专利名称：具有非平面长通反射器的基于荧光粉的光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及光源。更具体地说，本发明涉及这样一种光源，其中从发光二极管(LED)发射的光照射到荧光材料上并激发荧光材料，该荧光材料进而发出可见光。
技术讨论利用发光二极管(LED)的白光源可以有两种基本结构。在一种本文中称之为直接发光式LED的基本结构中，通过不同颜色的LED直接发光而产生白光。例子包括红色LED、绿色LED和蓝色LED的组合，以及蓝色LED和黄色LED的组合。在本文中称之为基于LED-受激荧光粉的光源(PLED)的另一种基本结构中，单个LED产生的光束处于较窄的波长范围内，该光束照射到荧光材料上并激发荧光材料产生可见光。该荧光粉可以包含不同种类的荧光材料的混合物或复合物，并且由荧光粉发出的光可以包括分布在整个可见光波长范围的多条窄的发射线，使得所发出的光在人类的肉眼看来基本上呈白色。
PLED的一个例子是照射荧光粉的蓝色LED，所述荧光粉将蓝色转变为红色和绿色波长。部分蓝色激发光不会被荧光粉吸收，而这部分残余的蓝色激发光与荧光粉发出的红光和绿光混合起来。PLED的另一个例子是照射荧光粉的紫外(UV)LED，所述荧光粉吸收UV光并使其转变为红、绿和蓝光。
白光PLED优于直接发光式白LED之处在于，其具有更好的与设备老化程度和温度相关的色彩稳定性，以及更好的不同批次之间以及不同设备之间的色彩一致性/重复性。不过，PLED会不如直接发光式LED有效率，部分原因在于荧光粉吸收光和再发光过程中的低效率。
白光PLED可以包括位于反射式热沉中的UV发射半导体芯片(晶片)。该反射式热沉也可以用来部分地校准UV光。所述UV光对含荧光粉的层的下侧进行照射，该含荧光粉的层吸收至少一部分UV光并发射多个波长在可见光区域的光，以便提供在普通观看者看来基本呈白色的光源。图1显示了这种PLED 10的一种结构。该PLED包括安装在导电热沉14的凹井中的半导体的LED 12，该热沉也向荧光粉反射器组件16反射一些从LED 12发出的光。该组件16可存在于光学透明封装材料18中，该光学透明封装材料可被制成具有透镜外形20的形状以调整由PLED 10发出的光。在图2中更详细地显示出荧光粉组件16。以粘合剂将一种或多种荧光材料混合起来而使荧光粉形成层22。反射UV激发光而透射可见发射光的长通(LP)反射器24可以放在荧光层22的上表面上。反射可见光而透射UV光的短通(SP)反射器26可以放在层22的底部。
对于给定的荧光粉浓度，荧光层的最佳厚度是有效吸收UV光(倾向于光学上的厚荧光层)与有效发射可见光(倾向于光学上的薄荧光层)之间的折衷。此外，由于UV光的强度在荧光层22的底部最大，且有用光从荧光层22的顶部分离出来，因此荧光层22的厚度增大至超过最佳厚度将迅速降低整个PLED的输出和效率。
LP反射器24和SP反射器26的存在能提高PLED 10的效率。LP反射器24把没有被荧光层22吸收而可能会被浪费掉的UV光反射回荧光层22。这增加了透过荧光层的UV光的有效光程长度，对于给定的荧光层厚度提高了被荧光粉吸收的UV光的量。因此与没有LP反射器24的结构相比，可以减小最佳的荧光层厚度，提高发光效率。
PLED中的另一显著损失是由于荧光层中方向未受控制的发光，导致荧光层22中发出的可见光中一半被导回到LED。这些光中的一部分可以通过反射离开热沉的斜壁而被捕获，但这些光中的大部分被散射、吸收或质量降低。如图所示，通过把SP反射器26放在LED 12和荧光层22之间可以减少该损失。
进一步提高PLED结构的效率是很有利的。简化PLED的制造并降低制造成本也是很有利的。
发明概要本发明披露了针对滤光元件(即LP和SP反射器)而利用聚合物多层光学膜的PLED。这些多层光学膜包括单独的光学层，至少其中某些可以是双折射的，在膜厚方向排列成光学重复单元。相邻的光学层具有这样的折射率关系，即保持反射率并避免中高入射角的p-偏振光泄漏。SP反射器包括具有厚度梯度的光学重复单元，所述厚度梯度产生能反射由荧光粉发出的可见光并透射UV激发光的反射波段。LP反射器包括具有不同厚度梯度的光学重复单元，所述厚度梯度产生能反射UV激发光并透射由荧光粉发出的可见光的反射波段。作为PLED的组成部分，一个或多个聚合物多层光学膜可以是平面结构或至少一个膜可以被模压加工或者被制成曲面，无论是球面、抛物面、椭圆面或其他形状都可以。
还披露了制造PLED的方法，这些方法包括形成具有至少一个聚合物多层光学膜以及荧光层的薄片材料。在有些情况下荧光粉可以夹在两个聚合物多层光学膜(一个为SP反射器，另一个为LP反射器)之间。在另一些情况下荧光层可以只设置在一个聚合物多层光学膜上。一个或多个聚合物多层光学膜和荧光层形成荧光层-反射器组件。可以将所述薄片材料切成荧光层-反射器组件的各个独立的小片，随后将该小片放入透明封装材料中或注模成第一光学元件，然后再与分开制造的LED元件结合起来。薄片材料可以包括支撑膜，以便以方便的卷形式来保持和储存荧光粉-反射器组件的小片，直至需要使用。可以通过把含有LED的下面部分与含有荧光粉-反射器组的上面部分连接起来而制成PLED。在有些情况下也可以对所述薄片材料进行模压加工。
本说明书披露了PLED的实施例，其中曲面LP反射器与荧光层分开放置，或至少与该荧光层的中间明亮部分分开放置，从而使没有被荧光层吸收的任何UV激发光以有限的入射角范围照射LP反射器并更有效地反射回荧光层。
本申请披露了利用与多层光学膜和荧光层接近的气隙来促进全内反射的PLED实施例。
本申请披露了利用非成像会聚元件组合来提高LP和/或SP反射器的性能的PLED实施例。
本申请还披露了PLED的另一实施例，其中LED、LP反射器和荧光层的排列布置，使得来自LED的激发光直接反射到荧光层前主表面上。
下面的详细说明将进一步阐明所披露的实施例的上述这些方面以及其他方面。不过，无论如何不应把以上概括解释为对所要求保护的主题的限制，该主题只通过所附的权利要求来确定，在申请过程中可能会对权利要求进行修改。
对于附图的参考贯穿说明书全文，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中图1是基于受LED激发的荧光粉的光源(PLED)的示意性截面图；图2是在图1所示的光源中使用的荧光粉-反射器组件的截面图；图3表示含有呈薄片形式并被细分成各个独立的小片的荧光粉-反射器组件的卷形物；图4是显示位于支撑膜上的荧光粉-反射器组件的各个独立的小片的示意性截面图；图5-7是可选的PLED结构的示意性截面图；图8表示另一种PLED结构的一部分；图9是另一种PLED结构的示意性截面图；图10是另一种PLED结构的示意性侧视图，其中与图9的实施例一样，利用了前表面照射。
图11是设置了非成像会聚元件的另一种PLED结构的示意性侧视图；
图12是图11的一部分的近距视图；图13-17是PLED结构的其它实施例的示意性截面图；图18-21是PLED结构的其它实施例的截面图；图22是例1和例2的光强度谱曲线图；图23是例3、例4和例5的光强度谱曲线图；图24是例6、例7和例8的光强度谱曲线图；以及图25是例9和例10的光强度谱曲线图。
具体实施例方式
尽管如图1-2所示使用LP反射器24和SP反射器26两者或两者之一都可以提高系统效率，但由于一些反射器的光谱选择性差以及在倾斜入射角度的反射率低，这种提高是有限的。基于散射过程的LP反射镜或滤波器能获得相对稳定的与入射角相关的性能，但光谱选择性低。由无机介电材料堆叠构成的LP和SP反射镜在窄的入射角范围内可以有良好的光谱选择性，但又存在随着入射角而发生光谱蓝移以及在中高入射角度上p-偏振光的反射率低(透射率高)的问题。由于荧光粉粒子散射UV激发光，并在宽的角度范围内发射它们自己的光，因此传统的LP和SP反射镜不能高效地把光控制在荧光粉-反射器组件以内。
