明新學校財團法人明新科技大學團法人明新科技大學
半導體與光電科技系碩士班
碩士學位論文

組合式平面型白光雷射照明系統開發
The Assembly of Planar Lighting System
for Laser-based White Lighting
Application

研 究 生 ：范 長 安
指導教授：殷 尚 彬


陳炳茂

中華民國一一二年六月


明新學校財團法人明新科技大學團法人明新科技大學
碩士學位論文口試委員會審定書試委員會審定書
Verification Letter from the Oral Examination Committee
本校 半導體與光電科技系碩士班/碩士在職專班

范長安 君

所提論文 組合式平面型白光雷射照明系統開發
經本委員會審定符合本系(所)專業相關領域並予以通過，合於碩士學
位論文標準。

學位考試委員會
委

員：　　　　　　　　　　　　　　

指導教授：
系所主任：
中華民國

年

月

日


摘要
本研究旨在解決半導體雷射 (Laser Diode, LD)激發螢光粉(Yttrium Aluminum
Garnet, YAG)產生白光照明，架構中螢光粉封裝用矽膠無法承受半導體雷射過於
集中的能量照射所造成的高溫問題。本研究提出一種平板燈架構，使用藍光半導
體雷射來取代發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）光源，並利用導光板和擴
散膜層的設計，使得半導體雷射的藍光均勻散佈在導光板表，並面激發黏貼在導
光板上表面的螢光膜片層，以產生平面型的白光光源。本結構可以設計成多片導
光板結構的組合，以形成各種不同尺寸的平板燈產品，並在光板的組合介面加入
擴散粒子層，以提高均勻照明的效果。本研究利用實驗和模擬方法，驗證了新型
平板燈架構的設計，能夠提供均勻的照明效果，不均勻度最低可以達到 41.02%。
此外，本研究提出測了擴散膜層裡的二氧化矽(SiO2)粒子濃度為 10%對光束分散
的影響最佳。以及紅、黃色螢光粉對半導體雷射發出的藍光吸收的機率使得色溫
2800K 以及演色性 78.6。為新型平板燈架構的設計提供了理論基礎。總體而言，
本研究提出的新型平板燈架構具有設計簡單、光源數量少、組裝工序少、照明效
果均勻等優點，可以為高功率白光照明產業帶來新的解決方案。
關鍵詞：半導體雷射、平板燈、擴散膜層、YAG 膜片。



英文摘要
The aim of this study is to address the issue of high temperature caused by the
concentrated energy of semiconductor laser in the phosphor packaging silicone gel of
the white light illumination architecture. A flat panel light structure is proposed using
blue semiconductor laser as a replacement for LED light sources. The design
incorporates light guide plates and diffusion film layers to evenly distribute the blue
light from the semiconductor laser on the surface of the light guide plate, which excites
the fluorescent film layer adhered to the light guide plate to produce a planar white light
source. The structure can be designed as a combination of multiple light guide plate
structures to form various sizes of flat panel light products. Diffusion particles are
added to the combination interface of the light guide plate to improve the effect of
uniform illumination. The new flat panel light structure is validated through
experimental and simulation methods, which demonstrate its ability to provide uniform
illumination. In addition, this study predicts the impact of SiO2 particle concentration in
the diffusion film layer on beam dispersion, as well as the probability of blue light
absorption by red and yellow fluorescent powders, providing a theoretical foundation
for the design of the new flat panel light structure. Overall, the proposed new flat panel
light structure has the advantages of simple design, fewer light sources, less assembly
processes, and uniform illumination, which can provide new solutions for the highpower white light illumination industry. Keywords: semiconductor laser, flat panel
light, diffusion film layer, YAG film.
Keywords: semiconductor laser, flat panel lighting, diffusion film layer, YAG film.


致謝
首先，我想向我的指導老師殷尙彬教授致上最深切的謝意。感謝他在我碩士
研究期間提供我非常多的支持和鼓勵，他的指導和教導讓我獲益匪淺。他的專業
知識和經驗對我的研究有著深遠的影響，讓我更深刻地了解到研究的重要性，並
且幫助我克服困難，成功地完成了我的碩士論文。

除此之外，我還要感謝許多老師們對我在研究和學習方面的幫助。他們的指
導和建議對我的研究有著極大的幫助。在我需要幫助時，他們總是會非常樂意地
提供幫助和支持，讓我得以克服各種困難和挑戰。
最後，我要感謝我的同學和學長們。在我研究期間，他們給予我極大的鼓勵
和支持。他們的陪伴和幫助讓我不再感到孤單和困惑，讓我的研究生活更加豐富
多彩。感謝他們的友誼和真誠的關心，讓我的碩士研究之旅充滿了美好的回憶。


