RU2766307C1 - Multispectral controlled led radiation source - Google Patents

Abstract

FIELD: optoelectronics; lighting engineering.

SUBSTANCE: invention relates to optoelectronics, lighting engineering, devices emitting in the visible and infrared ranges. It can be used for the development and production of sources with a controlled radiation spectrum in medicine, technology, and everyday life. Proposed is a multispectral controlled LED radiation source having an externally cylindrical internally hollow housing with a window for radiation output. A multi-channel light-emitting structure is formed inside the housing, each channel of which has an LED emitting in the size of its window l in its spectral band with the radiation divergence angle ἁ. Inside, the hollow surface of the housing is made in the form of two spherical segments, the first and second, of the same radius R, each centered at the point of the polar center of the opposite spherical segment. The centers lie on the axis of the cylinder-body. In the pole of the first spherical segment in the wall-thickness of the housing, a through cylindrical window with the aspect number parameter A >3 for radiation output is made. In the wall-thicker body of the second spherical segment symmetrically relative to its polar center around the circumference, landing nests are made. An LED is placed in each of the sockets. The total number of LEDs is N, including emitting and excitingly emitting ones with a phosphor applied to them. A mirror-reflecting coating is applied to the entire surface of the inner cavity of the housing. The following ratios are established for these parameters: R ~ 2Nl(sinἁ)^-1 and A ~ 3ctgἁ.

EFFECT: expanding the spectral range, controlling spectral characteristics, increasing the efficiency of photonic transformations.

1 cl, 1 dwg

Description

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

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION

Источники излучений в широком спектральном диапазоне – от ультрафиолетового (УФ, 200 нм) до средне-инфракрасного (ИК, 10 мкм) – широко используются во всех сферах жизнедеятельности. Их действие основано на преобразовании энергии электрического поля или тока, электронного или светового потока в энергию излучений [1].Sources of radiation in a wide spectral range - from ultraviolet (UV, 200 nm) to mid-infrared (IR, 10 microns) - are widely used in all spheres of life. Their action is based on the conversion of the energy of an electric field or current, an electron or light flux into radiation energy [1].

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 - control of the radiation spectrum in a finished device.

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

Широкое применение имеют белые светодиоды, в которых СИД синего света возбуждает люминофор в иммерсионной линзе, создавая и смешивая гамму из двух-трёх 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, in which the blue light LED excites the phosphor in the immersion lens, creating and mixing a gamut of two or three colors: 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 режимов питания и условий эксплуатации. Кроме того, спектр этих приборов ограничен диапазоном видимого излучения. All of the options listed above have significant drawbacks - poor controllability of the radiation spectrum from device to device and the absence of such control in the finished device. The emission spectrum in these devices completely depends 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 modes and operating conditions. In addition, the spectrum of these instruments is limited to the visible radiation range.

Некоторое улучшение свойств управляемости спектром добиваются интеграцией излучающих 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 РФ 2372671; модуль белого света - US10090442B2; светоизлучающее устройство полного спектра [2]; светодиодное устройство с широкой цветовой гаммой [3]. Some improvement in the properties of controllability of the spectrum is achieved by integrating radiating elements and mixing their radiation in micro and macro versions, for example: a method for forming light-emitting matrices - RF patents 2474920, 2492550, 2465683; light source containing light-emitting clusters - RF patent 2462002; thin-film LED device with the possibility of surface mounting - RF patent 2372671; white light module - US10090442B2; full spectrum light emitting device [2]; LED device with a wide color gamut [3].

Во всех этих вариантах решается главная задача – повышение мощности излучения [4]. Задача спектрального управления решается только для диапазона от синего (450 нм) до красного (650 нм). 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-жёлтой люминесценции от люминофора, внедрённого в материал контактной с чипом иммерсионной линзы [5]. In all these options, the main task is solved - increasing the radiation power [4]. The task of spectral control is solved only for the range from blue (450 nm) to red (650 nm). At the same time, in micro-integrated variants, light losses increase significantly, and the technologies for their implementation are complex and expensive. Macro-performance, in which light of different colors is mixed in simple ways, exhibits worse properties compared to the usual widely used (standard) solution - the use of a blue light chip and white-yellow luminescence from a phosphor embedded in the material of an immersion lens contact with the chip [5] .

