CN101520134A - 发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光装置，包括发光单元，发光单元包括发光元件以及粉层，发光元件通过荧光粉层使发光单元产生光线，其中荧光粉层不均匀地覆盖在发光元件上，以及电性连接至发光元件的控制单元，用以调节输入发光元件的电流的大小及工作周期，以调制出光线的相对色温，其中光线的相对色温其最大值与最小值的差值不小于1500K。

Description

发光装置

技术领域

本发明关于一种发光装置，且特别是关于一种可调制色温的发光装置。

背景技术

发光二极管(light emitting diode，LED)具有高亮度、省电、使用寿命长、低温等许多优点。随着发光二极管制作技术的日渐成熟，越来越多的光源模块改采用发光二极管来达成照明的目的，例如液晶显示器的背光模块、家庭用灯、各种指示号志、或汽车照明用灯等。

在以安全为第一考虑的汽车照明应用中，适时地调整车灯的相对色温以符合不同环境中的照明是很重要的。根据欧洲经济委员会(EconomicCommission of Europe，ECE)规章R019法规可知，车用雾灯所发出的白光的色座标(CIE)是位于“X≧0.31、X≦0.5、Y≧0.382、Y≦0.44、Y≧0.05+0.75X、Y≦0.15+0.64X”所组成的色座标区域内，相当于相对色温(correlated color temperature)从2400K至6700K之间。相对色温是指一光源所发出光线的颜色相当于黑体或完全辐射体(full radiator)在该温度下所辐射出光线的颜色。黑体在较低温度时(例如2400K)会辐射出较偏黄的白光，而在较高温度时，会辐射出较偏蓝的白光。

车用雾灯的使用大多是在灯光不足的郊区或下雨天起雾时使用，但随着使用时机或地点的不同，适用的相对色温亦不同。例如，若汽车行经郊区或地处偏僻的山区时，为了增加视野能见度，需使用相对色温较高(较偏蓝)的正白光以有效地照亮视线范围。但若遇到下雨或起雾时，需使用具有优选水雾穿透力的较低相对色温(较偏黄)的白光，以确保行车安全。因此，对于汽车照明用灯有不同色温的需求，市场亟需能因应不同行车状况而发出适合相对色温光线的汽车照明灯源。

目前已发展了一些可调制LED所发出光线的色温的技术，其中包括使用多颗不同的LED，其分别可发出红光、绿光、或蓝光。借着对于不同颜色的LED的电流调控，可改变混光后的光线的色温。虽然上述方法能精准地调控色温，然而为了因应不同色温需求，需同时使用多颗LED，使制作成本过高，且其机构与电路设计亦相当复杂。

另亦有同时使用多颗具有不同色温的白光LED的设计，是使用多颗不同色温的白光LED来进行混光后的光线的色温调制。然而，此方法仍需形成多颗不同的LED与其相应的电路与机构设计，其制作成本与设计复杂度仍很高。

因此，业界亟需一种新颖的发光装置，能在不需使用多颗不同的LED的前提下，达到调制色温的目的，以节省成本并减低电路与机构设计的复杂度。

发明内容

本发明提供一种发光装置，包括发光单元，发光单元包括发光元件以及荧光粉层，发光元件通过荧光粉层使发光单元产生光线，其中荧光粉层不均匀地覆盖在发光元件上，以及电性连接至发光元件的控制单元，用以调节输入发光元件的电流的大小及工作周期，以调制出光线的相对色温，其中光线的相对色温其最大值与最小值的差值不小于1500K。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1A显示本发明一实施例的发光装置的剖面图。

