專利名稱：具有非平面長通反射器的基于熒光粉的光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及光源。更具體地說，本發明涉及這樣一種光源，其中從發光二極管(LED)發射的光照射到熒光材料上并激發熒光材料，該熒光材料進而發出可見光。
技術討論利用發光二極管(LED)的白光源可以有兩種基本結構。在一種本文中稱之為直接發光式LED的基本結構中，通過不同顏色的LED直接發光而產生白光。例子包括紅色LED、綠色LED和藍色LED的組合，以及藍色LED和黃色LED的組合。在本文中稱之為基于LED-受激熒光粉的光源(PLED)的另一種基本結構中，單個LED產生的光束處于較窄的波長范圍內，該光束照射到熒光材料上并激發熒光材料產生可見光。該熒光粉可以包含不同種類的熒光材料的混合物或復合物，并且由熒光粉發出的光可以包括分布在整個可見光波長范圍的多條窄的發射線，使得所發出的光在人類的肉眼看來基本上呈白色。
PLED的一個例子是照射熒光粉的藍色LED，所述熒光粉將藍色轉變為紅色和綠色波長。部分藍色激發光不會被熒光粉吸收，而這部分殘余的藍色激發光與熒光粉發出的紅光和綠光混合起來。PLED的另一個例子是照射熒光粉的紫外(UV)LED，所述熒光粉吸收UV光并使其轉變為紅、綠和藍光。
白光PLED優于直接發光式白LED之處在于，其具有更好的與設備老化程度和溫度相關的色彩穩定性，以及更好的不同批次之間以及不同設備之間的色彩一致性/重復性。不過，PLED會不如直接發光式LED有效率，部分原因在于熒光粉吸收光和再發光過程中的低效率。
白光PLED可以包括位于反射式熱沉中的UV發射半導體芯片(晶片)。該反射式熱沉也可以用來部分地校準UV光。所述UV光對含熒光粉的層的下側進行照射，該含熒光粉的層吸收至少一部分UV光并發射多個波長在可見光區域的光，以便提供在普通觀看者看來基本呈白色的光源。圖1顯示了這種PLED 10的一種結構。該PLED包括安裝在導電熱沉14的凹井中的半導體的LED 12，該熱沉也向熒光粉反射器組件16反射一些從LED 12發出的光。該組件16可存在于光學透明封裝材料18中，該光學透明封裝材料可被制成具有透鏡外形20的形狀以調整由PLED 10發出的光。在圖2中更詳細地顯示出熒光粉組件16。以粘合劑將一種或多種熒光材料混合起來而使熒光粉形成層22。反射UV激發光而透射可見發射光的長通(LP)反射器24可以放在熒光層22的上表面上。反射可見光而透射UV光的短通(SP)反射器26可以放在層22的底部。
對于給定的熒光粉濃度，熒光層的最佳厚度是有效吸收UV光(傾向于光學上的厚熒光層)與有效發射可見光(傾向于光學上的薄熒光層)之間的折衷。此外，由于UV光的強度在熒光層22的底部最大，且有用光從熒光層22的頂部分離出來，因此熒光層22的厚度增大至超過最佳厚度將迅速降低整個PLED的輸出和效率。
LP反射器24和SP反射器26的存在能提高PLED 10的效率。LP反射器24把沒有被熒光層22吸收而可能會被浪費掉的UV光反射回熒光層22。這增加了透過熒光層的UV光的有效光程長度，對于給定的熒光層厚度提高了被熒光粉吸收的UV光的量。因此與沒有LP反射器24的結構相比，可以減小最佳的熒光層厚度，提高發光效率。
PLED中的另一顯著損失是由于熒光層中方向未受控制的發光，導致熒光層22中發出的可見光中一半被導回到LED。這些光中的一部分可以通過反射離開熱沉的斜壁而被捕獲，但這些光中的大部分被散射、吸收或質量降低。如圖所示，通過把SP反射器26放在LED 12和熒光層22之間可以減少該損失。
進一步提高PLED結構的效率是很有利的。簡化PLED的制造并降低制造成本也是很有利的。
發明概要本發明披露了針對濾光元件(即LP和SP反射器)而利用聚合物多層光學膜的PLED。這些多層光學膜包括單獨的光學層，至少其中某些可以是雙折射的，在膜厚方向排列成光學重復單元。相鄰的光學層具有這樣的折射率關系，即保持反射率并避免中高入射角的p-偏振光泄漏。SP反射器包括具有厚度梯度的光學重復單元，所述厚度梯度產生能反射由熒光粉發出的可見光并透射UV激發光的反射波段。LP反射器包括具有不同厚度梯度的光學重復單元，所述厚度梯度產生能反射UV激發光并透射由熒光粉發出的可見光的反射波段。作為PLED的組成部分，一個或多個聚合物多層光學膜可以是平面結構或至少一個膜可以被模壓加工或者被制成曲面，無論是球面、拋物面、橢圓面或其他形狀都可以。
還披露了制造PLED的方法，這些方法包括形成具有至少一個聚合物多層光學膜以及熒光層的薄片材料。在有些情況下熒光粉可以夾在兩個聚合物多層光學膜(一個為SP反射器，另一個為LP反射器)之間。在另一些情況下熒光層可以只設置在一個聚合物多層光學膜上。一個或多個聚合物多層光學膜和熒光層形成熒光層-反射器組件。可以將所述薄片材料切成熒光層-反射器組件的各個獨立的小片，隨后將該小片放入透明封裝材料中或注模成第一光學元件，然后再與分開制造的LED元件結合起來。薄片材料可以包括支撐膜，以便以方便的卷形式來保持和儲存熒光粉-反射器組件的小片，直至需要使用。可以通過把含有LED的下面部分與含有熒光粉-反射器組的上面部分連接起來而制成PLED。在有些情況下也可以對所述薄片材料進行模壓加工。
本說明書披露了PLED的實施例，其中曲面LP反射器與熒光層分開放置，或至少與該熒光層的中間明亮部分分開放置，從而使沒有被熒光層吸收的任何UV激發光以有限的入射角范圍照射LP反射器并更有效地反射回熒光層。
本申請披露了利用與多層光學膜和熒光層接近的氣隙來促進全內反射的PLED實施例。
本申請披露了利用非成像會聚元件組合來提高LP和/或SP反射器的性能的PLED實施例。
本申請還披露了PLED的另一實施例，其中LED、LP反射器和熒光層的排列布置，使得來自LED的激發光直接反射到熒光層前主表面上。
下面的詳細說明將進一步闡明所披露的實施例的上述這些方面以及其他方面。不過，無論如何不應把以上概括解釋為對所要求保護的主題的限制，該主題只通過所附的權利要求來確定，在申請過程中可能會對權利要求進行修改。
對于附圖的參考貫穿說明書全文，其中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1是基于受LED激發的熒光粉的光源(PLED)的示意性截面圖；圖2是在圖1所示的光源中使用的熒光粉-反射器組件的截面圖；圖3表示含有呈薄片形式并被細分成各個獨立的小片的熒光粉-反射器組件的卷形物；圖4是顯示位于支撐膜上的熒光粉-反射器組件的各個獨立的小片的示意性截面圖；圖5-7是可選的PLED結構的示意性截面圖；圖8表示另一種PLED結構的一部分；圖9是另一種PLED結構的示意性截面圖；圖10是另一種PLED結構的示意性側視圖，其中與圖9的實施例一樣，利用了前表面照射。
圖11是設置了非成像會聚元件的另一種PLED結構的示意性側視圖；
圖12是圖11的一部分的近距視圖；圖13-17是PLED結構的其它實施例的示意性截面圖；圖18-21是PLED結構的其它實施例的截面圖；圖22是例1和例2的光強度譜曲線圖；圖23是例3、例4和例5的光強度譜曲線圖；圖24是例6、例7和例8的光強度譜曲線圖；以及圖25是例9和例10的光強度譜曲線圖。
具體實施例方式
盡管如圖1-2所示使用LP反射器24和SP反射器26兩者或兩者之一都可以提高系統效率，但由于一些反射器的光譜選擇性差以及在傾斜入射角度的反射率低，這種提高是有限的。基于散射過程的LP反射鏡或濾波器能獲得相對穩定的與入射角相關的性能，但光譜選擇性低。由無機介電材料堆疊構成的LP和SP反射鏡在窄的入射角范圍內可以有良好的光譜選擇性，但又存在隨著入射角而發生光譜藍移以及在中高入射角度上p-偏振光的反射率低(透射率高)的問題。由于熒光粉粒子散射UV激發光，并在寬的角度范圍內發射它們自己的光，因此傳統的LP和SP反射鏡不能高效地把光控制在熒光粉-反射器組件以內。
