CN1981219A - 具有多个光导的基于荧光物质的照明系统以及使用该照明系统的显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种照明系统，其包括：光源；耦合到所述光源的光导，每个光导具有输入表面和输出表面；放置为接收来自至少一个光导的光的发光材料；以及干涉反射器，其放置为使得发光材料位于光导的输出表面和干涉反射器之间。光源发射具有第一光学特征的光。当用具有第一光学特征的光照射发光材料时，所述发光材料发射具有第二光学特征的光。干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光。

Description

具有多个光导的基于荧光物质的照明系统以及使用该照明系统的显示器
背景技术
在其结构中使用发光二极管(LED)的白色光源可以有两种基本构造。其中一种，在这里称为直接发射LED，通过不同颜色LED的直接发射产生白光。例子包括红光LED、绿光LED和蓝光LED的组合，以及蓝光LED和黄光LED的组合。在另一种构造中，本文称为荧光物质转换LED(PCLED)，由单个LED产生窄波长范围的光，所产生的光入射到荧光物质或其它类型的发光材料上，并激发其产生与所述LED产生的光不同波长的光。所述荧光物质可以包括不同的发光材料的混合物或组合物，由荧光物质发出的光可以包括在可见波长范围上分布的宽或窄发射谱线，使得对于肉眼来说发射光基本上显现为白色。
PCLED的一个例子是蓝光LED，该蓝光LED照射荧光物质，该荧光物质将蓝光转换为更长波长的光。一部分蓝色激发光没有被荧光物质吸收，而剩余的蓝色激发光与荧光物质发射的更长波长光组合。另一个PCLED的例子是紫外(UV)LED，该紫外LED照射荧光物质，所述荧光物质吸收UV光并将其转换为红光、绿光和蓝光，或者转换为蓝光和黄光的组合。
PCLED的另一个应用是将UV光或蓝光转换为绿光。通常，绿光LED的效率相对较低而且在操作期间可能会改变输出波长。与绿光LED相比，绿光PCLED能够提高波长稳定性。
白光PCLED优于直接发射白光LED的优点包括：随着器件老化和温度变化具有较好的色稳定性，以及批次至批次和器件至器件之间具有较好的色均匀性/可重复性。然而，PCLED的效率可能比直接发射LED的效率低，这部分是由于荧光物质吸收光并重新发射光的过程效率低的缘故。
发明内容
本发明提供照明系统，该照明系统利用发光材料和用于过滤光分量的干涉反射器。在某些实施例中，本发明的干涉反射器可以包含多层光学薄膜，该多层光学薄膜包含独立的光学层，至少一些所述光学层是双折射的，所述光学层沿该薄膜的厚度方向布置成光学重复单元。相邻的光学层具有一定的折射率关系，该折射率关系保持反射性，并且避免中高入射角的p偏振光泄漏出去。
一方面，本发明提供照明系统，该照明系统包括发射具有第一光学特征光的光源和耦合到所述光源的光导，其中每个光导都包括输入表面和输出表面。该系统还包括放置为接收来自至少一个光导的光的发光材料，其中当用具有第一光学特征的光照射该发光材料时，该发光材料发射具有第二光学特征的光。该系统还包括干涉反射器，其放置为使得所述发光材料位于所述光导的输出表面和所述干涉反射器之间，其中所述干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光。
另一方面，本发明提供显示器，该显示器器包括照明系统和空间光调制器。所述照明系统包括发射具有第一光学特征的光的光源和光学耦合到所述光源的光导，其中每个光导都包括输入表面和输出表面。所述照明系统还包括：放置为接收来自至少一个光导的光的发光材料，其中当用具有第一光学特征的光照射该发光材料时，该发光材料发射具有第二光学特征的光；干涉反射器，其放置为使得所述发光材料位于所述光导的输出表面和所述干涉反射器之间，其中所述干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光。所述空间光调制器光学耦合到所述照明系统，并且包括可操作以调制来自所述照明系统的至少一部分光的可控元件。
另一方面，本发明提供用于提供照明系统的方法，该方法包括：使用具有第一光学特征的光照射多个光导中的至少一个光导，其中该至少一个光导引导光通过输出表面；以及使用被引导通过所述至少一个光导的输出表面的光照射发光材料，使得该发光材料发射具有第二光学特征的光。该方法还包括：使用所述发光材料发射的光照射干涉反射器，其中该干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光；以及将由所述干涉反射器透射的至少一部分光引导到所需位置。
本发明的上述概述并没有试图描述本发明的每一个公开的实施例和每一个实施方式。下文的附图和详细说明更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
图1示意性地示出了具有短波通型干涉反射器的照明系统的一个实施例。
图2示意性地示出了具有短波通型干涉反射器和长波通型干涉反射器的照明系统的一个实施例。
图3示意性地示出了具有短波通型干涉反射器和一个或多个光学元件的照明系统的一个实施例。
图4示意性地示出了具有长波通型干涉反射器的照明系统的一个实施例。
图5示意性地示出了具有短波通型干涉反射器、长波通型干涉反射器和光腔的照明系统的一个实施例。
图6A是具有光腔的照明系统的一个实施例的示意性俯视图，所述光腔包括一个或多个小面。
图6B是图6A中照明系统的光腔的一部分示意性剖视图。
图6C是图6A中照明系统的示意性侧视图。
图6D是具有光腔的照明系统的另一个实施例的示意性侧视图，所述光腔包括一个或多个小面。
图6E是具有光腔的照明系统的另一个实施例的示意性侧视图，所述光腔包括一个或多个小面。
图7是具有四个光腔的照明系统的另一个实施例的示意性俯视图，每个所述光腔都包括一个或多个小面。
图8A是具有短波通型干涉反射器的照明系统的实施例的示意性俯视图，所述短波通型干涉反射器位于一个或多个光腔内，所述光腔位于光导内。
图8B是图8A中照明系统沿直线8B-8B的示意性剖视图。
图9A是具有一个或多个光腔的照明系统的实施例的示意性侧视图，所述光腔邻近光导的输入表面。
图9B是图9A中照明系统的示意性俯视图。
图10A是具有一个或多个光腔的照明系统的一个实施例的示意性立体图，所述光腔邻近光导的输入表面。
图10B是图10A中照明系统沿直线10B-10B的示意性剖视图。
图11示意性地示出了具有短波通型干涉反射器的照明系统，所述短波通型干涉反射器置于发光材料和光导输出表面之间。
图12示意性地示出了具有短波通型干涉反射器和一个或多个荧光点的照明系统，所述短波通型干涉反射器邻近光导输出表面，所述荧光点置于所述短波通型干涉反射器上。
图13是具有楔形光导的照明系统的一个实施例的示意性立体图。
图14是具有一个或多个光导的照明系统的一个实施例的示意性剖视图。
图15示意性地示出了具有一个或多个光导的照明系统的另一个实施例。
图16示意性地示出了包括照明系统和显示设备的显示组件。
图17示意性地示出了具有长波通型干涉反射器的照明系统的实施例，所述长波通型干涉反射器定位为使得发光材料位于光导的输出表面和所述长波通型干涉反射器之间。
图18是具有一个或多个光导的照明系统的另一个实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
本发明提供照明系统，该照明系统包括：光源，一个或多个光导，发光材料和一个或多个干涉反射器。在某些实施例中，照明系统为各种应用提供白光。在本文中，术语“白光”所指的光刺激人眼中的红、绿、蓝感受器，以获得普通观察者认为是“白色”的观感。这种光可以偏红(通常称为暖白光)或偏蓝(通常称为冷白光)。另外，这种光能够具有高达100的彩色再现指数。通常，这些照明系统包括发射具有第一光学特征的光的光源。本发明的系统还包括发光材料，当使用具有第一光学特征的光照射这种发光材料时，所述发光材料发射具有第二光学特征的光。第一光学特征和第二光学特征可以是任何合适的光学特征，例如波长、偏振、调制、强度等。例如，第一光学特征可以包括第一波长区域，第二光学特征可以包括与第一波长区域不同的第二波长区域。在一个示例性实施例中，光源可以发射具有第一光学特征的光，其中第一光学特征包括包含UV光在内的第一波长范围。在这个示例性实施例中，由光源所发射的UV光照射发光材料，促使该材料发射具有第二光学特征的光，其中第二光学特征包括包含可见光在内的第二波长区域。
本发明的某些实施例包括短波通型(SP)干涉反射器。在本文中，术语“短波通型干涉反射器”所指的反射器基本上透射具有第一光学特征的光，并基本上反射具有第二光学特征的光。在一个示例性实施例中，照明系统包括SP干涉反射器，所述SP干涉反射器基本上透射来自光源的UV光，并基本上反射由已透射的UV光照射的发光材料发射的可见光。
此外，在某些实施例中，照明系统包括长波通型(LP)干涉反射器。在本文中，术语“长波通型干涉反射器”所指的反射器基本上透射具有第二光学特征的光，并基本上反射具有第一光学特征的光。例如，在一个示例性实施例中，照明系统包括LP干涉反射器，所述LP干涉反射器基本上透射发光材料发射的可见光，并基本上反射来自光源的UV光，所述光源照射所述发光材料。
通常，当第一光学特征和第二光学特征与波长相关时，本发明的发光材料可以将较短波长的光(例如UV光)降频转换为较长波长的光(例如可见光)。或者，也可将红外辐射升频转换为可见光。例如，在本领域中众所周知的升频转换荧光物质，其通常用两个或更多的红外光子产生一个可见光光子。激励这种荧光物质所需的红外LED也有示例而且非常高效。使用这一方法的可见光源在增加了LP干涉反射器和/或SP干涉反射器后将更加高效，但与降频转换荧光物质系统相比，在这种情况下每种反射器的功能正好相反。SP干涉反射器能够用来在透射可见光的同时将IR光导向荧光物质，LP干涉反射器可以布置为使得荧光物质位于LED和LP干涉反射器之间，其中LP干涉反射器将发射的可见光向外导向目标系统或者用户。尽管本发明的示例性实施例通常将第一光学特征和第二光学特征与波长相关联，然而应该理解，这种示例性实施例也可以将第一光学特征和第二光学特征与其它适合的光特征例如偏振、调制、强度等相关联。例如，可以选择这种SP干涉反射器，其基本上透射第一偏振的光，而LP干涉反射器基本上透射第二偏振的光。
本发明的照明系统可以用于任何合适的应用中。例如，在某些实施例中，照明系统可以用作显示器、照明灯具、头灯、标志等的光源。
在某些实施例中，SP干涉反射器和LP干涉反射器中之一或者两者包含多层聚合物光学薄膜。多层聚合物光学薄膜是具有至少第一聚合物材料和第二聚合物材料的几十、几百或几千交替层的薄膜。选择这种层的厚度和折射率，以便在需要的光谱部分实现需要的反射性，例如限定在UV波长的反射带或者限定在可见波长的反射带。例如，参见美国专利No.5,882,774(Jonza等人)。多层聚合物光学薄膜能够被这样处理，使得相邻的一对层具有与垂直于薄膜的z轴相关的匹配的、或者基本匹配的、或者故意不匹配的折射率，这样，对于p偏振光，每个相邻层间的界面的反射率随着入射角缓慢减小，或者基本上与入射角度无关，或者随着入射角远离法线而增加。因此，即使在高倾斜入射角的情况下，这种多层聚合物光学薄膜也能够保持p偏振光的高反射率水平，因此，相比于常规的无机各向同性堆积式反射器，减少了由反射薄膜透射的p偏振光量。在某些实施例中，通过选择聚合物材料和处理条件，使得对于每一对相邻光学层，沿z轴(平行于薄膜厚度的方向)的折射率差不大于沿x轴或y轴(在平面中)的折射率差的尾数，该尾数是0.5、0.25或者甚至0.1。沿z轴的折射率差可以与平面内折射率差的符号相同或相反。
