(57)【要約】【課題】深さの浅いキャビティの働きを利用し、赤外放射の抑制効果を高め、可視放射の効率が向上した放射体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の放射体１は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体であって、前記表面に配列された複数のキャビティ３を有しており、前記キャビティの深さを前記キャビティの開口断面の特徴寸法で除した数値であるアスペクト比Ａとすると、前記複数のキャビティはアスペクト比Ａが異なるキャビティ群により構成される。アスペクト比Ａが異なるキャビティ群による構成により、赤外放射を効果的に抑制し、可視放射の効率を向上させることができ、可視放射効率が向上した放射体を提供する。【選択図】図１
2007165038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体であって、
前記表面に、複数のキャビティを有しており、
前記キャビティの深さを前記キャビティの開口断面の特徴寸法で除した数値であるアスペクト比Ａとすると、前記複数のキャビティは、アスペクト比Ａが異なるキャビティ群により構成される放射体。
【請求項２】
前記キャビティ群の少なくとも一つのキャビティ群のアスペクト比Ａが、０．１７＜Ａ＜０．７０である、放射体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放射体をフィラメントとして使用した電球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長域の放射効率を向上させるキャビティ構造を有した放射体に関する。
【背景技術】
【０００２】
「放射体」は、外部からエネルギーを受け取り、自らが昇温することによって電磁波を放射する。このような放射体の代表的な工業応用例は、白熱電球のフィラメントである。白熱電球は、演色性に優れた照明光源であり、簡単な使用器具で点灯でき、また歴史的に長く使用されてきたため、広く普及している。
【０００３】
しかし、白熱電球は、フィラメントの発熱による放射を利用するため、ランプ効率が高くない。すなわち、照明に利用可能な可視域の放射は、投入したエネルギー全体の１０％程度に過ぎない。残りのエネルギーは、赤外放射に７０％、封入ガスの熱伝導や対流による熱損失に２０％が消費される。このため、白熱電球のランプ効率は１５ｌｍ／Ｗ程度と低い。
【０００４】
図１３は、プランクの式から求められる２８００Ｋでの黒体放射のスペクトルを示している。図１３の縦軸は分光放射発散度（×１０３Ｗ／ｍ２・μｍ）であり、横軸は波長（ｎｍ）である。図１３からわかるように、可視域の放射は全波長域の放射の僅かの部分（約１２％）にすぎず、可視域よりも波長が長い赤外域の放射は、全波長域の放射の大部分（約８８％）を占めている。特に、近赤外域（波長０．７８μｍ以上２．００μｍ以下）における放射は、全波長域の放射の半分以上を占めている。したがって、この近赤外域の放射を十分に抑制できるか否かによって可視放射の効率が大きく変化することになる。
【０００５】
そこで、放射全体の大半を占めている赤外放射を抑制することにより、可視放射の効率向上を図る技術が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１に開示される従来技術では、放射体の表面に微細な導波管として機能する複数の凹部（以下、「キャビティ」と称する。）を形成し、所定の波長よりも短い波長の電磁線のみを外部へ放射させるようにしている。キャビティの内径を所定の大きさに調節することにより、その内径によって定まる波長（以下、この波長をカットオフ波長と称する。）よりも大きな波長を有する放射を抑制することができる。
【０００７】
特許文献１では、赤外放射の抑制効果を得るために、例として、キャビティの深さが約７．００μｍ（キャビティの深さをキャビティの開口断面の特徴寸法で除した数値であるアスペクト比が２０）と言及されている。ここで、「開口断面の特徴寸法」とは、導波管のカットオフ波長を決める開口断面の寸法を意味する。例えば、正方形状ならば一辺の寸法、長方形状ならば長辺の寸法、円形状なら直径を意味する。
