JP5952636B2 - 色温度変更フィルタ及び色温度変更フィルタを備えた光学モジュール - Google Patents
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Description
色変更用のフィルタとしてはカラーフィルタが一般的に使用されている(例えば、特許文献1参照)。カラーフィルタとしては、光学ガラスや光学樹脂表面に所定の波長光を吸収する特定波長帯吸収被膜が形成されたもの、もしくは光学ガラスや光学樹脂に所定の波長光を吸収する光吸収体を混入されたものが有る。
また、特定波長帯吸収被膜または光吸収体により特定光のみを吸収するカラーフィルタを使用すると、光源光の色度がx-y色度図上で黒体輻射曲線上にあり偏差が零であったとしても、カラーフィルタを出射した光が黒体輻射曲線上から外れて有限の偏差を有する色に変化してしまうという課題があった。また、JISZ8726に規定されている演色評価数を比較すると、光源光の演色評価数に比べてカラーフィルタを出射した光の演色評価数が低下してしまうという課題があった。
ここで、演色評価数とは、JISZ8726に規定されているように、演色評価基準色(R1〜R15)の合計15の試験色に試料光を照射した際の15個の反射光スペクトルをそれぞれ数値化したものである。基準光である自然光もしくは黒体輻射光を照射した際の演色評価数はそれぞれが100である。基準光で試験色を見たときの演色性に対して試料光(光源光またはカラーフィルタを出射した光)で試験色を見たときの演色性のずれが大きくなるに従って、数値が100から小さくなる。
光学素子表面に成膜される光学多層膜からなり、前記光学素子が樹脂製の場合は下地層を含めて四層もしくは五層の膜からなり、前記光学素子が光学ガラスの場合は四層から八層の膜からなり、前記光学素子とフィルタとの密着性の向上もしくは前記光学素子表面の保護のための下地層がある場合は下地層を除いた残りの膜の総膜数をx枚、膜全体の膜厚をynmとし、下地層がなければ前記光学素子の表面に形成された膜全体の総膜数をx枚とし、膜全体の膜厚をynmとし、それぞれの場合の空気と接する最外層の膜厚をznmとしたとき、
45≦(y/x)≦100・・・ (1)
120≦z≦175・・・(2)
を満たし、
370nmから750nmの波長領域において、650nmよりも短波長側へいくほど反射率が増加し、400nmから500nmの間に反射率のピークを有することを特徴とする。
370nmから750nmの波長領域において、700nm以上の長波長の反射率は4%以下であり、400nmから500nmの間におけるピーク反射率は30〜60%であること、
を特徴とする。
光源と、
前記光源の光出射側に設けられる光学素子と、
前記光学素子の前記光源側の表面に塗布され、前記光源からの出射光のうち第1の帯域の光を励起光として前記励起光よりも長波長である第2の帯域の蛍光を発する波長変換用蛍光体と、
前記光学素子の前記波長変換用蛍光体と反対側の面に成膜されており、前記光源からの出射光の一部の光を反射する請求項1または2記載の色温度変更フィルタと、
前記色温度変更フィルタで反射された光を前記波長変換用蛍光体に向けて反射するリフレクタと、
を備えていることを特徴とする。
光源と、
前記光源の光出射側に設けられる光学素子と、
前記光学素子に混入され、前記光源からの出射光のうち第1の帯域の光を励起光として前記励起光よりも長波長である第2の帯域の蛍光を発する波長変換用蛍光体と、
前記光学素子に対して前記光源と反対側の面に成膜されており、前記光源からの出射光の一部の光を反射する請求項1または2記載の色温度変更フィルタと、
前記色温度変更フィルタで反射された光を前記波長変換用蛍光体に向けて反射するリフレクタと、
を備えていることを特徴とする。
前記波長変換用蛍光体は光源の光のうち、第1の帯域の光を部分的に第2の帯域の蛍光に変換し、
前記波長変換用蛍光体で変換されなかった第1の帯域の光の一部が光学素子の出射面側に設置された前記色温度変更フィルタにて反射されて光源側へ戻されて再度光学素子内を通過し、通過した光の一部が前記波長変換用蛍光体により第2の帯域の蛍光に変換され、光学素子の入射面側から出射した蛍光はリフレクタにより再度光学素子側に向かって反射されることを特徴とする。
前記光源は白色LEDであることを特徴とする。
