JP2006156220A - 放射体および当該放射体を備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の波長域における放射効率を高め、かつ、実用化しやすい構造を有する放射体を提供する。
【解決手段】本発明の放射体１０は、所定波長よりも長い波長を有する電磁波の放射を抑制する放射抑制構造を備えている。放射抑制構造は、２次元的に配列された複数のキャビティ１と、複数のキャビティ１の周りに存在し、キャビティ１を連結するキャビティウォール部とを有している。キャビティウォール部において、隣接する複数のキャビティ１に接する仮想的な最大円１１の直径をＤとしたとき、本発明では、０．２２５μｍ≦Ｄ≦０．５５０μｍの関係が成立している。
【選択図】図８

Description

本発明は、赤外放射を抑制することによって可視光の放射効率を向上させた放射体に関する。また、本発明は、このような放射体を構成要素として備える装置（好適には照明装置）にも関している。

「放射体」は、外部からエネルギを受け取り、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。

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、放射効率が高くない。すなわち、照明に利用可能な可視波長域の放射は、投入したエネルギ全体の１０％程度に過ぎない。残りのエネルギは、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、白熱電球の可視放射効率は１５ｌｍ/Ｗ程度と低い。

図１は、プランクの式から求められる２０００Ｋでの黒体放射のスペクトルを示している。図１のグラフの縦軸は分光放射強度（Ｗ）であり、横軸は波長（ｎｍ）である。図１のグラフからわかるように、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７００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下）における放射は、全波長域の放射の約半分を占めている。したがって、この近赤外域の放射を充分に抑制できるか否かによって放射体の放射効率が大きく変化することになる。

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、可視光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）。特許文献１に開示されてる従来技術では、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（以後、「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。このため、例えば１μｍ以下のサイズを有する微細なキャビティを放射体の表面に配列することにより、赤外放射を抑制し、可視域波長の放射効率を高めることができる。

特許文献１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するため、キャビティ部分における可視域光の放射率が１に達すると記載している。特許文献１によれば、キャビティ内径の倍の波長以上の電磁線は伝播されなくなる。より具体的には、キャビティ径が３５０ｎｍ、キャビティとキャビティとの間の部分（以下、「キャビティウォール」と称する。）の幅が１５０ｎｍよりも大きい場合、キャビティからは波長７００ｎｍ以上の赤外域電磁線は放射されなくなる。なお、特許文献１によると、７００ｎｍより長い波長のフォトンは、キャビティウォールからのみ外部へ放射されることになる。特許文献１に記載されているキャビティウォールの幅は、放射面の面積の５０％である。ここで、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を「開口率」と称することとする。特許文献１に開示されている放射体の「開口率」は５０％に達している。

特許文献１によれば、上記の構成の放射体では、放射領域が薄く、かつ内部から同一波長のフォトンが表面に到達しないため、放射光束密度が熱力学平衡に到達せず、黒体平衡レベル以下に保持される。特許文献１は、黒体レベルの２０％の光束がキャビティウォール部の表面（端面）にまで到達すると仮定した上で、開口率が５０％ならば、７００ｎｍより長い波長の全放射光束が通常のタングステンからの全放射光束の約１０分の１になると計算している。すなわち、２１００Ｋの動作温度で可視放射効率が従来の約６倍に向上することになる。
米国特許第５,０７９,４７３号明細書

しかしながら、特許文献１に記載されている発明が実際の照明装置（ランプ）のフィラメントに適用され、実用化された例は無い。実用化を阻む第１の理由は、内径３５０ｎｍ程度の微細なキャビティ構造をタングステンなどの高融点金属表面に高い開口率（例えば５０％）で形成することが極めて困難だったからである。特許文献１の教示内容に基づけば、放射率を高めるためには、キャビティが存在していない部分の表面積（放射面すなわち正面における面積）を可能な限り縮小する必要があり、そのためには、開口率を可能な限り（例えば５０％以上に）高める必要がある。そのような開口率を達成するためには、キャビティの配列ピッチを製造困難なレベルにまで短縮する必要がある。

