JP7842467B2 - 演色評価数を向上する特別な目的の照明装置およびその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、照明システム、可視光照明、特定の治療に適合した装置、光の色の制御および決定されたパラメータに応じた光源の制御に関する。

人工照明下での色再現の品質は、アート、デザイン、小売業において非常に重要である。正しい色調の判断は、ヘルスケアとウェルネスの診断に不可欠である。光源下での色再現品質を評価するための最も一般的な方法は、演色評価数（ＣＲＩ）である。ＣＲＩの測定は、「発明の概要」のセクションと非特許文献１に要約されている。

本発明は、特別な目的の照明を扱う。特別な目的の照明は、通常、選択された波長で所定の相対エネルギー分布を放出する光源を指し、それ自体で特定の目的を効果的に果たすことができる。「特別な目的」は、この文書全体で、発光スペクトルパワー密度が、
１）複数の波長間で所定のエネルギー比で発光するように、または、少なくとも１対の波長間で所定のエネルギー比で発光するように制限されている光であること
２）単独でＣＲＩ Ｒ_ａ＜８０の照明システムであること
の光を指すものとして説明する。
可視スペクトル全体で光を発生する照明は、ＣＲＩ Ｒ_ａ＞８０の汎用照明である。

特別な目的の照明は、さまざまなデザインのバリエーションで設計できる。このドキュメントに記載されているクレームは、照明システムのフォームファクター、形状、またはサイズとは無関係である。照明の一般的な形式のいくつかを図１のパネルに示す。図１Ａのパネル１－４は、ＬＥＤを備えたプリント回路基板（ＰＣＢ）の例を示す。図１Ａのパネル５－８は、テーブルランプ、ポータブルライト、天井または壁に固定される照明器具、またはパネルライト（外科手術やアートアトリエで一般的に使用される）の例を示す。図１Ｂおよび図１Ｄ－Ｅは、電球（図１Ｂ）または蛍光灯（図１Ｄ－Ｅ）に似たデバイスでこのようなＰＣＢライトを使用する例を示す。図１Ｃは、照明装置が、たとえば電球やランプカバーとして使用されるディフューザーや光学フィルタなど、光出力を受動的に調整できる要素で構成できることを示す。このようなディフューザーまたはフィルタは、特定のデバイスの発光スペクトルを調整するためにも使用できる。

特別な目的の照明の実用的な例は、医学的に関連する細菌、カビ、真菌およびウイルスを不活化するための光、または、例えば、魚のタンクおよび細菌培養における、植物の成長および生物の発達を支援するための光源である。植物成長照明は通常、青（４００－４５０ｎｍ）と深紅（６６０ｎｍ付近のバンド）の特定の比率を必要とする（非特許文献２）。クロモセラピーの分野自体の科学的妥当性に関係なく、クロモセラピー用のさまざまな照明は、所定の周波数で特定の色の光を放射するように設計されており、「特別な」目的の照明と見なされるべきである。発光スペクトルが可視波長のスペクトル領域に到達する殺菌光も、同様に、「特別な目的」の照明システムと見なされる。

特別な目的の照明は、一般にＣＲＩ値が低く（つまり、ＣＲＩ Ｒ_ａ＜５０）、最も一般的に白色で自然と見なされる汎用光とは対照的に、一般に「非自然光」を発生する。特別な目的の照明を高ＣＲＩの光源と一緒に使用すると、通常、高ＣＲＩの光源のＣＲＩインデックス値が全体的に劣化する。

Kevin Houser, Michele Mossman, Kevin Smet & Lorne Whitehead (2016) Tutorial: Color Rendering and Its Applications in Lighting, LEUKOS, 12:1-2, 7-26, DOI: 10 .1080/15502724.2014.989802 Xu, Yingchao, Yongxiao Chang, Guanyu Chen, and Hongyi Lin. "The research on LED supplementary lighting system for plants." Optik 127, no. 18 (2016): 7193-72 01. DOI: 10.1016/j.ijleo.2016.05.056

特別な目的の照明は、通常、単独で作動させるように設計されている。しかし、他の照明が既に使用されているときに、特別な目的の照明を作動させる必要があることもある。そのような必要があるときには、白色の高演色性光源の演色評価数が乱されるため、既設の第１の照明システムとの干渉を引き起こす。ただし、後述するように、出願人の研究によれば、単独で使用するとその主な目的（つまり、消毒または植物成長のサポート）を果たし、二次的で補完的な光として使用すると、一次光源のＣＲＩインデックスの少なくとも１つを強化する、追加の独立した特別な目的の光源を設計することは可能である。

