FR3058571A1 - Dispositif optique pour vehicule automobile comportant une source de lumiere a semi conducteur - Google Patents
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Abstract
Un dispositif optique comporte une source de lumière (1) à semi-conducteur, ladite source comprenant au moins un substrat (10) et une pluralité d'éléments électroluminescents (8) de dimensions submillimétriques qui s'étendent depuis une première face (16) du substrat. Selon l'invention, une optique de mise en forme (30) est disposée en regard des éléments électroluminescents et prend la forme d'un doublet optique formé par la superposition d'un premier matériau transparent (32) s'étendant au voisinage des éléments électroluminescents et d'un deuxième matériau transparent (34), différent dudit premier matériau transparent, agencés de sorte que le premier matériau est disposé entre les éléments électroluminescents et le deuxième matériau. Le deuxième matériau présente un indice de réfraction et une constringence différents de ceux du premier matériau.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 058 571 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 60933
COURBEVOIE © Int Cl8 : H 01 L 33/58 (2017.01), B 60 Q 1/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 10.11.16. | (® Demandeur(s) : VALEO VISION Société par actions |
| (® Priorité : | simplifiée — FR. |
| @ Inventeur(s) : ALBOU PIERRE et SANCHEZ | |
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FR 3 058 571 - A1
DISPOSITIF OPTIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UNE SOURCE DE LUMIERE A SEMI CONDUCTEUR.
_ Un dispositif optique comporte une source de lumière (1) à semi-conducteur, ladite source comprenant au moins un substrat (10) et une pluralité d'éléments électroluminescents (8) de dimensions submillimétriques qui s'étendent depuis une première face (16) du substrat.
Selon l'invention, une optique de mise en forme (30) est disposée en regard des éléments électroluminescents et prend la forme d'un doublet optique formé par la superposition d'un premier matériau transparent (32) s'étendant au voisinage des éléments électroluminescents et d'un deuxième matériau transparent (34), différent dudit premier matériau transparent, agencés de sorte que le premier matériau est disposé entre les éléments électroluminescents et le deuxième matériau.
Le deuxième matériau présente un indice de réfraction et une constringence différents de ceux du premier matériau.
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DISPOSITIF OPTIQUE POUR VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UNE SOURCE DE LUMIERE A SEMI CONDUCTEUR
L’invention a trait au domaine de l’éclairage et/ou de la signalisation, notamment pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un dispositif optique comprenant une source de lumière et une optique associée, ainsi qu’un dispositif lumineux, pour l’éclairage et/ou la signalisation d’un véhicule automobile, et comprenant un tel dispositif optique.
Les sources de lumière mises en œuvre dans le domaine automobile sont de plus en plus fréquemment constituées par des diodes électroluminescentes, notamment pour des avantages d'encombrement et d'autonomie par rapport à des sources de lumière classiques. L'utilisation de diodes électroluminescentes dans les modules lumineux a permis en outre aux acteurs du marché (fabricant d’automobiles et concepteur de dispositifs lumineux) d'apporter une touche créative à la conception de ces dispositifs, notamment par l’utilisation d’un nombre toujours plus grand de ces diodes électroluminescentes pour réaliser des effets optiques.
Ces sources de lumière sont associées à des optiques, par exemple des lentilles, permettant la mise en forme des rayons émis par les sources pour obtenir un faisceau lumineux conforme à la réalisation d’une fonction d’éclairage et/ou de signalisation de véhicule automobile. Il convient de s’assurer du bon positionnement des sources de lumière par rapport aux optiques, et notamment par rapport à leur foyer, pour que le faisceau lumineux corresponde à un faisceau règlementaire. On comprend qu’un mauvais positionnement d’une source peut générer des défauts dans le faisceau projeté, et notamment des aberrations chromatiques.
La présente invention s’inscrit dans un contexte industriel dans lequel on vise à proposer une alternative à l’utilisation de différentes diodes électroluminescentes telle qu’elle vient d’être présentée, en réalisant une source de lumière à semi-conducteur comprenant au moins un substrat et une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques qui s'étendent depuis une première face du substrat.
La présente invention vise en outre à proposer l’utilisation de cette source de lumière à semi-conducteur dans le cadre d’un dispositif optique comportant une optique de mise en forme intégrée, configurée pour minimiser les aberrations chromatiques.
Plus précisément, le dispositif optique selon l’invention comporte une source de lumière à semi-conducteur, ladite source comprenant au moins un substrat et une pluralité d’éléments électroluminescents de dimensions submillimétriques qui s'étendent depuis une première face du substrat, ainsi qu’une optique de mise en forme qui est disposée en regard des éléments électroluminescents et qui prend la forme d’un doublet optique formé par la superposition d’un premier matériau transparent s’étendant au voisinage des éléments électroluminescents et d’un deuxième matériau transparent, différent dudit premier matériau transparent, agencés de sorte que le premier matériau est disposé entre les bâtonnets et le deuxième matériau, ledit deuxième matériau ayant un indice de réfraction et une constringence différents de ceux du premier matériau.
