RU2265917C1

RU2265917C1 - Light-emitting diode incorporating optical component

Info

Publication number: RU2265917C1
Application number: RU2004136079/28A
Authority: RU
Inventors: Е.Д. Васильева (RU); Е.Д. Васильева; Ю.А. Рубашкин (RU); Ю.А. Рубашкин; А.А. Богданов (RU); А.А. Богданов; А.Е. Линьков (RU); А.Е. Линьков; К.Ю. Калиничев (RU); К.Ю. Калиничев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Светлана-Оптоэлектроника"
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2005-12-10

Abstract

FIELD: semiconductor optoelectronics; various emitters built around light-emitting diodes.

SUBSTANCE: proposed light-emitting diode has light-emitting chip covered by optical component made of translucent material whose outer surface is aspherical in shape due to rotation of curve f(x) built considering optical properties of light-emitting chip and optical component material about symmetry axis of light-emitting diode. This surface emits light and f(x) curve in coordinate system whose origin coincides with geometric center of active area of light-emitting diode has initial point A₀ disposed on ordinate axis at distance corresponding to characteristic size of light-emitting diode which is, essentially, optical component height or its desired diameter, and is formed by plurality of points A, (i = 1, 2... n); coordinates of intersection point of straight line drawn from coordinate origin point at angle α_ini to ordinate axis drawn from preceding point A_{i - 1} at angle G_i to abscissa axis drawn to point A_{i - 1} are taken as coordinates of each of them;; α_ini is angle of propagation of i_in light beam pertaining to plurality of beams emitted by light-emitting chip chosen between 0 and 90 deg. Angle G_i is found from given dependence. Angle α_outi is found by pre-construction of directivity pattern DP_in of beam emitted by light-emitting chip. Coordinates of A points are checked by means of light-emitting diode simulator that has optical component whose outline is formed by plurality of A_i points as well as light-emitting chip whose beam directivity pattern is DP_in; this chip is used as distributed light source having three-dimensional emitting area whose size and appearance correspond to those of emitting area used in light-emitting diode of light-emitting chip. Light emitting points in light-emitting chip of simulator under discussion are offset relative to origin of coordinates within its emitting area; coordinates of A_i points are checked by comparing directivity pattern DP_out and directivity pattern DP_sim of beam emitted by light-emitting diode simulator, both displayed in same coordinate system. When these directivity patterns coincide, coordinates of points A_i function as coordinates of points forming curve f(x); if otherwise, coordinates of points A_i are found again, and DP_outj is given as directivity pattern DP_out whose points are disposed above or below the latter, respectively, depending on disposition of directivity pattern DP_sim below or above directivity pattern DP_out in the course of check.

EFFECT: ability of proposed light-emitting diode to shape desired directivity pattern of light beam.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано при изготовлении различного вида излучателей на основе светоизлучающих диодов (светодиодов).The invention relates to semiconductor optoelectronics and can be used in the manufacture of various types of emitters based on light emitting diodes (LEDs).

Известны конструкции светодиодов, в которых используются оптические элементы, форма, размеры и материал которых выбирают таким образом, чтобы они обеспечивали формирование заданных световых характеристик устройства.Known designs of LEDs in which optical elements are used, the shape, size and material of which are selected so that they provide the formation of the specified light characteristics of the device.

Так, например, известен светодиод [RU 2207663], включающий полупроводниковые светоизлучающие кристаллы, покрытые оптическим элементом, содержащим конусообразный отражатель бокового излучения и собирающую излучение линзу, представляющую собой полусферу с цилиндрическим основанием.For example, the LED [RU 2207663] is known, which includes semiconductor light-emitting crystals coated with an optical element containing a cone-shaped reflector of lateral radiation and a radiation-collecting lens, which is a hemisphere with a cylindrical base.

Форма и геометрические размеры отражателя и линзы подобраны таким образом, что оптический элемент обеспечивает повышение эффективности использования бокового излучения кристаллов, за счет чего увеличивается мощность излучения светодиода.The shape and geometric dimensions of the reflector and lens are selected in such a way that the optical element provides an increase in the efficiency of using lateral radiation of crystals, thereby increasing the radiation power of the LED.

Известен светодиод с оптическим элементом [RU 2055420], который выбран авторами изобретения в качестве ближайшего аналога.Known LED with an optical element [RU 2055420], which is selected by the inventors as the closest analogue.

Данный светодиод содержит светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, часть наружной поверхности которого представляет собой плоскость и является световыводящей поверхностью, а другая часть является не выводящей излучение поверхностью и имеет асферическую форму, образованную вращением вокруг оси симметрии кривой f(x), уравнение которой удовлетворяет условиям полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом, в любой точке данной поверхности. При этом кривая f(x) получена с учетом оптических свойств кристалла и оптического элемента, а именно с учетом значений их показателей преломления.This LED contains a light-emitting crystal coated with an optical element made of a translucent material, part of the outer surface of which is a plane and is a light-emitting surface, and the other part is a non-radiation-emitting surface and has an aspherical shape formed by rotation of the f (x) curve around the axis of symmetry, whose equation satisfies the conditions for the total internal reflection of the light emitted by the crystal at any point on this surface. In this case, the curve f (x) was obtained taking into account the optical properties of the crystal and the optical element, namely, taking into account the values of their refractive indices.

