RU115565U1 - LIGHT-RADIATING DIODE MODULE (OPTIONS) - Google Patents
LIGHT-RADIATING DIODE MODULE (OPTIONS) Download PDFInfo
- Publication number
- RU115565U1 RU115565U1 RU2011152840/28U RU2011152840U RU115565U1 RU 115565 U1 RU115565 U1 RU 115565U1 RU 2011152840/28 U RU2011152840/28 U RU 2011152840/28U RU 2011152840 U RU2011152840 U RU 2011152840U RU 115565 U1 RU115565 U1 RU 115565U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- emitting diode
- refractive index
- diode module
- reflector
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims abstract description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims abstract 12
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 9
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 9
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 8
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 28
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 11
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
1. Светоизлучающий диодный модуль, включающий светоизлучающий диод на теплоотводящем держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель, выполненный из материала с показателем преломления nm>nb, где nb - показатель преломления окружающей среды, боковая поверхность светопроницаемого отражателя, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, на световыводящей поверхности светопроницаемого отражателя выполнено углубление, дном которого является фокусирующая линза, причем фокус фокусирующей линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим диодом, а апертурный угол α фокусирующей линзы не превышает угол αm, где αm есть решение трансцендентного уравнения: ! tgαм=sinαм/[nb/nb-n1]+[1-cos(αm+y)], ! где y=arcsin(n1/nb), ! n1 - показатель преломления материала фокусирующей линзы, ! а высота параболоида не менее величины: ! r(cosα+1)cosα/sin2α, ! где r - радиус посадочного места светопроницаемого отражателя на держателе, ! при этом фокусирующая линза выполнена в виде кольцевой линзы Френеля. ! 2. Светоизлучающий диодный модуль по п.1, отличающийся тем, что светопроницаемый отражатель выполнен из светопрозрачного полимерного материала. ! 3. Светоизлучающий диодный модуль по п.2, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного полимерного материала использован поликарбонат. ! 4. Светоизлучающий диодный модуль по п.2, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного полимерного материала использован эпоксидный оптический компаунд. ! 5. Светоизлучающий диодный модуль по п.2, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного полимерного материала использован полиметилмета 1. Light-emitting diode module, including a light-emitting diode on a heat sink holder, on which a light-transmitting reflector is formed, made of a material with a refractive index nm> nb, where nb is the refractive index of the environment, the side surface of a light-transmitting reflector that does not emit radiation due to total internal reflection , is made in the form of an elliptical paraboloid, a recess is made on the light-emitting surface of the light-transmitting reflector, the bottom of which is the focusing lens, and the focus of the focusing lens is aligned with the focus of the paraboloid and the light-emitting diode, and the aperture angle α of the focusing lens does not exceed the angle αm, where αm is the solution of the transcendental equation :! tgαm = sinαm / [nb / nb-n1] + [1-cos (αm + y)],! where y = arcsin (n1 / nb),! n1 is the refractive index of the focusing lens material,! and the height of the paraboloid is not less than the value:! r (cosα + 1) cosα / sin2α,! where r is the radius of the seat of the light-transmitting reflector on the holder,! the focusing lens is made in the form of an annular Fresnel lens. ! 2. The light-emitting diode module according to claim 1, wherein the light-transmitting reflector is made of a translucent polymer material. ! 3. The light-emitting diode module according to claim 2, characterized in that polycarbonate is used as the translucent polymer material. ! 4. The light-emitting diode module according to claim 2, characterized in that an epoxy optical compound is used as the translucent polymer material. ! 5. The light-emitting diode module according to claim 2, characterized in that polymethylmeta is used as the translucent polymer material
Description
Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении мощных узконаправленных высокоэффективных источников излучения, пригодных для замены традиционных ламповых источников света.The utility model relates to semiconductor optoelectronics and can be used in the manufacture of powerful highly focused highly efficient radiation sources suitable for replacing traditional tube light sources.
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент RU 2424598, МПК H01L 33/60, опубликован 20.07.2011), включающий излучающий кристалл (кристаллы) из InGaAIN, конический отражатель и люминофор, расположенный удаленно от кристалла (кристаллов). Отражатель выполнен из белого материала с углом наклона стенок 60°+5-10 и высотой равной 2-3 поперечным размерам кристалла, на стенки отражателя нанесен слой прозрачного полимера толщиной 100±50 мкм. Лунка отражателя полностью заполнена прозрачным полимером с плоской или почти плоской поверхностью, на которую нанесен слой полимера толщиной 100±50 мкм с распределенным в нем люминофором.Known light-emitting diode module (see patent RU 2424598, IPC H01L 33/60, published 07/20/2011), including a radiating crystal (crystals) from InGaAIN, a conical reflector and a phosphor located remotely from the crystal (crystals). The reflector is made of white material with an angle of inclination of the walls of 60 ° + 5-10 and a height equal to 2-3 transverse dimensions of the crystal, a layer of a transparent polymer with a thickness of 100 ± 50 μm is applied to the walls of the reflector. The reflector well is completely filled with a transparent polymer with a flat or almost flat surface, on which a polymer layer 100 ± 50 μm thick with a phosphor distributed in it is deposited.
