荧光灯的制作方法

专利名称：荧光灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种显色性较低而灯效能较高的荧光灯。
背景技术：
利用发生在电弧管中的放电现象的放电灯被分为两种类型高强度放电灯和荧光灯。高强度放电灯的灯效能较高，产生明亮的光，寿命长，而且因此是非常经济的灯。由于这些优点，高强度放电灯被广泛地用于在较大范围中需要明亮照明户外照明。
在这些高强度放电灯中，灯效能最高的灯是低压钠灯。因此低压钠灯被用于非常注重经济的场所，典型应用包括隧道照明。但是，由于低压钠灯是使用在钠蒸气中放电的灯，故它们产生单色的接近590nm的橙黄色的光。结果是，由低压钠灯照明的物体的颜色很难识别。
由于单色辐射，低压钠灯存在许多问题；例如，在隧道中，难以辨别漆在道路上的车道划分线是白色还是黄色，使得司机无法确定是否允许改变车道，或对观察者而言几乎所有物体显得缺少色彩和不自然。
另一方面，在放电灯中，荧光灯具有许多胜过其它类型灯的优点，诸如易于点亮、极好的显色性、寿命长以及在光色上有丰富的选择，故大量的荧光灯被用于各种场合。
近年来，各种类型的荧光灯中，三基色荧光灯被广泛地使用。三基色型荧光灯主要在肉眼对颜色的感觉最录敏的三个波长范围(即，大约450nm的蓝色、大约540nm的绿当和大约610nm的红色)中产生光，因此提供了良好的显色性，而不需牺牲亮度。
由于三基色型荧光灯的普遍使用，对用于三基色型荧光灯中的三种窄带辐射磷光体进行了一个又一个的改进。结果，这些磷光体具有极好的特性，诸如和其它的磷光体相比具有较高的量子效率。这三种窄带辐射磷光体中，使用绿色磷光体(由化学式LaPO4:Ce3+,Tb3+表示)的单磷光体绿色的荧光灯在高频工作时的灯效能约有140lm/W那么高；其包括照明装置的照明电路效率的总效率(即，其包括设备损失(gear loss)的发光效能)为大约130lm/W。在现有的所有荧光灯中，这种荧光灯具有最高的包括设备损失的发光效能。这提高了开发具有高效能荧光灯的潜力。
发明描述由于上述情形，本发明的一个目的是提供一种荧光灯，这种荧光灯的效能能和低压钠灯的效能可相比或更高，并且又能够提供所需最低的颜色可辨认性。
权利要求1的本发明是一种荧光灯，它使用峰值发射波长在530nm到560nm的绿色发射磷光体以及峰值发射波长在600nm到630nm的红色发射磷光体来产生原始光(primary light)，其特征在于，在所述荧光灯的照明下，用于特定的显色性指数计算的四种测试颜色，即在国际照明委员会(CIE)No.13.3号出版物中指定的No.9、No.10、No.11和No.12，按照孟塞尔色调被分别感觉为红色、黄色、绿色和蓝紫色。
权利要求2的本发明是一种如权利要求1所述的荧光灯，其中，所述荧光灯的相关色温是3200K到4500K，并且所述光色的色坐标位于这样的色品范围内，其中，色点(color point)与在CIE1960uv色品图上普朗克轨迹的距离不小于0.015并且不大于0.045。
权利要求3的本发明是一种如权利要求2所述的荧光灯，其特征在于所述绿色发射的磷光体是一种稀土磷光体，所述磷光体由铽、铽铈、或铽钆铈激活，并且所述红色发射的磷光体是一种用铕激活的稀土磷光体。
权利要求4的本发明是一种如权利要求3所述的荧光灯，其特征在于所述绿色发射的磷光体和红色发射的磷光体的重量百分比为70∶30到50∶50。
权利要求5的本发明是一种如权利要求1到4中任一条所述的荧光灯，其特征在于所述荧光灯用于户外照明。
权利要求6的本发明的是一种如权利要求1到4中任一条所述的荧光灯，其特征在于所述荧光灯道路的照明和隧道照明。
附图概述

图1是根据本发明的一个实施例的荧光灯的相对光谱分布图。
图2是用于解释根据本发明的评价颜色特性的方法的图。
图3是示出提供了本发明的基本概念的孟塞尔色调圆的图。
