開發(fā)了利用LED向所有方向放射光的新標(biāo)準(zhǔn)光源

- -挑戰(zhàn)具有100年歷史的標(biāo)準(zhǔn)燈泡-

重點(diǎn)

開發(fā)了作為評(píng)價(jià)照明亮度基準(zhǔn)的全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED的試制產(chǎn)品 光強(qiáng)度穩(wěn)定性與以往的標(biāo)準(zhǔn)燈泡匹敵，在整個(gè)可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)向所有方向均勻地放射光 照明產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展及其對(duì)更高精度照明光源評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)

概要

國(guó)立研究開發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所【理事長(zhǎng)石村和彥】(以下稱為“產(chǎn)綜研”)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)綜合中心物理測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)研究部門【研究部門長(zhǎng)島田洋藏】中澤由莉研究員、神門賢二主任研究員與日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社【代表董事社長(zhǎng)小川裕義】(以下稱為“日亞化學(xué)工業(yè)”)共同開發(fā)了使用向所有方向發(fā)射可見光波長(zhǎng)范圍光的LED的新型標(biāo)準(zhǔn)光源——全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED的試制產(chǎn)品。作為照明光源亮度指標(biāo)的全光束是通過與基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源的比較測(cè)量來決定的。 迄今為止，光向所有方向擴(kuò)展的照明光源的全光束測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)光源，主要利用標(biāo)準(zhǔn)燈泡，在近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，為照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。 標(biāo)準(zhǔn)燈泡與一般的燈泡不同，通過使用特別選定的部件等，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性等各種特性。 但是，隨著對(duì)LED照明的迅速置換，白熾燈生產(chǎn)縮小停止的影響也波及到了標(biāo)準(zhǔn)燈泡。 為了支持未來照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全世界都要求開發(fā)與LED全盛的現(xiàn)代相符的使用LED的標(biāo)準(zhǔn)光源。 這也是對(duì)近一個(gè)世紀(jì)前到現(xiàn)代支撐照明產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)燈泡的挑戰(zhàn)。 此次開發(fā)的樣品實(shí)現(xiàn)了與以往標(biāo)準(zhǔn)燈泡匹敵的光強(qiáng)度穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，具有復(fù)蓋整個(gè)可見光波長(zhǎng)的頻譜。 并且通過組合使光在所有方向均勻擴(kuò)散的特殊光學(xué)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了作為全光束測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)光源的理想配光特性。 通過這次成果的實(shí)用化，期待著對(duì)照明產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)和制造商等對(duì)照明光源評(píng)價(jià)的高精度化。 另外，該技術(shù)的詳細(xì)情況將在2021年9月21日~22日召開的2021年度(第54屆)照明學(xué)會(huì)全國(guó)大會(huì)(在線)上發(fā)表。

開發(fā)的全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED的試制

開發(fā)的社會(huì)背景

照明是人類過文化、安全、健康的生活所不可缺少的。 在照明光源中，“亮度”是最重要的性能，使用“全光束”作為其指標(biāo)。 通過與全光束值已知的標(biāo)準(zhǔn)光源的比較，來測(cè)定照明光源的全光束值。 為了以制造商所需的精度正確求出照明光源的全光束值，需要使用與各產(chǎn)品的特性(配光、光源的大小、全光束值)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光源。 在廣泛普及的向所有方向放射光的照明光源的測(cè)量中，主要使用白熾燈泡形的標(biāo)準(zhǔn)燈泡。 該標(biāo)準(zhǔn)燈泡具有適合向所有方向放射光的形狀的燈絲和玻璃燈泡等，由擁有高超技術(shù)的熟練工人使用特別選定的部件逐一手工制作，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的光強(qiáng)度穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。 我國(guó)制造到近年的全光束測(cè)量用標(biāo)準(zhǔn)燈泡，是半個(gè)多世紀(jì)前在舊通商產(chǎn)業(yè)省電試驗(yàn)所(現(xiàn)在的產(chǎn)綜研)和燈泡制造商的協(xié)助下，凝聚了當(dāng)時(shí)技術(shù)的精髓而開發(fā)出來的。 這個(gè)高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)燈泡，成為制造商的質(zhì)量管理和新開發(fā)的光源特性評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)等，直到現(xiàn)在，支撐著照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 但隨著近年來LED照明的普及，白熾燈生產(chǎn)縮小停止的影響也波及到了標(biāo)準(zhǔn)燈泡。 取代標(biāo)準(zhǔn)燈泡，強(qiáng)烈要求支撐未來照明產(chǎn)業(yè)的新的標(biāo)準(zhǔn)光源。 因此，以各國(guó)的國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)為中心，使用LED代替標(biāo)準(zhǔn)燈泡的新標(biāo)準(zhǔn)光源的研究開發(fā)正在活躍進(jìn)行。 代替以往標(biāo)準(zhǔn)燈泡的光源，要求光強(qiáng)度的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性優(yōu)異、具有復(fù)蓋整個(gè)可見光波長(zhǎng)的光譜、具有向所有方向發(fā)射光的配光。 但是，要在高水平上滿足所有這些條件并不容易，能夠充分代替現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)燈泡作用的光源還沒有被開發(fā)出來。

