具有長波通型反射器的基於螢光物質的照明系統及其製造方法

2023-07-03 13:19:46

專利名稱：具有長波通型反射器的基於螢光物質的照明系統及其製造方法
背景技術：
在其結構中使用發光二極體(LED)的白色光源可以有兩種基本構造。其中一種，在這裡稱為直接發射LED，通過不同顏色LED的直接發射產生白光。例子包括紅光LED、綠光LED和藍光LED的組合，以及藍光LED和黃光LED的組合。在另一種構造中，本文稱為螢光粉轉換LED(PCLED)，由單個LED產生窄波長範圍的光，所產生的光入射到螢光粉或其它類型的發光材料上，並激發其產生與所述LED產生的光不同波長的光。所述螢光粉可以包括不同的發光材料的混合物或組合物，由螢光粉發出的光可以包括在可見波長範圍上分布的寬或窄發射譜線，使得對於肉眼來說發射光基本上顯現為白色。
PCLED的一個例子是藍光LED，該藍光LED照射螢光粉，該螢光粉將藍光轉換為更長波長的光。一部分藍色激發光沒有被螢光粉吸收，而剩餘的藍色激發光與螢光粉發射的更長波長光組合。另一個PCLED的例子是紫外(UV)LED，該紫外LED照射螢光粉，所述螢光粉吸收UV光並將其轉換為紅光、綠光和藍光，或者轉換為藍光和黃光的組合。
PCLED的另一個應用是將UV光或藍光轉換為綠光。通常，綠光LED的效率相對較低而且在操作期間可能會改變輸出波長。與綠光LED相比，綠光PCLED能夠提高波長穩定性。
白光PCLED優於直接發射白光LED的優點包括隨著器件老化和溫度變化具有較好的色穩定性，以及批次至批次和器件至器件之間具有較好的色均勻性/可重複性。然而，PCLED的效率可能比直接發射LED的效率低，這部分是由於螢光粉吸收光並重新發射光的過程效率低的緣故。

發明內容
本發明提供照明系統，該照明系統利用發光材料和用於過濾光分量的幹涉反射器。在一些實施例中，本發明的幹涉反射器可以包含多層光學薄膜，該多層光學薄膜包含獨立的光學層，至少一些所述光學層是雙折射的，所述光學層沿該薄膜的厚度方向布置成光學重複單元。相鄰的光學層具有一定的折射率關係，該折射率關係保持反射性，並且避免中高入射角的p偏振光洩漏出去。
一方面，本發明提供照明系統，該照明系統包括發射具有第一光學特徵光的光源和具有輸出表面的光導，其中光導構造為引導光源發射的至少一部分光通過輸出表面。該系統還包括放置為接收來自光導的輸出表面的光的發光材料，其中當該發光材料被具有第一光學特徵的光照射時，其發射具有第二光學特徵的光。該系統還包括幹涉反射器，該幹涉反射器放置為使得發光材料位於光導的輸出表面和該幹涉反射器之間，其中該幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，而基本上反射具有第一光學特徵的光。
另一方面，本發明提供製造照明系統的方法，該方法包括提供發射具有第一光學特徵的光的光源；放置光導以接收所述光源發射的光，其中，光導引導光源發射的至少一部分光通過光導的輸出表面。該方法還包括放置發光材料以接收來自光導的輸出表面的光，其中，當該發光材料被具有第一光學特徵的光照射時，其發射具有第二光學特徵的光；以及放置幹涉反射器，使得發光材料位於光導的輸出表面和該幹涉反射器之間，其中該幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，而基本上反射具有第一光學特徵的光。
另一方面，本發明提供顯示器，該顯示器包括照明系統和空間光調製器。所述照明系統包括發射具有第一光學特徵的光的光源和具有輸出表面的光導，其中光導構造為引導光源發射的至少一部分光通過輸出表面。所述照明系統還包括放置為接收來自光導的輸出表面的光的發光材料，其中當該發光材料被具有第一光學特徵的光照射時，其發射具有第二光學特徵的光。所述照明系統還包括幹涉反射器，其放置為使得發光材料位於光導的輸出表面和該幹涉反射器之間，其中該幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，並基本上反射具有第一光學特徵的光。空間光調製器與照明系統光學耦合，並包括可控元件，所述可控元件可操作以調製來自照明系統的至少一部分光。
另一方面，本發明提供為所需位置提供照明的方法，包括使用具有第一光學特徵的光照射光導，其中，光導引導光通過輸出表面；以及使用來自光導的輸出表面的光照射發光材料，使得發光材料發射具有第二光學特徵的光。該方法還包括使用發光材料發射的光照射幹涉反射器，其中所述幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，而基本上反射具有第一光學特徵的光；並將幹涉反射器透射的至少一部分光引導到所需位置。
本發明的上述概述並沒有試圖描述本發明的每一個公開的實施例和每一個實施方式。下文的附圖和詳細說明更具體地舉例說明了這些實施例。


圖1示意性地示出了具有短波通型幹涉反射器的照明系統的一個實施例。
圖2示意性地示出了具有短波通型幹涉反射器和長波通型幹涉反射器的照明系統的一個實施例。
圖3示意性地示出了具有短波通型幹涉反射器和一個或多個光學元件的照明系統的一個實施例。
圖4示意性地示出了具有長波通型幹涉反射器的照明系統的一個實施例。
圖5示意性地示出了具有短波通型幹涉反射器、長波通型幹涉反射器和光腔的照明系統的一個實施例。
圖6A是具有光腔的照明系統的一個實施例的示意性俯視圖，所述光腔包括一個或多個小面。
圖6B是圖6A中照明系統的光腔的一部分示意性剖視圖。
圖6C是圖6A中照明系統的示意性側視圖。
圖6D是具有光腔的照明系統的另一個實施例的示意性側視圖，所述光腔包括一個或多個小面。
圖6E是具有光腔的照明系統的另一個實施例的示意性側視圖，所述光腔包括一個或多個小面。
圖7是具有四個光腔的照明系統的另一個實施例的示意性俯視圖，每個所述光腔都包括一個或多個小面。
圖8A是具有短波通型幹涉反射器的照明系統的實施例的示意性俯視圖，所述短波通型幹涉反射器位於一個或多個光腔內，所述光腔位於光導內。
圖8B是圖8A中照明系統沿直線8B-8B的示意性剖視圖。
圖9A是具有一個或多個光腔的照明系統的實施例的示意性側視圖，所述光腔鄰近光導的輸入表面。
圖9B是圖9A中照明系統的示意性俯視圖。
圖10A是具有一個或多個光腔的照明系統的一個實施例的示意性立體圖，所述光腔鄰近光導的輸入表面。
圖10B是圖10A中照明系統沿直線10B-10B的示意性剖視圖。
圖11示意性地示出了具有短波通型幹涉反射器的照明系統，所述短波通型幹涉反射器置於發光材料和光導輸出表面之間。
圖12示意性地示出了具有短波通型幹涉反射器和一個或多個螢光點的照明系統，所述短波通型幹涉反射器鄰近光導輸出表面，所述螢光點置於所述短波通型幹涉反射器上。
圖13是具有楔形光導的照明系統的一個實施例的示意性立體圖。
圖14是具有一個或多個光導的照明系統的一個實施例的示意性剖視圖。
圖15示意性地示出了具有一個或多個光導的照明系統的另一個實施例。
圖16示意性地示出了包括照明系統和顯示設備的顯示組件。
圖17示意性地示出了具有長波通型幹涉反射器的照明系統的實施例，所述長波通型幹涉反射器定位為使得發光材料位於光導的輸出表面和所述長波通型幹涉反射器之間。
圖18是具有一個或多個光導的照明系統的另一個實施例的示意性剖視圖。
具體實施例方式
本發明提供照明系統，該照明系統包括光源，一個或多個光導，發光材料和一個或多個幹涉反射器。在某些實施例中，照明系統為各種應用提供白光。在本文中，術語「白光」所指的光刺激人眼中的紅、綠、藍感受器，以獲得普通觀察者認為是「白色」的觀感。這種光可以偏紅(通常稱為暖白光)或偏藍(通常稱為冷白光)。另外，這種光能夠具有高達100的彩色再現指數。通常，這些照明系統包括發射具有第一光學特徵的光的光源。本發明的系統還包括發光材料，當使用具有第一光學特徵的光照射這種發光材料時，所述發光材料發射具有第二光學特徵的光。第一光學特徵和第二光學特徵可以是任何合適的光學特徵，例如波長、偏振、調製、強度等。例如，第一光學特徵可以包括第一波長區域，第二光學特徵可以包括與第一波長區域不同的第二波長區域。在一個示例性實施例中，光源可以發射具有第一光學特徵的光，其中第一光學特徵包括包含UV光在內的第一波長範圍。在這個示例性實施例中，由光源所發射的UV光照射發光材料，促使該材料發射具有第二光學特徵的光，其中第二光學特徵包括包含可見光在內的第二波長區域。
本發明的某些實施例包括短波通型(SP)幹涉反射器。在本文中，術語「短波通型幹涉反射器」所指的反射器基本上透射具有第一光學特徵的光，並基本上反射具有第二光學特徵的光。在一個示例性實施例中，照明系統包括SP幹涉反射器，所述SP幹涉反射器基本上透射來自光源的UV光，並基本上反射由已透射的UV光照射的發光材料發射的可見光。
此外，在某些實施例中，照明系統包括長波通型(LP)幹涉反射器。在本文中，術語「長波通型幹涉反射器」所指的反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，並基本上反射具有第一光學特徵的光。例如，在一個示例性實施例中，照明系統包括LP幹涉反射器，所述LP幹涉反射器基本上透射發光材料發射的可見光，並基本上反射來自光源的UV光，所述光源照射所述發光材料。
通常，當第一光學特徵和第二光學特徵與波長相關時，本發明的發光材料可以將較短波長的光(例如UV光)降頻轉換為較長波長的光(例如可見光)。或者，也可將紅外輻射升頻轉換為可見光。例如，在本領域中眾所周知的升頻轉換螢光粉，其通常用兩個或更多的紅外光子產生一個可見光光子。激勵這種螢光粉所需的紅外LED也有示例而且非常高效。使用這一方法的可見光源在增加了LP幹涉反射器和/或SP幹涉反射器後將更加高效，但與降頻轉換螢光粉系統相比，在這種情況下每種反射器的功能正好相反。SP幹涉反射器能夠用來在透射可見光的同時將IR光導向螢光粉，LP幹涉反射器可以布置為使得螢光粉位於LED和LP幹涉反射器之間，其中LP幹涉反射器將發射的可見光向外導向目標系統或者用戶。儘管本發明的示例性實施例通常將第一光學特徵和第二光學特徵與波長相關聯，然而應該理解，這種示例性實施例也可以將第一光學特徵和第二光學特徵與其它適合的光特徵例如偏振、調製、強度等相關聯。例如，可以選擇這種SP幹涉反射器，其基本上透射第一偏振的光，而LP幹涉反射器基本上透射第二偏振的光。
本發明的照明系統可以用於任何合適的應用中。例如，在某些實施例中，照明系統可以用作顯示器、照明燈具、頭燈、標誌等的光源。
在某些實施例中，SP幹涉反射器和LP幹涉反射器中之一或者兩者包含多層聚合物光學薄膜。多層聚合物光學薄膜是具有至少第一聚合物材料和第二聚合物材料的幾十、幾百或幾千交替層的薄膜。選擇這種層的厚度和折射率，以便在需要的光譜部分實現需要的反射性，例如限定在UV波長的反射帶或者限定在可見波長的反射帶。例如，參見美國專利No.5,882,774(Jonza等人)。多層聚合物光學薄膜能夠被這樣處理，使得相鄰的一對層具有與垂直於薄膜的z軸相關的匹配的、或者基本匹配的、或者故意不匹配的折射率，這樣，對於p偏振光，每個相鄰層間的界面的反射率隨著入射角緩慢減小，或者基本上與入射角度無關，或者隨著入射角遠離法線而增加。因此，即使在高傾斜入射角的情況下，這種多層聚合物光學薄膜也能夠保持p偏振光的高反射率水平，因此，相比於常規的無機各向同性堆積式反射器，減少了由反射薄膜透射的p偏振光量。在某些實施例中，通過選擇聚合物材料和處理條件，使得對於每一對相鄰光學層，沿z軸(平行於薄膜厚度的方向)的折射率差不大於沿x軸或y軸(在平面中)的折射率差的尾數，該尾數是0.5、0.25或者甚至0.1。沿z軸的折射率差可以與平面內折射率差的符號相同或相反。
