具有聚合物長通反射器的基於螢光粉的光源的製作方法

2023-10-07 03:41:44 2

專利名稱：具有聚合物長通反射器的基於螢光粉的光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及光源。更具體地說，本發明涉及這樣一種光源，其中從發光二極體(LED)發射的光照射到螢光材料上並激發螢光材料，該螢光材料進而發出可見光。
技術討論利用發光二極體(LED)的白光源可以有兩種基本結構。在一種本文中稱之為直接發光式LED的基本結構中，通過不同顏色的LED直接發光而產生白光。例子包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的組合，以及藍色LED和黃色LED的組合。在本文中稱之為基於LED-受激螢光粉的光源(PLED)的另一種基本結構中，單個LED產生的光束處於較窄的波長範圍內，該光束照射到螢光材料上並激發螢光材料產生可見光。該螢光粉可以包含不同種類的螢光材料的混合物或複合物，並且由螢光粉發出的光可以包括分布在整個可見光波長範圍的多條窄的發射線，使得所發出的光在人類的肉眼看來基本上呈白色。
PLED的一個例子是照射螢光粉的藍色LED，所述螢光粉將藍色轉變為紅色和綠色波長。部分藍色激發光不會被螢光粉吸收，而這部分殘餘的藍色激發光與螢光粉發出的紅光和綠光混合起來。PLED的另一個例子是照射螢光粉的紫外(UV)LED，所述螢光粉吸收UV光並使其轉變為紅、綠和藍光。
白光PLED優於直接發光式白LED之處在於，其具有更好的與設備老化程度和溫度相關的色彩穩定性，以及更好的不同批次之間以及不同設備之間的色彩一致性/重複性。不過，PLED會不如直接發光式LED有效率，部分原因在於螢光粉吸收光和再發光過程中的低效率。
白光PLED可以包括位於反射式熱沉中的UV發射半導體晶片(晶片)。該反射式熱沉也可以用來部分地校準UV光。所述UV光對含螢光粉的層的下側進行照射，該含螢光粉的層吸收至少一部分UV光並發射多個波長在可見光區域的光，以便提供在普通觀看者看來基本呈白色的光源。圖1顯示了這種PLED 10的一種結構。該PLED包括安裝在導電熱沉14的凹井中的半導體的LED 12，該熱沉也向螢光粉反射器組件16反射一些從LED 12發出的光。該組件16可存在於光學透明封裝材料18中，該光學透明封裝材料可被製成具有透鏡外形20的形狀以調整由PLED 10發出的光。在圖2中更詳細地顯示出螢光粉組件16。以粘合劑將一種或多種螢光材料混合起來而使螢光粉形成層22。反射UV激發光而透射可見發射光的長通(LP)反射器24可以放在螢光層22的上表面上。反射可見光而透射UV光的短通(SP)反射器26可以放在層22的底部。
對於給定的螢光粉濃度，螢光層的最佳厚度是有效吸收UV光(傾向於光學上的厚螢光層)與有效發射可見光(傾向於光學上的薄螢光層)之間的折衷。此外，由於UV光的強度在螢光層22的底部最大，且有用光從螢光層22的頂部分離出來，因此螢光層22的厚度增大至超過最佳厚度將迅速降低整個PLED的輸出和效率。
LP反射器24和SP反射器26的存在能提高PLED 10的效率。LP反射器24把沒有被螢光層22吸收而可能會被浪費掉的UV光反射回螢光層22。這增加了透過螢光層的UV光的有效光程長度，對於給定的螢光層厚度提高了被螢光粉吸收的UV光的量。因此與沒有LP反射器24的結構相比，可以減小最佳的螢光層厚度，提高發光效率。
PLED中的另一顯著損失是由於螢光層中方向未受控制的發光，導致螢光層22中發出的可見光中一半被導回到LED。這些光中的一部分可以通過反射離開熱沉的斜壁而被捕獲，但這些光中的大部分被散射、吸收或質量降低。如圖所示，通過把SP反射器26放在LED 12和螢光層22之間可以減少該損失。
進一步提高PLED結構的效率是很有利的。簡化PLED的製造並降低製造成本也是很有利的。
發明概要本發明披露了針對濾光元件(即LP和SP反射器)而利用聚合物多層光學膜的PLED。這些多層光學膜包括單獨的光學層，至少其中某些可以是雙折射的，在膜厚方向排列成光學重複單元。相鄰的光學層具有這樣的折射率關係，即保持反射率並避免中高入射角的p-偏振光洩漏。SP反射器包括具有厚度梯度的光學重複單元，所述厚度梯度產生能反射由螢光粉發出的可見光並透射UV激發光的反射波段。LP反射器包括具有不同厚度梯度的光學重複單元，所述厚度梯度產生能反射UV激發光並透射由螢光粉發出的可見光的反射波段。作為PLED的組成部分，一個或多個聚合物多層光學膜可以是平面結構或至少一個膜可以被模壓加工或者被製成曲面，無論是球面、拋物面、橢圓面或其他形狀都可以。
還披露了製造PLED的方法，這些方法包括形成具有至少一個聚合物多層光學膜以及螢光層的薄片材料。在有些情況下螢光粉可以夾在兩個聚合物多層光學膜(一個為SP反射器，另一個為LP反射器)之間。在另一些情況下螢光層可以只設置在一個聚合物多層光學膜上。一個或多個聚合物多層光學膜和螢光層形成螢光層-反射器組件。可以將所述薄片材料切成螢光層-反射器組件的各個獨立的小片，隨後將該小片放入透明封裝材料中或注模成第一光學元件，然後再與分開製造的LED元件結合起來。薄片材料可以包括支撐膜，以便以方便的卷形式來保持和儲存螢光粉-反射器組件的小片，直至需要使用。可以通過把含有LED的下面部分與含有螢光粉-反射器組的上面部分連接起來而製成PLED。在有些情況下也可以對所述薄片材料進行模壓加工。
本說明書披露了PLED的實施例，其中曲面LP反射器與螢光層分開放置，或至少與該螢光層的中間明亮部分分開放置，從而使沒有被螢光層吸收的任何UV激發光以有限的入射角範圍照射LP反射器並更有效地反射回螢光層。
本申請披露了利用與多層光學膜和螢光層接近的氣隙來促進全內反射的PLED實施例。
本申請披露了利用非成像會聚元件組合來提高LP和/或SP反射器的性能的PLED實施例。
本申請還披露了PLED的另一實施例，其中LED、LP反射器和螢光層的排列布置，使得來自LED的激發光直接反射到螢光層前主表面上。
下面的詳細說明將進一步闡明所披露的實施例的上述這些方面以及其他方面。不過，無論如何不應把以上概括解釋為對所要求保護的主題的限制，該主題只通過所附的權利要求來確定，在申請過程中可能會對權利要求進行修改。


對於附圖的參考貫穿說明書全文，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1是基於受LED激發的螢光粉的光源(PLED)的示意性截面圖；圖2是在圖1所示的光源中使用的螢光粉-反射器組件的截面圖；圖3表示含有呈薄片形式並被細分成各個獨立的小片的螢光粉-反射器組件的卷形物；圖4是顯示位於支撐膜上的螢光粉-反射器組件的各個獨立的小片的示意性截面圖；圖5-7是可選的PLED結構的示意性截面圖；圖8表示另一種PLED結構的一部分；圖9是另一種PLED結構的示意性截面圖；圖10是另一種PLED結構的示意性側視圖，其中與圖9的實施例一樣，利用了前表面照射。
圖11是設置了非成像會聚元件的另一種PLED結構的示意性側視圖；
圖12是圖11的一部分的近距視圖；圖13-14是圖1光源所用的螢光粉-反射器組件結構的其它實施例的示意性截面圖；圖15是基於螢光粉的光源兩部分元件系統的示意性截面圖；圖16是例1和例2的光強度譜曲線圖；圖17是例3、例4和例5的光強度譜曲線圖；圖18是例6、例7和例8的光強度譜曲線圖；以及圖19是例9和例10的光強度譜曲線圖。
具體實施例方式
儘管如圖1-2所示使用LP反射器24和SP反射器26兩者或兩者之一都可以提高系統效率，但由於一些反射器的光譜選擇性差以及在傾斜入射角度的反射率低，這種提高是有限的。基於散射過程的LP反射鏡或濾波器能獲得相對穩定的與入射角相關的性能，但光譜選擇性低。由無機介電材料堆疊構成的LP和SP反射鏡在窄的入射角範圍內可以有良好的光譜選擇性，但又存在隨著入射角而發生光譜藍移以及在中高入射角度上p-偏振光的反射率低(透射率高)的問題。由於螢光粉粒子散射UV激發光，並在寬的角度範圍內發射它們自己的光，因此傳統的LP和SP反射鏡不能高效地把光控制在螢光粉-反射器組件以內。