Par superposition de matériau, on vise à protéger un dépôt d’une épaisseur déterminée du deuxième matériau sur une épaisseur déterminée du premier matériau, chaque couche pouvant présenter une ou plusieurs surfaces bombées. Et l’on comprend que les dimensions de chaque couche peuvent être définies, et notamment les unes par rapport aux autres pour que, à titre d’exemple, la deuxième couche s’étende sur une plus grande surface que la première couche en la recouvrant intégralement.
On crée ainsi, au niveau du ou des éléments électroluminescents intégralement noyés, un doublet optique avec seulement deux dioptres, puisque la source de lumière est noyée dans le premier élément optique. Un premier dioptre est formé à la jonction entre la première couche du premier matériau et la deuxième couche du deuxième matériau, et le deuxième dioptre est formé par la face dégagée de la deuxième couche de matériau.
Selon des caractéristiques de l’invention, le dispositif optique comporte une couche de protection disposée sur la première face du substrat et dans laquelle au moins un élément électroluminescent est intégralement noyé, et cette couche de protection peut avantageusement comprendre un luminophore ou une pluralité de luminophores excités par la lumière générée par au moins un de la pluralité de bâtonnets.
La couche de protection formée par ce premier matériau peut comprendre un luminophore ou une pluralité de luminophores susceptibles d’être excités par la lumière générée par au moins un de la pluralité de bâtonnets et formant moyen de conversion de longueur d’ondes. On entend par luminophore, ou convertisseur de lumière, la présence d’au moins un matériau luminescent conçu pour absorber au moins une partie d’au moins une lumière d’excitation émise par une source lumineuse et pour convertir au moins une partie de ladite lumière d’excitation absorbée en une lumière d’émission ayant une longueur d’onde différente de celle de la lumière d’excitation. Ce luminophore, ou cette pluralité de luminophores, peut être au moins partiellement noyé dans la première couche de protection ou bien disposé en surface de la coucbe de protection des bâtonnets.
Dans le contexte de l’invention, où l’on souhaite réaliser une correction de chromatisme par la présence de la deuxième coucbe sur la première coucbe, on vise à éviter que les rayons soient diffusés par le luminophore au niveau du dioptre formé à la jonction des deux couches. Le luminophore, ou la pluralité de luminophores, doit être de préférence contenu dans une première portion de la première coucbe, au voisinage direct des bâtonnets et à distance de la face bombée. On peut prévoir que cette première portion, contenant le ou les luminophores, présente une épaisseur inférieure à 10% de l’épaisseur de la première coucbe, de préférence inférieure à 1% de l’épaisseur de la première coucbe.
On peut prévoir que le premier matériau transparent forme cette coucbe de protection des éléments électroluminescents, le premier matériau transparent pouvant dans ce cas être un matériau à base de silicone, étant entendu que par « à base de silicone », le premier matériau comporte majoritairement du silicone, par exemple au moins 50% et dans la pratique environ 99%.
Alternativement, on peut prévoir que le premier matériau transparent est disposé sur un encapsulant formant la coucbe de protection, le premier matériau transparent pouvant dans ce cas prendre la forme d’une lentille en verre, avec de préférence une face d’entrée plane.
Dans ce contexte, il est notable que la deuxième coucbe de matériau transparent peut comporter une première face au contact de la première coucbe de protection des bâtonnets et une deuxième face opposée libre, de forme convexe, de sorte que cette deuxième coucbe est plus épaisse au centre que sur la périphérie. En d’autres termes, le centre de courbure de la deuxième face opposée libre est situé du côté de la première coucbe.
ll est notamment intéressant que le deuxième matériau présente un indice de réfraction plus élevé que celui du premier matériau formant ladite première coucbe de protection. Notamment le deuxième matériau transparent peut être un polymère, choisi parmi un polycarbonate (PC), ou un polyméthacrylate de méthyle (PMMA).
Selon une série de caractéristiques pouvant être prises seules ou en combinaison, on pourra prévoir que :
- le premier matériau présente, sur une face d’extrémité distale, au moins une forme bombée dont le sommet s’étend à l’opposé du substrat duquel s’étendent les éléments électroluminescents ; on entend par face d’extrémité distale la face de la première couche tournée à l’opposé du substrat ;
- la forme bombée est une forme de révolution autour d’un axe centré sur la source de lumière ; on pourra notamment comprendre que, la source de lumière comportant une pluralité de bâtonnets électroluminescents, l’axe de révolution soit défini par rapport au centre de la zone du substrat dans laquelle sont confinés ces bâtonnets ;
- le deuxième matériau transparent forme une couche comportant une base directement au contact de la première couche de protection et entourant ladite forme bombée, et une portion en forme convexe ayant un axe de symétrie de révolution confondu avec l’axe optique du dispositif et dont le sommet est à l’opposé de la première couche de protection de matériau transparent ;
- la couche de deuxième matériau forme au moins une lentille présentant une portion aspbérique dont le centre de courbure est disposé du même côté de cette couche que le foyer de ladite lentille.