图1B显示图1A所示实施例的上视图。

图1C显示另一实施例的剖面图，其显示荧光粉层另一种可能的覆盖方式。

图2显示在脉宽调制(PWM)电路调控下输入电流与时间的关系图。

图3显示一特定实施例中，发光元件表面的50％覆盖有荧光粉层层的相对色温-输入电流关系图。

图4A显示一些实施例中，具有不同的荧光粉覆盖面积比例的发光装置所发出光线的相对色温-输入电流关系图。

图4B显示一些实施例中，不同的发光装置的荧光粉层覆盖面积与其在输入电流为500mA至1000mA间所发出光线的相对色温差异的关系图。

图5A-图5C显示本发明一些具有不同荧光粉层覆盖方式的实施例。

图6A-图6C显示本发明一些实施例中，具有透明基板在荧光粉层与发光元件之间的发光装置。

图7显示本发明另一实施例的发光装置的上视图。

主要元件符号说明

10～发光装置；         100、500、600、700～基底；

102、502、602、702～发光元件；

104、504、604、704～荧光粉层；

106～第一光线；        108～第二光线；

110～部分表面；        112～其他部分表面；

2a、2b、2c～输入电流； 2d～等效电流；

504’、604’～较小荧光粉堆叠密度的荧光粉层；

606～透明基板；        702’～其他发光元件。

具体实施方式

本发明在此提供一种可调制色温的发光装置，主要是通过于发光元件上不均匀地覆盖荧光粉层，并通过电性连接至发光元件的控制单元来调节输入发光元件的电流大小及工作周期而调制所发出光线的色温。

图1A显示本发明一实施例的发光装置的剖面图。为简化附图，部分传统的封装结构省略而未绘于图中，例如发光元件的封装胶体、或发光元件与外电路连线用的导线等。如图1A所示，在发光装置10中包括一基底100。基底100上形成发光元件102。发光元件102包括任何可发出光线的元件，例如发光二极管(LED)、有机发光元件、高分子发光元件、或激光发光元件等。在本发明一些实施例中，发光元件优选采用发光二极管。发光元件102可为发出单一波长光线的发光二极管，例如是紫外光发光二极管或蓝光发光二极管。当采用发光二极管晶片作为本发明实施例中的发光元件102时，发光元件102可包括许多材料层的叠层，例如n型电极层、n型半导体层、p型半导体层、及p型电极层等(未显示)。其中n型电极层与p型电极层用以电性连接至一控制单元(未显示)。控制单元可用以调节输入发光元件102的电流的大小及工作周期，因而控制发光元件102所发出的第一光线106的强度。发光元件102的表面具有不均匀覆盖的荧光粉层104，可用以吸收部分的发光元件102所发出的第一光线106，并将其转换为第二光线108。另一部分的第一光线106将不会被荧光粉层104所吸收而直接穿过荧光粉层104。通过调整第一光线106与第二光线108所占的强度比例，可调制其混光后的色光的色座标或相对色温。发光元件102与不均匀覆盖的荧光粉层104共同组成本发明一实施例中的发光单元。在其他实施例中，发光单元除了包括发光元件与荧光粉层外，还可包括其他的光学元件。

图1B显示图1A所示实施例的上视图。在基底100上形成有发光元件102，且覆盖有荧光粉层104。如图1B所示，荧光粉层104是不均匀地覆盖在发光元件102上，仅覆盖发光元件102的部分表面110而露出其他部分表面112。因此，来自发光元件102的其他部分表面112的第一光线106可直接射出。来自发光元件102的部分表面110的第一光线106仅部分射出，另一部分将由荧光粉层104吸收并转换为第二光线108而射出。通过一电性连接至发光元件102的控制单元(未显示)，可调节所输入电流的大小与周期，可用以调控第一光线106与第二光线108的强度比例而进一步控制所发出光线的色座标或相对色温。

例如在一实施例中，发光元件102所发出的第一光线106是蓝光，而经荧光粉层104所转换的第二光线108是黄光。蓝光与黄光的混合光线在肉眼观察下将近似于白光。当控制单元提高输入到发光元件102的电流时，可增加第一光线106(蓝光)的强度，一定强度以上的第一光线106可大抵完全激发荧光粉层104而使第二光线108(黄光)的强度达饱和。因此，若继续增加输入发光元件102的电流，可使蓝光的第一光线106的强度增加，而黄光的第二光线108的强度大抵维持定值而提高混光后白光的色温(较偏蓝)。由于在此实施例中，发光元件102的其他部分表面112不覆盖有荧光粉层104，因此蓝光的第一光线106可直接射出，可轻易地增加蓝光的第一光线106所占的比例，可使整体混光后白光的相对色温轻易地调制。

