CN107208868A - 用于照明单元中的滤色的材料及光导 - Google Patents

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Abstract

适合于在照明单元中使用以赋予滤色效果给可见光的材料及由其形成的光导。此光导(16)的至少一部分由包括聚合物基质材料和无机颗粒材料的复合材料形成，无机颗粒材料贡献滤色效果给穿过复合材料的可见光，且颗粒材料包括包含Nd3+离子的钕化合物。

Description

用于照明单元中的滤色的材料及光导
技术领域
本发明大体上涉及照明系统及相关技术。更具体而言，本发明涉及适合于赋予滤色效果给光源的材料及方法，光源的非限制性示例包括侧光式照明单元，其包括在光导的边缘处与光源(例如，一个或多个发光二极管(LED))联接的光导。
背景技术
LED灯(灯泡)能够提供优于更传统的白炽灯和荧光灯的多种优点，包括但不限于较长寿命预期、高能效，以及完整亮度，而不需要时间来变热。如本领域中已知的那样，LED(如本文使用的还包含有机LED或OLED)是固态半导体装置，其将电能转换成包括可见光的电磁辐射。LED通常包括半导体材料的芯片(管芯)，其掺杂杂质以产生p-n结。LED芯片电连接到阳极和阴极，它们全部通常安装在封装内。相比于诸如白炽灯和荧光灯的其它光源，LED发射在较窄的束中方向性更强的可见光。因此，LED传统上用于诸如汽车、显示器、安全/紧急情况和定向区域照明的应用中。然而，LED技术的发展允许了基于高效率LED的照明系统在传统上使用其它类型的照明源(包括由白炽灯和荧光灯之前服务的全方向照明应用)的照明应用中得到较宽的使用。结果，LED越来越多地用于住宅、商业和市政背景下的区域照明应用。
图1和图2示意性地呈现了包括设置在器具壳体14中的光源12(图2)的侧光式灯具或发光体10的一部分。光源12在图2中呈现为包括LED装置，其可为器具壳体14内成阵列的任何数目的LED中的一者，其中LED通常面向相同的方向，且各个LED有效地为离散点光源。因此，器具壳体14构造成使LED装置12指向一个方向以引导从发光体10发出的光。作为非限制性示例，发光体10可构造成照亮商业制冷展示柜的架和内容物。另一类型的侧光式发光体称为凹形反光槽，其通常用于商业和零售空间中的吊顶。用于侧光式发光体的还有其它应用包括标识，其示例为通常用于商业和零售空间中的"出口"标志。
对于上文提到的类型的照明应用，发光体10示为还包括光导16，其具有设置在LED装置12的阵列附近的边缘18(图2)。如本领域中已知那样，光导16是通常用于侧光式技术中的光学构件。光导形成为具有表面微观结构，其适于实现全内反射(TIR)以将光从光源引导至期望的应用空间。光导16可从多个方向可见，且通常期望具有一致的亮度，同时以期望的光级照亮特定区域。取决于特定应用，常用于产生光导的材料包括光学等级的透明材料，诸如丙烯酸树脂，但也可使用各种其它材料，例如，聚酰胺(尼龙)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP)。
由于LED装置在窄波长带中发射可见光，例如，绿色、蓝色、红色等，故不同LED装置的组合通常在基于LED的灯中组合以产生包括白光的各种光色。LED装置通常安装在载体上，且可封装在载体上，例如具有通常由指标匹配的材料形成的保护盖，以加强从LED装置取得可见光的效率。作为非限制性示例，图2呈现了安装在载体20上且由圆顶22包围的LED装置12，圆顶22用作包围载体20上的LED芯片(未示出)的光学透明或半透明的封套。磷光体还可用于发射除由LED生成外的颜色的光。出于此目的，圆顶22的内表面可设有包含磷光体成分的涂层，在此情况下，由LED芯片发射的电磁辐射(例如，蓝色可见光、紫外(UV)辐射或近可见紫外(NUV)辐射)可由磷光体成分吸收，导致磷光体成分的激励以产生通过圆顶22发射的可见光。作为备选，LED芯片可封装在具有涂层的载体20上，且此涂层在期望LED-磷光体与LED外延(epi)晶片或管芯制造集成的实施例中可选地包含磷光体成分。