演色評価数（ＣＲＩ）は、白色光源の評価に使用される定量的尺度であり、具体的には、それらの演色性を参照としての理想的な白色光源と比較する。ＣＲＩの計算は、正規化された人間のスペクトル感度関数によって集約された人間の光受容体感度に依存している（図２Ａ）。図２Ａは、人間の錐体細胞の正規化されたスペクトル感度を示す。短波長（”Ｓ”、４２０ｎｍ－４４０ｎｍ）、中波長（”Ｍ”、５３０ｎｍ－５４０ｎｍ）、および長波長（”Ｌ”、５６０ｎｍ－５８０ｎｍ）のスペクトル感度のピークは、おおまかに、青、赤、緑の波長に対応して分布する。３種類の錐体細胞の刺激レベルに対応する３つのパラメータは、人間の色の感覚をエンコードする。三刺激値は観察者の視野に依存し、ＣＩＥ標準（比色）観察者はこの変数を排除する。標準オブザーバー関数は、２°の中心窩内での平均的な人間の色彩応答を表す。図２Ｂに示されているＣＩＥのカラーマッチング関数は、観察者の色応答の数値表現である。

ＣＩＥ１９３１色度図（図３）では、色の明るさを無視して、２つの座標のみを使用して３つの受容体（図２ＡのＳ、Ｍ、Ｌ）から知覚される色をエンコードできる（灰色と白は同じ色で、明るさが異なる）。白色光を生成する光源は、黒体軌跡（破線の曲線）と呼ばれる曲線を形成する一連の座標を表す。高ＣＲＩの光源は黒体軌跡の周囲の領域を占め、光源のｘ，ｙ座標の距離が長くなるとＣＲＩは低下する。黒体軌跡曲線と交差する実線は、一定の等価黒体温度の線である。高ＣＲＩの最適化は、黒体軌跡曲線からの光源ｘ，ｙ座標の距離を最小化することを意味する。

「完全な」理想的な白色光は、相関色温度（ＣＣＴ）が５０００Ｋ未満の場合は黒体放射スペクトルで表され、それ以外の場合はＣＩＥ標準光源Ｄ（昼光）の位相で表される。最大のＣＲＩ Ｒ_ａ値は、１００であり（図３の黒体軌跡線を参照）、理想的な白色光源の下でテストカラーサンプルがレンダリングされるのとまったく同じように、一連のテストカラーサンプル（ＴＣＳ、例については図２Ｃを参照）をレンダリングする光源に割り当てられる。図２Ｃは、３つのテストカラーサンプルのスペクトルパワー分布の例を示す（赤のトーン（ＴＣＳ０８，ＴＣＳ０９）はインデックスＲ_８とＲ_９を担当し_、青のトーンはＣＲＩインデックスＲ_１２を担当する）。ＣＲＩインデックスは、評価された光源と理想的な黒体光源の下で、テストカラーサンプルに対する人間の光受容体の応答の類似性を数値化している。

光源のＣＲＩ値は、最初の８つの演色評価数Ｒ_１－Ｒ_８の平均として計算され、ＣＲＩ Ｒ_ａと呼ばれることもある。このドキュメントで特に明記されていない限り、「ＣＲＩ値」と「ＣＲＩ Ｒ_ａ値」という用語は同じ意味で使用される。ＣＲＩの個々のインデックス（これを書いている時点では、合計１６のインデックスがある。Ｒ_ａ（Ｒ_１－Ｒ_８の平均）と個々のインデックスＲ_１－Ｒ_１５）は、それらの名前Ｒ_ｉまたは範囲Ｒ_ｉ－Ｒ_ｊ（ここで、ｉとｊは数値インデックスである）で呼ぶ。インデックスＲ_ａは、自然白色光の近似性についての品質の一般的な指標である。ｉ＞８のインデックスＲｉは、特定の分野で非常に重要な色の色再現品質を評価するために使用される。たとえば、日本の肌の色の再現に対応するためにＲ_１５が追加された。指標の数は増える可能性があり、本発明はそれらすべてに関係する。

他にも多くの演色評価数が存在し、それらには特定の利点がある可能性があり、一般に、これらの代替方法の最適化による色再現の改善により、ＣＲＩも向上する。本発明は、他の演色評価数指数に容易に適用することができ、本明細書に記載された本発明の保護は、ＣＲＩも増加させる代替演色評価数の最適化に対する保護を含むべきである。

本発明は、特別な目的の光源ではない別の少なくとも１つの一次光源を補完し、一次光源の少なくとも１つのＣＲＩ指標値を増強する特別な目的の光源を設計するための方法を開示する。

