JP2011154895A - Light source device and lighting system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置および照明装置に関する。 The present invention relates to a light source device and an illumination device.
特許文献1には、一般的な白色発光装置(白色光源)が示されている。図1は特許文献1に示されている白色発光装置(白色光源)の概略図である。図1を参照すると、特許文献1に示されている白色発光装置(白色光源)10は、基板1と、基板1上に設けられ、青色光を出射する青色発光素子(例えば青色LED)2と、青色発光素子2上に形成されたモールディング物質3とを有し、モールディング物質3内には、黄色蛍光体が分散されている。ここで、モールディング物質3内に所定濃度の黄色蛍光体が分散されている場合には、白色発光装置(白色光源)10は、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する通常の一般的な(汎用的な)白色光源となる。
ところで、発光効率を下げずに演色性を上げるため、図2に示すように、白色光源(例えば白色LED)10とともに、赤色光を出射する赤色光源(例えば赤色LED)20をさらに用意し、白色光源10と赤色光源20とを同時に発光させ、白色光源10からの光に赤色光を混色させることが要望されている。
By the way, in order to improve the color rendering without reducing the luminous efficiency, a white light source (for example, a white LED) 10 and a red light source (for example, a red LED) 20 that emits red light are further prepared as shown in FIG. It is desired that the
しかしながら、この場合、白色光源(例えば白色LED)10として、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する通常の一般的な(汎用的な)白色光源を用いると、図3に示すように、白色光源10からの光と赤色光源20からの赤色光との混色光を黒体放射軌跡上に位置させることができず、色(白色光)のバランスが崩れるという問題(演色性を大幅には改善できないという問題)があった。なお、図3は色度座標を示す図であり、図3において、C1は黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する通常の一般的な(汎用的な)白色光源10からの光(すなわち、黒体放射軌跡上に位置する白色光)の色度座標プロット、C2は赤色光源20からの赤色光の色度座標プロット、C3は黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する通常の一般的な(汎用的な)白色光源10からの光と赤色光源20からの赤色光との混色光の色度座標プロットである。図3からわかるように、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する通常の一般的な(汎用的な)白色光源10からの光(黒体放射軌跡上に位置する白色光)と赤色光源20からの赤色光との混色光の色度座標プロットC3は、黒体放射軌跡よりも右下の方向(―duv)、つまり赤色領域に向かって移動するので、黒体放射軌跡上に位置させることはできない。
However, in this case, as a white light source (for example, a white LED) 10, when an ordinary general (general purpose) white light source that emits white light located on a black body radiation locus is used, as shown in FIG. The problem that the mixed color light of the light from the
白色光源10からの光と赤色光源20からの赤色光との混色光を黒体放射軌跡上に位置させるために、白色光源10として、図4に示すように、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する通常の一般的な(汎用的な)白色光源よりも、黄色蛍光体が高濃度に分散されているモールディング物質93を用いた特殊な白色光源(例えば白色LED)、すなわち、通常の一般的な(汎用的な)白色光源よりも、黄色を帯びた白色光を出射する特殊な白色光源を用いることも考えられる。なお、図4において、図1と同様な箇所には同じ符号を付している。
In order to position the mixed light of the light from the
図5は、白色光源10からの光の色度座標プロットC1が青色と黄色の比率に応じて変化する方向を示す図であり、黄色の比率が増えると、色度座標プロットC1は右上の方向Aに向けて移動する。
FIG. 5 is a diagram showing a direction in which the chromaticity coordinate plot C1 of the light from the
従って、図4に示すような黄色蛍光体が高濃度に分散されているモールディング物質93を用いた特殊な白色光源からの光(黄色を帯びた白色光)の色度座標プロットは、図6に示すように、C4の位置となり、黄色を帯びた白色光と赤色光との混色光の色度座標プロットC5を、黒体放射軌跡上に位置させることができる。
Therefore, a chromaticity coordinate plot of light (yellowish white light) from a special white light source using a
しかしながら、この場合には、黄色を帯びた白色光を出射する特殊な白色光源は、一般的な(汎用的な)ものではないため、これを用いると、光源装置および照明装置が高価なものになってしまうという問題があった。すなわち、汎用性のある安価な白色光源(例えば白色LED)は、黒体放射軌跡上の6500K、6000Kを目標に設計されている。よって、図4のような黄色を帯びた白色光を出射する白色光源は、赤色光源と同時発光させる専用の特殊な白色光源となってしまい、一般的に入手できる汎用的な安価な白色光源(例えば白色LED)を使用することができず、光源装置および照明装置が高価なものになってしまうという問題があった。 However, in this case, a special white light source that emits yellowish white light is not a general (general-purpose) light source. Therefore, if this is used, the light source device and the illumination device are expensive. There was a problem of becoming. That is, a versatile and inexpensive white light source (for example, a white LED) is designed to target 6500K and 6000K on the black body radiation locus. Therefore, the white light source that emits yellowish white light as shown in FIG. 4 becomes a special white light source dedicated to simultaneously emitting light with the red light source, and is a general-purpose inexpensive white light source that is generally available ( For example, white LEDs) cannot be used, and there is a problem that the light source device and the illumination device become expensive.