图4是描述色品偏差SP的图。
实施本发明的最佳方式下面将首先描述开发一种具有较高发光效率(包括设备损失)，并且具有较低显色性(例如所需最低显色性)的荧光灯的基本考虑。
为了增加包括设备损失的发光效率(即，荧光灯的灯效能)，使用发光效率高的磷光体是有效的。
因此，使用至少一种绿色发射的磷光体，诸如由化学式LaPO4:Ce3+,Tb3+表示的磷光体，它用于三基色型荧光灯中，并且如上所述，它是目前效能最高的。
然后，为了有效地提供所需最低的显色性，确定使用其它哪些磷光体和以什么样的比例使用是重要的。
荧光灯的工作原理是这样的，即，管中所包含的汞产生汞的线光谱，并且由汞的线光谱激励的磷光体发射光。
相应地，从荧光灯发射出来的光是从磷光体发射的光和可见的汞线光谱中的光的混合。可见的汞线光谱在405nm、436nm等等短波长范围中特别显著，并且据说包含在荧光灯中的可见的汞线光谱的量大约是51m/W。
因此，荧光灯本来就产生一些带青蓝色的光。此处应该注意，如果添加少量，则蓝色辐射改进了显色性，蓝色发射的磷光体的发光效率显著低于绿色和红色发射的磷光体的发光效率，以及红色和类似颜色的字母和图像符号用于危险警告标记。由于这些以及其它的原因，希望不使用蓝色磷光体。
从上面所述可以看到，希望以适当的比例使用红色磷光体和绿色磷光体。
正如提供了三基色型荧光灯所证明的，应该将发射峰值在600nm到630nm范围内的磷光体用作红色磷光体，其中心大约在610nm的波长处，在该处人们可以有效地感知颜色。
另外产生了这样一个问题，即对于所需最低的显色性来说，应该以什么样的比例混合绿色磷光体和红色磷光体。
找出最佳混合比例的色度计算法是通过下面的方式决定的。
即，至少对基本色，物体的颜色必须是让人感到和目标的固有色是接近相同的。对颜色的感知，必须考虑人眼的彩色适应的情况。物体原来的颜色指在我们通常看物体时的标准照明下观察到的颜色。在感知物体的颜色时，色调是最重要的因素。要考虑这些和其它的问题。
从上面所述，把用于特别的显色指数评估的测试颜色(在国际照明委员会(CIE)中指定的No.9、No.10、No.11和No.12)用作基本的颜色。
这些测试颜色是在日本和世界其它国家为对光源的显色性作评估而选出的色饱和度高的四种测试颜色，表1中示出四种测试颜色的光谱辐射因子。
在CIE13.2-1974中No.9到No.12的四种测试颜色的光谱辐射因子。
表1①波长λ


为了预计颜色适应的情况，使用CIE109-1994中给出的CIE颜色适应变换，并将CIE标准照明体C用作标准参比照明体。另外，对用于物体颜色感知的色调，使用孟塞尔表色系统中的孟塞尔色调。
下面将简要描述孟塞尔表色系统和孟塞尔色调。
由一位美国的画家A.H.Munsell设计出的孟塞尔表色系统是一用于根据三种属性，即，孟塞尔色调、孟塞尔色度值(明度)、和孟塞尔彩度将颜色进行分类和排列的系统。
孟塞尔色调定义在总共为100种色调的标尺上；即，由五种基本色调R、Y、G、B、和P，以及它们的中间色调YR、GY、BG、PB和RP构成的10种色调沿一圆以相等的间隔排列，并且把这10个色调间隔都再分成10个相等的部分，由此确定了100种色调，这100种色调在心理上的色调差是相等的。
在色度计算之前，生产由长条形管构成的40W单磷光体荧光灯，以得到灯的光谱分布，它将用作色度计算的基础。由化学式LaPO4:Ce3+,Tb3+表示的磷光体(它在三基色型荧光灯中经检验)用于单磷光体的绿色荧光灯。对单磷光体的红色荧光灯使用由化学式Y2O3:Eu3+表示的磷光体(也在三基色型荧光灯中经检验)。
然后，测量单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯的光谱分布和总的光通量。
根据得到的光谱分布，改变两个荧光灯之间的光通量比，并且通过光混合计算来计算各种混合光的光谱分布。
