JPH1139917A

JPH1139917A - 高演色性光源

Info

Publication number: JPH1139917A
Application number: JP19544097A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Watanabe; 智渡辺; Bataworth Mark; マーク・バタワース
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】波長変換により光源の演色性を向上せしめる。【解決手段】複数の発光素子からの光を加法混色して照
明光を生成する光源である。少なくとも一つの発光素子
からの光を入力して出力光を発生する有機色素を含む波
長変換部材を備え、該出力光と照明光とを加法混色して
生成した合成照明光の演色性が照明光の演色性より向上
するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は光源、特に波長変換を利用
して演色性を向上した光源に関する。

【０００２】

【発明の背景】近年、多くの照明光源がも用いられてお
り、その特性の改良が継続しておこなわれている。照明
光源の特性としては色温度、光束、効率などの他に、重
要な特性の一つとして、演色性がある。自然光を代替す
るためには自然光に対する演色性の良いものが望まれ
る。演色性の定量的評価方法としては、ＣＩＥが１９６
５年に定めて１９７４年に一部改訂した評価方法（以
下、「ＣＩＥ第２版の評価方法」という）がある。日本
では、ＪＩＳＺ８７２６にＣＩＥ第２版の評価方法が
採用されている。これらの評価方法で規定された平均演
色評価数（Ｒａ）により演色性を評価するのが一般的で
あり、本明細書でもＲａを用いて説明することとする。

【０００３】平均演色評価数Ｒａは１００に近いほど演
色性に優れていることを示す。白熱電球の演色評価数は
１００である。光源の演色性に対する要求は光源を使用
する場所によって異なるが、通常の屋内環境においては
Raが６０以上であることが要求される。また、演色性の
高い光源は同じ照度であっても演色性の低いランプより
大きな明るさ感が得られるので好ましい。

【０００４】従来より、光源の演色性を改善するため、
多くの工夫がなされてきた。例えば、蛍光ランプでは低
圧水銀放電で発生する253.7nmの強い線スペクトルのエ
ネルギを蛍光膜で受けて可視光に変換して色補正し演色
性を改善している。そこで、蛍光膜に使用する蛍光体や
蛍光膜の構造を適切に選んで演色性を改善できる。特開
平５ー８６３６４号（畠山他）に開示され技術では、全
光束を高く保持しつつ複数の蛍光体を用いて演色評価数
を８０以上にも高めている。

【０００５】蛍光高圧水銀ランプ（例えば特開平４ー２
３４４８２号（岩間））やメタルハライドランプ（例え
ば特開平６ー７６７９８号（等々力他））においても、
蛍光体の開発により、蛍光体の吸収や発光により演色性
の改善が図られている。

【０００６】また、特開平６ー２４３８４１号には、高
圧ナトリウムランプと高圧水銀ランプを蛍光体を塗布し
た外管内に共に収容して演色性の高い混光照明を得る技
術が開示されている。上記の例では、何れも希土類元素
を含む無機蛍光体が管面に塗布される構成である。

【０００７】ところで、照明光源として半導体発光ダイ
オード（以下ＬＥＤと称する）を使用すれば、照明光源
の寿命を格段に向上できる可能性がある。また、多数の
ＬＥＤを用いて曲面光源や立体光源を構成することがで
きる。そのため、近年開発市販されている高輝度青、緑
色ＬＥＤと従来からある高輝度赤色LEDとを共に用い
て、フルカラーＬＥＤディスプレイやＬＥＤ照明装置を
作る試みがなされている。特に赤、緑、青色ＬＥＤによ
り作られる白色光源は、従来の、白熱電球、蛍光ランプ
灯やＨＩＤランプを置き換える近未来の照明光源として
注目されている。白色ＬＥＤ光源においても、演色性を
高めることが必要である。

