CN103486462B - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

一种照明装置，设置有LED光源，所述LED光源包括灯泡色LED(31)、蓝色LED(32)以及绿色LED(33)。所述灯泡色LED(31)的峰值波长在580nm至630nm的范围内并且在所述峰值波长处的半宽在120nm至175nm的范围内。所述灯泡色LED由日本工业标准(JIS)Z9112来规定。所述蓝色LED(32)的峰值波长在450nm至480nm的范围内。所述绿色LED(33)的峰值波长在500nm至530nm的范围内。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及一种包括LED的照明装置。
背景技术
发光二极管(LED)越来越多地被用作可以替换白炽灯泡和荧光灯的光源。由于LED元件较小，所以可以组合各种类型的LED元件以形成可变色单元。
包括LED的照明装置通常被设计成具有80或更大的综合显色指数，以满足由日本工业标准(JIS)Z9110：2004规定的室内照明条件。综合显色指数Ra被用来定量地评估与参考光相比在受检光源下能够真实再现的颜色的水平。因此，当光源具有高的综合显色指数Ra时，该光源确保对参考光下的外观彩色的再现。然而，当纸平面看起来被各种颜色的光着色时，综合显色指数Ra不能用于评估该光源。因此，即使当综合显色指数Ra很高的时候，纸平面也可能是呈现为有色的。这可能降低了字符和背景之间的对比度并且使得难以阅读字符。
因此，期望定量地评估纸平面的白度以提供适于阅读的光。日本专利特许公开No.2002-13982描述了一种用于根据荧光灯的光谱来评估白度水平的方法。该白度水平被用作定量地表示照明条件下纸平面的白度的指数。在日本专利特许公开No.2002-13982中，照明装置使用荧光灯作为光源，其色度范围被限制在相关色温中的大约5000K至大约8000K。
然而，该公开的照明装置使用荧光灯作为光源并且该照明装置的光谱与使用LED作为光源的照明装置有着显著不同。因此，很难直接应用LED元件到上述照明装置。此外，如上所述，当仅仅使用综合显色指数Ra来计估彩色光时，纸平面可能呈现为有色的，从而使得难以阅读字符。当在照明条件下仅仅增大纸平面的白度时，低的综合显色指数Ra可能降低色彩的重现性并且导致颜色对于用户来说显得很奇怪。
发明内容
本发明的目的在于提供一种照明装置，其通过增大照明条件下所观察对象的白度来改善所观察对象上的字符的可见性，同时保持高的显色性。
本发明的一方面是一种设置有LED光源的照明装置，所述LED光源包括灯泡色LED、蓝色LED以及绿色LED。所述灯泡色LED的峰值波长在580nm至630nm的范围内，并且峰值波长处的半宽在120nm至175nm的范围内。所述灯泡色LED通过日本工业标准(JIS)Z9112来规定。所述蓝色LED的峰值波长在450nm至480nm的范围内。所述绿色LED的峰值波长在500nm至530nm的范围内。
优选地，当灯泡色LED在峰值波长处具有由1表示的发光强度时，蓝色LED和绿色LED中的每一个被配置成具有1或更大的发光强度。
优选地，蓝色LED的峰值波长在450nm至465nm的范围内，绿色LED的峰值波长在510nm至530nm的范围内，并且LED光源被配置成具有在3250K至7100K的范围内的相关色温以及在3至-3的范围内的色移Duv。
优选地，蓝色LED的峰值波长在450nm至475nm的范围内，绿色LED的峰值波长在510nm至530nm的范围内，并且LED光源被配置成具有在3250K至5300K的范围内的相关色温以及在3至-3的范围内的色移Duv。
优选地，LED光源被配置成具有在3250K至4400K的范围内的相关色温以及在3至-3的范围内的色移Duv。
本发明提供了一种照明装置，其通过增大照明条件下所观察对象的白度来改善所观察对象上的字符的可见性，同时保持高的显色性。
从下面结合附图给出的描述中，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，所述附图以示例的方式示出了本发明的原理。
附图说明
通过参考以下优选实施例的描述以及附图，可以最好地理解本发明及其目标和优点，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的照明装置的示意图；
