CN109210403A - 发光系统 - Google Patents

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electromagnetic radiation
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radiation
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M·格伦·赫纳
爱德华·D·金斯利
萨蒂什·阿格拉瓦尔
路易斯·钦科塔
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Banbuwalt Co Ltd
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    • F21—LIGHTING
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Abstract

本发明公开一种发光系统，其包含一或多个照明源、多层结构以及与所述多层结构光学解耦的一或多个漫反射层，其中当所述一或多个照明源供电时，所述发光系统的发射和反射产生第一观测到的可见颜色，并且当所述一或多个照明源未供电时产生第二观测到的可见颜色。还公开产生本发明发光系统的方法。

Description

发光系统
本申请是申请日为2014年7月29日，申请号为201480047590.1，发明名称为“发光系统”的申请的分案申请。
背景技术
这些教示内容大体上涉及提供观测到的可见颜色的发光系统，并且更确切地说涉及提供此类系统供电时系统发射首先产生的第一观测到的可见颜色并且还提供此类系统未供电时系统反射首先产生的第二观测到的可见颜色的发光系统。
发光系统的主要目的是用以在使用例如LED的照明源的情况下产生具有某些所需可见颜色、白色、蓝色、绿色等的光，用于宽范围的应用，例如一般照明、照明图形等。因此，当照明源供电时，此类系统的观测到的可见颜色主要是系统所产生的发射的结果。然而，当照明源未供电时，此类系统的观测到的可见颜色主要通过自系统表面反射的环境光产生，例如具有白色表面的发光系统将反射观测为白色可见颜色的环境光，而具有红色表面的发光系统将反射观测为红色可见颜色的环境光。
一般来说，包括白光LED的白色照明源已用于发光系统中以产生观测到的可见颜色的光，例如白光或彩色光。在需要彩色光的情况下，这些系统经由吸收由白色照明源产生的光的所有波长(除了与所需颜色相关的那些波长外)来产生颜色。不利的是，首先由于形成白光所需的能量的量并且其次由于形成彩色发射光的波长减除的额外能量损失，此颜色产生途径导致能量的实质性损失。当白色照明源不含有足够的所需颜色的能量时，如在仅提供在红色波长下的适度量的能量的白光LED的情况下，这可能是个特殊问题。利用白色照明源的额外缺点是难以操作系统的反射光，因此遭受白色照明源未供电时所产生的观测到的可见颜色可能与照明源供电时观测到的颜色实质上相同的限制。这归因于系统的颜色产生机构，因为与白色照明源相关的波长类似于与环境光相关的那些波长，因此难以在不影响系统反射的情况下调整系统的发射并且反之亦然。
为了提供更有效的发光系统，已利用UV或蓝色照明源，而非白色照明源，以产生具有可见颜色的光，例如白光或彩色光。这通常通过使用能量转换材料，例如磷光和/或荧光材料，将UV或蓝色照明源的发射能量降频转换成较长波长来实现。举例来说，当蓝色LED用作照明源以提供初级电磁辐射时，发光系统可以通过吸收初级电磁辐射，即蓝光的一部分来产生白光，在此情况下，使用能量转换层并且将此辐射降频转换成具有黄绿色波长的次级电磁辐射，从而产生包含蓝色、黄绿色波长的系统的发射光，其产生白色的观测到的可见颜色。尽管这些系统可能在产生光方面比利用白光源的那些更有效，但当这些系统未供电时，系统的所观测到的可见颜色同样难以调整到所需观测到的可见颜色。然而，在使用UV或蓝色照明源以及能量转换材料的情况下，当UV或蓝色照明源未供电时，系统的观测到的可见颜色现在不仅是从系统表面反射的未被吸收的环境光，还是能量转换材料的发射光，这归因于系统暴露于环境光(尽管很少)。举例来说，当未供应初级电磁辐射，即照明源未供电时，能量转换层吸收蓝光使得系统表面反射以呈现微黄色，产生非所需观测到的可见颜色。
因此，需要利用较高效率发光系统，其不仅能够在供电时提供所需观测到的可见颜色，还在未供电时提供所需观测到的可见颜色。同样需要提供较高效率发光系统，其中所述系统不仅含有供电时和未供电时用于获得所需观测到的可见颜色的元件，还含有使得系统能够在无能量的实质性损失的情况下提供较宽色域的观测到的可见颜色的元件。此外，同样需要在这些系统内并有使得发光系统不仅能够产生具有观测到的可见颜色的光，还能够用于较广表面区域的元件。
发明内容
本教示内容提供发光系统，其包含一或多个照明源，其在供电时经由一或多个出口区域输出初级电磁辐射；多层结构；以及一或多个漫反射层，其与多层结构光学解耦并且将环境电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球。当一或多个照明源供电时，发光系统的发射和反射产生第一观测到的可见颜色，并且当一或多个照明源未供电时，产生第二观测到的可见颜色。在一些情况下，第一观测到的可见颜色和第二观测到的可见颜色可以实质上类似。本教示内容的一或多个照明源包含一或多个发光元件。一或多个照明源可以进一步包含接收并且传播从一或多个发光元件发射的初级电磁辐射的至少一部分并且经由所述一或多个出口区域将初级电磁辐射实质上传输到多层结构的一或多个光学元件。一或多个光学元件可以包含一或多个光导，其具有含一或多个提取区域的表面。在一些方面中，一或多个光导表面的一或多个提取区域可以在一或多个发光元件的远端。在某些构造中，一或多个照明源可以进一步任选地包含将初级电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球的反射层。本教示内容的多层结构包含将入射辐射的至少一部分转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射的一或多个能量转换层，其中入射辐射是初级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种。在一些情况下，一或多个能量转换层可以任选地包含分散辐射的至少一部分的一或多种光散射材料，其中辐射是初级电磁辐射或次级电磁辐射中的至少一种。多层结构还包含实质上增加辐射的至少一部分的光学散射的一或多个扩散层，其中辐射是初级电磁辐射、次级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种。在一些方面中，一或多个扩散层可以另外实现为多层结构提供物理和化学耐久性的保护层的功能。本教示内容的多层结构可以光学耦合到一或多个照明源，而在其它情况下可以光学解耦。在一些方面中，本教示内容的多层结构可以进一步包含将次级电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球的反射层，其中反射层实质上透射初级电磁辐射。在其它方面中，本教示内容的多层结构还可以包含提高多层结构的光解和热稳定性的一或多个稳定性增强层。在另一个方面中，多层结构可以另外包含为多层结构提供物理和化学耐久性的保护层。
