(57)【要約】      （修正有）【課題】短焦点照明のための広角照明パターンを生成する発光装置を提供する。【解決手段】平面光ソース２０１と、平面トップ２０３及び横方向フランク２０４を含む光入射面、中央窪み部２０５及び囲みトロイド２０６を有する光出射面、並びに光入射面と光出射面とを連結する底面２０８を含む短焦点レンズ２００とを含み、底面は平面光ソースの水平光軸に対して傾斜して配置され、平面トップは中央窪み部に対向し、基準軸と平面光ソースの発光表面との交差点を基準点として基準点と光入射面上の任意の点との距離であるＲ1は、基準軸と基準点及び光入射面上の任意の点を通過する直線との間の角であるα1が増加するにつれて単調に増加し、基準点と光出射面上の任意の点との距離であるＲ２は基準軸と基準点及び光出射面上の任意の点を通過する直線との間の角であるα２が増加するにつれて増加する。【選択図】図２０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子の基準軸に対して対称なキャビティを有し、前記キャビティに配置され、平坦な上面および横方向フランクを含む光入射面、中央窪み部および囲みトロイドを有する光出射面、並びに前記光入射面と前記光出射面とを連結する底面を含む照明レンズと、を含み、
前記底面は、前記発光素子の水平光軸に対して前記光入射面と接触する部分を基準として傾斜して配置され、
前記平坦な上面は、前記中央窪み部に対向し、
前記基準軸と前記発光素子の発光表面との交差点を基準点として、前記基準点と前記光入射面上の任意の点との距離であるＲ1は、前記基準軸と、前記基準点および前記光入射面上の任意の点を通過する直線との間の角であるα1が前記α1＜２５゜の範囲内で、前記α1が増加するにつれて単調に増加し、
前記基準点と前記光出射面上の任意の点との距離であるＲ２は、前記基準軸と、前記基準点および前記光出射面上の任意の点を通過する直線との間の角であるα２が前記α２＜６０゜の範囲内で、前記α２が増加するにつれて増加し、
前記照明レンズを形成する材料の屈折率ｎ、Ｒ２の増加分△Ｒ２及びα２の増加分△α２は、
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【請求項２】
前記中央窪み部は、発散レンズとして作用する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記平坦な上面は、前記発光素子の延長方向と実質的に平行である、請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記照明レンズは、１．４１以上１．６５以下の屈折率を有する透明材料を含む、請求項１乃至３のいずれか一に記載の発光装置。
【請求項５】
前記発光素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１乃至４のいずれか一に記載の発光装置。
【請求項６】
前記照明レンズの前記底面は、黒色ペイントでペイントされている、請求項１乃至５のいずれか一に記載の発光装置。
【請求項７】
前記照明レンズの前記底面は、光のフレネル反射を吸収する、請求項６に記載の発光装置。
【請求項８】
前記照明レンズの前記底面の光の吸収率が少なくとも９０％である、請求項６または７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記発光素子が配置されるプリント回路基板をさらに含み、前記プリント回路基板の表面の光の吸収率が少なくとも８０％である、請求項６または７に記載の発光装置。
【請求項１０】
少なくとも一つのペグ（ｐｅｇ）をさらに含み、
前記少なくとも一つのペグは前記底面と前記プリント回路基板との間に配置される、
請求項９に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の例示的な実施形態は、短焦点照明に適した広角照明パターンおよびその表面プロファイルを生成するための一般的な設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、非常に小さい（数ｍｍ距離）ゾーンで光を生成することができ、大きいターゲットゾーン、特に、ＬＥＤからの距離より広いゾーンでそのフラックス（ｆｌｕｘ）を均一に拡散させることを課題とする。近いターゲットのいわゆる短焦点照明は、遠いターゲットを目標とするスポット照明の反対である。ＬＥＤは、自らスポットライトビームを生成することができず、コリメートレンズを必要とするため、これらもまた同様に広角照明に適さず、広角照明を実現するためには、照明レンズを必要とする。
【０００３】
短焦点照明の代表例として、直視型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）ＴＶ用のバックライトユニット（ＢＬＵ）のための光学レンズが挙げられる。ここで、ＢＬＵの全体厚さは通常２６ｍｍ以下であり、ＬＥＤ間の内部距離は略２００ｍｍである。ＬＣＤバックライトは、その光を導波管に導入し、透明導波管の端周辺に配列された蛍光管からなってもよく、これによって、均一な放出により実際のバックライティングが行われる。蛍光管はその厚さが原因でバックライトの周縁上に位置することがあるが、発光ダイオードははるかに小さいためＬＣＤディスプレイのすぐ後ろに位置することができる（いわゆる「直視型バックライト」）。しかし、これらの点状性質（ｐｕｎｃｔａｔｅ  ｎａｔｕｒｅ）は、均一性をより難しくし、過去２０年間広範囲な従来技術を促進した。しかし、このような技術の全部が超薄（ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ）ディスプレイに適してはいなかった。
【０００４】
制限的なアスペクト比を有する他の顕著なアプリケーションとして、リーチイン（ｒｅａｃｈ−ｉｎ）冷蔵庫キャビネットのアプリケーションが挙げられる。小売業のための商業用冷蔵庫キャビネットは、ドアヒンジポストの後ろに設置された照明手段を有するガラスドアを共通して有しており、これを市場では中枠（ｍｕｌｌｉｏｎ）と称する。従来、冷却条件がその発光効率および寿命にどれほど悪い影響を及ぼすかに関係なく、管状蛍光ランプが棚照明の唯一の手段であった。また、蛍光ランプは、キャビネットの棚上に非常に不均一な照明パターンを生成する場合がある。しかし、発光ダイオードは、冷却条件に好適であり、蛍光管より小さく、蛍光管より均一なパターンを提供するための照明レンズの採用を許容する。蛍光管は、棚の上にのみ放射するのではなくすべての方向に放射するため、これらの光のうち相当な量が無駄になる。しかし、適した照明レンズを用いることで、ＬＥＤはより効率的になるため、良好なＬＥＤの効果及び蛍光管より低い電力レベルを得ることができる。
【０００５】
ＬＥＤ照明レンズは、どれだけ多くのＬＥＤが使用されるかに応じて、三つのグループに分類することができる。
【０００６】
（１）米国特許７，２７３，２９９および７，７３１，３９５に開示されたような小型近接離隔したＬＥＤのラインを有する押出された線形レンズ（ｅｘｔｒｕｄｅｄ  ｌｉｎｅａｒ  ｌｅｎｓｅｓ）
（２）円形対称照明レンズ
（３）米国特許７，６７４，０１９に開示されたような長方形パターンを有する自由形照明レンズ
【０００７】
前の二つの接近法は、一定の均一性を達成するために多数のＬＥＤを必要とするが、ＬＥＤの近年の傾向は、電力の節約を図るとともにより少ないＬＥＤによって高い光量を生成することである。これは、最後の接近法の利点であるが、長方形パターンを有する自由形レンズは、コースティック（ｃａｕｓｔｉｃ）（コースティックは上昇した照度の明らかに小さい領域である。）がないその重なりに対する十分な形状精度が要求されるため、射出成形による生産が難しい。
