本申請是申請日為2012年3月28日、申請?zhí)枮椤?01280032264.4”、發(fā)明名稱為“用于照明系統(tǒng)的波導(dǎo)裝置”的發(fā)明專利申請的分案申請。

相關(guān)申請

本申請要求2011年4月28日遞交的名稱為“waveguideapparatusforilluminationsystems”的美國臨時專利申請no.61/480,216的較早申請日的權(quán)益。

本發(fā)明的實施方式總體涉及一種圓柱形波導(dǎo)裝置，其作為分布式照明系統(tǒng)的一部分，可以以更定向、更均勻強度和更節(jié)能的方式進行白光照明。另一實施方式是用于制造該裝置的方法。還描述了其他實施方式。

背景技術(shù)：

在基本的光纖照明系統(tǒng)中，光源將光射入光纖中，光纖隨后用于將射入的光傳輸?shù)竭h距離的所需位置。在該遠距離的位置，光纖通常在其端面處裸露出，使得光可以射出且照亮在外部且靠近光纖的端面的遠距離區(qū)域。最近，已經(jīng)提出，基于光纖的照明系統(tǒng)具有多個區(qū)域，各個區(qū)域具有不同的折射率，據(jù)稱這可以用來使傳播光沿著光纖的長度從光纖的側(cè)面偏轉(zhuǎn)出。參見wang等的美國專利5,905,837。通過使用在光纖中的芯和包層之間的折射率之比和光纖中的吸收系數(shù)和散射系數(shù)之比的組合變化，還已經(jīng)提出360度或全方向的偏轉(zhuǎn)模式。參見lieberman等的美國專利6,714,711。隨后的努力已經(jīng)提出，在光纖的芯中使用閃耀衍射光柵，用于將光衍射出光纖，以及光纖外部的凸透鏡結(jié)構(gòu)用于接收衍射光且建立線性照明場。參見carver等的美國專利7,437,035。然而，這些技術(shù)在有效地產(chǎn)生具有寬波段可見成分(本文也稱為白光)的照明光且確保該照明光沿著光纖的長度具有均勻性這一方面的功效不明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一實施方式是一種光波導(dǎo)裝置，該光波導(dǎo)裝置可以是分布式照明系統(tǒng)的一部分，該分布式照明系統(tǒng)產(chǎn)生具有寬波段的可見內(nèi)容(白光)的照明且同時允許容易地控制沿著波導(dǎo)的長度的照明的色溫和強度均勻性。該裝置具有波導(dǎo)，該波導(dǎo)將初級光輸送或?qū)虻竭h距離的位置，即，遠離初級光的光源的位置。該波導(dǎo)包含大量的散射結(jié)構(gòu)，該散射結(jié)構(gòu)用于將傳播的初級光重新分布或重新定向成從波導(dǎo)的側(cè)面出去且使其具有期望的輻射圖案。輻射圖案可以是定向的，例如，具有至少一個預(yù)定的輻射瓣，該輻射瓣具有小于360度的徑向擴展且位于期望的徑向位置，且輻射圖案可以按照需要定位在縱向方向上。設(shè)置了光致發(fā)光材料的介質(zhì)或?qū)?，?yōu)選設(shè)置在波導(dǎo)的外部且沿著波導(dǎo)縱向延伸，以吸收重新定向的初級光，從而發(fā)出具有與初級光不同波長的波長轉(zhuǎn)換的次級光。初級光應(yīng)該是準單波長的或單色的，如通過例如激光器或單色發(fā)光二極管(led)產(chǎn)生，該激光器或單色發(fā)光二極管被調(diào)整到光致發(fā)光介質(zhì)的主要吸收帶。由于在一個實施方式中，波長轉(zhuǎn)換的次級光與任何未被吸收的重新定向的初級光以可以垂直于波導(dǎo)的傳播軸線的方向組合，這在遠距離的位置處產(chǎn)生寬波段的照明光(這里也稱為白光)。照明光基本上可以是波長轉(zhuǎn)換的次級光(其可以具有比初級光的帶寬寬的帶寬)和重新定向的初級光的任何未被吸收的部分的組合。波導(dǎo)裝置也能夠遠離光轉(zhuǎn)換位置定位初級光源，使得可以減少在該位置的散熱。還描述了其他實施方式。

波導(dǎo)是任何合適的光纖，例如，單包層的、多包層的和光子晶體的或微結(jié)構(gòu)的光纖，由于較低的寄生反射和較低的制造成本，其可以產(chǎn)生較佳的照明效率。在一個實施方式中，光纖可具有芯層和包覆層。散射結(jié)構(gòu)(例如，微漫射體或反射體)優(yōu)選是先前在光纖內(nèi)部(或者全部在芯層中，或者部分地在芯中和部分地在包覆層中)形成的激光-感應(yīng)結(jié)構(gòu)。這些散射結(jié)構(gòu)被設(shè)計成根據(jù)期望的輻射圖案重新定向初級光，所述期望的輻射圖案穿過光纖的外側(cè)面或正面；輻射圖案因此可以具有通過散射結(jié)構(gòu)的一些特征部分地限定的形狀。光致發(fā)光層可以被成形為與光纖同心，和/或可以成形為部分地或全部地(例如，取向成垂直于)接收重新定向的初級光的輻射圖案。具體地，光轉(zhuǎn)換效率可以通過以下來增強：(a)使波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光層的幾何結(jié)構(gòu)匹配(例如，使光致發(fā)光層的入射表面符合波導(dǎo)的輻射面或外表面)，和(b)調(diào)整波導(dǎo)的材料和光致發(fā)光介質(zhì)的材料之間的折射率差，尤其是在波導(dǎo)材料具有的折射率約等于或小于光致發(fā)光介質(zhì)的折射率的情況下。

