CN108139504B - 紫外灯的提取结构 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及用于紫外照明元件的提取结构。本发明还涉及包含这种在基板上的提取结构的紫外灯。所述提取结构包括用于抗反射目的的多个纳米结构。所述纳米结构生长在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧的顶表面上。

Description

紫外灯的提取结构
技术领域
本发明总体上涉及用于紫外照明元件的提取结构。本发明还涉及包含这种提取结构的紫外灯。
背景技术
紫外线(UV)发射灯用于许多应用中。例如，它们用于树脂(胶)的固化，用于制革，用于消毒，用于荧光(本身是具有许多应用的领域)等等。这些应用广泛传播。实际上，涵盖180-400nm范围的紫外灯通常使用基于汞(Hg)蒸汽的紫外线光源，所谓的低压(LP)，中压(MP)和高压(HP)灯，但其他类型例如准分子光源也是可以的。
基于发光二极管(LED)和场发射灯(FEL)技术的光源正在成为替代品。这些技术的主要优点是它们完全不含汞，众所周知，汞具有环境危险性，并且这些光源可以立即开启(毫秒级)，例如LP Hg光源往往不会这样做。
在形成紫外灯时，上述光源中的至少一个由封闭结构封闭，封闭结构通常包括对紫外线光源发射的紫外光透明的材料。很多时候，紫外灯还被一个额外的保护结构覆盖，再次由对所需波长透明的材料制成。使用的常用材料，尤其对于波长在200和300nm之间(原则上UVC+UVB区域)是石英，但也可以使用其他一些材料。该波长范围对于杀菌(消毒)应用特别有意义，因为细菌和其他生物通常在该区域受到影响，但不受较高波长的影响。其他应用例如空气的消毒，医疗工具和手术室的消毒，树脂的固化，制革等。
能源效率对环境因素、灯泡成本和灯泡寿命十分重要。对于杀菌应用，输送到应消毒的介质的UVC能量原则上决定活细菌的减少程度。因此，对于水净化应用而言，UVC瓦数和介质流量一起将决定进行消毒的程度。在处理固定量的情况下，瓦数和时间将决定相同(的消毒程度)。实践中，典型范围是将生物体的数量从1:10 000降至1:10 000 000。
较大的消毒系统可能需要几千瓦来操作大容量流量(通常是水)。在这些系统中，显而易见的是，节能，即提高效率变得重要。对于较小的系统，这些改进可能主要用于降低系统成本(即通过使用较小的灯达到所需的效果)。
目前可用的紫外灯面临的问题是灯的(多个)封闭玻璃结构的光提取效率。紫外灯的光提取效率可以被定义为逃逸到灯外部的光的能量与灯(或LED)内部产生的光的能量之间的比率。紫外灯的光提取效率总是小于单位(即1)，即，在紫外灯“内部”产生的部分光不会到达外部环境。
为了提高紫外灯的能量效率，因此，非常需要通过提供可以容易地制造和实施且成本高效的高效光提取技术来提供解决方案以增强紫外灯的效率。此解决方案可以有助于提高性能并为许多紫外应用节省能源。
发明内容
根据发明的一个方面，上述至少部分地由用于紫外线光源的提取结构减轻，所述提取结构包括对紫外光至少部分透明的基板，所述基板具有第一侧和第二侧，所述基板的第一侧布置成面向紫外线光源，并且接收由紫外线光源所发射的紫外光，以及多个纳米结构，所述多个纳米结构施加至基板的第一侧和第二侧中的至少一侧的顶表面上，所述多个纳米结构配置为减少由基板反射的紫外光的量。
本发明如上所述，基于以下理解：为了制造高效的灯，重要的是，光源内部所产生的光尽可能多地与从其中出来的光相同，因为不出来的部分是浪费的能源。借助于本发明，例如，使用便宜的方法可以改进包括提取结构的所得到的紫外灯的效率。本发明适用于不同的几何形状，并且已经在平面石英基板上进行了评估。
多个纳米结构，如上所述，设置在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧的顶表面上。因此，这些纳米结构通常在顶表面生长(或类似地形成)，这意味着不需要例如：执行蚀刻工艺以实现期望的效果。因此，顶表面优选不是非结构化的，而是平滑的。至少从单个纳米结构的角度来看，顶表面可因此被视为平面的(相应地，从“宏观”角度看，顶表面可仍然是例如弯曲的)。
优选地，基板由第一材料形成，并且多个纳米结构由第二材料形成，第一材料不同于第二材料。因此，纳米结构形成在基板的顶部上，而不是由基板形成。例如：多个声场的那么结构通常相对于基板布置为附加层。
对于穿过具有高折射率n1的基板的光进入具有低折射率n2的介质中，光的折射遵循斯涅尔定律：
n1sinθ1＝n2sinθ2
如果入射角θ1大于临界角θc，将发射全反射。临界角由下式给出：
Figure BDA0001597104080000031
因此，以大于临界角的角度入射到表面上的光子全部被反射，并且要么再次进入灯并且保持被反射并被困在灯内。其次，它们可以进入灯的玻璃壳体，但是当撞击外玻璃时会被反射，并且可能被困在玻璃内直至它们被例如玻璃材料所吸收而失去能量。这意味着在三维方面，存在于其中入射光将逃离的锥体(通常称之为光锥体)。