Патентный и литературный поиск способов спектрального управления излучением показывает, что их условно можно разделить на три группы: 1) совместное конструктивное исполнение нескольких светодиодов с разной длиной волны излучения; 2) использование одного (возбуждающего) светодиода и нескольких совмещённых зон разных люминофоров; 3) совместное исполнение нескольких светодиодов и люминофоров.Patent and literary search for methods of spectral control of radiation shows that they can be conditionally divided into three groups: 1) joint design of several LEDs with different wavelengths of radiation; 2) the use of one (exciting) LED and several combined zones of different phosphors; 3) joint execution of several LEDs and phosphors.

Приборы первой группы обычно представляют собой мультиспектральную группу (кластер) на основе стандартных светоизлучающих диодов [6 - 8]. Конструкция кластера даёт возможность быстрой замены излучающих или оптических компонентов. Спектральный состав излучения кластера может быть легко изменён под конкретную исследовательскую задачу. Управление яркостью компонентов осуществляется автоматизированной микросистемой. Можно привести ряд примеров такого исполнения: светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты) - патент РФ 2295174; мультиспектральный источник света – патентный грант US10500010; быстрый мультиспектральный синтезатор света на светодиодах и дифракционной решётке – патент США 74620309; устройство мультиспектрального света – патент США 10375264; источник полихромного излучения с управляемым спектром – патент РФ 2478871; универсальный источник полихромного оптического излучения – патент РФ 2287736; светодиодный спектрометр – патент США 6075595.Devices of the first group usually represent a multispectral group (cluster) based on standard light emitting diodes [6–8]. The cluster design allows quick replacement of radiating or optical components. The spectral composition of the cluster radiation can be easily changed for a specific research task. The brightness of the components is controlled by an automated microsystem. A number of examples of such a design can be given: a light-emitting device containing light-emitting elements (options) - RF patent 2295174; multispectral light source - patent grant US10500010; fast multispectral light synthesizer based on LEDs and a diffraction grating - US patent 74620309; multispectral light device - US patent 10375264; source of polychromic radiation with a controlled spectrum - RF patent 2478871; universal source of polychrome optical radiation - RF patent 2287736; LED spectrometer - US Patent 6,075,595.

Приборы второй группы содержат светодиодный источник возбуждающего излучения и один или несколько люминесцентных экранов, состоящих из одной или нескольких частей [9]: люминесцентный излучатель с управляемым спектром излучения – патент 2577784; люминесцентный преобразователь для усиленного люминофором источника света, содержащий органические и неорганические люминофоры – патент РФ 2526809; источник света обратного видимого и широкого спектра для улучшения зрения – патент США 9551468; устройство белого освещения с коротковолновым полупроводниковым кристаллом и слоями преобразования трехцветной длины волны – патент США 7804103. Devices of the second group contain an LED source of excitation radiation and one or more luminescent screens, consisting of one or more parts [9]: luminescent emitter with controlled radiation spectrum - patent 2577784; luminescent converter for a phosphor-enhanced light source containing organic and inorganic phosphors - RF patent 2526809; reverse visible and broad spectrum light source for improving vision - US Pat. No. 9,551,468; white illumination device with a short-wavelength semiconductor crystal and three-color wavelength conversion layers - US Pat. No. 7,804,103.

Описанные два варианта технических решений имеют один общий недостаток – ограниченность управляемого спектрального диапазона.The described two variants of technical solutions have one common drawback - the limited controllable spectral range.

Этот недостаток значительно снижается у приборов третьего варианта, в которых используются технические решения обоих типов – несколько светодиодов и люминофоров.This disadvantage is significantly reduced for devices of the third variant, which use technical solutions of both types - several LEDs and phosphors.

