FR2777731A1 - Light emitting diode with lateral light beam transmission - Google Patents
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Abstract
Description
I La présente invention concerne une forme particulière de diodeI The present invention relates to a particular form of diode
électroluminescente lui permettant d'émettre un faisceau latéral annulaire par effet de light-emitting allowing it to emit an annular lateral beam by effect of
réflexion interne.internal reflection.
Les diodes électroluminescentes couramment désignées par le symbole abrégé LED (light électroluminescent display), abréviation que nous utiliserons dans le texte suivant pour désigner une (diode) LED, ont fait de considérables progrès depuis ces dernières années, en ce sens que, dans le domaine visible qui intéresse notre application, de nouvelles couleurs sont apparues, depuis le bleu jusqu'au rouge profond, et que le rendement lumineux n'a cessé de croître de façcon impressionnante, ce qui permet, de plus en plus, de les substituer à des lampes à incandescence, beaucoup moins fiables et The light emitting diodes commonly designated by the abbreviated symbol LED (light electroluminescent display), an abbreviation which we will use in the following text to designate an LED, have made considerable progress in recent years, in the sense that, in the field visible which interests our application, new colors appeared, from blue to deep red, and that the light output did not cease increasing in an impressive way, which makes it possible, more and more, to replace them with incandescent lamps, much less reliable and
génératrices de chaleur inutile et souvent parasite. useless and often parasitic heat generators.
Des formes très diverses peuvent être rencontrées, au travers des catalogues de leurs fabricants, permettant d'obtenir des faisceaux plus ou moins étroits ou divergents, qui ont une influence directe sur le diagramme des intensités lumineuses; intensités lumineuses exprimées en candelas (cd) ou millicandelas (mcd), en fonction de l'angle du rayon lumineux émergent considéré par rapport à l'axe principal de la LED, angle Very diverse forms can be encountered, through the catalogs of their manufacturers, making it possible to obtain more or less narrow or divergent beams, which have a direct influence on the diagram of the light intensities; light intensities expressed in candelas (cd) or millicandelas (mcd), depending on the angle of the emerging light ray considered in relation to the main axis of the LED, angle
universellement désigné par 0 dans tous les documents relatifs à ce genre de produit. universally designated by 0 in all documents relating to this kind of product.
(FIG 1)(FIG 1)
La plupart de ces LEDs ont leur faisceau utile dirigé dans l'axe et sont destinées à être utilisées dans la direction correspondante; leur forme en bout peut être plus ou moins sphérique, la convergence relative du faisceau dépendant de la distance entre le point source (S) et le sommet, ou le centre du dôme ( C) Certaines formes à plat, voire en cuvette de génératrice rectiligne ou courbe, permettent d'obtenir des faisceaux beaucoup plus étalés, pouvant aller jusqu'au voisinage Most of these LEDs have their useful beam directed in the axis and are intended to be used in the corresponding direction; their end shape can be more or less spherical, the relative convergence of the beam depending on the distance between the source point (S) and the vertex, or the center of the dome (C) Some flat shapes, even in a rectilinear generator bowl or curved, make it possible to obtain much more spread out beams, which can go as far as the vicinity
de l'angle plat.of the flat angle.