В рассматриваемом устройстве оптический элемент собирает и выводит через световыводящую поверхность практически все излучение, испускаемое кристаллом, что обуславливает повышение выходной мощности излучения светодиода.In the device in question, the optical element collects and outputs almost all the radiation emitted by the crystal through the light-output surface, which leads to an increase in the output radiation power of the LED.

Однако с помощью данного устройства не удается получить требуемое распределение светового потока в заданном пространственном угле.However, using this device, it is not possible to obtain the required distribution of the light flux in a given spatial angle.

Задачей заявляемого изобретения является создание светодиода, обеспечивающего формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока.The task of the invention is the creation of an LED, providing the formation of the desired radiation pattern of the light flux.

Сущность изобретения заключается в том, что в светодиоде, содержащем светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, который имеет асферическую форму наружной поверхности, полученную вращением вокруг оси симметрии светодиода кривой f(x), построенной с учетом оптических свойств светоизлучающего кристалла и материала оптического элемента, согласно изобретению указанная поверхность является световыводящей, при этом кривая f(x) в системе координат, точка начала которой совпадает с геометрическим центром активной области светоизлучающего кристалла, имеет начальную точку А₀, расположенную на оси ординат на расстоянии, соответствующем характеристическому размеру светодиода, в качестве которого использовано заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра, и образована множеством точек A_i (i=1, 2..., n), за координаты каждой из которых приняты координаты точки пересечения прямой, исходящей из точки начала координат под углом α_вхi к оси ординат, с прямой, исходящей из предыдущей точки А_i-1 под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1, при этом угол α_вхi - это угол, под которым распространяется i_вх луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светоизлучающим кристаллом, который выбирается из диапазона углов от 0 до 90 град, а угол G_i определяется, исходя из зависимостиThe essence of the invention lies in the fact that in an LED containing a light-emitting crystal, coated with an optical element made of a translucent material, which has an aspherical shape of the outer surface obtained by rotating the f (x) curve around the axis of symmetry of the LED, constructed taking into account the optical properties of the light-emitting crystal and material optical element, according to the invention, the specified surface is light-output, while the curve f (x) in the coordinate system, the starting point of which coincides with the geometrical The center of the active region of the light-emitting crystal has an initial point A ₀ located on the ordinate axis at a distance corresponding to the characteristic size of the LED, which is used as a given value of the height of the optical element or a given value of its diameter, and is formed by a set of points A _i (i = 1 , 2 ..., n), the coordinates of each of which are the coordinates of the point of intersection of a straight line originating from a point of origin at an angle α _in to the ordinate axis, with a straight line starting from a previous point A _i-1 at an angle ohm G _i to the abscissa shown in a point A _i-1, the angle α _vhi - is the angle at which extends i _Rin light ray belonging to a plurality of rays emitted from the light emitting chip, which is selected from a range of angles from 0 to 90 degrees , and the angle G _i is determined based on the dependence

где n₂₁ - относительный показатель преломления на границе раздела "оптический элемент - внешняя среда", определяемый как отношение показателя преломления внешней среды n₂ к показателю преломления материала оптического элемента n₁,where n ₂₁ is the relative refractive index at the interface "optical element - external environment", defined as the ratio of the refractive index of the external environment n ₂ to the refractive index of the material of the optical element n ₁ ,

