CN102449387A - 基于混合波导-下转换器-扩散器的固态光源 - Google Patents
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Abstract
提供了一种固态光源，该固态光源包括：输出光能的光泵、波导、以及下转换器，该波导与光泵光耦合以接收光能，该下转换器用于将来自波导的光能转换为更弱的光能。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年5月28日提交的美国申请No.12/789,596和2009年5月29日提交的美国临时申请No.61/182,171的优先权。以上申请的全部公开内容以参引的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及固态光源，并且更特别地，涉及一种基于混合波导-下转换器-扩散器的固态光源。
背景技术和发明内容
本部分提供了与本公开相关的背景信息，这些信息并不一定是现有技术。本部分还提供了本公开的总体概述，并且本部分不是对本公开的整个范围或本公开的所有特征的全面公开。
当前，美国每年单在照明用电上就总共花费数以万亿计的美元——实际上，大多数建筑物用电的四分之一是用于照明。因此，即使照明效率的适度提高也可以使得节省大量的金钱并且对环境有益。作为能效更高的照明解决方案，固态光发射装置(LED或有机LED)有可能可以替换现有的白炽灯和荧光灯，从而提供超过100lm/W的发光效率。
然而，照明的累计成本不仅包括电力成本，而且包括灯的成本。为了在商业上可行，与荧光灯、高强放电(HID)灯以及当前的基于LED的灯相比，任何新兴的固态照明(SSL)技术必须同时在成本和能量方面具有竞争力。到目前为止，基于LED的照明在大多数市场(例如，室内普通照明)上在成本方面一直不具有竞争力。
重要的是，除了照明效率和成本效能之外，为利于广泛接受，照明质量(即，显色指数(CRI))也必须与传统白炽灯和HID灯的照明质量(通常CRI＞90)相匹敌。现有照明器材(例如，荧光照明器材和爱迪生螺旋灯头)的向后兼容性也是非常可取的。迄今为止，事实上，新兴的光源没有一个满足这些要求。
无机白光LED可能能够满足SSL要求并且表现出长于50,000小时的装置寿命。迄今为止，基于氮化铟镓(InGaN)和磷化铝镓铟(AlInGaP)的LED已经分别在蓝光和红光波长上实现超过50％的功率转换效率；基于氮化铟镓的绿光LED具有30％的效率。由于昂贵的制造过程(例如，外延)和不相容的蓝光/绿光和红光LED材料，因此当前的白光LED主要基于涂履有黄色磷光体的蓝光LED。然而，该方法产生非常低的CRI输出(大约70)。另外，每个LED芯片尺寸仅在1mm2量级上或更小。因此，需要外部透镜和扩散器，这导致附加的制造和装配成本。
相似地，白光OLED可能能够满足SSL要求，提供对发光颜色的精良控制，并且理论功率效率超过150流明/瓦特。迄今为止，OLED已经超过60lm/W的功率效率，并且获得80或更好的CRI。然而，在它们变得对于SSL应用而言在商业上可行之前，必须克服若干重大的技术和科学挑战。这些挑战中的一些包括：1.较高的基质成本(计算表明整个OLED必须花费少于$100/m2)；2.较低的光外耦合率(计算表明光提取效率应当超过50％)；3.发蓝光材料的较短的工作寿命；以及4.较高的封装成本(尤其在对挠性基质的卷带式加工(reel-to-reelmanufacturing)的情况下)。
根据本教导的原理，提供了一种固态光源，该固态光源包括：输出光能的光泵；光耦合到光泵以接收光能的波导；以及用于将来自波导的光能转换为较弱光能的下转换器。
通过在此提供的说明，其它可应用领域将变得清楚。本发明内容部分中的说明和具体示例仅出于说明的目的而并非意在限制本公开的范围。
附图说明
此处描述的附图是仅用于对所选实施方式而非全部可能的实施进行示例说明的目的，而并非意在限定本公开的范围。
图1是根据本教导原理的基于混合波导-下转换器-扩散器系统的固态光源的示意图；
图2是具有一排LED和相关联波导的固态光源，其中，为清楚起见部分被移除；
图3是蓝光LED的放大示意图；
图4是根据本教导原理的圆柱状波导组件的仰视立体图；
图5是根据本教导原理的板状波导组件的仰视立体图；
图6是具有变化的弯曲半径的根据本教导原理的波导的立体图；
图7是具有变化的螺距的根据本教导原理的波导的立体图；以及
图8a至8c是具有各种表面处理以促进光外耦合的根据本教导原理的波导的示意性截面图。
