Источник света

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Митьковец Анатолий ИвановичХило Николай Анатольевич Турки Сауд Мохаммед АльСаудРашид Мохаммед Алтамими(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Источник света, содержащий светоизлучающий диод и внешний коллимирующий оптический элемент, отличающийся тем, что дополнительно содержит положительную сферическую линзу, установленную с возможностью ее контролируемого перемещения вдоль оптической оси источника света после коллимирующего оптического элемента,причем в качестве светоизлучающего диода использован диод, генерирующий оптическое излучение, состоящее из осевой и конической компонент, а в качестве коллимирующего оптического элемента использована линза в форме усеченного конуса, граница среза на котором совпадает с локальным минимумом интенсивности между осевой и конической компонентами излучения диода, диаметр основания конуса обеспечивает прохождение через него по меньшей мере 95 конической компоненты излучения диода в месте установки усеченной конической линзы, а угол между конической поверхностью и основанием конуса равен/(2-2(1/2-1,где- показатель преломления материала линзы,- угол конусности конической компоненты в направлении ее максимальной интенсивности.(56) 1..,.,.// . . . . - .15. - . 519-526. - 2007. 2.- .. - 2008. . 16. - . 3 /1808. 3. Интернет-источник - Реферат Оптические системы светоизлучающих диодов,///-426-4., рис. 3 и 4. Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и электроники и может быть использована для освещения и облучения объектов, а также для формирования изображений. В настоящее время в качестве источников света широко применяются светоизлучающие диоды (СИД, англоязычная аббревиатура - ). СИД отличаются компактностью и надежностью, имеют низкое рабочее напряжение и высокую частоту цикла включениевыключение и поэтому находят в науке и технике разнообразное применение. Оптическое излучение СИД может иметь достаточно узкий спектральный диапазон, высокое отношение максимальной к минимальной яркости, что может быть использовано для улучшения контраста изображения. Излучение СИД может иметь также большую цветовую гамму,что оптимально для использования в компактных проекционных аппаратах. Недостатком светодиодов в сравнении с современными высокоэффективными лампами является относительно высокая угловая расходимость излучения. Это означает, что для создания высокоэффективного осветителя необходимо преодолеть проблему потери света, вызванной высокой расходимостью излучаемого светового поля. К настоящему времени предложено достаточно много источников света, представляющего собой коллимированное излучение СИД. Широкое применение получили источники света с концентраторами излучения в виде световых трубок (тэйперов, от английского слова ) с площадью поперечного сечения, плавно изменяющейся с расстоянием 1. Тэйперы являются оптическими элементами, которые позволяют концентрировать излучение, менять профиль интенсивности, адаптировать этот профиль и также угловую расходимость к необходимым значениям. При этом, так как излучающий элемент СИД является обычно прямоугольным по форме, концентраторы также желательно иметь прямоугольными, чтобы обеспечить более высокую эффективность их действия. Недостатком систем освещения, основанных на применении тэйперов, является то, что их длина зависит от требуемого угла расходимости на выходе. Если требуются малые углы расходимости, длина источника света оказывается неприемлемо большой. Эти устройства не позволяют регулировать размер освещаемой зоны в заданной плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения. Кроме того, в силу конструкционных особенностей потери света в данных устройствах составляют величину, близкую к 50 . Существуют источники света, представляющие собой СИД со встроенными в корпус коллимационными элементами в виде сферического и/или конического отражателей и специальной прозрачной капсулы пулеобразной формы, которая действует на световой поток как своеобразная асферическая линза 2. Световые пучки данных источников, как правило, представляют собой разнообразные комбинации осевой и конических компонент, причем конические компоненты являются причиной расходимости выходного излучения, значительно превышающей расходимость осевой компоненты. Интенсивность излучения этих источников модулирована по полярному углу немонотонной функцией,имеющей локальные экстремумы. Конструкция этих устройств не позволяет регулировать размер освещаемой зоны. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому источнику света является устройство 3, состоящее из СИД со встроенными коллимационными элементами и 2 89552013.02.28 внешнего коллимационного оптического элемента, обеспечивающего требуемую диаграмму направленности выходного излучения. При проектировании и изготовлении источника света данного типа возникают проблемы, вызванные как малым размером излучающего кристалла, диаграмма направленности излучения которого во многом носит случайный характер, так и необходимостью очень точного его позиционирования относительно внешнего коллимационного оптического элемента. Кроме того, это устройство имеет значительный диаметр (40 мм) и не позволяет контролируемо изменять размер освещенной зоны в заданной плоскости. Задачей предлагаемой полезной модели является создание компактного источника света, обеспечивающего формирование светового пучка с небольшой расходимостью и возможностью контролируемого изменения размера освещаемой зоны в заданной плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, причем распределение интенсивности в данном поперечном сечении должно быть подобным гауссову. Предлагаемый источник света содержит светоизлучающий диод и внешний коллимирующий оптический элемент. Источник света обладает следующими отличительными признаками в качестве светоизлучающего диода использован диод, который генерирует излучение в виде осевой и конической компонент, в качестве коллимирующего оптического элемента использована линза в виде усеченного конуса, граница меньшего основания которого совпадает с локальным минимумом интенсивности между осевой и конической компонентами излучения, а диаметр большего основания обеспечивает прохождение через основание по меньшей мере 90 от энергии конической компоненты излучения в месте установки линзы, уголмежду конической поверхностью и основанием равен/(2-2(1/2-1, где- показатель преломления материала линзы,- угол конусности падающей на усеченную коническую линзу конической компоненты в направлении ее максимальной интенсивности, после коллимирующего оптического элемента установлена положительная сферическая линза с возможностью ее контролируемого перемещения вдоль оптической оси устройства. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема предлагаемого источника света на фиг. 2 - распределение интенсивности в поперечном сечении пучка СИД 365-1184 на расстоянии 20 см от излучающего кристалла на фиг. 3 распределение интенсивности в поперечном сечении пучка СИД 75-014-89 на расстоянии 20 см от излучающего кристалла на фиг. 4 - распределение интенсивности в поперечном сечении пучка СИД 75-036-42 на расстоянии 20 см от излучающего кристалла на фиг. 5 распределение интенсивности в поперечном сечении пучка СИД 404-1102- на расстоянии 20 см от излучающего кристалла на фиг. 6 - изготовленный для реализации предлагаемого устройства внешний коллимирующий оптический элемент в виде усеченной конической линзы на фиг. 7 - распределение интенсивности в поперечном сечении светового пучка СИД 365-1184- на расстоянии 25 см от излучающего кристалла на фиг. 8 диаметральное распределение интенсивности в поперечном сечении светового пучка СИД 365-1184- на расстоянии 25 см от излучающего кристалла на фиг. 9 - распределение интенсивности в поперечном сечении светового пучка СИД 365-1184- на расстоянии 25 см от излучающего кристалла при использовании коллимирующего оптического элемента в виде усеченной конической линзы на фиг. 10 - диаметральное распределение интенсивности в поперечном сечении светового пучка СИД 365-1184- на расстоянии 25 см от излучающего кристалла при использовании коллимирующего оптического элемента в виде усеченной конической линзы на фиг. 11 - распределение интенсивности в поперечном сечении скорректированного пучка после изменения его диаметра положительной сферической линзой с фокусным расстоянием 3 см на фиг. 12 - диаметральное распределение интенсивности в поперечном сечении скорректированного усеченной конической линзой пучка после изменения его диаметра положительной сферической линзой с фокусным расстоянием 3 см. 3 89552013.02.28 Предлагаемое устройство состоит из светоизлучающего диода, генерирующего излучение в виде осевой и конической компонент, внешнего коллимирующего оптического элемента - линзы в форме усеченного конуса, граница среза которого совпадает с локальным минимумом интенсивности между осевой и конической компонентами излучения, а диаметр основания конуса обеспечивает прохождение через основание по меньшей мере 95 от энергии конической компоненты излучения, причем угол между конической поверхностью и основанием равен/(2-2(1/2-1, где- показатель преломления материала линзы,- угол конусности конической компоненты в направлении ее максимальной интенсивности, и положительной сферической линзы, установленной с возможностью ее контролируемого перемещения вдоль оптической оси устройства после усеченной конической линзы. Устройство работает следующим образом. Светоизлучающий диод 1 генерирует оптическое излучение в виде двух компонент - осевой 2 и конической 3. Осевая компонента 2 проходит без изменения расходимости сквозь