用于短投照明的照明透鏡的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供一種用于短投照明的廣角照明圖案。根據(jù)示例性實(shí)施例的照明透鏡包括：光入射表面，所述光入射表面限定空腔并包括平坦頂部和側(cè)緣，所述光入射表面被構(gòu)造為從在下方的發(fā)光元件接收光。所述照明透鏡還包括光出射表面，所述光出射表面包括中央凹陷和環(huán)繞的環(huán)面，其中，平坦頂部面對(duì)中央凹陷。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于短投照明的照明透鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及適用于短投照明的廣角照明圖案和一種用于產(chǎn)生所述廣角照明圖案的表面輪廓的總體設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)可以在如此小(跨越幾毫米)的區(qū)域中產(chǎn)生光，以致將光通量均勻地?cái)U(kuò)散到大的目標(biāo)區(qū)域(尤其是那些寬度比距LED的距離更大的區(qū)域)是具有挑戰(zhàn)性的。所謂對(duì)近目標(biāo)的短投照明(short-throw lighting)是針對(duì)遠(yuǎn)目標(biāo)的點(diǎn)照明的對(duì)立面。正是因?yàn)長(zhǎng)ED自己不能產(chǎn)生聚光光束，所以需要準(zhǔn)直透鏡，LED可以同樣不適用于廣角照明，因此，需要照明透鏡來(lái)完成這一工作。
[0003]短投照明的主要示例是用于直視液晶顯示器(IXD)TV的背光單元(BLU)的光學(xué)透鏡。這里，BLU的總厚度通常為26mm或者更小，LED之間的距離是大約200mm。IXD背光源可包括圍繞透明波導(dǎo)的邊緣排列的熒光燈管，熒光燈管將光注入到波導(dǎo)中，通過(guò)均勻的出射執(zhí)行實(shí)際的背光照明。雖然由于熒光燈管的厚度可以將熒光燈管設(shè)置在背光源周邊，發(fā)光二極管如此小以致于它們可以直接設(shè)置在LCD顯示器后面(所謂的“直視背光”)，但是它們的點(diǎn)狀屬性使均勻性變得更加困難，這在最近二十年中促進(jìn)著現(xiàn)有技術(shù)的廣泛領(lǐng)域。然而，不只是本領(lǐng)域，也適用于超薄顯示器。
[0004]密切地限制縱橫比(aspect rat1)的另一顯著的應(yīng)用是大型冷柜。用于零售業(yè)的商用冷柜通常具有玻璃門(mén)，照明裝置安裝在門(mén)鉸接柱(在本行業(yè)中稱為豎框)后面。直到最近，管狀熒光燈一直是唯一的貨架照明裝置，而不管冰冷狀況如何負(fù)面的影響其亮度和壽命。此外，熒光燈管會(huì)在冷柜貨架上產(chǎn)生非常不均勻的照明圖案。然而，發(fā)光二極管可以承受冰冷狀況并且比熒光燈管小得多，這就允許采用照明透鏡來(lái)提供比熒光燈管能實(shí)現(xiàn)的圖案更加均勻的圖案。由于熒光燈管向所有方向照射(而不是僅僅照射到貨架)，所以浪費(fèi)了熒光燈管的許多光。然而，使用合適的照明透鏡，LED能夠更加有效率，在不考慮熒光燈管的良好效率的情況下，LED允許比熒光燈管更低的功率水平。
[0005]根據(jù)使用了多少LED，可以將LED照明透鏡分為三組:
[0006](I)具有一行較小的密集間隔的LED的擠壓線性透鏡(諸如第7，273，299號(hào)和7，731，395號(hào)美國(guó)專(zhuān)利所描述的透鏡)。
[0007](2)圓形對(duì)稱照明透鏡。
[0008](3)具有矩形圖案的自由形態(tài)照明透鏡(諸如第7，674，019號(hào)美國(guó)專(zhuān)利所描述的透鏡)。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)合理的均勻性，前兩種方式可能需要很多LED，但是關(guān)于LED最近的趨勢(shì)是可以產(chǎn)生如此高的亮度以致可能需要較少的LED，從而允許有效的節(jié)電。最后一種方式的優(yōu)點(diǎn)是:除了已經(jīng)證明難以通過(guò)注射成型生產(chǎn)用于產(chǎn)生矩形圖案的自由形態(tài)透鏡以外，其疊加的足夠的圖形精度以達(dá)到無(wú)焦散(焦散是提高的照度的顯著的小區(qū)域)。
[0010]此外，現(xiàn)有技術(shù)更加具有挑戰(zhàn)的是:由于在LED通量輸出方面的持續(xù)的年復(fù)一年的改進(jìn)，何時(shí)需要更少的LED。畢竟，背光單元厚度實(shí)際上是相對(duì)于LED之間的間隔而言的，而不是相對(duì)于整個(gè)背光單元的總寬度而言的。例如，在LCD背光單元厚度為1”、LED之間的間隔為4”的情況下，透鏡的任務(wù)與前述的冷柜近似地成比例。因?yàn)榕c2.5至5英尺冷柜門(mén)相比，LCD的更小尺寸，所以可使用具有小的出射面積的低功率LED，典型地，可使用不具有圓頂形的硅樹(shù)脂透鏡的頂式LED結(jié)構(gòu)。
[0011]可以在第2006/0138437號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)和第7，348，723號(hào)、第7，445，370號(hào)、第7，621，657號(hào)和第7，798，679號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中找到用于解決這一問(wèn)題的非特定設(shè)計(jì)的方法。然而，第7，798，679號(hào)美國(guó)專(zhuān)利只包含了對(duì)上述透鏡屬性的大致的模糊描述，并且不包含用于區(qū)分適用其大致描述的大量明顯不同的形狀的具體方法。
[0012]經(jīng)驗(yàn)表明:照明透鏡不會(huì)容許小的形狀誤差(諸如不熟練的注射成型或微小的設(shè)計(jì)缺陷所導(dǎo)致的形狀誤差)。透鏡的局部斜率的非常小的變化可導(dǎo)致足以破壞產(chǎn)品的嘗試的高度可見(jiàn)的照明偽影(artifact)。因此，這樣大致的描述(諸如那些在第7，798，679號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中的描述)不足以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，這是因?yàn)榧词棺铄e(cuò)誤的和低性能的透鏡也可以像精確的、高性能的透鏡一樣來(lái)實(shí)現(xiàn)它們。此外，第7，798，679號(hào)美國(guó)專(zhuān)利未提供具體的、區(qū)分形狀的說(shuō)明，而所述說(shuō)明的精確的細(xì)節(jié)是現(xiàn)代光學(xué)制造所必需的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]技術(shù)問(wèn)題
[0014]在此公開(kāi)的是產(chǎn)生適用于短投照明的廣角照明圖案的實(shí)施例。還公開(kāi)了一種基于非成像光學(xué)(具體地，為非成像光學(xué)中新的分支(光度非成像光學(xué)))產(chǎn)生照明圖案的表面輪廓的總體設(shè)計(jì)方法。這一領(lǐng)域以新方式應(yīng)用集光率的基礎(chǔ)非成像光學(xué)思想來(lái)分析照明圖案，并且使用由給定尺寸的光源(在這種情況下，光源為L(zhǎng)ED)所需的最大尺寸的透鏡定義的難度，根據(jù)產(chǎn)生照明圖案的難度對(duì)其分類(lèi)。
[0015]技術(shù)方案
[0016]本發(fā)明的第一個(gè)目的是公開(kāi)數(shù)值明確的透鏡結(jié)構(gòu)，所述透鏡結(jié)構(gòu)排列將為近的平面目標(biāo)(尤其是針對(duì)零售制冷顯示器和盡可能最薄的直視LCD背光源)提供均勻照明。
[0017]本發(fā)明的第二個(gè)目的是為由于體散射以及因菲涅爾反射引起的散射而導(dǎo)致的照明圖案畸變提供補(bǔ)償，所述體散射以及因菲涅爾反射引起的散射共同用作附加的、不加以區(qū)別的輔助光源。
[0018]應(yīng)該理解的是，上面的總體描述和下面的詳細(xì)描述兩者均是示例性的和解釋性的，并且意在提供權(quán)利要求限定的本發(fā)明的進(jìn)一步的解釋。
[0019]附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0020]附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且附圖連同描述一起用于解釋本發(fā)明的原理，包括附圖以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，附圖被包含在說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。
[0021]圖1示出了由圓形圖案照明的矩形門(mén)。
[0022]圖2示出了單獨(dú)的照明圖案的曲線圖。
[0023]圖3示出了圖1中的具有傾斜角度的門(mén)的側(cè)視圖。
[0024]圖4示出了所需的光源放大率的曲線圖。
