CN103307474B - 光源模块 - Google Patents
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Abstract
一种光源模块包含一基板、至少一第一发光二极管封装结构以及至少一第二发光二极管封装结构。第一发光二极管封装结构及第二发光二极管封装结构设置于基板上。第一发光二极管封装结构包含一第一蓝色发光二极管芯片以及一第一荧光粉。第一荧光粉用以转换第一蓝色发光二极管芯片的部分光线的波长，而第一蓝色发光二极管芯片的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内。第二发光二极管封装结构包含一第二蓝色发光二极管芯片以及一第二荧光粉。第二荧光粉用以转换第二蓝色发光二极管芯片的部分光线的波长，而第二蓝色发光二极管芯片的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内，其中第二荧光粉的波长大于第一荧光粉的波长。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发光装置，特别是关于一种光源模块。
背景技术
近年来，由于环保意识的抬头，节能减碳俨然成为产业发展的主要趋势。为了达到节能的目的，具有低耗电、高效率的发光二极管(Light Emitting Diode,LED)灯具逐渐取代传统的钨丝灯泡。
一般而言，为了发出白光，发光二极管灯具会在一基板上装设多个蓝色发光二极管芯片、红色发光二极管芯片及绿色发光二极管芯片，这些发光二极管芯片均包覆于封装结构内，并分别连接至控制电路上，以接收电力来发光。
然而，使用上述具有不同频谱的发光二极管芯片往往会由于彼此的驱动电压不同，导致控制电路的设计过于复杂。此外，由于具有不同频谱的发光二极管芯片的寿命不同，容易导致特定发光二极管芯片提早损毁，而造成灯具在长期使用后发光表现劣化的状况。
因此，现有的发光二极管灯具仍存在着部分困难以待克服。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的是在提供一种光源模块，其无须利用不同的发光二极管芯片，仍可发出不同颜色的光线，故可克服现有技术中遭遇的种种困难。
为了达到上述目的，依据本发明的一实施方式，一种光源模块包含一基板、至少一第一发光二极管封装结构以及至少一第二发光二极管封装结构。第一发光二极管封装结构及第二发光二极管封装结构设置于基板上。第一发光二极管封装结构包含一第一蓝色发光二极管芯片以及一第一荧光粉。第一荧光粉用以转换第一蓝色发光二极管芯片的部分光线的波长，而第一蓝色发光二极管芯片的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内。第二发光二极管封装结构包含一第二蓝色发光二极管芯片以及一第二荧光粉。第二荧光粉用以转换第二蓝色发光二极管芯片的部分光线的波长，而第二蓝色发光二极管芯片的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内，其中第二荧光粉的波长大于第一荧光粉的波长。
借由以上技术手段，本发明的实施方式可在不同的发光二极管封装结构中采用相同或相似的蓝色发光二极管芯片，故可有效消弭驱动电压不同所造成的电路复杂性，亦可有效克服不同颜色的发光二极管芯片的寿命差异所造成的发光表现的劣化。
以上所述仅用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段、及其产生的功效等等，本发明的具体细节将在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1绘示依据本发明一实施方式的光源模块的上视图。
图2绘示依据本发明一实施方式的第一发光二极管封装结构的剖面图。
图3绘示依据本发明一实施方式的第二发光二极管封装结构的剖面图。
图4绘示依据本发明一实施方式的色度坐标图。
图5绘示依据本发明一实施方式的相关色温与F1×m/F2×n的关系图。
图6绘示依据ANSI_NEMA_ANSLG C78.377-2008所提供的色度坐标图。
【主要组件符号说明】
100：基板
200：第一发光二极管封装结构
210：第一蓝色发光二极管芯片
220：第一荧光粉
230：第一封装体
232：凹槽
300：第二发光二极管封装结构
310：第二蓝色发光二极管芯片
320：第二荧光粉
330：第二封装体
332：凹槽
410：第一色度坐标点
420：第一线段
510：第二色度坐标点
520：第二线段
610：目标色度坐标点
700：普朗克轨迹
710：色度坐标点
720：七阶色度四边形
730：麦克亚当椭圆
P1：第一特定色点
P2：第二特定色点
P3：第三特定色点
P4：第四特定色点
F1：第一光通量
F2：第二光通量
F3：第三光通量
F4：第四光通量
CIEx1：横轴坐标值
CIEx2：横轴坐标值
CIEx3：横轴坐标值