在附图中的若干视图中，对应的附图标记始终指示对应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。提供示例实施方式以使得本发明公开充分并且向本领域技术人员完整传达了范围。阐述了许多特定细节，例如特定部件、装置、以及方法的示例，以提供对本公开的实施方式的全面的理解。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，不必采用特定细节，可以以许多不同的形式实施示例实施方式并且都不应当解释为对本公开的范围的限制。
本文使用的术语仅出于描述具体示例性实施方式的目的，而非意欲进行限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”可被理解成同样包括复数形式，除非上下文中以其它方式清楚地加以表明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包括在内的，并且由此详细说明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或掺杂。本文所述的方法步骤、过程和操作不应被解释成必需要求以所讨论或所述的特定顺序来执行它们，除非明确表明为执行顺序。同样应该明白的是，可采用附加的或替代的步骤。
当元件或层被指为“在另一元件或层上”、或“接合至”、“连接至”或“耦合至”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上、或直接接合至、连接至或耦合至另一元件或层，或者可存在居中的元件或层。相反，当元件被指为“直接在另一元件或层上”、或“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层时，可不存在居中元件或层。用于描述元件之间的关系的其他用语应当以相似的方式进行解释(例如“在...之间”对“直接在...之间”，“相邻”对“直接相邻”等)。如本文所使用的，用语“和/或”包括一个或多个关联列举的项目中的任一个和全部组合。
为了克服常规固态照明的缺陷，本教导的原理提供了一种以创新且有效的方式组合发展成熟的技术的方法。如图1和2所示，根据本教导的原理，固态光源10设置成具有光泵12和波导组件14，波导组件14可操作地耦合于光泵12以便光泵12与波导组件14之间的光能连通。具体地，本教导提供了一种系统，其中，在一些实施方式中，蓝光LED的输出耦合至包括波导芯层和波导包覆层的光波导或波导组件，由此，与波导包覆层相比，波导芯层具有更高的折射率。波导的外表面可以涂履有波长转换材料(例如，荧光染料、磷光体以及量子点)。通过使波导适当地成形，均匀泄出的蓝光激发波长转换材料以产生白光。与常规系统相比，本教导的主要优点包括(i)蓝光激发的光强度(每单位面积的光功率)非常低，从而允许更宽范围的波长转换材料，以及(ii)照明装置的外形因素(大小和形状)可以仅通过改变波导的外形因素而容易地改变并且不受波长转换材料的放置的限制(例如，在荧光器材中替换使用的长形照明装置)。
在一些实施方式中，光泵12可以包括光学地耦合于一个或多个波导组件14的一个或多个LED、激光器、有机LED以及其组合。应当认识到，在一些实施方式中，光泵12可以包括不同颜色的LED、不同颜色的激光器、不同颜色的有机LED等。特别地参照图1至3，光泵12被示出为提供极高发光效率的蓝光泵LED 12。特别地参照图3，蓝光泵LED 12可以为使用TFFC(薄膜倒装芯片)设计的蓝光LED。
继续参照图1、2和4至7，波导组件14可以限定包括圆形、椭圆形、平面状、圆柱状、具有变化的螺距和/或半径的圆柱状或有助于一致的或其它的光输出分布的其它形状的多种布置和设计中的任何一种。此外，在一些实施方式中，波导组件14可以以成排构造布置(如图2所示)。在一些实施方式中，波导组件14可以包括基本上被诸如氟化聚碳酸酯之类的波导包覆层18围绕的诸如PMMA芯之类的波导芯层16。在一些实施方式中，波导组件14可包括通常围绕波导包覆层18的至少一部分的下转换层20。最后，可围绕波导组件14的所包含的部分布置外表面部分22以提供外耦合功能。应当注意，波导组件14的具体布置可以变化，并且因此可以采用可选择的形状和分层。还应当理解，因为上述层中的每一个可以仅覆盖或布置在局部区域上以影响预定光输出，所以它们不必是完整的。该光输出可以是定制的和/或非均匀的。
