Мультиспектральный управляемый светодиодный источник излучения

Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в видимом и инфракрасном диапазонах. Может быть использовано для разработок и производства источников с управляемым спектром излучения в медицине, технике, быту. Мультиспектральный управляемый светодиодный источник излучения, имеющий внешне-цилиндрический внутренне-полый корпус с окном для вывода излучения. Внутри корпуса сформирована мультиканальная светоизлучающая структура, каждый канал которой имеет светодиод, излучающий в размере своего окна l в своей спектральной полосе с углом расходимости излучения ἁ. Внутри полая поверхность корпуса выполнена в виде двух сферических сегментов, первого и второго, одинакового радиуса R, каждый с центром в точке полярного центра противолежащего сферического сегмента. Центры лежат на оси цилиндра-корпуса. В полюсе первого сферического сегмента в стенке-толще корпуса выполнено сквозное цилиндрическое окно с параметром аспектного числа А>3 для вывода излучения. В стенке-толще корпуса второго сферического сегмента симметрично относительно его полярного центра по окружности выполнены посадочные гнёзда. В каждое из гнёзд помещён светодиод. Общее число светодиодов – N, в том числе – излучающие и возбуждающе-излучающие с нанесённым на них люминофором. На всю поверхность внутренней полости корпуса нанесено зеркально-отражающее покрытие. Для указанных параметров установлены соотношения: R ~ 2Nl(sinἁ)^-1 и A ~ 3ctgἁ. Ожидаемый технический эффект - расширение спектрального диапазона, управление спектральными характеристиками, повышение эффективности фотонных преобразований. 1 ил.

 

Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в видимом и инфракрасном диапазонах. Может быть использовано для разработок и производства источников с управляемым спектром излучения в медицине, технике, быту.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Источники излучений в широком спектральном диапазоне – от ультрафиолетового (УФ, 200 нм) до средне-инфракрасного (ИК, 10 мкм) – широко используются во всех сферах жизнедеятельности. Их действие основано на преобразовании энергии электрического поля или тока, электронного или светового потока в энергию излучений [1].

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. Они имеют присущие им недостатки – узкий спектральный диапазон и отсутствие управляемости спектром излучения в готовом приборе.

Широкое применение имеют белые светодиоды, в которых СИД синего света возбуждает люминофор в иммерсионной линзе, создавая и смешивая гамму из двух-трёх 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 режимов питания и условий эксплуатации. Кроме того, спектр этих приборов ограничен диапазоном видимого излучения.

Некоторое улучшение свойств управляемости спектром добиваются интеграцией излучающих 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 РФ 2372671; модуль белого света - US10090442B2; светоизлучающее устройство полного спектра [2]; светодиодное устройство с широкой цветовой гаммой [3].

Во всех этих вариантах решается главная задача – повышение мощности излучения [4]. Задача спектрального управления решается только для диапазона от синего (450 нм) до красного (650 нм). 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-жёлтой люминесценции от люминофора, внедрённого в материал контактной с чипом иммерсионной линзы [5].

Патентный и литературный поиск способов спектрального управления излучением показывает, что их условно можно разделить на три группы: 1) совместное конструктивное исполнение нескольких светодиодов с разной длиной волны излучения; 2) использование одного (возбуждающего) светодиода и нескольких совмещённых зон разных люминофоров; 3) совместное исполнение нескольких светодиодов и люминофоров.

Приборы первой группы обычно представляют собой мультиспектральную группу (кластер) на основе стандартных светоизлучающих диодов [6 - 8]. Конструкция кластера даёт возможность быстрой замены излучающих или оптических компонентов. Спектральный состав излучения кластера может быть легко изменён под конкретную исследовательскую задачу. Управление яркостью компонентов осуществляется автоматизированной микросистемой. Можно привести ряд примеров такого исполнения: светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты) - патент РФ 2295174; мультиспектральный источник света – патентный грант US10500010; быстрый мультиспектральный синтезатор света на светодиодах и дифракционной решётке – патент США 74620309; устройство мультиспектрального света – патент США 10375264; источник полихромного излучения с управляемым спектром – патент РФ 2478871; универсальный источник полихромного оптического излучения – патент РФ 2287736; светодиодный спектрометр – патент США 6075595.

