用于照明系统的波导装置制造方法

用于照明系统的波导装置制造方法
【专利摘要】诸如光纤的波导（100、101）接收纵向（传播）方向上的初级光。该光纤中形成有散射结构（105、106、107），该散射结构将传播的初级光重新定向成例如沿着横向方向从波导出去。光致发光层（103）吸收该重新定向的初级光以由此发出波长转换的次级光，该波长转换的次级光具有不同于初级光的波长以及比初级光宽的带宽，从而得到白色照明光，该白色照明光是次级光与任何未被吸收的初级光的组合。还描述和声称了其他实施方式。
【专利说明】用于照明系统的波导装置
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2011年4月28日递交的名称为“Waveguide Apparatus forIllumination Systems”的美国临时专利申请N0.61/480, 216的较早申请日的权益。
【技术领域】
[0003]本发明的实施方式总体涉及一种圆柱形波导装置，其作为分布式照明系统的一部分，可以以更定向、更均匀强度和更节能的方式进行白光照明。另一实施方式是用于制造该装置的方法。还描述了其他实施方式。
【背景技术】
[0004]在基本的光纤照明系统中，光源将光射入光纤中，光纤随后用于将射入的光传输到远距离的所需位置。在该远距离的位置，光纤通常在其端面处裸露出，使得光可以射出且照亮在外部且靠近光纤的端面的远距离区域。最近，已经提出，基于光纤的照明系统具有多个区域，各个区域具有不同的折射率，据称这可以用来使传播光沿着光纤的长度从光纤的侧面偏转出。参见Wang等的美国专利5，905，837。通过使用在光纤中的芯和包层之间的折射率之比和光纤中的吸收系数和散射系数之比的组合变化,还已经提出360度或全方向的偏转模式。参见Lieberman等的美国专利6，714，711。随后的努力已经提出，在光纤的芯中使用闪耀衍射光栅，用于将光衍射出光纤，以及光纤外部的凸透镜结构用于接收衍射光且建立线性照明场。参见Carver等的美国专利7，437，035。然而，这些技术在有效地产生具有宽波段可见成分(本文也称为白光)的照明光且确保该照明光沿着光纤的长度具有均匀性这一方面的功效不明显。

【发明内容】

[0005]本发明的一实施方式是一种光波导装置，该光波导装置可以是分布式照明系统的一部分，该分布式照明系统产生具有宽波段的可见内容(白光)的照明且同时允许容易地控制沿着波导的长度的照明的色温和强度均匀性。该装置具有波导，该波导将初级光输送或导向到远距离的位置，即，远离初级光的光源的位置。该波导包含大量的散射结构，该散射结构用于将传播的初级光重新分布或重新定向成从波导的侧面出去且使其具有期望的辐射图案。辐射图案可以是定向的，例如，具有至少一个预定的辐射瓣，该辐射瓣具有小于360度的径向扩展且位于期望的径向位置，且辐射图案可以按照需要定位在纵向方向上。设置了光致发光材料的介质或层，优选设置在波导的外部且沿着波导纵向延伸，以吸收重新定向的初级光，从而发出具有与初级光不同波长的波长转换的次级光。初级光应该是准单波长的或单色的，如通过例如激光器或单色发光二极管(LED)产生，该激光器或单色发光二极管被调整到光致发光介质的主要吸收带。由于在一个实施方式中，波长转换的次级光与任何未被吸收的重新定向的初级光以可以垂直于波导的传播轴线的方向组合，这在远距离的位置处产生宽波段的照明光(这里也称为白光)。照明光基本上可以是波长转换的次级光(其可以具有比初级光的带宽宽的带宽)和重新定向的初级光的任何未被吸收的部分的组合。波导装置也能够远离光转换位置定位初级光源，使得可以减少在该位置的散热。还描述了其他实施方式。
[0006]波导是任何合适的光纤，例如，单包层的、多包层的和光子晶体的或微结构的光纤，由于较低的寄生反射和较低的制造成本，其可以产生较佳的照明效率。在一个实施方式中，光纤可具有芯层和包覆层。散射结构(例如，微漫射体或反射体)优选是先前在光纤内部(或者全部在芯层中，或者部分地在芯中和部分地在包覆层中)形成的激光-感应结构。这些散射结构被设计成根据期望的辐射图案重新定向初级光，所述期望的辐射图案穿过光纤的外侧面或正面；辐射图案因此可以具有通过散射结构的一些特征部分地限定的形状。光致发光层可以被成形为与光纤同心，和/或可以成形为部分地或全部地(例如，取向成垂直于)接收重新定向的初级光的辐射图案。具体地，光转换效率可以通过以下来增强:(a)使波导的几何结构和光致发光层的几何结构匹配(例如，使光致发光层的入射表面符合波导的辐射面或外表面)，和(b)调整波导的材料和光致发光介质的材料之间的折射率差，尤其是在波导材料具有的折射率约等于或小于光致发光介质的折射率的情况下。
[0007]可选的反射体可以被置于波导的后面且可以设计成反射重新定向的初级光和任何非相干的次级光的辐射图案中的一些。例如，反射体可以具有曲线形的反射表面，且可以尺寸设计成且定位成与圆柱形波导同心。然而，通常，反射体可以具有比圆柱形波导的半径大的半径，或者其可以具有非环形的形状，例如，矩形、V-形。此外，或者可能作为替选，反射体可以定位在光致发光介质和波导之间，且被设计成反射次级光，以及使初级光通过。这可以是中间介质或中间层的一部分，该中间介质或该中间层形成在波导的外侧表面和光致发光层的内表面之间。
[0008]在一个实施方式中，通过处理激光感应散射结构以便将它们定位成靠近彼此，例如，从几纳米至几微米，且随着它们沿着波导的长度的位置改变它们的散射强度，可以沿着波导的长度获得均匀地照明，即，相对均匀的或固定的强度和/或色度。这能够使散射强度补偿初级光在波导中沿着散射区域传播时经受的不可避免的功率损耗。此外，通过使用不同波长的多个初级光源，其中来自各个光源的光通过相应的散射结构被散射出且随后通过光致发光层的相应部分吸收，可以改善照明光的色度。通常，散射结构的沿着初级光传播轴线以及横跨或垂直于初级光传播轴线的位置、形状、尺寸、强度、取向和周期性，可以被选择成或者适于产生照明光的所需特性，例如，特意的非均匀的照明图案。
