TW201319660A - 色溫調控裝置及使用其之照明設備，以及色溫調控之方法 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種照明用色溫調控裝置，以調控與該裝置作用之光的色溫，包括：光閥結構，以調控通過該光閥結構之出射光通量與進入該光閥結構之入射光通量的比例；以及調色結構，包括至少一種可將入射光波長轉換為不同波長出射光之波長區段轉換元件，其中，光閥結構和調色結構在光的行進路徑上彼此不重疊，使自光源射出經過光閥結構之出射光與經過調色結構至少部分被轉換為不同波長區段之出射光混成，形成與原光源不同色溫之混成光。本案另提供一種包括該照明用色溫調控裝置之照明設備以及一種調控色溫之方法。

Description

色溫調控裝置及使用其之照明設備，以及色溫調控之方法
本案係關於一種照明用色溫調控裝置與使用該照明用色溫調控裝置之照明設備，以及色溫調控之方法。
自從愛迪生發明白熾燈泡後，人類的生活型態因著照明時間與空間的延伸而產生巨大變化，進而持續推進發展出更耐用、美觀、且更有效率的照明產品。
然而，由於人類演化過程中對太陽光的適應，即使身處於人工光源照明下，人類視覺器官仍然偏好於接近自然光的照射環境。人眼的構造也對可見光的感應會隨著其波長區段不同及所處環境明暗而變化。當可見光作用於人眼而產生光的感應，此時不僅與光的組成及強弱有關，還跟人視覺器官的生理特性及人的心理因素有關。所以，必需藉助「光度量學」，根據人視覺器官的生理特性和某些約定的規範來評價光輻射所產生的視覺效應。
由於光度測量必需仰賴人視覺器官的生理特性，所以國際照明委員會(Commission Internationale de l’Eclariage,CIE)便統一制定了人眼對光感應知覺能力的評價標準。提出人眼視覺函數(eye sensitivity function)V(λ)聯繫輻射度量和光度量並進行轉換，並用色度圖將人眼對色彩感知標準化。1924年，CIE提出在2度小視場等能光譜實驗中，明視覺條件下點狀光源的視覺函數，稱為CIE 1931視覺函數，據以推導得到如第1圖所示之CIE1931色彩空間色度 圖。由於人眼對不同波長區段的光視效能不同，CIE針對人類眼睛在藍色與靛色光譜區域的敏感度，於1978年提出了CIE 1978視覺函數。這個修正過的函數，在波長低於460奈米(nm)的光譜區域有較高的響應值。然而，儘管明視覺CIE1978視覺函數可視為最精確的敏感度描述，但考量到更換標準度量的不便，目前世界各國仍多以CIE1931色彩空間色度圖為參考標準。
白光是照明應用中最廣泛使用的光源，由於光同色異譜的特性，故可以從色度圖中找到極多可見光譜組合來產生白光。由於所有白光之間最大的特徵差別就是「色溫」，所以相對於色度座標之色溫成為描述白光光源特性的一個重要參數。所謂「色溫」，係指當一光源光譜分佈與某黑體(指在任何溫度下將落到它表面上的任何波長的輻射全部吸收的物體)輻射出來的光譜相同時，便可用該「黑體的表面絕對溫度」這參數，來代表這樣一個光源光譜分佈。簡言之，色溫即是根據黑體輻射所放出的光色變化，所定義出來的顏色表示方式，單位是絕對溫度K(Kelvin)。加熱黑體時，不同的溫度下黑體外表將會發出不同的顏色的光，如黑體加熱到1000K時，黑體呈現紅色，3000K以下為偏紅黃色，約3000K至6500K時呈白色，而高於6500K時光色就會偏藍色。因為可簡單使用「色溫」描述特定光譜，故常於照明相關產業中拿來做為設計的標準。
而隨著溫度的變化，黑體所發出的光的色溫可在色度圖上描繪出其軌跡，此黑體輻射光譜在CIE1931色彩空間色度圖中的軌跡稱為「普朗克軌跡(Plankian Locus)」或 「黑體輻射軌跡(Black Body Locus,BBL)」。自然界中白光光譜非常類似於普朗克光譜。第1圖上之軌跡aa’即表示普朗克黑體輻射光譜在CIE1931色彩空間色度圖中之「黑體輻射軌跡」以及其色溫所對應的顏色。
而在色溫的控制方面，對於一個白光照明燈具來說，不同色溫就有不同的應用領域，如色溫在3300K以下，稱為「暖色光」，其與白熾燈相近且紅光成分較多，能給人以溫暖，健康，舒適的感受。因此暖色光適用與家庭，住宅，宿合，賓館等場所或溫度比較低的地方。而色溫在絕對溫度3300K到絕對溫度5300K之間，稱為「冷色白光」；由於光線柔和，使人有愉快，舒適，安詳的感受。此冷色白光適用於商店，醫院、辦公室、飯店、餐廳、候車室等場所。色溫在絕對溫度5300K以上，稱為「冷色光」，其光源最接近自然光，有明亮的感覺使人精力集中。此冷色光適用於辦公室、會議室、教室、繪圖室、設計室、圖書館的閱覽室、展覽櫥窗等場所。所以，一個良好的白光照明設備必需是要能夠完成色溫上的調變，以大幅增加其應用層面與價值。
此外，評價照明用白光光源是否接近日光，物體在照射下的「演色性」亦成為一個重要的參數。物體在太陽光或白熾燈的照射下，由於這些光源寬頻帶(Boardband)的特性，會顯示出所謂的「真實顏色」。光源對物體真實顏色的呈現程度稱為光源的「演色性(color-rendering index，CRI或Ra)」，以對光源的演色性進行定量評價。以標準光源定為參考值，其演色性指數Ra定為100，其餘光源的演色性 指數均低於100。演色性指數值越大，代表光源的演色性越好。白熾燈演色性可達98，而日光燈則較差。由於人眼演化適應日光環境，因此CIE便以普朗克軌跡的黑體輻射光譜作為評價依據，對落於普朗克軌跡之上些微距離的日光，其演色性比相當高。
現代照明設備中，最常見的光源包括鹵素燈、螢光燈、冷陰極射線管(CCFL)，以及發光二極體(Light Emitting Diode,LED)等。照明用光源一經製成完成，便不易再調控其色溫與演色性。一般白熾鎢絲燈泡色溫與演色性佳但使用壽命短且發光效率低，鹵素燈相較於白熾燈使用壽命與發光效率上有改善，但發高熱及紫外線同樣為人垢病。此外，傳統以白熾發光原理之照明設備均受到發高熱及出廠後色溫及演色性即固定的限制。至於CCFL，則因含有汞而不環保且同樣具有色溫與演色性不足的問題。
近年來，由於LED具體積小、發光效率佳、壽命長、操作反應時間快，且符合環保之無熱輻射與無水銀等有毒物質的汙染等優點，相較於其他傳統照明光源具有相當優勢。
LED為利用半導體製程技術來實現以二極體為發光主體的光學元件，其藉由將電能轉換成光波形成，放射光譜係屬於單色光，波長區段涵蓋紅外光、可見光及紫外光。LED由於要形成照明用的白光，故其頻譜必須橫跨紅、綠、藍三個波段的三原色的光以進而混成光線，即波長區段必須橫跨將近300 nm左右(約400nm至700nm)。但是因LED放射光譜的半高寬能量差非常狹窄，所以僅能發出單一波 長的單色光。長久以來，LED受限於三原色中的藍色發光波段其發光亮度不佳，無法達成全彩影像與白光照明。
為實現LED白光照明，目前業界利用的方法可以分為兩種：第一種方式為組合發出不同波長的LED晶片。例如藉由紅色-綠色-藍色LED組合，或是藍光-黃綠光LED組合，分別控制通過個別LED的電流，再經由光擴散薄膜層將個別發出的光加以混成產生白光。另一種方法則是利用可轉換波長區段之材料，如半導體、螢光體或染料，搭配單色光之LED，達到發出白光的目的。此類白光發光技術中較成熟者，則屬利用螢光體材料搭配單色光LED的技術。1996年日本日亞化學公司(Nichia Chemical)發展出以藍色(GaxIn1-xN)LED配合發黃光之釔鋁石榴石型(yttrium aluminum garnet；YAG)螢光體亦可成為一白光光源。黃色螢光體材料經由吸收藍色LED放出的部份藍光後，發出長波長區段的黃光，最後再把兩種光色經由混成形成白光。這種方式因而只需要一組相同顏色的LED晶片。另一種常用的螢光體則為鋱鋁石榴石型(terbium aluminum garnet；TAG)螢光體，其發光效率較YAG差，但相對演色性會較佳。目前利用可轉換波長區段之材料搭配單色LED以得到白光光源的方法，仍以藍色LED搭配黃色YAG或TAG螢光體。
然而，新興的LED光源仍然無法完全取代傳統照明，其主要原因在於現行市售之LED燈具產品均缺乏可精準表現一致色溫的特性，以致產品之間無法避免地出現色溫差異。市售的白光LED多係以藍光LED和黃色螢光體混成 調色；現行藍光LED製程技術已趨成熟，但在與螢光體搭配混成白光時，仍會因為藍光與黃色螢光體產生的光通量調配存在有很大的不確定性而出現偏離預定色溫區域之狀況，以致無法精準控制每個產品的出廠色溫。不確定性的成因包括像是於製造時螢光體的調配比例、螢光體分布的均勻度、量產時點膠的時間以及對應不同特性的LED所造成。依目前螢光體搭配LED的方式完成的白色光源的量產技術，一般仍會造成正負200K以上色溫誤差。然而，人眼對於一個光源的色溫若有正負100K以上的變動量，便會產生感覺。而較敏感的人甚至可輕易察覺高於50K的色溫差異。故目前，一般照明產品對色度之容許差異已從100K縮小至50K，白光LED便是受限於以上各項不確定性之因素，而使得產量大減，不良之樣品只得以較便宜的價格售出。
第2圖為規範不同色溫下的白光LED色度之ANSI C78.377A固態照明規格(Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products for Electric Lamps)的CIE 1931色度座標與色容差圖。中間曲線即為第1圖中部分aa’曲線之黑體輻射軌跡BBL，而沿BBL上下每一個小方格邊長約50K，代表在此方格內的色度均可視為「相同色溫」，因為人眼對在相同方格內的色溫感覺不出任何差異。一般照明用的白光燈源，其色溫至少必需位在圖中所示之某區域內。以至目前用於室內照明中以多個LED晶片組成的光源，若其中有一個LED晶片毀損，就需要更換全部LED晶片以達所有光源色溫的一致性。
由上述可知，市面上的白光LED大部份為以藍光LED和黃色螢光體來做混成調色，缺點便是在於無法精準控制每個產品的出廠色溫；而無法精準控制的原因，就在於藍光與黃光的光通量調配存在有很大的不穩定性。再者，每批白光光源的特定色溫需由調配一定的螢光體比例完成，封裝後便無法再自行改變此比例。此方法並無法隨意調變白光光源色溫，使得此照明設備的應用價值大幅下降。再者，室內照明應具備適當亮度、舒適光場，和空間與時間色彩均齊性；但現今LED燈多有空間色偏問題。所謂空間色偏是指LED燈會產生中間偏藍、周圍偏黃的「黃暈」，嚴重者會在某些角度形成極高色溫的光束，對人體造成不良影響。
