JP5984111B2 - 再帰反射性を有する波長選択フィルタ及び窓材 - Google Patents

Description

本発明は、再帰反射性を有する波長選択フィルタに関し、特に入射光のうちの可視光は透過させて特定波長域（例えば、赤外線波長域）の光を選択的に再帰反射させるような再帰反射性を有する波長選択フィルタ及び窓材に関する。

太陽光には、可視光波長域の光以外に、例えば赤外線波長域の光（赤外線）も含まれている。このため、建物（オフィスビル、戸建て住宅、マンションなど）に設けられている透光性の窓ガラスに屋外から太陽光が入射すると、太陽光のうちの可視光と赤外線（赤外光）が入射するため、屋内の温度が上昇する。入射する赤外光による屋内の温度上昇を抑制するために、冷房設備を稼動させる必要がある。なお、可視光の波長域は４００〜８００ｎｍ程度であり、赤外線の波長域は８００〜１６００ｎｍ程度である。

ところで、近年、地球温暖化防止や電気エネルギーの消費削減等を目的とした省エネルギー対策のために、窓ガラスに入射する赤外線による屋内の温度上昇を抑えるための冷房に必要なエネルギーを節約することが望まれている。

このため、上記したような透光性の窓ガラス表面に、可視光のみを透過させ、赤外線は反射させる機能を有する薄膜をコーティングする構造が従来より知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１９４１６９号公報

前記特許文献１に記載の構造では、例えば建物に設けた平面状の窓ガラスに太陽光が入射すると、太陽光に含まれる赤外線が窓ガラス表面の薄膜層（赤外線遮蔽膜）で正反射する。このため、上方から太陽光が平面状の窓ガラスに入射すると、その表面で正反射した赤外線が建物周囲のコンクリート路面等を照らすことで、照らされた領域の温度をその周囲よりも上昇させる。

これにより、特にビルディングが密集している都市部ではヒートアイランド現象が助長され、屋内を冷房するためのエネルギー消費量が増加するため、太陽光のうちの可視光のみを透過させ、赤外線を再帰反射させるようにすることが望まれている。

そこで、本発明は、入射光のうちの可視光のみを透過させ、かつ赤外線を選択して再帰反射させることができる再帰反射性を有する波長選択フィルタ及び窓材を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明に係る再帰反射性を有する波長選択フィルタは、透光性を有する屈折率ｎ１の第１の媒質と、透光性を有する屈折率ｎ２（ｎ２≠ｎ１）の第２の媒質とが交互に周期的に積層され、かつ積層方向が傾斜して、その傾斜方向が面内で同一であり、積層された前記第１、第２の媒質の長手方向側の各端面が、それぞれ同一平面上にあり、かつ前記各端面同士が平行である屈折率変調構造を有する偏向性回折格子を備え、前記偏向性回折格子の光線が入射する側の面の法線方向に対して前記第１、第２の媒質の積層方向側から光線を入射させて、前記偏向性回折格子の前記屈折率変調構造により、入射光線のうちの−１次反射回折光である第１の波長帯域の光を選択して再帰反射させ、前記第１の波長帯域と異なる第２の波長帯域の光を透過させることを特徴としている。

また、本発明に係る窓材は、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタを、透光性を有するガラス外側表面又は内側表面に配置したことを特徴としている。

本発明に係る再帰反射性を有する波長選択フィルタによれば、偏向性回折格子の光線が入射する側の面の法線方向に対して第１、第２の媒質の積層方向側から光線を入射させて、偏向性回折格子の屈折率変調構造により入射光線のうちの第１の波長帯域の光を選択して再帰反射させ、第１の波長帯域と異なる第２の波長帯域の光を透過させることができるので、第１の波長帯域の光が赤外線で第２の波長帯域の光が可視光の場合には、入射光のうちの可視光のみを透過させ、かつ赤外線を選択して再帰反射させることができる。

また、本発明に係る窓材によれば、本発明の再帰反射性を有する波長選択フィルタをガラス外側表面又は内側表面に配置することにより、太陽光のうちの可視光のみがガラスを透過し、太陽光に含まれる赤外線を太陽光の入射方向側へ再帰反射させることができる。これにより、本発明の窓材を例えば建物の窓ガラスに適用することにより、赤外線が太陽光の入射方向側へ再帰反射されるので、窓ガラス（窓材）内側の室内の温度上昇を抑えることができ、かつ反射された赤外線が地表面側に向かわないので地表面周囲の温度上昇も抑制することができる。