α_выхi - угол, под которым распространяется i_вых луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светодиодом, который лежит в диапазоне углов от 0 до 90 град, причем α_выхi найден путем предварительного построения диаграммы направленности ДН_вх излучения, испускаемого используемым в светодиоде светоизлучающим кристаллом, которая определена на основании экспериментальных данных, а также отображения в той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых излучения, которую требуется получить от светодиода, и последующего графического нахождения для каждого выбранного угла α_вхi такого угла α_выхi, при котором величины светового потока на диаграммах ДН_вх и ДН_вых равны, после чего определенные указанным выше образом координаты точек A_i проверены на модели светодиода, содержащей оптический элемент, профиль которого образован множеством точек A_i, а также светоизлучающий кристалл, за диаграмму направленности излучения которого принята диаграмма направленности ДН_вх и который рассматривается как распределенный источник света, имеющий трехмерную излучающую область, размеры и вид которой соответствуют размерам и виду излучающей области используемого в светодиоде светоизлучающего кристалла, которые предварительно определены на основании экспериментальных данных, причем точки испускания лучей в светоизлучающем кристалле рассматриваемой модели смещены относительно точки начала координат в пределах его излучающей области, при этом координаты точек A_i проверены путем сравнения отображенных в одной и той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых и диаграммы направленности ДН_мод излучения, испускаемого моделью светодиода, полученной на основании произведенного моделирования измерения диаграммы направленности его светового потока, причем в случае совпадения указанных диаграмм направленности координаты точек A_i являются координатами точек, образующих кривую f(x), а в случае несовпадения указанных диаграмм направленности вновь находят и проверяют координаты точек A_i указанным выше образом, задавая в качестве диаграммы направленности ДН_вых иную диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены соответственно выше или ниже точек диаграммы направленности ДН_вых в зависимости от того, ниже или выше располагались в ходе проведенной проверки точки диаграммы направленности ДН_мод относительно точек диаграммы направленности ДН_вых.α _vyhi - the angle at which extends i _O light ray belonging to a plurality of rays emitted by the LED, which lies in an angular range of from 0 to 90 degrees, the α _vyhi found by first constructing directional diagram Nam _Rin radiation emitted used in the LED light emitting chip which is defined on the basis of experimental data, and display the same pattern of the coordinate system _O Nam radiation to be obtained from the LED, and subsequent grafiches th finding for each chosen angle α _vhi such angle α _vyhi at which the luminous flux in the diagrams Nam _Rin and Nam _O are equal, then the specific manner described above coordinates of points A _i checked for LEDs model comprising an optical element which is formed by a plurality of profile points A _i , as well as a light-emitting crystal, the radiation pattern of which is adopted as the radiation pattern of the _inlet and which is considered as a distributed light source having a three-dimensional radiating region, the size and type of which correspond to the size and type of the emitting region of the light-emitting crystal used in the LED, which are previously determined on the basis of experimental data, and the point of emission of rays in the light-emitting crystal of the model under consideration is shifted relative to the origin at its emitting region, while the coordinates of the points A _i tested by comparing the mapped into the same coordinate system, the directional pattern and Nam _O Nam radiation directivity pattern _modes Ia emitted by the LED model obtained based on the generated simulation measuring radiation patterns of its light flux, and in case of coincidence of these patterns the coordinates of points A _i are the coordinates of points constituting the curve f (x), and in case of a mismatch of said patterns newly found and checking the coordinates of points a _i in the above manner, setting as a directivity diagram _O Nam different directivity pattern _vyhj Nam, the points of which are located respectively of above or below the directivity pattern points in Nam _O whichever located above or below in terms of the inspection radiation pattern _modes Nam points relative orientation Nam _O diagrams.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого светодиода; на фиг.2 представлены диаграммы направленности светоизлучающего кристалла ДН_вх и светодиода ДН_вых; на фиг. 3 представлен пример графического определения координат точек A_i.The invention is illustrated by drawings, presented in figures 1-3, where figure 1 shows a General view of the inventive LED; figure 2 presents the radiation pattern of the light-emitting crystal of the DN _in and LEDs of the DN _out ; in FIG. 3 shows an example of graphical determination of the coordinates of the points A _i .

Принципиально важной особенностью заявляемого устройства является то, что световыводящая поверхность используемого в светодиоде оптического элемента имеет асферическую форму, координаты точек A_i профиля которого в первом приближении получены расчетно-экспериментальным путем, причем в процессе нахождения координат входящий в состав светодиода светоизлучающий кристалл рассматривается как точечный неравнояркий источник света, а затем полученные координаты проверены на модели светодиода, причем входящий в состав модели светодиода светоизлучающий кристалл рассматривается как распределенный источник света. При этом за диаграмму направленности светоизлучающего кристалла модели светодиода принимают определенную экспериментально диаграмму направленности ДН_вх реального светоизлучающего кристалла, оптический элемент модели светодиода имеет профиль, образованный множеством наиденных точек A_i, а рассматриваемый как распределенный источник света светоизлучающий кристалл модели светодиода имеет трехмерную излучающую область, размеры и форма которой соответствуют определенным экспериментально размерам и форме излучающей области реального светоизлучающего кристалла, причем точки испускания лучей распределены по объему излучающей области светоизлучающего кристалла модели светодиода.A fundamentally important feature of the claimed device is that the light-output surface of the optical element used in the LED has an aspherical shape, the coordinates of the points A _{i of the} profile of which are obtained as a first approximation by experimental and experimental methods, and in the process of finding the coordinates, the light-emitting crystal included in the LED is considered as a point-like uneven the light source, and then the coordinates obtained are checked on the LED model, moreover, which is part of the LED model with etoizluchayuschy crystal is considered as a distributed light source. Thus for a chart of the light emitting chip orientation LED models take certain experimental radiation pattern Nam _Rin real light emitting chip, the optical member of the LED pattern has a profile formed by a plurality naidennyh points A _i, and considered as a distributed light source emitting LED chip pattern has a three dimensional radiating area dimensions and the shape of which corresponds to experimentally determined dimensions and the shape of the radiating region light emitting crystal, and the point of emission of rays distributed over the volume of the emitting region of the light emitting crystal of the LED model.