PLED的性能可以通过使用聚合物多层光学膜来提高，该多层光学膜具有至少第一和第二聚合物材料的数十、数百或数千的交替叠置层，对所述第一和第二聚合物材料的厚度和折射率加以选择以获得在所需光谱范围内的理想反射率，比如反射波段限定为UV波长或反射波段限定为可见波长。例如，参见美国专利No.5882774(Jonza等)。与由无机各向同性材料叠层结构产生的有关蓝移类似，这些薄膜产生的反射波段也随着入射角的增大而发生蓝移，但可以这样处理聚合物多层光学膜，使得一对相邻的层在薄膜法向z轴上具有匹配或接近匹配或者有意不匹配的折射率，从而使相邻层间的各个界面对p-偏振光的反射率随着入射角而缓慢地减小，或者基本上与入射角无关，或者随着入射角偏离法向而增大。因此，这种聚合物多层光学膜即使在高度倾斜的入射角度上也能对于p-偏振光保持高的反射度，与传统的无机各向同性堆叠反射器相比减少了透过反射膜的p-偏振光。为了获得这些特性，选择聚合物材料和工艺条件，使得每一对相邻的光学层沿z轴(平行于膜厚)的折射率差不大于沿x或y(平面内)轴的折射率差的分数，该分数为0.5、0.25、或甚至0.1。另外，沿z轴方向的折射率差还可以与平面内折射率差的符号相反。
使用聚合物多层光学膜还使得各种各样的新型PLED实施例以及构造方法成为可能，因为这些薄膜具有柔韧性和可成形性，无论它们是否还具有上述折射率关系。例如，聚合物多层光学膜可以通过模压加工、加热成形或其他已知方法永久地变形成三维形状，比如抛物面、球面或椭圆面的一部分。请参见普通公开申请US2002/0154406(Merrill等)。关于其他聚合物多层膜的实施例，还请参见美国专利No.5540978(Schrenk)。与通常一层接一层地蒸镀到刚性易碎的基底上而形成的传统的无机各向同性堆叠结构不同，聚合物多层光学膜可被制成大体积的卷形，也能被层叠到其他薄膜上并覆以涂层，且能够被冲压或细分成小片以便加入到光学系统如PLED中，如下文将要进一步说明的那样。细分聚合物多层光学膜的方法在2002年10月10日提交的序列号为No.10/268,118的待批美国申请中有所披露。
多种聚合物材料都适于用在针对PLED的多层光学膜中。不过，特别是在含有与UV LED激发源结合的白光荧光粉发射器的PLED中，多层光学膜优选地包含由暴露于UV光下时能抗退化的材料构成的交叠聚合物层。关于这方面，尤其优选的聚合物对是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)/共聚甲基丙烯酸甲酯(co-PMMA)。聚合物反射器的UV稳定性也能通过加入非UV吸收性光稳定剂如受阻胺光稳定剂(HALS)来提高。在有些情况下聚合物多层光学膜还可以包括透明的金属或金属氧化物层。参见例如PCT公开WO97/01778(Ouderkirk等)。极高强度UV光甚至能使坚硬的聚合物材料复合物发生不可接受的退化，在使用这种极高强度UV光的应用中，使用无机材料来形成多层堆叠结构可能是有益的。该无机材料层可以是各向同性的，或者可以被制成具有双折射性，如PCT公开WO01/75490(Weber)所述，从而具有如上所述的能产生增强的p-偏振光反射率的有益的折射率关系。不过，在大部分情况下多层光学膜基本上完全用聚合物而不用无机物材料制成是最便利也最节约成本的。
图3表示薄片材料30形成的卷，该材料包含至少一个聚合物多层光学膜以及涂覆在该多层光学膜上的基本均匀的荧光层。薄片材料也可以包含以下述方式施加在其上的第二聚合物多层光学膜，即，荧光层夹在第一和第二聚合物多层光学膜之间，如图2所示。还可以包含提供所希望的机械、化学和/或光学特性的附加的层和涂层。参见美国专利No.6,368,699(Gilbert等)。薄片材料30还优选地包括支撑膜。薄片材料通过机械手段(例如，刀)、精密冲切或通过如上述待批申请No.10/268,118所描述的扫描激光射线来压边切削。压边切削线界定薄片材料上分立的小片32，但支撑膜保持完整。小片32可以有类似于如图2所示的横截面结构，并可以是任意小的尺寸。它们由位于其下的如图4所示的支撑膜34方便地支撑着。在PLED的制造过程(该过程独立于LED光源的构造过程)中，可将小片32从支撑膜上移走并放置在各个单独的模子中，而该模子中将要添加或事先已经添加了封装材料，以便形成如图1所示的PLED，但其中反射器元件使用聚合物多层光学膜。
图5-7表示利用凹形多层光学膜LP反射器的PLED的可选结构。使LP反射器与荧光粉分开设置并使其弯向荧光粉和LED 12有助于减小照射在LP反射器上的激发光的入射角，从而减少上述蓝移效应所导致的透过LP反射器的UV光泄漏。在放入透明介质18中以前，优选将多层光学膜通过模压加工或其他适当的工艺永久地变形成适当形状的凹面。多层光学膜，无论LP还是SP，都是它们各自反射波段内的镜面反射器。从多层光学膜的漫反射通常忽略不计。
图5中，PLED 40包括较小面积的荧光层42，该荧光层设置在可有可无的、由聚合物多层光学膜组成的SP反射器44上。LP反射器46已被模压加工成了凹形并设置在荧光粉-反射器组件的其他元件(42，44)附近。将LED 12和热沉14布置成使LED发出的UV激发光导向荧光层42的中间部分。优选地，UV光对荧光层42的中部或其附近影响最大。在其初次穿过荧光层42时没有被吸收的UV光在被LP46反射回荧光层之前先通过LP反射器46与荧光层42之间的区域48。该区域48可以由透明封装材料18构成，或可选地由其他聚合物材料、或空气(或其他气体)、或者玻璃构成。优选地将LP反射器46制成一定的形状，以使反射回荧光粉的UV激发光量最大化。
图6表示类似于PLED 40的PLED 50，但PLED 50中荧光层52、SP反射器54以及LP反射器56的尺寸增大了。对于从LED 12到荧光层的给定距离和相同的热沉14的几何形状，LP反射器56越大，光在荧光层中部的会聚程度就越高。荧光层中央发光区越小代表从荧光粉发出的光到LP反射器表面的入射角范围越小，从而提高了整个PLED的效率。如前所述，区域58可以由封装材料18或其他聚合物材料或空气(或其他气体)或玻璃构成。
如图7所示，PLED 60类似于PLED 50，但PLED 60中LP反射器66也成为了光源的外表面。区域68可以填充封装材料18或其他透明介质。
图5-7中所示的荧光层可以是连续的，或者被制成将荧光粉限定在最有效区域的样式。此外，在图1和图5-7所示以及其他实施例中，荧光粉-反射器组件设置在LED上方并与LED分开设置，因而PLED可以分成两部分来制造一部分包含带有热沉的LED，另一部分包含荧光层和多层反射器。这两部分可以分别制造，然后连接或者紧固在一起。这种制作技术有助于简化加工并提高总产量。
图8表现了能够有益地应用到本文所述的其它实施例中的构思在LED和荧光层之间设置气隙，和/或在荧光层-反射器组件的一个或多个元件附近设置气隙。为简化说明起见，只在图中示出了PLED的一些元件。图中显示，气隙70在LED 12和荧光层72之间，与多层光学膜SP反射器74邻近。该气隙对于从LED到达荧光层的UV光的有害影响极小，因为UV光从LED到达荧光层的角度相对较小。但对于以大的入射角传输的光，例如在SP反射器、荧光层和LP反射器内传输的光，该气隙能使光发生全内反射(TIR)。在图8所示的实施例中SP反射器的效率通过使反射器74在下表面上产生的TIR来提高。可选地，可以除去SP反射器74而在荧光层72下面直接形成气隙。该气隙还可以在荧光层72的上方形成，或邻近LP反射器的上表面或下表面形成。一种提供气隙的方法涉及已知的微结构薄膜的使用。这类薄膜具有与微结构表面相对放置的基本上平的表面。该微结构表面的特征在于单一一组线性V形槽或棱镜，构成微型锥体阵列的V形槽的多个相交的组，一组或多组狭脊，等等。当这种薄膜的微结构表面靠着另一平的薄膜放置时，在微结构表面的最高的部分之间形成气隙。
当荧光粉把一个波长(激发波长)的光转变为其他波长(发射波长)时会发热。在荧光粉附近的气隙可以显著降低从荧光粉到周围材料的热传导。降低的热传导可以通过其他方式来补偿，比如通过在荧光层附近设置能横向除热的玻璃层或透明陶瓷层。
提高PLED的效率的另一种方法是设置LED、荧光层以及LP反射器，以使至少一部分来自LED的UV光由LP反射器直接反射到荧光层的顶(可视)面上，而不是把所有的UV光都引导到荧光层的底面上。图9表示了这种PLED 80。热沉14’相对上述实施例进行了修改以便LED 12和荧光层82能够基本共面地安装。SP反射器显示为在荧光层的下面，但在许多情况下不需要这样。这是因为被模压加工成凹椭圆体形或类似形状的LP反射器86将UV激发光直接从LED引导到荧光层82的上表面上，该表面面对PLED 80的前面。LED和荧光层优选地设置在所述椭圆体的焦点上。荧光层发出的可见光由LP反射器86透射并由PLED体的圆形前端会聚以形成希望的形式或可见(优选的是白色)光。
