基於混合波導-下轉換器-擴散器的固態光源的製作方法

2023-05-01 14:01:46

專利名稱：基於混合波導-下轉換器-擴散器的固態光源的製作方法
技術領域：
本公開涉及固態光源，並且更特別地，涉及一種基於混合波導_下轉換器_擴散器的固態光源。
背景技術：
和

發明內容
本部分提供了與本公開相關的背景信息，這些信息並不一定是現有技術。本部分還提供了本公開的總體概述，並且本部分不是對本公開的整個範圍或本公開的所有特徵的全面公開。當前，美國每年單在照明用電上就總共花費數以萬億計的美元——實際上，大多數建築物用電的四分之一是用於照明。因此，即使照明效率的適度提高也可以使得節省大量的金錢並且對環境有益。作為能效更高的照明解決方案，固態光發射裝置(LED或有機 LED)有可能可以替換現有的白熾燈和螢光燈，從而提供超過1001m/W的發光效率。然而，照明的累計成本不僅包括電力成本，而且包括燈的成本。為了在商業上可行，與螢光燈、高強放電(HID)燈以及當前的基於LED的燈相比，任何新興的固態照明(SSL) 技術必須同時在成本和能量方面具有競爭力。到目前為止，基於LED的照明在大多數市場 (例如，室內普通照明)上在成本方面一直不具有競爭力。重要的是，除了照明效率和成本效能之外，為利於廣泛接受，照明質量(S卩，顯色指數(CRI))也必須與傳統白熾燈和HID燈的照明質量(通常CRI > 90)相匹敵。現有照明器材(例如，螢光照明器材和愛迪生螺旋燈頭)的向後兼容性也是非常可取的。迄今為止，事實上，新興的光源沒有一個滿足這些要求。無機白光LED可能能夠滿足SSL要求並且表現出長於50，000小時的裝置壽命。迄今為止，基於氮化銦鎵(InGaN)和磷化鋁鎵銦(AlInGaP)的LED已經分別在藍光和紅光波長上實現超過50%的功率轉換效率；基於氮化銦鎵的綠光LED具有30%的效率。由於昂貴的製造過程(例如，外延)和不相容的藍光/綠光和紅光LED材料，因此當前的白光LED主要基於塗履有黃色磷光體的藍光LED。然而，該方法產生非常低的CRI輸出(大約70)。另外，每個LED晶片尺寸僅在Imm2量級上或更小。因此，需要外部透鏡和擴散器，這導致附加的製造和裝配成本。相似地，白光OLED可能能夠滿足SSL要求，提供對發光顏色的精良控制，並且理論功率效率超過150流明/瓦特。迄今為止，OLED已經超過601m/W的功率效率，並且獲得80 或更好的CRI。然而，在它們變得對於SSL應用而言在商業上可行之前，必須克服若干重大的技術和科學挑戰。這些挑戰中的一些包括1.較高的基質成本(計算表明整個OLED必須花費少於$100/m2) ；2.較低的光外耦合率(計算表明光提取效率應當超過50%) ；3.發藍光材料的較短的工作壽命；以及4.較高的封裝成本(尤其在對撓性基質的卷帶式加工 (reel-to-reel manufacturing)白勺t青況下)0根據本教導的原理，提供了一種固態光源，該固態光源包括輸出光能的光泵；光耦合到光泵以接收光能的波導；以及用於將來自波導的光能轉換為較弱光能的下轉換器。通過在此提供的說明，其它可應用領域將變得清楚。本發明內容部分中的說明和具體示例僅出於說明的目的而並非意在限制本公開的範圍。


此處描述的附圖是僅用於對所選實施方式而非全部可能的實施進行示例說明的目的，而並非意在限定本公開的範圍。圖1是根據本教導原理的基於混合波導-下轉換器-擴散器系統的固態光源的示意圖；圖2是具有一排LED和相關聯波導的固態光源，其中，為清楚起見部分被移除；圖3是藍光LED的放大示意圖；圖4是根據本教導原理的圓柱狀波導組件的仰視立體圖；圖5是根據本教導原理的板狀波導組件的仰視立體圖；圖6是具有變化的彎曲半徑的根據本教導原理的波導的立體圖；圖7是具有變化的螺距的根據本教導原理的波導的立體圖；以及圖8a至8c是具有各種表面處理以促進光外耦合的根據本教導原理的波導的示意性截面圖。在附圖中的若干視圖中，對應的附圖標記始終指示對應的部件。