尽管不同LED装置和/或磷光体的组合的使用可用于促进配备有光导的发光体产生期望的照明效果的能力，但某些期望的照明效果利用此类途径实现起来可能略微有挑战。特别的示例是利用从GE Lighting市售的白炽灯泡的REVEAL7线实现的照明效果，其制造成具有由掺杂三氧化二钕(氧化钕，Nd2O3)的玻璃形成的外护套以过滤光的某些波长。类似于利用白炽灯泡的REVEAL7线实现的照明效果对于配备有光导的发光体也是期望的。
发明内容
本发明提供了适合于在照明单元中使用以赋予滤色效果给光源的材料和由其形成的光导，且特别是包括与基于LED的光源联接的光导的侧光式照明单元。
根据本发明的一个方面，光导的至少一部分由复合材料形成，复合材料包括聚合物基质材料和无机颗粒材料，无机颗粒材料贡献滤色效果给穿过复合材料的可见光，且颗粒材料包括包含Nd3+离子的钕化合物。
根据本发明的另一个方面，照明单元包括发射可见光的光源，以及构造且布置成使得光源的可见光的至少一部分穿过其间的光导。光导的部分由包括聚合物基质材料和无机颗粒材料的复合材料形成，无机颗粒材料贡献滤色效果给穿过该部分的可见光，且颗粒材料包括包含Nd3+离子的钕化合物。
本发明的额外方面包括使用上文所述类型的复合材料，其中钕化合物可作为离散颗粒或作为颗粒材料中的掺杂物存在，以促进颗粒材料和聚合物基质材料的折射率匹配得足够赋予低雾度光学效果给由照明单元发射的可见光，相信这至少部分归因于最小化米氏散射。
上文所述的复合材料、光导和照明单元的技术效果优选地包括提供期望的滤色效果的能力，且优选地具有匹配基质材料的折射率的能力，以最小化穿过复合材料和光导的光的光学散射。
本发明的其它方面和优点将从以下详细描述中更好地认识到。
附图说明
图1示意性地呈现了根据本发明的非限制性实施例的能够受益于包括包含氟化钕成分的光导的类型的侧光式发光体的透视图。
图2示意性地呈现了图1的侧光式发光体的局部截面视图。
图3为呈现出对于NdF3和NaNdF4纳米晶体观察到的吸收光谱的图示，且图4为呈现出经历800nm的激励频率(λexc)和240mW的激励功率时的NdF3和NaNdF4纳米晶体的上转换荧光光谱的图示。
图5为相比于Nd2O3掺杂的玻璃呈现出分散在硅树脂基质中的NdF3的光透射特征的图示。
具体实施方式
以下论述将参照图1和图2中呈现的基于LED的发光体10。然而，应当认识到的是，各种其它构造的照明单元和LED装置也在本发明的范围内。
如前文所论述的那样，图1和图2中呈现的发光体10包括LED装置12的阵列，其中一个在图2中示意性绘出。LED装置12用作侧光式发光体10的光源或光引擎。任何数目的LED装置12都可结合发光体10使用，其中数目和其间的间距取决于光输出的期望量和期望的光分布。发光体10可为布置成且可能组装在一起的多个发光体中的一个，以向器具提供期望的光输出水平。
如前文参照图2所论述的那样，各个LED装置12均可由圆顶22包围，且安装在位于器具壳体14内的腔24中的载体20上。光导16的边缘部分通过壳体14中的开口30接收，且装固在开口30内，使得光导边缘18位于LED装置12附近，但通常与LED装置12间隔开。壳体14呈现为包含光学器件26，例如，反射器和/或透镜，以用于将光从LED装置12朝光导16的边缘18引导。本领域中对于光学器件26的类型、尺寸、形状和光学器件26相对于LED装置12和光导边缘18的放置存在已知的各种约束，例如，以通过最大化光导16与从LED装置12发射的光的耦合来促进光学效率，且此类约束将不在这里详细论述。
壳体14可具有任何适合的形状，且因此不限于图1和图2中呈现的截面形状。壳体14通常将配备有其预期使用所需的各种其它特征和硬件。例如，壳体14可包括用于将热传导离开LED装置12的热沉(未示出)、用于将发光体10安装至支撑表面的各种特征和硬件，用于将LED装置12连接至电源的电线，等等。
如本领域中已知那样，光导16优选用于捕集通过全内反射(TIR)在其边缘18处接收到的光，且由于位于光导16的表面28处的瑕疵或其它光获取特征的存在将捕集的光再引导出光导16，优选限于壳体14外的表面区域，以抑制从壳体14内的光导16的边缘部分的损失。如本领域中已知的那样，光获取特征从光导16获取光，其将由于全内反射另外捕集在光导16内。各种途径和方面是本领域中已知的，以便产生和构造用于光导中的光获取特征，且将不在这里详细论述。
