Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Примеры конструкции светодиодов с различными КСС

Вышеперечисленные пункты относились в основном к конструктивным особенностям непосредственно тела свечения. Рассмотрим теперь пути изменения КСС при помощи внешней (надкристальной) оптики.

Пример конструкции СИД с характерными размерами дан на рис. 1 Приложения. Активная область свечения имеет площадь порядка 1мм². Полимерный купол СИД представляет собой линзу, назначение которой – обеспечение требуемой диаграммы направленности свечения и механическая защита кристалла-излучателя. Кроме того, в полимере могут быть диспергированы зёрна люминофора, изменяющего цвет свечения. Так, например, если к собственному голубому излучению полупроводникового кристалла добавить жёлто-зелёную линии спектра люминофора, то возможно получить СИД белого свечения. Концентрация люминофора или его состав может изменяться, удовлетворяя, таким образом, требованию на цвет излучения СИД.

Конструкция мощных светодиодных осветителей (рис. 1) создавалась на основе ножки с увеличенным теплоотводом за счет наваренной медной пластины. Полимерный корпус (показатель преломления n = 1,55) содержит полусферическую линзу диаметром 18 мм. Для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов используется отражатель, согласованный по размерам с полимерной линзой. Отношение высоты полимерной линзы над кристаллами S к радиусу полимерной линзы Rв сочетании с действием отражателя определяют полуширину пространственного распределения силы света 2q_0.5.

Светодиодные осветители (СО) могут содержать либо 1 кристалл (например, прибор типа У-345Бл), либо 3 кристалла, соединенные последовательно (тип У-342Бл), либо 4 кристалла, соединенные последовательно — параллельно (тип У-337Бл). Типичные КСС таких осветителей представлены на рис.2 Приложения. Из рисунка видно, что увеличение количества кристаллов приводит к уширению КСС и, естественно, к увеличению светового потока.

Широкие КСС применимы в элементах общего освещения, когда необходимо, чтобы возможно больший поток попадал на как можно большую площадь. Наоборот, узкие КСС применяются в источниках мононаправленного излучения: оптические дальномеры и указатели, источники информации ВОЛС (волоконно-оптических линий связи). Как правило, осветительные приборы на СИД представляют собой «кассету» из нескольких диодов (рис.3), в то время как СИД для ВОЛС, генераторы опорного напряжения оптикоэлектронных систем, оптопары представляют собой единичные элементы.

Кроме формирования определенной КСС, необходимо минимизировать потери светового потока. Для этого в конструкции предусматривается линзовый или зеркально-линзовый оптический элемент (ОЭ), как указывалось выше, из полимерного материала, одновременно увеличивающий квантовый выход излучения и служащий механической защитой излучающего кристалла.

В системах, передающих энергию на большие расстояния (до нескольких км), уменьшение угла рассеяния имеет решающее значение (уменьшение размытия информационного импульса). Проектирование ОЭ, обеспечивающих малые углы, представляет некоторое затруднение. Это, в первую очередь, связано с тем, что источником излучения является поверхность кристалла диаметром около 1 мм. Поток излучения сосредоточен в полусфере и его распределение может иметь случайный характер. Иногда максимум энергии сосредоточен в боковых зонах.

Можно проанализировать различные варианты оптических схем, потенциально пригодных для использования совместно с СИД, и сформулировать следующие требования к ОЭ [4]:

1. ОЭ должен перераспределять излучение СИД, направленное в полусферу, в заданном угле.

2. Угол расходимости излучения должен быть минимальным.

3. Потери излучения в ОЭ (за счет поглощения и рассеяния) должны быть минимальными.

4. ОЭ должен позволять осуществлять теплообмен.

5. Конструкция ОЭ должна быть достаточно простой и технологичной.

Предложен ряд конструкций ОЭ [4], работающих совместно с излучающим кристаллом и позволяющих получать малые углы излучения. Во всех конструкциях излучающий кристалл помешается в фокусе ОЭ. При этом любой луч после ряда отражений и преломлений выходит из ОЭ параллельно оптической оси.

1. В [4] описана конструкция ОЭ, имеющего три рабочие поверхности (a, b, c) сложной асферической формы (рис.4). Особенностью конструкции является то, что отражение от поверхности b осуществляется либо на зеркальном, либо на прозрачном участке за счет полного внутреннего отражения.

2. Там же рассмотрена конструкция ОЭ со сферической (а), эллиптической (b), параболической (c) и плоской (d) поверхностями (рис. 5).

3. На рис. 6 показана конструкция [2] ОЭ с поверхностями в виде сферы (а), параболы (b), w-образного аксикона (c) и плоскости (d).

Математическое моделирование конструктивных и оптических параметров, а также анализ технологических факторов показал [2], что наиболее высокие характеристики по п.п. 1-5 можно получить, используя конструкцию по рис. 4. При этом размер излучающей площадки не должен превышать 1мм, а световой диаметр ОЭ должен быть не более 40—60 мм.

