基於雷射的、特定波長的紅外輻射處理的方法和系統的製作方法

2023-06-04 11:29:16

專利名稱：基於雷射的、特定波長的紅外輻射處理的方法和系統的製作方法
基於雷射的、特定波長的紅外輻射處理的方法和系統
背景技術：
本發明涉及為了廣泛的加熱、加工或處理的目的將所選擇的熱紅外(IR)波長輻射或能量直接注入到目標物體當中。如下面所要說明的一樣，這些目的可包括加熱、提高或保持物件的溫度、或是在不同的工業、醫療、消費品或商
業環境的範圍內激勵目標物體。這裡所說明的方法和系統尤其適用於這樣的操:作，即操作需要或是受益於以特別選定的波長進行輻射、或是起脈動或注入輻射的能力。當目標以高速移動以及在與目標呈非接觸環境中時，本發明是特別有利的。本發明提供了基於紅外雷射的系統，其中選擇了對於寬範圍的終端應用極容易編程的窄波長。本發明教示了 一種新穎並且獨創類型的紅外輻射系統，該系統由一個或多個雷射器組成，這些雷射器是通過一類全新的窄波長固態輻射發射設備來非常適當地製成，在本文件中隨後將會特別參考這種窄波長固態輻射發射設備中的一個變量。
更具體的，本發明涉及一種將一個或多個特定優化波長的紅外輻射注入目標當中的全新並且高效方式，其中在某些方面的目的是用來影響目標的溫度。為了引證例子中的少量取樣，對於紅外注入的"目標"可以從在如下的寬範圍內的物體中選出，該範圍內的物體包括製造操作中的各個部件、對於材料的連續巻繞進行處理的領域、烹飪加工中的食品、或是在醫療診治中的病人等。
儘管下面所說明的本發明的特定實施例是一個特別關於塑料瓶預成型回
熱(reheat)操作的例子，但是在這裡所包括的概念還可以被應用到許多其他值得注意的場合。其還可被應用到單級塑料吹瓶操作中，其中在吹塑成型操作之前順序地執行注塑成型操作。例如，在這種應用下，本發明的方法和裝置提供了與現有技術相比類似的優點，但是使用了用來處理在開始回熱部分的處理時的初始溫度變量的不同感應和控制。
通常，理想的紅外加熱系統優選地利用最少的能量消耗來提高目標的溫度。這樣的系統可包括利用對準目標的所選擇的單個或窄帶波長將電能輸入直
10接轉換為射線電磁能量輸出的設備，從而包含輻射的能量被目標部分地或完全地吸收並且被轉換為熱。越高效地將電輸入轉換為射線電磁輸出時，系統就越高效地執行。越高效地將射線電磁波對準以僅曝光目標上的期望區域時，系統就越高效地完成工作。為使用所選擇的射線發射設備應該具有快速"打開"和快速"關閉"的特性，從而當沒有向目標輻射時，既不會浪費輸入能量也不會浪費輸出能量。當被曝光的目標越高效地吸收射線電磁能量以直接地將其轉換為熱時，系統就高效地發揮功能。對於優化系統，必須要謹慎以正確地選擇從而這組系統輸出波長匹配目標的吸收特性。將會為本發明所針對的不同應用以不同的方式選擇這些波長，從而最佳地適應於不同材料的不同吸收特性並且適應於不同的期望結果。
然而，本領域和工業上公知的是在寬廣範圍內的加工和處理當中^f吏用不同類型的射線加熱系統。用於這種目的的在以前已經商業化應用的技術產生了相對寬帶頻譜的所發射的射線電磁能量。這些技術可被參考地稱為紅外加熱、處理、或是加工系統，然而事實上它們通常產生紅外光譜以外的射線能量。
通常將光譜的紅外部分分割為三種波長分類。這些分類通常按照近紅外、中紅外、和遠紅外波長帶進行分類。儘管沒有對這些大致區間建立精確的分割
點，但是通常所接受的是，近紅外區域跨越了從人類視覺的上限(大約780NM)到1.5微米之間的範圍。中紅外區域^爭越了從1.5到5微米之間的範圍。通常認為長波紅外區域介於5到14微米或更高之間的範圍。通常認為真實的熱紅外由中、遠、和超遠波長帶組成。然而，近紅外射線趨於具有更類似於非可見光一樣的性能。
以前已經在工業、商業、和醫療、加熱處理或加工設備中所使用的射線紅外源可產生通常不會局限於一部分的紅外光譜的寬帶波長。儘管它們的寬帶輸出會在特定範圍的紅外光譜內達到峰值，但是它們典型地具有已經延伸進入鄰近區域內的輸出尾段。
例如，在本領域中公知的並且用於各種熱處理加工操作的石英紅外加熱燈通常會產生在0.8到1微米範圍內的峰值輸出。儘管輸出可在0.8到1微米之間獲得峰值，但是這些燈在寬的、連續的波長帶範圍內都具有實質性輸出，其中該波長帶範圍從紫外(UV),經過可見光及其之外，再到大約3.5微米的中
ii紅外。很明顯，儘管石英燈的峰值輸出處於近紅外範圍之內，但是在可見光範圍內以及中紅外範圍內都具有實質性輸出。因此，不可能使得現有的寬光鐠紅外源對於優選波長或對於給定的加熱、加工或處理應用等最為期望的波長成為
選擇性的。由於除了共同擁有的待審的申請號為No. 11/003,679的(在2004年12月3日遞呈的)和No. 011/351,030 (在2006年2月9日遞呈的)(都包括在這裡作為參考)，在本發明之前不存在任何實際替代方式，因此本發明內在的是寬光譜處理或加工的並且已經被廣泛地應用。許多目標中的主要溫度升高是由於吸收處於一個或多個窄帶波長的熱IR能量而造成的。因此，浪費了大量的寬帶IR能量輸出。
然而，在工業中廣泛地使用石英紅外光，不僅用於分離的部件還用於連續材料加工工業。典型地，使用多種方法論來幫助導向來自石英燈的發射到接受包括多種反射器類型的加工的目標上。不論如何使能量聚焦到目標上，典型的，連續地激活石英燈。無論接受加工的目標是連續產生的物件還是分離部件，這都適用。其中的原因主要是由於石英燈的相對慢的熱響應時間所造成的，石英燈的熱響應時間典型地處於秒等級的量度上。石英燈是"慢打開"和"慢關閉"的設備並且實際上不能高效地並且快速地打開及關閉或是對於短暫長度的打開時間起脈動。
對於改善的能量注入的特定需求的領域涉及吹塑操作。更具體的，在拉伸吹塑操作之前，塑料瓶拉伸鼓風系統熱調節預成型件。在現有技術中公知有作為這種加工的一個方面的回熱操作。在回熱操作中，允許通過熱注塑或模壓成型加工而成型的預成型件熱冷卻並且穩定在周邊溫度或室溫。在隨後的一段時
間，通常是幾天或是幾個星期內，將預成型件送入拉伸鼓風系統中，在拉伸鼓風系統的早期階段將預成型件加熱至使所選擇部分的熱塑預成型材料對於隨後的吹塑操作處在優化的溫度。當沿著路徑將預成型件通過加熱部或爐傳送到機器的吹塑部時，即可滿足這種條件。在吹塑部中，首先機械拉伸預成型件並且隨後典型地利用多步驟的高壓空氣對預成型件進行吹塑，以形成具有較大體積的器皿或容器。這種容器的一個例子就是可丟棄的PET水或碳酸軟飲料瓶。能量消耗成本佔到了利用吹塑操作製造的完成物件所需成本中的絕大部分並且典型地是最大的生產成本。更具體的，利用迄今為止的現有技術在拉伸吹塑^/L的回熱部中在105。C的周邊溫度下加熱或是熱調節聚酯(PET)預成型 件所需的能量值是十分巨大的。從所有製造效率量度來看，從經濟和環境觀點 對於降低與拉伸鼓風系統的熱調節部的操作相關的能量消耗率都是非常有利 的。
為了進一步說明，當前的實踐是將容器暴露於來自設置在隧道中的多個石
英紅外w-vn燈的輻射能量中。來自每個燈的能量都是自然狀態下可變的，因 而對於容器的不同部分的輻射提供了非常小量度的調節能力。來自燈的大部分 能量根本就沒有被容器所吸收，或是被周邊空氣和機械支撐物所吸收，因而嚴
重地降低了整體效率。對於減少不期望的加熱已經作出了某些努力；環繞隧道 吹動空氣以努力實現1)冷卻容器的外表面(這是所期望的)，以及2)通過不 必加熱的空氣的對流使得更多的能量耦合到容器當中。
當前方法的缺點在於空氣和鄰近結構的不必要的加熱、容器中的輻射分布 的不良調諧能力、大的物理空間需求、容器中不能選擇性地加熱特定點或帶、 變差的使熱量分布快速地適應於諸如對於不同尺寸容器的巨大轉變的新需求 的能力、以及由此產生的問題。例如，容器預成型件對於光的不完全吸收導致 了需要向隧道提供更高的使用功率、用來去除來自工廠內部的周邊環境的額外 熱量所需的更高的使用功率、使得更平緩且更均勻地加熱隧道所需的更大空 間、燒毀燈泡所需的更頻繁的工作間隔、以及在來自不平衡燈泡毀損的加熱中 更多的可變性。
美國專利號5,322,651說明了一種對於熱處理熱塑預成型件的方法的改 進。在這篇專利中，說明了對於塑料預成型件進行熱處理的使用寬帶紅外(IR) 輻射加熱的傳統方法。從這篇專利中引用了如下記載，"與諸如對流和傳導的 其它加熱或熱處理方法相比較，並且考慮到材料的低的熱傳導性，使用紅外輻 射的加熱可給出有利的輸出並且實現了可提高生產率"。這篇專利說明了在當 今PET工業領域通常所使用的寬帶紅外源。
在這篇專利中記載的對於現有技術所作出的特別改進涉及如何管理在預 成型件的IR加熱期間釋^:額外能量的方式。特別的，這篇專利尤其關心熱加 工期間釋放的能量，這最終(通過除預成型件之外的位置處的吸收、傳導、以 及隨後的對流)導致了環繞所傳送的預成型件的爐內空氣溫度的升高。利用熱
13空氣流動所引起的預成型件的對流加熱已經證明會導致預成型件的不均勻加
熱，因此會對製造操作造成不利影響。所浪費的能量還必須通過工廠HVAC 系統進行處理，這又會導致另一巨大的能量花費。專利5,322,651說明了一種 應對在IR加熱操作期間環繞預成型件的空氣流動的不期望加熱的影響的方 法。
正如所預料的一樣，從迄今為止最先進的寬帶IR加熱元件和系統到目標 預成型件之間的熱能傳遞不是完全高效的過程。理想的，用來熱調節預成型件 所消耗的100%能量都最終以熱能形式存在於預成型件當中所選擇的部分體積 中。儘管這沒有在上述參考專利中被特別地提到，但是當前最先進的吹塑機聲 稱具有5%到10%範圍內的典型轉換效率值(進入所傳送的預成型件的能量/ 由IR加熱元件所消耗的能量)。儘管難以測量，實際上，並不確定對於實際的 系統轉換效率是否能夠達到這個水平。任何能夠提高轉換效率值的與紅外加熱 預成型件相關的方法或裝置的改進都是非常有利的並且可以為拉伸吹塑機的 使用者在能量消耗方面節約大量成本。
存在許多因素一起作用來建立在當前現有的吹塑機中使用的IR加熱元件 和系統的能量轉換效率性能。值得注意的是，將受熱的諸如PET預成型件的 傳統的熱塑預成型件加熱至大約105。C的溫度。這典型地是通過使用可商業上 購得的寬帶石英紅外燈的現有吹塑機來實現的。在高速/高產機器中，通常以 的大體積的非常高瓦數燈泡的形式存在。所有體積的石英燈的聚合能量提取對 於最快的機器而言變為達到幾百千瓦的巨大電流提取量。對於整體加熱系統的 整體能量轉換效率性能具有影響的與這些類型的IR加熱元件相關的兩個因素 是燈絲的色彩溫度以及白熱絲燈泡的光傳遞特性。
對於當前現有技術中的吹塑機的熱調節子系統的整體能量轉換性能具有 重大影響的另一因素是流量控制或用來引導由加熱元件發射的IR射線進入通 過系統來傳送的預成型件之內的透鏡化量度器(lensing measure )。在絕大多數 的現有的吹塑機中，使用了某些用來將由石英燈發射的IR射線流量引導進入 預成型件之內的量度器。特別的，金屬化反射器對於降低在這些系統中所浪費 的釋放出的IR輻射量非常有用。
對於IR加熱子系統的能量轉換效率性能具有影響的再一因素是輸入到典
14型地靜止的IR加熱元件中的能量與經過加熱系統運送的預成型件的移動之間 同步的程度。更具體的，如果靜止的IR加熱元件連續地消耗固定量的輸入能 量，即使在由於經過系統預成型件的連續移動造成在加熱器的鄰近位置處不存 在預成型件時，則很顯然不能優化系統的能量轉換效率性能。實際上，可商業 購得的石英燈的緩慢的物理響應時間和現有的吹塑機的相對快的預成型件傳 送速度使得任何試圖成功地調整燈的輸入功率以使其與分離部件的移動同步 的努力都變為多餘，因此獲得了整體能量轉換效率性能方面的改進。
美國專利No. 5,925,710、美國專利No. 6，022，920和美國專利No. 6,503,586B1都說明了用來提高由吹塑處理中所傳送的預成型件所吸收的由IR 燈發射的能量百分比的相似方法。所有這些專利都在細節上或多或少地說明了 現有的回熱吹塑機中使用石英燈作為IR加熱元件的一般做法。在回熱吹塑處 理中，在吹塑4喿作之前，將先前已經注塑過的並且穩定在室溫的預成型件回熱 到吹塑操作前的溫度。上述這些專利都說明了一般如何比利用傳導或對流裝置 更有效率地通過IR吸收來加熱聚合物，特別是PET。在這些專利文件的附圖 中，測量得到的PET的吸收效率是波長的函數。在PET中會出現多種強分子 吸收帶，主要是在大於1.6微米之上的IR波長帶中。公知石英燈可以在寬光 譜上發射射線，其中通過普郎克定律(Planck's Law)定義的燈絲溫度確定精 確發射光語。
如在現有的吹塑機中所使用的一樣，在大約3000°K的燈絲溫度下操作石 英燈。在此溫度下，石英燈具有大約0.8微米的峰值射線發射。然而，由於這 種發射是一種黑體類型發射，如現有技術中所公知的一樣，石英燈絲髮射出能 量從X-射線至非常長的IR的連續光鐠。在3000。K下，發射上升經過可見光 區域，在0.8微米處達到峰值，並且隨後當開始與從大約1.6微米開始的大量 PET吸收的區域交迭時逐漸地下降。
果。用來製造可商業購得的石英燈的燈泡的石英材料具有大約3.5微米的傳輸 上限。超過這個波長，密封燈絲的石英玻璃外殼將會吸收絕大部分的由密封燈 絲所發射的能量，並且因此不會直接地用來對預成型件加熱。
