JP2011514667A - 色の、改善された彩度を実現するｌｅｄベースの光源 - Google Patents

Abstract

可視光を発する少なくとも一つの発光ダイオードを含む光源を有する発光装置が提供されている。発光装置は、前記光源によって発された光を受光するよう配置され、600nmから700nmの範囲で発光最大部をもつ、第1の波長変換材を有する波長変換体を更に有する。第1の波長変換材は、元素Mg、Ge、O、及びMnを含んでいる。本発明による発光装置は、赤色の彩度が増した光を生成する。さらに、長寿命及び良好な色安定度が実現される。

Description

本発明は、発光ダイオード・ベースの光源と、前記光源によって発された光を受光するよう配置された波長変換材を含む波長変換体と、を有する発光デバイスに関する。

小売店又は見本市など、多くの事例で、物品、例えば新鮮な食品を、魅力的な態様で展示することが望ましい。照明に関しては、通常これは、物品の色が強調されなければならないことを意味しており、言い換えれば、物品は、色の彩度をより高く示さなければならないことを意味する。

今日では、通常、超高圧ナトリウムランプなどのコンパクトな高輝度放電ランプ（例えばSDW‐Tランプ）、又は特別な蛍光燈が、この目的のために用いられている。超高圧ナトリウムランプの場合、追加のフィルタが、必要とされる彩度を得るために、しばしば用いられるが、しかしながら、これはシステム効力が低い。更にまた、超高圧ナトリウムランプは短い寿命（およそ6000時間）をもち、この寿命を通じて色が安定してはいない。蛍光燈の欠点は、アプリケーションの可能性の限界に結果としてなる、棒状のサイズ及び長さである。

発光ダイオード（LED）ベースの解決策が上記の欠点を克服するために、原則として用いられることができる。発光ダイオード（LED）を所望の割合で、例えば青色、緑色、琥珀色、及び赤色の種々異なるスペクトル出力と組み合わせることによって、特定の色の彩度を与える、全スペクトル出力が得られることができる。しかしながら、この解決策の欠点は、種々異なる色のLEDの使用が複雑な結線の問題に至るので、システムの低い効率及び複雑さである。更に、特に赤色LEDは、電流及び温度に伴って、出力スペクトルの顕著な変化を示すので、色点の安定を維持するために、複雑な制御システムが必要とされる。結局、ランプのコストは高い。

一般的な照明アプリケーションでは、種々異なる色のLEDをもつシステムの幾つかの欠点が、白色光の出力を得るために青色LEDのみを用いること、及び、蛍光体（波長変換材）によって当該青色光の一部を変換することによって克服されることができる。しかしながら、専門的な照明アプリケーションに関して、多くの青色光変換用の蛍光体のもつ欠点は、当該蛍光体が概して幅広い発光スペクトルを呈し、従って、色の高い彩度が達成されることはできない点である。

よって、効率が良く、長寿命をもち、良好な色安定度を呈する、色の高い彩度が実現されることができる照明装置に対するニーズがある。

少なくとも部分的に、従来技術の上述の欠点を解決し、及び、色の高い彩度が得られることが出来る、LEDベースの発光装置を提供することが本発明の目的である。

LEDから発される可視光によって励起され、赤色灯の波長範囲の光を発する、特別な赤色蛍光体の使用が、特定のアプリケーションに対して非常に望ましいスペクトル特性をもっている光を放出することがわかった。特に、赤色の彩度が増大する。

したがって、一つの態様においては、本発明は、可視光を発する少なくとも一つの発光ダイオードを含む光源と、前記光源によって発された光を受光するよう配置された第1の波長変換材を有し、600nmから700nmの波長範囲で最大発光部をもつ波長変換体と、を有する発光装置に関する。前記第1の波長変換材は、元素Mg、Ge、O、及びMnを含んでいる。

少なくとも一つの発光ダイオードは、通常400nmから450nmの範囲で、好ましくは約420nmで最大発光部をもつ。驚くべきことに、400nmから450nmの波長範囲の青色光によるMg₄GeO_5.5F：Mnの励起が、約420nmで最大となる、かなり弱い吸収帯をMg₄GeO_5.5F:Mnがもつものの、良好な変換効率を提供することがわかった。

好ましくは、光源は、反射層などの反射材を更に有する。反射層は、発光装置の光出力を増すために、光源から後方に散乱した光と、波長変換体によって後方に発された変換光と、をリダイレクトすることであろう。この結果、発光装置の効力が増大する。