【０００８】
特許文献１の示す放射体表面に十分深いキャビティを有する放射体は、赤外放射の抑制の効果により、可視放射の効率を高めることができると言及されている。
【特許文献１】特開平０３−１０２７０１号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明者が実際に放射体の試料を作製し、放射の抑制効果を調べた。その結果、特許文献１が教示する十分深いキャビティ、つまりアスペクト比が大きいキャビティは、可視放射の増加は認められるが、赤外放射の抑制効果が十分に発揮されない、という課題を有している事実を見出した。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされた。目的は、特定波長域の放射効率を向上させるキャビティを有した放射体において、赤外放射を抑制し、かつ、可視放射の効率を高めたキャビティを有する放射体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体であって、前記表面に、配列された複数のキャビティを有している。前記キャビティの深さを前記キャビティの開口断面の特徴寸法で除した数値をアスペクト比Ａとすると、前記複数のキャビティは、アスペクト比Ａが異なるキャビティ群により構成される。
【００１２】
好適な実施形態として、前記キャビティ群のうち少なくとも一つのキャビティ群のアスペクト比Ａが、０．１７＜Ａ＜０．７０である。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本願発明の放射体は、熱を電磁波に変換して表面から放射する放射体であって、表面に複数のキャビティを有しており、複数のキャビティは、アスペクト比Ａが異なるキャビティ群により構成される。アスペクト比Aが小さいキャビティにより赤外放射を効果的に抑制し、アスペクト比Ａがより大きいキャビティにより可視放射の効率を向上させることができ、可視放射効率が向上した放射体を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
複数のキャビティが表面に形成された放射体において、放射率とキャビティの形状との関係を詳細に検討した。そして、従来知られていなかった知見を得て本発明を完成するに至った。まず、本願発明者が実験によって得た新しい知見の内容を説明する。
【００１５】
＜赤外放射の抑制＞
図４（ａ）は、実験に使用した放射体１１の平面図である。放射体１１は、厚さ０．１ｍｍ程度のニッケル（Ｎｉ）薄板から形成されている。放射体１１の平面サイズは１５ｍｍ×１５ｍｍである。放射体１１の表面には、多数のキャビティ１３が周期的に配置されたキャビティアレイ構造物１２が形成されている。キャビティアレイ構造物１２は、特定波長以上の波長域の放射を抑制する放射抑制構造として機能する。実験に用いた放射体１１の表面において、キャビティアレイ構造物１２が形成されている領域のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるキャビティアレイ構造物１２の点線で囲まれた部分を拡大した平面図である。キャビティ１３は、ニッケル薄板の表面に円柱状の凹部により形成されている。キャビティ１３の直径は４μｍである。キャビティ１３は、隣接する２つのキャビティの中心の間隔が１０μｍで配列されている。以下では、隣接するキャビティの中心間の距離をピッチとする。図４（ｃ）に図４（ｂ）のＩ−Ｉ線における断面を示す。キャビティの深さＤを変えることで、アスペクト比Ａ（キャビティの深さＤ／キャビティ直径Ｒ）の異なる試料を作製した。作製した試料はアスペクト比Ａが０．３０、０．４２、０．７０、２．４３の４種類である。
【００１６】
