JP2010527680A - 照明システム - Google Patents

Abstract

光により誘起される生物学的効果を創出する照明システム。この生物学的効果は、視覚的効果とは異なる。この照明システムは、変化するスペクトルを有する光を発生させる光源１と、光源１を駆動するドライバ２とを含む。ドライバ２は、時間的に順番に、（ｉ）第１の期間Ｔ１に亘って第１のスペクトルＳ１を発生させ、（ｉｉ）第２の期間Ｔ２に亘って、第１のスペクトルＳ１を、生物学的効果を有する第２のスペクトルＳ２に変化させ、（ｉｉｉ）第３の期間Ｔ３に亘って、第２のスペクトルＳ２を持続するように、光源１を駆動する。第２の期間Ｔ２の持続時間は、５秒から３０分の範囲内より選択される。第１のスペクトルＳ１は、生物学的効果を有さなくてもよいし、第２のスペクトルＳ２よりも小さい範囲で生物学的効果を有していてもよい。

Description

本発明は、照明システム、照明システムを含む民生機器、および光源の駆動方法に関するものである。本発明は、ヒト概日系（ｈｕｍａｎ ｃｉｒｃａｄｉａｎ ｓｙｓｔｅｍ）を調整するのに、有利に利用することができる。

光は、視覚系の刺激を介して、人間の意識に影響を与える。人間の目は、見るための受容体に加えて、メラノプシンという光色素に基づく別の受容体を、網膜内に含んでいる。人間に関していえば、これらの受容体を含む知覚系は、可視スペクトルの青色部分に対してピークの波長感度を有している。これらの受容体に入射する光は、人間およびその他の哺乳類の概日系を調整する。

国際公開ＷＯ０２／２００７９号は、ヒト被験者の警戒度をコントロールする方法、およびその方法に利用する光源を開示している。この方法は、メラトニンサイクルのフェーズに実質的に影響を与えることなく、ある露光時間に亘って、ヒト被験者を適切な光照射に露出する工程を含む。この適切な光照射は、メラトニン抑制照射と光出力との出力割合で指定される。この方法は、１日の中の時間に応じて、メラトニン非抑制照射からメラトニン抑制照射へのシフトを包含し得るものであり、複数のタイムゾーンを横断する移動の際に、体内時計を再同期化する用途に利用可能である。この方法は、３０分の全露光時間であって、露光期間が、ランプが動作停止状態とされる約３０分の（暗転）インターバル期間と交互に訪れるような露光時間に、ヒト被験者が曝された際に、有効に利用することができる。この従来技術は、適切な光照射がメラトニンの抑制に与える影響を開示している。しかしながら、この従来技術において提案されるアプローチは、最適な効果を有してはいない。

本発明の１つの目的は、発せられる光が、視覚的効果以外の改善された生物学的効果を有するような、照明システムを提供することである。

本発明の第１の側面は、変化するスペクトルを有する光を発生させる光源と、その光源を駆動するドライバとを含む、照明システムを提供する。本発明の第２の側面は、請求項１４に規定される民生機器を提供する。本発明の第３の側面は、請求項１５に規定される光源の駆動方法を提供する。有利な実施形態は、従属請求項において規定されている。

変化するスペクトルを有する光を発生させる光源は、既知である。たとえば、国際公開ＷＯ０２／０５２９０２号は、赤色、緑色および青色ＬＥＤのアレイを有するＬＥＤ照明機器を開示している。異なる色のＬＥＤを流れる電流を制御することにより、この照明機器により発せられる光の色を変化させることができる。ＥＰ０８５１４６２号は、異なる色温度を有する光を生成する２つのランプを包含する、ランプアセンブリを開示している。特開平７−２８２７７８号は、駆動パルスのデューティー比を調整することによって、赤色光放射に対する青色光放射の量を変化させることのできる、単一の蛍光灯を開示している。しかしながら、これらに代えて、色を適切に調整できる任意の他のランプまたはランプアセンブリを用いてもよい。