説明する方法を使用して光源を設計する目的は、１）特定の目的のための主光源として単独で使用でき、２）独立した一次光源の補完的な第２光源として使用でき、同時に一次光源の任意の１つまたは複数のＣＲＩインデックス値を改善する光源を得ることである。

ところで、高ＣＲＩの白色照明（ＬＥＤ等）を入手しようとする場合、ＣＲＩが９０を超えると高額となる。例えば、ＣＲＩが９４や９５を実現する光源も存在するが、極めて高額な単価となっている。そのため、本発明の他の目的は、低コストで高ＣＲＩの照明を実現することになる。

別の一次光源のＣＲＩインデックス値の少なくとも１つを増加させる二次的な特別な目的な照明の設計は、その発光スペクトル密度関数に特定の制限を適用した光源の設計に相当する。所望の波長での発光エネルギーのスペクトル分布は、１）ＣＲＩ計算の方法、および２）考慮される一次光源の発光スペクトル密度関数によって決定される。

本発明の照明装置は、１次照明のＣＲＩを改善する、２次照明とすることができる。例えば、照明装置は、単独で使用した場合に特別な目的に適する特別な目的の照明装置であって、
単独で使用した場合、ＣＲＩ＜８０であり、
前記照明装置とは別の１次照明であって、ＣＲＩ＞９０の１次照明と同時に使用すると、前記照明装置と前記１次照明の全体としてのＣＲＩを前記１次照明の単独でのＣＲＩよりも大きくする。

また、特別な目的の照明装置は、１次照明と２次照明の両方を備えたものとすることができる。例えば、特別な目的の照明装置は、ＣＲＩ＞９０を満たす１次照明と、単独で使用した場合に特別な目的に適する２次照明であって、
単独で使用した場合、ＣＲＩ＜８０であり、
前記１次照明と同時に使用すると、前記１次照明および前記２次照明の全体としてのＣＲＩを前記１次照明の単独でのＣＲＩよりも大きくする２次照明とを備える。

１次照明のＣＲＩは、望ましくは９２より大きい。

従来の照明装置では、高ＣＲＩ（例えばＣＲＩ＞９０）の１次照明（白色光、例えばＬＥＤ）に、他の低ＣＲＩの２次照明を一緒に使用すると、全体としてのＣＲＩが悪化するのが通常であった。しかし、本願の発明者の研究によれば、高ＣＲＩの１次照明と低ＣＲＩの２次照明とを、他の低ＣＲＩの光源を極めて限られた条件の組み合わせで使用すると、１次照明単独のＣＲＩよりも、高いＣＲＩを実現することが確認された。このため、低ＣＲＩの２次照明の特別な目的の効果を得ながら、高いＣＲＩの照明としても使用することができる。例えば、高級ブランド品の店舗において、商品の色合いを正確に再現するのは重要なことである。一方、ＣＯＶＩＤ－１９の広がりから、店舗において、光により殺菌すること等が望まれることがある。このような要望の下において、殺菌性能を実現しながら、同時に、１次照明のＣＲＩを高めることで、色合いの再現性を高めることが可能になった。また、殺菌用途に限らず、植物の成長をサポートする特別な目的の照明を用いる場合においても、１次照明のＣＲＩを高めることで、植物の色合いの再現性を高めることが可能になった。さらに、本発明によれば、１次照明のＣＲＩを２次照明によって高めることができるので、１次照明の光源として極めて高額な、非常に高いＣＲＩの光源を用いる必要が無くなるので、低コストで、高いＣＲＩの照明装置を製造することが可能となる。

前記２次照明は、前記１次照明と同時に使用すると、前記１次照明および前記２次照明の全体としてのＣＲＩを９４以上とするものであることが望ましい。

前記２次照明は、６２５～６６５ｎｍの波長範囲に第１ピークを有し、前記第１ピークにおけるスペクトルパワーは、前記１次照明の最大スペクトルパワーの０．１～０．９倍であることが望ましい。

前記２次照明は、４００～４１０ｎｍの波長範囲に第２ピークを有し、前記第２ピークにおけるスペクトルパワーは、前記１次照明の最大スペクトルパワーの０．７～５倍であることが望ましい。

前記１次照明は、単独で使用した場合に、ＣＲＩ＜９３であってもよい。この場合には、１次照明のコストを下げることができる。

前記１次照明と前記２次照明を同時に点灯させる状態と、前記１次照明を点灯させず、前記２次照明を点灯させる状態とを、ユーザの操作により、または、所定の条件により切り替えることを可能にする制御装置をさらに備えることが望ましい。