本願発明者が実際に放射体のサンプルを作製し、その放射率を求めたところ、特許文献１が教示する波長では放射抑制効果が充分に発揮されない事実を見出した。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、所望の波長域における放射効率を高め、かつ、実用化しやすい構造を有する放射体、および当該放射体を備えた各種の装置（例えば照明装置）を提供することにある。

本発明の放射体は、所定波長よりも長い波長を有する電磁波の放射を抑制する放射抑制構造を備えた放射体であって、放射抑制構造は、２次元的に配列された複数のキャビティと、前記複数のキャビティの周りに存在し、前記キャビティを接続するキャビティウォール部とを有しており、前記キャビティウォール部において、隣接する複数のキャビティに接する仮想的な最大円柱の直径をＤとしたとき、０．２２５μｍ≦Ｄ≦０．５５０μｍの関係が成立している。

好ましい実施形態において、０．２５０μｍ≦Ｄ≦０．４μｍの関係が成立している。

好ましい実施形態において、前記放射抑制構造は、放射体の表面に形成されている。

好ましい実施形態において、前記放射抑制構造は、放射体の表面に対向する位置に設けられたシート状部材であり、前記シート状部材は、前記キャビティとして機能する複数の開孔部を有している。

好ましい実施形態において、前記キャビティの内部に形成され得る最大内接円の直径をｄとするとき、０．１９μｍ≦ｄ≦０．５２μｍの関係が成立している。

好ましい実施形態において、ｄおよびＤの値は、ｄを横軸、Ｄを縦軸とする座標平面では、 （ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．５２）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．５２）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４０、０．５５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４０、０．５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．５６）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．５６）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、０．５５５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、０．５５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．５１）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．５１）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．５２）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．５２）と（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．５２５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．５２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．２７５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．２７５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．２８５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．２８５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３、０．２５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３、０．２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．２５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４、０．２５５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４、０．２５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．２７５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）と（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．４３）を結ぶ直線とによって囲まれる領域内の座標点で表される。

好ましい実施形態において、０．３μｍ≦ｄ≦０．３５μｍ、および０．３μｍ≦Ｄ≦０．４μｍの関係が成立する。

本発明の装置は、上記いずれかの放射体と、前記放射体にエネルギを供給し、前記放射体の少なくとも一部を加熱することによって電磁波を放射させるエネルギ供給部とを備えている。

好ましい実施形態において、前記装置は、可視光を放射し、照明光源として機能する。

本発明によれば、赤外放射を抑制できる微細なキャビティの間隔を従来よりも広く設定することにより、赤外放射を効果的に抑制し、可視光の放射効率を向上させた放射体の実用化を可能にするこてとができる。

本願発明者は、複数のキャビティが表面に配列された放射体について、その放射率とキャビティのアレイの構成との関係を詳細に検討することにより、従来全く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。

以下、本願発明者が実験および計算によって得た新しい知見の内容を説明する。

図２は、上記の実験に使用した放射体１０の平面図である。放射体１０の平面サイズは１５ｍｍ×１５ｍｍである。放射体１０は、厚さ０．１ｍｍ程度のニッケル薄板から形成されている。

放射体１０の表面には、多数のキャビティ１が周期的に配置されたキャビティアレイ構造物１５が存在しており、このキャビティアレイ構造物１５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１０の表面において、キャビティアレイ構造物１５が形成されている領域のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍである。

図３は、キャビティアレイ構造物１５の一部を拡大した平面図である。キャビティ１は、ニッケル薄板の表面に形成された略円柱状の凹部から構成され、その直径は４μｍであり、深さは８μｍ程度である。また、キャビティ１の配列は、隣接する２つのキャビティ１の中心の間隔が１０μｍになるように設定されている。本発明者が行なった実験では、図３に示すキャビティアレイ構造物１５を備える放射体１０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１０を作製した。

