RU2738948C1 - Спектрально-селективный источник излучения - Google Patents
Спектрально-селективный источник излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2738948C1 RU2738948C1 RU2019124009A RU2019124009A RU2738948C1 RU 2738948 C1 RU2738948 C1 RU 2738948C1 RU 2019124009 A RU2019124009 A RU 2019124009A RU 2019124009 A RU2019124009 A RU 2019124009A RU 2738948 C1 RU2738948 C1 RU 2738948C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- cone
- section
- base
- axis
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
- F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
- F21K9/68—Details of reflectors forming part of the light source
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/10—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers
- H01L25/13—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L33/00
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области светотехники и касается спектрально-селективного источника излучения. Источник излучения имеет полый корпус, выполненный в виде усеченного конуса с окном-линзой в малом основании для вывода излучения. Вдоль оси конуса установлен отражатель в виде конической пирамиды. Внутри конуса сформирована светоизлучающая мультиканальная структура, выполненная в виде полых каналов-секций, каждая из которых состоит из секции внутренней поверхности конуса с люминесцирующим слоем, и секции отражателя в виде вогнутой к оси конуса поверхности. В каждом канале-секции установлены по два светодиода. Первый светодиод установлен в стенке корпуса около большого основания конуса и предназначен для возбуждения люминесценции. Второй расположен в большом основании и является дополняющим светодиодом. Технический результат заключается в расширении спектрального диапазона, повышении эффективности фотонных преобразований и обеспечении возможности управления спектральными характеристиками. 3 ил.
Description
Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах. Может быть использовано для разработок и производства высокоэффективных источников с управляемым спектром излучения в медицине, технике, на транспорте, в быту.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Источники излучений в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолета (УФ, 100 нм) до дальне-инфракрасного (ИК, 20 мкм) - широко используются во всех сферах жизнедеятельности. Их действие основано на преобразовании энергии электрического поля или тока, электронного или светового потока в энергию излучений.
Основные положительные свойства источников излучения - высокие значения яркости, КПД преобразования, управляемость спектром. В последнее время злободневными становятся новые свойства - управление спектром излучения в готовом приборе.
Известен огромный класс монохромных светодиодов (СИД), в которых в гетероструктуре электрический ток преобразуется в свет [1, 2]. Они имеют присущие им недостатки - узкий спектральный диапазон и отсутствие управляемости спектром излучения в готовом приборе.
Широкое применение [1, 2] имеют белые светодиоды, в которых СИД синего света возбуждает люминофор в иммерсионной линзе, создавая и смешивая гамму из двух-трех цветов - полупроводниковый источник света, патенты РФ 2114492, 2349988; светоизлучающий диод, патент РФ 2484363; светодиод с оптикой, патент РФ 2512110; осветительное устройство, патенты РФ 2511720, 2518198;
Всем перечисленным выше вариантам присущи существенные недостатки - плохая управляемость спектром излучения от прибора к прибору и отсутствие таковой в готовом приборе. Спектр излучения в этих приборах полностью зависит от состава материалов излучающей структуры, который постоянен для готового прибора, и не зависит от условий питания. Кроме того, спектр этих приборов ограничен диапазоном видимого излучения.
Некоторое улучшение свойства управляемости спектром добиваются интеграцией элементов и смешением их излучения в микро- и макроисполнении, например, способ формирования светоизлучающих матриц - патенты РФ 2474920, 2492550, 2465683; источник света, содержащий светоизлучающие кластеры - патент РФ 2462002; тонкопленочное светодиодное устройство с возможностью поверхностного монтажа - патент 2372671; светильник - патент 2366120; светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты) - патент 2295174.
Во всех этих вариантах решается задача управления спектром света только в диапазоне от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм). При этом в микроинтегральных вариантах значительно растут световые потери, а технологии их исполнений сложны и дороги. Макро-исполнения, в которых простыми способами смешивают свет разных цветов, проявляет худшие свойства по сравнению с обычным широко используемым (стандартным) решением - использованием чипа синего света и бело-желтой люминесценции от люминофора, внедренного в материал контактной с чипом иммерсионной линзы [3].
При протекании тока через излучающую структуру в ней происходит люминесценция и излучение в иммерсионную линзу-интегратор. Линза содержит порошок люминофора, который возбуждается излучением светодиода и вместе с этим излучением создает свет нужной цветности. Линза, таким образом, выполняет роль пространственного интегратора излучения светодиода и его преобразования в свет с результирующими спектральными и энергетическими характеристиками. Поскольку спектр излучения полностью определяется используемыми материалами, его характеристики неизменны. Кроме того, спектральный диапазон излучения жестко ограничен интервалом длин волн люминесценции светодиода и линзы - от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм).
