專利名稱：用于白熾光源的高效輻射源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于白熾光源的輻射源，具體涉及其形狀如燈絲或板極、能夠隨電流通過而成為白熾狀態(tài)的輻射源。
背景技術(shù)：
正如大家所知道的，傳統(tǒng)的白熾燈都配有鎢(W)燈絲，當(dāng)電流通過時，鎢絲成為白熾狀態(tài)。傳統(tǒng)白熾燈的效率由描述平衡溫度T下燈泡鎢絲發(fā)出輻射的光譜強度I(λ)的普朗克定律以及傳導(dǎo)和對流過程中的熱損耗來限定。在電磁波譜的可見光區(qū)內(nèi)，鎢絲的輻射能量與曲線I(λ)在λ1＝380納米和λ2＝780納米之間的積分成正比，并且最多相當(dāng)于總能量的5-7％。
按照基爾霍夫定律，在熱平衡條件下，在給定波長時物體所吸收的電磁輻射等于其發(fā)射的電磁輻射。這個定律的直接推論是一個表面的光譜發(fā)射率“ε”與光譜吸收率“α”是相等的。光譜吸收率“α”又通過關(guān)系α＝1-τ-ρ與光譜反射率“ρ”及光譜透射率“τ”建立起聯(lián)系，并由此導(dǎo)出關(guān)系1-ε＝τ+ρ。對于不透明材料，τ基本為零，因此光譜反射率ρ與(1-ε)相等。然而，需要注意的是對于厚度值足夠小的任何材料，其光譜透射率τ不等于0。
關(guān)系τ+ρ＝1-ε暗示在給定的波長下，如果一個不透明物體表面的光譜反射率較低，則相應(yīng)的光譜發(fā)射率將非常高；反之亦然，如果光譜反射率較高，則相應(yīng)的發(fā)射率較低。
發(fā)射率、吸收率、透射率和反射率不僅是波長的函數(shù)，還是溫度T和入射/發(fā)射角θ的函數(shù)。因為這些關(guān)系是從純粹的熱力學(xué)因素推導(dǎo)來的，所以上述關(guān)系對任何T、任意波長及任意角度都成立。通常，關(guān)系τ+ρ＝1-ε還可以被重新寫成τ(λ、T、θ)+ρ(λ、T、θ)＝1-ε(λ、T、θ)在給定溫度T時，通過材料的光學(xué)常數(shù)(始終在溫度T下)或構(gòu)成輻射源的材料的光學(xué)常數(shù)(針對輻射源的任意幾何結(jié)構(gòu)和任意入射/發(fā)射角)，可以演繹地推算出反射率和光譜透射率的曲線。從反射率和光譜透射率的曲線可以導(dǎo)出該溫度下吸收率和發(fā)射率的值。
材料的光學(xué)常數(shù)指折射指數(shù)的實數(shù)值n和虛數(shù)值k。對大多數(shù)已知材料來說，n和k的值已經(jīng)通過實驗測得，并且可以從文獻中獲取。大體上說，與白熾光源有關(guān)的溫度的n和k值尚未獲得。說明書其余部分和有關(guān)附圖中出現(xiàn)的反射率和透射率的計算只涉及在環(huán)境溫度下測得的光學(xué)常數(shù)。然而，上述考慮具有通用的有效性，很容易轉(zhuǎn)換到高溫的情形。
在傳統(tǒng)的白熾光源中，輻射通過鎢燈絲來發(fā)射，鎢燈絲的工作溫度大約為2800K，發(fā)射的輻射遵循黑體規(guī)律，其對應(yīng)的光譜由普朗克關(guān)系給出。作為好的近似，燈絲可看作一個灰體，也就是說，在整個相關(guān)光譜范圍內(nèi)具有恒定發(fā)射率。根據(jù)定義，黑體是一個發(fā)射率ε(λ、T、θ)獨立于λ和θ、并且等于100％(最大值)的灰體。用發(fā)射率ε(T)的一個值乘上黑體的光譜I(λ)(由普朗克關(guān)系給出)可以獲得灰體的發(fā)射光譜。對于非灰體，則要用光譜發(fā)射率曲線ε(λ、T、θ)乘上普朗克曲線的I(λ)。
通常，鎢的光譜發(fā)射率是溫度的函數(shù)，并經(jīng)過實驗證明鎢的平均發(fā)射率遵循下列關(guān)系εm(T)＝-0.0434+1.8524*10-4*T-1.954*10-8*T2在低溫時，測量鎢的反射率光譜，并利用關(guān)系ε(λ、T、θ)＝1-ρ(λ、T、θ)，就可以很容易地得到光譜發(fā)射率曲線；在白熾溫度時，這類測量變得難以實施，因為此時反射光譜和發(fā)射光譜很明顯是混合的。
在2800K溫度下，鎢的平均發(fā)射率大約為30％，這對應(yīng)于約為70％的平均反射率。在溫度為2800K時，發(fā)射光譜的峰值出現(xiàn)在波長稍大于1微米處，這意味著大部分輻射以紅外形式發(fā)射。
特別地，對于一個2800K溫度下的灰體來說，稍低于10％的輻射在可見光譜范圍內(nèi)(380-780納米)發(fā)射；同時超過20％的輻射是在近紅外光譜范圍內(nèi)(780-1100納米)發(fā)射。
實際上，鎢絲不是真正的灰體，但是它有一個在可見光譜范圍內(nèi)近乎不變、而在近紅外光譜范圍內(nèi)明顯趨于減小的光譜發(fā)射率，這一點很容易從圖1所示的反射率和光譜發(fā)射率曲線看到。在圖1的曲線圖中，曲線CRW和CEW分別代表了環(huán)境溫度下、對應(yīng)于可見光譜和近紅外光譜中不同波長的鎢的反射率和發(fā)射率。