PLED的性能可以通過使用聚合物多層光學膜來提高，該多層光學膜具有至少第一和第二聚合物材料的數十、數百或數千的交替疊置層，對所述第一和第二聚合物材料的厚度和折射率加以選擇以獲得在所需光譜範圍內的理想反射率，比如反射波段限定為UV波長或反射波段限定為可見波長。例如，參見美國專利No.5882774(Jonza等)。與由無機各向同性材料疊層結構產生的有關藍移類似，這些薄膜產生的反射波段也隨著入射角的增大而發生藍移，但可以這樣處理聚合物多層光學膜，使得一對相鄰的層在薄膜法向z軸上具有匹配或接近匹配或者有意不匹配的折射率，從而使相鄰層間的各個界面對p-偏振光的反射率隨著入射角而緩慢地減小，或者基本上與入射角無關，或者隨著入射角偏離法向而增大。因此，這種聚合物多層光學膜即使在高度傾斜的入射角度上也能對於p-偏振光保持高的反射度，與傳統的無機各向同性堆疊反射器相比減少了透過反射膜的p-偏振光。為了獲得這些特性，選擇聚合物材料和工藝條件，使得每一對相鄰的光學層沿z軸(平行於膜厚)的折射率差不大於沿x或y(平面內)軸的折射率差的分數，該分數為0.5、0.25、或甚至0.1。另外，沿z軸方向的折射率差還可以與平面內折射率差的符號相反。
使用聚合物多層光學膜還使得各種各樣的新型PLED實施例以及構造方法成為可能，因為這些薄膜具有柔韌性和可成形性，無論它們是否還具有上述折射率關係。例如，聚合物多層光學膜可以通過模壓加工、加熱成形或其他已知方法永久地變形成三維形狀，比如拋物面、球面或橢圓面的一部分。請參見普通公開申請US2002/0154406(Merrill等)。關於其他聚合物多層膜的實施例，還請參見美國專利No.5540978(Schrenk)。與通常一層接一層地蒸鍍到剛性易碎的基底上而形成的傳統的無機各向同性堆疊結構不同，聚合物多層光學膜可被製成大體積的卷形，也能被層疊到其他薄膜上並覆以塗層，且能夠被衝壓或細分成小片以便加入到光學系統如PLED中，如下文將要進一步說明的那樣。細分聚合物多層光學膜的方法在2002年10月10日提交的序列號為No.10/268,118的待批美國申請中有所披露。
多種聚合物材料都適於用在針對PLED的多層光學膜中。不過，特別是在含有與UV LED激發源結合的白光螢光粉發射器的PLED中，多層光學膜優選地包含由暴露於UV光下時能抗退化的材料構成的交疊聚合物層。關於這方面，尤其優選的聚合物對是聚對苯二甲酸乙二酯(PET)/共聚甲基丙烯酸甲酯(co-PMMA)。聚合物反射器的UV穩定性也能通過加入非UV吸收性光穩定劑如受阻胺光穩定劑(HALS)來提高。在有些情況下聚合物多層光學膜還可以包括透明的金屬或金屬氧化物層。參見例如PCT公開WO97/01778(Ouderkirk等)。極高強度UV光甚至能使堅硬的聚合物材料複合物發生不可接受的退化，在使用這種極高強度UV光的應用中，使用無機材料來形成多層堆疊結構可能是有益的。該無機材料層可以是各向同性的，或者可以被製成具有雙折射性，如PCT公開WO01/75490(Weber)所述，從而具有如上所述的能產生增強的p-偏振光反射率的有益的折射率關係。不過，在大部分情況下多層光學膜基本上完全用聚合物而不用無機物材料製成是最便利也最節約成本的。
圖3表示薄片材料30形成的卷，該材料包含至少一個聚合物多層光學膜以及塗覆在該多層光學膜上的基本均勻的螢光層。薄片材料也可以包含以下述方式施加在其上的第二聚合物多層光學膜，即，螢光層夾在第一和第二聚合物多層光學膜之間，如圖2所示。還可以包含提供所希望的機械、化學和/或光學特性的附加的層和塗層。參見美國專利No.6,368,699(Gilbert等)。薄片材料30還優選地包括支撐膜。薄片材料通過機械手段(例如，刀)、精密衝切或通過如上述待批申請No.10/268,118所描述的掃描雷射射線來壓邊切削。壓邊切削線界定薄片材料上分立的小片32，但支撐膜保持完整。小片32可以有類似於如圖2所示的橫截面結構，並可以是任意小的尺寸。它們由位於其下的如圖4所示的支撐膜34方便地支撐著。在PLED的製造過程(該過程獨立於LED光源的構造過程)中，可將小片32從支撐膜上移走並放置在各個單獨的模子中，而該模子中將要添加或事先已經添加了封裝材料，以便形成如圖1所示的PLED，但其中反射器元件使用聚合物多層光學膜。
圖5-7表示利用凹形多層光學膜LP反射器的PLED的可選結構。使LP反射器與螢光粉分開設置並使其彎向螢光粉和LED 12有助於減小照射在LP反射器上的激發光的入射角，從而減少上述藍移效應所導致的透過LP反射器的UV光洩漏。在放入透明介質18中以前，優選將多層光學膜通過模壓加工或其他適當的工藝永久地變形成適當形狀的凹面。多層光學膜，無論LP還是SP，都是它們各自反射波段內的鏡面反射器。從多層光學膜的漫反射通常忽略不計。
圖5中，PLED 40包括較小面積的螢光層42，該螢光層設置在可有可無的、由聚合物多層光學膜組成的SP反射器44上。LP反射器46已被模壓加工成了凹形並設置在螢光粉-反射器組件的其他元件(42，44)附近。將LED 12和熱沉14布置成使LED發出的UV激發光導向螢光層42的中間部分。優選地，UV光對螢光層42的中部或其附近影響最大。在其初次穿過螢光層42時沒有被吸收的UV光在被LP46反射回螢光層之前先通過LP反射器46與螢光層42之間的區域48。該區域48可以由透明封裝材料18構成，或可選地由其他聚合物材料、或空氣(或其他氣體)、或者玻璃構成。優選地將LP反射器46製成一定的形狀，以使反射回螢光粉的UV激發光量最大化。
圖6表示類似於PLED 40的PLED 50，但PLED 50中螢光層52、SP反射器54以及LP反射器56的尺寸增大了。對於從LED 12到螢光層的給定距離和相同的熱沉14的幾何形狀，LP反射器56越大，光在螢光層中部的會聚程度就越高。螢光層中央發光區越小代表從螢光粉發出的光到LP反射器表面的入射角範圍越小，從而提高了整個PLED的效率。如前所述，區域58可以由封裝材料18或其他聚合物材料或空氣(或其他氣體)或玻璃構成。
如圖7所示，PLED 60類似於PLED 50，但PLED 60中LP反射器66也成為了光源的外表面。區域68可以填充封裝材料18或其他透明介質。
圖5-7中所示的螢光層可以是連續的，或者被製成將螢光粉限定在最有效區域的樣式。此外，在圖1和圖5-7所示以及其他實施例中，螢光粉-反射器組件設置在LED上方並與LED分開設置，因而PLED可以分成兩部分來製造一部分包含帶有熱沉的LED，另一部分包含螢光層和多層反射器。這兩部分可以分別製造，然後連接或者緊固在一起。這種製作技術有助於簡化加工並提高總產量。
圖8表現了能夠有益地應用到本文所述的其它實施例中的構思在LED和螢光層之間設置氣隙，和/或在螢光層-反射器組件的一個或多個元件附近設置氣隙。為簡化說明起見，只在圖中示出了PLED的一些元件。圖中顯示，氣隙70在LED 12和螢光層72之間，與多層光學膜SP反射器74鄰近。該氣隙對於從LED到達螢光層的UV光的有害影響極小，因為UV光從LED到達螢光層的角度相對較小。但對於以大的入射角傳輸的光，例如在SP反射器、螢光層和LP反射器內傳輸的光，該氣隙能使光發生全內反射(TIR)。在圖8所示的實施例中SP反射器的效率通過使反射器74在下表面上產生的TIR來提高。可選地，可以除去SP反射器74而在螢光層72下面直接形成氣隙。該氣隙還可以在螢光層72的上方形成，或鄰近LP反射器的上表面或下表面形成。一種提供氣隙的方法涉及已知的微結構薄膜的使用。這類薄膜具有與微結構表面相對放置的基本上平的表面。該微結構表面的特徵在於單一一組線性V形槽或稜鏡，構成微型錐體陣列的V形槽的多個相交的組，一組或多組狹脊，等等。當這種薄膜的微結構表面靠著另一平的薄膜放置時，在微結構表面的最高的部分之間形成氣隙。
當螢光粉把一個波長(激發波長)的光轉變為其他波長(發射波長)時會發熱。在螢光粉附近的氣隙可以顯著降低從螢光粉到周圍材料的熱傳導。降低的熱傳導可以通過其他方式來補償，比如通過在螢光層附近設置能橫向除熱的玻璃層或透明陶瓷層。
提高PLED的效率的另一種方法是設置LED、螢光層以及LP反射器，以使至少一部分來自LED的UV光由LP反射器直接反射到螢光層的頂(可視)面上，而不是把所有的UV光都引導到螢光層的底面上。圖9表示了這種PLED 80。熱沉14』相對上述實施例進行了修改以便LED 12和螢光層82能夠基本共面地安裝。SP反射器顯示為在螢光層的下面，但在許多情況下不需要這樣。這是因為被模壓加工成凹橢圓體形或類似形狀的LP反射器86將UV激發光直接從LED引導到螢光層82的上表面上，該表面面對PLED 80的前面。LED和螢光層優選地設置在所述橢圓體的焦點上。螢光層發出的可見光由LP反射器86透射並由PLED體的圓形前端會聚以形成希望的形式或可見(優選的是白色)光。
