JP5091750B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ照明装置に関するものであり、詳しくは、白色光を照射するＬＥＤ照明装置に関する。

ＬＥＤを光源とする照明装置は、ＬＥＤ光源が電球や蛍光灯等の他の光源と比較して発光光量が小さいため、複数のＬＥＤを配置することにより照明装置として必要な照射光量を確保している。

図１４は、複数のＬＥＤで構成された照明装置の従来例である。口金５０を有する外囲器５１内に複数のＬＥＤ５２が実装された基板５３及びアダプタ５４が固定・支持されており、口金５０に供給された商用電源（例えば、ＡＣ１００Ｖ）がアダプタ５４で直流定電流に変換されて該直流定電流によって複数のＬＥＤ５２を点灯させるものである。

この場合、ＬＥＤ５２は全て白色光を出射する白色ＬＥＤからなっており、照明装置５５からは当然白色光が外部に向けて照射される（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３１８４４７号公報

ところで、急峻なスペクトル分布を有する単色発光のＬＥＤ素子（ＬＥＤチップ）を発光源として白色光或いは白色光に近い色調の光を得る方法としては、ＬＥＤ素子と蛍光体との組み合わせによる方法が実用化されている。

それは、青色光（スペクトル分布において青色の波長領域にピークを有する光）を発光する青色ＬＥＤ素子を発光源とし、青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を用いることにより、青色ＬＥＤ素子で発光された青色光の一部が黄色蛍光体を励起することによって波長変換された黄色光と、青色ＬＥＤ素子で発光された青色光の一部との加法混色によって白色光に近い色調の光を生成するものである。

同様に、発光源を青色ＬＥＤ素子とし、青色光に励起されて夫々緑色光及び赤色光に波長変換する緑色蛍光体及び赤色蛍光体の２種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、青色ＬＥＤ素子で発光された青色光の一部が緑色蛍光体及び赤色蛍光体を励起することによって波長変換された緑色光及び赤色光と、青色ＬＥＤ素子で発光された青色光の一部との加法混色によって白色光を生成することができる。

また、紫外光（スペクトル分布において紫外の波長領域にピークを有する光）を発光する紫外ＬＥＤ素子を発光源とし、紫外光に励起されて夫々青色光、緑色光、及び赤色光に波長変換する青色蛍光体、緑色蛍光体、及び赤色蛍光体の３種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、紫外ＬＥＤ素子で発光された紫外光が青色蛍光体、緑色蛍光体、及び赤色蛍光体を励起することによって波長変換された青色光、緑色光、及び赤色光の加法混色によって白色光を生成することもできる。

このような、青色ＬＥＤ素子又は紫外ＬＥＤ素子と蛍光体の組み合わせによるＬＥＤは、出射される白色光の色調（色度）が発光源となるＬＥＤ素子の発光スペクトル分布、波長変換部材となる蛍光体の粒径、蛍光体の濃度、蛍光体層の層厚等により異なるものとなる。

そのため、ＬＥＤの製造工程において、蛍光体に係る諸条件の管理を厳格化して蛍光体の粒径、蛍光体の濃度、蛍光体層の層厚等のバラツキを抑制することにより、個々のＬＥＤ間の発光光の色調バラツキを低減するようにしている。

但し、厳格な管理下で製造された白色ＬＥＤを単に多数配置しただけの照明装置は、人間の白色弁別感度が極めて高いために微妙な色調の違いでも見分けられ、個々の白色ＬＥＤ間の色調バラツキが観視者に不快感を与えることになる。そこで、個々の白色ＬＥＤ間の色調バラツキの少ない照明装置を実現するためには、厳格な管理下で製造された多数のＬＥＤの中から更に人間の白色弁別感度をもってしても知覚できない色調領域内にあるものを選別して用いることが必要となる。しかしながらこの場合、選別工程の追加及び歩留りの悪化により製造コストが上昇することになる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、複数の白色ＬＥＤを配置してなる照明装置において、観視者に照明装置を構成する個々の白色ＬＥＤ間の色調バラツキを知覚させることがなく、照明装置を面光源として見たときに面光源全面に亘って色調ムラを知覚させないような照明品質の高い照明装置を低コストで実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、主光源と補助光源を備えたＬＥＤ照明装置であって、前記主光源は色度図上において出射光の色度値がＭａｃＡｄａｍの楕円の長軸及び短軸を夫々８倍延長した楕円領域内に位置する複数の白色ＬＥＤからなり、前記補助光源は色度図上において出射光の色度値がＭａｃＡｄａｍの楕円の長軸及び短軸を夫々８倍延長した楕円領域の外側に位置する光源であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記補助光源は、前記主光源又は複数の前記主光源からなる主光源群に対して規則的に配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２のいずれか１項において、前記ＬＥＤ照明装置は、観視者からの距離に応じて該観視者の視角１０°以内に位置する大きさであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記白色ＬＥＤが、発光源となる青色ＬＥＤ素子又は紫外ＬＥＤ素子と、波長変換部材となる蛍光体の組み合わせからなることを特徴とするものである。