Selon une autre caractéristique de l’invention, on pourra prévoir que la face plane de la couche de deuxième matériau transparent est configurée pour former un réseau de diffraction ; la couche de deuxième matériau transparent est alors pressée contre le premier matériau, de manière à conformer la face d’extrémité distale en une forme correspondant audit réseau de diffraction.
L’ensemble des éléments, ou bâtonnets, électroluminescents peut s’étendre à partir d’un même substrat, et ces éléments électroluminescents peuvent notamment être formés directement sur ce substrat. On peut prévoir que le substrat soit à base de Silicium ou de carbure de silicium. On comprend que le substrat est à base de silicium dès lors qu’il comporte majoritairement du silicium, par exemple au moins 50% et dans la pratique environ 99%· Ainsi, il est possible de réduire les coûts d’obtention du dispositif selon l’invention, puisque les plaques de silicium utilisées peuvent prendre une taille allant jusqu’à 12 pouces, contre au maximum 6 pouces pour le corindon utilisé dans de nombreuses diodes électroluminescentes planaires, c’est-à-dire avec une émission par une couche disposée parallèlement au substrat.
Selon des caractéristiques propres à la constitution des éléments électroluminescents et à la disposition de ces éléments électroluminescents sur le substrat, chaque caractéristique pouvant être prise seule ou en combinaison avec les autres, on pourra prévoir que :
- chaque élément électroluminescent présente une forme générale cylindrique, notamment de section polygonale ; on pourra prévoir que chaque élément électroluminescent ait la même forme générale, et notamment une forme de cylindre à section hexagonale ;
- les éléments électroluminescents sont chacun délimités par une face terminale et par une paroi circonférentielle qui s’étend le long d’un axe longitudinal de l’élément électroluminescent définissant sa hauteur, la lumière étant émise au moins à partir de la paroi circonférentielle ; cette lumière pourrait également être émise par la face terminale ;
- chaque élément électroluminescent peut présenter une face terminale qui est sensiblement perpendiculaire à la paroi circonférentielle, et dans différentes variantes, on peut prévoir que cette face terminale est sensiblement plane ou bombée, ou pointue, en son centre ;
- les éléments électroluminescents sont agencés en matrice à deux dimensions, que cette matrice soit régulière, avec un espacement constant entre deux éléments électroluminescents successifs d’un alignement donné, ou que les éléments électroluminescents soient disposés en quinconce ; on comprend que dans ce cas de figure de matrice à deux dimensions, les éléments électroluminescents sont considérés comme disposés en rangées ;
- la hauteur d’un élément électroluminescent est comprise entre 1 et 10 micromètres ;
- la plus grande dimension de la face terminale est inférieure à 2 micromètres ;
- la distance qui sépare deux éléments électroluminescents immédiatement adjacents est au minimum égale à 2 micromètres, et au maximum égale à 100 micromètres.
L’optique intégrée pourra être configurée pour présenter un foyer objet non centré sur la source de lumière. Ceci permet notamment d’émettre une image qui parait continue, en imagerie directe. On peut prévoir de dimensionner cette défocalisation pour améliorer l’homogénéité en regroupant les pixels, c’est-à-dire en comblant d’éventuelles zones sombres créées par une zone de jonction émettant moins ou pas de lumière située entre deux zones adjacentes activables séparément, sans générer en contrepartie de problèmes de couleur. A titre d’exemple, on pourra prévoir cette défocalisation inférieure à 20pm, de préférence inférieure à 10pm.
Alternativement, dans le même double objectif, la source de lumière et les couches de matériau formant l’optique intégrée pourraient être configurées de sorte que la source soit agencée au foyer de l’optique et de sorte que la couche de deuxième matériau présente une face de sortie, c’est-à-dire la face opposée à la couche de premier matériau, avec des microstructures, par exemple des coussinets. Il en résulte une déviation des rayons permettant l’homogénéisation du faisceau, sans les problèmes de couleurs du faisceau qui seraient dus à une défocalisation.
Tel que cela a été évoqué précédemment, l’invention concerne en outre un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation comprenant un boîtier fermé par une glace pour définir un logement de réception d’un dispositif optique tel que présenté ci-dessus, avec une optique intégrée à la source de lumière. Le dispositif d’éclairage et/ou de signalisation est caractéristique en ce qu’il ne nécessite pas d’optique secondaire de mise en forme des rayons en sortie du boîtier. Le doublet créé par l’association des première et deuxième couches forme à lui seul l’optique de projection des rayons émis par la source de lumière.
