СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении мощных широконаправленных высокоэффективных источников излучения, пригодных для замены традиционных ламповых источников света.
m
k
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент RU 2055420, МПК H01L 33/00, опубликован 27.12.1996), с плоской световыводящей поверхностью, включающий светоизлучающий кристалл, помещенный в прозрачный материал отражающего корпуса, выполненного из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления 1<n<n. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, а форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет определенному соотношению. Такой светоизлучающий диодный модуль (СИДМ) при расположении излучающего кристалла на оси симметрии полностью собирает и выводит через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое полупроводниковым кристаллом.
Основные недостатки конструкции заключаются в следующем. Данная конструкция не обеспечивает получение углов излучения в широком интервале.
Кроме того, известная конструкция СИДМ не позволяет получать мощные источники излучения, обладающие повышенным световым потоком. Известно, что мощность излучения и величина светового потока СИДМ зависит от величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл. Поэтому для увеличения мощности излучения и величины светового потока СИДМ через полупроводниковый кристалл стараются пропустить как можно больший ток. Однако с увеличением величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл, наряду с повышением мощности излучения происходит и разогрев объема кристалла. Вредное влияние разогрева даже при его относительно небольшой величине приводит к резкому ухудшению светотехнических параметров СИДМ. Изменяется длина волны излучения и, в конечном итоге, уменьшается и возросшая в первоначальный момент мощность излучения. Более того, работа СИДМ в таком режиме приводит к быстрой деградации полупроводникового кристалла и выходу излучателя из строя. Обычно рабочая температура полупроводниковых излучательных кристаллов не должна превышать величины 100-120°С. Поэтому через СИДМ не рекомендуется пропускать ток, при котором температура объема полупроводникового кристалла была бы выше. При этом необходимо учитывать особенности конструкции СИДМ. В известной конструкции, где полупроводниковый кристалл расположен на достаточно тонком металлическом электроде, недопустимый разогрев объема кристалла достигается уже при токе 50-100 мА. В результате в таких конструкциях СИДМ световой поток не превышает несколько люменов, и получить большую мощность излучения не представляется возможным.
m
b
Известна конструкция светоизлучающего диодного модуля (см. патент RU47136, МПК H01L 33/00, опубликован 15.02.2005). В известной конструкции светоизлучающий диодный модуль включает полупроводниковый светоизлучающий диод, помещенный в отражающий сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления n>n, часть поверхности которого, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии. Форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет определенному соотношению. Отражающий корпус усечен по плоскости, параллельной его широкому основанию, на которой выполняется условие полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом, и размещен на теплоотводящем элементе.
Наиболее эффективно сбор и фокусировка излучения осуществляется, если корпус монолитно интегрированного диода выполнен в виде эллиптического параболоида. Однако, хотя данная конструкция и позволяет получать мощные светодиоды с большими значениями светового потока, но ей присущи все недостатки при фокусировке света в указанном выше известном СИДМ. Известная конструкция также не обеспечивает получение углов излучения в широком интервале. Даже в случае, если форма корпуса СИДМ выполнена в виде геометрической фигуры, которая, кроме сбора, позволяет и эффективно фокусировать излучение, например, в виде эллиптического параболоида, то смещение полупроводникового кристалла по оси симметрии от фокальной плоскости, хотя и приводит к уширению диаграммы направленности, но сильно увеличивает ее неравномерность. При измерении освещенности на пятне засветки видны чередующиеся участки с разной степенью освещенности. Светодиоды с неоднородной засветкой не могут быть использованы в большинстве светотехнических изделий.
Известна конструкция светодиода, включающая источник полупроводникового излучения и приставную вторичную оптику в виде коллиматора (см. патент US 6547423, МПК F21V 5/04, опубликован 15.04.2003). В данной конструкции излучатель расположен на теплоотводящем элементе, что обеспечивает повышение рабочих токов и, соответственно, увеличение светового потока.
Созданный рельеф на световыводящей поверхности позволяет расширить диаграммы излучения, но в ограниченных пределах. Выпуклая форма линз на световыводящей поверхности в силу геометрических особенностей не позволяет получать углы излучения больше 30°. Кроме того, приставная вторичная оптика имеет ряд существенных недостатков. В первую очередь, это потери света при вводе излучения в объем вторичной оптики. В зависимости от геометрической формы готовой оптики, они могут достигать до 30-40% от излучаемого светового потока. Кроме того, из-за наличия воздушного промежутка серьезные трудности возникают и при фокусировке излучения. Наличие воздушного промежутка приводит в процессе эксплуатации к загрязнению воздушного промежутка, что в свою очередь, уменьшает световой поток.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является светоизлучающий диодный модуль (LEDs Magazin. -june 2011, p.34-38), который состоит из светоизлучающего диода с приставной вторичной оптикой в виде коллиматора и изготовленных по специальной технологии, так называемых Spherolit линз в монолитном корпусе. Выходящий из коллиматора пучок света, близкий к параллельному, падает на расположенные на некотором расстоянии Spherolit линзы, где преломляясь выходит из модуля под заданными углами. Такая конструкция позволяет получать углы излучения в широком интервале. Однако к недостаткам такой конструкции можно отнести довольно большие потери света, которые могут превышать в линзе 20%. С учетом потерь света при вводе в коллиматор общие потери света в системе могут достигать 30-40%.
