(57)【要約】【課題】  物体表面の構造色による自在な彩色の技法を提供する。【解決手段】「２重クレーター構造」を特徴とする「単色広角表面反射回折構造色理論」による技術を用いる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体表面の法線に対し、４５度以内の各方向に、単一の色スペクトルを持つ法線集中回折反射光を放出するため、回折波長の特定を司る、凹状の小クレーターと、反射方向の広角化および入射角の制限を司る、凹球面状の大クレーターを合わせ持つ表面構造であって、表面加工の都合で選択された同一の諸条件（口径、深さ（曲率半径）、密集度）を持つ凹球面大クレーターを、６０度の角度の６方向に均等に密集配列した構造の表面に、更に、目的の色彩に最も近い色スペクトルを回折するものとして選択された同一の諸条件（淵構造、淵間隔（口径）、縦構造、深さ、密集度）を持つ凹状小クレーターを、均等に密集配列した構造、すなわち、２重クレーター構造を特徴とする、単色広角表面反射回折構造。
【請求項２】
特殊な材料や薄膜構造を用いること無く、物体表面の凹凸構造のみで、単一の色スペクトルを持つ反射構造色を発色させる事を目的として、表面の法線方向の広範囲な角度に、光量の大きい単色の法線集中回折光を反射させるため、請求項１記載の、２重クレーター構造による単色広角表面反射回折構造を用いて、色と表面形状の対応データを集積し、求めたデータを用いて、物体表面に加工を施し、目的の色や形に対応する表面構造を作成する事により、物体表面を自在な構造色に彩色する事を特徴とする彩色方法。
【請求項３】
人工的に作られた事が明らかであり、請求項１記載の、２重クレーター構造による単色広角表面反射回折構造を、表面構造として持っており、それによって表面に構造色による彩色が施されている事を特徴としたガラス製品。
【請求項４】
請求項１記載の、２重クレーター構造による単色広角表面反射回折構造を、表面構造として持っており、それによって表面に構造色による彩色が施されている事を特徴とした、回折格子に用いられる樹脂製品。
【請求項５】
請求項１記載の、２重クレーター構造による単色広角表面反射回折構造を、表面構造として持っており、それによって表面に構造色による彩色が施されている事を特徴とした、金属製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、単色広角表面反射回折構造、およびその構造色による自在な色の彩色方法、および、その構造色によって彩色された製品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  物体表面の構造によって発色する構造色は広く知られており、中でも構造色技術によって作られた製品では、回折格子が最も有名であって、構造色の従来技術のほとんどは、回折格子の応用製品である。
しかしながら、回折格子は、プリズムと同様な７色の分散光となるため、虹色であり、単独の色として見えるのは、ある１方向の、非常に狭い反射角度内のみである。
これを補うため、薄膜多層構造や、特殊な材料を用いる技術が存在するが、いずれも物体表面の彩色に用いるのは困難であり、物体表面の凹凸自体のみの構造色による自由な彩色を施した製品は、発明者の知る限りでは作られていない。
構造色以外で、物体に彩色を施すための技術としては、（１）素材の中に色を発色させる原材料を混入する、（２）表面に塗料を塗る、の二つに大別できる。
ローマングラス【０００３】  人工の技術ではないが、約２０００年前にローマで作られた無色透明のガラス瓶が、土中等の置かれた環境と、数千年の時によって表面が腐食し、自然に構造色を帯びるようになったものが実在し、通称ローマングラスと呼ばれている。
不思議なことに、このローマングラスの色は構造色でありながら、かなり広範囲な角度で、同じ色に見えるものがある。
しかしながら、このローマングラスが、どのように生成されたのか、環境条件や、生成過程の詳細等は、まったく不明であり、ローマングラスの発色に関する構造色理論も存在しなかった。
従って、これを再現する方法も、まったくわかっておらず、世界中の人が、数百年前から行った人工的な再現の試みは、全て失敗に終っており、当然、それに関する特許も存在しない。
ローマングラスは自然によって作られたもので、その表面構造は、ある構造色が発色するよう偶然に集積されたものであり、基本的には、まったくランダムであって、何らかの意図のある論理構造と、規則性を持つ人工品とは、容易に判別が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−０６９０７６
【特許文献２】特願２０１４−０７４９２２
【特許文献３】特開平０９−２７８４９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来の構造色の問題点【０００６】  表面の微細な凹凸によって反射光が回折し、その干渉によって発色する構造色の代表例が回折格子であり、従来の構造色技術はほとんどが、この原理の応用である。