ドライバは、時間的に続けて、以下の３つの状態が下記の順序で生じるように、光源を駆動する。最初に、第１の生物学的効果を有する、または全く生物学的効果を有さない第１のスペクトルが、第１の期間に亘って発生させられる。ここで、以下において生物学的効果とは、光による視覚的効果以外の効果を意味する点に留意されたい。光の非視覚的な生物学的効果の例としては、光同調化を利用したフェーズシフト、警戒性（反応時間、覚醒性、ＥＥＧ活動性）の誘起、眠気や疲労の軽減、エネルギーやパフォーマンスの改善、朝の起床プロセス中におけるコルチゾールの増大、場合によってはこのメラノプシン受容体の刺激からさらなる利益を得るＳＡＤ治療、および／またはメラトニンの抑制が挙げられる。２番目に、第２の期間に亘って、第１のスペクトルが第２のスペクトルに変化させられる。この第２のスペクトルは、第１の生物学的効果よりも大きな、第２の生物学的効果を有する。３番目に、第３の期間に亘って、第２のスペクトルが持続させられる。第２の期間の持続時間は、５秒から３０分の範囲内で選択される。

生物学的効果に対する第２のスペクトルの効率は、先行する第１のスペクトルが、上記の範囲内で選択された期間で徐々に第２のスペクトルへと変化する場合に、最大となることが分かった。移行期間が長すぎると、先行する第１のスペクトルが、第２のスペクトルの生物学的効果に及ぼす影響は、ずっと低くなってしまう。短すぎる移行期間は、不快なものとして体感され、したがって望ましくない。生物学的には、かかる短い移行期間は、機能本位のものであり得る。たとえば、第１の光源（たとえばランプまたはＬＥＤ）によって第１のスペクトルが発生させられ、第２の光源によって第２のスペクトルが発生させられ、輝度を可能な限り一定に保つために、通常どおり、第１の光源のスイッチがオフ状態とされると同時に、第２の光源のスイッチがオン状態とされるような場合には、極めて短い移行期間が生じる。

上記の選択された時間範囲は、哺乳類の自然な棲息環境とのリンクを有するために、とりわけ効果的であるのかもしれない。自然界の夜明けおよび夕暮れにおいては、１から１０分のタイムスケールで、スペクトルの変化が生じる。哺乳類の体内時計は、これらの環境条件下で進化してきた。

本発明は、夜間のみならず日中においても、光の任意の非視覚的な生物学的効果の出現を最大化するために、利用することができる。

ある実施形態では、第１のスペクトルは、生物学的効果を有さないものとされる。たとえば、第１のスペクトルは、青色波長を有さないものとされる。これにより、照明が生物学的効果を有さないような第１の期間を創出することが可能となる。

ある実施形態では、第１のスペクトルは、移行期間とも呼ばれる第２の期間中において、オフ状態には切り換えられない。しかしながら、第２の期間中における第１のスペクトルの強度は、第１の期間中における強度よりも低くされる。

ある実施形態では、移行状態が視認されるのをマスキングするために、移行期間中において、第３のスペクトルが存在してもよい。この第３のスペクトルは、第３の期間中においては、低減されるか不在とされてもよい。

ある実施形態では、第１のスペクトルを有する光が、赤色を有するものとされ、第２のスペクトルを有する光が、青色を有するものとされる。この形態は、光源が比較的単純であるという利点を有する。ある実施形態では、第１のスペクトルは、青色波長を全く有さないものとされ、一方の第２のスペクトルは、青色波長のみを有するものとされる。

ある実施形態では、第１のスペクトルは、６００から７６０ｎｍの範囲内の波長に制限され、第２のスペクトルは、４４０から５２０ｎｍの範囲内の波長に制限される。別の実施形態では、第１のスペクトルは、６８０ｎｍの波長において支配的な成分を有するものとされ、第２のスペクトルは、４８０ｎｍの波長において支配的な成分を有するものとされる。青色光への露出に先行して赤色光への露出が行われると、青色光に対する生物学的効果の敏感さが向上させられることが分かった。波長がそれぞれ６８０ｎｍおよび４８０ｎｍであるときに、敏感さの上昇度合いは特に高くなる。

ある実施形態では、第１のスペクトルは、第１の色温度を有する白色光とされ、第２のスペクトルは、第１の色温度よりも高い第２の色温度を有する白色光とされる。色温度の異なる白色光を用いることにより、色の忠実度は最適化され、かつ第１のスペクトルから第２のスペクトルへの移行はほとんど認識不能なものとなる。

