CN102413712A

CN102413712A - 用于数字窄带波长特定的烹调、熟化、食品制备及加工的方法及系统

Info

Publication number: CN102413712A
Application number: CN2010800182211A
Authority: CN
Inventors: 唐·W·科克伦; 乔纳森·M·卡茨; 本杰明·D·约翰逊; 登伍德·F·罗斯
Original assignee: Pressco Technology Inc
Current assignee: Pressco Technology Inc
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2012-04-11
Also published as: KR20110139713A; KR20170120216A; MX2011009328A; JP2015200496A; JP6266563B2; EP3430955A1; EP2403355A4; EP3430955B1; BRPI1010247A2; CA2754571A1; CA2754571C; EP2403355B1; KR102140920B1; AU2010221084A1; CN105768922A; EP2403355A1; KR101790966B1; WO2010102261A1; JP6100464B2; UA106979C2

Abstract

本发明提供一种用于出于宽广范围的加工目的而将选定热红外线IR波长辐射或能量直接注入到食品物项中的系统。这些目的可包含加热、提升或维持食品物品的温度。所述系统可尤其适用于需要在特定选择的波长下进行辐照或者用脉冲输送或注入所述辐射的能力或从所述能力获益的操作。所述系统在以较高速度且在与目标不接触的环境中发挥作用时为特别有利的。

Description

用于数字窄带波长特定的烹调、熟化、食品制备及加工的方法及系统

相关申请案交叉参考

本申请案主张对2009年3月5日提出申请的第61/157,799号美国临时申请案的优先权且是基于所述美国临时申请案，所述美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。本申请案还为于2006年2月9日提出申请的第11/351,030号美国申请案的部分接续案，所述部分接续案为于2004年12月3日提出申请的第11/003,679号美国申请案的接续案(现在为于2008年9月16日发布的第7,425,296号美国专利)，所述接续案两者均以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

背景技术

已通过多种宽带加热源执行许多不同类型的烹调达数千年。由人类广泛使用以进行加热的最早且最基本的加热源为火。火产生介于从UV到长红外线的范围内的辐射热能。界定每一波长下的辐射的强度的输出曲线的实际形状依据火的温度而改变。随着木柴及煤炭火被石油与燃气火炉或烹调表面替代，基本原理保持不变，即火的燃烧产生了宽带辐射能量源。围绕着具备普遍可用的宽带的炉烹调的假设建立了知识库。随着在20世纪早期电变得普遍，经常使用基于电气化电阻的加热线圈来代替各种基于燃烧的源。这些电阻加热线圈在工业中经常被类属地称作卡罗德(Calrod)。虽然其对于消费者来说看似为新且现代的，但其根本上仍为非常宽带的辐照源。此为众所周知的但由以下事实证明：卡罗德加热线圈可发热呈亮红色(此指示可见光谱中的输出)且还将不断地产生已到长红外线波长中的能量。虽然所述加热线圈为非常宽带的输出源，但取决于其在何种温度下操作，其峰值输出通常在长红外线范畴内。

在最近的数十年中，也已在各种类型的炉或熟化应用中使用石英卤素灯、管及灯泡。由于石英近似热得多的黑体普朗克(Planckian)源，因此其比典型的电阻热源输出实质上更多的可见光谱中的能量。不同的石英灯经设计以在改变其输出曲线的中心的不同温度下运行，从而还影响其产生多少可见光能量。中心或峰值输出通常在近红外线或中红外线范围中。不论其在何种温度下操作，石英仍为具有处于近红外线或中红外线范围中的峰值输出且具有数千纳米的带宽的宽带源。

甚至钨丝白炽光灯泡也已用作专门炉的烹调热源。富兰克林S.马利克(Franklin S.Malick)在其第4,481,405号美国专利中教示一种使用白炽光灯泡来烹调塑料烹调袋中的食品的简单系统。尽管石英是比简单电阻线圈或燃烧器更不寻常且专门的炉子，但很明显其为正用作源的宽带模拟辐照装置。

已使用这些形态的各种组合，但其全部仅以不同的方式组合了宽带模拟装置。罗伯特A.米特尔斯特(Robert A.Mittelsteadt)在其第4,486,639号美国专利中教示较早多模式烹调方法中的一者。罗伯特A.米特尔斯特教示微波炉与石英灯加热装置的组合。通过具有使用石英灯来直接辐照或加热空气并接着通过热空气对流来烹调的控制选项，罗伯特A.米特尔斯特将三种不同功能性组合到单个炉中。虽然微波烹调很可能为最新的根本上不同的烹调技术，但基本的射频微波核心实际上为带宽比上文所提及的源宽得多的模拟源。事实上，在本发明之前可在市场上获得的仅有烹调装置为模拟宽带类型。

罗纳德·朗茨(Ronald Lentz)等人理解并在其第5,382,441号美国专利中重新教示了一些基本概念。他们认识到长波长红外线具有比较短波长小的食品穿透深度。罗纳德·朗茨等人还认识到并以某种深度重新教示普朗克黑体定律的经典物理学，其描述依据加热装置的温度而改变的宽带辐射输出。罗纳德·朗茨等人认识到，尽管他们希望能够控制输出波长，但他们并不具有此问题的优质、直接或高效的解决方案。他们完全无法高效地解决此问题。他们因此教示使用宽带模拟源并在辐射源与待烹调的食品之间叠置滤波器。他们建议用水滤波器或经处理玻璃滤波器。罗纳德·朗茨等人认识到甚至他们的最佳选择石英灯“…已经确定为最多递送其在800nm与1300nm之间的辐射的35％…”。通过教示滤波器的使用，他们因此将丢弃其能量的65％。所述65％将由滤波器吸收且将导致过度加热所述滤波器并因此将其转向到其自身的黑体辐射器中，或者使用某种外部构件来从滤波构件移除热。此实施起来颇为繁琐。在任一情形下，其均为消除来自宽带模拟源的不想要波长的非常低效的方式。尽管罗纳德·朗茨等人正教示将到达目标的辐照限制到约500nm的带宽，但其仍表示宽带源。罗纳德·朗茨等人未能教示高分辨率吸收曲线。他们因此未能教示或认识到在许多产品的吸收曲线中存在其低效技术将仍不能够解决的微峰值及微谷值。举例来说，本发明可利用以下事实：高分辨率曲线指示匹萨面团在1200nm下是其在900nm下的吸收性的大概四倍。同一面团在1200nm下是其在1100nm下的吸收性的大约三倍。朗茨未能教示将利用此重要数据来将烹调方式优化超过其解决方案可提供的方式的任何种类的解决方案。他们也未能教示数字的基于半导体的窄带源或将如何建立或实施数字的基于半导体的窄带源。他们也未能教示窄带源将带来何种优点。他们也未能教示且并未发明出任何“即时接通”/“即时关断”技术。他们既未能教示任何脉冲式辐照技术又未能教示将有何种优点。尽管他们偶然地提及其发明可用其它辐照源来实践，但所述辐射源均未被描述为数字的或基于半导体的或窄带的或定向的。罗纳德·朗茨等人进一步未能教示用于实施实现直接电子/光子转换的任何IR辐照源的技术。很明显，他们发明的推力包括使用滤波器来减少或消除某个不想要的宽带范围。

多年以来已大体理解大部分基本概念：辐照波长对烹调具有各种影响。举例来说，大体理解非常长的波长会引起表皮吸收或在非常接近表面处加热目标食品。这就是为什么大多数当前炉通常经设计以不将食品直接暴露于长红外线源的辐照(除非表面加热即为所期望的最终结果)的原因。烤焙器加热元件通常安装于待烹调的食品上方，使得其可直接辐照所述食品，因此在接近表面处烤灼及烹调。另一方面，烘焙加热元件安装于食品下方，使得盘或烹调容器介于食品与加热元件之间，因此食品将不会被长波红外线能量直接辐照。此概念的另一实例由大卫·麦卡特(David McCarter)在第6,294,769号美国专利中教示，所述专利为一种用于使食品保温且保持即食的红外线装置。具体来说，所述专利描述一种适用于在不导致实质的额外内部烹调的情况下使食品(例如法式炸薯条)保持在合意温度的系统。正教示的概念为使用产生主要在从7.91μ到4.7μ的波长范围中的红外线热的电阻宽带陶瓷加热元件的概念。图1展示他的法式炸薯条的吸收曲线图，所述曲线图大体展示吸收随着波长变长而增加直到大约5.4μ处的峰值吸收且接着吸收滑坡到所述曲线图上于7μ处展示的最大波长。法式炸薯条的特定吸收系数从4.7μ处的大约62％变化到5.4μ处的大约95％且接着回退到7μ处的大约73％。麦卡特未能教示的是将促进辐照波长与应用所期望的确切吸收系数的精确匹配的窄带能量及数字源的使用。在麦卡特所描述的宽带布置中，法式炸薯条在一种波长下展现出与仅相隔700nm的波长相比多50％的吸收。通过使用麦卡特能够发现的最窄源，他不能够调谐到原本将为理想的吸收。借助宽带源是不可能的。他还未能教示如下的数字加热系统：可即时关断及接通以使食品维持在正好恰当温度，但其中通过具有减小的工作循环而实现实质能量节省，因为仅在接通所述加热装置时消耗能量。他展示了对于其目的来说足够的非常低分辨率的曲线图。然而，由于所述曲线图缺少原本将提供详细吸收曲线形状的分辨率，因此他无法且未教示：假如可用辐照成局部微峰值而非全局峰值的窄带系统进行辐照，那么可在短得多的波长下获得相同平均吸收。

金杨敬(Yang Kyeong Kim)等人在第6,348,676号美国专利中教示一种用于使用石英灯进行烹调的方法。如较早所提及，他们教示输出曲线的形状可依据所述灯经设计以在何种温度下发挥作用而变化。他们展示经设计以用作2400°K.装置的石英灯在约1.1μ处具有其峰值输出。通过比较，2300°K.装置在约1.25μ处具有其峰值输出，具有稍平坦的输出曲线。不论最大输出的波长如何，两个装置的曲线都展示为在整个可见范围中及向外到中红外线区域中的3μ或3μ以上具有实质输出。在图2中，金展示不同食品物项的吸收光谱曲线。尽管所述曲线为低分辨率吸收曲线，但每一曲线为独特的且不同于所有其它曲线。所述曲线大体共有的特性为在低于大约1400nm处比在高于所述波长处实质上更多的透射(更少的吸收)。金设法提出理由：通过使用具有较低色温的石英灯，可由于将处于大体较高吸收区域(展示为大体高于大约1400nm)中的较长波长红外线能量的较高输出而较快地烹调食品。金等人未能教示的是如何利用个别食品物项的最优烹调吸收。同样，食品物项在其彼此实质上不同的吸收曲线中具有局部微峰值及微谷值。甚至在小于100nm的波长内，实质差异也为明显的。显而易见，那些小的特征对于金及同组研究者来说并非有意义的，因为所展示的曲线图具有极小的分辨率或极少的细节。通过研究图2中所示的曲线的宽带形状，很明显，将不可能进行辐照并利用匹配可为某一食品产品特有的微峰值或微谷值中的任一者的波长。类似于麦卡特，他们完全未能教示一种用于借助数字窄带辐照进行烹调以真正地优化烹调机会及效率的方法。

布莱恩·法卡斯(Brian Farkas)等人在第7,307,243号美国专利中教示并入宽带源的混合的又一些方式。他们还认识到，较长波长大体靠近于食品物项的表面被吸收，且相反，较短波长趋向于具有较大穿透性。他们教示普朗克黑体源在不同瓦特数及温度下的使用。他们借助数个曲线图展示可如何依据中心波长及曲线平坦度来改变这些常规模拟宽带源。他们同样展示物理学中众所周知的内容：黑体源越热地操作，中心波长将越短。对应地，随着波长变得更短，曲线变得稍微陡峭且更陡变。然而，同样展示，不管应用了多少种方式，其仍为在宽度上为数千纳米且其陡度及曲线与所施加电压或电流(瓦特数)成比例改变的模拟宽带源。他们进一步认识到，炉本身的主体及结构在一时间周期内加热且变为其自身的黑体再辐射器。他们教示且展示，甚至在将加热元件关断时，仍由于结构性再辐射而存在正在炉中进行的实质辐射烹调。此教示而直接背离具有即时接通及关断的能力的本发明，且预加热时间对烹调的质量几乎不具有影响。法卡斯继续教示许多年来已知但仅呈不同配置的炉布置的内容。如同较早所提及的其他人，法卡斯未能教示将从并入有数字窄带源以利用高分辨率吸收曲线中的微峰值及微谷值来优化所期望加热或烹调的本发明获得的优点中的任一者。他们还未能教示可通过使用与目标及烹调工作恰当匹配的直接窄带辐照实现的额外烹调速度。

各种其它专利教示控制或者调大或调小传统模拟宽带源或者改变其与烹调目标的距离的新颖方式。唐纳德·佩蒂勃(Donald Pettibone)及同组研究者的第5,883,362号美国专利是此种专利的实例，但其也未能教示本发明所教示的优点、技术及技艺中的任一者。

发明内容

本发明提供小量或大量的红外线辐射装置的实施方案，所述装置为高度波长可选择的且可促进将红外线辐射用于历史上尚不可用的全部新类别的烹调应用及技术。

本发明的目标是提供一种具有热IR加热系统加工经改进IR能量转换效率性能的炉、过程或处理系统。

本发明的另一目标是提供一种具有调谐到正烹调、加工或作为目标的特定材料的特定吸收光谱的IR穿透深度性能的IR加热系统。

本发明的另一目标是提供一种可并入有经工程设计的RED混合物的热IR辐射系统，所述RED在例如对于烹调应用类别来说可为最优的选定窄波长带下产生IR辐射。

本发明的另一目标是提供一种能够以脉冲模式进行驱动的IR加热系统；所述脉冲模式特别适于在烹调过程期间输送食品物项时向所述食品物项提供IR热或适于促进食品物项的同步追踪。

本发明的另一目标是提供更可经由金属化反射器元件引导的IR加热元件。

本发明的另一目标是提供一种能够结合食品温度测量系统工作以提供食品特定IR加热能力的IR加热系统。

本发明的另一目标是提供制作为直接电流/光子IR基于半导体的发射器或辐射发射二极管(RED)的阵列的IR加热元件。

本发明的又一优点是提供一种利用使用导热电路板安装式装置、板上芯片安装式装置、球栅阵列安装式装置、放大大小的装置及基于集成电路的装置中的至少一者而制作成阵列的数字窄带基于半导体的装置的热注入系统。

本发明的又一优点是提供一种在高度特定的单一或多种窄波长带下有实质辐射输出的红外线辐照系统。

本发明的又一优点是产生强力的热红外线辐射且对于位置、强度、波长、接通/关断速率、定向性、脉冲产生频率及产品追踪中的至少一者为高度可编程的功能性。

本发明的又一优点是促进用于注入热能的与当前宽带源相比更输入能量高效的方法。

本发明的又一目标是提供一种用于宽广范围的应用的一般辐射加热系统，其可适于结合可编程性及脉冲产生能力而为所述应用提供波长选择性红外线辐射的增加的功能性。

本发明的又一优点是促进具有比稳态强度高得多的瞬时强度的极快速高强度突发脉冲的能力。脉冲产生还可促进可实现对于一些应用来说可为重要的较大水平的穿透深度的较高能量瞬时光学脉冲。

本发明的又一优点为，其可随窄带基于半导体的装置的需要模块化地按比例缩放以并入可需要排列在一起以提供必需的功率、大小、配置、几何形状、波长组合或特定应用的工程设计所决定的其它方面的无论多少数目个装置。这些装置的阵列可视需要而包含数百个或数千个装置以满足特定应用。

