FR2803436A1 - Conditioning casing device for light-emitting diode - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un dispositif boîtier de conditionnement pour diode électroluminescente. The subject of the present invention is a packaging box device for light-emitting diode.
On sait que les émetteurs photoniques tels que les diodes électroluminescentes (LED et IRED) sont particulièrement adaptées à subir des variations brutales de flux d'émission permettant notamment de générer de l'information par modulation, et qu'elles présentent un très bon rendement de conversion électrique/optique, très grande fiabilité, et une simplicité d'emploi. It is known that photonic emitters such as light-emitting diodes (LED and IRED) are particularly suitable for undergoing sudden variations in emission flux making it possible in particular to generate information by modulation, and that they have a very good yield of electrical / optical conversion, very high reliability, and ease of use.
En outre le spectre de ces émetteurs photoniques est très étendu allant du témoin lumineux au panneau d'affichage en passant par les feux tricolores ou encore les feux d'automobiles. In addition, the spectrum of these photonic emitters is very wide, ranging from the indicator light to the display panel, passing through three-color lights or even automobile lights.
Les diodes électroluminescentes se présentent sous la forme d'un composant semi-conducteur moulé dans une ine formant un boîtier de conditionnement de ladi diode dont la face inférieure dudit boîtier permet d'assurer la connexion électrique de la diode et la face supérieure est munie d'une fenêtre de sortie optique formée par la surface, située dans l'axe du composant, de la résine en contact avec milieu extérieur, laquelle fenêtre étant soit plane soit forme convexe, généralement sphérique. The light-emitting diodes are in the form of a semiconductor component molded in an ine forming a housing for conditioning the diode whose underside of said housing makes it possible to ensure the electrical connection of the diode and the upper face is provided with an optical exit window formed by the surface, located in the axis of the component, of the resin in contact with the external medium, which window is either planar or convex, generally spherical.
La fenêtre de sortie plane assure essentiellement une fonction de protection, alors les fenêtres de forme convexe remplissent en outre une fonction de collimation, c'est à dire de réduction de la divergence angulaire du faisceau émis par le boîtier de rés' dans lequel est moulée la diode électroluminescente. The planar exit window essentially provides a protective function, while the convex windows also fulfill a collimation function, that is to say of reduction of the angular divergence of the beam emitted by the res housing in which is molded. the light emitting diode.
Toutefois ces systèmes de diodes électroluminescentes émettent avec une puissance lumineuse relativement faible, de l'ordre de quelques milliwatts ce qui ne permet pas de les utiliser pour des applications dans lesquelles à la fois une puissance élevée est requise ainsi qu'une concentration de cette puissance sur petite surface comme c'est le cas par exemple pour les dispositifs de photo-polymérisation rapide utilisés dans le domaine dentaire qui demandent des puissances de plusieurs centaines de milliwatts et des concentrations de l'ordre du watt par centimètre carré voir plus. However, these light-emitting diode systems emit with a relatively low light power, of the order of a few milliwatts which does not allow them to be used for applications in which both a high power is required and a concentration of this power. on a small surface as is the case for example for the rapid photo-polymerization devices used in the dental field which require powers of several hundred milliwatts and concentrations of the order of watt per square centimeter or more.
En effet dans le cas d'une fenêtre plane la lumière émise par le composant semi-conducteur ne sort directement de cette dernière que si l'inclinaison des rayons est inférieure un angle limite déterminé par l'indice de réfraction de ladite fenêtre et l'indice de réfraction du milieu exterieur qui est généralement celui de l'air en sorte que lorsque les rayons sont émis avec un angle d'incidence se situant au-delà de cet angle limite, ils subissent une réflexion totale à l'interface fenêtre/air et des réflexions multiples dans la résine de moulage avant de pouvoir, éventuellement, ressortir. In fact, in the case of a flat window, the light emitted by the semiconductor component does not come directly out of the latter unless the inclination of the rays is less than a limit angle determined by the refractive index of said window and the refractive index of the external environment which is generally that of air so that when the rays are emitted with an angle of incidence which is beyond this limit angle, they undergo a total reflection at the window / air interface and multiple reflections in the molding resin before being able, possibly, to come out.
