(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ異なる発光波長の複数のＬＥＤ素子で構成されるＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源の複数のＬＥＤ素子に駆動電流を供給するＬＥＤ駆動部と、
所定の波長スペクトルに対応して前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれの発光強度を決定して、前記ＬＥＤ駆動部の駆動電流を制御するフィードバック制御部と、
前記ＬＥＤ光源による発光照射を受ける被照射面と、
前記被照射面の照度の波長毎の強度を測定する分光放射計と、
前記ＬＥＤ光源を定電流駆動するアナログ出力部と
前記ＬＥＤ光源の実電流値を検知するアナログ入力部を有し、
前記分光放射計により測定される波長毎の強度に基づき、前記フィードバック制御部は前記所定の波長スペクトルに対応する様に前記ＬＥＤ駆動部の駆動電流をフィードバック制御し、更に
前記アナログ入力部の出力により前記ＬＥＤ駆動部は、前記アナログ出力部の定電流駆動をフィードバック制御する、
ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項２】
請求項１において、
複数のＬＥＤ光源は、レーザ素子と蛍光体とで構成され、
前記蛍光体が、前記レーザ素子により励起されて、所定の波長光を発光する
ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項３】
請求項２において、
さらに、前記複数のＬＥＤ光源のそれぞれの出力光を、インテグレーターを通して前記被照射面に照射し、前記被照射面で前記複数のＬＥＤ光源の出力光の波長が合成される、
ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項４】
請求項２または３において、
さらに、前記複数のＬＥＤ光源の出力光を、共通のインテグレーターを通して波長合成し、前記共通のインテグレーターの出力光を前記被照射面に照射する、
ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項５】
請求項１または２において、
特定の発光波長のＬＥＤ光源が得られないとき、隣接する波長のＬＥＤ光源の出力を、空間フィルターを通して、前記特定の発光波長に近似させる、
ことを特徴とするＬＥＤ光源装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ光源装置に関し、特に被照射面において、生活環境ならびに特殊環境における自然／人工照明を、高いスペクトル近似度で、特に低い照度でも高い光量均一度で再現できるＬＥＤ光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池等の２次元受光素子の出力性能を測定するため、またその均一性の検査のために、光源装置が用いられている。
【０００３】
かかる光源装置において、キセノンランプやハロゲンランプの組み合わせが光源として用いられている（特許文献１〜４参照）。これら光源をランプ光源と呼称する。
【０００４】
図１は、かかるキセノンランプやハロゲンランプの組み合わせのランプ光源を用いる従来の光源装置について説明する概念構成図である。
【０００５】
図１において、放物面鏡２の焦点に配置されたランプ光源１より射出した光束は、第１の反射鏡３で反射されてインテグレーター４に入射する。インテグレーター４で均一化された光量の光が、再び出射して、第２の反射鏡５及び光学系６を通して、被照射面７に照射される。
【０００６】
かかる光源装置の利用として、例えば、ソーラーシミュレータとして利用することが可能である。ソーラーシミュレータの場合、太陽光のスペクトルにシミュレートされたランプ光源１の発光が照射される被照射面７を太陽電池の表面として、当該太陽電池の発光効率の測定に用いることが可能である。
【０００７】
上記のようなランプ光源１を用いる光源装置では、特に高い強度の照射が必要な場合は、ランプの寿命が短いという問題があった。また、光学系の損失が大きいため、ランプに投入した電力のうちたかだか数％が光として照射されるにすぎず、省電力化が難しかった。さらに、ランプ光源が不要な赤外線を同時に発生するため、照射面および照射面に置かれた試料を不必要に加熱する問題もあった。
【０００８】
かかるランプ光源１による光源装置の不都合を解消するべく、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とするＬＥＤ光源装置も開発されてきた。かかるＬＥＤ光源装置を用いた太陽電池の評価方法及び装置も提案されている（特許文献５〜８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２５１３８７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７１６８５号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９３２２号公報