出於上面所強調的原因，在使用石英燈來回熱PET預成型件至吹塑溫度的現有吹塑機當中，吸收熱量的範圍發生在l微米至3.5微米之間。上面所參 考的一組專利(5,925,710、 6,022,920和6，503,586B1 )都說明了用來改變預成 型件的天然吸收特性的從而提高回熱處理的整體能量轉換效率性能的不同方 法和裝置。在所有這些專利中，將外來的材料描述為加入PET預成型件原材 料中的唯一目的在於提高混合物的吸收係數。這些所說明的方法和裝置都是用 來影響處於靠近大約0.8微米至3.5微米之外的範圍內的材料光學吸收特性。 儘管作為一種用來提高回熱處理的整體能量轉換效率性能的可行裝置，但是有
的容器的外觀產生不利的影響。容器的光清晰度方面的降低，通常還被稱為容 器的霧化(hazing),造成這些一般方法並不是解決製造方面挑戰的優化技術 方案。
美國專利No. 5，206，039說明了一種一級注塑/鼓風系統，其包括從處理的 注入級到吹塑級調節並且傳送預成型件的改進裝置。在這篇專利中，認為都向 熱調節熱塑材料中添加了大量能量的注塑機和吹塑機的獨立操作是浪費的。這 篇專利教示了使用一級製造處理來降低整體能量消耗率和製造成本。這種能量 消耗方面的降低主要來源於實現吹塑操作所需的大部分熱能是在緊接注塑級 之後通過預成型件所保持的事實。更具體的，在如'039專利中所說明的一級 處理中，在注塑處理之後預成型件不允許穩定在室溫。相反，預成型件直接地 從注塑級移動到熱調節部並且隨後又移動到吹塑部。
在'039專利中所說明的熱調節部具有能夠添加較少量的熱能以及使預成 型件經歷受控穩定周期的特性。這不同於回熱吹塑^L的兩級處理中的熱調節部 的需求，其中需要大量的能量來加熱預成型件到吹塑溫度。儘管在現有技術中 公知單級注塑/吹塑機的操作，但是這些機器一直存在所完成的容器質量問題。 這些質量問題與當一批預成型件進入吹塑級時預成型件-與-預成型件之間的 溫度變化相關聯。儘管在'039專利中說明了進步，利用現有的IR加熱和溫 度感應裝置和方法，在預成型件離開注塑處理後立即執行預成型件的熱調節處 理仍會導致進入注塑級的熱成分變化的預成型件。進入預成型件的熱成分的變 化會導致所完成的容器具有變化特性和質量。基於預成型件-至-預成型件定製 調整IR加熱處理的能力降低會導致製造者選擇使用回熱吹塑方法來獲得所需
16的質量等級。出於這個原因，對於高產應用來說，這樣的工業仍持續依賴於回 熱方法。此外，由於預成型件經常通過可商業購得的轉換器來製造並且賣給那 些吹塑並且填充容器的終端用戶，因此回熱處理繼續受到歡迎。
總體上提高吹塑機的IR加熱部的效率和/或功能性的前景很明顯在操作成 本和產品質量方面都是十分有利的。儘管在現有的IR加熱子系統中已經作出 過幾次提供改進的努力，但是仍留有明顯的缺陷。通過引入新穎的IR加熱概 念和方法，本發明的目的在於克服上述這些缺陷。
在固態電子領域中，現有技術中公知有相干固態發射器或雷射器二極體。 公知有可商業購得這種類型的光子或流體發射器並且在從紫外(UV)到近紅 外的多種波長下執行操作。LED由適當的摻雜N和摻雜P的半導體材料製成。 適當地處理大量半導體材料以便將其中包含摻雜P的區域設置為與相同材料 的摻雜N的區域直接接觸而形成了具有多種名稱的二極體。如現有技術中所 公知的一樣，這些二極體具有許多重要的電氣和光電特性。例如，正如在現有 技術中公知的一樣，在所形成的半導體二極體的摻雜N的區域與摻雜P的區 域之間的物理接口處，材料中存在特徵帶隙。此帶隙與能級差相關，該能級差 是位於N區域的導帶中的電子的能級與較低的P區域軌道上的電子的能級之 間的差。當電子被感應而流經PN結時，開始發生從N區域軌道到較低的P 區域軌道的電子能級躍遷，從而對於每次這樣的電子躍遷都引起光子的發射。 準確的能級或交替地所發射的光子的波長對應於所感應的電子的能量降低。
簡而言之，雷射器二才及管可作為直流-至-光子發射器來4喿作。與燈絲或其 它黑體類型發射器不同，在能夠提取輸出光子之前無需將輸入能量轉換為熱的 中間形式。由於這種直流-至-光子特性，雷射器二^l管具有非常快動作的特性。 已經在需要產生非常高脈衝速率UV、可見光、和/或近IR光等多種應用中使 用雷射器二極體。
與基於燈絲的源不同，雷射器二極體在相對有限的波長範圍內發射，該波 長範圍對應於正在使用的半導體材料的特定帶隙。

發明內容
本發明提供了波長可以高度選擇的小型或大量的紅外輻射設備的實現方 式，並且本發明可方便(facilitate)在一類全新的尚未商業化的應用和技術中
17使用紅外輻射。
本發明的一個方面在於提供一種熱IR加熱系統的塑造或其它加工或處理 系統，其具有用來加工以提高IR能量轉換效率性能的熱IR加熱系統。
本發明的另一方面在於提供一種IR加熱系統，其具有適用於將要加工或 對準的特定材料的IR穿透深度性能的IR加熱系統。
本發明的另一方面在於提供一種熱IR輻射系統，其可包括特別設計的 RED (諸如基於雷射器的RED)的混合體，該混合體用來產生為優化某些類 的應用而選擇的窄波長帶下的IR輻射。
本發明的另一方面在於提供一種能夠以脈衝模式驅動的IR加熱系統；在 製造處理過程中傳送這些獨立地被製造的部件或是實現對輻射目標的同步追 蹤時，所述脈衝模式特別適用於將IR熱量提供給這些部件。
本發明的另一方面在於提供一種IR加熱系統，其可被準確地導向或對準 到最佳地應用輻射熱能的位置處。
本發明的另一方面在於提供一種IR加熱系統，其能夠與預成型件溫度測 量系統一同工作來提供特定預成型件IR加熱能力。
本發明的另一方面在於提供一種IR雷射器加熱元件，其可被製造成直接 電流到光子IR固態雷射發射器或雷射器輻射發射二極體(RED)的陣列。
本發明的另一優點在於提供了一種在所選擇的、高度特定的、單個或多個 窄波長帶下輸出大量射線的紅外輻射系統。
本發明的另一優點在於提供產生高強度的熱紅外輻射以及對於位置、強 度、波長、輻射持續時間、開啟/關閉速率、方向性、脈衝頻率、以及產品追 蹤的至少其中之一實現高度可編程等功能。
本發明的另一優點在於與當前的寬帶源相比較，實現了多種將熱能注入到 目標部件的多個輸入能量高效方法。
本發明的另 一優點在於在加熱瓶預成型件的過程中，保持了無需會降低視 覺質量且增加成本的向目標部件增加熱量就可高效地加熱的能力。
本發明的另一方面在於提供一種適用於十分廣泛的應用的通用輻射加熱 系統，該系統除可編程性和脈衝能力之外還可提供所增加的波長選擇性紅外輻 射的功能。
18本發明的另一優點在於實現了將非輻射熱量方便地傳導到需要熱量或是 可將熱量傳導出使用環境以降低周邊或非目標熱量的另一位置處。
本發明的另一優點在於提供產生所選擇波長的紅外輻射以及對於雷射器 輻射位置、強度、波長、掃描圖案、掃描重疊、開啟/關閉速率、方向性、脈 沖頻率、以及目標追蹤的至少其中之一實現高度可編程等功能。


圖1是在本發明的一個實施例中實現的示例性半導體設備的一部分的橫 圖2是在本發明的一個實施例中實現的示例性半導體設備的緩衝層的橫
截面圖3是在本發明的一個實施例中實現的示例性半導體設備的量子點層的
圖4是包括在本發明的一個實施例中實現的量子點層的射線發射二極體 的橫截面圖5是包括在本發明的一個實施例中實現的量子點層的射線發射二極體 的橫截面圖6是包括在本發明的一個實施例中實現的量子點層的射線發射二極體 的橫截面圖7是包括在本發明的一個實施例中實現的量子點層的雷射器二極體的 橫截面圖8示出了單個RED半導體設備的示意圖9和圖IO示出了作為波長函數的通過PET的IO密耳厚部分所發射的 紅外能量的相對百分比；
圖lla、圖llb和圖llc示出了將各個RED發射器封裝在RED加熱元件 中得到的典型封裝體；
圖12a和圖12b示出了吹塑機中的RED加熱元件的優選配置；
圖13a和圖13b示出了用來實現基於RED的雷射器二極體的本發明的另 一實施例；
圖14示出了如本發明所說明的用於預成型件的熱處理的優選方法；
19圖15至圖17示出了用於根據本發明的熱塑預成型件的熱處理的替換方 法；以及
圖18示出了有利地被應用到動態傳送部中的RED加熱元件。
具體實施例方式
本發明直接涉及一種新穎的並且全新的出於取代寬帶類型的輻射熱源的 目的能夠以所選擇的波長直接地輸出大量紅外雷射射線的技術方案。許多類型 的雷射器都可以用來實現本發明，但是氣體和化學雷射器在能夠產生大量光能 的同時卻更難控制並且對於許多必要波長並不適用。無論是在它們自身的波長 輸出中還是當特別適用於所選擇的波長時，氣體和化學雷射器都十分昂貴。盡 管其他雷射器也足夠用來實現這裡所說明的實施例，但是典型地更多使用固態 雷射器以便安裝集成、控制並且更便宜。用於優選實施例的特定設備是一類新 的設備的首次出現，這類設備剛剛變為可用並且是更高效的輸入能量的量子轉 換器。它們還可被製造為具有極寬範圍的對於某些材料或應用所需的所選擇波 長。
(l，OOO納米)的一般的中紅外範圍內操作的直接電子-至-光子固態發射器。 這些固態雷射器二極體都是基於和普通光發射二極體(LED )類似操作的設備,
是一類全新類型的利用量子點技術的半導體設備，量子點技術已經突破了妨礙 製造可使用的、成本有效地、以及高能的固態設備的障礙，該固態設備實現直 接電子至光子轉換器功能，該轉換器的輸出是假單色和在中紅外波長帶上。期 待的是在不久的將來可以在中或長波長熱紅外範圍內應用這種最新產生的類
現本發明。
為了區分這類新設備與傳統的較短波長設備(LED),這些設備被更準確 地稱為射線或輻射發射二極體(RED)。這些設備具有在極為受限的波長範圍 內發射輻射電磁能量的特性。進一步，通過適當的半導體處理操作，還可調諧 RED以特定波長發射，這對於特定輻射處理應用是極為有利的。這些被調諧 作為雷射器二極體的RED可被稱為L-RED或雷射射線發射二極體。因此，已經在RED技術上開發了新的進步，該進步是關於與相反摻雜的 區域相接觸的摻雜後的平面區域的形成，該相反摻雜的區域是通過隨機分布的 用來在目標IR範圍內和潛在地超出該範圍產生光子的材料或量子的小區域的 陣列來形成的。充分應用這種製造技術或是其它諸如新型半導體聚合物的開發 可得到用於本發明的固態中紅外雷射器二極體發射器。在適用於被利用以實現 本發明的中紅外以及長波長紅外範圍內也都可以應用替換的半導體技術。
在所述這些實施例中所提出的直接電子(或電流)-至-光子轉換發生在通 常被稱為假單色並且與這樣製造得到的二極體發射器的內在帶隙和量子點幾 何形狀相一致的窄波長範圍內。可以想到的是候選雷射器二極體發射器的半功 率帶寬將會落入20-500納米範圍內。這種類型的窄寬度的紅外發射器應該支 持在本申請完整公開內容範圍內的多種特定波長的輻射應用。 一族RED設備 和可用來製造該設備的技術是在2004年11月16日遞呈的發明名稱為 "Quantum Dot Semiconductor Device"以Samar Sinharoy和Dave Wilt作為發 明人的申請號為No. 60/628,330 (代理人案件編號為ERI.P.US0002;郵政快遞 編號為No.EL726091609US)的美國專利申請(還在2005年11月16日作為 美國申請號No. 11/280,509遞呈)的主題，該申請被包括在這裡作為參考。
根據這篇"Quantum Dot Semiconductor Device"的申^青，半導體設備在現 有技術中是公知的。在將電磁射線轉換為電的光電池中4吏用這些半導體設備。 這些設備還可作為將電能轉換為電;茲射線(例如，光)的發光二極體(LED) 來使用。對於大多數半導體應用，針對所期望的帶隙(電子伏特)或所期望的 波長(微米)，並且以使其滿足所期望的帶隙範圍或波長範圍的方式來製備半 導體。
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。實際上， 特定材料的選擇、它們的能隙、它們的晶格常數、以及它們的內在發射的能力 都會限制半導體。 一種已經開發出來的特別適用於半導體設備的技術是採用二 元或三元聚合物。通過改變設備的組成特性，已經可以工程製造出技術上實用 的設備。
還可操控半導體設備的設計以適應設備的性能。在一個實施例中，可以將 量子點包括在半導體設備當中。認為這些點是量子限制載體並且根據同 一半導體的大量實例證明可以改變光子發射的能量。例如，美國專利No. 6,507,042 教示了包括量子點層的半導體設備。具體的，它教示了在銦鎵砷(InxGa^As) 層上設置的銦砷化物(InAs)的量子點。這篇專利公開了通過控制量子點(即 InAs)與在其上設置這些點的層(即InxGa^As)之間的晶格不匹配數量來控 制與量子點相關的光子的發射波長。這篇專利還公開了通過改變InxGa^As基 板當中銦的水平來控制InxGa^As基板與InAs量子點之間的晶格不匹配的事 實。隨著InxGa^As基板當中銦的數量的增大，不匹配的程度會隨之降低，並 且與光子發射相關的波長會隨之增大(即，能隙隨之降低)。實際上，這篇專 利公開了在基板中的銦的數量從大約10%增大到大約20%可使相關光子的波 長從大約l.l戶增大到大約1.3/^。