発明者が行なった実験では、図４（ａ）に示すキャビティアレイ構造物１２を有する放射体１１をＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ，Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ，Ａｂｆｏｒｍｕｎ）プロセスによって作製した。すなわち、Ｘ線リソグラフィによって型を作製した後、この型を用いるニッケル電鋳を行って放射体１１を作製した。また、放射体１１の表面にキャビティ構造物１２を有しないリファレンス試料を放射体１１の製造プロセスと同様、ニッケル電鋳により作製した。
【００１７】
さらに、本実験では放射体１１に加えて、厚さ０．１ｍｍのタングステン（Ｗ）薄板から形成した放射体２１も使用した。図５（ａ）、図５（ｂ）に放射体２１の平面図、図５（ｃ）に図５（ｂ）のＩ−Ｉ線における断面を示す。放射体２１の平面サイズは７ｍｍ×７ｍｍである。放射体２１の表面には、放射体１１と同様にキャビティ２３が周期的に配置されたキャビティ構造物２２が形成されている。キャビティ構造物２２が形成されている領域サイズは６ｍｍ×６ｍｍである。キャビティ２３の直径は０．３μｍ、ピッチ０．５μｍである。
【００１８】
図５（ａ）に示すキャビティアレイ構造物２２を有する放射体２１は半導体製造分野やＭＥＭＳで広く利用されているフォトリソグラフィおよびエッチング技術によって作製した。また、放射体２１の表面にキャビティ構造物２２を有しないリファレンス試料を放射体２１の製造プロセスと同様、フォトリソグラフィおよびエッチング技術によって作製した。作製した試料はアスペクト比Ａが０．０３、０．０８、０．１７、０．３３、０．３７、０．３９、０．４７、１．１０．９４、２．６１の９種類である。
【００１９】
放射体１１、２１の放射率のアスペクト比依存性を調べるために、放射体１１、２１の分光放射率を測定した。「放射率」とは、物体の表面から放出される熱放射の分光放射発散度を、同じ温度にある黒体から放出される熱放射の分光放射発散度で割った値である。例えば、波長０．６μｍにおける温度１６００Ｋでのタングステン物体表面から放出される熱放射の分光放射発散度は０．６９（×１０３Ｗ／ｍ２・μｍ）であり、温度１６００Ｋでの黒体から放射される熱放射の分光放射発散度は１．４６（×１０３Ｗ／ｍ２・μｍ）である。したがって、タングステンの放射率は、０．４６である。このように、放射率は、温度および波長が与えられた場合に一義に決まる物質固有の物性値である。「分光放射率」とはキャビティを有する放射体およびキャビティを有しないリファレンス試料の反射率を測定し、その測定値から放射率を計算することによって作成した。以下、この計算および測定の方法を説明する。
【００２０】
まず、吸収率をａ、放射率をｅ、反射率をｒ、透過率をｐとする。吸収率ａと放射率ｅとの間には、キルヒホッフの法則により、（式１）が成立する。
【００２１】
【数１】
2007165038.tif 000003
【００２２】
また、吸収率ａ、反射率ｒ、および透過率ｐの間には、以下の（式２）が成立する。
【００２３】
【数２】
2007165038.tif 000004
【００２４】
従って、透過率ｐが０になるように十分に厚い試料を用いる場合、（式２）における透過率ｐをゼロとすることができるため、（式２）に（式１）を代入して、以下の（式３）が導かれる。
【００２５】
【数３】
2007165038.tif 000005
【００２６】
（式３）によれば、反射率ｅを測定することにより、放射率ｒを求めることができる。
【００２７】
そこで、本願発明者は、放射体１１の反射率をＦＴ−ＩＲ（ＥａｓｉＤｉｆｆ  ＦＴ−ＩＲ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定した。ここで、ＦＴ−ＩＲについて説明する。図６にＦＴ−ＩＲの光学系を示す。ＦＴ−ＩＲは光源部３１と積分楕円反射鏡３２と検出部３３からなる。積分楕円反射鏡３２の第１焦点には放射体を取り付ける試料台３７が配置されている。積分楕円反射鏡３２の反射面と積分楕円反射鏡３２の第２焦点３６とを直線で結ぶ線上に光源部用ミラー３４と検出部用ミラー３５とが配置されている。積分楕円反射鏡３２は試料台３７の中心点からの垂線０°と定義した場合に＋６０°から−６０°まで仰ぐ角度までの広がりを持つ大きさである。
