一種用於特定波長熱照射和處理的方法和系統的製作方法

2023-10-26 04:58:47 4

專利名稱：一種用於特定波長熱照射和處理的方法和系統的製作方法
一種用於特定波長熱照射和處理的方法和系統本申請基於並要求2007年6月8日提交的美國臨時專利申請No60/933，818的優先權，通過引用將其全部引入本文。相關申請本申請涉及於2004年12月3日提交的題為「一種用於特定波長熱照射和處理 的方法和系統」的美國序列號11/003，679，於2006年2月9日提交的題為"一種用於特 定波長熱照射和處理的方法和系統"的美國序列號11/351,030以及於2006年6月7日 提交的題為"一種用於基於雷射的特定波長紅外照射處理的方法和系統"的美國序列號 11/448，630。
背景技術：
本發明涉及為了大範圍加熱、加工或處理的目的將所選擇的熱紅外(IR)波長的 輻射或能量直接射入目標實體。如下所述，這些目的可以包括加熱、升高或保持製品的溫 度，或者在不同的工業、醫療、消費或商業環境的範圍內激發目標。本文所述的方法和系統 尤其適用於需要或者受益於能夠以特定選擇的波長照射或者使照射產生脈衝或射入的操 作。當目標以較高的速度並且在與目標無接觸的環境中移動時，本發明是特別有利的。本 發明提供高度程序可控的用於各種各樣應用的選定窄波長的紅外系統。該照射系統在至少 一種形式下包括被設置為以匹配目標的特定吸收性質的波長照射目標的多個窄帶照射源。 在一種形式下，本發明教導一種新穎和新型紅外照射系統，其由最優選新類型的窄波長固 態輻射發射器件(RED)的工程陣列構成，在本文中稍後將具體地提及其一種變型。本文為 了舉例描述了這些設備以及替換或變型，但可以採取可能包括多種形式的窄帶照射源例如 二極體、雷射二極體(或其它種類的雷射器件)或其它固態發射器件的各種形式。更具體地說，本發明涉及一種為了在某些方式下影響目標的溫度將波長最適合的 紅外輻射射入目標的新穎且有效的方法。提到實例的小樣本，供紅外射入的「目標」可以來 自多種物品，其範圍從製造操作中的單個元件到在材料的連續式線圈上的處理區域到蒸煮 過程中的食物或者到治療環境中的病人。雖然下文所述的本發明的具體實施方式
是特別涉及塑料瓶預成型件再熱操作的 實例，但是其中所含的原理同樣應用於許多其它被關注的情況。它還應用於一段塑料瓶吹 塑操作，其中恰好在吹塑成型操作之前逐次進行注塑操作。在該應用中，例如，本發明的方 法和裝置提供優於已知技術的類似優點，但採用不同的傳感和控制來處理在進入該工藝的 再熱部分的入口處初始溫度的變化。通常，理想的紅外加熱系統最好用最小的能耗提高目標的溫度。這樣的系統可以 包括能夠直接將其電能輸入轉化為針對目標具有選定的單一或窄帶波長的輻射電磁能輸 出的器件，使包含照射的能量被該目標部分或全部吸收並轉化為熱。電輸入轉化為輻射電 磁輸出越高效，系統能夠越高效地運行。越高效地對準輻射的電磁波僅照射目標上希望的 區域，系統將越高效地完成它的工作。所選擇的供使用的輻射發射器件應該具有瞬時「開」 和瞬時「關」的特性，以致未照射目標時不浪費輸入或輸出能量。受照射的目標越高效地吸 收輻射的電磁能直接將其轉化為熱，該系統能夠越高效地運行。對於最優的系統，必須小心適當地選擇，使系統輸出波長匹配目標的吸收特性。對於本發明不同的目標應用，多半將不 同地選擇這些波長以最好地適應不同材料的不同吸收特性以及適應不同的希望結果。相反，在本領域和工業中眾所周知，對於各種各樣的工藝和處理使用大量不同類 型的輻射加熱系統。先前可用於這樣的目的的技術產生相對寬的發射的輻射電磁能譜帶。 它們可以被稱為紅外加熱、處理或處理系統，然而實際上它們經常產生遠超出紅外光譜的 輻射能。通常將光譜的紅外部分分成三個波長類別。通常將這些分類為近紅外、中紅外和 遠紅外波長帶。雖然對於這些一般區域沒有清楚地確定精確的邊界點，普遍接受的是近紅 外區跨越介於可見光和1. 5微米之間的範圍。中紅外區跨越從1. 5微米到5微米的範圍。 遠紅外區通常被認為在5微米和14微米以上之間。先前已經用於工業、商業和醫療、熱處理或加工設備的輻射紅外源產生很少局限 於一部分紅外光譜的寬帶波長。雖然它們的寬帶輸出最高可以在紅外光譜的特定範圍內， 但是它們典型地具有完全延伸到相鄰區域中的輸出尾部。例如，本領域眾所周知並被用於各種加工加熱操作的石英紅外加熱燈常產生在 0. 8 1微米範圍內的最大輸出。雖然該輸出最高可以在0. 8 1微米之間，但這些燈具有 在從紫外線(UV)穿過可見並超出到中紅外內約3. 5微米的一組連續寬波長帶內的實質性 輸出。顯然，雖然石英燈的最大輸出在近紅外範圍內，但是有在可見範圍內和在中紅外範圍 內的實質性輸出。因此，對於任何給定的加熱、加工或處理，應用能夠選擇最希望的優選波 長的現有廣譜紅外源是不可能的。寬譜處理或加工是固有的並且已經被廣泛使用，因為在 開發出例如上述相關申請之前沒有切實可行的替代。在許多目標中主要的溫升是由於吸收 了一個以上窄帶波長的熱IR能量。因而，浪費了大部分寬帶IR輸出能。儘管如此，石英紅外照明在工業中被廣泛用於分散元件以及連續材料加工業。典 型地採用各種方法來幫助將來自石英燈的輻射導向正在加工的包括各種反射器型的目標 上。無論怎樣將能量聚集在目標上，典型地連續對石英燈供能。這是真實的，無論正在加工 的目標是連續生產的製品或分散的元件。其原因主要是由於石英燈典型地按秒數量級測量 的較慢的熱響應時間。
具體需要提高能量注入的區域涉及吹塑操作。更具體地，在拉伸吹塑成型操作之 前塑料瓶拉伸吹塑成型系統熱調節預成型件。該工藝的一個方面作為再熱操作在本領域已 知。在再熱操作中，通過注塑或壓塑工藝的方法已經成型的預成型件被允許熱穩定到室溫。 然後，將預成型件送入拉伸吹塑系統，其早期將預成型件加熱到其中該熱塑性預塑材料處 於最適宜隨後的吹塑操作的溫度。在將預成型件沿通往該機器吹塑部分的路徑輸送通過加 熱部分的同時滿足該條件。在吹塑部分，首先將預成型件機械拉伸，然後吹成大容量的器皿 或容器。能耗成本構成採用吹塑操作製造的成品的主要成本。更具體地，迄今技術水平下 在拉伸吹塑機的再熱部分中將聚對苯二甲酸乙二酯(PET)預成型件從環境溫度加熱或熱 調節到105°C所需的能量是相當大的。根據所有高效製造的測量結果，從經濟和環境的觀 點，減少與拉伸吹塑系統的熱調節部分的操作相關的能量消耗速率顯然是有利的。為了進一步解釋，現行辦法是將容器暴露於來自構成通道的許多石英紅外W-VII 燈的輻射能。來自每個燈的能量是自然可變的，因而對容器不同部分的照射度的可調整性提供了微細的測量。來自燈的大量能量根本沒有被容器吸收，或者被吸收到大氣和機械支 撐中，因而顯著地降低了總效率。進行了一些努力來減輕不希望的加熱；在1)冷卻容器的 外殼(合乎需要的)以及2)通過穿過不必要地熱風的對流使更多的能量結合到容器中的 努力中圍繞通道吹氣。
現有方法的缺點是對空氣和相鄰結構的不必要的加熱，在容器上輻照度分布的調 節性不好，需要大的物理間隔，不能有選擇地加熱預成型件上的具體點或帶，迅速使熱分布 適應新要求的能力降低，例如對不同尺寸容器的許多轉接，以及由此產生的隨之發生的問 題。例如，容器預成型件對光的不完全吸收導致用於通道的更多維護動力，從裝置內部的環 境中除去餘熱的更多維護動力，用於通道以允許更平緩和均勻加熱的更多空間，對於燒壞 燈泡更頻繁的技術保養周期，以及由不均勻的燈泡老化的加熱方面更多的可變性。美國專利號5，322，651描述了在用於熱處理熱塑性預成型件的方法方面的改進。 在該專利中，描述了對於塑性預成型件的熱處理，採用寬帶紅外(IR)輻射加熱的常規實 踐。從該專利引用正文，「與其它加熱或熱處理方法例如對流和傳導相比，並且考慮材料的 低熱導率，採用紅外輻射加熱提供有利的輸出並使產率提高。」對該專利中所述的技術水平的特別改進涉及在IR加熱預成型件期間管理髮射的 多餘能量的方式。特別是，該專利關注其本身在加熱過程中發出的能量，其最終(通過在除 預成型件以外的位置吸收，傳導，然後對流)導致輸送的預成型件周圍的爐體中氣溫上升。 已經證實由熱氣流所引起的預成型件的對流加熱導致預成型件的不均勻加熱，因而在製造 操作上有不利影響。專利5，322，651描述了一種消解在IR加熱操作期間無意識加熱預成 型件周圍的氣流的影響。正如所料，熱能從現有技術水平的IR加熱元件和系統轉移到目標預成型件不是 完全高效的過程。理想地，熱調節預成型件所消耗的能量100%以熱能的形式終結在預成 型件內。雖然在上述參考的專利中沒有具體提及，但當前技術水平的吹塑機要求在5%和 10%之間範圍內的典型的轉化效率值(進入輸送的預成型件的能量/IR加熱元件消耗的能 量)。對於與預成型件的紅外加熱有關的方法或裝置的任何提高轉化效率值的改進將是非 常有利的，並且代表了拉伸吹塑機用戶在能源成本方面的大幅削減。有許多共同作用的因素確定用於當前技術水平吹塑機的IR加熱元件和系統的能 量轉化效率性能。如同所提及的那樣，常規的熱塑性預成型件例如PET預成型件被加熱到 約105°C的溫度。這典型地在採用市場上可買到的寬帶石英紅外燈的現有技術水平吹塑機 中完成。在高速/高產量機器中，這些經常採取大組非常高功率的燈泡的形式。所有組的 石英燈的組合能量流變為巨大的電流，在最快的機器上合計數百千瓦。與這些類型的IR加 熱元件有關的對整個加熱系統的總能量轉化效率性能有影響的兩個因素是燈絲的色溫和 燈絲燈泡的光傳輸性能。對當前技術水平吹塑機的熱調節子系統的總能量轉化性能具有顯著影響的另一 個因素是流量控制或者用於將加熱元件發出的IR輻射導入被輸送通過該系統的大量預成 型件的透鏡表(lensing measure)。在大多數現有技術水平的吹塑機中，配置一些量具將石 英燈發出的IR輻射流導入大量預成型件中。特別是，金屬化反射器工作良好，減少在這些 系統中被浪費的所發出的IR輻射量。對IR加熱子系統的能量轉化效率性能有影響的還有另一個因素是向典型地穩定的IR加熱元件輸入能量與移動通過加熱系統的預成型件的移動同步的程度。更具體地，如果穩定的IR加熱元件連續地消耗定額的輸入能，甚至有時由於預成型件連續移動通過該 系統在加熱器附近沒有預成型件時，該系統的能量轉化效率性能顯然不是最優化的。實際 上，商用石英燈慢的物理響應時間以及現有技術水平吹塑機較快的預成型件傳送速度阻礙 了順利地使燈的輸入功率與分散部件的移動同步從而實現在總能量轉化效率性能方面的 改進的任何努力。美國專利號5，925，710、美國專利號6，022, 920和美國專利號6，503, 586B1都描述 了類似的方法來提高被吹塑法中所用的輸送的預成型件所吸收的IR燈發出的能量的百分 比。所有這些專利以不同的詳細程度描述了在現有技術水平的再熱吹塑機中採用石英燈作 為IR加熱元件的一般做法。在再熱吹塑法中，恰好在吹塑操作之前，將先前已經注塑並被 允許穩定到室溫的預成型件再熱到吹制溫度。上述這些參考專利描述了通過IR吸收比可 能採用的傳導或對流裝置能夠更高效地將通常的聚合物並且特別是PET加熱。在圖中這些 專利文獻測量了作為波長的函數的PET的吸收係數。在PET中產生許多強的分子吸收帶， 主要在1.6微米以上的IR波長帶。已知石英燈發出穿過寬譜的輻射，如普朗克定律所定義 的那樣，精確的發射光譜由燈絲溫度所決定。如現有技術水平吹塑機中所用，石英燈在3000K左右的燈絲溫度下運轉。在該溫 度下，燈具有在0. 8微米左右的最高輻射發射。然而，因為該發射是黑體型發射，如同本領 域眾所周知的那樣，石英燈絲髮射從X射線到很長的IR的連續能量光譜。在3000K下，發 射增加通過可見區，最高在0. 8微米，然後逐漸降低，因為它開始與起始於1. 6微米左右的 顯著的PET吸收區域重疊。在任何這些專利中沒有描述的是石英燈泡對燈的發射光譜的影響。用於製造商用 石英燈燈泡的石英材料具有大約3. 5微米的傳輸上限。超過該波長，由密封的燈絲髮出的 任何能量大部分被密封燈絲的石英玻璃殼所吸收，因此不能直接被預成型件加熱獲得。由於上述原因，在採用石英燈再熱PET預成型件到吹制溫度的現有技術水平吹塑 機中，吸收加熱的範圍發生在1微米和3. 5微米之間。上述該組專利(5，925，710,6, 022，920 和6，503，586B1)都描述了用於改變預成型件的天然吸收性能從而提高再熱工藝的總能量 轉化效率性能的不同方法和裝置。在所有這些專利中，根據所述向PET預成型件存料中添 加了外來材料，專為了提高混合物的吸收係數。這些所述方法和裝置試圖在從0. 8微米左 右的近IR到3. 5微米的範圍內影響材料光學吸收性能。雖然是一種提高再熱工藝的總能 量轉化效率性能的可行裝置，但在降低容器的製造成本方面如此有益的改變預成型件的吸 收性能對最終容器的外觀也具有不利的影響。有時被稱為容器起霧的容器光學透明度降低 使該一般方法不是該製造問題的最佳解決方案。美國專利號5，206，039描述了一種由調節並將預成型件從工藝的注射階段輸送 到吹制階段的改進裝置構成的單段注塑/吹塑系統。在該專利中，描述了注塑機和吹塑機 的獨立操作、各自向熱調節該熱塑性材料的工藝中加入大量的能量是浪費的。該專利教導 了採用單段製造工藝降低總能量消耗率和製造成本。該能耗降低主要源自在注塑階段後預 成型件保留了使吹塑操作得以進行所需的大部分熱能的事實。更具體地，在如'039專利 中所述的一段工藝中，在注塑工藝後沒有使預成型件穩定到室溫。更確切些，預成型件從注 塑階段直接移動到熱調節部分，然後移動到吹塑部分。
