DE2062208A1 - Solid state lamp - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Pestkörper-Lampenanordnungen. Diese Lampen werden gewöhnlich aus einem ebenen Plättchen ("chip") eines Materials, wie Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Siliziumcarbid, hergestellt, das in geeigneter Weise mit einem Dotierungsmaterial dotiert ist, so daß sich ein ρ-n~Übergangsbereich bildet, der sichtbares oder Infrarot-Licht aussendet, wenn ein Strom hindurchgeht. Von dem durch den Übergangsbereich abgegebenen Licht tritt infolge des Grenzwinkels des Diodenmaterials nur ein kleiner Bruchteil durch die Oberfläche der Diode aus. Dadurch wird der größte Teil des Lichtes reflektiert und im Innern des Diodenmaterials absorbiert. Die relativ kleine Lichtmenge, welche durch die Diodenober-The invention relates to plague lamp assemblies. These lamps are usually made from a flat plate ("chip") of a material such as gallium arsenide, gallium phosphide or silicon carbide, prepared in a suitable manner with a Doping material is doped, so that a ρ-n ~ transition region that emits visible or infrared light when a current passes through it. The light emitted through the transition area occurs due to the critical angle of the Diode material only a small fraction through the surface the diode off. As a result, most of the light is reflected and absorbed inside the diode material. The relatively small amount of light, which through the diode top
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fläche austritt, v;ird so gebeugt, daß sich eine halbkugelförmige oder "Lambert'sehe" Lichtverteilung außerhalb der Diode bildet. Aus den obengenannten Gründen haben Festkörper-Lichtquellen einen geringen Wirkungsgrad und erzeugen eine niedrige Lichtintensität.surface emerges, v; is bent so that a hemispherical or "Lambert's" light distribution outside the diode forms. For the reasons mentioned above, solid-state light sources have a low efficiency and produce a low one Light intensity.
Ein Weg zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Lichtleistung einer lichtaussendenden Diode besteht darin, das Diodenmaterial in die Form einer Kugel oder einer Teilkugel zu bringen. Der das Licht erzeugende Übergangsbereich ist dann in dem Bereich zwischen dem Mittelpunkt und dem sogenannten'Weierstrass'schen Radius" der Kugel lokalisiert. Dieses Verfahren ist nicht völlig geeignet, da das Diodenmaterial kostspielig ist und nur schwer zu einer Kugelform verarbeitet werden kann. Außerdem besitzt es einen hohen Lichtabsorptionskoeffizienten, wodurch die für die Herstellung der Kugel erforderliche größere Materialmenge einen beträchtlichen Lichtanteil absorbiert. Ein anderes Verfahren ist in seiner Auswirkung ähnlich dem zuvor beschriebenen und besteht darin, ein lichtaussendendes Dlodenplättchen an einem Punkt zwischen dem Mittelpunkt und dem Wierstrass'sehen Radius eines kugelförmigen Materials einzuschließen, welches einen Brechnungsindex größer als 1 oder größer als der Brechnungsindex von Luft besitzt. Dadurch wird der Grenzwinkel der Diode erhöht, wodurch ein größerer Anteil des Lichtes aus der Diode austritt. Ein Verfahren zur Erhöhung der Helligkeit einer Lampenanordnung, wenn ein Lichtstrahl in einem engen Austrittswinkel erwünscht oder zulässig ist, besteht darin, ehe Fokussierungslinse zur Konzentration des ausgesandten Lichtes in einem relativ engen Strahlenbündel vorzusehen. One way to increase the efficiency and the light output of a light emitting diode is to use the diode material in the shape of a sphere or a partial sphere. The transition area producing the light is then in the area between the center point and the so-called 'Weierstrass' radius "of the sphere. This method is not entirely suitable because the diode material is expensive and difficult to make into a spherical shape. It also has a high coefficient of light absorption, which increases the size required to make the sphere Material absorbs a considerable amount of light. Another method is similar in effect to the previous one and consists in placing a light-emitting diode plate at a point between the center and to enclose the Wierstrass' radius of a spherical material, which has a refractive index greater than 1 or greater than the refractive index of air. This will the critical angle of the diode increases, which means that a larger proportion of the light emerges from the diode. A method of increasing the brightness of a lamp arrangement when a light beam at a narrow exit angle is desired or permitted in it before focusing lens to concentrate the emitted Provide light in a relatively narrow beam.