把激發光直接導至螢光層的前表面有很多好處。螢光層最亮的部分——在這裡激發光最強——現在可以暴露在器件的前面而不會因穿過螢光層的厚度而模糊不清。螢光層基本上可以製得更厚以便吸收基本上所有的UV激發光，而無需考慮上面提及的厚度/亮度的折衷。螢光粉可以設置在寬帶金屬反射鏡上，該金屬反射鏡包括銀或強化鋁。
圖10示意性地表示另一PLED實施例，其中LED光照射螢光層的前表面，但其中一些LED光也照射後表面。在該實施例中，LED12發出的一部分光照射在螢光層92的後表面上，但一些LED的光也從凹形LP反射器96反射以照射螢光層92的前表面而不透過螢光層。然後，螢光層92發出的可見光向著觀看者或要照明的物體穿透過LP反射器96。LED、螢光層以及LP反射器都可以插入或連接到如前面實施例所示的透明封裝材料介質中。
圖11示意性地表示另一PLED實施例，其中設置有非成像會聚元件組合以便提高多層光學膜的操作性能。具體地講，如該圖所示在LED 12、SP反射器104、螢光層102和LP反射器106之間設有會聚元件100a、100b、100c。該會聚元件具有使照射到多層反射器上的光的角分布減小、從而減少上述反射波段的藍移的作用，所述藍移在上文結合圖5-7已經描述過。該會聚元件可以是具有平的側壁的簡單錐體的形式，或者側壁可以具有根據光的傳輸方向能增強準直或聚焦作用的已知的更複雜的曲面形狀。在任何情況下會聚元件的側壁是反射式的，而兩端(一端小，一端大)則不是。在圖11中，LED 12設置在會聚元件100a的小端。會聚元件100a收集由LED發出的寬角度範圍的光，在光傳播到會聚元件100a的大端時該範圍會縮小，在該大端處安裝有SP反射器104。UV激發光透過SP反射器併到達會聚元件100b，該會聚元件使光會聚到螢光層102上(雖然增大了光的角分布)。螢光層102向下發出的寬角度範圍的可見光被會聚元件100b在SP反射器104上轉變為窄角度範圍，在該SP反射器104上被向上反射回螢光層102。其間，透過螢光層102而洩漏的UV光以及由螢光層102向上發射的可見光最初具有寬的角分布，但被會聚元件100c轉變為較小的角分布，結果，LP反射器106使由螢光粉發射的可見光更好地透過而將UV光反射回螢光層。
為儘可能多地捕獲LED激發光，會聚元件100a的小端可以具有凹穴以便至少捕獲一些由LED側面發出的光，如圖12所示。
本文中披露的實施例可以運用各種各樣的螢光材料。螢光材料通常是無機成分的組合，具有300-450納米範圍內的激發光波長以及可見光波長範圍內的發射光波長。在螢光材料具有窄的發射波長範圍的情況下，可配製螢光材料混合物，以便獲得觀看者所感覺到的希望的色彩平衡，例如配製發紅光、綠光以及藍光的螢光粉的混合物。具有較寬發光波段的螢光材料對於獲得具有相對較高的彩色再現率的螢光粉混合物很有用。理想地，螢光粉應具有快速的輻射衰減速率。螢光粉混合物可以包含分散在粘合劑(例如，環氧樹脂、膠粘劑或聚合物基體)中的1-25微米大小範圍內的螢光粉粒子，而所述粘合劑可以塗在基底例如LED或薄膜上。將大約300至470nm範圍內的光轉變成更長波長的光的螢光粉是現有技術中公知的。例如，參見由英國埃塞克斯的螢光粉技術有限公司(Phosphor Technology Ltd.)提供的螢光粉系列。螢光粉包括摻雜了稀土的石榴石、矽酸鹽和其他陶瓷材料。本文中所用的術語「螢光粉」還可以包括有機螢光材料，包括螢光染料和顏料。優選的是在300-470nm的輻射下具有高穩定性的材料，尤其是無機螢光粉。
部分術語表LED發光二極體，無論是可見光、紫外光還是紅外光，且無論相干光還是非相干光。本文中所用的術語包括作為「LED」市售的不相干(且通常便宜的)環氧樹脂封裝的半導體器件，無論是傳統的還是超輻射類型。本文中所用的該術語還包括半導體雷射二極體。
可見光可被人類肉眼察覺的光，一般在大約400至700nm的波長範圍內。
光學重複單元(「ORU」)在垂直多層光學膜的厚度方向重複的至少兩個獨立層形成的堆疊結構，而對應的重複層不需要有相同的厚度。
光學厚度給定主體的物理厚度乘以它的折射率。一般情況下，這是波長和偏振態的函數。
反射波段較高反射率的光譜區域，其兩側均為較低的反射率區域。
紫外光(UV)波長在大約300至大約400nm範圍內的光。
白光刺激人眼中的紅色、綠色和藍色傳感器而使普通觀察者會覺得呈現「白色」的光。這種光可以偏紅色(通常是指暖白光)或偏藍色(通常是指冷白光)。這種光可有達100的色彩再現率。
進一步討論本文中所述的幹涉反射器包括由有機材料、無機材料或有機與無機材料的複合物形成的反射器。幹涉反射器可以是多層幹涉反射器。幹涉反射器可以是柔性幹涉反射器。柔性幹涉反射器可以由聚合材料、非聚合材料或聚合與非聚合材料構成。示例性的薄膜包括美國專利No.6,010,751和No.6,172,810以及EP733,919A2所披露的聚合與非聚合材料。
本文中所述的幹涉反射器可以由柔性、塑性或可變形材料構成，自身可以是柔性、塑性或可變形的。這些幹涉反射器可以彎曲到具有能與傳統的LED一起使用的半徑，即，半徑為從0.5至5mm。這些柔性幹涉反射器可以彎曲並仍保留其彎曲前的光學特性。
可考慮使用已知的自組裝周期性結構(比如，膽甾型反射偏振器和某些嵌段共聚物)來製作用於這一應用目的的多層光幹涉器。膽甾型反射鏡可以利用左、右手性螺距成分的組合來製作。
在說明性實施例中，部分透過所有藍光波長的長通濾波器可與薄的黃色螢光層聯合使用，以便將LED發出的部分藍光在第一次透過螢光粉之後又導回到螢光層上。
除了反射UV光以外，多層光學膜的一個功能是可以阻擋UV光的透射，從而防止LED組件內或LED組件外的後續元件的退化，包括防止傷害人眼。在一些實施例中，在離UV反射器最遠離LED的一側加上UV吸收器可能是有利的。該UV吸收器可以位於多層光學膜的內部、上面或旁邊。
儘管現有技術中已知各種各樣的方法來製造幹涉濾波器，但全聚合物結構能提供製造和成本方面的很多好處。如果在幹涉濾波器中使用光學透射性高以及折射率差大的高溫聚合物，那麼就能製造出又薄又很柔韌的又耐各種環境的濾波器，以符合短通(SP)和長通(LP)濾波器的光學需要。具體地講，US6,531,230(Weber等)教導的共擠出多層幹涉濾波器可以提供精確的波長選擇，並能進行大面積的經濟的製造。使用具有大的折射率差的聚合物對，能夠製造很薄但反射性高的獨立式反射鏡，即沒有基底的反射鏡，這種反射鏡也很容易加工。即使加熱成形或彎曲成具有小至1mm的曲率半徑時，這種幹涉結構也不會破裂、破碎或退化。
全聚合物濾波器可以加熱成形為各種三維形狀比如半球形圓頂(如下所述)。不過，必須小心控制變薄的過程，使在整個圓頂表面的量達到一個恰當的水平，以便產生希望的角度特性。具有簡單二維曲線形狀的濾波器比三維複雜形狀的濾波器更容易製造。特別地，任何薄且柔性濾波器可以彎曲成例如圓柱體的一部分那樣的二維形狀，在這種情況下不需要全聚合物濾波器。通過這種方式可以把在薄的聚合物基底上的多層無機濾波器製成一定的形狀，也能把在厚度小於200微米的玻璃基底上的無機多層製成一定的形狀。後者可能必須加熱到接近玻璃化轉變溫度以獲得低應力的永久變形。
長通和短通濾波器的最佳波段邊界可以根據系統中LED和螢光粉的發射光譜來確定，所述系統中設計有濾波器在其中工作。在說明性實施例中，對於短通濾波器，基本上所有的LED輻射透過濾波器以激發螢光粉，並且基本上所有的螢光粉輻射被濾波器反射，因而它們不進入LED或其基底結構，在該基底結構處它們可能會被吸收。因此，短通所確定的波段邊界位於在LED的平均輻射波長與螢光粉的平均輻射波長之間。在說明性實施例中，濾波器位於LED和螢光粉之間。不過，如果濾波器是平面的，那麼從通常的LED發出的輻射光將在各種各樣的角度上照射濾波器，在某些入射角上時被濾波器反射並無法到達螢光粉。除非濾波器彎曲成保持幾乎恆定的入射角，人們可能希望把上述期望的波段邊界設置成大於螢光粉和LED輻射曲線的中點以優化整個系統的性能。特別地，幾乎沒有螢光粉輻射會在接近零度的入射角上被引導到濾波器上，因為所包括的立體角非常小。
