JP2013229145A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リモートフォスファ構造の照明装置において、視野角依存性や色むらを改善する。
【解決手段】照明装置１は、フレネルレンズ３の焦点位置に配置された青色ＬＥＤ２、光平行化手段としてのフレネルレンズ３、およびフレネルレンズの出射面側に塗布された黄色蛍光体層４から構成される。青色ＬＥＤ２から出射された放射光は平行光に変換され、青色光を黄色蛍光体層４に入射させる。フレネルレンズ３の出射面側に色度調整用の光学フィルタ７を付加的に形成し、フレネルレンズ３によって平行光とされた光を光学フィルタ７に入射することにより、色度の調整が精密に行われる。また、蛍光体として、量子ドット蛍光体が使用されてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、モジュール内において、ＬＥＤチップと蛍光体層を離して設置するリモートフォスファ構造の照明装置に関するものである。

ＬＥＤ（発光ダイオード）を使用する照明装置は、ＬＥＤの発光効率、寿命や他の照明装置との相対的コストの観点から近年、その利用が進んでいる。ＬＥＤを使用する照明装置の中で、リモートフォスファ（Remote Phosphor）構造の照明装置は、モジュール内において、ＬＥＤから少し離して蛍光体層（発光層）を設置する技術を適用するものであり、眩しさを少なくする、いわゆるグレアレスであることや、ＬＥＤから発生する熱の蛍光体層への伝熱が遮断されることから発光色（色度）の経時変化が少ないこと、などの特徴がある。

リモートフォスファ構造の照明装置として、特許文献１のものは、発光ダイオードからの光を発光層に入射し、所定の光に変換した後、コリメータによりコリメートするもので、放射光の色を均一化し、ビームのコリメート性を保つものである。
また、リモートフォスファ構造の照明装置への利用が記載されている特許文献２のものは、回路基板上に発光体としてのＬＥＤを封止し、空気層を介して所定形状の蛍光体を配置し、封止体の材料と空気層の屈折率の関係を規定して、発光効率やコリメート性の改善をするものである。
リモートフォスファ構造を利用した照明装置については、販売されているものもある。そのような従来の装置を模式的に示す図１０で説明すれば、複数個のＬＥＤ（青色発光ダイオード）２１から出射した光は、直接光Ｌ１として、あるいは円筒形状の遮光ボックスＢ内の白壁２２にて反射した光Ｌ2として、蛍光体が内部に分散された平行平板状の蛍光体層（拡散板）２３に入射し、白色光Ｌとして外部に放射される。ＬＥＤ２１の発光スペクトルが互いに異なるので、発光スペクトルの差が互いに出ないように、ＬＥＤの組み合わせが決められている。

特表２０１０−５２９６１２号公報 米国特許第７１０８３８６号明細書

また、図１１でＬＥＤ２１と蛍光体層２３の関係を模式的に示すように、従来のリモートフォスファ構造の照明装置は、ＬＥＤが蛍光体層から離れて設置されるリモートフォスファ構造の特徴上、作製が容易な平行平板状の蛍光体層２３を用いる限り、蛍光体層２３の端部になるほど、蛍光体層２３を通過する光の光路が長くなる。このため、図１１（ａ）のように蛍光体層２３の中央部２４（視野角０度に相当）と端部２５（０度より大きい視野角に相当）では、発光色（色度）が異なり、視野角に応じて色むらが生じる現象が発生する。この現象は、図１１（ｂ）のように互いに間隔を置いて配置される複数個のＬＥＤを使用する場合よりも、図１１（ａ）のように１個のＬＥＤを使用する場合の方が顕著になる傾向がある。

本発明の目的は、前記課題を解決するために、発光色（色度）の視野角依存性を改善したリモートフォスファ構造の照明装置を提供するものである。

本発明の他の目的は、前記課題である色むらを改善したリモートフォスファ構造の照明装置を提供するものである。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項分けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）モジュール内において発光素子と蛍光体層とを離して配置する照明装置であって、前方に光を出射する前記発光素子と、前記発光素子の前方に配置され、前記発光素子から出射された光を平行光にする光平行化手段と、前記光平行化手段の前方に配置され、蛍光体が分散された蛍光体層と、を有する照明装置（請求項１）。

本項に記載の照明装置は、発光素子から前方に光を出射し、この光を該発光素子の前方に配置される光平行化手段により平行光にし、この平行光を前記光平行化手段の
前方に配置される蛍光体が分散された蛍光体層に入射させる。光平行化手段により、蛍光体層に平行光として入射した光は、蛍光体層の位置によらず蛍光体層を通過する光路が一定となるので出射光の色むらが少なくなる。