本発明の実施形態に係る波長選択フィルタの構成を示す概略図。 本発明の実施形態に係る波長選択フィルタの製造方法の一例を示す図。 本発明の実施形態に係る波長選択フィルタの製造方法の一例を示す図。 本発明の実施例１の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例１の波長選択フィルタによるＴＭ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例１の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（−３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例１の波長選択フィルタによるＴＭ偏光（−３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例１の波長選択フィルタに対して、入射光が−３０°で入射する場合を示した図。 本発明の実施例２の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例３の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例４の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の実施例５における波長選択フィルタの構成を示す概略図。 本発明の実施例５の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 比較例１における波長選択フィルタの構成を示す概略図。 比較例１の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 比較例２における波長選択フィルタの構成を示す概略図。 比較例２の波長選択フィルタによるＴＥ偏光（３０°入射）における反射特性と透過特性を示した図。 本発明の波長選択フィルタが配置された窓ガラスを示す概略図。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る再帰反射性を有する波長選択フィルタの構成を示す概略図である。

図１に示すように、本実施形態に係る再帰反射性を有する波長選択フィルタ（以下、単に「波長選択フィルタ」という）１は、後述する偏向性回折格子２と、偏向性回折格子２の入射面側（図１の上側）に設けた第１の透光性基材３と、偏向性回折格子２の出射面側（図１の下側）に設けた第２の透光性基材４とを備えている。

（偏向性回折格子２の構成）
偏向性回折格子２は、屈折率ｎ１の材料からなる第１の媒質２ａと、屈折率ｎ２（ｎ２≠ｎ１）の材料からなる第２の媒質２ｂとが交互に傾斜積層されており、周期的な屈折率分布を有する屈折率変調構造を構成している。偏向性回折格子２を形成する第１の媒質の２ａと第２の媒質２ｂは、例えば、透光性を有する樹脂やＳｉＯ２、ＴｉＯ２などの無機質材料によって形成することができる。また、屈折率を調整するために、これらの材料中に微粒子や中空粒子などを含有させてもよい。

第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層方向の厚み（図１の符号ｄ１，ｄ２）は、５０〜５００ｎｍ程度に設定されている。

傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの傾斜積層方向Ａ１は、第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの各屈折率が等しい面の法線方向とする。また、前記積層方向Ａ１と偏向性回折格子２の入射面側の主面２’の法線方向Ａ２とがなす角度をαとする。なお、太陽光等の入射光Ｌは、第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２に入射し、電場の振動方向は、第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの周期方向（図１の左右方向）と平行な偏光がＴＭ偏光、この周期方向と直交する偏光がＴＥ偏光である。

また、第１、第２の透光性基材３，４は、樹脂からなる透明シートや透明フィルム、透明ガラスなどで形成されている。なお、第１、第２の透光性基材３，４の屈折率は、第１傾斜層２ａと同じ屈折率ｎ１、もしくはこの屈折率ｎ１に近い屈折率に設定されている。

図１において、偏向性回折格子２の主面２’に対して所定の入射角（θi）で入射光Ｌが入射する場合に、ａ１は−１次反射回折光、ａ２は０次反射回折光、ａ３は＋次反射回折光、ｂ１は０次透過光、ｂ２は−１次透過光、ｂ３は＋１次透過光である。なお、以下においても同様に定義して説明する。

−（マイナス）次数の反射回折効率は、通常−１次の反射の回折効率とすることができる。偏向性回折格子２を構成する第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂが複数の周期を有する場合、それぞれの周期や組み合わせ周期よって多くの次数において反射光が発生する。従って、−次数となる回折効率の和とすることができる。−次数の反射回折光であれば、−１次の反射回折光と同様に、入射した赤外線を再帰的に反射することができる。

本実施形態の波長選択フィルタ１は、後述するように反射回折光のうちの−１次反射回折光を選択して入射光Ｌの入射方向側に反射（再帰反射）させ、透過光のうちの０次透過光を選択して透過させることができる。

図１において、波長選択フィルタ１の第１の透光性基材３側から所定の入射角（θi）で光（入射光Ｌ）が偏向性回折格子２に入射すると、屈折率変調構造を構成する偏向性回折格子２（傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂ）での位相差の発生により、反射回折光が発生する。偏向性回折格子２による反射回折光の回折角度は、以下の式から求めることができる。

ただし、上記の式において、
ni：第１の媒質２ａの屈折率
nd：第２の媒質２ｂの屈折率
λ：入射光Ｌの波長
θi：主面２’の法線方向Ａ２（法線方向Ａ２を０°とする）に対する入射光Ｌの入射角度
θm：反射回折光のうちのm次の回折角度
m：反射回折光の回折次数
P：傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの周期（以下、「屈折率変調周期」という）
α：傾斜積層方向Ａ１と主面２’の法線方向Ａ２とがなす角度（以下、「積層角度」という）

なお、上記のような傾斜した屈折率変調構造における回折角度については、例えば、下記に詳細な記述がある。

ＴＨＯＭＡＳ Ｋ．ＧＡＹＬＯＲＤ ａｎｄ Ｍ．Ｇ．ＭＯＨＡＲＡＭ
ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．７３， Ｎｏ．５（１９８５）
“Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｄｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｇｒａｔｉｎｇｓ”

第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２に入射した光（入射光Ｌ）に対しては、偏向性回折格子２（傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂ）による屈折率変調により多数の界面が存在するので、各界面による反射光の干渉によって、特定の波長域で高い反射率を得ることが可能となる。このため、上記した屈折率変調周期（Ｐ：図１参照）を適切な範囲に設定することにより、反射率の高い特定波長域を選択することができる。

本発明者の実験よれば、第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２に入射する光（入射光Ｌ）が太陽光の場合、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの屈折率変調周期（Ｐ）を、１００〜１０００ｎｍ程度の範囲、好ましくは２００〜８００ｎｍの範囲、より好ましくは３００〜７００ｎｍの範囲に設定すると、太陽光のうちの赤外線波長域（８００〜１６００ｎｍ程度）の光（赤外線）のみを選択して反射した。

また、本発明者の実験よれば、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの屈折率変調周期（Ｐ）を、１００ｎｍ程度よりも小さくした場合には、反射波長域が可視光域の領域となり、可視光が反射された。更に、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの屈折率変調周期（Ｐ）を、１０００ｎｍ程度よりも大きくした場合には、可視光域の波長（４００〜８００ｎｍ程度）による回折が発生した。

また、上記したように、第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２に光（入射光Ｌ）が入射したときに、偏向性回折格子２（傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂ）での位相差の発生によって生じる反射回折光（本実施形態では、−１次反射回折光ａ１）の反射方向（回折角度）は、上記の式から明らかなように積層角度αによって変化する。

本発明者の実験よれば、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層角度（α）を、１０〜８５°程度の範囲、好ましくは１５〜８０°の範囲、より好ましくは２０〜６０°の範囲に設定したときに、−１次反射回折光（ａ１）が入射光Ｌの入射方向側に反射し、再帰反射性が得られた。

また、偏向性回折格子２を形成する屈折率ｎ１の第１の媒質２ａと屈折率ｎ２の第２の媒質２ｂに対して、両者の屈折率差（△ｎ）を、０．００５以上、好ましくは０．０２以上の範囲に設定した場合に、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの界面における反射成分が大きくなった。これにより、特定波長域での反射率をより高くすることができ、かつ反射する波長域を広げることができる。

屈折率差（△ｎ）が０．００５以上であれば、厚みｔを大きくすることによって反射率を高くすることができる。また、周期を変調することによって、反射する波長域を広げることができる。なお、屈折率差（△ｎ）が０．００５以下の場合は、第１の媒質２ａと第２の界面における反射成分を十分に大きくすることができない。

偏向性回折格子２の厚さ（ｔ：図１参照）は、５００ｎｍ程度以上、より好ましくは１０００ｎｍ（１μｍ）程度以上に設定することにより、偏向性回折格子２内への光の進行距離を長くすることができる。これにより、特定波長域での反射率をより高くすることができ、また、特定波長域以外の波長域での反射率を効果的に低減して、着色などを防止することができる。

また、偏向性回折格子２の傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂが、図１のように同じ屈折率変調周期（Ｐ）に設定されている構成に限らず、傾斜積層された複数の第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂを所定周期ごとに、異なる屈折率変調周期となるように設定してもよい。

例えば、第１の屈折率変調周期の第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂ、及び第２の屈折率変調周期の第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂを、所定周期（例えば、５周期）ごとに交互に傾斜積層させるようにしてもよい。

この場合には、第１の屈折率変調周期で傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂが反射する波長域と、第２の屈折率変調周期で傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂが反射する波長域の各反射率を同時に高めることが可能となり、反射波長域を広げることができる。また、異なる周期を有する回折格子を重ねてもよい。

（波長選択フィルタ１の製造方法）
次に、上記した波長選択フィルタ１（偏向性回折格子２）の製造方法の一例を、図２（ａ）〜（ｅ）、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、図２、図３は、断面形状で示している。

この製造方法では、先ず、図２（ａ）に示すように、例えば透明な基材１０（前記第２の透光性基材４に相当）上に、前記第２の媒質２ｂの構成材料である透光性を有する屈折率ｎ２の樹脂媒質１１をスピンコートなどで塗布する。そして、この樹脂媒質１１上にフォトレジスト層１２をスピンコートなどで塗布する（図２（ｂ））。そして、このフォトレジスト層１２に格子パターンを露光して現像を行ない、樹脂媒質１１上にフォトレジストパターン１２ａを形成する（図２（ｃ））。

