JP2018041704A - 熱輻射光源および光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供給されたエネルギーに対して輻射効率の高い熱輻射光源および光源装置を提供する。【解決手段】半導体から成る部材に、半導体の吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体２を備えた熱輻射光源１が、光学構造体２の基板３に配置された微小金属構造体４と、基板３を支持し、微小金属構造体４に電流を供給する高融点金属細線５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体から成る部材に、半導体の吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体を基板上に備えた熱輻射光源およびこれを用いた光源装置に関する。

一般に、物体を加熱すると、物体を構成する物質および物体の温度に応じた波長スペクトルを有する光、すなわち輻射光を生じる光源（熱輻射光源）となる。この熱輻射光源にフォトニック結晶を適用すると、特定の波長の光を効率よく発することができるため、種々活用が進められている。
このような活用例としては、熱光発電装置の光源として用いる場合（特許文献１）や、照明用の白熱電球として用いる場合（特許文献２）などを例示できる。

特許文献２は、支持部となるステムで支持されたフィラメントの表面にフォトニック結晶の光学構造体を設けた熱輻射光源の構造を開示している。このフィラメントには、その両端にくびれ部分が設けられている。フィラメントからステムに対して熱伝導で熱が逃げるため、通常はフィラメントの両端が、フィラメントの中心部に対して温度が低くなる。したがって、フィラメントに温度分布が生ずることになる。しかし、当該くびれ部分を設けることで、フィラメントの温度分布を緩和できるためである。

国際公開第２０１４／１３６６７１号 特開２００５−２７６５５６号

上記のような支持部を備えた熱輻射光源は、熱輻射光源に供給されたエネルギーが当該支持部からの熱伝導により漏えいするため、輻射光に変換される輻射効率が低下するおそれがある。

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、供給されたエネルギーに対して輻射効率の高い熱輻射光源および光源装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る熱輻射光源の特徴構成は、
半導体から成る部材に、前記半導体の吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体を備えた熱輻射光源において、
前記光学構造体の基板に配置された微小金属構造体と、前記基板を支持し、前記微小金属構造体に電流を供給する高融点金属細線とを備えた点にある。

上記構成によれば、高融点金属細線からエネルギーとして供給された電力により、微小金属構造体が発熱するため、微小金属構造体から基板への熱伝導により、基板上に配置された光学構造体の温度を昇温させることができる。つまり、微小金属構造体が光学構造体を加熱する熱源たる発熱素子／電気ヒータとして機能する。そして加熱された光学構造体は、その光学構造により、熱エネルギーを、特定の波長分布に制御された輻射光に変換する。
このように、光学構造体を加熱して特定の波長分布に制御された輻射光を得る場合に、熱源は微小な微小金属構造体であるため、熱源からの制御されない輻射光を抑制して、熱エネルギーの損失発生を回避できる。

また、光学構造体を、細線であり熱伝導量が小さい高融点金属細線で、微小金属構造体を介して支持することで、光学構造体からの熱伝導を抑制することができるため、エネルギーの損失発生を回避できる。
したがってこの熱輻射光源は、供給されたエネルギーを損失することなく、輻射光に変換することができる。すなわち、供給されたエネルギーに対して輻射効率の高い熱輻射光源を提供することができる。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記微小金属構造体が、前記基板に直接接合されている点にある。

上記構成によれば、電気ヒータとして機能する微小金属構造体と、微小金属構造体から熱の供給を受ける光学構造体との熱的な接続が良好となり熱伝導効率が向上する。そして、微小金属構造体から光学構造体への熱伝導効率が向上するため、微小金属構造体と光学構造体との熱の分布がより均一になる。つまり、微小金属構造体の温度が、光学構造体に対して、相対的に近くなる。その結果、微小金属構造体からの制御されない輻射光を抑制できる。したがって、供給されたエネルギーに対して輻射効率の高い熱輻射光源を提供することができる。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記微小金属構造体が、前記高融点金属細線と同種の金属を含む点にある。

上記構成によれば、微小金属構造体と高融点金属細線とを接続する場合に、物理的な接続が良好となる。そのため、高融点金属細線が、熱輻射光源を確実に支持できるようになる。
微小金属構造体は、電気ヒータとして機能するため発熱するが、このように発熱する部位には有機物で成る接着剤や低融点金属で成るハンダのような介在物を用いて接着して接続することは困難である。介在物を用いて接続する場合、有機物を用いた場合は熱で損傷し、低融点金属を用いた場合は高温で溶融するためである。また、他の介在物を用いて接続する場合にも、熱膨張率などの相違により、加熱される使用時と、冷却される停止時との間で応力を生じて接続不良を生じ得るため好ましくない。

しかし、微小金属構造体と、高融点金属細線とが同種の金属を含み、もしくは同種の金属で成る場合には、微小金属構造体と、高融点金属細線との接続が確実となる。微小金属構造体と、高融点金属細線との接続部分の接続状態として、相互拡散などの接合により接続することが可能となるためである。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記微小金属構造体が、前記高融点金属細線と直接接合されている点にある。