虽然图1B所示的实施例中，未覆盖有荧光粉层104的其他部分表面112是矩形，然其形状并不限于矩形，可为任何其他几何形状，例如圆形、椭圆形、三角形、梯形、多边形、或不规则形等。且未覆盖有荧光粉层104的其他部分表面112的范围不一定是相连的，可分散于发光元件102表面的任一处。此外，覆盖有荧光粉层104的部分表面110的总面积亦可视情况作调整。部分表面110的面积可例如占总面积的约99％-1％之间。在一些实施例中，部分表面110所占的面积约为80％-50％之间，优选小于75％。荧光粉层104所覆盖的部分表面110面积的差异可影响对于混光后白光的相对色温的调制。以车用雾灯的应用为例，优选能使车用雾灯的最大相对色温与最小相对色温的差值在约1500K以上，以符合汽车在不同环境中的照明需求。

图1C显示另一实施例的剖面图，其显示荧光粉层104另一种可能的覆盖方式，然本领域技术人员当可明了，可能的覆盖方式并不限于显示于图1C的几何图案。

此外，用以调节输入发光元件102的电流的控制单元可包括电源供应器。在一实施例中，可通过手动按钮来控制电源供应器输入发光元件102的电流大小。例如，当汽车行经郊区或地处偏僻的山区时，由于第二光线108(黄光)的强度大抵维持定值，可调高电流以增加第一光线106(蓝光)的强度而使发出较高色温的白光以有效地照亮视线范围。而当遇到下雨或起雾时，可适度减小电流而减少第一光线106(蓝光)的强度而获得优选水雾穿透力的较低色温(较偏黄)的白光，以确保行车安全。

在一实施例中，控制单元包括一脉宽调制电路(pulse width modulator，PWM)。图2显示在脉宽调制(PWM)电路调控下输入电流与时间的关系图。可控制输入发光元件102的等效电流为一致，并可调制输入电流的工作周期(duty cycle)与大小。一致的等效电流可使所发出光线的亮度大抵维持不变，而借着调制输入电流的工作周期(duty cycle)与大小，可视情况调制所发出光线的相对色温。如图2所示，分别显示三种工作周期的输入电流(2a、2b、及2c)。在调控等效电流2d为一致的情况下，具有较大工作周期的电流(如2a)的输入电流值将较小而发出相对色温较低的白光(偏黄)，而具有较小工作周期的电流(如2b)的输入电流值将较大而发出相对色温较高的白光(偏蓝)。在一实施例中，通过输入电流的调整可使发光的相对色温于约2400K至约6700K之间调制。

图3显示一特定实施例中，发光元件表面的50％覆盖有荧光粉层的相对色温-输入电流关系图。由图3可明显看出随着改变输入电流的大小，可改变发光的相对色温，其中当输入电流为0.5A时，相对色温约为4500K，而当输入电流增加至1A时，相对色温可达约7000K，其色温差可高达约2500K，适合于不同的需求状况下提供色温变异够大的照明，例如于车用雾灯的应用中，可视情况大幅地调整所发出光线的色温以确保行车安全。

图4A显示一些实施例中，具有不同的荧光粉覆盖面积比例的发光装置所发出光线的相对色温-输入电流关系图。可看出随着覆盖面积比例不同，发光的相对色温在相同的输入电流范围内，具有幅度不同的调制量。在实际应用中，希望能以较少的电流变异，便可获得较大幅度的相对色温改变。

图4B显示一些实施例中，不同的发光装置的荧光粉层覆盖面积与其在输入电流为500mA至1000mA间所发出光线的相对色温差异的关系图。如图4B所示，当荧光粉层的覆盖面积比例约为100％时，仅可于约250K的范围内调制其相对色温。随着荧光粉层覆盖面积比例逐渐减小，将可于较大范围内调制相对色温以符合各种需求。当荧光粉层的覆盖面积比例降为约50％时，可于2500K的范围内调制其相对色温。以车用雾灯的应用为例，相对色温优选能于1500K以上的范围作调制，因此荧光粉层的覆盖面积优选为小于发光元件表面积的约75％，更佳是覆盖约50～60％。