La lumière qui sort du boîtier de conditionnement en résine par la fenêtre de sortie est donc constituée: - d'une partie de lumière directe, pour les rayons ayant un angle d'incidence intérieur inférieur à l'angle limite, cette partie semblant provenir d'une surface d'émission de mêmes dimensions que celles de la zone émettrice et située à distance de la fenêtre comprise entre zéro, pour les rayons réfractés correspondant à une incidence proche de l'angle limite, et e/n, pour les rayons réfractés correspondants à une incidence faible, e désignant la distance séparant la surface d'émission de ladite fenêtre plane et étant caractérisée par une ouverture numérique égale à un, les derniers rayons émergents étant tangents à ladite fenêtre, - et d'une partie de lumière diffuse, pour les rayons qui ont un angle d'incidence supérieur à l'angle limite, cette partie semblant provenir de la totalité de la surface de la fenêtre de sortie avec la même ouverture numérique unitaire que précédemment, et présentant en outre une faible efficacité lumineuse du fait des nombreux phénomènes de réflexion et de diffusion que les rayons lumineux ont subi avant d'émerger de ladite fenêtre de sortie La puissance lumineuse effective indiquee par le fabricant correspond donc à la somme de la puissance de lumière directe et de lumière diffuse, celle étant approximativement de l'ordre de 58 % de la puissance de la lumière émise directement à la sortie du composant semi conducteur noyé dans la résine du boîtier de conditionnement si bien que plus de 40 $ de la lumière émise par la jonction du semi-conducteur reste piégée à l'intérieur dudit boîtier de conditionnement. The light which leaves the resin packaging box through the exit window therefore consists of: - a part of direct light, for rays having an internal angle of incidence less than the limit angle, this part seeming to come from '' an emission surface of the same dimensions as that of the emitting area and located at a distance from the window of between zero, for the refracted rays corresponding to an incidence close to the limit angle, and e / n, for the refracted rays corresponding to a low incidence, e denoting the distance separating the emission surface from said planar window and being characterized by a numerical opening equal to one, the last emerging rays being tangent to said window, - and of a part of diffused light , for rays which have an angle of incidence greater than the limit angle, this part appearing to come from the entire surface of the exit window a with the same unitary digital aperture as previously, and furthermore having a low luminous efficiency due to the numerous reflection and scattering phenomena that the light rays have undergone before emerging from said exit window The effective luminous power indicated by the manufacturer therefore corresponds to the sum of the power of direct light and of diffused light, that being approximately of the order of 58% of the power of light emitted directly at the output of the semiconductor component embedded in the resin of the packaging case if although more than $ 40 of the light emitted from the semiconductor junction remains trapped inside said package.
La lumière directe peut être collectée par des dispositifs optiques tels qu'une lentille de limation destinee à envoyer les rayons lumineux à l'infini dont la définition, forme des surfaces et épaisseur, peut être choi ' pour corriger les aberrations introduites par la traversée de la fenêtre plane, variation de la position axiale de l'image de la zone émissive avec l'angle d'incidence, de sorte que l'on peut obtenir dans ce cas un faisceau de bonne qualité optique. Cependant, l'ouverture numérique de cette optique de collimation ne peut, en pratique, dépasser un coefficient de 0,67, si l'on souhaite conserver une bonne qualité et un bon facteur de transmission, de sorte que l'efficacité de capture de cette lumière directe sera toujours inférieure ou égale à 50 La luumière diffuse sera également captée par une telle optique de collimation, avec une efficacité comparable, mais le faisceau obtenu sera de moindre qualité optique, écart aberrant plus important et surtout divergence apparente beaucoup plus forte, ladite lumière ne pouvant alors être utilisée de manière efficace et être notamment concentrée sur une faible surface. Direct light can be collected by optical devices such as a limiting lens intended to send the light rays to infinity, the definition, shape of surfaces and thickness, can be chosen to correct the aberrations introduced by the crossing of the flat window, variation of the axial position of the image of the emissive zone with the angle of incidence, so that a beam of good optical quality can be obtained in this case. However, the numerical aperture of this collimation lens cannot, in practice, exceed a coefficient of 0.67, if one wishes to maintain good quality and a good transmission factor, so that the capture efficiency of this direct light will always be less than or equal to 50 The diffuse light will also be captured by such a collimation optic, with comparable efficiency, but the beam obtained will be of lower optical quality, greater aberrant deviation and above all apparent divergence much stronger, said light then being unable to be used efficiently and in particular to be concentrated on a small area.
