TW201633561A - 車載頭燈用led光源 - Google Patents

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Toshihiro Tsumori
Toshihiko Tsukatani
Kazuhiro Wataya
Takehisa Minowa
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Shinetsu Chemical Co
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Abstract

一種車載頭燈用LED光源,係具備:發出主要波長430nm以上470nm以下的藍色光之藍色LED、及配置在上述藍色光的發光方向前方而用來將上述藍色光進行波長轉換之螢光體,上述螢光體含有以Lu3Al5O12:Ce表示之鈰激活鎦鋁石榴石螢光體作為主螢光體,其用來發出色溫6000K以下的擬白色光,能發出縱使在惡劣天候下視認性也不容易降低之色溫6000K以下的光,且照明範圍廣,視野邊緣部(周邊視野)的視認性優異,有助於防止事故、確保道路交通的安全。

Description

車載頭燈用LED光源
本發明是關於車載頭燈用LED光源。
隨著近年來LED照明的普及,連汽車上之燈類的LED化也在進展中。當考慮到應用於車載頭燈的情況,LED光源的耐撞擊性高,其發光效率比以往的鹵素燈等之白熾燈大幅提高,此外還具有發光光譜的自由度高之特點。
作為一般照明用的白色LED光源,利用以下發光方式的擬白色LED已被廣泛採用,該擬白色LED是使用藍色LED作為光源,藉由配置在藍色LED的發光方向前方之Y3Al5O12:Ce螢光體將藍色光的一部分轉換成黃色光,將該黃色光和來自藍色LED之未轉換的藍色光加在一起來獲得白色發光。
Y3Al5O12:Ce螢光體的發光光譜,是在人眼的明視覺的最高感度之555nm附近具有發光峰之寬廣的發光光譜,將其運用於擬白色LED可獲得良好的發色及高亮度。
然而,當考慮到車載頭燈等之利用在夜間之室外暗處的光源的情況,波長555nm附近的發光峰難稱適當。這是因為,在人的情況,於夜間等之1勒克斯以下的低照度環境,其比波長555nm更短波長波長之500nm及其附近的視感度會大幅增加。視感度波長如圖6所示般,隨著周邊照度降低會從在波長555nm具有發光峰之明視覺波長區轉移到在波長507nm具有發光峰之暗視覺波長區。此視感度波長區的變化乃是廣為人知的浦肯頁效應,其所造成之暗處的視感度提高,已知在人眼的周邊視野區特別顯著。在LED照明中,對應於此浦肯頁效應所造成之視感度波長變化,為了提高暗處的視感效率,將增加發光中的藍色成分之高色溫的照明作為在暗處使用的LED照明已被提出。此外,在暗處使用之車載頭燈用的LED光源也是,藉由使用高色溫的光源,可期待視認性、特別是視野周邊部視認性的改善。
車載頭燈,除了作為一般室外照明的性能以外,還要求縱使在雨天、起霧等的惡劣天候下仍能確保良好的視認性。然而,高色溫的光,特別是藍色成分較多的LED光,水滴所產生的光散射變多,當應用於惡劣天候下的情況,視認性會降低。因此,依車載用照明的指南,在多數的車載用照明中,都推薦採用色溫6000K以下者。LED光源,比以往的照明具有更佳發光效率、更高亮度,作為以蓄電池為電源之車用頭燈具有適當的性能,但在發光中含有較多的藍色光成分,色溫也偏高。另一方面,採 用以往的白熾燈之車載頭燈,在6000K以下的色溫仍具有一定比例的暗視覺感度區之發光成分,但其發光效率與LED照明相比大幅降低,結果有照度不足的傾向。
[專利文獻1]日本特開2013-65555號公報
[專利文獻2]日本特開2009-272092號公報
[專利文獻3]日本特開2012-204071號公報
[專利文獻4]日本特開2012-221633號公報
[專利文獻5]日本特開2012-221634號公報