在另一個說明性實施例中，長通反射式濾波器離開LED放置在螢光層對面以使LED激發光重新回到螢光粉上從而提高系統效率。在該說明性實施例中，如果LED的輻射在可見光譜內且需要大量光來平衡螢光粉的彩色輸出，那麼可以省略長通濾波器。不過，通過在大於正入射的角度上能透過更多藍光的光譜角位移，透過部分短波光例如藍光的長通濾波器可用來優化藍色-LED/黃色-螢光粉系統的角度性能。
在另一個說明性實施例中，LP濾波器被彎曲，以便使LED發射到濾波器上的光的入射角保持接近恆定。在該實施例中，螢光粉和LED兩者都面向LP濾波器的一側。在大的入射角上，LP濾波器不會反射短波光。因此，LP濾波器的長波波段邊界可設定在儘可能長的波長並儘可能少地阻擋螢光粉輻射。此外，可以改變波段邊界的設定以優化整個系統效率。
本文中所定義的術語「鄰近」或「附近」是指相近的兩個物體之間的相對位置關係。鄰近的物體可以相互接觸，或通過把一種或多種材料放置在相鄰物體之間而相互隔離。
LED激發光可以是LED光源所能發出的任何光。LED激發光可以是UV或藍光。藍光也可以包括紫光和靛藍光。LED包括自發射器件以及用於激發的或超輻射的發射器件，包括雷射二極體以及垂直空腔表面發射的雷射二極體。
本文中所述的螢光層可以是連續或不連續層。螢光材料層可以是均勻或不均勻形式。螢光材料層可以是具有小面積的多個區域，例如具有小於10000微米2或從500到10000微米2的俯視面積的多個「點」。在說明性實施例中，多個點中的每一個可以由發射一個或多個不同波長的可見光的螢光粉形成，例如，發紅光的點，發藍光的點和發綠光的點。可以以想要的任何均勻或不均勻方式排列和構造發射多個波長的可見光的點。例如，螢光材料層可以是沿表面或區域具有不均勻密度梯度的多個點。所述「點」可以是任意規則或不規則形狀，無需在俯視圖上呈圓形。螢光材料可以在多層光學膜的共擠壓表面層中。
如下所述，結構化的螢光層可以通過多種方式構造，以提供性能方面的好處。當多種螢光粉類型用於提供更寬或更全的光譜輸出，那麼來自短波螢光粉的光可以被其他螢光粉重新吸收。包括每一種螢光粉類型的孤立的點、線或孤立的區域的形式減少了重新吸收的光量。這對於空腔型結構特別有效，在這些結構中非吸收型泵浦光被反射回螢光粉。
多層結構也能減少吸收。例如，這樣會比較有利，即由每一種螢光粉按順序形成層，且最長的波長發射器最靠近激發光源。更靠近發射器發出的光，平均來說在整個螢光層內所經歷的多重散射程度會比靠近輸出表面發出的光大。由於所發射的最短波長最傾向於再吸收，因此有利的是將波長最短的螢光粉放在最靠近輸出表面的位置。此外，有利的是對每一層用不同的厚度，以便當激發光通過多層結構傳播時補償其逐漸降低的強度。對於具有相似的吸收和發射效率的螢光層來說，從激發一側到出射一側逐漸變薄的各層將在各自層內對降低的激發強度作出補償。另外還有利的是把短通濾波器放置在不同螢光層之間，減少所發出的螢光的向後散射以及減少其被位置靠前的螢光層重新吸收。
具有螢光塗層的薄膜結構的成形工藝也能用來製造適於切割成用於二極體的獨立單元的小結構陣列。例如，可以壓印出小圓頂或半球形陣列，其中每一個可用於減少PLED中有時出現的「光圈效應」(如下所述)。
非散射螢光層與多層光學膜結合可以提高光輸出。非散射螢光層可以含有在折射率匹配的粘合劑(例如，具有高折射率的惰性納米粒子的粘合劑)中的傳統螢光粉、傳統螢光組合物的納米大小的粒子(例如，其中粒子的大小很小並可忽略光的散射)，或通過使用量子點螢光粉。量子點螢光粉是基於半導體例如硫化鎘的光發射器，其中的粒子足夠小以致於電子結構受到粒子大小的影響和控制。因此，吸收和發射光譜通過粒子大小來控制。量子點在美國專利No.6,501,091中有所披露。
本文中披露的實施例中，包含螢光粉/反射器組件的第一光學元件可以在後來連接到LED基底上；熱沉可以任選地包括透明熱沉，螢光層和幹涉濾波器可以連接到該透明熱沉上。透明熱沉可以是放在螢光層/幹涉濾波器與LED基底之間的藍寶石層。大部分玻璃的熱導率比聚合物高，也能用作此功能。許多其它晶體材料的熱導率比大部分玻璃更高，也能用在本發明中。藍寶石層可以與金屬熱沉在邊緣部分接觸。
在說明性實施例中，在塗覆幹涉濾波器(即，具有螢光層的聚合物幹涉濾波器)之前，可對濾波器的表面進行提高塗層粘性的處理。最佳的處理根據濾波器的表層以及根據螢光塗層中的材料尤其是用來使螢光粉粒子保持在表面上的粘合劑來確定。表面處理可以是標準的電暈放電處理，或者在電暈放電後隨後再刷底塗層。底塗層通常小於1微米厚。有用的底塗層材料是PVDC、磺化聚酯和其他無定形聚酯比如Vitel，馬來共聚物比如Bynel(杜邦(Dupont))和Admer(三井化學(Mitsui Chemicals))，以及EVA比如Elvax(杜邦)。用於螢光層的粘合劑可以是熱塑性的和/或可加熱變形的，且可以是例如含氟聚合物，或矽基材料。
其他可選的底塗層包括，例如，真空鍍膜層，優選的是來自高能源比如離子束或等離子氣體源，其中離子或等離子成分轟擊聚合物表面同時沉積底塗層。該底塗層通常是無機材料層比如二氧化鈦或二氧化矽層。
儘管較多地關注了把螢光粉用於使短波光下轉換為可見光，但也可能使紅外輻射上轉換為可見光。上轉換的螢光粉在現有技術中是已知的，且通常用兩個或多個紅外光子來產生一個可見光子。用來泵浦這些螢光粉的紅外LED已得到驗證並非常有效。使用該工藝的可見光源可以通過加上長波(LP)和短波(SP)濾波器而變得更有效，儘管在這種情況下每一種濾波器的功能與在下轉換的螢光粉系統中相比正好相反。SP濾波器可用來把IR光導向螢光粉，同時使可見光透過，而LP濾波器可放在螢光粉和LED之間以便把發出的可見光向外導向預定系統或使用者。
SP或LP濾波器的壽命優選地大於或等於同一系統中的LED的壽命。聚合物幹涉濾波器的退化可能是由於過熱導致材料發生蠕變，這會改變層厚度值，從而改變濾波器反射的波長。在最壞的情況下，過熱會使聚合物材料熔化，導致材料迅速流動並改變波長選擇以及導致濾波器不均勻。
聚合物材料的退化也可能取決於自身材料由短波(光化)輻射比如藍色、紫色或UV輻射分別所致。退化的速率既依賴於光化光通量又依賴於聚合物的溫度。溫度和光通量一般都會隨著離開LED的距離的增加而降低。從而在高亮度LED、尤其是紫外LED的情況下，有利的是把聚合物濾波器在設計所能允許的範圍內儘可能遠離LED放置。把聚合物濾波器放在如上所述的透明熱沉上也能提高濾波器壽命。對於圓頂型濾波器，光化輻射通量按照離開LED的距離的平方而減少。例如，在其彎曲部分的中心設有單向的1瓦LED以及設有半徑為1cm的半球形MOF反射器，平均亮度為1/(2π)W/cm2(圓頂表面積＝2πcm2)。對於0.5cm的半徑，圓頂上的平均亮度是該值的四倍，即2πW/cm2。設計LED、螢光粉以及多層光學膜系統時可以考慮光通量和溫度控制。
反射式偏振器可以鄰近於多層反射器和/或鄰近於螢光粉材料放置。反射式偏振器發出優選的偏振光並反射其他偏振光。現有技術中已知的螢光層和其他薄膜成分可以使由反射式偏振器反射的偏振光消偏振，且通過螢光層的反射或通過與多層反射器結合的螢光層的反射，光可以循環利用並增大固態光器件(LED)的偏振光亮度。合適的反射式偏振器包括，例如，膽甾型反射式偏振器，具有1/4波長延遲器的膽甾型反射式偏振器，可從3M公司得到的DBEF反射式偏振器或同樣可以從3M公司得到的DRPF反射式偏振器。優選反射式偏振器在較大波長和角度範圍內使由螢光粉發射的光極化，且在LED發射藍光的情況下，也可以反射LED的輻射波長範圍。
合適的多層反射器薄膜是雙折射多層光學膜，其中兩相鄰層在厚度方向上的折射率基本匹配並具有很大的或不存在布魯斯特角(在該角度上p-偏振光的反射率為零)。這使得對於p-偏振光的反射率隨著入射角緩慢減小的多層反射鏡和偏振器的結構與入射角無關，或隨著入射角偏離法向而增大。因此，可得到在寬波段具有(在反射鏡的情況下，對於針對任何入射方向偏振的兩個平面，而在偏振器的情況下，對於所選擇的方向)高反射率的多層膜。這些聚合物多層反射器包括第一和第二熱塑性聚合物交疊設置的層。該交疊層確定了局部坐標系，該坐標系具有平行於所述層面延伸的互相垂直的x和y軸以及垂直於x和y軸的z軸，且其中至少有些層是雙折射的。對於沿第一、第二和第三互相垂直的軸的偏振光，第一和第二層之間的折射率差的絕對值分別為Δx，Δy和Δz。第三軸垂直於薄膜平面，其中Δx大於約0.05，Δz小於約0.05。這些薄膜如美國專利No.5,882,774所述。
