СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОДНЫЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении мощных узконаправленных высокоэффективных источников излучения, пригодных для замены традиционных ламповых источников света.
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент RU 2424598, МПК H01L 33/60, опубликован 20.07.2011), включающий излучающий кристалл (кристаллы) из InGaAIN, конический отражатель и люминофор, расположенный удаленно от кристалла (кристаллов). Отражатель выполнен из белого материала с углом наклона стенок 60°+5-10 и высотой равной 2-3 поперечным размерам кристалла, на стенки отражателя нанесен слой прозрачного полимера толщиной 100±50 мкм. Лунка отражателя полностью заполнена прозрачным полимером с плоской или почти плоской поверхностью, на которую нанесен слой полимера толщиной 100±50 мкм с распределенным в нем люминофором.
К недостаткам известного светоизлучающего диодного модуля следует отнести следующее. Во-первых, использование указанного люминофора позволяет получать излучатели только зеленого свечения, что резко ограничивает их область применения. Затем, светоизлучающий кристалл залит непосредственно в полимерный пластик. Такая конструкция возможна только для маломощных светодиодов. Увеличение мощности светодиода предполагает увеличение плотности протекаемого через кристалл тока. Это приводит к разогреву кристалла и его разрушению из-за различия в коэффициентах термического расширения полупроводникового кристалла и прозрачного полимера, из которого выполнен корпус излучателя. Отражатель имеет два существенных недостатка. Не очень удачная конусная форма позволяет получать только широкие углы излучения и не позволяет их гибко варьировать. Отражающая поверхность выполнена белой. Коэффициент отражения от такой поверхности достаточно низкий, в результате чего значительная часть света безвозвратно теряется. Вообще коэффициент отражения на непрозрачных поверхностях при прочих равных условиях всегда ниже, чем при полном внутреннем отражении света.
м
к
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 соотношению:
;
b
где: n - показатель преломления окружающей среды (воздуха);
m
n - показатель преломления материала корпуса;
к
n - показатель преломления кристалла;
f'(x) - производная функции f(x);
х - координата точки на кривой f(x);
ξ- расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.
В пространственном изображении искомая форма отражающего корпуса светоизлучающего диодного модуля представляет собой объемную фигуру, полученную путем вращения кривой функции f(x), удовлетворяющей представленному выше уравнению относительно оси симметрии. Этому уравнению удовлетворяет целое семейство кривых функций f(x), используя которые можно изготовить различные формы полимерного корпуса светоизлучающего диодного модуля. Такие светоизлучающие диодные модули при расположении излучающего кристалла на оси симметрии полностью собирают и выводят через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое полупроводниковым кристаллом.
Основные недостатки конструкции заключаются в следующем. Данная конструкция не обеспечивает получение узконаправленного излучения светоизлучающего диодного модуля. Даже в случае если форма корпуса светоизлучающего диодного модуля выполнена в виде геометрической фигуры, которая, кроме сбора, позволяет и эффективно фокусировать излучение, например, в виде эллиптического параболоида, то часть излучения не отражается от боковой поверхности, а попадает на непосредственно на световыводящую поверхность, где преломляется и выходит под углами превышающими угол падения света на границу. Это приводит к расширению диаграммы направленности модуля.
Кроме того, известная конструкция светоизлучающего диодного модуля не позволяет получать мощные источники излучения, обладающие повышенным световым потоком. Известно, что мощность излучения и величина светового потока светоизлучающего диодного модуля зависит от величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл. Поэтому для увеличения мощности излучения и величины светового потока светоизлучающего диодного модуля 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 светоизлучающего диодного модуля: изменяется длинна волны излучения и, в конечном итоге, уменьшается и возросшая в первоначальный момент мощность излучения. Более того, работа светоизлучающего диодного модуля 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°C. Поэтому через светоизлучающий диодный модуль не рекомендуется пропускать ток, при котором температура объема полупроводникового кристалла была бы выше. При этом необходимо учитывать особенности конструкции светоизлучающего диодного модуля. 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 светоизлучающего диодного модуля световой поток не превышает несколько люменов, и получить большую мощность излучения не представляется возможным.
m
b
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент RU 47136, 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 соотношению:
,
b
где: n - показатель преломления окружающей среды (воздуха);
m
n - показатель преломления материала корпуса;
f'(x) - производная функции f(x);
х - координата точки на кривой f(x), см;
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.
