专利名称：高演色性发光二极管的配置方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高演色性发光二极管，尤其涉及一种高演色性发光二极 管的配置方法与系统。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode;简称LED)，是一种可将电能转化 为光能的电子零件，并同时具备二极管的特性。 一般给予直流电时，发光二 极管会稳定地发光，但如果接上交流电，发光二极管会呈现闪烁的型态，闪 烁的频率依据输入交流电的频率而定。发光二极管的发光原理是外加电压， 使得电子与空穴在半导体内结合后，将能量以光的形式释放。
目前发光二极管芯片的组成主要包含三族砷化物、三族磷化物、三族氮 化物、或是II-VI族的半导体化合物等。伴随着发光二极管芯片制造材料的 不同，产生出来的光子拥有的能量也不同，因此通过制造材料来控制发光二 极管芯片发光的波长，进而生产出不同光谱与颜色的各种发光二极管芯片。 目前全球产业发展出不同种类的发光二极管芯片已能够发射出从红外线到 蓝色光之间不同波长的光线，而紫色至紫外线的发光二极管芯片的技术也正 在成熟中。上述的发光二极管主要重点是在单色光，或是单一频率的发光二 极管。白光发光二极管的发光频谱，不再是集中在某一单色光上，而是在可 见光的频谱中有一个分布。目前用来形成白光发光二极管的组合主要分为多 芯片型及单芯片型两种类型。
多芯片类型以红色、绿色及蓝色三色的发光二极管芯片，借由透镜混合 此三种光，进而产生我们所见的白光。其优点为高发光率及光色可调，缺点 为须三种芯片，各芯片间有个别电路设计且三种芯片的衰减速率及寿命不尽 相同，难以控制白光发光二极管的寿命。
另外，以单芯片类型产生白光则可分为三种方式。第一种方式，也是主 流的方式，以蓝色发光二极管芯片照射黄色荧光粉，将荧光粉激发而发出白
5光。这样的产品在调整发光二极管的CIE值时，选对蓝光发光二极管的波长 与黄色荧光粉的激发频谱后，只要调整蓝光发光二极管的发光强度与黄色荧 光粉的浓度即可。这样的白光发光二极管所产生的光谱，红色区域的光度太 弱而导致平均演色系数(General Color Rendering Index; Ra)值偏低。例如， 将这种产品应用在数字相机的辅助光源，则拍照的人相往往没有血色。因此， 目前高演色性白光发光二极管成为现阶段各界追求的方向。
为了弥补红色区域的光度，后续衍生以蓝色发光二极管芯片照射绿色及 红色荧光粉或以蓝色发光二极管芯片照射绿色及黄色荧光粉产生白光提高 平均演色系数为第二种方式。第三种方式则以紫外光发光二极管芯片照射绿 色、红色及蓝色三种荧光粉产生白光。
一种方式请参阅美国专利公告号US 2007/0194695A1,其以蓝色发光二 极管芯片搭配一橙色无机荧光粉及绿色无机荧光粉以产生白光。其橙色无机 荧光粉及绿色无机荧光粉的混合比例可以配比调整而增加荧光粉的吸收波 长的宽度而达到近真白光，例如以蓝色发光二极管芯片激发经由 Zn(Se(u，S。.9):Cu的橙色无机荧光粉及Eu-activated P-sialon的绿色无机荧光粉 混合的荧光粉
另一种方式请参阅中国台湾专利公告号1263360，其中激发光源可发出 波长介于258nm至490nm间的一光源，而荧光粉则配置于激发光源周围， 以接收激发光源所发出的光线。其荧光粉包括绿色荧光粉、洋红光(Magenta) 荧光粉、以及红光荧光粉及蓝色荧光粉等。其中，绿光及洋红光(Magenta) 荧光粉的材质选g(Mei.x_yEuxRey)8Mgz(Si04)mCln所组成的族群其中之一或二 种以上；红光荧光粉的材料选自(Me^.yEuxRey)S所组成的族群其中之一，蓝 色荧光粉的材料选g(Cai_x.yEUxRey)5(P04)3Cl: Ei^+Gc^+所组成的族群其中之 一；0<x^0,8，而0^y^2,0， O^z^l.O, 1.0〇m^6.0， 0.1刍n刍3.0。此外， Me选自钙、锶、钡所组成的族群其中之一，而Re选自镨、铷、镝、钐、钬、 钇、铒、铕、铥、镱、镏、钆、镁、锰所组成的族群其中之一或二种以上。 上述四种荧光粉适当配比后以波长385mn的紫光作为激发光，进而形成一四 波长且演色性佳的白光。
在上述的方式，想要达成高演色性发光二极管的制作方式可为增加红色 的荧光粉或是使用两种以上的荧光粉等。然而，当使用两种荧光粉混光让发光二极管产生特定的CIE值的光源时，总共有三种参数需要同时进行调整， 也就是发光二极管的发光强度与两个荧光粉的浓度。为了达成某特定的CIE 值与演色性，需要进行多次的尝试错误(trial-and-error)的方式去调整不同 的荧光粉之间的浓度比例以及蓝光发光二极管的发光强度。例如在上述的中 国台湾专利公告号1263360的先前技术中，就建议了四种荧光粉，需要调配 出特定的CIE值的过程，需要经过尝试错误的时间会以指数的形式增加。另 外，在不同的色温下，想要提供更佳演色性的白光发光二极管，需要更多的 时间去尝试出最佳的荧光粉浓度。
当市面上开发出来的荧光粉种类愈来愈多的时候，或是希望使用两种以 上的荧光粉进行混光，调配不同种类的荧光粉而达到高演色性发光二极管的 开发时间也愈来愈长。对于产品的上市而言无疑是相当大的挑战。
发明内容
鉴于上述的发明背景中，为了符合产业利益的需求，本发明提供一种配 置高演色性发光二极管的方法，其步骤包含先计算一标准频谱，其中标准频 谱是在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频谱。之后，提供一发光二 极管的发射频谱， 一第一荧光粉的发射频谱，及一第二荧光粉的发射频谱。 借由标准频谱调整第一荧光粉与第二荧光粉的浓度而得到一第一混光频谱， 使得第一混光频谱与标准频谱接近。
上述的计算该标准频谱的步骤，是利用普朗克(Planck)方程式计算而 得。上述的第一混光频谱是由发光二极管，第一荧光粉，与第二荧光粉激发 辐射后得到。在得到该第一混光频谱后，先计算第一混光频谱在各标准色板 的演色性，然后找出演色性最差的色板修正第一荧光粉与第二荧光粉的浓 度，因而得到一第二混光频谱。