[0009]上述
【发明内容】
不包括本发明的所有方面的详尽列表。可以构思，本发明包括可以从上文汇总的各个方面的所有的合适组合实施的所有系统和方法，以及本申请递交的权利要求书中特别指出的和在下文的详细说明中所描述的系统和方法。这样的组合具有在上面的
【发明内容】
中没有专门提及的特定优点。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]在附图中通过示例而非限制地来说明本发明的实施方式，在附图中，相似的附图标记指示相似的元件。应该注意，在该公开中的本发明提到的“一”实施方式或“一个”实施方式不必是相同的实施方式，其意思是至少一个。
[0011]图1a至图1b是根据本发明的一实施方式的波导装置的侧视剖面图，其示出多种形状和周期性的多种类型的散射结构。
[0012]图1c是通过波导装置提供的照明光的示例性光谱的曲线图。
[0013]图2a至图2c是用于重新定向的初级光的示例性辐射图案的剖面图。
[0014]图3a是完全整合形式的示例性圆柱形波导装置的端部剖面图。
[0015]图3b是参照初级光和次级光的性质叠置的图3a的示例性波导装置的端部剖面图。
[0016]图4是用于耦合到多个不同波长的初级光源的示例性圆柱形波导装置的透视图。
[0017]图5a至图5f是具有光致发光层和反射体的不同组合的示例性圆柱形波导装置的端部剖面图。
[0018]图6a至图6c是示例性波导装置的侧视剖面图，其示出在散射结构和其相关联的光致发光层之间的多种间隔。
[0019]图7示出波导装置的应用。
[0020]图8示出波导装置的另一应用。
【具体实施方式】
[0021]本公开描述了适于有效的分布式照明系统的波导装置，该波导装置可在远离初级光源的位置产生白光，且其辐射图型(包括其径向角和径向扩展)和均匀性沿着波导长度可容易地受控。首先给出本文所用的一些术语的讨论，随后结合附图描述装置的各个实施方式。当在实施方式中描述的部件的形状、相对位置和其他方面没有清楚限定时，本发明的范围不仅仅限于所示出的部件，所示出的部件仅仅表示说明目的。另外，尽管列出大量的细节，但应该理解，本发明的一些实施方式可以脱离这些细节而实施。在其他情况中，公知的结构和技术没有详细示出以便清楚地理解本说明书。
[0022]波长-该术语是指光谱的峰值强度的波长。例如，这可涉及准-单波长的或单色的光源(例如，激光)或其可以涉及较宽光谱、但窄频带的光源(例如，单色LED)。
[0023]初级光和初级光源-这是指可以由任何辐射源产生的、能够引起光致发光材料(本文也称为光致发光层)的区域发光的光。例如，初级光源可以是不相干的、相对宽的光谱的、但“单色”的发光二极管LED，该LED包括有源区(p-n结)，该有源区可包括一个或多个量子肼且可含有GaN、AlGaN和/或InGaN材料。可替选地，初级光源可以是有机发光二极管(OLED)或者基于量子点的光源。可替选地,初级光源可以是相干的、锐谱(sharp spectrum)的光源(如，发出单一波长(本文也称为准单波长)的激光)，或者其可以是多个单一波长的激光，例如，分别发出红光、绿光和蓝光(R，G，B)的激光。
[0024]次级光-其是由光致发光过程产生的光，与初级光相对应。在一个示例中，初级光是由光致发光层吸收的短波长(或“高”光子能)的光(例如，绿光、蓝光或UV光)，而次级光是指通过光致发光层重发射的长波长(或“低”光子能)的光。次级光在本文中还可以称为波长转换的光。
[0025]照明光-该术语是指至少具有人眼可见的光谱部分的光，该光基于光致发光过程产生(次级光)且还可以包括一些未被吸收的初级光。其还可以具有一些不可见的分量，例如，红外光。照明光的光谱功率分布可类似于白色发光二极管(WLED)的光谱功率分布。当初级光的波长与光致发光层的吸收光谱带匹配时，可以提高用于产生照明光的整个过程的效率。
[0026]色彩再现或色温-色彩再现是指通过照明源产生的人眼可见的颜色的质量的测量(光度测量曲线)。一个示例是显色指数CRI。色温是参照黑体辐射的理论的可见光的特征。通常在色度图(CIE坐标)中给出色温。根据本发明的实施方式，例如，通过改变光致发光介质的化学组成，照明光的CRI可以被调整到期望的CRI。通过改变光致发光介质的浓度(例如，粒子密度)和/或厚度可以调整色温。用于调整照明光的CRI或可替选地色域的其他技术包括采用活性成分(诸如在光纤放大器中所用的活性成分)对波导(例如其芯)进行掺杂和/或通过使用多个不同颜色的初级光源。
[0027]激光感应的散射结构-这是指通过暴露于外部高能激光源而使波导材料局部改性。这样的材料改性不限于局部折射率变动,而还可以包括真实的局部材料改性(熔化的结构或空隙率)。可以使用的外部激光处理源包括深UV激光(CW或准分子)，其使用波导材料的固有光敏性以局部改变折射率；如果所处理的波导材料不是足够光敏的，则可以使用高峰值功率飞秒激光。例如，使用干涉仪或相位掩膜，通过使光纤芯暴露于强干涉图案，可在光纤芯内刻有周期性的图案。使用玻璃基体(优选光纤材料)对强激光的非线性响应，可以直接将非周期的散射结构写在光纤芯内。例如，结构的强度可以在Λη=10-7Μ Λη=10-2(折射率的变化幅度)的范围内。在结构已经熔化的情况下，强度可较高。散射结构的周期(例如，光栅周期)可以随机选择，例如，从IOOnm至2微米(根据初级光的波长)的范围。
