JP2013502695A - 蛍光体被覆レンズのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本明細書に開示される実施形態は、光源およびＬＥＤに関連して光子変換材料を利用する光学システムを提供する。ＬＥＤは、基部および１つ以上の側壁によって画定されるキャビティ内に設置することができる。蛍光体は、ＬＥＤから射出される光が蛍光体上に入射され、および入射面を通ってレンズ本体に入る前にダウンコンバートされるように、レンズ本体への入射面およびＬＥＤの間のレンズの入射面上に配置できる。レンズは、蛍光体が空隙によってＬＥＤから分離されるように設置することができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、Ｋｏらによる米国仮特許出願第６１／３１９，７３９号（名称「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏａｔｅｄ Ｌｅｎｓ」、２０１０年３月３１日出願）、およびＫｏらによる米国仮特許出願第６１／２３５，４９１号（名称「Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏａｔｅｄ Ｌｅｎｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｔｙｐｅ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅ」、２００９年８月２０日出願）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の優先権を主張し、Ｋｏらによる米国特許出願第１２／６４６，５７０号（名称「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｃｏａｔｅｄ Ｌｅｎｓ」、２００９年１２月２３日出願）の一部継続出願としての米国特許法１２０条の優先権を主張する。本パラグラフにおいて上記に参照された出願の各々は、その全体が本明細書に参照によって援用される。

（開示の技術分野）
本開示は、概して、光学システムに関する。特に、本開示は、レンズを使用するためのシステムおよび方法に関する。本開示はさらに、選択された色および／または色温度による非常に均一な光分布を作成するためのＬＥＤ／レンズの配列の使用に関する。

蛍光体は、光を全方向に射出する等方性エミッタである。従来のＬＥＤの実装において、蛍光体は、ＬＥＤに近接するシリコンマトリクス内、またはＬＥＤドームあるいは他のＬＥＤパッケージングの外側のＬＥＤチップ上に施される。ドームまたはレンズは、ランバート（ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）から非常に幅の狭いスポットへの光線角度（形状）を制御するために、蛍光体によって被覆されたＬＥＤチップに施され得る。このようなデバイスは、半球体のレンズから、Ｔ−５ｍｍ（Ｔ１3/4）非球体（ａｓｐｈｅｒｅ）までを範囲とする。白色光ＬＥＤを製造するための従来のシステムは、例えば、ポンプ青色／ＵＶ ＬＥＤチップおよびシリコン等の結合マトリクス内の蛍光体の近接混合物（ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｍｉｘｔｕｒｅ）で構成される。反射カップ内の青色ポンプの上に平坦なまたはほぼ平坦に近い蛍光体およびシリコン混合体を有するＬＥＤについて記述するために「グープ・イン・ア・カップ」という用語が用いられる。リモート蛍光体システムにおいて、蛍光体は、変換効率を向上させるために、ドームの外側または半球体のシェルの内側のチップから離して施される。しかしながら、光ビーム形状を制御するために追加のレンズが必要であり得る。ＧＥ ＶＩＯは、リモート蛍光体ソリューションを使用する。

現行のシステムは、ＬＥＤチップおよび蛍光体粒子の加熱による効率性の損失という問題を抱えている。さらに、多くの現行のシステムは、ドームまたは蛍光体被覆されたＬＥＤから射出された光を所望のビーム角に成形するために、二次的な光学装置または追加のレンズを必要とする。レンズのドームへの結合により、およそ１０％以上の効率損失が生じる。またさらに、現行のシステムは、交差励起（ｃｒｏｓｓ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）のために複数色の蛍光体を使用する場合に、変換損失が生じるという問題を抱えている。例として、赤色発光蛍光体は、ポンプ波長の代わりに緑色蛍光体からのダウンコンバートされた光を吸収し、それによって、さらなる損失が生じている。

以下の米国特許は、蛍光体変換発光デバイスにおける課題のいくつかを解決するための先行努力について記載している。特許文献１は、青色発光ダイオードおよび蛍光体構成要素を有する発光デバイスを開示する。特許文献２、特許文献３、および特許文献４は、それぞれ、窒素化合物半導体およびイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）要素を含有する蛍光体を有する、白色発光デバイスを開示する。窒素化合物半導体は、発光層として使用される。蛍光体は、発光層によって射出された光の一部を吸収し、吸収された光の波長とは異なる波長の光を射出する。特許文献５は、白色光パッケージのチップ配置設計を開示する。一例は、楕円形または細長い円形の形状の実質的に外周全体に沿って続く形状で、ケースの底面の高さから斜め上方に延伸する凹面弧の曲線状の表面を有する蛍光部材を含む。これは、半導体発光要素から射出された光の一部分および側面から射出された光の大部分をより効率的に利用するために、半導体発光要素の側面から射出された光を反射する。特許文献６は、発光デバイスと、光ルミネセンス蛍光物質を含有し、発光デバイスを直接被覆するエポキシ樹脂から形成される色変換部材とを有する色変換型発光装置を開示する。特許文献７および特許文献８は、より完全な色レンダリングについて少なくとも２つの蛍光体の混合体を使用する発光デバイスを開示する。特許文献９は、青色ＬＥＤを有する光源、青色ＬＥＤからの光の注入を受容する平板な主表面および端部面を有する光学ガイドプレート、および青色ＬＥＤろ光学ガイドプレートとの間に設置される蛍光材を含有する透明樹脂またはガラス製の被覆材を開示する。光学ガイドプレートは最終的な光混合に使用される。特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３は、発光スペクトルおよびディスプレイ背景照明のパッケージ設計を含む、青色光ＬＥＤおよび蛍光体成分を有する発光デバイスを開示する。特許文献１４は、青色ダイスおよび蛍光体を有し、およびより良い信頼性および光学安定性のためにエポキシ樹脂を含むＬＥＤチップを開示する。特許文献１５は、発光要素および熱放射特性ならびに発光要素を収納するための機械的強度を有する金属パッケージを有する発光デバイスを開示する。

米国特許第６，６１４，１７９号明細書 米国特許第５，９９８，９２５号明細書 米国特許第６，０６９，４４０号明細書 米国特許第６，６０８，３３２号明細書 米国特許第６，７３７，６８１号明細書 米国特許第６，９２４，５９６号明細書 米国特許第７，０９１，６５６号明細書 米国特許第７，２４７，２５７号明細書 米国特許第７，０７１，６１６号明細書 米国特許第７，０２６，７５６号明細書 米国特許第７，１２６，２７４号明細書 米国特許第７，３２９，９８８号明細書 米国特許第７，３６２，０４８号明細書 米国特許第６，９６０，８７８号明細書 米国特許第７，２５６，４６８号明細書

本明細書に記載される実施形態は、光がレンズ本体に入る前に、蛍光体が光をダウンコンバートできる光学システムを提供する。一実施形態は、レンズ上に配置されるＬＥＤ、レンズおよび蛍光体を含むシステムを含むことができる。ＬＥＤは、基部および１つ以上の側壁によって画定されたキャビティ内に設置される。ＬＥＤから射出された光が蛍光体上に入射し、入射面を通ってレンズ本体に入る前に少なくとも部分的にダウンコンバートされるように、蛍光体は、レンズ本体への入射面とＬＥＤとの間のレンズ上に配置される。レンズは、蛍光体が空隙によってＬＥＤから分離されるように設置される。蛍光体は、レンズ本体の入射面上、蛍光体と入射面との間の緩衝層上に被覆として配置されるか、あるいはレンズ上に配置される。一実施形態に従い、レンズ本体は、所望の半角で、均一な分布によって光を射出するように成形できる。さらに、レンズ本体は、輝度を保存するか、または輝度を保存する所望のパーセンテージ内にするように成形できる。

キャビティは、ＬＥＤの入射面へとキャビティ内の光を方向付けるように成形される側壁を有することができる。キャビティ側壁を形成する材料は、入射面へと光を反射させるように選択できる。別の実施形態では、反射体は、ＬＥＤを包囲することができる。反射体は、個々の構成要素にすることができるか、または、一実施形態に従い、キャビティが封入材で充填される場合に、キャビティの端部の表面張力によって形成することができる。

光学システムの別の実施形態は、サブマウントと、サブマウント、筐体および一組のレンズへ載置されたＬＥＤの配列とを含むことができる。筐体は、サブマウントと協働して、一組のＬＥＤキャビティを少なくとも部分的に画定できる。筐体は、さらに、レンズを収容するための一組のレンズキャビティを画定できる。各レンズキャビティは、対応するＬＥＤキャビティに対して開口することができる。レンズは、レンズキャビティに配置でき、各レンズは対応するＬＥＤキャビティに対する開口に近接する入射面を含む。蛍光体層は、レンズ本体に入る前に光がダウンコンバートされるように、入射面および対応するＬＥＤの間の各レンズ上に配置できる。各レンズの入射面は、ＬＥＤと蛍光体との間に空隙が存在するように、対応するＬＥＤからある距離に設置される。複数蛍光体は、交差励起を低減するために連続して堆積できる。

各レンズキャビティは、一組の側壁によって画定できる。レンズキャビティが、対応するＬＥＤキャビティへの開口に近接すると小さくなり、対応するＬＥＤキャビティの開口から離れると大きくなるように、一組の側壁を成形できる。

一組のレンズ内の各レンズは、選択された半角で、均一な分布パターンを有する光を射出するように構成できる。一組のレンズは、光学システムが、一組のレンズ内の個々のレンズよりも大きい面積にわたって、選択された半角で、均一な分布パターンで光を射出するように、密に詰めるパックされることができる。さらに、一組のレンズ内の各レンズは、輝度を保存するように成形できる。

システムは、一実施形態に従い、対応するレンズキャビティ内の１つ以上のレンズを支持するカバーを含むことができる。カバーおよび１つ以上のレンズは、単一の材料のピースから形成することができる。

各レンズ上に配置される蛍光体層は、一組のレンズ内の異なるレンズが異なる光の色を射出するように選択できる。一例として、しかし、これに限定されないが、各レンズ上に配置される蛍光体層は、光学システムが１つ以上の白色光ユニットを形成するように選択される。

本明細書に記載された実施形態によって提供される一つの利点は、蛍光体がＬＥＤチップから除去されることである。したがって、ＬＥＤチップの加熱が低減されるか、または加熱が行われない。

別の利点として、ＬＥＤ活性層からの蛍光体の分離のために、蛍光体変換効率を増加できる。ストークシフトによる蛍光体の自己発熱は、レンズ材料によるおよびシステムのサブマウント／ヒートシンクによる熱損失によって抑制することができる。

