JP2014235859A - 固体照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率を維持しつつ、高い演色性を有する固体照明装置を提供する。【解決手段】固体照明装置は、可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭い第１発光スペクトルを有する第１の光を放出する第１の固体発光素子と；前記可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭く前記第１の光のピーク波長よりも５ｎｍ以上長いピーク波長を有する第２発光スペクトルを有する第２の光を放出する第２の固体発光素子と；幅が５ｎｍよりも狭い発光スペクトルを有する光をそれぞれ放出する複数の第１の波長補完用発光素子と；を具備し、前記複数の第１の波長補完用発光素子からの光の集合である第３の光の第３発光スペクトルは、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する。【選択図】図２

Description

後述する実施形態は、概ね、固体照明装置に関する。
固体発光素子を用いた固体照明（ＳＳＬ：Solid State lighting）装置の光源としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)が主流である。
例えば、白色光を得る場合、蛍光体を有する白色発光部がＬＥＤ（Light Emitting Diode)チップを覆うように設けられると、ＬＥＤチップの放熱と給電のための基板が必要である。これに対して、白色発光部が光学系のみで構成されれば、発熱も少なく、小型軽量化され、照明装置のデザインの自由度を高めることができる。
そのためには、たとえば、青紫色〜青色の波長範囲の半導体レーザー（ＬＤ：Laser Diode)からのレーザー光を導光体などに効率よく結合させ、固体発光素子から離間した蛍光体などの波長変換層に照射して白色光を得る構造とすればよい。
しかしながら、青色ＬＤ光とＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体からの黄色波長変換光とを混合すると、赤色領域の発光スペクトル成分が少ない。このため、色温度の低い白色ランプを実現しにくい。また、黄色光の強度を大きくすると、黄色スペクトル領域が増えるが、赤色スペクトル領域が相対的に大きくなるわけではない。このため、演色性が低下し、たとえば、平均演色評価数Ｒａが低下する。
青色ＬＤ光は、通常、縦マルチモードである。縦マルチモードの集合の包絡線として表される発光スペクトルの幅は、２〜３ｎｍなどであり、ＬＥＤの半値幅である１０〜２０ｎｍよりも狭い。ＹＡＧ蛍光体による黄色光の発光スペクトル幅が広くても、青色ＬＤ光の発光スペクトル幅が狭いために、連続スペクトルの欠損領域が広くなり、演色性が悪くなる。
特開２０１１−１３４６１９号公報
本発明が解決しようとする課題は、効率を維持しつつ高い演色性を有する固体照明装置を提供することである。
実施形態にかかる固体照明装置は、可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭い第１発光スペクトルを有する第１の光を放出する第１の固体発光素子と；前記可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭く前記第１の光のピーク波長よりも５ｎｍ以上長いピーク波長を有する第２発光スペクトルを有する第２の光を放出する第２の固体発光素子と；幅が５ｎｍよりも狭い発光スペクトルを有する光をそれぞれ放出する複数の第１の波長補完用発光素子と；を具備し、前記複数の第１の波長補完用発光素子からの光の集合である第３の光の第３発光スペクトルは、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する。
本発明の実施形態によれば、効率を維持しつつ高い演色性を有する固体照明装置が提供される。
第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図である。 図２（ａ）は第１の実施形態の固体照明装置に用いる固体照明装置の発光スペクトルの模式図、図２（ｂ）は固体発光素子の発光スペクトルの模式図、である。 第１の実施形態にかかる固体照明装置の変形例の発光スペクトルの模式図である。 第１比較例にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。 第２比較例にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。 ディスプレイ装置における色再現性を説明する色度図である。 固体照明装置の第２の実施形態の発光スペクトルの模式図である。 第３の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図である。 第３の実施形態にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。 図１０（ａ）〜（ｄ）は、第２の波長補完用発光素子の製造方法を説明する模式図であり、図１０（ａ）はチップの模式断面図、図１０（ｂ）は反射板に接着した状態の模式断面図、図１０（ｃ）は選択エッチング後の模式断面図、図１０（ｄ）は波長変換部が設けられた模式断面図、である。 第４の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図である。 第４の実施形態にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。 第５の実施形態にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。