把激发光直接导至荧光层的前表面有很多好处。荧光层最亮的部分——在这里激发光最强——现在可以暴露在器件的前面而不会因穿过荧光层的厚度而模糊不清。荧光层基本上可以制得更厚以便吸收基本上所有的UV激发光，而无需考虑上面提及的厚度/亮度的折衷。荧光粉可以设置在宽带金属反射镜上，该金属反射镜包括银或强化铝。
图10示意性地表示另一PLED实施例，其中LED光照射荧光层的前表面，但其中一些LED光也照射后表面。在该实施例中，LED12发出的一部分光照射在荧光层92的后表面上，但一些LED的光也从凹形LP反射器96反射以照射荧光层92的前表面而不透过荧光层。然后，荧光层92发出的可见光向着观看者或要照明的物体穿透过LP反射器96。LED、荧光层以及LP反射器都可以插入或连接到如前面实施例所示的透明封装材料介质中。
图11示意性地表示另一PLED实施例，其中设置有非成像会聚元件组合以便提高多层光学膜的操作性能。具体地讲，如该图所示在LED 12、SP反射器104、荧光层102和LP反射器106之间设有会聚元件100a、100b、100c。该会聚元件具有使照射到多层反射器上的光的角分布减小、从而减少上述反射波段的蓝移的作用，所述蓝移在上文结合图5-7已经描述过。该会聚元件可以是具有平的侧壁的简单锥体的形式，或者侧壁可以具有根据光的传输方向能增强准直或聚焦作用的已知的更复杂的曲面形状。在任何情况下会聚元件的侧壁是反射式的，而两端(一端小，一端大)则不是。在图11中，LED 12设置在会聚元件100a的小端。会聚元件100a收集由LED发出的宽角度范围的光，在光传播到会聚元件100a的大端时该范围会缩小，在该大端处安装有SP反射器104。UV激发光透过SP反射器并到达会聚元件100b，该会聚元件使光会聚到荧光层102上(虽然增大了光的角分布)。荧光层102向下发出的宽角度范围的可见光被会聚元件100b在SP反射器104上转变为窄角度范围，在该SP反射器104上被向上反射回荧光层102。其间，透过荧光层102而泄漏的UV光以及由荧光层102向上发射的可见光最初具有宽的角分布，但被会聚元件100c转变为较小的角分布，结果，LP反射器106使由荧光粉发射的可见光更好地透过而将UV光反射回荧光层。
为尽可能多地捕获LED激发光，会聚元件100a的小端可以具有凹穴以便至少捕获一些由LED侧面发出的光，如图12所示。
本文中披露的实施例可以运用各种各样的荧光材料。荧光材料通常是无机成分的组合，具有300-450纳米范围内的激发光波长以及可见光波长范围内的发射光波长。在荧光材料具有窄的发射波长范围的情况下，可配制荧光材料混合物，以便获得观看者所感觉到的希望的色彩平衡，例如配制发红光、绿光以及蓝光的荧光粉的混合物。具有较宽发光波段的荧光材料对于获得具有相对较高的彩色再现率的荧光粉混合物很有用。理想地，荧光粉应具有快速的辐射衰减速率。荧光粉混合物可以包含分散在粘合剂(例如，环氧树脂、胶粘剂或聚合物基体)中的1-25微米大小范围内的荧光粉粒子，而所述粘合剂可以涂在基底例如LED或薄膜上。将大约300至470nm范围内的光转变成更长波长的光的荧光粉是现有技术中公知的。例如，参见由英国埃塞克斯的荧光粉技术有限公司(Phosphor Technology Ltd.)提供的荧光粉系列。荧光粉包括掺杂了稀土的石榴石、硅酸盐和其他陶瓷材料。本文中所用的术语“荧光粉”还可以包括有机荧光材料，包括荧光染料和颜料。优选的是在300-470nm的辐射下具有高稳定性的材料，尤其是无机荧光粉。
部分术语表LED发光二极管，无论是可见光、紫外光还是红外光，且无论相干光还是非相干光。本文中所用的术语包括作为“LED”市售的不相干(且通常便宜的)环氧树脂封装的半导体器件，无论是传统的还是超辐射类型。本文中所用的该术语还包括半导体激光二极管。
可见光可被人类肉眼察觉的光，一般在大约400至700nm的波长范围内。
光学重复单元(“ORU”)在垂直多层光学膜的厚度方向重复的至少两个独立层形成的堆叠结构，而对应的重复层不需要有相同的厚度。
光学厚度给定主体的物理厚度乘以它的折射率。一般情况下，这是波长和偏振态的函数。
反射波段较高反射率的光谱区域，其两侧均为较低的反射率区域。
紫外光(UV)波长在大约300至大约400nm范围内的光。
白光刺激人眼中的红色、绿色和蓝色传感器而使普通观察者会觉得呈现“白色”的光。这种光可以偏红色(通常是指暖白光)或偏蓝色(通常是指冷白光)。这种光可有达100的色彩再现率。
进一步讨论本文中所述的干涉反射器包括由有机材料、无机材料或有机与无机材料的复合物形成的反射器。干涉反射器可以是多层干涉反射器。干涉反射器可以是柔性干涉反射器。柔性干涉反射器可以由聚合材料、非聚合材料或聚合与非聚合材料构成。示例性的薄膜包括美国专利No.6,010,751和No.6,172,810以及EP733,919A2所披露的聚合与非聚合材料。
本文中所述的干涉反射器可以由柔性、塑性或可变形材料构成，自身可以是柔性、塑性或可变形的。这些干涉反射器可以弯曲到具有能与传统的LED一起使用的半径，即，半径为从0.5至5mm。这些柔性干涉反射器可以弯曲并仍保留其弯曲前的光学特性。
可考虑使用已知的自组装周期性结构(比如，胆甾型反射偏振器和某些嵌段共聚物)来制作用于这一应用目的的多层光干涉器。胆甾型反射镜可以利用左、右手性螺距成分的组合来制作。
在说明性实施例中，部分透过所有蓝光波长的长通滤波器可与薄的黄色荧光层联合使用，以便将LED发出的部分蓝光在第一次透过荧光粉之后又导回到荧光层上。
除了反射UV光以外，多层光学膜的一个功能是可以阻挡UV光的透射，从而防止LED组件内或LED组件外的后续元件的退化，包括防止伤害人眼。在一些实施例中，在离UV反射器最远离LED的一侧加上UV吸收器可能是有利的。该UV吸收器可以位于多层光学膜的内部、上面或旁边。
尽管现有技术中已知各种各样的方法来制造干涉滤波器，但全聚合物结构能提供制造和成本方面的很多好处。如果在干涉滤波器中使用光学透射性高以及折射率差大的高温聚合物，那么就能制造出又薄又很柔韧的又耐各种环境的滤波器，以符合短通(SP)和长通(LP)滤波器的光学需要。具体地讲，US6,531,230(Weber等)教导的共挤出多层干涉滤波器可以提供精确的波长选择，并能进行大面积的经济的制造。使用具有大的折射率差的聚合物对，能够制造很薄但反射性高的独立式反射镜，即没有基底的反射镜，这种反射镜也很容易加工。即使加热成形或弯曲成具有小至1mm的曲率半径时，这种干涉结构也不会破裂、破碎或退化。
全聚合物滤波器可以加热成形为各种三维形状比如半球形圆顶(如下所述)。不过，必须小心控制变薄的过程，使在整个圆顶表面的量达到一个恰当的水平，以便产生希望的角度特性。具有简单二维曲线形状的滤波器比三维复杂形状的滤波器更容易制造。特别地，任何薄且柔性滤波器可以弯曲成例如圆柱体的一部分那样的二维形状，在这种情况下不需要全聚合物滤波器。通过这种方式可以把在薄的聚合物基底上的多层无机滤波器制成一定的形状，也能把在厚度小于200微米的玻璃基底上的无机多层制成一定的形状。后者可能必须加热到接近玻璃化转变温度以获得低应力的永久变形。
长通和短通滤波器的最佳波段边界可以根据系统中LED和荧光粉的发射光谱来确定，所述系统中设计有滤波器在其中工作。在说明性实施例中，对于短通滤波器，基本上所有的LED辐射透过滤波器以激发荧光粉，并且基本上所有的荧光粉辐射被滤波器反射，因而它们不进入LED或其基底结构，在该基底结构处它们可能会被吸收。因此，短通所确定的波段边界位于在LED的平均辐射波长与荧光粉的平均辐射波长之间。在说明性实施例中，滤波器位于LED和荧光粉之间。不过，如果滤波器是平面的，那么从通常的LED发出的辐射光将在各种各样的角度上照射滤波器，在某些入射角上时被滤波器反射并无法到达荧光粉。除非滤波器弯曲成保持几乎恒定的入射角，人们可能希望把上述期望的波段边界设置成大于荧光粉和LED辐射曲线的中点以优化整个系统的性能。特别地，几乎没有荧光粉辐射会在接近零度的入射角上被引导到滤波器上，因为所包括的立体角非常小。
在另一个说明性实施例中，长通反射式滤波器离开LED放置在荧光层对面以使LED激发光重新回到荧光粉上从而提高系统效率。在该说明性实施例中，如果LED的辐射在可见光谱内且需要大量光来平衡荧光粉的彩色输出，那么可以省略长通滤波器。不过，通过在大于正入射的角度上能透过更多蓝光的光谱角位移，透过部分短波光例如蓝光的长通滤波器可用来优化蓝色-LED/黄色-荧光粉系统的角度性能。