[0025]圖5示出了照明透鏡和LED的截面圖。
[0026]圖6A至圖6F示出了穿過(guò)目標(biāo)的光源-圖像光線。
[0027]圖7示出了矩形門(mén)如何僅被四個(gè)LED照明。
[0028]圖8示出了另一照明透鏡和LED的截面圖。
[0029]圖9示出了體散射的數(shù)學(xué)描述。
[0030]圖10是照明圖案的曲線圖。
[0031]圖11建立了輪廓生成的2D光源-圖像方法。
[0032]圖12示出了根據(jù)圖11的輪廓生成方法。
[0033]圖13A和圖13B示出了輪廓生成的3D光源-圖像像方法。
[0034]圖14利用定義光線示出了平凸透鏡中心。
[0035]圖15利用定義光線示出了凹凹透鏡中心。
[0036]圖16利用定義光線示出了凹平透鏡中心。
[0037]圖17示出了由圖14中的透鏡中心制成的完整透鏡。
[0038]圖18示出了由圖15中的透鏡中心制成的完整透鏡。
[0039]圖19示出了由圖16中的透鏡中心制成的完整透鏡。
[0040]圖20示出了根據(jù)圖19的短投照明透鏡。
[0041]圖21示出了圖20中的短投照明透鏡的特征的詳細(xì)視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0042]以下，將參照附圖更充分的描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以多種不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)該被解釋為受限于在此闡述的實(shí)施例。更確切地說(shuō)，提供這些實(shí)施例以使本公開(kāi)是徹底的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了清晰可夸大層和區(qū)域的尺寸和相對(duì)尺寸。附圖中相同的標(biāo)號(hào)指示相同的元件。
[0043]將理解的是，當(dāng)一個(gè)元件或?qū)颖环Q為“位于另一個(gè)元件或?qū)由稀被颉斑B接到”另一個(gè)元件或?qū)訒r(shí)，它可以直接位于另一個(gè)元件或?qū)由匣蛘咧苯舆B接到另一個(gè)元件或?qū)?，或者可能存在中間元件或?qū)?。相反地，?dāng)一個(gè)元件被稱為“直接位于另一個(gè)元件或?qū)由稀被颉爸苯舆B接到”另一個(gè)元件或?qū)訒r(shí)，不存在中間元件或?qū)?。將理解的是，?duì)于本公開(kāi)的目的，“X、Y和Z中的至少一個(gè)”可以解釋為僅X、僅Y、僅Z，或者X、Y和Z中的兩項(xiàng)或更多項(xiàng)的任意組合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
[0044]在這里可使用空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，諸如“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等，以便于描述如附圖中所示的一個(gè)元件或特征與另一元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)意在包含裝置在使用或操作中的除了在附圖中描繪的方位之外的不同方位。例如，如果在附圖中裝置被翻轉(zhuǎn)，則被描述為“在”其它元件或特征“下方”或者其它元件或特征“下面的”元件隨后將被定位為“在”其它元件或特征“上方”。因此，示例性術(shù)語(yǔ)“在……下方”可包括“在……上方”和“在……下方”兩種方位。所述裝置可被另外定位(旋轉(zhuǎn)90度或者在其它方位)，并且相應(yīng)地解釋這里使用的空間相對(duì)描述符。
[0045]零售商使用的商用柜陳列柜從豎框(mull1n)到貨架的前面的距離具有一定范圍(通常為3”至8”)，由于店主力圖將越來(lái)越多的產(chǎn)品塞入到大型冷柜陳列柜中，所以具有更小的間隔的商用冷柜陳列柜變得更為普遍。熒光燈管對(duì)于這些更加緊湊的間隔具有更大的難度，導(dǎo)致了對(duì)LED照明技術(shù)的加速接受。即使熒光燈管具有可比得上當(dāng)前的LED的效率，但是熒光燈管的大尺寸和全方向照射也阻礙了它們的效率，使得充分照明中間區(qū)域變得困難。早期的大型冷柜LED照明器使用大量的低通量LED，但是亮度上持續(xù)的進(jìn)步使得能夠使用更少的LED來(lái)產(chǎn)生相同的照度。這就導(dǎo)致照明透鏡在排列時(shí)將疊加至均勻，同時(shí)還相對(duì)于LED的尺寸具有最小的可能的尺寸。
[0046]圖1示出了表示典型的寬為30”、高為60”的冷柜門(mén)(在任何一側(cè)具有其它門(mén)(未示出))的矩形輪廓10。虛線的矩形11表示豎框，貨架照明裝置安裝在豎框后面(具體地，距被照明的貨架的前面的距離為3-6”)。這比距離貨架中心(由虛線12表示)的距離近得多。存在十二個(gè)照明器(每側(cè)六個(gè))，其中的四個(gè)由小圓I表示。每個(gè)照明器產(chǎn)生被照明的圓，所述被照明的圓的峰值位于由實(shí)線圓2表示的環(huán)上，其邊緣位于虛線圓3上。這里，圓2的半徑為貨架寬度的四分之一，或者為到中心線12的距離的一半。圓3(在圓3處照度降低至零)的大小被設(shè)置為與對(duì)面豎框的圓2相交。
[0047]圖2示出了具有按照與上述的圖1中的橫坐標(biāo)相同的比例水平地繪制的橫坐標(biāo)21的曲線圖20?？v坐標(biāo)22被繪制為從O至1，縱坐標(biāo)22表示由豎框下方的照明器產(chǎn)生在貨架上的理想照度I (X)(由曲線23所示)。這一照度函數(shù)與圓2上的最大值(半徑為xM)有關(guān)。照度函數(shù)在半徑為xE處降為零。這一逐漸降低的照度與門(mén)的相對(duì)側(cè)上的照明器的逐漸升高的照度配對(duì)，因而，兩個(gè)圖案沿圖1中的線4疊加至恒定照度。
[0048]實(shí)際的注射成型的塑料透鏡將在其材料內(nèi)產(chǎn)生體散射，使得透鏡自身成為發(fā)射器而不是傳輸器。所述體散射光將是透鏡中最強(qiáng)的光。圖2中所示的圖案23中的中央凹點(diǎn)處于3/4水平，以補(bǔ)償這一額外的體散射光，使得總圖案(直接加上散射的圖案)在圓2內(nèi)是平坦的。這一效應(yīng)在下面討論的較大的透鏡中變得更加明顯。
[0049]這一逐漸衰減圖案類(lèi)型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:中心線12上的任意點(diǎn)由每個(gè)豎框上的多個(gè)照明器照明，保證良好的均勻性。虛曲線24示出了單個(gè)LED的照明圖案。明顯不能疊加到滿意的照明，更不必說(shuō)均勻性，因此，需要照明透鏡將光合適地分散。
[0050]圖3示出了與圖1中的貨架相同的貨架前面矩形30的端視圖。照明器如小矩形31所示。本發(fā)明的策略解決距離貨架如此近(在這種情況下，距離為ζτ = 4”)進(jìn)行照明的難題。圖3示出了距中心線33和邊緣線34的距離分別為Xm = 15”和xE = 22.5”，在邊緣線34處照明器31的照明圖案已經(jīng)達(dá)到零照度。這些距離對(duì)應(yīng)于如下給出的距離法線的離軸角度:
[0051]Ym = tan-1 (xm/ ζτ) = tan-1 (15/4) = 75。
[0052]yE = tan-1 (xE/zT) = tarf1 (22.5/4) = 80。
[0053]這些大的傾斜角度推動(dòng)需要通過(guò)透鏡實(shí)現(xiàn)光源的相當(dāng)大的橫向放大率的透鏡設(shè)計(jì)。相反地，在小的傾斜角度下，透鏡必須具有縮小率。
[0054]可以通過(guò)集光率因子(etendue considerat1n)使放大率(magnificat1n)和縮小率(demagnificat1n)的概念更加明確。光源集光率是面積為As = 2.1mm2的芯片置入到折射率為η = 1.45的穹頂中:
[0055]Es = ii n2As sin2 θ = 14mm2
[0056]這里，Θ是針對(duì)朗伯光源(Lambertian source)的90。,90。下的LED是非常良好的逼近照明°。
[0057]照明透鏡基本上對(duì)目標(biāo)(目標(biāo)遠(yuǎn)大于所述芯片)重新分配這一集光率。在圖2中的照明圖案的情況下，目標(biāo)集光率與圖1中的45”照明圓的面積At相關(guān)，被圖2中的相對(duì)照明函數(shù)23加權(quán)。實(shí)際照明圖案的這一簡(jiǎn)單模型具有下降至照度Itl的中央凹點(diǎn)、在X = xM處上升到I并且在X = xE處下降至零。這可以被數(shù)學(xué)地表示為:
[0058]I (X) = 10+x (1-10)/xM X 彡 xM
[0059]I (X) = (XE - X) / (XE -Xm) Xm < X < Xe
[0060]接著，通過(guò)容易解出的積分式給出目標(biāo)集光率:
[0061]

fT / il-/ W3 T'J 「 X Y3 T*'、Er =^sin2 θ,「2nxl{x)dx = 2π2 sin2 Θ.+ --—+ ---x2--
Ju[l 2 3λ'? J0 L2“、:.-?) 3“、+.