本发明的又一优点为，可容易地将废热传导到需要其的另一位置或可将其从使用环境中传导出以减少非目标加热。

本发明的又一优点为构建可容易地将其环境废热从数字窄带半导体装置的紧邻处移除并转移到可甚至为户外位置的优选位置的炉或目标加热系统的能力。

本发明的又一优点为，可以高密度封装RED装置以产生迄今尚不可实际获得的固态热IR输出功率水平。

在目前所描述实施例的一个方面中，所述系统包括：辐照区，可将食品物项定位到其中以用于直接或间接辐照中的至少一者；结构，其用于接近辐照区固持定向辐照装置使得来自所述辐照装置的辐照可直接或间接地冲击食品物项；至少一个窄带基于半导体的辐射发射装置，其操作以选择性地发射至少一个辐射窄带，所述至少一个窄带基于半导体的辐射发射装置为数字装置使得其在其接通阈值下具有基于非常窄的电压范围改变，且所述至少一个窄带装置是基于匹配至少一种食品物项的吸收特性的辐照输出波长而选择；及控制系统，其至少供应用以操作所述窄带辐照装置的电流。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括经定位以允许在不使辐照输出波长通过的情况下观察所述辐照区的观察窗。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括用以在观察期间选择性地关断辐射的防护闸系统。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括操作以将所述辐照输出波长围封在所述系统中的至少一个门。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括操作以感测所述食品物项的位置的传感器。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述传感器包括感测所述食品物项的位置、食品的类型及所述食品物项的大小的相机。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述相机为红外线相机。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述传感器的输出用于确定围封的状态。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括用以将所述食品物项输送到所述辐照区中的传送系统。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括若干传感器，所述传感器操作以感测关于所述食品物项在以下各项中的至少一者时的至少一个方面并由于所述感测而采取行动：所述辐照之前、期间或之后。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述传感器包括感测所述食品物项的位置、食品类型及大小的相机。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个方面为温度、表面干燥度、色彩或大小。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述窄带辐照装置在700nm与1200nm之间某处的近红外线范围中产生其窄带辐照。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述窄带辐照装置在1200nm与3500nm之间的中红外线范围中产生至少一个窄带辐照带。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述窄带辐照装置在可见光范围中产生至少一个窄带辐照带。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述窄带辐照装置在高于3500nm下产生至少一个窄带辐照带。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个窄带基于半导体的辐射发射装置在两种不同窄带辐照波长下产生其窄带辐照，所述两种不同窄带辐照波长中的每一者经选择使得所述波长匹配可被辐照的所预期目标的吸收特性。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述食品物项的吸收特性在所述两种波长中的每一者的中心处为不同的。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括宽带辐照元件，所述宽带辐照元件经选择性地激活以用于除进行窄带加热以外还烹调所述食品物项。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述宽带辐照元件包括石英层、敏感加热元件及微波元件中的至少一者。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统使用至少两个(2)辐照带，其中的一者低于1400nm且其中的另一者高于1400nm。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统包括：烹调室，其具有用以安全地将辐照能量围封在所述烹调室内的配置，且可将食品物项定位到所述烹调室中以用于直接或间接辐照中的至少一者；结构，其用于至少部分地包封所述烹调室且用于接近于所述烹调区固持定向辐照装置使得来自所述辐照装置的辐照可进行以下各项中的至少一者：直接冲击所述食品物项或间接冲击所述食品物项；至少一个窄带基于半导体的发射装置，所述至少一个窄带基于半导体的发射装置经选择使得其辐照输出的波长匹配所述目标食品物项中的至少一者在所述波长下的至少一个吸收特性；及控制系统，其用于供应至少用以对所述窄带辐照装置进行数字控制的电流以基于以下各项中的至少一者而在所述室中提供所述辐照输出：用户接口设定、传感器输出或所述室为有效的且安全地围封所述辐照能量的确定。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个窄带基于半导体的辐射发射装置在两个不同窄带辐照波长下产生其窄带辐照，所述两个不同窄带辐照波长中的每一者经选择使得所述波长匹配可被辐照的所预期目标的吸收特性。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述控制系统包括操作以冷却系统电子器件的冷却系统。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括操作以向用户警示烹调或系统状态的通知系统。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述系统进一步包括操作以清除所述冷却室的湿气、烟气或蒸气中的至少一者的通风系统。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述通风系统包括风扇或催化剂。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述方法包括：将至少一个目标食品物项引入到所述辐照区中并对其进行定位，使得其可由辐射发射装置直接或间接辐照；安全地围封辐照区；在所述辐照区被安全围封时的周期期间从至少一个数字窄带基于半导体的辐照装置发射定向辐射；及在所述发射期间用匹配所述至少一个目标食品物项的吸收特性的至少一种窄带波长辐照所述至少一个食品物项。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述辐照所述至少一个食品物项包括依据定向发射而喷涂所述至少一个食品物项。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述方法进一步包括辐照一元件以给所述至少一个食品物项添加选定风味。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述发射包括使所述至少一个辐照装置产生脉冲。

在目前所描述实施例的另一方面中，至少一种窄带波长包括两个波长带，所述两个波长带是基于在所述波长带的每一中心处实质上不同的吸收特性而选择的。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述选定波长带的中心分离至少150nm。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一个窄带波长实现进入到所述食品物项中的深穿透。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一种窄带波长实现所述食品物项的表面加热。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述至少一种窄带波长在不加热所述食品物项的所述表面的情况下实现所述食品物项的深穿透。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述方法进一步包括使用宽带源来辐照所述至少一个食品物项。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述辐照实现所述食品物项的深穿透及所述食品物项的表面烘烤两者。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述方法包括：进行布置以使待烹调、熟化或干燥的食品物项处于接近于至少一个窄带、半导体带辐射发射器的辐照区中；从至少一个数字窄带基于半导体的辐射发射器装置在一波长下辐照所述食品物项达一时间周期，所述波长对应于所述食品物项在所述波长下的优选吸收特性；及通过感测所述食品物项在以下各项中的至少一者时的至少一个方面并由于所述感测而采取行动来控制所述辐照：所述辐照之前、期间或之后。

在目前所描述实施例的另一方面中，所述方法包括：将所述食品物项输送到烹调室中；在所述食品物项正被输送到所述烹调室中时感测所述食品物项的位置；检测所述食品物项处于所期望位置中；基于所述检测而停止所述输送；关闭所述烹调室以安全地围封所述室的容纳物；感测或输入所述食品物项的若干方面；基于所述感测或输入并基于烹调参数而确定烹调型式；基于所述烹调型式而从至少一个数字窄带基于半导体的辐射发射器装置在一波长下辐照所述食品物项达一时间周期，所述波长对应于所述食品物项在所述波长下的优选吸收特性；在所述辐照完成之后开启所述烹调室；及从所述烹调室中输送出所述食品物项。

附图说明

图1是展示吸收曲线的曲线图；

图2是展示吸收曲线的曲线图；

图3是窄带发射装置的图解说明；

图4是窄带发射装置的图解说明；

图5是窄带发射装置的图解说明；

图6是窄带发射装置的图解说明；

图7是窄带发射装置的图解说明；

图8是窄带发射装置的图解说明；

图9是窄带发射装置的图解说明；

图10是窄带发射装置阵列的图解说明；

图11是展示吸收曲线的曲线图；

图12是目前所描述实施例中的实施例的图解说明；

图13是目前所描述实施例中的实施例的图解说明；

图14是目前所描述实施例中的实施例的图解说明；

图15是图解说明“即时接通”装置对电阻加热装置的操作的曲线图；且，

图16是展示吸收对透射的图表。

具体实施方式

本发明揭示内容涵盖一种用于将数字窄带波长特定的热红外线(IR)能量直接注入到一系列加热、烹调、加工及熟化应用的食品及其它目标物项中的系统，所述应用包含适于面包、糕点、包装食品(package)、个别食谱组分、匹萨、肉类、海产品、禽肉、蔬菜、预先制备的食品或主食、其部分或组合或者各种其它加热过程的各种类型的烹调制备。实践本发明的目的可包含加热、提升或维持食品或其它物项的温度以导致烹调、烘焙、油炸、醒发、烘烤、加温、发酵、熟化及干燥以及食品或其它产品的制造或制备中所涉及的其它反应。本发明可尤其适用于需要借助引导、用脉冲输送或注入辐射光子能量而以特定选择的波长进行数字基于半导体的窄带辐照的实施方案或将从所述实施方案获益的操作。当应用需要高速度、高性能、高选择性或高能量效率中的至少一者(其可随着将本发明应用于不同应用而变化)时，此新的系统为特别有利的。

关于窄带辐射，可通过参看假想的辐射加热实例来图解说明提供波长特定辐照的益处。假设来自可见范围到中红外线范围的电磁辐射大体可透过的材料需要过程加热以支持某种制造操作。上文所描述的实例表示可如何针对实际应用最有利地应用目前所描述的实施例。仅产生如本发明内所描述的波长特定辐射能量输出的能力有希望大大改进(举例来说)加热、熟化或干燥食品物项的各种过程加热应用的效率。

本发明直接涉及一种能够以选定波长直接输出大量辐射以用于替换此模拟宽带类型加热装置(例如，用于食品加工)的目的的新颖且新式的方法。

还应注意，半导体处理技术的最近进展已导致在大体近红外线及中红外线范围中操作的直接电子/光子固态发射器的可用性。这些固态装置中的一些装置类似于常见发光二极管(LED)而操作，不过其不发射可见光而是以较长的近红外线及中红外线波长发射真正的热IR能量。这些装置中变得可用的第一种的一些装置表示利用量子点技术的全新类别的装置，所述装置已突破一直阻止产生可用作其输出为伪单色且在中红外线波长带中的直接电子/光子转换器的可用的具成本效益的固态装置的障碍。

为了区分此新类别的装置与常规较短波长装置(LED)，较适当地将这些装置描述为辐射(radiance)或辐射(radiation)发射二极管(RED)。所述装置具有在严格受限的波长范围中发射辐射电磁能量的性质。此外，经由恰当的半导体处理操作，可调谐RED以通过相应地匹配目标的吸收光谱而在最有利于特定辐射处理应用的特定波长下发射。

另外，涉及经掺杂平面区域的形成的RED技术创新已逐步形成，所述经掺杂平面区域与形成为用于在目标IR范围中且可能超过所述范围产生光子的随机分布的小材料区或量子点阵列的经相反掺杂区域接触。此制作方法或充分应用的例如形成新颖半导化合物的其它方法将产生用于本发明的适合伪单色固态中红外线发射器。替代半导体技术还可在将为借以实践本发明的适合构建块的中红外线以及长波长红外线两者中变为可用的。

这些所描述实施例内所涵盖的直接电子(或电流)/光子转换在与此所制作二极管发射器的本质带隙及量子点几何形状一致的经常称为伪单色的窄波长范围内发生。预期，候选RED发射器的半功率带宽将落在20纳米到500纳米范围内的某处。此类型的红外线发射器的窄宽度应支持本完整发明的内容内所识别的多种波长特定辐照应用。一个种类的RED装置及借以制作所述装置的技术为以下申请案的主题：2004年11月16日提出申请的标题为“Quantum Dot Semiconductor Device(量子点半导体装置)”且将萨玛·申哈利(Samar Sinharoy)及大卫·伊维德(Dave Wilt)指名为发明人的单独专利申请案第60/628,330号美国申请案(代理人档案号ERI.P.US0002；快递邮件标签号EL 726091609US)(也在2005年11月16日作为第11/280,509号美国申请案提出申请)，所述申请案以引用的方式并入本文中。

根据此“量子点半导体装置”申请案，此项技术中已知半导体装置。所述半导体装置用于将电磁辐射转换为电的光伏打电池中。这些装置还可用作将电能转换成电磁辐射(例如，光)的发光二极管(LED)。对于大多数半导体应用，将所期望带隙(电子伏特)或所期望波长(微米)作为目标，且以一方式制备半导体使得其可满足所期望带隙范围或波长范围。

实现特定发射波长或能量电子伏特的能力并非小事。实际上，半导体由特定材料的选择、其能隙、其晶格常数及其内在发射能力限制。已用以修整半导体装置的一种技术为采用二元或三元化合物。通过使装置的组成特性变化，已工程设计出技术上有用的装置。

还可操纵半导体装置的设计以修整所述装置的行为。在一个实例中，所述半导体装置内可包含量子点。认为这些点对势垒进行量子局限且借此与同一半导体的块体样本相比更改光子发射的能量。举例来说，第6,507,042号美国专利教示包含量子点层的半导体装置。具体来说，其教示沉积在砷化铟镓(In_xGa_1-xAs)层上的砷化铟(InAs)量子点。此专利揭示，与量子点相关联的光子的发射波长可通过控制量子点(即，InAs)与所述点沉积到的层(即，In_xGa_1-xAs)之间的晶格失配量来控制。此专利还揭示以下事实：In_xGa_1-xAs衬底与InAs量子点之间的晶格失配可通过更改In_xGa_1-xAs衬底内铟的水平来控制。随着In_xGa_1-xAs衬底内铟的量增加，失配程度降低，且与光子发射相关联的波长增加(即，能隙降低)。实际上，此专利揭示，衬底内铟的量从大约10％到大约20％的增加可使相关联光子的波长从大约1.1μm增加到大约1.3μm。

尽管第6,507,042号美国专利中所揭示的技术可证明在提供可发射或吸收具有大约1.3μm的波长的光子的装置中为有用的，但增加In_xGa_1-xAs衬底内铟的量的能力为有限的。换句话说，随着铟的水平增加高于20％、30％或甚至40％，晶体结构内的不完整性或缺陷的程度变为限制性。在In_xGa_1-xAs衬底沉积在砷化镓(GaAs)衬底或晶片上的情况下，尤其如此。因此，无法通过采用第6,507,042号美国专利中所揭示的技术来实现发射或吸收较长波长(较低能隙)的光子的装置。

因此，因为具有发射或吸收比1.3μm长的波长的光子的半导体装置将为合意的，所以保持对此性质的半导体装置的需要。

一般来说，RED提供包括以下各项的半导体装置：In_xGa_1-xAs层，其中x为从大约0.64重量％到大约0.72重量％的铟的摩尔分数；及位于所述In_xGa_1-xAs层上的量子点，其中所述量子点包括InAs或Al_zIn_1-zAs，其中z为小于大约5重量％的铝的摩尔分数。

此还包含包括以下各项的半导体装置：量子点，其包括InAs或Al_zIn_1-zAs，其中z为小于大约5重量％的铝的摩尔分数；及包覆层，其接触所述量子点的至少一部分，其中所述量子点与所述包覆层的晶格常数失配至少1.8％且小于2.4％。

所述半导体装置包含包括砷化铟镓(In_xGa_1-xAs)层上的砷化铟(InAs)或砷化铝铟(Al_zIn_1-zAs，其中z等于或小于0.05)量子点的量子点层，所述砷化铟镓(In_xGa_1-xAs)层可称为In_xGa_1-xAs基质包层。所述点与所述In_xGa_1-xAs基质层的晶格常数失配。所述晶格失配可为至少1.8％，在其它实施例中，为至少1.9％，在其它实施例中，为至少2.0％，且在其它实施例中，为至少2.05％。有利地，所述失配可为小于3.2，在其它实施例中，小于3.0％，在其它实施例中，小于2.5％，且在其它实施例中，小于2.2％。在一个或一个以上实施例中，In_xGa_1-xAs基质包层的晶格常数小于所述点的晶格常数。

在其中所述点位于In_xGa_1-xAs包覆基质上的那些实施例中，此包覆基质层内铟的的摩尔浓度(即，x)可为从大约0.55到大约0.80、任选地从大约0.65到大约0.75、任选地从大约0.66到大约0.72且任选地从大约0.67到大约0.70。

在一个或一个以上实施例中，In_xGa_1-xAs包覆基质位于与In_xGa_1-xAs包覆基质晶格匹配的砷化铟磷(InP_1-yAs_y)层上。在一个或一个以上实施例中，In_xGa_1-xAs包层沉积到的InP_1-yAs_y层为具有存在于In_xGa_1-xAs包层与其上支撑半导体的衬底之间的多个分级(连续或离散)InP_1-yAs_y层的层。在一个或一个以上实施例中，所述衬底包括磷化铟(InP)晶片。所述半导体还可包含定位于In_xGa_1-xAs包层与所述衬底之间的一个或一个以上其它层，例如In_xGa_1-xAs层。

图3中展示一个实施例。图3以及其它各图为示意性表示且并非相对于每一层或组件的厚度或者相对于每一层之间的相对厚度或尺寸相当地按比例绘制。

装置1000包含衬底1020、任选传导层1025、缓冲结构1030、包覆层1040及点层1050。如所属领域的技术人员了解，一些半导体装置通过将电流转换成电磁辐射或将电磁辐射转换成电流而操作。此项技术中已知控制这些装置内的电磁辐射或电流的能力。本发明不必更改这些常规设计，制造或设计半导体装置的技术中已知所述常规设计中的许多设计。

在一个实施例中，衬底1020包括磷化铟(InP)。InP衬底1020的厚度可大于250微米，在其它实施例中大于300微米，且在其它实施例中大于350微米。有利地，所述厚度可小于700微米，在其它实施例中小于600微米，且在其它实施例中小于500微米。

在一个或一个以上实施例中，所预想的半导体装置可任选地包含外延生长的磷化铟(InP)层。此外延生长的磷化铟层的厚度可为从大约10纳米到大约1微米。

在一个实施例中，任选传导层1025包括砷化铟镓(In_xGa_1-xAs)。此层内铟的摩尔浓度(即，x)可为从大约0.51到大约0.55、任选地从大约0.52到大约0.54，且任选地从大约0.53到大约0.535。在一个或一个以上实施例中，传导层1025与InP衬底晶格匹配。

传导层1025可经掺杂为给定值且具有适当厚度以便提供给定装置的充足导电性。在一个或一个以上实施例中，所述厚度可为从大约0.05微米到大约2微米、任选地从大约0.1微米到大约1微米。

在一个或一个以上实施例中，缓冲层1030包括砷化铟磷(InP_1-yAs_y)。在某些实施例中，缓冲层1030包括至少两个、任选地至少三个、任选地至少四个且任选地至少五个InP_1-yAs_y层，其中每一层的晶格常数随着所述层被定位成更远离衬底1020而增加。举例来说，且如图4中所描绘，缓冲结构1030包含第一缓冲层1032、第二缓冲层1034及第三缓冲层1036。缓冲结构1030的底部层表面1031邻近于衬底1020，且缓冲结构1030的顶部平面表面1039邻近于势垒层1040。第二层1034的晶格常数大于第一层1032，且第三层1036的晶格常数大于第二层1034。