К недостаткам известного светоизлучающего диодного модуля следует отнести следующее. Во-первых, использование указанного люминофора позволяет получать излучатели только зеленого свечения, что резко ограничивает их область применения. Затем, светоизлучающий кристалл залит непосредственно в полимерный пластик. Такая конструкция возможна только для маломощных светодиодов. Увеличение мощности светодиода предполагает увеличение плотности протекаемого через кристалл тока. Это приводит к разогреву кристалла и его разрушению из-за различия в коэффициентах термического расширения полупроводникового кристалла и прозрачного полимера, из которого выполнен корпус излучателя. Отражатель имеет два существенных недостатка. Не очень удачная конусная форма позволяет получать только широкие углы излучения и не позволяет их гибко варьировать. Отражающая поверхность выполнена белой. Коэффициент отражения от такой поверхности достаточно низкий, в результате чего значительная часть света безвозвратно теряется. Вообще коэффициент отражения на непрозрачных поверхностях при прочих равных условиях всегда ниже, чем при полном внутреннем отражении света.The disadvantages of the known light-emitting diode module include the following. Firstly, the use of this phosphor allows you to get emitters only green glow, which sharply limits their scope. Then, the light emitting crystal is poured directly into the polymer plastic. This design is only possible for low-power LEDs. An increase in the LED power implies an increase in the density of the current flowing through the crystal. This leads to the heating of the crystal and its destruction due to the difference in the thermal expansion coefficients of the semiconductor crystal and the transparent polymer from which the emitter body is made. The reflector has two significant drawbacks. The not very successful conical shape allows one to obtain only wide radiation angles and does not allow them to be flexibly varied. The reflective surface is white. The reflection coefficient from such a surface is quite low, as a result of which a significant part of the light is irretrievably lost. In general, the reflection coefficient on opaque surfaces, ceteris paribus, is always lower than with total internal reflection of light.
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент RU 2055420, МПК H01L 33/00, опубликован 27.12.1996), с плоской световыводящей поверхностью, включающий светоизлучающий кристалл, помещенный в прозрачный материал отражающего корпуса, выполненного из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления 1<nм<nк. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, а форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет соотношению:Known light-emitting diode module (see patent RU 2055420, IPC H01L 33/00, published December 27, 1996), with a flat light-emitting surface, including a light-emitting crystal, placed in a transparent material of a reflective body made of a material transparent to radiation with a refractive index of 1 <n m <n k . The part of the casing surface that does not emit radiation due to total internal reflection is formed by rotating the curve of the function f (x) relative to the axis of symmetry, and the shape of the casing non-radiating surface satisfies the relation:
; ;
где: nb - показатель преломления окружающей среды (воздуха);where: n b is the refractive index of the environment (air);
nm - показатель преломления материала корпуса;n m is the refractive index of the body material;
nк - показатель преломления кристалла;n to is the refractive index of the crystal;
f'(x) - производная функции f(x);f '(x) is the derivative of the function f (x);
х - координата точки на кривой f(x);x is the coordinate of the point on the curve f (x);
ξ- расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.ξ is the distance from the origin to the light emitting crystal, see
В пространственном изображении искомая форма отражающего корпуса светоизлучающего диодного модуля представляет собой объемную фигуру, полученную путем вращения кривой функции f(x), удовлетворяющей представленному выше уравнению относительно оси симметрии. Этому уравнению удовлетворяет целое семейство кривых функций f(x), используя которые можно изготовить различные формы полимерного корпуса светоизлучающего диодного модуля. Такие светоизлучающие диодные модули при расположении излучающего кристалла на оси симметрии полностью собирают и выводят через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое полупроводниковым кристаллом.In the spatial image, the desired shape of the reflecting housing of the light-emitting diode module is a three-dimensional figure obtained by rotating the curve of the function f (x) that satisfies the above equation with respect to the axis of symmetry. This equation is satisfied by a whole family of function curves f (x), using which it is possible to produce various forms of the polymer case of the light-emitting diode module. Such light emitting diode modules, when the emitting crystal is located on the axis of symmetry, are completely collected and output through the light output surface of the housing all the radiation emitted by the semiconductor crystal.
Основные недостатки конструкции заключаются в следующем. Данная конструкция не обеспечивает получение узконаправленного излучения светоизлучающего диодного модуля. Даже в случае если форма корпуса светоизлучающего диодного модуля выполнена в виде геометрической фигуры, которая, кроме сбора, позволяет и эффективно фокусировать излучение, например, в виде эллиптического параболоида, то часть излучения не отражается от боковой поверхности, а попадает на непосредственно на световыводящую поверхность, где преломляется и выходит под углами превышающими угол падения света на границу. Это приводит к расширению диаграммы направленности модуля.The main design flaws are as follows. This design does not provide highly focused radiation of the light emitting diode module. Even if the shape of the housing of the light-emitting diode module is made in the form of a geometric figure, which, in addition to collecting, makes it possible to efficiently focus the radiation, for example, in the form of an elliptical paraboloid, then part of the radiation is not reflected from the side surface, but falls directly onto the light-output surface, where it is refracted and exits at angles greater than the angle of incidence of light on the boundary. This leads to an expansion of the radiation pattern of the module.