次に、このようにして作製した放射体１０の分光放射率を測定した。本明細書における「放射率」とは、物体の表面から放出される熱放射の輝度を、同じ温度にある黒体から放出される熱放射の輝度で割った値である。例えば、波長０．６×１０^-4ｃｍにおけるタングステンの放射率は、温度１６００Ｋで０．４６である。このように、放射率は、本来、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。

前述した特許文献１の教示内容に基づけば、キャビティ１の内部における電磁場の励起状態は、キャビティ１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１の内部を伝搬できない。その結果、キャビティ１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１を介して外部へ放射されることになる。上記構成を有する放射体１０では、キャビティ１の直径が４μｍであるため、そのカットオフ波長は４×２＝８μｍとなる。したがって、キャビティ１から放射される電磁波の放射率は、波長８μｍ以上の領域でゼロ（０）になることが予想される。

しかしながら、本願発明者らが上記構成を有する放射体１０について、その放射率を２．５μｍ以上２５μｍ以下の波長範囲で実際に測定したところ、特許文献１の教示内容からは到底予測され得ない結果が観察された。

以下、図面を参照しながら、この点を詳細に説明する。

図４は、放射体１０の測定によって得た相対反射率の波長依存性（分光放射率）を示すグラフである。図示されているグラフの縦軸は、放射体１０の放射率をリファレンス（表面が平坦なニッケル：比較例）の放射率で割った値（相対放射率）であり、横軸は放射の波長である。図４のグラフは、まず、放射体１０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、この測定および計算の方法を説明する。

まず、放射率と吸収率との間には、キルヒホッフの法則により、以下の（式１）が成立する。
吸収率＝放射率・・・（式１）

また、吸収率、反射率、および透過率の間には、以下の（式２）が成立する。
反射率＋吸収率＋透過率＝１・・・（式２）

従って、透過率が０になるように充分に厚いサンプルを用いる場合、（式２）における透過率をゼロとすることができるため、以下の（式３）が導かれる。
放射率＝１−反射率・・・（式３）

（式３）によれば、反射率を測定することにより、放射率を求めることができる。そこで、本願発明者は、放射体１０の反射率をＦＴ−ＩＲ（ＥａｓｉＤｉｆｆ ＦＴ-ＩＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定した。具体的には、図５に示す光学系を用い、波長２．５μｍ以上２５μｍ以下の範囲で反射率を測定した。測定対象となる放射体１０は、サンプル台３１に置き、積分楕円ミラー３４で反射した−６０°から６０°までの入射散乱光３２を放射体１０に入射させ、−６０°から６０°までの散乱反射光３３を測定した。

なお、リファレンス（比較例）についても、その反射率を測定し、放射率を求めた。本明細書では、放射体１０の放射率がリファレンスの放射率よりも低くなる波長を「カットオフ波長」と称することとする。リファレンスは、放射体１０の製造プロセスと同様、ニッケル電鋳により製作した。

図６は、反射率の測定結果を示すグラフである。波長１４μｍから約１６μｍの領域において、リファレンスの反射率と放射体１０の反射率が交差していることがわかる。ただし、同じ波長帯域で大気中にある二酸化炭素の検出ピークが観測されされるため、リファレンスの反射率と放射体１０の反射率が交差している波長（カットオフ波長）を判別しにくい。そこで、図６の結果から上記の（式３）を用いて放射率を求めた。

再び図４を参照する。

図４のグラフにおける相対放射率が１より小さいことは、放射体１０の放射率がリファレンスの放射率よりも小さいことを意味する。言い換えると、相対放射率が１より小さい波長域では、キャビティ１の形成されていない放射体（リファレンス）に比べて、放射体１０の放射率が相対的に小さいことを意味している。このような放射体１０における放射率の低下は、キャビティ１による前述のカットオフが生じた場合に観察されるはずである。放射体１０におけるキャビティ１の内径が４μｍであるので、特許文献１によれば、キャビティ１のカットオフ波長は８μｍになる。このため、波長が８μｍ以上に増加すると、相対放射率は１より小さくなると予想されるはずである。