雖然美國專利No. 6,507,042中公開的技術證明適用於提供可發射或吸收 具有大約1.3"波長的光子的設備，但是其增大InxGaLxAs基板當中銦的數量 的能力卻受到限制。換句話說，隨著銦的水平增大到大約20%、 30%、甚至 是40 %時，晶體結構中的不完美或缺陷的程度受到限制。這對於在鎵砷(GaAs) 基板或晶圓上設置InxGai_xAs基板的情況尤其適用。相應地，使用美國專利 No. 6,507,042中所說明的技術不能得到發射或是吸收較長波長(較低能隙)的 光子的設備。
相應地，因為期望獲得可發射或吸收大於1.3，波長的光子的半導體設 備，因此存在具有這種本質的半導體設備的需求。
一般地，RED提供包括InxGai.xAs層和位於Ir^Ga^As層之上的量子點所 述的半導體設備，其中x是銦的重量所佔百分比摩爾分數，為從大約0.64至 大約0.72，量子點包括InAs或AlzGa^As，其中z是鋁的重量所佔百分比的 摩爾分數，為小於大約5%。
本發明還包括具有InAs或AlzIn^As的量子點以及接觸至少部分量子點的 熔覆層(cladding layer)的半導體設備，其中z是鋁的重量所佔百分比的摩爾 分數，為小於大約5%,並且量子點的晶格常數與所述熔覆層之間的不匹配程 度至少為1.8%並且小於2.4%。
半導體設備包括在銦鎵砷化物(InxGa^As)層上具有砷化銦(InAs)或 鋁銦砷(AlzIni_zAs,其中z小於等於0.05)量子點的量子點層，這被稱為InxGa^As矩陣包層(matrix cladding)。點的晶格常數與IrixGa^As矩陣包層 相互不匹配。晶格不匹配至少是1.8%,在某些實施例中至少是1.9%，在某些 實施例中至少是2.0%,以及在某些實施例中至少是2.05%。有利地，不匹配 可以小於3.2%,在某些實施例中可以小於3.0%,在某些實施例中可以小於 2.5 % ，以及在某些實施例中可以小於2.2 % 。在一個或多個實施例中，InxGa^As 矩陣包層的晶格常數可小於點的晶格常數。
在那些點位於I Ga^As包層矩陣之上的實施例中，包層矩陣層中的銦的 摩爾濃度(即x)可以從大約0.55到大約0.80,可選地從大約0.65到大約0.75， 可選地/人大約0.66到大約0.72,以及可選地從大約0.67到大約0.70。
在一個或多個實施例中，InxGa^As包層矩陣位於與Ir^Ga^As包層矩陣 晶格匹配的銦磷砷化物(InPbyAsy)層之上。在一個或多個實施例中，在其上 沉積InxGa^As包層的InPi.yAsy層是存在於ItixGa^As包層與在其上支撐半導 體的基板之間的多級(連續或分離)的InP,.yAsy層。在一個或多個實施例中， 基板包括銦磷化物(InP)晶圓。半導體還可包括一個或多個位於InxGai-xAs 包層與基板之間的諸如InxGaLXAs層的其它層。
在圖1中示出了一個實施例。圖1和其它附圖都是示意性表示並且沒有按 照參考各層或部件的厚度或是相對地參考各層之間的相對厚度或尺寸來按比 例繪製。
設備1000包括基板1020、可選的導電層1025、緩沖結構1030、熔覆層 1040、以及點層1050。本領域技術人員可以理解的是，某些半導體設備通過 將電流轉換為電磁輻射或是將電磁輻射轉換為電流的方式來操作。現有技術中 公知控制這些設備中的電^f茲輻射或電流的能力。本^>開內容不必改變這些傳統 的設計，其中許多設計都是關於製造或設計半導體設備的技術領域所公知的。
在一個實施例中，基板1020包含銦磷化物(InP)。 InP基板1020的厚度 可大於250微米，在其它實施例中可大於300微米，以及在其它實施例中還可 大於350微米。有利地，厚度可小於700微米，在其它實施例中小於600微米， 以及在其它實施例中還可小於500微米。
在一個或多個實施例中，所想像(envisioned)的半導體設備可選地包括 銦磷化物(InP)的外延層。這種外延的銦磷化物層的厚度可以從大約10納米到大約l微米。
在一個實施例中，可選的導電層1025包含銦鎵砷化物(InxGai_xAs )。這 層中的銦的摩爾濃度(即x)可以從大約0.51到大約0.55，可選地從大約0.52 到大約0.54，以及可選地從大約0.53到大約0.535。在一個或多個實施例中， 導電層1025與InP基板晶格匹配。
可將導電層1025摻雜到給定值並且具有合適的厚度，從而為給定設備提 供充足的導電性。在一個或多個實施例中，厚度可以從大約0.05微米到大約2 微米，可選地從大約0.1微米到大約1微米。
在一個或多個實施例中，緩衝層1030包含銦磷砷化物(InPLyAsy)。在特 定實施例中，緩衝層1030包括至少兩層、可選地至少三層、可選地至少四層、 以及可選地至少五層InP^Asy層，其中各層的晶格常數隨著遠離基板1020的 方向逐漸增大。例如，如圖2所示，緩衝結構1030包括第一緩衝層1032、第 二緩衝層1034、以及第三緩衝層1036。緩衝結構1030的底層表面1031靠近 基板1020,並且緩衝結構1030的頂層表面1039靠近阻擋層1040。第二層1034 的晶格常數大於第一層1032的晶格常數，並且第三層1036的晶格常數大於第 二層1034的晶格常數。
本領域技術人員可以理解的是，可通過改變連續層的組成來增大緩沖結構 1030的各層的晶格常數。在一個或多個實施例中，在各連續層中InPt.yASy緩 沖層中的砷濃度逐漸增大。例如，第一緩衝層1032可包括大約O.IO到大約0.18 摩爾分數的砷(即y)，第二緩衝層1034可包括大約0.22到大約0.34摩爾分 數的砷，並且第三緩衝層1036可包括大約0.34到大約0.40摩爾分數的砷。
在一個或多個實施例中，鄰近緩衝層之間(例如，層1032與層1034之間) 的砷的增多小於0.17摩爾分數。認為由於砷含量的提高所引起晶格常數的改 變而導致的連續緩衝層之間形成的任何缺陷不會對半導體產生不利的影響。在 美國專利No. 6,482,672中說明了使用這種方式的關鍵成分分級技術，其被包 括在這裡作為參考。
在一個或多個實施例中，第一緩衝層1032的厚度可以從大約0.3到大約1 微米。在一個或多個實施例中，頂緩衝層通常更厚以確保晶格結構的完全鬆弛。
在一個或多個實施例中，緩衝結構1030的頂部1039(例如，緩沖層1036)
24之上或是靠近緩沖結構1030的頂部1039的各個的緩衝層被設計為具有從大約 5.869 A到大約5.960 A的晶才各常數，可選地從大約5.870 A到大約5.932 A。
在一個或多個實施例中，緩衝結構1030的底部1031 (例如，緩衝層1032) 之上或是靠近緩衝結構1030的底部1031的各個的緩衝層優選地被設計為受到 關鍵成分分級技術的限制。換句話說，由於在InP晶圓上沉積了第一緩衝層(例 如，緩衝層1032)，因此在第一緩沖層(例如，緩衝層1032)中存在的砷的含 量小於17摩爾分數。
熔覆層1040包含InxGaLxAs。在一個或多個實施例中，這一層優選地與緩 衝結構1030的頂部1039之上或是靠近緩衝結構1030的頂部1039的頂緩衝層 的平面內(in-plane)晶格常數實現晶格匹配。術語"晶格匹配"是指以百萬 分之五百(即0.005% )的晶格常數為特徵的連續層。
在一個或多個實施例中，熔覆層1040可具有從大約10埃到大約5微米的 厚度，可選地從大約50nrn到大約1微米，以及可選地從大約100nm到大約 0.5微米。
在一個或多個實施例中，量子點層1050包含砷化銦(InAs)。層1050優 選地包括浸潤層(wetting layer) 1051和量子點1052。浸潤層1051的厚度可 以是一或兩個單層。在一個實施例中，從層1050的底部1053到點1055的頂 部測量得到的點1052的厚度可以從大約lOnm到大約200nm，可選地從大約 20nm到大約100nm，以及可選地從大約30nm到大約150nm。此外，在一個 實施例中，點1052的平均直徑可大於10nm,可選地大於40nm，以及可選地 大於70nm。
在一個或多個實施例中，量子層1050包括多層的點。例如，如圖3所示， 量子點1050可包括第一點層1052、第二點層1054、第三點層1056和第四點 層1058。各層都包含砷化銦InAs,並且分別包括浸潤層1053、 1055、 1057和 1059。各點層同樣包括點1055。儘管包括浸潤層和點的各點層的特徵無需完 全相同，但是它們仍大體上相同。
在各點層1052、 1054、 1056和1058之間分別設置的是中間熔覆層1062、 1064、 1066和1068。這些中間熔覆層都包含InxGa!-xAs。在一個或多個實施例 中，InxGai.xAs中間熔覆層都大體上與熔覆層1040相同或是完全相同。換句話
25說，中間熔覆層優選地與阻擋層1040晶格匹配，而阻擋層1040優選地與頂緩 衝層1036晶格匹配。在一個或多個實施例中，中間層1062、 1064、 1066和 1068的厚度可以從大約3nm到大約50nm,可選地從大約5nm到大約30nm， 以及可選J4從大約10nm到大約20nm。
如上面所提到的，環繞量子點層的多層可正極或負極摻雜以操控電流流 動。例如，在美國專利No. 6，573，527、 6，482，672以及6,507,042中說明了現有 技術公知的用來才喿控半導體設備中的電流流動的技術，這些專利都包括在這裡 作為參考。例如，在一個或多個實施例中，可以使用鋅、碳、鎘、鈹或鎂對這 些區域或層實現"p型，，摻雜。另一方面，可以使用矽、硫、碲、硒、鍺或錫 對這些區域或層實現"n型"摻雜。
通過使用現有技術中公知的技術可製備所想像的半導體設備。例如，在一 個或多個實施例中，通過使用有機金屬氣相磊晶法(OMVPE)來製備多種半 導體層。在一個或多個實施例中，通過使用諸如Stranski-Krastanov模式(S-K 模式)的自形成技術來製備點層。在美國專利No. 6，507，042中說明了這種技 術，該專利包括在這裡作為參考。
在圖4中示出了包括量子點層的射線發射二極體(RED)的一個實施例。 RED 1100包括基底接觸器1105、紅外反射器1110、半絕緣半導體基板1115、 n型橫嚮導電層(LCL)1120、 n型緩衝層1125、熔覆層1130、量子點層1135、 熔覆層1140、 p型層1145、 p型層1150、以及發射接觸器1155。基底接觸器 1105、紅外反射器1110、半絕緣半導體基板1115、 n型橫嚮導電層(LCL) 1120、 n型緩衝層1125、熔覆層1130、量子點層1135、以及熔覆層1140都與如上所 述的那些半導體層相類似。
基底接觸器1105可包含多種高導電性材料。示例性材料包括金、金-鋅合 金(特別是當靠近p-區域時)、金-鍺合金、或是金-鎳合金、或是鉻-金(特別 是當靠近n-區域時)。基底接觸器1105的厚度可以從大約0.5到大約2.0擺t米。 鈦或鉻的薄層可被用來增大金與介電材料之間的粘合度。
紅外反射器1110包含反射材料和可選的介電材料。例如，可4吏用氧化矽 作為介電材料並且可在其上沉積金作為紅外反射材料。反射器1110的厚度可 以從大約0.5到大約2微米。基板1115包含InP。基板1115的厚度可以從大約300到大約600微米。
橫嚮導電層1120包含與InP基板1115晶格匹配(即在500ppm內)的 InxGai.xAs。此外，在一個或多個實施例中，層1120是n摻雜的。優選的摻雜 物是矽，並且優選的摻雜濃度可以從大約1到大約3E19/cm3。橫嚮導電層1120 的厚度可以從大約0.5到大約2.0微米。
緩衝層1125包括如上所述方式的三層分級的InP^Asy層。層1125優選地 是n摻雜的。優選的摻雜物是矽，並且摻雜密度可以從大約0.1到大約3E9/cm3。
熔覆層1130包含與緩衝層1125的頂部(即緩衝層1125的第三級或子層) 的平面內晶格常數實現晶格匹配(即在500ppm內)的InxGaLxAs。在一個或 多個實施例中，InxGa"xAs熔覆層1130包含摩爾分數從大約0.60到大約0.70 百分比的銦。熔覆層1130的厚度可以從大約0.1到大約2微米。
量子點層1135包4舌關於本發明所教示的如上所述的InAs點。關於前面的 實施例，各點層之間的中間層都包括類似於熔覆層1130(即晶格匹配)的 InxGa^As包層。在一個或多個實施例中，在一層或多層連續中間熔覆層中的 銦的含量可包括與熔覆層1130或熔覆層1130的上一或下一 中間層中的銦相比 4交少的銦。
熔覆層1140包含與緩衝層1125的頂部(即緩衝層1125的第三級或子層) 晶格匹配(即在500ppm內)的InxGa!-xAs。
約束層1145包含與InxGa^As層1140晶格匹配的InP^ASy。此外，在一 個或多個實施例中，層1145是p摻雜的。優選的摻雜物是鋅並且摻雜濃度可 以從大約0.1到大約4E19/cm3。約束層1145的厚度可以從大約20nm到大約 200nm。