本発明は、一般的に入手できる汎用的な安価な白色光源を使用する場合にも、この白色光源からの白色光と赤色光源からの赤色光との混色光の色度座標プロットを黒体放射軌跡上に位置させることの可能な光源装置および照明装置を提供することを目的としている。 The present invention also provides a chromaticity coordinate plot of mixed color light of white light from a white light source and red light from a red light source, even when using a generally available and inexpensive white light source. An object of the present invention is to provide a light source device and an illuminating device that can be positioned on a locus.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する白色光源と、前記白色光源からの光に混色させるための赤色光を出射する赤色光源と、前記白色光源からの光から青色成分を所定の割合でカットするフィルタとを備えており、前記フィルタは、480nm以下の波長領域が20〜60%の透過率になっており、500nm以上の波長領域が90%以上の透過率になっていることを特徴とする光源装置である。
In order to achieve the above object, the invention described in
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の光源装置に光学系が設けられていることを特徴とする照明装置である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an illumination device characterized in that the light source device according to the first aspect is provided with an optical system.
また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の照明装置において、前記フィルタは、前記白色光源と前記光学系との間に設けられていることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the illumination device according to the second aspect, the filter is provided between the white light source and the optical system.
請求項1乃至請求項3記載の発明によれば、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する白色光源と、前記白色光源からの光に混色させるための赤色光を出射する赤色光源と、前記白色光源からの光から青色成分を所定の割合でカットするフィルタとを備えており、前記フィルタは、480nm以下の波長領域が20〜60%の透過率になっており、500nm以上の波長領域が90%以上の透過率になっているので、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する一般的に入手できる汎用的な安価な白色光源を使用する場合にも、この白色光源からの白色光と赤色光源からの赤色光との混色光の色度座標プロットを黒体放射軌跡上に位置させ、かつ、発光効率を落とさずに、演色性を大幅に改善することができる。
According to invention of
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図7は本発明の光源装置および照明装置の構成例を示す図(概略図)である。なお、図7において、図2と同様の箇所には同じ符号を付している。図7を参照すると、この光源装置は、白色光源(例えば白色LED)10と、白色光源10からの光に混色させるための赤色光を出射する赤色光源(例えば赤色LED)20とを有している。
FIG. 7 is a diagram (schematic diagram) showing a configuration example of the light source device and the illumination device of the present invention. In FIG. 7, the same parts as those in FIG. Referring to FIG. 7, the light source device includes a white light source (for example, a white LED) 10 and a red light source (for example, a red LED) 20 that emits red light to be mixed with the light from the
