发光装置以及操作发光装置的方法与流程

文档序号:11770253阅读:186来源:国知局
本申请是申请日为2012年08月31日、申请号为201210319939.5、发明名称为“发光装置”的发明专利申请的分案申请。本发明是关于一种发光装置,尤关于一种使用者对其色温变异感知较小的照明装置,例如使用多种色彩的发光二极管的照明装置。
背景技术
::使用发光二极管(light-emittingdiode;led)形成白光有数种方式。其一是使用三种以上单色(monochromaticcolor)光源产生白光,例如,红色、蓝色、及绿色发光二极管。另一种方式是混合两种彼此为互补色(complementarycolor)的色光,例如,蓝光与黄光。通常,蓝光是由氮化物发光二极管产生,黄光则是由被蓝光所激发的荧光粉产生。利用二种互补色光源产出的白光相较于使用三种单色光源产出的白光一般而言具有较高的发光效率(luminousefficiency)但演色性指数(colorrenderingindex;cri)却较差。演色性(colorrendering)是衡量一个光源相较于日光呈现被照物真实色彩的指标。具高演色性指数的光源较能呈现出物体真实的色彩。卤素灯(halogenlamp)及白炽灯泡(incandescentbulb)是目前人造光源中具有较佳演色性者,其演色性指标可达100。荧光灯(fluorescentlight)的演色性指标通常介于60~85。蓝色发光二极管搭配黄色荧光粉所产生的白光其演色性指标则仅达70左右。蓝色发光二极管搭配二种以上荧光粉,例如,黄色及红色荧光粉,虽然可以提高其演色性指标至80左右,但却会使发光效率降低约30%。技术实现要素:本发明的一实施例揭露一种发光装置,包含:光源,于第一温度下发出第一光线;及光学元件,被该第一光线激发以产生第二光线,该光学元件与该光源间的最短距离为d,且d>0,其中,该光学元件在被该第一光线照射下可以达到一高于该第一温度的第二温度。本发明的一实施例揭露一种操作发光装置的方法,包含:提供可发出第一光线的光源及光学元件,且该光源与该光学元件间的最短距离为d,且d>0;及该第一光线照射该光学元件产生第二光线,直至该光源及该光学元件的温度达到稳态或拟似稳态,其中,该温度为稳态或拟似稳态时,该光源具有第一温度,该光学元件具有第二温度,且该第二温度高于该第一温度。本发明的一实施例揭露一种发光装置,其包含一第一光源,被设定可于一第一低温及一第一高温下发出一第一光线,并具有一第一热冷系数;一第二光源,被设定可于此第一低温及此第一高温下发出一第二光线,并具有一大于此第一热冷系数的第二热冷系数;及一光学元件,被设定可被此第一光线激发以产生一第三光线、及在被此第一光线照射下可以达到一高于此第一高温的第二高温。于本发明的另一个实施例中,此第一光线、此第二光线、及此第三光线可混合成一混合光,此混合光于此第一低温及此第一高温间,其色度坐标的差值为(△x,△y),△y/△x大于-0.2。于本发明的另一个实施例中,此第一光线、此第二光线、及此第三光线可混合成一混合光,此混合光于此第一低温下具有一第一色度坐标,于此第一高温下具有一第二色度坐标,此第一色度坐标及此第二色度坐标是分别位于黑体辐射曲线的两侧。于本发明的另一个实施例中,此第一光线、此第二光线、及此第三光线可混合成一混合光,此混合光于此第一低温下具有一第一色度坐标,于此第一高温下具有一第二色度坐标,此第一色度坐标及此第二色度坐标是位于黑体辐射曲线的同侧。于本发明的另一个实施例中,此第一光线、此第二光线、及此第三光线可混合成一混合光,此混合光于此第一低温下具有一第一色度坐标,于此第一高温下具有一第二色度坐标,此第一色度坐标及此第二色度坐标的连线是大体平行于黑体辐射曲线。于本发明的又一个实施例中,此第一光线、此第二光线、及此第三光线可混合成一混合光,此混合光于此第一低温下具有一第一相关色温,于此第一高温下具有一第二相关色温,此第二相关色温大于此第一相关色温。于本发明的又一个实施例中,此第一高温及此第二高温的差介于30℃~40℃。