【０００８】
また、毎年続くＬＥＤフラックス出力の向上に伴い、ＬＥＤの低減が必要となったときに、従来技術では問題となる。つまり、バックライトの厚さは実際に内部ＬＥＤ間隔に関連するものであって、全体バックライトの全体幅に関連するものではない。例えば、ＬＥＤ間における４”の間隔を有する１”の厚さのＬＣＤバックライトにおいて、レンズの役割は、上述の冷蔵庫キャビネットに比例的に類似する。２．５×５フィートの冷蔵庫キャビネットに比べて小さいＬＣＤのサイズのために、より小さい発光領域を有するより低い電力のＬＥＤ、典型的にはドーム状シリコンレンズを有していないトップ（Ｔｏｐ）−ＬＥＤの構成が使用されてもよい。
【０００９】
かかる問題に対応するための多様な設計方法は米国特許出願番号２００６／０１３８４３７および米国特許７，３４８，７２３、７，４４５，３７０、７，６２１，６５７および７，７９８，６７９に開示されている。しかし、米国特許７，７９８，６７９は、レンズプロファイルの一般的な曖昧な説明のみを含んでおり、その一般的な説明に相当する膨大な数の相違する形状を区分するための特定の方法は含んでいない。
【００１０】
経験上、照明レンズは、未熟な射出成形または微妙な設計欠陥に起因する小さい形状誤差も許容されない可能性がある。レンズの部分的な傾斜における非常に小さい変化によって、製品における努力が台無しになってしまうという、非常に可視的な照明加工品（アーティファクト）になりうる。したがって、ＵＳ特許７，７９８，６７９と同様に、最も誤差が多く性能に劣るレンズもそれらを精密に満たしているため、かかる一般的な説明は、精密で高性能のレンズの実際の使用では十分でないことがある。また、米国特許７，７９８，６７９は、その詳細な説明において、現代の光学製造において必要な、特定的で区分された形状仕様を提供しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ここで、短焦点照明に適した広角照明パターンを生成する実施形態について開示する。また、その表面プロファイルを生成するための一般的な設計方法について開示し、これは非結像光学、具体的にはその新たなブランチ、光測定非結像光学に基づく。この分野は、光源、この場合にはＬＥＤの所定のサイズに必要な最小サイズレンズとして規定された障害を有し、照明パターンを生成する障害に応じて照明パターンを分析および分類するために、新たな方式でエタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）の基本的な非結像光学アイディアを適用する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の目的は、特に、小売される冷蔵ディスプレイ及び可能な限り最も薄い直視型ＬＣＤバックライトにおいて、数値的に特定されて配列されたレンズ構成が、近接する平面ターゲットに対して均一な照明を提供することを開示することにある。
【００１３】
本発明の第２の目的は、付加的で意図しない第２光源として動作するフレネル反射による体積散乱および散乱がもたらす照明パターン歪みに対する補償を提供することにある。
【００１４】
上述の一般的な説明と後述する詳細な説明は、両方とも例示的且つ説明的なものであって、請求の発明の追加の説明を提供するためのものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に統合され、その一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を説明し、説明とともに本発明の原理を説明する役割をする。
【００１６】
【図１】円形パターンによって光が照射される長方形ドアを示す図である。
【図２】個別照明パターンのグラフである。
【図３】傾斜角を有する、図１のドアの断面図である。
【図４】必要なソース倍率のグラフである。
【図５】照明レンズおよびＬＥＤの断面図である。
【図６ａ】ターゲットからのソース−イメージ線を示す図である。
【図６ｂ】ターゲットからのソース−イメージ線を示す図である。
【図６ｃ】ターゲットからのソース−イメージ線を示す図である。
【図６ｄ】ターゲットからのソース−イメージ線を示す図である。
【図６ｅ】ターゲットからのソース−イメージ線を示す図である。
【図６ｆ】ターゲットからのソース−イメージ線を示す図である。
【図７】長方形ドアが４個のＬＥＤのみによってどのように光が照射されるかを示す図である。
【図８】追加の照明レンズおよびＬＥＤの断面図である。
【図９】体積散乱の数学的説明を示す図である。
【図１０】照明パターンのグラフである。
【図１１】プロファイル生成の２Ｄソース−イメージ方法を設定する図である。
【図１２】図１１によるプロファイル生成の方法を示す図である。
【図１３ａ】プロファイル生成の３Ｄソース−イメージ方法を示す図である。
【図１３ｂ】プロファイル生成の３Ｄソース−イメージ方法を示す図である。
【図１４】規定線（ｄｅｆｉｎｉｎｇ  ｒａｙ）を有する平凹レンズ−中央を示す図である。
【図１５】規定線を有する両凹レンズ−中央を示す図である。
【図１６】規定線を有する平凹レンズ−中央を示す図である。
【図１７】図１４のレンズ−中央からなる完全なレンズを示す図である。
【図１８】図１５のレンズ−中央からなる完全なレンズを示す図である。
【図１９】図１６のレンズ−中央からなる完全なレンズを示す図である。
【図２０】図１９による短焦点照明レンズを示す図である。
【図２１】図２０の短焦点照明レンズの特徴を詳細に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図示する添付の図面を参照して本発明についてより詳細に説明する。しかし、本発明は、多様な形態に実現してもよく、ここで開示された実施形態に限定して解釈してはならない。むしろ本実施形態が提供されることで、本発明が完全となり、本技術分野における当業者に本発明の範囲が十分に伝達されるであろう。図面において、層および領域のサイズおよび相対的なサイズは、明瞭性のために誇張されることがある。図面における同一参照符号は同一要素を指す。
【００１８】
ある要素または層が他の要素または層「上（ｏｎ）」に位置するかこれに「接続」されると表記するときに、それは、他の要素または層上に直接位置し、直接接続され、又は間に他の要素または層が存在してもよい。一方、ある要素が他の要素または層「上に直接」位置するか「直接接続」されると表記するときには、間に他の要素または層は存在しない。本発明の目的のために、「Ｘ、ＹおよびＺの少なくともいずれか一つ」は、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみ、または、Ｘ、ＹおよびＺのいずれか２以上の項目の任意の組み合わせ（例えば、ＸＹＺ、ＸＹＹ、ＹＺ、ＺＺ）と解釈してもよい。
【００１９】
ここで、説明を容易にするために、「下に（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下部に（ｂｅｌｏｗ）」、「より下に（ｌｏｗｅｒ）」、「上に（ａｂｏｖｅ）」、「上部に（ｕｐｐｅｒ）」などの空間関連用語は、図面に示された他の要素（複数の要素）または特徴部（複数の特徴部）に関する一つの要素または特徴部の関係を説明するために使用されることができる。空間関連用語は、図面に示された方向に加え、使用または動作中のデバイスの相違する方向を含んでもよい。例えば、図面において、デバイスを覆すと、他の要素または特徴部の「下部に」または「下に」に位置すると説明した要素は、他の要素または特徴部の「上に」配向されるであろう。したがって、例示的な用語である「下部に」は、上方および下方の両方の方向を含むことができる。デバイスは様々に配向（９０°または他の方向に回転）されてもよく、ここで使用される空間的に相対的な記述はそれに応じて解釈することができる。