前記１次照明のＣＲＩ Ｒ_９は、６５以下であってもよい。この場合には、１次照明のコストを下げることができる。

前記２次照明の出力を前記１次照明とは独立して変更可能な制御装置をさらに備えていてもよい。２次照明の出力を変更することで、ＣＲＩを改善したり、ユーザの好みに応じて色味の調整をしたりすることができる。

本発明の他の側面は、単独で使用した場合に特別な目的に適する特別な目的に適する２次照明を含む照明装置であって、他の１次照明と同時に使用すると前記２次照明と前記１次照明の全体としてのＣＲＩを前記１次照明の単独でのＣＲＩよりも大きくする、特別な目的の照明装置の設計方法である。
この設計方法は、前記１次照明のパワースペクトルを最大パワースペクトルで正規化した関数をＰＳＤ_１、前記２次照明の第１ピークのパワースペクトルを最大パワースペクトルで正規化した関数をＰＳＤ_２、Ａ_１を定数、Ａ_２を変数とし、前記第１ピークのピーク波長をλ_１とし、パワースペクトル関数
Ｙ＝Ａ_１ＰＳＤ_１＋Ａ_２ＰＳＤ_２
で定まる光源について、所定範囲のλ_１およびＡ_２にわたって、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉ（ｉ＝１から１５の任意の数）の少なくとも１つを計算し、
当該ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉの少なくとも１つが所定の閾値より大きいλ_１およびＡ_２を選択することで前記２次照明の特性を決定することを特徴とする。

また、前記２次照明の光源として、第２ピークを有する場合には、
前記２次照明の第２ピークのパワースペクトルを最大パワースペクトルで正規化した関数をＰＳＤ_３、Ａ_３を変数とし、前記第２ピークのピーク波長をλ_２とし、パワースペクトル関数
Ｙ＝Ａ_１ＰＳＤ_１＋Ａ_２ＰＳＤ_２＋Ａ_３ＰＳＤ_３
で定まる光源について、所定範囲のλ_１，λ_２およびＡ_２，Ａ_３にわたって、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉ（ｉ＝１から１５の任意の数）の少なくとも１つを計算し、
当該ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉの少なくとも１つが所定の閾値より大きいλ_１，λ_２およびＡ_２，Ａ_３を選択することで前記２次照明の特性を決定することができる。

前記方法において、Ａ_２，Ａ_３の一方を定数として、所定範囲のλ_１，λ_２およびＡ_２，Ａ_３にわたって、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉ（ｉ＝１から１５の任意の数）の少なくとも１つを計算してもよい。

本発明に記載の方法に従って設計された照明装置を使用すれば、２次照明の主な目的の利点を享受しながら、１次照明の色再現特性を向上させることができる。たとえば、サニタイズライトは、プライマリライトとセカンダリライトの両方を同時に使用しながら、ＣＲＩを低下させることなく、高ＣＲＩの光源を必要とする小売店に追加できる。

最終設計のスペクトル発光分布は、発光素子（既存のＬＥＤまたは他のランプ）の可用性にも依存する場合がある。ここで説明する方法は、既存の個々のコンポーネントを使用して、特別な目的の照明の光源設計を容易にする。

照明装置を製品形態にした場合の複数の例である。 照明装置を電球形状にした場合の例である。 照明装置を電球形状にした場合の例である。 照明装置にディフューザー等を設けた場合の例である。 照明装置を蛍光管型にした場合の例である。 人間の錐体細胞の正規化されたスペクトル感度である。 ＣＩＥ標準観察者の等色関数である。 ＣＲＩ評価用の３つのテストカラーサンプルのスペクトルパワー分布の例である。 ＣＩＥ１９３１色度図、高ＣＲＩ領域、および黒体軌跡。 Ｒ_ａおよびＲ_９ＣＲＩインデックス値を最大化するための目的関数の視覚化。 Ｒ_ａ＋Ｒ_９ＣＲＩインデックス値の平均を最大化するための目的関数の視覚化。 一次光源および二次光源の波長分布である。 一次光源と二次光源の重み付けされた組み合わせとＣＲＩ最適化の結果。

この文書の残りの部分は、本発明による特別な目的の照明装置の様々な可能な実施形態を説明する。最初に、図１に示すいくつかの可能な実施形態について説明し、次に、図面とプロットを参照して、使用例の動作デバイスを得る方法を説明する。