しかしながら、図４のグラフによると、波長が７．３３μｍ以上に増加すると、放射率が急激に減少しているが、相対放射率は１を超えている。波長が１４．７７μｍ以上に増加すると、ようやく相対反射率が１以下に低下し、放射体１０の放射がリファレンスの放射がリファレンスの放射よりも少なくなっている。

以上の実験結果は、特許文献１の教示内容から予測できない新しい現象である。すなわち、放射体１０からの放射は、異なる２つの波長（第１および第２のカットオフ波長）で２段階に抑制されており、相対的に短い波長域（第１のカットオフ波長と第２のカットオフ波長の間）ではキャビティ１のカットオフによって放射が抑制されているものの、相対的に長い波長域（第２のカットオフ波長以上）での放射の抑制は、未知の要因によるものである。

本願発明者は、この未知の要因がキャビティウォール部の働きによるものであることを見出し、本発明を想到するにいたった。以下、この点を詳細に説明する。

図７は、図３に示すキャビティ１の配列の一部を抜き出して示した平面図である。図７には、隣接する３個のキャビティ１と、これらのキャビティ１に接する仮想的な外接円１１が記載されている。この仮想的な外接円１１は、キャビティウォール部において、隣接する複数のキャビティに接する仮想的な最大円柱の外周に相当する。この仮想的な外接円１１の直径（＝仮想的な最大円柱の直径）をＤとする。

この外接円１１の直径は、キャビティ１の配列によって幾何学的に決定される。図３に示す配列の場合、外接円１１の直径Ｄは約７．４μｍになる。

再び図４を参照する。図４のグラフから明らかなように、放射体１０からの放射が比較例（リファレンス）からの放射よりも弱くなる波長、すなわち、相対放射率が１を下まわる波長は、キャビティ１の直径（４μｍ）の２倍（＝８μｍ）よりも大きく、１４．７７μｍである。この波長（１４．７７μｍ）は、図７に示す仮想的な外接円１１の直径７．４μｍのほぼ２倍に相当する。このことは、仮想的な外接円１１の直径Ｄによってサイズが規定されるキャビティウォール部分が放射抑制に重要な働きを有しており、外接円１１の直径Ｄを調節することにより、赤外域の放射を抑制する効果が高められることを示唆している。すなわち、キャビティアレイ構造による現実の放射抑制効果は、単にキャビティによって引き起こされるのではなく、キャビティウォール部分によっても引き起こされることがわかる。キャビティウォール部分による放射抑制効果は、以下のようにして生じると考えられる。

すなわち、放射体１０の内部からキャビティウォール部分に伝搬してきた電磁波のうち、外接円１１の直径Ｄの２倍以上の波長を有する電磁波は、キャビティウォールに吸収されない。なぜならば、電磁波は確率的（量子力学的）には球状に存在していると考えられるので、外接円１１の直径Ｄの２倍以上の波長の電磁波は、キャビティウォール部の内部に存在できないと推察されるからである。キャビティウォールに吸収されない電磁波は、キルヒホッフの法則より、キャビティウォールから外部に放射されることもない。

前述したように、図４に示す実験結果からは、キャビティ１の径ｄの２倍以上の波長域でも、放射が生じていることがわかる（放射率１．７４％）。このように残存する放射を、本明細書では「キャビティにおける放射のもれ」と称することにする。キャビティにおける放射のもれは、外接円１１の直径Ｄの２倍の波長より大きい波長域における放射率１．７４％から、次のように見積もれられる。

すなわち、キャビティ１を設けた放射体１０の全体の放射率は、表面におけるキャビティウォール部およびキャビティ１の面積比率に対して各々の放射率を積算して合計した値である。したがって、全体の放射率は以下の（式４）で示される。

放射率＝（キャビティウォール部の面積）×（キャビティウォール部の放射率）
＋（キャビティの面積）×（キャビティの放射率）……（式４）

従来の技術常識によると、２×Ｄ以上の波長よりも大きい波長域では、キャビティおよびキャビティウォール部の放射率はゼロとなるため、全体の放射率もゼロとなる。しかし、実際の実験結果によれば、２×Ｄ以上の波長よりも大きい波長域における放射率は１．７４％である。