【００２０】
小売のための商業用冷蔵庫ディスプレイキャビネットは、通常、３”〜８”の中枠から棚の前方までの距離範囲を有する。当該ディスプレイキャビネットは、空間がより小さい場合、店主がそのリーチイン冷蔵庫キャビネットにより多い品物を入れようとする。蛍光管は、このような密集した空間で用いるには多くの困難があり、ＬＥＤ照明技術の受容が加速化する。現在、蛍光管がＬＥＤに相当する効果を有しても、そのサイズ大きさと全方向発光がその効率を低下させるため、中間−棚領域を適宜光照射することは困難である。初期のリーチイン冷蔵庫ＬＥＤイルミネータは、多数の低フラックス（ｌｏｗ−ｆｌｕｘ）ＬＥＤを使用していたが、発光効率が発展しつづけることで、少ないＬＥＤで同一の照度を得ることが可能となった。これは、ＬＥＤのサイズに比べて最小の可能なサイズをも有する間、配列され、均一に要約される照明レンズを有することに対する利点を有する。
【００２１】
図１はその反対側に示されていない他のドアを有する３０”の幅および６０”の高さの通常の冷蔵庫のドアを示す長方形アウトライン１０を示す。点線の長方形１１は、その後ろに照明が設置される棚の前方から典型的には３−６”で棚照明が設置された中枠を示す。これは、中央ライン１２で示された棚の中央に対する距離をより近くする。１２個のイルミネータ（各側に６個）が存在し、これらのうち４個が小型の円１で示される。それぞれのイルミネータは、実線の円２で示されたリングでピークを有し、点線の円３上で端部を有する光が照射された円を生成する。ここで、円２は、棚の幅の１／４または中央ライン１２までの距離の半分の半径を有する。照度がゼロまで低下した円３は、反対側の中枠から円２を満たすためにサイズが定められる。
【００２２】
図２は上述の図１と同様に水平にスケーリングされた横座標２１を有するグラフ２０を示す。縦座標２２は、０〜１にスケーリングされ、曲線２３によってグラフで示されるように、中枠下のイルミネータによって棚上で生成される理想的な照度Ｉ（ｘ）を示す。照度関数は、ｘＭの半径を有する円２上における最大値に対して相対的なものである。照度は、半径ｘＥでゼロまで低下する。このような徐々に低下する照度は、ドアの反対側上のイルミネータのうち徐々に上昇する一つと対をなし、二つのパターンが図１のライン４に沿って所定の照度に合わせられる。
【００２３】
実際の射出成形されたプラスチックレンズは、その材料内で体積散乱が生じ、レンズ自体をトランスミッタではなくエミッタにする。このように体積散乱された光は、レンズの真上で最も強いであろう。図２において、３／４レベルに表示されたパターン２３の中央ディップ（ｄｉｐ）は、他の体積散乱された光を補償して、（直接加えられて散乱された）全体のパターンが円２内で平坦になる。かかる効果は、後述するより大きいレンズにおいてより顕著になる。
【００２４】
このように、徐々に低下するパターンの類型の他の利点は、中央ライン１２上の任意の点が各中枠上の複数のイルミネータによって光が照射されても、良好な均一性を保障することである。点線の曲線２４は、ＬＥＤ単独の照明パターンを示す。これは、均一性は言うまでもなく、満足な照明になるまで追加することは明らかに許容されないため、照明レンズがこのような光を適切に拡散させる必要がある。
【００２５】
図３は図１のものと同じ棚−前方長方形３０の断面を示す。イルミネータは、小型の長方形３１で示したように位置する。本発明の目的は、ｚＴ＝４”の距離にある場合のように、棚から非常に近接した場所から光を照射することの困難に対処することにある。図３は、イルミネータ３１のパターンがゼロの照度に達した、中央ライン３３および端部ライン３４にそれぞれ対する距離ｘｍ＝１５”およびｘＥ＝２２．５”を示す。このような距離は、以下で示すノーマルからオフ−軸（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）角に対応する。
【００２６】
2018125535.tif 000003
【００２７】
このような高い傾斜角では、レンズ設計においてレンズによるソースの相当な横倍率が要求される。これに対し、低い傾斜角では、レンズは縮小されなければならない。
【００２８】
このような拡大と縮小の概念は、エタンデュを考慮することによりさらに明確にすることができる。ソース−エタンデュは、屈折率ｎ＝１．４５のドームに浸漬された、領域ＡＳ＝２．１ｍｍ２のチップである。
2018125535.tif 000004
【００２９】
ここで、θは、ＬＥＤが非常に良好な近似体であるランバート（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）ソースに対して９０゜である。
【００３０】
照明レンズは、チップよりはるかに大きいターゲットに対して、基本的にこのようなエタンデュを再分配する。図２の照明パターンの場合、ターゲットエタンデュは、図２の比較照明関数２３によって加重化した、図１の４５”照明円の領域ＡＴに関するものである。実際、照明パターンは、このような単純なモデルでは、照度ＩＯに対する中央ディップ、ｘ＝ｘＭで１への上昇、およびｘ＝ｘＥでゼロへの線形減少（ｆａｌｌ‐ｏｆｆ）を有する。これは、数学的に以下のように表現される。
2018125535.tif 000005
【００３１】
また、ターゲットエタンデュは、容易に解ける積分によって以下のように与えられる。
2018125535.tif 000006
【００３２】
ここで、θＴはソースと同じエタンデュを有する狭角コリメートビームの半角であり、
2018125535.tif 000007
【００３３】
レンズの中央において、これは、３／４だけ±０．１３゜に減少する。これは、図３に示された距離ｚＴで、棚の上方から直接見たときにソース単独の限界視角と対比される。
2018125535.tif 000008
【００３４】
したがって、レンズの中央縮小は、１：４．５になる必要があり、負の焦点距離を有するエキスパンダとして機能するためにレンズの中央部分は凹状であることを定める（ｄｉｃｔａｔｉｎｇ）。これは、非常に曲がった内部表面を有する平頂（ｆｌａｔ−ｔｏｐｐｅｄ）外部表面または非常に曲がった外部表面を有する平頂内部表面によって境界化した凹部の連続体上で達成することができる。図５の構成は、このような限界の間にある。
【００３５】
図３に示すように、高傾斜角γは、均一な照明を実現するためにレンズによって形成されたソースイメージが１／ｃｏｓγのファクターによって通常に入射するものに比べて、大きくなければならないことを意味する。ソース自体は、ｃｏｓγの傾斜ファクターによって短縮されるだけでなく、ｃｏｓ２γの追加ファクターによって、より遠くから見たときに、より小さく見える。したがって、必要となるレンズ倍率は、以下のとおりである。
2018125535.tif 000009
【００３６】
以下で与えられるオフ−軸角で１／４オン−軸から１に倍率が増加することに留意すべきである。
2018125535.tif 000010
【００３７】
このような角は、コサイン−キューブド（ｃｏｓｉｎｅ−ｃｕｂｅｄ）ファクターによって照度を希釈化して、外部により多くの光を投射する必要がある箇所ほど、レンズ出力がより強くなければならない。ＬＥＤソースがそれ自体のコサイン減少を有する点を考慮すると、必要な全体ソース倍率は、公知のｃｏｓ−４ファクターであり、それぞれ７５゜で２２３に、８０゜で１１００に達する。このような有害なファクターは、それによって減少するため、これに図２の照明パターンの減少の利点がある。