第１の発明は、可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭い第１発光スペクトルを有する第１の光を放出する第１の固体発光素子と；前記可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭く前記第１の光のピーク波長よりも５ｎｍ以上長いピーク波長を有する第２発光スペクトルを有する第２の光を放出する第２の固体発光素子と；幅が５ｎｍよりも狭い発光スペクトルを有する光をそれぞれ放出する複数の第１の波長補完用発光素子と；を具備し、前記複数の第１の波長補完用発光素子からの光の集合である第３の光の第３発光スペクトルは、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、第１および第２の固体発光素子と、波長補完用固体発光素子と、を有する。このため、第１の固体発光素子の第１発光スペクトルと、第２の固体発光素子の第２発光スペクトルと、の間に生じる発光スペクトルの欠損領域や底領域を補完することができる。その結果、演色性を高めることができる。
第２の発明は、第１の発明において、前記第３の光は、ピーク波長間隔が５ｎｍ以下の少なくとも一対の光を含む固体照明装置である。
この発明によれば、演色性をより確実に高めることができる。
第３の発明は、第１および第２の発明において、前記第１および第２の固体発光素子と、前記第１の素子と、は、半導体レーザーである固体照明装置である。
この発明によれば、第１および第２の半導体レーザーの発光スペクトルの間の領域を、複数の半導体レーザーの発光スペクトルで補完する。このため、演色性を高めることができる。
第４の発明は、第１〜第３の発明において、前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光と、を導光する導光部と；前記導光部からの少なくとも前記第１の光を吸収し前記第１の光の前記ピーク波長よりも長くかつ前記第２の光の前記ピーク波長よりも短いピーク波長を有する第１の波長変換光を放出しかつ前記第１、第２および第３の光を散乱する第１の波長変換部と、を有するランプ部と；をさらに具備し、前記第１、第２および第３の光の散乱光と、前記第１の波長変換光と、は、前記ランプ部から放出される固体照明装置である。
この発明によれば、固体発光素子と、ランプ部と、を離間し、放熱性を改善することができる。また、ランプ部を、小型化かつ軽量化することができる。
第５の発明は、第４の発明において、前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルから前記第１の波長変換光の発光スペクトルを減算した値に等色関数を乗じた形状に略一致し、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する固体照明装置である。
この発明によれば、連続した波長補完用の発光スペクトルを容易に得ることができる。このため、演色性を高めることができる。
第６の発明は、第１〜第３の発明において、可視光波長領域で発光スペクトルの幅が５ｎｍよりも狭く、前記第１の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上長く、前記第２の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上短いピーク波長を有する第４の光を放出し半導体レーザーからなる第３の固体発光素子をさらに具備した固体照明装置である。
この発明によれば、ランプ部の発熱をさらに低減できる。
第７の発明は、第６の発明において、前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルに等色関数を乗じた形状に略一致する、固体照明装置である。
この発明によれば、波長補完用の発光スペクトルを容易に得ることができる。このため、演色性を高めることができる。
第８の発明は、可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭い第１発光スペクトルを有する第１の光を放出する第１の固体発光素子と；前記可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭く前記第１の光のピーク波長よりも５ｎｍ以上長いピーク波長を有する第２発光スペクトルを有する第２の光を放出する第２の固体発光素子と；前記可視光波長領域で半値幅が５ｎｍ以上の連続する第３発光スペクトルを有しかつ前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する第３の光を放出する第２の波長補完用発光素子であって、前記第１の光を吸収し前記第１の光の前記ピーク波長よりも長いピーク波長を有する第２の波長変換光を放出する第２の波長変換部を有するか、または前記第１の光と前記第２の光とのうち少なくともいずれかを励起光とし、前記励起光のピーク波長よりも長い第３の波長変換光を放出する第３の波長変換部を含む、第２の波長補完用発光素子と；を具備した固体照明装置である。
この固体照明装置によれば、第１および第２の固体発光素子と、波長変換部を含む波長補完用固体発光素子と、を有する。このため、第１の固体発光素子の第１発光スペクトルと、第２の固体発光素子の第２発光スペクトルと、の間に生じる発光スペクトルの欠損領域や底領域を補完することができる。その結果、演色性を高めることができる。
第９の発明は、第８の発明において、前記第２の波長変換部は、蛍光体を含む固体照明装置である。
この発明によれば、蛍光体により発光スペクトルの補完を容易に行うことができる。この結果、演色性を高めることができる。
第１０の発明は、第８の発明において、前記第３の波長変換部は、フォトルミネッセンス発光する半導体積層体を含む固体照明装置である。
