紫外光照射装置

技术领域

本发明涉及紫外光照射装置。

背景技术

属于190nm～280nm的波长范围的紫外光包含于UVC频带。已知UVC频带的紫外光使存在于环境中的细菌、病毒等病原体灭活，被用于杀菌灯等。但是，还已知UVC频带的紫外光会渗透至生物体的皮肤内部，对皮肤内部的细胞造成损伤。

近年来，关于紫外光对人的影响的研究不断进展，明确了UVC频带中的波长比240nm短的波段的紫外光的波长越短，越容易被皮肤表层或角膜上皮吸收。确认了当该紫外光被皮肤表层或角膜上皮吸收时，皮肤内部的细胞不易受到紫外光的影响，安全性提高。

因此，将波长比240nm短的波段的紫外光积极地照射到人体的紫外光照射装置(参照专利文献1)、及将波长比240nm短的波段的紫外光积极地照射到人所存在的环境中的紫外光照射装置(参照专利文献2)被实用化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2019-115525号公报

专利文献2：日本专利第6908172号公报

发明内容

发明所要解决的课题

发出属于190nm以上且小于240nm的波长范围的紫外光的光源大多也辐射处于240nm以上且小于280nm的波长范围的紫外光。处于240nm以上且小于280nm的波长范围的紫外光是对人体的有害性相对较高的光。以下，有时将“处于240nm以上且小于280nm的波长范围的紫外光”称为“有害光”。

近年来，还存在新型冠状病毒感染的流行的影响，从而利用紫外光将存在于环境中的细菌、病毒等病原体灭活的需求不断提高。因此，期望处于190nm以上且小于240nm的波长范围的紫外光的进一步的有效利用。市场上需求一种抑制有害光向紫外光照射装置之外泄漏并且提高了病原体灭活能力的紫外光照射装置。此外，市场上还要求降低紫外光照射装置的制造成本。

本发明的目的在于提供一种解决上述课题的经改进的紫外光照射装置。

用于解决课题的技术方案

详细情况在“具体实施方式”一项中叙述，本发明的发明人为了提高灭活能力，研究了使紫外光照射装置的照射量增加的情况。为了抑制有害光向紫外光照射装置之外泄漏，紫外光照射装置具备滤光器。本发明的发明人发现，当使紫外光照射装置的照射量增加时，存在向滤光器的入射角大的有害光透过滤光器、向紫外光照射装置外泄漏的问题显著化的可能。

为了用滤光器大范围地限制入射角小的光线到入射角大的光线，只要加厚滤光器的电介质多层膜即可。但是，如果仅加厚电介质多层膜，则作为目标的属于190nm以上且小于240nm的波长范围的紫外光相对于滤光器的透射率降低，并且电介质多层膜的制造成本上升。因此，本发明的发明人设计了一种滤光器，即使增加紫外光照射装置的照射量，也能够抑制电介质多层膜的厚度，并且对于大范围的入射角的紫外光线能够限制担心有害光透射的波段的透射。

本发明所涉及的紫外光照射装置的一个方式具备：光源，发出属于190nm以上且小于240nm的波段的紫外光；及滤光器，透射所述紫外光，所述滤光器在以0度的入射角入射的所述紫外光的透射光谱中具有透射率为20％以下的第一限制波段，所述第一限制波段的下限波长处于220nm以上且小于240nm的波段内，所述第一限制波段的上限波长处于280nm以上且小于300nm的波段内，所述第一限制波段的带宽为70nm以下。

在本说明书中，所谓光源发出的“属于190nm以上且小于240nm的波段的紫外光”，表示光源发光的发光光谱的至少一部分在190nm以上且小于240nm的波段中显示出强度。该光源也可以不必在190nm以上且小于240nm的整个波段内显示出强度。

