(57)【要約】【課題】高変換効率の可視光源を提供すること。【解決手段】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石英管２で被覆し、石英管２の外面を石英管２の屈折率ｎ２より大きい屈折率ｎ３を有する高屈折率層３で被覆し、高屈折率層３の外面を赤外光反射多層膜４で被覆する。赤外光反射多層膜４は可視光を透過させる。石英管２の端部には可視光及び赤外光を全反射する白色散乱体（もしくはミラー）５を設ける。【選択図】        図２
2015167105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントと、
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を被覆し、前記透明基材の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率層と、
前記高屈折率層の外面を被覆する赤外光反射多層膜と
を具備する可視光源。
【請求項２】
前記高屈折率層の厚さは１μｍ〜１００μｍである請求項１に記載の可視光源。
【請求項３】
前記透明基材は管状であり、
さらに、前記透明基材の端部に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を具備する請求項１に記載の可視光源。
【請求項４】
前記透明基材は石英である請求項１に記載の可視光源。
【請求項５】
前記透明基材はサファイアである請求項１に記載の可視光源。
【請求項６】
前記フィラメントは高融点金属よりなる請求項１に記載の可視光源。
【請求項７】
前記フィラメントは炭素系材料よりなる請求項１に記載の可視光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
図６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６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。
【０００４】
図６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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６０−２５３１４６号公報
【特許文献２】特開昭６２−１０８５４号公報
【特許文献３】特表２００１−５１９０７９号公報
【特許文献４】特開平６−５２６３号公報
【特許文献５】特開平６−２１６７号公報
【特許文献６】特開２００６−２０５３３２号公報
【特許文献７】特開昭５９−５８７５２号公報
【特許文献８】特表昭６２−５０１１０９号公報
【特許文献９】特開２０００−１２３７９５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】F.Kusunoki et al., "Narrow-Band Thermal Radiation with Low Directivity by Resonant Modes inside Tungusten Microcavities", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.8A, pp.5253-5258, 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の第３の従来の可視光源においては、赤外光反射多層膜の設計は、反射赤外光のある波長λに対して厚さが異なる低屈折率層及び高屈折率層の１つの組を積層する。従って、波長λが範囲を有していれば、その範囲の中心波長λ１、λ２、…、λＮに対して組数Ｎの積層を必要とする。また、同一中心波長λでも入射角θが範囲を有していれば、積層数は増加する。たとえば、波長λ＝０．８μｍ〜３．０μｍの赤外光を入射角θ１＝０°〜３０°で９５％以上反射させたい場合には、図７の（Ａ）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１０３Ａよりなる可視光源において、厚さが異なる低屈折率層及び高屈折率層の組を３０組つまり６０層必要とし、この場合、フィラメント１０１から石英管１０２、赤外光反射多層膜１０３Ａへの赤外光反射率が角度依存性を有する。つまり、入射角θ１が０〜３０°の場合には、赤外光反射率は大きいが、入射角θ１が３０〜９０°の場合には、赤外光反射率が著しく低下し、従って、赤外光が赤外光反射多層膜１０３Ａ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。尚、図７の（Ａ）においては、石英管１０２への入射角θ１＝０°〜３０°は、石英管１０２の屈折率ｎ２＝１．４とすれば、赤外光反射多層膜１０３Ａへの入射角θ２＝０°〜２１°となる。他方、波長λ＝０．８μｍ〜３．０μｍの赤外光を入射角θ１＝０°〜９０°で９５％以上反射させたい場合には、図７の（Ｂ）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１０３Ｂよりなる可視光源において、厚さが異なる低屈折率層及び高屈折率層の組を１００組つまり２００層必要とし、この場合、フィラメント１０１から石英管１０２、赤外光反射多層膜１０３Ｂへの赤外光反射率が角度依存性を有せず、入射角θ１が０〜９０°で、赤外光反射率は大きい。しかしながら、層数の増大により製造コストが高いという課題がある。尚、図７の（Ｂ）においては、石英管１０２への入射角θ１＝０°〜９０°は、石英管１０２の屈折率ｎ２＝１．４とすれば、赤外光反射多層膜１０３Ｂへの入射角θ２＝０°〜４５°となる。
【００１３】
