專利名稱：一種選擇性匯聚的光學器件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可選擇波長進行匯聚輸出的光學器件，該光學器件能夠將 受光面的入射光轉換為特定波長的光，并在光學器件的固定端面匯聚輸出。
背景技術：
光的匯聚對光學器件、光能利用等都有著重要的意義。而傳統幾何光學意義的 光的匯聚通常有兩種形式一種是通過透射折射匯聚，即采用一定幾何形狀的透鏡或者 菲涅爾透鏡使光折射，有規律地改變平行光的傳播方向從而在焦點產生匯聚。一種是通 過反射匯聚，即采用拋物鏡面、球鏡面等凹面鏡對入射平行光反射而使光線在焦點產生 匯聚。然而上述兩種幾何光學的光匯聚形式存在以下局限一是只有平行傳播的光才能 被匯聚，漫散射光無法通過上述兩種形式匯聚；二是光只能在透鏡或凹面反射鏡的焦點 處被匯聚，焦點的位置會隨著入射平行光線方向的變化而改變。現有技術中的一種新形式的染料聚光片，請參見圖2。該聚光片是在高折射率體 相材料91中摻雜熒光物質染料92，通過染料的熒光作用，將受光面部分波長的入射光轉 化為各向同性的同一波長的熒光，通過高折射率材料的內部全反射和周邊及底面的高反 射層，將轉化后的內部熒光匯聚在體相材料的一個固定邊緣的出光面，從而實現對受光 面入射光的匯聚。這種聚光片能夠匯聚平行光和漫反射光，且匯聚光與入射光線的方向基本無 關。但由于1、只能轉化入射光中部分能夠激發染料的波長的光。2、無法克服摻雜染 料分子對內部光線的重復吸收而使內部光快速衰減。3、體相材料的內部全反射存在逃逸 角，處于全反射逃逸角內的光線能夠從入射面逃逸，從而無法避免逃逸光的能量損失。 4、染料容易被光漂白，造成染料聚光片極不穩定，壽命很短。專利號為US6476312B1的美國專利公開了另一種新穎的平板聚光裝置，該平板 聚光裝置將納米晶摻雜入高折射透明材料，利用納米晶的熒光效應和體相材料的內部全 反射效應，將光匯聚到體相材料的一個固定邊緣。雖然納米晶的光致發光的吸收和發射波長可由納米晶的粒徑控制，材料相對穩 定，但由于納米晶材料的單分散性很難控制，多分散的納米晶同樣存在熒光Strock效 應和發射-吸收光譜的重疊，避免不了重復吸收的問題，從而使整個器件的光學效率降 低，無法達到實用狀態；并且由于入射面同樣采用內部全反射將熒光導向匯聚端面，也 無法避免全反射逃逸角的光損失。
實用新型內容本實用新型為了解決現有匯聚光學器件存在逃逸角和重復吸收的技術問題，提 供了一種選擇性匯聚的光學器件。為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為設計一種選擇性匯聚的光 學器件，其特征在于包括由上至下依次層疊的選擇性反射膜層、上導光層、光頻轉換膜層、下導光層、反射層和封裝保護層，所述光學器件的一側面為出光面，其余側面均 由內向外設置有所述的反射層和封裝保護層。所述選擇性反射膜層由一維光子晶體、二維光子晶體或三維光子晶體的任一種 構成。所述光頻轉換層由將入射光轉換為各向同性同一波長光發射的有機或無機熒光 轉換物質或半導體納米晶構成；所述光子晶體的禁帶波長與該光頻轉換層發射光的波長 相同。所述光頻轉換層為整體結構、多層復合結構、點陣結構或條形圖案化膜層結構 的任一種或上述結構的組合。所述的上、下導光層由高透過率的有機或無機材料、真空腔體或高透過率的液 體腔體的任一種構成。所述反射層為金屬鏡面反射層、有機或無機漫反射層或一維、二維、三維光子 晶體的任一種。所述封裝保護層由有機樹脂或無機鍍膜材料構成。所述出光面位置處設置有一光電轉換裝置。