CN101969078B - 一种选择性汇聚的光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种选择性汇聚的光学器件，包括由上至下依次层叠的选择性反射膜层、上导光层、光频转换膜层、下导光层、反射层和封装保护层，所述光学器件的一侧面为出光面，其余侧面均由内向外设置有所述的反射层和封装保护层；所述选择性反射膜层由一维光子晶体、二维光子晶体或三维光子晶体的任一种构成；所述光频转换层由将入射光转换为各向同性同一波长光发射的有机或无机荧光转换物质或半导体纳米晶构成；所述光子晶体的禁带波长与该光频转换层发射光的波长相同。本发明选择性汇聚的光学器件可用于光线的汇聚并在出光面射出同一波长的光。

Description

一种选择性汇聚的光学器件

技术领域

本发明涉及一种可选择波长进行汇聚输出的光学器件，该光学器件能够将受光面的入射光转换为特定波长的光，并在光学器件的固定端面汇聚输出。

背景技术

光的汇聚对光学器件、光能利用等都有着重要的意义。而传统几何光学意义的光的汇聚通常有两种形式：一种是通过透射折射汇聚，即采用一定几何形状的透镜或者菲涅尔透镜使光折射，有规律地改变平行光的传播方向从而在焦点产生汇聚。一种是通过反射汇聚，即采用抛物镜面、球镜面等凹面镜对入射平行光反射而使光线在焦点产生汇聚。然而上述两种几何光学的光汇聚形式存在以下局限：一是只有平行传播的光才能被汇聚，漫散射光无法通过上述两种形式汇聚；二是光只能在透镜或凹面反射镜的焦点处被汇聚，焦点的位置会随着入射平行光线方向的变化而改变。

现有技术中的一种新形式的染料聚光片，请参见图2。该聚光片是在高折射率体相材料91中掺杂荧光物质染料92，通过染料的荧光作用，将受光面部分波长的入射光转化为各向同性的同一波长的荧光，通过高折射率材料的内部全反射和周边及底面的高反射层，将转化后的内部荧光汇聚在体相材料的一个固定边缘的出光面，从而实现对受光面入射光的汇聚。

这种聚光片能够汇聚平行光和漫反射光，且汇聚光与入射光线的方向基本无关。但由于：1、只能转化入射光中部分能够激发染料的波长的光。2、无法克服掺杂染料分子对内部光线的重复吸收而使内部光快速衰减。3、体相材料的内部全反射存在逃逸角，处于全反射逃逸角内的光线能够从入射面逃逸，从而无法避免逃逸光的能量损失。4、染料容易被光漂白，造成染料聚光片极不稳定，寿命很短。

专利号为US6476312 B1的美国专利公开了另一种新颖的平板聚光装置，该平板聚光装置将纳米晶掺杂入高折射透明材料，利用纳米晶的荧光效应和体相材料的内部全反射效应，将光汇聚到体相材料的一个固定边缘。

虽然纳米晶的光致发光的吸收和发射波长可由纳米晶的粒径控制，材料相对稳定，但由于纳米晶材料的单分散性很难控制，多分散的纳米晶同样存在荧光Strock效应和发射-吸收光谱的重叠，避免不了重复吸收的问题，从而使整个器件的光学效率降低，无法达到实用状态；并且由于入射面同样采用内部全反射将荧光导向汇聚端面，也无法避免全反射逃逸角的光损失。

发明内容

本发明为了解决现有汇聚光学器件存在逃逸角和重复吸收的技术问题，提供了一种选择性汇聚的光学器件。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为设计一种选择性汇聚的光学器件，其特征在于：包括由上至下依次层叠的选择性反射膜层、上导光层、光频转换膜层、下导光层、反射层和封装保护层，所述光学器件的一侧面为出光面，其余侧面均由内向外设置有所述的反射层和封装保护层。

