КОНЦЕНТРАТОР ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ С УВЕЛИЧЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ
LUMINESCENCE CONCENTRATOR WITH INCREASED EFFICIENCY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к люминесцентному концентратору. Настоящее изобретение также относится к его приложениям, таким как блок цифрового проектора, содержащий такой люминесцентный концентратор, или блок автомобильного освещения, содержащий такой люминесцентный концентратор.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1
n
1
n
1
2
n
1
2
n
Концентраторы люминесценции известны в данной области техники. Патентный документ US 7982229, например, описывает среди прочего светоизлучающее устройство, содержащее по меньшей мере один светоизлучающий диод, который излучает свет в диапазоне длин волн от ≥ 220 нм до ≤ 550 нм, и по меньшей мере одну преобразовательную структуру, расположенную в направлении по меньшей мере к одному светоизлучающему диоду без оптического контакта, которая по меньшей мере частично преобразует свет из этого по меньшей мере одного светоизлучающего диода в свет в диапазоне длин волн от ≥ 300 нм до ≤ 1000 нм, отличающееся тем, что по меньшей мере одна преобразовательная структура имеет показатель преломления n от ≥ 1,5 до ≤ 3 и отношение A:E от ≥ 2:1 до ≤ 50000:1, где A и E определяются следующим образом: по меньшей мере одна преобразовательная структура содержит по меньшей мере одну входную поверхность, где свет, излучаемый этим по меньшей мере одним светоизлучающим диодом, может входить в преобразовательную структуру, и по меньшей мере одну выходную поверхность, где свет может выходить из по меньшей мере одной преобразовательной структуры, причем каждая из по меньшей мере одной входной поверхности имеет площадь входной поверхности, пронумерованную как A... A, и каждая по меньшей мере одна выходная поверхность (поверхности) имеет площадь выходной поверхности, пронумерованную как E... E, и сумма каждой по меньшей мере одной площади (площадей) входной поверхности (поверхностей) A равна A=A+A... +A, и сумма каждой по меньшей мере одной площади (площадей) выходной поверхности (поверхностей) Е равна E=E+E... +E.
Патентный документ US 2011/0025951 описывает устройство преобразования спектра, включающее в себя множество дискретных блоков, окрашенных фотолюминесцентным материалом с концентрацией, больше или равной тому количеству, которого достаточно для того, чтобы абсорбировать и преобразовать по существу весь входной свет от источника света в желаемой выходной спектр, а также материал покрытия, расположенный вокруг дискретных блоков, причем материал покрытия связывает множество дискретных блоков для того, чтобы сформировать матрицу, причем когда множество дискретных блоков устанавливается над источником света, входной свет, проходящий через прозрачные дискретные блоки, не преобразуется, а входной свет, проходящий через активированные дискретные блоки, преобразуется в красные и зеленые длины волн, и в котором излучаемый входной свет и преобразованный красный и зеленый свет соответствуют желаемому выходному спектру для производства одного или более цветов. Также предлагаются связанный способ и связанное устройство, используемые с плоскими дисплейными панелями.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Источники высокой яркости могут быть созданы с использованием светоизлучающих диодов в комбинации с люминесцентным концентратором. Свет, который может быть выведен из люминесцентного концентратора, в некоторых случаях в максимуме составляет приблизительно 18% преобразованного света. Следовательно, один аспект настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить альтернативное осветительное устройство, содержащее концентратор, которое предпочтительно дополнительно по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков. Один аспект настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить альтернативный блок освещения, такой как автомобильный блок освещения, содержащий такой концентратор, который предпочтительно дополнительно по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков. Один дополнительный аспект настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить альтернативный прикладной блок, такой как цифровой проектор, содержащий такой концентратор, который предпочтительно дополнительно по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков.
Для таких люминесцентных концентраторов могут использоваться, например, керамические материалы, монокристаллы или оптически пропускающие полимеры. Керамические преобразователи должны быть чрезвычайно прозрачными для того, чтобы быть эффективными (свет должен испытывать полное внутреннее отражение (TIR) до самого конца концентратора, такого как стержень концентратора, и не отклоняться неравномерностями). Такие концентраторы включают в себя люминесцентные элементы (в настоящем документе обозначаемые как элементы преобразователя излучения), которые преобразуют входящий свет в преобразованный свет. Преобразованный свет извлекается из концентратора, в частности из торцевой поверхности, например, стержня концентратора. Люминесцентный элемент преобразует излучение (такое как ультрафиолетовое и/или синее) источника в испускание (такое как зеленое, желтое, оранжевое или красное), и поэтому обозначается как преобразователь или как «преобразователь длины волны» или «преобразователь излучения», поскольку он преобразует излучение источника (излучение твердотельного источника света) в другое излучение (излучение элемента преобразователя излучения). Испускание элемента преобразователя излучения в настоящем документе также обозначается как излучение элемента преобразователя излучения.
3
5
12
Концентрация элемента преобразователя излучения в большинстве случаев выбирается таким образом, чтобы по существу все излучение источника света поглощалось по ширине по мере того, как излучение источника излучения проходит от поверхности входа излучения до противоположной поверхности. Например, допустим, что концентрация Ce в керамическом стержне шириной 1,2 мм, содержащем LuAlO:Ce (III), составляет приблизительно 0,175%, что подразумевает, что приблизительно 98% синего излучения источника света поглощаются ионом церия в стержне концентратора. Считается, что существенно более высокая концентрация не увеличивает эффективности преобразования (синего в зеленый), и может только увеличить затраты. Она также дополнительно сдвинет цветовую точку в сторону красного цвета. Однако неожиданно было найдено, что когда концентрация церия существенно увеличивается, эффективность концентратора возрастает. Ожидается, что эффективность может увеличиться приблизительно на 10-20%.
Следовательно, в своем первом аспекте настоящее изобретение предлагает осветительное устройство, содержащее: (i) люминесцентный концентратор («концентратор»), содержащий волновод (или «световод»), имеющий поверхность входа излучения («входную поверхность»), поверхность выхода излучения («выходную поверхность») и ширину (W), определяемую поверхностью входа излучения и противоположной поверхностью, причем волновод содержит элемент преобразователя излучения, распределенный в волноводе с концентрацией преобразователя излучения («концентрацией преобразователя»); и (ii) твердотельный источник света, выполненный с возможностью облучения поверхности входа излучения волновода излучением твердотельного источника света; в котором элемент преобразователя излучения выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере части излучения источника света и преобразования в излучение элемента преобразователя излучения, и в котором концентрация преобразователя излучения выбирается по меньшей мере в три раза более высокой, чем необходимо для того, чтобы поглотить 98% излучения источника света по ширине (W) волновода, как дополнительно определено в прилагаемой формуле изобретения.
С помощью такого осветительного устройства может быть получена существенно более высокая эффективность концентратора. Например, обращаясь к конфигурациям, в которых приблизительно 18% преобразованного света выходит из поверхности выхода излучения, теперь это значение может быть увеличено до 20-24% при использовании того же самого люминесцентного концентратора, но имеющего существенно увеличенную концентрацию преобразователя излучения. Элементы преобразователя излучения, используемые в большинстве случаев, имеют перекрытие между спектрами возбуждения и испускания, приводящее к реабсорбции. После реабсорбции происходит повторное испускание со сдвигом в сторону красного цвета. Только часть этого изотропного испускания будет находиться в области полного внутреннего отражения (TIR). Реабсорбция может быть таким образом описана как процесс рассеивания. В отличие от рассеивания, реабсорбция будет останавливаться, если свет будет значительно сдвинут в красную область. В том случае, когда концентрация преобразователя излучения является низкой, реабсорбция в направлении длины стержня является преобладающей. Свет, который первоначально был в TIR, будет вероятно выходить из TIR благодаря этому процессу реабсорбции. Кроме того, свет, который в первичной эмиссии не был в TIR, будет иметь меньше шансов оказаться реабсорбированным, и будет выходить из стержня до того, как достигнет выходной поверхности.
Однако когда концентрация преобразователя излучения увеличивается, реабсорбция в других направлениях также становится важной, что может быть значительным. Сгенерированный первичный свет, который не находится в конусе TIR, будет подвергаться реабсорбции, что даст ему второй шанс войти в конус TIR. В направлении длины (см. также ниже) реабсорбция не будет увеличиваться значительно, будет уменьшаться только расстояние от первичного испускания (соотношение сторон (длина/ширина, где длина больше, чем ширина) стержня приводит к реабсорбции в направлении длины, даже для более низких концентраций). Следовательно, эффективность концентрации может быть неожиданно увеличена при более высокой концентрации преобразователя. В частности, предпочтительно концентрация преобразователя излучения должна быть по меньшей мере в 2 раза выше, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза выше, особенно предпочтительно в 4-8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света по ширине (W) волновода. Если концентрация меньше чем в 3 раза, особенно меньше чем в 2 раза выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света, или, с другой стороны, если она более чем приблизительно в 8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света, эти эффекты могут быть меньше, или даже могут начать снова уменьшаться (при слишком высоких концентрациях). Например, при множителях приблизительно 8 или выше изменение цветовой точки может быть нежелательно большим, может произойти гашение, и/или может понизиться квантовая эффективность.
0
t
0
t
Поглощение в большинстве случаев следует закону Бугера-Ламберта-Бэра. Следовательно, концентрация может зависеть от используемых соединений (поглощающей способности аттенюатора ε и концентрации c ослабляющих соединений в материале, или общего поперечного сечения (поглощения и рассеивания) σ, как известно в данной области техники), а также длины (или ширины) оптического пути (ℓ). Условие пропускания или поглощения может быть определено относительно легко. Длина волны максимума излучения твердотельного источника света является определенной. Она обычно обозначается как длина волны светоизлучающего диода для коммерческих светоизлучающих диодов. Для элемента преобразователя излучения коэффициент поглощения на этой длине волны является известным или может быть определен. Определение может быть сделано просто путем обеспечения известного количества элемента преобразователя излучения в волноводном материале, в частности в теле, имеющем две параллельных поверхности, и определения пропускания. Это известно в данной области техники для определения поглотительной способности, коэффициента ослабления и пропускания. Пропускание или светопроницаемость могут быть определены путем подачи света с конкретной длиной волны, здесь длины волны максимума излучения твердотельного источника света, с первой интенсивностью (I) к материалу и соотнесения интенсивности (I) света на этой длине волны, измеренной после прохождения через материал, с упомянутой первой интенсивностью света с упомянутой конкретной длиной волны (см. также E-208 и E-406 в публикации CRC Handbook of Chemistry and Physics, 69th edition, 1088-1989). Первая интенсивность (I) является таким образом интенсивностью перед поверхностью входа излучения, а интенсивность (I) является интенсивностью после поверхности, противоположной упомянутой поверхности входа излучения. Таким образом может быть получен коэффициент поглощения (ε). Далее определяется, какой волновод будет использоваться, то есть какой будет соответствующая ширина. Эта ширина будет определять расстояние, которое свет проходит через материал, то есть длину пути (ℓ). После этого известны все параметры для определения концентрации элемента преобразователя излучения, при которой будут поглощено 98% излучения на длине волны максимума излучения, когда элемент преобразователя излучения будет доступен с этой концентрацией в волноводе и будет облучаться излучением (твердотельного источника света на поверхности входа излучения при предопределенном расстоянии до противоположной поверхности или соответствующей ширине (W)). На ее основе выбирается по меньшей мере трехкратная концентрации, и обеспечивается волновод, имеющий эту по меньшей мере трехкратную концентрацию элемента преобразователя излучения.
t
0
Например, предположим, что пропускание должно составлять 2% (98%-ое поглощение), концентрация элемента преобразователя излучения равна 1, и ширина или длина пути (ℓ) также равна 1 (причем для простоты все размерности соответствуют друг другу), тогда светопоглощение этого (вымышленного) элемента преобразователя излучения составит (log(0,02))/(-1*1)=1,699, поскольку log(T)= -ε* ℓ*c (уравнение Бугера-Ламберта-Бэра), и T=I/I=0,02, ℓ=1 и c=1. Предположим теперь, что желателен волновод половинной ширины, тогда концентрация этого элемента преобразователя излучения для 98%-го поглощения будет равна (log(0,02))/(1,699*0,5)=2. Следовательно, когда выбирается условие по меньшей мере трехкратной концентрации, такой как 3-кратная или 4-кратная, концентрация этого элемента преобразователя излучения в этом волноводе, имеющем толщину 0,5, будет в 3 или в 4 раза больше концентрации 2, то есть будет равна 6 или 8 (опять же, для простоты все размерности соответствуют друг другу).