いくつかの実施形態のさらに別の利点として、レンズの入射におけるより低い流束密度のために、より高い蛍光体変換効率を提供できる。

様々な実施形態の別の利点として、輝度保存独立光学デバイスの入射表面に蛍光体を配置することにより、熱に対する考慮と有効な蛍光体パッケージ効率との間の最適な均衡を提供できる。

本明細書に記載された実施形態はさらに、柔軟な光学システム構成を提供する。蛍光体被覆レンズはＬＥＤチップとは別にすることができるため、従来の発光デバイスを含む様々な種類の光学デバイスに関連して使用することができる。

さらに別の利点として、光線パターン制御、色混合および色変換を、同じ光学デバイスで提供できる。

実施形態は、輝度保存レンズを使用する遠視野における均一な空間分布を提供することによって、別の利点を提供でき、こうして、光源のエタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）を保存するための基礎的な光学システムが可能になる。

輝度保存蛍光体レンズの実施形態は、近および／または遠視野色および空間均一性、または近および／または遠視野調整された色分布および空間分布を可能にすることによって、別の利点を提供する。

本明細書に開示される実施形態は、さらに、蛍光体被覆レンズを密接に詰めることを可能にできる。

本明細書に記載された実施形態はさらに、選択されたビーム角で非常に均一な光を作成するために、ＬＥＤの配列（または他の光源）およびレンズを使用するためのシステムを提供する。

実施形態およびその利点のより完全な理解は、同様の参照番号が同様の特徴を示す添付の図面に関連して記述される、以下の記載を参照することによって獲得され得る。
図１−４は、光学システムの実施形態の図である。 図１−４は、光学システムの実施形態の図である。 図１−４は、光学システムの実施形態の図である。 図１−４は、光学システムの実施形態の図である。 図５−６は、蛍光体被覆レンズの実施形態の図である。 図５−６は、蛍光体被覆レンズの実施形態の図である。 図７は、パッケージされた配列の一実施形態の図である。 図８は、パッケージされた配列の一実施形態の断面図である。 図９は、キャビティ内のＬＥＤの図である。 図１０は、パッケージされた配列の一実施形態の一部の図である。 図１１は、パッケージされた配列の一実施形態の別の一部の図である。 図１２は、サブマウント上に載置されたＬＥＤの配列の図である。 図１３は、パッケージされた配列の筐体の一部の一実施形態の図である。 図１４は、パッケージされた配列の別の実施形態の一部の図である。 図１５は、パッケージされた配列の実施形態の別の一部の図である。 図１６は、レンズアセンブリの一実施形態の図である。 図１７Ａは、側壁形状を決定するためのレンズのモデルの断面図である。 図１７Ｂは、レンズの側壁の一部の一実施形態の図である。 図１７Ｃは、側壁のファセットはコンピュータプログラムを使用して画定できることを示す図である。 図１７Ｄは、ＴＩＲによって、側壁から出射表面へ光線が反射されるように成形される側壁を有する、レンズの一実施形態の図である。 図１８は、出射平面の一実施形態を示す図である。 図１９は、有効立体角を推定するための一実施形態の図である。 図２０Ａ−２０Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を記載する図である。 図２０Ａ−２０Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を記載する図である。 図２０Ａ−２０Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を記載する図である。 図２０Ａ−２０Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を記載する図である。 図２０Ａ−２０Ｅは、有効立体角を推定するための別の実施形態を記載する図である。 図２１は、光学システムの一実施形態の図である。 図２２は、光学システムの別の実施形態の図である。 図２３ａおよび２３ｂは、３０度の半角の光の組み合わせを示す、レンズ／ＬＥＤの組み合わせを示す図である。 図２３ａおよび２３ｂは、３０度の半角の光の組み合わせを示す、レンズ／ＬＥＤの組み合わせを示す図である。 図２４は、レンズの配列および生成された光パターンの図である。 図２５ａ−２５ｃは、色光源の構成の図である。 図２５ａ−２５ｃは、色光源の構成の図である。 図２５ａ−２５ｃは、色光源の構成の図である。 図２６は、光学装置およびコントローラの配列の一実施形態の図である。 図２７は、蛍光体を有するレンズの別の実施形態の図である。 図２８は、蛍光体を有するレンズのさらに別の実施形態の図である。 図２９は、蛍光体を有するレンズの一実施形態の図である。 図３０は、蛍光体を有する別のレンズの図である。

実施形態およびその様々な特徴および有利な詳細は、添付の図面に記載され、および以下の記載において詳細に説明される、例示的な、したがって非限定的な実施例を参照して、より完全に説明される。既知の出発材およびプロセスの説明は、開示の詳細を不必要に不明確化しないように省略され得る。しかしながら、好ましい実施形態を示している詳細な説明および具体例は、例示のみを目的として記載され、限定を目的として記載されないことを理解すべきである。元となる本発明の概念の精神および／または範囲内での様々な置換、修正、追加および／または再配列は、本開示から当業者に明らかとなる。

本明細書で使用される場合、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」またはこれらの他の任意の変化形は、非排他的な含有を含むように意図される。例えば、列挙された要素を備えるプロセス、生成物、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない他の要素、またはそのようなプロセス、プロセス、物品、または装置に内在する要素を含み得る。さらに、逆の意味で明示的に述べられていない限り、「または」は、包含的論理和を指し、排他的論理和ではない。例えば、条件ＡまたはＢは、以下、つまり、Ａは真であり（または存在する）かつＢは偽である（または存在しない）、Ａは偽であり（または存在しない）かつＢは真である（または存在する）、およびＡおよびＢが共にＡおよびＢが真である（または存在する）のうちのいずれか１つにより満たされる。

さらに、本明細書に記載されるいかなる実施例または例示も、それらと共に使用される用語（複数を含む）の限定、制限、または明示的な定義として解釈されないものとする。そのかわり、それらの実施例または例示は、具体的な一実施形態に関して、および例示としてのみ記載されているものと解釈されたい。当業者には、それらと共にこれらの実施例または例示が使用されるいかなる用語（複数を含む）も、それと共に、または本明細書の別の場所で示されていても示されていなくてもよい他の実施形態ならびにそれらの実装および適応を包含し、そのような実施形態はすべてその用語（複数を含む）の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。このような非限定的な実施例および例示を指定する言葉は、「例えば」、「例として」、「例：」「一実施形態において」等を含むが、これらに限定されない。

ここで本開示の例示的実施形態を詳細に参照するが、その例が付随する図面に示されている。可能な限り、様々な図面の同様および対応する部分（要素）を示すために、図面を通して同様の数字が使用される。

本明細書に記載される実施形態は、光源から離れた、および光源およびレンズの入射面の間の光子変換材を維持する光学システムを提供する。光源は、基部および側壁を有するキャビティ内に配置できる。一実施形態では、キャビティは、サブマウントと協働して筐体によって形成できる。レンズは、レンズの入射面が光源から選択された距離であるように設置することができる。光子変換材の層は、材料が、光がレンズに入る前に光源から異なる波長へ射出された光を変換するように、レンズの入射面および光源の間のレンズ上に配置できる。光子変換材は、緩衝層またはレンズの別の層上において、レンズへの入射面上に直接配置できる。以下の例において、光源はＬＥＤであり、光子変換材は、蛍光体および／または量子ドットを含む。
しかしながら、他の光源および光子変換材と共に、本明細書に開示される実施形態を使用できることを理解されたい。

図１−４は、ＬＥＤ１１０からの空隙によって分離されるレンズ１０５を含む光学システムの図である。ＬＥＤは、図１および２に示される横方向ＬＥＤ、図３に図示されるフリップチップＬＥＤ、図４に図示される縦方向ＬＥＤ、またはＬＥＤまたは光源のいずれかの他の適した型にすることができる。ＬＥＤ１１０は、サファイヤ、炭化ケイ素、ダイヤモンド、成形ガラスまたは他の基板材を含むいずれかの適したＬＥＤ基板材の基板１１５を含むことができる。さらに、ＬＥＤ１１０は、ドーピング、緩衝層または他の層の１つ以上の層または領域を含むことができる非基板層１２０を有することができる。非基板層１２０は、発光領域（または活性領域）、典型的には、ＩｎＧａＮまたはＡｌｌｎＧａＰあるいはＡＩＧａＮ等の化合物半導体を含むことができる。ＬＥＤ１１０は、矩形（正方形を含む）、六角形、円形にすることができる、または別の幾何学的あるいは不規則形状を有することができる。

ＬＥＤ１１０は、サブマウント１２５に載置される。一実施形態に従い、サブマウント１２５は、ＬＥＤ１１０によって生じる熱を拡散および伝導するための高い熱的伝導性を有する材料から作成できる。当該技術において公知または開発されるいずれかの適したサブマウントを使用できる。ＬＥＤ１１０は、筐体１３５によって画定されたＬＥＤキャビティ１３０内に配置される。筐体１３５は、より大きい筐体の一部にすることができ、サブマウント１２５上に載置された材料または他の材料の層は、サブマウント１２５または他の層と協働してキャビティを形成する円形のＬＥＤ１１０に設置することができる。例えば、一実施形態に従い、材料１３５は、サブマウント１２５に載置された成形プラスチックの層にすることができる。

一実施形態に従うＬＥＤキャビティ１３０は、ＬＥＤの側面に対して平行である（つまり図１の視点から縦方向の）まっすぐな側壁を有することができる。他の実施形態では、ＬＥＤキャビティ１３０の壁は、曲線状（例：放物線状、複数放物線状または他の曲線状の形状）、先細り形状またはあるいは上方へ光をより良く方向付けるように成形することができる。ＬＥＤキャビティ１３０は、空気、成形シリコン、蛍光体粒子、成形プラスチック、または他の封入材と混合されたシリコンで充填することができる。ＬＥＤ１１０よりも高い屈折率を有する材料を使用することにより、光がＬＥＤ１１０内での全反射（「ＴＩＲ」）に起因してＬＥＤ１１０内に捕捉される事を防ぐことができ、それにより、より多くの光がＬＥＤキャビティ１３０の中に逃げることができるようにする。

ＬＥＤ１１０の周囲に配置される反射体１４０（図２を参照）は、レンズ１０５に向けて光を反射できる。いくつかの実施形態では、反射体１４０は、別個の構成要素にすることができる。一例として、しかし、これに限定されないが、反射体は、テフロン（登録商標）、テフロン（登録商標）紙、拡散反射プラスチック、銀被覆されたプラスチック、白色紙、ＴｉＯ２被覆された材料または他の反射材料にすることができる。別の実施形態では、反射体１４０は、材料１３５または封入材の選択によって形成できる。例えば、材料１３５は、壁が本質的に拡散白色反射体を形成するように、白色プラスチック材料にすることができる。別の実施形態では、反射体１４０は、ＬＥＤキャビティ１３０内に配置される封入材の表面張力によって形成できる。

