射されることにより発光部１４Ｆの外側方向に向けて中赤外線が放出される。そして、放出された中赤外線は、反射板２０により空間Ｓの方向に向けて反射される。
【００６１】
なお、上述の実施形態では水滴微細化装置１が赤外線を霧の水滴に照射していたが、水滴微細化装置１は任意の液滴に赤外線を照射して当該水滴を微細化することができる。例えば、水滴微細化装置１は、液体状の化粧品、塗装、香材料、農薬等を微細化してもよい。液体状の化粧品や塗装を微細化することにより、液体の粒子を活性化し、被付着物の表面状態によらず化粧品や塗装を被付着物に均一に付着させることができる。特に、高パワーの近赤外線を発光部１４に照射することにより放出される中赤外線領域及び可視光領域の波長帯を含む光は、化粧水の液滴を効率よく微細化することができる。また、水滴微細化装置１により微細化された水分子はエネルギーが増加するので、微細化された液滴を活性化することができる。このため、例えば農薬を微細化することにより農薬の殺虫効果を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…水滴微細化装置、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ…赤外線照射部、１２…励起光源、１２ａ…電源、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ…発光部、１６…光透過性部材、１６ａ…閉蓋部、１６ｂ…開口部、１６ｃ…内側面、１６ｄ…外側面、１８…発光層、２０…反射板、２２…監視装置、２４…制御部、２６…突起部、２８…発光層、３０…遮光膜、ＯＦ…光ファイバ、Ｓ…空間、Ｚ…円筒軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図４】
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【図６】
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