接觸層1150包含與約束層1145晶格匹配的InxGa^As。優選的，接觸層 1150是p摻雜的(例如，摻雜有鋅)。摻雜濃度可以從大約1到大約4E19/cm3。 接觸層1150的厚度可以從大約0.5到大約2微米。除了在層1155之下可以從 整個表面移除接觸層1150。
發射接觸器1155可包括任何的高導電性材料。在一個或多個實施例中， 導電材料包含金/鋅合金。
在圖5中示出了另一實施例。將半導體設備1200配置為具有p區域中的
27隧道結(tunneljunction)的射線發射二極體。這樣的設計有利地提供了較少的 電阻接觸和^^少的電阻電流分布。半導體1200的許多方面都類似於如圖4所 示的半導體1100。例如，接觸器1205可以與接觸器1105相類似，反射器1210 可以與反射器1110相類似，基板1215可以與基板1115相類似，橫嚮導電層 1220可以與橫嚮導電層1120相類似，緩衝層1225可以與緩沖層1125相類似， 熔覆層1230可以與熔覆層1130相類似，點層1235可以與點層1135相類似， 熔覆層1240可以與熔覆層1140相類似，以及約束層1245可以與約束層1145 相類似。
隧道結層1247包含與約束層1245晶格匹配的InxGa^As。隧道結層1247 的厚度從大約20到大約50nm。隧道結層1247優選地是p摻雜的(例如，摻 雜有鋅)，並且摻雜密度可以從大約1到大約4E19/cm3。隧道結層1250包含 與隧道結1247晶格匹配的InxGai-xAs。隧道結層1250的厚度從大約20到大約 5,000nm。隧道結層1250優選地是n摻雜的(例如，摻雜有矽)，並且摻雜密 度可以從大約1到大約4E19/cm3。
發射接觸器1255可包括多種導電材料，但是優選地包含優選為n區域的 那些材料，例如鉻-金、金-鍺合金、或金-鎳合金等。
在圖6中示出了 RED的另一實施例。以與圖5所示的RED相似方式將半 導體設備1300配置為射線發射二極體，除了至少部分由於缺少基底反射器(例 如，缺少諸如圖5所示的反射器1210)而通過半導體設備的基板發射電磁輻 射。此外，如圖6所示的半導體設備1300包括發射接觸器/紅外反射器1355， 這構成了覆蓋設備的整個表面(或是基本上整個表面)的"全接觸"。
在所有的其它方面，設備1300與設備1200相似。例如，接觸器1305可 以與接觸器1205相類似，基板1315可以與基板1215相類似，橫嚮導電層1320 可以與導電層1220相類似，緩衝層1325可以與緩衝層1225相類似，熔覆層 1330可以與熔覆層1230相類似，點層1335可以與點層1235相類似，熔覆層 1340可以與熔覆層1240相類似，以及約束層1345可以與約束層1245相類似， 隧道結層1347可以與隧道結層1247相類似，隧道結層1350可以與隧道結層 1250相類似。
還可以在雷射器二極體的製造過程中使用所想像的半導體技術。在圖7
28中示出了示例性雷射器。雷射器1600包括可含有諸如金-鉻合金在內的任何導 電材料的接觸器1605。接觸層1605的厚度可以從大約0.5微米到大約2.0微 米。
基板1610包含優選為n摻雜的並且濃度從大約5到大約10E18/cn^的磷 化銦。基板1610的厚度可以從大約250到大約600孩t米。
可選的外延磷化銦層1615優選地是n摻雜的並且濃度從大約0.24E19/cm3 到大約1E19/cm3。外延層1615的厚度可以從大約10nm到大約500nm。
分級的InP,.yAsy層1620與如圖2所示的分級InPi.yAsy緩衝相類似。緩衝 層1620優選地是n摻雜的並且濃度從大約1到大約9E18/cm3。
層1625和1630形成了波導1627。層1625包含鎵銦磷砷(In^GAxAszPn)。 層1630同樣包含In"GAxAszP^。層1625和1630都與層1620的頂部晶格匹 配。換句話說，層1625和1630都包含大約O到大約0.3摩爾分數的鎵以及O 到大約0.8摩爾分數的砷。層1625是大約0.5到大約2微米厚，並且是以大約 l-9E18/cm3的濃度進行的n摻雜。層1630是大約500到大約1,500nm厚，並 且是以大約0.5到1E18/cn^的濃度進行的n摻雜。
約束層1635、點層1640以及約束層1645都相似於參考其它實施例如上 所述的點層和約束層。例如，約束層1635可以與如圖3所示的約束層1040 相類似以及點層1640可以與如圖3所示的點層1050相類似。在一個或多個實 施例中，在雷射設備的點區域內設置的點層的個數超過5層點層，可選地超過 7層點層，以及可選地超過9層點層(例如，圓周(cycle))。約束層1635和 1645可具有從大約125到大約500nm的厚度並且與波導晶格匹配。層1635、 1640和1645優選地都是非摻雜的(即它們都是固有的)。
層1650和1655形成了波導1653。按照與層1625和1630相似的方式， 層1650和1655都包含與緩衝1620的頂部晶格匹配的In^GAxAszP^層1650 是大約500到大約1,500nm厚，並且是以大約0.5到大約1E18/cmS的濃度進 行的p摻雜。層1655是大約1到大約2微米厚，並且是以大約1到大約9E18/cm3 的濃度進行的p摻雜。
在一個實施例中，層1660是與緩衝層1620相類似的緩沖層。也就是說， 砷的摩爾分數隨著各分級遠離量子點的方向而逐漸減小。層1660優選地是以
29l-9E18/cm3的濃度進行的p摻雜。
層1665包含磷化銦(InP)。層1665的厚度是大約200到大約500nm厚 並且優選地是以大約1到大約4E19/cn^的濃度進行的p摻雜。
層1670是與上述實施例中說明的其它接觸層相類似的接觸層。
在其它實施例中，層1660、 1665和1670可以與參考其它實施例所述的其 它配置相類似。例如，這些層可以與如圖4所示的層1145、 1150和1155相類 似。可選地，可以使用與如圖5所示的1245、 1247、 1250和1255相類似的層 來替代層1660、 1665和1670。
不脫離這些設備實施例的範圍和精神的各種變型例和替換例對於本領域 技術人員來講都是清楚明了的。
當然，應該可以理解的是，在一種形式上，這裡的發明包括如上所述的 RED元件。然而，應該可以明白的是，可與此相關聯地使用各種其它設備技 術。例如，作為下面將參考圖13所說明的例子，基於雷射器二極體的RED可 以多種形式來實現。此外，還可以對各種半導體雷射器和其它雷射器二極體作 出適當的修改。當然，可以開發其它可實現的技術以便在有利波長下高效地產 生有限帶寬的輻射。
為了對於特定應用實現本發明，通常需要使用多個設備來產生足夠的輻射 熱能輸出，從而獲得輻射的足夠大的振幅。再次，在一種形式下，這些設備可 以是基於RED的雷射器二極體(還可被稱為L-RED)。在本發明的大部分熱 應用中，典型地，將這樣的設備設置為某種類型的高密度xy陣列或是多個xy 陣列，其中一些xy陣列呈定製化排列的各個RED設備(再次， 一種形式下的 L-RED)的形式。根據所使用設備的類型和尺寸、所需的輸出、以及特別實現 本發明所需的波長，陣列的範圍可以從單個設備到更典型的幾百、幾千或是不 限數量的設備陣列。如果不需要特別的散熱適應性調節，通常可以將RED設 備安裝到至少具有散熱能力的電路板上。通常，會以非常高的密度/緊湊設置 把RED設備安裝到電路板上。可以憑藉近年來在棵片(die)安裝和電路板構 建方面的進步來最大化在高能應用中所期望的密度。例如，這種在倒裝晶片 (flip chip )中所使用的技術對於上述目的是有利的。儘管RED設備的效率有 利於這類唯一的二極體設備，但是絕大多數的電能輸入都被直接地轉換為局部熱量。必須採將這樣浪費的熱量引導遠離半導體結，從而防止各個設備過熱以 及燒毀。對於最大密度的陣列，它們可以使用具有有源和/或無源冷卻的倒裝 晶片和板上晶片封裝技術。通常使用多層電路板來滿足實用性和定位靈活性。
xy陣列還可包括代表至少兩種所選擇的在例如1微米到5微米範圍內波長的 紅外輻射的混合RED設備。
對於大多數應用，有利地可將RED設備設置為多種尺寸的陣列，其中一 些可以是三維的或是非平面的，實際上可以對於特定類型的目標獲得更佳的輻 射。這至少是由於以下緣故
1. 通過組合多個設備的輸出來提供充足的輸出功率。
2. 在比單個設備所能正常輻射的面積更大的表面上提供足夠'分散，的 輸出。
3. 提供RED設備陣列的可編程性能夠被應用的功能。
4. 允許混合形成出於這篇文件中所述的許多功能性原因而被調諧為不同 特定波長的陣列設備。
5. 方便輸出的'幾何形狀，滿足特定應用需求。
6. 方便設備安裝位置、輻射角度以及成本滿足應用需求。
7. 方便輸出與移動目標或是其它'輸出運動，的同步。
8. 利用普通控制電路來驅動設備組。
9. 利用多級加熱技術。
由於二極體的典型終端使用，已經採用通過減小結的尺寸來最小化成本的 方式製造這些二極體。因此需要更小的半導體晶圓面積，這與成本直接相關。 RED設備的終端使用通常需要更多光子形式的大量輻射能量輸出。理論上， 可以利用形成可產生足印結(footprintjunction)區域的大量光子的創造性方法 來製造RED。通過這種做法，可產生能夠支持非常高的中紅外、輻射輸出的 RED設備。如果存在這樣的設備，則可以減少實現本發明所需RED設備的絕 對數量。然而，考慮到與本發明的許多應用相關的高能輸出，將設備數量減小 到單個設備未必是所期望的或可實現的。如果可將RED設備製造為具有充足
相似地，可將RED設備陣列製造成集成電路。在這樣的實現方式中，RED將會排列在單片矽、砷化鎵、磷化銦、或是其它合適的具有多個結或是作為芯 片上產生光子地點的放大帶隙區域的基板等邊界內。它們可相似於其它使用球 柵陣列作為電連接的集成電路封裝體。可隨後將這些設備封裝體用作陣列，這 方便了用於連接至控制系統並且受控制系統的控制的所期望的電連接性。再 次，重要的設計參數是在發生損壞之前利用當前化學技術，實現結或不允許達
到約100°到105。C的帶隙溫度的控制。對於最佳效率，期望保持帶隙區域盡可 能的冷卻，例如低於30。C,從而可以容許最大電流並且將其轉換為輻射光子。 因此，用來將各RED棵片安裝到電路板上的設計應該考慮儘可能高效地從設 備散熱的重要性。例如，經由還用於分別至設備的陽極和陰極的電傳導的凸點 (stub bump)通過傳導來去除熱量。在其上安裝有設備的電路板也一定要選 擇具有優良熱傳導，從而可以從設備中帶走熱量，在許多應用中設備需要使用 熱沉或冷卻護套來保持電路板冷卻。期望將來的化學組合物可以增大耐熱性， 但是熱量一定要始終保持在所使用的設備的關鍵損壞範圍之下。它們可被進一 步單獨地或是多個地設置在電路板之上，或是它們還可淨皮排列成由應用和成本 所規定的較高級的設備陣列。
在設計用來將RED設備設置為輻射陣列的最佳配置中，無論設備的形式 因子如何，設計者一定要考慮整個範圍內的變量。參考目標應用而考慮的某些 變量包括封裝、設置的容易度、成本、電連接性、可設計控制的考慮、冷卻、 設置環境、功率路由、供電、串電壓(string voltage )、串幾何形狀(string geometry)、輻射需求、安全性以及相關領域的技術人員可以理解的許多其他 方面。
所有用來製造產品的原材料都與電磁光譜範圍內的多種波長的特定吸收 和傳輸特性相關聯。每種材料還具有特徵紅外反射和發射性能，但是我們將不 花費時間來討論這些，這是由於實現本發明更多地是由吸收/傳輸性能所驅動
製圖。隨後將會說明在寬範圍的波長上所示的曲線圖並且在這篇文件中將會更 詳細地舉例說明。由於各種類型的材料在不同波長上具有特徵的吸收或傳輸性 能，因此對於最佳的熱加工優化來說得知這些材料性能將是非常有價值的。應 該認識到如果特定材料在特定波長範圍內是高傳輸性的，則在該波長範圍內加
32熱該材料會是非常沒有效率的。相反地，如果材料在特定波長上吸收性太強，則應用輻射加熱會引起材料的表面受熱。對於作為低效傳導體的材料，使材料平均受熱通常不是優選加熱方式。
各種材料具有各種波長下的特定吸收或傳輸特性的事實已經是在本領域公知多年。然而，由於可被指定為特定波長或波長組合的高能紅外源還沒有出現，因此迄今為止還尚未完全地優化許多現有的加熱或加工操作。由於將特定波長的紅外輻射傳遞給產品是不實際的，因此許多製造商尚未意識到用來加熱或加工特定產品所最期望的波長。
這通過塑料工業中的例子來說明。參考圖9和圖10，通過查考從其中通過拉伸吹塑得到塑料飲料容器的聚對苯二曱酸乙二醇酯(工業上公知的PET樹脂材料)的傳輸曲線，可以觀察到PET材料在長波長區域內是高吸收性的並且在可見光和近紅外波長區域內是高傳輸性的。它的傳輸在1微米到5微米之間變化很劇烈。它的傳輸不但在該範圍內變化很劇烈而且它變化很頻繁且很突然並且通常處於0.1微米範圍內。
例如，在2.9微米下，PET具有非常強的吸收性。這意味著如果2.9微米下的紅外輻射被應用到PET,則材料的表面或外表層幾乎將這樣的紅外輻射全部吸收。如果僅期望加熱材料的外表面，則可使用這種波長。由於PET是非常差的熱導體(其具有低係數的熱傳導性)並且由於更期望在拉伸吹塑操作中更深入地並且在整個形體上平均地加熱PET材料，因此也就是說在實際上這是一種對於正確地加熱PET的不良波長。