また、蛍光体として、量子ドット蛍光体を使用すると、通常の蛍光体と比較して、その粒径が小さく、均一性に優れていることから、更なる色むらの低減が可能となる。

（２）上記（１）項において、前記蛍光体層の出射面側に、色度を調整するための光学フィルタが配置されている照明装置（請求項２）。
本項に記載の照明装置は、（１）項の照明装置において、前記蛍光体層の出射面側に、色度を調整するための光学フィルタ（例えば、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ２系からなる誘電体多層膜や光学フィルム、回折格子など）を配置することにより、光平行化手段によって平行光となった光が光学フィルタに入射することになって、光学フィルタによる色度の調整を精密に行なうことができる。一般に、光学フィルタは、入射する光の角度によって波長特性が大きく変化することから、一定の角度で光学フィルタに白色光を入射させることは、色温度を正確に行なう上で有効である。
なお、光源として白色ＬＥＤを使用して、蛍光体層を必要としない場合であっても、光源と光学フィルタの間に光平行化手段を介在させることにより、光学フィルタによる色度の調整を精密に行うことができる。

（３）前記蛍光体層が、前記光平行化手段の出射面に重ねて一体に配置されている照明装置。（請求項３）。
本項に記載の照明装置は、蛍光体層が、光平行化手段の出射面側に一体に設けられる。これによって、部品点数の削減や薄型化が図られる。

（４）上記（１）、（２）項において、前記光平行化手段に蛍光体が分散され、前記光平行化手段が前記蛍光体層を兼ねるように構成されている照明装置（請求項４）。
本項に記載の照明装置は、前記光平行化手段に蛍光体が分散され、前記光平行化手段が前記蛍光体層を兼ねるように構成されているものである。平行化手段と蛍光体を一体化した場合であっても、色むらを抑制することが可能である。また、部品点数の削減や薄型化が図られる。

（５）上記（１）、（２）、（３）、（４）において、前記光平行化手段がフレネルレンズである照明装置（請求項５）。
本項に記載の照明装置は、光平行化手段をフレネルレンズとすることにより、色むらを低減させることが容易になる。

（６）上記（１）、（２）、（３）、（４）において、前記光平行化手段が、同心円状の複数の輪帯が形成されてなるゾーンプレートである照明装置（請求項６）。
本項に記載の照明装置は、光平行化手段をゾーンプレートとするものである。ゾーンプレートは、平行平板状に構成できるので、光路長が変わることによって色むらが発生する懸念がない。特に、ゾーンプレートが蛍光体層を兼ねるように構成する場合に有効である。

（７）上記（５）又は（６）において、前記フレネルレンズの出射面又はゾーンプレートの出射面が、ポンチ加工されている照明装置（請求項７）。
本項に記載の照明装置は、出射面のポンチ加工（凹凸加工の一種）により、蛍光体層の出射面から光が出射する際に、光が拡散または散乱され、色むらがより一層低減する。

本発明は上記のように構成することにより、１個あるいは複数個のＬＥＤを使用した場合でも、発光層の中央部と端部とでの発光色の相違を少なくなる。そして、色むらを少なくし、温度変化を少なくすることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る照明装置の構成を模式的に示す断面図であり、（a）は、光平行化手段としてのフレネルレンズに蛍光体が重ねられた例を示す図であり、（b）は、光平行化手段してのフレネルレンズに対して、蛍光体が間隔をおいて設けられる例を示す図である。 図２は、図１の照明装置において、光平行化手段としてフレネルレンズの代わりに、ゾーンプレートを使用する例を示す図である。 図３は、図１に示す実施形態において、蛍光層の出射面側にポンチ加工することを模式的に示した図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る照明装置の構成を模式的に示す断面図であり、蛍光体層の出射面側に誘電体多層膜からなる光学フィルタが設けられる例を示す図である。 図５は、図４に示す実施形態において、回折格子からなる光学フィルタを用いる例を示す図である。 図６は、その他の実施形態で、光平行化手段に蛍光体を分散させた例を説明する図である。 図７は、ＬＥＤの放射光のスペクトルを示す図である。 図８は、図７で示す放射光に対し、フィルタの有無による相対値を示す図である。 図９は、ＬＥＤの放射光に対し、フィルタを使用することにより、黒体放射に沿った色温度に可変可能であることを示す色度図の略図である。 図１０は、従来のリモートフォスファ構造の照明装置の模式的な断面図である。 図１１は、図１０の照明装置において、ＬＥＤからの光路と発光層との関係を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。ここで、従来技術と同一部分、もしくは相当する部分については、同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態を示すものである。照明装置１は、フレネルレンズ３の焦点位置に配置された発光素子としての青色ＬＥＤ２、光平行化手段としてのフレネルレンズ３、およびフレネルレンズ３の出射面側に塗布された黄色蛍光体層４から構成されている。

