Светодиод с оптическим элементом

Светодиод с оптическим элементом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано при изготовлении различного вида излучателей на основе светоизлучающих диодов (светодиодов).

Известны конструкции светодиодов, в которых используются оптические элементы, форма, размеры и материал которых выбирают таким образом, чтобы они обеспечивали формирование заданных световых характеристик устройства.

Так, например, известен светодиод [RU 2207663], включающий полупроводниковые светоизлучающие кристаллы, покрытые оптическим элементом, содержащим конусообразный отражатель бокового излучения и собирающую излучение линзу, представляющую собой полусферу с цилиндрическим основанием.

Форма и геометрические размеры отражателя и линзы подобраны таким образом, что оптический элемент обеспечивает повышение эффективности использования бокового излучения кристаллов, за счет чего увеличивается мощность излучения светодиода.

Известен светодиод с оптическим элементом [RU 2055420], который выбран авторами изобретения в качестве ближайшего аналога.

Данный светодиод содержит светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, часть наружной поверхности которого представляет собой плоскость и является световыводящей поверхностью, а другая часть является не выводящей излучение поверхностью и имеет асферическую форму, образованную вращением вокруг оси симметрии кривой f(x), уравнение которой удовлетворяет условиям полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом, в любой точке данной поверхности. При этом кривая f(x) получена с учетом оптических свойств кристалла и оптического элемента, а именно с учетом значений их показателей преломления.

В рассматриваемом устройстве оптический элемент собирает и выводит через световыводящую поверхность практически все излучение, испускаемое кристаллом, что обуславливает повышение выходной мощности излучения светодиода.

Однако с помощью данного устройства не удается получить требуемое распределение светового потока в заданном пространственном угле.

Задачей заявляемого изобретения является создание светодиода, обеспечивающего формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока.

Сущность изобретения заключается в том, что в светодиоде, содержащем светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, который имеет асферическую форму наружной поверхности, полученную вращением вокруг оси симметрии светодиода кривой f(x), построенной с учетом оптических свойств светоизлучающего кристалла и материала оптического элемента, согласно изобретению указанная поверхность является световыводящей, при этом кривая f(x) в системе координат, точка начала которой совпадает с геометрическим центром активной области светоизлучающего кристалла, имеет начальную точку А₀, расположенную на оси ординат на расстоянии, соответствующем характеристическому размеру светодиода, в качестве которого использовано заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра, и образована множеством точек A_i (i=1, 2..., n), за координаты каждой из которых приняты координаты точки пересечения прямой, исходящей из точки начала координат под углом α_вхi к оси ординат, с прямой, исходящей из предыдущей точки А_i-1 под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1, при этом угол α_вхi - это угол, под которым распространяется i_вх луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светоизлучающим кристаллом, который выбирается из диапазона углов от 0 до 90 град, а угол G_i определяется, исходя из зависимости

где n₂₁ - относительный показатель преломления на границе раздела "оптический элемент - внешняя среда", определяемый как отношение показателя преломления внешней среды n₂ к показателю преломления материала оптического элемента n₁,

α_выхi - угол, под которым распространяется i_вых луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светодиодом, который лежит в диапазоне углов от 0 до 90 град, причем α_выхi найден путем предварительного построения диаграммы направленности ДН_вх излучения, испускаемого используемым в светодиоде светоизлучающим кристаллом, которая определена на основании экспериментальных данных, а также отображения в той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых излучения, которую требуется получить от светодиода, и последующего графического нахождения для каждого выбранного угла α_вхi такого угла α_выхi, при котором величины светового потока на диаграммах ДН_вх и ДН_вых равны, после чего определенные указанным выше образом координаты точек A_i проверены на модели светодиода, содержащей оптический элемент, профиль которого образован множеством точек A_i, а также светоизлучающий кристалл, за диаграмму направленности излучения которого принята диаграмма направленности ДН_вх и который рассматривается как распределенный источник света, имеющий трехмерную излучающую область, размеры и вид которой соответствуют размерам и виду излучающей области используемого в светодиоде светоизлучающего кристалла, которые предварительно определены на основании экспериментальных данных, причем точки испускания лучей в светоизлучающем кристалле рассматриваемой модели смещены относительно точки начала координат в пределах его излучающей области, при этом координаты точек A_i проверены путем сравнения отображенных в одной и той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых и диаграммы направленности ДН_мод излучения, испускаемого моделью светодиода, полученной на основании произведенного моделирования измерения диаграммы направленности его светового потока, причем в случае совпадения указанных диаграмм направленности координаты точек A_i являются координатами точек, образующих кривую f(x), а в случае несовпадения указанных диаграмм направленности вновь находят и проверяют координаты точек A_i указанным выше образом, задавая в качестве диаграммы направленности ДН_вых иную диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены соответственно выше или ниже точек диаграммы направленности ДН_вых в зависимости от того, ниже или выше располагались в ходе проведенной проверки точки диаграммы направленности ДН_мод относительно точек диаграммы направленности ДН_вых.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого светодиода; на фиг.2 представлены диаграммы направленности светоизлучающего кристалла ДН_вх и светодиода ДН_вых; на фиг. 3 представлен пример графического определения координат точек A_i.