『 039專利中所述的熱調節部分具有能夠添加少量熱能以及使預成型件經歷可 控的穩定期的性能。這不同於再熱吹塑機的兩段工藝中熱調節部分的要求，其中需要大量 能量將預成型件加熱到吹制溫度。雖然單段注塑/吹塑機的操作在本領域是已知的，但對 於這些機器存在最終容器性能的問題。這些性能問題與預成型件物流進入吹制階段時的預 成型件到預成型件的溫度變化有關。儘管在'039專利中描述了進步，但是採用迄今現有 技術水平的加熱和溫度傳感裝置和方法，在從注塑工藝中除去預成型件之後不久將它們熱 調節的工藝仍導致進入吹制階段的預成型件的熱含量改變。即將進入的預成型件的熱含量 改變導致最終容器的性能和質量改變。在預成型件到預成型件基礎上定製調節IR加熱過 程能力的低效導致製造商選擇採用再熱吹塑法來達到所需的質量等級。因此，為了最高效 的生產應用，工業上持續對再熱法的依賴。此外，因為經常用商用轉爐製造預成型件並賣給 吹制並填充容器的最終用戶，再熱法繼續流行。從操作費用以及產品質量來看，一般提高吹塑機的IR加熱部分的效率和/或功能的前景顯然是有利的。雖然已經進行了若干努力來改進現有技術水平的IR加熱子系統，但 仍存在明顯的不足。通過引入新穎的IR加熱元件和方法，本發明的目的是克服這些不足。在固態電子學領域中，固態發射器或LED在本領域是眾所周知的。已知這類光子 或流發射器(flux emitters)是市場上可買到的並且在從紫外線(UV)到近紅外的各種波 長下運行。由合適的N-摻雜半導體材料和P-摻雜半導體材料建造LED。適當加工的包含 被設置為與同樣材料的N-摻雜區直接接觸的P-摻雜區的大塊半導體材料被賦予二極體的 類名。如本領域眾所周知，二極體具有許多重要的電和光電性能。例如，本領域內眾所周 知，在形成的半導體二極體的N-摻雜區和P-摻雜區之間的物理界面處在材料中存在特徵 帶隙。該帶隙涉及在N-區中位於導帶的電子的能級與較低的可達到的P-區軌道中電子的 能級的差別。當誘發電子流經PN接合時，電子能級從N-區導電軌道到較低的P-區軌道的 轉移開始發生，導致對於每個這樣的電子躍遷發射光子。準確的能級或者發射光子的波長 與傳導的電子的能量下降對應。總之，LED作為直流_到_光子發射體運轉。不象燈絲或其它黑體型發射器，在能 夠引出輸出光子之前不需要將輸入能量轉化為熱的中間形態。由於該直流-到-光子特性， LED具有極快起作用的性能。LED已經被用於許多需要產生極高脈衝率UV光、可見光和/ 或近IR光的應用。其中LED的高脈衝率性能特別有用的一種專門應用是自動化的分散部 件景象傳感應用，其中採用可見或近紅外光形成隨後在計算機中被檢查的透鏡聚焦圖像。不象基於燈絲的源，LED在與所用半導體材料的具體帶隙對應的相對受限的波長 範圍上發射。LED的該性能在需要選擇波長的操作例如元件照明、狀態指示或光通信的應用 中特別有用、近來，大量的LED已被用於大規模形式的可見光照明乃至信號燈例如汽車尾 燈或交通信號燈。發明_既述本發明提供少量或大量紅外輻射器件的設備，該器件是高度地波長選擇性的並且 能夠促進紅外輻射用於歷史上未實現的全部新型應用和技術。本發明的一個目的是提供一種成型系統或其它加工系統或處理系統，其採用具有 改進的IR能量轉化效率性能和減少的加熱時間的熱IR加熱法。本發明的另一個目的是提供具有有利的結構並且實現與被加工的或作為目標的特定材料相協調的透深性能的加熱系統。本發明的另一個目的是提供一種熱IR照射系統，其能夠結合窄帶照射源的工程 混合物，包括RED和多種二極體例如雷射二極體，該窄帶照射源在選擇對於多種應用最適 宜的窄波長帶產生IR輻射。本發明的另一個目的是提供一種能夠以脈衝方式驅動的IR加熱系統；所述脈衝 方式特別適合於當在製造過程中輸送分散製造的部件時向它們提供IR加熱或者便於照射 目標的同步跟蹤。本發明的另一個目的是提供藉助於金屬化反射器元件更易導向的IR加熱元件。本發明的另一個目的是提供一種能夠與預成型件溫度測量系統一起工作以提供 特定預成型件IR加熱能力的IR加熱系統。本發明的另一個目的是提供被製造為直流_到_光子的IR固態發射器或發射輻 照的二極體(RED)陣列或其它類型的窄帶照射源。本發明的又一個優勢是提供一種以非常具體的單個窄波帶或多個窄波帶大量輻 射輸出的紅外照射系統。本發明的又一個優勢是產生大功率的熱紅外輻射並且對於位置、強度、波長、開/ 關速率、方向性、脈衝頻率和產品跟蹤中的至少一個是高度程序可控的功能性。本發明的又一個優勢是與現在的寬帶源相比，對於注入熱能促進了更高效輸入能 量的方法。本發明在加熱瓶子預成型件中的又一個優勢在於保持高效加熱的能力而無需會 降低最終容器的可見透明度和外觀性能的添加劑。本發明的又一個目的是提供一種用於各種應用的通用輻射加熱系統，適於提供提 高波長選擇性紅外輻射功能以及程序可控性和脈衝性能。本發明的又一個優勢是能夠促成具有遠高於穩態強度的瞬時強度的極快高強度 衝擊脈衝。本發明的又一個優勢是容易將餘熱帶到需要的另一個位置或者從使用環境中帶 走以減少非目標的加熱。本發明的又一個優勢是能夠高密度地封裝RED器件以產生迄今實際上無法達到 的固態、熱IR輸出功率水平。附圖簡述

圖1是在本發明的一個實施方式中實施的示例性半導體器件的一部分的剖視圖。圖2是在本發明的一個實施方式中實施的示例性半導體器件的緩衝層的剖視圖。圖3是在本發明的一個實施方式中實施的示例性半導體器件的量子點層的剖視圖。圖4是在本發明的一個實施方式中實施的包括量子點層的輻射發射二極體的剖視圖。圖5是在本發明的一個實施方式中實施的包括量子點層的輻射發射二極體的剖視圖。圖6是在本發明的一個實施方式中實施的包括量子點層的輻射發射二極體的剖視圖。
圖7是在本發明的一個實施方式中實施的包括量子點層的雷射二極體的剖視圖。圖8顯示單一 RED半導體器件的圖。圖9和10顯示透射穿過10密耳厚的PET部分的紅外能量的相對百分比作為波長的函數。圖IlaUlb和Ilc顯示典型的同時封裝到RED加熱元件中的獨立RED發射器的集合體。圖12a和12b顯示RED加熱元件在吹塑機內的優選配置。圖13顯示如本發明所述用於熱處理預成型件的優選方法。圖14 16顯示根據本發明用於熱處理熱塑性預成型件的替代方法。圖17顯示有利地應用於動力輸送部件的RED加熱元件。圖18是說明本發明的特徵的圖。圖19(a) 19(c)說明本發明的實施方式。圖20a 20c說明本發明的一個實施方式。圖21a和21b說明本發明的一個實施方式。圖22說明本發明的一個實施方式。圖23a 23c說明本發明的一個實施方式。圖24說明本發明的一個實施方式。圖25說明本發明的一個實施方式。發明詳述通過查看理想的輻射加熱實施例能夠說明提供特定波長的照射的好處。假定通常 不反射從可見範圍到中紅外範圍的電磁波的材料需要工藝加熱來支持一些製造操作。此外 假定這種通常透明的材料具有窄的但位於3. 0微米和3. 25微米之間的顯著的分子吸收帶。 上述實施例代表目前所述的實施方式如何應用於工業中是最有利的。如果該特定的工藝加 熱應用的參數決定使用輻射加熱技術，當前技術水平將要求使用在大約3000K的燈絲溫度 下運轉的石英燈。在該燈絲溫度下，基本的物理計算得出結果，僅大約2. 的石英燈總的 發射輻射能落在有利的能量吸收將發生的3. 0微米到3. 25微米內。如本公開的內容中所 述的僅產生特定波長的輻射能輸出的能力保證了極大地提高各種工藝加熱應用的效率。本發明直接涉及一種新穎且新型的方法，能夠直接輸出選定波長的大量紅外輻 射，以便替代這樣的寬帶型器件。最有利地採用窄帶照射源，例如實現窄帶照射目的的下述 那些及其它。在半導體加工技術中的新發展導致可得到在高於1微米(1，000納米)的一般中 紅外範圍內運轉的直接電子到光子固態發射器。這些固態器件類似於常用的發光二極體 (LED)的運轉，只不過它們沒有發射可見光而是發射在較長中紅外波長下的真實的熱IR能 量。在一種形式中，這些是利用量子點技術的全新類型的器件，該技術突破了阻礙產生可用 的、經濟合算的固態器件的障礙，該固態器件能夠起到將電子導向輸出為準單色並在中紅 外波長帶內的光子轉換體的作用。為了將這類新的器件與常規的波長較短的器件(LED)區別開，這些器件更適當地 被描述為發光或輻射發射二極體(RED)。這些器件具有發射在嚴格限制的波長範圍內的輻 射電磁能的性能。此外，通過適當的半導體加工操作，能夠將RED調節至以最有利於特定輻射處理應用的特定波長來發射。RED可以採取各種形式，包括二極體形式或雷射二極體形式，或者在一些情況下雷射形式。應理解，可以採用實現在希望的帶或範圍內例如匹配目標 或目標實體的吸收性能的窄帶照射的任何類型的器件來實施本發明，並且為了便於本文論 及，可以將其稱為RED。另外，已經作出與接觸反向摻雜區域的摻雜平面區域有關的RED技術的創新，作 為隨機分布的材料或量子點的小區域陣列形成該反向摻雜區域，用於產生在目標IR範圍 以及可能超出的範圍內的光子。充分地應用這種製造技術或其它例如開發新穎的半導體化 合物將產生適合於本發明的準單色、固態中紅外發射器。交替半導體技術也可以在作為適 於實踐本發明的組合區塊(buildingblocks)的中紅外以及長波長紅外中變得可用。在通常被稱為準單色的窄波長範圍內發生如同所述這些實施方式中預期的直接 電子(或電流)到光子的轉化，符合該製造的二極體發射器的本徵帶隙以及量子點幾何 形態。可以預料候選的RED發射器的半功率帶寬將落在20 500納米範圍內的某處。如 本徹底公開的內容中所確定的那樣，這種紅外發射器的窄寬度將支持各種特定波長的照 射應用。一類RED器件及其製造技術是2004年11月16日提交的題為〃 Quantum Dot Semiconductor Device"並且發明人為Samar Sinharoy和Dave Wilt的獨立專利申請美國 申請序列號60/628，330 (代理標籤號ERI. P. US0002 ；快件標號EL 726091609US)(還作為 美國專利申請序列號於2005年11月16日提交)的主題，通過引用將該申請結合到本文。根據該〃 Quantum Dot Semiconductor Device"申請，在本領域已知半導體器 件。它們被用於將電磁輻射轉化為電流的光伏電池。還可以將這些器件用作將電能轉化 為電磁輻射(例如，光)的發光二極體(LED)。對於大多數半導體應用，目標是希望的帶隙 (電子伏特)或希望的波長(微米)，按照使半導體能夠滿足希望的帶隙範圍或波長範圍的 方式製備它。獲得特定波長的發射或電子伏特的能量的能力不是微不足道的。確實，半導體受 到特定材料的選擇、它們的能隙、它們的晶格常數以及它們內在的發射性能的限制。一種已 被用於加工半導體器件的技術將採用二元或三元化合物。通過改變器件的組成特徵，已經 設計了技術上有用的器件。還可以控制半導體器件的設計來定製該器件的特性。在一個例子中，在半導體器 件內可以包括量子點。這些點被認為是量子封閉載體並從而與同樣的半導體的大塊樣品相 比改變了光子發射的能量。例如，美國專利號6，507，042教導了包括量子點層的半導體器 件。具體地，它教導了沉積在砷化銦鎵(InxGai_xAs)層上的砷化銦(InAs)量子點。該專利 公開了通過控制量子點(即InAs)和其上沉積量子點的層(即InxGai_xAs)之間的晶格失 配量能夠控制與量子點有關的光子的發射波長。該專利還公開了通過改變在InxGai_xAs襯 底中的銦的含量能夠控制IrixGai_xAS襯底和InAs量子點之間的晶格失配的事實。當提高 InxGai_xAs襯底內銦的量時，失配程度降低，並且提高了與光子發射有關的波長(S卩，降低了 能隙)。確實，該專利公開了在襯底內銦的量從約10%提高到約20%能夠將相關光子的波 長從約1. 1 μ m提高到約1. 3 μ m。雖然在美國專利號6，507，042中公開的技術可以證明對提供能夠發射或吸收波 長約1.3μπι的光子的器件是有用的，但提高InxGai_xAs襯底內銦的量的能力受到限制。換 句話說，當銦的含量增至高於20%、30%乃至40%時，在晶體結構內的不足或缺陷的程度成為限制。對於沉積在砷化鎵(GaAs)襯底或晶片上的InxGai_xAs襯底，這是尤其真實的。 因此，採用美國專利號6，507，042中公開的技術不能獲得發射或吸收較長波長(較低能隙) 的光子的器件。因此，由於發射或吸收波長大於1. 3μπι的光子的半導體器件是合乎需要的，仍然需要這種性質的半導體器件。