【００２８】
次に、ＦＴ−ＩＲの測定方法について説明する。光源部３１から放射された放射光は、光源部用ミラー３４で反射して積分反射鏡３２へ入射する。入射した光は積分反射鏡３２で反射され、第一焦点である試料台３７へ集光される。集光された光は試料台３７に取り付けられた放射体のキャビティ構造物に入射して、キャビティ構造物で決まる特有の波長を反射する。反射した光は再び積分反射鏡３２へ入射する。入射した光は積分反射鏡３２で第２焦点３６に向けて反射される。反射された光は積分反射鏡３２の反射面と第２焦点３６との間に配置された検出部用ミラー３５で反射する。反射した光は検出部３３に入射して波長測定される。
【００２９】
特許文献１の教示内容に基づけば、キャビティの内部における電磁場の励起状態は、キャビティのサイズによって規定され、カットオフ波長より大きな波長を有する電磁波はキャビティの内部を伝搬できない。その結果、キャビティの内部で安定的に存在し得る励起状態（許容モード）に相当する電磁波だけがキャビティを介して外部へ放射されることになる。放射体１１では、キャビティ１３の直径が４μｍであるため、そのカットオフ波長は４×１．７０５＝６．８２μｍとなり、キャビティ２３では、キャビティの直径が０．３μｍであるため、そのカットオフ波長は０．３×１．７０５＝０．５１２μｍとなる。
【００３０】
したがって、キャビティ１３から放射される電磁波の放射率は、およそ波長６．８μｍ以上の領域で、キャビティ２３から放射される電磁波の放射率はおよそ波長０．５μｍ以上の領域で、ゼロ（０）になることが予想される。
【００３１】
カットオフ現象は、カットオフ波長より長波長域においては、ほぼ波長依存なく一様に起こる。つまり、カットオフ現象に影響を受けた放射率の変化は、ある波長帯域のみに起こる回折金属格子などとは異なり、カットオフ波長より長波長域で波長依存がないことが知られている。そこで、図７には、カットオフ波長後の代表として、キャビティの直径から考えられるカットオフ現象が十分に現れると考えられる波長１７．０μｍでの放射体１１、２１の放射率比のアスペクト比依存性を示した。ここで、「放射率比」とは、キャビティを有しないリファレンス試料の放射率で、キャビティを有する試料の放射率を割った値を示す。
【００３２】
図７において、放射率比が１より大きい場合の放射率は、リファレンス試料の放射率、すなわち材料固有の放射率よりも増加していることを示し、赤外放射が抑制されていないことを意味する。また、放射率比が１より小さい場合の放射率は、リファレンスの試料の放射率、すなわち材料固有の放射率より減少していることを示し、赤外放射が抑制されていることを意味する。
【００３３】
図７の放射率比変化の現象は、（ａ）アスペクト比０≦Ａ≦０．１７、（ｂ）アスペクト比０．１７＜Ａ＜０．７０、（ｃ）アスペクト比Ａ≧０．７０の３つの領域に分けて考えることができる。
【００３４】
（ａ）アスペクト比０≦Ａ≦０．１７の試料については、放射率比は１以上となっており、赤外放射の抑制がされていないことを意味する。
【００３５】
（ｂ）アスペクト比０．１７＜Ａ＜０．７０の試料については、放射率比は１より小さくなっており、赤外放射が抑制されていることを意味する。
【００３６】
（ｃ）アスペクト比Ａ≧０．７０の試料については、放射率比は１以上となっており、赤外放射の抑制がされていないことを意味する。
【００３７】
したがって、図７から、アスペクト比０．１７＜Ａ＜０．７０の放射体１１，２１の試料について赤外放射が抑制されていることを分かった。なお、アスペクト比が０．７０より大きい場合の放射率比が１より大きいということは、リファレンス試料よりも赤外抑制効果がないという意味ではなく、波長１７．０μｍの場合だけについて述べており、カットオフ波長より長波長域全体で考えると、赤外放射は抑制されている。
【００３８】