【特許文献４】特開２０１１−２２２６５５号公報
【特許文献５】特開２００４−２８１７０６号公報
【特許文献６】特開２０１０−２８７６４７号公報
【特許文献７】特開２０１１−９２４８号公報
【特許文献８】特許第４９４４２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献５〜８に示される技術は、専ら太陽電池の特性評価を目的とする評価方法及び評価装置であって、特定の少数の波長、例えば、特許文献５にあっては、赤外、赤、青の３つの波長帯と、白の広波長帯のＬＥＤを用い、特許文献６、７にあっては、赤外、紫外、赤、青の波長帯のＬＥＤを用いている。
【００１１】
そして、特許文献５に記載の発明では、ＬＥＤ毎に発光させ、対応するＬＥＤの絶対分光感度を取得し、各ＬＥＤの絶対分光感度の値から、計算により太陽電池の絶対分光感度曲線を求めることを開示している。
【００１２】
特許文献６、７に記載の発明は、特許文献５の太陽電池の特性評価方法を前提として、これに用いる太陽電池評価装置における温度によるＬＥＤの発光効率のばらつきを解消するべく水冷式の冷却ユニットを開示している。
【００１３】
しかし、上記特許文献５〜７に示される技術では、ＬＥＤの発光色の輝線スペクトルが離散的であり、より理想的に目的のスペクトルに近似させることは困難を伴う。
【００１４】
加えて、現在、上記した特許文献１〜８に示されるような太陽光のシミュレータ及び太陽電池の特性評価の他、多様な照明用途が考えられている。従来より特定光のシミュレーションに加え、室内光のシミュレート、塗装物・印刷物等の異なる環境での色のチェックや人工的な環境での植物の効率的な栽培育成を狙った特殊照明などが考えられている。
【００１５】
一方、近年、スマートフォン等の携帯機器を室内等の低照度の環境で使用する機会が多くなっている。その際、携帯機器用の補助電源として、太陽電池による充電装置が用いられる。したがって、同様に、かかる充電装置に使用する太陽電池の特性、特に低照度環境下での特性を評価することが必要である。
【００１６】
そのためには、低照度での照明を可能とする光源装置が必要となる。しかし、これまで低照度での太陽光スペクトルを精度良くシミュレートする光源装置は提供されていなかった。
【００１７】
したがって、上記従来の技術状況に鑑みて、本発明の課題は、低照度でも高いスペクトル近似度で、高い光量均一度で太陽光スペクトルの光を出力できるＬＥＤ光源を用いるＬＥＤ光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決する本発明に従うＬＥＤ光源装置は、基本的側面として、それぞれ異なる発光波長の複数のＬＥＤ素子で構成されるＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源の複数のＬＥＤ素子に駆動電流を供給するＬＥＤ駆動部と、所定の波長スペクトルに対応して前記複数のＬＥＤ素子のそれぞれの発光強度を決定して、前記ＬＥＤ駆動部の駆動電流を制御するフィードバック制御部と、前記ＬＥＤ光源による発光照射を受ける被照射面と、前記被照射面の照度の波長毎の強度を測定する分光放射計を有し、前記分光放射計により測定される波長毎の強度に基づき、前記フィードバック制御部は前記所定の波長スペクトルに対応する様に前記ＬＥＤ駆動部の駆動電流を制御し、更に前記ＬＥＤ駆動部は、前記複数のＬＥＤ素子を定電流駆動し、更に前記複数のＬＥＤ素子に流れる電流を検知して前記定電流駆動をフィードバック制御することを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を解決する本発明に従うＬＥＤ光源装置は、前記基本的側面において、さらに、複数のＬＥＤ光源は、レーザ素子と蛍光体とで構成され、前記蛍光体が、前記レーザ素子により励起されて、所定の波長光を発光することを特徴とする。
【００２０】
上記の課題を解決する本発明に従うＬＥＤ光源装置は、前記基本的側面において、さらに、前記複数のＬＥＤ光源のそれぞれの出力光を、インテグレーターを通して前記被照射面に照射し、前記被照射面で前記複数のＬＥＤ光源の出力光の波長が合成されることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記複数のＬＥＤ光源の出力光を、共通のインテグレーターを通して波長合成し、前記共通のインテグレーターの出力光を前記被照射面に照射することを特徴とする。
【００２２】
また、特定の発光波長のＬＥＤ光源が得られないとき、隣接する波長のＬＥＤ光源の出力を、空間フィルターを通して、前記特定の発光波長に近似させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