使用如此计算出的每一个混合光的光谱分布，具有所需最低显色性的荧光灯的特性通过使用图2所示的计算方法进行研究，图2描述了色度计算的一个实例。
首先，输入照明灯的光谱分布、四种测试颜色的光谱辐射因子和CIE20视场颜色匹配函数。
(1)从如此计算出的每一个照明灯的光谱分布、在如表1中示出的CIE出版物No.13.3中规定的四种测试颜色的光谱辐射因子和CIE20视场颜色匹配函数计算出CIE XYZ三刺激值。
(2)在标准条件下(其中，将CIE标准照明体C用作标准参照灯；每一个照明灯和标准参考灯的光照度是10001x，并且背景的反射率是20％，在标准照明体C下相应颜色的xyz的值用CIE色适应变换得到。
(3)然后，将在标准照明体C下的xyz的值转换为相应的孟塞尔色度值(HV/C)。
在表2中示出对于在各种照明灯下的四种测试颜色的每一种测试颜色的孟塞尔色度值(HV/C)。
表2测试颜色No.9<

测试颜色No.10

照明光②光束比例绿(G)，红(R)③标准光源测试颜色No.11<

测试颜色No.12<

p><p>如表2中所示，对于CIE出版物No.13.3中的四种测试颜色，在标准照体下No.9具有孟塞尔色调5.0R,No.10的孟塞尔黄色色调为5.2Y,No.11的孟塞尔绿色色调为4.8G，而No.12r孟塞尔蓝色色调为3.3PB。
因此，在标准照明体下，四种测试颜色的色调大致上集中在孟塞尔色调圆的十种色调区域的由孟塞尔色调R表示的红色区域、由孟塞尔色调Y表示的黄色区域、由孟塞尔色调G表示的绿色区域和在孟塞尔色调PB表示的青蓝色区域中。
另外，在标准照明体下，当色度偏差CIE1976ΔEab*=1.2时，许多个人不能区别颜色，而当ΔEab*=2.5时，能够区别颜色。
因此，孟塞尔色调中区别颜色的分辨率可以假定为稍大于一个单位左右(H=Δ1.0)。
相应地，CIE出版物No.13.3中的测试颜色No.9能够大致上被感觉为红色的范围是孟塞尔色调从9RP经R到1YR；测试颜色No.10能够大致上被感觉为黄色的范围是孟塞尔色调从9YR经Y到1GY；测试颜色No.11能够大致上被感觉为绿色的范围是孟塞尔色调从9GY经G到1BG；而测试颜色No.12能够大致上被感觉为青蓝色的是孟塞尔色调从9B经PB到1P。
如果通过如上所述的计算步骤(1)到(3)，在每一个照明灯下得到的测试颜色的孟塞尔色调在上述范围中，则测试颜色应该分别被大致上感觉为红色、黄色、绿色和青蓝色。
图3中标出了表1中对于各个测试颜色在各种照明灯下计算出的孟塞尔色调值。在图3中，黑色方块表示在CIE标准照明体C下的四种测试颜色，即，彩色小生本身的颜色，而黑色圆点表示各个测试颜色计算出的值，它们落在四种测试颜色可以大致上被感觉为它们的固有色的孟塞尔色调范围内，而白色圆点表示在各种照明灯下，除了在黑色圆点处之外的测试颜色计算出的值。
如可以从图3中看到的，大致上显现出以孟塞尔色调表示为R的红色区域中的颜色的No.9测试颜色的照明灯在单磷光体绿色的荧光灯和单磷光体红色荧光灯之间光通量的比值范围大约在8∶2到2∶8之间。大致上显现出孟塞尔色调表示为Y的黄色区域中的颜色的No.10测试颜色的照明灯光在单磷光体绿色的荧光灯和单磷光体红色的荧光灯之间光通量的比值范围大约在8∶2到0∶10之间。
大致显现出以孟塞尔色调表示为G的绿色区域中的颜色的No.11测试颜色的照明灯在单磷光体绿色的荧光灯和单磷光体红色荧光灯之间光通量的比值范围大约在10∶0到6∶4之间。
大致上显现出以孟塞尔色调表示为PB的青蓝色区域中的颜色的No.12测试颜色的照明灯在单磷光体绿色荧光灯和单磷光体红色荧光灯之间光通量的比值范围大约在10∶0到0∶10之间。
