ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F21V13/04 H01L33/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к конструкциям излучателей с встроенным в оптический элемент источником излучения, и наиболее эффективно может быть использовано в устройствах передачи сигнала по оптическому каналу в атмосфере, например в системах связи и сигнализации, техники безопасности, в рекламной деятельности, в фотометрии и т. д.

В таких излучателях активно используются полупроводниковые источники излучения с плоскими излучающими поверхностями, например светоизлучающие диоды или их комбинации в виде плоской или объемной матрицы /СИД/. Их использование сдерживается относительно невысокой мощностью светового потока от кристалла единичного излучающего элемента, обычно не превышающей десятков или сотен мВт, к тому же рассеиваемого со случайным распределением интенсивности в пределах телесного угла β_→2π. Поэтому СИД выпускают неразборными, встроенными в оптический элемент, в функции которого входит сбор и преобразование световой энергии в поток с заданной диаграммой направленности. Наиболее сложной задачей является достижение минимального угла расхождения γ и максимальной осевой силы света. В настоящее время лучшие излучатели позволяют собирать не более 50% световой энергии, углы расхождения выходящего излучения обычно составляют не менее 10 - 20^o, а сила света не превышает 10 - 20 кд.

Задача создания конструктивно согласованного с СИД оптического элемента, который позволит повысить долю собираемой энергии, достигнуть максимальной осевой силы излучения и затем варьировать показатели диаграммы направленности излучения без изменения формы оптических поверхностей, является актуальной.

Известно оптическое устройство, которое может быть использовано для преобразования диаграммы направленности оптического излучения [J.C.Minano, J.C.Gonzalez, P.Benitez. A high-gain, compact, nonimaging concentrator: RXI. APPLIED OPTICS. Vol. 34, N 34, 1995, p. 7850 - 7856]. Это устройство, предназначенное для сбора солнечного излучения, может быть использовано в качестве излучателя, при замене фотоприемника на источник излучения. Такие приемы в оптике известны. Устройство включает оптический элемент с двумя оптическими поверхностями, одна из которых является зеркально-отражающей, а вторая - прозрачной, в центре прозрачной поверхности выполнен зеркально-отражающий участок. Взаимное согласование формы поверхностей и диаметр зеркального пятна выбраны с учетом предназначения оптического элемента. Это обстоятельство ограничивает возможности выбора формы оптических поверхностей, не позволяет эффективно управлять диаграммой направленности при использовании оптического элемента в составе излучателя.

Известен излучатель [см. пат. США N 5.289.082, МПК G 02 B 3/04, публ. 22. 02. 94], в котором использована совокупность цилиндрических и эллиптических поверхностей, в одном из фокусов эллипсов размещены СИД, причем оптические оси всех пар поверхностей параллельны. Это устройство является сложным в изготовлении, не позволяет управлять диаграммой направленности излучения и эффективно осуществлять сбор излучения источника.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является светодиод [см. пат. СССР, N 1819488, МПК H 01 L 33/00, приор. 04.06.91], включающий выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности, формы которых взаимно согласованы, одна из которых выполнена зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной сферической зоной, и установленный в объеме оптического элемента на его оптической оси в фокусе оптического элемента источник излучения с плоскостью излучения, обращенной в сторону выходной поверхности. Это устройство не позволяет управлять диаграммой направленности выходящего излучения и эффективно собирать излучение источника.

Нами создан излучатель, позволяющий управлять диаграммой направленности, не изменяя формы оптических поверхностей, и без потерь общей световой энергии направлять точно известное количество световой энергии в заданные зоны телесного угла. При этом, когда пропускание светоделителя минимально, более 90% излучения СИД можно преобразовать в поток с углом расхождения не более ±2^o. Кроме того, излучатель обладает улучшенными потребительскими качествами, а именно повышена устойчивость к неблагоприятным атмосферным условиям - воздействию влаги, абразивному действию песка и пыли, а также ультрафиолетового излучения.

Такой технический эффект получен нами, когда в излучателе, включающем выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности, формы которых взаимно согласованы, одна из которых выполнена зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной зоной, имеющей отличные от периферийной оптические свойства, и установленный в объеме оптического элемента на его оптической оси и в его фокусе источник излучения с плоскостью излучения, обращенной в сторону выходной поверхности, новым является то, что центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, согласование формы поверхностей выполнено с учетом соотношений 0 ≤ β ≤ 2π , где β есть телесный угол, в котором распространяется излучение источника, γ → 0, где γ есть угол расхождения выходящего излучения, а диаметр светоделителя выбран так, что излучение источника попадает на светоделитель под углом меньшим угла полного внутреннего отражения /ПВО/.

