JP2012174985A - 白色ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤと、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体からなる白色ＬＥＤにおいて、中央部が青みがかってしまう色むらを解消する白色ＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】
白色ＬＥＤ照明装置は、青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤ１と、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体３からなる白色ＬＥＤと、白色ＬＥＤの光射出面に垂直な面に配置されるダイクロイックフィルター４と、を備える。ダイクロイックフィルター４の設計中心波長は、入射角０度でＬＥＤ１の青色のスペクトルのピーク波長の近傍の値に設定される。ダイクロイックフィルター４は、設計中心波長に対して短波長側の光を反射し、前記設計中心波長に対して長波長側の光を透過する。設計中心波長は、入射角が大きくなるにつれて短波長側にシフトする。
【選択図】図５

Description

本発明は、青色の波長の光を発光するＬＥＤと青色の光を励起源として黄色の波長を発光する蛍光体を用いた白色ＬＥＤを光源とした照明装置に関するものである。

白色光源として利用されるＬＥＤ、いわゆる白色ＬＥＤには発光ピーク波長が異なる複数のＬＥＤを組み合わせたものと、紫外から青色の波長に発光ピークを持つＬＥＤと、そのＬＥＤの光源を黄色の波長域の光に波長変換する蛍光体を組み合わせた方式が利用されている。前者の方式は複数個のＬＥＤを駆動する必要があり、また、それぞれの発光強度を調整する必要があるため、構成が複雑であるという欠点がある。後者の方法は駆動が必要な素子は１つでよいことから、現在、多くの白色ＬＥＤではこの方式が用いられている。

蛍光体を利用した白色ＬＥＤは、青色の光源を発光するＬＥＤをＹＡＧなどの蛍光体が均一に混合された樹脂などにより封止されており、光源の青色のスペクトルと蛍光体の発光する黄色のスペクトルが混色されることで、人間の目には白色として認識されるスペクトルを作り出している。

しかし、このような構成のＬＥＤでは中心部と周辺部で色むらが生じることが問題となっている。これは中央部と周辺部で蛍光体の中を通過する光線の光路が異なることにより発生する。中央部は青色の光源が蛍光体の中を通過する距離が短いため、黄色のスペクトルに対して青色のスペクトルが強くなり、周辺部では蛍光体の中を通過する距離が長くなるために青色のスペクトルに対し黄色のスペクトルが強くなる。したがって、中央部は青みが強く周辺部は黄色がかった色むらが発生してしまう。

このような色むらを解消するために、特許文献１では中央部と周辺部の曲率が異なるレンズを用いて白色ＬＥＤから発光した光のうち、周辺部の光と中央部の光をそれぞれ異なった角度で屈折させて照射面近傍で周辺部と中央部の光線が均等に混ざり合うようにする方法が提案されている。また、特許文献２ではＬＥＤの先端に一定以上の長さをもったロッドレンズを組み合わせ、ロッドレンズ内で多重反射することによって周辺部と中央部の光線を均一化させる方法が提案されている。

特開２００７−１４２１７８号 特開２００７−１０３１６０号

特許文献１の方法では、レンズによる屈折を利用しているためＬＥＤの発光中心とレンズの光軸を一致させる必要がある。そのため、組み立て工程で位置調整が必要となる。調整を無くす方法としては、レンズの位置決めのための構造を設けることが考えられるが、その場合はレンズ、ＬＥＤ双方に位置基準となる構造を新たに設ける必要が生じる。また、周辺部の光がレンズの内部、側面で反射する構造になっているため、レンズに一定の厚さが必要であり照明装置の薄型化に不利であった。

特許文献２の方法は、ロッドレンズの内面反射を利用し、ＬＥＤから射出する光の中心部に近い光と周辺部の光の反射位置の違いによりそれぞれの光が重なり合うようにして色むらを解消している。この場合も特許文献１のレンズと同様にＬＥＤの発光中心とレンズの中心を合わせることが必要である。また、発光面の直径よりもレンズの長さを長くしないと色むら解消の効果が得られないことから、厚さが大きくなってしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、青色にピーク波長を持つＬＥＤと、ＬＥＤの光線を黄色の波長に変換する蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤの配光で、中央部が青みがかってしまう色むらを解消し、かつ、レンズを利用した場合のようにＬＥＤごとに光軸を合わせる必要が無い薄型の白色ＬＥＤ照明装置を提供することを目的する。