Эти варианты обычно включают в себя несколько светодиодов с разными длинами волн излучения, а также несколько люминофоров с различным возбуждением и длины волн излучения. Длины волн излучения светодиодов выбираются таким образом, чтобы соответствовать длинам волн возбуждения различных люминофоров. Светодиоды получают питание от электрической цепи, которая позволяет раздельно контролировать и регулировать выходную оптическую мощность. Свет от светодиодов излучается так, что люминофоры возбуждаются и излучают свет с их характеристическими длинами волн. These options usually include several LEDs with different emission wavelengths, as well as several phosphors with different excitation and emission wavelengths. The emission wavelengths of the LEDs are chosen to match the excitation wavelengths of the various phosphors. The LEDs are powered by an electrical circuit that allows separate control and regulation of the optical output power. Light from the LEDs is emitted such that the phosphors are excited and emit light at their characteristic wavelengths.

Все эти варианты имеют общий недостаток – громоздкость и сложность конструкции, требующей расположения многих элементов и обеспечения их оптической связи.All these options have a common drawback - the bulkiness and complexity of the design, which requires the location of many elements and the provision of their optical connection.

Это принципиальное ограничение в свойствах излучения светодиодов частично преодолеваются в варианте [13], благодаря использованию в качестве конструкционной структуры микроканальной пластины, имеющей большую площадь в малом объёме, а в качестве люминесцирующей структуры – нанопорошковые покрытия поверхности микроканалов, вместо линзы – специальных съёмных отражающих пластинок. Устройство генерирует излучение в широком управляемом спектре в зависимости от свойств его элементов и режимов электропитания. Ограничивающим недостатком при этом является использование для возбуждения люминесценции эмиссии электронов в микроканалах, что снижает эффективность преобразования за счёт потерь на рассеяние света.This fundamental limitation in the emission properties of LEDs is partially overcome in the variant [13], due to the use of a microchannel plate as a structural structure, which has a large area in a small volume, and as a luminescent structure, nanopowder coatings of the surface of microchannels, instead of a lens, special removable reflective plates. The device generates radiation in a wide controlled spectrum, depending on the properties of its elements and power supply modes. The limiting disadvantage in this case is the use of electron emission in microchannels for excitation of luminescence, which reduces the conversion efficiency due to light scattering losses.

Указанные выше недостатки аналогов частично преодолеваются в варианте прототипа [14] благодаря использованию нескольких оптически связанных излучающих ячеек, каждая из которых состоит из микроканального элемента, на поверхность микроканалов которого нанесён 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 создаёт излучение сложного управляемого спектрального состава. The above disadvantages of analogs are partially overcome in the prototype version [14] due to the use of several optically coupled emitting cells, each of which consists of a microchannel element, on the surface of the microchannels of which a luminescent composition is applied, and LED chips (LDC) are attached to both ends. The emission spectrum of each cell depends on the composition of the luminescent material and the SHF radiation. Depending on the order and mode of switching on the cells, the source creates radiation with a complex controlled spectral composition.

Как показали наши исследования [15], за счёт сильного рассеяния света в микроканальной структуре значение аспектного числа (отношение длины канала к его диаметру) для случаев необходимой эффективности источника не превышает 10, что в несколько раз хуже его предельных значений. Это существенно снижает значения яркости света такого преобразователя. Кроме того используемый в патентном решении отражатель, имея самую простую конструкцию, не является достаточно эффективным в части максимального вывода излучения и числа управляемых спектральных полос. Эти недостатки прототипа существенно ограничивают эффективность преобразования света.As our studies have shown [15], due to strong light scattering in a microchannel structure, the value of the aspect number (the ratio of the channel length to its diameter) does not exceed 10 for cases of the necessary source efficiency, which is several times worse than its limiting values. This significantly reduces the brightness of the light of such a converter. In addition, the reflector used in the patent solution, having the simplest design, is not sufficiently effective in terms of maximum radiation output and the number of controlled spectral bands. These disadvantages of the prototype significantly limit the efficiency of light conversion.

Указанные недостатки прототипа значительно снижаются в варианте источника излучения, предложенном в заявке [16]. Это достигается тем, что используется мультиканальная структура, состоящая из небольшого числа (нескольких) каналов, каждый из которых сформирован как секция, в которой конструктивно объединены источники света (светодиоды), люминесцирующий слой и отражатель. При этом отражатель имеет специальную структуру, позволяющую повысить его эффективность.These disadvantages of the prototype are significantly reduced in the version of the radiation source proposed in the application [16]. This is achieved by using a multi-channel structure consisting of a small number (several) channels, each of which is formed as a section in which light sources (LEDs), a luminescent layer and a reflector are structurally combined. At the same time, the reflector has a special structure that makes it possible to increase its efficiency.