本発明は主光源と補助光源を備えたＬＥＤ照明装置であって、主光源を色度図上において出射光の色度値がＭａｃＡｄａｍの楕円の長軸及び短軸を夫々８倍延長した楕円領域内に位置する複数の白色ＬＥＤからなるものとし、前記補助光源を色度図上において出射光の色度値がＭａｃＡｄａｍの楕円の長軸及び短軸を夫々８倍延長した楕円領域の外側に位置する光源とした。

その結果、観視者にＬＥＤ照明装置を構成する個々の白色ＬＥＤ間の色調バラツキを知覚させることがなく、照明装置を面光源として見たときに面光源全面に亘って色調ムラを知覚させないような照明品質の高い照明装置を低コストで実現することが可能となった。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１３を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

本発明は、複数の白色ＬＥＤを配置してなる照明装置において、観視者に照明装置を構成する個々の白色ＬＥＤ間の色調バラツキを知覚させることがなく、照明装置を面光源として見たときに面光源全面に亘って色調ムラを知覚させないような手段を施したものである。

本来、色調ムラとは同一面内において色調の均一性が損なわれた状態をいい、特に、ある程度色調の均一性が確保されている中に微妙に色調の異なる領域が存在する場合をいう。

例えば、白色光を照射するＬＥＤ照明装置を例にとると、大部分が青みがかった白色光を出射するＬＥＤで構成された照明装置の中に黄色みがかった白色光を出射するＬＥＤが混在する場合、上述したように人間の白色弁別感度が極めて高いために同じ白色光であっても黄色みがかった白色光が色調ムラとして知覚される。そのため、白色ＬＥＤを単に多数配置しただけの照明装置の場合、製造された多数の白色ＬＥＤの中から人間の白色弁別感度をもってしても知覚できない色調領域内にあるものを選別して用いない限り、照明装置の色調ムラを防止することは困難である。

ところで、「一視野内に位置する色度値（色調）の異なる色Ａと色Ｂを見た場合、色Ａと色Ｂの色調の違いが知覚されない色度図上の範囲」が、１９４３年にＭａｃＡｄａｍの実験により明らかにされている。図１はその実験結果を示しており、「ＭａｃＡｄａｍの楕円」と呼ばれるもので、色度図上に位置する２５の色弁別楕円群からなっている。

図１より、楕円の形状、大きさ、及び方向は色度図上の位置により異なり、色度図上の位置によって色調の違いを見分けることができる範囲が異なることを意味している。この楕円の形状、大きさ、及び方向は観視対象物の大きさ、輝度、及び観視者から観視対象物までの距離等の条件により容易に変化する。

但し、図１の色度図上の白色領域近傍には色弁別楕円が記されていない。そこで、同じくＭａｃＡｄａｍにより公表された論文（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．３３，１８（１９４３））に基づき、色度図上の任意の位置における色弁別楕円の形態を求める。

具体的には、図２（ａ）の色度図上の等高線から求める色度座標に対応するｇ_１１を読み、同様に図２（ｂ）の色度図上の等高線から求める色度座標に対応するｇ_１２を、図２（ｃ）の色度図上の等高線から求める色度座標に対応するｇ_２２を夫々読む。

そして、楕円の長軸の長さをａ、短軸の長さをｂ、長軸のＸ軸となす角度をθとすると、
１／ａ^２＝ｇ_２２＋ｇ_１２ｃｏｔθ ・・・（１）
１／ｂ^２＝ｇ_１１・ｇ_１２ｃｏｔθ ・・・（２）
ｔａｎ２θ＝２ｇ_１２（ｇ_１１−ｇ_２２） ・・・（３）
の式（１）〜（３）より色弁別楕円の形態（形状、大きさ、及び方向）が算出できる。