此外，除了可以手动方式调整发光装置的发光色温外，在本发明一实施例的发光装置中，还还包括连接至控制单元的环境湿度传感器、温度传感器、光传感器、或前述的组合。通过环境湿度传感器或温度传感器可使控制单元自动调整输入电流的大小与工作周期而调制所发出光线的色温。例如，在车用雾灯的应用中，可通过架设在车外的环境湿度传感器将车外有雾的信息传送至控制单元，而控制单元即可通过PWM电路结构的辅助进一步增加工作周期与减小输入电流值而降低所发出光线的相对色温。又在一些情形中，车用雾灯的LED可能随着使用时间增加而升温或由于环境温度提高而升温，升温后的LED的发光强度或波长分布范围可能会受温度影响，因此在一些实施例中，还可包括光传感器，经由测量实际发出光线的色温，再配合环境湿度传感器或温度传感器所量得的数值来调整控制单元输入发光元件的电流大小与工作周期，可使车用雾灯于长时间使用或于温度较高的环境仍能正常地调制色温，以符合不同环境中的需求。

本发明的实施例主要是在发光元件上形成不均匀覆盖的荧光粉层，并借着控制单元对输入电流的调控而可调制所发出光线的相对色温。虽然上述实施例主要是针对荧光粉层的覆盖面积变异作讨论，然亦可以其他不同的覆盖方式来覆盖同一发光元件以调制其发光色温。各种不同的覆盖方式例如包括不同的覆盖面积、不同的覆盖厚度、不同的荧光粉堆积密度、或前述的组合。

图5A-图5C显示本发明一些具有不同荧光粉层覆盖方式的实施例。如图5A所示，形成在基底500上的发光元件502的表面上，部分覆盖有荧光粉层504，且荧光粉层的厚度是不均匀的。又如图5B所示，发光元件502的表面亦可完全为荧光粉层504所覆盖，但覆盖厚度不一。在一实施例中，覆盖在发光元件502的一第一表面的荧光粉层厚度为小于或等于一第二表面的荧光粉层5倍的厚度。例如，其厚度变异在最厚部分的厚度可为最薄部分厚度的约1.01至约5倍。在一实施例中，较厚部分所占的面积可大于较薄部分。在另一实施例中，较薄部分所占的面积可大于较厚部分。又如图5C所示，发光元件502的表面，除了可部分覆盖厚度均匀或不均匀的荧光粉层504外，另一部分的表面上还可覆盖厚度均匀或不均匀的具有较小荧光粉堆叠密度的荧光粉层504’。在本发明实施例中，发自发光元件的第一光线(例如蓝光)可较轻易地由发光元件表面上的未覆盖有荧光粉层、荧光粉层厚度较薄、或较小荧光粉堆叠密度处而射出，可通过控制单元控制第一光线(例如蓝光)的强度，再配合荧光粉层经吸收第一光线后所发出强度大抵一致的第二光线来组成所需颜色的光线(例如所需白光的相对色温)。

上述各实施例中，荧光粉层所用的材质可有许多形式，例如可为荧光染料、荧光粉薄膜、或混有荧光粉于其中的封装胶。形成荧光粉层的方法例如是电子束蒸镀、热蒸镀、溅镀、化学气相沉积、原子层磊晶、荧光粉封装胶涂布、荧光粉溶液涂布、或前述的组合。而荧光粉层的覆盖不均匀化可例如以遮罩挡住部分区域，使部分区域上大抵无荧光粉层形成，或可在荧光粉层形成之后，刮去部分的荧光粉层以使荧光粉层图案化。亦可通过印刷方式或光刻制程将荧光粉层图案化。此外，亦可通过调配荧光粉密度不同的荧光粉封装胶来于发光元件表面上的不同区域形成荧光粉堆叠密度不同的荧光粉层。各种沉积方法的参数调控亦能造成荧光粉层中的荧光粉具有不同的堆叠密度。

此外，虽然上述各实施例的荧光粉层是直接覆盖在发光元件的表面上，然而在荧光粉层与发光元件间还可还包括透明基板。例如图6A-图6C显示本发明一些实施例，为于荧光粉层与发光元件之间具有透明基板的发光装置。如图6A-图6C所示，在基底600上形成有发光元件602，以及透明基板606形成于发光元件602上。不均匀覆盖的荧光粉层604或较小荧光粉堆叠密度的荧光粉层604’可以类似于上述各实施例中的覆盖方式不均匀地覆盖在发光元件602上。

