JP6371075B2 - フィラメント - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー利用効率を改善したフィラメントに関し、特に、可視光や近赤外光の放射効率を高めたフィラメントに関する。

タングステンフィラメント等に電流を流すことにより、フィラメントを加熱し、電球とする白熱電球が広く用いられている。白熱電球は、太陽光に近い演色性に優れた放射スペクトルが得られ、白熱電球の電力から光への変換効率は９５％以上になるが、放射光の波長成分は、図１に示すように赤外放射光成分が９０％以上である（図１の３０００Ｋの場合）。このため、白熱電球の電力から可視光への変換効率は、凡そ１５ ｌｍ／Ｗと低い値になる。一方、蛍光灯は、電力から可視光への変換効率が約９０ ｌｍ／Ｗであり、白熱電球よりも大きい。このため、白熱電球は、演色性に優れているが、環境負荷が大きいという問題がある。

白熱電球を高効率化・高輝度化・長寿命化する試みとして，様々な提案がなされている。例えば、特許文献１および２には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、蒸発したフィラメント材料をハロゲン化してフィラメントに帰還させ（ハロゲンサイクル）、フィラメント温度をより高くする構成が提案されている。一般的にこれらはハロゲンランプと呼ばれている。これにより、可視光への電力変換効率の上昇およびフィラメント寿命の延長の効果が得られる。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。

特許文献３〜５には、電球ガラスの表面に赤外線反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。これにより、赤外光をフィラメントの再加熱に利用し、高効率化を図っている。

特許文献６〜９には、フィラメント自体に微細構造体を作製し，その微細構造体の物理的効果により，赤外放射を抑制し，可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。

非特許文献１には、黒体放射の放射率を１以上に大きくすることが出来る可能性が指摘されている。例えば，カーボン黒体の上に赤外・可視領域にて透明な屈折率の高い半球レンズ（例えば，ＺｎＳｅ、屈折率ｎ＝２．４）を密着させて置くと，通常は１以上を取ることが出来ないと考えられている放射率を４以上に大きくすることが出来る実験結果が報告されている。

また、非特許文献２には、空気中にＬＥＤ等の光を出射させる際の光取り出し効率を向上させるために、ＬＥＤを構成する屈折率の高い半導体薄膜よりも、高い屈折率を有する透明体を配置する技術が開示されている。

特開昭６０−２５３１４６号公報 特開昭６２−１０８５４号公報 特開昭５９−５８７５２号公報 特表昭６２−５０１１０９号公報 特開２０００−１２３７９５号公報 特表２００１−５１９０７９号公報 特開平６−５２６３号公報 特開平６−２１６７号公報 特開２００６−２０５３３２号公報

Z. Yu, et al. Nature Communications, 4:1730, DOI: 10.1038 / ncomms 2765 W. N. Carr, et al., Appl. Phys. Lett. 3, 173 (1963).

しかしながら，特許文献１，２のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難であり、現状，２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率である。

また，特許文献３〜５のように、赤外放射を赤外線反射コートで反射して、フィラメントに再吸収させる技術は、フィラメントによる赤外光の反射率が７０％と高いために再吸収が効率良く起こらない。また，赤外線反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分，例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され，フィラメントの加熱に利用されない。このため，本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。現状，２０ ｌｍ／Ｗ程度の効率となる。

特許文献６〜９のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、非特許文献１のように赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するものの、広範囲な赤外光全体に亘って赤外放射光の抑制を図ることは非常に困難である。これは、ある波長が抑制されると，別の波長は増強される性質のためである。このため、本技術を利用して大幅な効率改善を図ることは難しいと考えられている。また，微細構造作製に際して，電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため，これを使用した光源は非常に高価なものとなる。更に，高温耐熱部材であるＷ基体上に微細構造を作り込んでも１０００℃程度の加熱温度でＷ基体表面粒子の再結晶化並びに結晶粒成長がおこり，この再結晶化に伴い微細構造部分が破壊されてしまうと言う問題も存在する。