相应地，大致上把No.9号测试颜色显现为孟塞尔色调表示为R的红色区域中的颜色的照明灯、大致上把No.10号测试颜色显现为孟塞尔色调表示为Y的黄色区域中的颜色的照明灯、大致上把No.11号测试颜色显现为孟塞尔色调表示为G的绿色区域中的颜色的照明灯和大致上把No.12号测试颜色显现为孟塞尔色调表示为PB的青蓝色区域中的颜色的照明灯，在单磷光体绿色荧光灯和单磷光体红色荧光灯之间光通量的比值范围大约在8∶2到6∶4之间。
在上述计算中，使用单磷光体的荧光灯的光谱分布，使用由化学式LaPO4:Ce3+,Tb3+表示的磷光体作为绿色发射的磷光体的典型例子，其峰值发射波长为530nm到560nm，以及由化学式Y2O3:Eu3+表示的磷光体作为红色发射的磷光体的典型例子，其峰值发射波长为600nm到630nm。但是，由于上述计算的结果通常表示通过使用混合了具有上述波长的两种单磷光体的荧光灯的照明体所进行的照明体特性的计算的结果，故如果使用除了上面具体给出的磷光体之外其它的磷光体，上述计算的结果也是正确的。也就是说，此外的要点是提供一种荧光灯，它使用绿色发射(峰值发射波长为530nm到560nm)的磷光体和红色发射(峰值发射波长为600nm到630nm)的磷光体产生主要的光(primary light)。
表3中示出通过上述的光混合计算来改变两个荧光灯之间的光通量的比值而计算出的各种照明光的特性。表3按照这样的顺序示出各项，即，照明光的序号、光通量比值、相关色温、在CIE 1960uv色度图上色点离普朗克轨迹的距离的色度偏差(下面表示为Δuv)以及预计的灯效能。
表3照明光的特性


通过使用表3，对于每一个单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值是8∶2到6∶4的照明光，详细地测出相关色温、在CIE1960uv色度图上色点离普朗克轨迹的距离的色度偏差(Δuv)以及灯的效能。
当单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值是8∶2时，照明光的相关色温是4175K,Δuv为+0.0356，并且灯效能为大约120lm/W。当单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值是7∶3时，照明光的相关色温是3466K,Δuv为+0.0189，并且灯效能为大约110lm/W。
另外，当单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值是6∶4时，照明光的相关色温是2852K,Δuv为+0.061，并且灯的效能为大约100lm/W。
当单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值是6∶4时，照明光的灯效能和目前使用40W长条形管三基色荧光灯的效能(大约90 lm/W)相比没有显示出显著的改进。
相应地，当单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值是在大约8∶2到大约7∶3的范围内时，可以做出具有较高灯效能，而又提供所需最低显色性的荧光灯。
尤其地，当来自绿色单色荧光灯的光量是最大(即，来自单磷光体绿色荧光灯的光通量和来自单磷光体红色荧光灯的光通量的比值是大约8∶2)时，可以做出具有最高灯效能，而又提供所需最低显色性的荧光灯。
参照表3，度且考虑到照明光根据使用的磷光体的种类的特性在某一范围中变化这一事实，本发明的照明光的相关色温和Δuv的范围用以下的方式决定。
当单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值范围大约在8∶2到大约7∶3时，本发明提供了一种显著的效果，不过在从9∶1到6∶4的更宽范围中也可以得到相当的效果。
由于这一点，相关色温3150K和相对于普朗克轨迹的色度偏差0.013被取为在光通量比值7∶3和6∶4的中点时的各自的值，而相关色温4550K和相对于普朗克轨迹的色度偏差0.045被取为在光通量比值9∶1和8∶2的中点时的各自的值，并且这些值舍入至更接近于较窄范围一侧的值，以确定本发明的范围。
