JP6712149B2 - LED light source device - Google Patents

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本発明は、LED光源装置に関し、特に被照射面において、生活環境ならびに特殊環境における自然/人工照明を、高いスペクトル近似度で、特に低い照度でも高い光量均一度で再現できるLED光源装置に関する。 The present invention relates to an LED light source device, and more particularly, to an LED light source device capable of reproducing natural/artificial illumination in a living environment and a special environment on a surface to be illuminated with a high degree of spectral approximation, and particularly with a low light intensity and a high degree of light intensity uniformity.

太陽電池等の2次元受光素子の出力性能を測定するため、またその均一性の検査のために、光源装置が用いられている。 A light source device is used to measure the output performance of a two-dimensional light receiving element such as a solar cell and to inspect its uniformity.

かかる光源装置において、キセノンランプやハロゲンランプの組み合わせが光源として用いられている(特許文献1〜4参照)。これら光源をランプ光源と呼称する。 In such a light source device, a combination of a xenon lamp and a halogen lamp is used as a light source (see Patent Documents 1 to 4). These light sources are called lamp light sources.

図1は、かかるキセノンランプやハロゲンランプの組み合わせのランプ光源を用いる従来の光源装置について説明する概念構成図である。 FIG. 1 is a conceptual configuration diagram for explaining a conventional light source device using a lamp light source of a combination of such a xenon lamp and a halogen lamp.

図1において、放物面鏡2の焦点に配置されたランプ光源1より射出した光束は、第1の反射鏡3で反射されてインテグレーター4に入射する。インテグレーター4で均一化された光量の光が、再び出射して、第2の反射鏡5及び光学系6を通して、被照射面7に照射される。 In FIG. 1, the light flux emitted from the lamp light source 1 arranged at the focal point of the parabolic mirror 2 is reflected by the first reflecting mirror 3 and enters the integrator 4. The light of the quantity of light made uniform by the integrator 4 is emitted again and is irradiated onto the irradiated surface 7 through the second reflecting mirror 5 and the optical system 6.

かかる光源装置の利用として、例えば、ソーラーシミュレータとして利用することが可能である。ソーラーシミュレータの場合、太陽光のスペクトルにシミュレートされたランプ光源1の発光が照射される被照射面7を太陽電池の表面として、当該太陽電池の発光効率の測定に用いることが可能である。 The light source device can be used as, for example, a solar simulator. In the case of a solar simulator, it is possible to use the irradiated surface 7 irradiated with the light emission of the lamp light source 1 simulated in the spectrum of sunlight as the surface of the solar cell to measure the luminous efficiency of the solar cell.

上記のようなランプ光源1を用いる光源装置では、特に高い強度の照射が必要な場合は、ランプの寿命が短いという問題があった。また、光学系の損失が大きいため、ランプに投入した電力のうちたかだか数%が光として照射されるにすぎず、省電力化が難しかった。さらに、ランプ光源が不要な赤外線を同時に発生するため、照射面および照射面に置かれた試料を不必要に加熱する問題もあった。 The light source device using the lamp light source 1 as described above has a problem that the life of the lamp is short, particularly when irradiation with high intensity is required. Further, since the loss of the optical system is large, only a few percent of the electric power supplied to the lamp is irradiated as light, and it is difficult to save power. Further, since the lamp light source simultaneously generates unnecessary infrared rays, there is a problem that the irradiation surface and the sample placed on the irradiation surface are unnecessarily heated.

かかるランプ光源1による光源装置の不都合を解消するべく、発光ダイオード(LED)を光源とするLED光源装置も開発されてきた。かかるLED光源装置を用いた太陽電池の評価方法及び装置も提案されている(特許文献5〜8)。 In order to eliminate the disadvantage of the light source device by the lamp light source 1, an LED light source device using a light emitting diode (LED) as a light source has also been developed. A solar cell evaluation method and device using such an LED light source device have also been proposed (Patent Documents 5 to 8).

特開2010−251387号公報JP, 2010-251387, A 特開2010−271685号公報JP, 2010-271685, A 特開2011−119322号公報JP, 2011-119322, A 特開2011−222655号公報JP, 2011-222655, A 特開2004−281706号公報JP 2004-281706 A 特開2010−287647号公報JP, 2010-287647, A 特開2011−9248号公報JP, 2011-9248, A 特許第4944231号公報Japanese Patent No. 4944231

上記特許文献5〜8に示される技術は、専ら太陽電池の特性評価を目的とする評価方法及び評価装置であって、特定の少数の波長、例えば、特許文献5にあっては、赤外、赤、青の3つの波長帯と、白の広波長帯のLEDを用い、特許文献6、7にあっては、赤外、紫外、赤、青の波長帯のLEDを用いている。 The techniques disclosed in Patent Documents 5 to 8 described above are evaluation methods and evaluation devices exclusively for evaluating the characteristics of solar cells, and a specific small number of wavelengths, for example, in Patent Document 5, infrared rays, LEDs of three wavelength bands of red and blue and a wide wavelength band of white are used. In Patent Documents 6 and 7, LEDs of wavelength bands of infrared, ultraviolet, red, and blue are used.