本教示内容还提供一种用于制造发光系统的方法。本教示内容的方法包含提供供电时经由一或多个出口区域输出初级电磁辐射的一或多个照明源，在一或多个出口区域中的至少一个的至少一部分上施加多层结构，以及将一或多个漫反射层覆盖在多层结构表面上以将环境电磁辐射的至少一部分反射到观察半球，其中所述一或多个漫反射层与多层结构光学解耦。当一或多个照明源供电时，发光系统的发射和反射产生第一观测到的可见颜色，并且当一或多个照明源未供电时，产生第二观测到的可见颜色。在一些情况下，第一观测到的可见颜色和第二观测到的可见颜色可以实质上类似。本教示内容的一或多个照明源包含一或多个发光元件。一或多个照明源还可以包含安置于一或多个发光元件的表面上以将初级电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球的反射层。一或多个照明源可以进一步任选地包含接收并且传播从一或多个发光元件发射的初级电磁辐射的至少一部分并且经由所述一或多个出口区域将初级电磁辐射实质上传输到多层结构的一或多个光学元件。一或多个光学元件可以包含一或多个光导，其具有含一或多个提取区域的表面。在某些构造中，一或多个照明源还可以包含安置于一或多个光学元件的表面上以将初级电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球的反射层。在一些情况下，发光系统的多层结构可以光学耦合到一或多个照明源，而在其它情况下多层可以光学解耦。本教示内容的多层结构包含将入射辐射的至少一部分转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射的一或多个能量转换层，其中入射辐射是初级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种。在一些情况下，一或多个能量转换层可以任选地包含分散辐射的至少一部分的一或多种光散射材料，其中辐射是初级电磁辐射或次级电磁辐射中的至少一种。多层结构还包含实质上增加辐射的至少一部分的光学散射的一或多个扩散层，其中辐射是初级电磁辐射、次级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种。在一些方面中，多层结构可以进一步包含安置于一或多个能量转换层的表面上以将次级电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球的反射层，其中反射层实质上透射初级电磁辐射。在其它方面中，多层结构还可以包含安置于一或多个能量转换层的至少一个表面上以提高多层结构的光解和热稳定性的一或多个稳定性增强层。在另一个方面中，多层结构可以另外包含为多层结构提供物理和化学耐久性的保护层。所述保护层可以安置于一或多个能量转换层的表面上或一或多个扩散层的表面上。
附图说明
参考附图说明性地显示和描述本教示内容，其中
图1是根据这些教示内容的一个方面的发光系统的示意图；
图2是根据这些教示内容的另一个方面的发光系统的示意图；
图3是描述一种能量转换方法，即从一种光致发光材料发射到另一种的级联的示意图；
图4是描述另一种能量转换方法，即通过福斯特共振能量转移将能量从一种光致发光材料转移到另一种的示意图；
图5是根据这些教示内容的另一个方面的发光系统的示意图；
图6是根据这些教示内容的另一个方面的发光系统的示意图；
图7是根据这些教示内容的又一个方面的发光系统的示意图；
图8是比较根据这些教示内容的一个方面的未供电发光系统和未使用一或多个漫反射层的未供电发光系统的反射光谱的图；以及
图9是比较根据这些教示内容的一个方面的未供电发光系统和未使用一或多个漫反射层的未供电发光系统的发射光谱的图。
具体实施方式
本教示内容涉及产生高效率发光系统，其在供电时可以提供通过系统发射首先产生的第一观测到的可见颜色，并且在未供电时可以提供通过系统反射首先产生的第二观测到的可见颜色。
为了更好地理解本发明，本文中定义以下术语：
术语“发光”定义为来自任何物质的电磁辐射的发射。发光由点激发态发生。
大多数有机分子的电子激发态可以分成单重态和三重态。
如本文所使用，术语“单重态”係指电子能态，其中分子中的所有电子自旋成对。
如本文所使用，术语“三重态”係指电子能态，其中一组电子自旋不成对。
激发态通常是第一激发态。通过经由碰撞损失能量给其它分子，呈激发态的高振动能级形式的分子将迅速下降到此状态的最低振动能级。分子还将过量能量分配到其它可能的振动和旋转模式。
“发光材料”是展现发光，即发射电磁辐射的那些材料。特性化发光材料需要考虑：(1)激发源、(2)发射性质以及(3)是否需要额外刺激来产生发射。
关于激发源，通过电磁辐射激发的发光材料在本文中被称作“光致发光”。通过电能激发的发光材料在本文中被称作“电致发光”。通过化学反应激发的发光材料在本文中被称作“化学发光”。
关于发射的性质，此可以是荧光或磷光的。“荧光”材料储存电磁辐射并且将其快速释放，通常在约10-8秒或小于10-8秒内。来自有机分子的荧光典型地从激发的单重态发生。相反地，“磷光”材料储存电磁辐射并且逐渐释放其，在约10-6秒或大于10-6秒内。
“初级电磁辐射”是指从一或多个发光元件发射的电磁辐射。初级电磁辐射发射的性质可以是红外、可见光和/或紫外线电磁辐射。
“次级电磁辐射”是指来自一或多种光致发光材料的电磁辐射的发射，如上文所定义。次级电磁发射的性质可以是红外、可见光和/或紫外线电磁辐射。
“环境电磁辐射”是指从来源于不属于发光系统的任何来源的周围环境辐射的电磁辐射。
如本文所使用，“紫外线电磁辐射”的特征在于波长在小于约400纳米(“nm”)的区域中的电磁辐射。
如本文所使用，“可见光电磁辐射”的特征在于波长在400纳米(“nm”)与约700纳米(“nm”)之间的区域中的电磁辐射。
如本文所使用，“红外电磁辐射”的特征在于波长在大于约700纳米(“nm”)的区域中的电磁辐射。
“液体载体介质”是充当以固态形式分布和/或溶解于其中的材料的载体的液体。
如本文所使用，“调配物”是如上文所定义的液体载体介质，其包含溶解于液体载体介质中和/或以固态形式分布在液体载体介质中的至少一种聚合材料。
“分散液”是如上文所定义的调配物，其另外包含为分布在液体载体介质中的固体的材料。
“溶液”是至少两种材料的均匀混合物。溶液可以是一种调配物，其中如一或多种光致发光材料或聚合物的成分溶解于液体载体介质中；或为于聚合物中的一或多种光致发光材料的均匀混合物。
一或多种光致发光材料和聚合物的“固态溶液”是呈干燥状态的两种材料的均匀混合物。获得此的一种可能的方式是由在液体载体中施加呈溶液形式的包含一或多种光致发光材料和聚合物的调配物并且干燥一或多种光致发光材料和聚合物溶液(从其中去除溶剂)产生的混合物。此类均匀混合物还可以由使一或多种光致发光材料与聚合物的混合物经受高温而产生。应注意，为了以干燥状态形成均匀混合物，聚合物和一或多种光致发光材料必须为可相容的，否则将不会产生均匀混合物。
“光致发光调配物”是如上文所定义的调配物，其进一步包含如上文所定义的一或多种光致发光材料。
“稳定添加剂”是添加到包含固体颗粒的调配物或分散液中的材料，以使液体载体介质中的分散液中的固体材料均匀分布、防止其聚集和/或防止其沉降，从而增强发光强度。此类稳定添加剂通常包含分散剂和/或流变改性剂。
“膜”是可为刚性或柔性的薄表层或膜。膜的一个实例是由施加调配物并且使其干燥产生的层。一或多个层可以随后构成膜。
材料的“光解降解”是通过电磁辐射诱发的材料特性的劣化或改变，所述材料特性如观测到的可见颜色或发光特征。
“热降解”是通过加热诱发的特性劣化或改变。
“观察半球”是指其中以肉眼察觉到初级和次级电磁辐射的区域。
以下公开内容描述发光系统以及用于产生此类系统的方法和材料。这些发光系统具有多种优良品质，如供电时提供所需观测到的可见颜色和未供电时提供所需观测到的可见颜色的能力、高能量转换效率、调整观测到的可见颜色的灵活性并且能够产生较宽色域的观测到的可见颜色。
一般来说，根据本教示内容的发光系统采用至少一或多个照明源、多层结构以及一或多个漫反射层的用途以在一或多个照明源供电产生第一观测到的可见颜色，并且在一或多个照明源未供电时产生第二观测到的可见颜色。举例来说，如图1中所说明，本教示内容的发光系统12包含一或多个照明源2；多层结构4，其包含一或多个能量转换层8和一或多个扩散层10；以及一或多个漫反射层6，其与多层结构4光学解耦。应注意，在大多数情况下，当一或多个照明源供电时，系统的反射电磁辐射的能量实质上小于系统的发射电磁辐射能量，因此，由于系统发射，首先察觉到第一观测到的可见颜色。相比之下，当一或多个照明源未供电时，系统的反射电磁辐射能量实质上大于系统的发射电磁辐射能量，因此，由于系统反射，首先察觉到第二观测到的可见颜色。应进一步注意，在一些情况下，发光系统可以经设计以使得第一观测到的可见颜色和第二可见颜色实质上类似，而在其它情况下实质上不同。
当一或多个照明源供电时，第一观测到的可见颜色是本教示内容的发光系统的发射和反射的结果。仍参看图1，当供电时，一或多个照明源2将初级电磁辐射输出到多层结构4。此初级电磁辐射连同环境电磁辐射(如果存在)一起构成入射辐射，其中一或多个能量转换层8将至少一部分吸收并且转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射。通过一或多个扩散层10进一步光学散射次级电磁辐射并且与任何其余未被吸收的入射辐射组合以产生发光系统12的发射。此外，通过由一或多个漫反射层6重定向到观察半球的环境电磁辐射产生发光系统12的反射。发光系统12的此发射和反射的组合产生第一观测到的可见颜色，其中发光系统的发射为第一观测到的可见颜色的主导部分。