可選的反射體可以被置于波導(dǎo)的后面且可以設(shè)計成反射重新定向的初級光和任何非相干的次級光的輻射圖案中的一些。例如，反射體可以具有曲線形的反射表面，且可以尺寸設(shè)計成且定位成與圓柱形波導(dǎo)同心。然而，通常，反射體可以具有比圓柱形波導(dǎo)的半徑大的半徑，或者其可以具有非環(huán)形的形狀，例如，矩形、v-形。此外，或者可能作為替選，反射體可以定位在光致發(fā)光介質(zhì)和波導(dǎo)之間，且被設(shè)計成反射次級光，以及使初級光通過。這可以是中間介質(zhì)或中間層的一部分，該中間介質(zhì)或該中間層形成在波導(dǎo)的外側(cè)表面和光致發(fā)光層的內(nèi)表面之間。

在一個實施方式中，通過處理激光感應(yīng)散射結(jié)構(gòu)以便將它們定位成靠近彼此，例如，從幾納米至幾微米，且隨著它們沿著波導(dǎo)的長度的位置改變它們的散射強度，可以沿著波導(dǎo)的長度獲得均勻地照明，即，相對均勻的或固定的強度和/或色度。這能夠使散射強度補償初級光在波導(dǎo)中沿著散射區(qū)域傳播時經(jīng)受的不可避免的功率損耗。此外，通過使用不同波長的多個初級光源，其中來自各個光源的光通過相應(yīng)的散射結(jié)構(gòu)被散射出且隨后通過光致發(fā)光層的相應(yīng)部分吸收，可以改善照明光的色度。通常，散射結(jié)構(gòu)的沿著初級光傳播軸線以及橫跨或垂直于初級光傳播軸線的位置、形狀、尺寸、強度、取向和周期性，可以被選擇成或者適于產(chǎn)生照明光的所需特性，例如，特意的非均勻的照明圖案。

上述發(fā)明內(nèi)容不包括本發(fā)明的所有方面的詳盡列表?？梢詷?gòu)思，本發(fā)明包括可以從上文匯總的各個方面的所有的合適組合實施的所有系統(tǒng)和方法，以及本申請遞交的權(quán)利要求書中特別指出的和在下文的詳細說明中所描述的系統(tǒng)和方法。這樣的組合具有在上面的發(fā)明內(nèi)容中沒有專門提及的特定優(yōu)點。

附圖說明

在附圖中通過示例而非限制地來說明本發(fā)明的實施方式，在附圖中，相似的附圖標記指示相似的元件。應(yīng)該注意，在該公開中的本發(fā)明提到的“一”實施方式或“一個”實施方式不必是相同的實施方式，其意思是至少一個。

圖1a至圖1b是根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的波導(dǎo)裝置的側(cè)視剖面圖，其示出多種形狀和周期性的多種類型的散射結(jié)構(gòu)。

圖1c是通過波導(dǎo)裝置提供的照明光的示例性光譜的曲線圖。

圖2a至圖2c是用于重新定向的初級光的示例性輻射圖案的剖面圖。

圖3a是完全整合形式的示例性圓柱形波導(dǎo)裝置的端部剖面圖。

圖3b是參照初級光和次級光的性質(zhì)疊置的圖3a的示例性波導(dǎo)裝置的端部剖面圖。

圖4是用于耦合到多個不同波長的初級光源的示例性圓柱形波導(dǎo)裝置的透視圖。

圖5a至圖5f是具有光致發(fā)光層和反射體的不同組合的示例性圓柱形波導(dǎo)裝置的端部剖面圖。

圖6a至圖6c是示例性波導(dǎo)裝置的側(cè)視剖面圖，其示出在散射結(jié)構(gòu)和其相關(guān)聯(lián)的光致發(fā)光層之間的多種間隔。

圖7示出波導(dǎo)裝置的應(yīng)用。

圖8示出波導(dǎo)裝置的另一應(yīng)用。

具體實施方式

本公開描述了適于有效的分布式照明系統(tǒng)的波導(dǎo)裝置，該波導(dǎo)裝置可在遠離初級光源的位置產(chǎn)生白光，且其輻射圖型(包括其徑向角和徑向擴展)和均勻性沿著波導(dǎo)長度可容易地受控。首先給出本文所用的一些術(shù)語的討論，隨后結(jié)合附圖描述裝置的各個實施方式。當(dāng)在實施方式中描述的部件的形狀、相對位置和其他方面沒有清楚限定時，本發(fā)明的范圍不僅僅限于所示出的部件，所示出的部件僅僅表示說明目的。另外，盡管列出大量的細節(jié)，但應(yīng)該理解，本發(fā)明的一些實施方式可以脫離這些細節(jié)而實施。在其他情況中，公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)沒有詳細示出以便清楚地理解本說明書。

波長–該術(shù)語是指光譜的峰值強度的波長。例如，這可涉及準-單波長的或單色的光源(例如，激光)或其可以涉及較寬光譜、但窄頻帶的光源(例如，單色led)。

初級光和初級光源–這是指可以由任何輻射源產(chǎn)生的、能夠引起光致發(fā)光材料(本文也稱為光致發(fā)光層)的區(qū)域發(fā)光的光。例如，初級光源可以是不相干的、相對寬的光譜的、但“單色”的發(fā)光二極管led，該led包括有源區(qū)(p-n結(jié))，該有源區(qū)可包括一個或多個量子肼且可含有g(shù)an、algan和/或ingan材料?？商孢x地，初級光源可以是有機發(fā)光二極管(oled)或者基于量子點的光源?？商孢x地，初級光源可以是相干的、銳譜(sharpspectrum)的光源(如，發(fā)出單一波長(本文也稱為準單波長)的激光)，或者其可以是多個單一波長的激光，例如，分別發(fā)出紅光、綠光和藍光(r，g，b)的激光。

