EP4399946A1 - Dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d'impulsions lumineuses - Google Patents

Dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d'impulsions lumineuses

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EP4399946A1
EP4399946A1 EP22789251.0A EP22789251A EP4399946A1 EP 4399946 A1 EP4399946 A1 EP 4399946A1 EP 22789251 A EP22789251 A EP 22789251A EP 4399946 A1 EP4399946 A1 EP 4399946A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
pulses
emitting diode
current
generator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22789251.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Yannick Deshayes
Laurent MASSOL
Corentin RIPPOL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Led Engineering Development
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Led Engineering Development
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
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Filing date
Publication date
Application filed by Led Engineering Development, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Led Engineering Development
Publication of EP4399946A1 publication Critical patent/EP4399946A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30Driver circuits
    • H05B45/32Pulse-control circuits
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30Driver circuits
    • H05B45/345Current stabilisation; Maintaining constant current

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of generation of light pulses, in particular a device of light-emitting diodes generating light pulses.
  • Light-emitting diodes or LEDs (acronym for Light Emitting Diode) are opto-electronic devices capable of emitting a light beam when an electric current passes through them. They generally emit in the visible.
  • Such a device requires a particular power supply.
  • the power supply circuit must ensure that the maximum current admissible by the light-emitting diode is not exceeded.
  • the LED component can be supplied with direct current continuously.
  • the luminous flux is in this case proportional to the junction current.
  • the supply of the LED component can also be in pulsed current control mode in the form of a signal which comprises a succession of electrical pulses.
  • This control mode is also known as PWM (acronym for Pulse Width Modulation).
  • the intensity of the current injected is generally between 100mA and 10A, nominal current of the structure of the LED component.
  • the pulse duration is usually between 10 ps and 1 ms. Between two pulses, the LED component must have time to cool down.
  • the duty cycle which corresponds to the ratio between the pulse duration and the period of the pulses, must be chosen large enough for the cooling of the LED component.
  • the duty cycle generally varies between 1 to 100%.
  • the luminous flux varies according to the average current of the square signal.
  • the PWM control mode allows the light-emitting diodes to generate light beams with a light intensity suitable for lighting.
  • the light pulses generated are used mainly for lighting, they are not suitable in terms of energy density and directivity for use in fields such as the decontamination of surfaces of objects, the analysis physics of the samples, or to equip imaging devices such as a lidar (acronym for Light And Ranging). These applications mainly use light pulses generated by laser diodes which have a relatively high manufacturing cost.
  • a light-emitting diode device generating light pulses comprising:
  • At least one light-emitting diode suitable for emitting a light beam in a range of working wavelengths
  • a supply circuit for said at least one light-emitting diode comprising a generator of an electric current signal intended to supply said at least one light-emitting diode, the current signal comprising a series of electric pulses defined according to the following parameters:
  • said at least one light-emitting diode being connected to the generator to be supplied with electrical pulses so that the light beam generated comprises a series of light pulses having a pulse duration of between 1 ns and 1 ps.
  • the intensity of the current delivered by the generator is n times greater than the nominal value of the supply current of said light-emitting diode, n being an integer greater than 2, preferably between 10 and 100.
  • the intensity of the current delivered by the generator is between 0.1 and 240 A.
  • Said at least one light-emitting diode is suitable for emitting light pulses according to a working wavelength of between 250 and 1500 nm, preferably between 250 and 800 nm.
  • the device comprises at least two light-emitting diodes arranged in series, preferably ten diodes arranged in series.
  • the device comprises at least two light-emitting diodes arranged in parallel.
  • the device comprises at least two groups of light-emitting diodes arranged in parallel, each group comprising at least two light-emitting diodes arranged in series.
  • the device further comprises a voltage source suitable for supplying the electric current generator.
  • the pulse current generator and said at least one light-emitting diode are fixed on a printed circuit.
  • Figure 1 is a schematic view of a light emitting diode device generating light pulses according to one embodiment.
  • Figure 2 is a schematic view of a light-emitting diode device generating light pulses comprising a plurality of light-emitting diodes in parallel.
  • Figure 3 is a schematic view of a light emitting diode device generating light pulses comprising a plurality of light emitting diodes in series.
  • Fig. 4 is a schematic view of a light emitting diode device generating light pulses comprising a plurality of light emitting diodes in series.
  • Figure 4 is a schematic view of a device of light-emitting diodes generating light pulses comprising several groups of light-emitting diodes in series, the groups being mounted in parallel.
  • Figure 5 shows a curve of irradiance per pulse as a function of frequency obtained with a device of Figure 1.
  • Figure 6 shows a plot of irradiance per pulse versus duty cycle obtained with a device of Figure 1.
  • Figure 7 shows a curve of irradiance per pulse as a function of the current injected at 25°C with a pulse duration of 1 ps, at 20 kHz.
  • Figure 8 represents a photo showing the profile of the electrical pulse (curve A) and the electrical response (curve (B) of the light-emitting diode.
  • energy density means a quantity of energy per unit volume.
  • frequency means the number of pulses per second.
  • the irradiance designates the quantity of energy of a radiation arriving at normal incidence per unit of surface considered.
  • the light pulses generated by conventional devices based on light-emitting diodes are generally used in the field of lighting. Indeed, the energy density contained in these pulses is insufficient to obtain photonic effects during the interaction between the surface of an object and the light beam. It is difficult to envisage the solution which would simply consist in increasing the number of LEDs to increase the energy density because the number of LEDs required to achieve the required energy density would make the manufacture of such a device expensive and complex. The other solution which would consist in increasing the supply current is also difficult to envisage. Indeed, LEDs operate with a nominal current generally between 10 mA and 10 A.