当一或多个照明源未供电时，第二观测到的可见颜色是本教示内容的发光系统的发射和反射的结果。仍参看图1，当一或多个照明源2未供电时，一或多个能量转换层8上的入射辐射包含被传输到此类层的环境电磁辐射(如果存在)。一或多个能量转换层8将入射辐射的至少一部分吸收并且转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射。通过一或多个扩散层10进一步光学散射次级电磁辐射并且与任何其余未被吸收的入射辐射组合以产生发光系统12的发射。此外，通过由一或多个漫反射层6重定向到观察半球的环境电磁辐射产生发光系统12的反射。发光系统12的此发射和反射的组合产生第二观测到的可见颜色，其中发光系统的反射为第二观测到的可见颜色的主导部分。
当供电时，本教示内容的发光系统的一或多个照明源经由一或多个出口区域输出通过系统的多层结构的一或多个能量转换层至少部分转换成次级电磁辐射的初级电磁辐射。一或多个照明源的一或多个出口区域是经设计以用于初级电磁辐射的输出，从而在多层结构方向上从一或多个照明源离开的区域。一或多个照明源包含一或多个发光元件，其提供原理波长与多层结构的一或多个能量转换层中的至少一个的吸收光谱部分或完全重叠的初级电磁辐射。可接受的一或多个发光元件可以包括任何元件以及能够提供电磁辐射的任何典型的相关包装或壳体，如(但不限于)化学发光来源或电致发光来源，例如发光二极管(LED)。应注意，在本教示内容的发光系统包含一个以上照明源的情况下，各照明源不需要相同，而是可以在同一发光系统内使用多个并且独特的照明源。
在又一个方面中，一或多个照明源还可以包含接收并且传播从一或多个发光元件发射的初级电磁辐射的至少一部分并且进一步将初级电磁辐射实质上传输到多层结构的一或多个光学元件。在此类情况下，一或多个光学元件可以与一或多个发光元件光学耦合，即，在一或多个发光元件与一或多个光学元件之间不存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气，或与其光学解耦，即，在一或多个发光元件与一或多个光学元件之间存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气。可接受的光学元件可以包括例如透镜、棱镜、光导等，并且可以具有折射和/或衍射特征
在一或多个光学元件是一或多个光导的情况下，如图2中所说明，一或多个光导16具有顶部表面和底部表面，其中底部表面包括一或多个提取区域。在此方面中，一或多个提取区域起作用以朝向一或多个照明源14的一或多个出口区域定向光，以使得当供电时，一或多个发光元件18所提供的初级电磁辐射的至少一部分经由一或多个照明源14的一或多个出口区域实质上发射并且传输到多层结构4。一或多个光导包含实质上透明的材料，如(但不限于)塑料或玻璃，其伴随从一或多个发光元件发射的初级电磁辐射的少量(如果存在)光学吸收或弹性散射。可接受的实质上透明的材料包括(但不限于)硼硅酸盐或PYREXTM玻璃以及塑料材料，如双酚A聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、其它丙烯酸共聚物、聚氨酯、聚苯乙烯、聚酯、其它玻璃状聚合物等。本教示内容的一或多个光导可以是柔性或刚性的，以及几何形状为平面或非平面的，以使得一或多个光导可以经调整以为其并入在内的发光系统提供最适合的照明源。
应注意，不同于本教示内容的一或多个光导，大多数光导经设计以传播单一光学模式，其需要此类光导包含通常称为包覆层的层，其围绕实质上透明的材料以便限制在光导内播散的光学模式数量，例如美国专利第7,639,916号和第8,128,272号以及美国专利申请第12/421,554号和第13/289,442号。然而，鉴于本教示内容的一或多个光导经设计以接收并且传播多个光学模式，在本教示内容的一或多个光导内不需要并且因此不包括包覆层。
仍参看图2，一般来说，从一或多个发光元件18发射的初级电磁辐射被定向到一或多个光导16的一或多个边缘，所述一或多个边缘垂直于顶部和底部表面。在图2中，一或多个发光元件18与一或多个光导16分离或光学解耦，即，在一或多个照明源14的一或多个发光元件18与一或多个光导16之间存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气。在此情况下，如透镜和/或棱镜的额外光学元件可以用于帮助使初级电磁辐射定向到一或多个光导的一或多个边缘。替代地，一或多个发光元件可以光学耦合到一或多个光导，即，在一或多个发光元件与一或多个光导之间不存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气。在另一个方面中，由于一或多个发光元件被嵌入在一或多个光导自身内，初级电磁辐射可以在一或多个光导内产生。
此外，鉴于一或多个光导的材料具有明显大于空气的折射率，优选至少等于约1.3，内部反射使得初级电磁辐射实质上限制在一或多个光导的顶部表面和底部表面内直到此类初级电磁辐射遇到改变其传播载体的构件，从而变得实质上垂直于一或多个光导的表面。当穿过介质的光射线到达遇到折射率较低的介质的边界时发生内部反射。根据斯涅尔定律(Snell's Law)，光线将折射离开界面法线。当入射角增加时，将达到一位置，其中射线折射到90°的角度，即，光将保留在初始介质中。此角度被定义为临界角。以大于或等于临界角的角度入射到界面的射线将完全内部反射，使得光通常在平行于界面的方向上行进。然而，当改变传播载体以实质上垂直于一或多个光导的表面时，初级电磁辐射将在此类区域处离开一或多个光导。因此，一或多个光导的一或多个提取区域允许初级电磁辐射的至少一部分经由一或多个照明源的一或多个出口区域实质上传输到多层结构的一或多个光导，并且此外，可以在一或多个发光元件的显著距离处经置换。
可以使用多种方法来从一或多个光导提取初级电磁辐射，以使得可以由于一或多个提取区域，经由一或多个光导的顶部表面、底部表面或这两者的至少一部分传输辐射，因此使得初级电磁辐射能够在显著区域上均匀地发射到多层结构的显著区域。在一些情况下，一或多个提取区域可以呈预定形状形式。在优选方法中，一或多个光导的顶部表面、底部表面或这两者的至少一部分经粗糙化以形成一或多个提取区域，以使得初级电磁辐射的至少一部分可以离开并且传输到多层结构。在一种情况下，可以通过表面变形，如蚀刻实现粗糙化。在另一种情况下，可以通过使用可以在一或多个光导内被压印或模制的离散棱柱形结构来实现粗糙化。在又一种情况下，粗糙化可以包括使具有与实质上分散在其中的一或多种光散射材料具有实质上相同的折射率的涂布材料的薄层呈现于一或多个光导的所需一或多个提取区域上。适合的涂布材料包括(但不限于)聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚氨酯或其它聚合物。可接受的光散射材料包括(但不限于)折射率与涂布材料实质上不同的不吸收材料，如二氧化钛颜料、云母粒子或中空或实心玻璃球体。尽管可以在本教示内容内利用其它提取方法，但应注意，使用导致光谱色散的衍射光栅并不是产生一或多个光导的一或多个提取区域的优选方法。
一或多个照明源可以包含一或多个光导之间与本教示内容范围内的一或多个发光元件的那些的各种组合。在其最简单形式中，单独的发光元件可以将初级电磁辐射发射到单一光导中。在另一种情况下，一个发光元件可以将初级电磁辐射发射到多个光导中。在另一种情况下，多个发光元件可以将初级电磁辐射发射到一个光导中。