如所属领域的技术人员将了解，缓冲结构1030的个别层的晶格常数可通过更改连续层的组成而增加。在一个或一个以上实施例中，InP_1-yAs_y缓冲层中砷的浓度在每一连续层中增加。举例来说，第一缓冲层1032可包含大约0.10到大约0.18摩尔分数的砷(即，y)，第二缓冲层1034可包含大约0.22到大约0.34摩尔分数的砷，且第三缓冲层1036可包含大约0.34到大约0.40摩尔分数的砷。

在一个或一个以上实施例中，邻近缓冲层之间(例如，层1032与层1034之间)砷的增加小于0.17摩尔分数。相信，连续缓冲层之间所形成的任何缺陷(可因由于砷含量的增加引起的晶格常数改变而产生)将不有害于半导体。已知用于使用以此方式进行临界组成分级的技术，如以引用的方式并入本文中的第6,482,672号美国专利中所描述。

在一个或一个以上实施例中，第一缓冲层1032的厚度可为从大约0.3微米到大约1微米。在一个或一个以上实施例中，顶部缓冲层大体较厚以确保晶格结构的完全松弛。

在一个或一个以上实施例中，缓冲结构1030的顶部1039处或附近的个别缓冲层(例如，缓冲层1036)经工程设计以具有从大约

到大约

任选地从大约

到大约

的晶格常数。

在一个或一个以上实施例中，缓冲结构1030的底部1031处或附近的个别缓冲层(例如，缓冲层1032)优选地在临界组成分级技术的局限内工程设计。换句话说，因为第一缓冲层(例如，缓冲层1032)沉积于InP晶片上，所以存在于第一缓冲层(例如，层1032)内的砷的量小于17摩尔分数。

包覆层1040包括In_xGa_1-xAs。在一个或一个以上实施例中，此层优选地与缓冲结构1030的顶部1039处或附近的顶部缓冲层的平面内晶格常数晶格匹配，术语“晶格匹配”是指特征在于在彼此的百万分之500(即，0.005％)内的晶格常数的连续层。

在一个或一个以上实施例中，包覆层1040可具有从大约10埃到大约5微米、任选地从大约50纳米到大约1微米且任选地从大约100纳米到大约0.5微米的厚度。

在一个或一个以上实施例中，量子点层1050包括砷化铟(InAs)。层1050优选地包含润湿层1051及量子点1052。润湿层1051的厚度可为一个或两个单层。在一个实施例中，从层1050的底部1053与点1055的尖峰测量的点1052的厚度可为从大约10nm到大约200nm、任选地从大约20nm到大约100nm且任选地从大约30nm到大约150nm。而且，在一个实施例中，点1052的平均直径可大于10nm、任选地大于40nm且任选地大于70nm。

在一个或一个以上实施例中，量子层1050包含多个点层。举例来说，如图5中所示，量子点1050可包含第一点层1052、第二点层1054、第三点层1056及第四点层1058。每一层包括砷化铟InAs，且分别包含润湿层1053、1055、1057及1059。每一点层同样包含点1055。每一点层(包含润湿层及点)的特性大致类似，但其不需要为等同的。

点层1052、1054、1056及1058中的每一者之间分别安置有中间包覆层1062、1064、1066及1068。这些中间包覆层包括In_xGa_1-xAs。在一个或一个以上实施例中，In_xGa_1-xAs中间包覆层大致类似于或等同于包覆层1040。换句话说，所述中间包覆层优选地与势垒层1040晶格匹配，势垒层1040优选地与项部缓冲层1036晶格匹配。在一个或一个以上实施例中，中间层1062、1064、1066及1068的厚度可为从大约3nm到大约50nm、任选地从大约5nm到大约30nm且任选地从大约10nm到大约20nm。

如上文所提及，环绕量子点层的各种层可经正掺杂或负掺杂以操纵电流。此项技术中已知用于操纵半导体装置内的电流的技术，举例来说，如以引用的方式并入本文中的第6,573,527号、第6,482,672号及第6,507,042号美国专利中所描述。举例来说，在一个或一个以上实施例中，可通过采用锌、碳、镉、铍或镁而将区域或层掺杂为“p型”。另一方面，可通过采用硅、硫、碲、硒、锗或锡而将区域或层掺杂为“n型”。

可通过采用此项技术中已知的技术来制备所预想的半导体装置。举例来说，在一个或一个以上实施例中，可通过采用有机金属气相外延(OMVPE)来制备各种半导体层。在一个或一个以上实施例中，通过采用例如史传斯基-克拉斯担诺夫模式(Stranski-Krastanov mode，S-K模式)的自形成技术来制备所述点层。此技术描述于以引用的方式并入本文中的第6,507,042号美国专利中。

图6中展示包含量子点层的辐射发射二极管(RED)的一个实施例。RED 1100包含基极触点1105、红外线反射器1110、半绝缘半导体衬底1115、n型横向传导层(LCL)1120、n型缓冲层1125、包覆层1130、量子点层1135、包覆层1140、p型层1145、p型层1150及发射极触点1155。基极触点1105、红外线反射器1110、半绝缘半导体衬底1115、n型横向传导层(LCL)1120、n型缓冲层1125、包覆层1130、量子点层1135及包覆层1140类似于上文所描述的那些半导体层。

基极触点1105可包含众多高导电材料。示范性材料包含金、金-锌合金(尤其在邻近于p区域时)、金-锗合金或金-镍合金或铬-金(尤其在邻近于n区域时)。基极触点1105的厚度可为从大约0.5微米到大约2.0微米。可使用钛或铬薄层来增加金与电介质材料之间的粘合性。

红外线反射器1110包括反射材料且任选地包括电介质材料。举例来说，可采用氧化硅作为所述电介质材料，且可在其上沉积金作为红外线反射材料。反射器1110的厚度可为从大约0.5微米到大约2微米。

衬底1115包括InP。衬底1115的厚度可为从大约300微米到大约600微米。

横向传导层1120包括与InP衬底1115晶格匹配(即，在500ppm内)的In_xGa_1-xAs。而且，在一个或一个以上实施例中，层1120经n掺杂。优选掺杂剂为硅，且优选的掺杂浓度程度可为从大约1E19/cm³到大约3E19/cm³。横向传导层1120的厚度可为从大约0.5微米到大约2.0微米。

缓冲层1125以与上文所描述的方式一致的方式包括三个InP_1-yAs_y分级层。层1125优选地经n掺杂。优选掺杂剂为硅，且掺杂密度可为从大约0.1E19/cm³到大约3E9/cm³。

包覆层1130包括与缓冲层1125的顶部(即，其第三等级或子层)的平面内晶格常数晶格匹配(即，在500ppm内)的In_xGa_1-xAs。在一个或一个以上实施例中，In_xGa_1-xAs包覆层1130包括从大约0.60％到大约0.70％摩尔分数的铟。包覆层1130的厚度为大约0.1微米到大约2微米。

量子点层1135包括如上文关于本发明的教示内容所描述的InAs点。与先前实施例一样，每一点层之间的中间层包含类似于包覆层1130(即，晶格匹配)的In_xGa_1-xAs包层。在一个或一个以上实施例中，一个或一个以上连续中间包覆层中铟的量可包含比包覆层1130或者先前或较低中间层少的铟。

包覆层1140包括与缓冲层1125的顶部(即，其第三等级或子层)晶格匹配(即，在500ppm内)的In_xGa_1-xAs。

局限层1145包括与In_xGa_1-xAs层1140晶格匹配的InP_1-yAs_y。而且，在一个或一个以上实施例中，层1145经p掺杂。优选掺杂剂为锌，且掺杂浓度可为从大约0.1E19/cm³到大约4E19/cm³。局限层1145的厚度可为从大约20nm到大约200nm。

接触层1150包括与局限层1145晶格匹配的In_xGa_1-xAs。接触层1150优选地经p掺杂(例如，用锌掺杂)。掺杂浓度可为从大约1E19/cm³到大约4E19/cm³。接触层1150的厚度为从大约0.5微米到大约2微米。可从整个表面(底层1155除外)移除接触层1150。

发射极触点1155可包含任何高导电材料。在一个或一个以上实施例中，所述导电材料包含金/锌合金。

图7中展示另一实施例。半导体装置1200被配置为在p区域内具有隧道结的辐射发射二极管。此设计有利地实现较低电阻接触及较低电阻电流分布。半导体1200的许多方面类似于图6中所示的半导体1100。举例来说，触点1205可类似于触点1105，反射器1210可类似于反射器1110，衬底1215可类似于衬底1115，横向传导层1220可类似于传导层1120，缓冲层1225可类似于缓冲层1125，包覆层1230可类似于包覆层1130，点层1235可类似于点层1135，包覆层1240可类似于包覆层1140，且局限层1245可类似于局限层1145。

隧道结层1247包括与局限层1245晶格匹配的In_xGa_1-xAs。隧道结层1247的厚度为大约20nm到大约50nm。隧道结层1247优选地经p掺杂(例如，用锌)，且掺杂浓度可为从大约1E19/cm³到大约4E19/cm³。隧道结层1250包括与隧道结1247晶格匹配的In_xGa_1-xAs。隧道结层1250的厚度为从大约20nm到大约5,000nm。隧道结层1250优选地经n掺杂(例如，硅)，且掺杂浓度为从大约1E19/cm³到大约4E19/cm³。

发射极触点1255可包含多种导电材料，但优选地包括对于n区域来说为优选的那些材料，例如铬-金、金-锗合金或金-镍合金。

图8中展示RED的另一实施例。半导体装置1300以类似于图7中所示的辐射发射二极管的方式被配置为RED，只不过可至少部分地由于不存在基极反射器(例如，不存在例如图7中所示的1210的反射器)而穿过半导体装置的衬底发射电磁辐射。而且，图8中所示的半导体装置1300包含发射极触点/红外线反射器1355，其为覆盖装置的整个表面(或实质上全部表面)的“全触点”。

在所有其它方面中，装置1300类似于装置1200。举例来说，触点1305可类似于触点1205，衬底1315可类似于衬底1215，横向传导层1320可类似于传导层1220，缓冲层1325可类似于缓冲层1225，包覆层1330可类似于包覆层1230，点层1335可类似于点层1235，包覆层1340可类似于包覆层1240，且局限层1345可类似于局限层1245，隧道结层1347类似于隧道结层1247，隧道结层1350类似于隧道结层1250。

还可在激光二极管的制造中采用所预想的半导体技术。图9中展示示范性激光器。激光器1600包含触点1605，触点1605可包括例如金-铬合金的任何导电材料。接触层1605的厚度为从大约0.5微米到大约2.0微米。

衬底1610包括优选地以大约5E18/cm³到大约10E18/cm³的浓度经n掺杂的磷化铟。衬底1610的厚度为从大约250微米到大约600微米。

任选外延磷化铟层1615优选地以大约0.24E19/cm³到大约1E19/cm³的浓度经n掺杂。外延层1615的厚度为从大约10nm到大约500nm。

分级InP_1-yAs_y层1620类似于图2中所示的分级InP_1-yAs_y缓冲物。缓冲物1620优选地以大约1E18/cm³到大约9E18/cm³的浓度经n掺杂。

层1625与1630形成波导1627。层1625包括磷砷化铟镓(In_1-xGA_xAs_zP_1-z)。层1630同样包括In_1-xGA_xAs_zP_1-z。层1625及1630两者与层1620的顶部晶格匹配。换句话说，层1625及1630包括大约0到大约0.3摩尔分数的镓及0到大约0.8摩尔分数的砷。层1625为大约0.5微米到大约2微米厚，且以大约1-9E18/cm³的浓度经n掺杂。层1630为大约500nm到大约1,500nm，且以大约0.5E18/cm³到1E18/cm³的浓度经n掺杂。

局限层1635、点层1640及局限层1645类似于上文关于其它实施例所描述的点层及局限层。举例来说，局限层1635类似于图3中所示的局限层1040且点层1640类似于点层1050。在一个或一个以上实施例中，激光装置的点区域内所采用的点层的数目超过5个点层、任选地超过7个点层，且任选地超过9个点层(例如，循环)。局限层1635及1645可具有从大约125nm到大约500nm的厚度且与波导晶格匹配。层1635、1640及1645优选地未经掺杂(即，其为本质的)。

层1650与1655形成波导1653。以类似于层1625及1630的方式，层1650及1655包括与缓冲物1620的顶部晶格匹配的In_1-xGA_xAs_zP_1-z。层1650为大约500nm到大约1,500nm，以大约0.5E18/cm³到大约1E18/cm³的浓度经p掺杂。层1655为大约1微米到大约2微米厚且以大约1E18/cm³到大约9E18/cm³的浓度经p掺杂。

在一个实施例中，层1660为类似于缓冲层1620的缓冲层。也就是说，砷的摩尔分数随着每一等级更远离量子点而降低。层1660优选地以1-9E18/cm³的浓度经p掺杂。

层1665包括磷化铟(InP)。层1665的厚度为大约200nm到大约500nm厚且优选地以大约1E19/cm³到大约4E19/cm³的浓度经p掺杂。

层1670为类似于先前实施例中所描述的其它接触层的接触层。

在其它实施例中，层1660、1665及1670可类似于关于其它实施例所描述的其它配置。举例来说，这些层可类似于图6中所示的层1145、1150及1155。或者，可将类似于图7中所示的1245、1247、1250及1255的层替代成层1660、1665及1670。

所属领域的技术人员将明了不背离这些装置实施例的范围及精神的各种修改及更改形式。

当然，应了解，在一种形式中，本文中的开发形式并入有如所描述的RED元件。然而，应理解，如本文件中较早所提及，可采用各种其它数字基于半导体的窄带装置技术。举例来说，在从1.6微米到5.0微米的范围中操作的中IR LED为已知的，且正快速变得以更大功率可用但并不如较短波长装置广泛可用。另外，可在做出适合修改的情况下采用各种半导体激光器及激光二极管。如还提及，正在开发或可能已开发用于以对本文中所描述的应用有利的波长高效地产生有限带宽辐照的其它使能技术。这些窄带装置中的任一者为供在实践本发明中使用的潜在候选者。

实际上，对于特定应用，其有时将需要部署许多适合装置以便具有充足辐照振幅。同样，在一种形式中，这些装置将为RED装置。在本发明的大多数热应用中，此类装置通常将部署成某一种类的高密度x×y阵列或部署成多个x×y阵列，所述阵列中的一些阵列可采取个别RED装置的定制布置的形式。所述阵列可介于从单装置到更通常地数百个、数千个或无限数目个装置阵列的范围内，此视所使用装置的类型及大小、所需的输出及本发明的特定实施方案所需要的波长而定。RED装置通常将安装于具有至少热耗散能力(如果不是特殊的热移除设备)的电路板上。经常，RED装置将以非常高的密度/非常接近的部署安装于此类电路板上。可利用裸片安装及电路板构造的最近创新以在高功率应用为合意的地方使密度最大化。举例来说，与倒装芯片一起使用的此类技术有利于此类目的。虽然RED装置的效率对于此独特类别的二极管装置来说为良好的，但大部分电能输入将被直接转换成局部热。较短波长装置趋向于具有比较长波长装置实质上更高的效率。9XX纳米范围中的近红外线波长装置中的一些装置已实现超过70％的壁式插头效率。较长波长装置正在改进效率，但将永不可能和较短波长装置一样高效。不论壁式插座效率如何，都必须将废热传导远离半导体结以防止过加热且烧坏个别装置。对于最高密度阵列，其可能使用具有主动及/或被动冷却的集成电路或倒装芯片或板上芯片封装技术。为了实际性及定位灵活性，经常将使用多个电路板。x×y阵列还可包括表示从(举例来说)可见光谱的底部端到高达5微米的范围中的至少两种不同的选定红外线辐射波长的RED装置的混合。

对于大多数应用，RED装置将有利地部署成各种大小的阵列，所述阵列中的一些阵列可本质上为三维的或非平面的以更佳地辐照某些类型的目标。此种情况是由于至少以下原因：

1.通过组合多个装置的输出而提供充足的输出功率。

2.实现在比单个装置可恰当辐照的表面大的表面上的足够输出‘散布’。

3.提供RED装置阵列的可编程性可给应用带来的功能性。

4.允许混合成出于本文件中所描述的许多功能原因而调谐到不同指定波长的阵列装置。

5.促进使输出的‘几何形状’与可包含所期望辐照的优选角度的特定应用要求匹配。

6.促进使装置安装位置、辐射角度及经济性与应用要求匹配。

7.促进输出与移动目标的同步或其它‘输出运动’。

8.适应具有共用控制电路的驱动装置群组。

9.适应多级加热技术。

10.促进装置在其阵列配置中的恰当冷却。

作为设计配置的一部分，当然必须做出许多决策，但一个重要的决策为是否将相对于待加热或烹调的目标物项移动辐照装置或者是否辐照装置将为固定的且将移动目标物项。还可谋划出这些决策的某个组合以优化设计参数。举例来说，具有长而线性装置阵列(或非常长的单个装置)为合理的，其可随着发生辐射源或目标的移动而在目标物项上方、下方或以其它方式接近于目标物项移动以“辐照一辐带”。此将感觉类似于正在正被喷涂的目标上方移动的线性涂料喷头。显而易见，正如优秀的涂料喷洒艺术家将以多种不同方式移动一样，可并入有任何数目个设计以使得这些相对运动对于应用来说为适当的。