PLED的性能可以通過使用聚合物多層光學膜來提高，該多層光學膜具有至少第一和第二聚合物材料的數十、數百或數千的交替疊置層，對所述第一和第二聚合物材料的厚度和折射率加以選擇以獲得在所需光譜范圍內的理想反射率，比如反射波段限定為UV波長或反射波段限定為可見波長。例如，參見美國專利No.5882774(Jonza等)。與由無機各向同性材料疊層結構產生的有關藍移類似，這些薄膜產生的反射波段也隨著入射角的增大而發生藍移，但可以這樣處理聚合物多層光學膜，使得一對相鄰的層在薄膜法向z軸上具有匹配或接近匹配或者有意不匹配的折射率，從而使相鄰層間的各個界面對p-偏振光的反射率隨著入射角而緩慢地減小，或者基本上與入射角無關，或者隨著入射角偏離法向而增大。因此，這種聚合物多層光學膜即使在高度傾斜的入射角度上也能對于p-偏振光保持高的反射度，與傳統的無機各向同性堆疊反射器相比減少了透過反射膜的p-偏振光。為了獲得這些特性，選擇聚合物材料和工藝條件，使得每一對相鄰的光學層沿z軸(平行于膜厚)的折射率差不大于沿x或y(平面內)軸的折射率差的分數，該分數為0.5、0.25、或甚至0.1。另外，沿z軸方向的折射率差還可以與平面內折射率差的符號相反。
使用聚合物多層光學膜還使得各種各樣的新型PLED實施例以及構造方法成為可能，因為這些薄膜具有柔韌性和可成形性，無論它們是否還具有上述折射率關系。例如，聚合物多層光學膜可以通過模壓加工、加熱成形或其他已知方法永久地變形成三維形狀，比如拋物面、球面或橢圓面的一部分。請參見普通公開申請US2002/0154406(Merrill等)。關于其他聚合物多層膜的實施例，還請參見美國專利No.5540978(Schrenk)。與通常一層接一層地蒸鍍到剛性易碎的基底上而形成的傳統的無機各向同性堆疊結構不同，聚合物多層光學膜可被制成大體積的卷形，也能被層疊到其他薄膜上并覆以涂層，且能夠被沖壓或細分成小片以便加入到光學系統如PLED中，如下文將要進一步說明的那樣。細分聚合物多層光學膜的方法在2002年10月10日提交的序列號為No.10/268,118的待批美國申請中有所披露。
多種聚合物材料都適于用在針對PLED的多層光學膜中。不過，特別是在含有與UV LED激發源結合的白光熒光粉發射器的PLED中，多層光學膜優選地包含由暴露于UV光下時能抗退化的材料構成的交疊聚合物層。關于這方面，尤其優選的聚合物對是聚對苯二甲酸乙二酯(PET)/共聚甲基丙烯酸甲酯(co-PMMA)。聚合物反射器的UV穩定性也能通過加入非UV吸收性光穩定劑如受阻胺光穩定劑(HALS)來提高。在有些情況下聚合物多層光學膜還可以包括透明的金屬或金屬氧化物層。參見例如PCT公開WO97/01778(Ouderkirk等)。極高強度UV光甚至能使堅硬的聚合物材料復合物發生不可接受的退化，在使用這種極高強度UV光的應用中，使用無機材料來形成多層堆疊結構可能是有益的。該無機材料層可以是各向同性的，或者可以被制成具有雙折射性，如PCT公開WO01/75490(Weber)所述，從而具有如上所述的能產生增強的p-偏振光反射率的有益的折射率關系。不過，在大部分情況下多層光學膜基本上完全用聚合物而不用無機物材料制成是最便利也最節約成本的。
圖3表示薄片材料30形成的卷，該材料包含至少一個聚合物多層光學膜以及涂覆在該多層光學膜上的基本均勻的熒光層。薄片材料也可以包含以下述方式施加在其上的第二聚合物多層光學膜，即，熒光層夾在第一和第二聚合物多層光學膜之間，如圖2所示。還可以包含提供所希望的機械、化學和/或光學特性的附加的層和涂層。參見美國專利No.6,368,699(Gilbert等)。薄片材料30還優選地包括支撐膜。薄片材料通過機械手段(例如，刀)、精密沖切或通過如上述待批申請No.10/268,118所描述的掃描激光射線來壓邊切削。壓邊切削線界定薄片材料上分立的小片32，但支撐膜保持完整。小片32可以有類似于如圖2所示的橫截面結構，并可以是任意小的尺寸。它們由位于其下的如圖4所示的支撐膜34方便地支撐著。在PLED的制造過程(該過程獨立于LED光源的構造過程)中，可將小片32從支撐膜上移走并放置在各個單獨的模子中，而該模子中將要添加或事先已經添加了封裝材料，以便形成如圖1所示的PLED，但其中反射器元件使用聚合物多層光學膜。
圖5-7表示利用凹形多層光學膜LP反射器的PLED的可選結構。使LP反射器與熒光粉分開設置并使其彎向熒光粉和LED 12有助于減小照射在LP反射器上的激發光的入射角，從而減少上述藍移效應所導致的透過LP反射器的UV光泄漏。在放入透明介質18中以前，優選將多層光學膜通過模壓加工或其他適當的工藝永久地變形成適當形狀的凹面。多層光學膜，無論LP還是SP，都是它們各自反射波段內的鏡面反射器。從多層光學膜的漫反射通常忽略不計。
圖5中，PLED 40包括較小面積的熒光層42，該熒光層設置在可有可無的、由聚合物多層光學膜組成的SP反射器44上。LP反射器46已被模壓加工成了凹形并設置在熒光粉-反射器組件的其他元件(42，44)附近。將LED 12和熱沉14布置成使LED發出的UV激發光導向熒光層42的中間部分。優選地，UV光對熒光層42的中部或其附近影響最大。在其初次穿過熒光層42時沒有被吸收的UV光在被LP46反射回熒光層之前先通過LP反射器46與熒光層42之間的區域48。該區域48可以由透明封裝材料18構成，或可選地由其他聚合物材料、或空氣(或其他氣體)、或者玻璃構成。優選地將LP反射器46制成一定的形狀，以使反射回熒光粉的UV激發光量最大化。
圖6表示類似于PLED 40的PLED 50，但PLED 50中熒光層52、SP反射器54以及LP反射器56的尺寸增大了。對于從LED 12到熒光層的給定距離和相同的熱沉14的幾何形狀，LP反射器56越大，光在熒光層中部的會聚程度就越高。熒光層中央發光區越小代表從熒光粉發出的光到LP反射器表面的入射角范圍越小，從而提高了整個PLED的效率。如前所述，區域58可以由封裝材料18或其他聚合物材料或空氣(或其他氣體)或玻璃構成。
如圖7所示，PLED 60類似于PLED 50，但PLED 60中LP反射器66也成為了光源的外表面。區域68可以填充封裝材料18或其他透明介質。
圖5-7中所示的熒光層可以是連續的，或者被制成將熒光粉限定在最有效區域的樣式。此外，在圖1和圖5-7所示以及其他實施例中，熒光粉-反射器組件設置在LED上方并與LED分開設置，因而PLED可以分成兩部分來制造一部分包含帶有熱沉的LED，另一部分包含熒光層和多層反射器。這兩部分可以分別制造，然后連接或者緊固在一起。這種制作技術有助于簡化加工并提高總產量。
圖8表現了能夠有益地應用到本文所述的其它實施例中的構思在LED和熒光層之間設置氣隙，和/或在熒光層-反射器組件的一個或多個元件附近設置氣隙。為簡化說明起見，只在圖中示出了PLED的一些元件。圖中顯示，氣隙70在LED 12和熒光層72之間，與多層光學膜SP反射器74鄰近。該氣隙對于從LED到達熒光層的UV光的有害影響極小，因為UV光從LED到達熒光層的角度相對較小。但對于以大的入射角傳輸的光，例如在SP反射器、熒光層和LP反射器內傳輸的光，該氣隙能使光發生全內反射(TIR)。在圖8所示的實施例中SP反射器的效率通過使反射器74在下表面上產生的TIR來提高。可選地，可以除去SP反射器74而在熒光層72下面直接形成氣隙。該氣隙還可以在熒光層72的上方形成，或鄰近LP反射器的上表面或下表面形成。一種提供氣隙的方法涉及已知的微結構薄膜的使用。這類薄膜具有與微結構表面相對放置的基本上平的表面。該微結構表面的特征在于單一一組線性V形槽或棱鏡，構成微型錐體陣列的V形槽的多個相交的組，一組或多組狹脊，等等。當這種薄膜的微結構表面靠著另一平的薄膜放置時，在微結構表面的最高的部分之間形成氣隙。
當熒光粉把一個波長(激發波長)的光轉變為其他波長(發射波長)時會發熱。在熒光粉附近的氣隙可以顯著降低從熒光粉到周圍材料的熱傳導。降低的熱傳導可以通過其他方式來補償，比如通過在熒光層附近設置能橫向除熱的玻璃層或透明陶瓷層。
提高PLED的效率的另一種方法是設置LED、熒光層以及LP反射器，以使至少一部分來自LED的UV光由LP反射器直接反射到熒光層的頂(可視)面上，而不是把所有的UV光都引導到熒光層的底面上。圖9表示了這種PLED 80。熱沉14’相對上述實施例進行了修改以便LED 12和熒光層82能夠基本共面地安裝。SP反射器顯示為在熒光層的下面，但在許多情況下不需要這樣。這是因為被模壓加工成凹橢圓體形或類似形狀的LP反射器86將UV激發光直接從LED引導到熒光層82的上表面上，該表面面對PLED 80的前面。LED和熒光層優選地設置在所述橢圓體的焦點上。熒光層發出的可見光由LP反射器86透射并由PLED體的圓形前端會聚以形成希望的形式或可見(優選的是白色)光。
