JP2009054633A - Led照明灯具 - Google Patents
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Abstract
【課題】混色光の照射領域全面に亘って均一な色温度および色度を確保することができると共に、混色光の平均演色評価数Raが高くて変動も少なく、且つ簡単な方法で混色光の色温度を連続的に変えることが可能な明るいLED照明灯具を提供することにある。
【解決手段】夫々青色LED2と蛍光体3a、3b、3cの組み合わせからなる3種類の光源のうち2種類の光源から出射される光源光L、Wをそれぞれ黒体放射軌跡近傍の異なる位置の色温度を有するようにして各光源から出射された光源光L、W、Gの加法混色により白色光LWGを得るようにした。そのため、各光源光L、W、Gおよび混色光LWGのスペクトルが可視光領域の連続する波長成分を有すると共に、各光源光L、W、Gの光束比率を制御することにより混色光LWGが黒体放射軌跡上の所望の色温度の位置となるように設定することが可能となった。
【選択図】図1
【解決手段】夫々青色LED2と蛍光体3a、3b、3cの組み合わせからなる3種類の光源のうち2種類の光源から出射される光源光L、Wをそれぞれ黒体放射軌跡近傍の異なる位置の色温度を有するようにして各光源から出射された光源光L、W、Gの加法混色により白色光LWGを得るようにした。そのため、各光源光L、W、Gおよび混色光LWGのスペクトルが可視光領域の連続する波長成分を有すると共に、各光源光L、W、Gの光束比率を制御することにより混色光LWGが黒体放射軌跡上の所望の色温度の位置となるように設定することが可能となった。
【選択図】図1
Description
本発明は、LED照明灯具に関するものであり、詳しくは、色温度を連続的に変えることができるLED照明灯具に関する。
LEDを発光源として白色光を得るには以下のような方法がある。それは、赤色発光のLED(赤色LED)と緑色発光のLED(緑色LED)と青色発光のLED(青色LED)を用い、夫々のLEDから出射される赤色光、緑色光、青色光の光の三原色の加法混色によって白色光を得る方法である。
具体的には、発光スペクトルのピーク波長λpが605〜635nm、半値幅Δλが15〜60nmの赤色LEDと、ピーク波長λpが530〜570nm、半値幅Δλが20〜60nmの緑色LEDと、ピーク波長λpが450〜490nm、半値幅Δλが15〜70nmの青色LEDを用い、各LEDから出射された赤色光、緑色光、青色光の夫々の光束比を制御した加法混色によって白色光を得るものである。
その場合、光束比を変えることによって異なる相関色温度および平均演色評価数の白色光が得られ、例えば、発光スペクトルのピーク波長λpが620nm、半値幅Δλが16.1nmの赤色光を光束比20.67%、ピーク波長λpが550nm、半値幅Δλが48.0nmの緑色光を光束比54.17%、ピーク波長λpが470nm、半値幅Δλが68.8nmの青色光を光束比25.16%とした加法混色で相関色温度が6500K、平均演色評価数Raが95.2の白色光(A)が得られ、赤色光を光束比22.88%、緑色光を光束比57.89%、青色光を光束比19.24%とした加法混色で相関色温度が5000K、平均演色評価数Raが94.3の白色光(B)が得られ、赤色光を光束比32.12%、緑色光を光束比59.35%、青色光を光束比8.24%とした加法混色で相関色温度が3000K、平均演色評価数Raが91.3の白色光(C)が得られる(図7参照)(例えば、特許文献1参照。)。
また他の方法として、青色LEDを発光源とし、青色LEDから出射される青色光に励起されて赤色光および緑色光に夫々波長変換する赤色蛍光体および緑色蛍光体の2種類の蛍光体混合物を用い、青色LEDから出射された青色光が蛍光体混合物を励起することによって波長変換された赤色光および緑色光と、青色LEDから出射された青色光の光の三原色の加法混色によって白色光を得る方法である。
具体的には、発光スペクトルのピーク波長λpが460nmの青色LEDと、SrS:Euからなる赤色蛍光体とSrCa:2S4:Euからなる緑色蛍光体の蛍光体混合物を用い、青色LEDから出射された青色光が蛍光体混合物を励起することによって波長変換された赤色光および緑色光と、青色LEDから出射された青色光の夫々の光束比を制御した加法混色によって白色光を得るものである。
その場合、青色LEDの出射光量、赤色蛍光体および緑色蛍光体の夫々の絶対量、赤色蛍光体と緑色蛍光体の相対量等を制御して光束比を変えることによって異なる相関色温度および平均演色評価数の白色光が得られ、例えば相関色温度が3000K、平均演色評価数Raが94の白色光(D)、相関色温度が3800K、平均演色評価数Raが94の白色光(E)、相関色温度が4400K、平均演色評価数Raが94の白色光(F)、相関色温度が4900K、平均演色評価数Raが92の白色光(G)が得られる(図8参照)(例えば、特許文献2参照。)。
特開2001−184910号公報
特開2002−60747号公報