Указанные принципиальные ограничения в свойствах излучения светодиодов частично преодолеваются в варианте [4] благодаря использованию в качестве излучающей структуры вместо чипа - микроканальной пластины (МКП), в качестве люминесцирующей структуры - порошковые покрытия поверхности микроканалов, вместо линзы - специальных съемных пластинок. Устройство генерирует излучение в широком управляемом спектре в зависимости от свойств его элементов и режимов электропитания. Ограничивающим недостатком при этом является использование для возбуждения люминесценции эмиссии электронов в микроканалах, что усложняет структуру и существенно снижает эффективность преобразования.
Указанные выше недостатки аналогов преодолеваются в варианте прототипа [5] благодаря использованию нескольких оптически связанных излучающих ячеек, каждая из которых состоит из микроканального элемента, на поверхность микроканалов которого нанесен люминесцирующий состав, а к обоим торцам присоединены светодиодные чипы (СДЧ). Спектр излучения каждой ячейки зависит от состава люминесцирующего материала и излучения СДЧ. В зависимости от порядка и режима включения ячеек источник создает излучение сложного управляемого спектрального состава.
Как показали наши исследования [6], за счет сильного рассеяния света в микроканальной структуре значение аспектного числа (отношение длины канала к его диаметру) для случаев необходимой эффективности источника не превышает 10, что в несколько раз хуже его предельных значений. Это существенно снижает значения яркости света такого преобразователя. Кроме того, используемый в патентном решении отражатель, имея самую простую конструкцию, не является достаточно эффективным в части максимального вывода излучения и числа управляемых спектральных полос. Эти недостатки прототипа существенно ограничивают эффективность преобразования света.
Указанные недостатки прототипа значительно снижаются в предлагаемом варианте источника излучения. Это достигается тем, что используется мультиканальная структура, состоящая из нескольких каналов, каждый из которых сформирован как секция, в которой конструктивно объединены источники света (светодиоды), люминесцирующий слой и отражатель. При этом отражатель имеет специальную структуру, позволяющую повысить его эффективность.
Корпус источника выполнен как полый усеченный конус. Источник состоит из нескольких секций-каналов. Схема одной секции в разрезе приведена на фиг. 1, где:
1 - стенка конического корпуса с зеркальным покрытием 1.1;
2 - окно-линза в малом основании усеченного конуса-корпуса;
3 - отражатель с зеркальным покрытием в двух зонах: 3.1 и 3.2;
4 - основание отражателя - большое основание усеченного конуса-корпуса;
5 - светодиод дополняющий;
6 - светодиод возбуждающий;
7 - люминесцирующее покрытие.
На фиг. 2 приведен вид в разрезе по плоскости А-А фигуры 1.
Источник действует следующим образом.
При включении возбуждающего светодиода 6 его излучение попадает на отражатель 3 в зоне 3.1, отражается от его зеркальной поверхности на люминесцирующее покрытие 7, возбуждая его. Происходит люминесцентное излучение, которое попадает на отражатель 3 в зоне 3.2, отражаясь от него в окно-линзу 2.
При включении дополняющего светодиода 5 его излучение в основном проходит через окно-линзу и частично попадает на зеркальные поверхности стенки корпуса 1.1 и отражателя 3. отражаясь от них, попадает в окно-линзу.
Таким образом, одна секция позволяет получить излучение в двух спектральных диапазонах.
Как и в прототипе, спектральные полосы излучения светодиодов не совпадают и для каждого из них распределены в соотношении - λвозб<λJ<λдоп, где: λвозб - спектральная полоса возбуждающего светодиода. λдоп - дополняющего, λJ - спектральная полоса люминесценции.
В предлагаемой оптической структуре все элементы конструктивно связаны через важный геометрический параметр - угол излучения возбуждающего светодиода α. В зависимости от него должны быть рассчитаны или экспериментально подобраны высота и диаметры оснований усеченного конуса.
Возбуждающий светодиод 6 расположен в стенке конуса при большом основании и осью излучения направлен к оси конуса под углом от плоскости основания, близким к α, а дополняющий светодиод 5 установлен так, что его ось излучения направлена к окну-линзе. При этом угол направления в расположении светодиодов должен быть доведен экспериментально при настройке устройства для получения максимальной силы излучения на выходе окна-линзы
Отражатель 3 установлен вдоль оси конуса в виде конической пирамиды с основанием в плоскости большого основания 4 и вершиной - по центру малого основания 2.
Секция-канал источника, таким образом, выполнена в виде полой структуры, состоящей из секции внутренней поверхности стенки конуса 1 с люминесцирующим слоем 7 и секции отражателя 3 в виде вогнутой к оси конуса поверхности, образующие линии которой представляют собой: в плоскости осевого конического сечения - параболу 3.1 с началом на большом основании 4 и окончанием в центре малого основания 2, а в плоскости сечения, параллельной основаниям - дуги окружности или параболы 3*, опирающейся на поверхность конуса-корпуса 1*.