把激發光直接導至熒光層的前表面有很多好處。熒光層最亮的部分——在這里激發光最強——現在可以暴露在器件的前面而不會因穿過熒光層的厚度而模糊不清。熒光層基本上可以制得更厚以便吸收基本上所有的UV激發光，而無需考慮上面提及的厚度/亮度的折衷。熒光粉可以設置在寬帶金屬反射鏡上，該金屬反射鏡包括銀或強化鋁。
圖10示意性地表示另一PLED實施例，其中LED光照射熒光層的前表面，但其中一些LED光也照射后表面。在該實施例中，LED12發出的一部分光照射在熒光層92的后表面上，但一些LED的光也從凹形LP反射器96反射以照射熒光層92的前表面而不透過熒光層。然后，熒光層92發出的可見光向著觀看者或要照明的物體穿透過LP反射器96。LED、熒光層以及LP反射器都可以插入或連接到如前面實施例所示的透明封裝材料介質中。
圖11示意性地表示另一PLED實施例，其中設置有非成像會聚元件組合以便提高多層光學膜的操作性能。具體地講，如該圖所示在LED 12、SP反射器104、熒光層102和LP反射器106之間設有會聚元件100a、100b、100c。該會聚元件具有使照射到多層反射器上的光的角分布減小、從而減少上述反射波段的藍移的作用，所述藍移在上文結合圖5-7已經描述過。該會聚元件可以是具有平的側壁的簡單錐體的形式，或者側壁可以具有根據光的傳輸方向能增強準直或聚焦作用的已知的更復雜的曲面形狀。在任何情況下會聚元件的側壁是反射式的，而兩端(一端小，一端大)則不是。在圖11中，LED 12設置在會聚元件100a的小端。會聚元件100a收集由LED發出的寬角度范圍的光，在光傳播到會聚元件100a的大端時該范圍會縮小，在該大端處安裝有SP反射器104。UV激發光透過SP反射器并到達會聚元件100b，該會聚元件使光會聚到熒光層102上(雖然增大了光的角分布)。熒光層102向下發出的寬角度范圍的可見光被會聚元件100b在SP反射器104上轉變為窄角度范圍，在該SP反射器104上被向上反射回熒光層102。其間，透過熒光層102而泄漏的UV光以及由熒光層102向上發射的可見光最初具有寬的角分布，但被會聚元件100c轉變為較小的角分布，結果，LP反射器106使由熒光粉發射的可見光更好地透過而將UV光反射回熒光層。
為盡可能多地捕獲LED激發光，會聚元件100a的小端可以具有凹穴以便至少捕獲一些由LED側面發出的光，如圖12所示。
本文中披露的實施例可以運用各種各樣的熒光材料。熒光材料通常是無機成分的組合，具有300-450納米范圍內的激發光波長以及可見光波長范圍內的發射光波長。在熒光材料具有窄的發射波長范圍的情況下，可配制熒光材料混合物，以便獲得觀看者所感覺到的希望的色彩平衡，例如配制發紅光、綠光以及藍光的熒光粉的混合物。具有較寬發光波段的熒光材料對于獲得具有相對較高的彩色再現率的熒光粉混合物很有用。理想地，熒光粉應具有快速的輻射衰減速率。熒光粉混合物可以包含分散在粘合劑(例如，環氧樹脂、膠粘劑或聚合物基體)中的1-25微米大小范圍內的熒光粉粒子，而所述粘合劑可以涂在基底例如LED或薄膜上。將大約300至470nm范圍內的光轉變成更長波長的光的熒光粉是現有技術中公知的。例如，參見由英國埃塞克斯的熒光粉技術有限公司(Phosphor Technology Ltd.)提供的熒光粉系列。熒光粉包括摻雜了稀土的石榴石、硅酸鹽和其他陶瓷材料。本文中所用的術語“熒光粉”還可以包括有機熒光材料，包括熒光染料和顏料。優選的是在300-470nm的輻射下具有高穩定性的材料，尤其是無機熒光粉。
部分術語表LED發光二極管，無論是可見光、紫外光還是紅外光，且無論相干光還是非相干光。本文中所用的術語包括作為“LED”市售的不相干(且通常便宜的)環氧樹脂封裝的半導體器件，無論是傳統的還是超輻射類型。本文中所用的該術語還包括半導體激光二極管。
可見光可被人類肉眼察覺的光，一般在大約400至700nm的波長范圍內。
光學重復單元(“ORU”)在垂直多層光學膜的厚度方向重復的至少兩個獨立層形成的堆疊結構，而對應的重復層不需要有相同的厚度。
光學厚度給定主體的物理厚度乘以它的折射率。一般情況下，這是波長和偏振態的函數。
反射波段較高反射率的光譜區域，其兩側均為較低的反射率區域。
紫外光(UV)波長在大約300至大約400nm范圍內的光。
白光刺激人眼中的紅色、綠色和藍色傳感器而使普通觀察者會覺得呈現“白色”的光。這種光可以偏紅色(通常是指暖白光)或偏藍色(通常是指冷白光)。這種光可有達100的色彩再現率。
進一步討論本文中所述的干涉反射器包括由有機材料、無機材料或有機與無機材料的復合物形成的反射器。干涉反射器可以是多層干涉反射器。干涉反射器可以是柔性干涉反射器。柔性干涉反射器可以由聚合材料、非聚合材料或聚合與非聚合材料構成。示例性的薄膜包括美國專利No.6,010,751和No.6,172,810以及EP733,919A2所披露的聚合與非聚合材料。
本文中所述的干涉反射器可以由柔性、塑性或可變形材料構成，自身可以是柔性、塑性或可變形的。這些干涉反射器可以彎曲到具有能與傳統的LED一起使用的半徑，即，半徑為從0.5至5mm。這些柔性干涉反射器可以彎曲并仍保留其彎曲前的光學特性。
可考慮使用已知的自組裝周期性結構(比如，膽甾型反射偏振器和某些嵌段共聚物)來制作用于這一應用目的的多層光干涉器。膽甾型反射鏡可以利用左、右手性螺距成分的組合來制作。
在說明性實施例中，部分透過所有藍光波長的長通濾波器可與薄的黃色熒光層聯合使用，以便將LED發出的部分藍光在第一次透過熒光粉之后又導回到熒光層上。
除了反射UV光以外，多層光學膜的一個功能是可以阻擋UV光的透射，從而防止LED組件內或LED組件外的后續元件的退化，包括防止傷害人眼。在一些實施例中，在離UV反射器最遠離LED的一側加上UV吸收器可能是有利的。該UV吸收器可以位于多層光學膜的內部、上面或旁邊。
盡管現有技術中已知各種各樣的方法來制造干涉濾波器，但全聚合物結構能提供制造和成本方面的很多好處。如果在干涉濾波器中使用光學透射性高以及折射率差大的高溫聚合物，那么就能制造出又薄又很柔韌的又耐各種環境的濾波器，以符合短通(SP)和長通(LP)濾波器的光學需要。具體地講，US6,531,230(Weber等)教導的共擠出多層干涉濾波器可以提供精確的波長選擇，并能進行大面積的經濟的制造。使用具有大的折射率差的聚合物對，能夠制造很薄但反射性高的獨立式反射鏡，即沒有基底的反射鏡，這種反射鏡也很容易加工。即使加熱成形或彎曲成具有小至1mm的曲率半徑時，這種干涉結構也不會破裂、破碎或退化。
全聚合物濾波器可以加熱成形為各種三維形狀比如半球形圓頂(如下所述)。不過，必須小心控制變薄的過程，使在整個圓頂表面的量達到一個恰當的水平，以便產生希望的角度特性。具有簡單二維曲線形狀的濾波器比三維復雜形狀的濾波器更容易制造。特別地，任何薄且柔性濾波器可以彎曲成例如圓柱體的一部分那樣的二維形狀，在這種情況下不需要全聚合物濾波器。通過這種方式可以把在薄的聚合物基底上的多層無機濾波器制成一定的形狀，也能把在厚度小于200微米的玻璃基底上的無機多層制成一定的形狀。后者可能必須加熱到接近玻璃化轉變溫度以獲得低應力的永久變形。
長通和短通濾波器的最佳波段邊界可以根據系統中LED和熒光粉的發射光譜來確定，所述系統中設計有濾波器在其中工作。在說明性實施例中，對于短通濾波器，基本上所有的LED輻射透過濾波器以激發熒光粉，并且基本上所有的熒光粉輻射被濾波器反射，因而它們不進入LED或其基底結構，在該基底結構處它們可能會被吸收。因此，短通所確定的波段邊界位于在LED的平均輻射波長與熒光粉的平均輻射波長之間。在說明性實施例中，濾波器位于LED和熒光粉之間。不過，如果濾波器是平面的，那么從通常的LED發出的輻射光將在各種各樣的角度上照射濾波器，在某些入射角上時被濾波器反射并無法到達熒光粉。除非濾波器彎曲成保持幾乎恒定的入射角，人們可能希望把上述期望的波段邊界設置成大于熒光粉和LED輻射曲線的中點以優化整個系統的性能。特別地，幾乎沒有熒光粉輻射會在接近零度的入射角上被引導到濾波器上，因為所包括的立體角非常小。
在另一個說明性實施例中，長通反射式濾波器離開LED放置在熒光層對面以使LED激發光重新回到熒光粉上從而提高系統效率。在該說明性實施例中，如果LED的輻射在可見光譜內且需要大量光來平衡熒光粉的彩色輸出，那么可以省略長通濾波器。不過，通過在大于正入射的角度上能透過更多藍光的光譜角位移，透過部分短波光例如藍光的長通濾波器可用來優化藍色-LED/黃色-熒光粉系統的角度性能。