在本教示内容的又一个方面中，一或多个照明源可以进一步包含具有平面和/或非平面表面的反射层，其将一或多个发光元件供电时所提供的初级电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球。在大多数方面中，反射层是实质上不透明的，以使得将以其它方式在反向传播方向上发射和/或传输的初级电磁辐射的至少一部分实质上朝向观察半球转向。在一些情况下，反射层可以光学耦合到一或多个发光元件的表面的至少一部分，即，在一或多个发光元件与反射层之间不存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气，而在其它情况下光学解耦，即，在一或多个发光元件与反射层之间存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气。在其它情况下，当一或多个照明源还包含一或多个光学元件时，反射层可以替代地光学耦合到一或多个光学元件，即，在一或多个光学元件与反射层之间不存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气，或与其光学解耦，即，在一或多个光学元件与反射层之间存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气。在一些方面中，反射层可以包含多个非金属材料替代层，其具有较高和较低介电常数。
除一或多个照明源以外，本教示内容的发光系统还包含安置在一或多个照明源的一或多个出口区域的至少一部分上的多层结构。多层结构可以在一些情况下光学耦合到一或多个照明源，即，在一或多个照明源与多层结构之间不存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气，而在其它情况下光学解耦，即，在一或多个照明源与多层结构之间存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气。多层结构包含一或多个能量转换层，其将入射辐射的至少一部分转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射；和一或多个扩散层，其实质上增加初级、次级和/或环境电磁辐射的至少一部分的光学散射。在其它方面中，多层结构可以进一步包含一或多个稳定性增强层、反射层、保护层或其任何组合。
本教示内容的多层结构的一或多个能量转换层吸收入射电磁辐射的至少一部分并且将此类辐射转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射，其具有不同光谱，通常以较高平均波长为特征。在一或多个照明源供电的情况下，一或多个能量转换层上的入射电磁辐射包含一或多个照明源所提供的初级电磁辐射以及被传输到一或多个能量转换层的环境电磁辐射(如果存在)。相比之下，在一或多个照明源未供电的情况下，一或多个能量转换层上的入射电磁辐射包含被传输到一或多个能量转换层的环境电磁辐射。一或多个能量转换层包含一或多种光致发光材料，其中所述一或多种光致发光材料中的至少一种具有与入射电磁辐射的至少一部分重叠的吸收光谱。多层结构的一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料包含一或多种磷光材料、一或多种荧光材料或其任何组合。
用于一或多个能量转换层的适合的一或多种光致发光材料包括(但不限于)芮(rylene)、氧杂蒽、卟啉、花青、蒽酮紫或其它材料，优选为具有高量子产率特性的光致发光材料。芮染料包括(但不限于)苝酯或二酰亚胺材料，如3-氰基苝-9,10-二甲酸2′,6′-二异丙基苯胺、3,4,9,10-苝四甲酸双(2′,6′-二异丙基)苯胺、1,6,7,12-四苯氧基-N,N′-二(2′,6′-二异丙基苯基)-3,4:9,10-苝二酰亚胺等。氧杂蒽染料包括(但不限于)若丹明(Rhodamine)B、伊红Y或荧光素。卟啉染料包括例如5,10,15,20-四苯基-21H,23H-四苯基卟吩、2,3,7,8,12,13,17,18-八乙基-21H,23H-卟吩等。花青染料包括例如3,3′-二乙基氧杂二羰花青碘化物、3,3′-二乙基氧杂羰花青碘化物、IR 775、IR 792等。蒽酮紫包括例如蒽酮紫78、蒽酮紫79等。
一般来说，本教示内容的发光系统至少利用一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料的吸收和发射特性以通过能量转换产生与一或多个能量转换层上任何其余的未经转换的入射电磁辐射组合的次级电磁辐射，从而产生发光系统的发射。发光系统的发射是系统的观测到的可见颜色的部分，在一或多个照明源供电的情况下，由于初级电磁辐射的能量从一或多个照明源输出，首先产生第一观测到的可见颜色。
在使用能量转换时，与其它常见机制相反，发现能量损失实质上减到最少并且因此当系统的一或多个照明源供电时，在产生本教示内容的发光系统的发射时提供更大效率，而不需要实质性量的初级电磁辐射。因此，当一或多个照明源供电时，本教示内容的发光系统不仅在产生次级电磁辐射方面显著有效，还能够提供较多发光次级电磁辐射，与所利用的一或多个发光元件无关。
用于本教示内容中的一种能量转换的一般方法表示在图3中。参考图3，经由吸收/发射事件的级联，通过一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料，将入射电磁辐射的电磁能光谱转换成新的电磁辐射，即，次级电磁辐射，其具有通常具有较高平均波长的光谱。各单独的光致发光材料通过辐射能量吸收光谱Ai、辐射能量发射光谱Ei以及辐射吸收与辐射发射之间的特征时间常数Ti表征(其中i＝1、2、3……)。优选地，通过此方法产生的次级电磁辐射中的一些或全部是可见光电磁辐射。
进一步参看图3，在此能量转换方法的一个方面中，实质上吸收落入第一光致发光材料的吸收光谱内的入射电磁辐射，所述材料通过能量吸收光谱A1、能量发射光谱E1以及能量吸收与能量发射之间的特征时间常数T1表征。一般来说，辐射发射光谱E1的平均波长高于辐射吸收光谱A1的平均波长。此波长差异称为斯托克斯(Stokes)位移，并且对应于此波长差异的能量称为斯托克斯损失。因此经由所吸收的入射辐射的转换产生第一光致发光材料的发射E1，其表示并非入射电磁辐射特有的较长波长。
仍参看图3，在此能量转换方法的另一个方面中，第二光致发光材料可以用于吸收第一光致发光材料的发射的至少一部分，即，E1。第二光致发光材料通过能量吸收光谱A2、能量发射光谱E2以及能量吸收与能量发射之间的特征时间常数T2表征。第二光致发光材料发射辐射并且与第一光致发光材料相比，展现到再更高波长的斯托克斯位移。可以选择具有适当的斯托克斯位移的额外一或多种光致发光材料以进一步转换第一或第二光致发光材料中的至少一种的辐射直到达到所需发射波长为止。这些额外光致发光材料通过辐射吸收光谱A3、A4、A5等；辐射发射光谱E3、E4、E5等；以及辐射吸收与辐射发射之间的特征时间常数T3、T4、T5等来表征。以此方式，入射电磁辐射可以用于产生通过例如蓝色颜色表征的发射，并且随后进一步产生绿光、黄光、橙光或红光。
尽管所发射的辐射的再吸收可以是能量转换的有效机制，但能量转移不需要发射和再吸收。替代地，能量转换中的能量转移可以经由福斯特共振能量转移机制进行，如图4中所说明。福斯特共振能量转移最常在有机单重态之间发生，并且以下论述在所述情形下，但技术的应用不限于单重态-单重态转移。应注意，为了使福斯特转移在某些光致发光材料之间进行，还必须保留电子自旋。参看图4，表示吸收入射电磁辐射前第一光致发光材料的状态，即，非激发态，表示吸收后第一光致发光材料的状态(激发态)，并且A1表示第一光致发光材料所吸收的入射电磁辐射的光子能量。同样，表示第二光致发光材料的非激发态，表示第二光致发光材料的激发态，并且E2表示对应于从其激发态跃迁回其非激发态的来自第二光致发光材料的辐射的发射。继续参看图4，第二光致发光材料可以在无来自第一光致发光材料的辐射的发射的情况下通过从转移能量而从激发到因此，发射E2由第一光致发光材料的直接激发产生。当恰当地选择第一光致发光材料的发射和第二光致发光材料的吸收的电子特征时，可以进行福斯特共振能量转移，以使得可以在不需要通过第一光致发光材料发射光子的情况下通过偶极耦合来进行电子能量的转移。福斯特共振能量转移需要光致发光材料经历电子能量转移(足够近以经历其各别偶极场)。因此，福斯特共振能量转移需要比常规用于其它能量转换方法明显更高浓度的第二光致发光材料。应注意，在一些情况下，其中第一光致发光材料的发射和第二光致发光材料的吸收不足以支持福斯特共振能量转移，此类能量转移仍可以在用作介体的一或多种额外光致发光材料介入的情况下进行并且因此提供所需发射和吸收重叠。
