DE2510267A1

DE2510267A1 - Leuchtdiodenanordnung mit gerichteter strahlenaussendung

Info

Publication number: DE2510267A1
Application number: DE19752510267
Authority: DE
Inventors: Hans Nettelbladt
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-08
Publication date: 1975-09-25
Also published as: SE7403872L; SE385419B

Description

Leuchtdiodenanordnung mit gerichteter Strahlenaussendung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung n#ch dem Oberbegriff des Anspruches 1.
zinke Leuchtdiode besteht aus einer PN-Diode aus beispielsweise alliumarsenid mit einem P-leitenden und einem N-leitenden Bereich, die durch einen PN-2bergang voneinander getrennt sind.
Wird die Diode von elektrischem Strom durchflossen, so wird am PN-Übergang Licht erzeugt. Eine Leuchtdiode ist im allgemeinen als ebene Scheibe ausgebildet, deren PN-IJbergang parallel zur .Scheibenfläche liegt. 4'#ne solche Leuchtdiode zeigt Fig. Ia im Schnitt; sie hat eine P-Schicht 1, eine N-Schicht 2 und einen FN-übergang 3. Die Scheibe ist, z.B. durch Löten, auf einer letallunterlage 4 aufgebracbt, die den einen elektrischen Anschluß der Diode bildet. Auf der oberen Fläche der Scheibe ist ein Leiter 5 angebracht, der den zweiten Anschluß der Diode bildet.
Unter I?LichtI? wird im folgt den sämtliche elektromagnetische Strahlung verstanden, die sich vom infraroten über das sichbare Licht bis zum ultravioletten Wellenlängenberech erstreckt.
Fig. Ib zeigt, wie groß der Anteil der insgesamt ausgestrahlten L«ichtleistung der Diode ist, der innerhalb eines mit seiner Achse senkrecht zur Scheibenf'äche stehenden Kegels mit dem Spitzen:##rinkel 2(abgestrahlt wird. Man erkennt, daß nur ein kleiner Anteil des Lichtes in den Richtungen ausgestrahlt wird, in denen man die Strahlung normalerweise ausnutzen kann. Es sind dies die Richtungen, die nur geringfügig von der Senkrechten zur Scheibenoberfläche abweichen. Trie Fig. Ib zeigt, fallen nur ca. 12 % in den Bereich O###3O0 und ca. 24 % in den Bereich O Zur Vergrößerung der in den genannten Abstrahlungsbereich fallenden Lichtausbeute wurde bereits vorgeschlagen, oberhalb der Diode eine konvexe Linse derart anzuordnen, daß die Diode in der Nähe des einen Brennpunktes dieser Linse liegt. Von der Linse wird dann ein einigermaßen paralleles Strahlenbündel ausgesandt. Mit einer solchen Anordnung kann jedoch kaum die Strahlung ausgenutzt werden, die außerhalb des Winkelbereichs Oz liegt (siehe Fig. 1a), d.h. maximal können ca. 25 % der gesamten Strahlung ausgenutzt werden.
Ferner ist es bekannt, einen Metallreflektor um die Diode anzubringen. Hierdurch kann ein großer Teil der gesamten Strahlung ausgenutzt und in einem dünnen Bündel herausreflektiert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es schwierig ist, auf zufriedenstellende Art Durchführungen für die Zuleitungen zur Diode anzuordnen; weiter hat sich gezeigt, daß es angesichts der gegebenen kleinen Abmessungen sehr schwierig ist, am Reflektor eine gut spiegelnde Fläche zu erhalten und diese Fläche gegen Schäden und V.runreinigungen zu schützen.
Ferner wurde vorgeschlagen, den Rand der D odenscheibe selbst abzuschrägen, so daß die parallel zur Scheibenfläche gerichtete Strahlung in der Diode durch Totalreflexion am Rand in eine Richtung senkrecht zur Scheibenebene herausreflektiert wird. Auch hierdurch wird ein großer Teil der gesamten Strahlung ausgenutzt, jedoch hat es sich als schwierig und kostspielig erwiesen, Dioden dieses Typs herzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leuchtdiodenanordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der ein möglichst großer Anteil der insgesamt ausgesandten Strahlung ausnutzbar ist, d.h. innerhalb eines kleinen Winkelbereiches ausgesandt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Leuchtdiodenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafte AusgestaBungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt. Unter "Durchsichtigkeit" des bei der Erfindung verwandten Körpers wird seine Durchlässigkeit für die von der Leuchtdiode ausgesandte StBhlung verstanden.
Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. la ein bekanntes Leuchtdiodenelement, Fig. Ib eine Kennlinie des in Fig. Ia gezeigten Elementes, Fig. 2 eine Leuchtdiodenanordnung nach der Erfindung, Fig. 3 und 4 andere Ausführungsformen einer Anordnung nach der Erfindung, bei denen der reflektierende Körper zugleich als Kapsel für die Diode dient, Fig. 5 eine Leuchtdiodenanordnung nach der Erfindung in einer Anordnung zur Übertragung elektrischer Signale zwischen verschiedenen Potentialniveaus.
Die Fig. 1a und Ib wurden oben bereits beschrieben.
Figur 2 zeigt eine Leuchtdiodenanordnung gemäß der Erfindung.
Die Anordnung ist, abgesehen von den Anschlüssen und der Halbleiterscheibe 6, die quadratisch sein können, rotationssymmetrisch in Bezug auf die Achse A-A. Die Leuchtdiode 6 ist wie in Fig. 1a auf einer metallischen Unterlage, in diesem Fall dem Sockel 7, montiert. Der Sockel hat zwei Anschlußstifte 14 und 12. Der Stift 11 ist mit dem Sockel 7 und damit mit der unteren Fläche der Leuchtdiode elektrisch leitend verbunden. Der Stift 12 ragt durch eine Oeffnung in den Sockel hinein und ist gegen diesen elektrisch isoliert. Der Sockel ist mit einem isolierenden Material 13, beispielsweise Glas, ausgefüllt. Ein Anschlußleiter 5 verbindet die obere Fläche der Leuchtdiode mit dem Stift 12.
Ein rotationssymmetrischer Körper 8 aus einem durchsichtigen Material, z.B. ein zwei Komponenten enthaltender, bei Zimmertemperatur härtender Epoxy-Kunststoff, ist über der Leuchtdiode 6 angebracht. Der untere Teil des Körpers ist mit einer Aushöhlung 9 versehen, die so bemessen ist, daß die Leuchtdiode 6 hineinpaßt. Ein radialer Schlitz 10 verläuft von der Aushöhlung zur Mantelfäche des Körpers. Der Körper 8 wird vorzugsweise mit Hilfe einer negativen Form hergestellt, die mit Kunststoff gefüllt wird, welcher anschließend härtet. Der Körper 8 wird beim Montieren so orientiert, daß der Schlitz 10über den Anschlußleiter 5 geschoben wird. Anschließend wird der Körper am Sockel 7 festgeleimt. Dabei kann die Aushöhlung 9 zweckmäßigerweise mit Kunststoff gefüllt werden, beispielsweise mit Kunststoff derselben Art, wie er zur Herstilung des Körpers 8 verwendet wurde.
Danach wird die Anordnung mit einer Hülle versehen. Diese besteht aus einem zylindrischen Metallteil 14, das an seinem unteren Ende durch Schweißen, Löten, Leimen oder auf andere geeignete Art am Sockel befestigt wird. Der obere Teil der Hülle besteht aus einem Fenster 15 aus Glas oder Kunsstoff.
Der Raum in der Hülle ist vorzugsweise luftgefü)3t. Alternativ kann der Raum evakuiert sein oder mit einem geeigneten Gas gefüllt sein.
Der Körper 8 ist zweckmäßigerweise so geformt, daß seine Mantelfläche 81 ein Rotationsparaboloid bildet und der Brennpunkt des Paraboloids im lichtaussendenden PN-übergang der Diode liegt. Das von der Diode ausgesandte Licht wird dabei an der Mantelfläche 81 totalreflektiert und i: wesentlichen parallel zur Symmetrieachse A-A des Körpers abgestrahlt. Dadurch, daß die Abmessungen der Leuchtdiode nicht unendlich klein sind, erhält man jedoch eine gewisse Streuung des austretenden Lichthfindels. Der Strahlengang für ein Strahlenpaar 3 und C ist in der Figur gezeigt.
Ein typischer Epoxy-Kunststoff, der für den Körper 8 verwendet wird, hat einen Brechungsindex n = 1,54. Den kleinsten ÆinfallwinkelS krits für den man eine Totalreflektion erhält, ergibt sich aus der Bedingung sin kit = 1 und krit n hat den Wert#krit#40,5°. Man erkennt, daß für den Winkel# in Fig. 1a in dem Bereich Oc der Einfallswinkel zur Mantelfläche > 45° wird. Die Totalreflexion erhält man also in einem Winkelbereich, der etwas größer als der genannte Bereich 0<α<90° ist. Dies bedeutet, daß praktisch die gesamte von der Diode ausgesandte Strahlung ausgenutzt und fast parallel zur Achse A-A ausgesandt wird.