この発明によれば、フォトルミネッセンス発光により発光スペクトルの補完を容易に行うことができる。この結果、演色性を高めることができる。
第１１の発明は、第１０の発明において、前記半導体積層体は、活性層と前記活性層を挟む両側の層とを含み、アンドープ層である固体照明装置である。
この発明によれば、フォトルミネッセンス発光により発光スペクトルの補完を容易に行うことができる。この結果、演色性を高めることができる。
第１２の発明は、第８〜第１１の発明において、前記第１および第２の光を導光する導光部と；前記導光部からの前記第１の光を吸収し前記第１の光の前記ピーク波長よりも長くかつ前記第２の光の前記ピーク波長よりも短いピーク波長を有する第１の波長変換光を放出しかつ前記第１および第２の光を散乱する第１の波長変換部と、を有するランプ部と；をさらに具備し、前記第１および第２の光の散乱光と、前記第１の波長変換光と、前記第３の光と、は、前記ランプ部から放出される固体照明装置である。
この発明によれば、固体発光素子と、ランプ部と、を離間し、放熱性を改善することができる。また、ランプ部を、小型化かつ軽量化することができる。
第１３の発明は、第１２の発明において、前記第２の波長補完用発光素子は、前記支持体の上に設けられ、前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルから前記第１の波長変換光の発光スペクトルを減算した値に等色関数を乗じた形状に略一致し、前記第１および第２の光の前記散乱光と、前記第１の波長変換光と、前記第３の光と、は、混合されて前記ランプ部から放出される固体照明装置である。
この発明によれば、波長補完用の発光スペクトルを容易に得ることができる。このため、演色性を高めることができる。
第１４の発明は、第８〜第１１の発明において、可視光波長領域で発光スペクトルの幅が５ｎｍよりも狭く、前記第１の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上長く、前記第２の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上短いピーク波長を有する第４の光を放出する第３の固体発光素子をさらに具備した固体照明装置である。
この発明によれば、ランプ部の発熱をさらに低減できる。
第１５の発明は、第１４の発明において、前記第２の波長補完用発光素子の前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルに等色関数を乗じた形状に略一致し、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルの間の領域を補完する固体照明装置である。
この発明によれば、波長補完用発光素子の発光スペクトルを容易に得ることができる。このため、演色性を高めることができる。
第１６の発明は、第１〜第１５の発明において、前記第１の光の前記ピーク波長は、４２０ｎｍ以上かつ４８０ｎｍ以下であり、前記第２の光の前記ピーク波長は、６２０ｎｍ以上かつ６５０ｎｍ以下であり、前記第３の光の前記ピーク波長は、４６０ｎｍ以上かつ６３０ｎｍ以下である固体照明装置である。
この発明によれば、演色性に富む白色光を得ることが容易となる。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図である。固体照明装置は、照明用光源９０と、導光部２９と、ランプ部８０と、を有する。照明用光源（ライトエンジン）９０は、第１の固体発光素子９１と、第２の固体発光素子９２と、第１の波長補完用発光素子９３、９４と、を有する。
図２（ａ）は第１の実施形態の固体照明装置の発光スペクトルの模式図、図２（ｂ）はＬＤの発光スペクトルの模式図、である。
発光スペクトルは、縦軸を相対発光強度、横軸を波長（ｎｍ）、として表す。第１の固体発光素子９１は、可視光波長領域で発光スペクトル１００の幅が５ｎｍよりも狭い第１の光を放出する。ここで、可視光波長領域とは、３６０ｎｍ以上で８３０ｎｍ以下の波長領域をいうものとする。第２の固体発光素子９２は、可視光波長領域で発光スペクトル２００の幅が５ｎｍよりも狭く、第１の光のピーク波長Ｗｐ１よりも５ｎｍ以上長いピーク波長Ｗｐ２を有する第２の光を放出する。なお、相対発光強度がピーク値となる波長をピーク波長と呼ぶ。
第１の波長補完用発光素子９３は、たとえば、複数の固体発光素子からなり、第３の光を放出する。また、第１の波長補完用発光素子９４は、たとえば、複数の固体発光素子からなり、第３の光を放出する。
図１において、導光部２９は、透明媒体または中空導光体を有し、第１の光と、第２の光と、第３の光と、をランプ部８０へ導光する。導光部２９は、たとえば、透明媒体であるコアと、コアを包むクラッドと、を有し、石英からなる光ファイバー２９ａなどとすることができる。第１および第２の固体発光素子９１、９２および第１の波長補完用発光素子９３、９４と、光ファイバー２９ａとの間に、集光レンズ６１などを設けると、光ファイバー２９ａへの入射効率を高めることが容易となる。
ランプ部８０は、たとえば、支持体５０と、支持体５０の上に設けられた第１の波長変換部３０と、方向変換光学部７０と、を有する。第１の波長変換部３０は、ＹＡＧ蛍光体などを含み、第１の光を吸収し、第１の光のピーク波長Ｗｐ１よりも長く、第２の光のピーク波長Ｗｐ２よりも短いピーク波長Ｗｐ３を有し、幅が広い発光スペクトル３００を有する第１の波長変換光を放出する。第１の波長変換光は、緑色光などとすることができる。また、支持体５０を、金属や高熱伝導率セラミックなどとすると、熱放散のよいヒートシンクとすることができる。ランプ部８０は、導光部２９からの第１の光が少なくとも照射される第１の波長変換部３０を有する構成であれば良く、発光構造には特に限定されない。
