सफेद प्रकाश की दिशात्मक उत्सर्जन के लिए बहुपरत फिल्म अनुकूलन

1. परिचय

एलईडी उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर ऑटोमोटिव लाइटिंग तक विभिन्न अनुप्रयोगों में प्रमुख प्रकाश स्रोत बन गए हैं। उच्च-प्रदर्शन प्रकाश व्यवस्था (जैसे स्ट्रीट लाइट या वाहन हेडलाइट्स) में, एक प्रमुख चुनौती न केवल मानव आँख द्वारा अनुभव किए जाने योग्य सफेद प्रकाश स्पेक्ट्रम को प्राप्त करना है, बल्कि इसकेकोणीय वितरणसंकीर्ण सामने के शंकु कोण (उदाहरण के लिए, ±α डिग्री) के भीतर विकिरण प्रवाह को अधिकतम करना दक्षता और विशिष्ट अनुप्रयोग प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण है। यह अध्ययन मानक सफेद एलईडी पैकेजिंग के शीर्ष पर विशेष रूप से डिज़ाइन किए गएबहुपरत पतली फिल्मजमा करके इस चुनौती का समाधान करता है। मुख्य नवाचारभौतिकी-निर्देशित बेयसियन अनुकूलन का उपयोग करने में निहित है।इस MLTF को डिजाइन करने के लिए एक ढांचा, जो कोण और तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक फिल्टरिंग के माध्यम से प्रकाश को नियंत्रित करता है - इस प्रक्रिया को "प्रकाश के साथ टेबल टेनिस खेलना" के रूप में वर्णित किया गया है - ताकि अग्रगामी उत्सर्जन को बढ़ाया जा सके।

2. पद्धति एवं प्रणाली डिजाइन

2.1 LED पैकेजिंग संरचना और श्वेत प्रकाश उत्पादन

एक मानक सफेद एलईडी पैकेज एक क्षैतिज स्टैक संरचना है, जिसमें शामिल हैं: 1) एक अर्धचालक चिप जो नीला प्रकाश उत्सर्जित करती है, 2) एक फॉस्फर रूपांतरण प्रणाली जिसमें हरे और लाल रूपांतरण सामग्री शामिल हैं (वजन प्रतिशत $w = (w_1, w_2)$ के रूप में), और 3) एक वैकल्पिक बहुपरत फिल्म। चिप से आने वाला नीला प्रकाश आंशिक रूप से फॉस्फर द्वारा हरे और लाल प्रकाश में रूपांतरित होता है, जो मिश्रित होकर सफेद प्रकाश उत्पन्न करते हैं। अंतिम स्पेक्ट्रम का रंग सीआईई रंग स्थान में उसकेक्रोमैटिसिटी पॉइंट $c_\alpha(w)$ द्वारा परिभाषित किया जाता है, जबकि इसकी फॉरवर्ड तीव्रता को ±α शंकु कोण के भीतर मापा जाता हैविकिरण फ्लक्स $P_\alpha(w)$।

2.2 बहुपरत पतली फिल्म अवधारणा

MLTF एक ऑप्टिकल इंटरफेरेंस फिल्टर है जो LED की बाहरी सतह पर जमा किया जाता है। इसके डिज़ाइन पैरामीटर (जैसे, परत मोटाई और अपवर्तनांक) को अनुकूलित किया गया है ताकि वांछित फॉरवर्ड कोन कोण और लक्ष्य सफेद रंग बिंदु के भीतर प्रकाश को प्राथमिकता से प्रसारित किया जा सके, जबकि विचलित कोण या रंग के प्रकाश को संभावित "पुनर्चक्रण" के लिए पैकेज के अंदर वापस परावर्तित किया जा सके।