そこで、発明者は、実際に２つの白色光が同一の色調として知覚される色度図上の範囲を実験によって検証した。

実験方法は、図３に示すように、独立した２つの暗空間１ａ、１ｂを備えた暗箱２の各暗空間１ａ、１ｂを構成する壁にスリット３ａ、３ｂを設けて該スリット３ａ、３ｂを拡散板４で覆い、一方の暗空間１ａ内に基準光源（白色光源）５を配置し、他方の暗空間１ｂ内に比較光源（ＬＥＤ光源）６を配置した。

これを色温度５０００Ｋ、面輝度１０００ｌｘの蛍光灯下の実験室に設置して距離Ｄ＝３ｍの位置に分光放射輝度計（ＳＲ−３：トプコン社製）を配置した。このとき、スリット３ａ、３ｂはいずれも分光放射輝度計の位置から見たときに視角β＝２°の幅となるように設定され、両スリット３ａ、３ｂは視角α＝１０°内に位置するように設定されている。

そして、比較光源６の色調を変化させたときに被験者が比較光源６の色調と基準光源５の色調の弁別ができなくなった時点の該比較光源６の色度値を分光放射輝度計で測定した。

その結果、図４に示すように、ＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して、色度図上にその長軸及び短軸を夫々約２倍延長した楕円領域をＭ２、約４倍延長した楕円領域をＭ４、約６倍延長した楕円領域をＭ６、及び約８倍延長した楕円領域をＭ８とすると、測定値Ｐの分布からＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約４倍延長した楕円領域Ｍ４内に位置する白色光が人間にとって色調の弁別が困難であることが判明した。

白色ＬＥＤは製造上その色度値が、図４の色度図上の、ＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約８倍延長した楕円領域Ｍ８内に亘って分散する。そのため、製造された白色ＬＥＤを色度選別することなく照明装置に投入すると組み上がった照明装置は観視者にとって色調ムラを有するものとなってしまう。

そこで、本発明は、「人間は元来、いくつかの刺激があるときに同種のもの同士をひとまとまりに見ようとする傾向がある」という、ゲシュタルトの法則における「類同の要因」を取り入れて、複数のＬＥＤの集合体が白色光を照射する照明装置において、該照明装置を面光源として見たときに観視者に照明装置の色調ムラを知覚させないようにしたものである。

具体的には、図５に示すように照明装置１０として、白色光を出射する６個の白色ＬＥＤ１１を一列に連続配置した白色ＬＥＤ群を主光源１２とし、主光源１２の両脇に主光源１２から出射される光と異なって知覚される色調の光を出射する補助光源１３を配置している。

これにより、人間の注意を、白色光を出射する主光源１２と異なって知覚される色調の光を出射する補助光源１３に向かわせ、主光源を構成する個々の白色ＬＥＤ間の色調のバラツキの見分けをつきにくくして照明装置の色調ムラを知覚させにくくしている。

ところで、人間の網膜上の視細胞（錐体細胞及び杆体細胞）は、上下方向が図６に示すような分布となっており、左右方向が図７に示すような分布となっている。そのうち、色の違いを識別することができる視細胞である錐体細胞は図６及び図７からわかるように、中心から視角１０°内に分布している。つまり、色の違いを識別することが可能な範囲は視角１０°以内である。

そこで、上記図５で示した照明装置１０を視角１０°以内に納まるような位置に配置して色調ムラ制御の実験を試みた。

実験条件は図８のように、実験室内の天井の一角に上記照明装置１０を取り付け、天井の、照明装置１０と反対側の一角に間接照明１４を配置した。間接照明１４による被験者１５の目線の高さＨ（床面からＨ＝約１．６ｍの位置）の照度は２０．１ｌｘであった。