在另一個說明性實施例中，LP濾波器被彎曲，以便使LED發射到濾波器上的光的入射角保持接近恒定。在該實施例中，熒光粉和LED兩者都面向LP濾波器的一側。在大的入射角上，LP濾波器不會反射短波光。因此，LP濾波器的長波波段邊界可設定在盡可能長的波長并盡可能少地阻擋熒光粉輻射。此外，可以改變波段邊界的設定以優化整個系統效率。
本文中所定義的術語“鄰近”或“附近”是指相近的兩個物體之間的相對位置關系。鄰近的物體可以相互接觸，或通過把一種或多種材料放置在相鄰物體之間而相互隔離。
LED激發光可以是LED光源所能發出的任何光。LED激發光可以是UV或藍光。藍光也可以包括紫光和靛藍光。LED包括自發射器件以及用于激發的或超輻射的發射器件，包括激光二極管以及垂直空腔表面發射的激光二極管。
本文中所述的熒光層可以是連續或不連續層。熒光材料層可以是均勻或不均勻形式。熒光材料層可以是具有小的橫截面積的多個區域，例如具有小于10000微米2或從500到10000微米2的俯視面積的多個“點”。在說明性實施例中，多個點中的每一個可以由發射一個或多個不同波長的可見光的熒光粉形成，例如，發紅光的點，發藍光的點和發綠光的點。可以以想要的任何均勻或不均勻方式排列和構造發射多個波長的可見光的點。例如，熒光材料層可以是沿表面或區域具有不均勻密度梯度的多個點。所述“點”可以是任意規則或不規則形狀，無需在俯視圖上呈圓形。熒光材料可以在多層光學膜的共擠壓表面層中。
如下所述，結構化的熒光層可以通過多種方式構造，以提供性能方面的好處。當多種熒光粉類型用于提供更寬或更全的光譜輸出，那么來自短波熒光粉的光可以被其他熒光粉重新吸收。包括每一種熒光粉類型的孤立的點、線或孤立的區域的形式減少了重新吸收的光量。這對于空腔型結構特別有效，在這些結構中非吸收型泵浦光被反射回熒光粉。
多層結構也能減少吸收。例如，這樣會比較有利，即由每一種熒光粉按順序形成層，且最長的波長發射器最靠近激發光源。更靠近發射器發出的光，平均來說在整個熒光層內所經歷的多重散射程度會比靠近輸出表面發出的光大。由于所發射的最短波長最傾向于再吸收，因此有利的是將波長最短的熒光粉放在最靠近輸出表面的位置。此外，有利的是對每一層用不同的厚度，以便當激發光通過多層結構傳播時補償其逐漸降低的強度。對于具有相似的吸收和發射效率的熒光層來說，從激發一側到出射一側逐漸變薄的各層將在各自層內對降低的激發強度作出補償。另外還有利的是把短通濾波器放置在不同熒光層之間，減少所發出的熒光的向后散射以及減少其被位置靠前的熒光層重新吸收。
具有熒光涂層的薄膜結構的成形工藝也能用來制造適于切割成用于二極管的獨立單元的小結構陣列。例如，可以壓印出小圓頂或半球形陣列，其中每一個可用于減少PLED中有時出現的“光圈效應”(如下所述)。
非散射熒光層與多層光學膜結合可以提高光輸出。非散射熒光層可以含有在折射率匹配的粘合劑(例如，具有高折射率的惰性納米粒子的粘合劑)中的傳統熒光粉、傳統熒光組合物的納米大小的粒子(例如，其中粒子的大小很小并可忽略光的散射)，或通過使用量子點熒光粉。量子點熒光粉是基于半導體例如硫化鎘的光發射器，其中的粒子足夠小以致于電子結構受到粒子大小的影響和控制。因此，吸收和發射光譜通過粒子大小來控制。量子點在美國專利No.6,501,091中有所披露。
本文中披露的實施例中，包含熒光粉/反射器組件的第一光學元件可以在后來連接到LED基底上；熱沉可以任選地包括透明熱沉，熒光層和干涉濾波器可以連接到該透明熱沉上。透明熱沉可以是放在熒光層/干涉濾波器與LED基底之間的藍寶石層。大部分玻璃的熱導率比聚合物高，也能用作此功能。許多其它晶體材料的熱導率比大部分玻璃更高，也能用在本發明中。藍寶石層可以與金屬熱沉在邊緣部分接觸。
在說明性實施例中，在涂覆干涉濾波器(即，具有熒光層的聚合物干涉濾波器)之前，可對濾波器的表面進行提高涂層粘性的處理。最佳的處理根據濾波器的表層以及根據熒光涂層中的材料尤其是用來使熒光粉粒子保持在表面上的粘合劑來確定。表面處理可以是標準的電暈放電處理，或者在電暈放電后隨后再刷底涂層。底涂層通常小于1微米厚。有用的底涂層材料是PVDC、磺化聚酯和其他無定形聚酯比如Vitel，馬來共聚物比如Bynel(杜邦(Dupont))和Admer(三井化學(Mitsui Chemicals))，以及EVA比如Elvax(杜邦)。用于熒光層的粘合劑可以是熱塑性的和/或可加熱變形的，且可以是例如含氟聚合物，或硅基材料。
其他可選的底涂層包括，例如，真空鍍膜層，優選的是來自高能源比如離子束或等離子氣體源，其中離子或等離子成分轟擊聚合物表面同時沉積底涂層。該底涂層通常是無機材料層比如二氧化鈦或二氧化硅層。
盡管較多地關注了把熒光粉用于使短波光下轉換為可見光，但也可能使紅外輻射上轉換為可見光。上轉換的熒光粉在現有技術中是已知的，且通常用兩個或多個紅外光子來產生一個可見光子。用來泵浦這些熒光粉的紅外LED已得到驗證并非常有效。使用該工藝的可見光源可以通過加上長波(LP)和短波(SP)濾波器而變得更有效，盡管在這種情況下每一種濾波器的功能與在下轉換的熒光粉系統中相比正好相反。SP濾波器可用來把IR光導向熒光粉，同時使可見光透過，而LP濾波器可放在熒光粉和LED之間以便把發出的可見光向外導向預定系統或使用者。
SP或LP的壽命優選地大于或等于同一系統中的LED的壽命。聚合物干涉濾波器的退化可能是由于過熱導致材料發生蠕變，這會改變層厚度值，從而改變濾波器反射的波長。在最壞的情況下，過熱會使聚合物材料熔化，導致材料迅速流動并改變波長選擇以及導致濾波器不均勻。
聚合物材料的退化也可能取決于自身材料由短波(光化)輻射比如藍色、紫色或UV輻射分別所致。退化的速率既依賴于光化光通量又依賴于聚合物的溫度。溫度和光通量一般都會隨著離開LED的距離的增加而降低。從而在高亮度LED、尤其是紫外LED的情況下，有利的是把聚合物濾波器在設計所能允許的范圍內盡可能遠離LED放置。把聚合物濾波器放在如上所述的透明熱沉上也能提高濾波器壽命。對于圓頂型濾波器，光化輻射通量按照離開LED的距離的平方而減少。例如，在其彎曲部分的中心設有單向的1瓦LED以及設有半徑為1cm的半球形MOF反射器，平均亮度為1/(2π)W/cm2(圓頂表面積＝2πcm2)。對于0.5cm的半徑，圓頂上的平均亮度是該值的四倍，即2πW/cm2。設計LED、熒光粉以及多層光學膜系統時可以考慮光通量和溫度控制。
反射式偏振器可以鄰近于多層反射器和/或鄰近于熒光粉材料放置。反射式偏振器發出優選的偏振光并反射其他偏振光。現有技術中已知的熒光層和其他薄膜成分可以使由反射式偏振器反射的偏振光消偏振，且通過熒光層的反射或通過與多層反射器結合的熒光層的反射，光可以循環利用并增大固態光器件(LED)的偏振光亮度。合適的反射式偏振器包括，例如，膽甾型反射式偏振器，具有1/4波長延遲器的膽甾型反射式偏振器，可從3M公司得到的DBEF反射式偏振器或同樣可以從3M公司得到的DRPF反射式偏振器。優選反射式偏振器在較大波長和角度范圍內使由熒光粉發射的光極化，且在LED發射藍光的情況下，也可以反射LED的輻射波長范圍。
合適的多層反射器薄膜是雙折射多層光學膜，其中兩相鄰層在厚度方向上的折射率基本匹配并具有很大的或不存在布魯斯特角(在該角度上p-偏振光的反射率為零)。這使得對于p-偏振光的反射率隨著入射角緩慢減小的多層反射鏡和偏振器的結構與入射角無關，或隨著入射角偏離法向而增大。因此，可得到在寬波段具有(在反射鏡的情況下，對于針對任何入射方向偏振的兩個平面，而在偏振器的情況下，對于所選擇的方向)高反射率的多層膜。這些聚合物多層反射器包括第一和第二熱塑性聚合物交疊設置的層。該交疊層確定了局部坐標系，該坐標系具有平行于所述層面延伸的互相垂直的x和y軸以及垂直于x和y軸的z軸，且其中至少有些層是雙折射的。對于沿第一、第二和第三互相垂直的軸的偏振光，第一和第二層之間的折射率差的絕對值分別為Δx，Δy和Δz。第三軸垂直于薄膜平面，其中Δx大于約0.05，Δz小于約0.05。這些薄膜如美國專利No.5,882,774所述。
非平面定義為不平的表面。非平面可以通過例如是平的物體彎曲形成曲面物體。非平面多層反射器，可以通過直接鑄造成非平面形狀的物體而成或將平面多層反射器加熱成形為非平面多層反射器。非平面多層反射器可以是凹形。在說明性實施例中，非平面多層反射器可以是半球面凹陷形狀。LED可以位于或靠近于非平面多層反射器彎曲部分的中心。在說明性實施例中，非平面多層反射器是開口朝向LED的半球面凹陷形狀。LED的發光區域的橫向尺寸可以小于非平面多層反射器的彎曲部分的最小半徑的1/3，或小于1/6。