通常，RED提供包括InxGahAs層和位於所述InxGai_xAs層的量子點的半導體器件， 其中χ是約0. 64 約0. 72重量百分數銦的摩爾分數，量子點包括InAs或AlzIrvzAs,其中 ζ是少於約5重量百分數鋁的摩爾分數。本發明還包括含量子點和接觸至少一部分量子點的包覆層的半導體器件，量子點 包含InAs或AlzIrvzAs,其中ζ是少於約5重量百分數鋁的摩爾分數，量子點與所述包覆層 的晶格常數失配至少1. 8%並且少於2. 4%。半導體器件包括含有在砷化銦鎵(InxGai_xAs)層上的砷化銦(InAs)或砷化鋁銦 (AlzIrvzAs,其中ζ等於或小於0. 05)量子點的量子點層，其可以被稱為InxGai_xAs基質包 覆層。點和InxGai_xAS基質層的晶格常數失配。該晶格失配可以是至少1. 8%，在其它實施 方式中至少1.9%，在其它實施方式中至少2.0%，並且在其它實施方式中至少2.05%。有 利地，失配可以小於3. 2，在其它實施方案中小於3. 0%，在其它實施方式中小於2. 5%，並 且在其它實施方式中小於2. 2%。在一個以上實施方式中，InxGa1^xAs基質包覆層的晶格常 數小於點的晶格常數。在點位於InxGai_xAs包覆基質上的那些實施方式中，在該包覆基質層中的銦的摩 爾濃度(即，X)可以約0. 55 約0. 80，任選地約0. 65 約0. 75，任選地約0. 66 約0. 72， 並且任選地約0. 67 約0. 70。在一個以上實施方式中，將InxGai_xAs包覆基質設置在與InxGai_xAs包覆基質晶格 匹配的砷化銦磷(InP1VVsy)層上。在一個以上實施方式中，其上沉積InxGai_xAs包覆層的 InP1VVsy層是存在於InxGai_xAs包覆層以及其上支撐半導體的襯底之間的多個分級(連續 或分散UnP1VVsy層中的一個。在一個以上實施方式中，襯底包括磷化銦(InP)晶片。半導 體還可以包括一種以上其它層，例如設置在InxGai_xAs包覆層和襯底之間的InxGai_xAs層。在圖1中顯示一個實施方式。圖1以及其它圖是略圖並且未按比例描繪各層和組 件的厚度，或者各層之間的相對厚度或尺寸。器件1000包括襯底1020、任選的傳導層1025、緩衝結構1030、包覆層1040和點層 1050。如本領域技術人員理解的那樣，一些半導體器件通過將電流轉化為電磁輻射或者將 電磁輻射轉化為電流來運轉。控制這些器件中電磁輻射或電流的能力在本領域是已知的。 本公開的內容不一定改變這些常規設計，其中許多在製造或設計半導體器件的領域中是已 知的。在一個實施方式中，襯底1020包括磷化銦(InP)。InP襯底1020的厚度可以大 於250微米，在其它實施方式中大於300微米，以及在其它實施方式中大於350微米。有利 地，該厚度可以小於700微米，在其它實施方式中小於600微米，以及在其它實施方式中小 於500微米。在一個以上實施方式中，設想的半導體器件可以任選地包括外延生長的磷化銦 (InP)層。該外延生長的磷化銦層的厚度可以是約10納米 約1微米。
在一個實施方式中，任選的傳導層1025包括砷化銦鎵(InxGai_xAs)。在該層中銦的 摩爾濃度(即，X)可以是約0. 51 約0. 55，任選地約0. 52 約0. 54，以及任選地約0. 53 約0.535。在一個以上實施方式中，傳導層1025與InP襯底晶格匹配。傳導層1025可以被摻雜至給定值並且具有適當的厚度以便為給定的器件提供足 夠的導電率。在一個以上實施方式中，厚度可以約0. 05微米 約2微米，任選地約0. 1微 米 約1微米。
在一個以上實施方式中，緩衝層1030包括砷化銦磷(InP1VVsy)。在某些實施方 式中，緩衝層1030包括至少兩個，任選地至少三個，任選地至少四個以及任選地至少五個 InP1VVsy層，各層的晶格常數隨著遠離襯底1020設置時上升。例如並且如圖2中所繪，緩 衝結構1030包括第一緩衝層1032、第二緩衝層1034和第三緩衝層1036。緩衝結構1030 的底層表面1031靠近襯底1020，以及緩衝結構1030的上平面1039靠近阻擋層1040。第 二層1034的晶格常數大於第一層1032，並且第三層1036的晶格常數大於第二層1034。如本領域技術人員將理解的那樣，通過改變連續層的組合能夠提高緩衝結構1030 的獨立層的晶格常數。在一個以上實施方式中，在每個連續層中提高InP1VVsy緩衝層中砷 的濃度。例如，第一緩衝層1032可以包含約0.10到約0.18摩爾分數的砷(即，y)，第二 緩衝層1034可以包含約0. 22到約0. 34摩爾分數的砷，以及第三緩衝層1036可以包含約 0. 34到約0. 40摩爾分數的砷。在一個以上實施方式中，在相鄰緩衝層之間(例如在層1032和層1034之間)砷 的提高小於0. 17摩爾分數。據信由於含砷量提高所產生的晶格常數的改變在連續的緩衝 層之間可能導致形成的任何缺陷不會損害半導體。以這種方式使用臨界組成分級的技術如 專利號6，482，672所述是已知的，通過引用將其結合到本文。在一個以上實施方式中，第一緩衝層1032的厚度可以約0. 3 約1微米。在一個 以上實施方式中，頂部緩衝層通常較厚以確保晶格結構完全弛豫。在一個以上實施方式中，在緩衝結構1030的頂部1039上或附近的獨立緩衝層 (例如，緩衝層1036)被設計為具有約5.869人. 約5.960人的晶格常數，任選地約5.870人 約5.932人。在一個以上實施方式中，優選在臨界組成分級技術內設計在緩衝結構1030的底 部1031上或附近的獨立緩衝層(例如，緩衝層1032)。換句話說，由於第一緩衝層(例如， 緩衝層1032)被沉積在InP晶片上，在第一緩衝層(例如，層1032)內存在的砷的量少於17 摩爾分數。包覆層1040包含。在一個以上實施方式中，該層優選與在緩衝結構1030的頂部 1039上或附近的上緩衝層的平面晶格常數晶格匹配。術語晶格匹配指的是以在彼此的百萬 分之500 (即0. 005% )以內的晶格常數為特徵的連續層。在一個以上實施方式中，包覆層1040可以具有約10埃 約5微米的厚度，任選地 約50nm 約1微米，以及任選地約IOOnm 約0. 5微米。在一個以上實施方式中，量子點層1050包含砷化銦(InAs)。層1050優選包括潤 溼層1051以及量子點1052。潤溼層1051的厚度可以是一個或兩個單層。在一個實施方 式中，點1052的厚度從層1050的底部1053和點1055的頂部起測量可以是約IOnm 約 200nm，任選地約20nm 約lOOnm，以及任選地約30nm 約150nm。此外，在一個實施方式中，點1052的平均直徑可以是大於lOnm，任選地大於40nm，以及任選地大於70nm。在一個以上實施方式中，量子層1050包括多個點層。例如，如圖3所示，量子點 1050可以包括第一點層1052、第二點層1054、第三點層1056和第四點層1058。各層包含 砷化銦InAs，並且分別包括潤溼層1053、1055、1057和1059。各點層同樣包括點1055。雖 然包括潤溼層和點的各點層的特徵不必相同，但它們基本類似。分布在點層1052、1054、1056和1058中每層之間的分別是中間包覆層1062、1064、 1066和1068。這些中間包覆層包含InxGal-xAs。在一個以上實施方式中，InxGa1^xAs中間 包覆層與包覆層1040基本上類似或相同。換句話說，中間包覆層優選與阻擋層1040晶格 匹配，該阻擋層1040優選與頂部緩衝層1036晶格匹配。在一個以上實施方式中，中間層 1062、1064、1066和1068的厚度可以約3nm 約50nm，任選地約5nm 約30nm，以及任選地 約IOnm 約20nm。如上所述，環繞量子點層的各種層可以被正或負摻雜以控制電流。用於控制半導 體器件內的電流的技術在本領域是已知的，例如如在美國專利號6，573，527,6, 482，672和 6，507，042中所述，通過引用將其結合到本文。例如，在一個以上實施方式中，通過採用鋅、 碳、鎘、鈹或鎂能夠形成「P-型」摻雜區域或層。另一方面，通過採用矽、硫、碲、硒、鍺或錫能 夠形成「η-型」摻雜區域或層。通過採用本領域中已知的技術能夠製備設想的半導體器件。例如，在一個以上實 施方式中，通過採用有機金屬氣相外延(OMVPE)能夠製備各種半導體層。在一個以上實施 方式中，通過採用自形成技術(self-forming technique)例如Stranski-Krastanov生長 模式(S-K模式)製備點層。在美國專利號6，507，042中描述了該技術，通過引用將其結合 到本文。包括量子點層的輻射發射二極體(RED)的一個實施方式顯示在圖4中。RED 1100 包括基板接觸層1105、紅外反射器1110、半絕緣的半導體襯底1115、η-型側向傳導層 (LCL) 1120、η-型緩衝層1125、包覆層1130、量子點層1135、包覆層1140、ρ-型層1145、ρ-型 層1150和發射器接觸層1155。基板接觸層1105、紅外反射器1110、半絕緣的半導體襯底 1115、η-型側向傳導層(LCL) 1120、η-型緩衝層1125、包覆層1130、量子點層1135和包覆 層1140類似於上述那些半導體層。基板接觸層1105可以包括許多高度導電的材料。示例性的材料包括金、金-鋅合 金(尤其當接近於P-區域時)、金-鍺合金或金-鎳合金或鉻-金(尤其當接近於η-區域 時)。基板接觸層1105的厚度可以是約0. 5 約2. 0微米。可以採用鈦或鉻的薄層來提高 金和介質材料之間的粘附。紅外反射器1110包括反射材料和任選的介質材料。例如，可以將二氧化矽用作介 質材料以及將金沉積其上作為紅外反射材料。反射器1110的厚度可以是約0. 5 約2微 米。襯底1115包含InP。襯底1115的厚度可以是約300 約600微米。側向傳導層1120包含與InP襯底1115晶格匹配(即在500ppm以內)的 InxGa1^xAs0此外，在一個以上實施方式中，層1120是η-摻雜的。優選的摻雜劑是矽，並且 優選的摻雜濃度可以約1 約3E19/cm3。側向傳導層1120的厚度可以約0. 5 約2. 0微 米。
緩衝層1125包括符合上述那些的方式的三個InP1VVsy遞變層。層1125優選是 η-摻雜的。優選的摻雜劑是矽，並且摻雜密度可以約0. 1 約3E9/cm3。 包覆層1130包括與緩衝層1125的頂部(即第三級或其次層)的平面晶格常數晶 格匹配(即在500ppm以內)的InxGai_xAs。在一個以上實施方式中，InxGai_xAS包覆層1130 包括約0. 60 約0. 70百分比摩爾分數的銦。包覆層1130的厚度為約0. 1 約2微米。量子點層1135包括如上所述關於本發明的教導的InAs點。如同前面的實施方式 一樣，各點層之間的中間層包括類似於包覆層1130的IrixGai_xAS包覆(即，晶格匹配)。在 一個以上實施方式中，在一個以上連續的中間包覆層中銦的量可以包括比包覆層1130或 在前的或較低的中間層更少的銦。包覆層1140包括與緩衝層1125的頂部(即第三級或其次遲的)晶格匹配(即在 500ppm 以內)的 InxGahAsn封閉層1145包括與InxGai_xAs層1140晶格匹配的InP1VVsyt5此外，在一個以上實 施方式中，層1145是ρ-摻雜的。優選的摻雜劑是鋅，並且摻雜濃度可以約0. 1 約4E19/ cm3。封閉層1145的厚度可以約20nm 約200nm。接觸層1150包括與封閉層1145晶格匹配的InxGai_xAs。接觸層1150優選被ρ-摻 雜(例如，摻雜鋅)。摻雜濃度可以約1 約4E19/cm3。接觸層1150的厚度為約0. 5 約 2微米。可以從除了底層1155之外的整個表面除去接觸層1150。發射器接觸層1155可以包括任何高度導電的材料。在一個以上實施方式中，該導 電材料包括金/鋅合金。另一個實施方式顯示在圖5中。將半導體器件1200配置為具有在ρ區域內的通 道接合的輻射發射二極體。該設計有利地提供電阻較低的接觸以及電阻較低的電流分布。 半導體1200的許多方面類似於圖4中所示的半導體1100。例如，接觸層1205可以類似於 接觸層1105，反射器1210可以類似於反射器1110，襯底1215可以類似於襯底1115，側向傳 導層1220可以類似於傳導層1120，緩衝層1225可以類似於緩衝層1125，包覆層1230可以 類似於包覆層1130，點層1235可以類似於點層1135，包覆層1240可以類似於包覆層1140， 以及封閉層1245可以類似於封閉層1145。通道接合層1247包括與封閉層1245晶格匹配的InxGai_xAs。通道接合層1247的 厚度為約20到約50nm。通道接合層1247優選被ρ-摻雜(例如，用鋅)，並且摻雜濃度可 以是從約1到約4E19/cm3。