照明装置の主光源１２を構成する６個の白色ＬＥＤのうちいずれか１個のＬＥＤを、図９に示す色度図上の夫々Ａ、Ｂ、又はＣに対応する色度値を有する光を出射するＬＥＤ（Ａ）、ＬＥＤ（Ｂ）、又はＬＥＤ（Ｃ）としている。各ＬＥＤの色度値は、そのバラツキがＬＥＤの製造上のバラツキ範囲に相当し、ＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約４倍、６倍、８倍延長した楕円領域Ｍ４、Ｍ６、Ｍ８に相当する。つまり、照明装置を６個の白色ＬＥＤ１１からなる主光源１２のみとして見た場合、色調ムラと認識される領域に相当するＬＥＤである。

そして、上記６個の白色ＬＥＤ１１からなる主光源１２の両脇に、主光源１２からの色調と異なって知覚される色調の原色光（例えば、青色光、緑色光、赤色光、及び黄色光）を出射する補助光源（青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、及び黄色ＬＥＤ）１３を配置した場合と、主光源１２を構成する６個のＬＥＤをすべて、その出射光の色度値が図９の色度図上のＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を約２倍延長した楕円領域Ｍ２内の位置Ｄに対応するＬＥＤ（Ｄ）とした場合について照明装置１０の色調ムラを評価した。

その結果を図１０に示している。図１０は横軸に主光源の両脇に補助光源を配置しない場合、補助光源として青色ＬＥＤを配置した場合、緑色ＬＥＤを配置した場合、赤色ＬＥＤを配置した場合、黄色ＬＥＤを配置した場合の夫々について、白色ＬＥＤ群を構成する６個のＬＥＤをすべてＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約２倍延長した楕円領域Ｍ２内に相当するＬＥＤ（Ｄ）で構成したもの、６個の白色ＬＥＤのうちいずれか１個のＬＥＤをＬＥＤ（Ａ）で構成したもの、ＬＥＤ（Ｂ）で構成したもの、ＬＥＤ（Ｃ）で構成したものについて表している。

縦軸は、上記ＬＥＤの組み合わせによる照明装置に対する被験者の主観的な色調ムラの評価を表しており、評価５は照明装置として使用できる限界値、評価７は注視すると色調ムラがわかるが照明装置としては使用可能な範囲、評価９は色調ムラもなく照明装置として良好なものと認められる。

この結果、補助光源を配置した場合は配置しない場合に対して評価値が高くなっている。つまり、本発明のＬＥＤ照明装置は、上述の白色光の色調の弁別実験で人間が識別可能と検証された、ＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約４〜８倍延長した楕円領域内の色度値を有する複数のＬＥＤを配置して主光源を構成しても、その近傍に補助光源を配置することにより色調ムラとして知覚されにくくなることがわかる。

なお、複数の白色ＬＥＤからなる主光源と、補助光源とで構成される照明装置は、図５に示した構成に限られるものではなく、上述したように視角１０°以内に主光源と補助光源が規則的に配置されていれば色調ムラを知覚しにくくすることができる。従って、図１１のように、複数の白色ＬＥＤ１１が直線状に配置されてなる主光源１２群が直線状に配置され、夫々の主光源１２の両脇に補助光源１３を配置した構成、図１２のように、複数の白色ＬＥＤが環状に配置されてなる主光源１２群が縦横マトリックス状に配置され、夫々の主光源１２の中央に補助光源１３を配置した構成、或いは図１３のように、複数の白色ＬＥＤ１１が縦横マトリックス状に配置されてなる主光源１２において、規則的に白色ＬＥＤ１１に替えて補助光源１３を配置した構成としてもよい。

但し、図５、図１１〜図１３を含む本発明のＬＥＤ照明装置は、いずれも観視者が見たときに視覚１０°の範囲内に位置することが必要である。

この場合、主光源を構成する白色ＬＥＤ１１は、出射する白色光が基準となる光源の色度値を中心として、ＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約８倍延長した楕円領域Ｍ８内の色度値を有する白色ＬＥＤを使用する（図９参照）。

なお、白色ＬＥＤの構成は、青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体の組み合わせ、青色ＬＥＤ素子と、赤色蛍光体と緑色蛍光体の混合蛍光体の組み合わせ、青色ＬＥＤと蛍光体（黄色蛍光体或いは赤色蛍光体と緑色蛍光体の混合蛍光体）を混入したカラーキャップの組み合わせ、紫外ＬＥＤ素子と、赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体の混合蛍光体の組み合わせ、紫外ＬＥＤと蛍光体（赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体の混合蛍光体）を混入したカラーキャップの組み合わせ、等が可能である。