回折格子は反射面のある方向に、平行で等間隔な直線の溝を無数に加工したものであり（図１参照）、これに溝と直角な方向から光を当てると、入射光と反対の方向に７色に分散された光が反射される装置であって、分散するある波長光の角度や強度が、溝の間隔や本数に依存する。
しかしながら、回折格子は、プリズムと同様、反射光が角度によって７色に分散するため、見る角度によって色彩が異なり、反射面は、構造色といっても全ての色を含む「虹色」であって、どの角度から見ても単一の色のみを反射する事は出来ない。
つまり、回折格子と同一原理の従来の構造色、すなわち、「分散光反射構造色」では、単一の色を反射面に持たせることは出来ないという大きな欠点がある。
また、薄膜多層構造を有するものも、従来の構造色技術として多数あり、単色の構造色を作れるものも存在する（特許文献１参照）が、例えばガラスに用いる場合、ガラスの内部に、何がしかの多層構造を持たせねばならず、技術的に非常な困難を伴うため、素材にガラスのみを用いる場合はほとんど不可能と考えられる。
さらに、特殊な材料を用いて単色の構造色を作れるものも存在する（特許文献２参照）が、これは塗料と同様であって、物体自体の構造色ではない。
構造色以外の彩色方法の問題点【０００７】  構造色を用いない従来の彩色技術で、前記（１）の発色剤混合の場合は、微細な形状の色や形を、思い通りに作り出すのは困難であり、また、（２）の塗料の場合には、保管状況によっては、塗料が剥げ落ちたり、有害な塗料が人体に害を及ぼすというような欠点がある。
さらに現代の精密加工技術によって、例えばガラス表面に非常に精密な形の模様を、思い通りに描いて作成する事は可能であるが、特定の色を付ける事は出来ず、素材のガラスの色のままである。（特許文献３参照）
本発明の課題【０００８】  本発明の課題は、前記の問題点を解決し、色素や顔料による発色と異なり、紫外線などにより脱色することが無い特徴を持っている「構造色による発色」を用い、さらに特殊材料や薄膜多層構造を用いず、反射面の表面構造のみで、思い通りの色や形を発色させる技術の開発であり、具体的には、物体表面の法線方向の広範囲な角度から、同じ色に見える回折構造の発見と、それを応用した製品、およびその製品の製造方法の提供である。
この回折構造を「単色広角表面反射回折構造」と、また、この回折構造によって発色する構造色の理論を「単色広角表面反射回折構造色理論」と定義する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  単色広角表面反射回折構造色理論【００１０】  本発明の「単色広角表面反射回折構造」とは従来の回折格子を進化させた形であり、広角化と単色化のために、目的の彩色波長の数百倍の大きな口径を持つ、凹球面状の大クレーターと、さらにその表面に、彩色のために、淵の間隔が５ミクロン以下の凹状小クレーターを合わせ持つ、「２重クレーター構造」である。
回折格子は同じ理論の構造色であるが、本来、分散光が主体の分光装置であり、本発明のように回折光を単色の構造色として反射させる回折構造とは、目的が全く異なるものである。
法線集中回折光の発見【００１１】  本発明の中心となるのは、従来の回折格子構造を進化させ、平面上の均一な点について、単方向であった入反射方向の全方位化を追求し、その論理的解析によって発見した「法線集中回折光」の広角化である。
回折格子およびその理論【００１２】  回折格子は、回折のための細いスリットの集まりを反射面の形にしたものであり、最も基本的な従来の回折格子およびその理論について、図を用いて説明すると、図１（ａ）および（ｂ）は、従来の回折格子の上面図および側面図を示したものである。
符号１は平行に削った細い溝であり、２は格子平面に対する法線である。
溝と直交する３の方向から入射した入射光は、１の格子面に当たって回折、干渉し、色によって角度の異なる反射光４となる。
回折格子理論の難解さは、回折と干渉という光の性質の不思議さ、すなわち通常の反射面の常識（入射角と反射角が同一）とはかけ離れた、「回折光が、あらゆる角度に反射する」という性質を、理解しなければならない点にある。
従って入射光の法線に対する角度α（図１（ｂ）の符号５）と、反射光の法線に対する角度β（図１（ｂ）の符号６）とは異なる値となる。
この反射光（分散光）の角度の差は、各入射光と各反射光に直交する波面の光路差によって生ずる。
図２は、側面の図１（ｂ）を拡大した図であり、入射光３は、法線と同じ方向に描いてあって、更にこの場合、反射光４の反射角β（符号６）は４５度を想定している。
図２の符号８は、溝の淵どうしの間隔（＝淵間隔）Ｄであり、符号７は、淵間隔Ｄの大きさによって生ずる光路差を示している。
回折格子理論によれば、淵間隔Ｄと、入射光の法線に対する角度α、回折反射光の法線に対する角度β、および回折光の波長λの間には、次のような関係がある。
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回折による干渉は、繰り返し起こり、（１）式の整数ｎは、第ｎ次の干渉、を意味しており、光量は次数ｎに反比例するため、ｎ＝１が最大光量であり、ｎが大きくなれば光量が減り、ほとんど意味を成さないので、当面ｎ＝１として話を進める。