【０００８】

【発明の解決すべき課題】以上のように、多種の光源が
用いられるなか、波長変換によりそれら光源の演色性を
向上せしめようとすると、光源に適した性質の蛍光体
や、波長変換部材ががもとめられる。そして、そのよう
な波長変換材を従来技術の光源に応用して製造コストの
低減やその他の利益をうることが望まれる。特にＬＥＤ
光源に利用すれば、さらに長寿命照明光源が期待でき
る。したがって本発明の目的は、従来ない構成により廉
価で効率的かつ演色性がすぐれた光源を提供することに
ある。さらに、本発明は、ＬＥＤ等の半導体発光装置の
照明光の演色性を向上させることをも目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明の光源は、相異なる光を発生する複数の発光
素子からの該光を加法混色して照明光を生成する光源で
あって、少なくとも一つの前記発光素子からの光を入力
して出力光を発生する有機色素を含む波長変換部材を備
え、該出力光と前記照明光とを加法混色して生成した合
成照明光の演色性が照明光の演色性より向上するように
している。

【００１０】波長変換部材を有機色素を溶解したエポキ
シ樹脂とすることができ、透明でかつ効率的な波長変換
をおこなうことができる。また有機色素としてはローダ
ミンはじめいくつかの色素を用いることができる。

【００１１】また、本発明は発光素子として発光ダイオ
ード・チップを用い、それらを組み合わせて白色光源を
得る場合に効果的に実施されるが、その他の発光素子に
たいしても適用できることは明らかである。

【００１２】

【発明の実施例】以下に発光素子を発光ダイオード・チ
ップ（以下、ＬＥＤチップと称する）とした白色光源の
実施例について説明する。図１Ａは従来技術による白色
ＬＥＤ光源１の概略平面図であり、図１Ｂはその概略Ａ
−Ａ側断面図である。理解を容易にするため、内部配線
やリード線そしてＬＥＤチップを覆う透明なエポキシ樹
脂等の封止材は省略してある。両図において反射カップ
２上に青発光する青ＬＥＤチップ３、緑発光する緑ＬＥ
Ｄチップ４および赤発光する赤ＬＥＤチップ５が塔載さ
れている。これらＬＥＤチップ３、４、５は、当業者に
周知の常套手段により点灯されて発光する。ＬＥＤチッ
プ３、４、５で発生された光は図１Bにおいて上方へ放
射されて加法混色されて基準光を近似する照明光とな
る。

【００１３】上記白色ＬＥＤ光源１の各ＬＥＤチップに
流す電流を調整して白熱灯の色温度を近似して照明光の
平均演色評価数を測定するとせいぜい４０止まりであっ
た。一般照明用の光源で要求される平均演色評価数６０
に比べかなり低い値である。そこで照明光の相対分光分
布を測定すると図２のグラフに示す測定結果が得られ
た。図２のグラフから明らかなように、この照明光の相
対分光分布は、各ＬＥＤチップからの比較的細いスペク
トルを有し、また緑と赤の間に大きな深い谷を有する。
そして黄色の領域のスペクトルから成るこの谷間が、演
色性を低下させている原因であると推察された。

【００１４】そこで発明者等は、この谷間を埋めること
ができれば平均演色評数を大きくすることが可能である
と考えた。このため、オレンジ色や黄色の発光をするＬ
ＥＤチップを追加する方法が考えられたが、新たな色の
ＬＥＤチップを追加するための地所とコストの問題に加
えて白色光源を作るための各色ＬＥＤの調整が複雑にな
るという欠点のあることがわかった。

【００１５】そこで、波長変換材料を用いた波長変換に
よりこの谷を埋めて演色性を向上させることとした。ま
た、効率が高くかつ吸収、発光波長も適当な蛍光体を用
いれば測光量の変化（一般に効率の低下、全光束の減
少）も少なく好都合であると考えた。ストークスの法則
により、「蛍光を発する放射の波長は、照射された放射
の波長より常にながい」から、緑あるいは青ＬＥＤチッ
プからの光を変換しなければならない。ＬＥＤチップ
３、４、５からの光は、実質的に可視光領域の光のみで
あるから効率よく波長変換することが特に望まれる（紫
外光等の照明光のなかに含めたくない成分を有する場合
は、紫外光を可視光に変換するので比較的測光量の変化
を抑えやすい）。

