Светоизлучающий диодный модуль

Светоизлучающий диодный модуль содержит о меньшей мере один расположенный на теплоотводящем элементе (6) полупроводниковый светоизлучающий диод (1), помещенный в сплошной светопрозрачный корпус (2) с торцовой световыводящей поверхностью (3) и боковой поверхностью (5) в виде эллиптического параболоида, не выводящей излучение за счет полного внутреннего отражения, выполненный из материала (4), прозрачного для излучения, с показателем преломления n_m>n_b. Световыводящая поверхность (3) сплошного светопрозрачного корпуса (2) снабжена дифракционным оптическим элементом (7). 9 з.п., 3 илл.

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении мощных широко направленных 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 по меньшей мере один излучающий кристалл, выполненный из InGaAIN, конический отражатель и люминофор, расположенный удаленно от излучающих 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 по существу с 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, а светоизлучающий кристалл залит непосредственно в полимерный пластик. Такая конструкция возможна только для маломощных светодиодов. Увеличение мощности светодиода предполагает увеличение плотности протекаемого через светоизлучающий кристалл тока. Это приводит к разогреву светоизлучающего кристалла и его разрушению, из-за различия в коэффициентах термического расширения светоизлучающего 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.

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 _м<n_к. 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:

;

где: n_b - показатель преломления окружающей среды (воздуха);

n_m - показатель преломления материала корпуса;

f(х) - производная функции f(x);

х - координата точки на кривой f(x);

- расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.

В пространственном изображении 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 светоизлучающего кристалла на оси симметрии полностью собирают и выводят через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое полупроводниковым кристаллом.

Основные недостатки известной конструкции СИДМ заключаются в следующем. Известная конструкция СИДМ не обеспечивает получение углов излучения в широком интервале значений. 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 светоизлучающего 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 к светоизлучающий кристалл. Поэтому для увеличения мощности излучения и величины светового потока СИДМ через полупроводниковый светоизлучающий кристалл стараются пропустить как можно больший ток. Однако с увеличением величины тока, протекающего через полупроводниковый светоизлучающий 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 длина 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 светоизлучающего кристалла и выходу излучателя из строя. Обычно рабочая температура полупроводниковых светоизлучающих кристаллов не должна превышать величины 100-120°С. Поэтому через СИДМ не рекомендуется пропускать ток, при котором температура объема полупроводникового светоизлучающего кристалла была бы выше. При этом необходимо учитывать особенности конструкции СИДМ. В известной конструкции, где полупроводниковый светоизлучающий 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 полупроводниковый источник 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 его загрязнению, что в свою очередь, уменьшает световой поток.

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 СИДМ включает светоизлучающий полупроводниковый диод, помещенный в отражающий сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления n_m >n_b, 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:

,

где: n_b - показатель преломления окружающей среды (воздуха);

n_m - показатель преломления материала корпуса;

f(х) - производная функции f(x);

х - координата точки на кривой f(x), см;

- расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.

Отражающий корпус усечен по плоскости, параллельной его широкому основанию, на которой выполняется условие полного внутреннего отражения света, излучаемого светоизлучающим 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, указанные для светоизлучающего диодного модуля по патенту РФ 2055420. Конструкция СИДМ-прототипа также 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 кристалла полупроводникового светоизлучающего диода 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 является разработка мощного светоизлучающего диодного модуля, который позволяет получать углы излучения в широком интервале при значительном уменьшении потери света.

Поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает по меньшей мере один светоизлучающий полупроводниковый диод расположенный на теплоотводящем элементе, залитый в сплошной светопрозрачный корпус с торцовой световыводящей поверхностью, выполненный из материала, прозрачного для излучения, с показателем преломления n_m>n _b, при этом боковая поверхность сплошного светопрозрачного корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, а на световыводящей поверхности выполнен микрорельеф в виде дифракционного оптического элемента.

Полупроводниковый светоизлучающий диод может быть расположен в центре фокальной плоскости сплошного светопрозрачного корпуса.

Сплошной светопрозрачный корпус может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала.

В качестве светопрозрачного полимерного материала может быть использован поликарбонат, или оптический эпоксидный компаунд, или оптический полиуретан, или прозрачный акрил.