次級光–其是由光致發(fā)光過程產(chǎn)生的光，與初級光相對應(yīng)。在一個示例中，初級光是由光致發(fā)光層吸收的短波長(或“高”光子能)的光(例如，綠光、藍光或uv光)，而次級光是指通過光致發(fā)光層重發(fā)射的長波長(或“低”光子能)的光。次級光在本文中還可以稱為波長轉(zhuǎn)換的光。

照明光–該術(shù)語是指至少具有人眼可見的光譜部分的光，該光基于光致發(fā)光過程產(chǎn)生(次級光)且還可以包括一些未被吸收的初級光。其還可以具有一些不可見的分量，例如，紅外光。照明光的光譜功率分布可類似于白色發(fā)光二極管(wled)的光譜功率分布。當(dāng)初級光的波長與光致發(fā)光層的吸收光譜帶匹配時，可以提高用于產(chǎn)生照明光的整個過程的效率。

色彩再現(xiàn)或色溫–色彩再現(xiàn)是指通過照明源產(chǎn)生的人眼可見的顏色的質(zhì)量的測量(光度測量曲線)。一個示例是顯色指數(shù)cri。色溫是參照黑體輻射的理論的可見光的特征。通常在色度圖(cie坐標)中給出色溫。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，例如，通過改變光致發(fā)光介質(zhì)的化學(xué)組成，照明光的cri可以被調(diào)整到期望的cri。通過改變光致發(fā)光介質(zhì)的濃度(例如，粒子密度)和/或厚度可以調(diào)整色溫。用于調(diào)整照明光的cri或可替選地色域的其他技術(shù)包括采用活性成分(諸如在光纖放大器中所用的活性成分)對波導(dǎo)(例如其芯)進行摻雜和/或通過使用多個不同顏色的初級光源。

激光感應(yīng)的散射結(jié)構(gòu)–這是指通過暴露于外部高能激光源而使波導(dǎo)材料局部改性。這樣的材料改性不限于局部折射率變動，而還可以包括真實的局部材料改性(熔化的結(jié)構(gòu)或空隙率)?？梢允褂玫耐獠考す馓幚碓窗ㄉ顄v激光(cw或準分子)，其使用波導(dǎo)材料的固有光敏性以局部改變折射率；如果所處理的波導(dǎo)材料不是足夠光敏的，則可以使用高峰值功率飛秒激光。例如，使用干涉儀或相位掩膜，通過使光纖芯暴露于強干涉圖案，可在光纖芯內(nèi)刻有周期性的圖案。使用玻璃基體(優(yōu)選光纖材料)對強激光的非線性響應(yīng)，可以直接將非周期的散射結(jié)構(gòu)寫在光纖芯內(nèi)。例如，結(jié)構(gòu)的強度可以在δn＝10^-7至δn＝10^-2(折射率的變化幅度)的范圍內(nèi)。在結(jié)構(gòu)已經(jīng)熔化的情況下，強度可較高。散射結(jié)構(gòu)的周期(例如，光柵周期)可以隨機選擇，例如，從100nm至2微米(根據(jù)初級光的波長)的范圍。

現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖1a至圖1b，這些圖是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的波導(dǎo)裝置的側(cè)剖面圖，其示出其中形成的各種類型的散射結(jié)構(gòu)。在該示例中，通過初級光源116(出于下文示出的原因，也稱為激發(fā)光源)產(chǎn)生的初級光111被耦合入波導(dǎo)(例如，波導(dǎo)的端面)且通過波導(dǎo)導(dǎo)引。這里可替選的是，例如，使用沿著波導(dǎo)形成的光纖激光結(jié)構(gòu)(例如，通過激發(fā)用染料填充的有孔光纖的摻雜區(qū))，在波導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生初級光。波導(dǎo)可以由覆蓋有包覆層101的芯100組成。芯介質(zhì)與包覆層介質(zhì)接觸，且這些介質(zhì)被設(shè)計成使得初級光(在圖中用λp表示)可以在芯中沿著示出的方向且沿著波導(dǎo)的縱向軸線傳播。這里，傳播是借助全內(nèi)反射。在一個示例中，波導(dǎo)是光纖，例如，由柔性玻璃制成的多模、單芯、單包覆層的光纖，然而其他類型的圓柱形波導(dǎo)是可行的，諸如：光子晶體光纖；微結(jié)構(gòu)光纖；有孔光纖；多包覆層光纖；和具有芯介質(zhì)但沒有包覆層的光導(dǎo)管，例如：透明桿，除了初級光被向外重新定向的遠距離位置之外，該透明桿的周向表面可以包覆有鏡層；沒有包覆層的透明桿，該透明桿的周向表面暴露于空氣，使得空氣充當(dāng)用于傳播初級光的包覆層。應(yīng)該注意，在一些類型的圓柱形波導(dǎo)中，諸如，微結(jié)構(gòu)光纖中，由于微結(jié)構(gòu)光纖的周期性性質(zhì)引起的阻止在與沿著波導(dǎo)的方向不同的方向上傳播的帶隙效應(yīng)，初級光沿著波導(dǎo)傳播。

