СВЕТОДИОД "ИНФОЛЕД"

Изобретение относится к светотехнике, а именно к полупроводниковым источникам света, преимущественно к светодиодам белого свечения.
В современных светодиодах белого свечения [WO 2006059828, US 6069440, JP 2003234511, RU 103892, RU 86795, RU 2007137160, RU 2002129264, RU 2379787, RU 2009128178, RU 2313157, RU 2219622, RU 2265917, RU 2416841, RU 2408816, RU 2251761, RU 2331951] используется полупроводниковый светоизлучающий элемент (светодиодный кристалл), излучающий свет в синей области видимого спектра, установленный в рефлекторном отражателе света и покрытый с внешней стороны слоем гель-люминофорной смеси или в линзовой системе, частично поглощающий синее или ультрафиолетовое излучение и, в свою очередь, излучающий свет в зеленой, желтой, оранжевой или красной области видимого спектра, так что суммарное излучение светодиода воспринимается человеком как белый свет в области диаграммы направленности оптической системы.
Общим недостатком известных светодиодов белого свечения является неравномерность вышедшего из оптической системы излучения по цветовой температуре.
Наиболее близким из известных по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относится светодиод белого свечения [RU 2331951], содержащий светоизлучающий элемент синего цвета, покрытый с внешней стороны слоем гель-люминофорной смеси для преобразования части энергии синего излучения в энергию желтого излучения и слоем прозрачного геля.
При этом светоизлучающий элемент установлен в нижней части чаши рефлектора (отражатель света). Чаша рефлектора над светоизлучающим элементом синего цвета залита слоем гель-люминофорной смеси для формирования над отражателем суммарного излучения в виде белого света. Слой прозрачного геля установлен над гель-люминофорной смесью и накрыт дополнительной оптической линзой.
Недостатком известного светодиода является пониженная яркость белого свечения из-за потери энергии фотонов синего цвета на отражателе рефлектора, из-за искажения угловой цветности светодиода и оптических потерь в дополнительной линзе.
Задачей полезной модели является повышение яркости свечения светодиода белого свечения с равномерным распределением его света по цветовой температуре.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является снижение потерь энергии белого цвета светодиода.
Достижение заявленного технического решения и, как следствие, решение поставленной задачи, обеспечивается тем, что светодиод белого свечения, содержащий светоизлучающий элемент синего цвета, покрытый с внешней стороны слоем гель-люминофорной смеси для преобразования части энергии синего излучения в энергию желтого излучения и слоем прозрачного геля, согласно полезной модели, слой прозрачного геля нанесен непосредственно на светоизлучающий элемент, а слой гель-люминофорной смеси нанесен поверх слоя прозрачного геля и выполнен в виде асферической линзы с возможностью получения равномерного белого свечения с одинаковой цветовой температурой независимо от угла наблюдения излучения светодиода.
При этом асферическая линза для получения равномерного белого свечения с одинаковой цветовой температурой независимо от угла наблюдения излучения светодиода содержит выпуклую линзу с полусферической выемкой в нижней ее части и уменьшающейся толщиной от центра к периферии с параметрами:
D(ε,β)=R(ε,β)-R,
Тц=F{n,j}=const,
ε={0÷90},
β{0÷180},
где:
D(ε,β) - толщина гель-люминофорной линзы;
Тц - цветовая температура выходящего из светодиода излучения;
R - внутренний радиус асферической линзы;
R(ε,β) - внешний радиус асферической линзы;
ε - направление измерения интенсивности излучения светодиода относительно его центральной оси по углу места;
β - азимутальное направление измерения интенсивности излучения светодиода относительно его центральной оси;
n - удельная плотность люминофора в гель - люминофорной линзе;
j=j(ε,β) - интенсивность синего излучения светоизлучающего элемента;
F{n,j} - функция зависимости цветовой температуры выходящего из светодиода излучения от плотности люминофора и интенсивности синего излучения светоизлучающего элемента.
Слой прозрачного геля, нанесенный на светоизлучающий элемент, выполнен с коэффициентом преломления к>1.4.
Нанесение слоя прозрачного геля непосредственно на светоизлучающий элемент позволяет увеличить выход излучения из кристалла. Кроме того, исключение рефлекторного отражателя позволяет уменьшить потери энергии фотонов света при их отражении от стенок рефлектора и, как следствие, повысить яркость светодиода.
