JP5253176B2 - 複数セットの光源を備えた照明システム - Google Patents

Description

本発明は、光を放射するために複数のセットの光源を備えている照明システムに関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の明るさの増加は、大きく進歩した。その結果、ＬＥＤは、充分に明るくて安価な光源として役立ち、例えば、色が調整可能なランプ、直視液晶表示装置（ＬＣＤ）、及び前方ならびに後方投影表示装置などの照明システムに使用される。

異なる色のＬＥＤを混合することで、例えば、白など、任意の数の色を生成させることができる。調整可能な色の照明システムは、代表的に、多数の原色を用いて構成され、１つの例においては、赤、緑、及び青の３原色が使用される。生成される光の色は、どのＬＥＤが使用されるのか、及び混合比によって決定される。“白”を生成するには、すべての３つのＬＥＤを点灯しなければならない。

ＬＥＤの１つの不都合は、それらが比較的、狭帯域であることである。従って、いくつかの原色の組合せは、図１に示すように、赤、緑、及び青から白を発生させる場合には、多数のピークを備えたスペクトルをもたらす。このことは、３つのＬＥＤを用いて白を作ることは可能であるけれども、これは必ずしも、この光で対象物が照明されたとき、非常に自然な色を生み出すわけではないことを意味している。例えば、４７０〜５００nmの波長の範囲の光だけを反射する対象物を、図１のＬＥＤを用いて照明すると、この照明は、４５０、５３０、及び６５０nmに波長のピークを有しているので、対象物は（黒のように）非常に暗く見えるが、屋外の照明の条件では、対象物は、シアンの色を有している。

照明システムからの正しい色の演色は、演色評価数（ＣＲＩ）を用いて測定される。一般的に、３つの異なる色のＬＥＤだけを用いて作られたランプは、低い演色評価数を有する。

ＬＥＤ照明システムの演色評価数は、より異なる色のＬＥＤを使用することで改善される。前述した例においては、アンバー色のＬＥＤを追加することで、演色評価数は大きく改善される。ＵＳ２００５／０００２１９号公報が開示している照明光源は、４つの異なる色のＬＥＤを具備しているが、このような照明光源は、依然として、スペクトル分布に隙間を提供する。ＬＥＤの数をさらに増やせば、演色評価数は改善するが、放射された光の不完全な混合をもたらし、照明される対象物に、色の付いた影を演色する。

色の付いた影に関するこの問題点は、例えば、導波管などの光混合装置を使用することで解決される。しかしながら、あまりに多くの異なる色のＬＥＤを導波管に接続した場合、光の内面反射が、ＬＥＤからの光を、異なる角度にて、照明システムから出させるために、出力光に色付きの帯域が現れる。これらの問題点を解決することは、導波管の複雑で高価なデザイン、又は、色の混合に使用される任意のその他の技術に通じる。

従って、従来技術の不都合を実質的に解消し、コスト、スペース、及び製造の便利さについて、さらに改良を提供するような、改善されたＣＲＩを有する照明システムを求める要望が存在する。

上述した要望は、請求項１に記載された照明システムによって満たされる。従属項は、本発明による有利な実施形態を定めている。

本発明の観点によって提供される、照明システムは、第１のサブシステムを備え、この第１のサブシステムは、第１のセットの少なくとも２つの異なる色の光源であって、第１のスペクトル分布を有しているような第１のセットと、第１の光混合装置であって、第１のセットの光源から放射された光の方向に配置され、第１のセットの光源によって放射された光を混合するように構成されている、上記第１の光混合装置とを備えている。照明システムは、さらに、第２のサブシステムを備え、この第２のサブシステムは、第２のセットの少なくとも２つの異なる色の光源であって、第２のスペクトル分布を有しているような第２のセットと、第２の光混合装置であって、第２のセットの光源から放射された光の方向に配置され、第２のセットの光源によって放射された光を混合するように構成されている、上記第２の光混合装置とを備えている。第１及び第２のサブシステムは、少なくとも１つの共通の色を放射するように構成されている。さらに、光源は、第１の及び第２のスペクトル分布が互いに相補的になるように選択され、照明システムから放射された光の演色評価数（ＣＲＩ）が、サブシステムのそれぞれから放射された光のＣＲＩに比べて大きくなっている。

