Излучатель

 

Излучатель включает выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности. Одна из поверхностей выполнена зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной зоной, имеющей отличные от периферийной оптические свойства. В объеме оптического элемента установлен на его оптической оси и в его фокусе источник излучения с плоскостью излучения, обращенной в сторону выходной поверхности. При этом, формы поверхностей взаимно согласованы с учетом соотношений 02, где есть телесный угол, в котором распространяется излучение источника, 0, где есть угол расхождения выходящего излучения. Центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, а диаметр светоделителя выбран так, что излучение источника попадает на него под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения. Обеспечивается возможность изменения диаграммы направленности без изменения формы оптических поверхностей, а также повышена устойчивость к неблагоприятным атмосферным условиям. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к конструкциям излучателей с встроенным в оптический элемент источником излучения, и наиболее эффективно может быть использовано в устройствах передачи сигнала по оптическому каналу в атмосфере, например в системах связи и сигнализации, техники безопасности, в рекламной деятельности, в фотометрии и т. д.

В таких излучателях активно используются полупроводниковые источники излучения с плоскими излучающими поверхностями, например светоизлучающие диоды или их комбинации в виде плоской или объемной матрицы /СИД/. Их использование сдерживается относительно невысокой мощностью светового потока от кристалла единичного излучающего элемента, обычно не превышающей десятков или сотен мВт, к тому же рассеиваемого со случайным распределением интенсивности в пределах телесного угла _2. Поэтому СИД выпускают неразборными, встроенными в оптический элемент, в функции которого входит сбор и преобразование световой энергии в поток с заданной диаграммой направленности. Наиболее сложной задачей является достижение минимального угла расхождения и максимальной осевой силы света. В настоящее время лучшие излучатели позволяют собирать не более 50% световой энергии, углы расхождения выходящего излучения обычно составляют не менее 10 - 20o, а сила света не превышает 10 - 20 кд.

Задача создания конструктивно согласованного с СИД оптического элемента, который позволит повысить долю собираемой энергии, достигнуть максимальной осевой силы излучения и затем варьировать показатели диаграммы направленности излучения без изменения формы оптических поверхностей, является актуальной.

Известно оптическое устройство, которое может быть использовано для преобразования диаграммы направленности оптического излучения [J.C.Minano, J.C.Gonzalez, P.Benitez. A high-gain, compact, nonimaging concentrator: RXI. APPLIED OPTICS. Vol. 34, N 34, 1995, p. 7850 - 7856]. Это устройство, предназначенное для сбора солнечного излучения, может быть использовано в качестве излучателя, при замене фотоприемника на источник излучения. Такие приемы в оптике известны. Устройство включает оптический элемент с двумя оптическими поверхностями, одна из которых является зеркально-отражающей, а вторая - прозрачной, в центре прозрачной поверхности выполнен зеркально-отражающий участок. Взаимное согласование формы поверхностей и диаметр зеркального пятна выбраны с учетом предназначения оптического элемента. Это обстоятельство ограничивает возможности выбора формы оптических поверхностей, не позволяет эффективно управлять диаграммой направленности при использовании оптического элемента в составе излучателя.

Известен излучатель [см. пат. США N 5.289.082, МПК G 02 B 3/04, публ. 22. 02. 94], в котором использована совокупность цилиндрических и эллиптических поверхностей, в одном из фокусов эллипсов размещены СИД, причем оптические оси всех пар поверхностей параллельны. Это устройство является сложным в изготовлении, не позволяет управлять диаграммой направленности излучения и эффективно осуществлять сбор излучения источника.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является светодиод [см. пат. СССР, N 1819488, МПК H 01 L 33/00, приор. 04.06.91], включающий выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности, формы которых взаимно согласованы, одна из которых выполнена зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной сферической зоной, и установленный в объеме оптического элемента на его оптической оси в фокусе оптического элемента источник излучения с плоскостью излучения, обращенной в сторону выходной поверхности. Это устройство не позволяет управлять диаграммой направленности выходящего излучения и эффективно собирать излучение источника.

Нами создан излучатель, позволяющий управлять диаграммой направленности, не изменяя формы оптических поверхностей, и без потерь общей световой энергии направлять точно известное количество световой энергии в заданные зоны телесного угла. При этом, когда пропускание светоделителя минимально, более 90% излучения СИД можно преобразовать в поток с углом расхождения не более 2o. Кроме того, излучатель обладает улучшенными потребительскими качествами, а именно повышена устойчивость к неблагоприятным атмосферным условиям - воздействию влаги, абразивному действию песка и пыли, а также ультрафиолетового излучения.