Недостатком этого варианта является то, что часть полезной отражающей свет поверхности используется люминофорным покрытием, что позволяет сэкономить на числе светодиодов и, соответственно, на рабочем объёме (габаритах), сделав прибор миниатюрным, но получив при этом проигрыш в эффективности преобразования и вывода излучения. Кроме того, конструкция получается сложной – каналы разделены фигурными перегородками.The disadvantage of this option is that part of the useful light-reflecting surface is used by the phosphor coating, which saves on the number of LEDs and, accordingly, on the working volume (dimensions), making the device miniature, but at the same time losing in the efficiency of conversion and output of radiation. In addition, the design turns out to be complex - the channels are separated by curly partitions.

Предлагаемый в данной (новой) заявке вариант является альтернативным и имеет целью решить конкретные задачи применений путём выбора из вариантов в расчёте на компромисс между количеством спектральных интервалов (числом светодиодов и люминофоров) и эффективностью преобразования (выходная мощность излучения и габариты).The option proposed in this (new) application is an alternative and aims to solve specific application problems by choosing from options based on a compromise between the number of spectral intervals (the number of LEDs and phosphors) and the conversion efficiency (output radiation power and dimensions).

Цель достигается тем, что возбуждающим является не один светодиод, а несколько, которые покрыты непосредственно нужным количеством люминофора, освобождая, тем самым, от необходимости использования люминофорного покрытия на внутренней поверхности корпуса. При этом конструкция получается максимально простой, а сам источник излучения – мультиспектральным и управляемым.The goal is achieved by the fact that the exciter is not one LED, but several, which are directly coated with the required amount of phosphor, thereby freeing from the need to use a phosphor coating on the inner surface of the housing. In this case, the design is as simple as possible, and the radiation source itself is multispectral and controllable.

Схема предлагаемого источника (в разрезе) приведена на фиг.1, где:The scheme of the proposed source (in section) is shown in figure 1, where:

1 – внешне цилиндрический внутренне полый корпус; one – externally cylindrical internally hollow body;

2 – внутренняя первая сферическая поверхность с зеркально-отражающим слоем; 2 – inner first spherical surface with a mirror-reflecting layer;

3 – цилиндрическое сквозное отверстие для вывода излучения (выходное окно) с зеркально-отражающим слоем; 3 – a cylindrical through hole for radiation output (exit window) with a mirror-reflecting layer;

4 – внутренняя вторая сферическая поверхность с зеркально-отражающим слоем; 4 – inner second spherical surface with a mirror-reflecting layer;

5 – соединительное кольцо; five – connecting ring;

6 – зеркально-отражающее покрытие; 6 – reflective coating;

7 – светодиоды излучающие, каждый в своём посадочном гнезде; 7 - emitting LEDs, each in its own socket;

8 – светодиоды возбуждающе-излучающие (с люминофорным покрытием), каждый в своём посадочном гнезде; 8 – excitatory-emitting LEDs (with phosphor coating), each in its own seat;

9 – посадочные гнезда, каждое со своим окном; nine - landing nests, each with its own window;

10 – окно посадочного гнезда; 10 – a window of a landing nest;

11 – центральная отражающая зона. eleven is the central reflective zone.

Внешне цилиндрический внутренне полый корпус 1 может быть изготовлен из любого технологически отработанного материала по максимально дешёвой технологии.Externally cylindrical internally hollow body 1 can be made from any technologically advanced material using the cheapest possible technology.

Внутренняя первая сферическая поверхность 2 выполнена как сферический сегмент с центром в точке О ₁ – полярной точке сферической поверхности 4 , а вторая 4 – в точке О ₂ – полярной точке сферической поверхности 2 . Центры и полярные точки лежат на оси цилиндра-корпуса. Оба сферических сегмента имеют одинаковый радиус сферы – R.The inner first spherical surface 2 is made as a spherical segment centered at the point O ₁ - the polar point of the spherical surface 4 , and the second 4 - at the point O ₂ - the polar point of the spherical surface 2 . The centers and polar points lie on the cylinder-body axis. Both spherical segments have the same sphere radius - R.