在一些实施方式中，如图1所示，波导组件14可以进一步或可选地包括染料和/或染料层26、28(或磷光体或量子点)，染料和/或染料层26、28(或磷光体或量子点)至少布置在波导芯层16的外部，比如布置在包覆层18上或包覆层18中或者布置在包覆层18的外部，其将来自LED 12的蓝光下转换成更长的波长。这可以利用下转换器和一些实施方式中的外部阻隔层或扩散器24(图1)来实现。即，在一些实施方式中，染料层26、28可以吸收蓝色光子并且输出更少能量的光子，诸如绿色光子、红色光子等。在一些实施方式中，蓝光可以下转换为黄光。在一些实施方式中，下转换过程可以是多步骤的使得蓝光首先下转换为绿光，然后在后续步骤中，绿光可以下转换为红光。在一些实施方式中，可以从蓝光到绿光到黄光到红光来完成下转换过程。在一些实施方式中，可以通过给波导组件14掺杂下转换器或通过将绿色下转换器和红色下转换器二者掺杂到包覆层18中(在图1的插图中示意性地示出)而在波导组件14中而将蓝光转换成绿光和红光。
根据本教导，已经发现实际的损失主要限于LED源12和波导组件14之间的耦合损失、波导组件14和任何可选的包覆层中的吸收以及下转换器中的斯托克斯(Stokes)损失(将在本文中讨论)。除了斯托克斯损失之外，这些损失可以根据本教导的原理最小化至几乎可忽略的水平。斯托克斯损失是不可忽略的(大约25％)，但其又是现有LED或荧光照明所固有的特征。
已经发现本教导的总光外耦合率是非常高的。这可以部分地归因于波导芯层16的相对于LED源12的受光角(+/-30度)。因此，LED源12的发射锥还可以是狭窄的，这又利于来自LED的单色光外耦合的借助于电介质堆栈、光子晶体以及其它的装置的增加。也已经发现还可以使包覆层/阻隔层的表面变粗糙以增加与空气的光耦合。重要的是，可以通过从各式各样的材料体系——例如，无机磷光体、荧光和磷光有机染料、发光聚合物等——中选择下转换器而非常精确地调整该组件10的显色指数(CRI)。
波导14用于通过将下转换器(例如，分子染料)掺杂到惰性基质(例如，PMMA、聚对二甲苯等)中而使激发强度降低和使下转换器(例如，分子染料)的集中减少。这使下转换器的工作寿命增加，这使常规白色LED中常见的劣化机制缓和。
波导14可以充当从组件逃逸的光的良好的扩散器，从而可能使总的器材/照明器具成本降低。
为了在整个装置10上均匀地产生白光，应当沿着波导14的整个长度均匀地提取通过波导14输送的蓝光。换而言之，在一些实施方式中，期望光强度和色温从波导14的近端端部到远端端部基本上等同。然而，达到该目标并不容易。在一些实施方式中，要求将光输出率沿着波导14控制成使得光输出率沿着波导14的长度保持均匀。然而，通常，接近光源(近端)端部的光输出率比远离光源(远端)的光输出率大。该光输出率上的差异会影响蓝光在沿着波导14的长度的不同位置处与相关染料的相互作用，导致光强度和色温沿着波导14的长度变化。因此，为了在整个装置10上均匀地产生白光，期望调节光输出率和/或调节涂覆的下转换层以将蓝光均匀地转换成多种颜色(例如，绿色和红色)并且因此混合成白光。
如在本文中讨论的，引导蓝光的常规波导(例如，塑料光学纤维)显示出有限的衰减损失。三个主要损失机制包括因波导的不完善而产生的辐射损失、吸收损失、以及瑞利散射。这些损失导致在整个波导长度上的蓝光功率的指数式衰减。就因波导的不完善而产生的辐射损失和瑞利散射而言，蓝光从波导中泄漏出去，导致功率的相同的指数式衰减并因此产生非均匀的白光。
为了解决该问题和在整个装置10上均匀地产生白光，在本教导的一些实施方式中，如图6和7所示，波导14的结构使得通过波导14的有意弯曲而有目的地引入附加辐射损失。波导14的弯曲使得通过波导14引导的光射线中的一些能够因为不再满足全内反射条件而泄漏出去。通过适当地控制波导14的布置，弯曲损失可以沿着波导长度增大以补偿功率(即，光强度)的指数式衰减。因为弯曲损失仅取决于特定波导结构的弯曲半径，所以如图6和7所示，波导14的半径可以连续地变化以实现均匀的白光输出。在一些实施方式中，如图6所示，波导14的结构构造为向上延伸且逐渐地收紧的盘管状，其中，内部弯曲半径逐渐地增大以补偿光强度的损失。在该实施方式中，其形状有助于替换现有的白炽光照明器材。在一些实施方式中，如图7所示，波导14的结构构造为外直径大体恒定但是螺距逐渐增大的螺旋状，其中，内部弯曲半径同样逐渐地增大以抵消光强度的损失。在该实施方式中，其圆柱状形状有助于替换现有的荧光照明器材并且可以通过将波导缠绕在圆柱状模具上而实现。在一些实施方式中，可以在模具上进行波导的缠绕，可以在该模具上涂履反射层(例如，金属)以使外耦合效率提高。
应当认识到，波导14可以限定许多形状中的任何一种，诸如如图2和4所示的圆柱波纹形状、如图5所示的波纹板状形状或如图6和7中部分地示出的螺距和/或半径变化的圆形形状。如图8a至8c所示，还应当认识到，可以沿着波导组件14的外周界面使用各种表面处理和表面纹理以用于美学和/或外耦合性能。例如，如图8a所示，波导组件14可以包括布置在阻隔层24或外散射层46中的多个向内指向的切口、凹陷、缺口或其它向内指向的特征40以提供增大的表面面积和改善的外耦合。相似地，如图8c所示，波导组件14可以包括布置在阻隔层24或外散射体层46中的多个向外指向的伸出部、特征或突起42以提供增大的表面面积和改善的外耦合。更进一步，如图8b所示，波导组件14可以包括嵌入在阻隔层24或散射体层46中的诸如颗粒之类的多个特征44以提供增强的光散射和改善的外耦合。以该方式，本教导可以用于直接替换常规白炽光照明系统、荧光照明系统以及其它的照明系统和它们的相关联外形要素(例如，长形的、板状的、球形的等等)。