図７の結果は、特許文献１のアスペクト比が大きいキャビティを有する放射体が赤外抑制の効果を有するという結果とは異なり、赤外抑制効果が得られないことを示している。また、図７の結果は、「導波管としては、キャビティ深さＤがより深いほど、カットオフ効果が大きくなる」、つまり、アスペクト比が大きいほうが、赤外放射抑制効果があるという従来の一般的な考えから、予想できない新しい知見である。図７の測定結果から、キャビティのアスペクト比Ａが０．１７＜Ａ＜０．７０の場合に赤外抑制効果が顕著であることを見出した。
【００３９】
ここで、図７に示す放射率の変化のアスペクト比依存性を、電磁界シミュレーションを用いて考察した。電磁界シミュレーションでは、光をモデル表面に照射することで、モデル表面に電界が発生し、その電界から生じる誘導電流から損失を計算している。ここでいう損失は、材料による吸収（放射）と同じ意味である。誘導電流の総量が損失量を表す。その損失量は、
【００４０】
【数４】
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【００４１】
である。Ｅは発生する電界、Ｖは誘導電流が流れる表面層の面積と電流が浸透する深さとを掛けた体積、つまり損失が発生する表面層の体積を意味する。モデルの材料は導電率で定義し、導電率１０７（１／Ω・ｍ）をもつ金属材料とした。この電磁界シミュレーションから、以下の結果が得られた。
【００４２】
表面にキャビティアレイ構造物２２を有することにより、２つの効果がある。１つは、キャビティによるカットオフ現象のため、カットオフ波長より長波長域ではキャビティ内へ光波の進入が制限され、誘導電流が流れる実効体積Ｖが減り、損失量が減少する効果である。もう１つは、誘導電流が流れる実効体積Ｖが減る代わりに、キャビティ周辺のエッジ部へ電界Ｅ（誘導電流）が集中し、損失が増加する効果である。この相反する２つの効果において、（式４）からも分るように、損失量はＥの２乗に比例するため、実効体積Ｖの減少による損失量減少よりも、電界Ｅの集中による損失量増加の影響を受けやすい。このことは、アスペクト比が大きくなるほど顕著になることがわかった。
【００４３】
図８に、アスペクト比の異なるキャビティ表面に波長１７．０μｍの光を垂直に入射させた時に発生する電界の様子を示す。（ａ）がアスペクト比０．３０、（ｂ）がアスペクト比１．００である。図８に示す三角印は発生した電界を示し、三角印の大きさは電解の大きさを示し、鋭角な頂点方向が電界方向を示す。これによると、（ａ）のアスペクト比０．３０では、カットオフ波長より長波長（１７μｍ）の光であっても、キャビティ底面に光波の一部が進入し、電界が発生しているのが分る。そのため、キャビティ周辺のエッジ部への誘導電流の集中は少なく、実効体積が減少する効果が大きくなる。（ｂ）のアスペクト比１．００では、キャビティ内にカットオフ効果により電界が無く、その代わりにキャビティ周辺のエッジ部に電界集中が増加しているのが見られる。また、同様なシミュレーション結果として、キャビティのアスペクト比における吸収率（放射率比）を図９に示す。
【００４４】
これにより、アスペクト比が大きくなると吸収率比（放射率比）が大きくなることがわかる。これは、アスペクト比が大きくなるにつれ、キャビティ底面へ誘導電流が流れ難くなり、その代わりにキャビティ周辺のエッジ部での誘導電流の集中で損失が増加する効果が大きくなるためである。
【００４５】
シミュレーション結果が示す傾向は、特許文献１のアスペクト比が大きいキャビティを有する放射体が赤外抑制の効果を有するという考えとは異なる。すなわち、アスペクト比が大きくなるにつれて、赤外抑制効果が得られにくくなることを示している。また、シミュレーション結果は「導波管としてはキャビティ深さＤがより深いほど、カットオフ効果が大きくなる」、つまり、アスペクト比が大きいほうが、赤外放射抑制効果があるという従来の一般的考えとも異なる。
【００４６】
以上、図８とシミュレーション結果から、アスペクト比Ａの小さい０．１７＜Ａ＜０．７０のキャビティの方が、アスペクト比が大きいキャビティよりも、赤外抑制効果の効果が大きいことがわかった。
【００４７】
＜可視放射の増加＞