いくつかの場合では、ＬＥＤは、ＬＥＤのいくつかの部分の側面へと光が漏れるようにするのみでもよい。図４の実施形態では、例えば、基板１１５は、ＬＥＤ１１０がその基板１１５の側面から光を射出しないように、非透明な側面を含んでもよい。その結果として、光学システム１１０は、反射体１４０が、それを通して光が放射されるＬＥＤ１１０の側面部分を包囲するのみであるように構成できる。

レンズ１０５は、光をレンズ１０５のレンズ本体１０７に受容するための入射面１５０を含むことができる。レンズ本体１０５は、入射面から射出面まで光をガイドまたは分散させる役目を果たすレンズ１０５の主要部分である。しかしながら、レンズ１０５は、緩衝または保護層等の追加の層を含むことができ、光は、入射面１５０に入る前に横断してもよいことに留意されたい。一実施形態に従い、入射面１５０は、ＬＥＤ１１０（例：図２内の面１１７に平行な面）の一次放射面と平行にすることができる。他の実施形態では、入射面は、ＬＥＤの一次放射面に対して別の方向（例：垂直）を有することができる。蛍光体層１４５は、レンズ本体１０７の入射面およびＬＥＤ１１０の間のレンズ１０５上に配置できる。蛍光体層は、入射面１５０上または蛍光体層１４５および入射面１５０の間の緩衝層上に直接配置できる。蛍光体層１４５内の蛍光体は、より高いエネルギー、短い波長光波を吸収し、より低いエネルギー、より長い波長光を再射出する。蛍光体層１４５によって射出された光は、入射面１５０を通してレンズ本体１０７へ入ることができる。

一実施形態に従い、蛍光体層１４５は、レンズ本体１０７の入射面１５０上に被覆されたシリコン等の、結合材内の蛍光体粒子の層を含むことができる。蛍光体粒子は、ナノ蛍光体粒子、量子ドット、またはより小さいあるいはより大きい粒子を含むがこれらに限定されない、いずれかの最適にサイズ決めされた蛍光体粒子を含むことができ、蛍光体粒子の単一の色または複数色を含むことができる。他の実施形態では、蛍光体層１４５は、１つ以上の緩衝層によってレンズ本体１０７の入射面１５０から分離できる。さらに、例えば、蛍光体層１４５が入射面１５０および１つ以上の追加の材料の層の間に挟まれるように、蛍光体層１４５との間にレンズ本体１０７に結合された追加の材料層が存在してもよい。材料および接着剤は、損失が生じないか、または層境界において最小になるような屈折率で選択できる。蛍光体は、いずれかの公知の技術を用いて配置できる、またはシルクスクリーニング、ステンシル印刷パッド印刷、シリンジ調剤またはジェッティングを含むがこれらに限定されない技術で作成できる。

システム１００によって射出される光の色は、ＬＥＤ１１０および蛍光体層１４５内の蛍光体粒子に基づいて選択できる。例えば、ＬＥＤ１１０は紫外線ＬＥＤにすることができ、蛍光体層１４５は、紫外線光を赤色、緑色、青色、黄色または他の色の光へとダウンコンバートする蛍光体を含むことができる。別の例において、ＬＥＤ１１０は、青色ＬＥＤにすることができ、蛍光体層１４５は、青色光を所望の色にダウンコンバートできる。反射体１４０は、ＬＥＤ１１０によって射出された色の光、および蛍光体層１４５からダウンコンバートされた光の両方を反映するように選択できる。

レンズ１０５は、蛍光体層１４５がＬＥＤ１１０からある距離に維持されるように設置される。レンズ１０５の位置は筐体によって維持することができ、レンズ１０５をＬＥＤキャビティ１３０内の封入材に結合する、あるいはＬＥＤ１１０に対してレンズ１０５を設置する。封入材にレンズ１０５を接着する場合、封入材／接着剤境界においてＴＩＲを防ぐために、封入材の屈折率と等しいまたはこれよりも大きい屈折率を有する接着剤を使用できる。

レンズ１０５は、入射面１５０から射出面１５５へ光をガイドするための光ガイドとして作用できる。射出面１５５へ光をガイドするために、成形される側壁１５７においてＴＩＲを利用できるレンズ１０５の例が、以下、および２００６年１月５日出願の米国仮特許出願第６０／７５６，８４５号、Ｄｕｏｎｇらによる名称「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ」、ならびに２００７年１月３日出願の米国特許出願第１１／６４９，０１８号、名称「Ｓｅｐｅｒａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ ｆｒｏｍ ａｎ ＬＥＤ」に記載されており、これらはそれぞれ、本明細書に参照されることにより、本発明に完全に組み込まれる。レンズ１０５は、光の全てが、射出面面積１５５の選択によって可能な最小パッケージ設計、射出面１５５と入射面１５０との間の距離および側壁１５７の設計で、射出面１５５（フレネル損失に相当するのではない）に抽出できるように、個々の光学デバイス設計にすることができる。他の実施形態は、異なるサイズを有するまたは異なる抽出効率を実現するように成形できる。例えば、一実施形態に従い、入射１５０においてレンズ本体１０７に入る光の少なくとも７０％が射出面１５５を出るように、レンズ１０５を構成できる。より低い抽出効率を有するレンズ１０５も使用できる。さらに、レンズ１０５は、均一な光分布を提供し、および所望の半角で光を射出するように選択できる。一実施形態に従うレンズ１０５の形状は、図１９Ａ−１９Ｄに関連して以下に記載されるように選択できる。さらに、ドーム形、フレネル形、円錐形、先細り形または他のレンズを含むがこれらに限定されない、レンズの他の実施形態を使用できる。一実施形態に従い、レンズ本体１０７は、単一の屈折率を有する材料の固体ピースにすることができる。

動作時において、ＬＥＤ１１０は、表面１１７（図２を参照）および側面１１９（図２を参照）からＬＥＤ１１０を射出できる光を発生させる。反射体１４０は、側面から逃げる光１１９をレンズ本体１０７の入射表面１５０へと再び方向付けるように、再方向付けレンズとして作用する。光が蛍光体層１４５上に入射すると、蛍光体層１４５は、光をダウンコンバートし、光をレンズ本体１０７に射出させ、次いで再びＬＥＤキャビティ１３０に射出させる。反射体１４０は、再び、ＬＥＤキャビティ１３０内の光を入射面１５０へ方向付けることができる。レンズ本体１０７は、蛍光体層１４５から射出面１５５へ、入射面に入る光１５０をガイドする。レンズ本体１０７が、所望の半角で均一な分布の光を提供する場合、追加のレンズの必要性は、ビームを成形するために必要ではない。その結果として、色変換およびビーム成形は、単一のレンズによって提供できる。

一考察は、使用時においておよそ１５０Ｃの温度まで蛍光体を加熱できるということである。その結果として、レンズ本体１０７は、この温度での連続使用に耐え得る材料で構成できる。別の実施形態では、シリコンの緩衝層または高温に耐え得る他の材料は、蛍光体層１４５およびレンズ１０５の入射面１５０の間に導入できる。より厚いまたはより薄い緩衝を使用できるが、一実施形態は、１００〜２００ミクロンの厚さのシリコン層を含むことができる。これにより、例えば、ポリカーボネートをレンズ本体１０７に使用することが可能になる。

例えば、図５および６は、本体１０７、緩衝１６０層および蛍光体層１４５を有するレンズ１０５の実施形態の図である。緩衝層は、適した、シリコン等の高温材料または選択された蛍光体層１４５の動作温度に耐えうる他の材料にすることができる。一実施形態では、緩衝１６０は、レンズ本体１０７の底部に接着または結合できる、あるいは、図７に示されるように、緩衝１６０の全てまたは一部をレンズ１０５の入射面に形成されるポケットに配置することができる。蛍光体層は、緩衝層１６０上の被覆としてレンズ１０５上に配置できる。図５および６はさらに、ＬＥＤキャビティ１３０（図１−４）内の封入材へレンズ１０５を接着するための接着剤層を示す。

本明細書に記載される実施形態は、ＬＥＤからある距離の蛍光体を除去するため、ＬＥＤを有する蛍光体を使用する従来のシステムを超える利点を提供する。蛍光体がレンズの入射に配置されるため、高い結合効率が存在する。さらに、レンズ１４０、筐体１３５および／またはサブマウント１２５の材料によって熱を消散できるため、ストークのシフトによる蛍光体の自己発熱を低減することができる。レンズ１０５の入射面１５０における低い流束密度のため、より高い蛍光体変換効率も提供できる。

蛍光体１４５とＬＥＤ１１０との間の距離は、熱に対する考慮と有効な蛍光体パッケージ効率との間の最適な均衡を提供するために最適化できる。必要に応じて、または望ましい場合に、空隙サイズに適した任意の空隙を使用できるが、光学システムの一実施形態は、表面１１７（図２を参照）と蛍光体層１４５との間に１００−２００ミクロンの空隙を有する。

さらに、本明細書に記載される実施形態は、柔軟な光学システム構成を提供する。蛍光体被覆レンズはＬＥＤチップとは別々にできるため、従来の発光デバイスを含む様々な種類の光学デバイスに関連して使用できる。またさらに、ＬＥＤ１１０は、ニーズに応じて様々な異なるレンズタイプと共に使用できる。

レンズ１０５のいくつかの実施形態は、配列において密にパックされることができる。一実施形態に従い、各レンズ１０５が近および遠視野において均一な分布を有する所望の半角で光を射出するように選択される場合、レンズの配列１０５を形成できる。レンズ１０５は、隣接するレンズ１０５の射出された光の間に知覚可能な空隙が存在しないように、スペーシングできる。各レンズ１０５から射出された光は、均一、かつ所望の半角であるため、配列の光出力は、均一な近および遠視野分布を有する所望の半角になるが、単一のレンズによって射出された光より大きい面積を含む。これは、ＬＥＤ配列から蛍光体を使用して所望の角度へ光を得るために追加の光学機器が必要なくなるため、ディスプレイまたはライティングにとって非常に実用的な利益を提供する。

図７は、パッケージされた配列２００の一実施形態の図である。図７の実施形態では、パッケージされた配列２００は、サブマウント１２５、主筐体２０５およびカバー２１０を含む。サブマウント１２５は、ＬＥＤの機械的支持および電気接続を提供する。サブマウント材料の実施形態は、熱的ビアを有する低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）、熱的ビアを有する高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）セラミック、アルミナセラミック、シリコン、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、金属（Ｃｕ、Ａｌ等）、およびフレックス回路を含むが、これらに限定されない。