本发明也提供一种配置高演色性发光二极管的方法其步骤包含先计算 一标准频谱，而标准频谱是在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频 谱。之后，提供一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉的发射频谱，及一 第二荧光粉的发射频谱。借由标准频谱调整第一荧光粉与第二荧光粉的浓度 而得到一第一混光频谱。计算第一混光频谱在各标准色板的演色性。然后， 找出演色性最差的色板修正第一荧光粉与第二荧光粉的浓度，因而得到一第二混光频谱。
本发明也提供一种配置高演色性发光二极管的系统，包含用以计算一标 准频谱的手段，其中的标准频谱是在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见
光频谱；用以提供一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉的发射频谱，及 一第二荧光粉的发射频谱的手段；借由标准频谱用以调整第一荧光粉与第二 荧光粉的浓度而得到一第一混光频谱的手段；用以计算第一混光频谱在各标 准色板的演色性的手段；以及找出演色性最差的色板用以修正第一荧光粉与 第二荧光粉的浓度的手段，因而得到一第二混光频谱。
本发明也提供一种配置高演色性发光二极管的系统，包含一第一数据 库，用以储存一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉发射频谱，及一第二 荧光粉发射频谱。 一第二数据库，用以储存各标准色板的反射频谱。 一混色 单元，用以计算在第一数据库中发光二极管，第一荧光粉，及第二荧光粉的 混光频谱，其中混光频谱为一第一混光频谱。 一标准色温频谱产生器，用以 产生在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频谱。 一频谱比较单元，用 以比对第一混光频谱与标准色温频谱产生器所产生的标准频谱。 一标准色板 的反射频谱产生单元，用以读取第二数据库中各标准色板的反射频谱，并且 对第一混光频谱与标准频谱分别产生第一混光频谱的各标准色板反射频谱 以及标准频谱的各标准色板反射频谱。 一色板频谱比较单元，用以比对第一 混光频谱的各标准色板反射频谱以及标准频谱的各标准色板反射频谱。
其中上述的计算该标准频谱的步骤、手段或系统，是利用普朗克(Planck)
方程式计算而得。上述的第一混光频谱是由发光二极管，第一荧光粉，与第 二荧光粉激发辐射后得到。其中上述的第一荧光粉可为CaSC204:Ce， (MgCaSrBa)2Si04:Eu, Ca3Sc2Si3012:Ce， (Ca^MguCeo.cBXSc^Yo.OSisOh或 (Ca2.97Cea()3)Sc2(Si，Ge)3012 。其中上述的第二荧光粉可为CaAlSiN3:Eu， (CaEu)AlSiN3， (SrCa)AlSiN3:Eu或SrGa2S4:Eu。本发明可包含一第三荧光粉 及其发射光谱。
本发明也提供一种计算多重荧光粉浓度以得到高演色性发光二极管的 方法，包含调整多重荧光粉的浓度使得与一发光二极管混光后的频谱接近在 一第一色温下的黑体辐射发光频谱，以及找出混光后的频谱在各标准色板的 反射 谱中演色性最差的色板，借以修正上述多重荧光粉的浓度。本发明也提供一种使用两阶段的近似找出各种荧光粉在高演色性发光 二极管的调配比例的方法，包含调配出接近黑体辐射的各种荧光粉的混合比 例，以及从演色性最差的色板修正各种荧光粉的调配比例。
本发明的一个目的是利用软件的计算可以快速调配出使用多种荧光粉 混成高演色性发光二极管的方式与系统，以降低尝试错误的时间成本。
图1显示CIE 1931色度的示意图； 图2黑体辐射不同的色温在色度图示中的分布示意图； 图3显示本发明的一种计算多重荧光粉浓度以得到高演色性发光二极管 的方法流程图4显示本发明的一种配置高演色性发光二极管的方法流程图； 图5显示本发明的一种配置高演色性发光二极管的系统方框图； 图6显示本发明的高演色性白光发光二极管的配制方法流程图； 图7显示本发明的发射频谱相似度比较的高演色性白光发光二极管的配 制系统方框图8显示发光二极管芯片及两种不同荧光粉浓度的混合发射频谱的示意
图9显示目标色温的黑体辐射的可见光频谱与混合发射频谱的比较图； 图10显示演色系数比对的高演色性白光发光二极管的配制系统方框以及
图11显示本发明的配置高演色性白光发光二极管的系统方框图。
其中，附图标记说明如下
0完成
31-32步骤
41-45步骤
51第一数据库
52混色单元
53标准色温频谱产生器
54频谱比较单元
955第二数据库
56标准色板的反射频谱产生单元
57色板频谱比较单元
61-65步骤
71目标色温的黑体辐射产生器
72第一数据库
73频谱计算单元
74频谱比较单元
76调整荧光粉的浓度
77重新选择荧光粉
100目标色温的黑体辐射产生器
101第一数据库
102频谱计算单元
103第二数据库
104标准色板的反射频谱与演色系数计算单元
105混光频谱的反射频谱与演色系数计算单元
106比较单元
108调整荧光粉的浓度
109重新选择荧光粉
110目标色温的黑体辐射的频谱产生器
111第一数据库
112频谱计算单元
113频谱比较单元
114第一阶近似
115第二数据库
116标准色板的反射频谱演色性计算单元 117比较单元
118混光频谱的反射频谱演色性计算单元 119第二阶近似
具体实施例方式
本发明在此所探讨的方向为一种高演色性白光发光二极管及其制造工 艺。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。 显然地，本发明的施行并未限定于发光二极管及其制造工艺的技术人员所熟 悉的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避 免造成本发明不必要的限制。本发明的优选实施例会详细描述如下，然而除 了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发 明的范围不受限定，其以所附的权利要求书为准。