ところで、上述したような赤色LED、緑色LED、青色LEDの3種類のLEDを発光源として白色光を得る方法は、各LEDから出射された赤色光、緑色光、青色光の夫々の光束比を制御することによって白色光のみならず、各LEDから出射された夫々の光の色度座標上の位置を各頂点とする三角形で囲まれた領域内の色度座標で表わされる全ての光色を再現することが可能である。
この場合、特に各LEDから出射される夫々の光は発光スペクトルの半値幅が狭くて単波長に近いスペクトル分布を有しており、色度座標上においてはスペクトル軌跡近傍に位置するために白色光を含む色度座標上の広範囲の領域の光色を形成することができる。
但し、この方法は上述のように赤色LED、緑色LED、青色LEDの各LEDから出射される赤色光、緑色光、青色光のいずれの発光スペクトルも半値幅が狭く、且つ赤色光のスペクトルと緑色光のスペクトルの間および緑色光のスペクトルと青色光のスペクトルの間は波長領域の連続性がなく、夫々互いに分離された波長成分を有している。
そのため、赤色光、緑色光、青色光による加法混色の光をレンズを介して配光制御する際に、レンズの屈折率が各色光の波長成分によって異なるためにレンズを介して出射される混色光の照射領域の輪郭部に波長成分毎に分離された部分が発生し、照射領域全面に亘って均一な色度を確保することは極めて困難である。
この問題を解決するためには複雑な光学系による光のミキシングが必要となるが、その場合、光学素子の配設や光路長の長大化により光源装置の小型化、薄型化に逆行することになる。
また、赤色光、緑色光、青色光のうちの1つでも発光スペクトルにおけるピーク波長がシフトすると不連続な波長領域が変化し、混色光の平均演色評価数Raを大きく変動させる要因となる。
また、各色光はスペクトル成分の積分値が小さいために夫々の全光束も少なく、特に視感度の高い緑色光に対して視感度の低い赤色光および青色光は全光束が極端に低下する。そのため、混色光においても全光束は少ないものとなり、明るい光源とはならない。
一方、青色LEDを発光源とし、赤色蛍光体および緑色蛍光体の2種類の蛍光体混合物を用いて白色光を得る方法は、上述の3種類のLEDを発光源として白色光を得る方法においては、特に緑色LEDの発光効率が他の赤色LEDおよび青色LEDの発光効率に対して悪く、この問題を解決するために青色LEDから出射された青色光で緑色蛍光体を励起してより光束の多い擬似緑色光を緑色光源の代替とするものである。
但し、この方法は青色光として青色LEDから出射された光をそのまま使用しているために、赤色LED、緑色LED、青色LEDの3種類のLEDを発光源として白色光を得る方法と同様の問題を有している。つまり、照射領域全面に亘って均一な色温度および色度を確保することが困難である共に、青色光の発光スペクトルにおけるピーク波長がシフトすると混色光の平均演色評価数Raが変動し、光源としても明るいものとはならない。
また、その後の緑色LEDの発光効率の改善によって緑色光の光束の増大が図られており、必ずしも緑色光を青色LEDと緑色蛍光体の組み合わせで形成する必要がなくなった。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、混色光の照射領域全面に亘って均一な色温度および色度を確保することができると共に、混色光の平均演色評価数Raが高くて変動も少なく、且つ簡単な方法で混色光の色温度を連続的に変えることが可能な明るいLED照明灯具を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、それぞれ色調が異なる光を出射する第1の光源、第2の光源、および第3の光源の3種類の光源と、前記3種類の光源から出射された光を透過するレンズを備えた照明装置であって、
前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源はいずれも青色LEDと前記青色LEDからの青色光で励起されて該青色光とは異なる色調の光を出射する蛍光体との組み合わせからなり、
前記第1の光源および前記第2の光源から出射される光はそれぞれ黒体放射軌跡近傍の異なる位置の色温度を有し、前記第3の光源から出射される光は黒体放射軌跡外の緑色領域内の色度座標を有することを特徴とするものである。
前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源はいずれも青色LEDと前記青色LEDからの青色光で励起されて該青色光とは異なる色調の光を出射する蛍光体との組み合わせからなり、
前記第1の光源および前記第2の光源から出射される光はそれぞれ黒体放射軌跡近傍の異なる位置の色温度を有し、前記第3の光源から出射される光は黒体放射軌跡外の緑色領域内の色度座標を有することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項2に記載された発明は、請求項1において、前記第1の光源および前記第2の光源から出射される光は、いずれも黒体放射軌跡に対して±0.005duvの範囲内にあることが好ましく、いずれも黒体放射軌跡に対して±0.002duvの範囲内にあることが更に好ましいことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項3に記載された発明は、請求項1または