Кроме того, известная конструкция светоизлучающего диодного модуля не позволяет получать мощные источники излучения, обладающие повышенным световым потоком. Известно, что мощность излучения и величина светового потока светоизлучающего диодного модуля зависит от величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл. Поэтому для увеличения мощности излучения и величины светового потока светоизлучающего диодного модуля через полупроводниковый кристалл стараются пропустить как можно больший ток. Однако с увеличением величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл, наряду с повышением мощности излучения происходит и разогрев объема кристалла. Вредное влияние разогрева даже при его относительно небольшой величине приводит к резкому ухудшению светотехнических параметров светоизлучающего диодного модуля: изменяется длинна волны излучения и, в конечном итоге, уменьшается и возросшая в первоначальный момент мощность излучения. Более того, работа светоизлучающего диодного модуля в таком режиме приводит к быстрой деградации полупроводникового кристалла и выходу излучателя из строя. Обычно рабочая температура полупроводниковых излучательных кристаллов не должна превышать величины 100-120°C. Поэтому через светоизлучающий диодный модуль не рекомендуется пропускать ток, при котором температура объема полупроводникового кристалла была бы выше. При этом необходимо учитывать особенности конструкции светоизлучающего диодного модуля. В известной конструкции, где полупроводниковый кристалл расположен на достаточно тонком металлическом электроде, недопустимый разогрев объема кристалла достигается уже при токе 50-100 мА. В результате в таких конструкциях светоизлучающего диодного модуля световой поток не превышает несколько люменов, и получить большую мощность излучения не представляется возможным.In addition, the known design of the light emitting diode module does not allow to obtain high-power radiation sources with an increased light flux. It is known that the radiation power and the luminous flux of a light-emitting diode module depend on the magnitude of the current flowing through the semiconductor crystal. Therefore, to increase the radiation power and the luminous flux of the light-emitting diode module, they try to pass as much current as possible through the semiconductor crystal. However, with an increase in the magnitude of the current flowing through the semiconductor crystal, along with an increase in the radiation power, the crystal volume is also heated. The harmful effect of heating even with its relatively small value leads to a sharp deterioration in the lighting parameters of the light-emitting diode module: the radiation wavelength changes and, ultimately, the radiation power that increases at the initial moment decreases. Moreover, the operation of the light emitting diode module in this mode leads to rapid degradation of the semiconductor crystal and the emitter breakdown. Typically, the operating temperature of semiconductor emitting crystals should not exceed 100-120 ° C. Therefore, it is not recommended to pass a current through the light-emitting diode module at which the temperature of the volume of the semiconductor crystal would be higher. In this case, it is necessary to take into account the design features of the light emitting diode module. In a known design, where the semiconductor crystal is located on a sufficiently thin metal electrode, an unacceptable heating of the crystal volume is already achieved at a current of 50-100 mA. As a result, in such constructions of the light emitting diode module, the light flux does not exceed several lumens, and it is not possible to obtain a large radiation power.
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент RU 47136, МПК H01L 33/00, опубликован 15.02.2005). В известной конструкции светоизлучающий диодный модуль включает полупроводниковый светоизлучающий диод, помещенный в отражающий сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления nm>nb, часть поверхности которого, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии. Форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет соотношению:Known light-emitting diode module (see patent RU 47136, IPC H01L 33/00, published 02.15.2005). In a known construction, the light-emitting diode module includes a semiconductor light-emitting diode placed in a reflective solid body made of a material transparent to radiation with a refractive index of n m > n b , a part of the surface of which is not outputting radiation due to total internal reflection, is formed by rotation of the function curve f (x) with respect to the axis of symmetry. The shape of the radiation-free surface of the housing satisfies the relation:
, ,
где: nb - показатель преломления окружающей среды (воздуха);where: n b is the refractive index of the environment (air);
nm - показатель преломления материала корпуса;n m is the refractive index of the body material;
f'(x) - производная функции f(x);f '(x) is the derivative of the function f (x);
х - координата точки на кривой f(x), см;x is the coordinate of the point on the curve f (x), cm;
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла, см.ξ is the distance from the origin to the light-emitting crystal, see
Отражающий корпус усечен по плоскости, параллельной его широкому основанию, на которой выполняется условие полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом, и размещен на теплоотводящем элементе.The reflecting body is truncated along a plane parallel to its wide base, on which the condition of total internal reflection of the light emitted by the crystal is satisfied, and is placed on the heat-removing element.
