JP6760007B2

JP6760007B2 - 光源装置

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Publication number: JP6760007B2
Application number: JP2016225621A
Authority: JP
Inventors: 振一郎奥村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: JP2018085167A

Description

本発明は光源装置、特に所望の光色の光を出射する光源装置に関する。

所望する光色を得る光源装置として、従来、光源が出射する光から不要な波長の光を吸収または反射等の手段によりカットし、それ以外の波長の光を所望する光として外部へ出射するものがあった。例えば、半導体工場のクリーンルームでは短波長域に高感度な感光材料を扱うため、照明光に５００ｎｍ以下の波長成分の無いことが要求され、また、果樹園や食品工場、スーパーマーケットの荷捌室などでは虫を寄せたくないため、照明光に虫の集まりやすい４５０〜５００ｎｍ以下の波長成分の無いことが要求される。
こうした用途では短波長域を含まない黄色光が所望され、例えば白色ランプのガラスバルブに、青色光を吸収する金属膜と低屈折率の金属膜とを積層形成して青色光を形成するフィルターを形成することにより、黄色光を出射する光源装置を構成したものがある。(例えば、特許文献１を参照)

特開２００１−０８４９６７号公報

特許文献１の光源装置では、所望する光色を得るために光源から出射した光のうち不要な波長の光を金属膜で吸収するので、金属膜に吸収されたエネルギーが損失となっていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、光源から出射した光のエネルギー損失を抑えた光源装置を提供することを目的としたものである。

本発明に係る光源装置は、発光部から出射された第一の波長の光を、第一の波長の光よりも長い第二の波長の光に変換する色変換部と、前記発光部を覆うように設けられ、前記第二の波長の光を透過し前記第一の波長の光を反射するミラー部と、前記ミラー部と対向して設けられ、前記ミラー部もしくは色変換部で反射された光を反射する反射部と、を備え、前記反射部で反射した光は前記色変換部を通過した後に前記ミラー部に入射し、前記ミラー部を透過した光は外部の空間へ出射されるものである。

本発明に係る光源装置は、発光部から出射された第一の波長の光を前記第二の波長の光に変換する色変換部を設け、前記第二の波長の光を透過し前記第一の波長の光を反射するミラー部を設けたことにより、発光部から出射した光のうち、第一の波長の光が色変換部により第二の波長の光に変換されてミラー部を透過して外部に出射されるので、不要な光色の光を所望する光色へ変換して出射する光源装置を構成でき、発光部から出射する光のエネルギー損失を抑制できる。

本発明に係る実施の形態１の光源装置の概略構成を示す要部断面図である。本発明に係る実施の形態１の光源装置の概略構成を示す要部断面図である。青色光が黄色光へ変換されるスペクトル変化の様子を示した説明図である。本発明に係る実施の形態２の光源装置の概略構成を示す要部断面図である。本発明に係る実施の形態３の光源装置の概略構成を示す要部断面図である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１における光源装置の要部断面図である。図１に示すように、この光源装置は、発光部１、色変換部２、ミラー部３、反射部４、ヒートシンク５を有しており、発光部１から出射された青色光の多くは色変換部２によって黄色光に変換され、ミラー部３は一部色変換されずに透過した青色光を内側に反射するとともに黄色光を透過して外部に出射するようになっている。そして、ミラー部３で反射された青色光は、反射部４で再び反射され、その多くは色変換部２で黄色光に変換されミラー部３より出射される。このように光源装置の内部で青色光の反射と黄色光への変換が繰り返されることで、黄色光を効率良く外部に出射するようにしたものである。
詳細な構成を以下に説明する。
発光部１は第１の波長としての４５０ｎｍの波長を含む波長域の青色光を発光する青色ＬＥＤを含むものであり、ヒートシンク５に取り付けられている。なお、発光部１に含まれる青色ＬＥＤは一つに限定されるわけではなく、複数並べたモジュール基盤であっても良い。

色変換部２は、この発光部１から出射された青色光を、青色光の波長よりも長い第二の波長としての５８０ｎｍの波長を含む波長域の黄色光に変換する黄色蛍光体を有するものであり、発光部１を覆うようにして反射部４の保持部４ｃに保持されている。この色変換部２は、円形の平板形状をなしており、外郭部分が保持部４ｃに当接して嵌合することで、保持部４ｃに保持されている。

また、この色変換部２は、ＹＡＧやＧａＡｓＰ、ＧａＰ等の黄色蛍光体を含有した樹脂により形成されている。黄色蛍光体は発光部１から出射された青色光を受けることで励起され、青色光の波長よりも長い波長の黄色光を出射する。これにより、発光部１から出射した青色光が色変換部２を透過する過程で黄色光へと変換される。