本発明の第１態様によれば、青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤ（１，５）と、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体（３，７）からなる白色ＬＥＤと、前記白色ＬＥＤの光射出面に平行な面又は対向する面に配置されるダイクロイックフィルター（４，８）と、を備え、前記ダイクロイックフィルター（４，８）の設計中心波長は、入射角０度で前記青色ＬＥＤ（１，５）のスペクトルのピーク波長の近傍の値に設定され、前記ダイクロイックフィルター（４，８）は、前記設計中心波長に対して短波長側の光を反射し、前記設計中心波長に対して長波長側の光を透過し、前記設計中心波長は、入射角が大きくなるにつれて短波長側にシフトすることを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、第１態様に係る白色ＬＥＤ照明装置であって、前記白色ＬＥＤと前記ダイクロイックフィルター（４）は一体に設けられる。

本発明の第３態様によれば、第１態様に係る白色ＬＥＤ照明装置であって、前記白色ＬＥＤは放射角４５度で白色に相当するスペクトルを有する。

本発明の第４態様によれば、青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤと、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体からなる複数の白色ＬＥＤ（９）と、前記複数の白色ＬＥＤ（９）の光射出面に平行な面又は対向する面に配置されるダイクロイックフィルター（１１）と、を備え、前記ダイクロイックフィルター（１１）の設計中心波長は、入射角０度で前記青色ＬＥＤのスペクトルのピーク波長の近傍の値に設定され、前記ダイクロイックフィルター（１１）は、前記設計中心波長に対して短波長側の光を反射し、前記設計中心波長に対して長波長側の光を透過し、前記設計中心波長は、入射角が大きくなるにつれて短波長側にシフトすることを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置を提供する。

本発明によれば、青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤと、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体からなる白色ＬＥＤにおいて、中央部が青みがかってしまう色むらを解消し、かつ、ＬＥＤごとに光軸を合わせる必要が無い薄型の白色ＬＥＤ照明装置を提供することができる。

白色ＬＥＤの放射スペクトルを示すグラムである。 ダイクロイックフィルターの透過率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る色むらを補正した白色ＬＥＤの放射スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施形態に係る色むらを補正する前後における白色ＬＥＤの色度座標（ｘ，ｙ）の値である。 本発明の実施形態の第１実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の断面図である。 本発明の実施形態の第２実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の断面図である。 本発明の実施形態の第３実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の平面図と断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、図面に記載の部材は模式的なものであり、現実のものとは異なる。ここで、以下の実施形態は本発明の技術的思想を具体化するための白色ＬＥＤ照明装置を例示するものであり、本発明の技術的思想は各構成要素の配置等を以下の実施形態に特定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲内で種々の変更を加えることができる。

図１は白色ＬＥＤの放射スペクトルの一例を示すグラフである。横軸が波長で縦軸が放射輝度を表しており、中央部のスペクトルの４５０ｎｍ付近のピークを１として正規化してプロットしたものである。実線はＬＥＤの周辺部、破線は中央部のスペクトルを測定した結果である。中心波長４５５ｎｍ付近にピーク波長がある青色ＬＥＤが光源として使用されており、急峻なピークを示している。また、青色ＬＥＤの光源を波長変換し５５５ｎｍ付近にピークをもつ蛍光体により黄色のスペクトルが放射されており、これらの光線が混色したものを人間の目が白と認識している。人間が白と認識する光は、光源の放射スペクトルに等色関数を掛け合わせた値で表すことができる。等色関数はＣＩＥ（国際照明委員会）が人の目の分光応答感度として規定したもので、波長に関する関数でｘ（λ），ｙ（λ），ｚ（λ）の３つの関数で表される。それぞれの関数に放射スペクトルを掛け合わせて積分したものがＸ，Ｙ，Ｚの値でこの値を用いたものをＸＹＺ表色系と称する。また、このＸＹＺを式１，２を用いてＹｘｙの値に変換して、ｘ−ｙ平面上の値で色を表すことが多い。

ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） ・・・ 式１
ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） ・・・ 式２
ＸＹＺが同じ値になる放射スペクトルは１つではなく、したがって白色ＬＥＤは青色ＬＥＤの発光スペクトルと黄色蛍光体の発光スペクトルの組み合わせにより、白色の光を発光しているように見えているものである。しかし、このようなＬＥＤでは青色のスペクトルと黄色のスペクトルの強度比がずれると、色が変化してしまうという弱点がある。中心波長４５５ｎｍのスペクトルの強度に対して、中心波長５５５ｎｍのスペクトルの強度が高いと白色よりも黄色に近い色になり、反対に中心波長４５５ｎｍのスペクトルの強度が強くなると青色に近い色になる。このような色のずれは、製造誤差によるＬＥＤの個体差のほかに、１つのＬＥＤで中心部から周辺部にかけて発生する色むらとしても問題となる。青色ＬＥＤから射出される光が蛍光体の中を通過する距離が中心部と周辺部で異なることから、青色と黄色のスペクトル強度の比がずれることが原因である。図１で実線で示す周辺部の放射スペクトルは青色のスペクトルと黄色のスペクトルの比率がほぼ白になる割合になっているが、破線で示す中央部のスペクトルは黄色に対して青のスペクトルの強度が大きく、青みがかった光を放射していることを示している。中央部のスペクトルを白に近づけるためには青色にピークを持つスペクトルの強度を下げる必要がある。