在另一个说明性实施例中，LP滤波器被弯曲，以便使LED发射到滤波器上的光的入射角保持接近恒定。在该实施例中，荧光粉和LED两者都面向LP滤波器的一侧。在大的入射角上，LP滤波器不会反射短波光。因此，LP滤波器的长波波段边界可设定在尽可能长的波长并尽可能少地阻挡荧光粉辐射。此外，可以改变波段边界的设定以优化整个系统效率。
本文中所定义的术语“邻近”或“附近”是指相近的两个物体之间的相对位置关系。邻近的物体可以相互接触，或通过把一种或多种材料放置在相邻物体之间而相互隔离。
LED激发光可以是LED光源所能发出的任何光。LED激发光可以是UV或蓝光。蓝光也可以包括紫光和靛蓝光。LED包括自发射器件以及用于激发的或超辐射的发射器件，包括激光二极管以及垂直空腔表面发射的激光二极管。
本文中所述的荧光层可以是连续或不连续层。荧光材料层可以是均匀或不均匀形式。荧光材料层可以是具有小的横截面积的多个区域，例如具有小于10000微米2或从500到10000微米2的俯视面积的多个“点”。在说明性实施例中，多个点中的每一个可以由发射一个或多个不同波长的可见光的荧光粉形成，例如，发红光的点，发蓝光的点和发绿光的点。可以以想要的任何均匀或不均匀方式排列和构造发射多个波长的可见光的点。例如，荧光材料层可以是沿表面或区域具有不均匀密度梯度的多个点。所述“点”可以是任意规则或不规则形状，无需在俯视图上呈圆形。荧光材料可以在多层光学膜的共挤压表面层中。
如下所述，结构化的荧光层可以通过多种方式构造，以提供性能方面的好处。当多种荧光粉类型用于提供更宽或更全的光谱输出，那么来自短波荧光粉的光可以被其他荧光粉重新吸收。包括每一种荧光粉类型的孤立的点、线或孤立的区域的形式减少了重新吸收的光量。这对于空腔型结构特别有效，在这些结构中非吸收型泵浦光被反射回荧光粉。
多层结构也能减少吸收。例如，这样会比较有利，即由每一种荧光粉按顺序形成层，且最长的波长发射器最靠近激发光源。更靠近发射器发出的光，平均来说在整个荧光层内所经历的多重散射程度会比靠近输出表面发出的光大。由于所发射的最短波长最倾向于再吸收，因此有利的是将波长最短的荧光粉放在最靠近输出表面的位置。此外，有利的是对每一层用不同的厚度，以便当激发光通过多层结构传播时补偿其逐渐降低的强度。对于具有相似的吸收和发射效率的荧光层来说，从激发一侧到出射一侧逐渐变薄的各层将在各自层内对降低的激发强度作出补偿。另外还有利的是把短通滤波器放置在不同荧光层之间，减少所发出的荧光的向后散射以及减少其被位置靠前的荧光层重新吸收。
具有荧光涂层的薄膜结构的成形工艺也能用来制造适于切割成用于二极管的独立单元的小结构阵列。例如，可以压印出小圆顶或半球形阵列，其中每一个可用于减少PLED中有时出现的“光圈效应”(如下所述)。
非散射荧光层与多层光学膜结合可以提高光输出。非散射荧光层可以含有在折射率匹配的粘合剂(例如，具有高折射率的惰性纳米粒子的粘合剂)中的传统荧光粉、传统荧光组合物的纳米大小的粒子(例如，其中粒子的大小很小并可忽略光的散射)，或通过使用量子点荧光粉。量子点荧光粉是基于半导体例如硫化镉的光发射器，其中的粒子足够小以致于电子结构受到粒子大小的影响和控制。因此，吸收和发射光谱通过粒子大小来控制。量子点在美国专利No.6,501,091中有所披露。
本文中披露的实施例中，包含荧光粉/反射器组件的第一光学元件可以在后来连接到LED基底上；热沉可以任选地包括透明热沉，荧光层和干涉滤波器可以连接到该透明热沉上。透明热沉可以是放在荧光层/干涉滤波器与LED基底之间的蓝宝石层。大部分玻璃的热导率比聚合物高，也能用作此功能。许多其它晶体材料的热导率比大部分玻璃更高，也能用在本发明中。蓝宝石层可以与金属热沉在边缘部分接触。
在说明性实施例中，在涂覆干涉滤波器(即，具有荧光层的聚合物干涉滤波器)之前，可对滤波器的表面进行提高涂层粘性的处理。最佳的处理根据滤波器的表层以及根据荧光涂层中的材料尤其是用来使荧光粉粒子保持在表面上的粘合剂来确定。表面处理可以是标准的电晕放电处理，或者在电晕放电后随后再刷底涂层。底涂层通常小于1微米厚。有用的底涂层材料是PVDC、磺化聚酯和其他无定形聚酯比如Vitel，马来共聚物比如Bynel(杜邦(Dupont))和Admer(三井化学(Mitsui Chemicals))，以及EVA比如Elvax(杜邦)。用于荧光层的粘合剂可以是热塑性的和/或可加热变形的，且可以是例如含氟聚合物，或硅基材料。
其他可选的底涂层包括，例如，真空镀膜层，优选的是来自高能源比如离子束或等离子气体源，其中离子或等离子成分轰击聚合物表面同时沉积底涂层。该底涂层通常是无机材料层比如二氧化钛或二氧化硅层。
尽管较多地关注了把荧光粉用于使短波光下转换为可见光，但也可能使红外辐射上转换为可见光。上转换的荧光粉在现有技术中是已知的，且通常用两个或多个红外光子来产生一个可见光子。用来泵浦这些荧光粉的红外LED已得到验证并非常有效。使用该工艺的可见光源可以通过加上长波(LP)和短波(SP)滤波器而变得更有效，尽管在这种情况下每一种滤波器的功能与在下转换的荧光粉系统中相比正好相反。SP滤波器可用来把IR光导向荧光粉，同时使可见光透过，而LP滤波器可放在荧光粉和LED之间以便把发出的可见光向外导向预定系统或使用者。
SP或LP的寿命优选地大于或等于同一系统中的LED的寿命。聚合物干涉滤波器的退化可能是由于过热导致材料发生蠕变，这会改变层厚度值，从而改变滤波器反射的波长。在最坏的情况下，过热会使聚合物材料熔化，导致材料迅速流动并改变波长选择以及导致滤波器不均匀。
聚合物材料的退化也可能取决于自身材料由短波(光化)辐射比如蓝色、紫色或UV辐射分别所致。退化的速率既依赖于光化光通量又依赖于聚合物的温度。温度和光通量一般都会随着离开LED的距离的增加而降低。从而在高亮度LED、尤其是紫外LED的情况下，有利的是把聚合物滤波器在设计所能允许的范围内尽可能远离LED放置。把聚合物滤波器放在如上所述的透明热沉上也能提高滤波器寿命。对于圆顶型滤波器，光化辐射通量按照离开LED的距离的平方而减少。例如，在其弯曲部分的中心设有单向的1瓦LED以及设有半径为1cm的半球形MOF反射器，平均亮度为1/(2π)W/cm2(圆顶表面积＝2πcm2)。对于0.5cm的半径，圆顶上的平均亮度是该值的四倍，即2πW/cm2。设计LED、荧光粉以及多层光学膜系统时可以考虑光通量和温度控制。
反射式偏振器可以邻近于多层反射器和/或邻近于荧光粉材料放置。反射式偏振器发出优选的偏振光并反射其他偏振光。现有技术中已知的荧光层和其他薄膜成分可以使由反射式偏振器反射的偏振光消偏振，且通过荧光层的反射或通过与多层反射器结合的荧光层的反射，光可以循环利用并增大固态光器件(LED)的偏振光亮度。合适的反射式偏振器包括，例如，胆甾型反射式偏振器，具有1/4波长延迟器的胆甾型反射式偏振器，可从3M公司得到的DBEF反射式偏振器或同样可以从3M公司得到的DRPF反射式偏振器。优选反射式偏振器在较大波长和角度范围内使由荧光粉发射的光极化，且在LED发射蓝光的情况下，也可以反射LED的辐射波长范围。
合适的多层反射器薄膜是双折射多层光学膜，其中两相邻层在厚度方向上的折射率基本匹配并具有很大的或不存在布鲁斯特角(在该角度上p-偏振光的反射率为零)。这使得对于p-偏振光的反射率随着入射角缓慢减小的多层反射镜和偏振器的结构与入射角无关，或随着入射角偏离法向而增大。因此，可得到在宽波段具有(在反射镜的情况下，对于针对任何入射方向偏振的两个平面，而在偏振器的情况下，对于所选择的方向)高反射率的多层膜。这些聚合物多层反射器包括第一和第二热塑性聚合物交叠设置的层。该交叠层确定了局部坐标系，该坐标系具有平行于所述层面延伸的互相垂直的x和y轴以及垂直于x和y轴的z轴，且其中至少有些层是双折射的。对于沿第一、第二和第三互相垂直的轴的偏振光，第一和第二层之间的折射率差的绝对值分别为Δx，Δy和Δz。第三轴垂直于薄膜平面，其中Δx大于约0.05，Δz小于约0.05。这些薄膜如美国专利No.5,882,774所述。