  • the inventors of the present invention propose using a specific power supply circuit which makes it possible to drive the diodes with electric pulses of short pulse durations of less than 1 ps and in overcurrent.
  • the inventors observe that the diodes powered by such electrical pulses can generate light pulses whose pulse duration is substantially equal to that of the electrical pulses.
  • the shortness of the pulses makes it possible to concentrate the energy over an extremely short time window, so as to reach very high intensities.
  • the fact of using light pulses makes it possible to minimize the energy deposited per pulse in order to avoid thermal effects while having a sufficient energy density to cause photonic effects at the level of the irradiated surface.
  • the amount of energy generated by such light pulses makes it possible to act on the irradiated surface and to obtain photonic effects that are impossible to obtain with light pulses generated with conventional devices with LEDs which are supplied with current. continuous or electrical pulses but at pulse durations greater than 10 ps.
  • the frequencies used for the light pulses also make it possible to be able to treat large surfaces.
  • the device of the present disclosure is based on the use of an electrical pulse generator which drives one or more light-emitting diodes by associating a specific and optimal combination of several parameters of the current signal, namely the duration of pulse, frequency, duty cycle and current intensity.
  • the device 1 comprises a light-emitting diode 6 (or “LED”), adapted to emit a light beam having a spectral profile of light intensity centered around a working wavelength.
  • a light-emitting diode 6 or “LED”
  • spectral profile of light intensity in a wavelength range of a diode means the different values of light intensity emitted by this diode depending on the wavelength.
  • the working wavelength corresponds to the wavelength of the maximum intensity of the diode's luminous intensity spectral profile.
  • the working wavelength of a diode varies between 250 and 1500 nm.
  • the working wavelengths are chosen according to the needs of the applications.
  • the wavelengths corresponding to the wavelength range between 100 and 280 nm allow the light beam emitted by the diode to interact superficially with the irradiated surface. These are UV-C wavelengths. Conversely, UV-A and UV-B wavelengths penetrate deep inside an object. Thus, in the context of decontamination of the surface of a fragile object, it is preferable to choose a working wavelength in a UV-C type wavelength range in order to preserve the integrity of the object.
  • the light-emitting diodes are typically diodes of the LED chip type ("LED Chip”) mounted on a printed circuit 4 or PCB (Printed Circuit Board).
  • the device 1 further comprises a power supply circuit intended to supply electric current to the light-emitting diode 6. More precisely, the power supply circuit comprises a generator 2 of an electric current signal comprising a series of pulses electrical. Generator 2 is also mounted on PCB 4.
  • the electrical intensity signal varies as a function of time I (t) and comprises a succession of electrical pulses which are defined according to the following parameters:
  • the duty cycle designates the ratio between the duration of the pulse and the period of the pulses
  • the intensity of the current delivered by the generator is n times greater than the nominal value of the supply current of said light-emitting diode, n being an integer greater than 2, preferably between 10 and 100.
  • the intensity of the current is between 0.1 and 240 A.
  • the light-emitting diode powered by such electrical pulses is capable of generating a light beam which comprises a series of light pulses having a pulse duration of between 1 ns and 1 ps.
  • the pulse profile of the diode is identical to the profile of the injected electric pulse. The shortness of the pulses makes it possible to concentrate the laser energy over an extremely short time window, so as to achieve high energy densities to interact with the environment while avoiding thermal effects.
  • the energy density, also known by the term “fluence”, of each light pulse is between 0.1 and 10 nJ/cm 2 measured by a detector placed approximately 10 cm from the light-emitting diode.
  • the irradiance of each pulse is between 100 and 10,000 lux (W/m 2 ) measured by a detector placed 3 m from the light-emitting diode.
  • the device may comprise at least two light-emitting diodes, arranged in parallel to emit a spectral profile of light intensity centered around a working wavelength.
  • the number of LEDs is not limited.
  • the device 10 comprises "n” light emitting diodes arranged in parallel, "n” being an integer greater than one.
  • the diodes 6 emit the light beam at the same working wavelength and have the same rated current.
  • the “n” light-emitting diodes are typically diodes of the LED chip type (“LED Chip”) mounted on a printed circuit 4 or PCB (Printed Circuit Board).
  • the device 10 comprises a power supply circuit intended to supply electric current to the "n" diodes.
  • the power supply circuit identical to that of FIG. 1, comprises a generator of an electric current signal 2 comprising a series of electric pulses. Generator 2 is also mounted on PCB 4.
  • the electrical intensity signal varies as a function of time I (t) and comprises a succession of electrical pulses which are defined according to the following parameters:
  • the duty cycle designates the ratio between the duration of the pulse and the period of the pulses
  • the intensity of the current delivered by the generator is n times greater than the nominal value of the supply current of said light-emitting diode, n being an integer greater than 2, preferably between 10 and 100.
  • the light-emitting diodes powered by such electric pulses are capable of generating a light beam which comprises a series of light pulses having a pulse duration comprised between 1 ns and 1 ps.
  • the profile of the diode pulses is identical to the profile of the injected electrical pulse.
  • the energy density of each light pulse is between 10 and 100 nJ/cm 2 .
  • the irradiance of each pulse is between 100 and 10,000 lux (W/m 2 ) measured by a detector placed 3 m from the light-emitting diode.
  • the device comprises at least two light-emitting diodes, arranged in series to emit a spectral light intensity profile centered around a working wavelength.
  • the device 20 may comprise "n" light-emitting diodes arranged in series.
  • Diodes 6 emit the light beam at the same working wavelength and have the same nominal current.
