特開 2024-36302 熱発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024036302

(43)【公開日】2024-03-15

(54)【発明の名称】熱発光装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 3/10 20060101AFI20240308BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20240308BHJP

   G02B 1/02 20060101ALI20240308BHJP

   G02B 5/10 20060101ALN20240308BHJP

【ＦＩ】

H05B3/10 B

G02B3/00 Z

G02B1/02

G02B5/10 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023140717

(22)【出願日】2023-08-31

(31)【優先権主張番号】22193994

(32)【優先日】2022-09-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】523331717

【氏名又は名称】フォーケイ－メムス・ソシエテ・アノニム

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(74)【代理人】

【識別番号】100221981

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 大成

(74)【代理人】

【識別番号】100208258

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 友子

(72)【発明者】

【氏名】ロス・スタンリー

(72)【発明者】

【氏名】マティアス・インボーデン

【テーマコード（参考）】

2H042

3K092

【Ｆターム（参考）】

2H042DA22

2H042DB03

2H042DD05

2H042DE00

3K092PP20

3K092VV04

3K092VV34

(57)【要約】      （修正有）

【課題】熱発光膜を用いた熱発光装置の効率又は寿命を改良する。
【解決手段】本発明は熱発光装置（１）に関し、この熱発光装置は、１表面（１１、１２）を備える熱発光膜（１０）であって、前記熱発光膜（１０）が熱発光温度に加熱されると前記１表面が赤外線又は可視光を放射するように配置されていて、前記１表面（１１、１２）の放射率が０．７より低い、熱発光膜（１０）と、レンズ表面（２１）を備えるレンズ（２）であって、前記レンズ表面は前記熱発光膜（１０）の１表面（１１、１２）に対向していて、前記レンズが前記レンズ表面に垂直な反射率を４％から４０％の範囲で持ち、放射ＩＲ光又は放射可視光を部分的に反射する、レンズ（２）と、を備え、レンズ表面（２１）と１表面（１１、１２）との間の距離（ｄ）が、Ｌ／４以下であり、Ｌは前記熱発光膜の長尺である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

－ １表面（１１、１２）を備える熱発光膜（１０）であって、前記熱発光膜（１０）が熱発光温度に加熱されると前記１表面が赤外線又は可視光を放射するように配置されていて、前記１表面（１１、１２）の放射率が０．７より低い、熱発光膜（１０）と、
－ レンズ表面（２１）を備えるレンズ（２）であって、前記レンズ表面は前記熱発光膜（１０）の前記１表面（１１、１２）に対向していて、前記レンズが前記レンズ表面に垂直な反射率を４％から４０％の範囲で持ち、放射ＩＲ光又は放射可視光を部分的に反射する、レンズ（２）と、
を備える熱発光装置（１）において、
前記レンズ表面（２１）と前記１表面（１１、１２）との間の距離（ｄ）が、Ｌ／４以下であり、前記Ｌは前記熱発光膜の長尺であることで、
前記レンズ（２）で反射された前記ＩＲ光又は前記可視光の一部が前記熱発光膜（１０）によって再吸収され、前記レンズ（２）で反射された前記ＩＲ光又は前記可視光の別の部分が前記熱発光膜（１０）によって前記レンズ（２）に向かって反射され前記レンズを通過する別の機会があって、それによって前記熱発光装置（１）の効率が向上する、
熱発光装置（１）。

【請求項2】

前記レンズ（２）と前記１表面（１１、１２）との間の距離は、Ｌ／８以下である、請求項１に記載の熱発光装置（１）

【請求項3】

前記レンズ（２）は、ガラス、シリコン、サファイア、石英、ゲルマニウムと、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の熱材料のようなＭＩＤ－ＦＡＲ熱材料の少なくともいずれかでできている、請求項１に記載の熱発光装置（１）

【請求項4】

前記熱発光装置が、蓋を備え、前記レンズ（２）が、前記蓋の中又は前記蓋上に配置されている、請求項１に記載の熱発光装置（１）

【請求項5】

前記熱発光膜（１０）が耐火材料でできているか、耐火材料を含有している、請求項１に記載の熱発光装置（１）

【請求項6】

前記レンズ（２）のレンズ見かけ厚みがＬ／４以下である、請求項１に記載の熱発光装置（１）

【請求項7】

前記レンズ（２）のレンズ見かけ厚みがＬ／４超である、請求項１に記載の熱発光装置（１）

【請求項8】

前記レンズ表面がレンズ入射面（２１）であり、前記レンズ（２）がレンズ出射面（２２）を備え、前記レンズ出射面（２２）が前記熱発光膜（１０）に光を戻すため光を再集束することと、放射を多少程度指向性にすることとの少なくとも一方のため少なくとも部分的に湾曲している、請求項７に記載の熱発光装置（１）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐熱材料からなる熱と光を放出する（以下では熱発光）装置に関する。この装置は、高温、例えば１６００Ｋを超える温度、又は３０００Ｋかそれより高い温度で広帯域の可視光線及び赤外線を放出できるものである。