因此，实际上存在可布置辐照配置的三种一般方式。可针对所述应用设计大的二维或三维阵列。可设计具有适合于所述应用的大小及长度的线性一维阵列。或者，第三种方式将利用这些窄带装置的高定向性质以使用对准且指向目标的一个或一个以上点源。后者将包含使用伺服控制的或检流计移动的镜或偏转器以视需要使能量瞄准。稍后本文件中具有可如何应用此类型的辐照的实例。由于二极管的典型的最终使用，已以通过减小结的大小来使成本最小化的方式制造二极管。因此，其需要与成本直接相关的较少半导体晶片面积。RED装置的最终使用经常将需要以较多光子形式输出的实质辐射能量。已建立如下理论：可借助形成大的光子产生占用面积结区的创造性方式来制造RED。通过如此操作，将可能产生能够持续显著较高的中红外线辐射输出的RED装置。如果此类装置可用，那么实践本发明所需要的RED装置的绝对数目可减小。然而，假定与新装置中的许多装置相关联的上升的高功率输出，那么可借助减小数目个装置或甚至细到单个装置来实现本发明的应用将未必是合意的或实际的。对于较低功率应用、单波长应用或在RED装置可制造有充足输出能力的情况下，此可借助单个装置来实践。由于RED可经常采取激光二极管的形式，因此单个装置的额外功率输出为相当现实的。一个制造商已证实，在975nm下，其能够制造相当大的高效表面发射装置。举例来说，可为1mm×25mm的发射面积的一个装置可能够产出超过60光学瓦特的辐射功率。安装于恰当冷却的电路板上的十个此种装置可以将非常适用于本文中所描述的烹调或炉应用中的许多应用的非常紧凑的封装产出600光学瓦特。

类似地，可将以上装置阵列制造为集成电路。在此实施方案中，RED将排列在单片硅、砷化镓或磷化铟或者其它适合衬底的局限内，但具有多个结，借此每一结用作芯片上的光子转换输出位点。所述RED可类似于使用球栅阵列实现电连接及安装的其它集成电路封装。可接着使用此类装置封装作为阵列，从而促进用于连接到控制系统及由所述控制系统控制的所期望电连接。同样，设计参数为对结温度的控制，在当前化学品的情况下，在开始发生损坏之前，所述结温度应不允许达到约100℃到105℃。预期，未来的化学品化合物可具有增加的热公差，但热必须始终保持低于所采用装置的临界损坏范围。所述RED可进一步个别地或多个地部署于电路板上，或者在应用及经济性的决定下所述RED可排列为更高层级装置阵列。

在这些装置配置成任一类型的阵列的情况下，非常接近于窄带辐照阵列安装微透镜阵列以便视需要使辐射能量弯曲可为合意的。举例来说，装置阵列可具有总包含角度为35°的输出发散度，而对于一应用来说，使用10°的发散角度可为更合意的。微透镜阵列中的每一透镜或小透镜可负责将输出能量折射回成10°的发散角度。许多基于半导体的窄带装置(例如激光二极管)将通常具有所谓的快轴及慢轴两者。也就是说，针对每一装置，沿或许垂直方向的光子输出的发散度可不同于沿水平方向的发散度。举例来说，一些装置沿一个轴具有平行射线，而沿另一轴具有或许15°的发散度。尽管可借助透镜或微透镜阵列来改变发散角度，但由于此操作而存在一些能量损耗，因此如果可使用自然发散度而不进行校正，那么如此操作为最佳的。

在设计用于将窄带基于半导体的装置部署成辐照阵列的最佳配置时，不论所述装置的形状因子如何，设计者都必须从商业及技术两个观点来考虑整个范围的变量及其如何与应用相关。待鉴于目标应用考虑的其它变量中的一些变量包含封装、部署便易性、制造方法、成本、电子连接性、控制可编程性/功率考虑因素、装置几何形状、输出发散度规范、冷却要求、部署环境、装置保护、反射能量、电力投送、电源、串电压、串几何形状、辐照要求、安全性及适当领域的技术人员将理解的许多其它变量。

所有原材料、物质及食品在电磁光谱内的各种波长下均具有与其相关联的特定吸收与透射特性。此经常称为物项的吸收光谱。每一材料还具有特有的红外线反射、漫射及发射性质，但为了实际简化本发明的实践，此处将不花费时间来论述这些性质，而由于本发明主要是由吸收/透射性质驱动的，因此必须考虑所有这两种性质。可针对任何特定材料测量在任何给定波长下的吸收百分比并将其制成图表。那么可在宽广的波长范围内以曲线图展示所述吸收百分比，如本文件中稍后更详细地解释及例示。由于每一类型的材料在不同波长下均具有特有的吸收或透射性质，因此为了最佳的热过程优化，知晓这些材料性质非常有价值。应认识到，如果某一材料或目标在某一波长范围中为高透射性，那么设法在所述波长范围中加热所述材料将为非常低效的。然而，应理解，对于一些目标，选择材料为高透射性以促进在能量已消失之前进入到物项中的深穿透所处的波长可为合意的。相反，如果材料在某一波长下太具吸收性，那么辐射加热的施加将导致材料的表面加热。此现实对于一些应用来说可为非常合意的。举例来说，在看见牛排的外表面或烘烤面包产品的外表面为合意的情况下。对于为低效热导体的材料或食品物项，此表面吸收的波长通常并非加热的最优方式，因为其将不在深穿透或均匀地穿过目标材料的厚度的情况下进行加热。

许多年来，以下事实在此项技术中已众所周知：各种材料、物质及食品在各种波长下具有特定的辐射能量吸收或透射特性。然而，由于可在特定波长或波长组合下指定的高功率数字窄带红外线源不可用，因此历史上尚不可能充分优化现有加热或加工操作中的许多操作。由于将特定波长的红外线辐射递送到产品并不实际，因此许多制造商未意识到在何种波长下会最合意地加热或加工其特定产品。

历史上，在特定波长下或在窄带范围中产生相对高的红外线辐射密度的能力对工业来说完全是不可用的。因此，由于此类型的加热或加工优化尚不可用，因此大多数制造商或各种类型炉的设计者尚未预期到所述优化。预期，此波长特定红外线辐射功率的可用性将开辟全新的方法、过程及优化的烹调。本发明将使得此类新过程成为实际的且将提供远达到宽广范围的应用的灵活性的实施方案技术。尽管预期本发明的首先利用将是在商业或工业应用中，但还应认识到，将存在商业及消费型食品加工与烹调方面的许多应用以及整个范围的医学及消费型应用。

预期，这些开发形式将非常适用作宽带气体、电阻及石英红外线加热灯泡或当前广泛使用的其它常规加热装置的替代方案。此类石英灯泡用于一系列熟化与烹调应用。这些开发形式不仅可用作石英红外线灯或其它常规加热装置的现有功能性的替代方案，而且可预想出其添加在当前技术的情况下为完全不可用的实质额外功能性。

相比之下，所提及的开发形式可以不断激励模式或替代地数字脉冲模式产生辐射能量。由于本发明的基本基于半导体的装置为数字的且具有以纳秒度量的极其快的响应时间，因此在需要能量时接通其且在不需要能量时关断其可为实质上更高能效的。当待烹调、熟化或加热的目标组件在辐照区内时，可引导装置并以进行上述操作所需要的确切量精确地致动所述装置。当调用此数字窄带加热技术时，预加热及炉升温时间不适用。

能够对红外线源的严格受限波长进行脉冲激励的附加功能性可导致与许多常规宽带辐射加热或烹调应用相比总体能量效率的显著改进。举例来说，通过适合地调制个别红外线辐射发射装置(RED)或其阵列的激励时间，可在个别目标移动经过大的红外线阵列源时追踪所述目标。换句话说，最接近且对准目标装置的红外线发射装置将为将经激励的装置。在目标组件或区域向前移动时，可使“激励波”沿阵列向下通过。

在正如同热成型一样将材料烹调或熟化成将具有变化的厚度或形状的情况下，将较多热输入施加到较厚或具有较紧凑形状的区中可为合意的。类似于在其中某些区与将较适中成型或根本不成型的区相比将被较紧凑成型的热成型中。通过正确地设计红外线发射器阵列的配置，不仅可使所有装置同时被激励，而且可非常策略性地对其进行激励以对应于待加热的区的形状。举例来说，对于不断移动的生产线，编程可以与待加热的目标区域的同步运动可编程地移动的特殊形状的所期望热分布区可为最合意的。考虑如图10中所示的需要加热的相框形区。在此情况下，将可能具有处于所期望辐射强度下的类似相框形装置阵列(402)，所述所期望辐射强度将与目标热成型薄片(401)的移动同步地可编程地沿所述阵列向下移动。通过使用编码器来追踪例如(401)热成型薄片的产品的移动，可使用众所周知的电子器件同步技术根据可编程控制器或计算机的指令在所期望强度下接通恰当装置。所述阵列内的装置可由控制系统接通以便以“连续”模式或“脉冲”模式实现其所期望输出强度。任一模式均可依据时间来调制强度以达到最合意的输出条件。此控制可为对装置群组或细到个别RED装置的控制。对于特定应用，可不需要对细到个别RED装置的粒度控制。在这些实例中，可将RED装置布线成最期望几何形状的若干串。接着可随应用要求的决定可编程地控制这些串或串群组。实际性有时将决定以群组或串方式驱动RED装置，以促进最方便的电压且减小个别装置控制的成本。

可简单地通过以开环配置供应电流来控制RED串或阵列，或者可采用更复杂的控制。任何特定应用的事实密集评估将决定适当的窄带红外线辐射控制的量及水平。就决定了复杂或精确控制来说，控制电路可不断地监视并调制输入电流、电压或特定输出。可通过直接测量红外线阵列的输出或替代地与红外线辐射的目标物件相关联的某个参数来实施对最合意辐射输出或结果的监视。此可通过从并入简单热电偶或高温计直到可采取(举例来说)红外线相机形式的更加复杂技术的连续的不同技术来执行。所属领域的技术人员将能够建议一种对于本发明的特定应用来说在经济上明智且合理的特定闭环监视技术。

可并入直接及间接监视方法两者。举例来说，如果正出于达到可成型温度范围的目的而加热特定材料，那么测量使所述材料成型所需要的力并使用所述数据作为用于调制红外线辐射阵列的反馈的至少一部分可为合意的。可能有用以促进本发明的输出的优化及控制的许多其它直接或间接反馈手段。

本发明的本申请案在于食品的制备加工或分期保存。当然，在整个人类历史中已在食品的制备中使用非常宽广范围的不同类型的炉及加热系统。由于所述炉及系统中的大多数为众所周知的，因此描述全范围的此类炉及加热系统就超出本专利申请案的范围。明显地除了利用非红外线/非热源烹调技术的微波烹调外，几乎所有其它烹调技术均利用各种类型的宽带加热源。此类炉中所使用的红外线加热源及元件为宽带源。所述宽带源并不具有产生可最有利于特定烹调情形或正烹调的产品的特定波长的红外线能量的能力。

炉中另一常用的红外线热源为石英或石英卤素灯。当然此热源可采取许多形式，但最常以笔直或圆形管状形式使用。此类型灯中的电丝装纳在石英玻璃管状元件内部。石英灯及石英红外线灯在工业中及消费型产品中为众所周知的，且存在关于基本概念的众多变化形式。所述形式中的一些形式改变输出曲线的中心波长以更多地朝向可见光光谱或朝向近红外线光谱或在一些情况下甚至朝向中红外线来推动所述中心波长。然而，在所有情况下，石英灯辐射源都为宽带源。其全宽半最大输出始终大于2500nm。许多源具有远超过4000nm的实质输出。出于将所述输出与本发明对比的目的，明显地，此和在各种类型炉中使用或已经教示以在各种类型炉中使用的所有其它基于热的源一样为宽带源。

已充分认识到，存在用于炉中及用于烹调的三种常见加热模式。其为传导、对流及辐射能量转移。所述三种加热模式经常以某种方式互连，但首先具体地谈论传导。传导加热涉及通过一种介质与另一种介质之间的接触进行的直接热转移。适用于烹调的最常见传导实例将为煮。也就是说，将待加热或烹调的物项浸没到热的或煮沸的液体(例如水或油)中。在传导为所选的加热方法时使用液体的主要原因是因为液体具有比空气或气体高得多的热传导带系数。最终，正烹调的物项的温度无法提升到高于正用于将热传输到目标中的传导介质的温度。因此，通过纯粹使用传导作为加热手段来实现中意的烹调结果中的一些结果经常为较复杂且不实际的。

对流用于通过气体或电阻加热元件加热的大多数家用、商业或工业炉中。这些炉为将空气或气体保持在炉内部的非常宽带的加热源。热空气接着与目标或食品接触。传导热转移实际上在与热空气或气体的此界面处发生。在将被加热或烹调的目标物项的外表面与气态流体接触时，存在力图使目标的热与流体的热相等的传导热转移。在烹调食品的情况下，将从电阻加热元件发射的辐射能量与食品隔绝使得其不会直接冲击。多年来，工业中已认识到，从电阻加热元件发射的长波、宽带红外线能量将在食品的外表面上太快地被吸收。此将导致早在食品物项内部发生较深烹调之前的表面灼烧或烘烤。

多年来，食品工业中已大体认识到，辐照的波长越长，其将具有深入到食品产品中的越小的穿透。此为令人遗憾的概括，但为在已制造炉的仅有方式一直是借助宽带源时有意义的概括。

如较早关于其它材料所论述，农畜产品具有特定的吸收光谱曲线。这些特定的吸收曲线与特定食品产品在特定波长下的吸收性或透射性如何相关。通过选择用以辐照所讨论食品的特定波长或几种仔细选择的波长，可修改或优化所期望的烹调特性。辐射能量的最高效使用可减小加热或烹调的成本。

举例来说，如果加热或烘烤特定食品产品的外表面最为合意，那么本发明将允许选择所述特定食品产品为高吸收性所处的波长。结果将为，当在所选的窄带波长下辐照时，红外线能量将在非常靠近于表面处全部被吸收，因此致使所期望的加热及/或烘烤行动恰在表面处发生。相反，如果不期望使表面过热而是从食品内非常深地烹调所述食品，那么可选择特定食品为大得多的透射性以便可实现所期望烹调结果所处的波长或选定波长的组合。因此，辐射能量将随着其穿透到所期望深度而逐渐被吸收。

重要的是注意，对于行进穿过非金属材料的电磁波，此波的强度I(t)依据行进距离t而降低，如以下方程式所描述：

I(t)＝I₀(e^-αt)

在此方程式中，I₀为光束的初始强度且α为材料的特定吸收系数。随着时间t增加，光束的强度经历由原始光束内的辐射能量被主体材料吸收而导致的指数衰减。出于此原因，使用红外线辐射加热来实现最优烹调结果必需食品物项的厚度、所施加红外线辐射强度、辐照波长与材料吸收系数之间的复杂交互作用。

通过混合在不同波长下辐照的RED元件，可进一步优化烹调结果。在此多波长阵列内，将在其中辐射能量的吸收为低因此允许发生深热穿透的波长下选择一种元件类型。将选择其中辐射能量的吸收为高因此促进发生表面加热的第二元件类型。为完成阵列，可构想将在吸收在这两个极限中间的波长下选择的第三RED元件类型。通过控制此阵列中所含有的3种类型的RED发射器的相对辐射输出水平，将可能优化所制备食品物项的重要性质。

通过将色彩传感器、温度传感器及可能地视觉传感器连接到控制系统，可闭合环路且进一步优化所期望的烹调结果。在此类情形下，可检查可在讨论中的确切参数且允许控制系统通过以将为最合意的适当波长、强度及方向发送辐照来做出响应。通过利用及集成视觉传感器，将可能实际上观察待烹调的食品产品的位置及大小且接着相应地优化炉的输出，如上文已描述。当结合水分传感器使用时，将可能以将维持所期望的水分含量的组合做出响应。因此，可理解本发明可如何结合适当传感器及控制器“智能”来真正地促进未来的智能炉。当然，可将本发明与常规烹调技术(包含对流炉及微波炉能力)组合以获得这些技术贡献品中的每一者的最佳掺和。智能控制系统可经设计以最佳地优化本发明技术与常规烹调技术两者的组合。

通过选择将由一种食品吸收而不由第二种食品高度吸收的波长，关于在混合食品盘中发生的加热量还可为非常具选择性的。因此，可理解，通过改变可选择的各种波长的组合及排列以及强度，可实现宽广范围的经特别工程设计的烹调结果。

在本发明的应用中的任一者的情况下，可使用各种透镜处理或光束导引装置来实现辐照能量的所期望定向性。此可采取一系列不同实施方案的形式--从个别带透镜的RED装置到接近于装置安装的微透镜阵列。所选的光束导引装置必须经适当选择以在正导引或引导的辐射的波长下发挥作用。通过利用用于衍射、折射及反射的众所周知的技术，可沿所期望方向引导来自RED装置阵列的不同部分的能量。通过可编程地控制接通的特定装置且通过调制其强度，可实现宽广范围的辐照选择性。通过选择稳态或脉冲产生模式且通过进一步编程在什么时间使哪些装置产生脉冲，可甚至进一步提升功能性。

