СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к классу осветительных и сигнальных систем, и может быть использовано на различных видах транспорта, например на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте, а также для внутреннего освещения различных помещений, наружной подсветки, для построения рекламных светящихся экранов, светофоров и других источников информации типа бегущей строки, табло и т.д. [1].

Использование кристаллов, излучающих свет в различной цветовой гамме оптического диапазона, дает возможность получения светодиодных устройств с широким разнообразием цветов и оттенков светового потока. Наиболее важными энергетическими параметрами светодиодного устройства являются осевая сила света и индикатриса распределения светового потока по углу расходимости светового излучения на выходе устройства, которые при одних и тех же параметрах излучения в очень большой степени зависят от конструкции собирающей линзы.

Известны светодиодные устройства, например, по патенту RU 2134000 С1 1999 г. [2], которое содержит источник излучения с одним или несколькими кристаллами света оптического диапазона, размещенными в углублении подложки с отражающей излучение боковой поверхностью, и собирающую линзу, выполненную из оптически прозрачного термопластичного материала с кольцевой растрово-конической ступенчатой поверхностью.

Недостатком этого устройства является то, что оно не обеспечивает возможности получения узконаправленного излучения на выходе системы и не позволяет использовать угол охвата излучения кристалла более чем ±(35°...40°).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является светодиодное устройство по патенту WO 2006/021837 А1, 2006 г. [3]. Указанное устройство содержит источник излучения с одним или несколькими кристаллами - излучателями света, одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона, размещенными на плато, и собирающую линзу, выполненную из оптически прозрачного термопластического материала, которая содержит по меньшей мере одну линзу Френеля, выполненную на торцевой поверхности, отрицательную линзу и отражающую поверхность в основании линзы, выполненные единым блоком из пластика, причем обе поверхности могут быть сферическими или асферическими.

Данная конструкция системы не позволяет получить высоких энергетических параметров, так как используемый угол охвата прямого излучения кристалла не превышает ±50°, в то время как прямое излучение кристалла распространяется в углах ±90°, что соответствует инидикатриссе излучения кристаллов, представленной на Фиг.1. Отрицательная линза и отражающая поверхность в основании линзы может использовать излучение не более σ_⊥≅8°...10° от вертикали к оптической оси. Следовательно, излучение кристалла используется линзой не полностью, а именно до Δσ₁≅30° попадает на боковую поверхность линзы. Боковая поверхность линзы ограничена плоскими поверхностями, вследствие чего излучение кристаллов, поступающее на эти поверхности, на выходе системы создает рассеянный свет, то есть образуются энергетические потери.

Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетических параметров устройства, а именно значительное увеличение осевой силы света при полном использовании прямого и бокового излучения кристалла с углом охвата не менее ±90° для формирования на выходе системы любой заданной индикатрисы излучения цветного или белого свет.

Эта цель достигается тем, что светодиодное устройство включает в себя источник излучения с одним или несколькими кристаллами-излучателями света оптического диапазона и собирающую линзу с торцевой растрово-конической системой (РКС), причем пространство между излучателями и линзой («колодец») заполнено полимеризирующим оптически прозрачным материалом. Боковая поверхность линзы выполнена в виде зеркальной асферической поверхности, размеры которой Д_зерк и d_зерк связаны с размерами торцевой линзы РКС Д_РКС и d_РКС и «колодца» Д_К и d_К зависимостями:

где , Д - наибольшие диаметры, и d - толщины элементов устройства вдоль оптической оси системы, а наименьший диаметр боковой зеркальной поверхности составляет Д₀=(0,8...1,3)Д_РКС, причем показатель преломления материала линзы n₂ больше, чем показатель преломления n₁ полимеризирующего материала «колодца». Поверхность излучателя может быть поднята над поверхностью плато на величину d₀=(0,1...1) мм. Боковая зеркальная поверхность может быть выполнена состоящей из растровых структур, имеющих одну ось или две плоскости симметрии, оптическая ось которых совпадает с оптической осью торцевой линзы РКС. Периферийная зона торцевой поверхности собирающей линзы может представлять собой коническую поверхность, образующая которой составляет с оптической осью угол от 90° до ±70°, причем наименьший ее диаметр соответствует Д_РКС, а наибольший диаметр равен Д_зерк. Источник излучения может содержать два или более кристалла, расположенных друг над другом по оптической оси собирающей линзы. В светодиодном устройстве собирающая линза может быть дополнена через воздушный промежуток плоскопараллельной пластиной или оптической линзой, имеющей оптическую силу любого знака, выполненную, в том числе, в виде растровой структуры.