【背景技術】

【0002】

この内容においては、赤外（ＩＲ）光は０．８μｍから１２μｍの範囲に属する波長を持ち、可視光は０．４ｍから０．８ｍの範囲に属する波長を持つ。

【0003】

多様な用途の熱発光器具としては、例えば（しかし、これらに限定されない）赤外分光法、ガス検知照明、ハイパースペクトル撮像装置、機械的視覚装置、が知られている。

【0004】

公知の熱発光装置の例は、本願出願人の特許文献１から特許文献３に記載されている。

【0005】

熱発光器は、放射の黒体理論に従って発光する。これにより、発光強度が温度と波長によってどのように変化するかについての詳細な情報が得られる。

【0006】

しかしながら、実際の物質は真に黒ではないため、黒体放射率は、波長と温度の関数である放射率εと呼ばれる変数によって設計変更する必要がある。

【0007】

ほとんどの熱発光器は、可能な限り黒色の材料、すなわち、１．０に近い波長範囲にεを持つ材料に基づいている。問題は、放射率の高い材料がほとんどなく、ほとんどの材料が耐えられるのは一般に比較的低い温度、すなわち２０００Ｋ未満の温度ということである。

【0008】

一部のＩＲ熱発光器は高融点（耐火）材料で作られている。耐火材料の例は、タングステン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、モリブデン及びそれらの窒化物、酸化物及び炭化物である。高融点金属は、融点が２０００Ｋ超の金属である。

【0009】

赤外（ＩＲ）波長では、高融点金属は高反射性（反射率は３０％から９９％超の範囲）で、対応する放射率は一般に０．７から０．０１の範囲に入る。高融点金属の有利点は、それらが高温で安定していることであるが、問題はそれらの低い固有放射率である。

【0010】

平らな熱発光装置、すなわち、実質的に平らな発光膜を備える熱発光装置は、ランバートタイプの熱発光装置である。ワイヤー熱発光装置は、１本の軸（一般にフィラメントの軸）でランバートタイプであり、第２軸で均一である。ランバート発光の場合、パワーの大部分は４５°の円錐で放出される。

【0011】

熱発光装置は、一般に、主に放出を酸化から保護する筐体を備える。この格納は、光学系における熱発光器の性能を向上させる要素を備えてよい。一般的な問題は、熱発光器から光学システムに光を取り込む方法である。可能な限り最大のパワーを利用するには、非常に高角度（すなわち、６０°超の角度又は－６０°未満の角度）の光を収集する必要がある。また、熱発光装置をできるだけコンパクトにすることも望まれる。

【0012】

特にワイヤー熱発光装置に使用される一般的な解決策は、熱発光装置を放物面の反射器に配置することである。しかしながら、放物面反射体（又はミラー）のサイズが熱発光装置のサイズに類似している場合、シャドーイングが生じる、すなわち、熱発光装置自体が放物面反射器から反射された光を遮断する。さらに、この解決手段は平らな熱発光装置には適していない。最後に、放物面反射器は、熱発光装置の上面からの集光効率が低い。

【0013】

別の解決の方向性は、単にレンズを使用するのみで、第１レンズ面と第２レンズ面（第１レンズ面とは反対側）と、熱放出膜の一方の表面に対向する少なくとも１つのレンズ面とを備えるものとすることである。レンズは、収集光の最大化には非常に大きくする必要がある。しかしながら、この場合、高角度の光は反射により失われることとなる。

【0014】

ランダム偏光で放出するランバート熱膜を仮定すると、反射により第１レンズ面で光の一部が失われる。別の画分は第２レンズ表面で失われる。

【0015】

これらの損失を克服する通常の方法は、反射防止コーティングを使用して反射を減らすことである。いくつかの刊行物は、放射装置の放射率を改良する膜の下に配置される反射層の利用（特許文献４（ＵＳ ２０２１２４６０１６ Ａ１）又は特許文献５（ＡＴ ５１９８７０ Ｂ１））又は放射装置の側壁上の反射層の利用（特許文献６（ＵＳ ２０１９１９５６０２Ａ１））を開示している。

【0016】

しかしながら、反射防止コーティングは高価であり、それらは広い波長範囲のため製造が複雑であり、そしてまたそれらが機能する、角度の範囲が限られている。最後に、反射防止コーティングは、波長範囲が広く、例えば１μｍから３．５μｍであり、放射角度の範囲も非常に大きい（ランバート光源）ため、熱源を扱う場合には明らかに理想的ではない。

【0017】

他の広帯域技術には、いわゆる「モスアイ構造」（反射防止形状の１種）のようなサブ波長構造が含まれる。モスアイ構造も製造に費用がかかり、一般的に標準的な商業的処理工程では利用できない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【特許文献1】国際公開第２０２０／０１２０４２号