実施例を図１に示す。図１Ａは、ＬＥＤを光源として使用する線形ストリップを示す。実施例１Ａは、光源が埋め込まれたプレートの形状のさまざまな例である。実施例５～８は、電気スタンド、ポータブルフラッシュライト、天井／壁に固定される照明器具、およびパネルライトを示す。このようなデバイスの任意の形状または姿は、汎用のまたは特別な目的の照明とすることができる。図１のパネルＡ１－４のストリップは、プリント回路基板として機能し、可撓性または固形にすることができる。このような回路基板は、電球または蛍光灯に似たハウジング内に埋め込むことができる。図１Ｂは、他のそのような可能な形式を示しており、白熱灯に似たデバイスに光源を配置するのが一般的である。図１Ｃは、デバイスの発光スペクトルを変調するためにディフューザーまたはフィルターが使用されている、可能な電球のコンポーネントを示す。図１Ｄは、ＬＥＤの線形ストリップが埋め込まれたディフューザーチューブ（蛍光灯チューブに使用されるものなど）の断面を示す。図１Ｅは、図１Ｄと同じ物の３Ｄビューである。

可撓性または固形の線形ストリップの形態の図１Ｅの線形照明は、所望の発光スペクトルのＬＥＤ（発光ダイオード）が実装されている。発光源の相対強度は、電気回路、特に各ＬＥＤの電流の相対分布によって決まる。これは、ほとんどの場合、分圧器または定電流源によって実現される。単一のデバイスへの電力は、単一または複数の独立した電源装置から供給できる。給電されるデバイスの出力は、パルス幅変調（ＰＷＭ）調光、または電源電圧の制限によって制御できる。

他の可能な実施形態を図１Ａ－Ｅに示す。実施形態は、発光要素としてＬＥＤを使用するデバイスに限定されず、半導体ベースの発光、白熱光源および蛍光源を含むがこれらに限定されない任意の技術に基づいて、光を発生する目的で可視放射線を放出する任意のデバイスを含むものとする。

次に、考えられる使用例でのＣＲＩ向上機能を備えた特別な目的の光源について説明する。一例のシナリオは、小売店の白色光源Ａに、植物の成長（深紅と青）または消毒（青色帯域に拡張したＵＶ）のためのＵＶ光／深紅光を組み合わせた光源Ｂなどの、追加の二次光源を加える必要がある場合である。二次光の発光スペクトルが可視波長に達すると、そのような光が一次照明の演色評価数を乱す可能性がある。そのような二次光Ｂの発光スペクトルが２つの光源ＡおよびＢの複合発光を調整するように設計され、単一または複数の演色評価数値が改善されるように設計されている場合、特別な目的の照明の追加は依然として可能である。ＣＲＩの増加は、追加の発光源を追加することによって、および／または光学フィルタ、ディフューザー、またはシェーダーによって、選択された波長において一次光源の放出をブロックすることによって、複数の方法で得ることができる。上記のアプローチの共通の要素は、特定の発光スペクトル分布を取得するという目的である。

この例では、一次光源ＡをＣＲＩ＞９２の白色の高ＣＲＩ光と見なす（図５Ｂのハッシュバーを参照）。その発光スペクトルは、図５Ａに破線で示されている。このドキュメントで説明されている特別な目的の照明Ｂの設計プロセスは、放出出力と放出される波長の要件から始まる。考慮される例では、要件は次のとおりである。
１）光合成をサポートする目的で深紅のＬＥＤを含める
２）消毒機能と植物の成長をサポートする波長を備えた青色光を含める
３）一次照明のＣＲＩ Ｒ_ａを増加し、少なくとも１つの単一のＣＲＩインデックスＲ_ｉを増加する（ここで、ｉ＞０である）。

ここで、図５Ａの左のパネルの１次光源のプロファイルは、コンポーネントのカタログ値であるのに対し、右のパネルの１次光源のプロファイルは、コンポーネントの実測値である。ＬＥＤの発光強度や波長は、素子のばらつきや、温度によって変化するので、ピーク波長およびその強度には、誤差が含まれる。例えば、図５Ａの１次光源は、４５０ｎｍ付近のピークを有するが、その相対強度は、左のパネルと右のパネルで異なる。

光源設計で最も重要なステップは、最適化問題である。私たちの目的は、波長のペアとそれらの相対強度を見つけることである。最適化する目的関数は、Ｒ_ａとＲ_９の平均または（Ｒ_ａ＋Ｒ_９）／２．０である。この例の１次光源は、高いＣＲＩを持っているが、Ｒ_８とＲ_９のインデックス値は最適ではない。したがって、Ｒ_ａの最大の改善は、Ｒ_８の値を増やすことによって達成される。Ｒ_９インデックス値の改善に焦点を当てると、Ｒ_８の値が改善され、さらにＲ_ａも改善される可能性がある（図２Ｃのテストカラーサンプルのスペクトル特性を参照）。Ｒ_８は、青（３８０－４５０ｎｍ）および赤（＞６００ｎｍ）の波長の光源の恩恵を受ける。最適化プロセスには、自由パラメータのセットと同様に、目的関数の複数のバリエーションがある。自由パラメータは、利用可能なコンポーネントの特性を表す。図４に、１）波長と２）光源の相対強度を選択した自由パラメータを使用した、ＣＲＩ Ｒ_ａとＣＲＩ Ｒ_９の最適化の例を示す。

