Світлодіодний випромінювач

Реферат: Світлодіодний випромінювач містить послідовно встановлені вдовж оптичної осі модуль із Μ  2 твердотільних чипів з різними довжинами хвиль випромінювання, оптичний змішувач і збиральну лінзу, при якому оптичний змішувач складено із М-1 об'ємних фазових дифракційних ґраток з просторовою модуляцією показника заломлення m -й ґратки з періодом d : m d вдовж вектора q1 – q m, arccos q' 1 q' m 2n sin 2 де q'1 = q1/n, q'm = qm/n, n - середній показник заломлення матеріалу оптичного змішувача,  2   n 1  qi  ri    1  1 ri  , i  1 m, ,  ri  2    Ν - вектор нормалі до поверхні оптичного змішувача в точці, до якої спрямовано одиничний вектор ri із фокуса збиральної лінзи, де встановлено один із М чипів, та одиничний вектор rm із позавісної точки, де розташовано m-й чип з довжиною хвилі випромінювання m, m = 2,..., М. UA 74303 U (12) UA 74303 U UA 74303 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до штучних джерел світла, зокрема до світлодіодних освітлювальних пристроїв з перестроюваним спектром випромінювання. Відомі світлодіодні випромінювачі для отримання білого світла, дія яких заснована на оптичному змішуванні випромінювання декількох світлодіодів, що випромінюють в різних областях видимого спектра. Для отримання білого світла найбільш часто використовують оптичне змішування червоного, зеленого та синього випромінювання різних світлодіодів. Можливо також отримати біле світло шляхом змішування випромінювання жовтого та синього кольорів. Для цього можна використовувати випромінювання різних (жовтого та синього) світлодіодів або синього світлодіода з нанесеним шаром відповідного люмінофору, що частку синього випромінювання перетворює в жовте, яке при змішуванні з синім дає біле світло. Відомі світлодіодні випромінювачі білого світла містять принаймні два світлодіоди, оптичний змішувач та в більшості випадків збиральну лінзу. Оптичні змішувачі відомих випромінювачів виконано у вигляді призмових блоків з дихроїчними або напівпрозорими світлоподільними покриттями [див. наприклад пат. США № 6139166], дифузних розсіювачів [заявка США 12/685287 (US 2011/0170289 Α1], відрізку трубчатого світловоду [Michael Zollers. LEDs offer an attractive alternative to HID lamps in miniature projectors. Laser Focus World. Illumination Systems Design. July 2006]. Такі конструкції або мають порівняно великі габарити або відносно складні та досить дорогі. В світлодіодному випромінювачі відповідно до пат. США № 6604839 для оптичного змішування використовуються відбивальні дифракційні ґратки з трикутними та дрібними ступінчастими штрихами. Такий оптичний змішувач досить складний у виготовленні та дорогий. Найбільш близьким за технічною суттю є світлодіодний випромінювач (див. патент США № 7682041), що містить послідовно розміщені вдовж оптичної осі модуль з декількох випромінюючих твердотільних чипів, оптичний змішувач у вигляді лінзи з нанесеними на її поверхню паралельними випуклими штрихами, збиральну лінзу. Недоліком вказаного пристрою є те, що за його допомогою не вдається отримати добру колімацію світлового променя за збиральною лінзою на виході випромінювача, оскільки безпосередньо за оптичним змішувачем світловий пучок має досить широкий поперечний переріз з хаотичним хвильовим фронтом. Задачею корисної моделі є розробка пристрою з перестроюваним спектром і невеликим розходженням світлового пучка, який би дозволяв повністю направити світловий пучок у довільному вибраному напрямку та сформувати потрібний хвильовий фронт. Поставлена задача вирішується тим, що у світлодіодному випромінювачі, що містить послідовно встановлені вдовж оптичної осі модуль із Μ  2 твердотільних чипів з різними довжинами хвиль випромінювання, оптичний змішувач і збиральну лінзу, згідно з корисною моделлю, оптичний змішувач складено із М-1 об'ємних фазових дифракційних ґраток з просторовою модуляцією показника заломлення m -й ґратки з періодом d ri вдовж вектора q1-q m, де q'1=q1/n, q'm=qm/n, n - середній показник заломлення матеріалу оптичного змішувача,  2  n 1 qi  ri    1  1 ri  , i  1 m, ,    ri  2    Ν - вектор нормалі до поверхні оптичного змішувача в точці, до якої спрямовано одиничний вектор rі із фокуса збиральної лінзи, де встановлено один із М чипів, та одиничний вектор rm із 45 50 позавісної точки, де розташовано m-й чип з довжиною хвилі випромінювання m, m=2,…,М. При цьому показник заломлення дифракційної ґратки товщиною Τ просторово модульований за гармонійним законом з амплітудою модуляції nm  0,5 m  1q'1  q'm  1/ 2 , m  2,..., . Для досягнення найбільшої ефективності перетворення оптичним змішувачем випромінювання від різних чипів з різними довжинами хвиль сукупністю об'ємних фазових дифракційних ґраток з гармонійною модуляцією показника заломлення має виконуватися співвідношення: 2nm    m q'1  q'm  1/ 2 , де Τ- товщина дифракційної ґратки, 1 UA 74303 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Δnm - амплітуда гармонійної модуляції показника заломлення m -й дифракційної ґратки, m=2,…, Μ. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 показано будову світлодіодного випромінювача, на Фіг. 2 подана структура дифракційної ґратки та схема її формування голографічним методом. Світлодіодний випромінювач (див. Фіг. 1, Фіг. 2) містить напівпровідникові чипи 1, 2, 3, оптичний змішувач у вигляді об'ємної фазової дифракційної ґратки 4, збиральну лінзу 5. Об'ємна фазова дифракційна ґратка 4 отримана голографічним методом з використанням джерел випромінювання 6, 7 або 7, 8. В запропонованій корисній моделі оптичний змішувач виготовлено у вигляді об'ємної фазової дифракційної ґратки. Така структура не поглинає світла та має модуляцію показника заломлення, що відповідає просторовому розподілу інтенсивності в стаціонарній інтерференційній картині, утвореній всередині матеріалу когерентними світловими пучками, що поширюються із точкових джерел в місцях розташування напівпровідникових чипів. Відомо властивості такий ґратки, що дозволяють при належному виборі її параметрів майже повністю направити пучок у довільному вибраному напрямку та сформувати потрібний хвильовий фронт [див. наприклад Р. Кольер, К. Беркхарт, Л. Лин. Оптическая голография. - М.: "Мир", 1973. Глава 9]. Найбільш зручно отримувати цю дифракційну ґратку голографічним методом. Світлодіодний випромінювач працює наступним чином. Чипи 1, 2, 3 випромінюють світло з довжинами хвиль, відповідно, 1, 2, 3. Випромінювання від розташованого на оптичній осі у фокусі збиральної лінзи 5 чипа 1 з довжиною хвилі 1 проходить через дифракційну ґратку 4 без зміни напрямку поширення. Випромінювання від позавісних чипів 2, 3 з довжинами хвиль 2, 3, майже повністю дифрагує на дифракційній ґратці 4 в напрямку поширення випромінювання з довжиною хвилі 1 від чипу 1. Тобто більша частина випромінювання від усіх чипів за дифракційною ґраткою поширюється таким чином, якби джерело світла з довжинами хвиль випромінювання 1, 2, 3 розташовувалося би на оптичній осі на місці чипу 1 у фокусі збиральної лінзи 5. На виході світлодіодного випромінювача збиральна лінза 5 формує колімований світловий пучок. Колір отриманого світла залежить від співвідношення потужностей складових випромінювання з довжинами хвиль 1, 2, 3. Зокрема, можна отримати біле світло при змішуванні червоного, зеленого та синього випромінювання трьох чипів або жовтого та синього випромінювання двох чипів. Перевагою запропонованого пристрою є менше кутове розходження світлового пучка на виході випромінювача. Якщо поперечний розмір випромінюючої області дорівнює d, то за допомогою збиральної лінзи з фокусною відстанню f можна отримати кутове розходження пучка приблизно  = d/f або більше, якщо випромінювач розташовано поза фокальною площиною. Згаданий розмір випромінюючої області дорівнює поперечному розміру чипа d в запропонованому випромінювачі або розміру D освітленої області оптичного змішувача світлодіодного джерела світла. В останньому випадку в кожній точці оптичного змішувача випромінювання з різними довжинами хвиль поширюється в різних напрямках, що не дозволяє отримати кутове розходження пучка менше  = D/f Одна з можливих схем отримання згаданої структури з вказаними властивостями голографічним методом подана на Фіг. 2. Нехай така голографічна ґратка формується при освітленні світлочутливого матеріалу двома когерентними пучками випромінювання з довжиною хвилі 2, що поширюються з двох точок 7, 6, розташованих відносно шару світлочутливого матеріалу таким же чином, як чипи 1(у фокусі збиральної лінзи) і 2 встановлено відносно дифракційної ґратки 4 у складі світлодіодного випромінювача. Розглянемо для цього випадку модуляцію показника заломлення всередині матеріалу ґратки, що утворюється в результаті голографічного запису. Нехай N - нормаль до поверхні матеріалу в точці А, r1, r2 - одиничні вектори, що спрямовано з точок 6, 7 до точки А. Вирази для хвильових векторів випромінювання можна записати наступним чином: k1  2 / 2 r1 , k 2  2 / 2 r2 . Всередині матеріалу з показником заломлення n хвильові вектори випромінювання після заломлення на межі "повітря-середовище" колінеарні векторам q1, q2, які можна представити у такому вигляді:  2  n 1 qi  ri    1  1 ri  , i  1 2. ,    ri  2    Відповідні вирази для хвильових векторів всередині матеріалу мають вигляд: 2 UA 74303 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 k'1  2 / 2 q1 , k'2  2 / 2 q2 , Когерентні світлові пучки з довжиною хвилі випромінювання всередині матеріалу 2/n поблизу точки А утворюють просторову інтерференційну картину, відповідно до якої в результаті голографічного запису показник заломлення матеріалу змінюється