此外，目前亦用使用紅、藍、綠三色LED光源，利用電路控制三者間相對強度，藉以得到白色LED光。然而，由於三色光源間衰變速率的不同(紅色光較快)，故此類光源在使用一段時間後，常會發生明顯的色度偏移現象。包括LED在內，現行各式光源無論是用於照明設備或在波長區段調變上，其色溫與演色性的變化與調控仍存在很大的問題或是完全無法操控。為了提升光源品質及其產品應用(如照明)價值及實用性，現行的用於像是照明的光源設備仍存在著極大的困難亟待克服。所以，如何將光源精準調變其最終出射光光譜分佈或波長區段，不僅在照明的應用上極具價值，並且可運用在其他任何對光源品質高度要求的應用領域之中。
本案之一實施例係在於提供一種照明用色溫調控裝置，以調控與該裝置作用之光的色溫，其包括一光閥結構，以調控與該光閥結構作用之該光的第一入射光及第一出射光之光通量的比例、以及一調色結構，其包括至少一波長區段轉換元件，以轉換與該調色結構作用之該光的具第一波長區段之第二入射光成具第二波長區段之第二出射光，其中，該光閥結構與該調色結構在該光的行進路徑上彼此不重疊，使該第一出射光與該第二出射光混成，以形成一與該光不同色溫之混成光。
根據本案之另一實施例，該光閥結構與該調色結構同樣位於垂直於該光行進路徑之一平面上。
本案之一實施例係在於提供一種照明設備，其包括一光源、以及如上述之照明用色溫調控裝置。
本案之一實施例係在於提供一種調控色溫之方法，其包括提供一第一光源、提供一光閥結構以調控與該光閥結構作用之該第一光源中一第一入射光及一第一出射光之光通量的比例、提供一包括至少一波長區段轉換元件的調色結構，以轉換與該調色結構作用之該第一光源中一具第一波長區段之第二入射光成一具第二波長區段之第二出射光、以及混成該第一出射光與該第二出射光，以形成一與該第一光源不同色溫之一混成光。
於下文中，本案的多個示範實施例將參照附加圖式詳 細描述。然而，對於熟習本領域者而言，可在不背離本案之範疇下進行修改或變更。然而，將提供本案之示範實施例以使得熟習本領域者更清楚了解本案揭露內容。必需瞭解的是，本案可以許多不同的形式具體實施，故示範實施例不應解釋為對本案之限制。確切地說，提供這些實施例以使得此揭示將完全和完整，並對熟悉此項技術者而言將完全表達了本案之範圍。於圖式中，為了清楚顯示的目的形狀和尺寸可能予以誇大，而相同的元件符號於整份圖式中用來表示相同或相似之組件。
根據本案的示範實施例，本案係揭示一種色溫調控裝置及方法，以及使用該色溫調控裝置之設備。簡言之，係利用能連續調整光穿透率(入射/出射光比例)之如液晶單元(LC cell)或變色玻璃的「光閥」，以及像是包括可圖樣化螢光體層或是波長區段轉換元件的「調色結構」，搭配來精準調變色溫使根據本案之裝置及設備擁有可「連續」並「精準」調變光源色溫之功能。此外，根據本案的實施例，使用單一光源精準調變其最終出射光光譜分佈或波長區段，達成原來需要多光源才能得到的光源效果。
所謂的「精準」調控色溫，係指可藉由根據本案之照明用色溫調控裝置，將用於照明之經混成出射光的色溫，控制於上下誤差50K色溫範圍內(±50K)沿著BBL作調整(Black Body Locus區域)，以符合ANSI C78.377A的規範。
根據本案的波長區段調控方法，除了運用一種以上螢光體材料加成，配合光閥手段調控各別光通量藉以混成出所欲色溫的光之外，亦可用光波長區段減去手段(例如加入 吸收特定波長區段的材料)，吸收特定波長區段以降低其光通量藉以調控混成光的色溫或波長區段。又根據本案的一個實施例，該調色結構是以干涉手段改變入射光波長區段以達成調色目的之調色結構。
根據本案之一實施例的裝置、設備及方法，參照第3圖所示之照明用色溫調控裝置300，其包含欲調控色溫之光(由第一光源301發出)、一光閥結構303、以及一調色結構302，其中，該光閥結構303與該調色結構302在該光的行進路徑上彼此不重疊。
如第3圖所示，一部分自該第一光源301發散出的該光係為與該光閥結構303作用之該光的一第一入射光305，該第一入射光305經該光閥結構303後，成為一第一出射光306由該光閥結構303射出，而該光閥結構303即用以調控與該光閥結構作用之該光的該第一入射光305及該第一出射光306之光通量的比例。
如第3圖，另一部分自第一光源301發散出的該光係成為與該調色結構302作用之該光的一第二入射光307，該第二入射光307經該調色結構302後，成為一第二出射光308由該調色結構302射出，而該調色結構302即用以將與該調色結構作用之該光的一具第一波長區段之該第二入射光307，轉換成一具第二波長區段之該第二出射光308。
最後，該第一出射光306與該第二出射光308二者混成，形成一與該光不同色溫之混成光。
根據本案之另一實施例的裝置、設備及方法，其中該 第二波長區段包含第一波長區段，即該第二出射光308仍包含部分未經轉換之第一光源301的波長區段。換言之，進入該調色結構302之第一光源301成為該第二入射光307，其一部分被該調色結構中之該波長區段轉換元件改變了波長區段，而仍有部份則維持原第二入射光307(即第一光源301)的波長區段，使得射出該調色結構之該第二出射光308具有比該第二入射光307之第一波長區段範圍更廣卻包括第一波長區段之第二波長區段。
根據本案之一實施例，該第一出射光306與該第二出射光308之混成光，係進一步與該第一光源301射出後未通過光閥結構303與調色結構302之原光304混成。
根據本案之另一實施例的裝置、設備及方法，如第4圖所示之照明用色溫調控裝置400，進一步包含一第二光源411發散出之其他光410，該其他光410與上述該第一出射光406、該第二出射光408、以及自該第一光源401射出後未通過光閥與調色結構之原光404四者混成，形成一與該光不同色溫之混成光。
根據本案之另一實施例，光源使用不同顏色組合，或是白光搭配單一或不同顏色色光的組合。
根據本案之另一實施例，如第5圖所示，該調色結構502在光的行進路徑上與該光閥結構503位於同一平面上不重疊且位於該光閥結構503兩旁，並與該光閥結構503鄰接，使該光源501所發出的該光分別被該光閥結構503以及該調色結構502轉為第一出射光以及該第二出射光以混成一與該光不同色溫之混成光。
根據本案之另一實施例，如第6圖所示，包含一光源601、調色結構602(區域A)、604(區域C)、以及一光閥結構603(區域B)，其中該二調色結構和該光閥結構，三者在光的行進路徑上位於同一平面上不重疊且區域A和區域C將區域B夾至其中，值得注意的是，區域A和區域C係包含不同波長區段轉換元件之調色結構，故可將原光源601入射各該調色結構602、604之該光，轉換為各自不同之波長區段，再和通過該光閥結構603之該光混成一與該光不同色溫之所欲混成光，其中該調色結構604(區域C)之光通量面積小於該調色結構602(區域A)，主要是因為該調色結構602(區域A)係發揮主要調色作用，而該調色結構604(區域C)則發揮更進一步提供該混成光色溫之微調作用，故本實施例可執行更具彈性同時也是更細膩的光混成操作。
又根據本案之另一實施例，如第7圖所示，進一步包含一第二光源705，因此除了原先從A、B與C區所發射出三種不同波長區段的光外，另一種不經任何物件結構而直接從該第二光源705射出的光線也一起參與混成。
又根據本案之另一實施例，如第8圖所示，包含一光源801、調色結構802、以及一光閥結構803，其中該二調色結構802在光的行進路徑上與該光閥結構803位於同一平面上不重疊且位於該光閥結構803兩旁，但不與該光閥結構803鄰接，使該光源801所發出的該光分別被該光閥結構803以及該調色結構802轉為第一出射光、該第二出射光、以及穿過上述兩結構之間由該光源801射出之該光，三者混成一與該光不同色溫之混成光。
再根據本案之另一實施例，如第9圖所示，包含一光源901、一調色結構902、二光閥結構903、以及二隔板904，其中該二光閥結構903在光的行進路徑上與調色結構902不重疊亦不在同一平面上且位於該調色結構902兩旁，該隔板904使該光源901所發出的該光不會有經過該調色結構902又經光閥結構903之情形，而是分別被該光閥結構903以及該調色結構902轉為第一出射光以及該第二出射光以混成一與該光不同色溫之混成光。
根據本案之實施例，其中第3至9圖中光閥結構與調色結構與光源的相對位置可依需要調整。例如，光閥結構在調色結構之間或是調色結構在光閥結構之間，亦可相同適用於上述之各實施例中，只須在上述各實施例之圖示中，將光閥結構位置與調色結構位置交換。
根據本案之一實施例，其中該光閥結構，是運用電引發物質變化進而影響其透光性、折射率等光學性質改變。這裡所說的電引發物質變化包括如下但不侷限於此的變化：(1)氧化還原；(2)電致相變化；(3)電引發物質結構或密度變化；(4)電引發物質(材料)親殊水性質之改變。藉由上述電引發之物質變化，可以操控到僅影響特定某一段光譜(如某顏色)的透射、折射、反射的量。亦即，可以選擇性針對特定波長的放大或吸收，作為入射光中某一特定波段的光閥，而不一定是全部入射光光源的光閥。
根據本案之一實施例，其中該光閥結構，只要可控制穿過其元件之入射/出射光比例者，無論是以機械、電子、甚或化學方式，像是液晶層結構、微機電(MEMS)組件、電 子紙、壓電裝置/材料、油墨電濕潤元件、變色玻璃及其組合等，均適用於本案之實施例，其中該等光閥結構之組合方式可為一立體結構。
根據本案之一實施例，其係藉由該光閥結構控制通過特定區域之入射光與出射光的穿透比例，再將進入該調色結構中波長區段轉換元件之光，進行波長區段的轉換後，使所有的出射光(包括原光源)混成，進而調整出所欲混成後出射光的色溫。其中，該波長區段轉換元件係一波長區段轉換材料或一波長區段轉換結構單元。
根據本案之一實施例，調色結構之該波長區段轉換材料可使用特定光致發光材料(Photoluminescence,PL)使之進行波長區段的轉換。
而所謂「光致發光材料(PL)」，係指當材料接收電磁波照射(如藍光、紫外光、雷射光、X光或電子束)吸收了能量足夠的光之後，電子獲得足夠的能量便可躍遷至激發態，當電子在掉回基態時將放出能量，若是放出能量的形式為光時，便稱之為「光致發光效應」。