2.3 भौतिकी-निर्देशित उद्देश्य फलन

यह डिज़ाइन समस्या एक के रूप में तैयार की गई हैबहु-उद्देश्य अनुकूलनसमस्या: लक्ष्य मान $C$ के करीब रंग बिंदु $c_\alpha$ को बनाए रखते हुए, अग्र प्रवाह $P_\alpha$ को अधिकतम करना। इसे एक एकल, पदानुक्रमित उद्देश्य फ़ंक्शन $F$ के रूप में पुनः तैयार किया गया है, जो इंजीनियरिंग प्राथमिकताओं को कोडित करता है:

$F(\text{MLTF设计}) = \begin{cases} P_\alpha & \text{如果 } \Delta c < \epsilon \\ -\Delta c & \text{否则} \end{cases}$

जहाँ $\Delta c = ||c_\alpha - C||$ रंग विचलन है और $\epsilon$ सहनशीलता है। यह फ़ंक्शन रंग सटीकता को प्रवाह अधिकतमीकरण से ऊपर रखता है।

3. अनुकूलन ढांचा

3.1 MLTF डिजाइन के लिए बेयसियन ऑप्टिमाइज़ेशन

चूंकि भौतिक निर्माण के माध्यम से MLTF डिज़ाइन का मूल्यांकन करना महंगा है, जबकिरे ट्रेसिंग सिमुलेशनशोरयुक्त और कम्प्यूटेशनली महंगा है, लेखकों ने अपनायाबेयसियन ऑप्टिमाइज़ेशनBO एक नमूना-कुशल वैश्विक अनुकूलन रणनीति है, जो महंगे ब्लैक-बॉक्स फ़ंक्शंस के लिए आदर्श है। यह लक्ष्य फ़ंक्शन $F$ के लिए एक संभाव्य प्रॉक्सी मॉडल (जैसे, गॉसियन प्रक्रिया) बनाता है, और एक्विज़िशन फ़ंक्शन (जैसे अपेक्षित सुधार) का उपयोग करके अगले मूल्यांकन बिंदु को बुद्धिमानी से चुनता है, जिससे अन्वेषण और दोहन के बीच संतुलन बनता है।

3.2 रे ट्रेसिंग के रूप में शोर सिम्युलेटर

लक्ष्य फ़ंक्शन $F$ का मूल्यांकन मोंटे कार्लो रे ट्रेसिंग सिमुलेशन के माध्यम से किया जाता है। प्रकाश किरणों को ज्ञात ब्लू चिप स्पेक्ट्रम से नमूना लिया जाता है और एलईडी पैकेजिंग (चिप, फॉस्फर, एमएलटीएफ) के माध्यम से ऑप्टिकल मॉडल में ट्रेस किया जाता है। अवशोषण, रूपांतरण और परावर्तन जैसी अंतःक्रियाओं को ज्यामितीय प्रकाशिकी का उपयोग करके मॉडल किया जाता है। प्रकाश किरणों के यादृच्छिक नमूने के कारण, यह सिमुलेशन हैगैर-निर्धारकात्मक, जो शोर को संभालने में सक्षम BO को एक उपयुक्त विकल्प बनाता है।

4. परिणाम और तंत्र विश्लेषण

4.1 उन्नत दिशात्मक उत्सर्जन प्रदर्शन

संदर्भ एलईडी की तुलना में जिसमें एमएलटीएफ नहीं है, अनुकूलित एमएलटीएफ डिज़ाइन ने सफलतापूर्वक अग्र-उत्सर्जन विकिरण फ्लक्स $P_\alpha$ को बढ़ाया, जबकि रंग बिंदु $c_\alpha$ को लक्ष्य श्वेत बिंदु $C$ की स्वीकार्य सहनशीलता $\epsilon$ की सीमा के भीतर बनाए रखा। इसने व्यावहारिक डिज़ाइन समस्याओं को हल करने में बीओ फ्रेमवर्क की प्रभावशीलता की पुष्टि की।