非平面定义为不平的表面。非平面可以通过例如是平的物体弯曲形成曲面物体。非平面多层反射器，可以通过直接铸造成非平面形状的物体而成或将平面多层反射器加热成形为非平面多层反射器。非平面多层反射器可以是凹形。在说明性实施例中，非平面多层反射器可以是半球面凹陷形状。LED可以位于或靠近于非平面多层反射器弯曲部分的中心。在说明性实施例中，非平面多层反射器是开口朝向LED的半球面凹陷形状。LED的发光区域的横向尺寸可以小于非平面多层反射器的弯曲部分的最小半径的1/3，或小于1/6。
图13是另一实施例PLED结构210的示意性截面图。图中显示，非平面多层反射器224邻近荧光材料层222，不过非平面多层反射器224只需设置成能使光在荧光材料层222和多层反射器224之间传播即可。非平面多层反射器224反射LED激发光(比如，UV光或蓝光)并透射可见光。该非平面多层反射器224可称为长通(LP)反射器，如上所述。以上布置可以设置在光学透明材料220内。
非平面多层反射器224可设置在用于接受来自LED 212的光的位置，就像本文所讨论的那样。非平面多层反射器224可以是任意可用的厚度。非平面聚合物多层反射器224可以是5-200微米厚或10-100微米厚。非平面多层反射器224可任选地基本上不含无机材料。
非平面多层反射器224可由在暴露于UV光、蓝光或紫光下时能抗退化的材料形成，就像本文所讨论的那样。本文所讨论的多层反射器在持续长时间的高强度照射下仍能保持稳定。高强度照射一般可定义为通量级为1-100瓦/平方厘米。干涉反射器的工作温度可以是100℃或更低，或者65℃或更低。合适的示例性聚合物材料可包括由以下材料形成的抗UV材料例如丙烯酸材料、PET材料、PMMA材料、聚苯乙烯材料、聚碳酸酯材料、THV材料(这些材料可以从3M(明尼苏达州圣保罗市)得到)以及这些材料的组合。这些材料以及PEN材料可以针对蓝色激发光使用。
非平面多层反射器224可沿其长度、宽度或沿长度与宽度二者方向上具有不均匀的厚度或具有厚度梯度。非平面多层反射器224可在非平面多层反射器224的内部区域223具有第一厚度而在非平面多层反射器224的外部区域225具有第二厚度。沿反射器表面的厚度的不同与光谱反射系数中相应的差值或变化有关，相对于较厚的区域，较薄的区域发生蓝移。有许多产生厚度梯度的方法。例如，列出几种的话，厚度梯度可通过加热成形、模压加工、激光雕饰或挤压而形成。
如图13所示，内部区域223的厚度可大于外部区域225的厚度。增大内部区域223的厚度能减少不希望的所谓“光圈效应”。“光圈效应”是行业中已知的一个问题，其中蓝色激发光与黄色转变光的平衡随着LED视角而发生变化。这里，内部区域223的厚度可大于外部区域225的厚度以便减少轴向的蓝光传播。
如图14所示，外部区域325的厚度可大于内部区域323的厚度。以上布置可设置在光学透明材料320中。
非平面多层反射器可设置于任何具有LED的可用结构中，就像本文所讨论的那样。在一个说明性实施例中，非平面多层反射器设置于荧光层和LED之间(参见，例如，图15-17)。在另一个说明性实施例中，荧光层设置于非平面多层反射器与LED之间(参见，例如图13、14、16-21)。
非平面多层反射器224/324可被构造成用于反射UV光或蓝光并透射至少一部分可见光谱，比如绿、黄或红光。在另一个说明性实施例中，非平面多层反射器224/324可被构造成用于反射UV光、蓝光或绿光并透射至少一部分可见光谱，比如黄光或红光。
当受到来自LED212/312的激发光照射时，荧光材料层222/322能够发出可见光。荧光材料层可具有任何可用的厚度。荧光材料层可包含任何数量的粘合剂比如聚酯材料。在另一个说明性实施例中，荧光材料层可包含粘结剂材料。粘结剂材料可以为光学功能性粘结剂。
图15是另一实施例PLED结构410的示意性截面图。图中显示，非平面多层反射器426邻近荧光材料层422，不过非平面多层反射器426只需设置成能使光在荧光材料层422和非平面多层反射器426之间传播即可。非平面多层反射器426反射可见光并透射LED激发光，比如UV光或蓝光。该非平面多层反射器426可称为短通(SP)反射器，如上所述。以上装置可以设置在光学透明材料420内。
非平面多层反射器426可具有与上述非平面多层反射器424相同的材料并用与非平面多层反射器424相似的方式形成。荧光层422也如上所述。
非平面多层反射器426可设置于任何具有如本文所讨论的LED412的可用结构中。在图15所示的说明性实施例中，非平面多层反射器426设置于荧光层422和LED 412之间。在另一个说明性实施例中，荧光层422设置于非平面多层反射器426与LED 412之间。在一个说明性实施例中，非平面多层反射器426是面向LED 412的半球状凹形。这样的设计使得从LED 412发出的光以正入射或接近正入射的角度照射非平面多层反射器426。多层反射器426的非平面几何形状允许基本上所有短波光透过非平面多层反射器426而无论它从LED 412的哪一侧或哪个方向发出来。
图16是另一个实施例的PLED结构510的示意性截面图。图中显示，第一非平面多层反射器524与荧光材料层522隔开一段距离而设置，不过第一非平面多层反射器524只需设置成能使光在荧光材料层522与第一非平面多层反射器524之间传播即可。第一非平面多层反射器524反射LED激发光(比如，UV光或蓝光)并透射可见光。该第一非平面多层反射器524可称为长通(LP)反射器，如上所述。以上布置可以设置在光学透明材料520内。
图中显示，第二非平面多层反射器526邻近荧光材料层22设置，不过第二非平面多层反射器526只需设置成能使光在荧光材料层522和第二非平面多层反射器526之间传播即可。第二非平面多层反射器526反射可见光并透射LED激发光，比如UV光或蓝光。该第二非平面多层反射器526可称为短通(SP)反射器，如上所述。
所示的荧光层522设置于第一非平面多层反射器524和第二非平面多层反射器526之间。荧光层522如上所述。
图17是另一实施例PLED结构610的示意性截面图。图中显示，第一非平面多层反射器624邻近荧光材料层622设置，不过第一非平面多层反射器624只需设置成能使光在荧光材料层622和第一非平面多层反射器624之间传输即可。第一非平面多层反射器624反射LED激发光(比如，UV光或蓝光)并透射可见光。该第一非平面多层反射器624可称为长通(LP)反射器，如上所述。以上布置可以设置在光学透明材料620内。
所示的第二非平面多层反射器626邻近荧光材料层622设置，不过第二非平面多层反射器626只需设置成能使光在荧光材料层622和第二非平面多层反射器626之间传播即可。第二非平面多层反射器626反射可见光并透射LED激发光，比如UV光或蓝光。该第二非平面多层反射器626可称为短通(SP)反射器，如上所述。
所示的荧光层622设置于第一非平面多层反射器624和第二非平面多层反射器626之间。荧光层622如上所述。
图18是另一实施例PLED结构710的截面图。图中显示，非平面多层反射器724与荧光材料层722隔开一段距离而设置，不过非平面多层反射器724只需设置成能使光在荧光材料层722与非平面多层反射器724之间传播即可。非平面多层反射器724反射LED激发光(比如，UV光或蓝光)，并透射可见光。该非平面多层反射器724可称为长通(LP)反射器，如上所述。
所示的荧光层722设置于LED 712和非平面聚合物多层反射器724之间。荧光层722同样如上所述。如图18所示，荧光层722是包围LED 712的荧光材料制成的圆顶。
图中显示，非平面多层反射器724和荧光层722设置于光学透明体718内。非平面多层反射器724可位于光学透明体718内的或其表面720上的任何位置。
荧光层722可位于光学透明体718内的或其表面720上的任何位置。例如，荧光层722可邻近LED 712设置，如图18所示。在另一个说明性实施例中，荧光层822可与LED 812隔开一段距离而设置，如图19所示。在另一个说明性实施例中，荧光层922可设置于整个光学透明体918的内部或上面，如图20所示。在另一个说明性实施例中，荧光层1022可设置于光学透明体1018内或上，使荧光层1022在从LED 1012发出的入射光的正入射角方向上具有更大的厚度或密度，而随着从LED 1012的入射角度增大，其厚度或密度则变小。从而，荧光层1022可具有随着LED 1012的入射角变化的体积密度梯度和/或表面密度梯度，如图21所示。