方向変換光学部７０は、導光部２９から放出された第１〜第３の光が導入され、その進行方向を変え、かつ第１および第２の光を散乱する。方向変換光学部７０は、ガラスや透光性樹脂などとすることができる。
第１の実施形態では、第１の固体発光素子９１は、青色ＬＤ１〜５などとすることができる。その発光スペクトル１００の幅は５ｎｍよりも狭く、ピーク波長がＷｐ１である第１の光を放出する。また、第２の固体発光素子９２は、赤色ＬＤ６〜８などとすることができる。その発光スペクトルの幅は、５ｎｍよりも狭く、ピーク波長Ｗｐ２の第２の光を放出する。また、第１の波長変換部３０は、緑色光などでありピーク波長がＷｐ３の第１の波長変換光を放出する。すなわち、第１の光と、第２の光と、第１の波長変換光と、は、照明光ＧＴの色度と色温度とを主に制御する。このため、青色ＬＤ１〜５および赤色ＬＤ６〜８は、主要発光スペクトルを有する光を放出する。
図２（ｂ）に表すように、固体照明装置に用いるＬＤの発光スペクトルは、縦マルチモードを有することが多い。すなわち、共振器の長さ方向には、波長が僅かに異なる縦マルチモードを生じている。本明細書では、ＬＤの発光スペクトルは、縦マルチモードの集合の包絡線ＥＮ として扱うことにする。すなわち、図２（ａ）の発光スペクトル１００，２００、４１０、４２０、５１０、５２０は、それぞれ縦マルチモードとする。
また、本明細書において、「発光スペクトルの下限波長Ｗｓ」とは、相対発光強度がピーク波長Ｗｐにおける相対発光強度Ｉｐの１０％（Ｉｂ）に低下した波長であり（Ｗｓ＜Ｗｐ）、「発光スペクトルの上限波長Ｗｕ」とは、相対発光強度がピーク波長Ｗｐにおける相対発光強度Ｉｐの１０％（Ｉｂ）に低下する波長（Ｗｐ＜Ｗｕ）と定義する。
また、本明細書において、発光スペクトルの「幅」とは、上限波長Ｗｕと下限波長Ｗｓとの減算値（Ｗｕ−Ｗｓ＝ΔＷ）として定義する。
複数のＬＤからなる第１の波長補完用発光素子９３、９４の場合、隣接する２つのピーク波長の間隔Ｐ１、Ｐ２が５ｎｍ以下でありかつ発光スペクトル４１０、４２０、５１０、５２０の幅を５ｎｍよりもそれぞれ狭くする。また、発光スペクトルが欠損する領域を５ｎｍよりも狭くできるので、演色性を高めることができる。このように、波長補完用ＬＤは、主として演色性を高める波長補完用発光スペクトルを有する光を放出する。
波長変換部は、励起光を吸収し励起光の波長よりも長い波長を含む発光スペクトルを有する波長変換光を放出する。波長変換部は、たとえば、（Ｃａ、Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕなどの窒化物系蛍光体や、Ｃａｘ（Ｓｉ、Ａｌ）１２（Ｏ,Ｎ）１６：Ｅｕ、（Ｓｉ、Ａｌ）６（Ｏ、Ｎ）８：Ｅｕ、ＢａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ、ＢａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕなどの酸窒化物系蛍光体や、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ、Ｇｄ）３（Ａｌ、Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｓｒ、Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕなどの酸化物系蛍光体や、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、ＣａＧａ２Ｓ４：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ等の硫化物系蛍光体などの中から、単体または少なくとも１種類以上混合させた蛍光体を用いることができる。
たとえば、青色ＬＤ光が照射されると、緑色蛍光体を含む第１の波長変換部３０は、緑色光を放出する。この結果、ランプ部８０は、照明光ＧＴとして、白色光などを放出する。なお、図１に表すように、第１の波長変換部３０を反射板４０の上に形成し、反射板４０を支持体５０の表面に実装することができる。
ランプ部８０で生じる発熱は、第１の波長変換部３０の変換ロスに起因するものが殆どである。このため、支持体５０のサイズは、蛍光体と光源が一体となっているＬＥＤのサイズよりも小さくでき、小型軽量、低発熱のランプ部が可能となる。すなわち、光学系部品で構成された大光量高輝度ランプが実現できる。また、デザイン自由度が大幅に向上する。
照明用光源９０は、第１の駆動回路７０と、第２の駆動回路７１と、第３の駆動回路７２と、第４の駆動回路７３と、をさらに有することができる。第１の駆動回路７０は、たとえば、青色ＬＤ１〜５からなる第１の固体発光素子９１を駆動する。第２の駆動回路７１は、たとえば、赤色ＬＤ６〜８からなる第２の固体発光素子９２を駆動する。第３の駆動回路７２は、たとえば、２つの青色ＬＤ９、１０からなる第１の波長補完用発光素子９３を駆動する。第４の駆動回路７３は、たとえば、２つの赤色ＬＤ１１、１２からなる第１の波長補完用発光素子９４を駆動する。なお、第１および第２の固体発光素子９１、９２の数は、これらに限定されない。また、第１の波長補完用発光素子９３、９４は、それぞれ複数の固体発光素子からなるが、上記の数には限定されない。
第１の固体発光素子９１の第１の光のピーク波長Ｗｐ１は、４２０ｎｍ以上かつ４８０ｎｍ以下などとする。また、第１の固体発光素子９１を構成する青色ＬＤ１〜５のピーク波長は略同一であるとする。また、第２の固体発光素子９２の第２の光のピーク波長Ｗｐ２は、６２０〜６５０ｎｍなどとする。また、第２の固体発光素子９２を構成する赤色ＬＤ６〜８のピーク波長は略同一とする。ピーク波長をそれぞれ略同一とすることにより、固体照明装置の出力を高めることが容易になる。