Принципиально важной особенностью заявляемого устройства является то, что световыводящая поверхность используемого в светодиоде оптического элемента имеет асферическую форму, координаты точек A_i профиля которого в первом приближении получены расчетно-экспериментальным путем, причем в процессе нахождения координат входящий в состав светодиода светоизлучающий кристалл рассматривается как точечный неравнояркий источник света, а затем полученные координаты проверены на модели светодиода, причем входящий в состав модели светодиода светоизлучающий кристалл рассматривается как распределенный источник света. При этом за диаграмму направленности светоизлучающего кристалла модели светодиода принимают определенную экспериментально диаграмму направленности ДН_вх реального светоизлучающего кристалла, оптический элемент модели светодиода имеет профиль, образованный множеством наиденных точек A_i, а рассматриваемый как распределенный источник света светоизлучающий кристалл модели светодиода имеет трехмерную излучающую область, размеры и форма которой соответствуют определенным экспериментально размерам и форме излучающей области реального светоизлучающего кристалла, причем точки испускания лучей распределены по объему излучающей области светоизлучающего кристалла модели светодиода.

Для того чтобы входящий в состав заявляемого светодиода оптический элемент обеспечивал требуемое распределение светового потока в заданном пространственном угле, координаты точек его профиля определяют, исходя из условия нормировки на один и тот же световой поток диаграммы направленности входящего в состав светодиода светоизлучающего кристалла (ДН_вх), определенной экспериментально, и диаграммы направленности (ДН_вых), которую требуется получить от светодиода.

В основе такого подхода лежит представление о том (см. фиг.1), что для любого телесного угла (Θ_вхi), внутри которого распространяется некий световой поток, испускаемый кристаллом и который определяется в выбранной для нахождения точек профиля оптического элемента системе координат плоским углом α_вхi, найдется такой телесный угол (Θ_выхi), внутри которого распространяется такой же по величине световой поток, испускаемый светодиодом и который определяется в указанной выше системе координат плоским углом α_выхi.

В соответствии с вышесказанным (см. фиг.2) для каждого угла α_вхi находят такой угол α_выхi, при котором величины светового потока на диаграммах ДН_вх и ДН_вых равны. Эту операцию производят для множества лучей, исходящих из точки О начала координат, за которую принят геометрический центр активной области кристалла, под углами α_вхi, находящимися в диапазоне [0; 90] градусов.

Далее (см. фиг.3) для каждого луча i_вх, исходящего из точки О под углом α_вхi и падающего на поверхность оптического элемента в точке A_i, находят (относительно оси абсцисс) такой угол наклона G_i касательной к преломляющей поверхности оптического элемента, что преломленный луч i_вых выходит из светодиода под углом α_выхi. При этом исходя из геометрических построений, основанных на законах геометрической оптики, угол G_i должен удовлетворять следующей системе уравнений:

q - это угол падения луча i_вх на преломляющую поверхность, имеющую угол наклона G_i в точке A_i, а q' - это угол преломления данного луча указанной преломляющей поверхностью.

Поскольку угол падения q и угол преломления q' связаны законом Снеллиуса:

где n₂ - показатель преломления воздуха, a n₁ - показатель преломления материала оптического элемента, угол G_i может быть выражен следующим образом:

где n₂₁ - относительный показатель преломления на границе раздела "оптический элемент - внешняя среда", определяемый как отношение показателя преломления внешней среды n₂ к показателю преломления материала оптического элемента n₁. Если внешней средой является воздух, то n₂₁ равен обратному значению показателя преломления материала оптического элемента.

Поскольку в качестве исходного параметра задан характеристический размер оптического элемента, то есть его максимальный линейный размер, которым является заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра, за начальную точку профиля оптического элемента А₀ принимают координаты точки, лежащей на оси ординат на расстоянии, соответственно равном высоте или диаметру оптического элемента, от точки начала системы координат О.

Координаты каждой последующей точки профиля оптического элемента A_i в выбранной системе координат определяются как координаты точки пересечения прямой, исходящей из начала координат О под углом α_вхi, с прямой, исходящей из предыдущей точки A_i-1 под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1.