  • the device comprises three diodes arranged in series.
  • the “n” light-emitting diodes arranged in series are typically diodes of the LED chip type (“LED Chip”) mounted on a printed circuit 4 or PCB (Printed Circuit Board).
  • the device 10 comprises a power supply circuit intended to supply electric current to the “n” diodes.
  • the power supply circuit identical to that of FIG. 1, comprises a generator of an electric current signal 2 comprising a series of electric pulses. Generator 2 is also mounted on PCB 4.
  • the electrical intensity signal varies as a function of time I (t) and comprises a succession of electrical pulses which are defined according to the following parameters:
  • the intensity of the current delivered by the generator is n times greater than the nominal value of the supply current of said light-emitting diode, n being an integer greater than 2, preferably between 10 and 100. Typically the intensity of the current delivered is between 0.1 and 240 A.
  • the light-emitting diodes powered by such electrical pulses are capable of generating a light beam which comprises a series of light pulses having a pulse duration of between 1 ns and 1 ps.
  • the profile of the diode pulses is identical to the profile of the injected electrical pulse.
  • the energy density of each light pulse is between 10 and 1000 nJ/cm 2 .
  • the irradiance of each pulse is between 1000 and 100000 lux measured by a detector placed 3 m from the light-emitting diodes.
  • the device 20 comprises at least two groups of light-emitting diodes arranged in parallel. Each group comprises at least two light-emitting diodes arranged in series. The diodes emit the light beam at the same working wavelength and have the same nominal current.
  • the device 20 may comprise "n" groups of light-emitting diodes arranged in parallel. Each group includes m light-emitting diodes. Preferably, the number “m” does not exceed ten.
  • the device comprises three groups of diodes arranged in parallel.
  • Each of the groups comprises three diodes arranged in series.
  • the light-emitting diodes chosen are typically diodes of the LED chip type ("LED Chip”) mounted on a printed circuit 4 or PCB (Printed Circuit Board). They are preferably of GaN structure.
  • the device 10 comprises a power supply circuit intended to supply electric current to the plurality of diodes.
  • the power supply circuit identical to that of figure 1, comprises a generator of an electric current signal 2 comprising a series of electric pulses.
  • Generator 2 is also mounted on PCB 4.
  • the electrical intensity signal varies as a function of time I (t) and comprises a succession of electrical pulses which are defined according to the following parameters:
  • the duty cycle designates the ratio between the duration of the pulse and the period of the pulses
  • the intensity of the current delivered is between 0.1 and 240 A.
  • the intensity of the current delivered by the generator is n times greater than the nominal value of the supply current of said light-emitting diode, n being an integer greater than 2, preferably between 10 and 100.
  • the light-emitting diodes powered by such electrical pulses are capable of generating a light beam which comprises a series of light pulses having a pulse duration of between 1 ns and 1 ps.
  • the profile of the diode pulses is identical to the profile of the injected electrical pulse.
  • the energy density of each light pulse is between 10 and 100 nJ/cm 2 .
  • the irradiance of each pulse is between 100 and 10,000 lux measured by a detector placed 3 m from the light-emitting diode.
  • the device of the present invention thus makes it possible to be able to modulate the power required according to the applications targeted by the device.
  • Irradiance measurements are obtained with the device of FIG. 1 as a function of the frequency of the electrical pulses, of the intensity of the injected current, of the duty cycle for a pulse duration of 1 ps.
  • the diode used in this example is a diode in GaN structure and suitable for emitting a light beam with a working wavelength of 280 nm.
  • the measurements are carried out at a temperature of 25°C.
  • the measurements show that the device of FIG. 1 generates pulses having a form identical to that of the electrical pulses.
  • Figure 5 shows a curve of irradiance as a function of the frequency of the electrical pulses with a pulse duration of 1 ps and a maximum current of 1 A.
  • the behavior of the diode remains linear and therefore makes it possible to increase the frequency to obtain a higher average irradiance.
  • the maximum irradiance reached is approximately 100 W/m 2 . This value corresponds to approximately 10 times the maximum irradiance reached by the same diode in direct current at 80 mA which is the rated current of the diode.
  • Figure 6 shows an irradiance curve as a function of the duty cycle. Note that the behavior of the diode remains linear for a duty cycle of less than 3%.
  • Figure 8 shows two curves A and B respectively representative of the injected electrical pulse and the electrical response of the diode. It is observed that the shape of the diode response signal is substantially identical to the shape of the electrical pulse.
  • the light-emitting diode devices generating light pulses presented above can be applied in a wide variety of fields of application. Indeed, the device of the present invention proposes to drive one or more light-emitting diodes in electrical pulses with unconventional parameters in order to generate light pulses of duration between 1 ns and 1 ps, to confine the energy of the light beam in order to to be able to deliver a desired quantity of energy close to the light beams generated by laser diodes.
  • Such light pulses thus make it possible to interact with the surface of the irradiated objects without altering their integrity. They can be used, for example, to effectively and quickly decontaminate a surface. They can also be used in the field of laser or lidar detection (acronym for light detection and ranging). Thanks to the current generator, it is possible to vary easily the parameters of the electrical pulses so as to generate light pulses with characteristics adapted according to the applications.