所述紫外光照射装置所具备的滤光器对于担心有害光透射的波段，不考虑入射角的限制，并且能够抑制电介质多层膜的厚度。详细内容请参照“具体实施方式”一项。

也可以是，所述滤光器在所述透射光谱中，240nm以上且小于260nm的波段中的透射率为5％以下。

也可以是，所述滤光器在以40度的入射角入射的所述紫外光的透射光谱中具有透射率为20％以下的第二限制波段，所述第二限制波段的下限波长比所述第一限制波段的下限波长短。

也可以是，所述紫外光照射装置还具有光学系统，该光学系统将使所述光源发出的光向所述滤光器入射的入射角设为45度以下。由于通过光学系统限制了入射角大的光，所以能够减薄电介质多层膜。

也可以是，所述滤光器在以40度的入射角入射的所述紫外光的透射光谱中具有透射率为20％以下的第二限制波段，所述第二限制波段的上限波长为260nm以上，且比所述第一限制波段的上限波长短。

也可以是，所述滤光器包含电介质多层膜，该电介质多层膜是将HfO

也可以是，所述滤光器包含总膜厚为1600nm以下的电介质多层膜。也可以是，所述滤光器包含总膜厚为1000nm以下的电介质多层膜。

发明效果

本发明提供一种经改进的紫外光照射装置，能够抑制对人体的有害性相对较高的紫外光向装置外的泄漏，并且能够提高病原体灭活能力，降低制造成本。

还能够将这样的紫外光照射装置设置于人往来的空间、人长时间停留的空间。这对应于联合国主导的可持续发展目标(SDGs)的目标3“确保各年龄段所有人的健康的生活、促进福祉”，另外，对目标3.3“到2030年为止，根除艾滋病、肺结核、疟疾和被忽视的热带疾病等传染病，同时抗击肝炎、水传染病和其他传染病”有很大贡献。

附图说明

图1是表示紫外光照射装置的一个实施方式的图。

图2是从-Z方向观察图1的紫外光照射装置的图。

图3是从X方向观察图1的紫外光照射装置的图。

图4是表示本实施方式的光源的发光光谱的图表。

图5A表示本实施方式的滤光器的0度光的透射光谱。

图5B表示本实施方式的滤光器的40度光的透射光谱。

图6A表示参考方式的滤光器的0度光的透射光谱。

图6B表示参考方式的滤光器的40度光的透射光谱。

图7是说明入射角的图。

图8是说明根据滤光器求出透射光谱的方法的一例的图。

图9A是图2的A-A线处的剖视图。

图9B是表示入射角的限制方法的变形例的图。

具体实施方式

参照附图对紫外光照射装置进行说明。除了图表以外，图被示意性地示出。图适当地使用XYZ坐标系示出。说明书适当地参照XYZ坐标系进行说明。在本说明书中，在表示方向时，在区分正负的朝向的情况下，如“+X方向”、“-X方向”那样，标注正负符号进行记载。在不区分正负的朝向来表示方向的情况下，仅记载为“X方向”。即，在本说明书中，在仅记载为“X方向”的情况下，包括“+X方向”和“-X方向”这两者。对于Y方向和Z方向也同样。

[紫外光照射装置的概要]

参照图1～图3，对紫外光照射装置的一个实施方式的概要进行说明。图1是表示紫外光照射装置1的一个实施方式的外观的图。图2是从-Z方向观察图1的紫外光照射装置1的图。图3是从X方向观察图1的紫外光照射装置1的图。图3为了说明壳体60的内部，用截面表示光源30和滤光器40。

本实施方式的紫外光照射装置1具备：光源30(参照图2、3)；壳体60，将光源30收容于内部；光取出部20，将光源30发出的光取出到壳体60的外部；及滤光器40，配置于光取出部20。详细的说明将在后面叙述，紫外光1还具备反射镜50(在图1～图3中未图示)。