Dans le cas où la fenêtre est une microlentille de forme convexe et notamment de forme sphérique celle-ci, utilisée dans le but d'assurer en outre une collimation quasi parallèle des rayons lumineux la traversant provenant de la zone émissive, procure une mauvaise qualité optique de l'onde collimatée du fait que la position du foyer du dioptre sphérique au voisinage duquel est placée ladite zone émissive dépend de l'angle d'inclinaison des rayons par rapport à l'axe de révolution. Par ailleurs l'ouverture numérique de l'optique de collimation ainsi constituée par la fenêtre sphérique est en moyenne de l'ordre de 0,55, ce qui fait que le flux direct émis par un tel composant ne saurait en pratique dépasser 30 % de la puissance de la lumière émise. In the case where the window is a microlens of convex shape and in particular of spherical shape, the latter, used with the aim of ensuring, moreover, an almost parallel collimation of the light rays passing through it coming from the emissive zone, provides poor optical quality. of the collimated wave because the position of the focal point of the spherical diopter in the vicinity of which said emissive zone is placed depends on the angle of inclination of the rays relative to the axis of revolution. Furthermore, the numerical aperture of the collimation optics thus formed by the spherical window is on the order of 0.55 on average, which means that the direct flux emitted by such a component cannot in practice exceed 30% of the power of the light emitted.
Comme précédemment, la lumière diffuse semble toujours provenir de la totalité de la surface de la fenêtre et correspond ainsi à un emetteur de grande surface et de forte divergence, et ne pourra donc conduire à une surface éclairée de faibles dimensions au foyer du dispositif de collimation. As before, the diffuse light always seems to come from the entire surface of the window and thus corresponds to a large surface emitter with strong divergence, and cannot therefore lead to a lighted surface of small dimensions at the focus of the collimation device. .
Si ces systèmes de boîtiers de conditionnement de diodes électroluminescentes sont bien adaptés pour des applications dans le domaine de la visualisation tel que les voyants lumineux, les panneaux de télévision grand écran, les feux tricolores ou encore les feux arrières des véhicules, ils ne sont pas adaptés pour des applications dans lesquelles on recherche la concentration sur une faible surface d'une grande quantité de lumière, comme c'est le cas pour les appareils de photo-polymérisation de matériaux composites utilisés dans le domaine dentaire. While these light-emitting diode packaging box systems are well suited for applications in the field of visualization such as indicator lights, large-screen television panels, three-color lights or even rear lights of vehicles, they are not suitable for applications in which the concentration on a small area of a large amount of light is sought, as is the case for the photo-polymerization devices of composite materials used in the dental field.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de boîtier de conditionnement pour diode électroluminescente particulièrement adapté pour des applications dans lesquelles est recherchée une puissance lumineuse importante et un éclairement par unité de surface d'une grande qualité. The object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a packaging box device for a light-emitting diode which is particularly suitable for applications in which high light power and illumination per unit area of high quality are sought.
Le dispositif de boîtier de conditionnement selon la présente invention pour diode électroluminescente moulée dans la résine formant ledit boîtier, lequel est du type comportant une fenêtre de sortie optique plane, se caractérise essentiellement en ce qu'une demi-boule de verre ou de matière plastique, d'indice identique ou proche de celui de ladite résine , est solidarisée sur ladite fenêtre tout en étant centrée par rapport audit composant semi conducteur. The packaging box device according to the present invention for light-emitting diode molded in the resin forming said box, which is of the type comprising a planar optical exit window, is essentially characterized in that a half-ball of glass or plastic , of index identical or close to that of said resin, is secured to said window while being centered relative to said semiconductor component.
Conformément à l'invention la demi-boule verre ou de matière plastique est centrée de manière que zone émissive du composant semi-conducteur se trouve voisinage du point de WEIERSTRASS objet du dioptre sphérique ainsi constitué par ladite demi-boule. According to the invention, the glass or plastic half-ball is centered so that the emissive zone of the semiconductor component is in the vicinity of the WEIERSTRASS point which is the object of the spherical diopter thus formed by said half-ball.
Conformément à l'invention la demi-boule est solidarisée sur la fenêtre au moyen d'une colle dont 'indice de réfraction est identique ou proche de celui résine et de la demi-boule de manière à empêcher réflexion totale des rayons lumineux issus du composant semi-conducteur et à augmenter la quantité de lumière extraite de ce dernier. According to the invention, the half-ball is secured to the window by means of an adhesive, the refractive index of which is identical or close to that of the resin and the half-ball so as to prevent total reflection of the light rays coming from the component. semiconductor and increase the amount of light extracted from it.
