RU2661441C1

RU2661441C1 - Controlled spectrum radiation source

Info

Publication number: RU2661441C1
Application number: RU2017122086A
Authority: RU
Inventors: Николай Дмитриевич Жуков; Александр Анатольевич Хазанов; Михаил Игоревич Шишкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет"
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-07-16

Abstract

FIELD: optics; electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to optoelectronics, lighting, devices emitting in the visible, infrared and terahertz ranges, can be used for the development and production of x sources with a controlled spectrum of radiation in medicine, technology, transport, and everyday life. Source of radiation with a controlled spectrum is made in the form of a hollow cylindrical body, the inner surface of which is a cylindrical radiation reflector, and the window is a cylindrical lens. Inside the body, a light-emitting microchannel structure is formed with semiconductor micro- or nanopowders excited by LED radiation and luminescing in spaced spectral bands λ_J. Light-emitting microchannel structure is made in the form of one, or two, or more micro-channel cells-elements (MCE) in the form of identical cylinders attached to each other along a generatrix, to the ends of each of which are mechanically and optically connected by two LEDs: one, exciting – with radiation in the spectral band λ_incl, another, complementary – with radiation in the spectral band λ_add. Spectral emission bands of all MCEs and their complementary LEDs do not coincide and for each of them are distributed in the ratio – λ_incl<λ_J<λ_add.

EFFECT: expansion of the spectral range, control of spectral characteristics, increase in the efficiency of photon transformations.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах. Может быть использовано для разработок и производства высокоэффективных источников с управляемым спектром излучения в медицине, технике, на транспорте, в быту.The invention relates to optoelectronics, lighting equipment, devices emitting in the visible, infrared and terahertz ranges. It can be used for the development and production of highly efficient sources with a controlled radiation spectrum in medicine, technology, transport, and in everyday life.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION

Источники излучений в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолета (УФ, 100 нм) до дальне-инфракрасного (ИК, 20 мкм) - широко используются во всех сферах жизнедеятельности. Их действие основано на преобразовании энергии электрического поля или тока, электронного или светового потока в энергию излучений.Sources of radiation in a wide spectral range - from ultraviolet (UV, 100 nm) to far infrared (IR, 20 μm) - are widely used in all spheres of life. Their action is based on the conversion of the energy of an electric field or current, of an electronic or light flux into radiation energy.

Основные положительные свойства источников излучения - высокие значения яркости, КПД преобразования, управляемость спектром. В последнее время злободневными становятся новые свойства - управление спектром излучения в готовом приборе.The main positive properties of radiation sources are high brightness values, conversion efficiency, spectrum controllability. Recently, new properties have become topical - the control of the radiation spectrum in the finished device.

Известны электролюминесцентные излучатели, в которых излучение возбуждается полевым воздействием на твердотельную пленочную структуру, например: тонкопленочный электролюминесцентный индикатор - патент РФ 2065259, тонкопленочный электролюминесцентный дисплей с высокой контрастностью и способ его изготовления - патент РФ 2119274, электролюминесцентная система, многослойная структура, осветительное устройство и способ получения электролюминесцентной системы - патент РФ 2305378.Electroluminescent emitters are known in which radiation is excited by a field effect on a solid-state film structure, for example: a thin-film electroluminescent indicator - RF patent 2065259, a thin-film electroluminescent display with high contrast and its manufacturing method - RF patent 2119274, electroluminescent system, multilayer structure, lighting device method of producing an electroluminescent system - RF patent 2305378.

Недостатками таких источников являются: малые значения яркости и КПД преобразования, высокие значения управляющего напряжения, узкий не управляемый спектральный диапазон.The disadvantages of such sources are: low brightness and conversion efficiency, high control voltage, a narrow uncontrolled spectral range.

Известен огромный класс монохромных светодиодов (СИД), в которых в гетероструктуре электрический ток преобразуется в свет [1, 2]. Они имеют присущие им недостатки - узкий спектральный диапазон и отсутствие управляемости спектром излучения в готовом приборе.A huge class of monochrome LEDs (LEDs) is known, in which an electric current is converted into light in a heterostructure [1, 2]. They have their inherent disadvantages - a narrow spectral range and the lack of controllability of the radiation spectrum in the finished device.