そして、フォトレジストパターン１２ａ上及びその間の樹脂媒質１１上にアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）などの金属層１３を、スパッタリング法などにより形成する（図２（ｄ））。そして、フォトレジストパターン１２ａを有機溶剤などによる溶出によって除去し、フォトレジストパターン１２ａとその上の金属層を除去する（図２（ｅ））。これにより、樹脂媒質１１上に金属パターン１３ａが残る。この金属パターン１３ａが以後のドライエッチングのマスクとなる。

そして、図３（ａ），（ｂ）に示すように、基材１０を水平位置から所定の角度α（前記積層角度αに相当する角度）だけ傾け、傾斜した樹脂媒質１１の上方からイオンビーム１４を照射してエッチングを行うことで、樹脂媒質１１に一定周期で傾斜したストライプ層１１ａ（図１の偏向性回折格子２を形成する第２の媒質２ｂに相当）が形成される。そして、図３（ｃ）に示すように、各ストライプ層１１ａ上の金属パターン１３ａを酸などによって除去する。

なお、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した樹脂媒質１１の手前側と奥側の表面縁部領域は、イオンビームが照射されていないので、この表面縁部領域にはストライプ層は形成されていない。

そして、図３（ｄ）に示すように、前記第１の媒質２ａの構成材料である透光性を有する屈折率ｎ１の例えば紫外線硬化型の樹脂媒質１５を、各ストライプ層１１ａの間の溝状の空間に充填し、かつ各ストライプ層１１ａの上部に所定の膜厚となるように吐出し、紫外線を照射して硬化させる。そして、基材１０と樹脂媒質１１の両側を切断することで、図１に示したような、第１の透光性基材３と第２の透光性基材４との間に偏向性回折格子２（傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂ）を備えた波長選択フィルタ１が作製される。

次に、前記した本発明の波長選択フィルタ１による、赤外線波長域の光（赤外光）の再帰反射性と可視光の透過性を評価するために、以下に示す実施例１〜５と比較用の比較例１、２の構成を有する波長選択フィルタで評価を行った。

なお、この赤外線波長域の光（赤外光）の再帰反射性と可視光の透過性を評価するために、RCWA(厳密結合波解析)法による電磁波解析シミュレーションソフトDiffract MOD（R-Soft社）を用いてシミュレーションを行った。

〈実施例１〉
実施例１では、図１に示した波長選択フィルタ１の偏向性回折格子２において、以下のような条件に設定した。

第１の媒質２ａの屈折率（ｎ１）：１．５２
第２の媒質２ｂの屈折率（ｎ２）：１．７２
屈折率変調周期（Ｐ）：３００ｎｍ
第１の媒質２ａの厚み（ｄ１）：１５０ｎｍ
第２の媒質２ｂの厚み（ｄ２）：１５０ｎｍ
偏向性回折格子２の厚さ（ｔ）：１５００ｎｍ（１．５μｍ）
第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層角度（α）：３０°

また、偏向性回折格子２の両面に設けられる第１、第２の透光性基材３，４においては、以下のような条件に設定した。

第１の透光性基材３の屈折率：１．５２
第２の透光性基材４の屈折率：１．５２

図４、図５は、実施例１の波長選択フィルタ１において、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２の主面２’（図１参照）の法線方向に対して３０°の入射角度θi（空気中では、４９°の入射角度に相当）で入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光とＴＭ偏光の場合の反射特性と透過特性である。

なお、図４（ａ），（ｂ）がＴＥ偏光における反射特性と透過特性であり、図５（ａ），（ｂ）がＴＭ偏光における反射特性と透過特性である。図４（ａ）、図５（ａ）の縦軸（反射率）において、１．０が反射率１００％であり、図４（ｂ）、図５（ｂ）の縦軸（透過率）において、１．０が透過率１００％である。また、反射率とは、反射する全ての次数の回折光を含み、透過率とは、透過する全ての次数の回折光を含む。以下の実施例、比較例においても同様である。

図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によってＴＥ偏光及びＴＭ偏光とも赤外線波長域で−１次反射回折光（ａ１）が発生している。なお、この発生した−１次反射回折光の法線方向に対する反射角度は、波長９５０ｎｍで３２．８°であった。即ち、赤外線波長域の光（赤外線）のみが選択されて再帰反射している。

なお、実施例１では、＋１次反射回折光及び０次反射回折光の発生はほとんど無視できる程度であった。

また、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によってＴＥ偏光及びＴＭ偏光とも可視光波長域の光（０次透過光：ｂ１）が透過し、第２の透光性基材４から出射する。即ち、可視光域では、偏向性回折格子２内で回折光や反射光が発生していないので、偏向性回折格子２が透明で着色もない。

以下の表は、実施例１、及び実施例２〜５と比較例１、２の波長選択フィルタにおける、可視光の平均透過率、赤外線の最大反射率、−次数の反射回折効率、赤外線波長域で最大反射率をとる波長における反射率Rmaxと−次数の反射回折効率Erとの比（Er/Rmax）を示したシミュレーション結果である。