本発明によれば、照明システムのＣＲＩが高められ、そのために、複数の異なる色の光源、すなわち、それぞれが異なる波長の光を放射する光源を用いるが、すべての光源は、同一の光混合装置においては混合されない。これにより、あまりに多くの異なる色の光源を、１つの光混合装置において混合することに関連する問題点は回避される。代わりに、それぞれの光混合装置は、それぞれのセットの光源に備えられた、限られた数の異なる色の光源からの光だけを混合し、２以上のこのような光混合装置からの光は、照明システムからの出力として使用される。これは、演色評価数を改善することを可能とし、それぞれの光混合装置における異なる色の光源の数は、最小限に保たれる。照明システムは、もちろん、追加的なサブシステムを備えることができる。それぞれのサブシステムは、異なる色域をそれぞれ有している。本願において、“少なくとも１つの共通の色を放射するように構成される”という表現は、それぞれのサブシステムのための色域が少なくとも部分的に重なり合うことを意味するものとして理解されるべきである。サブシステムによって放射される共通の色は、好ましくは、白の色合いであり、例えば、暖色の白又は冷色の色であるが、もちろん、色域が重なり合うサブシステム内の任意のその他の色とすることもできる。

１つの事例においては、第２のセットの光源は、第２のスペクトル分布が、第１のスペクトル分布における少なくとも１つの極小を補償するように選択される。ここで、異なるスペクトル分布が互いに補償するという事実は、第１のスペクトル分布における極小と、第２のスペクトル分布における極大とが、少なくとも部分的に互いに重なり合っていることを意味している。その結果、サブシステムから放射された光のスペクトルは、より均等に分布したスペクトルを形成するように組み合わせられる。

例えば、照明システムは、可変色の照明システムとして構成される。１つのセットにおける色は、他のセットにおける色とは、若干異なるように選択され、前述した補償を提供するようになっている。もちろん、照明装置におけるすべての光源が、異なっている必要はない。すなわち、サブシステムにおける両方のセットの光源において、例えば青など、同一の色を使用することも可能である。例えば、それぞれのセットは、３つの光源、例えば、赤、緑、及び青を備えることができるが、２つの光源又は４つの光源を使用することもできる。好ましくは、それぞれのセットにおける光源は、白色光を発生できるように選択される。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の及び第２のスペクトル分布を具備している、照明システムのスペクトル分布は、可視スペクトルの少なくとも５０％について、０．５を越える相対的強度を有している。可視スペクトルは、およそ４００nmからおよそ７００nmまでの範囲の波長のスペクトルから構成されている。このことは、可視スペクトル内の少なくとも５０％の色が、少なくとも０．５の相対的強度にて、正しく演色されるように、光源が選択されるべきことを意味している。さらに好ましい実施形態においては、可視スペクトル内の色の少なくとも７０％が、少なくとも０．５の相対的強度にて、正しく演色されるべきである。

本発明による照明システムにおいて使用される光混合装置は、本質的に均一な空間的及び角度的な色の分布が得られるように、光を混合する。本発明によれば、それぞれの光混合装置に光を放射する異なる色の光源の数は、最大に保たれるので、前述した色付きの帯域の不都合無しに、光混合装置のデザイン及び構造を容易にすることが可能になる。１つの実施形態においては、光混合装置は反射色フィルタを備え、別の実施形態においては、光混合装置は少なくとも１つの導波管を備えている。

好ましくは、照明システムはさらに、それぞれの光源の強度を調整するための手段を備えている。これは、照明システムによって放射された光に調整可能性を与え、異なる色を放射することができるようになる。

１つの実施形態においては、光源は狭帯域の光源であって、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）、無機ＬＥＤ、レーザ、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）、熱陰極蛍光ランプ（ＨＣＦＬ）、及びプラズマランプ、からなるグループから選択できる。本発明による照明システムは、このような狭帯域の光源の組合せにおける演色評価数を改善するように、有利に使用される。狭帯域の光源を備えた照明システムにおける利点は、飽和した色を発生させることが可能なことである。

本発明は、有利には、限定はしないが、例えば、バックライトシステムなどの要素として使用される。さらに、本発明による照明システムは、表示装置における表示と一緒に使用することができる。

本発明の更なる特徴及び利点は、特許請求の範囲と以下の説明とを研究することで明らかになる。当業者が理解するように、本発明の異なる特徴は、以下に説明された以外の実施形態を作るように組み合わせることができる。