所述选择性反射膜层由一维光子晶体、二维光子晶体或三维光子晶体的任一种构成。

所述光频转换层由将入射光转换为各向同性同一波长光发射的有机或无机荧光转换物质或半导体纳米晶构成；所述光子晶体的禁带波长与该光频转换层发射光的波长相同。

所述光频转换层为整体结构、多层复合结构、点阵结构或条形图案化膜层结构的任一种或上述结构的组合。

所述的上、下导光层由高透过率的有机或无机材料、真空腔体或高透过率的液体腔体的任一种构成。

所述反射层为金属镜面反射层、有机或无机漫反射层或一维、二维、三维光子晶体的任一种。

所述封装保护层由有机树脂或无机镀膜材料构成。

所述出光面位置处设置有一光电转换装置。

本发明还提供了一种选择性汇聚的光学器件的制作方法，包括下列步骤：

将光子晶体制作在一高透过率的导光板上，形成一层选择性反射的光子晶体薄膜，即选择性反射膜层；

将光致发光材料制作在所述导光板的另一面，形成光频转换膜层，且使光频转换膜层发射光的波长与选择性反射膜层光子晶体的禁带波长相同；

用高透过率的光学胶将所述光频转换膜层与另一高透过率的导光板的粘合；

在上述层叠结构的底面和三个侧面真空蒸镀高反射率的物质，形成反射层，剩余一侧面作为出光面，再在所述反射层的外侧形成一封装保护层。

所述光子晶体采用垂直沉积法或真空蒸镀法制作在导光板上；所述光致发光材料采用真空镀膜的方式或旋转涂膜的方式制作在导体板的另一面。

与现有技术相比，本发明通过在光学器件的设置选择性反射膜层、上导光层、光频转换膜层、下导光层、反射层，且选择性反射膜层由禁带波长落入目标汇聚波长之中的一维、二维或三维光子晶体构成，光频转换膜层将入射光转换为与选择性反射膜层光子晶体的禁带波长相同的光并经过选择性反射膜层或反射层的反射从出光面射出，从而克服了现有技术中光从逃逸角逃逸出去的问题。同时，由于光频转换膜层采用膜层结构，其下面设置有下导光层和反射层，克服了光重复吸收的问题。

本发明选择性汇聚的光学器件具有以下优点：1、光汇聚端面固定，且输出光强基本与入射光线方向无关；2、既能够汇聚平行光，又能够汇聚漫散射光；3、能够通过调整选择性反射膜层的禁带波长及光频转换层的发射波长，调整汇聚光的输出波长；4、光频转换层由于采用膜层结构，较大程度地避免了重复吸收问题；5、光频转换层采用膜层结构，基本可实现入射光的全光谱利用；6、由于采用选择性反射膜层，基本避免了全反射的逃逸角导致透射出去从而造成光能损失问题；7、聚光比与受光面面积和光汇聚面面积的比值成正比关系，聚光比可调。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

附图1是本发明选择性汇聚的光学器件结构与聚光原理示意图；

附图2是现有技术染料聚光片的聚光原理图。

附图3a是光子晶体选择反射膜层波长-透过率图。

附图3b是光子晶体选择反射膜层波长-反射率图。

具体实施方式

请参见图1。本发明选择性汇聚的光学器件包括由上至下依次排列的选择性反射膜层1、上导光层2、光频转换膜层3、下导光层4、反射层5、封装保护层6，在选择性汇聚的光学器件的右侧面为出光面7，其余侧面均由内向外设置有反射层和封装保护层。在出光面7所在的侧面还设置有一光电转换装置8，所述的光电转换装置可以是光电池或光导等。光电转换装置8用于将出光面获得的汇聚光转化成电信号输出。本实施例中，选择性反射膜层1采用一维光子晶体构成，根据需要也可以选择二维光子晶体构成或三维光子晶体构成。

光子晶体是由两种或两种以上具有不同介电常数的材料在空间周期性排列而形成的一种人造晶体。根据不同介电常数材料的空间排列方式，光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体。

光子晶体存在光子带隙，落入光子带隙内的波长的光不能在光子晶体中传播，因而呈现出全反射现象，而且这种全反射与入射光的方向无关，不存在光的逃逸角，此时的光子带隙对应的光的波长在本设计中称为光子晶体的禁带波长。

因此，选择周期性排列的光子晶体“晶格物质”的介电常数、空间尺度和占空比，就能够控制不同波长的光在其中的传播状态，从而对选定的目标波长的光发生全反射，而对其余光线则几乎完全透明。

图3a为一光子晶体透过波长与透过率关系图，图3b为该光子晶体反射波长与反射率关系图。由图可见，光子晶体可对某些波长的光透射绝大部分而反射很少部分，或者对某些波长的光反射绝大部分而透射很少一部分。

本发明在选择性反射膜层1中正是要利用光子晶体的该种特性来选择性反射或透射光线，使入射光的一小部分反射，而大部分透过选择性反射膜层。同时透过的光经光频转换膜层3转换成与光子晶体的禁带波长相同的光，从而使转换后的光在选择性反射膜层1中全反射，最后汇聚到光电转换装置7中，减少了光的损失。