本發明是有鑑於上述事情而開發完成的,其目的是為了提供一種高效率的車載頭燈用LED光源,具有適於雨天、起霧等的惡劣天候下之6000K以下的色溫,且其發光光譜在夜間的視認性良好,特別是在夜間會影響人眼的周邊視野視認性之照射光周緣部的視認性良好。
本發明人等,為了解決上述課題,著眼於浦肯頁效應,作為發出色溫6000K以下的光且低照度下的視認性良好而適於車載頭燈用的LED光源,針對含有較多波長500nm或其附近的綠色光成分之LED光源進行探討。
而且,本發明人等深入探討的結果發現,配合發出主要波長430nm以上470nm以下的藍色光之藍色LED,使用在波長500nm附近具有綠色的螢光發光峰之Lu3Al5O12:Ce螢光體作為主要決定螢光發光的色調、亦即螢光發光的主波長之主螢光體,不須將色溫提高就能改善暗處的視感度特性,進一步發現,藉由將Lu3Al5O12:Ce螢光體和K2SiF6:Mn螢光體、Y3Al5O12:Ce螢光體等的副螢光體一併使用,可獲得不僅視認性、甚至連發光色也變自然之暗視覺用LED光源。
此外,為了將這種暗視覺用LED光源應用於車載頭燈而針對發光光譜進行詳細探討的結果發現,發光光譜成為:暗視覺的波長區中之最大波長區、即波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量為明視覺的波長區中之最大波長區、即波長510nm以上610nm以下的範圍之發光能量的總量的0.7倍以上,再者,發光光譜成為:暗視覺的波長區中之最大波長區、即波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量為相當於明視覺的波長區之大部分的波長430nm以上630nm以下的範圍之發光能量的總量的0.4倍以上,特別是滿足上述2個比率雙方者,除了作為LED光源之高發光效率,還兼具有像白熾燈頭燈那樣的優點:縱使在色溫6000K以下仍能抑制夜間等的低照度環境之視認性及視認響應時間降低,成為適於車載頭燈用之LED光源,而完成本發明。
因此,本發明係提供下述的車載頭燈用LED 光源。
[1]一種車載頭燈用LED光源,其特徵在於,係具備:發出主要波長430nm以上470nm以下的藍色光之藍色LED、及配置在上述藍色光的發光方向前方而用來將上述藍色光進行波長轉換之螢光體,上述螢光體含有以Lu3Al5O12:Ce表示之鈰激活鎦鋁石榴石螢光體作為主螢光體,其用來發出色溫6000K以下的擬白色光。
[2]在[1]所記載的車載頭燈用LED光源中,將上述藍色光進行波長轉換的螢光體,進一步含有作為副螢光體之以K2siF6:Mn表示的錳激活矽氟化鉀螢光體、或以Y3Al5O12:Ce表示的鈰激活釔鋁石榴石螢光體。
[3]在[1]或[2]所記載的車載頭燈用LED光源中,係發出擬白色光,其發光光譜中,波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量為波長510nm以上610nm以下的範圍之發光能量的總量的0.7倍以上。
[4]在[1]至[3]之任一者所記載的車載頭燈用LED光源中,係發出擬白色光,其發光光譜中,波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量為波長430nm以上630nm以下的範圍之發光能量的總量的0.4倍以上。
[5]在[1]至[4]之任一者所記載的車載頭燈用LED光源中,將上述藍色光進行波長轉換的螢光體,是以讓上述螢光體分散在高分子材料或無機玻璃而成為螢光體層的方式進行配置。
本發明的車載頭燈用LED光源,能發出縱使在惡劣天候下視認性也不容易降低之色溫6000K以下的光,且照明範圍廣,視野邊緣部(周邊視野)的視認性優異,有助於防止事故、確保道路交通的安全。
1‧‧‧照明裝置(LED光源)
11‧‧‧擬白色LED晶粒
12‧‧‧反射器
13‧‧‧燈罩材或螢光體層
圖1係顯示實施例及比較例所製作之照明裝置,(A)為俯視圖、(B)為剖面圖。
圖2係顯示實施例1、2的照明裝置之發光光譜。
圖3係顯示實施例3的照明裝置之發光光譜。
