JP2008140704A

JP2008140704A - Ｌｅｄバックライト

Info

Publication number: JP2008140704A
Application number: JP2006327144A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ueno; 一彦上野; Nobuyuki Kobayashi; 信之小林
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2008-06-19
Also published as: US20080151527A1; TW200832011A; US7810947B2; TWI422920B

Abstract

【課題】光の利用効率が高く、混色性の良好な白色光を生成するまでの光路長が短く、生成された白色光の明るさおよび色調が熱や経時変化に影響されることの少ない白色ＬＥＤ光源装置を提供することにある。
【解決手段】青色ＬＥＤ素子２と緑色蛍光体３ａの組み合わせによって青緑色光を出射する青緑色ＬＥＤランプ１ａと、青色ＬＥＤ素子２と赤色蛍光体３ｂの組み合わせによって紫色光を出射する紫色ＬＥＤランプ１ｂとの構成によって白色ＬＥＤ光源装置６を実現した。青緑色ＬＥＤランプ１ａからの青緑色光と紫色ＬＥＤランプ１ｂからの紫色光との加法混色によって光の三原色の波長成分を含むスペクトル分布を有する白色光が生成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＥＤバックライトに関するものであり、詳しくは、色調の異なる二種類のＬＥＤランプの夫々から発せられる光の加法混色によって、赤色、緑色および青色の光の三原色の波長成分を含むスペクトル分布を有する白色光を得ることが可能な白色ＬＥＤ光源装置を備えたＬＥＤバックライトに関する。

半導体発光素子（例えば、ＬＥＤ素子）は急峻なスペクトル分布を有する光を発光し、人間にはほぼピーク波長（発光強度が最大になる波長）λｐに対応する色調の光として認識される。従って、太陽光のように紫外〜可視〜赤外の波長領域に亘る広範囲の波長成分が含まれた白色光（自然光）ではなく、ＬＥＤ素子の材料、組成および構造等に起因するＬＥＤ素子に固有の色調の光を発光するものである。

このようなスペクトル分布を有する光を発光するＬＥＤ素子を光源として白色光を得るためにはいくつかの方法がある。一つの方法は、波長変換物質である蛍光体を使用する方法であり、蛍光体に光を照射すると蛍光体が励起されてその励起光よりも長波長の光を放出するという原理を利用するものである。

具体的には、青色光（青色の波長領域にピーク波長を有する光）に励起されて青色の補色となる黄色光あるいは黄緑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あるいは黄緑色光と、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（例えば、特許文献１参照。）。

同様に蛍光体を使用する方法として、青色光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光体と、青色光に励起されて赤色光に波長変換する赤色蛍光体の２種類の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緑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と、青色ＬＥＤで発光された青色光の一部が赤色蛍光体を励起することによって波長変換された赤色光と、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もできる（例えば、特許文献２参照。）。

また、一つの方法は、赤色光を発光する赤色ＬＥＤ素子と緑色光を発光する緑色ＬＥＤ素子と青色光を発光する青色ＬＥＤ素子の３種類のＬＥＤ素子を同時に点灯し、夫々のＬＥＤ素子の発光する赤色光、緑色光および青色光の光の三原色の光量を個別に制御しながら加法混色によって所望の色調の白色光を生成する方法である（例えば、特許文献３参照。）。
特許第２９２７２７９号特開２００２−６０７４７号公報特開２００３−１００１０８号公報

ところで、上述の青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体の組み合わせによって白色光を得る方法は、青色ＬＥＤ光の利用効率が高く、光源として一般的に使用されている冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）に近い発光効率を得ることができる。しかしながら、得られる白色光には光の三原色のうち赤色および緑色の波長成分の光が少なく、白色光といっても擬似白色色であるため、例えばＬＣＤバックライトの光源として使用した場合、ＬＣＤの色再現性を損なうという問題がある（図１５参照）。

また、青色ＬＥＤ素子と緑色蛍光体と赤色蛍光体の組み合わせによって白色光を得る方法は、青色、緑色、および赤色の光の三原色の波長成分の光が含まれるため、例えばＬＣＤバックライトの光源として使用した場合、ＬＣＤの広範囲の色再現性を確保することが可能となる。また、光源となるＬＥＤ素子は青色ＬＥＤ素子一種類であるため、ＬＥＤの点灯時の発熱および経時変化などによる波長シフトが少なく、白色光の色調の変化を抑制することができる。しかしながら、緑色蛍光体が青色ＬＥＤ素子の青色光に励起されて波長変換された緑色光が赤色蛍光体によって吸収（再波長変換）されるため、青色ＬＥＤ光の利用効率が低下して発光効率が下がるという問題がある（図１６参照）。