また、非特許文献１，２の技術は、光の取り出し効率を向上させる技術であるが、波長を選択して光取り出し効率を向上させることはできない。よって、赤外放射を抑制し，可視光放射や近赤外光放射の割合を高めることはできない。

本発明の目的は、電力を可視光または近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のフィラメントは、金属，半導体，または誘電体材料により形成された基体と、基体の表面に配置され、基体から放射された可視光および近赤外光のうち少なくとも一部を外部に向かって出射する光出射層とを有する。光出射層は、可視光および近赤外光に対して透明であって、可視光および近赤外光についての屈折率が基体よりも大きく，近赤外光よりも長波長の光についての屈折率は基体よりも小さい材料によって構成される。このように、光出射層と基体との間に波長依存性を有する屈折率差を持たせることによって，近赤外光よりも長波長の所定波長領域の赤外光が基体から外部へ放射されるのを抑制し、可視光および近赤外光の所定波長領域の光が基体から外部へ放射されるのを増強するように構成されている。

本発明によれば、光出射層が、近赤外光よりも長波長の所定波長領域の赤外光が基体から外部へ放射されるのを抑制し、可視光および近赤外光の所定波長領域の光が基体から外部へ放射されるのを増強する作用を有するように構成されているため、可視光放射の効率の高いフィラメントが得られる。

黒体の放射スペクトルを示すグラフ。 第１の実施形態のフィラメントの構造を示す説明図。 図２のフィラメントの基体１（Ｔａ）と光出射層２（ＨｆＯ_２）の屈折率の波長依存性を示すグラフ。 図２のフィラメントの放射特性を示すグラフ。 第１の実施形態のフィラメントの別の構造例を示す説明図。 図２のフィラメントの基体１（Ｗ）と光出射層２（ＨｆＯ_２）の屈折率の波長依存性を示すグラフ。 第２の実施形態のフィラメントの構造を示す説明図。 第２の実施形態のフィラメントの２５００Ｋの放射特性を示すグラフ。 第２の実施形態のフィラメントの３０００Ｋの放射特性を示すグラフ。 比較例のＷフィラメントの２５００Ｋの放射特性を示すグラフ。 比較例のＷフィラメントの３０００Ｋの放射特性を示すグラフ。 各温度における第２の実施形態のフィラメントの光束効率並びに比較例のＷフィラメントの光束効率を示すグラフ。 第３の実施形態のフィラメントの構造を示す説明図。

フィラメントを加熱することにより熱放射される光は、一般的に物体の放射率に依存した放射スペクトルを示すことが知られている。フィラメントが黒体の場合は，放射率がすべての放射波長に亘って最大値の１を取り，以下の式（１）に示すプランクの放射則により、図１のような放射スペクトルを示す。

ただし，式（１）において、α＝３．７４７×１０^８Ｗμｍ^４／ｍ^２，β＝１．４３８７×１０^４μｍＫ，である。

本発明は、図１の放射スペクトルにおいて所定波長の放射を抑制する。そのため、本発明のフィラメントでは、金属，半導体または誘電体材料により形成された基体の表面に、基体から放射された可視光および近赤外光のうち少なくとも一部を外部に向かって出射する光出射層を配置する。光出射層は、可視光および近赤外光に対して透明であって、可視光および近赤外光についての屈折率が基体よりも大きく，近赤外光よりも長波長の光についての屈折率は基体よりも小さい材料によって構成される。

このように、光出射層と基体との間に波長依存性を有する屈折率差を持たせることによって，近赤外光よりも長波長の所定波長領域の赤外光が基体から外部へ放射されるのを抑制し、可視光および近赤外光の所定波長領域の光が基体から外部へ放射されるのを増強されるように構成されている。よって、光出射層放射光のうち可視光および近赤外光のうちの所定波長の光の割合が高まり、可視光または近赤外光の放射効率を高めることができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態では、所定波長領域の可視光が基体から外部へ放射されるのを増強すると同時に所定波長領域の赤外光が基体から外部へ放射されるのを抑制する構造をスネルの法則を利用して実現する。光出射層は、可視光および近赤外光に対して透明であって、可視光および近赤外光についての屈折率が基体よりも大きく，近赤外光よりも長波長の光についての屈折率は基体よりも小さい材料によって構成される。このような構成においては，スネルの法則により、可視光および近赤外光については，可視光および近赤外光が基体と光出射層の界面で透過する割合が高まる一方，近赤外光よりも長波長の赤外光が基体と光出射層の界面で全反射される割合が高まるため、相対的に可視放射を増強し赤外放射を抑制することができる。

