TWI529976B

TWI529976B - 發光裝置

Info

Publication number: TWI529976B
Application number: TW101131105A
Authority: TW
Inventors: 姚久琳; 許明祺; 廖本瑜
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2016-04-11
Also published as: US20150085468A1; TW201409773A; US20140055980A1; US10012363B2; US20170097139A1; US8901811B2

Description

發光裝置

本發明係關於一種發光裝置，尤關於一種使用者對其色溫變異感知較小之照明裝置，例如使用多種色彩之發光二極體之照明裝置。

使用發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)形成白光有數種方式。其一是使用三種以上單色(Monochromatic Color)光源產生白光，例如，紅色、藍色、及綠色發光二極體。另一種方式係混合兩種彼此為互補色(Complementary Color)之色光，例如，藍光與黃光。通常，藍光係由氮化物發光二極體產生，黃光則係由被藍光所激發之螢光粉產生。利用二種互補色光源產出之白光相較於使用三種單色光源產出之白光一般而言具有較高之發光效率(Luminous Efficiency)但演色性指數(Color Rendering Index；CRI)卻較差。

演色性(Color Rendering)係衡量一個光源相較於日光呈現被照物真實色彩的指標。具高演色性指數之光源較能呈現出物體真實的色彩。鹵素燈(Halogen Lamp)及白熾燈泡(Incandescent Bulb)係目前人造光源中具有較佳演色性者，其演色性指標可達100。螢光燈(Fluorescent Light)的演色性指標通常介於60~85。藍色發光二極體搭配黃色螢光粉所產生之白光其演色性指標則僅達70左右。藍色發光二極體搭配二種以上螢光粉，例如，黃色及紅色螢光粉，雖然可以提高其演色性指標至80左右，但卻會使發光效率降低約30%。

本發明之一實施例揭露一種發光裝置，其包含一第一光源，係被設定可於一第一低溫及一第一高溫下發出一第一光線，並具有一第一熱冷係數；一第二光源，係被設定可於此第一低溫及此第一高溫下發出一第二光線，並具有一大於此第一熱冷係數之第二熱冷係數；及一光學元件，係被設定可被此第一光線激發以產生一第三光線、及在被此第一光線照射下可以達到一高於此第一高溫之第二高溫。

於本發明之另一個實施例中，此第一光線、此第二光線、及此第三光線係可混合成一混合光，此混合光於此第一低溫及此第一高溫間，其色度座標之差值為(△x,△y)，△y/△x係大於-0.2。

於本發明之另一個實施例中，此第一光線、此第二光線、及此第三光線係可混合成一混合光，此混合光於此第一低溫下具有一第一色度座標，於此第一高溫下具有一第二色度座標，此第一色度座標及此第二色度座標係分別位於黑體輻射曲線之兩側。

於本發明之另一個實施例中，此第一光線、此第二光線、及此第三光線係可混合成一混合光，此混合光於此第一低溫下具有一第一色度座標，於此第一高溫下具有一第二色度座標，此第一色度座標及此第二色度座標係位於黑體輻射曲線之同側。

於本發明之另一個實施例中，此第一光線、此第二光線、及此第三光線係可混合成一混合光，此混合光於此第一低溫下具有一第一色度座標，於此第一高溫下具有一第二色度座標，此第一色度座標及此第二色度座標之連線係大體平行於黑體輻射曲線。

於本發明之又一個實施例中，此第一光線、此第二光線、及此第三光線係可混合成一混合光，此混合光於此第一低溫下具有一第一相關色溫，於此第一高溫下具有一第二相關色溫，此第二相關色溫大於此第一相關色溫。

於本發明之又一個實施例中，此第一高溫及此第二高溫之差介於30℃~40℃。

於本發明之再一個實施例中，此第一光線係包含藍光，此第二光線第係包含紅光。

於本發明之再一個實施例中，此光學元件係包含一波長轉換材料，其可被設置於此光學元件之上並遠離此第二光源。

於本發明之再一個實施例中，此光學元件包含一平截頭體。

以下搭配圖式說明本發明之實施例。

如第1圖所示，本發明之一實施例揭露一種發光裝置100，其至少包含一第一光源10、一第二光源20、及一光學元件30。第一光源10與光學元件30間之最近距離為D1，第二光源20與光學元件30間之最近距離為D2，D1與D2可以相等或不同。光學元件30可以為單一結構或包含數個獨立之結構。一光源10可以產生一第一光線L1，第二光源20可以產生一不同(全部或部分波長不同)於第一光線L1之第二光線L2。第一光線L1、第二光線L2、或其二者可以照射光學元件30(例如，光學元件30可以覆蓋於第一光源10、第二光源20、或其二者之上)，並使光學元件30產生至少一種不同於第一光線L1或第二光線L2之第三光線L3。第一光線L1若僅與第三光線L3混合可以產生第四光線L4(也可以不混合，亦即圖式中沒有第四光線L4)。第一光線L1、第二光線L2、及第三光線L3(或第三光線L3及第四光線L4)可以於一空間位置上混合成為一第五光線L5。此空間位置可以位於光學元件30之外及發光裝置100之內、或發光裝置100之外。第1圖中發光裝置100、第一光源10、第二光源20、及光學元件30之數量、尺寸、位置可為例示，但不當然限制本發明。

