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.
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;
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 (СИДМ) 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 СИДМ. Такие СИДМ 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 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. СИДМ с неоднородной засветкой не могут быть использованы в большинстве светотехнических изделий.
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 длинна 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°C. 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.
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 получать широкие диаграммы излучения. Однако 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.
m
b
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является 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'(х) - производная функции f(x);
х - координата точки на кривой f(x), см;
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.
упомянутый 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 указанные выше в патенте РФ №2055420. Данная конструкция также не обеспечивает получение углов излучения в широком интервале. Даже в случае если форма корпуса СИД 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.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка мощного монолитно интегрированного светоизлучающего диодного модуля с расширенным интервалом углов излучения.
m
b
Поставленная задача решается тем, что СИДМ включает полупроводниковый светоизлучающий диод, залитый в сплошной корпус с торцовой световыводящей поверхностью, выполненный из материала, прозрачного для излучения, с показателем преломления n>n. Боковая поверхность корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, а световыводящая поверхность выполнена рельефной.
Полупроводниковый светоизлучающий диод может быть расположен в центре фокальной плоскости сплошного корпуса.
Сплошной корпус может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, оптического полиуретана.
Рельефная световыводящая поверхность сплошного корпуса может быть выполнена, например, в виде выпуклых сферических сегментов, в виде вогнутых сферических сегментов, в виде пирамидальных выступов, в виде цилиндрического линзового рассеивателя, имеющего в поперечном сечении форму сегментов круга, в виде линейного линзового рассеивателя, имеющего в поперечном сечении форму треугольников.
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, показанному на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сверху на один из вариантов рифленой поверхности СИДМ согласно настоящей полезной модели;
на фиг.4 приведен сверху на другой вариант рифленой поверхности СИДМ;
на фиг.5 представлены результаты измерений углов излучения одного из вариантов СИДМ согласно согласно настоящей полезной модели (угол излучения составляет 32°);
на фиг.6 представлены результаты измерений углов излучения другого варианта СИДМ согласно согласно настоящей полезной модели (угол излучения составляет 14°);
на фиг.7 представлены результаты измерений в одном направлении углов излучения третьего варианта СИДМ согласно согласно настоящей полезной модели (угол излучения составляет 14°);
на фиг.8 представлены результаты измерений в другом направлении углов излучения третьего варианта СИДМ согласно согласно настоящей полезной модели (угол излучения составляет 40°);
на фиг.9 приведена фотография монолитноинтегрированного СИДМ с рельефом на световыводящей поверхности согласно согласно настоящей полезной модели.
В отличие от СИДМ-прототипа, где свет, выходящий из корпуса СИДМ, практически не испытывает преломления и выходит пучком лучей близким к параллельному, в СИДМ согласно настоящей полезной модели на световыводящей поверхности отражающего корпуса происходит преломление света, и выходящий световой пучок расширяется. Угол отклонения луча будет тем больше, чем больше угол в точке падения луча. Таким образом, изменяя угол падения луча можно легко регулировать ширину диаграммы направленности.
Отражающий корпус может быть выполнен, например, в форме сплошного эллиптического параболоида при этом полупроводниковый светоизлучающий кристалл расположен в центре его фокальной плоскости. Отражающий корпус СИД может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, поликарбоната или эпоксидного оптического компаунда.
Как отмечено выше, для того, что бы эффективно собирать и использовать излучение полупроводникового диода, сплошной прозрачный отражающий корпус монолитно интегрированного СИДМ должен иметь форму боковой, не выводящей излучение поверхности, на которой происходит отражение света. В этом случае, форма наружной поверхности сплошного корпуса СИДМ, отражающая излучение, должна быть такой, чтобы направление распространения света, выходящего из светоизлучающего диода, образовывало в точке падения на нее с касательной плоскостью к этой точке угол, больше угла полного внутреннего отражения. После отражения свет полностью выводится через перпендикулярную оси симметрии световыводящую часть поверхности отражающего сплошного корпуса.
В настоящей полезной модели сочетается особая форма отражающего сплошного корпуса СИДМ, которая обеспечивает эффективный сбор и фокусировку излучения полупроводникового диода, с рельефом, созданным на световыводящей поверхности. Такая интеграция дает возможность изготовить мощные монолитноинтегрированные СИДМ, позволяющие получать широкие диаграммы направленности излучения. Причем если форма макрорельефа на поверхности не симметрична во взаимно перпендикулярных плоскостях, то и диаграмма направленности будет не симметричной.
m
b
СИДМ согласно настоящей полезной модели (см. фиг.1) включает полупроводниковый светоизлучающий диод 1, залитый 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, а световыводящая поверхность 3 выполнена рельефной. Рельефная световыводящая поверхность 3 сплошного корпуса 2 может быть выполнена, например, в виде выпуклых сферических сегментов 6 (см. фиг.4), в виде вогнутых сферических сегментов, в виде пирамидальных выступов 7 (см. фиг.3), в виде цилиндрического линзового рассеивателя (см. фиг.1, фиг.2), имеющего в поперечном сечении форму сегментов 8 круга, в виде линейного линзового рассеивателя, имеющего в поперечном сечении форму треугольников. СИДМ снабжен теплоотводом 9.
СИДМ согласно настоящей полезной модели работает следующим образом. Используя приведенное выше соотношение, например, из эпоксидного компаунда 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. При этом на рельефной световыводящей поверхности 3 падающий свет испытывает преломление и световой пучок, выходящий из корпуса 2 СИДМ наружу уширяется.
Пример 1.
2
На световыводящей поверхности СИДМ, состоящего из белого светодиода, залитого в полимерный корпус, выполненный в виде эллиптического параболоида, отвечающего уравнению y=7x, выполнен рельеф, представляющий собой рассеиватель, состоящий из сегментов сферы диаметром 4 мм с радиусом кривизны 6 мм. На фиг.5. представлены результаты измерений углов излучения СИДМ. Видно, что угол излучения составляет 32°.
Пример 2.
2
На светоизлучающей поверхности СИДМ, состоящего из красного светодиода залитого в полимерный корпус, выполненный в виде эллиптического параболоида и отвечающего уравнению y=5х, выполнен рельеф, представляющий собой рассеиватель, состоящий из сегментов сферы диаметром 2 мм с радиусом кривизны 10 мм. Измеренный угол излучения составляет 14° (см. Фиг.6).
Пример 3.
2
На световыводящей поверхности СИДМ состоящего из белого светодиода залитого в полимерный корпус, выполненный в виде эллиптического параболоида, отвечающего уравнению y=6х, выполнен рельеф в виде цилиндрического линзового рассеивателя (см. Фиг.1), представляющего собой в сечении сегмент окружности с хордой 2 мм и радиусом кривизны 10 мм. Настоящая конструкция СИДМ позволяет получать не симметричные диаграммы направленности излучения. Проведенные измерения показали, что в одном направлении диаграмма направленности имеет угол излучения 14° (см. фиг.7), а в перпендикулярном ему 40° (см. фиг.8).
На фиг.9 представлена фотография образца монолитно интегрированного СИДМ с рельефом на световыводящей поверхности согласно настоящей полезной модели.