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  • Led Devices (AREA)

Abstract

Un dispositif (1) de diodes électroluminescentes génératrices d'impulsions lumineuses comprenant : - au moins une diode électroluminescente (6) adaptée pour émettre un faisceau lumineux dans une plage de longueurs d'onde de travail; - un circuit d'alimentation de ladite au moins une diode électroluminescente comprenant un générateur (2) d'un signal de courant électrique destiné à alimenter ladite au moins une diode électroluminescente (6), le signal de courant comprenant une série d'impulsions électriques définies selon les paramètres suivants : - une durée d'impulsions électriques comprises entre 1 ns et 1 µs; - un rapport cyclique compris entre 0.1 et 2%; - une fréquence de répétition comprise entre 1 kHz et 1 MHz; - une intensité supérieure à la valeur nominale du courant d'alimentation de ladite au moins une diode électroluminescente (6); - ladite au moins une diode électroluminescente (6) étant connectée au générateur (2) pour être alimentée en impulsions électriques de sorte que le faisceau lumineux généré comprend une série d'impulsions lumineuses ayant une durée d'impulsions comprise entre 1 ns et 1 µs.

Description

DISPOSITIF DE DIODES ELECTROLUMINESCENTES GENERATRICES D’IMPULSIONS LUMINEUSES
Domaine technique
[0001] La présente divulgation relève du domaine de génération d’impulsions lumineuses, notamment un dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses.
Technique antérieure
[0002] Les diodes électroluminescentes, ou LED (acronyme anglais de Light Emitting Diode) est un dispositif opto-électronique capable d’émettre un faisceau lumineux lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Elles émettent généralement dans le visible.
[0003] Actuellement, elles constituent un des composants les plus utilisés dans le domaine d’éclairage. Ce composant est caractérisé par une réponse courant-puissance linéaire, et une modulation de la puissance optique par variation de courant.
[0004] Un tel dispositif nécessite une alimentation électrique particulière. En particulier, le circuit d’alimentation doit assurer de ne pas dépasser le courant maximal admissible par la diode électroluminescente.
[0005] On distingue principalement deux modes de pilotage des alimentations des LEDs. Le composant LED peut être alimenté en courant direct en continu. Le flux lumineux est dans ce cas proportionnel au courant de jonction.
[0006] L’ alimentation du composant LED peut être également en mode de pilotage en courant pulsé sous forme d’un signal qui comprend une succession d’impulsions électriques. Ce mode de pilotage est également connu sous le nom PWM (acronyme anglais de Pulse Width Modulation). L’intensité du courant injecté est généralement comprise entre 100mA et 10A, courant nominal de la structure du composant LED. La durée d’impulsion est généralement comprise entre 10 ps et 1 ms. Entre deux impulsions, le composant LED doit avoir le temps de refroidir. Aussi, le rapport cyclique, qui correspond au rapport entre la durée d’impulsion et la période des impulsions, doit être choisi suffisamment grand pour le refroidissement du composant LED. Le rapport cyclique varie généralement entre 1 à 100%. Dans le mode de pilotage en courant pulsé, le flux lumineux varie en fonction du courant moyen du signal carré. Le fait d’alimenter la LED en courant pulsé au lieu du courant continu permet d’obtenir des intensités lumineuses plus importante. Le mode de pilotage en PWM permet aux diodes électroluminescentes de générer des faisceaux lumineux avec une intensité lumineuse adaptée pour l’éclairage. [0007] Cependant, les impulsions lumineuses générées sont utilisées principalement pour l’éclairage, elles ne sont pas adaptées en termes de densité d’énergie et de directivité pour une utilisation dans des domaines tels que la décontamination de surfaces des objets, l’analyse physique des échantillons, ou pour équiper des dispositifs d’imagerie tels qu’un lidar (acronyme anglais de Light And Ranging). Ces applications utilisent principalement des impulsions lumineuses générées par des diodes laser qui présentent un coût de fabrication relativement important.
[0008] Ainsi, il existe un besoin d’une solution améliorée de dispositifs de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses avec une puissance optique plus importante, afin de pouvoir élargir le domaine d’application, tout en proposant un dispositif simple à mettre en oeuvre, avec un coût de fabrication faible.
Résumé
[0009] La présente divulgation vient améliorer la situation.
[0010] Il est proposé un dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses comprenant :
- au moins une diode électroluminescente adaptée pour émettre un faisceau lumineux dans une plage de longueurs d’onde de travail ;
- un circuit d’alimentation de ladite au moins une diode électroluminescente comprenant un générateur d’un signal de courant électrique destiné à alimenter ladite au moins une diode électroluminescente, le signal de courant comprenant une série d’impulsions électriques définies selon les paramètres suivants :
- une durée d’impulsions électriques comprises entre 1 ns et 1 ps ;
- un rapport cyclique compris entre 0.1 et 2% ;
- une fréquence de répétition comprise entre 1 kHz et 1 MHz ;
- une intensité supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite au moins une diode électroluminescente ;
- ladite au moins une diode électroluminescente étant connectée au générateur pour être alimentée en impulsions électriques de sorte que le faisceau lumineux généré comprend une série d’impulsions lumineuses ayant une durée d’impulsions comprise entre 1 ns et 1 ps.
[0011] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en oeuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : [0012] L’ intensité du courant délivré par le générateur est n fois supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite diode électroluminescente, n état un nombre entier supérieur à 2, de préférence compris entre 10 et 100.
[0013] L’ intensité du courant délivré par le générateur est comprise entre 0.1 et 240 A.
[0014] Ladite au moins une diode électroluminescente est adaptée pour émettre des impulsions lumineuses selon une longueur d’onde de travail comprise entre 250 et 1500 nm, de préférence entre 250 et 800 nm.
[0015] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins deux diodes électroluminescentes agencées en série, de préférence dix diodes agencées en série.
[0016] Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend au moins deux diodes électroluminescentes agencées en parallèle.