【特許文献2】国際公開第２０２１／１４４４６３号

【特許文献3】国際公開第２０２１１４４４６４号

【特許文献4】米国特許出願公開第２０２１／２４６０１６号明細書

【特許文献5】オーストリア国特許発明第５１９８７０号明細書

【特許文献6】米国特許出願公開第２０１９／１９５６０２号明細書

【特許文献7】欧州特許出願番号第２０２２０１５５５４２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

それゆえ、放出光が可能な限り効率的に使用され、最新の従来技術の欠点及び制限を克服する熱発光装置の必要性がある。

【0020】

本発明の目的は、最新技術の欠点及び制限を克服する熱発光装置の提供である。

【0021】

本発明の別の目的は、効率の向上と、製造容易との少なくとも一方である熱発光装置を提供することである。

【0022】

本発明の別の目的は、放出光ができるだけ効率的に使用される熱発光装置の提供である。

【課題を解決するための手段】

【0023】

本発明では、これらの目的は、特許請求の範囲の主題によって、特に請求項１に記載の熱発光装置によって達成される。

【0024】

本発明による熱発光装置は、表面を備える熱発光膜を備え、その熱発光膜は、表面が赤外（ＩＲ）光又は可視光を放出するように熱発光温度に加熱されるように配置されている。

【0025】

この内容では、「膜」という用語は、その厚みの値がその他の２寸法よりも小さい要素を示す。この内容において、用語「膜」は、用語「（熱）板」と同義である。
この内容では、膜は温度上で独立してそれ自身の形状を保つように配置され、それはいくつかの点で保持される。換言すると、この内容では、膜は高温で座屈又は破壊しない。
好ましい一実施形態において、膜は実質的に平面である。好ましい一実施形態において、膜はそれ自体を支持できて、すなわち、構造的に独立している。別の実施形態では、膜は、全ての側面に取り付けられない限り、それ自体を支持できない。

【0026】

本発明では、表面の放射率は０．７より低い。実際、本発明は、低放射率材料、すなわち、０．７より低い放射率を持つ材料に対して有用である。すなわち、良好な放出材料、すなわち放射率が０．７以上の材料の放射率を高めることにはあまり関心がない。

【0027】

本発明による熱発光装置は、レンズを備え、このレンズは、前記熱発光膜の表面に対向するレンズ面と、前記レンズ表面に垂直な反射率を４％から４０％の範囲で持ち、放射されたＩＲ光又は可視光を部分的に反射するようになっている。

【0028】

この内容において、用語「レンズ」は、必ずしも平面レンズと同義ではない。換言すると、レンズは平らであってもよく、又は平らではない、例えば凸形状を持ってよい。

【0029】

本発明では、前述のレンズ表面と前述の第１表面又は第２表面のうちの１つとの間の距離は、Ｌ／４以下である。ここでは、Ｌは前記熱発光膜の長尺である。換言すると、本発明では、レンズは、熱発光装置に実に「近い」位置に配置される。このようにして、レンズで反射されたＩＲ光又は可視光の一部が熱発光膜によって再吸収され、レンズで反射された光の別の部分が熱発光膜によってレンズに向かって反射されるので、レンズを通過する別の機会があって、それによって熱発光装置の効率が向上する。

【0030】

効率が上がるので、すると一定の放射輝度には温度低下が可能になる。低温で動作する熱発光装置は、典型的には、より長い動作寿命となる。換言すると、特定のスペクトル放射輝度を必要とするユーザーが動作温度を下げると、これにより寿命が延びる。

【0031】

本発明による熱発光装置は、完全な黒体ではない。それらは、波長及び材料に応じて０．７より低い放射率を持つ。これは、反射率が３０％以上であることを意味する。本発明では、熱発光装置は、部分的に反射するレンズの「近くに」配置され、したがって、放出光の一部はレンズを通過し、放出光の別の部分はレンズによって反射され、放出表面に当たり、熱発光装置によって再吸収されるか、又は熱発光装置によってレンズに向かって反射され、その後、レンズを通過する２回目の機会がある。

【0032】

熱発光装置の反射のため、透過率が向上する。さらに、残りのパワーは熱発光装置によって吸収されるため、放出効率と装置の寿命との少なくとも一方が向上するため、追加の利得（よい結果）がある。

【0033】

一実施形態では、熱発光膜は、耐火材料、例えば、高融点金属と、高融点セラミック（炭化物又は窒化物のような）と、高融点金属の合金との少なくともいずれかによって作製されるか、又はそれ（それら）を含有する。

【0034】

一実施形態では、レンズと発光膜の表面との間の距離は、Ｌ／８以下である。この実施形態では、レンズは発光膜に近く、それによって熱発光装置の効率と、寿命との少なくとも一方がより増加する。

【0035】

一実施形態では、レンズは、ガラス、シリコン、サファイア、石英、ゲルマニウムと、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）のようなＭＩＤ－ＦＡＲ熱材料の少なくともいずれかでできている。