Die größte Abweichung von der Parallelität erhält man für die Strahlen, die direkt (ohne Totalreflexion) durch die obere Fläche 82 des Körpers 8 austritt, d.h. die Strahlen, die in dem Bereich$ t ca. 30-45° in Fig. 1 ausgesandt werden. Wie aus Fig. Ib hervorgeht, stellt diese Strahlung jedoch nur einen kleinen Teil der gesamten Strahlung dar.
Die Leuchtdiodenanordnung gemäß der Erfindung kann dazu benutzt werden, Licht in einen Lichtleiter (16 in Fig. 2) einzuspeisen. Ein solcher besteht aus einer Vielzahl Glasfasern, in denen sich das Licht durch Totalreflexion an der Mantelfläche jeder Faser fortpflanzt. Dabei ist es wichtig, daß das eintretende Licht möglichst parallel zur Längsrichtung des Lichtleiters gerichtet ist, da eine Totalreflexion nicht eintritt, wenn die Abweichung von dieser Richtung größer als ein paar Dekaden Grade ist. Die Anordnung gemäß der Erfindung bietet hier große Vorteile, da deru~berwiegende Teil der Strahlung der Leuchtdiode in einem nahezu parallelen Strahlenbündel ausgesandt wird.
Der Brechungsindex von GaAs, das ein übliches Material für Leuchtdioden ist, beträgt ca. 3,4. Dies bedeutet, daß, wenn die Diode von Luft umgeben ist, nur diejenige der in der Diode erzeugten Strahlung aus der Diode austreten und ausgenutzt werden kann, die von innennut einem Winkel auf die Fläche der Diode einfällt, der um weniger als ca. 170 von der Senkrechten auf die Fläche abweicht. Die übrige Strahlung wird nach sukzessiven Totalreflexionen in der Diode abgedämpft.
Wenn die in Fig. 2 gezeigte Diode durch Ausfüllung der Aushöhlung 9 mit Kunststoff umgeben wird, der einen Brechungsindex von ca. 1,5 hat, so kann die Strahlung bis zu ca. 260 von der Senkrechten auf die Fläche abweichen, ohne totalreflektiert zu werden. Hierdurch wird eine ca. doppelt so große Strahlungsmenge aus der Diode austreten, als wenn sie von Luft umgeben ist.
Das aus dem Körper 8 austretende Strahlenbündel kann auf Wunsch divergierend oder konvergierend sein, indem man den Körper so formt, daß die Lage der Leuchtdiode nicht mit dem Brennpunkt des Rotationsparaboloids zusammenfällt.
Eine andere Möglichkeit, ein konvergentes Strahlenbündel zu erreichen besteht darin, die Mantelfläche 81 des Körpers als Teil eines Rotationsellepsoids auszuführen, das so bemessen ist, daß die Leuchtdiode in dem einen Brennpunkt des Ellipsoids liegt. Die Strahlung von der Diode wird dann zum anderen Brennpunkt des Ellipsoids reflektiert. Selbstverständlich kann die Mantelfläche 81 des Körpers 8 noch in vielen anderen als den obengenannten Arten geformt sein.
Die obere Fläche 82 des Körpers 8 kann schwach konvex sein, was ein Zusammenlaufen der Strahlen bewirkt.
Das Fenster 15 in Fig. 2 kann alternativ als eine konvexe, z.B.
aus Glas bestehende Linse ausgebildet sein, wodurch man eine weitere Möglichkeit zur Erzielung eines konvergierwien Strahlenbündels erhält.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Anordnung gemäß der Erfindung. Der Sockel 7 mit den Anschlußstiften 11 und 12, der Glasfüllung 13 und der Leuchtdiode 6 ist genauso ausgeführt, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 2. Der zentrale Teil mit der Mantelfläche 81 des Körpers 8 ist ebenfalls genauso ausgeführt, wie in Fig. 2. Der Körper 8 hat jedoch bei der Anordnung in Fig. 3 ein zylinderförmiges Mantelteil 83, welches bis zum Sockel 7 reicht und mit diesem in geeigneter Weise verbunden ist. Der Raum zwischen der Mantelfläche 81 und dem Mantelteil 83 des zentralen Teils ist leer oder luftgefüllt. Der Körper 8 erhält mit der in Fig. 3 gezeigten Ausführung eine ausreichende Stabilität, so daß man auf eine weitere Kapselung verzichten kann.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 4. Der Sockel 7 mit der Leuchtdiode 6 ist in gleicher Weise ausgeführt, wie in Fig. 2 und 3. über der oberen Fläche des Sockels 7 ist ein durchsichtiger Kunststoffkörper 17 angebracht, beispielsweise ein Tropfen flüssigen Kunststoffs, der hart geworden ist. Der Efrper 8 ist bei dieser Ausführungsform bedeutend größer als bei den Anordnungen nach Fig. 2 und 3, und er ist an seinem unteren Ende mit einem hohlen, zylindrischen Teil 84 versehen, der den Sockel umschließt. Beim Montieren kann flüssiger härtbarer Kunststoff im Spalt 18 zwischen dem Körper 8 und dem Körper 17 und dem Sockel 7 angebracht werden.