補助光源は、上記主光源を構成する白色ＬＥＤから出射される光の色度領域以外の領域に色度値を有する光を出射する光源を使用する。つまり、ＭａｃＡｄａｍの計算式で導かれた色弁別楕円に対して長軸及び短軸を夫々約８倍延長した楕円領域Ｍ８外の色度値を有する光源を使用する（図９参照）。

補助光源の構成は、単色光を出射するＬＥＤ、赤色ＬＥＤ素子と緑色ＬＥＤ素子と青色ＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ、三波長（赤色、緑色、青色）の光を出射するＬＥＤ、２つ以上のピーク波長を有するスペクトル分布の光を出射するＬＥＤと染料或いは顔料を混入したカラーキャップとの組み合わせ、電球等のＬＥＤ以外の光源、等が可能である。

以上説明したように、従来、複数の白色ＬＥＤが配置されてなる照明装置においては、個々の白色ＬＥＤから出射される光同士の色調バラツキによって照明装置から照射される照射光に色調ムラが認識された。

そこで、照明装置の色調ムラを抑制するために、製造された多数のＬＥＤの中から人間の白色弁別感度をもってしても認識できない色度範囲内にあるものを選別して用いられていた。そのため、選別工程の追加及び歩留りの悪化により製造コストが上昇するといった問題点があった。

これに対し、本発明のＬＥＤ照明装置は、特別な選別工程を有しない既存の製造プロセスで製造された汎用の白色ＬＥＤで主光源を構成し、その一部に白色光を出射する主光源と異なって知覚される色調の光を出射する補助光源を規則的に配置し、人間の注意を白色光を出射する主光源と異なって知覚される色調の光を出射する補助光源に向かわせることにより主光源を構成する個々の白色ＬＥＤ間の色調のバラツキを目立たなくして照明装置の色調ムラを知覚させにくくした。

その結果、従来に比べて低コストで色調ムラの見分けがつきにくい照明品質の高いＬＥＤ照明装置を実現することが可能となった。

なお、少なくとも３個の白色ＬＥＤからなる主光源に対して補助光源を規則的ではなくランダムな位置に配置したとしても、観視者が見たときに主光源と補助光源からなる照明装置が視覚１０°の範囲内に位置する場合は、主光源を構成する個々の白色ＬＥＤ間の色調のバラツキをある程度目立たなくする効果はある。

ＭａｃＡｄａｍの楕円である。 ＭａｃＡｄａｍの楕円の定数ｇ_１１、ｇ_１２、ｇ_２２の値を表す図である。 白色弁別実験の実験方法を示す説明図である。 白色弁別実験の実験結果を記した色度図である。 本発明の実施形態を示す説明である。 網膜上の視細胞の分布を示す図である。 同様に、網膜上の視細胞の分布を示す図である。 色調ムラ制御実験の実験方法を示す説明図である。 色調ムラ制御実験の実験条件を記した色度図である。 色調ムラ制御実験の実験結果を記したグラフである。 本発明の他の実施形態を示す説明である。 同様に、本発明の他の実施形態を示す説明である。 同様に、本発明の他の実施形態を示す説明である。 従来例を示す説明図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 暗空間
２ 暗箱
３ａ、３ｂ スリット
４ 拡散板
５ 基準光源
６ 比較光源
１０ 照明装置
１１ 白色ＬＥＤ
１２ 主光源
１３ 補助光源
１４ 間接照明
１５ 被験者

Claims (4)

1. 主光源と補助光源を備えたＬＥＤ照明装置であって、
   前記主光源は、色度図上において出射光の色度値がＭａｃＡｄａｍの楕円の長軸及び短軸を夫々８倍延長した楕円領域内に位置する複数の白色ＬＥＤからなり、
   前記補助光源は、色度図上において出射光の色度値がＭａｃＡｄａｍの楕円の長軸及び短軸を夫々８倍延長した楕円領域の外側に位置する光源であることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記補助光源は、前記主光源又は複数の前記主光源からなる主光源群に対して規則的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記ＬＥＤ照明装置は、観視者からの距離に応じて該観視者の視角１０°以内に位置する大きさであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記白色ＬＥＤが、発光源となる青色ＬＥＤ素子又は紫外ＬＥＤ素子と、波長変換部材となる蛍光体の組み合わせからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。

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