[0017] Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif comprend au moins deux groupes de diodes électroluminescentes agencés en parallèle, chaque groupe comprenant au moins deux diodes électroluminescentes agencées en série.
[0018] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre une source de tension adaptée pour alimenter le générateur de courant électrique.
[0019] De préférence, le générateur de courant impulsionnel et ladite au moins une diode électroluminescente sont fixées sur un circuit imprimé.
Brève description des dessins
[0020] D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
[0021] [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique d’un dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses selon un mode de réalisation.
Fig. 2
[0022] [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique d’un dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes en parallèle.
Fig. 3
[0023] [Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique d’un dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes en série. Fig. 4
[0024] [Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique d’un dispositif de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses comprenant plusieurs groupes de diodes électroluminescentes en série, les groupés étant en montés en parallèle.
Fig. 5
[0025] [Fig. 5] La figure 5 montre une courbe d’irradiance par impulsion en fonction de la fréquence obtenue avec un dispositif de la figure 1 .
Fig. 6
[0026] [Fig. 6] La figure 6 montre une courbe d’irradiance par impulsion en fonction du rapport cyclique obtenue avec un dispositif de la figure 1 .
Fig. 7
[0027] [Fig. 7] La figure 7 montre une courbe d’irradiance par impulsion en fonction du courant injecté à 25°C avec une durée d’impulsion de 1 ps, à 20 kHz.
Fig. 8
[0028] [Fig. 8] La figure 8 représente une photo montrant le profil de l’impulsion électrique (courbe A) et la réponse électrique (courbe (B) de la diode électroluminescente.
Description des modes de réalisation
[0029] Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant
[0030] On entend, dans le cadre de la présente demande de brevet, par « densité d’énergie », une quantité d’énergie par unité de volume.
[0031] On entend, dans le cadre de la présente demande de brevet, par « fréquence », le nombre d’impulsions par seconde.
[0032] Dans le cadre de la présente demande, l’irradiance désigne la quantité d’énergie d’un rayonnement arrivant à l’incidence normale par unité de surface considérée.
[0033] Les impulsions lumineuses générées par les dispositifs conventionnels à base de diodes électroluminescentes sont utilisées généralement dans le domaine d’éclairage. En effet, la densité d’énergie contenue dans ces impulsions est insuffisante pour obtenir des effets photoniques lors de l’interaction entre la surface d’un objet et le faisceau lumineux. Il est difficile d’envisager la solution qui consisterait simplement à augmenter le nombre de LEDs pour augmenter la densité d’énergie car le nombre de LEDs requis pour atteindre la densité d’énergie requise rendrait la fabrication d’un tel dispositif coûteux et complexe. L’autre solution qui consisterait à augmenter le courant d’alimentation est également difficilement envisageable. En effet, les LEDs fonctionnent avec un courant nominal généralement compris entre 10 mA et 10 A.
[0034] En partant de cette constatation, les inventeurs de la présente invention proposent d’utiliser un circuit d’alimentation spécifique qui permet d’attaquer les diodes avec des impulsions électriques de courtes durées d’impulsion inférieures à 1 ps et en mode de surintensité. Les inventeurs constatent que les diodes alimentées par de telles impulsions électriques peuvent générer des impulsions lumineuses dont la durée d’impulsion est sensiblement égale à celle des impulsions électriques. La brièveté des impulsions permet de concentrer l’énergie sur une fenêtre temporelle extrêmement courte, de manière à atteindre des intensités très élevées. Le fait d’utiliser des impulsions lumineuses permet de minimiser l’énergie déposée par impulsion afin d’éviter des effets thermiques tout en ayant une densité d’énergie suffisante pour provoquer des effets photoniques au niveau de la surface irradiée.
[0035] Ainsi, la quantité d’énergie générée par de telles impulsions lumineuses permet de pouvoir agir sur la surface irradiée et d’obtenir des effets photoniques impossibles à obtenir avec des impulsions lumineuses générées avec les dispositifs conventionnés à LEDs qui sont alimentées en courant continu ou en impulsions électriques mais à des durées d’impulsions supérieures à 10 ps.
[0036] De plus, les fréquences utilisées des impulsions lumineuses permettent également de pouvoir traiter des grandes surfaces.
[0037] Le dispositif de la présente divulgation repose sur l’utilisation d’un générateur d’impulsions électriques qui pilote une ou plusieurs diodes électroluminescentes en associant une combinaison spécifique et optimale de plusieurs paramètres du signal de courant, à savoir la durée d’impulsion, la fréquence, le rapport cyclique et l’intensité du courant.
[0038] En référence à la figure 1 , un dispositif de diodes électroluminescentes émettrices d’impulsions lumineuses selon un mode de réalisation est décrit.
[0039] Le dispositif 1 comprend une diode électroluminescente 6 (ou « DEL »), adaptée pour émettre un faisceau lumineux ayant un profil spectral d’intensité lumineuse centré autour d’une longueur d’onde de travail.
[0040] On entend par « profil spectral d’intensité lumineuse dans une plage de longueur d’onde » d’une diode, les différentes valeurs d’intensité lumineuse émises par cette diode en fonction de la longueur d’onde. La longueur d’onde de travail correspond à la longueur d’onde de l’intensité maximale du profil spectral d’intensité lumineuse de la diode. La longueur d’onde de travail d’une diode varie entre 250 et 1500 nm.
[0041] Les longueurs d’onde de travail sont choisies en fonction des besoins des applications.