Широкое применение [1, 2] имеют белые светодиоды, в которых СИД синего света возбуждает люминофор иммерсионной линзы, создавая и смешивая гамму из двух-трех цветов - полупроводниковый источник света, патенты РФ 2114492, 2349988; светоизлучающий диод, патент РФ 2484363; светодиод с оптикой, патент РФ 2512110; осветительное устройство, патенты РФ 2511720, 2518198;White LEDs are widely used [1, 2], in which blue LEDs excite a phosphor of an immersion lens, creating and mixing a gamut of two or three colors - a semiconductor light source, RF patents 2114492, 2349988; light emitting diode, RF patent 2484363; LED with optics, RF patent 2512110; lighting device, RF patents 2511720, 2518198;

Всем перечисленным выше вариантам присущи существенные недостатки -плохая управляемость спектром излучения от прибора к прибору и отсутствие таковой в готовом приборе. Спектр излучения в этих приборах полностью зависит от состава материалов излучающей структуры, который постоянен для готового прибора, и не зависит от условий питания. Кроме того, спектр этих приборов ограничен диапазоном видимого излучения.All of the above options have significant disadvantages - poor controllability of the radiation spectrum from device to device and the lack thereof in the finished device. The radiation spectrum in these devices depends entirely on the composition of the materials of the radiating structure, which is constant for the finished device, and does not depend on the power supply conditions. In addition, the spectrum of these devices is limited by the range of visible radiation.

Некоторое улучшение свойства управляемости спектром добиваются интеграцией элементов и смешением их излучения в микро- и макроисполнении, например, способ формирования светоизлучающих матриц - патенты РФ 2474920, 2492550, 2465683; источник света, содержащий светоизлучающие кластеры - патент РФ 2462002; тонкопленочное светодиодное устройство с возможностью поверхностного монтажа - патент 2372671; светильник - патент 2366120; светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты) - патент 2295174.Some improvement in the spectrum-driven property is achieved by integrating the elements and mixing their radiation in micro- and macro-performance, for example, the method of forming light-emitting matrices - RF patents 2474920, 2492550, 2465683; a light source containing light emitting clusters - RF patent 2462002; thin-film LED device with the possibility of surface mounting - patent 2372671; lamp - patent 2366120; light emitting device containing light emitting elements (options) - patent 2295174.

Во всех этих вариантах решается задача управления спектром света только в диапазоне от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм). При этом в микроинтегральных вариантах значительно растут световые потери, а технологии их исполнений сложны и дороги. Макро-исполнения, в которых простыми способами смешивают свет разных цветов, проявляет худшие свойства по сравнению с обычным широко используемым (стандартным) решением - использованием чипа синего света и бело-желтой люминесценции от люминофора, внедренного в материал контактной с чипом иммерсионной линзы [3].In all these variants, the problem of controlling the light spectrum is solved only in the range from blue (0.45 μm) to red (0.65 μm). At the same time, light losses significantly increase in micro-integrated variants, and the technologies for their execution are complex and expensive. Macro designs in which light of different colors are mixed by simple methods exhibits worse properties compared to the usual widely used (standard) solution - using a blue light chip and white-yellow luminescence from a phosphor embedded in the material of the immersion lens contact with the chip [3] .

При протекании тока через излучающую структуру в ней происходит люминесценция и излучение в иммерсионную линзу-интегратор. Линза содержит порошок люминофора, который возбуждается излучением светодиода и вместе с этим излучением создает свет нужной цветности. Линза, таким образом, выполняет роль пространственного интегратора излучения светодиода и его преобразования в свет с результирующими спектральными и энергетическими характеристиками. Поскольку спектр излучения полностью определяется используемыми материалами, его характеристики не изменены. Кроме того, спектральный диапазон излучения жестко ограничен интервалом длин волн люминесценции светодиода и линзы - от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм).When current flows through the radiating structure, luminescence and radiation in the immersion integrator lens occur in it. The lens contains phosphor powder, which is excited by the radiation of an LED and, together with this radiation, creates light of the desired color. The lens, therefore, plays the role of a spatial integrator of LED radiation and its conversion into light with the resulting spectral and energy characteristics. Since the radiation spectrum is completely determined by the materials used, its characteristics are not changed. In addition, the spectral range of radiation is strictly limited by the luminescence wavelength range of the LED and lens — from blue (0.45 μm) to red (0.65 μm).

Указанные принципиальные ограничения в свойствах излучения светодиодов частично преодолеваются в варианте [4], выбранном как прототип, благодаря использованию в качестве излучающей структуры вместо чипа - микроканальной пластины (МКП), в качестве люминесцирующей структуры - порошковые покрытия поверхности микроканалов, вместо линзы - специальных съемных пластинок. Устройство генерирует излучение в широком управляемом спектре в зависимости от свойств его элементов и режимов электропитания.These fundamental limitations in the radiation properties of LEDs are partially overcome in the option [4], selected as a prototype, due to the use of a microchannel plate (MCP) instead of a chip as a radiating structure, powder coatings of the microchannel surface as a luminescent structure, and special removable plates instead of a lens . The device generates radiation in a wide controlled spectrum, depending on the properties of its elements and power supply modes.