例如，發光裝置100係一光源，如燈泡、燈管；第一光源10係一發光二極體，第一光線L1係藍光(非限於單色光源，亦包含頻譜中包含藍色光波段之光源，以下同)；第二光源20係另一發光二極體，第二光線L2係紅光(非限於單色光源，亦包含頻譜中包含紅色光波段之光源，以下同)；第三光線L3係黃光(非限於單色光源，亦包含頻譜中包含黃色光波段之光源，以下同)；第四光線L4係較高色溫白光(例如，相關色溫(Correlated Color Temperature；CCT)為4000K以上)；第五光線L5係較低色溫白光(例如，相關色溫為4000K以下)。光學元件30中係可以包含可被藍光激發並產生黃光之螢光粉，如釔鋁石榴石型(Yttrium Aluminum Garnet；YAG)螢光粉、矽酸鹽類(Silicate-based)螢光粉、鋱鋁石榴石型(Terbium Aluminum Garnet；TAG)螢光粉、氮氧化物(Oxynitride)螢光粉。本說明書中所列舉之螢光粉各有其操作特性，如釔鋁石榴石型螢光粉在高溫(如，100℃以上)下具有較佳之發光效率，氮氧化物螢光粉在中低溫(如，100℃以下)下具有較佳之發光效率。因此，發光裝置100係用於高溫之操作環境時，可以選用釔鋁石榴石型螢光粉；若使用於中低溫之操作環境時，可以選用氮氧化物螢光粉。然而以上選用建議並非絕對，仍可視設計需求調整之。

例如，發光裝置100係一光源，如燈泡、燈管；第一光源10係一發光二極體，第一光線L1係藍光；第二光源20係另一發光二極體，第二光線L2係紅光；三光線L3係綠光(非限於單色光源，亦包含頻譜中包含綠色光波段之光源，以下同)；第四光線L4係青綠光(cyan；非限於單色光源，亦包含頻譜中包含青綠色光波段之光源，以下同)；第五光線L5係白光。光學元件30中係可以包含可被藍光激發並產生綠光之螢光粉，如矽酸鹽類螢光粉、釔鋁石榴石型螢光粉、LuAG(Lutetium Aluminum Garnet)、beta-SiAlON。具體之化學組成舉例如下：(Sr,Ba)₂SiO₄：Eu²⁺、SrGa₂S₄：Eu²⁺、Y₂SiO₅：Tb、CeMgAl₁₁O₁₉：Tb、Zn₂SiO₄：Mn、LaPo₄：Ce,Tb、Y₃Al₅O₁₂：Tb、Y₂O₂S：Tb,Dy、BaMgAl₁₁O₁₇：Eu,Mn、GdMgZnB₅O₁₀：Ce,Tb、Gd₂O₂S：Tb,Dy。

第一光源10可以具有一第一熱冷係數(Hot/Cold Factor)，第二光源20可以具有一不同於第一熱冷係數之第二熱冷係數。此所謂熱冷係數(Hot/Cold Factor)，或稱溫度係數 (Temperature Coefficient；TC)，係表示光源在高溫時之光通量除以在低溫時之光通量之比值。高溫時之光通量小於低溫時之光通量，則熱冷係數小於1，反之則大於1。熱冷係數越大光通量或發光效率因溫度衰減之幅度越小。例如，一發光二極體之熱冷係數為X，若以25℃之光通量為參考值，則100℃時之光通量將只剩參考值之(100^＊X)%，換言之，光通量之下降幅度為(100-X)%。若輸入功率不變，光通量下降幅度越大，光源之發光效率也越差。

於另一實施例中，發光裝置100可以於一第一溫度T₁及一第二溫度T₂發出光線，且第二溫度T₂高於第一溫度T₁(於T₁及T₂間可以發光或不發光)，而第一光源10具有一第一熱冷係數HC₁，第二光源20具有一第二熱冷係數HC₂，且HC₁>HC₂。第一光線L1及第二光線L2於T₁時之光通量比值為FR₁，於T₂時光通量比值為FR₂，由於第二光線L2受熱衰減之幅度較第一光線L1明顯，使得FR₁<FR₂。於T₁時第五光線L5(可為單純L1及L2之混合光、或L1、L2及L3之混合光。)之相關色溫為CT₁，於T2時第五光線L5之相關色溫為CT₂，由於第一光線L1及第二光線L2之混合比例在T₁及T₂不同(FR₁≠FR₂)，使得CT₁與CT₂亦隨之不同。因此，熱冷係數亦可能會影響混合光之色溫。

