CN108139035B - 具有衍射耦出的光源 - Google Patents
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Abstract
一种照明设备包括聚光波长转换器和多个固态光源，该聚光波长转换器布置成通过至少一个进入面射入来自所述光源的光、并且从至少一个离开面提取经波长转换的光，照明设备包括被提供在所述离开面上的结构化层，所述结构化层具有小于5微米的结构周期，从而通过折射和衍射的组合而实现通过离开面的耦出。在表面上的入射角在限制范围内的情况下，折射和衍射的组合可以提供从该表面的优异耦出。
Description
技术领域
本发明涉及一种照明设备，其包括多个固态光源以及聚光波长转换器，该聚光波长转换器布置成通过至少一个进入面射入来自所述光源的光并且从至少一个离开面提取经波长转换的光。
背景技术
诸如LED的固态光源已被确立为传统光源的高能效替代品。在例如聚光灯和图像投影的一些高功率应用中，已经提出将来自几个光源(例如LED)的光耦合到被称为聚光器的一个公共波长转换器中。然后可以仅从聚光器的一个表面提取较长波长的光，这增加了发射的光的强度，而光源的光学扩展量可以保持为小的。文献US 7,982,229描述了包括发光聚光器的转换结构，该发光聚光器接收来自蓝色LED的光，将该光转换为较长波长的光并将其引导至离开面，在离开面处所得到的亮度可以是高的。
这种发光聚光器的问题是有效的耦出。如果转换器的折射率为n＝1.8，则相对于空气的全内反射(TIR)的临界角为34度，使得相对于侧表面法线具有该入射角或更大入射角的光将由TIR引导到离开面。然而，如果离开面垂直于侧表面，则很多这种光(事实上，在侧表面处具有小于56度的入射角的所有光)将在离开面处具有大于34度的入射角，并且将在离开面处再次反射。这意味着在侧表面处具有34度和56度之间的入射角的光将在完美的转换器中永久反射。
众所周知的提取结构是复合抛物面聚光器(CPC)，它可以提取几乎所有的光。这种设备的缺点是：将这种设备附接到发光聚光器杆是麻烦的并且机械不稳定。使用CPC时的另一个问题是：光学扩展量扩大了n2倍(其中n是CPC材料的折射率)。这意味着，对于应用(例如投影仪)的给定光学扩展量，杆应该做得更小，这转而意味着在侧面容纳足够的LED更加困难，并且导致附加的瓶颈，诸如由于减少的冷却区域而造成的热限制。
如US 7,982,229所示，离开面上的类似透镜或金字塔或粗糙结构的微观结构将比非结构化表面提取更多的光。这样的结构将反射这样的光：该光在通过反射到其他表面而兜转之后不能离开到可以导致逃逸的方向中。然而，仍然有大量的光(高达40％)不会从转换器中逃逸。
发明内容
本发明的一个目的是缓解这个问题，并且提供一种具有改进的耦出的聚光波长转换器的照明设备。
根据本发明的第一方面，这个目的和其它目的通过一种照明设备达到，照明设备包括多个固态光源以及聚光波长转换器，该聚光波长转换器布置成通过至少一个进入面射入来自光源的光、并且从至少一个离开面提取经波长转换的光。其中，波长转换器被配置为：当侧表面处的入射角在A和90度之间时提供经转换光的全内反射(TIR)，其中角A由转换器和周围介质各自的折射率确定，并且其中，波长转换器的几何结构使得在侧表面中全内反射之后在离开面处的经转换光的入射角处于包括大于A的角度的范围内，并且其中，在离开面上提供结构化层。该结构化层具有小于5微米的结构周期，由此通过折射和衍射的组合而实现通过离开面的耦出，并且形成结构化层的材料的折射率等于或大于nconv-0.3，其中nconv是形成波长转换器的材料的折射率。
根据A＝asin(nsurr/nconv)，角度A将取决于转换器材料的折射率(nconv)和周围介质的折射率(nsurr)。角度A典型地在20度和40度之间，并且作为示例，如果转换器的折射率是n＝1.8并且周围介质是空气(其中n＝1)，则临界角A将是34度。
入射在离开面上的光的一部分将具有大于A的入射角，并且因此将满足TIR条件。在传统的聚光器中，该光会困在聚光器内。然而，根据本发明，该光的至少一部分可以通过衍射而耦出。通过这些结构改善提取的机制是：否则将处于全内反射中的光现在部分地可以通过衍射逃逸。注意，这与仅依靠折射的宏观结构的情况不同，对于仅依靠折射的宏观结构的情况，改进的提取基于杆中的再循环。
注意，用于耦出的衍射面的使用本身并不新颖，并且实际上已经在许多应用中使用。作为示例，文献US 2013/0228813公开了一种发光设备，其包括形成在LED的发光表面上的荧光层和形成在荧光层上的光提取层。然而，由于荧光层与LED直接接触，所以对光的角度扩展没有限制，并且衍射是合乎逻辑的选择。在角度扩展受到限制的情况下(像在本发明中)，折射总是自然选择，并且未考虑衍射。