光源30发出属于190nm以上且小于240nm的波段的紫外光。属于190nm以上且小于240nm的波段的紫外光是具有病原体的灭活能力且对人体的有害性低的光。以下，有时将“属于190nm以上且小于240nm的波段的紫外光”称为“目标光”。在本说明书中，“病原体”包括细菌和真菌(霉菌)等菌类、及病毒。“灭活”是包括杀灭病原体、或者使感染性、毒性丧失的概念。

作为发出目标光的光源30，可例示出KrCl准分子灯或KrBr准分子灯等放电灯。所例示的这些光源也辐射有害光(处于240nm以上且小于280nm的波长范围的紫外光)。因此，紫外光照射装置1具备滤光器40。通过滤光器40限制有害光的透射，从而抑制有害光向紫外光照射装置1之外泄漏。

另外，为了进一步降低对人和动物的有害性，使用发出属于190nm以上且237nm以下的波段的紫外光的光源为宜。更优选地，使用发出波长属于190nm以上且235nm以下的波段的紫外光的光源为宜。进一步优选地，使用发出波长属于190nm以上且230nm以下的波段的紫外光的光源为宜。

光源30并不限于放电灯。光源30也可以采用发出的光的至少一部分包括在190nm以上且小于240nm的波段中显示出强度的光的LED等固体光源。例如，可以采用具有小于240nm的主要发光波长的AlGaN类LED、MgZnO类LED作为光源30。

作为光源30，也可以使用从气体激光器、固体激光元件辐射相干的紫外光的光源。也可以使用具备波长转换元件的光源，该波长转换元件从由气体激光器、固体激光元件辐射的光新产生波长不同的相干光。作为波长转换元件，例如能够使用使从激光元件辐射的光的频率成倍化而产生二次谐波(SHG)、三次谐波(THG)等高次谐波的非线性光学晶体。

而且，光源30也可以利用发出主要发光波长属于190nm以上且小于240nm的范围内的紫外光的荧光体。这里的“主要发光波长”是指在光源30的发光光谱上规定了相对于某个波长λ±10nm的波长区域Z(λ)的情况下相对于发光光谱中的总积分强度显示出40％以上的积分强度的波长区域Z(λi)中的波长λi。

在本实施方式中，作为光源30使用KrCl准分子灯。如图2所示，光源30具备在X方向上排列的多个发光管30a和一对电极30b。各发光管30a在Y方向上延伸。当在一对电极(30b、30b)之间施加了电压时，封入于各发光管30a的发光气体发光。在本实施方式中，发光气体是氪(Kr)气和氯(Cl)气。

示出紫外光照射装置1的各种尺寸。光源30的发光管30a的管轴方向(Y方向)的长度为70mm。光源30的发光管30a与滤光器40的间隔距离为8mm。滤光器40的X方向的长为45mm，Y方向的长为60mm。另外，在此记载的各种尺寸只是一个例子，可以任意地设定。

如图3所示，从紫外光照射装置1出射的紫外光L1的光轴Lc与表示出射方向的箭头一起示出。在本实施方式中，光轴Lc沿着Z轴。紫外光照射装置1出射的光全部透过滤光器40。

图4是表示KrCl准分子灯的发光光谱的图表。KrCl准分子灯发出如图4所示的、显示出光强度l(λ)的最大峰值的波长为222nm的紫外光L1。另外，在图4的发光光谱中，纵轴将波长为222nm时的光强度规定为100(％)，用表示各个波长下的光强度的标准值来表示。

如图4所示，KrCl准分子灯发出的光在有可能对人和动物造成不良影响的有害光的波段(240nm以上且小于280nm)也显示出微小的强度。但是，如果使用限制有害光的透射的滤光器40，则透过滤光器40的微量的有害光不会被视为问题。

[滤光器的特性]

滤光器40具备电介质多层膜。并且，即使在使紫外光照射装置1的照射量增加的情况下，滤光器40也能够限制紫外光透过滤光器40的情况，并且能够抑制电介质多层膜的厚度。滤光器40的特性可以通过透射光谱来评价。透射光谱将入射到滤光器40的波长示于横轴，将透射的光的透射率(％)示于纵轴。透射率(％)意味着(滤光器40的出射光的光强度/滤光器40的入射光)×100。