そして、特許文献5に記載の発明では、LED毎に発光させ、対応するLEDの絶対分光感度を取得し、各LEDの絶対分光感度の値から、計算により太陽電池の絶対分光感度曲線を求めることを開示している。 Then, in the invention described in Patent Document 5, each LED is caused to emit light, the absolute spectral sensitivity of the corresponding LED is acquired, and the absolute spectral sensitivity curve of the solar cell is calculated from the value of the absolute spectral sensitivity of each LED. Is disclosed.

特許文献6、7に記載の発明は、特許文献5の太陽電池の特性評価方法を前提として、これに用いる太陽電池評価装置における温度によるLEDの発光効率のばらつきを解消するべく水冷式の冷却ユニットを開示している。 The inventions described in Patent Documents 6 and 7 are based on the solar cell characteristic evaluation method of Patent Document 5, and are water-cooling type cooling units for eliminating the variation in the luminous efficiency of the LEDs due to the temperature in the solar cell evaluation apparatus used therefor. Is disclosed.

しかし、上記特許文献5〜7に示される技術では、LEDの発光色の輝線スペクトルが離散的であり、より理想的に目的のスペクトルに近似させることは困難を伴う。 However, in the techniques disclosed in Patent Documents 5 to 7, the emission line spectrum of the LED emission color is discrete, and it is difficult to more ideally approximate the target spectrum.

加えて、現在、上記した特許文献1〜8に示されるような太陽光のシミュレータ及び太陽電池の特性評価の他、多様な照明用途が考えられている。従来より特定光のシミュレーションに加え、室内光のシミュレート、塗装物・印刷物等の異なる環境での色のチェックや人工的な環境での植物の効率的な栽培育成を狙った特殊照明などが考えられている。 In addition, various lighting applications are currently considered in addition to the solar simulator and the solar cell characteristic evaluation as described in Patent Documents 1 to 8 described above. In addition to conventional simulation of specific light, we are thinking of simulating indoor light, checking colors in different environments such as painted materials and printed materials, and special lighting aiming at efficient cultivation and cultivation of plants in artificial environments. Has been.

一方、近年、スマートフォン等の携帯機器を室内等の低照度の環境で使用する機会が多くなっている。その際、携帯機器用の補助電源として、太陽電池による充電装置が用いられる。したがって、同様に、かかる充電装置に使用する太陽電池の特性、特に低照度環境下での特性を評価することが必要である。 On the other hand, in recent years, there have been many opportunities to use mobile devices such as smartphones in a low illumination environment such as indoors. At that time, a charging device using a solar cell is used as an auxiliary power source for a mobile device. Therefore, similarly, it is necessary to evaluate the characteristics of the solar cell used in such a charging device, particularly the characteristics in a low illuminance environment.

そのためには、低照度での照明を可能とする光源装置が必要となる。しかし、これまで低照度での太陽光スペクトルを精度良くシミュレートする光源装置は提供されていなかった。 For that purpose, a light source device that enables illumination with low illuminance is required. However, a light source device that accurately simulates the sunlight spectrum in low illuminance has not been provided so far.

したがって、上記従来の技術状況に鑑みて、本発明の課題は、低照度でも高いスペクトル近似度で、高い光量均一度で太陽光スペクトルの光を出力できるLED光源を用いるLED光源装置を提供することにある。 Therefore, in view of the above-mentioned conventional technical situation, an object of the present invention is to provide an LED light source device using an LED light source capable of outputting light of a sunlight spectrum with a high degree of spectrum approximation and a high degree of light quantity uniformity even in low illuminance. It is in.

上記の課題を解決する本発明に従うLED光源装置は、基本的側面として、それぞれ異なる発光波長の複数のLED素子で構成されるLED光源と、前記LED光源の複数のLED素子に駆動電流を供給するLED駆動部と、所定の波長スペクトルに対応して前記複数のLED素子のそれぞれの発光強度を決定して、前記LED駆動部の駆動電流を制御するフィードバック制御部と、前記LED光源による発光照射を受ける被照射面と、前記被照射面の照度の波長毎の強度を測定する分光放射計を有し、前記分光放射計により測定される波長毎の強度に基づき、前記フィードバック制御部は前記所定の波長スペクトルに対応する様に前記LED駆動部の駆動電流を制御し、更に前記LED駆動部は、前記複数のLED素子を定電流駆動し、更に前記複数のLED素子に流れる電流を検知して前記定電流駆動をフィードバック制御することを特徴とする。 An LED light source device according to the present invention which solves the above-mentioned problems has, as a basic aspect, an LED light source configured by a plurality of LED elements each having a different emission wavelength, and a drive current is supplied to the plurality of LED elements of the LED light source. An LED drive unit, a feedback control unit that determines the emission intensity of each of the plurality of LED elements corresponding to a predetermined wavelength spectrum, and controls the drive current of the LED drive unit, and emits light emitted by the LED light source. The illuminated surface to be received, and a spectral radiometer for measuring the intensity of each illuminance of the illuminated surface for each wavelength, based on the intensity of each wavelength measured by the spectral radiometer, the feedback control unit is the predetermined The drive current of the LED drive unit is controlled so as to correspond to the wavelength spectrum, and the LED drive unit drives the plurality of LED elements at a constant current, and further detects the current flowing through the plurality of LED elements to detect the current. It is characterized in that constant current driving is feedback-controlled.

