開發(fā)了利用LED向所有方向放射光的新標準光源

- -挑戰(zhàn)具有100年歷史的標準燈泡-

重點

開發(fā)了作為評價照明亮度基準的全方向型標準LED的試制產品 光強度穩(wěn)定性與以往的標準燈泡匹敵，在整個可見光波長范圍內向所有方向均勻地放射光 照明產業(yè)的持續(xù)發(fā)展及其對更高精度照明光源評價的貢獻

概要

國立研究開發(fā)法人產業(yè)技術綜合研究所【理事長石村和彥】(以下稱為“產綜研”)計量標準綜合中心物理測量標準研究部門【研究部門長島田洋藏】中澤由莉研究員、神門賢二主任研究員與日亞化學工業(yè)株式會社【代表董事社長小川裕義】(以下稱為“日亞化學工業(yè)”)共同開發(fā)了使用向所有方向發(fā)射可見光波長范圍光的LED的新型標準光源——全方向型標準LED的試制產品。作為照明光源亮度指標的全光束是通過與基準標準光源的比較測量來決定的。 迄今為止，光向所有方向擴展的照明光源的全光束測量用標準光源，主要利用標準燈泡，在近一個世紀的時間里，為照明產業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻。 標準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LED照明的迅速置換，白熾燈生產縮小停止的影響也波及到了標準燈泡。 為了支持未來照明產業(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的標準光源。 這也是對近一個世紀前到現(xiàn)代支撐照明產業(yè)的高質量標準燈泡的挑戰(zhàn)。 此次開發(fā)的樣品實現(xiàn)了與以往標準燈泡匹敵的光強度穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，具有復蓋整個可見光波長的頻譜。 并且通過組合使光在所有方向均勻擴散的特殊光學系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了作為全光束測量用標準光源的理想配光特性。 通過這次成果的實用化，期待著對照明產業(yè)的持續(xù)發(fā)展做出貢獻和制造商等對照明光源評價的高精度化。 另外，該技術的詳細情況將在2021年9月21日~22日召開的2021年度(第54屆)照明學會全國大會(在線)上發(fā)表。

開發(fā)的全方向型標準LED的試制

開發(fā)的社會背景

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。 通過與全光束值已知的標準光源的比較，來測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，需要使用與各產品的特性(配光、光源的大小、全光束值)相應的標準光源。 在廣泛普及的向所有方向放射光的照明光源的測量中，主要使用白熾燈泡形的標準燈泡。 該標準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，由擁有高超技術的熟練工人使用特別選定的部件逐一手工制作，從而實現(xiàn)了優(yōu)異的光強度穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。 我國制造到近年的全光束測量用標準燈泡，是半個多世紀前在舊通商產業(yè)省電試驗所(現(xiàn)在的產綜研)和燈泡制造商的協(xié)助下，凝聚了當時技術的精髓而開發(fā)出來的。 這個高質量的標準燈泡，成為制造商的質量管理和新開發(fā)的光源特性評價的基準等，直到現(xiàn)在，支撐著照明產業(yè)的發(fā)展。 但隨著近年來LED照明的普及，白熾燈生產縮小停止的影響也波及到了標準燈泡。 取代標準燈泡，強烈要求支撐未來照明產業(yè)的新的標準光源。 因此，以各國的國家計量標準機構為中心，使用LED代替標準燈泡的新標準光源的研究開發(fā)正在活躍進行。 代替以往標準燈泡的光源，要求光強度的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性優(yōu)異、具有復蓋整個可見光波長的光譜、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)有標準燈泡作用的光源還沒有被開發(fā)出來。

研究的經過

作為國家計量標準機構，產總研進行了以全光束標準為首的測光放射標準的開發(fā)和供給，以及高精度配光測量技術和分光測量技術的研究開發(fā)。 日亞化學工業(yè)作為世界性的LED開發(fā)制造商，推進了質量可靠性高的LED的開發(fā)。 產業(yè)綜合研究所和日亞化學工業(yè)將迄今為止產業(yè)綜合研究所擁有的“對光譜進行定量精密測量和分析的技術”和日亞化學工業(yè)擁有的“高級LED制造技術”進行了組合，通過共同研究，在世界上首次開發(fā)了涵蓋整個可見光波長的標準led ( 2016年2月2日日產綜合研究所) 該標準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準光源，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的所有方向放射光的照明光源。 因此，產綜研和日亞化學工業(yè)決定以該標準LED共同開發(fā)得到的基礎技術為基礎，代替現(xiàn)有的標準燈泡，開發(fā)向所有方向均勻放射可見光波長范圍的光的全方向型標準LED。

研究的內容

代替標準燈泡的光源要求光強度高的穩(wěn)定性、復蓋整個可見光波長的光譜、向所有方向放射光的配光。 因此，產綜研和日亞化工以開發(fā)可向整個可見光范圍內發(fā)射光的標準LED所培養(yǎng)的高級光強度穩(wěn)定技術和光譜優(yōu)化設計技術為基礎，再結合特殊的光學系統(tǒng)，成功開發(fā)了向所有方向均勻發(fā)射可見光范圍內光的全向型標準LED的試制產品。 此次開發(fā)的全方向型標準LED設想用于市售燈泡形LED燈的全光束測量，設計為與燈泡形LED燈同等大小。 為了實現(xiàn)標準光源所需的光強度的穩(wěn)定性，全方向型標準LED內部安裝了用于使發(fā)光部的溫度保持一定的溫度控制機構，通過該機構，成功地將點亮后的光強度的變動抑制為較小( 8小時點亮為0.01 % )。 而且，多次重復點亮時的光強度的變動在0.02 %以下，這些特性是與現(xiàn)有標準燈泡匹敵的特性。 另外，相對于周圍溫度變化( 23 oC ± 5 oC )的光強度變動被抑制在0.02 %/ oC。 圖1顯示的是全方向型標準LED的光譜。 通過LED元件和熒光體的組合優(yōu)化，與一般的LED照明光譜相比足夠寬，復蓋了可見光的幾乎所有波長范圍。

如上所述，為了復蓋寬的可見光波長范圍，同時穩(wěn)定光強度，得到充分的光量，多個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定用的標準光源發(fā)揮作用，不犧牲它們，需要更高級的配光設計。 在全方向型標準LED中，通過在擴散圓頂內也組裝將光導向后方的帽型光學系統(tǒng)，實現(xiàn)了除燈頭方向外，向包括背面方向在內的全方位均勻放射光的配光(圖2 )。 雖然現(xiàn)有標準燈泡的配光存在依賴于燈絲形狀的細小凹凸，但全方向型標準LED的配光比其更平滑更廣，充分滿足了作為標準光源的特性。