圖13是另一實施例即用於例如圖1所示的光源中的螢光粉-反射器組件116的示意性截面圖。圖中顯示，多層反射器126鄰近螢光材料層122，不過多層反射器126隻需設置成能使光在螢光層122和多層反射器126之間傳播即可。多層反射器126反射至少一部分可見光並透射LED激發光，比如UV光或藍光。該多層反射器126可稱為短通(SP)反射器，如上所述。
多層反射器126可設置在用於接受來自LED 12的光的位置，就像本文所討論的那樣。多層反射器126可以是任意可用的厚度。多層反射器126可以是5-200微米厚或10-100微米厚。多層反射器126可選地基本上不包括無機材料。
多層反射器126可由暴露於UV光、藍光或紫光下時能抗退化的材料形成，就像本文所討論的那樣。本文所討論的多層反射器在持續長時間的高強度照射下仍能保持穩定。高強度照射一般可定義為通量級為1-100瓦/cm2。幹涉反射器的工作溫度可以是100℃或更低，或者65℃或更低。合適的說明性聚合物材料可包括由以下材料形成的抗UV材料例如丙烯酸材料、PET材料、PMMA材料、聚苯乙烯材料、聚碳酸酯材料、THV材料(這些材料可以從3M(明尼蘇達州聖保羅市)得到)以及這些材料的組合。這些材料以及PEN材料可以針對藍色激發光使用。
多層反射器126可置於任何具有LED 12的可用結構中，就像本文所討論的那樣。在一個說明性實施例中，多層反射器126設置在螢光層122和LED 12之間。在另一個說明性實施例中，螢光層122設置在多層反射器126和LED 12之間。多層反射器126可被構造成透射UV或藍光並反射至少一部分可見光譜比如綠光、黃光或紅光。在另一個說明性實施例中，多層反射器126可被構造成透射UV光、藍光或綠光並反射至少一部分可見光譜比如黃光或紅光。
當受到從LED 12發射的激發光照射時螢光層122能發出可見光。螢光材料層122可以是任何可用的厚度。螢光材料層122可包括任何數量的粘合劑比如聚酯材料。在另一個說明性實施例中螢光材料層122可包括粘結劑材料。在另一個說明性實施例中，粘結劑材料可置於螢光材料層122與聚合物多層反射器126之間。粘結劑材料可以是光學上功能性的粘結劑，即它可包括其他的光學材料比如染料或散射粒子。
螢光粉-反射器組件116能以多種方式形成。例如，可將螢光材料層122置於或塗覆於聚合物多層反射器126上。螢光材料層122可作為可流動的材料施加於聚合物多層反射器126上。螢光材料層122可以作為固體層層疊在聚合物多層反射器126附近。此外，螢光材料層122和聚合物多層反射器126可以相繼或同時加熱成形。螢光粉層可以是可壓縮的、彈性的或甚至可包含在泡沫結構中。
螢光粉-反射器組件116可包括設置在如本文所述的螢光材料層122上的第二幹涉反射器，如圖2所示。參見圖2，所示的該第二多層反射器26鄰近螢光材料層22，不過第二多層反射器26隻需設置成能使光在螢光材料層22與多層反射器26之間傳播即可，如上所述。第二幹涉反射器26可以是長通或短通反射器。螢光材料層22和聚合物多層反射器26可以是任何希望的形式，比如平面的、具有一定形狀的或彎曲的。
圖14是另一實施例即用於圖1所示的光源中的螢光粉-反射器組件216的截面圖。所示的多層反射器224鄰近螢光材料層222，不過多層反射器224隻需設置成能使光在螢光材料層222和多層反射器224之間傳播即可。將多層反射器224設置在用於反射LED激發光(比如，UV光或藍光)並透射可見光的位置。該多層反射器224可稱為長通(LP)反射器，如上所述。
將多層反射器224設置在能將LED激發光反射到螢光材料層222上的位置。多層反射器224可以是任何可用的厚度。多層反射器224可以是5-200微米厚或10-100微米厚。多層反射器224可由暴露於UV光時能抗退化的材料形成，就像這裡所討論的那樣。多層反射器224可選地基本上不包括無機材料。
這裡所述的多層幹涉反射器可具有橫向厚度梯度，即，反射器上一個點的厚度不同於反射器上另一個點的厚度。這些反射器可以隨著LED發射光的入射角向著多層反射器的外部區域增大而越來越厚。增大反射器的外部區域的厚度能補償波段偏移的問題，因為反射波長與厚度和入射角成正比。
多層反射器224可置於任何具有LED 12的可用結構中，就像本文所討論的那樣。在一個說明性實施例中，多層反射器224設置在螢光層222和LED 12之間。在另一個說明性實施例中，螢光層222設置在多層反射器224和LED 12之間。多層反射器224可被構造成反射UV或藍光並透射至少一部分可見光譜比如綠光、黃光或紅光。在另一個說明性實施例中，多層反射器224可被構造成反射UV光、藍光或綠光並透射至少一部分可見光譜比如黃光或紅光。
當受到從LED 12發射的激發光照射時螢光層222能發出可見光。螢光材料層222可以是任何可用的厚度。螢光材料層22可包括任何數量的粘合劑比如聚酯材料。在另一個說明性實施例中螢光材料層222可包括粘結劑材料。在再一個說明性實施例中，粘結劑材料可置於螢光材料層222與聚合物多層反射器224之間。粘結劑材料可以是光學上功能性的粘結劑。
螢光粉-反射器組件216能以多種方式形成。例如，可將螢光材料層222置於或塗覆於多層反射器224上。螢光材料層222可作為可流動的材料施加於多層反射器224上。螢光材料層222可以作為固體層層疊到多層反射器224上。此外，螢光材料層222和多層反射器224可以相繼或同時加熱成形。螢光粉層可以是可壓縮的、彈性的或甚至可包含在泡沫結構中。
螢光粉-反射器組件216還可以包括如上所述的短通反射器，如圖2所示。螢光材料層222和多層反射器224可以是任何希望的形式，比如，平面的、具有一定形狀的或彎曲的。
圖15是基於螢光粉的光源310兩部分元件系統的示意性截面圖。螢光粉-反射器元件311可形成為整體式元件而LED元件309可作為整體式元件而提供。通過將第一光學元件(螢光粉-反射器元件311)放置在能接收從第二光學元件(LED元件309)發出的光的位置就可以構成PLED 310。在說明性實施例中，LED元件309可具有被布置並構造成與螢光粉-反射器元件311的配合表面313相配的配合表面308。螢光粉-反射器316如上所述。螢光粉-反射器316可設置在光學透明材料310內或光學透明材料表面320上。
實施例本文中螢光的測量利用分光輻射度計(指定美國佛羅裡達州奧蘭多市的Optronic Laboratories，Inc.的OL 770-LED)配合以積分球(指定Optronic Laboratories的OL IS-670-LED)和高精度LED支持器(指定Optronic Laboratories的OL700-80-20)進行。校準分光輻射度計，用以報告在輸入埠進入積分球的總輻射能(以瓦/納米為單位)。使用定製衝壓機從塗覆螢光粉的樣品製得一英寸直徑的圓片。將該圓片裝配到用來安裝在高精度LED支持器上的定製薄膜適配器中。定製的適配器把薄膜樣品支撐在離已封裝LED的基底上大約一英寸的地方。通過把LED安裝到支持器中而進行測量，將具有螢光粉塗層的薄膜放入適配器中，使適配器附著在發光二極體底座上，然後把二極體底座組件插入積分球的入口。如果必要的話，用已校準的中性密度濾波器來調整到達分光輻射度計的探測器的光能級。
除非另行說明，用在以下例子中的多層光學膜等量地反射正入射的兩種偏振態的光(即，每一個獨立的光學層具有沿平面內正交軸方向標稱相等的折射率)。
對於其中給定了螢光層厚度的以下所有的例子，通過從螢光層和基底薄膜的總厚度減去基底薄膜的厚度來確定螢光層厚度。利用具有安裝在針盤量規支架(美國馬賽諸塞州牛頓市的Fred V.Fowler Co.，Inc.，目錄號52-580-020)上的平觸點(同樣來自Fowler，目錄號52-525-035)的針盤指示器(同樣來自Fowler，目錄號52-520-140)來測量厚度。基底薄膜的厚度是在基底薄膜上的隨機位置處的三次測量的平均值。螢光層和基底薄膜的厚度是在螢光層上的隨機位置處的六次測量的平均值。
