JP6652785B2 - Led照明の分光分布設計方法 - Google Patents
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Description
P(λ):求めたい白色光の分光分布
Pb(λ):青色LEDの分光分布(分光放射束)
Pg(λ):緑色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Py(λ):黄色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Pr1(λ):赤色蛍光体1の分光分布(分光放射束)
Pr2(λ):赤色蛍光体2の分光分布(分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの混色比
k2:緑色蛍光体の混色比
k3:黄色蛍光体の混色比
k4:赤色蛍光体1の混色比
k5:赤色蛍光体2の混色比
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
である。
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(分光放射束)
Pg(λ):緑色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Py(λ):黄色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Pr1(λ):赤色蛍光体1の分光分布(分光放射束)
Pr2(λ):赤色蛍光体2の分光分布(分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
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η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
a1、a2、a1’、a2’:回帰定数
である。
P(λ):求めたい白色光の分光分布
Pw(λ):白色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pg(λ):緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr1(λ):赤色LED1の分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr2(λ):赤色LED2の分光分布(定格出力時の分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:白色LEDの放射束比(白色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k3:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
k4:緑色LEDの放射束比(緑色LEDの定格出力時を1とする)
k5:赤色LED1の放射束比(赤色LED1の定格出力時を1とする)
k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
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である。
P(λ):求めたい白色光の分光分布
Pw(λ):白色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
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η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
a1、a2、a1’、a2’:回帰定数
である。
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
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Pr1(λ):赤色LED1の分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr2(λ):赤色LED2の分光分布(定格出力時の分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
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k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
である。
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pg(λ):緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Py(λ):黄色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
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λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
k3:緑色LEDの放射束比(緑色LEDの定格出力時を1とする)
k4:黄色LEDの放射束比(黄色LEDの定格出力時を1とする)
k5:赤色LED1の放射束比(赤色LED1の定格出力時を1とする)
k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
