专利名称：配置高色彩饱和度的发光二极管背光模块的系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管背光模块，尤其涉及一种具有高色彩饱和度的发光二
极管背光模块的配置系统与方法。
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形态，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
n-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，借助透镜混合此三种光， 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光。这样的产品在调整发 光二极管的CIE值时，只需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，将这种产品应用在背光源时，则显示出来的图案往往没有红色。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。
在上述的方式中，想要达成高色彩饱和度发光二极管背光模块的制作方式可为增 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。为了提升使用发光二极管作为背光源的色彩饱和度，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。 另夕卜，发光二极管的发光频谱会与温度有关。当所谓的接合温度 (j皿ctiontemperature)愈高，发光二极管的发光频谱的峰值波长也会跟着向长波长漂移。 随着发光二极管的操作时间增加，元件的温度也会跟着增加。因此在长时间的操作下，发光 二极管的发光频率也会跟着改变。另外，发光二极管的制作过程会有频谱的分布因而会对 发光二极管进行分区段(bin)，这会大幅增加发光二极管的制造成本。 美国专利公告号US2006/0290624，主要是针对这个问题进行解决。该项技术的方 式是先针对三原色的其中一个颜色进行校调，例如针对绿色，至少会提供两个发光二极管， 其中一个发光二极管波长比绿光稍微高，另一个发光二极管波长比绿光稍微低。然后使用 控制电路使得两个发光二极管混光后可以得到所需要的正确的绿光的波长。当操作的时间 增加后，两个发光二极管的发光频谱有可能改变，这时的传感器如果检测出激发频谱的改 变，则由控制电路会控制两个发光二极管的发光强度使得最终的混光频谱仍然维持不变。 当三原色的其中一个颜色可以进行调整，则三原色的发光二极管都可以分别进行调整。
整个技术在理论上是可行的，但是在商业上这样的设计会大幅增加制作成本。首 先是针对三原色就需要三个控制电路以及三个传感器。另外，每个颜色的发光二极管会需 要至少两种发光二极管。三原色的发光二极管就需要六种发光二极管来进行校调，这还会 大幅增加发光二极管的制造与管理的成本。再者，每个发光二极管的寿命不相同的问题也 会再次增加产品在寿命上的问题。 另外一种方式是使用发光二极管来激发荧光粉发光。荧光粉相对于使用三原色的 发光二极管而言有下面的优势。当发光二极管的发光频谱改变时，对于荧光粉而言只是吸 收光谱的改变。只要发光二极管的激发光谱仍然落在荧光粉的吸收光谱，则荧光粉的激发 光谱就不会跟着改变。似乎，使用荧光粉是很好的选择。 在台湾专利公告号200627678中已经提到使用紫外光或是紫光的发光二极管进 行激发三原色荧光粉。这样的方式可以大幅增加发光二极管光源的演色性以及作为液晶显 示器的背光时，可以提供较佳的NTSC的色度。 台湾公告号200830508，提出使用红光的荧光粉增加NTSC，使用的红色荧光粉为 CaAlSiN3:Eu，绿色荧光粉(BaxSivx)2Si04:Eu(x5)。 上述的方式皆有提到使用多重的荧光粉提升发光二极管的NTSC。然而，有几点问
题需要解决。第一，荧光粉的调配比例，多是采用尝试错误的方式，这会增加不少的研发时
间；第二，各家的彩色滤镜的滤光光谱并不相同，对于发光二极管的制造商而言，需要不同
的荧光粉的调配比例才会提升色彩饱和度，这会增加更多的尝试错误的时间。 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色彩饱和度发光二极管背光模块的开发时间
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
本发明的一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色彩
饱和度发光二极管背光模块的方法与系统，以降低尝试错误的时间成本。 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色彩饱和度发光二极管背光模块的方法，其步骤包含先计算一标准频谱，其中标准频谱在一第 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。借助上述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。然后，将第一混光 频谱通过一彩色滤镜分色成三原色的色坐标，并计算三原色的色坐标所组成的面积，以及 计算由三原色所组成的白光的色坐标位置。 本发明也提供一种配置高色彩饱和度发光二极管背光模块的方法，其步骤包含先 计算一标准频谱，而标准频谱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。借助标 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。混光后的频谱通过一 彩色滤镜后分色成红色、绿色与蓝色的色度坐标，之后，计算红色、绿色与蓝色的色度坐标 所组成的面积，并且合成红色，绿色，与蓝色的白光的色度坐标位置。 