前記光源には少なくとも1つの青色LEDを含み、
前記波長変換用蛍光体は、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として540nmから600nmの波長帯の蛍光を発光することを特徴とする。
前記光源には少なくとも1つの青色LEDを含み、
前記波長変換用蛍光体は、複数の波長変換用蛍光体を含み、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として500nmから560nmの波長帯の蛍光を発光する緑色蛍光体であり、
前記複数の波長変換用蛍光体の他の一つは、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として590nmから700nmの波長帯の蛍光を発光する赤色蛍光体である、
ことを特徴とする。
前記光源には少なくとも1つの近紫外LEDを含み、
前記波長変換用蛍光体は、複数の波長変換用蛍光体を含み、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として300nmから360nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として430nmから490nmの波長帯の蛍光を発光する青色蛍光体であり、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として300nmから360nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として500nmから560nmの波長帯の蛍光を発光する緑色蛍光体であり、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として590nmから700nmの波長帯の蛍光を発光する赤色蛍光体である、
ことを特徴とする。
波長変換用蛍光体には370nmから480nmの波長帯の波長光に対して励起帯を持ち、励起状態から基底状態へ移行する際に540nmから600nmの波長帯の波長光を蛍光発光する黄色蛍光体を用いた。
すなわち、光学素子が樹脂製の場合は下地層を含めて四層もしくは五層の膜からなり、光学素子が光学ガラスの場合は四層から八層の膜からなる。光学素子とフィルタとの密着性の向上もしくは光学素子表面の保護のための下地層がある場合は、下地層を除いた残りの膜の総膜数をx枚、膜全体の膜厚(物理膜厚)をynmとし、下地層がなければ光学素子の表面に形成された膜全体の総膜数をx枚とし、膜全体の膜厚(物理膜厚)をynmとし、それぞれの場合の空気と接する最外層の膜厚(物理膜厚)をznmとしたとき、以下の式を満たすように構成される。
45≦(y/x)≦100・・・(1)
100≦z≦200 ・・・(2)
また、具体的な膜構成は後述する実施例で示すが、その膜構成を保ち各層厚を同じ割合で増減させた場合において、(y/x)が100を越えると、ピーク波長が500nmよりも長波長にシフトして所望の波長域に対する反射特性を得られない。一方、(y/x)が45より小さくなると、ピーク波長が短波長にシフトしてしまい、所望の波長域に対する反射特性が得られない。
また、実施例の各層厚が異なる割合で増減した場合、フィルタの光学特性のプロファイルが変化する。
図3は、実施例1の色温度変更フィルタの層構成を示す図である。実施例1の色温度変更フィルタ6の基板は、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)製光学素子である。図3に示すように、PMMA上に形成された色温度変更フィルタ6は下地層を除いて4層からなる多層膜である。
具体的には、下地層としてSiO層を成膜した上に、第1層として高屈折率材料であるチタン酸ランタン層を、第2層として低屈折率材料であるSiO2層を、第3層として高屈折率材料である酸化ニオブ層を、第4層として低屈折率材料であるSiO2層を、それぞれ成膜している。
次にチタン酸ランタンの固体を揮発させて膜厚を測定しながら成膜を行う。第2層から第4層も第1層と同様に膜厚を測定しながら重ねるように成膜を行う。各層の成膜時に膜厚を測定し、任意の膜厚になった所で各層の成膜を終了して次の層の成膜を開始する。