上記により簡単な装置構成で、最大１ＳＵＮからろうそくの明かり程度である１／１００００ＳＵＮまでの任意の照度で、目標とするスペクトルの光を出力できるＬＥＤ発光装置が提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】キセノンランプやハロゲンランプの組み合わせのランプ光源を用いる従来の光源装置について説明する概念構成図である。
【図２】本発明に従うＬＥＤ光源装置の実施例のブロック図である。
【図３】光源装置における複数の光源によるスペクトル合成を説明する図である。
【図４】図２に示した記憶装置１４に予め格納される、複数の所定のスペクトル情報のテーブルの例を示す図である。
【図５】ＬＥＤ光源装置の一構成例を示す図である。
【図６】空間フィルターアレイによってスペクトル整形する例を示す図である。
【図７】本発明に従うＬＥＤ光源装置を太陽電池光源に用いた場合のスペクトルの測定結果（１SUN）を説明する図である。
【図８】本発明に従うＬＥＤ光源装置を太陽電池光源の低照度に用いた場合のスペクトルの測定結果(1/10000SUN)を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下図面に基づき、本発明に従うＬＥＤ光源装置の実施例を説明する。
【００２６】
図２は、本発明に従うＬＥＤ光源装置の実施例ブロック図である。
【００２７】
ＬＥＤ光源装置は、制御装置１０と、これにより発光制御される複数のＬＥＤ素子で構成されるＬＥＤ光源１１と、ＬＥＤ光源１１により照射される被照射面１２に設けられたセンサー部１３０と本体部１３１で構成される分光放射計１３と、更に記憶装置１４を有して構成される。
【００２８】
制御装置１０は、管理プログラムを実行するパーソナルコンピュータと同様機能の情報処理部１００、フィードバック制御部１０１及び、低照度対応可能のＬＥＤ駆動部１０２を有する。さらに、ＬＥＤ駆動部１０２とＬＥＤ光源１１の間にＬＥＤ光源１１を定電流制御するアナログ出力部１０２a、及びＬＥＤ光源１１に流れる実際の電流値を検知するアナログ入力部１０２ｂを備える。
【００２９】
記憶装置１４は、制御装置１０の外部に独立して若しくは、情報処理部１００の付属部として備えられる。そして、情報処理部１００における管理プログラムの実行により、複数の光源のそれぞれに対応する所定のスペクトルデータが記憶装置１４に書き込み／読出し可能に格納されている。
【００３０】
図２において、ＬＥＤ光源１１は、より超寿命でエネルギー効率に優れた、発光ダイオード（ＬＥＤ素子）ないしは半導体レーザ等の発光スペクトル幅が狭い光源（以降単に、ＬＥＤ素子という）を用いる。必要とされるスペクトル帯域を全てカバーできるように異なる発光波長特性を有する複数のＬＥＤ素子を選定する。
【００３１】
図２に示すように、制御装置１０により出力レベルを調整されるＬＥＤ光源１１からの発光が被照射面１２に照射される。
【００３２】
被照射面１２には、スペクトル照度分布をリアルタイムに測定する機能装置（被照射面１２の光特性の検知手段：分光放射計）１３を本体部１３１と一体で構成する照度センサー１３０が組み込まれる。これにより、照射中に照射光のスペクトルの測定が可能になる。
【００３３】
ＬＥＤ光源１１の各々のＬＥＤ素子は、スペクトル分布中の固有のスペクトル領域に寄与するため、分光放射計１３により測定されたスペクトル中の特定のスペクトル領域の強度を望みの値にするべく、コンピュータとソフトウエア、あるいはロジック制御ハードウエアとユーザーインターフェイス（ハードウエア／ソフトウエア）によって構成されるフィードバック制御装部１０１により、その発光強度がフィードバック制御される。
【００３４】
すなわち、フィードバック制御部１０１は、記憶装置１４に予め格納したユーザーが希望する光源の所定の波長スペクトルに対応するべく、分光放射計１３で測定された各波長帯の照度の測定値と、所定の波長スペクトルとを比較して、その差分が小さくなるように、ＬＥＤ駆動部１０２を制御する。
【００３５】
ＬＥＤ駆動部１０２は、フィードバック制御部１０１からの制御値に対応してアナログ出力部１０２ａの定電流値を設定してＬＥＤ光源１１を駆動する。さらに、ＬＥＤ駆動部１０２は、アナログ入力部１０２ｂで検知されるＬＥＤ光源１１の実際の電流値を入力し、先の定電流値となるように、アナログ出力部１０２ａに対してフィードバック制御する。
【００３６】
ここで、ＬＥＤ駆動部１０２、アナログ出力部１０２ａ及びアナログ入力部１０２ｂは、ＬＥＤ光源１１の低照度発光を可能とするべく、低照度(11lux〜1123lux)での出力照度が高い光量均一度で再現できるように設計されている。
【００３７】