a1、a2、a1’、a2’:回帰定数
である。
請求項2、4、6の発明によれば、ある特定の色を鮮やかでかつ明るく見せかつその内、光源効率が最大となる分光分布を得ることができる。
青色LEDを励起光源とする蛍光体の分光分布P(λ)は、内部量子効率ηintを介して以下の関係がある。励起光源の分光分布のうち、蛍光体に吸収された分光分布をE(λ)とする。ただし、P(λ)およびE(λ)は、分光放射束(W/nm)の単位を持つ絶対値とする。
各LEDの「放射束−電力特性」(これは、LEDメーカーのスペックシートに記載されている「順方向電流−放射束特性」および「順方向電流−順方向電圧」特性から導出することができる。または、実験的に求めることができる。)を求める。ここで、放射束とはLEDから放射される単位時間当たりのエネルギー量を表す。構成する各LEDの定格出力時の放射束に対する、求める放射束の比をkiで表すと、各LEDの放射束比kiと各LEDへの供給電力pi(W)の関係式を次式で表すことができる。
求める白色LEDに供給する全電力は、次式で表すことができる。
基準光源としてはD50蛍光ランプを用い、一対比較により評価を行う。
両ブースに同じ評価用色票(15色、JIS試験色に近似した分光反射率を持つ)を1枚ずつ提示し、被験者は、その見えを比較して評価する。色票の載置面の照度は500lxに設定する。評価の方法はSD法(semantic differential method)で行い、相対的な見えの印象の程度を20個の形容詞に関して、「全くそう思わない(1)」〜「非常にそう思う(7)」の7段階で被験者に答えさせる。
形容詞:違って見える、鮮やか、明るい、赤みが強い、緑みが強い、自然である、好ましい、・・・等である。
例えば、「右側の色と比べて、左側の色の方が、明るい」等の評価である。
照明ブースを使った視感評価において、基準光源および試験光源ともにD50蛍光ランプを設置したときの「違って見える」評定値(前述した7段階の値)の結果を図1に示す。被験者は、大学生10名とした。その結果、「違って見える」評定値の平均値は、約4点(どちらともいえない)であった。上記の実験は、ほぼ同一の相対分光分布を比較しているため、光源の分光分布に起因する色見えの違いは生じないことが明らかである。この結果から、光源による色見えの違いがないときの闘値として、4点を採用する。一方、市販LEDランプ、蛍光ランプおよび白熱電球を用いた、別実験で求めた「違って見える」評定値(実験値)とCIECAM02−UCSの色差△E’(計算値)の相関関係を図2に示す。色差△E’の対数値と「違って見える」評定値は正の相関係にあり、評定値が4点のときの色差を外挿すると△E’≒2.2であり、これを色差△E’の閾値とする。これより、光源による色みえの違いがないときの色差△E’を閾値より小さい値、すなわち△E'<2.2とする。また、L*a*b*表色系の色差△E*の対数値も「違って見える」評定値と正の相関関係にあり、評定値が4点の時の色差を外挿すると△E*≒5.1であり、これを色差△E * の閾値とする。これより、光源による色みえの違いがないときの色差△E * を閾値より小さい値、すなわち△E*<5.1とする。
試料光源として市販LEDおよび蛍光ランプを設定した際の「鮮やか」評定値と「明るい」評定値が(基準光源に対して)ともに6点(「そう思う」)以上のとき、鮮やかさおよび明るさが明らかに増加しているとする。さらに本実験で求めた「鮮やか」評定値(実験値)および「明るい」評定値とCIECAM02−UCSの△QMn=a1△Qn+a2△Mn(△Qn)は基準光源とのブライトネス差、△Mnはカラフルネス差、a1、a2は実験から求める定数、nは色票番号1〜15)の相関関係を図3、図4に示す。ややばらつきは大きいが、△QMnと「鮮やか」評定値または「明るい」評定値はそれぞれ正の相関関係にあるといえる。「鮮やか」評定値または「明るい」評定値が6点のときの△QMnを内挿すると「鮮やか」評定値では△QMn≒1.8、「明るい」評定値では△QMn≒2.2であった。これより、昼光に比べて明らかに鮮やかかつ明るく感じるときの△QM n の閾値を2.2とし、△QM n を閾値より大きい値、すなわち△QMn>2.2とする(図3)。また、L*a*b*表色系の△L*C * abn =a1’△L* n+a2’△C* abn(CIE1976明度差△L*、abクロマ差△C * ab 、a1’、a2’は実験から求める定数、nは色票番号1〜15)と「鮮やか」評定値または「明るい」評定値はそれぞれ正の相関関係にある。「鮮やか」評定値または「明るい」評定値が6点のときの△L*C * abn を内挿すると「鮮やか」評定値では△L*Cab * n≒2.7、「明るい」評定値では△L*Cab * n≒3.3であった。これより、昼光に比べて明らかに鮮やかかつ明るく感じるときの△L * C * abn の閾値を3.3とし、△L * C * abn を閾値より大、すなわち△L*C * abn >3.3とする。
(a)相関色温度を5000K(昼白色)とする。
(b)色の変化(色相角の差△hまたは△hab)を設定値より小とする。
(c)昼光近似の分光分布の場合、色差△E’を閾値より小さい値、すなわち△E’<2.2とする、または色差△E * を閾値より小さい値、すなわち△E*<5.1とする。
(d)赤色の鮮やかさを増す分光分布の場合、△QM 9 を閾値より大きい値、すなわち△QM9>2.2とする、または△L * C * abn を閾値より大きい値、すなわち△L*C * abn >3.3とする。