上記構成によれば、高融点金属細線は、当該高融点金属細線と接合されて、前記微小金属構造体と、高融点金属細線との接続を確実なものとすることができる。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記基板として、赤外線を透過可能な材料で形成された赤外透明基板を備えた点にある。

上記構成によれば、光学構造体を支持する基板からの赤外領域の輻射光を抑制することができる。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記微小金属構造体の表面積の、前記光学構造体の輻射面の面積に対する比率が０．３５以下である点にある。

上記構成によれば、微小金属構造体からの制御されない輻射光を抑制できる。微小金属構造体からの制御されない輻射光は、微小金属構造体の表面積に応じて発生するが、熱輻射光源として良好に機能させるためには微小金属構造体の表面積は、前記光学構造体の輻射面の面積に対する比率で少なくとも０．３５以下とするのが好適である。当該比率は、好ましくは１／１００以下、さらに好ましくは１／１０００以下とするのが良い。
ここで、光学学構造体の輻射面の面積とは、光学構造体のある基板の部分の面積（基盤の片面の面積）を言う。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記高融点金属細線の断面積の、前記光学構造体の輻射面の面積に対する比率が７．２×１０^−３以下である点にある。

上記構成によれば、高融点金属細線からの制御されない輻射光を抑制できる。
微小金属構造体からの制御されない輻射光は、高融点金属細線の表面積に応じて発生するが、高融点金属細線の表面積は、高融点金属細線の断面積の縮小に応じて小さくなる。そのため、熱輻射光源として良好に機能させるためには高融点金属細線の断面積は、前記光学構造体の輻射面の面積に対する比率で７．２×１０^−３以下とするのが好適である。当該比率は、好ましくは１．０×１０^−４以下、さらに好ましくは１．０×１０^−５とするのが良い。

本発明に係る熱輻射光源の更なる特徴構成は、
前記光学構造体が７００℃以上に加熱される点にある。

上記構成によれば、波長が１８００ｎｍより小さい輻射光を実用的に得ることができる。当該輻射光を効率よく得るためには、少なくとも７００℃以上、好ましくは８００℃以上、さらに好ましくは１０００℃以上とするのが良い。

本発明に係る光源装置の特徴構成は、
前記熱輻射光源が７０Ｐａ以下の真空中にある点にある。

上記構成によれば、空気による熱伝導でエネルギーを損失することなく、熱輻射光源で効率よくエネルギーを輻射光に変換することができる。すなわち、供給されたエネルギーに対して輻射効率の高い光源装置を提供することができる。
空気による熱伝導でエネルギーの損失を抑制するためには、熱輻射光源を、少なくとも７０Ｐａ以下、好ましくは１０Ｐａ以下、さらに好ましくは１Ｐａ以下の環境下とするのが良い。

熱輻射光源および光源装置の全体構造を示す断面図 熱輻射光源の構造図 熱輻射光源の基板および光学構造の説明図 熱輻射光源の基板、微小金属構造および高融点金属細線の構造の説明図 熱輻射光源の波長と強度の関係の一例を示す図 熱輻射光源の側方断面の拡大図 熱輻射光源の微小金属構造体の形状、光学構造の配置の別の例を説明する図

図１から図６に基づいて、本発明の実施形態に係る光源装置１０および熱輻射光源１について説明する。
まず、本発明の実施形態に係る光源装置１０および熱輻射光源１に係る概略構成を説明する。

本実施形態に係る、半導体から成る部材に、半導体の吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体２を備えた熱輻射光源１は、光学構造体２の基板３に配置された微小金属構造体４と、基板３を支持し、微小金属構造体４に電流を供給する高融点金属細線５とを備えている。

この熱輻射光源１は、以下のようにして輻射光を発する。
まず、高融点金属細線５から供給されたエネルギーである電流を微小金属構造体４で熱のエネルギーに変換する。そして、微小金属構造体４で変換した熱エネルギーを、基板３が熱伝導で光学構造体２に供給する。光学構造体２は、供給された熱エネルギーを波長を制御された輻射光に変換する。

本実施形態に係る、光源装置１０は、可視光および赤外線に対して透明な窓８を備えた真空容器６の真空空間７に熱輻射光源１を備えて構成されている。熱輻射光源１は、光学構造体２の屈折部２１を備える面を、窓８に向けた状態で、高融点金属細線５で、真空容器６の内部の支柱６１に吊下げられて支持されている。
熱輻射光源１が発した輻射光は、窓８から、光源装置１０の外部へ取り出すことができる。

以下、本発明の実施形態に係る光源装置１０および熱輻射光源１に含まれる各部分について詳述する。

真空容器６は、熱輻射光源１から輻射光を得る場合に、熱輻射光源１を、輻射光を発生させるために好適な環境下に維持した状態で、熱輻射光源１から、輻射光を取り出すための容器である。
真空容器６は、内部に所定の真空状態の空間である真空空間７を形成可能な密閉容器である。真空容器６には、支柱６１と窓８が設けられている。