この問題を凸最適化の問題として定式化することが可能である。ただし、より単純なアプローチを使用することもできる。このアプローチでは、自由パラメータ空間を徹底的に検索し、すべてのパラメータ値の組み合わせについてインデックス値を評価する。結果のＣＲＩインデックス値が滑らかな関数を生成すると仮定すると、まばらなグリッドでインデックス値を評価することによって計算の数を減らし、補間によって滑らかな結果を得ることができる。このアプローチは、最終的なデバイスアセンブリ用のコンポーネントの選択肢が限られている場合に特に適している。

ＣＲＩ値の計算には条件付きのステップがあり、徹底的な検索により、スペクトル放射関数の離散関数または微分不可能関数が可能になる。パラメータ空間からの最終設計のパラメータの視覚化と選択により、最適化中に、各パラメータの重み付けの利点のオプションが提供される。パラメータ空間の複数の切断された領域に目的の解が含まれている可能性がある。最適値（目的関数の最大値または最小値）ではなく、その近傍からの別の値を使用することも有益である。

Ｒ_ａおよびＲ_９のＣＲＩインデックス値を最大化するための目的関数の視覚化を図４に示す。図４Ａは、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_９の評価を示す。この例では、目的関数は３つの正規化された（ｍａｘ［ＰＳＤ］＝１）パワースペクトル密度関数ＰＳＤ_ｉ（ｉ＝［１，２，３］）の加重和である。つまり、
Ｙ＝Ａ_１ＰＳＤ_１＋Ａ_２ＰＳＤ_２＋Ａ_３ＰＳＤ_３
である。グレースケールヒートマップは、白色光源と追加の光源のさまざまな組み合わせに対するＣＲＩ（Ｙ）インデックスＲ_ａおよびＲ_９（それぞれ左および右）の値を示す。図４Ａでは、白色光源（ＰＳＤ_１）と１つの追加の４０５ｎｍ光源（ＰＳＤ_２）の強度は固定強度である（Ａ_１＝定数、Ａ_２＝定数）。そして、さらに別の追加光源の相対強度（Ａ_３）とピーク波長の関数としてＣＲＩインデックス値を視覚化した。調査したパラメータ空間は、ピーク波長が３８０～７８０ｎｍの範囲と、相対強度Ａ_３が１～１０の範囲である。重みＡ_１～Ａ_３は、最終的に混合した個々の光源の相対強度を決定する単位のない乗数であり、値は、実際の光源を構築するために使用される物理コンポーネントの電気的または物理的パラメータを決定する。黒の領域は高い演色評価数に対応する（黒一色は演色評価数１００に対応する）。この図は、ピーク波長と相対強度のさまざまな組み合わせで一次光と二次光を組み合わせると、複数の極大値を持つＣＲＩ関数が得られることを示す（灰色の濃い色合いは高い値をエンコードする）。図４Ｂは、図４Ａの２つのインデックスの平均を示す。２つの等高線は、高ＣＲＩの最適な領域を示す。実線の輪郭（暗い部分が内側）は、２つのインデックスの平均ＣＲＩが９０の領域、（Ｒ_ａ＋Ｒ_９）／２．０＞９０の領域を囲む。白い破線の輪郭は、２つの値の平均が９３より大きい領域を囲む。白い破線で囲まれた領域の波長と相対強度を持つ光源の追加は、Ｒ_９とＲ_ａの両方のインデックスのＣＲＩ値を最も増加させる。この結果からは、２次照明の第１ピークのピーク波長を６４５ｎｍ付近（例えば、６２０～６７０ｎｍまたは６２５～６６５ｎｍなど）とし、第１ピークにおけるスペクトルパワーを、１次照明の最大スペクトルパワーの３倍以上、望ましくは７倍以上、さらに望ましくは８倍以上とすると、１次照明と２次照明を組み合わせたＣＲＩを高くすることができる可能性がある。なお、上述の例において、２次照明は、４０５ｎｍ付近に第２ピークを有する。また、上述の例においては、Ａ_２を定数として説明したが、Ａ_２を変数として、より広い範囲でＹの値の計算をしてもよい。