發光裝置100之工作溫度往往隨著使用時間增長而上升。若發光裝置100所發出的光線係包含由數種不同熱冷係數之光源所產生之色光，則發光裝置100所發出光線之色溫便會因工作溫度的變化而改變。為緩和混合光在高低溫時之色溫變化或達到預期之色溫設計要求，本申請案另提出以下實施例。

於本發明之一實施例中，第一光源10與光學元件30間之最近距離為D1，第二光源20與光學元件30間之最近距離為D2，D1與D2可以相等或不同，且D1及D2皆不等於零。光學元件30中包含可以將第一光線L1轉換為第三光線L3之波長轉換材料40。波長轉換材料40係如螢光粉(具體材料係如前述)、染料、半導體等。波長轉換材料40具有特定之轉換效率，將激發光(如第一光線L1)依一定比例轉換成發射光(如第三光線L3)，而未被轉換為發射光之激發光則可能離開波長轉換材料40或被轉換成熱而使光學元件30之溫度上升。若波長轉換材料40或光學元件30之溫度高於光源之溫度，使其遠離光源或以一透明隔熱材料隔開二者亦可以減少傳遞至光源之熱。一旦光源之溫度下降便可以減緩因熱冷係數對色溫之影響。反之，若光學元件30之溫度低於光源之溫度，使光學元件30接近光源以吸收光源之熱，便可以降低光源之溫度，亦可以減緩熱冷係數對色溫之影響。

如第2圖所例示之發光裝置200，第一光源10係一藍色發光二極體，第二光源20係一紅色發光二極體，且第一光源10之熱冷係數大於第二光源20之熱冷係數。光學元件30係一倒圓錐(reversed cone)之平截頭體(frustum)，其上並具有一凹口30a，凹口30a內並設有一螢光粉層30b。第一光源10及第二光源20可以選擇性地安置於一載體50之上。載體50係如印刷電路板(Printed Circuit Board；PCB)、陶瓷基板、金屬基板、塑膠基板、玻璃、矽基板等。光學元件30及載體50間除發光二極體外，尚可填充其他材料，如膠體、導熱材料、光散射材料等。於一實施例中，第一光源10及第二光源20由室溫下開始運作直至光源及光學元件30之溫度達到穩態(Steady State)或擬似穩態(Quasi-Steady State)。

例如，光學元件30係如第2圖所示之平截頭體，其上直徑(Dt)約為17公釐，下直徑(Db)約為8公釐，高度H約為5公釐(亦即，螢光粉層30a距離第一光源10及第二光源20之距離約為5公釐)。初始，第一光源10及第二光源20由25℃左右開始運作並分別發出藍光及紅光，藍光可激發光學元件30產生黃光，並且，藍光、紅光及黃光可混合成一低色溫白光，其相關色溫約為2500K，CIE(x1,y1)_initial色度座標約為(0.4733,0.4047)。數分鐘後，溫度不再明顯上升。此時，第一光源10及第二光源20之溫度約為70℃~90℃，光學元件30之溫度約為100℃~130℃，所以第一光源10及第二光源20之溫度皆比光學元件30低約30℃~40℃。於此穩態溫度下，藍光、紅光及黃光可混合出一高色溫白光，其相關色溫約為3000K，CIE(x1,y1)_stable色度座標約為(0.4395,0.4104)。亦即，由低溫至高溫，白光之相關色溫差距約500K，色度座標(△x1,△y1)之變化約為(-0.0339,0.0057)，△y1/△x1約等於-0.17。由於△x1遠大於△y1(0≧△y1/△x1≧-0.2)，使得在低溫及高溫間色度座標變化的斜率較緩，CIE(x1,y1)_initial及CIE(x1,y1)_stable色度座標的連線會平行或近似平行黑體輻射曲線。亦即低溫及高溫之色度座標連線會在黑體輻射曲線之單側，或以較小的斜率穿越黑體輻射曲線。本例中，CIE(x1,y1)_initial位於黑體輻射線下方，CIE(x1,y1)_stable位於黑體輻射線上方。

相較之，若不使用光學元件30，將螢光粉直接覆蓋於第一光源10及第二光源20上(亦即螢光粉不遠離光源)，但其他條件不變，低色溫白光之CIE(x2,y2)_initial色度座標約為(0.4806,0.43)，高色溫白光之CIE(x2,y2)_stable色度座標約為(0.4531,0.4504)，白光之相關色溫差距雖仍約500K，但色度座標(△x2,△y2)之變化卻約為(-0.0275,0.0204)，△y2/△x2約等於-0.74。在低溫及高溫間色度座標變化的斜率較陡，色度座標的移動線段或其延伸線會穿越黑體輻射曲線。並且由於△y2遠大於△y1(△y2/△y1=3.58)，使得(x2,y2)朝色度座標中綠光區域(520 nm~560nm)移動的幅度大於(x1,y1)。由於人眼對於綠光較為敏感，因此，綠光的改變量愈大，人眼愈能察覺光線顏色或色溫的變化。