Подходы к выбору способов согласования поверхностей с указанной функциональной зависимостью и ограничениями в оптике известны.

Использование полиметилметакрилата позволяет изготовить оптический элемент с высокой точностью формы и оптическим качеством поверхностей, а также применять найденные нами оптические просветляющие покрытия и получать устойчивые к атмосферным воздействиям и ультрафиолетовому излучению изделия.

На фиг. 1 показана оптическая схема излучателя. Здесь обозначения: оптический элемент - 1, зеркально-отражающая поверхность - 2, прозрачная зона - 3 выходной поверхности с просветляющим покрытием, светоделитель - 4 выходной поверхности, светоизлучающий диод - 5 на радиаторе 6, зона - 7 заполнения иммерсионной средой, фокальная плоскость - 8; ОО' - оптическая ось, β′ - проекция телесного угла распространения излучения источника, γ - угол расхождения выходящего излучения, стрелками обозначен ход лучей.

На фиг. 2 показана диаграмма направленности излучения источника, когда пропускание светоделителя равно 0,4%. Здесь Y - относительная плотность мощности потока излучения, X - угол размещения фотоприемного устройства относительно оптической оси излучателя, град.

На фиг. 3 показана диаграмма направленности излучения источника, когда пропускание светоделителя равно 40%. Y - относительная плотность мощности потока излучения, X - угол размещения фотоприемного устройства относительно оптической оси излучателя, град.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1).

Светоизлучающий диод 5 генерирует излучение со случайным распределением интенсивности в заданном спектральном диапазоне. Благодаря тому что формы поверхностей 2, 3, 4 выполнены с учетом возможности полного сбора излучения СИД независимо от диаграммы направленности его излучения, коэффициент использования этого излучения увеличен. Уменьшение телесного угла 2π стерадиан даже на несколько градусов может привести к качественному снижению эффективности, поскольку существуют СИД, у которых наибольшая доля излучаемой энергии сконцентрирована в боковых зонах диаграммы направленности. Выбранное положение светящейся поверхности в фокальной плоскости оптического элемента обеспечивает выполнение условий согласования формы оптических поверхностей. Центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, поэтому часть излучения, которая попадает на него, в соответствии с коэффициентом пропускания светоделителя выходит наружу. Диаграмма направленности этой доли излучения формируется исходя из размеров светящейся поверхности СИД и угла поля зрения из этой поверхности на светоделитель. Другая часть излучения отражается от светоделителя и, благодаря выбранным формам поверхностей, попадает на зеркально-отражающую поверхность, затем отражается от нее, доходит до прозрачной просветленной поверхности и выходит наружу. Угол расхождения γ выходящего излучения стремится к нулю, поток излучения стремится к параллельному, что позволяет получать наибольшую осевую силу излучения. Часть излучения СИД поступает на прозрачную зону выходной поверхности, но под углом, большим угла ПВО, поэтому отражается от нее и попадает на периферию задней зеркально-отражающей поверхности, отражается от нее, вновь поступает на прозрачную выходную поверхность, теперь под углом меньшим угла ПВО и выходит наружу. Все световые потоки, излучаемые СИД в пределах телесного угла 2π, выходят из оптического элемента, испытывая не более двух отражений, что обеспечивает высокую эффективность и малые потери излучения.

Примеры конкретного исполнения.

Методики измерений.

1. Методика измерения эффективности излучателя. Излучение СИД направляют в фотометрический шар так, что все его излучение попадает внутрь. Регистрируют показания фотоприемного устройства. Затем СИД помещают в оптический элемент и повторяют измерение. Сравнивая показания, определяют эффективность как долю энергии СИД, вышедшую из излучателя,%.