за гармонійним законом з амплітудою модуляції n в напрямку вектора q1-q2. Згідно з цим просторовим розподілом показник заломлення в точці з радіус-вектором r дорівнює n(r) = n + n cos [(k'1-k'2)r]. Період ґратки вдовж вектора q1-q2 дорівнює 2 , де d  2 / k'1k' 2   2 / 2n sin   arccos q' 1 q' 2 2n sin 2 θ - 0,5 arccos q'1 q'2 - половина кута між когерентними пучками всередині середовища, n середній показник заломлення матеріалу оптичного змішувача, q'1=q1/n, q'2=q2/n. Із аналізу дифракції світла на об'ємної фазової дифракційної ґратці з гармонійною модуляцією показника заломлення випливає, що для досягнення найбільшої дифракційної ефективності ґратки товщиною Τ з похилими штрихами має виконуватися співвідношення     n /  2 q'1  1/ 2 q'm  1/ 2   / 2 або 2n   2 q'1   q'm   1/ 2 Дану формулу можна отримати наприклад з використанням результатів статті [див. II. Kogelnik. Coupled wave theory for thick hologram gratings. The Bell System Technical Journal. Vol. 48 (November 1969), pp. 2909-2947]. Випромінювання чипу 2 з довжиною хвилі 2 дифрагує майже повністю на такий голографічної ґратки 4 у напрямку поширення випромінювання від чипу 1 з довжиною хвилі 1, що проходить через ґратку без дифракції. Така ґратка може використовуватися для отримання білого світла при змішуванні синього випромінювання (1) від чипу 1 та жовтого (2) від чипу 2. У товстому (порядку 0,01 мм) шарі світлочутливого матеріалу може бути сформовано декілька незалежних об'ємних дифракційних ґраток. На Фіг. 2 пунктирними лініями показано формування другої ґратки за допомогою когерентних світлових пучків з довжиною хвилі 3, що поширюються з точок 7, 8, розташованих відносно шару світлочутливого матеріалу таким же чином, як чипи 1, 3 встановлено відносно дифракційної ґратки 4 у складі світлодіодного випромінювача. Випромінювання чипу 3 з довжиною хвилі 3 дифрагує на другій ґратці майже повністю у напрямку поширення випромінювання від чипу 1, що не дифрагує на ґратці. Така складна ґратка може використовуватися для отримання білого світла при змішуванні синього (1), червоного (2) та зеленого випромінювання (3) від чипів 1, 2, 3 відповідно. Відомо різноманітні матеріали для голографічного запису об'ємних фазових дифракційних ґраток, наприклад, біхромована желатина, деякі фотополімери, кристалічні матеріали. В принципі необхідна структура може бути виготовлена голографічним методом з використанням потрібного для вибраного фоточутливого матеріалу випромінювання, що по довжині хвилі відрізняється від випромінювання напівпровідникових чипів. Однак, для цього треба належним чином сформувати хвильові фронти когерентних світлових пучків, що в такому випадку матимуть більш складну несферичну форму. Дифракційні властивості об'ємних ґраток в принципі залежать від поляризації світла. В даному випадку кути всередині середовища між нормаллю та пучками досить невеликі, що дозволяє не враховувати поляризаційні ефекти. Напівпровідникові чини для світлодіодів випромінюють світло, що має кінцеву ширину спектру. Це приводить до деякого зменшення потужності дифрагованого випромінювання та ступеня колімації світлового пучка на виході запропонованого світлодіодного випромінювача порівняно з ідеальним випадком оптичного змішування монохроматичних складових випромінювання. Запропоноване технічне рішення дозволяє створити джерела випромінювання з перестроюваним спектром і невеликим розходженням світлового пучка. Корисна модель може зайти широке застосування у галузі штучних джерел світла, зокрема світлодіодних освітлювальних пристроїв з перестроюваним спектром випромінювання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 1. Світлодіодний випромінювач, що містить послідовно встановлені вдовж оптичної осі модуль із Μ  2 твердотільних чипів з різними довжинами хвиль випромінювання, оптичний змішувач і 3 UA 74303 U 5 10 збиральну лінзу, який відрізняється тим, що оптичний змішувач складено із М-1 об'ємних фазових дифракційних ґраток з просторовою модуляцією показника заломлення m -й ґратки з періодом d : m вдовж вектора q1 – q m, d arccos q' 1 q' m 2n sin 2 де q'1 =q1/n, q'm = qm/n, n - середній показник заломлення матеріалу оптичного змішувача,  2   n 1  qi  ri    1  1 ri  , i  1, m,  riN2    Ν - вектор нормалі до поверхні оптичного змішувача в точці, до якої спрямовано одиничний вектор ri із фокуса збиральної лінзи, де встановлено один із М чипів, та одиничний вектор rm із позавісної точки, де розташовано m-й чип з довжиною хвилі випромінювання m, m = 2,..., М. 2. Світлодіодний випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що показник заломлення дифракційної ґратки товщиною Τ просторово модульовано за гармонійним законом з амплітудою модуляції nm  0,5 m  1q'1  q'm  1/ 2 , m  2,..., . 4 UA 74303 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5