СВЕТОДИОД БЕЛОГО СВЕТА С УЛУЧШЕННОЙ ФОТОБИОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ

Полезная модель относится к области полупроводниковых излучающих приборов, а более конкретно к полупроводниковой светотехнике: конструкциям полупроводниковых источников белого света для общего и специального освещения.
Известны источники - светодиоды (светоизлучающие диоды - СИД) белого света [см., например, JP 2007297498], в которых для получения белого спектра излучения используется смешение (сложение) синего излучения с длиной волны λ≈460 нм с зелено-желтым излучением люминофора с длиной волны λ≈525-575 нм, возбуждаемого частью исходного синего излучения (люминофорные СИД).
Известны СИД белого света, в которых осуществляется смешение света от нескольких светоизлучающих кристаллов с разным цветом излучения (мультикристальные СИД), в частности, кристаллов с красным, зеленым и синим цветом излучения (RGB СИД). Так, известен СИД [US 2007090375], в котором для получения суммарного белого света используется смешение излучений от двух зеленых кристаллов, одного красного кристалла и одного синего кристалла, при этом синий кристалл излучает свет с длиной волны, лежащей вблизи 460 нм.
Известен СИД белого света [RU 2379787] на основе полупроводникового монолитного светоизлучающего кристалла системы InGaN, в котором белый свет образуется за счет смешения излучений с различными длинами волн, генерируемых многослойной активной областью. Рассматриваемый СИД обеспечивает электролюминесценцию, имеющую широкий непрерывный пик в диапазоне длин волн от 420 до 750 нм.
Известен СИД белого света [RU 456713], выбранный в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемый СИД обеспечивает получение суммарного белого света за счет смешения излучений от нескольких источников, генерирующих свет в различных областях спектра, при этом интервал между максимумами длин волн составляет 20-35 нм. Рассматриваемый СИД включает, по меньшей мере, два источника синего цвета с отличающимися спектральными характеристиками (λ=457-475 и λ=490 нм), по меньшей мере, два источника зеленого цвета с отличающимися спектральными характеристиками (λ=515-535 и λ=560 нм) и, по меньшей мере, два источника красного цвета с отличающимися спектральными характеристиками (λ=590 и λ=610-630 нм).
Использование для образования суммарного белого света излучений с относительно близко расположенными пиками длин волн способствует лучшему достижению требуемых характеристик цветности белого света.
Однако в данном СИД, также как и в рассматриваемых выше СИД, спектральная характеристика суммарного излучения белого света содержит максимум в синей области спектра вблизи длины волны λ≈460 нм (так называемая сильная синяя полоса).
Между тем, согласно последним медицинским исследованиям, наличие сильной синей полосы в спектре белого света ухудшает фотобиологическую безопасность СИД.
Поскольку спектральная характеристика чувствительности биологического канала восприятия излучения человеком (см. фиг.1, кривая 1) имеет максимум в диапазоне 450-470 нм (вблизи длины волны λ≈460 нм), присутствующая в суммарном спектре белого света сильная синяя полоса «попадает» в максимум характеристики чувствительности данного канала, который в отличие от зрительного канала не участвует в формировании зрительных образов объектов, но отвечает за концентрацию гормона мелатонина в крови, обуславливая возникновение одного из видов фотобиологической опасности в случае снижения концентрации указанного гормона (G. Brainard et al. Photoreceptor system for melatonin regulation and phototherapy. Patent US 7,678,140 B2.; The True Knowledge about White LEDs and Biological Clocks. LED professional Review28, 2011, 22; А.В. Аладов, А.Л. Закгейм, М.Н. Мизеров, А.Е. Черняков. О биологическом эквиваленте излучения светодиодных и традиционных источников света с цветовой температурой 1800-10000 К. Светотехника. - 2012. - N 3. - С.7-10 и др.).
Наличие в спектре СИД белого света сильной синей полосы с λ≈460 нм ведет к подавлению необходимой концентрации мелатонина в крови, вызывая значительные риски для психофизиологического и физического здоровья людей: бессонница, депрессии, эндокринные, онкологические и др. заболевания (В.Н. Анисимов. Мелатонин роль в организме, применение в клинике. РМЖ, 14, (4) 2006, 269).
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение фотобиологической безопасности СИД белого света.
Сущность полезной модели заключается в том, что в светодиоде белого света, содержащем источники, генерирующие излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет, при этом светодиод включает два источника, генерирующих излучение синего цвета, спектральные характеристики которых лежат в разных диапазонах длин волн, а также, по меньшей мере, один источник, генерирующий излучение другого цвета, согласно полезной модели один источник синего цвета излучает свет в диапазоне длин волн 430-440 нм, а другой источник синего цвета излучает свет в диапазоне длин волн 490-500 нм.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве источников, генерирующих излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет, использованы светоизлучающие кристаллы, при этом светодиод содержит средства индивидуального управления мощностью их излучения.
За счет выбора вышеописанных источников синего цвета в заявляемом СИД обеспечивается такой набор спектральных составляющих суммарного белого света, при котором исключается присутствие в белом свете сильной синей полосы с λ≈460 нм, а синий свет образуется смешением двух излучений с указанными выше диапазонами длин волн.