На Фиг.2 в качестве примера представлена принципиальная схема предлагаемого светодиодного устройства. В его состав входят излучатель (1), размещенный на плато (2), и собирающая линза (3), причем пространство между излучателем и линзой («колодец») (4) заполнено полимеризирующим оптически прозрачным материалом, показатель преломления которого n₁ меньше, чем показатель преломления материала собирающей линзы. «Колодец» имеет диаметр Д_K и толщину d_К вдоль оптической оси от излучающей площадки кристалла, которая поднята над поверхностью плато на d₀=(0,1...1,0) мм. Боковая поверхность линзы (5) представляет собой зеркальную асферическую или растровую поверхность, ось которой совпадает с оптической осью собирающей линзы, а наименьший и наибольший диаметры этой поверхности равны соответственно Д₀ и Д_зерк, причем Д₀=(0,8...1,3)Д_PKC, где Д_PKC - наибольший диаметр растровой торцевой поверхности (6), связанной с Д_K и Д_зерк зависимостями

а величины d_зерк и d_PKC - толщины вдоль оптической оси от дна «колодца» зеркальной и торцевой растровой поверхностей. Торцевая поверхность (6) выполнена в виде растрово-конической структуры (РКС), а периферийная зона этой поверхности может представлять собой коническую поверхность (7), образующая которой составляет с оптической осью линзы угол от 90° до ±70°. Боковая и торцевая поверхности могут иметь одну ось или две плоскости симметрии, причем оптические оси этих поверхностей совпадают. Это дает возможность получить на выходе системы любую форму энергетического пучка в пространстве изображения.

Для повышения энергетических параметров на плато могут располагаться несколько кристаллов. В качестве излучателя могут быть использованы два или более кристаллов, расположенных друг над другом по оптической оси собирающей линзы. Кристаллы могут быть одного или разных цветов оптического диапазона, что позволяет получить узконаправленное излучение цветного или белого света с высокими энергетическими параметрами.

Дополнительная оптическая деталь (8), которая может быть установлена за линзой на некотором воздушном промежутке от нее, несет нагрузку не только защитного стекла для торцевой поверхности. Она может иметь оптическую силу за счет выполнения ее в виде плосковыпуклой, плосковогнутой линзы или системы РКС, как это показано соответственно на Фиг.3, 4, 5. Это позволяет получать дополнительную возможность управления расходимостью излучения на выходе системы в широких пределах.

На Фиг.6 приведена конкретная конструкция светодиодного устройства, соответствующего приведенному выше описанию предлагаемого изобретения.

Светодиодное устройство в качестве излучателя (1) имеет закрепленные на плато (2) три кристалла синего (λ=475 нм), зеленого (λ=522 нм) и красного (λ=630 нм) цвета, расположенные друг над другом по оптической оси собирающей линзы (3), что позволяет получить на выходе системы излучение белого света. Торец излучателя поднят над поверхностью плато на величину d₀=0,75 мм. Излучатель находится внутри «колодца» (4) диаметром Д_K=6,1 мм, причем расстояние от торца излучателя до дна «колодца» d_K=3,5 мм, а «колодец» заполнен оптически прозрачным веществом с показателем преломления n₁=1,404. Расстояние от дна «колодца» до торцевой поверхности собирающей линзы вдоль оптической оси d_PKC=4,85 мм. Собирающая линза (3) выполнена из термопластического оптического материала с показателем преломления n₂=1,56...1,61 в зависимости от длины волны излучения кристаллов. Торцевая поверхность линзы в пределах диаметра Д_PKC=12 мм выполнена в виде растрово-конической системы РКС (6). Периферийная зона торцевой поверхности линзы представляет собой коническую поверхность (7), образующая которой составляет угол ϕ_K=-72° с оптической осью линзы, причем наименьший диаметр конической поверхности равен диаметру РКС, то есть Ш12 мм. Боковая поверхность линзы выполнена в виде зеркальной асферической поверхности, описанной уравнением

где а₁=0,054, а₂=0,000185, а₃=0,000000406. Наименьший диаметр асферической поверхности равен Д₀=14 мм, что соответствует 1,17Д_РКС, наибольший диаметр асферической поверхности равен наибольшему диаметру торцевой поверхности линзы и составляет Д_зерк=28 мм.

