JP2010080145A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の白色ＬＥＤを光源とした照明装置において、光源（の輝点）を直接観察した場合に色ムラの認識度合いを低減する技術を提供する。
【解決手段】色度図における色度のx及びyの座標値が(0.33≦x≦0.36,0.33≦y≦0.37)の範囲にある複数の白色ＬＥＤ光源が３センチメートルから４０センチメートル間隔で配置されているＬＥＤ照明装置であり、複数の白色ＬＥＤ光源の一つと隣接する白色ＬＥＤ光源の発光色の色度値との差が、色度図上の任意の値(g₁₁,g₁₂,g₂₂)を基準とした下記式(１)から（３）により算出される楕円の長軸の長さ(a)及び短軸の長さ(b)を２倍とした楕円の範囲内であることを特徴とするＬＥＤ照明装置である。

【選択図】なし

Description

本発明は、複数の白色光を照射する発光ダイオードを光源とする照明装置において、利用者が知覚しうる個々の光源間の色ムラの度合いを低減する技術に関する。

近年、白色光を照射するいわゆる白色発光ダイオード（以下、白色ＬＥＤとも称する）を光源として用いる一般照明用照明装置（以下、ＬＥＤ照明装置と称する）について、様々な技術が開発されている。

通常、ＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤパッケージ単体の発光出力が限られていること、及び中心光度が高くなるというＬＥＤパッケージの指向特性により、複数のＬＥＤを配置することで照明装置として必要な光量を得ている。

ところで、ＬＥＤ照明装置で用いられる白色ＬＥＤは、一般に青色ＬＥＤを用いてその光源の色と蛍光体によって得られる色とを混色して白色光を得ている。このため、量産工程において含有する蛍光体の比率、分布状況などに僅かな誤差が生じて、結果として得られる光の色温度、色度、あるいは明暗にも差が生じてしまうことがある。このような白色ＬＥＤを用いると、複数の光源を用いるＬＥＤ照明装置は、複数の光源の素子から発せられる輝点は同一の色度を持たなくなってしまうことがある。

また、照明装置では、発光部分を直接観察した場合に眩しさを感じてしまうため、光源の照射面に拡散板等を設置することがある。この場合、輝度を下げた状態で照明を観察することになる。その結果、個々の光源の色の違いが色ムラとして知覚しやすくなり、使用者が不快に感じるおそれがある。

特に、メイン照明（アンビエント照明、室内全体の照明）やタスク照明（机上作業用照明など）としてＬＥＤ照明装置を用いた場合には、照明の発光部（光源）が使用者の視界に直接入りうるため、このような問題はより顕著となる。

上述のようなＬＥＤ照明装置の一例として、例えば光学系を用いて色ムラを低減する技術（特許文献１参照）が知られている。また、複数の紫外ＬＥＤに波長変換シートを用いた白色照明の色ムラ低減策が知られている（特許文献２参照）。
特開２００６−４１３２３号公報 特開２００８−５３５９０号公報

ところで、複数のＬＥＤを用いた照明で色ムラを認識させにくくさせる方法として、色ムラを感じないと判断した所定の色度範囲のＬＥＤを揃えて用いることが考えられる。

図１０は、複数のＬＥＤ光源を並べて使用したときの、従来行われていた同じ色度と感じる範囲の規定方法の例を示す。また、図１１は、任意に（ランダムに）光源を配置して構成した照明装置の使用態様の例を示す。

図１０に示す方法では、色温度順に並べた光源の場合観察者に中心の光源１００ａから右に何番目まで離れた光源（図１０における１００ｂ）が同じ色と感じるか（観察者が同じ色だと感じる色温度の差は、例えば図１０における楕円Ｏの範囲であるか）、という観点に基づき、同じ色に感じる範囲を求めていた。そして、このように定めた範囲の光源を複数用いて照明装置を構成することで、色ムラの問題を解決しようとしていた。

ところが、図１１に示すように、上記方法を用いて同じ色だと判断された範囲の色温度をもつ光源を用いたとしても、当該範囲内の光源を任意に（ランダムに）配置した場合には、色や明暗の違いを観察者が認識する（色ムラがあると感じる）場合がある。

この原因として、人間の目は、個別に観察すれば同じ色だと感じる範囲の上限と下限（色温度、色度が最も異なる）の光源を隣り合わせで配置した場合に、その二光源の色を違う色として認識するという特性を持つことが考えられる。このような現象は一般に側抑制と称される。