Ограничивающим недостатком прототипа является использование для возбуждения люминесценции эмиссии электронов в микроканалах, что усложняет структуру и существенно снижает эффективность преобразования.The limiting disadvantage of the prototype is the use for excitation of luminescence of electron emission in microchannels, which complicates the structure and significantly reduces the conversion efficiency.

Все указанные выше недостатки аналогов и прототипа преодолеваются в предлагаемом варианте благодаря использованию нескольких оптически связанных излучающих ячеек, каждая из которых состоит из микроканального элемента (МКЭ), на поверхность микроканалов которого нанесен люминесцирующий состав, а к обоим торцам присоединены светодиодные чипы (СДЧ). Спектр излучения каждой ячейки зависит от состава люминесцирующего материала и излучения СДЧ. В зависимости от порядка и режима включения ячеек источник создает излучение сложного управляемого спектрального состава.All of the above disadvantages of analogues and prototype are overcome in the proposed embodiment by using several optically coupled emitting cells, each of which consists of a microchannel element (FEM), on the surface of the microchannels of which a luminescent composition is applied, and LED chips (MFD) are attached to both ends. The emission spectrum of each cell depends on the composition of the luminescent material and the radiation of the MPS. Depending on the order and mode of inclusion of the cells, the source generates radiation of a complex controlled spectral composition.

Структура излучающей ячейки изображена на фиг. 1. На нем отображено:The structure of the radiating cell is shown in FIG. 1. It displays:

1 - микроканальный элемент (МКЭ); п - элемент в изометрическом разрезе;1 - microchannel element (FEM); p is an element in an isometric section;

2 - светодиодный чип 1, СДЧ-1;2 - LED chip 1, SDCh-1;

3 - светодиодный чип 2, СДЧ-2;3 - LED chip 2, SDCh-2;

4 - микроканалы сотовой структуры МКЭ.4 - microchannels of the cellular structure of the FEM.

На поверхность микроканалов МКЭ 1 нанесен микро- или нанопорошок люминесцирующего материала (полупроводника), создающего при его возбуждении излучение в некоторой спектральной полосе с длиной волны λ_люм и ее сателитами λ_J. Светодиодный чип 1 создает излучение с длиной волны λ_доп, проходящее в микроканалы МКЭ 1. Светодиодный чип 2 создает излучение с длиной волны λ_возб, проходящее в микроканалы и возбуждающее люминесцирующий материал на их поверхности.A micro- or nanopowder of a luminescent material (semiconductor) is deposited on the surface of microchannels of FEM 1, which, when excited, produces radiation in a certain spectral band with a wavelength of λ _lum and its satellites λ _J. The LED chip 1 creates radiation with a wavelength of λ _ext passing into the microchannels of the FEM 1. The LED chip 2 creates radiation with a wavelength of λ _exc passing into the microchannels and exciting luminescent material on their surface.

Определяющее спектры излучения условие: λ_возб<λ_люм<λ_доп.The condition determining the emission spectra is: λ _exc <λ _lum <λ _add .

Ячейка действует следующим образом.The cell operates as follows.

При включении светодиодного чипа 2 он создает излучение, проникающее в микроканалы МКЭ 1, под действием которого люминесцирующее покрытие на поверхности микроканалов излучает в своем спектральном интервале. Это излучение распространяется внутри всего элемента 1, выходя через его боковую поверхность во все стороны. При этом часть излучения чипа 2, отражаясь и рассеиваясь на поверхности микроканалов, выходит через боковую поверхность ячейки. Подбором режима питания чипа 2 можно добиться, чтобы его излучение полностью поглощалось и не выходило наружу.When the LED chip 2 is turned on, it creates radiation penetrating the microchannels of the FEM 1, under the influence of which the luminescent coating on the surface of the microchannels emits in its spectral range. This radiation propagates inside the entire element 1, leaving through its lateral surface in all directions. In this case, part of the radiation of the chip 2, reflected and scattered on the surface of the microchannels, leaves through the side surface of the cell. By choosing the power mode of the chip 2, it is possible to ensure that its radiation is completely absorbed and does not go outside.