【0036】

一実施形態では、熱発光装置は、蓋を備え、レンズは、蓋の中又は蓋上に配置されている。一実施形態では、レンズは蓋である。

【0037】

一実施形態では、レンズ表面はレンズ入射面であり、レンズはレンズ出射面を備える。

【0038】

一実施形態では、レンズは「薄い」。本実施形態では、レンズの厚みは、レンズ出射面も放出表面に「近い」とみなされるようなものである。この実施形態では、「薄い」レンズの厚みを計算する際には、レンズ材料中の光の屈折を考慮に入れるべきであり、レンズの見かけの厚みが使われるべきである。

【0039】

所与の屈折率ｎを持つレンズ材料のレンズの見かけの厚みの式は周知であり、レンズへの入射角に依存する。角度が４５°の場合、レンズの見かけの厚みの式は、レンズの実際の厚みに１を（２ｎ＾２－１）の平方根で割った値（薄いレンズに適用される公式の１つ）に等しい、スケール因子を掛けたものである。

【0040】

この実施形態では、レンズの見かけの厚みがＬ／４（又はＬ／８）未満である場合、レンズは「薄い」ものとする。本実施形態では、レンズ入射面と熱発光膜の（第１）面との距離は、Ｌ／４（又はＬ／８）未満である。

【0041】

一実施形態では、レンズは平面レンズである。この内容では、両方のレンズ表面が平らで感覚的に平行なら、レンズは平らである。

【0042】

一実施形態では、レンズは「厚い」。この実施形態では、レンズの見かけの厚みがＬ／４（又はＬ／８）よりも大きな場合、レンズは「厚い」ものとする。本実施形態では、レンズ入射面と熱発光膜の（第１）面との距離は、Ｌ／４（又はＬ／８）未満である。

【0043】

一実施形態では、レンズ出射面は、発光装置に光を戻すため光を再集束することと、放射をより指向性にすることとの少なくとも一方のため湾曲している。

【0044】

一実施形態では、熱発光装置は、レンズ出射面の少なくとも一部にミラーを備える。

【0045】

一実施形態では、ミラーは軸外、軸からずれている。レンズは一般に対称軸を持つ。この文脈において、「ミラーが軸外である」という表現は、レンズの対称軸がミラーを通過しないことを示すものとする。

【0046】

一実施形態では、ミラーは、コールドミラー、すなわち、ミラー表面に垂直な反射率が８０％より高いミラー（すなわち、高反射ミラーである）である。

【0047】

一実施形態では、ミラーは開口部を備える。

【0048】

一実施形態では、開口部に面するレンズの部分は、開口部に面していないレンズの形状とは異なる形状を持ち、これは出射光をさらに制御するためである。

【0049】

一実施形態では、熱発光装置は、熱発光膜に接続された複数の抵抗腕部を備え、その熱発光膜はその抵抗腕部によって吊られていて、その熱発光膜は、その抵抗腕部を介して熱発光温度に加熱される。

【0050】

一実施形態では、表面が第１表面であり、その第１表面と反対側にある第２表面を備える装置において、
前述の熱発光膜は、第１表面及び第２表面が熱光を放射するように前述の熱発光温度に加熱されるように配置され、
前述のミラーは、熱発光膜の第１表面又は第２表面のどちらか一方に面していて、
前述の熱発光膜の少なくとも一部は、複数の貫通孔を備え、
前述の複数の孔の熱発光膜の第１表面又は第２表面の１つに平行な平面における任意の断面が、所定領域の最長波長よりも大きい最大寸法を持ち、
前述の複数孔の面積の合計は、熱発光膜の第１表面又は第２表面の各々の面積の少なくとも１０％である。

【0051】

本発明の例示的な実施形態は、説明に開示され、図面によって図示される。

【図面の簡単な説明】

【0052】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る熱発光装置の切断図を示す。

【図2】図２は、本発明の他の実施形態に係る熱発光装置のレンズの切断図を示す。

【図3】図３は、本発明の他の実施形態による熱発光装置の切断図を示す。

【図4】図４は、本発明の別の実施形態による「薄い」レンズを備える熱発光装置の切断図を示す。

【図5】図５は、本発明の別の実施形態による熱発光装置の「厚い」レンズの切断図を示す。

【図6】図６は、図５の熱発光装置の「厚い」レンズの切断図を、レンズ出射面を越える光伝搬の一実施形態と共に示す。

【図7】図７は、本発明の別の実施形態による、レンズ出射面の一部における熱発光装置の「厚い」レンズ及びミラーの切断図を示す。

【図8】図８は、コールドミラー、すなわち、対象の波長で放射しないミラーを備えた熱発光システムを概略的に示す。

【図9】図９は、本発明の一実施形態による熱発光装置の切断図を示し、レンズ出射面に軸外ミラーを備える。

【図10】図１０は、本発明の別の実施形態による熱発光装置の切断図を示し、レンズ出射面に軸外ミラーを備える。

【図11】図１１は、本発明の別の実施形態による熱発光装置の切断図を示し、レンズ出射面に軸外ミラーを備える。

【図12】図１２は、本発明の他の実施形態に係る熱発光装置の斜視図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0053】