本発明のこれらの及びその他の観点については、本発明の現時点において好ましい実施形態を示している、添付図面を参照して、以下に、詳細に説明する。

図２に示した、照明システム１００は、例えば、平坦透過ランプであって、本発明の現時点における好ましい実施形態を示している。第１のセット１０１及び第２のセット１０２の光源は、第１の導波管１０３と第２の導波管１０４とに接続され（１つのセットの光源と、１つの光混合装置とが、一緒にサブシステムを形成している。）、光混合装置として働き、光源から、照明すべき対象物に、光を輸送するように構成されている。導波管は、ガラス又はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの透明な材料から構成される。色付きの帯域に関する前述した問題点を解決するために、本発明による照明システムは、限られた数の（例えば、限定はしないが、２つ、３つ、４つの）異なる色の光源を、それぞれの導波管１０３，１０４に接続させて用いている。図２に示した例示的なシステムにおいては、第１のセット１０１は、青、緑、及び赤のＬＥＤであって、それぞれ４７５、５３０、及び６５０のピーク波長を有し、第２のセット１０２は、紫、青／緑、及びオレンジのＬＥＤであって、それぞれ４５０、５００、及び６００のピーク波長を有している。その結果、光ビームの品質は維持され、演色評価数は改善される。例示的な照明システムは、それぞれの色の２つの光源を使用しているが、それぞれの色の光源の数は、システムのデザイン及び構造に応じて変化し、例えば、それぞれの色の１つの光源を使用することも可能である。

図３は、本発明の別の好ましい実施形態による照明システム２００を示している。照明システム２００は、第１のセット２０１及び第２のセット２０２の光源を備え、第１の光混合装置２０３及び第２の光混合装置２０４に接続されている。第１のセット２０１の光源は、第１の光混合装置２０３と一緒になって、第１のサブシステム２０５を形成し、第２のセット２０２の光源は、第２の光混合装置２０４と一緒になって、第２のサブシステム２０６を形成している。この実施形態においては、光混合装置は、二色性の色フィルタＦ₁〜Ｆ₆を備えている。二色性の色フィルタは、ある種の波長の光だけを、透過又は反射する、光学的素子である。異なる色の光源の数が増えると、フィルタは高価になり、製造が困難になり、すなわち、２つから３つの異なる色の光源が、ステップフィルタの代わりに、帯域反射フィルタを必要とするようになって、反射ステップフィルタは、特に、非常に鋭利なエッジを有することが必要な場合には、帯域反射フィルタに比べて、はるかに製造が容易になる。さらに、より異なる色では、色フィルタのフランクは、急峻である必要がある。光源としてＬＥＤが使用される場合には、光源のスペクトルの尾部は重なり合い始め、それにより、この方法を用いて、正しく色を混合することは不可能になる。従って、本実施形態では、それぞれの光混合装置に接続された、限られた数の異なる色の光源を使用する。第１のセット２０１は、２つの青Ｌ₁、２つの緑Ｌ₂、及び２つの赤Ｌ₃のＬＥＤであって、それぞれ４７５、５３０、及び６５０のピーク波長を有し、第２のセット２０２は、２つの紫Ｌ₄、２つの青／緑Ｌ₅、及び２つのオレンジＬ₆のＬＥＤであって、それぞれ４５０、５００、及び６００のピーク波長を有している。図３に示した照明システムは、もちろん、（破線で示されるように）それぞれのサブセットにおけるそれぞれの色に、２つ以上の光源を備えることもできる。

図４には、図３の２セットのＬＥＤ光源について、スペクトル分布を示している。グラフから分かるように、第２のセット２０２の光源Ｌ₄〜Ｌ₆のスペクトル分布は、第１のセット２０１の光源Ｌ₁〜Ｌ₃のスペクトル分布を補償しており、照明システムの組み合わせられたスペクトルは、より均等に分布したスペクトルを形成している。例えば、第２のセット２０２における、青／緑Ｌ₅のＬＥＤのピークは、ここでは、第１のセット２０１における青Ｌ₁と緑Ｌ₂とのＬＥＤのピークの間の最小を補償している。本発明のこの実施形態による照明システムは、可視スペクトル（４００〜７００nm）内において、スペクトル分布を有し、可視スペクトルの少なくとも５０％について、０．５を越える相対的強度を有している。本発明による照明システムにおいて、少なくとも３つの異なる色の光源を備えた、少なくとも２つのサブシステムを用いることによって、少なくとも８０の演色評価数を達成することが可能になる。代表的な、冷陰極蛍光ランプの普通の値は、約６５である。