Для того чтобы входящий в состав заявляемого светодиода оптический элемент обеспечивал требуемое распределение светового потока в заданном пространственном угле, координаты точек его профиля определяют, исходя из условия нормировки на один и тот же световой поток диаграммы направленности входящего в состав светодиода светоизлучающего кристалла (ДН_вх), определенной экспериментально, и диаграммы направленности (ДН_вых), которую требуется получить от светодиода.To a part of the optical element claimed LEDs provide the desired light distribution in a predetermined spatial angle, the coordinates of points profile is determined from the normalization condition for the same luminous flux directivity pattern which is part of the LED light emitting chip _(incoming DN), determined experimentally, and the radiation pattern (day _output ), which is required to receive from the LED.

В основе такого подхода лежит представление о том (см. фиг.1), что для любого телесного угла (Θ_вхi), внутри которого распространяется некий световой поток, испускаемый кристаллом и который определяется в выбранной для нахождения точек профиля оптического элемента системе координат плоским углом α_вхi, найдется такой телесный угол (Θ_выхi), внутри которого распространяется такой же по величине световой поток, испускаемый светодиодом и который определяется в указанной выше системе координат плоским углом α_выхi.The basis of this approach is the idea (see Fig. 1) that for any solid angle (Θ _in ), inside which a certain light flux emitted by the crystal propagates and which is determined in the coordinate system chosen to find the profile points of the optical element by a plane angle α _in , there is such a solid angle (Θ _out ), inside which the same luminous flux emitted by the LED is distributed and which is determined in the above coordinate system by the flat angle α _out .

В соответствии с вышесказанным (см. фиг.2) для каждого угла α_вхi находят такой угол α_выхi, при котором величины светового потока на диаграммах ДН_вх и ДН_вых равны. Эту операцию производят для множества лучей, исходящих из точки О начала координат, за которую принят геометрический центр активной области кристалла, под углами α_вхi, находящимися в диапазоне [0; 90] градусов.In accordance with the foregoing (see _figure 2) for each angle α in _i find such an angle α _outi at which the magnitude of the light flux in the diagrams DN _in and DN _out are equal. This operation is performed for a plurality of rays emanating from the point O of the origin, for which the geometric center of the active region of the crystal is taken, at angles α _in , in the range [0; 90 degrees.

Далее (см. фиг.3) для каждого луча i_вх, исходящего из точки О под углом α_вхi и падающего на поверхность оптического элемента в точке A_i, находят (относительно оси абсцисс) такой угол наклона G_i касательной к преломляющей поверхности оптического элемента, что преломленный луч i_вых выходит из светодиода под углом α_выхi. При этом исходя из геометрических построений, основанных на законах геометрической оптики, угол G_i должен удовлетворять следующей системе уравнений:Further (see Fig. 3) for each ray i _in coming out from point O at an angle α _in and falling on the surface of the optical element at point A _i , (relative to the abscissa axis) find such an angle of inclination G _i tangent to the refractive surface of the optical element so that the refracted beam i _o exits the LED at an angle α _{o i} . Moreover, based on geometric constructions based on the laws of geometric optics, the angle G _i must satisfy the following system of equations:

q - это угол падения луча i_вх на преломляющую поверхность, имеющую угол наклона G_i в точке A_i, а q' - это угол преломления данного луча указанной преломляющей поверхностью.q is the angle of incidence of the beam i _in on the refracting surface having an angle of inclination G _i at the point A _i , and q 'is the angle of refraction of the given beam by the indicated refractive surface.

Поскольку угол падения q и угол преломления q' связаны законом Снеллиуса:Since the angle of incidence q and the angle of refraction q 'are related by Snell's law:

где n₂ - показатель преломления воздуха, a n₁ - показатель преломления материала оптического элемента, угол G_i может быть выражен следующим образом:where n ₂ is the refractive index of air, an ₁ is the refractive index of the material of the optical element, the angle G _i can be expressed as follows:

где n₂₁ - относительный показатель преломления на границе раздела "оптический элемент - внешняя среда", определяемый как отношение показателя преломления внешней среды n₂ к показателю преломления материала оптического элемента n₁. Если внешней средой является воздух, то n₂₁ равен обратному значению показателя преломления материала оптического элемента.where n ₂₁ is the relative refractive index at the interface "optical element - external medium", defined as the ratio of the refractive index of the external medium n ₂ to the refractive index of the material of the optical element n ₁ . If the external medium is air, then n ₂₁ is equal to the reciprocal of the refractive index of the material of the optical element.

Поскольку в качестве исходного параметра задан характеристический размер оптического элемента, то есть его максимальный линейный размер, которым является заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра, за начальную точку профиля оптического элемента А₀ принимают координаты точки, лежащей на оси ординат на расстоянии, соответственно равном высоте или диаметру оптического элемента, от точки начала системы координат О.Since the characteristic parameter of the optical element, that is, its maximum linear size, which is the specified value of the height of the optical element or the specified value of its diameter, is set as the initial parameter, the coordinates of the point lying on the ordinate axis at a distance are taken as the starting point of the profile of the optical element A ₀ , respectively equal to the height or diameter of the optical element, from the point of origin of the coordinate system O.