更に本願発明者は、特許文献１で言及されている可視放射の増加についても実験を行った。試料は、図５に示した厚さ０．１ｍｍのタングステン（Ｗ）薄板から形成された放射体２１を用いた。放射体２１のキャビティは、直径０．３μｍ、ピッチ０．５μｍ、アスペクト比Ａは０．３０である。この放射体の分光放射率は、上記（式３）から、反射率を測定することにより求めた。反射率測定は、広波長範囲を１つの装置で測定することは不可能なため、波長１．００μｍ以下はポリクロメータ（大塚電子製ＭＣＰＤ７０００）、波長１．００μｍ〜２．５０μｍは自記分光光度計（日立製Ｕ４０００）、２．５０μｍ以上はＦＴ−ＩＲ（ＥａｓｉＤｉｆｆ  ＦＴ−ＩＲ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定した。
【００４８】
まず、波長１．００μｍ以下の反射率の測定方法を説明する。光源からの光を偏光子に通してスポット光とし、入射角を１０°から５０°を１０°ずつ変えて、放射体に入射させる。放射体により反射した光を積分球で捉え、ポリクロメータで測定する。次に、波長１．００μｍ〜２．５０μｍの測定方法を説明する。単色光を５°の入射角で放射体に入射させる。放射体により反射した光を積分球で捉え、自記分光光度計で波長測定する。
【００４９】
図１０に、可視増加の代表として波長０．４０μｍでの放射率比（キャビティを有する試料の放射率／キャビティを有しない試料の放射率）のアスペクト比依存を示した。
【００５０】
ここで、波長０．４０μｍを選択した理由は、測定したアスペクト比の範囲においてキャビティの直径に依存した光干渉によって生じるノイズの影響を受けないためである。放射率比１は、リファレンス試料の放射率と同放射率であることを意味する。
【００５１】
ここで、「開口率」は放射体の放射面が平坦であると仮定して得られる放射面の全面積に対するキャビティの開口部の総面積の割合である。
【００５２】
図１０より、アスペクト比が大きくなるほど、放射率比が増加している傾向がわかる。また、同じアスペクト比においてキャビティ開口率が大きいほど放射率比が増加している。これは、放射体のキャビティ部分が可視域波長における擬似黒体として機能し、放射効率が上がるという特許文献１の記載に合致していると言える。つまり、アスペクト比が大きいと擬似黒体として機能しやすく、かつ、そのようなキャビティの数が増える（開口率が大きい）ほど放射が増加することは、特許文献１の従来技術と同じ傾向を示している。
【００５３】
＜上述「赤外放射の抑制」と「可視光の増加」からの知見＞
上述のように、特許文献１に示されている「キャビティのアスペクト比が２０であるアスペクト比が大きい構成では、赤外放射が抑制され、かつ、可視放射が増加する、という２つの効果が同時に起こる」という現象は起らず、アスペクト比２０であるアスペクト比が大きいキャビティを形成しても可視放射の効率（全放射に対する可視放射の割合）を高めるとは言えないことがわかった。今回の実験では、図７からキャビティのアスペクト比Ａが０．１７＜Ａ＜０．７０で赤外放射の抑制効果が高く、図１０よりアスペクト比Ａが大きい方が可視放射の増加効果が高いことがわかった。
【００５４】
そこで本願発明者は、これらの知見より、可視放射の効率を向上させる新しい構成を得た。それは、複数のアスペクト比のキャビティを放射体に構成し、アスペクト比Ａが０．１７＜Ａ＜０．７０のキャビティで赤外放射を抑制し、アスペクトが大きいキャビティで可視放射を増加させるという構成である。
【００５５】
なお、上記では赤外放射の抑制と可視放射の増加を示したが、今回の実験で分かったことは、アスペクト比Ａが０．１７＜Ａ＜０．７０のキャビティがカットオフ波長より長波長域で放射を抑制し、アスペクト比Ａがより大きいキャビティがカットオフ波長より短波長域で放射を増加させるということである。よって、キャビティの特徴寸法が異なるキャビティを有することで、放射効率を増加させる特定の波長域を制御することが可能である。