總目錄

摘要....................................................................................................................................i
英文摘要...........................................................................................................................ii
致謝..................................................................................................................................iii
總目錄..............................................................................................................................iv
表目錄..............................................................................................................................vi
圖目錄..............................................................................................................................vi
第一章

緒論.................................................................................................................1

1.1

研究背景............................................................................................................1

1.2

文獻回顧............................................................................................................5

1.3


研究動機............................................................................................................8

第二章

相關理論.......................................................................................................10

2.1

半導體雷射基本特性......................................................................................10

2.2

光度學與色度學..............................................................................................11

2.2.1

光通量 ( Luminous flux) 與輝度(Luminace)..........................................11

2.2.1
CIE1931 色彩空間，色溫( Color Temperature)，演色性( Color
Rendering Index CRI).............................................................................................12
2.3

幾何光學..........................................................................................................15

2.4

模擬軟體介紹..................................................................................................17

第三章


研究結構與步驟...........................................................................................18

3.1

導光板和擴散膜片的組合結構製作流程......................................................20

3.2

螢光膜片製作流程..........................................................................................24

3.3

製作樣品的材料介紹......................................................................................26

3.3.1

藍光半導體雷射與模具的散熱...............................................................26

3.3.2

玻璃...........................................................................................................29

3.3.3

封裝膠.......................................................................................................30


3.3.4


螢光粉.......................................................................................................31

3.3.5

二氧化矽 SiO2...........................................................................................32

3.3.6

二氧化鈦 TiO2.........................................................................................33

3.3.7

製作樣品設備...........................................................................................34

3.4

量測設備介紹..................................................................................................36

3.4.1

不均勻度自動化量測系統.......................................................................36

3.4.2

光通量.......................................................................................................41

3.5

模擬軟體結構..................................................................................................43


第四章
4.1

結果與討論...................................................................................................44
光學模擬分析與討論......................................................................................44

4.1.1

光線追跡的結果.......................................................................................44

4.1.2

兩片導光板組合結構...............................................................................46

4.1.3

三片導光板組合結構...............................................................................47

4.2

製作樣品分析與討論......................................................................................49

4.2.1

兩片導光板組合結構...............................................................................49

4.2.2

三片導光板組合結構...............................................................................55


4.3

整體結果與討論..............................................................................................59

第五章

結論...............................................................................................................63

第六章

參考文獻.......................................................................................................64


表
表 2.1 常見的平均演色性評價表..................................................................................14
Y 表 3.1 半導體雷射的功率設定………………….………………………………………………..2
圖 1.1 BMW 為頭車燈配備了半導體雷射光源[1].........................................................2
圖 1.2 LED 高功率操作下會發生效率下降圖 [2].........................................................3
圖 1.3 本研究所使用(a)LED 平板燈照片(b)導光板結構照片.......................................4
圖 1.4 用於產生高亮度、低光學擴展量白光的評估光學/熱配置示意圖。[3]..........5
圖 1.5 三種顏色螢光粉的製作過程示意圖。 [4]..........................................................6
圖 1.6 全內反射藍光照射光波導。[5]............................................................................7
圖 1.7 本研究所使用的半導體雷射與導光板結構的組合 (a)上視圖、(b)側視圖.....8
圖 1.8 本研究所使用的半導體雷射與導光板整體結構的組合....................................9
Y 圖 2.1 本研究所使用半導體雷射的基本特性(a)半導體雷射結構圖(b)半導體雷射
諧振腔原理 [6]
…………………………………………………………………………………………..10

圖 2.2 明視覺與暗視覺 [7]............................................................................................11
圖 2. 3 1931 色度座標 [8]..............................................................................................13

圖 2. 4 參考色溫顯示圖 [9]...........................................................................................13
Y 圖 3.1 本研究提出的(a)兩片導光板結合結構示意圖(b)三片導光板結合結構示意
圖

…………………………………………………………………………..………………………….19

圖 3.2 製作樣品三片導光板結合結構的照片(a)不放螢光膜片(b)未點亮(c)點亮.....19
圖 3.3 製作樣品三片導光板結合結構的照片(a)不放螢光膜片(b)未點亮(c)點亮.....20
圖 3.4 導光板和擴散膜片的組合製作流程圖..............................................................22
圖 3.5 實際樣品(a)擴散膜片(b)導光板和擴散膜片的組合.........................................22
圖 3. 6 塗反射層製作流程圖.........................................................................................24