また、発光色が夫々色の三原色に対応する赤色ＬＥＤ素子と緑色ＬＥＤ素子と青色ＬＥＤ素子の３種類のＬＥＤ素子を組み合わせる方法は、ＮＴＳＣ比で１００％以上となる広範囲の色再現性を実現することができる。しかしながら、夫々のＬＥＤ素子は材料、組成および材料が異なるため（例えば、赤色ＬＥＤ素子はＡｌＧａＩｎＰ系の材料、青色ＬＥＤ素子および緑色ＬＥＤ素子はＩｎＧａＮ系材料）、ＬＥＤ素子によって温度特性や劣化特性が異なる。そのため、ＬＥＤ素子の点灯時の発熱および経時変化などによる波長シフトが大きく、白色光の色調の変化が顕著になるといった問題がある。具体的には、赤色ＬＥＤ素子は温度上昇に伴う発光効率の低下率が大きく、白色光の色調が青色側にシフトする。また、赤色ＬＥＤ素子は他の緑色ＬＥＤ素子および青色ＬＥＤ素子に比べて寿命が短く、白色光の色調が時間と共にずれるといった問題もある。

更に、赤色ＬＥＤ素子を実装した赤色ＬＥＤランプ、緑色ＬＥＤ素子を実装した緑色ＬＥＤランプ、および青色ＬＥＤ素子を実装した青色ＬＥＤランプの３種類のＬＥＤランプによって混色性の良好な白色光を得るためには、ＬＥＤランプの配列、ピッチ等に基くＬＥＤランプの光出射面から被照射面までの距離が必要となり、ＬＥＤランプの光出射面から被照射面までの光路長分、ＬＥＤランプが組み込まれた装置の小型化・薄型化が阻害されることになる。具体的には、例えばＬＣＤバックライトの光源として使用した場合、赤色ＬＥＤランプ、緑色ＬＥＤランプ、および青色ＬＥＤランプの３種類のＬＥＤを一直線上に配置して明るさおよび色調のむらの少ない白色光を得るためには、光出射面から被照射面までの距離をＬ、ＬＥＤランプのピッチをＰとすると、Ｌ≧Ｐ×１．５の条件を満足する必要がある（図１７および後述の説明を参照）。

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、青色ＬＥＤ素子からの青色光を基にして青色、緑色、および赤色の光の三原色の波長成分の光が含まれる白色光を生成する白色ＬＥＤ光源装置を備えたＬＥＤバックライトであって、青色ＬＥＤ素子からの青色光の利用効率が高く、白色ＬＥＤ光源装置を構成する各ＬＥＤランプの光出射面から混色性の良好な白色光を生成するまでの光路長が短く、生成された白色光の明るさおよび色調が熱や経時変化に影響されることの少ない白色ＬＥＤ光源装置を備えたＬＥＤバックライトを提供することにある。

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、少なくとも１個以上の、青緑色光を発する青緑色ＬＥＤランプと、少なくとも１個以上の、紫色光を発する紫色ＬＥＤランプを備え、前記青緑色光と前記紫色光の加法混色により白色光が生成されると共に、前記白色光は、赤色、緑色および青色の光の三原色の波長成分を含むスペクトル分布を有する白色ＬＥＤ光源装置を備えた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、前記青緑色ＬＥＤランプは、青色の波長領域にピーク波長を有する青色光を発する青色ＬＥＤ素子と前記青色光に励起されて緑色の波長領域にピーク波長を有する緑色光を放出する緑色蛍光体を備え、前記紫色ＬＥＤランプは、青色の波長領域にピーク波長を有する青色光を発する青色ＬＥＤ素子と前記青色光に励起されて赤色の波長領域にピーク波長を有する赤色光を放出する赤色蛍光体を備えていることを特徴とするものである。

本発明は、青色光を発する青色ＬＥＤ素子と前記青色光に励起されて緑色光を放出する緑色蛍光体で青緑色ＬＥＤランプを構成すると共に、青色光を発する青色ＬＥＤ素子と前記青色光に励起されて赤色光を放出する赤色蛍光体で紫色ＬＥＤランプを構成し、青緑色ＬＥＤランプと紫色ＬＥＤランプで白色ＬＥＤ光源装置を構成した。

そして、青緑色ＬＥＤランプから出射される青緑色光と紫色ＬＥＤランプから出射される紫色光の加法混色によって、赤色、緑色および青色の光の三原色の波長成分を含むスペクトル分布を有する白色光が生成される。