Кроме того, выполнение асферической линзы уменьшающейся толщины D(ε,β) по углу ε от центра к периферии позволяет уменьшать количество люминофорных частиц на пути распространения фотонов синего цвета и пропорционально компенсировать уменьшение их энергии в боковом направлении ε относительно центральной оси светодиода. Этим обеспечивается получение белого цвета с одинаковой цветовой температурой светодиода независимо от значения вертикального угла ε его наблюдения относительно центральной оси светодиода. Следствием этого является дополнительное повышение яркости белого свечения светодиода за счет снижения потерь на угловые искажения цветности. Исключение из конструкции светодиода дополнительной линзы исключает связанные с ней потери световой энергии как в самой линзе, так на переходе между линзой и прозрачным гелиевым слоем. Это дополнительно позволяет повысить яркость светодиода белого свечения. Выполнение слоя прозрачного геля, нанесенного на светоизлучающий элемент с коэффициентом преломления n>1.4, позволяет уменьшить потери энергии на оптическом переходе кристалл - прозрачный гель и, тем самым, дополнительно увеличить яркость свечения светодиода.
В целом указанные технические преимущества позволяют обеспечить достижение заявленного технического результата и решить поставленную техническую задачу.
На фигуре представлен рисунок, поясняющий конструкцию светодиода белого свечения.
1
2
2
1
Светодиод белого свечения содержит светоизлучающий элемент 1 синего или ультрафиолетового цвета, выполненный на кристалле InGaN и покрытый с внешней стороны слоем 2 прозрачного геля, нанесенным непосредственно на светоизлучающий элемент 1. Для увеличения выхода излучения из светоизлучающего элемента 1 слой 2 выполнен с показателем к=к>1.4 преломления максимально приближенным к показателю к=к преломления светоизлучающего элемента, разность значений которых к-к=min. На слой 2 с внешней стороны нанесен слой гель-люминофорной смеси для преобразования части энергии синего излучения в энергию желтого излучения. Слой гель-люминофорной смеси выполнен в виде асферической гель-люминофорной линзы 3 с параметрами:
где:
D(ε,β) - толщина гель-люминофорной линзы;
Тц - цветовая температура выходящего из светодиода излучения;
R - внутренний радиус (радиус выемки) асферической линзы;
R(ε,β) - внешний радиус асферической линзы;
ε - направление измерения интенсивности излучения светодиода относительно его центральной оси по углу места;
β - азимутальное направление измерения интенсивности излучения светодиода относительно его центральной оси;
n - удельная плотность люминофора в гель - люминофорной линзе;
j=j(ε,β) - интенсивность синего излучения светоизлучающего элемента;
F{n,j} - функция зависимости цветовой температуры выходящего из светодиода излучения.
Численное значение функции F{n,j} зависит от плотности люминофора, интенсивности синего излучения светоизлучающего элемента по углам ε и β и геометрических его параметров. Вид функции F{n,j} и конкретное значение ее параметров (1÷4) определяется опытным путем на экспериментальном стенде ООО «Инфолед» для каждого кристалла InGaN.
Светодиод белого свечения работает следующим образом.
При протекании тока через светоизлучающий элемент 1 последний излучает свет в синей области видимого спектра, который проходит через слой 2 прозрачного геля и рассеивается в передней полусфере (180°) без потерь энергии фотонов на переотражение за счет исключения из конструкции светодиода отражательных элементов. Далее рассеянное излучение синего цвета с увеличенной площадью синего свечения по сравнению с излучающей площадью кристалла 1 из слоя 2 через границу раздела радиусом R проникает в линзу 3. Люминофорные частицы, находящиеся в линзе 3 частично поглощают указанное излучение, преобразуют полученную энергию и в ходе процесса люминесценции излучают свет в другой (например - желтой) области видимого спектра, изменяя цветность излучения, в частности, таким образом, что суммарное излучение воспринимается человеком как белый свет. За счет уменьшения толщины D (ε,β) асферической линзы 3 от центральной оси 4 к периферии обеспечивается компенсация снижения яркости кристалла 1 по вертикальному углу ε с уменьшением числа частиц люминофора в линзе 3 на пути распространения фотонов синего цвета, суммарное излучение которого воспринимается человеком как белый свет во всей верхней полусфере светодиода.
Конструкция светодиода белого свечения разработана на уровне опытного образца. На основе этой конструкции в настоящее время разработаны опытные образцы различных модификаций светильников для наружного и внутреннего освещения. Результаты измерений показали, что интенсивность излучения светодиода белого свечения предложенной конструкции увеличилась на 10%, а неравномерность цветовой температуры значительно снизилась и составила +-100 град К.