При включении светодиодного чипа 1 он создает излучение, проникающее в микроканалы, отражаемое и рассеиваемое их поверхностью и выходящее через его боковую поверхность МКЭ 1 во все стороны.When you turn on the LED chip 1, it creates radiation that penetrates the microchannels, reflected and scattered by their surface and exiting through its side surface of the FEM 1 in all directions.

Таким образом, в зависимости от порядка включения светодиодных чипов и их режима питания ячейка будет излучать в одной спектральной полосе - λ_изл или λ_люм; в двух спектральных полосах - λ_изл и λ_люм, или λ_возб и λ_люм; в трех спектральных полосах - λ_изл, λ_люм, λ_возб.Thus, depending on the order of inclusion of LED chips and their power supply mode, the cell will emit in one spectral band - λ _rad or λ _lum ; in two spectral bands - λ _rad and λ _lum , or λ _exc and λ _lum ; in three spectral bands - λ _rad, λ _lum, λ _exc.

Источник может включать одну, две, три и более ячеек. Структурная схема источника в разрезе отображена на фиг. 2, где: 5, 6, 7 - ячейки; 8 - корпус с отражающей внутренней поверхностью; 9 - цилиндрическая линза. Форма отражающей поверхности корпуса и параметры линзы находятся расчетным или экспериментальным путем для того, чтобы иметь минимальные потери излучения и максимальный его выход.A source may include one, two, three or more cells. A sectional block diagram of a source is shown in FIG. 2, where: 5, 6, 7 - cells; 8 - housing with a reflective inner surface; 9 - a cylindrical lens. The shape of the reflecting surface of the housing and the lens parameters are calculated or experimentally in order to have minimal radiation loss and maximum output.

Таким образом, в варианте из трех ячеек, например, можно иметь излучение в интервалах от одной до девяти спектральных полос.Thus, in a variant of three cells, for example, it is possible to have radiation in the intervals from one to nine spectral bands.

Люминесцирующий материал в виде полупроводникового микро- или нанопорошка подбирается по требованиям цветности излучения. При этом могут быть использованы один, два и т.д. типов порошка, излучения которых разнесено по спектру. Таким образом, число спектральных полос излучения может быть существенно увеличено.The luminescent material in the form of a semiconductor micro- or nanopowder is selected according to the requirements of the color of the radiation. In this case, one, two, etc. can be used. types of powder whose radiation is spread across the spectrum. Thus, the number of spectral bands of radiation can be significantly increased.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕEXAMPLES OF EXECUTION, ADVANTAGES, APPLICATION

Главное предназначение заявленного варианта источника излучений - использование в аппаратуре с высокими требованиями и широкими возможностями по спектральным характеристикам.The main purpose of the claimed version of the radiation source is to use in equipment with high requirements and wide capabilities for spectral characteristics.

Источник способен излучать в широкоспектральном диапазоне от видимого до дальнеинфракрасного. При этом в определенных интервалах возможна перестройка спектра за счет порядка включения и изменений режима питания светодиодов. Кроме того, величиной спектральной полосы излучения можно управлять, изменяя составы люминофоров.The source is capable of emitting in the wide spectral range from visible to far infrared. In this case, at certain intervals, it is possible to restructure the spectrum due to the order of inclusion and changes in the power mode of the LEDs. In addition, the magnitude of the spectral band of the radiation can be controlled by changing the compositions of the phosphors.

Примеры исполнения заявленного излучателя отличаются между собой числом ячеек - МКЭ и составами люминесцирующих материалов, подбираемых для каждого конкретного случая применений.Examples of the performance of the claimed emitter differ among themselves by the number of cells - FEM and the compositions of the luminescent materials selected for each specific application.

ПРИМЕР 1. Источник видимого излучения, света.EXAMPLE 1. Source of visible radiation, light.

В качестве люминофоров на поверхности микроканалов МКП используются, например, нанопорошки GaN (синий цвет, 0,45 мкм) и GaP (красный цвет, 0,65 мкм), дырочной проводимости - легированные Mg, Са или Zn. Активное излучение от смешения этих цветов - от красного до синего.As phosphors on the surface of MCP microchannels, for example, GaN (blue, 0.45 μm) and GaP (red, 0.65 μm) nanopowders are used; hole conductivity is doped with Mg, Ca, or Zn. Active radiation from mixing these colors - from red to blue.

Таким образом, можно получить излучение: красное, белое с желтизной, красно-зеленое, зеленовато-белое и др.Thus, it is possible to obtain radiation: red, white with yellowness, red-green, greenish-white, etc.