3
5
12
Кроме того, наилучшие результаты получаются, когда спектр возбуждения и спектр испускания частично перекрываются. Излучение твердотельного источника света возбуждает элемент преобразователя излучения, который в свою очередь обеспечивает излучение или испускание элемента преобразователя. Следовательно, в одном варианте осуществления элемент преобразователя излучения содержит спектр возбуждения и спектр испускания, которые спектрально частично перекрываются. В частности, полное перекрытие отсутствует (как в случае нулевого сдвига Стокса), поскольку желательно, чтобы процесс реабсорбции не был «бесконечным». Следовательно, перекрывающаяся область спектра возбуждения и спектра испускания находится в диапазоне от 2 до 50% спектра испускания, предпочтительно от 5 до 25% спектра испускания. Еще более предпочтительно перекрывающаяся область спектра возбуждения и спектра испускания в диапазоне видимых длин волн находится в пределах от 2 до 50% спектра испускания (в диапазоне видимых длин волн), и особенно предпочтительно в пределах от 5 до 25% спектра испускания. Одним примером подходящего люминесцентного материала, который может использоваться в волноводе для обеспечения элемента преобразователя излучения, является LuAlO:Ce. Здесь частично перекрываются самая нижняя часть спектра возбуждения и спектр излучения. Следовательно, предпочтительно выбирается такой элемент преобразователя излучения, который показывает в волноводе (материале) перекрытие спектра испускания со спектром возбуждения. Еще более предпочтительно элемент преобразователя излучения имеет спектр испускания (индуцируемый возбуждением с помощью излучения твердотельного источника света) и спектр возбуждения (упомянутого излучения элемента преобразователя), в которых от 5 до 25% спектра испускания перекрываются со спектром возбуждения. Спектральное перекрытие может быть определено путем нормализации спектра возбуждения и спектра испускания, особенно в видимой области, и определения площади под эмиссионной кривой, перекрывающейся с площадью под кривой возбуждения. Спектр возбуждения предпочтительно является спектром возбуждения на длине волны максимального испускания (то есть спектр возбуждения регистрируется детектором, измеряющим испускание на фиксированной длине волны, в частности той длине волны, на которой испускание максимально, как известно специалистам в данной области техники). Кроме того, поскольку спектр возбуждения и особенно спектр испускания может (немного) зависеть от концентрации, соответствующие спектр возбуждения и спектр испускания являются спектрами элемента преобразователя излучения, встроенного в волновод в указанной в настоящем документе концентрации (особенно контролируя или измеряя излучение, выходящее из поверхности входа излучения, поскольку некоторая часть излучения может также выходить из этой поверхности).
Волновод таким образом дополнительно содержит элемент преобразователя излучения. Он может быть предпочтительно люминесцентным ионным элементом (таким как церий в вышеупомянутом примере), люминесцентной молекулой (красителем), или люминесцентной квантовой точкой, и т.д. Примеры дополнительно определяются ниже. Элемент преобразователя излучения поглощает по меньшей мере часть излучения источника света и преобразует это излучение в излучение элемента преобразователя излучения (то есть осуществляет преобразование длины волны). Это излучение элемента преобразователя излучения может выходить из волновода (особенно из поверхности выхода излучения). Однако опционально это излучение элемента преобразователя излучения преобразуется другим элементом, распределенным в волноводе, который преобразует излучение элемента преобразователя излучения в другую люминесценцию, также называемую излучением элемента преобразователя вторичного излучения. В таком варианте осуществления излучение элемента преобразователя излучения может использоваться в качестве сенсибилизатора. Здесь настоящее изобретение особенно описывается относительно элемента преобразователя излучения, который обеспечивает такое излучение, выход которого из волновода является желательным. Конечно, излучение, выходящее из волновода, также может быть снова преобразовано при желании, например путем добавления люминофорного круга.
2
Люминесцентный преобразователь содержит волновод, который предпочтительно имеет соотношение сторон больше единицы, то есть длину (L) больше, чем ширина (W). В большинстве случаев волновод представляет собой стержень или брусок (брус), хотя волновод не обязательно имеет квадратное, прямоугольное или круглое поперечное сечение. В большинстве случаев источник света выполнен с возможностью облучения одной из более длинных поверхностей (бокового края), в настоящем документе обозначаемой как поверхность входа излучения, и излучение выходит из поверхности спереди (переднего края), в настоящем документе обозначаемой как поверхность выхода излучения. В вариантах осуществления твердотельный источник света предпочтительно не находится в физическом контакте с волноводом. Физический контакт может привести к нежелательному выводу излучения и таким образом к уменьшению эффективности концентратора. Кроме того, в большинстве случаев волновод содержит две по существу параллельные поверхности, поверхность входа излучения и противоположную ей поверхность. Эти две поверхности определяют в настоящем документе ширину волновода. В большинстве случаев длина этих поверхностей определяет длину волновода. Однако, как обозначено выше, а также ниже, волновод может иметь любую форму, и может также включать в себя комбинации форм. В частности, поверхность входа излучения имеет площадь поверхности входа излучения (A), а поверхность выхода излучения имеет площадь поверхности выхода излучения (E), причем площадь поверхности входа излучения (A) по меньшей мере в два раза больше, чем площадь поверхности выхода излучения (E), предпочтительно по меньшей мере в 5 раз больше, например от 2 до 50000 раз больше, и особенно предпочтительно от 5 до 5000 раз больше. Это позволяет использовать, например, множество твердотельных источников света (см. также ниже). Для типичных приложений, например в автомобилях или в цифровых проекторах, желательна небольшая, но высокоинтенсивная эмиссионная поверхность. Это не может быть получено с помощью единственного светоизлучающего диода, но может быть получено с помощью настоящего осветительного устройства. Предпочтительно поверхность выхода излучения имеет площадь поверхности выхода излучения (E), выбираемую из диапазона от 1 до 100 мм. При таких размерах эмиссионная поверхность может быть малой, тогда как тем не менее может быть достигнута высокая интенсивность. Как указано выше, волновода в большинстве случаев имеет соотношение сторон (определяемое как длина/ширина). Это обеспечивает малую поверхность выхода излучения, но большую поверхность входа излучения, например облучаемую множеством твердотельных источников света. В одном конкретном варианте осуществления волновод имеет ширину (W), выбираемую из диапазона от 0,5 до 100 мм. Волновод таким образом предпочтительно представляет собой целостное тело, имеющее обозначенные в настоящем документе поверхности.
Фраза «по меньшей мере в 2 раза выше, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза выше, особенно предпочтительно в 4-8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света по ширине (W) волновода» и аналогичные фразы относятся к комбинациям твердотельного источника света и элемента преобразователя излучения, в которым твердотельный источник света предпочтительно оптимизируется для возбуждения элемента преобразователя излучения. Следовательно, твердотельный источник света выполнен с возможностью обеспечивать излучение твердотельного источника света, которое имеет максимум интенсивности на такой длине волны, на которой концентрация преобразователя излучения также может быть хорошо возбуждена (для того, чтобы обеспечить излучение элемента преобразователя излучения). В частности, твердотельный источник света выполнен с возможностью обеспечения излучения твердотельного источника на такой длине волны, на которой концентрация преобразователя излучения имеет возбуждение (интенсивность) в диапазоне от 70 до 100% максимума возбуждения (интенсивности), предпочтительно в диапазоне от 85 до 100% максимума возбуждения. Например, если допустить, что содержащий церий гранат имеет его самый нижний диапазон возбуждения приблизительно от 400 до 530 нм, 70% диапазона могут быть найдены приблизительно от 420 до 490 нм. Твердотельный источник света тогда предпочтительно выполняется с возможностью иметь максимум испускания или излучения в диапазоне от 420 до 490 нм.
Термин «элемент преобразователя излучения» может также в одном варианте осуществления относиться к двум или более различным элементам преобразователя излучения, например к комбинации LuAG:Ce и YAG:Ce, или к комбинации содержащего церий граната и квантовых точек. Следует отметить, что в первом примере элементы преобразователя излучения фактически являются теми же самыми (церий), но химическая среда отличается, посредством чего спектры возбуждения и спектры испускания также отличаются, как известно в данной области техники. В таком случае (случаях), когда применяются два или более различных элемента преобразователя излучения, фраза «по меньшей мере в 2 раза выше, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза выше, особенно предпочтительно в 4-8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света по ширине (W) волновода» и аналогичные фразы относятся по меньшей мере к одному из элементов преобразователя излучения (а также к его концентрации). Другие элементы преобразователя излучения могут быть, а могут и не быть доступными в концентрациях по меньшей мере в 2 раза выше, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза выше, особенно предпочтительно в 4-8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света по ширине (W) волновода.
Как обозначено в настоящем документе, термин «твердотельный источник света» может также относиться ко множеству твердотельных источников света. В одном варианте осуществления эти источники являются по существу идентичными твердотельными источниками света, то есть обеспечивающими по существу идентичные спектральные распределения излучения твердотельного источника света. Однако в других вариантах осуществления может быть два или более подмножества различных твердотельных источников света, причем каждое подмножество включает в себя один или более твердотельных источников света, и каждое подмножество выполнено с возможностью обеспечивать излучение твердотельного источника света (имеющие взаимно различные спектральные распределения). В таких случаях фраза «концентрация преобразователя излучения по меньшей мере в 2 раза выше, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза выше, особенно предпочтительно в 4-8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света по ширине (W) волновода» и аналогичные фразы относятся по меньшей мере к одной комбинации из (i) подмножества одного или более твердотельных источников света и (ii) элемента преобразователя излучения (и его концентрации).
В вариантах осуществления твердотельные источники света могут быть выполнены с возможностью облучения различных поверхностей волновода. В таких случаях, а также когда ширина материала после тех поверхностей, которые подвергаются облучению, отличается (такое может быть в том случае, когда волновод, например, не имеет квадратного поперечного сечения), фраза «концентрация преобразователя излучения по меньшей мере в 2 раза выше, еще более предпочтительно по меньшей мере в 3 раза выше, особенно предпочтительно в 4-8 раз выше, чем необходимо для того, чтобы абсорбировать 98% излучения источника света по ширине (W) волновода» и аналогичные фразы относятся по меньшей мере к одной комбинации из (i) твердотельного источника (источников) света и (ii) элемента преобразователя для (iii) одной конкретной ширины. Например, если допустить излучение двух источников света, которые являются расположенными перпендикулярно относительно волновода, имеющего первую ширину и вторую толщину, которые не равны, то упомянутое условие может относиться только к первой ширине, и опционально также ко второй толщине. Однако когда применяется множество твердотельных источников света, они могут опционально облучать волновод на различных поверхностях, но быть обращенными к той же самой релевантной ширине волновода, что в частности имеет место, когда твердотельные источники света располагаются в конфигурациях с углом 180° между ними и с волноводом, находящимся в промежутке.
Как обозначено выше, волновод может в частности представлять собой монокристалл или керамику. При использовании таких систем может быть получена желаемая прозрачность, и отражение на границах зерна или неоднородностях может быть уменьшено. В еще одном варианте осуществления волновод представляет собой стекло или полимер. В частности, в случае органических элементов преобразователя излучения и/или элементов преобразователя излучения на основе квантовых точек может быть желательно использовать стекло, такое как легкоплавкое стекло или полимер. Элемент преобразователя излучения распределяется по волноводу. Следовательно, элемент преобразователя излучения является встроенным в волновод, или легирует волновод, или растворен в волноводе, или диспергирован в волноводе. Элемент преобразователя излучения также может быть частью большей структуры, такой как основа кристалла. Эта основа кристалла может быть диспергирована в волноводе (или может использоваться как таковая, см. также ниже).