纵上所述，本发明实施例具有许多优点。例如本发明实施例的发光装置中，可仅使用单颗LED便可调制其发光色温，不需使用多颗LED，可大幅节省成本并减低制程难度。本发明一实施例中，在输入电流为约0.1A至约1A内(图3)可将发光色温由约3500K调制至约7000K，可符合不同情况下的色温需求。本发明一实施例中，配合使用PWM电路结构，可使输入发光元件的等效电流维持一致，可在不影响发光亮度的情形下，经由改变输入电流的工作周期与大小来调制发光的相对色温。

本发明实施例仅需使用单颗LED便可达到调制色温的目的，然而亦可视情况使用多颗LED来共同发光。例如，图7显示本发明另一实施例的发光装置的上视图。在基底700上可形成有一发光元件702与至少一其他发光元件702’。其中发光元件702与至少一其他发光元件702’上皆具有不均匀覆盖在其上的荧光粉层704。荧光粉层704可以相同的覆盖方式或不同的覆盖方式覆盖在发光元件702与至少一其他发光元件702’上。例如，图7显示其中一种不同面积的荧光粉层覆盖方式。可能的不同的覆盖方式包括不同的覆盖面积、不同的覆盖厚度、不同的荧光粉堆积密度、或前述的组合。此外，发光元件上所覆盖的荧光粉层的材质亦可彼此相同或不同。上述实施例中，主要以蓝光发光元件配合不均匀覆盖的黄色荧光粉层以混合蓝光与黄光，并调制混光后白光的相对色温。然而，本领域技术人员当可明了，亦可使用紫外光发光元件来配合黄色及蓝色的荧光粉层来混合调制出白光，或者使用其他颜色的发光元件来配合其他颜色的荧光粉层来混合组成其他颜色的色光，并可同样利用不均匀覆盖的荧光粉层与控制输入电流的大小与工作周期来调制所组成其他颜色的色光，以符合各种需求。

虽然本发明已以数个优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1.一种发光装置，包括：

一发光单元，该发光单元包括一发光元件以及一荧光粉层，该发光元件通过该荧光粉层使该发光单元产生一光线，其中该荧光粉层不均匀地覆盖在该发光元件上；以及

一控制单元，电性连接至该发光元件，用以调节输入该发光元件的电流的大小及工作周期，以调制出该光线的相对色温，其中该光线的相对色温其最大值与最小值的差值不小于1500K。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其中该控制单元包括一脉宽调制电路。

3.根据权利要求1所述的发光装置，还包括连接至该控制单元的一环境湿度传感器、一温度传感器、一光传感器、或前述的组合，用以输入信号至该控制单元而决定该控制单元对输入该发光元件的电流的大小及工作周期的调节。

4.根据权利要求1所述的发光装置，其中该荧光粉层覆盖在该发光元件的一部分表面，而露出该发光元件的一其他部分表面。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其中该荧光粉层所覆盖的该部分表面的面积约小于该发光元件总表面积的75％。

6.根据权利要求4所述的发光装置，其中覆盖在该部分表面上的荧光粉层具有不均匀的厚度。

7.根据权利要求1所述的发光装置，其中该荧光粉层覆盖在该发光元件的一第一表面的厚度大于覆盖在该发光元件的一第二表面的厚度。

8.根据权利要求7所述的发光装置，其中覆盖在该第一表面的荧光粉层厚度为小于或等于该第二表面的荧光粉层5倍的厚度。

9.根据权利要求7所述的发光装置，其中该第一表面的面积大于该第二表面的面积。

10.根据权利要求7所述的发光装置，其中该第二表面的面积大于该第一表面的面积。

11.根据权利要求1所述的发光装置，其中该控制单元使输入该发光元件的电流的等效电流维持定值。

12.根据权利要求1所述的发光装置，其所发出的光线的相对色温介于约2400K至约6700K之间。

13.根据权利要求1所述的发光装置，还包括一其他发光元件在该发光装置中，该其他发光元件电性连接至该控制单元，且该其他发光元件上具一其他荧光粉层，不均匀地覆盖在该其他发光元件上。

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