具体的な測定方法は、薄膜が蒸着されている最中の光学素子4の表面に事前に設定した波長光を照射し、形成した薄膜の表面及び薄膜を透過してレンズ表面で反射した各反射光の干渉によるパターンを測定し膜厚を求めている。
蒸着物質の揮発方法は抵抗加熱法、電子線等が使用可能である。また、真空蒸着法以外にもスパッタリング法、イオンアシスト法、イオンプレーティング法、等の方法を使用する事が可能である。
図5は、実施例2の色温度変更フィルタの層構成を示す図である。実施例2の色温度変更フィルタ6の基板は、BK7製光学素子4である。BK7は光学ガラスの1種である。図5に示すように、BK7上に形成された色温度変更フィルタ6は6層からなる多層膜である。具体的には、下地層を用いず、BK7の表面に対してフィルタが直接形成されている。フィルタは、第1層に高屈折率材料である酸化ジルコニウムと酸化チタンの混合物、第2層に中屈折率材料である酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの混合物、第3層に高屈折率材料である酸化ジルコニウムと酸化チタンの混合物、第4層に中屈折率材料である酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの混合物第、第5層に高屈折率材料である酸化ジルコニウムと酸化チタンの混合物、第6層に低屈折率材料であるフッ化マグネシウムから構成されている。
また、実施例2の色温度変更フィルタ6を構成する各層の膜厚は、第1層の酸化ジルコニウムと酸化チタンの混合物は18.13nm、第2層の酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの混合物は94.08nm、第3層の酸化ジルコニウムと酸化チタンの混合物は89.77nm、第4層の酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの混合物は25.53nm、第5層の酸化ジルコニウムと酸化チタンの混合物は74.53nm、第6層のフッ化マグネシウムは145.91nmであった。
図7は、実施例3の色温度変更フィルタ6の層構成を示す図である。実施例3の色温度変更フィルタ6の基板は、シクロオレフィンポリマー樹脂製光学素子4である。図7に示すように、シクロオレフィンポリマー樹脂上に形成された色温度変更フィルタ6は4層からなる多層膜である。具体的には、下地層を用いず、シクロオレフィンポリマー樹脂の表面に対してフィルタが直接形成されている。第1層として高屈折率材料であるチタン酸ランタン層を、第2層として低屈折率材料であるSiO2層を、第3層として高屈折率材料であるチタン酸ランタン層を、第4層として低屈折率材料であるSiO2層を、それぞれ成膜している。
また、実施例3の色温度変更フィルタ6を構成する各層の膜厚は、第1層のチタン酸ランタン(LaTiO3)は60.5nm、第2層のSiO2は74.61nm、第3層のチタン酸ランタン(LaTiO3)は68.85nm、第4層のSiO2は161.58nmであった。
実施例1:x=4、y=344.21、y/x=86.05、z=154.98
実施例2:x=6、y=447.67、y/x=74.61、z=145.91
実施例3:x=4、y=365.55、y/x=91.39、z=161.58
である。
ここで、色温度変更フィルタ6として、x、y、zは、記述の通り、以下の式を満たすように構成される。
45≦(y/x)≦100・・・(1)
100≦z≦200 ・・・(2)
なお、
65≦(y/x)≦100
120≦z≦175
であることがより好ましい。
下地層は、フィルタの光学的性能に対してほとんど影響を与えず、光学素子4表面とフィルタとの密着性を向上させることを目的として形成する膜層である。本願の下地層の材質は、その膜厚を下地層としての使用に適した厚さの範囲内において変動させたとしても650nm以上の可視光領域の反射率が4%を超えない性質を有しているものが選択可能である。また、光学素子4に対するフィルタの密着性が十分であるならば下地層を形成しなくてもよい。
すなわち、実施例1に係る色温度変更フィルタは、入射する光の偏差を変えることなく、その色度を黒体輻射曲線にそって色温度を低下させる方向に変化させる。
ここで、演色評価数とは、ある物体を照らしている試料光が基準光と比較してどれだけ色を忠実に再現できているかという観点から演色性を数値化したものである。