由上述可知，产生白光的重要元素其中之一为荧光材料。而荧光材料发 光即为荧光体经过光、电场、电子束等不同激发源的激发后，可让荧光体的 电子获得足够能量，由基态能阶跃迁至较高能量的激发态能阶。由于处于高
能阶激发态的电子较不稳定，又会以缓解(relaxation)的方式回到低能阶的 基态。在缓解过程中，若是以非辐射(non-mdiative)方式释放能量时，将产 生晶格的振动，使能量以「热」的形式消耗。如果是以电磁辐射(radiative) 方式释放时，则以光的形式放出能量。若发出的光波长落在可见光范围，则 人眼可以看到荧光体所放射出的光。在此荧光体所发的光，只跟电子在高低 能阶间跃迁有关。
发光二极管所使用的荧光粉由主体晶格(hostlattice, H)为主要的组成 成分，例如ZnS:Cu2、其中ZnS即为主体晶格。荧光体中发光中心借由少量 添加或掺杂(dope)异种离子于主体晶格中所构成，例如ZnS:C^+中的Cu2+。 由此异种离子为可被激发并产生荧光的中心体，也称为活化中心(activator) 或活化剂。有时荧光材料中也会于主体晶格中添加第二种异种离子，作用为 将其所吸收的激发能量传递至活化中心离子并发光，称为增感剂(sensitizer) 或辅助活化剂(co-activator)。故可借由控制主体晶格及活化中心而设计各 式各样具发射各种波长的荧光粉。目前，市面上可见到的荧光粉的主体材料
多由硫化物(Sulfides)、氧化物(Oxides)、硫氧化物(Oxysulfides)、氮 化物(Nitrides)、氮氧化物(Oxynitrides )、石榴石(Garnet )及硅酸盐(Silicates) 类等所构成。
一般人所指的白光是指白天所看到的太阳光，经过学理上分析后发现其 白光包含400nm 700nm范围的连续光谱。以目视的颜色而言，可分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七色。根据发光二极管的发光原理， 一般只能发 出单色光。为了让它能够发出白光，技术上必须混合两种以上互补色的光而 达到白光的目的。白光发光二极管除了产生白光以外，是否能展现物体颜色
的忠实度的能力即称为演色性(Color Rendering)也是技术上必须考虑的部 分。演色性高的光源对于物体颜色的表现较为逼真，被照明物在人类的眼睛 所呈现的物体颜色也比较接近自然的原色。白光发光二极管的演色系数 (Color Rendering Index; CRI)与发光二极管芯片、荧光粉及材料有关。在 不同色温下，使用的荧光粉或发光二极管芯片会有所不同。
色温(Color Temperature)的定义乃依据黑体(Black body)辐射，把金 属(接近黑体)加热到一定温度时，会呈现出有颜色的可见光。这种光随着 温度的升高而变化，而影响这种光源的温度就叫该光源的色温。例如当一块 铁被升温时，开始的时候铁会变得通红，之后会变得橙色，之后是黄色，再 之后是蓝白色。研究人员利用一列连续光谱来验证其温度与颜色之间的关 系。设x轴是波长，y轴就代表辐射流量，当y轴是反映不同波长放射的量， 即可画出不同温度时铁所放出能量的曲线。故，当铁变成红色时，并不表示 它只发红光，只是它放射的红光比其他波长的波多。由此试验发现三个特质 l.曲线有一个高峰点；2.当温度增高时，高峰点会向短波方向移动；3.当温度 增高时，所有波长的辐射流量都会增加。例如铁在4200K发放红光最多，辐 射流量高峰点在红光处，所以我们见到铁呈红色，在4800K时，辐射流量高 峰点在橙黄色。所以我们见到铁呈橙黄色，是由于当温度增高时，高峰点会 向短波方向移动，所以在5800K时，高峰点会移到黄绿色。
在色温的计算上，是以绝对温度开尔文(Kelvin; K)为单位，黑体幅 射以Kelvin-摄氏+273作为计算的起点。假定某一纯黑物体，能够将落在其 上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以「光」 的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如， 当黑体受到的热力相当于500—55(TC时，就会变成暗红色，达到1050—1150 'C时，就变成黄色。因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对 应的。因此，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过 色温是用开尔文(K)色温单位来表示，而不是用摄氏温度单位元。当黑体受到 的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时它就变成白色，而我们所用灯泡内的钨丝就相当接近这个黑体。色温计演算法就是根据上述原理，以K来
表示受热钨丝所放射出光线的色K温度单位来表示受热钨丝所放射出光线 的色温。根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色 时所受到的「温度」。此温度可以在色度图的普朗克轨迹上找到其对应点， 黑体的曲线只会受温度而改变，不会受其他因素如黑体的成份而改变，所以 无论是任何成份的黑体，只要是同一温度，都会有同一曲线。
由于自然光源、色、时间、天候、观察方向、季节及地理位置等条件影 响而变化很大，对色彩的评定极不方便，因此国际照明委员会(Commission International de l'Eclairage，简称C正)。于1930年订定各种极为接近自 然光的标准光源。
