光学設計のための配光測定ファーフィールド/ニアフィールド

1. LED照明について
2. 光学設計について
3. 配光データ
4. 配光の測定方法
5. まとめ

LED照明について

■ LED照明の普及

昨今の照明はそのほとんどがLEDを光源として作られています。LEDの照明がここまで普及してきた理由には、高い発光効率をもち小型で柔軟な設計が可能であること、そしてLED自体の低価格化があげられます。

■ LED照明の構造

LEDで作られる電球は図のように点灯回路＋LED＋光学材料（フィルム、拡散板、反射板、レンズなど）を組み合わせることで、様々な構造で設計がなされています。
これはLED照明が明るさの追求、指向性の制御、調光、調色、デザイン性の重視など照明にとって必要なニーズに応えることが可能になったことが背景にあります。

光学設計について

■ 照明のための光学設計

出展：サイバネットシステム（株）

LEDの利用によって様々な照明が作れるようになった一方、LEDの特性を十分に理解せず照明の設計をしてしまい、想定していた性能を得ることができないといった問題も生じています。
LEDと従来からある蛍光管や電球を比べると、蛍光管や電球は周囲に等方的な光の放射をしていたのに対し、LEDはパッケージの構造によって半球上だったりビーム上であったりと特性が異なります。このように照明が空間の方向によって光の強弱が違うことを表す特性を”配光”または“配光特性”といいます。
LED照明を設計する場合、使用するLEDの配光を十分に把握した上でそれに適した設計を行う必要があります。
　*1 照明設計解析ソフトウェア「LightTools」による解析結果

■ 設計に必要な配光データ

照明設計を行うに当って必要な配光ですが、これには２つのタイプがあります。
１つが光源を点光源とみなして扱われる“ファーフィールド配光”です。
もう１つが光源を大きさのある光源とみなして光源の発光部位毎に個別の配光がある“ニアフィールド配光”です。
この２つの配光は用途によって使い分けられています。

配光データ

■ ファーフィールド配光１

ファーフィールド配光は光源の配光を配光曲線とよばれるグラフで表します。
これは一般的な照明のカタログ値として使用されるため、光源の特性を示すデータとして幅広く使われています。

■ ファーフィールド配光２

また光学シミュレーションにおいてはファーフィールドの配光データを用いることで、照明器具の配光から室内の明るさをシミュレーションすることが可能です。

■ ニアフィールド配光

ニアフィールド配光は光源の発光部を細かく分割した点としてとらえ、各点からどの方向にどのくらいの光の強さで光が出ているかを表したものです。これは光源の精密な配光特性をあらわしており、一般的には“光線データ”と呼ばれています。
このデータを用いることで一般照明や投光器、ヘッドランプなど実際に開発する製品の特性を光学シミュレーション上で検証することができます。これによって開発を行う製品が目標性能を実現できるかどうかを事前に知ることができます。

配光の測定方法

■ 配光測定

ファーフィールド配光、ニアフィールド配光のどちらにおいてもその配光を知るためには専用の計測装置で評価する必要があります。

■ ファーフィールド配光の測定

ファーフィールド配光の測定は、図にあるように光源から十分に距離を離したところにセンサーを置いて光源を回転させながら測定することで得られます。
一般的に取り扱うデータ形式としては”IES”フォーマットと呼ばれる形式があり、この形式でデータのやりとりがなされます。

■ ニアフィールド配光の測定

ニアフィールド配光の測定は、光源に比較的近い位置にカメラをセットして発光部をエリアで捉えます。その状態から角度を変えて測定します。これによって光源の微小エリア毎の配光が取得できます。
測定データは、それぞれの光学シミュレーションソフトで取り扱い可能な光線データ形式に変換し、それらソフトで解析を行います。