図１は、本発明の一実施形態に係る熱発光装置１の一部の切断部を示す。本実施形態において、熱発光装置１は、第１表面１１と第２表面１２とを備える熱発光膜１０を備え、第２表面１２は、第１表面１１に対向する。ここでは、熱発光温度にて第１表面１１及び第２表面１２が光１００を放射するようにその熱発光温度に加熱されるように、熱発光膜１が配置される。図１に示されている異なる要素のサイズと比率はあくまでも目安であり、必ずしも実際のサイズそれぞれの比率に対応しているわけではない。

【0054】

本発明では、表面、例えば第１表面１１の放射率εは、０．７よりも低い。一実施形態において、膜１０はモノリシックである。膜１０がモノリシックである場合、第２表面１２は、第１表面１１と同じ放射率εを持つ。一実施形態では、第１表面１１及び第２表面１２は、同じ材料によって作製される。別の実施形態では、第１表面１１及び第２表面１２は、異なる材料によって作られるが、両方とも０．７より低い放射率を持つ。赤外（ＩＲ）及び可視スペクトルにおいて０．７より低い放射率を持つ材料の非限定的な例には、耐火材料、例えば、高融点金属とそれらの合金が含まれる。高融点金属の例は、タングステン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、モリブデン、並びにそれらの窒化物、酸化物及び炭化物である。

【0055】

第１表面１１及び第２表面１２は平行として表されているが、これは本発明にとって必須ではない。なお、第１表面１１及び第２表面１２は略板状として表されているが、これもまた本発明にとって必須ではない。しかしながら、本発明は、特に平らな熱発光膜１０に適合している。

【0056】

図示の実施形態では、熱発光膜１０は単片の膜である。（図示しない）別の実施形態では、熱発光膜１０は、多層膜、すなわち、第１表面１１及び第２表面１２の間に（異なる材料の）少なくとも１層を備える。

【0057】

図１の態様において、熱発光装置１は、熱発光膜１０に接続された複数の抵抗腕部４を備える。図１の態様では、抵抗腕部４は、熱発光膜１０を支持体１３に接続する。熱発光膜１０は、抵抗腕部４によって吊り下げられ、それらの抵抗腕部４を介して熱発光温度まで加熱される。

【0058】

本発明では、熱発光装置１は、レンズ２も備える。レンズ２は、図１の熱発光膜１０の第１表面１１に対向するレンズ入射面２１を備える。レンズ２は、レンズ出射面２２と、レンズ入射面２１と対向する。

【0059】

図１の態様では、レンズ入射面２１は略平坦であり、レンズ出射面２２は湾曲部２４、特に凸部２４を備える。

【0060】

図１の実施形態では、レンズは単一ブロックであり、同じ材料によって作られる。他の実施形態では、レンズは、２つ又はそれより多い数の部品を備えることと、異なる材料で作られていることとの少なくとも一方であり得る。一実施形態では、（平凸）レンズは、例えば接着剤又は他の任意の適合された固定手段を用いて、蓋上に置かれる。

【0061】

図１の実施形態では、熱発光膜１０は、レンズ２及び支持体１３によって画定される筐体８内に配置されている。一実施形態では、この筐体８は、真空又は制御された雰囲気、例えば、高温で発光材料と反応するかもしれない酸素又は他のガスを含まない。

【0062】

本発明では、レンズ２は、レンズ表面に垂直な反射率を持ち、例えば、レンズ入射面２１を、４％から４０％の範囲で構成し、放射光を部分的に反射するようにする。

【0063】

一実施形態では、レンズ２は、ガラス、シリコン、サファイア、石英、ゲルマニウムと、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＮａＣｌサーマルのようなＭＩＤ－ＦＡＲ熱材料との少なくとも一方からなる。

【0064】

本発明では、レンズ入射面２１と熱発光膜１０の第１表面１１との距離ｄは、Ｌ／４以下であり、ここで、Ｌは熱発光膜１０の長寸法である。

【0065】

熱発光膜１０が矩形断面を持つ場合、その主寸法Ｌは矩形断面の長辺となる。熱発光膜１０が円形断面を持つ場合、その主寸法Ｌは円形断面の直径となる。

【0066】

換言すると、本発明では、レンズ２は、熱発光装置１０に実に「近く」配置される。このようにして、レンズ２で反射された光の一部が熱発光膜１０によって再吸収され、レンズ２で反射された光の別の一部が熱発光膜１０によってレンズ２に向かって反射され、したがってレンズを通過する別の機会を持つ。これにより、熱発光装置の効率と寿命との少なくとも一方（の値）を増やせるようにする。

【0067】

一実施形態では、レンズ入射面２１と熱発光膜１０の第１表面１１との距離ｄは、Ｌ／８以下である。この実施形態では、レンズ２は熱発光膜１０に近くなり、それによって熱発光装置装置の効率と寿命との少なくとも一方をより増やせる。

