DE2062139A1

DE2062139A1 - Solid state lamp and fiber optic device

Info

Publication number: DE2062139A1
Application number: DE19702062139
Authority: DE
Inventors: John Weldon Mentor Vercellotti Joseph Francis Novelty Ohio Hall II (V St A ) P
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-12-29
Filing date: 1970-12-17
Publication date: 1971-07-08
Also published as: BE760992A; GB1304428A; FR2075117A5

Description

Festkörper-Lampe und faseroptische VorrichtungSolid state lamp and fiber optic device

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf faseroptische Lichtleitervorrichtungen, in denen Licht (sichtbares oder infrarotes) durch einen faseroptischen Lichtleiter oder ein Bündel derartiger Leiter hindurch übertragen oder "geleitet" wird. Beispielsweise verwendet eine Anordnung zum Lesen eines zehnspaltigen Lochstreifens bei Datenverarbeitungsgeräten ein Bündel von zehn faseroptischen Lichtleitern, deren Lichtaustrittsenden quer zum benachbarten sich bewegenden Band und dementsprechend mit den zehn Spalten der gestanzten Löcher fluchtend angeordnet sind. Heben der anderen Streifenseite und entsprechend fluchtend mit den Lichtaustrittsenden der lichtleitenden Pasern sind zehn kleine Fotozellen angeordnet, um so die auf dem sich bewegenden Band dargestellten Characters durch das Vorhandensein oder Fehlen von Löchern optisch zu lesen. Daneben gibt es noch viele andere Verwendungen für faseroptische Systeme.The invention relates generally to fiber optic light guide devices, in which light (visible or infrared) passes through a fiber optic light guide or a bundle of such Conductor is transmitted or "routed" therethrough. For example, one uses an arrangement for reading a ten column Perforated tape in data processing equipment is a bundle of ten fiber-optic light guides, the light-emitting ends of which are perpendicular to the adjacent moving tape and accordingly aligned with the ten columns of punched holes. Raising the other side of the strip and aligning it with the light-emitting ends of the light-conducting fibers are ten small photocells arranged in order to determine the characters represented on the moving belt by the presence or absence read from holes optically. There are many other uses for fiber optic systems.

109828/1283109828/1283

Eine nahe den lichtaufnehmenden Enden der lichtleitenden Pasern angeordnete Lichtquelle kann eine Glüh-, Fluoreszens-, Gasent-Ladungs- oder Festkörper-Lampe sein- Aus wirtschaftlichen und anderen Gründen ist es wünschenswert gewesen, den Wirkungsgrad der Lichtkopplung zwischen der Lampe und den lichtleitenden Fasern zu vergrößern. Ein Weg zur Erzielung eines verbesserten Wirkungsgrades bestand darin, eine Oberfläche der Lampe und desgleichen die lichtaufnehmenden Enden der lichtleitenden Pasern zu schleifen und optisch zu polieren und die Enden der lichtleitenden Pasern flach und fest gegen die Oberfläche der Lampe zu fügen. Wegen des kleinen Leuchtdichtewertes von Festkörper-Lampen war es besonders erstrebenswert, den Wirkungsgrad der faseroptischen Lichtkopplung zu vergrößern, wenn eine Pestkörper-Lampe als Lichtquelle verwendet wurde.One near the light-receiving ends of the light-conducting fibers arranged light source can be an incandescent, fluorescent, gas discharge or be solid-state lamp- For economic and other reasons it has been desirable to increase the efficiency the coupling of light between the lamp and the light-conducting fibers. One way to achieve an improved Efficiency consisted of a surface of the lamp and likewise the light-receiving ends of the light-conducting fibers to grind and optically polish and the ends of the light-conducting filaments flat and firmly against the surface of the lamp to add. Because of the low luminance value of solid-state lamps, it was particularly desirable to improve the efficiency of the fiber optic light coupling to enlarge when using a pest body lamp was used as a light source.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt, kurz gesagt, eine faseroptische Festkörper-Lichtquelle, in der ein liehtemittierendes Festkörpereleraent, wie beispielsweise ein Diodenelement mit einem lichtemittierenden übergang, und das lichtaufnehmende Ende der lichtleitenden Pasern und in wechselseitiger Nähe angeordnet und durch ein Vergußmittel aus lichtleitendem Material eingekapselt sind. Vorzugsweise ist das Vergußmittel ein Material mit einem Brechungsindex größer als 1, um so den kritischen Winkel der aus der Pestkörper-Diode austretenden Strahlung zu vergrößern und zu gestatten, daß von der Diode mehr Licht emittiert wird und in die lichtleitenden Fasern gelangt. Die lichtemittierende Diode ist auf einem Kopfstück und in einem Gehäuse angebracht. Bei der Herstellung wird,ein plastisches Vergußmittel in flüssiger Form in das Gehäuse und über die Diode gegossen, und ein Ende der lichtleitenden Fasern wird in das Vergußmittel getaucht und nahe der Diode in seiner Lage gehalten, bis das plastische Material ausgehärtet ist. Das Ergebnis ist eine aus einem Stück bestehende, optisch wirkungsvolle Festkörper-Lampe und faseroptische Vorrichtung.Briefly, a preferred embodiment of the invention comprises a solid state fiber optic light source in which a Borrowed-emitting solid-state element, such as a diode element with a light-emitting junction, and that light-receiving end of the light-conducting fibers and in alternation Are arranged near and encapsulated by a potting agent made of light-conducting material. Preferably the potting agent is a material with a refractive index greater than 1, so as to the critical angle of the emanating from the Pestkörper diode Increase radiation and allow more light to be emitted from the diode and into the light conducting fibers got. The light emitting diode is mounted on a head piece and in a housing. When making, a plastic potting agent in liquid form poured into the housing and over the diode, and one end of the light conducting fibers is dipped into the potting compound and held in place near the diode until the plastic material has hardened. That The result is a one-piece, optically effective solid-state lamp and fiber-optic device.