キャビティ１における放射の漏れを最大に見積もるには、キャビティウォール部からの放射をゼロと仮定すればよい。図３に示す構成を備えた放射体１０の表面では、キャビティウォール部の面積とキャビティ１の面積の比が８５．５：１４．５である。ここで、キャビティ１の放射率（放射の漏れ）をＸとすると、数式（４）により、漏れＸの最大値は１２％と計算される。

以上の知見に基づき、キャビティアレイ構造を変化させて放射体の放射率を計算した。

図８は、計算の対象となった放射体２０のキャビティアレイ構造部を示す一部拡大平面図である。放射体２０は、タングステンから形成されているものとした。キャビティ同士の間隔を変えることにより、キャビティウォール部の放射抑制効果を変化させた。キャビティ１の直径（キャビティ径）ｄは３５０ｎｍに設定した。

図９は、計算によって求めた放射の効率（放射率）と外接円１１の直径Ｄとの関係を示すグラフである。なお、この計算に際しては、キャビティにおける放射のもれ率を１２％に設定した。

以下、上記計算の内容をより詳しく説明する。

まず、デ・ボスの式を用いて２０００Ｋにおけるタングステンの放射率を波長３００ｎｍ以上３６００ｎｍ以下の範囲で求める。こうして求めた放射率を「リファレンスの放射率」とした。また、放射体２０の放射率は、キャビティウォール部の放射率を０．０１、キャビティの放射率を０．１２と仮定して計算した。

図１０は、Ｄ＜ｄの場合における放射体２０の放射率の波長依存性（分光放射）を示す模式図である。

一方、図１１は、Ｄ＞ｄの場合における放射体２０の放射率の波長依存性（分光放射）を示す模式図である。

計算に用いた式を以下に記載する。

（１） 外接円１１の直径Ｄがキャビティ１の直径ｄよりも小さい場合
●波長≦２Ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（リファレンス放射率）
＋（キャビティ面積）×１・・・（式５）
●２Ｄ＜波長≦２ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（キャビティウォールでの放射もれ率０．０１）＋（キャビティ面積）×１・・・（式６）
●波長＞２ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（キャビティウォールでの放射もれ率０．０１）＋（キャビティ面積）×（キャビティでの放射もれ率０．１２）・・・（式７）
（２） 外接円１１の直径Ｄがキャビティ１の直径ｄに等しい場合
●波長≦２ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（リファレンス放射率）＋（キャビティ面積）×１・・・（式８）
●波長＞２ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（キャビティウォールでの放射もれ率０．０１）＋（キャビティ面積）×（キャビティでの放射もれ率０．１２）・・・（式９）
（３） 外接円１１の直径Ｄがキャビティ１の直径ｄよりも大きい場合
●波長≦２ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（リファレンス放射率）＋（キャビティ面積）×１・・・（式１０）
●２ｄ＜波長≦２Ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（リファレンス放射率）＋（キャビティ面積）×（キャビティでの放射もれ率０．１２）・・・（式１１）
●波長＞２Ｄ：
放射率＝（キャビティウォール面積）×（キャビティウォールでの放射もれ率０．０１）＋（キャビティ面積）×（キャビティでの放射もれ率０．１２）・・・（式１２）

こうして求めた各波長における放射率と、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。光束を全エネルギで割った値が「放射効率」である。「放射効率」は、図９のグラフからわかるように、外接円１１の直径Ｄが３５０ｎｍに等しくなるときに最大となる。このため、ｄ／Ｄは１に近いことが望ましく、例えば、０．８＜ｄ／Ｄ＜１．２であることが好ましい。