[0042] Sans être lié à une quelconque théorie, les longueurs d’onde correspondant à la plage de longueur d’onde comprise entre 100 et 280 nm permettent au faisceau lumineux émis par la diode d’interagir superficiellement avec la surface irradiée. Ce sont des longueurs d’onde des UV-C. A l’inverse, les longueurs d’onde des UV-A et UV-B pénètrent en profondeur à l’intérieur d’un objet. Ainsi, dans le cadre d’une décontamination de la surface d’un objet fragile, il est préférable de choisir une longueur d’onde de travail dans une plage de longueur d’onde de type UV-C afin de préserver l’intégrité de l’objet.
[0043] Les diodes électroluminescentes sont typiquement des diodes de type puces DELs (« LED Chip ») montées sur un circuit imprimé 4 ou PCB (Printed Circuit Board).
[0044] Le dispositif 1 comprend en outre, un circuit d’alimentation destiné à alimenter en courant électrique la diode électroluminescente 6. Plus précisément le circuit d’alimentation comprend un générateur 2 d’un signal de courant électrique comprenant une série d’impulsions électriques. Le générateur 2 est également monté sur le circuit imprimé 4.
[0045] Le signal d’intensité électrique varie en fonction du temps I (t) et comprend une succession d’impulsions électriques qui sont définies selon les paramètres suivants :
- une durée d’impulsions électriques comprise entre 1 ns et 1 ps ;
- un rapport cyclique comprise entre 0,01 et 2 %, le rapport cyclique désigne le rapport entre la durée de l’impulsion et la période des impulsions ;
- -une fréquence des impulsions comprise entre 1 kHz et 1 MHz ;
- un courant d’intensité supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de la diode.
[0046] Selon un mode de réalisation, l’intensité du courant délivré par le générateur est n fois supérieur à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite diode électroluminescente, n état un nombre entier supérieur à 2, de préférence compris entre 10 et 100. L’intensité du courant est comprise entre 0.1 et 240 A.
[0047] La diode électroluminescente alimentée par de telles impulsions électriques est apte à générer un faisceau lumineux qui comprend une série d’impulsions lumineuses ayant une durée d’impulsions comprise entre 1 ns et 1 ps. Le profil des impulsions de la diode est identique au profil de l’impulsion électrique injectée. La brièveté des impulsions permet de concentrer l’énergie laser sur une fenêtre temporelle extrêmement courte, de manière à atteindre des densités d’énergie élevées pour interagir avec l’environnement tout en évitant des effets thermiques.
[0048] La densité d’énergie, également connue sous le terme « fluence », de chaque impulsion lumineuse est compris entre 0,1 et 10 nJ/cm2 mesurée par un détecteur placé à environ 10 cm de la diode électroluminescente. L’irradiance de chaque impulsion est comprise entre 100 et 10000 lux (W/m2) mesurée par un détecteur placé à 3 m de la diode électroluminescente.
[0049] En référence à la figure 2, un dispositif 10 de diodes électroluminescentes émettrices d’impulsions lumineuses selon un autre mode de réalisation est décrit ci- dessous.
[0050] Le dispositif peut comprendre au moins deux diodes électroluminescentes, agencées en parallèle pour émettre un profil spectral d’intensité lumineuse centré autour d’une longueur d’onde de travail. Dans cette configuration, le nombre de LEDs n’est pas limité.
[0051] Sur la figure 2, le dispositif 10 comprend « n » diodes électroluminescentes agencées en parallèle, « n » étant un nombre entier supérieur à un.
[0052] Selon un exemple de réalisation, les diodes 6 émettent le faisceau lumineux à une même longueur d’onde de travail et ont le même courant nominal.
[0053] Comme dans le dispositif de la figure 1 , les « n » diodes électroluminescentes sont typiquement des diodes de type puces LEDs (« LED Chip ») montées sur un circuit imprimé 4 ou PCB (Printed Circuit Board).
[0054] Le dispositif 10 comprend un circuit d’alimentation destiné à alimenter en courant électrique les « n » diodes. Le circuit d’alimentation, identique à celui de la figure 1 , comprend un générateur d’un signal de courant électrique 2 comprenant une série d’impulsions électriques. Le générateur 2 est également monté sur le circuit imprimé 4.
[0055] Le signal d’intensité électrique varie en fonction du temps I (t) et comprend une succession d’impulsions électriques qui sont définies selon les paramètres suivants :
- une durée d’impulsions électriques comprise entre 1 ns et 1 ps ;
- un rapport cyclique comprise entre 0,01 et 2 %, le rapport cyclique désigne le rapport entre la durée de l’impulsion et la période des impulsions ;
- -une fréquence des impulsions comprise entre 1 kHz et 1 MHz ; - un courant d’intensité supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de la diode.
[0056] Selon un mode de réalisation, l’intensité du courant délivrée par le générateur est n fois supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite diode électroluminescente, n état un nombre entier supérieur à 2, de préférence compris entre 10 et 100.
[0057] Les diodes électroluminescentes alimentées par de telles impulsions électriques sont aptes à générer un faisceau lumineux qui comprend une série d’impulsions lumineuses ayant une durée d’impulsions comprise entre 1 ns et 1 ps. Le profil des impulsions de la diode est identique au profil de l’impulsion électrique injectée. La densité d’énergie, de chaque impulsion lumineuse est comprise entre 10 et 100 nJ/cm2. L’irradiance de chaque impulsion est comprise entre 100 et 10000 lux (W/m2) mesurée par un détecteur placé à 3 m de la diode électroluminescente.
[0058] En référence à la figure 3, un dispositif 10 de diodes électroluminescentes émettrices d’impulsions lumineuses selon un autre mode de réalisation est décrit ci- dessous.