[0062]ET = sin20T1.47(平方米)
[0063]這里，Θ T是具有與光源相同的集光率的窄角準(zhǔn)直光束的半角，因此:
[0064]sin2 θ τ ?1Ε—5 θ τ = ±0.18。
[0065]在透鏡的中心處，θ τ降低了 3/4，至±0.13°。這可與單個(gè)光源的角度弦值進(jìn)行對(duì)比，從上面直接看出，在貨架上如圖3中距離ζτ處:
[0066]tan2 Θ s = n2Ac/4zT2 Θ s = ±0.61。
[0067]因此，透鏡的中心縮小率需為1:4.5，這表明透鏡的中心部分是凹形的，以利用負(fù)焦距用作擴(kuò)束器(expander)。這可以通過(guò)具有高度彎曲的內(nèi)表面的平頂式外表面或者具有高度彎曲的外表面的平頂式內(nèi)表面界定的連續(xù)的凹度來(lái)獲得。圖5中的透鏡位于這些極值之間。
[0068]如圖3中所示，高度傾斜的角度Y意味著為了實(shí)現(xiàn)均勻照明，通過(guò)透鏡形成的光源圖像由于因子1/cos Y而一定相應(yīng)地大于通過(guò)正入射形成的光源圖像。光源自己按照COSY的傾斜因子縮小，并且從遠(yuǎn)處觀察，由于另一因子COS2 Y而看起來(lái)越來(lái)越小。因此，所需的透鏡放大率是:


I
[0069]M (γ) = -J--j—

4.5 cos γ
[0070]注意:放大率在由下式給出的離軸角度處從軸上的1/4上升到I。
剛—福 V (I) =47°
[0072]這些角度通過(guò)余弦的立方因子來(lái)削弱照度，因此，光需要被投射得越遠(yuǎn)，透鏡輸出將越劇烈?？紤]到LED光源具有其自身的余弦衰減，所需的總的源放大率是已知的cos—4因子，分別在75°達(dá)到223、在80°達(dá)到1100。由于這些劣化因子相應(yīng)地降低，這里存在圖2中的照明圖案中的衰減的優(yōu)點(diǎn)。
[0073]圖4示出了具有從O至80°的離軸角度Y的橫坐標(biāo)41和表示均勻照明所需的源放大率Μ( Y )的縱坐標(biāo)42的曲線圖40。等大放大率(unit magnificat1n)被定義為光源以與不存在透鏡時(shí)相同的尺寸成像。所述等大放大率的意思是從貨架看去，本發(fā)明的照明透鏡一定會(huì)產(chǎn)生輝光光源的圖像，所述圖像就比無(wú)需任何透鏡的朗伯LED光源大很多。為了均勻地照明4”貨架距離，曲線43示出了在77.5°處所需的放大率峰值，而下面的曲線44是針對(duì)6”貨架距離的更容易的情況，在71°處達(dá)到峰值。所需的圖像尺寸分布(image-size distribut1n)就是本發(fā)明的構(gòu)造的基本原理。
[0074]圖5示出了包含照明透鏡51的照明器50的截面圖，照明透鏡51由包括具有作為其輪廓的弧52的中央球窩和具有作為其輪廓的橢圓弧53的環(huán)繞的環(huán)面(toroid)的上表面界定，并且還由包括具有鐘形輪廓54的中央腔的下表面來(lái)界定，并且結(jié)合到上表面的不旋光的圓錐體環(huán)繞中央腔，并具有直線輪廓55和進(jìn)入到電路板57中的銷(xiāo)56。照明器50還包括LED封裝件58，LED封裝件58具有嵌入到透明半圓球形穹頂58D中的發(fā)射芯片58C。術(shù)語(yǔ)“環(huán)面”區(qū)分于常規(guī)術(shù)語(yǔ)“圓環(huán)面“圓環(huán)面”僅僅包括零傾斜角度的情況)。冷柜貨架前面高度傾斜的照明設(shè)置可完全被理解地包括使圓環(huán)面傾斜，從而減小了朝向貨架中心的橢圓弧點(diǎn)的透鏡化影響。
[0075]圖5中的弧52延伸至傾斜角度τ (在這種情況下，τ是17° )，重要的是τ是橢圓弧52的長(zhǎng)軸52Α的傾斜角。橢圓弧52的短軸52Β與弧51的邊緣處的半徑齊平，確保與相同表面相切的輪廓對(duì)齊。針對(duì)不同的貨架距離，存在限定具體的照明透鏡51的外表面的三個(gè)自由參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是弧52的半徑，用于通過(guò)照明透鏡51的中央部分控制縮小率的量。第二個(gè)參數(shù)是傾斜角度τ，傾斜角度τ限定橢圓弧53的方向(即，朝向圖1中的貨架中心)。上表面的第三個(gè)自由參數(shù)是長(zhǎng)軸53Α與短軸53Β的比率(在這種情況下，所述比為1.3:1)，所述比率用于限定上面討論的光源放大率。光線扇59包括離軸角度間隔2°處的中心光線(即，源自于芯片58C的中心的光線)。由虛弧59C指示的中央十條光線示出了透鏡51的中央的發(fā)散特性，提供了用于均勻照明所需的中央縮小率。其余的光線全部以距離水平線的陡傾角發(fā)出，提供圖4中的橫向光源放大率。
[0076]環(huán)繞LED58的中央腔具有鐘形輪廓54,鐘形輪廓54通過(guò)使用頂點(diǎn)位于Zv處、頂點(diǎn)曲率半徑為階系數(shù)為d和6階系數(shù)為e的針對(duì)拋物線的標(biāo)準(zhǔn)非球面公式(即，圓錐常數(shù)為-1)來(lái)定義:
[0077]z(x) = zv+x/rc+dx4+ex6
[0078]為了使輪廓54向下形成弧而不是向上形成弧，曲率半徑r。為負(fù)值。非球面系數(shù)提供在鐘的底部向上彎曲，以幫助切斷照明圖案。圖5中的具有設(shè)置為6.45mm的空腔入口直徑的特定的優(yōu)選實(shí)施例被限定如下:
[0079]zv = 6mm rc = -1.69mm d = -0.05215 e = 0.003034
[0080]只需對(duì)這一輪廓進(jìn)行微小的修改，便可適用于照明其它貨架距離的優(yōu)選實(shí)施例。
[0081]圖6A至圖6F示出了照明透鏡60和LED芯片61。在圖6A中，光線62來(lái)自貨架上位于橫向距離透鏡0、2”和4”所指示的X坐標(biāo)處的點(diǎn)。每個(gè)光束足夠?qū)?，從而光束的光線在光照射芯片61的邊緣處(光源圖像的邊界)終止。根據(jù)先前討論的縮小率，每個(gè)光束比單獨(dú)從芯片61產(chǎn)生的光束窄。如前所述，光線62穿過(guò)的照明透鏡60的中央部分可被視為凹形的發(fā)散透鏡。
[0082]圖6B示出了從距離xM行進(jìn)到圖2中的照明圖案中的最大值的光束63。光束63的寬度是圖6A中的光束62的寬度的兩倍。
[0083]圖6C示出了從距離Xm行進(jìn)到貨架的中間(如圖2所示)的光束64。
[0084]圖6D示出了在18”處從貨架中間行進(jìn)的光束65。
[0085]圖6E示出了在20”處從貨架中間行進(jìn)的光束66，光束66幾乎填滿透鏡。這是這一尺寸的透鏡可以處理的最大光源放大率。
[0086]圖6F示出了從照明圖案的邊緣(在Xe = 22”處)行進(jìn)的光束67。注意:這些光線會(huì)錯(cuò)過(guò)芯片61，這指示著沒(méi)有光落到芯片61上，這是圖案切斷所需的。
[0087]圖6A至圖6F的進(jìn)程是透鏡的上表面輪廓和下表面輪廓的數(shù)值生成的基礎(chǔ)，如下所述，在中心處開(kāi)始并向外進(jìn)行。這一方法的結(jié)果有時(shí)可以通過(guò)圖5中的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)近似。
[0088]圖5中的照明透鏡具有本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員可準(zhǔn)確地復(fù)制的形狀的橢圓形和非球面拋物線形表面。在圖2中的照明圖案中，憑經(jīng)驗(yàn)地發(fā)現(xiàn)中心衰減至最大值的3/4，以使得圖1中的每側(cè)具有六個(gè)透鏡的透鏡陣列起作用。這種透鏡是僅能使用六個(gè)LED (而不是現(xiàn)有技術(shù)中的十二個(gè)或者更多)的最初商業(yè)上可用的設(shè)計(jì)。然而，最近，每個(gè)門(mén)只需要兩個(gè)更高功率的LED變得可用，如圖7中所示。