Задачей настоящего технического решения является разработка мощного светоизлучающего диодного модуля, который позволяет получать углы излучения в широком интервале при значительном уменьшении потери света.
m
b
Поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает по меньшей мере один расположенный на теплоотводящем элементе полупроводниковый светоизлучающий диод, помещенный в сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения, с показателем преломления n>n с торцовой световыводящей поверхностью. Боковая поверхность сплошного корпуса выполнена в виде эллиптического параболоида, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения. На расстоянии от светоизлучающей поверхности сплошного корпуса размещена светопрозрачная пластина с рассеивающей свет поверхностью, выполненной в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ).
Светопрозрачная пластина может быть выполнена из прозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, или из эпоксидного оптического компаунда, или из оптического полиуретана, или из оптически прозрачного стекла.
ДОЭ может быть выполнен на полимерной пленке, приклеенной к поверхности светопрозрачной пластины, или выполнен на самой поверхности светопрозрачной пластины.
Полупроводниковый светоизлучающий диод может быть расположен в центре фокальной плоскости сплошного корпуса.
Сплошной корпус может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, или эпоксидного оптического компаунда, или из оптического полиуретана.
14. Модуль по п.1, отличающийся тем, что между сплошным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом залит оптически прозрачный гель с показателем преломления близким к показателю преломления сплошного корпуса;
Между сплошным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом может быть залит оптически прозрачный силикон или прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачная силиконовая жидкость, которые имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления сплошного корпуса;
Светоизлучающий диодный модуль может быть снабжен защитным корпусом.
В настоящее время для формирования требуемой кривой силы света (диаграммы направленности) в светодиодных светильниках используются специальные линзы. Линзы имеют сложную пространственную геометрическую форму. Для каждого светодиода требуется своя отдельная линза. Линзовая оптика не позволяет получать сложные диаграммы направленности с равномерной засветкой. Как правило, большое количество светового потока рассеивается вне требуемой области. Для формирования диаграммы направленности сложной ассиметричной формы требуется несколько типов линзовых элементов подобранных определенным образом по количеству и расположению в светильнике. Эффективность линзовых элементов находится на уровне 60-70%. В ряде случаев может быть и менее. Применение дифракционно-оптических элементов (ДОЭ) позволяет более эффективно использовать световой поток светодиодов. Дифракционная оптика обеспечивает получение диаграммы направленности светового потока сложной формы (ассиметричной, узкой, широкой, правильной геометрической формы) с равномерной областью засветки с помощью одного оптического элемента. На пластике можно изготавливать массивы дифракционных элементов, что позволяет их сделать дешевыми и легко применимыми в конечном изделии. Дифракционные оптические элементы активно используются в различных оптических системах. Принцип действия ДОЭ, в отличие от традиционных линз, основан на использовании явления дифракции света. Отдельный ДОЭ представляет собой дифракционную решетку, которая меняет направление света и формирует требуемый вид диаграммы направленности излучения. Потери света них составляют не более 8-10% и не зависят от углов излучения. Внешне такой оптический элемент представляет собой пропускающую пластину с тонким фазовым микрорельефом (на уровне микрон), рассчитанным в рамках теории дифракции. ДОЭ обладают уникальными характеристиками, недостижимыми в рамках традиционной оптики, на основе законов которой рассчитываются обычные линзы, в том числе Spherolit линзы прототипа.
В настоящем светоизлучающем диодном модуле потери света складыаваются из потерь света в коллиматоре (8-10%) и френелевских потерь света при выходе из корпуса модуля (4%) и не зависят от углов излучения. Уменьшению потерь в настоящей конструкции светоизлучающего диодного модуля способствует так же использование вместо коллиматорной вторичной оптики монолитно интегрированных полупроводниковых излучателей, которые исключают потери света, имеющие место в прототипе при вводе света в коллиматор. Поэтому, потери света в такой системе определяются только потерями света в ДОЭ, которые, как указано выше, составляют не более 10%.