Приборы второй группы содержат светодиодный источник возбуждающего излучения и один или несколько люминесцентных экранов, состоящих из одной или нескольких частей [9]: люминесцентный излучатель с управляемым спектром излучения – патент 2577784; люминесцентный преобразователь для усиленного люминофором источника света, содержащий органические и неорганические люминофоры – патент РФ 2526809; источник света обратного видимого и широкого спектра для улучшения зрения – патент США 9551468; устройство белого освещения с коротковолновым полупроводниковым кристаллом и слоями преобразования трехцветной длины волны – патент США 7804103.

Описанные два варианта технических решений имеют один общий недостаток – ограниченность управляемого спектрального диапазона.

Этот недостаток значительно снижается у приборов третьего варианта, в которых используются технические решения обоих типов – несколько светодиодов и люминофоров.

Эти варианты обычно включают в себя несколько светодиодов с разными длинами волн излучения, а также несколько люминофоров с различным возбуждением и длины волн излучения. Длины волн излучения светодиодов выбираются таким образом, чтобы соответствовать длинам волн возбуждения различных люминофоров. Светодиоды получают питание от электрической цепи, которая позволяет раздельно контролировать и регулировать выходную оптическую мощность. Свет от светодиодов излучается так, что люминофоры возбуждаются и излучают свет с их характеристическими длинами волн. 

Все эти варианты имеют общий недостаток – громоздкость и сложность конструкции, требующей расположения многих элементов и обеспечения их оптической связи.

Это принципиальное ограничение в свойствах излучения светодиодов частично преодолеваются в варианте [13], благодаря использованию в качестве конструкционной структуры микроканальной пластины, имеющей большую площадь в малом объёме, а в качестве люминесцирующей структуры – нанопорошковые покрытия поверхности микроканалов, вместо линзы – специальных съёмных отражающих 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 снижает эффективность преобразования за счёт потерь на рассеяние света.

Указанные выше недостатки аналогов частично преодолеваются в варианте прототипа [14] благодаря использованию нескольких оптически связанных излучающих ячеек, каждая из которых состоит из микроканального элемента, на поверхность микроканалов которого нанесён 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 создаёт излучение сложного управляемого спектрального состава.

Как показали наши исследования [15], за счёт 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 варианте источника излучения, предложенном в заявке [16]. Это достигается тем, что используется мультиканальная структура, состоящая из небольшого числа (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.

Недостатком этого варианта является то, что часть полезной отражающей свет поверхности используется люминофорным покрытием, что позволяет сэкономить на числе светодиодов и, соответственно, на рабочем объёме (габаритах), сделав прибор миниатюрным, но получив при этом проигрыш в эффективности преобразования и вывода излучения. Кроме того, конструкция получается сложной – каналы разделены фигурными перегородками.

Предлагаемый в данной (новой) заявке вариант является альтернативным и имеет целью решить конкретные задачи применений путём выбора из вариантов в расчёте на компромисс между количеством спектральных интервалов (числом светодиодов и люминофоров) и эффективностью преобразования (выходная мощность излучения и габариты).

Цель достигается тем, что возбуждающим является не один светодиод, а несколько, которые покрыты непосредственно нужным количеством люминофора, освобождая, тем самым, от необходимости использования люминофорного покрытия на внутренней поверхности корпуса. При этом конструкция получается максимально простой, а сам источник излучения – мультиспектральным и управляемым.

Схема предлагаемого источника (в разрезе) приведена на фиг.1, где:

1 – внешне цилиндрический внутренне полый корпус;

2 – внутренняя первая сферическая поверхность с зеркально-отражающим слоем;

3 – цилиндрическое сквозное отверстие для вывода излучения (выходное окно) с зеркально-отражающим слоем;

4 – внутренняя вторая сферическая поверхность с зеркально-отражающим слоем;

5 – соединительное кольцо;

6 – зеркально-отражающее покрытие;

7 – светодиоды излучающие, каждый в своём посадочном гнезде;

8 – светодиоды возбуждающе-излучающие (с люминофорным покрытием), каждый в своём посадочном гнезде;

9 – посадочные гнезда, каждое со своим окном;

10 – окно посадочного гнезда;

11 – центральная отражающая зона.