Оптическая система обеспечивает использование углов охвата излучения кристаллов:

- через торец «колодца» σ₁=±43°,

- через боковую поверхность «колодца» σ₁=±43°...90°,

где σ₁ - угол луча прямого излучения кристалла с оптической осью линзы.

За счет подъема излучающей площадки кристалла на величину d₀=0,75 мм система позволяет использовать боковое излучение кристалла в пределах до σ_⊥=-4°, где σ_⊥ - угол луча с вертикалью к оптической оси кристалла. Таким образом общий угол охвата излучения кристалла для данного устройства составляет Σσ=±94°.

Угловая расходимость излучения на выходе системы (поз.1...7) для данной конкретной конструкции не превышает σ′=±3°.

На некотором расстоянии от собирающей линзы может быть расположена оптическая деталь (8), выполненная либо в виде плоскопараллельной пластины, либо в виде положительной или отрицательной линзы, либо в виде РКС. Плоскопараллельная пластина не изменяет углов расходимости на выходе системы и служит для защиты торцевой поверхности от внешних воздействий. Если использовать линзу с положительной оптической силой, например с фокусным расстоянием то угол излучения за системой может быть уменьшен в ˜1,5...2 раза. При использовании линзы с отрицательной оптической силой угол расходимости на выходе системы может быть увеличен до нужных величин, например позволяет увеличить σ′ в ˜3 раза. Если деталь (8) выполнить в виде системы с двумя осями симметрии, например, в виде цилиндрической линзы, то на выходе системы можно получить любую желаемую форму энергетического пучка.

Положительный эффект предлагаемой конструкции светодиодного устройства заключается в том, что она обеспечивает увеличение энергетических параметров на выходе системы не менее чем в 1,5 раза за счет использования значительно увеличенного угла охвата излучения кристалла в пределах σ₁=±94° (против σ₁=±60° в прототипе), возможность получения узконаправленного излучения белого света за счет расположения кристаллов друг над другом (в прототипе кристаллы располагаются на плато), а использование дополнительной оптической детали позволяет получить любую желаемую форму энергетического пучка на выходе системы при одной и той же конструкции собирающей линзы.

Источники информации

1. А.Берг, П.Дин. Светодиоды. - М.: Мир, 1979 г.

2. Патент РФ № RU 2134000 С1, кл. 6 Н01L 33/00, 1999 г.

3. Патент Англии № WO 2006/021837 А1, кл. H01L 33/00, 2006 г.

Светодиодное устройство включает источник излучения с одним или несколькими кристаллами - излучателями света оптического диапазона и собирающую линзу с торцевой растрово-конической системой (РКС), причем пространство между излучателями и линзой («колодец») заполнено полимеризирующим оптически прозрачным материалом. Боковая поверхность линзы выполнена в виде зеркальной асферической поверхности, размеры которой Д_зерк и d_зерк связаны с размерами торцевой линзы РКС Д_РКС и d_PKC и «колодца» Д_К и d_К определенными зависимостями, наименьший диаметр боковой зеркальной поверхности составляет Д₀=(0,8...1,3)Д_PKC. Показатель преломления материала линзы n₂ больше, чем показатель преломления n₁ полимеризирующего материала «колодца». Поверхность излучателя может быть поднята над поверхностью плато на величину d₀=(0,1...1) мм. Изобретение обеспечивает повышение энергетических параметров устройства, а именно значительное увеличение осевой силы света при полном использовании прямого и бокового излучения кристалла с углом охвата не менее ±90° для формирования на выходе системы любой заданной индикатрисы излучения цветного или белого света. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Светодиодное устройство, содержащее источник излучения с одним или несколькими кристаллами-излучателями света оптического диапазона, размещенный на плато, и собирающую линзу в виде растрово-конической системы (РКС), причем пространство между излучателями и линзой («колодец») заполнено полимеризирующим оптически прозрачным материалом, отличающееся тем, что боковая поверхность линзы выполнена в виде зеркальной асферической поверхности, размеры которой Д_зерк и d_зерк связаны с размерами торцевой линзы РКС Д_РКС и d_PKC и «колодца» Д_к и d_к зависимостями

где , Д - наибольшие диаметры и d - толщины элементов устройства вдоль оптической оси системы, а наименьший диаметр боковой зеркальной поверхности составляет Д₀=(0,8...1,3)Д_РКС, причем показатель преломления материала линзы n₂ больше, чем показатель преломления n₁ полимеризирующего материала «колодца», при этом поверхность излучателя поднята над поверхностью плато на величину d₀, равную от 0,1 мм до 1 мм.