具体的には、演色評価数とは、JISZ8726に規定されているように、演色評価基準色(R1〜R15)の合計15の試験色に試料光を照射した際の15個の反射光スペクトルをそれぞれ数値化したものである。基準光である自然光もしくは黒体輻射光を照射した際の演色評価数はそれぞれが100である。基準光で試験色を見たときの演色性に対して試料光で試験色を見たときの演色性のずれが大きくなるに従って、数値が100から小さくなる。平均演色評価数(Ra)は、R1〜R8までの演色評価基準色における演色評価数の平均値である。
実施例1の色温度変更フィルタ6を形成した光学素子4の場合の演色評価数は、全ての評価基準色において、フィルタを形成していない光学素子4の場合の演色評価数と同等、若しくはフィルタを形成していない光学素子4の場合の演色評価数よりも高い。上記の結果から実施例1のフィルタは光の色を黒体輻射曲線上から大きく逸脱させる事なく色温度を低下させ、かつフィルタを使う事で演色評価数を低下させる事が無いため、照明光として使用する際に不自然な色合いになることなく照明光の印象を変化させることが可能である。
図13は、実施例3の色温度変更フィルタ6の入射光と出射光のスペクトルを比較して示す図である。実施例2、3の色温度変更フィルタ6の入射光は、図2に示した発光ダイオードの光である。
いずれの場合においても、色温度変更フィルタ6の出射光のスペクトルは、入射する発光ダイオードの光のうち、最も強度の強い450nmから470nmまでの波長帯の光線の強度が大きく低下し、490nmから650nmまでの波長帯における光線の強度の低下が長波長側へ行くほど徐々に少なくなっていることが判る。
すなわち、実施例2、3に係る色温度変更フィルタ6も実施例1のフィルタと同様、入射する光の偏差を変えることなく、その色度を黒体輻射曲線にそって色温度を低下させる方向に変化させる。また、実施例2、3に係る色温度変更フィルタ6も、透過光の演色評価数を低下させないため、照明光として使用する際に不自然な色合いになることなく照明光の印象を変化させることができる。
45≦(y/x)≦100・・・(1)
100≦z≦200 ・・・(2)
を満たし、
370nmから750nmの波長領域において、600nmよりも短波長側へいくほど反射率が徐々に増加し、400nmから500nmの間に反射率のピークを有することを特徴とする。
これにより、長波長側の反射率を低下させつつ、短波長側の波長光ほど透過させずに反射させることが可能となっている。そして、演色性を保ちつつ色温度を下げることができる。
これにより、長波長の反射率を極力抑え、青の帯域の反射率を極大にできるので、色温度の変更を効果的に行うことができる。
反射して光源側へ戻された短波長帯の光線は再度光学素子4内を通過し、その過程で黄色蛍光体により短波長帯の光線の一部が中波長帯の光線へ変換され、光学素子4の入射面側から出射する。光学素子4の入射面から出射した光線はLEDが設置された基板上若しくは基板周囲に設置されたリフレクタ3の反射面により反射して再度光学素子4に向かう。再度光学素子4に向かった光のうち、一部の短波長帯の光線は更に黄色蛍光体により中波長帯の光線に変換される。そして、色温度フィルタ6で更に一部の短波長帯の光線は再度反射して光源側へ戻されることを繰り返す。このような繰り返しにより、無駄なく短波長側の光を抑制しつつ、相対的に長波長の光の発光効率を向上させることができる。
可視光帯である370nmから750nmの領域における両者の出射光のスペクトル分布を比較すると、色温度変更フィルタ6を用いた光学モジュール100では、比較例と比べて450nm付近のピーク強度がほぼ半減している。また、ピークを挟んだ430−480nm付近の強度も低下している。一方、450nm付近のピークから遠ざかるほど強度の低下率は小さくなっている。570nmよりも長波長側では両者の強度の差はほとんどなく、逆に、色温度変更フィルタ6を用いた光学モジュール100のほうが強度が高い波長もあった。
その結果、実施形態の光学モジュール100の出射光の演色評価数は、全ての評価基準色において、比較例の光学モジュールの出射光とほぼ同等の演色評価数であることが判明した。上記の結果から実施形態の光学モジュール100はLEDの光を黒体輻射曲線上から大きく逸脱させる事なく色温度を低下させ、かつ色温度変更フィルタ6を使う事で演色評価数を低下させる事が無いため、照明光として使用する際に不自然な色合いになることなく照明光の印象を変化させることが可能である。