Наиболее эффективно сбор и фокусировка излучения осуществляется, если корпус монолитно интегрированного диодного модуля выполнен в виде эллиптического параболоида. Однако, хотя данная конструкция и позволяет получать мощные диодные модули с большими значениями светового потока, но ей присущи все недостатки при фокусировке света, указанные выше в патенте РФ №2055420.The most efficient collection and focusing of radiation is carried out if the body of a monolithically integrated diode module is made in the form of an elliptical paraboloid. However, although this design makes it possible to obtain powerful diode modules with large values of luminous flux, it has all the disadvantages of focusing light, as described above in RF patent No. 2055420.
Наиболее близким к настоящему техническому решению является светоизлучающий диодный модуль (см. патент SU 1819488, МПК H01L 33/00, опубликован 20.05.1995), совпадающий по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Светоизлучающий диодный модуль содержит кристалл на держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель. Боковая поверхность светопроницаемого отражателя имеет форму купола, в частности, с параболической поверхностью, и с углублением на передней поверхности, дном которого является линза со сферической поверхностью. Фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим кристаллом, а апертурный угол α линзы не превышает угла αм, где αм есть решение трансцендентного уравнения: tgαм=sinαм/[nb/nb-nm]+[1-cos(αм+y)] при y=arcsin(nm/nb), nm, nb показатель преломления материала фокусирующей линзы и среды; а высота параболоида не менее величины r(cosα+1)cosα/sin2α, где r радиус посадочного места отражателя на держателе.Closest to the present technical solution is a light emitting diode module (see patent SU 1819488, IPC H01L 33/00, published 05/20/1995), which coincides with the largest number of essential features and is taken as a prototype. The light emitting diode module comprises a crystal on a holder on which a translucent reflector is formed. The lateral surface of the translucent reflector has a dome shape, in particular with a parabolic surface, and with a recess on the front surface, the bottom of which is a lens with a spherical surface. The focus of the lens is combined with the focus of the paraboloid and the light-emitting crystal, and the aperture angle α of the lens does not exceed the angle α m , where α m is the solution of the transcendental equation: tgα m = sinα m / [n b / n b -n m ] + [1-cos (α m + y)] at y = arcsin (n m / n b ), n m , n b the refractive index of the material of the focusing lens and the medium; and the height of the paraboloid is not less than r (cosα + 1) cosα / sin2α, where r is the radius of the reflector’s seat on the holder.
В данном техническом решении линза, расположенная на дне углубления собирает и фокусирует свет, который не отражается от боковой поверхности параболоида. Это позволяет уменьшить уширение диаграммы направленности излучателя. Однако данная конструкция обладает следующим недостатком. Аберрация в сферической линзе тем больше, чем больше угол охвата. Поэтому в такой конструкции излучателя параллельным пучком будут выходить из сферической линзы только параксиальные лучи в малом угле близком к нормали. Остальные лучи будут отклоняться от параллельности тем сильнее, чем больше угол охвата линзы. Таким образом, данная конструкция не обеспечивает в полной мере получение узконаправленного излучения.In this technical solution, a lens located at the bottom of the recess collects and focuses light that is not reflected from the side surface of the paraboloid. This allows you to reduce the broadening of the radiation pattern of the emitter. However, this design has the following disadvantage. The aberration in a spherical lens is greater, the larger the angle of coverage. Therefore, in such a design of the emitter, only paraxial rays at a small angle close to the normal will come out of the spherical lens in a parallel beam. The remaining rays will deviate from parallelism the stronger, the greater the angle of coverage of the lens. Thus, this design does not fully provide narrowly targeted radiation.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка светоизлучающего диодного модуля, который бы имел более узкую направленность излучения.The objective of this technical solution was to develop a light-emitting diode module, which would have a narrower radiation pattern.
Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.The problem is solved by a group of utility models, united by a single inventive concept.
По первому варианту поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает светоизлучающий диод на теплоотводящем держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель, выполненный из материала с показателем преломления nm>nb, где nb - показатель преломления окружающей среды. Боковая поверхность светопроницаемого отражателя, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. На световыводящей поверхности светопроницаемого отражателя сделано углубление, дном которого является фокусирующая линза. Фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим диодом. Апертурный угол α фокусирующей линзы не превышает угол αm, где αm есть решение трансцендентного уравнения:In the first embodiment, the problem is solved in that the light-emitting diode module includes a light-emitting diode on a heat-conducting holder, on which a light-permeable reflector is made of material with a refractive index n m > n b , where n b is the refractive index of the environment. The lateral surface of the translucent reflector, which does not remove radiation due to total internal reflection, is made in the form of an elliptical paraboloid. A recess is made on the light-output surface of the light-reflecting reflector, the bottom of which is a focusing lens. The focus of the lens is combined with the focus of the paraboloid and the light emitting diode. The aperture angle α of the focusing lens does not exceed the angle α m , where α m is the solution of the transcendental equation:
где y=arcsin(n1/nb),where y = arcsin (n 1 / n b ),
n1 - показатель преломления материала фокусирующей линзы.n 1 is the refractive index of the material of the focusing lens.