[0089]圖7示出了表示典型的寬為30”、高為60”的矩形門(mén)(在任何一側(cè)具有其它門(mén)(未示出))的矩形輪廓70。虛線的矩形71表示豎框，貨架照明裝置安裝在豎框后面(具體地，距被照明的貨架的前方的距離為3-6”)。這比距離貨架中心(由虛線72表示)的距離近得多。存在由小圓73表示的四個(gè)照明器(每側(cè)兩個(gè))。每個(gè)照明器產(chǎn)生被照明的圓，所述被照明的圓的峰值位于由實(shí)線圓74表示的環(huán)上，其邊緣位于虛線圓75上。這里，圓74的半徑大約為貨架寬度的五分之一，或者為到中心線72的距離的三分之一。圓75 (在圓75處照度降低至零)的大小幾乎一直穿過(guò)貨架。如圖1中所示，每個(gè)圖案在中心線72處具有1/2的值，所以兩個(gè)透鏡疊加至I。另外，在貨架中心點(diǎn)76處，四個(gè)圖案疊加，在該距離處，每個(gè)圖案必須具有1/4的值，從而疊加至I。相同的構(gòu)造適用于包含方形陣列LED的LCD背光源，僅僅是以更小的尺寸。精密構(gòu)造的照明透鏡的這一布置能夠產(chǎn)生滿足LCD背光源的均勻性。
[0090]在圖7中的布置中使用的LED必須具有在圖1中使用的LED的三倍的功率。這一更大的通量具有三重增強(qiáng)的散射光的多余的后果，與足以滿足圖1的小透鏡相比，用于圖7的更大尺寸的透鏡進(jìn)行更多的增強(qiáng)。圖2的照明圖案具有中央凹點(diǎn)，以補(bǔ)償透鏡之間的稠密間距。然而，當(dāng)散射嚴(yán)重時(shí)，散射光可足夠強(qiáng)以能向透鏡附近提供全部照明。結(jié)果是圖2中所示的照明圖案將在軸上具有接近零的強(qiáng)度。所得的透鏡具有前面未見(jiàn)的特征:兩個(gè)表面或者任意表面具有中央尖端，不將直射光留在軸上(導(dǎo)致圖案的黑暗中心)，以補(bǔ)償被散射的光。
[0091]圖8示出了包括圓形對(duì)稱照明透鏡81的照明器80的截面圖，照明透鏡81由作為其輪廓的包括通過(guò)環(huán)繞的環(huán)面與裁剪的弧83而形成的中央尖端82的上表面來(lái)界定。照明透鏡81還由包括具有裁剪的輪廓84(優(yōu)選地在其尖端處具有頂點(diǎn))的中央腔的下表面來(lái)界定，并且結(jié)合到上表面的不旋光的圓錐體環(huán)繞在中央腔附近，并具有直線輪廓85和進(jìn)入到電路板87中的銷(xiāo)86。照明器80還包括位于中央的LED封裝件88，LED封裝件88具有嵌入到透明半圓球形穹頂88D中的發(fā)射芯片88C。
[0092]圖8中的旋光輪廓83和84被稱為是裁剪的，這是因?yàn)閺恼彰鲌D案產(chǎn)生旋光輪廓83和84的具體的數(shù)值方法與圖2中的方法相似，只是幾乎沒(méi)有或者沒(méi)有軸上輸出。這一問(wèn)題的原因是，如前面所提及的，為了補(bǔ)償來(lái)自透鏡的真實(shí)世界的散射。輪廓83和84僅控制直接從芯片83C穿過(guò)穹頂83D傳播、然后在那里被折射至確保獲得所需的照明圖案的最終方向的光。所述直射圖案可以加到非直射光的散射圖案上，因此首先需要確定所述直射圖案。
[0093]圖9示出了和圖8中的透鏡81相同的照明透鏡91，為了清晰忽略了其它項(xiàng)。從LED芯片98C發(fā)出光束92，光束92包括分別從LED芯片98C的左邊緣、中心、右邊緣發(fā)出的左光束(點(diǎn)實(shí)線)、中心光束(實(shí)線)和右光束(虛線)。在透鏡91的任何位置處，這些光線限定了芯片98C的表觀尺寸以及有多少光穿過(guò)特定的點(diǎn)。從這樣的點(diǎn)散射的光可以是傳播的光中固定的一小部分。距離LED越近，則在任一點(diǎn)處出現(xiàn)更多的光，散射的量就越多。這一散射使得當(dāng)直視時(shí)透鏡給出它自己的輝光，所述輝光與LED自己的亮度分離。
[0094]嚴(yán)格地說(shuō)，散射不會(huì)發(fā)生在某一點(diǎn)而是發(fā)生在小的測(cè)試體積(如圖9中為了清晰而被放大的無(wú)窮小的立方體93所示)中。立方體93沿著光束92的傳播方向定位。立方體93的橫截面93A具有面積dA和傳播長(zhǎng)度dl，因此，其體積簡(jiǎn)單地為dV = dl dA?，F(xiàn)在切換側(cè)面，在立方體93中可以看見(jiàn)光束92的左光線、中心光線和右光線。左光線和右光線限定了立體角Ω，立體角Ω指示從透鏡91內(nèi)的立方體93觀看的LED芯片98C的表觀角大小。這一立體角越大，穿過(guò)立方體93的光越多。LED芯片98C具有照度L (具體為坎德拉每平方米(candela per square meter))。由于菲捏爾反射(Fresnel reflect1n)導(dǎo)致的小于 I的透射比τ，所以當(dāng)光束92進(jìn)入透鏡91時(shí)這一現(xiàn)象將會(huì)降低。進(jìn)入立方體93的光束92具有由I = TL dA簡(jiǎn)單地給出的強(qiáng)度I。由F = I Ω簡(jiǎn)單地給出的穿過(guò)立方體93的總通量F。
[0095]體散射在每單位傳播長(zhǎng)度內(nèi)消除所述強(qiáng)度I的固定的一小部分(類(lèi)似于吸收)。所述消除和吸收均通過(guò)比爾定律(Beer’ s law)來(lái)描述:
[0096]I (I) =I (0)e_Kl
[0097]這里，I (O)是原始強(qiáng)度，I (I)是傳播了距離I后剩余的強(qiáng)度，而散射系數(shù)K具有逆長(zhǎng)度尺寸(dimens1n of inverse length)?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量沿著圖9中的路徑I穿過(guò)透鏡觀看的芯片照度的損耗而容易地確定I (I)。
[0098]返回圖9中的立方體93，進(jìn)入的強(qiáng)度I降低了小的量dl = e_Kd1。這就導(dǎo)致了從F中減去的通量減量dF = dl Ω。那么，每單位體積發(fā)射量是dF/dV。對(duì)dF/dV在透鏡91的整個(gè)旋光體積中進(jìn)行積分，得到總的散射光。圖9還示出了沿著視線95凝視的探測(cè)器94，直射光97沿著視線95產(chǎn)生散射點(diǎn)96，總計(jì)為作為圍繞LED的輔助光源的透鏡輝光。
[0099]這些散射現(xiàn)象通常被認(rèn)為是不利的寄生特性，只用于降低光學(xué)性能。然而，存在這些這一看法的新方面，特定的體散射將會(huì)是有益的。這一現(xiàn)象出現(xiàn)在當(dāng)前的高亮度的LED的微妙的失敗(即，高亮度的LED不能在所有方向產(chǎn)生相同的顏色)中。更具體地說(shuō)，許多商用LED具有好幾百的流明輸出，當(dāng)從橫向觀察比從正面觀察時(shí)看起來(lái)黃得多。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)磷光體比來(lái)自藍(lán)光芯片的光需要更長(zhǎng)的路徑。
[0100]雖然厚的磷光體在所有方向具有均勻的白度(或色溫)，但是由于白光從比藍(lán)光芯片的區(qū)域更大的區(qū)域發(fā)出，所以它們會(huì)降低照度。然而，保形涂料精確的薄，以避免使發(fā)射器變大，但是它們將因此散射比厚的磷光體更少的光并因此進(jìn)行更少的色彩混合。結(jié)果，橫向光比所有方向的平均值更黃(2000度色溫)，正向光比所有方向的平均值更藍(lán)(7000度)。作為高流明輸出的這一期望的側(cè)向效應(yīng)的結(jié)果，在此公開(kāi)的透鏡將展示出明顯黃的橫向照明以及明顯藍(lán)的縱向照明。