圖 3.7 導光板和擴散膜片組合圖上擴散層實際樣品..................................................24
圖 3.8 螢光膜片製作流程圖..........................................................................................26
圖 3.9 螢光膜片實際樣品(a)冷白(b)中性白(c)暖白.....................................................26
圖 3.10 本研究模擬的結果(a)半導體雷射發光分佈模擬圖(b)設計散熱圖...............28
圖 3.11 本研究使用的半導體雷射(a)波長圖(b)發光角度圖 [11]..............................29
圖 3.12 本研究所使用的玻璃 SCHOOT B270..............................................................30
圖 3.13 本研究所使用的封裝膠 184 A-B 封裝膠.......................................................31
圖 3.14 圖本研究所使用的螢光粉(a)RR6436 紅粉 (b)NYAG4454-EL 紅粉............32
圖 3.15 本研究所使用的二氧化矽 SiO2........................................................................33
圖 3.16 本研究所使用的二氧化鈦 TiO2........................................................................34
圖 3.17 本研究所使用的離心脫泡機............................................................................35
圖 3.18 本研究所使用的抽真空系統............................................................................36
圖 3.19 本研究所使用的烤箱........................................................................................36
圖 3.20 本研究量測結構示意圖(a)側視角(b) 前側視角..............................................37
圖 3.21 單片導光板量測位置........................................................................................38
圖 3.22 不均勻自動化量測系統(a)功率光里畫面(b)自動量測畫面...........................39
圖 3.23 本研究所使用的輝度計....................................................................................40

圖 3.24 本研究所使用的步進馬達................................................................................40
圖 3.25 本研究所使用的電源供應器............................................................................41
圖 3.26 光通量量測系統................................................................................................42
圖 3.27 本研究所使用的 150cm 積分球........................................................................43
圖 3.28 本研究所設計模擬結構圖(a)兩片導光板組合結構(b)三片導光板組合結構
.................................................................................................................................44
Y 圖 4.1 光缐追跡的結果(a)兩片導光板結合結構(b)三片導光板結合結構……...……
46


圖 4.2 兩片導光板組合結構照度分佈模擬結果圖(a)擴散膜片之 SiO2 濃度為 0% (b)
擴散膜片之 SiO2 濃度為 10%(c)擴散膜片之 SiO2 濃度為 20%...........................48
圖 4.3 三片導光板組合結構照度分佈模擬結果圖(a) 擴散膜片之 SiO2 濃度為 0% (b)
擴散膜片之 SiO2 濃度為 10% (c) 擴散膜片之 SiO2 濃度為 20%.........................50
圖 4.4 兩片導光組合結構之樣品點亮圖......................................................................51
圖 4.6 量測結果的照度分佈圖(a)擴散膜片之 SiO2 濃度為 0%(b)擴散膜片之 SiO2 濃
度為 10%(c)擴散膜片之 SiO2 濃度為 20%............................................................53
圖 4.5 兩片導光組合結構的藍光不均勻度與擴散濃度之關係..................................54
圖 4.7 擴散膜片之 SiO2 濃度為 10%的(a)白光樣品點亮(b)藍光與白光不均勻度比較
圖.............................................................................................................................56
圖 4.8 三片導光組合結構之樣品點亮圖......................................................................56
圖 4.9 量測結果的照度分佈圖 (a) 擴散膜片之 SiO2 為 0%(b)擴散膜片之 SiO2 為
10%(c)擴散膜片之 SiO2 為 20%............................................................................57
圖 4.10 為三片導光組合結構的藍光的不均勻性與擴散濃度之關係........................58
圖 4.11 擴散膜片之 SiO2 濃度為 10%的(a)白光樣品點亮(b)藍光與白光不均勻度比
較圖.........................................................................................................................59
圖 4.12 光通量與螢光粉濃度之關係(a)兩片導光板組合結構(b)三片導光板組合結構
.................................................................................................................................60
圖 4. 13 藍光的模擬與製作樣品不均勻度比較圖.......................................................61
圖 4. 14 不同螢光粉濃度演色性比較圖.......................................................................62



