發(fā)明背景

本發(fā)明一般涉及照明系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)。更具體地，本發(fā)明涉及適用于賦予光源顏色過濾效果的材料和方法，其非限制性示例包含利用一個或多個發(fā)光二極管(led)作為光源的照明裝置。

相對于更傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，led燈提供多種優(yōu)點(diǎn)，包含但不限于更長的壽命預(yù)期、高能量效率和全亮度，而不要求時間來預(yù)熱。如本領(lǐng)域已知的，led(如本文中使用的led還囊括有機(jī)led或oled)是將電能轉(zhuǎn)換成包含可見光(約400至750nm的波長)的電磁輻射的固態(tài)半導(dǎo)體設(shè)備。led通常包括摻雜有雜質(zhì)以創(chuàng)建p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料的芯片(管芯)。led芯片電連接到陽極和陰極，其中全部都經(jīng)常安裝在封裝內(nèi)。因?yàn)榕c諸如白熾燈或熒光燈的其它燈相比，led發(fā)射在更窄光束中更定向的可見光，因此傳統(tǒng)上已將led用于諸如汽車、顯示器、安全/緊急和定向區(qū)域照明的應(yīng)用中。然而，led技術(shù)的進(jìn)步已使基于高效率的led的照明系統(tǒng)能夠在傳統(tǒng)上已采用其它類型的照明源的照明應(yīng)用(包含以前由白熾燈和熒光燈服務(wù)的全向照明應(yīng)用)中發(fā)現(xiàn)更廣泛使用。因此，在住宅、商業(yè)和市政設(shè)置中，led日益被用于區(qū)域照明應(yīng)用。

圖1表示適用于區(qū)域照明應(yīng)用的基于led的照明單元的非限制性商業(yè)示例。照明單元(其也可以稱為“照明裝置”或“燈”)10表示為配置成提供幾乎全向的照明能力的led燈(ansia19型)。各種其它配置的基于led的照明單元也是已知的。如圖1所表示，燈10包括透明或半透明的蓋或外殼12、愛迪生型螺紋底座連接器14、在外殼12和連接器14之間的殼體或底座16，以及可選地包括增強(qiáng)至周圍環(huán)境的輻射和對流熱傳遞的散熱鰭18。

基于led的光源(通常是包括多個led設(shè)備的led陣列)通常位于與底座16相鄰的外殼12的下端處。因?yàn)閘ed設(shè)備發(fā)射窄波長段的可見光，例如綠色、藍(lán)色、紅色等，不同led設(shè)備的組合通常在led燈中組合以產(chǎn)生包含白光的各種光顏色。備選地，看起來基本上白色的光可以通過來自藍(lán)色led和磷光體(例如，yag：ce)的光的組合來生成，其將藍(lán)色led的藍(lán)光的至少一些轉(zhuǎn)換成不同顏色；轉(zhuǎn)換的光和藍(lán)光的組合能夠生成看起來白色或基本上白色的光。led設(shè)備可以安裝在載體上(該載體安裝到底座16或在底座16內(nèi))并且可以例如采用保護(hù)蓋封裝在載體上，該載體通常由折射率匹配材料形成，以增強(qiáng)從led設(shè)備的可見光提取的效率。作為非限制性示例，圖2表示一種類型的led設(shè)備20的一部分，其包括用作包封安裝在印刷電路板(pcb)26上的led芯片24的光學(xué)透明或半透明包絡(luò)(envelop)的圓頂22。也可以使用磷光體以發(fā)射除由led生成的顏色的光以外的顏色的光。為此，圓頂22的內(nèi)表面可以提供有包含磷光體組合物的涂層28，在所述情況下，由led芯片24發(fā)射的電磁輻射(例如，藍(lán)色可見光、紫外線(uv)輻射或近可見紫外線(nuv)輻射)能夠被磷光體組合物吸收，導(dǎo)致磷光體組合物激發(fā)以產(chǎn)生通過圓頂22發(fā)射的可見光。作為備選方案，led芯片24可以封裝在具有涂層的pcb26上，并且這種涂層可以可選地包含用于其中預(yù)期與led外延(epi)晶圓或管芯制造的led-磷光體集成的實(shí)施例的磷光體組合物。