このように、上述の第３の従来の可視光源においては、変換効率と製造コストとがトレードオフの関係にある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、透明基材の外面を被覆し、透明基材の屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率層と、高屈折率層の外面を被覆する赤外光反射多層膜とを具備するものである。透明基材への入射角は赤外光反射多層膜へのより小さな入射角に変換され、透明基材への入射角の広い範囲で赤外光反射多層膜の赤外光反射率が大きくなる。従って、透明基材への入射角に対する赤外光反射率の角度依存性は小さくなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、透明基材への入射角に対して赤外光反射率の角度依存性が小さくなるので、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る可視光源の原理を説明するための放射光スペクトルを示すグラフである。
【図２】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。
【図３】図２の可視光源の動作を説明するための図である。
【図４】図２の赤外光反射多層膜の詳細を示す断面図である。
【図５】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。
【図６】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７】第３の従来の可視光源の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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）を有する単一の赤外光反射多層膜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。このとき、赤外光反射多層膜への入射角を小さくするために、赤外光反射多層膜光入射面側に新たに高屈折率層を設ける。
【００１８】
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。
【数１】
2015167105.tif 000003
但し、α  ＝  ３．７４７×１０８ Ｗ・μｍ４／ｍ２
β  ＝  １．４３８７×１０４ μｍ・Ｋ
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【数２】
2015167105.tif 000004
【００２１】
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できる。
ε（λ）  ＝  １  −  Ｒ（λ）
【００２２】
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。
【数３】
2015167105.tif 000005
【００２３】
すなわち、上述の赤外光反射多層膜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。その際に、赤外光反射多層膜に高屈折率層を設けて赤外光反射多層膜に対する入射角を小さくすることにより、赤外光反射率の角度依存性を小さくする。
【００２４】
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。
【００２５】
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の外面を石英管２の屈折率ｎ２より大きい屈折率ｎ３を有する高屈折率層３で被覆し、高屈折率層３の外面を赤外光反射多層膜４で被覆する。尚、赤外光反射多層膜４は可視光を透過させる。また、石英管２の端部には可視光及び赤外光を全反射する白色散乱体（もしくはミラー）５を設ける。
【００２６】
図３は図２の可視光源の動作を説明するための断面図である。図３においては、スネルの法則により次式が成立する。
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２＝ｎ３ｓｉｎθ３
但し、ｎ１はフィラメント１が存在する真空中の屈折率であって、１．０、
ｎ２は石英管２の石英（ＳｉＯ２）の屈折率であって、１．４、
ｎ３は高屈折率層３の屈折率であって、たとえば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）もしくは酸化ハウニウム（ＨｆＯ２）の屈折率２．０、
θ１は石英管２への入射角、
θ２は高屈折率層３への入射角、
θ３は赤外光反射多層膜４への入射角
である。従って、石英管２への入射角θ１が０〜９０°のときには、赤外光反射多層膜４への入射角θ３は０〜３０°となる。言い換えると、真空中で立体角２π内（９０°半球方向）に放射された光は高屈折率層３内で立体角π／６（３０°方向）の光に変換される。尚、この場合、石英管２内での立体角はπ／４（４５°方向）である。このように、高屈折率層３を石英管２と赤外光反射多層膜４との間に挿入することにより、赤外光反射多層膜４への放射をより狭い立体角内に寄せ集めることができ、これにより、赤外光反射多層膜４で高い可視光透過性及び赤外光反射性を達成できる。この結果、より少ない層数の赤外光反射多層膜４で大きな入射角θ１の範囲（たとえば０°〜９０°）の赤外光を反射できる。
【００２７】
上述の高屈折率層３の最小厚さは、スネルの法則が適用可能な最小膜厚で決定される。具体的には、反射すべき光を赤外光の１μｍの波長で考察すると，高屈折率層３の屈折率と膜厚を掛けた値が１μｍの２倍以上、つまり約２μｍ以上となるようにする。高屈折率層３の屈折率が２の膜を考えると、最終的に膜厚は１μｍ以上となる。また、高屈折率層３の最大厚さは、真空蒸着等の気相成長プロセスによる製造上及びクラック防止から１００μｍ程度が限界となる。尚、厚さが大きいたとえばＺｒＯ２よりなる高屈折率層３を形成する場合には、真空蒸着等の気相成長プロセスの代りに、ＺｒＯ２ナノ粒子等を用いた液相成長プロセスたとえばゾルゲル及びナノ粒子溶媒の焼結を用いる。
【００２８】