好ましくは、光源と前記波長変換体とは、相互に間隔を置いて配置される。光源と波長変換体との間に間隔を導入することによって、光混合室の中へと戻される、又は同室内にて散乱する光が、より効果的に広げられるので、発光装置の効率が改善されることができる。特に、発光装置の効力は、光源と波長変換体間との間隔、及び反射材の使用の組み合わせによって、光が次に発光装置を出てゆくためにいっそう効果的にリダイレクトされることができるので、大幅に改善される。

更にまた、少なくとも光源及び波長変換体が、光混合室を区切ってもよい。オプションで、発光装置は、光源と波長変換体との間に少なくとも部分的に延在している側壁を更に有する。側壁の使用は、光が所望しない方向に漏れることを防止し、当該側壁は、さまざまな他の構成要素、例えば反射層用の基板として用いられることができる。通常、少なくとも側壁の一部は反射性である。

反射性の側壁は、発光装置の光出力を増すために、光混合室の中で散乱した光、又は波長変換体によって光混合室の中へと戻された光のリダイレクションを可能にする。このように、発光装置の効力が増大する。

更にまた、発光装置は、光源の発光最大部と第1の波長変換材の発光最大部との間に発光最大部をもつ、第2の波長変換材を更に有する。第1の波長変換材の、（500nm乃至550nmの波長範囲の光を発する）従来の緑色の蛍光体との組合せが、故に緑色の色相範囲での高い彩度が赤色での高い彩度に加えて得られるので、特に好都合であることがわかった。前記第1の波長変換材と前記第2の波長変換材との両方を有する発光装置は、したがって、光源の全体の演色性が依然として受け入れられるのと同時に、赤色及び緑色の非常に高い彩度を付与する。赤色及び緑色の高い彩度は、特定のアプリケーション、例えば、新鮮な肉、魚、果物、及び野菜などの新鮮な食品の照明で非常に望ましいが、しかし、さまざまな他の小売用照明アプリケーション及び展示会用の照明アプリケーションでも好都合である。更に、青色LED及び本発明の実施例による第1の波長変換材を含む波長変換体を有する発光装置が、エネルギー効率が高く、演色評価指数（CRI）がこのアプリケーションに対して許容でき、赤色の高い彩度が皮膚の色の彩度によって改善された顔認識を付与するので、例えば屋外の照明目的のために有利に使われることができる。

更に、上での説明による発光装置を用いることで、長寿命で安定した色が得られることができる。

発光装置が第2の波長変換材を有する場合、450nmまでの波長の光を発する光源が特に好まれる。何故ならば、これらの波長は、約420nmの波長よりも良好な緑色の蛍光体の励起を提供するからである。第2の波長変算材は、元素Lu、Al、O、及びCeを通常有する。

第1の波長変換材に加えて、波長変換体が前記第2の波長変換材も有してもよい。両方の波長変換材を、例えば波長変換体内で両方の変換材を混合することによって波長変換体に組み込むことにより、2つの波長変換材を発光装置の異なる場所に別々に設けるのと比較して、発光装置の製造は、より単純で、より経済的になる。しかしながら、波長変換材を隔てることは、より良好な色調節を提供することができ、蛍光体間の所望されない相互干渉を最小化する。これ故、第2の波長変換材が、少なくとも例えば側壁の一部に設けられてもよい。

発光装置は、発光装置から出射している光を拡散するために配置された光拡散層を更に有してもよい。光拡散層は、発光装置を出射する光を、所望のパターンにシェーピングすることを可能にする。このように、発光装置は、さまざまなユーザ要件を満たすよう適応されることが可能である。

例えば、波長変換体が光拡散層を有してもよい。

本発明の一実施例による発光装置の概観図である。 本発明の一実施例による発光装置の全出力スペクトルを示しているグラフである。

驚くべきことに、可視光を発している発光ダイオード（LED）と組み合わせて、特別な赤色波長変換材を使用することにより、赤色の彩度が増すので、特定のアプリケーション用に非常に望ましいスペクトル特性をもつ発光が生じることがわかった。本発明によれば、可視光を発する少なくとも一つの発光ダイオードを含む光源を有する発光装置が提供される。当該発光装置は、前記光源によって発された光を受光するよう配置された第1の波長変換材を有する波長変換体を、更に有している。当該波長変換材は600nmから700nmまでの波長範囲の光を発し、元素Mg、Ge、O、及びMnを有している。第1の波長は、約660nmで最大となる、波長範囲が600nm乃至700nmの狭い発光スペクトルを通常もっている。本発明がここで、添付の図面を参照して詳細に説明されよう。