Obwohl diese zuvor bekannten Techniken Verbesserungen der Lichtausgangsleistung von Festkörper-Lampen gebrachtfhaben, bestand weiterhin eine Notwendigkeit zur Schaffung von Anordnungen zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades und der Lichtausgangsleistung, und zwar in einer Weise, die praktisch und wirtschaftlich herstellbar ist.Although these previously known techniques have brought about improvements in the light output of solid state lamps, there has been still a need to create arrangements to further increase efficiency and light output, in a manner that is practical and economical to manufacture.
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Die Erfindung umfaßt in einer bevorzugten Ausfuhrungsform ein lichtaussendendes Diodenelement, eine relativ zu dem'Diodenelement angeordnete Linse zur Erzeugung eines gewünschten Musters der ausgesandten Lichtstrahlen und ein Epoxydmaterial mit einem Brechungsindex größer als 1, welches über der lichtaussendenden Oberfläche des Diodenelementes angebracht ist. Das Epoxydmaterial ist mit einer konvexen Meniskusoberfläche ausgestattet und dient sowohl zur Erhöhung des Grenzwinkels der Diode zwecks Vergrößerung des Anteils des aus der Diode austretenden Lichtes und ebenso zur Fokussierung dieses Lichtes auf die Linse, Dadurch werden der Wirkungsgrad und die Lichtausgangsleistung der Lampe in einem zweistufigen Vorgang gesteigert. Die Erfindung beinhaltet ebenso ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung der Lampe. Dieses umfaßt die Stufen der Aufbringung eines aushärtbaren Epoxydmaterials in flüssiger Form über dem Diodenelement, worauf das Epoxydmaterial härtet und die gewünschte konvexe Meniskuskrümmungsfläche annimmt.In a preferred embodiment, the invention comprises a light emitting diode element, one relative to the diode element arranged lens for generating a desired pattern of the emitted light rays and an epoxy material with a refractive index greater than 1, which is applied over the light emitting surface of the diode element. The epoxy material is with a convex meniscus surface equipped and serves both to increase the critical angle of the diode for the purpose of increasing the proportion of the from the diode outgoing light and also to focus this light on the lens, thereby the efficiency and the Light output power of the lamp in a two-stage process increased. The invention also includes a method for economically manufacturing the lamp. This includes the steps of applying a curable epoxy material in liquid form over the diode element, whereupon the epoxy material hardens and the desired convex meniscus curvature surface accepts.
Die nachstehenden Abbildungen und die Beschreibung ergeben eine Darstellung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung.The following figures and the description provide an illustration of exemplary embodiments of the invention.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche den inneren Aufbau durch gestrichelte Linien wiedergibt.Figure 1 is a perspective view of a preferred embodiment of the invention, which shows the internal structure by dashed lines.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht dieser bevorzugten Ausführungsform im Schnitt. Figure 2 is a sectional side view of this preferred embodiment.
Die bevorzugte Ausführungsform entsprechend Fig. 1 und FIg, 2 umfaßt eine lichtaussendende Festkörper-Diode 11, die auf einer scheibenförmigen Metallplatte 12 befestigt ist. Eine elektrische Verbindungsleitung 13 geht von der Metallplatte aus, eine zweite elektrische Verbindungsleitung Ik führt durch eine öffnung in der Metallplatte 12 und ist von ihr durch einen Isolator 16 isoliert. Ein Verbindungsdraht 17 verbindetThe preferred embodiment according to FIGS. 1 and 2 comprises a light-emitting solid-state diode 11 which is fastened on a disc-shaped metal plate 12. An electrical connection line 13 starts from the metal plate, a second electrical connection line Ik leads through an opening in the metal plate 12 and is insulated from it by an insulator 16. A connecting wire 17 connects
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das innere Ende der Leitung lh mit der oberen Oberfläche der Diode 11. Die untere Oberfläche der Diode 11 1st mit der Leitung 13 über die Metallplatte 12 elektrisch verbunden. Auf der Metallplatte 12 ist eine zylindrische Hülle 18 konzentrisch angeordnet, welche vorzugsweise aus einem Metall besteht, je-the inner end of the lead lh to the upper surface of the diode 11. The lower surface of the diode 11 is electrically connected to the lead 13 via the metal plate 12. Concentrically arranged on the metal plate 12 is a cylindrical shell 18, which preferably consists of a metal, each
auch
doch/aus einem Kunststoffmaterial bestehen kann. Diese Hülle ist an der Metallplatte 12 an einem Flansch 19 angeschweißt
oder auf andere Weise befestigt. Auf dem oberen Ende des Gehäuses l8 ist eine Pokussierungslinse 21 befestigt. Weitere
Einzelheiten einer geeigneten lichtaussendenden Diode 11 und ihrer Befestigung an einer Metallplatte mit einem umgebenden
Gehäuse und einer Linse sind ersichtlich aus dem US-Patent 3 458 779.even
but / can consist of a plastic material. This shell is welded to the metal plate 12 at a flange 19 or fastened in some other way. A focusing lens 21 is attached to the upper end of the housing 18. Further details of a suitable light emitting diode 11 and its attachment to a metal plate with a surrounding housing and lens can be found in U.S. Patent 3,458,779.