[0028]现转到图1a 至图lb，这些图是根据本发明的实施方式的波导装置的侧剖面图，其示出其中形成的各种类型的散射结构。在该示例中，通过初级光源116 (出于下文示出的原因，也称为激发光源)产生的初级光111被耦合入波导(例如，波导的端面)且通过波导导引。这里可替选的是，例如，使用沿着波导形成的光纤激光结构(例如，通过激发用染料填充的有孔光纤的掺杂区)，在波导内部产生初级光。波导可以由覆盖有包覆层101的芯100组成。芯介质与包覆层介质接触，且这些介质被设计成使得初级光(在图中用λρ表示)可以在芯中沿着示出的方向且沿着波导的纵向轴线传播。这里，传播是借助全内反射。在一个示例中，波导是光纤，例如，由柔性玻璃制成的多模、单芯、单包覆层的光纤，然而其他类型的圆柱形波导是可行的，诸如:光子晶体光纤；微结构光纤；有孔光纤；多包覆层光纤；和具有芯介质但没有包覆层的光导管，例如:透明杆，除了初级光被向外重新定向的远距离位置之外，该透明杆的周向表面可以包覆有镜层；没有包覆层的透明杆，该透明杆的周向表面暴露于空气，使得空气充当用于传播初级光的包覆层。应该注意，在一些类型的圆柱形波导中，诸如，微结构光纤中，由于微结构光纤的周期性性质引起的阻止在与沿着波导的方向不同的方向上传播的带隙效应，初级光沿着波导传播。
[0029]波导具有如示出的在其中形成的一个或多个散射结构，该散射结构用于将入射的初级光的传播重新定向为从波导的侧面离开。换句话说，初级光被重新定向成相对于波导的纵向轴线或光传播轴线呈所需的非零角度(例如，相对于所述轴线垂直或约90度)。散射结构可以是在横断面中产生入射初级光的共振的限制区(导致重新定向的或散射的初级光，该重新定向的或散射的初级光是相干的且相对于入射初级光可以表现出小的波长偏移)。散射结构可以是激光感应结构；如示出的，通过将外部的、高能量激光施加到波导中选定的位置可以形成这些散射结构。通过调整外部处理激光束的焦点、强度和位置，可以选择在波导中沿着初级光传播方向(纵向轴线)和横穿(垂直于)初级光传播方向(纵向轴线)的散射结构的位置、形状、尺寸、散射强度、倾斜度或取向、和周期性。重定向的初级光的方向性(其围绕波导的纵向轴线的径向角度，和其径向扩展)可以主要是散射结构的倾斜度和周期的函数，但是也可需要整体考虑和平衡其他的参数以获得期望的重新定向的初级光辐射图型。
[0030]例如，图1a示出一组非周期性的散射结构105、散射结构106、散射结构107。这些散射结构可以是全部在芯100内部的微漫射体(结构105)，刚好在连接芯100和包覆层101的界面的一部分中的微漫射体(结构106)，和/或跨越整个芯和包覆层的微漫射体(结构107)。这样的结构105-107的任何合适的组合可以用来限定散射区域；例如，散射区域可以全部由仅一种类型的散射结构构成，例如，仅在芯内部的结构105。图1b示出一组周期性的散射结构108、散射结构109、散射结构110，诸如微反射体或倾斜光栅。这些散射结构也可以全部形成在芯100的内部(结构108)，刚好在连接芯100和包覆层101的界面的一部分中(结构109)，和/或跨越整个界面(结构110)。这样的结构108-110的任何合适的组合可以用来限定散射区域；例如，散射区域可以全部由仅一种类型的散射结构构成，例如，仅跨越整个界面的结构110。通常，可以使用生成用于重新定向的初级光λρ的期望辐射图型的散射结构105-110中的一种或多种散射结构的任何合适的组合和/或变型。散射区域(含有一个或多个散射结构)的长度可以等于或小于与该区域相关联的光致发光层103或光致发光层部分的长度。可替选地，散射区域可以比光致发光层103或光致发光层部分延伸得更远。
[0031]仍然参考图1a至图lb，波导装置具有光致发光层(介质)103，该光致发光层被定位成使得部分地或全部地吸收重新定向的初级光λρ，由此根据光致发光过程发出次级光112 (λ3)。次级光也被称为波长转换的光。得到的该次级光112和任何未被吸收的初级光的组合(λρ; λ s)是期望的照明光113。这样的照明系统在基于圆柱形波导的分布式照明系统领域可提供特定优点，包括能量效率提高、可扩展性和均匀的光输出。
[0032]光致发光层103可以由聚硅氧烷(例如，作为光学透明粘合剂的部分，诸如，聚二甲基硅氧烷PDMS)或其他合适的材料(诸如环氧树脂)与磷光剂的混合物制成。磷光剂的浓度和磷光剂粒子的尺寸可以被选择以改变或控制照明系统的色温和发光效率。应当注意，本文使用的“磷光剂”是指具有发光性的任何材料，例如，磷光材料、荧光材料。层103可以由不同组成的一层或多层构成。例如，磷光剂层可以夹有一个或多个中间非磷光剂层。
[0033]可以添加保护层114，在该情况中，该保护层与光致发光层103的外侧表面接触，以包覆光致发光层，目的是进行物理保护和/或降低层103和外部介质(B卩，在波导装外面)之间的折射率阶跃。参见图3a。保护层114还可以包含抗反射涂层或仅可以是抗反射涂层，其用于减小或最小化次级光λ s从保护层的背面或后表面发生任何背向反射。
[0034]图1c是通过波导装置提供的照明光113的示例光谱的曲线图。此处可以看出，照明光113具有光谱Ι(λρ;λ3)，其中，次级光的带宽(例如，半高全宽(FWHM))给定为Λ λ s，以及初级光的带宽(例如，半高全宽(FWHM))给定为Λ λρ。在多数情况中，Δ Xs将约等于或大于Λ λρ，λρ将小于λ s，即，具有较高的光子能，以及λ s将显著地在光谱的可见部分中。在该示例中，初级光来自单一波长的光源且集中在440nm至490nm之间，即，蓝光，具有数十微微米(准单波长，可以通过激光二极管获得)至数十纳米(LED,或甚至可以比IOOnm宽的超级发光二极管)之间的带宽。对于初级光的波长的其他合意的选项包括紫外线(300nm至400nm)和紫光(400nm至440nm)。然而，更通常地，带宽参数和波长参数可以与上述不同，例如，初级光可以是绿光、红光或甚至部分位于光谱的不可见部分中，例如，近红外。