如同本文中進一步描述的，這種多層聚合物光學薄膜能夠製成任何合適的形狀。例如，通過模壓、加熱成形或其它已知的工藝，能夠將多層聚合物光學薄膜永久變形，以具有三維形狀，例如拋物體、球體或橢圓體的一部分。例如，參見美國專利No.6,788,463(Merrill等人)。另外，參見美國專利No.5,540,978(Schrenk)。多種聚合物材料適用於照明系統的多層光學薄膜。在根據本發明的不同實施例的某些應用中，理想的情況是多層光學薄膜包括交替聚合物層，所述交替聚合物層由當暴露在UV光下時能夠抗老化的材料構成，例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)/共聚-聚甲基丙烯酸甲酯(co-PMMA)的聚合物對。聚合物反射器的UV穩定性也能夠通過結合非UV吸收光穩定劑來增大，所述非UV吸收光穩定劑例如是受阻胺光穩定劑(HALS)。在某些情況中，多層聚合物光學薄膜還可包含透明的金屬層或者金屬氧化物層。例如，參見PCT公開WO 97/01778(Ouderkirk等人)。在使用特別高強度的UV光的應用中(即使對堅固的聚合物材料的組合物，所述特別高強度的UV光也將導致不可接受的老化)，使用無機材料形成多層光學薄膜將是有益的。無機材料層可以是各向同性的，或者能夠製成表現出如PCT公開WO01/75490(Weber)所描述的形狀雙折射並從而具有有益的折射率關係，所述有益的折射率關係產生本文所述的增強的p偏振反射性。
通常，本文所述的幹涉反射器包含由有機物、無機物或者有機物和無機物材料的組合製成的反射器。所述幹涉反射器可以是多層幹涉反射器。所述幹涉反射器可以是撓性幹涉反射器。撓性幹涉反射器可以由聚合物材料、非聚合物材料、或者聚合物和非聚合物材料構成。包含聚合物和非聚合物材料的示例性薄膜公開在美國專利No.6,010,751(Shaw等人)、No.6,172,810(Fleming等人)和EP733,919A2(Shaw等人)中。
本文描述的幹涉反射器可以由撓性的、可塑的或可變形的材料製成，並且其本身可以是撓性的、可塑的或可變形的。這些撓性幹涉反射器能夠被撓曲或彎曲，而仍然保持它們在被撓曲前的光學特性。
已知的自組裝周期性結構，諸如膽甾反射偏振器和某些嵌段共聚物，被認為是用作本發明目的的多層幹涉反射器。膽甾鏡可以使用左手性和右手性的螺距元件的組合構成。
在本發明的某些實施例中，可以選擇幹涉反射器，以便基本上透射或部分透射具有選定光學特徵的光。
例如，部分透射藍光的LP幹涉反射器可以與薄的黃螢光粉層結合使用，以便在從光源發出的一些藍光第一次通過螢光粉後，將其引導回螢光粉層。
除了提供藍光和UV光的反射，多層光學薄膜的功能還可以是阻止UV光的透射，以防止照明系統內部或外部的後繼元件的老化，包括防止對人眼的傷害。在某些實施例中，UV吸收劑可以包含在UV反射器的距離光源最遠的一側上。該UV吸收劑可以在多層光學薄膜內部、表面或者附近。
儘管本發明的幹涉反射器可以包含任何合適的一種材料或多種材料，但是全聚合物構造能夠提供很多製造和成本上的益處。如果在所述幹涉反射器中使用具有高透光性和大折射率差的高溫聚合物，那麼就可以製造即薄又非常有撓性的在各種環境下都穩定的反射器，從而滿足SP和LP幹涉反射器的需求。在某些實施例中，如美國專利No.6,531,230(Weber等人)中指出的共擠出多層幹涉反射器，能夠提供精確的波長選擇，以及大面積、成本高效的製造。使用具有高折射率差的聚合物對，將允許構造非常薄、高反射性的反射鏡，該反射鏡是獨立式的，即沒有基板但仍然易於加工。或者，本發明的幹涉反射器可以由如美國專利No.3,711,176(Alfrey，Jr.等人)中所描述的鑄造法製成。
全聚合物幹涉反射器能夠熱成形為不同的三維形狀，例如半球狀拱形(本文將作進一步說明)。但是，必須仔細地將整個拱表面的薄度控制在正確的量上，以便產生需要的角度性能。具有簡單的二維曲率的幹涉反射器比複雜的三維形狀的幹涉反射器更容易製造。具體地說，任何薄的撓性幹涉反射器都能夠彎曲成二維形狀，例如圓柱體的一部分，在這種情況下不需要全聚合物幹涉反射器。在薄聚合物基板上的多層無機物幹涉反射器，和位於厚度少於200μm的玻璃基板上的無機物幹涉反射器，都可以使用這種方法成形。後者可能需要加熱到接近玻璃化轉變點的溫度，以便在較低的應力下獲得永久的形狀。
對於SP和LP幹涉反射器最佳的帶邊將依賴於系統中光源和發光材料的發射光譜。在示例性實施例中，對於SP幹涉反射器，基本上所有從光源發出的光都穿過SP幹涉反射器去激勵發光材料，基本上所有向光源被導回的發射光都被SP幹涉反射器反射，使得這些光不會進入光源或者光源底部結構，在那裡這些光將被吸收。因為這個緣故，限定SP幹涉反射器的帶邊的短波通位於光源的平均發射波長和發光材料的平均發射波長之間的一個區域內。在示例實施例中，SP幹涉反射器置於光源和發光材料之間。但是，如果SP幹涉反射器是平面的，那麼從光源射出的發射光能夠以與SP幹涉反射器表面的法線成不同的角照射SP幹涉反射器上，並且在某些入射角被SP幹涉反射器反射而不能到達發光材料。除非幹涉反射器彎曲以使入射角基本保持不變，不然的話，我們可能期望將設計帶邊置於大於發光材料和光源的發射曲線的中點的波長處，以便使整個系統的性能優化。具體地說，由於所包含的立體角非常小，所以非常少的發光材料的發射光被以接近零度的入射角(即垂直於幹涉反射器的表面)引導到幹涉反射器。在另一個示例性實施例中，LP幹涉反射器相對於光源與發光材料相對地設置，以將光源光循環使用返回到發光材料，從而提高系統效率。在一個示例性實施例中，如果光源發射光在可見光譜內，而且需要大量的光來平衡發光材料的顏色輸出，那麼可以去掉LP幹涉反射器。但是，可以利用部分透射較短波長光(例如藍光)的LP幹涉反射器，通過光譜角偏移來優化藍光源/黃螢光粉系統的角度性能，從而在更大角度通過的藍光比垂直入射通過藍光的多。在進一步的示意性實施例中，LP幹涉反射器被彎曲，以便使LP幹涉反射器上的光源的發射光的入射角基本保持不變。在這個實施例中，發光材料和光源均面向LP幹涉反射器的一側。在高入射角，具有基本上平面形狀的LP幹涉反射器不能反射較短波長的光。由於這個原因，LP幹涉反射器的長波長帶邊可以置於儘可能長的波長處，而阻擋儘可能少的發光材料發射的光。此外，能夠改變帶邊位置以便優化整個系統的效率。
在某些實施例中，本文描述的多層幹涉反射器可能具有橫向的厚度梯度，即反射器的一個橫截面與另一個橫截面的厚度不同。隨著發射光的入射角向多層反射器的外部區域方向增加，這些反射器可以具有更厚的幹涉層。由於反射的波長與高低折射率幹涉層的光學厚度以及入射角成比例，所以增加反射器的外部區域的反射器厚度補償了帶移。
圖1示例性地示出了照明系統10的一個實施例。所述系統10包含光源20和具有輸出表面14的光導12。在某些實施例中，光導12還可以具有輸入表面16。系統10還包含置於光源20和光導12的輸出表面14之間的第一幹涉反射器30。置於第一幹涉反射器30和光導12的輸出表面14之間的是發光材料40。
光源20可以包含任何合適的一個光源或多個光源，例如，電致發光器、冷陰極螢光燈、無電極螢光燈、LED、有機電致發光器件(OLED)、聚合物LED、雷射二極體、弧光燈等。在本文中，術語「LED」指發光的二極體，所述光可以是可見光、紫外光或紅外光，可以是相干光或非相干光。本文中使用的這個術語還包括作為「LED」銷售的非相干的用環氧樹脂密封的半導體器件，無論是常規的還是超發光種類。本文中使用的這個術語還包括半導體雷射二極體。在某些實施例中，光源20的位置可以鄰近光導12的一個或多個側面、和/或光導12的一個或多個主表面。如圖1所示，光源20鄰近輸入表面16放置。儘管圖1示出的照明系統10具有一個光源20，但是照明系統10可以包含兩個或更多個光源，所述光源置於光導12的同一輸入表面或其它輸入表面附近。
光源20發射的光具有第一光學特徵。可以選擇任何合適的光學特徵。在某些實施例中，第一光學特徵可以包括第一波長區域。例如，光源20可以發射UV光。在本文中，術語「UV光」指波長範圍為從約150nm到約425nm的光。在另一個例子中，光源20可以發射藍光。
在某些實施例中，光源20包括一個或多個LED。例如，所述一個或多個LED可以發射UV光和/或藍光。藍光還包括紫光和靛青光。LED包括自激發射體件以及使用受激發射或超發光發射的器件，其中包括雷射二極體和垂直腔表面發射雷射二極體。
系統10的光導12可以包括任何合適的光導，例如，空心或實心光導。儘管光導12的形狀被示例為平面的，但光導12可以採用任何合適的形狀，例如，楔形、圓柱形、平面形、圓錐形、複雜模製形狀等。此外，光導12的輸入表面16和/或輸出表面14可以具有任何合適的形狀，例如上文描述的光導12的那些形狀。構造光導12以便引導光通過它的輸出表面14可能是優選的。另外，光導12可以包含任何合適的一種材料或多種材料。例如，光導12可以包含玻璃；丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、含氟聚合物；聚酯，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和含有PET或PEN或兩者都有的共聚物；聚烯烴，包括聚乙烯、聚丙烯、聚降冰片烯，聚烯烴在全同立構、無規立構和間同立構情況下的立體異構體，以及由茂金屬聚合產生的聚烯烴。其它適合的聚合物包括聚醚醚酮和聚醚醯亞胺。
照明系統10還包括置於光源20和光導12的輸出表面14之間的第一幹涉反射器30。在圖1所示的實施例中，第一幹涉反射器30是SP幹涉反射器，即其基本上透射從光源20來的具有第一光學特徵的光，並基本上反射具有第二光學特徵的光。例如，如本文進一步描述的，當使用從光源20發出的UV光或藍光照射發光材料40時，所述發光材料40可以發射出可見光。在這一實施例中，可以選擇第一幹涉反射器30，從而使其基本上透射UV光而基本上反射可見光。在另一個實施例中，當使用光源20發出的光照射時，發光材料40可以發射出紅外光。在這種實施例中，可以選擇第一幹涉反射器30，從而使其基本上透射從光源20來的光而基本上反射紅外光。
第一幹涉反射器30可以置於光源20和光導12的輸出表面14之間的任何合適的位置。在某些實施例中，第一幹涉反射器30可以置於光導12的輸入表面16上、光導12內部或者光源20上。
第一幹涉反射器30可以包含任何合適的幹涉反射器或本文描述的反射器。另外，第一幹涉反射器30可以採用任何合適的形狀，例如，半球形、圓柱形、平面形等。第一幹涉反射器30能夠使用如本文所討論的、在暴露在UV光、藍光或紫光下時抗老化的材料形成。通常，在長時間處於高強度照射下時，本文討論的多層反射器能夠保持穩定。高強度照射可通常定義為從1到100瓦特/cm2的光通量水平。適合的示例性聚合物材料可以包括抗UV材料，該抗UV材料可以由諸如丙烯酸材料、PET材料、PMMA材料、聚苯乙烯材料、聚碳酸酯材料、可從3M公司(St.Paul，MN)得到的THV材料以及它們的組合構成。這些材料和PEN材料可以與發射藍光的光源一同使用。
照明系統10還包括置於第一幹涉反射器30和光導12的輸出表面14之間的發光材料40。當使用光源20發出的具有第一光學特徵的光照射發光材料40時，該發光材料40發射具有第二光學特徵的光。第二光學特徵可以是任何合適的光學特徵，例如波長、偏振、調製、強度等。在某些實施例中，當使用光源20發射的包括第一波長區域的光照射發光材料40時，發光材料40發射的光可以包括第二波長區域。例如，在某些實施例中，當使用從光源20來的UV光或藍光照射時，發光材料40可以發射可見光。在本文中，術語「可見光」指裸眼可察覺的光，例如通常在大約400nm到大約780nm波長範圍內。在其它實施例中，發光材料40可以發射可見光和/或紅外光。在本文中，術語「紅外光」指在780nm到2500nm波長範圍內的光。
