FR2777731A1 - Diode electroluminescente a faisceau annulaire lateral par effet de reflexion interne - Google Patents

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Abstract

La plupart des diodes électroluminescentes existantes (D) possèdent un faisceau plus ou moins convergent dont l'axe principal est celui de la diode. Ces diodes sont mal adaptées pour les applications envisagées telles que les panneaux (P) à éclairage par la tranche lorsque la diode doit être implantée dans un montage perpendiculaire au panneau, en remplacement de lampes à incandescence. Des diodes à éclairage annulaire latéral sont pratiquement indispensables pour obtenir un rendement satisfaisant. La diode objet de ce brevet possède une surface en bout en forme de cuvette en creux qui est utilisée en réflexion contrairement aux diodes existantes qui utilisent le principe de la réfraction (surface M). Cette forme dont la génératrice peut être rectiligne ou courbe en fonction du diagramme recherché peut être rendue réfléchissante par adjonction d'un miroir ou par un traitement électrochimique ou évaporation sous vide. La solution optimale est obtenue en traçant la courbe génératrice de façon telle que l'on se trouve en tout point dans les conditions de réflexion totale, ce qui présente l'avantage d'éliminer tout artifice annexe..

Description

I La présente invention concerne une forme particulière de diode
électroluminescente lui permettant d'émettre un faisceau latéral annulaire par effet de
réflexion interne.
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
génératrices de chaleur inutile et souvent parasite.
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
universellement désigné par 0 dans tous les documents relatifs à ce genre de produit.
(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
de l'angle plat.
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
subissent la réflexion totale non recherchée dans ce cas.
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
conserverons cette présentation simplifiée pour la suite.
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)
considéré, à partir du diagramme de la source elle-même.
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
suivante dénommée " éclairage par la tranche ".
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
plus ou moins loin à l'intérieur du panneau.
La mise en place de plusieurs sources permet de répartir cette lumière sur des
surfaces qui peuvent constituer l'ensemble d'une planche de bord, par exemple.
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
(rainure à fond plat, en V...) et le résultat obtenu dépendent des fabricants.
* 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
schématiquement (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
portée est relativement limitée.
Au contraire, plus cet angle est faible, moins on a de pertes par réflexions
multiples, le rendement en est amélioré et la portée est plus longue.
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
de redondance au cas o l'une des sources serait défaillante.
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
possible à l'axe de ces LEDs, présente un grand intérêt.
Les LEDs dont les faisceaux trop obliques sont conformes à tous les exemples
(FIG I à 4) ont en l'occurrence, un mauvais rendement.
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
ce type de LED n'existe pas dans toutes les couleurs et sa puissance n'est pas suffisante.
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
latéral dont l'ouverture angulaire et l'inclinaison peuvent être modulées à volonté.
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
la 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
(électrochimique, évaporation sous vide).
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
rayon émergent dans la direction souhaitée.
Lorsqu'on considère le faisceau complet issu de la puce, on obtient un autre
faisceau à la sortie qui dépend donc de la forme du miroir.
Par exemple:
Si l'on prend un cône à génératrices rectilignes, on obtient un résultat imagé sur
la FIG 8 avec un cône émergent relativement large.
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
I 'application citée.
On peut noter que l'angle solide Q du faisceau utile (donc du flux) récupéré issu
de la puce, dépend de l'aboutissent du miroir sur le cylindre de la 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
on risque alors de percuter la puce ou son électrode, détruisant ainsi la 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
13 est voisin de 0 , ( 1- cos 13) I'est aussi, donc (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
polissage de la surface à traiter.
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,
le rayon ne peut pas sortir de la LED, mais il est réfléchi, comme par un vrai miroir.
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
lors de la fabrication initiale de la LED.
Le descriptif parle de courbe génératrice de la forme, ce terme de courbe peut
comprendre des parties rectilignes.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Diode électroluminescente renvoyant les rayons lumineux issus de la puce émettrice de lumière dans une direction oblique ou perpendiculaire à l'axe principal caractérisée par le fait que sa surface externe en bout se présente sous la forme d'un creux rendu réfléchissant.
2. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que cette
surface est celle d'un cône de révolution à génératrices rectilignes.
3. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que cette surface est générée par une portion de parabole dont le foyer est voisin du centre de la source lumineuse (puce) et dont l'axe est oblique ou perpendiculaire à l'axe principal de la
io diode.
4. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que cette surface est générée par un tracé point par point en fonction d'un diagramme du faisceau
émergent choisi à la demande.
5. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que le fond du creux de cette surface est tronqué dans le voisinage de l'axe afin de ne pas
percuter la zone émettrice de lumière.
6. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que les bords extérieurs de cette surface sont recourbés vers le bas (côté électrodes) pour
augmenter l'angle solide du flux lumineux récupéré.
7. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que cette surface est rendue réfléchissante par un miroir rapporté ou par un traitement chimique ou
évaporation sous vide.
8. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que cette
surface est rendue réfléchissante par un tracé permettant la réflexion totale.
9. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que cette
surface est obtenue par usinage-polissage à partir d'une diode existante du commerce.
10. Diode électroluminescente selon la revendication n 1 caractérisée par le fait que
cette surface est obtenue lors du moulage en fabrication de la diode..
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