3
5
12
1-x
x
3
1-y
y
5
12
Дополнительные конкретные элементы преобразователя излучения описываются ниже, но предпочтительно волновод может содержать легированный церием гранат типа ABO. Этот гранат может использоваться в качестве волновода или может быть встроен в волновод, например из подобного материала. Эти типы граната могут быть предусмотрены как монокристалл, а также могут быть предусмотрены как керамический материал высокого качества. Церий, элемент преобразователя излучения, обеспечивает после возбуждения синим и/или ультрафиолетовым облучением в этих материалах зелено-оранжевую люминесценцию в зависимости от типа граната и концентрации церия. Следовательно, в частности в этих вариантах осуществления с легированным церием гранатом, твердотельный источник света выполнен с возможностью облучения поверхности входа излучения волновода одним или более из ультрафиолетового и синего излучения твердотельного источника света. В одном конкретном варианте осуществления (см. также дополнительно ниже) A содержит Ce и один или больше из Y, Gd, Tb, Lu, предпочтительно с содержанием церия в диапазоне от 0,01 мол.% до 2 мол.% Ce и предпочтительно с содержанием по меньшей мере 90 мол.% Lu по общему количеству A, причем B содержит один или больше из Al, Ga и Sc с содержанием по меньшей мере 50 мол.% Al по общему количеству B. Например, легированный церием гранат может содержать (LuCe)(AlGa)BO, где x находится в диапазоне от 0,0001 до 0,02, предпочтительно в диапазоне от 0,001 до 0,01, например в диапазоне от 0,001 до 0,005 (то есть от 0,1 мол.% до 0,5 мол.% A представляют собой церий), а y находится в диапазоне от 0 до 0,5. предпочтительно y по существу равен нулю, то есть B представляет собой по существу Al. Это может обеспечить люминесценцию с желаемыми оптическими свойствами, такими как эффективность и цветовая точка. Как было обозначено выше, осветительное устройство может содержать множество твердотельных источников света, выполненных с возможностью облучения поверхности входа излучения волновода излучением твердотельного источника света. Чем больше твердотельных источников света, тем выше может быть интенсивность излучения, выходящего из поверхности выхода излучения. Множество источников света не обязательно должны излучать один и тот же тип излучения. Например, могут быть предусмотрены комбинации синего и/или ультрафиолетового излучения. Также возможно использовать волновод в качестве смесителя и комбинировать излучение, которое может возбуждать элемент преобразователя излучения, а также излучение, которое по существу не возбуждает элемент преобразователя излучения. Например, если допустить элемент преобразователя излучения, который поглощает в синем диапазоне и преобразует этот свет в зеленый, твердотельные источники света могут обеспечивать синий свет для преобразования и красный свет для смешивания. Из поверхности выхода излучения может быть извлечен зеленый и красный свет (и в некоторых случаях некоторое количество синего цвета). Свет для примешивания к излучению (которое преобразуется) в волноводе может быть, например, добавлен в волновод на поверхности, противоположной поверхности выхода излучения.
Осветительное устройство может дополнительно включать в себя один или более охлаждающих элементов, выполненных с возможностью охлаждения волновода. Кроме того, осветительное устройство может дополнительно включать в себя один или более рефлекторов, выполненных с возможностью отражения обратно в волновод излучения, которое выходит из одной или более других поверхностей, отличающихся от поверхности выхода излучения. В частности, поверхность, противоположная поверхности выхода излучения, может включать в себя такой рефлектор, хотя в одном варианте осуществления и не находящийся в физическом контакте с ней. Кроме того, осветительное устройство может включать в себя теплопоглотитель, выполненный с возможностью облегчения охлаждения твердотельного источника света и/или люминесцентного концентратора. Теплопоглотитель может представлять собой или состоять из меди, алюминия, серебра, золота, карбида кремния, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида алюминия-кремния, оксида бериллия, кремния-карбида кремния, карбида алюминия-кремния, сплавов меди с вольфрамом, карбидов меди-молибдена, углерода, алмаза, графита, а также комбинаций двух или более из перечисленного.
В еще одном дополнительном аспекте настоящее изобретение предлагает блок освещения, выполненный с возможностью обеспечивать видимый свет, причем этот блок освещения содержит по меньшей мере одно осветительное устройство, определенное в настоящем документе. Например, такой блок освещения может содержать также другую оптику, такую как один или более оптических фильтров, коллиматоров, рефлекторов, преобразователей длины волны и т.д. Блок освещения может быть, например, блоком освещения для использования в автоматическом приложении, как фара головного света. Следовательно, настоящее изобретение также предлагает автомобильный блок освещения, выполненный с возможностью обеспечения видимого света, причем этот автомобильный блок освещения содержит по меньшей мере одно осветительное устройство, определенное в настоящем документе, и/или блок цифрового проектора, содержащий по меньшей мере одно осветительное устройство, определенное в настоящем документе. В частности, это осветительное устройство может конфигурироваться (в таких приложениях) для того, чтобы обеспечивать зеленый свет или красный свет. В одном конкретном варианте осуществления такой блок освещения содержит по меньшей мере первое осветительное устройство, выполненное с возможностью обеспечения зеленого света, а также по меньшей мере второе осветительное устройство, выполненное с возможностью обеспечения красного света. Синий свет может быть обеспечен, например, теми же самыми твердотельными источниками света, но без использования люминесцентного концентратора. Таким образом может быть обеспечен, например, белый свет. Альтернативно или дополнительно к этому синее излучение может генерироваться с помощью концентратора. В таком случае твердотельный источник света может быть выполнен с возможностью обеспечения излучения, имеющего длину волны 420 нм или ниже, например 410 нм или ниже, например 400 нм или ниже, например 390 нм или ниже, в частности в (ближней) ультрафиолетовой области, а элемент преобразователя излучения может быть выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере части этого излучения и преобразования его в синее излучение элемента преобразователя излучения.
Следовательно, предпочтительно осветительное устройство выполнено с возможностью обеспечения видимого излучения преобразователя излучения. Кроме того, предпочтительно осветительное устройство выполнено с возможностью обеспечения (видимого) излучения преобразователя излучения после поверхности выхода излучения (при облучении поверхности входа излучения излучением твердотельного источника света). Настоящее изобретение дополнительно предлагает волновод как таковой.
Осветительное устройство может быть частью или может применяться в, например, офисных системах освещения, бытовых системах, системах освещения цеха, системах домашнего освещения, системах направленного освещения, системах местного освещения, театральных системах освещения, волоконно-оптических системах, проекционных системах, самосветящихся системах индикации, растровых системах индикации, сегментированных системах индикации, системах предупреждающих знаков, системах медицинского освещения, системах индикаторных знаков, системах декоративного освещения, мобильных системах, автомобильных приложениях, системах освещения оранжерей, садоводческом освещении или подсветке жидкокристаллических дисплеев.
Используемый в настоящем документе термин «по существу», такой как «по существу весь свет» или «по существу состоит из», будет понятным специалистам в данной области техники. Термин «по существу» может также включать в себя варианты осуществления «в целом», «полностью», «все» и т.д. Следовательно, в вариантах осуществления прилагательное «существенно» также может быть удалено. Когда это применимо, термин «по существу» может также относиться к 90% или больше, например к 95% или больше, предпочтительно к 99% или больше, и еще более предпочтительно к 99,5% или больше, включая 100%. Термин «содержит» включает в себя также варианты осуществления, в которых термин «содержит» означает «состоит из». Термин «и/или» относится к одной или более сущностям, упомянутым до и после термина «и/или». Например, фраза «сущность 1 и/или сущность 2» и подобные ей фразы могут относиться к одной или более из сущности 1 и сущности 2. Термин «содержащий» в одном варианте осуществления может относиться к термину «состоящий из», но в другом варианте осуществления может также относиться к термину «содержащий по меньшей мере определенные разновидности и опционально одну или более других разновидностей».
Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для различения подобных элементов, а не обязательно для того, чтобы описать последовательный или хронологический порядок. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что описанные в настоящем документе варианты осуществления настоящего изобретения могут работать в других последовательностях, отличающихся от описанных или проиллюстрированных в настоящем документе.
Эти устройства в настоящем документе находятся среди других, описываемых во время работы. Как будет понятно специалисту в данной области техники, настоящее изобретение не ограничивается способами работы или устройствами, участвующими в работе.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в данной области техники будут в состоянии разработать альтернативные варианты осуществления, не отступая от области охвата прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные знаки, помещенные в круглые скобки, не должны рассматриваться как ограничивающие соответствующий пункт формулы изобретения. Использование глагола «содержать» и его спряжений не исключает присутствия элементов или стадий, отличающихся от заявленных в формуле изобретения. Неопределенный артикль «a» или «an», предшествующий элементу, не исключает наличия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть осуществлено посредством технических средств, содержащих несколько различных элементов, а также посредством подходящим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, описывающем устройство и перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены одним и тем же аппаратным средством. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды.
Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству, содержащему одну или более характеризующих особенностей, описанных в описании и/или показанных в прилагаемых чертежах. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу или процессу, содержащему одну или более характеризующих особенностей, описанных в описании и/или показанных в прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, обсужденные в этом патенте, могут быть скомбинированы для того, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые из особенностей могут формировать базис для одной или более выделенных заявок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, посредством только примеров и со ссылками на сопровождающие схематические чертежи, в которых соответствующие ссылочные символы обозначают соответствующие детали, и в которых:
Фиг. 1 показывает трехмерный вид в перспективе светоизлучающего устройства, содержащего выходной люминофор, в котором волновод конфигурируется в качестве концентратора.
Фиг. 2 показывает вид сбоку системы освещения со световодом и дополнительными источниками света, которая снабжена фильтром и дихроичным оптическим элементом.
Фиг. 3A - 3D показывают световоды, снабженные поляризующим элементом, расположенным смежно с поверхностью выхода света из световода.
Фиг. 4 показывает вид в перспективе светоизлучающего устройства, имеющего коническую выходную поверхность.
Фиг. 5A - 5B схематично изображают некоторые варианты осуществления.
Фиг. 6A - 6D схематично изображают некоторые аспекты настоящего изобретения.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Проиллюстрированные на чертежах размеры слоев, элементов и областей являются преувеличенными в иллюстративных целях, и таким образом предназначены для иллюстрации общих структур вариантов осуществления настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные цифры везде относятся к одинаковым элементы, так что, например, светоизлучающее устройство в соответствии с настоящим изобретением вообще обозначается цифрой 1, тогда как различные конкретные варианты его осуществления обозначаются путем добавления 01, 02, 03 и т.д. к общей ссылочной цифре. Фиг. 1-4 показывают ряд особенностей и элементов, которые могут быть добавлены к любому из вариантов осуществления светоизлучающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, как указано дополнительно ниже, причем как правило «00» добавляется к обозначениям всех элементов, кроме тех, которые являются специфичными для одной из этих иллюстраций.
Настоящее изобретение будет теперь описано более полно со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых показаны предпочтительные в настоящий момент варианты осуществления настоящего изобретения. Это изобретение, однако, может быть воплощено во многих различных формах и не должно быть рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, сформулированными в настоящем документе; скорее эти варианты осуществления приведены для полноты и завершенности, и полностью передают область охвата настоящего изобретения специалисту в данной области техники.
Следующее описание начнется с общих соображений относительно применений, подходящих источников света и подходящих материалов для различных элементов и особенностей светоизлучающего устройства в соответствии с настоящим изобретением. С этой целью ряд особенностей и элементов, которые могут быть добавлены к любому из вариантов осуществления светоизлучающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, как указано дополнительно ниже, будут описаны со ссылками на Фиг. 1-4. Конкретные варианты осуществления светоизлучающего устройства в соответствии с настоящим изобретением будут подробно описаны со ссылками на Фиг. 5a - 6d.
Светоизлучающее устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в приложениях, включающих в себя, но не ограничивающихся этим, лампы, световые модули, светильники, точечные светильники, вспышки, проекторы, цифровые проекционные устройства, автомобильное освещение, такое как, например, головная фара или задний габаритный фонарь автомобиля, освещение арены, театральное освещение и архитектурное освещение.