然而，本发明基于的认识是，在表面上的入射角在限制范围内的情况下，折射和衍射的组合可以提供从该表面的优异耦出。测试表明，对于典型的聚光器，与传统聚光器相比，可以从离开面提取多约45％的光。
在一些实施例中，离开面与侧表面垂直，使得在侧表面中反射之后在所述离开面处的经转换光的入射角在零度和90-A度之间，其中，A小于45度。这意味着，入射在离开面上的光的至少一部分将具有大于A的入射角，并且这满足TIR条件。
转换器可以具有矩形的横截面，但是也可以具有与要被照明的区域相同的形状和纵横比的横截面。
形成结构化层的材料的折射率优选等于或大于nconv-0.2，更优选等于或大于nconv-0.1。甚至更优选地，结构化层的折射率与波长转换器的折射率之间的差等于或小于0.1，或者相应的折射率相等。在形成结构化层的材料的折射率比发光材料的折射率低得多的情况下，由于在波长转换器和结构化层的界面处的TIR，具有特定入射角的经转换光不能进入结构化层，并且因此不能耦出；换言之，避免了波长转换器和结构化层之间的界面中的反射。此外，结构化层的材料的折射率优选地不比波长转换器的折射率高得多，因为否则在波长转换器和结构化层之间的界面处的菲涅耳反射减少了可以进入结构化层的光的量。
结构化层可以由含有高折射率纳米颗粒的溶胶凝胶材料形成。备选地，结构化层可以由含有高折射率纳米颗粒的透明聚合物形成。在这种情况下，透明聚合物可以是硅酮。当使用纳米颗粒改性时，高折射率硅酮层可以比普通有机聚合物中所含有的纳米颗粒更稳定。而且，基于硅酮的材料对于层厚度和相关的裂化效应不那么敏感，这意味着可以复制相对厚并且柔性的层。
一种用于制造聚光波长转换器的方法包括以下步骤：提供前体材料；将前体材料作为涂层施加在印模上，印模被设置有具有小于5微米的结构周期的反结构；将至少一个发光材料杆布置在前体涂层上；允许前体涂层反应和/或干燥；从印模移除杆；并且将杆加热到高于室温以固化前体材料。前体材料可以是溶胶凝胶材料或硅酮前体材料，并且可以包括高折射率纳米颗粒。
该方法是制造根据本发明的第一方面的结构化层的高效方式。
注意，本发明涉及记载在权利要求中的特征的所有可能的组合。
附图说明
现在将参照示出本发明的实施例的附图来更详细地描述本发明的这个方面和其它方面。
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的照明设备。
图2示出了在波导内的全内反射(TIR)。
图3是具有2μm周期的结构的显微镜照片。
图4是2μm周期金字塔形结构的原子力显微镜图片。
图5示意性地示出了使用基板共形压印光刻(SCIL)形成衍射结构的各个步骤。
图6是示出本发明的一个实施例的效果的图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的发光设备1的透视图，发光设备1包括基板2(诸如PCB)和聚光波长转换器4，基板2承载多个(这里为三个)固态光源3。
固态光源可以是发光二极管(LED)、激光二极管或有机发光二极管(OLED)、多个LED或激光二极管或OLED、或LED或激光二极管或OLED的阵列。原则上LED可以是任何颜色的LED，并且在一个实施例中是蓝色光源，蓝色光源产生蓝颜色范围中的光源光，该蓝颜色范围被限定为在380nm与495nm之间的波长范围。
波长转换器由发光材料制成。波长转换器可以包括Ce掺杂的钇铝石榴石(YAG，Y3Al5O12)、YGdAG、YGaAG、镥铝石榴石(LuAG)、LuGaAG或者LuYAG。YAG、YGdAG、YGaAG、LuAG、LuGaAG和LuYAG能够具有优选范围内的折射率并且还能够转换光，因此它们可以用于波长转换器。
波长转换器4通常是长度大于其宽度和高度的杆状。在图1中，横截面是矩形的，但是横截面也可以具有任何其它合适的形状，特别是它可以具有与待照明的区域相同的形状和纵横比。长度可以在几十毫米的量级，而高度和宽度可以在毫米量级。作为示例，尺寸可以是50×2×1mm。转换器杆4具有在这里由四个侧表面5和两个端面8形成的包络面，四个侧表面5中的一个侧表面也称为光进入面6，并且两个端面8中的一个端面被称为光离开面7。在所示出的示例中，LED 3被布置在适合于将光射入到转换器4中的光学距离处。
WO 2014/155250中更详细地描述了合适的LED和用于转换器的材料的其他示例，其通过引用并入本文。
