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In Felder aufgeteilte Anzeigeeinrichtung mit
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lichtaussendenden Dioden Die Erfindung betrifft im allgemeinen elektrolumineszente
Halbleiteranzeigeeinrichtungen, und insbesondere eine wirkungsvollere Einrichtung,
um von einer kleinen Lichtquelle, wie einer lichtaussendenden Diode, eine gleichmäßige
Verteilung
des Lichtes Uber einen großen Oberflächenbereich zu erhalten.
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Elektrolumineszente Halbleitereinrichtungen, wie lichtaussendende
Dioden, stellen höchst zuverlässige, kleinstformatige, wenig Energie verbrauchende
Lichtquellen dar und sind fUr digitale Anzeigeeinrichtungen recht verbreitet geworden.
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In einem typischen Fall wird eine lichtaussendende Diode benutzt,
um ein ganzes Feld einer siebenreldrigen Anzeigeeinrichtung zu beleuchten, wie in
der US 3 886 581 beschrieben.
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Eines der Probleme, die mit einer solchen Einrichtung verbunden sind,
ist es, eine gleichmäßige Lichtverteilung über die große vordere Fläche des Feldes
aus einer sehr kleinen Lichtquelle wie einer lichtemittierenden Diode zu erhalten.
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Zur Bewältigung des oben erwähnten Problems wurden mehrere Wege beschritten,
jedoch hat sich keiner als völlig befriedigend erwiesen.
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Eine solche Möglichkeit war, die lichtaussendende Diode in einer Mulde
oder einem "Lichtrohr" oder "Lichtschlauch" mit reflektierenden Wänden anzuordnen,
die dazu bestimmt waren, das Licht gleichmäßig Uber die Vorderfläche, oder obere
Oberfläche, des Feldes zu verteilen. Dies ist bei der Benutzung eines rotes (GaAsP)
Licht aussendenden Diodenplättchens unzweckmäßig,
da das Licht nur
von der oberen Oberfläche der Einrichtung und innerhalb ungefähr 450 von der senkrechten
Mittellinie des Plättchens ausgestrahlt wird, und deswegen die Mulde sehr tief gemacht
werden muß, damit ein wesentlicher Anteil des Lichtes von ihren Wänden reflektiert
wird.
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Bei grünen, gelben oder orangefarbenen Emittern wird das Licht aus
rünf der sechs Oberflächen des Plättchens ausgesandt, und die reflektierende Mulde
liefert eine viel bessere Lichtverteilung. Es ist jedoch genug direkte Strahlung
vorhanden, um an der Vorderfläche des Feldes in der Nähe des lichtaussendenden Plättchens
einen häßlichen, hellen oder heißen Fleck zu verursachen.
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Ein anderes Verfahren um eine gleichniäßigere Lichtverteilung zu erhalten,
ist, die Mulde mit einer in zufällige Richtungen brechenden Oberfläche, z.B. einem
~Insektenauge" zu bedecken. Die Wirkungsweise einer solchen Linse beruht auf dem
Unterschied der Brechungsindices des Linsenmaterials und der Luft innerhalb der
Mulde. Deswegen kann die Mulde nicht mit einem durchsichtigen Epoxidharz oder einem
anderen Material gefUllt werden, ohne die Wirkung der Linse zu zerstören. Demzufolge
kann eine solche Einrichtung die Erhöhung des Xupplungswirkungsgrades, die von der
Einbettung der lichtaussendenden Einrichtung in durchsichtiges Epoxidharz kommt,
nicht
ausnutzen. Aufgrund des großen Unterschiedes der Brechungsindices des Diodenmaterials
und der es umgebenden Luft, wird viel von dem Licht, das an der Diodengrenzschicht
erzeugt wird, durch innere Reflexion an der Dioden/Luft-Grenzfläche verloren. Das
Einbetten der Diode in ein Material wie durchsichtiges Epoxidharz, das einen höheren
Brechungsindex als Luft hat, würde die innere Reflexion vermindern und somit die
Menge des ausgesandten Lichts erhöhen. Das Füllen des Hohlraumes mit Epoxidharz
wUrde die innere Reflexion vermindern und demzufolge die Menge des emittierten Lichts
erhöhen. Das Füllen des Hohlraums mit Epoxidharz würde den Wirkungsgrad der lichtaussendenden
Diode um n2 #-2,5 erhöhen (n ist der Brechungsindex des Epoxidharzes). Daher wUrde
die Verwendung eines "Insektenauges" das insgesamt erhältliche Licht vermindern,
obwohl sie bei der Verteilung des Lichtes helfen würde.