具体的には、図２のように基体１の上に光出射層２を配置する。光出射層２の屈折率は、一例を図３に示すように、可視光領域および近赤外光のうち少なくとも一部の波長領域の光３０について、基体１の屈折率より大きく、所定波長領域の赤外光３１について基体１の屈折率よりも小さくなるようにする。また、光出射層２の外部との界面２ａは、図２のように外部に向かって凸の曲面となるように形成する。凸の曲面の形状は、ドーム形状（例えば、半球）であることが好ましい。

光出射層２と基体１の屈折率が上記の関係になるように光出射層２および基体１の材料をそれぞれ選択することにより、式（２）に示すスネルの法則により、基体１から放射された所定波長領域の赤外光３１は、基体１よりも光出射層２の屈折率が小さいと感じるため、基体１と光出射層２と境界１ａにおいて臨界角θｃ以上で全反射が生じる。一方、基体１から放射された可視光および近赤外光の波長領域の光３０は、基体１よりも光出射層２の屈折率が大きいと感じるため、境界１ａにおいて臨界角θｃが９０°以上となり，可視光および近赤外光の波長領域の光３０の略全ての光が外部に取り出される。
ｓｉｎ(θ1)=(ｎ2／ｎ1)・ｓｉｎ(θ2) ・・・（２）
ただし、θ1は、基体１から出射された光が境界１ａに入射する角度、θ2は、境界１ａから光出射層２に出射する角度である。ｎ1は、基体１の屈折率、ｎ2は、光出射層の屈折率である。

よって、基体１と光出射層２との境界１ａにおいて、可視光および近赤外光の波長領域の光３０（図３の例では、０．４〜２μｍの光）は、全反射されることなく通過することができるのに対し、所定波長領域の赤外光３１（２μｍより長波長の光）は、θ2が９０度以上となるθ１の角度（臨界角θc）以上で境界１ａに入射するとすべて全反射される。よって、光出射層２に入射する赤外光３１の割合を抑制することができ、可視光および近赤外光の波長領域の光３０の割合を増加させることができる。

また、光出射層２と外部との界面２ａは、凸の曲面に形成されているので、光出射層２よりも外部の屈折率が小さくとも、凸の曲面を臨界角以下の角度(局面に垂直に近い角度）で通過することができる。よって、凸曲面の界面２ａの形状の効果により、光出射層２を通過する光を高効率で外部に放射することができる。

すなわち、本実施形態では、屈折率の大きなレンズ（光出射層２）を配置することによって，基体１の屈折率が外部よりも大きい為に基体１の内側に閉じ込められていた光を、レンズ（光出射層２）により取り出すことが可能となる。

なお、可視光領域および近赤外光の少なくとも一部の波長領域の光３０について、基体１の屈折率より大きく、所定波長領域の赤外光３１について基体１の屈折率よりも小さい光出射層２は、一部の金属（Ｔａ金属等）が，屈折率に大きな波長依存性を有することを利用することにより実現できる。

例えば、基体１をＴａで形成し、光出射層をＨｆＯ_２で形成することにより実現することができる。これらの材料の屈折率の波長依存性は、図３に示した通りである。

基体１をＴａで、光出射層２を半球形状のＨｆＯ_２で形成したフィラメントの２５００Ｋに加熱した場合の放射特性をシミュレーションで求めた結果を図４に示す。比較例として、黒体およびＴａ基体１のみの放射特性もそれぞれ示す。

図４のように、本実施形態のフィラメントは、Ｔａ基体１のみを２５００Ｋに加熱した場合よりも、赤外光領域の放射が抑制されている。これにより、全放射光に対して可視光領域の放射光の割合が高くなっており、可視光の放射効率が高くなっていることが確認できる。