如同本文中进一步描述的，这种多层聚合物光学薄膜能够制成任何合适的形状。例如，通过模压、加热成形或其它已知的工艺，能够将多层聚合物光学薄膜永久变形，以具有三维形状，例如抛物体、球体或椭圆体的一部分。例如，参见美国专利No.6,788,463(Merrill等人)。另外，参见美国专利No.5,540,978(Schrenk)。多种聚合物材料适用于照明系统的多层光学薄膜。在根据本发明的不同实施例的某些应用中，理想的情况是多层光学薄膜包括交替聚合物层，所述交替聚合物层由当暴露在UV光下时能够抗老化的材料构成，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/共聚-聚甲基丙烯酸甲酯(co-PMMA)的聚合物对。聚合物反射器的UV稳定性也能够通过结合非UV吸收光稳定剂来增大，所述非UV吸收光稳定剂例如是受阻胺光稳定剂(HALS)。在某些情况中，多层聚合物光学薄膜还可包含透明的金属层或者金属氧化物层。例如，参见PCT公开WO97/01778(Ouderkirk等人)。在使用特别高强度的UV光的应用中(即使对坚固的聚合物材料的组合物，所述特别高强度的UV光也将导致不可接受的老化)，使用无机材料形成多层光学薄膜将是有益的。无机材料层可以是各向同性的，或者能够制成表现出如PCT公开WO01/75490(Weber)所描述的形状双折射并从而具有有益的折射率关系，所述有益的折射率关系产生本文所述的增强的p偏振反射性。
通常，本文所述的干涉反射器包含由有机物、无机物或者有机物和无机物材料的组合制成的反射器。所述干涉反射器可以是多层干涉反射器。所述干涉反射器可以是挠性干涉反射器。挠性干涉反射器可以由聚合物材料、非聚合物材料、或者聚合物和非聚合物材料构成。包含聚合物和非聚合物材料的示例性薄膜公开在美国专利No.6,010,751(Shaw等人)、No.6,172,810(Fleming等人)和EP733,919A2(Shaw等人)中。
本文描述的干涉反射器可以由挠性的、可塑的或可变形的材料制成，并且其本身可以是挠性的、可塑的或可变形的。这些挠性干涉反射器能够被挠曲或弯曲，而仍然保持它们在被挠曲前的光学特性。
已知的自组装周期性结构，诸如胆甾反射偏振器和某些嵌段共聚物，被认为是用作本发明目的的多层干涉反射器。胆甾镜可以使用左手性和右手性的螺距元件的组合构成。
在本发明的某些实施例中，可以选择干涉反射器，以便基本上透射或部分透射具有选定光学特征的光。
例如，部分透射蓝光的LP干涉反射器可以与薄的黄荧光物质层结合使用，以便在从光源发出的一些蓝光第一次通过荧光物质后，将其引导回荧光物质层。
除了提供蓝光和UV光的反射，多层光学薄膜的功能还可以是阻止UV光的透射，以防止照明系统内部或外部的后继元件的老化，包括防止对人眼的伤害。在某些实施例中，UV吸收剂可以包含在UV反射器的距离光源最远的一侧上。该UV吸收剂可以在多层光学薄膜内部、表面或者附近。
尽管本发明的干涉反射器可以包含任何合适的一种材料或多种材料，但是全聚合物构造能够提供很多制造和成本上的益处。如果在所述干涉反射器中使用具有高透光性和大折射率差的高温聚合物，那么就可以制造即薄又非常有挠性的在各种环境下都稳定的反射器，从而满足SP和LP干涉反射器的需求。在某些实施例中，如美国专利No.6,531,230(Weber等人)中指出的共挤出多层干涉反射器，能够提供精确的波长选择，以及大面积、成本高效的制造。使用具有高折射率差的聚合物对，将允许构造非常薄、高反射性的反射镜，该反射镜是独立式的，即没有基板但仍然易于加工。或者，本发明的干涉反射器可以由如美国专利No.3,711,176(Alfrey，Jr.等人)中所描述的铸造法制成。
全聚合物干涉反射器能够热成形为不同的三维形状，例如半球状拱形(本文将作进一步说明)。但是，必须仔细地将整个拱表面的薄度控制在正确的量上，以便产生需要的角度性能。具有简单的二维曲率的干涉反射器比复杂的三维形状的干涉反射器更容易制造。具体地说，任何薄的挠性干涉反射器都能够弯曲成二维形状，例如圆柱体的一部分，在这种情况下不需要全聚合物干涉反射器。在薄聚合物基板上的多层无机物干涉反射器，和位于厚度少于200μm的玻璃基板上的无机物干涉反射器，都可以使用这种方法成形。后者可能需要加热到接近玻璃化转变点的温度，以便在较低的应力下获得永久的形状。
对于SP和LP干涉反射器最佳的带边将依赖于系统中光源和发光材料的发射光谱。在示例性实施例中，对于SP干涉反射器，基本上所有从光源发出的光都穿过SP干涉反射器去激励发光材料，基本上所有向光源被导回的发射光都被SP干涉反射器反射，使得这些光不会进入光源或者光源底部结构，在那里这些光将被吸收。因为这个缘故，限定SP干涉反射器的带边的短波通位于光源的平均发射波长和发光材料的平均发射波长之间的一个区域内。在示例实施例中，SP干涉反射器置于光源和发光材料之间。但是，如果SP干涉反射器是平面的，那么从光源射出的发射光能够以与SP干涉反射器表面的法线成不同的角照射SP干涉反射器上，并且在某些入射角被SP干涉反射器反射而不能到达发光材料。除非干涉反射器弯曲以使入射角基本保持不变，不然的话，我们可能期望将设计带边置于大于发光材料和光源的发射曲线的中点的波长处，以便使整个系统的性能优化。具体地说，由于所包含的立体角非常小，所以非常少的发光材料的发射光被以接近零度的入射角(即垂直于干涉反射器的表面)引导到干涉反射器。在另一个示例性实施例中，LP干涉反射器相对于光源与发光材料相对地设置，以将光源光循环使用返回到发光材料，从而提高系统效率。在一个示例性实施例中，如果光源发射光在可见光谱内，而且需要大量的光来平衡发光材料的颜色输出，那么可以去掉LP干涉反射器。但是，可以利用部分透射较短波长光(例如蓝光)的LP干涉反射器，通过光谱角偏移来优化蓝光源/黄荧光物质系统的角度性能，从而在更大角度通过的蓝光比垂直入射通过蓝光的多。在进一步的示意性实施例中，LP干涉反射器被弯曲，以便使LP干涉反射器上的光源的发射光的入射角基本保持不变。在这个实施例中，发光材料和光源均面向LP干涉反射器的一侧。在高入射角，具有基本上平面形状的LP干涉反射器不能反射较短波长的光。由于这个原因，LP干涉反射器的长波长带边可以置于尽可能长的波长处，而阻挡尽可能少的发光材料发射的光。此外，能够改变带边位置以便优化整个系统的效率。
在某些实施例中，本文描述的多层干涉反射器可能具有横向的厚度梯度，即反射器的一个横截面与另一个横截面的厚度不同。随着发射光的入射角向多层反射器的外部区域方向增加，这些反射器可以具有更厚的干涉层。由于反射的波长与高低折射率干涉层的光学厚度以及入射角成比例，所以增加反射器的外部区域的反射器厚度补偿了带移。
图1示例性地示出了照明系统10的一个实施例。所述系统10包含光源20和具有输出表面14的光导12。在某些实施例中，光导12还可以具有输入表面16。系统10还包含置于光源20和光导12的输出表面14之间的第一干涉反射器30。置于第一干涉反射器30和光导12的输出表面14之间的是发光材料40。
光源20可以包含任何合适的一个光源或多个光源，例如，电致发光器、冷阴极荧光灯、无电极荧光灯、LED、有机电致发光器件(OLED)、聚合物LED、激光二极管、弧光灯等。在本文中，术语“LED”指发光的二极管，所述光可以是可见光、紫外光或红外光，可以是相干光或非相干光。本文中使用的这个术语还包括作为“LED”销售的非相干的用环氧树脂密封的半导体器件，无论是常规的还是超发光种类。本文中使用的这个术语还包括半导体激光二极管。在某些实施例中，光源20的位置可以邻近光导12的一个或多个侧面、和/或光导12的一个或多个主表面。如图1所示，光源20邻近输入表面16放置。尽管图1示出的照明系统10具有一个光源20，但是照明系统10可以包含两个或更多个光源，所述光源置于光导12的同一输入表面或其它输入表面附近。
光源20发射的光具有第一光学特征。可以选择任何合适的光学特征。在某些实施例中，第一光学特征可以包括第一波长区域。例如，光源20可以发射UV光。在本文中，术语“UV光”指波长范围为从约150nm到约425nm的光。在另一个例子中，光源20可以发射蓝光。
在某些实施例中，光源20包括一个或多个LED。例如，所述一个或多个LED可以发射UV光和/或蓝光。蓝光还包括紫光和靛青光。LED包括自激发射体件以及使用受激发射或超发光发射的器件，其中包括激光二极管和垂直腔表面发射激光二极管。
系统10的光导12可以包括任何合适的光导，例如，空心或实心光导。尽管光导12的形状被示例为平面的，但光导12可以采用任何合适的形状，例如，楔形、圆柱形、平面形、圆锥形、复杂模制形状等。此外，光导12的输入表面16和/或输出表面14可以具有任何合适的形状，例如上文描述的光导12的那些形状。构造光导12以便引导光通过它的输出表面14可能是优选的。另外，光导12可以包含任何合适的一种材料或多种材料。例如，光导12可以包含：玻璃；丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、含氟聚合物；聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和含有PET或PEN或两者都有的共聚物；聚烯烃，包括聚乙烯、聚丙烯、聚降冰片烯，聚烯烃在全同立构、无规立构和间同立构情况下的立体异构体，以及由茂金属聚合产生的聚烯烃。其它适合的聚合物包括聚醚醚酮和聚醚酰亚胺。
照明系统10还包括置于光源20和光导12的输出表面14之间的第一干涉反射器30。在图1所示的实施例中，第一干涉反射器30是SP干涉反射器，即其基本上透射从光源20来的具有第一光学特征的光，并基本上反射具有第二光学特征的光。例如，如本文进一步描述的，当使用从光源20发出的UV光或蓝光照射发光材料40时，所述发光材料40可以发射出可见光。在这一实施例中，可以选择第一干涉反射器30，从而使其基本上透射UV光而基本上反射可见光。在另一个实施例中，当使用光源20发出的光照射时，发光材料40可以发射出红外光。在这种实施例中，可以选择第一干涉反射器30，从而使其基本上透射从光源20来的光而基本上反射红外光。
第一干涉反射器30可以置于光源20和光导12的输出表面14之间的任何合适的位置。在某些实施例中，第一干涉反射器30可以置于光导12的输入表面16上、光导12内部或者光源20上。
第一干涉反射器30可以包含任何合适的干涉反射器或本文描述的反射器。另外，第一干涉反射器30可以采用任何合适的形状，例如，半球形、圆柱形、平面形等。第一干涉反射器30能够使用如本文所讨论的、在暴露在UV光、蓝光或紫光下时抗老化的材料形成。通常，在长时间处于高强度照射下时，本文讨论的多层反射器能够保持稳定。高强度照射可通常定义为从1到100瓦特/cm2的光通量水平。适合的示例性聚合物材料可以包括抗UV材料，该抗UV材料可以由诸如丙烯酸材料、PET材料、PMMA材料、聚苯乙烯材料、聚碳酸酯材料、可从3M公司(St.Paul，MN)得到的THV材料以及它们的组合构成。这些材料和PEN材料可以与发射蓝光的光源一同使用。
照明系统10还包括置于第一干涉反射器30和光导12的输出表面14之间的发光材料40。当使用光源20发出的具有第一光学特征的光照射发光材料40时，该发光材料40发射具有第二光学特征的光。第二光学特征可以是任何合适的光学特征，例如波长、偏振、调制、强度等。在某些实施例中，当使用光源20发射的包括第一波长区域的光照射发光材料40时，发光材料40发射的光可以包括第二波长区域。例如，在某些实施例中，当使用从光源20来的UV光或蓝光照射时，发光材料40可以发射可见光。在本文中，术语“可见光”指裸眼可察觉的光，例如通常在大约400nm到大约780nm波长范围内。在其它实施例中，发光材料40可以发射可见光和/或红外光。在本文中，术语“红外光”指在780nm到2500nm波长范围内的光。
通常，本文公开的实施例可以使用多种发光材料。在某些实施例中，可以使用适合的荧光材料。这些荧光材料的成分通常是无机的，具有150-1100nm范围内的激发波长。荧光物质共混物可以包含散布在粘结剂中的1-25μm粒度范围内的荧光物质颗粒，所述粘结剂诸如硅树脂、含氟聚合物、环氧树脂、粘合剂或者另一种聚合物基体，接着荧光物质颗粒可以被应用于基板(诸如LED或薄膜)上。荧光物质包括掺杂稀土的石榴石、硅酸盐、和其它陶瓷。在其它实施例中，发光材料也可以包含有机荧光材料，包括荧光染料和颜料、硫化物、铝酸盐、磷酸盐、氮化物。例如，参见Shionoya等人的PhosphorHandbook，CRC Press，Boca Raton，FL(1998)。