図２の場合、入射角αは０度であるから、Ｓｉｎα＝０であって、また（１）式の括弧内が−という答えは、反射光が「入射角側」に反射し、また、赤から紫までの回折光の順序が逆転する事を意味しているが、入射角αが０度のこの場合は「入射角側」という方向は存在しないので、反射角βの正弦が全て＋と考えると、ｎ＝１であるから（１）式は、
2017211623.tif 000004
という簡単な式となる。
（２）式を書き換えて反射角βを求めると、
2017211623.tif 000005
となる。
2017211623.tif 000006
Ｄを求めると、
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となる。
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線方向から入射した光が、左右に反射角４５度の方向にその波長の回折光を作る、という事を意味している。
例えば、波長が０．７ミクロン（μｍ）の赤色の回折光を、反射角４５度の方向に作り
2017211623.tif 000009
クロンにすれば、法線、すなわち真上の方向からの入射光に対し、波長０．７ミクロンの赤色の回折光を、反射角４５度の方向に反射する。
この場合（３）式から別の色（波長）の反射角を求めてみると、波長０．５ミクロンの緑色のなら、λ／Ｄ＝０．５となり、β＝３０度という答えとなる。
同様に、波長０．４ミクロンの紫色なら、反射角は約２３度と計算される。
すなわち、図１の淵間隔１ミクロンの回折格子は、真上から入射する光に対し、反射角２３度に紫色を、反射角３０度に緑色を、反射角４５度に赤色を回折光として、左右に分散するわけである。
法線方向への集中逆回折【００１３】  ところで、この図２の入射光と反射光を逆にして、符号４の方向を入射光に、符号３の方向（法線方向）を反射光にしてみると、反射角は０であるからＳｉｎβ＝０であり、またｎ＝１であるから（１）式は、
2017211623.tif 000010
となり、入射角αは、
2017211623.tif 000011
となる。
この（５）、（６）式は、前記（２）、（３）式の反射角βを入射角αに置き換えただけで全く同じ形である。
すなわち、図２の入射光と反射回折光の関係が、そのまま逆転するわけであり、例えば、前記の、淵間隔１ミクロンの回折格子の場合、真上から入射する光に対し、反射角２３度に紫色を、反射角３０度に緑色を、反射角４５度に赤色を回折光として、左右に分散したが、逆に入射角２３度の入射光は、紫色の回折光を、真上（法線）方向に反射し、同様に入射角３０度の入射光は緑色の回折光を、入射角４５度の入射光は赤色の回折光を、それぞれ真上（法線）方向に反射する。
すなわち、入射角２３度から４５度の入射光は、すべて真上（法線）方向に、それぞれの色の回折光を反射する
図３に、淵間隔Ｄを１ミクロンとした場合の、逆回折の答えを図示しており、図３（ａ）は、入射角α（符号５）が４５度の入射光３ａが、赤色の回折光４ａを法線方向に反射させる事を示しており、また、この入射光に対する紫色の回折光４ｂの反射角β（符号６）を、（１）式より計算して求めると、約１７度という答えが得られる。
図３（ｂ）は、入射角２３度の入射光３ｂが、紫色の回折光４ｂを法線方向に反射させる事を示しており、また、この入射光に対する赤色の回折光４ａは、入射光側に反射し、その角度は約−１７度という計算結果になる。
図３（ｃ）は、入射光３ａおよび３ｂが、図３（ａ）及び（ｂ）とは逆の左側から入射した場合も、法線方向±１７度の方向に全ての回折光を反射する様子を示し、更に図３（ｄ）は、左右両側の入射光３ａから３ｂまでの全ての入射光が、法線方向±１７度の方向に全ての回折光を反射する事を示している。
この法線方向の回折光は、光量が大きいと共に、全ての色の混合であり、この場合、色は白色に近いものになると予想されるが、回折格子は本来分光器であり、言わば光混合器と呼べるような、このような機能が生じる事は、回折格子の設計者も気が付かなかったのではないかと思われる。この逆集中回折光を「法線集中回折光」と呼ぶ事にする。
同心円型回折格子と全方位化【００１４】  図１（ａ）のような従来の回折格子の場合、入射光３と反射光４の方向は、溝の方向と直交する１方向に限定され、法線方向からの入射光に対し、分散する回折光は、左右の２方向である。
しかしながら従来の回折格子でも、縦横両方に四角い淵に囲まれた溝を掘ったもの（直交格子）もあり、この場合は、法線方向からの入射光に対し、縦横斜めの１６方向に分散する回折光が現れる。
仮にもし、反射面の東西南北全方向（方位）に回折する構造があったら、入反射光の全方位化によって、「法線集中回折光」の更なる強化がはかれると考えられる。
回折格子の中には「同心円型回折格子」という、入反射光が全方位に回折するものがあるが、「法線集中回折光」が現れるのは、中心の１点のみしかない。
この様子を図４（同心円型回折格子）に示す。
