СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЦВЕТНОСТЬЮ СВЕТОВОГО ПОТОКА БЕЛОГО СВЕТОДИОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD TO CONTROL CHROMATICITY OF LIGHT FLUX OF WHITE LIGHT DIODE AND DEVICE FOR METHOD REALISATION

Область техники
Изобретение относится к светотехнике, а именно к светодиодным осветительным устройствам, оснащенным белыми светодиодами и предназначенным для создания внешнего и внутреннего освещения.
Предшествующий уровень техники
Для общего и местного освещения наиболее перспективным является использование светодиодов, создающих световой поток белого цвета. Известно два основных способа получения такого светового потока. Первый заключается в смешении красного, зеленого и синего излучений, которые генерируются полупроводниковыми кристаллами, близко размещенными на плате. Второй путь создания излучения белого цвета состоит в преобразовании люминофором части ультрафиолетового или синего излучения кристалла в световой поток, длина волны которого смещена в желтую часть спектра, при этом смешение первичного излучения кристалла и вторичного люминесцентного излучения люминофора создает световой поток с координатами цветности, соответствующими белому цвету.
Второй способ создания белого цвета, несмотря на некоторые потери при преобразовании первичного излучения и технологические сложности при использовании люминофора, является наиболее распространенным в светотехнике.
Большей частью белые светодиоды изготавливаются на основе синего кристалла (InGaN) и желтого люминофора. По спектральным данным, люминофоры, применяемые большинством производителей светодиодов, являются модифицированными вариантами иттрий-алюминиевого граната, легированного трехвалентным церием. Спектр люминесценции этого люминофора характеризуется длиной волны максимума в диапазоне 530..570 нм. Использование синих светодиодов в сочетании с желтыми люминофорами позволяет достигать максимальной светоотдачи при цветной температуре порядка 5000-8000°К. Световой поток первичного излучения, создаваемого кристаллом полупроводника, преобразуется  частицами люминофора, введенными в прозрачный компаунд и/или размещенными на смежных с кристаллами поверхностях. При этом цветность смешанного первичного и люминесцентного излучения зависит от многих физико-химических и технологических факторов: гранулометрического и химического состава люминофора, концентрации частиц люминофора, оптических и геометрических свойств компаунда и других причин, учет влияния которых в реальном производстве представляет собой сложную технологическую задачу. Возникающая цветовая неравномерность результирующего светового потока, зависящая от угла его падения на освещаемую поверхность, неравномерности концентрации частиц люминофора, участвующих в преобразовании, может быть выровнена с помощью отражающих матированных поверхностей и светорассеивающих оптически прозрачных элементов.
Известен способ создания светового потока белого цвета, в котором для управления цветностью светового потока генерируют излучение в фиолетово-синей области спектра и преобразуют часть этого излучения люминофором на основе многокомпонентной системы AlInGaN, активированного редкоземельными элементами, поглощающим первичное излучение кристаллов и испускающим свет в желтой области спектра, смешение которого с первичным излучением и создает световой поток с координатами, соответствующими выбранному оттенку белого цвета (патент RU 2219622, МКИ H01L 33/00, опубл. 20.12.2003).
Известно решение, в котором для управления цветностью светового потока генерируют первичное излучение в синей области спектра, а преобразование части первичного излучения в желтую часть спектра осуществляется сложным люминофором из группы ортосиликатов щелочно-земельных металлов (патент RU 2251761, МКИ H01L 33/00, опубл. 10.05.2005).
Известно также решение, в котором для управления цветностью светового потока генерируют первичное излучение двумя источниками, один из которых излучает в синей, а другой в ультрафиолетовой части спектра, каждому из которых соответствует свой люминофор, преобразующий первичное излучение кристалла в люминесцентный поток, смешение которых с частью первичного излучения образует световой поток белого цвета (патент US 2006152140, МКИ H01j l/62, опубл. 13.07.2006).
Известен также способ получения видимого света и люминесцентные источники на его основе, описанные в патенте RU 3213157, МКИ H01L 33/00, опубликованном 20.12.2007 г. Способ включает облучение антистоксовского люминофора ИК-излучением и его преобразование в излучение желто-зелено-оранжевого диапазона спектра.