[0035]关于次级光，图1c示出以约550nm为中心的λ s。这是通过多种通用类型的磷光剂层材料(例如，Ce:YAG)发光的特点。对于白光，照明光113的所需的带宽在380nm至740nm之间。可以有通过光致发光过程产生的某不可见成分，因此实际上照明光的带宽可以比 380nm-740nm 大。
[0036]如图1a中所示，光致发光层103可以位于波导的外部。例如，参见图3a，层103可以直接位于波导的外侧表面上，以与波导形成一体的装置或单一的装置。
[0037]可替选地，中间层102可以设置在光致发光层103和波导之间；该中间层可以用于调节波导和光致发光层103之间的折射率差的阶跃，以能够更有效地将重新定向的初级光耦合出(反射较少)，且可以由玻璃、聚硅氧烷、其他合适的光学透明材料的一个或多个子层制成。中间层102还可包括抗反射涂层或是抗反射涂层，通过重新定向任何背向反射的次级光λ s，即，已经通过背面光致发光层103反射的次级光，该抗反射涂层有助于整体提高照明系统的光透射效率。层102还可以用来将光致发光层103 (其可以是单独的光学制件)连接到波导，例如作为光学透明粘合层。中间层102的厚度可以类似于光致发光层103的厚度，但在一些情况下，例如，在其仅为抗反射涂层或抗反射滤光片的情况下，可以更薄。
[0038]在另一实施方式中,在波导的外侧表面(此处,包覆层101的外侧表面)和光致发光层103之间形成空气间隙，在入射在光致发光层103上之前，重新定向的初级光λρ穿过该空气间隙。
[0039]为了降低在波导和光致发光层103之间的界面处的寄生反射，光致发光层103的形状可以符合重新定向的初级光的辐射图型使得初级光横向入射在层103上。在一个实施方式中，层103符合波导使得其遵循或符合波导的外侧表面或具有与波导的外侧表面相同的形状。例如，在光纤的情况下，层103可具有圆柱形状且还可以被定位成与光纤同心，见图3a。替选例是可行的，例如，如结合图5b和图5d在下文描述的。通常，光致发光层103不需要沿着波导的纵向轴线完全覆盖散射初级光的区域，即，一些散射的初级光可以绕过光致发光层103且仍然有助于所期望的照明。光致发光层103或光致发光层部分的长度可以等于或大于其相关的散射区域，且还可以取决于入射的、重新定向的初级光的角度。
[0040]初级光以可以通过使初级光重新定向的散射结构的形状限定或固定的角度入射在光致发光层103上；这可以被设计成通过光致发光过程实现期望的转换。具体地，通过导向的初级光的某些特征(例如，其波长、偏振状态、模态分布)和散射结构的某些参数(例如，它们沿着/横穿传播轴线的大小、形状和周期性)的组合，给出辐射的初级光的散射效率、分布和方向性。图2a至图2c是用于重新定向的初级光的示例性辐射图型的剖面图，其示出光纤参数和散射结构参数的三种可能的组合，这三种组合为初级高能光提供了三种不同的散射分布。根据散射区域的长度，辐射图型沿着纵向轴线(ζ-方向)延伸。
[0041]在图2a中，单一的微漫射体已经在波导的芯100的内部被处理。例如，初级光111在线性偏振状态中以零度沿着正ζ轴线的方向(进入纸)进入芯100，以及示出得到的散射光分布。在该情况下，存在两个彼此相对的辐射瓣，每个辐射瓣形成具有径向扩展α的大的散射锥。对比来说，图2b示出可以通过例如在芯100内部形成的倾斜光栅产生的图型。在此处，初级光波长被选择成在倾斜光栅的散射波长带的边界(部分相干散射)。此处的散射光分布也呈现两个主瓣，这两个主瓣一起形成散射角α的中等尺寸锥。最后，在图2c中，倾斜光栅已经被设计成使得初级光波长在倾斜光栅的散射波长带的一位置，在该位置处，有最大散射(相干散射)。得到的散射光分布具有单一的主瓣，其角度α比图2a中的角度小。对于许多应用，散射结构应该被设计成为重定向的初级光产生由高达180度的径向覆盖或径向扩展的单一瓣构成(类似于图2c)的辐射图型。
[0042]应当注意，一般来说，在该不同的频带或色带中色散的散射结构将以不同的角度散射。然而，在多数情况下，散射带宽将远宽于此处预期的初级光的相对窄的带宽。
[0043]图3a是示例性圆柱形波导装置的端部剖面图(在方位角平面中)。图3b是参照初级光和次级光的行为叠置的图3a的示例性波导装置的端部剖面图。这也是波导装置的“完全整合”形式可能呈现的样式的示例，其中，装置的元件已经与波导本身组合以本质上形成单一的装置。波导装置包括一组激光感应的散射结构，该散射结构可以是上文描述的散射结构105-110的任一组合，在该情况中，散射结构完全形成在光纤的芯100内。芯100由包覆层101环绕，包覆层101能够使初级光沿着光纤传播。在该情况下，光致发光层103可以已经形成(例如，沉积、溅射或蒸镀)以接触包覆层101的外表面，且延伸以覆盖至少如示出的初级光的方位角散射程度α。作为替选例，光纤可以被嵌入到光致发光介质中，见下文描述的图5c。
[0044]在该实施例中，还已形成反射体104 (例如通过沉积、溅射或蒸镀而形成)，与中间层102接触，定位于光致发光层103的后面，且在该情况下也在光纤本身的后面。在此处，反射体104是与光纤同心的层。反射体104可以是高反射的聚合物(例如，聚邻苯二甲酰胺)的层或铝层。其可以是光纤上的介电层涂层，例如可以沉积在中间层102上。可替选地，反射体104可以定位成远离光纤，作为单独的制件的一部分。