La réfraction à la sortie de la demi-boule permet par ailleurs de réduire l'angle d'ouverture faisceau lumineux émergent permettant à ce dernier d'être lecté par une lentille de collimation classique usinée moulée. The refraction at the exit of the half-ball moreover makes it possible to reduce the opening angle of the emerging light beam allowing the latter to be read by a conventional collimated machined collimating lens.
En application on pourra réaliser une matrice de diodes électroluminescentes dont chaque diode est intégrée dans un boîtier de conditionnement selon la présente invention et positionnée devant une lentille de collimation destinée à renvoyer l'image du semi-conducteur à l'infini dimensions de la lentille de collimation seront déterminées de manière à pouvoir collecter le maximum lumière et elles seront rangées de manière à laisser le minimum d'espace libre entre lesdites diodes. D'autre part on disposera devant cet ensemble de lentilles de collimation une lentille de focalisation destiné à imager l'ensemble images provenant des différentes diodes en un même point pour concentrer la lumière. In application, it is possible to produce a matrix of light-emitting diodes, each diode of which is integrated in a packaging box according to the present invention and positioned in front of a collimation lens intended to return the image of the semiconductor to the infinite dimensions of the lens. collimation will be determined so as to be able to collect the maximum light and they will be arranged so as to leave the minimum free space between said diodes. On the other hand, there will be placed in front of this set of collimating lenses a focusing lens intended for imaging the set of images coming from the different diodes at the same point for concentrating the light.
Les avantages et les caractéristiques de la présente invention ressortiront plus clairement de description qui suit et qui se rapporte au dessin annexe, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. The advantages and characteristics of the present invention will emerge more clearly from the description which follows and which relates to the attached drawing, which represents a non-limiting embodiment thereof.
- la figure 1 représente une vue en coupe d' dispositif de boîtier de conditionnement selon la présente invention d'une diode électroluminescente. - Figure 1 shows a sectional view of the packaging box device according to the present invention of a light emitting diode.
- la figure 2 représente une représentation géométrique des points de WEIERSTRASS objet et image en application au dioptre en demi-boule du dispositif de boîtier de conditionnement selon la présente invention. - Figure 2 shows a geometric representation of the object and image WEIERSTRASS points in application to the half-ball diopter of the packaging box device according to the present invention.
- la figure 3 représente une vue schématique d'une application matricielle de diodes électroluminescentes munies chacune d'un dispositif de boîtier de conditionnement selon la présente invention. - Figure 3 shows a schematic view of a matrix application of light emitting diodes each provided with a packaging box device according to the present invention.
Si on se réfère à la figure 1 on peut voir qu'un dispositif de boîtier de conditionnement selon la présente invention d'une diode électroluminescente 1 est constitué d'un boîtier 10 de forme cylindrique en résine dans lequel est moulé un semi-conducteur 11 et dont la face inférieure 11 du boîtier 10 comporte des connexions électriques 12 pour la connxion électrique composant semi-conducteur 11 et la face supérieure 13 se situant dans l'axe de la surface d'émission 11' du semi-conducteur comprend une fenêtre optique de sortie plane On peut voir également qu'une lentille demi- boule 2 de verre ou de matière plastique est solidarisée sur la fenêtre de sortie 14 étant centrée par rapport à la zone émissive 11' du composant semi-conducteur 11 de manière que cette dernière se trouve au voisinage du point de WEIERSTRASS objet Aw du dioptre sphérique ainsi formé par la demi-boule 2 (figure 2) La position ce point objet Aw est donnée par la relation CAw=R/n, ' C désigne le centre de courbure de la demi-boule 2 et R rayon de courbure. Referring to FIG. 1, it can be seen that a device for packaging the packaging according to the present invention of a light-emitting diode 1 consists of a housing 10 of cylindrical resin form in which a semiconductor 11 is molded. and the lower face 11 of the housing 10 includes electrical connections 12 for the electrical connection of the semiconductor component 11 and the upper face 13 lying in the axis of the emitting surface 11 'of the semiconductor comprises an optical window exit plane You can also see that a half-ball lens 2 of glass or plastic is secured to the exit window 14 being centered relative to the emissive zone 11 ′ of the semiconductor component 11 so that the latter is in the vicinity of the point of WEIERSTRASS object Aw of the spherical diopter thus formed by the half-ball 2 (figure 2) The position this point object Aw is given by the relati on CAw = R / n, 'C denotes the center of curvature of the half-ball 2 and R radius of curvature.