ここで、白色光源10には、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する一般的な(汎用的な)安価な白色光源(例えば白色LED)が用いられる。すなわち、本発明において用いられる白色光源(例えば白色LED)10は、この白色光源10から出射される白色光の発光スペクトル分布が図8に示すようなものとなっており、色温度が6000〜6500K程度で、色度座標プロットが黒体放射軌跡上に位置している。具体的には、図3あるいは図5に色度座標プロットC1をもつもの(すなわち、この例では、色温度が6000Kで、黒体放射軌跡上に位置している一般的な(汎用的な)安価な白色光源)が用いられる。なお、この白色光源10の色温度(6000〜6500K程度)は、後述のように最終的に得られる(すなわち、目標とする)混色光の色温度よりも1500〜2500K程度、高いものとなっている。
Here, a general (general-purpose) inexpensive white light source (for example, a white LED) that emits white light positioned on a black body radiation locus is used as the
また、赤色光源20には、赤色光(610〜660nmの波長域の赤色光)を出射する一般的な(汎用的な)安価な赤色光源(例えば赤色LED)が用いられる。図9には、汎用的な赤色光源(発光波長が630nmの赤色光を出射する赤色光源)20からの赤色光の発光スペクトル分布が示されている。
The
本発明においても、基本的には、白色光源(例えば白色LED)10からの白色光と赤色光源(例えば赤色LED)20からの赤色光とを混色させるようになっている。具体的には、白色光源(例えば白色LED)10と赤色光源(例えば赤色LED)20とを、同時に混色発光させるようになっている。白色光源(例えば白色LED)10と赤色光源(例えば赤色LED)20とを、同時に混色発光させたときの混色光の発光スペクトル分布は、図10に示すようなものとなる。 Also in the present invention, basically, white light from a white light source (for example, white LED) 10 and red light from a red light source (for example, red LED) 20 are mixed. Specifically, a white light source (for example, white LED) 10 and a red light source (for example, red LED) 20 are caused to emit mixed color light simultaneously. FIG. 10 shows the emission spectrum distribution of the mixed color light when the white light source (for example, white LED) 10 and the red light source (for example, red LED) 20 simultaneously emit mixed color light.
しかしながら、本発明では、白色光源(例えば白色LED)10に、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する一般的な(汎用的な)安価なものを用いているので、これだけでは、混色光の色度座標プロットは、図3に示したようにC3の位置となり、黒体放射軌跡上に位置しなくなってしまう。 However, in the present invention, a general (general purpose) inexpensive one that emits white light located on a black body radiation locus is used for the white light source (for example, white LED) 10, so that this alone is a color mixture. The chromaticity coordinate plot of light becomes the position of C3 as shown in FIG. 3, and is no longer positioned on the black body radiation locus.
そこで、本発明では、図7に示すように、白色光源10からの光から青色成分を所定の割合でカットするフィルタ(青色成分カットフィルタ)30を、さらに設けている。図11はこのフィルタ30の分光分布特性(波長に対する透過率特性)を示す図である。図11を参照すると、このフィルタ30は、480nm以下の波長領域が20〜60%の透過率になっており(換言すると、480nm以下の波長領域については40〜80%の範囲でカットするようになっており)、500nm以上の波長領域が90%以上の透過率になっている。このような特性をもつフィルタ30は、例えば、キノフタロン系の染料を透明なアクリル樹脂に分散させ紫外吸収材を添加することで、実現できる。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 7, a filter (blue component cut filter) 30 that cuts the blue component from the light from the