青色LEDとは、例えば、概ね波長470nm近辺に発光スペクトルのピークを持ち430〜500nm程度の波長域の光線を出射するLEDである。
また、実施形態で用いた黄色蛍光体は、370nmから480nmの波長帯の波長光に対して励起帯を持ち、励起状態から基底状態へ移行する際に540nmから600nmの波長帯の波長光を蛍光発光するが、波長の値は例示であり、青色光を励起光として黄色の蛍光を発する蛍光体であればよい。
黄色蛍光体を波長変換用蛍光体として用い、色温度変更フィルタ6と組み合わせることで、光量を確保しつつ、演色評価数を低下させることなく、色温度を下げることができる。
緑色蛍光体は、青色光を励起光として緑色の蛍光を発する蛍光体である。例えば、青色370nmから480nmの波長帯の光で励起され、500nmから560nmの波長帯の蛍光を発光する蛍光体を用いることができる。赤色蛍光体は、青色光を励起光として赤色の蛍光を発する蛍光体である。例えば、370nmから480nmの波長帯の光で励起され、590nmから700nmの波長帯の蛍光を発光する蛍光体を用いることができる。
ここで、緑色LEDとは、520nm近辺に発光スペクトルのピークを持ち470−600nm程度の波長域の光線を出射するLEDである。赤色LEDとは、630nm近辺に発光スペクトルのピークを持ち590−660nm程度の波長域の光線を出射するLEDである。黄色LEDとは、600nm付近に発光スペクトルのピークを持ち520−800程度の波長域の光線を出射するLEDである。
これにより、色温度変更フィルタ6を用いた光学モジュール100は、光源光のうち相対的に短波長の光を、基板の実装表面およびリフレクタ3の反射面によって再度反射されて光学素子4へ入射して再利用させ、光源の光を黒体輻射曲線上から大きく逸脱させる事なく、演色評価数を低下させる事なく、色温度を低下させ、不自然な色合いになることなく照明光の印象を変化させることが可能となる。
これにより、色温度を低下させるために短波長の光を減少させても波長変換用蛍光体5により相対的に長波長の光が増加し、光学モジュール100の光量を維持することができる。
次に本実施形態の変形例に係る光学モジュール200について説明する。なお、下記の説明において、本実施形態に係る光学モジュール100と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
これにより、蛍光体分散ガラスを用いて光学モジュールを得ることができる。
本実施形態に係る光学モジュール100及び変形例に係る200は、光学素子40の表面または内部に波長変換用蛍光体5を有しており、光源1及び基板2の周囲にリフレクタ3が形成されているが、リフレクタ3を備えていない構成も可能である。リフレクタを備えていない光学モジュールは、色温度変更フィルタ6で反射して光源側に戻された光が捨てられるため、光学モジュールからの出射光量は多少減少するがコストを下げることができる。
また、光学モジュールにおいて、例えば、光源1からの出射光が白色である場合に波長変換用蛍光体5を使用しない構成も可能である。その場合には、光源1からの出射光は直接光学素子40へ入射することになる。
1 光源
2 基板
3 リフレクタ
4、40 光学素子
5、50 波長変換用蛍光体
6 色温度変更フィルタ
Claims (9)
- 光学素子表面に成膜される光学多層膜からなり、前記光学素子が樹脂製の場合は下地層を含めて四層もしくは五層の膜からなり、前記光学素子が光学ガラスの場合は四層から八層の膜からなり、前記光学素子とフィルタとの密着性の向上もしくは前記光学素子表面の保護のための下地層がある場合は下地層を除いた残りの膜の総膜数をx枚、膜全体の膜厚をynmとし、下地層がなければ前記光学素子の表面に形成された膜全体の総膜数をx枚とし、膜全体の膜厚をynmとし、それぞれの場合の空気と接する最外層の膜厚をznmとしたとき、
45≦(y/x)≦100・・・ (1)
120≦z≦175・・・(2)
を満たし、