本例の真空容器６は、内部に、棒状の支柱６１を４本備え、４本の高融点金属細線５を介して熱輻射光源１を真空空間７中で支持している。熱輻射光源１は、本例では高融点金属細線５以外の部分で真空容器６と物理的にも熱的にも隔離された状態にある。

真空容器６は、本例ではステンレス材で形成されている。真空容器６の内面は鏡面加工されており、可視光や赤外線を反射可能な状態になっている。
本例では、内面の鏡面加工はステンレス地のままであるが、さらに金メッキなどする場合もある。

真空容器６は、熱輻射光源１の輻射光を外部に取り出すため窓８を備えている。熱輻射光源１は、光学構造体２の屈折部２１を備える面を、窓８に平行に向けた状態で、真空空間７中で支持されている。
窓８は、本例では、可視光から赤外光の領域の光を真空容器６の外部に取り出すために、石英ガラスで形成されたものを使用している。

真空空間７は、熱輻射光源１の熱が空気などの気体を介した熱伝導を十分に回避できる程度の高い真空状態に保たれている。
この真空状態は、少なくとも７０Ｐａ以下、好ましくは１０Ｐａ以下、さらに好ましくは１Ｐａ以下とする。本例では真空空間７が、１０Ｐａの真空に保たれている場合を例示している。

基板３は、平板状の基板であり、その片面に、光学構造体２を備えている。つまり、基板３は、光学構造体２を支持する基板である。
また、基板３は、微小金属構造体４から供給された熱エネルギーを、熱伝導により光学構造体２に供給する熱伝導部材として機能する。
基板３は、赤外透明基板３１で構成することができる。
基板３は、赤外透明基板３１と供に、さらに第二赤外透明基板３２および第三赤外透明基板３３とを備える場合がある。
本例では、図３、４に、基板３として、赤外透明基板３１と、第二赤外透明基板３２および第三赤外透明基板３３とを備える場合を示している。

本例では、基板３は、赤外透明基板３１の片面に第二赤外透明基板３２を備え、第二赤外透明基板３２の赤外透明基板３１に対する他面に第三赤外透明基板３３を備え、赤外透明基板３１、第二赤外透明基板３２および第三赤外透明基板３３の順に積層されている。
また、光学構造体２は、第三赤外透明基板３３の赤外透明基板３１に対する他面側の表面にさらに積層した状態で設けられている。
基板３の光学構造体２を備える面が、主に輻射面として機能する。

基板３は、たとえばその厚みが０．５μｍから１０００μｍ程度の平板を用いることができる。基板３の厚みは、好ましくは０．５μｍから５００μｍ、さらに好ましくは１．０μｍから３００μｍ程度である。
本例では、基板３は、たとえば３００μｍの厚みの平板を用いた場合を示している。

基板３は、たとえば数ｍｍから数十ｍｍの直径ないし辺を有する円板や方形ないし角板とすることができる。基板３は、平板状であれば、その外周の形状として角形や円形などを取り得る。
本例では、基板３は、およそ１０ｍｍ角の正方形に設けられている場合を示している。

赤外透明基板３１は、可視光や赤外線を透過可能な材料で形成される。
赤外透明基板３１を形成する材料として用いることができる可視光や遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料を例示すると、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化ケイ素）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイヤモンド、サファイア、アルミニウムナイトライド、ガリウムナイトライド、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ジンクセレン、フッ化バリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリアなどを用いることができる。
本例では、赤外透明基板３１として酸化マグネシウムで成る基板を用いている。

赤外透明基板３１は、本例では、平板状に形成されている。赤外透明基板３１の厚みは、０．５μｍから５００μｍ程度に構成される。赤外透明基板３１の厚みは、好ましくは１．０μｍから３００μｍ程度である。
本例では、赤外透明基板３１として、厚み３００μｍの酸化マグネシウムの平板を用いた場合を例示している。

第二赤外透明基板３２は、赤外透明基板３１を形成する材料とは異なる材料で、赤外線を透過可能な材料で形成される。
第二赤外透明基板３２として用いることができる可視光や遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料を例示すると、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ２（酸化ケイ素）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイヤモンド、サファイア、アルミニウムナイトライド、ガリウムナイトライド、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ジンクセレン、フッ化バリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリアなどを用いることができる。

本例では第二赤外透明基板３２として、厚み１５ｎｍのサファイアを用いた場合を例示している。第二赤外透明基板３２の厚みは通常、０．５ｎｍから１０００ｎｍとすればよい。第二赤外透明基板３２の厚みは好ましくは、１ｎｍから５００ｎｍ、さらに好ましくは５ｎｍから２００ｎｍとするのが良い。第二赤外透明基板３２の厚みは、薄く形成すると、可視光や遠赤外線の透過率が向上するためである。