虽然本发明论述主要在1.0微米到3.5微米范围内的辐射能量的应用，但所属领域的技术人员应明了，可在其它操作波长下实现类似材料加热效应，包含红外线中的较长波长或降到可见区域的较短波长。举例来说，一些类型的食品物项在972nm或9xx范围下进行良好烹调。一些食品物项可在整个可见范围内的所有或各种带下进行良好烹调。因此，针对此类应用提供在此类波长下的窄带装置，且在一些情况下所述装置提供能量进入到食品物项中的深穿透。而且，应了解，本发明包含在(举例来说)700nm到1200nm的范围中及1200nm到3500nm的范围中以及在高于3500nm的范围中发射能量的半导体窄带辐照或发射装置的实施方案。而且，在供应两种能量波长以匹配目标食品物项的吸收特性的情况下，在一种形式中，所述波长中的一者高于1400nm，且另一者低于1400nm。此外，在使用两种波长的情况下，在一种形式中，选定波长带的中心分离至少150nm。所揭示发明的精神包含出于辐射加热的目的而应用直接电子/光子固态发射器，其中可以想象所述发射器从可见到远红外线地操作。对于某些类型的应用，将在中红外线范围之外的其它波长下辐照的其它波长可选择装置组合到本发明中可为合意的。

在至少一种形式中，所讨论系统使用数字基于半导体的窄带辐照装置作为加热或烹调源。因此，本发明涉及出于宽广范围的烹调、加热、干燥、烤灼、脱水、加工或处理目的而将选定窄带热红外线(IR)波长辐射或能量直接注入到目标食品实体中。如下文将描述，这些目的可包含加热、提升或维持目标物项的温度或者特定来说在一系列不同的工业、医学、消费型或商业情形下刺激目标物项。本文中所描述的方法及系统可尤其适用于需要在特别选择的波长下辐照或者用脉冲输送或注入辐射的能力或从所述能力获益的操作。知晓目标在每一波长下的吸收系数(经常称为其吸收曲线)对于充分优化本发明的实践来说为重要的，使得窄带波长可经选择以视需要执行加热。本发明在以较高速度合意地加工目标且建立与目标的不接触关系时还可特别有利。本发明提供一种可为可针对宽广范围的最终应用高度编程的选定窄波长红外线加热系统。本发明教示一种由单个装置或最优选地数字基于半导体的窄波长辐射发射装置的经工程设计阵列构成的新式且新颖类型的红外线辐照系统。稍后将在本文件中特别提及此辐射发射装置的至少一个变体，但如将论述，许多类型可适用且可实施以实践本发明，此视应用而定。

如上文所提及，不论是在常规烤箱、烹调炉还是通用炉中，通常都使用电阻加热元件或气体加热元件分别将电能或石油化工产品转换成各种形式的热能。相比之下，本发明采用数字二极管半导体装置(或类似装置)，所述装置以非常不同的方式发挥作用-其在特定窄带波长下产生能量。在至少一种形式中，所述装置利用借助量子气体或量子点半导体技术的电子/光子转换过程来产生还称为电磁辐射能量的光子输出。所述装置也为数字装置且其为内在地定向或可对准装置。基于半导体的辐照装置为内在地“即时接通”及“即时关断”类型的装置，不同于模拟加热元件，所述装置不具有升温时间。所述装置可通常在数纳秒中接通或关断。

常规加热元件用作内在地产生宽带或宽范围的波长的经典普朗克黑体辐射器。用于计算峰值中心波长及在相应波长下的输出的公式为众所周知的且为经典教科书物理学，因此此处将不论及所述公式。举例来说，基于半导体的二极管或激光二极管以非常不同的方式发挥作用。所述二极管并不遵循普朗克黑体物理学定律且可内在地仅经制造以产生窄带或窄范围的波长。实质差异是因为所述二极管是根据其特定设计遵循量子物理学定律而非依据其热辐射光子的直接电子/光子转换装置。

借助进一步解释且集中于一些材料科学基本原理，所有材料均具有独特且特有的“分子吸收光谱”。此光谱吸收数据对于所述特定类型的材料来说通常为如此独特的，使得其“光谱特征符”可用于确定地识别所述材料，即使样本大小如此小以致无法通过其它特征来识别所述材料。完整的“光谱吸收特征符”为在从UV到长红外线的每一种波长下的吸收测量的合成且指示材料在每一辐射波长下特有的确切的分子吸收倾向量。材料的吸收光谱指示在哪些波长下所述材料较可能或较不可能吸收辐射能量或相反透射辐射能量。换句话说，高光谱吸收的反面为高光谱透射。另外，如果待烹调的特定目标材料在特定波长下具有高光谱吸收，那么其在所述同一波长下具有对应低的透射。相反，就所述材料在特定波长下具有高透射来说，其在所述同一波长下必定具有低吸收。物质在特定波长下所具有的吸收倾向量为其吸收系数的度量。由于吸收通常以吸收单位或从0到100％的每毫米吸收表达，因此针对每一辐射波长吸收系数将落在所述标度上的某处。虽然吸收可以其它单位表达，但将其表达为每毫米吸收百分比或以吸收单位的对数度量来表达为相当标准的。图11中展示三种不同材料的吸收光谱图表。

可选择通过在仔细选择带宽及波长使得与目标的吸收特性适当匹配之后在过程、炉或烹调器具中并入这些窄带辐照源而实现的加热深度及量。可提供过程或烹调穿透的额外深度的又一技术可与本发明一起使用。上文论述一直是关于数字窄带基于半导体的装置的实施方案，所述装置呈不断激活形式使得其将经接通并在高达其连续工作额定输出的某种水平下发挥作用且接着在一时间周期之后经关断。还可以脉冲模式使用所述装置。以此模式操作所述装置可存在若干个设计原因，包含电源考虑因素、冷却考虑因素及其它考虑因素。所述其它考虑因素中值得注意以在此处论述的一者为，以脉冲模式实施所述装置使得电流脉冲很多时候为稳态电流额定值以便获得实质上较高强度的瞬间辐射脉冲。通过具有较高强度瞬时脉冲，可比在较低强度稳态输出的情况下将可能实现的成比例更远地穿透到目标物项中。通过使用此技术，可更加深地到达正烹调的食品产品中，即使在单位时间内的总体积分能量可能甚至没那么大。从成本观点看，此可为优点，在于较低功率装置及较小电源可允许较大或较昂贵系统具有类似的但是在较低产品成本预算上的穿透深度。很多时候，例如面包及马铃薯的产品理想地应需要辐射能量的深穿透以便快速但恰当地对其进行烹调。此为实施本发明技术的产品的设计者可用以更充分地利用所述技术的能力的重要额外工具。

由于特有的吸收特征符，宽光谱或宽带辐射器通常产生并不理想地适合于给定应用(例如焙烤)的显著量的能量，且此能量中的许多能量由于其是处于不恰当波长下而不容易或合意地被吸收。通过产生特定波长或窄范围波长(举例来说，如在二极管或激光二极管源的情况下)，可设计供与已知目标一起使用的更加高效的烹调器具或系统。

本发明允许空间可控的热分布。就此来说，电阻加热元件通常为多向发射器，在于在被供应电流时元件的整个表面均发射宽带电磁能量。这意味着，辐射能量的仅相对小的部分实际上经朝向待加热、焙烤、熟化或烹调的目标材料引导。另一方面，二极管或激光二极管较佳地促进经对准或引导以给目标材料的非常特定的区提供能量。如将针对典型类型中的数种类型论述，所述二极管的辐照型式根本上为定向的。二极管及激光二极管必须经对准或引导使得其辐射输出直接或借助反射或折射冲击待加热的目标。另外，通过仔细选择数种特定窄带波长并有效地控制每一发射的时间及持续时间，可预测并控制辐射能量穿透到的深度，而宽带发射器不具有此类型的控制。宽带发射器根本上为全向性发射器，其必须具有添加到其设计的反射器或反射涂层以便允许其实施方案中的任何方向性。

为了进一步扩充对这些概念的理解，有必要理解关于基于半导体的辐照装置的一些基本事实。所述装置可以数种不同形状因子获得，所述形状因子中的任一者可适合于本发明的一些实施方案。通常称为发光二极管(LED)或可称为辐射发射二极管(RED)的窄带辐照二极管在其产生实质上超过可见范围的辐射能量时将经常产生宽度介于15nm与250nm之间的带宽输出(全宽半最大值)。这些装置的输出功率在最近10年内已显著增长且预期在可预见的未来会继续显著增加。能够购买具有实质上超过1瓦特的光学输出的现成LED或RED并非不寻常的。来自这些装置的输出光束的形状随其特定设计而变，但最常为介于10°到150°的范围内的发散高斯(Gaussian)分布。当然，输出光束的形状可进一步随各种光学器件的使用而改变。确切输出光束发散型式应经选择以对于这些基于二极管的装置将用于的特定应用来说根本上为最佳的。

尽管预期基于半导体的辐照装置对于本发明的实施方案来说将为较理想的，但并不存在为什么无法采用其它类型的激光装置的基本原因。然而，尽管激光装置可取得在某种程度上为窄带的资格，但存在可限制其实际使用的其它商业及技术考虑因素。举例来说，化学激光器及各种类型的抽运激光器通常昂贵得多。许多非半导体类型的激光器可仅在有限的波长选择中使用，当设法使辐照波长与特定材料或材料群组的吸收特性匹配时，此可决非合意的。而且，由于抽运激光器的效率减小的内在性质，其使用很可能并不如基于半导体的激光器理想。然而，如果开发克服这些限制的新类型或如果存在可用于特定应用的波长，那么可使用其来实践本发明。

刚刚从实验室出现但对于实践本发明来说为理想的其它重要窄带辐照装置中的一些装置为LET及晶体管光子放大器。虽然发光晶体管(或LET)为刚刚从实验室出现的新类型的半导体装置，但其很有希望作为借以实践本发明的理想装置。所述装置很有希望以高效、可控、强力且可能甚至可编程的方式形成或显著放大窄带辐照。所述装置可能将为其波长可甚至经可编程地控制的强力辐照窄带源。早期指示为，LET将能够进行大约10的9次幂的光放大。此结合高效率及波长可控性将使得所述装置成为借以实践本发明的理想窄带装置。

历史上激光二极管一直是可用的最高输出窄带装置，但在未来的某时刻其可能受到LET的挑战。激光二极管通常产生从20nm降到小于1nm的全宽半最大带宽。可以介于从UV到长红外线的范围内的波长来制造所述激光二极管。在临界近红外线及中红外线波长中，可将所述激光二极管制造为无论何种所期望的特定波长带。装置的壁式插座效率正逐年增长。可将壁式插座效率定义为电功率输入对输出光子的比率。壁式插座效率在近年来已变得相当好，且预期会继续改进。举例来说，用砷化镓材料系统制造的975nm激光二极管已经制造而具有大于72％的壁式插座效率。通常，(举例来说)处于1500nm下的较长波长装置由于基本物理学而无法实现与较短波长装置一样大的壁式插座效率，但认为所述较长波长装置不久便可能够实现几乎45％的效率。制造二极管装置的基本衬底的化学性质对装置的最终寿命有很大作用。举例来说，波长比约1150nm短的二极管通常使用砷化镓晶片衬底。这些装置的制造商已针对高功率应用尽力获得超过12,000小时的延长的寿命。具有比1200nm长的波长的较长波长、高功率二极管装置通常是用磷化铟晶片衬底制造。基于磷化铟衬底的装置可具有可超过100,000小时的极长寿命。因此，对于工业或长工作循环类型的应用来说，使用基于磷化铟的二极管或激光二极管装置经常为较实际的选择。有时可能必须做出关于与较长寿命基于磷化铟的装置相对比较短波长是否具有足够大的辐照优化而被选择的工程设计选择。此通常适用于LED及激光二极管两者。这些装置不仅由于其长寿命而对于与本发明一起使用来说为理想的，而且其为其中大多数材料具有其最易变且因此有用的吸收特征符的中红外线波长范围中的精选装置。

存在可进行以产生基于半导体二极管的装置的较长工作循环的一些做法。如本文件中别处所提及，高度有效的冷却很可能是确保装置的较长寿命的最重要的方式。尽管从工程设计观点看并不存在影响此的许多不同方式，但几乎始终有必要将装置安装在可帮助散布、耗散过量热或将过量热传导开的电路板或散热器上。

激光二极管的工程设计存在另一基本方面，其可对装置的使用寿命有重大影响。激光二极管的最常见故障模式与能量从装置出射的方式有关。在边缘发射激光二极管装置的情况下，通常将其安装到某种形式的散热器或导热电路板，使得激光二极管的边缘与散热器安装表面的边缘排齐。如果激光二极管出射小面的边缘不与安装表面的边缘完全齐平，那么其可产生若干问题。可存在三种状况；二极管超过安装表面的边缘，二极管从安装表面的边缘缩进，或二极管与安装表面成角度。在这三种状况中的任一者的情况下，从激光二极管小面出射的光子能量会冲击安装表面。所得的热上升因使局部表面过热而导致逐步或快速的降级。随着各个局部表面过热，其导致包含灾难性激光二极管小面故障的多种损坏。一旦此开始发生，二极管基本上就开始自毁。类似地，如果激光二极管将与光纤光子导引件配接，那么重要的是将其精确对准且其不引入可吸收能量并过热或将能量反射回到激光二极管或回到激光二极管中的表面。在光纤的进入端及出射端两者处注意相同事项颇为重要，以防止系统中的过热故障。

存在直接发射或向光纤光子导引件中发射的边缘发射激光二极管将为实施所述技术的最合意方式的许多应用。然而，存在消除刚刚描述的故障模式的可能性的另一类别的装置。此类别的装置可类属地称为表面发射二极管或激光二极管。此问题通常更多地是针对激光二极管的(因为其内在功率密度较高)，只不过是随着二极管的功率增长，才会出现这种问题。表面发射激光二极管在内部是以使得光子能量发射不从内在地靠近于可吸收光子能量并导致过热故障的任何结构的小面出离的方式配置。类属地，具有如下内部结构的任何类型的装置将有资格属于此分类，所述内部结构可从所述装置的前或后表面向外而非从所述装置的侧面向外反射、折射、衍射或以其它方式重新引导激光发射光子辐射柱。在2002年10月3日提出申请的第10/264,534号美国专利申请案为此装置的一个实例。此申请案展示可制造为前面发射激光二极管的个别装置。第11/042,759号美国专利申请案展示制造为许多此类装置的芯片阵列的此类装置。不论是使用个别装置还是将其布置成板上芯片方式或制造为集成电路装置阵列，其都实现消除激光二极管共有的主要故障模式的相同目标。发射装置中各种种类表面的任何组合或排列将为本发明的实施方案中的主要优点。制造及安装激光二极管领域的技术人员将理解在实施这些装置以实践本发明时为重要的其它分支。

虽然窄光谱装置可适用于在可能许多不同的窄带波长范围下烹调，但重要的是根据本文中的教示内容来应用装置以实现最优结果。应当且在一些应用中必须仔细地将窄带输出装置的中心波长与目标的吸收光谱特性匹配以实现最佳效率及所期望结果。举例来说，如果期望表面烘烤，那么应将辐照装置的中心波长与制作目标或食品的材料或材料混合物具有非常高的吸收所处的波长匹配。相反，如果深入地(也就是说，在深穿透且远低于表面的情况下)烹调目标为合意的，那么应针对匹配用于烹调目标的较低吸收波长的输出装置选择一波长。因此，期望越深地烹调目标，对特定波长特有的吸收系数的选择就越低。通过选择用于优选烹调深度的所期望吸收系数，将从目标的光谱吸收曲线指示一种或一种以上合意波长。

预期，这些窄带装置的两种或两种以上波长将经常彼此协作地使用。由于每一窄带波长范围对于待加工的目标材料中的每一者来说都具有其特有的吸收或透射，因此选择优化应用的波长混合将为实践本发明者的责任。经常，并入门与窗的概念将给本发明带来额外功能性。此意味着使用材料‘A’非常具透射性使得能量可穿透以被材料‘B’(处于其相应的及仔细选择的吸收系数下)吸收所处的波长。因此，可在将最小热赋予材料‘A’的同时选择性地加热材料‘B’。类似地，可选择且并入不同波长以用于实际上将所期望热赋予材料‘A’中。明显地，此最佳可在相应材料的吸收光谱曲线存在实质差异的情况下实现。当然，此可针对与可相应地策划的一样多的具有其对应波长的不同材料来进行。将添加剂并入到所述材料中的一些材料中以视需要人工地诱发吸收峰值可为合意的。

希望实践本发明的设计者必须考虑到的另一方面如下。上文已论述吸收及其反面透射。还需要理解的是目标材料的散射或光学漫射性质。举例来说，测量面包面团且其在950nm下为高透射性(低吸收)。尽管此对于薄的所测量样本来说成立，但还重要的是理解如果未考虑到散射，那么在全吸收发生之前的所计算透射距离将为误导性的。面团在其未经烹调状态中的光学性质将导致950nm光子的实质散射，因此在所有能量被吸收之前改变穿透深度。此可被视为内部“微反射”，其有效地改变大量个别光子的方向。由于此是在电磁光谱的非可见部分中发生，因此有必要通过实际实验性试验测试所讨论的波长下的漫射。极低的吸收系数将保证在所述波长下不发生“表皮加热”，但实验室测量及试验将得出获悉将实际上有效的穿透深度所需的额外数据。