このように、実施例１の波長選択フィルタを、鉛直方向に設置される建物の窓ガラスの表面に配置した場合、斜め上方にある太陽光が上記の３０°入射の状況に相当するので、赤外線波長域の光（赤外光）を選択して再帰反射させて、可視光を透過させることができる。

図６、図７は、実施例１の波長選択フィルタ１において、図８に示すように、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２の主面２’の法線方向に対して−３０°（空気中では、−４９°の入射角度に相当）の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光とＴＭ偏光の場合の反射特性と透過特性である。なお、図６（ａ），（ｂ）がＴＥ偏光における反射特性と透過特性であり、図７（ａ），（ｂ）がＴＭ偏光における反射特性と透過特性である。

図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、−３０°入射の場合は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光とも可視光波長域から赤外線波長域において、偏向性回折格子２内での反射（−１次反射回折光ａ１、０次反射回折光ａ２、＋１次反射回折光ａ３）はほとんど発生していない。

また、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、−３０°入射の場合は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光とも可視光波長域から赤外線波長域において０次透過光ｂ１が偏向性回折格子２を透過し、第２の透光性基材４から出射した。即ち、入射光Ｌが第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２の主面２’の法線方向Ａ２に対して−（マイナス）の入射角度で入射する場合は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光とも可視光波長域から赤外線波長域で０次透過光が透過する。なお、図７（ｂ）において、ｂ３は＋１次透過光である。

〈実施例２〉
実施例２では、図１に示した波長選択フィルタ１の偏向性回折格子２において、以下のような条件に設定した。

偏向性回折格子２の厚さ（ｔ）：２０００ｎｍ（２０μｍ）
第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層角度（α）：３０°
他の設定条件は上記した実施例１と同様である。

図９は、実施例２の波長選択フィルタ１において、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２の主面２’（図１参照）の法線方向Ａ２に対して３０°の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光の場合の反射特性と透過特性である。図９（ａ）がＴＥ偏光における反射特性であり、図９（ｂ）がＴＥ偏光における透過特性である。なお、偏光方向がＴＭ偏光の場合においても、略同様の反射特性と透過特性であった。

図９（ａ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によって赤外線波長域で−１次反射回折光ａ１が発生し、特に、９００〜１０５０ｎｍ程度の範囲で高い−１次反射回折光が発生している。なお、この発生した−１次反射回折光の法線方向Ａ２に対する反射角度は、波長１０００ｎｍで３６．６°であった。即ち、赤外線波長域の光（赤外光）が選択されて再帰反射している。

なお、実施例２では、可視光波長域の一部の波長域（４６０ｎｍ付近）で０次反射回折光ａ２が若干発生したが、他の波長域での＋１次反射回折光及び０次反射回折光の発生はほとんど無視できる程度であった。

また、図９（ｂ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によって可視光波長域の光（０次透過光ｂ１）が透過し、第２の透光性基材４から出射する。なお、−１次透過光及び＋１次透過光はほとんど無視できる程度であった。

このように、偏向性回折格子２の厚さ（ｔ）を実施例１の場合よりも厚くした場合、偏向性回折格子２内で光が通過する界面の数が増加し、赤外線波長域での反射がより大きくなるので、赤外線波長域の光（赤外線）をより効果的に再帰反射させることができる。

〈実施例３〉
実施例３では、図１に示した波長選択フィルタ１の偏向性回折格子２において、以下のような条件に設定した。

屈折率変調周期（Ｐ）：３５０ｎｍ
第１の媒質２ａの厚み（ｄ１）：１７５ｎｍ
第２の媒質２ｂの厚み（ｄ２）：１７５ｎｍ
偏向性回折格２の厚さ（ｔ）：１５００ｎｍ（１．５μｍ）
第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層角度（α）：３０°
他の設定条件は上記した実施例１と同様である。

図１０は、実施例３の波長選択フィルタ１において、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２の主面２’（図１参照）の法線方向Ａ２に対して３０°の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光の場合の反射特性と透過特性である。図１０（ａ）が反射特性であり、図１０（ｂ）が透過特性である。なお、偏光方向がＴＭ偏光の場合においても、略同様の反射特性と透過特性であった。

図１０（ａ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によって赤外線波長域で−１次反射回折光ａ１が発生している。なお、この発生した−１次反射回折光の法線方向Ａ２に対する反射角度は、波長１１００ｎｍで３２．３°であった。即ち、赤外線波長域の光（赤外線）が選択されて再帰反射している。

なお、実施例３では、可視光波長域の一部の波長域で０次反射回折光ａ２が若干発生したが、他の波長域での＋１次反射回折光及び０次反射回折光の発生はほとんど無視できる程度であった。