Les figures 1 à 4 représentent diverses de ces formes sur lesquelles ont été tracées quelques rayons caractéristiques émanant de la source S et réfractés au niveau de la surface externe de la LED. Si l'on suppose en première approximation, que la source (puce émettrice de lumière) est ponctuelle, et que la surface de la LED n'est pas dépolie, on peut tracer tous ces rayons à partir de la formule classique de la réfraction (loi de Descartes en France, Snell law pour les pays anglo-saxons): nl sin il = n2 sin i2, n étant l'indice de réfraction du milieu considéré, sin i, le sinus de l'angle i formé par le rayon lumineux considéré avec la normale (N) à la surface du dioptre de séparation (ici la surface externe de la LED), I'indice 1 étant relatif au premier milieu (ici l'intérieur de la LED pour lequel nl est voisin de 1,5), I'indice 2 étant relatif au deuxième milieu (ici l'air pour lequel n2 est pratiquement égal à 1 (FIG 5). Dans ce cas i2 est toujours supérieur à il, jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur de 90 , pour laquelle le rayon émergent devient tangent à la surface. Au delà, I'équation de Descartes ne peut plus s'appliquer; on rencontre alors le phénomène de réflexion totale, qui se produit lorsque il est voisin de 42 environ; le rayon incident est alors réfléchi comme par un miroir (RT). Les rayons non représentés qui atteignent la surface cylindrique latérale de la LED sont soit réfractés à leur tour dans des directions qui peuvent être variables dont certaines peuvent coïincider avec le faisceau principal, soit réfractés dans des directions sans intérêt pratique, soit Figures 1 to 4 show various of these shapes on which have been traced some characteristic rays emanating from the source S and refracted at the external surface of the LED. If we assume as a first approximation, that the source (light-emitting chip) is punctual, and that the surface of the LED is not frosted, we can trace all these rays from the classical formula of refraction ( Descartes law in France, Snell law for Anglo-Saxon countries): nl sin il = n2 sin i2, n being the refractive index of the medium considered, sin i, the sine of the angle i formed by the light ray considered with the normal (N) at the surface of the separation diopter (here the external surface of the LED), index 1 being relative to the first medium (here the interior of the LED for which nl is close to 1.5 ), Index 2 being relative to the second medium (here the air for which n2 is practically equal to 1 (FIG 5). In this case i2 is always greater than it, until it reaches the value of 90, for which the emerging ray becomes tangent to the surface. Beyond that, the Descartes equation can no longer apply; e phenomenon of total reflection, which occurs when it is around 42; the incident ray is then reflected as by a mirror (RT). The rays not shown which reach the lateral cylindrical surface of the LED are either refracted in their turn in directions which can be variable, some of which can coincide with the main beam, or refracted in directions without practical interest, or
subissent la réflexion totale non recherchée dans ce cas. undergo the total reflection not sought in this case.
La source réelle n'est en fait pas ponctuelle, et cela introduit quelques dispersions supplémentaires, mais ne change pas les conclusions d'ordre général; nous The actual source is actually not point-in-time, and this introduces some additional dispersions, but does not change the general conclusions; we
conserverons cette présentation simplifiée pour la suite. keep this simplified presentation for the rest.
Le diagramme lumineux est éminemment variable d'un cas à l'autre et peut être calculé de façon théorique à partir du flux lumineux émis dans un angle (solide) The light diagram is eminently variable from one case to another and can be calculated theoretically from the light flux emitted in a (solid) angle
considéré, à partir du diagramme de la source elle-même. considered, from the diagram of the source itself.
Un fabricant propose un modèle particulier qui concentre une grande partie du faisceau émergent dans une direction oblique par rapport à l'axe en utilisant la réfraction au travers d'une forme dans laquelle le centre C de la courbe génératrice d'une grande partie de la forme extérieure est située latéralement et non plus sur l'axe et positionné de telle façon que la source se trouve située dans le voisinage du foyer objet du dioptre correspondant (FIG 6). On peut aussi obtenir toutes sortes de faisceaux en utilisant avec la LED, des lentilles, prismes ou miroirs auxiliaires qui conduisent à une augmentation notable de l'encombrement pas toujours disponible, ce qui est le cas de l'application A manufacturer proposes a particular model which concentrates a large part of the emerging beam in an oblique direction with respect to the axis by using refraction through a form in which the center C of the curve generating a large part of the outer shape is located laterally and no longer on the axis and positioned so that the source is located in the vicinity of the focus object of the corresponding diopter (FIG 6). We can also obtain all kinds of beams using with the LED, lenses, prisms or auxiliary mirrors which lead to a noticeable increase in the size which is not always available, which is the case with the application.
suivante dénommée " éclairage par la tranche ". next called "edge lighting".
Il s'agit d'un panneau (P) en matériau plastique transparent (FIG 7) dont l'épaisseur habituelle est de l'ordre de 5 mm, qui est revêtu de couche genre peinture blanche, elle même recouverte par une couche opaque à la lumière, dont la couleur peut être noire. Une source dont la lumière est introduite à l'intérieur du panneau éclaire la surface interne blanche, qui par réflexions-diffusions successives propage cette lumière It is a panel (P) made of transparent plastic material (FIG 7), the usual thickness of which is around 5 mm, which is coated with a white paint-like layer, itself covered by an opaque layer light, the color of which may be black. A source whose light is introduced inside the panel illuminates the white internal surface, which by successive reflections-diffusions propagates this light
plus ou moins loin à l'intérieur du panneau. more or less far inside the panel.