所谓平均演色系数(general color rendering index, Ra)为物件在某光源 照射下显示的颜色与其在参照光源照射下的颜色两者的相对差异。其数值的 评定法为分别以参照光源及待测光源照在DIN 6169所规定的8个标准色样 或是标准色板上逐一作比较并量化其差异性，而在国际上规定则为14个标 准色样或是标准色板。差异性越大，即代表待测光源的演色性越差，所呈现 的颜色越失真。国际照明委员会C正把太阳的演色系数定为100，各类光源 的显色指数各不相同。例如，高压钠灯的平均演色系数Ra-23，荧光灯管的 平均演色系数Ra= 60~90。
另外，国际照明委员会根据视觉的数学模型和颜色匹配实验结果制定了 一个称为「1931C正标准观察者」的规范，实际上是用三条曲线表示的一套 颜色匹配函数，因此许多文献中也称为「CIE 1931标准匹配函数」，如图l 所示。CIE 1931色度图是用标称值表示的CIE色度图，x表示红色分量，y 表示绿色分量。在色度图(chromaticity diagram)中马蹄型范围内为可见光 谱的所有颜色，马蹄型边缘则为饱和的单色波长。此系统以光色坐标(x,y,z) 标示可由三原色组合成某一色的相对比例(图上仅有x及y坐标，由恒等 式x + y + z=l可导出z )。中间的白光，它的坐标为(0.33，0.33)。环绕在 颜色空间边沿的颜色是光谱色，边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数 字表示光谱色的波长，其轮廓包含所有的感知色调。所有单色光都位于舌形 曲线上，这条曲线就是单色轨迹，曲线旁标注的数字是单色(或称光谱色) 光的波长值。自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内。在图2中显示，黑体辐射不同的色温在色度图示中的分布示意图。在色 度图中的普朗克曲线其概念是由黑体辐射转变而来。其方程式推导过程从
1859年开始，德国物理学家基尔霍夫(Kirchhoff)提出了辐射定律(law of radiation)，指出在确定的温度下，物体对辐射能的放射率或吸收率与表面 的性质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如果一个物体在任 何温度下都能完全吸收任何频率的辐射能，那么这个物体便称为黑体 (blackbody)。当然，实际上并不可能得到一个完全黑体。但在实验上，我 们可以用一个开了一个小孔的空腔来近似一个完全黑体。当外界辐射能经由 小孔射入空腔后，此辐射线经过多次反射，几乎无机会再由小孔出射，故可 视为辐射能被空腔所完全吸收。若加热此空腔至某一温度，观察由小孔的出 射光谱，该光谱与在同一温度的黑体的吸收光谱应该完全相同。
1879年由斯蒂芬(J. Stefan)提出黑体辐射的总能量(E)和绝对温度(T) 的四次方成正比，E=aT4，即所谓的斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)。
1893年维恩(Wien)更进一步计算出辐射能波长的变化，发现波长人 的变化与温度成正比，若再引斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law), 及热力学中的绝热过程公式，可得维恩位移定律(Wien displacement law)， 1\^=常数。
1896年维恩(Wien)从热力学普遍理论考虑及分析实验数据得出一个 半经验公式为
/9V = ai/3 exp(/ WT)
其中pv为辐射能密度(radiant energy density) ， v是频率，T是绝对 温度，a和P是常数。
1900年，瑞利(J.W. Rayleigh)，琼斯(J.H. Jeans )根据古典电 动力学和统计物理理论，推导出一黑体辐射公式，即瑞利-琼斯定律 (Rayleigh-Jeans law):
其中c是光速，1^=玻尔兹曼常数(Boltzmann's constant)。但此公式仅
在低频部分与实验曲线符合，而当V—~时，pv—oo，发散，与实验明显
14不符，即古典物理中的「紫外灾难」。
后来更精细和全面的实验表明，维恩(Wien)公式并非与所有实验数据 都符合很好。在长波长波段，维恩(Wien)公式与实验有明显的偏离。德国 物理学家普朗克(M. Planck)在1900年底找到一个可以和实验数据吻合的 公式，即
<formula>formula see original document page 15</formula>
其中h为普朗克常数，大小为h=6.626xl0-34J* s。由普朗克的假设可 成功解释并推导瑞利-琼斯定律(Rayleigh-Jeans law)，维恩位移定律(Wien displacement law)，斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)。
由于不同的色温，发光二极管芯片及荧光粉等因素均影响白光发光光谱 的演色性，在试验过程中常需多次交叉测试各影响因素，得到一高演色性的 白光发光二极管实需花费大量时间及成本。发明人为解决前述的问题，以高 效率方式达到高演色性的白光发光二极管，依上述黑体辐射的原理及由其推 导出的普朗克方程式(Planck's law)进一步创作并发明一种可以快速调配出 使用多种荧光粉混合成高演色性的白光发光二极管的配制方法与系统。
本发明的特征在于使用两阶段的近似找出各种荧光粉在高演色性发光 二极管的调配比例。第一阶段的近似主要是调配出接近黑体辐射的各种荧光 粉的混合比例，而第二阶段的近似主要是从演色性最差的色板修正各荧光粉 的调配比例。
请参阅图3，显示本发明的一种计算多重荧光粉浓度以得到高演色性发 光二极管的方法。第一步骤31，首先调整多重荧光粉的浓度使得与一发光二 极管混光后的频谱接近在一第一色温下的黑体辐射发光频谱。上述的发光二 极管可以是紫外光发光二极管，紫光发光二极管，或是蓝光发光二极管。多 重荧光粉可以有两种或是两种以上的荧光粉，由发光二极管的色光作决定。 例如，使用紫外光或是紫光发光二极管时，至少需要同时使用三色的荧光粉 才能混成白光。当使用蓝光发光二极管时，需至少选择两种颜色的荧光粉才能混成高演色性的白光。之后，第二步骤32找出前述混光后的频谱在各标 准色板的反射频谱中演色性最差的色板，借此修正多重荧光粉的浓度。 一般 混光后的频谱，在照射到十四种标准色板的反射频谱中，会有至少一块色板 的反射频谱相对较低。利用这个色板的信息，可以从新调整各荧光粉的浓度 以改善演色性最差的色板的反射频谱。
