Светодиод с оптическим элементом

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано при изготовлении различного вида излучателей на основе светоизлучающих диодов (светодиодов). Технический результат изобретения заключается в создании светодиода, обеспечивающего формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока. Сущность: 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, указанная поверхность является световыводящей. 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 А_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 А_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 предложенной зависимости. 3 ил.

 

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(х), уравнение которой удовлетворяет условиям полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом, в любой точке данной поверхности. При этом кривая f(х) 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 Ai (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.

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.

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 диаграммы направленности светоизлучающего кристалла (ДН_вх), которую определяют экспериментальным путем, и диаграммы направленности (ДН_вых), которую требуется получить от светодиода, на один и тот же световой поток.

В основе данного подхода лежит представление о том (см. фиг.1), что для любого телесного угла (Θ_{вх i}), 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_{вых i}), 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 Ai, 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 А_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 ДН_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.

Таким образом, заявляемый светодиод, благодаря использованию оптического элемента, профиль которого определен описанным выше образом с учетом оптических свойств его материала и оптических характеристик светоизлучающего кристалла, обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока с 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 световыводящую асферическую наружную поверхность, образованную вращением кривой f(x) вокруг оси симметри O-O' 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_выхi графическим путем находят такой α_выхi, при котором световые потоки на диаграммах направленности ДНвх и ДНвых, 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_вх1, а из точки А₀ проводят прямую под углом G₁ 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 A₂ принимают координаты точки пересечения указанных прямых. Данную операцию производят для множества (порядка 1500-2000) лучей, испускаемых кристаллом под углами αвхi, лежащими в диапазоне углов от 0 до 90 град.

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 (на чертеже 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 А_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°, 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 и 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.