【００１６】波長変換に用いる材料を調査、実験してみ
ると、無機蛍光体のほかに例えば、有機の色素にもロー
ダミン系の色素を始めとして適当な材料があることが解
った。本発明の実施例の一つでは、色素ローダミン１９
（ドイツ連邦共和国Lambda Physiks製）：安息香酸,2-
[6-(エチルアミノ)-3-(エチルイミノ）-2,7-ジメチル-3
H-キサンテン-9-],パークロレートが選ばれた。エポキ
シ樹脂に分散されたローダミン１９の吸収スペクトルは
図３のとおりであり、発光スペクトルは図４のとおりで
あることが判明した。そこでローダミン１９は図２の緑
のピークを吸収し、黄の谷間を埋めるに好適であろうこ
とが予想された。

【００１７】図１Ｂに対応して図５に断面を示すよう
に、色素ローダミン１９を溶解分散させたエポキシ樹脂
６によりＬＥＤチップを被覆したＬＥＤ光源１０が得ら
れた。ＬＥＤ光源１０は、エポキシ樹脂６による被覆を
除けば、図１A、図１Ｂに示すＬＥＤ光源１と同じであ
る。但し、ＬＥＤ光源１０でエポキシ樹脂６のほかにさ
らに透明樹脂等を追加被覆してもよいし、しなくともよ
い。通常、ローダミン１９をはじめとして蛍光体は粉末
であるためＬＥＤ全体を樹脂で固定する際のエポキシ樹
脂と混ぜて、波長変換部材を構成する。また、ＬＥＤチ
ップから発生した光と、蛍光体により変換された光を前
方に反射するように、波長変換部材はＬＥＤチップを収
納する反射カップ２内におかれる。波長変換部材は、３
つのＬＥＤチップを覆う必要はなく、蛍光体を励起（吸
収）するＬＥＤチップのみを覆うように充填することも
できる。

【００１８】図６は図５に断面を示す本発明による白色
ＬＥＤの放射光の相対分光分布を示す。蛍光体としてロ
ーダミン１９を用いたときの平均演色評価数は約７６で
あっり、従来の白色ＬＥＤの平均演色評価数４０に比べ
大きく改善された。また、図１に示す従来の白色ＬＥＤ
の効率に比べ、本発明の効率（ｌｍ／Ｗ）は約１０％以
下の低下にとどまり、効率をそれほど犠牲にすることな
く、演色性を大きく改善できることがわかった。

【００１９】本発明におけると同様の効果をうるための
蛍光体は下記蛍光体に限るものではないが、実施例で示
したローダミン１９以外にも、以下に示すような有機、
無機系の蛍光体も実用的に使用しうる。（有機色素）：いずれもLambda Physiks製・ローダミン１１０：o-(6-アミノ-3-イミノ-3H-キサン
テン-9-イル)-安息香酸、吸収波長の中心は５１０nm,
発光中心波長は５７０ｎｍ（エポキシ樹脂に分散したば
あい）・ＤＣＭ：4-ジシアンメチレン-2-メチル-6-(p-ジメチ
ルアミノスチリル)-4H-ピラン、吸収中心波長は４７２
ｎｍ、発光中心波長は６５０ｎｍ（エポキシ樹脂に分散
したばあい）・ＤＣＭspecial（Lambda Physiks製）（無機蛍光体）・Ce：YAG、ＹＡＧの組成による特性の変化があるが、
吸収中心波長は４５０nm, 発光中心波長は５８０ｎｍ。有機色素材料はエポキシ樹脂等の樹脂に溶解分散させや
すく、分散した粒子が小さく透明度が高くとれるので、
通過光の不要な散乱等を少なくすることができるので有
利である。また、吸収、発光の波長の選択の幅が広く、
設計の自由度が大きい。

【００２０】本発明を実施したＬＥＤ光源の製造は、ま
ず従来と同様に反射カップ内２にＬＥＤチップ３、４、
５を配置し配線した後、波長変換部材であるローダミン
１９を分散したエポキシ樹脂６を適量反射カップに導入
しＬＥＤチップを覆うようにする。まず、この時点で１
００―１５０℃に温度を上げ２時間ほどで波長変換材料
を硬化させる。その後、ＬＥＤ光源全体を従来と同様な
透明な樹脂で硬化させる。できあがった白色ＬＥＤ光源
に通電し平均演色評価数を測定し評価する。波長変換部
材の光学的特性（演色性を含む）を所望のものとするた
め、波長変換部材の幾何学的形状も一定とするよう常套
手段を用いる。蛍光体のエポキシ樹脂に対する濃度の最
適値は、用いる蛍光体によっても異なるが、所望の色温
度、演色性かつ、効率の低下を最小限に押さえるように
濃度を実験的に特定することができる。