主筐体２０５は、可塑性、熱可塑性および他の種類の高分子材料を含むが、これらに限定されない適した材料から形成できる。複合材料または他の製造材料を使用してもよい。いくつかの実施形態では、主筐体２０５は、プラスチック注入成形製造プロセスによって作成されてもよい。様々な成形プロセスおよび他の種類の製造プロセスを使用してもよい。いくつかの実施形態では、主筐体２０５は、不透明であってもよい。いくつかの実施形態では、主筐体２０５は、透明または半透明であってもよい。主筐体２０５は、結合することができる、またはＬＥＤおよびレンズの周囲に筐体を完成させるために、材料２１５の層に結合することができる。他の実施形態では、筐体は、加熱のために動作中に容認しにくいほど変形することのない、適した材料のいずれかの数の層または部品で形成することができ、および使用、輸送または製造中の予想される接触または衝撃について、ＬＥＤおよびレンズを保護できる。

図７の実施形態では、パッケージされた配列２００は、４Ｘ４配列であり、各４レンズ群はカバー２１０を共有する。他の実施形態では、全てのレンズに対して単一のカバー２１０を使用できるか、または各レンズは、それ自体のカバー２１０を有することができる。一実施形態に従うカバー２１０は、レンズがパッケージされた配列２００の処理中の損傷を防ぐために十分な厚さを有することができる。

図８は、主筐体２０５、レンズ１０５、カバー２１０、ＬＥＤ１１０、ＬＥＤキャビティ１３０、筐体層２１５およびサブマウント１２５（便宜上、それぞれの例が示されるのみ）を示すパッケージされた配列２００の一実施形態の断面図である。図８の実施形態では、カバー２１０は、これらが単一のレンズアセンブリを形成するように、レンズ１０５と共に統合される。カバー２１０は、単一のレンズアセンブリがカバー部分および複数レンズ部分を有するように、他のレンズ１０５に統合できる。レンズ１０５の本体１０７およびカバー２１０は、成形プラスチック、ポリカーボネートまたは他の材料の単一部品で作成できる。他の実施形態では、カバー２１０は、接着剤を使用してレンズ１０５に結合できる。カバー２１０はさらに、レンズ１０５と接触するのみでももよい、または空隙によってレンズ１０５から分離してもよい。レンズ１０５が特定の包囲媒体（例：空気）内の射出面においてＴＩＲを制限するように設計される場合、層またはカバーが追加される場合にＴＩＲが生じないように、射出面に結合されたいずれかの層またはカバーを選択できる。例えば、カバー２１０およびいずれかの接着剤またはレンズ１０５およびカバー２１０の間の他の層は、層／カバーがない場合にＴＩＲが生じない場合に、レンズ１０５の射出面においてＴＩＲを生じさせないように、選択された屈折率を有することができる。他の実施形態では、カバー２１０への移行を考慮するようにレンズ本体１０７の形状を選択できる。

カバー２１０は、プラスチック、ガラス、複合材料、または他の材料等の光学的に透明な材料にすることができ、１つ以上の層を含んでもよい。さらに、カバー２１０は、光子変換（例：追加の蛍光体層）、フィルタリングまたはレンズ１０５を出る光に関する他の機能を実行するための材料の層を含んでもよい。

主筐体２０５は、レンズ１０５に適合するようにサイズ決めされたレンズキャビティ２２０を形成する。レンズキャビティ２２０のサイズが対応するＬＥＤキャビティ１３０に近接するとより小さくなり、ＬＥＤキャビティ１３０から離れるとより大きくなるように、レンズキャビティ２２０の側壁２２５は、レンズ１０５の側壁形状に一致または近似するように曲線上にすることができる。他の実施形態では、側壁２２５は、垂直方向にまっすぐ（図８の視点から）にすることができる、または先細りにすることができる。側壁２２５は、レンズ１０５の側面からカバー２０５の出射へと漏れるいずれの光も反射するように、反射被覆または他の被覆を含むことができる。別の実施形態では、主筐体２０５は、側壁２２５が反射体を形成するように、白色プラスチックまたは他の色の材料から形成できる。

一実施形態に従い、レンズキャビティ２２０は、レンズ本体１０７内のＴＩＲを保存するために、レンズ本体１０７の側壁およびレンズキャビティ２２０の側壁２２５の間に空隙が存在するように、サイズ決めできる。空隙のサイズは、一定にすることができる、またはレンズキャビティ２２０の基部からさらに増減できる。空隙は、空気または他の材料によって充填することができる。好ましくは、材料は、レンズ１０５の本体１０７と同じまたはより低い屈折率を有する。他の実施形態では、側壁２２５は、レンズ本体１０７の側壁と接触でき、レンズ本体１０７内の光の反射体として作用できる。

主筐体２０５は、カバー２１０の出っ張り２３５が配置される肩部２３０を含むことができる。カバー２１０を主筐体２０５に結合するために、接着剤、機械的固定具または他の適した固定メカニズムを使用できる。他の実施形態において、クランプ構造等の二次的構造は、主筐体２０５に対してカバー２１０を維持できる。

一実施形態に従い、カバー２１０を主筐体２０５に結合することで、レンズ１０５は、レンズキャビティ２２０内の所望の位置に固定される。この場合、レンズ１０５は、カバー２０５に追加のアタッチメントを必要としなくてもよい。他の実施形態では、レンズ１０５部分は、レンズキャビティ２２０の基部において肩部２４０に接着または結合できる、あるいはレンズ１０５の他の部分を主筐体２０５に結合できる。

主筐体２０５は、サブマウント１２５および筐体層２１５と協働して、ＬＥＤキャビティ１３０の一部または全てを画定する。縦方向側壁と共にＬＥＤキャビティ１３０が示されているが、ＬＥＤキャビティ１３０は、再方向付けレンズとして作用するために先細り、曲線状あるいは成形される側壁を有することができる。ＬＥＤキャビティ１３０の開口は、ＬＥＤ１１０と同じ形状を有し、およびＬＥＤ１１０と回転可能に整列させることができる、または、別の形状または整列を有することができる。

蛍光体層は、発光ＬＥＤキャビティ１３０が蛍光体層上に入射するように、入射面１５０に近接して配置できる。蛍光体層は、光がレンズ本体１０７に入る前に、光をダウンコンバートする。ダウンコンバートされた光は、レンズ１０５を通ってガイドされ、カバー２１０から出る。レンズ本体１０７の入射面１５０は、ＬＥＤキャビティ１３０の開口と同じ形状にでき、およびこれと回転可能に整列できる、または別の形状または整列を有することができる。

図９は、ＬＥＤキャビティ１３０の一実施形態の切り欠き図である。サブマウント１２５は、キャビティの基部を形成し、一方で、側壁は、主筐体２０５および層２１５によって形成される。一実施形態に従い、ＬＥＤ１１０の一部は主筐体２０５によって画定されたＬＥＤキャビティ１３０の一部に延伸できる。例えば、ＬＥＤの活性領域を含む非基板層１２０は、この開口へと延伸してもよい、または、フリップチップ設計では、基板１１５は、この一部へと延伸してもよい。ＬＥＤキャビティ１３０は、電気接続を収容するためのサブマウント１２５に近いほどより大きくなることができる、または、ＬＥＤ１１０の周囲に空間を提供する。サブマウント１２５、層２１５および主筐体２０５の一部が示されているが、パッケージされた配列２００は、キャビティ１３０を画定する追加の層を含むことができる。

図１０は、主筐体２０５が除かれた、パッケージされた配列２００の図である。レンズ本体１０７への入射面１５０が、対応するＬＥＤ１１０からある距離に維持されることを、図１０に示すことができる。その結果として、入射面の上または近くに配置されるいずれの蛍光体もＬＥＤ１１０から分離される。

図１１は、層２１５および各ＬＥＤ１１０について個々のＬＥＤキャビティ１３０を形成するサブマウント１２５を有するパッケージされた配列２００の一部の一実施形態の図である。図１１の実施形態では、ＬＥＤキャビティ１３０はまっすぐな縦方向側壁を有するが、ＬＥＤキャビティ１３０は、曲線状、先細りまたは成形される側壁を有することができ、反射体として作用できる。層２１５によって画定されたＬＥＤキャビティ１３０の面積は、電気接続を収容する、またはＬＥＤ１１０の周囲の空間を提供するために主筐体２０５によって画定されるよりも大きくすることができる。他の実施形態では、キャビティは、均一なサイズを有することができる、またはレンズ１０５に近づくとより幅広くなる。キャビティ１３０は、封入材、空気、シリコン「グープ」、または他の充填材で全体的または部分的に充填できる。層２１５は、サブマウント１２５に接着または結合できる。

図１２は、サブマウント１２５上に載置されたＬＥＤ１１０の一実施形態の図である。サブマウント１２５は、図１２に図示されるように、ＬＥＤ１１０の支持を提供でき、電気接続２５０を提供できる。電気接続は、適した金属または他の伝導体を用いて提供できる。電気接続の特定のパターンおよび型が示されるが、ＬＥＤ１１０およびサブマウント１２５へのいずれの適した電気接続も提供できる。

図１３は、レンズ１０５に適合するようにサイズ決めされたレンズキャビティ２２０を画定する主筐体２０５の一実施形態の図である。レンズキャビティ２２０は、ＬＥＤキャビティ１３０の開口２６０から第２の開口２６５へ延伸する。開口のサイズは、一実施形態に従い、レンズの入射面に対する射出面のサイズ比と同じである比を有することができる。別の実施形態では、開口２６０は、レンズ１０５に対する入射面とおよそ同じサイズであってもよく、開口１６５は射出面より大きい。側壁２２５は、曲線状、先細り、縦方向にすることができる、または別の選択された形状を有することができる。肩部２３０は、カバー２１０を結合できる表面を提供する。

図１３の実施形態では、主筐体２０５は、４Ｘ４配列を形成する。しかしながら、主筐体２０５は、より大きいまたはより小さい配列または単一の光学システムを収容できる。さらに、主筐体２０５は、密にパックされた配列に、円形、六角形または他の成形されるレンズ１０５を収容するように成形できる。