本发明也提供一种配置高色彩饱和度发光二极管背光模块的系统，包含一第一数 据库、一标准频谱产生器、一第一混色单元、一第二混色单元、一频谱比较单元、一第二数据 库、一过滤单元以及一色彩饱和度计算单元。上述的第一数据库用以提供一发光二极管发 光频谱、一第一荧光粉发光频谱与一第二荧光粉发光频谱。上述的标准频谱产生器用以产 生在一第一色温下的黑体辐射所发射的可见光频谱。上述的第一混色单元用以计算在第一 数据库中的发光二极管、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。上述的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。上述的第二数据库用以存储一彩色滤镜的滤光频谱。上述的过滤单元借助第二数据 库的滤光频谱计算第一混光频谱的三原色的色坐标。上述的色彩饱和度计算单元用以计算 三原色的色坐标所组成的面积。上述的第二混色单元用以计算三原色混色后的白光的色坐 标。 本发明也提供一种计算多重荧光粉浓度以得到高色彩饱和度发光二极管背光模 块的方法，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，并且经由一彩色滤镜将混光后的频谱分色成三原色后，使得三 原色的色度坐标所组成的面积与白光色坐标可满足要求。 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色彩饱和度发光二极 管背光模块的调配比例的方法，包含调配出接近黑体辐射的各种荧光粉的混合比例，以及 从一彩色滤镜分色出的三原色中的色坐标的组成面积与白光的色坐标修正所述各种荧光 粉的调配比例。 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、 (Cai.47Mgl.5Ce。.。3) (ScLsY。.5)Si30l2或(Ca2.97Ce。.。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。 利用本发明的手段，可达成可快速的调配出高色彩饱和度的发光二极管背光模块 的功效，并且可大幅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显示NTSC标准与一般背光的CIE 1931色度坐标示意图； 图3显示本发明的一种计算多重荧光粉浓度以得到高色彩饱和度发光二极管背
光模块的方法流程图； 图4显示本发明的一种配置高色彩饱和度发光二极管背光模块的方法流程图； 图5显示本发明的一种配置高色彩饱和度发光二极管背光模块的系统方框图； 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； 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； 图9显示彩色滤镜的滤光频谱图； 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图；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；以及 图12显示本发明的高色彩饱和度发光二极管背光模块，NTSC标准，与一般背光的 CIE 1931色度坐标示意图。 其中，附图标记说明如下 0完成 41-45步骤 52第一混色单元 54频谱比较单元 56过滤单元 58第二混色单元 71目标色温的黑体辐射产生器 73频谱计算单元 76调整荧光粉的浓度 100目标色温的黑体辐射产生 102频谱计算单元 104色彩饱和度计算单元 106比较单元 109重新选择荧光粉 110目标色温的黑体辐射的频谱产生器 lll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分色单元 116第二数据库 117三原色色度坐标计算单元 118三原色混光单元 119第二阶近似
31-32步骤
51第一数据库
53标准色温频谱产生器
55第二数据库
57色彩饱和度计算单元
61-65步骤
72第一数据库
74频谱比较单元
77重新选择荧光粉
101第一数据库器
103第二数据库
105混色计算单元
108调整荧光粉的浓度
具体实施例方式
本发明在此所探讨的方向为一种高色彩饱和度发光二极管背光模块的方法与系 统。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高色彩饱和度发光二极管背光模块的方法与系统的普通技术人员所 熟习的特殊细节。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，其以之后的权利要求为 准。 由上述可知，产生白光的重要元素其中的一为荧光材料。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-radiative)方式释放能量，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，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(host lattice,H)为主要的组成成分，例 如ZnS:Cu"，其中ZnS即为主体晶格。荧光体中发光中心借助少量添加或掺杂(dope)异种 离子于主体晶格中所构成，例如ZnS:Cu2+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)。故可借助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(0xysulfides)、氮化物(Nitrides)、氮氧化物 (0xynitrides)、石榴石(Garnet)及硅酸盐(Silicates)类等所构成。 —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)的定义是依据黑体(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1050-115(TC时，就变成黄色。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(Commissionlnternational de1' Eclairage，简称CIE)。于1930年订定各种极为接近自然光的标准光源。