370nmから750nmの波長領域において、650nmよりも短波長側へいくほど反射率が増加し、400nmから500nmの間に反射率のピークを有することを特徴とする色温度変更フィルタ。 - 370nmから750nmの波長領域において、700nm以上の長波長の反射率は4%以下であり、400nmから500nmの間におけるピーク反射率は30〜60%であること、
を特徴とする請求項1に記載の色温度変更フィルタ。 - 光源と、
前記光源の光出射側に設けられる光学素子と、
前記光学素子の前記光源側の表面に塗布され、前記光源からの出射光のうち第1の帯域の光を励起光として前記励起光よりも長波長である第2の帯域の蛍光を発する波長変換用蛍光体と、
前記光学素子の前記波長変換用蛍光体と反対側の面に成膜されており、前記光源からの出射光の一部の光を反射する請求項1または2記載の色温度変更フィルタと、
前記色温度変更フィルタで反射された光を前記波長変換用蛍光体に向けて反射するリフレクタと、
を備えていることを特徴とする光学モジュール。 - 光源と、
前記光源の光出射側に設けられる光学素子と、
前記光学素子に混入され、前記光源からの出射光のうち第1の帯域の光を励起光として前記励起光よりも長波長である第2の帯域の蛍光を発する波長変換用蛍光体と、
前記光学素子に対して前記光源と反対側の面に成膜されており、前記光源からの出射光の一部の光を反射する請求項1または2記載の色温度変更フィルタと、
前記色温度変更フィルタで反射された光を前記波長変換用蛍光体に向けて反射するリフレクタと、
を備えていることを特徴とする光学モジュール。 - 前記波長変換用蛍光体は光源の光のうち、第1の帯域の光を部分的に第2の帯域の蛍光に変換し、
前記波長変換用蛍光体で変換されなかった第1の帯域の光の一部が光学素子の出射面側に設置された前記色温度変更フィルタにて反射されて光源側へ戻されて再度光学素子内を通過し、通過した光の一部が前記波長変換用蛍光体により第2の帯域の蛍光に変換され、光学素子の入射面側から出射した蛍光はリフレクタにより再度光学素子側に向かって反射されることを特徴とする請求項3または4に記載の光学モジュール。 - 前記光源は白色LEDであることを特徴とする請求項5記載の光学モジュール。
- 前記光源には少なくとも1つの青色LEDを含み、
前記波長変換用蛍光体は、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として540nmから600nmの波長帯の蛍光を発光することを特徴とする請求項5に記載の光学モジュール。 - 前記光源には少なくとも1つの青色LEDを含み、
前記波長変換用蛍光体は、複数の波長変換用蛍光体を含み、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として500nmから560nmの波長帯の蛍光を発光する緑色蛍光体であり、
前記複数の波長変換用蛍光体の他の一つは、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として590nmから700nmの波長帯の蛍光を発光する赤色蛍光体である、
ことを特徴とする請求項5に記載の光学モジュール。 - 前記光源には少なくとも1つの近紫外LEDを含み、
前記波長変換用蛍光体は、複数の波長変換用蛍光体を含み、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として300nmから360nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として430nmから490nmの波長帯の蛍光を発光する青色蛍光体であり、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として300nmから360nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として500nmから560nmの波長帯の蛍光を発光する緑色蛍光体であり、
前記複数の波長変換用蛍光体の一つは、第1の帯域として370nmから480nmの波長帯の光で励起され、第2の帯域として590nmから700nmの波長帯の蛍光を発光する赤色蛍光体である、
ことを特徴とする請求項5に記載の光学モジュール。
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