【００３８】
図４はオフ−軸角γで０°以上８０°以下に至る横座標４１と均一照明に必要なソース倍率Ｍ（γ）を示す縦座標４２を有するグラフ４０を示す。単位倍率は、レンズがないときと同一サイズのソースイメージとして規定される。このような倍率が意味することは、本発明の照明レンズが、いかなるレンズもないランバートＬＥＤソースより大きい、棚から見た輝くソースのイメージを生成しなければならないことである。曲線４３は、４”棚−距離を均一に光を照射するために必要な倍率が７７．５゜でピークであることを示し、下位曲線４４は、７１゜でピークである、６”棚−距離の再分配は、本発明の構成に関する理由である。
【００３９】
図５はそのプロファイルとしてアーク５２を有する中央球状ディンプルを含み、そのプロファイルとして楕円形アーク５３を有する囲み環状体（ｔｏｒｏｉｄ又はトロイド）を有する上部表面によって境界化し、また、鐘型（ｂｅｌｌ−ｓｈａｐｅｄ）プロファイル５４を有する中央キャビティを含み、直線プロファイル５５と回路基板５７に向かうペグ（ｐｅｇ）５６で上部表面と接続される光学的に非活性の円錐でこれを囲む下部表面によって境界化される照明レンズ５１を含むイルミネータ５０の断面を示す図である。イルミネータ５０は、透明半球ドーム５８Ｄに浸漬された発光チップ５８Ｃを有するＬＥＤパッケージ５８をさらに含む。「トロイド」という用語は、ゼロ傾斜角の場合を単独で含む通常の用語である「トーラス（ｔｏｒｕｓ）」と区分される。冷蔵庫キャビネットの棚−前方の急に傾斜した照明設定は、トーラスを傾斜させることを当然に含むため、楕円形アークのレンズ効果は棚の中央に向かう。
【００４０】
図５のアーク５２は、この場合には１７゜の傾斜角τに延長し、その重要性は、楕円形アーク５２の長軸５２Ａの傾斜角であるということである。その短軸５２Ｂは、アーク５１の端部で半径に整列されて、同等な表面接触を有するプロファイル−整列を保障する。相違する棚距離に対して意図された、照明レンズ５１の特定の外部表面を規定する３個の自由パラメータが存在する。第一は、照明レンズ５１の中央部分によって縮小量を制御するアーク５２の半径である。第二は、図１の棚の中央に向かう楕円形アーク５３の方向を規定する傾斜角τである。上部表面の第三の自由パラメータは、上述したソース倍率を規定する短軸５３Ｂに対する長軸５３Ａの割合であり、この場合には１．３：１である。扇状の光線（ｒａｙ−ｆａｎ）５９は、オフ−軸角の２°間隔での中央光線（すなわち、チップ５８Ｃの中央から出発）を含む。点線アーク５９Ｃで示す中央の１０個光線は、レンズ５１の中央の発散特性を示し、これは、均一照明のために必要な中央縮小を提供する。残りの光線は水平に対して急角度で全て送られ、これは図４の横方向ソース倍率を提供する。
【００４１】
ＬＥＤ５８を囲む中央キャビティは、Ｚｖで頂点、曲率ｒｃの頂点半径、４ｔｈ−次係数ｄおよび６ｔｈ−次係数ｅを有する放物線（すなわち、−１の円錐定数）に対する標準非球面公式によって規定される鐘型プロファイル５４を有する。
2018125535.tif 000011
【００４２】
プロファイル５４がアーク上方ではなく下方になるために、曲率ｒｃの半径は負である。非球面係数は、鐘（ｂｅｌｌ）の底面で上方カール（ｃｕｒｌ）を提供して、照明パターンの切断を容易にする。図５の特に好ましい実施形態では、キャビティ入口の直径が６．４５ｍｍに設定され、以下によって規定される。
2018125535.tif 000012
【００４３】
このようなプロファイルは、他の棚の距離を光照射する好ましい実施形態に対して適合されるために、若干の修正を要する。
【００４４】
図６ａ〜図６ｆは照明レンズ６０およびＬＥＤチップ６１を示す図である。図６ａにおいて、光線６２は、レンズから横方向を示すｘ座標０、２”および４”で棚上のポイントから放出される。ソースイメージの規定するそれぞれの束は、チップ６１の端部でその光線が終了するのに十分に広い。それぞれの束は、上述した縮小に従って、自身によって現れるチップ６１より狭い。光線６２によって横断されるレンズ６０の中央部は、上述したように凹状で、発散レンズのように見える。
【００４５】
図６ｂは、距離ｘＭから図２の照明パターンの最大値に進む光線束６３を示す図である。これは図６ａに示す幅の２倍である。
【００４６】
図６ｃは図２に示すように、距離ｘｍから棚の中間まで進む光線束６４を示す図である。
【００４７】
図６ｄは１８”で中間の棚を越えて進む光線束６５を示す図である。
【００４８】
図６ｅは２０”で中間の棚を越えて入射する光線束６６を示す図であり、レンズをほとんど充填する。これが、このようなサイズのレンズが扱うことができる最大のソース倍率である。
【００４９】
図６ｆはｘＥ＝２２”で照明パターンの端部から進む光線束６７を示す図である。このような光線は、チップ６１から離脱し、そこに属する光がないことを示し、これは、パターンカットオフによって要求される。
【００５０】
図６ａ〜図６ｆにおける進行は、後述するように、中央から始まり外部に作用する、レンズの上部および下部の表面プロファイルの数値的な発生に対する基本である。このような方法の結果は、場合に応じて、図５の幾何構造によって近似化されてもよい。
【００５１】
図５の照明レンズは、本技術分野における当業者によって正確に繰り返し可能な形態を有する楕円形および非球面−放物線表面を有する。図２の照明パターンにおいて、最大値の３／４への中央窪みは、各側に６個のレンズを有する図１のレンズアレイで動作することで経験的に発見された。このようなレンズは、従来技術における１２個以上ではなく、６個のＬＥＤのみを使用できるようにする第一の商業的に利用可能な設計である。しかし、近年、図７に示すように、１つのドアに対して２個のみが要求される高い電力のＬＥＤが利用可能となった。
【００５２】
図７は、他側に図示されていない他のドアを有する、３０”の幅および６０”の高さの通常の冷蔵庫のドアを示す長方形アウトライン７０を示す図である。点線の長方形７１は、照明を受ける棚の前方から通常３〜６”で、その後ろに棚照明が設置される中枠を示す。これは、中央ライン７２で示される棚の中央に対する距離より近い。小型の円７３で示された４個のイルミネータ（各側に２個）がある。各イルミネータは、実線の円７４で示されるリング上にそのピークと点線の円７５上のその端部を有する光が照射される円を生成する。ここで、円７４は、棚の幅の略１／５または中央ライン７２への距離の１／３の半径を有する。照度がゼロまで低下する円７５は、棚を横断してほぼ最後まで達するようにサイズが定められる。図１と同様に、各パターンは、中央ライン７２で１／２の値を有するため、２つのレンズが１つに統合される。また、棚の中央ポイント７６で４個のパターンが重なり、この距離で各パターンは、１／４の値を有する必要があり、それによって１つに統合される。このような同一構成が、単に、より小さいスケール上で正方形配列のＬＥＤを含むＬＣＤバックライトに対して適用可能である。このような精密に構成された照明レンズの配列は、ＬＣＤバックライトに対して満足な均一性を生成することができる。  
【００５３】
図７の配列において使用されたＬＥＤは、図１に対して使用されたものの３倍ほど強くなければならない。このようなより強いフラックスは、図１に対して十分に小さいレンズに比べ、図７に対して使用される大きいサイズのレンズによってさらに強化され、希望していない結果をまねく。図２の照明パターンは、レンズの近接離隔に対して補償するために中央ディップを有する。しかし、散乱が激しい場合、散乱光は、レンズ付近のすべての照明を提供するのに十分な強さにすることができる。結果、図２に示す照明パターンがオン−軸でほぼゼロの強度となる。結果的にレンズは、以前に現れなかった特徴を有し、一方または両方の表面が軸上で直接光を残さない中央カスプ（ｃｕｓｐ）を有し、散乱光に対して補償するためにパターンに対して中央が暗くなる。