本発明は、上記のフィードバック制御部１０１によるフィードバック制御と、ＬＥＤ駆動部１０２におけるフィードバック制御との二重のフィードバック制御に特徴を有し、これにより１／１００００ＳＵＮ〜１ＳＵＮの範囲、即ちろうそくの明かりほどの低照度から戸外の太陽光下の照度の光を、高いスペクトル近似度で、出力可能なＬＥＤ光源装置が再現できる。
【００３８】
図３は、光源装置１０における複数の光源によるスペクトル合成を説明する図である。それぞれ発光スペクトル幅が狭い複数のＬＥＤ素子の波長（λ１〜λｎ）を順に並べることにより、図３(１)に示すように所定の帯域のスペクトル合成３０が得られる。そして、記憶装置１４に予め格納したユーザーが所望する所定の発光スペクトル３１(図３（２）)に対応するべく、個々のＬＥＤ素子の発光強度を制御することにより、所望のスペクトル３１に対応する合成スペクトルが生成できる。
【００３９】
図４は、図２に示した記憶装置１４に予め格納されるユーザーが所望する発光スペクトル３１に対応するスペクトル情報テーブルの例を示す図である。このスペクトル情報テーブルには、光源となるＬＥＤ素子（No.1〜ｎ）毎に発光中心周波数（ｆ１〜ｆｎ）と、所望の発光スペクトル３１に対応する照度（Ｌ１〜Ｌｎ）が登録されている。
【００４０】
フィードバック制御部１０１は、スペクトル照度分布をリアルタイムに測定する分光放射計１３から得られるＬＥＤ光源１１のＬＥＤ素子（No.1〜No.ｎ）毎の被照射面１２における実照度と図４のスペクトル情報テーブルの所望スペクトルに対応する照度（Ｌ１〜Ｌｎ）とを比較して、差分を求める。次いで、この差分が零となるように、ＬＥＤ駆動部１０２に制御信号を送り、対応するＬＥＤ素子の電流を制御してスペクトル情報テーブル（図４）の所望スペクトル３１の照度に一致させる。
【００４１】
図５は、ＬＥＤ光源１１の一構成例である。それぞれ構成が同じ複数の光源（簡単化のために図では３本の光源）が示されている。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ素子）２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｃ）を使用している。ここでＬＥＤ素子２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｃ）のそれぞれは、所要の発光強度が得られるように同一規格のＬＥＤ素子を複数本で構成されてもよい。
【００４２】
ＬＥＤ素子２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｃ）の発光を、結合光学系２１Ａ（２１Ｂ、２１Ｃ）を通して、インテグレーター２２Ａ（２２Ｂ、２２Ｃ）に入力する。インテグレーター２２Ａ（２２Ｂ、２２Ｃ）により、ＬＥＤ素子２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｃ）の発光の照度を均一化できる。
【００４３】
インテグレーター２２Ａ（２２Ｂ、２２Ｃ）の出力は、投影光学系Ｄ１（Ｄ２、Ｄ３）を通して再び放射され、被照射面１２に照射される。図に示すように、各光源からの光は被照射面１２での照度面分布が均一になるべく、インテグレーター２２Ａ（２２Ｂ、２２Ｃ）によって整えられる。各々の光源の放射角特性は光源に固有であるため、インテグレーター２２Ａ（２２Ｂ、２２Ｃ）への入射に際して損失が最小になるように結合光学系２１Ａ（２１Ｂ、２１Ｃ）が設定される。
【００４４】
３本のＬＥＤ素子２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｃ）のそれぞれは、異なる波長スペクトルを有している。したがって、被照射面１２に照射される光のスペクトルは、３本の光源のそれぞれ異なる波長スペクトルを重ねた(合成した)ものが得られる。
【００４５】
すなわち、最も基本的な構成では、３つの光源からの光束は各々インテグレーターで分布が調整され、被照射面１２において合成される。すなわち、３つの光源のそれぞれは、異なる波長スペクトルを有している。したがって、被照射面１２に照射される光のスペクトルは、３本の光源のそれぞれ異なる波長スペクトルを重ねた(合成した)ものが得られる。
【００４６】
このとき、上記した投影光学系Ｄ１（Ｄ２、Ｄ３）を用いて、被照射面１２に結像照明する構成に代えて、投影光学系Ｄ１（Ｄ２、Ｄ３）の出射端面を２次光源として、被照射面２５にレンズを絞りとして結像するケーラー照明とすることも目的に応じて可能である。
【００４７】
上記した図５の光源装置１０において、照射光束のスペクトル分布は、基本的に全ての光源の強度スペクトル分布を重ね合わせたものである。所望の波長帯域を連続的にカバーするためには、十分な種類の光源が必要であり、各々スペクトル幅が適切である必要がある。各光源の強度は電源およびＬＥＤ駆動部１０２によって容易に可変できるため、全体としてスペクトル発生の自由度が確保できる。
【００４８】