Координаты каждой последующей точки профиля оптического элемента A_i в выбранной системе координат определяются как координаты точки пересечения прямой, исходящей из начала координат О под углом α_вхi, с прямой, исходящей из предыдущей точки A_i-1 под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1.The coordinates of each subsequent profile point of the optical element A _i in the selected coordinate system are defined as the coordinates of the point of intersection of a straight line originating from the origin O at an angle α _in , with a straight line originating from the previous point A _i-1 at an angle G _i to the abscissa axis, to point A _i-1 .

Существенно важным является то, что при нахождении координат точек профиля оптического элемента учитываются не только оптические свойства его материала, но и индивидуальный характер свечения светоизлучающего кристалла, который обусловлен материалом и топологией кристалла. Диаграмма направленности ДП_вх определяется путем измерения пространственного распределения светового потока в пространственном угле 360 градусов с помощью измерительной системы, включающей оптическую скамью с установленным на ней фотоприемником с соответствующим регистрирующим оборудованием и поворотный стол с расположенным на нем и размещенным в держателе исследуемым кристаллом, покрытым материалом, из которого выполнен оптический элемент.It is essential that when finding the coordinates of the profile points of the optical element, not only the optical properties of its material, but also the individual character of the glow of the light-emitting crystal, which is due to the material and the topology of the crystal, are taken into account. The directivity diagram of the DP _input is determined by measuring the spatial distribution of the light flux in a spatial angle of 360 degrees using a measuring system that includes an optical bench with a photodetector installed on it with appropriate recording equipment and a rotary table with the studied crystal coated on it and placed in the holder, coated with material, from which the optical element is made.

После нахождения в первом приближении координат точек A_i профиля оптического элемента указанным выше образом осуществляют их проверку на модели светодиода, у которого светоизлучающий кристалл имеет диаграмму направленности излучения такую же, как диаграмма направленности ДН_вх, а оптический элемент имеет профиль, образованный множеством точек A_i.After finding, in a first approximation, the coordinates of the points A _{i of the} profile of the optical element in the above manner, they are checked on the model of the LED, in which the light-emitting crystal has a radiation pattern the same as the radiation pattern of the _inlet , and the optical element has a profile formed by many points A _i .

При этом предварительно для каждого конкретного используемого в светодиоде кристалла на основании экспериментальных исследований, проводимых, в частности, с использованием микроскопа, определяют размер и форму его излучающей области, которые зависят от материала и топологии кристалла.In this case, the size and shape of its emitting region, which depend on the material and topology of the crystal, is determined previously for each specific crystal used in the LED based on experimental studies, in particular using a microscope.

Далее моделируют, в частности, с использованием ЭВМ светоизлучающий кристалл, в котором точки испускания лучей смещены относительно начала системы координат О в пределах светоизлучающей области. Математически эта задача решается через распределение по случайному закону начал множества геометрических лучей в объеме светоизлучающей области (при количестве лучей порядка 1500000 лучей).Then, in particular, a computer is used to model a light-emitting crystal, in which the points of emission of rays are offset relative to the origin of the coordinate system O within the light-emitting region. Mathematically, this problem is solved through the random distribution of the principles of the set of geometric rays in the volume of the light-emitting region (with the number of rays of the order of 1,500,000 rays).

Затем моделируют измерение диаграммы направленности ДН_мод излучения, испускаемого моделью светодиода. Указанное моделирование осуществляют, в частности, с использованием ЭВМ путем программного формирования системы виртуальных фотоприемников, регистрирующих пространственное распределение светового потока от модели светодиода.Then simulate the measurement pattern of the NAM radiation _modes emitted by the LED model. The specified simulation is carried out, in particular, using a computer by programmatically forming a system of virtual photodetectors that register the spatial distribution of the light flux from the LED model.

После чего в одной и той же системе координат отображают диаграмму направленности модели светодиода ДН_мод и диаграмму направленности ДН_вых, которую требуется получить от светодиода.Then, in the same coordinate system, the radiation pattern of the LED model of the LED _mode and the radiation pattern of the DN _output , which is required to be obtained from the LED, are displayed.

В случае совпадения указанных диаграмм направленности координаты точек A_i принимают за координаты точек, образующих кривую f(x,), определяющую искомый профиль оптического элемента светодиода.In case of coincidence of the indicated radiation patterns, the coordinates of the points A _i are taken as the coordinates of the points forming the curve f (x,) defining the desired profile of the optical element of the LED.