Существенно важным является то, что при нахождении координат точек профиля оптического элемента учитываются не только оптические свойства его материала, но и индивидуальный характер свечения светоизлучающего кристалла, который обусловлен материалом и топологией кристалла. Диаграмма направленности ДП_вх определяется путем измерения пространственного распределения светового потока в пространственном угле 360 градусов с помощью измерительной системы, включающей оптическую скамью с установленным на ней фотоприемником с соответствующим регистрирующим оборудованием и поворотный стол с расположенным на нем и размещенным в держателе исследуемым кристаллом, покрытым материалом, из которого выполнен оптический элемент.

После нахождения в первом приближении координат точек A_i профиля оптического элемента указанным выше образом осуществляют их проверку на модели светодиода, у которого светоизлучающий кристалл имеет диаграмму направленности излучения такую же, как диаграмма направленности ДН_вх, а оптический элемент имеет профиль, образованный множеством точек A_i.

При этом предварительно для каждого конкретного используемого в светодиоде кристалла на основании экспериментальных исследований, проводимых, в частности, с использованием микроскопа, определяют размер и форму его излучающей области, которые зависят от материала и топологии кристалла.

Далее моделируют, в частности, с использованием ЭВМ светоизлучающий кристалл, в котором точки испускания лучей смещены относительно начала системы координат О в пределах светоизлучающей области. Математически эта задача решается через распределение по случайному закону начал множества геометрических лучей в объеме светоизлучающей области (при количестве лучей порядка 1500000 лучей).

Затем моделируют измерение диаграммы направленности ДН_мод излучения, испускаемого моделью светодиода. Указанное моделирование осуществляют, в частности, с использованием ЭВМ путем программного формирования системы виртуальных фотоприемников, регистрирующих пространственное распределение светового потока от модели светодиода.

После чего в одной и той же системе координат отображают диаграмму направленности модели светодиода ДН_мод и диаграмму направленности ДН_вых, которую требуется получить от светодиода.

В случае совпадения указанных диаграмм направленности координаты точек A_i принимают за координаты точек, образующих кривую f(x,), определяющую искомый профиль оптического элемента светодиода.

В случае, если точки диаграммы направленности ДН_мод располагаются выше точек диаграммы направленности ДН_вых, то есть когда диаграмма направленности, полученная с использованием оптического элемента, точки профиля которого соответствуют точкам A_i, полученным в первом приближении, имеет ширину и/или высоту, превышающую ширину и/или высоту требуемой диаграммы направленности, осуществляют перерасчет точек A_i указанным выше образом и при этом в качестве диаграммы направленности излучения, испускаемого светодиодом, задают не диаграмму направленности ДН_вых, которую реально требуется получить от светодиода, а диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены ниже точек диаграммы направленности ДН_вых.

В случае, если точки диаграммы направленности ДН_мод располагаются ниже точек диаграммы направленности ДН_вых, то есть когда диаграмма направленности, полученная с использованием оптического элемента, точки профиля которого соответствуют точкам A_i, полученным в первом приближении, имеет ширину и/или высоту, меньшую ширины и/или высоты требуемой диаграммы направленности, осуществляют перерасчет точек A_i указанным выше образом и при этом в качестве диаграммы направленности излучения, испускаемого светодиодом, задают не диаграмму направленности ДН_вых, которую реально требуется получить от светодиода, а диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены выше точек диаграммы направленности ДН_вых.

Указанный перерасчет осуществляют необходимое количество раз до тех пор, пока точки диаграммы направленности ДН_мод не совпадут с точками диаграммы направленности ДН_вых.

Таким образом, заявляемый светодиод благодаря использованию оптического элемента, профиль которого определен описанным выше образом с учетом оптических свойств его материала и оптических характеристик используемого светоизлучающего кристалла, а затем проверен на модели светодиода, в которой светоизлучающий кристалл рассматривается в качестве распределенного источника света и характеристики которой зависят от световых характеристик используемого светоизлучающего кристалла, обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока с очень высокой степенью точности.

Заявляемый светодиод (фиг.1) содержит основание 1, в качестве которого используют, в частности, монтажную плату, на котором установлен светоизлучающий кристалл 2. Кристалл 2 покрыт оптическим элементом 3, изготовленным из светопрозрачного материала, который имеет световыводяшую асферическую наружную поверхность, образованную вращением кривой f(x) вокруг оси симметрии О-О' светодиода, координаты точек которой в системе координат, начало О которой совпадает с геометрическим центром активной области кристалла 2, а ось ординат расположена по оси симметрии кристалла 2, определены описанным выше образом.

При этом для определения угловой координаты G_i каждой из точек A_i предварительно (фиг.2) для каждого α_вхi графическим путем находят такой α_выхi, при котором световые потоки на диаграммах направленности ДН_вх и ДН_вых, изображенных в одной и той же системе координат, равны. После этого определяют значения углов G_i в соответствии с зависимостью (3).