出于示例和说明的目的提供了以上对实施方式的描述。其并非详尽的或无意于限定本发明。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定的实施方式，而是在可应用的情况下能够互换并且能够在所选取的实施方式中使用，即使没有具体地示出或描述。同一方式还可以以多种形式改变。这些改变不应当被认为偏离本发明，并且期望所有这些变型都被包括在本发明的范围内。
Claims (17)
1.一种固态光源，包括：
输出光能的光泵；
波导组件，所述波导组件与所述光泵光耦合以接收所述光能，所述波导组件至少具有芯部；以及
下转换器，所述下转换器将来自所述波导组件的所述光能转换为更弱的光能，所述下转换器布置在所述波导组件的所述芯部的外部。
2.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述波导组件是长形的，且具有减小的弯曲半径。
3.根据权利要求2所述的固态光源，其中，所述减小的弯曲半径选择成允许沿所述波导组件的长度的基本上均匀的光输出，以抵消光能损失。
4.根据权利要求2所述的固态光源，其中，所述减小的弯曲半径选择成允许沿所述波导组件的长度的预定的光输出率，以抵消光能损失。
5.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述光泵是LED。
6.根据权利要求5所述的固态光源，其中，所述光泵是蓝光LED。
7.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述光泵是激光器。
8.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述波导组件是螺距渐增的螺旋状形状。
9.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述波导组件限定板状形状。
10.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述光泵以具有蓝色光子的蓝光波长输出所述光能，并且所述下转换器包括接收所述蓝色光子并且输出第一下转换光子的第一染料层，所述第一下转换光子的能量弱于所述蓝色光子。
11.根据权利要求10所述的固态光源，其中，所述下转换器包括接收所述第一下转换光子并且输出第二下转换光子的第二染料层，所述第二下转换光子的能量弱于所述第一下转换光子。
12.根据权利要求1所述的固态光源，进一步包括：
输出光能的第二光泵；
第二波导组件，所述第二波导组件与所述第二光泵光耦合以从所述第二光泵接收所述光能；以及
第二下转换器，所述第二下转换器用于将来自所述第二波导组件的所述光能转换为更弱的光能。
13.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述波导组件包括轮廓构造成促进外耦合的外表面，所述外表面具有散射所述更弱的光能的多个嵌入特征。
14.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述波导组件包括具有多个向内指向的凹陷以促进所述更弱的光能的外耦合的外表面。
15.根据权利要求1所述的固态光源，其中，所述波导组件包括具有多个向外指向的特征以促进所述更弱的光能的外耦合的外表面。
16.一种输出光能的方法，包括：
将光能引入到波导组件内，所述波导管组件内的所述光能的强度沿所述波导组件的长度降低；以及
使所述波导组件纵向地成形为在第一纵向位置处和在第二纵向位置处产生基本上一致的离开所述波导组件的侧面的光泄漏，所述波导组件内的所述光能在所述第一纵向位置处与在所述第二纵向位置处不同。
17.一种输出光能的方法，包括：
将光能引入到波导组件内，所述波导组件内的所述光能的强度沿所述波导组件的长度降低；以及
将所述波导组件弯曲成形成逐渐变化的半径以在第一纵向位置处和在第二纵向位置处产生基本上一致的离开所述波导组件的侧面的光泄漏，所述波导组件内的所述光能在所述第一纵向位置处与在所述第二纵向位置处不同。
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