Высота параболоида не менее величины:The height of the paraboloid is not less than:
r(cosα+1)cosα/sin2α,r (cosα + 1) cosα / sin 2 α,
где r - радиус посадочного места светопроницаемого отражателя.where r is the radius of the seat of the translucent reflector.
Новым является выполнение фокусирующей линзы в виде кольцевой линзы Френеля.New is the implementation of the focusing lens in the form of a circular Fresnel lens.
В светоизлучающем диодном модуле по первому варианту светопроницаемый отражатель может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, полиметилметакрилата, оптического полиуретана.In the light-emitting diode module according to the first embodiment, the light-transmitting reflector can be made of translucent polymeric material, for example, polycarbonate, epoxy optical compound, polymethyl methacrylate, optical polyurethane.
Между светопроницаемым отражателем и светоизлучающим диодом может быть залит оптически прозрачный гель или оптически прозрачный силикон, или оптически прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачная силиконовая жидкость, или оптически прозрачная тиксотропная жидкость, при этом их показатели преломления равны или близки к показателю преломления светопроницаемого отражателя.An optically transparent gel or optically transparent silicone, or optically transparent elastic polyurethane, or optically transparent silicone fluid, or optically transparent thixotropic liquid can be filled between the light-reflecting reflector and the light-emitting diode, while their refractive indices are equal to or close to the refractive index of the light-reflecting reflector.
По второму варианту поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает светоизлучающий диод на теплоотводящем держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель, выполненный из материала с показателем преломления nm>nb, где nb - показатель преломления окружающей среды. Боковая поверхность светопроницаемого отражателя, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. На световыводящей поверхности светопроницаемого отражателя сделано углубление, дном которого является фокусирующая линза. Фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и светоизлучающим диодом. Апертурный угол α фокусирующей линзы не превышает угол αm, где αm есть решение трансцендентного уравнения:In the second embodiment, the problem is solved in that the light-emitting diode module includes a light-emitting diode on a heat-removing holder, on which a light-permeable reflector is made of material with a refractive index n m > n b , where n b is the refractive index of the environment. The lateral surface of the translucent reflector, which does not remove radiation due to total internal reflection, is made in the form of an elliptical paraboloid. A recess is made on the light-output surface of the light-reflecting reflector, the bottom of which is a focusing lens. The focus of the lens is combined with the focus of the paraboloid and the light emitting diode. The aperture angle α of the focusing lens does not exceed the angle α m , where α m is the solution of the transcendental equation:
где y=arcsin(n1/nb),where y = arcsin (n 1 / n b ),
n1 - показатель преломления материала фокусирующей линзы.n 1 is the refractive index of the material of the focusing lens.
Высота параболоида не менее величины:The height of the paraboloid is not less than:
r(cosα+1)cosα/sin2α,r (cosα + 1) cosα / sin 2 α,
где r - радиус посадочного места светопроницаемого отражателя. Новым является выполнение фокусирующей линзы в виде асферической линзы.where r is the radius of the seat of the translucent reflector. New is the implementation of a focusing lens in the form of an aspherical lens.
В светоизлучающем диодном модуле по второму варианту светопроницаемый отражатель может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, полиметилметакрилата, оптического полиуретана.In the light-emitting diode module of the second embodiment, the light-transmitting reflector can be made of translucent polymeric material, for example, polycarbonate, epoxy optical compound, polymethyl methacrylate, optical polyurethane.
Между светопроницаемым отражателем и светоизлучающим диодом может быть залит оптически прозрачный гель или оптически прозрачный силикон, или оптически прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачная силиконовая жидкость, или оптически прозрачная тиксотропная жидкость, при этом их показатели преломления равны или близки к показателю преломления светопроницаемого отражателя.An optically transparent gel or optically transparent silicone, or optically transparent elastic polyurethane, or optically transparent silicone fluid, or optically transparent thixotropic liquid can be filled between the light-reflecting reflector and the light-emitting diode, while their refractive indices are equal to or close to the refractive index of the light-reflecting reflector.
Как указано выше, недостатком сферической линзы является аберрация, которая тем больше, чем больше, чем больше угол охвата. Зависимость координаты фокуса от расстояния между оптической осью и точкой падения луча и есть сферическая аберрация. Для одиночной сферической поверхности, отклоняющей лучи по направлению к главной оптической оси, координата фокуса всегда уменьшается при увеличении расстояния между оптической осью и падающим лучом. Чем дальше от оси падает луч на преломляющую поверхность, то есть чем больше угол охвата, тем ближе к этой поверхности он пересекает ось после преломления. В результате лучи, падающие на поверхность параллельно главной оптической оси, не собираются в одной точке в плоскости изображения, а образуют пятно рассеяния конечного диаметра в этой плоскости. В одной точке пересекаются только параксиальные лучи, которые падают на поверхность очень близко к главной оптической оси.As indicated above, the disadvantage of a spherical lens is aberration, which is greater, the greater, the greater the angle of coverage. The dependence of the focus coordinate on the distance between the optical axis and the point of incidence of the beam is spherical aberration. For a single spherical surface deflecting the rays toward the main optical axis, the focus coordinate always decreases with increasing distance between the optical axis and the incident beam. The farther from the axis the beam falls on the refractive surface, that is, the larger the angle of coverage, the closer to this surface it crosses the axis after refraction. As a result, rays incident on the surface parallel to the main optical axis are not collected at one point in the image plane, but form a scattering spot of finite diameter in this plane. At one point only paraxial rays intersect, which incident on the surface very close to the main optical axis.