[0101]這一固有的顏色缺陷的補(bǔ)救措施是在透鏡材料中使用少量的藍(lán)色染料。由于黃光穿過(guò)透鏡的最厚的部分，所以染料將自動(dòng)具有精確地針對(duì)LED光線中最黃的光線(具有較大的傾斜角度)的最強(qiáng)作用。嵌入注射成型材料中的染料應(yīng)該具有僅僅吸收大于約500nm的波長(zhǎng)的吸收光譜(典型的跨躍藍(lán)光LED和黃色磷光體之間的光譜)。準(zhǔn)確的濃度將與透鏡尺寸以及所使用的具體的染料的吸收強(qiáng)度成反比。
[0102]散射出現(xiàn)的另一形式是來(lái)自菲涅爾反射，前面提及當(dāng)光線被折射時(shí)降低光線的照度。圖9中還示出了離開(kāi)透鏡91的內(nèi)表面的第一菲涅爾反射光線92F1，接著，92F1行進(jìn)到透鏡中，經(jīng)過(guò)兩次反射，從透鏡中出射至印刷電路板92F1上。這一光線具有關(guān)于原始光束92的(1- τ )倍的強(qiáng)度。另一類(lèi)似強(qiáng)度的菲涅爾反射光線是92F2，92F2從透鏡的外表面行進(jìn)到透鏡的底表面。這兩個(gè)光線示出了行進(jìn)到不被期望處的雜散光的常見(jiàn)問(wèn)題。與在點(diǎn)96處的體散射不同，這些菲涅爾反射光線可以行進(jìn)到遠(yuǎn)處，以產(chǎn)生令人不悅的偽影。過(guò)去幾十年的光學(xué)工程中公知的是:處理這一現(xiàn)象的最早的方法是構(gòu)建這些雜散光線的表面散射。由于透鏡91的平坦的錐形底表面91C與這些雜散菲涅爾反射中的大多數(shù)光線相交，所以傳統(tǒng)的試錯(cuò)方案只是簡(jiǎn)單地粗糙相應(yīng)的模具表面，使得菲涅爾光被消散為上述體散射光的一部分。在光線的終點(diǎn)處92F2可以看成散射光線，光線92F2中的一些照射到板99的頂部，另一些可以被散射(諸如通過(guò)白漆)。
[0103]圖10示出了具有指示距圖9中的透鏡的中心的距離(以毫米為單位)的橫坐標(biāo)101和指示相比于圖案最大值的照度(以產(chǎn)生任意照明水平)的縱坐標(biāo)102的曲線100。虛曲線103是針對(duì)于圖7中的構(gòu)造在給定透鏡之間間距為125mm、目標(biāo)距離為23mm時(shí)所期望的理想的照明圖案。這些尺寸表示了背光應(yīng)用，其中，LED被排列在涂成白色的盒子內(nèi)，目標(biāo)是在其正上方具有液晶顯示器(LCD)的擴(kuò)散屏。增大的LED亮度允許較少的LED，以節(jié)約成本，同時(shí)，為更薄的背光源推進(jìn)美學(xué)。這兩個(gè)因素包含面向超短投照明的設(shè)計(jì)壓力。
[0104]曲線103的“圓錐形圖案”以及來(lái)自125mm處的照明器的曲線103的逆曲線(未示出)將疊加為1，這就保證了均勻照明。點(diǎn)實(shí)曲線104描繪了由在目標(biāo)平面上由上面討論的在X = O處來(lái)自透鏡的體散射和表面散射引起的組合寄生照度。該曲線基本上是相對(duì)于目標(biāo)上的一點(diǎn)的離軸角度的余弦4。實(shí)曲線105是其它兩條曲線的歸一化差值，實(shí)曲線105表示了何時(shí)將比例添加到曲線104上以獲得跟隨曲線103總照度的圖案。在這種情況下，曲線104的散射光足夠強(qiáng)以超出透鏡傳遞所需照度的100%。在這一情況下，當(dāng)僅對(duì)通過(guò)透鏡傳遞的直射光進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，圖8中的中央尖端82將保證中央照度為零。
[0105]利用來(lái)自光源左邊緣和右邊緣的光線，圖10中的曲線105表示的照明圖案可用于數(shù)值地產(chǎn)生圖8中的透鏡81的內(nèi)部和外部輪廓。圖10中的虛曲線106示出了曲線105的照明圖案所需的光源圖像高度(如圖6A至6F所示)的相對(duì)尺寸。這一高度函數(shù)直接用于生成透鏡輪廓。
[0106]圖11示出了 LEDllO和照明透鏡111，照明透鏡111的直徑為20mm，照明透鏡111將右光線112和左光線113傳遞到點(diǎn)114，點(diǎn)114在平面目標(biāo)115上具有坐標(biāo)X且位于LEDllO上方23mm處。右光線112以傾斜角Y命中點(diǎn)114，左光線113以傾斜角γ + Λγ命中點(diǎn)114。在圖11中的二維分析中，在點(diǎn)X處的照度I (X)與左光線的傾斜角的正弦和右光線的傾斜角的正弦之間的差成比例:
[0107]I (X) a sin ( Y + Δ y ) - sin ( y )
[0108]可通過(guò)光源圖像的合適的高度H( S卩，在光線112的透鏡出口處，右光線112與左光線113之間的垂直間隔)來(lái)滿足這一角度需求。圖10中的曲線106是這一高度H與其最大值相比的圖形。由于這一幾何需求，可通過(guò)將新的表面疊加到先前產(chǎn)生的表面的迭代過(guò)程直接生成透鏡輪廓。
[0109]圖12示出了位于LED120上方的不完整的照明透鏡121。照明透鏡121不完整在于:它表現(xiàn)了生成圖11中的整個(gè)透鏡的典型的迭代階段。圖11中的透鏡111的被示出為稍微加厚的一部分在與右光線122的交叉處(如點(diǎn)124所示)終止。在圖12中，出現(xiàn)了新的左光線123，左光線123僅僅稍位于圖11中的左光線113的右側(cè)。左光線123在經(jīng)過(guò)終點(diǎn)126之后，接著，穿過(guò)先前產(chǎn)生的上表面121，這將在新的點(diǎn)x+dx處(恰好位于圖10的點(diǎn)X的右側(cè))與目標(biāo)(未示出)相交。這一點(diǎn)將具有已經(jīng)計(jì)算的光源高度需求(諸如圖19中的曲線105),這將通過(guò)從x+dx處發(fā)出新的右光線122來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)已經(jīng)從點(diǎn)124延伸出新表面時(shí)，光線122將在點(diǎn)125處與透鏡表面相交。有必要的話，所述新表面具有朝向位于透鏡121的內(nèi)表面上的點(diǎn)126的偏轉(zhuǎn)光線122而確定的斜率。通過(guò)來(lái)自LED芯片120C的右邊緣的光線122-S來(lái)確定點(diǎn)127的位置。通過(guò)常規(guī)要求(右光線122-S的角度累加強(qiáng)度等于在點(diǎn)x+dx處的空間累加照度，所述空間累加照度從期望的照明圖案(諸如由圖10中的曲線105所示)中得知)，來(lái)確定光線122-S的離軸角度。通過(guò)折射光線122-S的需要來(lái)確定這一新的內(nèi)表面從點(diǎn)126至新的點(diǎn)127的斜率，使得光線122-S與光線122接合，以產(chǎn)生用于照明點(diǎn)x+dx處的目標(biāo)的合適的光源圖像高度。以這種方式，透鏡121的生成將會(huì)繼續(xù)，直到來(lái)自芯片120C的光線被傳遞到光線合適的目標(biāo)坐標(biāo)，并完成透鏡121的完整形狀。
[0110]剛才所描述的所述輪廓生成方法是二維的，因此，沒(méi)有考慮斜射光線(即，平面外的光線)，所述斜射線在相對(duì)大的光源的情況下會(huì)由于光源圖像的尺寸上的橫向變化而在輸出圖案中產(chǎn)生顯而易見(jiàn)的二次誤差。這一影響使一種用于生成透鏡形狀的全面的三維光源圖像分析方法(如圖13中所示)成為必要。