查看另一條件，在1.0微米(1000納米)下，PET材料是高傳輸性的。這意味著影響PET表面的這種波長下的大部分輻射將會透過PET並且不會留下任何想要的加熱就離開，因而造成很大的浪費。值得注意的是對於所有的介電材料，電^f茲能量傳輸作為厚度的函數會呈指數地下降，因此材津牛厚度對於選擇給定材料的優選波長具有重要影響。
應該可以理解的是雖然PET熱塑材料在這裡作為例子，但是上述原理對於在不同工業中以及對於不同類型的加工中所使用的非常廣範圍內的不同類型材料都適用。例如，PEN或PLA就是可以應用上述原理的材料。說明了作為完全不同的例子的膠合或粘合層疊系統。在這個例子中，假設將要被膠合的母體材料在所選擇的紅外波長下是高傳輸性的。所使用的熱固膠體在同一波長
下是高吸收性的。通過在這樣的有利波長下輻射膠合/層疊夾心結構，由於只加熱膠體而不加熱鄰近的母體材料，因而可進一步優化該加工。通過選擇性地選擇這些相互影響的波長，可以找到工業中的多個種類的加工或加熱應用當中的優選點。
傳統上，工業中尚未出現能夠在特定波長下產生相對高的紅外輻射密度的能力。由於這種類型的加熱或加工優化尚未出現，因此多數製造商還沒有考慮這種類型的加熱或加工優化。可以預料到的是這種特定波長的紅外輻射功率的出現將會引導出新方法和加工。本發明將會使得這樣的新加工成為實際並且將會提供能夠靈活地應用到寬範圍應用中的實現技術。儘管可以想到的是在工業上將會首先應用本發明，然而還可認識的是在商業、醫療、消費品以及其他領域中也同樣適用。
可以想到的是本發明會對替代寬帶石英紅外加熱燈泡或是當前廣泛使用的其他傳統加熱設備都是十分有用的。這種石英燈泡用於包括在熱成型操作的製備過程中的加熱片狀塑料材料等目標。不但本發明可被用作石英紅外燈或其它傳統加熱設備的現有功能的替換物，而且還可想到的是還可對其增加許多額外的功能。
與此相對比，本發明可以連續激活方式或是可選地以脈衝模式來產生輻射
能量。由於本發明的基本RED設備具有以納秒度量的極快的響應時間，因此當需要時或是當目標部件處在目標區域中時，它可以更加能量有效，並且隨後當部件不再處在目標區域中時即可將能量關閉。
所增加的能夠脈動激活紅外源的功能會引起許多輻射加熱應用的整體能量效率的大幅提高。例如，通過適當地調節單獨的或陣列的紅外輻射發射設備(RED )的激活時間，當各個目標移動經過龐大的紅外陣列源時可以追蹤它們。換句話說，最靠近目標設備的紅外發射設備將會是被激活的設備。當目標部件或區域繼續移動時，"激活波"可穿過該陣列。
在加熱將被加熱成型的材料的情況下，期望將更多的熱量輸入到與適中地變形或根本不變形的區域相比較更劇烈變形的區域當中。通過正確地設計紅外發射陣列的配置，不僅可以不用同時激活所有的設備，而且還可有策略地激活
34它們以對應於將要被加熱的區域的形狀。例如，對於連續移動的生產線，更期望編程所期望加熱的外形體中特別成型區域，該外形體按照程序隨將要加熱的
目標區域同步地移動。考慮如圖18所示的需要^:加熱的圖片幀形狀的區域。在這種情況下，可能具有期望輻射密度下的相似的圖片幀形狀陣列的設備
(402),可編程地與目標的加熱成型薄片(401)的移動同步地沿陣列移動。通過使用用來追蹤諸如(401)的加熱成型薄片的產品移動的編碼器，可才艮據可編程控制器或計算機的指令使用公知的電子同步技術來打開期望密度下的合適設備。可通過控制系統來打開陣列中的設備以得到"連續"模式或"脈衝"模式下的它們所期望的輸出強度。兩種模式都可將強度調節為時間的函數以達到最期望的輸出條件。這種控制可以是針對一組設備或是僅針對各個RED設備。對於特定的應用，不需要具有針對各個RED設備的粒度控制。在這些實例中，可將RED設備串連接成最期望的幾何形狀。可隨後按照應用需求所頭見定編程地控制這些串或一組串。實用性有時會規定成組或成串地驅動RED設備以實現最方便的電壓並且可降低各個設備控制的成本。
可通過在開路配置下簡單地提供電流來控制串狀或陣列的RED或是設置更複雜的控制。對特定應用的集中評估的事實會M^定合適的紅外輻射的量和水平。當規定了複雜或準確的控制時，控制電路可連續地監視並且調製輸入電流、電壓、或是特定輸出。可通過直接地測量紅外陣列的輸出或是可選地測量某些與紅外輻射的目標物體相關的參數來實現對最期望的輻射輸出或結果的監視。這可以通過從包含簡單的熱偶或高溫計到可以採用例如紅外相機的形式的更加複雜的不同的技術的連續發展來實現。本領域的技術人員可以採用經濟上可以承受的並且適用於本發明的特定應用的閉環監視技術。
還可包括直接的和間接的兩種監視方法。例如，如果為了達到成型溫度範圍而加熱特定材料，則期望測量所需的使材料成型的力並且使用該數據作為紅外輻射陣列調製的至少部分的反饋。還可4吏用許多其它的直接或間接的反4齎裝置來增強本發明的輸出的優化及控制。
應該清楚地知道的是如這裡所說明的本發明的輻射熱源的形狀、強度以及激活時間都是非常容易編程的並且使其成為非常方便的可編程定製化。通常在工業上，設計定製的熱源的形狀或配置用於特定的部件來引導熱量到部件上的
35正確位置。利用本發明的靈活可編程性，對於單個可編程加熱面板可用作幾乎無限數量的定製面板的靈活替代物。工業中充滿了各種類型的紅外爐和加工系統。這樣的爐可用在固化塗料、塗覆、各種類型的漿、以及許多其它用途。它
們還可被用在一同熔融材料的或是用來固化(curing)膠體、粘合劑、表面處理、塗覆、或可被疊加在一起形成層疊'夾心結構，的各層的各種不同類型的層壓線(lamination line )。
可將其他爐用於非常廣泛的烘乾應用中。例如，在兩片罐裝^:料易拉罐工
業中，通常在飲料罐的內層上噴塗一層塗覆並且隨後通過傳送器"大規i模地，，(inmass)經過長固化爐連續地傳送它們。未固化的內層塗覆在^皮應用時具有白色塗料的外觀，並且在固化之後會變得幾乎清晰。在4吏用本發明的這些各式各樣的烘乾及固化應用中，可選擇那些由需要被烘乾、處理或固化的材料所容易並且適當地吸收的波長或波長組合。在某些應用中，那些沒有出現的波長對於改進的加工可能比所出現的波長更重要。通過烘乾、加熱、改變顆粒結構、或是在利用本發明的更優化的加工中可避免的許多其它不利結果，那些不期望的波長可不利地影響材料。
通常，在不影響基板或母體材料的前提下，期望提高將要被固化或烘乾的目標材料的溫度。然而，上述加工很可能會損壞母體材料。儘管仍會將熱量引入到目標材料中，但是更期望不將熱量引入其中。本發明實現了這種類型的選擇性加熱。
回顧本發明的另一應用領域，在醫藥工業中已經對非常廣泛的可見光和近紅外輻射處理做出了大量實驗。理論上，特定波長的電》茲能量可刺激並且提高康復。此外，還認為特定波長的輻射可刺激酶、荷爾蒙、抗體以及其它身體中的化學物質的生長並且刺激萎縮器官的活性。查考任何的特定細節或處理方法或這些認為的優勢都超出了本專利的範圍。然而，本發明可提供固態、可選擇波長、以及可編程的中紅外輻射源，來實現非常廣泛範圍內的這種醫療處理形態。
然而，迄今為止在醫藥工業中尚未出現用來產生高能、中IR波長帶內的特定波長輻射的實際可行的方法。本發明將考慮這種窄帶、特定波長紅外輻射並且可以細長的、重量輕的、安全並且方便的形式來方便在醫療應用中使用。
36對於醫療處理，能夠選擇在輻射中使用的特定波長或波長組合具有一些非常重要的優勢。作為工業製造材料，有機材料還具有特徵的傳輸/吸收光譜曲窗口。
人體的大部分基本上是由水組成的，因此水的傳輸/吸收曲線對於大多數人體組織的粗略近似是好的起始點。經過廣泛的研究，可對人體、動物和4直物的所有類型的組織開發出準確的曲線。還可開發從器官或組織中獲得的關於各種治療或刺激之間的關係並且使其和傳輸/吸收曲線相關。通過細心地選擇波
(treatment regimen )。
期望進行處理的某些組織或器官非常靠近表皮，而其它的組織或器官處於身體深層內部。由於人體組織的吸收特性，利用無創性(non-invasive)技術不可能達到這樣的深層區域。為了使得輻射源靠近目標組織，則必須使用某種類型的有創性(invasive)技術。可設計本發明的輻射陣列以使其具有在非常廣泛的有創或無創處理中使用的合適尺寸和/或形狀。雖然處理技術、形態以及配置都超出了這裡討論的範圍；但是本發明是首先提出在中紅外波長帶內實現波長選擇性輻射的。可對非常廣泛的形態和處理類型進行配置。由於非常靈活的形狀因子和可編程特性，因此能夠為特定身體尺寸和重量進行配置以產生定製處理所需的合適角度、強度以及波長。
從疳瘡處理到皮膚病治療的越來越多的醫療應用中都正在使用著紅外輻射。當前利用寬帶紅外源來執行紅外處理的一個例子被稱為紅外凝結處理。此外，糖尿病外圍神經疾病有時也利用紅外燈來處理。當前，網球肘和其它相似疾病也通常可通過寬帶紅外燈來處理。將本發明的產生特定波長輻射的能力以及產生脈衝輻射的能力包含其中可提供關於這些處理的實質性改進。還可提供更佳的病人忍受度和舒適度。本發明還實現了利用內在安全電壓來供電的醫療設備的製造。
輻射能量的脈動證明是一個與許多醫療處理應用相關聯的關鍵方面。雖然脈衝輻射證明了在不會帶來過熱、不舒適或組織損傷等有害效果的前提下提供足夠刺激，但是連續輻射仍可導致組織過熱。利用以微秒為量度或更快的開啟時間使設備/陣列以非常高速率起脈動的事實提供了另 一有用的特性。由於在這樣的短脈衝時間下半導體結沒有時間發生過熱，因此可以預料的是如果僅利用非常短的佔空比來激活陣列，則可容許非常高強度脈沖的輻射而不會對陣列帶來損壞。因而可以達到更大的總合瞬時強度以實現穿透更多的組織。
發生脈衝的頻率證明是非常重要的。在技術文獻中公知對於人體的特定頻率的輻射可具有治療或相反的有害效果。例如，特定幅值調製頻率或可見光的頻率組合可令人感覺噁心並且其它的幅值調製頻率或頻率組合可引起癲癇發作。實際上，隨著進一步的醫學研究的開展，可以確定的是脈沖頻率、波形、或頻率組合與所選擇的波長或波長組合一樣對於各種醫療處理的成功具有實質性影響。非常可能的是由於研究人員或從業者尚未得知本發明，因此尚未理解或尚未實現許多利用本發明的處理形態。
本發明的另一應用是製備、加工或階段化(staging)食品。實際上，迄今為止已經在製備食品中使用了非常廣泛的不同類型的爐和加熱系統。由於這些爐和加熱系統中的大部分都已經是^^知的，因此詳細並且完整地說明這些爐和加熱系統不在本專利申請的範圍之內。值得注意的是除使用非紅外/非熱源烹飪技術的微波烹飪之外，幾乎所有的其它烹飪技術都使用各種類型的寬帶熱源。在這樣的爐中所使用的紅外熱源和元件都是寬帶源。它們不具有能夠產生對於特定烹飪狀態或正在烹飪中的產品非常有利的特定波長的紅外能量的能力。
如同前面所討論的其它材料一樣，植物和動物產品具有特定的吸收光語曲
線。這些特定的吸收曲線有關於在特定波長下的特定食物產品的吸收性或傳輸性。通過選擇特定波長或一些為了輻射待加工的食品而仔細選擇的波長，可修改或優化所期望的烹飪特性。輻射能量的最有效率的使用可降低加熱或烹飪的成本。
例如，如果非常期望加熱或烤制特定食物產品的外表面，本發明實現了選擇可使特定食物產品具有高吸收性的波長。結果是當以所選擇的波長進行輻射時，非常靠近表面的位置會完全吸收所選擇波長的紅外能量，因此造成在表面處立即發生所期望的加熱和/或烤制動作。相反地，如果期望不對表面過分加熱而是更加深層次地烹飪食物，則可以選擇使得特定食物具有非常高的傳輸性
38的波長或所選擇的波長的組合，從而可以獲得所期望的烹飪結果。因此隨著輻 射能量穿透到期望的深度，可越來越多地吸收這樣的輻射能量。
值得注意的是，對於在非金屬材料中傳播的電磁波而言，這種波的強度l(t) 會作為傳播距離t的函數而降低，如下面的方程式所說明的一樣，即刷
在這個方程式中，lo是光束的初始強度並且"是該材料的特定吸收係數。隨著
時間t的增大，光束的強度會經歷由基質材料(host material)吸收的原始光束 中的輻射能量所引起的指數下降。出於這個原因，用來獲得優化烹飪結果的紅 外輻射加熱的使用實現了食物目標的厚度、所應用的紅外輻射強度、輻射波長、 以及材料吸收係數之間的複雜的相互作用。
通過混合在不同波長下輻射的RED元件，可進一步優化烹飪結果。在多 波長陣列中，在其中輻射能量的吸收性低的波長下選擇一種元件類型，因此可 允許發生深層加熱穿透。在其中輻射能量的吸收性高的波長下選擇第二種元件 類型，因此實現了表面加熱。假定在上述兩種吸收性端值之間的波長中間值處 選擇第三種RED元件類型，從而完成上述陣列。通過控制包含在上述陣列中 的三種類型的RED發射器的相對輻射輸出水平，可優化所製備的食物目標的 重要性能。
通過將色彩、溫度和潛在的視覺傳感器連接到控制系統，可形成閉環並且 進一步優化所期望的烹飪結果。在這種情況下，可^r查可能出現問題的精確參 數並且允許控制系統通過發送在最期望的合適波長、強度和方向下的輻射來實 現響應。通過使用並且集成視覺傳感器，可實際上查看將要被烹飪的食物產品 的位置和尺寸並且如上所述可隨後相應地優化爐的輸出。當與溼度傳感器一同 使用時，可保持所期望的溼度成分下組合地作出響應。因此，可以與合適的傳 感器一併地來理解本發明和控制器"智能"如何真正地實現未來的智能爐。當 然，可將本發明與包括能夠獲得所提供的各種技術的最佳組合的對流爐和微波 爐在內的傳統烹飪技術相組合。可以設計智能控制系統來最佳地優化本發明的 技術及其與傳統烹飪技術的組合。