図８−１３は、パッケージされたＬＥＤの例示的な実施形態を提供する。しかしながら、上記のように、パッケージされた配列内に筐体または他の構成要素の追加の部分があってもよい。例えば、図１４の実施形態は、図８の実施形態と同様であるが、さらに、層２５５を示す。ＬＥＤ１１０を格納するキャビティの部分は、主筐体２０５ではなく層２５５によって形成できる。この場合、主筐体２０５は、層２５５に延伸する側壁を有するレンズキャビティ２２０を画定できる。一方で、筐体層２５５および２１５は、ＬＥＤキャビティ１３０を画定する。層２１５および２５５は、プラスチックまたは他の材料を含むいずれの適した材料も含むことができる。層２５５は、主筐体２０５を結合できる出っ張りを形成するように、層２１５から差し込むことができる。層２１５および２５５の使用は、それによって主筐体２０５と整列するためのメカニズムを提供することにより、製造可能性を容易にすることができる。図１５は、層２５５が、ＬＥＤキャビティ１３０の開口の一部を画定でき、およびこれを提供できることを示す、レンズ１０５およびカバー２１０を外した、パッケージされた配列２００の一部の一実施形態の図である。

図１６は、レンズ１０５のレンズ本体１０７およびカバー２１０として作用する側壁なしの部分を形成する形状側壁を有する部分を含む、レンズアセンブリ２７５の図である。成形されるおよび成形されない部分は、単一の材料のピースにすることができる。各レンズ１０５は、所望の色の光を射出するように選択された蛍光体被覆レンズにすることができる。１つ以上の蛍光体レンズをシステムで使用する場合、所望の色温度およびＣＲＩを実現するように、複数の種類の蛍光体を使用してもよい。例として、暖色白色光を得るために、３つの黄色蛍光体レンズおよび１つの赤色蛍光体レンズを青色ポンプとともに使用してもよい。４つの蛍光体レンズのそれぞれが、同じ遠視野分布へ射出することができるため、色は、重ね合わせが行われ、にじむことはないか、または環状の効果を生じさせる。別の例として、示される２Ｘ２配列のレンズにおいて、赤色、緑色または青色光を放射するように各レンズを選択できる。レンズ１０５からの光は、白色光を形成するように組み合わせることができる。別の実施形態では、各アセンブリ２７５は、単一の色の光を射出できる。図７に示されるように、４Ｘ４配列において、例えば、４レンズアセンブリ２７５を使用できる。あるレンズアセンブリ２７５は青色光を射出でき、あるアセンブリ２７５は赤色光を射出でき、２つのアセンブリ２７５は、配列が全体的に白色光源として作用するように緑色光を射出できる。レンズアセンブリ２７５は、任意の数のレンズ１０５も含むことができる。

後述するように、レンズ１０５は、放射輝度を保存し（または保存放射輝度の許容可能なパーセンテージ内にある）、光の射出角度を制御し、均一なまたは他の所望の分布の光を射出するように形成されたレンズ本体１０７によって構成されることができる。一実施形態に従い、レンズ１０５は、隣接する射出面の間に空間が存在しないか、または最小になるように密にパックされることができる。レンズ１０５が十分密にパックされているので、レンズ１０５によって射出された光の間には空隙が存在しない。その結果として、全体的に配列２００によって射出された光は、所望の半角内にあり、暗いスポットまたはゴースティングがなく、均一に見える。

再び図１を参照すると、図１は、入射面１５０、射出面１５５および側壁１５７を有するレンズ本体１０７を有するレンズ１０５の一実施形態を図示する。一実施形態に従い、レンズ１０５は、蛍光体層１４５が入射面１５０の中へと均一に射出するという前提で構成されることができる。入射面１５０を通ってレンズ本体１０７に入る全ての光を射出面１５５を通して抽出できるように放射輝度を保存するために、射出面１５５の面積は以下の式を満たすように、エタンデュ式に従って選択される。

式中、Ω１＝これによって入射面１５０を通って入る有効立体角、Ω_２＝これによって光が射出面１５５から出る有効立体角、Ａ_１＝入射面１５０の面積、Ａ_２＝射出面１５５の面積、ｎ_１＝レンズ本体１０７の材料の屈折率、およびｎ_２＝レンズ本体１０７（例：空気または他の媒体）の射出面１５５の外の物質の屈折率。別の実施形態では、Ａ_１は、蛍光体層のサイズであり、蛍光体層は、その面積にわたって均一なエミッタとして作用すると想定できる。

そのそれぞれが、本明細書の参照によって本発明に完全に組み込まれる、２００７年１０月１日出願のＤｕｏｎｇらの米国特許出願第１１／９０６、１９４号、名称「ＬＥＤ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」、２００７年１０月１日出願のＤｕｏｎｇらの米国特許出願第１１／９０６，２１９号、名称「ＬＥＤ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」、および２００７年１月３日出願の米国特許出願第１１／６４９．０１８号の名称「Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ ｆｒｏｍ ａｎ ＬＥＤ」に記載されるものを含む、有効立体角を決定するための様々なモデルが存在する。好ましくは、射出面１５５の面積は、放射輝度を保存するために必要な最小面積の３０％（プラスまたはマイナス）以内である。

射出面１５５と入射面１５０との間の距離は、入射面１５０から射出面１５５へのまっすぐな伝送路を有する全ての光線が、射出面１５５におけるＴＩＲを防ぐために、射出面１５５における臨界角未満でまたはこれと等しく射出面１５５上に入射するように、選択することができる。一実施形態に従い、最短距離は、制限光線に基づいて選択できる。制限光線は、入射面１５０から射出面１５５までの最長のまっすぐな線の距離を移動する光線である。正方形または矩形の面１５０および１５５に対して、制限光線は、入射面１５０の一つの隅から射出面１５５の逆の隅へと移動する光線になる。好ましくは、入射面１５５と射出面１５５との間の距離はこの最短距離の３０％内であるが、より小さい距離も使用できる。

加えて、側壁１５７が成形されことができる。大まかに言って、側壁上に入射する任意の光線が射出面１５５において反射され、および臨界角未満で射出面１５５上に入射する（つまり射出面１５５における内面反射による損失がないように）ように、側壁形状が決定される。一実施形態では、側壁の内部表面と出会う全ての光線が射出面１５５への全反射を経験し、臨界角未満で射出面１５５上に入射するように側壁が成形される一方、一部の損失を可能にする他の側壁形状を使用できる。

図１７Ａは、側壁形状を決定するためのレンズ３０５のモデルの断面図である。側壁形状は、コンピュータ支援設計を使用して決定できる。側壁のモデルは、適正な側壁形状を決定するために実行されるコンピュータ支援設計パッケージおよびシミュレーションにおいて作成できる。

一実施形態に従い、各側壁はｎ個のファセットに分割でき、各ファセットは平坦な区画である。例えば、モデル側壁３７０は、連続する曲線ではなく１５の平坦なファセット３７２ａ−３７２ｏで作成される。各ファセットの変数は反復適合されることができ、後述のように満足なプロファイルが実現されるまで、生成された分布プロファイルを解析できる。１５のファセットの例が使用されるが、各側壁は、２０以上のファセットを含む任意の数のファセットに分割できる。

各ファセットは、レンズ内の光線の特定のサブセットの反射に関して解析され得る。この問題の領域は、「限界視角（ａｎｇｕｌａｒ ｓｕｂｓｔｅｎｓｅ）」として定義できる。ファセットの限界視角は、事前に画定された点から発散する光線の角度について定義され得る。好ましくは、選択された点は、このような光線がファセットにおいてＴＩＲを経験する可能性が最も低いので、ファセット上の入射の最高角度で光線を与える点である。例えば、正方形に成形された入射領域を有するレンズにおいて、これは、入射の反対側の端部上の点になる。

一実施形態に従い、選択されたＡ_１、Ａ_２、および高さについて、別の側壁によって以前に反射されずに、所与の側壁（例：側壁３７０）上に入射する任意の光線の角度３７４の最大値を決定できる。この例において、点３７８から発散する光線３７６は、側壁３７０に対して最大の角度３７４を確立する。角度３７４の最大が４８度であり、側壁３７０に対して１５のファセットが存在する場合、各ファセット（限界視角の一様分布を想定）は、３．２度の角度の帯３７４に対応する（例：第１のファセットは、０−３．２度の角度１７を有する点３７８から発散する光線が入射する領域であり、第２のファセットは、３．２−６．４度の角度９５で点３７８から発散する光線３７４が入射する領域である、等）。

各ファセットについて、射出角、ファセットサイズ、傾斜角、またはファセットの他のパラメータは、ファセット上に入射する全ての光線がＴＩＲを経験するように設定可能であり、臨界角未満または臨界角と等しい入射角で射出表面３５５上に入射するように、射出表面３５５へと反射される。好ましくは、側壁は、さらに、断面図で見られる光線が側面壁に一度当たるだけであるように成形される。しかしながら、区画の平面から外への、側壁からの追加の反射が存在してもよい。完全な３Ｄ解析のために、隅の近くの第１の側壁に当たる光線は、第１の側壁に隣接する第２の側壁へと反射し、そこから、射出面へと反射し得る。所望のファセットに最も良く適合する曲線状の側壁形状を作成するために、曲線適合または他の数値解析を実行してもよい。

各ファセットの変数を最適化するために、シミュレーションした検出面３８０が確立されることができる。検出面３８０は、入射電力を独立して記録するためにｘ個の検出器を含むことができる。レンズ３０５を通過する光のシミュレーションを実行してもよく、また、検出面３８０によって受信されるような強度および照射分布を解析してもよい。強度および照射分布が特定の適用について満足のいくものではない場合、ファセットの角度および限界視角を適合可能であり、満足のいく強度プロファイル、放射プロファイルまたは他の光出力プロファイルに達するまで、新しい曲線状の表面を生成し、シミュレーションを再実行することが可能である。追加の検出面は、近および遠視野パターンの両方が満足のいくものであることを確実にするように解析できる。あるいは、所望の光出力プロファイルに達した後に、決定された曲線状の表面および表面曲線ではなく、ファセットを使用してシミュレーションを実行できる。さらに別の実施形態では、側壁は、ファセットのままにすることができ、曲線は生成されない。

別の実施形態に従い、側壁形状は、パラボラの一部の線形近似を表す各平面ファセットを有する複数パラボラに基づいて選択できる。例えば、図１７Ｂは、モデリングされたレンズ３０５の一部の図である。図１７Ｂにおいて、仮定の光線３８４が示され、この光線は、パラボラ３８８の焦点３８６から発散し、およびＴＩＲのために側壁３７０から反射されるように側壁３７０と交差し、臨界角未満である射出角３９０において射出面３５５と交差するようにレンズ３０５を横断し、空気または他の媒体へとレンズ３０５から出る。図１７Ｂに見られるように、レンズ３０５から空気への遷移において、光線３８４は、スネルの法則によって説明されるように屈曲する。側壁の接点がパラボラから決定されるため、および入射し、側壁から反射される光線が同じ媒体内にあるため、光線はパラボラの光学軸と平行になる。このため、半角３９２で光が投影される。側壁３７０の形状を画定する限界視角３９６は、仮定の光線３８４が側壁３７０から反射され、光線３８４が所望の射出角３９０で射出面３５５を横断するか、または所望の半角３９２で光を投影するように適合されてもよい。