波導(dǎo)具有如示出的在其中形成的一個或多個散射結(jié)構(gòu)，該散射結(jié)構(gòu)用于將入射的初級光的傳播重新定向為從波導(dǎo)的側(cè)面離開。換句話說，初級光被重新定向成相對于波導(dǎo)的縱向軸線或光傳播軸線呈所需的非零角度(例如，相對于所述軸線垂直或約90度)。散射結(jié)構(gòu)可以是在橫斷面中產(chǎn)生入射初級光的共振的限制區(qū)(導(dǎo)致重新定向的或散射的初級光，該重新定向的或散射的初級光是相干的且相對于入射初級光可以表現(xiàn)出小的波長偏移)。散射結(jié)構(gòu)可以是激光感應(yīng)結(jié)構(gòu)；如示出的，通過將外部的、高能量激光施加到波導(dǎo)中選定的位置可以形成這些散射結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整外部處理激光束的焦點、強度和位置，可以選擇在波導(dǎo)中沿著初級光傳播方向(縱向軸線)和橫穿(垂直于)初級光傳播方向(縱向軸線)的散射結(jié)構(gòu)的位置、形狀、尺寸、散射強度、傾斜度或取向、和周期性。重定向的初級光的方向性(其圍繞波導(dǎo)的縱向軸線的徑向角度，和其徑向擴展)可以主要是散射結(jié)構(gòu)的傾斜度和周期的函數(shù)，但是也可需要整體考慮和平衡其他的參數(shù)以獲得期望的重新定向的初級光輻射圖型。

例如，圖1a示出一組非周期性的散射結(jié)構(gòu)105、散射結(jié)構(gòu)106、散射結(jié)構(gòu)107。這些散射結(jié)構(gòu)可以是全部在芯100內(nèi)部的微漫射體(結(jié)構(gòu)105)，剛好在連接芯100和包覆層101的界面的一部分中的微漫射體(結(jié)構(gòu)106)，和/或跨越整個芯和包覆層的微漫射體(結(jié)構(gòu)107)。這樣的結(jié)構(gòu)105-107的任何合適的組合可以用來限定散射區(qū)域；例如，散射區(qū)域可以全部由僅一種類型的散射結(jié)構(gòu)構(gòu)成，例如，僅在芯內(nèi)部的結(jié)構(gòu)105。圖1b示出一組周期性的散射結(jié)構(gòu)108、散射結(jié)構(gòu)109、散射結(jié)構(gòu)110，諸如微反射體或傾斜光柵。這些散射結(jié)構(gòu)也可以全部形成在芯100的內(nèi)部(結(jié)構(gòu)108)，剛好在連接芯100和包覆層101的界面的一部分中(結(jié)構(gòu)109)，和/或跨越整個界面(結(jié)構(gòu)110)。這樣的結(jié)構(gòu)108-110的任何合適的組合可以用來限定散射區(qū)域；例如，散射區(qū)域可以全部由僅一種類型的散射結(jié)構(gòu)構(gòu)成，例如，僅跨越整個界面的結(jié)構(gòu)110。通常，可以使用生成用于重新定向的初級光λp的期望輻射圖型的散射結(jié)構(gòu)105-110中的一種或多種散射結(jié)構(gòu)的任何合適的組合和/或變型。散射區(qū)域(含有一個或多個散射結(jié)構(gòu))的長度可以等于或小于與該區(qū)域相關(guān)聯(lián)的光致發(fā)光層103或光致發(fā)光層部分的長度?？商孢x地，散射區(qū)域可以比光致發(fā)光層103或光致發(fā)光層部分延伸得更遠。

仍然參考圖1a至圖1b，波導(dǎo)裝置具有光致發(fā)光層(介質(zhì))103，該光致發(fā)光層被定位成使得部分地或全部地吸收重新定向的初級光λp，由此根據(jù)光致發(fā)光過程發(fā)出次級光112(λs)。次級光也被稱為波長轉(zhuǎn)換的光。得到的該次級光112和任何未被吸收的初級光的組合(λp；λs)是期望的照明光113。這樣的照明系統(tǒng)在基于圓柱形波導(dǎo)的分布式照明系統(tǒng)領(lǐng)域可提供特定優(yōu)點，包括能量效率提高、可擴展性和均勻的光輸出。

光致發(fā)光層103可以由聚硅氧烷(例如，作為光學(xué)透明粘合劑的部分，諸如，聚二甲基硅氧烷pdms)或其他合適的材料(諸如環(huán)氧樹脂)與磷光劑的混合物制成。磷光劑的濃度和磷光劑粒子的尺寸可以被選擇以改變或控制照明系統(tǒng)的色溫和發(fā)光效率。應(yīng)當(dāng)注意，本文使用的“磷光劑”是指具有發(fā)光性的任何材料，例如，磷光材料、熒光材料。層103可以由不同組成的一層或多層構(gòu)成。例如，磷光劑層可以夾有一個或多個中間非磷光劑層。

可以添加保護層114，在該情況中，該保護層與光致發(fā)光層103的外側(cè)表面接觸，以包覆光致發(fā)光層，目的是進行物理保護和/或降低層103和外部介質(zhì)(即，在波導(dǎo)裝外面)之間的折射率階躍。參見圖3a。保護層114還可以包含抗反射涂層或僅可以是抗反射涂層，其用于減小或最小化次級光λs從保護層的背面或后表面發(fā)生任何背向反射。

圖1c是通過波導(dǎo)裝置提供的照明光113的示例光譜的曲線圖。此處可以看出，照明光113具有光譜i(λp；λs)，其中，次級光的帶寬(例如，半高全寬(fwhm))給定為δλs，以及初級光的帶寬(例如，半高全寬(fwhm))給定為δλp。在多數(shù)情況中，δλs將約等于或大于δλp，λp將小于λs，即，具有較高的光子能，以及λs將顯著地在光譜的可見部分中。在該示例中，初級光來自單一波長的光源且集中在440nm至490nm之間，即，藍光，具有數(shù)十微微米(準單波長，可以通過激光二極管獲得)至數(shù)十納米(led，或甚至可以比100nm寬的超級發(fā)光二極管)之間的帶寬。對于初級光的波長的其他合意的選項包括紫外線(300nm至400nm)和紫光(400nm至440nm)。然而，更通常地，帶寬參數(shù)和波長參數(shù)可以與上述不同，例如，初級光可以是綠光、紅光或甚至部分位于光譜的不可見部分中，例如，近紅外。