這導(dǎo)致了鎢絲的效率(即可見光輻射與總發(fā)射輻射之間的比率)要遠遠大于灰體的效率。在估量環(huán)境溫度下的光譜發(fā)射率時，這個優(yōu)勢依然非常顯著。圖2將2800K溫度下的普朗克曲線(以CP表示)與2800K溫度下鎢絲發(fā)射的光譜功率作了比較。針對鎢，圖形同時顯示了實驗測得的數(shù)值(曲線PM)和利用環(huán)境溫度下鎢的光學(xué)常數(shù)計算得到的數(shù)值(曲線PC)。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述內(nèi)容，本發(fā)明的目的是提供一種用于白熾光源、能夠隨電流通過而成為白熾狀態(tài)的輻射源。與傳統(tǒng)技術(shù)得到的白熾燈的燈絲相比，該輻射源的效率較高。
術(shù)語“光源效率”意指電磁輻射的可見光分量(即380納米與780納米之間的輻射分量)與可見光分量至近紅外分量之間的和(即780納米與2300納米之間的輻射分量)的比率。
這個目標(biāo)的達成主要通過一個用于白熾光源、能夠隨電流通過而成為白熾狀態(tài)的輻射源。給該輻射源提供使之具有下述性能的手段對屬于可見光譜區(qū)的λ，使吸收率α(λ)達到最大；對屬于紅外光譜區(qū)的λ，將吸收率α(λ)減到最小。以這樣的一種方式，在相同的工作溫度T下，輻射源的可見光譜區(qū)發(fā)射的輻射與紅外光譜區(qū)發(fā)射的輻射之間的比率大于傳統(tǒng)白熾燈絲的該比率。
上述手段包括一個在輻射源的至少一個表面上形成的納米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)包括一個有序序列的微型凸起和/或微型空穴，且被永久地封裝在一個難熔材料(如氧化鋁、氧化釔、氧化鋯或任何其它具有高熔點的氧化物)的介電基體(matrix)中。
輻射源表面的納米構(gòu)造目的是為了取得可見光譜區(qū)內(nèi)發(fā)射率的相對增加(或反射率的減小)，并且能夠較大程度地超過紅外光譜區(qū)內(nèi)發(fā)射率的相對增加(或反射率的減小)。
上述難熔氧化物基體具有雙重功能i)限制了在較高工作溫度下組成輻射源或其納米結(jié)構(gòu)的材料的原子蒸發(fā)。這種蒸發(fā)是造成輻射源在運轉(zhuǎn)條件下工作壽命縮短的“凹口”效應(yīng)以及對納米結(jié)構(gòu)的平化作用的原因。所述蒸發(fā)(溫度越高時，蒸發(fā)效應(yīng)就越強)往往會平化輻射源的表面結(jié)構(gòu)，并隨時間降低它的性能以及效率提高方面的優(yōu)勢。
ii)即便是在工作溫度超過熔點的條件下使用輻射源致使其組成材料經(jīng)歷了狀態(tài)變化(尤其是熔化)，也能夠維持輻射源或其納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。
上述項ii)特別重要，因為該項功能允許使用某些材料，無論是否表面結(jié)構(gòu)化，這些材料的光譜發(fā)射率在可見光譜區(qū)特別高而在紅外光譜區(qū)較低，甚至在工作溫度超過熔點的情況下也是如此。對于這樣的材料，盡管具有良好的光譜發(fā)射率特性，其發(fā)光效率將另外受限于這些材料在低溫時使用(正像大家所熟知的，灰體發(fā)射的可見光部分隨溫度的增高而增長，達到最高點時的溫度約為6000K，這是太陽表面的溫度)。
為了增加輻射源在可見光譜區(qū)的光譜吸收以及減小輻射源在紅外光譜區(qū)的光譜吸收，選擇什么材料制成輻射源至少與在輻射源上取得微結(jié)構(gòu)的形態(tài)同等重要。
例如(純粹作為例子而已)，一種材料(如黃金)有一個常溫下的光譜發(fā)射率，因為其光譜反射率在近紅外光譜區(qū)非常高而在可見光譜區(qū)會突然下降(由于藍色部分的高吸收，因此呈黃色)，所以這種材料對得到一個高效輻射源特別適合。關(guān)于這一點，可參見圖1，其中曲線CRAu代表金箔的反射率。在近紅外光譜區(qū)，與平面鎢反射率曲線CRW相比較，曲線CRAu急劇升高；而在可見光譜區(qū)，相對于鎢的曲線CRW，曲線CRAu有一個非常突然的下降。在所述的圖1中，曲線CEAu代表同一金箔的發(fā)射率。2000K溫度下平面鎢輻射源的效率(如以前所定義)大約為6％，同時平面金箔輻射源的效率約為8％(2000K的表面溫度，大于金的熔點)。
如上所述，本發(fā)明的解決方案包括對輻射源的表面進行構(gòu)造。輻射源最好是雙面的平板形式，但是也可以是帶有圓柱形的或任何其它截面的線形。所構(gòu)造的輻射源表面帶有三維微結(jié)構(gòu)，并且其周期低于可見光波長。這樣做主要是為了在可見光譜區(qū)內(nèi)有選擇地增加吸收。在相同的平衡溫度下，這種結(jié)構(gòu)可以增加可見光譜區(qū)的發(fā)射輻射部分；而與可見光部分相比，在紅外光譜區(qū)的發(fā)射輻射部分增加的幅度卻比較小，由此提高了輻射源的發(fā)光效率。大體上說，本發(fā)明輻射源的尺寸，就微型凸起或微型空穴的總厚度和深度/高度這二者而言，都在幾十或幾百納米的數(shù)量級上。依照所用材料折射指數(shù)的實數(shù)和虛數(shù)、工作溫度以及所要獲得的光譜反射率曲線可確定微結(jié)構(gòu)的周期和尺寸。