上記の課題を解決する本発明に従うLED光源装置は、前記基本的側面において、さらに、複数のLED光源は、レーザ素子と蛍光体とで構成され、前記蛍光体が、前記レーザ素子により励起されて、所定の波長光を発光することを特徴とする。 The LED light source device according to the present invention for solving the above-mentioned problems is, in the basic aspect, further, a plurality of LED light sources are composed of a laser element and a phosphor, and the phosphor is excited by the laser element. , Emitting light of a predetermined wavelength.

上記の課題を解決する本発明に従うLED光源装置は、前記基本的側面において、さらに、前記複数のLED光源のそれぞれの出力光を、インテグレーターを通して前記被照射面に照射し、前記被照射面で前記複数のLED光源の出力光の波長が合成されることを特徴とする。 LED light source device according to the present invention to solve the above problems, in the basic aspect, further, each of the output light of the plurality of LED light sources, irradiating the irradiated surface through an integrator, the irradiation surface by the It is characterized in that the wavelengths of the output lights of a plurality of LED light sources are combined.

さらに、前記複数のLED光源の出力光を、共通のインテグレーターを通して波長合成し、前記共通のインテグレーターの出力光を前記被照射面に照射することを特徴とする。 Further, the output lights of the plurality of LED light sources are wavelength-combined through a common integrator, and the output light of the common integrator is applied to the illuminated surface.

また、特定の発光波長のLED光源が得られないとき、隣接する波長のLED光源の出力を、空間フィルターを通して、前記特定の発光波長に近似させることを特徴とする。 Further, when an LED light source having a specific emission wavelength cannot be obtained, the output of the LED light source having an adjacent wavelength is approximated to the specific emission wavelength through a spatial filter.

上記により簡単な装置構成で、最大1SUNからろうそくの明かり程度である1/10000SUNまでの任意の照度で、目標とするスペクトルの光を出力できるLED発光装置が提供可能である。 As described above, it is possible to provide an LED light-emitting device having a simple device configuration and capable of outputting light of a target spectrum with an arbitrary illuminance from 1 SUN at maximum to 1/10000 SUN, which is about the brightness of candles.

キセノンランプやハロゲンランプの組み合わせのランプ光源を用いる従来の光源装置について説明する概念構成図である。It is a conceptual block diagram explaining the conventional light source device which uses the lamp light source of the combination of a xenon lamp and a halogen lamp. 本発明に従うLED光源装置の実施例のブロック図である。1 is a block diagram of an embodiment of an LED light source device according to the present invention. 光源装置における複数の光源によるスペクトル合成を説明する図である。It is a figure explaining spectrum combination by a some light source in a light source device. 図2に示した記憶装置14に予め格納される、複数の所定のスペクトル情報のテーブルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the table of several predetermined|prescribed spectrum information previously stored in the memory|storage device 14 shown in FIG. LED光源装置の一構成例を示す図である。It is a figure which shows one structural example of an LED light source device. 空間フィルターアレイによってスペクトル整形する例を示す図である。It is a figure which shows the example which carries out spectrum shaping by a spatial filter array. 本発明に従うLED光源装置を太陽電池光源に用いた場合のスペクトルの測定結果(1SUN)を説明する図である。It is a figure explaining the measurement result (1SUN) of the spectrum when using the LED light source device according to this invention for a solar cell light source. 本発明に従うLED光源装置を太陽電池光源の低照度に用いた場合のスペクトルの測定結果(1/10000SUN)を説明する図である。It is a figure explaining the measurement result (1/10000SUN) of the spectrum when the LED light source device according to this invention is used for the low illuminance of a solar cell light source.

以下図面に基づき、本発明に従うLED光源装置の実施例を説明する。 An embodiment of an LED light source device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図2は、本発明に従うLED光源装置の実施例ブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram of an embodiment of an LED light source device according to the present invention.

LED光源装置は、制御装置10と、これにより発光制御される複数のLED素子で構成されるLED光源11と、LED光源11により照射される被照射面12に設けられたセンサー部130と本体部131で構成される分光放射計13と、更に記憶装置14を有して構成される。 The LED light source device includes a control device 10, an LED light source 11 including a plurality of LED elements whose light emission is controlled by the control device 10, a sensor unit 130 provided on a surface 12 to be illuminated by the LED light source 11, and a main body unit. A spectral radiometer 13 composed of 131 and a storage device 14 are further provided.