[0111]圖12中的透鏡生成方法跟蹤穿過(guò)先前產(chǎn)生的內(nèi)表面和外表面到達(dá)具有橫向坐標(biāo)為x+dx的目標(biāo)點(diǎn)的左光線123。相關(guān)的變量是光源圖像的高度H。然而，在三維中，必須從LED的出射窗口的整個(gè)外圍出射至目標(biāo)點(diǎn)來(lái)跟蹤光線，當(dāng)從所述點(diǎn)通過(guò)透鏡觀察時(shí)，這些光線限制光源的圖像。照明透鏡用于從光源自身的尺寸來(lái)改變光源的表觀尺寸。光源圖像的尺寸確定了照明透鏡在任意目標(biāo)點(diǎn)出將會(huì)產(chǎn)生多大照度。
[0112]圖13A是利用實(shí)線示出的不完整的圓環(huán)形照明透鏡130的從上方觀察的示意圖，其設(shè)計(jì)迭代只向邊界131延伸。在透鏡130的中央處示出圓形光源132，橢圓133表示投射到目標(biāo)點(diǎn)x+dx(未示出)的光源圖像。通過(guò)逆光線跟蹤從目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)過(guò)透鏡返回至光源的邊界而構(gòu)建所述光源圖像。所述光源圖像在其上表面是橢圓形輪廓133，在所述上表面上這些光線與光源圖像相交。因此，透鏡的已經(jīng)完成的部分將局部地照明目標(biāo)點(diǎn)，并且新的小部分必定合成全部照明。
[0113]圖13B是示出光源橢圓133和邊界131的特寫(xiě)視圖，并且所述特寫(xiě)視圖還示出了曲線134，曲線134代表將被添加以使光源圖像133完整并在目標(biāo)點(diǎn)x+dx處實(shí)現(xiàn)期望的照度水平的新表面的一小部分。當(dāng)然，在添加了新的上表面時(shí)，也將添加新的下表面的相應(yīng)部分。當(dāng)足夠多時(shí)，必定有足夠的新的上表面以完成光源圖像，同樣，也必定有足夠的下表面來(lái)將光源圖像提供至上表面。由于所述新的下表面的大小和斜率兩者均必須被確定為自由變量，所以設(shè)計(jì)方法必須能夠計(jì)算未知的兩者，但是一般來(lái)說(shuō)，上表面和下表面的新的部分的斜率將是所述表面的先前的曲率的平滑延續(xù)。
[0114]傳統(tǒng)地，非成像光學(xué)只處理來(lái)自光源的邊緣的光線，但是在此公開(kāi)的照明透鏡在各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)處獲得光源圖像時(shí)繞過(guò)這一點(diǎn)。圖13B的不完整的光源圖像產(chǎn)生小于在感興趣的、橫向坐標(biāo)為X的目標(biāo)點(diǎn)處所需的照度。然而，為了計(jì)算這一照度，必須將光線逆向跟蹤至整個(gè)光源，不僅僅是光源的邊界。當(dāng)光源具有照度和色度的變化時(shí)尤其如此。然后，分別計(jì)算來(lái)自圖13B的每個(gè)小部分區(qū)域dA的通量，并在光源圖像內(nèi)對(duì)所述通量積分，將所述積分視為已經(jīng)完成的表面。來(lái)自所需照度的虧損(deficit)將由圖13B中的新表面134來(lái)補(bǔ)足。按比例產(chǎn)生新表面134，使得另外的光源圖像區(qū)域?qū)⑼瓿伤鎏潛p。當(dāng)照明圖案僅隨著剛才討論的線性斜坡(ramp)逐漸改變時(shí)，虧損總是適度的，這是由于先前產(chǎn)生的表面已經(jīng)完成接近所需照度的良好的工作。所述新表面將無(wú)需因較小的虧損而彎曲新的光源圖像，也無(wú)需因?yàn)榇蟮奶潛p而將所述新的光源圖像延展得更寬，這是因?yàn)槟繕?biāo)圖案被控制足以防止這些現(xiàn)象。
[0115]這一設(shè)計(jì)方法可被稱為“光度非成像光學(xué)(photometric non-1maging optics)”，因?yàn)樗龇椒ńY(jié)合使用光度通量(photometric flux)與逆向光線跟蹤(reverse raytracing),以擴(kuò)展傳統(tǒng)的非成像光學(xué)的邊緣-光線定理。
[0116]用于數(shù)值地計(jì)算特定的照明透鏡的形狀的迭代過(guò)程可以可選地在中心或者邊界處開(kāi)始。如果透鏡直徑被限制，則初始條件可以是上表面和下表面的外邊緣的位置，接著，完全地確定透鏡的形狀(尤其是其中心厚度)。如果所述厚度降到低于最小值，則必須改變?cè)嫉钠鹗键c(diǎn)。當(dāng)這一原理在概念上可行時(shí)，在實(shí)施中，它將留下待定的問(wèn)題，然而，圖13A中的逆向光線跟蹤使用先前通過(guò)逆向光線跟蹤而產(chǎn)生的表面。因此，使用特定的最小厚度標(biāo)準(zhǔn)(例如，0.75mm)在透鏡的中心處開(kāi)始設(shè)計(jì)迭代。在光源上方的透鏡中心的高度將是確定透鏡的整體尺寸的主要參數(shù)。其它的素因數(shù)是透鏡的中心部分如何被構(gòu)造為負(fù)透鏡(即，是凹平透鏡，是凹凹透鏡，還是平凹透鏡)。此外，在強(qiáng)的寄生損耗的情況下，凹表面可以是平滑的或者具有尖端型中心(如圖8中所示)。
[0117]圖14示出了被用作產(chǎn)生整個(gè)照明透鏡的種子-核心(seed-nucleus)的凹平透鏡中心140。通過(guò)光線扇141的寬度確定透鏡的直徑，光線扇141從距離LED芯片142的上方(向LED的右方)23mm、X = O處的目標(biāo)中心(未示出)向左傳播，為了清晰已經(jīng)夸大了光線扇141的尺寸。光線扇141具有需要在目標(biāo)的中心處達(dá)到期望的照度水平的寬度，在短投照明中，這將小于LED自身產(chǎn)生的照度。這就意味著照明透鏡的中心部分必定縮小光源，這就是透鏡中心是發(fā)散的、具有負(fù)焦距的原因。事實(shí)上，透鏡中心140的特有功能是提供在X = O處的目標(biāo)中心的適合尺寸的光源圖像(其中，光線扇141是截面圖)。
[0118]圖14還示出了源自芯片142的左邊緣的擴(kuò)散的光線扇143。當(dāng)從這些光線與目標(biāo)平面(未示出，但向右)相交的X位置觀察時(shí)，這標(biāo)記著光源圖像的上邊緣。這些光線例示了邊緣光線如何通過(guò)先前構(gòu)建的表面被傳遞。
[0119]圖15示出了凹凹透鏡中心150、中心光線扇151、芯片152和左光線扇153。所述透鏡表面具有圖14中的凹形表面的曲率的一半。
[0120]圖16示出了平凹透鏡中心160、中心光線扇161、芯片162和左光線扇163。
[0121]在圖14至圖16的進(jìn)程中，最下面的左側(cè)光線(具有箭頭的一個(gè)光線)位于收縮的傾斜角Ψ處，傾斜角Ψ指示不同的照明行為并面向最終的設(shè)計(jì)設(shè)置不同的進(jìn)程。所有的這三個(gè)構(gòu)造在目標(biāo)X = O處產(chǎn)生相同的照度(也就是說(shuō)，相同尺寸的光源圖像)，如當(dāng)其到達(dá)各個(gè)透鏡時(shí)具有相同尺寸的光線扇141、151和161所示，也就等同于說(shuō)，它們?cè)谥行腦=O處產(chǎn)生了相同的目標(biāo)照度。
[0122]在圖16中，平凹透鏡中心160由從短投目標(biāo)(未示出)的中心行進(jìn)的光線扇161限定。通過(guò)照度標(biāo)準(zhǔn)(prescript1n)來(lái)確定光線扇161在其進(jìn)入透鏡中心160時(shí)的寬度，所述照度標(biāo)準(zhǔn)可小于LED芯片162通過(guò)其自己照明的照度。因此，光線扇161被視為通過(guò)透鏡中心160擴(kuò)散，因此光線扇161發(fā)散以覆蓋LED芯片162。
[0123]發(fā)散的光線扇163從LED芯片162的左邊緣行進(jìn)，并穿過(guò)透鏡中心160，然后輸出至短投目標(biāo)。來(lái)自光線扇163的這些光線幫助引導(dǎo)其余照明透鏡的合成(如下面的圖19和圖20所示)。