なお、光出射層２の形状としては、一つのドーム形状でなくてもよい。例えば図５のように、基体１の表面に、複数のドーム形状を隙間なく配列した光出射層２を配置した構造にすることができる。これにより、光出射層２の厚さを抑制しながら、基体１の全体をドーム形状の光出射層２で覆うことができる。

図５の構造のフィラメントの製造方法の一例を説明する。まず、熱処理により再結晶化させたＴａ基板を鏡面研磨し，基体１を作製する。その上に、ＨｆＯ_２膜を気相成長法等により数μｍを堆積させる。これを、２０００Ｋ程度の温度で熱処理すると、ＨｆＯ_２層が自発的に凝縮し，図５に示すように直径５μｍ程度のドーム形状をＴａ基体１の表面全体に隙間なく配置された光出射層２を形成することができる。

なお、本発明は、ＴａとＨｆＯ_２材料の組み合わせに限定されるものではなく、上記した屈折率の関係を満たし、かつ、フィラメントの放射時の高温に耐えられる材料（高温耐熱誘電体）であれば、他の材料を用いることができる。例えば、基体１をＷで、光出射層２をＨｆＯ_２で形成することも可能である。この場合、図６に屈折率の波長依存性を示したように、近赤外光（波長１．５〜４．５μｍ）の波長領域の光３０は、基体１よりも光出射層２の屈折率を大きく感じるため、全反射されることなく境界１ａを通過するのに対し、赤外光３１（４．５μｍより長波長の光）は、基体１よりも光出射層２の屈折率を小さく感じるため、臨界角以上で入射すると全反射される。よって、波長４．５μｍより大きい赤外光３１の割合を抑制し、近赤外光（１．５〜４．５μｍ）の波長領域の光３０の割合を増加させることができるフィラメントを提供できる。

第１の実施形態のフィラメントの基体１の材料および光出射層２の材料は、上述した材料に限定されるものではない。例えば、基体１を構成する材料としては、Ｔａ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｗ，Ｒｕ、Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｒｈ，Ｃ，Ｂ_４Ｃ，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，ＬａＢ_６，ＺｒＢ_２，ＨｆＢ_２，のうちのいずれか、またはこれらの合金を用いることができる。

光出射層２は、２０００Ｋ以上の融点を有する金属膜，金属の炭化物膜、窒化物膜，ホウ化物膜、酸化物膜、のいずれかであって、基体１の屈折率の関係が、上述した関係を満たすものを、選択して用いることができる。例えば、Ｔａ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｗ，Ｒｕ、Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｒｈ，Ｃ，Ｂ_４Ｃ，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＬａＢ_６，ＺｒＢ_２，ＨｆＢ_２，ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣａＯ，ＣｅＯ_２，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅのいずれかまたはこれらの混合体で形成された膜のうちから選択して用いることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、基体１または光出射層２の屈折率の波長依存性を利用せず、光出射層２の形状の効果により、赤外光の放射を抑制する。

具体的には、図７のように、光出射層２の外部との界面２ａに、所定の波長よりも波長の大きい赤外光を散乱させず、所定波長以下の光を散乱する凹凸で形成された光散乱構造２０が備えられている。なお、基材１の光を光出射層２に取り出すために、光出射層２の屈折率は、放射効率を向上させたい波長（例えば、可視光領域や近赤外領域）において基体２の屈折率よりも大きいことが望ましい。

光散乱構造２０の凹凸の大きさを、抑制したい赤外光の波長に応じて設定することにより、抑制したい赤外光波長よりも小さい波長の光３０は、凹凸構造で散乱される。散乱された光３０は、光出射層２から外部に出射される。一方、抑制したい波長よりも波長が長い赤外光３１は、その波長に対して凹凸が小さいために凹凸を感じず、界面２ａを鏡面に感じる。よって、赤外光３１は、臨界角以上で入射すると界面２ａで全反射される。これにより、所定の波長領域の赤外光の放射を抑制し、それよりも波長が短い可視光や近赤外光が放射される割合を高めることができる。なお、凹凸構造の作製は，太陽電池技術分野における，光トラッピングのためのテクスチャー構造作製並びにフォトニック結晶作製技術分野におけるナノ構造作製技術等の公知の技術を用いることができる。