與現有技術相比，本實用新型通過在光學器件的設置選擇性反射膜層、上導光 層、光頻轉換膜層、下導光層、反射層，且選擇性反射膜層由禁帶波長落入目標匯聚波 長之中的一維、二維或三維光子晶體構成，光頻轉換膜層將入射光轉換為與選擇性反射 膜層光子晶體的禁帶波長相同的光并經過選擇性反射膜層或反射層的反射從出光面射 出，從而克服了現有技術中光從逃選角逃逸出去的問題。同時，由于光頻轉換膜層采用 膜層結構，其下面設置有下導光層和反射層，克服了光重復吸收的問題。本實用新型選擇性匯聚的光學器件具有以下優點1、光匯聚端面固定，且輸 出光強基本與入射光線方向無關；2、既能夠匯聚平行光，又能夠匯聚漫散射光；3、能 夠通過調整選擇性反射膜層的禁帶波長及光頻轉換層的發射波長，調整匯聚光的輸出波 長；4、光頻轉換層由于采用膜層結構，較大程度地避免了重復吸收問題；5、光頻轉換 層采用膜層結構，基本可實現入射光的全光譜利用；6、由于采用選擇性反射膜層，基本 避免了全反射的逃逸角導致透射出去從而造成光能損失問題；7、聚光比與受光面面積和 光匯聚面面積的比值成正比關系，聚光比可調。
下面結合實施例和附圖對本實用新型進行詳細說明，其中附圖1是本實用新型選擇性匯聚的光學器件結構與聚光原理示意圖；附圖2是現有技術染料聚光片的聚光原理圖。附圖3a是光子晶體選擇反射膜層波長-透過率圖。附圖3b是光子晶體選擇反射膜層波長_反射率圖。
具體實施方式
請參見圖1。本實用新型選擇性匯聚的光學器件包括由上至下依次排列的選擇性 反射膜層1、上導光層2、光頻轉換膜層3、下導光層4、反射層5、封裝保護層6，在選擇性匯聚的光學器件的右側面為出光面7，其余側面均由內向外設置有反射層和封裝保護 層。在出光面7所在的側面還設置有一光電轉換裝置8，所述的光電轉換裝置可以是光電 池或光導等。光電轉換裝置8用于將出光面獲得的匯聚光轉化成電信號輸出。本實施例 中，選擇性反射膜層1采用一維光子晶體構成，根據需要也可以選擇二維光子晶體構成 或三維光子晶體構成。光子晶體是由兩種或兩種以上具有不同介電常數的材料在空間周期性排列而形 成的一種人造晶體。根據不同介電常數材料的空間排列方式，光子晶體可分為一維、二 維和三維光子晶體。光子晶體存在光子帶隙，落入光子帶隙內的波長的光不能在光子晶體中傳播， 因而呈現出全反射現象，而且這種全反射與入射光的方向無關，不存在光的逃逸角，此 時的光子帶隙對應的光的波長在本設計中稱為光子晶體的禁帶波長。因此，選擇周期性排列的光子晶體“晶格物質”的介電常數、空間尺度和占空 比，就能夠控制不同波長的光在其中的傳播狀態，從而對選定的目標波長的光發生全反 射，而對其余光線則幾乎完全透明。圖3a為一光子晶體透過波長與透過率關系圖，圖3b為該光子晶體反射波長與反 射率關系圖。由圖可見，光子晶體可對某些波長的光透射絕大部分而反射很少部分，或 者對某些波長的光反射絕大部分而透射很少一部分。本實用新型在選擇性反射膜層1中正是要利用光子晶體的該種特性來選擇性反 射或透射光線，使入射光的一小部分反射，而大部分透過選擇性反射膜層。同時透過的 光經光頻轉換膜層3轉換成與光子晶體的禁帶波長相同的光，從而使轉換后的光在選擇 性反射膜層1中全反射，最后匯聚到光電轉換裝置7中，減少了光的損失。即選擇性反射膜層1的光子晶體的光子晶體禁帶波長與光頻轉換層的發射光的 波長相同，落入目標匯聚波長之中。光子晶體禁帶波長即為使光頻轉換層的轉換后光的 發射的轉換光在選擇性反射膜層全反射時光子晶體光子帶隙對應的光的波長。光子晶體可采用真空鍍膜、微加工刻蝕、干涉光引發有機聚合、靜電力組裝、 重力沉降、離心力沉降微粒等方法制作。光頻轉換膜層3采用有機或無機熒光下轉換、有機或無機熒光上轉換或半導體 納米晶等光致發光材料構成，且由上述光致發光材料形成整體膜層結構或膜層組合結 構，或者由上述光致發光材料構成的點陣膜層結構或條形圖案化膜層結構。