図４Ｂの等高線は、特別な目的の二次的な照明の領域または最適なセットを提供する。ピーク波長がこの輪郭内にあるコンポーネントを使用すれば、意図された特殊目的の光の設計が可能である。

図５Ａの左側のパネルは、３つの独立した光源のスペクトルパワー分布を示す。一次光源は広帯域スペクトル（白色の一次汎用光）によって特徴付けられ、破線でプロットされている。二次的な特別な目的の照明のために、２つの追加の狭帯域光源が考えられる。点線は青色光のスペクトルを示し、実線は赤色光源のスペクトルを示す。図５Ａの右側のパネルは、元の白色スペクトル（左側のパネルの破線に相当する破線）と、同時に動作する特別な目的の一次光源のスペクトルの２つの関数を示す。特別な目的のスペクトル関数は、この明細書の本文で説明されている最適化によって取得された。次に、一次および特別な目的の照明のスペクトル分布関数を使用して、図５Ｂを作成した。パネル５Ｂは、白色一次光源のみのＣＲＩ（ハッシュで満たされたバー）と一緒に動作する２つの光源のＣＲＩ（空白の白いバー）を比較するための２セットのバーを示す。

出願人は、図４の結果から、入手し易い光源として、ピーク波長６６０ｎｍの光源を決定し、Ａ_３の値の最適化を行った。この例の植物成長サポートとサニタイズライトニングデバイスの最適化の結果は、２つの発光要素である。第１の発光素子は６６０ｎｍにピークがあり（図５Ａの左パネルの正規化された発光スペクトル－個々の光源の実線）、第２の発光素子は４０５ｎｍにピークがある（図５Ａの正規化された発光スペクトル－個々の光源の点線）。図５に示され、最適化問題の例で使用されているスペクトルは、市場で入手可能な実際の光源（ＬＥＤ）の発光スペクトルの例である。白色光源スペクトルは、実際のコンポーネントである白色高ＣＲＩ ３０００Ｋ ＬＥＤである(GW JCLPS2.CM(GEN 2)DURIS(登録商標)E3－図５Ａの正規化された発光スペクトル－左右両方のパネルの破線）。

要するに、２次照明が、図５Ａの右側のパネルの実線のようなパワースペクトル分布であると、優れたＣＲＩを得られることが確認できた。このときのＡ_２は、およそ１．７（６２０ｎｍ付近のブロードなピークに対する４０５ｎｍのピークの強度の比）であり、Ａ_３は、およそ０．６５（白色光のブロードな分布に対する６６０ｎｍのピークの突出量の比）であった。このため、一例として、良好なＣＲＩを実現する特別な目的の照明は、２次照明が、６２５～６６５ｎｍ（望ましくは６５０～６６５ｎｍ）の波長範囲に第１ピークを有し、第１ピークにおけるスペクトルパワーが、１次照明（白色光）の最大スペクトルパワーの０．１～０．９倍である。そして、２次照明は、４００～４１０ｎｍの波長範囲に第２ピークを有し、第２ピークにおけるスペクトルパワーは、１次照明（白色光）の最大スペクトルパワーの０．７～５倍である。４０５ｎｍのピークの光源は、可視波長成分は一部であるので、比較的大きな強度であってもよい。また、前記したように、ＬＥＤの発光強度や波長は、作動時の誤差があるので、ピーク波長およびその強度には、ある程度の誤差範囲が含まれるべきである。

図５Ｂは、図４に示されているパラメータ空間の１つの可能な徹底的な検索の結果を示す。ＣＲＩ値は２つのバーセットで図５Ｂに示され、ハッシュされたセットは元の白色光のインデックスを示す。この例のＣＲＩ Ｒ_ａは９２．０３から９６．１０に増加し、インデックスＲ９_は５９．１４から９５．０に増加している。図５Ｂの棒グラフは、他のインデックスも同様に増加したことを示す。インデックスＲ_８、Ｒ_９、およびＲ_１２で最大の向上が得られた。この例では、ＣＲＩ Ｒ_９が６５以下であり、ＣＲＩ Ｒ_９を改善できる２次照明を追加することで、ＣＲＩ Ｒ_ａも改善できる可能性がある。

本発明の照明装置を実用的なものとするために、照明装置は、制御装置を備えることが望ましい。制御装置は、例えば、２次照明の出力を１次照明とは独立して変更可能であってもよい。２次照明の出力を変更することで、ＣＲＩを改善したり、ユーザの好みに応じて色味の調整をしたりすることができる。