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 диодного модуля выполнен в виде эллиптического параболоида. Однако, хотя данная конструкция и позволяет получать мощные диодные модули с большими значениями светового потока, но ей присущи все недостатки при фокусировке света, указанные выше в патенте РФ №2055420.
м
м
м
м
b
b
m
м
m
b
m
b
Наиболее близким к настоящему техническому решению является светоизлучающий диодный модуль (см. патент SU 1819488, МПК H01L 33/00, опубликован 20.05.1995), совпадающий по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Светоизлучающий диодный модуль содержит кристалл на держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель. Боковая поверхность светопроницаемого отражателя имеет форму купола, в частности, с параболической поверхностью, и с углублением на передней поверхности, дном которого является линза со сферической поверхностью. Фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим кристаллом, а апертурный угол α линзы не превышает угла α, где α есть решение трансцендентного уравнения: tgα=sinα/[n/n-n]+[1-cos(α+y)] при y=arcsin(n/n), n, n показатель преломления материала фокусирующей линзы и среды; а высота параболоида не менее величины r(cosα+1)cosα/sin2α, где r радиус посадочного места отражателя на держателе.
В данном техническом решении линза, расположенная на дне углубления собирает и фокусирует свет, который не отражается от боковой поверхности параболоида. Это позволяет уменьшить уширение диаграммы направленности излучателя. Однако данная конструкция обладает следующим недостатком. Аберрация в сферической линзе тем больше, чем больше угол охвата. Поэтому в такой конструкции излучателя параллельным пучком будут выходить из сферической линзы только параксиальные лучи в малом угле близком к нормали. Остальные лучи будут отклоняться от параллельности тем сильнее, чем больше угол охвата линзы. Таким образом, данная конструкция не обеспечивает в полной мере получение узконаправленного излучения.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка светоизлучающего диодного модуля, который бы имел более узкую направленность излучения.
Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.
m
b
b
m
m
По первому варианту поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает светоизлучающий диод на теплоотводящем держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель, выполненный из материала с показателем преломления n>n, где n - показатель преломления окружающей среды. Боковая поверхность светопроницаемого отражателя, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. На световыводящей поверхности светопроницаемого отражателя сделано углубление, дном которого является фокусирующая линза. Фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим диодом. Апертурный угол α фокусирующей линзы не превышает угол α, где α есть решение трансцендентного уравнения:
1
b
где y=arcsin(n/n),
1
n - показатель преломления материала фокусирующей линзы.
Высота параболоида не менее величины:
2
r(cosα+1)cosα/sinα,
где r - радиус посадочного места светопроницаемого отражателя.
Новым является выполнение фокусирующей линзы в виде кольцевой линзы Френеля.
В светоизлучающем диодном модуле по первому варианту светопроницаемый отражатель может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, полиметилметакрилата, оптического полиуретана.
Между светопроницаемым отражателем и светоизлучающим диодом может быть залит оптически прозрачный гель или оптически прозрачный силикон, или оптически прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачная силиконовая жидкость, или оптически прозрачная тиксотропная жидкость, при этом их показатели преломления равны или близки к показателю преломления светопроницаемого отражателя.
m
b
b
m
m
По второму варианту поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает светоизлучающий диод на теплоотводящем держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель, выполненный из материала с показателем преломления n>n, где n - показатель преломления окружающей среды. Боковая поверхность светопроницаемого отражателя, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. На световыводящей поверхности светопроницаемого отражателя сделано углубление, дном которого является фокусирующая линза. Фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим диодом. Апертурный угол α фокусирующей линзы не превышает угол α, где α есть решение трансцендентного уравнения:
1
b
где y=arcsin(n/n),
1
n - показатель преломления материала фокусирующей линзы.