Ainsi, on applique au domaine automobile une technologie consistant à réaliser la zone émettrice de lumière par une forêt d’éléments électroluminescents que l'on fait croître sur un substrat, pour réaliser une topologie en trois dimensions. On comprend que cette topologie en trois dimensions présente l'avantage de multiplier la surface d'émission lumineuse par rapport aux diodes électroluminescentes connues jusque-là dans le domaine de l’automobile, à savoir des diodes sensiblement planes. De la sorte, il est possible de fournir à moindre coût de revient une lumière blanche très lumineuse.
Le dispositif prend ainsi place aussi bien dans un projecteur avant que dans un feu arrière de véhicule automobile, ou encore dans un dispositif lumineux pour l’éclairage intérieur, notamment sélectif, d’un habitacle de véhicule automobile.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels :
la figure 1 est une vue en coupe d’un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation dans lequel un boîtier fermé par une glace loge une source de lumière à semi-conducteur et une optique intégrée formant un dispositif optique selon l’invention ;
la figure 2 est une représentation schématique en perspective de la source de lumière à semi-conducteur de la figure 1, comportant une pluralité d’éléments électroluminescents s’étendant en saillie d’un substrat, dans laquelle on a rendu visible en coupe une rangée d’éléments électroluminescents, et dans laquelle l’optique intégrée formée de deux couches de matériaux transparents en recouvrement d’éléments électroluminescents n’a pas été représentée, pour laisser apparents ces éléments électroluminescents ;
la figure 3 est une vue de coté, en coupe, d’un dispositif optique selon un premier mode de réalisation, avec une source de lumière recouverte d’une première couche de protection des éléments électroluminescents et d’une deuxième couche d’un deuxième matériau transparent ;
la figure 4 est une vue de détail en perspective d’une source de lumière et son optique intégrée selon l’invention, dans laquelle il a été rendu visible l’empilement des deux couches de matériau transparent ; et la figure 5 est une vue, selon une orientation similaire à celle de la figure 3, d’un dispositif optique selon un deuxième mode de réalisation.
Un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation d’un véhicule automobile comporte une source de lumière à semi-conducteur 1, notamment logée dans un boîtier 2 fermé par une glace 4 et qui définit un volume interne de réception de ce dispositif émetteur. La source de lumière est associée à une optique de mise en forme 6 d’une partie au moins une partie des rayons lumineux émis par la source à semi-conducteur. Tel que cela a pu être précisé précédemment, l’optique de mise en forme change une direction d’au moins une partie des rayons lumineux émis par la source.
La source de lumière 1 est une source à semi-conducteur, comprenant des éléments électroluminescents de dimensions submillimétriques, c’est-à-dire des sources à semiconducteur en trois dimensions tel que cela sera exposé ci-après, contrairement aux sources classiques en deux dimensions, assimilées à des sources sensiblement planes du fait de leur épaisseur de l’ordre de quelques nanomètres alors qu’une source à éléments électroluminescents selon l’invention présente une hauteur au moins égale au micromètre.
La source de lumière 1 comprend une pluralité d’éléments électroluminescents 8 de dimensions submillimétriques, que l’on appellera par la suite bâtonnets électroluminescents. Ces bâtonnets électroluminescents 8 prennent naissance sur un même substrat 10. Chaque bâtonnet électroluminescent, ici formé par utilisation de nitrure de gallium (GaN), s’étend perpendiculairement, ou sensiblement perpendiculairement, en saillie du substrat, ici réalisé à base de silicium, d’autres matériaux comme du carbure de silicium pouvant être utilisés sans sortir du contexte de l’invention. A titre d’exemple, les bâtonnets électroluminescents pourraient être réalisés à partir d’un alliage de nitrure d’aluminium et de nitrure de gallium (AlGaN), notamment pour une émission de rayons lumineux violet ou ultraviolet, ou à partir d’un alliage de Pbospbure d’indium, de Pbospbure de Gallium et de Pbospbure d’Aluminium (AllnGaP), notamment pour une émission de rayons lumineux orange ou rouge.
Sur la figure 2, le substrat 10 présente une face inférieure 12, sur laquelle est rapportée une première électrode 14, et une face supérieure 16, en saillie de laquelle s’étendent les bâtonnets électroluminescents 8 et sur laquelle est rapportée une deuxième électrode 18. Différentes couches de matériaux sont superposées de part et d’autre du substrat, notamment après la croissance des bâtonnets électroluminescents depuis le substrat. Parmi ces différentes couches, on peut trouver un masque d’interconnexion, formé d’au moins une couche de matériau conducteur électriquement, afin de permettre l’alimentation électrique des bâtonnets. Cette couche est gravée de manière à relier entre eux les bâtonnets, l’allumage de ces bâtonnets pouvant alors être commandé simultanément par un module de commande ici non représenté. On pourra prévoir qu’au moins deux bâtonnets électroluminescents ou au moins deux groupes de bâtonnets électroluminescents de la source de lumière à semi-conducteur 1 sont agencés pour être allumés de manière distincte par l’intermédiaire d’un système de contrôle de l’allumage.