[0124]在圖16中，對(duì)于這一類(lèi)型的透鏡中心，光線扇163比圖14和圖15中的光線扇發(fā)散更多(如更小的傾斜角Ψ所示)。因此，在圖19和圖20中示出的平凹型照明透鏡可更加適用于例如包括透鏡的陣列(而不是僅用單個(gè)透鏡)的照度標(biāo)準(zhǔn)。
[0125]圖17示出了從如圖14中所示的凹平中心-透鏡數(shù)值地產(chǎn)生的照明透鏡170。平面光源171是從透鏡170設(shè)計(jì)的光源。
[0126]圖18示出了從如圖15中所示的凹凹中心-透鏡數(shù)值地產(chǎn)生的照明透鏡180。平面光源181是從透鏡180設(shè)計(jì)的光源。
[0127]圖19示出了從如圖16中所示的平凹中心-透鏡數(shù)值地產(chǎn)生的照明透鏡190。平面光源191是從透鏡190設(shè)計(jì)的光源。
[0128]圖20示出了短投(S卩，照明)透鏡200及其有關(guān)幾何結(jié)構(gòu)。圖20類(lèi)似于圖19中的照明透鏡，但是顯示地更加詳細(xì)?？梢詫?duì)如上面參照?qǐng)D3至圖5描述的短投透鏡200及其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地解釋。短投透鏡200可以用作IXD顯示器的BLU透鏡。
[0129]平面光源201 (可以是發(fā)光二極管)設(shè)置在短投透鏡200下方。短投透鏡200分別具有內(nèi)表面204和外表面206，而208是短投透鏡200的連接內(nèi)表面204和外表面206的底表面。短投透鏡200的中央腔202包括平坦頂部203和側(cè)緣(lateral flank) 204。平坦頂部203基本平行于光源201的延伸方向。短投透鏡200的外表面包括中央凹陷205和環(huán)繞的環(huán)面206。中央凹陷205用作發(fā)散透鏡(如上面關(guān)于圖6所描述的)。
[0130]傾斜的軸207指向最大光源圖像尺寸的方向，朝向短投目標(biāo)(例如，要被照明的外表面，未示出)的位置，短投透鏡200在所述位置處具有最大放大率。這一位置的準(zhǔn)確定位取決于具體的照明標(biāo)準(zhǔn)，但這一位置通常在距目標(biāo)邊緣的一半距離左右。因此，傾斜的軸207是從光源201的中心點(diǎn)O處引出經(jīng)過(guò)第二表面206上最大放大率的點(diǎn)的線，所述線指向短投目標(biāo)的中點(diǎn)。
[0131]短投透鏡200的底表面208傾斜角度τ i，角度T1表示底表面208相對(duì)于水平的光軸X的角度。角度、產(chǎn)生了軸207。短投透鏡200可以是橢圓體，底表面208可沿著橢圓體的長(zhǎng)軸和短軸傾斜角度H。
[0132]R1是表示離開(kāi)光源201并入射在平坦頂部203上或者中央腔202的內(nèi)表面204上的點(diǎn)Pl的光線的半徑矢量。角度a i表示R1關(guān)于豎直光軸Z形成的角度。應(yīng)該注意的是:中央腔202是關(guān)于光軸Z軸對(duì)稱的。在0°至25°的范圍內(nèi)，隨著Q1遞增(Λ Ci1)，矢量R1具有單調(diào)增加值(由Λ R1表示)。這是由于這樣的事實(shí):0°至25°的角度范圍內(nèi)，中央腔202的平坦頂部203基本上是平的。圖21示出了這些特征的詳細(xì)視圖。
[0133]R2是在點(diǎn)Ρ2處從短投透鏡200的外表面206出射的光線的半徑矢量，而α 2表示所述光線關(guān)于豎直光軸Z形成的角度，Λ R2是R2隨著Ci2遞增(Λ α2)的遞增量。R2隨著%在0°至60°的范圍內(nèi)增加而單調(diào)增加。外表面206的圓面部分關(guān)于豎直光軸Z軸對(duì)稱。為了避免從光源201進(jìn)入到短投透鏡200中的光的全內(nèi)反射，A2〈l/ V (η2-1)，其中，η是形成照明透鏡的材料的折射率，并且A2= AR2/(R2A α2)。這里，短投透鏡200由具有
1.41至1.65之間的折射率的透明材料制成。
[0134]短投透鏡200的被涂漆的底表面208可被構(gòu)造為吸收由光源201發(fā)出的光的內(nèi)部(例如，菲涅爾)反射?？梢詫?duì)表面208涂漆，使得表面208的吸收率至少為80%，優(yōu)選地為90%。可以使用黑漆噴涂短投透鏡200的底表面208，以增加吸收率?？蛇x地，安裝有短投透鏡200的印刷電路板的頂部(未示出)可被進(jìn)行相似的涂漆以增加吸收率。
[0135]這三種透鏡利用來(lái)自光源的邊界的光線被設(shè)計(jì)，在這種情形下被設(shè)計(jì)為圓形。透鏡的尺寸是自由參數(shù)，而集光率因子指示對(duì)過(guò)小的透鏡支付的價(jià)格。在準(zhǔn)直器的情況下，如果透鏡過(guò)小，則輸出光束將不可避免地比目標(biāo)更寬。在此公開(kāi)的短投照明透鏡的情況下，由于它需要曲線106的光源圖像，結(jié)果將無(wú)法保持輸出作為圖10中的曲線103的理想線性斜坡的照明圖案。如果透鏡比所需的光源圖像尺寸小，則所述透鏡將無(wú)法提供所需的照明。因此，透鏡尺寸將是通過(guò)線性斜坡的目標(biāo)而定的參數(shù)。過(guò)小的透鏡將具有通過(guò)全內(nèi)反射(而不是行進(jìn)到圖案的邊緣)捕獲的某些光線。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中曾遇到了這種情況，則迭代將必須使用LED上方的透鏡中心的更大的高度而重新開(kāi)始。
[0136]LED照明透鏡可需要可使用少量(諸如每個(gè)豎框五個(gè)或六個(gè))并仍然獲得均勻性的圓形對(duì)稱照明透鏡，這是因?yàn)楦鱾€(gè)圖案使得少數(shù)幾個(gè)圖案可疊加至無(wú)焦散均勻性。因此，本發(fā)明的目的是提供具有圓形照明圖案的透鏡，多個(gè)圖案將跨越矩形而疊加至均勻。本發(fā)明的另一目的是獲得比上述的裝置小的透鏡尺寸，這將引起導(dǎo)致低制造成本的裝置緊湊性。
[0137]通過(guò)透鏡的各個(gè)照明圖案的特定裁剪可以實(shí)現(xiàn)更小的透鏡尺寸。這一圖案可以為具有特定的衰減的最佳的環(huán)形，所述衰減使得當(dāng)每行安裝有六個(gè)照明器時(shí)在兩個(gè)照明豎框之間能夠使十二個(gè)圖案疊加至均勻。在最傾斜的方向上的衰減是重要的，這是因?yàn)樗_定了整個(gè)透鏡尺寸?？蛇x的方法是:(1)每個(gè)豎框在貨架中間照明為100%，超過(guò)貨架中間為零，這將導(dǎo)致上述的焦散；(2)每個(gè)豎框在中間點(diǎn)貢獻(xiàn)50%，超過(guò)中間點(diǎn)衰減。后者是本發(fā)明的方法。
[0138]總之，在此公開(kāi)的示例性實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了最具有挑戰(zhàn)性的照明任務(wù)，通過(guò)寬間距的透鏡實(shí)現(xiàn)近平面目標(biāo)的均勻照明。對(duì)于不定期檢查不可見(jiàn)的所述透鏡形狀的偏差仍然足以在輸出圖案中產(chǎn)生減損的可視偽影。有經(jīng)驗(yàn)的制模者(molder)知道:有時(shí)需要在接近顯微鏡可見(jiàn)的級(jí)別測(cè)量透鏡的形狀，以調(diào)節(jié)模具參數(shù)，直至實(shí)現(xiàn)合適的形狀。
[0139]有經(jīng)驗(yàn)的制造商還知道，具有小的位置誤差的容差的LED布置對(duì)于照明成功是關(guān)鍵的。因此，透鏡形狀的完整的說(shuō)明有必要需要通過(guò)完全公開(kāi)的算法數(shù)學(xué)地產(chǎn)生的點(diǎn)的高分辨率數(shù)值列表。定性的形狀描述對(duì)于計(jì)算機(jī)加工注射模具沒(méi)有任何意義，對(duì)于經(jīng)過(guò)透鏡的光也沒(méi)有任何意義。與手動(dòng)磨削透鏡的年代不同，LED照明透鏡的精度意味著沒(méi)有產(chǎn)生那些透鏡輪廓坐標(biāo)的數(shù)值方法，就沒(méi)有透鏡。