Источники света, которые являются частью вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением, как указано ниже, выполнены с возможностью излучать при работе свет с первым спектральным распределением. Этот свет затем входит в световод или волновод. Этот световод или волновод может преобразовывать свет первого спектрального распределения в другое спектральное распределение, и направляет свет к выходной поверхности. Источник света в принципе может быть любым типом точечного источника света, но в одном варианте осуществления представляет собой твердотельный источник света, такой как светоизлучающий диод (LED), лазерный диод или органический светоизлучающий диод (OLED), множество светоизлучающих диодов или лазерных диодов или органических светоизлучающих диодов, или массив светоизлучающих диодов или лазерных диодов или органических светоизлучающих диодов, или комбинации любых из них. LED в принципе может быть светоизлучающим диодом любого цвета, или их комбинацией, но в одном варианте осуществления представляет собой источник синего света, производящий свет источника света в синем цветовом диапазоне, который определяется как диапазон длин волн от 380 нм до 495 нм. В другом варианте осуществления источник света представляет собой ультрафиолетовый или фиолетовый источник света, то есть испускающий в диапазоне длин волн ниже 420 нм. В случае множества или массива светоизлучающих диодов или лазерных диодов или органических светоизлучающих диодов светоизлучающие диоды или лазерные диоды или органические светоизлучающие диоды в принципе быть могут светоизлучающими диодами или лазерными диодами или органическими светоизлучающими диодами двух или более различных цветов, таких как, не ограничиваясь этим, ультрафиолетовый, синий, зеленый, желтый или красный.
В частности, источник света представляет собой источник света, который во время его работы испускает (свет источника света, в частности излучение твердотельного источника света) по меньшей мере свет с длиной волны, выбираемой из диапазона от 200 до 490 нм, предпочтительно источник света, который во время его работы испускает по меньшей мере свет с длиной волны, выбираемой из диапазона от 400 до 490 нм, еще более предпочтительно в диапазоне от 440 до 490 нм. Этот свет может частично использоваться элементом преобразователя излучения (см. дополнительно ниже). Следовательно, в одном конкретном варианте осуществления этот источник света выполнен с возможностью генерировать синий свет. Альтернативно или дополнительно к этому (твердотельный) источник света выполнен с возможностью обеспечивать излучение на длине волны, выбираемой из диапазона от 200 до 600 нм, предпочтительно от 300 до 550 нм, такого как от 300 до 500 нм. В частности, источники света, которые выполнены с возможностью обеспечивать сине-зеленое излучение, могут также использоваться для возбуждения красных люминесцентных материалов. В одном конкретном варианте осуществления источник света содержит твердотельный светодиодный источник света (такой как светоизлучающий диод или лазерный диод). Термин «источник света» может также относиться ко множеству источников света, такому как от 2 до 20 (твердотельных) светодиодных источников света, хотя может быть применено и намного большее их количество. Следовательно, термин «светоизлучающий диод (LED)» может также относиться ко множеству светоизлучающих диодов. Источник света в настоящем документе предпочтительно обозначается как твердотельный источник света (см. также выше).
Световоды, как указано ниже в вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением, обычно могут быть сформированными в форме стержня или бруска световодами, имеющими высоту H, ширину W и длину L, проходящие во взаимно перпендикулярных направлениях, и в вариантах осуществления являются прозрачными, либо прозрачными и люминесцентными. Свет направляется обычно в направлении длины L. Высота H в одних вариантах осуществления составляет < 10 мм, в других вариантах осуществления составляет < 5 мм, в еще одних вариантах осуществления составляет < 2 мм. Ширина W в одних вариантах осуществления составляет < 10 мм, в других вариантах осуществления составляет < 5 мм, в еще одних вариантах осуществления составляет < 2 мм. Длина L в одних вариантах осуществления будет больше, чем ширина W и высота H, в других вариантах осуществления по меньшей мере в 2 раза больше ширины W или в 2 раза больше высоты H, в еще одних вариантах осуществления по меньшей мере в 3 раза больше ширины W или в 3 раза больше высоты H. Следовательно, соотношение сторон (длина/ширина) предпочтительно составляет больше 1, например, равно или больше чем 2. Если явно не указано иное, термин «соотношение сторон» относится к отношению длина/ширина.
Соотношение сторон высота H:ширина W обычно составляет 1:1 (например, для обычных применений источника света) или 1:2, 1:3 или 1:4 (например, для специальных применений источника света, таких как фары) или 4:3, 16:10, 16:9 или 256:135 (например, для дисплейных применений). Световоды как правило содержат поверхность входа света и поверхность выхода света, которые не располагаются в параллельных плоскостях, и в вариантах осуществления поверхность входа света является перпендикулярной поверхности выхода света. Для того, чтобы достичь сконцентрированного световыхода с высокой яркостью, площадь поверхности выхода света может быть меньше, чем площадь поверхности входа света. Поверхность выхода света может иметь любую форму, но в одном варианте осуществления имеет форму квадрата, прямоугольника, окружности, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника.
Прозрачные световоды в вариантах осуществления могут содержать прозрачную подложку, на которой множество источников света, например светоизлучающих диодов, выращивается эпитаксиальным образом. Подложка в вариантах осуществления представляет собой монокристаллическую подложку, такую как, например, сапфировую подложку. Прозрачная подложка для выращивания источников света в этих вариантах осуществления является концентрирующим свет световодом.
В большинстве случаев световод в форме стержня или бруска может иметь любую поперечную форму, но в вариантах осуществления имеет поперечное сечение в форме квадрата, прямоугольника, окружности, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника. Как правило, световоды представляют собой прямоугольный параллелепипед, но могут иметь форму, отличающуюся от прямоугольного параллелепипеда, с поверхностью входа света, напоминающей форму трапеции. При этом световой поток может быть даже улучшен, что может быть выгодным для некоторых приложений. Следовательно, в некоторых случаях термин «ширина» может также относиться к диаметру, как, например, в случае волновода, имеющего круглое поперечное сечение.
Световоды могут также быть цилиндрическими стержнями. В вариантах осуществления эти цилиндрические стержни имеют одну плоскую поверхность вдоль продольного направления стержня, у которой могут быть установлены источники света для эффективного входа в световод света, излучаемого источниками света. Эта плоская поверхность может также использоваться для размещения теплопоглотителей. Цилиндрический световод также может иметь две плоские поверхности, например расположенные друг напротив друга, или расположенные перпендикулярно друг другу. В вариантах осуществления плоская поверхность проходит вдоль части продольного направления цилиндрического стержня.
Как указано ниже в вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением, световоды также могут быть сложены, согнуты и/или сформованы в направлении длины таким образом, чтобы световод не был прямолинейным бруском или стержнем, но мог содержать, например, закругленный угол в форме изгиба на 90 или 180 градусов, U-образный изгиб, круглый или эллиптический изгиб, петлю или трехмерную спиральную форму, имеющую множество петель. Это обеспечивает компактный световод, полная длина которого, вдоль которой проходит свет, является относительно большой, что приводит к относительно высокому световыходу, но который в то же самое время может быть расположен в относительно небольшом пространстве. Например, люминесцентные части световода могут быть твердыми, в то время как прозрачные части световода могут быть гибкими для того, чтобы обеспечить придание формы световоду вдоль его направления длины. Источники света могут быть размещены в любом месте вдоль сложенного, согнутого и/или сформованного световода.
Подходящими материалами для световодов, как указано ниже в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, являются сапфир, поликристаллический глинозем и/или нелегированный прозрачный гранат, такой как YAG, LuAG, имеющий показатель преломления в диапазоне n=1,7-1,8. Дополнительное преимущество этого материала (по сравнению, например, со стеклом) состоит в том, что он имеет хорошую теплопроводность, уменьшая таким образом локальный нагрев. Другие подходящие материалы включают в себя, не ограничиваясь этим, стекло, кварц и прозрачные полимеры. В других вариантах осуществления материал световода представляет собой свинцовое стекло. Свинцовое стекло представляет собой разновидность стекла, в которой свинец замещает кальций, содержащийся в обычном калиевом стекле, и таким образом может быть увеличен показатель преломления. Обычное стекло имеет показатель преломления n=1,5, в то время как добавление свинца дает показатель преломления вплоть до 1,7.
Как указано ниже, световоды в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения могут содержать подходящий люминесцентный материал для преобразования света в другое спектральное распределение. Подходящие люминесцентные материалы включают в себя неорганические люминофоры, такие как легированный YAG, LuAG, органические люминофоры, органические флуоресцентные красители и квантовые точки, и т.д., которые являются весьма подходящими для целей вариантов осуществления настоящего изобретения, как указано ниже.
2
2
Квантовые точки представляют собой малые кристаллы полупроводника, обычно имеющие ширину или диаметр всего в несколько нанометров. При ее возбуждении падающим светом квантовая точка излучает свет с длиной волны, определяемой размером и материалом кристалла. Следовательно, свет одного конкретного цвета может быть произведен путем регулирования размера этих точек. Наиболее известные квантовые точки с испусканием в видимой области основаны на селениде кадмия (CdSe) с оболочкой, такой как сульфид кадмия (CdS) и сульфид цинка (ZnS). Также могут использоваться не содержащие кадмия квантовые точки, такие как фосфид индия (InP) и сульфид меди-индия (CuInS) и/или сульфид серебра-индия (AgInS). Квантовые точки показывают очень узкую полосу излучения, и таким образом они дают насыщенные цвета. Кроме того, цвет излучения может быть легко настроен путем адаптирования размера квантовых точек. В вариантах осуществления настоящего изобретения, как указано ниже, может использоваться любой тип квантовой точки, известной в данной области техники. Однако по причинам экологической безопасности может быть предпочтительно использовать квантовые точки, не содержащие кадмия, или по меньшей мере квантовые точки, имеющие очень низкое содержание кадмия.
Термин «квантовые точки» или «люминесцентные квантовые точки» может также относиться к комбинации квантовых точек различного типа, то есть таких квантовых точек, которые имеют различные спектральные свойства. Квантовые точки в настоящем документе также обозначаются как «наночастицы преобразователя длины волны». Термин «квантовые точки» в частности относится к квантовым точкам, которые люминесцируют в одном или больше из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов (после возбуждения подходящим излучением, таким как ультрафиолетовое излучение).
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Квантовые точки или люминесцентные наночастицы, которые в настоящем документе обозначаются как наночастицы преобразователя длины волны, могут, например, представлять собой квантовые точки полупроводниковых соединений элементов групп II-VI, выбираемых из группы, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe и HgZnSTe. В другом варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут быть, например, квантовыми точками полупроводниковых соединений элементов групп III-V, выбираемых из группы, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InGaP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs, GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs и InAlPAs. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут быть, например, полупроводниковыми квантовыми точками типа халькопирита I-III-VI2, выбираемыми из группы, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из CuInS, CuInSe, CuGaS, CuGaSe, AgInS, AgInSe, AgGaS и AgGaSe. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут быть, например, квантовыми точками типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из полупроводниковых квантовых точек I-V-VI2, таких как выбираемые из группы, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из LiAsSe, NaAsSe и KAsSe. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут быть, например, квантовыми точками типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из нанокристаллов полупроводниковых соединений элементов групп IV-VI, таких как SbTe. В одном конкретном варианте осуществления люминесцентные наночастицы выбираются из группы, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из InP, CuInS, CuInSe, CdTe, CdSe, CdSeTe, AgInS и AgInSe. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут быть, например, квантовыми точками типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из нанокристаллов полупроводниковых соединений элементов групп II-VI, III-V, I-III-V и IV-VI, выбираемых из описанных выше материалов, с внутренними легирующими веществами, такими как ZnSe:Mn, ZnS:Mn. Легирующие элементы могут быть выбраны из Mn, Ag, Zn, Eu, S, P, Cu, Ce, Tb, Au, Pb, Tb, Sb, Sn и Tl. В настоящем документе, люминесцентный материал на основе люминесцентных наночастиц может также содержать различные типы квантовых точек, такие как CdSe и ZnSe:Mn.
Представляется особенно выгодным использовать квантовые точки из элементов групп II-VI. Следовательно, в одном варианте осуществления люминесцентные квантовые точки на основе полупроводника представляют собой квантовые точки из элементов групп II-VI, предпочтительно выбираемые из группы, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe и HgZnSTe, еще более предпочтительно выбираемым из группы, состоящей из CdS, CdSe, CdSe/CdS и CdSe/CdS/ZnS.