一般来说，为了使一或多种光致发光材料的转换效率最大化，一或多个能量转换层应该无光散射材料。然而，在某些情形下，包括此类材料可能是有利的，其中管理一或多个能量转换层的构造以使次级电磁辐射的转换和提取最大化。因此，在一些情况下，一或多个能量转换层还可以包含分散初级电磁辐射、次级电磁辐射或这两者的至少一部分的一或多种光散射材料。这样，一或多种光散射材料增加一或多个能量转换层内初级电磁辐射和/或次级电磁辐射的有效路径长度，以及提供辐射的均匀化。初级电磁辐射的散射用以增加一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料的此类辐射吸收量和转换量。次级电磁辐射的散射用以重定向此类辐射，其将另外通过内部反射到观察半球的那些而截留在一或多个能量转换层内。
在已鉴别恰当材料和浓度后，多种方法可以用于制备一或多个有效能量转换层。此类方法包括例如将一层涂布到载体衬底上或多层结构的不同层上，所述层通常为平面的并且由具有一或多种光致发光材料和实质上分散或溶解于液体载体介质中的聚合物的调配物制备。另一个实例包括直接将所述层涂布到一或多个照明源的一或多个出口区域中的至少一个的至少一部分上。此类涂层可以例如通过涂敷、喷涂、狭缝涂布、浸渍涂布、滚涂、棒涂或印刷方法，如丝网印刷、丝网凹版印刷、丝网柔性版印刷等来沉积。替代地，一或多个能量转换层可以通过未使用液体载体介质的方法制备。举例来说，一或多种光致发光材料和聚合物可以通过挤压、注塑模制、压塑模制、压延或热成形来转换成能量转换层。只要所选聚合物与一或多种光致发光材料相容，就可以形成固态溶液。在通过将层涂布到载体衬底上或由固态溶液制备一或多个能量转换层的情况下，此类一或多个能量转换层可以通过层压或者光学耦合或替代地通过在无光学耦合的情况下简单放置在一或多个出口区域中的至少一个上而沉积到一或多个照明源的一或多个出口区域中的至少一个上。应注意，这些方法中的一些可以尤其适用于产生非平面层。在制备一个以上能量转换层的情况下，各能量转换层可以依次涂布，或可以单独地制备单独层并且随后层压或压印在一起。在一或多个发光系统利用一个以上能量转换层的所有情况下，能量转换层将仅在其恰当地排序时恰当地起作用。
如(但不限于)分散剂、湿润剂、消泡剂、调平剂或其组合的额外添加剂可以添加到用于涂布一或多个能量转换层的调配物中以帮助聚合物内一或多种光致发光材料的分散和调配物自身的涂布。此类分散剂、湿润剂、消泡剂以及调平剂可以各自为含有表面活性(表面活性剂)特征嵌段的寡聚、聚合或共聚材料或掺合物，如聚醚、多元醇或多元酸。此外，还可以选择此类添加剂以使电磁辐射的散射减到最少并且使用过量能量以使得一或多种光致发光材料的发射最大化。必须测试各此类材料以确保其不会造成一或多种光致发光材料聚集，并且所述材料不会以热或光化学方式与一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料反应。
另外，可以将其它材料添加到一或多个能量转换层中以提高光解稳定性，例如UV吸收剂、抗氧化剂、自由基淬灭剂、受阻胺光稳定剂(HALS)等。单重态分子氧被认为是光致发光材料的光解降解过程中的重要反应性物质。尽管降低氧浓度能有效阻止单态氧产生，但此物质也可以被多种添加剂淬灭，从而防止其与光致发光材料反应。此类淬灭剂应放置于最容易形成单态氧的层(其为一或多个能量转换层)中。单态氧淬灭剂的实例包括(但不限于)2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酮、1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷或二苯硫醚。
本教示内容的发光系统的多层结构进一步包含一或多个扩散层，其实质上增加初级电磁辐射、次级电磁辐射、环境电磁辐射或其任何组合的至少一部分的光学散射。一般来说，通过一或多个扩散层增加光学散射实现电磁辐射的均匀化。一或多个扩散层安置在一或多个能量转换层的表面上，以使得一或多个扩散层实质上增加辐射的光学散射，从而提供均匀化以及未经转换的入射电磁辐射与一或多个能量转换层所发射的辐射的至少一部分(即，次级电磁辐射)的混合。在大多数情况下，一或多个扩散层光学耦合到一或多个能量转换层，即，在一或多个扩散层与一或多个能量转换层之间不存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气，并且因此还能够将次级电磁辐射重定向到观察半球，从而减少将另外通过内部反射截留在一或多个能量转换层内的辐射的量。在此方面中，一或多个扩散层进一步充当漫射反射体，其可以将初级和次级电磁辐射的至少一部分重定向回到一或多个能量转换层中，从而增加一或多个能量转换层的有效光学路径长度。此外，一或多个扩散层可以另外在一些情况下实现为多层结构提供物理和化学耐久性的保护层的功能。
在一些情况下，一或多个扩散层可以包含一或多种光散射材料，其分离成具有明显不同的光学折射率(其在大多数情况下归因于具有不同密度的材料)的离散结构域。另外，结构域的大小对光学散射效率具有显著作用，较大结构域提供较多散射。一或多个扩散层可以在多种聚合物，例如丙烯酸酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、硅酮树脂或其它常见聚合物中产生。通常基于与将层压于上面或者光学耦合的多层结构的其它层的相容性，选择用于一或多个扩散层的聚合物，以提供良好粘附。具体来说，重要的是一或多个扩散层的聚合物不会实质上吸收(如果有的话)入射辐射或次级电磁辐射。可以并入一或多个扩散层的聚合物中的适合的光散射材料包括(但不限于)二氧化钛、云母或中空或实心玻璃微球体。此外，较小领域的并入一或多个扩散层的聚合物中的不相容聚合物还可以充当一或多种光散射材料。
在已鉴别恰当材料和浓度后，多种方法可以用于制备一或多个扩散层。此类方法包括例如将一层涂布到载体衬底上或多层结构的不同层上，所述层通常为平面的并且由具有一或多种光散射材料和实质上分散于液体载体介质中的聚合物的调配物制备。此类涂层可以例如通过涂敷、喷涂、狭缝涂布、浸渍涂布、滚涂、棒涂或印刷方法，如丝网印刷、丝网凹版印刷、丝网柔性版印刷等来沉积。如(但不限于)分散剂、湿润剂、消泡剂、调平剂或其组合的额外添加剂可以添加到用于涂布此类材料的调配物中以帮助一或多种光散射材料的分散和调配物自身的涂布。此类分散剂、湿润剂、消泡剂以及调平剂可以各自为含有表面活性(表面活性剂)特征嵌段的寡聚、聚合或共聚材料或掺合物，如聚醚、多元醇或多元酸。替代地，一或多个扩散层可以通过未使用液体载体介质的方法制备。举例来说，一或多种光散射材料和聚合物可以通过挤压、注塑模制、压塑模制、压延或热成形来转换成一或多个扩散层。在通过将层涂布到载体衬底上或未使用液体载体介质的方法制备一或多个扩散层的情况下，此类一或多个扩散层可以通过层压或者光学耦合而沉积在一或多个能量转换层的表面上。在制备一个以上扩散层的情况下，各扩散层可以依次涂布，或可以单独地制备单独层并且随后层压或压印在一起。
在其它情况下，一或多个扩散层可以包含图案化塑料漫射体，即，经设计以提供光学均匀化的塑料薄片的表面中的压印结构。此类图案化塑料漫射体典型地通过使用图案化冲模挤压预先形成的薄片来制备。替代地，图案化塑料漫射体可以通过在全息记录介质中记录漫射体的全息图像来制备，从而产生全息漫射体。可以记录全息漫射体以产生表面图案，或可以经由全息记录介质的体积记录。考虑到其与常规漫射体相比归因于后向散射的较低光损耗，此类全息漫射体通常是优选的。
当在空气存在下照射时，许多有机光致发光材料遭受光解降解，其呈溶剂中的溶液形式或呈与聚合物的均匀混合物形式。在一些情况下，降解可以追踪到周围聚合基质的分解，其可以产生攻击光致发光材料分子的自由基中间物。一些聚合物含有UV吸收发色团，其在激发后可以对单态氧形成具有敏感性。在一些情况下，光致发光材料可以经由产生单态氧而对其自身的分解具有敏感性。单态氧可以由从经激发的染料的三重态到基态(三重态)氧的能量转移产生。举例来说，尽管荧光材料在其光物理学中产生极少的三重态物质，但产生的少量物质可以有效地将能量转移到可用的分子氧以产生反应性单态氧。此物质可以随后攻击附近的光致发光分子以产生非光致发光产物。另外，聚合物基质的选择可能影响单态氧的寿命。关于氧存在的有益作用已有引用。举例来说，在田中统昭(NobuakiTanaka)等人的“聚合物-分散的苝二-酰亚胺染料的光降解(Photodegradation ofPolymer-Dispersed Perylene Di-imide Dyes)”,应用光学(Applied Optics),第45卷(2006),第3846-51页中，报导了荧光材料还可以通过光还原机制降解，在此情况下可用的氧可以都竞争还原剂，以及使经还原的荧光材料再氧化。作者鉴别出荧光材料附近氧的存在可以降低光解降解速率。换句话说，防止氧传输可以使得荧光材料更快速地降解。出人意料地，发现事实相反。具体来说，已确定，当某些聚合物涂层由已知明显延缓氧扩散的材料制成时对提高光解稳定性具有显著影响。因此，为了增强一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料的稳定性，本教示内容的发光系统的多层结构可以进一步任选地包含一或多个稳定性增强层，例如如图5中所描绘。此外，在多层结构的一或多个能量转换层经受显著磁密，例如大于约500瓦特/平方米持续较长时间段的情况下，可以使用一或多个稳定性增强层来延长一或多个能量转换层的使用寿命。