在正加热一些材料时会发生另一现象。升温的面团或其物理性质由于到热的各种暴露时长而改变的其它材料将依据材料性质改变而展现穿透改变。举例来说，随着面团升温而成为面包，气泡形成熟悉的低密度物质，大多数物质为熟悉的。密度或材料性质的改变结合漫散射表明获悉在给定波长下的穿透深度的最佳方式是通过实验室试验及实验。一些材料可实际上指示在这些各种改变之后可能有更深穿透。

类似地，原目标材料或原食品的穿透深度可不同于相应的经热处理材料或经烹调食品的穿透深度。可理解，如果已在表面上形成外皮基质，那么各种材料性质的所得改变还将改变在仅参看吸收系数的情况下可能预期的穿透深度。

如果LED或激光二极管为所选的辐照装置，那么其输出波长为固定的。此情形的仅有例外是一些固态装置的输出实质上随操作所述装置的温度而变化。与其说此由任何其它因素确定不如说此由固态装置的设计确定，但其可能在一些装置中为显著的而在其它装置中为不显著的。因此，必须指定所述装置且在预期在将根据本发明配备的炉中烹调、加热或熟化什么种类的产品目标的情况下制造所述装置。必须从许多的实验及测试中学习关于辐照装置、关于应用及关于待烹调、加工或熟化的特定材料的特性、尺寸及光谱的所有此先验知识以便最有效地实践本发明。当设计使用此技术的烹调装置或炉时，有必要特定地用将经烹调的目标类型进行实验以获悉其吸收特性及散射以及大小、重量、所期望烹调时间及最合意的烹调结果。实践者应考虑单一波长对于烹调家务是否为足够的或者实现所期望的烹调结果是否将需要多种不同窄带波长的混合。如果将同时烹调多种不同产品，那么应选择多种窄带波长以实现最优结果通常将为合宜的。如果待烹调的多种产品共享类似的吸收特征，即使类似之处仅在吸收曲线上的一个地方处，那么选择对于多种产品的烹调为令人满意的窄带波长范围可为合理的。然而，如果一种产品在另一种产品为高透射性所处的相同波长下为高吸收性，那么必须相应地选择辐照装置。

正如波长的选择为重要的一样，理解如何将能量递送到目标也为重要的。由于上文所建议的窄带辐照装置内在地促进对准，因此重要的是本发明的实践者将理解使能量“转向”到产品的各种方式。输出为可以类似于通过使用透镜、反射器、折射器、光纤、棱镜及经指定以供在所选波长下使用的其它类似装置处置可见光的方式的方式聚焦的辐射光子能量。如果固定聚焦布置为应用的良好解决方案，那么以上装置可以所述布置加以使用。在一些应用中，利用操作以产生若干能量带(随着所述能量带到达目标食品物项而发散)的窄带发射装置也可为有利的。以此方式，可产生正辐照的物项或表面的经改进覆盖率。而且，在适当情形下，能量窄带的递送还可包含从经滤波以实现适合于实施本发明的窄带的宽带装置递送能量窄带。

由于将由本发明实施的应用中的许多应用将经配置以借助窄带装置产生相对高的能量密度，因此安全性为重要的考虑因素且稍微不同于借助常规或模拟烹调系统的情况。虽然预期可在可见光谱中实施窄带辐照以实践本发明，但所述窄带辐照通常将为红外线光谱中某处的非可见辐射或非可见辐射的使用。如果辐射为非可见辐射，那么不会触发眼睛的正常眨眼、移开视线及虹膜的紧闭响应。不可能看见将存在于烹调区中的强辐射。低于大约1300nm的近红外线波长可穿透角膜且一直穿透到眼睛的视网膜。高于所述波长，通常认为辐射无法穿透到视网膜。波长大约比1300nm长的此区域有时称为眼睛安全区域，因为其不能够损坏视网膜。具有足够强度、聚焦或能量密度的较长波长可在眼睛的表面附近沉积足以导致灼伤的能量。虽然眼睛是身体中最易受红外线辐射伤害的部分，但是足够的暴露可导致别处的损伤。那么建议，烹调室区可经包封或以某种方式隔离以便保护人类及动物免受直接或经反射辐射。以使得如果开启门或接近面板那么立即切断辐照的方式完全包封烹调室为理想的。由于消费者广泛地更喜欢能够在其食品正烹调时观察所述食品，因此大多数较佳炉并入有某种形式的内部照明。如果存在窗或观察口以允许到烹调室区中的视觉接近，那么其应并入有某种形式的滤波使得合理强度的可见光为允许到达观察者的仅有辐射。当然，存在实施此滤波的许多方式，但其为本发明的良好且安全实施方案的重要考虑因素。或许，实施方案的最简单形式将为将并入有可见通过滤波器的滤波窗。作为另一实例，可针对适当情形设计反射观察路径，借此仅可见光将被反射穿过观察通路到达观看者的眼睛。还可使用相机及显示器作为观察烹调室内部的替代方案。不论使用什么方法来形成用于使可见光到观看者的路径，使用金属或将不容易因辐射而过热的其它类型的门在不进行观察时阻挡所述路径都为不错的想法。具有在开启时不仅关断辐照而且接通内部照明系统的观察口门为非常合理的。

另外，可通过首先感测关于目标食品的数据而动态地使能量转向。令人感兴趣的数据的部分列表将为目标的大小、形状、数量、食品类型、厚度、吸收光谱以及定向及/或位置。如果正使食品或目标物项横动穿过或经过辐照站，那么可不断地馈送关于传送构件的速度或相对移动的信息。当必须将目标数据或信息翻译成用于辐照控制的指令及命令时，由控制系统来决定。理想地，其将能够接收如上文所描述的感测数据并安排/控制辐照过程。在从用户输入及/或传感器输入供给关于炉中确切地是何种情形的信息后，可执行用于目标的正确对准及辐照的算法。应了解，适合用户接口可采取多种形式且提供可输入到控制系统的多种设定或其它参数中的任一者的用户输入。在具备控制能力的系统充当引导器的情况下，可使用多种不同装置来视需要使辐照元件对准以对目标进行辐照。举例来说，可安装伺服式或安装有检流计的镜，所述镜以反射方式将一个或一个以上激光二极管的能量重新引导到目标。

可借助多种不同的现成组件来进行如上文所描述的对目标的感测。可采用温度传感器、红外线传感器或传感器阵列、水分传感器、压力传感、色彩传感器、重量传感器、嗅探传感器、色彩或灰阶相机、红外线相机、光谱测光传感器及实践本发明的领域的技术人员将理解的其它传感器来采集关于待加热、熟化或烹调的目标的感测数据。当然，可呈混合形式的传感器将为各种类型的智能可见光或红外线相机。可见光智能相机或其它基于智能相机的系统将具有比较传统传感器更大的灵活性及更大的可编程性。如果经恰当编程，那么所述相机或系统可实际上检验食品或其它目标物项的经烹调外观是否为正确的。还可使用相机作为借以闭合环路以在烹调过程正在进行中时动态地调整、优化及校正所述过程的装置。类似地，可使用红外线相机，使得其可实际上确定炉的目标或食品物项的确切热含量。

图12及图13中图解说明所预期烹调技术的一个实施方案。如图所示，展示系统100呈两种状态-“开启”就绪状态(图12)及“关闭”操作状态(图13)。系统100可采取多种形式，包含炉或烤箱的形式。在至少一种形式中，系统100包含安全防护闸系统102，其包含顶部防护闸104、底部防护闸106及防护闸位置传感器108。驱动机构110还可用于使防护闸在各状态之间移动且可采取多种形式。还展示门101，在至少一种形式中，门101在系统的操作期间为关闭的。当然，门(及例如防护闸系统的其它安全特征)提供辐照在所述系统中的围封。举例来说，在至少一种形式中，如果开启所述门，那么系统将不操作而产生辐照。还可提供其它配置或布置作为门101(或图14(a)到14(c)的门)的替代方案或所述门的增强。

还展示由安全防护闸系统102选择性地覆盖的观察窗120。期望观察窗120允许厨师或系统100的操作者观察在炉中(例如，在炉内的烹调或辐照区(未展示)内)发生的辐照的进展。在一些形式中，建议且经常有必要使安全系统102与观察窗120或正利用窄带辐照装置作为其操作方法的器具的区相关联。系统102保护眼睛免受因暴露于来自装置的辐射所致的可能损坏。取决于用于给定应用的波长，有效使用及器具所需的功率可使得眼睛或其它身体部分到辐照的直接或间接经反射暴露可导致外在眼睛或视网膜损坏。安全系统102不仅提供用于保护的操作手段，而且还在器具失灵或误用的情况下提供故障保险系统。

在一种形式中，观察窗120经设计使得其将始终为关闭的以在窄带辐照装置正有效地产生辐照时围封辐照。电路中可包含安全联锁装置，使得其将防止同时开启门及激励窄带装置。传感器(传感器108)在可激活辐照装置之前检验防护闸处于哪一位置中。这些防护闸监视传感器在操作期间一直监视观察窗防护闸的位置或状态且因此监视辐照在系统内的围封状态。

还展示控制按钮130。控制按钮130可采取多种形式。然而，在一个此种形式中，其操作地连接到控制系统(未展示)以用于控制观察相机150及与所讨论系统一起用于烹调的辐照装置(未展示)。

常规烤箱依赖于非常基本的环境温度(对流)测量来释放焙烤物并基于用户可配置设定(通常为标记了1-5的刻度盘)而暂停焙烤过程。焙烤物的确切“熟度”取决于此刻度盘的准确度、设定此基本控制件的可重复性及双金属温度条带的条件(老化、磨损、焙烤开始时的环境温度等)。另一方面，二极管源可细到纳秒地加以控制(假如需要这样的话)且可经配置以发射一致量的辐射能量，而不论外部条件如何。借助稍更复杂的控制件(例如控制按钮130(及相关联控制系统))，可重复地形成焙烤物或其它食品物项，而不论有时错误的所选消费者设定如何。

虽然图12及图13中未具体展示(而在图14中展示)，但所讨论系统的控制系统将允许有利的操作及烹调。应了解，控制系统(及系统的其它适当组件)可采取多种配置。其可利用各种软件例程及硬件配置来满足所描述的系统及方法的目的。可使用各种处理器及存储器装置来执行例程并实施功能性以实现本文中所描述的实施例。

由于本发明的半导体性质，控制系统将通过观察相机150(举例来说)光学地感测既定物件的熟度，并针对定时、强度、功率及完成度中的至少一者调整固态辐照装置。通过并入确实关于实际烹调结果来闭合控制环路的此控制系统，认识到另一功能优点且其可由此技术的实施者使用。本文中详述并入有此控制能力的数个实例。

智能控制系统还促进许多其它能力。所述智能控制系统可与相关系统或独立系统有线地或无线地通信。举例来说，此系统可与全住宅自动化系统通信。此不仅可促进宽广范围的可编程性而且也可促进新范围的监视。举例来说，可促进来自一、多个相机或者用于监视烹调的其它传感器的有线或无线通信链路以使得所述图像或信息可用于接近或远离炉的其它显示器。位于厨房中的电视或计算机监视器可显示展示烹调进展的图像。此图像可包含(举例来说)正在关闭的炉中烹调的匹萨的底部及顶部的图像。此甚至比具有许多炉已包含以用于观看烹调进展的传统观察窗还优越。经常，对于人类观察者通过窗观察来说观察角度及照明决非理想的，且在辐照烹调正继续进行时经常无法通过观察窗安全地对其进行观察。通过利用此处所描述的用于多个功能的内部相机，可能有烹调进展的安全、经放大且更方便的视图。借助可容易获得的技术，通过蓝牙将图像及/或其它烹调数据发送到蜂窝电话、PDA、iPhone或类似装置为合理的。

控制系统的另一重要子功能为供应激励辐照装置的电流。电源必须是为电流控制的电源的DC电源。装置本身为数字装置，因此一旦其接通，其将会使与电源将产生的电流一样多的电流流动。如果电流未限制于装置可容许的电平，那么其将毁坏所述装置。

辐照装置或二极管阵列的辐射能量输出根本上为“对准的”或定向发射的光子，例如朝向系统100的烹调或辐照区内的食品物项。就此来说，炉系统100包含多种不同的结构性系统以支撑或装纳辐照装置。此结构性系统的特定配置将因应用而变化。而且，可以类似于将用透镜处理各种光源的方式的方式处置所支撑或装纳的辐照装置的输出。反射器、透镜、折射器、衍射器、分裂器及光纤全部为视给定应用的需要而使辐射能量转向的可行方式。光纤给实施方案添加巨量的灵活性，因为光纤可将来自单个激光二极管的辐照能量完全递送到使用位置，所述使用位置远离定位激光二极管的地方或者在完全不同于定位激光二极管的地方的环境或位置中。然而，存在下降趋势，在于当从激光二极管的输出小面去往光纤中时存在实质耦合损耗。不论选择的光学技术或技艺如何，如果光学处置硬件经正确布置且与创造性配置耦合，那么其都将以正确强度、角度且在需要辐射能量的位置处高效地递送所述辐射能量。恰当配置还将具有以下优点：使固态装置及其它组件免于暴露于食品、过程或目标的副产物或污染物。

在另一形式中，可将本发明的数字基于半导体的窄带烹调技术与较常规的烹调技术混合或集成。举例来说，可构建还并入有微波烹调能力的多波长窄带炉。集成电阻型或石英烹调元件可为合意的。使用微波搅拌风扇作为窄带波长扫描或散射装置使得其执行多个功能可为有利的。可容易看出将如何可使窄带炉或烹调技术的许多不同组合及排列与其它较常规方法组合以达到两全其美。有时，此将为市场或消费者偏好考虑因素，有时为定价考虑因素，有时为紧凑性或占地面积问题，但其将提供组合本发明的全新概念与较传统实践中的一些实践的巨大灵活性及功能性。

系统100的其它选项包含伺服电机及远程控制件的使用。伺服装置可用于对烹调进行定时或使烹调与一或多个装置的能量输出协调以便可发生最优加热。在下文的匹萨应用中并入此技术。存在可使用伺服电机或线性致动器以视需要将窄带装置移动成用于辐照的正确定向的许多不同方式。相反，可将食品或目标本身伺服控制成正确辐照定向。

还应了解，在至少一种形式中，所描述的实例性系统的控制系统(或者类似装置或例程)将操作以改变辐照的脉冲宽度、改变振幅、使波长变化且提供对能量的不同类型的调制。正输入到食品物项的能量的此调制可基于用户接口设定或输入、系统设定或参数或者系统中的传感器的输出。

由于所述系统内在地以较安全、低电压方式安全地操作且可较广阔地加以监视，因此可较容易地包含远程控制系统，其将允许最终用户接通及关断单元并经由因特网或电话连接来对其进行编程。数字窄带装置的内在控制精度及此类型装置的连接可能性将有助于独立的或作为全住宅系统的一部分的无线连接。

在所预期烹调技术的另一实施方案中，设计一种系统及方法且其操作以高效地烹调匹萨，如图14(a)到14(c)中所示意性地展示。如图所示，所述系统并入有用以输送匹萨进出烹调室(30)的传送构件(20)。所述匹萨将骑乘在开孔网型传送带(22)上进出所述烹调室，传送带(22)或许对于辐照为约98％的可透过度。当该将匹萨从排队位置23取到烹调室30中时，线性致动器12将由控制系统15触发，线性致动器12将提起门41A以允许到烹调室30中的接近。控制系统15(其操作以如本文中例如结合至少图12、图13及图14(a)到14(c)所描述发挥作用)还可包含用户接口以允许用户输入用于冷却或操作的设定或参数。这些设定或参数可包含例如烹调时间、温度、食品类型等任何此类设定或参数。当联锁传感器14向控制系统15指示门41A已被完全提起时，接着控制系统15将致动电机10开始向前驱动传送带以便将匹萨递送到烹调室30中。在电机10正使传送带22运行从而将匹萨取到烹调室30中时，相机60正不断地拍摄正经分析以确定匹萨的位置的图片。一旦已在智能相机60中训练的算法确定匹萨35在用于烹调的正确位置中，就将指示匹萨在正确位置中的信号从相机60发送到控制系统15。控制系统15执行其程序中的下一步骤，所述下一步骤为关断电机10，因此使匹萨停止于用于烹调的正确位置中。此时，控制系统15通过致动关闭门41A的线性致动器12而致动所述门的关闭序列。当传感器16A及16B与控制系统15交握从而以故障保险方式指示门41A为完全关闭时，停止到线性致动器12的信号，因此将所述门锁定于关闭位置中。无论在烹调循环期间的任何时刻因任何事物而开始提起门41A，传感器16A及16B都不断地监视其位置且将把要求立即切断所有辐照直到纠正所述条件的信号发送到控制系统15。因此，包含门的系统提供辐照在所述系统内的安全围封。