En pratique on cherchera à se placer entre CAw- l0ô et CAw+10%. La position du point de WEIERSTRASS image Aw', c'est à dire le conjugué du point Aw au travers de la demi-boule 2, est donné par CAw'=nR, de sorte que le grandissement angulaire du système optique ainsi constitué est de 1/n tandis que grandissement transverse est de n à la puissance 2. telle configuration d'imagerie permet de procurer grande qualité optique puisque le dioptre sphérique forme par la demi-boule 2 est stigmatique pour le couple de points Aw et Aw', tous les rayons émis par Aw semblent provenir de Aw'. In practice, we will seek to place ourselves between CAw-10o and CAw + 10%. The position of the point of WEIERSTRASS image Aw ', that is to say the conjugate of the point Aw through the half-ball 2, is given by CAw' = nR, so that the angular magnification of the optical system thus constituted is 1 / n while transverse magnification is from n to the power 2. such imaging configuration makes it possible to provide high optical quality since the spherical diopter formed by the half-ball 2 is stigmatic for the pair of points Aw and Aw ', all the rays emitted by Aw seem to come from Aw '.
Dans une telle configuration, la proportion de lumière directe recueillie est de l'ordre de %, et cette lumière directe est disponible à l'extérieur boitier 10 sous une ouverture numérique ne dépassant pas ,55, ce qui est relativement faible et rend possible sans grande difficulté sa capture totale à l'aide d'une optique de collimation dont le foyer objet est confondu avec le point de WEIERSTRASS image. In such a configuration, the proportion of direct light collected is of the order of%, and this direct light is available outside box 10 under a digital aperture not exceeding 55, which is relatively low and makes it possible without great difficulty its total capture using a collimation optic whose object focus is confused with the point of WEIERSTRASS image.
La lentille demi-boule 2 est solidarisée à la fenêtre de sortie optique 14 au moyen d'une colle 20. The half-ball lens 2 is secured to the optical output window 14 by means of an adhesive 20.
De manière à empêcher la réflexion totale des rayons lumineux émis par le composant semi-conducteur 11 et à augmenter quantité de lumière extraite de ce dernier les indices réfraction de la fenêtre de sortie 14, de la colle 20 de la demi-boule 2 seront égaux ou approximativement égaux, et se situeront de préférence entre 1,45 et 1,65. Si on se réfère à la figure 3 on peut voir qu'en application une matrice 3 de diodes électroluminescentes intégrés dans un dispositif de boîtier de conditionnement selon 1 invention et positionnées chacune devant une lentille de limation 30 destinée à renvoyer l'image du semi conducteur 11 à l'infini. Les dimensions de la lentille de limation 30 seront déterminées de manière ' pouvoir lecter le maximum de lumière et elles seront rangées de manière à laisser le minimum d'espace libre entre lesdites diodes. In order to prevent the total reflection of the light rays emitted by the semiconductor component 11 and to increase the quantity of light extracted from the latter, the refractive indices of the exit window 14, of the glue 20 of the half-ball 2 will be equal. or approximately equal, and will preferably be between 1.45 and 1.65. If we refer to Figure 3 we can see that in application a matrix 3 of light emitting diodes integrated in a packaging box device according to 1 invention and each positioned in front of a filing lens 30 intended to return the image of the semiconductor 11 to infinity. The dimensions of the filing lens 30 will be determined so as to be able to read the maximum of light and they will be arranged so as to leave the minimum of free space between said diodes.
D'autre part, on peut voir q'une lentille de focalisation 31 èst disposée devant cet ensemble de lentille de limation 3 et qui est destiné à imager l'ensemble des images provenant des différentes diodes en un même point pour concentrer la lumière.On the other hand, we can see that a focusing lens 31 is placed in front of this set of filing lens 3 and which is intended to image all of the images coming from the different diodes at the same point to concentrate the light.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9916867A FR2803436A1 (en) | 1999-12-31 | 1999-12-31 | Conditioning casing device for light-emitting diode |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR9916867A FR2803436A1 (en) | 1999-12-31 | 1999-12-31 | Conditioning casing device for light-emitting diode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2803436A1 true FR2803436A1 (en) | 2001-07-06 |
Family
ID=9554168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9916867A Pending FR2803436A1 (en) | 1999-12-31 | 1999-12-31 | Conditioning casing device for light-emitting diode |
Country Status (1)
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| FR (1) | FR2803436A1 (en) |
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