通常，本文公開的實施例可以使用多種發光材料。在某些實施例中，可以使用適合的螢光材料。這些螢光材料的成分通常是無機的，具有150-1100nm範圍內的激發波長。螢光粉共混物可以包含散布在粘結劑中的1-25μm粒度範圍內的螢光粉顆粒，所述粘結劑諸如矽樹脂、含氟聚合物、環氧樹脂、粘合劑或者另一種聚合物基體，接著螢光粉顆粒可以被應用於基板(諸如LED或薄膜)上。螢光粉包括摻雜稀土的石榴石、矽酸鹽、和其它陶瓷。在其它實施例中，發光材料也可以包含有機螢光材料，包括螢光染料和顏料、硫化物、鋁酸鹽、磷酸鹽、氮化物。例如，參見Shionoya等人的Phosphor Handbook，CRC Press，Boca Raton，FL(1998)。
在使用具有窄發射光波長範圍的發光材料40的實施例中，可以設計發光材料的混合物(例如發射紅、綠和藍光的發光材料的混合物)的配方以實現觀察者可以察覺的理想的顏色平衡。在其它實施例中，具有較寬發射帶邊的發光材料可用於具有高彩色再現指數的混合物。在某些實施例中，所述發光材料可以具有快的輻射衰減率。發光材料40可以形成在連續的或非連續的層內。發光材料40可以是均勻或非均勻的圖案。發光材料40可以包括小面積的區域，例如「點」，每個「點」具有小於10000μm2的俯視圖面積。在示意性實施例中，點可以分別由發射具有一個或多個不同峰值波長的較長波長光的螢光粉構成。例如，至少一個點可以包含在紅色區域發射峰值波長的第一發光材料，至少另一個螢光點可以包含在藍色區域發射峰值波長的第二發光材料。可以根據需要，按照均勻或非均勻方式安排和構造發射具有多個峰值波長可見光的點。例如，發光材料40可以包含布置成圖案的點，所述圖案沿表面或區域具有非均勻的密度梯度。所述點可以具有規則或不規則形狀，並且在俯視圖中不需要是圓的。另外，發光材料40可以位於多層光學膜的共擠出表層內。
可以使用若干種方法來構造結構化發光材料，以便提供本文所述的性能改善。當使用多種螢光粉類型來提供更寬和更全的光譜輸出時，從較短波長螢光粉發出的光能夠被其它螢光粉重新吸收。包括每種螢光粉類型的孤立的點、線或者孤立區域的圖案可以減少重新吸收的量。
多層發光材料的結構也能夠減少吸收。例如，可以按順序形成每種發光材料的層，使波長最長的發射體距離激發源最近。平均來說，與靠近發光材料輸出表面處發射的光相比，靠近發射體處發射的光在整個發光材料中要經歷更大程度的多次散射。由於發射的最短波長最易被散射和重新吸收，所以最好將最短波長發光材料放置到離發光材料的輸出表面最近。另外，最好使每層的厚度不同，以便在激發光通過多層結構傳播時，補償其逐漸降低的強度。對於具有相同吸收效率和發射效率的發光材料，從激發側到輸出側各層逐漸變薄將對激勵強度在每層中的衰減起到補償作用。在某些實施例中，可以將一個或多個SP幹涉反射器放置在不同發光材料層之間，以便減少向後散射和被排列在前邊的層重新吸收的螢光粉發射的光。
結合多層光學薄膜，非散射發光材料能夠提供增強的光輸出。例如，非散射螢光粉層可以包括在折射率匹配的粘結劑(例如，具有高折射率惰性納米顆粒的粘結劑)中的常規螢光粉、常規螢光粉成分的納米級顆粒(例如，其中顆粒尺寸非常小，其對光的散射可以忽略)，或者量子點發光材料。量子點發光材料是基於具有低帶隙的半導體的光發射體，所述具有低帶隙的半導體例如是硫化鎘、硒化鎘或矽化鎘，其中的顆粒足夠小，以便電子結構由顆粒大小來影響和控制。因此，通過顆粒大小來控制吸收光譜和發射光譜。參見例如美國專利No.6,501,091(Bawendi等人)。
發光材料40可以置於第一幹涉反射器30和光導12的輸出表面14之間任何合適的位置。在某些實施例中，發光材料40可以置於光導12的輸入表面16上。或者，發光材料40可以置於光導12內。在其它實施例中，發光材料40可以分散在光導12內。在其它實施例中，發光材料40可以置於第一幹涉反射器30的輸出表面32上。可以用任何合適的技術將發光材料40置於第一幹涉反射器30上，例如，在共有和共同未決的美國專利申請公開No.2004/0116033(Ouderkirk等人)中描述的那些技術。例如，發光材料40能夠置於或塗覆在第一幹涉反射器30上。所述發光材料40可以作為實心層層壓在第一幹涉反射器30附近。另外，發光材料40和第一幹涉反射器30可以順序地或同時地加熱成形。發光材料40可以是可壓縮的、有彈性的，甚至可以包含在泡沫結構中。
在某些實施例中，系統10還可以包括置於發光材料40上的TIR促進層，位於發光材料40和第一幹涉反射器30之間。所述TIR促進層可以包含能夠提供比所述發光材料40中的粘結劑的折射率低的折射率的任何合適的材料或者多種材料。在某些實施例中，TIR促進層可以是氣隙。這種氣隙能夠使在發光材料40中以高入射角傳播的光全內反射。在其它實施例中，TIR促進層可以是具有微結構表面的微結構層。所述微結構表面的特徵可以是單獨一組的線性v型凹口或稜柱、形成小金字塔型陣列的多組交叉v型凹口、一組或多組狹窄脊狀凸起，等等。當將這種薄膜的所述微結構表面緊靠另一個扁平薄膜放置時，在微結構表面的最上面部分與該扁平薄膜之間就會形成氣隙。
例如，當將光從第一波長區域轉換到第二波長時，某些類型的發光材料能夠產生熱。在發光材料40附近存在的氣隙可以顯著地減少從發光材料40向周圍材料的熱傳導。減少的熱傳導能夠通過其它方法補償，例如在發光材料40附近提供可以側向除熱的一層玻璃或者透明陶瓷。
通常，所述光源20發射具有第一光學特徵的光，其中的至少一部分照射第一幹涉反射器30。第一幹涉反射器30又基本上透射從光源20來的光。至少一部分透射光照射發光材料40。當使用具有第一光學特徵的光照射時，發光材料40發射具有第二光學特徵的光。通常，發光材料40可以在任何方向發射光。換句話說，某些光可能會射回光源20，而某些光可能射向光導12。由發光材料40發射的照射第一幹涉反射器30的光基本上被反射，使得所述光不會到達光源20，在光源20所述光可以被吸收。光導12引導發光材料40發射的至少一部分光通過所述輸出表面14，接著，在輸出表面14可以使用任何合適的技術將所述光引導到需要的位置。
本發明的照明系統的某些實施例可以包含一個以上的幹涉反射器。例如，圖2示意性地示出了照明系統100的一個實施例，該照明系統100包括光源120以及具有輸入表面116和輸出表面114的光導112。系統100還包括置於光源120和光導112的輸出表面114之間的第一幹涉反射器130、以及置於第一幹涉反射器130和輸出表面114之間的發光材料140。本文中對於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖2中示出的實施例的光導112、光源120、第一幹涉反射器130和發光材料140同樣適用。圖1中的系統10和圖2中的系統100的一個不同點是，系統100包含第二幹涉反射器150，其放置的位置使得發光材料140位於第一幹涉反射器130和第二幹涉反射器150之間。在某些實施例中，第二幹涉反射器150是LP幹涉反射器，即基本上透射具有第二光學特徵的光而基本上反射具有第一光學特徵的光的反射器。例如，在某些實施例中，當使用UV光或者藍光(即第一光學特徵)照射發光材料140時，該發光材料140可以發射出可見光(即第二光學特徵)。在這種實施例中，可以選擇第二幹涉反射器150，以便其基本上透射可見光而基本上反射UV光或藍光。在另一個實施例中，當使用UV光或藍光照射時，發光材料140可以發射出紅外光。在這些實施例中，可以選擇第二幹涉反射器150，以便其基本上透射紅外光而基本上反射UV光或藍光。第二幹涉反射器150可以包括本文描述的任何合適的一個或多個幹涉反射器。此外，第二幹涉反射器150可以採取任何合適的形狀，例如半球形、圓柱形或平面形。
第二幹涉反射器150可以置於發光材料140和光導112的輸出表面114之間的任何合適的位置。在某些實施例中，第二幹涉反射器150可以置於光導112的輸入表面116上。在其它實施例中，第二幹涉反射器150可以置於光源112內部。在某些實施例中，例如在共有和共同未決的美國專利申請公開No.2004/0145913(Ouderkirk等人)中進一步描述的，發光材料140可以置於第二幹涉反射器150上。或者，第一幹涉反射器130、發光材料140和第二幹涉反射器150可以組成組件，其中發光材料140與第一幹涉反射器130和第二幹涉反射器150都接觸。可以用任何合適的技術組成這種組件，例如在共有和共同未決的美國專利申請公開No.2004/0116033(Ouderkirk等人)中描述的那些技術。
第一幹涉反射器130和第二幹涉反射器150的存在能夠提高照明系統100的效率。第二幹涉反射器150將至少一部分沒有被發光材料140吸收的光(不然這部分光會浪費)反射回發光材料140。這樣做增加了來自光源120的光通過發光材料140的有效光路長度，從而對於給定厚度的一個或多個發光材料層，增加了發光材料140吸收的光的量。對光源120發出的光進行循環使用，也允許使用更薄的發光材料140的層，以獲得有效的光轉換。
通常，光源120發出的具有第一光學特徵的至少一部分光照射第一幹涉反射器130上，而該第一幹涉反射器130基本上將上述光透射。由第一幹涉反射器130透射的至少一部分光照射發光材料140。當被具有第一光學特徵的光照射時，發光材料140發射出具有第二光學特徵的光。由發光材料140發射的至少一部分光照射第二幹涉反射器150上，而該第二幹涉反射器150基本上將具有第二光學特徵的光透射。至少一部分所述透射光進入光導112，並被光導112引導通過輸出表面114。由光源120發出的照射第二幹涉反射器150的任何光基本上都被向發光材料140反射，在發光材料140那裡所述光可以激發發光材料140，從而產生進一步的光發射。另外，由發光材料140發射的照射第一幹涉反射器130的光基本上被反射回第二幹涉反射器150和/或光導112。
本發明的照明系統可以包含一個或多個光學元件。例如，圖3示意性地示出了包含一個或多個光學元件260的照明系統200。系統200還包含光源220以及具有輸出表面214和輸入表面216的光導212。系統200還包含位於光源220和光導212的輸出表面214之間的第一幹涉反射器230、以及位於第一幹涉反射器230與光導212的輸出表面214之間的發光材料240。本文中對於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖3中示出的實施例的光導212、光源220、第一幹涉反射器230和發光材料240同樣適用。系統200還可包含本文中進一步說明的一個或多個額外的幹涉反射器(例如LP幹涉反射器)。
所述一個或多個光學元件260可以置於發光材料240和光導212的輸出表面214之間、光源220和第一幹涉反射器230之間、第一幹涉反射器230和發光材料240之間和/或鄰近光導212的輸出表面214。所述一個或多個光學元件260可以包括任何合適的一個或多個光學元件，例如，光學耦合劑(諸如粘結劑或者折射率匹配的液體或凝膠體)、光學增亮膜(諸如BEF(可從3M公司購得))、短波長吸收材料(諸如紫外光吸收染料和顏料)、反射偏振薄膜(諸如DBEF(也可從3M公司購得))、擴散片及其組合。在某些實施例中，所述一個或多個光學元件260被構造為控制由發光材料240發射的、被引導進光導212的光的角度。
在某些實施例中，所述一個或多個光學元件260可以包括一個或多個反射偏振器。通常，反射偏振器可以鄰近發光材料240放置。反射偏振器允許透射優選偏振的光，而反射其它偏振的光。發光材料240和在本領域中已知的其它薄膜部件可以對反射偏振器所反射的偏振光進行去偏振，而且或者通過發光材料240的反射，或者通過發光材料240結合第一幹涉反射器230，可以循環使用光，從而提高系統200的偏振光亮度。適合的反射偏振器包括例如膽甾型反射偏振器、具有1/4波延遲器的膽甾型反射偏振器、線柵偏振器、或者可從3M公司購得的各種反射偏振器，包括DBEF(即鏡面反射偏振器)和DRPF(即漫反射偏振器)。所述反射偏振器優選偏振由發光材料240反射的絕大部分波長和角度上的光，並且在光源220發射藍光的情況下，也可以發射藍光。