このように、汎用的な白色光源(例えば白色LED)10と610〜660nmの赤色光源(例えば赤色LED)20を、同時に混色発光させ、480nm以下の波長領域を40〜80%カットし、500nm以上の波長領域が90%以上の透過率になっているフィルタ30に通過させることで、汎用的な白色光源(例えば白色LED)10からの白色光と610〜660nmの赤色光源(例えば赤色LED)20からの赤色光との明るさ比はルーメン換算で10:1〜18:1の範囲になる(すなわち、480nm以下の波長領域を40%カットのときは、白色光と赤色光との明るさ比はルーメン換算で18:1となり、480nm以下の波長領域を80%カットのときは、白色光と赤色光との明るさ比はルーメン換算で10:1となり、より演色性が向上する)。また、上記フィルタ30は、上記の特性を有することで、発光スペクトルの発光ピークが変動したり、フィルター特性が変動しても、色度が影響を受けにくいものとなっている。
In this way, a general-purpose white light source (for example, white LED) 10 and a red light source (for example, red LED) 20 having a wavelength of 610 to 660 nm are mixed and emitted at the same time, and a wavelength region of 480 nm or less is cut by 40 to 80% and 500 nm or more. Is passed through a
図12には、汎用的な白色光源(例えば白色LED)10の発光スペクトル(図8の発光スペクトル)に対して、480nm以下の波長領域が60%の透過率(すなわち、40%カット)になっているフィルタ30を通過させた前後の発光スペクトル分布が示されている。図12において、S1がフィルタ30を通過させる前の発光スペクトル分布であり、S2がフィルタ30を通過させた後の発光スペクトル分布である。図12から、450〜460nm付近の青色発光に関係している発光領域以外は、発光スペクトル分布はほとんど変化していないことが分かる。そして、図14に示すように、フィルタ30を通過させる前の汎用的な白色光源(例えば白色LED)10からの光の色度座標プロットC1は、フィルタ30を通過させた後には、C4に移動する。これは、図4に示すような黄色蛍光体が高濃度に分散されているモールディング物質93を用いた特殊な白色光源を使用する場合の色度座標プロットの位置(図6を参照)と同じであり、本発明では、特殊な白色光源を使用せずに、汎用的な白色光源とフィルタ30とを用いて、色度座標プロットの位置をC4に移動させることができることがわかる。つまり、図12において450〜460nm付近の発光スペクトルはフィルタ30を通過させた前後で40%も減少するため図14の色度座標プロット図ではC1からC4へと黄色領域に移動することから、黄色蛍光体濃度が高くなったことと同じ効果を持たせることができる。
In FIG. 12, the wavelength region of 480 nm or less has a transmittance of 60% (ie, 40% cut) with respect to the emission spectrum of the general-purpose white light source (for example, white LED) 10 (emission spectrum of FIG. 8). The emission spectrum distribution before and after passing through the
図13には、黒体軌跡上の汎用的な白色光源(例えば白色LED)10と赤色光源(例えば赤色LED)20とを、同時に混色発光させたときの混色光の発光スペクトル(図10の発光スペクトル)に対して、480nm以下の波長領域が60%の透過率(すなわち、40%カット)になっているフィルタ30を通過させた前後の発光スペクトル分布が示されている。図13において、S3がフィルタ30を通過させる前の混色光の発光スペクトル分布であり、S4がフィルタ30を通過させた後の混色光の発光スペクトル分布である(なお、この発光スペクトル分布は、光源装置および照明装置の構成が厳密には(実際には)図7のものでなく、後述の図15のようになっている場合のものである)。そして、図14に示すように、フィルタ30を通過させた後の混色光の色度座標プロットはC5となり、汎用的な安価な白色光源からの白色光と汎用的な安価な赤色光源からの赤色光との混色光の色度座標プロットを黒体放射軌跡上(黒体放射軌跡上の色温度4300K)に位置させることができる(黒体放射軌跡上の色温度4300Kの白色光源(例えば白色LED)と等価な位置に位置させることができる)。
FIG. 13 shows an emission spectrum of mixed color light (a light emission in FIG. 10) when a general-purpose white light source (for example, white LED) 10 and a red light source (for example, red LED) 20 on a black body locus are simultaneously mixed color light emission. The spectrum distribution before and after passing through the