图2是示出了当基于同等能量白光而对每5nm添加5nm宽的波长能量时，所添加的波长与根据CIE1998临时颜色外观模型(简单版本)获得的报纸的色度计算值之间的关系的图表；
图3是示出了照明装置的白色LED的光谱分布的图表；
图4是示出了照明装置的LED模块的光谱分布的一个示例的图表；
图5是示出了照明装置的LED模块和白色LED的光谱分布的图表；
图6是示出了针对色度差和清晰度的主观评估试验的结果的图表；
图7是示出了根据JIS Z9112：2004的光颜色分类之下的白色LED的图表；
图8A至8C是示出了在LED模块中根据CIE1997临时颜色外观模型(简单版本)获得的报纸的每个色温的色度值的图表；
图9A至9C是示出了LED模块中针对每个色温的综合显色指数Ra的图表；以及
图10A至10C是示出了在蓝色LED和绿色LED的组合波长中针对每个色温的色度值和综合显色指数Ra的图表。
具体实施方式
现在将参考附图来描述根据本发明的一个实施例的照明装置。
参考图1，本实施例的照明装置10包括外壳11。外壳11容纳LED模块12、电路板13、启动控制电路14以及计算单元15。
如图1所示，外壳11包括壳体21以及半球形灯罩22。壳体21是中空的并且具有截锥体的形状。电路板13附接至壳体21的顶表面21a，并且LED模块12耦合至电路板13。壳体21容纳电连接至电路板13的电路图(未示出)的启动控制电路14，以及控制启动控制电路14的计算单元15。计算单元15能够连接至电源S。当供应有来自电源S的电力时，计算单元15向启动控制电路14提供控制信号，所述控制信号基于从可以由用户操作的设置单元C(操作单元)提供的操作信号而在规格范围之内设置由LED模块12产生的光线的颜色和数量。
LED模块12包括白色LED31、蓝色LED32以及绿色LED33。
白色LED31包括：氮化镓蓝色LED元件，其发光强度在450nm至480nm的范围内的峰值波长处变得最高；以及光透射构件，其围绕所述蓝色LED元件。光透射构件包括绿-黄色荧光体和红色荧光体。所述绿-黄色荧光体可以是(Y，Gd)3Al5O12:Ce3+、Y3Al5O12:Ce3+、pr3+、(Tb，Gd)3Al5O12:Ce3、(Sr，Ba)2SiO4:Eu2+、(Sr，Ca)2SiO4:Eu2+、CaSi2O2N2:Eu2+、Ca-α-SiA1ON:Eu2+、Y2Si4N6C:Ce3+、或者CaGa2S4:Eu2+。红色荧光体可以是Ca-α-SiAlON:Eu2+、CaAlSiN3:Eu2+ 、(Sr，Ca)AlSiN3:Eu2、Sr2Si5N8:Eu2+、Sr2(Si，Al)5(N，O)8:Eu2+、CaS:Eu2+，或者La2O2S:Eu2+。
此外，白色LED31具有如图3所示的光谱分布。更具体而言，参考图3，白色LED31的峰值波长在580nm至630nm的范围内，并且峰值波长处的半宽H在120nm至175nm的范围内。此外，白色LED31被配置成发射具有在白色光源的颜色中的最低色温的灯泡颜色的光(相关色温大约为2800K)。灯泡颜色分类由JIS Z9112：2004“光源颜色以及荧光灯的显色的分类”来规定。在图7的xy色度图中，灯泡颜色分类的光线具有由“L”表示的范围的色度。更具体而言，灯泡颜色分类的光的相关色温范围在2600K至3250K之间，并且色度在由通过连接色度坐标(0.4834，0.4382)，(0.4594，0.3971)，(0.4305，0.4218)以及(0.4153，0.3862)处的点形成的四边形的范围内。在图7中，通过与JIS Z9112相同的方式，五种光颜色分类的剩余光颜色分类由日光色的“D”，天然色的“N”，白色的“W”，以及暖白色的“WW”表示。
LED模块12中的蓝色LED32被配置成具有在450nm至480nm范围内的大约470nm的峰值波长处变得最高的发光强度。
LED模块12中的绿色LED33被配置成具有在510nm至530nm范围内的大约530nm的峰值波长处变得最高的发光强度。
LED模块12的启动允许发射具有例如如图4所示的光谱分布的光。本实施例的LED模块12改变了蓝色LED32和绿色LED33相对于白色LED31的发射强度，以改变如图5中虚线(5200K)以及点划线(4300K)所示的从日光色至暖白光范围内的光的光谱分布。在这里，如图5所示，当在白色LED31的主要峰值波长处的发光强度为1时，蓝色LED32和绿色LED33具有1或更大的发光强度。