在门关闭且相机的算法满足匹萨在正确烹调位置中的情况下，控制系统15请求相机60指示食品物项(例如，匹萨)的各个方面，例如匹萨的位置及在所述匹萨顶部上的食品配料的位置。控制系统15进一步询问所述相机以识别在匹萨上的食品配料的类型以及在匹萨顶部上的食品物项的形状质心及定向。控制系统15将进一步询问所述相机以识别每一食品配料以及外皮、奶酪及酱料的色彩。相机60还可为红外线相机使得其可确定上文所识别的每一食品配料的温度。在来自相机60的关于以上物项的信息已由控制系统15接收之后，其将计算用于烹调匹萨的所建议辐照型式程序。为了计算烹调辐照程序，控制系统15将从其存储器存取已依据实验及研究关于使用窄带辐照技术来烹调匹萨及匹萨馅料的最佳方式而确定的信息。或者，此输入中的一些输入可为用户/操作者的输入(通过适当接口，例如与控制系统15相关联的接口)。控制系统15还可存取指示可由于从激光器安装位置到待烹调的特定馅料的成角度性而需要的校正的参考信息。还将依据研究及实验开发这些校正因子以帮助优化烹调算法。由于匹萨的底部侧不具有除基本面团以外的食品物项或馅料，因此将针对底部侧依据将已由操作者初始化的查找信息及厚度信息两者确定标准烹调程序。相机60将已在较早步骤中向控制系统15指示匹萨的直径，使得数据将已存在且可供使用。任选特征可为各种类型的厚度测量传感器。举例来说，其可为三角测量传感器17或可用以确定各种厚度的其它类型的传感器。如果采用结构化光或特殊算法，那么相机60也可用以确定各种厚度及其它维度数据。而且，在匹萨于传送带22上进入到炉室30中时，可由相机60拍摄一系列图片且结合适当视觉检查算法使用所述图片以三角测量并确匹萨的外皮及馅料的三维方面。可向控制系统15发送来自传感器18及19的其它数据(例如湿度及味道)以供在确定所建议总体烹调算法时使用。

由控制系统15为此应用(及包含图12及图13的实施方案的其它应用)准备的烹调算法可理想地为相当全面的。所述算法可包含例如注入到每一馅料中的能量焦耳的项目。角度、辐照强度、时间、时间定序、待用于每一目的的一或多种波长、平衡时间(热吸入)及所有相关细节均将包含在程序中。总而言之，控制系统15将已设计复杂的基质辐照序列型式，从而考虑到每一基质位置处的所建议烹调要求。最终，烹调序列将已涵盖且因此烹调整个匹萨及其馅料。

还应了解，可使用多种软件例程及硬件配置来实施用于控制所讨论系统(例如图12、图13及图14中的那些系统)的任何此类例程、方法及技术。举例来说，所述例程、方法及技术可存储于适当存储器装置或位置中且由适合处理器执行。

控制系统15现在将开始执行上文所准备的总体基质烹调算法。其将引导检流器71应在基质辐照型式中移动成其第一偏转角度集合。由所述检流器设定的那些偏转角度对于将窄带辐照反射到目标上的特定位置来说将为正确的。一旦检流器71往回向控制系统15指示其已到达其位置，控制系统15就将致动激光二极管窄带辐照单元72以在选定程序强度下用脉冲输送波长A的一些窄带辐照达所确定的程序时间。在辐照正继续时，控制系统15将向检流器71发送下一偏转角度及移动到所述位置的时间。如果已高效地设计程序，那么其将为到下一位置的最小移动，因此辐照可继续快速地对准下一程序位置。随着控制系统15继续经过其整个预先设计的烹调程序，其将在恰当时间内且在恰当强度下并在基质中的每一确切点处使正确窄带辐照对准，使得在完成所述程序时恰当烹调为合成结果。此将与借助针对每一区段中的所期望烹调结果及针对每一配料的正确辐照以及定时用匹萨的配料(酱料、奶酪及馅料)“喷涂”所述匹萨几乎差不多。可重复地或者借助较长或较短持续时间合意地“喷涂”匹萨的各区中的一些区以便获得预期烹调结果。

在控制件15正继续发送及接收恰当信号以在匹萨的顶部上执行所述程序时，其正类似地借助辐照系统模块70B辐照匹萨的底部。用于匹萨底部的程序将基于以下事实来特殊准备且按照其烹调要求定制：匹萨底部不具有馅料或多种不同食品物项，而主要是仅仅烹调匹萨面团。依据先验烹调知识数据库，将选择将在恰当时间对正在匹萨的底部及顶部两者上辐照的食品物项中的每一者赋予恰当烹调深度的波长。为烹调匹萨底部上的面团，可取决于工程师设计偏好而选择950nm或1275nm的波长。这些波长两者将赋予进入到匹萨面团中的深穿透且将不趋向于烘烤或灼烧面团的表面。当已深入地充分烹调所述面团时，可添加或替代成或许1450nm的较长波长以烘烤表面。在此波长下，将预期有较小穿透深度且因此能量中的大多数将在表面附近被快速吸收，由此烘烤外皮以实现较佳的外观及口感。取决于将烹调何物及食品组分中的每一者的特有吸收光谱，可视需要而选择将允许总体烹调的较佳优化的其它窄带波长。应做出组合的商业与工程设计决策，以对比于最优烹调来确定在给定预算要求的情况下应将多少种不同波长设计到特定炉中。当然，将可能实施多个不同的窄带基于半导体的扫描仪模块70A，但其成为必须相应地做出的性能折衷的代价。具有将由商业决策决定的此窄带炉概念的较复杂及较简单两种版本也为合理的。举例来说，在较简单版本中，将简单地将匹萨35手动放置到烹调室30中且接着在烹调完成时手动将其取出。所述概念的又一版本可采用阵列中所含有的窄带基于半导体的辐照装置条或匹萨35下方的条75。此条将代替窄带扫描仪模块70B而替代地使用。假如使用条型布置，那么使匹萨35或条75旋转或者替代地使用条75的线性致动将为合意的。如此形成的递增运动将不断地传递到控制系统15，以便可相应地接通辐照装置并对其进行定时。

在正通过控制系统15与窄带辐照模块70A及70B之间的交互作用执行烹调程序时，由控制系统15周期性地请求相机60拍摄图片以检验烹调进展如何。因此，所述相机可将来自烹调之前的所提取图像数据与其正在烹调期间获取的图像数据进行比较并检验许多不同细节。举例来说，所述相机可检查匹萨外皮及面团正在正确地烘烤。所述相机还可检查西兰花已变成了较深的绿色。如果相机60还具有红外线相机功能性，那么其可检验每一馅料以及外皮、奶酪及酱料的温度。可接着将那些温度发送到控制系统15，在控制系统15处可将所述温度与用于恰当烹调的相应预期温度进行比较。如果控制系统15中的逻辑程序确定所述温度中的任一者不是指示恰当烹调的正确温度，那么其可起始程序子例程以特定地在为获得正确烹调而需要辐照的地方施加额外辐照。此环路闭合概念(在此情况下其在相机60与控制系统15之间执行)是本发明到其许多形式中的先进应用的重要方面。

一旦窄带源自半导体的烹调完成，控制系统15就将停止辐照程序。控制系统15将向线性致动器12发送提起出口门41B的信号。当传感器14C用信号通知控制件15所述门处于完全开启位置中时，控制件15用信号通知致动器12停在所述位置中。此时，控制件15向电机模块10发送使其在经编程速度下接通达指定时间周期的信号。此行动将开始传送带22的向前移动以将匹萨35从烹调室30中向外移动到拾取站24。在传送带22正移动时，相机60将快拍图片并检验在最终目的地既定为拾取站24的情况下匹萨35从烹调室30中向外的恰当前进进展。如果在正从烹调室30中向外输送经烹调匹萨时存在处于就绪位置23中的另一匹萨，那么所述另一匹萨将被同时输送到烹调室30中。可接着视需要而无尽地重复上文所指示的整个循环以满足匹萨烹调生产要求。

当然，可以许多创造性方式组合这些窄带、可引导基于半导体的概念以最终具有最高效且有效的烹调、焙烤、烘焙或加热系统。已被教示这些概念，所属领域的技术人员将能够在采集适当实验数据之后将所述概念扩展到简单或复杂的实施方案中。

应了解，本文中所预期的一或多种系统(例如图12、图13或图14(a)到14(c)的系统)可具备额外特征。举例来说，控制系统(例如控制系统15)可具备用以冷却所述控制系统内的电子器件的冷却系统。而且，可提供也可为控制系统的一部分的通知系统以提供关于系统或烹调过程的状态的警示或通知。此外，烹调室可具备通风系统以允许腔与另一位置(例如所述腔外部或系统外部的位置)之间的空气交换以从所述腔清除(举例来说)湿气、烟气、蒸气等。所述通风系统可采取多种形式，包含使用风扇、催化剂或其它适合手段的形式。而且，烹调室可具备适合烤肉架系统或附接件。

本申请案所预期的系统(包含图12、图13及图14(a)到14(c)中所描述的系统)具有优于烹调领域中已知的系统的许多优点。这些优点之一为能量效率。就此来说，传统宽带或电阻加热元件实际上为非常高效的热产生器，但会出现高效地使用热方面的困难。虽然二极管及激光二极管正快速获得效率，但电阻加热元件在实际上产生热方面更加高效。但要将低效性因素考虑在内，因为由电阻加热元件产生的许多热被浪费，大多数热变为低效地耦合到目标的加热空气，且大多数能量被低效地处置。上文所描述的各种类别的基于半导体的辐射发射装置各自具有与其相关联的某一转换效率，如所论述。许多净系统效率由将能量确切地置于需要能量的地方及产生与目标匹配的确切窄带波长范围的能力产生，因此其可为最有效的。如果将整个加热/材料系统视作一整体，那么数字窄带波长匹配及空间控制的益处导致系统将热能以更加高效的方式供应到待加热的材料。而且，在传统宽带加热器的情况下，不仅存在非最优波长及误导的能量的实质分量，而且许多直接辐射能量经常被屏蔽使得其无法直接接触食品材料。通常如此进行是因为较长辐射红外线波长通常导致食品或目标的表皮或表面加热，因此会灼烧或过度烹调表面。此为热能浪费的另一促成因素，在本文中所教示的恰当应用的窄带技术的情况下不会发生热能浪费。

由于窄带半导体辐照源二极管的基本性质，增加的效率为内在的。可在想要热能的地方沉积显著较大量的辐射热能且在比于常规宽带电阻加热器的情况下短的时间帧中将所述热能注入。当然，此导致高速数字烹调。由于二极管及激光二极管为“即时接通”型装置，因此其不需要升温时间且其不浪费能量，这些在传统上将与预加热或空载炉相关联。二极管根本上为双态或数字装置。换句话说，当被供应正向电压时，其接通或不接通。正向电压的通常小于200mV的非常小的差会突然且急剧地接通电流。设计者将设法不在部分接通状态中使用LED、RED或激光二极管装置。此与传统宽带加热源(例如电阻线圈、卡罗德或石英灯)形成明显对比。宽带加热源具有电压与电流之间的非常线性的模拟关系，而基于半导体的发光二极管及激光二极管具有电压与电流之间的明显非线性的数字关系。此图解说明于图15中。必须由基于二极管的装置的外部电路仔细控制电流驱动电平，因为一旦所述装置已达到数字接通电压，其就将使电路中可用的无论何种电流通过直到装置毁坏。这些数字窄带辐照装置的另一特性为极高的速度。其可接通并达到全辐照强度且接着在数纳秒中又关断。石英灯为电阻加热源中的最快者。通过比较，常规模拟石英灯将经测量为在至少数秒中表现出相同绩效。因此，窄带数字基于半导体的辐照源比最快的模拟宽带源快十亿倍以上。

数字窄带辐照装置的极限速度、其内在定向性质与精确波长选择性的组合为用这些新颖概念设计炉及烹调设备者产生许多主要优点。一个重要结果为与常规宽带电阻热或石英炉相比较高速度的烹调、熟化、烘焙、焙烤等。举例来说，烤箱不仅可使焙烤即时开始，而且焙烤的实际速度可更加快速，因为可严密控制穿透且因此可以较高的速率注入能量，而不会有对烹调结果的有害影响。事实上，可烘烤焙烤物的表面且使面包的深处变暖，而不会出现通常由常规宽带烤箱产生的传统干燥问题。装置的可对准性促进将几乎所有能量直接注入到焙烤物中且使其沉积在最想要能量的地方(深内部或表面上)。此不仅为更能量高效的，而且其还使烤箱的外壳保持比在传统模拟宽带装置的情况下凉得多并在厨房中导致较少的环境加热。

用于数字烹调的所讨论系统的另一优点为环境加热减少。由常规宽带电阻加热器产生的许多热并不被待加热的材料吸收。举例来说，如果匹萨炉经预加热且准备好开始烹调匹萨，那么能量完全被浪费直到实际上做好匹萨以用于烹调。此空载能量接着简单地耗费到环境中，在环境中外部环境控制件(如HVAC系统)被迫使花费更多的能量来处理所述空载能量。由于作为基于二极管的炉的设计的一部分而选择单一最优吸收波长或多种最优波长，因此由发射器产生的辐射热能差不多完全被目标材料吸收且因此不会负面地影响外部环境。通过对二极管装置电路板使用水套式冷却布置，可将不变成辐射能量的热传输到替代位置的最佳选择。

作为所讨论系统的再一优点，较高效的加热意味着由器具使用的电负载减少。另外，代替增加的“到焙烤物的速度”，可使用具有非常小二极管阵列的低功率替代方案在与常规烤箱相同的时间标度上生产焙烤物，但所述替代方案将具有仅需要一小部分的电负载的附加优点。

按照类似方式，与常规炉技术相比能量消耗(由于上文所提及的物项所致)的减少意味着每焙烤或烹调循环进行操作的能量成本更低。所使用的能量被高效地转换成光子且直接注入到目标中。由于从这些装置发射的能量为如此内在地定向性或可导引性，因此非常高百分比的辐射光子会实际上撞击目标物项。由于可直接注入较大能量密度以在不担心灼烧表面的情况下执行烹调，因此可在实质上减少的时间帧中执行烹调。此可意味着(举例来说)烹调每一匹萨的能量成本实质上更低且碳排放量更低。由于此基于数字的技术为“即时接通”及“即时关断”的，因此其仅在正执行实际烹调时汲取电力。减少了许多类型的环境影响，从而进一步总体上有益于匹萨店主或家务。

如当前激光二极管、LED及其它半导体装置的长寿命所证实，可使用较新技术显著延长操作寿命。然而，常规炉及烤箱经受与同操作相关联的重复加热及冷却循环相关联的机械磨损。尽管稳健，但加热或加热元件最终会失效或断裂，正如在基于细丝的灯泡中一样。

除效率及成本优点外，所讨论系统还包含安全特征。首先，电击危险减小。电阻加热器通过使电流穿过暴露的电阻导线而操作。尽管安全地装纳在炉或烤箱的外壳内部，但与水(举例来说，洗涤槽中的)或与导电物件(例如餐叉)的接触可导致危险的条件。电阻或石英加热元件通常由伴随着内在危险的实质AC电压供电。窄带基于二极管的器具可由于热产生元件不直接暴露于用户、不可由用户接近或不与用户导电而减少这些风险。此外，二极管或激光二极管装置将通常由更加安全的低电压DC电源供电。根据本发明构建的设计良好的产品可更容易地经设计以使用户与任何电接触暴露隔离。

还减小火灾危险。由常规烤箱产生的环境加热的机制可为空气从焙烤狭缝中向外的对流，但此对流经常与穿过烤箱的主体的对流组合。热的烤箱为非常实际的火灾危险。二极管装置本身通常无法在不损坏其的情况下达到大于100℃，且其输出完全为辐射无对流的。二极管装置通过发射直接加热目标而非环境空气的辐射热而发挥作用，因此不存在任何原因使任何东西处于燃烧温度下。因此，本发明提供具有实质上减小的火灾危险的产品。

还改进使用所讨论系统的烹调技术。举例来说，与大多数其它食品相比，烹调油具有类似的特有吸收曲线，但具有明显的差异。烹调油具有可用以赋予类似于“投入式”浸没油炸的口感的有区别的峰值吸收。通过在峰值吸收波长下辐照，可使得烹调油极热同时对在下面的产品提供适中的表面烘烤。通过利用此独特特性，可设计烹调系统来替代浸没油炸过程。然而，本发明将具有用更低能量、以更低成本且以更大安全性(因为将不存在大量的热烹调油)更加快速地进行烹调的能力。还预期，经恰当设计的系统将产生更健康的食品，因为将预期烹调油的较少吸收且可使用较小量的更健康烹调油。