制御装置10は、管理プログラムを実行するパーソナルコンピュータと同様機能の情報処理部100、フィードバック制御部101及び、低照度対応可能のLED駆動部102を有する。さらに、LED駆動部102とLED光源11の間にLED光源11を定電流制御するアナログ出力部102a、及びLED光源11に流れる実際の電流値を検知するアナログ入力部102bを備える。 The control device 10 includes an information processing unit 100 having a function similar to that of a personal computer that executes a management program, a feedback control unit 101, and an LED driving unit 102 that can handle low illuminance. Further, an analog output unit 102a for controlling the LED light source 11 with a constant current and an analog input unit 102b for detecting an actual current value flowing in the LED light source 11 are provided between the LED driving unit 102 and the LED light source 11.

記憶装置14は、制御装置10の外部に独立して若しくは、情報処理部100の付属部として備えられる。そして、情報処理部100における管理プログラムの実行により、複数の光源のそれぞれに対応する所定のスペクトルデータが記憶装置14に書き込み/読出し可能に格納されている。 The storage device 14 is provided outside the control device 10 independently or as an attachment unit of the information processing unit 100. Then, by executing the management program in the information processing unit 100, the predetermined spectrum data corresponding to each of the plurality of light sources is stored in the storage device 14 in a writable/readable manner.

図2において、LED光源11は、より超寿命でエネルギー効率に優れた、発光ダイオード(LED素子)ないしは半導体レーザ等の発光スペクトル幅が狭い光源(以降単に、LED素子という)を用いる。必要とされるスペクトル帯域を全てカバーできるように異なる発光波長特性を有する複数のLED素子を選定する。 In FIG. 2, the LED light source 11 uses a light source having a narrow emission spectrum width (hereinafter, simply referred to as an LED element) such as a light emitting diode (LED element) or a semiconductor laser, which has a longer life and is excellent in energy efficiency. A plurality of LED elements having different emission wavelength characteristics are selected so as to cover all of the required spectral band.

図2に示すように、制御装置10により出力レベルを調整されるLED光源11からの発光が被照射面12に照射される。 As shown in FIG. 2, the irradiated surface 12 is irradiated with light emitted from the LED light source 11 whose output level is adjusted by the control device 10.

被照射面12には、スペクトル照度分布をリアルタイムに測定する機能装置(被照射面12の光特性の検知手段:分光放射計)13を本体部131と一体で構成する照度センサー130が組み込まれる。これにより、照射中に照射光のスペクトルの測定が可能になる。 An illuminance sensor 130 having a functional unit (spectral means for detecting optical characteristics of the radiated surface 12: spectral radiometer) 13 integrated with a main body 131 is incorporated in the illuminated surface 12 in real time. This makes it possible to measure the spectrum of the irradiation light during irradiation.

LED光源11の各々のLED素子は、スペクトル分布中の固有のスペクトル領域に寄与するため、分光放射計13により測定されたスペクトル中の特定のスペクトル領域の強度を望みの値にするべく、コンピュータとソフトウエア、あるいはロジック制御ハードウエアとユーザーインターフェイス(ハードウエア/ソフトウエア)によって構成されるフィードバック制御装部101により、その発光強度がフィードバック制御される。 Since each LED element of the LED light source 11 contributes to a unique spectral region in the spectral distribution, a computer is required to set the intensity of a specific spectral region in the spectrum measured by the spectroradiometer 13 to a desired value. The light emission intensity is feedback-controlled by the feedback control unit 101 composed of software or logic control hardware and a user interface (hardware/software).

すなわち、フィードバック制御部101は、記憶装置14に予め格納したユーザーが希望する光源の所定の波長スペクトルに対応するべく、分光放射計13で測定された各波長帯の照度の測定値と、所定の波長スペクトルとを比較して、その差分が小さくなるように、LED駆動部102を制御する。 That is, the feedback control unit 101 stores the measured value of the illuminance of each wavelength band measured by the spectroradiometer 13 and the predetermined value in order to correspond to the predetermined wavelength spectrum of the light source desired by the user and stored in the storage device 14 in advance. The LED drive unit 102 is controlled so as to compare the wavelength spectrum and reduce the difference.

LED駆動部102は、フィードバック制御部101からの制御値に対応してアナログ出力部102aの定電流値を設定してLED光源11を駆動する。さらに、LED駆動部102は、アナログ入力部102bで検知されるLED光源11の実際の電流値を入力し、先の定電流値となるように、アナログ出力部102aに対してフィードバック制御する。 The LED driving unit 102 sets the constant current value of the analog output unit 102a corresponding to the control value from the feedback control unit 101 and drives the LED light source 11. Further, the LED driving unit 102 inputs the actual current value of the LED light source 11 detected by the analog input unit 102b, and performs feedback control on the analog output unit 102a so that the constant current value becomes the previous constant current value.

ここで、LED駆動部102、アナログ出力部102a及びアナログ入力部102bは、LED光源11の低照度発光を可能とするべく、低照度(11lux〜1123lux)での出力照度が高い光量均一度で再現できるように設計されている。 Here, the LED drive unit 102, the analog output unit 102a, and the analog input unit 102b reproduce the output illuminance at low illuminance (11 lux to 1123 lux) with high light intensity uniformity so that the LED light source 11 can emit low illuminance. It is designed to be able to.