第１の波長補完用青色ＬＤ９、１０の発光スペクトルは、それぞれ、図２の４１０、４２０であり、そのピーク波長は、第１の固体発光素子９１である青色ＬＤ１〜５のピーク波長よりも長くする。また、第１の波長補完用赤色ＬＤ１１、１２の発光スペクトルは、それぞれ、図２の５１０、５２０であり、そのピーク波長は、第２の固体発光素子９２である赤色ＬＤ６〜８のピーク波長よりも短くする。このようにすると、第１の波長補完用発光素子の視感度を、第１および第２の固体発光素子９１、９２の視感度よりも高くすることができ、より低い光出力で演色性を高めることができる。
図３は、第１の実施形態にかかる固体照明装置の変形例の発光スペクトルの模式図である。
第１の波長変換部３０は、黄色蛍光体とすることもできる。黄色蛍光体を用いると、より長い波長範囲まで発光スペクトルを広げることができる。
図４は、第１比較例にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。
第１比較例の固体照明装置は、４２０〜４８０ｎｍの範囲のピーク波長の光を放出し、青色ＬＤなどからなる第１の固体発光素子と、６２０〜６５０ｎｍの範囲のピーク波長の光を放出し、赤色ＬＤなどからなる第２の固体発光素子と、を有するが、波長補完用発光素子を有していない。また、固体照明装置は、波長変換部を有し、緑色波長変換光を放出するものとする。
青色ＬＤ光の発光スペクトル１００と緑色光である波長変換光の発光スペクトル３００との間には、スペクトル欠損領域１１００を生じる。また、波長変換光のピーク波長Ｗｐ３と赤色ＬＤ光の発光スペクトル２００との間には、発光スペクトル強度が低い底領域１２００を生じる。もし、ディスプレイ用途であるならば、これらの混合光により生成される色域で間に合う。しかし、照明光として用いるには、演色性が十分とは言えない。
図５は、第２比較例にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。
第２比較例では、緑色蛍光体に赤色蛍光体を添加して、赤色波長変換光の発光スペクトル５００の強度を高めている。しかし青色ＬＤ光で赤色蛍光体を励起すると、青色ＬＤ光の波長よりも長い波長の光を放出するストークスシフトのため、波長変換の効率が低下する。もし色温度を低くしようとすると、赤色蛍光体の量が特に増える。このため、全体効率が著しく低下し、発熱が増加する。さらに赤色蛍光体の発光スペクトル５００は、赤外領域まで余分に広がるので効率がさらに低下することがある。すなわち、赤色光として蛍光体による波長変換光のみを用いると効率が低下する。
図６は、ディスプレイ装置における色再現性を説明する色度図である。
色を再現できる範囲、いわゆる色域の規格には、国際電気標準会議によるｓＲＧＢ規格や米国テレビ標準化委員会によるＮＴＳＣ(National Television System Committee）規格などがある。本図では、ｓＲＧＢ規格を破線で表している。第１の実施形態では、青色ＬＤなどの第１の固体発光素子９１と、赤色ＬＤなどの第２の固体発光素子９２と、緑色蛍光体などの波長変換部と、により、三角形のｓＲＧＢ規格に対応した色域を設けることができる。つまり、発光スペクトルが狭い純粋な三原色は色度図の縁に位置するので、その方が、色域が広くなる。
一方、照明による演色性は、ディスプレイにおける色域とは異なる。照明された対象物の反射光が、連続スペクトルである太陽光で照らされた場合にどれだけ近いかで評価される。純粋な三原色（スペクトル狭線幅）の三角形で決まる色域が広くても、三原色の間に発光スペクトルの欠損領域があると、連続スペクトルである自然光のように豊かな色の反射光を再現できない。演色性は、平均演色評価数Ｒａなどを用いて評価する。この測定は、人間の色の認識精度を考慮して、５ｎｍの間隔で行われるのが普通である。従って、発光スペクトルに５ｎｍ以上の欠損領域がある場合には、演色性が低下する。すなわち、発光スペクトルの欠損領域および底領域があっても、その間隔が５ｎｍよりも狭ければ演色性の低下を確実に抑制できる。ただし、間隔が５ｎｍより広くても、ある程度は演色性の低下を抑制できる。
演色性は、ある色温度における自然光照明による反射との差ではあるが、色温度は、三原色のバランスで決定されるし、放送における色域は三原色で決定される。たとえば、放送局の現場での照明には、色域の外の照明スペクトル成分は影響が小さい。
また、視感度は、略５５５ｎｍの波長においてピーク値となるので、第１の固体発光素子９１の第１発光スペクトル１００および第２の固体発光素子９２の第２発光スペクトル２００は、視感度が低い領域となる。その外側の波長領域は、さらに視感度が低いので、効率(efficacy)を高くキープする観点からは、無い方が良い。これが、第１発光スペクトル１００および第２発光スペクトル２００の内側にのみ補完スペクトルを設定する理由である。放送用の照明を考えた場合、その方が現場の照明の調整とディスプレイで再現される色のマッチングが容易になる。つまり、現場の照明の色温度（黒体軌跡をＤで表す）を三原色でおおむね調整し、その間の補完スペクトルを用いて、反射特性である演色性を確保すれば、モニタ側で三原色のバランスを現場の色温度に合わせることにより、勘と経験に頼らなくても、現場の色が再現しやすくなる。したがって、色再現性と演色性の両方を考慮でき、放送現場の照明に向く。
発光スペクトルの半値幅が１０ｎｍ以上のＬＥＤを固体発光素子として用いると、発光スペクトルの欠損領域を狭くできるので、演色性を高めることができる。しかし、照明装置の機能および構造の観点からは、ＬＥＤの放出光の広がり角が広いため、波長変換部への励起光の入射効率が低くなる。ＬＥＤと波長変換部を近接させ入射効率を高めようとすると、ランプ部の温度上昇が大きくなり、光出力も低下する。
