"Dispositif de couplage de lumière" La présente invention concerne, d'une manière générale, des dispositifs de couplage de lumière et, plus particulièrement, un dispositif pour le couplage de la source lumineuse verticale d'un dispositif électroluminescent à faible niveau de sortie dans un guide de lumière.
Dans la technique de la téléphonie, on s'est généralement beaucoup intéressé à l'éclairage des cadrans téléphoniques et analogues au moyen de dispositifs électroluminescents d'état solide. Ces dispositifs ont été bien accueillis par divers
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et de leur très faible consommation de courant. Ces facteurs plaident largement en faveur de la diode ou du dispositif électroluminescent d'état solide, comparativement aux lampes électroluminescentes ou à incandescence qui ont une durée de
vie très courte et sont d'une mise en service coûteuse en raison de leur grande consommation de courant. De plus, une source
de courant extérieure est requise pour les lampes classiques, étant donné que les circuits téléphoniques ne peuvent fournir
la puissance d'excitation nécessaire.
En conséquence, dans l'application des cadrans lumineux, le dispositif électroluminescent d'état solide constitue une source lumineuse plus fiable et d'une plus longue durée de vie qui peut habituellement être alimentée directement par le circuit téléphonique. Afin d'utiliser un nombre relativement réduit de dispositifs électroluminescents d'état solide, on doit faire appel à un moyen efficace pour coupler la source lumineuse verticale engendrée par ces dispositifs dans un cadran horizontal. Etant donné que le niveau de sortie de la source lumineuse de
ces dispositifs est assez faible, le système de couplage doit être à même de coupler effectivement et efficacement la lumière émise dans un flux uniforme s'étalant sur plus de 360[deg.].
Un système de ce type est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 3.774.021 au nom de B. H. Johnson.
Dans le système décrit dans ce brevet, un élément électroluminescent d'état solide est encapsulé dans un dôme d'une conception spécifique dont la géométrie intérieure est étudiée pour réfléchir intérieurement la sortie de l'élément électroluminescent dans un guide de lumière horizontal.
L'inconvénient particulier de ce système réside dans
le fait que l'élément électroluminescent et le dôme dans lequel il est encapsulé, constituent une unité d'une seule pièce, formant ainsi un dispositif électrolumiscent hors série dont l'acquisition et/ou la fabrication sont assez coûteuses.
Il serait plus avantageux d'utiliser des dispositifs électroluminescents peu coûteux disponibles dans le commerce et de prévoir, à l'intérieur du guide de lumière, le moyen permettant de coupler efficacement la source lumineuse verticale.
En conséquence, la présente invention a pour objet de fournir un moyen permettant de coupler la source lumineuse d'un dispositif électroluminescent à faible niveau de sortie dans un guide de lumière tel qu'un cadran téléphonique ou analogues.
Pour réaliser les objets de la présente invention, on prévoit un guide de lumière horizontal constitué d'une matière transparente appropriée et comportant une surface supérieure et une surface inférieure. Dans la surface inférieure de ce guide de lumière, est définie une cavité ayant la même configuration générale que le dispositif électroluminescent à utiliser. Dans le présent exemple, cette cavité a fondamentalement une forme cylindrique ayant des côtés verticaux équidistants d'un axe vertical et se terminant en un cône dont le sommet est aligné avec cet axe. Les surfaces de la cavité constituent une surface réfringente. Sur la surface supérieure du guide de lumière, les surfaces de la cavité définissent un cône renversé dont le sommet est aligné directement au-dessus du sommet de la cavité inférieure le long du mené axe vertical.
La surface périmétrique du cône renversé constitue une surface intérieurement réfléchissante dans le guide de lumière.
Lorsqu'un dispositif électroluminescent est introduit dans la cavité inférieure, la lumière émanant de la source lumineuse est couplée dans le guide de lumière par réfraction. En d'autres termes, les rayons lumineux émanant de la source lumineuse passent d'un milieu optique de faible densité à un milieu optique de plus forte densité, c'est-à-dire de la cavité dans la matière du guide de lumière. Les rayons lumineux réfractés par les surfaces verticales du cylindre de la cavité inférieure sont suffisamment couplés dans le guide de lumière pour permettre leur réflexion interne dans la matière de ce dernier.