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Ein jungeres Verfahren um eine gleichmäßige Lichtverteilung an der
Vorderfläche des Licht rohres bzw. Lichtkanals zu erhalten, ist in der US 3 780
357 beschrieben. Darin wird ein Verfahren beschrieben, das darin besteht, den Lichtkanal
mit durchsichtigem Epoxidharz, das Streumittel wie fein zermahlenes Glas oder Quarzteilchen
enthält, zu fUllen. Das Licht wird durch diese Teilchen in zufällige Richtungen
gestreut, wodurch eine beinahe homogene Lichtverteilung an der Vorderfläche erreicht
wird.
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Um befriedigende Ergebnisse zu erhalten, sollten die Streumittel in
Mengen von ungefähr 25 bis ungefähr 40 oder mehr Ges.% hinzugefügt werden, insbesondere
Glas- oder Quarzteilchen, um alles Licht zu streuen, d.h., das Licht über den Stab
gleichmäßig zu verteilen. Wenn keine ausreichende Menge des Streumittels benutzt
wird, tritt ein "heißer" Fleck auf, wenn die Einrichtung von der beabsichtigten
Betrachtungsrichtung aus betrachtet wird. Im allgemeinen vermindert die richtige
Menge des Streumittels das verfügbare Licht um ungefähr 50 %, jede Streuung ist
verbunden mit einem Verlust bis zu 8 S. Deswegen wird viel Licht verloren, bevor
es die Vorderfläche erreicht. Dieses Verfahren stellt einen zu groben Versuch dar,
den Lichtausstoß der Einrichtung zu vergleichmäßigen.
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Die Erfindung schafft daher eine Lichtschlauch-Anordnung, die an der
Vorderfläche der Lichtschlauch-Anordnung eine gleichmäßige Lichtverteilung liefert.
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Die Erfindung schafft weiter eine solche Anordnung, die auch den Wirkungsgrad
der Lichtschlauch-Einrichtung erhöht.
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Die Erfindung schafft auch eine Anordnung, die sowohl mit isotropen
sowie nichtisotropen lichtaussendenden Halbleitern benutzt werden kann.
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Dies und noch mehr wird dadurch geschaffen, daß eine Lichtschlauch-
oder Lichtzelleneinrichtung geschaffen wird, bei der der lichtaussendende Halbleiter
so angebracht ist, daß das ganze Licht nach unten, weg von der Vorderfläche und
den hin zu /reflektierenden Oberflächndes Lichtschlauches bzw.
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der Lichtzelle abgestrahlt wird. Die Geometrie der reflektierenden
Oberflächen kann so gestaltet werden, daß alles Licht an der Vorderfläche genau
angeordnet wird. Da die Anordnung des ganzen Lichtes durch den Reflektor gesteuert
wird, wird weniger Streumaterial innerhalb des Epoxidmaterials benötigt, um eine
gleichmäßige Lichtverteilung an der Vorderfläche zu liefern.
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Dies alles wird dadurch erreicht, daß mehrere optische Einrichtungen
benutzt werden, um das Licht über das Oberteil der Einrichtung gleichmäßig zu machen.
Diese Gleichmäßigkeit wird jedoch ohne wesentlichen Lichtverlust erreicht, da zu
grobe Lösungsversuche vermieden werden. Der untere Reflektor gemäß der Erfindung
wird eine Linse, um das Licht zu verteilen, wobei die Funktion der kleinen Menge
von Streuungsmittel, das in den Hohlraum hinzugefügt wird, die ist, die Rückseite
des Metallträgers des Plättchens unsichtbar zu machen. In der Mitte des Sichtsegmentes
kann ein dunkler Fleck von dem Metall, das das Segment durchquert, auftreten. Demzufolge
kann, wenn nötig, etwas Lichtstreuung benutzt werden, um diesen dunklen
Fleck
unsichtbar zu machen. Erfindungsgemäß kann als optisches Merkmal ein Zerstreuungsmittel
in der Menge von ungefähr 1 bis 10 Oel.% benutzt werden.