通過選擇可被一種食物所吸收同時不會被第二種食物高度吸收的波長對 於在一盤混合食物上發生的加熱量而言是高度選擇性的。因此可以理解的是， 通過改變可選擇的各種波長的組合、排列和強度，可獲得十分廣泛的特別設計的烹飪結果。
在本發明的任何應用中，可使用各種透鏡或光束引導設備來獲得輻射能量 的所期望的方向性。必須合適地選擇該光束引導設備以便在需要引導或導向的 輻射的波長下起作用。通過使用在衍射、折射和反射中所公知的技術，可以在
所期望的方向上導向來自不同部分的RED設備陣列的能量。通過可編程地控 制需要打開的特定設備，並且通過調製它們的強度，可獲得十分廣泛的輻射選 擇性。通過選擇穩定狀態或是脈沖模式，並且通過進一步編程哪個設備在什麼 時候起脈動，可進一步提高功能性。
儘管這篇專利文件討論了主要在l.O到3.5微米範圍內的輻射能量的應用， 但是本領域技術人員應該清楚的是在其它操作波長下也可獲得相似的材料加 熱效果，其中這些操作波長包括從紅外中的較長波長或較短波長到可見光區 域。所公開的發明的精神包括用於輻射加熱的直接電子-至-光子固態發射器， 其中假定發射器可以在從可見光到遠紅外的範圍內操作。對於特定類型的應 用，期望將在中紅外範圍之外的其它波長下輻射的其它波長可選擇設備包括在 本發明當中。
圖8給出了單個RED部件IO的圖形表示。RED10包括疊層(stack)20。 疊層20可以呈多種配置方式，諸如參考圖l-7說明的半導體層的疊層等。在 至少一種形式下，通過線80製成疊層20的RED 10的接觸器40 (例如，對應 於接觸器1105、 1205和1305 )。當使電流流經結合線80和疊層20時，發射 具有與疊層20的配置相一致的特徵能量或波長的光子70。
因為在LED製造領域中所獲知的許多半導體知識可應用到RED中，因此 提到幫助改進新RED設備的替代方法是十分有用的。從LED進入普通市場開 始計算的幾年中，已經發生了 LED的能量轉換效率(光能輸出/電能輸入)方 面的巨大進步。在可見光和光譜的近IR部分下操作的可商業購得的LED中已 經獲得了大於10%的能量轉換效率。本發明提出了在大約1微米到大約3.5 微米範圍下操作的作為各種加熱系統中的主要紅外加熱元件的新RED的使 用。這篇申請說明了在吹塑成型系統中的特定實現方式。
圖9和圖IO示出了在作為波長函數的PET中的10密耳厚部分當中傳輸 的IR能量的百分比。在石英傳輸範圍(直到3.5微米)當中，在包括2.3微米、
402.8微米和3.4微米在內的幾種波長下很明顯存在強吸收帶(很少或無傳輸的 波長帶)。與本發明相關的基本理論是設計及選擇用來在1微米到3.5微米範 圍的波長下操作的RED元件是作為吹塑成型機的熱調節部當中的基本加熱元 件來使用的。
圖lla、圖llb和圖llc示出了將各個RED發射器IO—起封裝到合適的 RED加熱器元件100當中得到的封裝體例子。在本發明的這個實施例中，RED IO被物理安裝從而N摻雜區域可直接地連接到陰極總線120。理想地，陰極
的相關區域經由結合線80連接到陽極總線110。理想地，陽極總線與陰極總 線相比具有相同的熱和電特性。在兩條母線(busbar)之間外部產生輸入電壓， 使得電流(I)流過RED10從而引起諸如170所示的IR光子或輻射能量的發 射。在優選實施例中可使用反射器130來引導輻射能量進入遠離RED加熱器 元件100的優選方向上。物理體積小的RED IO使其更容易地將所發射的輻射 能量170引導到優選方向上。相比較地將這種狀態應用到較大的巻繞燈絲的例 子當中；發射器的物理尺寸與利用傳統透鏡裝置能夠導向所得到的輻射通量的 能力之間的這種關係是本領域中所公知的。
熱沉140被用來傳導在生成遠離RED加熱器元件100的IR輻射能量170 的過程中所產生的廢棄熱量。可使用工業上^^知的各種裝置來實現熱沉140。 這些裝置包括無源熱沉、使用對流空氣冷卻的有源熱沉、以及使用水冷或液體 冷卻的有源熱沉。例如，經過液體護罩的液體冷卻具有能夠基本上傳導由大量 不能被轉換為輻射光子的電能生成的熱量的優點。經過液體介質，可以將上述 熱量傳導到室外位置或是需要熱量的另一位置。如果將熱量傳導到工廠之外或 是另一位置處，則可以大量地降低空氣調節/冷卻能量。
此外，在本發明的這個實施例中優選地-使用燈泡150。這裡所應用的燈泡 150的主要功能在於保護RED 10和結合線80不受損壞。優選地利用石英來構 建燈泡150，由於石英的傳輸範圍從可見光直到3.5微米。然而，還可使用包 括玻璃在內的其它光學材料，其中玻璃具有超出RED 10的操作波長的傳輸範 圍。
圖12a和圖12b中描繪了吹塑機中的RED加熱器元件100的一種配置方式。在這個系統中，預成型件240通過傳送系統220進入熱監視及調節系統 210。預成型件240可首先經過注塑成型後再進入室溫下的熱監^見及控制系統 210。或是可選地，預成型件240可直接地在單級注塑/吹塑系統的注塑加工中 完成。可選地，預成型件可通過其它幾種加工中任^T一種來製成。無論預成型 件製造的形狀和時間，以上述方式存在的預成型件240會具有變化量的包含在 它們當中的潛在熱量。
預成型件240在傳送系統220中經由傳送器250通過熱監視及控制系統 210傳送，這樣的傳送器在工業中是公知的。當預成型件240穿過熱監視及控 制系統210時，它們會遭受一系列RED加熱器元件IOO所發射的輻射IR能量 170的輻射。有利地，這些RED加熱器元件採用基於雷射器的RED元件 (L-RED),這將會在下面非常詳細地說明。在準備進入鼓風系統230時，預 成型件240直接地吸收由這些RED加熱器元件100所發射的IR能量170。應 該可以理解的是作為提供或驅動電流和/或其它設計目標的函數，能量可以是 連續的或是脈衝的。控制系統的一種形式是控制系統280,這樣的控制系統280 用來控制上述功能。作為一種選擇，可操作控制系統在非常大於推薦的穩態電 流水平的電流水平下脈動系統以獲得脈衝操作下的較高的瞬時發射強度並且 響應來自相關傳感器功能的輸入信號以確定脈沖操作的時間。
在使用本發明所述方法和裝置的吹塑成型操作的優選實施例中，還優選地 ^使用對流冷卻系統260。這樣的系統從靠近正在加工的預成型件240的空氣和 機械設備中去除廢棄熱量。還可使用對流冷卻設備來實現去除廢棄熱量。本領 i或公知的是通過對流和/或傳導所引起的預成型件的熱量對於整體的熱調節處 理是不利的。這是由於PET是一種非常差的熱導體並且加熱預成型件的外圍 會造成不均勻的加熱，造成過冷的中心以及過熱的外表層。
此外，還包括在優選系統實施例中的是溫度傳感器270 (以至少在一個方 面超出單點溫度測量傳感器的能力的、能夠監視目標的智能傳感器或相機的形 式存在)和溫度控制系統280。優選的吹塑成型機設計的這些方面特別適用於 單級吹塑成型系統的特性。在單級吹塑成型系統中，預成型件240進入包含在 注塑階段所獲得的潛在熱能的熱監視及調節系統210當中。通過監視溫度以及 到來的預成型件240的熱量成分(或這些預成型件的特定子部分)，可使溫度監視及控制系統280產生特定的預成型件(或特定的子部分)加熱需求並且隨 後以驅動信號的形式傳送這些需求到單獨的RED加熱器元件100。 RED發射
啟時間作為時間或預成型件移動的函數。此外，RED陣列的子部分也是可受 到控制的。
可4吏用工業PC、或是定製的嵌入邏輯電路、或是工業可編程邏輯控制器 (PLC)等來實現使能這種輸出控制的溫度控制系統280，而這三者的本質和 操作在工業上是公知的。可以多種方式來配置諸如280所示的控制系統以滿足 這裡目標的需要。然而，作為某些例子，系統可控制對於各種波長在RED陣 列中的開啟/關閉狀態、電流流動以及激活設備的位置。
在^^艮據本發明實現的另 一技術中，提供了使用雷射輻射來加熱容器的方 法。通常在容器的"預成型，，階段，使用雷射來照射容器，從而通過光的吸收 使其軟化。隨後吹塑容器以使其成型。根據應用的需要，可以改變傳送能量的 方法以及波長的選擇。在一種形式下，可特定地調諧所選擇的窄波長範圍以滿 足用來製造特定目標部件的材料的加熱需求。儘管可製造近單色波長特性的二 極管設備，但是波長通常不需要那麼窄。 一般的，如果波長是正確地以吸收帶 為中心的，正負20或甚至50納米都是合適的。由於吸收帶很窄或是靠近吸收 帶，其它應用需要具有非常窄的波長容許度。為使用而選擇的波長可以是從 l.O到5.0微米範圍內的任何波長，或是更實際的，可以從1.5到3.5微米的更 窄範圍內來選擇。在不同波長下的材料的吸收率特性是一個因數。如果多於一 個吸收器參與，如果例如一種材料要^^。熱而其它材料不要被加熱，則"門窗" 評估("door and window" evaluation)是合適的。需要確定所選擇的波長是否 為使一種材料成為差的吸收器，而在同一波長下其它材料成為強的吸收器。這 些相互作用是本發明的非常重要的方面。通過關注吸收和/或相互作用，可獲 得系統優化。可基於或是用來優化所期望的加熱深度、加熱位置、加熱速度或 是要加熱的厚度來選擇特定材料的吸收帶。此外，這裡所想像的雷射器二極體 (或其它設備)可用來充能(pump)其它振蕩元件以獲得所期望的波長。
所提出的方法很快解決了大多數前述問題，並且使其餘問題變得不相關。 任何放射性熱傳遞方法的主要需求是要使材料的光譜吸收與輻射源的光譜輸出相匹配。標準雷射器具有許多波長，從這些波長中可以選擇可滿足上述需求
的波長。牆裝插頭效率對於大多數雷射器而言介於10%到20°/。之間，當與目 標的吸收正確匹配時，與現有方法僅具有百分之幾的效率相比較，這樣的效率 可獲得8%到15%熱傳遞效率。雷射的空間相干性可使雷射器被準確地放置在 需要的位置處。這與現有技術的實踐相比較是有利的，其中在現有技術的實踐 中，光是從燈泡燈絲的所有方向發射出光，並且必須收集這些光並且^f吏其指向 正確的方向。延伸源的物理特性使其效率4艮〗氐。雷射的相干性與這種方法不相 關聯，但是亮度或"方向性"是至關重要的。雷射本質上是明亮的，並且合適 波長的雷射可以很小的損失在自由空間中傳播，因此外來的加熱不再成為一個 問題。雷射器典型地是水冷的，並且額外熱量進入了水護套而不是周邊環境， 這使得熱管理變得十分直接。許多雷射器還在十分寬泛的強度下是瞬間可調 的，並且在某些應用中它們的空間強度也是可以被快速調節的。
存在有用來在目標上沉積雷射能量的兩種主要方法固定(stationary)形 狀的光束和可調節掃描的光束。下面將會分別地說明這兩種光束。
在使用固定光束的第 一種方法中，在雷射到達塑料目標部件或容器預成型 件之前，通過折射或衍射來形成雷射的形狀以實現所期望的空間和強度輪廓
(profile )。對於名義上是圓柱體的典型的預成型件，使用透鏡組合來擴展並 且校準光束，隨後簡單的柱面透鏡足夠產生矩形輪廓。基於所期望的最終強度 輪廓，還可利用幾種方法來改變典型的TEMoo雷射輸出的名義上的高斯強度 輪廓。對於統一的輻射，"頂帽(tophat)"或平坦頂部輪廓都是所期望的，並 且可通過諸如刻面光束積分器(faceted beam integrator )、全息光學元件(HOE )、 以及微透鏡P車列在內的幾種公知方法來產生。由於容器的不同部分典型地需要 更多熱量，不一致的分布通常是更加合適的。儘管可以利用光束變跡器
(apodizer)來實現這些不一致的分布，但是這些最好是由HOE來實現。然而， 變跡器通過選擇性吸收光束部分工作，並且導致效率的進一步降低。
理想系統應該首先具有雷射波長的選擇。這是由容器材料和厚度所驅動 的。對於具有4mm外壁的PET預成型件，大約2//m的波長可提供穿過預成型 件的兩層外壁的整個厚度後的大約90%吸收。這是利用皮爾定理(Beer's law) 和PET (阿爾法)的吸收係數所確定的。發射大約2微米的雷射中存在幾種可
44供選擇；拉曼偏移的YAG、 Ho: YAG以及Tm: YAG。這些都是YAG可變的 固態雷射，並且非常可靠。最好通過衍射和折射元件來實現光束的空間和輻射 輪廓。例如，在刻面光束積分器之前，通過伽利略擴束器(Galilean expander) 來擴展、校準並且均質化光束。所得到的方形、均勻強度的光束到達已經被設 計用來利用頂部較強和底部強度下降到最大值的大約 一半的強度輪廓將輸入 改變為矩形形狀的HOE。精確形狀有賴於容器，但是大多需要的是在頂部獲 得更多熱量。HOE是非常高效的設備，並且製造成本相對對便宜。然而，某 些材料需要較長波長的雷射器，這使得HOE需要稀有材料。
系統的其它部分需要用來當容器預成型件處在輻射圖案中心位置處時觸 發雷射器曝光容器預成型件的裝置。有利地，空間輪廓不必小於容器本身，並 且脈衝寬度也不必足夠長以使容器預成型件掃過該輪廓。由於各容器預成型件 需要多次曝光或是預定長度的曝光時間，因此還需要用來提供多次曝光的某些 裝置。這可以通過幾個裝置來實現，其中最直接的裝置具有^皮設置用來在容器 之後預定距離的鏡，從而允許在較長時間中在鏡上保持這樣的強度輪廓。通常， 當目標經過曝光區域時期望使目標旋轉，從而使得所有的面都可以受到輻射能 量的曝光。