以上の設計方法により算出した分光分布例を図5に示す。表1には、バランスを考慮した分光分布の効率改善例を示す。効率考慮前に比べて、(1)"昼光近似"分光分布について16%、(2)"赤色鮮やか"分光分布について25%の発光効率向上を実現している。
Claims (9)
- 青色LEDと、緑色蛍光体と黄色蛍光体と赤色蛍光体1と赤色蛍光体2とを混合して得られる混合蛍光体とによって構成される白色LEDを用いて白色光を得る方法であって、
次式の係数k1〜k 5 を負数とならない範囲で任意に変化させた(ただし、k1=1−Σkj(j=2,3,4,5)である)ときの白色光の分光分布P(λ)を下記式(1)で表し、設計する白色LEDの光源効率η(lm/W)を下記式(2)で表したとき、
上記式において、
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(分光放射束)
Pg(λ):緑色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Py(λ):黄色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Pr1(λ):赤色蛍光体1の分光分布(分光放射束)
Pr2(λ):赤色蛍光体2の分光分布(分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの混色比
k2:緑色蛍光体の混色比
k3:黄色蛍光体の混色比
k4:赤色蛍光体1の混色比
k5:赤色蛍光体2の混色比
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
である。 - 青色LEDと、緑色蛍光体と黄色蛍光体と赤色蛍光体1と赤色蛍光体2とを混合して得られる混合蛍光体とによって構成される白色LEDを用いて白色光を得る方法であって、
次式の係数k1〜k5を負数とならない範囲で任意に変化させた(ただし、k1=1−2kj(j=2,3,4,5)である)ときの白色光の分光分布P(λ)を下記式(1)で表し、設計する白色LEDの光源効率η(lm/W)を下記式(2)で表したとき、
上記式において、
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(分光放射束)
Pg(λ):緑色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Py(λ):黄色蛍光体の分光分布(分光放射束)
Pr1(λ):赤色蛍光体1の分光分布(分光放射束)
Pr2(λ):赤色蛍光体2の分光分布(分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの混色比
k2:緑色蛍光体の混色比
k3:黄色蛍光体の混色比
k4:赤色蛍光体1の混色比
k5:赤色蛍光体2の混色比
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
a1、a2、a1’、a2’:回帰定数
である。 - 青色発光素子と黄色蛍光体とによって構成される白色LEDと、青色LEDと、青緑色LEDと、緑色LEDと、赤色LED1と、赤色LED2を用い、前記白色、青色、青緑色、緑色、赤色1、赤色2それぞれのLEDからの光を加法混色して白色光を得る方法であって、
次式の係数k1〜k 6 を負数とならない範囲で任意に変化させたときの白色光の分光分布P(λ)を下記式(3)で表し、設計する白色LEDの光源効率η(lm/W)を下記式(2)で表したとき、
上記式において、
P(λ):求めたい白色光の分光分布
Pw(λ):白色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pg(λ):緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr1(λ):赤色LED1の分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr2(λ):赤色LED2の分光分布(定格出力時の分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:白色LEDの放射束比(白色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k3:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
k4:緑色LEDの放射束比(緑色LEDの定格出力時を1とする)
k5:赤色LED1の放射束比(赤色LED1の定格出力時を1とする)
k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
である。 - 青色発光素子と黄色蛍光体とによって構成される白色LEDと、青色LEDと、青緑色LED、緑色LEDと、赤色LED1と、赤色LED2を用い、前記白色、青色、青緑色、緑色、赤色1、赤色2それぞれのLEDからの光を加法混色して白色光を得る方法であって、
次式の係数k1〜k 6 を負数とならない範囲で任意に変化させたときの白色光の分光分布P(λ)を下記式(3)で表し、設計する白色LEDの光源効率η(lm/W)を下記式(2)で表したとき、
上記式において、
P(λ):求めたい白色光の分光分布
Pw(λ):白色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pg(λ):緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr1(λ):赤色LED1の分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr2(λ):赤色LED2の分光分布(定格出力時の分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:白色LEDの放射束比(白色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k3:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