これに対して、第１の実施形態にかかる固体照明装置では、ＬＤなどの固体発光素子と、ランプ部と、を導光部を介して離間させても、波長変換部への入射効率を高く保つことができる。この結果、ランプ部の温度上昇を低減できる。さらに、波長補完用発光素子は、第１および第２の固体発光素子９１、９２の発光スペクトルよりも視感度が高い領域に発光スペクトルを有する。このため、より低い消費電力により発光スペクトルの欠損領域を補完し、効率よく演色性を高めることができる。さらに、ランプ部の小型化および軽量化が容易であり、照明装置の設計自由度が大幅に高められる。
図７は、固体照明装置の第２の実施形態の発光スペクトルの模式図である。
第２の実施形態の固体照明装置は、第１発光スペクトル１００と、第２発光スペクトル２００と、の間にピーク波長Ｗｐ４を有する第４の固体発光素子からの第４の光を、さらに主要発光スペクトルを含む。第４の光のピーク波長Ｗｐ４は、緑色〜黄色（５１０〜５７０ｎｍ）などとし、発光スペクトル１５０の幅が５ｎｍよりも狭いものとする。このような固体発光素子としては、緑色〜黄色のＬＤやＳＨＧ（Second harmonic Generation)素子などとすることができる。
第１発光スペクトル１００と、第２発光スペクトル２００と、の間の発光スペクトル欠損領域は、発光スペクトル４３０を有する複数の第１の波長補完用発光素子および発光スペクトル５３０を有する複数の第１の波長補完用発光素子で補完される。複数の第１の波長補完用発光素子９３、９４は、たとえば、隣接する２つのピーク波長間隔が５ｎｍ以下であり、発光スペクトルの幅が５ｎｍよりも狭い複数のＬＤなどとすることができる。この場合、ランプ部には、光散乱材を含む光散乱層を設けてＬＤ光を低コヒーレントにすると、安全性が高められるのでより好ましい。
図８は、第３の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図である。
固体照明装置は、照明用光源９０と、導光部２９と、ランプ部８０と、を有する。照明用光源９０は、第１の固体発光素子９１と、第２の固体発光素子９２と、を有する。また、ランプ部８０は、第１の光を放出する第１の波長変換部（反射板４０の上などに設けるが図示せず）を有する。
また、図９は、第３の実施形態にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。
第１の固体発光素子９１は、可視光波長領域で発光スペクトル１００の幅が５ｎｍよりも小さい第１の光を放出する。第２の固体発光素子９２は、可視光波長領域で発光スペクトル２００の幅が５ｎｍよりも小さく、第１の光のピーク波長Ｗｐ１よりも５ｎｍ以上長いピーク波長Ｗｐ２を有する第２の光を放出する。第１の波長変換部は、ＹＡＧ蛍光体などを含み、第１の光を吸収し、第１の光のピーク波長Ｗｐ１よりも長く、第２の光のピーク波長Ｗｐ２よりも短いピーク波長Ｗｐ３を有し、幅が広い発光スペクトル３００を有する第１の波長変換光を放出する。
第２の波長補完用発光素子は、たとえば、青色ＬＥＤの活性層を含む半導体積層体や赤色ＬＥＤの活性層を含む半導体積層体などを第３の波長変換部として含む。半導体積層体５３は、アンドープであるほうがフォトルミネッセンス（ＰＬ：Photoluminescence）の効率を高くできる。すなわち、半導体積層体５３には、電流を流す必要がない。半導体積層体５３の活性層５３ａをＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とすると、演色性の向上に効果的なＰＬスペクトル形状となるように設計することが容易となる。
図９に表すように、アンドープＩｎＧａＮからなる半導体積層体５３のＭＱＷ活性層５３ａに青色励起光を照射すると、高い効率でＰＬ発光である第３の光を生じる。また、アンドープＡｌＩｎＧａＰからなる半導体積層体５３のＭＱＷ活性層５３に青色励起光を照射すると、高い効率でＰＬ発光である第３の光を生じる。ＰＬ発光スペクトル４０４は、赤外領域に裾を引かず、底領域１２００を適正に補完でき、赤色領域の演色性を改善できる。また、ＰＬ発光スペクトル４０２は、欠損領域１１００を適正に補完でき、青色領域の演色性を改善できる。連続したＰＬ発光スペクトル４０２、４０４は、発光強度がピーク値の２分の１となる波長の幅である半値幅ＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）が、５ｎｍ以上であるものとする。
図１０（ａ）〜（ｄ）は、第２の波長補完用発光素子の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図１０（ａ）はチップの模式断面図、図１０（ｂ）は反射板に接着した状態の模式断面図、図１０（ｃ）は選択エッチング後の模式断面図、図１０（ｄ）は波長変換部が設けられた模式断面図、である。
図１０（ａ）は、ＧａＡｓ基板５２上にＭＱＷ活性層５３ａを含む半導体積層体５３が設けられた第３の波長変換部の模式断面図を表す。半導体積層体５３の表面には反射層５４が設けられる。図１０（ｂ）に表すように、支持体５０の上に反射板４０を設け、反射板４０と反射層５４とを接着する。さらに、図１０（ｃ）に表すように、ＧａＡｓ基板５２を除去する。続いて、図１０（ｄ）に表すように、活性層５３ａの上にＹＡＧ蛍光体５５をコートすることもできる。
図１１は、第４の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図である。
固体照明装置は、照明用光源９０と、導光部２９と、ランプ部８０と、を有する。照明用光源９０は、第１の固体発光素子９１と、第２の固体発光素子９２と、を有する。第１の固体発光素子９１は、可視光波長領域で第１発光スペクトル１００の幅が５ｎｍよりも小さい第１の光を放出する。第２の固体発光素子９２は、可視光波長領域で第２発光スペクトル２００の幅が５ｎｍよりも小さく、第１の光のピーク波長Ｗｐ１よりも５ｎｍ以上長いピーク波長Ｗｐ２を有する第２の光を放出する。