為了促進(jìn)燈10以幾乎全向方式發(fā)射可見光的能力，外殼12的形狀在圖1中表示為基本上球形或橢圓形。促進(jìn)光分布(例如，全向光分布)的其它手段是可能的。為了進(jìn)一步促進(jìn)幾乎全向照明能力，外殼12可以由使外殼12能夠起光學(xué)擴(kuò)散器(diffuser)的作用的材料形成。作為非限制性示例，外殼12可以是或可以包含包括一對半球形擴(kuò)散器的組合件，在擴(kuò)散器間可以設(shè)置內(nèi)部反射器(未示出)，使得由led設(shè)備生成的可見光被引導(dǎo)到外殼12的內(nèi)部中，所生成的光的一部分被反射器反射到靠近底座16的半球形擴(kuò)散器中，反射光通過該半球形擴(kuò)散器分布到燈10周圍的環(huán)境。所生成的光的剩余部分通過反射器中的開口并進(jìn)入第二半球形擴(kuò)散器，通過第二半球形擴(kuò)散器，所通過的光分布到燈10周圍的環(huán)境。通常用來產(chǎn)生擴(kuò)散器的材料可包含聚酰胺(例如尼龍)、聚碳酸酯(pc)或聚丙烯(pp)；或類似物。這些聚合材料通常可以包含填料，例如二氧化鈦(tio2)，用來促進(jìn)光的折射，并且由此實(shí)現(xiàn)白色反射外觀。外殼12的內(nèi)表面可以提供有涂層(未示出)，例如包含磷光體組合物的涂層。

盡管不同的led設(shè)備和/或磷光體的組合的使用能夠用來促進(jìn)led燈產(chǎn)生白光效果的能力，但是作為備選方案或除此以外，其它方法是可取的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供適用于照明裝置中以賦予可見光顏色過濾效果的材料和由其形成的光學(xué)組件。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光學(xué)組件的至少一部分由復(fù)合材料形成，復(fù)合材料包括聚合基質(zhì)材料和無機(jī)顆粒材料，無機(jī)顆粒材料對通過復(fù)合材料的可見光貢獻(xiàn)顏色過濾效果，并且顆粒材料包括包含nd³⁺離子的釹化合物。

本發(fā)明的其它方面囊括照明裝置，其包含發(fā)射可見光的光源和光學(xué)組件，其被配置和布置使得光源的可見光的至少一部分通過其中。光學(xué)組件的一部分由復(fù)合材料形成，復(fù)合材料包括聚合基質(zhì)材料和無機(jī)顆粒材料，無機(jī)顆粒材料對通過該部分的可見光貢獻(xiàn)顏色過濾效果，并且顆粒材料包括包含nd³⁺離子的釹化合物。

本發(fā)明的另外方面包含利用上述類型的復(fù)合材料，其中釹化合物能夠作為離散粒子(或作為顆粒材料中的摻雜劑)存在，以促進(jìn)顆粒材料和聚合基質(zhì)材料的折射率匹配，使之足以賦予由照明裝置發(fā)射的可見光低霧度光學(xué)效果。不受理論的限制的情況下，這種低霧度光學(xué)效果被認(rèn)為至少部分由于最小化米氏散射。備選地，釹化合物能夠作為離散粒子存在，離散粒子可選地與顆粒材料的第二粒子組合，以促進(jìn)顆粒材料和聚合基質(zhì)材料的折射率失配，使之足以賦予由照明單元發(fā)射的可見光擴(kuò)散光學(xué)效果。

上述復(fù)合材料、光學(xué)組件和照明單元的技術(shù)效果優(yōu)選包含提供期望的顏色過濾效果的能力，并且優(yōu)選地具有有意匹配或失配基質(zhì)材料的折射率以分別最小化或促進(jìn)通過復(fù)合材料和光學(xué)組件的光的光學(xué)散射的另外能力。