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"1931 CIE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)中马蹄形范围内为可见光谱的所有颜色，马蹄形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。
NTSC是1952年12月由美国国家电视标准委员会(National TelevisionSystemCommittee,縮写为NTSC)制定的彩色电视广播标准。NTSC属于同时制，帧频为每秒29. 97fps，扫描线为525，逐行扫描，画面比例为4 : 3，解析度为720X480。这种制式的色
度信号调制包括了平衡调制和正交调制两种，解决了彩色黑白电视广播兼容问题。
在图2中显示NTSC标准与一般背光的CIE 1931色度坐标示意图。在图2中可以看出NTSC所定义的色彩可以在CIE中以三原色的三个坐标所围成的面积表示。在图2中，是由三个方形的点所围成的面积。目前一般的以白光发光二极管作为液晶显示器的背光源，可以提供的色彩饱和度，在图2中，相较于NTSC的标准面积是较小的。因此可以提供的色彩饱和度较差。 黑体辐射的计算，是在1879年由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 = af，即所谓的斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)。 1893年Wien还进一步计算出辐射能波长的变化，发现波长入的变化与温度成正 比，若再弓l Stefan-Bo ltzmann law,及热力学中的绝热过程公式，可得Wien displacement law，T、ax二常数。 1896年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
P v = a v3exp ( P v/T) 其中Pv为辐射能密度(radiant energy density), v是频率，T是绝对温度，a 和13是常数。 1900年，J. W. Rayleigh， 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，艮P Rayleigh—Jeans law :
「 ， 8;rv3 tpv =~^~Ksr
c 其中c是光速，k = Boltzmann' s constant。但此公式谨在低频部分与实验曲 线符合，而当v—①时，pv—①，发散，与实验明显不符，即古典物理中的"紫外灾难"。 后来更精细和全面的实验表明，Wien公式并非与所有实验数据都符合很好。在长 波段，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 ~^--& ,T、，
8;r/ c 1 [oo"]或^= j^7I^pi 其中h为普朗克常数，大小为h = 6. 626X 10-34J s。由普朗克的假设可成功解 释并推导Rayleigh-Jeans law， Wien displacement law， Stefan-Boltzmann law。
由于不同的色温，发光二极管芯片及荧光粉等因素皆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。 本发明的手段在于使用两阶段的近似找出各种荧光粉在高色彩饱和度发光二极 管背光模块的调配比例。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彩色滤镜的分色之后判断色彩饱和度以及白光的色坐标 位置。 请参阅图3，是显示本发明的一种计算多重荧光粉浓度以得到高色彩饱和度发光 二极管背光模块的方法。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)找出混光后的频谱通过彩色滤镜 后分成三原色的色坐标，检验三原色的色坐标所组成的面积以及三原色所合成白光的色坐 标位置。 在参考图3的流程中，本发明也提供一种配置高色彩饱和度发光二极管背光模块 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，借助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)，将第一混光频谱通过一彩色 滤镜分色成三原色的色坐标，并计算三原色色坐标所组成的面积。彩色滤镜是液晶显示器 所使用的分成三原色的滤镜。当三原色的色坐标所组成的面积愈大，则液晶显示器的画面 色彩饱和度愈佳。这个步骤是用来检测色彩饱和度。如果色彩饱和度不佳，会重新调整荧 光粉的浓度。然后，在第五步骤(45)中，计算由三原色所组成的白光的色坐标位置。当白 光的色坐标位置错误时，就必须重新调整荧光粉的比例。甚至是，可以调整白光的色坐标位 于某一色温的黑体辐射的色坐标位置。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，甚至是第五荧光粉应用到本发明。