關(guān)于次級光，圖1c示出以約550nm為中心的λs。這是通過多種通用類型的磷光劑層材料(例如，ce：yag)發(fā)光的特點。對于白光，照明光113的所需的帶寬在380nm至740nm之間?？梢杂型ㄟ^光致發(fā)光過程產(chǎn)生的某不可見成分，因此實際上照明光的帶寬可以比380nm-740nm大。

如圖1a中所示，光致發(fā)光層103可以位于波導(dǎo)的外部。例如，參見圖3a，層103可以直接位于波導(dǎo)的外側(cè)表面上，以與波導(dǎo)形成一體的裝置或單一的裝置。

可替選地，中間層102可以設(shè)置在光致發(fā)光層103和波導(dǎo)之間；該中間層可以用于調(diào)節(jié)波導(dǎo)和光致發(fā)光層103之間的折射率差的階躍，以能夠更有效地將重新定向的初級光耦合出(反射較少)，且可以由玻璃、聚硅氧烷、其他合適的光學(xué)透明材料的一個或多個子層制成。中間層102還可包括抗反射涂層或是抗反射涂層，通過重新定向任何背向反射的次級光λs，即，已經(jīng)通過背面光致發(fā)光層103反射的次級光，該抗反射涂層有助于整體提高照明系統(tǒng)的光透射效率。層102還可以用來將光致發(fā)光層103(其可以是單獨的光學(xué)制件)連接到波導(dǎo)，例如作為光學(xué)透明粘合層。中間層102的厚度可以類似于光致發(fā)光層103的厚度，但在一些情況下，例如，在其僅為抗反射涂層或抗反射濾光片的情況下，可以更薄。

在另一實施方式中，在波導(dǎo)的外側(cè)表面(此處，包覆層101的外側(cè)表面)和光致發(fā)光層103之間形成空氣間隙，在入射在光致發(fā)光層103上之前，重新定向的初級光λp穿過該空氣間隙。

為了降低在波導(dǎo)和光致發(fā)光層103之間的界面處的寄生反射，光致發(fā)光層103的形狀可以符合重新定向的初級光的輻射圖型使得初級光橫向入射在層103上。在一個實施方式中，層103符合波導(dǎo)使得其遵循或符合波導(dǎo)的外側(cè)表面或具有與波導(dǎo)的外側(cè)表面相同的形狀。例如，在光纖的情況下，層103可具有圓柱形狀且還可以被定位成與光纖同心，見圖3a。替選例是可行的，例如，如結(jié)合圖5b和圖5d在下文描述的。通常，光致發(fā)光層103不需要沿著波導(dǎo)的縱向軸線完全覆蓋散射初級光的區(qū)域，即，一些散射的初級光可以繞過光致發(fā)光層103且仍然有助于所期望的照明。光致發(fā)光層103或光致發(fā)光層部分的長度可以等于或大于其相關(guān)的散射區(qū)域，且還可以取決于入射的、重新定向的初級光的角度。

初級光以可以通過使初級光重新定向的散射結(jié)構(gòu)的形狀限定或固定的角度入射在光致發(fā)光層103上；這可以被設(shè)計成通過光致發(fā)光過程實現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)換。具體地，通過導(dǎo)向的初級光的某些特征(例如，其波長、偏振狀態(tài)、模態(tài)分布)和散射結(jié)構(gòu)的某些參數(shù)(例如，它們沿著/橫穿傳播軸線的大小、形狀和周期性)的組合，給出輻射的初級光的散射效率、分布和方向性。圖2a至圖2c是用于重新定向的初級光的示例性輻射圖型的剖面圖，其示出光纖參數(shù)和散射結(jié)構(gòu)參數(shù)的三種可能的組合，這三種組合為初級高能光提供了三種不同的散射分布。根據(jù)散射區(qū)域的長度，輻射圖型沿著縱向軸線(z-方向)延伸。

在圖2a中，單一的微漫射體已經(jīng)在波導(dǎo)的芯100的內(nèi)部被處理。例如，初級光111在線性偏振狀態(tài)中以零度沿著正z軸線的方向(進入紙)進入芯100，以及示出得到的散射光分布。在該情況下，存在兩個彼此相對的輻射瓣，每個輻射瓣形成具有徑向擴展α的大的散射錐。對比來說，圖2b示出可以通過例如在芯100內(nèi)部形成的傾斜光柵產(chǎn)生的圖型。在此處，初級光波長被選擇成在傾斜光柵的散射波長帶的邊界(部分相干散射)。此處的散射光分布也呈現(xiàn)兩個主瓣，這兩個主瓣一起形成散射角α的中等尺寸錐。最后，在圖2c中，傾斜光柵已經(jīng)被設(shè)計成使得初級光波長在傾斜光柵的散射波長帶的一位置，在該位置處，有最大散射(相干散射)。得到的散射光分布具有單一的主瓣，其角度α比圖2a中的角度小。對于許多應(yīng)用，散射結(jié)構(gòu)應(yīng)該被設(shè)計成為重定向的初級光產(chǎn)生由高達180度的徑向覆蓋或徑向擴展的單一瓣構(gòu)成(類似于圖2c)的輻射圖型。

應(yīng)當(dāng)注意，一般來說，在該不同的頻帶或色帶中色散的散射結(jié)構(gòu)將以不同的角度散射。然而，在多數(shù)情況下，散射帶寬將遠寬于此處預(yù)期的初級光的相對窄的帶寬。

