JP2005534155A - 緑−青色のガス放電ランプ及び黄−赤色のｌｅｄを備えるランプシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、− 緑−青色の色度を持つガス放電ランプと、− 黄−赤色の色度を持つLEDと、− 前記ガス放電ランプ及び前記LEDからの光の加法的な混合をするための光学素子とを持つランプシステム、並びに対応する照明方法に関する。ガス放電ランプとしては青色及び緑色発光の蛍光灯がとりわけ適しており、LEDとしては赤−黄色発光のAlGaInPのLED又は赤色発光のAlGaAsのLEDがとりわけ適している。本発明は、これらの高効率の光源からの光の加法的な混合を介して、全ての３原色を含み、白色光の非常に効率的な生成にとりわけ適する良好な演色を供給する非常に効率的な光源を提供する。

Description

本発明は、照明、例えばオフィス用及び家庭用の照明、又は販売展示(sales displays)の照明用の照明の分野に関する。実際には、フィラメントランプ、ハロゲンランプ、低圧及び高圧ガス放電ランプなどの多数の既知の光源がこの目的のために用いられており、最近、発光ダイオード(LED)も用いられている。

このような光源によって、時として、多くの別個の光源を併用することによって、光の色合い(light coloration)、光出力(light output)及び演色(color rendition)を広範に変更するランプシステムを作成することが可能である。しかしながら、前記光源は、該光源を供給するのに用いられる電気エネルギの生成される光出力への変換において大きく異なる効率を持つ。これらの効率は、通常、フィラメントランプの場合の10lm/Wと、蛍光灯の場合の120lm/Wの間であり、この場合に前記蛍光灯は低圧水銀灯であり、前記低圧水銀灯の最初に生成される水銀放射線(mercury radiation)は適当に蛍光性の蛍光体によって可視光に変換される。同時に、例えば、幾つかは200lm/Wより大きな効率の出力を持つ、今でも時々街路照明用に用いられているSOXランプなどの更により効率的な光源もあるが、これらの光源は、白色ではなく、良好な演色を持たない。例えば、SOXランプは基本的に黄色のナトリウム線しか放射しない。

高効率と組み合わされる光の色合い、光出力及び演色の適当な選択に加えて、少なくともある程度まで、ユーザがランプシステムの特に光の色合いを制御することを可能にする色が可変なランプシステムが最近提案されている。斯くして、独国実用新案公報第DE20007134U1号は、白色蛍光灯を例えば１つ以上の着色LEDと一緒に持ち、それらからの光が適当な偏向及び／又は拡散の手段によって加法的に混ぜ合わされて十分に均質な光になるランプシステムを提案している。着色LEDの出力を変更することによって、ユーザは、ある程度まで、それらの光出力に影響を及ぼすことが出来、従って、ランプシステム全体の色度(color point)にも影響を及ぼすことが出来る。米国特許出願公開公報第US2001/0005319A1号は、例えば１つのランプシステムにおいて白色光又は着色光を作成するために赤色、緑色及び青色のLEDを使用しており、ユーザが制御装置によって広い限度内でランプシステムの光の色合いを制御することが出来る使い勝手の良い制御装置を開示している。

本発明の目的は、同時に良好な演色を供給する高効率なランプシステム、とりわけ、高効率な白色ランプシステムを提供するためにこの従来技術を発展させることにある。

この目的は、一方で、
− 緑−青色の色度(a color point in the green-blue)を持つガス放電ランプと、
− 黄−赤色の色度を持つLEDと、
− 前記ガス放電ランプ及び前記LEDからの光の加法的な混合(additive mixing)のための光学素子とを持つランプシステムによって達成され、他方で、
− ガス放電ランプによって緑−青色の色度を持つ光を生成する段階と、
− LEDによって黄−赤色の色度を持つ光を生成する段階と、
− 光学素子によって前記ガス放電ランプ及び前記LEDからの前記光の加法的な混合をする段階とを有する照明方法によって達成される。

それ故、本発明の原理は、ガス放電ランプは緑−青色において高い効率を持っており、LEDは黄−赤色において高い効率を持っており、これら２つのタイプの光源の加法的な混合によって、同時に良好な演色を供給する高効率なランプシステム、とりわけ、高効率な白色ランプシステムを得ることが可能であるという発見に基づく。とりわけ、白色蛍光灯の代わりに緑−青色のガス放電ランプを使用することによって、独国実用新案公報第DE20007134U1号に開示されている従来技術における効率より著しく高い効率が得られる。

従属項は、本発明のとりわけ有利な展開例(development)を示している。

例えば低圧水銀灯などの蛍光灯がガス放電ランプとして用いられ得る。このような低圧水銀灯において、電気エネルギは、まず（部分的に）、例えば254nm線の水銀紫外線(ultraviolet mercury radiation)に変換される。この紫外線は、次いで、青色蛍光体BAM（450nm前後の放射(emission)）及び緑色蛍光体CAT（542nm前後の放射）によって緑−青色の可視線に変換され得る。