图5A和图5B示出了本实施方式的滤光器40在波长200nm～300nm下的透射光谱。图6A和图6B示出了参考方式的滤光器90在波长200nm～300nm下的透射光谱。

滤光器(40、90)的透射光谱根据向滤光器(40、90)的入射角而不同。因此，在本说明书中，按入射角评价滤光器(40、90)的特性。所谓入射角，如图7所示，是滤光器40的入射面40s的法线N1与入射到滤光器40的光线L3之间所成的角θ。对于滤光器90也同样地定义入射角。在本说明书中，相对于滤光器(40、90)以入射角θ度入射的光有时表现为“θ度光”。

图5A表示滤光器40的0度光的透射光谱L0。如图5A所示，滤光器40在0度光的透射光谱L0中，在显示出光源30的最大峰值的222nm(参照图4)附近具有高的透射率。滤光器40具有紫外光的透射率为20％以下的第一限制波段B1。在透射率为20％以下的第一限制波段B1中，透射光的光量大幅减少。20％这一透射率的数值大多在滤光器40的透射光谱中显示出陡峭的斜率。因此，在本说明书中，将透射光的量相对于透射光的波长变化的灵敏度高的20％这一数值用作第一限制波段B1的透射率的上限值。第一限制波段B1小于300nm，位于比显示出光源30的最大峰值的222nm靠长波长侧。

第一限制波段B1的下限波长B1L处于220nm以上且小于240nm的波段内。第一限制波段B1的上限波长B1U处于280nm以上且小于300nm的波段内。在下限波长B1L和上限波长B1U分别存在于上述波段内的情况下，第一限制波段B1包含作为有害光的波段的240nm以上且小于280nm。于是，滤光器40能够将0度光的有害波段(240nm以上且小于280nm)的透射率限制在20％以下。在本实施方式的滤光器40的情况下，下限波长B1L为233nm，上限波长B1U为283nm，因此满足该条件。

第一限制波段B1的带宽根据B1U与B1L之差求出。为了增大该带宽，要求整体上加厚构成滤光器40的电介质多层膜的厚度。详细情况将在后面叙述，电介质多层膜是将多个不同的层交替层叠而构成的。为了整体上加厚厚度，需要加厚多个不同的层中的至少一部分层的厚度，或者增加层的层叠数量。加厚电介质多层膜成为使目标光相对于电介质多层膜的透射率降低的主要原因，导致电介质多层膜的制造成本的上升。

另外，假设在设计期望第一限制波段B1的带宽宽的透射特性，另一方面，电介质多层膜的厚度薄的滤光器的情况下，在想要限制透射的波段中，有时不能完全抑制透射。这样的滤光器在透射光谱中，在想要限制透射的波段产生脉动。为了减小脉动，需要加厚电介质多层膜的厚度。根据本实施方式，能够容许第一限制波段B1的带宽窄的透射特性，由此即使电介质多层膜的厚度薄也能够减少脉动。

根据上述，第一限制波段B1的带宽优选为70nm以下，更优选为60nm以下，进一步优选为50nm以下。本实施方式的第一限制波段B1的带宽为50nm。如果带宽窄，则能够抑制电介质多层膜的厚度。其结果是，能够抑制目标光相对于电介质多层膜的透射率的降低，并且能够降低电介质多层膜的制造成本。如果第一限制波段B1的带宽被确保为40nm以上，则能够更适当地限制有害光，因此为优选。

对于由光源辐射的光，多数情况下240nm以上且小于260nm的波段的辐射量大于260nm以上且小于280nm的波段的辐射量。因此，特别优选为，240nm以上且小于260nm的波段的透射率的值小。例如，在0度光的透射光谱中，240nm以上且小于260nm的波段中的透射率优选满足5％以下，更优选满足3％以下，进一步优选满足2％以下。

