Спектрально-селективный источник излучения

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.

 

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 - λ_возб<λ_J<λ_доп, где: λ_возб - спектральная полоса возбуждающего светодиода. λ_доп - дополняющего, λ_J - 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).

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 λ_J 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 λ_возб, другой, дополняющий - с излучением в спектральной полосе λ_доп; спектральные полосы излучения светодиодов распределены в соотношении - λ_возб<λ_J<λ_доп; 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.