Между сплошным светопрозрачным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом может быть залит оптически прозрачный гель или силикон, или эластичный полиуретан, или силиконовая жидкость с показателями преломления близким к показателю преломления сплошного светопрозрачного корпуса.

В настоящее время для формирования требуемой кривой силы света (диаграммы направленности) в светодиодных светильниках используют специальные линзы. Линзы имеют сложную пространственную геометрическую форму. Для каждого светодиода требуется своя отдельная линза. Линзовая оптика не позволяет получать сложные диаграммы направленности с равномерной засветкой. Как правило, большое количество светового потока рассеивается вне требуемой области. Для формирования диаграммы направленности сложной ассиметричной формы требуется несколько типов линзовых элементов, подобранных определенным образом по количеству и расположению в светильнике.

Эффективность линзовых элементов находится на уровне 60-70%. В ряде случаев может быть и менее 60-70%. Применение дифракционных оптических элементов (ДОЭ) позволяет более эффективно использовать световой поток светодиодов. Дифракционная оптика обеспечивает получение диаграммы направленности светового потока сложной формы (ассиметричной, узкой, широкой, правильной геометрической формы) с равномерной областью засветки с помощью одного оптического элемента. На пластике можно изготавливать массивы дифракционных элементов, что позволяет их сделать дешевыми и легко применимыми в конечном изделии. Дифракционные оптические элементы активно используются в различных оптических системах. Принцип действия ДОЭ, в отличие от традиционных линз, основан на использовании явления дифракции света. Отдельный ДОЭ представляет собой дифракционную решетку, которая изменяет направление света и формирует требуемый вид диаграммы направленности излучения. Потери света в дифракционных оптических элементах, выполненных на световыводящей поверхности корпуса полупроводникового светоизлучающего диода, составляют не более 4-5% и не зависят от углов излучения. Внешне такой дифракционный оптический элемент представляет собой поверхность с тонким фазовым микрорельефом (на уровне микрон), рассчитанным в рамках теории дифракции. ДОЭ обладают уникальными характеристиками, недостижимыми в рамках традиционной оптики, на основе законов которой рассчитываются обычные линзы.

В настоящем светоизлучающем диодном модуле потери света определяются только потерями света при выходе из корпуса светоизлучающего модуля и не зависят от углов излучения. Уменьшению потерь в данной конструкции светоизлучающего модуля способствует так же использование вместо коллиматорной вторичной оптики монолитно интегрированных полупроводниковых излучателей, которые исключают потери света, имеющие место в прототипе при вводе света в коллиматор. Поэтому, потери света в такой системе определяются только потерями света в ДОЭ, которые, как указано выше, составляют не более 4-5%.

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, показанный на фиг.1;

на фиг.3 показан вид сбоку на СИДМ с несколькими полупроводниковыми светоизлучающими диодами согласно настоящей полезной модели;

СИДМ согласно настоящей полезной модели включает один (см. фиг.1, фиг.2) или несколько (см. фиг.3) полупроводниковых светоизлучающих диодов 1. Каждый полупроводниковый светоизлучающий диод 1 помещен в сплошной светопрозрачный корпус 2 с торцовой световыводящей поверхностью 3. Сплошной светопрозрачный корпус 2 выполнен из материала 4, прозрачного для излучения, с показателем преломления n_m>n_b,. Сплошной светопрозрачный корпус 2 может быть выполнен, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, оптического полиуретана. Боковая невыводящая излучение поверхность 5 сплошного светопрозрачного корпуса 2, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. Полупроводниковый светоизлучающий диод 1 расположен на теплоотводящем элементе 6. Светоизлучающая поверхность 3 сплошного светопрозрачного корпуса 2 снабжена дифракционным оптическим элементом (ДОЭ) 7 ДОЭ может быть выполнен непосредственно на светоизлучающей поверхности 3, или прикреплен к ней оптическим прозрачным клеем или за счет адгезии. СИДМ может быть размещен в защитном корпусе 8.

СИДМ согласно одному воплощению настоящей полезной модели работает следующим образом. Например, из оптического полиуретана изготавливают сплошной светопрозрачный корпус 2, на оси симметрии которого размещают полупроводниковый светоизлучающий диод 1 с р-п-переходом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам полупроводникового светоизлучающего диода 1 световые лучи, испускаемые полупроводниковым 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 светопрозрачного корпуса 2, где находится ДОЭ 7. Проходя ДОЭ 7, лучи испытывают дифракцию, преломляются и под заданными углами выходят из ДОЭ 7.