对于照明装置10，本发明的发明者聚焦于色度值以改善清晰度。
首先，发明者在基于同等能量的白光(在整个可见光的全部波段内具有相等发射能量的光)每5nm添加能量时，根据CIE1997临时颜色外观模型(简单版本)或CIECAM97，研究(计算)了报纸的色度值。计算结果如图2所示。图2中的横轴表示所添加的能量的波长。纵轴表示在使用具有通过向同等能量的白光添加波长能量而获得的光谱的光源时，报纸的色度计算值的差(色度差)，以及当使用同等能量的白光光源时，报纸的色度计算值。该色度计算值是通过执行由CIECAM97规定的计算而获得的，并且色度值表示颜色丰富度。具有低的色度值的颜色具有低的颜色丰富度，并且被感知为具有高的白度。
从图2中可以明显看出，对于色度降低有效的波长范围是从大约415nm至大约495nm，优选从455nm至475nm，并且更优选从460nm至470nm。
本发明的发明者进行了主观评估试验，以基于照明条件下的白度来检查针对阅读所观察对象(例如，纸平面)上的字符的容易性，也就是说，检查清晰度的改善。该试验是对五个人或试验受检者进行的。将液晶滤光器添加至氙气灯并且实现某一光谱分布的测试装置被用于利用具有5000K的色温的传统白色LED来再现参考光。该测试装置被用来再现分别具有3000K、5000K以及6700K的色温的三种类型的光作为试验光，所述试验光具有通过将峰值波长在470nm处的蓝色LED以及峰值波长在530nm处的绿色LED添加至具有2800K的色温的白色LED而获得的光谱。参考光以及试验光的照度被设置为300lx。试验的所观察对象是报纸，并且试验受检者和报纸之间的距离(观测距离)被设为50厘米。给每个试验受检者五分钟来适应周围环境，然后给五十秒来适应参考光。随后，给试验受检者十秒来阅读报纸的相同部分。在这里，大小评估方法被用来评估报纸的清晰度，其中在参考光下颜色外观被表示为100。当报纸比参考光下更易于阅读的话，试验受检者给出比100更高的数字，而当报纸比在参考光下更难以阅读时则给出比100更低的数字。在进行评估试验的同时，试验受检者对清晰度给出五级评估结果，其中试验受检者将评估阅读的容易性分为以下等级：“非常容易阅读”，“相对容易阅读”，“能够正常阅读”，“相对难以阅读”以及“非常难以阅读”。
图6示出了根据大小评估方法进行的主观评估试验的结果。图6的横轴表示报纸的色度差，并且纵轴表示清晰度的评估值。有意义的差(P＜0.05)的评估结果表明在3000K、5000K以及6700K之间的清晰度中存在有意义的差。此外，同时进行的五级评估表明与大小评估值的相关度很高。由于所述相关度，大约“100”的大小评估值对应于五级评估中的“能够正常阅读”，并且大约“110”的大小评估值对应于五级评估中的“相对容易阅读”。更具体而言，在5000K和6700K之间，80％的试验受检者将他们的五级评估从“能够正常阅读”改变为“相对容易阅读”或更高。在这种情况下，色度差大约为2.4。
因此，应该理解的是在色度值减小时在照明条件下所观察对象的白度增大，从而改善了阅读所观察对象上的字符的容易性(清晰度)。还应该理解的是试验受检者感知到光颜色之间清晰度的差异。
图8所示的是通过在添加B波长(蓝色LED32)和G波长(绿色LED33)的组合至具有2800K色温的白色LED31而获得的LED模块12的照明条件下，针对每个相关色温，根据CIECAM97的色度计算结果的图表。在图8中，实线示出了LED模块12的色度值，虚线示出了灯泡色白色LED31的色度值，并且点划线示出了典型白色LED的色度值，所述典型白色LED通过组合具有4200K、5200K以及7200K的色温的蓝色LED与YAG荧光体而形成。
如图8所示，对于具有大约为2800K的色温的灯泡色白色LED31来说，色度值大约是17。在色温是4200K或更大的范围中，LED模块12的色度值大约是12或更小，并且色度值大约减小了5。因此，可以识别清晰度的改善。当相关色温相同时，具有大约在±3的范围内的Duv的光通常被认为具有相似的光颜色，所述Duv表示色移(与普朗克轨迹的偏移)。
此外，根据图8应该理解，通过将蓝色LED32和绿色LED33添加至具有2800K的色温的白色LED31而获得的LED模块12的光谱分布比典型的市场上可买到的白色LED(蓝色LED和YAG荧光体的组合)具有更低的色度值。当LED模块12的色度值较低时，在LED模块12的照明下所观察对象的白度更高。这改善了所观察对象上的字符的清晰度。