圖3a是示例性圓柱形波導(dǎo)裝置的端部剖面圖(在方位角平面中)。圖3b是參照初級光和次級光的行為疊置的圖3a的示例性波導(dǎo)裝置的端部剖面圖。這也是波導(dǎo)裝置的“完全整合”形式可能呈現(xiàn)的樣式的示例，其中，裝置的元件已經(jīng)與波導(dǎo)本身組合以本質(zhì)上形成單一的裝置。波導(dǎo)裝置包括一組激光感應(yīng)的散射結(jié)構(gòu)，該散射結(jié)構(gòu)可以是上文描述的散射結(jié)構(gòu)105-110的任一組合，在該情況中，散射結(jié)構(gòu)完全形成在光纖的芯100內(nèi)。芯100由包覆層101環(huán)繞，包覆層101能夠使初級光沿著光纖傳播。在該情況下，光致發(fā)光層103可以已經(jīng)形成(例如，沉積、濺射或蒸鍍)以接觸包覆層101的外表面，且延伸以覆蓋至少如示出的初級光的方位角散射程度α。作為替選例，光纖可以被嵌入到光致發(fā)光介質(zhì)中，見下文描述的圖5c。

在該實施例中，還已形成反射體104(例如通過沉積、濺射或蒸鍍而形成)，與中間層102接觸，定位于光致發(fā)光層103的后面，且在該情況下也在光纖本身的后面。在此處，反射體104是與光纖同心的層。反射體104可以是高反射的聚合物(例如，聚鄰苯二甲酰胺)的層或鋁層。其可以是光纖上的介電層涂層，例如可以沉積在中間層102上?？商孢x地，反射體104可以定位成遠離光纖，作為單獨的制件的一部分。

從圖3b中看出，初級光通過散射結(jié)構(gòu)105-110在定義的角度α內(nèi)部分地散射出纖芯100。初級光隨后通過光致發(fā)光層103吸收，且在較寬的光譜中再發(fā)射。沒有由光致發(fā)光層直接吸收的初級光則照亮光纖外部的區(qū)域(1)。次級光也可以直接照亮光纖外部(2)，或者其可以通過從底部反射體進行反射而間接照亮光纖外部(3)，或者通過在光致發(fā)光層103內(nèi)部分地導(dǎo)向、隨后離開反射體104而間接地照亮光纖外部(4)。中間層102的作用可以是調(diào)整光纖包覆材料和光致發(fā)光層103之間的折射率差異。保護層114的作用是，通過減小光致發(fā)光層103和波導(dǎo)裝置外部的折射率之間的折射率差，而有助于將波導(dǎo)裝置集成在照明系統(tǒng)中。根據(jù)集成需要，保護層114和中間層102可需要作為波導(dǎo)裝置的一部分或者可以不需要作為波導(dǎo)裝置的一部分。

現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖4，這是用于聯(lián)接到多個不同波長的初級光光源的示例性圓柱形波導(dǎo)裝置的透視圖。在本發(fā)明的該實施方式中，該裝置具有光致發(fā)光層103，其縱向延伸是不連續(xù)的或者不均勻的，且由三個部分即部分103a、部分103b和部分103c組成。另外，多個(不同)波長的初級光源，在該示例中三個不同色的單一波長光源λp1、λp2、λp3，被耦合入圓柱形波導(dǎo)的芯100內(nèi)且通過圓柱形波導(dǎo)的芯100導(dǎo)向。具有一個或多個散射結(jié)構(gòu)105-110的獨立組被設(shè)計成對各個相應(yīng)的初級光波長作出反應(yīng)，或者對具有兩個或更多個初級光波長的組作出反應(yīng)。另外，各個光致發(fā)光部分103a-103c可以被設(shè)計成對相應(yīng)的初級光波長作出反應(yīng)，或者對具有兩個或更多個初級光波長的組作出反應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意到，一般來說，該構(gòu)思可以擴展到不同波長的兩個或更多個初級光源。

在圖4中，單獨組的散射結(jié)構(gòu)105-110被設(shè)置成朝向部分103a散射出波長λp1的初級光，使得結(jié)果是，含有λp1和相關(guān)的次級光λs1的寬波段的照明光113a射出。類似地，單獨組的散射結(jié)構(gòu)105-110(未示出)朝向部分103b散射出波長λp2的初級光，而另一組散射結(jié)構(gòu)105-110(未示出)朝向部分103c散射出波長λp3的初級光。因此，結(jié)果是，三個寬波段的照明光113a、113b、113c射出。該實施方式可提高照明光的cri和/或擴展照明光的總光譜，其中λp1、λp2、λp3分別通過紅光初級光源、綠光初級光源和藍光初級光源產(chǎn)生。應(yīng)該注意，在一些情況中，光致發(fā)光層部分103a-103c中的一個或多個光致發(fā)光層部分可以被選擇成不存在，使得在波導(dǎo)裝置的該區(qū)域中，重新定向的初級光直接照亮波導(dǎo)裝置外部的期望的區(qū)域，而沒有與光致發(fā)光介質(zhì)發(fā)生任何相互作用。例如，波導(dǎo)裝置的一個覆蓋有磷光劑的部分可以產(chǎn)生白光，而“透明”部分(沿著波導(dǎo)縱向隔開)產(chǎn)生藍光(因為重新定向的初級光在該部分中不與磷光劑介質(zhì)相互作用)。這可以用來通過將次級光和任何期望的初級光在波導(dǎo)裝置的外部混合到一起，來調(diào)整照明光的cri或色溫。也可以通過調(diào)整任一個初級光源相對于其他初級光源的強度來調(diào)節(jié)色溫。

應(yīng)該注意，盡管圖4示出通過具有多個離散的波長λp1、λp2、λp3的初級光激發(fā)的多部分的光致發(fā)光層103a-103c，但該多部分方法對于調(diào)節(jié)在初級光僅是單一波長的情況下得到的照明光(λp，λs)也可有效。

此處描述的照明光生成過程的總轉(zhuǎn)化效率可取決于多個因素，包括初級光源的電光功效、stokes轉(zhuǎn)化效率、光致發(fā)光層的量子效率和“封裝”效率。封裝包括波導(dǎo)裝置的總體幾何結(jié)構(gòu)以及沿著光的從其在由初級光源發(fā)射時的“高能量態(tài)”到其通過光致發(fā)光層重發(fā)射時的“波長轉(zhuǎn)換的狀態(tài)”的傳播路徑所涉及的不同材料界面。