在光源30为KrCl准分子灯时，如图4所示，KrCl准分子灯的光谱在258nm附近具有小的极大值m1。该m1附近的光被称为由被激发的Cl

图5B表示滤光器40的40度光的透射光谱L40。滤光器40在图5B的透射光谱L40中，具有紫外光的透射率为20％以下的第二限制波段B2。比较图5A与图5B可知，透射光谱L40与透射光谱L0相比整体向短波长侧偏移。图5A和图5B中仅示出了0度光和40度光，但随着向滤光器的入射角θ变大，透射光谱向短波长侧偏移。

第二限制波段B2的下限波长B2L比第一限制波段B1的下限波长B1L短。第二限制波段B2的上限波长B2U比第一限制波段B1的上限波长B1U短。在本实施方式中，第二限制波段B2的下限波长B2L为219nm，第二限制波段B2的上限波长B2U为263nm，因此满足该条件。

由于在可见光的波段向短波长侧偏移时蓝色的波段增加，因此一般将光谱向短波长侧偏移的现象称为“蓝移”。虽然对于紫外光而言，蓝色的波段位于长波长侧，但在本说明书中，将紫外光的波段的透射光谱向短波长侧移动的现象称为“蓝移”。随着向电介质多层膜入射的入射角变大而透射光谱进行蓝移的理由被认为是由于出现了由多层膜反射的光的位置与在多层膜的膜内往复的光的入射位置之间的偏移而产生的光程差。

如从图5B看到的那样，在蓝移后的透射光谱L40中，第二限制波段B2的上限波段B2U也为260nm以上。因此，能够将240nm以上且小于280nm的有害光中的光源30的辐射量相对较多的240nm以上且小于260nm的波段的透射率抑制在20％以下。与此相对，240nm以上且小于280nm的有害光中的光源30的辐射量相对较少的260nm以上且小于280nm的波段的透射率也可以超过20％。

图6A表示滤光器90的0度光的透射光谱L0。滤光器90在0度的透射光谱L0中，具有紫外光的透射率为20％以下的第一限制波段B3。第一限制波段B3位于比显示出光源30的最大峰值的222nm靠长波长侧处。

图6A的第一限制波段B3的下限波长B3L为232nm，处于220nm以上且小于240nm的波段内。但是，第一限制波段B3的上限波长B3U不在280nm以上且小于300nm的波段内。第一限制波段B1包括作为有害光的波段的240nm以上且小于280nm，因此能够限制有害光的透射。但是，第一限制波段B3的带宽成为超过70nm的宽带宽，从而电介质多层膜的厚度变厚。

图6B表示滤光器90的40度光的透射光谱L40。如图6B所示，第二限制波段B4的带宽成为超过70nm的宽带宽。另外，滤光器90的第二限制波段B4的下限波长B4L位于比滤光器40的第二限制波段B2的下限波长B2L靠短波长侧处，因此，使显示出光源的最大峰值的222nm的光更加难以透射，成为使灭活能力降低的主要原因。

[透射光谱的求法]

图8是说明根据滤光器40求出透射光谱的方法的一例的图。从紫外光照射装置1取下滤光器40，安装于具备光源30和分光光度计45的实验系统。如图8所示，倾斜地配置滤光器40，使得从光源30的中心Q2朝向滤光器40的入射面的光线相对于滤光器40的法线N1得到规定的入射角θ。使指向性的光L2从光源30入射到滤光器40。用分光光度计45测定透过了滤光器40的光的光强度。通过将测定出的光强度除以没有滤光器的情况下的出射光的光强度，得到预定的入射角θ下的滤光器40的透射光谱。另外，通过一边变更入射角θ一边进行测定，得到每个入射角的透射光谱。

[滤光器的构造]