【００２１】まず、選択されたＬＥＤチップにより所定
の発光パターンと放熱条件を満たすＬＥＤ光源を設計す
る。有機色素を分散したエポキシ樹脂で封止した後各Ｌ
ＥＤチップの動作電流を調整して合成照明光が所定のｘ
ーｙ色度座標をとるようにする。演色評価数と全光束を
測定する。有機色素の濃度を変えて上記測定を繰り返し
濃度に対する演色評価数と全光束のグラフが得られる。
該グラフから演色性を最高にする濃度がえられる。演色
性と全光束が所望の条件を満足し、それを実現する濃度
が二つある場合は、低い濃度が選ばれる。

【００２２】また、上記の実施例では赤、緑および青色
の３色のＬＥＤを用いたが、赤と青緑色、または黄と青
色の２色によっても白色光を作ることができる。このよ
うな２色のＬＥＤによって構成される白色ＬＥＤ光源は
適切な有機色素が経済的に調整使用できることにより容
易に実用化されるものである。勿論ＬＥＤチップが二種
類でありより簡便である。さらに、エポキシ樹脂に限ら
ず、透明であることが好ましいその他の熱硬化性樹脂を
波長変換部材に使用できる。これらの熱硬化性樹脂は耐
熱性があり軽量、廉価である。

【００２３】図７に示す光源２０ように、発光素子２
３、２４、２５の外部に反射カップ（あるいは反射板）
２２の反対側でそれらと距離を隔てて波長変換部材２７
を設置する応用もでき、光源２０のコスト低減と性能の
改善ができる。このような本発明の実施は、ＬＥＤチッ
プ以外の発光素子２３、２４、２５にも適用できること
は明らかである。例えば従来のＨＩＤランプの外管やカ
バーをプラスチックにして、プラスチックに有機色素を
溶解分散させておけば容易に演色性の改良ができよう。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の実施によ
り前記課題の達成がなされる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】従来技術による白色ＬＥＤ光源の概略平面図
である。

【図１Ｂ】図１AのＬＥＤ光源のＡ−Ａ断面図である。

【図２】従来技術による白色ＬＥＤ光源の相対分光分布
を示すグラフである。

【図３】有機色素ローダミン１９の吸収スペクトル分布
を表わすグラフである（横軸波長、縦軸は相対吸収
度）。

【図４】有機色素ローダミン１９の発光スペクトル分布
を表わす相対分光分布のグラフである（横軸波長、縦軸
は相対エネルギー）。

【図５】本発明の一実施例のＬＥＤ光源の図１Bに対応
する断面図である。

【図６】図５に示すＬＥＤ光源の相対分光分布のグラフ
である（横軸波長、縦軸は相対エネルギー）。

【図７】本発明の実施例の光源の図１Bに対応する断面
図である。

【符号の説明】

１、１０、２０白色ＬＥＤ光源２、２２反射カップ３、４、５ＬＥＤチップ６ローダミン１９を分散したエポキシ樹脂２３、２４、２５発光素子２７有機色素を分散した熱硬化性樹脂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相異なる光を発生する複数の発光素子から
の該光を加法混色して照明光を生成する光源であって、
前記照明光中において少なくとも一つの前記発光素子か
らの光を変換するための有機色素を含む波長変換部材を
備え、該変換によって前記照明光の演色性向上するよう
にしたことを特長とする光源。
【請求項２】前記波長変換部材が有機色素を溶解したエ
ポキシ樹脂を含む請求項１に記載の光源。
【請求項３】前記有機色素がローダミン系である請求項
１又は請求項２に記載の光源。
【請求項４】前記発光素子が発光ダイオード・チップで
ある請求項１乃至請求項３に記載の光源。
【請求項５】前記波長変換部材が前記発光素子から離隔
して配置されたことを特長とする請求項１乃至請求項４
に記載の光源。