圖13是另一實施例PLED結構210的示意性截面圖。圖中顯示，非平面多層反射器224鄰近熒光材料層222，不過非平面多層反射器224只需設置成能使光在熒光材料層222和多層反射器224之間傳播即可。非平面多層反射器224反射LED激發光(比如，UV光或藍光)并透射可見光。該非平面多層反射器224可稱為長通(LP)反射器，如上所述。以上布置可以設置在光學透明材料220內。
非平面多層反射器224可設置在用于接受來自LED 212的光的位置，就像本文所討論的那樣。非平面多層反射器224可以是任意可用的厚度。非平面聚合物多層反射器224可以是5-200微米厚或10-100微米厚。非平面多層反射器224可任選地基本上不含無機材料。
非平面多層反射器224可由在暴露于UV光、藍光或紫光下時能抗退化的材料形成，就像本文所討論的那樣。本文所討論的多層反射器在持續長時間的高強度照射下仍能保持穩定。高強度照射一般可定義為通量級為1-100瓦/平方厘米。干涉反射器的工作溫度可以是100℃或更低，或者65℃或更低。合適的示例性聚合物材料可包括由以下材料形成的抗UV材料例如丙烯酸材料、PET材料、PMMA材料、聚苯乙烯材料、聚碳酸酯材料、THV材料(這些材料可以從3M(明尼蘇達州圣保羅市)得到)以及這些材料的組合。這些材料以及PEN材料可以針對藍色激發光使用。
非平面多層反射器224可沿其長度、寬度或沿長度與寬度二者方向上具有不均勻的厚度或具有厚度梯度。非平面多層反射器224可在非平面多層反射器224的內部區域223具有第一厚度而在非平面多層反射器224的外部區域225具有第二厚度。沿反射器表面的厚度的不同與光譜反射系數中相應的差值或變化有關，相對于較厚的區域，較薄的區域發生藍移。有許多產生厚度梯度的方法。例如，列出幾種的話，厚度梯度可通過加熱成形、模壓加工、激光雕飾或擠壓而形成。
如圖13所示，內部區域223的厚度可大于外部區域225的厚度。增大內部區域223的厚度能減少不希望的所謂“光圈效應”。“光圈效應”是行業中已知的一個問題，其中藍色激發光與黃色轉變光的平衡隨著LED視角而發生變化。這里，內部區域223的厚度可大于外部區域225的厚度以便減少軸向的藍光傳播。
如圖14所示，外部區域325的厚度可大于內部區域323的厚度。以上布置可設置在光學透明材料320中。
非平面多層反射器可設置于任何具有LED的可用結構中，就像本文所討論的那樣。在一個說明性實施例中，非平面多層反射器設置于熒光層和LED之間(參見，例如，圖15-17)。在另一個說明性實施例中，熒光層設置于非平面多層反射器與LED之間(參見，例如圖13、14、16-21)。
非平面多層反射器224/324可被構造成用于反射UV光或藍光并透射至少一部分可見光譜，比如綠、黃或紅光。在另一個說明性實施例中，非平面多層反射器224/324可被構造成用于反射UV光、藍光或綠光并透射至少一部分可見光譜，比如黃光或紅光。
當受到來自LED212/312的激發光照射時，熒光材料層222/322能夠發出可見光。熒光材料層可具有任何可用的厚度。熒光材料層可包含任何數量的粘合劑比如聚酯材料。在另一個說明性實施例中，熒光材料層可包含粘結劑材料。粘結劑材料可以為光學功能性粘結劑。
圖15是另一實施例PLED結構410的示意性截面圖。圖中顯示，非平面多層反射器426鄰近熒光材料層422，不過非平面多層反射器426只需設置成能使光在熒光材料層422和非平面多層反射器426之間傳播即可。非平面多層反射器426反射可見光并透射LED激發光，比如UV光或藍光。該非平面多層反射器426可稱為短通(SP)反射器，如上所述。以上裝置可以設置在光學透明材料420內。
非平面多層反射器426可具有與上述非平面多層反射器424相同的材料并用與非平面多層反射器424相似的方式形成。熒光層422也如上所述。
非平面多層反射器426可設置于任何具有如本文所討論的LED412的可用結構中。在圖15所示的說明性實施例中，非平面多層反射器426設置于熒光層422和LED 412之間。在另一個說明性實施例中，熒光層422設置于非平面多層反射器426與LED 412之間。在一個說明性實施例中，非平面多層反射器426是面向LED 412的半球狀凹形。這樣的設計使得從LED 412發出的光以正入射或接近正入射的角度照射非平面多層反射器426。多層反射器426的非平面幾何形狀允許基本上所有短波光透過非平面多層反射器426而無論它從LED 412的哪一側或哪個方向發出來。
圖16是另一個實施例的PLED結構510的示意性截面圖。圖中顯示，第一非平面多層反射器524與熒光材料層522隔開一段距離而設置，不過第一非平面多層反射器524只需設置成能使光在熒光材料層522與第一非平面多層反射器524之間傳播即可。第一非平面多層反射器524反射LED激發光(比如，UV光或藍光)并透射可見光。該第一非平面多層反射器524可稱為長通(LP)反射器，如上所述。以上布置可以設置在光學透明材料520內。
圖中顯示，第二非平面多層反射器526鄰近熒光材料層22設置，不過第二非平面多層反射器526只需設置成能使光在熒光材料層522和第二非平面多層反射器526之間傳播即可。第二非平面多層反射器526反射可見光并透射LED激發光，比如UV光或藍光。該第二非平面多層反射器526可稱為短通(SP)反射器，如上所述。
所示的熒光層522設置于第一非平面多層反射器524和第二非平面多層反射器526之間。熒光層522如上所述。
圖17是另一實施例PLED結構610的示意性截面圖。圖中顯示，第一非平面多層反射器624鄰近熒光材料層622設置，不過第一非平面多層反射器624只需設置成能使光在熒光材料層622和第一非平面多層反射器624之間傳輸即可。第一非平面多層反射器624反射LED激發光(比如，UV光或藍光)并透射可見光。該第一非平面多層反射器624可稱為長通(LP)反射器，如上所述。以上布置可以設置在光學透明材料620內。
所示的第二非平面多層反射器626鄰近熒光材料層622設置，不過第二非平面多層反射器626只需設置成能使光在熒光材料層622和第二非平面多層反射器626之間傳播即可。第二非平面多層反射器626反射可見光并透射LED激發光，比如UV光或藍光。該第二非平面多層反射器626可稱為短通(SP)反射器，如上所述。
所示的熒光層622設置于第一非平面多層反射器624和第二非平面多層反射器626之間。熒光層622如上所述。
圖18是另一實施例PLED結構710的截面圖。圖中顯示，非平面多層反射器724與熒光材料層722隔開一段距離而設置，不過非平面多層反射器724只需設置成能使光在熒光材料層722與非平面多層反射器724之間傳播即可。非平面多層反射器724反射LED激發光(比如，UV光或藍光)，并透射可見光。該非平面多層反射器724可稱為長通(LP)反射器，如上所述。
所示的熒光層722設置于LED 712和非平面聚合物多層反射器724之間。熒光層722同樣如上所述。如圖18所示，熒光層722是包圍LED 712的熒光材料制成的圓頂。
圖中顯示，非平面多層反射器724和熒光層722設置于光學透明體718內。非平面多層反射器724可位于光學透明體718內的或其表面720上的任何位置。
熒光層722可位于光學透明體718內的或其表面720上的任何位置。例如，熒光層722可鄰近LED 712設置，如圖18所示。在另一個說明性實施例中，熒光層822可與LED 812隔開一段距離而設置，如圖19所示。在另一個說明性實施例中，熒光層922可設置于整個光學透明體918的內部或上面，如圖20所示。在另一個說明性實施例中，熒光層1022可設置于光學透明體1018內或上，使熒光層1022在從LED 1012發出的入射光的正入射角方向上具有更大的厚度或密度，而隨著從LED 1012的入射角度增大，其厚度或密度則變小。從而，熒光層1022可具有隨著LED 1012的入射角變化的體積密度梯度和/或表面密度梯度，如圖21所示。