儘管在圖3中示出的所述一個或多個光學元件260位於光導212的外部，但是所述一個或多個光學元件260也可以置於光導212上或內部。在某些實施例中，所述一個或多個光學元件260可以置於發光材料240上。如果LP幹涉反射器被包含在系統300中，並置於發光材料240和輸出表面214之間，那麼所述一個或多個光學元件260可以置於LP幹涉反射器上。
在某些實施例中，照明系統可以包含LP反射器而不包含SP反射器。例如，圖4示意性地示出了照明系統300的另一個實施例。系統300包含光源320、以及具有輸出表面314和輸入表面316的光導312。系統300還包含置於光源320與光導輸出表面314之間的發光材料340、以及置於發光材料340與光導312的輸出表面314之間的幹涉反射器350。本文中對於在圖2中示出的實施例的光導112、光源120、發光材料140和第二幹涉反射器150描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖4中示出的實施例的光導312、光源320、發光材料340和第二幹涉反射器350同樣適用。
儘管幹涉反射器350示出為位於光導312外部，但幹涉反射器350可以置於發光材料340和光導312的輸出表面314之間的任何合適的位置。例如，幹涉反射器350可以置於光導312的輸入表面316上或者光導312內部。在某些實施例中，幹涉反射器350置於發光材料340上。
此外，在某些實施例中，系統300可以包含一個或多個光學元件，其置於光源320和發光材料340之間、發光材料340和幹涉反射器350之間、幹涉反射器350和光導312的輸出表面314之間，和/或鄰近光導312的輸出表面314(例如，圖3中的一個或多個光學元件360)。
通常，光源320發射具有第一光學特徵的光，其中至少一部分照射發光材料340。當使用具有第一光學特徵的光進行照射時，發光材料340發射具有第二光學特徵的光。由發光材料340發射的至少一部分光照射幹涉反射器350。幹涉反射器350基本上透射具有第二光學特徵的光並基本上反射具有第一光學特徵的光。至少一部分所述透射光被光導312引導通過光導312的輸出表面314。由光源320發出的沒有被發光材料340轉換的任何光基本上都被幹涉反射器350反射並引導回發光材料340，在發光材料340那裡其可以被轉換。被引導通過輸出表面314的光可以使用任何合適的技術引導到需要的位置。
某些可以在本發明的照明系統中使用的光源在寬發射錐內發射光。例如，某些LED在具有2π或更大球面度的立體角的半球空間中發射光。本發明的某些實施例提供非成像光學器件，來將從光源發出的激發光收集和/或引導進光導中。例如，圖5是照明系統400的一個實施例的示意性立體圖。系統400與圖2的系統100相似。系統400包括光源420、以及具有輸出表面414和輸入表面416的光導412。系統400還包括置於光源420和光導412的輸出表面414之間的第一幹涉反射器430、置於第一幹涉反射器430和輸出表面414之間的發光材料440、以及置於發光材料440和輸出表面414之間的第二幹涉反射器450。本文中對於在圖2中示出的實施例的光導112、光源120、第一幹涉反射器130、發光材料140和第二幹涉反射器150描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖5中示出的實施例的光導412、光源420、第一幹涉反射器430、發光材料440和第二幹涉反射器450同樣適用。圖2中系統100和圖5中系統400之間的一個區別是，系統400還包括與光源420光學耦合的光腔470，即從光源420發出的光可以被引導入光腔470。當兩個或更多個器件進行了光學耦合時，這些器件就位於相同的光路中，而且可以使用任何合適的技術(例如反射、透射、發射等)來向彼此引導光。光腔470被構造用來將光源420發射的光引導向第一幹涉反射器430。光腔470可以置於任何合適的位置。在某些實施例中，光腔470可以接觸第一幹涉反射器430放置。在某些實施例中，如同在本文中進一步描述的，一個或多個TIR促進層可以置於光腔470和第一幹涉反射器430之間。
光腔470可以採用任何合適的形狀，例如橢圓形、楔形、長方形、梯形等。光腔470採用拋物面形狀是優選的。
光腔470可以使用任何合適的一種或多種材料製成。在某些實施例中，光腔470可以包括寬帶幹涉反射器472。寬帶幹涉反射器472可以置於光學透明體上以形成光腔470。所述光學透明體可以使用任何合適的一種或多種材料製成，例如玻璃；丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、含氟聚合物；聚酯，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)以及含有PET或PEN或兩者都含有的共聚物；聚烯烴，包括聚乙烯、聚丙烯、聚降冰片烯，聚烯烴在全同立構、無規立構和間同立構情況下的立體異構體，以及由茂金屬聚合產生的聚烯烴。其它適合的聚合物包括聚醚醚酮和聚醚醯亞胺。在某些實施例中，寬帶幹涉反射器472可以製成所需的形狀以便形成光腔470。寬帶幹涉反射器472可以使用任何合適的技術由任何合適的一種或多種材料構成，如例如在美國專利No.5,882,774(Jonza等人)中描述的那些材料和技術。
在某些實施例中，光腔470可以是實心的。或者，光腔470可以使用任何合適的介質(例如氣體或液體)填充。
可以這樣製作光腔470，以便光源420發射的光進入光腔470。可以採用任何合適的技術，以便將光導入進光腔470。例如，光源420可以置於光腔470內。或者，光源420可以通過在光腔470中形成的一個或多個開口或埠光學耦合到光腔470上。在某些實施例中，光腔470可以包括一個或多個孔(未示出)，所述孔允許光源420發出的光照射第一幹涉反射器430。在一個示例性實施例中，光腔470可以具有細長的孔，所述細長的孔沿光腔470的長度的至少一部分延伸。所述細長的孔可以置於第一幹涉反射器430附近。在某些實施例中，光腔470可以具有漫射體或小面，它們可將光與第一幹涉反射器430的主表面基本上垂直地引導。
通常，光源420發射具有第一光學特徵的光，光被光腔470引導向第一幹涉反射器430。第一幹涉反射器430基本上透射從光源420來的光，使其照射發光材料440。沒有被第一幹涉反射器430透射的光中至少有一部分被光腔470收集並重新引導向第一幹涉反射器430。當被具有第一光學特徵的光照射時，發光材料440發射出具有第二光學特徵的光。發光材料440發射的光中至少有一部分照射第二幹涉反射器450。所有由發光材料440向光腔470發射的光基本上都被第一幹涉反射器430反射回發光材料440。由發光材料440發射並可能被第一幹涉反射器430透射的光由光腔470收集，並引導回第一幹涉反射器430。第二幹涉反射器450基本上透射具有第二光學特徵的光而基本上反射具有第一光學特徵的光，其基本上將發光材料440發射的光透射向光導412的輸入表面416，在此所述光被引導通過輸出表面414，接著被引導到需要的位置。所有光源420發出的照射第二幹涉反射器450的光基本上都被反射回了發光材料440，在發光材料440那裡其可以被轉換為具有第二光學特徵的光。
儘管圖5示出的照明系統400包括第一幹涉反射器430，但是在某些實施例中，系統400可以不包括第一幹涉反射器430。在這種實施例中，光腔470鄰近發光材料440放置，使得光源420發出激發光中至少有一部分照射發光材料440，而沒有首先照射幹涉反射器。
儘管沒有在圖5中示出，但如例如參考圖1中照明系統所述，照明系統400還可以包括鄰近發光材料440的一個或兩個主表面的一個或多個TIR促進層。
本發明的光腔可以使用任何合適的技術將光源的光引導到幹涉反射器、發光材料或光導上。例如，圖6A-C是包含光腔570的照明系統500的另一個實施例的示意圖。系統500還包括具有輸出表面514和輸出表面516的光導512、以及光學耦合到光腔570的光源520。系統500還包括置於光源520和光導512輸出表面514之間的第一幹涉反射器530、以及置於第一幹涉反射器530和光導512的輸出表面514之間的發光材料540。本文中關於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖6A-C中示出的實施例的光導512、光源520、第一幹涉反射器530和發光材料540同樣適用。系統500還可以包括本文進一步描述的LP幹涉反射器(例如圖2中的第二幹涉反射器150)。
光腔570包含鄰近第一幹涉反射器530的擴展孔(未示出)。光源520可以使用任何合適的技術光學耦合到光腔570。例如，在圖6A-C中，光腔570包括聚光器571，該聚光器571收集光源520發射的光並將其引導到光腔570中。在某些實施例中，聚光器571還使發射光準直。本文中，術語「聚光器」指非成像光學器件，其收集由一個或多個光源發射的光並將收集到的光引導向發光材料或幹涉反射器。在某些實施例中，可能優選的是，光腔570的z方向尺寸502具有最小值，使得聚光本領保持不變，同時也維持了在光腔570表面的全面內發射(TIR)。所述TIR至少部分依賴於光腔570的內空間574的折射率和光源520的聚光本領。如果光源520包含LED管芯，那麼，在某些實施例中，該LED管芯假定可以發射2π的球面度，在這種情況下，折射率為1.5的TIR角是大約42°。在這種實施例中，300μm的LED管芯的z方向尺寸502等於(300μm)/sin(48°)＝400μm。如果光導512的z方向尺寸是1000μm，那麼第一幹涉反射器530上的光入射角等於sin-1((300μm)/(1000μm))＝17.5°。
多層薄膜的隨著角度的帶邊偏移的公式為λ＝λ(0)cos(Θ)其中Θ是在介質中的角度。反射帶邊偏移下移大約4％。因此，為第一幹涉反射器530選擇的藍色帶邊可以比為垂直入射選擇的高大約4％。
光腔570還包括內部空間574。內部空間574包括一個或多個小面576。每個小面576具有一個小面角578，選擇該小面角578，以便小面576以基本上與第一幹涉反射器530的主表面垂直的角度將激發光引導向第一幹涉反射器530。每一個小面576都有反射面577以反射從光源520來的光。任何合適的一種或多種材料可以用來形成小面576。
如果小面576的反射面577包括多層光學薄膜，那麼光腔570在x方向的最小尺寸504依賴於小面角578，其中所述最小尺寸確保通過小面576的洩漏很少或者沒有洩漏。例如，如果小面角578是45°，那麼如果光展度超過±3°，在平面577處某些光可能超過TIR角。45°的小面角578輸出耦合基本上垂直入射到第一幹涉反射器530上的光線。但是，在某些實施例中，可能沒有必要以完全垂直的入射角照射第一幹涉反射器530。例如，10°和20°的入射角就足以保證基本上所有來自光源520的光都透射通過併到達發光材料540。如果在光腔570中的光展度ΔΘ是±3°，那麼x方向尺寸等於5700μm或5.7mm。表1包括對於給定各種不同光展度(ΔΘ)值的情況下，光腔570的x方向尺寸504。
表1


儘管光腔570的位置鄰近光導512的輸入邊516，但光腔570、第一幹涉反射器530和發光材料540可以相對於光導512置於任何適合的位置。例如，如同在本文進一步描述的那樣，在某些實施例中，光腔570、第一幹涉反射器530和發光材料540可以鄰近光導512的主表面放置。某些手持光導(例如在用於手持電子設備的顯示器中使用的光導)的厚度大約是1mm。這微小的1mm的尺寸會增加轉換和組裝第一幹涉反射器530和發光材料540的複雜性。如果光導512的厚度小於1mm，那麼圖6D中示意性地示出的實施例將更有用。在圖6D中，光腔570d鄰近傾斜輸入表面516d，這樣就可以允許放置更大的第一幹涉反射器530d。由光導512d形成的楔形為光提供了用以擴展和匹配光導512d的數值孔徑(NA)的區域。可任選的第二幹涉反射器550d(其基本上透射發光材料540d所發射的光並基本上反射光源520d所發射的光)可以置於光導512的輸出表面514d和/或與輸入表面516d相對的末端，以便幫助防止沒有被發光材料540d轉換的光從光導512d離開。