光导16在图1和图2中呈现为具有叶片构造，其特征为矩形长方体或平行六面体形状，但其它三维形状也在本发明的范围内。暴露于壳体14内的光的边缘18的宽度也可改变，其中大约四毫米的宽度是已知的示例。尽管光导16的表面28呈现为平面的且完全没有任何特征(除光获取特征外)，但表面28可改变来实现发光体10期望的某些照明效果，例如，允许发光体10用作标识的特征，诸如改变某些光获取特征或将膜施加到表面28来限定例如字母、符号或图形。
本发明提供了适合用作光导(包括图1和图2的光导16)且能够赋予滤色效果给由光导发射的可见光(特别是由一个或多个LED装置生成的可见光)的材料。复合材料包含Nd3+离子源，其通过针对本发明的研究确定对于提供滤色效果是有效的，特别是过滤黄光波长范围中的可见光，例如，大约0.56到大约0.60微米的波长。
根据本发明的某些方面，此类复合材料和由此产生的光导可取决于复合材料的成分而具有很少(即使有)的光学散射(漫射)效果。作为示例，优选的复合材料包括光学等级的透明材料，诸如聚合物基质材料，其中散布包含Nd3+离子源的无机颗粒材料。Nd3+离子源可为作为颗粒材料的掺杂物或作为离散颗粒存在的钕化合物，离散颗粒可选与其它材料的离散颗粒组合来构成颗粒材料。包含钕化合物(例如，部分地或完全地由钕化合物形成)的离散颗粒和/或掺杂钕化合物的离散颗粒的颗粒材料可与聚合物基质材料组合，以用于促进颗粒和聚合物基质材料的折射率匹配(即，最小化其折射率的差异)得足够赋予低雾度(低扩散率)光学效果给穿过复合材料的可见光的目的。
相信对于Nd3+离子的优选源是具有相对低的折射率的包含NdBF的材料。相信特别优选的Nd3+离子源是氟化钕NdF3，其具有大约1.6的折射率，提供了适合低的折射率以用于与某些聚合物基质材料的指标匹配来最小化散射损失。其它Nd3+离子源是可能的，例如，包含NdBF的其它化合物，其非限制性示例包括NdBXBF化合物，其中X是与钕形成化合物的至少一种元素，例如，氧、氮、硫、氯等，或与氟形成化合物的至少一种元素(除Nd外)，例如，诸如Na, K, Al, Mg, Li, Ca, Sr, Ba和Y的金属，或此类元素的组合。NdBXBF化合物的特定示例包括由NdBF(NdF3)和NdBO化合物(包括Nd2O3)形成的氟氧化钕(NdBOBF)化合物、Nd-X-F化合物，其中X可为Mg和Ca或可为Mg、Ca和O，以及包含NdBF的其它化合物，包括掺杂钕的钙钛矿型结构。某些NdBXBF化合物可有利地允许大约580nm的波长下的较宽吸收。例如，取决于NdBO和NdBF化合物的相对量，氟氧化合物可具有在NdBO化合物(例如，对于氧化钕是1.8)与NdBF化合物(例如，对于NdF3是1.60)的折射率之间的折射率。掺杂钕的钙钛矿结构材料的非限制性示例包括包含具有低于钕化合物(例如，NdF3)的折射率的至少一个组分的那些，例如，Na, K, Al, Mg, Li, Ca, Sr, Ba和Y的金属氟化物。此类主体化合物在可见光区域中具有相比NdF3较低的折射率，其非限制性示例包括589nm的波长下的NaF (n=1.32), KF(n=1.36), AlF3 (n=1.36), MgF2 (n=1.38), LiF (n=1.39), CaF2 (n=1.44), SrF2 (n=1.44), BaF2 (n=1.48)和YF3 (n=1.50)。由于与高折射率Nd-F化合物(例如，NdF3)掺杂，故所得掺杂的钙钛矿结构化合物具有在主体(例如，对于MgF2是1.38)与NdF3(1.60)的折射率之间的折射率。NdF3掺杂的金属含氟化合物的折射率将取决于Nd离子和金属离子的比率。
大体上，如果基质和颗粒材料的折射率在可见光区域中在彼此的0.1内，则由最低水平的光学散射引起的低雾度(低扩散率)光学效果设想在此实现。如果NdF3用作其聚合物基质材料是聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)的光导中的唯一无机颗粒材料，则NdF3(大约1.60)以及PC和PS(大约1.586)的折射率使得在光穿过构件时发生最低水平的光学散射。具有NdF3的0.1内的折射率的聚合物的另一示例是掺杂氟的聚酯(大约1.607的折射率)。在此方面，聚合物基质材料基于具有类似于钕化合物的折射率来选择，以便实现低雾度(低扩散率)光学效果。