在本发明的多层结构内利用一或多个稳定性增强层时，一或多个能量转换层的一或多种光致发光材料可以受保护而免于光诱发(光解)的降解以及热降解，以为一或多种光致发光材料提供更长寿命。可以用于一或多个稳定性增强层中的适用的材料包括(但不限于)现今常用于抑制空气传输的多种材料，尤其用于如食品包装的应用中。此类适用的材料包括例如聚乙烯醇、乙烯乙烯醇共聚物、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、共聚物(萨兰树脂(saran))、尼龙、丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二酯聚酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸三甲酯、液晶聚合物、透明无机氧化物涂料、纳米复合材料、氧清除剂、芳香族聚酮等。
在本教示内容的一个方面中，如图5中所说明，一或多个稳定性增强层22可以提供到一或多个能量转换层8的表面上，从而抑制氧扩散通过一或多个能量转换层8的表面。然而，在发光系统的多层结构光学耦合到一或多个照明源的情况下，如图5中所说明的此类构造可能不是优选的，因为氧扩散通过一或多个能量转换层的底部表面被一或多个照明源阻止。在本教示内容的替代方面中，一或多个稳定性增强层可以提供到一或多个能量转换层的顶部表面上，以使得在一或多个扩散层与一或多个能量转换层之间插入一或多个稳定性增强层。在某些应用中，可能有利的是将一个稳定性增强层提供到一或多个能量转换层的顶部表面上并且将另一个稳定性增强层提供到一或多个能量转换层的底部表面上。
尽管优选的是提供一或多个稳定性增强层作为离散层，如图5中所描绘，应认识到，一或多个稳定性增强层的一些功能也可以自身通过适当选择一或多个能量转换层的聚合物基质在一或多个能量转换层内实现。此外，在某些情况下，当将一或多个能量转换层涂布到适当较厚聚酯载体衬底上时，载体衬底还可以提供在延缓氧扩散通过一或多个能量转换层方面的一些功能。
次级电磁辐射应实质上朝向一或多个发光系统的向前传播侧面上的半球，即，观察半球发射。鉴于一或多个能量转换层内的一或多种光致发光材料表征为各向同性朗伯(Lambertian)发射体，次级电磁辐射在产生后向传播的某一部分的各种方向上发射。尽管使用在聚合物基质中呈固态溶液形式的一或多种光致发光材料通过消除较小聚集体而使后向散射减到最少，但仍保留后向传播发射。为了进一步减少一或多个能量转换层内的后向传播，本教示内容的发光系统的多层结构还可以任选地包含反射层，如图6中所说明。将反射层28安置于一或多个能量转换层8的表面上并且使次级电磁辐射的至少一部分朝向观察半球重定向。因此，反射层28还实质上透射供电时一或多个照明源2输出的初级电磁辐射。此外，在某些应用中，同样有利的是，一或多个扩散层与反射层结合使用，以使得一或多个扩散层中的后向散射电磁辐射朝向观察半球重定向。
一般来说，反射层可以提供漫反射或镜面反射。在需要漫反射的情况下，散射光而不吸收的材料，如二氧化钛或硫酸钡的层可以分散于聚合粘合剂中。在需要镜面反射的情况下，可以利用波长选择性镜面反射层以打断初级电磁辐射从一或多个照明源输出到多层结构。可以通过替代地以待反射电磁辐射的波长的约1/4的层厚度使具有较高和较低介电常数的非金属材料成层来制得此类选择性反射层。反射层的特征是用于较低介电层中的材料与较高介电层中的那些材料之间的折射率差值以及反射层结构中的层数量的函数。典型的折射率差值落入0.05-1.0范围内。典型的较低介电材料在1.35-1.50范围内的可见光波长下具有折射率，并且包括如(但不限于)MgF2、CaF2或熔融硅石的材料。典型的较高介电材料具有在1.45-2.5范围内的折射率，并且包括(但不限于)氧化铝、氧化锆或氧化钛。较高和较低介电材料还可以包含具有适合的折射率差值的光学聚合物。此类介电堆叠可以经设计以通过选择性带的波长，或其可以作为高通或低通过滤器产生。在将介电反射层安置在一或多个能量转换层的表面上的情况下，此类反射层还可以用作一或多个稳定性增强层，因为典型地包含此类介电反射层的金属氧化物材料提供氧的较低扩散。
在本教示内容的发光系统的另一个方面中，多层结构还可以任选地包含保护层，其在环境暴露后为发光系统的多层结构提供物理和化学耐久性。在一个方面中，如图7中所说明，保护层34可以安置于一或多个扩散层10的表面上。在另一个方面中，保护层可以安置于一或多个能量转换层的表面上。在多层结构还包含一或多个稳定性增强层的情况下，可能有利的是，一或多个稳定性增强层与安置于一或多个稳定性增强层的表面上的保护层结合使用，因为常用空气阻挡材料的材料特性使得一或多个稳定性增强层对正常物理和化学磨损和降解具有敏感性，并且因此在添加此类保护层以提供这些特性的情况下可以改良发光系统的多层结构的鲁棒性。
保护层适用的材料可以包括(但不限于)聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯或聚酯。因为许多聚合物可能在暴露于紫外线(UV)辐射后降解，所以保护层还可以含有UV光吸收剂，其还保护可以位于保护层下方的多层结构的一或多个层中的任一个中所包括的聚合物和材料。可接受的UV吸收剂包括(但不限于)羟基二苯甲酮，如来自汽巴(Ciba)的CHIMASSORBTM 81；羟基苯基苯并三唑，如来自汽巴的TINUVINTM 326；或羟基苯基三嗪，如来自汽巴的TINUVINTM 405。
此外，保护层的表面还可以经修饰以使从至少多层结构的光提取最佳化。此类修饰可以包括(但不限于)抗反射层或亮度增强结构，如美国专利第4,542,449号、第4,791,540号、第4,799,131号、第4,883,341号和第4,984,144号中所描述的那些以及与其类似的那些，所有所述专利都以全文引用的方式并入本文中。另外，保护层还可以含有前面称为光稳定剂的额外材料以增强稳定性，如抗氧化剂、HALS、单态氧清除剂等。
如上文所描述的本教示内容的发光系统的多层结构可以通过本领域中熟知的多种方法形成。举例来说，每一层可以单独地制备并且随后依次层压或压印在一起以形成多层结构。在另一个实例中，可以通过连续涂布每一层或通过连续层压或压印来构造整合的多层结构。替代地，可以通过连续涂布、层压或压印组合若干层以形成子结构，并且随后将所需子结构层压或压印在一起以形成多层结构。在另一个实例中，可以将多层结构的每一层依次涂布或依次层压或直接压印在一或多个照明源上以形成多层结构。
除一或多个照明源和多层结构以外，本教示内容的发光系统还进一步包含覆盖在多层结构的表面上的一或多个漫反射层。一或多个漫反射层与多层结构光学解耦，即，在一或多个漫反射层与多层结构之间存在具有实质上较低折射率的介质，例如空气，并且将环境电磁辐射的至少一部分重定向到观察半球，因此实质上产生本教示内容的发光系统的反射。除发光系统的发射以外，发光系统的反射是系统所产生的观测到的可见颜色的另一个部分。在一或多个照明源未供电的情况下，由于缺乏从一或多个照明源输出的初级电磁辐射，发光系统的反射首先产生第二观测到的可见颜色。更具体来说，通过在本教示内容的发光系统内使用一或多个漫反射层，使未供电时一或多个能量转换层上的入射辐射，即，到达一或多个能量转换层的所传输的环境电磁辐射减到最少。另外，一或多个漫反射层通过后向反射此类辐射的一部分进一步减少被传输到观察半球的次级电磁辐射的能量。此外，因为环境电磁辐射通常具有较宽光谱，即白色的观测到的可见颜色，如果需要本教示内容的发光系统产生不为白色的观测到的可见颜色，那么光吸收剂将最低限度地(如果有的话)吸收可以并入一或多个漫反射层中的次级电磁辐射以提供所需第二观测到的可见颜色。此外，为了观测到发光系统的发射，一或多个漫反射层最低限度地(如果有的话)吸收未经转换的入射辐射以及从一或多个能量转换层发射的次级电磁辐射。应认识到，在某些应用中，可能有利的是，一或多个漫反射层与保护层结合使用以在环境暴露后为一或多个漫反射层提供物理和化学耐久性。