図１２は、キャビティの直径ｄが３５０ｎｍ、外接円１１の直径Ｄが３５０ｎｍのときの分光放射強度を示すグラフである。ｄ＝Ｄ＝３５０ｎｍのとき、キャビティおよびキャビティウォール部の両方のカットオフ波長がいずれも７００ｎｍとなる。この場合、可視域が約３８０ｎｍ〜約７００ｎｍであるため、ちょうど赤外域全域の放射を効果的にカットオフすることができる。また、可視域における放射は、キャビティ１が擬似黒体として機能することによって強められるため、放射効率が更に高められる。

本発明によれば、キャビティウォール部による放射抑制効果を得るために、キャビティウォール部のサイズを制御することにより、そのカットオフ波長を適切に設計する。特に、キャビティウォール部のカットオフ波長を、キャビティのカットオフ波長と略等しく設定することにより、放射抑制の効果を最も有効に利用することができる。更に、本発明によれば、キャビティウォール部の面積を従来必要であると考えられていた程には小さくして開口率を高めることが必要ないため、製造しやすい実用的なキャビティアレイ構造を設けることになる。

本発明の放射体を照明光源に用いる場合は、前述のように、不要な赤外放射を適切に抑制するために、キャビティのカットオフ波長のみならず、キャビティウォール部のカットオフ波長を可視域と赤外域の境界付近に設計することが最も好ましい。

次に、特許文献１に開示されている放射体の放射効率を、本発明者が得た上記知見に基づいて計算した結果を参考のために説明する。図１３は、特許文献１に開示されている放射体の実施例を示すキャビティアレイの構成図である。キャビティの上面は、３５０ｎｍ×３５０ｎｍの正方形であり、隣接するキャビティ間の距離は１５０ｎｍである。

このような放射体の場合、キャビティ内に存在できる最大円の直径ｄは、３５０ｎｍであり、キャビティウォール部に存在し得る仮想的な最大円柱の直径Ｄは、２１０ｎｍである。また、キャビティの面積：キャビティウォール部の面積＝４９:５１である。

図１３のキャビティアレイ構造を備えた放射体について、図９の結果を算出した計算式を用いた同様の計算を行なった。その結果、２０００Ｋにおいて放射体の効率は１５．１１ｌｍ/Ｗと算出された。この値は、特許文献１に開示されている２０００Ｋにおける放射率（６１．１ｌｍ/Ｗ）に比べて著しく低い。

図１４は、効率とキャビティ１の直径ｄとの関係を示すグラフである。カットオフ波長が、可視域よりも低い波長になれば、可視放射が出力されなくなると予想されるので、カットオフ波長が可視域波長以上になる範囲で調べた。

図１４のグラフから、特許文献１に開示されている放射体に比べて効率の向上する範囲の存在することがわかる。そこで、放射率が１５．１１ｌｍ／Ｗ以上となるＤおよびｄの関係を求めた。その結果を図１５に示す。

図１５のグラフからわかるように、放射率を１５．１１ｌｍ／Ｗ以上にするためには、キャビティウォール部のサイズ（外接円の直径Ｄ）を適切な範囲内に設定する必要がある。すなわち、２２５μｍ≦Ｄ≦０．５５０μｍの関係が成立していることが必要である。また、０．２５０μｍ≦Ｄ≦０．４μｍの関係が成立していることが好ましい。従来、キャビティのサイズを所定範囲内に設定すべきことは知られていたが、キャビティウォール部のサイズを規定する外接円の直径Ｄについては、できる限り小さくするべきであるとの技術常識が存在していた。これに対して、本願発明では、Ｄを従来好ましいと考えられていた値よりも大きく設定することにより、より好ましい効果を発現させることができる。本発明によれば、開口率を４０％以下に設定しても、十分に高い放射効率を実現できる。開口率の低下は、放射体の製造を容易にするため、本発明は、マイクロキャビティを備えた放射体の実用化や量産に大いに寄与する。