図４（ａ）は、同心円型回折格子の上面図、（ｂ）は側面図、符号９は同心円の中心点を意味しており、（ｃ）は中心点９への全入射光３ａから３ｂが、回折反射光４を作る様子を示し、上面図（ａ）の円形の線は、溝の最も高い淵の部分の連なりを描いたものである。
この場合も、図４（ｂ）の淵間隔Ｄを１ミクロンとした場合に限定して話を進めると、東西南北の全方位３６０度から、入射角が４５度の入射光３ａから入射角２３度の入射光３ｂまでが、逆円錐状に入射し、図３と同様全ての回折光を、反射角が法線方向±１７度の全方位３６０度に逆円錐状に反射するわけである。
したがって、この場合「法線集中回折光」の光量は非常に大きくなり、強力な光となると考えられる。
ところで、入射角が０度から２３度までと、４５度以上の入射光が作る回折光はどうなったのか、というと、本来なら４５度以上の入射光は、入射方位の逆側に、反射角が０度から約３７度の分散光を作るのだが、実は「２重クレーター構造」にした場合、後に述べる、凹球面状の大クレーター構造による淵の壁にさえぎられて、ほとんどが入射して来ないと考えられるため、最初から無視していたのである。
また、０度から２３度までの入射光は、入射方位側に、反射角が−０度から−４５度の分散光を作るが、入射角が小さい分だけ光量が少ないと考えられ、それが更に全方位３６０度の大きな反射角に分散され、更に少ない光量となるため、これも無視できると考えて話から除外した。
これで全方位型の回折構造が、全方位入射光によって光量の非常に大きな「法線集中回折光」が作れる事が説明できたと思うので、法線集中回折光の発見の話はこれで一区切りとし、後は、均一全方位型回折構造と、「２重クレーター構造」の話に移る。
凹状小クレーター構造の諸条件【００１５】  凹状小クレーターの淵構造と淵間隔【００１６】  図４の同心円型回折格子は、中心の１点のみしか全方位入射光による「法線集中回折光」を作ることが出来ない。
回折表面の均一な各点にて、全方位入射光による「法線集中回折光」を作れるような構造を探ると、同心円型回折格子の中心点のように、どこでも淵間隔Ｄが正確に一定となるような解は存在しないが、近似的な解の構造ならある。
例えば、前記した直交格子などもその１つであり（図５（ａ）参照）、この場合、淵（格子平面上の最も高い部分）の形状が正四角形の凹状クレーターが、縦横に隣接して密集配列されていると考える事が出来、淵間隔Ｄは、東西と南北方位の平行な淵間隔の値をＡと
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なり、分散光の角度が少し変わる。
もう少し良い構造を追い求めてみると、隣接する淵が凹正六角形状小クレーターの密集配列の場合（図５（ｃ）参照）、淵間隔Ｄは、平行部分の淵間隔の値をＡとすると（図５（ｄ）
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子よりも変化が小さくなる事がわかる。
さらに、隣接する淵が凹円形状小クレーターの密集配列構造（図６（ａ）および（ｂ）参照）の方が円に近く、方位による淵間隔Ｄの変動は、凹正六角形状小クレーターと同程度か、さらに少ないと思われ、表面の均一な各点に、強い法線集中回折光を作るには、最も理想的な回折構造ではないかと考えられる。
以上、表面の均一な各点に、強い法線集中回折光を作れる「均一全方位型回折構造」（小クレーターの淵構造）は、上記の正四角、正六角、円の３種類が主な構造と考えられる。
また、各形状の淵間隔Ｄの値（四角、六角は淵の平行部分、円は淵の直径）は、５ミクロン（μｍ）以下と考えているが、この値は、彩色の色スペクトルを決定する最も重要な要素であり後述する単色化の項で、各彩色スペクトルに対する淵間隔の値の詳細を述べる。
凹状小クレーターの縦構造と深さ【００１７】  凹状小クレーターの底の部分は、スリット型回折構造と比較すると、スリット、即ち光を通過させる部分ではなく、光を遮断する部分に相当し、反射型の回折構造として、光を反射せずに吸収する機能を持つものである。
従って、縦方向（深さ方向）の構造としては、基本的に逆円錐（Ｖ字）型が理想的と考えられるが、深ささえ、淵間隔Ｄと同程度であれば、凹球面，凹楕円面、凹方物面、凹双曲面、凹円柱、凹台形、など、色々な構造が考えられ、光が上方に反射さえしなければ、どの凹状構造でもよいと考えられる。
凹状小クレーターの均等密集配列【００１８】  各凹状小クレーターをどのように均等密集配列したらよいか、について考えると、なるべく強い法線集中回折光を作れる均一な凹状小クレーター構造、という観点から言えば、当然、なるべく密集した構造の方が、多くの回折光を集められると考えられるので、図５（ａ）、図５（ｃ）、図６（ａ）、に示したような、「同一の大きさの、すべての各凹状小クレーターが、隣のクレーターと接している配列状態」すなわち、「隣接密集配列」であれば、自動的に均等配列にもなるので、最も理想的な均等密集配列であると考えられる。
この、「隣接密集配列」状態から、隣の各クレーターを外側にずらして、配列した場合、計算上の淵間隔が伸びて、彩色スペクトルの波長が変わる上、回折光の光量も減少すると考えられるので、わざわざそうするメリットは、あまり無いと思われるが、円形などでは、クレーターを加工する手間が少なくなる可能性もあり、加工上の都合で、そのような配列を取らざるを得ない場合もあるかもしれない。