依照图4的流程，本发明也提供一种配置高色彩饱和度发光二极管背光模块的系 统，详细说明请参阅图5。 一第一数据库(51)，用以存储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 由第一混色单元(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)，用以存储一彩色滤镜的滤光频谱，其中彩色 滤镜是作为液晶显示器的分色滤镜。 一过滤单元(56)，借助第二数据库的滤光频谱计算第 一混光频谱的三原色的色坐标。色彩饱和度计算单元(57)，用以计算三原色的色坐标所组 成的面积。当面积相较于NTSC所定义的面积为小，或是相较于商业上定义的色彩饱和度 的规格为小，则重回到第一混色单元(52)重新计算出第一混色频谱，直到可以通过色彩饱 和度计算单元(57)的要求为止。第二混色单元(58)用以计算三原色混色后的白光的色 坐标。当白光的色坐标位置离开一般定义的白光色坐标的时候，也必须回到第一混色单元
(52) 重新计算出第一混色频谱，直到可以通过第二混色单元(58)的要求为止。在本发明 中，还可以设定白光的色坐标必须落在设定的黑体辐射的色温，例如色温为6500K的白光 色坐标。 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
11二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 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Rayleigh-Jeans方程式，Stefan-Boltzmann方程式，或是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Ta(A)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，发光二极管芯片测量的发射频谱是由L(A)表示；第一荧光粉测量的发射频谱是 由P1(A)表示；以及第二荧光粉测量的发射频谱是由P2(A)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(A) 二aXL(入+A入)+bXPl(入+A入)+cXP2(入+A入) 求S l乙(义)—C。 ^ f對可見光頻譜爲極小値之(a， b， c) 义 (2) 其中，混合发射频谱由Ca ( A )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，然而任何本领域普通技术人员理应可以使用其
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c;(A)为第一混
光频谱。 第四步骤(64)计算第一混光频谱在一彩色滤镜下分色成红色，绿色，与蓝色三原 色的色度坐标所组成的面积。首先依照彩色滤镜的滤光频谱将第一混光频谱分色成红色、 绿色与蓝色。然后，计算红色、绿色与蓝色在CIE的色坐标。有了红色、绿色与蓝色的色坐 标，可以计算由红色、绿色与蓝色在CIE坐标所围成的面积。这个面积可以与NTSC所定义 的面积相比较。例如当计算出来的三原色的色坐标所围成的面积约为75%的NTSC所定义 的面积，就表示色彩饱和度为75X的NTSC。以本发明的演算法，可以规定要求白光发光二 极管的光源必须达到90%的NTSC、95X的NTSC或是100%的NTSC。否则必须回到第三步 骤(63)重新调配荧光粉的浓度或是比例等。 第五步骤(65)计算分色后的红色、绿色与蓝色的色度坐标所组成的白光的色度 坐标。经过彩色滤镜分色后的三原色，所组成的白光的色坐标有可能离开标准的白光或是 商业规格所要求的白光，所以必须同时检验混色后的白光是否可以达到要求。商业上的规 格，可以要求白光的色坐标是位于某一黑体辐射的色温，例如可以要求白光的色温是6500K 的白光色坐标或是6000K的白光色坐标。
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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)，用来存储各
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);Ca3Sc2Si3012:Ce(455-507nm); (CaL 47MgL 5Ce。. 。3) (ScL 5Y。. 5) Si3012 (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)AlSiN3(648nm);
(SrCa)AlSiN3:Eu(630nm);
SrGa2S4:Eu(645nm)。 任何本领域普通技术人员，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(73)从第一数据库(72)中得到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。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(100)可以提供某一特定色温的黑体辐射的可见光频谱，其中 色温的范围可在1500K 8000K之间。 一第一数据库(IOI)，用来存储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);Ca3Sc2Si3012:Ce(455-507nm); (CaL 47MgL 5Ce0.03) (ScL 5Y0.5) Si3012 (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)AlSiN3(648nm);
(SrCa)AlSiN3:Eu(630nm);
SrGa2S4:Eu(645nm)。 任何本领域普通技术人员，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(101)中得到的发光二极管芯片及两种不同荧