從下面的詳細(xì)描述將更好地領(lǐng)會本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)施例的能夠從包含含有釹組合物的光學(xué)組件中受益的類型的基于led的照明裝置。

圖2表示能夠在例如圖1所表示的類型的基于led的照明裝置中使用的類型的led設(shè)備的不完整的橫截面圖。

圖3是表示對ndf3和nandf4納米晶體觀察到的吸收光譜的圖表，以及圖4是表示ndf3和nandf4納米晶體當(dāng)經(jīng)受800nm的激發(fā)頻率(λexc)和240mw的激發(fā)功率時的上變頻熒光光譜的圖表。

圖5是表示與摻雜nd2o3的玻璃的光透射特性相比，分散在有機(jī)硅基質(zhì)中的ndf3的光投射特性的圖表。

具體實(shí)施方式

下面討論將參考圖1中所表示的基于led的照明裝置10和圖2中所表示的led設(shè)備20。然而，應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，各種其它配置的照明單元和led設(shè)備也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

本發(fā)明提供適用于照明裝置中以賦予可見光(具體的示例是由led設(shè)備生成的可見光)顏色過濾效果的復(fù)合材料和由其形成的光學(xué)組件。如本文所使用的，光學(xué)組件是具有通過其預(yù)期可見光通過以提供照明效果的至少一部分的組件。復(fù)合材料和光學(xué)組件包含nd³⁺離子源。通過引導(dǎo)本發(fā)明的研究，已經(jīng)確定這種源對于提供顏色過濾效果是有效的，特別是用來過濾在黃光波長范圍中的可見光，例如約560nm(納米)至約600nm的波長的可見光。

根據(jù)本發(fā)明的某些方面，這類復(fù)合材料和光學(xué)組件可具有很少(如果有的話)光學(xué)散射(擴(kuò)散)效果；或備選地，根據(jù)復(fù)合材料的組成以及復(fù)合材料中的nd³⁺離子源的組成和量，可以在通過其中的光上引起相當(dāng)大的光學(xué)散射。能夠基于這些因素來選擇預(yù)期的效果。作為示例，優(yōu)選的復(fù)合材料包括聚合基質(zhì)材料，其中分散有含有nd³⁺離子源的無機(jī)顆粒材料。nd³⁺離子源可以是在顆粒材料中作為摻雜劑存在的釹化合物，或作為可以可選地與其它材料的粒子組合以構(gòu)成顆粒材料的釹化合物的離散粒子存在。含有釹化合物的離散粒子(例如，部分或全部由釹化合物形成)和/或摻雜有釹化合物的另一種材料的粒子的顆粒材料能夠與聚合基質(zhì)材料組合用于促進(jìn)顆粒和聚合基質(zhì)材料的折射率匹配(即，使其折射率中的差最小化)，使之足以賦予通過復(fù)合材料的可見光低霧度(低擴(kuò)散率)光學(xué)效果的目的。備選地，顆粒材料能夠僅由釹化合物的離散粒子(例如，部分或全部由釹化合物形成)構(gòu)成，和/或由釹化合物的離散粒子(例如，部分或全部由釹化合物形成)和由至少一種其它不同材料形成的粒子的混合物構(gòu)成，使得顆粒材料具有與聚合基質(zhì)材料的折射率充分不同的折射率，以實(shí)現(xiàn)顆粒和聚合基質(zhì)材料之間的折射率失配(即，增加它們的折射率中的差)，以賦予通過復(fù)合材料的可見光擴(kuò)散光學(xué)效果。

