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1 失敗しないための基礎知識 LED 照 明の故障要因まるわかり ~ 光を測って 図り そして計る? ~ 2016 年 3 月 11 日 特定非営利活動法人 LED 照明推進協議会 (Japan LED Association) 1

2 設立目的 LED 電球が2007 年市販される以前の2004 年に設立 白色 LEDの効率向上をとらえ LED 照明の早期普及と健全な市場拡大を後押し 昨年 2014 年 6 月で設立 10 周年を迎えた 活動例 1) LED Next Stage(LED 照明総合展 ) の開催 ( 西暦偶数年 3 月 ) 2) JLEDSシンポジウム の開催 (10 月 ) 3) データベース 技術ロードマップの構築 4) JLEDSホームページ による広報活動 5) LED 照明ハンドブック LED 照明信頼性ハンドブック 発刊 LED 照明ハンドブック 2006 年 7 月初版 2011 年 4 月改訂版発行 2013 年 12 月累計 10,000 部刷 LED 照明信頼性ハンドブック 2015 年 2 月改訂版発行 JLEDS の紹介 2008 年 2 月初版 2013 年 12 月累計 5,400 部刷 2

3 内容 光に関する用語 光に関する測定方法 LED 関連の規格 LED 照明製品の構成部材の評価 3

4 光に関する用語 4

5 光と色 電磁波 波長 ( μm ) 宇宙線 γ 線 X 線 紫外放射 赤外放射 UV-C UV-B UV-A 可視放射 IR-A IR-B IR-C 光波長 ( nm ) 5

6 放射量と測光量 放射量 (Radiometric Quantity) 光 ( 放射 ) エネルギーの時間 空間 分光 ( スペクトル ) によって決定される量 中心的な単位は ワット (W) 測光量 (Photometric Quantity) 放射量を人間の目の分光感度特性 ( 標準分光視感効率 ) で積分したもの 中心的な単位は ルーメン (lm) 空間 ( 幾何条件 ) によって 固有の名称と記号があるルクス (lx) カンデラ (cd) 6

7 相対強度 標準分光視感効率 標準視感効率 V(λ ) 波長 [nm] 波長 (nm) 光 目 7

8 標準分光視感効率 標準視感効率 V(λ ) 1cd( カンデラ ) は 光の周波数 540 x Hz (555nm) において 問題とする方向の放射強度が 1/683 W/ ステラジアンである光源の特定方向への放射強度とする 光束は波長 555nm で 683 lm/w 波長 (nm) 8

9 相対強度 分光測定 分光の概略 分光検出器 ch 波長 [nm] 受光面 アレイセンサー 512ch(or 1024ch) 受光ファイバー 光源 分光検出器 ( ポリクロメータ ) スリット 凹面回折格子 9

10 照度 照度 : 単位面積に入射する光束量単位はルクス [lx] = [lm/m 2 ] 照度 [lx] 光束 [lm] 単位面積 [m 2 ] 光束 [lm] 照度は単位面積を通過する光束の量で表される 面積 [m 2 ] 10

11 光度 光度 : 光源から放射される光の単位立体角 ( ステラジアン ) あたりの光束量単位はカンデラ [cd] = [lm/sr] 点光源に対して用いられる測光量 立体角 [sr] d A 2 光束 [lm] 球面上の面積 A 光度 [cd] 距離 d 光束 [lm] 単位立体角 [sr] 11

12 立体角 (Ω) 名称記号単位読み方 立体角 Ω sr ステラジアン 球の表面積 球の立体角 360 4r 2 4sr 立体角 ( ステラジアン ) と平面角 ( ラジアン ) との関係 2 1 cos

13 光源からの距離と照度の関係 測定面(2) 部分光束 a g 照度 光度の換算式 照度 d2 光度 d 光源から受光面までの距離 測定面(1) 点光源 a b c d e f g 2m 4m Point 測定面の位置が光源から遠ざかると測定面に入る光が少なくなる 照度が低下する 測定面(1)では部分光束c d e fが入射 測定面(2)では部分光束dのみが入射 測定面(1)は(2)に比べて照度が4倍高い 点光源の照度は光源からの距離の2乗に反比例する 照度の逆2乗則 面光源や指向特性の強いものは当てはまらない場合がある Copyright JLEDS All Righｔｓ Reserved. 13

14 全光束 全光束 : 光源があらゆる方向に放射する光束の総和単位はルーメン [lm]=[cd sr] 光源 放射光 I 1 I n I 3 I n-1 I 2 光源から放射される全ての光 (I 1,I 2, は光源から放射された光の部分光束 ) I 4 I 全光束 全光束は一般照明用光源 ( 蛍光灯や電球など ) からチップ LED, ディスプレイなどの様々な光源の明るさを表す指標として用いられている 2 I, sindd 14