その結果、青色ＬＥＤ素子からの青色光で緑色蛍光体が励起されて波長変換された青緑色光が赤色蛍光体によって吸収（再波長変換）されることがなく、青色ＬＥＤ素子からの青色光の利用効率が向上する。

また、本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置は、生成される白色光のスペクトル分布に光の三原色である赤色、緑色、および青色の波長成分が含まれており、ＬＣＤバックライトやプロジェクタ等の光源として使用した場合は、青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体の組み合わせによって得られた白色光に比較して広範囲の色再現性を確保することが可能となる。

また、色調の異なる各ＬＥＤランプから出射された夫々の光が色調むらの少ない混色性の良好な白色光を生成するまでの光路長が短縮でき、ＬＥＤ光源装置を組み込んだ機器を小型化することが可能となる。

更に、青色ＬＥＤ素子は周囲温度および累積点灯時間に対する出力低下が少なく、白色ＬＥＤ光源装置を構成する青緑色ＬＥＤランプおよび紫色ＬＥＤランプのいずれにおいても青色ＬＥＤ素子のみを発光体として使用することによって、周囲温度および累積点灯時間に起因する明るさおよび色調の変化の少ない白色光を得ることができる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１４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。

本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置は青緑色ＬＥＤランプと紫色ＬＥＤランプで構成され、図１は青緑色ＬＥＤランプの断面図、図２は紫色ＬＥＤランプの断面図である。

図１より、青緑色ＬＥＤランプ１ａは、ランプハウス４に発光体としてＬＥＤベアチップ（以下、ＬＥＤ素子と称する）が実装されている。

ＬＥＤ素子は、例えばＩｎＧａＮの材料からなり、青色光（青色の波長領域にピーク波長を有する光）を発する青色ＬＥＤ素子２である。そして、青色ＬＥＤ素子２は該青色ＬＥＤ素子２を覆うように透光性樹脂に波長変換部材となる蛍光体を分散した封止樹脂５で樹脂封止されている。

蛍光体は、例えばＺｎＳ：Ｃｕ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、およびＣａ_３Ｓｃ_２（ＳｉＯ_４）_３：Ｃｅの材料のうち１つからなり、上記青色ＬＥＤ素子２の青色光に励起されて波長変換された緑色光を放出する緑色蛍光体３ａである。

そのため、青緑色ＬＥＤランプ１ａは図４の加法混色の図に示すように、青色ＬＥＤ素子２から発せられた青色光の一部が緑色蛍光体３ａを励起することによって波長変換された緑色光と、青色ＬＥＤ素子２から発せられた青色光の一部との加法混色によって生成された青緑色光を出射する青緑色ＬＥＤランプである。

また、図２より、紫色ＬＥＤランプ１ｂは、上記青緑色ＬＥＤランプ１ａと同様にランプハウス４に発光体として青色ＬＥＤ素子２が実装されている。

青緑色ＬＥＤランプ１ａとの違いは、青色ＬＥＤ素子２を覆う封止樹脂５が、透光性樹脂に例えばＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕの材料からなる赤色蛍光体３ｂが分散されており、図５の加法混色の図に示すように、青色ＬＥＤ素子２から発せられた青色光の一部が赤色蛍光体３ｂを励起することによって波長変換された赤色光と、青色ＬＥＤ素子２から発せられた青色光の一部との加法混色によって生成された紫色光を出射する紫色ＬＥＤランプ１ｂである。

なお、ＬＥＤ素子に設けられる電極、ＬＥＤ素子に電力を供給すると共にＬＥＤ素子を載置するためにランプハウスに設けられる電極パターン、およびＬＥＤ素子側の電極とランプハウス側の電極パターンを電気的に接続するボンディングワイヤ等は図面上省略されている。

そして、上記青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色ＬＥＤランプ１ｂによって図３に示すような白色ＬＥＤ光源装置６が形成される。

白色ＬＥＤ光源装置６を構成する青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色ＬＥＤランプ１ｂが同時に点灯すると、図６の加法混色の図に示すように、青緑色ＬＥＤランプ１ａから出射される、緑色光と青色光の加法混色で得られた青緑光と、紫色ＬＥＤランプ１ｂから出射される、赤色光と青色光の加法混色で得られた紫色光の更なる加法混色による白色光が得られる。