圖4係顯示比較例1、2的照明裝置之發光光譜。
圖5係顯示比較例3、4的照明裝置之發光光譜。
圖6係顯示人眼的感度的明視覺之最大波長及暗視覺之最大波長。
以下,針對本發明的車載頭燈用LED光源詳細地說明。
本發明的車載頭燈用LED光源,係具備發出藍色光的藍色LED、及將藍色光進行波長轉換之螢光體,作為將藍色光進行波長轉換之螢光體,是使用以Lu3Al5O12:Ce表示的鈰激活鎦鋁石榴石螢光體(LuAG:Ce螢光體)。 Lu3Al5O12:Ce螢光體,藉由激發光(藍色光),會發生在暗視覺感度區的主要波長、即波長500nm附近具有發光峰之綠色螢光。Lu3Al5O12:Ce螢光體較佳為Ce含有率0.2質量%以上10質量%以下。
接近最大波長的綠色發光,雖利用InGaN等的綠色單色發光LED也能獲得,但其發光光譜乃是波長分布幾乎不存在的明線光譜,因此幾乎不含波長500nm及其附近的綠色光以外的光。在車載頭燈用光源,在1勒克斯以上的照度的視感度也是必要的,因此不含綠色以外的色成分之綠色單色發光LED並不適於此用途。相對於此,藉由藍色光所激發的Lu3Al5O12:Ce螢光體的發光光譜寬廣,其暗視覺的視認性當然毫無問題,可獲得甚至作為明視覺照明也具有50以上的平均演色指數的擬白色光。
本發明的車載頭燈用LED光源,是在藍色LED之藍色光的發光方向前方配置Lu3Al5O12:Ce螢光體。作為藍色LED,是使用發出主要波長430nm以上470nm以下的藍色光者,可採用市售品等的以往公知者。
另一方面,配置螢光體的態樣可列舉如下。在藍色LED的前方、例如發光元件(發光半導體)本身的發光方向前面、或用來封裝發光半導體的封裝材之藍色LED的發光方向前面,將螢光體保持原狀或讓其分散於樹脂等的高分子材料、溶媒等中,利用灌注、塗布等的方法而以螢光體層的方式進行配置的態樣。讓螢光體混合分散於熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等的高分子材料或無機玻 璃而製作成螢光體層,將該螢光體層直接配置在用來封裝發光元件的封裝材之藍色LED的發光方向前面的態樣,或是與該前面隔著距離而配置的態樣(所謂分離式螢光粉方式)等。
Lu3Al5O12:Ce螢光體是使用粒子狀者,其粒徑,以平均粒徑D50計較佳為1μm以上150μm以下,更佳為5μm以上50μm以下,特佳為10μm以上25μm以下。當粒徑未達1μm的情況,將藍色光轉換成螢光發光的效率(量子效率)降低,可能造成螢光光量不足、發光效率降低。當粒徑超過150μm的情況,要形成均一且緻密的螢光體層變困難,此外,粒子的間隙變大,從粒子間會讓過多的藍色光通過而產生構造上的問題。
利用Lu3Al5O12:Ce螢光體所獲得的發光,是以500nm及其附近的波長為主,因此作為暗處或低照度下的照明是優異的,相反的,例如在接近光源的光軸上等之十分明亮的部位之照度,則比以往的白熾燈、或主要使用Y3Al5O12:Ce螢光體來作為螢光體之以往的擬白色LED變得稍低。此外,因為600nm左右的紅色成分不足,其色彩再現性、特別是紅色的再現性稍低。
針對上述問題,使用Lu3Al5O12:Ce螢光體作為主要決定螢光發光的色調、亦即螢光發光的主波長之主螢光體,進一步將作為副螢光體之以K2SiF6:Mn表示的錳激活矽氟化鉀螢光體、以Y3Al5O12:Ce表示的鈰激活釔鋁石榴石螢光體(YAG:Ce螢光體)等一併使用,可增加波 長500~630nm的光量,可改善作為白色光的光質,具體而言是改善色偏差(△uv)。又作為可獲得紅色波長的光之螢光體,雖可列舉CASN、S-CASN、α-SiALON等的紅色螢光體,但這些螢光體對本發明而言並不理想。這是因為,這些螢光體會吸收Lu3Al5O12:Ce螢光體所產生的綠色發光,而使發光效率大幅降低。