109828/1283109828/1283

mm "X mmmm "X mm

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert .The invention will now be explained in more detail with reference to the following description and the accompanying drawings of an exemplary embodiment .

Figur 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung. Der Schnitt ist entlang der Linie 1 - 1 in Figur 2 geführt.Figure 1 is a cross-sectional view of a preferred embodiment the invention. The section is taken along the line 1-1 in FIG.

Figur 2 ist eine Ansicht von oben auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel. Figure 2 is a top view of the preferred embodiment.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, enthält eine lichtemittierende Festkörper-Diode 11, die auf einem kreisförmigen Kopfstück 12 aus Metall angebracht ist. Von dem Kopfstück 12 erstreckt sich ein elektrischer Verbindungsleiter 13 und ein zweiter elektrischer Verbindungsleiter 14 führt durch eine Öffnung in dem Kopfstück 12 und ist diesem gegenüber durch einen Isolator 16 isoliert. Ein Verbindungsdraht .17 verbindet das Innenende .des Leiters Ik mit der oberen Fläche des Diodenelementes 11, wobei die untere Fläche der Diode 11 über das Kopfstück 12 mit dem Leiter 13 elektrisch verbunden ist. Ein kreisförmiges Gehäuse 18, das vorzugsweise aus Metall aber auch aus einem Kunststoff bestehen kann, ist konzentrisch auf dem Kopfstück 12 angeordnet und an einem Flansch 19 mit diesem verschweißt oder auf andere Weise befestigt. Weitere Einzelheiten einer geeigneten lichtemittierenden Diode 11 und ihrer Befestigung an einem Kopfstück mit einem Gehäuse ist in dem US-Patent 3 ^58 779 beschrieben.The preferred embodiment of the invention, as shown in the drawing, includes a solid-state light-emitting diode 11 which is mounted on a circular head piece 12 made of metal. An electrical connecting conductor 13 extends from the head piece 12 and a second electrical connecting conductor 14 leads through an opening in the head piece 12 and is insulated from it by an insulator 16. A connecting wire 17 connects the inner end of the conductor Ik to the upper surface of the diode element 11, the lower surface of the diode 11 being electrically connected to the conductor 13 via the head piece 12. A circular housing 18, which can preferably be made of metal but also of a plastic, is arranged concentrically on the head piece 12 and welded to the latter at a flange 19 or fastened in some other way. Further details of a suitable light emitting diode 11 and its attachment to a header with a housing is described in US Pat. No. 3,58,779.