плоские поверхности основания и среза усеченной конической линзы 4, коническая же компонента проходит через основание и коническую поверхность линзы 4, после чего в результате преломления ее угол конусности существенно уменьшается, становясь более близким к нулю. Обе компоненты обладают собственной расходимостью и после конической линзы частично налагаются друг на друга, в результате чего после усеченной конической линзы 4 световой пучок имеет распределение интенсивности, подобное гауссову. Контролируемое перемещение положительной сферической линзы 5 вдоль оптической оси устройства позволяет регулировать поперечный размер выходного светового пучка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения. Возможность реализации предлагаемой полезной модели подтверждается следующими фактами. В настоящее время уже создано и серийно выпускается большое количество светоизлучающих диодов, многие из которых генерируют излучение, состоящее из осевой и конической компонент. На фиг. 2-5 представлены распределения интенсивности двухкомпонентных световых пучков, генерируемых СИД (модели 365-1184, 75-014-89 75-036-42, 404-1102- соответственно), в поперечном сечении пучка, находящемся на расстоянии 20 см от СИД. Имеется техническая возможность и отработана технология изготовления усеченных конических линз из оптических материалов. Внешний коллимирующий оптический элемент для уменьшения угла конусности конической компоненты излучения СИД, изготовленный для реализации предлагаемого устройства, показан на фиг. 6. Он представляет собой усеченный рефрактивный конус из стекла В-7. Диаметр элемента 12 мм, высота 9 мм, угол конической поверхности при основании 23 градуса. Расчет углапри основании конуса линзы 4 произведен в соответствии с формулой,связывающей угол конусностивыходящего из линзы луча с углом конусностивходящего луча(-1(-,где 1(/. При условии, что выходной луч параллелен оптической оси, т.е.0, из (1) получим уравнение(-1(. 2 2 1/2 Решение уравнения (2) для угладает/( - ( -1. Световые лучи, падающие на конус в диапазоне углов 618 градусов, выходят из него в диапазоне углов-66 градусов. При этом приосевая компонента падающего излучения также ограничена по углу расходимости в диапазоне -66 градусов. Это означает, что все излучение, падающее на конус в диапазоне углов 018 градусов будет иметь расходимость, не превышающую 6 градусов. В данный диапазон углов попадает примерно 95 энергии излучения используемых СИД с двухкомпонентной структурой 4 89552013.02.28 излучения. Это указывает на возможность достижения весьма высокого КПД преобразования. Основные потери излучения здесь могут быть вызваны френелевским отражением на гранях оптических элементов, для уменьшения которых целесообразно использовать просветление поверхностей конуса на длине волны используемого излучения. Диаметр основания усеченного конуса выбран таким образом, чтобы сквозь него прошла как можно большая часть излучения СИД. Диаметр среза выбирается из расчета, чтобы световые лучи, падающие под граничным углом, разделяющим осевую и коническую компоненты компонент (равным 6 градусов в рассматриваемом случае), попадали соответственно на границу конического и плоского участков поверхности. Так как интенсивность света в этой области имеет минимум, то дифракционные потери также будут минимизированы. При экспериментальном исследовании усеченный конус освещался СИД 365-1184 с параметрами центральная длина волны излучения 465 нм, ширина линии 20-25 нм, мощность 12,5 мВт, рабочий ток 20 мА, напряжение питания 3,4 В. Усеченная коническая линза располагалась на расстоянии 8 мм от излучающей поверхности светодиода. Фиг. 7-10 иллюстрируют влияние внешнего коллимирующего оптического элемента в виде усеченной конической линзы на структуру светового пучка СИД. Коллимирующий элемент практически устраняет двухкомпонентную структуру пучка и уменьшает провал интенсивности на его оси, делая диаметральное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка подобным гауссову. В результате преобразования световой пучок становится гораздо менее расходящимся, т.е. пригодным для последующего изменения его поперечных размеров с помощью сферической линзы. На фиг. 11 и 12 показан результат изменения поперечного размера пучка одиночной сферической линзой с фокусным расстоянием 3 см. Видно, что диаметр пучка в заданной поперечной плоскости можно легко уменьшить в 10 раз. Освещенность возрастает при этом в 100 раз. Поскольку все элементы предлагаемого источника света, включая собирающую сферическую линзу, имеют относительно малые диаметры и длины и располагаются последовательно вблизи друг от друга, источник света является достаточно компактным. Таким образом, предлагаемый источник света применим для выполнения поставленной задачи. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6