實施例本文中熒光的測量利用分光輻射度計(指定美國佛羅里達州奧蘭多市的Optronic Laboratories，Inc.的OL 770-LED)配合以積分球(指定Optronic Laboratories的OL IS-670-LED)和高精度LED支持器(指定Optronic Laboratories的OL700-80-20)進行。校準分光輻射度計，用以報告在輸入端口進入積分球的總輻射能(以瓦/納米為單位)。使用定制沖壓機從涂覆熒光粉的樣品制得一英寸直徑的圓片。將該圓片裝配到用來安裝在高精度LED支持器上的定制薄膜適配器中。定制的適配器把薄膜樣品支撐在離已封裝LED的基底上大約一英寸的地方。通過把LED安裝到支持器中而進行測量，將具有熒光粉涂層的薄膜放入適配器中，使適配器附著在發光二極管底座上，然后把二極管底座組件插入積分球的入口。如果必要的話，用已校準的中性密度濾波器來調整到達分光輻射度計的探測器的光能級。
除非另行說明，用在以下例子中的多層光學膜等量地反射正入射的兩種偏振態的光(即，每一個獨立的光學層具有沿平面內正交軸方向標稱相等的折射率)。
對于其中給定了熒光層厚度的以下所有的例子，通過從熒光層和基底薄膜的總厚度減去基底薄膜的厚度來確定熒光層厚度。利用具有安裝在針盤量規支架(美國馬賽諸塞州牛頓市的Fred V.Fowler Co.，Inc.，目錄號52-580-020)上的平觸點(同樣來自Fowler，目錄號52-525-035)的針盤指示器(同樣來自Fowler，目錄號52-520-140)來測量厚度。基底薄膜的厚度是在基底薄膜上的隨機位置處的三次測量的平均值。熒光層和基底薄膜的厚度是在熒光層上的隨機位置處的六次測量的平均值。
例1通過以下工序將摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)熒光粉涂在單層透明聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將12.00克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入40毫升玻璃瓶中。在秤盤中稱出15.02克的YAG:Ce熒光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的QMK58/F-U1 Lot# 13235)。首先在樹脂中加入一半熒光粉并用手以不銹鋼抹刀攪拌，然后加入另一半并手動攪拌，以將熒光粉混入樹脂。手動攪拌熒光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得熒光粉糊的瓶子用蓋子蓋住并放在轉瓶裝置上大約30分鐘。
把3M公司(明尼蘇達州圣保羅市)的6英寸寬乘以10英寸長乘以1.5密耳厚的一片單層透明PET膜放置在干凈的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭PET膜的兩面。從轉瓶裝置上將裝有熒光粉糊的瓶子拿下來并把大約5克的糊狀物放入PET膜上的小坑中。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-GardnerUSA的PAR-5357)的5密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化后，熒光粉/樹脂涂層的厚度為1.6密耳。
準備好涂有YAG:Ce的薄膜的1英寸直徑圓片，并裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為涂有熒光粉的一側朝向積分球內。用具有大約463nm峰值波長的藍色LED(指定俄亥俄州施托伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-365)激發熒光粉。通過在藍色LED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂透鏡來修改組件以給藍光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.46伏的電能。用分光輻射度計記錄的熒光層的發射光譜，在圖22中以標記為“例1”的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.068流明。
例2將一片具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約600nm至大約1070nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(根據美國專利No.6,531,230制成)在薄膜適配器中放置在例1的涂有熒光粉的PET膜與例1的藍色LED(工作電流20毫安)之間。記錄光譜，在圖22中以標記為“例2”的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.118流明。這表明發光強度增大了73％。
例3通過以下工序將硫化鋅(ZnS)熒光粉涂在聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將20.04克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入2盎司玻璃瓶中。在秤盤中稱出20.06克的ZnS熒光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的GL29A/N-C1，批號11382)。首先在樹脂中加入一半熒光粉并用手以不銹鋼抹刀攪拌，然后加入另一半并手動攪拌，以將熒光粉混入樹脂。手動攪拌熒光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得熒光粉糊的瓶子用蓋子蓋住并放在轉瓶裝置上大約24小時。
把3M公司(明尼蘇達州圣保羅市)的6英寸寬乘以10英寸長乘以1.5密耳厚的一片透明PET膜放置在干凈的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭PET膜的兩面。從轉瓶裝置上將裝有熒光粉糊的瓶子拿下來并把大約3克的糊狀物放到PET膜上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化后，熒光粉/樹脂涂層的厚度為0.7密耳。
準備好涂有ZnS的薄膜的1英寸直徑圓片，并裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為涂有熒光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發熒光粉。通過在UVLED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的熒光層的發射光譜在圖23中，以標記為“例3”的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.052流明。
例4將一片具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約320nm至大約490nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(根據美國專利No.6,531,230制成)，在薄膜適配器中放置在例3的熒光層頂部上，且例3的UV LED(工作電流20毫安)用作激發源。記錄光譜，在圖23中以標記為“例4”的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.062流明。這表明與例3相比發光強度增大了19％。
例5
通過把兩片多層光學膜(MOF)疊合制成寬波段可見光反射器。利用光學透明粘合劑把具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約490nm至大約610nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層(由明尼蘇達州圣保羅市的3M公司制造)疊合到具有PET和co-PMMA的交疊層上并具有從大約590nm至大約710nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層上。在薄膜適配器中，將所得疊合片放置在例3的涂有熒光粉的PET膜與例3的UV LED(工作電流20毫安)之間。在薄膜適配器中，將一片具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約320nm至大約490nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(由明尼蘇達州圣保羅市的3M公司制造)放置在熒光層頂部上以產生空腔，其中熒光層夾在位于LED一側的可見光反射鏡與位于另一側的UV/藍光反射鏡之間。記錄光譜，在圖23中以標記為“例5”的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.106流明。這表明與例3相比發光強度增大了約104％。