つまり、色や明暗の異なる境目付近では、実際の色や明暗の違いよりも人間が感じる色や明暗の差が強調されることが挙げられる。これは、網膜上の細胞の刺激の偏りによって生じると考えられている。つまり、図１１における光源１００ａと１００ｃとを見た場合に網膜上の領域Ａと他の領域Ｂとの境目付近で刺激を受けることになる。このとき、領域Ａ側の網膜の細胞は、領域Ｂ側で刺激を受けた細胞の影響を受けることにより刺激が（色や明暗の差が）強調される。

特に、ＬＥＤ照明装置は、上述の通り発光特性の関係上複数の輝点が生じることから、観察者は個々の光源同士の色の違いを無意識に比較してしまいやすい（色ムラと認識しやすい）といえる。

以上のことから、色温度順に並べて同じ色とする色度範囲を定めた従来の方法では、実際の使用態様に即していないといえる。

一方で、LEDの色度を完全に一致するまで選別を行って使用した場合には、非常に歩留まりが低下してしまうという問題が発生する。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、複数の白色ＬＥＤを光源とした照明装置において、光源（の輝点）を直接観察した場合に色ムラの認識度合いを低減する技術を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、色度図における色度のx 及びy の座標値が(0.33≦x≦0.36,0.33≦y≦0.37)の範囲にある複数の白色ＬＥＤ光源が３センチメートルから４０センチメートル間隔で配置されているＬＥＤ照明装置であり、複数の白色ＬＥＤ光源の一つと隣接する白色ＬＥＤ光源の発光色の色度値との差が、色度図上の任意の値(g₁₁,g₁₂,g₂₂)を基準とした下記式(１)から（３）により算出される楕円の長軸の長さ(a)及び短軸の長さ(b)を２倍とした楕円の範囲内であることを特徴とするＬＥＤ照明装置である。

ここで、式（１）から（３）は、

である。

本発明は、照明装置において、色度図における色度のx 及びy の座標値を上記範囲とした複数の白色ＬＥＤ光源を上記間隔で並べて光源として用いた場合に、その隣り合う光源の視輝度値の差が、上記式（１）から（３）により算出される楕円（MacAdamの楕円）の２倍の範囲内に収まるようにした。

以上のように構成することで、本発明は、隣り合う光源に色度差（色ムラ）があるとしても、それを観察した観察者がその色度差を認識する度合いを低減することができる。

そして、以上のような本発明により、観察者（利用者）が快適に利用可能なＬＥＤ照明装置を容易に提供することができる。

また、本発明は、ＬＥＤ光源が、直線状に１列に配置されていてもよい。
さらに、本発明は、ＬＥＤ光源が、マトリクス状に配置されていてもよい。

上記のようにＬＥＤ光源を配置することにより、観察者が複数のＬＥＤ光源をその視界内に収めることができるため、本発明の効果をより好ましく奏することができる。

本発明のＬＥＤ照明装置によれば、複数の白色ＬＥＤを光源とした照明装置において、光源（の輝点）を直接観察した場合に色ムラの認識度合いを低減する技術を提供するという、優れた効果を奏し得る。

以下、本発明のＬＥＤ照明装置の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置１１であり、白色ＬＥＤを一列に並べた例を示す。

ＬＥＤ照明装置１１は、テスト光源１２ａ〜１２ｅと参照光源１３を3[cm]×30[cm]のアルミベース基板１４上にハンダペーストを用いてハンダ付けして固定されている。ＬＥＤ照明装置１１は、その基板１４を熱伝導シート（不図示）ではさみ、ヒートシンクにネジ止め（不図示）して作製した。実験時は、各光源には350[mA]を通電した。

テスト光源１２ａ〜１２ｅと参照光源１３は、いずれも青色発光ダイオードを黄色系の蛍光体で覆い、蛍光体から得られた赤から緑の光と蛍光体を透過してきた青色光により白色の発光を得る、いわゆる擬似白色ＬＥＤ素子(色温度５０００Ｋ付近)を用いる。ここで、色度については、いずれの光源もＣＩＥｘｙ色度図において(0.33≦x≦0.36,0.33≦y≦0.37)の範囲にある。

本実施の形態において、テスト光源１２ａ〜１２ｅを選定するにあたり、上記色度範囲から、テスト光源１２ａ〜１２ｅの発光時の色度を測定して以下に説明するMacAdamの楕円の２倍の大きさの範囲内の色度で点灯するＬＥＤ光源を選択した。

図２は、ＣＩＥｘｙ色度図上のMacAdamの楕円である。
MacAdamの楕円とは、MacAdamが、ＣＩＥ（Commission Internationale de I'Eclairage）ｘｙ色度図において、色度図上の任意の色度を中心色度とし、この中心色度の色と等しい色となるように加法混色による等色実験により求めた楕円である。