Цилиндрическое сквозное отверстие 3 (с отражающим покрытием) для вывода излучения выполнено в стенке-толще корпуса как «глубокий колодец» (аспектное число А – отношение его высоты к ширине – больше трёх), в котором излучение хорошо (с малыми потерями на отражение и поглощение) проходит при почти любых его углах падения.Cylindrical through hole 3 (with a reflective coating) for the output of radiation is made in the wall-thickness of the body as a "deep well" (the aspect number A - the ratio of its height to width - more than three), in which the radiation is good (with low losses for reflection and absorption ) passes at almost any of its angles of incidence.

Зеркальное отражающее покрытие 6 нанесено на всю поверхность – и сферические поверхности 2 и 4 , и окно-колодец 3 , и зону соединения сферических сегментов – соединительное кольцо 5 .A mirror reflective coating 6 is applied to the entire surface - both spherical surfaces 2 and 4 , and a well window 3 , and the connection zone of spherical segments - a connecting ring 5 .

Соединительное кольцо 5 занимает «мёртвую» зону отражений света и позволяет сэкономить в объёме благодаря уменьшению диаметра цилиндра-корпуса.The connecting ring 5 occupies the "dead" zone of light reflections and allows saving in volume due to a decrease in the diameter of the cylinder-body.

Посадочные гнёзда 9 выполнены так, чтобы их выходное окно 10 занимало минимум площади отражающей поверхности, благодаря чему центральная отражающая зона 11 имела бы максимальную площадь.Landing nests 9 are made so that their output window 10 occupies a minimum area of the reflective surface, due to which the central reflective zone 11 would have a maximum area.

Каждый светодиод, имея излучение своей длины волны и его угол расходимости α, создаёт свой канал излучения, а все вместе – мультиканальную мультиспектральную излучательную структуру.Each LED, having radiation of its own wavelength and its divergence angle α, creates its own radiation channel, and all together - a multichannel multispectral radiant structure.

Источник действует следующим образом.The source works as follows.

При включении одного из светодиодов – излучающих 7 или возбуждающе-излучающих 8 – его излучение частично попадает в выходное окно 3 (на схеме – лучи L1), а частично – на отражающую поверхность 2 (лучи L2). Лучи L2 отражаются от зеркальной поверхности 2 и направлены к фокусному центру О ₁ сферической поверхности 4 (лучи L3), отражаясь от неё в направлении фокусного центра О ₂ и выходного окна 3 (лучи L4). When you turn on one of the LEDs - emitting 7 or exciting-emitting 8 - its radiation partially enters the output window 3 (in the diagram - rays L 1), and partially - on the reflective surface 2 (rays L 2). Rays L 2 are reflected from the mirror surface 2 and directed towards the focal center O _{1 of} the spherical surface 4 (rays L 3), reflected from it in the direction of the focal center O ₂ and the output window 3 (rays L 4).

При включении возбуждающе-излучающего светодиода 8 его излучение попадает на люминофор, нанесённый на его поверхность, возбуждая его. Происходит люминесцентное излучение, которое действует, как и излучение светодиодов излучающих.When the excitation-emitting LED 8 is turned on, its radiation falls on the phosphor deposited on its surface, exciting it. Luminescent radiation occurs, which acts like the radiation of emitting LEDs.

В оптической структуре предлагаемого варианта все элементы конструктивно связаны через параметры – радиус сферических поверхностей R, угол излучения α и размер l излучающего окна светодиодов, задаваемое число спектральных интервалов (число светодиодов) – N, аспектное число A (отношение высоты к диаметру) выходного окна. В зависимости от них, с учётом максимума выхода светового потока через окно 3 должны быть рассчитаны и экспериментально подобраны геометрические параметры устройства. In the optical structure of the proposed option, all elements are structurally connected through parameters - the radius of spherical surfacesR, radiation angle α and sizel emitting window of LEDs,set number of spectral intervals (number of LEDs) –N, aspect numberA (ratio of height to diameter) of the output window. Depending on them, taking into account the maximum output of the light flux through the window 3 the geometric parameters of the device must be calculated and experimentally selected.