在使用具有窄发射光波长范围的发光材料40的实施例中，可以设计发光材料的混合物(例如发射红、绿和蓝光的发光材料的混合物)的配方以实现观察者可以察觉的理想的颜色平衡。在其它实施例中，具有较宽发射带边的发光材料可用于具有高彩色再现指数的混合物。在某些实施例中，所述发光材料可以具有快的辐射衰减率。发光材料40可以形成在连续的或非连续的层内。发光材料40可以是均匀或非均匀的图案。发光材料40可以包括小面积的区域，例如“点”，每个“点”具有小于10000μm2的俯视图面积。在示意性实施例中，点可以分别由发射具有一个或多个不同峰值波长的较长波长光的荧光物质构成。例如，至少一个点可以包含在红色区域发射峰值波长的第一发光材料，至少另一个荧光点可以包含在蓝色区域发射峰值波长的第二发光材料。可以根据需要，按照均匀或非均匀方式安排和构造发射具有多个峰值波长可见光的点。例如，发光材料40可以包含布置成图案的点，所述图案沿表面或区域具有非均匀的密度梯度。所述点可以具有规则或不规则形状，并且在俯视图中不需要是圆的。另外，发光材料40可以位于多层光学膜的共挤出表层内。
可以使用若干种方法来构造结构化发光材料，以便提供本文所述的性能改善。当使用多种荧光物质类型来提供更宽和更全的光谱输出时，从较短波长荧光物质发出的光能够被其它荧光物质重新吸收。包括每种荧光物质类型的孤立的点、线或者孤立区域的图案可以减少重新吸收的量。
多层发光材料的结构也能够减少吸收。例如，可以按顺序形成每种发光材料的层，使波长最长的发射体距离激发源最近。平均来说，与靠近发光材料输出表面处发射的光相比，靠近发射体处发射的光在整个发光材料中要经历更大程度的多次散射。由于发射的最短波长最易被散射和重新吸收，所以最好将最短波长发光材料放置到离发光材料的输出表面最近。另外，最好使每层的厚度不同，以便在激发光通过多层结构传播时，补偿其逐渐降低的强度。对于具有相同吸收效率和发射效率的发光材料，从激发侧到输出侧各层逐渐变薄将对激励强度在每层中的衰减起到补偿作用。在某些实施例中，可以将一个或多个SP干涉反射器放置在不同发光材料层之间，以便减少向后散射和被排列在前边的层重新吸收的荧光物质发射的光。
结合多层光学薄膜，非散射发光材料能够提供增强的光输出。例如，非散射荧光物质层可以包括在折射率匹配的粘结剂(例如，具有高折射率惰性纳米颗粒的粘结剂)中的常规荧光物质、常规荧光物质成分的纳米级颗粒(例如，其中颗粒尺寸非常小，其对光的散射可以忽略)，或者量子点发光材料。量子点发光材料是基于具有低带隙的半导体的光发射体，所述具有低带隙的半导体例如是硫化镉、硒化镉或硅化镉，其中的颗粒足够小，以便电子结构由颗粒大小来影响和控制。因此，通过颗粒大小来控制吸收光谱和发射光谱。参见例如美国专利No.6,501,091(Bawendi等人)。
发光材料40可以置于第一干涉反射器30和光导12的输出表面14之间任何合适的位置。在某些实施例中，发光材料40可以置于光导12的输入表面16上。或者，发光材料40可以置于光导12内。在其它实施例中，发光材料40可以分散在光导12内。在其它实施例中，发光材料40可以置于第一干涉反射器30的输出表面32上。可以用任何合适的技术将发光材料40置于第一干涉反射器30上，例如，在共有和共同未决的美国专利申请公开No.2004/0116033(Ouderkirk等人)中描述的那些技术。例如，发光材料40能够置于或涂覆在第一干涉反射器30上。所述发光材料40可以作为实心层层压在第一干涉反射器30附近。另外，发光材料40和第一干涉反射器30可以顺序地或同时地加热成形。发光材料40可以是可压缩的、有弹性的，甚至可以包含在泡沫结构中。
在某些实施例中，系统10还可以包括置于发光材料40上的TIR促进层，位于发光材料40和第一干涉反射器30之间。所述TIR促进层可以包含能够提供比所述发光材料40中的粘结剂的折射率低的折射率的任何合适的材料或者多种材料。在某些实施例中，TIR促进层可以是气隙。这种气隙能够使在发光材料40中以高入射角传播的光全内反射。在其它实施例中，TIR促进层可以是具有微结构表面的微结构层。所述微结构表面的特征可以是单独一组的线性v型凹口或棱柱、形成小金字塔型阵列的多组交叉v型凹口、一组或多组狭窄脊状凸起，等等。当将这种薄膜的所述微结构表面紧靠另一个扁平薄膜放置时，在微结构表面的最上面部分与该扁平薄膜之间就会形成气隙。
例如，当将光从第一波长区域转换到第二波长时，某些类型的发光材料能够产生热。在发光材料40附近存在的气隙可以显著地减少从发光材料40向周围材料的热传导。减少的热传导能够通过其它方法补偿，例如在发光材料40附近提供可以侧向除热的一层玻璃或者透明陶瓷。
通常，所述光源20发射具有第一光学特征的光，其中的至少一部分照射第一干涉反射器30。第一干涉反射器30又基本上透射从光源20来的光。至少一部分透射光照射发光材料40。当使用具有第一光学特征的光照射时，发光材料40发射具有第二光学特征的光。通常，发光材料40可以在任何方向发射光。换句话说，某些光可能会射回光源20，而某些光可能射向光导12。由发光材料40发射的照射第一干涉反射器30的光基本上被反射，使得所述光不会到达光源20，在光源20所述光可以被吸收。光导12引导发光材料40发射的至少一部分光通过所述输出表面14，接着，在输出表面14可以使用任何合适的技术将所述光引导到需要的位置。
本发明的照明系统的某些实施例可以包含一个以上的干涉反射器。例如，图2示意性地示出了照明系统100的一个实施例，该照明系统100包括光源120以及具有输入表面116和输出表面114的光导112。系统100还包括置于光源120和光导112的输出表面114之间的第一干涉反射器130、以及置于第一干涉反射器130和输出表面114之间的发光材料140。本文中对于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图2中示出的实施例的光导112、光源120、第一干涉反射器130和发光材料140同样适用。图1中的系统10和图2中的系统100的一个不同点是，系统100包含第二干涉反射器150，其放置的位置使得发光材料140位于第一干涉反射器130和第二干涉反射器150之间。在某些实施例中，第二干涉反射器150是LP干涉反射器，即基本上透射具有第二光学特征的光而基本上反射具有第一光学特征的光的反射器。例如，在某些实施例中，当使用UV光或者蓝光(即第一光学特征)照射发光材料140时，该发光材料140可以发射出可见光(即第二光学特征)。在这种实施例中，可以选择第二干涉反射器150，以便其基本上透射可见光而基本上反射UV光或蓝光。在另一个实施例中，当使用UV光或蓝光照射时，发光材料140可以发射出红外光。在这些实施例中，可以选择第二干涉反射器150，以便其基本上透射红外光而基本上反射UV光或蓝光。第二干涉反射器150可以包括本文描述的任何合适的一个或多个干涉反射器。此外，第二干涉反射器150可以采取任何合适的形状，例如半球形、圆柱形或平面形。
第二干涉反射器150可以置于发光材料140和光导112的输出表面114之间的任何合适的位置。在某些实施例中，第二干涉反射器150可以置于光导112的输入表面116上。在其它实施例中，第二干涉反射器150可以置于光源112内部。在某些实施例中，例如在共有和共同未决的美国专利申请No.10/726,997(Ouderkirk等人)中进一步描述的，发光材料140可以置于第二干涉反射器150上。或者，第一干涉反射器130、发光材料140和第二干涉反射器150可以组成组件，其中发光材料140与第一干涉反射器130和第二干涉反射器150都接触。可以用任何合适的技术组成这种组件，例如在共有和共同未决的美国专利申请公开No.2004/0116033(Ouderkirk等人)中描述的那些技术。
第一干涉反射器130和第二干涉反射器150的存在能够提高照明系统100的效率。第二干涉反射器150将至少一部分没有被发光材料140吸收的光(不然这部分光会浪费)反射回发光材料140。这样做增加了来自光源120的光通过发光材料140的有效光路长度，从而对于给定厚度的一个或多个发光材料层，增加了发光材料140吸收的光的量。对光源120发出的光进行循环使用，也允许使用更薄的发光材料140的层，以获得有效的光转换。
通常，光源120发出的具有第一光学特征的至少一部分光照射第一干涉反射器130上，而该第一干涉反射器130基本上将上述光透射。由第一干涉反射器130透射的至少一部分光照射发光材料140。当被具有第一光学特征的光照射时，发光材料140发射出具有第二光学特征的光。由发光材料140发射的至少一部分光照射第二干涉反射器150上，而该第二干涉反射器150基本上将具有第二光学特征的光透射。至少一部分所述透射光进入光导112，并被光导112引导通过输出表面114。由光源120发出的照射第二干涉反射器150的任何光基本上都被向发光材料140反射，在发光材料140那里所述光可以激发发光材料140，从而产生进一步的光发射。另外，由发光材料140发射的照射第一干涉反射器130的光基本上被反射回第二干涉反射器150和/或光导112。
本发明的照明系统可以包含一个或多个光学元件。例如，图3示意性地示出了包含一个或多个光学元件260的照明系统200。系统200还包含光源220以及具有输出表面214和输入表面216的光导212。系统200还包含位于光源220和光导212的输出表面214之间的第一干涉反射器230、以及位于第一干涉反射器230与光导212的输出表面214之间的发光材料240。本文中对于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图3中示出的实施例的光导212、光源220、第一干涉反射器230和发光材料240同样适用。系统200还可包含本文中进一步说明的一个或多个额外的干涉反射器(例如LP干涉反射器)。
所述一个或多个光学元件260可以置于发光材料240和光导212的输出表面214之间、光源220和第一干涉反射器230之间、第一干涉反射器230和发光材料240之间和/或邻近光导212的输出表面214。所述一个或多个光学元件260可以包括任何合适的一个或多个光学元件，例如，光学耦合剂(诸如粘结剂或者折射率匹配的液体或凝胶体)、光学增亮膜(诸如BEF(可从3M公司购得))、短波长吸收材料(诸如紫外光吸收染料和颜料)、反射偏振薄膜(诸如DBEF(也可从3M公司购得))、扩散片及其组合。在某些实施例中，所述一个或多个光学元件260被构造为控制由发光材料240发射的、被引导进光导212的光的角度。
在某些实施例中，所述一个或多个光学元件260可以包括一个或多个反射偏振器。通常，反射偏振器可以邻近发光材料240放置。反射偏振器允许透射优选偏振的光，而反射其它偏振的光。发光材料240和在本领域中已知的其它薄膜部件可以对反射偏振器所反射的偏振光进行去偏振，而且或者通过发光材料240的反射，或者通过发光材料240结合第一干涉反射器230，可以循环使用光，从而提高系统200的偏振光亮度。适合的反射偏振器包括例如胆甾型反射偏振器、具有1/4波延迟器的胆甾型反射偏振器、线栅偏振器、或者可从3M公司购得的各种反射偏振器，包括DBEF(即镜面反射偏振器)和DRPF(即漫反射偏振器)。所述反射偏振器优选偏振由发光材料240反射的绝大部分波长和角度上的光，并且在光源220发射蓝光的情况下，也可以发射蓝光。
尽管在图3中示出的所述一个或多个光学元件260位于光导212的外部，但是所述一个或多个光学元件260也可以置于光导212上或内部。在某些实施例中，所述一个或多个光学元件260可以置于发光材料240上。如果LP干涉反射器被包含在系统300中，并置于发光材料240和输出表面214之间，那么所述一个或多个光学元件260可以置于LP干涉反射器上。