具體實施例方式現在將參照附圖更全面地描述示例實施方式。提供示例實施方式以使得本發明公開充分並且向本領域技術人員完整傳達了範圍。闡述了許多特定細節，例如特定部件、裝置、以及方法的示例，以提供對本公開的實施方式的全面的理解。對於本領域技術人員而言將顯而易見的是，不必採用特定細節，可以以許多不同的形式實施示例實施方式並且都不應當解釋為對本公開的範圍的限制。本文使用的術語僅出於描述具體示例性實施方式的目的，而非意欲進行限制。如本文所使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」可被理解成同樣包括複數形式，除非上下文中以其它方式清楚地加以表明。術語「包括」、「包含」、「含有」和「具有」是包括在內的，並且由此詳細說明了所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個特徵、整體、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組合的存在或摻雜。本文所述的方法步驟、 過程和操作不應被解釋成必需要求以所討論或所述的特定順序來執行它們，除非明確表明為執行順序。同樣應該明白的是，可採用附加的或替代的步驟。當元件或層被指為「在另一元件或層上」、或「接合至」、「連接至」或「耦合至」另一元件或層時，該元件或層可以直接在另一元件或層上、或直接接合至、連接至或耦合至另一元件或層，或者可存在居中的元件或層。相反，當元件被指為「直接在另一元件或層上」、或 「直接接合至」、「直接連接至」或「直接耦合至」另一元件或層時，可不存在居中元件或層。用於描述元件之間的關係的其他用語應當以相似的方式進行解釋(例如「在...之間」對 「直接在...之間」，「相鄰」對「直接相鄰」等)。如本文所使用的，用語「和/或」包括一個或多個關聯列舉的項目中的任一個和全部組合。為了克服常規固態照明的缺陷，本教導的原理提供了一種以創新且有效的方式組合發展成熟的技術的方法。如圖1和2所示，根據本教導的原理，固態光源10設置成具有光泵12和波導組件14，波導組件14可操作地耦合於光泵12以便光泵12與波導組件14之間的光能連通。具體地，本教導提供了一種系統，其中，在一些實施方式中，藍光LED的輸出耦合至包括波導芯層和波導包覆層的光波導或波導組件，由此，與波導包覆層相比，波導芯層具有更高的折射率。波導的外表面可以塗履有波長轉換材料(例如，螢光染料、磷光體以及量子點)。通過使波導適當地成形，均勻洩出的藍光激發波長轉換材料以產生白光。與常規系統相比，本教導的主要優點包括(i)藍光激發的光強度(每單位面積的光功率)非常低，從而允許更寬範圍的波長轉換材料，以及(ii)照明裝置的外形因素(大小和形狀)可以僅通過改變波導的外形因素而容易地改變並且不受波長轉換材料的放置的限制(例如， 在螢光器材中替換使用的長形照明裝置)。在一些實施方式中，光泵12可以包括光學地耦合於一個或多個波導組件14的一個或多個LED、雷射器、有機LED以及其組合。應當認識到，在一些實施方式中，光泵12可以包括不同顏色的LED、不同顏色的雷射器、不同顏色的有機LED等。特別地參照圖1至3，光泵12被示出為提供極高發光效率的藍光泵LED 12。特別地參照圖3，藍光泵LED 12可以為使用TFFC(薄膜倒裝晶片)設計的藍光LED。