第三赤外透明基板３３は、赤外透明基板３１および第二赤外透明基板３２を形成する材料とは異なる材料で、赤外線を透過可能な材料で形成される。
第三赤外透明基板３３として用いることができる可視光から遠赤外線に含まれる波長の光を透過可能な材料を例示すると、ＭｇＯ、ＳｉＯ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、サファイア、アルミニウムナイトライド、ガリウムナイトライド、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、ジンクセレン、フッ化バリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリアなども好適に用いることができる。

本例では、第三赤外透明基板３３としては厚み１５ｎｍの酸化ハフニウムを用いた場合を例示している。第三赤外透明基板３３の厚みは通常、０．５ｎｍから１０００ｎｍとすればよい。第三赤外透明基板３３の厚みは好ましくは、１ｎｍから５００ｎｍ、さらに好ましくは５ｎｍから２００ｎｍとするのが良い。第三赤外透明基板３３の厚みは、薄く形成すると、可視光や遠赤外線の透過率が向上するためである。

光学構造体２は、半導体から成る部材に、半導体の吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する。光学構造体２は、本例ではいわゆるフォトニック結晶と呼ばれる光学構造としている。
光学構造体２は、フォトニック結晶として、基板３から供給された熱をその光学構造に対応する波長を含む輻射光に変換する機能を有する。

光学構造体２は、本例では、半導体からなる屈折部２１を、屈折部２１の半導体よりも光屈折率の小さな基板３上に規則的に配列した構造を光学構造として含んで備える。本例の屈折部２１は、基板３の第三赤外透明基板３３に物理理的に接続されて熱的に伝熱可能に接続された状態にある。したがって、屈折部２１は基板３から熱エネルギーを伝熱で受け取ることができる。

屈折部２１は、本例では、第三赤外透明基板３３上に突起した状態で、円柱状に形成されている。本例では、光学構造体２は、第三赤外透明基板３３上に一層でなる場合を示している。

本例では、光学構造体２として、第三赤外透明基板３３の、輻射光を主に放出させようとする方向にある面に、屈折部２１を正方格子状に配列した構成を例示している。

なお、屈折部２１の配列は、フォトニック結晶として適切な機能を発揮する配列等であれば、いずれの配列状態も採り得る。すなわち、本例で例示した正方格子状の配列に限られない。例えば三角千鳥格子状の配列や、その他の規則性を有する配置、配列をも含み得る。
また、屈折部２１の配列は、二次元的な配置・配列には限定されず、三次元的な配置・配列をも含み得る。

屈折部２１は、半導体で形成される。本例に言う半導体としては、真性半導体が含まれる。
また、真性半導体としては、単一元素でなる半導体と、化合物半導体とを含む。
本例では屈折部２１は、真性半導体であるＳｉ（シリコン）の結晶で形成されている。
屈折部２１として用いることのできる半導体としては、Ｓi結晶のほかに、化合物半導体であり、真性半導体であるＳｉＣなども、好適に用いることもできる。

屈折部２１は、いわゆるシリコン基板を、フォトマスク法やエッチング法で浸食して形成することができる。
例えば、当該シリコン基板を基板３上に積層した積層基板を、これらフォトマスク法やエッチング法で浸食して形成することができる。

図３は屈折部２１の形状および配列の一例を説明するために、光学構造体２および基板３の一部を切り出して拡大した図である。
屈折部２１の形状および配列の一例を挙げると、屈折部２１の直径Ｄはおよそ３００ｎｍである。また、屈折部２１の高さｈはおよそ８００ｎｍである。屈折部２１は正方格子状に配列され、正方格子の周期長ａ（隣り合う屈折部２１の中心間の距離）はおよそ６００ｎｍである。

図５に、１２００℃の場合の黒体（材質はＳｉＣ）の輻射の波長スペクトル（図５中のラインＢＢ）と、１２００℃の場合の本例で例示したフォトニクス結晶を用いた光学構造体２の場合の輻射の波長スペクトル（図５中のラインＥＭ）とを例示する。図５中、「Ｉ」は、波長ごとの輻射光の強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示す。
本例で例示したフォトニクス結晶を用いた光学構造体２の場合の輻射光のエネルギーは波長λが１８００ｎｍ以下に集中しており、熱輻射光源１として好ましい特徴を持つことが示されている。

基板３の赤外透明基板３１と、第二赤外透明基板３２と、第三赤外透明基板３３を形成する材料と、屈折部２１を形成する材料との関係について補足する。
屈折部２１を形成する材料にＳｉ（シリコン）の結晶を用い、赤外透明基板３１として酸化マグネシウムで成る基板を用いる場合、第二赤外透明基板３２を形成する材料としては、サファイア、ないし、酸化ハフニウムが特に好適である。また、第三赤外透明基板３３を形成する材料としては、サファイア、ないし、酸化ハフニウムが特に好適である。
本例では、第二赤外透明基板３２を形成する材料として、サファイア、または、酸化ハフニウムを用いる場合には、第三赤外透明基板３３を形成する材料としては、それぞれ、酸化ハフニウム、または、サファイアを用いることとし、第二赤外透明基板３２と、第三赤外透明基板３３とは、それぞれ異なる組み合わせにするとよい。