В одном варианте осуществления наночастицы могут содержать полупроводниковые нанокристаллы, включающие ядро, содержащее первый полупроводниковый материал, и оболочку, содержащую второй полупроводниковый материал, причем оболочка располагается по меньшей мере на части поверхности ядра. Полупроводниковый нанокристалл, включающий ядро и оболочку, также упоминается как полупроводниковый нанокристалл «ядро/оболочка». Любой из указанных выше материалов может использоваться в качестве ядра. Следовательно, фраза «квантовые точки типа ядро-оболочка, с ядром, выбираемым из группы, состоящей из» применяется в некоторых из вышеприведенных списков материалов квантовых точек. Термин «ядро-оболочка» может также относиться к системе «ядро-оболочка-оболочка» и т.д., включая оболочку из градиентного сплава, или точки в стержнях, и т.д. Примеры полупроводниковых нанокристаллических материалов (ядро)оболочка включают в себя, без ограничений: красный (например, (CdSe)ZnS (ядро)оболочка), зеленый (например, (CdZnSe)CdZnS (ядро)оболочка, и т.д.) и синий (например, (CdS)CdZnS (ядро)оболочка) (см. дополнительно также выше примеры конкретных наночастиц преобразователя длины волны на основе полупроводников).
В одном варианте осуществления полупроводниковые нанокристаллы предпочтительно имеют присоединенные к ним лиганды, такие как, например, описанные в международной патентной заявке WO 2011/031871. В одном варианте осуществления эти лиганды могут быть получены из координирующего растворителя, используемого во время процесса выращивания. В одном варианте осуществления поверхность может быть модифицирована повторным экспонированием в избытке конкурирующей координационной группы для того, чтобы сформировать верхний слой.
Также могут использоваться органические флуоресцентные красители. Молекулярная структура может быть спроектирована таким образом, чтобы положение спектрального пика могло быть настроено. Примерами подходящих материалов органических флуоресцентных красителей являются органические люминесцентные материалы, основанные на производных перилена, например соединения, продаваемые под названием Lumogen компанией BASF. Примеры подходящих соединений включают в себя, не ограничиваясь этим, Lumogen Красный F305, Lumogen Оранжевый F240, Lumogen Желтый F083 и Lumogen F170.
Соответствующими примерами органических люминесцентных материалов являются, например, перилены (такие как люминесцентные материалы, известные под их торговым названием Lumogen, производства компании BASF, Людвигсхафен, Германия: Lumogen F240 Оранжевый, Lumogen F300 Красный, Lumogen F305 Красный, Lumogen F083 Желтый, Lumogen F170 Желтый, Lumogen F850 зеленый), Желтый 172 производства компании Neelikon Food Dyes & Chemical Ltd., Мумбай, Индия, а также люминесцентные материалы, такие как кумарины (например Кумарин 6, Кумарин 7, Кумарин 30, Кумарин 153, Основной Желтый 51), нафталимиды (например Растворитель Желтый 11, Растворитель Желтый 116), Fluorol 7GA, пиридины (например пиридин 1), пиррометены (такие как Пиррометен 546, Пиррометен 567), уранин, родамины (например Родамин 110, Родамин B, Родамин 6G, Родамин 3B, Родамин 101, Сульфородамин 101, Сульфородамин 640, Основной Фиолетовый 11, Основной Красный 2), цианины (например фталоцианин, DCM), стильбены (например Бис-MSB, DPS), доступные от многих торговцев. Несколько других люминесцентных материалов, таких как кислотные красители, основные красители, прямые красители и дисперсионные красители, могут использоваться при условии, что они показывают в достаточной степени высокий флуоресцентный квантовый выход для намеченного использования. Особо интересные органические материалы, которые могут быть применены, содержат, например, BASF Lumogen 850 для зеленой люминесценции, BASF Lumogen F083 или F170 для желтой люминесценции, BASF Lumogen F240 для оранжевой люминесценции, и BASF Lumogen F300 или F305 для красной люминесценции.
Такой органический люминесцентный материал предпочтительно встраивается в матрицу, формируя тем самым волновод. Матрица предпочтительно может содержать ароматический полиэфир или его сополимер, такой как, например, поликарбонат (PC), поли(метил)метакрилат (P(M)МА), полигликолид или полигликолевая кислота (PGA), полимолочная кислота (PLA), поликапролактон (PCL), полиэтиленадипат (PEA), полигидроксиалканоат (PHA), полигидроксибутират (PHB), поли(3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат) (PHBV), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), политриметилентерефталат (PTT), полиэтиленнафталат (PEN); особенно предпочтительно матрица может содержать полиэтилентерефталат (PET). Кроме того, как будет также объяснено ниже, матрица может содержать дополнительный люминесцентный материал, встроенный в матрицу. Однако (PETG) (модифицированный гликолем полиэтилентерефталат), PDMS (полидиметилсилоксан), COC (циклоолефиновый сополимер), PE (полиэтилен) или PP (полипропилен) также могут быть применены в качестве матрицы. Следовательно, матрица предпочтительно представляет собой полимерную матрицу.
3
5
12
3
l5
12
1-x
3
x
2-x-z
x
5-y
8-y
y
z
Люминесцентный материал также может быть неорганическим люминофором. Примеры неорганических люминофорных материалов включают в себя, не ограничиваясь этим, легированный церием (Ce) YAG (YAlO) или LuAG (LuAO). Легированный церием YAG излучает желтоватый свет, тогда как легированный церием LuAG излучает желто-зеленоватый свет. Примеры других неорганических люминофорных материалов, которые испускают красный свет, могут включить в себя, не ограничиваясь этим, ECAS и BSSN; где ECAS представляет собой CaAlSiN:Eu, где 0 < x ≤1, в других вариантах осуществления 0 < x ≤ 0,2; а BSSN представляет собой BaMSiAlyNO:Eu, где M, представляет собой Sr или Ca, 0 ≤ x ≤ 1, 0 < y ≤ 4 и 0,0005 ≤ z ≤ 0,05, и в других вариантах осуществления 0 ≤ x ≤ 0,2.
(1-x-y)
x
y
3
(1-z)
z
5
12
3
5
12
(1-x-y)
x
y
2
3
(1-x-y)
x
y
(1-z)
(1-x-y)
x
y
(2-x)
x
2
7
(1-x)
x
(1-y)
y
3
В вариантах осуществления настоящего изобретения, как указано ниже, люминесцентный материал делается из материала, выбираемого из группы, содержащей (M<I>M<II>M<III>)(M<IV>M<V>)O, где M<I> выбирается из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбирается из группы, содержащей Gd, Tb, La, Yb или их смеси, M<III> выбирается из группы, содержащей Tb (когда M<II> не является Tb), Pr, Ce, Er, Nd, Eu или их смеси, M<IV> представляет собой Al, M<V> выбирается из группы, содержащей Ga, Sc или их смеси, такие как легированный церием иттрий-алюминиевый гранат (YAG, YAlO) и легированный церием лютеций-алюминиевый гранат (LuAG); и 0 ≤ x ≤ 1, 0 < y ≤ 0,1, 0 < z <1, (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирается из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II>, выбирается из группы, содержащей Gd, La, Yb или их смеси, M<III> выбирается из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb или их смеси; и 0 < x ≤ 1, 0 < y ≤ 0,1, (M<I>M<II>M<III>)SSe, где M<I> выбирается из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбирается из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn или их смеси, M<III> выбирается из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0 < x ≤ 0,01, 0 < y ≤ 0,05, 0 ≤ z < 1; (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирается из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбирается из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr или их смеси, M<III> выбирается из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0 < x ≤ 0,1, 0 < y ≤ 0,1; (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирается из группы, содержащей La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr или их смеси, M<II> выбирается из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, ТМ или их смеси, M<III> выбирается из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и 0 < x ≤ 1; M<I>M<II>M<III>M<IV>)O, где M<I> выбирается из группы, содержащей Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu или их смеси, M<II> выбирается из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, ТМ или их смеси, M<III> выбирается из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и M<IV> выбирается из группы, содержащей Al, Ga, Sc, Si или их смеси, и 0 < x ≤ 0,1, 0 < y ≤ 0,1, или из смесей вышеперечисленного.
2
4
2
4
2+
2+
Далее обсуждаются некоторые конкретные неорганические люминесцентные материалы. Существует несколько возможностей для зеленых излучателей, включая один или больше из (Ca,Sr,Ba)(Al,Ga,In)(O,S,Se):Eu, тиогаллата, и в частности такого люминесцентного материала, который содержит по меньшей мере Sr, Ga и С, такого как SrGaS: Eu. Эти типы люминесцентных материалов могут особенно быть в частности узкополосными излучателями зеленого света.
3
5
12
3
5
12
1-x
x
3
5
12
3
2
5
8
3
0,98
0,02
3
2
5
8
2
5
8
1,5
0,5
5
8
3
3
3
3
2
5
8
2
5
8
3+
3+
2+
2+
Опционально или альтернативно неорганический люминесцентный материал может содержать MAO:Ce (материал граната), где M выбирается из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu, и A выбирается из группы, состоящей из Al и Ga. Предпочтительно M содержит по меньшей мере один или более из Y и Lu, причем А содержит по меньшей мере Al. Эти типы материалов могут давать самую высокую эффективность. Варианты осуществления граната предпочтительно включают в себя гранаты MAO, в которых M содержит по меньшей мере иттрий или лютеций, и в которых A содержит по меньшей мере алюминий. Такой гранат может быть легирован церием (Ce), празеодимом (Pr) или комбинацией церия и празеодима; однако предпочтительно по меньшей мере церием. Предпочтительно A содержит алюминий (Al), однако A может также частично содержать галлий (Ga) и/или скандий (Sc) и/или индий (В), в частности вплоть до приблизительно 20% Al, более предпочтительно вплоть до приблизительно 10% Al (то есть ионы А по существу состоят из 90 мол.% или больше Al и 10 мол.% или меньше одного или более из Ga, Sc и In); A может также содержать вплоть до приблизительно 10% галлия. В другом варианте A и O могут быть по меньшей мере частично замещены Si и N. Элемент M может быть выбран из группы, состоящей из иттрия (Y), гадолиния (Gd), тербия (Tb) и лютеция (Lu). Кроме того, Gd и/или Tb предпочтительно присутствуют только вплоть до количества приблизительно 20% от M. В одном конкретном варианте осуществления люминесцентный материал граната содержит (YLu)AlO:Ce, где x равен или больше 0 и равен или меньше 1. Термин «:Ce» или «:Ce» означает, что часть ионов металла (то есть в гранатах часть ионов «M») в люминесцентном материале замещается церием. В частности, содержащий лютеций гранат может обеспечить желаемую люминесценцию, особенно когда лютеций составляет по меньшей мере 50% от M. Дополнительно или альтернативно неорганический люминесцентный материал может также содержать люминесцентный материал, выбираемый из группы, состоящей из содержащего двухвалентный европий нитридного люминесцентного материала или содержащего двухвалентный европий оксонитридного люминесцентного материала, такого как один или более материалов, выбираемых из группы, состоящей из (Ba,Sr,Ca)S:Eu, (Mg,Sr,Ca)AlSiN:Eu и (Ba,Sr,Ca)SiN:Eu. В этих соединениях европий (Eu) является по существу или только двухвалентным, и заменяет один или больше из указанных двухвалентных катионов. В большинстве случаев Eu будет присутствовать в количествах не более чем 10% катиона, в частности в диапазоне приблизительно от 0,5 до 10%, более предпочтительно в диапазоне приблизительно от 0,5 до 5% относительно замещаемого катиона (катионов). Термин «:Eu» или «:Eu» означает, что часть ионов металла замещается европием (в этих примерах ионом Eu). Например, при 2% Eu в CaAlSiN:Eu правильная формула может выглядеть как (CaEu)AlSiN. Двухвалентный европий в большинстве случаев будет замещать двухвалентные катионы, такие как вышеупомянутые двухвалентные щелочноземельные катионы, в частности Ca, Sr или Ba. Материал (Ba,Sr,Ca)S:Eu также может быть обозначен как MS:Eu, где M представляет собой один или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca); предпочтительно M содержит в этом соединении кальций или стронций, либо кальций и стронций, более предпочтительно кальций. Здесь Eu вводится и замещает по меньшей мере часть M (то есть один или больше из Ba, Sr и Ca). Кроме того, материал (Ba,Sr,Ca)SiN:Eu также может быть обозначен как MSiN:Eu, где M представляет собой один или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca); предпочтительно M содержит в этом соединении Sr и/или Ba. В одном дополнительном конкретном варианте осуществления M состоит из Sr и/или Ba (не принимая во внимание присутствие Eu), предпочтительно из 50-100%, более предпочтительно из 50-90% Ba и из 50-0%, предпочтительно из 50-10% Sr, как, например, в соединении BaSrSiN:Eu (то есть 75% Ba; 25% Sr). Здесь Eu вводится и замещает по меньшей мере часть M (то есть один или больше из Ba, Sr и Ca). Аналогичным образом материал (Ba,Sr,Ca)AlSiN:Eu также может быть обозначен как MAlSiN:Eu, где M представляет собой один или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca); предпочтительно M содержит в этом соединении кальций или стронций, либо кальций и стронций, более предпочтительно кальций. Здесь Eu вводится и замещает по меньшей мере часть M (то есть один или больше из Ba, Sr и Ca). Предпочтительно в одном варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит (Ca,Sr,Mg)AlSiN:Eu, предпочтительно CaAlSiN:Eu. Кроме того, в другом варианте осуществления, который может быть скомбинирован с первым, неорганический люминесцентный материал содержит (Ca,Sr,Ba)SiN:Eu, предпочтительно (Sr,Ba)SiN:Eu. Термины типа «(Ca,Sr,Ba)» указывают, что соответствующий катион может быть замещен кальцием, стронцием или барием. Они также указывают, что в таких материалах соответствующие катионные места могут быть заняты катионами, выбираемыми из группы, состоящей из кальция, стронция и бария. Таким образом, этот материал может содержать, например, кальций и стронций, или только стронций, и т.д.
