JPWO2013128544A1

JPWO2013128544A1 - 照明装置

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Publication number: JPWO2013128544A1
Application number: JP2014501852A
Authority: JP
Inventors: 脩渡; 裕田村; 英彦鎌田
Original assignee: 株式会社セルシステム
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

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・照射する照明装置を提供する。所定の波長帯域内で，それぞれ異なる発光波長の光を出力する複数の光源を有する照射装置と，前記複数の光源の発光強度を制御する制御部を有し，前記制御部により所望の光出力の波長スペクトルに対応して前記複数の光源のそれぞれの出力レベルを調整する。

Description

本発明は，照明装置に関し，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，所望される照度で，高い光量均一度で再現できる照明装置に関する。

太陽電池等の２次元受光素子の出力性能，またその均一性の検査等に照明装置が用いられている。かかる照明装置において，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。

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照明装置について説明する概念構成図である。

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。

かかる照明装置の利用として，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，太陽光のスペクトラム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。

上記のような従来の照明装置では，特に高い強度の照射が必要な場合，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。

また，スペクトルの可変性に関しては，従来の照明装置にあっては，照射光のスペクトルは設置された光学フィルターのスペクトル特性によって一意に決定されるため，スペクトルの変更はフィルターの交換によってしかなされないという欠点があった。

これに対して，光源として半導体発光素子（ＬＥＤ）を用いた太陽電池の評価方法及び装置が提示されている（特許文献５〜７）。

特開２０１０−２５１３８７号公報特開２０１０−２７１６８５号公報特開２０１１−１１９３２２号公報特開２０１１−２２２６５５号公報特開２００４−２８１７０６号公報特開２０１０−２８７６４７号公報特開２０１１−９２４８号公報

上記特許文献５〜７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。

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。

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。

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，より理想的に太陽光のスペクトルに近似させることは困難を伴う。

加えて，現在，上記した特許文献１〜７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。従来よりの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る。

したがって，本発明の課題は，上記の背景に鑑みて，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・照射する照明装置を提供することにある。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，基本的態様として，所定の波長帯域内で，それぞれ異なる発光波長の光を出力する複数の光源を有する照射装置と，前記複数の光源の発光強度を制御する制御部を有し，前記制御部により所望の光出力の波長スペクトルに対応して前記複数の光源のそれぞれの出力レベルを調整することを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，前記基本的態様において，さらに，前記所望の光出力の波長スペクトルを予め格納する記憶装置と，前記照射装置の出力光が照射される被照射面の光特性の検知手段を有し，前記制御手段は，前記検知手段により検知される被照射面の光特性を前記記憶装置に格納された波長スペクトルに対応するように，前記複数の光源の出力強度を調整することを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，さらに，前記複数の光源は，ＬＥＤであることを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，さらに，前記複数の光源は，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。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，さらに，前記複数の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光源の出力光の波長が合成されることを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，さらに，前記複数の光源の出力光を，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。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，さらに，特定の発光波長の光源が得られないとき，隣接する波長の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。

上記により簡単な装置構成にて，スペクトル分布及び強度のどちらも容易に変更でき，均一な照明を発生する汎用性の高い照明装置を提供することが可能となる。

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照明装置について説明する概念構成図である。本発明に従う照明装置の実施例のブロック図である。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。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のスペクトル情報テーブルの例を示す図である。光源装置１０の一構成例を示す図である。被照射面２５への光束の入射を出来るだけ照射面に垂直にするなどの必要がある場合の光源装置１０の構成例を示す図である。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。光源として，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と蛍光体を利用する例を説明する図である。本発明に従う照明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。

以下図面に基づき，本発明に従う照明装置の実施例を説明する。

図２は，本発明に従う照明装置の実施例のブロック図である。図において，光源装置１０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）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光源を選定する。

図２に示すように，本発明に従う照明装置には，光源装置１０からの光が照射される被照射面１１における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（被照射面の光特性の検知手段）１２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。光源装置１０の各々の光源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，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制御装置１３により，フィードバック制御を行うことができる。

すなわち，記憶装置１４に予め格納したユーザーが所望とする発光スペクトルに対応するべく，制御装置１３により個々の光源の電流を随時変更制御して発光強度を調整することができる。

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光源の波長（λ_１〜λ_ｎ）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発光スペクトル３１(図３（２）)に対応するべく，個々の光源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。

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，光源となる発光素子（No.1〜ｎ）毎に発光中心周波数（ｆ_１〜ｆ_ｎ）と，所望の発光スペクトル３１に対応する強度（Ｌ_１〜Ｌ_ｎ）が登録されている。

制御装置１３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１２から得られる光源（発光素子：No.1〜ｎ）毎の被照射面１１における実強度と図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強度（Ｌ_１〜Ｌ_ｎ）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，対応する光源の電流を制御してスペクトル情報テーブルの所望スペクトル３１の強度に一致させる。

図５は，光源装置１０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ＬＥＤ２０Ａ（２０Ｂ，２０Ｃ）を使用している。ここでＬＥＤ２０Ａ（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を複数本で構成されてもよい。

ＬＥＤ２０Ａ（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，ＬＥＤ２０Ａ（２０Ｂ，２０Ｃ）の発光の照度を均一化できる。

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２５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２５での強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。

３本の光源ＬＥＤ２０Ａ（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２５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。

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２５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２５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。