Суть настоящего технического решения поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показан вид сбоку на СИДМ согласно настоящей полезной модели;
на фиг.2 приведен вид сверху СИДМ, показанный на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сбоку на СИДМ с несколькими полупроводниковыми светоизлучающими диодами согласно настоящей полезной модели;
m
b
СИДМ согласно настоящей полезной модели включает один (см. фиг.1, фиг.2) или несколько (см. фиг.3) полупроводниковых светоизлучающих диодов 1. Каждый полупроводниковый светоизлучающий диод 1 помещен в сплошной корпус 2 с торцовой световыводящей поверхностью 3. Сплошной корпус 2 выполнен из материала 4, прозрачного для излучения, с показателем преломления n>n,. Сплошной корпус 2 может быть выполнен, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, оптического полиуретана. Боковая невыводящая излучение поверхность 5 сплошного корпуса 2, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. Полупроводниковый светоизлучающий диод 1 расположен на теплоотводящем элементе 6. На расстоянии от светоизлучающей поверхности 3 сплошного корпуса 2 размещена светопрозрачная пластина 7 с рассеивающей свет поверхностью 8, выполненной в виде дифракционного оптического элемента (ДОЭ). Светопрозрачная пластина 7 с ДОЭ может быть выполнена, из стекла, акрила, поликарбоната, оптического полиуретана и т.д. ДОЭ может быть выполнен непосредственно на поверхности прозрачной пластины, прикреплен к ней оптическим прозрачным клеем или за счет адгезии. СИДМ может быть размещен в защитном корпусе 9.
СИДМ согласно одному воплощению настоящей полезной модели работает следующим образом. Например, из оптического полиуретана изготавливают сплошной корпус 2, на оси симметрии которого размещают светоизлучающий диод 1 с р-п-переходом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам светоизлучающего диода 1 световые лучи, испускаемые светоизлучающим диодом 1, попадают на границу раздела двух сред компаунд-воздух, где за счет преломления света отражаются от невыводящей излучение поверхности 5 и параллельным пучком попадают на торцовую световыводящую поверхность 3 сплошного корпуса 2. Выходящие из корпуса лучи попадают в ДОЭ, где, испытывая дифракцию, преломляются и под заданными углами выходят из светопроводящей пластины.
СИДМ согласно еще одному воплощению настоящей полезной модели работает следующим образом. Например, из оптического эпоксидного компаунда изготавливают необходимое количество корпусов 2 интегрированных в единый монолитный кластер (см. фиг.3), на оси симметрии которых размещают светоизлучающие диоды 1 с р-п-переходом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам светоизлучающих диодов 1 световые лучи, испускаемые светоизлучающим диодами 1, попадают на границу раздела двух сред компаунд-воздух, где за счет преломления света отражаются от невыводящей излучение поверхности 5 и параллельным пучком попадают на торцовую световыводящую поверхность 3 сплошного корпуса 2. Выходящие из корпуса лучи попадают ДОЭ, где, испытывая дифракцию, преломляются и под заданными углами выходят из светопроводящей пластины. При выходе из светопроводящей пластины с ДОЭ световые лучи от отдельных диодов перемешиваются и суммарный световой поток, исходящий из модуля, увеличивается пропорционально количеству светодиодов.
2
Пример 1. На теплоотводящей пластине расположен белый светодиод, помещенный в сплошной полимерный корпус, выполненный из оптического эпоксидного компаунда в виде эллиптического параболоида отвечающего уравнению y=7x. На расстоянии 1 см от него расположена светопроводящая пластина, выполненная из полиуретана, с нанесенным на поверхность, обращенную к излучателю, ДОЭ, обеспечивающим диаграмму направленности с полушириной 20°. Результаты измерения углов излучения показали, что полуширина диаграммы направленности составляет 21°, что вполне укладывается в погрешность измерения. Измерение потери света показало, что в данной конструкции они составляют 12-13%.
2
0
Пример 2 На теплоотводящей пластине расположены белые светодиоды, в количестве 36 шт, помещенные в сплошной полимерный корпус, выполненный из оптического полиуретана в виде эллиптического параболоида отвечающего уравнению y=6x. На расстоянии 0,5 см от него расположена светопроводящая пластина, выполненная из полиуретана, с нанесенным на поверхность, обращенную к излучателю ДОЭ, обеспечивающим диаграмму направленности с полушириной 60°. Результаты измерения углов излучения показали, что полуширина диаграммы направленности составляет 62, что вполне укладывается в погрешность измерения. Измерение потери света показало, что в данной конструкции они составляют 11-12%. Проведенные измерения показали также, что световой поток и освещенность увеличиваются пропорционально увеличению количества используемых в модуле светодиодов.