光粉的发射频谱，并且借助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)存储且提供彩色滤镜的滤光频谱。请参阅图9，显示一种彩色滤
镜的频谱，其中各色滤镜的滤光频谱会有一部分的交错。由于各色滤镜的滤光频谱的交错，
即使是高演色性的白光发光二极管的光源，通过这样的滤光频谱也会降低色彩的饱和度。
这是因为蓝色光源经过这样的滤光频谱后会有一部分的绿色光，这表示原始的各色光的光
源均会对最后的色彩产生影响。当计算后的混光频谱进入到第二数据库(103)之后会分色
成红色，绿色，与蓝色的三原色。这三原色的数据进入到色彩饱和度计算单元(104)与混色
计算单元(105)后，分别计算出经过分色后的三原色的色彩饱和度与分色后的三原色所组
成的白光的色坐标。 计算的结果进入到比较单元(107)后，会判断色彩饱和度与分色后的三原色所组 成的白光的色坐标是否满足要求。当其中之一不满足时均可会回到第一数据库(101)重 新选择荧光粉或是频谱计算单元(102)重新调配荧光粉的浓度，使得色彩饱和度计算单 元(104)与混色计算单元(105)的结果均满足要求。色彩饱和度的条件，可以定为90%的 NTSC、95X的NTSC或是100X的NTSC。而混色后的白光可以要求标准的白光或是商业规格 所要求的白光，其中商业上的规格，可以要求白光的色坐标是位于某一黑体辐射的色温，例 如可以要求白光的色温是6500K的白光色坐标或是6000K的白光色坐标。
图ll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 的范围可在1500K 8000K之间。 第一数据库(111)，用来存储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); Ca3Sc2Si3012:Ce(455_507nm); (CaL 47MgL 5Ce。. 。3) (ScL 5Y。. 5) Si3012 (455nm); (Ca2.97Ce0.03) Sc2 (Si ， Ge) 3012。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)。 任何本领域普通技术人员，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)从第一数据库(111)中得到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(116)存储且提供彩色滤镜的滤光频谱。当计算后的混光频谱进入到 分色单元(115)之后会分色成红色、绿色与蓝色的三原色。这三原色的数据进入到色彩饱 和度计算单元(117)与三原色混色计算单元(118)后，分别计算出经过分色后的三原色的 色彩饱和度与分色后的三原色所组成的白光的色坐标。 计算的结果进入到比较单元(119)后，会判断色彩饱和度与分色后的三原色所组 成的白光的色坐标是否满足要求。当其中之一不满足时均可会回到频谱计算单元(112)重 新调配荧光粉的浓度，使得色彩饱和度计算单元(117)与三原色混色计算单元(118)的结 果均满足要求。色彩饱和度的条件，可以定为90%的NTSC、95%的NTSC或是100%的NTSC。 而混色后的白光可以要求标准的白光或是商业规格所要求的白光，其中商业上的规格，可 以要求白光的色坐标是位于某一黑体辐射的色温，例如可以要求白光的色温是6500K的白 光色坐标或是6000K的白光色坐标。 图12显示本发明的高色彩饱和度发光二极管背光模块，NTSC标准，与一般背光的 CIE 1931色度坐标示意图。当使用本发明的方法或是系统，相较于一般的白光发光二极管 的光源可以提升色彩饱和度。在图12中，使用本发明的方式的三原色是用三角型所标示 的，其中色彩饱和度可以由三角型所围成的三角形面积表示。相较于由O所围成的三角形 面积，更接近由正方形所围成的三角形面积。这表示本发明可以具有更佳的色彩饱和度。
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。
从上述实施例中可看出本发明的手段，是使用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经过彩色滤镜后的 色彩饱和度以及再混光成白光的色坐标，借以修正荧光粉的浓度，或是选择其他的荧光粉。
利用本发明的手段，可达成可快速的调配出高色彩饱和度的发光二极管背光模块 的功效，并且可大幅降低尝试错误的时间成本。
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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正与差异。因此需要在 其附加的权利要求项的范围内加以理解，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权利要 求书的范围；凡其它在未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含 在下述权利要求书的范围内。
权利要求
一种配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的方法，包含计算一标准频谱；提供一发光二极管、一第一荧光粉与一第二荧光粉的发射频谱；调整该第一荧光粉与第二荧光粉的浓度，当该第一荧光粉与第二荧光粉与该发光二极管混光后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；将该第一混光频谱通过一彩色滤镜分色成三原色的色坐标，并计算该三原色色坐标所组成的面积；计算由该三原色所组成的白光的色坐标位置。