Высота параболоида не менее величины:
2
r(cosα+1)cosα/sinα,
где r - радиус посадочного места светопроницаемого отражателя. Новым является выполнение фокусирующей линзы в виде асферической линзы.
В светоизлучающем диодном модуле по второму варианту светопроницаемый отражатель может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, полиметилметакрилата, оптического полиуретана.
Между светопроницаемым отражателем и светоизлучающим диодом может быть залит оптически прозрачный гель или оптически прозрачный силикон, или оптически прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачная силиконовая жидкость, или оптически прозрачная тиксотропная жидкость, при этом их показатели преломления равны или близки к показателю преломления светопроницаемого отражателя.
Как указано выше, недостатком сферической линзы является аберрация, которая тем больше, чем больше, чем больше угол охвата. Зависимость координаты фокуса от расстояния между оптической осью и точкой падения луча и есть сферическая аберрация. Для одиночной сферической поверхности, отклоняющей лучи по направлению к главной оптической оси, координата фокуса всегда уменьшается при увеличении расстояния между оптической осью и падающим лучом. Чем дальше от оси падает луч на преломляющую поверхность, то есть чем больше угол охвата, тем ближе к этой поверхности он пересекает ось после преломления. В результате лучи, падающие на поверхность параллельно главной оптической оси, не собираются в одной точке в плоскости изображения, а образуют пятно рассеяния конечного диаметра в этой плоскости. В одной точке пересекаются только параксиальные лучи, которые падают на поверхность очень близко к главной оптической оси.
Указанную причину аберрации позволяют исправить кольцевая линза Френеля или асферическая линза.
Известно, что кольцевая линза Френеля состоит из колец, наружные поверхности которых являются частями тороидальных поверхностей. При этом геометрическая форма колец такова, что на каждой отдельной тороидальной поверхности сферическая аберрация минимальна. Геометрическая форма тороидальных колец выполняется различной в зависимости от отклонения от оптической оси линзы. Ступеньки тороидальных колец разграничены концентрическими канавками и представляют собой участки сферических или конических поверхностей. Каждый участок этих поверхностей направляет пучки лучей в требуемое место изображения. Чем меньше расстояние между соседними ступеньками (то есть больше их число), тем лучше исправляются в линзе аберрации. Поэтому даже лучи от источника света, которые значительно отклоняются от параксиальных, преломляясь в сферической линзе Френеля, в отличие от обычной сферической линзы, выходят пучком близким к параллельному. Этот свойство кольцевой линзы Френеля и позволяет получать пучок излучения, близкий к параллельному даже при больших углах охвата.
Как показано выше, сферическая аберрация обусловлена избыточной кривизной преломляющей поверхности. По мере удаления от оптической оси угол между касательной к поверхности и перпендикуляром к оптической оси увеличивается быстрее, чем это необходимо для того, чтобы направлять преломленный луч в параксиальный фокус. Для уменьшения этого эффекта необходимо замедлить отклонение касательной к поверхности от перпендикуляра к оси по мере ее удаления. Для этого кривизна поверхности должна уменьшаться по мере удаления от оптической оси, т.е. поверхность не должна быть сферической, у которой кривизна во всех ее точках одинакова. Уменьшение сферической аберрации может быть достигнуто с помощью применения линз с асферическими преломляющими поверхностями. Это могут быть, например, поверхности эллипсоида, параболоида и гиперболоида. В принципе возможно использование и других более сложных форм поверхности. Привлекательность эллиптической, параболической и гиперболической форм лишь в том, что они, как и сферическая поверхность, описываются достаточно простыми аналитическими формулами и сферическая аберрация линз с этими поверхностями может быть достаточно легко рассчитана теоретически.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показан вид сбоку на первый вариант светоизлучающего диодного модуля согласно настоящей полезной модели;
на фиг.2 приведен вид сверху на светоизлучающий диодный модуль, показанный на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сбоку на второй вариант светоизлучающего диодного модуля согласно настоящей полезной модели;
на фиг.4 приведен вид сверху на светоизлучающий диодный модуль, показанный на фиг.3.