实施例本文中荧光的测量利用分光辐射度计(指定美国佛罗里达州奥兰多市的Optronic Laboratories，Inc.的OL 770-LED)配合以积分球(指定Optronic Laboratories的OL IS-670-LED)和高精度LED支持器(指定Optronic Laboratories的OL700-80-20)进行。校准分光辐射度计，用以报告在输入端口进入积分球的总辐射能(以瓦/纳米为单位)。使用定制冲压机从涂覆荧光粉的样品制得一英寸直径的圆片。将该圆片装配到用来安装在高精度LED支持器上的定制薄膜适配器中。定制的适配器把薄膜样品支撑在离已封装LED的基底上大约一英寸的地方。通过把LED安装到支持器中而进行测量，将具有荧光粉涂层的薄膜放入适配器中，使适配器附着在发光二极管底座上，然后把二极管底座组件插入积分球的入口。如果必要的话，用已校准的中性密度滤波器来调整到达分光辐射度计的探测器的光能级。
除非另行说明，用在以下例子中的多层光学膜等量地反射正入射的两种偏振态的光(即，每一个独立的光学层具有沿平面内正交轴方向标称相等的折射率)。
对于其中给定了荧光层厚度的以下所有的例子，通过从荧光层和基底薄膜的总厚度减去基底薄膜的厚度来确定荧光层厚度。利用具有安装在针盘量规支架(美国马赛诸塞州牛顿市的Fred V.Fowler Co.，Inc.，目录号52-580-020)上的平触点(同样来自Fowler，目录号52-525-035)的针盘指示器(同样来自Fowler，目录号52-520-140)来测量厚度。基底薄膜的厚度是在基底薄膜上的随机位置处的三次测量的平均值。荧光层和基底薄膜的厚度是在荧光层上的随机位置处的六次测量的平均值。
例1通过以下工序将掺铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉涂在单层透明聚(对苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
将12.00克的含氟聚合物树脂(指定美国亚利桑那州钱德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件号1NR001，revAA，批号KY4-035)放入40毫升玻璃瓶中。在秤盘中称出15.02克的YAG:Ce荧光粉(指定英国Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的QMK58/F-U1 Lot# 13235)。首先在树脂中加入一半荧光粉并用手以不锈钢抹刀搅拌，然后加入另一半并手动搅拌，以将荧光粉混入树脂。手动搅拌荧光粉和树脂直到混合物具有光滑的质地和均匀的外观。将装有所得荧光粉糊的瓶子用盖子盖住并放在转瓶装置上大约30分钟。
把3M公司(明尼苏达州圣保罗市)的6英寸宽乘以10英寸长乘以1.5密耳厚的一片单层透明PET膜放置在干净的平面上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭PET膜的两面。从转瓶装置上将装有荧光粉糊的瓶子拿下来并把大约5克的糊状物放入PET膜上的小坑中。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-GardnerUSA的PAR-5357)的5密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。固化后，荧光粉/树脂涂层的厚度为1.6密耳。
准备好涂有YAG:Ce的薄膜的1英寸直径圆片，并装入如上所述的分光辐射度计中。将圆片定向为涂有荧光粉的一侧朝向积分球内。用具有大约463nm峰值波长的蓝色LED(指定俄亥俄州施托伊本威尔市的Hosfelt Electronics，Inc.的件号25-365)激发荧光粉。通过在蓝色LED的5mm标准组件的顶部处理掉圆顶透镜来修改组件以给蓝光提供平的出射表面。从组件的顶部除去了大约0.180英寸的组件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.46伏的电能。用分光辐射度计记录的荧光层的发射光谱，在图22中以标记为“例1”的曲线表示。利用分光辐射度计提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.068流明。
例2将一片具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约600nm至大约1070nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的多层光学膜(MOF)(根据美国专利No.6,531,230制成)在薄膜适配器中放置在例1的涂有荧光粉的PET膜与例1的蓝色LED(工作电流20毫安)之间。记录光谱，在图22中以标记为“例2”的曲线表示。利用分光辐射度计中提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.118流明。这表明发光强度增大了73％。
例3通过以下工序将硫化锌(ZnS)荧光粉涂在聚(对苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
将20.04克的含氟聚合物树脂(指定美国亚利桑那州钱德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件号1NR001，revAA，批号KY4-035)放入2盎司玻璃瓶中。在秤盘中称出20.06克的ZnS荧光粉(指定英国Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的GL29A/N-C1，批号11382)。首先在树脂中加入一半荧光粉并用手以不锈钢抹刀搅拌，然后加入另一半并手动搅拌，以将荧光粉混入树脂。手动搅拌荧光粉和树脂直到混合物具有光滑的质地和均匀的外观。将装有所得荧光粉糊的瓶子用盖子盖住并放在转瓶装置上大约24小时。
把3M公司(明尼苏达州圣保罗市)的6英寸宽乘以10英寸长乘以1.5密耳厚的一片透明PET膜放置在干净的平面上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭PET膜的两面。从转瓶装置上将装有荧光粉糊的瓶子拿下来并把大约3克的糊状物放到PET膜上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。固化后，荧光粉/树脂涂层的厚度为0.7密耳。
准备好涂有ZnS的薄膜的1英寸直径圆片，并装入如上所述的分光辐射度计中。将圆片定向为涂有荧光粉的一侧朝向积分球内。用具有大约395nm峰值波长的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威尔市的Hosfelt Electronics，Inc.的件号25-495)激发荧光粉。通过在UVLED的5mm标准组件的顶部处理掉圆顶来修改组件以向UV光提供平的出射表面。从组件的顶部除去了大约0.180英寸的组件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的电能。用分光辐射度计记录的荧光层的发射光谱在图23中，以标记为“例3”的曲线表示。利用分光辐射度计提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.052流明。
例4将一片具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约320nm至大约490nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的多层光学膜(MOF)(根据美国专利No.6,531,230制成)，在薄膜适配器中放置在例3的荧光层顶部上，且例3的UV LED(工作电流20毫安)用作激发源。记录光谱，在图23中以标记为“例4”的曲线表示。利用分光辐射度计中提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.062流明。这表明与例3相比发光强度增大了19％。
例5