食品物项的直接辐照还导致经改进的烹调技术。如较早所提及，实质部分的传统或常规烹调不从辐照元件直接辐照食品。已讨论此情形的原因。由于在许多炉中使用电阻加热元件来加热空气且使用空气来加热食品，因此其形成过程中的另一低效且不精确的步骤。石英灯有时用于直接辐照但经常是结合风扇使用，所述风扇用以吹动石英输出还围绕烹调腔形成的热空气。数字窄带辐照的优点之一为，可选择一或多种正确波长以便可直接辐照目标或食品物项。如在上文的“匹萨喷涂”实例的精度方面所描述，存在可得自于本发明的功能性的组合的许多优点。为了促进直接辐照，使用玻璃炊具或在正使用的波长下为极具透射性的其它炊具有时将为明智的。如果使用波长可透过的炊具，那么可容易看出可潜在地从所有方向及侧面直接辐照食品或目标物项。当然，可借助部分透射炊具或甚至通过直接辐照而加热的不透明炊具来实践本发明。此确实导致另一界面，其可能并非最优的，因为其将借助来自炊具的高得多的百分比的热传导来烹调食品。当以此方式进行烹调时，借助正确波长进入到食品或目标中的深穿透的优点的一部分可不那么显著。

所讨论系统还允许用户将风味烹调到食品物项中。对于消费者来说，具有在烹调系统中对食品产生或赋予熏制型风味的某种方式是非常普遍的。大多数基于电的烹调系统不具有将此种风味赋予食品中的能力。这是燃烧类型的烹调系统非常普遍的一个原因。本发明的另一优点为，其可适于赋予熏制型或其它类型的风味。通过在烹调室中接近于食品而插入煤饼、木片或特殊的介质或元件，可视需要而选择性地对其进行辐照以产生烟或其它香料。特别适合于匹配插入件的吸收性质的窄带波长可经引导以辐照已知在被相应地加热时产生恰当种类的烟或风味的插入件。还可使用波长致动食品添加剂，在用激活波长辐照时，其产生所期望的风味。本发明非常适合于此技术，因为数字窄带装置可经精确对准、具有选择性窄波长且在经恰当设计的情况下有效地用于关断及接通风味产生器。

所讨论系统的再一优点在于其有利地集成到具有其它烹调装置的环境中的能力。可以使得器具可“彼此交谈”以便可在适当时间完成物项的方式以很大准确度制备食谱的部分或组分或者主食的其它部分。即时接通及关断装置的能力允许对烹调或加工速度的更加全面的控制，此有助于与其它食品制备或储存器具的此同步。

从上文描述应明了，本发明针对一种出于以某种方式影响目标的温度的目的而将最优波长的窄带辐射注入到所述目标中的新颖且高效的方式。所注入的辐射可针对给定应用而处于任何窄带波长下，但最常将处于其中趋向于存在用于各种目标产品的较多令人感兴趣的吸收特征符的近红外线波长带中。举例来说，用于红外线注入的“目标”可来自介于从商业或工业操作中的高体积目标组分到家庭或餐馆烹调过程中的常见个别食品物项的范围内的多种多样的物项。

一般来说，理想窄带红外线加热系统在加热或烹调结果与最少能量消耗恰当组合的情况下最优地提升目标的温度。此系统可包括可将其电功率输入直接转换成辐射电磁能量输出的装置，所述输出具有对准目标的所选单一或多种窄带波长，使得包括辐照的能量由目标部分地、合意地或全部地吸收并转换成热。电输入越高效地被转换成辐射电磁输出，系统就可表现出越高效的性能。辐射电磁波越高效地被对准以暴露目标上的仅所期望区，系统就将越高效地完成其工作。经选择以供使用的辐射发射装置应具有即时“接通”及即时“关断”特性，使得当不辐照目标时，输入及输出能量均不浪费。经暴露目标越高效地吸收辐射电磁能量以将其直接转换成热，系统就可越高效地发挥作用。为了最优的系统，在系统的设计中必须谨慎以恰当地进行选择使得用于特定应用的系统输出波长集合匹配目标在所述窄波长带下的吸收特性。将可能针对本发明的不同目标应用不同地选择这些波长以最佳地适合不同目标物项的特定吸收特性且适合不同的所期望结果。

相比之下，且为了进一步说明本申请案的优点，此项技术及工业中已众所周知，将一系列不同类型的宽带辐射加热或烹调系统用于宽广范围的过程及处理。如已提及，先前可用于此类目的的技术产生相对宽带光谱的所发射辐射电磁能量。在差不多所有情况下，炉所使用的各种类型的加热元件产生带宽为至少数千纳米或更大的辐射能量。在许多情况下，甚至当所产生的辐照作为主要为红外线的辐射能量发出时，其也加热空气且因此到所述辐照到达其目标时已导致对流加热。在许多情况下，不允许直接辐射能量碰击目标为有意义的，因为宽带源中的许多波长带将对正加热或烹调的物项具有有害影响。经常将许多不同宽带技术称为红外线加热、红外线处理、红外线烹调或红外线加工系统，而事实上，其还几乎始终产生远在红外线光谱之外的辐射能量以及对流热。举例来说，常见的家用炉使用产生大量的非常长波长的宽带红外线能量的电阻“卡罗德”加热元件。其还在中红外线及近红外线中以及在可见光谱的上部端中产生能量。此由以下事实所证明：所述元件在其被调大到较高的输出电平时发深樱桃红色光。通常，提供由于长波长能量具有灼烧食品表面的高可能性而防止辐射能量直接冲击食品的屏蔽物。所述屏蔽物接着阻挡许多直接红外线能量，但在所述能量正在其围封区周围反冲时，其过分加热加热元件周围的空气且实质上加热炉壁及其它组件，所述加热炉壁及其它组件接着又加热炉腔，从而导致对流或热空气烹调。所谓的“对流炉”仅具有使热空气的速度加速因此增加与食品或目标的热交换速率的鼓风机。事实上，借助热空气加热的所有炉为真正的对流炉，但营销术语是在一些年以前当用于增加所述热空气的速度的风扇为新式且附加特征时添加的。

通常将光谱的红外线部分划分成三个波长类别。通常将这些类别分类为近红外线、中红外线及长红外线波长带。尽管所述术语似乎是在实践中非常不严谨地使用且针对不同工业稍微不同地使用，但针对这些一般区域清晰地建立了确切截止点。但通常认为，近红外线区域横跨介于可见光与1.5微米之间的范围。由于本文中及别处经常依据纳米来指定波长，因此应认识到1000nm(纳米)等于1μm(微米)。中红外线区域横跨从1.5微米到5微米的范围。长波红外线区域通常被认为是介于5微米与14微米之间及超过14微米。

如上文经常提及，先前已在工业、商业、烹调、热处理或过程设备中使用的辐射红外线源产生很少限制于红外线光谱的一个区段的非常宽的波长带。虽然其宽带输出可在红外线光谱的特定范围中达到峰值，但其通常具有充分延伸到邻近区域中的输出尾部。设备及器具的制造商仍随便地通常将其产品称为在“红外线”中加热，即使所述术语已变得如此类属地使用以致就正描述的实际波长带来说为无意义的。所述术语并未关于制造商的加热或烹调产品精确地界定很多。作为一实例，此项技术中众所周知且用于各种烹调、熟化、干燥及过程加热操作的石英红外线加热灯将通常产生900纳米到1100纳米范围中的峰值输出。虽然输出可在900纳米与1100纳米之间达到峰值，但这些灯具有在从紫外线(UV)到可见及向外到中红外线中的大约3.5微米的宽广连续波长带集合中的非常实质的输出。作为此领域中的典型技术现状的实例，图16展示由称为贺利氏(Heraeus)的大型美国制造商制作的数种不同类型的石英红外线加热元件的输出的曲线图。明显地，虽然各种石英灯设计的峰值输出在近红外线或中红外线范围中，但其明显地为具有在可见范围及中红外线范围两者中的实质输出的宽带源。举例来说，模拟2200摄氏度黑体的石英管具有多于40％的处于可见光范围中的辐射能量强度且在其范围的长波长端上向外延伸到超过3000纳米。因此，在现有的宽光谱红外线源的情况下，关于对于任何给定加热、熟化、烹调或加工应用来说将为最期望的一或多种优选波长不可能进行选择。其内在地为宽光谱处理或过程且由于其低廉、尚不存在实际替代方案且由于波长特定烹调的实际模态在本发明的教示内容之前并非众所周知而已广泛使用。

相比于历史上使用这些模拟宽带源来烹调，本文中所预期的经改进加热方式处于特定且窄得多的波带下。所述方式取决于为何种目标材料或食品，但通常烹调许多目标或提升所述目标中的温度的最高效方式是由于在一种或一种以上波长窄带下的热IR能量的吸收。举例来说，在典型宽带红外线源的情况下，通常为以下情形：即使源正在大于3000nm宽的带宽内放出红外线能量，许多实际热吸收也是在取决于目标的吸收光谱的窄波长带中发生。重要且有用的吸收或透射可比100nm窄。因此，许多宽带IR能量输出通常并不实现恰好所期望的加热或烹调结果。

电阻加热元件为许多炉及干燥系统中的最老而仍为最普遍类型的电加热源。这些元件由于工业中的早期商标名称而经常称为“卡罗德”，但其仅仅为电阻加热元件。通过使电流穿过这些加热元件，其可相当于具有将依据其温度而变化的输出的黑体热源。由于所述元件通常比石英灯更凉地操作，因此其在非常长的红外线波长下辐射。其输出曲线遵循普朗克定律。在炉中，所述元件实际上以三种不同方式加热接近于元件的目标。所述元件以传导方式过分加热其周围的大气，且在更小程度上过分加热炉的结构、安装表面及内部表面。接着热空气又以对流方式加热目标。长波红外线能量还将辐射热赋予目标以及其中装纳所述目标的结构中。虽然此加热方法调用若干种不同的加热模态，但多年以来其已证明是有效地但不十分高效地工作。作为简单实例，如果在普通家庭中在烹调过程期间炉的门开启，那么大量的经加热空气逃逸且被家中的正常环境温度空气替换，必须从电阻加热元件再加热所述正常环境温度空气。即使正发生炉附近的环境的实质加热，烹调效率在炉门开启的时间期间也损失。事实上，如果炉门保持开启，那么系统将最终设法将家中加热到高达在炉中设定的恒温温度，此为极其浪费的。然而，此为在匹萨店中及在具有通常不具有门的传送式炉的许多商业或工业烹调情况中发生的情形。

与常规炉形成很大对比，在至少一种形式中，本发明经设计使得辐照装置仅在期望时经致动并产生能量。由于其为“即时接通”/“即时关断”型装置，因此其仅需在存在用于加热的食品或目标时被接通。许多商业炉因为冷却及再加热时间为显著的且因为炉已达到其不想要扰乱的稳定温度而为全天接通的。举例来说，匹萨商店的巨大成本为在长时间内或不断地使其炉运行的花费。本发明可给这些情形带来大的优点且可同时给烹调过程带来较大精度。

本发明为通过利用新式窄带技术及分子吸收科学而高效进行加热的更加直接的方式。通过选择匹配目标的窄带吸收特性的窄带加热元件，可将辐射能量高效且直接地注入到目标中。穿透深度随目标在针对窄带辐射加热元件的输出而选择的波长下的吸收系数而变。

能量消耗成本占完成或热加工物品的成本的日益增加的大百分比。举例来说，匹萨店的实质花费为使匹萨炉运行的能量成本。本发明为从电能转换成辐射能量的更加高效的方式，可将所述辐射能量直接注入到正烹调、干燥或熟化的物项中以诱发过程所必需的热。

就此来说，在固态电子器件领域中，半导体发射器或LED或激光二极管是此项技术中众所周知的。已知此类型的光子或通量发射器在市场上可购得且在从紫外线(UV)到可见光谱且充分进入到红外线中的各种波长下操作。基本电子/光子转换及化学品对于用于实际上产生光子输出的LED及激光二极管两者来说为相当类似的，激光二极管在实际上发射光子之前添加抽运放大步骤且因此可实现较高的光学输出水平。如已指示，由于两者均为用于实践本发明的适合窄带装置，因此将描述的电子/光子转换过程涉及LED及激光二极管两者。

LED及激光二极管由适合地经N掺杂及经P掺杂半导体材料构造而成。对经适合处理以含有置成与相同材料的经N掺杂区域直接接触的经P掺杂区域的一定体积的半导体材料赋予二极管的类属名称。二极管具有如此项技术中众所周知的许多重要电及光电性质。举例来说，此项技术内众所周知，在所形成半导体二极管的经N掺杂区域与经P掺杂区域之间的物理界面处，材料中存在特有带隙。此带隙和位于N区域中的传导带中的电子的能级与较低可用P区域轨道中的电子的能级的差。当诱发电子流动跨越PN结时，从N区域传导轨道到较低P区域轨道的电子能级跃迁开始发生，从而导致针对每一此种电子跃迁的光子的发射。确切能级或替代地所发射光子的波长对应于所传导电子的能量下降。

总而言之，LED作为直接电流/光子发射器操作。不同于细丝或其它黑体型发射器，不存在将输入能量在能够提取输出光子之前变换成中间形式的热的要求。由于此直接电流/光子行为，LED具有极快行动的性质。LED已在需要产生极高脉冲速率UV、可见及/或近IR光的众多应用中使用。其中LED的高脉冲速率性质已特别适用的一个特定应用为自动化离散部分视觉感测应用，其中使用可见或近红外线光来形成透镜聚焦的图像，接着在计算机中检查所述图像。

不同于基于细丝的源，LED在对应于正使用的半导体材料的特定带隙的相对有限的波长范围内发射。LED的此性质已特别适用于其中需要例如组件照明、状态指示或光学通信的波长选择性操作的应用中。最近，大的LED集群已用于较大规模形式的可见照明或甚至用于信号灯，例如汽车尾灯或交通信号灯。

上文描述仅提供本发明的特定实施例的揭示内容且不既定用于将本发明限制于所述特定实施例的目的。如此，本发明并不仅限制于上述应用或实施例。此揭示内容广泛地论及本发明的许多应用且特定地论及一个应用实施例。应认识到，所属领域的技术人员可构想出归属于本发明的范围内的替代应用及特定实施例。

Claims

1.一种用于加热食品的加工系统，所述系统包括：

烹调室，其具有用以安全地将辐照能量围封在其内的配置，且可将食品物项定位到所述烹调室中以用于直接或间接辐照中的至少一者；

结构，其用于至少部分地包封所述烹调室且用于接近于烹调区固持定向辐照装置，使得来自所述辐照装置的辐照可进行以下各项中的至少一者：直接冲击所述食品物项或间接冲击所述食品物项；

至少一个窄带基于半导体的发射装置，所述至少一个窄带基于半导体的发射装置经选择使得其辐照输出的波长匹配目标食品物项中的至少一者在所述波长下的至少一个吸收特性；及，

控制系统，其用于供应至少用以对所述窄带辐照装置进行数字控制的电流以基于以下各项中的至少一者而在所述室中提供所述辐照输出：用户接口设定、传感器输出或所述室为有效的且安全地围封所述辐照能量的确定。

2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括经定位以允许在不使所述辐照输出波长通过的情况下观察所述辐照区的观察窗。

3.根据权利要求2所述的系统，其进一步包括用以在观察期间选择性地关断辐射的防护闸系统。

4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用以将所述食品物项输送到所述辐照区中的传送系统。

5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括若干传感器，所述传感器操作以感测关于所述食品物项在以下各项中的至少一者时的至少一个方面并由于所述感测而采取行动：所述辐照之前、期间或之后。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述传感器包括感测所述食品物项的位置、食品类型及大小的相机。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个窄带基于半导体的辐射发射装置在两种不同窄带辐照波长下产生其窄带辐照，所述两种不同窄带辐照波长中的每一者经选择使得所述波长匹配可被辐照的所预期目标的吸收特性。

8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括宽带辐照元件，所述宽带辐照元件经选择性地激活以用于除进行窄带加热以外还烹调所述食品物项。

9.一种用于烹调、干燥或熟化食品物项的方法，所述方法包括：

将至少一个目标食品物项引入到辐照区中并对其进行定位，使得其可由辐射发射装置直接或间接辐照；

安全地围封所述辐照区；

在所述辐照区被安全围封时的周期期间从至少一个数字窄带基于半导体的辐照装置发射定向辐射；及，

在所述发射期间用匹配所述至少一个目标食品物项的吸收特性的至少一种窄带波长辐照所述至少一个食品物项。

10.一种用于加工食品物项的方法，所述方法包括：

将所述食品物项输送到烹调室中；

在所述食品物项正被输送到所述烹调室中时感测所述食品物项的位置；

检测所述食品物项处于所期望位置中；

基于所述检测而停止所述输送；

关闭所述烹调室以安全地围封所述室的容纳物；

感测或输入所述食品物项的若干方面；

基于所述感测或输入并基于烹调参数而确定烹调型式；

基于所述烹调型式而从至少一个数字窄带基于半导体的辐射发射器装置在一波长下辐照所述食品物项达一时间周期，所述波长对应于所述食品物项在所述波长下的优选吸收特性；

在所述辐照完成之后开启所述烹调室；及，

从所述烹调室中输送出所述食品物项。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述辐照所述至少一个食品物项包括依据方向发射而喷涂所述至少一个食品物项。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述发射包括使所述至少一个辐照装置产生脉冲。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其中至少一种窄带波长包括两个波长带，所述两个波长带是基于在所述波长带的每一中心处实质上不同的吸收特性而选择的。

14.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述至少一种窄带波长实现进入到所述食品物项中的深穿透。

15.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述至少一种窄带波长实现所述食品物项的表面加热。