しかしそのような場合でも、一定表面積における凹状小クレーターの面積が、２割以下になった場合、回折構造として意味を持たなくなると考えられるので、この割合が２割以上（２０〜１００％）とする。
従って、ここで言う「均等に密集配列する」とは、下記表１に記した密集度を含む、均等な配列の事と定義する。
以上をまとめ、表１に示したものを、「凹状小クレーター構造の諸条件亅とする。
【表１】
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なお、これらの各条件のどれを選ぶかは、表面加工の際の諸条件、例えば、どのような色をどの範囲に彩色するか、等の都合により最適と考えられるものを選択する。
２重クレーター構造【００１９】  回折表面の均一な各点で、強い法線集中回折光を作れる回折構造（凹状小クレーター構造）が存在することがわかったので、次に、法線集中回折光の広角化と単色化を考える。
凹球面状大クレーター構造による広角化【００２０】  法線集中回折光の特徴は、それを見る人間の目と、回折表面を結ぶ線が、必ず「法線」、即ち、「接表面に垂直な直線」となる事である。
回折表面を広範囲な角度から人間が見た場合、どの角度においてもどこかの１点が必ず「法線」となる構造、と言えば「回折表面を凹球面状に曲げた構造」しかない。
即ち前記の、強い法線集中回折光を作れる回折構造（凹状小クレーター構造）を、凹球面状の大クレーターに表面構造として持たせた「２重クレーター構造」とし、この２重クレーター構造化した凹球面状大クレーターを、広範囲に密集配列すれば、人間が、広範囲などの角度から見た場合でも、この表面上の各大クレーターの１点づつから同一の色スペクトルを持つ、強い法線集中回折光が人間の目に届く事になり、回折表面の広範囲な角度から同一の色スペクトルが見られる「広角化」が実現できる事になる。（図７、図８、図９、図１０参照）
凹球面状大クレーターの淵構造および縦構造【００２１】  この大クレーターは、前記の通り「凹球面状」でなければ意味がないので、淵構造は円形であり、縦構造は球面を半分以下に切ったような凹球面状が理想であって、この球面の精度が高い方が望ましい。（図７、図８参照）
表面加工に多少の誤差が生じて、凹球面状に近い凹楕円面、凹方物面、凹双曲面等の２次曲線面に近づいたとしても、法線集中回折光の反射角が多少のばらつきを生じるだけで、あまり大きな問題とはならないと考えられるが、ここでは、この大クレーターが、精度の高い凹球面であるとし、口径と深さの比率は、球形として一義的に答えが定まると考えて話を進める。
例えば、口径（直径：図８の符号１２）の半分が深さ（図８の符号１３）に等しい、即ち、深さ／口径の比率が、０．５とすると、ちょうど口径の半分を曲率半径とする球を半分に切った形となる。
この場合、凹球面の底中央の１点では、入射角が０度から４５度の入射光が、真上に向かって法線集中回折光を反射し、入射角が４５度以上の入射光は、周りの壁に阻まれて、入射できない。（図９（ａ）参照）
底中央からずれた点における法線と入射角の関係は、片方はさらに狭まって、最大角が４５度から０度に減少するが、反対側は、最大角が４５度から９０度まで広がるため、最大入射角の平均は４５度となる。
しかしながら、これは最も極端な場合であって、もっと底が浅い方が実用的と考えられる。
図９（ｂ）は、口径の淵における法線の角度が、水平面に対して４５度となる２重クレ
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は、約０．２となり、図９（ａ）のクレーターの３割程度に浅くした場合を示し、この場合の最大入射角の平均を計算すると、６７．５度となるが、この位の深さが最も実用に適していると考えられる。
以上を表２にまとめる。
【表２】
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凹球面状大クレーターの口径と深さの比率を決定すれば、口径の値によって、自動的に深さも決定される。
しかしながら、この比率は最大入射角の値を変化させるため、次に述べる単色化のパラメータとして作用するので、表面加工上最も適した比率を選択する事が望ましい。
なお、表面加工の詳細については、本発明の範疇外であり、ここでは述べない事とする。
凹球面状大クレーターの口径値と密集度【００２２】  凹球面状大クレーターの中に見える法線集中回折光は、１個の大クレーターの中に１箇所（１点）のみである。
従って、この大クレーターの口径が大きくなるほど、表面上の一定面積における大クレーターの個数は減るから、その分反射する法線集中回折光の数も少なくなり、光量が落ちると考えられる。
しかしながら、逆に口径が小さくなるほど、精度の高い凹球面と小クレーターの表面加工が困難になると考えられる。
また表面上に、凹状小クレーターが密集配列するように加工しなければ、回折構造として機能しなくなるわけであるから、大クレーターの口径は、少なくとも凹状小クレーターの淵間隔又は口径の５０倍程度は、あるのが妥当ではないかと考えられる。