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Die Erfindung schafft also eine elektrolumineszente Halbleiteranzeigeeinrichtung
mit einer lichtaussendenden Diode in einer reflektierenden Mulde, bei der praktisch
das ganze Licht, das von dem Halbleiter ausgesandt wird, zu dieser reflektierenden
Oberfläche hin ausgesandt wird und praktisch kein Licht von dem Halbleiter zur Öffnung
der Mulde hin ausgesandt wird, wobei die Diode so angeordnet ist, daß sie Licht
zum Bodenbereich der Mulde hin emittiert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen
beschrieben, wobei auf die Zeichnungen wegen deren großer Klarheit und Übersichtlichkeit
bezüglich der Offenbarung ausdrücklich hingewiesen wird.
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Es zeigen Fig. 1 und Fig. 2 seitliche Querschnitte von herkömmlichen
Lichtschlauch-Einri chtungen; Fig. 3 einen seitlichen Querschnitt einer Lichtschlaucheinrichtung
gemäß der Erfindung;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Substrat- oder
Grundmaterialteil einer Lichtschlauch-Einrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 5 eine
Ansicht won unten einer Halterung mit elektrischem Anschluß, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird; und Fig. 6 einen seitlichen Querschnitt einer weiteren
Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein seitlicher Querschnitt einer bekannten Lichtschlauch-Einrichtung
mit einer lichtemittierenden Diode gezeigt. Das lichtaussendende Plättchen 10 ist
in einer muldenförmigen Aushöhlung mit reflektierenden Wänden 12, die mit einem
durchsichtigen Epoxidharz, das lichtstreuende Stoffe 14, wie Quarzteilchen von 1
Xum Größe enthält, ge Süllt ist, angeordnet. Das vom Plättchen 10 ausgesandte Licht
wird statistisch zufällig von den Streuteilchen 14 und/oder den reflektierenden
Oberflächen 12 weggestreut, so daß eine fast gleichmäßige Lichtverteilung an der
Vorderfläche 16 der Einrichtung erzielt wird. Jedoch ist der Lichtstrom, der von
einer lichtaussendenden Diode ausgeht, an Punkten, die näher zur Diode sind, größer,
und dies führt zu einem unerw<inscht hellen oder heißen Fleck an einem Punkt
auf der Vorderfläche der Anzeigeeinrichtung unmittelbar
oberhalb
der Diode. Der heiße Fleck kann dadurch beseitigt werden, daß die Konzentration
der Streuteilchen im Zentrum des Hohlraums erhöht wird, wodurch die Anzahl von Reflexionen
des Lichtes, das durch das Zentrum des Hohlraums hindurchgeht, erhöht wird und eine
gleichmäßigere Verteilung an der Vorderfläche erhalten wird. Die Erhöhung der Anzahl
von Reflexionen, die das Licht erleidet, wird jedoch eine beträchtliche Verminderung
des Wirkungsgrades der Anzeigeeinrichtung mit sich bringen, da bei jeder Streuung
bis zu 8 S Verlust auftreten kann Bis jetzt schien eine solche Verminderung des
Wirkungsgrades notwendig in Kauf genommen zu werden müssen, um die äußere Wirkung
der Segmentanzeigeeinrichtungen zu verbessern. Infolge des verminderten Wirkungsgrades
müssen größere lichtemittierende Plättchen benutzt werden, die die Größe und den
Energiebedarf der Segmentanzeigeeinrichtungen erhöhen.