另一方法是通過4吏用掃描光束。固定和掃描光束方法之間的主要差別在於 利用兩個設備來替換所有的光束成形裝置；電化學的、伺服的、或聲光掃描儀、 以及衰減可變的某些裝置。操作原理是通過使光束快速地掃描目標部件的表面 從而將原始雷射器光束中的能量沉積到目標部件。如果相對於目標部件的移動 以及期望的加熱速率而言雷射的掃描速率非常快，則從目標的角度來看這兩種 方法之間不存在差別。應用所有其它考慮但是避免多餘的光學器件是有利的。 掃描方法不需要事先設計並且製造HOE。通過改變掃描限制來實現空間輪廓， 並且當期望更多熱量時通過減慢掃描4義，或是通過再次掃描某些區域，或是通 過抖動(d池er)棵片掃描，來實現強度改變。或是在雷射器本身中，或是在義/2 板中，對於基於極性的衰減，還可實現有源衰減器。對於相同的輸入功率使激 光器輸出較少光能的任何方法都不利地影響效率。改變掃描是優選的。
這種方法具有另一優點，即這種方法包括當目標前進穿過隧道時可以跟蹤 該目標，雖然某些形式的目標一定要適應於"固定"光束方法來解決目標部件
45快速進出上述輪廓時速度太快只 一次通過而不能吸收足夠能量的問題。
參考圖13,說明了系統2000。可以理解的是系統可以是掃描系統或固定 系統。選擇這些系統中的一個為是否允許特定部件(隨後將會說明)移動的功 能。此外，如圖所示，系統還使用了雷射器二極體(例如，L-RED)並且可被 用作加熱元件IOO的替代物或者集成到圖12a和圖12b所示的系統當中。期望 對系統作出小的改變以包括熱監視及控制系統210，從而實現上述替換；然而， 本領域技術人員應該清楚任何這樣的改變。例如，通過控制子系統280的使用 來控制系統還可包括對於系統的掃描設備的控制(將要說明)，從而獲得系統 中的定時以使雷射器二極體輸出能量與傳送器同步。同樣，可通過控制子系統 280和系統的其它部件實現在系統中控制脈沖和連續模式操作。
系統2000包括基於RED的雷射器二極體陣列的實施方式以產生由本實施 例所構想的合適能量波長。如圖所示，系統2000包括基於固態RED的雷射器 陣列2002、掃描裝置2004以及用來將部件傳送到系統的熱處理區域的示例性 目標部件或預成型件2008的傳送系統2006。陣列2002包括支持容納於冷卻 護罩2012當中的基於RED的雷射器二極體設備2010的電路板。在一種形式 下，操作陣列以便通過直接電流-至-光子轉換處理來發射波長範圍介於1.0到 5.0微米範圍內的一種或多種所選擇波長的紅外輻射能量。將L-RED設置在陣 列當中，這樣的陣列設置可方便將大部分的能量發射到目標部件處。陣列2002 還使用了圓錐形鏡2014。掃描裝置可以是X-Y掃描儀或是支持鏡2016的簡單 的Y掃描儀。
為了使系統實現掃描，在雷射束的生成期間，要^f吏陣列2002的至少其中 之一、掃描裝置2004、和/或傳送裝置2006運動。本領域技術人員可以理解實 現上述運動的多種方式。然而，只是作為一個例子，掃描裝置2004可以是能 夠在X和Y方向上移動鏡的檢流計的形式。典型地，可編程控制這種X和Y 運動來重複實現期望的輻射模式的運動。這允許目標部件的區域由雷射束輻 射。
作為另一例子，可設定系統利用當通過傳送系統2006傳送目標部件時其 在一個方向(例如，X方向)上移動的優勢。在這種情況下，僅需要操作掃描 裝置在例如Y方向上移動光束以獲得對目標部件的所選擇區域的輻射。如果目的在於獲得固定光束，可使系統的各部件也是固定的，並且可以輻 射由傳送裝置正在傳送的目標部件上所選擇的點。例如，在至少一種形式下， 再次參考圖12,雷射器二極體中的各個雷射器二極體可聚集在特定點處。為 了確保投影雷射器的陣列具有所期望的覆蓋區域並且對於應用適用的光束相 互重疊，期望^f吏用擴束器透鏡。在這種情況下，甚至可能不需要掃描裝置或圓 錐形鏡的其中之一或是兩者。
進一步可以理解的是基於特定應用，可使用或是不使用任何校準或聚焦技 術。存在有這樣的應用，其中相比與傳統的校準雷射束二極體的分散能量可通 過更寬廣領域的視角來可提供更佳的覆蓋或是有益的重疊。如果設置成陣列， 這種設備的輸出模式可相互重疊以便充分地並且更加確定地覆蓋目標的表面。
此外，還可實現具有某些校準或聚焦的光束的L-RED與具有分散輻射光束的 其它L-RED的組合。然而，如圖13a和圖13b所示，在操作中，系統2000能 夠產生來自二^fel管陣列2002的雷射束。陣列可以採用適應於應用的多種配置 方式。例如，陣列克包含產生單個波長或多個波長的設備。在一種形式下，產 生第一波長能量的設備可策略地與產生第二波長能量的設備相混合以獲得所 期望的結果。在一種形式下，如圖所示，將x-y陣列的二極體的形狀形成為至 少部分的圓柱體配置以方便能量從雷射源到目標部件的最終傳遞。如圖所示， 這些光束被導向到用來使光線向掃描設備或裝置2004反射的非平面鏡2014, 例如大體上圓錐形鏡。應該可以理解的是可使用任何合適的非平面鏡，這些鏡 的形狀有助於將熱輻射能量從雷射器二極體改進地傳送到目標部件或部分目 標部件當中。掃描設備2004隨後將射線聚焦到例如如圖所示的預成型件的目 標部件2008的所選擇區域上。應該理解的是可採用各種形式的掃描設備2004。 例如，可採用多個掃描儀，其中掃描儀的準確數目依賴於加工速度、目標部件 的個數等。在一種形式下，如圖13b所示，示出了多個掃描儀2004被定位於 可充分地注入熱量到在例如吹塑環境中的多個目標部件。當然，在慢速加工的 環境中，或是在具有提高的操作速度的掃描儀環境中，較少的掃描儀就可實現 應用。在某些應用中，單個的掃描儀也是可以滿足的。
現在再次參考圖13b，在系統2000中示出了多個掃描設備2004。代表性 地示出了與各掃描設備2004相關的可選圓錐形鏡2002。還示出了諸如2006
47所示的傳送設備和產品運送地點2007。還描繪了雷射器6 (掃描設備2004中 的一個)的跟蹤弧(tracking arc) 2005以及示例的輻射光束2003。顯示出任 務圖表來說明系統的操作。如圖所示，當經過雷射器l時，雷射器l會輻射第 一、第七、第十三…等目標部件。其它的雷射掃描設備會輻射如圖表所示的各 自部件。各掃描設備都擁有與弧2005相似的編程的跟蹤弧。以這種方式，可 對各部件輻射足夠長的時間並且根據特定需求來輻射這些部件。當然，掃描儀
的個數、追蹤弧、以及由各掃描設備所處理的部件個數將會作為特定系統的設 計和目的的函數變化。
進一步，掃描設備2004可具有與掃描設備相關的鏡2016,可操作鏡2016 來導向輻射能量至目標部件的所選擇部分當中。該i殳備還能夠在平面的、二維 掃描區域中再次導向輻射能量，從而通過將目標移動經過輻射區域的傳送裝置 來提供第三維的運動。該設備還能夠在三維掃描區域中再次導向輻射能量。在 至少一種形式下，可編程掃描設備以便通過由控制系統確定的信號來控制時間 量、輻射量、或輻射的設置中的至少其中之一。在一種形式下，通過溫度傳感 器或相機(例如，紅外相機)來提供控制系統的輸入，其中溫度傳感器或相機 與適當的規則一併來確定所需的輻射時間長度。這種配置提供了用於關閉系統 的環路的合適的反饋。
應該可以理解的是儘管參考圖12a、圖12b、圖13a、和圖13b說明了激 光器二極體或L-RED陣列，還可使用具有合適功率的單個雷射系統來產生所 期望的輻射。然而，這樣的系統需要對圖12a、圖12b、圖13a、和圖13b所 示的系統作出改變以滿足單個、功率更強的雷射器的架構。本領域技術人員應 該清楚任何這樣的改變。還可以理解的是可以採用固態二極體、雷射器二極體、 L-RED、以及傳統雷射系統(以及RED)的任何組合以滿足本發明的功率和 波長的目標。此外，還可與這裡所構思的各種組合一併^f吏用其它技術來完善實 施方式。例如可使用光纖技術來聚集雷射源處的能量並且將其傳遞到所考慮的 目標區域。光纖光學配置的使用可取代用來校準或聚焦所傳送能量的其它類型 的光學器件。
圖14至圖17說明了根據本發明的方法。應該可以理解的是可使用合適的 軟體和硬體組合和技術來實現這些方法。例如，可通過存儲的並且由溫度控制系統280執行的軟體程序來控制標註的硬體元件。
現在參考圖14，示出了描繪了操作的基本步驟的用於熱塑預成型件的熱 處理的優選方法300。通過傳送器250將預成型件240傳送經過熱監視及控制 系統210 (步驟305 )。當然，應該可以理解的是，所有實施例都示出了傳送， 可使用具有或不具有傳送的用來定位要曝光的物件的簡單裝置。使用包含在熱 監視及控制系統210中的掃描熱紅外雷射器(例如，基於雷射器的RED或激 光器二極體陣列2002)來輻射預成型件240 (步驟310)。使用對流冷卻系統 260去除熱監視及控制系統210中空氣和機械部件中廢棄的熱量(步驟315)。
圖15簡要地描述了熱塑預成型件的處理的另一方法301。在方法301中， 使用步驟320代替了利用掃描紅外雷射器(例如，基於雷射的RED或雷射器 二極體)來輻射預成型件240的處理(步驟310 )。在方法301的步驟320中， 與預成型件240通過熱監視及調節系統210的運動同步地輻射這些預成型件 240。由於當前瞄準預成型件的L-RED設備只是那些在給定時刻被打開的預成 型件，這種同步的、脈沖輻射4€供了實質上額外的能量效率。在一種形式下， 脈衝能量的最大輸出與各個目標的傳送同步地定時。
圖16簡要地描繪了用來處理熱塑預成型件的另一種方法302。在這種方 法302中，使用溫度傳感器270來測量到來的預成型件240的溫度。這樣做是 為了當預成型件240進入系統時衡量預成型件240的潛在熱能(步驟325 )以 及需要增加多少熱量(曝光時間)以使其升高到正常吹塑所需的期望溫度。隨 後，通過傳送器250將預成型件傳送經過熱監視及控制系統210 (步驟305 )。 使用由溫度傳感器270提供的溫度信息的溫度控制系統280產生將要應用到掃 描紅外雷射子系統(例如，基於雷射的RED或雷射器二極體的陣列)中的優 選控制信號(步驟330)。隨後，從溫度控制系統280到掃描紅外雷射子系統 傳送優選控制信號(步驟335 )。隨後，使用熱監視及控制系統210中的雷射 器來輻射預成型件240 (步驟310)。隨後，使用對流冷卻系統260來從熱監視 及控制系統210中的空氣和機械部件中去除廢棄的熱量(步驟315)。
圖17簡要地描繪了用來處理熱塑預成型件的另一方法303。在方法303 中，步驟310,使用步驟320代替了使用掃描紅外雷射子系統(例如，具有基 於雷射的RED或雷射器二極體陣列)來輻射預成型件240的處理。在方法303
49的步驟320中，與預成型件240通過熱監視及調節系統210的運動同步地輻射 這些預成型件240。
制相同的實施例。如此，本發明並非僅是局限於上述的應用或實施例。這裡的 公開內容廣泛地解決了許多應用以及特別地解決了 一個應用實施例。可以明白 的是本領域技術人員可以構思出落入本發明範圍之內的替換應用和特定實施 例。
權利要求
1. 一種在塑造或加工操作之前執行塑料目標部件的非接觸熱處理的系統，包括可操作來以方便輻射加熱的應用的方式定位塑料目標部件的裝置；以及熱監視及控制部，塑料部件被定位在該熱監視及控制部當中用於曝光，該熱監視及控制部包括一個或多個基於固態RED的雷射器二極體，該雷射器二極體發射經過直接電流-至-光子轉換處理的從1.1到5.0微米波長範圍內的紅外輻射能量，其中將該雷射器二極體設置成陣列，以使從該陣列發射的大部分輻射能量入射到部分的目標部件中。
2. 根據權利要求1所述的系統，進一步包括非平面鏡，該非平面鏡被特 別成形來方^^將改善的熱紅外輻射能量從多個雷射器二才及管傳遞到目標部件。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中，雷射器二才及管陣列至少由某些用 來分散輻射光束的設備組成，從而在目標的表面上彼此重疊來自至少某些設備 的至少某些輻射輸出圖案。
4. 根據權利要求1所述的系統，進一步包括掃描設備，該掃描設備可操 作用來將由該陣列所發射的熱紅外輻射能量再次導向到所選擇的部分的目標 部件。
5. 根據權利要求4所述的系統，進一步包括與掃描設備相關聯的鏡，該 鏡可操作用來將輻射能量導向到所選擇的部分的目標部件。
6. 根據權利要求4所述的系統，其中，該掃描設備能夠再次導向平面內 的、二維的掃描區域內的輻射能量，並因此可通過用來移動目標經過輻射區域 的傳送裝置來提供在第三維上的運動。
7. 根據權利要求4所述的系統，其中，該掃描設備能夠再次導向三維掃 描區域內的輻射能量。
8. 根據權利要求7所述的系統，其中，可編程該掃描設備，從而能夠利 用由控制系統確定的信號來控制時間量、輻射量、或輻射的放置中的至少一個。
9. 根據權利要求1所述的系統，進一步包^括多個雷射器掃描設備，該多 個雷射器掃描設備可操作用來將由陣列發射的熱紅外輻射能量再次導向到所選擇的部分的目標部件。