この大クレーターの主な機能は、「広角化」であり、深さ以外は「単色化」には関与しない。
という事は、目的の彩色スペクトルに関わらず、この凹球面状大クレーターの口径、および深さは一定でよいわけであり、その方が当然、加工にも好都合であろうと考えられる。
例えば、後述する単色化において、赤を発色させたい場合、凹状小クレーターの淵間隔又は口径Ｄは、４ミクロンに設定するが、この５０倍は、２００ミクロンとなる。
これを大クレーターの一定な口径とした場合、青の発色における小クレーターの設定淵間隔又は口径である０．６ミクロンの、３３３倍となる。
従って、凹状小クレーターの淵間隔又は口径Ｄを基準とした場合、概ねその５０倍から３５０倍を、大クレーターの口径として選択するのが妥当であろう。
最後に大クレーターの密集度であるが、これは、小クレーターの場合と同様、隣接密集配列が最もよいと考えられるので、大クレーターの「均等な密集配列」に関しても、凹状小クレーターの場合と同様、下記表３に記した密集度を含む、均等な配列の事と定義する。
以上をまとめ、表３に示したものを、「凹球面状大クレーター構造の諸条件」とする。
【表３】
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２重クレーター構造による単色化条件【００２３】  法線集中回折光は、混合色の回折光であり、単色と言っても１つだけの波長ではなく、いくつもの色が混ぜ合わさった色スペクトルである。
従って、正確で厳密な理論的予想は困難であるが、とりあえず光の３原色である青、緑、赤、および、黒と白についての理論的予想を述べ、後はその組み合わせによる混色を考える事とする。
すでに述べたように、法線集中回折光として反射される光の色（波長λ）は、凹状小クレーター構造の淵間隔又は口径の大きさＤと、そこに入射する光の入射角αによって、（５）式の如く、λ＝Ｄ×Ｓｉｎαと決定される。
また、ｎ次の回折光の場合は、波長λのｎ倍が、Ｄ×Ｓｉｎαとなる。
深さが、口径の約０．２倍（２割）の凹球面状大クレーターを持つ、２重クレーター構造を選択した場合、入射光の最大入射角は、６７．５度であったから、この大クレーターに入射する光の入射角αは、０度から６７．５度となる。
そこで、凹状小クレーター構造の淵間隔又は口径の大きさＤが、０．３ミクロンから５ミクロンまでの値に対する、入射角αが０度から６７．５度の回折波長λの値、Ｄ×Ｓｉｎαを計算によって求めてみると、Ｄが０．４ミクロン以下では、すべての入射角の入射光が作る回折波長λは０．３７ミクロン以下、すなわち紫外光となる。
これは、人間の目には見えないという事であり、色としては「黒」となる。
もし、Ｄの値を０．３ミクロン以下にした場合、入射角が９０度でも紫外光となるので、凹球面状大クレーターが無くても「黒色」は作れる事になるが、これは黒だけの特殊ケースである。
Ｄの値をもう少し大きくして、０．５ミクロンにすると、入射角が４５度以上の場合に、紫と青が回折光として現れ、４５度以下は紫外光となる。
すなわち、法線集中回折光として反射される光の色は、これらの色の混合となるので、暗い紫になるはずである。
Ｄの値をもう少し大きくして、０．６ミクロンにすると、入射角が４０度以上の入射光が作る回折波長は、紫、青、緑、の３色であり、それ以下の角度の入射光では、は紫外光となる。
従って、法線集中回折光は、その合成で「青」となると予想される。
Ｄの値を更に大きくして、１ミクロンにすると、２０度以上の入射角の入射光が、すべての色を回折し、２次回折の光も含まれるようになるので、それらが全部合成され、法線集中回折光は、概ね「白」になると考えられる。
では、１ミクロン以上の淵間隔Ｄを持つ凹状小クレーター構造が作る法線集中回折光が、すべて「白」になるかと言うと、そうはならないところが光の不思議なところである。
１ミクロンよりも、更にＤの値を大きくしてゆくと、高次の回折光が、お互いの領域に重なり合いながら複雑に絡み合い、特定の色が強調されるところが見出される。
この解析によって得られたのが、「緑」の強いＤの値が１．６ミクロン、「赤」の強いＤの値が４ミクロン、という答えである。
これで深さが、口径の約０．２倍の凹球面状大クレーターの表面上に、凹状小クレーター構造を持たせた２重クレーター構造にした場合、凹状小クレーター構造の淵間隔又は口径の大きさＤを変化させて、光の３原色である青、緑、赤、および、黒と白の法線集中回折光が作れる事がわかったわけである。
その他の色に関しては、テレビの画面と同様に、これらの原色を混在させることにより、合成して作り出す事ができる。
例えば、赤と緑を合成すれば、黄色に、赤と青を合成すればマゼンタに、青と緑を合成すれば、シアンという色になるはずである。
以上、「２重クレーター構造」の、凹状小クレーター構造の淵間隔又は口径の大きさＤの値によって、法線集中回折光の彩色光を制御できる事が説明された。
これらの値を、表４にまとめる。
【表４】