Gemäß der Erfindung wird über dem Diodenelement 11 ein einhüllendes Material 22 aus Glas oder aus Kunststoff, beispielsweise Acryl, Kunststoff oder Epoxyd, angebracht, dessen obere Oberfläche entsprechend den Abbildungen die Form eines konvexen Meniskus aufweist. Das Material 22 hat vorzugsweise einen Brechungsindex größer als 1, d.h. der Brechungsindex ist größer als der Brechungsindex von Vakuum oder Luft, und es 1st durchlässig für das von dem Diodenelement ausgesandte Licht.According to the invention, an envelope is over the diode element 11 Material 22 made of glass or plastic, for example acrylic, plastic or epoxy, attached, its upper Surface according to the figures has the shape of a convex meniscus. The material 22 preferably has a refractive index greater than 1, i.e. the refractive index is greater than the refractive index of vacuum or air, and it is transparent to the light emitted by the diode element.
Das Material der einhüllenden Schicht 22 mit einem Brechungsindex größer als 1 dient dazu, den Grenzwinkel der Diode 11 zu erhöhen. Dadurch wird die Lichtausgangsleistung in bekannter Weise erhöht und gleichzeitig dient dieses einhüllende Material als Linse. Dadurch richtet es das in einer Halbkugel abgestrahlte Licht von der Diode 11 in ein engeres Strahlenbündel, das zur Linse 21 verläuft, wie es durch die Lichtstrahlpfeile 23 angedeutet ist. Dies ergibt eine zweistufige Steigerung des Wirkungsgrades und der Helligkeit der Lampe: zuerst wird die Lichtausgangsleistung der Diode 11 erhöht infolge der Erhöhung des Grenzwinkels durch das einhüllende Material 22 und zweitens wird diese erhöhte LichtausgangsleistungThe material of the enveloping layer 22 with a refractive index greater than 1 serves to define the critical angle of the diode 11 to increase. As a result, the light output power is increased in a known manner and at the same time this serves to envelop Material as a lens. As a result, it directs the light emitted in a hemisphere by the diode 11 into a narrower beam, which runs to the lens 21, as indicated by the light beam arrows 23. This gives a two-step Increase in the efficiency and brightness of the lamp: first, the light output power of the diode 11 is increased as a result the increase in the critical angle by the enveloping material 22 and, secondly, this increased light output power
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der Diode durch das geformte Material 22 auf die Linse 21 fokussiert. Die Linse 21 fokussiert dann das Licht, wie durch die Lichtpfeile 24 angedeutet, in ein enges Strahlenbündel oder im gewünschten Falle in ein Strahlenbündel mit einem größeren öffnungswinkel. Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Anordnung die Lichtäusgangsleistung einer Lampe mehr als verdoppelt.of the diode is focused on the lens 21 through the molded material 22. The lens 21 then focuses the light, as indicated by the light arrows 24, into a narrow bundle of rays or, if desired, in a beam with a larger one opening angle. It has been found that the invention Arrangement more than doubles the light output of a lamp.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird die einhüllende Schicht 22 in zuverlässiger und kostensparender Weise durch ein Verfahren hergestellt, bei dem als erste Verfahrensstufe ein aushärtbares Epoxydmaterial in flüssiger Form über das Diodenelement 11 gebracht wird. Das Epoxydmaterial härtet aus und nimmt auf natürliche Weise die gewünschte äußere Krümmungsfläche in Form eines konvexen Meniskus an. According to one aspect of the invention, the enveloping Layer 22 in a reliable and cost-saving manner a process produced in which as the first process stage a curable epoxy material in liquid form over the Diode element 11 is brought. The epoxy material hardens and naturally assumes the desired outer surface of curvature in the form of a convex meniscus.
Im vorstehenden wurde lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben. Der Fachmann wird jedoch leicht andere Ausführungsformen und Modifikationen im Rahmen der durch die Erfindung gegebenen technischen Lehre finden.In the foregoing, only a preferred embodiment of the invention has been shown and described. The professional becomes however, other embodiments and modifications in the Within the scope of the technical teaching given by the invention Find.
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