在使用中，安装在基板2上的LED 3将发射第一波长的光，该第一波长的光将通过光进入面6耦合到或射入到波长转换器4中。射入到波长转换器4中的第一波长的光的至少一部分将被转换成第二波长的光，并且在转换过程之后，该光将以随机方向发射。经转换光的部分和可能尚未被转换的部分将撞击在表面5上，表面5形成波长转换器4与周围介质(例如空气)之间的界面。由于表面5的低表面粗糙度，撞击在侧表面处的光将具有TIR的大可能性并且由此被反射回到波长转换器4中的大可能性。最终，光将指向光离开面7，在光离开面7处光旨在被耦出或提取。
如上面简要解释的那样，形成波长转换器的材料的折射率(nconv)和周围介质的折射率(nsurr)将限定角度A＝asin(nsurr/nconv)。当侧表面处的入射角在A和90度之间时，转换器杆4的表面5、8将提供经转换光的全内反射(TIR)。此外，波长转换器的几何结构以及更具体地离开面7相对于包络面5的取向使得：在侧表面5中反射之后，在离开面7处的经转换光的入射角处于包括大于A的角度的范围内。在图1所示的典型情况下(其中离开面7垂直于侧表面5)，离开面7处的入射角范围将在0度和90-A度之间。
在角度A小于45度的情况下，一些光将被困在永久TIR中，在侧表面5、离开面7和相对端面8之间弹跳。图2图示了这种情况，例如，其中nconv＝1.8、nsurr＝1并且A＝34度。在这种情况下，具有在A＝34度和90-A＝56度之间的入射角α的任何光将在离开面处具有在34度和56度之间的范围内的入射角90-α，因此满足TIR条件。
根据本发明，在离开面7上提供结构化层10，该结构化层具有小于5微米的结构周期，由此通过折射和衍射的组合而实现通过离开面的耦出。
形成结构化层10的材料的折射率等于或大于nconv-0.3，其中nconv是形成波长转换器4的材料的折射率。形成结构化层的材料的折射率优选等于或大于nconv-0.2。形成结构化层的材料的折射率更优选等于或大于nconv-0.1。甚至更优选地，结构化层的折射率与波长转换器的折射率之间的差等于或小于0.1。
衍射结构化层可以由含有纳米颗粒的透明材料制成。通过组合高折射率和低折射率纳米颗粒、或在低折射率结合剂中组合高折射率纳米颗粒，可以将结构化层的折射率调节到期望值，包括调节为接近于nconv。“高折射率”颗粒旨在为具有显著大于nconv的折射率的颗粒。示例包括ZrO2、TiO2、BaTiO3、SrTiO3和HfO2的颗粒。“低折射率”颗粒旨在为具有显著小于nconv的折射率的颗粒。示例包括SiO2的颗粒。低折射率结合剂的示例可以是：硅氧烷，诸如硅酮；或通过溶胶凝胶化学得到的硅酸盐，诸如从甲基三甲氧基硅烷得到的硅酸甲酯。备选地，高折射率颗粒可以被填充有空气(n＝1)的空隙包围，或者被纳米多孔的空隙填充的高折射率颗粒层、低折射率结合剂和/或低折射率纳米颗粒的混合物包围。
在一个实施例中，衍射结构化层由来自Pixelligent(www.pixelligent.com)的市场上可买到的材料制成，该材料是纳米ZrO2分散系，其可以混入透明聚合物(诸如环氧树脂)中，以根据纳米颗粒体积浓度增加折射率，例如直到1.85。
备选地，使用硅酮代替诸如聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷或聚二苯基硅氧烷的普通有机聚合物。溶胶凝胶材料可由溶胶凝胶工艺中形成的各种各样的材料组成，诸如从醇盐(例如硅醇盐)获得的材料，例如从诸如烷基-三甲氧基硅烷(例如，甲基或乙基或苯基三甲氧基硅烷)的前体材料获得的材料。
可以使用基板共形压印光刻(SCIL)来形成衍射结构，以将适当的衍射结构复制到溶胶凝胶材料(下面讨论)中。其他选择是灰度光刻和反应离子蚀刻。从(金属)主压印/硬印模的复制可以是另一种可能性，或者通过激光烧蚀进行结构化。
参照图3至图5，将讨论这种结构化层10及其应用到聚光转换器杆4的端面的一个示例。基板共形压印光刻(SCIL)印模被提供有具有200nm中间空间的2μm基本金字塔的反图案。图3是具有2μm周期的该结构的显微镜照片，并且图4是示出具有2μm周期的金字塔形状的原子力显微镜图片。
图5中示出了由SCIL在杆4上形成结构的过程。溶胶凝胶前体材料由被调节至所需pH的、包含TiO2纳米颗粒悬浮液、稳定剂和共溶剂的分散系制成。在印模由硅晶片13支撑时，通过旋涂(1000rpm、30s)在印模12上施加TiO2分散系11(图5a)。也可以采用其他方法，诸如刮涂或喷涂。然后(图5b)，去除硅晶片13，并且将印模12放置在可透气支撑件14上。然后(图5c)，使用保持器(未示出)将杆4放置在TiO2层11上，并且使得在室温下进行干燥/反应达3小时。最后(图5d)，杆4被移除并且在90℃进行后烘烤30分钟。现在，在杆4的端部上形成衍射结构化层10。