[0140]對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明顯的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變型。因此，意圖是只要本發(fā)明的修改和變型在權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)，本發(fā)明就覆蓋所述修改和變型。
[0141]相關(guān)申請(qǐng)的引用
[0142]本申請(qǐng)要求于2012年3月5日提交的第61/606，710號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的權(quán)益，出于所有目的，所述臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诖送ㄟ^(guò)引用被全部包含于此，如同在此進(jìn)行了全部闡述。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光裝置，包括: 發(fā)光兀件； 照明透鏡，被構(gòu)造為控制從發(fā)光元件發(fā)出的光，照明透鏡包括第一表面，從發(fā)光元件發(fā)出的光從第一表面進(jìn)入照明透鏡， 其中，第一表面包括關(guān)于發(fā)光裝置的基準(zhǔn)軸軸對(duì)稱的中央腔， 其中，在αι〈25°的范圍內(nèi)，R1隨著\增加而單調(diào)增加，其中，基準(zhǔn)軸與發(fā)光元件的出射表面的交叉點(diǎn)是基準(zhǔn)點(diǎn)，R1是基準(zhǔn)點(diǎn)與第一表面上的任意點(diǎn)之間的距離，α !是基準(zhǔn)軸與穿過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)和第一表面上的所述任意點(diǎn)的直線之間的角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中，照明透鏡還包括第二表面，入射在第一表面上的光通過(guò)第二表面從照明透鏡出射， 其中，第二表面包括環(huán)面部分和中央凹陷，環(huán)面部分關(guān)于基準(zhǔn)軸軸對(duì)稱，中央凹陷包括由環(huán)面部分環(huán)繞的第二表面的一部分，中央凹陷圍繞基準(zhǔn)軸與第二表面的交叉點(diǎn)，中央凹陷用作發(fā)散透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光裝置，其中，在α2〈60°的范圍內(nèi)，R2隨著α2增加而單調(diào)增加，其中，R2是基準(zhǔn)點(diǎn)與第二表面上的任意點(diǎn)之間的距離，％是基準(zhǔn)軸與穿過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)和第二表面上的所述任意點(diǎn)的直線之間的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光裝置，其中，Α2〈1/V (η2-1)，其中，η是形成照明透鏡的材料的折射率，并且A2 = Λ R2/ (R2 Λ α 2)，其中，Λ R2是R2的增量，Λ α 2是α 2的增量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中，第一表面的中央腔包括平坦頂部，平坦頂部基本平行于發(fā)光元件的延伸方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中，照明透鏡包含具有1.41至1.65之間的折射率的透明材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中，發(fā)光元件包括發(fā)光二極管(LED)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光裝置，其中，第二表面的環(huán)面部分的圓錐形部分的底表面以角度τ傾斜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其中，從發(fā)光元件的出射表面引出經(jīng)過(guò)第二表面的環(huán)面部分上的最大放大率的點(diǎn)的直線指向?qū)⒈徽彰鞯耐獗砻娴闹悬c(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其中，照明透鏡是橢圓體，第二表面的環(huán)面部分的圓錐形部分的底表面沿著橢圓體的長(zhǎng)軸和短軸傾斜角度τ。
11.一種照明透鏡，包括: 光入射表面，所述光入射表面限定空腔并包括平坦頂部和側(cè)緣，所述光入射表面被構(gòu)造為從在下方的發(fā)光元件接收光； 光出射表面，包括中央凹陷和環(huán)繞的環(huán)面， 其中，平坦頂部面對(duì)中央凹陷。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明透鏡，其中，平坦頂部包括第一平坦部分和第二平坦部分，第一平坦部分位于光入射表面的中心點(diǎn)的第一側(cè)，第二平坦部分位于光入射表面的中心點(diǎn)的第二側(cè)，光入射表面的中心點(diǎn)被構(gòu)造為設(shè)置于在下方的發(fā)光元件的正上方。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的照明透鏡，其中，所述中央凹陷包括第一傾斜部分和第二傾斜部分，第一傾斜部分朝向中心點(diǎn)向下傾斜，第二傾斜部分遠(yuǎn)離中心點(diǎn)向上傾斜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的照明透鏡，其中，第一平坦部分面對(duì)第一傾斜部分，第二平坦部分面對(duì)第二傾斜部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明透鏡，所述照明透鏡還包括連接光入射表面與光出射表面的底表面，底表面具有從光入射表面到光出射表面的傾斜輪廓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的照明透鏡，其中，照明透鏡的底表面被涂漆，以使底表面的吸收率為至少80%。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的照明透鏡，其中，照明透鏡的底表面被噴涂黑漆。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的照明透鏡，其中，照明透鏡的被涂漆的底表面被構(gòu)造為吸收菲涅爾反射。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的照明透鏡，其中，照明透鏡的底表面被涂漆，以使底表面的吸收率為至少90%,從而吸收菲涅爾反射。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的照明透鏡，所述照明透鏡還包括印刷電路板(PCB)，發(fā)光元件設(shè)置在印刷電路板上，其中，PCB的表面被涂漆以使PCB表面的吸收率為至少80%。
【文檔編號(hào)】F21S2/00GK104254733SQ201380013036
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月5日
【發(fā)明者】戴維·G·佩爾卡, 威廉·A·帕金 申請(qǐng)人:首爾半導(dǎo)體株式會(huì)社