图9示出了通过添加B波长(蓝色LED32)和G波长(绿色LED33)的组合至具有2800K的色温的白色LED31而获得的LED模块12的综合显色指数Ra的计算结果。在图9中，实线示出了LED模块12的综合显色指数Ra，并且虚线示出了80的综合显色指数Ra。从图9可以明显看出，根据相关色温，当满足综合显色指数Ra等于或大于80的条件时，B波长(蓝色LED32)和G波长(绿色LED33)的组合被限制。
基于图8和9所示的结果，关于添加至白色LED31的蓝色LED32和绿色LED33的波长组合，本发明的发明者研究了其他色温(4400K，5300K和7100K)的色度值和显色性。结果如图10所示。在图10的每个方格中，左侧的圆表示综合显色指数Ra为80或更大，并且左侧的叉表示综合显色指数Ra小于80。此外，在图10的每个方格中，右侧的圆表示灯泡色白色LED、蓝色LED以及绿色LED的组合的色度值低于典型的白色LED的色度值。右侧的叉表示灯泡色白色LED、蓝色LED以及绿色LED的组合的色度值大于或等于典型的白色LED的色度值。因此，包括两个圆的方格表示阅读容易性(清晰度)以及颜色外观都将得到改善的范围。
结果表明，当相关色温在3250K至4400K的范围内并且色移Duv在3至-3的范围内时，通过向灯泡色白色LED31添加峰值波长在450nm至480nm的范围内的蓝色LED32以及峰值波长在505nm至530nm的范围内的绿色LED33的组合，阅读容易性以及显色性都可以得到改善。当进一步减小色度(增大白度)时，蓝色LED32的峰值波长在455nm至480nm的范围内是优选的。
当相关色温在3250K至5300K的范围内并且色移Duv在3至-3的范围内时，通过向灯泡色白色LED31添加峰值波长在450nm至475nm的范围内的蓝色LED32以及峰值波长在510nm至530nm的范围内的绿色LED33的组合，阅读容易性以及显色性都可以得到改善。当进一步减小色度(增大白度)时，蓝色LED32的峰值波长在455nm至475nm的范围内是优选的。
当相关色温在3250K至7100K的范围内并且色移Duv在3至-3的范围内时，通过向灯泡色白色LED31添加峰值波长在450nm至465nm的范围内的蓝色LED32以及峰值波长在510nm至530nm范围内的绿色LED33的组合，阅读容易性以及显色性都可以得到改善。在这里，JISZ9112：2004规定了日光色的色温的上限(7100K)，其是相对高的色温的光颜色分类，与白光的光颜色一样。在本实施例中，这一上限被规定为LED模块12的色温的上限。当进一步减小色度(增大白度)时，蓝色LED32的峰值波长在455nm至465nm的范围内是优选的。
由于蓝色LED32和绿色LED33被添加至灯泡色白色LED，所以光通量可以在低色温处被设置为低，并且在高色温处被设置为高。通常，具有低色温的光颜色被用于让人放松的场所，并且具有高色温的光颜色被用于阅读场所。这些场所期望的照度水平不同。对于放松场所来说，期望的是低照度，并且对于阅读场所来说，期望的是高照度。因此，当将蓝色LED32和绿色LED33添加至灯泡色白色LED31时，在高色温处，由于纸平面的白度和照度导致的字符的清晰度能够得到显著的改善。
本发明实施例的照明装置具有以下优点。
(1)LED模块12包括白色LED31，其具有通过JIS Z9112：2004规定的灯泡色。灯泡色白色LED31的峰值波长在580nm至630nm的范围内，并且峰值波长处的半宽在120nm至175nm的范围内。LED模块12包括蓝色LED32，并且蓝色LED32被配置成具有450nm至480nm的范围内的峰值波长。LED模块12包括绿色LED33，并且绿色LED33被配置成具有500nm至530nm的范围内的峰值波长。该结构增大了在LED模块12的照明下所观察对象的白度并且改善了所观察对象上的字符的可见性，同时保持高的显色性。
(2)当白色LED31在峰值波长处具有由1表示的发光强度时，蓝色LED32和绿色LED33中的每一个被配置成具有1或更大的发光强度。该结构增大了在LED模块12的照明下所观察对象的白度并且改善了所观察对象上的字符的可见性，同时进一步确保了保持高的显色性。
