[發(fā)明專利]包括光子晶體的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200580034154.1
• 申請(qǐng)日: 2005-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN101432844A
• 公開（公告）日: 2009-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·-Y·王
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 惠普開發(fā)有限公司
• 主分類號(hào): H01K1/04
• 分類號(hào): H01K1/04;H01K1/06;H01K1/10;H01K1/14;H01K3/02
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張雪梅;陳景峻

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用在白熾燈中的包括光子晶體的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)。更具體地說，本發(fā)明涉及包括被無源光子晶體結(jié)構(gòu)圍繞的有源輻射發(fā)射器的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，所述無源光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于光譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長(zhǎng)是透明的。

背景技術(shù)

在常規(guī)的白熾燈中，燈絲設(shè)置在兩個(gè)電接觸之間，并且電流在所述接觸之間流過燈絲。燈絲材料的電阻在燈絲中產(chǎn)生熱。白熾燈中典型的燈絲工作在大約2500K和大約3000K之間。加熱的燈絲發(fā)射在波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射，其一些在電磁波譜的可見區(qū)之內(nèi)。在給定溫度下常規(guī)燈絲的發(fā)射率可以由用于黑體輻射的普朗克(Planck)方程式逼近。

常規(guī)白熾燈盡管提供高質(zhì)量、廉價(jià)的照明，但是效率極低。提供到燈絲的能量的僅大約5％到10％轉(zhuǎn)換成在光譜的可見區(qū)內(nèi)的波長(zhǎng)(即大約380nm到大約780nm)的電磁輻射。大量的能量轉(zhuǎn)換成在光譜的紅外區(qū)中(即在大約780nm到大約3000nm之間)的輻射，并且被消耗為熱。

從由托馬斯愛迪生首先發(fā)明白熾燈的時(shí)間開始，已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究來發(fā)現(xiàn)新的方法、材料、和結(jié)構(gòu)以增加在光譜的可見區(qū)中發(fā)射的電磁輻射的量，并且最小化在可見區(qū)以外發(fā)射的輻射的量，由此改善燈的效率。

鎢自從其首先在1911年用作白熾燈絲以來由于其發(fā)射特性而繼續(xù)作為精選材料。真正的黑體實(shí)際上并不存在。然而，材料的輻射特性可以通過包括材料的發(fā)射率的因子或變量而被描述成用于黑體輻射的普朗克方程式。發(fā)射率是材料的光譜輻射率(即每單位面積每單位波長(zhǎng)的發(fā)射功率)與真正黑體的理論光譜輻射率的比率。對(duì)于給定材料的發(fā)射率不是恒定的，并且可以隨波長(zhǎng)、觀察角度、和材料的溫度而變化。鎢的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化，并且在電磁波譜的可見區(qū)中比在紅外區(qū)中高(即，它在可見區(qū)中輻射比真正的黑體更多的電磁輻射)，這使它成為用在白熾燈中的精選材料。

其他針對(duì)提高白熾燈的效率的發(fā)明包括將燈絲盤繞成線圈狀結(jié)構(gòu)，并且利用鹵素氣體填充該燈的燈泡。此外，對(duì)可見區(qū)中的輻射透明但是對(duì)紅外區(qū)中的輻射反射的材料的涂層被施加到白熾燈的燈泡以將由燈絲發(fā)射的紅外輻射反射回?zé)艚z本身上，由此進(jìn)一步加熱該燈絲。

近來，已經(jīng)研究了使用光子晶體作為白熾發(fā)射器。光子晶體是包括周期性散布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的具有不同介電常數(shù)的至少兩種材料的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光子晶體被加熱時(shí)，該光子晶體不能連續(xù)地發(fā)射在波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射，正如經(jīng)典黑體那樣。光子晶體可以在特定波長(zhǎng)強(qiáng)烈地發(fā)射，而如果其是經(jīng)典黑體如果完全在該晶體被預(yù)期發(fā)射的波長(zhǎng)范圍內(nèi)則僅微弱地發(fā)射。

盡管白熾燈的效率隨時(shí)間已經(jīng)改善，但是仍存在被發(fā)射作為在光譜的可見區(qū)以外的電磁輻射的相當(dāng)大量的能量。這種能量被消耗并且促進(jìn)了常規(guī)白熾燈的低效率。

發(fā)明內(nèi)容

在多個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括有源輻射發(fā)射器和圍繞該發(fā)射器的無源光子晶體結(jié)構(gòu)。該無源光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于在電磁波譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長(zhǎng)是透明的。本發(fā)明還包括包含這里公開的根據(jù)本發(fā)明的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈。

從對(duì)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述的考慮，本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)、和替換方面將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。

附圖說明

盡管該說明書以特別指出并清楚地要求什么被認(rèn)為是本發(fā)明的權(quán)利要求來結(jié)束，但是當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)從以下本發(fā)明的描述可以更容易地確定本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，其中：

圖1是在各種溫度下作為波長(zhǎng)的函數(shù)的黑體的光譜輻射率的曲線圖；

圖2是包括示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈的透視圖；

圖3A是可以用在圖2的白熾燈中的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖3B是不具有中間材料層的圖3A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖4是包括有源光子晶體發(fā)射器的可以用在圖2的白熾燈中的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖5是包括有源光子晶體發(fā)射器的可以用在圖2的白熾燈中的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖6是包括示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈的透視圖；

圖7A是示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的透視圖；

圖7B是沿其中的剖面線7B-7B的圖7A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖7C是沿其中的剖面線7C-7C的圖7A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖8A是示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的透視圖；

圖8B是沿其中的剖面線8B-8B的圖8A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖8C是沿其中的剖面線8C-8C的圖8A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖9是作為波長(zhǎng)的函數(shù)的根據(jù)本發(fā)明的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的逼近光譜輻射率的示例性曲線圖；以及