通过一或多个扩散反射层的那些未被重定向到观察半球的环境电磁辐射的部分(如果存在)转而传递通过并且变为吸收并且转换成发射到观察半球的次级电磁辐射的一或多个能量转换层上的入射辐射的部分。因此，当一或多个照明源未供电时，本教示内容的发光系统的发射是基于入射到一或多个能量转换层上的环境电磁辐射的能量的量(尽管很少)。因此，当设计发光系统时应考虑从所传输的环境电磁辐射转换的次级电磁辐射以产生所需第二观测到的可见颜色。
图8描绘根据本教示内容的未供电发光系统的反射光谱以及未使用一或多个漫反射层的未供电发光系统的反射光谱，其中两者都产生白色的第一观测到的可见颜色。第二观测到的可见颜色产生来自环境电磁辐射反射的结果以及由于所传输的环境电磁辐射激发的来自多层结构的一或多个能量转换层的发射。不具有一或多个漫反射层的发光系统产生第二观测到的可见颜色，其首先是一或多个能量转换层的那些的吸收和发射的结果，而具有一或多个漫反射层的发光系统产生第二观测到的可见颜色，其首先是反射的结果。其原因在于，一或多个漫反射层的存在减少被传输到一或多个能量转换层的能量，从而减少所产生的发射量，从而允许反射能量超过发射能量以产生第二观测到的可见颜色。
此外，考虑到一或多个漫反射层的性质，未经转换的入射辐射和次级电磁辐射的至少一部分还可以重定向回到一或多个能量转换层中，从而允许吸收并且转换更大量的辐射，因此产生与在无一或多个漫反射层的情况下所产生相比更高的发光系统的次级电磁辐射的发射强度。因此，当设计本教示内容的发光系统时应考虑此类辐射再循环的作用以产生所需第一观测到的颜色。
举例来说，图9描绘由根据本教示内容的供电发光系统产生的发射光谱以及由未使用一或多个漫反射层的供电发光系统产生的发射光谱。初级电磁辐射的光谱呈现为约420-520nm的窄光谱带，在约470nm处达到峰值。次级电磁辐射的光谱呈现为约490-720nm的较宽谱带，其中原理最大值在576nm处。如从图9可见，由于后向反射到一或多个能量转换层中的未经转换的入射辐射的量，使用一或多个漫反射层导致次级电磁辐射的发射强度增强，从而允许吸收并且转换更大量的入射辐射。
在一些情况下，一或多个漫反射层可以包含一或多种光散射材料，其分离成具有明显不同的光学折射率(其在大多数情况下归因于具有不同密度的材料)的离散结构域。另外，结构域的大小对光学散射效率具有显著作用，较大结构域提供较多散射。一或多个漫反射层可以在多种聚合物，例如丙烯酸酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、硅酮树脂或其它常见聚合物中产生。具体来说，重要的是一或多个漫反射层的聚合物不会实质上吸收(如果有的话)入射辐射或次级电磁辐射。可以并入一或多个漫反射层的聚合物中的适合的光散射材料包括(但不限于)二氧化钛、云母或中空或实心玻璃微球体。此外，较小领域的并入一或多个漫反射层的聚合物中的不相容聚合物还可以充当一或多种光散射材料。
在已鉴别恰当材料和浓度后，多种方法可以用于制备一或多个漫反射层。此类方法包括例如将一层涂布到载体衬底上，所述层通常为平面的并且由具有一或多种光散射材料和实质上分散于液体载体介质中的聚合物的调配物制备。此类涂层可以例如通过涂敷、喷涂、狭缝涂布、浸渍涂布、滚涂、棒涂或印刷方法，如丝网印刷、丝网凹版印刷、丝网柔性版印刷等来沉积。如(但不限于)分散剂、湿润剂、消泡剂、调平剂或其组合的额外添加剂可以添加到用于涂布此类材料的调配物中以帮助一或多种光散射材料的分散和调配物自身的涂布。此类分散剂、湿润剂、消泡剂以及调平剂可以各自为含有表面活性(表面活性剂)特征嵌段的寡聚、聚合或共聚材料或掺合物，如聚醚、多元醇或多元酸。替代地，一或多个漫反射层可以通过未使用液体载体介质的方法制备。举例来说，一或多种光散射材料和聚合物可以通过挤压、注塑模制、压塑模制、压延或热成形来转换成一或多个漫反射层。在制备一个以上漫反射层的情况下，各扩散层可以依次涂布，或可以单独地制备单独层并且随后层压或压印在一起。
在其它情况下，一或多个漫反射层可以包含图案化塑料漫射体，即，经设计以提供光学均匀化的塑料薄片的表面中的压印结构。此类图案化塑料漫射体典型地通过使用图案化冲模挤压预先形成的薄片来制备。替代地，图案化塑料漫射体可以通过在全息记录介质中记录漫射体的全息图像来制备，从而产生全息漫射体。可以记录全息漫射体以产生表面图案，或可以经由全息记录介质的体积记录。考虑到其与常规漫射体相比归因于后向散射的较低光损耗，此类全息漫射体通常是优选的。
如上文所描述的本教示内容的发光系统可以通过本领域中熟知的多种方法制造。举例来说，提供一或多个照明源，在一或多个照明源的一或多个出口区域中的至少一个的至少一部分上施加多层结构，并且在多层结构的表面上覆盖一或多个漫反射层。可以多种方法，例如层压、热方式或利用粘合剂，将多层结构施加在一或多个照明源的一或多个出口区域中的至少一个的至少一部分上。在一些情况下，多层结构可以在施加之前预先形成。在其它情况下，多层结构可以建构在一或多个照明源上，例如可以使用多种涂布方法将一或多个能量转换层施加到一或多个照明源，并且随后依次涂布其余层，或单独地制备并且随后层压或压印在一起以形成多层结构。此外，多层结构可以与一或多个照明源光学耦合或解耦。一或多个漫反射层作为与多层结构光学解耦的离散层提供。
例证
参考以下实例将更容易地理解已概括性描述的本教示内容，以下实例仅出于说明这些教示内容的某些方面和实施例的目的包括在内并且并不意图限制本教示内容的范围。
实例1.制备扩散层(表征为图1、2和5-7中的10)。制备含有0.9120份丝网印刷油墨(如自动标记APL染料基透明油墨(Automark APL Dye-Based Clear))、0.00502份消泡剂(如TEGOTM发泡树脂(Foamex)N)、0.00201份湿润剂(如TEGOTM湿润剂(Wet)270)、0.00575份二氧化钛、0.000182份分散剂(如DISPERBYKTM 112)以及0.0751份球形玻璃珠粒(如SPHERICELTM 110P8)的调配物，并且在室温下搅拌。经由60目钢丝网将调配物丝网印刷到10密耳载体衬底，如透明聚酯衬底(例如杜邦(DuPont)MYLARTM膜)上，并且在80℃下干燥30分钟以产生2.3密耳或58微米厚的扩散层。
实例2.制备能量转换层(表征为图1、2和5-7中的8)和制备多层结构(表征为图1和2中的4)。制备含有0.9535份丝网印刷油墨(如自动标记APL染料基透明油墨)、0.00449份消泡剂(如TEGOTM发泡树脂N)、0.00220份湿润剂(如TEGOTM湿润剂270)以及含0.000195份3-氰基苝-9,10-二羧酸2′,6′-二异丙基苯胺的0.0389份二氧杂环戊烷以及0.00045份3,4,9,10-苝四甲酸双(2′,6′-二异丙基)苯胺的调配物，并且在室温下搅拌。经由60目钢丝网将调配物印刷到实例1中所制备的扩散层上，并且在80℃下干燥60分钟以产生耦合到扩散层的1密耳或25微米厚的黄色日光颜色能量转换层，从而产生多层结构。
实例3.制备漫反射层(表征为图1、2和5-7中的6)。制备含有0.9747份丝网印刷油墨(如自动标记APL染料基透明油墨)、0.00509份消泡剂(如TEGOTM发泡树脂N)、0.00201份湿润剂(如TEGOTM湿润剂270)、0.0166份二氧化钛以及0.00166份分散剂(如DISPERBYKTM 112)的调配物，并且在室温下搅拌。经由60目钢丝网将调配物丝网印刷到10密耳载体衬底，如透明聚酯衬底(迈拉(Mylar))上，并且在80℃下干燥30分钟以产生扩散反射层。
实例4.制备发光系统(表征为图2中的20)。
照明源：由切割成约12″×3/4″的125密耳(1/8″)厚的透明丙烯酸薄片制备光导。使用激光蚀刻依次沿着光导的底部表面的丙烯酸条带形成约1/2″长的粗轧区域。将如在约470nm(峰值波长)下操作的蓝光发光二极管的发光元件邻接到光导的一个边缘。
多层结构：如实例2中所制备。
漫反射层：如实例3中所制备。
将多层结构放置在光导的顶部表面的至少一部分上，以使得多层结构的能量转换层组件最接近光导的顶部表面。将漫反射层放置在多层结构上，以使得漫反射层的载体衬底的表面是相对于观察半球的最顶部表面，产生包含照明源、多层结构以及漫反射层的发光系统。