2. Методика измерения диаграммы направленности. Излучатель размещают на оптической скамье. В заданной точке пространства размещают фотоприемное устройство так, что оно может перемещаться по окружности с радиусом, равным расстоянию между излучателем и входным окном фотоприемного устройства. Включают питание СИД, фиксируют угол между оптической осью излучателя (см фиг. 1) и направлением на фотоприемное устройство и регистрируют величину плотности мощности светового потока Вт/см² Повторяют измерения при различных углах и строят диаграмму направленности. Для направления, совпадающего с оптической осью излучателя, определяют осевую силу излучения, Вт/ср.

3. Методика измерения влагостойкости. Излучатель с измеренными по методикам 1 и 2 оптическими характеристиками помещают в дистиллированную воду при комнатной температуре и оставляют на 48 часов. Проводят повторные измерения и определяют степень отклонения измеренной величины от первоначальной. Если эти отклонения превышают 10% измеряемой величины, потребительские качества считают неприемлемыми.

4. Методика измерения оптических свойств в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Измеряют коэффициент зеркального отражения, %, на плоском свидетеле под углом ≤ 45^o в спектральном диапазоне 200-360 нм на спектрофотометре типа СФ-20.

5. Методика оценки пригодности материала для изготовления оптического элемента. Измеряют геометрическое положение точек поверхности изготовленного оптического элемента относительно данных, рассчитанных по уравнениям согласования формы, с точностью не хуже ± 5 мкм. Отклонение на величину более 15 мкм считается неприемлемым.

6. Методика измерения устойчивости к абразивному воздействию песка и пыли. На вибрирующую поверхность помещают емкость, заполненную полировальным порошком со средним размером зерен 1 мкм. На свидетеле измеряют коэффициент диффузного рассеяния на длине волны 0,6 мкм на приборе типа СФ-18. Исходная величина равна 0,3%. Оптические свидетели и излучатели с различными типами оптических вакуумных покрытий, с измеренными по методике 1 и 2 оптическими характеристиками размещают на порошке оптической поверхностью вниз на 15 минут. Проводят повторные измерения. Изменение измеряемой величины более чем на 5% считается неприемлемым.

Пример 1. Был изготовлен оптический элемент со световой апертурой, равной 40 мм. Зеркально-отражающая поверхность выполнена по уравнению y² - 77,42^x + 6,4549x² - 3,5897x³ + 0,7429x⁴ - 0,0644x⁵ = 0, выходная поверхность выполнена по уравнению у² + x² = 56,23², где x, y - координаты точек, принадлежащих оптическим поверхностям, 56,23 - радиус сферы, мм. Эти уравнения обеспечивают взаимное согласование формы оптических поверхностей в соответствии с выбранными условиями и наложенными ограничениями. Светоделитель был выполнен с коэффициентом отражения, равным 99,6%, и коэффициентом пропускания, равным 0,4%, его диаметр равен 7,5 мм. Отражающие поверхности и светоделитель выполнены вакуумным напылением серебра и имеют коэффициент зеркального отражения в рабочем спектральном диапазоне 98,8%. Оптические поверхности изготовлены с точностью ±7 мкм и не имеют визуально обнаруживаемых дефектов шероховатости. Оптический элемент выполнен из полиметилметакрилата с трехслойным просветляющим покрытием - окись иттрия λ/4, окись скандия λ/2, окись кремния λ/4. Внутри оптического элемента в фокальной плоскости с точностью ±3 мкм был размещен светоизлучающий диод /СИД/ в форме квадрата со стороной 1,1 мм. Пространство между СИД и материалом оптического элемента заполнено иммерсионной средой с показателем преломления, равным 1,488. Мощность излучения СИД в спектральном диапазоне 805 нм равна 50 мВт. Средняя сила излучения составляет 0,05 Вт/2π = 0,008 Вт/ср.

Были получены следующие результаты. Эффективность излучателя была равна 93%. 90% энергии было сосредоточено в телесном угле ±1,0^o, где сила излучения была равна ~39 Вт/ср. Коэффициент отражения в УФ-спектральном диапазоне составил ~20%. Устойчивость к воздействию влаги высокая, при испытаниях изменений не обнаружено. Величина отклонения формы поверхности от расчетной не превышала ± 6 мкм. При испытаниях на воздействие песка и пыли - величина диффузного рассеяния без изменений. Диаграмма направленности показана на фиг 2.