このとき，上記した投影光学系Ｄ１（（Ｄ２，Ｄ３）を用いて，被照射面２５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。

図６は，被照射面２５への光束の入射を出来るだけ照射面に垂直にするなどの必要がある場合の光源装置１０の構成例を示す図である。

複数の光源３１_１〜３１_ｎの発光をそれぞれ対応するインテグレーター３２_１〜３２_ｎに結合光学系を通して入射し，それぞれのインテグレーター３２_１〜３２_ｎからの光束を共通のインテグレーター３３に入射させて混合均一化する。さらに，共通のインテグレーター３３の出射端面から光束を垂直に照射する光学系３４を付加する。このとき，共通のインテグレーター３４は出射光束の拡がりを小さく（開口数ＮＡを大きく）するべく，十分に大きな口径でかつ十分な長さであるように設計されていなければならない。

上記した図５，図６の光源装置１０のいずれにおいても，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制御装置１３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。

ここで，上記の構成において，調達が可能な光源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。

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。

図７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７（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。

図７（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７（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７（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のスペクトラムＤ(図７（４）)を有する光Ｆを生成することができる。

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。

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。

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。

図８は，光源として，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と蛍光体を利用する例を説明する図である。レーザ光源または発光ダイオード光源８０からの発射光を，望みの波長帯において効率よく蛍光を発生する蛍光体８１に照射する。これにより，蛍光体８１からの蛍光をバンドパス光学フィルター８２に導き，望みの波長帯での光をバンドパス光学フィルター８２から得ることが可能である。

図９は，上記に示した本発明に従う照明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，太陽光のスペクトラムに近似した照射光を出力することが要求される。

図９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，本発明に従う照明装置のスペクトルである。

図から容易に理解できるように，本発明に従う照明装置では，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１００に近似していることが理解できる。

なお，効率のよいＬＥＤ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。

以上説明したように，本発明に従う照明装置は，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・照射する照明装置を提供する，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。

２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，３１_１〜３１_ｎ：光源
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，３２_１〜３２_ｎ３３：インテグレーター
１０：照射装置
１１，２５，３５：被照射面
１２：被照射面の光特性の検知手段
１３：制御装置
１４：記憶装置

【０００３】
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。
［００１３］
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，より理想的に太陽光のスペクトルに近似させることは困難を伴う。
［００１４］
加えて，現在，上記した特許文献１〜７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。従来よりの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る。
［００１５］
したがって，本発明の課題は，上記の背景に鑑みて，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・照射する照明装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
［００１６］
上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，基本的態様として，それぞれ異なる中心波長の光を出力する複数の光源により所定の波長帯域を形成する照射装置と，前記所定の波長帯域に対する所望の波長スペクトルを予め格納する記憶装置と，前記照射装置により出力される前記複数の光源の被照射面での照度のスペクトル分布を測定する光特性検知装置と，前記複数の光源のそれぞれの発光強度を制御する制御部を有し，前記制御部は，前記光特性検知装置により測定される照度のスペクトル分布を，前記記憶装置に記憶された前記所望の波長スペクトルと比較し，前記測定される照度のスペクトル分布が，前記所望の波長スペクトルと対応するように，前記複数の光源のそれぞれの光出力レベルを調整することを特徴とする。
［００１７］
［００１８］
上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は，さらに，前記複数の光源は，ＬＥＤであることを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明に従う照明装置は、基本的態様として、それぞれ異なる中心波長の光を出力する複数の光源により所定の波長帯域を形成する照射装置と，前記所定の波長帯域に対する所望の波長スペクトルを予め格納する記憶装置と，前記照射装置により出力される前記複数の光源の被照射面での照度のスペクトル分布を測定する光特性検知装置と，前記複数の光源のそれぞれの発光強度を制御する制御部を有し，前記制御部は，前記光特性検知装置により測定される照度のスペクトル分布を，前記記憶装置に記憶された前記所望の波長スペクトルと比較し，前記測定される照度のスペクトル分布が，前記所望の波長スペクトルと対応するように，前記複数の光源のそれぞれの光出力レベルを調整することを特徴とする。

Claims

所定の波長帯域内で，それぞれ異なる発光波長の光を出力する複数の光源を有する照射装置と，
前記複数の光源の発光強度を制御する制御部を有し，
前記制御部により所望の光出力の波長スペクトルに対応して前記複数の光源のそれぞれの出力レベルを調整する，
ことを特徴とする照明装置。
請求項1において，
さらに，前記所望の光出力の波長スペクトルを予め格納する記憶装置と，
前記照射装置の出力光が照射される被照射面の光特性の検知手段を有し，
前記制御手段は，前記検知手段により検知される被照射面の光特性を前記記憶装置に格納された波長スペクトルに対応するように，前記複数の光源の出力強度を調整する，
ことを特徴とする照明装置。
請求項1または２において，
前記複数の光源は，ＬＥＤであることを特徴とする照明装置。
請求項1または２において，
前記複数の光源は，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，
ことを特徴とする照明装置。
請求項1または２において，
さらに，前記複数の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光源の出力光の波長が合成される，
ことを特徴とする照明装置。
請求項１または２において，
さらに，前記複数の光源の出力光を，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，
ことを特徴とする照明装置。
請求項１または２において，
特定の発光波長の光源が得られないとき，隣接する波長の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，
ことを特徴とする照明装置。