在随后的测试中，将没有任何结构化层的发光(LuAG:Ce)杆安装在两侧具有蓝色LED的模块中，并且在积分球中测量光输出。然后，使用上述过程来施加金字塔形的纳米图案化层10，其具有如图3和图4所示的结构，并且重复测量。结果示出在图6中，图6示出了在没有(菱形)和具有(三角形)衍射提取结构的情况下，在积分球中测量的光通量相对于输入电功率的曲线图。发现的是，从具有衍射结构10的杆离开面提取了比不具有衍射结构10的杆离开面多约45％的光。
本领域技术人员认识到的是，本发明绝不限于上述的优选实施例。相反地，许多修改和变型在所附的权利要求的范围内是可能的。例如，聚光杆可以具有不同的尺寸和形状。而且，理解的是，可以使用除本文所提到的那些之外的其他材料和材料组合来实施本发明。
Claims (16)
1.一种照明设备(1)，包括：
多个固态光源(3)，以及
聚光波长转换器(4)，被布置成通过至少一个进入面(5)射入来自所述光源的光、并且从至少一个离开面(7)提取经波长转换的光，
其中，所述波长转换器被配置为：当侧表面处的入射角在A和90度之间时提供经转换光的全内反射(TIR)，其中角度A由所述转换器和周围介质各自的折射率确定，并且其中，所述波长转换器的几何结构使得在所述侧表面中全内反射之后在所述离开面处的经转换光的入射角处于包括大于A的角度的范围内，从而A被限定为A＝asin(nsurr/nconv)，其中nsurr是所述波长转换器的所述周围介质的折射率，并且其中nconv是形成所述波长转换器的材料的折射率，
被提供在所述离开面上的结构化层(10)，
其特征在于，所述结构化层具有小于5微米的结构周期，以便通过折射和衍射的组合而实现耦出，以及
形成所述结构化层的材料的折射率等于或大于nconv-0.3。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，形成所述结构化层的材料的折射率等于或大于nconv-0.1。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的照明设备，其中，形成所述结构化层的材料的折射率与形成所述波长转换器的材料的折射率之间的差等于或小于0.1。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的照明设备，其中所述离开面与所述侧表面垂直，使得在所述侧表面中反射之后在所述离开面处的经转换光的入射角在零度和90-A度之间，其中，A小于45度。
5.根据权利要求4所述的照明设备，其中，所述角度A在20度和40度之间。
6.根据权利要求4所述的照明设备，其中，所述角度A在30度和40度之间。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的照明设备，其中，在所述侧表面中全内反射之后在所述离开面处的经转换光的入射角总是在0度至70度的范围内。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的照明设备，其中，在所述侧表面中全内反射之后在所述离开面处的经转换光的入射角总是在0度至60度的范围内。
9.根据权利要求1-2和5-6中任一项所述的照明设备，其中，所述结构化层(10)具有小于3微米的结构周期。
10.根据权利要求1-2和5-6中任一项所述的照明设备，其中，所述结构化层由含有高折射率纳米颗粒的溶胶凝胶材料形成。
11.根据权利要求1-2和5-6中任一项所述的照明设备，其中，所述结构化层由含有高折射率纳米颗粒的透明聚合物形成。
12.根据权利要求11所述的照明设备，其中，所述透明聚合物是硅酮。
13.根据权利要求10所述的照明设备，其中，从由ZrO2、TiO2、BaTiO3、SrTiO3和HfO2组成的组中选择所述纳米颗粒。
14.根据权利要求11所述的照明设备，其中，从由ZrO2、TiO2、BaTiO3、SrTiO3和HfO2组成的组中选择所述纳米颗粒。
15.根据权利要求12所述的照明设备，其中，从由ZrO2、TiO2、BaTiO3、SrTiO3和HfO2组成的组中选择所述纳米颗粒。
16.一种投影仪，包括根据前述权利要求中任一项所述的照明设备。
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