第一章 緒論
一.1

研究背景

21 世紀初期，以發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）為主的固態照明已
經成為全球照明的主流。原因是 LED 的優點非常多，如 LED 的壽命比傳統燈泡
長，並且可以在不同的溫度和濕度下使用；LED 不像傳統燈泡會發熱，可有效降
低意外事故的發生。LED 不像傳統燈泡會發熱，可有效降低意外事故的發生。相
比之下，傳統燈泡在發光過程中會產生大量熱量，可能導致灼傷和燒傷的危險；
LED 相較於傳統燈具有無汞和無紫外線等特性，符合綠色環保的概念；LED 可以
藉由控制亮度和顏色來實現多樣化的照明需求；相對於傳統照明設備，LED 可以
把電能轉換為光能效率較高。LED 體積小、重量輕且簡單易用。也因此以 LED
為主的固態照明逐漸成為目前照明領域中最重要的光源。而對於照明而言，所使
用的為白光 LED。現有的白光 LED 主要的製造技術為藍色 LED 晶粒激發釔鋁石
榴石( Yttrium Aluminium Garnet ，YAG )黃色螢光粉產生白光，這是目前白光
LED 照明中常見的技術。YAG 黃色螢光粉是一種具有高轉換效率的螢光粉，可
以將藍光轉換為黃光。當藍色 LED 激發 YAG 黃色螢光粉時，光子會被吸收並激
發螢光粉會發射出黃色光，與藍光混合後就會形成白光。這種方式相比傳統的白
熾燈泡，不僅具有更長的壽命和更高的能效，而且可以調節發光強度和色溫，讓
人們在不同場合下有更好的光照體驗。
而在固態照明光源中，另外一個光源為半導體雷射 (Laser Diode, LD)。相對
於其他光源，半導體雷射體積非常小，可將其製造成微型化甚至是納米級的大小 ，
這種尺寸的半導體雷射可以應用於微電子學、生物醫學、光電通信等多個領域。
半導體雷射的光輸出穩定性非常高，波長、功率和頻率都是穩定的，且可調節範


圍從紫外線到紅外線，這使得它們在雷達、光學通信和工業加工等領域得到廣泛

的應用。半導體雷射的光輸出非常容易控制，可以很容易地調整波長、頻率和功
率。此外，閥值電流（開啟雷射的最小閥值電流）非常低，調整閥值電流可以方
便地控制雷射的輸出功率，從而獲得所需的光功率。而相較於 LED，半導體雷射
具有更佳的光線準直性，也因此在 2015 年 BMW 為車頭燈配備了半導體雷射光源
該結構的原理與傳統白光 LED 類似，亦即使用半導體雷射藍光打在填充了螢光粉
的透鏡將其聚焦而產生高強度白光。藉由這樣的結構 BMW 的半導體雷射車燈達
到照明距離超過 600m，比 LED 光源的好命效果根遠，且能源效率提高了 30%，
如圖 1.1 所示。

圖 1.1 BMW 為頭車燈配備了半導體雷射光源[1]
另一方面，LED 在高電流或是高功率操作下會發生效率下降（ Efficiency
Droop），如圖 1.2 所示，這種現象稱為效率損失，而半導體雷射在高功率操作的
狀況下仍然能夠維持較高效率。半導體雷射在高電流或是高功率操作下仍能保持
幾乎穩定的性能和較小的照射角度，能在小面積發出亮度極高的光線。因此半導
體雷射更適合使用在高功率與高電流操作的狀態，更適合用在高亮度照明的應用。


圖 1.2 LED 高功率操作下會發生效率下降圖 [2]
而在照明領域中，一般室內照明或是辦公室照明也是重要的一環。而隨著
LED 逐漸進入一般照明領域，目前辦公場所或學校照明開始逐漸使用 LED 平板
燈。 LED 平板燈是由多個 LED 和導光板組成，如圖 1.3 所示。這種 LED 平板燈
通常比傳統的使用日光燈的格閘燈更省電並可以提供更清晰與明亮的，這對於辦
公場所和學校相當重要，另外由於 LED 平板燈相對輕便，容易安裝，因此可以在
任何地方使用，可更節省能源和降低照明成本。


圖 1.3 本研究所使用(a)LED 平板燈照片(b)導光板結構照片
但是 LED 平板燈需要使用大量的 LED，因此需要更好的電路配置和熱管理方
面。此外，如果 LED 平板燈的設計不佳，將造成光線分佈不均，而容易出現光斑
和暗區。在安裝和維護方面，LED 平板燈也比較複雜，需要專業的人員進行安裝