また、図１０（ｂ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によって可視光波長域の光（０次透過光ｂ１）が透過し、第２の透光性基材４から出射する。なお、−１次透過光及び＋１次透過光は、ほとんど無視できる程度であった。

このように、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの屈折率変調周期（Ｐ）を変更（実施例３では、実施例１の３００ｎｍから３５０ｎｍに変更）することで、反射（再帰反射）する波長域（赤外線波長域）を制御することができる。即ち、屈折率変調周期（Ｐ）が大きくなるように変更すると、反射（再帰反射）する波長域（赤外線波長域）を長い波長側へシフトさせることができる。

〈実施例４〉
実施例４では、図１に示した波長選択フィルタ１の偏向性回折格子２において、以下のような条件に設定した。

屈折率変調周期（Ｐ）：４６０ｎｍ
第１の媒質２ａの厚み（ｄ１）：２３０ｎｍ
第２の媒質２ｂの厚み（ｄ２）：２３０ｎｍ
第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層角度（α）：５０°
他の設定条件は上記した実施例１と同様である。

図１１は、実施例４の波長選択フィルタ１において、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２の主面２’（図１参照）の法線方向Ａ２に対して３０°の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光の場合の反射特性と透過特性である。図１１（ａ）が反射特性であり、図１１（ｂ）が透過特性である。なお、偏光方向がＴＭ偏光の場合においても、略同様の反射特性と透過特性であった。

図１１（ａ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によって赤外線波長域で−１次反射回折光ａ１が発生している。なお、発生した−１次反射回折光の法線方向Ａ２に対する反射角度は、波長１２００ｎｍで５４．７°であった。即ち、赤外線波長域の光（赤外線）が選択されて再帰反射している。

なお、実施例４では、他の波長域での＋１次反射回折光及び０次反射回折光の発生はほとんど無視できる程度であった。

また、図１１（ｂ）に示すように、３０°入射の場合は、偏向性回折格子２によって可視光波長域の光（０次透過光ｂ１）が透過し、第２の透光性基材４から出射する。なお、−１次透過光及び＋１次透過光は、ほとんど無視できる程度であった。

このように、屈折率変調周期（Ｐ）、第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの厚み（ｄ１，ｄ２）、積層角度（α）を変更することで、再帰反射する赤外線の波長域の範囲や反射角度を制御することができる。

〈実施例５〉
図１２は、実施例５における偏向性回折格子２’を有する波長選択フィルタ１を示す概略構成図である。

図１２に示すように、実施例５の偏向性回折格子２’は、屈折率変調周期（Ｐ１）を３００ｎｍとした第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂ、及び屈折率変調周期（Ｐ２）を３５０ｎｍとした第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂがそれぞれ５周期ごとに交互に傾斜積層された構成である。

実施例５では、図１２に示した波長選択フィルタ１の偏向性回折格子２’において、以下のような条件に設定した。

第１の媒質２ａの屈折率（ｎ１）：１．５２
第２の媒質２ｂの屈折率（ｎ２）：１．７２
屈折率変調周期（Ｐ１）：３００ｎｍ
屈折率変調周期（Ｐ２）：３５０ｎｍ
屈折率変調周期（Ｐ１）での第１の媒質２ａの厚み（ｄ１）：１５０ｎｍ
屈折率変調周期（Ｐ１）での第２の媒質２ｂの厚み（ｄ２）：１５０ｎｍ
屈折率変調周期（Ｐ２）での第１の媒質２ａの厚み（ｄ’１）：３５０ｎｍ
屈折率変調周期（Ｐ２）での第２の媒質２ｂの厚み（ｄ’２）：３５０ｎｍ
偏向性回折格子２’の厚さ（ｔ）：６０００ｎｍ（６μｍ）
第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの積層角度（α）：３０°

なお、偏向性回折格子２’の両面に設けられる第１、第２の透光性基材３，４の条件は実施例１と同様である。

実施例５の偏向性回折格子２’では、傾斜積層された第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂの計算上の１周期（＝３００ｎｍ×５周期＋３５０ｎｍ×５周期）は３２５０ｎｍとなり、この１周期に合わせた次数の反射回折光と透過光が得られる。また、３００ｎｍの屈折率変調周期（Ｐ１）による回折や、３５０ｎｍの屈折率変調周期（Ｐ２）による回折などが混在し、多くの次数にわたって回折光が発生する。本実施例では、主として−８次、−９次、−１０次、−１１次、−１２次の回折光が得られた。本実施例では、これらをまとめて−側反射回折光（ａ’１）とする。

図１３は、実施例５の波長選択フィルタ１において、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材３側から偏向性回折格子２’の主面２’の法線方向Ａ２に対して３０°の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光の場合の反射特性と透過特性である。図１３（ａ）が反射特性であり、図１３（ｂ）が透過特性である。なお、偏光方向がＴＭ偏光の場合においても、略同様の反射特性と透過特性であった。