【0068】

一実施形態では、熱発光装置１は蓋を備え、レンズ２は蓋の中又は蓋上に配置される。

【0069】

熱発光膜１０に近いレンズ２を用いて、熱放射光の角度分散を変化させる。筐体８とレンズ入射面２１との界面における屈折は、全ての角度の変換を可能にし、その結果、全ての光は、レンズ２の材質に起因する表面２１における全内部反射の角度に関する最大角度未満の角度で伝播する。例えば、レンズがガラス製の場合、最大角度は約４０°である。レンズ２がシリコン製の場合、最大角度は約１６°である。

【0070】

図２は、本発明の別の実施形態に係る熱発光装置のレンズ２の切断図を示す。本実施形態では、レンズ２はシリコン製であり、入射面レンズ２１と略平行な出射面レンズ２２を備え、入射面レンズ２１と出射面レンズ２２はいずれも略平坦である。

【0071】

ランダム偏光を持つ例えば１．５マイクロメートルの波長で発光する（及び熱発光膜１０を模式的に表す）ランバート光源Ｓを仮定すると、光の約３２％が反射によりレンズ入射面２１で失われる。わずかに小さい割合２７％がレンズ出射面２２で失われる。レンズの総透過率はそれゆえ５０％である。

【数1】

【0072】

この損失を改善すべき欠点として考慮すること、例えば、反射防止コーティングの使用に替えて、本発明による熱発光装置１は完全な黒体ではない熱発光膜１０を使い、それらの反射を利用する。

【0073】

熱発光膜１０は、波長及び材料に応じて、０．７未満の放射率を持つ。これは、反射率が３０％以上であることを意味する。本発明では、熱発光膜１０がレンズの近くに配置され、したがって、レンズ２から反射された光は、熱発光膜１０の第１表面１１に当たり、熱発光膜１０によって再吸収されるか、又は熱発光膜１０によってレンズに向かって反射され、 その後、レンズ２を通過する２回目の機会がある。

【0074】

Ｔ_ｌｅｎｓをレンズ２１の第１表面の透過とすると、最初の経路で透過する光は単にＴ_ｌｅｎｓである。レンズをレンズで反射した光とする。反射率Ｒ_{ｅｍｉｔｔｅｒ}で熱発光膜１０からＲ_ｌｅｎｓを反射した後、１往復後、追加のＲ_ｌｅｎｓＲ_{ｅｍｉｔｔｅｒ}の光がレンズ２に衝突する。したがって、最初の経路と１回の往復の後に透過する全光は、以下となる。

【数2】

そしてｎ往復後は以下となる。

【数3】

【0075】

表１は、放射率が０．４で反射率Ｒ_{ｅｍｉｔｔｅｒ}が０．６の熱発光装置の場合、特定の往復後の全光の透過率を示し、表２は、放射率が０．２で反射率Ｒ_{ｅｍｉｔｔｅｒ}が０．８の熱発光装置の場合、特定の往復回数の後に透過する全光を示す。

【表1】

【0076】

【表2】

【0077】

これら２実施例は、透過のほとんどが熱発光膜１０からの反射を介して生じることを示す。上述したように、残りのパワーは、熱発光膜１０によって吸収され、したがってその効率を増加させるので、真に失われないという追加の利得もある。

【0078】

出願人は、熱発光膜１０から反射される光からの利得の大部分を与えるには、２往復で十分であることを見出した。レンズ２と熱発光膜１０との「近い」距離は、それらの考察に基づいて決められている。

【0079】

図３は、本発明の他の実施形態に係る熱発光装置１の切断図を示す。

【0080】

本発明による熱放射装置を用いて本出願人によって行われた光線の軌跡追跡ソフトウェアによる完全な数値シミュレーションは、屈折率３．５を持つレンズ２と、放射率０．４を持つ熱発光膜１０とが、熱放射光の最大８４．４％がレンズ２を透過できて、残りの１５．４％は熱発光膜１０に吸収されることを示す。

【0081】

同様の利点は、レンズ２が「薄い」限り、レンズ出射面２２を利用することによって得られる。換言すると、レンズ２の厚みは、レンズ出射面２２が上記で定義したレンズ入射面２１に近いとみなせる。

【0082】

本出願人によって実施された光線の軌跡追跡ソフトウェアによる完全な数値シミュレーションは、レンズ２自体が「薄い」場合、本発明による熱発光装置を通る透過率が増強されることを示している。

【0083】

この内容では、レンズの見かけの厚みがＬ／４（又はＬ／８）未満の場合、レンズ２は「薄い」ものである。本実施形態では、レンズ入射面２１と熱発光膜の表面１１との距離は、Ｌ／４（又はＬ／８）未満である。

【0084】

図４は、本発明の別の実施形態による「薄い」レンズ２を備える熱発光装置１の切断図を示す。レンズ２の屈折率は、図４では３．５前後としている。

【0085】

例えば、屈折率が３．５のレンズ材料では、４５°の光は１１．６°に屈折する。１１．６°の正接は０．２である。より具体的には、厚みは４５°で見たときのレンズの見かけの厚みである。例えば、屈折率ｎが３．５の場合、スケール因子は０．２１であるため、窓部が実際の０．２１倍近くに表示される。ｎ＝１．５の場合、スケール因子は０．５３である。