От концентрации люминофорных частиц, содержащихся в объеме или на единице площади, зависит в конечном итоге количество преобразуемого первичного излучения, определяющего цветовой оттенок результирующего белого цвета.
Очевидно, что чем меньше люминофора принимает участие в преобразовании первичного светового потока, тем более высокая цветовая температура характерна для результирующего излучения.
Во всех указанных аналогах целью операций с разными первичными источниками светового излучения является получение светового потока, цветовая температура которого соответствует тому или иному оттенку белого цвета. Заслуживающим внимания является поиск пути управления цветом белого светового потока, не требующего вмешательства в конструкцию источника, создающего световой поток белой цветности. Для управления цветовой температурой уже сформированного белого светового потока потребуется дополнительное количество люминофора, однако технология преобразования такого излучения и, в необходимых случаях, последующее выравнивание цветности по сечению светового потока, потребует незначительных технологических и конструктивных нововведений.
Важно отметить, что малые угловые размеры и большая яркость светодиодов без специальных мер защиты от световых бликов приводит к значительным зрительным нагрузкам, вызывающим ощущение дискомфорта и подсознательное желания покинуть помещение с таким осветительными устройствами. Для уменьшения слепящего действия осветительной установки эффективным представляется уменьшение яркости излучения путем распределения его светового потока на обширную поверхность, которое можно осуществлять одновременно с управлением цветностью излучения светодиода.
Техническим результатом предлагаемого решения является возможность управления цветностью светового потока белого светодиода; расширение технологических возможностей для конструирования осветительных устройств на основе белого светодиода; снижение дискомфортности освещения, за счет уменьшения яркости светоизлучающей поверхности.
Способ управления цветом светового потока белого светодиода характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
Способ управления цветностью светового потока белого светодиода, включающий генерирование светового потока с цветовой температурой более 6000 К, содержащего спектральную составляющую с длиной волны λ<490 нм; преобразование части излучения λ в излучение с длиной волны L>490 нм, например, в желто-зеленой, желтой или оранжевой области спектра/ смешение полученного светового излучения с длиной волны L и светового потока, включающего непреобразованную часть составляющей λ.
Устройство для реализации способа управления цветом белого светодиода характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.
Осветительное устройство для осуществления способа, содержащее, по меньшей мере, один светодиод, генерирующий световой поток с цветовой температурой более 6000 К; оптически прозрачную подложку, установленную с возможностью ее облучения упомянутым световым" потоком; средство преобразования упомянутого светового потока, выполненное в виде частиц люминофора, размещенных на поверхности и/или в материале подложки; светорассеиватель, снабженный пространственно структурированными элементами, выполненными в объеме или на поверхности указанного светорассеивателя.
Под существенным признаком, сформулированным как "средство преобразования светового потока" в данном изобретении подразумевается совокупность частиц люминофора, пространственное расположение которых определяется конфигурацией той детали, в объеме или на поверхности которой указанные частицы содержатся.
Под термином "подложка" заявитель понимает элемент конструкции, выполненный из оптически прозрачного материала, способного создавать как плоские, так и объемные конструкции, которые могут охватывать источник излучения. Толщина стенки подложки зависит от оптических свойств материала и определяется с учетом минимально возможных потерь светового потока и технологических возможностей ее формообразования.