2. —种配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的方法，包含 计算在一第一色温下的黑体辐射发光频谱；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该黑体辐射发光频谱；混光后的频谱通过一彩色滤镜后分色成红色、绿色与蓝色的色度坐标； 计算该红色、绿色与蓝色的色度坐标所组成的面积是否接近NTSC ;以及 合成该红色、绿色与蓝色的白光的色度坐标位置是否满足该第一色温的白光。
3. —种配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的方法，包含 利用普朗克方程式计算在一第一色温下的黑体辐射发光频谱； 提供一发光二极管、一第一荧光粉与一第二荧光粉的发射频谱；调整该第一荧光粉与第二荧光粉的浓度，当该第一荧光粉与第二荧光粉与该发光二极 管混光后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；该混光后的频谱通过一彩色滤镜后分色成红色、绿色与蓝色的色度坐标； 计算该红色、绿色与蓝色的色度坐标所组成的面积；以及 合成该红色、绿色与蓝色的白光的色度坐标位置。
4. 根据权利要求1、2或3所述的配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的 方法，其中上述的第一荧光粉可为CaSc204:Ce、 (MgCaSrBa)2Si04:Eu、 Ca3Sc2Si3012:Ce、 (CauMg^Ce,) (ScJo's) Si3012或(Ca2.97Ce,) Sc2 (Si， Ge)3012。
5. 根据权利要求4所述的配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的方法，其中 上述的第二荧光粉可为CaAlSiN3:Eu、 (CaEu) AlSiN3、 (SrCa) AlSiN3:Eu或SrGa2S4:Eu。
6. —种配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的系统，包含 用以计算在一第一色温下的黑体辐射发光频谱的手段；用以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该黑体辐射发 光频谱的手段；混光后的频谱通过一彩色滤镜后用以分色成红色、绿色与蓝色的色度坐标的手段； 用以计算该红色、绿色与蓝色的色度坐标所组成的面积的手段；以及 用以合成白光的色度坐标位置的手段。
7. —种配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的系统，包含 一第一数据库，用以提供一发光二极管发光频谱， 一第一荧光粉发光频谱，与一第二荧光粉发光频谱；一标准频谱产生器，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；一第一混色单元，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；一第二数据库，用以存储一彩色滤镜的滤光频谱；一过滤单元，借助该第二数据库的滤光频谱计算该第一混光频谱的三原色的色坐标； 一色彩饱和度计算单元，用以计算该三原色的色坐标所组成的面积；以及 一第二混色单元，用以计算该三原色混色后的白光的色坐标。
8. 根据权利要求6或7所述的配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的 系统，其中上述的第一荧光粉可为CaSc204:Ce、 (MgCaSrBa)2Si04:Eu、 Ca3Sc2Si3012:Ce、 (CauMg^Ce,) (ScJo's) Si3012或(Ca2.97Ce,) Sc2 (Si， Ge)3012。
9. 根据权利要求8所述的配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的系统，其中 上述的第二荧光粉可为CaAlSiN3:Eu、 (CaEu) AlSiN3、 (SrCa) AlSiN3:Eu或SrGa2S4:Eu。
10. —种计算多重荧光粉浓度以得到高色彩饱和度发光二极管背光模块的方法，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；以及经由一彩色滤镜将该混光后的频谱分色成三原色后，使得该三原色的色度坐标所组成 的面积与白光色坐标可满足要求。
11. 一种使用两阶段的近似找出各种荧光粉在高色彩饱和度发光二极管背光模块的调 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；以及从一彩色滤镜分色出的三原色中的色坐标的组成面积与白光的色坐标修正该各种荧 光粉的调配比例。
全文摘要
本发明提供一种配置具有高色彩饱和度的发光二极管背光模块的系统与方法，该方法包含步骤先计算一标准频谱，其中标准频谱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。借助上述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。然后，将第一混光频谱通过一彩色滤镜分色成三原色的色坐标，并计算三原色的色坐标所组成的面积，以及计算由三原色所组成的白光的色坐标位置。本发明主要借助演算法计算出多重荧光粉的浓度，使得与发光二极管混光之后可以提供高色彩饱和的背光模块。
文档编号H05B37/00GK101725843SQ200810167610
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月20日 优先权日2008年10月20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