可以看到光譜反射率曲線不僅依賴于所提供的減反射光柵結(jié)構(gòu)，還依賴于光線的入射角度和偏振狀態(tài)。本發(fā)明的減反射微結(jié)構(gòu)可作為特定入射角(典型地，垂直入射)和偏振狀態(tài)的函數(shù)加以優(yōu)化，這意味著反射率曲線實際上可僅僅因為一個特定入射角而被優(yōu)化。但是，也可以根據(jù)微型凸起或微型空穴的斜度、高度或形狀優(yōu)化光柵，以這種方式可以減小光柵的角敏感性。
本發(fā)明特定的最佳特征將在所附的權(quán)利要求書中陳述，權(quán)利要求書被認為是本說明書的組成部分。


通過以下純粹作為非限制性例子提供的描述并參考附圖，不難發(fā)現(xiàn)本發(fā)明其他的一些目的、特征和優(yōu)點。附圖中-圖1是曲線圖，顯示了在環(huán)境溫度下、對應(yīng)于可見光譜和近紅外光譜中不同波長的鎢的反射率(曲線CRW)和發(fā)射率(曲線CEW)，并將它們與金的光譜反射率(曲線CRAu)和發(fā)射率(曲線CEAu)進行比較。
-圖2是曲線圖，圖中將2800K溫度下的普朗克曲線(曲線CP)當(dāng)作2800K溫度下鎢絲發(fā)射的光譜功率；同時顯示了實驗測得的數(shù)值(曲線PM)和利用環(huán)境溫度下鎢的光學(xué)常數(shù)計算得到的數(shù)值(曲線PC)。
-圖3是關(guān)于本發(fā)明中表面配置了一維衍射光柵(也就是沿一個方向的周期性凸起)的輻射源部分的示意性透視圖。
-圖4和圖5是本發(fā)明的各自在表面上配置的二維衍射光柵(也就是在輻射源表面沿兩個正交方向周期性的凸起)的兩個輻射源的相關(guān)部分的示意透視圖。
-圖6是本發(fā)明的另一個在表面上配置了菱形對稱的二維衍射光柵的輻射源部分的示意性透視圖。這個菱形對稱的二維衍射光柵是由在輻射源表面上沿兩個互不垂直方向的周期性空穴形成的。
-圖7是曲線圖，圖中比較了平面鎢的光譜發(fā)射率(曲線CEW)和具備由圖3所示類型的光柵構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)的鎢的光譜發(fā)射率(曲線CEW’)。
-圖8是曲線圖，圖中比較了平面金箔的光譜發(fā)射率(曲線CEAu)和具備由圖3所示類型的光柵構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)的金箔的光譜發(fā)射率(曲線CEAu’)。
-圖9是曲線圖，顯示具備由圖3所示類型的光柵構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)的鎢輻射源的、作為波長的函數(shù)的光譜發(fā)射率的相對增加。
-圖10是曲線圖，顯示具備由圖3所示類型的光柵構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)的金輻射源的、作為波長的函數(shù)的光譜發(fā)射率的相對增加。
-圖11和圖12是本發(fā)明的兩個最佳實施例的、各自在表面上配置了的二維衍射光柵、并被封裝進難熔氧化物的輻射源相關(guān)部分的示意性剖面圖；-圖13是本發(fā)明的一個輻射源的示意圖，輻射源由一個被薄層材料(Au)包覆的納米結(jié)構(gòu)支持體(W)(所述材料(如金、銀、銅)不必一定具有高熔點)和至少一個由難熔氧化物(OR)組成的上部封裝層構(gòu)成。
-圖14是本發(fā)明的一個輻射源的示意圖，其中納米結(jié)構(gòu)形成在由低熔點材料(如金、銀、銅)制造的層(Au)上，該層設(shè)置在一個由高熔點材料(如鎢)形成的平面襯底(W)上，且至少其上部被封裝在一個難熔氧化物(OR)層內(nèi)；-圖15是本發(fā)明的一個輻射源的示意圖，其中納米結(jié)構(gòu)光柵由難熔氧化物(OR)構(gòu)成，而所述光柵表面被低熔點材料(如金、銀、銅)薄層(Au)包覆，而低熔點材料層又被另一難熔氧化物層包覆。
具體實施例方式
如前面所解釋的，本發(fā)明的一個主要方面是，依靠白熾輻射源表面適當(dāng)?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)來提高可見光發(fā)射的效率；為了增加可見光譜區(qū)的發(fā)射效率，所述的微結(jié)構(gòu)可有效減小可見光譜區(qū)的反射率ρ，并較小程度地減小近紅外光譜區(qū)的反射率ρ。
所期望的減反射特性可以借助下列兩種方式獲取一維光柵，即在燈絲表面沿一個方向的周期性凸起；二維衍射光柵，即在燈絲表面沿兩個正交方向(不一定互相平行)的周期性凸起。從這個觀點出發(fā)，圖3中標(biāo)記F代表本發(fā)明的輻射源部分，輻射源表面有一個由沿一個方向的周期性微型凸起R1構(gòu)成的衍射光柵R；而在圖4和圖5所示的例子中，本發(fā)明的輻射源部分F的表面有一個代之以由沿著兩個正交方向的周期性微型凸起R2構(gòu)成的衍射光柵R。應(yīng)當(dāng)注意的是減反射結(jié)構(gòu)R還可以具有不同的對稱，如菱形、六角形或任何其它類型的對稱。