Такой технический эффект получен нами, когда в излучателе, включающем выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности, формы которых взаимно согласованы, одна из которых выполнена зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной зоной, имеющей отличные от периферийной оптические свойства, и установленный в объеме оптического элемента на его оптической оси и в его фокусе источник излучения с плоскостью излучения, обращенной в сторону выходной поверхности, новым является то, что центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, согласование формы поверхностей выполнено с учетом соотношений 0 2 , где есть телесный угол, в котором распространяется излучение источника, 0, где есть угол расхождения выходящего излучения, а диаметр светоделителя выбран так, что излучение источника попадает на светоделитель под углом меньшим угла полного внутреннего отражения /ПВО/.

Подходы к выбору способов согласования поверхностей с указанной функциональной зависимостью и ограничениями в оптике известны.

Использование полиметилметакрилата позволяет изготовить оптический элемент с высокой точностью формы и оптическим качеством поверхностей, а также применять найденные нами оптические просветляющие покрытия и получать устойчивые к атмосферным воздействиям и ультрафиолетовому излучению изделия.

На фиг. 1 показана оптическая схема излучателя. Здесь обозначения: оптический элемент - 1, зеркально-отражающая поверхность - 2, прозрачная зона - 3 выходной поверхности с просветляющим покрытием, светоделитель - 4 выходной поверхности, светоизлучающий диод - 5 на радиаторе 6, зона - 7 заполнения иммерсионной средой, фокальная плоскость - 8; ОО' - оптическая ось, - проекция телесного угла распространения излучения источника, - угол расхождения выходящего излучения, стрелками обозначен ход лучей.

На фиг. 2 показана диаграмма направленности излучения источника, когда пропускание светоделителя равно 0,4%. Здесь Y - относительная плотность мощности потока излучения, X - угол размещения фотоприемного устройства относительно оптической оси излучателя, град.

На фиг. 3 показана диаграмма направленности излучения источника, когда пропускание светоделителя равно 40%. Y - относительная плотность мощности потока излучения, X - угол размещения фотоприемного устройства относительно оптической оси излучателя, град.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1).

Светоизлучающий диод 5 генерирует излучение со случайным распределением интенсивности в заданном спектральном диапазоне. Благодаря тому что формы поверхностей 2, 3, 4 выполнены с учетом возможности полного сбора излучения СИД независимо от диаграммы направленности его излучения, коэффициент использования этого излучения увеличен. Уменьшение телесного угла 2 стерадиан даже на несколько градусов может привести к качественному снижению эффективности, поскольку существуют СИД, у которых наибольшая доля излучаемой энергии сконцентрирована в боковых зонах диаграммы направленности. Выбранное положение светящейся поверхности в фокальной плоскости оптического элемента обеспечивает выполнение условий согласования формы оптических поверхностей. Центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, поэтому часть излучения, которая попадает на него, в соответствии с коэффициентом пропускания светоделителя выходит наружу. Диаграмма направленности этой доли излучения формируется исходя из размеров светящейся поверхности СИД и угла поля зрения из этой поверхности на светоделитель. Другая часть излучения отражается от светоделителя и, благодаря выбранным формам поверхностей, попадает на зеркально-отражающую поверхность, затем отражается от нее, доходит до прозрачной просветленной поверхности и выходит наружу. Угол расхождения выходящего излучения стремится к нулю, поток излучения стремится к параллельному, что позволяет получать наибольшую осевую силу излучения. Часть излучения СИД поступает на прозрачную зону выходной поверхности, но под углом, большим угла ПВО, поэтому отражается от нее и попадает на периферию задней зеркально-отражающей поверхности, отражается от нее, вновь поступает на прозрачную выходную поверхность, теперь под углом меньшим угла ПВО и выходит наружу. Все световые потоки, излучаемые СИД в пределах телесного угла 2, выходят из оптического элемента, испытывая не более двух отражений, что обеспечивает высокую эффективность и малые потери излучения.

Примеры конкретного исполнения.

Методики измерений.

1. Методика измерения эффективности излучателя. Излучение СИД направляют в фотометрический шар так, что все его излучение попадает внутрь. Регистрируют показания фотоприемного устройства. Затем СИД помещают в оптический элемент и повторяют измерение. Сравнивая показания, определяют эффективность как долю энергии СИД, вышедшую из излучателя,%.