ランプ部８０は、たとえば、支持体５０と、第１の波長変換部３０と、方向変換光学部７０と、を有する。第１の波長変換部３０は、支持体５０の上に設けられ、第１の光を吸収し第１の波長変換光を放出する。第２の波長変換部３１は、支持体５０の上に設けられ、第１の光を吸収し第２の波長変換光を放出する。すなわち、第２の波長変換部３１は、蛍光体などを含み、第２の波長補完用発光素子として作用する。方向変換光学部７０は、導光部２９から放出された第１および第２の光が導入され、その進行方向を変化させかつ第１および第２の光を散乱する。第１および第２の光の散乱光と、第１および第２の波長変換光と、は、方向変換光学部７０から放出される。ランプ部８０は、導光部２９からの第１の光が少なくとも照射される第１の波長変換部３０を有する構成であれば良く、発光構造には特に限定されない。
図１２は、第４の実施形態にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。
色温度を３０００Ｋ程度と低くしたい場合、第２の固体発光素子９２である赤色ＬＤの発光スペクトル２００の発光強度を大きくして色温度を低下させる。
他方、演色性を改善するには、連続した発光スペクトル５００を有する赤色波長変換光を用いて発光スペクトルの底部１２００を補完する。たとえば、第２の光のピーク波長Ｗｐ２以下の領域において、半値幅ＦＷＨＭが５ｎｍ以上の連続発光スペクトル５００を有する第２の波長変換光を生成し赤色領域を補完する。この場合、発光スペクトル５００の強度は相対的に低くてもよいので、効率が低い赤色蛍光体を用いても、全体の効率の低下を僅かである。
図１３は、第５の実施形態にかかる固体照明装置の発光スペクトルの模式図である。
もし、蛍光体などからなる第２の波長変換部が、黒体輻射の発光スペクトル９００に等色関数６００を乗じた発光スペクトルと略一致していれば発光スペクトルの補完することができる。但し、これらの発光スペクトルの形状は、一致しないこともある。図１３は、これらの発光スペクトルが一致しない場合、底部領域１２００を改善するための発光スペクトル形状の決定方法を示す。
演色性は、ランプ部８０の色温度における黒体輻射スペクトル９００に一致する発光スペクトルを実現すれば最大化できる。第１〜第４の実施形態において、第１の固体発光素子９１の第１発光スペクトル１００の視感度と、第２の固体発光素子９２の第２発光スペクトル２００の視感度と、は、その間の発光スペクトル領域の視感度よりも低い。このため、演色性の改善は、相対的に視感度が高い領域で最適化する方が容易である。
色温度が３０００Ｋの黒体輻射スペクトル９００は、波長とともに増大する。他方、ＹＡＧ緑色蛍光体の発光スペクトル３００は、略５２０ｎｍに発光強度のピーク値を有する。赤色領域の等色関数は、図１３に表すようになる。波長補完用の最適発光スペクトルは、（黒体輻射スペクトル９００−波長変換光発光スペクトル３００）×等色関数で表すことができる。このようにすると、平均演色評価数Ｒａを、たとえば、８５以上と高くすることが容易である。すなわち、波長変換光の連続した発光スペクトル３００のように幅が広い場合、本図のようにすることが好ましい。
また、演色性と効率とのうち、いずれを優先するかにより、発光スペクトルの形状は異なる。効率を優先すると、視感度の低い長波長側が少ない図９のような発光スペクトルが最適である。
色温度が高くて、青色領域の欠損領域１１００を補完したい場合にも同様の考えかたを適用することができる、また、色温度が変化すると、黒体輻射スペクトルも変化するので、それに合わせて補完用発光スペクトルの形状を制御して、高い演色性をダイナミックに実現することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１〜５ 第１の固体発光素子（ＬＤ）、６〜８ 第２の固体発光素子（ＬＤ）、９〜１２ 第１の波長補完用発光素子（ＬＤ）、２９ 導光部、３０ 第１の波長変換部、３１ 第２の波長変換部（第２の波長補完用発光素子）、５０ 支持体、５３ 半導体積層体（第２の波長補完用発光素子）、７０ 方向変換光学部、８０ ランプ部、９１ 第１の固体発光素子、９２ 第２の固体発光素子、９３、９４ 第１の波長補完用発光素子、１００ 第１発光スペクトル、２００ 第２発光スペクトル、４００、４１０，５００、５１０ （縦マルチモードの）発光スペクトル、４０２、４０４ ＰＬ発光スペクトル、５００ 第２の波長変換光の発光スペクトル、 １１００ （発光スペクトルの）欠損領域、１２００ （発光スペクトルの）底領域、９００ （黒体輻射の）発光スペクトル、Ｗｐ ピーク波長、ΔＷ 発光スペクトルの幅、ＧＴ 照明光

Claims (16)

  1. 可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭い第１発光スペクトルを有する第１の光を放出する第１の固体発光素子と；
    前記可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭く前記第１の光のピーク波長よりも５ｎｍ以上長いピーク波長を有する第２発光スペクトルを有する第２の光を放出する第２の固体発光素子と；
    幅が５ｎｍよりも狭い発光スペクトルを有する光をそれぞれ放出する複数の第１の波長補完用発光素子と；
    を具備し、
    前記複数の第１の波長補完用発光素子からの光の集合である第３の光の第３発光スペクトルは、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する固体照明装置。
  2. 前記第３の光は、ピーク波長間隔が５ｎｍ以下である少なくとも一対の光を含む請求項１記載の固体照明装置。
  3. 前記第１および第２の固体発光素子と前記複数の第１の波長補完用発光素子とは、半導体レーザーである請求項１または２に記載の固体照明装置。