[0059] Le dispositif comprend au moins deux diodes électroluminescentes, agencées en série pour émettre un profil spectral d’intensité lumineuse centré autour d’une longueur d’onde de travail.
[0060] Le dispositif 20 peut comprendre « n » diodes électroluminescentes agencées en série. De préférence, le dispositif comprend dix (n = 10) diodes. Les diodes 6 émettent le faisceau lumineux à une même longueur d’onde de travail et ont le même courant nominal.
[0061] Sur la figure 3 et à titre d’exemple, le dispositif comprend trois diodes agencées en série.
[0062] Comme dans le dispositif de la figure 1 , les « n » diodes électroluminescentes agencées en série sont typiquement des diodes de type puces LEDs (« LED Chip ») montées sur un circuit imprimé 4 ou PCB (Printed Circuit Board).
[0063] Le dispositif 10 comprend un circuit d’alimentation destiné à alimenter en courant électrique les « n » diodes. Le circuit d’alimentation, identique à celui de la figure 1 , comprend un générateur d’un signal de courant électrique 2 comprenant une série d’impulsions électriques. Le générateur 2 est également monté sur le circuit imprimé 4.
[0064] Le signal d’intensité électrique varie en fonction du temps I (t) et comprend une succession d’impulsions électriques qui sont définies selon les paramètres suivants :
- une durée d’impulsions électriques comprise entre 1 ns et 1 ps ; - un rapport cyclique comprise entre 0.1 et 3 %, le rapport cyclique désigne le rapport entre la durée de l’impulsion et la période des impulsions ;
- une fréquence des impulsions comprise entre 1 kHz et 1 MHz ;
- un courant d’intensité supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de la diode.
[0065] Selon un mode de réalisation, l’intensité du courant délivrée par le générateur est n fois supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite diode électroluminescente, n état un nombre entier supérieur à 2, de préférence compris entre 10 et 100. Typiquement l’intensité du courant délivré est comprise entre 0.1 et 240 A.
[0066] Les diodes électroluminescentes alimentées par de telles impulsions électriques sont aptes à générer un faisceau lumineux qui comprend une série d’impulsions lumineuses ayant une durée d’impulsions comprise entre 1 ns et 1 ps. Le profil des impulsions de la diode est identique au profil de l’impulsion électrique injectée. La densité d’énergie, de chaque impulsion lumineuse est comprise entre 10 et 1000 nJ/cm2. L’irradiance de chaque impulsion est comprise entre 1000 et 100000 lux mesurée par un détecteur placé à 3 m des diodes électroluminescentes.
[0067] En référence à la figure 4, un dispositif 10 de diodes électroluminescentes émettrices d’impulsions lumineuses selon un autre mode de réalisation est décrit ci- dessous.
[0068] Le dispositif 20 comprend au moins deux groupes de diodes électroluminescentes agencés en parallèle. Chaque groupe comprend au moins deux diodes électroluminescentes agencées en série. Les diodes émettent le faisceau lumineux à une même longueur d’onde de travail et ont le même courant nominal.
[0069] Le dispositif 20 peut comprendre « n » groupes de diodes électroluminescentes agencées en parallèle. Chaque groupe comprend m diodes électroluminescentes. De préférence, le nombre « m » ne dépasse pas dix.
[0070] Sur la figure 4 et à titre d’exemple, le dispositif comprend trois groupes de diodes agencés en parallèle. Chacun des groupes comprend trois diodes agencées en série.
[0071] Comme dans le dispositif de la figure 1 , les diodes électroluminescentes choisies sont typiquement des diodes de type puces LEDs (« LED Chip ») montées sur un circuit imprimé 4 ou PCB (Printed Circuit Board). Elles sont de préférence de structure GaN.
[0072] Le dispositif 10 comprend un circuit d’alimentation destiné à alimenter en courant électrique la pluralité des diodes. Le circuit d’alimentation, identique à celui de la figure 1 , comprend un générateur d’un signal de courant électrique 2 comprenant une série d’impulsions électriques. Le générateur 2 est également monté sur le circuit imprimé 4.
[0073] Le signal d’intensité électrique varie en fonction du temps I (t) et comprend une succession d’impulsions électriques qui sont définies selon les paramètres suivants :
- une durée d’impulsions électriques comprise entre 1 ns et 1 ps ;
- un rapport cyclique comprise entre 0.1 et 3 %, le rapport cyclique désigne le rapport entre la durée de l’impulsion et la période des impulsions ;
- une fréquence des impulsions comprise entre 1 kHz et 1 MHz ;
- un courant d’intensité supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de la diode. Typiquement l’intensité du courant délivré est comprise entre 0.1 et 240 A.
[0074] Selon un mode de réalisation, l’intensité du courant délivrée par le générateur est n fois supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite diode électroluminescente, n état un nombre entier supérieur à 2, de préférence compris entre 10 et 100.
[0075] Les diodes électroluminescentes alimentées par de telles impulsions électriques sont aptes à générer un faisceau lumineux qui comprend une série d’impulsions lumineuses ayant une durée d’impulsions comprise entre 1 ns et 1 ps. Le profil des impulsions de la diode est identique au profil de l’impulsion électrique injectée. La densité d’énergie, de chaque impulsion lumineuse est comprise entre 10 et 100 nJ/cm2. L’irradiance de chaque impulsion est comprise entre 100 et 10000 lux mesurée par un détecteur placé à 3 m de la diode électroluminescente.