2. Методика измерения диаграммы направленности. Излучатель размещают на оптической скамье. В заданной точке пространства размещают фотоприемное устройство так, что оно может перемещаться по окружности с радиусом, равным расстоянию между излучателем и входным окном фотоприемного устройства. Включают питание СИД, фиксируют угол между оптической осью излучателя (см фиг. 1) и направлением на фотоприемное устройство и регистрируют величину плотности мощности светового потока Вт/см2 Повторяют измерения при различных углах и строят диаграмму направленности. Для направления, совпадающего с оптической осью излучателя, определяют осевую силу излучения, Вт/ср.

3. Методика измерения влагостойкости. Излучатель с измеренными по методикам 1 и 2 оптическими характеристиками помещают в дистиллированную воду при комнатной температуре и оставляют на 48 часов. Проводят повторные измерения и определяют степень отклонения измеренной величины от первоначальной. Если эти отклонения превышают 10% измеряемой величины, потребительские качества считают неприемлемыми.

4. Методика измерения оптических свойств в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Измеряют коэффициент зеркального отражения, %, на плоском свидетеле под углом 45o в спектральном диапазоне 200-360 нм на спектрофотометре типа СФ-20.

5. Методика оценки пригодности материала для изготовления оптического элемента. Измеряют геометрическое положение точек поверхности изготовленного оптического элемента относительно данных, рассчитанных по уравнениям согласования формы, с точностью не хуже 5 мкм. Отклонение на величину более 15 мкм считается неприемлемым.

6. Методика измерения устойчивости к абразивному воздействию песка и пыли. На вибрирующую поверхность помещают емкость, заполненную полировальным порошком со средним размером зерен 1 мкм. На свидетеле измеряют коэффициент диффузного рассеяния на длине волны 0,6 мкм на приборе типа СФ-18. Исходная величина равна 0,3%. Оптические свидетели и излучатели с различными типами оптических вакуумных покрытий, с измеренными по методике 1 и 2 оптическими характеристиками размещают на порошке оптической поверхностью вниз на 15 минут. Проводят повторные измерения. Изменение измеряемой величины более чем на 5% считается неприемлемым.

Пример 1. Был изготовлен оптический элемент со световой апертурой, равной 40 мм. Зеркально-отражающая поверхность выполнена по уравнению y2 - 77,42x + 6,4549x2 - 3,5897x3 + 0,7429x4 - 0,0644x5 = 0, выходная поверхность выполнена по уравнению у2 + x2 = 56,232, где x, y - координаты точек, принадлежащих оптическим поверхностям, 56,23 - радиус сферы, мм. Эти уравнения обеспечивают взаимное согласование формы оптических поверхностей в соответствии с выбранными условиями и наложенными ограничениями. Светоделитель был выполнен с коэффициентом отражения, равным 99,6%, и коэффициентом пропускания, равным 0,4%, его диаметр равен 7,5 мм. Отражающие поверхности и светоделитель выполнены вакуумным напылением серебра и имеют коэффициент зеркального отражения в рабочем спектральном диапазоне 98,8%. Оптические поверхности изготовлены с точностью 7 мкм и не имеют визуально обнаруживаемых дефектов шероховатости. Оптический элемент выполнен из полиметилметакрилата с трехслойным просветляющим покрытием - окись иттрия /4, окись скандия /2, окись кремния /4. Внутри оптического элемента в фокальной плоскости с точностью 3 мкм был размещен светоизлучающий диод /СИД/ в форме квадрата со стороной 1,1 мм. Пространство между СИД и материалом оптического элемента заполнено иммерсионной средой с показателем преломления, равным 1,488. Мощность излучения СИД в спектральном диапазоне 805 нм равна 50 мВт. Средняя сила излучения составляет 0,05 Вт/2 = 0,008 Вт/ср.

Были получены следующие результаты. Эффективность излучателя была равна 93%. 90% энергии было сосредоточено в телесном угле 1,0o, где сила излучения была равна ~39 Вт/ср. Коэффициент отражения в УФ-спектральном диапазоне составил ~20%. Устойчивость к воздействию влаги высокая, при испытаниях изменений не обнаружено. Величина отклонения формы поверхности от расчетной не превышала 6 мкм. При испытаниях на воздействие песка и пыли - величина диффузного рассеяния без изменений. Диаграмма направленности показана на фиг 2.