2のいずれか1項において、前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射される光のスペクトルおよび前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射された光の混色光のスペクトルはいずれも、少なくとも450nm〜600nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上の連続する波長成分を有していることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項4に記載された発明は、請求項1〜3のいずれか1項において、前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射される光の平均演色評価数Raおよび前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射された光の混色光の平均演色評価数Raはいずれも90以上であることを特徴とするものである。
本発明のLED照明灯具は、青色LEDと該青色LEDからの青色光で励起されて青色光とは異なる色調の光を出射する蛍光体との組み合わせからなる3種類の光源を備え、そのうち2種類の光源から出射される光をそれぞれ黒体放射軌跡近傍の異なる位置の色温度を有するようにして各光源から出射された光源光の加法混色により白色光を得るようにした。そのため、各光源光および混色光のスペクトルが可視光領域の連続する波長成分を有すると共に、各光源光の光束比率を制御することにより混色光が黒体放射軌跡上の所望の色温度の位置となるように設定することができる。
その結果、混色光の照射領域全面に亘って均一な色温度および色度を確保することができると共に、混色光の平均演色評価数Raが高くて変動も少なく、且つ簡単な方法で混色光の色温度を連続的に変えることが可能な明るいLED照明灯具を実現することが可能となった。
以下、この発明の好適な実施形態を図1〜図6を参照しながら、詳細に説明する(同一部分については同じ符号を付す)。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
図1は本発明のLED照明灯具の基本構成を示す断面図である。本発明は夫々異なるスペクトル分布を有する3種類の光源1a、1b、1cを備えており、それら(光源1a、1b、1c)はいずれもピーク発光波長が465nm±15nmの青色光を発光するLED(以降、青色LEDと呼称する)2を発光源とし、光源1a、1b、1cはそれぞれ青色LED2から出射された青色光で励起されて該青色光とは異なる色調の光を出射する蛍光体3a、3b、3cとの組み合わせからなっている。
蛍光体3a、3bは共に青色光で励起されて赤色光を出射する赤色蛍光体と緑色光を出射する緑色蛍光体を混合したものからなり、そのうち蛍光体3aは出射光が赤色成分を多く含むような混合比率で構成されており、一方蛍光体3bは出射光が緑色成分を多く含むような混合比率で構成されている。蛍光体3cは青色光で励起されて緑色光を出射する緑色蛍光体からなっている。
光源1a、1b、1cの上方には各光源1a、1b、1cの夫々から出射された光源光L、W、Gが加法混色された混色光LWGの配光を制御するためのレンズ4が配置されている。
図2〜図4は3種類の光源1a、1b、1cの夫々から出射される光源光L、W、Gのスペクトル分布を示しており、図2は光源1aから出射された光源光Lのスペクトル分布、図3は光源1bから出射された光源光Wのスペクトル分布、図4は光源1cから出射された光源光Gのスペクトル分布である。
光源1aから出射される光源光Lは、青色LED2から出射された青色光と、青色光で励起された蛍光体3aが出射する、該青色光とは異なる色調の光との加法混色によるスペクトル分布を有しており、具体的には図2に示すように、約425nm〜830nmの連続する波長成分を有し、約450nm〜710nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持している。また、光源光Lは2800Kの色温度に相当する色度座標を有する電球色の色調を呈しており、高演色性を有している。
光源1bから出射される光源光Wは、青色LED2から出射された青色光と、青色光で励起された蛍光体3bが出射する、該青色光とは異なる色調の光との加法混色によるスペクトル分布を有しており、具体的には図3に示すように、約425nm〜800nmの連続する波長成分を有し、約450nm〜660nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持している。また、光源光Wは7000Kの色温度に相当する色度座標を有する白色の色調を呈しており、高演色性を有している。
光源1cから出射される光源光Gは、青色LED2から出射される青色光と、青色光で励起された蛍光体3cが出射する、該青色光とは異なる色調の光との加法混色によるスペクトル分布を有しており、具体的には図4に示すように、約425nm〜770nmの連続する波長成分を有し、約450nm〜620nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持している。また、光源光Gは色度座標(x、y)がx≒0.276、y≒0.423で緑色の色調を呈している。