通道接合層1250包括與通道接合1247晶格匹配的InxGai_xAs。 通道接合層1250的厚度為約20 約5，OOOnm。通道接合層1250優選被η-摻雜(例如， 矽)，並且摻雜濃度為約1 約4E19/cm3。發射器接觸層1255可以包含各種導電材料，但優選包含對於η-區優選的那些材 料例如鉻-金、金-鍺合金或金_鎳合金。RED的另一個實施方式顯示在圖6中。以類似於圖5所示RED的方式將半導體器 件1300配置為輻射發射二極體，除了至少部分由於沒有基板反射器(例如，沒有反射器例 如圖5中所示的1210)能夠通過半導體器件的襯底發射電磁輻射。此外，圖6中所示的半 導體器件1300包括發射器接觸層/紅外反射器1355，其是覆蓋該器件整個表面(或者基本 上全部表面)的「全接觸」。在所有其它方面，器件1300類似於器件1200。例如，接觸層1305可以類似於接觸層1205，襯底1315可以類似於襯底1215，側向傳導層1320可以類似於傳導層1220，緩衝層 1325可以類似於緩衝層1225，包覆層1330可以類似於包覆層1230，點層1335可以類似於 點層1235，包覆層1340可以類似於包覆層1240，以及封閉層1345可以類似於封閉層1245， 通道接合層1347類似於通道接合層1247，通道接合層1350類似於通道接合層1250。設想的半導體技術還可以被用於製造雷射二極體。示例性的雷射顯示在圖7中。 雷射1600包括可以包含任何導電材料例如金-鉻合金的接觸層1605。接觸層1605的厚度 可以是約0. 5 約2. 0微米。襯底1610包括優選以約5 約10E18/cm3的濃度η-摻雜的 磷化銦。襯底1610的厚度為約250 約600微米。任選的外延磷化銦層1615優選以約0. 24E19/cm3 約lE19/cm3的濃度n_摻雜。 外延層615的厚度為約IOnm 約500nm。圍起的InP1VVsy層1620類似於圖2中所示的圍起的InP1VVsy緩衝。緩衝1620優 選以約1 約9E18/cm3的濃度被η摻雜。層1625和1630形成波導器1627。層1625包含磷砷化鎵(IrvxGaxAszPh)。層1630 同樣包含IrvxGaxAszP1Y層1625和1630與層1620的頂部晶格匹配。換句話說，層1625 和1630包含約0到約0. 3摩爾分數的鎵和0到約0. 8摩爾分數的砷。層1625為約0. 5到 約2微米厚，並且以約1 9E18/cm3的濃度被η-摻雜。層1630為約500到約1，500nm,並 且以約0. 5到1E18/W的濃度被η-摻雜。封閉層1635、點層1640和封閉層1645類似於上述關於另一個實施方式的點和封 閉層。例如，封閉層1635類似於封閉層1040，以及點層1640類似於圖3中所示的點層1050。 在一個以上實施方式中，在雷射器件的點區域內採用的點層數超過5個點層，任選地超過7 個點層，以及任選地超過9個點層(例如，循環)。封閉層1635和1645可以具有約125 約500nm的厚度並且與波導器晶格匹配。層1635、1640和1645優選未被摻雜(即它們是 本徵的)。層1650和1655形成波導器1653。以類似於 層1625和1630的方式，層1650和 1655包含與緩衝1620的頂部晶格匹配的IrvxGAxAszP1Y層1650為約500 約1，500nm, 以約0. 5 lE18/cm3的濃度被ρ-摻雜。層655為約1 約2微米厚並且以約1 9Ε18/ cm3的濃度被ρ-摻雜。在一個實施方式中，層1660是類似於緩衝層1620的緩衝層。也就是說，當各級遠 離量子點時砷的摩爾分數降低。層1660優選以1 9E18/cm3的濃度被ρ-摻雜。層1665包含磷化銦(InP)。層1665的厚度為約200到約500nm厚，並且優選以約 1 約4E19/cm3的濃度被ρ-摻雜。層1670是類似於在上述實施方式中所述的其它接觸層的接觸層。在其它實施方式中，層1660、1665和1670可以類似於關於其它實施方式所述的其 它結構。例如，這些層可以類似於圖4中所示的層1145、1150和1155。或者，類似於圖5中 所示的1245、1247、1250和1255的層能夠被層1660、1665和1670代替。未脫離這些器件實施方式的範圍和主旨的各種改進和變化對本領域技術人員將 變得明顯。當然，應理解，在一種形式中，本文的本發明包括如同所述的RED零件。然而，應理 解可以採用各種其它器件技術。例如，已知在1. 6微米 5. 0微米範圍內的試驗性的中紅外LEDs，但未商品化。另外，可以採用適當改進的各種半導體雷射器和雷射二極體。例如， 可以採用具有延長的使用期限特性(例如，大於10 15，OOO小時的使用期限)的雷射二極 管或其它器件，其產生在大於大約1. 2微米範圍內的波長，例如在與目標的吸收特徵相匹 配的窄範圍內。在一種形式中，這樣的器件可以由磷化銦製成，已證實在較低功率的數據通 信應用(例如無線電通訊)中具有100，000小時以上的使用壽命。如果適當地冷卻器件， 在高功率應用中的預計使用期限應當類似。當然，為了高效地產生在有利的波長內的限定 帶寬的照射可以開發其它啟動技術。同樣，為了便於提及，本文中可以(在各種時間)將所 有這樣的器件稱為RED。 為了將本發明用於特定應用，通常需要配置許多適合的器件以便具有充足的照射 波幅。同樣，在一種形式中，這些器件將是RED器件。在本發明的大多數加熱應用中，典型 地以稍微高密度的χ乘y陣列或者以多個χ乘y陣列配置這樣的器件，其中一些可以採取 定製布置的獨立RED器件的形式。取決於本發明具體實施所用的器件的類型和尺寸、所需 的輸出以及所需的波長，陣列可以從單個器件到更多器件陣列變化，典型地成百、成千或無 數陣列。通常將RED器件安裝在電路板上，該電路板如果沒有專門的除熱設備，至少具有散 熱能力。經常按很高密度/接近配置將RED器件安裝在這樣的電路板上。有可能利用近來 在模座和電路板結構方面的創新來使密度最大化，這對大功率的應用是合乎需要的。例如， 對於這樣的目的採用諸如倒裝晶片的技術是有利的。雖然RED器件的效率對於這類獨特的 二極體器件是良好的，但大多數電能輸入被直接轉化為局部的熱。必須從半導體接合中趕 走該餘熱以防止過熱和燒毀獨立器件。對於密度最高的陣列，它們或許可以採用具有主動 和/或被動冷卻的倒裝晶片和板上晶片封裝技術。為了實用以及靈活定位，經常採用多個 電路板。χ乘y陣列還可以包括代表在1微米到5微米範圍內的至少兩個不同選擇波長的 紅外輻射的混合RED器件。對於大多數應用，有利地以不同尺寸的陣列配置RED器件，為了較好地照射某些 類型的目標，其中一些在本質上可以是三維的或非平面的。至少由於下列理由這是正確 的1.通過組合多個的輸出來提供足夠的輸出功率。2.在比能夠完全照射的單個器件更大的表面上提供充足的輸出「傳播」。3.提供能夠產生應用的一系列RED器件的程序可控性功能。4.允許混合到由於本文所述的許多功能性原因被調至不同特定波長的器件陣列 中。5.促進輸出的「幾何形態」與特定的應用需要相匹配。6.促進器件的安裝位置、輻射角和經濟性與應用需求相匹配。7.促進輸出與移動目標或其它「輸出運動」同步。8.向器件的驅動組提供通用控制迴路。9.提供多段加熱技術。由於二極體的典型最終用途，以通過減小接合的尺寸使成本最少的方式製造它 們。因此它需要較少的與成本直接相關的半導體晶片區域。RED器件的最終用途經常需 要較多光子形式的大輻射能輸出。已經推論用形成大的光子產生軌跡接合區域(a large photon producing footprint junction area)的創造性方法能夠製造 REDs。這樣一來，可能生產能夠保持顯著較高的中紅外輻射輸出的RED器件。如果可獲得這樣的器件，那麼能夠減少實施本發明所需的RED器件的絕對數量。然而，與本發明的許多應用相關的給定 的大功率輸出，將器件的數量減少到單一器件不是必然合乎需要或切實可行的。對於低功 率的應用、單波長的應用或者如果能夠製造具有足夠的輸出能力的RED器件，可以用單一 器件實施本發明。類似地，有可能將RED器件陣列作為集成電路來製造。在這樣的實施中，REDs將被排列在單片矽或其它適合的襯底內，但具有起到晶片上光子轉化照射位置的作用的多個 接合。它們能夠類似於採用球門陣列用於電連接性的其它集成電路封裝。然後可以將這樣 的器件封裝用作陣列，促進用於連接控制系統的希望的電連接性並受控制系統控制。同樣， 一個設計參數是對於現在的化學作用在損害開始發生之前控制結區溫度不應被允許達到 大約100°C到105°C。可以預料將來的化學化合物具有提高的耐熱性，但熱必須始終保持低 於所用器件的臨界損壞範圍。由應用和經濟性所決定，可以進一步將它們分別或者複合配 置在電路板上，或者可以將它們排列為較高水平的器件陣列。在設計用於將RED器件配置為照射陣列的最佳結構時，不管器件的形態因子，設計師必須考慮整個範圍的變量。鑑於目的應用要考慮的一些變量包括封裝、便於配置、成 本、電連接性、程序可控性、冷卻、配置的環境、動力布線(power routing)、動力供應、線壓、 線幾何形狀、照射需求、安全性以及本領域技術人員將理解的許多其它。用於製造產品的所有原料與它們在電磁波譜內的各種波長下的特定吸收和傳輸特性有關。各種材料還具有特徵紅外反射和發射性能，但我們不會花費任何時間討論這些， 因為本發明的實施更多地受到吸收/透射性能的推動。對於任何特定的材料可以測量在任 何給定的波長下的吸收百分比，並作圖。於是如本文稍後將更詳細地解釋和例證的那樣能 夠在大範圍的波長內圖解顯示。因為各種材料在不同的波長下具有特徵吸收或透射性能， 對於最佳的熱過程優化，知道這些材料性能是很有價值的。應認識到如果某一材料在某一 波長範圍內是高度傳輸的，那麼在該波長範圍內試圖加熱該材料將是非常低效的。反之，如 果該材料在某一波長下過度吸收，那麼採用輻射加熱將導致材料的表面加熱。對於是低效 熱導體的材料，這通常不是均勻加熱材料的最佳方法。多年來各種材料在各種波長下具有特定的吸收或透射特性的事實在本領域已經 是眾所周知的。然而，因為無法獲得能夠被限定在特定波長或者波長的組合下的大功率紅 外源，此前不可能完全優化許多現有加熱或加工操作。因為未實現向產品輸送特定波長的 紅外輻射，許多製造商沒有意識到最希望在該波長下加熱或加工它們的特定產品。然而，本 發明利用窄帶照射源匹配待加熱目標的吸收性能。因此，例如如下面所述，可以在容器工業 中有利地採用針對PET的吸收範圍(例如1. 5微米到2. 5微米)或吸收帶(例如大約1. 6 微米或其它在圖9和10上所示的)。對於PET預成型件，在至少一種形式中，可以有利地採 用能夠在超過1.2微米的範圍內或者窄帶照射的器件。如上所述，在至少一種形式中，這樣 的器件(例如利用磷化銦形成的那些)還可以具有延長的使用壽命的特性，該使用壽命可 以超過100，000小時。當採用其它類型的材料例如PLA-基於玉米的塑料樹脂時，可以採用 類似的方法。在塑料工業用一個例子說明這一點。參照圖9和10，通過查驗聚對苯二甲酸乙二 酯(如在該工業中已知，PET樹脂材料)的透射率曲線(其外塑料飲料容器被拉伸吹塑)能夠觀察到PET材料在長波區域是高度吸收的，並且在可見和近紅外波長區域是高度透過 的。其透射率在1微米和5微米之間顯著改變。其透射率不但在該範圍內顯著改變，而且 它經常並且突然改變，並且往往有時在0. 1微米內非常顯著。例如，在2. 9微米下，PET具有極強的吸收。這意味著如果在2. 9微米下向PET引 入紅外輻射，幾乎全部在材料外殼的正表面處吸收。如果希望僅加熱材料的外表面，那麼可 以採用該波長。因為PET是極差的熱導體(具有低熱導率)並且因為在拉伸吹塑操作中從 內部並且一直均勻地到其整體來加熱PET材料更合乎需要，所以實際上這是適當加熱PET 的不好的波長。考慮另一個條件，在1.0微米(1000納米)下PET材料是高度透過的。這意味著 在該波長下影響PET表面的高比例的輻射將被透射通過PET並且將在未給予任何優先加熱 的情況下離開，因此很大程度上被浪費。重要的是注意電磁能的透射率與所有介質材料的 厚度有關按指數規律降低，因此對於給定的材料，材料厚度對最佳的波長的選擇有實質性 的影響。應理解雖然這裡作為例子採用了 PET熱塑性材料，但該原則適用於在不同工業中 使用的極大範圍的不同材料，以及適用於不同類型的加工。作為非常不同的例子，說明一種 膠合或粘合層壓系統。例如，PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)或PLA(聚乳酸)是可以應用這些 原則的材料。在該例子中，假如在選擇的紅外波長下待膠合的基體材料是高度透過的。在相 同的波長下將採用的熱固化膠合可能是高度吸收的。通過在該特定的有利波長下照射該膠 合/層壓夾層，進一步優化了該工藝，因為是膠而不是鄰接的基體材料受熱。通過有選擇地 挑選這些波長的相互作用，在工業的各種各不相同類型的加工或加熱應用中發現最優點。