維護。為解決這些問題，本研究將使用數量較少的半導體雷射來取代 LED，以降
低平板燈中光源使用的數量。另外考量到平板燈可能需要具備不同的燈具尺寸，
因此本研究將會設計利用多片導光板結構的組合，達成利用小片的導光板組成各
種不同尺寸平板燈光源的設計。我們希望這樣的設計可以降低一般平板燈中 LED
使用數量過多的問題。而多片導光板結構的組合，還可以簡化設計和組裝工序，
以提供更多元的平板燈尺寸選擇。


一.2

文獻回顧

照明在我們的生活中是不可缺的一部分，而以 LED 為主的固態照明在這一領
域處於領先地位。LED 的本質是自發輻射， 自發發射會向各個方向均勻分佈發
光，輸出光強度不高；半導體雷射是受激發射。而受激發射時集中在一個方向，
藉由強度很高的光輸出，半導體雷射在對於大功率照明應用方面會比 LED 更合適。
但是目前市售的白光 LED 在進行螢光粉封裝時所用的矽膠通常不能長時間承受高
溫， 所以在半導體雷射激發黃光螢光粉產生白光的結構中如果利用這類型的矽
膠進行螢光粉的封裝，將會因為半導體雷射高強度和聚焦光束的情況下會造成矽
膠的損壞。上述問題的解決方法在近年來持續被討論，這些方法包括了利用耐高
溫的玻璃或陶瓷材料作為螢光粉的封裝材料，以及利用特殊的光學架構以避免高
強度的雷射光打在封裝矽膠上。
2022 年 2 月，在《Transactions on Electron Devices》研究論文中，科學家們
使用半導體雷射光源產生極高強度的白光，並使用藍寶石材料封裝螢光粉以增加
鋁模組的散熱效果。研究人員藉由使用透鏡將光束聚焦到螢光粉上，即使只使用
極少量的螢光粉，也能產生 209MCd/m2、20000 lm 的白光，如圖 1.4 所示。


圖 1.4 用於產生高亮度、低光學擴展量白光的評估光學/熱配置示意圖。[3]



2022 年 5 月，在《Transactions on Electron Devices》期刊上發表一篇研究論
文，使用了不同的無矽封裝技術，解決了上述問題，並且能量損失也很小。該研
究使用了三種不同顏色的螢光粉，即黃、綠、紅三種顏色，並將其封裝在高導熱 、
耐高溫的藍寶石材料中。該材料經高溫高壓加工後形成一個整體，如圖 1.5 所示，
並在論文中提出微調三種螢光粉的比例可以提高發光效率和顏色特性。由於使用
了半導體雷射，其波長窄度很小，因此調整螢光粉的比例對於提高轉換效率非常
重要。

圖 1.5 三種顏色螢光粉的製作過程示意圖。 [4]


2016 年台科大的研究團隊利用半導體雷射在 光波導（Light Guide）內
的全內反射間接照射螢光粉形成遠反射型螢光結構，如圖 1.6 所示。這種結構解
決了過度集中的半導體雷射光束對於封裝矽膠造成的損傷。但是這樣的結構相當
複雜，而且由於半導體雷射發出的藍光間接照射在螢光粉上，造成了較大的能量
損失。

圖 1.6 全內反射藍光照射光波導。[5]


一.3

研究動機

為了解決半導體雷射激發白光照明架構中螢光粉封裝用矽膠無法承受半導體
雷射過於集中的能量照射所造成的高溫，本研究提出一種使用藍光半導體雷射來
取代 LED 的平板燈架構，該半導體雷射所發出的藍光利用光線在前方導光板的全
內反射而均勻散佈在導光板表面，藉此激發黏貼在導光板上表面的螢光膜片層，
以產生平面型的白光光源，如圖 1.7 所示。


圖 1.7 本研究所使用的半導體雷射與導光板結構的組合 (a)上視圖、(b)側視圖

而本結構中的導光板可設計成多片導光板結構的組合，以形成各種不同尺寸
的平板燈產品。這種多片導光板結構組合的平板燈結構可以在簡單的設計和組裝
工序下，提供更多元的平板燈尺寸選擇。然而為了讓多片導光板結構組合的半導
體雷射白光平板燈能提供均勻的照明，需要在光板的組合介面需要有足夠的擴散
效果。本研究主要利用夾在導光板間的擴散粒子(SiO2)層改變在不同導光板間行
進光線的方向，將光引導到導光板中半導體雷射光源發光角無法涵蓋的區域。另

外會在導光板其他的區域塗一層反射層(TiO2 成分)，以減少光線在導光板內的光