【0086】

本出願人が直径１００μｍの熱発光膜１０を用いて行った光線の軌跡追跡ソフトウェアによる完全な数値シミュレーションは、レンズ入射面２１が第１表面１１から２０μｍ離れて、近くなる。薄いレンズの寸法を変えた厚みも同様に２０μｍである必要がある。屈折率が３．５の場合、これはレンズの実際の厚みが２０／０．２１＝９５μｍになる可能性があることを意味する。

【0087】

一実施形態では、「薄い」レンズ２のレンズ入射面２１及びレンズ出射面２２は実質的に平らである。

【0088】

図５は、本発明の別の実施形態による熱発光装置の「厚い」レンズ２の切断図を示す。示されたマップ縮尺は、「厚い」レンズ２の可能なサイズの指標を与えるだけであり、限定的であると考えるべきではない。

【0089】

図５の実施形態では、レンズ出射面２２は（少なくとも部分的に）湾曲していて、光の少なくとも一部を、反射を介して熱発光膜１０上に戻すようになっている。一実施形態では、レンズ出射面２２の少なくとも一部は凸状である。図５の実施形態では、全レンズ出射面２２が凸状である。

【0090】

本出願人によって実施された複数試験は、「厚い」レンズ２による正味透過率が約７１％であり、残りの２９％が熱発光膜１０によって再吸収されると推定可能であることを示す。

【0091】

曲面のレンズ出射面２２を備えるレンズ２の使用にはさらなる利点がある。それは、熱発光装置１の効率を高めるだけでなく、放出をより指向性にする。

【0092】

出願人が実施した複数の試験は、屈折率が３．５のレンズの場合、レンズ入射面での屈折だけで光ビームの角度広がりが＋／－１１．６°であることを示す。熱発光膜１０の開口についての数値ＮＡは０．９５から約０．２に変更されていて、他の外部光学素子を必要としないため、多くの用途において大きな有利点を持つ。

【0093】

一実施形態では、熱発光装置１は、放射光をさらにコリメートする外部光学系を備える。

【0094】

図６は、図５の熱放射装置１の「厚い」レンズ２の切断図を、レンズ出射面を越えた光伝搬の一実施形態と共に示す。図示の実施形態では、光線はレンズ出射面２２においてずれていない。別の（非図示）実施形態では、光線はレンズ出射面２２においてずれているものがあり得る。示されたマップ縮尺は、「厚い」レンズ２の可能なサイズの指標を与えるだけであり、限定的であると考えるべきではない。

【0095】

レンズ２の開口を制限するため、レンズ２の形状を変更するか、レンズの出射面２２の一部にミラーを置いてよい。このミラーは、光を遮断して熱発光膜１０に反射し、熱発光膜１０で光を反射するか、熱発光膜１０で再吸収できるという二倍の有利点を持つ。

【0096】

図７は、本発明の別の実施形態による、レンズ出射面２２の一部２３上にミラーを備える熱発光装置の「厚い」レンズ２の切断図を示す。示されたマップ縮尺は、「厚い」レンズ２の可能なサイズの指標を与えるだけであり、限定的であると考えるべきではない。

【0097】

図７の実施形態では、レンズ出射面２２は湾曲部２４を備える。ミラー２３は、湾曲部２４の両端に配置され、それゆえ光束の出射角度を制限することにより、その指向性を向上できる。

【0098】

好ましい一実施形態において、熱発光膜１０は湾曲している（図７では見えない）。これにより、レンズ２における出射光の往復回数をより多くできる。

【0099】

レンズ２上のミラー２３から反射された光及び熱発光膜から反射された光が逃げるために、一実施形態では、ミラー部２３はわずかに焦点がずれている、すなわち、放出が正確な焦点に配置されていないため、ぼけは放出寸法のスケールで小さいままでなければならない。別の実施形態では、熱発光膜はわずかに湾曲している（レンズに向かって上向きに弓の形に曲がっている）ので、ミラー２３から反射された光は元の経路に正確に後退しない。上向きの弓形の形態は、放出寸法の設定値で小さくする必要がある。

【0100】

本出願人によって実施された試験は、弓形のミラー２３がミラー２３から反射された光を逃げ円錐部に結合し、それによって熱発光装置の効率を直接改善することを示している。

【0101】

一実施形態では、ミラー部２３は、出射レンズ表面に軸外開口を備える。これにより、装置の放射率を向上できる。

【0102】

一実施形態では、装置の放射率は、（コールド）ミラーを使用することによって改善される。

【0103】

図８は、コールドミラー２００を備える、すなわち、対象の波長で熱発光しないミラーを備えた熱発光システム１０００を概略的に示す。図８ではミラーを湾曲したものとして図示しているが、本発明は曲面ミラーに限定されず、任意の形状の鏡、例えば平面鏡を包含する。図８の異なる要素のサイズと比率はあくまでも目安であり、必ずしも実際のサイズそれぞれ比率に対応しているわけではない。同じことが描かれた矢印の傾きにも当てはまる。