本発明は、上記のフィードバック制御部101によるフィードバック制御と、LED駆動部102におけるフィードバック制御との二重のフィードバック制御に特徴を有し、これにより1/10000SUN〜1SUNの範囲、即ちろうそくの明かりほどの低照度から戸外の太陽光下の照度の光を、高いスペクトル近似度で、出力可能なLED光源装置が再現できる。 The present invention is characterized by the dual feedback control of the feedback control by the above feedback control unit 101 and the feedback control by the LED driving unit 102, whereby the range of 1/10000 SUN to 1 SUN, that is, the light of a candle. It is possible to reproduce an LED light source device capable of outputting light with low illuminance to illuminance under outdoor sunlight with a high degree of spectral approximation.

図3は、光源装置10における複数の光源によるスペクトル合成を説明する図である。それぞれ発光スペクトル幅が狭い複数のLED素子の波長(λ〜λ)を順に並べることにより、図3(1)に示すように所定の帯域のスペクトル合成30が得られる。そして、記憶装置14に予め格納したユーザーが所望する所定の発光スペクトル31(図3(2))に対応するべく、個々のLED素子の発光強度を制御することにより、所望のスペクトル31に対応する合成スペクトルが生成できる。 FIG. 3 is a diagram for explaining spectrum synthesis by a plurality of light sources in the light source device 10. By sequentially arranging the wavelengths (λ 1 to λ n ) of a plurality of LED elements each having a narrow emission spectrum width, a spectrum synthesis 30 in a predetermined band can be obtained as shown in FIG. 3(1). Then, by controlling the emission intensity of each LED element so as to correspond to the predetermined emission spectrum 31 (FIG. 3B) desired by the user stored in the storage device 14 in advance, the emission spectrum corresponding to the desired spectrum 31 is obtained. A synthetic spectrum can be generated.

図4は、図2に示した記憶装置14に予め格納されるユーザーが所望する発光スペクトル31に対応するスペクトル情報テーブルの例を示す図である。このスペクトル情報テーブルには、光源となるLED素子(No.1〜n)毎に発光中心周波数(f〜f)と、所望の発光スペクトル31に対応する照度(L〜L)が登録されている。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a spectrum information table stored in advance in the storage device 14 shown in FIG. 2 and corresponding to the emission spectrum 31 desired by the user. In this spectrum information table, the emission center frequency (f 1 to f n ) and the illuminance (L 1 to L n ) corresponding to the desired emission spectrum 31 are set for each LED element (No. 1 to n ) serving as a light source. It is registered.

フィードバック制御部101は、スペクトル照度分布をリアルタイムに測定する分光放射計13から得られるLED光源11のLED素子(No.1〜No.n)毎の被照射面12における実照度と図4のスペクトル情報テーブルの所望スペクトルに対応する照度(L〜L)とを比較して、差分を求める。次いで、この差分が零となるように、LED駆動部102に制御信号を送り、対応するLED素子の電流を制御してスペクトル情報テーブル(図4)の所望スペクトル31の照度に一致させる。 The feedback control unit 101 obtains the spectral illuminance distribution in real time from the spectral radiometer 13 and obtains the actual illuminance on the illuminated surface 12 for each LED element (No. 1 to No. n) of the LED light source 11 and the spectrum of FIG. The illuminance (L 1 to L n ) corresponding to the desired spectrum in the information table is compared to obtain the difference. Next, a control signal is sent to the LED drive unit 102 so that this difference becomes zero, and the current of the corresponding LED element is controlled to match the illuminance of the desired spectrum 31 in the spectrum information table (FIG. 4).

図5は、LED光源11の一構成例である。それぞれ構成が同じ複数の光源(簡単化のために図では3本の光源)が示されている。光源は、発光ダイオード(LED素子)20A(20B、20C)を使用している。ここでLED素子20A(20B、20C)のそれぞれは、所要の発光強度が得られるように同一規格のLED素子を複数本で構成されてもよい。 FIG. 5 shows an example of the configuration of the LED light source 11. A plurality of light sources having the same configuration (three light sources in the figure for simplification) are shown. The light source uses light emitting diodes (LED elements) 20A (20B, 20C). Here, each of the LED elements 20A (20B, 20C) may be composed of a plurality of LED elements of the same standard so as to obtain a required light emission intensity.

LED素子20A(20B、20C)の発光を、結合光学系21A(21B、21C)を通して、インテグレーター22A(22B、22C)に入力する。インテグレーター22A(22B、22C)により、LED素子20A(20B、20C)の発光の照度を均一化できる。 The light emitted from the LED element 20A (20B, 20C) is input to the integrator 22A (22B, 22C) through the coupling optical system 21A (21B, 21C). By the integrator 22A (22B, 22C), the illuminance of light emitted from the LED element 20A (20B, 20C) can be made uniform.