研究的經(jīng)過

作為國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，產(chǎn)總研進(jìn)行了以全光束標(biāo)準(zhǔn)為首的測(cè)光放射標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和供給，以及高精度配光測(cè)量技術(shù)和分光測(cè)量技術(shù)的研究開發(fā)。 日亞化學(xué)工業(yè)作為世界性的LED開發(fā)制造商，推進(jìn)了質(zhì)量可靠性高的LED的開發(fā)。 產(chǎn)業(yè)綜合研究所和日亞化學(xué)工業(yè)將迄今為止產(chǎn)業(yè)綜合研究所擁有的“對(duì)光譜進(jìn)行定量精密測(cè)量和分析的技術(shù)”和日亞化學(xué)工業(yè)擁有的“高級(jí)LED制造技術(shù)”進(jìn)行了組合，通過共同研究，在世界上首次開發(fā)了涵蓋整個(gè)可見光波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)led ( 2016年2月2日日產(chǎn)綜合研究所) 該標(biāo)準(zhǔn)LED是利用只向前面放射光這一LED元件的特性開發(fā)的，作為用于正確求出全光束值的標(biāo)準(zhǔn)光源，雖然適合具有同樣配光的照明光源，但不適合向包括背面在內(nèi)的所有方向放射光的照明光源。 因此，產(chǎn)綜研和日亞化學(xué)工業(yè)決定以該標(biāo)準(zhǔn)LED共同開發(fā)得到的基礎(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，代替現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)燈泡，開發(fā)向所有方向均勻放射可見光波長(zhǎng)范圍的光的全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED。

研究的內(nèi)容

代替標(biāo)準(zhǔn)燈泡的光源要求光強(qiáng)度高的穩(wěn)定性、復(fù)蓋整個(gè)可見光波長(zhǎng)的光譜、向所有方向放射光的配光。 因此，產(chǎn)綜研和日亞化工以開發(fā)可向整個(gè)可見光范圍內(nèi)發(fā)射光的標(biāo)準(zhǔn)LED所培養(yǎng)的高級(jí)光強(qiáng)度穩(wěn)定技術(shù)和光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，再結(jié)合特殊的光學(xué)系統(tǒng)，成功開發(fā)了向所有方向均勻發(fā)射可見光范圍內(nèi)光的全向型標(biāo)準(zhǔn)LED的試制產(chǎn)品。 此次開發(fā)的全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED設(shè)想用于市售燈泡形LED燈的全光束測(cè)量，設(shè)計(jì)為與燈泡形LED燈同等大小。 為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光源所需的光強(qiáng)度的穩(wěn)定性，全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED內(nèi)部安裝了用于使發(fā)光部的溫度保持一定的溫度控制機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)，成功地將點(diǎn)亮后的光強(qiáng)度的變動(dòng)抑制為較小( 8小時(shí)點(diǎn)亮為0.01 % )。 而且，多次重復(fù)點(diǎn)亮?xí)r的光強(qiáng)度的變動(dòng)在0.02 %以下，這些特性是與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)燈泡匹敵的特性。 另外，相對(duì)于周圍溫度變化( 23 oC ± 5 oC )的光強(qiáng)度變動(dòng)被抑制在0.02 %/ oC。 圖1顯示的是全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED的光譜。 通過LED元件和熒光體的組合優(yōu)化，與一般的LED照明光譜相比足夠?qū)?，?fù)蓋了可見光的幾乎所有波長(zhǎng)范圍。

如上所述，為了復(fù)蓋寬的可見光波長(zhǎng)范圍，同時(shí)穩(wěn)定光強(qiáng)度，得到充分的光量，多個(gè)LED元件和熒光體的最佳組合和充分的散熱特性是不可缺少的，但為了作為全光束測(cè)定用的標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)揮作用，不犧牲它們，需要更高級(jí)的配光設(shè)計(jì)。 在全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED中，通過在擴(kuò)散圓頂內(nèi)也組裝將光導(dǎo)向后方的帽型光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了除燈頭方向外，向包括背面方向在內(nèi)的全方位均勻放射光的配光(圖2 )。 雖然現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)燈泡的配光存在依賴于燈絲形狀的細(xì)小凹凸，但全方向型標(biāo)準(zhǔn)LED的配光比其更平滑更廣，充分滿足了作為標(biāo)準(zhǔn)光源的特性。