例1通過以下工序將摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)螢光粉塗在單層透明聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將12.00克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的「Phosphor Ink Part AResin Solution」，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入40毫升玻璃瓶中。在秤盤中稱出15.02克的YAG:Ce螢光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的QMK58/F-U1 Lot#13235)。首先在樹脂中加入一半螢光粉並用手以不鏽鋼抹刀攪拌，然後加入另一半並手動攪拌，以將螢光粉混入樹脂。手動攪拌螢光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得螢光粉糊的瓶子用蓋子蓋住並放在轉瓶裝置上大約30分鐘。
把3M公司(明尼蘇達州聖保羅市)的6英寸寬乘以10英寸長乘以1.5密耳厚的一片單層透明PET膜放置在乾淨的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭PET膜的兩面。從轉瓶裝置上將裝有螢光粉糊的瓶子拿下來並把大約5克的糊狀物放入PET膜上的小坑中。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-GardnerUSA的PAR-5357)的5密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化後，螢光粉/樹脂塗層的厚度為1.6密耳。
準備好塗有YAG:Ce的薄膜的1英寸直徑圓片，並裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為塗有螢光粉的一側朝向積分球內。用具有大約463nm峰值波長的藍色LED(指定俄亥俄州施託伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-365)激發螢光粉。通過在藍色LED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂透鏡來修改組件以給藍光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.18英寸的組件部分。LED由恆流源提供20毫安和3.46伏的電能。用分光輻射度計記錄的螢光層的發射光譜，在圖16中以標記為「例1」的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.068流明。
例2將一片具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約600nm至大約1070nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(根據美國專利No.6,531,230製成)在薄膜適配器中放置在例1的塗有螢光粉的PET膜與例1的藍色LED(工作電流20毫安)之間。記錄光譜，在圖16中以標記為「例2」的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.118流明。這表明發光強度增大了73％。
例3通過以下工序將硫化鋅(ZnS)螢光粉塗在聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將20.04克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的「Phosphor Ink Part AResin Solution」，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入2盎司玻璃瓶中。在秤盤中稱出20.06克的ZnS螢光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的GL29A/N-C1，批號11382)。首先在樹脂中加入一半螢光粉並用手以不鏽鋼抹刀攪拌，然後加入另一半並手動攪拌，以將螢光粉混入樹脂。手動攪拌螢光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得螢光粉糊的瓶子用蓋子蓋住並放在轉瓶裝置上大約24小時。
把3M公司(明尼蘇達州聖保羅市)的6英寸寬乘以10英寸長乘以1.5密耳厚的一片透明PET膜放置在乾淨的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭PET膜的兩面。從轉瓶裝置上將裝有螢光粉糊的瓶子拿下來並把大約3克的糊狀物放到PET膜上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化後，螢光粉/樹脂塗層的厚度為0.7密耳。
準備好塗有ZnS的薄膜的1英寸直徑圓片，並裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為塗有螢光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施託伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發螢光粉。通過在UVLED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恆流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的螢光層的發射光譜在圖17中，以標記為「例3」的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.052流明。
例4將一片具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約320nm至大約490nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(根據美國專利No.6,531,230製成)，在薄膜適配器中放置在例3的螢光層頂部上，且例3的UV LED(工作電流20毫安)用作激發源。記錄光譜，在圖17中以標記為「例4」的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.062流明。這表明與例3相比發光強度增大了19％。
例5
通過把兩片多層光學膜(MOF)疊合製成寬波段可見光反射器。利用光學透明粘合劑把具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約490nm至大約610nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層(由明尼蘇達州聖保羅市的3M公司製造)疊合到具有PET和co-PMMA的交疊層上並具有從大約590nm至大約710nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層上。在薄膜適配器中，將所得疊合片放置在例3的塗有螢光粉的PET膜與例3的UV LED(工作電流20毫安)之間。在薄膜適配器中，將一片具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約320nm至大約490nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(由明尼蘇達州聖保羅市的3M公司製造)放置在螢光層頂部上以產生空腔，其中螢光層夾在位於LED一側的可見光反射鏡與位於另一側的UV/藍光反射鏡之間。記錄光譜，在圖17中以標記為「例5」的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.106流明。這表明與例3相比發光強度增大了約104％。
例6通過以下工序將硫化鋅(ZnS)螢光粉塗在聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將例3所述的螢光粉糊塗覆在6英寸寬乘以10英寸長乘以1.5密耳厚的一片透明PET膜上。把PET放在乾淨的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭PET膜的兩面。把大約3克的糊狀物放到PET膜上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWRInternational，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化後，螢光粉/樹脂塗層的厚度為1.3密耳。