現(xiàn)參照圖5a至圖5f，這些圖是具有光致發(fā)光層103和反射體104的不同組合的示例性圓柱形波導(dǎo)裝置的端部剖面圖。在所有的這些圖中，反射體104被稱為在波導(dǎo)(由芯100和包覆層101構(gòu)成)的后面，而光致發(fā)光層103被稱為是在波導(dǎo)的前面。在圖5a和圖5b中，反射體104具有面向波導(dǎo)后部的光滑的內(nèi)曲面且具有比波導(dǎo)大的半徑。在圖5a中，光致發(fā)光層103的內(nèi)表面全部接觸波導(dǎo)的外表面，同時其外表面也通常符合波導(dǎo)的外表面。在此處，層103可以具有數(shù)微米至數(shù)毫米的厚度。對比來說，在圖5b中，層103的內(nèi)表面不與波導(dǎo)外表面接觸，且其外表面不符合波導(dǎo)的外表面。在圖5c中，波導(dǎo)被埋入看似是通過反射體104的底壁和側(cè)壁承載的光致發(fā)光層/介質(zhì)103的池中，其中，本質(zhì)上，波導(dǎo)的全部外表面與層103接觸。在該情況下，反射體104可被視為包含有層/介質(zhì)103的容器，這是因為反射體104的內(nèi)表面圍繞著層103的底部而接觸層103的外表面。在圖5d至圖5f中，反射體104還限定承載波導(dǎo)的容器，且在波導(dǎo)和光致發(fā)光層103之間可以有空氣間隙。在圖5d中，層103附接至位于層103的前面的保護層114且符合該保護層114的形狀；層103和保護層114一起形成可以視為擱置在反射體104的側(cè)壁上的拱形結(jié)構(gòu)。在圖5e和圖5f中，層103是平坦的，而不是彎曲的，且封住槽狀反射體104的頂部；在圖5f中，層103形成在導(dǎo)光片115的背面上。

波導(dǎo)、光致發(fā)光層/介質(zhì)103和反射體104的其他組合是可行的。例如，光致發(fā)光介質(zhì)103可以是形成在圓柱形光學(xué)制件的外表面上的曲形層，例如，圓柱形層，其中該圓柱形光學(xué)制件環(huán)繞矩形波導(dǎo)(具有散射結(jié)構(gòu)，諸如形成在矩形波導(dǎo)內(nèi)部的傾斜光柵)。

圖6a至圖6c是示例性波導(dǎo)裝置的側(cè)視剖面圖，其示出在散射結(jié)構(gòu)105-110和其相關(guān)聯(lián)的光致發(fā)光層103之間的可行的各種間隔。如上文所述，初級光源116產(chǎn)生初級光111，該初級光被耦合入具有包覆層101的圓柱形波導(dǎo)的芯100。初級光沿著波導(dǎo)在波導(dǎo)內(nèi)傳播，直到其通過散射結(jié)構(gòu)105-110重新定向。在圖6a中，該重新定向相對于波導(dǎo)的縱向軸線或傳播軸線是大約90度，或者重新定向的初級光垂直于縱向軸線或傳播軸線。此外，光致發(fā)光層103定位在散射結(jié)構(gòu)的正上方，以便提供活性表面，該活性表面優(yōu)選被取向成相對于重新定向的光呈約90度。對比來說，在圖6b中，散射結(jié)構(gòu)使得重新定向的初級光是向前散射的，且進入包覆層101(而不是垂直于傳播軸線)，且散射結(jié)構(gòu)還與層103沿著縱向向后隔開(而不是在層103的正下方)。為了實現(xiàn)這樣的前向散射，散射結(jié)構(gòu)的周期可以增大到約1微米且與初級光的波長一致。如圖6c所示，在散射區(qū)域和其所相關(guān)聯(lián)的光致發(fā)光部分(層103)之間的這樣的“偏移”的另一變型中，重新定向的初級光被向后散射且進入包覆層101，以及散射結(jié)構(gòu)與層103沿著縱向向前隔開。后兩個布置在產(chǎn)生照明光113的效率方面可小于在圖6a中的布置。然而，它們可需要滿足特定的集成需要或封裝需要，不過要以產(chǎn)生照明光方面的較低功率效率為代價。在散射結(jié)構(gòu)的相鄰邊緣和其所相關(guān)聯(lián)的層103之間的縱向間距可以在數(shù)微米或更大的范圍內(nèi)。

現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖7，示出了波導(dǎo)裝置的背光照明應(yīng)用的圖。在該示例中的背光照明系統(tǒng)具有如下疊層：顯示元件陣列305(例如，在液晶顯示器lcd面板中的彩色濾光片的矩陣)，其背面面對一個或多個棱鏡片301，隨后是擴散片302和導(dǎo)光片303，例如，背板。在導(dǎo)光片303的后面是反射片304，其作用是朝向顯示元件陣列305往回反射任何照明光(λp；λs)。通過圓柱形波導(dǎo)裝置(此處指，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式在上文所述的元件100-110的組合)，照明光(λp；λs)可以產(chǎn)生為例如小于180度的錐體，如示出的，其從波導(dǎo)的外側(cè)表面輻射出來且入射到導(dǎo)光片303的側(cè)面。導(dǎo)光片303隨后向上定向射入的照明光且將其傳播到顯示元件陣列305的背面上并使其穿過該背面。應(yīng)該注意，其他背光照明系統(tǒng)是可行的，包括不具有顯示元件陣列的背光照明系統(tǒng)，例如，簡單的邊緣照明系統(tǒng)。