[0076] Il est ainsi possible d’augmenter la puissance du faisceau émis par le dispositif en agençant plusieurs diodes électroluminescentes en série, en parallèle ou une combinaison des deux configurations. Le dispositif de la présente invention permet ainsi de pouvoir moduler la puissance requise en fonction des applications visées par le dispositif.
Exemple 1
[0077] Des mesures d’irradiance sont obtenues avec le dispositif de la figure 1 en fonction de la fréquence des impulsions électriques, de l’intensité du courant injecté, du rapport cyclique pour une durée d’impulsion de 1 ps. La diode utilisée dans cet exemple est une diode en structure GaN et adaptée pour émettre un faisceau lumineux de longueur d’onde de travail de 280 nm. Les mesures sont réalisées à une température de 25 °C. Les mesures montrent que le dispositif de la figure 1 génère des impulsions ayant une forme identique à celle des impulsions électriques. [0078] La figure 5 montre une courbe d’irradiance en fonction de la fréquence des impulsions électriques avec une durée d’impulsion de 1 ps et un courant maximal de 1A. On note que le comportement de la diode reste linéaire et permet donc d’augmenter la fréquence pour obtenir une irradiance moyenne plus élevée. Ainsi, pour une fréquence de 20 kHz, c’est-à-dire 20 000 impulsions électriques par seconde, l’irradiance maximale atteinte est d’environ 100 W/m2. Cette valeur correspond à environ 10 fois l’irradiance maximale atteinte par la même diode en courant continu à 80 mA qui est le courant nominal de la diode.
[0079] La figure 6 montre une courbe d’irradiance en fonction du rapport cyclique. On note que le comportement de la diode reste linéaire pour un rapport cyclique inférieur à 3 %.
[0080] La figure 7 montre la linéarité de l'irradiance en fonction du courant pour une impulsion de 1 ps à 20 kHz. L'irradiance maximale atteinte est de 100 W/m2 par impulsion.
[0081] La figure 8 montre deux courbes A et B représentatives respectivement de l’impulsion électrique injectée et de la réponse électrique de la diode. On observe que la forme du signal de la réponse de la diode est sensiblement identique à la forme de l’impulsion électrique.
[0082] Les résultats montrent qu’il est possible d’augmenter le courant largement supérieur au courant nominal de la diode et la fréquence jusqu’à 100 kHz pour augmenter l’irradiance et d’augmenter ainsi la performance du dispositif.
Application industrielle
[0083] Les dispositifs de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses présentés ci-avant peuvent trouver à s’appliquer dans une grande diversité de domaines d’applications. En effet, le dispositif de la présente invention propose de piloter un ou plusieurs diodes électroluminescentes en impulsions électriques avec des paramètres non conventionnels afin de générer des impulsions lumineuses de durée comprise entre 1 ns et 1 ps, pour confiner l’énergie du faisceau lumineux afin de pouvoir délivrer une quantité d’énergie souhaitée proche des faisceaux lumineux générés par des diodes laser.
[0084] De tels impulsions lumineuses permettent ainsi d’interagir avec la surface des objets irradiés sans altérer leur intégrité. Elles peuvent être utilisées par exemple pour décontaminer de manière efficace et rapide une surface. Elles peuvent également être utilisées dans le domaine de la détection par laser ou lidar (acronyme anglais de light detection and ranging). Grâce au générateur de courant, il est possible de faire varier facilement les paramètres des impulsions électriques de manière à générer des impulsions lumineuses avec des caractéristiques adaptées selon les applications.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Dispositif (1 ) de diodes électroluminescentes génératrices d’impulsions lumineuses comprenant :
- au moins une diode électroluminescente (6) adaptée pour émettre un faisceau lumineux dans une plage de longueurs d’onde de travail ;
- un circuit d’alimentation de ladite au moins une diode électroluminescente comprenant un générateur (2) d’un signal de courant électrique destiné à alimenter ladite au moins une diode électroluminescente (6), le signal de courant comprenant une série d’impulsions électriques définies selon les paramètres suivants :
- une durée d’impulsions électriques comprises entre 1 ns et 1 ps ;
- un rapport cyclique compris entre 0.1 et 2% ;
- une fréquence de répétition comprise entre 1 kHz et 1 MHz ;
- une intensité supérieure à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite au moins une diode électroluminescente (6) ;
- ladite au moins une diode électroluminescente (6) étant connectée au générateur (2) pour être alimentée en impulsions électriques de sorte que le faisceau lumineux généré comprend une série d’impulsions lumineuses ayant une durée d’impulsions comprise entre 1 ns et 1 ps.
[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’intensité du courant délivré par le générateur est n fois supérieur à la valeur nominale du courant d’alimentation de ladite diode électroluminescente, n état un nombre entier supérieur à 2, de préférence compris entre 10 et 100.
[Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’intensité du courant délivré par le générateur est comprise entre 0.1 et 240 A.
[Revendication 4] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant au moins deux diodes électroluminescentes agencées en série, de préférence dix diodes agencées en série.
[Revendication 5] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant au moins deux diodes électroluminescentes agencées en parallèle.
[Revendication 6] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant au moins deux groupes de diodes électroluminescentes agencés en parallèle, chaque groupe comprenant au moins deux diodes électroluminescentes agencées en série.
[Revendication 7] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite au moins une diode électroluminescente est adaptée pour émettre des impulsions lumineuses selon une longueur d’onde de travail comprise entre 250 et 1500 nm, de préférence entre 250 et 800 nm.
[Revendication 8] Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre une source de tension adaptée pour alimenter le générateur de courant électrique. [Revendication 9] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le générateur de courant impulsionnel (2) et ladite au moins une diode électroluminescente (6) sont fixées sur un circuit imprimé (4).
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