k4:緑色LEDの放射束比(緑色LEDの定格出力時を1とする)
k5:赤色LED1の放射束比(赤色LED1の定格出力時を1とする)
k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
a1、a2、a1’、a2’:回帰定数
である。 - 青色LEDと、青緑色LEDと、青色LEDと緑色蛍光体とによって構成される緑色LEDと、青色LEDと黄色蛍光体とによって構成される黄色LEDと、青色LEDと赤色蛍光体1とによって構成される赤色LED1と、青色LEDと赤色蛍光体2とによって構成される赤色LED2を用い、前記青色、青緑色、緑色、黄色、赤色1、赤色2それぞれのLEDからの光を加法混色して白色光を得る方法であって、
次式の係数k1〜k 6 を負数とならない範囲で任意に変化させたときの白色光の分光分布P(λ)を下記式(4)で表し、設計する白色LEDの光源効率η(lm/W)を下記式(2)で表したとき、
上記式において、
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pg(λ):緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Py(λ):黄色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr1(λ):赤色LED1の分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr2(λ):赤色LED2の分光分布(定格出力時の分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
k3:緑色LEDの放射束比(緑色LEDの定格出力時を1とする)
k4:黄色LEDの放射束比(黄色LEDの定格出力時を1とする)
k5:赤色LED1の放射束比(赤色LED1の定格出力時を1とする)
k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
である。 - 青色LEDと、青緑色LEDと、青色LEDと緑色蛍光体とによって構成される緑色LEDと、青色LEDと黄色蛍光体とによって構成される黄色LEDと、青色LEDと赤色蛍光体1とによって構成される赤色LED1と、青色LEDと赤色蛍光体2とによって構成される赤色LED2を用い、前記青色、青緑色、緑色、黄色、赤色1、赤色2それぞれのLEDからの光を加法混色して白色光を得る方法であって、
次式の係数k1〜k 6 を負数とならない範囲で任意に変化させたときの白色光の分光分布P(λ)を下記式(4)で表し、設計する白色LEDの光源効率η(lm/W)を下記式(2)で表したとき、
上記式において、
P(λ):求めたい白色光の分光分布(分光放射束)
Pb(λ):青色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pbg(λ):青緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pg(λ):緑色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Py(λ):黄色LEDの分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr1(λ):赤色LED1の分光分布(定格出力時の分光放射束)
Pr2(λ):赤色LED2の分光分布(定格出力時の分光放射束)
λ:波長380nm〜780nm
k1:青色LEDの放射束比(青色LEDの定格出力時を1とする)
k2:青緑色LEDの放射束比(青緑色LEDの定格出力時を1とする)
k3:緑色LEDの放射束比(緑色LEDの定格出力時を1とする)
k4:黄色LEDの放射束比(黄色LEDの定格出力時を1とする)
k5:赤色LED1の放射束比(赤色LED1の定格出力時を1とする)
k6:赤色LED2の放射束比(赤色LED2の定格出力時を1とする)
η:求めたい白色LEDの光源効率(lm/W)
Φ:求めたい白色LEDの全光束(lm)
p:求めたい白色LEDの消費電力(W)
a1、a2、a1’、a2’:回帰定数
である。 - 青色LEDと、緑色蛍光体と黄色蛍光体と赤色蛍光体1と赤色蛍光体2とを混合して得られる混合蛍光体とによって構成される照明器具において、請求項1または2に記載の分光分布を有することを特徴とする照明器具。
- 青色発光素子と黄色蛍光体とによって構成される白色LEDと、青色LEDと、青緑色LEDと、緑色LEDと、赤色LED1と、赤色LED2から構成される照明器具において、請求項3または4に記載の分光分布を有することを特徴とする照明器具。
- 青色LEDと、青緑色LEDと、青色LEDと緑色蛍光体とによって構成される緑色LEDと、青色LEDと黄色蛍光体とによって構成される黄色LEDと、青色LEDと赤色蛍光体1とによって構成される赤色LED1と、青色LEDと赤色蛍光体2とによって構成される赤色LED2から構成される照明器具において、請求項5または6に記載の分光分布を有することを特徴とする照明器具。
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