インテグレーター22A(22B、22C)の出力は、投影光学系D1(D2、D3)を通して再び放射され、被照射面12に照射される。図に示すように、各光源からの光は被照射面12での照度面分布が均一になるべく、インテグレーター22A(22B、22C)によって整えられる。各々の光源の放射角特性は光源に固有であるため、インテグレーター22A(22B、22C)への入射に際して損失が最小になるように結合光学系21A(21B、21C)が設定される。 The output of the integrator 22A (22B, 22C) is radiated again through the projection optical system D1 (D2, D3) and is radiated to the illuminated surface 12. As shown in the figure, the light from each light source is arranged by the integrator 22A (22B, 22C) so that the illuminance surface distribution on the illuminated surface 12 becomes uniform. Since the radiation angle characteristic of each light source is peculiar to the light source, the coupling optical system 21A (21B, 21C) is set so that the loss upon incidence on the integrator 22A (22B, 22C) is minimized.

3本のLED素子20A(20B、20C)のそれぞれは、異なる波長スペクトルを有している。したがって、被照射面12に照射される光のスペクトルは、3本の光源のそれぞれ異なる波長スペクトルを重ねた(合成した)ものが得られる。 Each of the three LED elements 20A (20B, 20C) has a different wavelength spectrum. Therefore, the spectrum of the light irradiated on the irradiated surface 12 is obtained by superimposing (combining) different wavelength spectra of the three light sources.

すなわち、最も基本的な構成では、3つの光源からの光束は各々インテグレーターで分布が調整され、被照射面12において合成される。すなわち、3つの光源のそれぞれは、異なる波長スペクトルを有している。したがって、被照射面12に照射される光のスペクトルは、3本の光源のそれぞれ異なる波長スペクトルを重ねた(合成した)ものが得られる。 That is, in the most basic configuration, the distributions of the light beams from the three light sources are adjusted by the integrators and are combined on the irradiated surface 12. That is, each of the three light sources has a different wavelength spectrum. Therefore, the spectrum of the light irradiated on the irradiated surface 12 is obtained by superimposing (combining) different wavelength spectra of the three light sources.

このとき、上記した投影光学系D1(D2、D3)を用いて、被照射面12に結像照明する構成に代えて、投影光学系D1(D2、D3)の出射端面を2次光源として、被照射面25にレンズを絞りとして結像するケーラー照明とすることも目的に応じて可能である。 At this time, instead of the configuration in which the projection optical system D1 (D2, D3) is used to image-illuminate the illuminated surface 12, the exit end surface of the projection optical system D1 (D2, D3) is used as a secondary light source. It is possible to use Koehler illumination for forming an image on the illuminated surface 25 by using a lens as a diaphragm according to the purpose.

上記した図5の光源装置10において、照射光束のスペクトル分布は、基本的に全ての光源の強度スペクトル分布を重ね合わせたものである。所望の波長帯域を連続的にカバーするためには、十分な種類の光源が必要であり、各々スペクトル幅が適切である必要がある。各光源の強度は電源およびLED駆動部102によって容易に可変できるため、全体としてスペクトル発生の自由度が確保できる。 In the light source device 10 of FIG. 5 described above, the spectral distribution of the irradiation light flux is basically a superposition of the intensity spectral distributions of all the light sources. In order to continuously cover a desired wavelength band, a sufficient type of light source is required, and each spectral width needs to be appropriate. Since the intensity of each light source can be easily changed by the power source and the LED driving unit 102, the degree of freedom of spectrum generation can be secured as a whole.

ここで、上記の構成において、調達が可能なLED素子から波長選択を行う際には、望みの波長帯を完全にカバーする光源が得られない場合が想定される。 Here, in the above configuration, when wavelength selection is performed from procurable LED elements, it is assumed that a light source that completely covers the desired wavelength band cannot be obtained.

このような場合、近傍波長において十分なスペクトル幅を有する光源が存在すれば、これを適切に設計された光学フィルターを通すことによって、若しくは波長弁別性を有する空間フィルターアレイによってスペクトル整形することによって、望みの光源として用いることができる。このとき、フィルター通過後の光束には空間的な強度/スペクトルむらが必然的に生じるが、インテグレーターを通過することによってこのようなむらは解消される。 In such a case, if there is a light source having a sufficient spectral width in the vicinity wavelength, by passing it through an appropriately designed optical filter, or by spectral shaping with a spatial filter array having wavelength discriminating property, It can be used as a desired light source. At this time, spatial intensity/spectral unevenness inevitably occurs in the light flux after passing through the filter, but such unevenness is eliminated by passing through the integrator.

図6は、かかる対応を説明する図であり、空間フィルターアレイによってスペクトル整形する例である。波長λの光源が得られない場合(図6(1))、隣接する波長の光源のスペクトルを合成して得る場合を想定する。 FIG. 6 is a diagram for explaining such correspondence and is an example of spectrum shaping by a spatial filter array. When a light source having a wavelength λ cannot be obtained ((1) in FIG. 6), it is assumed that a spectrum of light sources having adjacent wavelengths is synthesized and obtained.