準備好塗有ZnS的薄膜的1英寸直徑圓片，並裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為塗有螢光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施託伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發螢光粉。通過在UVLED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂透鏡來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恆流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的螢光層的發射光譜在圖18中以標記為「例6」的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.066流明。
例7在薄膜適配器中，將一片具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約490nm至大約610nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(由明尼蘇達州聖保羅市的3M公司製造)放置在例6的塗有螢光粉的PET膜與例6的UV LED(工作電流20毫安)之間。記錄光譜，在圖18中以標記為「例7」的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.095流明。這表明與例6相比發光強度增大了約44％。
例8通過以下工序將硫化鋅(ZnS)螢光粉塗在聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將例3所述的螢光粉糊塗覆在具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約490nm至大約610nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層(由明尼蘇達州聖保羅市的3M公司製造)上。把MOF放在乾淨的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF膜的兩面。把大約3克的糊狀物放到MOF膜上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化後，螢光粉/樹脂塗層的厚度為1.3密耳。
準備好塗有ZnS的薄膜的1英寸直徑圓片，並裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為塗有螢光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施託伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發螢光粉。通過在UVLED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恆流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的螢光層的發射光譜在圖18中以標記為「例8」的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.107流明。這表明與例6相比發光強度增大了約62％。
例9通過以下工序將硫化鋅(ZnS)螢光粉塗層絲網印刷在例5所述的多層光學膜(MOF)壓片上。
將150克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的「Phosphor Ink Part AResin Solution」，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入16盎司玻璃瓶中。在秤盤中稱出150克的ZnS螢光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的GL29A/N-C1，批號11382)。利用由氣動馬達驅動的玻璃葉輪攪拌器使螢光粉緩慢地混合到樹脂中。攪拌混合螢光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得螢光粉糊的瓶子用蓋子蓋住並放在轉瓶裝置上大約10分鐘。
在安裝於絲網印刷機(指定瑞典斯德哥爾摩的Svecia SilkscreenMaskiner AB的SSM型)上的每英寸280絲的PET網板上，使用具有每英寸28線解析度的網調模式進行印刷。網調模式由具有10％、50％和90％覆蓋度的三個區域組成。通過在一片如例5所述的兩層疊合片的MOF膜上軋制一次而印刷出所需模式。
在送風烘箱中使印刷層在大約138℃的溫度下固化15分鐘。固化後，螢光粉/樹脂塗層厚度為0.8密耳。
準備好用具有50％覆蓋度的那部分模式製作的ZnS絲網印刷薄膜的直徑為一英寸的圓片，並裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為塗有螢光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施託伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發螢光粉。通過在UV LED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恆流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的螢光層的發射光譜在圖19中以標記為「例9」的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.052流明。
例10在薄膜適配器中，將一片具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約320nm至大約490nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(由明尼蘇達州聖保羅市的3M公司製造)放在例9的螢光層頂部上，並且例9的UV LED(工作電流20毫安)用作激發光源。記錄光譜，在圖19中以標記為「例10」的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟體計算總的射入積分球中的光通量為0.078流明。這表明與例9相比發光強度增大了約50％。
例11通過以下工序製作塗覆有硫化鋅(ZnS)螢光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
具有PET和co-PMMA的交疊層並具有從大約590nm至大約710nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層粘合到聚(氯乙烯)薄片上以形成柔性複合物。該複合物被稱為MOF-PVC。
把MOF-PVC放在乾淨的平面上並且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大約3克的例9所述的ZnS螢光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把塗有螢光粉的MOF-PVC複合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱23秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使塗有螢光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中螢光粉在該半球的凸起一側上。目測半球，可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。螢光層光滑而連續並沒有破裂或分層現象。