【００５４】
図８はそのプロファイルを定めたアーク８３を有する囲みトロイドによって形成される中央カスプ８２を含む上部表面によって境界化される円形対称照明レンズ８１を含むイルミネータ８０の断面図である。レンズ８１は、好ましくはその端部でピークを有する定められたプロファイル８４を有する中央キャビティを含み、直線プロファイル８５と回路基板８７に向かうペグ８６を有する、上部表面と接続される光学的に非活性の円錐でこれを囲む下部表面によって境界化される。イルミネータ８０は透明半球ドーム８８Ｄに浸漬された発光チップ８８Ｃを有する中央に位置したＬＥＤパッケージ８８をさらに含む。
【００５５】
図８の光学的に活性のプロファイル８３、８４は、図２のものと類似の照明パターンからこれを生成する特定の数値的な方法によって定められるが、オン−軸出力がほとんどない又はない。これに関する理由は、上述のようにレンズから実際の散乱を補償するためである。プロファイル８３、８４は、単にドーム８３Ｄを介してチップ８３Ｃから直接光が伝播されることを制御し、その後に最終方向に屈折されて必要な照明パターンの達成を保障する。このような直接パターンは、間接光の散乱パターンに加えられ、まずはそれによって決定される必要がある。
【００５６】
図９は明瞭性のためにその他の項目が省略された、図８のレンズ８１と同じ照明レンズ９１を示す。ＬＥＤチップ９８Ｃの左側端部、中央および右側端部からそれぞれ放出される、左側光線（一点鎖線）、中央光線（実線）、右側光線（点線）を含む光線束９２がＬＥＤチップ９８Ｃから放出される。レンズ９１内のどこでも、このような光線はチップ９８Ｃの明確なサイズを規定し、特定のポイントを通過する光の量を規定する。このようなポイントから散乱された任意の光は、光を伝播させる固定部分である。ＬＥＤに近接するほどより多い光が任意のポイントに存在し、より多い量が散乱される。このような散乱は、直接見たときのＬＥＤ自体の明るさとは別に、それ自体のグローをレンズに付与する。
【００５７】
厳密に言えば、明瞭性のために拡大した、図９の極小キューブ９３として示すように、散乱は、ポイントではなく小型テスト体積で発生する。これは、光線束９２の伝播方向に沿って配向される。これは、面積ｄＡおよび伝播長さｄｌの断面９３Ａを有し、その体積は、単純に、ｄＶ＝ｄｌｄＡである。キューブ９３内において、今スイッチングされた側である、光線束９２の左側、中央および右側が見られる。右側および左側の光線は、立体角Ωを規定し、レンズ９１内のキューブ９３から見たＬＥＤチップ９８Ｃの明確な角サイズ（ａｎｇｕｌａｒ  ｓｉｚｅ）を示す。このような立体角が大きいほどより多い光がキューブ９３を通過する。ＬＥＤチップ９８Ｃは、１平方メートル当たり数百万カンデラで規定される輝度Ｌを有する。これは、光線束９２がレンズ９１に進むときに、フレネル反射によって引き起こされる１未満の透過率τによって減少する。キューブ９３に進むときに光線束９２は、単純にＩ＝τＬｄＡで与えられる強度Ｉを有する。キューブ９３を通過する全体フラックスＦは、また、単純にＦ＝ＩΩで与えられる。
【００５８】
体積散乱は、吸収と同様に、伝播の単位長さ当たりの強度Ｉの固定された部分を除去する。両者は、ベールの法則によって説明される。
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【００５９】
ここで、I（Ｏ）は最初の強度であり、Ｉ（ｌ）は距離ｌの伝播後に残ったものであり、散乱係数ｋは長さの逆次元を有する。これは図９の経路ｌに沿ってレンズを介して見たときにチップ輝度内の損失を測定することで容易に決定される。
【００６０】
図９のキューブ９３に戻り、進入強度Ｉは、少量のだけ減少する。これは、Ｆから減算されるフラックス減少ｄＦ＝ｄＩΩとなる。その結果、単位体積当たり発光は、ｄＦ／ｄＶである。レンズ９１の全体光学的活性体積に対してこれを積分すると全体散乱光になる。図９は、オブザーバ９４が、視線９５に沿って凝視し、直接光線９７が散乱ポイント９６を発生させ、ＬＥＤを囲む２次光源として作用するレンズグローに合算することをさらに示す。
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【００６１】
このような散乱現象は、通常は不利に寄生し、光学性能を減少させるものにのみ作用すると考えられる。しかし、これに対して一部の体積散乱は有益であるという新たな一面がある。これは、現在の高輝度ＬＥＤの微妙な欠陥で発生し、すべての方向で同一色を伝達しないものである。より具体的に、数百ルーメンの出力を有する多数の常用ＬＥＤは、正面より横から見たときに黄色に見える。これは、ブルーチップからの光によって占有された蛍光体の通過距離より経路が長いためである。
【００６２】
厚い蛍光体は、すべての方向で均一な白色度または色温度を有するが、ブルーチップの面積より大きい面積から発光する白色光によって輝度を減少させる。しかし、コンフォーマルコーティングがエミッタを拡張させることを避けるために精密な薄さを有するが、それによって厚い蛍光体より少ない光を散乱させるため、色混合は少なくなる。結果、すべての方向の平均に比べて、横方向の光は、黄色く（２０００℃の色温度）、正面の光は青い（７０００℃）。より高いルーメン出力のこのような不利な面−効果によって、ここで開示されるレンズは、横方向照明の明らかな黄色化を示し、垂直方向照明の明らかな青色化を示す。
【００６３】
このような内在した色欠陥に対する解決策として、レンズの材料において少量の青色染料を使用するものがある。黄色光がレンズの最も厚い部分を通過するため、染料はより大きい傾斜角を有するＬＥＤ光線の最も黄色いものに対して最も強い精密な作用を自動的に有する。射出成形材料に埋め込まれた染料は、略５００ｎｍより長い波長のみを吸収する吸収スペクトルを有しなければならず、通常のスペクトルは、ブルーＬＥＤと黄色蛍光体との間にクロスオーバー（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）する。正確な濃度は、用いられる特定染料の吸収強度だけでなく、レンズサイズに逆比例する。
【００６４】
屈折されている光線の輝度を減少させるものとして上述した、フレネル反射から散乱のさらなる形態が発生する。図９はレンズ９１の内側表面から離れ、その後にレンズに進み、レンズから回路基板９２Ｆ１上に二重反射する第一のフレネル−反射光線９２Ｆ１をさらに示す。このような光線は、最初の光線９２に比べて（１−τ）の強度を有する。他のフレネル−反射光線９２Ｆ２も類似の強度であり、これは、レンズの外部表面から底面に進む。このような２つの光線は、希望しない場所に進む迷光の一般的な問題点について説明する。ポイント９６での体積散乱とは異なり、フレネル−反射光線は、遠く移動することができ、不快なアーティファクトを生成する。これを扱うための最も容易な方法として、このような微細光線の表面散乱を導入することが、光学エンジニアリングにおいて数十年間よく知られている。レンズ９１の平坦な円錐底面９１Ｃがこのような微細フレネル反射のほとんどを妨害（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）するため、信用できるものと証明された通常の解決策は、単に、対応モールドの表面を粗面化し、フレネル光が消滅して、上述した体積散乱の一部になることである。光線９２Ｆ２の末端で散乱光線が見られ、その一部は基板９９のトップ（ｔｏｐ）を光照射し、白色ペイントによるものと同様にまた散乱される。