Внешне цилиндрический внутренне полый корпус 1 может быть изготовлен из любого технологически отработанного материала по максимально дешёвой технологии.

Внутренняя первая сферическая поверхность 2 выполнена как сферический сегмент с центром в точке О₁ – полярной точке сферической поверхности 4, а вторая 4 – в точке О₂ – полярной точке сферической поверхности 2. Центры и полярные точки лежат на оси цилиндра-корпуса. Оба сферических сегмента имеют одинаковый радиус сферы – R.

Цилиндрическое сквозное отверстие 3 (с отражающим покрытием) для вывода излучения выполнено в стенке-толще корпуса как «глубокий колодец» (аспектное число А – отношение его высоты к ширине – больше трёх), в котором излучение хорошо (с малыми потерями на отражение и поглощение) проходит при почти любых его углах падения.

Зеркальное отражающее покрытие 6 нанесено на всю поверхность – и сферические поверхности 2 и 4, и окно-колодец 3, и зону соединения сферических сегментов – соединительное кольцо 5.

Соединительное кольцо 5 занимает «мёртвую» зону отражений света и позволяет сэкономить в объёме благодаря уменьшению диаметра цилиндра-корпуса.

Посадочные гнёзда 9 выполнены так, чтобы их выходное окно 10 занимало минимум площади отражающей поверхности, благодаря чему центральная отражающая зона 11 имела бы максимальную площадь.

Каждый светодиод, имея излучение своей длины волны и его угол расходимости α, создаёт свой канал излучения, а все вместе – мультиканальную мультиспектральную излучательную структуру.

Источник действует следующим образом.

При включении одного из светодиодов – излучающих 7 или возбуждающе-излучающих 8 – его излучение частично попадает в выходное окно 3 (на схеме – лучи L1), а частично – на отражающую поверхность 2 (лучи L2). Лучи L2 отражаются от зеркальной поверхности 2 и направлены к фокусному центру О₁ сферической поверхности 4 (лучи L3), отражаясь от неё в направлении фокусного центра О₂ и выходного окна 3 (лучи L4).

При включении возбуждающе-излучающего светодиода 8 его излучение попадает на люминофор, нанесённый на его поверхность, возбуждая его. Происходит люминесцентное излучение, которое действует, как и излучение светодиодов излучающих.

В оптической структуре предлагаемого варианта все элементы конструктивно связаны через параметры – радиус сферических поверхностей R, угол излучения α и размер l излучающего окна светодиодов, задаваемое число спектральных интервалов (число светодиодов) – N, аспектное число A (отношение высоты к диаметру) выходного окна. В зависимости от них, с учётом максимума выхода светового потока через окно 3 должны быть рассчитаны и экспериментально подобраны геометрические параметры устройства.

Проведённый расчёт показывает, что, при реальных на практике значениях α не более 60^о, оптимальное соотношение этих параметров должно быть следующим:

R ~ 2Nl(sinα)^-1 A ~ 3ctgα

ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

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 среднеинфракрасного. При этом в определённых интервалах возможна перестройка спектра за счёт порядка включения и изменений режима питания светодиодов. Кроме того, величиной спектральной полосы излучения можно управлять, изменяя составы люминесцирующего покрытия.

Примеры исполнения заявленного источника отличаются между собой числом каналов, составами люминесцирующих материалов и светодиодами для каждого конкретного случая применений.

Для целей неинвазивного контроля основного состава биосред (вода, протеины, липиды, глюкоза, например, необходим источник, минимум, с тремя спектральными полосами в диапазоне от 1350 нм до 1850 нм [17].