MacAdamの楕円は、色度座標上の楕円の１／１０の範囲に入る色は、どれも同じに見えるということを示している。

また、MacAdamの楕円に関して、２５点の色度に関してのみ記されているが、MacAdamは、任意の色度点での楕円範囲を求められる論文を公表している（J.Opt.Soc.Am.33,18(1943)）。この論文に明記されている色度座標上の等高線（図３参照）から欲しい色度点でのg₁₁,g₁₂,g₂₂の値を読み、以下の式１で楕円の大きさが算出できる。

式１より楕円の長軸長さ(a)と短軸長さ(b)と角度（θ）を計算し、色度図上に楕円を作成した。ここで、例えば2stepとは、この楕円の長軸、短軸を２倍した楕円である。

しかし、この楕円の大きさは、光源間の距離、呈示サイズ、呈示輝度などの実験条件により変化しうる。

ここで、テスト光源１２と参照光源１３の配置間隔について、説明する。

図４は、人間の網膜上の視細胞分布図であり、網膜状の上下方向における視細胞分布図である。また、図５は、人間の網膜上の視細胞分布図であり、網膜状の左右方向における視細胞分布図である。

図４，５において、横軸には網膜の中心からの距離または角度が示され、縦軸にはその位置における錐体細胞または杆体細胞の単位体積あたりの数が示される。

図４，５の分布図から、色を知覚することが可能な視細胞である錐体細胞は、中心から視角１０［°］内（図４，５における網膜周囲部位[deg]の矢印の範囲）に分布していることがわかる。

図６は、網膜上の視細胞分布から考えられる人間が色の違いを認識可能な範囲を示す図である。図４，５から、観察者１０が色の違いについて認識可能な範囲は、視角10[°]内といえる。

そこで、本発明において、ＬＥＤ照明装置１１の光源の配置間隔としては、視覚10[°]内に参照光源１３の色度を中心としてMacAdam楕円の２倍の大きさの範囲内の色度を持つLED群を用いる。図６に示すように、本発明の実験では、観察者１０から3[m]離れた位置において観察者１０からの視角が10[°]となる範囲（（3[m]×tan5[°])×2=約52.5[cm]）にテスト光源１２ａ〜１２ｅを等間隔に配置した。

以上より、実験に用いる複数のテスト光源１２ａ〜１２ｅは、光源の大きさを考慮して光源間の距離は、上記色度範囲のテスト光源１２と参照光源１３を４［ｃｍ］間隔とした。なお、光源間の間隔は、上述の視角の範囲に各光源が配置されていればよいので、上記値に限定されるものではない。

また、観察者の目線の高さ（地上から150[cm]から170[cm]）の水平面照度は、20[lx]に統一した。

このとき、ＬＥＤ照明装置１１には、テスト光源１２ａ〜１２ｅの光軸正面の2[cm]の位置に乳白色の拡散板（不図示）を配置した。ここで、拡散板を用いたのは、実験の結果使用した光源の眩しさを感じる輝度が4000[cd/m²]と判明したことから、実験に用いる光源の輝度を低下させるためである。つまり、ＬＥＤ光源の輝度が十分低いものであれば必要なく、拡散板は本発明における必須の構成ではない。

図７は、ＬＥＤ照明装置１１の色むらに関する主観評価を行った実験環境（暗室ブース）を示す図である。

本発明者らは、ＬＥＤ照明装置１１を図７のように高さ2.45[m]の天井に設置し、テスト光源１２ａ〜１２ｅと参照光源１３の色光を見た場合に、観察者が参照光源１３と隣接するテスト光源１２ａ〜１２ｅとを観察していずれの光源も同じ色だと感じる範囲を求める実験を行った。

図１，４に示すように、実験で用いたＬＥＤ照明装置１１には、直列に白色ＬＥＤを用いたテスト光源１２ａ〜１２ｅが５個と、参照光源１３が１個の計６個取り付けられている。ＬＥＤ照明装置１１に取り付けられるＬＥＤ光源のうちテスト光源１２ａ〜１２ｅは、マッカダムの楕円の２倍の範囲に入る光源を用いる。

ＬＥＤ照明装置１１に取り付けられる残り１個のＬＥＤ光源は、参照光源１３として上述の白色の範囲内の様々な色度のＬＥＤ光源を用いた。参照光源１３はＬＥＤ照明装置１１中のランダムな位置に配置され、被験者に参照光源１３の位置は告知しなかった。