对于低于临界角的角度，入射光的部分仍然被反射。菲涅耳方程描述了反射率和透射率。在不详述的情况下，菲涅耳方程描述了电场的S偏振和P偏振分量的反射和透射部分(分别表示垂直和平行于入射光波平面的偏振)。
几十年以来，抗反射涂层用于可见光是已知的。这些类型的层形成透明材料与其周围材料(空气、气体，水等)之间逐步的折射率，并且原则上将通过扩大有效临界角并减少反射和被困的光的量来起作用，从而增加吞吐量。
根据本发明，通过使用布置在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧上的多个纳米结构来实现增强的光输出，以减少由UV光源发射的光的反射率。根据本发明的纳米结构在一些情况下可以被称为例如：纳米棒、纳米线、纳米管、纳米铅笔、纳米钉，纳米针和纳米纤维。
纳米结构与抗反射涂层的不同之处在于，它们在一个实施例中也可以由分开的纳米结构(因此不是连续的层或膜)组成并且纳米结构非常小，例如在5-1000nm的范围内。这些纳米结构可以依赖于增加的散射(例如，通过产生电磁和等离子共振)。然而，当进入这样的纳米结构时，上述经典模型可能不够，分析模型不可用，并且先进的计算机模拟被用于研究这些效应。通常，这种用于紫外区域的光提取效率的高级模型使用有限差分时域(FDTD)技术来求解器件中的麦克斯韦方程。
材料的选择在设计纳米结构时至关重要。在一个实施方案中，纳米结构对于UV光至少部分透明并且被选择为包含CaF2，BaF2和SrF2纳米结构中的至少一种。在一个优选的实施方案中，多个纳米结构包含MgF2纳米结构。其他可能性是使用SiO2纳米粒子。
对于基板，基板优选地由硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、蓝宝石和石英(例如：包括结晶SiO2、硅石，熔凝石英)中的至少一种形成。其他材料，例如基板为MgF2也是可能的。
纳米结构的确切目标几何形状取决于基板材料，灯外的介质以及应该放大到最佳值的所需波长。纳米结构可以按照其几何特性(高度、长度、形状，距离)的一些变化放置。典型的尺寸是5-100nm宽和10-5000nm高。
在实践中，希望能够以快速、可靠和便宜的方式涂覆玻璃套管、窗户或类似物以及具有所述纳米结构的灯壳体。在一个实施例中，多个纳米结构在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧上彼此之间至少部分地隔开，例如至少1nm。
然而，有序的结构需要一个例如使用某种平板印刷的工艺。平版印刷方法通常是可行的，但是昂贵且难以在曲面上使用。因此，在替代实施例中，纳米结构相反随机地布置在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧上，仍然提供良好的性能增强。在任一种情况下，可能都希望将纳米结构不仅布置在基板的一侧上。因此，在一个实施例中，多个纳米结构被布置在基板的两侧上。
在本发明的一个可能实施例中，使用水热技术形成纳米结构。或者，可以使用溅射或用于形成上述纳米结构的任何其他合适的技术在基板上形成纳米结构。
其他改善光提取的方法例如玻璃材料中的微透镜，抛光等是众所周知的，并且可以与使用随机紫外光提取纳米结构组合。
根据本发明的提取结构可以形成UV灯的一部分，还包括UV光源。在一个可能的实施例中，UV灯还包括配置成操作UV光源的电子驱动单元。
UV光源可以包括基于汞(Hg)蒸汽的光源、基于场发射的UV光源(FEL)、UVC发光二极管(LED)和准分子灯中的至少一个。
应该理解，UV光源可以包括例如，多个LED和/或基于不同技术的光源的组合以适应应用。也就是说，诸如场发射光源(FEL)和UVC发光二极管(LEDs)等新兴技术提供几毫秒量级的开启时间，主要由电子驱动单元控制。目前正在开发UVC-LEDs，但目前据报道其寿命非常短且能量效率非常低。当前正通过重大努力来改善这一点，并且肯定会最终取得成功。根据所需的功率密度，场发射光源的使用寿命可能在1000-6000小时左右，并且已经测量达到10％左右的效率，尽管UVC区域的效率为3-5％。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征来创建除以下描述的实施例之外的实施例。
附图说明
从以下详细描述和附图，将容易地理解本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，其中：
图1a公开根据本发明的当前优选实施例的一个示例性提取结构，图1b示出具有和不具有光提取纳米结构的两种不同光路的示例，如图1a中所描述的截面图；
图2为图示具有和不具有本发明的解决方案的紫外区域中的光输出的图解；
图3示出本发明的紫外灯的第一示例性实施例；
图4示出本发明的紫外灯的第二示例性实施例，以及