ある実施形態では、ドライバは、上記の第１の期間、第２の期間および第３の期間のシーケンスを、予め決められた回数だけ繰り返すものとされる。第１のスペクトル、１０秒から３０分の特定の持続時間を有する移行処理、および第２のスペクトルの、全シーケンスを繰り返すことにより、生物学的効果は最大化されるようであった。

ある実施形態では、ドライバは、第１のスペクトル、１０秒から３０分の特定の持続時間を有する移行処理、および第２のスペクトルの全シーケンスの後、第１のスペクトルと第２のスペクトルとのシーケンスのみを繰り返すものとされる。最初のシーケンス中の特定の移行期間は、その最初のシーケンスにおけるような特定の移行期間を有さないさらなるシーケンスの、効率を上昇させるようである。

ある実施形態では、ドライバは、移行処理中において、第１のスペクトルの強度を徐々に減少させ、かつ第２のスペクトルの強度を徐々に増加させるものとされる。それぞれの強度に関しこの徐々に行われる増加および減少は、移行動作の視認性を低減させる。

ある実施形態では、移行動作の認識可能性をさらに低減させるために、ドライバは、移行期間中に亘って、第１のスペクトルと第２のスペクトルとの合成スペクトルの合計の輝度または合計の明度を、一定に保つものとされる。

本発明の上記およびその他の側面は、以下で説明する実施形態を参照することにより、明らかとなる。

照明システムの概略ブロック図 ２つのスペクトルに関し、本発明の１つの実施形態に従う時間的な繋がりを示した概略図 ディスプレイ装置を示した概略図

異なる図において同一の参照番号を有する項目は、同一の構造的特徴および同一の機能を有するか、同一の信号である点に留意されたい。かかる項目の機能および／または構造が説明済みである場合には、発明の詳細な説明中において、繰返し説明する必要はない。

図１は、照明システムの概略ブロック図を示している。この照明システムは、光源１と、可変スペクトルを有する光を発するように光源１を駆動するドライバ２とを含んでいる。ドライバ２は、入力電圧を受け取り、電流および／または電圧ＤＳを光源１に供給する。ドライバ２は、第１のスペクトルＳ１を有する光、第１のスペクトルＳ１から第２のスペクトルＳ２に変化する光、および第２のスペクトルＳ２を有する光を、時間的に連続して発するように、光源１を制御する。第２のスペクトルＳ２は、第１の生物学的効果よりも大きな生物学的効果を有している。第１のスペクトルから第２のスペクトルへの移行動作の持続時間は、１０秒から３０分の範囲より選択される。このことは、図２に関連して、より詳細に説明される。

通常、ドライバ２は、ＡＣコンセント電圧Ｖｍを受け取り、光源１を流れる電流または光源１にかかる電圧を制御するための電子回路を有している。光源１が異なる複数のランプまたはＬＥＤを有する場合には、それらのランプもしくはＬＥＤを流れる電流の比、またはそれらのランプもしくはＬＥＤにかかる電圧の比を変化させることにより、周知の方法で、合成光のスペクトルを容易に変化させることができる。通常、ＬＥＤは電流駆動される。あるいは、たとえば、単一のランプを流れる電流、または単一のランプにかかる電圧の、周波数またはデューティサイクルを変化させることにより、その単一のランプのスペクトルを変化させる回路も、よく知られている。

ドライバ２は、上記で述べた異なる複数のフェーズについて、開始時刻の生成および／または持続時間の設定を行うための、タイマを含んでいてもよい。ドライバは、複数フェーズのサイクルが開始されるべきであることを示すコマンドを受け取るための、入力部を含む。このコマンドは、ユーザコマンドであってもよい。