このように、基板３の赤外透明基板３１や、第二赤外透明基板３２、および第三赤外透明基板３３を形成する材料と、屈折部２１を形成する材料との組み合わせを適切に選択すると、後述するように熱輻射光源１の耐久性が向上し、また、性能が向上する場合があり好ましい。

たとえば、シリコンは、屈折部２１を形成する材料として特に優れている。また、酸化マグネシウムは、赤外透過性が高く、基板３を形成する材料として特に優れている。
しかし、シリコンと酸化マグネシウムとは熱輻射光源１が使用されるような高温環境下において互いに接触状態にある場合、徐々に複合酸化物（たとえば、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４）を形成し、熱輻射光源１の輻射効率が経時的に低下する場合がある。

そこで、シリコンと、酸化マグネシウムとの間に、それぞれシリコンや酸化マグネシウムと自然に複合酸化物を形成しないサファイアや、酸化ハフニウムの層を第二赤外透明基板３２、第三赤外透明基板３３、として介在させると、シリコンと酸化マグネシウムとの複合酸化物の形成を回避して、熱輻射光源１の輻射効率の低下を回避することができる。

特にサファイアを第二赤外透明基板３２に用いる場合には、酸化ハフニウムを第三赤外透明基板３３に用いるのが好ましく、酸化ハフニウムを第二赤外透明基板３２に用いる場合には、サファイアを第三赤外透明基板３３に用いるのが好ましい。これらの組み合わせは、コストや強度、その他の所望の特性に応じて適時使い分けが可能である。

微小金属構造体４および高融点金属細線５について説明する。
図４および図６に、基板３上にある微小金属構造体４および高融点金属細線５、および微小金属構造体４と高融点金属細線５の接続部である接続部５１を拡大した図を示す。なお、図４においては、光学構造体２の図示を省略している。光学構造体２を形成する屈折部２１は、図６に示すように、基板３の表面（片面）のうち、微小金属構造体４を配置しない表面の一部または全域に配置することができる。図６の場合は、基板３の表面（片面）のうち、微小金属構造体４を配置しない表面の全域に屈折部２１を配置した場合を示している。
微小金属構造体４は、基板３に直接接合された状態で、基板３に配置される高融点金属でなる導電性の、所定の厚みのあるおよそ平板状の構造体である。本例では、微小金属構造体４をおよそ直方体に形成した場合を示している。

高融点金属細線５は、高融点金属でなる金属細線である。本例では、高融点金属細線５は円形断面の線材である場合を示している。
高融点金属細線５は、基板３を支持する支持部であり、また、微小金属構造体４に電流を供給する電力導線として機能する。

微小金属構造体４は、高融点金属細線５から電流を供給されて、いわゆる電気ヒータのような発熱体／発熱素子として機能する。
微小金属構造体４は、発熱体として機能する場合、たとえば５００℃から１５００℃程度の高温に発熱することができるものが用いられている。微小金属構造体４は、典型的には７００℃から１３００℃程度の高温に発熱させて用いる。

微小金属構造体４は、主に金属で形成されている。微小金属構造体４は、主に金属で形成された第一金属層４１と、第二金属層４２とを備える。本例では、微小金属構造体４は、さらに、金属では無い第三層４３と、第四層４４とを備える。
本例では、その一方の面を基板３に直接接合された第四層４４と、第四層４４の他方の面上にさらに積層された第三層４３と、第三層４３の他方の面上にさらに積層された第二金属層４２と、第二金属層４２の他方の面上にさらに積層された第一金属層４１とで成るレイヤ構造（層構造）を有する場合を例示している。
したがって微小金属構造体４は、基板３と直接接続されており、また、基板３と熱的に接続されており、微小金属構造体４は基板３を加熱することができる。

微小金属構造体４は、このように高温に発熱させて用いるため、高融点の金属で形成される。微小金属構造体４の材質としては例えば、白金、タングステン、チタン、モリブデン、タンタルなどが用いられる。微小金属構造体４の材質は、高温に発熱させて用いる場合に、溶融しない材質を選択する。
微小金属構造体４は、本例では第一金属層４１に白金を、第二金属層４２にチタンを用いた場合を例示している。また、第三層４３に酸化ケイ素、第四層４４にシリコンを用いた場合を例示している。なお、第三層４３は、サファイアを用いる場合もある。

高融点金属細線５は、高温で用いられる微小金属構造体４に接続されるため、微小金属構造体４の場合と同様に、高融点の金属で形成される。
高融点金属細線５の材質としては例えば、白金、タングステン、チタン、モリブデン、タンタルなどが用いられる。高融点金属細線５の材質は、微小金属構造体４を高温に発熱させて用いる場合に、溶融しない材質を選択する。
高融点金属細線５は、本例では白金の場合を示している。