この色変換部２に対向するようにして、発光部１からみて色変換部２より外側にミラー部３が配置されている。このミラー部３は円形の平板形状をなしており、その外郭部分が反射部４の保持部４ｃに当接して嵌合することで保持されている。このように、ミラー部３の外郭が保持部４ｃに当接することで、発光部１が発した光が、ミラー部３を透過せずに、反射部４の外部に光が漏れることがない。このミラー部３は、ダイクロイックミラーによって形成される。

この実施の形態でミラー部３を形成するダイクロイックミラーは、黄色光を透過し、青色光を入射面側へ反射する特性を有する。ここでいう青色光とは概ね３５０ｎｍから５５０ｎｍの波長域で分布し、スペクトルを積分平均した波長が概ね４００ｎｍから５００ｎｍとなる光であり、黄色光とは概ね５００ｎｍから８５０ｎｍの波長域で分布し、スペクトルを積分平均した波長が概ね５５０ｎｍから６５０ｎｍとなる光である。

反射部４は、底部４ａと、この底部４ａから広がる方向に傾斜する傾斜部４ｂと、この傾斜部４ｂの端部から底部４ａに対して直交する方向に立ち上がる保持部４ｃとを有する。なお、保持部４ｃは、色変換部２及びミラー部３が保持できればよいので、底部４ａに直交することなく、底部４ａに対して斜め方向に立ち上がる形状であっても構わない。

この反射部４は、少なくとも発光部１が配置される内面側に、例えば研磨されたアルミや白色樹脂などの材質を用いる、もしくは表面に塗装や蒸着することにより高反射特性を持たせている。

次に、この実施の形態の光源装置から黄色光が出射される作用を説明する。図２は実施の形態１の光源装置の概略構成を示す要部断面図であり、発光部１から出射した光の光源装置内での反射および透過の様子を図示したものである。図２において、破線の矢印は青色光を表しており、実線の矢印は黄色光を表している。

まず、発光部１を駆動することで、発光部１から第１の波長を含む青色光が出射される。発光部１から出射した青色光は黄色蛍光体を有する色変換部２に入り、その青色光の一部は色変換部２内で第２の波長を含む黄色光に変換され、他は黄色光に変換されずに透過もしくは反射し、色変換部２の外に出射される。色変換部２から出射した光の一部はミラー部３に向かい、他は反射部４の底部４ａ側に向かう。ミラー部３に向かった黄色光は、ミラー部３を透過し、外部に出射される。また、色変換部２から反射部４の底部４ａ側に向かった光は、反射部４で再反射されて色変換部２に向かい、最終的に多くは黄色光となりミラー部３を透過して外部に出射される。
一方、色変換部２で黄色光に変換されずに透過し、ミラー部３に向かった青色光はミラー部３で反射され、再度色変換部２に入って、一部が黄色光に変換され、他は黄色光に変換されず、色変換部２を透過して反射部４の底部４ａ側に向かうか、もしくは反射してミラー部３に向かう。しかし、変換されなかった青色光も再び反射部４もしくはミラー部３で反射され、再度色変換部２にあたり、黄色光に変換される。
このようにして、反射部４とミラー部３で囲まれた光源装置内の青色光は、色変換部２で黄色光に変換されるまで上記の反射が繰り返される。これにより、青色光のほとんどが黄色光に変換され、外部へ出射される。

図３は発光部１から出射する青色光が本実施の形態１の構成により黄色光へと変換されたときのスペクトルの変化の例を示した図である。ここで励起ＬＥＤとは、色変換部２の黄色蛍光体を励起させるための励起光源であり、本実施の形態における青色ＬＥＤがこれに当たる。図３中の実線で示した「励起ＬＥＤのスペクトル波形」は、発光部１の励起ＬＥＤから出射される光のスペクトル波形を示し、主に４００ｎｍから５００ｎｍの波長域の光が出射され、４５０ｎｍの付近の波長において最も強い発光強度となることを示している。

励起ＬＥＤから出射する光は、本実施の形態の構成を適用することにより黄色光へ変換され、図３中の「色変換後のスペクトル波形」の点線で示されるような波長域の光として外部へ出射される。変換された光は主に５００ｎｍから７００ｎｍの波長域の光となり、５８０ｎｍ付近の波長において最も強い発光強度を示す。人が黄色を知覚する光の波長域はおよそ５７０ｎｍから５９０ｎｍであることから、本発明の構成により、青色ＬＥＤから出射した青色光が黄色光に変換され外部に出射されることになる。

以上のように、色変換部２、ミラー部３および反射部４を有する本実施の形態のような光源装置を構成することで、青色光が色変換部２により色変換され、またミラー部３と反射部４で反射が繰り返され、ミラー部３から所望の黄色光が出射されるので、不要な青色光を有効に利用して所望の黄色光を得ることができ、白色光の中から青色光を遮断し黄色光を得る場合に比べ、エネルギー効率がよい光源装置が得られる。