また、制御装置は、１次照明と２次照明を同時に点灯させる状態と、１次照明を点灯させず、２次照明を点灯させる状態とを、ユーザの操作により、または、所定の条件により切り替えることを可能にするものであってもよい。制御装置は、例えば切替装置である。このような制御装置により、例えば、店舗の開店中は、１次照明と２次照明を同時に点灯させ、高ＣＲＩによる商品の適切なディスプレイと殺菌を同時に実現し、夜間などに店舗を閉めているときには、２次照明のみを点灯させることで、殺菌のみを継続することができる。もちろん、制御装置は、１次照明を点灯させ、２次照明を点灯させない状態に切り替えることが可能であってもよい。

本明細書で説明され、図１のパネルに示されている例とバリエーションは、例としてのみ作成されたものであり、制限を目的としたものではありません。本発明の範囲から逸脱することなく、発光素子、フィルタまたはディフーザーの他の多くの配置が可能である。説明したように、作用に大きな変更を加えることなく、小さな変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。

Claims (11)

1. ＣＲＩ＞９０を満たす白色の１次照明と、
   白色ではない狭帯域光源である２次照明であって、
   単独で使用した場合、ＣＲＩ＜８０であり、
   前記１次照明と同時に使用すると、前記１次照明および前記２次照明の全体としてのＣＲＩを前記１次照明の単独でのＣＲＩよりも大きくする２次照明と、
   前記１次照明と前記２次照明を同時に点灯させる状態と、前記１次照明を点灯させず、前記２次照明を点灯させる状態とを、ユーザの操作により、または、所定の条件により切り替えることを可能にする制御装置と、を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記２次照明は、前記１次照明と同時に使用すると、前記１次照明および前記２次照明の全体としてのＣＲＩを９４以上とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記２次照明は、６２５～６６５ｎｍの波長範囲に第１ピークを有し、前記第１ピークにおけるスペクトルパワーは、前記１次照明の最大スペクトルパワーの０．１～０．９倍であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記２次照明は、４００～４１０ｎｍの波長範囲に第２ピークを有し、前記第２ピークにおけるスペクトルパワーは、前記１次照明の最大スペクトルパワーの０．７～５倍であることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記１次照明は、単独で使用した場合に、ＣＲＩ＜９３であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の照明装置。
6. 前記２次照明は、単独で使用した場合に、植物の生長、生物の発達または殺菌に適する照明であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記１次照明のＣＲＩ Ｒ_９は、６５以下であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の照明装置。
8. 前記制御装置は、前記２次照明の出力を前記１次照明とは独立して変更可能であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照明装置の設計方法であって、
   前記１次照明のパワースペクトルを最大パワースペクトルで正規化した関数をＰＳＤ_１、前記２次照明の第１ピークのパワースペクトルを最大パワースペクトルで正規化した関数をＰＳＤ_２、Ａ_１を定数、Ａ_２を変数とし、前記第１ピークのピーク波長をλ_１とし、パワースペクトル関数
   Ｙ＝Ａ_１ＰＳＤ_１＋Ａ_２ＰＳＤ_２
   で定まる光源について、所定範囲のλ_１およびＡ_２にわたって、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉ（ｉ＝１から１５の任意の数）の少なくとも１つを計算し、
   当該ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉの少なくとも１つが所定の閾値より大きいλ_１およびＡ_２を選択することで前記２次照明の特性を決定すること
   を特徴とする照明装置の設計方法。
10. 前記２次照明の光源として、第２ピークを有する場合に、
    前記２次照明の第２ピークのパワースペクトルを最大パワースペクトルで正規化した関数をＰＳＤ_３、Ａ_３を変数とし、前記第２ピークのピーク波長をλ_２とし、パワースペクトル関数
    Ｙ＝Ａ_１ＰＳＤ_１＋Ａ_２ＰＳＤ_２＋Ａ_３ＰＳＤ_３
    で定まる光源について、所定範囲のλ_１，λ_２およびＡ_２，Ａ_３にわたって、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉ（ｉ＝１から１５の任意の数）の少なくとも１つを計算し、
    当該ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉの少なくとも１つが所定の閾値より大きいλ_１，λ_２およびＡ_２，Ａ_３を選択することで前記２次照明の特性を決定すること
    を特徴とする請求項９に記載の照明装置の設計方法。
11. Ａ_２，Ａ_３の一方を定数として、所定範囲のλ_１，λ_２およびＡ_２，Ａ_３にわたって、ＣＲＩ Ｒ_ａおよびＣＲＩ Ｒ_ｉ（ｉ＝１から１５の任意の数）の少なくとも１つを計算することを特徴とする請求項１０に記載の照明装置の設計方法。