在圖3-5中，標(biāo)記h代表凸起R1、R2的深度或高度，標(biāo)記D代表凸起的寬度，標(biāo)記P代表光柵R的周期。光柵R的填充系數(shù)被定義為圖3所示例子中的比率D/P、圖4所示例子中的比率D2/P2以及圖5所示例子中的比率ПD2/(4P2)。
圖6表示本發(fā)明的輻射源的部分F，其表面衍射光柵R代之以由沿著兩個正交方向(不必一定相互平行)的周期性微型空穴C構(gòu)成。實質(zhì)上，圖6提出的減反射結(jié)構(gòu)在形態(tài)上是對圖5所示的結(jié)構(gòu)形態(tài)的一個補充。
通常，本發(fā)明的減反射光柵還可以是多層的或帶有連續(xù)輪廓的，這樣可以增加優(yōu)化光柵的自由度并進一步提高其效率。
本發(fā)明一個更重要的方面是，衍射光柵R被永久地封裝進一個難熔氧化物層中(如氧化釔)。所述氧化物層的存在帶來許多優(yōu)點-作為減反射包覆層能夠補充衍射光柵R的減反射特征，進一步提高了輻射源的效率；-能夠在不太明確的真空條件下，或大體上說，甚至在空氣中使燈絲工作，而不發(fā)生輻射源氧化的現(xiàn)象；-在真空和惰性氣體兩種條件下，氧化物涂層的存在可以降低組成輻射源的材料的蒸發(fā)速度，從而延長光源的平均壽命，并保護微結(jié)構(gòu)R的形態(tài)；-使得采用光學(xué)常數(shù)最適于高效輻射源制造的材料(如金)成為可能。即使在工作溫度超過材料本身熔點(但是仍低于難熔氧化物的熔點)的情況下，也能封裝所述材料并確保輻射源F的結(jié)構(gòu)形態(tài)被維持。
根據(jù)前面的描述以及圖7和圖9所示(圖中曲線CEW代表平板鎢的光譜發(fā)射率，曲線CEW’代表本發(fā)明納米結(jié)構(gòu)化的鎢的光譜發(fā)射率)，可以很明顯地看到由于輻射源F的減反射納米結(jié)構(gòu)，在相同的工作溫度T下，本發(fā)明輻射源的可見光譜區(qū)發(fā)射的輻射與可見光譜及紅外光譜區(qū)發(fā)射的總輻射的比率大于相對于傳統(tǒng)白熾燈絲的該比率，因而在光源效率方面具有明顯的優(yōu)勢。特別是，已知所提出的輻射源有一個在工作溫度為T和波長為λ時對應(yīng)的光譜吸收率α(λ，T)(其中反射率通過關(guān)系α(λ)＝1-ρ(λ，T)-τ(λ，T)與光譜反射率ρ(λ，T)及光譜透射率τ(λ，T)建立起聯(lián)系)，減反射結(jié)構(gòu)R可以做到對屬于可見光譜區(qū)的λ，使吸收率α(λ)達到最大；而對屬于紅外光譜區(qū)的λ，使吸收率α(λ)只有較小程度的增加。
因此，本發(fā)明所提出的微結(jié)構(gòu)R對于修改輻射源F的光譜發(fā)射率、增加可見光的發(fā)射部分、從而提高含有所述輻射源的燈或光源的發(fā)光效率是很合適的。按照這種觀點，可以認為微型凸起R1、R2或微型空穴C能將來自輻射源的可見光譜內(nèi)的電磁發(fā)射達到最大，同時不減少、事實上還可能增加其它光譜區(qū)內(nèi)的反射。
如上面所解釋的，微結(jié)構(gòu)R作用的基礎(chǔ)是基爾霍夫定律。按照該定律，在熱平衡條件下，在給定波長時物體所吸收的電磁輻射等于其發(fā)出的電磁輻射。這個定律的直接推論是在給定波長的條件下，如果物體表面的光譜反射率較低，則相應(yīng)的光譜發(fā)射率將非常高；反之亦然，如果光譜反射率高，則相應(yīng)的發(fā)射率較低。
基于上面的因素，光譜反射率對于角度和偏振狀態(tài)的依賴性會影響相類似的光譜發(fā)射率的角度依賴性。因而，就給定波長的情況下本發(fā)明的表面微結(jié)構(gòu)化的輻射源所發(fā)射的輻射而論，相應(yīng)的發(fā)射波瓣不僅遵從朗伯定律(恒定輻射，如非結(jié)構(gòu)化光源的情形)，而且遵循由微結(jié)構(gòu)R給定的光柵的角度特性。此外，與現(xiàn)有技術(shù)水平下的白熾光源發(fā)射的輻射不同，本發(fā)明輻射源的發(fā)射輻射具有某種程度的偏振和相干性。
上述優(yōu)點在很大程度上可以借助由光學(xué)常數(shù)比鎢更適合的材料構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)化的輻射源來取得。
關(guān)于這一點可以參看圖8和圖10。在圖8中，將平面金的光譜發(fā)射率(曲線CEAu)與作為本發(fā)明具備光柵R構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)的金的光譜發(fā)射率相比較；圖10顯示了本發(fā)明具備納米結(jié)構(gòu)的金輻射源的、作為波長的函數(shù)的光譜發(fā)射率的相對增加。
關(guān)于這一點，應(yīng)當(dāng)記住與鎢相比，許多低熔點材料(如金、銀、銅)具有更有利的發(fā)射特性，盡管這些材料的低熔點通常會妨礙其在工作溫度下(指可見光發(fā)射發(fā)揮效用時的溫度，通常大于1500K)的使用。如前面所述，為了獲得有利的黑體發(fā)射(也就是較大的可見光發(fā)射)，物體必須達到盡可能最高的溫度(最大效能在5000K以上)。在低熔點材料構(gòu)成的輻射源的例子中，當(dāng)能夠成為白熾狀態(tài)的電流通過時，材料本身可能會熔化或至少會變形，這樣會使得能夠提高發(fā)射效率的光柵形態(tài)蒙受損耗、直至輻射源被完全破壞。