10. 根據權利要求1所述的系統，其中，該可操作定位的裝置是一種可重複地傳送塑料目標部件進入及離開熱處理區域的傳送裝置。
11. 根據權利要求10所述的系統，其中，控制裝置被設置為用來確定何時向所選擇的基於RED的雷射器二極體提供電流，從而它們的輻射能量輸出的定時可與傳送裝置同步以如期望的一樣來輻射目標。
12. 根據權利要求1所述的系統，其中，在與經過熱監視及控制部的單獨的成型目標部件的傳送同步的脈衝輸出的時間內，基於RED的雷射器二極體可操作用來發射脈衝模式下的輻射能量。
13. 根據權利要求1所述的系統，進一步包括被配置用來從熱監視及控制部內的空氣和機械部件中去除廢棄的熱量的至少 一個對流冷卻設備或傳導冷卻設備。
14. 根據權利要求13所述的系統，其中，該傳導冷卻設備是用來通過緊密熱耦合到雷射器二極體陣列的安裝裝置上的液體冷卻的熱傳導元件連續地冷卻基於RED的雷射器二極體從而連續地將熱量從設備中傳導出去以保持它們的溫度在所期望的範圍內的子系統。
15. 根據權利要求1所述的系統，進一步包括溫度傳感器，該溫度傳感器被配置用來測量在進入熱監視及控制部之前目標部件的溫度從而確定潛在的熱含量。
16. 根據權利要求15所述的系統，其中，使用溫度控制系統來根據目標部件溫度產生應用到基於RED的雷射器二極體上的控制信號。
17. 根據權利要求16所述的系統，其中，測量目標部件的子部分的溫度並且使用用來生成控制信號的數據，該控制信號用於將基於RED的雷射器的加熱應用到目標部件的子部分以便將其加熱到用於目標部件的進一步處理的預先指定的溫度。
18. 根據權利要求17所述的系統，其中，通過高速紅外傳感器測量目標部件的子部分的溫度，該高速紅外傳感器能夠測量各個單獨的目標部件的溫度並且使得控制系統形成閉環以便按照需要唯一地輻射各個獨立的目標部件以產生為隨後加工所選擇的溫度輪廓。
19. 根據權利要求17所述的系統，其中，通過高速紅外相機子系統測量目標部件的子部分的溫度，該高速紅外相機子系統能夠測量各個獨立的目標部件的溫度並且使得控制系統形成閉環以便按照需要唯一地輻射各個獨立的目標部件以產生為隨後加工所選擇的溫度輪廓。
20. 根據權利要求1所述的系統，其中，基於RED的雷射器二極體的陣列可操作用來發射介於1.5到3.5 ^敬米波長範圍內的輻射能量。
21. 4艮據權利要求1所述的系統，其中，基於RED的雷射器二極體可操作用來發射介於被特別調諧到滿足用來製造特定目標部件的材料的加熱需求的至少一個窄波長範圍內的輻射能量。
22. 根據權利要求21所述的系統，其中，由於至少某些目標部件的材料組合物中的各波長的吸收率特性，為了輻射目標而選擇至少兩種波長。
23. 根據權利要求21所述的系統，其中，根據目標組合物材料的基礎吸收帶來選擇為了輻射目標而選擇的波長，並且選擇為了輻射目標而選擇的波長以優化加熱所期望的深度、加熱位置、加熱速度、或要加熱的厚度中的至少一個。
24. —種在拉伸吹塑操作之前加熱熱塑預成型件的方法，所述方法包括如下步驟將一系列的預成型件反覆地傳送經過吹塑機的熱監視及控制部；通過利用雷射器二極體輻射預成型件，將預成型件的溫度提高到所期望的加工溫度，其中該雷射器二極體被配置用來發射至少一種入射到預成型件的所選擇部分的選擇波長的熱紅外輻射能量；以及利用冷卻系統，從吹塑機的熱監視及控制部的部件中去除廢棄的熱量。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中，通過得知熱塑材料的吸收特性來選擇為輻射預成型件而選擇的波長，從而優化熱穿透的深度、加熱速度、加熱位置、或要加熱的厚度中的至少一個。
26. 根據權利要求24所述的方法，進一步包括如下步驟在預成型件進入熱監視及控制部之前，測量到來的預成型件的溫度以衡量潛在的熱含量；基於到來的預成型件溫度來產生應用到雷射器二極體上的控制信號；將這些控制信號傳送到雷射器二極體；以及使用控制信號將正確定時的電流的控制信號應用到所選擇的雷射器二極體，從而雷射器二極體的輸出與傳送裝置同步。
27. 根據權利要求26所述的方法，其中，掃描設備再次導向雷射器二極體的輻射輸出以入射到預成型件的所選擇部分，其中所述掃描設備與各個的預成型件的傳送同步。
28. 根據權利要求24所述的方法，進一步包括測量目標部件的子部分的溫度以及產生將雷射器二極體的加熱應用到子部分的控制信號。
29. 根據權利要求27所述的方法，其中，可編程化控制掃描設備，從而掃描設備可改變輻射入射到預成型件的所選擇部分的時間。
30. 根據權利要求27所述的方法，其中，雷射器二極體是被設置為多個設備陣列的基於RED的雷射器二極體。
31. 根據權利要求24所述的方法，其中，通過也使用加熱預成型件的石英燈輻射來增大雷射器二極體輻射。
32. —種用來將熱紅外輻射熱量選擇性地注入到目標中的系統，該系統包括至少一個固態射線發射雷射器二極體，所述至少一個雷射器二極體是對於目標的相關應用的熱紅外輻射能量輸出的所選擇的波長之一；用來定位目標以便通過基於雷射器二極體的系統的輻射來加熱這些目標的裝置；安裝裝置，用來定位陣列中的所述至少一個雷射器二極體，從而將陣列的輻射導向到目標的所選擇部分；以及用來控制到所述至少一個雷射器二極體的電流的定時和電量的裝置，從而產生直接電流-至-光子輻射轉換處理以產生熱輻射能量。
33. 根據權利要求32所述的系統，其中，所述至少一個雷射器二極體是各個雷射器二極體設備的xy陣列的形式並且至少部分的陣列是基本上圓柱體形狀，從而方便輻射能量基本上對準目標。
34. 根據權利要求32所述的系統，其中，所述至少一個雷射器二極體是各個設備的定製排列的形式，從而這種排列方便了將所需量的輻射能量基本上導向到目標。
35. 根據權利要求33所述的系統，其中，該陣列是至少一個板上晶片或各個設備的球柵安裝陣列的形式，從而方便將輻射導向到目標。
36. 根據權利要求33所述的系統，其中，在其上安裝有雷射器二極體設備的電路板是被選擇用來可操作將熱量傳導出雷射器二極體設備的電路板配置。
37. 根據權利要求36所述的系統，其中，在其上安裝有雷射器二極體設備的電路板具有與該電路板相關聯的熱沉設備，該熱沉設備用來將熱量從雷射器二極體設備和電路板中傳導出去。
38. 根據權利要求36所述的系統，其中，用來將熱量傳導出去的裝置包括可操 作用於將熱量從系統中移出較長距離的液體熱量交換護罩。
39. 根據權利要求38所述的系統，其中，來自液體熱量交換裝置的加熱後的液體介質被利用到可使用所述加熱後的液體介質實現其它熱量增益需求的i也方。
40. 根據權利要求33所述的系統，其中，各個雷射器二極體設備的xy陣列包括至少一個雷射器二極體設備，該雷射器二極體設備用來產生介於從U微米到5微米的範圍內的至少一個額外選擇的波長的輻射能量。
41. 根據權利要求33所述的系統，其中，所述xy陣列包括混合的基於L-RED的設備，每個設備都代表了介於U微米到5微米範圍內的熱紅外輻射中的至少兩種不同的所選擇波長。
42. 根據權利要求33所述的系統，進一步包括控制系統，該控制系統被配置用來獨立地控制開啟/關閉狀態、電流流動、以及對於陣列中所代表的各波長所激活的設備的位置中的至少 一個。
43. 根據權利要求33所述的系統，進一步包括控制系統，該控制系統被配置用來獨立地控制陣列中的至少一個位置處的陣列的子部分以及輸出強度。
44. 根據權利要求32所述的系統，進一步包括控制系統，該控制系統被配置用來提供電驅動電流來方便脈衝模式的操作。
45. 根據權利要求44所述的系統，其中，該控制系統可操作用於在比所指定的穩態電平高很多的電平下脈動該系統以獲得脈衝操作下較大的瞬時發射強度，該系統響應於輸入信號以確定脈衝操作的定時。
46. 根據權利要求45所述的系統，其中，該控制系統進一步包括用來使脈沖操作的強度與移動的目標同步的能力。
47. 根據權利要求32所述的系統，其中，所述至少一個雷射器二極體元件包括被配置為實質上非平面配置的排列的多個雷射器二極體設備的陣列。
48. 根據權利要求47所述的系統，其中，在被配置為三維排列的多個電路板上設置L-RED設備，從而獲得對特定類型的目標更好的輻射。
49. 根據權利要求41所述的系統，其中，該陣列進一步包括至少一些可操作用於產生在1.1到5微米範圍之外的波長的L-RED設備。
50. 根據權利要求32所述的系統，其中，用來提供電流的裝置是可操作用來控制系統輻射輸出的至少一個方面的可編程控制系統。
51. 根據權利要求50所述的系統，其中，可編程控制系統包括至少一個來自溫度傳感器的輸入並且可操作用於根據該至少一個來自溫度傳感器輸入來改變至少一個輸出參數。
52. 根據權利要求51所述的系統，其中，可編程控制系統進一步包括用來監視關於目標的其它參數以提供在修改系統輻射輸出的至少一個方面中使用的數據的至少一個智能傳感器輸入。
53. 根據權利要求52所述的系統，其中，所述至少一個智能傳感器輸入包括相才幾系統。
54. 根據權利要求51所述的系統，其中，溫度傳感器包括熱紅外相機，該熱紅外相機可操作用於在除可由單點溫度測量傳感器能夠監視的方面之外的至少一個方面上監^L目標。
55. 根據權利要求32所述的系統，進一步包括至少一個近似的錐形鏡，該錐形鏡可操作用來方便改善從雷射器二極體的至少一個陣列到目標的輻射能量的方向性。
56. 根據權利要求32所述的系統，進一步包括掃描設備，該掃描設備可操作用來將從至少一個雷射器二極體發射的輻射能量導向到目標。
57. 根據權利要求32所述的系統，進一步包括多個掃描設備，該掃描設備可操作用來將從至少一個雷射器二極體發射的輻射能量導向到目標，其中每個掃描設備具有唯一的任務。
58. 根據權利要求56所述的系統，進一步包括與該掃描設備相關聯的鏡， 該鏡可才喿作用來將輻射能量重新導向到目標部件的所選擇部分。
59. 根據權利要求56所述的系統，其中，該掃描設備能夠在平面、二維 空間內重新導向輻射能量。
60. 根據權利要求56所述的系統，其中，該掃描設備能夠在三維空間內 重新導向輻射能量。
61. 根據權利要求56所述的系統，其中，能夠可編程地控制該掃描設備， 從而可編程該系統以通過掃描設備手段將選擇量的輻射能量導向到移動目標 的特定區域。
62. 根據權利要求1所述的系統，其中，在瓶製造加工過程中，塑料目標 部件包括至少一個PET預成型件或PET瓶。
63. 根據權利要求62所述的系統，其中，該系統還包括用於靠近經過熱 監視及處理區域的傳送路徑上的石英燈的至少一個安裝工具，從而利用來自石 英燈的輻射提高來自二極體的輻射。
64. —種應用到目標上的熱注塑方法，該方法包括將用於曝光的目標放置於至少一個熱輻射發射雷射器二極體處； 設置所述至少一個雷射器二極體以將其輻射導向到目標； 向所述至少一個輻射發射雷射器二極體選擇性地提供電流；以及 選擇所述至少一個雷射器二極體，該雷射器二極體發射對應於目標的吸收特性的至少 一種特定波長的輻射；進一步選擇所述至少一個雷射器二極體，從而該輻射能量發射介於從1.1到5.0微米的範圍內；利用來自熱發射雷射器二極體的輻射選擇性地將所述至少一種特定波長下的熱量注入到目標當中。
65. 根據權利要求64所述的熱注塑方法，其中，；改置用於曝光的目標的 方法包括用來反覆地移動目標進入及離開曝光區域的傳送手段。
66. 根據權利要求64所述的熱注塑方法，其中，當使用產生兩種或更多 不同波長的二極體時，定義至少一種特定波長，從而通過組合各波長的吸收特性來組合地輻射在期望終端處的目標。
67. 根據權利要求64所述的熱注塑方法，其中，所述至少一個輻射發射 設備在脈沖模式下可操作。
68. 根據權利要求64所述的熱注塑方法，進一步包括測量目標的部分的 至少一個溫度並且基於該溫度來控制電流的選擇性提供。
69. 根據權利要求68所述的熱注塑方法，進一步包括測量各各個目標的 至少一個溫度並且通過發送所需的控制信號來形成閉環以便按照需要輻射各 個目標以達到指定的溫度。
70. 根據權利要求32所述的系統，其中，用來定位的裝置包括傳送裝置， 通過該傳送裝置移動目標反覆地經過熱輻射區域，該熱輻射區域包括進入的通 ^各和離開的通^各。
71. 根據權利要求70所述的系統，其中，通過沿著傳送裝置的傳送路徑 設置石英燈來提高雷射器二極體輻射，並且當目標經過組合熱處理系統時利用 石英燈和雷射器二極體系統兩者來輻射該目標。
全文摘要
提供了一種將所選擇的熱紅外(IR)波長輻射或能量直接注入到物件中的在廣泛領域中使用的基於雷射器二極體的系統。這些目的可包括在不同的工業、醫療、消費品、或商業應用等廣泛領域中加熱、提高或保持物件的溫度、或激勵目標物體。該系統特別適用於需要或受益於在特別選擇的波長下的輻射能力或是脈動或注入輻射等操作。當高速地並且非接觸地作用於目標時，該系統是特別有利的。
文檔編號B29C49/64GK101466526SQ200780021014
公開日2009年6月24日 申請日期2007年6月6日 優先權日2006年6月7日
發明者丹伍德·F.·羅斯三世, 唐·W.·科克倫, 小諾埃爾·愛德華·摩根, 史蒂芬·D.·切赫 申請人:普瑞斯克技術公司