考慮到這種適應(yīng)(tailor)復(fù)合材料的光學(xué)散射效果的能力，由復(fù)合材料形成的光學(xué)組件可以具有不同的功能。例如，一個這種功能可以是要提供顏色過濾效果，例如如果用來形成led設(shè)備的圓頂(例如在比如圖2中)的話。另一示范性功能可以是要另外提供(即，除顏色過濾效果外)光學(xué)散射效果，例如如果用來形成圖1的照明裝置10的外殼/擴(kuò)散器12的話。

nd³⁺離子的一種源可以是包括nd-f化合物的材料。如本文所使用的，“nd-f化合物”應(yīng)被廣泛地解釋為包含包括釹和氟化物以及可選地包括其它元素的化合物。包括釹和氟化物的這類化合物可以包括氟化釹或氧氟化釹(例如，ndoxfy，其中2x+y＝3)或包括外來水(adventitiouswater)和/或氧的氟化釹，或氫氧氟化釹(例如，nd(oh)afb，其中a+b＝3)，或包括釹和氟化物的許多其它化合物，其將從下面的描述中變得易于明顯。在一些應(yīng)用中，nd-f化合物可以具有相對低的折射率，例如匹配所選聚合材料的折射率以提供低霧度光學(xué)組件。一種有用的nd³⁺離子源被認(rèn)為是氟化釹(ndf3)，其具有約1.6的折射率，提供適當(dāng)?shù)牡驼凵渎视糜谂c某些聚合基質(zhì)材料進(jìn)行折射率匹配，以使散射損耗最小化。其它nd³⁺離子源是可能的，例如含有nd-f的其它化合物，其非限制性示例包含nd-x-f化合物，其中x是形成具有釹的化合物的至少一種元素(作為示例，氧、氮、硫或氯等)或形成具有氟的化合物的至少一種金屬元素(除了nd以外)，作為示例，諸如na、k、al、mg、li、ca、sr、ba和y的或這些元素的組合的金屬元素。nd-x-f化合物的具體示例可包含：氧氟化釹(nd-o-f)化合物；nd-x-f化合物，其中x可以是mg和ca或可以是mg、ca和o；以及含有nd-f的其它化合物，包含摻雜有釹的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。某些nd-x-f化合物可以有利地實(shí)現(xiàn)在約580nm波長的更寬吸收。由于氧氟化釹化合物可包括變化量的o和f(因?yàn)檠醴S化合物通常衍生自變化量的氧化釹和ndf3)，氧氟化釹化合物可具有在nd-o化合物(例如，對于氧化釹為1.8)和nd-f化合物(例如，對于ndf3為1.60)的折射率之間的所選折射率。摻雜有釹的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的非限制性示例包含含有至少一種具有折射率比釹化合物(例如ndf3)低的折射率的成分的那些，例如na、k、al、mg、li、ca、sr、ba和y的金屬氟化物。這類“主體”化合物在可見光區(qū)中具有比ndf3低的折射率，其非限制性示例包含在589nm的波長下的naf(n＝1.32)、kf(n＝1.36)、alf3(n＝1.36)、mgf2(n＝1.38)、lif(n＝1.39)、caf2(n＝1.44)、srf2(n＝1.44)、baf2(n＝1.48)和yf3(n＝1.50)。由于摻雜有高折射率nd-f化合物例如ndf3，所得的摻雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物具有在主體(例如，對于mgf2為1.38)和ndf3(1.60)的折射率之間的折射率。摻雜ndf3的金屬氟化物化合物的折射率將取決于nd離子和金屬離子的比率。

一般來說，據(jù)說在本文中實(shí)現(xiàn)通常由于最小水平的光學(xué)散射的低霧度(低擴(kuò)散率)光學(xué)效果，如果基質(zhì)和顆粒材料的折射率在可見光區(qū)中彼此相差在0.1內(nèi)的話。如果ndf3用作其聚合基質(zhì)材料為聚碳酸酯(pc)或聚苯乙烯(ps)的光學(xué)組件中的唯一無機(jī)顆粒材料，則ndf3(約1.60)和pc和ps(約1.586)的折射率是這樣的以致于當(dāng)光通過組件時發(fā)生最小水平的光學(xué)散射。具有與ndf3相差在0.1內(nèi)的折射率的聚合物的另一示例是摻雜氟的聚酯(約1.607的折射率)。在這點(diǎn)上，基于具有類似于釹化合物的折射率以便實(shí)現(xiàn)低霧度(低擴(kuò)散率)光學(xué)效果來選擇聚合基質(zhì)材料。