即选择性反射膜层1的光子晶体的光子晶体禁带波长与光频转换层的发射光的波长相同，落入目标汇聚波长之中。光子晶体禁带波长即为使光频转换层的转换后光的发射的转换光在选择性反射膜层全反射时光子晶体光子带隙对应的光的波长。

光子晶体可采用真空镀膜、微加工刻蚀、干涉光引发有机聚合、静电力组装、重力沉降、离心力沉降微粒等方法制作。

光频转换膜层3采用有机或无机荧光下转换、有机或无机荧光上转换或半导体纳米晶等光致发光材料构成，且由上述光致发光材料形成整体膜层结构或膜层组合结构，或者由上述光致发光材料构成的点阵膜层结构或条形图案化膜层结构。也可以是上述结构的组合。光频转换膜层3将入射光转化为各向同性的同一波长的光，且光频转换膜层发射光的波长与选择性反射膜层1的光子晶体的禁带波长相同，以使经过转换后的发射光能在选择性反射膜层1发生全反射并最后从出光面7射出。

同时，光频转换膜层3采用膜层结构也可防止光频转换膜层的物质对光线的重复吸收。

上、下导光层是采用高透过率的有机或者无机材料构成，也可以由真空腔体、高透过率的液体腔体、二维光子晶体构成。

反射层5采用金属镜面反射层、有机或无机漫反射层，或采用一维、二维、三维禁带光子晶体构成，其设置在底面和三个侧面，以将射到反射层的光线反射最后从出光面7射出。

封装保护层6是耐候性有机树脂材料或无机镀膜材料，用于保护光学器件。

受光面入射光I经过选择性反射膜层1后，极少部分的特定波长的光I’被反射，其余波长的光透过选择性反射膜层1，并经过高透的上导光层2到达光频转换膜层3，经过光频转换膜层3的光致发光材料的转换，发射出各向同性的、与I’相同波长的光I”，经过上层的选择性反射膜1和底面及侧面反射膜5的反射，最终汇聚到出光面7并射出光Io。本发明能够将受光面的入射平行光和漫散射光转化为特定波长的光，并将该特定波长的光输出，在出光面得到与(受光面面积/出光面面积)比值成正比关系的汇聚光，且输出光的强度与入射光线的方向基本无关。因此，可根据需要选择光子晶体的禁带波长和光频转换膜层的光致发光材料即可在出光面7处得到实际需要的汇聚光。

本发明选择性汇聚的光学器件可通过如下方法制作：

方法1：

通过垂直沉积法将粒径为266纳米的苯乙烯微粒沉积到2.5mm厚，50mm*50mm高透过率的光学玻璃片上，形成一层选择性反射的光子晶体薄膜，即选择性反射膜层1，其反射禁带波长为630nm。

采用真空镀膜的方式将同时具有上下转换光致发光效应的CaS:Eu Sm蒸镀到此玻璃片的另一面，形成光频转换膜层3，其转换后发射波长峰值位于625nm、630nm。

用高透过率的EVA光学胶与下层相同的玻璃片粘合，形成夹层结构，从而形成下导光层4。

底面和边缘三个侧面真空蒸镀高反射率的铝，形成反射层5，留出一侧面作为汇聚光的出光面7，再在反射层5的外侧采用有机树脂或无机镀膜材料形成一封装保护层6。在出光面得到与(受光面面积\输出面积)比值呈正比关系的汇聚红光。

方法2：

通过垂直沉积法将粒径为230纳米的聚苯乙烯微球沉积到厚度为2.5mm，面积为100mm*100mm的高透过率的光学玻璃片正面上，形成一层选择性反射的光子晶体薄膜，即选择性反射膜层1，其反射禁带波长为520nm。

采用真空镀膜的方式将发射520nm波长光的光致发光材料SrAl2O4:Eu2+，Dy3+蒸镀在形成光子晶体薄膜的玻璃镜片的另一面，形成光频转换膜层3。

用高透过率的EVA光学胶与下层相同的玻璃片粘合，形成夹层结构，从而形成下导光层4。

底面和边缘三个侧面真空蒸镀高漫反射率的硫酸钡，形成反射层5，留出剩余的一侧面作为汇聚光的出光面7，再在反射层5的外侧采用有机树脂或无机镀膜材料形成一封装保护层6。在出光面得到与(受光面面积\输出面积)比值呈正比关系的汇聚绿光。