各光源光L、W、Gはいずれも少なくとも約450nm〜600nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持している。
上記各光源1a、1b、1cから出射される光源光L、W、Gを色度図上に記したものが図5である。色温度2800Kの光源光Lと色温度7000Kの光源光Wは黒体放射軌跡上に位置し、色度座標(x、y)がx≒0.276、y≒0.423の光源光Gは黒体放射軌跡外に位置している。
これら3種類の光源1a、1b、1cの夫々から出射される光源光L、W、Gの光束比率を変えることによって加法混色された混色光LWGが黒体放射軌跡上を連続的に移動するようにできる。
具体的には、光源1aおよび光源1bの夫々の発光源となる青色LEDの駆動電流を制御して光源1aから出射される光源光Lの光束と光源1bから出射される光源光Wの光束の比率を変えることにより、光源光Lと光源光Wの加法混色による混色光LWが光源光Lの色度座標と光源光Wの色度座標を結ぶ直線(L−W)上を移動する。
例えば、光源1aおよび光源1bのうち光源1aのみに駆動電流を印加したときは混色光LWとはならず光源光Lである黒体放射軌跡上の2600Kの色温度を示し、光源1aの駆動電流を徐々に低減させながら光源1bの駆動電流を徐々に増加させていくと、光源1bから出射される光源光Wの光束の光源1aから出射される光源光Lの光束に対する比率が徐々に増加して光源光Lと光源光Wの混色光LWが直線(L−W)上を光源光Lの色度座標から光源光Wの色度座標に向かって移動し、印加される駆動電流が光源1bのみになると混色光LWとはならず光源光Wである黒体放射軌跡上の7000Kの色温度を示す。
そのとき、混色光LWが移動する直線(L−W)と黒体放射軌跡は互いに近い距離に位置するものの異なる軌跡を描いている。そこで更に、光源1cの駆動電流を制御して光源1cから出射される光源光Gの光束と混色光LWの光束の比率を変えることにより、光源光Gと混色光LWの加法混色による混色光LWGの色度座標が、混色光LWの色度座標と光源光Gの色度座標を結ぶ直線(LW−G)と黒体放射軌跡との交点に位置するように設定することができる。
例えば、光源1a、1bのみに所定の比率となる駆動電流を印加したときは、混色光LWGとはならず混合光LWである直線(LW−G)上の色度座標を示し、光源1a、1bの駆動電流を所定の比率で維持した状態で徐々に低減させながら光源1cの駆動電流を徐々に増加させていくと、光源1cから出射される光源光Gの光束の光源1a、1bから出射される光源光Lと光源光Wの混色光LWの光束に対する比率が徐々に増加して混色光LWと光源光Gの混色光LWGが直線(LW−G)上を混色光LWの色度座標から光源光Gの色度座標に向かって移動し、印加される駆動電流が光源1cのみになると混色光LWGとはならず光源光Gである直線(LW−G)上の色度座標を示す。
このとき、光源1a、1bの夫々の駆動電流を所定の比率で維持した状態で制御すると同時に、光源1cの駆動電流を制御することによって、各光源1a、1b、1cの夫々から出射される光源光L、W、Gの混色光LWGの色度座標を、黒体放射軌跡上の直線(LW−G)との交点の位置に設定することが可能となる。
表1は、上記手法に基づいて混色光LWGを2600Kの色温度に相当する色度座標から7000Kの色温度に相当する色度座標までを黒体放射軌跡上を移動させたときの各色温度に対する平均演色評価数Raと(電力−光束)変換効率を示したものである。
この表より、混色光LWGの平均演色評価数Raは黒体放射軌跡上の色温度2600Kから7000Kまでの各位置において全て92となり、混色光LWGの変換効率は全て34lm/Wとなっており、本発明のLED照明灯具が、色調を連続して変化させた場合でも高くて安定した平均演色評価数Raおよび変換効率を有するものであることがわかる。
図6は色温度が5000Kの混色光LWGのスペクトル分布を示している。表1より平均演色評価数Raは92、発光効率は34lm/Wであることは明らかであると共に、約425nm〜830nmの連続する波長成分を有し、約450nm〜685nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持しており、高演色性を有する白色光となっている。
このように所望の色温度に設定された混色光LWGがレンズ4で所望の配光に制御されて外部に放出される。このとき、混色光LWGは約450nm〜685nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持しているために、レンズ4で屈折されて外部に出射されるときに所定の強度を維持した連続する波長成分によって混色光LWGの照射領域の輪郭部に波長成分毎に分離される部分が発生することはなく、照射領域全面に亘って均一性が良好な色度を確保することが可能となる。
特に、レンズ4によって混色光LWGを集光して外部に出射する場合は、照射領域内で光色の分離が生じないために良好なスポットが得られ、且つ簡単な光学系で集光させることが可能なことから薄くて小型の照明灯具を実現することができる。