Неорганический люминесцентный материал может также содержать один или больше люминесцентных материалов, выбираемых из группы, состоящей из содержащего трехвалентный церий граната (см. выше) и содержащего трехвалентный церий оксонитрида. Оксонитридные материалы в данной области техники часто обозначаются также как оксинитридные материалы.
Термин «неорганический люминесцентный материал» таким образом может также относиться ко множеству различных неорганических люминесцентных материалов. Неорганический люминесцентный материал может содержаться в преобразователе света, например как залитый в матрицу, в частности из органического люминесцентного материала.
Также возможны комбинации из двух или более таких конфигураций (см. также выше). Следовательно, в одном варианте осуществления (не)органический люминесцентный материал, такой как люминесцентный материал на основе квантовой точки, является встроенным (то есть распределенным) в матрице. В другом случае, конкретно в случае неорганических люминесцентных материалов, еще более конкретно в случае основанных на гранате люминесцентных материалов, такие материалы могут быть сформированы в (керамический) волновод и могут таким образом использоваться как таковые.
Многие из вышеупомянутых материалов, особенно материалы граната, могут быть обеспечены в виде керамики (керамического тела или керамического сляба). Термин «керамический» относится к неорганическому материалу, который получается путем нагревания (поликристаллического) порошка при температуре, например, по меньшей мере 500°C, предпочтительно по меньшей мере 800°C, например по меньшей мере 1000°C, под высоким давлением, таким как по меньшей мере 0,5 МПа, предпочтительно по меньшей мере 1 МПа, например приблизительно от 1 до 500 МПа, например по меньшей мере 5 МПа или по меньшей мере 10 МПа, предпочтительно под одноосным или изостатическим давлением, особенно предпочтительно под изостатическим давлением. Конкретным способом получения керамики является горячее изостатическое прессование (HIP), причем процесс HIP может быть процессом HIP после спекания, капсульным HIP или комбинированным процессом спекания-HIP, например при температурах и давлениях, указанных выше. Керамика, получаемая с помощью такого способа, может использоваться как она есть, или может быть дополнительно обработана (отполирована, или даже переработана обратно в частицы). Керамика имеет плотность, которая составляет по меньшей мере 90%, например по меньшей мере 95%, например в диапазоне от 97 до 100% теоретической плотности (то есть плотности монокристалла). Керамика может оставаться поликристаллической, но с уменьшенным или сильно уменьшенным объемом между зернами (сжатыми частицами или сжатыми агломератами частиц).
Волновод без элемента преобразователя излучения в большинстве случаев будет высокопропускающим (в частности прозрачным), как монокристалл, полимерный материал или керамический материал. Пропускание может быть близким к 100%. Однако с элементом преобразователя излучения по меньшей мере часть излучения сильно поглощается; для этого излучения, поглощенного элементом преобразователя излучения, волновод, включающий в себя элемент преобразователя излучения, является плохо пропускающим. Термин «пропускающий» в настоящем документе может в частности относиться к преобразователю, который имеет светопропускание в диапазоне от 90 до 100%, например от 95 до 100%, для света, имеющего длину волны, выбираемую из видимого диапазона длин волн. В настоящем документе, термин «видимый свет» относится к свету, имеющему длину волны, выбираемую из диапазона 380-780 нм. Пропускание может быть определено путем подачи света с конкретной длиной волны с первой интенсивностью в волновод при перпендикулярном излучении и соотнесения интенсивности света с этой длиной волны, измеренной после его прохождения через материал, с первой интенсивностью света, поданного с этой конкретной длиной волны в материал (см. также E-208 и E-406 в публикации CRC Handbook of Chemistry and Physics, 69th edition, 1088-1989). Волноводы могут содержать или по существу состоять из одного или более материалов, которые являются высокопрозрачными и имели бы пропускание в отсутствие элемента преобразователя излучения (через ширину W волновода) для излучения твердотельного источника света, равное 90% или больше, предпочтительно 95% или больше, еще более предпочтительно 98% или больше, еще более предпочтительно 99% или больше.
Люминесцентный световод может содержать центральную длину волны испускания внутри синего цветового диапазона, или внутри зеленого цветового диапазона, или внутри красного цветового диапазона. Синий цветовой диапазон определяется как диапазон от 380 нм до 495 нм, зеленый цветовой диапазон определяется как диапазон от 495 нм до 590 нм, и красный цветовой диапазон определяется как диапазон от 590 нм до 800 нм.
Выбор люминофоров, которые могут использоваться в вариантах осуществления, альтернативных или дополнительных к люминофорам, описанным выше, дается в нижеприведенной таблице вместе с длиной волны максимального испускания.
<b>Люминофор</b>
<b>Длина волны максимального испускания [нм]</b>
CaGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce
475
SrGa<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Ce
450
BaAl<sub>2</sub>S<sub>4</sub>:Eu
470
CaF<sub>2</sub>:Eu
435
Bi<sub>4</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce
470
Ca<sub>3</sub>Sc<sub>2</sub>Si<sub>3</sub>O<sub>12</sub>:Ce
490
Вышеупомянутое максимальное испускание в настоящем изобретении может быть сдвинуто в область красного цвета благодаря реабсорбции.
Световоды, как было указано ниже в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, могут содержать области с различной плотностью подходящего люминесцентного материала для преобразования света в другое спектральное распределение. В одном варианте осуществления прозрачный световод содержит две части, смежных друг с другом, только одна из которых содержит люминесцентный материал, а другая часть является прозрачной или имеет относительно низкую концентрацию люминесцентного материала. В другом варианте осуществления световод содержит еще одну, третью часть, смежную со второй частью, которая содержит другой люминесцентный материал или другую концентрацию того же самого люминесцентного материала. Эти различные части могут быть интегрально сформированы, формируя таким образом одну деталь или один световод. Если бы использовались такие варианты осуществления, тогда применялась бы средняя концентрация по ширине. Например, допустим, что волновод имеет два слоя, причем первая концентрация в первом слое равна 2, а во втором слое равна 0, тогда концентрация равна 1.
in
in
in
out
out
in
out
in
out
out
in
in
out
out
out
out
in
in
В вариантах осуществления светоизлучающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, как указано ниже, связующая структура или связующая среда может быть предусмотрена для эффективного ввода в световод света, излучаемого источником света. Эта связующая структура может быть преломляющей структурой, имеющей особенности, такие как, например, выступы и углубления, формирующие волнообразную структуру. Типичный размер этих особенностей связующей структуры составляет от 5 мкм до 500 мкм. Форма этих особенностей может быть, например, полусферической (линзы), призматической, синусоидальной или случайной (например, в результате обработки струей песка). Путем выбора соответствующей формы может быть настроено количество света, подаваемого в световод. Преломляющие структуры могут быть сделаны с помощью механических средств, например с помощью строгания, пескоструйной обработки и т.п. Альтернативно преломляющие структуры могут быть сделаны с помощью репликации в соответствующем материале, таком как, например, материал золь-гель или полимер. Альтернативно связующая структура может быть дифракционной структурой, где типичный размер особенностей дифракционной связующей структуры составляет от 0,2 мкм до 2 мкм. Углы дифракции θ внутри световода задаются уравнением решетки λ/Λ=n·sinθ - n·sinθ, где λ представляет собой длину волны света, излучаемого светоизлучающим диодом, Λ представляет собой период решетки, n и n представляют собой показатели преломления внутри и снаружи световода, θ, и θ представляют собой угол дифракции внутри и угол падения снаружи световода, соответственно. Если мы примем один и тот же показатель преломления n=1 для слоя с низким показателем и для связующей среды, то с помощью условия для полного внутреннего отражения n·sinθ=n можно найти следующее условие: λ/Λ=1 - sinθ, то есть Λ=λ для нормального угла падения θ=0. Как правило, не все другие углы θ преломляются в световод. Это будет происходить только в том случае, если его показатель преломления n является достаточно высоким. Из уравнения решетки следует, что для условия n ≥ 2 все углы преломляются, если Λ=λ. Также могут использоваться другие периоды и показатели преломления, приводящие к меньшему количеству света, преломляющегося в световод. Кроме того, в большинстве случаев значительная часть света пропускается (0-й порядок). Количество преломленного света зависит от формы и высоты решетчатых структур. Путем выбора подходящих параметров может быть настроено количество света, подаваемого в световод. Такие дифракционные структуры наиболее легко делаются путем снятием реплики со структур, которые были сделаны, например, с помощью электроннолучевой литографии или голографии. Снятие реплики может быть выполнено таким способом, как мягкая нанолитография по методу импринтинга. Связующая среда может быть, например, воздухом или другим подходящим материалом.
На Фиг. 1 показан трехмерный вид в перспективе светоизлучающего устройства 1, содержащего концентратор 100, который содержит световод 4000, выполненный с возможностью преобразования входящего света с первым спектральным распределением в свет со вторым, другим спектральным распределением. Световод 4000, показанный на Фиг. 1, представляет собой или строится как структура 6000 преобразователя длины волны, имеющая первую преобразующую часть 6110 в форме преобразователя длины волны из ультрафиолетового в синий, и вторую преобразующую часть 6120 в форме люминофора, выполненного с возможностью излучать белый свет 1400, на основе синего света, выходящего из первой преобразующей части 6110. Следовательно, светоизлучающее устройство 1, показанное на Фиг. 1, содержит источник света в форме множества светоизлучающих диодов 2100, 2200, 2300, излучающих свет в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до синего. Светоизлучающие диоды 2100, 2200, 2300 располагаются на основании или подложке 1500. В частности, первая преобразующая часть 6110 содержит поликристаллический кубический иттриево-алюминиевый гранат (YAG), легированный редкоземельными ионами, в одном варианте осуществления европием и/или тербием, в то время как вторая преобразующая часть 6120 содержит желтый люминофор. Этот вариант осуществления является выгодным тем, что площадь поверхности выхода света является более малой, чем площадь поверхности, требуемой для построения источника света, состоящего непосредственно из светоизлучающих диодов. Тем самым может быть реализовано усиление оптического фактора.
Альтернативы для производства белого света с помощью синего или ультрафиолетового источника света включают в себя, не ограничиваясь этим, светоизлучающие диоды, испускающие синий свет, который преобразуется в зеленый/синий свет в первой преобразующей части 6110, который в свою очередь преобразуется в белый свет второй преобразующей частью, обеспечиваемой в виде красного люминофора, а также светоизлучающие диоды, испускающие синий свет, который преобразуется в зеленый свет в первой преобразующей части 6110, который в свою очередь смешивается с красным и синим светом для того, чтобы создать светодиодный источник белого цвета, в котором смешивание достигается посредством второй преобразующей части в форме красного люминофора, перед которым располагается диффузор.
В другом варианте осуществления множество светоизлучающих диодов включает в себя два или более подмножества, выполненных с возможностью обеспечивать излучение с различными спектральными распределениями. Например, первое подмножество может быть выполнено с возможностью генерировать ультрафиолетовое или синее излучение, и второе подмножество может быть выполнено с возможностью генерировать синее или зеленое излучение, соответственно.