一実施形態では、側壁を作製するか、または側壁の限界視角を計算する場合、対辺の効果が、基部に近い反射においてより大きいか、または激しいので、側壁の基部に向かってより微細な対辺を使用してもよく（つまり蛍光体層により近い）、このため、より微細な対辺によってより良好なＴＩＲ特性を有する側壁が提供され、一方で、基部から離れれば離れるほど、対辺の効果は小さく、対辺は粗くなり得る。このため、側壁のファセットは、レンズ本体１０７の基部に向かって数値的により大きくなり得る。一実施形態では、側壁は、側壁の基部により微細なファセットを有する２０以上のファセットを有してもよく、ファセットは１つ以上の対辺に近似する。

ファセットは、パラボラ３８８の一部の線形近似であり得る。光線が臨界角未満の射出角３９０を有するように、一部が射出面３５５へと反射する部分に入射する全ての光線の所望の目標を提供するまで、パラボラ３８８のパラメータを適合させることができる。各ファセットは、異なるパラメータを有するパラボラから形成できる。このため、ある限界視角のファセットは、パラボラに基づいてもよく、一方で、別のファセットは別のパラボラに基づいている。例えば、２０ファセットの側壁は、２０の異なるパラボラに基づいてもよい。

図１７Ｃは、限界視角の指定によって、グラフ５１０に示されるような側壁形状を設計するために利用可能であるスプレッドシート５００を描画する。投影される半角列５５０は、図４Ｂの投影される半角４５０に対応する複数の角度を含む。射出角度列５４０ａ（ラジアン単位）および５４０ｂ（度単位）は、図１７Ｂの射出角度３９２に対応する複数の射出角度を含む。特に、列５４０ａ内の角度の全てまたはサブセットは、これらの角度における射出面に交差する光線が射出面を横断し、成形されたデバイスから出るように、臨界角未満である角度であってもよい。列５４０ａおよび５４０ｂは、異なるパラボラを画定する複数の焦点を含むパラボラ焦点列５６０を作成するために利用されてもよい。限界視角列５６５は、臨界角未満で射出面を出る光線が側壁から反射されるように側壁の形状を画定するために、パラボラ焦点列５６０に関連して使用できる限界視角の制限を画定する複数の角度（ラジアン単位）を含む。パラボラ焦点列５６０および視角列５６５に含まれる値を用いて、シータ列５７０および放射状列５７５を作成することができ、列５７０および５７５内の対応する値は、限界視角の所望のパラボラ上の点に対応する。代わりに、シータ列５７０および放射状列５７５は、限界視角のためにパラボラに近似する側壁（例：座標変換列５７７）上の点について、直交座標を作成するために使用できる。

例えば、ユーザは、成形されるデバイスの入射面のサイズ（この場合マークされたＬＥＤサイズ）および材料指数を指定することができる。サイズは、蛍光体層の入射面のサイズまたは放射サイズに対応できる。１のサイズ、および１．７７の屈折率の仮定の例を使用して、スクリーン５００内の行は、以下のように完成できる。ユーザは、列５５０内の空気（空気はレンズが動作する媒体であると想定）の射出角を指定できる。最初の行の例において、ユーザは、５５．３７９２度を選択した。レンズ内の射出角は、ｓｉｎ（５５．３７９２／１８０^＊π）／１．７７または．４６４９３２３ラジアン、列５４０ａとして計算できる。列５４０ｂは、ａｓｉｎ（．４６４９３２３）／π^＊１８０＝２７．２０５８４０７として計算できる。パラボラの焦点は、１（サイズ）／２^＊（１＋ｃｏｓ（π／２−２７．２０５８４０７／１８０^＊π））＝．７３２４６６として計算できる。限界視角列５６５は、（９０−２７．７０５８０４７）／２０＝３．１１４７０８として、次の列（特定のファセットの相対的サイズを表す）内の数に基づいて計算できる。シータ列５７０は、選択されたファセット数（この例においては２０）を用いて計算できる。例えば、最初の行において、シータは、（９０ ２７．７０５８４０７）＋３，１１４７０８^＊２０＝１２４．５８８３として計算される。最初のファセットのパラボラ（列５７５）の半径は、２^＊．７３２４６６／（１＋ｃｏｓ（１２４．５８８３／１８０^＊π））として計算できる。座標変換列５７７の内容は、以下のように、最初の行について、ｘ＝−３．３８８５^＊ｃｏｓ（１２４．５８８３／１８０^＊π）＝１．９２３５７３、ｙ＝−３．３８８５^＊ｓｉｎ（１２４．５８８３／１８０^＊π）＝２．７８９５９４、Ｘ＝１．９２３５７３^＊ｃｏｓ（２７．７０５８４０７／１８０^＊π）＋２．７８９５９４^＊ｓｉｎ（２７．７０５８４０７／１８０^＊π）、Ｙ＝２．７８９５９４^＊ｃｏｓ（２７．７０５８４０７／１８０^＊π）−１．９２３５７３^＊ｓｉｎ（２７．７０５８４０７／１８０^＊π）−１（サイズ）／２＝１．０７５４５２およびＹ’＝−Ｙと計算できる。Ｘ，Ｙ座標は、Ｅｘｃｅｌの形状適合チャートに対して、データ点入力として使用できる。例えば、グラフ５１０は、ＸおよびＹ列内のデータ点に基づく（ｘ軸座標として使用されるＹ列値およびグラフ５１０内のｙ軸座標として使用されるＸ列値）。ＸおよびＹの値に加えて、初期値を設定できる（例：．５および０）。グラフ５１０からの形状は、光学設計パッケージおよびシミュレーション実行に入力できる。シミュレーションが満足のいくものである場合、ユーザは、満足のいくプロファイルが実現されるまで、スプレッドシート５００内の値を適合できる。

満足のいく効率および強度プロファイルが実現すると、指定されたパラメータを有する個々の光学デバイスを形成できる。このようなレンズ本体１０７の一例が、光線が側壁から射出表面へ反射されるようにＴＩＲを生じさせるように成形される側壁を有する、レンズ本体１０７の一実施形態の図を提供する、図１７Ｄ内に示される。各側壁の形状は、この実施形態では、様々なファセットによって画定されるように、複数の成形された表面の重なったものである。製造可能性を容易にするために曲線適合が実施されているが、他の実施形態は、ファセット側壁を保持できる。

上記の例において、レンズ成形の目的の光の射出面はレンズの射出面であると想定される。しかしながら、図１６の実施形態に示されるように、成形されるレンズ１０５の射出面は、成形された部分からカバー２１０等の別の部分へと遷移し得る。カバー２１０が成形された部分と同じ材料であるか、または同じ屈折率を有する場合、射出面は、レンズ本体１０７の成形された部分とカバー２１０との間の遷移部であり得る。例えば、図１８は、統合されたレンズ１０５として、レンズ本体１０７およびカバー２１０を有するレンズ１０５を示す。光はカバー２１０を通ってレンズアセンブリを出るが、成形されたレンズ本体１０７とカバー２１０との間の遷移部４００は、上記に記載されるように、レンズ１０５の形状を決定するための「射出面」として機能し得る。カバー２１０がレンズ本体１０７と同じ屈折率を有する場合、成形レンズ１０５において使用される臨界角は、光が、臨界角未満でまたは臨界角と等しく遷移部４００を横断する場合に、さらに、臨界角未満でまたは臨界角と等しく表面４０４上に入射するので、遷移部４００が媒体の外側に露出している場合と同じになる。カバー２１０の屈折率がより低い（または、任意の接着剤またはカバー２１０とレンズ本体１０７との間の他の層が存在する）場合、射出面における臨界角は、より低い屈折率に基づく臨界角になる。

様々な境界条件、特に射出表面１５５の面積は、輝度が保存できるように、個々の光学デバイスについて決定できる。射出表面１５５の最小面積は、様々な有効立体角に依存する上記の式１から決定できる。典型的には、光の有効立体角は、ランバートエミッタとして放射する源から導かれる式に基づいて決定されるが、問題の距離は源のサイズよりもずっと大きいので、点として処理される。ランバート源の観察された放射輝度強度（流束／ステラジアン）は、その角度の余弦によって、源の法線に対する角度によって変化する。放射輝度（流束／ステラジアン／ｍ２）、全方向において同じままであるが、源の有効な面積は、観察された角度が９０度まで増加すると、ゼロになるので、このことが生じる。全球体にわたるこの効果の積分は、πステラジアンと等しい投影立体角値を生じさせる。

図１９を参照し、所与の半径（Ｒ）の球体６３０が、点源６３２を包囲していると仮定する（この例において、点源６３２は、有意な距離でランバート源に近接している）。球体の半球体の投影面積は、πＲ^２であり、全球体の投影面積は２πＲ^２である。界面上に中心をおく仮定の半球体上のいずれかの点から、界面上の所与の点が同じ放射輝度を有するように、ランバートエミッタとして蛍光体をモデリングできるので、レンズを設計するためにこのモデルを使用できる。面積Ａ_３は、法線方向の光線から球体表面の交点までの距離である円６３４の半径（Ｒ_Ｃ）を使用して、問題のビーム立体角によって範囲が定められる平坦な円形表面（例：表面６３６）として計算できる。ビームの所与の半角６３７であるθについて、Ｒ_ｃは、Ｒ（球体の半径）と角θの正弦との積であり、以下の式が成立する。

面積は、以下の式に等しい。

面積Ａ_３は、球体と交差する際の立体角の投影面積である。面積Ａ_３は、半球体の投影面積（Ａ_ｈ＝πＲ^２）によって除算され、商は、投影立体角Ωを得るために、完全な半球体の投影立体角（πに等しい）によって乗算され、以下の式が得られる。

図１の入射面１５０に対して、例えば、θは９０度であると、π^＊Ｓｉｎ^２（９０）の投影立体角となり、３０度の所望の半角に対しては、投影立体角は、π^＊Ｓｉｎ^２（３０）である。式１のΩ_１およびΩ_２のこれらの値を用いて、任意の半角に対してＡ_２を求めることができる。