方法3：

通过垂直沉积法将粒径为189纳米的苯乙烯微球沉积在厚度为3mm，面积为150mm*150mm的高透过率玻璃片的正面，形成一层选择性反射的光子晶体薄膜，即选择性反射膜层1，其反射禁带波长为440nm。

采用真空镀膜的方式将发射440nm波长光的光致发光材料CaAl2O4:Eu2+，Nd3+，La3+蒸镀在形成光子晶体薄膜的玻璃镜片的另一面，形成光频转换膜层3。

用高透过率的EVA光学胶与下层相同的玻璃片粘合，形成夹层结构，从而形成下导光层4。

底面和边缘三个侧面真空蒸镀高反射率的金属银，形成反射层5，留出剩余的一侧面作为汇聚光的出光面7，再在反射层5的外侧采用有机树脂或无机镀膜材料形成一封装保护层6。在出光面得到与(受光面面积\输出面积)比值呈正比关系的汇聚蓝光。

方法4：

通过真空蒸镀的方式在厚度为3mm，面积为50mm*50mm的高透过率玻璃片的正面交替蒸镀MgF和Zns各10层，形成禁带波长为800nm的一维光子晶体薄膜1。

采用旋转涂膜的方式将发射800nm的有机/无机杂化的光致发光材料在形成光子晶体薄膜的玻璃片的另一面形成光频转换膜层3。

底面和边缘三个侧面真空蒸镀高反射率的金属银，形成反射层5，留出剩余的一侧面作为汇聚光的出光面7，再在反射层5的外侧采用有机树脂或无机镀膜材料形成一封装保护层6。在出光面得到与(受光面面积\输出面积)比值呈正比关系的汇聚近红外光。

所述方法中的光致发光材料即为本设计光频转换层所述的有机或无机荧光转换物质或半导体纳米晶。

Claims (8)

1.一种选择性汇聚的光学器件，其特征在于：包括由上至下依次层叠的选择性反射膜层(1)、上导光层(2)、光频转换膜层(3)、下导光层(4)、反射层(5)和封装保护层(6)，所述光学器件的一侧面为出光面(7)，其余侧面均由内向外设置有所述的反射层(5)和封装保护层(6)；所述选择性反射膜层(1)由一维光子晶体、二维光子晶体或三维光子晶体的任一种构成；所述光频转换层(3)由将入射光转换为各向同性同一波长光发射的有机或无机荧光转换物质或半导体纳米晶构成；所述光子晶体的禁带波长与该光频转换层发射光的波长相同。

2.根据权利要求1所述的选择性汇聚的光学器件，其特征在于：所述光频转换层(3)为整体结构、多层复合结构、点阵结构或条形图案化膜层结构的任一种或上述结构的组合。

3.根据权利要求2所述的选择性汇聚的光学器件，其特征在于：所述的上、下导光层(2、4)由高透过率的有机或无机材料、真空腔体或高透过率的液体腔体的任一种构成。

4.根据权利要求3所述的选择性汇聚的光学器件，其特征在于：所述反射层(5)为金属镜面反射层、有机或无机漫反射层或一维、二维、三维光子晶体的任一种。

5.根据权利要求4所述的选择性汇聚的光学器件，其特征在于：所述封装保护层(6)由有机树脂或无机镀膜材料构成。

6.根据权利要求1所述的选择性汇聚的光学器件，其特征在于：所述出光面(7)位置处设置有一光电转换装置(8)。

7.一种如权利要求1所述的选择性汇聚的光学器件的制作方法，包括下列步骤：

将光子晶体制作在一高透过率的导光板(2)上，形成一层选择性反射的光子晶体薄膜，即选择性反射膜层(1)；

将光致发光材料制作在所述导光板(2)的另一面，形成光频转换膜层(3)，且使光频转换膜层(3)发射光的波长与选择性反射膜层(1)光子晶体的禁带波长相同；

用高透过率的光学胶将所述光频转换膜层(3)与另一高透过率的导光板(4)的粘合；

在上述层叠结构的底面和三个侧面真空蒸镀高反射率的物质，形成反射层(5)，剩余一侧面作为出光面(7)，再在所述反射层的外侧形成一封装保护层(6)。

8.根据权利要求7所述的选择性汇聚的光学器件的制作方法，其特征在于：所述光子晶体采用垂直沉积法或真空蒸镀法制作在导光板上；所述光致发光材料采用真空镀膜的方式或旋转涂膜的方式制作在导体板的另一面。

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