[0045]从图3b中看出，初级光通过散射结构105-110在定义的角度α内部分地散射出纤芯100。初级光随后通过光致发光层103吸收，且在较宽的光谱中再发射。没有由光致发光层直接吸收的初级光则照亮光纤外部的区域(I)。次级光也可以直接照亮光纤外部(2)，或者其可以通过从底部反射体进行反射而间接照亮光纤外部(3)，或者通过在光致发光层103内部分地导向、随后离开反射体104而间接地照亮光纤外部(4)。中间层102的作用可以是调整光纤包覆材料和光致发光层103之间的折射率差异。保护层114的作用是，通过减小光致发光层103和波导装置外部的折射率之间的折射率差，而有助于将波导装置集成在照明系统中。根据集成需要，保护层114和中间层102可需要作为波导装置的一部分或者可以不需要作为波导装置的一部分。
[0046]现转到图4，这是用于联接到多个不同波长的初级光光源的示例性圆柱形波导装置的透视图。在本发明的该实施方式中，该装置具有光致发光层103，其纵向延伸是不连续的或者不均匀的，且由三个部分即部分103a、部分103b和部分103c组成。另外，多个(不同)波长的初级光源，在该示例中三个不同色的单一波长光源λρ1、λρ2、λρ3，被耦合入圆柱形波导的芯100内且通过圆柱形波导的芯100导向。具有一个或多个散射结构105-110的独立组被设计成对各个相应的初级光波长作出反应，或者对具有两个或更多个初级光波长的组作出反应。另外，各个光致发光部分103a-103c可以被设计成对相应的初级光波长作出反应，或者对具有两个或更多个初级光波长的组作出反应。应当注意到，一般来说，该构思可以扩展到不同波长的两个或更多个初级光源。[0047]在图4中，单独组的散射结构105-110被设置成朝向部分103a散射出波长λ pl的初级光，使得结果是，含有λρ1和相关的次级光Xsl的宽波段的照明光113a射出。类似地，单独组的散射结构105-110 (未示出)朝向部分103b散射出波长λρ2的初级光，而另一组散射结构105-110 (未示出)朝向部分103c散射出波长λ ρ3的初级光。因此，结果是，三个宽波段的照明光113a、113b、113c射出。该实施方式可提高照明光的CRI和/或扩展照明光的总光谱，其中λρ1、λρ2、λ ρ3分别通过红光初级光源、绿光初级光源和蓝光初级光源产生。应该注意，在一些情况中，光致发光层部分103a-103c中的一个或多个光致发光层部分可以被选择成不存在，使得在波导装置的该区域中，重新定向的初级光直接照亮波导装置外部的期望的区域，而没有与光致发光介质发生任何相互作用。例如，波导装置的一个覆盖有磷光剂的部分可以产生白光，而“透明”部分(沿着波导纵向隔开)产生蓝光(因为重新定向的初级光在该部分中不与磷光剂介质相互作用)。这可以用来通过将次级光和任何期望的初级光在波导装置的外部混合到一起，来调整照明光的CRI或色温。也可以通过调整任一个初级光源相对于其他初级光源的强度来调节色温。
[0048]应该注意，尽管图4示出通过具有多个离散的波长λρ1、λρ2、λρ3的初级光激发的多部分的光致发光层103a-103c，但该多部分方法对于调节在初级光仅是单一波长的情况下得到的照明光(λρ，As)也可有效。
[0049]此处描述的照明光生成过程的总转化效率可取决于多个因素，包括初级光源的电光功效、Stokes转化效率、光致发光层的量子效率和“封装”效率。封装包括波导装置的总体几何结构以及沿着光的从其在由初级光源发射时的“高能量态”到其通过光致发光层重发射时的“波长转换的状态”的传播路径所涉及的不同材料界面。
[0050]现参照图5a至图5f，这些图是具有光致发光层103和反射体104的不同组合的示例性圆柱形波导装置的端部剖面图。在所有的这些图中，反射体104被称为在波导(由芯100和包覆层101构成)的后面，而光致发光层103被称为是在波导的前面。在图5a和图5b中，反射体104具有面向波导后部的光滑的内曲面且具有比波导大的半径。在图5a中，光致发光层103的内表面全部接触波导的外表面，同时其外表面也通常符合波导的外表面。在此处，层103可以具有数微米至数毫米的厚度。对比来说，在图5b中，层103的内表面不与波导外表面接触，且其外表面不符合波导的外表面。在图5c中，波导被埋入看似是通过反射体104的底壁和侧壁承载的光致发光层/介质103的池中，其中，本质上，波导的全部外表面与层103接触。在该情况下，反射体104可被视为包含有层/介质103的容器，这是因为反射体104的内表面围绕着层103的底部而接触层103的外表面。在图5d至图5f中，反射体104还限定承载波导的容器，且在波导和光致发光层103之间可以有空气间隙。在图5d中，层103附接至位于层103的前面的保护层114且符合该保护层114的形状；层103和保护层114 一起形成可以视为搁置在反射体104的侧壁上的拱形结构。在图5e和图5f中，层103是平坦的，而不是弯曲的，且封住槽状反射体104的顶部；在图5f中，层103形成在导光片115的背面上。
[0051]波导、光致发光层/介质103和反射体104的其他组合是可行的。例如，光致发光介质103可以是形成在圆柱形光学制件的外表面上的曲形层，例如，圆柱形层，其中该圆柱形光学制件环绕矩形波导(具有散射结构，诸如形成在矩形波导内部的倾斜光栅)。