図1は、本発明の一実施例による発光装置1を示す。光源2は、当該装置の底に設けられている。発光装置1は、ダウンライトのモジュールでも、アップライトのモジュールでもよいし、例えば飾り棚の照明システムの一部を形成してもよい。

光源2は、基板4上に形成された複数の発光ダイオード（LED）3を有している。当該LEDは、可視光を発するよう設計されている。好ましくは、当該光源は400nmから450nmの波長範囲で、より好ましくは約420nmで発光最大部をもつ。

更にまた、波長変換体6は、光源2によって発された光を受光するよう配置された第1の波長変換材を含んでいる。当該波長変換材は、元素Mg、Ge、O、及び（本願明細書においてMGMとも呼ばれる）Mnを含んでいる。通常、MGM‐材は、化合物MgO、GeO₂、及びMnOを含む。加えて、MGM材は、F及び/又はSnなどの追加の元素を含んでいてもよい。フッ素の存在が、MGM材の温度依存特性を通常改善する。しかしながら、本発明では、第1の波長変換材の温度は通常低く、これ故、波長変換材中のフッ素の存在、又は同様の機能を有する別の元素の存在はオプションである。フッ素が存在する場合はMgF₂の形で存在するであろうし、MgF₂の量は変動してもよい。考え得るMgF₂の代替例は酸化ベリリウムである（例えば英国特許公報GB 701,033 A参照）。

本発明による第1の波長変換材（MGM材）の一例は、Mg₄GeO_5.5F：Mnである。フッ素が存在しない別の例は、Mg₄GeO₆：Mnである。しかしながら、元素Mg、Ge、O、Mn間の化学量論的比率は、異なる製造業者により提供されるMGM材間で異なっている可能性がある。Mg₄GeO_5.5F：Mn、及びMg₄GeO₆：Mnが、これ故、おおよその分子式と考えられる。本発明によれば、上で説明されたものとは僅かに異なる化学量論式も使用することが可能である。

MGMは、約660nmで最大となる、600nmから700nmの波長範囲の狭い発光スペクトルをもつ。MGMは、UV励起下で使われる既知の蛍光体であり、例えば、食肉の照明用の赤色の彩度をもつ蛍光燈で使われる。驚くべきことに、特に400nmから450nmの範囲の可視光を発する光源と組み合わされたMGMの使用が、赤色のより高い彩度を含む、光のスペクトルパワー分布を生成することがわかった。

MGMの吸収スペクトルは、約420nmで最大部を有する、かなり弱い吸収帯を示す。従って、波長変換材からの発光出力を最大にするために、約420nmの光を発する光源が好まれる。

（400nm乃至450nmの）青色光を取りだす場合、かなり厚いMGM層が、充分な青色光の変換を実現するために必要とされる。しかしながら、LEDによって発された光を波長変換体の方へと導くため、及び/又は散乱された光、又は波長変換体によって光源の方へと戻された光を反射するために、反射材を発光装置に具備することによって発光装置の効力が改善されることができる。この態様にて、光は、発光装置の光の出力方向に導かれる。図1では、側壁5が、光源2と波長変換体6との間に延在している。オプションで、少なくとも側壁5の一部は反射性である。例えば側壁5は、波長変換体に面している反射層を具備してもよい。金属又は白い反射フィルムなど、従来からのいかなる反射材料も、反射層用に使われることができる。図1の側壁5が、1つの連続した側壁部を形成してもよい。

更に、基板4は、後方に散乱された又は発された光の良好なリダイレクションを確実にするために、高反射性の材料9をもつ層で覆われている。本発明の実施例では、光源2は、反射性の基板を有する。オプションで、少なくとも一つのLEDが、斯様な反射性の基板上に配置されてもよい。

図1では、光源2及び波長変換体6は、互いに間隔を置かれて配置されている。波長変換体と光源との間に間隔がある場合、波長変換体が光源に隣接して配置された構成と比較して、波長変換体によって発された光のより少ない部分が、光が吸収されるLEDのチップの方へと導かれる。したがって、光源と波長変換体との間にある間隔は、効力の増大を可能にする。例えば、波長変換体6は、光源2と出口ウィンドウ8との間の、好ましくは出口ウィンドウの近くの光路中の場所にある。図1に示す実施例では、波長変換体6は、出口ウィンドウ8の場所にある。