При этом отражатель имеет две зоны: первую 3.1 у большого основания 4 - для отражения возбуждающего излучения светодиода 6, вторую у малого основания 2 - для отражения возбужденного рассеянного люминесцентного излучения слоя 7.
Поскольку люминесцентное излучение слоя 7 направлено под широким углом (как рассеянный свет), необходимо принять меры по повышению направленности отражения от зоны отражателя 3.2. Это может быть достигнуто созданием рифленой вдоль оси конуса ячеисто-чешуйчатой поверхности в зоне 3.2. Такая ячейка и ход лучей в ней изображены на фиг. 3.
ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ
Главное предназначение заявленного варианта источника излучений - использование в аппаратуре с высокими требованиями и широкими возможностями по спектральным характеристикам.
Источник способен излучать спектрально управляемо (спектрально-селективно) в широкоспектральном диапазоне от видимого до дальнеинфракрасного. При этом в определенных интервалах возможна перестройка спектра за счет порядка включения и изменений режима питания светодиодов. Кроме того, величиной спектральной полосы излучения можно управлять, изменяя составы люминесцирующего слоя.
Примеры исполнения заявленного источника отличаются между собой числом секций-каналов, составами люминесцирующих материалов и светодиодами для каждого конкретного случая применений.
Для целей неинвазивного контроля составов биосред, например, необходим источник с четырьмя спектральными полосами в диапазоне от 1350 нм до 1850 нм [7].
Для такого источника достаточно структуры из двух секций. В качестве возбуждающего светодиода для обеих секций можно выбрать стандартные синий или ультрафиолетовый, а в качестве дополняющих - светодиоды ООО "АИБИ" (IBSG Co., Ltd. http://ibsg.ru/). В качестве люминесцирующего нанопорошка можно использовать коллоидные квантовые точки сульфида свинца НИИ ПА (Дубна, http://www.mosgid.ru/moskovskaya/dubna/9maya/nii-prikladnoy-akustiki.html).
Преимуществами заявленного варианта источника излучения являются: получение многообразия спектральных характеристик в одном приборном исполнении, возможность управления спектральными свойствами, высокая эффективность преобразований. Использование полупроводниковых квантовых точек позволяет получать на одном типе материала узкие управляемые спектральные полосы в широком спектральном диапазоне.
Благодаря этим свойствам заявленный источник излучений может иметь применения в направлениях использования в спектральных приборах в медицине, промышленности, науке, бытовых источниках «умный свет».
Использованные источники информации
1. Ю.Давиденко. Высокоэффективные современные светодиоды. современная электроника. Октябрь 2004. www.soel.ru/cms/f/?/311513.pdf/311513.pdf
2. Светодиодное освещение. http://specelec.ru/reference-book/item/38-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-2.html
3. Светодиодный блок. Патент РФ №2474928. Авторы: Сиденко К.Н., Полкунов С.В., Полкунов В.А., Ширанков А.Ф., Хорохоров А.М., Павлов В.Ю., Штыков С.А. Патентообладатель: ООО "Новые экологические технологии и оборудование" (RU). Приоритеты: подача заявки: 07.10.2011, начало действия патента: 07.10.2011, публикация патента: 10.02.2013.
4. Патент РФ 2557358. Источник излучения с изменяемым спектром. Приоритет 03.04.2014. Автор и патентообладатель Жуков Н.Д.
5. Патент 2661441 «Источник излучения с управляемым спектром». Приоритет - 22 июня 2017 г. Патентообладатель - ООО «Реф-Свет». Авторы: Жуков Н.Д., Хазанов А.А.. Шишкин М.И.
6. Шишкин М.И., Ягудин И.Т. Спектрально-селективный источник на квантовых точках для неинвазивных экспресс-анализаторов. Микро- и нанотехнологии в электронике. Материалы X Международной научно-технической конференции - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т.. 2018. - 478 с.
7. New Methodology to Obtain a Calibration Model for Noninvasive Near-Infrared Blood Glucose Monitoring / K.Maruo, T.Oota, M.Tsurugi et al. // Applied Spectroscopy, 2006, 60(4).