図１３（ａ）に示すように、この偏向性回折格子２’によって赤外線波長域で−側反射回折光（−次数を多数含んでいる反射回折光）ａ’１が発生している。なお、この発生した−側反射回折光の法線方向Ａ２に対する反射角度は、波長８７０ｎｍで３３．８°、波長９６０ｎｍで３４．７°、波長１０６０ｎｍで３５．０°、波長１１７０ｎｍで３４．５°、波長１３２０ｎｍで３４．７°であった。即ち、赤外線波長域の光（赤外線）が選択されて再帰反射している。

なお、実施例５では、他の波長域での０次反射回折光及び＋の次数の反射回折光（＋側反射回折光）の発生はほとんど無視できる程度であった。

また、図１３（ｂ）に示すように、この偏向性回折格子２’によって可視光波長域の光（０次透過光ｂ１）が透過し、第２の透光性基材４から出射する。なお、−の次数の透過光（−側透過光）及び＋の次数の透過光（＋側透過光）は、ほとんど無視できる程度であった。

このように、異なる屈折率変調周期の第１の媒質２ａと第２の媒質２ｂを、所定周期（本実施例では５周期）ごとに交互に傾斜積層させるようにすることで、幅広い波長域で高い反射率を実現でき、また、再帰反射する赤外光の波長域や、それぞれの反射ピークの重なり度合いを制御することができる。

〈比較例１〉
図１４は、比較例１における波長選択フィルタを示す概略構成図である。

図１４に示すように、比較例１における波長選択フィルタは、透光性を有する屈折率１．５２で厚さｄ１が１５０ｎｍの第１の層２０と、透光性を有する屈折率１．７２で厚さｄ２が１５０ｎｍの第２の層２１とを交互に積層（この比較例１では１６層）からなる積層体２２と、この積層体２２の両面にそれぞれ設けた、屈折率１．５２で厚さ２０００ｎｍ（２μｍ）の透明樹脂シートなどの第１、第２の透光性基材２３，２４とで構成されている。

図１５は、比較例１の波長選択フィルタにおいて、入射光Ｌとして太陽光が第２の透光性基材２４側から積層体１２の法線方向に対して３０°の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光の場合の反射特性と透過特性である。なお、図１５（ａ）が反射特性であり、図１５（ｂ）が透過特性である。

図１５（ａ）に示すように、この積層体１２によって赤外線波長域の光（赤外線）の一部を選択して正反射（０次反射ａ）している。なお、可視光域の光の一部も少し正反射（０次反射）している。また、比較例１の波長選択フィルタでは、−１次反射光及び＋１次反射光の発生はほとんど無視できる程度であった。

また、図１５（ｂ）に示すように、この積層体１２によって可視光波長域の光（０次透過光ｂ）が透過し、第２の透光性基材１４から出射する。なお、−１次透過光及び＋１次透過光は、ほとんど無視できる程度であった。

このように、比較例１の波長選択フィルタでは、赤外線波長域の光（赤外線）の一部を選択して正反射（０次反射）しているだけであり、再帰反射性は得られていない。

〈比較例２〉
図１６は、比較例２における波長選択フィルタを示す概略構成図である。

図１６に示すように、比較例２における波長選択フィルタは、透光性を有する屈折率１．５２で幅ｄ１が３００ｎｍの第１の媒質３０と、透光性を有する屈折率１．７２で幅ｄ２が３００ｎｍの第２の媒質３１が周期６００ｎｍで交互に配置された構成の回折格子３２と、この回折格子３２の両面にそれぞれ設けた、屈折率１．７２で厚さ２０００ｎｍ（２μｍ）の透明樹脂シートなどの第１、第２の透光性基材３３，３４とで構成されている。なお、回折格子２２の高さｈは４０００ｎｍ（４μｍ）である。

図１７は、比較例２の波長選択フィルタにおいて、入射光Ｌとして太陽光が第１の透光性基材１３側から回折格子３２の法線方向に対して３０°の入射角度θiで入射するときの、偏光方向がＴＥ偏光の場合の反射特性と透過特性である。なお、図１７（ａ）が反射特性であり、図１７（ｂ）が透過特性である。

図１７（ａ）に示すように、この回折格子３２によって赤外線波長域の光（赤外線）の一部が少し正反射（０次反射ａ）しているだけで、他の波長域ではほとんど反射はなかった。

また、図１７（ｂ）に示すように、この回折格子２を透過した可視光波長域から赤外線波長域の光（０次透過光ｂ１、−１次透過光ｂ２）が回折している。なお、＋１次透過光はほとんど無視できる程度であった。