CIEx4：横轴坐标值
CIEy1：纵轴坐标值
CIEy2：纵轴坐标值
CIEy3：纵轴坐标值
CIEy4：纵轴坐标值
具体实施方式
以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，熟悉本领域的技术人员应当了解到，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节并非必要的，因此不应用以限制本发明。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与组件在附图中将以简单示意的方式绘示之。
图1绘示依据本发明一实施方式的光源模块的上视图。如图所示，本实施方式的光源模块可包含一基板100、至少一第一发光二极管封装结构200以及至少一第二发光二极管封装结构300。第一发光二极管封装结构200及第二发光二极管封装结构300设置于基板100上。图2绘示依据本发明一实施方式的第一发光二极管封装结构200的剖面图。如图所示，第一发光二极管封装结构200可包含一第一蓝色发光二极管芯片210以及一第一荧光粉220，其中第一荧光粉220用以转换第一蓝色发光二极管芯片210的部分光线的波长，而第一蓝色发光二极管芯片210的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内。图3绘示依据本发明一实施方式的第二发光二极管封装结构300的剖面图。如图所示，第二发光二极管封装结构300包含一第二蓝色发光二极管芯片310以及一第二荧光粉320。第二荧光粉320用以转换第二蓝色发光二极管芯片310的部分光线的波长，而第二蓝色发光二极管芯片310的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内，其中第二荧光粉320的波长大于第一荧光粉220的波长。
在本实施方式中，第一蓝色发光二极管芯片210及第二蓝色发光二极管芯片310两者所放射的光线均在蓝光波长范围内，其中两者的频谱可相同，亦可不完全相同。换句话说，只要第一蓝色发光二极管芯片210或第二蓝色发光二极管芯片310所发出的光线位于蓝光波长范围内，两者的频谱亦可存在些微差异。由此，本发明上述实施方式的第一发光二极管封装结构200及第二发光二极管封装结构300可包含相同或相似的第一蓝色发光二极管芯片210及第二蓝色发光二极管芯片310，故可有效消弭驱动电压不同所造成的电路复杂性，亦可有效克服不同颜色的发光二极管芯片的寿命差异所造成的发光表现的劣化。
在本实施方式中，第一蓝色发光二极管芯片210所发出的部分光线会被第一荧光粉220所吸收，而转换成第一荧光粉220的频谱光(例如：绿光)。扣除被吸收掉的光以外，第一蓝色发光二极管芯片210所发出的剩余光线则仍维持在蓝光波长范围内。因此，第一发光二极管封装结构200可放射出部分第一荧光粉220的频谱光，亦可放射出部分第一蓝色发光二极管芯片210的频谱光。
相似地，第二蓝色发光二极管芯片310所发出的部分光线会被第二荧光粉320所吸收，而转换成第二荧光粉320的频谱光(例如：红光)。扣除被吸收掉的光以外，第二蓝色发光二极管芯片310所发出的剩余光线则仍维持在蓝光波长范围内。因此，第二发光二极管封装结构300可放射出部分第二荧光粉320的频谱光，亦可放射出部分第二蓝色发光二极管芯片310的频谱光。
借由以上技术手段，当第一荧光粉220为绿色荧光粉，且第二荧光粉320为红色荧光粉时，由于第一蓝色发光二极管芯片210与第二蓝色发光二极管芯片310的光线并未完全被转换，故光源模块可放射出红色、绿色、蓝色的光线，进而混合出光源模块所需的颜色。
在部分实施方式中，第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300的数量均为一个，且第一发光二极管封装结构200的光通量与第二发光二极管封装结构300的光通量的比值约介于1-14之间。举例而言，第一荧光粉220可为绿色荧光粉，而第二荧光粉320可为红色荧光粉。当具有第一荧光粉220的第一发光二极管封装结构200与具有第二荧光粉320的第二发光二极管封装结构300的比值约介于1-14之间时，光源模块不仅可达到所需的相关色温(Correlated Color Temperature,CCT)更可达到此相关色温下最大的总光通量值。详细技术特征将于下文中逐步描述。
应了解到，在本说明书全文中所述的相关色温为使用特定已知的颜色刺激值(Stimulus)在相同亮度及特定条件下重新组成为最接近普朗克辐射体(Planckian Radiator)的色温(Color Temperature)。
透过第一发光二极管封装结构200中掺杂的第一荧光粉220的比例，可改变第一发光二极管封装结构200的光通量。相似地，第二荧光粉320在第二发光二极管封装结构300中的比例大小，亦会改变第二发光二极管封装结构300的光通量。由此，第一发光二极管封装结构200的光通量与第二发光二极管封装结构300的光通量的比值可被调整至1-14之间，以使光源模块在特定相关色温下，达到最大的总光通量。