光源及び波長変換体が、相互に間隔を置いて配置された場合、反射材料が、より一層発光装置の効力を改善するために、上に説明されたように設けられてもよい。

本発明の実施例では、光源2及び波長変換体6は、光混合室を区切っている。オプションで、光混合室は、側壁など追加の構造によって規定されてもよい。図1では、光源2、波長変換体6、及び側壁5が、光混合室を区切っており、 光源2によって発された光は、波長が変換された光と混合される。光は、光混合室を出口ウィンドウ8経由で出てゆく。発光装置が反射材を有する場合、光混合室からの所望の波長の光の出力を増すために、光源から発された光を波長変換体又は波長変換材の方へとリダイレクトするよう、及び/又は光を出口ウィンドウの方へとリダイレクトするよう、当該反射材が、通常、配置される。

可視のLED‐MGM蛍光体の組合せを用いることによって、長寿命で安定した色が期待されることができる。更にまた、本発明による発光装置を有する照明システムがコンパクトに作ることができ、コンパクトな照明装置の設計を可能にする。本願明細書で説明された発光装置の効力は、現在、フィルタを用いた超高圧ナトリウム・システムの効力と同等であり、LEDの性能が改善されるであろうから、数年以内に超高圧ナトリウムランプの効力を超えるものと予想される。

更にまた、波長変換体6が第2の波長変換材を有してもよい。通常、発光装置は、光源の発光最大部と第1の波長変換材の発光最大部との間に、好ましくは緑色光の波長範囲に発光最大部をもつ、第2の波長変換材を有する。どのような従来からの緑色の波長変換材も、例えば（本願明細書では、LuAGとも呼ばれる）Lu₃Al₅O₁₂：Ceなど、元素Lu、Al、O、及びCeを含む材料も用いられることができる。化学量論式Lu₃Al₅O₁₂：Ceは、ほぼ正確であるが、当業者によって直ちに理解されるように、追加の元素の混合と同様、この式からの小さな偏向が考えられる。上記のような、第1の波長変換材、第2の波長変換材、及び光源の組合せが、赤色及び緑色の非常に高い彩度を形成することがわかった。特に、前記の説明による発光装置でのLuAGの使用は、全体の色の演色性が依然として充分である（CRI 70）のと同時に、赤色及び緑色の非常に高い彩度を形成する。さまざまな色温度の白色光が得られることができる。

本願明細書の「波長が変換された光」との引用は、何れも、発光装置中にある何らかの波長変換材、例えば第1の波長変換材、及び/又は第2の波長変換材によって変換された光を指すことに留意されたい。

第2の波長変換材は、発光装置内のどのような適切な場所に設けられてもよい。例えば、第2の波長変換材は、少なくとも側壁部の一部に配置されてもよい。第1の波長変換材又は第2の波長変換材などの波長変換材によって覆われた側壁部分は、波長変換材を透過した、又は同材によって発された光を反射するために、反射性である。したがって、波長変換材料を透過した、又は同材によって発された光は、光混合室の中へと戻るよう反射されて、この後、例えば出口ウィンドウを通過し、所望の方向に発光装置を出てゆく。更にまた、第2の波長変換材が、波長変換体内に少なくとも部分的に含まれていてもよい。例えば、第2の波長変換材が、第1の波長変換材と混ぜ合わせられていてもよい。代替的には、第2の波長変換材と第1の波長変換材とが、波長変換体の別々の領域を占有していてもよい。例えば、第2の波長変換材と第1の波長変換材とが、別々の層を形成していてもよい。

第2の波長変換材が第1の波長変換材と組み合わせて使用された場合、420nmよりも長く、例えば最高450nmの波長の光を発する光源を使用することが、次に、第2の波長変換材のより良好な励起が得られるので、好都合である。加えて、約450nmの光を発するLEDは、420nmのLEDよりも市場での入手が容易で、約450nmの光を発する光源は、より経済的で魅力的な代替例を提供することだろう。

図1に示す実施例では、出口ウィンドウ8の場所にある波長変換体6は、光線を所望の照射パターンの形にする拡散層10も有する。オプションで、波長変換材、例えば第1の波長変換材及び/又は第2の波長変換材が、光拡散層10上へのコーティングとして配されてもよい。代替的には、波長変換材は、光拡散層10に組み込まれていてもよい。さらに、波長変換材は、光拡散層に隣接して、例えば透過性の基板上に設けられてもよい。