ここで、上記の構成において、調達が可能なＬＥＤ素子から波長選択を行う際には、望みの波長帯を完全にカバーする光源が得られない場合が想定される。
【００４９】
このような場合、近傍波長において十分なスペクトル幅を有する光源が存在すれば、これを適切に設計された光学フィルターを通すことによって、若しくは波長弁別性を有する空間フィルターアレイによってスペクトル整形することによって、望みの光源として用いることができる。このとき、フィルター通過後の光束には空間的な強度／スペクトルむらが必然的に生じるが、インテグレーターを通過することによってこのようなむらは解消される。
【００５０】
図６は、かかる対応を説明する図であり、空間フィルターアレイによってスペクトル整形する例である。波長λの光源が得られない場合(図６（１）)、隣接する波長の光源のスペクトルを合成して得る場合を想定する。
【００５１】
図６（１）において、スペクトルＡ、Ｂは、スペクトルＤに隣接するそれぞれ光源Ａ、光源Ｂの発光スペクトルである。スペクトルＤに対応する光源が調達不能である場合、まず、スペクトルＡ、Ｂを合成して合成スペクトルＣを生成する（図６（２））。
【００５２】
次いで、光源Ａ、光源Ｂの合成スペクトルＣの合成光Ｅを、空間フィルター７０（図６（３））を通すことにより、空間フィルター７０を通過後に中心波長λのスペクトルＤ(図６（４）)を有する光Ｆを生成することができる。
【００５３】
空間フィルター７０は、各々の透過特性が異なるフィルターを２次元もしくは、一次元に配列したものである。このフィルターアレイを通す光束が有限の太さであれば、光束の部分々のスペクトルを変えて、かつ出口で再びまとめることができる。このようにすることで、微細に調整して求めるスペクトルを得ることが可能である。
【００５４】
また、市場で光源が調達出来ない場合への対処としては、次の方法もある。
【００５５】
現在、市場では短波長で高い出力を有する半導体レーザ光源や発光ダイオードが入手可能である。白色発光ダイオードにおいて既に実証・実現されているように、望みの波長帯において効率よく蛍光を発生する蛍光体を用いれば、上記レーザ光源、発光ダイオード光源で蛍光体を励起して、適切に設計されたバンドパス光学フィルターによって望みの波長帯での光源とすることができる。
【００５６】
図７は、上記に示した本発明に従うＬＥＤ光源装置をソーラーシミュレータに用いた場合のスペクトルの測定結果を説明する図である。ソーラーシミュレータは、太陽電池等の発光効率を屋内において測定する場合に使用される装置である。したがって、ソーラーシミュレータとして用いる照明装置は、太陽光のスペクトルに近似した照射光を出力することが要求される。
【００５７】
図７において、スペクトルＩは太陽光のスペクトルである。スペクトルＩＩは、本発明に従うＬＥＤ光源装置のスペクトルである。
【００５８】
図から容易に理解できるように、本発明に従うＬＥＤ光源装置では、多少のピーク値が部分的に存在するが、４００nm〜８００nmの波長領域において、発光スペクトルの飛びが少ないほぼ連続して全域スペクトルを発生することが可能であり、好ましく太陽光のスペクトルＩに近似していることが理解できる。
【００５９】
図８は、ろうそくの明かり程度の低照度（１／１００００ＳＵＮ）の場合のスペクトルを示す。同様に、スペクトルＩは太陽光のスペクトルである。スペクトルＩＩは、本発明に従うＬＥＤ光源装置のスペクトルである。
【００６０】
この図からも，本発明により低照度においても、基準太陽光スペクトルに近いスペクトルを得ることができる。横軸に波長、縦軸に照度を示している。
【００６１】
ここで、効率のよいＬＥＤ素子を選び、適切な熱設計を行うことにより、水冷等の大がかりな機構を有さずに、一般的な強制空冷によりＬＥＤ光源の温度を一定に保つことが可能である。
【００６２】
以上説明したように、本発明に従うＬＥＤ光源装置は、超寿命かつ経済的な電力消費率での運用ができる光源を用いる簡単な装置構成によって、様々な用途に応じてリアルタイムにスペクトル分布・光量を変更出来、均一な光束を発生・照射する光源装置を提供する、レーザ光源または発光ダイオード光源等の電力消費の小さいデバイスを発光光源とすることが可能であり、産業上寄与するところ大である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  制御装置    
１００  情報処理部
１０１  フィードバック制御部
１０２  ＬＥＤ駆動部
１０２a  アナログ出力部
１０２b  アナログ入力部    
１１  ＬＥＤ光源
１２  被照射面
１３  分光放射計
１３０  照度センサー
１３１  分光放射計本体
１４  記憶装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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