図２は光学系でよく利用されるダイクロイックフィルターの特性の一例である。横軸が波長、縦軸が透過率を示している。入射角０度のときの特性が実線、入射角４５度のときの特性が破線で示されている。ダイクロイックフィルターはＴｉＯ２などの高屈折率材料とＳｉＯ２などの低屈折率材料を設計中心波長の１／４の光学的厚みで交互に積層した多層膜で構成されている。しかしながら、このような多層膜は光線の入射角が設計と異なると、膜の光学的厚みが見かけ上設計と異なるため波長特性がシフトすることが知られている。透過率が５０％となる波長すなわち半値波長は、光線の入射角が設計値から大きくなると、短波長側にシフトする。一般的な設計では入射角１度あたり設計波長の０．２５％から０．３５％半値波長が短波長側にシフトする。図２の例では入射角０度で中心波長４５０ｎｍの設計で、入射角１度あたり約０．２７％シフトしており、入射角４５度では半値波長が３９５ｎｍになっていることを表している。

図３は図１の白色ＬＥＤの中心部のスペクトルと、図２のダイクロイックフィルターの入射角０度の透過率を掛け合わせたものである。ピーク波長４５５ｎｍのスペクトルの一部がダイクロイックフィルターによりカットされて、青色のスペクトル強度と黄色のスペクトル強度がほぼ白色となる比率になっている。一方、白色ＬＥＤから射出される周辺光は、ダイクロイックフィルターに対して入射角が大きくなっていく。図３に示すダイクロイックフィルターの設計では入射角４５度では白色ＬＥＤから射出されるスペクトルのほぼ全部を透過する特性となるので、色に対する変化を与えることはない。

図４は図１のＬＥＤのスペクトルと図２のダイクロイックフィルターを組み合わせたときの中心部と周辺部の色をスペクトルと等色関数から求めたｘ−ｙの数値である。ｘ＝０．３３３，ｙ＝０．３３３がほぼ白であり、ｘ，ｙの値がともに大きくなると黄色、ともに小さくなると青に近づくことを示している。フィルターが無い場合、中央部の色は値が０．２９，０．２８で白色より青が強い色である。一方、周辺部は値が０．３３，０．３３でほぼ白色であることがわかる。さらに中央部はフィルターにより青色のスペクトルの一部をカットすることにより値が０．３２，０．３４となりほぼ白色になっている。

図５は本実施形態の第１実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の断面図である。青色の光を発光するＬＥＤ１の発光面側に青色の光を黄色に変換する蛍光体３が一定の厚さで配置され、樹脂パッケージ２の中に一体で収められている。ＬＥＤ１は図示しない電極により電源に接続することにより青色の光を発光する。ＬＥＤから発光した光は蛍光体３の中を通過することにより、一部が黄色の波長に変換されて射出される。このとき、ＬＥＤから垂直な方向に向かう光は蛍光体の中を通過する距離が短く、斜めに射出する光は蛍光体の中を通過する距離が長くなる。蛍光体の厚さの調整により、図１に示すように斜めに射出する光線のスペクトルが白色になり、垂直に射出する光線のスペクトルはやや青みが強くなっている。蛍光体の上面は図２で示した特性のダイクロイックフィルター４により封止されている。蛍光体を出た光線はダイクロイックフィルターを透過する。フィルターに垂直に入射する光線は青色のスペクトルの一部がカットされてフィルターから射出される。一方、フィルターに斜めに入射した光線は、フィルターの入射角依存性により、角度が大きくなるにしたがって、カットされる波長が短波長側にシフトし、角度が４５度では入射したスペクトルのほぼ全体が透過する。これによって周辺部から中心部に向かうにしたがって青色が強くなるスペクトルが補正され、全体に色むらのない白色光源を照射することができる。