更具体地说，照明光(即，本发明的荧光灯)的相关色温是大约3200K到4500K，而在CIE1960uv色度图上其光色的色坐标相对于普朗克轨迹的色度偏差为0.015到0.045。
这一范围相应于2和3之间以及4和5之间的色调，且由于如上所述，孟塞尔色调中颜色区别的分辨率是大约1个单位(ΔH=1.0)，故本发明的效果可以通过考虑灯的种类以及由上述范围中磷光体的种类所引起的制造变化来完成。
(荧光灯的第一实施例)下面将根据通过使用上述色度计算所作出的研究，示出作为本发明的一实施例制作的40W长条形管荧光灯的光谱分布。
图1示出使用由化学式LaPO4:Ce3+,Tb3+表示的磷光体和由化学式Y2O3:Eu3+表示的磷光体按照大约6∶4的重量比混合的荧光灯的光谱分布。
制作这样的荧光灯，从而其光谱分布大致上等于表3中的No.3照明光的光谱分布。No.3照明光的单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值为大约8∶2。这种情况下灯的效能为大约120lm/W。
下面，进行观察试验，以确定本发明的荧光灯是否具有所需最低的显色性。
在观察试验中，本发明的荧光灯被安装在观察箱的天花板上，该观察箱深170cm，宽150cm，而高180cm。
观察箱的壁表面是N8.5，地板表面是N5，而台面是N7，而把红色、黄色、绿色和青蓝色的彩色的小片放置在台面上，它们与用于专门的显色性指数的评估的测试颜色(CIE出版物No.13.3中规定的No.9、No.10、No.11和No.12相一致。在观察之前，进行五分钟的色适应。
作为观察的结果，确定了和CIE出版物No.13.3中的No.9测试颜色一致的彩色小片大致上被感觉为红色，和No.10一致的颜色被感觉为黄色，和No.11一致的颜色被感觉为绿色，而和No.12一致的颜色被感觉为青蓝色，由此提供了所需最低的显色性。
另外，为了再次确认对具有所需最低显色性的荧光灯的特性进行定量的方法的有效性，根据前面给出的色度计算，从图1的光谱分布计算出CIE出版物No.13.3的四种测试颜色No.9到No.12的孟塞尔色度值(HV/C)。表4中示出计算的结果。
根据本发明的一个实施例的荧光灯的颜色特性表4

对于在表2中的No.3照明光(其单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间光通量比值为大约8∶2)下的每一种测试颜色的孟塞尔色度值(HV/C)的计算结果大致上和用表4中的实际制造出的荧光灯照明时对每一种测试颜色计算出的孟塞尔色度值(HV/C)的计算结果大体上相符。
因此，具有通过上述计算方法得到的所需最低显色性的荧光灯的特性也可以应用于实际制造的荧光灯。
已经根据图1描述了一个实施例，但是应该理解，也可以通过上述方法之外的其它的方式组合各种磷光体来制造荧光灯。
作为一例，峰值发射波长在530nm到560nm的绿色发射的磷光体是一种由铽、铽铈或铽钆铈激活的，稀土磷光体，用诸如LaPO4:Ce3+,Tb3+,La2O3·0.2SiO2·0.9P2O:Ce3+,Tb3+,CeMgAl11O19:Tb3+,GdMgB5O10:Ce3+,Tb3+,(La,Ce,Tb)2O3·0.2SiO2·0.9P2O5，等等化学式表示。
峰值发射波长在600nm到630nm的红色发射的磷光体是一种由铕激活稀土磷光体，由诸如Y2O3:Eu3+,(Y,Gd)2O3:Eu3+,Y2O3:Pr3+，等等化学式表示。
另外，如果除了峰值发射波长在530nm到560nm的绿色发射的磷光体和峰值发射波长在600nm到630nm的红色发射的磷光体之外，加入微量的峰值发射波长处于另一波长的磷光体，则只要满足要求1，当然也可以制作和本发明的荧光灯的特性大体上相同的荧光灯。