作為副螢光體是將K2SiF6:Mn螢光體加入的情況,會在Lu3Al5O12:Ce螢光體之500nm及其附近的發光加上630nm及其附近的紅色發光,而大幅改善作為照明裝置的光質。這時,K2SiF6:Mn螢光體幾乎不會吸收來自Lu3Al5O12:Ce螢光體的發光,此外,發光光譜幾乎不含無助於擬白色形成的成分,光量的降低極少。該K2SiF6:Mn螢光體較佳為Mn含有率0.05質量%以上7質量%以下。此外,K2SiF6:Mn螢光體是使用粒子狀者,其粒徑以平均粒徑D50計,較佳為2μm以上200μm以下,更佳為10μm以上60μm以下。
此外,作為副螢光體是將Y3Al5O12:Ce螢光體加入的情況,其發光光譜,在Lu3Al5O12:Ce螢光體之發光的長波長側之波長區能使發光量增加,讓色溫降低,而使紅色的再現性提高。該Y3Al5O12:Ce螢光體較佳為Ce含有率1質量%以上6質量%以下。此外,Y3Al5O12:Ce螢光體,是使用粒子狀者,其粒徑以平均粒徑D50計,較佳為1μm以上100μm以下,更佳為5μm以上50μm以下。
主螢光體之Lu3Al5O12:Ce螢光體和 Lu3Al5O12:Ce螢光體以外的副螢光體(K2SiF6:Mn螢光體、Y3Al5O12:Ce螢光體等),相對於螢光體的總量,主螢光體較佳為10質量%以上,特佳為20質量%以上,又較佳為50質量%以下,特佳為40質量%以下。
本發明的螢光體,能用以往公知的方法製造,也能採用市售品。
螢光體層的厚度,可適宜設定成能獲得作為車載頭燈用LED光源有效之期望的發光光譜,較佳為0.1~10mm,更佳為0.5~3mm。
此外,讓螢光體分散於高分子材料、無機玻璃等而構成螢光體層的情況,螢光體層中的螢光體量,相對於螢光體總量較佳為5質量%以上,特佳為10質量%以上,更佳為20質量%以上,又較佳為60質量%以下,特佳為40質量%以下,更佳為25質量%以下。例如,與高分子材料一起灌注而形成厚度0.3mm的螢光體層的情況,宜為20質量%以上60質量%以下;混入高分子材料而形成為厚度2mm的成形體以作為分離式螢光粉材使用的情況,宜為5質量%以上25質量%以下。當螢光體含有率低的情況,來自藍色LED之未轉換藍色光的透過變多,可能使色溫變高。另一方面,當螢光體含有率高的情況,光的衰減量變多,可能造成光量降低。
在螢光體層,作為添加劑,為了防止藍色光未射入螢光體而透過、亦即發生所謂藍光穿透,可將SiO2、SiON、TiO等的散光材例如在0.1質量%以上5質 量%以下的範圍內添加。
本發明的LED光源,係使用發出主要波長430nm以上470nm以下的藍色光之藍色LED,並使用Lu3Al5O12:Ce螢光體作為主螢光體,特別是將Lu3Al5O12:Ce螢光體和作為副螢光體之K2SiF6:Mn螢光體或Y3Al5O12:Ce螢光體一併使用,可抑制暗視覺效率的降低,並發出發光色溫為6000K以下的擬白色光。
此外,本發明的LED光源可發出的擬白色光之發光光譜,其主要為綠色區的發光波長、即波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量,係波長510nm以上610nm以下的範圍之發光能量的總量之0.7倍以上,更佳為0.8倍以上1.5倍以下。當該比率未達0.7倍時,可能無法獲得暗視覺的視認性提高效果。再者,本發明的LED光源可發出的擬白色光之發光光譜,其主要為綠色區的發光波長、即波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量,係相當於明視覺感度區的大部分之波長430nm以上630nm以下的範圍之發光能量的總量之0.4倍以上,更佳為0.5倍以上0.7倍以下。當該比率為0.4倍以上的情況,在暗視覺之視認性提高方面,可獲得更高的效果。因此,若滿足上述2個比率雙方則特別有利。又上述波長範圍之發光能量的總量,可為發光光譜之各波長範圍的放射能量(強度)之累加值(積分值)。
依據本發明,可提供一種適於作為車載頭燈用之LED光源,能發出縱使在惡劣天候下視認性也不容 易降低之色溫6000K以下的擬白色光,且能改善在夜間等的低照度環境下之因浦肯頁效應產生的視感度波長變化而造成的視認性降低。
[實施例]