[0052]图6a至图6c是示例性波导装置的侧视剖面图，其示出在散射结构105-110和其相关联的光致发光层103之间的可行的各种间隔。如上文所述，初级光源116产生初级光111，该初级光被耦合入具有包覆层101的圆柱形波导的芯100。初级光沿着波导在波导内传播，直到其通过散射结构105-110重新定向。在图6a中，该重新定向相对于波导的纵向轴线或传播轴线是大约90度，或者重新定向的初级光垂直于纵向轴线或传播轴线。此外，光致发光层103定位在散射结构的正上方，以便提供活性表面，该活性表面优选被取向成相对于重新定向的光呈约90度。对比来说，在图6b中，散射结构使得重新定向的初级光是向前散射的，且进入包覆层101 (而不是垂直于传播轴线)，且散射结构还与层103沿着纵向向后隔开(而不是在层103的正下方)。为了实现这样的前向散射，散射结构的周期可以增大到约I微米且与初级光的波长一致。如图6c所示，在散射区域和其所相关联的光致发光部分(层103)之间的这样的“偏移”的另一变型中，重新定向的初级光被向后散射且进入包覆层101，以及散射结构与层103沿着纵向向前隔开。后两个布置在产生照明光113的效率方面可小于在图6a中的布置。然而，它们可需要满足特定的集成需要或封装需要，不过要以产生照明光方面的较低功率效率为代价。在散射结构的相邻边缘和其所相关联的层103之间的纵向间距可以在数微米或更大的范围内。
[0053]现转向图7，示出了波导装置的背光照明应用的图。在该示例中的背光照明系统具有如下叠层:显示元件阵列305 (例如，在液晶显示器LCD面板中的彩色滤光片的矩阵)，其背面面对一个或多个棱镜片301,随后是扩散片302和导光片303,例如,背板。在导光片303的后面是反射片304，其作用是朝向显示元件阵列305往回反射任何照明光(λ p ; λ s)。通过圆柱形波导装置(此处指，根据本发明的一个实施方式在上文所述的元件100-110的组合)，照明光(λρ;λ3)可以产生为例如小于180度的锥体，如示出的，其从波导的外侧表面辐射出来且入射到导光片303的侧面。导光片303随后向上定向射入的照明光且将其传播到显示元件阵列305的背面上并使其穿过该背面。应该注意，其他背光照明系统是可行的，包括不具有显示元件阵列的背光照明系统，例如，简单的边缘照明系统。
[0054]图8示出了另一显示系统，其中，背光照明光(λρ ; λ s)在背光照明系统的层叠体内产生，而不是在外部产生(通过波导装置)且随后射入层叠体的侧面。除了不存在光致发光介质103之外，该情况中的波导装置可以是类似于图3a中示出的光纤。在该情况中的波导装置可以仅含有下列圆柱形波导元件:芯100、包覆层101、含有选自结构105-110中的一个或多个结构的组合的散射区域、和反射体104 (且中间层102和保护层114是可选的)。重新定向后的初级光λρ (其也可以具有小于180度的细长锥体形状的辐射图案，类似于图2a-图2c中示出的)从侧面散射的细长波导射出且随后射入到特定导光片306的外侧表面。该导光片306具有上表面，该上表面已经涂覆有一层光致发光材料(图8中示为阴影)。该特定的导光片306随后使射入的初级光向上定向且使其传播到光致发光材料层的背面上并穿过该背面，该光致发光材料层随后发出次级光λ3。次级光λ s与未被吸收的λρ—起提供了入射在显示元件阵列305的背面上的期望的照明光。
[0055]一种用于制造波导装置的方法可以如下。除非特别要求，此处的操作不必须具有任何特定的次序。光散射结构的区域形成在波导内，沿着波导的纵向轴线延伸。散射结构的区域适于将在波导中会沿着纵向轴线传播的初级光重新定向为从波导的外侧面射出。光致发光材料的介质形成且定位在波导的外面以吸收重新定向的初级光且由此发出次级光。
[0056]光散射结构的区域的形成可包括激光处理波导，以在其中建立光散射结构的区域。在形成所述光致发光介质之前，可以进行所述激光处理。激光处理可包括改变瞄准波导的处理激光束的焦点强度和位置，以设定所述光散射结构的的下列参数中的一个或多个参数:位置、形状、尺寸、取向或倾斜度和周期性。因此，激光处理可用于生成期望的散射结构，其具有特定的散射强度和定向性。例如，在给定区域内的散射结构可以被写成使得该区域的在沿着所述波导的纵向轴线的近侧位置处的散射强度比远侧位置处的散射强度小；通过补偿当初级光传播穿过散射区域时发生的不可避免的初级光损耗，这可以有助于改善白光沿着波导的强度的均匀性。
[0057]光致发光材料的介质可符合波导的外侧表面。例如，光致发光材料的介质的形成可包括，在波导的侧面上建立光致发光材料的层。在光致发光材料的层形成(在中间层的外侧面上)之前，中间层可以形成在波导的侧面上。该方法可以使用聚硅氧烷-磷光剂的混合物以在光纤上形成光致发光层；该混合物可以在单独的操作中形成且随后分配(或热分配、溅射或蒸镀)在先前制造的光纤上。作为替选例，聚硅氧烷-磷光剂混合物可以直接制在光纤的外侧表面上。例如，聚硅氧烷可以分配在光纤上且随后可以在其上溅射磷光剂。则热退火操作对于聚合可以是必要的。混合物的膜或薄膜可以在单独的操作中制成，且随后沉积或粘结到光纤上以更好地控制层厚。
[0058]替选例是至少部分地(例如，全部)将波导埋入光致发光介质的池中。
[0059]在波导和光致发光材料的介质之间形成的中间层可以适于增大将重新定向的初级光耦合出的效率，例如通过使中间层具有多层透光材料，该多层透光材料的折射率被选择成调整光致发光介质和波导之间的折射率的阶跃。
[0060]该方法还可包括在波导的后面形成反射体，且该反射体面对光致发光材料的介质(在该情况下，其被认为在波导的前面)。反射体可以是V形或曲线形的，例如，U形。反射体可包括反射层，该反射层符合波导的外侧表面且被设计成朝向光致发光介质反射初级光和次级光两者。
[0061]尽管结合附图已经描述和示出了一些实施方式，然而，应该理解，这样的实施方式仅仅是说明本发明而不是限制本发明，且本发明不限于所示出和描述的具体结构和布置，这是因为本领域的技术人员可以做出多种其他变型。例如，尽管图中示出光致发光层103在波导的包覆层101的外部，且因此不接触芯100，不那么合意的替选例是用化学方式或机械方式去除包覆层101的一些部分以产生裸露出芯100的沟槽的效果，随后用光致发光材料填充沟槽。因此，该说明书被视为说明性的而非限制性的。