従って、白色ＬＥＤ光源装置６で得られる白色光は、赤色、緑色、および青色の光の三原色の波長成分を含むスペクトル分布を有している。

具体的には、青緑色ＬＥＤランプ１ａは図７のようなスペクトル分布を有し、紫色ＬＥＤランプ１ｂは図８のようなスペクトル分布を有している。そのため、青緑色ＬＥＤランプ１ａから出射された青緑色光と紫色ＬＥＤランプ１ｂから出射された紫色光との加法混色によって得られる白色光において、蛍光体の励起光でもある青色の波長成分は、青緑色ＬＥＤランプ１ａからの青緑色光および紫色ＬＥＤランプ１ｂからの紫色光の夫々のスペクトル分布に含まれる青色の波長成分を重畳したものである。

従って、図７および図８から分かるように、青緑色ＬＥＤランプ１ａから出射される青緑色光および紫色ＬＥＤランプ１ｂから出射される紫色光の夫々において、青色の波長成分の相対出力を他の色（青緑色光の場合は緑色、紫色光の場合は赤色）の波長成分の７０％程度に設定すると共に、両者の青色の波長成分同士の強度比がほぼ同じとなるように設定されている。

これにより、青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色ＬＥＤランプ１ｂで構成される白色ＬＥＤ光源装置６において得られる白色光が、該白色光に含まれる青色の波長成分の相対出力が他の赤色および緑色の夫々の波長成分の出力に対して著しく大きくなることにより生じる明るさむら、および、赤色、緑色、青色の夫々の波長成分同士の適切な強度比が確保できないことにより生じる色調むらを抑制するようにしている。

図９は上述の青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色ＬＥＤランプ１ｂを交互に配置してなる白色ＬＥＤ光源装置６における混色性について示したものである。図９において、白色ＬＥＤ光源装置６を構成する青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色ＬＥＤランプ１ｂの夫々の指向半値角を±４５°とし、白色ＬＥＤ光源装置６からの光を被照射面に照射することとする。

すると、青緑色ＬＥＤランプ１ａから出射された青緑色光と紫色ＬＥＤランプ１ｂから出射された紫色光との加法混色によって得られた白色光が、明るさおよび色調のむらの少ない状態で被照射面を照射するためには、隣接するＬＥＤランプ同士の距離をＰ、各ＬＥＤランプの光出射面と照射面の距離をＬとすると、Ｌ≧Ｐの関係が必要である。

これに対し、図１０に示すように、従来の赤色ＬＥＤランプ３０ａ、緑色ＬＥＤランプ３０ｂ、および青色ＬＥＤ３０ｃの３種類のＬＥＤランプ（各ＬＥＤランプの指向半値角は±４５°）を交互に配置し、３色光の加法混色で得られた白色光で照射面を明るさおよび色調のむらの少ない状態で照射するためには、隣接するＬＥＤランプ同士の距離をＰ、各ＬＥＤランプの光出射面と照射面の距離をＬとすると、Ｌ≧Ｐ×１．５の関係が必要である。

従って、本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置は従来のような色調が異なる３種類のＬＥＤランプで構成された白色ＬＥＤ光源装置に比較して、ＬＥＤランプから近い距離の位置で混色性に優れた白色光を得ることができる。そのため、本発明に係わるＬＥＤ光源装置を使用することによって該ＬＥＤ光源装置を組み込んだ機器を従来よりも小型化することが可能となる。

図１１は青緑色光を出射する青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色光を出射する紫色ＬＥＤランプ１ｂで構成された本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置６と導光板７を組み合わせたＬＥＤバックライト９を示し、図１２は、同様に青緑色光を出射する青緑色ＬＥＤランプ１ａと紫色光を出射する紫色ＬＥＤランプ１ｂで構成された本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置６と拡散板８を組み合わせたＬＥＤバックライト９を示している。図１１のＬＥＤバックライト９における青緑色ＬＥＤランプ１ａおよび紫色ＬＥＤランプ１ｂの光出射面から導光板７の光入射面までの距離Ｌ、および図１２のＬＥＤバックライト９における青緑色ＬＥＤランプ１ａおよび紫色ＬＥＤランプ１ｂの光出射面から拡散板までの距離Ｌはいずれも隣接するＬＥＤランプ同士の距離Ｐと等しく設定されている（図９参照）。

これにより、導光板７および拡散板８の夫々の光入射面において明るさおよび色調のむらの少ない混色性の良好な白色光が生成されており、夫々の光出射面からは導光板７および拡散板８の内部を導光された明るさおよび色調のむらの少ない混色性の良好な白色光が出射される。

以上説明したように、本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置は、青色ＬＥＤ素子と緑色蛍光体の組み合わせによって青緑色光を出射する青緑色ＬＥＤランプと、青色ＬＥＤ素子と赤色蛍光体の組み合わせによって紫色光を出射する紫色ＬＥＤランプで構成され、青緑色光と紫色光の加法混色によって白色光を得るものである。