図２は、２つのスペクトルに関し、本発明の１つの実施形態に従う時間的な繋がりを、概略的に示している。このグラフでは、横軸は時間ｔを示し、縦軸は光源１により発せられる光の強度を示している。時刻ｔ１において、ドライバ２は、第１のスペクトルＳ１を有する光を発し始めるよう、光源１を制御する。図示の実施形態では、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、強度がゼロから最大レベルへと徐々に増加する。第１のスペクトルＳ１は、時刻ｔ３まで最大強度で発生させられ、その後、時刻ｔ５におけるゼロ値まで徐々に減少する。光源１は、時刻ｔ３におけるゼロ強度値より、第２のスペクトルＳ２を発し始める。第２のスペクトルＳ２の強度は、時刻ｔ５において最大値に達するまで、徐々に増加する。第２のスペクトルＳ２の強度は、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間において最大値に維持され、その後、時刻ｔ６から時刻ｔ７までの期間において徐々にゼロ値まで減少する。第２のスペクトルＳ２は、第１のスペクトルＳ１よりも大きな生物学的効果を有する。第１のスペクトルＳ１は、生物学的効果を全く有さないものであってもよい。

時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間Ｔ１中においては、第１のスペクトルＳ１のみが発せられる。時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間Ｔ３中においては、第２のスペクトルＳ２のみが発せられる。移行期間Ｔ２中においては、第１のスペクトルＳ１が、徐々に第２のスペクトルＳ２へと変わる。この移行期間Ｔ２は、最短で１０秒、最長で３０分持続するように選択される。時刻ｔ１からｔ２まで続く開始期間、および時刻ｔ６からｔ７まで続くスイッチオフ期間も、１０秒から３０分の範囲から選択される持続時間を有していてもよい。第１のスペクトルＳ１および第２のスペクトルＳ２の露出持続時間は、分の単位で選択されてもよい。

多くの変更実施形態が可能である。たとえば、光源１は、時刻ｔ１において最大強度でスイッチオンされてもよいし、かつ／または、光源１は、時刻ｔ７まで最大強度で持続し、即座にスイッチオフされてもよい。たとえば同一の輝度ではなく同一の明度を得るために、第１のスペクトルＳ１および第２のスペクトルＳ２の最大強度は、異なる強度とされてもよい。線形変化する強度が示されているが、他の漸進的または階段状の強度変化が実装されてもよい。たとえば、移行期間中において変化する強度は、正弦波またはガウシアン形状とされてもよい。時刻ｔ４において、第１および第２のスペクトルの合計強度は、最大値よりも低くてもよい。

スペクトルＳ１およびＳ２のシーケンスは、予め決められた回数だけ反復されてもよい。かかる反復シーケンスにおいて、さらなるシーケンスは、期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に対応する３つのフェーズすべてを含んでいてもよいし、期間Ｔ１およびＴ３に対応する２つのフェーズのみを含んでいてもよい（すなわち移行期間Ｔ２がなくてもよい）し、それらの任意の組合せであってもよい。本発明において、反復されるスペクトルがスペクトルＳ１およびＳ２と同一であることは、必須ではない。たとえば、第１の露出が、非常に低い生物学的効果を有するウォームホワイト（赤色寄りの白）の光からなるものとされ、第２の露出が、高い生物学的効果を有するクールホワイト（青色寄りの白）の光からなるものとされてもよい。この第１および第２の露出同士の間の移行期間の持続時間は、１０秒から３０分の範囲より選択される。３つのフェーズを含むこの完全なサブシーケンスが、何回か反復されてもよい。あるいは、１０秒よりも短い中間移行フェーズを伴って、第１および第２の露出のみが反復される形態も可能である。あるいは、反復シーケンスは、中間の色温度（たとえば４０００から５０００Ｋの範囲内）を有する光からなるものであってもよい第３の露出と、第２の露出の間に発せられる光と同一の光からなる第４の露出とを、含んでいてもよい。

最後に、１つの実施形態では、本発明は、第１のスペクトルを有する特別な第１の光露出を用いて、その第１のスペクトルよりも高い非視覚的効果を有する第２のスペクトルによる、後続の第２の光露出の非視覚的効果を最大限に引き出す。たとえば、第１のスペクトルは赤色成分の多い光とされ、第２のスペクトルは青色成分の多い光とされる。さらに、第１のスペクトルが第２のスペクトルに変化させられる移行期間は、１０秒から３０分の範囲より選択された持続時間を有する。移行期間のかかる持続時間は、照射を受ける哺乳類に対する、非視覚的な生物学的効果を最大化する。この非視覚的な生物学的効果は、たとえば、覚醒／睡眠リズムのフェーズシフト、警戒性の誘起、眠気または疲労の軽減、エネルギーおよびパフォーマンスの改善であってもよい。１つの実施形態では、この移行処理は、観察者による視認性が最小限となるように実行される。