此外，由於將光學元件30遠離光源，亦將使光源遠離熱源而可以降低溫度，進而提昇其發光效率。例如，如第2圖之設計，由低溫至高溫，發光裝置200之發光效率約會下降24%。但是，如螢光粉層30b’直接覆蓋於第一光源10及第二光源20上後，再蓋上光學元件30，則發光裝置300之發光效率將降低27%，如第3圖所示。

由是，採用本發明上述實施例之配置或方法，可以降低人眼對於色溫變化之敏感度，並且可以提高光源之發光效率。

於本發明另一實施例中，如第4圖所示，發光裝置400，第一光源10係一藍色發光二極體，第二光源20係一紅色發光二極體。光學元件30係一倒圓錐之平截頭體，其上並具有一凹口30a，凹口30a內及平截頭體之側表面並設有一螢光粉層30c。第一光源10及第二光源20可以選擇性地安置於一載體50之上。載體50係如印刷電路板、陶瓷基板、金屬基板、塑膠基板、玻璃、矽基板等。光學元件30及載體50間除發光二極體外，尚可填充其他材料，如膠體、導熱材料、光散射材料等。由於光學元件30之上方及側面皆覆蓋螢光粉層30c，可以使得發光裝置100上方及下方的顏色較為均勻。例如，發光裝置400之色度座標(△u’,△v’)₄₀₀約為(0.010,0.014)，而發光裝置200之(Du’,Dv’)₂₀₀約為(0.014,0.023)。此外，若於光學元件30、螢光粉層30c、或二者中加入散射材料，如TiO₂，亦有助於形成顏色較均勻之光場。

以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。

雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

10‧‧‧第一光源

20‧‧‧第二光源

30‧‧‧光學元件

30a‧‧‧凹口

30b‧‧‧螢光粉層

30b’‧‧‧螢光粉層

30c‧‧‧螢光粉層

100‧‧‧發光裝置

200‧‧‧發光裝置

300‧‧‧發光裝置

400‧‧‧發光裝置

第1圖係例示依據本發明一實施例之發光裝置之配置圖；第2圖係例示依據本發明又一實施例之發光裝置；第3圖係例示依據本發明一實施例之發光裝置之比較例；及第4圖係例示依據本發明再一實施例之發光裝置。

10‧‧‧第一光源

20‧‧‧第二光源

30‧‧‧光學元件

100‧‧‧發光裝置

Claims

一種發光裝置，包含：一第一光源，係被設定可於一第一低溫及一第一高溫下發出一第一光線，並具有一第一熱冷係數；一第二光源，係被設定可於該第一低溫及該第一高溫下發出一第二光線，並具有一大於該第一熱冷係數之第二熱冷係數；及一光學元件，係被設定可被該第一光線激發以產生一第三光線、及在被該第一光線照射下可以達到一高於該第一高溫之第二高溫。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一光線、該第二光線、及該第三光線係可混合成一混合光，該混合光於該第一低溫及該第一高溫間，其色度座標之差值為(△x,△y)，△y/△x係大於-0.2。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一光線、該第二光線、及該第三光線係可混合成一混合光，該混合光於該第一低溫下具有一第一色度座標，於該第一高溫下具有一第二色度座標，該第一色度座標及該第二色度座標係分別位於黑體輻射曲線之兩側。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一光線、該第二光線、及該第三光線係可混合成一混合光，該混合光於該第一低溫下具有一第一色度座標，於該第一高溫下具有一第二色度座標，該第一色度座標及該第二色度座標係位於黑體輻射曲線之同側。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一光線、該第二光線、及該第三光線係可混合成一混合光，該混合光於該第一低溫下具有一第一色度座標，於該第一高溫下具有一第二色度座標，該第一色度座標及該第二色度座標之連線係大體平行於黑體輻射曲線。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一光線、該第二光線、及該第三光線係可混合成一混合光，該混合光於該第一低溫下具有一第一相關色溫，於該第一高溫下具有一第二相關色溫，該第二相關色溫大於該第一相關色溫。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一高溫及該第二高溫之差係介於30℃~40℃。
如請求項1所述之發光裝置，其中該第一光線係包含藍光，該第二光線第係包含紅光。
如請求項1所述之發光裝置，其中該光學元件係包含一波長轉換材料，其可被設置於該光學元件之上並遠離該第二光源。
如請求項1所述之發光裝置，其中該光學元件包含一平截頭體。