Кроме того, осветительное устройство может включать в себя дополнительные оптические элементы, отдельные от волновода и/или интегрированные в волновод, такие как, например, элемент концентрирования света, такой как составной параболический элемент концентрирования света (CPC).
3
5
12
3
5
12
3
5
12
Фиг. 2 показывает вид сбоку системы освещения, например блока 140 цифрового проектора, со световодом 4070, который выполнен с возможностью преобразования падающего на него света 1300 таким образом, чтобы излучаемый им свет 1700 находился в желтом и/или оранжевом диапазоне длин волн, то есть примерно в диапазоне длин волн от 560 нм до 600 нм. Световод 4070 может быть обеспечен, например, в виде прозрачного граната, сделанного из керамических материалов, таких как легированный церием (Lu,Gd)AlO, (Y,Gd)AlO или (Y,Tb)AlO. При более высоком содержании церия и/или более высоких уровнях замещения церием, например, Gd и/или Tb, спектральное распределение света, излучаемого световодом, может быть смещено в сторону более высоких длин волн. В одном варианте осуществления световод 4070 является полностью прозрачным.
На поверхности 4200 выхода света предусматривается оптический элемент 9090. Оптический элемент 9090 содержит фильтр 9091 для того, чтобы фильтровать свет 1700, испускаемый из световода 4070, так, чтобы обеспечить фильтрованный свет 1701, по меньшей мере один дополнительный источник света 9093, 9094 и оптический компонент 9092, выполненный с возможностью объединения фильтрованного света 1701 и света от по меньшей мере одного дополнительного источника света 9093, 9094 так, чтобы обеспечить общий световой выход 1400. Фильтр 9091 может быть поглощающим фильтром или отражающим фильтром, который может быть фиксированным или переключаемым. Переключаемый фильтр может быть получен, например, путем обеспечения отражающего дихроичного зеркала, которое может иметь низкое пропускание, полосовое пропускание или высокое пропускание в соответствии с желаемым световыходом, и переключаемого зеркала, а также размещения переключаемого зеркала перед дихроичным зеркалом, если смотреть в направлении распространения света. Кроме того, также возможно комбинировать два или более фильтров и/или зеркал для того, чтобы выбрать желаемый световыход. Фильтр 9091, показанный на Фиг. 2, представляет собой переключаемый фильтр, обеспечивающий пропускание нефильтрованного желтого и/или оранжевого света или фильтрованного света, в частности в показанном варианте осуществления отфильтрованного красного света, в соответствии с состоянием переключения фильтра 9091. Спектральное распределение отфильтрованного света зависит от характеристик используемого фильтра 9091. Показанный оптический компонент 9092 может быть крестообразной дихроичной призмой, также известной как X-куб, или альтернативно он может быть подходящим набором индивидуальных дихроичных фильтров.
В показанном варианте осуществления предусматриваются два дополнительных источника света 9093 и 9094, причем дополнительный источник света 9093 является источником синего света, а дополнительный источник света 9094 является источником зеленого света. Также возможны другие цвета и/или большее количество дополнительных источников света. Один или более дополнительных источников света также могут быть световодами в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, как указано ниже. Дополнительной опцией является использование света, отфильтрованного фильтром 9091, в качестве дополнительного источника света. Общий световыход 1400 является таким образом комбинацией света 1701, испускаемого световодом 4070 и отфильтрованного фильтром 9091, и света, излучаемого соответствующими двумя дополнительными источниками света 9093 и 9094. Общий световыход 1400 предпочтительно может быть белым светом.
Решение, показанное на Фиг. 2, является выгодным тем, что оно является масштабируемым, экономически выгодным и легко адаптируемым в соответствии с требованиями для данного приложения светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается вариантом осуществления цифрового проектора, схематично изображенным на Фиг. 2.
Фиг. 3A - 3D показывают виды сбоку световода 4010A, 4010B, 401°C и 4010D, соответственно, содержащего элемент поляризации света 9001, расположенный смежно с поверхностью 4200 выхода света соответствующего световода 4010A, 4010B, 4010C, 4010D, а также отражающий элемент 7400, расположенный на поверхности 4600 соответствующего световода 4010A, 4010B, 4010C, 4010D, противоположной поверхности 4200 выхода света. Тем самым может быть получен источник поляризованного света, имеющий высокую яркость и высокую эффективность. Независимо от варианта осуществления поляризующий элемент 9001 может быть любым из отражающего линейного поляризатора и отражающего кругового поляризатора. Поляризаторы из проволочной сетки и отражающие поляризаторы на основе стопки полимерных слоев, содержащей двоякопреломляющие слои, являются примерами отражающих линейных поляризаторов. Круговые поляризаторы могут быть получены с использованием полимеров в так называемой холестерической фазе жидкого кристалла для того, чтобы изготовить называемые холестерические поляризаторы, пропускающие свет только одной поляризации и конкретного спектрального распределения. Альтернативно или в дополнение к отражающим поляризаторам также могут использоваться поляризующие расщепители луча. Кроме того, также могут использоваться рассеивающие поляризаторы. В другом варианте осуществления может использоваться поляризация за счет отражения, например посредством поляризующего элемента в форме клина, сделанного из такого материала, как стекло, в котором угол падения света близок к углу Брюстера (углу полной поляризации). В еще одном варианте осуществления поляризующий элемент 9001 может представлять собой так называемую поляризованную заднюю подсветку, такую как описанная в международной патентной заявке WO 2007/036877 A2. В еще одном варианте осуществления поляризующий элемент 9001 может представлять собой поляризующую структуру.
Фиг. 3A показывают один вариант осуществления, в котором поляризующий элемент 9001 располагается на поверхности 4200 выхода света световода 4010A. Источники света 2100, 2200, 2300 излучают первый свет 1300 (в других местах обозначаемый как излучение 11 твердотельного источника света), имеющий первое спектральное распределение, которое преобразуется в световоде 4010A во второй свет 1400 (в других местах обозначаемый как излучение 21 элемента преобразователя), имеющий второе спектральное распределение. Благодаря поляризующему элементу 9001 только свет первой поляризации, в данном случае p-поляризованный свет 1400PA, пропускается и испускается из поверхности 4200 выхода света, и свет второй поляризации, в данном случае s-поляризованный свет 1400S, отражается обратно в световод 4010A. Отраженный s-поляризованный свет 1400S отражается отражающим элементом 7400. При отражении по меньшей мере часть отраженного s-поляризованного света 1400S изменяется на p-поляризованный свет 1400PB, который пропускается поляризующим элементом 9001. Таким образом получается световыход, содержащий только свет с первой поляризацией, в данном случае p-поляризованный свет 1400PA, 1400PB.
Кроме того, в этом примере световод 4010A содержит четвертьволновую пластину 9002, расположенную на одной из поверхностей, проходящих между поверхностью 4200 выхода света и противоположной поверхностью 4600, в показанном варианте осуществления частично покрывающей поверхность 4500. Альтернативно четвертьволновая пластина может покрывать поверхность 4500 полностью, или она может содержать два или более отдельных сегментов. Альтернативно или в дополнение к этому, дополнительные четвертьволновые пластины могут быть расположены у одной или более других поверхностей, проходящих между поверхностью 4200 выхода света и поверхностью 4600. В еще одном варианте осуществления четвертьволновая пластина 9002 может быть расположена между световодом и отражающим элементом 7400 таким образом, чтобы обеспечивался зазор между четвертьволновой пластиной и световодом. Четвертьволновая пластина 9002 может использоваться для преобразования света с первой поляризацией в свет со второй поляризацией, в частности для того, чтобы преобразовать свет с круговой поляризацией в линейно поляризованный свет. Следует отметить, однако, что независимо от варианта осуществления четвертьволновая пластина 9002 является дополнительным элементом, и что она таким образом также может быть опущена.
Фиг. 3B показывает один вариант осуществления, в котором поляризующий элемент 9001 располагается наклонно относительно поверхности 4200 выхода света, как показано под углом 45° относительно поверхности 4200 выхода света, хотя в принципе возможен любой угол. Кроме того, четвертьволновая пластина 9002 и отражающий элемент 9003, уложенные друг на друга, располагаются на пути луча после поляризующего элемента 9001 таким образом, что они проходят по существу параллельно поляризующему элементу 9001. Тем самым отраженный свет с первой поляризацией выходит из световода 4010B и при этом изменяется на свет со второй поляризацией поляризующим элементом 9001. После этого свет со второй поляризацией перенаправляется отражающим элементом 9003 и дополнительно поляризуется четвертьволновой пластиной 9002.
Фиг. 3C показывает один вариант осуществления, подобный показанному на Фиг. 9A, но в котором световод 401°C в качестве альтернативы содержит скошенную поверхность 4600 напротив поверхности 4200 выхода света. Скошенная поверхность 4600 обеспечивается отражающими элементами 4701, 4702, разделенными вставкой в форме четвертьволновой пластины 9004.
Фиг. 3D показывает один вариант осуществления, в котором два световода 4010D и 5010 укладываются в стопку таким образом, что поверхность 4500 световода 4010D и поверхность 5100 входа света световода 5010 обращены друг к другу, и дополнительный поляризующий элемент 9005 расположен между световодами 4010D и 5010 и находится в оптическом контакте с ними. Поляризующий элемент 9001 располагается на поверхностях 4200 и 5200 выхода света из световодов 4010D и 5010, и отражающий элемент 7400 располагается на поверхностях 4600 и 5600 световодов 4010D и 5010, противоположных соответствующим поверхностям 4200 и 5200 выхода света. Дополнительный поляризующий элемент 9005 пропускает свет с поляризацией, перпендикулярной поляризации света, пропускаемого поляризующим элементом 9001. Четвертьволновая пластина 9002 может быть нанесена по меньшей мере на часть поверхности 5500 световода 5010.
В дополнительных альтернативных вариантах осуществления поляризующий элемент 9001 может быть предусмотрен как часть оптического элемента, расположенного на поверхности 4200 выхода света из световода. В одном конкретном варианте осуществления поляризующий элемент 9001 тогда располагается, например, так, чтобы он находился напротив поверхности 4200 выхода света в установленном положении оптического элемента. Такой оптический элемент может быть, например, оптическим элементом, составным параболическим элементом концентрирования света (CPC) или описанным выше оптическим элементом. Альтернативно такой оптический элемент может быть камерой смешивания света. В частности, в случае составного параболического элемента концентрирования света четвертьволновая пластина может быть расположена в CPC напротив поляризующего элемента 9001.
Фиг. 4 показывает светоизлучающее устройство 1020, содержащее источник света 2100, содержащий множество светоизлучающих диодов, а также световод 4095. Источник света 2100 в этом примере расположен на основании или подложке в форме теплопоглотителя 7000, в вариантах осуществления сделанной из металла, такого как медь, железо или алюминий. Следует отметить, что в других вариантах осуществления основание или подложка не обязана быть теплопоглотителем. Световод 4095 показан как имеющий в целом форму бруска или стержня, имеющего поверхность 4100 входа света и поверхность 4200 выхода света, проходящие под углом друг к другу, отличающимся от нуля, в данном случае перпендикулярно друг другу таким образом, что поверхность 4200 выхода света является концевой поверхностью световода 4095. Поверхность 4100 входа света и поверхность 4200 выхода света могут иметь различные размеры, в вариантах осуществления такие, что площадь поверхности 4100 входа света больше, чем площадь поверхности 4200 выхода света. Световод 4095 дополнительно содержит дополнительную поверхность 4600, проходящую параллельно поверхности 4200 выхода света и противоположную ей, и таким образом дополнительная поверхность 4600 является концевой поверхностью световода 4095. Световод 4095 дополнительно содержит боковые поверхности 4300, 4400, 4500. Световод 4095 также может иметь форму пластины, например такой, как квадратная или прямоугольная пластина.
Светоизлучающее устройство 1020 дополнительно содержит первый зеркальный элемент 7600, расположенный у дополнительной поверхности 4600 световода 4095, а также второй зеркальный элемент 7400, расположенный у поверхности 4200 выхода света из световода 4095. Как показано, первый зеркальный элемент 7600 находится в оптическом контакте с поверхностью 4200 выхода света, а второй зеркальный элемент 7600 находится в оптическом контакте с дополнительной поверхностью 4600. Альтернативно может быть предусмотрен зазор между одним или обоими из первого и второго зеркальных элементов 7600 и 7400 и соответственно дополнительной поверхностью 4600 и поверхностью 4200 выхода света. Такой зазор может быть заполнен, например, воздухом или оптическим клейким веществом.