La mise en place de plusieurs sources permet de répartir cette lumière sur des The installation of several sources makes it possible to distribute this light over
surfaces qui peuvent constituer l'ensemble d'une planche de bord, par exemple. surfaces which can constitute the whole of a dashboard, for example.
Cette lumière interne peut être utilisée de différentes manières; les plus utilisées séparément ou conjointement sont les suivantes: * Si l'on grave des inscriptions en creux (G) au travers de la couche opaque, la lumière ressort par ces gravures qui deviennent alors éclairées. La forme des gravures This internal light can be used in different ways; the most used separately or jointly are the following: * If one engraves inscriptions in hollow (G) through the opaque layer, the light comes out through these engravings which then become illuminated. The shape of the engravings
(rainure à fond plat, en V...) et le résultat obtenu dépendent des fabricants. (flat bottom groove, V ...) and the result obtained depend on the manufacturers.
* Si l'on pratique une ouverture (O) dont la dimension est voisine de celle d'un cadran d'instrument (Cl), et dont la découpe est réalisée de manière adéquate, on dirige alors la lumière sortante vers le cadran situé derrière le panneau; sa surface devient ainsi éclairée. L'introduction de la lumière dans le panneau peut se faire de différentes manières: On peut loger une petite source dans une cavité creusée à l'intérieur du panneau, on peut utiliser un fourreau transparent sur sa surface latérale, éventuellement colorée, dans lequel est logée une lampe à incandescence dont le modèle d'une puissance de 1,1 watt est souvent utilisé. Une réalisation courante est représentée * If an opening (O) is made, the dimension of which is close to that of an instrument dial (Cl), and the cutting of which is carried out in an adequate manner, the outgoing light is then directed towards the dial located behind the panel; its surface thus becomes illuminated. The introduction of light into the panel can be done in different ways: We can accommodate a small source in a cavity dug inside the panel, we can use a transparent sheath on its side surface, possibly colored, in which is housed an incandescent lamp, the 1.1 watt model of which is often used. A current achievement is shown
schématiquement (FIG 7).schematically (FIG 7).
L'angle sous lequel la tranche du panneau est éclairée par la source a une certaine importance (angle ac entre un rayon lumineux considéré et le plan médian du panneau). Plus cet angle est important, plus on obtient une réflexion diffuse proche et la The angle under which the edge of the panel is illuminated by the source is of some importance (angle ac between a light ray considered and the median plane of the panel). The larger this angle, the closer a diffuse reflection is obtained and the
portée est relativement limitée.scope is relatively limited.
Au contraire, plus cet angle est faible, moins on a de pertes par réflexions On the contrary, the smaller this angle, the less reflective losses
multiples, le rendement en est amélioré et la portée est plus longue. multiple, the performance is improved and the range is longer.
Ceci permet d'obtenir une meilleure superposition des flux lumineux émis par différentes sources, la répartition en devient plus homogène et on obtient un certain effet This allows a better superposition of the light fluxes emitted by different sources, the distribution becomes more homogeneous and a certain effect is obtained.
de redondance au cas o l'une des sources serait défaillante. redundancy in case one of the sources fails.
Les lampes présentant l'inconvénient de ne pas être très fiables et d'avoir un mauvais rendement lumineux, surtout si l'on est amené à utiliser certaines couleurs de filtres, une solution à base de LEDs dont le faisceau émergent soit le plus perpendiculaire The lamps having the disadvantage of not being very reliable and of having a bad light output, especially if one is led to use certain colors of filters, a solution based on LEDs whose beam emerge is the most perpendicular
possible à l'axe de ces LEDs, présente un grand intérêt. possible at the axis of these LEDs, is of great interest.
Les LEDs dont les faisceaux trop obliques sont conformes à tous les exemples LEDs with too oblique beams conform to all the examples
(FIG I à 4) ont en l'occurrence, un mauvais rendement. (FIG I to 4) in this case have a poor yield.
La LED particulière dont une grande partie du flux lumineux est réfracté par les épaules latérales arrondies (FIG 6) serait mieux adaptée pour une telle application, mais The particular LED of which a large part of the luminous flux is refracted by the rounded lateral shoulders (FIG 6) would be better suited for such an application, but
ce type de LED n'existe pas dans toutes les couleurs et sa puissance n'est pas suffisante. this type of LED does not exist in all colors and its power is not sufficient.