更にまた、反射器は、所望の光線のパターンを生成するために、発光装置1の出口ウィンドウ8に置かれることができる。発光装置1は、放熱板、反射器、及び照明装置収容部品が固定することができるハウジングも具備していてもよい。

少なくとも一つのLEDが、適切な熱管理を確実にするために、発光装置を放熱板と接続するために使用される熱拡散器上に位置していてもよい。LEDドライバが、所望の電流でLEDモジュールを駆動する。LEDドライバは、固定出力である可能性もあるが、調光可能である可能性もある。

図2は、光源としての420nmの青色LEDポンプと、MGMを含む第1の波長変換材と、第2の波長変換材としてのLuAGと、を有する発光装置の、実験による全出力スペクトルを示す。当該発光装置は、3800°Kの修正色温度（CCT）を伴う白色光を発する。しかしながら、さまざまな他の色温度の白色光も同様に得られる可能性がある。

本発明の実施例によって得られた彩度の増大を表すために、赤色から黄色への色相範囲にある6000色以上の色に対する平均彩度が、従来のSDW-Tシステム（超高圧ナトリウム・システム）及び上記のLED-MGM-LuAGシステムに対して、基準光源として完全放射体を使用して、各々算出された。この色相範囲では、肉製品、魚、果物、及び多くの野菜の色が見いだされる。この色相範囲に対する平均彩度が、基準光源に対する色の彩度の増大を表す相対彩度番号として表される。緑色の色相範囲に対しても、同様のデータが抽出されることができる。結果として算出された相対彩度番号が、下の表1に示されている。

これらの結果は、赤色及び緑色の高い彩度を必要とする、例えば新鮮な食品の照明の照明アプリケーションに対しては、青色のLED-MGM-LuAGシステムが、従来のSDW-Tシステムに比べて非常によく機能することが期待される。上記のSDW-Tシステムでは、赤みがかった色から黄色に対する平均彩度は、LED-MGM-LuAGシステムのものよりも非常に低く（0.61対1.11）、したがってLEDシステムの色の、より高い彩度を実証している。緑色がかった色の範囲では、LED-MGM-LuAGシステムが優れていた（1.14対-0.6）。

これまでの説明は例示的であり、本発明の範囲を制限してはいないことが理解されるべきである。例えば、本発明は、上で説明された少なくとも一つの発光装置を有する照明システムのどのようなタイプをも含んでおり、適切な駆動電子回路、おそらく熱拡散部、ライト・ガイド、又は他の何らかの光学要素、及び、支持構造部も具備している。

前記の説明による発光装置が、赤色の、及びオプションで緑色の、高い彩度が望まれる、例えば小売店、見本市、ショー、博物館、博覧会、ギャラリー、及びさまざまな他の展示会などのアプリケーション用の照明システム、及び屋外照明において、好都合に用いられることができる。

Claims (13)

1. 可視光を発する、少なくとも一つの発光ダイオードを有する光源と、
   前記光源によって発された光を受光する第1の波長変換材を有し、600nmから700nmの波長範囲に発光最大部をもっている波長変換体と、
   を有し、前記第1の波長変換材が、元素Mg、Ge、O、及びMnを含む、発光装置。
2. 前記光源が400nmから450nmまでの波長範囲で発光最大部をもつ、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光源が反射層を更に有する、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記光源と前記波長変換体とが、相互に離れて間隔を置かれている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発光装置。
5. 少なくとも前記光源と前記波長変換体とが、光混合室を区切っている、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発光装置。
6. 前記光源と前記波長変換体との間に少なくとも部分的に延在している側壁を更に有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の発光装置。
7. 少なくとも前記側壁の一部が反射性である、請求項６に記載の発光装置。
8. 前記光源の発光最大部と前記第1の波長変換材の発光最大部との間に発光最大部をもつ第2の波長変換材を更に有する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の発光装置。
9. 前記第2の波長変換材が元素Lu、Al、O、及びCeを有する、請求項８に記載の発光装置。
10. 前記波長変換体が前記第2の波長変換材を有する、請求項８又は９に記載の発光装置。
11. 前記第2の波長変換材が少なくとも側壁の一部に設けられている、請求項８乃至１０の何れか一項に記載の発光装置。
12. 前記発光装置を出てゆく光を拡散するための光拡散層を更に有する、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の発光装置。
13. 前記波長変換体が前記光拡散層を備えている、請求項１２に記載の発光装置。

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