Проведённый расчёт показывает, что, при реальных на практике значениях α не более 60^о, оптимальное соотношение этих параметров должно быть следующим:The performed calculation shows that, with actual values of α not more than 60 ^о in practice, the optimal ratio of these parameters should be as follows:

R ~ 2Nl(sinα)^-1 A ~ 3ctgα R ~ 2 Nl (sinα) ^-1 A ~ 3ctgα

ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕEXAMPLE OF PERFORMANCE, ADVANTAGES, APPLICATION

Предназначение заявленного варианта источника излучений – использование в аппаратуре с высокими требованиями и широкими возможностями по спектральным характеристикам. The purpose of the claimed version of the radiation source is the use in equipment with high requirements and wide possibilities in terms of spectral characteristics.

Источник способен излучать спектрально управляемо (спектрально-селективно) в широкоспектральном диапазоне от видимого до среднеинфракрасного. При этом в определённых интервалах возможна перестройка спектра за счёт порядка включения и изменений режима питания светодиодов. Кроме того, величиной спектральной полосы излучения можно управлять, изменяя составы люминесцирующего покрытия.The source is capable of emitting in a spectrally controlled (spectral-selective) manner in the wide spectral range from visible to mid-infrared. At the same time, at certain intervals, it is possible to rebuild the spectrum due to the order of switching on and changes in the power supply mode of the LEDs. In addition, the magnitude of the spectral emission band can be controlled by changing the composition of the luminescent coating.

Примеры исполнения заявленного источника отличаются между собой числом каналов, составами люминесцирующих материалов и светодиодами для каждого конкретного случая применений.Examples of execution of the claimed source differ in the number of channels, compositions of luminescent materials and LEDs for each specific application.

Для целей неинвазивного контроля основного состава биосред (вода, протеины, липиды, глюкоза, например, необходим источник, минимум, с тремя спектральными полосами в диапазоне от 1350 нм до 1850 нм [17]. For the purposes of non-invasive control of the main composition of biological media (water, proteins, lipids, glucose, for example), a source with at least three spectral bands in the range from 1350 nm to 1850 nm is required [17].

В качестве возбуждающе-излучающего светодиода можно выбрать стандартные синий или ультрафиолетовый, а в качестве излучающих – светодиоды ООО "АИБИ" (IBSG Co., Ltd. http://ibsg.ru/). При этом в целях увеличения выходного светового потока можно взять двойной комплект, то есть 6 штук светодиодов (N=6). В качестве люминесцирующего нанопорошка можно использовать коллоидные квантовые точки сульфида свинца, http://www.mosgid.ru/moskovskaya/dubna/9-maya/nii-prikladnoy-akustiki.html. As an excitatory-emitting LED, you can choose standard blue or ultraviolet, and as emitting - LEDs of AIBI LLC (IBSG Co., Ltd. http://ibsg.ru/). At the same time, in order to increase the output luminous flux, you can take a double set, that is, 6 pieces of LEDs ( N = 6). Lead sulfide colloidal quantum dots can be used as a luminescent nanopowder, http://www.mosgid.ru/moskovskaya/dubna/9-maya/nii-prikladnoy-akustiki.html .

С учётом параметров реальных светодиодов – α~ 45^о и l~ 1мм – получится: R~20 мм, А~3.Taking into account the parameters of real LEDs - α ~ 45 ^° and l ~ 1mm - it will turn out: R ~ 20 mm, A ~ 3.

Технология изготовления корпуса может быть – 3D-печать специальной пластмассы с фотохимической доводкой качества поверхности и её зеркальным покрытием методами химического серебрения.The manufacturing technology of the body can be - 3D printing of special plastic with photochemical finishing of the surface quality and its mirror coating using chemical silvering methods.

Преимуществами заявленного варианта источника излучения могут быть следующие: 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 proposed option source of radiation can be the following: 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 makes it possible to obtain narrow controllable spectral bands in a wide spectral range on one type of material.