【００６５】
図１０は図９のレンズの中央からミリメートルの単位で距離を示す横座標１０１と（任意の照明レベルに対して一般化するために）パターン最大に対する照度を示す縦座標１０２を有するグラフ１００を示す。点線曲線１０３は、図７の構成に対して所望の理想的な照明パターンであり、レンズ間の間隔は１２５ｍｍであり、ターゲット距離は２３ｍｍである。このような寸法はバックライトアプリケーションを示し、ＬＥＤは白色でペイントされたボックス内に配列され、ターゲットはその真上の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を有する拡散スクリーンである。コストダウンを図るために、より少ないＬＥＤでＬＥＤ発光効率を増加させることが要求され、美学的に、より薄いバックライトが要求される。このような二つのファクターは、超短焦点照明に向かう設計圧力を含む。
【００６６】
１２５ｍｍでのイルミネータからの曲線１０３およびその反対（図示せず）の「円錐状パターン」は１つに統合され、これは、均一照明を保障する。一点鎖線曲線１０４はｘ＝０でレンズからの上述した体積および表面散乱がもたらすターゲット平面に対する結合した寄生照度を示す。このような曲線は、基本的にターゲット上のポイントに対してオフ−軸角のｃｏｓｉｎｅ４である。実線曲線１０５は、他の２個の曲線間の正規化された差であり、曲線１０３に沿う全体照度を得るためにスケーリングされたときに曲線１０４に追加するパターンを示す。この場合に、曲線１０４の散乱光は、レンズの真上の必要な照度の１００％を伝達するのに十分に強い。この場合、レンズを介して伝達する直接光のみを考慮すると、図８の中央カスプ８２は、中央照度がゼロであることを保障する。
【００６７】
図１０の曲線１０５で示される照明パターンは、ソースの右側および左側端部からの光線を用いて、図８のレンズ８１の内部および外部プロファイルを数値的に生成するために使用されることができる。図１０の点線曲線１０６は、曲線１０５の照明パターンによって要求される（図６ａ〜図６ｆに示すような）ソースイメージ高さの相対的なサイズをグラフで示す。高さ関数は、レンズプロファイルを生成するために直接使用される。
【００６８】
図１１は２０ｍｍの直径を有し、ポイント１１４に右側光線１１２および左側光線１１３を伝播するＬＥＤ１１０および照明レンズ１１１を示し、ポイント１１４は、ＬＥＤ１１０の上方２３ｍｍに位置した、平面ターゲット１１５上の座標ｘを有する。右側光線１１２は、傾斜角γでポイント１１４に光照射され、左側光線１１３は傾斜角γ＋△γで光照射される。図１１の２次元分析において、ポイントｘでの照度Ｉ（ｘ）は、左側および右側光線の傾斜角のサイン間の差
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に比例する。
【００６９】
このような角度要件は、ソースイメージの好適な高さＨ、すなわち、１１２のレンズ出口から右側光線１１２と左側光線１１３との間の垂直間隔によって満たすことができる。図１０の曲線１０６は、その最大値に対する相対的な高さＨのプロットである。このような幾何学的要件から、レンズプロファイルは、過去に生成された表面に新たな表面を加える手段を繰り返すことで直接生成されることができる。
【００７０】
図１２はＬＥＤ１２０上に位置した不完全な照明レンズ１２１を示す。これは、図１１の全体レンズを生成する通常の繰り返し−ステージを示す点において不完全である。若干厚い曲線で示された図１１のレンズ１１１の部分は、右側光線１２２とともにポイント１２４で示すその交差点で終了する。図１２において、図１１の左側光線１１３の右側に対して若干右側にある新たな左側光線１２３が開始（ｌａｕｎｃｈ）される。末端ポイント１２６を通過し、過去に生成された上部表面１２１を通過した後、図１０のポイントｘのすぐ右側である新たなポイントｘ＋ｄｘでターゲット（図示せず）を妨害する。このようなポイントは、ｘ＋ｄｘから新たな右側光線１２２を開始することで満たされる、図１９の曲線１０５のように既に計算されたソース−高さ要件を有する。光線１２２は、ポイント１２４から延長した新たな表面上のポイント１２５でレンズ表面を妨害する。新たな表面は、レンズ１２１の内部表面上のポイント１２６に向かって光線１２２を屈折させるための必要性によって決まる傾斜を有する。このようなポイント１２７の位置は、ＬＥＤチップ１２０Ｃの右側端部から入射する右側光線１２２Ｓに応じて決まる。このような光線のオフ−軸角は、右側光線１２２Ｓの角−累積強度がポイントｘ＋ｄｘで空間的累積照明と同等な通常の要件に応じて決まり、これは、図１０の曲線１０５で示されたとおり、所望の照明パターンから知られる。ポイント１２６から新たなポイント１２７へのこのような新たな内部表面の傾斜は、屈折光線１２２Ｓの必要性に応じて決まり、光線１２２と結合して、ポイントｘ＋ｄｘでターゲットの照明に対する適したソース−イメージ高さを生成する。このような方式において、チップ１２０Ｃからのすべての光線が適したターゲット座標に伝播され、その完全な形態が完成するまでレンズ１２１の生成が継続する。
【００７１】
上述したプロファイル−生成方法は、２次元であるため、スキュー（ｓｋｅｗ）光線（すなわち、平面外光線）を考慮せず、この場合、相対的に大きいソースは、ソースイメージのサイズの横方向のばらつきによって出力パターンに顕著な２次誤差をもたらしうる。このような効果は、図１３に示すように、レンズ形態を生成するための完全な３次元ソース‐イメージ分析を要する。
【００７２】
図１２のレンズ−生成方法は、横座標ｘ＋ｄｘを有するターゲットポイントに過去に生成された内部および外部表面を介して左側光線１２３をトレース（ｔｒａｃｅ）する。適した変数は、ソースイメージの高さＨである。しかし、３次元において、光線はＬＥＤの発光ウィンドウの周辺全体から外部ターゲットポイントにトレースされなければならず、これは、ポイントからレンズを介してみたときにソースのイメージを制限する。照明レンズは、それ自体によるサイズからソースの明確なサイズを変更するように作用する。ソースイメージのサイズは任意のターゲットポイントでレンズがどれほど大きい照明を生成するかを決めるものである。
【００７３】
図１３ａは示している点線が不完全であり、その設計繰り返しが境界１３１までに延長した円形照明レンズ１３０の上方からの概路図である。円形レンズ１３２は、レンズ１３０の中央に示され、楕円形１３３はターゲットポイントｘ＋ｄｘ（図示せず）に投射されたソースイメージを示す。このようなソースイメージは、ターゲットポイントから逆にレンズを介してソースの周辺にトレースする逆光線によって確立される。ソースイメージは、これらの光線が妨害する箇所の上部表面上の楕円形アウトライン１３３である。したがって、レンズの既に完成された部分は、ターゲットポイントを部分的に光照射し、新たな表面の小型要素は、全体照明のために合成されなければならない。
【００７４】
図１３ｂはソース楕円１３３および境界１３１を示し、また、曲線１３４を示す拡大図であり、ソースイメージ１３３を完成し、ターゲットポイントｘ＋ｄｘで所望の照明レベルを達成するために新たな表面の小型要素が加えられることを示す。勿論、新たな上部表面が加えられる場合、また加えられる新たな下部表面の対応要素が存在する必要がある。ソースイメージを完了するのに十分な新しい上部表面が存在する必要があるのと同様に、上部表面にソースイメージを提供するのに十分な下部表面もまた存在しなければならない。このような新たな下部表面の大きさおよび傾斜の両方が自由変数として決定されなければならないため、設計方法は未知の両方を計算しなければならないが、通常、上部および下部表面の新たな要素の傾斜は、過去の表面曲率の平滑な連続である。