Указанные диапазоны длин волн источников синего цвета подобраны экспериментально таким образом, чтобы сохранялись требуемые характеристики цветности суммарного белого света и при этом максимум спектральной характеристики СИД в области синего цвета не располагался в области максимума кривой (λ≈=450-470 нм), характеризующей спектральную чувствительность биологического канала восприятия излучения (фиг.1, кривая 1).
В качестве источников синего цвета в заявляемом СИД могут быть использованы полупроводниковые светоизлучающие кристаллы с вышеуказанными диапазонами длин волн, или полупроводниковый монолитный светоизлучающий кристалл с многослойной активной областью, генерирующей два излучения, длины волн которых лежат в указанных выше диапазонах.
При этом для генерирования излучения (излучений) другой цветности, при смешении которых с указанными выше излучениями синего цвета образуется суммарный белый свет, в заявляемом СИД может быть использован, по меньшей мере, один люминофор, возбуждаемый частью указанных выше излучений синего цвета (люминофорный СИД), или, по меньшей мере, еще один полупроводниковый светоизлучающий кристалл, активная область которого генерирует излучение другой цветности (мультикристальный СИД).
Для получения суммарного белого света в заявляемом СИД может быть также использован полупроводниковый монолитный светоизлучающий кристалл с многослойной активной областью, которая генерирует несколько излучений с разным диапазоном длин волн, в том числе, генерирует указанные выше излучения синего цвета.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является снижение «синей» фотобиологической опасности, связанной с подавлением необходимой концентрации мелатонина в крови, что обусловлено отсутствием в спектре суммарного белого света сильной синей полосы с λ≈460 нм. Тем самым обеспечивается улучшение фотобиологической безопасности СИД белого света.
Кроме того, замена в спектре суммарного излучения белого света спектральной составляющей с λ≈460 нм на две спектральные составляющие с указанными выше диапазонами длин волн, обеспечивает возможность варьирования характеристик цветности суммарного белого света путем выбора соотношений мощностей указанных излучений синего цвета.
В случае, когда в качестве источников, генерирующих излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет, использованы светоизлучающие кристаллы, и светодиод содержит средства индивидуального управления мощностью их излучения, повышается возможность варьирования характеристик цветности суммарного белого света за счет увеличения или уменьшения доли каждого из излучений.
Указанные средства индивидуального управления мощностью источников излучения могут быть выполнены, в частности, в виде цепей управления током (напряжением), питающим каждый из кристаллов.
На фиг.1 представлены в относительных единицах спектральная характеристика чувствительности биологического канала восприятия излучения - кривая 1 (кривая биологической чувствительности), спектральная световая эффективность излучения- кривая 2 (кривая спектральной чувствительности зрительного канала), спектральная характеристика излучения заявляемого СИД белого света, в частности, для люминофорного СИД - кривая 3.
На фиг.2 представлен общий вид люминофорного СИД.
На фиг.3 представлен общий вид мультикристального СИД.
СИД содержит расположенные на теплоотводящем основании 1 первый источник 2 синего цвета, генерирующий излучение в диапазоне длин волн 430-440 нм, и второй источник 3 синего цвета, генерирующий излучение в диапазоне длин волн 490-500 нм. В качестве источников 2 и 3 СИД, в частности, содержит светоизлучающие кристаллы.
СИД также содержит, по меньшей мере, один источник, генерирующий свет другого цвета, излучение которого смешивается с излучениями, испускаемыми источниками 2 и 3 синего света.
На фиг.2, в частности, представлен люминофорный СИД, содержащий расположенный поверх источников 2 и 3 слой люминофора 4, генерирующий при возбуждении его частью излучения, испускаемого источниками 2 и 3, свет в желтой области спектра (λ=560-580 нм), которое смешивается с излучениями синего света от источников 2 и 3.
На фиг.3, в частности, представлен мультикристальный СИД, содержащий источники 5 и 6, генерирующие свет соответственно в зеленой и красной областях спектра, выполненные, в частности, в виде светоизлучающих кристаллов, излучения от которых смешиваются с излучениями синего света от источников 2 и 3.
На теплоотводящем основании 1 сформированы металлизированные участки (на чертеже не показаны), электрически соединенные с металлическими выводами 7.
СИД также содержит корпус 8, выполненный в виде слоя светопрозрачного компаунда, расположенного поверх описанных выше источников излучения.
СИД работает следующим образом.
При подаче электропитания входящие в состав СИД источники света (источники 2, 3, 4 на фиг.2 или источники 2, 3, 5, 6 на фиг.3) генерируют излучения, при смешении которых образуется суммарный белый свет. При этом в спектре суммарного белого света отсутствует сильная синяя полоса с λ≈460 нм.
Как видно из кривых, представленных на фиг.1, в области сильного синего света λ≈460 нм кривая 2 спектральной чувствительности зрительного канала имеет низкое значение, однако кривая 1 биологической чувствительности принимает максимальное значение.
В то же время спектральная характеристика заявляемого, в частности, люминофорного СИД белого света (кривая 3) в области синего света содержит два максимума в диапазонах длин волн 430-440 нм и 490-500 нм, а в диапазоне длин волн 450-470 нм указанная характеристика имеет «провал».
Таким образом, в спектре суммарного белого света заявляемого СИД белого света отсутствует сильная синяя полоса с λ≈460 нм, что обеспечивает улучшение его фотобиологической безопасности.