第１のスペクトルは、長波長範囲内において優勢にエネルギーを含む光からなるスペクトルとされてもよく、たとえば色温度２７００Ｋから４０００Ｋの範囲内のウォームホワイト光からなるスペクトルとされてもよい。第２のスペクトルは、短波長範囲内において優勢にエネルギーを含む光からなるスペクトルとされてもよく、たとえば色温度５０００Ｋから１７０００Ｋの範囲内のクールホワイト光からなるスペクトルとされてもよい。

図３は、ディスプレイ装置を概略的に示している。ディスプレイ装置３は、バックライトユニットＢＬ、ピクセル化されたディスプレイデバイスＤＤ、およびコントローラＣＯを含んでいる。コントローラＣＯは、画像を表わす入力信号ＩＳを受け取り、ディスプレイデバイスＤＤにデータおよび制御信号ＤＡを、バックライトユニットＢＬに制御信号ＣＢを供給する。画像は、自然のシーン（写真、ビデオ）であってもよいし、コンピュータにより作られたものであってもよい。制御信号ＣＢは、バックライトユニットＢＬ内の（１つまたは複数の）光源１のスペクトルを制御する。コントローラＣＯは、異なるスペクトルＳ１およびＳ２のシーケンスの、異なる複数のフェーズのタイミングを制御する、タイマを含んでいてもよい。バックライトユニットＢＬは、ディスプレイデバイスＤＤを照射する光Ｌを得るため（１つまたは複数の）光源１に電流／電圧を供給する、ドライバ２（図１参照）を含んでいてもよい。たとえば、ディスプレイデバイスＤＤは、ＬＣＤまたはＤＭＤとされる。たとえば、バックライトユニットは、（１つもしくは複数の）蛍光管および／またはＬＥＤを含むものであってもよい。

本発明は、たとえば以下のような、いくつかのアプリケーションに実装され得る。
− オフィス照明：たとえば早朝の活動性を改善し、昼食後の疲労を軽減する照明、
− 病院照明：たとえば夜間起床時における医療スタッフの眠気による不活性を軽減する照明、
− ケアホーム照明：たとえば老人の日中の居眠りを減らし、夜間の睡眠の持続時間および睡眠の質を改善する照明、
− コントロールルーム：たとえば２４時間稼働および夜間シフト労働中において、持続的な警戒態勢を得るためのアプリケーション、および
− 車載照明：たとえば運転者の警戒度を改善するために、車内の露光を、低強度の赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤとで交互に行う照明。

上記の実施形態は、本発明を限定するものではなく説明するためものであり、当業者においては、特許請求の範囲による本発明の技術的範囲から逸脱することなく、多くの変更実施形態を設計できるであろう点に留意されたい。

たとえば、光源は、全スペクトル光発光装置と、異なる複数のスペクトルを生成するための（切換可能な）フィルタとを含むものであってもよい。かかるフィルタは、（ダイクロイック）色素を含むまたはエレクトロウェッティングに基づく、エレクトロクロム、電気泳動、液晶セルを含んだものであってもよい。

本発明は、既存のダイナミック照明システムと組み合わせられてもよい。たとえば、対象者の警戒度をさらに改善するために、朝にはサブシーケンスのシーケンスが追加されてもよい。このシーケンスの最初のサブシーケンスは３つのフェーズを有するが、後続のサブシーケンスは３つまたは２つのフェーズを有する。かかる既存のダイナミック照明システムは、一日に亘って、光源の色温度および強度を変化させる。しかしながら、これら従来技術の照明システムは、３つのフェーズのシーケンスを提供することはなく、発せられる光の色温度を、１時間以上の移行期間に亘って非常にゆっくりと変化させる。