また、各光源光L、W、Gのスペクトルはいずれも視感度の高い緑色光の波長成分を有しているため全光束が大きく明るい光源となっている。従って、光源光L、W、Gの混色光LWGにおいても視感度の高い緑色光の波長成分を有しており、全光束が大きく明るい照明灯具となっている。
なお、光源光Lおよび光源光Wは黒体放射軌跡上に位置することが理想であるが、実際は青色LEDのスペクトル分布、蛍光体の厚み等における製造上のばらつきによって黒体放射軌跡上からズレることがある。すると、黒体放射軌跡と直線(L−W)の間の距離が大きくなり、混色光LWGを黒体放射軌跡上に位置させるために混色光LWに加える光源光Gが大きい光束が必要となり、そのため光源1cの駆動電流が大きくなって照明灯具の消費電力が大きくなる。
よって、光源光Lおよび光源光Wの黒体放射軌跡からのズレはいずれも±0.005duvの範囲内にあることが望ましく、±0.002duvの範囲内にあることが更に望ましい。
また、光原光Gの色度座標(x、y)をx≒0.276、y≒0.423としたが、必ずしもこの値に限定されるものではなく、黒体放射軌跡と直線(LW−G)が交点を形成するような緑色領域内の色度座標であればよい。
なお、本実施形態を説明する図面においては、夫々異なる色調の光を出射する3種類の光源1a、1b、1cを1個づつ設けているが、光源1a、1b、1cの夫々の個数はこれに限られるものではなく、発光源となる青色LEDの発光効率、青色光で励起される蛍光体の励起効率、照明灯具に求められる明るさ、消費電力、寸法形状等の条件を考慮して設定される。
その結果、各光源1a、1b、1cの夫々が1個または複数個であったり、互いの個数が同一あるいは異なるものであったりする場合もある。
更に、本実施例においては、混色光LWGをレンズ4で配光制御して外部に出射していたが、各光源光L、W、Gを個々にレンズ4で配光制御してレンズ4外に出射された後に混色光LWGを形成することも可能である。
この場も、各光源光L、W、Gのスペクトル分布がいずれも約450nm〜600nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上を維持しているため、レンズ4外に出射される各光源光L、W、Gの照射領域内で光色の分離が生じることがない。そのため、レンズ4外で加法混色された混色光LWGにおいても照射領域全面に亘って均一性が良好な色度を確保することが可能となる。
以上説明したように、本発明は少なくとも2種類の光源1a、1bが演色性の高い光源光L、Wを出射するようにしたことにより、光源1cが出射する補色の光源光Gの演色性が低くても全ての色温度領域に亘って混色光の平均演色評価数Raを90以上とすることが可能となった。
1a、1b、1c 光源
2 青色LED
3a、3b、3c 蛍光体
4 レンズ
2 青色LED
3a、3b、3c 蛍光体
4 レンズ
Claims (4)
- それぞれ色調が異なる光を出射する第1の光源、第2の光源、および第3の光源の3種類の光源と、前記3種類の光源から出射された光を透過するレンズを備えた照明装置であって、
前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源はいずれも青色LEDと前記青色LEDからの青色光で励起されて該青色光とは異なる色調の光を出射する蛍光体との組み合わせからなり、
前記第1の光源および前記第2の光源から出射される光はそれぞれ黒体放射軌跡近傍の異なる位置の色温度を有し、前記第3の光源から出射される光は黒体放射軌跡外の緑色領域内の色度座標を有することを特徴とするLED照明灯具。 - 前記第1の光源および前記第2の光源から出射される光は、いずれも黒体放射軌跡に対して±0.005duvの範囲内にあることが好ましく、いずれも黒体放射軌跡に対して±0.002duvの範囲内にあることが更に好ましいことを特徴とする請求項1に記載のLED照明灯具。
- 前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射される光のスペクトルおよび前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射された光の混色光のスペクトルはいずれも、少なくとも450nm〜600nmの波長領域の全領域に亘って最大強度の20%以上の連続する波長成分を有していることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載のLED照明灯具。
- 前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射される光の平均演色評価数Raおよび前記第1の光源、前記第2の光源、および前記第3の光源のそれぞれから出射された光の混色光の平均演色評価数Raはいずれも90以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED照明灯具。
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