因此，在本發(fā)明的最佳實施例中，使用難熔氧化物將帶有光柵的燈絲封裝起來。以這種方式，帶有納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體材料被軟化或者甚至變?yōu)橐簯B(tài)都不會對光柵造成破壞，最終也不會破壞輻射源。實際上，即使在輻射源的白熾溫度(根據(jù)材料的不同，白熾溫度分布在1500K-2000K之間)下也不變形的難熔氧化物，構(gòu)成了減反射光柵的輔助基體。因此，即使組成輻射源的材料被變形或被液化，這個基體也能夠維持其形態(tài)。正如上面所解釋的，這樣確保了光柵的性能，并且保持了事先設(shè)計的發(fā)射特性。
依照前述的最佳實施例，輻射源或其中的一部分由具有低熔點、但是通過適當(dāng)?shù)募{米結(jié)構(gòu)使光學(xué)常數(shù)明顯適于提高輻射源效率的導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成。例如，金、銀和銅就是這個意義上的相關(guān)導(dǎo)體材料。
從圖7-8和圖9-10之間的比較可以很容易看到輻射源表面上的納米結(jié)構(gòu)對提高效率的影響，金比鎢更顯著。適當(dāng)結(jié)構(gòu)化并被氧化釔包覆的鎢輻射源的效率在2000K時差不多為8％(即相對增長20％)；同時被結(jié)構(gòu)化、并被封裝進氧化釔以便在溫度超過熔點時也能夠保持其結(jié)構(gòu)形態(tài)的金輻射源的效率為25％，相對于平面金箔提高了200％以上。
圖11和圖12是前述的本發(fā)明最佳實施例中兩個夾在有關(guān)電極H之間的輻射源F的局部示意圖。
在圖11的例子中，輻射源F有一個如圖5中所示類型、由基本上為圓柱形的微型凸起或柱狀物R2形成的減反射結(jié)構(gòu)R；同時在圖12的例子中，是一個如圖6中所示類型、由具有圓形剖面的微型空穴C形成的結(jié)構(gòu)R。輻射源F以這樣的方式被結(jié)構(gòu)化來獲得一個二維相位光柵。輻射源用金制成，成為白熾狀態(tài)的電流從中流過。而電極H由高熔點導(dǎo)體材料(如鎢和同類材料)或半導(dǎo)體材料(如炭及同類材料)制成。
電流經(jīng)過輻射源F的低熔點材料，使之達到高溫。例如，在所示的例子中，相關(guān)的材料是金，輻射源在約為1900-2000K的工作溫度下發(fā)出輻射，正如前面所解釋的，在這樣的溫度下，金光柵將被熔化。因此，在本發(fā)明的最佳實施例中提供了難熔氧化物層，在圖11和圖12中用標(biāo)記OR表示。難熔氧化物層將輻射源F完全包覆，并且其輪廓隨結(jié)構(gòu)化部分R而變化。換句話說，難熔氧化物是與光柵R完全相配的凹陷部件(帶微型凸起R2結(jié)構(gòu)的例子中)或是與光柵完全相配的凸起部件(帶微型空穴C結(jié)構(gòu)的例子中)。
例如，具有高熔化溫度的氧化物OR可以是陶瓷基氧化物，即釷、鈰、釔、鋁、鋯的氧化物。
當(dāng)金屬光柵R被變形和/或被熔化時，氧化物基體OR可保護光柵R的相位輪廓。也就是說，即使構(gòu)成輻射源的材料達到液態(tài)，氧化物基體OR也能夠確保光柵R的形態(tài)被保持。
在一個優(yōu)勢顯著的實施例中，提供了一個或多個在輻射源F的材料上開著的孔口或空腔G。例如，在圖11中示意性表示的、與一個或兩個電極對應(yīng)的空腔G或在圖12中示意性顯示的、位于難熔氧化物結(jié)構(gòu)內(nèi)的空腔G。提供這樣的空腔或孔口G是為了填充輻射源F的材料，因為在高溫時輻射源F材料的體積會膨脹。因此，所述孔口G可用來防止氧化物OR和輻射源F的材料之間的分層以及裝置的破裂。
在各種被提議的實施方案中，微結(jié)構(gòu)R可直接從構(gòu)成輻射源F的材料獲得。
第一個可能的方法是構(gòu)造由多孔氧化鋁(porous aLuminiumoxide)制成的模板。出于這個目的，通過濺射或熱蒸發(fā)將一個鋁膜(厚度為一微米數(shù)量級)覆在適當(dāng)?shù)囊r底上(如由石英玻璃制的襯底)，而后再經(jīng)歷一個陽極化過程。
根據(jù)將要獲得的氧化鋁孔的大小和距離，使用不同的電解液進行鋁膜的陽極化過程。
通過鋁膜的第一次陽極化處理所獲得的氧化鋁層有一個不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。為了得到一個高度規(guī)則的結(jié)構(gòu)，有必要進行連續(xù)的陽極化過程。尤其是，至少要包括下列步驟i)鋁膜的第一次陽極化處理；ii)借助于酸性溶液(如三氧化鉻CrO3和正磷酸H3PO4)蝕刻不規(guī)則的氧化鋁膜的還原步驟；iii)從經(jīng)過蝕刻未去除的氧化鋁的殘余部分開始，進行鋁膜的第二次陽極化處理。
上面第ii)項的蝕刻步驟對于確定不規(guī)則氧化鋁的殘留部分以及在第二次陽極氧化處理步驟中氧化鋁自身增長的擇優(yōu)區(qū)域是非常重要的。