繼續參照圖1、2和4至7，波導組件14可以限定包括圓形、橢圓形、平面狀、圓柱狀、具有變化的螺距和/或半徑的圓柱狀或有助於一致的或其它的光輸出分布的其它形狀的多種布置和設計中的任何一種。此外，在一些實施方式中，波導組件14可以以成排構造布置(如圖2所示)。在一些實施方式中，波導組件14可以包括基本上被諸如氟化聚碳酸酯之類的波導包覆層18圍繞的諸如PMMA芯之類的波導芯層16。在一些實施方式中，波導組件14可包括通常圍繞波導包覆層18的至少一部分的下轉換層20。最後，可圍繞波導組件14的所包含的部分布置外表面部分22以提供外耦合功能。應當注意，波導組件14的具體布置可以變化，並且因此可以採用可選擇的形狀和分層。還應當理解，因為上述層中的每一個可以僅覆蓋或布置在局部區域上以影響預定光輸出，所以它們不必是完整的。該光輸出可以是定製的和/或非均勻的。在一些實施方式中，如圖1所示，波導組件14可以進一步或可選地包括染料和/ 或染料層26、28 (或磷光體或量子點)，染料和/或染料層26、28 (或磷光體或量子點)至少布置在波導芯層16的外部，比如布置在包覆層18上或包覆層18中或者布置在包覆層18 的外部，其將來自LED 12的藍光下轉換成更長的波長。這可以利用下轉換器和一些實施方式中的外部阻隔層或擴散器24(圖1)來實現。即，在一些實施方式中，染料層26、28可以吸收藍色光子並且輸出更少能量的光子，諸如綠色光子、紅色光子等。在一些實施方式中， 藍光可以下轉換為黃光。在一些實施方式中，下轉換過程可以是多步驟的使得藍光首先下轉換為綠光，然後在後續步驟中，綠光可以下轉換為紅光。在一些實施方式中，可以從藍光到綠光到黃光到紅光來完成下轉換過程。在一些實施方式中，可以通過給波導組件14摻雜下轉換器或通過將綠色下轉換器和紅色下轉換器二者摻雜到包覆層18中(在圖1的插圖中示意性地示出)而在波導組件14中而將藍光轉換成綠光和紅光。根據本教導，已經發現實際的損失主要限於LED源12和波導組件14之間的耦合損失、波導組件14和任何可選的包覆層中的吸收以及下轉換器中的斯託克斯(Stokes)損失(將在本文中討論)。除了斯託克斯損失之外，這些損失可以根據本教導的原理最小化至幾乎可忽略的水平。斯託克斯損失是不可忽略的(大約25%)，但其又是現有LED或螢光照明所固有的特徵。已經發現本教導的總光外耦合率是非常高的。這可以部分地歸因于波導芯層16 的相對於LED源12的受光角(+/-30度)。因此，LED源12的發射錐還可以是狹窄的，這又利於來自LED的單色光外耦合的藉助於電介質堆棧、光子晶體以及其它的裝置的增加。也已經發現還可以使包覆層/阻隔層的表面變粗糙以增加與空氣的光耦合。重要的是，可以通過從各式各樣的材料體系——例如，無機磷光體、螢光和磷光有機染料、發光聚合物等—— 中選擇下轉換器而非常精確地調整該組件10的顯色指數(CRI)。波導14用於通過將下轉換器(例如，分子染料)摻雜到惰性基質(例如，PMMA、聚對二甲苯等)中而使激發強度降低和使下轉換器(例如，分子染料)的集中減少。這使下轉換器的工作壽命增加，這使常規白色LED中常見的劣化機制緩和。波導14可以充當從組件逃逸的光的良好的擴散器，從而可能使總的器材/照明器具成本降低。為了在整個裝置10上均勻地產生白光，應當沿著波導14的整個長度均勻地提取通過波導14輸送的藍光。換而言之，在一些實施方式中，期望光強度和色溫從波導14的近端端部到遠端端部基本上等同。然而，達到該目標並不容易。在一些實施方式中，要求將光輸出率沿著波導14控制成使得光輸出率沿著波導14的長度保持均勻。然而，通常，接近光源(近端)端部的光輸出率比遠離光源(遠端)的光輸出率大。該光輸出率上的差異會影響藍光在沿著波導14的長度的不同位置處與相關染料的相互作用，導致光強度和色溫沿著波導14的長度變化。