通过把两片多层光学膜(MOF)叠合制成宽波段可见光反射器。利用光学透明粘合剂把具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约490nm至大约610nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的MOF层(由明尼苏达州圣保罗市的3M公司制造)叠合到具有PET和co-PMMA的交叠层上并具有从大约590nm至大约710nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的MOF层上。在薄膜适配器中，将所得叠合片放置在例3的涂有荧光粉的PET膜与例3的UV LED(工作电流20毫安)之间。在薄膜适配器中，将一片具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约320nm至大约490nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的多层光学膜(MOF)(由明尼苏达州圣保罗市的3M公司制造)放置在荧光层顶部上以产生空腔，其中荧光层夹在位于LED一侧的可见光反射镜与位于另一侧的UV/蓝光反射镜之间。记录光谱，在图23中以标记为“例5”的曲线表示。利用分光辐射度计中提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.106流明。这表明与例3相比发光强度增大了约104％。
例6通过以下工序将硫化锌(ZnS)荧光粉涂在聚(对苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
将例3所述的荧光粉糊涂覆在6英寸宽乘以10英寸长乘以1.5密耳厚的一片透明PET膜上。把PET放在干净的平面上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭PET膜的两面。把大约3克的糊状物放到PET膜上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWRInternational，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。固化后，荧光粉/树脂涂层的厚度为1.3密耳。
准备好涂有ZnS的薄膜的1英寸直径圆片，并装入如上所述的分光辐射度计中。将圆片定向为涂有荧光粉的一侧朝向积分球内。用具有大约395nm峰值波长的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威尔市的Hosfelt Electronics，Inc.的件号25-495)激发荧光粉。通过在UVLED的5mm标准组件的顶部处理掉圆顶透镜来修改组件以向UV光提供平的出射表面。从组件的顶部除去了大约0.18英寸的组件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的电能。用分光辐射度计记录的荧光层的发射光谱在图24中以标记为“例6”的曲线表示。利用分光辐射度计提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.066流明。
例7在薄膜适配器中，将一片具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约490nm至大约610nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的多层光学膜(MOF)(由明尼苏达州圣保罗市的3M公司制造)放置在例6的涂有荧光粉的PET膜与例6的UV LED(工作电流20毫安)之间。记录光谱，在图24中以标记为“例7”的曲线表示。利用分光辐射度计中提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.095流明。这表明与例6相比发光强度增大了约44％。
例8通过以下工序将硫化锌(ZnS)荧光粉涂在聚(对苯二酸乙二酯)(PET)薄膜上。
将例3所述的荧光粉糊涂覆在具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约490nm至大约610nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的MOF层(由明尼苏达州圣保罗市的3M公司制造)上。把MOF放在干净的平面上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭MOF膜的两面。把大约3克的糊状物放到MOF膜上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。固化后，荧光粉/树脂涂层的厚度为1.3密耳。
准备好涂有ZnS的薄膜的1英寸直径圆片，并装入如上所述的分光辐射度计中。将圆片定向为涂有荧光粉的一侧朝向积分球内。用具有大约395nm峰值波长的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威尔市的Hosfelt Electronics，Inc.的件号25-495)激发荧光粉。通过在UVLED的5mm标准组件的顶部处理掉圆顶来修改组件以向UV光提供平的出射表面。从组件的顶部除去了大约0.180英寸的组件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的电能。用分光辐射度计记录的荧光层的发射光谱在图24中以标记为“例8”的曲线表示。利用分光辐射度计提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.107流明。这表明与例6相比发光强度增大了约62％。
例9通过以下工序将硫化锌(ZnS)荧光粉涂层丝网印刷在例5所述的多层光学膜(MOF)压片上。
将150克的含氟聚合物树脂(指定美国亚利桑那州钱德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件号1NR001，revAA，批号KY4-035)放入16盎司玻璃瓶中。在秤盘中称出150克的ZnS荧光粉(指定英国Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的GL29A/N-C1，批号11382)。利用由气动马达驱动的玻璃叶轮搅拌器使荧光粉缓慢地混合到树脂中。搅拌混合荧光粉和树脂直到混合物具有光滑的质地和均匀的外观。将装有所得荧光粉糊的瓶子用盖子盖住并放在转瓶装置上大约10分钟。
在安装于丝网印刷机(指定瑞典斯德哥尔摩的Svecia SilkscreenMaskiner AB的SSM型)上的每英寸280丝的PET网板上，使用具有每英寸28线分辨率的网调模式进行印刷。网调模式由具有10％、50％和90％覆盖度的三个区域组成。通过在一片如例5所述的两层叠合片的MOF膜上轧制一次而印刷出所需模式。
在送风烘箱中使印刷层在大约138℃的温度下固化15分钟。固化后，荧光粉/树脂涂层厚度为0.8密耳。
准备好用具有50％覆盖度的那部分模式制作的ZnS丝网印刷薄膜的直径为一英寸的圆片，并装入如上所述的分光辐射度计中。将圆片定向为涂有荧光粉的一侧朝向积分球内。用具有大约395nm峰值波长的UV LED(指定俄亥俄州施托伊本威尔市的Hosfelt Electronics，Inc.的件号25-495)激发荧光粉。通过在UV LED的5mm标准组件的顶部处理掉圆顶来修改组件以向UV光提供平的出射表面。从组件的顶部除去了大约0.180英寸的组件部分。LED由恒流源提供20毫安和3.7伏的电能。用分光辐射度计记录的荧光层的发射光谱在图25中以标记为“例9”的曲线表示。利用分光辐射度计提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.052流明。