Указанную причину аберрации позволяют исправить кольцевая линза Френеля или асферическая линза.The indicated cause of the aberration can be corrected by an annular Fresnel lens or an aspherical lens.
Известно, что кольцевая линза Френеля состоит из колец, наружные поверхности которых являются частями тороидальных поверхностей. При этом геометрическая форма колец такова, что на каждой отдельной тороидальной поверхности сферическая аберрация минимальна. Геометрическая форма тороидальных колец выполняется различной в зависимости от отклонения от оптической оси линзы. Ступеньки тороидальных колец разграничены концентрическими канавками и представляют собой участки сферических или конических поверхностей. Каждый участок этих поверхностей направляет пучки лучей в требуемое место изображения. Чем меньше расстояние между соседними ступеньками (то есть больше их число), тем лучше исправляются в линзе аберрации. Поэтому даже лучи от источника света, которые значительно отклоняются от параксиальных, преломляясь в сферической линзе Френеля, в отличие от обычной сферической линзы, выходят пучком близким к параллельному. Этот свойство кольцевой линзы Френеля и позволяет получать пучок излучения, близкий к параллельному даже при больших углах охвата.It is known that an annular Fresnel lens consists of rings whose outer surfaces are parts of toroidal surfaces. Moreover, the geometric shape of the rings is such that on each individual toroidal surface spherical aberration is minimal. The geometric shape of the toroidal rings is different depending on the deviation from the optical axis of the lens. The steps of the toroidal rings are delimited by concentric grooves and represent areas of spherical or conical surfaces. Each section of these surfaces directs the beams of rays to the desired location in the image. The smaller the distance between adjacent steps (that is, the greater their number), the better they are corrected in the aberration lens. Therefore, even rays from a light source that deviate significantly from the paraxial, refracting in a Fresnel spherical lens, unlike a conventional spherical lens, come out with a beam close to parallel. This property of the Fresnel ring lens allows one to obtain a radiation beam that is close to parallel even at large viewing angles.
Как показано выше, сферическая аберрация обусловлена избыточной кривизной преломляющей поверхности. По мере удаления от оптической оси угол между касательной к поверхности и перпендикуляром к оптической оси увеличивается быстрее, чем это необходимо для того, чтобы направлять преломленный луч в параксиальный фокус. Для уменьшения этого эффекта необходимо замедлить отклонение касательной к поверхности от перпендикуляра к оси по мере ее удаления. Для этого кривизна поверхности должна уменьшаться по мере удаления от оптической оси, т.е. поверхность не должна быть сферической, у которой кривизна во всех ее точках одинакова. Уменьшение сферической аберрации может быть достигнуто с помощью применения линз с асферическими преломляющими поверхностями. Это могут быть, например, поверхности эллипсоида, параболоида и гиперболоида. В принципе возможно использование и других более сложных форм поверхности. Привлекательность эллиптической, параболической и гиперболической форм лишь в том, что они, как и сферическая поверхность, описываются достаточно простыми аналитическими формулами и сферическая аберрация линз с этими поверхностями может быть достаточно легко рассчитана теоретически.As shown above, spherical aberration is due to the excess curvature of the refractive surface. As you move away from the optical axis, the angle between the tangent to the surface and the perpendicular to the optical axis increases faster than is necessary in order to direct the refracted beam into the paraxial focus. To reduce this effect, it is necessary to slow down the deviation of the tangent to the surface from the perpendicular to the axis as it is removed. For this, the surface curvature should decrease with distance from the optical axis, i.e. the surface should not be spherical, in which the curvature at all points is the same. Reducing spherical aberration can be achieved by using lenses with aspherical refractive surfaces. This can be, for example, the surface of an ellipsoid, paraboloid and hyperboloid. In principle, other more complex surface shapes can also be used. The attractiveness of elliptical, parabolic and hyperbolic forms is only that they, like the spherical surface, are described by fairly simple analytical formulas and the spherical aberration of lenses with these surfaces can be easily calculated theoretically.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:This technical solution is illustrated in the drawing, where:
на фиг.1 показан вид сбоку на первый вариант светоизлучающего диодного модуля согласно настоящей полезной модели;figure 1 shows a side view of a first embodiment of a light emitting diode module according to the present utility model;
на фиг.2 приведен вид сверху на светоизлучающий диодный модуль, показанный на фиг.1;figure 2 shows a top view of the light emitting diode module shown in figure 1;
на фиг.3 показан вид сбоку на второй вариант светоизлучающего диодного модуля согласно настоящей полезной модели;figure 3 shows a side view of a second embodiment of a light emitting diode module according to the present utility model;
на фиг.4 приведен вид сверху на светоизлучающий диодный модуль, показанный на фиг.3.in Fig.4 shows a top view of the light emitting diode module shown in Fig.3.