因此，為了在整個裝置10上均勻地產生白光，期望調節光輸出率和 /或調節塗覆的下轉換層以將藍光均勻地轉換成多種顏色(例如，綠色和紅色)並且因此混合成白光。如在本文中討論的，引導藍光的常規波導(例如，塑料光學纖維)顯示出有限的衰減損失。三個主要損失機制包括因波導的不完善而產生的輻射損失、吸收損失、以及瑞利散射。這些損失導致在整個波導長度上的藍光功率的指數式衰減。就因波導的不完善而產生的輻射損失和瑞利散射而言，藍光從波導中洩漏出去，導致功率的相同的指數式衰減並因此產生非均勻的白光。為了解決該問題和在整個裝置10上均勻地產生白光，在本教導的一些實施方式中，如圖6和7所示，波導14的結構使得通過波導14的有意彎曲而有目的地引入附加輻射損失。波導14的彎曲使得通過波導14引導的光射線中的一些能夠因為不再滿足全內反射條件而洩漏出去。通過適當地控制波導14的布置，彎曲損失可以沿著波導長度增大以補償功率(即，光強度)的指數式衰減。因為彎曲損失僅取決於特定波導結構的彎曲半徑，所以如圖6和7所示，波導14的半徑可以連續地變化以實現均勻的白光輸出。在一些實施方式中，如圖6所示，波導14的結構構造為向上延伸且逐漸地收緊的盤管狀，其中，內部彎曲半徑逐漸地增大以補償光強度的損失。在該實施方式中，其形狀有助於替換現有的白熾光照明器材。在一些實施方式中，如圖7所示，波導14的結構構造為外直徑大體恆定但是螺距逐漸增大的螺旋狀，其中，內部彎曲半徑同樣逐漸地增大以抵消光強度的損失。在該實施方式中，其圓柱狀形狀有助於替換現有的螢光照明器材並且可以通過將波導纏繞在圓柱狀模具上而實現。在一些實施方式中，可以在模具上進行波導的纏繞，可以在該模具上塗履反射層(例如，金屬)以使外耦合效率提高。應當認識到，波導14可以限定許多形狀中的任何一種，諸如如圖2和4所示的圓柱波紋形狀、如圖5所示的波紋板狀形狀或如圖6和7中部分地示出的螺距和/或半徑變化的圓形形狀。如圖8a至8c所示，還應當認識到，可以沿著波導組件14的外周界面使用各種表面處理和表面紋理以用於美學和/或外耦合性能。例如，如圖8a所示，波導組件14 可以包括布置在阻隔層24或外散射層46中的多個向內指向的切口、凹陷、缺口或其它向內指向的特徵40以提供增大的表面面積和改善的外耦合。相似地，如圖8c所示，波導組件14 可以包括布置在阻隔層24或外散射體層46中的多個向外指向的伸出部、特徵或突起42以提供增大的表面面積和改善的外耦合。更進一步，如圖8b所示，波導組件14可以包括嵌入在阻隔層24或散射體層46中的諸如顆粒之類的多個特徵44以提供增強的光散射和改善的外耦合。以該方式，本教導可以用於直接替換常規白熾光照明系統、螢光照明系統以及其它的照明系統和它們的相關聯外形要素(例如，長形的、板狀的、球形的等等)。出於示例和說明的目的提供了以上對實施方式的描述。其並非詳盡的或無意於限定本發明。特定實施方式的各個元件或特徵通常不限於該特定的實施方式，而是在可應用的情況下能夠互換並且能夠在所選取的實施方式中使用，即使沒有具體地示出或描述。同一方式還可以以多種形式改變。這些改變不應當被認為偏離本發明，並且期望所有這些變型都被包括在本發明的範圍內。
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權利要求
1.一種固態光源，包括輸出光能的光泵；波導組件，所述波導組件與所述光泵光耦合以接收所述光能，所述波導組件至少具有芯部；以及下轉換器，所述下轉換器將來自所述波導組件的所述光能轉換為更弱的光能，所述下轉換器布置在所述波導組件的所述芯部的外部。
2.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述波導組件是長形的，且具有減小的彎曲半徑。