Claims (1)
- Спектрально-селективный источник излучения, имеющий: полый корпус с окном-линзой для вывода излучения, внутри которого сформирована светоизлучающая мультиканальная структура, каждый канал которой имеет люминесцирующий в своей спектральной полосе λJ слой своего полупроводникового нанопорошка, нанесенного на отражающий слой, возбуждаемого излучением отдельного (своего) светодиода с углом расходимости излучения α; к каждому каналу механически и оптически присоединены по два светодиода: один, возбуждающий - с излучением в спектральной полосе λвозб, другой, дополняющий - с излучением в спектральной полосе λдоп; спектральные полосы излучения светодиодов распределены в соотношении - λвозб<λJ<λдоп; внутри корпуса размещен отражатель света, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде усеченного конуса с углом при вершине α, в малом основании которого выполнено общее для всех каналов окно-линза, а в большом основании установлены дополняющие светодиоды, осью излучения направленные к окну-линзе; возбуждающие светодиоды расположены в стенке конуса при большом основании, осью излучения направленные к оси конуса под углом от плоскости основания, близким к α; при этом угол направления в расположении светодиодов доводится экспериментально при настройке устройства для получения максимальной силы излучения на выходе окна-линзы; вдоль оси конуса установлен отражатель в виде конической пирамиды с основанием в плоскости большого основания и вершиной - по центру малого основания; мультиканальная структура выполнена в виде полых секций-каналов, каждая из которых состоит из секции внутренней поверхности конуса с люминесцирующим слоем и секции отражателя в виде вогнутой к оси конуса поверхности, образующие линии которой представляют собой: в плоскости осевого конического сечения - параболу с началом на большом основании и окончанием в центре малого основания, в плоскости сечения, параллельной основаниям - дуги окружности или параболы, опирающейся на поверхность конуса-корпуса; отражатель имеет две зоны: первую у большого основания - для отражения возбуждающего излучения, вторую у малого основания - для отражения возбужденного рассеянного люминесцентного излучения, имеющую повышающую отражение рифленую вдоль оси конуса ячеисто-чешуйчатую поверхность.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124009A RU2738948C1 (ru) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Спектрально-селективный источник излучения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124009A RU2738948C1 (ru) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Спектрально-селективный источник излучения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2738948C1 true RU2738948C1 (ru) | 2020-12-18 |
Family
ID=73835182
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019124009A RU2738948C1 (ru) | 2019-07-30 | 2019-07-30 | Спектрально-селективный источник излучения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2738948C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU134286U1 (ru) * | 2013-04-05 | 2013-11-10 | Сергей Александрович Панин | Светодиодный источник белого света |
US8686644B2 (en) * | 2010-03-31 | 2014-04-01 | Ats Automation Tooling Systems Inc. | Light generator systems and methods |
RU2661441C1 (ru) * | 2017-06-22 | 2018-07-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет" | Источник излучения с управляемым спектром |
-
2019
- 2019-07-30 RU RU2019124009A patent/RU2738948C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8686644B2 (en) * | 2010-03-31 | 2014-04-01 | Ats Automation Tooling Systems Inc. | Light generator systems and methods |
RU134286U1 (ru) * | 2013-04-05 | 2013-11-10 | Сергей Александрович Панин | Светодиодный источник белого света |
RU2661441C1 (ru) * | 2017-06-22 | 2018-07-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет" | Источник излучения с управляемым спектром |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10907797B2 (en) | Light-emitting devices with reflective elements | |
RU2631554C2 (ru) | Светоизлучающее устройство с регулируемым цветом | |
EP3365598B1 (en) | Lighting device for example for spot lighting applications | |
US7722211B2 (en) | Light engine | |
US9541243B2 (en) | Light conversion assembly, a lamp and a luminaire | |
US9163802B2 (en) | Lighting fixtures using solid state device and remote phosphors to produce white light | |
CN103582778A (zh) | 基于led的照明模块的透射层的网格结构 | |
JP6339190B2 (ja) | 発光装置及び発光装置を調光する方法 | |
JP5562047B2 (ja) | 白色led照明装置、および光学レンズ | |
CN118167945A (zh) | 光源系统及照明设备 | |
JP5548118B2 (ja) | 照明装置及び液晶表示装置 | |
US8950894B2 (en) | Light source | |
CN110207025B (zh) | 光源系统及照明装置 | |
RU2738948C1 (ru) | Спектрально-селективный источник излучения | |
US11585515B2 (en) | Lighting controller for emulating progression of ambient sunlight | |
RU2661441C1 (ru) | Источник излучения с управляемым спектром | |
RU2766307C1 (ru) | Мультиспектральный управляемый светодиодный источник излучения | |
US20220235916A1 (en) | Light Source Converter | |
US11635188B2 (en) | Lighting systems generating visible-light emissions for dynamically emulating sky colors | |
US20240003518A1 (en) | Lighting systems generating visible-light emissions for dynamically emulating sky colors | |
KR101848842B1 (ko) | 레이저 조명 장치 | |
JP2021028906A (ja) | 光変換装置および照明装置 |