参考图3的流程中，本发明也提供一种配置高演色性发光二极管的方法， 详细流程请参阅图4。首先，第一步骤41计算一标准频谱，其中标准频谱是 在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频谱。同时，在第二步骤42中， 提供一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉的发射频谱，及一第二荧光粉 的发射频谱。之后，在第三步骤43中，借由上述的标准频谱调整第一荧光 粉与第二荧光粉的浓度而得到一第一混光频谱，使得第一混光频谱与标准频 谱接近。接着，请参阅第四步骤44,计算出第一混光频谱在各标准色板的演 色性。然后，在第五步骤45中，找出演色性最差的色板借以修正第一荧光 粉与第二荧光粉的浓度，因而得到一第二混光频谱。 一般混光后的频谱，在 照射到十四种标准色板的反射频谱中，会有至少一块色板的反射频谱相对较 低。利用这个色板的信息，可以从新调整各荧光粉的浓度以改善演色性最差 的色板的反射频谱。在图4中，只有用两种荧光粉来表示本发明的实施例。 然而，可以同时使用第三荧光粉，第四荧光粉，甚至是第五荧光粉。
依照图4的流程，本发明也提供一种配置高演色性发光二极管的系统， 详细说明请参阅图5。 一第一数据库51，用以储存一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉发射频谱，及一第二荧光粉发射频谱。 一混色单元52，用以计 算在第一数据库51中的发光二极管，第一荧光粉，及第二荧光粉的混光频 谱，其中混光频谱为一第一混光频谱。 一标准色温频谱产生器53，用以产生 在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频谱。 一频谱比较单元54，用以 比对第一混光频谱与标准色温频谱产生器53所产生的标准频谱。当频谱比 较单元54的判断是第一混光频谱接近在第一色温下的黑体辐射所发射的可 见光频谱，则将第一混光频谱的数据往下一阶段传送。如果比对结果不接近， 则会由混色单元52重新计算出第一混色频谱，直到比对结果接近为止。
请继续参照图5， 一第二数据库55，用以储存各标准色板的反射频谱。 一标准色板的反射频谱产生单元56，用以读取第二数据库55中各标准色板的反射频谱，并且对第一混光频谱与标准频谱分别产生第一混光频谱的各标 准色板反射频谱以及标准频谱的各标准色板反射频谱。 一色板频谱比较单元
57，用以比对第一混光频谱的各标准色板反射频谱以及标准频谱的各标准色 板反射频谱。当色板频谱比较单元57的比对结果为所有的标准色板的演色 性均为接近，且分数均为设定的标称值，例如95或是97，表示第一混光频 谱是高演色性的白光。当色板频谱比较单元57的比对结果中，有某一个或 两个色板的演色性较平均值为低，或是低于设定的标称值，则回到混色单元 52重新计算出第一混色频谱，直到可以通过色板频谱比较单元57的比对结 果为止。
下列各相关图示将用以详细说明本发明各优选实施例。图6为高演色性 白光发光二极管的配制方法流程图。第一步骤61，计算出在某一特定色温下 黑体辐射的可见光频谱。在本实施例中，是以普朗克方程式
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义 exp
(i)
计算目标色温的黑体辐射的可见光频谱。然而，从上述黑体辐射的发展
背景中，也可以应用瑞利琼斯(Rayleigh-Jeans)方程式，斯蒂芬-玻尔兹曼 (Stefan-Boltzmann)方程式，或是维恩(Wien)方程式作为简化的黑体辐 射的频谱。设定一目标色温并以普朗克方程式(Planck's Law)，计算出色 温的频谱(色温范围可从2500K 8000K)，即为目标色温的黑体辐射的可见 光频谱。在本步骤中，目标色温的黑体辐射的可见光频谱是由T"X)表示。
第二步骤62即提供已知发光二极管芯片的发射频谱、第一荧光粉发射 频谱、及第二荧光粉发射频谱。当有两种以上的荧光粉，就需要提供所有荧 光粉的发射频谱。在本步骤中，发光二极管芯片量测的发射频谱是由L(X)表 示；第一荧光粉量测的发射频谱是由P1(X)表示；以及第二荧光粉量测的发 射频谱是由P2(X)表示。
第三步骤63依照第一步骤所计算出在某一特定色温下黑体辐射的可见 光频谱，调配出所有荧光粉的浓度，然后计算出发光二极管芯片、第一荧光 粉浓度及第二荧光粉浓度混合后的混合发射频谱。 一种计算方式如方程式(2) 所述-ca(;i)= x+ a;i)+ 6 x+ a;l)十c x尸2(义+ a义) 求Z |乙(义)-c。 (;i f对可见光频谱为极小值 的(",6， c)
其中，混合发射频谱由Ca(X)表示；
发光二极管芯片的发光强度由a表示； 第一荧光粉的浓度由b表示；以及 第二荧光粉的浓度由C表示。
上述的方式是其中一种计算方式，然而任何熟知本项技术的人理应可以 使用其他的方程式计算出各荧光粉的浓度。依照上述方式计算出来的混光频 谱CJX)为第一混光频谱。
第四步骤64计算第一混光频谱在各标准色板的反射光谱与演色系数。
主要是比较目标色温的黑体辐射的可见光频谱与第一频谱或是混合发射频
谱其十四个标准色板的反射频谱的差异性。比较方式如以下的方程式 首先，计算目标色温的可见光频谱的十四个色板的反射频谱 7b(;i與14个色板的反射频谱-rjA^co/wr/^c^A) (3) 其中No表示各色板的编号，而colorcheck(入)表示各色板的反射频谱。
同时，计算混合频谱Ca(入)或是第一混光频谱的十四个色板的反射频S並.