3.根據權利要求2所述的固態光源，其中，所述減小的彎曲半徑選擇成允許沿所述波導組件的長度的基本上均勻的光輸出，以抵消光能損失。
4.根據權利要求2所述的固態光源，其中，所述減小的彎曲半徑選擇成允許沿所述波導組件的長度的預定的光輸出率，以抵消光能損失。
5.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述光泵是LED。
6.根據權利要求5所述的固態光源，其中，所述光泵是藍光LED。
7.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述光泵是雷射器。
8.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述波導組件是螺距漸增的螺旋狀形狀。
9.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述波導組件限定板狀形狀。
10.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述光泵以具有藍色光子的藍光波長輸出所述光能，並且所述下轉換器包括接收所述藍色光子並且輸出第一下轉換光子的第一染料層，所述第一下轉換光子的能量弱於所述藍色光子。
11.根據權利要求10所述的固態光源，其中，所述下轉換器包括接收所述第一下轉換光子並且輸出第二下轉換光子的第二染料層，所述第二下轉換光子的能量弱於所述第一下轉換光子。
12.根據權利要求1所述的固態光源，進一步包括輸出光能的第二光泵；第二波導組件，所述第二波導組件與所述第二光泵光耦合以從所述第二光泵接收所述光能；以及第二下轉換器，所述第二下轉換器用於將來自所述第二波導組件的所述光能轉換為更弱的光能。
13.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述波導組件包括輪廓構造成促進外耦合的外表面，所述外表面具有散射所述更弱的光能的多個嵌入特徵。
14.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述波導組件包括具有多個向內指向的凹陷以促進所述更弱的光能的外耦合的外表面。
15.根據權利要求1所述的固態光源，其中，所述波導組件包括具有多個向外指向的特徵以促進所述更弱的光能的外耦合的外表面。
16.一種輸出光能的方法，包括將光能引入到波導組件內，所述波導管組件內的所述光能的強度沿所述波導組件的長度降低；以及使所述波導組件縱向地成形為在第一縱向位置處和在第二縱向位置處產生基本上一致的離開所述波導組件的側面的光洩漏，所述波導組件內的所述光能在所述第一縱向位置處與在所述第二縱向位置處不同。
17. 一種輸出光能的方法，包括將光能引入到波導組件內，所述波導組件內的所述光能的強度沿所述波導組件的長度降低；以及將所述波導組件彎曲成形成逐漸變化的半徑以在第一縱向位置處和在第二縱向位置處產生基本上一致的離開所述波導組件的側面的光洩漏，所述波導組件內的所述光能在所述第一縱向位置處與在所述第二縱向位置處不同。
全文摘要
提供了一種固態光源，該固態光源包括輸出光能的光泵、波導、以及下轉換器，該波導與光泵光耦合以接收光能，該下轉換器用於將來自波導的光能轉換為更弱的光能。
文檔編號F21Y101/02GK102449387SQ201080023674
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月28日 優先權日2009年5月29日
發明者古培正, 馬克斯·施泰因 申請人:密執安州立大學董事會