尚、高屈折率層３を挿入する代りに、石英管２をより大きい屈折率を有する材料たとえば屈折率１．８のサファイアよりなる管を用いれば、赤外光反射多層膜４への放射をより狭い立体角内に寄せ集めることができる。しかしながら、このような高屈折率の材料管は、可視光での透明性がよくなく、製造コストが高く、耐熱性が悪く（たとえば１５００Ｋ以下）、しかも平坦性がよくない等の問題がある。従って、本発明においては、これらの問題がない比較的厚い低屈折率１．４の石英管２を用い、これに比較的薄い高屈折率層３を被覆するようにしたものである。
【００２９】
図４は図２の赤外光反射多層膜４の詳細を示す断面図である。
【００３０】
図４において、赤外光反射多層膜４は、赤外光を透過する高耐熱性誘電体層である低屈折率層４１、高屈折率層４２よりなる組４−１、４−２、…、４−Ｎを積層することによって構成されている。各組４−ｉ（ｉ＝１、２、…、Ｎ）は、所定の中心波長λｉを有する赤外光を光の干渉を利用して反射する。このときの反射条件は、
ｎ４１・ｄ４１＝ｎ４２・ｄ４２＝λｉ／４
但し、ｎ４１は低屈折率層４１の屈折率、
ｄ４１は低屈折率層４１の厚さ、
ｎ４２は高屈折率層４２の屈折率、
ｄ４２は高屈折率層４２の厚さ
である。つまり、広い波長範囲の赤外光を反射するためには、中心波長λｉが少し異なる複数組４−１、４−２、…、４−Ｎが必要となる。この場合、低屈折率層４１と高屈折率層４２との屈折率差が大きい程、反射できる赤外光の波長幅が大きくなるので、反射したい赤外光の波長幅に応じて低屈折率層４１、高屈折率層４２の材料を選択する。
【００３１】
たとえば、低屈折率層４１を屈折率１．４の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層とし、高屈折率層４２を屈折率２．０のＺｒＯ２層とする。図６に示すように、２５００Ｋでの黒体放射は波長１２００ｎｍでピークを有するので、このピーク近傍の波長を選択した波長帯における赤外反射を高めることにより光束効率を向上させることができる。たとえば、ＳｉＯ２層４１、ＺｒＯ２層４２の組数Ｎを２６とし、合計５２層積層し、この場合、ＳｉＯ２層４１の厚さｄ４１を２００ｎｍから５０ｎｍまで徐々に異なる値とし、また、ＺｒＯ２層４２の厚さｄ４２を１８０ｎｍから３０ｎｍまで徐々に異なる値とする。このようにして、少ない層数５２の赤外光反射多層膜４により、中心波長λ１、λ２、…、λ２６が１μｍ〜４μｍの範囲でかつ赤外光反射多層膜４への入射角θ３が０°〜３０°で良好な赤外光反射特性を得ることができる。
【００３２】
尚、低屈折率層４１としては、ＳｉＯ２の代りに、ＭｇＯ、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３等の高温耐熱性低屈折率材料を用いることもできる。また、高屈折率層４２としては、ＺｒＯ２の代りに、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２等の酸化物系材料、ダイヤモンド、ＳｉＣ等の炭水化物系材料、ＢＮ、ＧａＮ等の窒化物系材料を用いることもできる。
【００３３】
再び、図３を参照すると、入射角θ１が０°〜９０°で石英管２に入射した放射は入射角θ３が０°〜３０°で赤外光反射多層膜４に入射する。この結果、０．７μｍより長波長の赤外光は赤外光反射多層膜４によって反射され、他方、０．４μｍ〜０．７μｍの可視光は外部へ放射される。さらに、赤外光反射多層膜４によって反射された赤外光は高屈折率層３及び石英管２を通過してフィラメント１に吸収されてこれを再加熱する。その際に、上述の赤外光の一部分はフィラメント１に吸収されずに石英管２の端部に向かうが、この赤外光の部分は白色散乱体（もしくはミラー）５によって全反射されてフィラメント１に向かう。この結果、フィラメント１が効率よく再加熱され、従って、フィラメント１の温度がより高くなり、入力電力の可視光への変換効率を向上できる。
【００３４】
図５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。
【００３５】
図５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５１内に、フィラメント１、石英管２、高屈折率層３、赤外光反射多層膜４及び白色散乱体（ミラー）５よりなる構造体を設ける。フィラメント１はリード線５２ａ、５２ｂ間に電気的に接続される。透光性気密容器５１の封止部には口金５３が接合されている。口金５３は、リード線５２ａに接続された中心電極５３１、リード線５２ｂに接続された側面電極５３２及び中心電極５３１と側面電極５３２とを絶縁する絶縁部５３３により構成されている。
【００３６】
透光性気密容器５１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、赤外光反射多層膜４の昇華及び劣化を制御し、白熱電球の高寿命化を図れる。
【００３７】
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。
【００３８】
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赤外光反射多層膜４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。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
１：フィラメント
２：石英管
３：高屈折率層
４：赤外光反射多層膜
５：白色散乱体（ミラー）
５１：透光性気密容器
５２ａ、５２ｂ：リード線
５３：口金
５３１：中心電極
５３２：側面電極
５３３：絶縁部
１０１：フィラメント
１０２：石英管
１０３：赤外光反射多層膜
【図１】
2015167105.tif 000006
【図２】
2015167105.tif 000007
【図３】
2015167105.tif 000008
【図４】
2015167105.tif 000009
【図５】
2015167105.tif 000010
【図６】
2015167105.tif 000011
【図７】
2015167105.tif 000012