'曰
Cfl(义與14个色板的反射频谱=Ca(iV。)co/orc^cA:(;i) (4) 由方程式(3)及(4)进行十四个标准色板个别反射频谱的比较。在本步骤 中，可以使用类似方程式(2)来做各色板的计算
Z |r。 (iV。 )co/orc/zecA:(/l) — C。 (iV。 )co/orc/zec，〗2 ("
第五步骤65找出演色系数值(R1 R14)中差异最大的数值，回到第二 步骤62修正其第一荧光粉的浓度或其第二荧光粉的浓度，也即修正(b，c)，或 是可以重新选择荧光粉。使用这种方式可以得到一第二混光频谱，使得差异 最大的R值提升。在本步骤65中，是针对方程式(5)中十四个色板的结果找 出差异最大的色板编号。针对这个色板的编号，表示当初选择的荧光粉的浓 度需要做调整，甚至是需要更换不同种类的荧光粉。利用这样的回圈计算， 直到在方程式(5)中计算出来最大的差异值在可接受的范围，或是差异值的变 化在可接受的范围。
18搭配图6的流程图，本发明同时提供一种高演色性白光发光二极管的配
制的方框图。请参阅图7， 一目标色温的黑体辐射产生器71可以提供某一特 定色温的黑体辐射的可见光频谱，其中色温的范围可从1500K 8000K之间。 一第一数据库72,用来储存各种发光二极管芯片及荧光粉的发射频谱。长波 紫外光发光二极管芯片发射范围为365nm 380nm、紫光发光二极管芯片发射 范围为380nm 420nm及蓝光发光二极管芯片发射范围为420nm 470nm。荧 光粉的发光波长范围可介于480-580nm之间，组成可以为硅酸盐类，或是氧 化物族系，例如
CaSc204:Ce(516nm);
(MgCaSrBa)2Si04:Eu(525nm);
Ca3Sc2Si3O12:Ce(455-507nm);
(Ca"7MgL5Ce,)(Sd.5Yo.5)Si30i2(455nm);
(Ca2.97Ce0.03)Sc2 (Si，Ge)3012。
以及荧光粉的发光波长范围介于600-650nm之间，主要为氮化物族系以 及硫化物族系，例如 CaAlSiN3:Eu(650nm); (CaEu)AlSiN"648nm;); (SrCa)AlSiN3:Eu(630nm); SrGa2S4:Eu(645nm)。
任何熟悉本发明技术领域的人，理应理解可以有其他种的荧光粉可以应 用到本发明中，例如石榴石族系，氮氧化物等。
频谱计算单元73从第一数据库72中得到的发光二极管芯片及两种不同 荧光粉的发射频谱，并且先判断荧光粉浓度。经由频谱计算单元73得一混 光频谱。请参阅图8，为发光二极管芯片与两种不同荧光粉的混合的混光频 谱。在图8中，曲线A为发光二极管芯片的发射频谱，曲线B及曲线C为 荧光粉的发射频谱，曲线D为混合后的混合发射频谱。
频谱比较单元74比较目标色温的黑体辐射的可见光频谱与混光频谱的 频谱相似度。请参阅图9，为目标色温的黑体辐射的可见光频谱与混合频谱 的比较图所示。在图9中，曲线E为目标色温的黑体辐射的可见光频谱，曲 线F为混合发射频谱。利用两条频谱重迭方式判断频谱的相似度，以提高白光混光频谱与目标色温的黑体辐射的可见光频谱的近似度。如混光频谱达到
频谱比对相似Yes，则得到一合适的白光发射频谱；如混合发射频谱不达到 频谱比对相似No，则需调整荧光粉的浓度76或是重新选择荧光粉77,直到 目标色温的黑体辐射的可见光频谱与混合发射频谱的频谱比对达到相似为 止。
本发明同时提供一种高演色性白光发光二极管的配制的方框图，请参阅 图10。一目标色温的黑体辐射产生器IOO可以提供某一特定色温的黑体辐射 的可见光频谱，其中色温的范围可从1500K 8000K之间。一第一数据库101， 用来储存各种发光二极管芯片及荧光粉的发射频谱。长波紫外光发光二极管 芯片发射范围为365nm 380nm、紫光发光二极管芯片发射范围为 380nm 420nm及蓝光发光二极管芯片发射范围为420nm 470nm。荧光粉的 发光波长范围可介于480-580nm之间，组成可以为硅酸盐类，或是氧化物族 系，例如
CaSc204:Ce(516nm);
(MgCaSrBa)2Si04:Eu(525nm);
Ca3Sc2Si3O12:Ce(455-507nm);
(Ca"7MgL5Ce謹)(ScL5Yo.5)Si3Ch2(455nm);
(Ca2.97Ce0.03)Sc2 (Si,Ge)3。12。
以及荧光粉的发光波长范围介于600-650nm之间，主要为氮化物族系以 及硫化物族系，例如
CaAlSiN3:Eu(650nm); (CaEu)AlSiN3(648nm); (SrCa)AlSiN3:Eu(630nm); SrGa2S4:Eu(645nm)。
任何熟悉本发明技术领域的普通技术人员，理应理解可以有其他种的荧 光粉可以应用到本发明中，例如石榴石族系，氮氧化物等。
频谱计算单元102从第一数据库111中得到的发光二极管芯片及两种不 同荧光粉的发射频谱，并且借由比较从目标色温的黑体辐射产生器100产升 目标色温的黑体辐射的可见光频谱，判断荧光粉浓度。经由频谱计算单元102 得一混光频谱。第二数据库103储存各种标准色板的反射频谱的数据。标准色板的反射 频谱与演色系数计算单元104是从第二数据库103与目标色温的黑体辐射的 可见光频谱可以计算出目标色温的黑体辐射的可见光频谱的十四个色板的 反射频谱及演色系数值(R1 R14)。