このように、比較例２の波長選択フィルタでは、赤外線波長域の光（赤外線）の再帰反射性は得られていない。

上記表に示したように、実施例１〜５の波長選択フィルタでは、−次数の反射回折効率が２９〜１００％であったが、比較例１、２の波長選択フィルタでは、−次数の反射回折効率は０％であった。また、実施例１〜５の波長選択フィルタでは、赤外線波長域で最大反射率をとる波長における反射率（Rmax）と−次数の反射回折効率（Er）との比（Er/Rmax）が０．９８〜１．００であったが、比較例１、２の波長選択フィルタでは、Er/Rmaxが０．００であった。

（本発明の波長選択フィルタ１を配置した窓ガラス）
図１８に示すように、上記した偏向性回折格子２を有する波長選択フィルタ１を、ビルディングなどの建物の窓材としての窓ガラス４０の外側表面（内側表面でもよい）に配置した場合、斜め上方から太陽光Ｌが入射すると、上記したように赤外線波長域の光（赤外線）である−１次反射回折光ａ１のみを選択して再帰反射させ、可視光波長域の光（可視光）である０次透過光ｂ１のみを透過させる。

この偏向性回折格子２としては、例えば実施例１の構成のものを用いることができる。

このように、窓ガラス４０に偏向性回折格子２を配置することによって、太陽光のうちの可視光のみを窓ガラス４０を透過させ、太陽光に含まれる赤外線を太陽光の入射方向側へ再帰反射させることができる。

これにより、赤外線が太陽光の入射方向側へ再帰反射されるので、窓ガラス４０内側の室内の温度上昇を抑えることができ、かつ反射された赤外線が地表面側に向かわないので地表面周囲の温度上昇も抑制することができる。よって、特にビルディングが密集している都市部でのヒートアイランド現象による温度上昇を抑えることが可能となるので、屋内を冷房するためのエネルギー消費量を低減することができる。

なお、波長選択フィルタ１を建物の窓ガラスに設置する以外にも、例えば自動車等の車両の窓ガラス（フロントウィンドウ、サイドウィンドウ、リアウィンドウなど）にも設置することにより、太陽光に含まれる赤外線を太陽光の入射方向側へ再帰反射させることができるので、反射した赤外線が道路の路面等を照らすことを大幅に抑制することができる。

１ 波長選択フィルタ
２、２’ 偏向性回折格子
２ａ 第１の媒質
２ｂ 第２の媒質
３ 第１の透光性基材
４ 第２の透光性基材
４０ 窓ガラス
ａ１ −１次反射回折光

Claims (10)

1. 透光性を有する屈折率ｎ１の第１の媒質と、透光性を有する屈折率ｎ２（ｎ２≠ｎ１）の第２の媒質とが交互に周期的に積層され、かつ積層方向が傾斜して、その傾斜方向が面内で同一であり、積層された前記第１、第２の媒質の長手方向側の各端面が、それぞれ同一平面上にあり、かつ前記各端面同士が平行である屈折率変調構造を有する偏向性回折格子を備え、
   前記偏向性回折格子の光線が入射する側の面の法線方向に対して前記第１、第２の媒質の積層方向側から光線を入射させて、前記偏向性回折格子の前記屈折率変調構造により、入射光線のうちの−１次反射回折光である第１の波長帯域の光を選択して再帰反射させ、前記第１の波長帯域と異なる第２の波長帯域の光を透過させることを特徴とする再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
2. 前記偏向性回折格子の光線が入射する側の面の法線方向と前記第１、第２の媒質の積層方向とがなす角度をαとして、角度αが１０〜８０°であることを特徴とする請求項１に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
3. 傾斜積層された前記第１の媒質と前記第２の媒質の積層方向における周期をｐとして、周期ｐの幅が１００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
4. 前記周期ｐは、同じ幅に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
5. 前記周期ｐは、少なくとも第１の幅と該第１の幅と異なる第２の幅に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
6. 前記偏向性回折格子の厚みをｔとして、厚みｔが少なくとも５００ｎｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
7. 偏向性回折格子の光線が入射する側の面に第１の透光性基材を配置して、偏向性回折格子の光線が入射する側と反対側の面に第２の透光性基材を配置し、前記第１、第２の透光性基材の屈折率は、前記第１の媒質又は前記第２の媒質の屈折率と略同じであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
8. 前記第１の波長帯域の光は赤外線波長域の光であり、前記第２の波長帯域の光は可視光波長域の光であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
9. 前記偏向性回折格子に入射する光線の入射角度が３０°の場合において、前記偏向性回折格子を透過する可視光の波長域における平均透過率が８０％以上であり、赤外線の波長域における最大反射率が２０％であり、赤外線の波長域で最大反射率をとる波長における反射率とマイナス次数の反射回折効率との比が０．８以上であることを特徴とする請求項８に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタ。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の再帰反射性を有する波長選択フィルタを、透光性を有するガラス外側表面又は内側表面に配置したことを特徴とする窓材。