【００５６】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００５７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本実施形態に用いられる放射体１の表面を示す平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）において点線で囲まれた部分を拡大した図である。図１（ｃ）は図１（ｂ）のＩ−Ｉ線における断面を示す。放射体１の平面サイズは、７ｍｍ×７ｍｍである。放射体１は、厚さ０．１ｍｍ程度のタングステン薄板から形成されている。放射体１の表面には、キャビティ３が周期的に配列されたキャビティ構造物２が形成されている。キャビティ構造物２が形成されている領域のサイズは６ｍｍ×６ｍｍである。キャビティ３は直径０．３μｍであり、配列のピッチ（隣接する２つのキャビティの中心軸間の距離）は、キャビティ開口率がおよそ５０％になる値の０．４１μｍに設定している。ここで、「開口率」とは、放射体の放射面が平坦であると仮定して得られる放射面の全面積に対するキャビティの開口部の総面積の割合である。
【００５８】
このようなキャビティ３は、種々の微細加工技術を用いて形成可能であるが、本実施形態では、半導体製造分野やＭＥＭＳで広く利用されているフォトリソグラフィおよびエッチング技術によって作製できる。また、放射体３の表面にキャビティ構造物２を有しないリファレンス試料を放射体１の製造プロセスと同様、フォトリソグラフィおよびエッチング技術によって作製した。作製した放射体１の表面に形成されるキャビティ構造物２は、図１（ｃ）で示すように、アスペクト比が０．３０とアスペクト比が３．００のアスペクト比が異なるキャビティ３で構成されている。
【００５９】
図２にアスペクト比０．３０のキャビティとアスペクト比３．００の割合が４０％対６０％の場合の分光放射率を示す。図２の縦軸は放射率（％）、横軸は波長（μｍ）である。図２から、キャビティを有する放射体の可視放射での放射率がリファレンス試料よりも上昇し、かつ、１．８μｍ以上の赤外放射での放射率はリファレンス試料よりも放射率が低下している。アスペクト比０．３０のキャビティとアスペクト比３．０の割合が４０％対６０％の構成によって、可視の放射を向上させ、かつ、赤外の放射を抑制させることが実現できることがわかる。
【００６０】
こうして求めた分光放射率と、プランクの放射法則よって求められる各波長の黒体放射のエネルギーとを掛け合わせることにより、放射強度の波長依存性が得られる。この放射強度を全波長域で積分した値を全エネルギーとする。また、放射強度に比視感度を積算し、可視波長域で積分した値を「光束」とする。光束を全エネルギーで割った値が「可視放射の効率」である。この実施形態の場合、動作温度を２８００Ｋにおける表面にキャビティを有する試料の可視放射の効率は、リファレンスの試料の可視放射効率の１．２倍に増加したことがわかる。ここで、「相対効率」とは放射体表面にキャビティを有する試料の可視放射の効率を表面にキャビティを有しないリファレンス試料の可視放射の効率を割ったものとする。
【００６１】
この異なるアスペクト比Ａの存在割合と相対効率との関係を算出した一例を図３に示す。横軸は、０．１７＜Ａ＜０．７０のキャビティ（例は０．３０）とＡ≧０．７０のキャビティ（例は３．００）との存在割合を示し、縦軸は相対効率を示す。図３より、相対効率が１以上になるためには、０．１７＜Ａ＜０．７０のキャビティの割合が１０％以上あればよいことがわかる。このように、キャビティのアスペクト比Ａおよび存在割合を変えることによって、任意の分光分布に設定することができ、放射を制御する事が出来る。
【００６２】
なお、上記実施形態では、キャビティの開口断面の形状を円形状としているが、正方形状などの他の形状を採用してもよい。例えば、キャビティの開口断面の形状を正方形状とした場合には、特徴寸法として正方の一辺を採用すればよい。また、キャビティの種類を２種類にしているが、３種類以上設けても同様な効果が期待できる。
【００６３】
また、可視放射効率が高いキャビティの構成を有する放射体をフィラメントとして用いることで、ランプ効率の高い電球を提供することが可能である。
【００６４】
（参考実施の形態）
上記実施形態１ではアスペクトが異なるキャビティを設けた放射体について説明したが、本参考実施形態ではアスペクト比が０．１７＜Ａ＜０．７０の一種類のキャビティを設けた放射体の効果について付記する。