上述具PL性質的材料中，除螢光體(phosphors)外尚有其他可替代的材料，基本上，凡是可將入射光轉換為特定波長等的材料均可運用，如：(a)具光致螢光效應的螢光染料(如DCM、CV670等(種類可見“Exciton”網頁www.exciton.com/wavelength_chart.html)；(b)運用遮擋類型的材料：顏料(pigment)與染料(dye)，一般的染料具有完全吸收某特定波段光的特性，故可將光源中不必要的波段過濾掉，只留下特定波段的光來與來源光作混成。以遮擋類 型的材料來替代螢光體，會有光源使用效率較低的狀況，但仍可用來作為本案螢光體之替代材料。
根據本發明之一實施例，其中該螢光體係氧化物螢光體、氧氮化物螢光體、氮化物螢光體、含鋅化合物螢光體、半導體螢光體、有機螢光體、光致螢光染料、及其組合。
根據本發明之一實施例，其中該染料係吸收型染料、光致螢光型染料、或其組合。
此外，波長區段轉換材料(如螢光體材料等)的添加物亦可為具光致發光性質之「量子點(quantum dot)」(如GaAs,CdSe,CdS等)，或是將量子點加入其他螢光體、染料、顏料之中組合。當材料的尺度小至100奈米以下的等級左右時，只要該材料的尺寸小於自己本身的電子費米波長，便可稱之為「量子點」。量子點因其電子受到侷限作用(稱之為「量子侷限效應」，quantum confinement effect)，能階便會產生如同原子般不連續的狀態，故量子點也同時稱為人造原子，不同的尺度可以產生不同的能階，因而改變量子點的尺度大小將可以改變其因「電子躍遷」激發後所輻射放射出來的可見光波長，即光的顏色。然而，由於量子點之光致螢光效應非材料性質而是尺寸依存性質，用於室內照明時色溫調控應用上作為波長區段轉換材料功效不彰且成本太高，故僅可作為輔佐色溫調控使用將其摻雜於波長區段轉換材料中。
根據本案的另一替換實施例，其中的調色結構中該波長區段轉換元件是由波長區段轉換結構單元所組成。於一實施例中，此波長區段轉換結構單元係將原光入射至兩薄 板，以干涉手段並且調控兩薄板狀材料之間隙之方式，達成入射光波長區段的轉換，而不是利用波長區段轉換材料。
根據本案之一實施例，該波長區段轉換結構單元係為膽固醇型液晶、藍相位液晶、全像式高分子分散液晶(Holographic PDLC)材料、有色油墨電濕潤元件、或是微機電組件所組成之元件。
基本上，可用於本案之範例實施例中調控色溫之「參數條件」包括：「螢光體塗佈面積/各色比率」、「驅動電極/螢光體相對位置與面積」、「偏振片面積/彼此相對位置/與螢光體相對位置」、「常態白(normally white，NW)/常態黑(normally black，NB)」、「光源顏色」等，但不侷限於上述條件。在各項參數條件都經過最佳化之後，此出射光源將可在冷白與暖白兩色溫之間精準調控。舉例而言，參數條件可以是螢光體所佔的區域大小或是其摻雜濃度。若是透過波長區段轉換元件經轉換波長成黃光光通量過多，導致色溫無法調控至特定色溫之白光時，可調整上述螢光體參數條件，改變不同波長區段之透過光通量的混成比例藉以形成所欲達成之特定白光色溫。
根據本案之一實施例，在決定使用何種色溫之光源時，作為波長區段轉換材料之螢光體顏色的搭配可以參考第1圖之CIE 1931色彩空間色度圖。如第1圖所示，色度圖中間之曲線為「黑體輻射軌跡(BBL)」；此線將通過紅綠藍光三原色光混成的白光區域，在此區域中，右邊的區域為暖白光，左邊區域為冷白光，而一般照明用的白光光源，其色度座標至少必需落在此區域之中，才具有照明的應用 價值。所以在選擇光源色度以及螢光體的顏色時，必須讓兩者的色度在色度圖上位置的連線穿過此一區域；而若是能更進一步，讓此連線能與BBL有交點，我們便能藉由調控光源強度或螢光體激發光的強度，來使混成光源之色度恰落於此交點上。例如，第1圖中的線段bb’係由波長為450 nm藍色LED光源(色溫座標為b點)搭配CIE 1931色度座標(CCx,CCy)=(0.4204,0.5563)之黃綠色螢光體(色溫座標為b’點)兩端點所構成，而bb’線段上任一點，均可以兩端點之光源以不同比例混成得到，其與BBL之交點色溫為α。另外，像是線段cb，則可使用色溫座標為b點之450 nm藍色LED光源搭配純黃色螢光體(色溫座標為c點)之兩端點構成，其與BBL交點色溫則為β，為一暖色光之座標。同理，亦可選用紫色光源、綠色光源以改變上述線段的左側端點，進而調控其與BBL之交點色溫。
然而，單單以黃色螢光體搭配藍色LED產生白光，其光譜波長分布之連續性雖已十分接近真實太陽光，但與太陽光光譜之間仍有空隙存在，其主要的原因是缺乏三原色中的紅光源，使得色光混成後會在可見光光譜間出現空隙，導致光源演色性低。此時，可透過使用第二種顏色(如紅色)之螢光體(即可將至少部分入射光源轉換為不同波長區段的PL材料)，或採用不同於黃色螢光體之他色染料(dye)或顏料(pigment)，並配合一獨立光閥結構(如液晶元件)實施，以使混成光增加某波段光譜(即引入第三混色光)，提高了混成光的演色性。
根據本案之一實施例，其中該光源係選自由下列其中 之一所組成之群組：LED、白熾燈、鹵素燈、太陽光、CCFL、日光燈及其組合。其中該光源除了採用一種或多種有色光源之外，亦可使用白光光源，亦可使用有色光源搭配白光光源。根據本案之實施例，使色溫有偏差之白光光源，藉由調控光閥結構使混成之光精準落至BBL區域中。同樣的，對一已知色度座標之白光光源(不限定為LED之光源)，可選擇相對應色光的螢光體，使此白光光源與激發螢光體後所發出的改變波長區段的光，混成為預計色度範圍內的白光。並透過電壓操控光閥結構改變其透光通量，便能使混成光在原白光與暖白光之間切換。
可於本案照明用色溫調控裝置及方法中使用之光源基本上可為所有既存之照明光源，只需滿足光源強度足以致使螢光體作用而將至少一部分入射光波長區段轉換成另一出射光之波長區段的條件。以LED光源為例，現行的高功率LED產品中，除藍光LED製程技術已趨成熟，其他色光的LED(如白光LED等)，因製程不穩定的緣故，發光效率亦不及藍光LED，且產品通常良率不佳，同一批產品中常常會有偏離預定色溫區域的樣本出現，而即使是合格優良的LED產品，在與螢光體搭配混成白光時，亦可能會因為螢光體的取量失誤而出現偏離預定色溫區域之狀況，白光LED便是受限於此兩種不確定性之因素，而使得產量大減，不良之樣品只得以較便宜的價格售出。但是若以根據本案之實施例中的裝置來調控白光，便不會有如此的狀況發生；只要螢光體與LED的色度座標在色度圖中的連線，有通過如第2圖中的區域，便能透過微調電壓控制光通過 液晶的穿透量，來達到將色溫座標精準的控制落於某特定區域的目的。
根據本案的一個實施例，作為光閥之液晶層結構包括至少一個液晶單元。此處所謂「液晶層結構」，係指由兩片透明基板內側夾透明電極、包含液晶分子之液晶層、及選擇性於兩片透明基板外側各自加上偏振片。「液晶單元」，係指該液晶層中，可獨立施加偏壓調控穿過液晶層的電場，進而藉由改變液晶分子排列的扭轉與傾斜角度或其相穩定狀態，達到調控液晶單元灰階的目的。
液晶為一種長棒狀分子，具有重新導向光線的偏振方向或藉以阻擋部分光線通過之作用。目前主流的液晶種類，大致上包含有絲狀液晶(即Nematic LC、或稱向列型液晶)、層狀液晶、鐵電型液晶、膽固醇型液晶(Cholesteric LC,CLC)、藍相液晶、盤狀液晶、以及高分子分散液晶(Polymer Dispersed LC,PDLC)等，而其中屬絲狀液晶最為廣泛的運用於日常生活中，如顯示器。
液晶目前在顯示器上的運用非常多元化，且根據不同的設計，液晶分子可以被多種不同的驅動模式操作，如扭轉向列(Twist Nematic，TN液晶分子旋轉90度或其他角度)、超扭轉向列(Super TN，STN，液晶分子轉240~270度等大角度)、IPS(In-Plane Switch)、FFS(Fringe Field Switching)、VA(Vertical Alignment)、MVA(Multi-domain VA)、OCB(Optically Compensated Bend)、ECB(Electrically Controlled Birefringence)與ASM(Axially Symmetric Aligned Microcell)模式等，其中最基本的架構為90° TN 模式，而其他各種模式亦各有其特殊優勢，如視角增廣、快速反應等。
第10圖顯示一液晶層結構1000示意圖。兩片透明基板1004、1005之相對表面上鍍有透明電極ITO(Indium Tin Oxide)1001、1002，用以施加電壓於透明基板間建立電場；ITO上塗佈有配向層(alignment layer)1011、1012，其上佈有細微之溝槽，以此溝槽來導引液晶分子的排列；兩層透明基板間以間隙物(Spacer)1003作均勻分隔，之後再將液晶(Liquid Crystal,LC)1006填充滿剩餘之區域；隨後視元件在運用上可能會有不同之需求，通常以90°TN的液晶來說，可在整個元件的上下兩側再貼上兩片偏振方向互為垂直之偏振片(polarizer)1007、1008。當上下兩片透明基板上之ITO電極通以適當電壓時，在液晶單元內所建立的電場便能驅使液晶分子作連續性地扭轉至電場方向，最後與電場方向呈平行排列。當光通過第一偏振片後，經偏極的線性偏振光，接著穿透會隨著外加偏壓改變排列方向的液晶分子，其出射光之偏振狀態就會隨著外加偏壓大小而改變，最後配合第二偏振片的線性偏極效應，即所穿透的出射光就會產生代表灰階的不同光亮度，此即為最基本之90° TN架構的液晶單元。藉由此液晶層結構之實施例，可調節入射光與出射光通量的比例，以作為本案調控色溫方法中之「光閥」之用。
依無外加電壓存在下液晶單元為透光狀態(light-permeable state)或不透光狀態，液晶單元的操作模式可分為常態白(normally white，NW)與常態黑(normally black，NB)兩種。
根據本案之一個例示實施例，如第11(A)-(D)圖所示，以TN型液晶來分別例示說明本案中液晶單元之NW與NB模式基本架構與透光操作模式。第11(A)圖以及第11(B)圖中，上下兩層配向層的溝槽方向互相垂直，這將導致液晶分子在此兩片基板之間作90度的扭轉排列，可令通過的偏振光線的偏振方向大致順著液晶的扭旋旋轉90度；故只要將上下兩面之偏振片互相垂直並與各該面液晶配向的方向做平行排列，入射光便能輕易的穿透整個液晶單元，形成一個透光狀態(稱之為「亮狀態」)，在無外加電壓下為透光狀態的TN液晶元件如第11(A)圖所示，便稱為NW的TN液晶元件，此外第11(B)圖即NW模式下具有外加電壓下的不透光狀態。而NW與NB模式的差別只在於兩片偏振片的相對擺放位置；將兩片偏振方向互為垂直的偏振片，改為偏振方向互相平行，如第11(C)圖以及第11(D)圖，即成為NB模式(即第11(C圖)，而第11(D)圖即NB模式下具有外加電壓下的透光狀態。使用NW模式，若預設無外加電壓時光為全數通過之狀態，可以減少光能的損失與電壓驅動的浪費。但應用時亦可就實際需求採NB模式液晶元件之設計。