Пример 2. Использован оптический элемент по всем характеристикам подобный тому, который был использован в примере 1, кроме характеристик светоделителя. Светоделитель был выполнен с коэффициентом отражения 60% и коэффициентом пропускания 40%. Диаграмма направленности излучения показана на фиг. 3, при этом сила излучения в осевом направлении составляет 23 Вт/ср. Потери энергии в процессе преобразования не обнаружены. Остальные показатели - без изменений.

Для сравнения приведены результаты испытаний излучателей, выполненных с использованием известных в настоящее время решений.

Пример 3. Использован оптический элемент по геометрическим и оптическим характеристикам аналогичный тому, который использован в примере 1, но с просветляющим покрытием, выполненным из одного слоя MgF2. Были получены следующие результаты. Эффективность использования излучения СИД была равна 91%. 90% энергии было сосредоточено в телесном угле 1,2o. Сила излучения в осевом направлении была равна 27 Вт/ср. Коэффициент отражения в УФ-спектральном диапазоне составил ~ 6%. Величина отклонения формы поверхности от расчетной не превышала 5 мкм. Устойчивость к воздействию песка и пыли уменьшена - величина коэффициента диффузного рассеяния равна 1,9%. При испытаниях на устойчивость к воздействию влаги обнаружены отслоения оптических покрытий, после чего осевая сила света излучения оказалась равной 11 Вт/ср. Следовательно, оптические качества излучателя существенно ухудшены.

Пример 4. По методикам, предложенным нами, были пересчитаны результаты испытаний, приведенные в прототипе. Эффективность использования излучения СИД была равна 9%. 90% энергии было сосредоточено в телесном угле 5o. Сила излучения в осевом направлении была равна 0,8 Вт/ср. Оптические качества излучателя существенно хуже.

Таким образом, предложенная нами конструкция излучателя и выбранные условия взаимного согласования формы оптических поверхностей позволяют значительно, часто не менее чем в 10 раз повысить осевую силу излучения и преобразовать световой поток, направляя его в заданные зоны пространства. Такие результаты существенно расширяют технические возможности устройств, в основу которых положены предлагаемые излучатели, за счет увеличения дистанции уверенного контроля световых параметров в заданных зонах пространства. Предложенные излучатели удобны в эксплуатации и показывают стабильные результаты.

Данное изобретение позволяет приступить к созданию излучателей нового класса с коэффициентом преобразования электрической энергии в световую до 20 - 30% и осевой силой света в сотни Вт/ср. Такие устройства могут быть использованы в качестве источников освещения, а также в разнообразных сигнальных устройствах и крупноразмерных устройствах построения изображений. В настоящее время по предложенному техническому решению изготовлено около 200 излучателей с различными СИД и прорабатывается вопрос об организации производства с производительностью 200 тысяч штук в год.

Формула изобретения

1. Излучатель, включающий выполненный из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала оптический элемент, имеющий две рабочие поверхности, формы которых взаимно согласованы, одна из которых выполнены зеркально-отражающей, а другая, выходная - прозрачной с просветляющим покрытием и центральной зоной, имеющей отличные от периферийной оптические свойства, и установленный в объеме оптического элемента на его оптической оси и в его фокусе источник излучения с плоскостью излучения, обращенной с сторону выходной поверхности, отличающийся тем, что центральная зона выходной поверхности оптического элемента выполнена в виде светоделителя, условия согласования формы поверхностей найдены с учетом соотношений 0 2, где есть телесный угол, в котором распространяется излучение источника, 0, где есть угол расхождения выходящего излучения, а диаметр светоделителя выбран так, что излучение источника попадает на него под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала оптического элемента выбран полиметилметакрилат, а просветляющее покрытие выполнено многослойным, при этом первый и последний слои выполнены четвертьволновыми из оксидов элементов 2 или 3 группы таблицы Менделеева, причем последний слой выполнен из оксида материала с высокой механической прочностью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым приборам, содержащим несколько элементов, сформированных на общей подложке, в частности к светодиодным устройствам

Изобретение относится к оптическим полупроводниковым элементам, таким, как светоизлучающий элемент, лазерный элемент и элемент цветного дисплея, и к способу их изготовления

Изобретение относится к устройствам, изготовленным из узкощелевых полупроводников для работы в инфракрасном диапазоне длин волн