В случае, если точки диаграммы направленности ДН_мод располагаются выше точек диаграммы направленности ДН_вых, то есть когда диаграмма направленности, полученная с использованием оптического элемента, точки профиля которого соответствуют точкам A_i, полученным в первом приближении, имеет ширину и/или высоту, превышающую ширину и/или высоту требуемой диаграммы направленности, осуществляют перерасчет точек A_i указанным выше образом и при этом в качестве диаграммы направленности излучения, испускаемого светодиодом, задают не диаграмму направленности ДН_вых, которую реально требуется получить от светодиода, а диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены ниже точек диаграммы направленности ДН_вых.If the points of the radiation pattern of the MD _modes are higher than the points of the radiation pattern of the DV _output , that is, when the radiation pattern obtained using an optical element, the profile points of which correspond to the points A _i obtained in a first approximation, has a width and / or height exceeding the width and / or height of the desired radiation pattern, recalculate the points A _{i in the} above manner, and in this case, the radiation pattern emitted by the LED does not specify the radiation pattern directivity of the DN _output , which is really required to be obtained from the LED, and the radiation pattern of the DN _{output j} , whose points are located below the points of the radiation pattern of the DN _output .

В случае, если точки диаграммы направленности ДН_мод располагаются ниже точек диаграммы направленности ДН_вых, то есть когда диаграмма направленности, полученная с использованием оптического элемента, точки профиля которого соответствуют точкам A_i, полученным в первом приближении, имеет ширину и/или высоту, меньшую ширины и/или высоты требуемой диаграммы направленности, осуществляют перерасчет точек A_i указанным выше образом и при этом в качестве диаграммы направленности излучения, испускаемого светодиодом, задают не диаграмму направленности ДН_вых, которую реально требуется получить от светодиода, а диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены выше точек диаграммы направленности ДН_вых.If the points of the radiation pattern of the MD _modes are lower than the points of the radiation pattern of the DV _output , that is, when the radiation pattern obtained using an optical element whose profile points correspond to the points A _i obtained in a first approximation has a width and / or height smaller the width and / or height of the desired radiation pattern, recalculate the points A _{i in the} above manner, and in this case, the radiation pattern emitted by the LED does not specify the directional pattern of the _output DN _output , which is actually required to be obtained from the LED, and the radiation pattern of the _{output DNj} , whose points are located above the points of the radiation pattern of the _output DV.

Указанный перерасчет осуществляют необходимое количество раз до тех пор, пока точки диаграммы направленности ДН_мод не совпадут с точками диаграммы направленности ДН_вых.The specified recalculation is carried out the required number of times until the points of the radiation pattern of the MD _modes do not coincide with the points of the radiation pattern of the DN _output .

Таким образом, заявляемый светодиод благодаря использованию оптического элемента, профиль которого определен описанным выше образом с учетом оптических свойств его материала и оптических характеристик используемого светоизлучающего кристалла, а затем проверен на модели светодиода, в которой светоизлучающий кристалл рассматривается в качестве распределенного источника света и характеристики которой зависят от световых характеристик используемого светоизлучающего кристалла, обеспечивает формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока с очень высокой степенью точности.Thus, the inventive LED due to the use of an optical element, the profile of which is determined as described above, taking into account the optical properties of its material and the optical characteristics of the used light emitting crystal, and then tested on the model of the LED, in which the light emitting crystal is considered as a distributed light source and the characteristics of which depend from the light characteristics of the used light-emitting crystal, provides the formation of the desired directional pattern nnosti luminous flux with a very high degree of accuracy.

Заявляемый светодиод (фиг.1) содержит основание 1, в качестве которого используют, в частности, монтажную плату, на котором установлен светоизлучающий кристалл 2. Кристалл 2 покрыт оптическим элементом 3, изготовленным из светопрозрачного материала, который имеет световыводяшую асферическую наружную поверхность, образованную вращением кривой f(x) вокруг оси симметрии О-О' светодиода, координаты точек которой в системе координат, начало О которой совпадает с геометрическим центром активной области кристалла 2, а ось ординат расположена по оси симметрии кристалла 2, определены описанным выше образом.The inventive LED (Fig. 1) comprises a base 1, in particular, a mounting plate on which a light-emitting crystal 2 is mounted. The crystal 2 is coated with an optical element 3 made of a translucent material that has a light-output aspherical outer surface formed by rotation curve f (x) around the axis of symmetry O-O 'of the LED, the coordinates of the points of which in the coordinate system, the origin of which coincides with the geometric center of the active region of crystal 2, and the ordinate axis is located on the axis crystal symmetry 2, determined as described above.

При этом для определения угловой координаты G_i каждой из точек A_i предварительно (фиг.2) для каждого α_вхi графическим путем находят такой α_выхi, при котором световые потоки на диаграммах направленности ДН_вх и ДН_вых, изображенных в одной и той же системе координат, равны. После этого определяют значения углов G_i в соответствии с зависимостью (3).In this case, to determine the angular coordinate G _{i of} each of the points A _i previously (Fig. 2) for each α _in, graphically find such an α _out , in which the light fluxes on the radiation patterns of the _in and the _out , depicted in the same system coordinates are equal. After that, determine the values of the angles G _i in accordance with the dependence (3).