凹凸の具体的な大きさは，凡そ、抑制したい赤外波長の１／（４ｎ）程度に設定する。ただし、ｎは、光出射層の屈折率である。例えば、５００ｎｍ中心とする可視波長を効果的に放射させる場合、光出射層２の屈折率を２とすると，凡そ５０〜６０ｎｍの高さおよび周期の凹凸構造体を界面２ａに設ければよい。このような光散乱構造を形成することによって，基体１から可視光領域の放射は，界面２ａにおいて略全方位に放射される。一方，長波長の赤外放射は，ナノ構造光散乱体を鏡面と感じてしまうので，臨界角度以上の放射は全反射される。これにより、赤外放射が抑制される。例えば、光出射層２の屈折率を２とすると，外部（空気）との界面２ａにおける赤外光の全反射の臨界角は３０°となる。よって、臨界角を用いて、立体角計算より赤外光が抑制される比率を計算により求めると、赤外光は、高屈折率膜を付与しない状態と比較して，その放射が０．１３４倍に抑制される。一方、可視放射は、散乱によりほぼ全て放射される。

なお、基体１の表面には、所定の波長よりも長波長の赤外光の反射を抑制する凹凸構造２１が備えられていることが望ましい。その理由は、光出射層２の外部との界面２ａで全反射された所定の波長よりも長波長の赤外光３１は、基板１に向かう。ここで、基板１と光出射層２との境界１ａで再び反射されると、界面２ａと境界１ａとの反射を繰り返し、光出射層２内を伝搬して、端面から出射される。これにより、フィラメントの放射効率が低下する恐れがある。そこで、基体１の表面に所定の波長よりも長波長の赤外光の反射を抑制する凹凸構造２１を設け、赤外光３１の再反射を防止し、赤外光３１が基板１に再吸収させる。これにより、赤外光３１は、基体１に吸収されて基体１を加熱し、放射に利用されるため、より一層の効率向上効果を期待することが出来る。

なお、基体１の表面の凹凸構造２１は、あまり密度高く形成しないようにすることが望ましく、例えば、面積比で１０％以下であることが望ましい。というのは、基体１の表面の凹凸構造２１の密度が高いと、光出射層２の外部との界面２ａで反射されやすいＳ偏光のみならずＰ偏光の赤外光も基体１から放射されるようになり，光出射層２の界面２ａからＰ偏光の赤外光が外部に出射されやすくなるためである。

基体１をＷにより形成し、光出射層２をＨｆＯ_２により形成し、光散乱構造２０として凡そ５０〜６０ｎｍの高さおよび周期の凹凸構造体を光出射層２の表面に形成したフィラメントを、２５００Ｋ、３０００Ｋに加熱した場合の放射特性をシミュレーションで求めた。その結果を図８、図９にそれぞれ示す。また、比較例として、Ｗ基体１のみを２５００Ｋ、３０００Ｋに加熱した場合の放射特性をシミュレーションで求めた。その結果を図１０、図１１にそれぞれ示す。

比較例のＷフィラメントの放射効率は、図１０，図１１に示すように，２５００Ｋの温度では１２．２ ｌｍ／Ｗ，３０００Ｋの温度では２９．３ ｌｍ／Ｗである。これに対し、本実施形態のフィラメントは、図８、図９に示すように、比較例の倍以上の放射効率，具体的には、２５００Ｋの温度では３７．９ ｌｍ／Ｗ，３０００Ｋの温度では７３．９ ｌｍ／Ｗの放射効率を得られることがわかる。