La présente invention décrit une solution dont le principe est essentiellement différent de toutes les précédentes et qui peut être appliqué à des LEDs dont la couleur et la puissance sont adaptées au but recherché; il permet, en outre, d'obtenir un faisceau The present invention describes a solution whose principle is essentially different from all the previous ones and which can be applied to LEDs whose color and power are adapted to the desired goal; it also makes it possible to obtain a beam
latéral dont l'ouverture angulaire et l'inclinaison peuvent être modulées à volonté. lateral whose angular opening and inclination can be adjusted at will.
Les LEDs existantes citées précédemment utilisent le principe de la réfraction, la solution objet de la présente invention utilise le principe de la réflexion interne à la LED elle-même. Il s'agit d'incorporer un miroir d'une forme que nous détaillerons ultérieurement dans le corps même de la LED, ce miroir étant destiné à dévier le faisceau axial issu de la puce dans une direction latérale oblique ou perpendiculaire par rapport à l'axe principal de The existing LEDs mentioned above use the principle of refraction, the solution object of the present invention uses the principle of internal reflection in the LED itself. This involves incorporating a mirror of a shape that we will detail later in the body of the LED, this mirror being intended to deflect the axial beam from the chip in an oblique or perpendicular lateral direction relative to the main axis of
la LED.the LED.
A partir d'une LED de forme courante plus ou moins longue et sphérique, on usine puis on polit une surface en forme de creux (FIG 8) qui peut être rendue réfléchissante par un miroir rapporté ou par un traitement réfléchissant approprié From an LED of current shape more or less long and spherical, we machine and then polish a hollow-shaped surface (FIG 8) which can be made reflective by an attached mirror or by an appropriate reflective treatment
(électrochimique, évaporation sous vide). (electrochemical, vacuum evaporation).
Un rayon lumineux issu de la puce et frappant la surface servant de miroir M est réfléchi et ressort latéralement dans une direction qui se trouve elle-même déviée par la traversée du dioptre formé par l'enveloppe cylindrique de la LED. En inclinant plus ou moins le miroir, et en tenant compte de cette réfraction secondaire, qui, en l'occurrence, se présente sous une forme parasite, on peut obtenir un A light ray coming from the chip and striking the surface serving as a mirror M is reflected and emerges laterally in a direction which is itself deflected by the crossing of the diopter formed by the cylindrical envelope of the LED. By tilting the mirror more or less, and taking into account this secondary refraction, which in this case is in a parasitic form, one can obtain a
rayon émergent dans la direction souhaitée. ray emerge in the desired direction.
Lorsqu'on considère le faisceau complet issu de la puce, on obtient un autre When we consider the full beam from the chip, we get another
faisceau à la sortie qui dépend donc de la forme du miroir. beam at the output which therefore depends on the shape of the mirror.
Par exemple:For example:
Si l'on prend un cône à génératrices rectilignes, on obtient un résultat imagé sur If we take a cone with rectilinear generators, we get a pictorial result on
la FIG 8 avec un cône émergent relativement large. FIG 8 with a relatively large emerging cone.
Si l'on prend un miroir à la forme parabolique dont le foyer serait le centre de la puce, on obtient alors un faisceau de rayons parallèles dont l'inclinaison dépend de celle de l'axe de la parabole. Si cet axe est perpendiculaire à celui de la LED, le faisceau émergent est également parallèle à cet axe (FIG 9). Cette solution représente l'idéal pour If we take a parabolic mirror whose focus would be the center of the chip, we then obtain a beam of parallel rays whose inclination depends on that of the axis of the parabola. If this axis is perpendicular to that of the LED, the emerging beam is also parallel to this axis (FIG 9). This solution is ideal for
I 'application citée.The cited application.
On peut noter que l'angle solide Q du faisceau utile (donc du flux) récupéré issu It can be noted that the solid angle Q of the useful beam (therefore of the flux) recovered from
de la puce, dépend de l'aboutissent du miroir sur le cylindre de la LED (angle o FIG 10). of the chip, depends on the outcome of the mirror on the cylinder of the LED (angle o FIG 10).