  4. 前記第１の光と、前記第２の光と、前記第３の光と、を導光する導光部と；
    前記導光部からの少なくとも前記第１の光を吸収し前記第１の光の前記ピーク波長よりも長くかつ前記第２の光の前記ピーク波長よりも短いピーク波長を有する第１の波長変換光を放出しかつ前記第１、第２および第３の光を散乱する第１の波長変換部と、を有するランプ部と；
    をさらに具備し、
    前記第１、第２および第３の光の散乱光と、前記第１の波長変換光と、は、前記ランプ部から放出される請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体照明装置。
  5. 前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルから前記第１の波長変換光の発光スペクトルを減算した値に等色関数を乗じた形状に略一致し、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する請求項４記載の固体照明装置。
  6. 可視光波長領域で発光スペクトルの幅が５ｎｍよりも狭く、前記第１の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上長く、前記第２の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上短いピーク波長を有する第４の光を放出し半導体レーザーからなる第３の固体発光素子をさらに具備した請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体照明装置。
  7. 前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルに等色関数を乗じた形状に略一致する請求項６記載の固体照明装置。
  8. 可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭い第１発光スペクトルを有する第１の光を放出する第１の固体発光素子と；
    前記可視光波長領域で、幅が５ｎｍよりも狭く前記第１の光のピーク波長よりも５ｎｍ以上長いピーク波長を有する第２発光スペクトルを有する第２の光を放出する第２の固体発光素子と；
    前記可視光波長領域で半値幅が５ｎｍ以上の連続する第３発光スペクトルを有しかつ前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとの間の領域を補完する第３の光を放出する第２の波長補完用発光素子であって、前記第１の光を吸収し前記第１の光の前記ピーク波長よりも長いピーク波長を有する第２の波長変換光を放出する第２の波長変換部を有するか、または前記第１の光と前記第２の光とのうち少なくともいずれかを励起光とし、前記励起光のピーク波長よりも長い第３の波長変換光を放出する第３の波長変換部を含む、第２の波長補完用発光素子と；
    を具備した固体照明装置。
  9. 前記第２の波長変換部は、蛍光体を含む請求項８記載の固体照明装置。
  10. 前記第３の波長変換部は、フォトルミネッセンス発光する半導体積層体を含む請求項８記載の固体照明装置。
  11. 前記半導体積層体は、活性層と前記活性層を挟む両側の層とを含み、アンドープ層である請求項１０記載の固体照明装置。
  12. 前記第１および第２の光を導光する導光部と；
    前記導光部からの前記第１の光を吸収し前記第１の光の前記ピーク波長よりも長くかつ前記第２の光の前記ピーク波長よりも短いピーク波長を有する第１の波長変換光を放出しかつ前記第１および第２の光を散乱する第１の波長変換部と、を有するランプ部と；
    をさらに具備し、
    前記第１および第２の光の散乱光と、前記第１の波長変換光と、前記第３の光と、は、前記ランプ部から放出される請求項８〜１１のいずれか１つに記載の固体照明装置。
  13. 前記第２の波長補完用発光素子は、前記支持体の上に設けられ、
    前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルから前記第１の波長変換光の発光スペクトルを減算した値に等色関数を乗じた形状に略一致し、
    前記第１および第２の光の前記散乱光と、前記第１の波長変換光と、前記第３の光と、は、混合されて前記ランプ部から放出される請求項１２記載の固体照明装置。
  14. 可視光波長領域で発光スペクトルの幅が５ｎｍよりも狭く、前記第１の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上長く、前記第２の光の前記ピーク波長よりも５ｎｍ以上短いピーク波長を有する第４の光を放出する第３の固体発光素子をさらに具備した請求項８〜１１のいずれか１つに記載の固体照明装置。
  15. 前記第２の波長補完用発光素子の前記第３発光スペクトルは、要求された色温度における黒体輻射スペクトルに等色関数を乗じた形状に略一致し、前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルの間の領域を補完する請求項１４記載の固体照明装置。
  16. 前記第１の光の前記ピーク波長は、４２０ｎｍ以上かつ４８０ｎｍ以下であり、
    前記第２の光の前記ピーク波長は、６２０ｎｍ以上かつ６５０ｎｍ以下であり、
    前記第３の光の前記ピーク波長は、４６０ｎｍ以上かつ６３０ｎｍ以下である請求項１〜１５のいずれか１つに記載の固体照明装置。
JP2013116183A 2013-05-31 2013-05-31 固体照明装置 Pending JP2014235859A (ja)

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