Поверхность 4200 выхода света из световода 4095 дополнительно снабжается четырьмя скошенными внутрь стенками и центральной плоской частью, проходящей параллельно дополнительной поверхности 4600. Использующийся в настоящем документе термин «скошенная стенка» означает сегмент стенки поверхности 4200 выхода света, который располагается под углом, отличающимся от нуля градусов, как к остальной части (частям) поверхности выхода света, так и к поверхностям световода, смежным с поверхностью выхода света. Эти стенки скошены внутрь, что означает, что поперечное сечение световода постепенно уменьшается в направлении к выходной поверхности. В этом варианте осуществления второй зеркальный элемент 7400 располагается у скошенных стенок поверхности 4200 выхода света и находится с ними в оптическом контакте. Следовательно, второй зеркальный элемент снабжается четырьмя сегментами 7410, 7420, 7430 и 7410, соответствующими каждой из скошенных стенок поверхности 4200 выхода света и покрывающими их. Сквозное отверстие 7520, соответствующее центральной плоской части поверхности 4200 выхода света, определяет прозрачную часть поверхности 4200 выхода света, через которую свет может выходить из светоизлучающего устройства 1020.
Таким образом предлагается светоизлучающее устройство, в котором световые лучи, которые попадают на второй зеркальный элемент, изменяют угловое направление таким образом, что больше световых лучей направляется к поверхности 4200 выхода света, и световые лучи, которые раньше остались бы внутри световода 4095 благодаря полному внутреннему отражению, из-за изменения угловых направлений будут теперь попадать на поверхность 4200 выхода света под углами меньшими, чем критический угол отражения, и, следовательно, смогут выйти из световода через сквозное отверстие 7520 поверхности 4200 выхода света. Тем самым интенсивность света, излучаемого светоизлучающим устройством через поверхность 4200 выхода света из световода 4095, дополнительно увеличивается. В частности, когда световод представляет собой прямоугольный брусок, будут существовать световые лучи, которые попадают на второй зеркальный элемент у выходной поверхности перпендикулярно, и по сути не могут выйти из бруска, поскольку они продолжают отражаться между двумя зеркальными элементами. Когда один зеркальный элемент наклонен внутрь, световые лучи изменяют направление после отражения этим зеркальным элементом, и могут покинуть световод через прозрачную часть второго зеркального элемента. Таким образом, эта конфигурация обеспечивает улучшенное направление света к центральной плоской части поверхности 4200 выхода света, и таким образом через сквозное отверстие 7520 во втором зеркальном элементе 7400 за счет отражения от скошенных стенок.
В альтернативных вариантах осуществления может быть предусмотрено другое количество скошенных стенок, например меньше или больше, чем четыре, например одна, две, три, пять или шесть скошенных стенок, и аналогичным образом не все скошенные стенки должны быть снабжены вторым зеркальным элементом или его сегментами. В других альтернативах одна или более скошенных стенок могут быть непокрытыми вторым зеркальным элементом 7400, и/или центральная плоская часть может быть покрыта частично или полностью вторым зеркальным элементом 7400.
3+
2+
Фиг. 5A схематично изображает один вариант осуществления осветительного устройства, обозначенного ссылочной цифрой 1. Осветительное устройство 1 содержит люминесцентный концентратор 100, содержащий волновод 4000, имеющий поверхность 4100 входа излучения и поверхность 4200 выхода излучения. Ширина W определяется расстоянием между поверхностью 4100 входа излучения и противоположной ей поверхностью 4500 волновода 4000, содержащего элемент 20 преобразователя излучения, распределенный в волноводе 4000. Здесь ширина W равна толщине волновода 4000 (и длине пути (ℓ), см. также выше). Кроме того, осветительное устройство 1 содержит твердотельный источник 10 света, выполненный с возможностью облучения излучением 11 твердотельного источника света 11 поверхности 4100 входа излучения волновода 4000. Здесь исключительно в качестве примера изображены два твердотельных источника 10 света. Элемент 20 преобразователя излучения, такой как Ce или Eu, или органический краситель, или квантовая точка, или комбинации двух или более из перечисленного, выполнены с возможностью поглощения по меньшей мере части излучения 11 источника света и преобразования его в излучение 21 элемента преобразователя излучения. Волновод 4000 может быть, например, бруском или стержнем, но может также иметь по существу сферическое поперечное сечение. Один вариант его осуществления схематично изображен на Фиг.5B, где входная поверхность 4100 и противоположная ей поверхность 4500 являются по существу параллельными; другие поверхности могут быть круглыми или закругленными. Однако задний конец 4600 (не обозначен) и выходная поверхность 4200 будут в большинстве случаев иметь плоскую часть, или будут по существу полностью плоскими («плоская поверхность», см. также выше). На Фиг. 5A излучение, выходящее из волновода 4000 через выходную поверхность 4200, обозначается ссылочной цифрой 1400. Длина волновода 4000 обозначается как L. Направление длины (LD) является, например, параллельным поверхностям 4100 и 4500, и может в частности совпадать со осью тела (не обозначена). На Фиг.5B направление длины является перпендикулярным плоскости чертежа и обозначено осью тела BA. Направление длины является перпендикулярным ширине (направлению). Излучение 11 от источников 10 излучения проходит параллельно направлению ширины (WD). Эти направления WD и LD также обозначены стрелками справа от волновода 4000. Концентратор 100 включает в себя волновод 4000, но может опционально включать в себя дополнительные элементы, такие как фильтры, отражатели и т.д., как обозначено выше.
Фиг. 6A и Фиг. 6B схематично показывают, что в том случае, когда концентрация активатора является низкой, реабсорбция в направлении длины стержня является преобладающей (см. Фиг. 6A). Реабсорбция в направлении ширины является незначительной; благодаря высокому соотношению сторон стержня всегда будет происходить реабсорбция в направлении длины. Свет, который первоначально был в конусе полного внутреннего отражения (TIR), будет вероятно выходить из TIR благодаря этому процессу реабсорбции. Кроме того, свет, который в первичной эмиссии не был в TIR, будет иметь меньше шансов оказаться реабсорбированным, и будет выходить из стержня до того, как достигнет выходной поверхности. Если мы увеличим концентрацию легирующего вещества (см. Фиг. 6B), реабсорбция в других направлениях также станет важной. Сгенерированный первичный свет, который не находится в конусе полного внутреннего отражения (TIR), будет подвергаться реабсорбции, что даст ему второй шанс войти в конус TIR. В направлении длины реабсорбция не будет увеличиваться значительно; только расстояние от первичной эмиссии будет уменьшаться (соотношение сторон стержня, определяемое как отношение длины к ширине, приводит к реабсорбции в направлении длины, даже для более низких концентраций). Ссылочное обозначение a1 означает излучение, которое не находится внутри режима полного внутреннего отражения (конус TIR изображен на этом схематическом двухмерном чертеже в обоих направлениях), и таким образом может быть потеряно. Ссылочное обозначение a2 означает излучение, которое находится внутри режима TIR длинных поверхностей 4100 и 4500, но не находится внутри режима TIR задней стороны 4600. Ссылочное обозначение a3 означает излучение внутри TIR, выходящее из выходной поверхности 200.
Некоторое количественное определение дается со ссылкой на Фиг. 6C, где делается допущение о волноводе из содержащего церий граната, имеющего показатель преломления 1,8 (и воздухе, имеющем показатель преломления 1). Тогда критический угол может быть определен как 33,7°. Ссылочное обозначение a4 обозначает свет внутри TIR для всех поверхностей. Излучение a1, не находящееся внутри TIR, может быть оценено как (4*33,7)/360=37,5%, где коэффициент 4 основан на верхних двух половинах конуса и нижних двух половинах конуса (угол раскрытия всех конусов a1 таким образом составляет 2*33,7°). Излучение a2 может быть оценено как (2*33,7/360)=18,7%, и излучение a3 может быть оценено как (2*33,7/360)=18,7%, где коэффициент 2 основан на двух половинах конусов a2 и a3, соответственно. Излучение a4 может быть оценено как (4*22,6/360)=25%; где значение 22,6 вычислено как 2*(45°-33,7°=11,3°). Как можно заметить на Фиг.6C, существует четыре части a4, следовательно это значение учетверяется. Предположим, что приблизительно 15% излучения может подвергаться реабсорбции, тогда возможное усиление определяется формулой: (свет в конусах «a1»)*(доля того света, у которого все еще есть возможность подвергнуться реабсорбции)*(шанс того, что повторно испускаемый свет имеет правильный угол излучения), что таким образом приблизительно равняется 0,375*0,15*(1-0,375)=4%, что является существенным.
В нижеприведенной таблице даются некоторые примеры:
Ширина стержня (мм)
Тип люминесцентного материала
Элемент преобразователя
Концентрация элемента преобразователя для 98%-го поглощения на длине волны максимального возбуждения
Пример желаемой концентрации
1,2
Lu<sub>3</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>:Ce<sup>3+</sup>
Ce<sup>3+</sup>
0,175%
0,7%
1,2
Ca<sub>1-x</sub>AlSiN<sub>3</sub>:Eu<sub>x</sub><sup>2+</sup>
Eu<sup>2+</sup>
0,1- 0,15%
0,4-0,6%
6
-1
-1
6
Для квантовых точек было сделано аналогичное вычисление, но основанное на концентрации квантовых точек на литр волновода. Характеристическим значением для квантовых точек является =1e Mсм, где M определяется как количество молей на литр. Следовательно, 98%-ое поглощение на расстоянии 0,12 см составляет -log(0,02)=1e*0,12*[C], где [C] означает концентрацию. Следовательно, концентрация 98%-го поглощения для такого типа квантовых точек составляет 15 мкM. Следовательно, желаемая концентрация составляет по меньшей мере 45 мкМ в волноводе, имеющем толщину 0,12 см.
XM
RM
RM
XM
XM
RM
MM
XM
MM
Фиг. 6D схематично изображает эмиссионную кривую и связанную с ней кривую возбуждения, где на оси X отложена длина волны (λ) в нанометрах (нм), а на оси Y отложена нормализованная интенсивность (N. I.) (в произвольных единицах). Ради аргумента кривая поглощения определяется как являющаяся идентичной кривой возбуждения, особенно внутри соответствующего диапазона длин волн от 400 до 600 нм, особенно даже от 300 до 600 нм. Кривая возбуждения или поглощения идентифицируется ссылкой EX. Эмиссионная кривая идентифицируется ссылкой EM, то есть излучением 21 элемента преобразователя излучения. Кроме того, диагонально заштрихованная кривая представляет собой излучение 11 твердотельного источника света. Эти кривые являются нормализованными. Очевидно, что элемент преобразователя излучения в данном примере может быть возбужден почти во всем диапазоне длин волн от 300 до 500 нм. Однако наиболее эффективным возбуждение будет в диапазоне вокруг максимума λ, то есть максимума возбуждения. Излучение твердотельного источника света имеет максимум в точке максимума излучения λ. Предпочтительно твердотельный источник света выбирается таким образом, чтобы его максимум излучения λ находился внутри диапазона от 70% до 100% λ. На чертеже обозначен диапазон от 80 до 100%. Здесь в этом варианте осуществления излучение твердотельного источника света по существу полностью перекрывается с диапазоном возбуждения, и максимумы λ и λ по существу накладываются друг на друга. Кроме того, диапазон испускания и диапазон возбуждения перекрываются. Здесь на этом схематическом чертеже приблизительно 10-15% диапазон испускания EM (излучения 21 элемента преобразователя излучения) перекрывается с диапазоном возбуждения. Спектральное перекрытие определяется путем нормализации спектра возбуждения и спектра испускания в видимой области до 100 (или до 1 и т.д.) и определения площади под кривой испускания, перекрывающейся с площадью под кривой возбуждения. Для хорошей реабсорбции такое перекрытие является выгодным. Перекрывающаяся площадь горизонтально заштрихована и обозначена ссылочным обозначением O. Длина волны при максимальном испускании обозначена ссылочным обозначением λ. Разность длин волн между λ и λ представляет собой сдвиг Стокса.