圖6E示意性地示出了照明系統500e的另一個實施例，其中光腔570e的位置鄰近光導512e的底表面518e。這種設計可以允許為較小的光導512e提供較大的第一幹涉反射器530e和發光材料540e的面積。系統500e還包括置於光導512e的輸出表面514e和末端的第二幹涉反射器550e，以便防止沒有被發光材料540e轉換的光從光導512e離開。儘管圖6A-E包含具有一個光源的系統，但某些實施例能夠包含兩個或更多個光源。例如，圖7示意性地示出了包含四個光源620的照明系統600，每個所述光源都與光腔670光學耦合。光腔670可以包括本文描述的任何合適的光腔，例如圖6A-C中的光腔570。每個光腔670都鄰近光導612的輸入表面616a和616b放置。照明系統600可以包括本文描述的任何合適的系統，例如圖2中的照明系統100。儘管系統600包含鄰近光導612的兩個輸入表面616a和616b的光腔670，但系統600可以包含任何適合數量的光腔，所述光腔置於任何合適的位置，使得可以提供額外的光源。
正如在本文中進一步描述的，任何公開的幹涉反射器均可以被彎曲，以便保持由點光源發射的光基本上垂直入射在幹涉反射器上的入射角。例如，圖8A-B示意性地示出了具有彎曲的第一幹涉反射器730的照明系統700的實施例。照明系統700與圖1中的照明系統10相似。系統700包含具有輸出表面714和輸入表面716的光導712、以及一個或多個光源720。系統700還包含置於所述一個或多個光源720和輸出表面714之間的第一幹涉反射器730、以及置於第一幹涉反射器730和光導712的輸出表面714之間的發光材料740。本文中關於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖8A-B中示出的實施例的光導712、所述一個或多個光源720中的每一個、第一幹涉反射器730和發光材料740同樣適用。如本文進一步描述的那樣，系統700還可以包括置於發光材料740和光導712的輸出表面714之間的第二幹涉反射器750。
在圖8A-B中示出的實施例中，所述一個或多個光源720可以安裝在互連組件724上。可以使用任何合適的互連組件，例如在共有和共同未決的美國專利申請No.10/727,220(Schultz等人)中描述的那些組件。系統700還包含置於光導712內部的一個或多個光腔770。在圖8A-B中示出的實施例中，每個光源720都與光腔770相關聯。所述一個或多個光腔770可以採用任何合適的形狀，例如圓柱形、半球形等。在圖8A-B中示出的實施例中，每個光腔770的形狀都是半球形。所有的一個或多個光腔770可以採用相同的形狀。或者，所述一個或多個光腔770可以採用不同的形狀。此外，每個光腔770可以具有適當的大小。
所述光腔可以由反射表面772所限定邊界。可以用任何合適的一種或多種材料來構成反射表面772。優選的是，反射表面772包括如例如美國專利No.5,882,774(Jonza等人)中描述的寬帶幹涉反射器。
在圖8A-B中示出的實施例中，所述一個或多個光腔770置於光導712的內部空間717內。所述一個或多個光腔770可以使用任何合適的技術製成。例如，所述一個或多個光腔770可形成為光導712的輸入表面716中的凹口。照明系統700可以包含任何適合數量的光腔770。此外，儘管圖8A-B中示出的光腔770位於光導712的一邊，但系統700包含的光腔770可以位於光導712的兩側或更多側，或者位於光導712的一個或多個主表面上。在某些實施例中，每個光源720都可以置於緊鄰每個光腔770的曲率中心。通過將光源720置於緊鄰每個光腔770的曲率中心，光源720發射的光可以以基本上垂直於第一幹涉反射器730的主表面的角度照射第一幹涉反射器730，因此消除某些帶邊偏移。換句話說，將第一幹涉反射器730與光源720間隔開，並使其向光源720彎曲，可以幫助減少照射第一幹涉反射器730上的光的入射角範圍，因此減少了由於在本文中描述的藍移效應造成的通過第一幹涉反射器730的光洩漏。
通常，具有第一光學特徵的光由光源720發射，並被第一幹涉反射器730基本上透射。透射光照射發光材料740，使得發光材料740發射具有第二光學特徵的光。任何由發光材料740發射向光源720的光基本上都被第一幹涉反射器730反射。此外，沒有被第一幹涉反射器730透射的任何光基本上都被反射表面772反射，並被引導回第一幹涉反射器730。然後，發光材料740發射的光被光導712引導通過輸出表面714到達希望的位置。如果在發光材料740和輸出表面714之間包含可任選的第二幹涉反射器750，那麼優選的是，該第二幹涉反射器750基本上透射具有第二光學特徵的光，並基本上反射具有第一光學特徵的光。在這種示意性實施例中，發光材料740發射的光將被所述第二幹涉反射器750基本上透射，並被光導712引導通過輸出表面714到達希望的位置。由光源720發射的、穿過發光材料740而沒有被吸收的光基本上被第二幹涉反射器750反射回了發光材料740。
如上所述，本發明的某些光源以具有2π或更大球面度的立體角的圖案發射激發光。在某些實施例中，可以使用聚光器收集由光源發射的光並使收集到的光準直，使得所述光被以基本上垂直的角度引導向幹涉反射器或者發光材料。圖9A-B示意性地示出了具有一個或多個聚光器880的照明系統800的一個實施例。該照明系統800包含光源820、以及具有輸出表面814和輸入表面816的光導812。在圖9A-B中示出的實施例中，光源820包含一個或多個LED 822，如本文所進一步描述的，所述LED 822選擇性地安裝在互連組件824上。系統800還包含置於光源820和輸出表面814之間的第一幹涉反射器830、以及置於第一幹涉反射器830和光導812的輸出表面814之間的發光材料840。本文中關於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖9A-B中示出的實施例的光導812、光源820、第一幹涉反射器830和發光材料840同樣適用。儘管沒有示出，但如上文所述，系統800還可以包含置於發光材料840和輸出表面814之間的可任選的LP幹涉反射器。
圖9A-B中的系統800與圖1中的系統10之間的一個區別是，每個LED 822都與聚光器880相關聯。每個聚光器880形成一個光腔882，光腔882將由LED 822發射的光引導向第一幹涉反射器830。每個聚光器880可以採用任何合適的形狀，例如球形、拋物面形或橢圓形。優選的是，每個聚光器880採用允許對由光源820發射的光進行準直的形狀。此外，優選的是，每個聚光器880成形為使其收集LED 822發射的光，並將光引導向第一幹涉反射器830，使得激發光以基本上垂直於第一幹涉反射器830主表面的角度入射到第一幹涉反射器830上。聚光器880可以減少入射到第一幹涉反射器830上的光的角展度，這樣就減少了如本文將進一步描述的反射帶的藍移。每個聚光器880可以採用具有平側壁的簡單圓錐截面形狀，或者側壁可以根據光的傳播方向採用已知的更加複雜的曲線形狀，以增強準直和聚焦的作用。優選的是，聚光器880的側壁是反射性的，而兩端不是反射性的。如本文進一步描述的，聚光器的側壁包含寬帶幹涉反射器也是優選的。每個聚光器880可以相對於第一幹涉反射器830置於任何合適的位置。例如，每個聚光器880可以與第一幹涉反射器830間隔開。或者，一個或多個聚光器880可以與第一幹涉反射器830接觸。
儘管示出的系統800具有一個光源820，該光源鄰近光導812的一個輸入表面816，但系統800可包含兩個或更多個光源，所述光源鄰近光導812的兩個或更多個輸入表面。
任何合適的器件或技術都可以與本發明的實施例一同使用，從而將來自光源的光引導向幹涉反射器，使得所述光以基本上垂直的角度入射到幹涉反射器。例如，圖10A-B示意性地示出了照明系統900的一個實施例，所述照明系統900包含光腔970，該光腔970具有在光腔970內形成的聚光器980。系統900包含光源920。光源920包含一個或多個LED 922。在本實施例中，光源920鄰近光導912的輸入表面916放置。系統900還包含置於光源920和輸出表面914之間的第一幹涉反射器930，以及置於第一幹涉反射器930和輸出表面914之間的發光材料940。本文中關於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖10A-B中示出的實施例的光導912、光源920、第一幹涉反射器930和發光材料940同樣適用。系統900還可以包含LP幹涉反射器，例如圖2中的第二幹涉反射器150。
光腔970定位為將由光源920發出的光引導到光導912中。光腔970包括在光腔970內形成的聚光器980。每個LED 922都具有對應的聚光器980。在某些實施例中，兩個或更多個LED 922可以置於單個聚光器980中。聚光器980可以採取任何合適的形狀，例如諸如半球體、拋物體或圓柱體。在圖10A-B中，聚光器980被製成二維圓錐截面。優選的是，聚光器980成形為使得由每個LED 922發射的光以基本上垂直於第一幹涉反射器930主表面的角度照射第一幹涉反射器930。聚光器980收集由LED 922發射的光並引導收集到的光，以使其照射第一幹涉反射器930。此外，將一個或多個LED 922緊鄰一個或多個聚光器980的焦點放置是優選的。
可以使用任何合適的技術來構成光腔970和聚光器980。在某些實施例中，LED 922可以封裝在平板密封劑中，並與光腔970的折射率匹配。此外，第一幹涉反射器930和發光材料940可以使用任何合適的一種或多種材料，例如光學粘合劑等，光學耦合到光腔970。優選的是，將TIR促進層置於光腔970和光導912之間，以由發光材料940發射的進入光導912的光獲得更好的NA匹配。
在某些實施例中，LED 922可以安裝在互連組件924上。可以使用任何合適的互連組件，例如在共有和共同未決的美國專利No.10,727,220(Schultz等人)中描述的那些互連組件。在示例實施例中，可以使用任何合適的技術在互連組件924上形成光腔970。
聚光器980可以具有反射性的內表面，使得每個LED 922發射的光被反射向第一幹涉反射器930。優選的是，一個或多個聚光器980包含置於該聚光器980中的寬帶幹涉反射器，以便將光反射向第一幹涉反射器930。如前文所述，本發明的幹涉反射器和發光材料可以相對於光導置於任何合適的位置。例如，圖1中的照明系統10的第一幹涉反射器30和發光材料40被放置在鄰近光導12的輸入表面16的位置。在某些實施例中，光的轉換可以發生在鄰近光導輸出表面的位置。換句話說，光源發出的光可以由光導引導通過該光導的輸出表面，然後由置於光導輸出表面上或附近的發光材料進行轉換。依賴於選擇的光源和幹涉反射器的類型，將發光材料和幹涉反射器置於與光源有一定距離的位置，可以防止損壞發光材料和/或幹涉反射器。
例如，使材料蠕變的過熱能夠使聚合物幹涉反射器退化，因此改變各層的厚度值，從而也改變了反射器反射的光的光學特徵(例如波長)。在最壞的情況下，過熱可以導致聚合物材料熔化，最終導致材料的快速流動並改變選擇的光學特徵，以及在濾光器中引起非均勻性。