なお、放射効率を高めるには、Ｄだけではなく、ｄの範囲も最適化することが好ましい。図１５に示すように、（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）の点と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．５２）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．５２）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４０、０．５５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４０、０．５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．５６）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．５６）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、０．５５５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、０．５５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．５１）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．５１）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．５２）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．５２）と（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．５２５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．５２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．２７５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．２７５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．２８５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．２８５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３、０．２５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３、０．２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．２５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４、０．２５５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４、０．２５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．２７５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）と（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．４３）を結ぶ直線に囲まれた任意のｄとＤ（直線上も含む）は、特許文献１に開示されている放射体の効率である１５．１１ｌｍ/Ｗを超える高い効率を有する放射体が提供される。

次に、図１４の結果に基づいて、一般照明用電球で高効率タイプであるミニハロゲン電球（１２Ｖ用・たとえば、ナショナル製Ｊ１２Ｖ１００ＷＡ・２４ｌｍ/Ｗ・３０００Ｋ）よりも効率が向上するＤとｄの関係を求めた。それが、図１６のグラフである。図１６に示すように、（ｄ、Ｄ）＝（０．３７５、３７０）の点と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、３９０）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、３９０）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、４００）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、４００）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２７５、３５０）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．２７５、３５０）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、２９５）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、２９５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、３００）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、３００）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３７５、３４０）を結ぶ直線と、（ｄ、Ｄ）＝（０．３７５、３４０）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３７５、３７０）を結ぶ直線に囲まれた任意のｄとＤは、２４ｌｍ/Ｗ以上となる。この放射効率（２４ｌｍ/Ｗ）は、図９におけるラインＴによって示されるレベルに相当している。このようにしてｄおよびＤの範囲を適切な範囲内に設定した放射体を用いると、動作温度２０００Ｋで、ミニハロゲン電球をこえる効率を有するため、長寿命で高効率な白熱電球を提供することができる。

（実施形態）
次に、図１７を参照して、本発明による放射体を備えた照明装置の実施形態を説明する。

図１７の照明装置は白熱電球であり、従来のフィラメントに代えて本発明による放射体１００を備えている。放射体１００の表面には、前述の外接円１１の直径Ｄが約０．３５μｍとなるように、直径ｄが約０．３５μｍのキャビティが周期的に配列されている。図１７に示される照明装置において放射体１００以外の構成は、公知の白熱電球の構成と同一である。すなわち、放射体１００は透光性のガラスバルブ１２０によって大気から遮断され、口金１３０を介して電流の供給を受ける。

本実施形態の装置によれば、赤外の放射が抑制され、照明に必要な可視域の放射効率が向上する。動作時における放射体１００の温度は２０００°Ｋ以上に加熱されることが好ましい。

なお、放射体１００におけるキャビティアレイ構造物は、放射体１００の表面に設けられている必要は無く、放射体１００の表面に対向するように配置されていても良い。この場合、キャビティアレイ構造物は、好適にはシート状部材から形成されることになる。このシート状部材は、キャビティとして機能する複数の開孔部を有していることが好ましい。図１８（ａ）および（ｂ）は、放射体２００の本体をシート状のキャビティアレイ構造物２２０が覆った構成例を示している。図１８（ａ）の例では、一対のシート状キャビティアレイ構造物２２０が放射体本体２００を挟み込んでおり、図１８（ｂ）の例では、円筒状のキャビティアレイ構造物２２０がコイル状の放射体本体２００の周囲を囲んでいる。

本発明の放射体は、キャビティウォールの働きを利用し、赤外域放射の抑制効果を高めることができる、可視域波長の効率の向上が求められている照明光源のフィラメントとして有用である。