Die fertige Anordnung bildet eine stabile und unempfindliche Ehheit. Ihre Funktion ist dieselbe, wie bei den früher beschriebenen Ausführungsformen.
Die Leuchtdiodenanordnung gemäß der Erfindung kann in Anordnungen zur Übertragung elektrischer Signale zwischen verschiedenen Potentialniveaus verwendet werden. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 5. Diese besteht aus einer rohrförmigen Hülle 18 aus elektrisch isolierendem Material, in deren eines Ende eine Leuchtdiodenanordnung 6, 7, 8, 11, 12 gemäß Fig. 2 eingeführt ist. In dem anderen Ende der Hülle ist ein lichtmessendes Organ angeordnet. Diesffl besteht aus einem Sockel 20, auf dem ein lichtempfindliches Element 23 angeordnet ist, z .B. eine Fotodiode oder ein Fototransistor. Ein durchsichtiger Körper 24 ist am Sockel 20 befestigt. Dieser kann in gleicher Weise aus Kunststoff ausgeführt sein, wie es für Fig. 2 beschrieben wurde. Seine Mantelfläche kann beispielsweise kegelförmig sein, wie es in der Figur gezeigt ist. Zwischen dem Körper 8 und dem Körper 24 ist zur Vermeidung elektrischer Überschläge eine Scheibe 19 aus durchsichtigem Material angebracht. Wenn über die Eingangsklemmen 11 und 12 der Anordnung ein elektrischer Strom zugeführt wird, sendet die Leuchtdiode 6 Licht aus. Praktisch alles von der Diode ausgesandte Licht passiert die Scheibe 19 und dringt in den Körper 24 ein. Durch Totaireflexion an dessen Mantelfläche wird die Strahlung gegen das lichtempfindliche Organ 23 reflektiert. Das resultierende elektrische Ausgangssignal kann an den Ausgangsklemmen 21 und 22 der Anordnung abgenommen werden. Die Anordnung hat einen sehr hohen Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal groß, da nahezu alles von der Leuchtdiode ausgesandte Licht das lichtempindliche Organ 23 trifft.
Die Anordnung nach Fig. 5 kann in alternativer Weise ausgeführt werden. Beispielsweise können die Körper 8 und 24 durch einen einzigen ellipsoiden Körper ersetzt werden, wobei die Diode 6 und das lichtempfindliche Organ 23 jeweils in einem Brennpunkt angeordnet werden. Alternativ kann man einen einzigen Körper verwenden, wobei die Mantelfläche der Hälfte oder des Teils, die/der unmittelbar an der Leuchtdiode liegt, ellipsoid ist, während die Mantelfläche der hälfte oder des Teils, die/der urlanittelbar an dem lichtempfindlichen Organ liegt, kegelförmig ist.
Es ist auch r:löglich, auf den Körper 24 zu verzichten und das lichtmessende Organ 23 mit einer lichtempfindlichen Fläche auszubilden, die genauso groß ist, wie die obere ebene Fläche des Körpers 8.
is hat sich gezeigt, daß eine Anordrnrng gemäß der Erfindung bedeutende Vorteile gegenüber bisher bekannten Anordnungen hat. Ein wesentlich größerer Teil der in der Leuchtdiode erzeugten Strahlung tritt aus der Diode aus, und praktisch die gesamte austretende Strahlung wird ausgenutzt und in die gewünschte Richtung gesandt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Anordnung zur Speisung eines Lichtleiters dient. Rs hat sich gezeigt, daß man am Ausgangsende des Lichtleiters mit einer Anordnung gemäß der Erfindung einen bis zu zehnmal so großen Lichtfluß erhält, wie bei bisher bekannten Anordnunzen.
Ferner ist die Anordnung einfach und billig herzustellen. Dadurch, daß eine Totalreflexion an der Mantelfläche des Kunststoffkörpers ausgenutzt wird, kann man leicht eine sehr gut spiegelnde Fläche bekommen, die nur wenig altert.
Dadurch, daß der Kunststoffkörper als Einkapselung der Leuchtdiode und ihrer Zulbitungen dient, wird die Anordnung robust, und man erhält automatisch eine gute elektrische Isolation der Zuleitungen.