此前在特定波長下產生較高紅外輻射密度的能力還未能用於工業。因此，因為還 未獲得這種加熱或加工的優化，大多數製造商沒有預期到。可以預料獲得這樣的特定波長 的紅外輻射動力將全新的方法和工藝。本發明將使這樣的新工藝切實可行並且將提供對大 範圍應用具有廣泛的靈活性的實施技術。雖然可以預料本發明將首先應用於工業，但還應 認識到同樣將有在商業、醫療、消費和其它領域的許多應用。可以預料本發明作為寬帶石英紅外加熱燈泡或其它目前廣泛使用的常規加熱器 件的替代將是非常有用的。這樣的石英燈泡被用於包括為熱成型操作做準備的加熱塑料板 的一些事業。本發明不但能夠被用作石英紅外燈或其它常規加熱器件的現有功能的替代， 而且能夠預計添加實質性的額外功能。相反，本發明能夠產生連續激勵的輻射能或者脈衝工作方式。因為基本窄帶照射 源例如本發明的RED或其它器件具有以微秒測量的極快的響應時間，當需要時或者當目標 元件在目標區域內時能夠能量更高效地開啟能量，然後當元件不再在目標區域中時將其關 閉。能夠脈衝激勵紅外源的附加功能能夠導致在許多輻射加熱應用的總能量效率方 面的重大改進。例如，通過適當地調節獨立窄帶照射源例如紅外輻射發射器件(RED)或窄 帶照射源陣列的激勵時間，當獨立目標移動通過大的紅外陣列源時有可能追蹤它們。換句 話說，最接近目標器件的紅外發射器件將是被激勵的那些。當目標元件或區域向前移動時， 「激勵波」能夠向下通過該陣列。在加熱將要熱成型的材料的情況下，與將更謹慎地成型或者根本不成型的區域相比，向將更劇烈地成型的區域施加更多熱輸入可能是合乎需要的。通過適當地設計紅外發 射陣列的結構，不但有可能不同時激勵所有的器件，而且有可能非常策略地激勵它們以對 應於受熱區域的形狀。對於連續移動的生產線，例如，編制能夠與待加熱的目標區域程序可 控地同步移動的希望的熱輪廓的特定形狀區域可能是最合乎需要的。考慮如圖17所示需 要加熱的像幀形狀區域。在這種情況下，有可能在希望的輻射強度下具有相似像幀形狀的 器件陣列(402)，程序可控地與目標熱成型板(401)的移動同步下降該陣列。通過利用編 碼器追蹤產品例如(401)熱成型板的移動，可以採用眾所周知的電子同步技術根據可編程 控制器或計算機的指令開啟希望強度下的恰當的器件。通過控制系統能夠以「連續」模式 或「脈衝」模式按照它們的希望的輸出強度開啟陣列內的器件。任一模式能夠將作為時間 的函數的強度調節到最合乎需要的輸出條件。該控制能夠具有器件組或者降至獨立的RED 器件。對於特定的應用，可以不必將顆粒控制(granular control)降至獨立的RED器件。 在這些情況下按最希望形狀的串(strings)替RED器件布線。然後如應用需要所決定的那 樣程序控制這些串或串組。有時實用性決定按組或串驅動窄帶照射器件或RED以促進最方 便的電壓並減少獨立器件控制的成本。通過在在開路結構中簡單地供應電流可以控制REDs串或陣列，或者可以採用更 複雜的控制。任何專門應用的集中評價將決定適當的紅外輻射控制的量和水平。達到決定 複合或精密控制的程度，控制迴路能夠連續地監控和調節輸入電流、電壓或比輸出。通過直 接測量紅外陣列的輸出或者與紅外輻射的目標目的相關的一些參數能夠實施對大多數希 望的輻射輸出或結果的監控。這可以通過從結合簡單的熱電偶或高溫溫度計直到可以採取 例如紅外攝影機的形式的更加精良的技術的不同技術的組合來進行。本領域技術人員將能 夠推薦對於本發明的特定應用經濟靈敏並且合理的特定的閉環監控技術。可以結合直接和間接法監控。例如，如果為了達到可成型的溫度範圍正在加熱特 定的材料，測量形成該材料所需的力並採用該數據作為用於調節紅外輻射陣列的至少一部 分反饋是合乎需要的。許多其它直接或間接的反饋方法可能促進本發明輸出的優化和控 制。將清楚地理解如本文所述的本發明輻射熱源的形狀、強度和激勵時間是高度程序 可控的並有助於很高級別的程序可控的定製。在工業上經常為特定的元件設計和建造定製 形狀或結構的熱源，將熱導向該元件上的恰當位置。利用本發明的靈活的程序可控性，單一 的程序可控的加熱板有可能作為幾乎無限數的定製板的靈活替換。工業上有多種紅外爐和 加工系統。這樣的爐被用於各類和各種油漆、塗料、漿液的固化以及許多其它目的。它們也 可被用於和熱熔材料一起使用或用於膠、粘合劑、表面處理、塗料的固化的多種不同的層壓 線(lamination lines)，或者可以被添加到層壓「夾層」的各種層。可以將其它爐用於多種乾燥應用。例如，在拼合的飲料罐工業中常見的是將塗料噴霧到飲料罐內部然後用傳送器將它們「大量」連續輸送通過長的固化爐。未固化的內部 塗料在應用時具有白漆的外觀，但在固化後變得幾乎透明。在利用本發明的這些各種乾燥 和固化應用中，有可能選擇被需要乾燥、處理或固化的材料最容易並且適當地吸收的波長 或波長的組合。在一些應用中，不存在的波長可能比存在的波長對改進的工藝更重要。不 希望的波長通過乾燥、加熱、改變晶粒結構或者許多其它有害的結果不利地影響材料，利用 本發明在更優化的工藝中能夠避免。
提高待固化或乾燥的目標材料的溫度而不顯著影響襯底或基體材料常常是合乎 需要的。基體材料完全可能受到這樣的加工的損害。更合乎需要的是在仍然將熱引入目標 材料的同時熱不被引入它。本發明促進這類選擇性加熱。回顧本發明的另一個應用領域，醫療行業已經利用大範圍的可見光和近紅外輻射 處理進行了試驗。已經推論出某些波長的電磁能刺激並促進癒合，還假設某些波長的照射 能夠刺激產生人體內的酶、激素、抗體和其它化學物質以及刺激惰性器官中的活性。檢驗這 樣的假定的細節或處理方法或優點超出了本專利的範圍。然而本發明能夠提供可以促進大 範圍的這樣的治療形式的固態、波長可選並且程序可控的中紅外輻射源。然而，迄今醫療行業確實不具有切實可行的方法來產生大功率的在中紅外波長帶 內的特定波長的照射。本發明允許這樣的窄帶特定波長的紅外照射，並且它能夠以容易用 於醫療應用的細小、輕量、安全和便於形成的要素起這樣的作用。對於治療，能夠選擇被用於照射的特定波長或波長的組合有一些非常重要的優 勢。正如在工業製造材料中那樣，有機材料也具有特徵透射/吸收光譜曲線。動物、植物或 人的組織顯示出能夠被充分利用將優勢發揮到最大的特定的吸收/透射窗口。人體的很高的百分比基本由水組成，因此很可能水的透射/吸收曲線對於眾多人的組織的粗略近似是良好的基點。通過廣泛的研究有可能研究出關於人、動物和植物的所 有類型的組織的精確曲線。還可能研究出可以從器官或組織中尋求的各種治癒或刺激及其 與傳輸/吸收曲線之間的關係。通過仔細地選擇波長或波長的組合，有可能研究出對大範 圍的病和疾病有積極效果的治療養生法。希望治療的一些組織或器官非常接近表面，而其它深藏於體內。由於人的組織的 吸收特性，用非侵入技術不可能達到這麼深的區域。為了在目標組織附近獲得照射源必需 採用某種形式的侵入技術。可能設計本發明的照射陣列使它們具有適當的尺寸和/或形狀 用於大範圍的侵入或非侵入的治療。雖然治療技術、藥徵和構型超出了本討論的範圍；但本 發明首先可獲得固態的波長可選擇的在中紅外波長帶內的照射。它能夠被配置用於大範圍 的藥徵和治療類型。由於其高度靈活的波形係數和程序可控的性質，能夠針對特定體格和 重量來配置它以產生用於定製治療的適當的角度、強度和波長。紅外輻射正被用於從痔瘡治療到皮膚病學的數量增長的醫療應用。目前利用寬帶 紅外源進行的紅外治療的一個例子被稱作紅外凝固治療。另外，有時用紅外燈治療處理糖 尿病周圍神經病變。目前同樣經常採用寬帶紅外燈治療網球肘和其它類似疾病。結合本發 明產生特定波長輻射的能力及其產生脈衝照射的能力可以在這些治療中提供實質性的改 進。它還可以提供較好的病人耐受性和舒適性。本發明還促進位造能夠由內部安全電壓驅 動的衛生器材。照射能量的脈動經證明是與許多治療應用相關的關鍵方面。連續照射可能導致組 織過熱，而脈衝照射經證明提供充足的刺激而無過熱、不適或組織損傷的有害影響。器件/ 陣列能夠隨著開啟時間以微秒或更快測量的極高的速率脈衝的確切事實提供另一個有用 的性能。可以預料如果將陣列激活極短的負荷循環，可以容許極高強度的脈衝輻射而不損 害該陣列，因為這麼短的脈衝時間來不及發生半導體接合過熱。這將允許能夠促進穿透更 多組織的較大的總瞬時強度。產生脈衝的頻率經證明也是重要的。在文獻中已知某些頻率的對人的照射可能具有治癒或者有害的影響。例如，某些調幅頻率或者可見光頻率的組合可能導致人噁心，以及 還有其它調幅頻率或者頻率的組合可能導致癲癇發作。當進行了進一步的醫療研究時，確 實可以確定脈衝頻率、波形或頻率的組合與選擇的波長或波長的組合一起對各種輻射治療 的成果有極大的影響。很可能將利用本發明的許多治療藥徵尚未被理解或實現，因為研究 人員或從業者還沒有獲得本發明。本發明的另一個應用在於食品的製備加工或分級(staging)。當然在整個人類歷 史上極大範圍的不同類型的爐和加熱系統已被用於食品的製備。因為它們中的大多數是眾 所周知的，描述全範圍的這樣的爐和加熱系統超出了本專利申請的範圍。除了利用非紅外 /非熱源烹調技術的著名的微波烹飪外，實際上所有其它烹調技術利用各種類型的寬帶熱源。用於這樣的爐的紅外熱源和元件是寬帶源。它們不具備產生對特定的烹調場所或烹調 產品最有利的特定波長的紅外能的能力。如前對其它材料討論的那樣，植物和動物產品具有特定的吸收光譜曲線。這些特 定的吸收曲線涉及特定的食品成品在特定波長下如何吸收或傳輸。通過選擇照射對象食品 的特定波長或一些精選的波長有可能改進或優化希望的烹調特性。最有效地利用輻射能能 夠降低加熱或烹調的成本。例如，如果最希望加熱或使特定食品成品的外表面變褐色，本發明將考慮選擇特 定的食品成品高度吸收的波長。結果將是當在選擇的波長下照射時非常接近於表面吸收全 部紅外能，從而導致希望的加熱和/或變褐色正好在該表面處發生。反之，如果希望表面不 過熱，而是從食品極深的內部烹調它，那麼可能選擇特定的食品更多傳輸的波長或選定波 長的組合，以致能夠獲得希望的烹調結果。從而當輻射能穿透到希望的深度時它將被逐漸 地吸收。重要的是注意對於穿過非金屬材料的電磁波，該波I(t)如下列等式所述作為穿 過距離t的函數降低I(t)=I0(e_")在該等式中，Itl是光束的初始強度，以及α是該材料的比吸收係數。當時間t增 加時，光束的強度經受由基質材料所吸收的原光束內的輻射能所導致的指數式衰減。因此， 採用紅外輻射加熱獲得最佳的烹調結果需要食品厚度、施加的紅外輻射強度、照射波長和 材料吸收係數之間的複雜相互作用。通過混合在不同波長下照射的RED元件，有可能進一步優化烹調結果。在這樣的 多波長陣列中，將在輻射能吸收低的波長下選擇單元件型，從而產生深的熱穿透。輻射能吸 收高將選擇雙元件型，從而促進產生表面加熱。使該陣列完備，可以考慮在介於這兩種吸收 的極端條件之間的波長下選擇三RED元件型。通過控制在這樣的陣列中所含的三種RED發 射器的相對輻射輸出水平，有可能優化所製備的食品的重要性能。通過將顏色、溫度和可能視覺傳感器連接到控制系統有可能閉合該迴路並進一步 優化希望的烹調結果。在這種情況下，有可能通過以最希望的適當的波長、強度和方向發出 輻射來檢查可能成為問題的準確的參數並允許控制系統響應。通過運用並結合視覺傳感 器，有可能實際查看待烹調的食品的位置和尺寸，然後如上所述相應地優化爐的輸出。當與 溼度傳感器組合使用時，有可能作出保持希望的含溼量的組合的反應。因此，有可能理解本 發明結合適當的傳感器和控制器「智能」如何能夠真實地促進未來的聰明爐。當然有可能將本發明與包括對流加熱爐和微波爐的常規烹調技術組合來獲得這些技術中的每一種所 提供的最好組合。可以設計聰明控制系統以最好地優化本發明技術與常規的烹調技術的結合。通過選擇將被一種食品吸收而不被第二食品高度吸收的波長還可能高度選擇在 食品的混合板中產生的熱的量。因而能夠理解通過改變各種可選擇的波長的組合和變換以 及強度，人們能夠獲得大範圍的特定設計的烹調結果。對於本發明的任何應用，有可能採用各種透鏡或光束導向器件來獲得希望的照射 能量的方向。這能夠採取從獨立的透鏡RED器件到緊鄰該器件安裝的微透鏡陣列的大量不 同實施的形式。必須適當地選擇所選的光束導向器件以在被導向或指引的輻射波長下起作 用。通過利用用於衍射、折射和反射的充分理解的技術有可能將能量從RED器件陣列的不 同部分導向希望的方向。通過程序可控地控制被開啟的特定器件並通過調節它們的強度有 可能獲得大範圍的照射選擇性。通過選擇穩態或脈衝模式並通過進一步編排在何時使器件 產生脈衝，甚至有可能進一步提升功能。雖然本公開的內容討論了應用的輻射能主要在1. 0到3. 5微米的範圍內，對本領 域技術人員顯而易見的是在包括在紅外內的較長波長或向下通過可見區的較短波長的其 它操作波長下能夠獲得類似的材料加熱效果。本公開的發明的主旨包括為了輻射加熱應用 直接電子_到_光子固態發射器，其中可想像該發射器從可見到遠紅外是可運轉的。