开发了利用LED向所有方向放射光的新标准光源

- -挑战具有100年历史的标准灯泡-

重点

开发了作为评价照明亮度基准的全方向型标准LED的试制产品 光强度稳定性与以往的标准灯泡匹敌，在整个可见光波长范围内向所有方向均匀地放射光 照明产业的持续发展及其对更高精度照明光源评价的贡献

概要

国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产综研”)计量标准综合中心物理测量标准研究部门【研究部门长岛田洋藏】中泽由莉研究员、神门贤二主任研究员与日亚化学工业株式会社【代表董事社长小川裕义】(以下称为“日亚化学工业”)共同开发了使用向所有方向发射可见光波长范围光的LED的新型标准光源——全方向型标准LED的试制产品。作为照明光源亮度指标的全光束是通过与基准标准光源的比较测量来决定的。 迄今为止，光向所有方向扩展的照明光源的全光束测量用标准光源，主要利用标准灯泡，在近一个世纪的时间里，为照明产业的发展做出了巨大的贡献。 标准灯泡与一般的灯泡不同，通过使用特别选定的部件等，具有优异的稳定性等各种特性。 但是，随着对LED照明的迅速置换，白炽灯生产缩小停止的影响也波及到了标准灯泡。 为了支持未来照明产业的发展，全世界都要求开发与LED全盛的现代相符的使用LED的标准光源。 这也是对近一个世纪前到现代支撑照明产业的高质量标准灯泡的挑战。 此次开发的样品实现了与以往标准灯泡匹敌的光强度稳定性和再现性，具有复盖整个可见光波长的频谱。 并且通过组合使光在所有方向均匀扩散的特殊光学系统，成功实现了作为全光束测量用标准光源的理想配光特性。 通过这次成果的实用化，期待着对照明产业的持续发展做出贡献和制造商等对照明光源评价的高精度化。 另外，该技术的详细情况将在2021年9月21日~22日召开的2021年度(第54届)照明学会全国大会(在线)上发表。

开发的全方向型标准LED的试制

开发的社会背景

照明是人类过文化、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”作为其指标。 通过与全光束值已知的标准光源的比较，来测定照明光源的全光束值。 为了以制造商所需的精度正确求出照明光源的全光束值，需要使用与各产品的特性(配光、光源的大小、全光束值)相应的标准光源。 在广泛普及的向所有方向放射光的照明光源的测量中，主要使用白炽灯泡形的标准灯泡。 该标准灯泡具有适合向所有方向放射光的形状的灯丝和玻璃灯泡等，由拥有高超技术的熟练工人使用特别选定的部件逐一手工制作，从而实现了优异的光强度稳定性和再现性。 我国制造到近年的全光束测量用标准灯泡，是半个多世纪前在旧通商产业省电试验所(现在的产综研)和灯泡制造商的协助下，凝聚了当时技术的精髓而开发出来的。 这个高质量的标准灯泡，成为制造商的质量管理和新开发的光源特性评价的基准等，直到现在，支撑着照明产业的发展。 但随着近年来LED照明的普及，白炽灯生产缩小停止的影响也波及到了标准灯泡。 取代标准灯泡，强烈要求支撑未来照明产业的新的标准光源。 因此，以各国的国家计量标准机构为中心，使用LED代替标准灯泡的新标准光源的研究开发正在活跃进行。 代替以往标准灯泡的光源，要求光强度的稳定性和再现性优异、具有复盖整个可见光波长的光谱、具有向所有方向发射光的配光。 但是，要在高水平上满足所有这些条件并不容易，能够充分代替现有标准灯泡作用的光源还没有被开发出来。

研究的经过

作为国家计量标准机构，产总研进行了以全光束标准为首的测光放射标准的开发和供给，以及高精度配光测量技术和分光测量技术的研究开发。 日亚化学工业作为世界性的LED开发制造商，推进了质量可靠性高的LED的开发。 产业综合研究所和日亚化学工业将迄今为止产业综合研究所拥有的“对光谱进行定量精密测量和分析的技术”和日亚化学工业拥有的“高级LED制造技术”进行了组合，通过共同研究，在世界上首次开发了涵盖整个可见光波长的标准led ( 2016年2月2日日产综合研究所) 该标准LED是利用只向前面放射光这一LED元件的特性开发的，作为用于正确求出全光束值的标准光源，虽然适合具有同样配光的照明光源，但不适合向包括背面在内的所有方向放射光的照明光源。 因此，产综研和日亚化学工业决定以该标准LED共同开发得到的基础技术为基础，代替现有的标准灯泡，开发向所有方向均匀放射可见光波长范围的光的全方向型标准LED。