第12圖顯示電壓大小對液晶單元透光通量變化的曲線，此處驅動電壓之大小僅為舉例方便說明，實際驅動電壓會隨液晶種類不同或其他參數有關。從液晶單元從全亮到全暗的狀態，其中縱軸為穿透率(T(%))，橫軸為施加於兩邊電極之電壓(V)。全亮的狀態(通常定義為光穿透率 >90%)即圖中施加電壓低於1.75V時之狀態，全暗之狀態則為大於3.5V時之狀態，存在灰階的狀態(第12圖中的虛線中區域)對應之電壓值範圍在1.75V~3.0V之間。光線由全亮到全暗，「全亮」猶如白色之意，「全暗」則有黑色之意，故處在全亮和全暗之間的「連續」過渡狀態，就稱之為「灰階」之狀態。若將電壓調控到這範圍間，便能靠著略為增加或減小電壓，來連續控制光透過量的大小，以將液晶的元件作為光閥。
根據本案之另一實施例，如第10圖於兩透明基板相對於液晶層1006外側使用之偏振片1007、1008，除了傳統吸收型偏振片之外，也可採用「非吸收型偏振片」，以降低於光源調控時光通量的損失。非吸收型偏振片之原理是利用多層膜干涉互相垂直的PE與PM波，造成PE波消失而PM波增長的現象因而形成偏極的功能；或是像非吸收型的散射式偏極片，其利用主、客材料折射率一致(match)的方向作為光穿透軸，而折射率不匹配(mismatch)並與穿透軸垂直的方向，則作為光波因干涉而消失(回收)的該軸，因而形成偏極的功能，而回收的光能可再利用成為入射光。一般而言，非吸收型偏振片通常可以提高透亮度到1.5倍或以上，故可使用非吸收型偏振片來增加光透光率，以利提高照明之效率。
根據本案之一實施例的照明用色溫調控裝置1300，如第13圖所示，其中第一、第二透明基板1304、1305之間夾由液晶分子和間隙物1315所構成之液晶層1306，藉以形成一液晶層結構1310。液晶層1306中包括複數個可控 灰階之液晶單元(LC cell)1322，其可配合位於第一、第二透明基板1304、1305上之一對透明電極1301及1302，對液晶單元1322施加電壓，藉以改變透明電極間該些液晶單元1322中液晶分子的排列(扭轉)方向。第一、第二透明基板1304、1305相對於液晶層之外側各具有一偏振片1307及1308，在本實施例中，偏振片極化方向相對於90°TN液晶層中液晶分子排列係為常態白(NW)之狀態，即在無外加電壓下該液晶單元1322為透光狀態。藉由對各該液晶單元1322施加電壓之改變，以連續變化液晶單元的灰階進而控制透過各該液晶單元1322的出光通量。
根據本案的實施例，其中的該第一、第二透明基板可為一剛性或可撓性薄板，或是具弧度狀物件。而該第一、第二透明基板可由選自以下材質所構成：玻璃、石英、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmetharylate,PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(methyl methacrylate-co-styrene,MS)、聚碳酸酯樹酯(polycarbonate,PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)，但不侷限於此。
第14(A)圖、第14(B)圖係根據第13圖沿CD線之剖面示意圖，用以說明使用第13圖實施例之色溫調控方法。第14(A)圖係使用LED藍光光源1431，該光源之一部分光線進入作為光閥結構之液晶單元1422(B區)調控該部分光線之穿透光通量，而另一部分來自光源的光線進入作為調色結構之黃色螢光體層1430(A區)進行波長區段轉換，進入A區之該部分光線，僅一部分轉為黃色光波長區段，而另 一部分仍為來自LED光源之藍色光波長區段。進入黃色螢光體層可被轉換為黃色光波長區段之藍色入射光比率可由螢光體選用之材料、螢光體層中螢光體的濃度、或是螢光體層之厚度等等參數控制。最後A區及B區之出射光再混成白光。在第14(A)圖之B區為未通電之光通量最大的情形，接著在第14(B)圖中對作為光閥結構之液晶單元1422(B區)以趨動電壓方式控制藍光之光通量，藉以精準混成藍色光與黃色光之出射光比例藉以得到所欲色溫的白光。確切言之，透過液晶單元1422，可精確地調控混成光中之藍光光通量與固定光通量之通過螢光體(A區)之黃/藍光之混成比例，達到連續且精準調整所欲色溫之目的。此外，黃色螢光體層1430之面積A可選擇大於或小於液晶單元1422的面積。另外，有關於黃色螢光體層1430區域A與未塗佈螢光體層區域B的總面積比例所需大小，則需視實際應用面之需求或所欲得到的色溫而定。於第14(A)圖、第14(B)圖中，雖然所示包括四個LED光源，但數目不局限於此，僅是為了示意說明起見。此外，該黃色螢光體層1430嚴格來說應為黃綠色之螢光體，但因為方便說明起見，故仍稱之為黃色螢光體層。在本實施例中，該波長區段轉換材料係為上述之黃色螢光體層，即第一波長區段轉換材料。
如第18圖所示，線段pq係由波長為450 nm藍色LED光源搭配CIE 1931色度座標(CCx,CCy)=(0.4204,0.5563)之黃色螢光體兩端點所構成，色度座標p為B區之純藍光，色度座標q為A區之黃藍混成光，而pq線段上任一點，均可以兩端點之光源以不同比例混成得到，其與BBL之交 點色溫為γ。如第18圖中所示，假設起始的色溫即設定於γ(在B區未驅動時)，來自A區之黃/藍光與來自B區之藍光得以混成白光；當B區域的電壓上升時，藍光透光通量將漸漸的減少，此時的混成光便會由原白光色溫γ往q移動而漸變為偏黃的色光，等到電壓上升至藍光區域(B區)關閉(如第14(B)圖)即B區的藍光完全被遮擋下來，此時光的來源便只剩下A區之黃光/藍光的混成光(色度座標q)，即透射出來的光線為黃色/藍色的混成光。
根據本案之另一替代實施例，係使用黃偏橘色的螢光體來替代黃色螢光體，使其與藍色LED光源混成後的光偏向更暖的暖色光。此外，對於冷色光(>5300K)之光源來說，可以使用純黃色螢光體及/或黃偏橘色的螢光體來調整混成後的出射光變成冷色白光(>3300K)、暖色光或更暖的暖色光。另外，作為本案之其它替換實施例，選擇使用紫光光源，螢光體採用黃綠色螢光體；或是使用綠光光源，選擇紅色螢光體，均可混成出所需要之白色混成光。
而根據本案之替換實施例，兩偏振片係排列成於無外加電壓下該液晶單元為不透光狀態的常態黑(NB)模式。不同於第14(A)圖、第14(B)圖顯示之實施例，本實施例中兩片偏振片係如第11(B)圖彼此平行排列，故在未加電壓時光線基本上完全無法穿透液晶單元(NB模式)，但電壓在驅動過程的現象仍可以用第18圖來解釋，差別只在常態黑(NB)與常態白(NW)之施加電壓大小剛好相反。假設起始的色溫設定為x，是在第14圖之區域B以電壓驅動液晶到光亮度達最大時(操作於NB之模式)，而此時黃光與藍光得以 混成白光，但此處起始之白光色溫座標x，是落在BBL曲線之下方不遠處(見第18圖)，為與BBL曲線有交點，操作上則慢慢地降低藍光區域的電壓時，於是藍光漸漸的被遮擋，混成光便會由原白光(色溫x)漸進成黃/藍光混成之偏黃色光(色溫q)，其光色溫的偏移會如第18圖中的虛線路徑往q點方向移動，移動的過程中會與BBL曲線有交點，其與BBL之交點色溫為γ，其色溫座標為冷色白光，所以藉由調控液晶可以精準微調元件之色溫到BBL的曲線上。另一替代實施例，係使用純黃色之螢光體層材料替代來實施，混成光便將會由原白光漸進成BBL曲線上之暖色光(即第1圖所示之色溫β附近)。
根據本案照明用色溫調控裝置之另一實施例，如第15圖所示，第15(A)圖與第15(B)圖係使用LED藍光光源1531，該光源之一部分光線進入作為光閥結構之液晶單元1522(B區)調控該部分光線之穿透光通量，而另一部分來自光源的光線進入作為調色結構之黃色螢光體層1530(A區)進行波長區段轉換，進入A區之該部分光線，僅一部分轉為黃色光波段，而另一部分仍為來自LED光源之藍色光波段。進入黃色螢光體層可被轉換為黃色光波長區段之藍色入射光比率可由螢光體選用之材料、螢光體層中螢光體的濃度、或是螢光體層之厚度等等參數控制。在本實施例中，黃色螢光體層1530內摻雜紅色螢光染料1532，而A區之黃色螢光體層1530的面積較B區來得大，此處所使用紅色螢光染料1532係指摻雜於黃色螢光體層中，接受藍光激發會放射出具紅色光波長範圍的紅色螢光染料，使LED 藍光於穿透黃色螢光體層1530後也帶有紅色波段的光譜。運用於螢光體層中摻雜染料之手段，可擴展LED與黃色螢光體層1530在色度圖上所涵蓋的範圍，即增加混成光的演色性。如第19圖所示，藍光光源於穿透摻雜(或混和)一定量紅色螢光染料(激發光色度座標為r)的黃色螢光體層後，因在A區中原先未與黃色螢光粉反應的藍光，其部分會被紅色螢光染料吸收，故原先A區黃/藍色混成之色度座標會從q點沿pq線段移至q’點，接著再與色度座標r連線做比例混成，於q’r連線上得到色度座標為s’的色溫。此時透過作為光閥結構之液晶元件調控B區藍光(色度座標p)的出射光強度，與A區之色度座標為s’的固定出射光做混成，即可以精準調控出s’p線段上與BBL曲線相交的s點色溫，此s點可為一暖色光之座標，故摻雜或混和適量之紅色螢光染料於黃色螢光體中，可使最終混成光之色溫落在偏暖色光的BBL曲線上。
根據本案之一替換實施例，係於黃色螢光體層之上方或下方塗佈適當濃度與厚度之紅色螢光體層來替代紅色螢光染料的摻雜，然後再與透過區域B並可調變強度的藍光作混色，即可以精準調控混成光之色溫落在自然光的BBL曲線上。
又根據本案之另一替換實施例，係於黃色螢光體層之左側或其前、後方固定一適當厚度與濃度之紅色螢光體層來替代紅色螢光染料的摻雜，然後再與透過區域B並可調變強度的藍光作混色。在本實施例中，以上黃色螢光體層係為第一波長區段轉換材料，而紅色螢光體層則為第二波 長區段轉換材料，故根據本實施例所述之照明用色溫調控裝置，其中該波長區段轉換材料係為一第一波長區段轉換材料及一第二波長區段轉換材料。