【００７５】
通常、非結像光学は、ソースの端部からの光線のみを扱うが、ここで開示された照明レンズは、各ターゲットポイントでソースイメージを評価する際にこれを超える。図１３ｂの不完全ソースイメージは、横座標ｘで注目するターゲットポイントで必要なものより小さい照度を発生させる。しかし、このような照度を計算するために、光線は、単にその周辺ではなく、全体ソースでまた逆にトレースされなければならない。これは、ソースが輝度および色度においてばらつきを有するときに特に有効である。その後、図１３ｂのそれぞれの小型要素の面積ｄＡからのフラックスは個別に計算され、既に完了した表面を介して見たときにソースイメージに対して積分される。要求される照度からの欠損は、その後、図１３ｂの新たな表面１３４によって補償される。そのサイズは、追加のソースイメージ領域がその欠損を正確に終了させるサイズである。上述した線形ランプとともに照明パターンが単に徐々に変わる場合、過去に生成された表面が要求される照度に近接するように良好に行ったため、欠損は常に大きくはならない。新たな表面は、ターゲットパターンがこれを防止するのに十分に「管理（ｔａｍｅ）」するため、小さい欠損のために新たなソースイメージをつぶさずに、大きい損失でこれを極度に拡張しないようにすることができる。
【００７６】
通常の非結像光学の端部−光線理論を拡大させるために、逆光線トレーシングと組み合わせて説明する測光（ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ）フラックスの利用により、このような設計方法は、「測光非結像光学」と称することができる。
【００７７】
特定の照明レンズの形態を数値的に計算する繰り返しプロセスは、代案的に中央または周辺のうちいずれか一つで開始することができる。レンズ直径が制限されると、初期条件はトップおよび底面の外部端部の位置となり、レンズの形態、特にその中央厚さを全体的に決める。この厚さが最小値以下になると、初期開始ポイントが変更されなければならない。これは、概念的に可能であり、実際の観点では不十分に決定された問題点を残すが、図１３ａの逆光線トレーシングは、逆光線トレーシングを介して過去に生成された表面を利用する。したがって、一部の最小厚さ基準、例えば０．７５ｍｍを使用してレンズの中央で設計の繰り返しを開始することがより容易である。ソース上のレンズ中央の高さは、レンズの全体サイズを決めるために重要なパラメータになる。他の主要ファクターは、レンズの中央部がどのように負のレンズ（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ）、すなわち、凹−平、凹−凹または平−凹に構成されるかに関するものである。また、強い寄生損失の場合、凹面は平滑であるか図８に示すようにカスプ−タイプの中央を有することができる。
【００７８】
図１４は全体照明レンズを生成するためのシード−核として使用される平凹レンズ−中央１４０を示す。その直径は扇状の光線（ｒａｙ  ｆａｎ又はレイファン）１４１の幅に応じて決まり、これは、ＬＥＤチップ１４２（の右側に）上の２３ｍｍの距離にあるｘ＝０のターゲット中央（図示せず）から左側に伝播する。ここで、そのサイズは明瞭性のために誇張されている。レイファン１４１は、ターゲットの中央で所望の照明レベルを達成するために必要な幅を有し、これは短焦点照明でＬＥＤ自身がなすことより小さい。これは、照明レンズの中央部がソースを縮小しなければならないことを意味し、これは、レンズ−中央が負の焦点距離で発散する理由である。実際、レンズ−中央１４０のその関数はターゲット中央、ｘ＝０に対して（そのレイファン１４１が断面である）ソースイメージの適したサイズを提供する。
【００７９】
また、図１４はチップ１４２の左側端部から開始して拡張するレイファン１４３を示す。これは、このような左側光線がターゲット平面（図示していないが、右側に対して）を妨害するｘ−位置から見たときに、ソースイメージの上部端部をマーキングする。このような光線は、端部光線がどのように過去に確立された表面を介して伝播されるかを例示する。
【００８０】
図１５は両凹レンズ−中央１５０、中央レイファン１５１、チップ１５２および左側−レイファン１５３を示す図である。レンズ表面は、図１４の凹面の曲率の略半分を有する。
【００８１】
図１６は平凹レンズ−中央１６０、中央レイファン１６１、チップ１６２および左側−レイファン１６３を示す図である。
【００８２】
図１４から図１６への進行において、最下部の左側光線（矢印を有するもの）は、収縮傾斜角ψであり、これは、相違する照明動作を示し、最終設計に向けた相違する過程を設定する。すべての３個の構成は、光線が各レンズに達したときに同一サイズのレイファン１４１、１５１および１６１で示されたように、ターゲットｘ＝０で同じ照度を生成し、すなわち、同じサイズのソースイメージを生成し、これは、これらが中央ｘ＝０で同じターゲット照度を生成することと同様である。
【００８３】
図１６において、平凹レンズ−中央１６０は、レイファン１６１によって規定され、これは、短焦点ターゲット（図示せず）の中央から進む。レイファン１６１がレンズ−中央１６０に進む際に、レイファン１６１の幅は照明規定によって決まり、これは、ＬＥＤチップ１６２が自身で光を照射するよりより小さいことがある。したがって、レイファン１６１は、レンズ−中央１６０によって拡張されるように見え、レイファンはＬＥＤチップ１６２を覆うように発散する。
【００８４】
発散するレイファン１６３は、ＬＥＤチップ１６２の左側端部から進み、レンズ−中央１６０を通過して短焦点ターゲットに出る。レイファン１６３からのこれらの光線は、以下の図１９および２０に示すように、照明レンズの残りの合成を導くことを容易にする。
【００８５】
図１６において、レイファン１６３は、より小さい傾斜角ψで示されるように、図１４および図１５に比べて、このようなタイプのレンズ−中央に対してより発散する。したがって、図１９および図２０に示す平凹タイプの照明レンズは、例えば、レンズアレイを含む照明規定に対して、単に一つの単独で作用するより適しうる。
【００８６】
図１７は図１４に示すように、平凹中央−レンズから数値的に生成された照明レンズ１７０を示す図である。平面ソース１７１はそれから設計される光源である。
【００８７】
図１８は図１５に示すように、両凹中央−レンズから数値的に生成された照明レンズ１８０を示す図である。平面ソース１８１はそれから設計される光源である。
【００８８】
図１９は図１６に示すように、平凹中央−レンズから数値的に生成された照明レンズ１９０を示す図である。平面ソース１９１はそれから設計される光源である。
【００８９】
図２０は短焦点（すなわち、照明）レンズ２００とその関連幾何形態を示す図である。図２０は図１９の照明レンズと近似するが、さらに詳細に示されている。短焦点レンズ２００およびその幾何形態は、図３〜図５に関して詳述したように、追加説明されることができる。短焦点レンズ２００は、ＬＣＤディスプレイ用のＢＬＵレンズとして有効である。
【００９０】
発光ダイオードなどの平面光ソース２０１は、短焦点レンズ２００の下に配列される。短焦点レンズ２００は、それぞれ内部および外部表面２０４、２０６を有し、２０８は、内部および外部表面２０４、２０６を接続する短焦点レンズ２００の底面である。短焦点レンズ２００の中央キャビティ２０２は、平面トップ２０３および横方向フランク２０４を含む。平面トップ２０３は、光源２０１の延長方向と実質的に平行である。短焦点レンズ２００の外部表面は、中央窪み部２０５と囲みトロイド２０６を含む。中央窪み部２０５は、図１６に関して詳述したように発散レンズとして作用する。