L'efficacité et le rendement peuvent être augmentés en augmentant cet angle, donc en courbant un peu plus vers le bas les bords extérieurs de la surface. On peut de la même manière, faire glisser la courbe miroir vers le bas, en diminuant la distance d, mais Efficiency and yield can be increased by increasing this angle, therefore by bending the outer edges of the surface a little more downwards. We can in the same way, drag the mirror curve downwards, reducing the distance d, but
on risque alors de percuter la puce ou son électrode, détruisant ainsi la LED. there is then a risk of striking the chip or its electrode, thereby destroying the LED.
En remarquant que, bien que l'intensité lumineuse maximum (I) de la source se situe en général dans l'axe, le flux lumineux est en fait très faible dans un angle solide situé autour de l'axe de la LED, cet angle solide étant lui-même relativement peu important. En effet le flux lumineux q( émis dans un angle solide donné défini par un angle 1 par rapport à l'axe de la LED est donné par la formule classique: (D =27 ( 1- cos 1) I; si By noting that, although the maximum light intensity (I) of the source is generally located in the axis, the light flux is actually very weak in a solid angle located around the axis of the LED, this angle solid being itself relatively unimportant. Indeed the luminous flux q (emitted in a given solid angle defined by an angle 1 with respect to the axis of the LED is given by the classical formula: (D = 27 (1- cos 1) I; if
13 est voisin de 0 , ( 1- cos 13) I'est aussi, donc (D. 13 is close to 0, (1- cos 13) It is also, therefore (D.
On peut donc tronquer légèrement le bas de la courbe au voisinage de l'axe (T) sans perte notable de flux lumineux, rendant d'ailleurs réalisable un usinage et un We can therefore slightly truncate the bottom of the curve in the vicinity of the axis (T) without significant loss of light flux, making machining and
polissage de la surface à traiter.polishing of the surface to be treated.
L'adjonction d'un miroir ou d'un traitement réfléchissant peut poser un problème de fabrication ou de prix de revient. On peut le supprimer radicalement en utilisant le phénomène de la réflexion totale. Nous avons déjà vu que si l'angle formé par le rayon issu de la source et la normale au point de la surface considérée dépasse l'angle critique, The addition of a mirror or a reflective treatment can pose a manufacturing or cost problem. It can be suppressed radically by using the phenomenon of total reflection. We have already seen that if the angle formed by the ray from the source and the normal at the point of the surface considered exceeds the critical angle,
le rayon ne peut pas sortir de la LED, mais il est réfléchi, comme par un vrai miroir. the ray cannot exit the LED, but it is reflected, as by a real mirror.
Pour obtenir ce résultat particulièrement intéressant, il suffit de tracer pour chaque rayon issu de la puce, une surface dont la normale, donc la tangente, en chaque point soit telle que l'on se trouve dans les conditions de l'angle critique. La FIG 11 représente une telle solution qui présente un autre avantage: elle conduit à une LED dont les dimensions finales en longueur sont nettement moindre que celles de la LED d'origine D représentée en pointillé, ce qui rend son logement possible dans les montages envisagés, on a également représenté à l'échelle 10/1 environ le panneau P à éclairage par la tranche recevant sous un angle optimisé le faisceau issu de la puce et réfléchi sur la surface miroir M. La solution a été présentée sous forme d'un usinage effectué a partir d'une LED du commerce; on pourrait très bien obtenir cette forme à partir d'un outillage de moulage To obtain this particularly interesting result, it suffices to trace for each ray coming from the chip, a surface of which the normal, therefore the tangent, at each point is such that one is in the conditions of the critical angle. FIG 11 shows such a solution which has another advantage: it leads to an LED whose final dimensions in length are much smaller than those of the original LED D shown in dotted lines, which makes it possible to accommodate it in the envisaged assemblies. , there is also shown on a scale of about 10/1 the panel P with lighting by the edge receiving at an optimized angle the beam coming from the chip and reflected on the mirror surface M. The solution was presented in the form of a machining carried out using a commercial LED; we could very well obtain this form from a molding tool
lors de la fabrication initiale de la LED. during the initial manufacturing of the LED.
Le descriptif parle de courbe génératrice de la forme, ce terme de courbe peut The description speaks of a curve generating the shape, this term of curve can
comprendre des parties rectilignes.include straight parts.
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| FR9804815A Withdrawn FR2777731A1 (en) | 1998-04-17 | 1998-04-17 | Light emitting diode with lateral light beam transmission |
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| FR (1) | FR2777731A1 (en) |
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| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20051230 |