研究的内容

代替标准灯泡的光源要求光强度高的稳定性、复盖整个可见光波长的光谱、向所有方向放射光的配光。 因此，产综研和日亚化工以开发可向整个可见光范围内发射光的标准LED所培养的高级光强度稳定技术和光谱优化设计技术为基础，再结合特殊的光学系统，成功开发了向所有方向均匀发射可见光范围内光的全向型标准LED的试制产品。 此次开发的全方向型标准LED设想用于市售灯泡形LED灯的全光束测量，设计为与灯泡形LED灯同等大小。 为了实现标准光源所需的光强度的稳定性，全方向型标准LED内部安装了用于使发光部的温度保持一定的温度控制机构，通过该机构，成功地将点亮后的光强度的变动抑制为较小( 8小时点亮为0.01 % )。 而且，多次重复点亮时的光强度的变动在0.02 %以下，这些特性是与现有标准灯泡匹敌的特性。 另外，相对于周围温度变化( 23 oC ± 5 oC )的光强度变动被抑制在0.02 %/ oC。 图1显示的是全方向型标准LED的光谱。 通过LED元件和荧光体的组合优化，与一般的LED照明光谱相比足够宽，复盖了可见光的几乎所有波长范围。

图1全方向型标准LED的试制和一般LED照明的光谱

如上所述，为了复盖宽的可见光波长范围，同时稳定光强度，得到充分的光量，多个LED元件和荧光体的最佳组合和充分的散热特性是不可缺少的，但为了作为全光束测定用的标准光源发挥作用，不牺牲它们，需要更高级的配光设计。 在全方向型标准LED中，通过在扩散圆顶内也组装将光导向后方的帽型光学系统，实现了除灯头方向外，向包括背面方向在内的全方位均匀放射光的配光(图2 )。 虽然现有标准灯泡的配光存在依赖于灯丝形状的细小凹凸，但全方向型标准LED的配光比其更平滑更广，充分满足了作为标准光源的特性。

图2左:光源配光示意图，中央:现有全光束测量用标准灯泡的配光，右:全方向型标准LED的试制产品的配光

将此次开发的全方向型标准LED作为标准光源进行多个市售灯泡形LED灯的全光束测量时，得到了与将现有标准灯泡作为标准光源时相同的结果，确认了开发的全方向型标准LED作为标准光源十分有用。 据说2030年所有的照明都将替换成以LED为中心的半导体照明，近年来，即使是使用LED的照明光源，也有像白炽灯泡一样具有广泛配光的产品出售。 因此，此次开发的全方向型标准LED的技术有望支撑今后的照明产业。 另外，此次开发的全方向型标准LED的全光束值约为90 lm，是相当于普通灯泡40形的灯泡形LED灯的1/5左右。 这是因为散热部件的大小有限制，为了不损害稳定性和寿命，限制了点灯电流。

今后的预定

今后，将在弄清全光束值和光源大小的平衡的同时，根据点亮电流水平进行散热机构的设计优化，以实现必要的全光束值，以实现实用化。 另外，为了更高精度地测量全方向型标准LED的测量，将推进全光束和分光测量方法的高度化。

用语说明

◆标准光源 是指具有测量对象的放射量和测光量(用人眼的灵敏度对放射量进行加权的量)的基准值的光源。 在相同的测量条件下，通过比较想要测量的照明光源和标准光源的测量结果，可以校正照明光源的放射量、测光量。 一般来说，与市售光源相比，要求非常高的稳定性等各种特性。  ◆全光束 根据人眼的灵敏度，按波长对从光源向所有方向放射的光的放射功率进行加权，用所有波长相加后的量。 亮度指标之一，单位为流明(符号: lm )。 亮度的其他相关指标有光度(单位为坎德拉，符号: cd )、照度(单位为勒克斯，符号: lx )等。 

 ◆标准灯泡 标准光源中，是指白炽灯泡或卤素灯泡等使用灯丝的灯泡的标准光源。 由熟练的工匠一个一个手工制作等高技术制造，根据作为测量对象的放射量和测光量，配光和灯泡形状不同，有光度测量用的标准灯泡和全光束测量用的标准灯泡等。 本文中的标准灯泡是指作为光向所有方向扩展的照明光源的全光束测量用标准光源使用的灯泡。 

 ◆配光 表示光源发出的光以多强的强度向哪个方向放射。 是指光源光度的空间分布。 照明光源的配光因光源而异，存在向所有方向放射光的光源和仅向前面放射光的光源等。 

图2左:光源配光示意图，中央:现有全光束测量用标准灯泡的配光，右:全方向型标准LED的试制产品的配光