黒体放射のスペクトルを示すグラフである。 表面に微細なキャビティ１が周期的に配列されたキャビティアレイ構造物を有する放射体１０の全体を示す平面図である。 放射体１０の表面に設けられたキャビティアレイ構造物１５の拡大図である。 放射体１０の相対放射率と波長との関係を示すグラフである。 放射体１０の反射率測定に用いたＦＴ−ＩＲの光学系を示す図である。 放射体１０およびリファレンス（比較例）の反射率測定結果を示すグラフである。 放射体１０におけるキャビティ１およびキャビティウォール部の外接円１１との関係を示す平面図である。 放射体２０におけるキャビティ１の直径ｄとキャビティウォール部の外接円１１の直径Ｄを示す平面図である。 キャビティ１の直径ｄが３５０ｎｍの場合における放射効率と外接円１１の直径Ｄとの関係を示すグラフである。 Ｄ≦ｄの場合におけるキャビティウォールおよびキャビティの波長ごとの放射率変化を示す模式図である。 Ｄ＞ｄの場合におけるキャビティウォールおよびキャビティの波長ごとの放射率変化を示す模式図である。 ｄ＝３５０ｎｍ、Ｄ＝が３５０ｎｍのときの分光放射強度を示すグラフである。 特許文献１に開示されている放射体の表面に設けられたキャビティ構造物の拡大図である。 キャビティ径ｄを変化させた場合におけるＤと効率との関係を示すグラフである。 効率が１５．１１ｌｍ/Ｗ以上になるｄおよびＤの関係を示すグラフである。 効率が２４ｌｍ/Ｗ以上になるｄおよびＤの関係を示すグラフである。 本発明による放射体を備える装置（白熱電球）の実施形態を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、いずれも、本発明による放射体を備える装置の実施形態における放射体の異なる形態を示す図である。

符号の説明

１ キャビティ
１０ 放射体
１１ 外接円
１５ キャビティアレイ構造物
３１ サンプル台
３２ 入射散乱光
３３ 散乱反射光
３４ 積分楕円ミラー
１００ 放射体
１２０ ガラスバルブ
１３０ 口金１３０
２００ 放射体本体
２２０ キャビティアレイ構造物

Claims (9)

1. 所定波長よりも長い波長を有する電磁波の放射を抑制する放射抑制構造を備えた放射体であって、
   放射抑制構造は、２次元的に配列された複数のキャビティと、
   前記複数のキャビティの周りに存在し、前記キャビティを接続するキャビティウォール部と、
   を有しており、
   前記キャビティウォール部において、隣接する複数のキャビティに接する仮想的な最大円柱の直径をＤとしたとき、０．２２５μｍ≦Ｄ≦０．５５０μｍの関係が成立している、放射体。
2. ０．２５０μｍ≦Ｄ≦０．４μｍの関係が成立している、請求項１に記載の放射体。
3. 前記放射抑制構造は、放射体の表面に形成されている、請求項１または２に記載の放射体。
4. 前記放射抑制構造は、放射体の表面に対向する位置に設けられたシート状部材であり、前記シート状部材は、前記キャビティとして機能する複数の開孔部を有している、請求項１または２に記載の放射体。
5. 前記キャビティの内部に形成され得る最大の内接円の直径をｄとするとき、
   ０．１９μｍ≦ｄ≦０．５２μｍの関係が成立している請求項１に記載の放射体。
6. ｄおよびＤの値は、ｄを横軸、Ｄを縦軸とする座標平面上において、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．５２）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．５２）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４０、０．５５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．４０、０．５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．５６）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．５６）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３０、０．５５５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．３０、０．５５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．５１）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．５１）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．５２）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．５２）と（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．５２５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．５２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．２７５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．１９、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．２７５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．２、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．２８５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．２５、０．２８５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３、０．２５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．３、０．２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．２５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．３５、０．２５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４、０．２５５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．４、０．２５５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．２７５）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．４５、０．２７５）と（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）を結ぶ直線と、
   （ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．３４）と（ｄ、Ｄ）＝（０．５２、０．４３）を結ぶ直線と
   によって囲まれる領域内の座標点で表される請求項５に記載の放射体。
7. ０．３μｍ≦ｄ≦０．３５μｍ、および
   ０．３μｍ≦Ｄ≦０．４μｍの関係が成立する、請求項６に記載の放射体。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の放射体と、
   前記放射体にエネルギを供給し、前記放射体の少なくとも一部を加熱することによって電磁波を放射させるエネルギ供給部と、
   を備えた装置。
9. 可視光を放射し、照明光源として機能する請求項８に記載の装置。