在部分实施方式中，第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300的数量均为一个，且第一发光二极管封装结构200的光通量大于第二发光二极管封装结构300的光通量。举例而言，第一荧光粉220可为绿色荧光粉，而第二荧光粉320可为红色荧光粉。由于绿光的颜色刺激值比红光更高，故当具有第一荧光粉220的第一发光二极管封装结构200的光通量大于具有第二荧光粉320的第二发光二极管封装结构300的光通量时，对于人眼而言所观察到的光源模块会更亮。
在部分实施方式中，第一发光二极管封装结构200及第二发光二极管封装结构300均为多个。这些第一发光二极管封装结构200的总光通量与第二发光二极管封装结构300的总光通量的比值约介于1-14之间。具体而言，当所有第一发光二极管封装结构200的光通量总和与所有第二发光二极管封装结构300的光通量总和的比值约介于1-14之间时，光源模块不仅可达到所需的相关色温更可达到此相关色温下最大的等效光通量值。其中，光源模块的等效光通量可定义为光源模块所发出的总光通量除以第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300的数量所得到的值。
在部分实施方式中，第一发光二极管封装结构200的数量与第二发光二极管封装结构300的数量的比值约介于0.05至20之间。其中，第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300的光通量可随着两者数量比例的变化而调整，以使所有第一发光二极管封装结构200的光通量总和与所有第二发光二极管封装结构300的光通量总和的比值仍约介于1-14之间。其中，每一颗第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300的光通量可透过其所掺杂的第一荧光粉220及第二荧光粉320的比例的改变来调整。
在部分实施方式中，第一发光二极管封装结构200的数量为m个，第二发光二极管封装结构300的数量为n个，其中m及n均为正整数。第一发光二极管封装结构200可发出第一光通量F1，第二发光二极管封装结构300可发出第二光通量F2。第一光通量F1乘以m与该第二光通量F2乘以n的总和定义为光源模块的总光通量F_module。光源模块的总光通量F_module除以m与n的总和定义为等效光通量F_equal。其中，第一光通量F1、第二光通量F2、第一发光二极管封装结构的数量m、以及第二发光二极管封装结构的数量n可被选择以最佳化等效光通量F_equal。
图4绘示依据本发明一实施方式的色度坐标图，用以具体说明最佳化光源模块的等效光通量F_equal的技术手段。应了解到，色度坐标图(ChromaticityDiagram)可参考国际照明委员会(International Commission on Illumination,CIE)于公元1931年的“CIE 1931color space chromaticity diagram”所定义。在本实施方式中，第一发光二极管封装结构200会随着第一荧光粉220(请并参阅图2)的比例不同而产生多个不同的第一色度坐标点410，这些第一色度坐标点410可连成一第一线段420，第一线段420大致上为直线。相似地，第二发光二极管封装结构300会随着第二荧光粉320的比例不同而产生多个不同的第二色度坐标点510，这些第二色度坐标点510会连成一第二线段520，此第二线段520大致上为直线。其中第一光通量F1由这些第一色度坐标点410的其中之一所给定，而第二光通量F2由这些第二色度坐标点510的其中之一所给定。
应了解到，在本说明书全文中所述的“大致上”用以修饰任何可些微变化的关系。举例而言，第一线段420可大致上为直线除了包含第一线段420的斜率完全固定之外，亦可包含第一线段420上有部分区段的斜率略微不同。
若要利用第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300的混光来使光源模块发光达到一目标色度坐标点610，在第一线段420与第二线段520上可找出无限多组第一色度坐标点410与第二色度坐标点510。
本发明的实施方式可由这无限多组第一色度坐标点410与第二色度坐标点510取得一组最佳解来得到最大的等效光通量F_equal。
举例而言，在其中一组解中，第一发光二极管封装结构200的第一色度坐标点410定为第一特定色点P1，其所放射的第一光通量F1为第一特定色点P1的横轴坐标值CIEx1与纵轴坐标值CIEy1的函数值。相似地，第二发光二极管封装结构300的第二色度坐标点510定为第二特定色点P2，其所放射的第二光通量F2为第二特定色点P2的横轴坐标值CIEx2与纵轴坐标值CIEy2的函数值。