Согласно настоящей полезной модели светоизлучающий диодный модуль включает (см. фиг.1-фиг.4) светоизлучающий диод 1, закрепленный на теплоотводящем держателе 2. На теплоотводящем держателе 2 сформирован светопроницаемый отражатель 3, выполненный из материала 4 с показателем преломления nm>nb, где nb - показатель преломления окружающей среды. Светопроницаемый отражатель 3 имеет торцовую световыводящую поверхность 5. Светопроницаемый отражатель 3 может быть выполнен, например, из поликарбоната, полиметилметакрилата, эпоксидного оптического компаунда, оптического полиуретана. Боковая невыводящая излучение поверхность 6 светопроницаемого отражателя 3, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида. На световыводящей поверхности 5 светопроницаемого отражателя 3, сделано углубление 7, дном которого является фокусирующая линза, выполненная в виде кольцевой линзы 8 Френеля (см. фиг.1-фиг.2) или асферической линзы 9 (см. фиг.3-фиг.4). Фокус фокусирующей линзы совмещен с фокусом параболоида и с светоизлучающим кристаллом 1, а апертурный угол α линзы не превышает угол αm, где αm есть решение трансцендентного уравнения (1).According to the present utility model, the light emitting diode module includes (see FIG. 1 to FIG. 4) a light emitting diode 1 mounted on a heat sink 2. A heat-reflecting reflector 3 is formed on the heat sink 2, made of material 4 with a refractive index n m > n b where n b is the refractive index of the environment. The translucent reflector 3 has an end reflective surface 5. The translucent reflector 3 can be made, for example, of polycarbonate, polymethyl methacrylate, epoxy optical compound, optical polyurethane. The lateral non-radiating surface 6 of the translucent reflector 3, not outputting radiation due to total internal reflection, is made in the form of an elliptical paraboloid. On the light-output surface 5 of the translucent reflector 3, a recess 7 is made, the bottom of which is a focusing lens made in the form of an Fresnel ring lens 8 (see FIG. 1-FIG. 2) or an aspherical lens 9 (see FIG. 3-FIG. 4 ) The focus of the focusing lens is combined with the focus of the paraboloid and the light emitting crystal 1, and the aperture angle α of the lens does not exceed the angle α m , where α m is the solution of the transcendental equation (1).
Светоизлучающий диодный модуль согласно воплощению настоящей полезной модели работает следующим образом.The light emitting diode module according to the embodiment of the present utility model operates as follows.
Часть света, испускаемая закрепленным на теплоотводящем держателе 2 светоизлучающим диодом 1, падает на боковую невыводящую излучение поверхность 6 светопроницаемого отражателя 3 и, испытывая полное внутреннее отражение на границе раздела с воздухом, выходит параллельным пучком через световыводящую поверхность 5. Другая часть излучения, не попадающая на боковую невыводящую излучение поверхность 6 светопроницаемого отражателя 3, перехватывается в первом варианте фокусирующей кольцевой линзой 8 Френеля, а во втором варианте асферической линзой 9, расположенными в углублении 7, и также выходит пучком света близким к параллельному.Part of the light emitted by the light-emitting diode 1 mounted on the heat-holding holder 2, falls on the side non-output radiation surface 6 of the light-reflecting reflector 3 and, experiencing total internal reflection at the interface with air, leaves a parallel beam through the light-output surface 5. Another part of the radiation that does not fall on the side non-radiating radiation surface 6 of the translucent reflector 3 is intercepted in the first embodiment by a focusing ring Fresnel lens 8, and in the second embodiment by an aspherical lens 9 located in the recess 7, and also comes out with a beam of light close to parallel.
Пример 1.Example 1
Светопроницаемый отражатель светоизлучающего диодного модуля выполнен в виде параболоида, у которого боковая невыводящая излучение поверхность отвечает уравнению Y2=7x и высота которого равна 33 мм. В соответствие с проведенными расчетами диаметр кольцевой линзы Френеля установлен равным 11 мм. Линза Френеля выполнена в виде сферической линзы в центре диаметром 3 мм и высотой 1 мм и 3 концентрических тороидальных колец высотой 1 мм, ступеньки которых представляют собой участки сферических поверхностей, и расположена в углублении на расстоянии 22 мм от световыводящей поверхности.The light-permeable reflector of the light emitting diode module is made in the form of a paraboloid, in which the side non-output radiation surface corresponds to the equation Y 2 = 7x and whose height is 33 mm. In accordance with the calculations, the diameter of the annular Fresnel lens is set to 11 mm. The Fresnel lens is made in the form of a spherical lens in the center with a diameter of 3 mm and a height of 1 mm and 3 concentric toroidal rings 1 mm high, the steps of which are sections of spherical surfaces, and is located in the recess at a distance of 22 mm from the light-output surface.