例6通過以下工序將硫化鋅(ZnS)熒光粉涂在聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將例3所述的熒光粉糊涂覆在6英寸寬乘以10英寸長乘以1.5密耳厚的一片透明PET膜上。把PET放在干凈的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭PET膜的兩面。把大約3克的糊狀物放到PET膜上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWRInternational，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化后，熒光粉/樹脂涂層的厚度為1.3密耳。
準備好涂有ZnS的薄膜的1英寸直徑圓片，并裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為涂有熒光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發熒光粉。通過在UVLED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂透鏡來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.18英寸的組件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的熒光層的發射光譜在圖24中以標記為“例6”的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.066流明。
例7在薄膜適配器中，將一片具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約490nm至大約610nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(由明尼蘇達州圣保羅市的3M公司制造)放置在例6的涂有熒光粉的PET膜與例6的UV LED(工作電流20毫安)之間。記錄光譜，在圖24中以標記為“例7”的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.095流明。這表明與例6相比發光強度增大了約44％。
例8通過以下工序將硫化鋅(ZnS)熒光粉涂在聚(對苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
將例3所述的熒光粉糊涂覆在具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約490nm至大約610nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層(由明尼蘇達州圣保羅市的3M公司制造)上。把MOF放在干凈的平面上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF膜的兩面。把大約3克的糊狀物放到MOF膜上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。固化后，熒光粉/樹脂涂層的厚度為1.3密耳。
準備好涂有ZnS的薄膜的1英寸直徑圓片，并裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為涂有熒光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發熒光粉。通過在UVLED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的熒光層的發射光譜在圖24中以標記為“例8”的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.107流明。這表明與例6相比發光強度增大了約62％。
例9通過以下工序將硫化鋅(ZnS)熒光粉涂層絲網印刷在例5所述的多層光學膜(MOF)壓片上。
將150克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入16盎司玻璃瓶中。在秤盤中稱出150克的ZnS熒光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的GL29A/N-C1，批號11382)。利用由氣動馬達驅動的玻璃葉輪攪拌器使熒光粉緩慢地混合到樹脂中。攪拌混合熒光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得熒光粉糊的瓶子用蓋子蓋住并放在轉瓶裝置上大約10分鐘。
在安裝于絲網印刷機(指定瑞典斯德哥爾摩的Svecia SilkscreenMaskiner AB的SSM型)上的每英寸280絲的PET網板上，使用具有每英寸28線分辨率的網調模式進行印刷。網調模式由具有10％、50％和90％覆蓋度的三個區域組成。通過在一片如例5所述的兩層疊合片的MOF膜上軋制一次而印刷出所需模式。
在送風烘箱中使印刷層在大約138℃的溫度下固化15分鐘。固化后，熒光粉/樹脂涂層厚度為0.8密耳。
準備好用具有50％覆蓋度的那部分模式制作的ZnS絲網印刷薄膜的直徑為一英寸的圓片，并裝入如上所述的分光輻射度計中。將圓片定向為涂有熒光粉的一側朝向積分球內。用具有大約395nm峰值波長的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威爾市的Hosfelt Electronics，Inc.的件號25-495)激發熒光粉。通過在UV LED的5mm標準組件的頂部處理掉圓頂來修改組件以向UV光提供平的出射表面。從組件的頂部除去了大約0.180英寸的組件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的電能。用分光輻射度計記錄的熒光層的發射光譜在圖25中以標記為“例9”的曲線表示。利用分光輻射度計提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.052流明。
例10在薄膜適配器中，將一片具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約320nm至大約490nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的多層光學膜(MOF)(由明尼蘇達州圣保羅市的3M公司制造)放在例9的熒光層頂部上，并且例9的UV LED(工作電流20毫安)用作激發光源。記錄光譜，在圖25中以標記為“例10”的曲線表示。利用分光輻射度計中提供的軟件計算總的射入積分球中的光通量為0.078流明。這表明與例9相比發光強度增大了約50％。
例11通過以下工序制作涂覆有硫化鋅(ZnS)熒光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
具有PET和co-PMMA的交疊層并具有從大約590nm至大約710nm的正入射反射波段(在半最大值處測量)的MOF層粘合到聚(氯乙烯)薄片上以形成柔性復合物。該復合物被稱為MOF-PVC。