En absence du cône prévu à la surface supérieure, les rayons lumineux réfractés par le cône de la cavité inférieure pourraient venir heurter la limite supérieure du guide de lumière sous un angle inférieur à l'angle critique, en s'échappant ainsi de ce guide de lumière. En conséquence, le cône supérieur définit une surface dans laquelle tous les rayons lumineux tombant sur cette dernière se rencontrent sous un angle supérieur à l'angle critique et sont ainsi couplés dans le guide de lumière. De
la sorte, grâce à l'effet combiné de la surface réfringente et de la surface réfléchissante de la cavité supérieure, on a la certitude que la presque totalité des rayons émanant du dispositif électroluminescent sont couplés intérieurement. Les rayons réfléchis lors de leur premier passage dans le guide de lumière seront couplés avec un haut degré de probabilité dans la zone où un éclairage est souhaité.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée ci-après donnée en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en plan par le sommet du dispositif de couplage de lumière de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe de face prise suivant la ligne B-B de la figure 1 et illustrant le dispositif de couplage en combinaison avec un dispositif électroluminescent; et la figure 3 est un schéma illustrant, par une optique simple de rayons, le comportement de la lumière dans le dispositif de la présente invention.
On se référera à présent aux figures 1 et 2 des dessins annexés qui illustrent le dispositif de la présente invention. Comme on peut le constater aisément, ce dispositif est constitué d'un guide de lumière plan 10 comportant une surface supérieure 11 et une surface inférieure 12, ainsi qu'un prolongement cylindrique 13 s'étendant à partir de la surface 12 et comportant une surface inférieure 14. A l'intérieur de ce prolongement 13,
une zone de réception de diode électroluminescente est définie
par des parois latérales 16 qui sont disposées pour recevoir le corps de la diode électroluminescente 20. Un canal .15 est également ménagé pour recevoir les conducteurs 21 et 21' de la diode électroluminescente 20. Une cavité 17 est formée dans le prolongement 13 au-dessus du corps de la diode électroluminescente 20, cette cavité étant constituée d'un cylindre comportant des surfaces verticales 30 équidistantes de l'axe 50, ainsi que d'un
c8ne 16 dont le sommet est aligné avec cet axe 50. Les surfaces
30 et 16 définissent la cavité 17 dans laquelle est introduite
la lentille 21 de la diode électroluminescente 20.
Une seconde cavité de forme conique 18 est définie,
par des surfaces 35, dans la surface supérieure 11 du guide de lumière. Le sommet de cette cavité 18 est aligné le long de
l'axe 50 et situé directement au-dessus du sommet de la cavité inférieure.
Dans cette forme de réalisation, chaque surface 16 rejoint l'axe 50 sous un angle de 60[deg.] et, de la même manière, chaque paroi latérale 35 rejoint cet axe SO sous un angle de 50[deg.]. Les deux sommets sont séparés l'un de l'autre d'une distance A de 0,381 mm.
A l'exception de la diode électroluminescente 20, les surfaces et les configurations décrites ci-dessus sont moulées d'une seule pièce en une matière optiquement transparente telle qu'une matière plastique à base de polycarbonate ou analogues.
En se référant à présent à la figure 3, on décrira ciaprès le fonctionnement du dispositif de couplage de lumière. Afin que ce dispositif assure un couplage efficace de la lumière dans le guide de lumière, il est nécessaire que tous les rayons de premier passage émanant du dispositif électroluminescent et tombant sur les surfaces 11 et 22 du guide de lumière rencontrent ces surfaces sous.un angle inférieur à l'angle critique.
Dans ce cas, les rayons lumineux émanant de la diode électroluminescente 20 pénètrent tout d'abord dans la cavité 17 et sont ensuite réfractés par les surfaces 30 et 16 de la cavité inférieure. Il est à noter que, lors de leur réfraction, les rayons lumineux pénétrant dans un milieu optique d'une plus forte densité optique seront déviés vers la perpendiculaire, c'est-àdire un axe horizontal. Dès lors, les rayons émanant de la diode électroluminescente 20 pénètrent tout d'abord dans la cavité 17, puis dans le guide de lumière aux surfaces 30 et 16 où ils sont réfractés et couplés intérieurement dans le guide de lumière. Les rayons qui pénètrent la surface 30 passent à tra-
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rieure 11 sous un angle supérieur à l'angle critique, si bien qu'ils sont réfléchis � l'intérieur du guide de lumière. La lumière réfractée par la surface 16 a plus de chance de s'échapper du guide de lumière, étant donné que la réfraction n'est pas suffisante pour que ces rayons rencontrent la surface 11 sous
un angle supérieur à l'angle critique.
Afin de coupler efficacement les rayons réfractés par la surface 16, les surfaces 35 de la cavité 18 constituent une surface intérieurement réfléchissante qui, à l'exception du sommet, réfléchit les rayons quittant la surface 16.
Les rayons de premier passage tombent sur la surface 35 sous un angle supérieur à l'angle critique et ils sont ainsi réfléchis intérieurement dans le guide de lumière horizontal 10.