このように、図7の光源装置では、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する白色光源10と、白色光源10からの光に混色させるための赤色光を出射する赤色光源20と、白色光源10からの光から青色成分を所定の割合でカットするフィルタ30とを備えており、前記フィルタ30は、480nm以下の波長領域が20〜60%の透過率になっており、500nm以上の波長領域が90%以上の透過率になっているので、黒体放射軌跡上に位置する白色光を出射する一般的に入手できる汎用的な安価な白色光源を使用する場合にも、この白色光源からの白色光と赤色光源からの赤色光との混色光の色度座標プロットを黒体放射軌跡上に位置させ、かつ、発光効率を落とさずに、演色性を大幅に改善することができる。
As described above, in the light source device of FIG. 7, the
また、図7の構成例では、さらに光学系40として、例えば、白色光源10からの光を集光させる集光レンズ41と、赤色光源20からの光を集光させる集光レンズ42とが設けられていることによって、照明装置の構成にすることができる。なお、図7の例では、光学系40が集光レンズ41、42となっているが、集光レンズ41、42のかわりに他のレンズ等が用いられても良いし、あるいは、集光レンズ41、42に加えて他のレンズ等がさらに設けられても良い。
In the configuration example of FIG. 7, for example, a condensing
また、図7の構成例では、白色光源10に対してのみフィルタ(青色成分カットフィルタ)30を設けているが、図15に示すように、白色光源10と赤色光源20との両方に対してフィルタ(青色成分カットフィルタ)30を設けても良く、図15の構成例の場合にも、図7の構成例と同様な効果を得ることができる。
Further, in the configuration example of FIG. 7, the filter (blue component cut filter) 30 is provided only for the
なお、図15の構成例においても、さらに光学系40として、例えば、白色光源10からの光を集光させる集光レンズ41と、赤色光源20からの光を集光させる集光レンズ42とが設けられていることによって、照明装置の構成にすることができる。また、図15の例では、光学系40が集光レンズ41、42となっているが、集光レンズ41、42のかわりに他のレンズ等が用いられても良いし、あるいは、集光レンズ41、42に加えて他のレンズ等がさらに設けられても良い。
In the configuration example of FIG. 15, the
また、図7、図15の構成例では、白色光源(例えば白色LED)10、赤色光源(例えば赤色LED)20と光学系40(集光レンズ41、42)との間に、フィルタ30を設けているが、図16のように、光学系40(集光レンズ41、42)の白色光源(例えば白色LED)10、赤色光源(例えば赤色LED)20とは反対の側に(すなわち、光学系40(集光レンズ41、42)の外側に)、フィルタ30を設けても良い。
7 and 15, the
図7、図15、図16の構成例のいずれにおいても、フィルタ30を設けることで、さらに次の利点もある。すなわち、フィルタ30は、青色領域をカットする特性上、黄色の色調を有しているので、この黄色い色調のフィルタ30が挿入されないときは、レンズ外側から見えていた白色光源(例えば白色LED)10に用いられている黄色蛍光体がレンズカット拡大されて目玉焼きのような見苦しい見栄えとなるが、同じ黄色い色調のフィルタ30を白色光源(例えば白色LED)10の上部に配置することで、白色光源(例えば白色LED)10自体が目立たなくなり、黄色蛍光体がレンズカットで拡大されて目玉焼きのような見苦しい見栄えとなるのを低減することができる。
In any of the configuration examples of FIGS. 7, 15, and 16, the provision of the
ただし、図7、図15の構成例のように白色光源10、赤色光源20と光学系40(集光レンズ41、42)との間にフィルタ30を設ける場合には、図16のように光学系40(集光レンズ41、42)の外側にフィルタ30を設ける場合に比べて、次の点で有利である。
However, when the
すなわち、フィルタ30は、上記のように、青色領域をカットする特性上、黄色の色調を有しているので、図16のように白色光源(例えば白色LED)10、赤色光源(例えば赤色LED)20から一番遠い位置にフィルタ30を配置すると、見栄え上からも好ましくない(黄色い色調が目立ち、見る者に不快感を与える)。これに対し、図7、図15のように、黄色い色調を有するフィルタ30をLEDから一番近い場所に配置すると、レンズカットの効果もあってフィルタ30の黄色い色調はあまり目立たなくなるという利点がある。
That is, since the
本願の発明者は、実際、例えば図15の構成例において、黒体軌跡上の汎用的な白色LED10(色温度が6000K)と汎用的な赤色LED20(発光波長が630nm)を同時点灯し、480nm以下の青色成分を40%カットする特殊なフィルタ30を通過させ、集光レンズ等を通過させた混色光を調べた。この結果、この混色光は、黒体放射軌跡上の色温度が4300Kに位置し、これにより、黄色蛍光体濃度を高くした図4に示したような特殊な白色LEDを用いる場合と同じ効果が得られることがわかった。換言すれば、黒体放射軌跡上の色温度が4300Kに位置する白色光を得るのに、黄色蛍光体濃度を高くした図4に示したような特殊な白色LEDを用いることなく、黒体軌跡上の汎用的な白色LED10(色温度が6000K)を用いることができる。