根據本案照明用色溫調控裝置的範例實施例之另一實施例，如第16圖所示，第16(A)圖與第16(B)圖係使用LED藍光光源1631(圖中標示為B)與LED紅色光源1633(圖中標示為R)，該LED紅色光源1633之光線進入作為光閥結構之液晶單元1622(B區)調控該部分光線之穿透光通量，而該LED藍色光源1631的光線則進入作為調色結構之黃色螢光體層1630(A區)進行波長區段轉換，進入A區之該部分光線，僅一部分轉為黃色光波段，而另一部分仍為來自LED藍光光源1631之藍色光波段。第16圖裝置的操作模式可同樣參見第18圖來說明，如第18圖所示，對作為光閥結構之液晶單元1622(B區)以趨動電壓方式控制紅光之光通量(色度座標r)，A區則為固定光通量之通過黃色螢光體1630之黃/藍光之混成比例(色度座標q)，此兩點之連線rq與BBL曲線之交點色溫為s點，就rq線段而言，兩個不同的色光端點分別控制兩色光的強弱(在本實施例即調整區域B的紅光穿透度)，可以精準調控出rq線段上的任一個色度座標所代表的色溫。確切言之，透過作為光閥結構之液晶單元，可精確地調控混成光中之紅光光通量與固定光通量之藍色LED光源通過黃色螢光體之黃/藍光之混成比例，達到連續且精準調整所欲色溫之目的。
在此實施例中，光源是使用不同顏色LED之組合，而此外像其他白光搭配單一或不同顏色色光的組合亦是本案 之發明內容。
根據本案之照明用色溫調控裝置的又另一範例實施例，如第17圖所示，係加入一可獨立驅動之液晶單元1722(C區)於第17圖的裝置中，該液晶單元可調控其下方藍色LED光源1731(圖中標示為B)的穿透光通量，如此可搭配原來另一可獨立調整紅色LED光源1733(圖中標示為R)之出光量的液晶單元1722(B區)，以使B區與C區的混成光色度座標能在第18圖中從p點能一路移動到r點，此藍/紅色之混成光再加上固定光通量之藍色LED光源通過黃色螢光體之黃/藍光(色溫q)，參照第18圖可知，分別獨立驅動區域B透射紅光之液晶單元以及區域C透射藍光之液晶單元，將可調控出射之混成光沿著第18圖之CIE1931色度表中之γ s線段移動。換言之，可調控混成出射光的色溫沿著BBL曲線移動。此外，p、q和r點分別透射出不同色溫之出射光，則混成光之色度座標便可以是p、q與r所圍成之三角型區域中之任一點，如此演色性也會提高。
根據本案之另一實施例，本案的可調波長區段的裝置及方法，可簡化並優化光源的使用。配合不同光源(non-coherent可見光、紫外線、紅外線、及coherent雷射光源)，精確微調波長區段或以「連續大範圍調整波長區段」來取代多個波段的光源照射，故不必用到好幾個不同光波長區段之光源以大幅節省成本。根據本案之一示範實施例，係利用照明用色溫調控裝置，來精準且有效地將射出光的色度調控至CIE色度圖上之普朗克軌跡上的黑體輻射光譜。此外，根據本案之照明設備不僅可用於色溫固定的 照明產品，亦可做為可變色溫的照明設備。
本案中所稱光源泛指能發出特定波長區段或混合多個波長區段的光(包括白熾光、CCFL及LED光源等)，可與選用的PL材料在CIE1931色度圖之座標上以光通量比例變化，混成所欲特定波長區段之出射光或是白光。本案以LED光源作為範例說明，主要係因為LED白光光源本身色溫偏移自然光(色偏)與演色性不足的問題，正適合用來說明根據本案之照明用色溫調控裝置及方法的功效。如前述，白光LED若發生色偏狀況，色溫落在第2圖之區域範圍之外，即完全不具室內照明應用上的價值。但是，藉由本案之用於照明之色溫調控裝置及方法，便可將已有色偏狀況之LED光源或元件，調控至如黑體輻射軌跡(BBL)上之正確色溫。然而，雖然根據本案之諸實施例係使用LED光源說明，但本技術領域具有通常知識人士於閱讀本案揭露內容後將可瞭解，本案之裝置對其它光源亦具有相同之色溫調控功效。
根據本案之一實施例，係利用光源透過液晶層結構並與透過該螢光體所激發的光線產生「光混成」作用。此外，本案可利用液晶使光源可從冷白一路調到暖白而且強度(射出光通量)不會出現明顯改變故肉眼不易察覺(光通量變化低於15%)。較佳而言，可改善到調色溫時之強度改變小於7%。此外，本案也克服了調整電流時LED會閃爍或電路設計複雜等問題。
出射光的均勻混成-擴散膜與光導板
根據本案範例實施例之照明用色溫調控設備所製成之 元件，其大小為1.5cmx1.5cm，以特定圖樣形成之螢光體分佈區域所混成的白光，有可能會因為藍光或黃光之光點過大而無法使整片區域看起來為均勻白色，此時利用一片擴散膜(diffusion film)來將色光均勻擴散，將可模糊不同色光的邊界，使整體色光更均勻一致。
根據本案範例實施例之裝置元件，擴散膜加裝在該光源之相對側。如果要製作成燈泡時，亦可以塗佈的方式將該擴散膜塗佈於燈泡的內層；該擴散膜亦可用擴散板或擴散透鏡來替代，例如使用光導板(Light guide plate,LGP)可讓光線的投射模式更多元化，並且光導板中具有許多的SiO2小球可以讓光線均勻地向四面八方散射，此技術能使光導板具有類似像擴散板一樣的功能，能夠將光線向各個方向均勻散射出去。此外，亦可在其外部再貼上一層擴散膜以增加光散射或光混成的均勻性，至於那些不需透光的區域便以反射鏡覆蓋，使本來要從此處透射的光再度被反射至另一處。在實際應用上，該擴散膜、該擴散板或該擴散透鏡係位於該照明用色溫調控裝置之出射光側或圈繞該照明用色溫調控裝置。
入射光光源相對於色溫調控裝置的位置
根據本案的實施例，來自光源的入射光，亦可利用反射式光學元件，將光源照射入該光閥結構(如具反射鏡之液晶層結構、變色玻璃、電子紙、油墨電濕潤元件或具反射鏡之微機電/壓電結構)。根據本案的實施例，該調色結構以及該光閥結構與入射光光源的相對位置可組合發揮功能，或是個別作用後再予組合達到調控光色溫或顏色的目的。
複數光閥結構/調色結構形成之立體結構
根據本案之一實施例，其中的利用二片以上光閥結構(如液晶層結構、變色玻璃)，彼此以立體架構方式設置，獨立調控出射光進入所對應調色結構的光通量，將第1圖中之α與β端點之間引入另一切分點，藉以混成所欲之色溫(如更接近BBL曲線的色溫)。
換言之，一或多個光閥結構與一或多個波長區段轉換元件可組合形成一立體結構，配合光學元件(如面鏡、透鏡)，可將入射光依設計分別或切換導入透射過立體結構中之光閥，再調控需要的出射光通量進入所對應之波長區段轉換元件，藉以更為細部微調出色光色溫，像是可達成更接近BBL曲線的目的。
光路徑調控結構
根據本案的裝置、設備或方法的實施例，可使用稜鏡或特殊結構可以增進其光學效果，為增加亮度或增進極化效果(將非穿透方向偏極光轉化為穿透方向偏極光)，根據本案之色溫調控裝置可選擇性地包括任何合適的光學元件，像是透鏡、面鏡、光導板、增亮膜(brightness enhancement film,BEF)、反射型偏振增光片(dual brightness enhancement film,DBEF)、菱鏡片、偏振片、雙凸透鏡膜(lenticular film)，以及上述元件之組合。
根據本案的一個示範實施例，係利用照明用色溫調控裝置，來精準且有效地將射出光的色度調控至CIE色度圖上之普朗克軌跡上的黑體輻射光譜。此外，根據本案之照明設備不僅可用於色溫固定的照明產品，亦可做為可變色 溫的照明設備。
此外，根據本案的實施例，在使用單一光源的情況下即可精準調變其最終出射光光譜分佈或波長區段，達成原來需要多光源才能得到的光源效果。
本實施例之液晶層結構如第14圖之實施例，僅將其中之藍光光源置換成一般白光光源或LED白光光源。
如第20圖所示，使用之白光光源色度座標為o點：(CCx,CCy)=(0.3,0.25)，利用色度座標為c的黃色螢光體，使穿透過作為光閥之液晶層結構之出射原白光與黃色光源之色度座標連線成線段oc，並通過BBL曲線與之相交於β點，其中β點為一暖色光之色溫座標。
另一替代實施例，係使用黃偏橘色的螢光體來替代黃色螢光體，使其與原白光混成後的光偏向更暖之暖色光。反之，若欲使混成後的光變成較冷的色光，在操作上則需使用黃綠色的螢光體來替代黃色螢光體，使透過黃綠色螢光體的出射光與原白光混成後變成冷色白光或冷色光。
而目前白光LED光源則是藍綠強、黃綠弱，光譜中間的黃綠部分凹下去。此外，單單黃光混成藍光時，色溫會偏冷而令人感到不舒服。此時，可加入紅色染料或紅色螢光體材料調色，使藍光轉變為偏紫光，再與黃光混成，得到偏暖色色溫的混成光。
藉此，利用本案之照明用色溫調控裝置的範例實施例，可將任一偏離BBL之人眼可辨認出的不自然白光，精準調控其色度值至BBL的曲線上，或是調至其它任一所欲之色度座標。
根據本案的一個替換性實施例，藍光光源僅部分使用白光光源替代。
根據本案之示範實施例，光閥結構和調色結構之分布圖案可如第21圖所示，其中白色區域代表光閥結構、斜線區域表示調色結構，藉由測量得知調色結構中黃色螢光體層區域以及藍光LED區域各別的單位面積之透光通量，可精準計算黃色螢光體所須佔色溫調控裝置全體區域的比例，以使混成後的白光得到預設的色度，之後便可再透過外加電壓來驅動液晶單元(光閥結構)，調控透射光的光通量，如可調控藍光透射光的光通量，來作細微的色度調整達到所欲之色溫。
第21(A)圖與第21(B)圖中顯示本案照明用色溫調控裝置之範例實施例，其中圖中斜線區域之大小比例僅為示意，實際運用時應如上述所述，依螢光體層波長轉換率及光源之色溫，對所欲之色溫作計算得到適合之比例。
其中，第21(C)圖到第21(F)圖中顯示本案照明用色溫調控裝置之另一範例實施例，其中可將調色結構之螢光層作更細膩的切割，以單位變小而分布更均勻的方式得到更佳的混光效果。根據另一替換實施例，如第21(E)圖中所示，將照明裝置由內而外分為A、B、C三個區域，其中液晶單元(A和C區)可用來調整背後光源的穿透率大小，再和穿透過螢光體層(B區)的光混成出所欲色溫。採用此方法，在設計上如第21(E)圖中所示，區域C在這個應用上佔有比較小之面積(約15%)，利用調控C區的液晶單元，可使位於周圍之C區透光度低於位於中心之A區透光度， 透過能大幅降低LED燈外圍色偏較大區域之出光量，可調整現今LED燈多有的空間色偏問題。
根據另一替換實施例，如第21(B)圖所示，若欲透過降低LED燈外圍(A區)色偏較大區域之出光量，以調整現今LED燈多有的空間色偏問題時，在設計上第21(B)圖中的區域A在這個應用上就只需佔較小之面積(約15%左右)，以免LED的光強度損失太多。而面積區域較大(約85%)的區域B內，則可規劃兩種顏色(或以上)的同心圓螢光體層，使穿透過螢光體層(B區)與液晶單元區域(A區)的光，在搭配合適的光學元件後，能均勻混成出所欲色溫之出射光。