4.2 "पिंग-पोंग" ऑप्टिकल फ़िल्टरिंग तंत्र

अनुकूलित एमएलटीएफ के विश्लेषण से प्रदर्शन वृद्धि के पीछे के भौतिक तंत्र का पता चलता है:कोण और तरंगदैर्ध्य चयनात्मक फ़िल्टरिंगMLTF एक बुद्धिमान दर्पण की भूमिका निभाता है। आदर्श (छोटे) कोण पर निकलने वाली और लक्ष्य श्वेत बिंदु में योगदान देने वाली तरंगदैर्ध्य वाली प्रकाश किरणें संचरित हो जाती हैं। बड़े कोण पर निकलने वाली या अवांछित वर्णक्रमीय संरचना वाली प्रकाश किरणें LED पैकेज के अंदर वापस परावर्तित कर दी जाती हैं। इन परावर्तित किरणों को बिखरने, संभवतः फॉस्फर द्वारा तरंगदैर्ध्य परिवर्तित होने और पुनः उत्सर्जित होने का अवसर मिलता है, जिससे वे अनुकूल कोण पर निकल सकती हैं। चयनात्मक संचरण और परावर्तन की यह पुनरावृत्त प्रक्रिया - टेबल टेनिस खेल के समान - प्रकाश के अंततः सही रंग में आगे की दिशा में निकलने की संभावना बढ़ा देती है।

5. तकनीकी विवरण और गणितीय सूत्र

मुख्य मापदंड कोण-संकल्पित वर्णक्रमीय विकिरण तीव्रता $I(\lambda, \theta, \phi)$ से प्राप्त होता है:

• अग्रदिश विकिरण प्रवाह: $P_\alpha = \int_{\lambda} \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\alpha} I(\lambda, \theta, \phi) \sin\theta \, d\theta \, d\phi \, d\lambda$
• रंग बिंदु: $c_\alpha = (X, Y, Z) / (X+Y+Z)$, जहाँ $X, Y, Z = \int_{\lambda} I_\alpha(\lambda) \bar{x}(\lambda), \bar{y}(\lambda), \bar{z}(\lambda) \, d\lambda$, और $\bar{x}, \bar{y}, \bar{z}$ CIE मानक वर्णमिति प्रेक्षक के वर्णक्रमीय त्रि-उद्दीपन मान हैं। $I_\alpha(\lambda)$ फॉरवर्ड कोन कोण पर समाकलित वर्णक्रम है।

रे ट्रेसिंग सिमुलेशन स्नेल के नियम, फ्रेस्नेल समीकरणों और फॉस्फर परत के अवशोषण एवं उत्सर्जन स्पेक्ट्रा पर आधारित फोटॉन रूपांतरण संभावना के माध्यम से प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया का अनुकरण करता है।

6. विश्लेषणात्मक ढांचा: एक गैर-कोड केस स्टडी

परिदृश्य: सड़क प्रकाश LED के लिए MLTF का अनुकूलन करें जिसे उच्च सकारात्मक प्रोजेक्शन (±10° शंकु कोण) और शीत श्वेत रंग बिंदु (संबंधित रंग तापमान ~5000K) की आवश्यकता है।

फ्रेमवर्क अनुप्रयोग:

1. समस्या परिभाषा: लक्ष्य फ़ंक्शन $F$ सेट करें, लक्ष्य रंग $C_{5000K}$ है, शंकु कोण $\alpha=10^\circ$ है।
2. डिज़ाइन स्पेस पैरामीट्रिकरण: MLTF चरों को परिभाषित करें: परतों की संख्या (उदाहरण के लिए, 10-30 परतें), प्रत्येक परत की मोटाई (50-300 nm) और सामग्री (SiO2, TiO2 आदि में से चयन करें)।
3. सरोगेट मॉडलिंग: BO को कुछ यादृच्छिक MLTF डिज़ाइनों से प्रारंभ करें जिनका प्रकाश किरण अनुरेखण द्वारा मूल्यांकन किया गया है (उदाहरण के लिए, प्रति सिमुलेशन 100,000 किरणें)। गाऊसी प्रक्रिया MLTF मापदंडों और $F$ के बीच संबंध को मॉडल करती है।
4. पुनरावृत्ति अनुकूलन लूप: 50 पुनरावृत्तियाँ करें:
   • BO का अधिग्रहण फ़ंक्शन सबसे आशाजनक नए MLTF डिज़ाइन का सुझाव देता है।
   • रे ट्रेसिंग द्वारा इस डिज़ाइन के $F$ का मूल्यांकन (शोर मूल्यांकन)।
   • सरोगेट मॉडल को नए डेटा बिंदुओं के साथ अद्यतन करें।
5. परिणाम: BO एल्गोरिदम ने एक MLTF डिज़ाइन की पहचान की, जिसने बेसलाइन की तुलना में $P_{10^\circ}$ को 15-20% बढ़ाया, जबकि $\Delta c$ को CIE 1931 xy कलर स्पेस में 0.005 की सहनशीलता सीमा के भीतर बनाए रखा।

7. अनुप्रयोग संभावनाएं और भविष्य की दिशाएं

• उन्नत ऑटोमोटिव प्रकाश व्यवस्था: अत्यधिक दिशात्मक MLTF पिक्सेल-स्तरीय नियंत्रण के साथ अगली पीढ़ी की अनुकूली हाई-बीम प्रणालियों को सक्षम कर सकता है, जो चकाचौंध पैदा किए बिना प्रकाश पैटर्न को सटीक रूप से आकार देकर सुरक्षा बढ़ाता है।
• संवर्धित/आभासी वास्तविकता प्रदर्शन: AR चश्मे में वेवगाइड-आधारित कंबाइनर के लिए निर्देशित प्रकाश उत्सर्जन महत्वपूर्ण है। MLTF माइक्रो-LED प्रकाश इंजन की चमक और दक्षता बढ़ा सकता है।
• Li-Fi और ऑप्टिकल कम्युनिकेशन: बढ़ी हुई दिशात्मकता व्हाइट LED का उपयोग करके फ्री-स्पेस ऑप्टिकल कम्युनिकेशन में सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात में सुधार करती है, जिससे डेटा ट्रांसमिशन दर में संभावित वृद्धि हो सकती है।
• भविष्य के शोध: 将रिवर्स डिज़ाइनविधियाँ (जैसे एडजॉइंट ऑप्टिमाइज़ेशन) को BO फ्रेमवर्क के साथ संयोजित करके MLTF डिज़ाइन स्पेस की अधिक कुशल खोज की जा सकती है। इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल या थर्मो-ऑप्टिकल सामग्रियों के उपयोग का अन्वेषणसक्रिय或ट्यून करने योग्यMLTF, जो बीम के आकार और रंग का गतिशील नियंत्रण प्राप्त कर सकता है।

8. संदर्भ सूची

1. Wankerl, H., et al. "Playing Ping Pong with Light: Directional Emission of White Light." arXiv preprint arXiv:2111.15486 (2021).
2. Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). CIE 015:2018 Colorimetry, 4th Edition. Vienna: CIE, 2018.
3. Schubert, E. F. प्रकाश उत्सर्जक डायोड। Cambridge University Press, 2018.
4. Krames, M. R., et al. "Status and Future of High-Power Light-Emitting Diodes for Solid-State Lighting." Journal of Display Technology, 3(2), 160-175, 2007.
5. Born, M., & Wolf, E. Principles of Optics. Cambridge University Press, 2019.
6. Frazier, P. I. "A Tutorial on Bayesian Optimization." arXiv preprint arXiv:1807.02811 (2018).
7. Molesky, S., et al. "Inverse design in nanophotonics." Nature Photonics, 12(11), 659-670, 2018.
8. OSRAM Opto Semiconductors. "LED Technology and Applications." https://www.osram.com/os/ (Accessed 2023).

9. विशेषज्ञ विश्लेषण एवं आलोचनात्मक समीक्षा