對於 某些類型的應用，將其它波長可選擇的器件結合到在超出中紅外範圍的其它波長下照射的 本發明中可能是合乎需要的。圖8給出單個RED元件10的圖解表示。RED 10包括疊層20。疊層20可以採取 各種結構，例如結合圖1 7說明的半導體層的堆疊等。在至少一種形式中，RED 10的接 觸40 (對應於例如接觸1105、1205和1305)通過線80連接到疊層20。當電流60流過接合 線80和疊層20時，發射具有符合疊層20的結構的特徵能量或波長的光子70。因為在製造LEDs中學到的許多半導體教訓可以應用於REDs，提及可以幫助新的 RED器件的發展的並聯是有用的。自從將LEDs引入一般市場以來在LEDs的能量轉化效率 (光能出/電能進)方面已經產生了劇烈的改進。在市場上可買到的在光譜的可見光和近 IR部分運轉的LEDs中已經獲得了高於10%的能量轉化效率。本發明預期在1微米到3. 5 微米範圍內某處運轉的新的REDs被用作在各種加熱系統中的主要紅外加熱元件。本申請 描述了在吹塑系統中的具體實施。圖9和10顯示在10密耳厚的PET部分內透射穿過的IR能量的相對百分比作為 波長的函數。在石英透射範圍(直到3. 5微米)內，在包括大約1.6微米、1.9微米、2.1微 米、2. 3微米、2. 4微米、2. 8微米和3. 4微米的幾個波長下強吸收帶(實質上的或者無透射 的波長帶)的存在是明顯的。與本發明有關的基本概念是將被設計和選擇為在1微米到 3. 5微米範圍內的所選波長下運轉的RED元件用作例如吹塑機的熱調節部分中的基本加熱 元件。應理解根據應用的需要可以改變輸送能量的方法以及波長的選擇。在一種形式 中，可以將選擇的窄波長範圍具體調節到用於製造特定的目標元件(或者目標實體)的材 料所需的熱量。雖然理論上可能製造單色或近單色波長特性的窄帶照射器件例如二極體， 但製造如此窄的高輸出器件不是切實可行的。通常如果將波長恰當地集中在吸收譜帶中，加或減14或者甚至50納米可以是正好的。一些不尋常的應用由於吸收帶窄或接近吸收帶 可能需要具有非常窄的波長容限。選擇使用的選定波長可以是在從1. 0到5. 0微米範圍內 的任一處，或者例如更實際地對於PET可以選自1.5到3. 5微米的較窄範圍。或者1.2微 米或更大的例證範圍可以是希望的。因為可以製造在較短波長下更「wall-plugefficient」 的二極體或固態器件，如有可能，在該範圍的較短端選擇最有用的波段範圍。材料在不同波 長下的吸收率特性是一個要素。如果涉及多於一個吸收體，「門窗(door and window) 」評 價可能是適當的，假設例如一個材料受熱而另一個不是。人們將需要決定是否能夠選擇波 長使一個材料是弱吸收體，同時在相同的波長下另一個是強吸收體。這些相互作用是本發 明的有價值的方面。通過關注吸收和/或相互作用能夠實現系統優化。對於特定材料可以 根據或者優化希望的加熱深度、加熱位置、加熱速度或受熱厚度來選擇吸收帶。另外，本文 預期的雷射二極體(或其它器件)可被用於激勵其它振蕩元件以獲得希望的波長。圖11a、lib和lie顯示了同時封裝到適合的RED加熱元件100中的獨立RED發射 器10的例證集合體。在本發明的該實施方式中，物理安裝REDs 10使N-摻雜區直接連接 到陰極匯流條120。該陰極匯流條120理想地由材料例如銅或金製成，二者都是電流以及熱 的良導體。藉助於接合線80將REDs 10的相應區域連接到陽極匯流條110。理想地，陽極 匯流條將具有與陰極匯流條相同的熱和電性能。例如在170所示，外部產生的輸入電壓穿 過2個匯流棒，引起電流(I)在REDs 10中流動，導致發射IR光子或輻射能。在優選的實 施方式採用反射器130將輻射能導入離開RED加熱元件100的優選方向。REDslO的小物理 塊使更容易地指引發射到優選方向的輻射能170成為可能。該敘述被比較應用於大得多的 螺旋形燈絲的情況；在發射器的實際尺寸和利用常規透鏡裝置指引得到的輻射流的能力之 間的這樣的關係在本領域是眾所周知的。採用散熱器140引導在產生IR輻射能170的過程中產生的餘熱離開RED加熱元件100。採用行業內已知的各種方法能夠實現散熱器140。這些方法包括被動散熱、利用對 流空氣冷卻的主動散熱和利用水或液體冷卻的主動散熱。例如通過液冷套的液體冷卻具有 能夠帶走大量由未轉化的輻射光子的電能產生的熱。通過液體介質，能夠將該熱導向外部 位置或者導向需要熱的另一個區域。如果將熱從工廠或裝置帶走或者導向另一個位置，那 麼空氣調節/冷卻能量能夠被顯著地降低或用於不同的方法。另外，最好在本發明的該實施方式中使用燈泡150。如這裡所用的燈泡150的基本 功能是保護REDs 10和接合線80不受損害。由於石英的透射範圍從可見光延伸到3. 5微 米，優選燈泡150由其構成。然而，還可以採用其它光學材料，包括具有延伸超過REDs 10 運轉波長的透射範圍的玻璃。在圖12a和12b中描繪了在吹塑機中RED加熱元件100的一種配置。在該系統中， 預成型件240經傳輸系統220進入熱監控和調節系統210。已經在早些時候預先注塑的預 成型件240可以在室溫下進入熱監控系統210。或者，預成型件240可以如在單段注塑/吹 塑系統中所做的那樣直接來自注塑工藝。或者，可以通過幾種其它工藝中的一種製造預成 型件。無論製造預成型件的形態和時間，進入該方式，預成型件240將具有包含在它們中的 變化量的潛熱。一旦通過傳輸系統220出現，預成型件240藉助於傳送器250被輸送通過熱監控 系統210，這樣的傳送器在行業中是眾所周知的。當預成型件240穿過熱監控系統210時，它們經受由一系列RED加熱元件100發射的輻射IR能量170。由這些RED加熱元件100發 射的IR能量170直接被製備中進入吹塑系統230的預成型件240所吸收。應理解該能量 可以是連續的或脈衝的，與供應或驅動電流和/或其它設計目標有關。在一種形式中控制 系統_這樣的控制系統280控制該功能。作為一種選擇，操作控制系統使該系統在顯著大 於推薦的穩態電流水平的電流水平下產生脈衝，在脈衝操作中獲得較高的瞬時發射強度並 響應來自相關傳感器性能的輸入信號以確定脈衝操作的時間。如上所述，可以布置窄帶照射加熱元件陣列使不同波長的元件能夠在該系統中實施。在更具體的例子中，波長變化的元件可被用於調節具有多層的預成型件。具有多層的瓶 子被用於各種不同的應用，例如提供氧、CO2或紫外光阻斷(ultraviolet light blocking) 等。各分隔層可以具有不同的材料或具有區別一層與另一層的塗料。結果，在預成型件中 的各種層可以各自具有不同的吸收性能。情況既然這樣，可以布置並實施陣列使一種波長 的窄帶照射元件發出輻射並加熱多層預成型件的第一層，同時第二陣列的窄帶照射發出輻 射並加熱多層預成型件的第二層。當然，應理解這可以按各種方式來完成。例如，能夠同時 或連續地加熱這些層。此外，可以在分段預成型件中依序或同時加熱這些層。在還有另外 的選擇中，可以在工藝中在不同的以及分隔的時間加熱這些層。應理解與不同層的材料相 反，設法用於加熱工藝的具有不同吸收峰的一層材料也可以應用這種布置。在利用本發明所述的方法和裝置運轉的吹塑機的優選實施方式中，還優選配置對 流冷卻系統260。該系統從空氣以及接近正在加工的預成型件240的技工處除去餘熱。也 可以採用傳導冷卻器件來做這些。在本領域已知通過對流和/或傳導加熱預成型件對整個 熱調節工藝有害。這是因為PET是非常差的熱導體，並且加熱預成型件的外面導致不均勻 的穿透加熱，具有過冷的中心和過暖的外殼。此外包含在優選系統實施方式中的是溫度傳感器270 (可能採取智能傳感器或者 在除了單點測溫傳感器有能力的那些之外能夠在至少一個方面監控目標的形式)以及溫 度控制系統280。優選的吹塑機設計的這些方面特別可應用於單段吹塑系統的屬性。在 單段吹塑系統中，預成型件240進入包含在注塑階段獲得的潛熱能量的熱監控和調節系統 210。通過監控溫度從而監控即將進入的預成型件240 (或這樣的運行的特定分段)的焓， 溫度監控系統280有可能產生特定的預成型件(或特定的分段)加熱要求，然後以激勵信 號的形式將這些要求傳遞到獨立的窄帶照射或RED加熱元件100。窄帶照射或RED發射器 10的固態性質以及相關的快速響應時間使它們特別適合於調節作為時間或預成型件移動 的函數的供電電流或工作時間。此外，如同將會理解的那樣可以控制RED陣列的分段。被用於規定這樣的輸出控制的溫度控制系統280可以作為定製的嵌入式邏輯或 工業可編程序邏輯控制器(PLC)的工業PC來實施，三者的性質和操作在行業內是眾所周知 的。控制系統例如作為280所示可以被設置為滿足本文目的的各種方法。然而，作為一些 例子，該系統可以控制開/關狀態、電流流量以及對於各個波長在RED陣列中激活的器件的 位置。圖13 16說明根據本發明的方法。應理解可以利用適合的軟體以及硬體組合和 技術實施這些方法。例如，通過由溫度控制系統280儲存和執行的軟體程序可以控制指示 的硬體元件。現在參照圖13，顯示用於熱處理熱塑性預成型件的優選方法300，概述操作的基本步驟。藉助於傳送器250將預成型件240輸送通過熱監控系統210 (步驟305)。當然，應 理解，雖然所有實施方式顯示輸送，但可以採用有或者沒有輸送定位製品供曝光的簡單裝 置。採用包含在熱監控系統210中的窄帶照射或RED加熱元件100照射預成型件240 (步 驟310)。應理解，在該工藝期間可以使該窄帶照射加熱元件產生脈衝或連續激活特定的時 間量。在一個實施方式中，將理解恰好在吹塑之前可以在少於3秒內將預成型件充分加熱。 在一些形式中，可以在較少的時間內加熱預成型件，例如少於2秒、少於1秒或少於二分之 一秒。在其它實施方式中，可以在大約5秒以下或者大約10秒以下完成加熱。該短的加熱 時間代表超過例如採用石英燈的常規加熱方法的顯著進步。現有的基於石英燈的爐典型地 加熱12到15秒外加相等的散布階段。為了獲得這樣的短時間，可以設置加熱元件陣列在 明顯更封閉的物理空間內向預成型件提供足夠的熱。如果希望在1 3秒內獲得加熱預成 型件所需的能量可以過激勵窄帶照射元件。有利的是確保二極體或固態器件陣列保持連續 並且一致的冷卻，這樣它們不會過早損壞。採用本文所述包括結合圖14 25的那些任何 實施方式可以獲得該輻射的短時間。此外，在加熱期間可以改變轉數或轉速。典型地，採用 6轉加熱預成型件，但可以採用更少或更多來改變加熱。此外，可以改變轉速或照射量來使 加熱過程開始或結尾的加熱分布圖平滑。還應當理解本文預期獲得該短的加熱時間的器件 在至少一種形式中包括具有延長的使用期限的器件，例如上述基於磷化銦的器件。這些器 件也可以在各種範圍內運轉以產生希望的帶。例如，對於PET預成型件，可以要求選擇大於 1. 2微米的波長帶。此外，該系統可以包括在大於1. 2微米的帶或範圍內發射的元件以及在 小於1. 2微米的帶或範圍內發射的元件。採用對流冷卻系統260從熱監控系統210內的空 氣和機械構件中除去餘熱(步驟315)。在圖14中概述用於處理熱塑性預成型件的另一種方法301。在方法301中用步驟320替代用RED加熱元件100照射預成型件240的工藝(步驟310)。在方法301的步 驟320期間，預成型件240在它們移動通過熱監控和調節系統210時被同步脈衝照射。該 同步的脈衝照射提供大的額外能量效率，因為靠近預成型件的窄帶照射或RED器件是唯一 的在任何給定的瞬間被開啟的器件。在一種形式中，使脈衝能量的最大輸出與獨立目標的 輸送同步。在圖15中概述用於處理熱塑性預成型件的又一種方法302。在該方法302中，採 用溫度傳感器270測量即將進入的預成型件240的溫度。執行這一步以測量預成型件240 進入系統時它們的潛熱能量(步驟325)。應理解可以按各種方式來實施感溫。在一個實施例中，測量預成型件的內部以及 外部溫度以致預成型件的最終加熱能夠適合於適當調節系統的加熱目的。此外，應理解採 用許多已知技術能夠完成預成型件內及外表面溫度的測量。例如，在2005年3月7日提交 的題為"An Apparatus and Method for ProvidingSnapshot Action Thermal Infrared Imaging Within Automated Process ControlArticle Inspection Applications,「的美 國序列號10/526，799 (2006年10月19日公開的美國公開號2006-0232674-A1)以及2004 年 1月 7 日提交的題為"AMethod and Apparatus for the Measurement and Control of Both the Inside andOutside Surface Temperature of Thermoplastic Preforms During Stretch BlowMolding Operations,「的美國序列號 10/753，014(2005 年 7 月 7 日公開的 美國公開號2005-0146065-A1-現在美國專利號7，220，378B2)中公開的快動作技術(snapaction technology)可被用於實現該目的，通過引用將二者結合到本文。