図５は、ＣＩＥ("International Commission on Illumination")による色空間色度図であって、図３の２セット２０１，２０２のＬＥＤの光源Ｌ₁〜Ｌ₆の色点を示している。外側の馬蹄形の形状の曲線３００は、可視スペクトルの色（単色光の色点）に対応している。２つの内側の三角形の曲線３０１及び３０２は、それぞれ、（ＬＥＤのセットを備えた）第１の２０５及び第２の２０６のサブシステムに対応しており、三角形の曲線３０１及び３０２における外側の端点は、第１及び第２のサブシステム２０５，２０６におけるＬＥＤのピーク波長に関連している。図の中心にある点３０３は、白色点を表している。図から分かるように、両方のサブシステム２０５，２０６は、それぞれのサブシステムにおけるすべての３つのＬＥＤを同時に点灯することで、白色光を発生することができる。

当業者は理解するだろうが、本発明は、決して、上述した好ましい実施形態に限定されることはない。逆に、特許請求の範囲の範囲内において、多くの変更及び改変が可能である。例えば、光源が、スペクトルの極小をさらに補償するように選択された、追加的なサブシステムを導入することで、９０以上の演色評価数を達成することが可能であろう。本発明は、例えばスポットライトシステムなどの汎用照明システムにおいて、さらに有利に使用される。

図１は、従来技術による３つの異なるＬＥＤの光源について、スペクトル分布を示したグラフである。 図２は、２セットの光源と光混合装置として動作する導波管とを備えた本発明の第１の実施形態の照明システムを示している。 図３は、２セットの光源と光混合装置として動作する色フィルタとを備えた本発明の第２の実施形態による照明システムを示している。 図４は、図３の２セットのＬＥＤの光源について、スペクトル分布の例を示したグラフである。 図５は、ＣＩＥの色空間色度図であって、図４の２セットのＬＥＤの光源の色点を示している。

Claims (11)

1. 照明システムであって、
   異なるピーク波長を有する少なくとも２つの異なる色の光源の第１のセットであって、第１のスペクトル分布を有している第１のセットと、該第１のセットの光源から放射された光の方向に配置され、前記第１のセットの光源によって放射された光だけを混合し第１のカラーガマットを有する光を放射するように構成されている第１の光混合装置とを備えた第１のサブシステムと、
   異なるピーク波長を有する少なくとも２つの異なる色の光源の第２のセットであって、第２のスペクトル分布を有している第２のセットと、該第２のセットの光源から放射された光の方向に配置され、前記第２のセットの光源によって放射された光だけを混合し第２のカラーガマットを有する光を放射するように構成されている第２の光混合装置とを備えた第２のサブシステムと、を備え、
   前記各サブシステムのカラーガマットが少なくとも部分的に重なり、
   前記光源は、前記第１の及び前記第２のスペクトル分布が互いに相補的になるように選択され、前記照明システムから放射された光の演色評価数（ＣＲＩ）が、前記サブシステムのそれぞれから放射された光のＣＲＩより大きく、
   前記光混合装置が、本質的に均一な空間的及び角度的な色分布を得られるように光を混合する、
   ことを特徴とする照明システム。
2. 前記第２のセットにおける前記少なくとも２つの光源は、前記第２のスペクトル分布が、前記第１のスペクトル分布の少なくとも１つの極小を補償するように選択されている、
   請求項１に記載の照明システム。
3. 前記照明システムは、可変色の照明システムである、
   請求項１または２に記載の照明システム。
4. 前記第１の及び前記第２のスペクトル分布を備えている、前記照明システムのスペクトル分布は、可視スペクトルの少なくとも５０％について、０．５を越える相対的強度を有している、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明システム。
5. 前記照明システムにおける前記スペクトル分布は、可視スペクトルの少なくとも７０％について、０．５を越える相対的強度を有している、
   請求項１ないし４の何れか１項に記載の照明システム。
6. 前記光混合装置は、反射色フィルタを備えている、
   請求項５に記載の照明システム。
7. 前記光混合装置は、少なくとも１つの導波管を備えている、
   請求項５に記載の照明システム。
8. それぞれの前記光源の強度を調整するための手段をさらに備えている、
   請求項１ないし７の何れか１項に記載の照明システム。
9. 前記光源は、狭帯域光源であって、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＰＬＥＤ、無機ＬＥＤ、レーザ、ＣＣＦＬ、ＨＣＦＬ、及び、プラズマランプからなるグループから選択されている、
   請求項１ないし８の何れか１項に記載の照明システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明システムを備えている、
    ことを特徴とするバックライトシステム。
11. 表示装置と、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の照明システムとを備えている、
    ことを特徴とする表示装置。

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