以下,使用實施例及比較例來具體地說明本發明,但本發明並不限定於下述的實施例。
[實施例1]
作為藍色光源,是使用Shenzhen Hanhua Opto Co.,Ltd.製的寶藍LED陣列(發光波長:445nm、50W),在其發光表面塗布:讓含有1.4質量%Ce之Lu3Al5O12:Ce螢光體粒子(粒徑D50=16.2μm)分散於九本司特爾株式會社製的環氧樹脂組成物(Specifix)而構成的漿體(螢光體濃度26質量%)。將該漿體,用烘箱於50℃加熱3.5小時而使其硬化,獲得在LED的發光表面積層有厚度約0.4mm的螢光體層之擬白色LED晶粒。接著,如圖1所示般,將所獲得的擬白色LED晶粒11組裝於反射器12的中央部,使用厚度2mm的乳白色的丙烯酸板作為燈罩材13,製作成試驗用的照明裝置(LED光源)1。關於照明的配向角,其1/2配光角為115°。
作為該照明裝置的光學特性,色溫是利用柯尼卡美能達株式會社製的分光放射照度計CL-500A進行評價。此外,發光效率是利用大塚電子社製的全光束測定 系統FM-1650進行評價。發光光譜如圖2所示。進一步,根據該發光光譜,計測波長510nm以上610nm以下的範圍之發光能量的總量、波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量,算出其等的比值(比率A);此外,計測波長430nm以上630nm以下的範圍之發光能量的總量、波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量,算出其等的比值(比率B)。將其結果與發光的色溫、色偏差(△uv)、發光效率及S/P比一起顯示於表1。
再者,關於該照明裝置之暗視覺的視認性,以照明照度低的情況之周邊視野的認識響應時間差的方式依以下方法進行評價。首先,將照明裝置以光軸呈水平的方式設置在夜間之寬度7m的柏油路中央之高度50cm的位置。接著,在從照明裝置的發光面起算之光軸上的前方12m的位置(正面)、以及該位置的左或右的路肩側之離照明裝置的發光面約10.6m的位置這3處的任一位置,設置孟色耳明度7.5的15cm見方的色票,以正面的色票之照射照度成為10勒克斯的方式調整照明裝置的照度。在此狀態下,讓受試驗者站在照明裝置的後方1m的位置且將其視線朝向光軸方向,使試驗用的LED光源發光,測定從照射開始到能辨識出位於任一位置的色票的時間而進行感應試驗。試驗是使用3個受試驗者,在3處的位置隨機地設置色票,以5分鐘的間隔在各處分別進行5次,實施總計15次的試驗。各位置的平均響應時間如表1所 示。
[實施例2]
以不積層螢光體層的方式就那樣使用實施例1的藍色光源,將實施例1的Lu3Al5O12:Ce螢光體粒子混入旭化成株式會社製之透明丙烯酸樹脂(DELPET60N)而構成厚度2mm的板材(螢光體濃度9質量%),使用該板材作為螢光體層兼燈罩材,製作成分離式螢光粉型的試驗用的LED光源,與實施例1同樣的進行光學特性及視認性評價。發光光譜如圖2所示,其他結果如表1所示。
[實施例3]
將實施例1的Lu3Al5O12:Ce螢光體粒子和含有2質量% Mn之K2SiF6:Mn螢光體粒子(粒徑D50=20μm)一併使用而構成厚度2mm的板材(Lu3Al5O12:Ce螢光體濃度10質量%、K2SiF6:Mn螢光體5質量%),使用該板材作為螢光體層兼燈罩材,除此外是與實施例2相同而製作成分離式螢光粉型的試驗用的LED光源,與實施例1同樣的進行光學特性及視認性評價。發光光譜如圖3所示,其結果如表1所示。
[比較例1]
在實施例1之藍色光源的發光表面塗布:讓含有1.6質量% Ce的Y3Al5O12:Ce螢光體粒子(粒徑D50=14μm) 分散於實施例1的環氧樹脂組成物而構成的漿體(螢光體濃度32質量%),除此外是與實施例1相同而製作成試驗用的LED光源,與實施例1同樣的進行光學特性及視認性評價。發光光譜如圖4所示,其他結果如表1所示。
[比較例2]