在任何情況下，例如，如果發現預成型件的內部溫度低於預成型件的外部溫度，並 且希望均勻加熱，可以實施在較高速率下加熱預成型件內部的技術以產生均勻加熱。對於 一些應用，可能希望不均勻加熱。那麼可以完成預成型件內部及外部溫度的測量以及執行 適當的加熱周期。—種在預成型件的外表面和內表面之間實現不均勻加熱的技術是利用所用特定材料的吸收曲線的原理。在這方面，現在參照圖18顯示吸收曲線1700。如所示，確定了第 一吸收帶1701。為了獲得穿過預成型件厚度的均勻加熱，已經發現選擇在該帶的中心線即 線1702處的波長是有利的。然而，還發現選擇在吸收帶的一端(例如W2)或另一端(例如 W3)處的波長，例如線1704或1706，提供從預成型件的外表面到內表面的不均勻加熱。應 注意包括在照射源的帶寬中的不同透射率或吸收係數的範圍越寬，穿過材料厚度的加熱越 不均勻。於是遵循W2或W3將傾向於比Wl具有穿過被加熱的材料厚度的更不一致的熱。此外已經確定該現象本質上是局部的。因此參照圖17中的吸收帶1707，通過選擇 對應於中心線1708的波長完成預成型件的均勻加熱。即使較窄的吸收帶實際上在較大的吸收帶1707中，因為在它的範圍內它具備較 小範圍的吸收傾向，因此在這種情況下希望選擇較窄的吸收帶1709。在這方面，採用例如 20納米以下的非常窄的帶的照射能夠有利於將大部分能量集中在局部的吸收部件。應理解 採用各種技術能夠實現這些技術的實施以及波長例如W1、W2、W3或W4的選擇。此外，通過 選擇帶1709能夠實現較好的一致性，因為就％透光率或在該圖上y方向而言，該範圍的寬 度比可能在傾角1720附近選擇的類似範圍覆蓋了較少的變化。按此方式，應理解由於能夠選擇照射帶來獲得希望的結果，了解目標的吸收曲線 是有利的。因此，在一些應用中可能希望在Wl附近的窄帶以及W4附近的窄帶照射目標。也 可能希望如上所述在一個帶中均勻加熱而在另一個帶中不均勻地加熱。這可以導致目標在 任何給定區域的總曝光為在不同帶照射的總和。因此，總曝光=xWl+yW4對於給定的應用，χ和y代表在Wl和W4附近給定的波長帶目標的曝光量。然後藉助於傳送器250將預成型件240輸送通過熱監控系統210 (步驟305)。溫 度控制系統280利用由溫度傳感器270提供的溫度信息產生被用於窄帶照射或RED加熱元 件100的優選的控制信號(步驟330)。然後將優選的控制信號從溫度控制系統280傳遞到 加熱元件100 (步驟335)。然後採用包含在熱監控系統210中的窄帶照射或RED加熱元件 100照射預成型件240 (步驟310)。然後採用對流冷卻系統260從空氣以及在熱監控系統 210內的機械構件中除去餘熱(步驟315)。在圖16中概述處理熱塑性預成型件的還有另一種方法303。在方法303中用步驟 320替代步驟310-用RED加熱元件100照射預成型件240的步驟。在方法303的步驟320 期間，預成型件240在它們移動通過熱監控和調節系統210時被同步脈衝照射。在替代的實施方式中，窄帶照射陣列可以採取各種不同的形式。這些形式中，將元 件分布在與各自通過的預成型件一起以旋轉方式、線性方式或其它程控的路徑移動的部位 (station)上來增強加熱過程。在這方面，應理解僅作為例子提供下列實施方式，並且可以 按各種不同的方式來實施。
應理解通過預成型件自轉，照射加熱效果能夠繞旋轉軸更一致均勻。雖然具有各 個預成型件的作為到頸環(拋光的螺紋端)的距離的函數的不同溫度分布圖可能是合乎需 要的，但非典型地對於圓瓶需要繞旋轉軸的不同溫度分布圖。已承認它是非典型的，有一整 類瓶子，其具有在預成型件周圍的不均勻加熱分布圖是非常合乎需要的。利用本發明能夠 極快地關閉和開啟輻射或者與目標同步地調節照射的能力將有助於加熱到任何希望的熱 分布圖。如果將照射作為預成型件高度位置及其旋轉位置的函數來程控改變，該分布圖可 能非常複雜。這樣的專門加熱在PET瓶行業中常被稱為選擇性加熱，但從未具有本發明提 供的非常程序可控的靈活性。
現在參照圖19(a)顯示系統300的側視圖。應理解系統300將作為圖12中提供 的陣列210的替換。為了便於參照，未顯示該系統在圖12中說明的所有組件；然而，本領域 技術人員將理解系統300在那裡如果實施。此外，為了便於說明僅顯示了系統300(以及下 面將更詳細地描述的系統400)的一側。如同所示，系統300包括具有設置在其一側的發射裝置(在窄帶發射)312的窄帶 照射陣列310，該陣列可以採取具有發射器的線性陣列或者沿其長度定位的發射器陣列的 形式。如同所示，窄帶輻射器件或REDs 312對可以通過該系統的示例性的預成型件240起 作用。此外在幻影中所示是軸320，陣列310繞其旋轉。在圖19(b)中，沿一段傳送器線設 置多個陣列來調節幾個預成型件240。圖19(c)說明陣列310的實施方式，其中多個具有發 射器(例如發射器313)的陣列311沿陣列310的長度以χ乘y的方式設置。當然陣列和 發射器的數量將改變。該結構也可以用於本文所述的所有實施方式。現在參照圖20(a) 20(c)說明陣列310的基本操作。如圖20(a)中所示，當預 成型件240進入靠近線性310的區域時，陣列310旋轉以發射適合的輻射到預成型件240 上。如圖20(b)中所示，當預成型件240經過陣列310時，陣列310隨著預成型件旋轉或移 動以持續向其上發射輻射。圖20(c)說明陣列310繞軸320的另外的旋轉，連續照射在預 成型件240上。應理解陣列310作為可旋轉的元件可以在該系統中以許多方式實施。在一種形式 中，可以僅提供單一的陣列310，於是該單一陣列310對穿過該系統被加工的每個預成型件 起作用。在替代的實施方式中，當預成型件通過該系統時多個陣列310將對每個單一的預 成型件起作用。當然，在該系統上還將安裝適合的檢測器、啟動器和傳感器，使陣列的旋轉與預成 型件的傳送同步。有許多方法影響來自陣列的照射的同步運動，其包括伺服機構、機械聯 動、電流計或凸輪作用。在更進一步的實施方式中，現在參照圖21(a) 21(b)，可以實施系統400。在圖 21(a)中顯示與預成型件240有關的一般線性陣列410。應理解至少在一種形式中該預成型 件旋轉或被指引繞其軸旋轉。如本文所述，可以有選擇地激活和減活陣列410或元件(或 發射器陣列)412來加熱預成型件240。此外圖21 (a)所示是傳送器元件420。現在參照圖21 (b)，系統400的俯視圖顯示各照射陣列410與穿過加熱區的預成型 件240的進程同步，然後在傳送器上旋轉作用於另外的預成型件。象圖19和20中說明的 實施方式，應理解圖21的實施方式可以採取各種不同於被說明的形態。然而，在每一種這 些形式中，陣列410將以一些方式追隨預成型件240的路徑向預成型件240提供輻射處理。作為替換，代替使用迴路例如由傳送器420提供的那樣，操作可以是嚴格線性的_藉此該組陣列沿軌道或導軌跟隨各自的預成型件預定的距離，然後倒轉或返回，與另一組預成型件 同步。這樣的系統可以包括線性導軌和/或軌道系統，藉此無需複雜的傳動帶的轉動。這 樣的系統的轉動可以僅包括嚙合導軌或軌道凸輪的齒輪，或者它可以被能夠提供更程序可 控的同步方法的伺服電機傳動系統驅動。在還有另外的實施方式中，參照圖22，可以在位於加熱站(heating station)的 預成型件周圍設置陣列以發射需要的輻射。在這種情況下，可以旋轉預成型件或者可以使 陣列繞預成型件旋轉。如同所示，系統500包括分布在預成型件240周圍的多個陣列510。 同樣，可以沿例如由箭頭520所示的方向旋轉預成型件。或者，可以沿例如方向522的方向 通過已知的技術旋轉一般線性陣列510的圓形結構。當然，應理解可以旋轉陣列和預成型 件。還應當理解可以按各種方式將預成型件設置在系統500中。例如，可以將預成型件傳 送到在陣列510之間的該系統中。或者，系統500可以相對於預成型件縱向移動，以致系統 500能夠向下移動來加熱預成型件，然後向上移動以允許預成型件通過。此外在圖22所示的是被遮蔽的反射鏡512，因為它能夠如同所示任選地被設置。 圖22顯示八個(8)已被設置為照射預成型件240的照射頭510。照射頭的數量能夠從一個 到任何合乎需要數量N改變，其配合所設計的系統的幾何形狀。非常合乎需要的是具有放 射狀地設置的照射頭510以致它們不直接將能量對準通過預成型件的另一個。可以將反射 鏡512設計成填充照射頭之間的任何空白空間，並且如果在給定的區域沒有照射頭，還能 夠用於代替。如果例如僅有一個照射預成型件240的照射頭510，那麼反射鏡可以是減去 發生照射的空間的完整的圈。當照射能量從照射頭510發出時，它典型地形成發散光束向 預成型件240移動。當照射能量射線穿過預成型件時，它們遭遇高達四個不同的界面。當 它碰撞預成型件240的外壁時有一個空氣-到-塑料的界面，當它離開預成型件240的外 壁並在預成型件240的「內部空間」中移動時有一個。然後第三界面是當它撞擊預成型件 240的內壁時，以及與空氣的第四界面是當能量射線離開預成型件240的外壁時。先前在 本專利申請已經教導了根據良好理解的數學公式並根據特定的目標材料的特定吸收曲線， 光子被目標材料按指數律地吸收。當能量射線通過預成型件240的第一側壁然後第二側 壁時，它持續損失光子，光子被目標材料吸收並轉化為熱。對於壁非常厚的預成型件240， 在能量能夠離開第一側壁並向第二側壁前進之前能夠可能完全消亡。這取決於選擇用於照 射的波長以及在該波長下目標材料的吸收。因此如果照射能量在第一側壁中沒有被完全吸 收，根據預成型件240的幾何形狀已經通過衍射稍微彎曲的任何殘留的能量將繼續沿著該 路徑並向第二側壁前進。當該能量射線進入預成型件240的第二側壁時，它再次面對材料 的改變並且當它進入第二側壁時其方向矢量將根據入射角和預成型件240的幾何形狀彎 曲。同樣，假如在照射光束中仍有在第二側壁中未被吸收的能量，光子519延續並將撞擊反 射鏡512並被反射向預成型件240。然後它再次開始通過預成型件的每個壁的路徑。如果 為PET預成型件厚度很好地選擇波長，在射線517往返通過預成型件之後沒有遺留的能量 離開第二壁。通過採用該反射鏡技術有可能設計該系統利用特定的波長處理較大範圍的預 成型件。設計目標是100%消除在首次通過預成型件240中通過吸收的照射，但因為典型地 將系統設計成處理一系列預成型件240的厚度和幾何形狀，反射鏡將搶救並返回否則可能 被浪費的大百分比的能量。
在圖23(a)、23(b)、23 (c)和24中說明還有另外的實施方式。如圖23(a) (c) 所示，系統600促進在加熱區602中分段加熱預成型件240。由可從加熱區外的第一位置 (圖23(b))移動到加熱區內的第二位置(圖23(a)和23(b))的臺架系統604支撐預成型 件240。臺架系統604包括電機設備606和柱塞設備608。電機設備606用於將柱塞設備 608如上所述從第一位置移動到第二位置。電機設備606還可用於旋轉柱塞設備608。當 然，該功能促進以包括上述那些的有利的方式加熱預成型件(例如特定長度的時間如3秒 以下)。加熱區602由陣列或頭610和反射鏡612限定。將理解陣列或頭610以選擇的波 長發射輻射，該輻射被預成型件吸收或被反射鏡反射。陣列610可以採取各種形式。在一種形式中，如上所述陣列610包括一系列線性設置的窄帶照射元件或發射器陣列。陣列610還可以包括模塊化的多個陣列或塊以適應目 標或預成型件的變化的尺寸。在這樣的形式中，元件613可以涉及用於陣列的動力供應和 控制線。如同所示，在另一種形式中，頭包括一系列通過使用線613與窄帶照射器件(例如 雷射二極體)聯繫的透鏡或開口，該線可以採取光纖線的形式。塊或陣列可以以各種方式 實施。例如，在塊邊緣上的纖維(或發射器件)可以散開或改變尺寸以補償塊邊緣的物理 特性。這將促進更均勻的發射和熱在目標上的應用。還可以改變發射器或纖維或塊的間隔 以獲得更均勻的加熱。同樣，反射鏡612可以採取實現本文所述的實施方式的目的的各種 形式。圖24顯示系統600的俯視圖。注意將加熱區602設置為圓形布置。為各加熱區 提供上述附屬的硬體設備。當然，將預成型件帶入加熱區的準確方式可以根據應用改變 』然 而，結構的圓形狀態將有助於各種便利的方法，包括沿大致平行於爐底座的旋轉軸的方向 垂直向上或向下移動到加熱區或腔中。本文所述的圖23(a) (c)的實施方式及其它可以在各種環境中實施。在圖25中 說明一種這樣的環境。如同所示，系統700包括爐702、傳送軸760、762和吹塑機780。應理 解為了便於參考僅象徵性地顯示吹塑機。此外象徵性地顯示的是用於控制可旋轉的爐702 和/或控制溫度(以及其它參數)傳感或以任何各種方式的照射器件的控制器790。