根據另一替換實施例，如第21(A)圖到第21(F)圖中所示，白色區域作為光閥之液晶單元，可以微機電(MEMS)組件、變色玻璃、油墨電濕潤元件、電子紙或上述之組合代替。又根據另一替換實施例，如第21(A)圖到第21(F)圖中所示，圖案化調色結構之螢光調色層，可以染料或螢光體與染料之組合代替。
根據本案之示範實施例，如第21(E)中所示，將照明裝置由內而外分為A、B、C三個區域，在本實施例中A、B、C三個區域的面積沒有一定大小關係。區域A為中空或一透明板使該光直接通過，和穿透過螢光體層(B區)以及經過液晶單元(C區)的光，三種光線混成出所欲色溫。其中，該透明板可為一剛性或可撓性薄板，或是具弧度狀物件(如透鏡等)，可由選自以下材質所構成：玻璃、石英、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(methyl methacrylate-co-styrene,MS)、聚碳酸酯樹酯(polycarbonate, PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmetharylate,PMMA)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)，但不侷限於此。
又根據另一替換實施例，不同於第13圖顯示之實施例，螢光調色層之圖案化如第21(B)圖所示，將較大區域A(約85%)安排在外圍，較小區域B(約15%)在內，再搭配使用合適的光學元件，可使色光更容易混成均勻；在第21(B)圖裡也可以換成是區域A具有螢光體層，並可在A區域內規劃兩種顏色(或以上)的同心圓螢光體層，而區域B則改成是由純粹液晶單元構成之區域。再者，如第21(E)圖所示，將區域劃分為三個區域A、B、C，但在此處區域A與C係改成具不同顏色之螢光體層所構成，而區域B則換成是純粹液晶單元之區域，至於A、B、C三區面積的大小則沒有一定限制，同理配合適當之光學元件，即可使不同色之出射光能夠混成均勻。
根據本案之一實施例，如第22圖所示，照明用色溫調控裝置2200，包括作為基底之透明板2204，其一表面分為區域A及B，區域A表面上塗佈黃色螢光體，區域B上則具有作為光閥結構之微機電組件2201，包括於未施加電壓時表面完全覆蓋之四片百葉片2202，其彼此獨立以壓電材料2203，透過控制元件2205各自轉動操控與下方透明板2204之間的開啟角度，藉以調控通過百葉片的光通量。
根據本案之一替換實施例，百葉片(即光閥結構)2202長度為第22圖的一半，亦即光閥2202分為兩個獨立操作的組件，各自轉動操控與下方透明基板間開啟角度，藉以 調控通過百葉片的光通量。根據本案之另一替換實施例，每一條百葉片2202分為10片長寬等長之方形鱗片，而每一方形鱗片間亦可獨立操控調整其與下方透明基板間的開啟角度。又，亦可對方形鱗片表面施以鏡面鍍膜，以使此微機電組件構成之光閥改以光反射模式來操作。
本實施例中百葉片之開啟方式不限於轉動，依實際需要可以微機電元件(Micro Electro Mechanical System (MEMS)element)滑動、平移、昇降等運動方式改變與下方透明基板間的距離，藉以調控通過百葉片的光通量。此外，亦可運用其它光學元件，如鏡面、透鏡，配合壓電材料隨施加電壓改變其尺寸維度的特性，藉以調控入射光與出射光(可為透射或反射光形式)的光通量比例。
照明設備
根據本發明之一照明用色溫調控設備範例實施例，如第23(A)圖所示，該照明用色溫調控設備2310，其中照明用色溫調控裝置2311包括液晶層結構2312及螢光體層2314。照明用色溫調控設備2310尚包括設置於外殼2318之中之LED光源2316，而外殼2318內表面均鍍有鏡面塗層2319，將向左、右與下方之LED光源的光線反射朝向色溫調控裝置2311。
根據本案之另一照明用色溫調控設備替換實施例。如第23(B)圖所示，該照明用色溫調控設備2320中包含一LED光源2326、一照明用色溫調控裝置2321、以及一外殼2328。其中該照明用色溫調控裝置2321包括一液晶層結構2322以及一螢光體層2324。包含於該照明用色溫調控設備 2320之該LED光源2326非緊貼照明用色溫調控裝置2321中之液晶層結構2322，而是彼些間有一距離d。由於與光源2326的距離較第23(A)圖所示之設備2310中為大，在光源強度相同的條件下，液晶層結構2322所處的環境溫度TB低於液晶層結構2312的環境溫度TA。此外，本實施例中之外殼2328中底面未鍍有鏡面塗層。
此外，利用前述之光導板的概念，可以設計出任意的形狀，如一柱狀型，則透射進光導「柱」的光線便會在柱中均勻散射開來，使整個光導柱均勻的「亮」起來。
根據本案之照明用色溫調控設備之另一範例實施例，如第24(A)圖所示，該照明用色溫調控設備之半圓球的燈泡2410，包括基座2418、外殼2417，擴散膜層2411均勻塗布在燈泡2410內層。如圖所示，光導柱LGP 2412中分散有尺寸不同之二氧化矽(SiO2)顆粒2413，能將根據本案範例實施例之照明用色溫調控設備2410所混成的光延伸擴散至全圓球的燈泡。本實施例中之LED光源2415與液晶層結構2416不僅彼此分離，且中間可選擇置入一透明絕熱材料2414，以降低設備中液晶層結構所處的環境溫度。
根據本案之照明用色溫調控設備之另一範例實施例，如第24(B)圖所示，該柱狀燈管2420，包括類似第23(A)圖中之照明用色溫調控設備2430，其中包括LED光源2425、外殼2427及照明用色溫調控裝置-變色玻璃2426。如圖所示，光導柱LGP 2422呈柱狀，可讓混成之出射光均勻從整根柱子的表面透射出來。因此，此柱狀LGP 2422亦可設計成當作「燈管」來使用；輔以光導板LGP的概念， 根據本案之照明用色溫調控設備可更廣泛運用在更多層面上。
在調控光強度方面，傳統的白熾鎢絲燈泡或是飯店內常見的杯燈燈具，均能夠利用一般簡易調光器(即固定電壓，改變電阻以調變通過電流)來精準連續調變光源的強弱。而LED本身為一種二極體，其電流對電壓的特性曲線為指數函數增加，所以無法使用傳統的調光器來任意控制變換光強度。目前市面上LED燈泡，大都是階段性的調變光強度，如八段式變換強度等，此種方式都需要額外複雜的控制模組取代簡易的調光器，因而成本大幅增加。目前市售具有連續調變光強度功能的LED燈泡，其在低發光強度下，LED燈泡會一直閃爍不定，此現象會造成LED燈泡壽命的減少以及傷害到人的感官。
燈泡開關與可變電阻旋鈕可整合在一起(利用一卡筍式旋鈕)，用以調整可變電阻來改變液晶元件(光閥結構)兩端的電壓，進而造成穿透液晶元件的光通量產生改變，如此可用於連續改變混成光之色溫，或僅用來連續調整出射光的強度。根據本案之一替換實施例，燈泡2410的基座上可配置「環形旋鈕」，調整該環形旋鈕可改變可變電阻大小，如此亦可用於連續改變混成光之色溫，或是用於連續調整出射光的強度。
根據本案之一實施例，可將燈泡開關以控制電路方式製作，控制電壓使通過該光閥結構或是該調色結構的光通量產生改變，如此可用於連續改變混成光之色溫，或僅用來連續調整出射光的強度。
根據本案之另一替換性實施例，其中的調色結構是以干涉手段(如上所述的調控兩薄板狀材料之間隙)達成入射光波長區段的轉換，而不是利用波長區段轉換材料。
根據本案之另一替換性實施例，將LED光源加上根據本案的色溫調控裝置，設置於外型類似現今日光燈管之導光圓柱的兩端，此導光圓柱內具有能使光均勻散射的粒子(亦可在其表面貼附能使光更加均勻分佈之擴散膜)，用以取代水銀蒸汽放電激發螢光粉作用的日光燈管；而對於較長型燈管的實施例，除兩端之外燈管中間之內部亦可再加入LED光與色溫調控裝置。
值得一提的是，背光光源(如LED、CCFL)，搭配運用液晶層調控灰階以控制進入濾光片中一畫素中三原色的光量得到該畫素所欲之色彩，已運用在液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)中。然而，所謂「顯示器」，係指顯示器要能靠N×M個畫素使人類眼睛獲取能辨識的資訊，並在人類視覺暫留內呈現特定畫面(即動畫)，即一定要能夠傳遞能使人辨別或理解的資訊(或畫面)。所以，顯示器都須要複雜的驅動電路。驅動電路要在16毫秒(ms)之時間內將三原色所需的訊號掃瞄完顯示器所有的畫素，而通常N、M都需至少大於100至200才有所謂顯示器的功能，否則會有解析度不夠(資訊量表現不足)的問題。
反之，照明用之使用圖形化控色層搭配液晶單元則不同，其不需要幾百個畫素，也不需要複雜的驅動電路，同時也沒有液晶反應時間要夠快的問題。另外，液晶單元與LCD最大的不同在於不需要傳遞人類可辨識的畫面或資 訊。再者，用於顯示器之LC，由於其高畫質需求，故所需液晶材料必須具備快速反應時間、高對比度、廣視角等性質，故對於LC材料本身的穩定性要求極高。其他例如LC配向層的選擇可使用無機鍍膜的方式製造，而無機配向層之優點是具有比傳統配向層材料更耐高溫的功能，故比較適合於室內照明中應用，此外像是利用高能離子束撞擊材料表面之配向方法也是不錯的選擇。
綜言之，由於液晶單元與LCD中之液晶層設置目的完全不同，所以直接影響以電壓驅動調控灰階的液晶單元的數量便有極大的差異，做為用於顯示必需具有一定條件，不可能僅靠數個只是用來做光閘之液晶單元達成而已。不同於顯示器用之LC，根據本案之照明用色溫調控裝置，其液晶層結構還需考量到整體元件的透光效率與對光源產生熱的承受溫度。此外，本案利用液晶單元具常態白NW與常態黑NB兩種模式，還可將入射光源從亮調到暗或從暗調到亮。更重要的是，傳統LCD之濾光片係完全將背光光源轉換成紅藍綠三原色或四色，並於次畫素中吸收其它波長區段。所以，背光光源之光通量經過LCD三色濾光片後，其每個次畫素上強度的耗損通常都會超過70%，若再考慮光通過偏振片至少會有50%以上的光被吸收，故其出射光之強度(相對於原背光強度)將只剩下15%不到，若再加上其他光學膜片等之吸收，則光的透過率會比15%還更低。反之，根據本案之照明用色溫調控裝置及方法，則是將光源中之部分，透過波長區段轉換材料(如螢光體)使之轉換為不同之波長區段，再與原光源中的其它部分(如通過液晶 單元的光)作混成，故恰如說明書內所述，如果被驅動並有偏極片的區域佔整個液晶元件面積的25%，其光通量的損失通常會在15%上下。此時若使用非吸收型偏極片來替換以上例子之傳統偏極片，其光通量的損失會減少至約7%以下。此外，若應用此方法於精準「微調」一光源之色溫時，因為相對來說要被驅動之液晶區域面積可以更小，故光通量的損失將可以比7%還來得更低。當然，若直接採用變色玻璃作為光閥，如此也就無偏極片之需求，那光通量的損失率可以小到約3-5%以下，即光穿透率可達到至少95%以上。綜合以上所陳述，由於可以經濟節能手段將任何光源調控至「太陽光」之色溫，故將可大幅改變人類的生活模式。