滤光器40由形成在母材上的电介质多层膜构成。电介质多层膜由高折射率层与低折射率层交替层叠而成的层叠体构成。滤光器40的透射光谱可以通过对电介质多层膜的材质的组合、各层的厚度和层叠数量、及构成电介质多层膜的各层的表面粗糙度进行控制来设计。各层的厚度可以是大致相同的厚度，各层的厚度也可以不同。

在本实施方式中，滤光器40的电介质多层膜使用了HfO

电介质多层膜的总膜厚优选为1600nm以下，更优选为1000nm以下，进一步优选为800nm以下。电介质多层膜的总膜厚优选为400nm以上，更优选为600nm以上。每一层的厚度例如优选为10nm以上，且优选为50nm以下。

电介质多层膜除此之外，例如也可以是SiO

形成电介质多层膜的母材由能够透射目标光的材料构成。作为母材的具体的材料，例如可以采用石英玻璃、硼硅酸玻璃、蓝宝石、氟化镁材料、氟化钙材料、氟化锂材料、氟化钡材料等陶瓷类材料、硅树脂、氟树脂等树脂类材料。

[入射角的限制]

比较图5A和图5B可知，若向滤光器40的入射角变大，则由于蓝移而容易透射有害光(波段为240nm以上且小于280nm)。若容易透射有害光，则要求加厚电介质多层膜的厚度。另外，目标光的透射率也降低。因此，减小来自光源30的光向滤光器40入射的入射角有助于抑制入射角大的有害光的透射，由此有助于减薄电介质多层膜。

因此，本实施方式的紫外光照射装置1限制了来自光源30的光向滤光器40入射的大的入射角。图9A是图2的A-A线处的剖视图。在电极30b的光出射方向(+Z方向)且各发光管30a的侧方配置有凹面的反射镜50。通过配置反射镜50，从发光管30a出射的光线的配光角被限制为不会扩大。其结果是，向滤光器40以小的入射角入射。向滤光器40的入射角优选被限制在45度以内，更优选被限制在40度以内，进一步优选被限制在35度以内。另外，在本说明书中，所谓“入射角被限制在θ1度以内”，表示由光源30辐射的光线中的构成从发光管30a分别出射的光线束的各光线的、向滤光器40入射的入射角的绝对值小于θ1(度)。“从发光管30a出射的光线束”是指相对于光强度最高的光轴上的光线的光强度具有1/2以上的光强度的光线的集合。

参照图9B，表示入射角的限制方法的变形例。图9B所公开的紫外光照射装置5具备：光源33，由LED构成；基板34，安装有光源33；遮光板51，配置于基板34的光出射方向(+Z方向)且各光源33的侧方；及透镜阵列52，配置在光源33与滤光器40之间。从光源33出射的光被遮光板51和透镜阵列52限制从光源33出射的光线的配光角。其结果是，向滤光器40以尽可能小的入射角入射。

入射角的限制方法并不限于图9A和图9B所示的方式。反射镜50、遮光板51和透镜阵列52并不限于图示的形状。具备放电灯的紫外光照射装置1也可以具备遮光板51或透镜阵列52，具备LED的紫外光照射装置5也可以具备反射镜50。也可以使用光学透镜而不是透镜阵列。图9A的电极30b的表面或者图9B的安装有光源33的基板34也可以具有作为反射镜50的功能。

以上说明了紫外光照射装置的一个实施方式。本发明不被上述的实施方式和变形例进行任何限定，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够对上述的实施方式和变形例加以各种变更或改良。

附图标记说明

1、5：紫外光照射装置

20：光取出部

30、33：光源

30a：发光管

30b：电极

34：基板

40、90：滤光器

40s：(滤光器的)入射面

45：分光光度计

50：反射镜

51：遮光板

52：透镜阵列

60：壳体

B1、B3：第一限制波段

B1L、B3L：(第一限制波段的)下限波长

B1U、B3U：(第一限制波段的)上限波长

B2、B4：第二限制波段

B2L、B4L：(第二限制波段的)下限波长

B2U：(第二限制波段的)上限波长