在另一组解中，第一发光二极管封装结构200的数量为p个，第二发光二极管封装结构300的数量为q个。第一发光二极管封装结构200的第一色度坐标点410定为第三特定色点P3，则其所放射的第三光通量F3为第三特定色点P3的横轴坐标值CIEx3与纵轴坐标值CIEy3的函数值。相似地，第二发光二极管封装结构300的第二色度坐标点510定为第四特定色点P4，则其所放射的第四光通量F4为第四特定色点P4的横轴坐标值CIEx4与纵轴坐标值CIEy4的函数值。
由此，上述两组解的光源模块的等效光通量可分别由以下公式定义：
F_equal_1=(F1×m+F2×n)/(m+n)
F_equal_2=(F3×p+F4×q)/(p+q)
若F_qual_1>F_equal_2，则可选定第一特定色点P1及第二特定色点P2为最佳解，并分别掺杂对应比例的第一荧光粉220及第二荧光粉320于第一发光二极管封装结构200及第二发光二极管封装结构300中，且分别选择m及n为第一发光二极管封装结构200及第二发光二极管封装结构300的数量，以最佳化光源模块的等效光通量F_module。
经由运算可得到，当1<F1×m/F2×n<14时，可达到不同相关色温下所对应的目标色度坐标点610的最佳等效光通量F_module。
应了解到，上述实施方式仅比较两组解来做为范例，但实际上为求精确，可比较多数组解(例如：1000组)来最佳化光源模块的等效光通量F_module。
经发明人苦心研究，在本发明的一实施方式中，揭露各种常用的相关色温下较佳的F1×m/F2×n的比值(亦即，第一发光二极管封装结构200的总光通量与第二发光二极管封装结构300的总光通量的比值)，以最佳化光源模块在对应色温下的等效光通量F_module。详细如下表所示：
另可参考图5，本图绘示上表中相关色温与F1×m/F2×n的关系图。其中，横轴代表相关色温，而纵轴代表F1×m/F2×n的比值。
应了解到，本说明书中全文所述的荧光粉的“比例”是指发光二极管封装结构中所掺杂的荧光粉的重量与发光二极管封装结构的蓝光完全被转换所需的荧光粉的重量的比值。举例而言，假设第一发光二极管封装结构200掺杂100毫克的第一荧光粉220，第一蓝色发光二极管芯片210所放射的光线会完全被吸收，则若第一发光二极管封装结构200所掺杂的第一荧光粉220为35毫克时，则第一荧光粉220的比例则可定义为0.35。
另应了解到，随着第一荧光粉220的比例上升，第一发光二极管封装结构200在色度坐标图上所对应的第一色度坐标点410会逐渐朝向第一线段420的右端移动。相似地，第二发光二极管封装结构300所对应的第二色度坐标点510亦会随着第二荧光粉320的比例上升而逐渐朝向第二线段520的右端移动。
在部分实施方式中，第一线段420与第二线段520的斜率大致上为固定。
在部分实施方式中，第一线段420的斜率大于第二线段520的斜率。
在部分实施方式中，光源模块的相关色温系介于2700K-6500K之间。上述的相关色温符合美国国家标准协会(American National Standards Institute,ANSI)所制订的色温标准ANSI_NEMA_ANSLG C78.377-2008或其它先前版本。图6绘示依据ANSI_NEMA_ANSLG C78.377-2008所提供的色度坐标图。如图所示，每一特定的相关色温在色度坐标图上均存在一容许范围。举例而言，在普朗克轨迹700(Planckian Locus)上具有一色度坐标点710，其相关色温为克氏温度2700K。此色度坐标点710的周遭环绕一七阶色度四边形720(7-stepChromaticity Quadrangles)，在此七阶色度四边形720内的所有色度坐标点均符合相关色温为2700K的定义。另外，在美国国家标准协会所定义的八个七阶色度四边形720中，其中六个是与以往所常用的六个七阶麦克亚当椭圆730(MacAdam Ellipses)重合，而另外两个定义于相关色温4500K及5700K所对应的色度坐标点的周遭，而本图中所标示的相关色温均可做为固态照明灯具上所应用的标称(Nominal)相关色温值。
以下以表列方式来阐明图6中所示的标称相关色温(Nominal CCT)与色温(Color Temperature)的关系。
| 标称相关色温(K) | 色温(K) |
| 2700 | 2725±145 |
| 3000 | 3045±175 |
| 3500 | 3465±245 |
| 4000 | 3985±275 |
| 4500 | 4503±243 |
| 5000 | 5028±283 |
| 5700 | 5665±335 |
| 6500 | 6530±510 |
请回头参阅图1，在部分实施方式中，第一发光二极管封装结构200与第二发光二极管封装结构300呈对称且均匀地设置于基板100上。举例而言，多个第一发光二极管封装结构200与多个第二发光二极管封装结构300可于基板100上交错排列成环状，且彼此的间隔相等。
