СВЕТОДИОДНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении высокоэффективных светодиодных источников направленного кругового излучения. Подобные излучатели находят широкое применение для навигационных огней как автономного питания (различного типа форватерных буев), так и для навигационных сигнальных огней плавучих средств.
Использование светодиодных источников света в навигационных знаках значительно увеличивает период их автономной работы, уменьшает затраты по их профилактическому ремонту и увеличивает надежность работы в экстремальных условиях эксплуатации.
Так, известно светодиодное оптическое устройство (см. патент US 7878689, МПК F21V 05/00, H01L 33/00, опубликован 01.02.2011), позволяющее получать диаграмму направленности в широких углах излучения. Светодиодное оптическое устройство включает прозрачный корпус, на боковой поверхности которого выполнены кольцевые выступы, позволяющие преломлять и отклонять свет в заданном направлении. Светодиодный источник света помещен в полость, выполненную внутри объема прозрачного корпуса. Известное светодиодное оптическое устройство не способно излучать свет с диаграммой направленности в боковом направлении, при этом в устройстве имеют место значительные потери света при преломлении света на боковых поверхностях и при вводе света светодиода в прозрачный корпус (более 30%).
Известно светодиодное оптическое устройство (см. патент US9638392, МПК F21V 05/00, опубликован 02.05.2017), содержащее светодиодный источник света, оптически соединенный через воздушный промежуток с прозрачным корпусом, имеющим выходной цилиндрический сегмент с боковой излучающей поверхностью, позволяющее получать широкие диаграммы направленности. Для отклонения света в боковом направлении на поверхности цилиндрической части прозрачного корпуса выполнено углубление в виде усеченного конуса.
Известное устройство позволяет преломлять свет только для широких углов излучения, а углубление в виде усеченного конуса отражает в боковом направлении не весь падающий свет, а только его часть, которая подает на боковые поверхности конуса. Кроме того, светодиодный источник света также размещен в полости, выполненной в объеме прозрачного корпуса, что приводит к большим потерям света при вводе его в прозрачный корпус излучателя.
Известно светодиодное оптическое устройство (см. патент US 6796698, МПК F21K 99/00, F21V 07/00, опубликован 28.09.2004), содержащее светодиодный источник света, оптически соединенный через воздушный промежуток с прозрачным цилиндрическим корпусом, на поверхности которого выполнено углубление в виде конуса, позволяющее отражать падающий на него свет в боковом направлении. Светодиодное оптическое устройство помещено в металлический отражатель.
В известном светодиодном оптическом устройстве не весь излучаемый светодиодом свет падает на конический отражатель цилиндрического корпуса, который отклоняет свет в боковом направлении. Часть света попадает на боковую поверхность цилиндрического корпуса и, преломляясь, бесполезно рассеивается.
Известно светодиодное оптическое устройство (см. заявка ЕР1255306, МПК F21K 99/00, F21V 07/00, H01L 33/00, опубликована 06.11.2002), позволяющая излучать свет только в боковом направлении. В известном устройстве светодиод расположен в полости прозрачного корпуса, на торцевой поверхности прозрачного корпуса выполнено углубление в виде конуса, а на боковой поверхности прозрачного корпуса выполнены конические кольцевые выступы, позволяющие отклонять свет в боковом направлении.
Однако и в такой конструкции оптического устройства имеют место потери света при преломлении света, падающего под разными углами на боковую поверхность прозрачного корпуса. Кроме того, имеются значительные потери света при вводе излучения светодиода в объем прозрачного корпуса.
Известно светодиодное оптическое устройство (см. заявка WO2010079439, МПК F21K 99/00, F21V 7/00, H01L 33/00, опубликована 15.07.2010), совпадающее с настоящей полезной моделью по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Известное светодиодное оптическое устройство содержит полупроводниковый светоизлучающий диод, осесимметричный сплошной оптический элемент, имеющий входной сегмент с боковой призматической поверхностью и выходной цилиндрический сегмент с боковой излучающей поверхностью, отражатель, выполненный в виде конического углубления в торце выходного сегмента оптического элемента. Боковая призматическая поверхность входного сегмента содержит множество призм, причем каждая из призм расположена под углом к осевому направлению оптического элемента для направления света, излученного светоизлучающим диодом, по направлению к выходному цилиндрическому сегменту оптического элемента. Оптический элемент имеет коэффициент преломления, больший коэффициента преломления внешней среды оптического элемента, а светоизлучающий диод оптически соединен через воздушный промежуток с входным сегментом оптического элемента.