本例では、高融点金属細線５は、微小金属構造体４の第一金属層４１と、接続部５１で接続される。
第一金属層４１は、高融点金属細線５と同種の金属で形成すると好適である。接続部５１がそれぞれ同種の金属どうして接続された接続部５１となる場合に、その接続が強固になるためである。
本例では、第一金属層４１と高融点金属細線５とは、それぞれ同じ材質である白金で形成されているため、接続部５１は強固に接合して接続することができる。
なお、第一金属層４１と高融点金属細線５との接続方法は、第一金属層４１と高融点金属細線５とが直接かつ確実に接続されるものではあれば方法は問わない。
本例では、第一金属層４１と高融点金属細線５とは、超音波溶着法（ウエッジボンディング法）で直接、接合状態で接続された場合を例示している。つまり、第一金属層４１と高融点金属細線５とは、それぞれ互いの金属部分（白金）が相互拡散して接続部５１で接合し、一体の接続部５１を形成している。本例では、直接かつ確実に接続される接続方法として、例えば、レーザー溶接で接続する方法も好適である。

微小金属構造体４は、本例では、基板３の光学構造体２を備える面と同じ面に直接接合されている。つまり、微小金属構造体４は、第三赤外透明基板３３に直接接合されている。
本例では、第三赤外透明基板３３に微小金属構造体４を電子線蒸着で形成した場合を例示している。

微小金属構造体４は、本例では図２および図６に示すように、基板３上の光学構造体２を備える面のおよそ外周部分に偏在するように配置するように、２つ配置した一例を示している。
２つの微小金属構造体４は、基板３上に、それぞれ互いに対向する位置に設けられている。また、およそ正方形の基板３上の一辺の、およそ中央部に近接して配置されている。
２つの微小金属構造体４にはそれぞれ２本、合計４本の高融点金属細線５が接続されている。

微小金属構造体４を、基板３上の光学構造体２を備える面のおよそ外周部分に偏在するように配置することで、微小金属構造体４に接続される高融点金属細線５が、基板３を支持する場合に、図１に示すように、高融点金属細線５が光学構造体２からの輻射光を遮蔽する位置関係となることを回避することができる。

微小金属構造体４は、基板３の面積（平板の片面の面積、つまり輻射面の面積）に対して、およそ０．３５以下の比率となる面積とするのが好適である。当該比率は、好ましくは１／１００以下、さらに好ましくは１／１０００とするのが良い。微小金属構造体４を複数備える場合は、その複数個の合計の面積が、上記比率となるようにするとよい。
ここで、基板３の面積とは、基板３の片面の面積を言う。また光学構造体２をそなえて輻射面となる側の面の面積を言う。

微小金属構造体４は、本例では直方体の場合を示している。
微小金属構造体４の厚みは、１００ｎｍから１０００ｎｍ程度の厚みとするのが良い。特に、１００ｎｍから７００ｎｍ程度とするのが好適である。本例では、微小金属構造体４の厚みは、２５０ｎｍの場合を例示している。
また、本例の微小金属構造体４は、直方体としてその厚みと共に、長辺と短辺とを備える。本例では、当該長辺は３００μｍ、当該短辺は１００μｍの場合を示している。

微小金属構造体４として、白金で成る第一金属層４１とチタンで成る第二金属層４２とを積層する場合、第一金属層４１に対する第二金属層４２の厚みの比率は、例えば２／７００から２の範囲を取り得る。第一金属層４１に対する第二金属層４２の厚みの比率は、好ましくは、２／７から１／５０の範囲である。
なお、微小金属構造体４の面積を小さくしたい場合には、白金で成る第一金属層４１に対してチタンで成る第二金属層４２の厚みの比率をやや大きく取る（第二金属層４２の厚みを厚くする）ことが好ましい。微小金属構造体４に所定の電流を通流した場合の発熱量が大きくなるためである。

第一金属層４１として、白金を用いる場合、第一金属層４１の厚みは１００ｎｍから７００ｎｍとするのが好適である。第一金属層４１の厚みが薄すぎると微小金属構造体４と高融点金属細線５との接続不良となりやすくなる。第一金属層４１の厚みが厚すぎる場合には、微小金属構造体４が発熱しにくくなる。

第二金属層４２として、チタンを用いる場合、その厚みは２ｎｍから２００ｎｍとするのが好適である。第二金属層４２の厚みは、特に好ましくは１０ｎｍから１００ｎｍとするのがよい。第二金属層４２の厚みが厚すぎる場合には、微小金属構造体４が発熱しにくくなる。

第三層４３として、酸化ケイ素またはサファイアを用いる場合、その厚みはたとえば５０ｎｍから３００ｎｍとするのが好適である。

第四層４４として、シリコンを用いる場合、その厚みは例えば２００ｎｍから１０００ｎｍとするのが好適である。通常、第四層４４の厚みは、屈折部２１の高さｈと等しくするのが良い。本例では、図６に示すように、屈折部２１の高さｈと同じとしている。