Les bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques s’étirent depuis le substrat et comportent, tel que cela est visible sur la figure 2, chacun un noyau 19 en nitrure de gallium, autour duquel sont disposés des puits quantiques 20 formés par une superposition radiale de couches de matériaux différents, ici du nitrure de gallium et du nitrure de gallium et d’indium, et une coque 21 entourant les puits quantiques également réalisée en nitrure de gallium.
Chaque bâtonnet s’étend selon un axe longitudinal 22 définissant sa hauteur, la base de chaque bâtonnet étant disposée dans un plan 24 de la face supérieure 16 du substrat 10.
Les bâtonnets électroluminescents 8 de la source de lumière à semi-conducteur présentent avantageusement la même forme. Ces bâtonnets sont chacun délimités par une face terminale 26 et par une paroi circonférentielle 28 qui s’étend le long de l’axe longitudinal. Lorsque les bâtonnets électroluminescents sont dopés et font l’objet d’une polarisation, la lumière résultante en sortie de la source à semi-conducteur est émise principalement à partir de la paroi circonférentielle 28, étant entendu que l’on peut prévoir que de des rayons lumineux sortent également, au moins en petite quantité, à partir de la face terminale 26. Il en résulte que chaque bâtonnet agit comme une unique diode électroluminescente et que la densité des bâtonnets électroluminescents 8 améliore la luminance de cette source à semi-conducteur.
La paroi circonférentielle 28 d’un bâtonnet 8, correspondant à la coquille de nitrure de gallium, est recouverte par une couche d’oxyde conducteur transparent (OCT) 29 qui forme l’anode de chaque bâtonnet complémentaire à la cathode formée par le substrat. Cette paroi circonférentielle 28 s’étend le long de l’axe longitudinal 22 depuis le substrat 10 jusqu’à la face terminale 26, la distance de la face terminale 26 à la face supérieure 16 du substrat, depuis laquelle prennent naissance les bâtonnets électroluminescents 8, définissant la hauteur de chaque bâtonnet. A titre d’exemple, on prévoit que la hauteur d’un bâtonnet électroluminescent 8 est comprise entre 1 et 10 micromètres, tandis que l’on prévoit que la plus grande dimension transversale de la face terminale, perpendiculairement à l’axe longitudinal 22 du bâtonnet électroluminescent concerné, soit inférieure à 2 micromètres. On pourra également prévoir de définir la surface d’un bâtonnet, dans un plan de coupe perpendiculaire à cet axe longitudinal 22, dans une plage de valeurs déterminées, et notamment entre 1.96 et 4 micromètres carré.
Ces dimensions, données à titre d’exemple non limitatif, permettent notamment de démarquer une source de lumière à semi-conducteur comprenant des bâtonnets électroluminescent d’une source de lumière à diodes sensiblement planes telle qu’utilisée précédemment.
On comprend que lors de la formation des bâtonnets 8, la hauteur peut être modifiée d’une source de lumière à l’autre, de manière à accroître la luminance de la source de lumière à semi-conducteur lorsque la hauteur est augmentée. La hauteur des bâtonnets peut également être modifiée au sein d’une unique source de lumière, de sorte qu’un groupe de bâtonnets peut avoir une hauteur, ou des hauteurs, différentes d’un autre groupe de ίο bâtonnets, ces deux groupes étant constitutifs de la source de lumière à semi-conducteur comprenant des bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques.
La forme des bâtonnets électroluminescents 8 peut également varier d’un dispositif à l’autre, notamment sur la section des bâtonnets et sur la forme de la face terminale 26. Il a été illustré sur la figure 2 des bâtonnets électroluminescents présentant une forme générale cylindrique, et notamment de section polygonale, ici plus particulièrement hexagonale. On comprend qu’il importe que de la lumière puisse être émise à travers la paroi circonférentielle, que celle-ci présente une forme polygonale ou circulaire par exemple.
Par ailleurs, la face terminale 26 peut présenter une forme sensiblement plane et perpendiculaire à la paroi circonférentielle, de sorte qu’elle s’étend sensiblement parallèlement à la face supérieure 16 du substrat 10, tel que cela est illustré sur la figure 2, ou bien elle peut présenter une forme bombée ou en pointe en son centre, de manière à multiplier les directions d’émission de la lumière sortant de cette face terminale, tel que cela est illustré sur la figure 3.
La source de lumière 1 comporte ici une forme rectangulaire, mais on comprendra qu’il peut présenter sans sortir du contexte de l’invention d’autres formes générales, et notamment une forme de parallélogramme.