依賴於聚合物材料，短波長(光化學的)輻射，例如藍、紫或UV輻射，也可以引起聚合物材料的退化。退化率依賴於光化學的光通量和聚合物的溫度。通常，溫度和光通量都會隨著與光源距離的增加而減少。這樣，在高亮度光源的情況下，特別是UV發射光源的情況下，將聚合物幹涉反射器放置到設計允許的最遠距離是有利的。圖11示意性地示出了照明系統1000的一個實施例，其包含光源1020、以及具有輸出表面1014和輸入表面1016的光導1012。光源1020發射具有第一光學特徵的光。系統1000還包含放置用來接收來自光導1012的輸出表面1014的光的發光材料1040、以及置於發光材料1040和光導1012的輸出表面1014之間的第一幹涉反射器1030。當使用具有第一光學特徵的光照射時，發光材料1040發射具有第二光學特徵的光。第一幹涉反射器1030基本上透射具有第一光學特徵的光並基本上反射具有第二光學特徵的光。本文中關於在圖1中示出的實施例的光導12、光源20、第一幹涉反射器30和發光材料40描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖11中示出的實施例的光導1012、光源1020、第一幹涉反射器1030和發光材料1040同樣適用。系統1000還可以包含第二幹涉反射器1050，該第二幹涉反射器1050放置為使得發光材料1040置於第一幹涉反射器1030和第二幹涉反射器1050之間。本文描述的任何合適的幹涉反射器都可以應用於第二幹涉反射器1050(例如圖2中的第二幹涉反射器150)。第二幹涉反射器1050可以幫助防止光源1020發射的一些或全部光到達面對光導1012的輸出表面1014的觀看者。第二幹涉反射器1050可以置於任何合適的位置。在某些實施例中，第二幹涉反射器1050可以置於發光材料1040上或與其接觸。
第一幹涉反射器1030可以定位在輸出表面1014的附近、在輸出表面1014上、在發光材料1040上或在任何其它適合的位置上。在一個示意性實施例中，第一幹涉反射器1030可以在發光材料1040上和光導1012的輸出表面1014上，並與它們接觸。在某些實施例中，系統1000也可以包含位於輸出表面1014和第一幹涉反射器1030之間的一個或多個TIR促進層、和/或置於輸出表面1014上的用來從光導1012提取光的一個或多個提取器件。可以使用任何合適的提取器件。在某些實施例中，可以包含鄰近光導1012的底表面1018的一個或多個提取器件，以便引導光導1012內的至少一部分光通過輸出表面1014。可以使用任何合適的一個或多個提取器件。
在某些實施例中，照明系統1000可以包含置於第一幹涉反射器1030和發光材料1040之間、並接觸發光材料1040的TIR促進層。優選的是，在光源1020發射的光的波長處，TIR促進層的折射率低於發光材料1040的折射率。可以使用任何合適的一種或多種材料作為TIR促進層。TIR促進層可以包括氣隙；或者，TIR促進層可以包括微結構層。第二TIR促進層可以置於發光材料1040和第二光學幹涉反射器1050之間並與發光材料1040接觸。優選的是，在光源1020發射的光的波長處，第二TIR促進層的折射率低於發光材料1040的折射率。
儘管沒有示出，但系統1000可以包括一個或多個光學元件，所述光學元件放置為接收發光材料1040發射的光。或者，所述一個或多個光學元件可以置於輸出表面1014和第一幹涉反射器1030之間、和/或光源1020和光導1012的輸出表面1014之間。如果包含第二幹涉反射器1050，那麼所述一個或多個光學元件可以置於發光材料1040和第二幹涉反射器1050之間，並且/或者使得所述第二幹涉反射器1050置於發光材料1040和所述一個或多個光學元件之間。所述一個或多個光學元件可以包含本文中進一步描述的任何合適的光學元件。
通常，具有第一光學特徵的光由光源1020發射，其中至少有一部分光進入光導1012並被引導通過輸出表面1014。從光導1012來的光中至少有一部分光照射第一幹涉反射器1030並被基本上透射。透射光中至少有一部分照射發光材料1040，從而促使發光材料1040發射具有第二光學特徵的光。然後，發光材料1040發射的光可以使用任何合適的技術引導到希望的位置。任何由發光材料1040向第一幹涉反射器1030發射的光都基本上向發光材料反射回去。如果系統1000包含第二幹涉反射器1050，那麼由發光材料1040發射的照射第二幹涉反射器1050的光基本上被透射並被引導到希望的位置。任何由光源1020發射的照射第二幹涉反射器1050的光都基本上向發光材料1040反射回去，並在發光材料1040那裡可以轉換為具有第二光學特徵的光。
或者，本發明照明系統的某些實施例可以包含LP幹涉反射器而不包含SP幹涉反射器。例如，圖17示意性地示出了照明系統1600的實施例，其包含光源1620、以及具有輸出表面1614和輸入表面1616的光導1612。光源1620發射具有第一光學特徵的光。系統1600還包括放置用來接收來自輸出表面1614的光的發光材料1640和幹涉反射器1650，所述幹涉反射器1650放置為使得發光材料1640位於輸出表面1614和幹涉反射器1650之間。當被具有第一光學特徵的光照射時，發光材料1640發射具有第二光學特徵的光。在這個示例實施例中，幹涉反射器1650基本上透射具有第二光學特徵的光而反射具有第一光學特徵的光。本文中關於在圖11中示出的實施例的光導1012、光源1020、發光材料1040和第二幹涉反射器1050描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖17中示出的實施例的光導1612、光源1620、發光材料1640和幹涉反射器1650同樣適用。照明系統1600還可以包含參考圖11中的照明系統1000中描述的其它元件，例如一個或多個光學元件、TIR促進層等。
通常，具有第一光學特徵的光由光源1620發出，其中至少有一部分進入光導1612並被引導通過輸出平面1614。從光導1612來的光中至少有一部分光照射發光材料1640，從而促使發光材料1640發射具有第二光學特徵的光。由發光材料1640發射的至少一部分光被幹涉反射器1650基本上透射，並使用任何合適的技術引導到希望的位置。由光源1620發射的照射幹涉反射器1650的任何光都基本上向發光材料1640反射回去，並在發光材料1640那裡可以轉換為具有第二光學特徵的光。
圖12示意性地示出了照明系統1100的另一個實施例。系統1100包含光源1120、以及具有輸出表面1114和輸入表面1116的光導1112。光源1120發射具有第一光學特徵的光。系統1100還包含鄰近輸出表面1114的第一幹涉反射器1130。第一幹涉反射器1130基本上透射具有第一光學特徵的光而基本上反射具有第二光學特徵的光。第一幹涉反射器1130包含在第一幹涉反射器1130的第一主表面1132中形成的凹口1134。系統1100還包含被放置為接收來自光導1112的輸出表面1114的激發光的發光材料1140。系統1100還可以包含可任選的LP幹涉反射器(未示出)，其放置為使發光材料1040位於LP幹涉反射器和第一幹涉反射器1130之間。本文中關於在圖2中示出的實施例的光導112、光源120、第一幹涉反射器130、發光材料140和第二幹涉反射器150描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖12中示出的實施例的光導1112、光源1120、第一幹涉反射器1130、發光材料1140和可任選的LP幹涉反射器1150同樣適用。
發光材料1140包含一些點1142，這些點位於在第一幹涉反射器1130的第一主表面1132中形成的凹口1134內。每個螢光點可以具有任何合適的大小。例如，每個點可以具有在俯視圖中小於10000μm2或者從500到10000μm2的面積。在示例性實施例中，這些點每個都可以由發光材料製成，當用具有第一光學特徵的光照射時，所述發光材料發射具有第二光學特徵的光。在某些實施例中，發光材料1140包含發射可見光的一種或多種發射波長的一個或多個點，例如，發射紅光的點、發射藍光的點和發射綠光的點。例如，當用來自光源1120的光照射時，螢光點1142R可以發射紅光，螢光點1142G可以發射綠光，而螢光點1142B可以發射藍光。
可以按需要以任何均勻或非均勻的方式安排和構造點1142。例如，發光材料1140可以是沿表面或區域具有非均勻濃度梯度的許多點。所述點可以具有任何規則或不規則形狀，並且在俯視圖中不必一定是圓的。
通常，結構化螢光粉層，例如點，可以通過若干種方法構造，以便獲得本文所述的性能上的改善。當使用多種類型的發光材料時(例如紅光發射體、綠光發射體等)，從更短波長發光材料發射的光可以由其它發光材料重新吸收。包括各種類型的獨立點、線或獨立區域的圖案可以減少重新吸收的量。
可以用任何合適的技術設置幹涉反射器1130的主表面1132中的凹口1134，例如加熱成形、模壓、壓花、雷射打標或燒蝕、磨蝕、澆鑄和固化等。或者，第一幹涉反射器1130可以通過加熱成形提供反射井或反射凹穴，在所述反射井或反射凹穴中可以放置發光材料1140。凹口1134可以製成任何圖案。每個凹口1134可以具有任何合適的深度。優選的是，每個凹口1134相對較淺，使得第一幹涉反射器1130不變得過薄。由於厚度或角度效應，這種變薄會導致大的波長偏移。
儘管圖12將發光材料1140示出為包括點1142，但發光材料1140可以製成任何合適的形狀和/或圖案，例如線、不連續的形狀，或者以分級密度和/尺寸排列的濃淡點圖。
本發明的光導可以採用任何合適的形狀。例如，圖13是照明系統1200的另一個實施例的示意圖。照明系統1200在很多方面都與圖11的照明系統1000相似。系統1200包含光源1220、以及具有輸出表面1214和輸入表面1216的光導1212。系統1200還包含被放置為接收來自光導1212的輸出表面1214的由光源1220發射的光的發光材料1240、以及置於發光材料1240和輸出表面1214之間的第一幹涉反射器1230。本文中關於在圖11中示出的實施例的光導1012、光源1020、第一幹涉反射器1030和發光材料1240描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖13中示出的實施例的光導1212、光源1220、第一幹涉反射器1230和發光材料1240同樣適用。系統1200還包括LP幹涉反射器(例如圖11中的第二幹涉反射器1050)，所述LP涉反射器放置為使得發光材料1240位於第一幹涉反射器1230和LP幹涉反射器之間。系統1200還包括與光源1220光學耦合的光腔1270，光腔1270將光源1220發出的激發光引導到光導1212中。可以使用任何合適的光腔1270，例如圖5中示出的實施例的光腔470。
光導1212還包括反射性的底表面1218，其與輸出表面1214形成角度，使得光導1212形成楔形形狀，該楔形形狀從輸入表面1216向末端逐漸減小。反射性的底表面1218可以包含任何合適的一種或多種反射材料。優選的是，反射性的底表面1218包含如例如美國專利No.5,882,774(Jonza等人)中所述的寬帶幹涉反射器1290。寬帶幹涉反射器1290可以接觸底表面1218或與底表面1218隔開。
在某些實施例中，如上所述，TIR促進層可以置於輸出表面1214和第一幹涉反射器1230之間，並且/或者可以置於第一幹涉反射器1230和發光材料1240之間。
使用楔形光導1212可以使由光源1220發射的光基本上垂直入射在第一幹涉反射器1230上，因此允許在第一波通上的基本上所有的光向第一幹涉反射器1230透射。在輸出表面1214和第一幹涉反射器1230之間有TIR促進層的實施例中，從光導1212內以傾斜角度導向輸出表面1214的光可以被TIR促進層引導回光導1212內。然後，這些被重新引導的光可以被反射性的底表面1218反射，並以基本上垂直於輸出表面1214的入射角引導通過輸出表面1214。在光導1212內的一些光可以被引導通過輸入表面1216射向光源1220。這種光可以被光腔1270收集並重新引導通過輸入表面1216進入光導1212。