The inventor of the present application actually lights up the general-purpose white LED 10 (color temperature is 6000 K) and the general-purpose red LED 20 (emission wavelength is 630 nm) on the black body locus in the configuration example of FIG. The mixed color light which passed the
なお、480nm以下の青色成分を40%カットするフィルタ30を通過させることで、汎用的な白色LED10からの白色光と赤色LED20からの赤色光との明るさ比は、ルーメン換算で18:1程度となり、色再現を表す平均演色係数(Ra)は、75から85に改善され、特殊演色係数(R9)は、−22から43に大幅に改善された。また、発光効率は、白色LED10(色温度が6000K)が95ルーメン/Wであったが、黒体放射軌跡上の色温度が4300Kに位置する混色光の発光効率は91ルーメン/Wであり、約4%強の発光効率ダウンだけにとどまった。現在のLED照明では一般的に、このような演色性の改善は蛍光体で実現させることが主流であるが、蛍光体による仕方では20〜30%の発光効率ダウンが発生することがわかっているため、本発明の汎用LEDを用いて発光効率を維持して演色性を改善する仕方がいかに優れているかを実際に示すことができた。また、フィルタ30の480nm以下の青色成分のカット率を40%より大きくして(図11を参照)、白色LED10からの白色光と赤色LED20からの赤色光との明るさ比を赤色LED20からの赤色光が大きくなるようにすることで、さらに演色性を改善できる。具体的に、フィルタ30の480nm以下の青色成分のカット率を80%にし(フィルタ30として、480nm以下の青色成分を80%カットするものを用い)、白色LED10からの白色光と赤色LED20からの赤色光との明るさ比を10:1にすることで、演色性を95まで向上することが可能であり、色再現に敏感な食材照明や美術館照明として演色性に応じて使用することができるようになる。
The brightness ratio between the white light from the general-purpose
このように、本発明では、目標とする黒体放射軌跡上の色温度(例えば4300K、あるいは、3000K)よりも1500〜2500K高い色温度の汎用的な白色光源(例えば白色LED)10と発光波長が610〜660nmの赤色光源(例えば赤色LED)20とを、同時に混色発光させ、480nm以下の波長領域を40〜80%カットし、500nm以上の波長領域が90%以上の透過率になっているフィルタ30に通過させることで、汎用的な白色光源(例えば白色LED)10からの白色光と610〜660nmの赤色光源(例えば赤色LED)20からの赤色光との混色光の発光効率を落とさずに、該混色光の色度座標プロットを黒体放射軌跡上に位置させることができるとともに、汎用的な白色光源(例えば白色LED)10からの白色光と610〜660nmの赤色光源(例えば赤色LED)20からの赤色光との明るさ比をルーメン換算で10:1〜18:1の範囲にすることができ、これにより、平均演色係数Raを85〜95まで、また、特殊演色係数R9を43〜90まで上げることができて、演色性を向上させることができる。
As described above, in the present invention, the general-purpose white light source (for example, white LED) 10 having a color temperature higher by 1500 to 2500 K than the color temperature (for example, 4300 K or 3000 K) on the target black body radiation locus and the emission wavelength. 610-660 nm red light source (for example, red LED) 20 is mixed color emission at the same time, cut the wavelength region of 480 nm or less by 40-80%, and the wavelength region of 500 nm or more has a transmittance of 90% or more. By passing through the
本発明は、食材照明、美術館照明等の一般照明や、液晶用バックライトなどに利用可能である。
The present invention can be used for general lighting such as food lighting and museum lighting, and a backlight for liquid crystal.
10 白色光源(例えば白色LED)
20 赤色光源(例えば赤色LED)
30 フィルタ
40 光学系
41、42 集光レンズ
10 White light source (for example, white LED)
20 Red light source (eg red LED)
30
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