【权利要求】
1.一种用于照明系统的波导装置，包括: 波导，其中，初级光沿着所述波导的纵向轴线传播，所述波导中形成有第一区域，所述第一区域用来将传播的初级光从所述波导散射出，且所述第一区域沿着所述纵向轴线延伸；和 光致发光介质，所述光致发光介质沿着所述波导的纵向轴线延伸，且被定位成吸收散射后的初级光以由此发射出波长转换的次级光。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光致发光介质符合所述波导的侧表面或具有与所述波导的侧表面相同的形状。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述波导是圆柱形波导。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述波导是不具有包覆层的透明杆。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述波导包括与包覆介质接触的芯介质，其中，所述初级光通过全内反射在所述芯中传播。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，还包括: 用以产生所述初级光的光源，所述光源联接到所述波导的端面以将所述初级光耦合入所述波导。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光源基本上由一个或多个准单波长光源元件构成。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述准单波长光源元件选自红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器以及红光LED、绿光LED和蓝光LED。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，还包括在所述波导的外侧表面和所述光致发光介质之间的中间介质。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，在所述波导的外侧表面和所述光致发光介质之间形成空气间隙。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述中间介质由光学透明粘合剂制成。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述中间介质用于调整所述波导和所述光致发光介质之间的折射率差的阶跃，以便提高将所述初级光从所述波导提取出并入射在所述光致发光介质上的效率且提高将所述次级光从所述光致发光介质提取出的效率。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述中间介质是用以反射所述次级光且使所述初级光通过的反射涂层。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，还包括细长的反射体，所述细长的反射体沿着所述纵向轴线在所述波导的外部且后面延伸且面对位于所述波导的前面的所述光致发光介质。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，还包括细长的反射体，所述细长的反射体沿着所述纵向轴线延伸，被定位在所述波导的外侧面和所述光致发光介质之间，其中，所述反射体使所述初级光通过且反射次级光。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其中，所述波导是光纤，且所述反射体的曲率半径至少等于或大于所述波导的芯-包覆层界面的曲率半径。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，还包括用以产生所述初级光的光源，其中，所述初级光具有准单波长，以及所述次级光具有较宽的波段，且其中，所述准单波长在所述光致发光介质的吸收带或激发带内。
18.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述波导埋入在所述光致发光介质中。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的装置，还包括第二散射区域，所述第二散射区域:a)被定位在比所述第一区域更下游处，且b)当重新定向所述初级光时具有比所述第一区域大的散射强度，其中，所述光致发光介质沿着所述波导的纵向轴线进一步延伸且被定位成吸收来自所述第二散射区域的散射后的初级光以由此发出另外的波长转换的次级光。
20.一种用于制造照明系统用的波导装置的方法，包括: 在波导内形成光散射结构的区域，所述区域沿着所述波导的纵向轴线延伸，其中，散射结构的所述区域用于将在所述波导中沿着所述纵向轴线传播的初级光重新定向成从所述波导的外侧表面出来；和 形成光致发光材料的介质，所述光致发光材料的介质被定位成吸收重新定向的初级光且由此发出次级光。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述形成光散射结构的区域包括: 激光处理所述波导以在所述波导中形成所述光散射结构的区域。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述激光处理包括使用激光干涉技术以在所述波导中写入周期性的散射结构。