图5示出本发明的紫外灯的第三示例性实施例。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并将本发明的范围充分传达给技术人员。相同的参考字符始终指代相同的元件。
现在参照附图，特别是图1a，示出包括一个平面基板101的提取结构100，提取结构可以是灯或保护罩或保护套的壳体。大量随机放置的纳米结构102被施加到全向光源103的相对侧，然而它们可以替代地被采用到基板101的一侧或两侧。当光束104入射到基板101的表面上时，如图所示，可以透射105和反射106。
使用普通射线光学，斯涅尔和菲涅耳方程，对于理解作为本发明一部分的经典物理是有用的。图1b示出平面基板101和一个单独随机放置的纳米结构102的横截面。纳米结构的形状以理想的方式绘制以便于理解，并且，如所理解的，图1b没有按比例绘制。在上部区域，光线从折射率为n≈1的空气入射到折射率n＝1.5的玻璃基板上。使用上述方程式，在这个特定入射角(70°，任意选择以证明效果)的透射部分为69％-因此损失31％。
在下部区域，使用相同的射线光学，但是光通过纳米结构102离开。在这种情况下，透射率计算为83％。总得来说，这比没有纳米结构的情况高20％。为了得到整体的改进，必须通过在0-90°角度上整合两种情况来分析这种特性。应该注意的是，这里不考虑干扰，相移等，这个例子是为了证明有用性。此外，两侧的纳米结构将进一步改善透射率，如上所述的等离子和电磁共振效应。
图2示出通过图1a所示具有MgF2纳米结构的石英基板测量得到的紫外区域的光输出差异。线202表示不用纳米结构的情况，线204表示将MgF2纳米结构施加至基板上的情况。可以看出，在大约254nm的Hg发射峰处有大约15％的显著改善。
有几种方法来实现纳米结构。这里使用管状灯壳体作为例子，因为这些灯泡通常被使用，但其他形式也同样可以。例如平面结构(例如在游泳池中使用的)将同样可以。
在一个优选的实施例中，纳米结构被放置在管状灯壳体内部的表面上，该壳体封闭用作发光介质的汞(Hg)蒸气。或者，纳米结构可以放置在壳体的外表面上或两侧上。该实施例如图3所示。本发明的UV灯300的第一实施例包括UV透射壳体301并且填充有Hg等离子体302。MgF2纳米结构303，304(后者表示但未示出)可以随机地附着在壳体301的内表面或外表面上，或者二者上。因此等离子体302产生的UV光305的透射将显着增加。
在图4中，示出了本发明的UV灯400的另一个实施例，其包括基于汞的UV光源401(其可以包含或不包含如上述第二优选实施例中所述的纳米结构)由套管402保护，通常是石英，如果灯破裂，它可以保护周围的介质(水，空气等)以防止汞进入周围的介质。在这种情况下，根据应用的需要，可以将光提取特征，纳米结构403放置在保护套的内表面或外表面上，或两个表面上。
在另一个实施例中，如图5所示，光从发光粉中产生，或者通过例如在场发射灯中使用的电子轰击或者通过较低波长的汞等离子体或以其他方式(例如准分子灯)。灯500由壳体501构成，壳体包覆其内部的光产生材料502，光产生材料通常被称为“磷光体”或“发光粉”。由于与上述光提取材料相比，该光产生材料502通常具有更高的折射率，所以将纳米结构放置在光产生层502和灯壳体501之间是不利的。在这种情况下，如前所述，纳米结构503有利地放置在灯壳体的外部。显然，纳米结构503可以调适为适应UV灯的任何透明盖的表面，以便增加这种布置的UV输出。
在使用FEL光源的情况下，FEL光源将包括(中心布置的，未示出的)场发射阴极和导电阳极结构，其中阳极结构例如可以邻近光产生材料502布置。在操作期间，电源将被配置为在阴极和阳极之间施加高电压，使得电子将从阴极朝向阳极发射。一旦电子被相邻布置的光产生材料502接收，光产生材料502将发射光子，即UV光。
纳米结构可以以几种方式沉积。已经测试了水热技术，接着进行热处理。纳米结构的形状可以是矩形柱、倾斜柱，球形部分等。沉积这些层的几种可能的方法本质上是随机的，并且所有得到的纳米结构将不具有完全相同的尺寸，但将通过分布来表征。它们的平均宽度通常在5-500nm之间，平均高度在5-1500nm之间。确切的所需形状和尺寸是例如由待透射的确切波长分布，所涉及的其他材料的确切折射率以及围绕光源的介质的折射率所决定的。纳米结构通常应该彼此分开，但也可以形成最接近基板表面或壳体表面的连续层。纳米结构的平均间隔应该在0.1-1000nm的范围内。应该注意的是，由于纳米结构是随机放置的，所以，不可避免的是一些纳米结构将彼此附着(即未分开)。此外，纳米结构本身可以由更小的子结构组成。
溅射可以是机械(喷雾、浆液、沉降、溶胶-凝胶)技术的替代方法，接着是热处理方案以确保粘附和光学界面。其他方法同样是可能的并且在本发明的范围内。
总之，本发明涉及一种用于UV光源的提取结构，该提取结构包括对紫外光至少部分透明的基板，基板具有第一侧和第二侧，基板的第一侧布置成面对UV光源并且接收由UV光源发射的UV光，以及多个纳米结构，纳米结构布置在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧上，多个纳米结构配置为减少由基板所反射的UV光的量。