そのため、青色ＬＥＤ素子からの青色光で緑色蛍光体が励起されて波長変換された青緑色光が赤色蛍光体によって吸収（再波長変換）されることがなく、青色ＬＥＤ素子からの青色光の利用効率が向上するために、青色ＬＥＤ素子と緑色蛍光体と赤色蛍光体の組み合わせによって白色光を得る白色ＬＥＤランプに比較して光出力が４０％以上高まる。

また、本発明に係わる白色ＬＥＤ光源装置は、生成される白色光のスペクトル分布に光の三原色である赤色、緑色、および青色の波長成分が含まれており、ＬＣＤバックライトやプロジェクタ等の光源として使用した場合は、青色ＬＥＤ素子と黄色蛍光体の組み合わせによって得られた白色光に対してＮＴＳＣ比で比較すると１．５倍の広範囲の色再現性を確保することが可能となる。

また、色調の異なる各ＬＥＤランプから出射された夫々の光が色調むらの少ない混色性の良好な白色光を生成するまでの光路長が、赤色ＬＥＤランプ、緑色ＬＥＤランプ、および青色ＬＥＤの３種類のＬＥＤランプで白色光を生成する従来の白色ＬＥＤ光源装置に比較して短く（従来の２／３）、ＬＥＤ光源装置を組み込んだ機器を従来よりも小型化することが可能となる。

更に、ＩｎＧａＮからなる青色ＬＥＤ素子とＡｌＧａＩｎＰからなる赤色ＬＥＤ素子における周囲温度と相対出力との関係（図１３参照）、および累積点灯時間と相対出力の関係（図１４参照）より、青色ＬＥＤは赤色ＬＥＤに比較して温度上昇による出力低下が少なく、累積点灯時間による出力低下も極めて少ない。

そのため、白色ＬＥＤ光源装置を構成する青緑色ＬＥＤランプおよび紫色ＬＥＤランプのいずれにおいても青色ＬＥＤ素子のみを発光体として使用することによって、周囲温度および累積点灯時間に起因する明るさおよび色調の変化の少ない白色光を得ることができる。

本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置を構成するＬＥＤランプの断面図である。本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置を構成する他のＬＥＤランプの断面図である。本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置の構成図である。ＬＥＤランプに係わる加法混色の概念図である。他のＬＥＤランプに係わる加法混色の概念図である。本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置の加法混色の概念図である。ＬＥＤランプに係わるスペクトル分布図である。他のＬＥＤランプに係わるスペクトル分布図である。本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置の混色性を示す説明図である。従来例に係わる白色ＬＥＤ照明装置の混色性を示す説明図である。本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置を使用したＬＥＤバックライトの概略図である。本発明に係わる白色ＬＥＤ照明装置を使用した他のＬＥＤバックライトの概略図である。青色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤの周囲温度に対する相対出力を示すグラフである。青色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤの累積点灯時間に対する相対出力を示すグラフである。従来例に係わる白色ＬＥＤ照明装置の構成を示す概略図である。従来例に係わる他の白色ＬＥＤ照明装置の構成を示す概略図である。従来例に係わるＬＥＤバックライトに関する他の白色ＬＥＤ照明装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ａ青緑色ＬＥＤランプ
１ｂ紫色ＬＥＤランプ
２青色ＬＥＤ素子
３ａ緑色蛍光体
３ｂ赤色蛍光体
４ランプハウス
５封止樹脂
６白色ＬＥＤ光源装置
７導光板
８拡散板
９ＬＥＤバックライト

Claims

少なくとも１個以上の、青緑色光を発する青緑色ＬＥＤランプと、少なくとも１個以上の、紫色光を発する紫色ＬＥＤランプを備え、前記青緑色光と前記紫色光の加法混色により白色光が生成されると共に、前記白色光は、赤色、緑色および青色の光の三原色の波長成分を含むスペクトル分布を有する白色ＬＥＤ光源装置を備えたＬＥＤバックライト。
前記青緑色ＬＥＤランプは、青色の波長領域にピーク波長を有する青色光を発する青色ＬＥＤ素子と前記青色光に励起されて緑色の波長領域にピーク波長を有する緑色光を放出する緑色蛍光体を備え、前記紫色ＬＥＤランプは、青色の波長領域にピーク波長を有する青色光を発する青色ＬＥＤ素子と前記青色光に励起されて赤色の波長領域にピーク波長を有する赤色光を放出する赤色蛍光体を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤバックライト。