TWI553273B - 照明裝置 - Google Patents

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立拜斯 吉米 苟梅斯
亞伯漢 魯道夫 巴肯恩迪
馬克斯 安東尼爾斯 維爾雪倫
巴別洛 噶布里歐 賽巴斯迅 洛沙諾
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Description

照明裝置
本發明係關於一種照明裝置。詳言之，本發明係關於應用波長轉換介質之此裝置。此裝置係用於(例如)照明系統、投影系統及雷射系統中。
自US7709811已知所闡述之種類之照明裝置的實施例。彼文件揭示包含藍色LED(例如，GaN或InGaN)光源、內部光學元件、波長轉換材料及外部光學元件(例如，塑膠或玻璃透鏡)之照明裝置。將波長轉換材料(例如，有機染料或無機磷光體)塗覆至背對LED之內部元件側。內部光學元件為矩形或金字塔形狀之稜鏡且用以將藉由LED所發射之主光指引至波長轉換材料。此外，內部光學元件用以將在後向方向上(亦即，朝向LED)藉由波長轉換材料所發射之副光重指引至前向方向(亦即，背離LED)。外部光學元件用以定義由主光及副光之混合物組成的特殊應用照明分佈。
如藉由US7709811所揭示之裝置展現限制其有用性之若干困難，諸如熱量管理問題、效率問題及發射方向性問題。
舉例而言，許多照明應用規定提供大約幾瓦特之功率位準的基於LED之系統。在以此等功率位準將光集中於磷光體材料之相對小的體積時，波長轉換處理程序所固有之斯托克損失導致高的局域熱量耗散。在常見於大多數磷材料 之0.1 WK-1m-1至10 WK-1m-1之典型傳導率的情況下，熱量輸送在實現激勵主波長光之充分吸收所必須的磷光體層之典型塗覆厚度(約100 μm)下變為限制因素。此情形導致可容易地超過200℃至300℃之磷光體的減輕之溫度位準。在此等位準處，磷光體之轉換效率顯著地下降，可能導致額外功率損失及不受控制之進一步加熱。
此外，此等照明裝置之總的效率取決於激勵之效率及波長轉換材料中之發射處理程序。激勵效率取決於在藉由LED所發射之主波長光處的磷光體之吸收強度。藉由將所吸收之能量(亦即，主波長光)轉換成所發射之能量(亦即，副波長光)的程度及在前向方向上將此所發射之能量耦合於裝置之外的程度兩者影響發射效率。關於吸收效率，許多波長轉換材料展現相對低之吸收係數(通常，在400 nm至480 nm之範圍中在激勵後即為10 cm-1至100 cm-1)。此情形暗示需要波長轉換材料之100 μm至1000 μm厚的層以用於激勵輻射之充分(或甚至完全)吸收。此等相對大之厚度可導致發光區域之延伸的大小，尤其是在結合雷射光源使用時，且由此導致作為(例如)如光束器或車頭燈之投影應用中之低光展量光源的此等裝置之受限使用。
此外，波長轉換材料之平坦發射表面引起朗伯發射剖面。儘管已知射束塑形光學元件有用於實現特殊應用照明分佈，但此等光學元件通常為龐大的，需要與LED及/或波長轉換材料精確對準，且通常係基於不允許不同光顏色的不同射束塑形及射束指引之弱分散材料(例如，玻璃、塑 膠)。
本發明具有一如下目標：提供一種減輕上文所提及之問題中之至少一者的所闡述之種類之照明裝置。此目標係藉由經設計以提供一特殊應用照明分佈之一照明裝置達成，該照明裝置包含：(i)一光源，其經配置以發射在一主波長處之光，(ii)一波長轉換介質，其以與該光源之光接收關係來配置且經設計以將該主波長光之至少部分轉換成副波長光，及(iii)一週期性天線陣列，其經安置成緊密接近於該波長轉換介質，且經配置以使得該天線陣列支援由個別天線中之局域化表面電漿子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振以用於實現該特殊應用照明分佈。有利地，本發明提供允許一較薄之波長轉換介質之使用的一照明裝置，此係因為波長轉換處理程序(激勵及/或發射)之效率得以增強。此外，該裝置允許經由該週期性天線陣列之適當設計來控制所發射之光的顏色、方向性及偏光，以及允許增加所發射之光的強度。
如本文中所使用之術語「緊密接近」指代該週期性天線陣列與該波長轉換介質之間的一距離，該距離小於約主光及/或副光之波長。對於典型照明裝置，此距離由此應小於700 nm，較佳地小於300 nm，甚至更佳地小於100 nm。緊密接近因此亦包括將該天線陣列應用於該波長轉換介質 之一表面上的情形。緊密接近亦包括藉由該波長轉換介質涵蓋該天線陣列之情形。
根據技術方案2之本發明之一實施例提供經由將入射主波長光或所發射之副光耦合至由該陣列之個別天線中的局域化表面電漿子極化子之繞射耦合所引起之該等表面晶格共振而改良該波長轉換處理程序的優點。
根據本發明之一實施例，該天線陣列之週期性大約為該主波長光或該副波長光。有益地，此情形允許該光激勵表面晶格共振。
根據技術方案4之照明裝置之實施例有益地允許控制該裝置之該照明分佈的修改。自朗伯至一更受限制立體角之發射光分佈的此修改對於低光展量採光應用(諸如，光束器及汽車前照燈中之投影)而言為尤其有趣的。
技術方案5之本發明的實施例有利地允許該主波長光及/或該副波長光與該陣列之該等天線及該等表面晶格共振的更好之耦合。
在根據技術方案6之一實施例中，可拉伸可控制基板允許對發射效率、發射之方向性及該照明裝置的所發射之波長之有效控制。
在根據技術方案7至10之實施例中，兩個子陣列允許適當地設計該天線陣列以適應若干光學現象，諸如一子陣列增強該波長轉換介質之激勵，而另一子陣列增強該副波長光之發射且界定該副波長光之方向。
技術方案11至14之實施例有利地允許設計一分佈式回饋 發光裝置，諸如一分佈式回饋雷射。
本發明之此等及其他態樣將自在下文中所描述之實施例顯而易見且參考該等實施例來闡明。然而，瞭解，此等實施例可能不解釋為限制針對本發明之保護的範疇。
本發明之其他細節、特徵及優點結合圖式而揭示於例示性及較佳實施例之以下描述中。
圖1展示根據本發明之照明裝置100。照明裝置100包含光源110，例如，諸如(無機或有機)發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體、諸如垂直腔雷射二極體或邊緣發射型雷射二極體之雷射二極體(LD)的半導體光源。在能夠在可見光譜中操作之此等半導體光源的製造中當前所關注之材料系統包括III族至V族半導體。詳言之，鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金(亦稱作III族氮化物材料)受到關注。通常，藉由用金屬有機化學氣相沈積、分子束磊晶法或其他磊晶技術在藍寶石、碳化矽、III族氮化物或其他合適之基板上磊晶生長具有不同之組合物及摻雜物濃度的半導體層之堆疊而製造III族氮化物半導體光源。該堆疊常常包括：(i)形成於基板之上之一或多個n型層，其摻雜有(例如)Si；(ii)形成於該(等)n型層之上之發光或活性區域；及(iii)形成於活性區域之上之一或多個p型層，其摻雜有(例如)Mg。常常在絕緣基板(諸如，藍寶石)上製造III族氮化物半導體光源，其中兩個接點在裝置之同一側上。安裝此等光源以使得經由接點(稱作磊晶向上裝置)抑或經由與接 點相反之光源表面(稱作覆晶裝置)提取光。光源110經配置以發射主波長光111。取決於應用於上文所論述之半導體光源中的合金，主波長光係在自近UV(約365nm)至近IR(約1000nm)之範圍內。
此外，照明裝置100包含波長轉換介質120。波長轉換介質可(例如)包含磷光體、量子點、有機螢光染料分子等。藉由波長轉換介質120將由光源110所發射之主波長光111至少部分地轉換成副波長光122。對於此項技術中已知之許多實際波長轉換介質，匹配此等介質之激勵光譜的藉由半導體裝置所發射之主波長光係在自約400nm至約490nm的範圍內。
根據實施例，使包含磷光體之波長轉換介質120形成為陶瓷板(slab)(本文中稱作「發光陶瓷」)。此等陶瓷板一般為與光源110單獨形成之自支撐層。隨後，將該等陶瓷板附著至成品(半導體)光源或以與光源之光接收關係來定位該等陶瓷板。陶瓷層可為半透明或透明的。在後一狀況下，可相當大地減少與不透明波長轉換介質相關聯之散射損失。另外，因為發光陶瓷層為固體，所以其可較容易與額外光學元件(諸如，天線陣列300)進行光學接觸。可形成為發光陶瓷層之磷光體的實例包括具有以下通式之鋁石榴石磷光體：發射在黃光至綠光範圍中之光的(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12：CeaPrb，其中0<x<1、0<y<1、0<z0.1、0<a0.2且0<b0.1，諸如Lu3Al5O12：Ce3+及Y3Al5O12：Ce3+；及發射在紅光範圍中之光的(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8- aOa：Euz 2+，其中0a<5、0<x1、0y1且0<z1，諸如Sr2Si5N8：Eu2+。合適之Y3Al5O12：Ce3+陶瓷板可購自Baikowski International Corporation of Charlotte,NC。其他綠光、黃光及紅光發射磷光體亦可為合適的，包括：包括(例如)SrSi2N2O2：Eu2+之(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz：Eua 2+(a=0.002-0.2、b=0.0-0.25、c=0.0-0.25、x=1.5-2.5、y=1.5-2.5、z=1.5-2.5)；包括(例如)SrGa2S4：Eu2+之(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4)：Eu2+；Sr1-xBaxSiO4：Eu2+；及包括(例如)CaS：Eu2+及SrS：Eu2+之(Ca1-xSrx)S：Eu2+，其中0<x1。
根據實施例，波長轉換介質120可包含量子點。此等量子點可包含CdS、CdSe、CdTe、ZnS或ZnSe且可視情況用包含ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe或MgSe之材料來塗飾。量子點可進一步用具有對其所嵌入於之主體基質的親和力之材料(諸如，與主體基質之聚合物組份有關的單體)來塗佈。有利地，此塗佈使量子點能夠分散於主體基質中而不絮凝(flocculation)。主體基質可為聚合物，諸如聚苯乙烯、聚醯亞胺、或環氧樹脂、矽石玻璃，或矽膠。
根據實施例，波長轉換介質120可包含在主體基質中溶解之有機螢光分子。舉例而言，主體材料中之BASF Lumogen染料如同聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)、聚2,6萘二甲酸乙二酯(PEN)。
此外，照明裝置100包含週期性天線陣列300，週期性天線陣列300經安置成緊密接近於波長轉換介質120，亦即， 週期性天線陣列與波長轉換介質之間的距離小於約主光及/或副光之波長。該陣列可安置於面朝光源110之波長轉換介質120側上，諸如圖1中所指示。或者，週期性天線陣列300可定位於背對光源之波長轉換介質側上。藉由包含高可偏光材料(例如，金屬)之天線301(參見圖2A)形成週期性天線陣列300。作為實例，天線可包含貴金屬，諸如金、銀、銅、鉑及鈀。或者，天線可包含金屬，諸如鎳或鋁。所提及之金屬之合金亦為可能的。或者，天線301可由兩個金屬層組成：出於黏著目的之薄的下部金屬層(諸如，鉻)，及包含上文所描述之金屬或合金的較厚之上部金屬層。
因此，在實施例中，週期性天線陣列可使用(例如)基板保形壓印微影而沈積於(透明)基板140(諸如，石英、藍寶石或未摻雜陶瓷板)上。此技術在薄的玻璃基板上使用由兩個橡膠層構成之印模。在硬性聚矽氧橡膠中模製圖案，且薄的玻璃板在平面外方向上為可撓的。此可撓性允許進行保形接觸，藉此在極大表面區域之上呈現奈米級特徵之準確再生而不管缺陷或表面污染的可能存在。可藉由此技術容易地製成包含具有為250×40nm2之典型大小且具有在200nm至600nm範圍中之週期性的天線的在大小上與12英吋晶圓一樣大之陣列。包含量子點之波長轉換介質120(具有或不具有適當的主體基質)可(例如)旋塗於天線陣列300之上。或者，適當之主體基質中的有機螢光分子可旋塗於天線陣列之上。由於將天線嵌入於光學同質介質中為有利 的，因此較佳地，主體基質/波長轉換介質具有與基板140相同或實質上類似之有效折射率。此均一光學周圍環境允許主波長光及/或副波長光與陣列之天線及表面晶格共振的更好耦合，此係因為波長轉換介質120中之散射光可接著與基板140中的散射光同相地傳播。在表面晶格共振之波長下的實質上類似之有效折射率在此上下文中意謂△n小於0.5，較佳地小於0.3，更佳地小於0.05。一般而言，更小之天線301需要更對稱之環境。或者，在將週期性天線陣列300沈積於未摻雜之陶瓷板上時，此板可結合至形成波長轉換介質120之經摻雜之陶瓷板。將週期性天線陣列300配置成夾於包含相同主體晶體之經摻雜的陶瓷板與未摻雜的陶瓷板之間為尤其有利的，此係由於此等板具有相同之折射率。可用具有匹配該兩個板之折射率的折射率之材料(諸如，流體、聚合物或溶膠凝膠)來填充該兩個板與天線陣列之間的空間，以進一步增強陣列之環境的光學均一性。
再或者，天線陣列300可夾於兩個波長轉換介質120之間。舉例而言，天線陣列300可安置於第一波長轉換介質120上，而第二波長轉換介質覆蓋天線陣列。在實施例中，藉由兩個經摻雜之陶瓷板形成第一波長轉換介質及第二波長轉換介質。在另一實施例中，藉由上面沈積有天線陣列之經摻雜之陶瓷板形成第一波長轉換介質，且第二波長轉換介質包含旋塗於陣列之上的量子點。在此等實施例中，波長轉換介質120涵蓋天線陣列300。視情況，波長轉 換介質120可包含具有相異發射光譜或顏色之兩種(或兩種以上，諸如三種或四種)材料。此複數種材料可形成實質上同質之波長轉換介質。或者，可使材料實體上分離，諸如在上文所描述之包夾實施例中。
週期性天線陣列300經配置，以使得其支援由個別天線301中之局域化表面電漿子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振。局域化表面電漿子共振為經由天線301中之傳導電子與電磁場(諸如，主波長光111及/或副波長光122)之耦合所激勵的非傳播表面模式。電磁場驅動傳導電子在天線301內部振盪，從而取決於其外觀尺寸產生自天線發出的雙極或多極場。此外，在天線之表面處的驅動電子之電荷積聚將產生天線內部的去極化場。局域化表面電漿子共振在電子之回應展示相對於驅動電磁場之π/2相位延滯時發生。藉由天線301之材料組合物、大小、幾何形狀及周圍環境來判定共振之光譜位置(亦即，發生共振之頻率或波長)及特徵。此外，藉由電磁場之極化及藉由天線間耦合來判定共振之光譜位置及特徵。藉由適當地控制此等參數，主波長光111可與局域化表面電漿子共振諧振，從而允許波長轉換介質120之激勵的增強。有利地，本發明提供允許較薄之波長轉換介質120之使用的照明裝置100，此係因為波長轉換處理程序之效率得以增強。此外，充當副光源之較薄的波長轉換介質120改良照明裝置100作為低光展量發光裝置之合適性，尤其是在使用雷射(二極體)作為光源110時。此外，可針對至天線陣列300之平面的主波長 光111之任何入射角激勵局域化表面電漿子共振，從而有利地允許非準直LED之使用。
可藉由將入射主波長光111耦合至由個別局域化表面電漿子共振之繞射耦合所引起的表面晶格共振而進一步增強激勵效率。有利地，可使主波長光111準直以最佳化至表面晶格共振之耦合。因此，照明裝置100可包含可選準直光學器件160，諸如透鏡或複合抛物線準直儀(參見圖1)。另外，照明裝置可包含可選偏光器(例如，與準直光學器件160整合)以相對於天線301之定向控制主波長光111的偏光。除了經由將主波長光111耦合至週期性天線陣列300之表面晶格共振而增強激勵效率之外或替代於其，副波長光122可耦合至此等晶格共振。歸因於此耦合，可在預定義立體角Ω內以相對於裝置之光軸200的預定義角α自照明裝置100發射副波長光122。對比而言，在無週期性天線陣列300之情況下，副光將基本上以朗伯分佈自波長轉換介質120發射。自朗伯至更受限制立體角之發射光分佈的此修改對於低光展量採光應用(諸如，光束器及汽車前照燈中之投影)而言為尤其有趣的。因此，根據本發明之實施例之週期性天線陣列300的應用藉由增加經激勵之波長轉換介質120至掠入天線陣列300之晶格模式中的衰變及藉由經由陣列中之散射將此等模式耦合至自由空間輻射而在此等應用中有效地增強照明裝置100的有用發射。相比於在未應用天線陣列之情況下所獲得的朗伯發射剖面，此增強可在某一波長角度區內達到10、20或甚至50以上之因數。
上文所描述之兩個效應(抽汲增強及發射修改)可取決於天線301之幾何形狀及尺寸以及其在陣列300中之空間組態而獨立地組合或應用。因此，由於耦合之強度取決於波長及偏光，且副波長光122之發射的方向性緊密類似於表面晶格共振之角分散，因此可藉由適當地設計週期性天線陣列300來實現包括顏色(色調、飽和度、色點、色溫)、方向及偏光之特殊應用照明分佈。
在天線301以與散射(主及/或副)光之波長同延之晶格常數週期性地配置於陣列300中時，可有效地激勵表面晶格共振。共振係由藉由由陣列300相干散射之推遲場所進行的對與單天線301之局域化表面電漿子共振相關聯之阻尼的部分消除引起。表面晶格共振發生於靠近(通常稍微紅移至)繞射階數在性質上自輻射改變至消散之能量處(亦即，靠近瑞雷異常)。主要藉由圍繞天線陣列300的介質之晶格常數及折射率來判定發生瑞雷異常之波長。對於藉由k//=2π/λ sin(θin)所給出之平行於平面或陣列300之波向量分量，其為方程式的解。
此處，(m 1,m 2)為定義繞射階數之整數，且kout及kin分別為散射及入射波向量。藉由θin(假定φin=0，參見圖2A)表示相對於天線陣列300之平面之法線的光之入射角，且ax及ay定義在各別方向上之陣列的週期性。
如圖2A中所指示，天線301可具有矩形外觀尺寸(其具有長度L、寬度W及高度H)且以週期性ax及ay定位於矩形陣列 中。L可係在自50 nm至400 nm之範圍內，W可係在自20 nm至200 nm之範圍內，且H可係在自10 nm至70 nm之範圍內。陣列300之週期性ax通常係在自150 nm至600 nm或約1.5×L至約2×L之範圍內，而週期性ay通常係在自100 nm至300 nm或約1.5×W至約3×W之範圍內。作為實例，包含沈積於石英基板上且用CdSe/CdS核殼量子點之200 nm厚塗層覆蓋的經組態於具有常數ax=350 nm及ay=200 nm的矩形晶格中之具有尺寸L×W×H=250×70×20 nm3之銀的天線301之陣列300在484 nm[ω/c=2π/λ]處產生具有平行於天線之短軸的偏光之光的局域化表面電漿子共振且在靠近587 nm處產生表面晶格共振(參見圖2B)。該圖描繪(右手側上之相對尺度)通過陣列/量子點結構之光的透射率。如可觀測，對於k//(再次，φin=0)之所有值，在484 nm周圍之局域化表面電漿子共振保持幾乎恆定，從而指示其非傳播或局域化行為。此情形亦指示可藉由光以使得能夠自非準直光源110增強地吸收主波長光111之基本上任何入射角來激勵此共振。局域化表面電漿子共振之繞射耦合引起在k//=0處(亦即，在正入射角處)在587 nm周圍所透射之光的光學上窄得多之減少。在此狀況下，繞射耦合沿著垂直於偏光之方向(亦即，沿著x方向)發生。藉由黑色曲線指示瑞雷異常之位置。
天線301不必必須為矩形：天線301可選自由圓形、橢圓形及多邊形(諸如，三角形、正方形、矩形、五邊形及六邊形)形狀組成之群組。又，陣列300之週期性可選自由正 方形陣列、矩形陣列、三角形陣列、六邊形陣列及準晶體陣列組成的群組。準晶體構成具有禁制晶體對稱性(forbidden crystals symmetry)(諸如，5重或10重對稱性)之一類別的陣列。個別天線301之形狀及陣列300之週期性兩者影響藉由照明裝置100所發射之光的對稱性及方向。舉例而言，更圓形形狀及矩形波週期性產生具有更對稱性質之照明分佈。或者，具有非對稱形狀(諸如，三角形或實質上三角形(梨狀)形狀)之天線產生非對稱照明分佈。後者在需要此非對稱光分佈之採光應用(諸如，汽車前照燈中之斜光束或近光光束)中可為有益的。
作為實例，圓環或環形類型之照明分佈經由兩個或兩個以上天線陣列300之應用而為可能的。舉例而言，具有矩形晶格之兩個或兩個以上陣列可經定向，以使得一陣列中之天線301的長軸相對於另一陣列旋轉。考慮(例如)相對於彼此旋轉90度之具有鏡面對稱的兩個相同陣列之狀況。若陣列僅沿著一個方向保持表面晶格共振且僅在大角度處重疊磷光體之發射，則將僅在大角度處藉由天線301增強發射。一陣列將因此增強朝向+/- x方向之發射，而另一陣列將增強朝向+/- y方向之發射，兩個狀況均僅在大角度處。藉由進一步添加如上文所提及之相對於彼此旋轉之陣列，可產生圓環形狀射束。此等陣列可位於一個平面中，使得該等陣列可基本上建構為形成超陣列之交織子陣列。或者，陣列可定位於堆疊式組態中，其中第一天線陣列可緊密接近於面朝光源110之波長轉換介質120側，且第二天線 陣列可緊密接近於背對光源之側。在實施例中，此堆疊式組態可包含彼此交替之多個天線陣列及波長轉換介質，諸如呈組態陣列1-介質1-陣列2-介質2-陣列3之三個天線陣列及兩個波長轉換介質。此堆疊式組態可以更多陣列及介質延伸，其中此等陣列中之每一者可包含不同之天線材料，可包含子陣列，或可具有不同的週期性，且其中波長轉換介質可皆包含單一材料，可各自包含不同的材料，或可包含波長轉換材料之混合物。
圖3定性地解釋天線陣列300之設計對照明裝置100之發射特性的影響，假定陣列300經設計以支援在副波長光122之表面晶格共振。所描繪的為垂直軸上之光譜對平行於陣列之平面的適當波向量。曲線400描繪波長轉換介質120之發射光譜之光譜強度。曲線410及曲線420分別描繪第一陣列及第二陣列之表面晶格共振之分散關係。一般而言，陣列之較小外觀尺寸天線及較低週期性分別將對應的局域化表面電漿子共振及表面晶格共振移位至光譜之藍光部分。又，銀天線之共振相對於具有相同幾何特性及週期性的金天線藍移。因此，舉例而言，在所展示之組態中，第一陣列(曲線410)比第二陣列(曲線420)更密。在曲線410及曲線420與磷光體之發射光譜400重疊(厚線段)的情況下發生光學增強。歸因於曲線420及曲線400之較小重疊，照明裝置100之發射可在應用第二陣列時具有更飽和之顏色。又，有利地，相比於在應用第一陣列時之較小角度α1，將以相對於陣列300之平面的法線之較大角度α2發射光。假定陣 列經定位成正交於照明裝置之光軸200，此等角度對應於發射角度α(參見圖1)。然而，陣列不必必須定位成正交於光軸。
在實施例中，週期性天線陣列300經定位於面朝光源110之波長轉換介質120側上。此組態(例如)在波長轉換介質具有延伸超出與陣列之相互作用長度的厚度(亦即，大於約主光及/或副光之波長的厚度)之狀況下為尤其有益的。波長轉換裝置120可接著被看作包含第一部分及第二部分。與天線陣列300緊密接近之第一部分將展示如上文所描述之藉由與陣列之相互作用所判定的發射特性(輻射增強、經修改之發射分佈等)。第二部分將展示在4π之上(亦即，在前向方向上及在後向方向(亦即，朝向光源110)上兩者)發射副波長光之「經典」發射特性。在後向方向上所發射之光現可經由表面晶格共振與陣列300相互作用。可藉由天線陣列反射此後向指引之光的部分，藉此藉由減少在後向方向上之副波長光122之損失而增強裝置的發射效率。
在實施例中，週期性天線陣列300包含兩個交織子陣列(圖4)。第一子陣列310包含第一天線311，且第二子陣列320包含第二天線322。每一子陣列可具有其自己的週期性及外觀尺寸，且每一子陣列之天線的材料組合物可經適當地選擇以針對所要光學效應而調諧。舉例而言，第一天線可包含金且具有矩形形狀，而第二天線可包含銀且具有實質上三角形形狀。替代如圖4中所描繪之陣列之平面中的天線之三角形形狀，三角形形狀可在平面外，如(例如)藉 由金字塔、脊或四面體形狀之天線所形成。有利地，第二子陣列320可經設計以使得主波長光111激勵局域化表面電漿子共振以增強波長轉換材料120之激勵，而第一子陣列310可經設計以支援在副波長光122處(亦即，在波長轉換介質120之發射光譜內)之表面晶格共振。或者，波長轉換介質120可包含分別具有第一發射波長範圍及第二發射波長範圍之兩種材料，諸如兩個磷光體或兩種類型之量子點。週期性天線陣列300現可經設計，以使得第一子陣列310支援在第一發射波長範圍內在副波長122由個別第一天線311中之局域化表面電漿子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振。此外，第二子陣列320可支援在第二發射波長範圍內在副波長122由個別第二天線322中之局域化表面電漿子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振。此情形允許在方向及顏色兩者上控制照明裝置100之發射特性。特殊應用照明分佈可包含在第一立體角Ω1中且以相對於照明裝置100之光軸200的第一角α1所發射之具有第一色點或色溫的光，及在第二立體角Ω2中且以第二角α2所發射之具有第二色點或色溫的光。作為實例，車輛之低或斜光束可有益地包含朝向公路之中間的具有更帶黃色之色點的光及朝向公路旁之具有更帶藍色之色點的光。有利地，此光分佈將減少即將到來之駕駛者之不適感，而同時允許汽車駕駛者對公路旁/人行道處之標牌或人的更好視野，此係因為人眼在暗視光條件下對可見光譜之藍光部分更敏感。
在實施例中，基板140經配置以為可拉伸可控制的。作 為實例，展示壓電效應之光學透明材料(諸如，鈮酸鋰(LiNbO3)或磷酸鈦氧鉀(KTP))可起作用以用於形成基板140。此等材料之電可控制膨脹及收縮允許在單一(x或y)方向上或在兩個方向上調整天線陣列300之週期性。由於藉由陣列之週期性判定發生表面晶格共振之光學頻率，因此此情形允許照明裝置100之發射效率、發射的方向性及所發射之波長的有效控制。或者，天線陣列300可沈積於可變形聚合物基板140上，諸如可以機械方式拉伸至超過30%的包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)之基板。機械拉伸可經由使用微機電系統(MEMS)而為電可控制的，或可為熱誘發式或濕度誘發式的。在另一實施例中，天線陣列300可沈積於包含經受相變而變形之液晶聚合物的基板上。後者可為電可控制的。
在根據圖5之本發明之實施例中，照明裝置500經設計以提供特殊應用照明分佈，且包含經配置以發射在主波長處之光511的光源510、以與光源之光接收關係來配置且經設計以將主波長光之至少部分轉換成副波長光522的波長轉換介質520，及經安置成緊密接近於波長轉換介質且經配置以使得天線陣列在波長轉換介質之發射光譜內(例如，支援在發射光譜之峰值波長處或在發射光譜之側翼中的波長處)之頻率間隙的週期性天線陣列530。在另一實施例中，天線陣列530支援在發射光譜內在自照明裝置500所發射的副波長光522之電磁誘發式透明性。在又一實施例中，天線陣列530支援頻率間隙及電磁誘發式透明性兩 者。
圖6A展示定位於玻璃基板上之配置於具有常數ax=600 nm及ay=300 nm之晶格中的具有尺寸450×120×38 nm3之金天線之3×3 mm2陣列530的消光(參見插圖SEM影像)。消光光譜經顯示為隨減小之頻率ω/c及至陣列之平面上的入射波向量之投影而變。沿著y方向設定光之偏光，從而探測天線之短軸。消光顯示數個共振。首先，以約9 mrad/nm為中心之寬及無分散峰值對應於局域化表面電漿子共振之激勵。藉由向上傾斜及向下傾斜暗線來指示(±1,0)瑞雷異常。可觀測向上及向下傾斜晶格共振輕微地紅移至瑞雷異常。表面晶格共振之起點為局域化表面電漿子至上述瑞雷異常之耦合。可觀測到，較低(-1,0)晶格共振在靠近k//=0處消失，從而引起天線陣列之分散圖中的頻率間隙。有利地，此頻率間隙允許形成分佈式回饋雷射500。
圖6B展示隨著天線之長度(在x方向上)減小而所有其他參數(天線寬度、高度、晶格常數等)保持恆定於小入射角(約1.2度)處之陣列的消光。消光光譜限於對於給定入射角發生(諸如)圖6A中所描述之表面晶格共振的頻率。消光中所觀測之峰值對應於表面晶格共振之激勵，且在靠近7.07mrad/nm及7.2 mrad/nm處之消光的下降分別對應於(1,0)及(-1,0)瑞雷異常。圖6A中所展示之消光對應於長度450 nm之天線；對於此長度，在此等小的入射角處不存在(-1,0)表面晶格共振，亦即存在單一共振。然而，如圖6B中所展示，隨著天線長度減小，消光光譜自具有單一諧振峰值改 變至兩個諧振峰值。特別關注的是靠近250 nm天線長度之區，其中可在兩個峰值之間觀測到下降(電磁誘發式透明通區)。在此組態中發生消光之此下降的頻率等於(-1,0)瑞雷異常之頻率。然而，天線陣列可經設計，以使得電磁誘發式透明性在其他瑞雷異常(諸如，(0,-1)、(-1,1)或(2,1)瑞雷異常)處出現。
因此，在實施例中，天線陣列530經配置以使得其支援在靠近自照明裝置500所發射之副波長光522之表面晶格共振，且瑞雷異常在對應於副波長光之頻率下跨越表面晶格共振。可藉由相對於陣列之週期性適當地設計天線幾何外觀尺寸(L×W×H)來配置此組態。
儘管上文係結合顯示靠近7 mrad/nm(對應於約888 nm之波長)之誘發式透明性的陣列來描述，但陣列參數之適當調整允許設計在可見光譜中之任何處的透明性。舉例而言，經組態於具有常數ax=350 nm及ay=200 nm之矩形晶格中的具有尺寸250×70×20 nm3之銀天線的陣列將在λ=483 nm處產生針對天線之短軸的局域化電漿子共振，且在靠近λ=587 nm處產生表面晶格共振。此外，將天線之寬度自70 nm減小至40 nm將會將局域化電漿子共振進一步移位至藍光中；而將晶格常數ax=350 nm減小至比如ax=250 nm，將表面晶格共振藍移至靠近450 nm。
有益地，電磁誘發式透明性允許製造(諸如)圖5中所描繪之分佈式回饋表面極化子(polariton)採光裝置500。此裝置可進一步包含嵌入或跨於波長轉換介質520及天線陣列 530之光學腔560。藉由鏡561及鏡562形成腔560。鏡561對主波長光511透明而對副波長光522為反射性的。鏡562對副波長光為至少部分反射性的。有利地，將增強緊密接近於天線陣列530之波長轉換介質520之發射，此係因為耦合至諧振天線會增加波長轉換介質中之發射器的衰變率。不管此發射增強，歸因於電磁誘發式透明性，天線陣列530保持對在波長轉換介質520之發射頻率下的遠場消光透明。同時發射增強及遠場透明性之可能性由天線陣列530之不同近場及遠場行為引起。因此，此情形允許採光裝置500不僅充當(超螢光)LED，而且充當雷射。或者，分佈式回饋雷射亦可用具有諸如圖6A中所展示之分散之分散(亦即，在無電磁誘發式透明性的情況下)的天線陣列530產生。在此裝置中，雷射作用在頻帶邊緣處(亦即，在靠近兩個表面晶格共振在頻率上彼此接近之頻率間隙處)為可能的。在副波長處具有電磁誘發式透明性的主要優點具備將天線陣列530嵌入於(諸如)圖5中所描繪之腔560中同時具有發射之同時諧振增強及腔內之回饋光的可忽略損失之可能性。認識到在無此誘發式透明性的情況下在腔內再循環之任何副波長光很可能藉由天線陣列530吸收或散射為重要的，此係因為天線在副波長522處為諧振的。
在又一實施例中，照明裝置包含以與其光源之光接收關係來定位的如圖7A中所描繪之波導結構。波導結構包含經配置成緊密接近於天線陣列730且藉由透明基板740及透明介質760所包覆之波長轉換介質720。透明基板740(例如， SiO2，n=1.46)及透明介質760(例如，空氣，n=1)具有低於波長轉換介質720(例如，YAG：Ce，n=1.7)之折射率的折射率以誘發後者中之光的導向模式。天線陣列730浸沒於經配置以增強圍繞陣列之環境的光學均一性之塗層750(諸如，Si3N4，n=2.0)中，從而允許波長轉換介質720中之波導模式與天線處的局域化表面電漿子共振及天線陣列730中之表面晶格共振的主波長光及/或副波長光之更有效耦合。局域化表面電漿子共振與波導模式之間的強耦合引起極化子混合模式，該模式之特徵在於相對長的壽命及大的品質因數，由此允許增強且定製藉由照明裝置所發射之光。
波導結構中之天線陣列730允許將照明裝置之光源的遠場入射主光耦合至歸因於動量失配而不可以其他方式藉由遠場照明近接之波導720的導向模式中。波長轉換介質720通常具有在50 nm至5 μm之間的厚度，更佳地在100 nm至1 μm之間，甚至更佳地在200 nm至800 nm之間。圍繞天線之塗層750具有在5 nm至50 nm之間的厚度，較佳地在10 nm至40 nm之間，諸如20 nm。可藉由首先將(例如)Si3N4之層沈積於波長轉換介質720上，繼之以使用基板保形壓印微影定位天線陣列，且經由電漿增強型化學氣相沈積完成囊封天線之(例如)Si3N4之第二層來塗覆該塗層750。作為額外優點，塗層750保護天線陣列以免氧化之有害後果。
圖7B展示通過圖7A之波導結構之光的消光。可觀測到三個相異特徵。首先，獨立於入射角，可在約500 nm至 550 nm之間識別個別天線處之局域化表面電漿子共振。此外，可識別兩個共振結構。針對0°入射角之在約760 nm處的第一共振結構可歸因於上文結合圖5與圖6所描述之瑞雷異常及表面晶格共振。針對0°入射角之在約700 nm處的第二共振結構可與強耦合之波導模式及局域化表面電漿子共振的極化子混合模式相關聯。共振結構之光譜及角位置在消光及發射(未圖示)兩者方面可依賴於天線之大小、形狀及材料、天線陣列之週期性、波導及塗層之存在及厚度，以及透明基板740及介質760的折射率而調諧。此情形允許藉由照明裝置所提供之特殊應用照明分佈的通用設計。舉例而言，省略環繞天線730之塗層750誘發發生表面晶格共振之過大的光學不均勻性。或者，將基板740及材料760之折射率增加至波長轉換材料720之折射率或高於該折射率將防止出現波導模式。
因此，提出一種經設計以提供一特殊應用照明分佈之照明裝置，其包含：(i)一光源，其經配置以發射在一主波長處之光，(ii)一波導結構，其包含一波長轉換介質，該波長轉換介質以與該光源之光接收關係來配置且經設計以將該主波長光之至少部分轉換成副波長光，及一週期性天線陣列，其經安置成緊密接近於該波長轉換介質，且經配置以使得該天線陣列支援個別天線中之局域化表面電漿子共振與波導模式的耦合以用於實現該特殊應用照明分佈。在實施例中，天線陣列係用用於增加天線環境之光學均勻性的塗層來囊封以用於支援由個別天線中之局域化表面電漿 子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振。
儘管已參考上文所描述之實施例闡明本發明，但應顯而易見，可使用替代實施例來達成相同之目標。本發明之範疇因此不限於上文所描述之實施例。因此，僅藉由申請專利範圍及其等效物限制本發明之精神及範疇。
100‧‧‧照明裝置
110‧‧‧光源
111‧‧‧主波長光
120‧‧‧波長轉換介質/波長轉換裝置/波長轉換材料
122‧‧‧副波長光
140‧‧‧(透明)基板/可變形聚合物基板
160‧‧‧可選準直光學器件
200‧‧‧光軸