也可以是上 述結構的組合。光頻轉換膜層3將入射光轉化為各向同性的同一波長的光，且光頻轉換 膜層發射光的波長與選擇性反射膜層1的光子晶體的禁帶波長相同，以使經過轉換后的 發射光能在選擇性反射膜層1發生全反射并最后從出光面7射出。同時，光頻轉換膜層3采用膜層結構也可防止光頻轉換膜層的物質對光線的重 復吸收。上、下導光層是采用高透過率的有機或者無機材料構成，也可以由真空腔體、 高透過率的液體腔體、二維光子晶體構成。反射層5采用金屬鏡面反射層、有機或無機漫反射層，或采用一維、二維、三 維禁帶光子晶體構成，其設置在底面和三個側面，以將射到反射層的光線反射最后從出 光面7射出。[0035]封裝保護層6是耐候性有機樹脂材料或無機鍍膜材料，用于保護光學器件。受光面入射光I經過選擇性反射膜層1后，極少部分的特定波長的光I’被反 射，其余波長的光透過選擇性反射膜層1，并經過高透的上導光層2到達光頻轉換膜層 3，經過光頻轉換膜層3的光致發光材料的轉換，發射出各向同性的、與I’相同波長的光 I”，經過上層的選擇性反射膜1和底面及側面反射膜5的反射，最終匯聚到出光面7并 射出光Ιο。本實用新型能夠將受光面的入射平行光和漫散射光轉化為特定波長的光，并 將該特定波長的光輸出，在出光面得到與(受光面面積/出光面面積)比值成正比關系的 匯聚光，且輸出光的強度與入射光線的方向基本無關。因此，可根據需要選擇光子晶體 的禁帶波長和光頻轉換膜層的光致發光材料即可在出光面7處得到實際需要的匯聚光。本實用新型選擇性匯聚的光學器件可通過如下方法制作方法1 通過垂直沉積法將粒徑為266納米的苯乙烯微粒沉積到2.5mm厚，50mm*50mm 高透過率的光學玻璃片上，形成一層選擇性反射的光子晶體薄膜，即選擇性反射膜層1， 其反射禁帶波長為630nm。采用真空鍍膜的方式將同時具有上下轉換光致發光效應的CaS:Eu Sm蒸鍍到此 玻璃片的另一面，形成光頻轉換膜層3，其轉換后發射波長峰值位于625nm、630nm。用高透過率的EVA光學膠與下層相同的玻璃片粘合，形成夾層結構，從而形成 下導光層4。底面和邊緣三個側面真空蒸鍍高反射率的鋁，形成反射層5，留出一側面作為匯 聚光的出光面7，再在反射層5的外側采用有機樹脂或無機鍍膜材料形成一封裝保護層 6。在出光面得到與(受光面面積\輸出面積)比值呈正比關系的匯聚紅光。方法2 通過垂直沉積法將粒徑為230納米的聚苯乙烯微球沉積到厚度為2.5mm，面積為 100mm*100mm的高透過率的光學玻璃片正面上，形成一層選擇性反射的光子晶體薄膜， 即選擇性反射膜層1，其反射禁帶波長為520nm。采用真空鍍膜的方式將發射520nm波長光的光致發光材料SrA1204:Eu2+，Dy3+ 蒸鍍在形成光子晶體薄膜的玻璃鏡片的另一面，形成光頻轉換膜層3。用高透過率的EVA光學膠與下層相同的玻璃片粘合，形成夾層結構，從而形成 下導光層4。底面和邊緣三個側面真空蒸鍍高漫反射率的硫酸鋇，形成反射層5，留出剩余的 一側面作為匯聚光的出光面7，再在反射層5的外側采用有機樹脂或無機鍍膜材料形成一 封裝保護層6。在出光面得到與(受光面面積\輸出面積)比值呈正比關系的匯聚綠光。方法3 通過垂直沉積法將粒徑為189納米的苯乙烯微球沉積在厚度為3mm，面積為 150mm*150mm的高透過率玻璃片的正面，形成一層選擇性反射的光子晶體薄膜，即選擇 性反射膜層1，其反射禁帶波長為440nm。采用真空鍍膜的方式將發射440nm波長光的光致發光材料CaA1204:Eu2+， Nd3+，La3+蒸鍍在形成光子晶體薄膜的玻璃鏡片的另一面，形成光頻轉換膜層3。用高透過率的EVA光學膠與下層相同的玻璃片粘合，形成夾層結構，從而形成下導光層4。