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In Fig. 2 ist ein seitlicher Querschnitt einer Lichtschlauch-Einrichtung,
wie sie in der US 3 821 775 beschrieben ist, gezeigt. Die lichtaussendende Diode
10 ist in einer Höhlung 18 mit einer reflektierenden Oberfläche 20 angeordnet. Die
reflektierende Oberfläche 20 ist richtig geformt, um das Licht gleichmäßig über
die vordere Oberfläche 22 des Hohlraums zu verteilen. Ein beträchtlicher Teil des
Lichtes wird jedoch von der oberen Oberfläche 24 der Diode ausgesandt und wird nicht
durch die reflektierende Oberfläche 20 gesteuert. Die
direkte Strahlung
von der oberen Fläche 24 der Diode erzeugt einen ~heißen" Fleck an der Vorderfläche
22 unmittelbar oberhalb der Diode 10.
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In den Fig. 3 bis 5 wird eine bevorzugte Aus ftlhrungs form einer
Lichtschlauch-Einrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Sieben rechteckige Aushöhlungen
26 sind in einem Substrat oder Grundmaterial 28 eines geeigneten Materials, z.B.
eines Kunatstoffs, ausgebildet, Eine zusätzliche kleinere Aushöhlung 30 ist ausgebildet,
um einen Punkt darzustellen, der bei der alpha-numerischen Darstellung die Dezimalstelle
anzeigen soll. Das Problem des ~heißen" Flecks tritt bei der ~Dezimalpunkt"-Anzeige
nicht auf und daher wird diese hier nicht im einzelnen erörtert. Die gebogene Oberfläche
32 jeder Aushöhlung ist vorzugsweise metallisiert, unter Benutzung von Aluminium,
Silber, oder einem anderen geeigneten Metall, um eine spiegelnd reflektierende Oberfläche
zu bilden. Die n-Seite jeder der lichtaus sendenden p-n-Dioden 34 ist an einen Finger
36 des in Fig.
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5 gezeigten Xontaktrahmens gebondet. Aus einem Vergleich der Fig.
3 und 5 ist ersichtlich, daß die verschiedenen Kathoden-und Anodentinger des Kontaktrahmens
alle dAnn und flach sind, und die Finger in einer Ebene liegen. Die p-Seite jeder
lichtemittierenden Diode wird dann mit einem Draht an den gemeinsamen Anodenteil
38 des Kontaktrahmens gebondet. D#ie in Fig.
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5 von unten gezeigte Kontaktrahmenanordnung wird dann mit der
Ansicht
nach unten auf das Substrat bzw. Grundmaterial 28, das in Fig. 4 von oben gezeigt
ist, gelegt, so daß die Diode 40 unmittelbar über der "Dezimalpunkt"-Hohlung 30
und jede der übrigen Dioden 34 mittig über einer Jeweiligen rechteckigen Höhlung
26 angeordnet ist. Der Kontaktrahmen ist aus geeignetem Material, z.B. einer Nickel-Stahl-Legierung,hergestellt
und ist von hinreichender Dicke, z.B. 10 mil (254 /um), um die Dioden 34 über den
Aushöhlungen 26 zu tragen.
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Eine Abdeckplatte 42 mit darin angeordneten rechteckigen Löchern,
die den Aushöhlungen 26 in dem Grundmaterial 28 entsprechen, wird auf den Kontaktrahmen
oben aufgelegt, so daß der Kontaktrahmen sandwich-artig zwischen Platte und Grundmaterial
zu liegen kommt. Dadurch werden tiefere Aushöhlungen mit einer lichtaussendenden
Diode 34, die mit Hilfe eines starren Kont akt rahmens 36 im Zentralbereich jeder
Höhlung aufgehängt ist, gebildet. Die Aushöhlungen werden dann mit einem durchsichtigen
Epoxidharz, das Streuteilchen 44 enthalt, gefüllt.