Далее находят координаты точек профиля оптического элемента (фиг.3). Для этого откладывают по оси ординат расстояние, равное заданному значению высоты или диаметра оптического элемента, и получают значение координаты начальной точки А₀. Затем находят координаты точки A₁, для чего проводят из точки О луч под углом α_вхi, а из точки А₀ проводят прямую под углом G_i и за координаты точки A₁ принимают координаты точки пересечения указанных прямых. Затем находят координаты точки А₂, для чего проводят из точки О луч под углом α_вх2, а из точки A₁ проводят прямую под углом G₂ к оси абсцисс, приведенной в точку A₁, и за координаты точки А₂ принимают координаты точки пересечения указанных прямых. Данную операцию производят для множества (порядка 1500-2000) лучей, испускаемых кристаллом под углами α_вхi, лежащими в диапазоне углов от 0 до 90 град.Next, find the coordinates of the points of the profile of the optical element (figure 3). To do this, lay the distance along the ordinate axis equal to the specified value of the height or diameter of the optical element, and get the coordinate value of the starting point A ₀ . Then find the coordinates of point A ₁ , for which a beam is drawn from point O at an angle α _in , and a line is drawn from point A ₀ at an angle G _i, and the coordinates of the point of intersection of these lines are taken for the coordinates of point A ₁ . Then the coordinates of point A _{2 are found} , for which a beam is drawn from point O at an angle α _in2 , and from point A ₁ , a straight line is drawn at an angle G ₂ to the abscissa axis brought to point A ₁ , and the coordinates of the intersection point are taken as the coordinates of point A ₂ specified direct. This operation is carried out for a plurality (about 1500-2000) rays emitted at angles α crystal _vhi lying in the angle range of 0 to 90 degrees.

Полученные точки профиля оптического элемента A_i проверяют описанным выше образом на модели светодиода, после чего получают уточненные координаты точек A_i кривой f(x), определяющей профиль оптического элемента.The obtained profile points of the optical element A _i are checked as described above on the LED model, after which precise coordinates of the points A _{i of the} curve f (x) determining the profile of the optical element are obtained.

Для изготовления светодиода используют полупроводниковый светоизлучающий кристалл 2, например полупроводниковый светоизлучающий кристалл на основе твердых растворов элементов III и V групп периодической системы Менделеева. Кристалл 2 и элементы электрической схемы (не показаны) размещают на основании (монтажной плате) 1 и закрывают оптическим элементом 3, изготовленным из светопрозрачного материала, например из органического или неорганического оптически прозрачного компаунда путем отливки указанного компаунда в заливочную форму.For the manufacture of an LED, a semiconductor light-emitting crystal 2 is used, for example, a semiconductor light-emitting crystal based on solid solutions of elements of groups III and V of the periodic table of Mendeleev. Crystal 2 and circuit elements (not shown) are placed on the base (circuit board) 1 and closed with an optical element 3 made of a translucent material, for example, an organic or inorganic optically transparent compound by casting the specified compound into a casting mold.

Устройство работает следующим образом. При подаче электропитания светоизлучающий кристалл 2 излучает световой поток, который испускается светодиодом после прохождения через световыводящую поверхность оптического элемента 3. При этом светодиод обеспечивает получение требуемого светового потока в заданном угле излучения.The device operates as follows. When power is applied, the light emitting crystal 2 emits a light flux that is emitted by the LED after passing through the light output surface of the optical element 3. In this case, the LED provides the required light flux in a given angle of radiation.

Claims

Светодиод, содержащий светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, который имеет асферическую форму наружной поверхности, полученную вращением вокруг оси симметрии светодиода кривой f(x), построенной с учетом оптических свойств светоизлучающего кристалла и материала оптического элемента, отличающийся тем, что указанная поверхность является световыводящей, при этом кривая f(x) в системе координат, точка начала которой совпадает с геометрическим центром активной области светоизлучающего кристалла, имеет начальную точку А₀, расположенную на оси ординат на расстоянии, соответствующем характеристическому размеру светодиода, в качестве которого использовано заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра, и образована множеством точек A_i (i=1, 2..., n), за координаты каждой из которых приняты координаты точки пересечения прямой, исходящей из точки начала координат под углом α_вхi к оси ординат, с прямой, исходящей из предыдущей точки A_i-1 под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1, при этом угол α_вхi - это угол, под которым распространяется i_вх луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светоизлучающим кристаллом, который выбирается из диапазона углов от 0 до 90°, а угол G_i определяется исходя из зависимостиAn LED containing a light-emitting crystal, coated with an optical element made of a translucent material, which has an aspherical shape of the outer surface obtained by rotating the curve f (x) around the axis of symmetry, constructed taking into account the optical properties of the light-emitting crystal and the material of the optical element, characterized in that the surface is light-emitting, and the curve f (x) in the coordinate system, the origin of which coincides with the geometric center of the active region of the light emitting crystal, has an initial point A ₀ located on the ordinate axis at a distance corresponding to the characteristic size of the LED, which is used as a given value of the height of the optical element or a given value of its diameter, and is formed by a set of points A _i (i = 1, 2 .. ., n), the coordinates of each of which are the coordinates of the point of intersection of the line originating from the origin at an angle α _in to the ordinate axis, with the line originating from the previous point A _i-1 at an angle G _i to the abscissa axis given in point A _i-1 , for this angle α _BXI - this is the angle at which the i _IN ray of light propagates, belonging to the set of rays emitted by the light-emitting crystal, which is selected from a range of angles from 0 to 90 °, and the angle G _i is determined based on the dependence