図６は本実施形態の第２実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の断面図である。青色光源のＬＥＤ５から出た光は蛍光体７を通過してパッケージ６の上面から射出する。ＬＥＤ５と蛍光体７は透明パッケージ６により一体で封止されており、図１のような放射スペクトルの光を発光する。パッケージ６の上面には図２の特性のダイクロイックフィルター８が直接コーティングされているものである。ダイクロイックフィルターにより中央部の青みが強い光線は、短波長域がカットされ白色光として射出され、全体に色むらが補正された白色光源を照射することができる。

図７（ａ）は本実施形態の第３実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の平面図である。図７（ｂ）は本実施形態の第３実施例に係る白色ＬＥＤ照明装置の断面図である。青色光源と黄色蛍光体からなる白色ＬＥＤ９が多数並べられ筐体１０に収められている。白色ＬＥＤの特性は第１，２実施例と同様に周辺部が白色で中央部になるに従い青色が強くなる特性になっている。筐体１０の射出側の面に１枚の基板に成型したダイクロイックフィルター１１を配置することで白色ＬＥＤから出た光のうち、青色が強い中央部の光はフィルターに対して入射角が小さく、白色に近い周辺部の光はフィルターに対して入射角が大きい関係でフィルターを通過する。よって図２のフィルターの特性により入射角の小さいＬＥＤ中央部の光は短波長域がカットされ、全体に色むらが補正された白色光源を照射することができる。

フィルターの面内方向の位置や光源からの距離によって入射角が変化することはないので、多数配置するＬＥＤの間隔を変更したり、筐体の厚さを変更してＬＥＤとダイクロイックフィルターの距離が変わっても、フィルターの設計を変更する必要がなく、色むらを補正した照明装置を提供することができる。

本実施形態によれば、青色ＬＥＤと黄色蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤで、中央部が青みがかってしまう色むらを改善する方法として、ダイクロイックフィルターの入射角依存性を利用して色むらの補正を行う。レンズによる方法と異なり、光軸をＬＥＤの発光点とあわせる必要がないので、組み立てが簡単である。また、光軸を合わせるために余分な構造を設ける必要がない。さらに、レンズによる方法と異なり、薄い板状のフィルターで色むらの補正が可能なため、照明装置の薄型化が可能である。また、ダイクロイックフィルターを構成する多層膜をＬＥＤのパッケージ表面に製膜することで、部品点数を削減することが可能となる。

複数のＬＥＤを並べて配置した照明装置の場合、レンズによる色むらの補正では、ＬＥＤ１つずつに補正用レンズをアセンブリするか、一定間隔で一体に成型したレンズユニットにＬＥＤを組み合わせる必要があり、前者の場合は組み立てが煩雑になり、後者の場合はＬＥＤを並べる間隔を変更する場合、一体成型のレンズユニットを変更する必要があり、金型変更のコストアップにつながるが、ダイクロイックフィルターの場合は平面であり、ＬＥＤを並べる間隔を自由に変更できる。

１ 青色ＬＥＤ
２ パッケージ
３ 黄色蛍光体
４ ダイクロイックフィルター
５ 青色ＬＥＤ
６ パッケージ
７ 黄色蛍光体
８ ダイクロイックフィルター
９ 白色ＬＥＤ
１０ 筐体
１１ ダイクロイックフィルター

Claims (4)

1. 青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤと、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体からなる白色ＬＥＤと、
   前記白色ＬＥＤの光射出面に平行な面又は対向する面に配置されるダイクロイックフィルターと、
   を備え、
   前記ダイクロイックフィルターの設計中心波長は、入射角０度で前記青色ＬＥＤのスペクトルのピーク波長の近傍の値に設定され、
   前記ダイクロイックフィルターは、前記設計中心波長に対して短波長側の光を反射し、前記設計中心波長に対して長波長側の光を透過し、
   前記設計中心波長は、入射角が大きくなるにつれて短波長側にシフトすることを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
2. 前記白色ＬＥＤと前記ダイクロイックフィルターは一体に設けられることを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
3. 前記白色ＬＥＤは放射角４５度で白色に相当するスペクトルを有することを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
4. 青色の波長に発光ピークを有するＬＥＤと、黄色の波長に発光ピークを有する蛍光体からなる複数の白色ＬＥＤと、
   前記複数の白色ＬＥＤの光射出面に平行な面又は対向する面に配置されるダイクロイックフィルターと、
   を備え、
   前記ダイクロイックフィルターの設計中心波長は、入射角０度で前記青色ＬＥＤのスペクトルのピーク波長の近傍の値に設定され、
   前記ダイクロイックフィルターは、前記設計中心波長に対して短波長側の光を反射し、前記設計中心波長に対して長波長側の光を透過し、
   前記設計中心波長は、入射角が大きくなるにつれて短波長側にシフトすることを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。

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