15 輝度 輝度 面光源を観測点から見た時 観測点を通過する 単位面積 単位立体角から放射される光束量 単位はカンデラ毎平方メートル[cd/m2] 立体角 Ω[sr] 発光面 面光源 観測点から見た場合の 発光面の 単位面積Aから放射される立体角辺りの光束 光束Φ [lm/sr] = 光度I [cd] 立体角Ω 観測点 単位面積 A[m2] 輝度L 光束 光度I 立体角 単位面積A cos 単位面積A cos : 面光源との角度 cd m2 輝度は観測者が対象を見たときの明るさを表す指標 光源の評価としては ディスプレイなどの面光源の明るさを表す指標としてよく用いられる Copyright JLEDS All Righｔｓ Reserved. 15

16 LED の光学測定ー評価項目 光源受光ファイバー分光検出器 Q. 上図のように分光測定するだけで, 光源の明るさを正しく評価できているか? A. No 光の量は空間的に測定する必要があるため, 評価項目によって測定の環境が異なる 上図方法では照度が測定できる 光源の明るさを表す評価項目照度 光源から放射された光がある空間を照らす明るさ ルクス光度 光源から任意の方向へ放射される光の明るさ カンデラ全光束 光源から放射された全ての光を足し合わせた明るさ ルーメン輝度 光源を見たときの明るさ カンデラ毎平方メートル配光 光源から放射された光の各方向毎の明るさ ( 光度の角度分布 ) 評価項目毎に測定方法が異なる 16

17 相対強度 XYZ 表色系 等色関数 x(λ ) y(λ ) z(λ ) 波長 (nm) y(λ) が標準視感効率 V(λ) と一致する Wright & Guild(1931) 17

18 相対強度 相対強度 XYZ 表色系 等色関数 x(λ ) y(λ ) z(λ ) 波長 [nm] 波長 (nm) 刺激量 X 15 光 Y 30 緑色 LED 目 Z 5 18

19 xy 色度座標 X k 赤色 Y LED k ( 単色 ) Z k S ( ) x ( ) d S ( ) y ( ) d S ( ) z( ) d 緑色 k : LED 測光量よって異なる 683lm W ( 単色 ) 青色 LED x ( 単色 ) y X 472nm X Y Z 96.6% Y X Y Z 19

20 色温度 相関色温度 色温度 : 光源の光色がどの温度の黒体の色に近いかを表す指標 単位はケルビン [K] 相関色温度 : 黒体軌跡上に光源の光色が無い場合に, 近似して表した色温度色温度, 相関色温度は色度座標図上の黒体軌跡に沿って値が変化 S C 5 c2 exp T D 1 一例 蛍光灯 色温度は主に照明光源の光色を表す指標として用いられる 相関色温度 5500K 黒体軌跡 電球 色温度 2850K 1500K 4000K 5500K 8000K 10000K 色温度のカラースケール 20

21 演色性評価数 演色性評価数 : 物体を光源で照らしたときに物体がどのように見えるかを表す指標 基準の光 ( 例 : 太陽 ) で物体 ( 色票 ) を照らしたときと試料光源で物体を照らしたときの色差 R1 R2 R3 R4 R5 色票を照明したときの色票の見え方 基準の光源 試料光源 R6 R7 R8 R9 R10 光 光 R11 R12 R13 R14 R15 色票 演色性の評価に用いる色票 R1~R15 Ra i 1 Ri 基準の光で照明したときの色票の色 色差 試料光源で照明したときの色票の色 21

22 相対強度 演色性評価数 一例 色温度 1.2 蛍光灯 3000K 電球 2750K 電球蛍光灯 LED LED 5200K 波長 [nm] R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 電球 蛍光灯 LEDダウンライト R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 Ra 電球 蛍光灯 LEDダウンライト Ri Ei 22

23 光に関する測定方法 23

24 光源の各種測光方法 測定法 測定装置 評価対象例 光度測定照度測定全光束測定輝度測定配光測定 分光検出器 + 光度測定治具 分光検出器 + 照度測定治具 分光検出器 + 積分球 分光放射輝度計 分光検出器 + 配光測定治具 24 LED パッケージ懐中電灯 オフィス机上 あらゆる光源 ( 蛍光灯, 電球,LED) TV デジタルサイネージ あらゆる光源 ( 蛍光灯, 電球,LED)

25 照度測定 光源 ( サンプル ) 透過拡散筒 積分球 拡散反射板 条件 a 積分球を使用条件 b 拡散反射板を使用条件 c 透過拡散板を使用 25

26 全光束測定ー積分球方式 光源 遮光板 分光検出器 積分球 自己吸収補正ランプ 測定する光源のサイズや特性によって積分球の大きさを決定する光源自身が光を吸収する自己吸収よって測定精度が低下 自己吸収補正や積分半球 (HalfMoon) を用いることで測定精度が向上 26