De la sorte, tous les rayons de premier passage émanant de la diode électroluminescente 20 viennent heurter la surface supérieure 11 du guide de lumière sous un angle supérieur 4 l'angle critique et ils sont ainsi couplés lors du premier passage. Les rayons réfléchis lors du premier passage dans un guide de lùmière seront couplés avec un haut degré de probabilité dans la zone où un éclairage est souhaité.
L'homme de métier comprendra que la lumière couplée dans le guide de lumière horizontal pourrait à présent être utilisée pour éclairer la plaque frontale de cadrans à boutonspoussoirs ou de cadrans rotatifs. Dans le cas de cadrans rotatifs, les zones entourant les surfaces sur lesquelles figurent des indications, peuvent être réalisées en matière plastique translucide qui capte la lumière émanant du guide de lumière
et disperse ensuite cette lumière pour éclairer efficacement
les chiffres formés sur la surface de ces zones. Lorsqu'il s'agit de cadrans à boutons-poussoirs, ceux-ci peuvent être réalisés en matière plastique translucide captant à nouveau la lumière émanant du guide pour éclairer les chiffres figurant habituellement sur la surface supérieure des boutons-poussoirs.
La présente invention a été décrite ci-dessus en se référant 5 une de ses formes de réalisation spécifiques, afin d'illustrer la façon dont elle peut être avantageusement mise en oeuvre, et l'homme de métier comprendra qu'elle n'est aucunement limitée cett� forme de réalisation. En conséquence, il est entendu que toutes les modifications, variantes et dispositions équivalentes pouvant venir à l'esprit de l'homme de métier rentrent dans le cadre de l'invention.
"Light coupling device" The present invention relates, in general, to light coupling devices and, more particularly, to a device for coupling the vertical light source of an electroluminescent device with low output level in a light guide.
In telephone technology, there has generally been a great deal of interest in lighting telephone dials and the like by means of solid state electroluminescent devices. These devices have been well received by various
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and their very low current consumption. These factors largely argue in favor of the solid state light emitting diode or device, compared to the light emitting or incandescent lamps which have a duration of
very short life and are costly to commission due to their high current consumption. In addition, a source
of external current is required for conventional lamps, since telephone circuits cannot supply
the required excitation power.
Consequently, in the application of light dials, the solid state electroluminescent device constitutes a more reliable light source with a longer service life which can usually be supplied directly by the telephone circuit. In order to use a relatively small number of solid state electroluminescent devices, an efficient means must be used to couple the vertical light source generated by these devices into a horizontal dial. Since the light source output level of
these devices are quite weak, the coupling system must be able to effectively and efficiently couple the light emitted in a uniform flux spanning more than 360 [deg.].
A system of this type is described in United States patent N [deg.] 3,774,021 in the name of B. H. Johnson.
In the system described in this patent, a solid state electroluminescent element is encapsulated in a dome of a specific design whose internal geometry is studied to reflect internally the exit of the electroluminescent element in a horizontal light guide.
The particular drawback of this system is
the fact that the electroluminescent element and the dome in which it is encapsulated, constitute a unit in one piece, thus forming a special electrolumiscent device whose acquisition and / or manufacture are quite expensive.
It would be more advantageous to use inexpensive light-emitting devices available on the market and to provide, inside the light guide, the means making it possible to efficiently couple the vertical light source.
Accordingly, the object of the present invention is to provide a means for coupling the light source of an electroluminescent device with low output level in a light guide such as a telephone dial or the like.
To achieve the objects of the present invention, there is provided a horizontal light guide made of a suitable transparent material and comprising an upper surface and a lower surface. In the lower surface of this light guide, a cavity is defined having the same general configuration as the electroluminescent device to be used. In the present example, this cavity basically has a cylindrical shape having vertical sides equidistant from a vertical axis and ending in a cone whose apex is aligned with this axis. The surfaces of the cavity constitute a refractive surface. On the upper surface of the light guide, the surfaces of the cavity define an inverted cone whose apex is aligned directly above the apex of the lower cavity along the led vertical axis.
The perimeter surface of the inverted cone constitutes an internally reflecting surface in the light guide.
When an electroluminescent device is introduced into the lower cavity, the light emanating from the light source is coupled into the light guide by refraction. In other words, the light rays emanating from the light source pass from an optical medium of low density to an optical medium of higher density, that is to say from the cavity in the material of the light guide. The light rays refracted by the vertical surfaces of the cylinder of the lower cavity are sufficiently coupled in the light guide to allow their internal reflection in the material of the latter.