Claims

Patentansprüche:

(öl. Leuchtdiodenanordnung mit gerichteter Strahlenaussendung, enthaltend eine Leuchtdiode mit elektrischen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper (8) aus durchsichtigem Material derart im Strahlungsbereich der Leuchtdiode (6) angeordnet ist, daß die Mantelflache des Körpers von einem Medium mit einem kleineren Brechungsindex als dem des Materials des Körpers (8) umgeben ist, und daß die von der Diode ausgesandte Strahlung an der Mantelfläche des Körpers (8) totalreflektiert wird und nach der Reflexion in die gewünschte Richtung läuft.
2. Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) rotationssymmetrisch ist.
3. Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse (A-A) des Körpers (8) im wesentlichen parallel zu der gewünschten Strahlenrichtung liegt.
4. Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Körpers (8) im wesentlichen paraboloid ist.
5. Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Körpers (8) im wesentlichen ellipsoid ist.
6. Leuchtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (6) mit ihrem aktiven Teil neben einem Brennpunkt des Rotationskörpers (8) liegt.
7. Leuchtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Leuchtdiode mit einem im wesentlichen ebenen PN-Übergang (3) diese Erbse im wesentlichen senkrecht zu der gewünschten Ausstrahlungsrichtung liegt.
8. Leudtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) eine Aushöhlung (9) hat, in welcher die Leuchtdiode (6) angeordnet ist.
9. Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aushöhlung (9) der Raum zwischen der Leuchtdiode (6) und dem Körper (8) mit einem durchsichtigen Material gefüllt ist.
10. Leuchtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher die Leuchtdiode auf einem Sockel angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) einen zentralen Teil zur Reflexion der von der Diode (6) ausgesandten Strahlung hat sowie einen peripheren zylinderfXrrsligen Teil, dessen zum Sockel (7) gewandte Fläche an dem Sockel anliegt und mit diesem verbunden ist.
11. Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) eine Aushöhlung hat, in welcher der Sockel mit der Leuchtdiode angeordnet ist.
12. Leuchtdiodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichret, daß der Körper (8) aus durchsichtigem Kunststoff besteht.

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