Sur la figure 2, les bâtonnets électroluminescents 8 sont agencés en matrice à deux dimensions. Cet agencement pourrait être tel que les bâtonnets électroluminescents soient agencés en quinconce. L’invention couvre d’autres répartitions des bâtonnets, avec notamment des densités de bâtonnets qui peuvent être variables d’une source de lumière à l’autre, et qui peuvent être variables selon différentes zones d’une même source de lumière. Le nombre de bâtonnets électroluminescents 8 s’étendant en saillie du substrat 10 peut varier d’un dispositif à l’autre, notamment pour augmenter la densité lumineuse de la source de lumière, mais on convient qu’une distance de séparation, c’est-à-dire une distance mesurée entre deux axes longitudinaux de bâtonnets électroluminescents adjacents, doit être au minimum égale à 2 micromètres, afin que la lumière émise par la paroi circonférentielle 28 de chaque bâtonnet électroluminescent 8 puisse sortir de la matrice de bâtonnets. Par ailleurs, on prévoit que ces distances de séparation ne soient pas supérieures à 100 micromètres.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 3 à 5, la caractéristique de l’invention selon laquelle une source de lumière à semi-conducteur, du type décrit ci-dessus avec au moins un substrat 10 et une pluralité de bâtonnets électroluminescents 8 de dimensions submillimétriques qui s'étendent depuis une première face du substrat, est associé à une optique de mise en forme 30 formée de deux couches distinctes respectivement formées par un matériau transparent et créant ainsi un doublet optique achromatique, l’optique de mise en forme 30 étant intégrée dans la conception de la source de lumière, notamment par des étapes successives de moulage et surmoulage telles qu’elles pourront être décrites ci-après.
On a illustré sur les figures 3 et 4 un premier mode de réalisation, dans lequel le doublet est directement déposée sur le substrat 10, la première couche de matériau transparent 32 formant un encapsulant des bâtonnets 8, et sur la figure 5 un deuxième mode de réalisation, dans lequel le doublet est déposé sur un encapsulant formé préalablement sur le substrat et dans lequel sont noyés les bâtonnets.
On comprendra que les figures sont ici représentatives schématiquement de l’agencement de certains des différents composants, et que l’échelle notamment des figures 3 et 5 n’est pas respectée. Afin de corriger les aberrations chromatiques et d’assurer une netteté de l’image projetée, il convient de prévoir une source de lumière qui ne soit pas trop étendue par rapport à la surface de dioptre ménagé entre les deux couches du doublet de l’optique de mise en forme intégrée. A titre d’exemple, on pourra prévoir une source de lumière présentant une surface sensiblement égale à 1mm2, et un premier dioptre présentant une surface sensiblement 30 fois supérieure à celle de la source de lumière. Cette ouverture est notamment rendue possible par le fait que l’on a besoin d’obtenir une image nette dans le champ, c’est-à-dire au centre de l’image projetée, et pas nécessairement sur les bords de celle-ci.
L’optique de mise en forme 30 est constituée d’un premier matériau transparent, formant une première couche de protection 32 des bâtonnets 8, et d’un deuxième matériau transparent, différent du premier matériau et formant une deuxième couche 34 disposée sur la première couche de protection des bâtonnets. C’est la superposition de ces couches qui forme l’optique de mise en forme 30.
La première couche de protection 32 est disposée sur la première face 16 du substrat 10, à partir de laquelle s’étendent les bâtonnets électroluminescents 8. Elle présente une épaisseur déterminée pour qu’au moins un bâtonnet soit intégralement noyé dans la couche de protection.
Le deuxième matériau formant la deuxième couche 34 présente un indice de réfraction et une constringence différents de ceux du premier matériau formant ladite première couche de protection 32. On crée ainsi, au niveau du ou des bâtonnets intégralement noyés, un doublet optique avec seulement deux dioptres, puisque la source de lumière est noyée dans le premier élément optique. Un premier dioptre 36 est formé à la jonction entre la première couche du premier matériau et la deuxième couche du deuxième matériau, et le deuxième dioptre 38 est formé par la face dégagée de la deuxième couche de matériau.
Tel que cela est visible sur les figures, la deuxième couche de matériau transparent comporte une première face 40 au contact de la première couche de protection des bâtonnets et une deuxième face opposée libre 42, de forme convexe dont le sommet s’étend en éloignement de la source de lumière. La forme de la première face 40 de cette deuxième couche varie en fonction de la forme de la face d’extrémité distale de la première couche, et peut notamment avoir une forme bombée centrée sur l’axe optique de la source de lumière (figure 3).
La couche de protection formée par le premier matériau transparent joue le rôle d’un dioptre divergent du fait du contact avec la lentille d’indice de réfraction plus élevé formée par la deuxième couche de matériau transparent. On a ainsi un dioptre divergent et un dioptre convergent, mais avec une même orientation de courbure.