用重量百分比表示的绿色发射和红色发射的磷光体的混合比值根据每一种磷光体的发光效能、微粒尺寸、重量和每一种磷光体的微粒形状、用于磷光体的溶剂、或者诸如温度和干燥条件之类的制造条件而变化。
对于通常用于三基色型荧光灯中的绿色发射和红光的磷光体，提供和表3中的No.3和No.4的照明光(其中，单磷光体绿色和单磷光体红色荧光灯之间的光通量比值为大约8∶2到大约7∶3)的特性大体上相同的绿色发射和红光的磷光体的重量百分比的比值是70∶30到50∶50。
虽然本实施例涉及40W的长条形管的荧光灯，但应该理解，本发明的荧光灯也可以做成不同的灯瓦特数，以及不同的管子形状。
另外，如果使用高频点亮的32W的长条形管子，可以做出本发明的灯效能最高的荧光灯。
本发明的荧光灯具有所需最低显色性和较高的灯效能，因此提供了许多优点，诸如易于点亮和比高强度放电灯成本更低等等。
因此本发明的荧光灯适用于经济因素比较重要，并且目前使用高强度放电灯的户外照明，尤其，适用于道路照明和隧道照明。
同样也适用于不需要严格的颜色外观，而首先考虑节能和经济效果的诸如交通管理灯、街灯、安全灯、自动化工厂的厂灯和过路人较少的场所的公共照明。
另外，如图4中所示，色度偏度偏差Δu,v(Δu,v在CIE1960uv色度图上色点离普朗克轨迹的距离)定义为CIE1960uv色度图上的S(u,v)和P(u0,v0)之间的距离SP，其中S(u,v)是光源光色的色坐标，而P(u0,v0)是自色坐标S垂直落至普朗克轨迹而与普朗克轨迹相交的点。
这里，当它在普朗克轨迹的左上侧(在呈绿色光一侧)时，色度偏差是正的(Δu,v＞0)，而当它在普朗克轨迹的右下侧在(呈红色光一侧)时，色度偏差是负的(Δu,v＜0)。工业应用的潜力如上所述，根据本发明可以实现具有所需最低显色性的高效能荧光灯。
权利要求
1．一种荧光灯，使用绿色发射的磷光体和发射红光的磷光体产生主要的光，所述绿色发射的磷光体峰值发射波长在530nm到560nm，所述红色发射的磷光体的峰值发射波长在600nm到630nm，其特征在于，在所述荧光灯的照明下，用于专门的显色性指数计算的四种测试颜色，即，在国际照明委员会的CIE出版No.13.3中规定的No.9、No.10、No.11和No.12测试颜色，按照孟塞尔色调被分别感觉为红色、黄色、绿色和蓝紫色。
2．如权利要求1所述的荧光灯，其特征在于所述荧光灯的相关色温是3200K到4500K，并且所述光色的色坐标位于这样的色度范围内，使得在CIE1960uv色度图上色点与普朗克轨迹的距离不小于0.015并且不大于0.045。
3．如权利要求2所述的荧光灯，其特征在于所述发射绿光的磷光体是一种由铽、铽铈、或铽钆铈激活的稀土磷光体，并且所述发射红光的磷光体是一种用铕激活的稀土磷光体。
4．如权利要求3所述的荧光灯，其特征在于所述绿色发射的磷光体和红色发射的磷光体的重量百分比为70∶30到50∶50。
5．如权利要求1到4中任一条所述的荧光灯，其特征在于所述荧光灯用于户外照明。
6．如权利要求1到4中任一条所述的荧光灯，其特征在于所述荧光灯用于道路照明和隧道照明。
全文摘要
本发明提供了一种荧光灯,主要由其峰值发射波长在530－560nm范围内的绿色磷光体和发射峰值波长在600－630nm范围内的红色磷光体发射光,其特征在于,当由该荧光灯照明时,在由国际照明协会出版的CIE出版物No.13.3发表中规定的用于专门的显色性指数计算的No.9、No.10、No.11和No.12等四种测试颜色的孟塞尔色调可分别被认为是红色、黄色和蓝紫色。
文档编号H01J61/38GK1219284SQ98800261
公开日1999年6月9日 申请日期1998年3月6日 优先权日1997年3月10日
发明者桥本健次郎, 矢野正, 清水正则, 坂本正悦 申请人:松下电器产业株式会社