In the absence of the cone provided on the upper surface, the light rays refracted by the cone of the lower cavity could strike the upper limit of the light guide at an angle less than the critical angle, thereby escaping from this guide light. Consequently, the upper cone defines a surface in which all the light rays falling on the latter meet at an angle greater than the critical angle and are thus coupled in the light guide. Of
so, thanks to the combined effect of the refractive surface and the reflective surface of the upper cavity, it is certain that almost all of the rays emanating from the electroluminescent device are internally coupled. The rays reflected during their first passage in the light guide will be coupled with a high degree of probability in the area where lighting is desired.
The invention will be better understood on reading the detailed description given below with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 is a plan view from the top of the light coupling device of the present invention; Figure 2 is a front sectional view taken along line B-B of Figure 1 and illustrating the coupling device in combination with an electroluminescent device; and FIG. 3 is a diagram illustrating, by simple ray optics, the behavior of light in the device of the present invention.
Reference will now be made to FIGS. 1 and 2 of the appended drawings which illustrate the device of the present invention. As can easily be seen, this device consists of a plane light guide 10 comprising an upper surface 11 and a lower surface 12, as well as a cylindrical extension 13 extending from the surface 12 and comprising a surface lower 14. Within this extension 13,
a light emitting diode reception area is defined
by side walls 16 which are arranged to receive the body of the light-emitting diode 20. A channel .15 is also formed to receive the conductors 21 and 21 'of the light-emitting diode 20. A cavity 17 is formed in the extension 13 au- above the body of the light-emitting diode 20, this cavity consisting of a cylinder comprising vertical surfaces 30 equidistant from the axis 50, as well as a
c8ne 16 whose apex is aligned with this axis 50. The surfaces
30 and 16 define the cavity 17 into which is introduced
the lens 21 of the light-emitting diode 20.
A second conical cavity 18 is defined,
by surfaces 35, in the upper surface 11 of the light guide. The top of this cavity 18 is aligned along
the axis 50 and located directly above the top of the lower cavity.
In this embodiment, each surface 16 joins the axis 50 at an angle of 60 [deg.] And, in the same way, each side wall 35 joins this axis SO at an angle of 50 [deg.]. The two vertices are separated from each other by a distance A of 0.381 mm.
With the exception of the light-emitting diode 20, the surfaces and the configurations described above are molded in one piece from an optically transparent material such as a plastic material based on polycarbonate or the like.
Referring now to FIG. 3, the operation of the light coupling device will be described below. In order for this device to ensure efficient coupling of the light in the light guide, it is necessary that all the first-pass rays emanating from the electroluminescent device and falling on the surfaces 11 and 22 of the light guide meet these surfaces at an angle. less than the critical angle.
In this case, the light rays emanating from the light-emitting diode 20 first penetrate into the cavity 17 and are then refracted by the surfaces 30 and 16 of the lower cavity. It should be noted that, during their refraction, the light rays entering an optical medium with a higher optical density will be deflected towards the perpendicular, that is to say a horizontal axis. Consequently, the rays emanating from the light-emitting diode 20 penetrate first of all into the cavity 17, then into the light guide at the surfaces 30 and 16 where they are refracted and internally coupled in the light guide. The rays which penetrate the surface 30 pass through
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11 at an angle greater than the critical angle, so that they are reflected � inside the light guide. The light refracted by the surface 16 is more likely to escape from the light guide, since the refraction is not sufficient for these rays to meet the surface 11 under
an angle greater than the critical angle.
In order to efficiently couple the rays refracted by the surface 16, the surfaces 35 of the cavity 18 constitute an internally reflecting surface which, with the exception of the top, reflects the rays leaving the surface 16.
The first passage rays fall on the surface 35 at an angle greater than the critical angle and they are thus reflected internally in the horizontal light guide 10.
In this way, all the first passage rays emanating from the light-emitting diode 20 strike the upper surface 11 of the light guide at an angle greater than the critical angle 4 and they are thus coupled during the first passage. The rays reflected during the first passage in a light guide will be coupled with a high degree of probability in the area where lighting is desired.
Those skilled in the art will understand that the light coupled into the horizontal light guide could now be used to illuminate the front plate of push button dials or rotary dials. In the case of rotary dials, the areas surrounding the surfaces on which indications appear, can be made of translucent plastic material which captures the light emanating from the light guide
and then scatter that light to effectively illuminate
the figures formed on the surface of these areas. When it comes to push button dials, these can be made of translucent plastic material again capturing the light emanating from the guide to illuminate the figures usually appearing on the upper surface of the push buttons.
The present invention has been described above with reference to one of its specific embodiments, in order to illustrate how it can be advantageously implemented, and those skilled in the art will understand that it is by no means limited this � embodiment. Consequently, it is understood that all the modifications, variants and equivalent provisions which may come to the mind of a person skilled in the art fall within the scope of the invention.