m
b
b
m
m
Согласно настоящей полезной модели светоизлучающий диодный модуль включает (см. фиг.1-фиг.4) светоизлучающий диод 1, закрепленный на теплоотводящем держателе 2. На теплоотводящем держателе 2 сформирован светопроницаемый отражатель 3, выполненный из материала 4 с показателем преломления n>n, где n - показатель преломления окружающей среды. Светопроницаемый отражатель 3 имеет торцовую световыводящую поверхность 5. Светопроницаемый отражатель 3 может быть выполнен, например, из поликарбоната, полиметилметакрилата, эпоксидного оптического компаунда, оптического полиуретана. Боковая невыводящая излучение поверхность 6 светопроницаемого отражателя 3, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. На световыводящей поверхности 5 светопроницаемого отражателя 3, сделано углубление 7, дном которого является фокусирующая линза, выполненная в виде кольцевой линзы 8 Френеля (см. фиг.1-фиг.2) или асферической линзы 9 (см. фиг.3-фиг.4). Фокус фокусирующей линзы совмещен с фокусом параболоида и с светоизлучающим кристаллом 1, а апертурный угол α линзы не превышает угол α, где α есть решение трансцендентного уравнения (1).
Светоизлучающий диодный модуль согласно воплощению настоящей полезной модели работает следующим образом.
Часть света, испускаемая закрепленным на теплоотводящем держателе 2 светоизлучающим диодом 1, падает на боковую невыводящую излучение поверхность 6 светопроницаемого отражателя 3 и, испытывая полное внутреннее отражение на границе раздела с воздухом, выходит параллельным пучком через световыводящую поверхность 5. Другая часть излучения, не попадающая на боковую невыводящую излучение поверхность 6 светопроницаемого отражателя 3, перехватывается в первом варианте фокусирующей кольцевой линзой 8 Френеля, а во втором варианте асферической линзой 9, расположенными в углублении 7, и также выходит пучком света близким к параллельному.
Пример 1.
2
Светопроницаемый отражатель светоизлучающего диодного модуля выполнен в виде параболоида, у которого боковая невыводящая излучение поверхность отвечает уравнению Y=7x и высота которого равна 33 мм. В соответствие с проведенными расчетами диаметр кольцевой линзы Френеля установлен равным 11 мм. Линза Френеля выполнена в виде сферической линзы в центре диаметром 3 мм и высотой 1 мм и 3 концентрических тороидальных колец высотой 1 мм, ступеньки которых представляют собой участки сферических поверхностей, и расположена в углублении на расстоянии 22 мм от световыводящей поверхности.
Проведенные измерения показали, что угол излучения в таком светоизлучающем диодном модуле составляет величину 3,5°. Светоизлучающий диодный модуль с аналогичными геометрическими размерами, но со сферической линзой в углублении имеет угол излучения 5°.
Пример 2.
2
Светопроницаемый отражатель светоизлучающего диодного модуля выполнен в виде параболоида, у которого боковая невыводящая излучение поверхность отвечает уравнению Y=7x и высота которого равна 33 мм. В соответствие с проведенными расчетами асферическая линза выполнена в виде усеченного эллипсоида высотой 2,0 мм и диаметром в основании 11 мм. Асферическая линза расположена в углублении таким образом, что ее основание находится на расстоянии 22 мм от световыводящей поверхности.
Проведенные измерения показали, что угол излучения в таком светоизлучающем диодном модуле составляет величину 4°. Светоизлучающий диодный модуль с аналогичными геометрическими размерами, но со сферической линзой в углублении имеет угол излучения 5°.