请接着参阅图2，如图所示，第一发光二极管封装结构200可进一步包含一第一封装体230，此第一封装体230具有一凹槽232，其中第一蓝色发光二极管芯片210设置于第一封装体230上，而第一荧光粉220填布于凹槽232中并包覆第一蓝色发光二极管芯片210，以利光线波长的转换。
相似地，如图3所示，第二发光二极管封装结构300亦可包含一第二封装体330，其具有一凹槽332，而第二蓝色发光二极管芯片310设置于第二封装体330上，第二荧光粉320填布于凹槽332中并包覆第二蓝色发光二极管芯片310，以利光线转换。
在部分实施方式中，第一荧光粉220的波长范围约介于510至590纳米(nm)之间，而第二荧光粉320的波长范围约介于591纳米至660纳米之间。
在部分实施方式中，第一荧光粉220及第二荧光粉320的频谱半高宽约介于60-160纳米之间。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。
Claims (11)
1.一种光源模块，其特征在于，包含：
一基板；
至少一第一发光二极管封装结构，设置于该基板上，该第一发光二极管封装结构包含：
一第一蓝色发光二极管芯片；
一第一荧光粉，用以转换该第一蓝色发光二极管芯片的部分光线的波长，而该第一蓝色发光二极管芯片的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内；以及
至少一第二发光二极管封装结构，设置于该基板上，该第二发光二极管封装结构包含：
一第二蓝色发光二极管芯片；以及
一第二荧光粉，用以转换该第二蓝色发光二极管芯片的部分光线的波长，而该第二蓝色发光二极管芯片的剩余光线的波长在蓝光的波长范围内，其中该第二荧光粉的波长大于该第一荧光粉的波长；
该第一发光二极管封装结构的数量为m个，该第二发光二极管封装结构的数量为n个，其中m及n均为正整数；
其中该第一发光二极管可发出第一光通量F1，该第二发光二极管可发出第二光通量F2；
其中该第一光通量F1乘以m与该第二光通量F2乘以n的总和定义为该光源模块的总光通量F_module；
其中该光源模块的该总光通量F_module除以m与n的总和定义为等效光通量F_equal；
其中该第一光通量F1、该第二光通量F2、该第一发光二极管封装结构的数量m、以及该第二发光二极管封装结构的数量n可被选择以最佳化该等效光通量F_equal；
该第一发光二极管封装结构会随着该第一荧光粉的比例不同而产生多个不同的第一色度坐标点，该些第一色度坐标点会连成一第一线段，该第一线段大致上为直线；
其中该第二发光二极管封装结构会随着该第二荧光粉的比例不同而产生多个不同的第二色度坐标点，该些第二色度坐标点会连成一第二线段，该第二线段大致上为直线；
其中该第一光通量F1由该些第一色度坐标点的其中之一所给定，而该第二光通量F2由该些第二色度坐标点的其中之一所给定；
其中该第一直线及该第二直线的斜率为固定，且该第一直线的斜率大于该第二直线的斜率。
2.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一发光二极管封装结构发出的该第一光通量F1与该第二发光二极管封装结构发出的该第二光通量F2的比值介于1-14之间。
3.如权利要求2所述的光源模块，其特征在于，该第一发光二极管封装结构发出的该第一光通量F1大于该第二发光二极管封装结构发出的该第二光通量F2。
4.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一光通量F1乘以m与该第二光通量F2乘以n的比值介于1-14之间。
5.如权利要求4所述的光源模块，其特征在于，该些第一发光二极管封装结构的数量与该些第二发光二极管封装结构的数量的比值介于0.05至20之间。
6.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一蓝色发光二极管芯片及该第二蓝色发光二极管芯片的频谱不完全相同。
7.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一蓝色发光二极管芯片及该第二蓝色发光二极管芯片的频谱相同。
8.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该光源模块的相关色温介于2700K-6500K之间。
9.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一发光二极管封装结构与该第二发光二极管封装结构呈对称且均匀地设置于该基板。
10.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一荧光粉的波长范围介于510至590纳米之间，且该第二荧光粉的波长范围介于591纳米至660纳米之间。
11.如权利要求1所述的光源模块，其特征在于，该第一荧光粉及该第二荧光粉的频谱半高宽介于60-160纳米之间。
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