能夠采用對顆粒材料改性來實(shí)現(xiàn)與具有與可見光區(qū)中的釹化合物相差大于0.1的折射率的其它聚合物匹配的折射率。例如，nd³⁺離子源(例如，ndf3)能夠與一種或多種其它材料組合使用，以產(chǎn)生有效的折射率，其在光學(xué)組件中實(shí)現(xiàn)最小水平的光學(xué)散射，該光學(xué)組件的聚合基質(zhì)材料具有在可見光區(qū)中與nd³⁺離子源相差大于0.1的折射率，例如，丙烯酸類(例如聚甲基丙烯酸甲酯，pmma)、聚偏氟烯烴(polyalkylidenefluorides)(例如聚偏氟乙烯(pvdf))、有機(jī)硅等。作為非限制性示例，能夠采用釹化合物摻雜由金屬氟化物和/或金屬氧化物形成的粒子，以具有在釹化合物和金屬氟化物和/或金屬氧化物的折射率之間的折射率。合適的金屬氟化物和金屬氧化物的非限制性示例包含naf(約1.32的折射率)和mgf2(約1.38的折射率)。通過選擇釹化合物和金屬氟化物和/或金屬氧化物的適當(dāng)比率，能夠適應(yīng)顆粒材料的折射率以與pmma(約1.49)、聚偏氟乙烯(約1.42)或甲基型有機(jī)硅(約1.41)的折射率匹配或接近匹配，其通常用于led封裝中。

圖3和4是改編自以下出版物“controllableenergytransferinfluorescenceupconversionofndf3andnandf4nanocrystals″，li等，opticsexpress，vol.18issue4，pp.3364-3369(2010)的圖表。該圖表可以表示以相同摩爾濃度分散在水中的ndf3和nandf4納米晶體的光學(xué)性質(zhì)。圖3表示對ndf3和nandf4納米晶體觀察到的吸收光譜，以及圖4表示當(dāng)經(jīng)受800nm的激發(fā)頻率(λexc)和240mw的激發(fā)功率時，ndf3和nandf4納米晶體的上變頻(upconversion)熒光光譜。如從圖3中顯而易見的，ndf3和nandf4的吸收峰分別為578和583，并且因此正好在黃光波長范圍(約560至約600nm)內(nèi)。圖4證明nandf4的吸收峰相對于ndf3的吸收峰稍微偏移。圖3和4表明ndf3和naf的組合(用來產(chǎn)生nandf4)并沒有從根本上改變ndf3的吸收特性。因此，認(rèn)為能夠采用含有粒子的復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)期望的顏色過濾效果，該粒子含有除了nd-f外的化合物，其已摻雜有nd-f化合物的以產(chǎn)生nd-m-f化合物(其中m是除了釹外的金屬)。

如果在可見光區(qū)中聚合物基質(zhì)和顆粒材料的折射率中的差超過0.1，本文可以實(shí)現(xiàn)通常由于光學(xué)散射引起的擴(kuò)散光學(xué)效果。作為一個示例，ndf3(或另一種nd³⁺離子源)能夠用作光學(xué)組件中的唯一無機(jī)顆粒材料，其聚合基質(zhì)材料具有與ndf3充分不同的折射率，例如pmma、pvdf或有機(jī)硅。作為另一個示例，能夠使用由含有金屬氧化物和nd³⁺離子源的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料形成的顆粒材料。這類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料包含含有ca、ba、al、y、v、gd和sr中的至少兩種的氧化物的那些，其能夠展現(xiàn)大于1.7的折射率，使得這些材料在與聚合基質(zhì)材料例如pc、ps、pmma、pvdf或有機(jī)硅組合使用時，可以以這些材料實(shí)現(xiàn)期望的顏色過濾效果和光學(xué)散射。

還能夠通過將ndf3(或另一種nd³⁺離子源)的粒子與其它材料的粒子組合來實(shí)現(xiàn)增加的折射率失配，其值得注意的示例包含金屬氧化物(例如金紅石二氧化鈦(tio2；約2.74的折射率)和nd-o化合物(例如nd2o3))或其它含釹金屬氧化物(例如含有nd的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料)。采用這種方法，ndf3(或另一種nd³⁺離子源)的粒子可在很大程度上或僅僅對顏色過濾效果負(fù)責(zé)，并且第二粒子可在很大程度上或僅僅對實(shí)現(xiàn)顯著水平的光學(xué)散射負(fù)責(zé)。