図6(1)において、スペクトルA、Bは、スペクトルDに隣接するそれぞれ光源A、光源Bの発光スペクトルである。スペクトルDに対応する光源が調達不能である場合、まず、スペクトルA、Bを合成して合成スペクトルCを生成する(図6(2))。 In FIG. 6A, spectra A and B are emission spectra of the light source A and the light source B adjacent to the spectrum D, respectively. When the light source corresponding to the spectrum D cannot be procured, the spectra A and B are first combined to generate the combined spectrum C (FIG. 6(2)).

次いで、光源A、光源Bの合成スペクトルCの合成光Eを、空間フィルター70(図6(3))を通すことにより、空間フィルター70を通過後に中心波長λのスペクトルD(図6(4))を有する光Fを生成することができる。 Then, the combined light E of the combined spectrum C of the light source A and the light source B is passed through the spatial filter 70 (FIG. 6(3)), so that after passing through the spatial filter 70, the spectrum D of the central wavelength λ (FIG. 6(4)). ) Can be generated.

空間フィルター70は、各々の透過特性が異なるフィルターを2次元もしくは、一次元に配列したものである。このフィルターアレイを通す光束が有限の太さであれば、光束の部分々のスペクトルを変えて、かつ出口で再びまとめることができる。このようにすることで、微細に調整して求めるスペクトルを得ることが可能である。 The spatial filter 70 is a two-dimensional or one-dimensional array of filters having different transmission characteristics. If the light beam passing through this filter array has a finite thickness, it is possible to change the spectrum of each part of the light beam and re-assemble it at the exit. By doing so, it is possible to finely adjust the spectrum to be obtained.

また、市場で光源が調達出来ない場合への対処としては、次の方法もある。 There are also the following methods to deal with cases where the light source cannot be procured in the market.

現在、市場では短波長で高い出力を有する半導体レーザ光源や発光ダイオードが入手可能である。白色発光ダイオードにおいて既に実証・実現されているように、望みの波長帯において効率よく蛍光を発生する蛍光体を用いれば、上記レーザ光源、発光ダイオード光源で蛍光体を励起して、適切に設計されたバンドパス光学フィルターによって望みの波長帯での光源とすることができる。 At present, semiconductor laser light sources and light emitting diodes having a short wavelength and a high output are available in the market. As already demonstrated and realized in white light emitting diodes, if a phosphor that efficiently emits fluorescence in a desired wavelength band is used, it can be designed properly by exciting the phosphor with the laser light source and the light emitting diode light source. A bandpass optical filter can be used as a light source in a desired wavelength band.

図7は、上記に示した本発明に従うLED光源装置をソーラーシミュレータに用いた場合のスペクトルの測定結果を説明する図である。ソーラーシミュレータは、太陽電池等の発光効率を屋内において測定する場合に使用される装置である。したがって、ソーラーシミュレータとして用いる照明装置は、太陽光のスペクトルに近似した照射光を出力することが要求される。 FIG. 7 is a diagram illustrating a spectrum measurement result when the LED light source device according to the present invention described above is used in a solar simulator. The solar simulator is a device used when indoors are used to measure the luminous efficiency of solar cells and the like. Therefore, the illumination device used as the solar simulator is required to output irradiation light that is close to the spectrum of sunlight.

図7において、スペクトルIは太陽光のスペクトルである。スペクトルIIは、本発明に従うLED光源装置のスペクトルである。 In FIG. 7, spectrum I is the spectrum of sunlight. Spectrum II is the spectrum of the LED light source device according to the present invention.

図から容易に理解できるように、本発明に従うLED光源装置では、多少のピーク値が部分的に存在するが、400nm〜800nmの波長領域において、発光スペクトルの飛びが少ないほぼ連続して全域スペクトルを発生することが可能であり、好ましく太陽光のスペクトルIに近似していることが理解できる。 As can be easily understood from the figure, in the LED light source device according to the present invention, some peak values are partially present, but in the wavelength region of 400 nm to 800 nm, the emission spectrum is hardly jumped and the entire spectrum is almost continuous. It can be seen that it can occur and preferably approximates the spectrum I of sunlight.

図8は、ろうそくの明かり程度の低照度(1/10000SUN)の場合のスペクトルを示す。同様に、スペクトルIは太陽光のスペクトルである。スペクトルIIは、本発明に従うLED光源装置のスペクトルである。 FIG. 8 shows a spectrum in the case of low illuminance (1/10000 SUN) equivalent to the light of a candle. Similarly, spectrum I is the spectrum of sunlight. Spectrum II is the spectrum of the LED light source device according to the present invention.

この図からも,本発明により低照度においても、基準太陽光スペクトルに近いスペクトルを得ることができる。横軸に波長、縦軸に照度を示している。 Also from this figure, according to the present invention, a spectrum close to the reference sunlight spectrum can be obtained even in low illuminance. The horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents illuminance.

ここで、効率のよいLED素子を選び、適切な熱設計を行うことにより、水冷等の大がかりな機構を有さずに、一般的な強制空冷によりLED光源の温度を一定に保つことが可能である。 Here, by selecting an efficient LED element and performing an appropriate thermal design, it is possible to maintain the temperature of the LED light source constant by general forced air cooling without having a large-scale mechanism such as water cooling. is there.