また、色変換部２と保持部４ｃとの間、およびダイクロイックミラー３と保持部４ｃとの間は、それぞれ隙間が生じないように当接させることにより、色変換部２と保持部４ｃとの間、ダイクロイックミラー３と保持部４ｃとの間から光が漏れず、発光部１から出射した光は確実に色変換部２とダイクロイックミラー３を透過するので、青色光を効率的に黄色光に変換することができる。

なお、本実施の形態１では、保持部４ｃと色変換部２との間に隙間が生じないように当接させることにより、発光部１から出射した光がミラー部３へ到達する過程で必ず色変換部２を通過する構成としたが、発光部１から出射した光の一部が色変換部２を通過するような構成でも良く、このような構成とした場合でも青色光はミラー部３と反射部４とで反射が繰り返されるうちに色変換部２に入るので、青色光を効率的に黄色光に変換することができる。

また、本実施の形態１ではミラー部３が円形の平板形状のものを説明したが、ミラー部３を球面や放物面を有する形状としても良い。

また、本実施の形態１では、反射部４、色変換部２及びミラー部３が同心円形の場合について説明したが、横長形状等の押し出し形状であってもよい。

本実施の形態では、発光部１から出射されるのは青色光のみであり、この青色光が色変換部２により黄色光へ変換され、かつミラー部３は黄色光を選択的に透過するので、この光源装置から出射される光に黄色以外の波長域の光が含まれる余地はなく、黄色の波長成分を多く含んだ黄色光が得られる。

実施の形態２．
図４は、本実施の形態の光源装置の概略構成を示す要部断面図である。図４において図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。実施の形態１ではビームランプ型の構成とした光源装置を説明したが、この実施の形態２では直管型の構成とした光源装置について説明する。

本実施の形態２の光源装置は、直管形の光源装置であり、長尺状のヒートシンク５と、このヒートシンク５に取り付けられる発光部１と、この発光部１を覆う半円筒状の色変換部２と、この色変換部２およびヒートシンク５を覆う管状のミラー部３と、発光部１が取り付けられるヒートシンク５の面上に配置され、色変換部２およびミラー部３と当接する反射部４と、を有する。また、図示していないが、色変換部２及びミラー部３の長さ方向の両端には口金部が取り付けられている。口金部は、ヒートシンク５、色変換部２、ミラー部３を保持する機能を有する保持部と、この保持部に取り付けられ、ランプソケットなどと接触して、光源モジュールに電力を供給するピンを有する。色変換部２とミラー部３は、所定間隔をおいて、保持部に保持されている。

このように構成された実施の形態２の光源装置においても、実施の形態１と同様に、発光部１から出射した青色光がミラー部３および反射部４で繰り返し反射されるとともに、色変換部２で黄色光に変換され、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、発光部１から出射されミラー部３へ入射する光の一部は、ミラー部３内で反射を繰り返す。本実施の形態２ではミラー部３が管状に形成されているため、ミラー部３内で反射を繰り返す光の一部は、ミラー部３内で、配光角よりも外側、すなわち、反射部４よりもヒートシンク５側まで回り込んでからミラー部３の外に出射される。このため、この光源装置は広範囲へ光を出射することができる。なお、ミラー部３の表面にブラスト加工等により凹凸をつけることで、ミラー部３内を反射する光の拡散性を高めても良い。

また、本実施の形態２では、色変換部２及びミラー部３を、発光部１を覆うような曲面形状に形成することにより、平面形状に形成するよりも色変換部２及びミラー部３それぞれにおける光の入射距離を遠くすることが出来るので、発光部１から出射した光の輝度ムラを軽減することが出来る。

また、色変換部２及びミラー部３の断面が発光部１を中心とした同心円の一部となるように形成していることにより、発光部１から色変換部２及びミラー部３までの光の入射が垂直となるため、表面反射される光を最小にでき、効率よく光を出射できる。

実施の形態３．
図５は、本実施の形態３の光源装置の概略構成を示す要部断面図である。図５において図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。この実施の形態３ではミラー部３が管状ではなく半円筒状になっており、それ以外は実施の形態２と同様である。

本実施の形態３の光源装置は、直管形の光源装置であり、長尺状のヒートシンク５と、このヒートシンク５に取り付けられる発光部１と、この発光部１を覆う半円筒状の色変換部２と、この色変換部２を覆う半円筒状のミラー部３と、を有する。また、図示していないが、色変換部２及びミラー部３の長さ方向の両端には口金部が取り付けられている。口金部は、ヒートシンク５、色変換部２、ミラー部３を保持する機能を有する保持部と、この保持部に取り付けられ、ランプソケットなどと接触して、光源モジュールに電力を供給するピンを有する。色変換部２とミラー部３は、所定間隔をおいて、保持部に保持されている。