В известном светодиодном оптическом устройстве нет потерь света, связанных с рассеянием через боковую поверхность оптического элемента. Однако в известном устройстве-прототипе пучок света, проходящий по оптическому элементу, падает на отражатель под разными углами, в связи с чем диаграмма направленности излучения в боковом направлении имеет широкие углы излучения, и такая конструкция светодиодного оптического устройства не позволяет получать узконаправленное круговое излучение. Кроме того, наличие воздушного промежутка между полупроводниковым светоизлучающим диодом и оптическим элементом приводит к потере значительной части света (~30%).
Задачей настоящего технического решения являлась разработка светодиодного оптического устройства, имеющего более узкую направленность кругового бокового излучения и уменьшенные потери света.
Поставленная задача решается тем, что светодиодное оптическое устройство включает полупроводниковый светоизлучающий диод, осесимметричный сплошной оптический элемент, имеющий входной сегмент с боковой отражающей поверхностью и выходной цилиндрический сегмент с боковой излучающей поверхностью. Отражатель выполнен в виде конического углубления в торце выходного сегмента оптического элемента. Оптический элемент имеет коэффициент преломления, больший коэффициента преломления внешней среды оптического элемента. Полупроводниковый светоизлучающий диод оптически соединен с входным сегментом оптического элемента. Новым в устройстве является то, что входной сегмент выполнен в виде эллиптического параболоида, усеченного фокальной плоскостью, перпендикулярной его оси симметрии, излучающий кристалл полупроводникового светоизлучающего диода расположен в центре фокальной плоскости, а полупроводниковый светоизлучающий диод составляет одно целое с оптическим элементом.
Оптический элемент может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например или из поликарбоната, или из эпоксидного оптического компаунда, или из оптически прозрачного силикона, или из оптического полиуретана.
Полупроводниковый светоизлучающий диод может быть расположен на теплоотводящем элементе, например, выполненном в виде металлической пластины.
Выполнение входного сегмента оптического элемента в виде эллиптического отражателя позволяет эффективно собирать и фокусировать свет светоизлучающего диода, при этом светоизлучающий диод монолитно интегрирован в объем прозрачного входного сегмента и составляет с ним одно целое. Такая конструкция позволяет не только эффективно собирать и фокусировать излучение полупроводникового светоизлучающего диода, но и полностью избежать потерь света, связанных с преломлением света на двух границах в случае наличия воздушного промежутка между светоизлучающим диодом и корпусом оптического элемента. Фокусировка света полупроводникового светоизлучающего диода входным сегментом оптического элемента в виде эллиптического параболоида позволяет фокусировать свет от полупроводникового светоизлучающего в узкий пучок в малых углах излучения, который при отражении от конусного отражателя позволяет получать на выходе круговые диаграммы направленности в том числе и с узкими углами излучения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены: 1-лучи света, 2-полупроводниковый светоизлучающий диод; 3-входной сегмент в виде эллиптического параболоида; 4-конусный отражатель; 5-выходной сегмент в виде цилиндра; 6-теплоотводящая металлическая пластина; 7-оптический элемент; 8-кристалл полупроводникового светоизлучающего диода 2.
Светодиодное оптическое устройство действует следующим образом. На полупроводниковый светоизлучающий диод 2, который расположен на теплоотводящей пластине 6 подается напряжение питания, в результате чего, кристалл 8 полупроводникового светоизлучающего диода 2 начинает излучать световой поток 1. Световой поток 1 попадает во входной сегмент 3 оптического элемента 7, выполненный в виде эллиптического параболоида, и, испытывая полное внутреннее отражение, падает пучком, близким к параллельному, на отражающую поверхность конусного отражателя 4 выходного цилиндрического сегмента 5. Испытывая отражение на поверхности конусного отражателя 4, световой поток 1 выходит наружу через боковую поверхность выходного сегмента 5 в виде цилиндра. Теплоотводящая металлическая пластина 6 позволяет при использовании мощных полупроводниковых светоизлучающих диодов 2 отводить тепло, выделяемое при работе полупроводникового светоизлучающего диода 2 и не допускать перегрева оптического элемента 7, который может приводить к выходу светодиодного оптического устройства из строя.