また、屈折率２の高屈折率膜を５μｍ程度の厚さでＷフィラメント上に成膜し，本高屈折率膜表面に凡そ５０〜６０ｎｍの高さおよび周期の凹凸構造体を形成した本実施形態のフィラメントについて、各加熱温度における放射効率をシミュレーションにより求めた。その結果を図１２に示す。図１２には、比較例としてのＷフィラメント単体での放射効率も示されている。図１２より、本実施形態のフィラメントは、比較例のＷフィラメント単体よりも各温度において放射効率が高いことがわかる。

第２の実施形態のフィラメントの基体１の材料および光出射層２の材料は、上述した材料に限定されるものではない。例えば、基体１を構成する材料としては、Ｔａ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｗ，Ｒｕ、Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｒｈ，Ｃ，Ｂ_４Ｃ，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＴｉＮ，ＬａＢ_６，ＺｒＢ_２，ＨｆＢ_２，のうちのいずれか、またはこれらの合金を用いることができる。

また，光出射層２は、２０００Ｋ以上の融点を有する金属膜，金属の炭化物膜、窒化物膜，ホウ化物膜、酸化物膜、のいずれかで形成することも可能である。例えば、Ｔａ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｗ，Ｒｕ、Ｎｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ，Ｒｈ，Ｃ，Ｂ_４Ｃ，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＬａＢ_６，ＺｒＢ_２，ＨｆＢ_２，ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣａＯ，ＣｅＯ_２，ＭｇＯ，ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅのいずれかまたはこれらの混合体で形成された膜のうちから、選択して用いることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態のフィラメントに対して更なる効率向上を図るために，図１３で示すように，赤外反射多層膜１３０を基体１と光出射層２の間に挿入し，０°方向（垂直方向）に出射される赤外光の放射も抑制するようにする。赤外反射多層膜１３０は、基体１から放射される赤外光のうち、０°方向を中心とした所定の出射角範囲の赤外光を反射して基体１に戻す。０°方向を中心とした所定の出射角範囲の赤外光は、光出射層２によるスネルの法則の作用では抑制出来ないためである。これによりこの出射角範囲の赤外光放射を抑制する。光出射層２の構成は、第２の実施形態と同様であり、光出射層２の外部との界面２ａに、所定の波長よりも波長の大きい赤外光を散乱させず、所定波長以下の光を散乱する凹凸で形成された光散乱構造が備えられている。なお、図１３では、光散乱構造の図示を省略している。

赤外反射多層膜１３０は、反射率の角度依存性が大きく、基体１からの出射角が３０°以上になると、赤外反射多層膜１３０の反射率が急激に低下し，赤外光が光出射層２に漏れ出す。大きな角度で赤外反射多層膜１３０から漏れ出した赤外光は、光出射層２と外部の界面２ａにおいて、実施例２で記載したようにスネルの法則に基づいて反射される。よって、第３の実施形態では、全方位において赤外光を抑制することが出来，より一層の効率向上効果を期待することが出来る。

赤外光反射多層膜１３０は、いずれも赤外光を透過する材料、例えば高耐熱性誘電体層でそれぞれ構成された第１の層および第２の層の組を少なくともひと組含むように構成する。第１の層の屈折率をｎ１、厚さをｄ１、第２の層の屈折率をｎ２、厚さをｄ２とする赤外光の所定の波長λに対して、式（３）を満たす。

ｎ１・ｄ１＝ｎ２・ｄ２＝λ／４ ・・・（３）
このように屈折率の異なる２種類の層を積層することにより、光の干渉を利用して、所定の波長λ１を中心波長とする所定の波長範囲の赤外光の反射率を高めることができる。

本実施形態では、広い波長範囲の赤外光を反射するため、赤外光反射多層膜１３０は、２種類の層の組を複数組積層した構成としている。それぞれの組の反射の中心波長λを異ならせ、積層された各組でそれぞれ少しずつ異なる波長の赤外光を反射させることにより、赤外光反射膜全体として広い波長範囲の赤外光を反射することができる。第１の層と第２の層の屈折率差が大きいほど、反射できる波長幅が大きくなるため、反射したい波長幅に応じて第１の層と第２の層の材料を選択する。