青色ＬＥＤ２は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体材料よりなる発光素子である。青色ＬＥＤ２は透明な樹脂モールドでモールドされており、そのモールド中に、蛍光材料として、青色光を励起光とする蛍光顔料および蛍光染料が分散されている。

フレネルレンズ３は、平凸レンズの凸面を環状に切り出して鋸状断面の輪帯とし、この輪帯を同心円状に連続して設けたものである。フレネルレンズ３は、光学中心が青色ＬＥＤ２の光軸と一致するように位置を合わせて配置されている。フレネルレンズとして、内周側に屈折プリズム、および外周側に反射（ＴＩＲ）プリズムが形成された複合フレネルレンズが、透過率の観点から望ましい。

黄色蛍光体層４は、発光材料または発光材料の混合物を含む。黄色蛍光体層４は、青色ＬＥＤ２から発光された第１の波長である青色波長の青色光により励起されて第２の波長である黄色波長の黄色光を発光する黄色用蛍光体が含まれる。

フレネルレンズ３の焦点に青色ＬＥＤ２を配置することにより、青色ＬＥＤ２から出射された放射光は平行線に変換されるので、青色光を黄色蛍光体層４（例えば、ＣｅドープＹＡＧ）に対して光軸からの距離によらず、いずれの位置においても垂直に入射させることができる。また図１（ｂ）のように、黄色蛍光体層４をフレネルレンズ３とは一体ではなく、両者間に間隔をおき、別体に設けてもよい。
図１（ａ）、（ｂ）において、モジュール（筐体）内において青色ＬＥＤ２からの出射光は、フレネルレンズ３、黄色蛍光体層４を経由して、あるいはさらにカバーを経由して、外部に発光される。

図２は、フレネルレンズ３をゾーンプレート５に置き換えた実施の形態を示している。ゾーンプレート５は、青色ＬＥＤ２からの入射光に対して、透明、不透明の同心円状の輪帯を交互に繰り返した円形の透過型回折格子である。所定の焦点距離が得られるように、複数の輪帯のそれぞれの径が適宜決定されている。光平行化手段としてゾーンプレート５を用いた場合であっても、色むらが少なくすることができる。他に、ゾーンプレート５を用いる利点としては、構造が単純であるため、作製時に複雑な金型が不必要、薄型化が可能といったことが挙げられる。

図３は、図１の照明装置１における黄色蛍光体層４の出射面側に、ポンチ加工６を施した実施の形態を示している。ポンチ加工とは、凹凸加工の一種である。なお、図において、凹凸は過大に描かれている。ポンチ加工（凹凸構造）により、黄色蛍光体層４の出射面から光が出射する際に、光が拡散または散乱されて色むらがより一層低減される。この実施形態は、図２の形態（光平行化手段としてゾーンプレート５を使用した形態）や、他の場合にも適用することができる。

上記の実施形態では、蛍光体として、通常の蛍光体（前記のＣｅドープＹＡＧなど）を用いた例を説明したが、その代わりに、量子ドット蛍光体を使用してもよい。量子ドット蛍光体は、通常の蛍光体と比較して、一般的に粒径が３桁ほど小さく均一性に優れていることから、配光の均一化や色むらの低減が期待できる。半導体としての量子ドットは粒径を変えるだけで、吸収できる波長領域を制御できる。蛍光体としての特徴は、１）理論上の発光効率が高い、２）ドットサイズや半導体材料の種類を変えることで、任意の波長の光を吸収、発光できる、３）粒径のサイズの均一化により、発光の狭線化が可能となることなどが挙げられる。

図４は、第２の実施形態を示すものであり、図１の黄色蛍光体層４の出射面側に光学フィルタ（波長フィルタ）として誘電体多層膜７が、付加的に設けられた形態である。誘電体多層膜７は、例えば、屈折率が互いに異なるＴｉＯ２膜（誘電体素材）およびＳｉＯ２膜（誘電体素材）が交互に積層されるように構成されている。ＴｉＯ２膜およびＳｉＯ２膜は、可視光域で透明で、環境安定性が高い材料である。

本実施形態では、青色ＬＥＤ２と黄色蛍光体層４との間に、光平行化手段としてのフレネルレンズ３が介在している。したがって、黄色蛍光体層４から出射する白色光は、概ね平行光を維持した状態で誘電体多層膜７に入射することになる。通常、誘電体多層膜は、入射する光の角度によって波長特性が大きく変化するが、上記のように平行光として（一定の角度で）誘電体多層膜７に白色光を入射させることにより、入射位置によらず波長特性が一定となり、誘電体多層膜７による色温度の調整を正確に行なうことができる。なお、ＬＥＤとして白色ＬＥＤを使用することによって蛍光体層を必要としない構成に本発明を適用した場合においても、誘電体多層膜７による色度の調整を精密に行うことができる作用効果が得られる。