可利用对颗粒材料的改变来实现与具有与可见光区域中的钕化合物的差别大于0.1的折射率的其它聚合物匹配的折射率。例如，Nd3+离子的源(例如，NdF3)可与一种或多种其它材料组合，以产生实现光导中的最低水平的光学散射的有效折射率，光导的聚合物基质材料在可见光区域中具有与Nd3+离子源的差别大于0.1的折射率，例如，丙烯酸树脂(例如，聚甲基丙烯酸甲酯；PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和硅树脂。作为非限制性示例，由金属氟化物和/或金属氧化物形成的颗粒可掺杂钕化合物，以具有在钕化合物与金属氟化物和/或金属氧化物的折射率之间的折射率。适合的金属氟化物和金属氧化物的非限制性示例包括NaF(大约1.32的折射率)和MgF2(大约1.38的折射率)。通过选择钕化合物和金属氟化物和/或金属氧化物的适合的合并比(co-solidation ratio)，颗粒材料的折射率可定制成允许与通常在LED封装中使用的PMMA(大约1.49)、聚偏二氟乙烯(大约1.42)或甲基类型的硅树脂(大约1.41)的折射率匹配或接近匹配。
图3和图4为@Li等人在Optics Express的18卷第4期的3364-3369页(2010)的AControllable Energy Transfer in Fluorescence Upconversion of NdF3 and NaNdF4Nanocrystals中公开的图示，且呈现出以相同摩尔浓度分散在水中的NdF3和NaNdF4的光学性质。图3呈现出对于NdF3和NaNdF4纳米晶体观察到的吸收光谱，且图4呈现出经历800nm的激励频率(λexc)和240mW的激励功率时的NdF3和NaNdF4纳米晶体的上转换荧光光谱。如从图3清楚的是，NdF3和NaNdF4的吸收峰值分别是578和583，且因此完全在黄光波长范围(大约560到大约600nm)内，且图4证实了NaNdF4的吸收峰值相对于NdF3的那些略微偏移。图3和图4指出了NdF3和NaF(产生NaNdF4)的合并不会根本上改变NdF3的吸收特征。因此，相信期望的滤色效果可利用包含颗粒的复合材料实现，颗粒包含除NdBF外的化合物，其与NdBF化合物掺杂来产生NdBMBF化合物(其中M是除钕之外的金属)。
相信由可见光谱中的Nd3+离子提供的可见光吸收得到的滤色效果相对于0.56到大约0.60微米范围内的黄光波长优于Nd-O化合物(诸如Nd2O3)。Nd-F和NdBXBF化合物通过具有更接近各种标准光学等级的透明塑料(例如，PC、PS、PMMA、PVDF、硅树脂和聚对苯二甲酸乙二醇酯)的折射率而具有优于Nd-O化合物的进一步优点，且可更好平衡归因于折射率失配和Nd离子吸收的来自散射的光学损失。通过过滤黄光波长，由白色LED装置的阵列发射的光可调整成通过经由滤除黄光波长分离绿光和红光来实现增强的颜色效果，诸如通过增加LED白光CRI(显色指数)、CSI(颜色饱和指数)，且允许颜色点更接近白色轨迹。此类期望的光学效果的特别的示例利用由GE Lighting市售的白炽灯泡的REVEAL7线实现，其生产成具有由掺杂氧化钕(Nd2O3)的玻璃形成的外护套以滤除光的某些波长。图5为相比于Nd2O3掺杂的玻璃呈现出硅树脂基质中分散的NdF3的光透射的图示，且证实了其光透射中的相似性，特别是在其滤除黄光波长的能力方面。
相信复合材料中的Nd3+离子的颗粒源的体积量和颗粒尺寸对复合材料的滤色效果具有影响。此外，复合材料中的任何第二材料的相对量和颗粒尺寸对滤色效果具有影响。大体上，相信由标准光学等级的透明塑料(例如，PC、PS、PMMA、PVDF、硅树脂或PET)形成的复合材料将包含至少0.1体积百分比且更优选大约1到大约20体积百分比的NdF3或相当的Nd3+离子源(例如，NdBF化合物和NdBXBF化合物，包括掺杂NdBF的MgF2)，以实现期望的过滤效果。还相信，颗粒材料的适合的颗粒尺寸达到大约50微米，且优选大约0.5到大约5微米。在这些负载和颗粒尺寸下，其基质材料是前述标准光学等级的透明塑料中的一者的复合材料将通常可容易针对较宽种类的尺寸模制，其中潜在困难在较小颗粒尺寸和较高负载下遇到。