針對在約560nm至約600nm范圍內(nèi)的黃光波長，認(rèn)為由通過nd³⁺離子在可見光光譜中提供的可見光吸收產(chǎn)生的顏色過濾效果優(yōu)于nd-o化合物(例如nd2o3)。nd-f和nd-x-f化合物通過具有更接近各種標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)級透明塑料，例如pc、ps、pmma、pvdf、有機(jī)硅和聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)的折射率而相對于nd-o化合物具有另外優(yōu)點(diǎn)，并且能夠更好地平衡來自可貢獻(xiàn)于折射率失配的散射的光學(xué)損失和nd離子吸收。通過經(jīng)由使用nd-f和/或nd-xf化合物來過濾黃光波長，能夠調(diào)節(jié)由一個或多個白色led設(shè)備發(fā)射的光以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的顯色性效果。例如，增強(qiáng)的顯色性效果可以是增強(qiáng)的紅綠顏色對比度；或者，增強(qiáng)的顯色性效果可以是增加的led白光cri(顯色性指數(shù))或csi(顏色飽和度指數(shù))，或者可以實(shí)現(xiàn)更接近白色軌跡(“白體線”)的顏色點(diǎn)。通過經(jīng)由使用nd-f和/或nd-xf化合物來過濾黃光波長，能夠調(diào)節(jié)由一個或多個白色led設(shè)備發(fā)射的光，以實(shí)現(xiàn)類似于白熾燈泡的reveal系列(從gelighting市售可得)照明效果的照明效果。產(chǎn)生白熾燈泡的reveal系列以具有由摻雜有氧化釹(nd2o3)的玻璃形成的外護(hù)套(jacket)以過濾某些波長的光。圖5是表示與摻雜nd2o3的玻璃的光透射相比分散在有機(jī)硅基質(zhì)中的ndf3的光透射的圖表，并且特別是在其過濾黃光波長的能力方面，證明其光透射的類似性。

認(rèn)為復(fù)合材料中的nd³⁺離子的顆粒源的體積量和粒度對復(fù)合材料的顏色過濾效果具有影響。此外，復(fù)合材料中的任何第二材料的相對量和粒度對顏色過濾效果具有影響。通常認(rèn)為由標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)級透明塑料(例如pc、ps、pmma、pvdf、有機(jī)硅或pet)形成的復(fù)合材料應(yīng)包含至少0.1體積百分比且更優(yōu)選約1至約20體積百分比的ndf3或另一種nd³⁺離子源(作為示例，nd-f化合物和nd-x-f化合物，例如摻雜有nd-f的mgf)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的過濾效果。如果存在，可以以高達(dá)20體積百分比、更優(yōu)選約0.01至約2體積百分比的量存在任何第二材料(例如，相對于ndf3等具有高折射率的tio2、含有nd化合物和含nd的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料)，這取決于光學(xué)擴(kuò)散器所預(yù)期的散射分布(profile)。認(rèn)為復(fù)合材料中的優(yōu)選的總顆粒負(fù)載(loading)為至少0.01至高達(dá)約20體積百分比，更優(yōu)選為約0.01至約2體積百分比。進(jìn)一步認(rèn)為，顆粒材料的合適粒度為高達(dá)約50微米，且優(yōu)選約0.5至約5微米。在這些負(fù)載和粒度下，對于各種各樣的形狀，其基質(zhì)材料是上述標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)級透明塑料中的一個的復(fù)合材料將通常是易于可模制的，其中潛在的困難與更小粒度和更高負(fù)載沖突。

雖然本發(fā)明根據(jù)某些實(shí)施例已被描述，但是顯而易見的是通過本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠采用其它形式。因此，本發(fā)明的范圍是要僅由下面權(quán)利要求限定。