При нанесении на поверхность микроканалов одного люминофора в виде квантовых точек разного размера можно получить практически все цвета радуги, изменяя состав и размеры квантовых точек.When applying one phosphor in the form of quantum dots of different sizes on the surface of microchannels, almost all the colors of the rainbow can be obtained by changing the composition and size of the quantum dots.

ПРИМЕР 2. ИК-источник.EXAMPLE 2. IR source.

Источник инфракрасного (ИК) излучения получается при использовании в качестве люминесцирующего материала узкозонного полупроводника, например, InSb (7 мкм). Возбуждение проводится излучением, близким по спектру, например, InAs (3 мкм) или GaAs (0,9 мкм), или GaSb (1,5 мкм).A source of infrared (IR) radiation is obtained when using a narrow-gap semiconductor, for example, InSb (7 μm), as a luminescent material. Excitation is carried out by radiation similar in spectrum, for example, InAs (3 μm) or GaAs (0.9 μm), or GaSb (1.5 μm).

Преимуществами заявленного варианта источника излучения являются: получение многообразия спектральных характеристик в одном приборном исполнении, возможность управления спектральными свойствами, высокая эффективность преобразований. Использование полупроводниковых квантовых точек позволяет получать на одном типе материала узкие управляемые спектральные полосы в широком спектральном диапазоне.The advantages of the claimed version of the radiation source are: obtaining a variety of spectral characteristics in one instrument design, the ability to control spectral properties, high conversion efficiency. The use of semiconductor quantum dots allows one to obtain narrow controlled spectral bands on a single type of material in a wide spectral range.

Благодаря этим свойствам заявленный источник излучений может иметь применения в направлениях использования в спектральных приборах в медицине, промышленности, науке, бытовых источниках «умный свет».Due to these properties, the claimed radiation source can have applications in the fields of use in spectral devices in medicine, industry, science, and household sources of “smart light”.

Источники информацииInformation sources

1. Ю. Давиденко. Высокоэффективные современные светодиоды. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Октябрь 2004. www.soel.ru/cms/f/?/311513.pdf/311513.pdf.1. Yu. Davidenko. Highly efficient modern LEDs. MODERN ELECTRONICS. October 2004. www.soel.ru/cms/f/?/311513.pdf/311513.pdf.

2. Светодиодное освещение. http://specelec.ru/reference-book/item/38-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-2.html.2. LED lighting. http://specelec.ru/reference-book/item/38-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-2.html.

3. Светодиодный блок. Патент РФ №2474928. Авторы: Сиденко К.П., Полкунов С.В., Подкупов В.А., Ширанков А.Ф., Хорохоров А.М., Павлов В.Ю., Штыков С.А. Патентообладатель: ООО "Новые экологические технологии и оборудование" (RU). Приоритеты: подача заявки: 07.10.2011, начало действия патента: 07.10.2011, публикация патента: 10.02.2013.3. LED block. RF patent No. 2474928. Authors: Sidenko K.P., Polkunov S.V., Podkupov V.A., Shirankov A.F., Khorokhorov A.M., Pavlov V.Yu., Shtykov S.A. Patent holder: New Ecological Technologies and Equipment LLC (RU). Priorities: filing an application: 10/07/2011, the start of a patent: 07/10/2011, publication of a patent: 02/10/2013.

4. Патент РФ 2557358. Источник излучения с изменяемым спектром. Приоритет 03.04.2014. Автор и патентообладатель Жуков Н.Д.4. RF patent 2557358. A radiation source with a variable spectrum. Priority 04/03/2014. Author and patent holder Zhukov N.D.

Claims

A controlled-spectrum radiation source having a hollow body with a window for radiation output, inside which a light-emitting microchannel structure is formed with semiconductor micro- or nanopowders deposited on the surface of its microchannels, excited by LED radiation and luminescent in the separated spectral bands λ _J , characterized in that the case made in the form of a cylinder so that its inner surface is a cylindrical reflector of radiation inward, and the window is a cylindrical lens, with geometric richeskimi parameters of the reflector and lens, selected by calculation or experimental methods; the light-emitting microchannel structure is made in the form of one, or two, or more microchannel cells-elements (FEMs) in the form of identical cylinders attached to each other along a generatrix and located along the axis of the cylindrical body, two LEDs are mechanically and optically connected to the ends of each : one, exciting - with radiation in the spectral band λ _exc , another, complementary - with radiation in the spectral band λ _add ; The spectral emission bands of all FEMs and their complementary LEDs do not coincide, and for each of them are distributed in the relation - λ _exc <λ _J <λ _add .