在某些实施例中，照明系统可以包含LP反射器而不包含SP反射器。例如，图4示意性地示出了照明系统300的另一个实施例。系统300包含光源320、以及具有输出表面314和输入表面316的光导312。系统300还包含置于光源320与光导输出表面314之间的发光材料340、以及置于发光材料340与光导312的输出表面314之间的干涉反射器350。本文中对于在图2中示出的实施例的光导112、光源120、发光材料140和第二干涉反射器150描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图4中示出的实施例的光导312、光源320、发光材料340和第二干涉反射器350同样适用。
尽管干涉反射器350示出为位于光导312外部，但干涉反射器350可以置于发光材料340和光导312的输出表面314之间的任何合适的位置。例如，干涉反射器350可以置于光导312的输入表面316上或者光导312内部。在某些实施例中，干涉反射器350置于发光材料340上。
此外，在某些实施例中，系统300可以包含一个或多个光学元件，其置于光源320和发光材料340之间、发光材料340和干涉反射器350之间、干涉反射器350和光导312的输出表面314之间，和/或邻近光导312的输出表面314(例如，图3中的一个或多个光学元件360)。
通常，光源320发射具有第一光学特征的光，其中至少一部分照射发光材料340。当使用具有第一光学特征的光进行照射时，发光材料340发射具有第二光学特征的光。由发光材料340发射的至少一部分光照射干涉反射器350。干涉反射器350基本上透射具有第二光学特征的光并基本上反射具有第一光学特征的光。至少一部分所述透射光被光导312引导通过光导312的输出表面314。由光源320发出的没有被发光材料340转换的任何光基本上都被干涉反射器350反射并引导回发光材料340，在发光材料340那里其可以被转换。被引导通过输出表面314的光可以使用任何合适的技术引导到需要的位置。
某些可以在本发明的照明系统中使用的光源在宽发射锥内发射光。例如，某些LED在具有2π或更大球面度的立体角的半球空间中发射光。本发明的某些实施例提供非成像光学器件，来将从光源发出的激发光收集和/或引导进光导中。例如，图5是照明系统400的一个实施例的示意性立体图。系统400与图2的系统100相似。系统400包括光源420、以及具有输出表面414和输入表面416的光导412。系统400还包括置于光源420和光导412的输出表面414之间的第一干涉反射器430、置于第一干涉反射器430和输出表面414之间的发光材料440、以及置于发光材料440和输出表面414之间的第二干涉反射器450。本文中对于在图2中示出的实施例的光导112、光源120、第一干涉反射器130、发光材料140和第二干涉反射器150描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图5中示出的实施例的光导412、光源420、第一干涉反射器430、发光材料440和第二干涉反射器450同样适用。图2中系统100和图5中系统400之间的一个区别是，系统400还包括与光源420光学耦合的光腔470，即从光源420发出的光可以被引导入光腔470。当两个或更多个器件进行了光学耦合时，这些器件就位于相同的光路中，而且可以使用任何合适的技术(例如反射、透射、发射等)来向彼此引导光。光腔470被构造用来将光源420发射的光引导向第一干涉反射器430。光腔470可以置于任何合适的位置。在某些实施例中，光腔470可以接触第一干涉反射器430放置。在某些实施例中，如同在本文中进一步描述的，一个或多个TIR促进层可以置于光腔470和第一干涉反射器430之间。
光腔470可以采用任何合适的形状，例如椭圆形、楔形、长方形、梯形等。光腔470采用抛物面形状是优选的。
光腔470可以使用任何合适的一种或多种材料制成。在某些实施例中，光腔470可以包括宽带干涉反射器472。宽带干涉反射器472可以置于光学透明体上以形成光腔470。所述光学透明体可以使用任何合适的一种或多种材料制成，例如玻璃；丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、含氟聚合物；聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)以及含有PET或PEN或两者都含有的共聚物；聚烯烃，包括聚乙烯、聚丙烯、聚降冰片烯，聚烯烃在全同立构、无规立构和间同立构情况下的立体异构体，以及由茂金属聚合产生的聚烯烃。其它适合的聚合物包括聚醚醚酮和聚醚酰亚胺。在某些实施例中，宽带干涉反射器472可以制成所需的形状以便形成光腔470。宽带干涉反射器472可以使用任何合适的技术由任何合适的一种或多种材料构成，如例如在美国专利No.5,882,774(Jonza等人)中描述的那些材料和技术。
在某些实施例中，光腔470可以是实心的。或者，光腔470可以使用任何合适的介质(例如气体或液体)填充。
可以这样制作光腔470，以便光源420发射的光进入光腔470。可以采用任何合适的技术，以便将光导入进光腔470。例如，光源420可以置于光腔470内。或者，光源420可以通过在光腔470中形成的一个或多个开口或端口光学耦合到光腔470上。在某些实施例中，光腔470可以包括一个或多个孔(未示出)，所述孔允许光源420发出的光照射第一干涉反射器430。在一个示例性实施例中，光腔470可以具有细长的孔，所述细长的孔沿光腔470的长度的至少一部分延伸。所述细长的孔可以置于第一干涉反射器430附近。在某些实施例中，光腔470可以具有漫射体或小面，它们可将光与第一干涉反射器430的主表面基本上垂直地引导。
通常，光源420发射具有第一光学特征的光，光被光腔470引导向第一干涉反射器430。第一干涉反射器430基本上透射从光源420来的光，使其照射发光材料440。没有被第一干涉反射器430透射的光中至少有一部分被光腔470收集并重新引导向第一干涉反射器430。当被具有第一光学特征的光照射时，发光材料440发射出具有第二光学特征的光。发光材料440发射的光中至少有一部分照射第二干涉反射器450。所有由发光材料440向光腔470发射的光基本上都被第一干涉反射器430反射回发光材料440。由发光材料440发射并可能被第一干涉反射器430透射的光由光腔470收集，并引导回第一干涉反射器430。第二干涉反射器450基本上透射具有第二光学特征的光而基本上反射具有第一光学特征的光，其基本上将发光材料440发射的光透射向光导412的输入表面416，在此所述光被引导通过输出表面414，接着被引导到需要的位置。所有光源420发出的照射第二干涉反射器450的光基本上都被反射回了发光材料440，在发光材料440那里其可以被转换为具有第二光学特征的光。
尽管图5示出的照明系统400包括第一干涉反射器430，但是在某些实施例中，系统400可以不包括第一干涉反射器430。在这种实施例中，光腔470邻近发光材料440放置，使得光源420发出激发光中至少有一部分照射发光材料440，而没有首先照射干涉反射器。
尽管没有在图5中示出，但如例如参考图1中照明系统所述，照明系统400还可以包括邻近发光材料440的一个或两个主表面的一个或多个TIR促进层。
本发明的光腔可以使用任何合适的技术将光源的光引导到干涉反射器、发光材料或光导上。例如，图6A-C是包含光腔570的照明系统500的另一个实施例的示意图。系统500还包括具有输出表面514和输出表面516的光导512、以及光学耦合到光腔570的光源520。系统500还包括置于光源520和光导512输出表面514之间的第一干涉反射器530、以及置于第一干涉反射器530和光导512的输出表面514之间的发光材料540。本文中关于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图6A-C中示出的实施例的光导512、光源520、第一干涉反射器530和发光材料540同样适用。系统500还可以包括本文进一步描述的LP干涉反射器(例如图2中的第二干涉反射器150)。
光腔570包含邻近第一干涉反射器530的扩展孔(未示出)。光源520可以使用任何合适的技术光学耦合到光腔570。例如，在图6A-C中，光腔570包括聚光器571，该聚光器571收集光源520发射的光并将其引导到光腔570中。在某些实施例中，聚光器571还使发射光准直。本文中，术语“聚光器”指非成像光学器件，其收集由一个或多个光源发射的光并将收集到的光引导向发光材料或干涉反射器。在某些实施例中，可能优选的是，光腔570的z方向尺寸502具有最小值，使得聚光本领保持不变，同时也维持了在光腔570表面的全面内发射(TIR)。所述TIR至少部分依赖于光腔570的内空间574的折射率和光源520的聚光本领。如果光源520包含LED管芯，那么，在某些实施例中，该LED管芯假定可以发射2π的球面度，在这种情况下，折射率为1.5的TIR角是大约42°。在这种实施例中，300μm的LED管芯的z方向尺寸502等于(300μm)/sin(48°)＝400μm。如果光导512的z方向尺寸是1000μm，那么第一干涉反射器530上的光入射角等于sin-1((300μm)/(1000μm))＝17.5°。
多层薄膜的随着角度的带边偏移的公式为：
λ＝λ(0)cos(Θ)
其中Θ是在介质中的角度。反射带边偏移下移大约4％。因此，为第一干涉反射器530选择的蓝色带边可以比为垂直入射选择的高大约4％。
光腔570还包括内部空间574。内部空间574包括一个或多个小面576。每个小面576具有一个小面角578，选择该小面角578，以便小面576以基本上与第一干涉反射器530的主表面垂直的角度将激发光引导向第一干涉反射器530。每一个小面576都有反射面577以反射从光源520来的光。任何合适的一种或多种材料可以用来形成小面576。
如果小面576的反射面577包括多层光学薄膜，那么光腔570在x方向的最小尺寸504依赖于小面角578，其中所述最小尺寸确保通过小面576的泄漏很少或者没有泄漏。例如，如果小面角578是45°，那么如果光展度超过±3°，在平面577处某些光可能超过TIR角。45°的小面角578输出耦合基本上垂直入射到第一干涉反射器530上的光线。但是，在某些实施例中，可能没有必要以完全垂直的入射角照射第一干涉反射器530。例如，10°和20°的入射角就足以保证基本上所有来自光源520的光都透射通过并到达发光材料540。如果在光腔570中的光展度ΔΘ是±3°，那么x方向尺寸等于5700μm或5.7mm。表1包括对于给定各种不同光展度(ΔΘ)值的情况下，光腔570的x方向尺寸504。
表1
 LEDx方向尺寸 ΔΘ  光腔的x方向尺寸
 300μm ±3°  5.7mm
 300μm ±5°  3.4mm
 300μm ±10°  1.7mm
 300μm ±15°  1.2mm
尽管光腔570的位置邻近光导512的输入边516，但光腔570、第一干涉反射器530和发光材料540可以相对于光导512置于任何适合的位置。例如，如同在本文进一步描述的那样，在某些实施例中，光腔570、第一干涉反射器530和发光材料540可以邻近光导512的主表面放置。某些手持光导(例如在用于手持电子设备的显示器中使用的光导)的厚度大约是1mm。这微小的1mm的尺寸会增加转换和组装第一干涉反射器530和发光材料540的复杂性。如果光导512的厚度小于1mm，那么图6D中示意性地示出的实施例将更有用。在图6D中，光腔570d邻近倾斜输入表面516d，这样就可以允许放置更大的第一干涉反射器530d。由光导512d形成的楔形为光提供了用以扩展和匹配光导512d的数值孔径(NA)的区域。可任选的第二干涉反射器550d(其基本上透射发光材料540d所发射的光并基本上反射光源520d所发射的光)可以置于光导512的输出表面514d和/或与输入表面516d相对的末端，以便帮助防止没有被发光材料540d转换的光从光导512d离开。
图6E示意性地示出了照明系统500e的另一个实施例，其中光腔570e的位置邻近光导512e的底表面518e。这种设计可以允许为较小的光导512e提供较大的第一干涉反射器530e和发光材料540e的面积。系统500e还包括置于光导512e的输出表面514e和末端的第二干涉反射器550e，以便防止没有被发光材料540e转换的光从光导512e离开。尽管图6A-E包含具有一个光源的系统，但某些实施例能够包含两个或更多个光源。例如，图7示意性地示出了包含四个光源620的照明系统600，每个所述光源都与光腔670光学耦合。光腔670可以包括本文描述的任何合适的光腔，例如图6A-C中的光腔570。每个光腔670都邻近光导612的输入表面616a和616b放置。照明系统600可以包括本文描述的任何合适的系统，例如图2中的照明系统100。尽管系统600包含邻近光导612的两个输入表面616a和616b的光腔670，但系统600可以包含任何适合数量的光腔，所述光腔置于任何合适的位置，使得可以提供额外的光源。
正如在本文中进一步描述的，任何公开的干涉反射器均可以被弯曲，以便保持由点光源发射的光基本上垂直入射在干涉反射器上的入射角。例如，图8A-B示意性地示出了具有弯曲的第一干涉反射器730的照明系统700的实施例。照明系统700与图1中的照明系统10相似。系统700包含具有输出表面714和输入表面716的光导712、以及一个或多个光源720。系统700还包含置于所述一个或多个光源720和输出表面714之间的第一干涉反射器730、以及置于第一干涉反射器730和光导712的输出表面714之间的发光材料740。本文中关于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图8A-B中示出的实施例的光导712、所述一个或多个光源720中的每一个、第一干涉反射器730和发光材料740同样适用。如本文进一步描述的那样，系统700还可以包括置于发光材料740和光导712的输出表面714之间的第二干涉反射器750。
在图8A-B中示出的实施例中，所述一个或多个光源720可以安装在互连组件724上。可以使用任何合适的互连组件，例如在共有和共同未决的美国专利申请No.10/727,220(Schultz等人)中描述的那些组件。系统700还包含置于光导712内部的一个或多个光腔770。在图8A-B中示出的实施例中，每个光源720都与光腔770相关联。所述一个或多个光腔770可以采用任何合适的形状，例如圆柱形、半球形等。在图8A-B中示出的实施例中，每个光腔770的形状都是半球形。所有的一个或多个光腔770可以采用相同的形状。或者，所述一个或多个光腔770可以采用不同的形状。此外，每个光腔770可以具有适当的大小。
所述光腔可以由反射表面772所限定边界。可以用任何合适的一种或多种材料来构成反射表面772。优选的是，反射表面772包括如例如美国专利No.5,882,774(Jonza等人)中描述的宽带干涉反射器。
在图8A-B中示出的实施例中，所述一个或多个光腔770置于光导712的内部空间717内。所述一个或多个光腔770可以使用任何合适的技术制成。例如，所述一个或多个光腔770可形成为光导712的输入表面716中的凹口。照明系统700可以包含任何适合数量的光腔770。此外，尽管图8A-B中示出的光腔770位于光导712的一边，但系统700包含的光腔770可以位于光导712的两侧或更多侧，或者位于光导712的一个或多个主表面上。在某些实施例中，每个光源720都可以置于紧邻每个光腔770的曲率中心。通过将光源720置于紧邻每个光腔770的曲率中心，光源720发射的光可以以基本上垂直于第一干涉反射器730的主表面的角度照射第一干涉反射器730，因此消除某些带边偏移。换句话说，将第一干涉反射器730与光源720间隔开，并使其向光源720弯曲，可以帮助减少照射第一干涉反射器730上的光的入射角范围，因此减少了由于在本文中描述的蓝移效应造成的通过第一干涉反射器730的光泄漏。
通常，具有第一光学特征的光由光源720发射，并被第一干涉反射器730基本上透射。透射光照射发光材料740，使得发光材料740发射具有第二光学特征的光。任何由发光材料740发射向光源720的光基本上都被第一干涉反射器730反射。此外，没有被第一干涉反射器730透射的任何光基本上都被反射表面772反射，并被引导回第一干涉反射器730。然后，发光材料740发射的光被光导712引导通过输出表面714到达希望的位置。如果在发光材料740和输出表面714之间包含可任选的第二干涉反射器750，那么优选的是，该第二干涉反射器750基本上透射具有第二光学特征的光，并基本上反射具有第一光学特征的光。在这种示意性实施例中，发光材料740发射的光将被所述第二干涉反射器750基本上透射，并被光导712引导通过输出表面714到达希望的位置。由光源720发射的、穿过发光材料740而没有被吸收的光基本上被第二干涉反射器750反射回了发光材料740。
如上所述，本发明的某些光源以具有2π或更大球面度的立体角的图案发射激发光。在某些实施例中，可以使用聚光器收集由光源发射的光并使收集到的光准直，使得所述光被以基本上垂直的角度引导向干涉反射器或者发光材料。图9A-B示意性地示出了具有一个或多个聚光器880的照明系统800的一个实施例。该照明系统800包含光源820、以及具有输出表面814和输入表面816的光导812。在图9A-B中示出的实施例中，光源820包含一个或多个LED 822，如本文所进一步描述的，所述LED 822选择性地安装在互连组件824上。系统800还包含置于光源820和输出表面814之间的第一干涉反射器830、以及置于第一干涉反射器830和光导812的输出表面814之间的发光材料840。本文中关于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图9A-B中示出的实施例的光导812、光源820、第一干涉反射器830和发光材料840同样适用。尽管没有示出，但如上文所述，系统800还可以包含置于发光材料840和输出表面814之间的可任选的LP干涉反射器。
图9A-B中的系统800与图1中的系统10之间的一个区别是，每个LED 822都与聚光器880相关联。每个聚光器880形成一个光腔882，光腔882将由LED 822发射的光引导向第一干涉反射器830。每个聚光器880可以采用任何合适的形状，例如球形、抛物面形或椭圆形。优选的是，每个聚光器880采用允许对由光源820发射的光进行准直的形状。此外，优选的是，每个聚光器880成形为使其收集LED 822发射的光，并将光引导向第一干涉反射器830，使得激发光以基本上垂直于第一干涉反射器830主表面的角度入射到第一干涉反射器830上。聚光器880可以减少入射到第一干涉反射器830上的光的角展度，这样就减少了如本文将进一步描述的反射带的蓝移。每个聚光器880可以采用具有平侧壁的简单圆锥截面形状，或者侧壁可以根据光的传播方向采用已知的更加复杂的曲线形状，以增强准直和聚焦的作用。优选的是，聚光器880的侧壁是反射性的，而两端不是反射性的。如本文进一步描述的，聚光器的侧壁包含宽带干涉反射器也是优选的。每个聚光器880可以相对于第一干涉反射器830置于任何合适的位置。例如，每个聚光器880可以与第一干涉反射器830间隔开。或者，一个或多个聚光器880可以与第一干涉反射器830接触。
尽管示出的系统800具有一个光源820，该光源邻近光导812的一个输入表面816，但系统800可包含两个或更多个光源，所述光源邻近光导812的两个或更多个输入表面。
任何合适的器件或技术都可以与本发明的实施例一同使用，从而将来自光源的光引导向干涉反射器，使得所述光以基本上垂直的角度入射到干涉反射器。例如，图10A-B示意性地示出了照明系统900的一个实施例，所述照明系统900包含光腔970，该光腔970具有在光腔970内形成的聚光器980。系统900包含光源920。光源920包含一个或多个LED 922。在本实施例中，光源920邻近光导912的输入表面916放置。系统900还包含置于光源920和输出表面914之间的第一干涉反射器930，以及置于第一干涉反射器930和输出表面914之间的发光材料940。本文中关于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图10A-B中示出的实施例的光导912、光源920、第一干涉反射器930和发光材料940同样适用。系统900还可以包含LP干涉反射器，例如图2中的第二干涉反射器150。
光腔970定位为将由光源920发出的光引导到光导912中。光腔970包括在光腔970内形成的聚光器980。每个LED 922都具有对应的聚光器980。在某些实施例中，两个或更多个LED 922可以置于单个聚光器980中。聚光器980可以采取任何合适的形状，例如诸如半球体、抛物体或圆柱体。在图10A-B中，聚光器980被制成二维圆锥截面。优选的是，聚光器980成形为使得由每个LED 922发射的光以基本上垂直于第一干涉反射器930主表面的角度照射第一干涉反射器930。聚光器980收集由LED 922发射的光并引导收集到的光，以使其照射第一干涉反射器930。此外，将一个或多个LED 922紧邻一个或多个聚光器980的焦点放置是优选的。
可以使用任何合适的技术来构成光腔970和聚光器980。在某些实施例中，LED 922可以封装在平板密封剂中，并与光腔970的折射率匹配。此外，第一干涉反射器930和发光材料940可以使用任何合适的一种或多种材料，例如光学粘合剂等，光学耦合到光腔970。优选的是，将TIR促进层置于光腔970和光导912之间，以由发光材料940发射的进入光导912的光获得更好的NA匹配。
在某些实施例中，LED 922可以安装在互连组件924上。可以使用任何合适的互连组件，例如在共有和共同未决的美国专利No.10,727,220(Schultz等人)中描述的那些互连组件。在示例实施例中，可以使用任何合适的技术在互连组件924上形成光腔970。
聚光器980可以具有反射性的内表面，使得每个LED 922发射的光被反射向第一干涉反射器930。优选的是，一个或多个聚光器980包含置于该聚光器980中的宽带干涉反射器，以便将光反射向第一干涉反射器930。如前文所述，本发明的干涉反射器和发光材料可以相对于光导置于任何合适的位置。例如，图1中的照明系统10的第一干涉反射器30和发光材料40被放置在邻近光导12的输入表面16的位置。在某些实施例中，光的转换可以发生在邻近光导输出表面的位置。换句话说，光源发出的光可以由光导引导通过该光导的输出表面，然后由置于光导输出表面上或附近的发光材料进行转换。依赖于选择的光源和干涉反射器的类型，将发光材料和干涉反射器置于与光源有一定距离的位置，可以防止损坏发光材料和/或干涉反射器。
例如，使材料蠕变的过热能够使聚合物干涉反射器退化，因此改变各层的厚度值，从而也改变了反射器反射的光的光学特征(例如波长)。在最坏的情况下，过热可以导致聚合物材料熔化，最终导致材料的快速流动并改变选择的光学特征，以及在滤光器中引起非均匀性。