圖8示出了另一顯示系統(tǒng)，其中，背光照明光(λp；λs)在背光照明系統(tǒng)的層疊體內(nèi)產(chǎn)生，而不是在外部產(chǎn)生(通過波導(dǎo)裝置)且隨后射入層疊體的側(cè)面。除了不存在光致發(fā)光介質(zhì)103之外，該情況中的波導(dǎo)裝置可以是類似于圖3a中示出的光纖。在該情況中的波導(dǎo)裝置可以僅含有下列圓柱形波導(dǎo)元件：芯100、包覆層101、含有選自結(jié)構(gòu)105-110中的一個或多個結(jié)構(gòu)的組合的散射區(qū)域、和反射體104(且中間層102和保護層114是可選的)。重新定向后的初級光λp(其也可以具有小于180度的細長錐體形狀的輻射圖案，類似于圖2a-圖2c中示出的)從側(cè)面散射的細長波導(dǎo)射出且隨后射入到特定導(dǎo)光片306的外側(cè)表面。該導(dǎo)光片306具有上表面，該上表面已經(jīng)涂覆有一層光致發(fā)光材料(圖8中示為陰影)。該特定的導(dǎo)光片306隨后使射入的初級光向上定向且使其傳播到光致發(fā)光材料層的背面上并穿過該背面，該光致發(fā)光材料層隨后發(fā)出次級光λs。次級光λs與未被吸收的λp一起提供了入射在顯示元件陣列305的背面上的期望的照明光。

一種用于制造波導(dǎo)裝置的方法可以如下。除非特別要求，此處的操作不必須具有任何特定的次序。光散射結(jié)構(gòu)的區(qū)域形成在波導(dǎo)內(nèi)，沿著波導(dǎo)的縱向軸線延伸。散射結(jié)構(gòu)的區(qū)域適于將在波導(dǎo)中會沿著縱向軸線傳播的初級光重新定向為從波導(dǎo)的外側(cè)面射出。光致發(fā)光材料的介質(zhì)形成且定位在波導(dǎo)的外面以吸收重新定向的初級光且由此發(fā)出次級光。

光散射結(jié)構(gòu)的區(qū)域的形成可包括激光處理波導(dǎo)，以在其中建立光散射結(jié)構(gòu)的區(qū)域。在形成所述光致發(fā)光介質(zhì)之前，可以進行所述激光處理。激光處理可包括改變瞄準波導(dǎo)的處理激光束的焦點強度和位置，以設(shè)定所述光散射結(jié)構(gòu)的的下列參數(shù)中的一個或多個參數(shù)：位置、形狀、尺寸、取向或傾斜度和周期性。因此，激光處理可用于生成期望的散射結(jié)構(gòu)，其具有特定的散射強度和定向性。例如，在給定區(qū)域內(nèi)的散射結(jié)構(gòu)可以被寫成使得該區(qū)域的在沿著所述波導(dǎo)的縱向軸線的近側(cè)位置處的散射強度比遠側(cè)位置處的散射強度??；通過補償當(dāng)初級光傳播穿過散射區(qū)域時發(fā)生的不可避免的初級光損耗，這可以有助于改善白光沿著波導(dǎo)的強度的均勻性。

光致發(fā)光材料的介質(zhì)可符合波導(dǎo)的外側(cè)表面。例如，光致發(fā)光材料的介質(zhì)的形成可包括，在波導(dǎo)的側(cè)面上建立光致發(fā)光材料的層。在光致發(fā)光材料的層形成(在中間層的外側(cè)面上)之前，中間層可以形成在波導(dǎo)的側(cè)面上。該方法可以使用聚硅氧烷-磷光劑的混合物以在光纖上形成光致發(fā)光層；該混合物可以在單獨的操作中形成且隨后分配(或熱分配、濺射或蒸鍍)在先前制造的光纖上。作為替選例，聚硅氧烷-磷光劑混合物可以直接制在光纖的外側(cè)表面上。例如，聚硅氧烷可以分配在光纖上且隨后可以在其上濺射磷光劑。則熱退火操作對于聚合可以是必要的?；旌衔锏哪せ虮∧た梢栽趩为毜牟僮髦兄瞥?，且隨后沉積或粘結(jié)到光纖上以更好地控制層厚。

替選例是至少部分地(例如，全部)將波導(dǎo)埋入光致發(fā)光介質(zhì)的池中。

在波導(dǎo)和光致發(fā)光材料的介質(zhì)之間形成的中間層可以適于增大將重新定向的初級光耦合出的效率，例如通過使中間層具有多層透光材料，該多層透光材料的折射率被選擇成調(diào)整光致發(fā)光介質(zhì)和波導(dǎo)之間的折射率的階躍。

該方法還可包括在波導(dǎo)的后面形成反射體，且該反射體面對光致發(fā)光材料的介質(zhì)(在該情況下，其被認為在波導(dǎo)的前面)。反射體可以是v形或曲線形的，例如，u形。反射體可包括反射層，該反射層符合波導(dǎo)的外側(cè)表面且被設(shè)計成朝向光致發(fā)光介質(zhì)反射初級光和次級光兩者。

盡管結(jié)合附圖已經(jīng)描述和示出了一些實施方式，然而，應(yīng)該理解，這樣的實施方式僅僅是說明本發(fā)明而不是限制本發(fā)明，且本發(fā)明不限于所示出和描述的具體結(jié)構(gòu)和布置，這是因為本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以做出多種其他變型。例如，盡管圖中示出光致發(fā)光層103在波導(dǎo)的包覆層101的外部，且因此不接觸芯100，不那么合意的替選例是用化學(xué)方式或機械方式去除包覆層101的一些部分以產(chǎn)生裸露出芯100的溝槽的效果，隨后用光致發(fā)光材料填充溝槽。因此，該說明書被視為說明性的而非限制性的。