例如， 在採用大量較高功率的器件以在一種形式中利用電源動力供應獲得48伏的激勵電平的情 況下，控制電流可能是有利的。控制器可以採取各種形式並且可以採用各種軟體程序以及 硬體配置。同樣可以將該系統中傳感器結合到控制系統中。本領域技術人員將懂得其基本 操作。另外，還可以實施其它組件(未具體顯示)例如冷卻設備、轉動機構、電機......等。傳送軸760用於將預成型件從導軌704傳送到爐702。應理解導軌704終止於傳動 齒輪706。傳送軸760具有將預成型件從傳動齒輪傳送到爐的臺架裝置720的傳送臂764。 臺架裝置720接收預成型件並使它們繞爐702移動並通過爐。在這方面，使預成型件向下 移動到爐的加熱腔層710。這可以按各種方式來完成，但在一種形式中採用當臺架裝置720 繞爐702旋轉時迫使該臺架裝置720朝向加熱腔層710的凸輪712。加熱腔層710包括多 個加熱腔730。各加熱腔由陣列或頭例如三個頭732以及形成圓柱形腔的反射鏡734或者 照射站或密封容器限定，確定大小以容納預成型件。在這種形式中，爐702還包括含多個輻 射源742的輻射源層740。如同所示，輻射源包括如本文所述的多個輻射發射陣列。經光纖 線736將來自這些陣列的發射輻射傳遞到頭732。當然，應理解使用光纖僅是可以實施的一 種結構。應理解還可以將輻射發射陣列設置在頭的位置以便將來自陣列的發射導向預成型件。這將不需要輻射源層。爐702還包括動力源層750。動力源層750包括被設置為向爐內的輻射源層和其 它組件提供動力的多個動力源。操作中，使預成型件沿導軌704移動到傳送軸760。傳送軸 760將預成型件傳送到爐704的臺架裝置。臺架裝置720被爐並繞爐旋轉到加熱腔層710， 預成型件被接收到加熱腔內並進一步繞爐旋轉。在加熱腔中時，旋轉預成型件以致能夠獲 得特定的加熱分布圖。例如，預成型件可以按不同的速度在加熱過程的開始和/或結尾旋 轉以獲得更均勻的加熱並減少例如由伺服電機或步進電機以及適當地接口控制器的實施 引起的「啟/停」線的影響。如上所述可以預成型件的加熱可以進行3秒以下。一旦預成 型件正在其中被加熱的腔顯著地繞爐旋轉，則以將預成型件放置於腔中的大致相同的方式 例如通過凸輪712從該腔中移除預成型件。然後通過傳送軸抓取預成型件並旋轉到吹塑機 780供加工。如同所示，然後傳送軸762從吹塑機中取回吹塑瓶。應理解本文所述的實施方式(例如結合圖18 25描述的那些以及其它)將最有 利地結合控制、檢測和反饋功能(以及其它功能如冷卻)允許該系統閉路操作。因此，控制 該系統以促進獨立預成型件的加熱來獲得對於特定的預成型件的恰當的熱分布圖。該分布 圖可以包括在其長度上或者關於預成型件在其長軸的旋轉圓周的周圍的分布圖。本文所述 的一些實施方式為了便於應用沒有顯示用於實現控制、檢測和反饋的特定模塊(例如圖12 的模塊280或圖25的控制器790)；然而，應理解可以按與更詳細地討論這樣的功能的那些 實施方式相類似的方式將這樣的模塊結合到其中。應理解通過各種裝置還可以實施冷卻功 能。例如，冷卻功能可被用於將餘熱移至另一個希望的位置(可以在裝置或系統的內部或 外部)。例如在圖25中，通過在例如入口 791和出口 793處將液體冷卻管道移入和移出系 統可以實現冷卻。可以向加熱腔提供適當的冷卻支路(未顯示)。可以將出口 793連接到 適合的結構從該區域或系統中除去餘熱。按此方式，應理解取決於應用，包括圖22 25的旋轉式實施方式的本發明的實施 方式可以包括下列特徵-可旋轉的安裝裝置是旋轉爐結構，其中照射站或加熱腔與爐中在任何給定的時 間下被加熱的各個目標相對應，並且爐中在所述任何給定的時間下被加熱的各個目標可以 被相應的照射站加熱。-該結構包括多於一個的照射站或加熱腔，並且各照射站能夠被控制器(例如控 制器790)和/或用於供應電流的裝置分別控制來加熱相應的目標。-該結構通過例如控制器790，包括檢測目標熱參數並控制用於供應電流的裝置 來相應地控制各照射站或加熱腔。
-通過例如控制器790檢測目標熱參數，包括檢測各獨立目標實體的目標熱或目 標熱分布圖中的一種，根據檢測信息確定各獨立的目標實體所需的照射熱注入，向用於為 至少一個窄帶照射元件供應電流的裝置發送控制信號，相應地照射目標實體。-該系統包括在相應的照射站的照射場內旋轉各目標實體的機械裝置。-被注入輻射能的目標實體是準備在其後的操作中被吹製成瓶子的塑料瓶預成型 件。-將每個照射站設計為能夠將目標實體插入其中供照射的容器，使插入的運動方 向顯著地平行於主爐的旋轉軸。
_通過旋轉連接供給電源或冷卻液中的至少一種用於爐的可旋轉部分。-安裝裝置包括多個至少一種窄帶照射元件的線性陣列。-可沿目標的路徑傳送該線性陣列。-該系統包括用於將照射導入選擇的加熱區的至少一種光學元件。上述描述僅提供本發明的特定實施方式的公開，並不是為了限制於此。因而，本發明不被限制於僅上述應用或實施方式。本公開的內容廣泛地提出本發明的許多應用以及一 個具體應用實施方式。公認本領域技術人員能夠想到屬於本發明範圍的替代應用和具體實 施方式。
權利要求
一種用於在成型或加工操作之前非接觸熱處理具有多層或多個吸收峰的塑料目標組件的系統，其包含用於以促進輻射加熱的應用的方式設置所述塑料目標組件的位置的裝置；和熱監控部，塑料組件被設置於其中供曝光，所述熱監控部包含用於發射與該組件的第一層所希望的吸收特性相匹配的至少第一窄波長帶的輻射能的第一組一種以上固態窄帶加熱元件，以及用於發射至少第二窄波長帶的輻射能的第二組一種以上固態窄帶輻射加熱元件。
2. 一種在拉伸吹塑操作之前熱處理熱塑性預成型件的方法，該方法包括以下步驟輸送一系列預成型件通過吹塑機的熱監控部的所選擇的加熱區；在至少一個加熱區中旋轉所述系列預成型件中的每個預成型件；和在旋轉的同時用基於窄帶照射的輻射加熱元件照射每個預成型件大約10秒或小於10 秒，從而為了進一步的處理希望地、適當地加熱所述預製件，所述窄帶元件用於發射窄波長 帶的輻射。
3.如權利要求2所述的方法，其中小於10秒包括小於5秒、小於3秒、小於2秒、小於 1秒和小於二分之一秒中的一種。
4.如權利要求2所述的方法，進一步包括以下步驟在進入所述熱監控部之前測量即將進入的預成型件的內表面和外表面的溫度以測定 潛熱含量；基於即將進入的預成型件的溫度產生控制信號以應用於所述窄帶輻射加熱元件；和將這些控制信號傳遞到所述窄帶輻射加熱元件以獲得該預成型件的所希望的熱分布圖。
5.如權利要求4所述的方法，進一步包括分別測量各預成型件。
6.如權利要求2所述的方法，進一步包括照射各獨立的預成型件，利用所述的窄帶加 熱元件獲得對該預成型件的恰當的加熱，所述元件具有大於10，000小時的使用壽命。
7.如權利要求6所述的方法，進一步包括根據在所述預成型件的整個長度上獲得所希 望的熱分布圖而需要的熱注入來照射各獨立的預成型件。
8.如權利要求6所述的方法，進一步包括根據在所述預成型件繞其長軸的旋轉圓周周 圍獲得所希望的熱分布圖而需要的熱注入來照射各獨立的預成型件的能力。
9.如權利要求4所述的方法，其中所希望的截面熱分布圖導致預成型件從外表面到內 表面均勻地被加熱。
10.如權利要求4所述的方法，其中所希望的截面熱分布圖導致預成型件從外表面到 內表面不均勻地被加熱。
11.如權利要求2所述的方法，其中所述旋轉包括改變轉速或照射量中的至少一個以 獲得更均勻的加熱。
12.如權利要求2所述的方法，其中所述照射在大於1.2微米的範圍內。
13.如權利要求2所述的方法，其中採用在大於1.2微米處發射的至少一個元件和在小 於1. 2微米處發射的另一個元件預先進行所述照射。
14. 一種用於將窄帶輻射熱選擇性地注入目標的系統，該系統包含至少一個固態窄帶照射器件元件，所述至少一個窄帶照射元件用於發射在窄波長帶內的輻射熱輸出用於所述目標的相關應用，選擇所述窄波長帶以符合相關目標材料的特定吸 收特性，安裝裝置，定位所述至少一個窄帶照射元件使得由其而來的照射對準目標，當所述目 標在加熱區中時，所述安裝裝置用於使對準的輻射跟隨目標；和用於給所述至少一個窄帶元件供應電流的裝置，由此發生直流電到光子輻射轉化過程。
15.如權利要求14所述的系統和方法，進一步包括一種照射系統，其利用已被選定與 所述目標材料的吸收性能具體對應的輻射波長以具有所希望水平的通過目標截面的輻射 加熱。
16.如權利要求14所述的系統，其中所述安裝裝置包括可旋轉的元件。
17.如權利要求16所述的系統，其中可旋轉的安裝裝置是旋轉爐結構，在該結構中，照 射站與爐中在任何給定的時間下被加熱的各個目標相對應，並且在爐中在所述任何給定的 時間下被加熱的各個目標被相應的照射站加熱。
18.如權利要求17所述的系統，其中所述結構包括多個照射站，並且各照射站能夠被 用於供應電流的裝置分開控制以加熱相應的目標。
19.如權利要求18所述的系統，其中所述結構包括檢測目標熱參數和控制電流供應以 相應地控制各照射站。
20.如權利要求19所述的系統，其中檢測目標熱參數包括檢測各獨立目標實體的目標 熱或目標熱分布圖中的一種，由檢測信息確定各獨立的目標實體的照射熱注入需求，向用 於給至少一個窄帶照射元件供應電流的裝置發送控制信號，相應地照射所述目標實體。
21.如權利要求18所述的系統，進一步包括在相應的照射站的照射場內旋轉各目標實 體的機械裝置。
22.如權利要求21所述的系統，其中注入輻射能的所述目標實體是在隨後的操作中準 備被吹製成瓶子的塑料瓶預成型件。
23.如權利要求18所述的系統，其中將每個照射站設計為能夠將目標實體插入其中用 於照射的容器，並且使插入的運動方向基本上平行於主爐的旋轉軸。
24.如權利要求16所述的系統，其中通過旋轉連接供給電源或冷卻液中的至少一種用 於爐的可旋轉部分。
25.如權利要求14所述的系統，其中所述安裝裝置包括所述至少一個窄帶照射元件的 多個χ乘y陣列。
26.如權利要求25所述的系統，其中線性陣列可沿目標的路徑移動。
27.如權利要求23所述的系統，其中所述容器包括反射外殼，其形狀被設計為將通過 所述目標的大量照射能量反射回該目標。
28.一種用於將窄帶輻射熱選擇性地注入目標的系統，該系統包含至少一個固態窄帶照射元件，所述至少一個窄帶照射元件用於發射在窄波長帶內的輻 射熱輸出用於所述目標的相關應用，選擇所述波長以符合相關目標材料的特定吸收特性；安裝裝置，定位所述至少一個窄帶照射元件使得由此而來的照射對準所述目標，該安 裝裝置被設置為限定至少一個加熱區並且選擇性地接收在加熱區中來自所述至少一個窄 帶照射元件的輻射熱被注入其中的目標實體，該裝置具有將目標實體送入和送出所述至少一個加熱區的可旋轉元件；用於將照射導入選擇性加熱區的至少一個光學元件；和用於向所述至少一個窄帶照射元件供應電流的裝置。
29.如權利要求28所述的系統，其中所述加熱區進一步被至少一個反射鏡限定。
30.如權利要求28所述的系統，其中所述至少一個窄帶照射元件包括陣列。
31.如權利要求30所述的系統，其中所述安裝裝置包括限定被設置為相對於彼此以一 般圓形布置的多個加熱區的多個陣列。
32.如權利要求28所述的系統，其中所述安裝裝置使應用光纖傳送並且將輻射對準所 述目標材料更便利。
33.如權利要求32所述的系統，其中所述光纖可以在所選擇的區域成扇形散開以獲得 均勻的加熱。
34.如權利要求28所述的系統，其中所述目標實體包括將在隨後的操作中被吹製成瓶 子的塑料瓶預成型件。
35.一種用於在成型或加工操作中非接觸熱處理預成型件的系統，該系統包含用於輸送預成型件的導軌；具有多個臺架裝置和相應的加熱腔的爐，利用窄帶發射元件，所述加熱腔提供預成型 件的照射，所述窄帶發射元件用於發射在窄波長帶內的輻射熱以與所述預成型件的所希望 的吸收特性相匹配；和用於將預成型件從所述導軌傳送到所述臺架裝置的傳送軸，所述臺架裝置用於進行旋 轉以將所述預成型件放入和取出所述加熱腔，所述傳送軸用於進一步將所述預成型件傳送 到吹塑機。
36.如權利要求35所述的系統，其中在10秒以下完成所述預成型件的照射。
37.如權利要求35所述的系統，進一步包括用於在該系統中執行冷卻功能的入口和出
全文摘要
提供一種為了大範圍加工的目的將選擇的窄帶寬熱紅外(IR)輻射或能量直接射入製品中的系統。根據目標實體的特定吸收帶特性選擇照射波長以產生所希望的熱傳輸效率。本發明的應用可以包括加熱、提高或保持製品的溫度，或者在不同的工業、醫療、消費或商業環境的範圍內激發目標物。該系統尤其可應用於需要或者受益於能夠以具體選擇的中紅外波長照射或者使輻射產生脈衝或注入的操作。當該系統以較高的速度並在與目標無接觸的環境中運行時是特別有利的。
文檔編號B29C49/64GK101801625SQ200880019102
公開日2010年8月11日 申請日期2008年6月9日 優先權日2007年6月8日
發明者丹伍德·E.·羅斯三世, 唐·W.·科克倫, 小諾埃爾·E.·摩根, 馬克·W.·莫爾 申請人:普瑞斯克技術公司