Пример 2. Использован оптический элемент по всем характеристикам подобный тому, который был использован в примере 1, кроме характеристик светоделителя. Светоделитель был выполнен с коэффициентом отражения 60% и коэффициентом пропускания 40%. Диаграмма направленности излучения показана на фиг. 3, при этом сила излучения в осевом направлении составляет 23 Вт/ср. Потери энергии в процессе преобразования не обнаружены. Остальные показатели - без изменений.

Для сравнения приведены результаты испытаний излучателей, выполненных с использованием известных в настоящее время решений.

Пример 3. Использован оптический элемент по геометрическим и оптическим характеристикам аналогичный тому, который использован в примере 1, но с просветляющим покрытием, выполненным из одного слоя MgF₂. Были получены следующие результаты. Эффективность использования излучения СИД была равна 91%. 90% энергии было сосредоточено в телесном угле ±1,2^o. Сила излучения в осевом направлении была равна 27 Вт/ср. Коэффициент отражения в УФ-спектральном диапазоне составил ~ 6%. Величина отклонения формы поверхности от расчетной не превышала ±5 мкм. Устойчивость к воздействию песка и пыли уменьшена - величина коэффициента диффузного рассеяния равна 1,9%. При испытаниях на устойчивость к воздействию влаги обнаружены отслоения оптических покрытий, после чего осевая сила света излучения оказалась равной 11 Вт/ср. Следовательно, оптические качества излучателя существенно ухудшены.

Пример 4. По методикам, предложенным нами, были пересчитаны результаты испытаний, приведенные в прототипе. Эффективность использования излучения СИД была равна 9%. 90% энергии было сосредоточено в телесном угле ±5^o. Сила излучения в осевом направлении была равна 0,8 Вт/ср. Оптические качества излучателя существенно хуже.

Таким образом, предложенная нами конструкция излучателя и выбранные условия взаимного согласования формы оптических поверхностей позволяют значительно, часто не менее чем в 10 раз повысить осевую силу излучения и преобразовать световой поток, направляя его в заданные зоны пространства. Такие результаты существенно расширяют технические возможности устройств, в основу которых положены предлагаемые излучатели, за счет увеличения дистанции уверенного контроля световых параметров в заданных зонах пространства. Предложенные излучатели удобны в эксплуатации и показывают стабильные результаты.

Данное изобретение позволяет приступить к созданию излучателей нового класса с коэффициентом преобразования электрической энергии в световую до 20 - 30% и осевой силой света в сотни Вт/ср. Такие устройства могут быть использованы в качестве источников освещения, а также в разнообразных сигнальных устройствах и крупноразмерных устройствах построения изображений. В настоящее время по предложенному техническому решению изготовлено около 200 излучателей с различными СИД и прорабатывается вопрос об организации производства с производительностью 200 тысяч штук в год.

Излучатель включает выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности. Одна из поверхностей выполнена зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной зоной, имеющей отличные от периферийной оптические свойства. В объеме оптического элемента установлен на его оптической оси и в его фокусе источник излучения с плоскостью излучения, обращенной в сторону выходной поверхности. При этом, формы поверхностей взаимно согласованы с учетом соотношений 0≤β≤2π, где β есть телесный угол, в котором распространяется излучение источника, γ →0, где γ есть угол расхождения выходящего излучения. Центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, а диаметр светоделителя выбран так, что излучение источника попадает на него под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения. Обеспечивается возможность изменения диаграммы направленности без изменения формы оптических поверхностей, а также повышена устойчивость к неблагоприятным атмосферным условиям. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Излучатель, включающий выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности, формы которых взаимно согласованы, одна из которых выполнены зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной зоной, имеющей отличные от периферийной оптические свойства, и установленный в объеме оптического элемента на его оптической оси и в его фокусе источник излучения с плоскостью излучения, обращенной с сторону выходной поверхности, отличающийся тем, что центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, условия согласования формы поверхностей найдены с учетом соотношений 0 ≤ β ≤ 2π, где β есть телесный угол, в котором распространяется излучение источника, γ → 0, где γ есть угол расхождения выходящего излучения, а диаметр светоделителя выбран так, что излучение источника попадает на него под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения. 2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала оптического элемента выбран полиметилметакрилат, а просветляющее покрытие выполнено многослойным, при этом первый и последний слои выполнены четвертьволновыми из оксидов элементов 2 или 3 группы таблицы Менделеева, причем последний слой выполнен из оксида материала с высокой механической прочностью.