通常，光源1220發射具有第一光學特徵的光，光被光腔1270引導到光導1212內。至少一部分光被光導1212和/或光導1212的反射性的底表面1218引導通過輸出表面1214，從而使其照射第一幹涉反射器1230。第一幹涉反射器1230將具有第一光學特徵的光基本上透射到發光材料1240上。當使用具有第一光學特徵的光照射時，發光材料1240發射具有第二光學特徵的光。發光材料1240可以將一些光發射回光導1212的輸出表面1214。第一幹涉反射器1230可以基本上將這種光從輸出表面1214反射回去。本發明的照明系統可以包含任何適合類型的一個或多個光導。例如，圖14示意性地示出了照明系統1300的一個實施例，其包含光源1320、以及每個都具有輸入表面1316和輸出表面1314的光導1312。光導1312與光源1320光學耦合。光源1320發射具有第一光學特徵的光。所述系統還包含放置用來接收來自至少一個光導1312的光的發光材料1340、以及置於發光材料1340和光導1312的輸出表面1314之間的第一幹涉反射器1330。第一幹涉反射器1330基本上透射具有第一光學特徵的光而基本上反射具有第二光學特徵的光。當用具有第一光學特徵的光照射時，發光材料1340發射具有第二光學特徵的光。系統1300還包含可任選的第二幹涉反射器1350，其放置為使得發光材料1340位於第二幹涉反射器1350和第一幹涉反射器1330之間。本文中關於在圖2中示出的實施例的光導112、光源120、第一幹涉反射器130、發光材料140和第二幹涉反射器150描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖14中示出的實施例的光導1312、光源1320、第一幹涉反射器1330、發光材料1340和第二幹涉反射器1350同樣適用。
在某些實施例中，光導1312可以包含一根或多根光纖1313。光纖1313可以包含任何適合類型的光纖，例如大芯徑聚合物包層二氧化矽光纖(例如商品名為TECSTM，可以從3M Company，St.Paul，MN購得的那些光纖)、玻璃光纖、塑料芯光纖等。光纖1313與光源1320光學耦合。如前文所述，光源1320可以包含任何適合類型的一個或多個光源。在某些實施例中，光源1320可以包含以陣列圖案布置的不連續的LED管芯或晶片。此外，在某些實施例中，照明系統1300可以包含用於每個光源1320的一根光纖1313。可以使用任何合適的技術將光源1320發射的光耦合到光導1312中。例如，如下列共有和共同未決的專利申請中所述，照明系統1300可以包含一個或多個集光器，集光器可以將來自對應的LED管芯的各向同性的發射光轉換成一束光，這一束光符合對應的光接收光導的受光角標準，所述專利申請是美國專利申請公開No.2004/0149998(Henson等人)；美國專利申請No.10/726,244(Simbal)；美國專利申請No.10/726,248；美國專利申請No.10/727,220(Schultz等人)；美國專利申請No.10/726,225(Henson等人)；美國專利申請No.10/726,257(Aguirre等人)；以及美國專利申請No.10/739,792(Ouderkirk等人)。
發光材料1340以及第一幹涉反射器1330和/或第二幹涉反射器1350可以採用本文中進一步描述的任何合適的形狀。在某些實施例中，發光材料1340和幹涉反射器1330和1350中之一或兩者可以採用連續一層或多層的形式。在其它實施例中，發光材料1340和幹涉反射器1330和1350中之一或兩者可以是彎曲的。此外，在某些實施例中，發光材料1340和幹涉反射器1330和1350中之一或兩者可以是非連續片斷，所述片斷形成在光導1312的一個或多個輸出表面1314上並與所述輸出表面接觸。
發光材料1340可以相對於光導1312的輸出表面1314置於任何合適的位置。在某些實施例中，發光材料1340可以與輸出表面1314間隔放置。在其它實施例中，發光材料1340可以位於第一幹涉反射器1330和第二幹涉反射器1350中之一或兩者之上。如本文所進一步描述的，在其它實施例中，一個或多個TIR促進層可以置於發光材料1340上並位於發光材料1340和第一幹涉反射器1330之間、位於發光材料1340和第二幹涉反射器1350之間，或者置於發光材料1340的兩側上。還可以參見美國專利申請公開No.2004/0150991(Ouderkirk等人)。
第一幹涉反射器1330可以相對於輸出表面1314和發光材料1340置於任何合適的位置，例如與輸出表面1314隔開、與發光材料1340隔開、在輸出表面1314之上、在發光材料1340之上、在輸出表面1314和發光材料1340兩者之上等。在某些實施例中，一個或多個TIR促進層可以被包含在輸出表面1314和第一幹涉反射器1330之間。此外，在某些實施例中，光導1312的輸出表面1314和第一幹涉反射器1330可以使用任何合適的技術或材料進行折射率匹配，例如使用折射率匹配液體、凝膠體、粘合劑、壓敏粘合劑、UV固化粘合劑或粘結劑。
照明系統1300還可以包含一個或多個光學元件1360。所述一個或多個光學元件1360可以放置用來接收來自發光材料1340的光，並可放置在發光材料1340和第一幹涉反射器1330之間、和/或光導1312的輸出表面1314和第一幹涉反射器1330之間。所述一個或多個光學元件1360可以包含將預定角度內的光向顯示器或其它器件引導的準直光學器件。例如，所述一個或多個光學元件1360可以包含增亮膜、轉向膜、透鏡、擴散片、增益擴散片、對比增強材料、反射元件等。在某些實施例中，所述一個或多個光學元件1360可以包含離散板或晶體，以提供更均勻的光分布。離散板或晶體包含將光線分成相互分開的兩束光線的層組，其中這種分開是由於光線的兩個偏振態造成的，當照射離散晶體上時，每個偏振態都會遭遇不同的折射率。典型的離散板由對不同的光偏振具有不同折射率(即雙折射)的材料製成。通常，高折射率方向相對於該板的至少一個面內軸偏斜。
在某些實施例中，所述一個或多個光學元件1360可以包含反射偏振器，其允許系統1300發射優選偏振的光，而反射其它偏振的光。可以使用任何合適的偏振器，例如膽甾型反射偏振器、具有1/4波延遲器的膽甾型反射偏振器、線柵偏振器和可從3M公司購得的各種反射偏振器，包括DBEF(即鏡面反射偏振器)、DRPF(即漫反射偏振器)。由反射偏振器1360反射的光可以被發光材料1340、和/或幹涉反射器1330和1350去偏振，並且被循環使用，使得所選偏振的光就可以以更高效率被發射。
通常，來自光源1320的光照射光導1312的輸入表面1316，並被光導1312引導通過輸出表面1314，在此至少一部分所述光照射第一幹涉反射器1330。第一幹涉反射器1330基本上透射來自光源的1320的光，使得至少一部分光照射發光材料1340。當用具有第一光學特徵的光照射時，該發光材料1340發射具有第二光學特徵的光。例如，可以選擇發光材料1340，從而使得當使用來自光源1320的UV或藍光照射時，該發光材料1340發射可見光。由發光材料1340發射的至少一部分光照射用於基本上透射這種光的可任選的第二幹涉反射器1350。來自光源1320的沒有被發光材料1340轉換的任何光基本上都被可任選的第二幹涉反射器1350向發光材料1340反射回去。此外，發光材料1340發射的照射第一幹涉反射器1330的任何光都基本上被反射。
如前文所提到的，可以使用任何合適的技術將來自光源1320的光耦合進光導1312。例如，圖15示意性地示出了照明系統1400的另一個實施例，其包括包含光纖1413的光導1412。例如，參見共有和共同未決的美國專利申請公開No.2004/0149998(Henson等人)。系統1400包含光源1420、放置用來接收來自光源1420的光的發光材料1440、以及置於光導1412和發光材料1440之間的第一幹涉反射器1430。本文中關於在圖14中示出的實施例的光導1312、光源1320、第一幹涉反射器1330和發光材料1340描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖15中示出的實施例的光導1412、光源1420、第一幹涉反射器1430和發光材料1440同樣適用。如本文進一步描述的，系統1400還可以包含第二幹涉反射器(為示出)。
光源1420包含LED管芯1424的陣列1422，其放置為與光學元件陣列1428光學對準，所述光學元件陣列1428可以包含無源光學元件(例如聚焦透鏡1429)或光學會聚元件(例如反射器)。光學元件陣列1428又與光纖陣列1413對準。光纖陣列1413可以使用連接器連接，其中連接器連接可以包含支撐和/或容納光纖1413的輸入表面1416的連接器1417。連接器連接還可以包含支撐和/或容納光纖1413的輸出表面1414的連接器1415。在光纖1413的輸入表面1416或輸出表面1414處可以使用任何合適的一個或多個連接器，例如在美國專利No.10/726,222(Henson等人)中描述的那些連接器。通過閱讀本發明，對於本領域的一名普通技術人員來說，顯而易見的是，光纖1413的輸出表面1414可以被綑紮以便形成點狀源或成形陣列，例如線性陣列、環形陣列、六邊形陣列或其它成形陣列。在示例實施例中，光源1420的陣列1422包含分立的LED 1424的陣列，例如單個LED管芯或晶片陣列，這些分立的LED單獨安裝，並具有用於操作控制的獨立的電連接(而不是其中所有LED都通過它們的公共半導體基板互相連接的LED陣列)。LED管芯可以產生對稱的輻射圖案，使其成為對於本發明的理想光源。LED管芯能夠將電能有效地轉換為光，而不像大多數雷射二極體那樣對溫度敏感。因此，與很多類型的雷射二極體相比，僅用普通的散熱裝置就足以操作LED管芯。在示例實施例中，每個LED管芯1424與最靠近它的相鄰管芯至少隔開大於LED管芯寬度的距離。另外，LED管芯可以在-40℃到125℃的溫度範圍內操作，而且與大多數雷射二極體具有的大約10,000小時的使用壽命或滷素汽車頭燈具有的大約500到1000小時的使用壽命相比，可以具有100,000小時範圍的使用壽命。在示例實施例中，每個LED管芯1424都可以具有大約50流明或更大的輸出強度。分立的大功率LED管芯可以從例如Cree和Osram這種公司購得。在一個示例實施例中，LED管芯1424的陣列(由Cree公司製造)可以用來提供集中的(小面積、大功率)光源，其中每一個LED管芯的照射面積大約為300μm×300μm。也可以使用其它光發射表面形狀，比如矩形或其它多邊形。另外，在可供選用的另一個實施例中，所用的LED管芯1424的發射層可以置於頂表面上或底表面上。在可供選用的另一個實施例中，陣列1422可以用發射雷射的白色垂直腔表面(VCSEL)陣列代替。可以使用無源光學元件陣列1428將由每個VCSEL發射的光重新引導到對應光纖1413中。圖15的示意性實施例的一種情況是，每個光源1412、光學元件1428的陣列的對應無源光學元件(透鏡、聚焦元件、會聚元件或反射元件)和對應的光纖1413之間是一一對應的。當通電時，每個LED管芯1424作為單獨的光源將光射入對應光纖1413。本示例實施例包含大芯徑(例如400μm到1000μm)聚合物包層二氧化矽光纖(例如商品名為TECSTM，可以從3M Company，St.Pau1，MN購得的那些光纖)。依賴於某些參數，例如LED管芯1424的輸出波長，也可以按照本發明的所述實施例使用其它類型的光纖，比如傳統或特製玻璃光纖。另外，通過閱讀本發明，對於本領域的一名普通技術人員來說，顯而易見的是，根據本發明的教導也可以應用其它類型的波導，例如平面波導、聚合物波導等。光纖1413還可以包含在光纖1413的每個輸出表面1414上的光纖透鏡。同樣地，光纖1413的輸入表面1416也可以分別包含光纖透鏡。光纖透鏡的製造和應用在共有和共同未決的美國專利No.6,822,190(Smithson等人)和美國專利申請No.10/670,630(Jennings等人)中進行了描述。單獨的光纖1413被收集起來以提供距離原始光源一定距離的遠距照明。對作為燈泡替代物的基於LED的照明組件的進一步描述在共有和共同未決的美國專利申請No.10/726,225(Henson等人)中進行了描述。