由於光波本身具電磁性質以及其他能量形式間自由轉換(如熱、位能)，一但可藉由本案之實施例得以精準調控其波長區段，即可廣泛應用於人類生活中的各領域中。舉例而言，根據本案的精準調控色溫的裝置與設備可應用於各類領域，除各類室內外照明(檯燈/桌燈等)用途之外，尚可廣泛運用於如戶外建築投射與廣告看板照明；交通信號裝置；車用燈具；醫療用途(如雷射美白、抗細菌/病毒/霉菌的滋生、培養、抗癌，照射分解特定過敏原等)；人因應用(情境空間照明、提神、助眠、視力輔助等)；能源(電池等)；訊號傳輸(光纖、連續調變耦合元件、區分不同頻率光波的分頻器等)；安全設施(逃生裝置等)；檢測分析(材料非破壞性檢測、光譜儀等)；光學元件(微投影器(microdisplay)光源，光學讀寫頭元件等)；農業應用與生態 養殖(植裁、水果培育/溫室育種與魚/蝦/蟹/貝等漁業養殖與捕撈等)；軍事用途(夜視/抬頭顯示器等)；航空飛行(警示與照明等)；及野外求生(照明與訊號等)等領域。
根據本案的實施例的色溫調控裝置、設備和方法，在醫療領域中，可用於提供不同色溫(即不同波長區段混成)的雷射光源，除/淡斑(老人斑、色素斑、肝斑、暗沉、血管瘤)，除痔除毛；磨皮；電波拉皮；縮小毛孔。近年流行的雞尾酒雷射療法，即是結合發出波長功率不同之雷射光(如纖白、彩衝、瞬白的脈衝光、紅寶石雷射、脈衝染料雷射等)的雷射機組，達到除/淡斑，除痔除毛；磨皮；縮小毛孔得到等功效，最後得到如陶瓷娃娃般的白晰緊緻膚質與膚色。
此外，根據本案的一個實施例可用於動力光醫療用途。動力光療原是發展用來抑制惡性皮膚黑色素腫瘤增生，經降低照光源的功率，近來已大幅應用於醫療美容領域。所謂動力光，包含有波長633 nm紅光及413 nm藍光兩種不同色光之光源，在可見光譜中，波長最長的紅光穿透最深，故動力紅光可進入真皮層，具有舒張、強化微血管而促進血液循環，以及刺激纖維母細胞，強化膠原纖維結構，達到淡化細紋的目的；還可運用在極乾或過敏性膚質治療，例如在塗抹高效保濕、或含有維他命C的保養品之後照射紅光，可促使表皮細胞活化，達到治療及保濕的效果。動力藍光主要用來治療痤瘡，即俗稱的青春痘。痤瘡常起因於一種可分解皮脂的痤瘡桿菌過度增生，導致毛囊皮脂腺發炎。這種痤瘡桿菌會產生一種名為「內紫質」 的螢光物質，而照射特定波長的藍光可以使這種內紫質變性，藉以殺死痤瘡桿菌，達到治療痤瘡的目的。
研究指出，照射特定色溫或波長光波，有助於(幹)細胞分化/複製/增生/細胞組織培養，以及生醫/生理學等相關研究。根據本案的實施例，將經調控具特定波長的混成光集中照射局部細胞，像是照射頭皮，活化/再生細胞用於活化毛囊細胞或促增毛囊附近的血液循環，達到生髮或強/粗化髮質，降低脂漏的目的。
根據本案的實施例，可用於眼睛相關疾病的手術與治療。如可在不增加光照強度下，連續以不同波長區段的光引入玻璃體中打散引發飛蚊症的聚集體，或是引入水晶體打散引發白內障之混濁物或讓其對特定光波長吸收分解。青光眼是因眼內房水的流動性較差，導致眼壓上升，使得視神經受到壓迫所造成，故可使用特定波長區段照射，促使眼內房水正常流動以壓低眼壓。
根據本案的實施例，可用於醫用或光學儀器之中，如(光學)望遠鏡、(光學)顯微鏡之雷射光源(可激發不同螢光蛋白之波長)；內視鏡攝影/檢測/治療/手術時的可切換波長區段的輔助光源；皮膚癌之檢測、以特定光源照射惡性腫瘤分期手術中取下的檢體「切片」，分析組織切片的顏色；尿液(尿蛋白)光譜檢測。根據本案的實施例，經精準調控色溫(或光波長區段)的光源可用於刑事鑑定，不同的人類組織(例如血跡)與人造化學品(如纖維)經多波段光源照射下會顯示特定顏色。
根據本案的實施例，可連續調控色溫(或波長區段)的 光，能夠用於細胞培養/臟器組織等生理性實驗研究(如光纖導入體內照射/收集/分析反應)。此外，亦可使用於化學/物理(拉曼或FTIR光譜儀)/材料(干涉儀測材料厚度、3D拓蹼表面分析儀)/化工/光電/生物(HPLC)/試管作光散(scattering)(實驗瞭解分子反應發生動力行為過程)等的實驗研究領域。
具特定波長之雷射光可激發經螢光染料染色而具有一定螢光反應之蛋白質、胺基酸以及被螢光染色的細胞組織，目前已在使用染料定出腫瘤區域，像是使用藍、綠光照射經螢光染料染色之組織細胞。而根據本案之一實施例，將單一電射光源作波長轉換，以可變波段的光照射人體組織中的待檢測區域。針對正常與異常細胞之蛋白質，以多種類不同波長反應的螢光染料予以染色後，使用根據本案之一實施例的可微調、精確選擇波長區段電射光源，面對極少量的癌細胞也可明確定出兩者間的界線，以於分期手術中儘可能將惡性腫瘤或異常組織切除。例如，若僅某特定癌症細胞對特定螢光染料有反應(如對特定波長區段黃綠光最有反應)，即可於手術中將雷射光源調到特定比例的黃光與綠光，便可找出具該特定癌症之癌細胞組織，加以定位處理。
根據本案的實施例，可用於像是牙科固著材料中需光催化固化(photo curing)材料的光源。
另有研究指出，特定色溫和波長的光可加速或影響動/植物的生長。根據本案的實施例，可於特定環境下(如溫室/魚池)不同時間調控轉變照射植物/動物的波長區段，營造 出最利於植物/動物生長的光照環境。根據本案的實施例，於漁業養殖或漁撈作業時照射特定波長區段光，加速作物生長或聚集於光下以利捕撈。
根據本案的實施例，其中的波長區段調控元件或方法步驟，可於調色結構中加入吸收特定波長材料或元件，以降低其光通量藉以調控混成光的色溫或波長區段。例如，可於物件或食品包裝材料上加入穩定隨時間分解劣化(decay)的特定波段吸收材料，配合混成光顏色的設計，讓照射過該調光結構後的混成光隨時間變化，藉以作為示性元件(indicator)或是設計成為一個包含LED光源的定時器，顯示此物件已使用時間或食品已過期。
根據本案的實施例，可用於軍事用途，如軍用紅外線夜視鏡及頭載型目鏡(near-eye goggle)，可藉由過濾吸收/強化不同波長入射光，達到強化目視影像的資訊處理的目的。此外，根據本案的實施例，可用於機場(公共場所)安檢，例如以紅外線波段照射入境旅客以量測其體溫，為公共衛生把關。在其他方面，無論是大型太空望遠鏡，或是小型業餘望遠鏡，均可利用根據本案實施例的可調色溫裝置，把星星當作光源連續切換光譜，可將部分所欲觀察的光譜區域，改變其強度或轉換其波長區段，如紅外光譜轉換為其它頻譜等應用。
根據本案的實施例，利用奈米碳管之物理、化學及力學特性，使用奈米碳管(或其他材質的奈米管)作為光閥結構，或具方向性的量子點，而光源亦可利用奈米管LED(奈米碳管通電時會發光)。此外，可搭配奈米碳管與特定成分 連接，做為散熱之用。
根據本案的實施例，可將照明用的色溫調控裝置及方法用於製造人造太陽光，即製作太陽光模擬設備，用於太陽光能的實驗或太陽燈或日光浴床(或日曬機)。於太陽燈的應用上，藉由調控皮膚色素敏感的光波長區段，達到對皮膚作古銅著色(sun tanning)的目的，也可除去對皮膚有害的波長區段，降低皮膚癌發生的危險。根據本案的一個實施例，可製作平價實驗用太陽光摸擬器，現在的太陽光模擬器原理是用高能激發電漿產生，加上一堆校正器得到全光譜(含時變的可見光光譜和低強度UV、IR頻譜)光源。太陽光整體而言偏黃綠色，根據本案的實施例，可利用鹵素燈與白熾燈光源組合，或是LED白光光源外加IR和UV光源，加入包括黃綠色螢光體層的調光結構並減低藍光強度，便可得到擬真的太陽光。
根據本案的實施例，經波長調控之光源，可用於具聲光娛樂效果的物件上，如玩具或遊樂器。此外，於珠寶鑑定上，根據本案之可連續精準調控色溫(光波長區段)的裝置能夠提供所需特殊光源。
根據本案的實施例，將可調控色溫(光波長區段)裝置運用於化學/光合作用反應機轉上。例如，於化工/工業/塑膠(高分子)原料的製造與產品合成，石油原料裂解與合成，藥物合成等製程中，於反應時照射特定波長區段之光，可加速/促使化學反應。此外，根據本案的另一個實施例，能夠於化工/食品產業上，如麵包製作/釀酒等方面，對酵母照射特定波長區段之光以加速或影響操控酵母活性與發酵 反應的進行。
根據本案的實施例，於半導體微影製程中使用光阻劑之曝光機(如使用深UV光源浸潤曝光)中，使用根據本案的照明(光照)設備，可連續調變光波長區段節省燈源成本。並由於光源波長區段的可變化多樣性，能促進各類潛在性光阻劑研發以及曝光/顯影技術發展。
雖然本案已結合多個示範實施例進行說明和描述，但是熟習本領域者可明白到本案可進行許多修改或變動，而不背離本案定義於附加之申請專利範圍之範疇與精神。例如本案中用以連續調控出光通量之光閥，即可變化使用其他類似之現有技術予以取代。或者，像是CIE 1931色度圖亦可依需求使用其它CIE色度圖作為BBL之座標參考。
300‧‧‧照明用色溫調控裝置
301‧‧‧第一光源
302‧‧‧調色結構
303‧‧‧光閥結構
304‧‧‧未通過調色與光閥結構之原光
305‧‧‧第一入射光
306‧‧‧第一出射光
307‧‧‧第二入射光
308‧‧‧第二出射光
400‧‧‧照明用色溫調控裝置
401‧‧‧第一光源
402‧‧‧調色結構
403‧‧‧光閥結構
404‧‧‧未通過調色與光閥結構之原光
405‧‧‧第一入射光
406‧‧‧第一出射光
407‧‧‧第二入射光
408‧‧‧第二出射光
410‧‧‧其他光
1306‧‧‧液晶層
1307‧‧‧偏振片
1308‧‧‧偏振片
1310‧‧‧液晶層結構
1315‧‧‧間隙物
1322‧‧‧液晶單元
1330‧‧‧黃色螢光體層
1422‧‧‧液晶單元
1430‧‧‧黃色螢光體層
1431‧‧‧LED藍光光源
1522‧‧‧液晶單元
1530‧‧‧黃色螢光體層
1531‧‧‧LED藍光光源
1532‧‧‧紅色螢光染料
1622‧‧‧液晶單元
1630‧‧‧黃色螢光體層
1631‧‧‧LED藍光光源
1633‧‧‧LED紅色光源
1722‧‧‧液晶單元
1730‧‧‧黃色螢光體層
1731‧‧‧LED藍光光源
411‧‧‧第二光源
500‧‧‧照明用色溫調控裝置
501‧‧‧光源
502‧‧‧調色結構
503‧‧‧光閥結構
600‧‧‧照明用色溫調控裝置
601‧‧‧光源
602‧‧‧調色結構
603‧‧‧光閥結構
604‧‧‧調色結構
700‧‧‧照明用色溫調控裝置