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なお、表４の値は、凹球面状大クレーターの口径に対する深さの比率が、０．２の場合であり、比率が０．５の場合（深さが最大）は、入射角が４５度以上の入射光は、ほとんど無くなってしまうため、法線集中回折光の彩色スペクトルは、紫外光側にシフトするが、紫か青といった、凹状小クレーターの淵間隔又は口径Ｄの値が小さい場合以外は、あまり影響は無いものと考えられる。
彩色スペクトルと回折構造（諸条件）の対応データの集積【００２４】  すでに述べたように、合成された法線集中回折光は複雑な彩色スペクトルであり、最終的にその正確な色あいを、理論的に厳密に予測するのは困難である。
また、黄色や橙色といった中間色を前記の３原色の合成で作らなくとも、それに近い色が作れる淵間隔又は口径Ｄの値が発見できるかもしれない。
一番良いのは、試作を繰り返し、２重クレーター構造の大小クレーターの諸条件、特に凹状小クレーターの構造、および淵間隔又は口径Ｄの値と、実際に発色する法線集中回折光の彩色スペクトルとの対応を細かく集積したデータを作成する事である。
これにより、詳細に分けて番号をふられた彩色スペクトルに対する回折構造の諸条件が即座に検索でき、そのまま表面加工の条件とすることが可能となる。
この集積データを「色と表面形状の対応データ」と呼ぶことにするが、実に、この対応データこそが本発明の中心であると言っても過言ではない。
【発明の効果】
【００２５】  構造色の大きな特徴は、モルフォ蝶の羽に代表されるように、その発色の美しさにあり、本発明の単色広角表面反射回折構造色理論は、数百年間、未知であったローマングラスの発色原因を、世界で初めて理論的に解き明したと自負しており、本発明の単色広角表面反射回折構造の技術により、太古のローマングラスと同様な輝きを持つ、人工の擬似ローマングラスの製造が実現できると期待される。
また、自在な色、模様、あるいは絵や写真などを構造色として、食器や壷、板ガラスなど、あるいは、ブローチやペンダントなど、様々な製品の表面に描き出すことが出来、付加価値の高い商品として売り出すことが出来ると考えられる。
さらに、この構造色を、従来の絵の具や塗料の代わりに用いて、物体表面上に自在な絵を描き出す絵画作成技法としても用いることが可能であろう。この場合、絵の具の経年変化による劣化、退色、剥げ落ち、などの無い長期間の保存が可能な絵となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の最も基本的な回折格子を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】側面図、図１（ｂ）の拡大図であり、法線方向からの入射光に対し、反射角が４５度の分散光を示す。
【図３】法線方向への逆回折を示し、（ａ）は、入射角４５度の場合、（ｂ）は、入射角２３度の場合、（ｃ）は、逆側からの入射光の場合、（ｄ）は、両側の全入射光の場合を示す。
【図４】同心円型回折格子であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は全入射光と法線集中回折光を示す。
【図５】直交型回折格子および、凹正六角形状小クレーター構造を示し、（ａ）は直交型回折格子の上面図、（ｂ）は同側面図、（ｃ）は凹正六角形状小クレーター構造の上面図、（ｄ）は同側面図である。
【図６】凹円形状小クレーター構造であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図７】凹球面状大クレーター構造の上面図
【図８】凹球面状大クレーター構造の側面図（図７の１０の断面図）
【図９】２重クレーター構造の側面図で、（ａ）は、深さ／口径比が０．５の場合、（ｂ）は、深さ／口径比が０．２の場合である。
【図１０】２重クレーター構造の上面図
【図１１】彩色ガラス製品作成工程のシステム構成を表すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
【実施例１】
【００２８】  図１０は、本発明の２重クレーター構造を持つ、単色広角表面反射回折構造の１例である。
この場合、発色する法線集中回折光の彩色スペクトルは「青」を想定しており、凹状小クレーターの淵構造は「円形」で、その口径（直径）は、０．６ミクロンであり、凹球面状大クレーターの方は、深さ／口径比が０．２、口径は、小クレーター口径の約１６７倍である１００ミクロン、即ち０．１ミリメートル（ｍｍ）に設定している。
符号１９は、均等に隣接密集配列された凹球面状大クレーター構造を示しており、この大クレーターは、口径が１００ミクロンであるから、深さは２０ミクロン、凹球面の曲率
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口径が０．１ｍｍであるから、雑な計算で１平方センチメートル当たり、１万個以上の大クレーターが密集配列されるわけであり、各大クレーターから１点づつ反射される法線集中回折光（符号２２）も、１万個以上の青い光点の集合となる。