把MOF-PVC放在干凈的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大約3克的例9所述的ZnS熒光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把涂有熒光粉的MOF-PVC復合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱23秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使涂有熒光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中熒光粉在該半球的凸起一側上。目測半球，可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。熒光層光滑而連續并沒有破裂或分層現象。
例12通過以下工序制作涂覆有硫化鋅(ZnS)熒光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
把例11所述的MOF-PVC片放在干凈的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大約3克的例9所述的ZnS熒光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把涂有熒光粉的MOF-PVC復合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱21秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使涂有熒光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中熒光粉在該半球的凸起一側上。目測半球，可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。熒光層光滑而連續并沒有破裂或分層現象。
例13通過以下工序制作涂覆有摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)熒光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
將20.01克的含氟聚合物樹脂(指定美國亞利桑那州錢德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件號1NR001，revAA，批號KY4-035)放入2盎司玻璃瓶中。在秤盤中稱出19.98克的YAG:Ce熒光粉(指定英國Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的QMK58/F-U1 Lot# 13235)。首先在樹脂中加入一半熒光粉并用手以不銹鋼抹刀攪拌，然后加入另一半并手動攪拌，以將熒光粉混入樹脂。手動攪拌熒光粉和樹脂直到混合物具有光滑的質地和均勻的外觀。將裝有所得熒光粉糊的瓶子用蓋子蓋住并放在轉瓶裝置上大約30分鐘。
把例11所述的MOF-PVC片放在干凈的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大約3克的YAG:Ce熒光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把涂有熒光粉的MOF-PVC復合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱23秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使涂有熒光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中熒光粉在該半球的凸起一側上。目測半球，可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。熒光層光滑而連續并沒有破裂或分層現象。
例14通過以下工序制作涂覆有摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)熒光粉的加熱成形為圓頂形的多層光學膜(MOF)。
把例11所述的MOF-PVC片放在干凈的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的無絨棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把例13描述的大約3克的YAG:Ce熒光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多間隙涂料器(指定美國馬里蘭州哥倫比亞市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳縫隙將熒光粉糊手拉成涂層。濕膜在重力對流爐(指定美國賓西法尼亞州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大約130℃的溫度下固化30分鐘。
把涂有熒光粉的MOF-PVC復合物裝到加熱成形機器內。在270℃的溫度下將所述層狀物加熱21秒。利用具有圓形開口(直徑大約1/2英寸)的板使涂有熒光粉的MOF-PVC成形為大約1/2英寸的半球，其中熒光粉在該半球的凸起一側上。目測半球可知該半球靠近半球外部區域的厚度較厚而在半球內部區域的厚度較薄。熒光層光滑而連續并沒有破裂或分層現象。
例15在上述加熱成形設備中將例11所述的MOF-PVC片在270℃的溫度下加熱16秒。被加熱的MOF-PVC片在真空輔助下被披覆在商業上可購得的5mm LED組件的半球形透鏡上。MOF-PVC獲得對應于半球形透鏡形狀的最終形狀。
利用帕金-埃爾默(Perkin-Elmer)Lambda 19分光光度計測量成形MOF-PVC的透射光譜。成形MOF-PVC的中央部分的光譜在360nm和460nm處為波段邊界，峰值反射率出現在400nm。對于500nm以上的波長該成形MOF-PVC的透射率大于75％。該測得的成形MOF-PVC的光譜位移是由成形處理過程中出現的光學堆疊結構變薄引起的。
對于本領域熟練技術人員而言顯而易見的是，在不背離本發明的范圍和主旨的前提下，可對本發明進行各種修改和變更，且應當理解的是本發明不局限于本文中所列出的說明性實施例。
權利要求
1.一種光源，包括發射激發光的LED；光學透明體；熒光材料，其被設置在光學透明體上或光學透明體中，用于接收所述激發光，當以所述激發光照射時該熒光材料發出可見光；以及非平面柔性多層反射器，其反射所述激發光并透射可見光，該非平面柔性多層反射器被設置在將LED的光反射到所述熒光材料上的位置。
2.根據權利要求1的光源，其中所述非平面柔性多層反射器包含聚合物材料。
3.根據權利要求1的光源，其中所述非平面柔性多層反射器包括第一和第二熱塑性聚合物的交疊層，其中所述層中的至少一些層是雙折射的。
4.根據權利要求1的光源，其中所述熒光材料均勻地設置在光學透明體上或光學透明體中。
5.根據權利要求1的光源，其中所述熒光材料不均勻地設置在光學透明體上或光學透明體中。
6.根據權利要求1的光源，其中所述熒光材料以鄰近所述LED的方式設置于所述光學透明體內，且該光學透明體具有與所述LED隔開一段距離設置的第二區域，該第二區域中沒有熒光材料。
7.根據權利要求1的光源，其中所述熒光材料設置于所述光學透明體內并與所述LED隔開一段距離設置。
8.根據權利要求1的光源，其中所述熒光材料被設置于所述光學透明體上，且該熒光材料具有在所述激發光的第一正入射角度上的第一厚度或第一密度，該第一厚度或第一密度大于在所述激發光的第二非正入射角度上的第二厚度或第二密度。
9.根據權利要求1的光源，其中所述熒光材料設置于所述光學透明體上，并且非平面柔性多層反射器設置于該熒光材料上。
全文摘要
一種光源包括發射激發光的LED、光學透明體、熒光材料和非平面柔性多層反射器，其中所述熒光材料被設置在所述光學透明體上或光學透明體中，用于接收所述的激發光，當以激發光照射時所述熒光材料發出可見光，并且所述非平面柔性多層反射器反射所述激發光并透射可見光。該非平面柔性多層反射器被設置在將LED的光反射到所述熒光材料上的位置。
文檔編號H01L33/00GK1742383SQ200480002805
公開日2006年3月1日 申請日期2004年1月27日 優先權日2003年1月27日
發明者安德魯·J·歐德科克, 約翰·A·惠特利 申請人:3M創新有限公司