701‧‧‧第一光源
702‧‧‧調色結構
703‧‧‧光閥結構
704‧‧‧調色結構
705‧‧‧第二光源
800‧‧‧照明用色溫調控裝置
801‧‧‧光源
802‧‧‧調色結構
803‧‧‧光閥結構
900‧‧‧照明用色溫調控裝置
901‧‧‧光源
902‧‧‧調色結構
903‧‧‧光閥結構
904‧‧‧隔板
1000‧‧‧液晶層結構
1733‧‧‧LED紅色光源
2200‧‧‧照明用色溫調控裝置
2201‧‧‧微機電組件
2202‧‧‧百葉片
2203‧‧‧壓電材料
2204‧‧‧透明板
2205‧‧‧控制元件
2310‧‧‧照明用色溫調控設備
2311‧‧‧照明用色溫調控裝置
2312‧‧‧液晶層結構
2314‧‧‧螢光體層
2316‧‧‧LED光源
2318‧‧‧外殼
2319‧‧‧鏡面塗層
2320‧‧‧照明用色溫調控設備
2321‧‧‧照明用色溫調控裝置
2322‧‧‧液晶層結構
2324‧‧‧螢光體層
2326‧‧‧LED光源
2328‧‧‧外殼
2410‧‧‧燈泡
2411‧‧‧擴散膜層
2412‧‧‧光導柱
2413‧‧‧二氧化矽顆粒
2414‧‧‧透明絕熱材料
2415‧‧‧LED光源
1001‧‧‧透明電極
1002‧‧‧透明電極
1003‧‧‧間隙物
1004‧‧‧透明基板
1005‧‧‧透明基板
1006‧‧‧液晶
1007‧‧‧偏振片
1008‧‧‧偏振片
1011‧‧‧配向層
1012‧‧‧配向層
1300‧‧‧照明用色溫調控裝置
1301‧‧‧透明電極
1302‧‧‧透明電極
1304‧‧‧第一透明基板
1305‧‧‧第二透明基板
2416‧‧‧液晶層結構
2417‧‧‧外殼
2418‧‧‧基座
2419‧‧‧螢光體層
2420‧‧‧柱狀燈管
2422‧‧‧光導柱
2425‧‧‧LED光源
2426‧‧‧變色玻璃
2427‧‧‧外殼
2428‧‧‧螢光體層
2430‧‧‧照明用色溫調控設備
本案之上述和其他態樣、特徵及其他優點參照說明書內容並配合附加圖式得到更清楚的了解，其中：第1圖顯示普朗克黑體輻射光譜在CIE1931色彩空間色度圖與示範實施例的色度座標和色溫調控。
第2圖係規範不同色溫下的白光LED色度之ANSI C78.377A固態照明規格的CIE 1931色度座標與色容差圖。
第3圖係本案之照明用色溫調控裝置實施例示意圖。
第4圖係本案之照明用色溫調控裝置另一實施例示意圖。
第5圖係本案之照明用色溫調控裝置另一實施例示意圖。
第6圖係本案之照明用色溫調控裝置另一實施例示意圖。
第7圖係本案之照明用色溫調控裝置另一實施例示意圖。
第8圖係本案之照明用色溫調控裝置另一實施例示意圖。
第9圖係本案之照明用色溫調控裝置另一實施例示意圖。
第10圖係液晶層結構之示意圖。
第11(A)圖、第11(B)圖係顯示NW模式之90°TN型液晶單元基本架構。
第11(C)圖、第11(D)圖係顯示NB模式之90°TN型液晶單元基本架構。
第12圖係顯示電壓大小對液晶單元透光通量的曲線。
第13圖顯示根據本案之一示範實施例的照明用色溫調控裝置。
第14(A)圖、第14(B)圖係根據第13圖沿CD線之剖面示意圖。
第15(A)圖、第15(B)圖根據本案之照明用色溫調控裝置的範例實施例。
第16(A)圖、第16(B)圖根據本案之照明用色溫調控裝置的範例實施例。
第17圖根據本案之照明用色溫調控裝置的範例實施例。
第18圖係CIE 1931色度圖與實施例的色度座標和色溫調控。
第19圖係CIE 1931色度圖與實施例的色度座標和色溫調控。
第20圖係CIE 1931色度圖與實施例的色度座標和色溫調控。
第21(A)-(F)圖係螢光體分布的圖案例示圖。
第22圖顯示根據本案之實施例的照明用色溫調控裝置。
第23(A)圖、第23(B)圖顯示根據本案之實施例的照明用色溫調控裝置與設備。
第24(A)圖、第24(B)圖顯示根據本案之實施例的照明用色溫調控裝置與設備。
300‧‧‧照明用色溫調控裝置
301‧‧‧第一光源
302‧‧‧調色結構
303‧‧‧光閥結構
304‧‧‧未通過調色與光閥結構之原光
305‧‧‧第一入射光
306‧‧‧第一出射光
307‧‧‧第二入射光
308‧‧‧第二出射光

Claims (30)

  1. 一種照明用色溫調控裝置，以調控與該裝置作用之光的色溫，包括：一光閥結構，以調控與該光閥結構作用之該光的第一入射光及第一出射光之光通量的比例；以及一調色結構，包括至少一波長區段轉換元件，以轉換與該調色結構作用之該光的具第一波長區段之第二入射光成具第二波長區段之第二出射光，其中，該光閥結構與該調色結構在該光的行進路徑上彼此不重疊，使該第一出射光與該第二出射光混成，以形成一與該光不同色溫之混成光。
  2. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該第二波長區段包含該第一波長區段。
  3. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該混成光和未與該裝置作用之該光的部分進一步混成。
  4. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該光閥結構與該調色結構同樣位於垂直於該光行進路徑之一平面上。
  5. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該光閥結構與該調色結構同樣位於垂直於該光行進路徑之一平面上且相鄰接。
  6. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該光閥結構為一平面光閥結構，係選自由下列構件組成之群組：微機電組件、變色玻璃、電子紙、油墨電濕潤元件、液晶層結構、及其組合；或為一立體光閥結構，係包括複數個 該等構件所組成。
  7. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該波長區段轉換元件係一波長區段轉換材料或一波長區段轉換結構單元。
  8. 如請求項6之照明用色溫調控裝置，其中該液晶層結構包括一第一透明基板，具有第一側及第二側；一第二透明基板，具有第一側及第二側；一液晶層，介於該第一透明基板之第二側與該第二透明基板之第一側之間，包括至少一個可控灰階之液晶單元；以及一偏壓單元，以對該液晶層中之該至少一個可控灰階之液晶單元施加電壓。
  9. 如請求項8所述之照明用色溫調控裝置，其中該第一透明基板之第一側的部分與該第二透明基板之第二側的部分至少其中之一包括偏振片。
  10. 如請求項7所述之照明用色溫調控裝置，其中該波長區段轉換材料係為一第一波長區段轉換材料，或一第一波長區段轉換材料及一第二波長區段轉換材料。
  11. 如請求項10所述之照明用色溫調控裝置，其中該第一波長區段轉換材料或第二波長區段轉換材料係選自下列材料所組成的群組：螢光體、染料、及其組合。
  12. 如請求項7所述之照明用色溫調控裝置，該波長區段轉換結構單元係為膽固醇型液晶、藍相位液晶、全像式高分子分散液晶(Holographic PDLC)材料、有色油墨電濕潤元 件、或是微機電組件所組成之元件。
  13. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該混成光之色溫係在CIE1931色度圖中之黑體幅射軌跡上。
  14. 如請求項11所述之照明用色溫調控裝置，其中該螢光體係選自由下列材料組成的群組：氧化物螢光體、氧氮化物螢光體、氮化物螢光體、含鋅化合物螢光體、半導體類螢光體、有機螢光體、光致螢光染料、及其組合。
  15. 如請求項11所述之照明用色溫調控裝置，其中該染料係選自由下列材料組成之群組：吸收型染料、光致螢光型染料、及其組合。
  16. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其中該混成光與至少一個其他光進一步混成。
  17. 如請求項1所述之照明用色溫調控裝置，其進一步包括一控制元件，其係選自由下列所組成的群組：控制電路、卡筍式旋鈕、環形旋鈕及其組合。
  18. 一種照明設備，係包括：一第一光源以發射該光；以及請求項1之照明用色溫調控裝置。
  19. 如請求項18所述之照明設備，其進一步包含一光學擴散件，其係選自由下列組成的群組：擴散膜、擴散板、擴散透鏡，以及其組合。
  20. 如請求項18所述之照明設備，其中該第一光源係選自至少一個由下列所組成之群組：發光二極體(LED)、白熾燈、鹵素燈、太陽光、冷陰極射線管(CCFL)、日光燈、及其組合。
  21. 如請求項20所述之照明設備，其中該LED光源係白光LED或藍光LED。
  22. 如請求項18所述之照明設備，其進一步包括第二光源，發射一其他光用以直接與該色溫調控裝置形成的該混成光混成。
  23. 一種調控色溫之方法，包括：提供一第一光源，以發出第一光；提供一光閥結構以調控與該光閥結構作用之該第一光中一第一入射光及一第一出射光之光通量的比例；提供一包括至少一波長區段轉換元件的調色結構，以轉換與該調色結構作用之該第一光中一具第一波長區段之第二入射光成一具第二波長區段之第二出射光；以及混成該第一出射光與該第二出射光，以形成一與該第一光不同色溫之一混成光。
  24. 如請求項23所述調控色溫之方法，其中該混成光與未為該光閥結構或調色結構作用的該第一光之部分進一步混成。
  25. 如請求項23所述調控色溫之方法，其中該光閥結構係選自由下列組成之群組：微機電組件、變色玻璃、電子紙、油墨電濕潤元件、液晶層結構、及其組合。
  26. 如請求項23所述調控色溫之方法，該第一光源其係選自由下列組成之群組：發光二極體(LED)、白熾燈、鹵素燈、太陽光、冷陰極射線管(CCFL)、日光燈、及其組合。
  27. 如請求項26所述調控色溫之方法，其中該發光二極體係白光發光二極體或藍光發光二極體。
  28. 如請求項23所述調控色溫之方法，進一步包括提供一第二光源，其發射一第二光以與該混成光混成。
  29. 如請求項23所述調控色溫之方法，其中該波長區段轉換元件係一波長區段轉換材料或一波長區段轉換結構單元。
  30. 如請求項29所述調控色溫之方法，其中該波長區段轉換材料係選自下列材料所組成之群組：螢光體(phosphor)、染料、及其組合。
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