底面和邊緣三個側面真空蒸鍍高反射率的金屬銀，形成反射層5，留出剩余的一 側面作為匯聚光的出光面7，再在反射層5的外側采用有機樹脂或無機鍍膜材料形成一封 裝保護層6。在出光面得到與(受光面面積\輸出面積)比值呈正比關系的匯聚藍光。方法4 通過真空蒸鍍的方式在厚度為3mm，面積為50ιηιη*50·的高透過率玻璃片的 正面交替蒸鍍MgF和Zns各10層，形成禁帶波長為SOOnm的一維光子晶體薄膜1。采用旋轉涂膜的方式將發射SOOnm的有機/無機雜化的光致發光材料在形成光 子晶體薄膜的玻璃片的另一面形成光頻轉換膜層3。底面和邊緣三個側面真空蒸鍍高反射率的金屬銀，形成反射層5，留出剩余的一 側面作為匯聚光的出光面7，再在反射層5的外側采用有機樹脂或無機鍍膜材料形成一封 裝保護層6。在出光面得到與(受光面面積\輸出面積)比值呈正比關系的匯聚近紅外光。所述方法中的光致發光材料即為本設計光頻轉換層所述的有機或無機熒光轉換 物質或半導體納米晶。
權利要求1.一種選擇性匯聚的光學器件，其特征在于包括由上至下依次層疊的選擇性反射 膜層(1)、上導光層(2)、光頻轉換膜層(3)、下導光層(4)、反射層(5)和封裝保護層 (6)，所述光學器件的一側面為出光面(7)，其余側面均由內向外設置有所述的反射層 (5)和封裝保護層(6)。
2.根據權利要求1所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述選擇性反射膜 層(1)由一維光子晶體、二維光子晶體或三維光子晶體的任一種構成。
3.根據權利要求2所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述光頻轉換層(3) 由將入射光轉換為各向同性同一波長光發射的有機或無機熒光轉換物質或半導體納米晶 構成；所述光子晶體的禁帶波長與該光頻轉換層發射光的波長相同。
4.根據權利要求3所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述光頻轉換層(3) 為整體結構、多層復合結構、點陣結構或條形圖案化膜層結構的任一種或上述結構的組 合。
5.根據權利要求4所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述的上、下導光 層(2、4)由高透過率的有機或無機材料、真空腔體或高透過率的液體腔體的任一種構 成。
6.根據權利要求5所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述反射層(5)為金 屬鏡面反射層、有機或無機漫反射層或一維、二維、三維光子晶體的任一種。
7.根據權利要求6所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述封裝保護層(6) 由有機樹脂或無機鍍膜材料構成。
8.根據權利要求1所述的選擇性匯聚的光學器件，其特征在于所述出光面(7)位置 處設置有一光電轉換裝置(8)。
專利摘要本實用新型公開一種選擇性匯聚的光學器件，包括由上至下依次層疊的選擇性反射膜層(1)、上導光層(2)、光頻轉換膜層(3)、下導光層(4)、反射層(5)和封裝保護層(6)，所述光學器件的一側面為出光面(7)，其余側面均由內向外設置有所述的反射層(5)和封裝保護層(6)。本實用新型選擇性匯聚的光學器件可用于光線的匯聚并在出光面射出同一波長的光。
文檔編號H01L31/052GK201804887SQ20102028530
公開日2011年4月20日 申請日期2010年8月6日 優先權日2010年8月6日
發明者白金 申請人:白金, 許昭明