В качестве возбуждающе-излучающего светодиода можно выбрать стандартные синий или ультрафиолетовый, а в качестве излучающих – светодиоды ООО "АИБИ" (IBSG Co., Ltd. http://ibsg.ru/). При этом в целях увеличения выходного светового потока можно взять двойной комплект, то есть 6 штук светодиодов (N=6). В качестве люминесцирующего нанопорошка можно использовать коллоидные квантовые точки сульфида свинца, http://www.mosgid.ru/moskovskaya/dubna/9-maya/nii-prikladnoy-akustiki.html.

С учётом параметров реальных светодиодов – α~ 45^о и l~ 1мм – получится: R~20 мм, А~3.

Технология изготовления корпуса может быть – 3D-печать специальной пластмассы с фотохимической доводкой качества поверхности и её зеркальным покрытием методами химического серебрения.

Преимуществами заявленного варианта источника излучения могут быть следующие: 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 локальной засветки.

Использованные источники информации

1. В.Е. Бугров, К.А. Виноградова. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 174 с.

2. Светоизлучающее устройство полного спектра. Патент США US9599293B2. https://patents.google.com/patent/US9599293B2/en

3. Светодиодное устройство с широкой цветовой гаммой. Патент США 10158052B2. https://patents.google.com/patent/US10158052B2/en

4. Новинки светодиодной продукции Lumileds – расширение линейки сверх ярких и мощных светодиодов / Туркин А. // Современная электроника. 2016. № 6.

5. Высокоэффективные современные светодиоды / Давиденко Ю. // Современная электроника. 2004. № 10.

6. Полихромные спектрально-перестраиваемые осветительные приборы со светодиодами: опыт разработки и применения / Аладов А. В. и др. // Светотехника. 2013. № 5–6. P. 34–39.

7. 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.

8. Мультиспектральный источник света. Патент США US20160338795. https: //patents.justia.com/patent/20160338795#description

9. Люминесцентный излучатель с управляемым спектром излучения. Патент РФ 2014110354. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37832613

10. Источник света с настраиваемым цветом. Патент США 6357889.

11. Светодиодное устройство с широкой цветовой гаммой. Патент США 10158052B2.

12. Настраиваемые по цвету осветительные устройства и методы настройки цветового вывода осветительных устройств. Международный патент WO 2012024582.

13. Патент РФ 2557358. Источник излучения с изменяемым спектром. Приоритет 03.04.2014. Автор и патентообладатель Жуков Н.Д.

14. 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.

15. 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.

16. Спектрально-селективный источник излучения. Заявка на изобретение 2019124009 от 30.07.2019. Заявитель ООО «Волга-Старт». Авторы: Жуков Н.Д., Ягудин И.Т., Цветков А.В.

17. 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).

Ожидаемый технический эффект - расширение спектрального диапазона, управление спектральными характеристиками, повышение эффективности фотонных преобразований.

Мультиспектральный управляемый светодиодный источник излучения, имеющий: внешне-цилиндрический внутренне-полый корпус с окном для вывода излучения; внутри корпуса сформирована мультиканальная светоизлучающая структура, каждый канал которой имеет светодиод, излучающий в размере своего окна l в своей спектральной полосе, с углом расходимости излучения ἁ, отличающийся тем, что: внутри полая поверхность корпуса выполнена в виде двух сферических сегментов, первого и второго, стыкуемых через соединительное кольцо, одинакового радиуса R, каждый с центром в точке полярного центра противолежащего сферического сегмента; центры лежат на оси цилиндра-корпуса; в полюсе первого сферического сегмента в стенке-толще корпуса выполнено сквозное цилиндрическое окно для вывода излучения, с параметром аспектного числа А не менее чем 3; в стенке-толще корпуса второго сферического сегмента по окружности симметрично относительно его полярного центра выполнены посадочные гнёзда, каждое со своим окном для вывода излучения, в каждое из которых помещён светодиод; общее число светодиодов – N, в том числе излучающие и возбуждающе-излучающие с нанесённым на них люминофором; на всю поверхность внутренней полости корпуса нанесено зеркально-отражающее покрытие; для указанных параметров установлены соотношения: R ~ 2Nl(sinἁ)^-1 и A ~ 3ctgἁ.