Благодаря этим свойствам заявленный источник излучений может иметь применения в направлениях использования в спектральных приборах в медицине, промышленности, науке, бытовых источниках локальной засветки.Due to these properties, the claimed radiation source can be used in areas of use in spectral instruments in medicine, industry, science, domestic sources of local illumination.

Использованные источники информацииInformation sources used

1. В.Е. Бугров, К.А. Виноградова. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 174 с.1. V.E. Bugrov, K.A. Vinogradov. Optoelectronics of LEDs. Tutorial. - St. Petersburg: NRU ITMO, 2013. - 174 p.

2. Светоизлучающее устройство полного спектра. Патент США US9599293B2. https://patents.***.com/patent/US9599293B2/en2. Full spectrum light emitting device. US Patent US9599293B2. https://patents.***.com/patent/US9599293B2/en

3. Светодиодное устройство с широкой цветовой гаммой. Патент США 10158052B2. https://patents.***.com/patent/US10158052B2/en 3. Wide color gamut LED device. US Patent 10158052B2. https://patents.***.com/patent/US10158052B2/en

4. Новинки светодиодной продукции Lumileds – расширение линейки сверх ярких и мощных светодиодов / Туркин А. // Современная электроника. 2016. № 6.4. Novelties of Lumileds LED products - expansion of the line of super-bright and powerful LEDs / Turkin A. // Modern electronics. 2016. No. 6.

5. Высокоэффективные современные светодиоды / Давиденко Ю. // Современная электроника. 2004. № 10.5. Highly efficient modern LEDs / Davidenko Yu. // Modern electronics. 2004. No. 10.

6. Полихромные спектрально-перестраиваемые осветительные приборы со светодиодами: опыт разработки и применения / Аладов А. В. и др. // Светотехника. 2013. № 5–6. P. 34–39. 6. Polychrome spectrally tunable lighting devices with LEDs: development and application experience / Aladov A. V. et al. // Svetotekhnika. 2013. No. 5–6. P. 34–39.

7. Светодиодный блок. Патент РФ № 2474928. Авторы: Сиденко К.Н., Полкунов С.В., Полкунов 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: 10.02.2013.7. LED block. RF Patent No. 2474928. Authors: Sidenko K.N., Polkunov S.V., Polkunov V.A., Shirankov A.F., Khorokhorov A.M., Pavlov V.Yu., Shtykov S.A. Patentee: LLC "New Ecological Technologies and Equipment" (RU). Priorities: filing: 10/07/2011, patent validity: 10/07/2011, patent publication: 02/10/2013.

8. Мультиспектральный источник света. Патент США US20160338795. https: //patents.justia.com/patent/20160338795#description8. Multispectral light source. US Patent US20160338795. https://patents.justia.com/patent/20160338795#description

9. Люминесцентный излучатель с управляемым спектром излучения. Патент РФ 2014110354. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=378326139. Luminescent emitter with controlled emission spectrum. RF patent 2014110354. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37832613

10. Источник света с настраиваемым цветом. Патент США 6357889.10. Light source with customizable color. US Patent 6357889.

11. Светодиодное устройство с широкой цветовой гаммой. Патент США 10158052B2.11. Wide color gamut LED device. US Patent 10158052B2.

12. Настраиваемые по цвету осветительные устройства и методы настройки цветового вывода осветительных устройств. Международный патент WO 2012024582.12. Color-adjustable lighting devices and methods for adjusting the color output of lighting devices. International patent WO 2012024582.

13. Патент РФ 2557358. Источник излучения с изменяемым спектром. Приоритет 03.04.2014. Автор и патентообладатель Жуков Н.Д.13. Patent RF 2557358. Radiation source with variable spectrum. Priority 03.04.2014. Author and patent holder Zhukov N.D.

14. Патент 2661441 «Источник излучения с управляемым спектром». Приоритет – 22 июня 2017 г. Патентообладатель – ООО «Реф-Свет». Авторы: Жуков Н.Д., Хазанов А.А., Шишкин М.И.14. Patent 2661441 "Source of radiation with controlled spectrum". Priority - June 22, 2017. Patent holder - Ref-Light LLC. Authors: Zhukov N.D., Khazanov A.A., Shishkin M.I.