例12通過以下工序製作塗覆有硫化鋅(ZnS)螢光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
把例11所述的MOF-PVC片放在乾淨的平面上並且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大約3克的例9所述的ZnS螢光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把塗有螢光粉的MOF-PVC複合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱21秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使塗有螢光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中螢光粉在該半球的凸起一側上。目測半球，可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。螢光層光滑而連續並沒有破裂或分層現象。
例13通過以下工序製作塗覆有摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)螢光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
將20.01克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的「Phosphor Ink Part AResin Solution」，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入2盎司玻璃瓶中。在秤盤中稱出19.98克的YAG:Ce螢光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的QMK58/F-U1 Lot#13235)。首先在樹脂中加入一半螢光粉並用手以不鏽鋼抹刀攪拌，然後加入另一半並手動攪拌，以將螢光粉混入樹脂。手動攪拌螢光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得螢光粉糊的瓶子用蓋子蓋住並放在轉瓶裝置上大約30分鐘。
把例11所述的MOF-PVC片放在乾淨的平面上並且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大約3克的YAG:Ce螢光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把塗有螢光粉的MOF-PVC複合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱23秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使塗有螢光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中螢光粉在該半球的凸起一側上。目測半球，可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。螢光層光滑而連續並沒有破裂或分層現象。
例14通過以下工序製作塗覆有摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)螢光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
把例11所述的MOF-PVC片放在乾淨的平面上並且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把例13描述的大約3克的YAG:Ce螢光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙塗料器(指定美國馬裡蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳縫隙將螢光粉糊手拉成塗層。溼膜在重力對流爐(指定美國賓夕法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把塗有螢光粉的MOF-PVC複合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱21秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使塗有螢光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中螢光粉在該半球的凸起一側上。目測半球可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。螢光層光滑而連續並沒有破裂或分層現象。
例15在上述加熱成形設備中將例11所述的MOF-PVC片在270℃的溫度下加熱16秒。被加熱的MOF-PVC片在真空輔助下被披覆在商業上可購得的5mm LED組件的半球形透鏡上。MOF-PVC獲得對應於半球形透鏡形狀的最終形狀。
利用帕金-埃爾默(Perkin-Elmer)Lambda 19分光光度計測量成形MOF-PVC的透射光譜。成形MOF-PVC的中央部分的光譜在360nm和460nm處為波段邊界，峰值反射率出現在400nm。對於500nm以上的波長該成形MOF-PVC的透射率大於75％。該測得的成形MOF-PVC的光譜位移是由成形處理過程中出現的光學堆疊結構變薄引起的。
對於本領域熟練技術人員而言顯而易見的是，在不背離本發明的範圍和主旨的前提下，可對本發明進行各種修改和變更，且應當理解的是本發明不局限於本文中所列出的說明性實施例。
權利要求
1.一種光源，包括發射激發光的LED；反射所述激發光並透射可見光的聚合物多層反射器；以及與所述LED分開設置的螢光材料層，當受到所述激發光照射時該螢光材料發出可見光；其中所述聚合物多層反射器將激發光反射到所述螢光材料上，並且所述螢光材料層被設置在所述LED與所述聚合物多層反射器之間。
2.根據權利要求1的光源，其中所述激發光包括UV光。
3.根據權利要求1的光源，其中所述激發光包括藍光。
4.根據權利要求1的光源，其中所述螢光材料層進一步包含粘結劑。
5.根據權利要求1的光源，其中所述聚合物多層反射器包含當暴露於UV光下時能抗退化的聚合物材料。
6.根據權利要求1的光源，其中所述聚合物多層反射器是基本上不含無機材料的聚合物材料。
7.根據權利要求1的光源，其中所述螢光材料層是不連續的螢光材料層。
8.根據權利要求7的光源，其中所述不連續的螢光材料層是多條螢光材料線或一種螢光材料圖案。
9.根據權利要求7的光源，其中所述不連續的螢光材料層包括螢光材料的多個點。
10.根據權利要求9的光源，其中所述螢光材料的多個點中的每一個點的面積小於10000微米2。
11.根據權利要求9的光源，其中所述多個點包含當受到所述激發光照射時發出超過一種顏色的光的螢光材料。
12.根據權利要求9的光源，其中所述多個點包含當受到所述激發光照射時發出紅光、綠光和藍光的螢光材料。
13.根據權利要求1的光源，其中所述聚合物多層反射器包括第一和第二熱塑性聚合物的交疊層，並且其中至少一些層是雙折射的。
14.根據權利要求9的光源，其中至少第一螢光粉點發射第一波長的光而第二螢光粉點發射不同於所述第一波長的第二波長的光。
全文摘要
一種光源包括發射激發光的LED、反射所述激發光並透射可見光的聚合物多層反射器、以及與所述LED分開設置的螢光材料層。當受到所述激發光照射時該螢光材料發出可見光。所述聚合物多層反射器將激發光反射到所述螢光材料上。所述螢光材料層被設置在所述LED和所述聚合物多層反射器之間。
文檔編號H01L33/00GK1742391SQ200480002861
公開日2006年3月1日 申請日期2004年1月27日 優先權日2003年1月27日
發明者安德魯·J·歐德科克, 麥可·F·韋伯, 約翰·A·惠特利 申請人:3M創新有限公司