尽管根据某些特定实施例描述了本发明，但将清楚的是，其它形式可由本领域的技术人员采用。因此，本发明的范围仅由以下权利要求限制。

Claims (20)

1.一种照明单元的光导，所述光导的至少一部分由包括聚合物基质材料和无机颗粒材料的复合材料形成，所述无机颗粒材料贡献滤色效果给穿过所述复合材料的可见光，所述无机颗粒材料包括包含Nd3+离子的钕化合物。
2.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述无机颗粒材料贡献所述滤色效果给由LED装置生成的可见光。
3.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述无机颗粒材料主要过滤黄光波长范围中的波长。
4.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述钕化合物作为所述无机颗粒材料的离散颗粒存在。
5.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述钕化合物作为所述无机颗粒材料的离散颗粒中的掺杂物存在。
6.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述钕化合物是NdBF化合物或NdBXBF化合物。
7.根据权利要求1所述的光学构件，其特征在于，所述钕化合物是NdBXBF化合物，且X是选自与钕形成化合物的元素和与氟形成化合物的除钕之外的元素组成的组中的至少一种元素。
8.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述聚合物基质材料选自聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯和硅树脂组成的组。
9.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述钕化合物和所述聚合物基质材料在可见光区域中具有在彼此的0.1内的折射率。
10.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，所述无机颗粒材料和所述聚合物基质材料在可见光区域中具有在彼此的0.1内的折射率。
11.根据权利要求10所述的光导，其特征在于，所述钕化合物作为所述无机颗粒材料的离散颗粒存在。
12.根据权利要求11所述的光导，其特征在于，所述钕化合物是NdF3或含钕的材料。
13.根据权利要求10所述的光导，其特征在于，所述钕化合物作为所述无机颗粒材料的离散颗粒中的掺杂物存在，且所述离散颗粒由除所述钕化合物外的第二材料形成。
14.根据权利要求13所述的光导，其特征在于，所述离散颗粒由选自具有小于所述聚合物基质材料的折射率的金属氟化物和金属氧化物组成的组中的至少一种材料形成。
15. 根据权利要求13所述的光导，其特征在于，所述离散颗粒由选自NaF, MgF2, KF,AlF3, LiF, CaF2, SrF2, BaF2和YF3组成的组中的至少一种材料形成。
16.一种侧光式照明单元，包括发射可见光的光源以及构造和布置成使得所述光源的可见光的至少一部分穿过其间的光导，所述光导的部分由包括聚合物基质材料和无机颗粒材料的复合材料形成，所述无机颗粒材料贡献滤色效果给穿过所述部分的可见光，所述无机颗粒材料包括包含Nd3+离子的钕化合物。
17.根据权利要求16所述的照明单元，其特征在于，所述光源包括至少一个LED装置，且所述LED装置在所述光导的边缘处引导所述可见光。
18.根据权利要求16所述的照明单元，其特征在于，所述无机颗粒材料主要过滤黄光波长范围中的波长。
19.根据权利要求16所述的照明单元，其特征在于，所述钕化合物是NdBF化合物或NdBXBF化合物。
20.根据权利要求16所述的照明单元，其特征在于，所述聚合物基质材料选自聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯和硅树脂组成的组。
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