經(jīng)過連續(xù)的蝕刻操作和多次的陽極化處理，多孔氧化鋁的結(jié)構(gòu)不斷得到改善，直至變得高度均勻。
一旦獲得規(guī)則的氧化鋁模板，就可以通過如磁控管濺射(直流電或射頻)，將所期望的輻射源材料滲入氧化鋁模板中。也就是說，通過這種方式，氧化鋁結(jié)構(gòu)充當(dāng)了輻射源F的結(jié)構(gòu)化區(qū)域的模子。
在鎢輻射源的例子中，氧化鋁結(jié)構(gòu)后來會被除去，而后由難熔氧化物代替。所述難熔氧化物的熔點高于氧化鋁，并且可通過射頻濺射來濺鍍。反之亦然，在由低熔點材料制成的輻射源的例子中，如果燈絲的工作溫度保持在氧化鋁熔化溫度之下，透明的氧化鋁結(jié)構(gòu)可以被維持，以確保在輻射源自身的工作溫度下能夠保持光柵R的形態(tài)。既然如此，應(yīng)當(dāng)將難熔氧化物覆在輻射源F的未結(jié)構(gòu)化以及未被多孔氧化鋁保護的部分上，以便為輻射源材料提供一個整體封閉的基體。
另一個可能的制造過程從燈絲或從所選材料的平板開始。利用任何已知的納米圖案化方法中的一個(電子束、聚焦離子束FIB或單一的高級光刻法)，根據(jù)波長，蝕刻出微結(jié)構(gòu)R。在使用低熔點材料的例子中，由此獲得的輻射源借助于如濺射、化學(xué)氣相沉淀(CVD)、電鍍等手段被難熔氧化物包覆。
在另一個實施例中，本發(fā)明的輻射源F可由多重的、互異的材料構(gòu)成。例如，如圖13所示，輻射源的基本材料可能是一個高熔點的導(dǎo)體(如鎢，圖中用W表示)，其具有的微結(jié)構(gòu)R可直接從所述材料上得到。在所述的微結(jié)構(gòu)上，提供了一個由低熔點導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料構(gòu)成的、均勻的薄涂層(如金，圖中用Au表示)。所述的低熔點導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的光學(xué)特性比鎢元素更具優(yōu)勢。涂層Au可以保持微型凸起R的輪廓，同時可發(fā)揮更具優(yōu)勢的金的發(fā)射特性。在工作溫度超過了低熔點涂層Au的熔化溫度的條件下，難熔氧化物層OR可以保護結(jié)構(gòu)的形態(tài)。在這個實施例中，還可以在高熔點材料W層上添加一個難熔氧化物層OR，以防止高熔點材料W的蒸發(fā)和/或被氧化。
如圖14所示，在另一個最佳配置中，從光學(xué)觀點看是有利的，微結(jié)構(gòu)R可以在低熔點的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料層(如金，在圖中用標(biāo)記Au表示)上得到。帶有光柵的所述材料層Au位于高熔點導(dǎo)體材料層(如鎢，在圖中用標(biāo)記W表示)上。在這個實施例中，在工作溫度超過形成微結(jié)構(gòu)的低熔點材料層Au的熔化溫度的情況下，第一難熔氧化物OR層可以保護微結(jié)構(gòu)R的形態(tài)。本例中，在高熔點材料層W上也設(shè)置了第二難熔氧化物OR層，以防止高熔點材料W的蒸發(fā)和/或被氧化。
在圖13和圖14的配置中，電流通過高熔點材料W和低熔點材料Au這二者傳輸。
如圖15所示，在另一個最佳配置中，微結(jié)構(gòu)R可以直接在難熔氧化物層OR上得到。在帶有結(jié)構(gòu)R的難熔氧化物層OR上，又提供了一個由低熔點導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料(如金，在圖中用標(biāo)記Au表示)構(gòu)成的、均勻的薄涂層。在這里，這個存在于帶有結(jié)構(gòu)R的難熔氧化物層OR中的涂層Au直接充當(dāng)了一個輻射源或是電流的載體。在工作溫度超過低熔點材料層的熔化溫度的條件下，包著涂層Au的第二難熔氧化物層OR可以保護結(jié)構(gòu)的形態(tài)。
當(dāng)然，在不改變本發(fā)明原理的條件下，相對于這里純粹舉例描述和表示的內(nèi)容，具體結(jié)構(gòu)和實施方式例可以作較大的變更，而不會因此而脫離本發(fā)明的范圍。
這里描述的輻射源F可用于獲得各種類型的白熾光源，尤其是機動車照明設(shè)備產(chǎn)品。本發(fā)明還適合于就微型白熾光源平面矩陣的用途提出的申請，其中每個微型白熾光源都被設(shè)有一個本發(fā)明的燈絲或輻射源。
權(quán)利要求
1.一種用于白熾光源的輻射體，當(dāng)電流通過時能夠成為白熾狀態(tài)，其特征在于-在輻射體(F)的至少一個表面上設(shè)有一種微結(jié)構(gòu)(R)，用以有效提高屬于光譜可見光區(qū)的波長的吸收率；-至少輻射體(F)的實質(zhì)性部分(包括所述微結(jié)構(gòu)(R))被難熔氧化物(OR)或高熔點氧化物包覆。