以上説明したように、本発明に従うLED光源装置は、超寿命かつ経済的な電力消費率での運用ができる光源を用いる簡単な装置構成によって、様々な用途に応じてリアルタイムにスペクトル分布・光量を変更出来、均一な光束を発生・照射する光源装置を提供する、レーザ光源または発光ダイオード光源等の電力消費の小さいデバイスを発光光源とすることが可能であり、産業上寄与するところ大である。 As described above, the LED light source device according to the present invention has a simple device configuration that uses a light source that can be operated at an extremely long life and at an economical power consumption rate. It is possible to use a device with low power consumption, such as a laser light source or a light emitting diode light source, which provides a light source device that can be changed and generates and emits a uniform luminous flux, which is a great industrial contribution.

10 制御装置
100 情報処理部
101 フィードバック制御部
102 LED駆動部
102a アナログ出力部
102b アナログ入力部
11 LED光源
12 被照射面
13 分光放射計
130 照度センサー
131 分光放射計本体
14 記憶装置
10 Control device
100 information processing unit 101 feedback control unit 102 LED driving unit 102a analog output unit 102b analog input unit
11 LED Light Source 12 Illuminated Surface 13 Spectral Radiometer 130 Illuminance Sensor 131 Spectral Radiometer Main Body 14 Storage Device

Claims (5)

それぞれ異なる発光波長の複数のLED素子で構成されるLED光源と、
前記LED光源の複数のLED素子に駆動電流を供給するLED駆動部と、
所定の波長スペクトルに対応して前記複数のLED素子のそれぞれの発光強度を決定して、前記LED駆動部の駆動電流を制御するフィードバック制御部と、
前記LED光源による発光照射を受ける被照射面と、
前記被照射面の照度の波長毎の強度を測定する分光放射計と、
前記LED光源を定電流駆動するアナログ出力部と
前記LED光源の実電流値を検知するアナログ入力部を有し、
前記分光放射計により測定される波長毎の強度に基づき、前記フィードバック制御部は前記所定の波長スペクトルに対応する様に前記LED駆動部の駆動電流をフィードバック制御し、更に
前記アナログ入力部の出力により前記LED駆動部は、前記アナログ出力部の定電流駆動をフィードバック制御する、
ことを特徴とするLED光源装置。
An LED light source composed of a plurality of LED elements each having a different emission wavelength,
An LED drive unit that supplies a drive current to a plurality of LED elements of the LED light source;
A feedback control unit that determines the emission intensity of each of the plurality of LED elements corresponding to a predetermined wavelength spectrum and controls the drive current of the LED drive unit;
A surface to be illuminated which is illuminated by the LED light source;
A spectral radiometer for measuring the intensity of each illuminance of the illuminated surface for each wavelength ,
An analog output section for driving the LED light source with a constant current;
An analog input unit for detecting the actual current value of the LED light source,
Based on the intensity of each wavelength to be measured by the spectroradiometer, the feedback control section feedback controls the driving current of the LED driving unit so as to correspond to said predetermined wavelength spectrum, the further output of the analog input section The LED driving section feedback-controls constant current driving of the analog output section ,
An LED light source device characterized by the above.
請求項1において、
複数のLED光源は、レーザ素子と蛍光体とで構成され、
前記蛍光体が、前記レーザ素子により励起されて、所定の波長光を発光する
ことを特徴とするLED光源装置。
In claim 1,
The plurality of LED light sources are composed of a laser element and a phosphor,
The LED light source device, wherein the phosphor is excited by the laser element and emits light of a predetermined wavelength.
請求項2において、
さらに、前記複数のLED光源のそれぞれの出力光を、インテグレーターを通して前記被照射面に照射し、前記被照射面で前記複数のLED光源の出力光の波長が合成される、
ことを特徴とするLED光源装置。
In claim 2,
Furthermore, the output light of each of the plurality of LED light sources is applied to the irradiation target surface through an integrator, and the wavelengths of the output lights of the plurality of LED light sources are combined on the irradiation target surface.
An LED light source device characterized by the above.
請求項2または3において、
さらに、前記複数のLED光源の出力光を、共通のインテグレーターを通して波長合成し、前記共通のインテグレーターの出力光を前記被照射面に照射する、
ことを特徴とするLED光源装置。
In Claim 2 or 3,
Further, the output lights of the plurality of LED light sources are wavelength-combined through a common integrator, and the output light of the common integrator is applied to the irradiation surface.
An LED light source device characterized by the above.
請求項1または2において、
特定の発光波長のLED光源が得られないとき、隣接する波長のLED光源の出力を、空間フィルターを通して、前記特定の発光波長に近似させる、
ことを特徴とするLED光源装置。
In claim 1 or 2,
When an LED light source with a specific emission wavelength cannot be obtained, the output of the LED light source with an adjacent wavelength is approximated to the specific emission wavelength through a spatial filter.
An LED light source device characterized by the above.
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