しかしながら、原則的に、他のガス放電ランプも本発明の一実施例に適している。例えば、多くの高圧ガス放電ランプもまた、緑−青色において高い効率を持っており、それ故、本発明によるランプシステムに適する。最近、水銀に取って代わる放射物質も発見されており、前記放射物質は、それらの効率がまだ低いにもかかわらず、それらのストークスシフトが本質的により低いために非常に前途有望な可能性を示している。ここで、これらの物質の代表的な例として欧州特許出願公開第EP1187174A2号及び公開されていないDE10129464.6によって開示されている分子放射線源の参照がなされる。

ありうるLEDは、例えば、無機の赤−黄色発光（red-yellow emitting）のAlGaInPのLED（600乃至620nmの範囲における放射）又は無機の赤色発光のAlGaAsのLEDである。これらのLEDは電気エネルギの赤−黄色又は赤色の放射線への変換においてガス放電ランプより高い効率を持っていることから、本発明に基づいて赤−黄色の光源と緑−青色の光源の加法的な混合をすることによって、良好な演色を備える高効率な光源が得られる。この方法は、とりわけ、これまでに知られている良好な演色を供給する白色光源の場合の上記の120lm/Wという最大値を越える効率を持つ白色の光の色合いを持つランプシステムをもたらす。しかしながら、当然、今述べたこれらのタイプのLEDに加えて、黄−赤色において十分に高い効率を持つ他の全てのタイプも考慮に入れられ得る。

前記混合に含まれる個々の光源の光出力を変更することによって、本発明によるランプシステムの光の色合いを決定することが可能である。これをするために、まず第１に、前記ガス放電ランプ及び／又は前記LEDの電気入力が変更されることが出来、LEDは作動させるのがとりわけ容易である。第２に、これの追加又は代替えとして、切り換え可能なフィルタ又は可動の絞り装置、反射器、レンズ、拡散素子などといった制御可能な混合素子も実現可能である。既に述べたように、エンドユーザによって容易に操作されるランプシステム全体の光の色合いを制御する方法は米国特許出願公開公報第US2001/0005319A1号によって開示されており、この目的のために、ここで、この明細書はまるごと本出願に組み込まれる。ハウジング内に光源を配設する様々なありうる方法及び混合素子の選択肢は上記のように独国実用新案公報第DE20007134U1号によって開示されており、この目的のために、ここで、独国実用新案公報第DE20007134U1号もまた本出願に組み込まれる。

図面に示されている実施の例を参照して本発明を更に説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されない。

ガス放電ランプとして、蛍光灯、とりわけ低圧水銀灯が選択され得る。既に述べたように、このような低圧水銀灯の場合には、電気エネルギは、まず（部分的に）、例えば254nm線の水銀紫外線に変換される。この変換の効率は略々60%である。BAM蛍光体及びCAT蛍光体のUV光を可視光に変換する効率に関しては、254nmのUV量子(UV quantum)の（450nmの）可視青又は（542nmの）可視緑への変換は、これらの量子の間（254nmと450nmとの間又は254nmと542nmとの間）のエネルギ差が所謂ストークスシフト（単一量子蛍光体(single-quantum phosphors)）の形で失われること招くという事実を先ず考慮に入れなければならない。これに加えて他の量子損失メカニズムもあるかもしれないが、これらはより重要性の低いものである。それ故、このようなランプにおける電気エネルギの可視線への変換の所謂物理的効率は、（略々542nmの）緑色の場合に約28%であり、（略々450nmの）青色の場合に34%である。

更に様々な波長λにおける様々な視覚感度V(λ)を考慮に入れると、照明効率を得るためには物理的効率に「V(λ)×683lm/W」が掛けられる。V(542nm) = 0.98とすると、照明効率は緑色において185lm/Wになり、V(450nm) = 0.044とすると、照明効率は青色において10lm/Wになる。

典型的な温白色蛍光灯（色：83、Ra値：80、色温度：3000K）は、緑色及び青色の蛍光体に加えて、YOX(610nm前後の放射)などの赤色蛍光体も使用し、電気エネルギは55:40:5の割合で赤色：緑色：青色に分割される。しかしながら、赤色における大きなストークスシフトのために、物理的効率は25%しかなく、ここでV(610nm) = 0.5であり、85lm/Wという照明効率を与える。それ故、このようなランプの全体的な効率は(0.55×85 + 0.4×185 + 0.05×10)lm/W = 120lm/Wしかなく、これは冒頭で引用した効率に対応する。

それ故、85lm/Wの照明効率を持つ(610nm前後の)赤色蛍光体の代わりにより効率的なLEDが用いられる場合にはランプシステム全体の効率が増大され得る。現在利用可能な600乃至620nmの間の範囲内で放射する黄−赤色のAlGaInPのLEDは、100lm/Wを上回る効率を既に供給しており、このことはそれらを既に85lm/Wの赤色蛍光体より優れたものにしており、それによって、より効率的なランプシステム全体をもたらす。専門家は、これらのLEDは近い将来に150lm/Wまでの効率を達成するであろうと予測しており、故に、赤色における効率は150/85 = 1.76倍まで増大するであろう。このようなLEDの場合には、結果として生じるランプシステム全体の効率は、(0.55×150 + 0.4×185 + 0.05×10)lm/W = 157lm/Wであり、これは明らかに現在の蛍光灯の120lm/Wを上回る。