Изготовлена [2] опытная партия ОЭ с конструкцией по рис.4. Диаметр ОЭ составляет 40 мм, толщина 11,6 мм. Высокое качество получаемой оптической поверхности (коэффициент диффузного рассеяния в видимом диапазоне не превышал 0,7%) позволило использовать весь арсенал вакуумных оптических покрытий. Среди них серебряные отражающие покрытия с коэффициентом зеркального отражения в видимом и ближнем ИК-диапазоне до 97%. Разработаны просветляющие покрытия, которые дополнительно повышают механическую прочность и атмосферостойкоеть поверхности, а также заметно, на 10—20%, уменьшают доступ УФ-излучения в массу полимера, замедляя процессы старения. Излучающий кристалл помещен внутри ОЭ в иммерсионной среде. Потери излучения в ОЭ не превышают 10% (в оптимальном варианте около 6%), а угол расхождения выходящего излучения составляет 2q_0.5=2°. На кристалле с силой света около 500 мКд удается получить осевую силу света более 500 кд, т.е. достигается концентрация излучения СИД примерно на три порядка.

Результаты, полученные на устройствах, показанных на рис. 4 имеют следующее применение [4]:

1. Повышение дальности связи по оптическому каналу в атмосфере до 1 км и более от единичного СИД. Если разместить внутри ОЭ площадку фотоприемника, что многократно повышает соотношение сигнал—шум, дальность действия такой оптопары может составить 3-5 км при "средних" метеоусловиях. Системы автоматизации и техники безопасности становятся дистанционными, что может оказаться принципиальным, например, на радиационно-опасных объектах.

2. Увеличение коэффициента использования излучения СИД. Традиционные ИС, как правило, излучают свет во все стороны. С помощью ОЭ практически без потерь можно сконцентрировать световой поток излучателя на площадке заданной конфигурации. Такие излучатели могут найти применение в аварийных и иных подобных системах.

3. Для сигнальных систем с точно определенным положением наблюдателя, например, для семафоров па железной дороге или в метро, достаточно несколько СИД с осевой силой света не менее 500 кд. Для сигнальных систем с нефиксированным, но ограниченным в пространстве положением наблюдателя, например, для уличных светофоров, желательны СИД с увеличенным углом расхождения, но с сохранением минимума потерь излучения. В конструкции ОЭ такая возможность предусмотрена путем изменения прозрачности или размеров центрального зеркала, частично путем расфокусировки источника.

4. Направляя паралельный поток излучения от ОЭ на зеркально отражающий конус, можно сформировать сигнал с малым углом излучения в одной плоскости и 360° в другой. Такая схема освещения удобна для проблесковых маячков на специальных автомашинах, для подсветки знаков дорожной и водной обстановки.

5. Известные в практике охранные системы, работающие в ИК-дипазоне, превращаются в автономные, легко устанавливаемые, переносные.

Ещё один пример ОЭ СИД, состоящего из трёх сочленённых поверхностей, приведён на рис.7. Световыводящая часть полимерного корпуса выполнена в виде тела вращения, сочленённого из трёх поверхностей: эллиптической, конусообразной и параболической. Тело свечения расположено в фокусе эллипса, совмещённого с фокусом параболоида. Эллиптическая поверхность выводит из прибора параллельно оптической оси весь падающий свет, за исключением той его части, которая, испытывает полное внутреннее отражение или рассеяние компаундом в заднюю полусферу. Параболическая поверхность также выводит лучи (не попавшие на эллипсоид, а отразившиеся прямо от параболоида) параллельно оптической оси. Лучи, отразившиеся от параболоида, испытывают преломление на конусообразной поверхности, но их направление параллельно оптической оси сохраняется. Таким образом, за счёт использования усечённых эллипсоида и параболоида удаётся повысить силу излучения диода в заданном направлении, сохранив при этом узкую диаграмму направленности. Конкретная ширина диаграммы направленности определяется степенью близости реальных геометрических параметров ОЭ к расчётным.

Конструирование СИД с широкой диаграммой направленности представляет меньшие трудности, чем с узкой. Практически единственное, о чём придётся беспокоиться разработчику таких СИД, - требуемая (а не случайная) равномерность распределения потока. Примеры конструкции СИД с круговым свечением и их КСС представлены на рис.8 и рис.9. Приложения.

Заключение

Из-за существенной ограниченности пространства, непосредственно прилегающего к телу свечения (p-n - переходу), возникают проблемы с установкой ОЭ вблизи посадочного места кристалла (один из вариантов - направляющий отражатель в виде усечённого конуса (элемент 2 на рис.1)). Поэтому основная работа по приданию КСС СИД параметров, близких к требуемым, ведётся в направлении создания миниатюрных линз и отражателей (компаунд-линза с зеркалированными участками), совмещённых с корпусом СИД и приданию определённых свойств полимерному компаунду (введение люминофора, являющегося одновременно рассеивателем для уширения и усреднения по пространству КСС).

Решение проблемы конструирования направляющих отражателей в лучевом приближении укладывается в рамки геометрической оптики. Основная проблема в этой области – отработка технологии изготовления: придание небольшим по размерам линзе-компаунду и прилегающему отражателю заданной чистоты поверхности, нанесение отражающих металлизированных участков поверхности. При этом СИД не должен потерять одного из своих существенных достоинств – невысокой стоимости.

Решение вопроса о влиянии на КСС компаунда с введёнными в него частицами должен решаться с позиций рассмотрения процесса переноса излучения в мутной (рассеивающей и поглощающей) среде.

Приложение