27 全光束測定ー HalfMoon 点灯回路, ヒートシンクなど 点灯回路, ヒートシンクなど 自己吸収の大きい箇所が外に出る 光源 自己吸収が発光部のみとなる 光源 高反射率平面ミラー 発光部と点灯回路が分離発光部のみが積分空間に配置され, 点灯回路 ( ヒートシンク等も含む ) などは外に配置されるため, 自己吸収が低減される 27

28 全光束測定 積分球 (Φ1000mm) HalfMoon(Φ1000mm) 28

29 配光 配光 : 光源の各方向に対する光度分布測定結果から全光束を導出可能 測定対象 ( 光源 ) I n I 1 I I, sindd I n-1 I 4 I 3 測光部 I 1 ~I n は光度 放射光 29

30 配光測定装置 30

31 輝度 サンプル アパーチャーミラー 31 開口絞り

32 輝度測定 分光放射輝度計 測定スポットのイメージ 面光源 ( ディスプレイ ) 輝度計とディスプレイの写真 1 輝度計とディスプレイの写真 2 32

33 LED 関連の規格 33

34 LED 関連 JIS 規格 規格番号題目発行備考 C7550 C C C C ランプ及びランプシステムの光生物学的安全性 電球類の口金 受金及びそれらのゲージ並びに互換性 安全性第 0 部 : 電球類の口金 受金及びそれらのゲージ類の総括的事項 電球類の口金 受金及びそれらのゲージ並びに互換性 安全性第 1 部 : 口金 電球類の口金 受金及びそれらのゲージ並びに互換性 安全性第 2 部 : 受金 電球類の口金 受金及びそれらのゲージ並びに互換性 安全性第 3 部 : ゲージ 2014 年 3 月改正 2012 年 1 月改正 2015 年 7 月改正 2015 年 7 月改正 2012 年 1 月改正 IEC (TS C0038:2004 廃版 ) IEC LED ランプ用新口金等の追加 IEC LED ランプ用新口金の追加 IEC LED ランプ用新受金の追加 IEC LED ランプ用ゲージの追加 34

35 LED 関連 JIS 規格 規格番号題目発行備考 C7801 一般照明用光源の測光方法 C 照明器具 - 第 1 部 : 安全性要求事項通則 C X 照明器具 - 第 2-X 部 : 個別照明器具に関する安全性要求事項 C 照明器具 - 第 3 部 : 性能要求事項通則 C 照明器具 - 第 5 部 : 配光測定方法 C8112 C8115 LED 卓上スタンド 蛍光灯卓上スタンド ( 勉強用 読書用 ) 家庭用 LED 照明器具 家庭用蛍光灯器具 2014 年 3 月改正 2013 年 11 月改正 2014 年 11 月改正 2011 年 12 月改正 2014 年 3 月改正 2014 年 8 月改正 2014 年 8 月改正 効率の測定追加 IEC IEC X IEC PAS を準備中 JIL5006 の内容を含む LED を含む照明器具 35

36 LED 関連 JIS 規格 規格番号題目発行備考 C C C8131 C C C ランプソケット類 2-2 部 : プリント回路板ベース LED モジュール用コネクタに関する安全性要求事項 ランプソケット類 2-3 部 : 直管 LED ランプソケットに関する安全性要求事項 道路照明器具 ランプ制御装置 第 1 部 : 通則及び安全性要求事項 ランプ制御装置 第 2-7 部 : 非常時照明用制御装置の個別要求事項 ランプ制御装置 第 2-13 部 : 直流又は交流電源用 LED モジュール制御装置の個別要求事項 2014 年 12 月改正 IEC 年 3 月 GX16t-5 に対応 2015 年 11 月改正 2011 年 3 月改正 IEC 年 11 月 IEC 年 2 月改正 IEC

37 LED 関連 JIS 規格 規格番号題目発行備考 C C C C8153 照明用白色発光ダイオード (LED) の測光方法第 1 部 :LED パッケージ 照明用白色発光ダイオード (LED) の測光方法第 2 部 :LED モジュールおよび LED ライトエンジン 照明用白色発光ダイオード (LED) の測光方法第 3 部 : 光束維持率の測定方法 LED モジュール用制御装置 性能要求事項 2014 年 6 月改正 2014 年 3 月改正 2013 年 7 月 2009 年 3 月 IEC C8154 一般照明用 LED モジュール 安全仕様 2009 年 3 月 IEC C8155 一般照明用 LED モジュール 性能要求事項 2010 年 9 月 TS C 8153:2007 の JIS 化 IEC/PAS