請求項中において、括弧内に配された参照符号は、その請求項を限定するものと捉えられるべきではない。「含む」もしくは「備える」との語またはそれらの活用形の使用は、請求項に記載された以外の要素または工程の存在を排除するものではない。ある要素に先行する「１つの」という冠詞は、かかる要素が複数存在することを排除するものではない。本発明は、いくつかの別個の要素を含むハードウェアによって実装されてもよいし、適切にプログラミングされたコンピュータによって実装されてもよい。いくつかの手段を列挙した装置の請求項においては、かかる手段のいくつかが、１つの同一のハードウェア項目によって実装されてもよい。特定の施策が単に互いに異なる従属請求項に記載されているという事実は、それらの施策の組合せは、有利に用いることができない旨を示すものではない。

Claims (15)

1. 光により誘起される視覚的効果とは異なる生物学的効果を創出する照明システムであって、
   変化するスペクトルを有する光を発生させる少なくとも１つの光源と、
   当該照明システムを駆動する少なくとも１つのドライバとを含み、
   前記少なくとも１つのドライバが、時間的に順番に、
   − 第１の期間に亘って第１のスペクトルを発生させ、
   − 第２の期間に亘って、前記第１のスペクトルを、前記生物学的効果を有する第２のスペクトルに変化させ、
   − 第３の期間に亘って、前記第２のスペクトルを持続する
   ように、当該照明システムを駆動するものであり、
   前記第２の期間の持続時間が、５秒から３０分の範囲内より選択されることを特徴とする照明システム。
2. 前記第１のスペクトルが、前記第２のスペクトルの前記生物学的効果よりも小さな、さらなる生物学的効果を有することを特徴とする請求項１記載の照明システム。
3. 前記第１のスペクトルが、生物学的効果を有さないことを特徴とする請求項１記載の照明システム。
4. 前記第２のスペクトルが、前記第１の期間中における前記第１のスペクトルの強度よりも弱い強度で、前記第１のスペクトルを包含することを特徴とする請求項１記載の照明システム。
5. 前記第２の期間の少なくとも一部に亘って、前記第１のスペクトルから前記第２のスペクトルへの移行をマスキングするために選択された、第３のスペクトルをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の照明システム。
6. 前記第１のスペクトルを有する光が赤色を有し、前記第２のスペクトルを有する光が青色を有することを特徴とする請求項１記載の照明システム。
7. 前記第１のスペクトルが、６００から７６０ｎｍの範囲内の波長に制限されており、前記第２のスペクトルが、４４０から５２０ｎｍの範囲内の波長に制限されていることを特徴とする請求項６記載の照明システム。
8. 前記第１のスペクトルが、６８０ｎｍの波長において支配的な成分を有し、前記第２のスペクトルが、４８０ｎｍの波長において支配的な成分を有することを特徴とする請求項１または７記載の照明システム。
9. 前記第１のスペクトルが、第１の色温度を有する白色光であり、前記第２のスペクトルが、前記第１の色温度よりも高い第２の色温度を有する白色光であることを特徴とする請求項６記載の照明システム。
10. 前記ドライバが、前記第１の期間、前記第２の期間および前記第３の期間のシーケンスを、予め決められた回数だけさらに繰り返すように構成されていることを特徴とする請求項１記載の照明システム。
11. 前記ドライバが、前記第１の期間および前記第３の期間のシーケンスを、さらに繰り返すように構成されていることを特徴とする請求項１記載の照明システム。
12. 前記ドライバが、前記第１のスペクトルの強度を徐々に減少させ、かつ前記第２のスペクトルの強度を徐々に増加させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の照明システム。
13. 前記ドライバが、前記第２の期間に亘って、前記第１のスペクトルと前記第２のスペクトルとの合計の輝度または合計の明度を、一定に保つように構成されていることを特徴とする請求項１２記載の照明システム。
14. 請求項１記載の照明システムを含むことを特徴とする民生機器。
15. 光源の駆動方法であって、時間的に順番に、
    − 第１の期間に亘って第１のスペクトルを発生させる工程と、
    − 第２の期間に亘って、前記第１のスペクトルを第２のスペクトルに変化させる工程であって、該第２のスペクトルは、前記光源が発生させる光により誘起される、視覚的効果とは異なる生物学的効果を有するスペクトルである工程と、
    − 第３の期間に亘って、前記第２のスペクトルを持続する工程とを含み、
    前記第２の期間の持続時間が、５秒から３０分の範囲内より選択されることを特徴とする方法。

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