23.根据权利要求21或 22所述的方法，其中，在形成所述光致发光介质之前，进行所述激光处理。
24.根据权利要求21或22所述的方法，其中，在已形成所述光致发光介质之后，进行所述激光处理。
25.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中，形成所述光致发光材料的介质包括: 在所述波导的侧表面上建立所述光致发光材料的层。
26.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中，形成所述光致发光材料的介质包括: 在所述波导的侧表面上建立中间层，且随后在所述中间层的外侧表面上建立所述光致发光材料的层。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法，其中，所述激光处理包括: 改变瞄准所述波导的处理激光束的焦点强度和位置，以设定所述光散射结构的位置、形状、尺寸、取向或倾斜度和周期性中的一个或多个，使得所述区域的在沿着所述波导的纵向轴线的近侧位置处的散射强度比远侧位置处的散射强度小。
28.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，还包括: 在所述波导和所述光致发光材料的介质之间形成中间层，其中，所述中间层用于增大将所述重新定向的初级光耦合出的效率且增大将所述次级光从所述光致发光介质提取出的效率。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的方法，还包括: 形成在所述波导后面的反射体，且所述反射体面对在所述波导前面的所述光致发光材料的介质。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述反射体选自平面形的反射体、曲线形的反射体和V形的反射体。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述反射体包括符合所述波导的外侧表面的反射层。
32.根据权利要求20所述的方法，其中，所述波导至少部分地埋入所述光致发光介质中。
33.一种光波导装置,包括: 波导部件，所述波导部件用于导向在纵向方向上传播的初级光，且所述波导部件中形成有用于将传播的初级光重新定向成从所述波导部件出来的部件；和 光致发光部件，所述光致发光部件用于吸收重新定向后的初级光以由此发出具有与所述初级光不同波长的波长转换的次级光。
34.根据权利要求33所述的光波导装置，其中，所述光致发光部件位于所述波导部件的外部以接收从所述波导部件出来的所述重新定向的初级光且发出所述次级光，所述次级光的带宽比所述初级光的带宽大。
35.根据权利要求33所述的光波导装置，其中，所述光致发光部件是不连续的层，所述不连续的层具有沿着所述波导部件的纵向轴线并排布置的a)多个不同组成的部分或b)多个不同厚度的部分。
36.根据权利要求33或34所述的光波导装置，还包括反射体部件，所述反射体部件位于所述波导部件的后面且面对所述波导部件，其中，所述光致发光部件位于所述波导部件的前面。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的光波导装置，还包括用于产生所述初级光的准单波长光源部件，其中，任何未被吸收的重新定向的初级光与所述波导外部的所述波长转换的次级光组合以生成白光。
38.根据权利要求37所述的光波导装置，其中，所述光源部件由单色光源构成。
39.根据权利要求37所述的光波导装置，其中，所述光源部件由多个不同色的光源构成。
40.根据权利要求33至37中任一项所述的光波导装置，其中，用于重新定向所述初级光的所述部件适于沿着所述波导部件的传播轴线以产生白光，所述白光基本上由任何未被吸收的重新定向后的初级光与所述波导外部的所述波长转换的次级光组合构成且沿着所述波导部件具有均匀强度。
41.根据权利要求33至40中任一项所述的光波导装置，其中，所述波导部件是矩形波导且所述重新定向部件是形成在所述矩形波导内部的倾斜光栅，且所述光致发光部件是形成在所述矩形波导外部的曲形层。
42.根据权利要求33至40中任一项所述的光波导装置，还包括: 导光片部件，所述导光片部件相对于所述波导部件定位，使得白光被耦合进入所述导光片部件的侧面，所述白光基本上由任何未被吸收的重新定向后的初级光与在所述波导部件外部的所述波长转换的次级光组合构成。
43.根据权利要求33至40中任一项所述的光波导装置，还包括:显示元件阵列；和 面对所述显示元件阵列的背面的导光片部件，其中，所述光致发光部件是形成在所述导光片部件的正面上的层，且其中，所述导光片部件相对于所述波导部件定位，使得所述重新定向后的初级光被耦合进入所述导光片部件的侧面且随后被定向到所述正面， 且其中，白光基本上由任何未被吸收的重新定向后的初级光与从所述导光片部件的所述正面出来的所述波长转换的次级光组合构成，且入射在所述显示元件阵列的所述背面上。
44.根据权利要求37或38所述的光波导装置，其中，所述光致发光部件是缺少至少一个所述部分的光致发光层，使得在所述波导装置的缺少至少一个所述部分的区域中，所述重新定向的初级光直接照亮所述波导装置外部的期望区域，而与光致发光介质不发生任何相互作用。`
【文档编号】F21V8/00GK103635839SQ201280032264
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年3月28日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】杨·蒂索 申请人:L.E.S.S.有限责任公司