В качестве дополняющих и развивающих признаков устройства необходимо указать следующие:
- удельная нагрузка люминофора на поверхности и/или в материале подложки выбрана из выражения:
2
1<ρ<100, где: ρ - концентрация люминофора в связующем, мг/см. Под термином «удельная нагрузка люминофора» подразумевается вес люминофора, приходящийся на единицу площади поверхности. Выбор конкретного значения величины ρ зависит от цветности светового потока светодиода и желательной цветности результирующего светового потока;
- средство преобразования светового потока, созданного белым светодиодом, может включать частицы люминофора разного спектра свечения;
- подложка выполнена плоской или в виде деталей, поверхность которых составлена комбинацией поверхностей первого и второго порядка, в частности, в виде плоскости или цилиндроида;
- светорассеиватель выполнен из оптически прозрачного материала, способного создавать как плоские, так и объемные конструкции, которые могут охватывать подложку;
- расстояние h мм между подложкой и светоизлучающей поверхностью светорассеивателя выбрано из математического выражения:
h<50, где:
h - расстояние между подложкой и светоизлучающей поверхностью светорассеивателя, мм;
- светорассеиватель выполнен из оптически прозрачного материала, способного создавать как плоские, так и объемные конструкции, которые могут содержать покрытие, включающее средство преобразования светового потока;
- пространственно структурированные элементы светорассеивателя выполнены в виде регулярно повторяющегося рельефа, не имеющего острых ребер, например, в виде полусфер;
- светодиод снабжен рефлектором, имеющим светорассеивающую поверхность;
- рефлектор имеет коническую поверхность, направляющая которой выполнена в виде равностороннего четырехугольника, или шестиугольника, или окружности;
- светорассеиватель является защитным элементом устройства.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами, иллюстрирующими способ управления цветом светового потока белого светодиода и воплощения способа в конкретных осветительных устройствах:
на фиг.1 показана схема управления светового потока белого светодиода;
на фиг.2 показана схема осветительного устройства, содержащего подложку с поверхностью второго порядка и плоским светорассеивателем;
на фиг.3 показана схема осветительного устройства, содержащего подложку с плоской поверхностью и плоским светорассеивателем;
на фиг.4 показана схема осветительного устройства, светорассеиватель которого снабжен покрытием, содержащим средство преобразования светового потока.
Краткое описание чертежей
Осветительное устройство (фиг.1) содержит светодиод 1, генерирующий световой поток с цветовой температурой более 6000 К, освещающий оптически прозрачную подложку 2; средство преобразования упомянутого светового потока, выполненное в виде частиц люминофора 3, заключенных в материале подложки 2; светорассеиватель 4, имеющий светоизлучающую поверхность 5, снабженную пространственно структурированными элементами 6, выполненными на поверхности 5 светорассеивателя 4. Часть генерируемых светодиодом 1 световых волн со спектральной составляющей λ вступает в квантовое взаимодействие с частицами люминофора 3, при этом непреобразованная часть излучения λ проходит сквозь прозрачную основу подложки 2 и смешивается в светорассеивателе 4 с преобразованным люминесцентным световым потоком, излученным частицами люминофора 3. На светоизлучающей поверхности 5 смешанный световой поток дополнительно перемешивается пространственно-структурированными элементами 6.
Показанное на фиг.2 осветительное устройство содержит рефлектор 7, подложку 2 с поверхностью второго порядка и плоский светорассеиватель 4. Расстояние между подложкой 2 и светоизлучающей поверхностью светорассеивателя 4 выбирают не превышающим 50 мм. Уменьшение расстояния h увеличивает неравномерность цвета на светоизлучающей поверхности 5, а превышение этого расстояния сильно снижает яркость излучаемого светового потока.
На фиг.3 показан вариант устройства, содержащий рефлектор 7, плоскую подложку 2, включающую частицы люминофора 3 и плоский светорассеиватель 4 со структурированными элементами 6 на светоизлучающей поверхности 5. Расстояние h между подложкой и светоизлучающей поверхностью 5 светорассеивателя выбирают в зависимости от конкретного воплощения устройства.
На фиг.4 показан вариант устройства, содержащий рефлектор 7, плоскую подложку 2, включающую частицы люминофора 3 и плоский светорассеиватель 4 со структурированными элементами 6 на светоизлучающей поверхности 5. Расстояние h между подложкой 2, включающей средство 3 преобразования излучения и светоизлучающей поверхностью 5 светорассеивателя выбирают в зависимости от конкретного воплощения устройства. В данном случае величина h по существу соответствует толщине пластины светорассеивателя 5.
Этот вариант воплощения требует повышенного расхода материала для светорассеивателя, что, однако, компенсируется существенным упрощением конструкции осветительного устройства для реализации способа.
Достаточно эффективным может быть использование в качестве первичного источника излучения светодиод «холодного» белого свечения, например, светодиод XLamp MX-6 фирмы Сrее, с цветовой температурой 6500…8000 К или его аналогов других производителей.
Промышленная применимость
Детали и узлы для осветительного устройства могут быть изготовлены известными способами. Информации, изложенной в описании, достаточно для понимания специалистом принципа работы и конструкции устройств, реализующих способ изменения цветовых характеристик потока белого светодиода.