15. Шишкин М.И., Ягудин И.Т.. Спектрально-селективный источник на квантовых точках для неинвазивных экспресс-анализаторов. Микро- и нанотехнологии в электронике. Материалы X Международной научно-технической конференции - Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2018. − 478 с.15. Shishkin M.I., Yagudin I.T. Spectral selective source based on quantum dots for non-invasive express analyzers. Micro- and nanotechnologies in electronics. Materials of the X International Scientific and Technical Conference - Nalchik: Kab.-Balk. un-t., 2018. - 478 p.

16. Спектрально-селективный источник излучения. Заявка на изобретение 2019124009 от 30.07.2019. Заявитель ООО «Волга-Старт». Авторы: Жуков Н.Д., Ягудин И.Т., Цветков А.В.16. Spectral selective radiation source. Application for invention 2019124009 dated 07/30/2019. Applicant OOO Volga-Start. Authors: Zhukov N.D., Yagudin I.T., Tsvetkov A.V.

17. New Methodology to Obtain a Calibration Model for Noninvasive Near-Infrared Blood Glucose Monitoring / K.Maruo, T.Oota, M.Tsurugi et al. // Applied Spectroscopy, 2006, 60(4).17. New Methodology to Obtain a Calibration Model for Noninvasive Near-Infrared Blood Glucose Monitoring / K.Maruo, T.Oota, M.Tsurugi et al. // Applied Spectroscopy, 2006, 60(4).

Ожидаемый технический эффект - расширение спектрального диапазона, управление спектральными характеристиками, повышение эффективности фотонных преобразований.The expected technical effect is the expansion of the spectral range, the control of spectral characteristics, and the increase in the efficiency of photonic conversions.

Claims (1)

Мультиспектральный управляемый светодиодный источник излучения, имеющий: внешне-цилиндрический внутренне-полый корпус с окном для вывода излучения; внутри корпуса сформирована мультиканальная светоизлучающая структура, каждый канал которой имеет светодиод, излучающий в размере своего окна l в своей спектральной полосе, с углом расходимости излучения ἁ, отличающийся тем, что: внутри полая поверхность корпуса выполнена в виде двух сферических сегментов, первого и второго, стыкуемых через соединительное кольцо, одинакового радиуса R, каждый с центром в точке полярного центра противолежащего сферического сегмента; центры лежат на оси цилиндра-корпуса; в полюсе первого сферического сегмента в стенке-толще корпуса выполнено сквозное цилиндрическое окно для вывода излучения, с параметром аспектного числа А не менее чем 3; в стенке-толще корпуса второго сферического сегмента по окружности симметрично относительно его полярного центра выполнены посадочные гнёзда, каждое со своим окном для вывода излучения, в каждое из которых помещён светодиод; общее число светодиодов – N, в том числе излучающие и возбуждающе-излучающие с нанесённым на них люминофором; на всю поверхность внутренней полости корпуса нанесено зеркально-отражающее покрытие; для указанных параметров установлены соотношения: R ~ 2Nl(sinἁ)^-1 и A ~ 3ctgἁ.Multispectral controllable LED radiation source , having: an externally cylindrical internally hollow body with a window for outputting radiation; a multi-channel light-emitting structure is formed inside the housing, each channel of which has an LED emitting in the size of its window l in its spectral band, with a radiation divergence angle ἁ , characterized in that: inside the hollow surface of the housing is made in the form of two spherical segments, the first and second, joined through a connecting ring, of the same radius R , each centered at the point of the polar center of the opposite spherical segment; the centers lie on the axis of the cylinder-body; at the pole of the first spherical segment in the wall-thickness of the housing, a through cylindrical window is made for outputting radiation, with an aspect number parameter A of at least 3; in the wall-thickness of the housing of the second spherical segment around the circumference symmetrically with respect to its polar center, landing nests are made, each with its own window for outputting radiation, each of which contains an LED; the total number of LEDs - N , including emitting and exciting-emitting with a phosphor applied to them; a mirror-reflective coating is applied to the entire surface of the internal cavity of the housing; for the indicated parameters, the ratios are set: R ~ 2 Nl (sinἁ) ^-1 and A ~ 3ctgἁ.

Images