符号２０はこの凹球面状大クレーターの表面構造の一部を拡大した図であり、符号２１は、口径が０．６ミクロンの円形の淵構造を持つ凹状小クレーターが、均等に隣接密集配列された図を示している。
この各小クレーターの縦構造は、逆円錐（Ｖ字）形で、その深さは口径と同じ０．６ミクロンに設定している。
この凹円形状小クレーター構造により、強い同一の青色の法線集中回折光を、凹球面状大クレーター上方の広範囲な角度に反射させることができる。
以上、この２重クレーター構造を表面構造に持たせれば、均一な「青」の構造色に表面を彩色させることができる。
【実施例２】
【００２９】  図１１は、構造色によって彩色を行うガラス製品作成工程の、システム構成を表すブロック図である。
この場合は、あるサンプルの絵柄を、そのままガラス表面に構造色として彩色し、写し代える事を想定した加工システムである。
符号２３は、このサンプルの絵柄であり、単一の色のみの場合には不要となる。
符号２５は、サンプルの絵柄表面を拡大して走査、分析を行うスキャナー装置であり、カラーコピー機や、コンピュータの周辺装置としてのスキャナー装置などと同様の機能を持つ装置であって、符号２４に示すようにサンプルの絵柄表面のスキャン操作を行い、符号２６で示すように絵柄走査点の位置、及び色に関する数値データを電気信号に変換して、符号２８の「色から表面形状への変換部」に、順次、送り出す機能を持つ装置である。
符号２８は、符号２７の「変換機構部」のうちの「色から表面形状への変換部」であり、符号２５のスキャナー装置から送られて来た色信号（符号２６）を、「単色広角表面反射回折構造色理論」を用いて、ガラス表面加工点の表面構造加工データ信号（符号２９）に変換し、順次、符号３０のガラス表面加工装置に送りだす機能を持つ。
ガラス表面には、前もって凹球面状大クレーター構造を、均一に密集配列加工しておかねばならない。
符号３０は、符号２９の信号を受け、ガラス面を加工する、加工装置である。
符号３１は、この加工装置による加工操作を示し、符号３２は、最終的に加工を施されるガラス製品を示している。
符号３３は、目的の彩色スペクトルと、２重クレーター構造の諸条件との対応データを集積する「色と表面形状の対応データ集積部」である。
符号３４は、「色と表面形状の対応データ集積部」（符号３３）から符号２８の「色から表面形状への変換部」に送る表面形状データ信号を示す。
以上このシステムにより、自由な絵柄を、そのままガラス表面に構造色として彩色することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  光は電磁波の一種であり、本発明は、可視光以外の全ての電磁波領域でも応用が可能であって、製品の材料はガラスや金属に限らず、光をよく反射しないような素材の物体でも、単色広角表面反射回折構造加工後の表面をアルミ、銀、金、等の反射材でコーティング（メッキ）する事により、特定の波長を中心とする回折スペクトルの反射が可能と考えられ、２重クレーター構造による単色広角表面反射回折構造を、表面構造として持っており、それによって可視光以外の電磁波領域において、特定の波長の回折スペクトル反射波を広角に反射することを特徴とした何らかの回折装置や機器、その他の応用製品のさらなる開発が期待される。
【符号の説明】
【００３１】１は、平行に削った細い溝          ２は、格子平面に対する法線
３は、入射光                      ３ａは、入射角４５度の入射光
３ｂは、入射角２３度の入射光      ４は、反射光（回折光）
４ａは、赤色の回折光              ４ｂは、紫色の回折光
５は、入射角α                    ６は、反射角β
７は、光路差
８は、凹状小クレーターの淵間隔又は口径Ｄ
９は、同心円型回折格子の中心
１０は、凹球面状大クレーターの中心を通る直線
１１は、１点から、ある方向に反射する法線集中回折光
１２は、凹球面状大クレーターの口径（直径）
１３は、凹球面状大クレーターの深さ
１４は、底中央点からの法線集中回折光
１５は、最大角４５度の入射光
１６は、最大角６７．５度の入射光
１７は、深さ／口径比０．５の２重クレーター構造の側面図（回折面）
１８は、深さ／口径比０．２の２重クレーター構造の側面図（回折面）
１９は、均等に隣接密集配列された凹球面状大クレーター
２０は、凹球面状大クレーター表面の一部拡大図
２１は、均等に隣接密集配列された凹円形状小クレーター
２２は、凹球面状大クレーターの中で反射する法線集中回折光
２３は、サンプルの絵柄
２４は、スキャン操作
２５は、スキャナー装置
２６は、絵柄走査点の位置、及び色に関する数値データ
２７は、変換機構部
２８は、色から表面形状への変換部
２９は、ガラス表面加工点の表面構造加工データ信号
３０は、ガラス表面加工装置
３１は、加工操作
３２は、加工を施されるガラス製品
３３は、色と表面形状の対応データ集積部
３４は、表面形状データ信号
【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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