依赖于聚合物材料，短波长(光化学的)辐射，例如蓝、紫或UV辐射，也可以引起聚合物材料的退化。退化率依赖于光化学的光通量和聚合物的温度。通常，温度和光通量都会随着与光源距离的增加而减少。这样，在高亮度光源的情况下，特别是UV发射光源的情况下，将聚合物干涉反射器放置到设计允许的最远距离是有利的。图11示意性地示出了照明系统1000的一个实施例，其包含光源1020、以及具有输出表面1014和输入表面1016的光导1012。光源1020发射具有第一光学特征的光。系统1000还包含放置用来接收来自光导1012的输出表面1014的光的发光材料1040、以及置于发光材料1040和光导1012的输出表面1014之间的第一干涉反射器1030。当使用具有第一光学特征的光照射时，发光材料1040发射具有第二光学特征的光。第一干涉反射器1030基本上透射具有第一光学特征的光并基本上反射具有第二光学特征的光。本文中关于在图1中示出的实施例的光导12、光源20、第一干涉反射器30和发光材料40描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图11中示出的实施例的光导1012、光源1020、第一干涉反射器1030和发光材料1040同样适用。系统1000还可以包含第二干涉反射器1050，该第二干涉反射器1050放置为使得发光材料1040置于第一干涉反射器1030和第二干涉反射器1050之间。本文描述的任何合适的干涉反射器都可以应用于第二干涉反射器1050(例如图2中的第二干涉反射器150)。第二干涉反射器1050可以帮助防止光源1020发射的一些或全部光到达面对光导1012的输出表面1014的观看者。第二干涉反射器1050可以置于任何合适的位置。在某些实施例中，第二干涉反射器1050可以置于发光材料1040上或与其接触。
第一干涉反射器1030可以定位在输出表面1014的附近、在输出表面1014上、在发光材料1040上或在任何其它适合的位置上。在一个示意性实施例中，第一干涉反射器1030可以在发光材料1040上和光导1012的输出表面1014上，并与它们接触。在某些实施例中，系统1000也可以包含位于输出表面1014和第一干涉反射器1030之间的一个或多个TIR促进层、和/或置于输出表面1014上的用来从光导1012提取光的一个或多个提取器件。可以使用任何合适的提取器件。在某些实施例中，可以包含邻近光导1012的底表面1018的一个或多个提取器件，以便引导光导1012内的至少一部分光通过输出表面1014。可以使用任何合适的一个或多个提取器件。
在某些实施例中，照明系统1000可以包含置于第一干涉反射器1030和发光材料1040之间、并接触发光材料1040的TIR促进层。优选的是，在光源1020发射的光的波长处，TIR促进层的折射率低于发光材料1040的折射率。可以使用任何合适的一种或多种材料作为TIR促进层。TIR促进层可以包括气隙；或者，TIR促进层可以包括微结构层。第二TIR促进层可以置于发光材料1040和第二光学干涉反射器1050之间并与发光材料1040接触。优选的是，在光源1020发射的光的波长处，第二TIR促进层的折射率低于发光材料1040的折射率。
尽管没有示出，但系统1000可以包括一个或多个光学元件，所述光学元件放置为接收发光材料1040发射的光。或者，所述一个或多个光学元件可以置于输出表面1014和第一干涉反射器1030之间、和/或光源1020和光导1012的输出表面1014之间。如果包含第二干涉反射器1050，那么所述一个或多个光学元件可以置于发光材料1040和第二干涉反射器1050之间，并且/或者使得所述第二干涉反射器1050置于发光材料1040和所述一个或多个光学元件之间。所述一个或多个光学元件可以包含本文中进一步描述的任何合适的光学元件。
通常，具有第一光学特征的光由光源1020发射，其中至少有一部分光进入光导1012并被引导通过输出表面1014。从光导1012来的光中至少有一部分光照射第一干涉反射器1030并被基本上透射。透射光中至少有一部分照射发光材料1040，从而促使发光材料1040发射具有第二光学特征的光。然后，发光材料1040发射的光可以使用任何合适的技术引导到希望的位置。任何由发光材料1040向第一干涉反射器1030发射的光都基本上向发光材料反射回去。如果系统1000包含第二干涉反射器1050，那么由发光材料1040发射的照射第二干涉反射器1050的光基本上被透射并被引导到希望的位置。任何由光源1020发射的照射第二干涉反射器1050的光都基本上向发光材料1040反射回去，并在发光材料1040那里可以转换为具有第二光学特征的光。
或者，本发明照明系统的某些实施例可以包含LP干涉反射器而不包含SP干涉反射器。例如，图17示意性地示出了照明系统1600的实施例，其包含光源1620、以及具有输出表面1614和输入表面1616的光导1612。光源1620发射具有第一光学特征的光。系统1600还包括放置用来接收来自输出表面1614的光的发光材料1640和干涉反射器1650，所述干涉反射器1650放置为使得发光材料1640位于输出表面1614和干涉反射器1650之间。当被具有第一光学特征的光照射时，发光材料1640发射具有第二光学特征的光。在这个示例实施例中，干涉反射器1650基本上透射具有第二光学特征的光而反射具有第一光学特征的光。本文中关于在图11中示出的实施例的光导1012、光源1020、发光材料1040和第二干涉反射器1050描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图17中示出的实施例的光导1612、光源1620、发光材料1640和干涉反射器1650同样适用。照明系统1600还可以包含参考图11中的照明系统1000中描述的其它元件，例如一个或多个光学元件、TIR促进层等。
通常，具有第一光学特征的光由光源1620发出，其中至少有一部分进入光导1612并被引导通过输出平面1614。从光导1612来的光中至少有一部分光照射发光材料1640，从而促使发光材料1640发射具有第二光学特征的光。由发光材料1640发射的至少一部分光被干涉反射器1650基本上透射，并使用任何合适的技术引导到希望的位置。由光源1620发射的照射干涉反射器1650的任何光都基本上向发光材料1640反射回去，并在发光材料1640那里可以转换为具有第二光学特征的光。
图12示意性地示出了照明系统1100的另一个实施例。系统1100包含光源1120、以及具有输出表面1114和输入表面1116的光导1112。光源1120发射具有第一光学特征的光。系统1100还包含邻近输出表面1114的第一干涉反射器1130。第一干涉反射器1130基本上透射具有第一光学特征的光而基本上反射具有第二光学特征的光。第一干涉反射器1130包含在第一干涉反射器1130的第一主表面1132中形成的凹口1134。系统1100还包含被放置为接收来自光导1112的输出表面1114的激发光的发光材料1140。系统1100还可以包含可任选的LP干涉反射器(未示出)，其放置为使发光材料1040位于LP干涉反射器和第一干涉反射器1130之间。本文中关于在图2中示出的实施例的光导112、光源120、第一干涉反射器130、发光材料140和第二干涉反射器150描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图12中示出的实施例的光导1112、光源1120、第一干涉反射器1130、发光材料1140和可任选的LP干涉反射器1150同样适用。
发光材料1140包含一些点1142，这些点位于在第一干涉反射器1130的第一主表面1132中形成的凹口1134内。每个荧光点可以具有任何合适的大小。例如，每个点可以具有在俯视图中小于10000μm2或者从500到10000μm2的面积。在示例性实施例中，这些点每个都可以由发光材料制成，当用具有第一光学特征的光照射时，所述发光材料发射具有第二光学特征的光。在某些实施例中，发光材料1140包含发射可见光的一种或多种发射波长的一个或多个点，例如，发射红光的点、发射蓝光的点和发射绿光的点。例如，当用来自光源1120的光照射时，荧光点多1142R可以发射红光，荧光点1142G可以发射绿光，而荧光点1142B可以发射蓝光。
可以按需要以任何均匀或非均匀的方式安排和构造点1142。例如，发光材料1140可以是沿表面或区域具有非均匀浓度梯度的许多点。所述点可以具有任何规则或不规则形状，并且在俯视图中不必一定是圆的。
通常，结构化荧光物质层，例如点，可以通过若干种方法构造，以便获得本文所述的性能上的改善。当使用多种类型的发光材料时(例如红光发射体、绿光发射体等)，从更短波长发光材料发射的光可以由其它发光材料重新吸收。包括各种类型的独立点、线或独立区域的图案可以减少重新吸收的量。
可以用任何合适的技术设置干涉反射器1130的主表面1132中的凹口1134，例如加热成形、模压、压花、激光打标或烧蚀、磨蚀、浇铸和固化等。或者，第一干涉反射器1130可以通过加热成形提供反射井或反射凹穴，在所述反射井或反射凹穴中可以放置发光材料1140。凹口1134可以制成任何图案。每个凹口1134可以具有任何合适的深度。优选的是，每个凹口1134相对较浅，使得第一干涉反射器1130不变得过薄。由于厚度或角度效应，这种变薄会导致大的波长偏移。
尽管图12将发光材料1140示出为包括点1142，但发光材料1140可以制成任何合适的形状和/或图案，例如线、不连续的形状，或者以分级密度和/尺寸排列的浓淡点图。
本发明的光导可以采用任何合适的形状。例如，图13是照明系统1200的另一个实施例的示意图。照明系统1200在很多方面都与图11的照明系统1000相似。系统1200包含光源1220、以及具有输出表面1214和输入表面1216的光导1212。系统1200还包含被放置为接收来自光导1212的输出表面1214的由光源1220发射的光的发光材料1240、以及置于发光材料1240和输出表面1214之间的第一干涉反射器1230。本文中关于在图11中示出的实施例的光导1012、光源1020、第一干涉反射器1030和发光材料1240描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图13中示出的实施例的光导1212、光源1220、第一干涉反射器1230和发光材料1240同样适用。系统1200还包括LP干涉反射器(例如图11中的第二干涉反射器1050)，所述LP干涉反射器放置为使得发光材料1240位于第一干涉反射器1230和LP干涉反射器之间。系统1200还包括与光源1220光学耦合的光腔1270，光腔1270将光源1220发出的激发光引导到光导1212中。可以使用任何合适的光腔1270，例如图5中示出的实施例的光腔470。
光导1212还包括反射性的底表面1218，其与输出表面1214形成角度，使得光导1212形成楔形形状，该楔形形状从输入表面1216向末端逐渐减小。反射性的底表面1218可以包含任何合适的一种或多种反射材料。优选的是，反射性的底表面1218包含如例如美国专利No.5,882,774(Jonza等人)中所述的宽带干涉反射器1290。宽带干涉反射器1290可以接触底表面1218或与底表面1218隔开。
在某些实施例中，如上所述，TIR促进层可以置于输出表面1214和第一干涉反射器1230之间，并且/或者可以置于第一干涉反射器1230和发光材料1240之间。
使用楔形光导1212可以使由光源1220发射的光基本上垂直入射在第一干涉反射器1230上，因此允许在第一波通上的基本上所有的光向第一干涉反射器1230透射。在输出表面1214和第一干涉反射器1230之间有TIR促进层的实施例中，从光导1212内以倾斜角度导向输出表面1214的光可以被TIR促进层引导回光导1212内。然后，这些被重新引导的光可以被反射性的底表面1218反射，并以基本上垂直于输出表面1214的入射角引导通过输出表面1214。在光导1212内的一些光可以被引导通过输入表面1216射向光源1220。这种光可以被光腔1270收集并重新引导通过输入表面1216进入光导1212。