出于描述和界定本教示内容的目的，应注意，术语“实质上”在本文中是用来表示固有的不确定程度，其可以归结为任何定量的比较、价值、测量或其它表示。所述术语“实质上”也在本文中用来表示在不导致在争论中的标的物的基本功能变化的情况下，定量表示可以从规定的参考变化的程度。
尽管已相对于各种实施例描述教示内容，但应意识到，在随附公开内容的精神和范围内，这些教示内容还可容纳广泛多种另外和其它实施例。

Claims (28)

1.一种发光系统，所述发光系统包含：
一或多个照明源，其在供电时经由一或多个出口区域输出初级电磁辐射；
多层结构，所述多层结构包含：
(i)一或多个能量转换层，其将入射辐射的至少一部分转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射，所述入射辐射是所述初级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种，以及
(ii)一或多个扩散层，其实质上增加辐射的至少一部分的光学散射，所述辐射是所述初级电磁辐射、所述次级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种；以及
一或多个漫反射层，其将环境电磁辐射的至少一部分重定向到所述观察半球，所述一或多个漫反射层与所述多层结构光学解耦，
其中当所述一或多个照明源供电时，所述发光系统的发射和反射产生第一观测到的可见颜色，并且当所述一或多个照明源未供电时，产生第二观测到的可见颜色。
2.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述第一观测到的可见颜色和所述第二观测到的可见颜色实质上类似。
3.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述一或多个照明源包含一或多个发光元件。
4.根据权利要求3所述的发光系统，其中所述一或多个照明源进一步包含一或多个光学元件，其接收并且传播从所述一或多个发光元件发射的所述初级电磁辐射的至少一部分并且经由所述一或多个出口区域将所述初级电磁辐射实质上传输到所述多层结构。
5.根据权利要求4所述的发光系统，其中所述一或多个光学元件包含一或多个光导，其具有含一或多个提取区域的表面。
6.根据权利要求5所述的发光系统，其中所述一或多个光导的表面的所述一或多个提取区域在所述一或多个发光元件的远端。
7.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述一或多个照明源进一步包含将所述初级电磁辐射的至少一部分重定向到所述观察半球的反射层。
8.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述多层结构光学耦合到所述一或多个照明源。
9.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述多层结构与所述一或多个照明源光学解耦。
10.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述一或多个扩散层另外实现为所述多层结构提供物理和化学耐久性的保护层的功能。
11.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述一或多个能量转换层进一步包含分散辐射的至少一部分的一或多种光散射材料，所述辐射是所述初级电磁辐射或所述次级电磁辐射中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述多层结构进一步包含将所述次级电磁辐射的至少一部分重定向到所述观察半球的反射层，所述反射层实质上透射所述初级电磁辐射。
13.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述多层结构进一步包含提高所述多层结构的光解和热稳定性的一或多个稳定性增强层。
14.根据权利要求1所述的发光系统，其中所述多层结构进一步包含为所述多层结构提供物理和化学耐久性的保护层。
15.一种用于制造发光系统的方法，所述方法包含：
提供一或多个照明源，其在供电时经由一或多个出口区域输出初级电磁辐射；
在所述一或多个出口区域中的至少一个的至少一部分上施加多层结构，所述多层结构包含：
(i)一或多个能量转换层，其将入射辐射的至少一部分转换成至少部分发射到观察半球的次级电磁辐射，所述入射辐射是所述初级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种，以及
(ii)一或多个扩散层，其安置在所述一或多个能量转换层的表面上以实质上增加辐射的至少一部分的光学散射，所述辐射是所述初级电磁辐射、所述次级电磁辐射或环境电磁辐射中的至少一种；以及
将一或多个漫反射层覆盖在所述多层结构的表面上以将环境电磁辐射的至少一部分反射到所述观察半球，其中所述一或多个漫反射层与所述多层结构光学解耦，
其中当所述一或多个照明源供电时，所述发光系统的发射和反射产生第一观测到的可见颜色，并且当所述一或多个照明源未供电时，产生第二观测到的可见颜色。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一观测到的可见颜色和所述第二观测到的可见颜色实质上类似。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层结构光学耦合到所述一或多个照明源。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层结构与所述一或多个照明源光学解耦。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述一或多个照明源包含一或多个发光元件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述一或多个照明源进一步包含安置于所述一或多个发光元件的表面上以将所述初级电磁辐射的至少一部分重定向到所述观察半球的反射层。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述一或多个照明源进一步包含一或多个光学元件，其接收并且传播从所述一或多个发光元件发射的所述初级电磁辐射的至少一部分并且经由所述一或多个出口区域将所述初级电磁辐射实质上传输到所述多层结构。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述一或多个光学元件包含一或多个光导，其具有含一或多个提取区域的表面。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述一或多个照明源包含安置于所述一或多个光学元件的表面上以将所述初级电磁辐射的至少一部分重定向到所述观察半球的反射层。
24.根据权利要求15所述的方法，其中所述一或多个能量转换层进一步包含分散辐射的至少一部分的一或多种光散射材料，所述辐射是所述初级电磁辐射或所述次级电磁辐射中的至少一种。
25.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层结构进一步包含安置于所述一或多个能量转换层的表面上以将所述次级电磁辐射的至少一部分重定向到所述观察半球的反射层，所述反射层实质上透射所述初级电磁辐射。
26.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层结构进一步包含安置于所述一或多个能量转换层的至少一个表面上以提高所述多层结构的光解和热稳定性的一或多个稳定性增强层。
27.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层结构进一步包含安置于所述一或多个能量转换层的表面上以为所述多层结构提供物理和化学耐久性的保护层。
28.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层结构进一步包含安置于所述一或多个扩散层的表面上以为所述多层结构提供物理和化学耐久性的保护层。
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