高融点金属細線５は、基板３の面積に対して、その断面積が、１．２×１０^−３以下の比率とするのが好適である。当該比率は、好ましくは１．０×１０^−４以下、さらに好ましくは１．０×１０^−５とするのが良い。高融点金属細線５を複数本備える場合も、高融点金属細線５の複数本の断面積の合計は上記比率の範囲でよい。

本実施形態の熱輻射光源１が優れた性能を発揮することを示すため、１８００ｎｍ未満の波長の輻射光を得たい場合に、所定の熱輻射光源１の構成で効率よく１８００ｎｍ未満の波長の輻射光の輻射効率が得られることを示す動作例を、表１から表４に示す。
以下表１から表４に示す動作例は、基板３が酸化マグネシウムでなる赤外透明基板３１の一層でなり、光学構造体２は、シリコンで形成された屈折部２１が正方格子状に配列された光学構造を備え、微小金属構造体４は、白金で成る第一金属層４１とチタンでなる第二金属層４２とで成り、高融点金属細線５は白金でなる場合の熱輻射光源１の１８００ｎｍ未満の波長の輻射光の輻射効率を示すものである。

また、以下表１から表４に示す動作例は、以下の使用条件の場合の例である。以下に示す以外の動作条件は、表毎に別途示す。
・基板３：１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形で厚み５０μｍ
・ヒータ電極：３個
・外部温度：２５℃
・第一金属層４１：厚み３００ｎｍ
・第二金属層４２：厚み４０ｎｍ
・第三層４３：厚み５０ｎｍ
・第四層４４：厚み８００ｎｍ
・高融点金属細線５：長さ２０ｍｍで６本

表１は、０．１Ｐａ（１００ｍＰａ）の真空環境下における、熱輻射光源１の使用温度を１２００℃、１０００℃、８００℃、７００℃とした場合の動作例であり、微小金属構造体４と、高融点金属細線５とをそれぞれ以下の一定の条件で形成した場合の動作例である。

〔表１の動作条件〕
・真空条件：１００ｍＰａ
・熱輻射光源１の使用温度：１２００℃、１０００℃、８００℃、７００℃と変化させた場合
・微小金属構造体４の面積：一個あたり０．０３ｍｍ^２（合計３個で０．０９ｍｍ^２）
・高融点金属細線５の直径：２０μｍ

表１より、本例の熱輻射光源１の、１８００ｎｍ未満の波長の輻射光の輻射効率は、少なくとも１０％を超える高い輻射効率を発揮することが分かる。したがって、本実施形態の熱輻射光源１を用いれば、供給されたエネルギーに対して１０％を超える輻射効率の高い光源装置１０を提供することも可能となる。

表２は、０．１Ｐａ（１００ｍＰａ）の真空環境下における、熱輻射光源１の使用温度を１０００℃とした場合の動作例であり、微小金属構造体４の面積を０．０３μｍ^２から３５μｍ^２の範囲で変更し、高融点金属細線５の直径を一定とした場合の動作例である。

〔表２の動作条件〕
・真空条件：１００ｍＰａ
・熱輻射光源１の使用温度：１０００℃
・微小金属構造体４の面積の合計：それぞれの条件で、３５ｍｍ^２、１０ｍｍ^２、１ｍｍ^２、０．１ｍｍ^２、０．０３ｍｍ^２と変化させた場合
・高融点金属細線５の直径：２０μｍ

表２より、本例の熱輻射光源１の、１８００ｎｍ未満の波長の輻射光の輻射効率は、少なくとも１０％を超える高い輻射効率を発揮することが分かる。したがって、本実施形態の熱輻射光源１を用いれば、供給されたエネルギーに対して１０％を超える輻射効率の高い光源装置１０を提供することも可能となる。

表３は、０．１Ｐａ（１００ｍＰａ）の真空環境下における、熱輻射光源１の使用温度を１０００℃とした場合の動作例であり、微小金属構造体４の面積を０．０３ｍｍ^２で一定とし、高融点金属細線５の直径を１１μｍから３９０μｍの範囲で形成した場合の動作例である。

〔表３の動作条件〕
・真空条件：１００ｍＰａ
・熱輻射光源１の使用温度：１０００℃
・微小金属構造体４のひとつあたりの面積：０．０３ｍｍ^２（合計０．０９ｍｍ^２）
・高融点金属細線５の直径：３９０μｍ（６本合計の断面積０．７２ｍｍ^２）、１４６μｍ（６本合計の断面積０．１ｍｍ^２）、４６．０μｍ（６本合計の断面積０．０１ｍｍ^２）、１４．６μｍ（６本合計の断面積０．００１ｍｍ^２）、２０μｍ（６本合計の断面積０．００１９ｍｍ^２）

表３より、本例の熱輻射光源１の、１８００ｎｍ未満の波長の輻射光の輻射効率は、少なくとも１０％を超える高い輻射効率を発揮することが分かる。したがって、本実施形態の熱輻射光源１を用いれば、供給されたエネルギーに対して１０％を超える輻射効率の高い光源装置１０を提供することも可能となる。