300‧‧‧週期性天線陣列
301‧‧‧天線
310‧‧‧第一子陣列
311‧‧‧第一天線
320‧‧‧第二子陣列
321‧‧‧天線
322‧‧‧第二天線
400‧‧‧曲線/發射光譜
410‧‧‧曲線
420‧‧‧曲線
500‧‧‧照明裝置/分佈式回饋雷射/分佈式回饋表面極化子採光裝置
510‧‧‧光源
511‧‧‧主波長光
520‧‧‧波長轉換介質
522‧‧‧副波長光
530‧‧‧週期性天線陣列
560‧‧‧光學腔
561‧‧‧鏡
562‧‧‧鏡
720‧‧‧波長轉換介質/波長轉換材料/波導
730‧‧‧天線陣列/天線
740‧‧‧透明基板
750‧‧‧塗層
760‧‧‧透明介質/材料
圖1示意性地展示根據本發明之實施例之照明裝置。
圖2A概略地展示週期性天線陣列。
圖2B展示隨平行於陣列之平面的波向量及頻率而變之通過圖2A之天線陣列的透射率。
圖3示意性地展示關於照明裝置之發射特性之天線陣列參數的調整之效應。
圖4示意性地展示天線陣列之實施例。
圖5示意性地展示根據本發明之實施例之照明裝置。
圖6A展示隨平行於陣列之平面的波向量及光頻率而變的通過圖5之實施例之天線陣列的光之消光。
圖6B展示隨針對以約1.2°之角度入射之光的光頻率及天線長度而變的通過圖5之另一實施例之天線陣列的光之消光。
圖7A示意性地展示根據本發明之實施例之展現波導結構的照明裝置之部分。
圖7B展示通過圖7A之波導結構之光的消光。
100‧‧‧照明裝置
110‧‧‧光源
111‧‧‧主波長光
120‧‧‧波長轉換介質/波長轉換裝置/波長轉換材料
122‧‧‧副波長光
140‧‧‧(透明)基板/可變形聚合物基板
160‧‧‧可選準直光學器件
200‧‧‧光軸
300‧‧‧週期性天線陣列

Claims (15)

  1. 一種照明裝置，其經設計以提供一照明分佈，該照明裝置包含：一光源，其經配置以發射在一第一波長之一第一光，一波長轉換介質，其係配置以將該第一波長之該第一光之至少部分轉換成在一第二波長之一第二光，該波長轉換介質係經形成為一板(slab)，及一週期性天線陣列，其包含經安置成接近(proximate)於該波長轉換介質之複數個天線，其中該週期性天線陣列支援由該等天線之至少一者中之局域化表面電漿子(plasmon)共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振。
  2. 如請求項1之照明裝置，其中該天線陣列支援至少在該第一波長及該第二波長中之一者之表面晶格共振。
  3. 如請求項1之照明裝置，其中該週期性天線陣列之一週期性為該第一波長或該第二波長之數量級(order)。
  4. 如請求項1之照明裝置，其中該週期性天線陣列之該週期性經配置，以使得該第二光係在一預定義立體角Ω內以相對於該照明裝置之一光軸的一預定義角α發射。
  5. 如請求項1之照明裝置，其中該週期性天線陣列嵌入於一基板與該波長轉換介質之間，其中該基板及該波長轉換介質具有實質上相同之折射率。
  6. 如請求項5之照明裝置，其中該基板經配置為可拉伸可控制的以用於調整該週期性天線陣列之該週期性。
  7. 如前述請求項中任一項之照明裝置，其中該週期性天線 陣列包含第一天線之一第一子陣列及第二天線之一第二子陣列，其中該第一子陣列及該第二子陣列為交織的。
  8. 如請求項7之照明裝置，其中該等第一天線及該等第二天線具有選自由圓形、橢圓形、多邊形及實質上多邊形形狀組成之群組的一形狀。
  9. 如請求項7之照明裝置，其中該第一子陣列及該第二子陣列係選自由一正方形陣列、一矩形陣列、一三角形陣列、一六邊形陣列及一準晶體陣列組成的群組。
  10. 如請求項7之照明裝置，其中該波長轉換介質包含具有一第一發射波長範圍之一第一磷光體及具有一第二發射波長範圍之一第二磷光體，且其中該第一子陣列經配置以使得其支援在該第一發射波長範圍內在該第二光由個別第一天線中之局域化表面電漿子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振，且其中該第二子陣列經配置以使得其支援在該第二發射波長範圍內在該第二光由個別第二天線中之局域化表面電漿子共振的繞射耦合所引起之表面晶格共振。
  11. 如請求項1之照明裝置，其中該週期性天線陣列經配置以使得該天線陣列支援在該波長轉換介質之發射光譜內之一頻率間隙。
  12. 如請求項1或11之照明裝置，其中該週期性天線陣列經配置以使得該天線陣列支援在該第二波長之一電磁誘發式透明性(transparency)。
  13. 如請求項12之照明裝置，其中該天線陣列經配置以使得 其支援在靠近該第二波長之表面晶格共振，且一瑞雷異常在對應於該第二波長之一頻率下跨越一表面晶格共振。
  14. 如請求項11之照明裝置，其中該裝置進一步包含嵌入該波長轉換介質及該天線陣列之一腔。
  15. 如請求項1至6中任一項之照明裝置，其中該光源包含一發光二極體或一雷射二極體。
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