図５は、図４の光学フィルタとしての誘電体多層膜７を、光学フィルタの他の例として、回折格子８に置き換えた形態を示すものである。回折格子８は、ガラス基板上へのＳｉＯ２の堆積、ガラス基板のエッチング、ガラスまたはプラスチックの一体成形等により作製される。回折格子８の厚さをｈ、屈折率をｎ、入射光の波長をλとすると、透過率はｃｏｓ２（φ／２）（但しφ＝２π（ｎ−１）ｈ／λ）で与えられる。従って、例えば、回折格子８の厚さｈを４．１４μｍ、屈折率ｎを１．４６とすると、入射光の波長λが６３５ｎｍのときは、φ＝６πであるから透過率は１００％、λが７８５ｎｍのときはφ＝４．８５πであるから透過率は５．４％である。回折格子８も入射角依存性が大きいので、光平行化手段としてのフレネルレンズ３と組み合わせることにより、誘電体多層膜７と同様の効果を発揮させることができる。また、回折格子８の構造は多種多様であるので、その構造を変化させることによって、微々たる色度の調整も可能である。また、誘電体多層膜７と同様に、ＬＥＤとして白色ＬＥＤを使用することによって、蛍光体層を必要としない構成に本発明を適用した場合においても、色度の調整を精密に行うことができる作用効果が得られる。また、誘電体多層膜７のように複数枚入れる必要がないため、薄型化することもできる。

図６にその他の実施形態を示す。下記の実施形態は上記の実施形態すべてに適用可能である。例えば、フレネルレンズ３やゾーンプレート５などの光平行化手段の内部に蛍光体を分散させることによって、光平行化手段が蛍光体層を兼ねる蛍光体入りフレネルレンズ３’の構成としてもよい。これにより、部品点数の削減や薄型化が図られる。なお、光平行化手段がフレネルレンズ３の場合には、入射する位置によって光路長が変わることによる色むらの発生が懸念されるが、ゾーンプレート５を使用する場合には、ゾーンプレート５が平行平板上に構成されているので、その懸念がないという利点がある。

基準の白色系スペクトルがある場合、図８のように光学フィルタ（誘電体多層膜７や回折格子８など）がないとスペクトルの変化は見られない。しかし光学フィルタを入れることにより、図７のようにスペクトルを変化させることができる。また、一般に青色ＬＥＤ２、フレネルレンズ３、および黄色蛍光体層４を用いた場合、図９の直線上の色範囲内にしか色温度を変えることはできないが、光学フィルタを入れることによって、黒体放射に沿った色温度に変更可能となる。

ＬＥＤ照明において、ＬＥＤシーリングライトなどが既に販売されている。ＬＥＤシーリングライトは、複数種類のＬＥＤが備えられ色を様々得られるタイプを有する。例えば、寒色系から白熱電球に近い暖色系まで１０段階で光の色を変えられる調色機能と、それぞれの光色を１０段階の明るさに変えられる調光機能を搭載し、さらに、複数の調光が可能な常夜灯と合わせ、合計１００通り以上の光色と明るさから、生活シーンや用途に合わせて明かりを選択可能なシーリングライトが存在する。しかし、ＬＥＤ価格が高いことからこのタイプのシーリングライトは高価なため、色温度を固定したものが一般的に購入される。このシーリングライトの拡散板に光学フィルタを装着することで、一般の色温度を固定したＬＥＤ照明においても色温度を調整することが可能となる。

１：照明装置、２：青色ＬＥＤ、３：フレネルレンズ、３’：蛍光体入りフレネルレンズ、４：黄色蛍光体層、５：ゾーンプレート、６：ポンチ加工、７：誘電体多層膜、８：回折格子

Claims (7)

1. モジュール内において発光素子と蛍光体層とを離して配置する照明装置であって、前方に光を出射する前記発光素子と、前記発光素子の前方に配置され、前記発光素子から出射された光を平行光にする光平行化手段と、前記光平行化手段の前方に配置され、蛍光体が分散された蛍光体層と、を有することを特徴とする照明装置。
2. 前記蛍光体層の前方に、色度を調整するための光学フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記蛍光体層が、前記光平行化手段の出射面に重ねて一体に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記光平行化手段に蛍光体が分散され、前記光平行化手段が前記蛍光体層を兼ねるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
5. 前記光平行化手段がフレネルレンズであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記光平行化手段が、同心円状の複数の輪帯が形成されてなるゾーンプレートであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記フレネルレンズの出射面又はゾーンプレートの出射面が、ポンチ加工されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の照明装置。