2.如權(quán)利要求1所述的輻射體，其特征在于，所述難熔氧化物(OR)可有效地保護所述微結(jié)構(gòu)(R)的輪廓，-阻止較高工作溫度下有關(guān)材料(W；Au；W，Au)的蒸發(fā)效應(yīng)；以及/或者-在有關(guān)材料(W；Au；W，Au)發(fā)生變形或狀態(tài)變化的情形下，仍可在工作溫度超過所述材料(W；Au；W，Au)熔化溫度的條件下繼續(xù)使用輻射體(F)。
3.如權(quán)利要求2所述的輻射體，其特征在于，除了與電極(H)相連的相應(yīng)區(qū)域外，輻射體(F)幾乎完全被所述難熔氧化物(OR)包覆。
4.如權(quán)利要求2所述的輻射體，其特征在于，所述的微結(jié)構(gòu)(R)由導(dǎo)體、半導(dǎo)體或合成材料(W；Au；W，Au)制成，這些材料的光學(xué)常數(shù)連同微結(jié)構(gòu)(R)使得高于傳統(tǒng)白熾燈絲的光發(fā)射效率成為可能，所述效率定義為工作溫度下、380-780納米間隔內(nèi)發(fā)射的可見光輻射部分與相同工作溫度下、380-2300納米間隔內(nèi)發(fā)射的輻射部分之間的比率。
5.如權(quán)利要求2所述的輻射體，其特征在于，所述的材料(Au)從熔點低于燈絲本身工作溫度的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和合成材料中選擇。
6.如權(quán)利要求2所述的輻射體，其特征在于，所述輻射體至少由第一導(dǎo)體材料層(W)構(gòu)成，該材料(W)在溫度高于輻射體(F)的工作溫度時會熔化，如鎢；并由第二材料層(Au)構(gòu)成，該材料(Au)從熔點低于輻射體(F)工作溫度的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和合成材料中選擇。
7.如前面任一項權(quán)利要求所述的輻射體，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)(R)至少部分地由金、銀或銅當(dāng)中所選的一種材料構(gòu)成。
8.如前面任一項權(quán)利要求所述的輻射體，其特征在于，所述難熔氧化物(OR)可以從陶瓷基氧化物即釷、鈰、釔、鋁或鋯的氧化物中選擇。
9.如權(quán)利要求1所述的輻射體，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)(R)通過輻射體(F)表面的微結(jié)構(gòu)取得，也就是說所述的微結(jié)構(gòu)(R)處于構(gòu)成輻射體(F)的同一材料中。
10.如權(quán)利要求1所述的輻射體，其特征在于，所述的微結(jié)構(gòu)包括一個衍射光柵(R)，并且在許多的微型突起(R1，R2)和許多的微型空腔(C)當(dāng)中至少取一個來構(gòu)成衍射光柵(R)，微型突起(R1，R2)或微型空腔(C)的維數(shù)(h，D)以及光柵(R)的周期(P)設(shè)置成可以-提高由至少構(gòu)成微結(jié)構(gòu)(R)的材料(W；Au；W，Au)所發(fā)出的可見光電磁輻射的發(fā)射；和/或-降低由至少構(gòu)成微結(jié)構(gòu)(R)的材料(W；Au；W，Au)發(fā)出的紅外電磁輻射的發(fā)射；和/或-相對于可見光發(fā)射的增加，較小程度地提高由至少構(gòu)成微結(jié)構(gòu)(R)的材料(W；Au；W，Au)所發(fā)出的紅外電磁輻射的發(fā)射。
11.如權(quán)利要求10所述的輻射體，其特征在于，所獲得的所述光柵(R)帶有-第一導(dǎo)體材料(W)，在溫度高于輻射體(F)的工作溫度時會熔化，并且第一材料具有結(jié)構(gòu)化的部分；-包覆層(Au)，至少覆蓋了所述第一材料(W)的結(jié)構(gòu)化的部分，作為第二材料(Au)包覆層，所述材料(Au)可以從熔點低于輻射體(F)工作溫度的導(dǎo)體、半導(dǎo)體或合成材料中選擇；其中，包覆層(Au)足夠薄，以便于仿照第一材料(W)結(jié)構(gòu)化部分的輪廓并與之一起形成所述光柵(R)，第二材料(Au)的發(fā)射效率大于第一材料(W)，所述效率定義為工作溫度下、380-780納米區(qū)間內(nèi)發(fā)射的可見光輻射部分與相同工作溫度下、780-2300納米區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻射部分之間的比率。
12.如權(quán)利要求10所述的輻射體，其特征在于，-所述光柵(R)在熔點低于燈絲(F)工作溫度的第一導(dǎo)體、半導(dǎo)體或合成材料層(Au)的表面上形成；-所述層(Au)設(shè)置在熔點高于輻射體(F)工作溫度的第二導(dǎo)體材料(W)上；其中，第一材料(Au)的發(fā)射效率高于第二材料(W)，所述效率定義為工作溫度下、380-780納米區(qū)間內(nèi)發(fā)射的可見光輻射部分與相同工作溫度下、780-2300納米區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻射部分之間的比率。