СИДМ согласно еще одному воплощению настоящей полезной модели работает следующим образом. Например, из оптического эпоксидного компаунда изготавливают необходимое количество светопрозрачных корпусов 2, интегрированных в единый монолитный кластер (см. фиг.3) и снабженных ДОЭ 7 на световыводящей поверхности 3. На оси симметрии светопрозрачных корпусов 2 размещают полупроводниковые светоизлучающие диоды 1 с р-п-переходом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам полупроводниковых светоизлучающих диодов 1 световые лучи, испускаемые полупроводниковыми светоизлучающим диодами 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 с ДОЭ 7 сплошного светопрозрачного корпуса 2. Проходя ДОЭ 7, световые лучи испытывают дифракцию, преломляются и под заданными углами выходят из светопроводящей пластины. При выходе из ДОЭ 7 световые лучи от отдельных полупроводниковых светоизлучающих диодов 1 перемешиваются и суммарный световой поток, исходящий из модуля, увеличивается пропорционально количеству полупроводниковых светоизлучающих диодов.

Пример 1. На теплоотводящей пластине расположен белый полупроводниковый светоизлучающий диод, помещенный в сплошной полимерный светопрозрачный корпус, выполненный из оптического эпоксидного компаунда в виде эллиптического параболоида, отвечающего уравнению y² =7x. На световыводящей поверхности полимерного светопрозрачного корпуса нанесен ДОЭ, обеспечивающий диаграмму направленности с полушириной 20°. Результаты измерения углов излучения показали, что полуширина диаграммы направленности составляет 21°, что вполне укладывается в погрешность измерения. Измерение потери света показало, что в данной конструкции они составляют 7-8%.

Пример 2. На теплоотводящей пластине расположены белые полупроводниковые светоизлучающие диоды, в количестве 36 штук, помещенные в сплошной полимерный светопрозрачный корпус, выполненный из оптического полиуретана в виде эллиптического параболоида отвечающего уравнению у²=6х. На световы водя щей поверхности полимерного светопрозрачного корпуса нанесен ДОЭ, обеспечивающий диаграмму направленности с полушириной 60°. Результаты измерения углов излучения показали, что полуширина диаграммы направленности составляет 62°, что вполне укладывается в погрешность измерения. Измерение потери света показало, что в данной конструкции они составляют 6-7%. Проведенные измерения показали также, что световой поток и освещенность увеличиваются пропорционально увеличению количества используемых в модуле полупроводниковых светоизлучающих диодов.

1. Светоизлучающий диодный модуль, включающий, по меньшей мере, один полупроводниковый светоизлучающий диод, расположенный на теплоотводящем элементе, залитый в сплошной светопрозрачный корпус с торцовой световыводящей поверхностью, выполненный из материала, прозрачного для излучения, при этом боковая поверхность сплошного светопрозрачного корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, а световыводящая поверхность снабжена микрорельефом в виде дифракционного оптического элемента.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый светоизлучающий диод расположен в центре фокальной плоскости сплошного светопрозрачного корпуса.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что сплошной светопрозрачный корпус выполнен из светопрозрачного полимерного материала.

4. Модуль по п.3, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного полимерного материала использован поликарбонат.

5. Модуль по п.3, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного полимерного материала использован эпоксидный оптический компаунд.

6. Модуль по п.3, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного полимерного материала использован оптический полиуретан.

7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что между сплошным светопрозрачным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом залит оптически прозрачный гель с показателем преломления, близким к показателю преломления корпуса.

8. Модуль по п.1, отличающийся тем, что между сплошным светопрозрачным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом залит оптически прозрачный силикон с показателем преломления, близким к показателю преломления корпуса.

9. Модуль по п.1, отличающийся тем, что между сплошным светопрозрачным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом залит оптически прозрачный эластичный полиуретан с показателем преломления, близким к показателю преломления сплошного светопрозрачного корпуса.

10. Модуль по п.1, отличающийся тем, что между сплошным светопрозрачным корпусом и полупроводниковым светоизлучающим диодом залита оптически прозрачная силиконовая жидкость с показателем преломления, близким к показателю преломления сплошного светопрозрачного корпуса.