在某些實施例中，LED管芯1424可以是獨立可控的，使得可以選擇激活一個或多個LED 1424。例如，系統1400可以包括與每個LED 1424電連接的控制器(未示出)。所述控制器可以操作來選擇激活一個或多個LED 1424。可以使用任何合適的一個或多個控制器，例如在共有和共同未決的美國專利申請公開No.2004/014998(Henson等人)中描述的那些控制器。這種可控的LED 1424輸出可以用於各種應用中，例如機動車的可轉向頭燈、像素化顯示器、投影系統、標誌等。
通常，具有第一光學特徵的光由光源1420的一個或多個LED1424發射，這種光被光學元件1428通過光纖的輸入表面1416引導進一個或多個光纖1413中。所述光被光纖1413引導通過光纖的輸出表面1414，並照射第一幹涉反射器1430。所述第一幹涉反射器1430基本上透射所述光，使得光照射發光材料1440。所述發光材料1440將來自光源1420的至少一部分光轉換為具有第二光學特徵的光。由發光材料1440發射的被引導向第一幹涉反射器1430的光基本上被第一幹涉反射器1430反射。如果LP幹涉反射器(例如圖2中的第二幹涉反射器150)被包含在系統1400中，那麼由發光材料1440發射的光基本上由LP幹涉反射器透射。任何來自光源1420的照射LP幹涉反射器的光基本上被反射回發光材料1440，然後在發光材料1440那裡其可以被轉換為具有第二光學特徵的光。然後，由發光材料1440發射和/或由可任選的LP幹涉反射器透射的光可以使用任何合適的技術引導到希望的位置。
在某些實施例中，圖14的照明系統1300和圖15的1400可以包含LP幹涉反射器而不包含SP幹涉反射器。例如，圖18示意性地示出了照明系統1700，其包含放置為接收來自發光材料1740的光的幹涉反射器1750。系統1700也包含光源1720，以及光學耦合到光源1720的光導1712。本文中關於在圖14中示出的實施例的光導1312、光源1320、發光材料1340和第二光學幹涉反射器1350描述的所有的設計考慮事項和可能性，對圖18中示出的實施例的光導1712、光源1720、發光材料1740和第二幹涉反射器1750同樣適用。系統1700可以包含與關於圖14的照明系統1300所述類似的其它特徵件，例如一個或多個光學元件、TIR促進層等。
通常，光源1720發射具有第一光學特徵的光。這種光照射光導1312的輸入表面1316並被引導通過輸出表面1714，在此至少一部分所述光照射發光材料1740。當使用具有第一光學特徵的光照射時，發光材料1740發射具有第二光學特徵的光。發光材料1740發射的至少一部分光照射幹涉反射器1750，幹涉反射器1750基本上透射具有第二光學特徵的光而基本上反射具有第一光學特徵的光。然後，使用任何合適的技術將被基本上透射的光引導到希望的位置。
可以任何合適的方式使用本發明的照明系統以提供照明。例如，本文描述的一些或全部照明系統可以用於為顯示器提供照明。圖16示意性地示出了顯示器組件1500，其包含光學耦合到顯示器件1512的照明系統1510。照明系統1510可以包含本文描述的任何照明系統，例如圖1中的照明系統10。照明系統1510為顯示器件1512提供照明光。顯示器件1512可以是任何合適的顯示器件，例如LCD、電致變色器件或電泳器件、一個或多個空間光調製器、透射式標誌等。例如，顯示器件1512可以包含一個或多個空間光調製器。在某些實施例中，所述一個或多個空間光調製器可以包含可單獨尋址的可控元件陣列。這種空間光調製器可以包含適合類型的可控元件。例如，空間光調製器可以包含可變透射率類型的顯示器。在某些實施例中，空間光調製器可以包含液晶顯示器(LCD)，其為透射類型的光調製器的例子。在某些實施例中，空間光調製器可以包含可變形的反射鏡器件(DMD)，其為反射類型的光調製器的例子。顯示器件1512可以包含產生顯示圖像的任何合適的光學元件和非光學元件，例如透鏡、擴散片、偏振器、濾光器、分光器、增亮膜等。照明系統1510可以使用本領域內已知的任何合適的技術光學耦合到顯示器件1512。
討論了本發明的示例性實施例，並且參考了在本發明範圍內的可能的變化。對本領域的技術人員來說，在不脫離本發明範圍的情況下，本發明的這些及其它的變形和修改將是顯而易見的，並且應該理解的是，本發明不局限於在這裡所闡述的示例性實施例。因此，本發明僅僅由下面所提供的權利要求限定。
權利要求
1.一種照明系統，包括光源，其發射具有第一光學特徵的光；光導，其具有輸出表面，其中所述光導被構造為引導所述光源發射的至少一部分光通過其輸出表面；發光材料，其放置為接收來自所述光導的輸出表面的光，其中，當所述發光材料被具有第一光學特徵的光照射時，其發射具有第二光學特徵的光；以及幹涉反射器，其放置為使得所述發光材料位於所述光導的輸出表面和所述幹涉反射器之間，其中，所述幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，而基本上反射具有第一光學特徵的光。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一光學特徵包括第一波長區域，所述第二光學特徵包括與所述第一波長區域不同的第二波長區域。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述第一波長區域包括UV光。
4.根據權利要求2所述的系統，其中，所述第一波長區域包括藍光。
5.根據權利要求2所述的系統，其中，所述第二波長區域包括可見光。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述光源包括至少一個固態光源。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述至少一個光源包括至少一個LED。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述發光材料包括螢光材料。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，所述發光材料是不連續的。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述不連續的發光材料是多條發光材料線。
11.根據權利要求9所述的系統，其中，所述不連續的發光材料包括發光材料圖案。
12.根據權利要求9所述的系統，其中，所述不連續的發光材料包括多個發光材料點。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述多個發光材料點中的每一個點都具有小於10000μm2的面積。
14.根據權利要求12所述的系統，其中，所述多個發光材料點中的至少一個點包含第一發光材料，所述多個發光材料點中的至少一個其它點包含第二發光材料。
15.根據權利要求12所述的系統，其中，所述第一光學特徵包括第一波長區域，所述第二光學特徵包括與所述第一波長區域不同的第二波長區域，其中，至少第一螢光點發射具有在第二波長區域內的第一峰值波長的光，至少第二螢光點發射具有在第二波長區域內的第二峰值波長的光，所述第二峰值波長與所述第一峰值波長不同。
16.根據權利要求1所述的系統，其中，所述系統包括與所述光源光學耦合的光腔，其中，所述光腔構造成將具有所述第一光學特徵和所述第二光學特徵中的至少一種光學特徵的光導向所述光導的輸入表面。
17.根據權利要求1所述的系統，其中，所述光導具有楔形形狀。
18.根據權利要求1所述的系統，其中，所述發光材料還具有粘合劑。
19.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一光學特徵包括第一波長區域，所述第二光學特徵包括與所述第一波長區域不同的第二波長區域，其中，所述發光材料在所述第一波長區域具有第一折射率。
20.根據權利要求19所述的系統，其中，所述系統還包括在所述幹涉反射器和所述發光材料之間接觸所述發光材料的TIR促進層，並且，所述TIR促進層在第一波長區域具有第二折射率，所述第二折射率小於所述第一折射率。
21.根據權利要求20所述的系統，其中，所述TIR促進層包括氣隙。
22.根據權利要求20所述的系統，其中，所述TIR促進層包括微結構化層。
23.根據權利要求1所述的系統，其中，還包括至少一個光學元件，所述光學元件放置為使得所述幹涉反射器位於所述發光材料和所述至少一個光學元件之間。
24.根據權利要求23所述的系統，其中，所述至少一個光學元件包括反射偏振器。
25.根據權利要求24所述的系統，其中，所述反射偏振器包括膽甾型材料。
26.根據權利要求24所述的系統，其中，所述反射偏振器包括多層聚合物材料。
27.根據權利要求26所述的系統，其中，所述反射偏振器包括多層雙折射聚合物材料。
28.一種照明燈具，其包括根據權利要求1所述的照明系統。
29.一種標誌，其包括根據權利要求1所述的照明系統。
30.一種製造照明系統的方法，包括提供發射具有第一光學特徵的光的光源；設置光導以接受由所述光源發射的光，其中，所述光導引導所述光源發射的至少一部分光通過光導的輸出表面。設置發光材料以接受來自所述光導的輸出表面的光，其中，當用具有第一光學特徵的光照射所述發光材料時，其發射具有第二光學特徵的光；以及設置幹涉反射器，使得所述發光材料位於所述光導的輸出表面和所述幹涉反射器之間，其中，所述幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，並且基本上反射具有第一光學特徵的光。
31.一種顯示器，包括照明系統，其中所述照明系統包括光源，其發射具有第一光學特徵的光；光導，其包括輸出表面，其中所述光導構造為引導所述光源發射的至少一部分光通過輸出表面；發光材料，其放置為接收來所述自光導的輸出表面的光，其中，當用具有第一光學特徵的光照射所述發光材料時，其發射具有第二光學特徵的光；以及幹涉反射器，其放置為使得所述發光材料位於所述光導的輸出表面和所述幹涉反射器之間，其中，所述幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，並且基本上反射具有第一光學特徵的光；以及空間光調製器，其與所述照明系統光學耦合，其中，所述空間光調製器包括多個可控元件，所述可控元件可操作以調製來自所述照明系統的至少一部分光。
32.根據權利要求31所述的顯示器，其中，所述空間光調製器的多個可控元件包括可變透射率的顯示元件。
33.一種給所需位置提供照明的方法，包括用具有第一光學特徵的光照射光導，其中所述光導引導光通過輸出表面；用來自所述光導的輸出表面的光照射發光材料，使得所述發光材料發射具有第二光學特徵的光；用來自所述發光材料的光照射幹涉反射器，其中，所述幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，而基本上反射具有第一光學特徵的光；以及將所述幹涉反射器透射的至少一部分光導向所需位置。
全文摘要
本發明公開一種照明系統，其包括光源；具有輸出表面的光導；放置為接收來自光導的輸出表面的光的發光材料；以及幹涉反射器，其放置為使得發光材料位於光導的輸出表面和幹涉反射器之間。光源發射具有第一光學特徵的光。當發光材料被具有第一光學特徵的光照射時，其發射具有第二光學特徵的光。幹涉反射器基本上透射具有第二光學特徵的光，而基本上反射具有第一光學特徵的光。
文檔編號G02F1/1335GK1981216SQ200580022325
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月6日 優先權日2004年6月30日
發明者安德魯·J·歐德科克, 約翰·A·惠特利, 麥可·F·韋伯, 肯尼思·A·愛潑斯坦, 詹姆斯·E·沃森 申請人:3M創新有限公司