例えば、第１の層を低屈折率ＳｉＯ_２層とし、第２の層２２を高屈折率ＺｒＯ_２層とする。２５００ Ｋの温度における黒体からの放射は、１２００ ｎｍ程度の赤外波長においてピークを有するので、このピーク周辺の波長を選択し，この波長帯において、赤外光反射多層膜１３０の反射を高めるように設計することができる。第１の層および第２の層の組の数を２６組，合計５２層積層し、例えば，ＳｉＯ_２層の膜厚を２００ ｎｍから５０ ｎｍまで，また，ＺｒＯ_２層の膜厚を１８０ ｎｍから３０ ｎｍまで組ごとに徐々に異なる値に設計することにより、中心波長λ１〜λ２６＝１〜４μｍの範囲で良好な赤外線反射特性を得ることができる。

赤外反射多層膜１３０を構成する低屈折率材料としては，ＳｉＯ_２の他に，ＭｇＯ，ＭｇＦ_２，Ａｌ_２Ｏ_３等の高温耐熱性低屈折率材料を利用することが出来る。また，高屈折率材料としては，ＺｒＯ_２の他に，Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，ＨｆＯ_２，等の酸化物系材料，ダイヤモンド，ＳｉＣ等の炭化物系材料，ＢＮ，ＧａＮ等の窒化物系材料を利用することが出来る。

Ｗ基体の上に赤外反射多層膜１３０を配置し、その上に、５μｍ程度の厚さの屈折率２の高屈折率膜を配置したフィラメントについて各加熱温度における放射効率をシミュレーションにより求めた。なお、高屈折率膜の表面には、凡そ５０〜６０ｎｍの高さおよび周期の凹凸構造体が形成されている。その結果、図１２と同様の放射効率が得られた。

上述してきた各実施形態のフィラメントは、赤外放射を抑制して、可視光および／または近赤外光の放射効率を高めることができるため、高効率な、近赤外光ヒーター，並びに、可視光光源として用いることができる。よって、照明用光源，自動車用電球，プロジェクター用光源，液晶バックライト光源，近赤外ヒーターとして用いることが可能である。

１…基体、１ａ…境界、２…光出射層、２ａ…界面

Claims (2)

1. 金属、半導体、または誘電体材料により形成された基体と、
   前記基体の表面に配置され、前記基体から放射された光の一部の波長を外部に向かって出射する光出射層とを有し、
   前記光出射層の屈折率は、可視光領域および近赤外光のうち少なくとも一部の波長領域について前記基体の屈折率より大きく、所定波長領域の赤外光について前記基体の屈折率よりも小さく、前記基体と光出射層との屈折率の大小関係によって前記所定波長領域の赤外光が前記基体から外部へ放射されるのを抑制することにより、前記可視光領域および近赤外光のうち少なくとも一部の波長領域の光が前記基体から外部へ放射されるのを増強し、前記光出射層の外部との界面は、外部に向かって凸のドーム状の曲面であり、
   前記基体の表面は、前記基体の外部から前記基体の内部へ入射する前記所定波長領域の赤外光の反射を抑制する凹凸構造を備えた
   ことを特徴とするフィラメント。
2. 金属、半導体、または誘電体材料により形成された基体と、
   前記基体の表面に配置され、前記基体から放射された可視光および近赤外光のうち少なくとも一部を外部に向かって出射する光出射層とを有し、
   前記光出射層は、可視光および近赤外光に対して透明であって、前記光出射層の屈折率は、可視光領域および近赤外光のうち少なくとも一部の波長領域について前記基体の屈折率より大きく、近赤外光よりも長波長の所定波長領域の赤外光について前記基体の屈折率よりも小さい材料によって構成され、前記所定波長領域の赤外光が前記基体から外部へ放射されるのを抑制することにより、可視光領域および近赤外光のうち少なくとも一部の波長領域の光が前記基体から外部へ放射されるのを増強し、前記光出射層の外部との界面は、外部に向かって凸のドーム状の曲面であり、
   前記基体の表面は、前記基体の外部から前記基体の内部へ入射する前記所定波長領域の赤外光の反射を抑制する凹凸構造を備えた
   ことを特徴とするフィラメント。

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