混光频谱的反射频谱与演色系数计算单元105从第二数据库103与频谱 计算单元102所计算的混光频谱中可以计算出混光频谱的十四个色板的反射 频谱及演色系数值(R1-R14)。
比较单元107，由上述标准色板的反射频谱与演色系数计算单元104及 混光频谱的反射频谱与演色系数计算单元105计算结果个别比较十四个色板 的反射频谱及演色系数值(R1-R14)。经由比较单元得到前述两个频谱在十 四个色板的演色系数值(R1-R14)及平均演色系数值Ra，其中找出R1-R14 中最差的R值。如十四个色板的各别演色系数值(R1 R14)及平均演色系 数值(Ra)均达到目标系数值，则得到一合适的白光发射频谱。如十四个色 板的个别演色系数值(R1 R14)及平均演色系数值(Ra)其中一至数个数 值未达到目标系数值No，则需调整荧光粉的浓度108或是重新选择荧光粉 109，直到达到目标系数值为止。
图11显示本发明的配置高演色性白光发光二极管的系统方框图。 一目 标色温的黑体辐射的频谱产生器110，可以提供某一特定色温的黑体辐射的 可见光频谱，其中色温的范围可从1500K 8000K之间。
第一数据库111，用来储存各种发光二极管芯片及荧光粉的发射频谱。 长波紫外光发光二极管芯片发射范围为365nm 380nm、紫光发光二极管芯片 发射范围为380nm 420nm及蓝光发光二极管芯片发射范围为 420nm 470nm。荧光粉的发光波长范围可介于480-580nm之间，组成可以为 硅酸盐类，或是氧化物族系，例如-
CaSc204:Ce(516nm);
(MgCaSrBa)2Si04:Eu(525nm);
Ca3Sc2Si3O12:Ce(455-507—;
(Ca"7MgL5Ce謹)(ScL5Yo.5)Si30!2(455nm);
(Ca2.97Ce,)Sc2 (Si,Ge)3012o
以及荧光粉的发光波长范围介于600-650nm之间，主要为氮化物族系以及硫化物族系，例如
CaAlSiN3:Eu(650nm); (CaEu)AlSiN3(648nm); (SrCa)A,3:Eu(630nm); SrGa2S4:Eu(645nm)。
任何熟悉本发明技术领域的普通技术人员，理应理解可以有其他种的荧 光粉可以应用到本发明中，例如石榴石族系，氮氧化物等。
频谱计算单元112是从第一数据库111中得到的发光二极管芯片及两种 不同荧光粉的发射频谱，并且先判断荧光粉浓度。经由频谱计算单元112得 一混光频谱。
频谱比较单元113比较目标色温的黑体辐射的可见光频谱与混光频谱的 频谱相似度。比较结果为第一阶近似114。当第一阶近似的结果是可以的Yes， 则往下一阶段进行。当第一阶近似的结果是不行的No，则回到频谱计算单 元112，重新找出其他的荧光粉的浓度，直到第一阶近似114的结果是可以 的Yes为止。
第二数据库115储存十四个标准色板的反射频谱的数据。标准色板的反 射频谱演色性计算单元116从目标色温的黑体辐射的频谱产生器110与第二 数据库115可以计算出目标色温的黑体辐射的可见光频谱的十四个色板的反 射频谱及演色系数值(R1-R14)。
混光频谱的反射频谱演色性计算单元118从混光频谱与第二数据库115 计算混光频谱的十四个色板的反射频谱及演色系数值(R1 R14)。
比较单元129，比较标准色板的反射频谱演色性计算单元116与混光频 谱的反射频谱演色性计算单元118所产生的结果。经由比较单元117得到前 述两个频谱在十四个色板的演色系数值(R1 R14)及平均演色系数值Ra， 其比较结果为第二阶近似119。当十四个色板的各别演色系数值(R1 R14) 及平均演色系数值(Ra)均达到目标系数值Yes，则得到一高阶近似。如十 四个色板的个别演色系数值(R1-R14)及平均演色系数值(Ra)其中的一 或数个数值未达到目标系数值No，则需回到频谱计算单元112调整荧光粉 的浓度或是重新选择荧光粉。
本发明除可为上述实施例所述混合两种荧光粉之外，前述混合的荧光粉
22数量也可增加为三种，如此可使本发明更能符合实际应用的所需。当然实际 运用时并不局限上述两种或三种荧光粉的实施方式，必要时可使用三种以上 的荧光粉达到使用者的需求。
从上述的实施例中可看出本发明的手段，使用普朗克(Planck)方程式 计算设定温度的黑体辐射的频谱，用此频谱计算出多种荧光粉的第一近似浓 度。依照各荧光粉的第一近似浓度调配后计算出发光二极管混色后的发光频 谱，并且依此发光频谱计算在标准色板中的演色性。从演色性最差的色板修 正各荧光粉的浓度以得到最佳演色性的发光二极管。
利用本发明的手段，可达成可快速的调配出高演色性的发光二极管的功 效，并且可大幅降低尝试错误的时间成本。
从本发明手段与具有的功效中，可以得到本发明具有诸多的优点。首先， 不需要经由尝试错误的方式即可找出荧光粉的调配比例。同时，当有多种类 的荧光粉可供调配时，可大幅降低研发时间。
显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修改与差异。 因此需要在其附加的权利要求的范围内加以理解，除了上述详细的描述外， 本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的优选实施例 而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其他未脱离本发明所揭示的 精神下所完成的等效改变或修改，均应包含在所述权利要求书内。