13.如權(quán)利要求10所述的輻射體，其特征在于，所獲得的所述光柵(R)帶有-難熔氧化物層(OR)，并具有結(jié)構(gòu)化部分；-包覆層(Au)，至少覆蓋了所述難熔氧化物層(OR)的結(jié)構(gòu)化部分，作為材料(Au)包覆層，材料(Au)可以從熔點低于輻射體(F)工作溫度的導(dǎo)體、半導(dǎo)體或合成材料中選擇；其中，包覆層(Au)足夠薄，用以仿照第一材料(W)結(jié)構(gòu)化部分的輪廓并與之一起形成所述光柵(R)，而包覆層(Au)又被一個由難熔氧化物(OR)構(gòu)成的封裝層包覆。
14.如權(quán)利要求3所述的輻射體，其特征在于，設(shè)有至少一個孔口或空腔，所述的孔口或空腔開在構(gòu)成輻射體(F)的材料上，并且被限定在所述電極(H)和所述難熔氧化物(OR)這二者的至少其中之一，在所述材料體積膨脹時，所提供的一個或多個空腔能夠有效地接受部分所述材料進入，以避免所述氧化物OR和所述材料之間的分層現(xiàn)象和/或避免由所述材料、所述難熔氧化物(OR)、所述電極(H)構(gòu)成的聯(lián)合體的破裂。
15.如權(quán)利要求10所述的輻射體，其特征在于，微型突起(R1，R2)或微型空腔(C)的周期為可見光輻射的波長的數(shù)量級。
16.如權(quán)利要求10所述的輻射體，其特征在于，微型突起(R1，R2)或微型空腔(C)的周期介于0.2微米與1微米之間。
17.如權(quán)利要求10所述的輻射體，其特征在于，微型突起(R1，R2)或微型空腔(C)的高度或深度介于0.2微米與1微米之間。
18.如權(quán)利要求1所述的輻射體，其特征在于，所述減反射微結(jié)構(gòu)(R)是二元的，即有兩級。
19.如權(quán)利要求1所述的輻射體，其特征在于，所述減反射微結(jié)構(gòu)(R)是多級的，也就是說，它具有多于兩級的突起。
20.如權(quán)利要求1所述的輻射體，其特征在于，所述減反射微結(jié)構(gòu)(R)有一個連續(xù)的突起。
21.如前面任一項權(quán)利要求所述的輻射體，其特征在于，所述輻射體在低于所述難熔氧化物(OR)熔點的溫度下工作。
22.如前面任一項權(quán)利要求所述的輻射體，其特征在于，它被配置成一個根據(jù)可見光波長被結(jié)構(gòu)化的燈絲或平板，其中所述減反射微結(jié)構(gòu)(R)是一個吸收材料的二維光柵(K＞1)。
23.一種構(gòu)造輻射體的方法，所述輻射體在電流通過時能夠成為白熾狀態(tài)，所述方法包括下列步驟a)構(gòu)造一個多孔氧化鋁模板；b)將準(zhǔn)備用來構(gòu)成輻射體(F)的材料滲入多孔氧化鋁模板中，通過這種方式，氧化鋁結(jié)構(gòu)至少充當(dāng)輻射體(F)的減反射微結(jié)構(gòu)(R)部分的模子；c)還可能包括c1)隨后除去氧化鋁結(jié)構(gòu)，或c2)維持減反射微結(jié)構(gòu)(R)上的氧化鋁結(jié)構(gòu)，將難熔氧化物(OR)覆蓋在位于兩個相應(yīng)電極(H)之間的輻射體(F)的其余部分上。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中步驟a)包括將鋁膜(厚度為1個微米的數(shù)量級)覆在適當(dāng)?shù)囊r底上，而后對其作陽極化處理，所述的陽極化過程至少包括-氧化鋁膜的第一階段陽極化處理；-對第一階段陽極化處理所得到的不規(guī)則氧化鋁膜進行還原處理的階段；-從通過所述還原處理未去除的不規(guī)則氧化鋁的殘余部分開始，進行氧化鋁膜的第二階段陽極化處理。
25.一種構(gòu)造輻射體的方法，所述輻射體在電流通過時能夠成為白熾狀態(tài)，所述方法包括下列步驟-得到一個由用來制造輻射體(F)的材料做成的、絲狀的或薄片狀的元件；-蝕刻所述元件，以此形成減反射微結(jié)構(gòu)(R)；并可能用難熔氧化物(OR)包覆其中已形成減反射微結(jié)構(gòu)(R)的輻射體(F)。
26.一種白熾光源，包括一個電流通過時能夠形成白熾狀態(tài)的光輻射體，其特征在于，所述輻射體(F)如權(quán)利要求1至22的一個或多個權(quán)利要求所述。
27.一種照明裝置，尤其是用于機動車的照明裝置，包括了如權(quán)利要求26所述的一個或多個光源(1)。
28.一種微型白熾光源的平面矩陣，每個微型白熾光源各自包含一個如權(quán)利要求1至22的一個或多個所述的輻射體。
全文摘要
一種用于白熾光源的輻射體(F)，具體而言，一種電流通過時能成為白熾狀態(tài)的燈絲。以這種方式得到的輻射體(F)有一個光譜吸收值α。所述的光譜吸收值α在可見光譜區(qū)較高而在紅外光譜區(qū)較低。所述的光譜吸收值α被定義為α＝1－τ－ρ，其中ρ是發(fā)射極的光譜反射率，而τ是發(fā)射極的光譜透射率。
文檔編號H01K3/00GK1748283SQ200480001208
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者D·普利尼, P·雷佩托, L·多斯科洛維奇, S·博納德, V·蘭貝蒂尼, P·佩洛, D·卡佩洛, M·布里農(nóng), N·利皮拉 申請人:C.R.F.阿西安尼顧問公司