借助于本发明，使用便宜的方法，可以改善例如，包括提取结构的所得UV灯的效率。
尽管这些图可能会显示方法步骤的特定顺序，但这些步骤的顺序可能与所描述的顺序不同。也可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。另外，即使已经参照其具体示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变，修饰等将变得显而易见。例如，应该提到的是，可见光区域(400-800nm)的光提取也得到改善。
本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，可以理解和实现所公开的实施例的变型。此外，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

Claims (16)

1.一种用于紫外线光源的提取结构，包括：
-基板，所述基板对紫外光至少部分地透明，所述基板具有第一侧和第二侧，所述基板的第一侧布置成面向紫外线光源并且接收紫外线光源所发射的紫外光；以及
-多个纳米结构，所述纳米结构施加至基板的第一侧和第二侧中的至少一侧的顶表面上，所述多个纳米结构配置为减少由基板所反射的紫外光的量；
所述顶表面为非结构化的或者光滑的或者平面的；
所述纳米结构为纳米棒、纳米线、纳米管、纳米铅笔、纳米钉，纳米针和纳米纤维中的至少一种；
纳米结构在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧上彼此之间至少部分地隔开；
纳米结构的平均间隔在0.1-1000nm的范围内；
所述多个纳米结构的宽度在5-500nm之间，并且纳米结构的长度在5-1500nm之间。
2.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述多个纳米结构生长在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧的顶表面上。
3.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，从单个纳米结构的角度看，所述顶表面是平面的。
4.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述基板由第一材料所形成，所述多个纳米结构由第二材料所形成，第一材料不同于第二材料。
5.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述多个纳米结构形成在基板的第一侧和第二侧中的至少一侧的顶表面处，作为相对于基板的附加层。
6.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述多个纳米结构对于紫外光至少部分地透明。
7.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述多个纳米结构包括CaF2、BaF2和SrF2纳米结构中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述多个纳米结构包括MgF2纳米结构。
9.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述基板包括硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、蓝宝石MgF2和石英中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的提取结构，其特征在于，所述纳米结构通过水热技术施加。
11.一种紫外灯，包括：
-紫外线光源，以及
-根据权利要求1所述的提取结构。
12.根据权利要求11所述的紫外灯，其特征在于，所述提取结构布置为紫外线光源的壳体。
13.根据权利要求11所述的紫外灯，其特征在于，还包括配置为操作紫外线光源的电子驱动单元。
14.根据权利要求11所述的紫外灯，其特征在于，所述紫外线光源包括基于汞(Hg)蒸汽的光源、基于场发射的紫外线光源(FEL)、UVC发光二级管(LED)和准分子灯中的至少一种。
15.根据权利要求11所述的紫外灯，其特征在于，所述基板的第一侧设有光产生材料，并且多个纳米结构施加至基板的第二侧的顶表面上。
16.根据权利要求15所述的紫外灯，其特征在于，所述紫外线光源包括基于场发射的紫外线光源(FEL)，所述光产生材料为磷光体材料和发光粉中的至少一种，所述光产生材料配置为接收电子并发射紫外光。
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