通常，光源1220发射具有第一光学特征的光，光被光腔1270引导到光导1212内。至少一部分光被光导1212和/或光导1212的反射性的底表面1218引导通过输出表面1214，从而使其照射第一干涉反射器1230。第一干涉反射器1230将具有第一光学特征的光基本上透射到发光材料1240上。当使用具有第一光学特征的光照射时，发光材料1240发射具有第二光学特征的光。发光材料1240可以将一些光发射回光导1212的输出表面1214。第一干涉反射器1230可以基本上将这种光从输出表面1214反射回去。本发明的照明系统可以包含任何适合类型的一个或多个光导。例如，图14示意性地示出了照明系统1300的一个实施例，其包含光源1320、以及每个都具有输入表面1316和输出表面1314的光导1312。光导1312与光源1320光学耦合。光源1320发射具有第一光学特征的光。所述系统还包含放置用来接收来自至少一个光导1312的光的发光材料1340、以及置于发光材料1340和光导1312的输出表面1314之间的第一干涉反射器1330。第一干涉反射器1330基本上透射具有第一光学特征的光而基本上反射具有第二光学特征的光。当用具有第一光学特征的光照射时，发光材料1340发射具有第二光学特征的光。系统1300还包含可任选的第二干涉反射器1350，其放置为使得发光材料1340位于第二干涉反射器1350和第一干涉反射器1330之间。本文中关于在图2中示出的实施例的光导112、光源120、第一干涉反射器130、发光材料140和第二干涉反射器150描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图14中示出的实施例的光导1312、光源1320、第一干涉反射器1330、发光材料1340和第二干涉反射器1350同样适用。
在某些实施例中，光导1312可以包含一根或多根光纤1313。光纤1313可以包含任何适合类型的光纤，例如大芯径聚合物包层二氧化硅光纤(例如商品名为TECSTM，可以从3M Company，St.Paul，MN购得的那些光纤)、玻璃光纤、塑料芯光纤等。光纤1313与光源1320光学耦合。如前文所述，光源1320可以包含任何适合类型的一个或多个光源。在某些实施例中，光源1320可以包含以阵列图案布置的不连续的LED管芯或芯片。此外，在某些实施例中，照明系统1300可以包含用于每个光源1320的一根光纤1313。可以使用任何合适的技术将光源1320发射的光耦合到光导1312中。例如，如下述共有和共同未决的专利申请中所述，照明系统1300可以包含一个或多个集光器，集光器可以将来自对应的LED管芯的各向同性的发射光转换成一束光，这一束光符合对应的光接收光导的受光角标准，所述专利申请是：美国专利申请公开No.2004/0149998(Henson等人)；美国专利申请No.10/726,244(Simbal)；美国专利申请No.10/726,248；美国专利申请No.10/727,220(Schultz等人)；美国专利申请No.10/726,225(Henson等人)；美国专利申请No.10/726,257(Aguirre等人)；以及美国专利申请No.10/739,792(Ouderkirk等人)。
发光材料1340以及第一干涉反射器1330和/或第二干涉反射器1350可以采用本文中进一步描述的任何合适的形状。在某些实施例中，发光材料1340和干涉反射器1330和1350中之一或两者可以采用连续一层或多层的形式。在其它实施例中，发光材料1340和干涉反射器1330和1350中之一或两者可以是弯曲的。此外，在某些实施例中，发光材料1340和干涉反射器1330和1350中之一或两者可以是非连续片断，所述片断形成在光导1312的一个或多个输出表面1314上并与所述输出表面接触。
发光材料1340可以相对于光导1312的输出表面1314置于任何合适的位置。在某些实施例中，发光材料1340可以与输出表面1314间隔放置。在其它实施例中，发光材料1340可以位于第一干涉反射器1330和第二干涉反射器1350中之一或两者之上。如本文所进一步描述的，在其它实施例中，一个或多个TIR促进层可以置于发光材料1340上并位于发光材料1340和第一干涉反射器1330之间、位于发光材料1340和第二干涉反射器1350之间，或者置于发光材料1340的两侧上。还可以参见美国专利申请公开No.2004/0150991(Ouderkirk等人)。
第一干涉反射器1330可以相对于输出表面1314和发光材料1340置于任何合适的位置，例如与输出表面1314隔开、与发光材料1340隔开、在输出表面1314之上、在发光材料1340之上、在输出表面1314和发光材料1340两者之上等。在某些实施例中，一个或多个TIR促进层可以被包含在输出表面1314和第一干涉反射器1330之间。此外，在某些实施例中，光导1312的输出表面1314和第一干涉反射器1330可以使用任何合适的技术或材料进行折射率匹配，例如使用折射率匹配液体、凝胶体、粘合剂、压敏粘合剂、UV固化粘合剂或粘结剂。
照明系统1300还可以包含一个或多个光学元件1360。所述一个或多个光学元件1360可以放置用来接收来自发光材料1340的光，并可放置在发光材料1340和第一干涉反射器1330之间、和/或光导1312的输出表面1314和第一干涉反射器1330之间。所述一个或多个光学元件1360可以包含将预定角度内的光向显示器或其它器件引导的准直光学器件。例如，所述一个或多个光学元件1360可以包含增亮膜、转向膜、透镜、扩散片、增益扩散片、对比增强材料、反射元件等。在某些实施例中，所述一个或多个光学元件1360可以包含离散板或晶体，以提供更均匀的光分布。离散板或晶体包含将光线分成相互分开的两束光线的层组，其中这种分开是由于光线的两个偏振态造成的，当照射离散晶体上时，每个偏振态都会遭遇不同的折射率。典型的离散板由对不同的光偏振具有不同折射率(即双折射)的材料制成。通常，高折射率方向相对于该板的至少一个面内轴偏斜。
在某些实施例中，所述一个或多个光学元件1360可以包含反射偏振器，其允许系统1300发射优选偏振的光，而反射其它偏振的光。可以使用任何合适的偏振器，例如胆甾型反射偏振器、具有1/4波延迟器的胆甾型反射偏振器、线栅偏振器和可从3M公司购得的各种反射偏振器，包括DBEF(即镜面反射偏振器)、DRPF(即漫反射偏振器)。由反射偏振器1360反射的光可以被发光材料1340、和/或干涉反射器1330和1350去偏振，并且被循环使用，使得所选偏振的光就可以以更高效率被发射。
通常，来自光源1320的光照射光导1312的输入表面1316，并被光导1312引导通过输出表面1314，在此至少一部分所述光照射第一干涉反射器1330。第一干涉反射器1330基本上透射来自光源的1320的光，使得至少一部分光照射发光材料1340。当用具有第一光学特征的光照射时，该发光材料1340发射具有第二光学特征的光。例如，可以选择发光材料1340，从而使得当使用来自光源1320的UV或蓝光照射时，该发光材料1340发射可见光。由发光材料1340发射的至少一部分光照射用于基本上透射这种光的可任选的第二干涉反射器1350。来自光源1320的没有被发光材料1340转换的任何光基本上都被可任选的第二干涉反射器1350向发光材料1340反射回去。此外，发光材料1340发射的照射第一干涉反射器1330的任何光都基本上被反射。
如前文所提到的，可以使用任何合适的技术将来自光源1320的光耦合进光导1312。例如，图15示意性地示出了照明系统1400的另一个实施例，其包括包含光纤1413的光导1412。例如，参见共有和共同未决的美国专利申请公开No.2004/0149998(Henson等人)。系统1400包含光源1420、放置用来接收来自光源1420的光的发光材料1440、以及置于光导1412和发光材料1440之间的第一干涉反射器1430。本文中关于在图14中示出的实施例的光导1312、光源1320、第一干涉反射器1330和发光材料1340描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图15中示出的实施例的光导1412、光源1420、第一干涉反射器1430和发光材料1440同样适用。如本文进一步描述的，系统1400还可以包含第二干涉反射器(为示出)。
光源1420包含LED管芯1424的阵列1422，其放置为与光学元件阵列1428光学对准，所述光学元件阵列1428可以包含无源光学元件(例如聚焦透镜1429)或光学会聚元件(例如反射器)。光学元件阵列1428又与光纤阵列1413对准。光纤阵列1413可以使用连接器连接，其中连接器连接可以包含支撑和/或容纳光纤1413的输入表面1416的连接器1417。连接器连接还可以包含支撑和/或容纳光纤1413的输出表面1414的连接器1415。在光纤1413的输入表面1416或输出表面1414处可以使用任何合适的一个或多个连接器，例如在美国专利No.10/726,222(Henson等人)中描述的那些连接器。通过阅读本发明，对于本领域的一名普通技术人员来说，显而易见的是，光纤1413的输出表面1414可以被捆扎以便形成点状源或成形阵列，例如线性阵列、环形阵列、六边形阵列或其它成形阵列。在示例实施例中，光源1420的阵列1422包含分立的LED 1424的阵列，例如单个LED管芯或芯片阵列，这些分立的LED单独安装，并具有用于操作控制的独立的电连接(而不是其中所有LED都通过它们的公共半导体基板互相连接的LED阵列)。LED管芯可以产生对称的辐射图案，使其成为对于本发明的理想光源。LED管芯能够将电能有效地转换为光，而不像大多数激光二极管那样对温度敏感。因此，与很多类型的激光二极管相比，仅用普通的散热装置就足以操作LED管芯。在示例实施例中，每个LED管芯1424与最靠近它的相邻管芯至少隔开大于LED管芯宽度的距离。另外，LED管芯可以在-40℃到125℃的温度范围内操作，而且与大多数激光二极管具有的大约10,000小时的使用寿命或卤素汽车头灯具有的大约500到1000小时的使用寿命相比，可以具有100,000小时范围的使用寿命。在示例实施例中，每个LED管芯1424都可以具有大约50流明或更大的输出强度。分立的大功率LED管芯可以从例如Cree和Osram这种公司购得。在一个示例实施例中，LED管芯1424的阵列(由Cree公司制造)可以用来提供集中的(小面积、大功率)光源，其中每一个LED管芯的照射面积大约为300μm×300μm。也可以使用其它光发射表面形状，比如矩形或其它多边形。另外，在可供选用的另一个实施例中，所用的LED管芯1424的发射层可以置于顶表面上或底表面上。在可供选用的另一个实施例中，阵列1422可以用发射激光的白色垂直腔表面(VCSEL)阵列代替。可以使用无源光学元件阵列1428将由每个VCSEL发射的光重新引导到对应光纤1413中。图15的示意性实施例的一种情况是，每个光源1412、光学元件1428的阵列的对应无源光学元件(透镜、聚焦元件、会聚元件或反射元件)和对应的光纤1413之间是一一对应的。当通电时，每个LED管芯1424作为单独的光源将光射入对应光纤1413。本示例实施例包含大芯径(例如400μm到1000μm)聚合物包层二氧化硅光纤(例如商品名为TECSTM，可以从3M Company，St.Paul，MN购得的那些光纤)。依赖于某些参数，例如LED管芯1424的输出波长，也可以按照本发明的所述实施例使用其它类型的光纤，比如传统或特制玻璃光纤。另外，通过阅读本发明，对于本领域的一名普通技术人员来说，显而易见的是，根据本发明的教导也可以应用其它类型的波导，例如平面波导、聚合物波导等。光纤1413还可以包含在光纤1413的每个输出表面1414上的光纤透镜。同样地，光纤1413的输入表面1416也可以分别包含光纤透镜。光纤透镜的制造和应用在共有和共同未决的美国专利No.6,822,190(Smithson等人)和美国专利申请No.10/670,630(Jennings等人)中进行了描述。单独的光纤1413被收集起来以提供距离原始光源一定距离的远距照明。对作为灯泡替代物的基于LED的照明组件的进一步描述在共有和共同未决的美国专利申请No.10/726,225(Henson等人)中进行了描述。
在某些实施例中，LED管芯1424可以是独立可控的，使得可以选择性地激活一个或多个LED 1424。例如，系统1400可以包括与每个LED 1424电连接的控制器(未示出)。所述控制器可以操作来选择性地激活一个或多个LED 1424。可以使用任何合适的一个或多个控制器，例如在共有和共同未决的美国专利申请公开No.2004/0149998(Henson等人)中描述的那些控制器。这种可控的LED1424输出可以用于各种应用中，例如机动车的可转向头灯、像素化显示器、投影系统、标志等。