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Es ist bekannt, daß das GaAsP-Material aus dem die Diode 34 gebildet
ist, eine Lamberttsche Lichtausstrahlungscharakteristik hat, wodurch das Licht überwiegend
in einer Richtung ausgesandt wird, die normal zur und damit weg von der Vorderseite,
d.h. der p-Seite, gerichtet ist. Folglich wird bei der Erfindung das Licht in der
zur Öffnung entgegengesetzten
Richtung ausgesandt. Dementsprechend
wird dadurch, daß die lichtemittierende Diode 34 mit der p-Seite nach unten im Zentralbereich
der Höhlung angebracht wird, alles Licht nach unten zur reflektierenden Oberfläche
32 hin ausgesandt. Die Gestalt der reflektierenden Oberfläche 32 kann so entworfen
werden, daß alles empfangene Licht an der Vorderfläche 46 des "Lichtschlauchs" in
einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung genau angeordnet wird. Da das ganze
Licht zur reflektierenden Oberfläche 32 hin ausgestrahlt wird, muß jeder Lichtstrahl
mindestens einmal reflektiert werden, um die obere Fläche 46 der Höhlung zu erreichen,
und durch geeignete Krümmung der reflektierenden Oberfläche 32 kann jeder Lichtstrahl
auf einen ausgewählt Platz an der Vorderfläche 46 gerichtet werden. Dies erlaubt
eine wesentliche Verminderung der Konzentration der Streuteilchen 44. Da es reflektierende
Oberflächen gibt, die nur einen Verlust von 1 bis 2 S mit sich bringen und ein Verlust
bis zu 8 S bei jeder Steuung an einem Streuteilchen auftreten kann, schafft die
Ersetzung der Reflexionen an Streuteilchen 44 durch eine zusätzliche Reflexion an
einer reflektierenden Oberfläche 32 eine betrchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades
der Lichtschlauch-Einrichtung.
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Wie zuvor erwähnt, wird die reflektierende Fläche 32 vorzugsweise
metallisiert, um eine spiegelnd reflektierende Oberfläche zu schaffen. Obwohl eine
diffus reflektierende Oberfläche einen größeren Anteil des erhaltenen Lichtes reflektieren
wUrde,
würde das Licht mehr oder minder zufällig reflektiert und erlitte in vielen FEllen
mehrere Reflexionen, um die Oberfläche 46 zu erreichen. Mit einer spiegelnd reflektierenden
Fläche kann das Licht genau gerichtet werden und der Bedarf an weiteren Reflexionen
wird vermindert.
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Im Hinblick auf die Gesamtgröße ist es erwünscht, die Lichtschlauch-Einrichtungen
so flach wie möglich zu machen, aber bei herkömmlichen Lichtschlauch-Einrichtungen
wie in Fig. 1 und 2 wird eine flachere Aushöhlung das Problem des "heißen" Flecks
vergrößern. In der Anzeigeeinrichtung gemäß der Erfindung muß das von der Diode
ausgestrahlte Licht den Teil der Höhlung unterhalb der Plättchenebene 48 zweimal
durchmessen, d.h. einmal auf seinem Weg zum Reflektor 32 und ein zweites Mal auf
seinem Weg zur Oberfläche 46. Dies gibt dem Licht mehr Zeit sich in einer zufälligeren
Verteilung zu zerstreuen und deswegen können die Anzeigeeinrichtungen viel flacher
gemacht werden, während dennoch eine gleichmäßige Lichtverteilung bewahrt wird.
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Die Metallisierung des Reflektors 32 wird dadurch leicht gemacht,
daß solche flachen Aushöhlungen benutzt werden können und die Innenwände 50 der
Abdeckplatte 42 müssen nicht metallisiert werden, da das Licht, das diese Oberflächen
trifft, solch einen Einfallswinkel hat, daß es ohne eine metallisierte
Oberfläche
total reflektiert wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung ist,
daß durch geeignete Gestaltung der reflektierenden Oberfläche 32 emittierende Halbleiter
benutzt werden können, die endweder obenemittierend, seitenemittierend oder beides
sind.
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In Fig. 6 ist eine andere Ausftlhrungsform der Erfindung gezeigt,
in der der Reflektor aus einer Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen 52 anstelle
der kontinuierlich gekrtlmmten Oberfläche aus Fig. 3 hergestellt ist. Fig. 6 ist
hier hinzugefügt worden, um zu zeigen, daß der Reflektor 32 so entworfen werden
kann, daß er sich den Emissionscharakteristiken des speziellen verwendeten lichtaussendenden
Halbleiters 34 anpaßt. Dem Reflektor 32 kann Jede Form gegeben werden, die notwendig
ist, um die gewünschte Lichtverteilung zu erreichen.
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Patent ansprUchs