于本发明的再一个实施例中,此第一光线包含蓝光,此第二光线包含红光。于本发明的再一个实施例中,此光学元件包含一波长转换材料,其可被设置于此光学元件之上并远离此第二光源。于本发明的再一个实施例中,此光学元件包含一平截头体。附图说明图1是例示依据本发明一实施例的发光装置的配置图;图2是例示依据本发明又一实施例的发光装置;图3是例示依据本发明一实施例的发光装置的比较例;及图4是例示依据本发明再一实施例的发光装置。[主要元件标号说明]10第一光源30c荧光粉层20第二光源100发光装置30光学元件200发光装置30a凹口300发光装置30b荧光粉层400发光装置30b’荧光粉层具体实施方式以下搭配图式说明本发明的实施例。如图1所示,本发明的一实施例揭露一种发光装置100,其至少包含一第一光源10、一第二光源20、及一光学元件30。第一光源10与光学元件30间的最近距离为d1,第二光源20与光学元件30间的最近距离为d2,d1与d2可以相等或不同。光学元件30可以为单一结构或包含数个独立的结构。一光源10可以产生一第一光线l1,第二光源20可以产生一不同(全部或部分波长不同)于第一光线l1的第二光线l2。第一光线l1、第二光线l2、或其二者可以照射光学元件30(例如,光学元件30可以覆盖于第一光源10、第二光源20、或其二者之上),并使光学元件30产生至少一种不同于第一光线l1或第二光线l2的第三光线l3。第一光线l1若仅与第三光线l3混合可以产生第四光线l4(也可以不混合,亦即图式中没有第四光线l4)。第一光线l1、第二光线l2、及第三光线l3(或第三光线l3及第四光线l4)可以于一空间位置上混合成为一第五光线l5。此空间位置可以位于光学元件30之外及发光装置100之内、或发光装置100之外。图1中发光装置100、第一光源10、第二光源20、及光学元件30的数量、尺寸、位置可为例示,但不当然限制本发明。例如,发光装置100是一光源,如灯泡、灯管;第一光源10是一发光二极管,第一光线l1是蓝光(非限于单色光源,亦包含频谱中包含蓝色光波段的光源,以下同);第二光源20是另一发光二极管,第二光线l2是红光(非限于单色光源,亦包含频谱中包含红色光波段的光源,以下同);第三光线l3是黄光(非限于单色光源,亦包含频谱中包含黄色光波段的光源,以下同);第四光线l4是较高色温白光(例如,相关色温(correlatedcolortemperature;cct)为4000k以上);第五光线l5是较低色温白光(例如,相关色温为4000k以下)。光学元件30中是可以包含可被蓝光激发并产生黄光的荧光粉,如钇铝石榴石型(yttriumaluminumgarnet;yag)荧光粉、硅酸盐类(silicate-based)荧光粉、铽铝石榴石型(terbiumaluminumgarnet;tag)荧光粉、氮氧化物(oxynitride)荧光粉。本说明书中所列举的荧光粉各有其操作特性,如钇铝石榴石型荧光粉在高温(如,100℃以上)下具有较佳的发光效率,氮氧化物荧光粉在中低温(如,100℃以下)下具有较佳的发光效率。因此,发光装置100用于高温的操作环境时,可以选用钇铝石榴石型荧光粉;若使用于中低温的操作环境时,可以选用氮氧化物荧光粉。然而以上选用建议并非绝对,仍可视设计需求调整之。例如,发光装置100是一光源,如灯泡、灯管;第一光源10是一发光二极管,第一光线l1是蓝光;第二光源20是另一发光二极管,第二光线l2是红光;三光线l3是绿光(非限于单色光源,亦包含频谱中包含绿色光波段的光源,以下同);第四光线l4是青绿光(cyan;非限于单色光源,亦包含频谱中包含青绿色光波段的光源,以下同);第五光线l5是白光。光学元件30中可以包含可被蓝光激发并产生绿光的荧光粉,如硅酸盐类荧光粉、钇铝石榴石型荧光粉、luag(lutetiumaluminumgarnet)、beta-sialon。具体的化学组成举例如下:(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可以具有一第一热冷系数(hot/coldfactor),第二光源20可以具有一不同于第一热冷系数的第二热冷系数。