【００９１】
傾斜した軸２０７は、短焦点ターゲット上の場所（例えば、図示されていない光が照射される外部表面）に向かって最大ソース−イメージサイズの方向に向かい、短焦点レンズ２００は、最大の倍率を有する。このような場所の正確な位置は、特定の照明規定によるが、これは、一般的に、ターゲットの端部に対して略半分である。したがって、傾斜した軸２０７は、第２表面２０６上の最大倍率のポイント（ｔｈｅ  ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｍａｘｉｍｕｍ  ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を介して光源２０１の中央ポイントＯで示されたラインであり、これは、短焦点ターゲットの中間点を示す。
【００９２】
短焦点レンズ２００の底面２０８は、角τ１で傾斜し、これは、底面２０８が水平光軸Ｘに対してなす角を示す。角τ１は、傾斜した軸２０７を生成する。短焦点レンズ２００は楕円形であってもよく、底面２０８は楕円形の長軸および短軸に沿って角τ１で傾斜してもよい。
【００９３】
Ｒ１は光源２０１から離れてポイントＰ１で中央キャビティ２０２の平面トップ２０３または内部表面２０４上に入射する光線を示す動径ベクトルである。角α１は、Ｒ１が垂直光軸Ｚに対してなす角を示す。中央キャビティ２０２は、光軸Ｚに関して軸対称であることに留意すべきである。動径ベクトルＲ１は、α１が所定量増加するとき（△α１）に、０〜２５゜の範囲内で、△Ｒ１で示される単調に増加する値を有する。これは、中央キャビティ２０２の平面トップ２０３が０〜２５゜の各範囲内で実質的に平坦である事実に起因する。図２１はこのような特徴部の詳細図である。
【００９４】
Ｒ２はポイントＰ２で短焦点レンズ２００の外部表面２０６から出射される光線に対する動径ベクトルであり、α２は、光線が垂直光軸Ｚに対してなす角を示し、△Ｒ２は、α２が一定量増加するとき（△α２）に、Ｒ２での増加分変化である。Ｒ２は、α２が０〜６０゜の範囲内で増加するにつれて単調に増加する。外部表面２０６のトロイド部分は、垂直光軸Ｚに関して軸対称である。光源２０１から短焦点レンズ２００に発光する光の全体内部反射を避けるために、
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であり、ｎは照明レンズを形成する材料の屈折率であり、
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である。ここで、短焦点レンズ２００は、１．４１と１．６５との間の屈折率を有する透明材料からなる。
【００９５】
短焦点レンズ２００のペイントされた底面２０８は、光源２０１によって発光された光の内部（例えば、フレネル）反射を吸収するように構成されることができる。底面２０８は、底面２０８の吸収率が少なくとも８０％、好ましくは９０％になるようにペイントされてもよい。短焦点レンズ２００の底面２０８は、吸収率を増加させるために黒色ペイントでペイントされてもよい。代案的に、短焦点レンズ２００が設置されることができるプリント回路基板のトップ（図示せず）が吸収率を増加させるために類似のペイントがなされてもよい。
【００９６】
かかる三つのレンズは、この場合には円形である光源の周辺からの光線を利用するように設計された。レンズのサイズは自由パラメータであるが、エタンデュ考慮は、レンズに対して支払わなければならない価格が低すぎることを記述する。コリメータの場合、レンズが小さすぎる場合には出力ビームが目標より広くなることを避けることができない。ここで開示される短焦点照明レンズの場合、曲線１０６のソースイメージを要するため、結果、図１０の曲線１０３の理想的な線形ランプである出力照明パターンを維持することができない。レンズが必要なソースイメージサイズより小さい場合には、必要な照明を供給することができない。したがって、レンズサイズは、線形ランプの目標に応じて固定されたパラメータになる。小さすぎるレンズは、パターンの端部に進む代わりに全体内部反射によってトラップされる一部の光線を有する。これが設計プロセスで直面されると、ＬＥＤ上のレンズ−中央のより大きい高さで繰り返しが再開されなければならない。
【００９７】
個別パターンは、このような少数のパターンがコースティック−フリー（ｃａｕｓｔｉｃ−ｆｒｅｅ）均一性に統合されるようにならなければならないため、ＬＥＤ照明レンズは（中枠１個当たり５個または６個の）少ない個数で使用されることができ、且つ、依然として均一性を図ることができる円形対称照明レンズを要する。したがって、本発明の目的は、その複数が長方形にわたり均一性に統合される円形照明パターンを有するレンズを提供することにある。本発明のさらなる目的は、より低い製造コストにつながるデバイスのコンパクト化へ導く、上述した接近法より小さいレンズサイズを実現することにある。
【００９８】
より小さいレンズサイズは、その個別照明パターンの特定の調整（ｔａｉｌｏｒｉｎｇ）によって達成されることができる。このようなパターンは、その６個のイルミネータのそれぞれの行が設置される２個の照明中枠間で１２個のパターンが均一性に統合されることを可能とする特定の減少を有する最適の環状である。最も傾斜した方向でのこのような減少は、全体レンズサイズを決めるため重要である。代案的な接近法は、以下のとおりである。（１）それぞれの中枠が中間−棚に１００％光照射し、その向こうでは光照射はゼロであり、これは、上述したコースティックに誘導される。（２）それぞれの中枠が中間点で５０％寄与し、その向こうでは減少する。後者が本発明の接近法である。
【００９９】
つまり、ここで開示されている例示的な実施形態は、最も挑戦的な照明作業である、幅広く離隔したレンズによる近接平面ターゲットの均一照明を満たす。それにもかかわらず、大体の検査では見えないこのようなレンズ形態からの離脱は、出力パターンで有害な視覚的アーティファクトを生成するのに十分である。熟練された成形業者（ｍｏｌｄｅｒ）は、適した形態を達成するまでモールド−パラメータを調整するために、時々レンズの形態をほぼ微視的な程度に測定する必要があるということが分かる。
【０１００】
また、熟練された製造者は、位置誤差に対する小さい許容誤差とともにＬＥＤ配置が照明の成功において非常に重要であることが分かる。したがって、レンズ形態の完全な仕様は、十分に開示されたアルゴリズムによって数学的に生成されたポイントの高解像数値のリスティングを要する。定性的な形態記述子は、コンピューター−マシニングされた射出成形やレンズを通過する光に対して全く重要ではない。レンズの手作業研磨の時代とは異なり、ＬＥＤ照明レンズの精度は、このようなレンズ−プロファイル調整を生成する数値的な方法なしでは、いかなるレンズも存在しないということを意味する。
【０１０１】
様々な修正および変形が本発明の思想または範囲から逸脱することなく、本発明で行われることができるということが本技術分野の当業者にとっては明白であろう。したがって、本発明は、このような修正および変形が添付の請求項とその同等物の範囲内であれば、本発明の修正および変形を含む。
【０１０２】
＜関連出願に対する相互参照＞
本出願は、完全にここで開示されるように、単に参照としてここに統合され、２０１２年３月５日付けで出願された米国仮特許出願番号６１／６０６，７１０を優先権として主張する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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