Ein Bündel lichtleitender Fasern 21 ist mit seinem einen Ende in dem Gehäuse 18, nahe an und in einer Linie über der lichtemittierenden Diode 11 angeordnet. Das Gehäuse 18 ist mit einem Vergußmittel 22 gefüllt, das die licht'leitenden Fasern 21 bezüglich der Diode 11 in ihrer Lage hält und das ferner für eine wirksame optische Kopplung zwischen der Diode 11 und den unteren Enden der lichtleitenden Fasern 21 sorgt, wie es im folgenden noch näher beschrieben wird. Die in den Zeichnungen darge-A bundle of optical fibers 21 is at one end in the housing 18, close to and in a line above the light emitting Diode 11 arranged. The housing 18 is filled with a potting agent 22, which the light-conducting fibers 21 with respect to the diode 11 holds in place and that also for an effective optical coupling between the diode 11 and the lower Ends of the light-conducting fibers 21 provides, as will be described in more detail below. The shown in the drawings

, 109828/1283 BAD ORIGJML, 109828/1283 BAD ORIGJML

stellten lichtleitenden Pasern 21 bestehen aus zehn einzelnen Lichtleitern 23 j die irgendeine gewünschte Länge aufweisen und vorzugsweise flexibel sind, wie es bei 23' dargestellt ist. Es kann jedoch in Abhängigkeit von der Verwendungsart jede Anzahl von faseroptischen Lichtleitern verwendet werden.Provided light-conducting fibers 21 consist of ten individual ones Light guides 23 j which are of any desired length and are preferably flexible as shown at 23 '. It however, any number of fiber optic light guides can be used depending on the mode of use.

Geeignete Materialien, aus denen die Diode 11 hergestellt ist, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumphosphid und Siliziumcarbid, haben relativ hohe Lichtbrechungsindices und weisen somit einen unerwünscht niedrigen kritischen Winkel auf, unter dem das Licht, das an einem Übergang in der Diode emittiert wird, durch die obere Fläche des Diodenelementes hindurch austreten kann. Infolge der Brechung der Lichtstrahlen an der Austrittsfläche der Diode wird das emittierte Licht halbkugelförmig abgestrahlt. Der Rest des nach oben gerichteten Lichtes innerhalb der Diode wird an der oberen Diodenoberfläche in die Diode zurück reflektiert und infolge der Absorption in dem Diodenmaterial verbraucht. Ein Verfahren, das zur Vergrößerung des kritischen Winkels der Diode verwendbar ist und somit zur Vergrößerung der Fläche, die Licht von der Oberfläche der Diode abgibt, wodurch wiederum unter Vergrößerung des Wirkungsgrades mehr Licht aus der Diode austreten kann, besteht darin, die lichtabgebende Diodenoberfläche mit einem Material einzukapseln oder zu überdecken, dessen Brechungsindex genügend größer als eins ist, d.h. größer als derjenige von Vakuum oder etwas größer als eins, wie der Brechungsindex von Luft.Suitable materials from which the diode 11 is made, such as gallium arsenide, gallium phosphide and silicon carbide, have relatively high refractive indices and thus have an undesirably low critical angle below which the light emitted at a junction in the diode exit through the top surface of the diode element can. As a result of the refraction of the light rays at the exit surface of the diode, the emitted light is emitted in a hemispherical shape. The rest of the light directed upwards inside the diode is returned to the diode at the upper surface of the diode reflected and consumed as a result of absorption in the diode material. A method used to increase the critical Angle of the diode can be used and thus to enlarge the area that emits light from the surface of the diode, whereby in turn, increasing the efficiency, more light can emerge from the diode, consists in the light emitting Encapsulate or cover the diode surface with a material whose refractive index is sufficiently greater than one, i.e. greater than that of vacuum, or slightly greater than one, like the index of refraction of air.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung hat das Vergußmaterial 22 einen Brechungsindex größer als eins, wodurch das Vergußmaterial 22 neben seinen nützlichen Funktionen bei der Halterung der lichtleitenden Fasern 21 bezüglich der Diode 11 und der Erzeugung einer wirksamen Lichtkopplung zwischen der Diode 11 und den lichtleitenden Fasern, indem alle Lufteinschlüsse und ihre naturgemäß damit verbundenen Beugungen und Reflexionen vermieden werden, weiterhin die Wirkung hat, den kritischen Winkel derIn accordance with a feature of the invention, the potting material 22 has an index of refraction greater than one, thereby making the potting material 22 in addition to its useful functions in holding the optical fibers 21 with respect to the diode 11 and the generation an effective light coupling between the diode 11 and the light-conducting fibers, removing all air inclusions and their nature related diffraction and reflections are avoided, the effect continues to be the critical angle of the