上記の例において、立体角は、点源としてモデリングされたランバート源から導かれる式を用いて求められる。これらの式は、光が、正方形、矩形、円形、楕円形または他の形であり得る界面を通ってレンズ本体１０７の中に入り得るということを考慮していない。上記の方法は、これは、経験的なまたはコンピュータシミュレーションのテストに基づいて、必要な場合に後で調整できる立体角の良好な推定を行うことができるが、有効立体角を決定する他の方法も使用できる。

図２０Ａ−２０Ｅは、レンズの有効立体角を決定するための別の方法を説明する。図２０Ａは、レンズ７６０の入射面７５０および射出面７５５および光が投影される仮定のターゲット面７５６の一実施形態の図である。図２０Ａは、有効な源の原点７５２、中央の法線７５３および有効な出力の原点７５４の位置についての例を示す。さらなる記載の目的のために、直交座標システムにおいて、界面７５０の中心が０，０，０にあると想定される。ターゲット面７５６は、生成されたパターンのパラメータ（例：他の光学機器によって使用されるサイズおよび半角）を表す。一実施形態に従い、対角線における半角（図２０Ｂにおけるα_１として示される）が開始点である。例えば、ターゲット面７５６における所望の光が、３０度の最大の半角を有する場合、正方形または矩形面の個々の光学デバイスのα_１は３０度である。個々の光学デバイス内の半角（ラベルされたβ_１および図２０Ｃにも示される）は、以下の式で求めることができる。

式中、ｎ_１は、レンズ７６０のＩＯＲであり、
ｎ_２は、光がレンズ７６０から投影される材料（典型的には空気）のＩＯＲであり、
α_１は、レンズ７６０の外側の媒体における射出面の半角であり、
β_１は、レンズ７６０の所望の半角である。

例えば、所望の半角α１が３０度である場合、および１．５のＩＯＲを有するレンズが１のＩＯＲを有する空気に投影する場合、β_１＝１９．４７度である。入射表面１５０の長いおよび短い側の点から投影する光線について、同様の計算を実行できる。例えば、図２２Ｂおよび２２Ｃに示されるように、α_２およびβ_２を、入射表面４５０上の１つの端部の中央から射出表面７５５の反対側の端部の中央へ移動する光線について決定できる。（臨界角は１９．４７において同じであるが、β_１は、β_２と同じではない。β_２は側面の形状および光学デバイスの高さによって決定される。）
計算された角度を用いて、有効な点源７５７の位置を決定できる。長さｌ_１の正方形の入射面４５０に対して、有効な点源がＸ＝０、Ｙ＝０に位置している。

Ｚ_ｅｐｓは、有効な点源がＬＥＤの放射表面から移動させられる距離である。

有効な点源７５７から点Ｆ_１およびＦ_２へのＸ、ＹおよびＺの距離は、Ｆ_１が以下の式にしたがって、統一半径の球体と交差することを想定して、計算可能である。

式中、ψ_１は、Ｘ−Ｙ平面の対角線の光線の角度（正方形では４５度）であり、式中、図２０Ｃに示されるように、Ｘ軸に平行な側面の中間から投影する光線では、ψ_２＝９０度である。以前に計算された形状に基づく同様の方法は、他の点を決定するために使用できる（例：例えば、点Τ_１およびＴ_２の位置は、点Ｆ_１およびＦ_２の位置ならびにターゲット面７５６における光の所望の半角に基づいて決定できる）。

図２０Ｄは、射出面７５５の球体７５９およびターゲット面７５６の球体７６１上に投影された短側面からの対角線の光線および一光線を図示する。射出面７５５について、射出面７５５の面上への球体７５９における端部光線の交差の投影は、楕円形のセグメントを形成する。同様に、ターゲット面の端部の回折された射出光線の投影は、球体７６１と交差する。例えば、図２０Ｅは、球体７６１と交差するターゲット面７５６の端部７６３によって形成される面内に配置される光線の円形の交差、およびターゲット面７５６上へのその交差の投影を示す。ターゲット面の正方形を包囲する楕円形セグメントのそれぞれの面積の計算、およびターゲット面の面積へのその追加により、ターゲット面の全投影面積がわかり、式３Ｂを使用するターゲット面について有効立体角度を決定できる。同様に、光線によってその上に形成される球体１５９および楕円形セグメントを使用することによって、光学デバイスの有効立体角を決定できる。例えば、全投影面積は、上記に記載のように決定され、式３Ｂ内に「所望の立体角の投影面積」として挿入される。

ある例示的な例として、正方形ＬＥＤおよび出力面を有する３０度の半角の上記の方法を使用することによって、空気中のターゲットへの０．５５２ステラジアンの有効立体角を生じさせる。対照的に、３０度の半角の従来の円形投影面積を使用することによって、０．７８５ステラジアンの有効立体角を生じさせる。これらの値を式１において用いる場合、所与のＩＯＲおよび流束について、従来の（円形）計算は、約３０％だけサイズの小さい射出面積を必要とする。このアプローチを用いてシステムを設計しようとする場合、適用可能な物理法則（放射輝度の保存）により、最適設計について３０％だけ光出力を低減させる。逆に、上記の修正された有効立体角を使用することによって、円形計算で実行可能であるよりも４２％多くの光出力を発生させる射出面面積が計算される。

個々の光学デバイスの有効立体角を決定する特定の方法が上記に記載されるが、当該技術において公知または開発されるいずれかの方法を使用できる。あるいは、輝度を保存するための最小表面面積を、経験的に決定できる。さらに、上記の最小表面面積計算は個々の光学デバイスの放射入射面の１００％が光を受信していると想定しているが、より小さい入射口表面面積が使用できるように、入射口表面の一部のみにわたって蛍光体層が配置されてもよい。出射表面の最小面積の計算は、光を受ける実際の面積の大きさに適合できる。つまり、蛍光体層の実際の面積をＡ_１として使用できる。

レンズ本体１０７は、上記に記載されるように、モデリングを使用して、入射面における均一なエミッタとして蛍光体層１４５を使用するために最適化できる。本明細書に記載される実施形態に従うレンズは、レンズ本体内に最高で９６％の論理的な効率を有する１０−６０度の所望の円錐角に、光を投影できる（蛍光体から受ける光の９６％は、４％のフレネル損失を有する所望の半角で射出されることを意味する）。効率は、フレネル損失なしで１００％にすることができる。

レンズの実施形態は、小型のパッケージサイズにおいて最適な効率を提供するように成形できる。他の実施形態では、より低い効率を実現するためにレンズを成形でき、一方で、従来のシステムを超える利点を提供する。例えば、一実施形態では、レンズは、射出面から射出された光の選択された半角について、入射面に入る光の放射輝度を保存するために必要なサイズの少なくとも７０％である射出面と共に成形できる。側壁は、少なくとも、入射面から射出面へのまっすぐな透過路を有する光の大部分が、臨界角未満または臨界角と等しい射出面上に入射するように、形状を有することができる。６０％または７０％の効率であっても、このような実施形態は、さらに、近および遠視野の両方において均一なまたはほぼ均一な強度分布（または他の制御された分布）を生じさせながら、多くの他の技術よりも高い効率を提供する。

レンズ１０５は、シャープまたはソフトカットオフ（つまり遷移）のいずれかを有する均一な分布パターンで光を射出するように構成できる。一実施形態では、３０度の半角で光を射出するレンズの一例を用いて、均一な光プロファイルが３０度全体に延伸し、シャープにカットオフするように、レンズを成形できる。別の実施形態では、レンズは、２５度の半角で均一なプロファイルを生じさせるように成形できるが、２５および３０度の間で先細りする。このような一実施形態では、射出面のサイズを、３０度の半角について放射輝度を保存するように選択でき、側壁を、２５度の半角で均一な分布プロファイルを作成するように成形できる。いくつかの場合では、レンズ１０５の高さは、いくつかの光が３０度の半角へ側壁から逃げられるように短くすることができる。一例として、しかし、これに限定されないが、３０度の半角で均一なプロファイルで光の９０％を射出し、残りの面積に他の１０％を射出するように、レンズ形状を選択できる。シャープカットオフではなくよりやわらかい端部を有する光プロファイルを生じさせるレンズは、上記の最小高さの３０％である高さで製造でき、７０％を超える抽出効率を実現できる。

レンズ１０５はさらに、光の一部を選択されたビーム角に投影するように成形することができ、一方で、他の光が側壁から逃げる、または選択された角の側面から出ることを可能にする。例えば、レンズは、レンズから射出された光の４０％以上が選択された完全なビーム角内の範囲となるように、構成できる。一例として、しかし、これに限定されないが、レンズ１０５は、レンズによって射出された光の５０％（いくつかの実施形態では９０％を超えるを含む）を超える数が１０度の完全なビーム角（５度の半角）の範囲となるように、構成可能である。

上記の実施形態では、空隙によってレンズがＬＥＤから分離される。他の実施形態では、レンズは、結合できる、またはＬＥＤに結合できる。図２１は、レンズ１０５およびＬＥＤ１１０を含む光学システム９００の一実施形態の図である。単一のＬＥＤ１１０が示されるが、単一のレンズ１０５と共に、複数ＬＥＤを使用できる。レンズ１０５は、放射輝度を保存しながら（または他の所望の光抽出効率を有しながら）、所望の半角で光の均一な分布を射出するように成形される個々の光学デバイスにすることができる。図２１は、ＬＥＤ１１０の一次射出面に結合されたレンズ１０５を描画する。他の実施形態では、レンズ１０５は、同様に側面上のＬＥＤ１１０を完全にまたは部分的に包囲してもよい。

レンズ１０５は、摩擦適合、光学セメントまたは他の結合メカニズム（機械的、化学的、または他の方法）を使用して、ＬＥＤ１１０に結合できる。好ましくは、図２１の実施形態において、レンズ１０５は、光学的に透明なシリコンまたはアクリル等の単一の屈折率（「ＩＯＲ」）「ｎ」を有する、誘電性の光学的に透過材料でできた単一の成形品で形成されるが、他の材料も使用できる。またさらに、レンズ１０５のＩＯＲは、好ましくはＬＥＤ１１０の基板のＩＯＲの２０％以内である（および理想的には、個々のレンズ１０５のＩＯＲは、基板のＩＯＲと等しいか、またはこれより大きい）。

図２２は、光学システムに対して蛍光体を追加する一実施形態の図である。図２２はさらに、レンズ１０５が側面上でＬＥＤ１１０を包囲できることを示す。一実施形態に従い、図２２に図示されるように、アタッチメントデバイス９０２またはパッケージングは、レンズ１０５を、サブマウント９０３、回路基板または他の構造へ固定するために使用できる。ＬＥＤ１１０またはレンズ１０５の入射面は、ＬＥＤ１１０とレンズ１０５との間において蛍光体粒子９０４によって被覆できる。通路９０６は、レンズ１０５とＬＥＤ１１０との間に蛍光体層９０４および光学接着剤を導入するために使用できる。別の実施形態では、レンズ１０５は、通路９０６を有さず、蛍光体層９０４は、個々のレンズ１０５をＬＥＤ１１０に結合する前に適用されることができる。一実施形態に従い、蛍光体層９０４は、蛍光体粒子とともに搭載される光学結合材を含むことができる。