【0104】

吸収材料の場合、ε＝１－Ｒ_ｍ、ここでＲ_ｍは材料の反射率である。材料から放出光の一部を同じ表面から反射することにより、実効放射率を高められる。

【0105】

この実施形態は、第１熱発光装置１００から放射された光の一部が同じ表面から戻ってくるコールドミラー２００による反射に基づいて、実効放射率又は第１熱発光装置１００を増加させるためである。

【0106】

Ｐ_１を第１熱発光装置１００が光学３００及びミラー２００に向かって放射するパワーとする。その後は以下である。

【数4】

【0107】

反射率Ｒを持つコールドミラー２００によって第１熱発光装置１００に向けて反射されたパワーは、その後、以下になる。

【数5】

【0108】

コールドミラー２００によって反射されたパワーＰ２は、その後、熱発光装置によって以下のＰ３として反射される。

【数6】

ここでＲ_ｍは、第１熱発光装置１００の材料の反射率である。

【数7】

【0109】

総放出パワーが保存されるため、ミラー２００での損失の可能性も少なくなる。光学に対するパワーはｄＡ_１・Ω_１を決して超えられないので、熱力学の第二法則が満たされる。

【0110】

本発明の一実施形態による熱発光装置は、図８に描かれている、（本願発明の）考え方の１実装形態である。

【0111】

図９は、本発明の一実施形態による熱発光装置１の切断図を示し、軸外ミラー２３を備える。ミラーは開口部２６を備える。図９の熱発光装置１は、この開示では（非図示であるが）レンズも備えるものとする。

【0112】

図９の態様では、円錐体Ｗ１でミラー２３に向かう発光（熱）が熱発光膜１０に反射されて戻ってくる。パワーの一部は熱発光膜１０で再吸収され、パワーの一部は開口部２６を介して反射され、開口部２６に向かって放出された元のパワーと合算して、パワー出力を増強する。

【0113】

図１０は、本発明の別の実施形態による熱発光装置１の切断図を示し、レンズ出射面２２上に軸外ミラーを備える。

【0114】

この実施形態では、開口部２６はレンズ出射面２２ ２２上にあるので、光はより指向性がある。この実施形態は、（集光角度に）（近い）レンズと、試料から光を反射するミラー２３の有利点を兼ね備えている。

【0115】

図１１は、本発明の別の実施形態による熱発光装置１の切断図を示し、レンズ出射面２２上に軸外ミラーを備える。

【0116】

この構成では、光をさらに制御するため、開口部はレンズ２の他の部分とは異なる形状を持ち得るだろう。

【0117】

図１２は、本発明による熱発光装置１の一例を示し、ここでは、熱発光膜１０は、熱発光膜１０に接続された複数の抵抗腕部４を備え、熱発光膜１０は抵抗腕部によって吊られていて、熱発光膜１０は、それらの抵抗腕部４を介して熱発光温度まで加熱されるものである。図１２の図示例における腕部４の各々は、長さ５、幅６及び厚み７を持ち、断面積は膜１０のそれよりはるかに小さい。
接続パッド３は、（熱発光）膜１０が腕部４及びパッド３によって基板に対してのみ支持されるように、基板への機械的接続を提供するように設計されている。接続パッド３は、腕部４への電気的接続を提供し、それによって膜１０への電気的接続を提供する。膜１０、パッド３及び腕部４は、単一の連続した材料片からなることが好ましい。この熱発光装置１とこの（熱）発光膜１０との少なくとも一方の他の特徴及び他の実施形態は、出願人によって提出され、参照によりここに同封される特許文献１、特許文献２又は特許文献３（ＷＯ２０２００１２０４２、ＷＯ２０２１１４４４６３又はＷＯ２０２１１４４４６４）に記載されている。

【0118】

図１２の実施形態では、膜１０は、出願人によって提出された特許文献７（出願番号ＥＰ２０２２０１５５５４２を持つ特許出願）に記載されているように、異なる孔を備えるものであり、その出願内容は参照することでここに入れることとする。

【0119】

特許文献７（出願番号ＥＰ２０２２０１５５５４２の特許出願）に記載されている膜１０上の孔の存在は、図１２の実施形態に限定されるものではない。ミラーを備える本発明の他の実施形態についても同様である。

【符号の説明】

【0120】

１ 熱発光装置
２ レンズ
３ 接続パッド
４ 腕部
５ 腕部の長さ
６ 腕部の幅
７ 腕部の太さ
８ 筐体
１０ 熱発光膜
１１ 第１表面
１２ 第２表面
１３ 支持部
２１ 入射レンズ表面
２２ 出射レンズ表面
２３ 鏡面部
２４ 湾曲部
２６ 開口
２０ コールドミラー
１００ 放出光
２００ コールドミラー
３００ 光学系
４００ 第２熱発光装置
１０００ 熱発光システム
Ｄ 距離
Ｐ_１、…Ｐ_ｊ （発光、発熱の）パワー
Ｔ レンズの厚み
Ｓ ランバート光源
Ω_１，Ω_２ 立体角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【外国語明細書】