38 LED 関連 JIS 規格 規格番号題目発行備考 C8156 C8157 C8158 C C C C9502 一般照明用電球形 LED ランプ ( 電源電圧 50V 超 ) 安全仕様 一般照明用電球形 LED ランプ ( 電源電圧 50V 超 ) 性能要求事項 一般照明用電球形 LED ランプ ( 電源電圧 50V 超 一般照明用 GX16t-5 口金付直管 LED ランプ - 第 1 部 : 安全仕様 一般照明用 GX16t-5 口金付直管 LED ランプ - 第 2 部 : 性能要求事項 家庭用及びこれに類する電気機器の安全性 - 第 1 部 : 通則 自転車用灯火装置 2011 年 2 月 IEC 年 12 月 IEC 年 11 月 2013 年 4 月 2013 年 12 月 2014 年 2 月改正 2014 年 12 月改正 製品規格対応国際規格無し IEC 直管 LED を追加 38

39 LED 関連 JIS 規格 規格番号題目発行備考 T T T T R1697 Z8724 Z9112 医用電気機器 - 第 1 部 : 基礎安全及び基本性能に関する一般要求事項 眼光学機器 - 基本的要求事項及びその試験方法 - 第 2 部 : 光ハザードからの保護 歯科 - 重合用光照射器 - 第 2 部 : 発光ダイオード (LED) 医用電気機器 - 第 2-60 部 : 歯科器械の基礎安全及び基本性能に関する個別要求事項 白色発光ダイオード用蛍光体の積分球を用いた内部量子効率絶対測定方法 色の測定方法 - 光源色 蛍光ランプ LED の光源色および演色性による区分 2014 年 3 月改正 IEC 年 9 月 ISO 年 4 月改正 ISO 年 9 月 IEC 年 3 月 2015 年 6 月改正 2012 年 12 月 ANSI C IEC と異なる 39

40 LED 関連日本照明工業会規格 規格番号題目発行備考 JEL 601 光源製品の安全性確認試験通則 2012 年 2 月改正 LED 装置に関する規定を追加 JEL 801 一般照明用 GX16t-5 口金付直管形 LED ランプシステム 2013 年 11 月改定 JIS C7709 へ IEC JEL 802 一般照明用 R4 口金付直管形 LED ランプシステム 2013 年 11 月改正 JEL GZ16 口金付制御装置内蔵形直管 LED ランプ ( 一般照明用 )- 第 1 部安全仕様 2014 年 7 月改正 JEL GZ16 口金付制御装置内蔵形直管 LED ランプ ( 一般照明用 )- 第 2 部性能要求事項 2014 年 7 月改正 JEL907 電球類の口金 受金及びそれらのゲージ 2014 年 4 月改正 JIS C7709 へ IEC

41 LED 照明製品の構成部材の評価 41

42 蛍光体の量子効率 吸収光量子数 蛍光光量子数 E P hc R 1 hc 1 d d h : プランク定数 c : 光速 内部量子効率 P E R d d 42

43 量子効率の測定 特徴 JIS R1697:2015 に対応 溶液 固体材料対応 低迷光分光器 (MCPD) を使用し 高精度 高再現性を実現 再励起蛍光の補正により高精度を実現 積分半球の使用高感度を実現サンプルの設置が容易で測定対象が幅広い JCSS 校正により測定値のトレーサビリティを確保 43

44 蛍光体シート 44

45 透過蛍光の面内分布測定 特長 : 1 装置の校正がお客様で可能 受光面の照度校正を定期的に実施する事で長期間安定した測定値を確保する 2Sampleを受光ヘッドと接触させずに 絶対値測定ができるような光学系を採用 非接触で面内分布測定が可能 3タクト高速化により 短時間で多点自動測定が可能 45

46 ニアフィールドゴニオメータ Y 軸モータ 270 mm 200 mm 2 次元輝度センサー X 軸モータ 46

47 ニアフィールドゴニオメータ 47

48 LED パッケージ (SMD) 48

49 LED パッケージ ( 砲弾 ) LED1 LED2 砲弾型 LED LED1 LED2 砲弾型 LED の輝度分布特性 LED1 LED2 LED1 LED2 砲弾型 LED の50cmでの配光特性砲弾型 LED の50cmでの配光特性 49

50 LED 電球の輝度分布と配光 LED 電球 LED 電球の輝度分布特性 LED 電球の 2m での配光特性 50 LED 電球の 2m での配光特性

51 スポットライトの輝度分布と配光 スポットライト スポットライトの輝度分布特性 スポットライトの 2m での配光特性 スポットライトの 2m での配光特性 51

52 ダウンライトの輝度分布と配光 ダウンライト ダウンライトの輝度分布特性 ダウンライトの 2m での配光特性 ダウンライトの 2m での配光特性 52

53 配光特性の改善 Bi-directional Transmittance Distribution Function 改善前 A B 53

54 配光特性の改善 改善前 : 約 120 改善後 :177 54

55 寿命の要因 LED 照明の調査 研究分科会より 55

56 ありがとうございました 大塚電子株式会社 大嶋浩正 56