此所谓热冷系数(hot/coldfactor),或称温度系数(temperaturecoefficient;tc),是表示光源在高温时的光通量除以在低温时的光通量的比值。高温时的光通量小于低温时的光通量,则热冷系数小于1,反之则大于1。热冷系数越大光通量或发光效率因温度衰减的幅度越小。例如,一发光二极管的热冷系数为x,若以25℃的光通量为参考值,则100℃时的光通量将只剩参考值的(100*x)%,换言之,光通量的下降幅度为(100-x)%。若输入功率不变,光通量下降幅度越大,光源的发光效率也越差。于另一实施例中,发光装置100可以于一第一温度t1及一第二温度t2发出光线,且第二温度t2高于第一温度t1(于t1及t2间可以发光或不发光),而第一光源10具有一第一热冷系数hc1,第二光源20具有一第二热冷系数hc2,且hc1>hc2。第一光线l1及第二光线l2于t1时的光通量比值为fr1,于t2时光通量比值为fr2,由于第二光线l2受热衰减的幅度较第一光线l1明显,使得fr1<fr2。于t1时第五光线l5(可为单纯l1及l2的混合光、或l1、l2及l3的混合光。)的相关色温为ct1,于t2时第五光线l5的相关色温为ct2,由于第一光线l1及第二光线l2的混合比例在t1及t2不同(fr1≠fr2),使得ct1与ct2亦随之不同。因此,热冷系数亦可能会影响混合光的色温。发光装置100的工作温度往往随着使用时间增长而上升。若发光装置100所发出的光线包含由数种不同热冷系数的光源所产生的色光,则发光装置100所发出光线的色温便会因工作温度的变化而改变。为缓和混合光在高低温时的色温变化或达到预期的色温设计要求,本申请案另提出以下实施例。于本发明的一实施例中,第一光源10与光学元件30间的最近距离为d1,第二光源20与光学元件30间的最近距离为d2,d1与d2可以相等或不同,且d1及d2皆不等于零。光学元件30中包含可以将第一光线l1转换为第三光线l3的波长转换材料40。波长转换材料40是如荧光粉(具体材料是如前述)、染料、半导体等。波长转换材料40具有特定的转换效率,将激发光(如第一光线l1)依一定比例转换成发射光(如第三光线l3),而未被转换为发射光的激发光则可能离开波长转换材料40或被转换成热而使光学元件30的温度上升。若波长转换材料40或光学元件30的温度高于光源的温度,使其远离光源或以一透明隔热材料隔开二者亦可以减少传递至光源的热。一旦光源的温度下降便可以减缓因热冷系数对色温的影响。反之,若光学元件30的温度低于光源的温度,使光学元件30接近光源以吸收光源的热,便可以降低光源的温度,亦可以减缓热冷系数对色温的影响。如图2所例示的发光装置200,第一光源10是一蓝色发光二极管,第二光源20是一红色发光二极管,且第一光源10的热冷系数大于第二光源20的热冷系数。光学元件30是一倒圆锥(reversedcone)的平截头体(frustum),其上并具有一凹口30a,凹口30a内并设有一荧光粉层30b。第一光源10及第二光源20可以选择性地安置于一载体50之上。载体50是如印刷电路板(printedcircuitboard;pcb)、陶瓷基板、金属基板、塑料基板、玻璃、硅基板等。光学元件30及载体50间除发光二极管外,尚可填充其它材料,如胶体、导热材料、光散射材料等。于一实施例中,第一光源10及第二光源20由室温下开始运作直至光源及光学元件30的温度达到稳态(steadystate)或拟似稳态(quasi-steadystate)。例如,光学元件30是如图2所示的平截头体,其上直径(dt)约为17公厘,下直径(db)约为8公厘,高度h约为5公厘(亦即,荧光粉层30a距离第一光源10及第二光源20的距离约为5公厘)。初始,第一光源10及第二光源20由25℃左右开始运作并分别发出蓝光及红光,蓝光可激发光学元件30产生黄光,并且,蓝光、红光及黄光可混合成一低色温白光,其相关色温约为2500k,cie(x1,y1)initial色度坐标约为(0.4733,0.4047)。数分钟后,温度不再明显上升。