La couche de protection des bâtonnets s’étend avantageusement sur toute l’étendue du substrat afin de protéger l’ensemble des bâtonnets, et la deuxième couche venant en superposition de la première couche peut s’étendre de manière à recouvrir intégralement ou partiellement la couche de protection, en regard d’un groupe déterminé de bâtonnets électroluminescents.
Il a été précisé que les deux matériaux transparents sont différents. Plus particulièrement, on pourra prévoir que le premier matériau transparent formant la couche de protection est un matériau à base de silicone. On noie ainsi les bâtonnets dans un matériau à forte constringence et faible indice de réfraction, formant une couche divergente entourant les bâtonnets émetteurs de lumière.
En outre, il est possible d’intégrer dans cette couche de matériau à base de silicone des moyens de conversion de longueur d’onde, et par exemple des luminophores, aptes à absorber au moins une partie des rayons émis par l’un des bâtonnets et à convertir au moins une partie de ladite lumière d’excitation absorbée en une lumière d’émission ayant une longueur d’onde différente de celle de la lumière d’excitation. On pourra prévoir que les moyens de conversion de longueur d’onde sont noyés dans la masse du matériau, et notamment qu’ils sont contenus dans une première portion de la première couche, au voisinage direct des bâtonnets et à distance de la face bombée. On peut prévoir que cette première portion, contenant le ou les luminophores, présente une épaisseur inférieure à 10% de l’épaisseur de la première couche, de préférence inférieure à 1% de l’épaisseur de la première couche.
Le deuxième matériau transparent diffère du premier matériau par son indice de réfraction et par sa constringence, et il diffère notamment en ce qu’il présente un indice de réfraction plus élevé que celui du premier matériau formant ladite première couche de protection. Dans le cas présent, le premier matériau à base de silicone présente un indice de réfraction sensiblement égale à 1.4, et un coefficient de dispersion sensiblement égal à 50, et le deuxième matériau, choisi parmi les polymères transparents de type polycarbonate (PC), ou polyméthacrylate de méthyle (PMMA), présente un indice de réfraction compris entre 1.49 et 1.6.
Ainsi, depuis le foyer d’émission de lumière, et dans la direction d’émission des rayons de lumière, on a un premier élément optique à base de silicone, d’indice de réfraction faible et à forte constringence, c’est-à-dire susceptible de réaliser de faibles dispersions chromatiques de la lumière blanche le traversant, puis un deuxième élément optique d’indice de réfraction plus élevé que celui du silicone et susceptible de réaliser de fortes dispersions chromatiques.
Dans un premier mode de réalisation, plus particulièrement illustré sur les figures 3 et 4, la première couche de protection 32 présente, sur une face d’extrémité distale 44, c’està-dire une face tournée à l’opposé des bâtonnets 8 de la source de lumière, au moins une forme bombée 46 dont le sommet s’étend à l’opposé du substrat duquel s’étendent les bâtonnets électroluminescents. Et la deuxième couche de protection 34 présente une forme bombée en conséquence, c’est-à-dire avec un centre de courbure situé du côté de la source de lumière. Chacune de ces formes bombées présente une forme de révolution autour d’un axe centré sur un bâtonnet électroluminescent.
La deuxième couche 34 formée par le deuxième matériau transparent est disposée contre la première couche de protection 32. On pourra notamment prévoir que la deuxième couche est obtenue par surmoulage de la première couche après que celle-ci ait été également surmoulée sur la source de lumière à bâtonnets. La deuxième couche comporte une base 48 directement au contact de la première couche de protection et entourant ladite forme bombée 46, et une portion en forme convexe 50, d’un premier axe sensiblement confondu avec l’axe optique du dispositif optique et dont le sommet est à l’opposé de la première couche de protection de matériau transparent. De la sorte, la deuxième couche de deuxième matériau forme une lentille présentant une portion sphérique.
Il est notable que le centre de courbure de la portion sphérique 50 est disposé du même côté de la deuxième couche 34 que le foyer de ladite lentille et la source émettrice des rayons lumineux. On a ainsi, tel que cela a été évoqué précédemment, un dioptre divergent et un dioptre convergent, mais avec une forme bombée de la première couche et une forme convexe de la deuxième couche qui ont une même orientation de courbure.
Sur la figure 4, il a été illustré un cas particulier quant à l’épaisseur de la deuxième couche de matériau transparent, et notamment l’épaisseur de la base 48, qui est sensiblement égale à la dimension, le long de l’axe de révolution de la portion sphérique 50, de la forme bombée 46 correspondante.