在實施例1之藍色光源的發光表面,以塗布量成為比較例1之21%的方式塗布:讓含有1.6質量%Ce的Y3Al5O12:Ce螢光體粒子(粒徑D50=14μm)分散於實施例1的環氧樹脂組成物而構成的漿體(螢光體濃度32質量%),除此外是與實施例1相同而製作成試驗用的LED光源,與實施例1同樣的進行光學特性及視認性評價。發光光譜如圖4所示,其他結果如表1所示。
[比較例3]
在圖1所示之試驗用的照明裝置1中,取代擬白色LED晶粒11,將市售的晝白色的鹵素燈以其光球面(發光面)的前端與實施例1之擬白色LED晶粒11的前端位於相同位置的方式,貫穿基板而配置在反射器12的中央部後方,並使用厚度1.5mm的玻璃板作為燈罩材13,除此外是與實施例1相同而製作成試驗用的照明裝置,與實施例1同樣的進行光學特性及視認性的評價。發光光譜如圖5所示,其他結果如表1所示。
[比較例4]
在圖1所示之試驗用的照明裝置1中,取代鹵素燈而使用市售的白色之白熾燈,除此外是與比較例3相同而製作成試驗用的照明裝置,與實施例1同樣的進行光學特性及視認性的評價。發光光譜如圖5所示,其他結果如表1所示。
.發光能量總量比(比率A)
(發光光譜之波長470~540nm的範圍之發光能量的總量)/(發光光譜之波長510~610nm的範圍之發光能量的總量)
.發光能量總量比(比率B)
(發光光譜之波長470~540nm的範圍之發光能量的總量)/(發光光譜之波長430~630nm的範圍之發光能量的總量)
實施例1~3的LED光下之左右路肩的平均響應時間,相較於使用Y3Al5O12:Ce螢光體之比較例1所示的習知擬白色LED可縮短約2成,可知本發明的LED光源在會影響夜間之周邊視野視認性之照射光周緣部的視認性良好。
此外,發光色溫較高之比較例2的使用Y3Al5O12:Ce螢光體的LED,左右路肩的平均響應時間雖比實施例1~3更短,但其色溫比車載用照明的指南上限之6000K更高。因此,作為也必須考慮在雨天、起霧等的惡劣天候下的利用之車載頭燈並不理想。
另一方面,比較例3所示之習知的鹵素燈、比較例4所示之白熾燈,雖然暗處的響應時間良好,但發光效率低到本發明的LED光源之1/5左右。

Claims (5)

  1. 一種車載頭燈用LED光源,其特徵在於,係具備:發出主要波長430nm以上470nm以下的藍色光之藍色LED、及配置在上述藍色光的發光方向前方而用來將上述藍色光進行波長轉換之螢光體,上述螢光體含有以Lu3Al5O12:Ce表示之鈰激活鎦鋁石榴石螢光體作為主螢光體,其用來發出色溫6000K以下的擬白色光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之車載頭燈用LED光源,其中,將上述藍色光進行波長轉換的螢光體,進一步含有作為副螢光體之以K2SiF6:Mn表示的錳激活矽氟化鉀螢光體、或以Y3Al5O12:Ce表示的鈰激活釔鋁石榴石螢光體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之車載頭燈用LED光源,係發出擬白色光,其發光光譜中,波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量為波長510nm以上610nm以下的範圍之發光能量的總量的0.7倍以上。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之車載頭燈用LED光源,係發出擬白色光,其發光光譜中,波長470nm以上540nm以下的範圍之發光能量的總量為波長430nm以上630nm以下的範圍之發光能量的總量的0.4倍以上。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之車載頭燈用LED光源,其中,將上述藍色光進行波長轉換的螢光體,是以讓上述螢 光體分散在高分子材料或無機玻璃而成為螢光體層的方式進行配置。
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