黄−赤色のAlGaInPのLEDの代わりに又は該LEDに加えて、赤色のAlGaAsのLEDを使用することも可能であり、１つ以上のガス放電ランプと幾つかのこのようなLEDの組み合わせも良い意味をなす。とりわけ、多数の別々の異なる色の光源の使用は、ランプシステム全体の光の色合い、即ち色度の制御範囲を増大させる。同時に、実際には、LEDの出力は広い範囲にわたって容易に制御され得ることが思い出されるべきであり、そのために、ランプシステムの色度を制御するとりわけ単純な手段をもたらす。

個々の光源は、独国実用新案公報第DE20007134U1号に記載されているように設計された混合素子及び１つのハウジング内に収容され得る。独国実用新案公報第DE20007134U1号はこれらの目的のために本出願に組み込まれている。しかしながら、完全を期すために、この明細書から図１及び２並びに関連する記述をここに転載し、必要な修正をする。

図１は、見えない頂部壁３、２つの側壁４及び２つの側壁と一緒の底部壁５を持つハウジング２を有する本発明によるランプシステム１の断面図を示している。側壁は、或る傾斜角をもって頂部壁３に取り付けられ、底部壁５は、拡散板８によって閉鎖される中央光放出開口７を持つ。ハウジング２内では、取り付け台１１上に細長い蛍光灯６が収容され、前記蛍光灯からの光は、直接的に開口７を通って出ることをV字形断面の反射器９によって防止される。蛍光灯６は、緑−青色で発光し、それによってランプシステム１の緑−青色光部分(green-blue light fractions)を供給する。蛍光灯６の緑−青色の光はハウジング２の壁部を介して開口７の方に偏向される。

更に、図２において下からの平面図が示しているように、LED１０が、蛍光灯６のどちらの側にも３つ底部壁５上に取り付けられる。特定の実施例に依存して、LEDは、黄−赤色又は赤色で発光し、それによってランプシステム１の黄−赤色光部分又は赤色光部分を供給する。その場合に、LEDの強度を調整することによってランプシステム１の色度及び色温度を制御することが可能である。更に、ランプシステム１の色度及び色温度のより広い範囲にわたっての更なる制御のために、緑色及び／又は青色で発光する更に他のLEDが取り付けられ得る。蛍光灯６も強度制御を具備し得る。

この混合素子の構成(setup)を用いての個々の光源の色の混合は、直接的に放射される光が、拡散板８を通って出てくる前の、反射器としての役割を果たす壁部における多数の偏向を免れないことから、とりわけ効果的である。しかしながら、各反射で損失が生じるという１つの不利な点がある。それ故、本発明の範囲は、例えばディフュージョンディスク、ミラー及び／又はインテグレータロッド（integrator rod）を使用する他のタイプの混合装置にも及ぶ。

実施の他の例においては、３つのLEDの代わりに全てが黄−赤色又は赤色で発光する（破線によって表わされている）LED列全体が用いられる。しかしながら、前記列は、色度の制御の拡大ために、緑色及び／又は青色における発光を備える別個のLEDも含んでもよく、それはこれらの色をお互いと切り離してアクティブにすることが可能である。

本発明によるランプシステムの断面図を示す。 図１のランプシステムの下からの平面図を示す。

Claims (8)

1. − 緑−青色の色度を持つガス放電ランプと、
   − 黄−赤色の色度を持つLEDと、
   − 前記ガス放電ランプ及び前記LEDからの光の加法的な混合をするための光学素子とを持つランプシステム。
2. 前記ガス放電ランプが蛍光灯であることを特徴とする請求項１に記載のランプシステム。
3. 前記蛍光灯が低圧水銀灯であり、特に、前記低圧水銀灯において、青色の光の生成のために蛍光体BAMが利用され、且つ／又は緑色の光の生成のために蛍光体CATが利用されることを特徴とする請求項２に記載のランプシステム。
4. 前記LEDが、無機LEDであり、とりわけ、赤−黄色発光のAlGaInPのLED又は赤色発光のAlGaAsのLEDであることを特徴とする請求項１に記載のランプシステム。
5. 前記ランプシステムが該ランプシステムの色度を制御する制御素子を具備することを特徴とする請求項１に記載のランプシステム。
6. 前記制御素子が、前記ガス放電ランプ及び／又は前記LEDの電力を制御することによって前記ランプシステムの前記色度を制御するよう設計されることを特徴とする請求項５に記載のランプシステム。
7. 前記制御素子が、前記光学素子の混合特性を制御することによって前記ランプシステムの前記色度を制御するよう設計されることを特徴とする請求項５に記載のランプシステム。
8. − ガス放電ランプによって緑−青色の色度を持つ光を生成する段階と、
   − LEDによって黄−赤色の色度を持つ光を生成する段階と、
   − 光学素子によって前記ガス放電ランプ及び前記LEDからの前記光の加法的な混合をする段階とを有する照明方法。

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