где n₂₁ - относительный показатель преломления на границе раздела «оптический элемент-внешняя среда», определяемый как отношение показателя преломления внешней среды n₂ к показателю преломления материала оптического элемента n₁,where n ₂₁ is the relative refractive index at the interface "optical element-external medium", defined as the ratio of the refractive index of the external environment n ₂ to the refractive index of the material of the optical element n ₁ ,

α_выхi - угол, под которым распространяется i_вых луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светодиодом, который лежит в диапазоне углов от 0 до 90°, причем α_выхi найден путем предварительного построения диаграммы направленности ДН_вх излучения, испускаемого используемым в светодиоде светоизлучающим кристаллом, которая определена на основании экспериментальных данных, а также отображения в той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых излучения, которую требуется получить от светодиода, и последующего графического нахождения для каждого выбранного угла α_вхi такого угла α_выхi, при котором величины светового потока на диаграммах ДН_вх и ДН_вых равны, после чего определенные указанным выше образом координаты точек А_i проверены на модели светодиода, содержащей оптический элемент, профиль которого образован множеством точек А_i, а также светоизлучающий кристалл, за диаграмму направленности излучения которого принята диаграмма направленности ДН_вх и который рассматривается как распределенный источник света, имеющий трехмерную излучающую область, размеры и вид которой соответствуют размерам и виду излучающей области используемого в светодиоде светоизлучающего кристалла, которые предварительно определены на основании экспериментальных данных, причем точки испускания лучей в светоизлучающем кристалле рассматриваемой модели смещены относительно точки начала системы координат в пределах его излучающей области, при этом координаты точек А_i проверены путем сравнения отображенных в одной и той же системе координат диаграммы направленности ДН_вых и диаграммы направленности ДН_мод излучения, испускаемого моделью светодиода, полученной на основании произведенного моделирования измерения диаграммы направленности его светового потока, причем в случае совпадения указанных диаграмм направленности координаты точек А_i являются координатами точек, образующих кривую f(x), а в случае несовпадения указанных диаграмм направленности вновь находят и проверяют координаты точек А_i указанным выше образом, задавая в качестве диаграммы направленности ДН_вых иную диаграмму направленности ДН_выхj, точки которой расположены соответственно выше или ниже точек диаграммы направленности ДН_вых в зависимости от того, ниже или выше располагались в ходе проведенной проверки точки диаграммы направленности ДН_мод относительно точек диаграммы направленности ДН_вых.α _oi is the angle at which the i _o beam of light propagates, belonging to the set of rays emitted by the LED, which lies in the range of angles from 0 to 90 °, and α _{o i is} found by preliminary plotting the radiation pattern of the _inlet radiation emitted by the light-emitting crystal used in the LED , which is determined on the basis of experimental data, as well as display in the same coordinate system of the radiation pattern of the _output radiation, which is required to be obtained from the LED, and the subsequent graphic finding, for each selected angle α _in, such an angle α _out , at which the luminous flux values on the DN _in and DN _output diagrams are equal, after which the coordinates of the points A _i determined in the above way are checked on the LED model containing an optical element, the profile of which is formed by many points A _i , as well as a light-emitting crystal, the radiation pattern of which is taken as the radiation pattern of the _inlet and which is considered as a distributed light source having a three-dimensional radiating region, the measurements and the shape of which correspond to the size and type of the emitting region of the light-emitting crystal used in the LED, which are previously determined on the basis of experimental data, and the point of emission of rays in the light-emitting crystal of the model under consideration is shifted relative to the origin of the coordinate system within its emitting region, while the coordinates of points A _i checked by comparing the radiation patterns displayed in the same coordinate system of the DN _output and the radiation patterns of the DN _modes and radiation emitted by the LED model obtained on the basis of a simulation of the measurement of the radiation pattern of its luminous flux, and in case of coincidence of the specified radiation patterns, the coordinates of the points A _i are the coordinates of the points forming the curve f (x), and in case of mismatch of these radiation patterns again find and the coordinates of the points A _i are checked in the above manner, setting as the radiation pattern of the DN _{output a} different radiation pattern of the DN _{output j} , the points of which are located respectively -retarded above or below the points directivity diagram Nam _O depending on whether located above or below in terms of the inspection radiation pattern _modes Nam points relative orientation Nam _O diagrams.