权利要求
1.一种高演色性发光二极管的配置方法，包含计算一标准频谱，该标准频谱是在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频谱；提供一发光二极管的发射频谱，一第一荧光粉的发射频谱，及一第二荧光粉的发射频谱；以及借由该标准频谱调整该第一荧光粉与该第二荧光粉的浓度而得到一第一混光频谱，使得该第一混光频谱与该标准频谱接近。
2. —种高演色性发光二极管的配置方法，包含-计算一标准频谱，该标准频谱是在一第一色温下的黑体辐射所发射的可 见光频谱；提供一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉的发射频谱，及一第二荧 光粉的发射频谱；借由该标准频谱调整该第一荧光粉与该第二荧光粉的浓度而得到一第 一混光频谱；计算该第一混光频谱在各标准色板的演色性；以及找出演色性最差的色板修正该第一荧光粉与该第二荧光粉的浓度，因而 得到一第二混光频谱。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的高演色性发光二极管的配置方法， 其中上述的计算该标准频谱的步骤，是利用普朗克方程式计算而得。
4. 如权利要求1或权利要求2所述的高演色性发光二极管的配置方法， 其中上述的第一荧光粉可为CaSc204:Ce ， (MgCaSrBa)2Si04:Eu , Ca3Sc2Si3012:Ce ， (Ca^MguCeo^XScuYo^SisOu ， (Ca2.97Ce,)Sc2(Si,Ge)3012 ， CaAlSiN3:Eu， (CaEu)AlSiN3 ， (SrCa)AlSiN3:Eu 或SrGa2S4:Eu。
5. —种高演色性发光二极管的配置系统，包含-用以计算一标准频谱的手段，该标准频谱是在一第一色温下的黑体辐射 所发射的可见光频谱；用以提供一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉的发射频谱，及一第 二荧光粉的发射频谱的手段；借由该标准频谱用以调整该第一荧光粉与该第二荧光粉的浓度而得到一第一混光频谱的手段；用以计算该第一混光频谱在各标准色板的演色性的手段；以及 找出演色性最差的色板用以修正该第一荧光粉与该第二荧光粉的浓度的手段，因而得到一第二混光频谱的手段。
6. —种高演色性发光二极管的配置系统，包含一第一数据库，用以储存一发光二极管的发射频谱， 一第一荧光粉发射 频谱，及一第二荧光粉发射频谱；一第二数据库，用以储存各标准色板的反射频谱；一混色单元，用以计算在该第一数据库中该发光二极管，该第一荧光粉， 及该第二荧光粉的混光频谱，其中该混光频谱为一第一混光频谱；一标准色温频谱产生器，用以产生在一第一色温下的黑体辐射所发射的 可见光频谱；一频谱比较单元，用以比对该第一混光频谱与该标准色温频谱产生器所 产生的标准频谱；一标准色板的反射频谱产生单元，用以读取该第二数据库中各标准色板 的反射频谱，并且对该第一混光频谱与该标准频谱分别产生该第一混光频谱 的各标准色板反射频谱以及该标准频谱的各标准色板反射频谱；以及一色板频谱比较单元，用以比对该第一混光频谱的各标准色板反射频谱 以及该标准频谱的各标准色板反射频谱。
7. 如权利要求5或权利要求6所述的高演色性发光二极管的配置系统， 其中上述的计算该标准频谱的手段或标准色温频谱产生器，是利用Planck方 程式计算而得。
8. 如权利要求5或权利要求6所述的高演色性发光二极管的配置系统， 其中上述的第一荧光粉可为CaSc204:Ce ， (MgCaSrBa)2Si04:Eu ， Ca3Sc2Si3012:Ce ， (Ca^MgLsCeo^XScLsYo.^C^ ， (Ca2.97Ce。.。3)Sc2(Si，Ge)3012， CaAlSiN3:Eu， (SrCa)AlSiN3:Eu或SrGa2S4:Eu。
9. 一种计算多重荧光粉浓度以得到高演色性发光二极管的配置方法，包含调整多重荧光粉的浓度，使得与一发光二极管混光后的频谱接近在一第一色温下的黑体辐射发光频谱；以及找出该混光后的频谱在各标准色板的反射频谱中演色性最差的色板，借 以修正该多重荧光粉的浓度。
10. —种使用两阶段的近似找出各种荧光粉在高演色性发光二极管的调 配比例的方法，包含调配出接近黑体辐射的各种荧光粉的混合比例；以及从演色性最差的色板修正该各种荧光粉的调配比例。
全文摘要
本发明提供一种高演色性发光二极管的配置方法与系统，主要是借由演算法计算出可跟发光二极管混合的至少两种以上的荧光粉分别的浓度。混光后的发光频谱可以提供预设色温的高演色性白光。本发明的一个目的是利用软件的计算可以快速调配出使用多种荧光粉混成高演色性发光二极管的方式与系统，以降低尝试错误的时间成本。
文档编号C09K11/77GK101677117SQ20081021125
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者曾文良, 林新强 申请人:先进开发光电股份有限公司