このように構成された実施の形態３の光源装置においても、実施の形態１と同様に、発光部１から出射した青色光がミラー部３および反射部４で繰り返し反射されるとともに、色変換部２で黄色光に変換され、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態３では、ヒートシンク５が外部に露出しているので、放熱効率が向上するという効果を奏する。なお、この実施の形態３のように断面を円形とした直管形の光源装置において、図５の要部断面図におけるヒートシンク５の断面積と、ミラー部３と反射部４で囲まれる断面積の割合がおよそ１：１となるような構成を説明したが、この比率はこれに限られるわけではなく、用途に応じて変更しても良い。ヒートシンク５の断面積のほうの割合が大きくなる構成とすれば放熱効率が向上し、ミラー部３と反射部４で囲まれる断面積の割合のほうが大きくなる構成とすればより広い配光角を得られるという効果を奏する。

実施の形態２および実施の形態３の光源装置において、反射部４は独立した部材として説明したが、色変換部２およびミラー部３から反射する光を反射できるようなものであれば独立した部材で形成しなくても良く、例えばヒートシンク５の発光部１が取り付けられる面上に高反射特性を有する薄膜を蒸着または塗装等により形成しても良い。

なお、上記いずれの実施の形態の光源装置においても、第一の波長を青色に対応した波長、第二の波長を黄色に対応した波長として説明したが、第一の波長、第二の波長はこれらの光に限られず、所望の光色に応じて第一の波長、第二の波長を選択すればよい。

上記いずれの実施の形態の光源装置においても、従来の白色ＬＥＤのように発光体と蛍光体を一体化したものを用いず、発光部１と黄色蛍光体を有する色変換部２とを離間させて構成しているので、色変換部２において光が入射する面積を大きく形成でき、蛍光体における発熱が分散できるので、ＬＥＤの発光効率の低下を抑制する効果を奏する。また、ＬＥＤの輝度ムラを軽減する効果も奏する。

また、上記いずれの実施の形態の光源装置においても、ミラー部３をダイクロイックミラーで構成したものを説明したが、ミラー部３を形成する材質はダイクロイックミラーに限定されるわけではなく、特定の波長の光を透過し、その他の波長の光を反射もしくは吸収する特性を有するものであれば良い。また、本実施の形態ではミラー部３は１枚のみの構成としているが、所望する光色を得るために複数枚用いた構成としても良い。

また、上記いずれの実施の形態の光源装置においても、ミラー部３は、金属膜等の光学フィルターによる青色光の吸収作用を利用していないため、発熱による耐久性低下およびＬＥＤの発光効率の低下を抑えられるという効果も奏する。

なお、上記いずれの実施の形態の光源装置においても、発光部１は青色光を出射する青色ＬＥＤを備えた構成を説明したが、光色は青色光に限定されるわけではなく、所望する光色の波長よりも短波長の光を出射するＬＥＤであれば良く、例えば２５０ｎｍから４００ｎｍの波長域の紫外光を出射するＬＥＤでも良い。また、発光部１の備える発光体はＬＥＤに限定されるわけではなく、有機ＥＬやレーザダイオードなどでも良い。

また、色変換部２が含有する蛍光体は黄色蛍光体に限定されるわけではなく、発光部１からの光によって励起され、所望する光色の光を出射するものであれば良く、例えば赤色蛍光体や緑色蛍光体などでも良い。

本実施の形態では色変換部２とミラー部３との間に間隙を有する構成を説明したが、色変換部２は光源装置内で発光部１とミラー部３との間に配置されていればよく、ミラー部３と当接していても良い。

１発光部、２色変換部、３ミラー部、４ａ底部、４ｂ傾斜部、４ｃ保持部、４反射部、５ヒートシンク

Claims

第一の波長の光を含む光を出射する発光部と、前記第一の波長の光を前記第一の波長の光よりも長い第二の波長の光に変換する色変換部と、前記発光部および色変換部を覆うように設けられ、前記色変換部で変換された前記第二の波長の光を透過し前記第一の波長の光を反射するミラー部と、前記ミラー部と対向して設けられ、前記ミラー部もしくは色変換部で反射された光を反射する反射部と、を備え、前記反射部で反射した光は前記色変換部を通過した後に前記ミラー部に入射し、前記ミラー部を透過した光は外部の空間へ出射される光源装置。
前記色変換部は前記第一の波長を含む波長域の光を前記第二の波長を含む波長域の光へ変換することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記ミラー部は前記第一の波長を含む波長域の光を反射し、前記第二の波長を含む波長域の光を透過することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
前記第一の波長は３５０ｎｍから５５０ｎｍまでの青色の波長域であり、前記第二の波長は５００ｎｍから８５０ｎｍまでの黄色の波長域であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光源装置。
前記色変換部は蛍光体を含む材質で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光源装置。
前記ミラー部はダイクロイックミラーで形成したことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光源装置。