109828/1283109828/1283

Diode 11 zu vergrößern, wodurch Licht über einer größeren Fläche aus der Diode austritt * Dies erhöht die Menge und die Intensität des Lichtes, das aus der Diode 11 austritt und in das'nahegelegene Ende des faseroptischen Bündels eintritt. Somit wird der Wirkungsgrad erhöht und die faseroptischen Pestkörper-Lichtquellen besser verwertbar gemacht als bisher. Geeignete Materialien für das. Vergußmittel 22 sind Glas oder Kunststoffe, wie z. B. ein A cry!kunststoff oder Epoxyharze, die einen Brechungsindex größer als eins haben und die das Ende des Bündels 21 lichtleitender Fasern in ihrer Lage festhalten.To enlarge the diode 11, whereby light emerges from the diode over a larger area * This increases the amount and the intensity of the light which emerges from the diode 11 and enters the near-lying end of the fiber optic bundle. Thus the efficiency is increased and the fiber optic Pestkörper light sources are made more usable than before. Suitable materials for the. Potting means 22 are glass or plastics, such as. B. an A cry! Plastic or epoxy resins, which have a refractive index greater than one and which hold the end of the bundle 21 of light-conducting fibers in place.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin» die Diode 11 auf dem Kopfstück 12 anzubringen, das Gehäuse l8 an dem Kopfstück 12 zu befestigen, das Vergußmittel 22 in flüssiger Form in das Gehäuse 18 zu gießen, das Bündel 21 lichtleitender Fasern in das flüssige Vergußmittel 22 einzusetzen und in seiner gewünschten Lage festzuhalten, während das Vergußmittel aushärtet, überschüssiges Vergußmittel, das über den Rand des Gehäuses 18 überfließt, kann aufgewischt oder weggeschnitten werden»A preferred method for making the inventive The device consists in »attaching the diode 11 to the head piece 12, to attach the housing l8 to the head piece 12, to pour the potting agent 22 in liquid form into the housing 18, insert the bundle 21 of light-conducting fibers into the liquid potting agent 22 and hold it in its desired position while the grout hardens, excess grout, which overflows over the edge of the housing 18 can be wiped off or be cut away »

T 098 28/ 1 28 3T 098 28/1 28 3

Claims

Expectations

Ill fiber optic Pestkörper light source comprising a head piece, a Pestkörper light emitting diode, light conducting wires, one end of which is positioned near the solid state diode for receiving light, and a housing attached to the head piece and containing the light emitting diode and surrounds the end of the light-conducting fibers, characterized in that a * light-conducting material (22) with a refractive index greater than one is provided, which is located inside the housing (18) between the light-emitting diode (11) and the end of the light-conducting fibers (21) is arranged and in contact with them.

2. Light source according to claim 1, characterized in that the material (22) is glass or plastic and encapsulates at least part of the light emitting diode (11) and the end of the light conducting fibers (21) and surrounds, whereby these are held in place relative to one another.

3. Method of manufacturing the solid-state fiber optic light source according to claim 1, characterized that the light emitting diode (11) mounted on a head piece (12), a housing (18) on the Head piece (12) is attached so that it surrounds the diode (11), a curable potting agent (22) in the housing (18) poured one end of the optical fibers (21) into the Potting agent (22) is used and the light-conducting fibers (21) during the curing of the potting agent (22) be held.

109828/12 83109828/12 83