実験にあたり、目を環境に慣れさせるために、被験者には暗室ブース内に１０分間留まってもらう。

そして、ＬＥＤ照明装置１１中の各白色ＬＥＤを用いたテスト光源１２ａ〜１２ｅと参照光源１３の色について、被験者に表１に示す９段階の主観評価を行わせた。

以上のＬＥＤ照明装置１１を用いてテスト光源１２ａ〜１２ｅに対して参照光源１３の色度を変化させて実験を行った結果、ＬＥＤ照明装置１１に使用しても隣接する光源の色の違いがわからない（いかなる配置順でも観察者が色度差を認識し得ない）と判断できる、被験者の評価の平均値が８以上になる色度範囲は、表２から５に示す結果よりマッカダムの楕円の２倍の範囲内であることがわかった。

ここで、表２から５は、参照光源１３の色度値及び隣接するテスト光源１２ａ〜１２ｅとの色差と観察者の評価結果を示す。

図８は、表２から５に示す参照光源１３の色度値及び隣接するテスト光源１２ａ〜１２ｅとの色差と観察者の評価結果をｘｙ色度図に示したものである。図８において、ＢＢは黒体放射軌跡、Ｍ２はMacAdamの楕円の２倍の楕円、Ｍ４はMacAdamの楕円の４倍の楕円、Ｍ６はMacAdamの楕円の６倍の楕円、Ｒは参照光源である。

図８に示すように、本実験によれば、参照光源Ｒを中心に上記式１で求められたMacAdamの楕円の２倍の楕円Ｍ２の範囲内では概ね評価９（図８中●で示す）を得ることができた。

つまり、上記結果から、光源点灯時の色光を見た場合、MacAdamの楕円の２倍(2 step)の範囲で人間は色の違いを感じないといえる。換言すれば、図６に示すような人間の視野角を考慮した範囲において複数の光源を所定間隔で配置した場合に、その隣接する光源の色度差がMacAdamの楕円の２倍(2 step)の範囲であれば、その隣接する異なる色度を持つ光源については、人間はいかなる配置順序（ランダムな配置）であっても色の違いを感じない、といえる。

なお、上述の実験では5000K付近の光源を用いているが、他の色温度の場合でも、任意の色度点におけるマッカダムの楕円2step内の光源群をＬＥＤ照明装置１１に用いた場合には同様の効果を得ることができる。

[その他の実施例]
なお、本発明はＬＥＤ照明装置１１のようにＬＥＤ光源一列に配置したものに限らず、マトリクス状に配置するなど、いわゆる面光源のようにしてもよい。

図９は、本発明の他の実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置２１であり、白色ＬＥＤをマトリクス状に並べた例を示す。

また、ＬＥＤ照明装置１１の大きさは30[cm]×3[cm]程度のものを用いているが、2[m]×2[m]の大きさのものまで同等の効果が得られる。

本発明のＬＥＤ照明装置は、例えば、屋内における一般照明に用いることができる。

本発明の一実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置であり、白色ＬＥＤを一列に並べた例 ＣＩＥｘｙ色度図上のMacAdamの楕円 MacAdamの楕円を算出する際に用いる係数の等高線図 人間の網膜上の視細胞分布図であり、網膜状の上下方向における視細胞分布図 人間の網膜上の視細胞分布図であり、網膜状の左右方向における視細胞分布図 網膜上の視細胞分布から考えられる人間が色の違いを認識可能な範囲を示す図 ＬＥＤ照明装置の色むらに関する主観評価を行った実験環境（暗室ブース）を示す図 表２から５に示す参照光源の色度値及び隣接するテスト光源との色差と観察者の評価結果をｘｙ色度図に示したもの 本発明の他の実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置であり、白色ＬＥＤをマトリクス状に並べた例 複数のＬＥＤ光源を並べて使用したときの、従来行われていた同じ色度と感じる範囲の規定方法の例 任意に（ランダムに）光源を配置して構成した照明装置の使用態様の例

符号の説明

１１ 照明装置
１２ テスト光源
１３ 参照光源
１４ アルミベース基板

Claims (3)

1. 色度図における色度のx 及びy の座標値が(0.33≦x≦0.36,0.33≦y≦0.37)の範囲にある複数の白色ＬＥＤ光源が３センチメートルから４０センチメートル間隔で配置されているＬＥＤ照明装置であり、
   前記複数の白色ＬＥＤ光源の一つと隣接する白色ＬＥＤ光源の発光色の色度値との差が、
   色度図上の任意の値(g₁₁,g₁₂,g₂₂)を基準とした下記式(1)から(3)により算出される楕円の長軸の長さ(a)及び短軸の長さ(b)を2倍とした楕円の範囲内であることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
   

   
2. 前記白色ＬＥＤ光源が、
   直線状に１列に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記白色ＬＥＤ光源が、
   マトリクス状に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。

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