例10在薄膜适配器中，将一片具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约320nm至大约490nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的多层光学膜(MOF)(由明尼苏达州圣保罗市的3M公司制造)放在例9的荧光层顶部上，并且例9的UV LED(工作电流20毫安)用作激发光源。记录光谱，在图25中以标记为“例10”的曲线表示。利用分光辐射度计中提供的软件计算总的射入积分球中的光通量为0.078流明。这表明与例9相比发光强度增大了约50％。
例11通过以下工序制作涂覆有硫化锌(ZnS)荧光粉的加热成形为圆顶形的多层光学膜(MOF)。
具有PET和co-PMMA的交叠层并具有从大约590nm至大约710nm的正入射反射波段(在半最大值处测量)的MOF层粘合到聚(氯乙烯)薄片上以形成柔性复合物。该复合物被称为MOF-PVC。
把MOF-PVC放在干净的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大约3克的例9所述的ZnS荧光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。
把涂有荧光粉的MOF-PVC复合物装到加热成形机器内。在270℃的温度下将所述层状物加热23秒。利用具有圆形开口(直径大约1/2英寸)的板使涂有荧光粉的MOF-PVC成形为大约1/2英寸的半球，其中荧光粉在该半球的凸起一侧上。目测半球，可知该半球靠近半球外部区域的厚度较厚而在半球内部区域的厚度较薄。荧光层光滑而连续并没有破裂或分层现象。
例12通过以下工序制作涂覆有硫化锌(ZnS)荧光粉的加热成形为圆顶形的多层光学膜(MOF)。
把例11所述的MOF-PVC片放在干净的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大约3克的例9所述的ZnS荧光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。
把涂有荧光粉的MOF-PVC复合物装到加热成形机器内。在270℃的温度下将所述层状物加热21秒。利用具有圆形开口(直径大约1/2英寸)的板使涂有荧光粉的MOF-PVC成形为大约1/2英寸的半球，其中荧光粉在该半球的凸起一侧上。目测半球，可知该半球靠近半球外部区域的厚度较厚而在半球内部区域的厚度较薄。荧光层光滑而连续并没有破裂或分层现象。
例13通过以下工序制作涂覆有掺铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉的加热成形为圆顶形的多层光学膜(MOF)。
将20.01克的含氟聚合物树脂(指定美国亚利桑那州钱德勒市的Durel公司的“Phosphor Ink Part AResin Solution”，件号1NR001，revAA，批号KY4-035)放入2盎司玻璃瓶中。在秤盘中称出19.98克的YAG:Ce荧光粉(指定英国Stevenage的Phosphor Technology，Ltd.的QMK58/F-U1 Lot# 13235)。首先在树脂中加入一半荧光粉并用手以不锈钢抹刀搅拌，然后加入另一半并手动搅拌，以将荧光粉混入树脂。手动搅拌荧光粉和树脂直到混合物具有光滑的质地和均匀的外观。将装有所得荧光粉糊的瓶子用盖子盖住并放在转瓶装置上大约30分钟。
把例11所述的MOF-PVC片放在干净的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把大约3克的YAG:Ce荧光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的4密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。
把涂有荧光粉的MOF-PVC复合物装到加热成形机器内。在270℃的温度下将所述层状物加热23秒。利用具有圆形开口(直径大约1/2英寸)的板使涂有荧光粉的MOF-PVC成形为大约1/2英寸的半球，其中荧光粉在该半球的凸起一侧上。目测半球，可知该半球靠近半球外部区域的厚度较厚而在半球内部区域的厚度较薄。荧光层光滑而连续并没有破裂或分层现象。
例14通过以下工序制作涂覆有掺铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光粉的加热成形为圆顶形的多层光学膜(MOF)。
把例11所述的MOF-PVC片放在干净的平面上并且MOF面朝上。以浸了甲醇的无绒棉布擦拭MOF-PVC的上表面。把例13描述的大约3克的YAG:Ce荧光粉糊放到MOF-PVC上。利用方形多间隙涂料器(指定美国马里兰州哥伦比亚市的BYK-Gardner USA的PAR-5353)的2密耳缝隙将荧光粉糊手拉成涂层。湿膜在重力对流炉(指定美国宾西法尼亚州西切斯特市的VWR International，Inc.的Model 1350G)中在大约130℃的温度下固化30分钟。
把涂有荧光粉的MOF-PVC复合物装到加热成形机器内。在270℃的温度下将所述层状物加热21秒。利用具有圆形开口(直径大约1/2英寸)的板使涂有荧光粉的MOF-PVC成形为大约1/2英寸的半球，其中荧光粉在该半球的凸起一侧上。目测半球可知该半球靠近半球外部区域的厚度较厚而在半球内部区域的厚度较薄。荧光层光滑而连续并没有破裂或分层现象。
例15在上述加热成形设备中将例11所述的MOF-PVC片在270℃的温度下加热16秒。被加热的MOF-PVC片在真空辅助下被披覆在商业上可购得的5mm LED组件的半球形透镜上。MOF-PVC获得对应于半球形透镜形状的最终形状。
利用帕金-埃尔默(Perkin-Elmer)Lambda 19分光光度计测量成形MOF-PVC的透射光谱。成形MOF-PVC的中央部分的光谱在360nm和460nm处为波段边界，峰值反射率出现在400nm。对于500nm以上的波长该成形MOF-PVC的透射率大于75％。该测得的成形MOF-PVC的光谱位移是由成形处理过程中出现的光学堆叠结构变薄引起的。
对于本领域熟练技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的范围和主旨的前提下，可对本发明进行各种修改和变更，且应当理解的是本发明不局限于本文中所列出的说明性实施例。
权利要求
1.一种光源，包括发射激发光的LED；光学透明体；荧光材料，其被设置在光学透明体上或光学透明体中，用于接收所述激发光，当以所述激发光照射时该荧光材料发出可见光；以及非平面柔性多层反射器，其反射所述激发光并透射可见光，该非平面柔性多层反射器被设置在将LED的光反射到所述荧光材料上的位置。
2.根据权利要求1的光源，其中所述非平面柔性多层反射器包含聚合物材料。
3.根据权利要求1的光源，其中所述非平面柔性多层反射器包括第一和第二热塑性聚合物的交叠层，其中所述层中的至少一些层是双折射的。
4.根据权利要求1的光源，其中所述荧光材料均匀地设置在光学透明体上或光学透明体中。
5.根据权利要求1的光源，其中所述荧光材料不均匀地设置在光学透明体上或光学透明体中。
6.根据权利要求1的光源，其中所述荧光材料以邻近所述LED的方式设置于所述光学透明体内，且该光学透明体具有与所述LED隔开一段距离设置的第二区域，该第二区域中没有荧光材料。
7.根据权利要求1的光源，其中所述荧光材料设置于所述光学透明体内并与所述LED隔开一段距离设置。
8.根据权利要求1的光源，其中所述荧光材料被设置于所述光学透明体上，且该荧光材料具有在所述激发光的第一正入射角度上的第一厚度或第一密度，该第一厚度或第一密度大于在所述激发光的第二非正入射角度上的第二厚度或第二密度。
9.根据权利要求1的光源，其中所述荧光材料设置于所述光学透明体上，并且非平面柔性多层反射器设置于该荧光材料上。
全文摘要
一种光源包括发射激发光的LED、光学透明体、荧光材料和非平面柔性多层反射器，其中所述荧光材料被设置在所述光学透明体上或光学透明体中，用于接收所述的激发光，当以激发光照射时所述荧光材料发出可见光，并且所述非平面柔性多层反射器反射所述激发光并透射可见光。该非平面柔性多层反射器被设置在将LED的光反射到所述荧光材料上的位置。
文档编号H01L33/00GK1742383SQ200480002805
公开日2006年3月1日 申请日期2004年1月27日 优先权日2003年1月27日
发明者安德鲁·J·欧德科克, 约翰·A·惠特利 申请人:3M创新有限公司