通常，具有第一光学特征的光由光源1420的一个或多个LED1424发射，这种光被光学元件1428通过光纤的输入表面1416引导进一个或多个光纤1413中。所述光被光纤1413引导通过光纤的输出表面1414，并照射第一干涉反射器1430。所述第一干涉反射器1430基本上透射所述光，使得光照射发光材料1440。所述发光材料1440将来自光源1420的至少一部分光转换为具有第二光学特征的光。由发光材料1440发射的被引导向第一干涉反射器1430的光基本上被第一干涉反射器1430反射。如果LP干涉反射器(例如图2中的第二干涉反射器150)被包含在系统1400中，那么由发光材料1440发射的光基本上由LP干涉反射器透射。任何来自光源1420的照射LP干涉反射器的光基本上被反射回发光材料1440，然后在发光材料1440那里其可以被转换为具有第二光学特征的光。然后，由发光材料1440发射和/或由可任选的LP干涉反射器透射的光可以使用任何合适的技术引导到希望的位置。
在某些实施例中，图14的照明系统1300和图15的1400可以包含LP干涉反射器而不包含SP干涉反射器。例如，图18示意性地示出了照明系统1700，其包含放置为接收来自发光材料1740的光的干涉反射器1750。系统1700也包含光源1720，以及光学耦合到光源1720的光导1712。本文中关于在图14中示出的实施例的光导1312、光源1320、发光材料1340和第二光学干涉反射器1350描述的所有的设计考虑事项和可能性，对图18中示出的实施例的光导1712、光源1720、发光材料1740和第二干涉反射器1750同样适用。系统1700可以包含与关于图14的照明系统1300所述类似的其它特征件，例如一个或多个光学元件、TIR促进层等。
通常，光源1720发射具有第一光学特征的光。这种光照射光导1312的输入表面1316并被引导通过输出表面1714，在此至少一部分所述光照射发光材料1740。当使用具有第一光学特征的光照射时，发光材料1740发射具有第二光学特征的光。发光材料1740发射的至少一部分光照射干涉反射器1750，干涉反射器1750基本上透射具有第二光学特征的光而基本上反射具有第一光学特征的光。然后，使用任何合适的技术将被基本上透射的光引导到希望的位置。
可以任何合适的方式使用本发明的照明系统以提供照明。例如，本文描述的一些或全部照明系统可以用于为显示器提供照明。图16示意性地示出了显示器组件1500，其包含光学耦合到显示器件1512的照明系统1510。照明系统1510可以包含本文描述的任何照明系统，例如图1中的照明系统10。照明系统1510为显示器件1512提供照明光。显示器件1512可以是任何合适的显示器件，例如LCD、电致变色器件或电泳器件、一个或多个空间光调制器、透射式标志等。例如，显示器件1512可以包含一个或多个空间光调制器。在某些实施例中，所述一个或多个空间光调制器可以包含可单独寻址的可控元件阵列。这种空间光调制器可以包含适合类型的可控元件。例如，空间光调制器可以包含可变透射率类型的显示器。在某些实施例中，空间光调制器可以包含液晶显示器(LCD)，其为透射类型的光调制器的例子。在某些实施例中，空间光调制器可以包含可变形的反射镜器件(DMD)，其为反射类型的光调制器的例子。显示器件1512可以包含产生显示图像的任何合适的光学元件和非光学元件，例如透镜、扩散片、偏振器、滤光器、分光器、增亮膜等。照明系统1510可以使用本领域内已知的任何合适的技术光学耦合到显示器件1512。
讨论了本发明的示例性实施例，并且参考了在本发明范围内的可能的变化。对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明范围的情况下，本发明的这些及其它的变形和修改将是显而易见的，并且应该理解的是，本发明不局限于在这里所阐述的示例性实施例。因此，本发明仅仅由下面所提供的权利要求限定。

Claims (38)

1.一种照明系统，包括：
光源，其发射具有第一光学特征的光；
多个光导，其光学耦合到所述光源，其中每个光导都具有输入表面和输出表面；
发光材料，其放置为接收来自所述光导中的至少一个光导的光，其中，当用具有第一光学特征的光照射所述发光材料时，所述发光材料发射具有第二光学特征的光；以及
干涉反射器，其放置为使得所述发光材料位于所述多个光导的输出表面和所述干涉反射器之间，其中，所述干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光学特征包括第一波长区域，并且所述第二光学特征包括与所述第一波长区域不同的第二波长区域。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一波长区域包括UV光。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一波长区域包括蓝光。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二波长区域包括可见光。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括至少一个固态光源。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个固态光源包括至少一个LED。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光材料包括荧光材料。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发光材料是不连续的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述不连续的发光材料包括多条发光材料线。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述不连续的发光材料包括发光材料图案。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述不连续的发光材料包括多个发光材料点。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个发光材料点中的每一个点具有小于10000μm2的面积。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个发光材料点中的至少一个点包含第一发光材料，所述多个发光材料点中的至少另一个点包含第二发光材料。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一光学特征包括第一波长区域，并且所述第二光学特征包括与所述第一波长区域不同的第二波长区域，其中，至少第一荧光点发射具有在第二波长区域内的第一峰值波长的光，并且至少第二荧光点发射具有在第二波长区域内的第二峰值波长的光，所述第二峰值波长与所述第一峰值波长不同。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述干涉反射器包括非平面的干涉反射器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述干涉反射器是凹面干涉反射器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个光导的输出端形成非平面表面。
19.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件放置为使得所述干涉反射器位于所述发光材料和所述至少一个光学元件之间。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述至少一个光学元件包括反射偏振器。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述反射偏振器包括胆甾型材料。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述反射偏振器包括多层聚合物材料。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述反射偏振器包括多层双折射聚合物材料。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光学特征包括第一波长区域，并且所述第二光学特征包括与所述第一波长区域不同的第二波长区域，其中，所述发光材料在所述第一波长区域具有第一折射率。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述系统还包括TIR促进层，所述TIR促进层在所述干涉反射器和所述发光材料之间接触所述发光材料，并且其中，所述TIR促进层在所述第一波长区域具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述TIR促进层包括气隙。
27.根据权利要求25所述的系统，其中，所述TIR促进层包括微结构化层。
28.一种汽车头灯，其包括根据权利要求1所述的照明系统。
29.一种投影系统，其包括根据权利要求1所述的照明系统。
30.一种照明灯具，其包括根据权利要求1所述的照明系统。
31.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光导包括多条光纤。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述多个多条光纤包括多条聚合物包层二氧化硅光纤，每条所述聚合物包层二氧化硅光纤都具有大约400μm到大约1000μm的芯径。
33.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括多个LED，其中，所述系统还包括与所述多个LED电通信的控制器，其中，所述控制器可操作以选择性地激活所述多个LED中的一个或多个LED。
34.一种标志，其包括权利要求1所述的照明系统。
35.一种显示器，包括：
照明系统，其中，所述照明系统包括：
光源，其发射具有第一光学特征的光；
多个光导，其光学耦合到所述光源，其中，每个光导都具有输入表面和输出表面；
发光材料，其放置为接收来自所述多个光导中的至少一个
光导的光，其中，当用具有第一光学特征的光照射所述发光材料时，所述发光材料发射具有第二光学特征的光；以及
干涉反射器，其放置为使得所述发光材料位于所述多个光导的输出表面和所述干涉反射器之间，其中，所述干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光；以及
空间光调制器，其与所述照明系统光学耦合，其中，所述空间光调制器包括多个可控元件，所述可控元件可操作以调制来自所述照明系统的至少一部分光。
36.根据权利要求35所述的显示器，其中，所述空间光调制器的多个可控元件包括可变透射率的显示元件。
37.根据权利要求35所述的显示器，其中，所述可变透射率的显示元件包括液晶显示元件。
38.一种给所需位置提供照明的方法，包括：
用具有第一光学特征的光照射多个光导中的至少一个光导，其中，所述至少一个光导引导光通过输出表面；
用被引导通过所述至少一个光导的输出表面的光照射发光材料，使得所述发光材料发射具有第二光学特征的光；
用所述发光材料发射的光照射干涉反射器，其中，所述干涉反射器基本上透射具有第二光学特征的光，而基本上反射具有第一光学特征的光；以及
将所述干涉反射器透射的至少一部分光导向所需位置。
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