On va maintenant décrire un deuxième mode de réalisation, en se référant à la figure 5, qui diffère du premier mode de réalisation en ce que les deux couches de matériaux transparents, formant l’optique de mise en forme intégrée à la source de lumière, sont disposées sur la source de lumière en complément d’un encapsulant 52 dans lequel sont noyés les bâtonnets. Le doublet est ainsi surmoulé sur cet encapsulant, qui peut notamment être réalisé en silicone et qui forme la couche de protection des bâtonnets, alors que c’est la couche du premier matériau transparent qui jouait ce rôle dans le premier mode de réalisation.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la couche du premier matériau transparent du doublet peut être formée par une plaque de verre 54 disposée à même l’encapsulant, en un contact plan. Et l’ensemble formé par le substrat 10 et les bâtonnets 8, l’encapsulant 52 et la plaque de verre 54 est surmoulé de la deuxième couche de matériau, qui peut consister en une épaisseur déterminée de silicone. Comme précédemment, la face de la plaque de verre tournée à l’opposé de la source de lumière présente une forme bombée sur laquelle est surmoulée la deuxième couche 34.
L’utilisation de verre offre un plus grand choix d’indice de réfraction et de constringence, en offrant en outre une grande stabilité thermique de ces valeurs. Le fait que celles-ci ne bougent pas lors du fonctionnement de la source, et donc d’une montée en température, permet de réaliser une correction constante du chromatisme.
On comprend que l’utilisation de verre implique une mise en œuvre délicate puisque, pour réaliser le surmoulage de la deuxième couche de matériau transparent, il convient de fermer le moule sans casser le verre. Cette particularité de mise en œuvre pourra être un critère de choix de l’un ou l’autre des modes de réalisation.
Dans chacun des modes de réalisation représentés, la face de la deuxième couche de matériau destinée à venir contre la première couche de matériau peut être configurée pour former un réseau de diffraction. Dans ce cas, la deuxième couche de matériau est réalisée à part et rapportée à force contre la première couche de protection, de manière à, lorsque la deuxième couche est pressée contre la première couche de protection, conformer la face d’extrémité distale de la première couche de protection en une forme correspondant au réseau de diffraction.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Dispositif optique comportant une source de lumière (l) à semi-conducteur, ladite source comprenant au moins un substrat (lO) et une pluralité d’éléments électroluminescents (8) de dimensions submillimétriques qui s'étendent depuis une première face (l6) du substrat, caractérisé en ce qu’il comporte une optique de mise en forme (30) qui est disposée en regard des éléments électroluminescents et qui prend la forme d’un doublet optique formé par la superposition d’un premier matériau transparent (32) s’étendant au voisinage des éléments électroluminescents et d’un deuxième matériau transparent (34), différent dudit premier matériau transparent, agencés de sorte que le premier matériau est disposé entre les éléments électroluminescents et le deuxième matériau, ledit deuxième matériau ayant un indice de réfraction et une constringence différents de ceux du premier matériau.
- 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique comporte une couche de protection disposée sur la première face (16) du substrat (lO) et dans laquelle au moins un élément électroluminescent (8) est intégralement noyé.
- 3. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de protection comprend un luminophore ou une pluralité de luminophores excités par la lumière générée par au moins un de la pluralité d’éléments électroluminescents.
- 4. Dispositif optique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier matériau transparent (32) forme ladite couche de protection des éléments électroluminescents.
- 5. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier matériau transparent (32) est un matériau à base de silicone.
- 6. Dispositif optique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier matériau transparent (32) est disposé sur un encapsulant (52) formant la couche de protection.
- 7. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier matériau transparent prend la forme d’une lentille en verre (54).
- 8. Dispositif optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième matériau transparent (34) comporte une première face (40) au contact du premier matériau transparent (32) et une deuxième face opposée libre (42) convexe.
- 9. Dispositif optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau (34) présente un indice de réfraction plus élevé que celui du premier matériau (32).
- 10. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième matériau est cboisi parmi un polycarbonate (PC), ou un polyméthacrylate de métbyle (PMMA).
- 11. Dispositif optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier matériau (32) présente, sur une face d’extrémité distale (44), une forme bombée (46) dont le sommet s’étend à l’opposé du substrat (îo) duquel s’étendent les éléments électroluminescents (8).
- 12. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la forme bombée (46) est une forme de révolution autour d’un axe centré sur la source de lumière (l).
- 13. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième matériau transparent forme une couche comportant une base (48) directement au contact de la première couche de protection (32) et entourant ladite forme bombée (46), et une portion en forme convexe (50) ayant un axe de symétrie de révolution confondu avec l’axe optique (X-X) du dispositif et dont le sommet est à l’opposé de la première couche de protection de matériau transparent.
- 14. Dispositif optique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de deuxième matériau (34) forme une lentille présentant une portion asphérique dont le centre de courbure est disposé du même côté de cette couche que le foyer de ladite lentille.
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| US20150144873A1 (en) * | 2013-11-25 | 2015-05-28 | Kyung Wook HWANG | Nanostructure semiconductor light emitting device |
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- 2016-11-10 FR FR1660933A patent/FR3058571B1/fr active Active
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