Далее находят координаты точек профиля оптического элемента (фиг.3). Для этого откладывают по оси ординат расстояние, равное заданному значению высоты или диаметра оптического элемента, и получают значение координаты начальной точки А₀. Затем находят координаты точки A₁, для чего проводят из точки О луч под углом α_вхi, а из точки А₀ проводят прямую под углом G_i и за координаты точки A₁ принимают координаты точки пересечения указанных прямых. Затем находят координаты точки А₂, для чего проводят из точки О луч под углом α_вх2, а из точки A₁ проводят прямую под углом G₂ к оси абсцисс, приведенной в точку A₁, и за координаты точки А₂ принимают координаты точки пересечения указанных прямых. Данную операцию производят для множества (порядка 1500-2000) лучей, испускаемых кристаллом под углами α_вхi, лежащими в диапазоне углов от 0 до 90 град.

Полученные точки профиля оптического элемента A_i проверяют описанным выше образом на модели светодиода, после чего получают уточненные координаты точек A_i кривой f(x), определяющей профиль оптического элемента.

Для изготовления светодиода используют полупроводниковый светоизлучающий кристалл 2, например полупроводниковый светоизлучающий кристалл на основе твердых растворов элементов III и V групп периодической системы Менделеева. Кристалл 2 и элементы электрической схемы (не показаны) размещают на основании (монтажной плате) 1 и закрывают оптическим элементом 3, изготовленным из светопрозрачного материала, например из органического или неорганического оптически прозрачного компаунда путем отливки указанного компаунда в заливочную форму.

Устройство работает следующим образом. При подаче электропитания светоизлучающий кристалл 2 излучает световой поток, который испускается светодиодом после прохождения через световыводящую поверхность оптического элемента 3. При этом светодиод обеспечивает получение требуемого светового потока в заданном угле излучения.

Светодиод, содержащий светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, который имеет асферическую форму наружной поверхности, полученную вращением вокруг оси симметрии светодиода кривой f(x), построенной с учетом оптических свойств светоизлучающего кристалла и материала оптического элемента, отличающийся тем, что указанная поверхность является световыводящей, при этом кривая f(x) в системе координат, точка начала которой совпадает с геометрическим центром активной области светоизлучающего кристалла, имеет начальную точку А₀, расположенную на оси ординат на расстоянии, соответствующем характеристическому размеру светодиода, в качестве которого использовано заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра, и образована множеством точек A_i (i=1, 2..., n), за координаты каждой из которых приняты координаты точки пересечения прямой, исходящей из точки начала координат под углом α_вхi к оси ординат, с прямой, исходящей из предыдущей точки A_i-1 под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1, при этом угол α_вхi - это угол, под которым распространяется i_вх луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светоизлучающим кристаллом, который выбирается из диапазона углов от 0 до 90°, а угол G_i определяется исходя из зависимости

где n₂₁ - относительный показатель преломления на границе раздела «оптический элемент-внешняя среда», определяемый как отношение показателя преломления внешней среды n₂ к показателю преломления материала оптического элемента n₁,

α_выхi - угол, под которым распространяется i_вых луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светодиодом, который лежит в диапазоне углов от 0 до 90°, причем α_выхi найден путем предварительного построения диаграммы направленности ДН_вх излучения, испускаемого используемым в светодиоде светоизлучающим кристаллом, которая определена на основании экспериментальных данных, а также отображения в той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых излучения, которую требуется получить от светодиода, и последующего графического нахождения для каждого выбранного угла α_вхi такого угла α_выхi, при котором величины светового потока на диаграммах ДН_вх и ДН_вых равны, после чего определенные указанным выше образом координаты точек А_i проверены на модели светодиода, содержащей оптический элемент, профиль которого образован множеством точек А_i, а также светоизлучающий кристалл, за диаграмму направленности излучения которого принята диаграмма направленности ДН_вх и который рассматривается как распределенный источник света, имеющий трехмерную излучающую область, размеры и вид которой соответствуют размерам и виду излучающей области используемого в светодиоде светоизлучающего кристалла, которые предварительно определены на основании экспериментальных данных, причем точки испускания лучей в светоизлучающем кристалле рассматриваемой модели смещены относительно точки начала системы координат в пределах его излучающей области, при этом координаты точек А_i проверены путем сравнения отображенных в одной и той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых и диаграммы направленности ДН_мод излучения, испускаемого моделью светодиода, полученной на основании произведенного моделирования измерения диаграммы направленности его светового потока, причем в случае совпадения указанных диаграмм направленности координаты точек А_i являются координатами точек, образующих кривую f(x), а в случае несовпадения указанных диаграмм направленности вновь находят и проверяют координаты точек А_i указанным выше образом, задавая в качестве диаграммы направленности ДН_вых иную диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены соответственно выше или ниже точек диаграммы направленности ДН_вых в зависимости от того, ниже или выше располагались в ходе проведенной проверки точки диаграммы направленности ДН_мод относительно точек диаграммы направленности ДН_вых.