表４は、真空条件を０．０１Ｐａ（１０ｍＰａ）から７０Ｐａと変化させた真空環境下における、熱輻射光源１の使用温度を１０００℃とした場合の動作例であり微小金属構造体４と、高融点金属細線５とをそれぞれ以下の一定の条件で形成した場合の動作例である。

〔表４の動作条件〕
・真空条件：０．０１Ｐａ（１０ｍＰａ）、０．１Ｐａ（１００ｍＰａ）、１Ｐａ、１０Ｐａ、７０Ｐａ
・熱輻射光源１の使用温度：１０００℃
・微小金属構造体４の面積：０．０３ｍ^２
・高融点金属細線５の直径：２０μｍ

表４より、本例の熱輻射光源１の、１８００ｎｍ未満の波長の輻射光の輻射効率は、少なくとも１０％を超える高い輻射効率を発揮することが分かる。したがって、本実施形態の熱輻射光源１を用いれば、供給されたエネルギーに対して１０％を超える輻射効率の高い光源装置１０を提供することも可能となる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、微小金属構造体４は、基板３の光学構造体２を備える面と同じ面に直接接合されて配置した例を説明した。
しかし、微小金属構造体４は、基板３の光学構造体２を備える面の他面に配置してもよい。

（２）上記実施形態では、微小金属構造体４は、基板３上の光学構造体２を備える面のおよそ外周部分に偏在するように配置する例を説明した。
しかし、微小金属構造体４は、基板３上のいずれの位置に配置してもよい。

（３）上記実施形態では、基板３は、赤外透明基板３１と、第二赤外透明基板３２と、第三赤外透明基板３３とを備える３層で成る場合を説明した。
しかし、基板３は、赤外透明基板３１のみの一層で形成される場合や、赤外透明基板３１と第二赤外透明基板３２との２層で形成される場合もある。

（４）上記実施形態では、真空容器６は、熱輻射光源１から、輻射光を取り出すための容器として、内部に所定の真空状態の空間である真空空間７を形成可能なステンレス材で形成されている密閉容器であり、窓８が設けられている例を説明した。
しかし、真空容器６は、ステンレス材で形成する場合に限られず、例えば、石英ガラスで形成する場合もある。この場合は、上記実施形態のように窓８から熱輻射光源１が発した輻射光を光源装置１０の外部へ取り出すのではなく、真空容器６全体から熱輻射光源１が発した輻射光を取り出すことができる。

（５）上記実施形態では、微小金属構造体４の形状が直方体の場合を例示した。
しかし、微小金属構造体４の形状は直方体には限られず、例えば、図７に示すように、直方体を湾曲させて曲線を含む形状とすることもできる。微小金属構造体４の形状は、電流を通流して発熱させる発熱体として機能させるための電気抵抗の調整や、配置・レイアウトの都合により、適宜、適した形状とすることができる。
なお、図７の場合は、微小金属構造体４の形状は、直方体を湾曲させて往復するような曲線を含む形状としているが、この場合も、基板３の表面（片面）のうち、微小金属構造体４を配置しない表面の全域に屈折部２１を配置することができる。

（６）上記実施形態では、図２において、２つの微小金属構造体４に、それぞれ２本、合計４本の高融点金属細線５が接続されている場合を例示した。
しかし、微小金属構造体４は、図７に示すように、ひとつの基板３に対して３つ以上配置する場合もある。この場合は、それぞれの微小金属構造体４に、それぞれ２本の高融点金属細線５が接続される。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、熱光発電装置に用いる熱輻射光源や、センサ機器の光源装置、照明用光源として有用に用いることができる。

１ ：熱輻射光源
２ ：光学構造体
３ ：基板
４ ：微小金属構造体
５ ：高融点金属細線
１０ ：光源装置
３１ ：赤外透明基板

Claims (9)

1. 半導体から成る部材に、前記半導体の吸収端に対応する波長よりも短波長の光で共振するように屈折率分布が形成された光学構造を有する光学構造体を備えた熱輻射光源において、
   前記光学構造体の基板に配置された微小金属構造体と、前記基板を支持し、前記微小金属構造体に電流を供給する高融点金属細線とを備えた熱輻射光源。
2. 前記微小金属構造体が、前記基板に直接接合されている請求項１に記載の熱輻射光源。
3. 前記微小金属構造体が、前記高融点金属細線と同種の金属を含む請求項１または２に記載の熱輻射光源。
4. 前記微小金属構造体が、前記高融点金属細線と直接接合されている請求項３に記載の熱輻射光源。
5. 前記基板として、赤外線を透過可能な材料で形成された赤外透明基板を備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
6. 前記微小金属構造体の表面積の、前記光学構造体の輻射面の面積に対する比率が０．３５以下である請求項１から５のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
7. 前記高融点金属細線の断面積の、前記光学構造体の輻射面の面積に対する比率が７．２×１０^−３以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
8. 前記光学構造体が７００℃以上に加熱される請求項１から７のいずれか一項に記載の熱輻射光源。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の前記熱輻射光源が７０Ｐａ以下の真空中にある光源装置。

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