Проведенные измерения показали, что угол излучения в таком светоизлучающем диодном модуле составляет величину 3,5°. Светоизлучающий диодный модуль с аналогичными геометрическими размерами, но со сферической линзой в углублении имеет угол излучения 5°.The measurements showed that the angle of radiation in such a light-emitting diode module is 3.5 °. A light emitting diode module with similar geometric dimensions, but with a spherical lens in the recess, has an emission angle of 5 °.
Пример 2.Example 2
Светопроницаемый отражатель светоизлучающего диодного модуля выполнен в виде параболоида, у которого боковая невыводящая излучение поверхность отвечает уравнению Y2=7x и высота которого равна 33 мм. В соответствие с проведенными расчетами асферическая линза выполнена в виде усеченного эллипсоида высотой 2,0 мм и диаметром в основании 11 мм. Асферическая линза расположена в углублении таким образом, что ее основание находится на расстоянии 22 мм от световыводящей поверхности.The light-permeable reflector of the light emitting diode module is made in the form of a paraboloid, in which the side non-output radiation surface corresponds to the equation Y 2 = 7x and whose height is 33 mm. In accordance with the calculations, the aspherical lens is made in the form of a truncated ellipsoid 2.0 mm high and 11 mm in diameter at the base. The aspherical lens is located in the recess in such a way that its base is at a distance of 22 mm from the light output surface.
Проведенные измерения показали, что угол излучения в таком светоизлучающем диодном модуле составляет величину 4°. Светоизлучающий диодный модуль с аналогичными геометрическими размерами, но со сферической линзой в углублении имеет угол излучения 5°.The measurements showed that the angle of radiation in such a light-emitting diode module is 4 °. A light emitting diode module with similar geometric dimensions, but with a spherical lens in the recess, has an emission angle of 5 °.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152840/28U RU115565U1 (en) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | LIGHT-RADIATING DIODE MODULE (OPTIONS) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152840/28U RU115565U1 (en) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | LIGHT-RADIATING DIODE MODULE (OPTIONS) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU115565U1 true RU115565U1 (en) | 2012-04-27 |
Family
ID=46298131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011152840/28U RU115565U1 (en) | 2011-12-23 | 2011-12-23 | LIGHT-RADIATING DIODE MODULE (OPTIONS) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU115565U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2534453C1 (en) * | 2013-07-08 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Light-emitting diode and method of making same |
| RU180666U1 (en) * | 2017-07-26 | 2018-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Полтеос" | LED OPTICAL DEVICE |
-
2011
- 2011-12-23 RU RU2011152840/28U patent/RU115565U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2534453C1 (en) * | 2013-07-08 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Light-emitting diode and method of making same |
| RU180666U1 (en) * | 2017-07-26 | 2018-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Полтеос" | LED OPTICAL DEVICE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7152985B2 (en) | Compact folded-optics illumination lens | |
| US7648256B2 (en) | Lighting system having lenses for light sources emitting rays at different wavelengths | |
| US8235556B2 (en) | Condensing element, array, and methods thereof | |
| US9046241B2 (en) | High efficiency directional light source using lens optics | |
| US20030235050A1 (en) | Side emitting led and lens | |
| CN100470853C (en) | Collimated light-emitting diode packaging structure | |
| KR101189652B1 (en) | LED array type for the lighting lens and the lens using the same | |
| JP2013214449A (en) | Toroidal lens and lighting device | |
| JP6130982B1 (en) | Light emitting diode lamp | |
| RU115565U1 (en) | LIGHT-RADIATING DIODE MODULE (OPTIONS) | |
| RU2055420C1 (en) | Light-emitting diode | |
| RU113073U1 (en) | LIGHT-Emitting DIODE MODULE | |
| RU120747U1 (en) | LIGHT-Emitting DIODE MODULE | |
| RU47136U1 (en) | Light emitting diode | |
| KR100989436B1 (en) | Condensing lens for LEDs and its design method | |
| KR101128284B1 (en) | Condensing Lens for LEDs | |
| RU115963U1 (en) | LIGHT-Emitting DIODE MODULE | |
| RU119167U1 (en) | LIGHT-Emitting DIODE MODULE | |
| US20100271828A1 (en) | light-emitting device and method for its design | |
| US10677418B2 (en) | LED module with outlet lens | |
| RU139658U1 (en) | LIGHT-Emitting DIODE MODULE | |
| RU2265916C1 (en) | Light-emitting diode incorporating optical component | |
| CN107062026B (en) | Compound total reflection LED shot-light lens | |
| CN117847462A (en) | Directed Quasi-Flat Cone |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20131224 |