此时,第一光源10及第二光源20的温度约为70℃~90℃,光学元件30的温度约为100℃~130℃,所以第一光源10及第二光源20的温度皆比光学元件30低约30℃~40℃。于此稳态温度下,蓝光、红光及黄光可混合出一高色温白光,其相关色温约为3000k,cie(x1,y1)stable色度坐标约为(0.4395,0.4104)。亦即,由低温至高温,白光的相关色温差距约500k,色度坐标(△x1,△y1)的变化约为(-0.0339,0.0057),△y1/△x1约等于-0.17。由于△x1远大于△y1(0≧△y1/△x1≧-0.2),使得在低温及高温间色度坐标变化的斜率较缓,cie(x1,y1)initial及cie(x1,y1)stable色度坐标的连线会平行或近似平行黑体辐射曲线。亦即低温及高温的色度坐标连线会在黑体辐射曲线的单侧,或以较小的斜率穿越黑体辐射曲线。本例中,cie(x1,y1)initial位于黑体辐射线下方,cie(x1,y1)stable位于黑体辐射线上方。相较之,若不使用光学元件30,将荧光粉直接覆盖于第一光源10及第二光源20上(亦即荧光粉不远离光源),但其它条件不变,低色温白光的cie(x2,y2)initial色度坐标约为(0.4806,0.43),高色温白光的cie(x2,y2)stable色度坐标约为(0.4531,0.4504),白光的相关色温差距虽仍约500k,但色度坐标(△x2,△y2)的变化却约为(-0.0275,0.0204),△y2/△x2约等于-0.74。在低温及高温间色度坐标变化的斜率较陡,色度坐标的移动线段或其延伸线会穿越黑体辐射曲线。并且由于△y2远大于△y1(△y2/△y1=3.58),使得(x2,y2)朝色度坐标中绿光区域(520nm~560nm)移动的幅度大于(x1,y1)。由于人眼对于绿光较为敏感,因此,绿光的改变量愈大,人眼愈能察觉光线颜色或色温的变化。此外,由于将光学元件30远离光源,亦将使光源远离热源而可以降低温度,进而提升其发光效率。例如,如图2的设计,由低温至高温,发光装置200的发光效率约会下降24%。但是,如荧光粉层30b’直接覆盖于第一光源10及第二光源20上后,再盖上光学元件30,则发光装置300的发光效率将降低27%,如图3所示。由是,采用本发明上述实施例的配置或方法,可以降低人眼对于色温变化的敏感度,并且可以提高光源的发光效率。于本发明另一实施例中,如图4所示,发光装置400,第一光源10是一蓝色发光二极管,第二光源20是一红色发光二极管。光学元件30是一倒圆锥的平截头体,其上并具有一凹口30a,凹口30a内及平截头体的侧表面并设有一荧光粉层30c。第一光源10及第二光源20可以选择性地安置于一载体50之上。载体50是如印刷电路板、陶瓷基板、金属基板、塑料基板、玻璃、硅基板等。光学元件30及载体50间除发光二极管外,尚可填充其它材料,如胶体、导热材料、光散射材料等。由于光学元件30的上方及侧面皆覆盖荧光粉层30c,可以使得发光装置100上方及下方的颜色较为均匀。例如,发光装置400的色度坐标(△u’,△v’)400约为(0.010,0.014),而发光装置200的(du’,dv’)200约为(0.014,0.023)。此外,若于光学元件30、荧光粉层30c、或二者中加入散射材料,如tio2,亦有助于形成颜色较均匀的光场。以上各图式与说明虽仅分别对应特定实施例,然而,各个实施例中所说明或揭露的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外,吾人当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。虽然本发明已说明如上,然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与制程方法。对于本发明所作的各种修饰与变更,皆不脱本发明的精神与范围。当前第1页12当前第1页12
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