(3)LED模块12被配置成具有在3250K至4400K的范围内的相关色温以及在3至-3的范围内的色移Duv。该结构增大了在LED模块12的照明下所观察对象的白度并且改善了所观察对象上的字符的可见性，在LED模块12的相关色温在3250K至4400K的范围内时，同时保持高的显色性。
(4)在LED模块12的相关色温在3250K至5300K的范围内并且色移Duv在3至-3的范围内时，蓝色LED32被配置成具有450nm至475nm的范围内的峰值波长，并且绿色LED33被配置成具有510nm至530nm的范围内的峰值波长。该结构增大了在LED模块12的照明下所观察对象的白度并且改善了所观察对象上的字符的可见性，在LED模块12的相关色温在3250K至5300K的范围内时，同时保持高的显色性。
(5)在LED模块12的相关色温在3250K至7100K的范围内并且色移Duv在3至-3的范围内时，蓝色LED32被配置成具有450nm至465nm的范围内的峰值波长，并且绿色LED33被配置成具有510nm至530nm的范围内的峰值波长。该结构增大了在LED模块12的照明下所观察对象的白度并且改善了所观察对象上的字符的可见性，在LED模块12的相关色温在3250K至7100K的范围内时，同时保持高的显色性。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以通过许多其它特定形式体现。特别地，应当理解的足本发明可以通过下面的形式体现。
在上述实施例中，白色LED31的色温被设为大约2800K。然而，白色LED31的色温可以被设为如JIS Z9112：2004规定的用于灯泡色的光颜色分类中的色温。
在上述实施例中，基于JIS Z9112：2004，LED模块12的色温上限被设置为7100K。然而，例如如果JIS Z9112的标准改变为允许7200K，则色温的上限可以被设置为7200K。即使色温的上限被设置为7200K，综合显色指数Ra被设置为80或更大是优选的。
本发明示例和实施例应该被认为是示意性的而非限制性的，并且本发明不限制至这里给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同物之内进行修改。

Claims (4)

1.一种照明装置，包括
LED光源，所述LED光源包括：
灯泡色LED，其峰值波长在580nm至630nm的范围内并且在所述峰值波长处的半宽在120nm至175nm的范围内，其中所述灯泡色LED由日本工业标准(JIS)Z9112来规定，所述灯泡色LED包括蓝色LED元件，绿-黄色荧光体和红色荧光体；
蓝色LED，其峰值波长在450nm至480nm的范围内；以及
绿色LED，其峰值波长在500nm至530nm的范围内，
其中所述照明装置被配置成在相关色温为4200K到7200K的范围内，具有80或更大的综合显色指数Ra以及12或更小的色度值，
其中当所述灯泡色LED在所述峰值波长处具有由1表示的发光强度时，所述蓝色LED和所述绿色LED中的每一个被配置成具有1或更大的发光强度，
在所述照明装置照射所观察对象上的字符时，所述照明装置改善所观察对象上的字符的可见性，同时保持高的显色性。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中
所述蓝色LED的峰值波长在450nm至465nm的范围内，
所述绿色LED的峰值波长在510nm至530nm的范围内，并且
所述LED光源被配置成在相关色温为3250K至7100K的范围内，具有在3至-3的范围内的色移Duv。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中
所述蓝色LED的峰值波长在450nm至475nm的范围内，
所述绿色LED的峰值波长在510nm至530nm的范围内，并且
所述LED光源被配置成在相关色温为3250K至5300K的范围内，具有在3至-3的范围内的色移Duv。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述LED光源被配置成在相关色温为3250K至4400K的范围内，具有在3至-3的范围内的色移Duv。
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