【００６５】
図１１（ａ）は、本実施形態に用いられる放射体１０１の表面を概略的に示す平面図である。図１１（ｂ）は図１１（ａ）において点線で囲まれた部分を拡大した平面図である。図１１（ｃ）に図１１（ｂ）のＩ−Ｉ線における断面を示す。
【００６６】
放射体１０１の平面サイズは、７ｍｍ×７ｍｍである。放射体１０１は、厚さ０．１ｍｍ程度のタングステン薄板から形成されている。放射体１０１の表面には、直径０．３μｍの円柱形状を有するキャビティ１０３が形成されている。本参考実施の形態では、キャビティ１０３が、領域のサイズは６ｍｍ×６ｍｍの範囲において、放射体１０１の表面において略周期的に配列されており、その配列のピッチ（隣接する２つのキャビティの中心軸間の距離）は、キャビティ開口率がおよそ５０％になる値の０．４１μｍであるこのようなキャビティ１０３は、種々の微細加工技術を用いて形成可能であるが、本実施形態では、半導体製造分野やＭＥＭＳで広く利用されているフォトリソグラフィおよびエッチング技術によって作製できる。
【００６７】
キャビティ１０３のアスペクト比をＡは、０．１７＜Ａ＜０．７０である。この放射体１０１の分光放射率については、図７と図１０を用いて放射率比を算出し、分光放射率を算出した。図１２は、算出から得たアスペクト比０．３０の分光放射率を示すグラフである。この場合の相対効率は、１．１倍に増加した。また、放射体１０１と同じ直径とピッチのキャビティを持ち、キャビティの開口率５０％でアスペクト比３．００とした場合の可視放射の効率を算出すると、相対効率は０．９倍であった。したがって、アスペクト比Ａが０．１７＜Ａ＜０．７０の一種類のキャビティを有する放射体は、アスペクト比が０．７０以上の一種類のキャビティを有する放射体より可視放射効率が高いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の放射体は、アスペクト比Ａ（キャビティの深さＤ／キャビティ直径）が０．１７＜Ａ＜０．７０のキャビティの働きを利用し、キャビティの特徴寸法により定まるカットオフ波長より長波長域の放射を抑制するものである。照明光源の放射体としては、キャビティの直径を調整することで、赤外放射の抑制効果を高めることができ、可視放射の効率の向上が求められている照明光源の放射体等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態１における放射体１の、平面及び断面を示す図
【図２】本発明の実施の形態１及びリファレンス（比較例）の放射率を示す図
【図３】放射体１の異なるアスペクト比の存在割合と相対効率との関係を示す図
【図４】放射体１１の平面及び断面を示す図
【図５】放射体２１の平面及び断面を示す図
【図６】反射率測定に用いたＦＴ−ＩＲの光学系を示す図
【図７】キャビティ形状の異なる放射体１１、２１の放射率比（波長１７．００μｍ）におけるアスペクト比依存を示す図
【図８】電磁界シミュレーションによる解析結果（電界）を示す図
【図９】電磁界シミュレーションによる解析結果（アスペクト比と吸収率比）を示す図
【図１０】放射体２１の放射率比（波長０．４０μｍ）におけるアスペクト比依存を示す図
【図１１】本発明の参考実施の形態における放射体１０１の平面及び断面を示す図
【図１２】本発明の参考実施の形態及びリファレンス（比較例）の放射率を示す図
【図１３】黒体放射のスペクトルを示す図
【符号の説明】
【００７０】
１，１１，２１，１０１    放射体
２，１２，２２，１０２    キャビティアレイ構造物
３，１３，２３，１０３    キャビティ
３１    光源部
３２    積分楕円反射鏡
３３    検出部
３４    光源部用ミラー
３５    検出部用ミラー
３６    第２焦点
３７    試料台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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