Изобретение относится к электролюминесцентным источникам света, в частности к способам усовершенствования электролюминесцентного слоя при изготовлении электролюминесцентных индикаторных панелей, возбуждаемых постоянным электрическим полем (ЭЛИП) для отображения буквенно-цифровой и графической информация

Изобретение относится к микроэлектронике и касается конструкции изготовления малоинерционного микроэлектронного источника ИК излучения

Изобретение относится к элементам полупроводниковых приборов и может быть использовано в светодиодах, лазерных диодах, биполярных транзисторах и т.д

Изобретение относится к способам изготовления или обработки полупроводниковых приборов

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может найти применение в приборах газового анализа, спектрометрах, системах связи

Изобретение относится к осветительному устройству (10) с излучателем (1) света, который содержит концентрические кольца и/или сектора органических светодиодов (OLEDs), по меньшей мере, двух различных основных цветов

Монтажная поверхность для размещения множества светодиодов имеет множество ориентируемых линз, каждую из которых индивидуально закрепляют у единичного светодиода. Каждая ориентируемая линза имеет первичный отражатель и преломляющую линзу, которые направляют свет, излучаемый единичным светодиодом, на отражающую поверхность ориентируемой линзы, которая отражает свет в сторону от первичной оси выходного светового пучка светодиода. Технический результат - повышение точности регулирования света. 5 н. и 37 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является оптимизация эффективности освещения. Осветительное устройство, содержащее, по меньшей мере, один источник (11) света, отражательную деталь (20), содержащую отражательную поверхность (22), край (21) ("первый край"), выполняющий отсекание световых лучей, проходящих в области, примыкающей к этому первому краю (21), и светомодифицирующую деталь (30), выполненную с возможностью модифицирования световой характеристики световых лучей и имеющую край (31) ("второй край"). Светомодифицирующая деталь (30) проходит от отражательного детали (20) к этому второму краю (31) над площадью поверхности, предназначенной для приема части световых лучей, проходящих в упомянутой области. Второй край выполнен таким образом, чтобы для части световых лучей светомодифицирующая деталь (30) модифицировала пропорционально больше световых лучей, которые проходят ближе к первому краю (21), чем световых лучей, которые проходят дальше от первого края (21). 11 з.п. ф-лы, 18 ил.

Лазерный диод содержит излучающий элемент с линзой для формирования излучения. Линза включает центральную зону, которая имеет оптическую силу и обеспечивает коллимирование потока излучения. Лучи, прошедшие через центральную зону, отражаются от внешней наклонной грани линзы, которая выводит излучение наружу. Технический результат заключается в обеспечении максимальной плотности светового потока излучения в направлении под требуемым углом к продольной оси контсрукции. 1 ил.

Линза для формирования излучения лазерного диода включает расположенные по ходу излучения излучающего элемента диода внутреннюю и внешнюю поверхности. Центральная зона внутренней поверхности имеет оптическую силу, обеспечивающую коллимирование потока излучения. Внешняя поверхность линзы имеет призменную форму, вершина которой расположена от источника излучения, и содержит основную поверхность, расположенную в непосредственной близости от излучающего элемента диода, и вспомогательную поверхность, установленную под углом к продольной оси линзы и к основной поверхности. Углы расположения внешней основной и вспомогательной поверхностей линзы выбраны таким образом, чтобы обеспечить угол полного внутреннего отражения. Поток излучения излучающего элемента полностью отражается от внутренней стороны основной поверхности внутрь корпуса линзы и выходит под прямым углом к ее вспомогательной поверхности. Технический результат заключается в создании оптического устройства, обеспечивающего максимальную плотность светового потока излучения светодиода в направлении под требуемым углом к продольной оси оптического устройства, характеризующегося простотой конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности выхода света на торцах осветительного устройства. Оптический узел включает в себя наружную линзу (50) и внутреннюю линзу (40), расположенную внутри наружной линзы (50). Торцевая крышка (30) соединена с основным кожухом (12) осветительного устройства и сконфигурирована так, чтобы позволять свету от источника (18) света в основном кожухе (12) поступать в торцевую крышку (30), затем через внутреннюю линзу (40) и через наружную линзу (50) во внешнее пространство. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к конструкциям излучателей с встроенным в оптический элемент источником излучения, и наиболее эффективно может быть использовано в устройствах передачи сигнала по оптическому каналу в атмосфере, например в системах связи и сигнализации, техники безопасности, в рекламной деятельности, в фотометрии и т

Наверх