このため、蛍光体は、多数の構成で、レンズのＬＥＤと入射面との間に配置できる。ＬＥＤからの光は、蛍光体によってダウンコンバートされる。レンズ１０５は、均一なプロファイルによって所望の半角で光を射出できる。レンズ１０５のこの能力は、所望の半角で均一なプロファイルを有する一連のＬＥＤを形成することを可能にする。これは、視野にわたって色および照明の均一性を提供する利点を有する。パターンの均一性は、ターゲット領域上の任意の一点における光が、全てのユニットの混合物であるように、複数レンズからの光がオーバーレイされる（重ね合わされる）ことを可能にする。

図２３ａは、ＬＥＤ１１０およびレンズ１０５を有する光学ユニット９０５の一実施形態の図である。ＬＥＤ１１０からの光は、蛍光体によってダウンコンバートされても、またはダウンコンバートされなくてもよい。蛍光体が使用される場合、蛍光体被覆は、レンズ１０５、ＬＥＤ１１０上に配置されても、またはＬＥＤ１１０とレンズ１０５の本体への入射との間に配置されてもよい。１つのみのＬＥＤが示されるが、単一のレンズ１０５と共に、複数のＬＥＤも使用できる。レンズ１０５は、シャープまたはソフトカットオフ角による均一な分布パターンで射出するように構成できる。図２３ａの例では、レンズ１０５は、３０度の半角の鋭角のカットオフを有する。

図２３ｂは、ユニット９０５のサイズと比較して、ある程度の距離だけ離れているターゲット表面９０７を有する、ユニット９０５の照明パターンの図である（この例ではおよそ２０：１）。レンズ射出面のサイズの２０倍である距離において、照明された視野寸法は、２０^＊２^＊ｔａｎ（３０）＝射出面の幅の２３倍になる。この距離において、パターンは、良好に画定された端部について均一である。

最初のユニットの隣に別のユニットが配置される場合、最初のユニット（同様の形状を想定）と同じ視野サイズを有するが、視野は、レンズ射出面の幅だけしか移動されない（隣接するレンズの間の距離がほとんどないか、または全くないように、レンズが密にパックされていると想定）。この効果は、視野領域の大部分に対して、ユニットからの照明パターンは、より不均一な境界によって均一なプロファイルを作成するように重複しているということである。図２４は、光学ユニット９０５の配列９１０を図示する。配列９１０の各レンズ１０５が別個のものとして示されるが、レンズ１０５は、レンズアセンブリの一部であってもよい。一実施形態に従い、一連の光学ユニットは、図７−１６に関連して上記に記載されるようにパッケージできるか、または、他の方法でパッケージングできる。他の実施形態では、各レンズ１０５は、空隙によって分離されるのではなく、対応するＬＥＤに直接結合できる。

レンズ１０５は、非常に均一な色の領域を提供する色温度の混合を用いて照明されることができる重複している照明された領域９１５を作成するために、全体光プロファイルを射出するように構成できる。照明される表面と配列９０５との間の距離が大きくなると、境界領域９１６の幅は同じサイズのままであるが、一方で、照明される面積は大きくなる。遠視野において、境界領域９１６は目立たなくなる。またさらに、複数配列は、境界領域が境界領域においてさらに均一性を生じさせるために重複し、均一なプロファイルを有するより大きい照明された領域になるように構成可能である。配列９１０によって生じる照明された領域の正方形または矩形形状のために、大きい面積にわたる均一な照明を提供するために、所望の距離においてスペーシングできる。照明された領域は、円形視野パターンデバイスによって生じる照明された領域に見られるように、明るい領域と暗い領域とを有しない。

このため、一実施形態は、ＬＥＤ配列内の各ＬＥＤに光学的に結合された一組のレンズを有するＬＥＤ配列を含むことができる。各レンズは、光が、ハードカットオフまたはソフトカットオフを有する半角の均一なプロファイルによって射出されるように構成できる。一組のレンズは、重複領域および境界領域を有する照明された領域を有する全体照明パターンを投影するように構成できる。重複領域は、均一なプロファイルを有することができ、一方で、境界領域は、重複領域とは異なる強度を有することができる。レンズ距離に対するターゲット表面が大きくなると、照明された領域のサイズが大きくなるように、均一なプロファイルを有する重複領域のサイズは、レンズ距離に対するターゲット表面（例：画面）に依存する。境界領域の幅は、レンズ距離に対するターゲット表面に依存しない。その結果として、レンズ距離へのターゲット表面が大きくなると、均一なプロファイルを有する重複領域のパーセンテージは１００％に近づく。

重複領域９１５の色は、選択されたＬＥＤおよび蛍光体に依存することができる、各レンズによって射出された色に依存することができる。一実施形態に従い、各ＬＥＤは、対応するレンズが所望の色の光を射出するように、純蛍光体または蛍光体の混合に関連して使用される青色または紫外線ＬＥＤにすることができる。蛍光体をレンズ１０５、ＬＥＤ自体の上に被覆できるか、またはＬＥＤとレンズとの間に配置できる。他の実施形態では、選択されたＬＥＤのいくつかまたは全ては、蛍光体被覆を使用せずに所望の色の光を射出してもよい。このため、例えば、配列内のＬＥＤのいくつかを、蛍光体に関連して使用される青色または紫外（または他の色）ＬＥＤにすることができ、一方で、他のＬＥＤを蛍光体なしで使用される赤色（または他の色）ＬＥＤにすることができる。ＬＥＤは、重複領域９１５内の出力の組み合わせが所望のスペクトルパワー分布および色座標を有するように制御できる。

使用できる蛍光体の例は、Ｃｅ^３＋（Ｙ_３ＡＩ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、またはＹＡＧ等）でドープされたガーネット、Ｅｕ^２＋（（ＭｇＳｒＢａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、またはＢＯＳ等）でドープされたケイ酸塩、Ｅｕ^２＋（（ＭｇＣａＳｒ）ＡＩＳｉＮ_３：Ｅｕ等）でドープされた窒化物、および当該技術で公知の他の適した材料を含むが、これらに限定されない。これらの蛍光体は、単独で使用できる（例：ＹＡＧまたはＢＯＳ）、または所望の色座標および／または色レンダリング指数（ＣＲＩ）値を実現するために必要に応じて混合して使用できる。一実施形態に従い、蛍光体は、１９３１ＣＩＥ色度図内の所望のｘおよびｙ値を実現するように選択できる。特に、配列の色座標は、プランキアン軌跡上またはその近くに存在し、それにより、様々な陰影の白色光（例：「寒色」白、「中間色」白、または「暖色」白）を生じさせる。色度図内のプランキアン軌跡の周囲の望ましい領域は、様々な相互関連する色温度（ＣＣＴ）値にわたり、ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７−２００８の色度標準によって定義される。しかしながら、いずれかの色座標を実現するために、本明細書に記載される実施形態を使用してもよい。

純蛍光体または蛍光体混合物に関連して使用される青色または紫外チップを有する単位マトリクスを使用する利点は、（蛍光体搭載またはチップ波長におけるランダムな差のための）個々の要素の間の色度変化の平均化が行われるということであり、これにより、ランプからランプへの色変化は、個々のＬＥＤ成分の変化に対して低減する。ＡＮＳＩ色格納場所（ｃｏｌｏｒ ｂｉｎ）に対する収率は、その結果として、増加する。

（色座標の平均化に加えて）異なる色の純蛍光体に関連して使用される青色または紫外チップを有するマトリクスパッケージのさらなる利点は、蛍光体の間の相互作用がなくなることである。このような相互作用は、ある蛍光体の発光スペクトルおよび別の蛍光体の励起スペクトルの間の重要な重複によって生じ、ＣＲＩ値、効率、または両方の低減に貢献することができる。例えば、ＹＡＧで被覆された８つの要素および市松模様の赤色窒素蛍光体によって被覆された別の８つの要素で構成されるマトリクスパッケージは、同じ色度指定に対して、同じ２つの蛍光体の混合物で被覆された同様のパッケージよりも実質的により高いＣＲＩ値を有することがわかった。

マトリクスパッケージのさらに別の利点は、「異種」ソリューションに狭いビーム角を提供する能力である。一実施形態は、一組のユニット上の緑色・黄色蛍光体（ＹＡＧまたはＢＯＳ等）、および別の一組のユニット内の赤色ＬＥＤに関連して、青色または紫外線ＬＥＤを使用できる。このような異種ソリューションは高いＣＲＩを有する非常に有効な暖色白色を発生できると考えられる。上記に記載のようなレンズの使用は、望ましい場合、狭いビームパターンを発生することができる。一例として、しかし、これに限定されないが、１０度以上のビーム角を生じさせるレンズ１０５を使用できる。

さらに、様々な色を射出するユニットを使用することで（蛍光体を追加して、または追加せずに）、（例：ＲＧＢアプローチを使用することによる）動的な光の色制御、またはいくつかの例として、一日のうちに暖色から中間色へ寒色へと（および必要な場合、その反対へ）変化する動的な白色光を実現できる。上記に記載されるように、制御されたビーム角で均一な光を射出するように構成されるレンズの使用により、すばらしい色混合（拡散に関連付けられた損失なし）およびすぐれたビーム角制御を同時に可能にする。

図２４および２５の実施形態では、各ＬＥＤはそれ自体のレンズを有し、一連のレンズは視野の照明を均質化する作用がある。これは、蛍光体相互作用に対する蛍光体の排除に起因して、所与のＡＮＳＩ色貯蔵場所への全体生産収率（ｐｒｏｄｕｃｔ ｙｉｅｌｄ）に関する利点を提供する。

図２５ａ−ｃは、白色光ユニットを発生させるための色光学システムの構成を示す。各白色光ユニットは、混合された光が白色光を発生させるように選択された色の光を射出する色光源を含有する。例えば、図２５ａ−２５ｃでは、白色光ユニットは、２つの緑色源、１つの赤色源および１つの青色源を含む。白色光ユニットは、重複する色源を共有してもよい（例：図２５ｃでは、緑色源および青色源は、白色光ユニットの間で共有される）。図２５ａ−ｃの各色源は、選択された色を射出する単一の光学ユニットであってもよいか、または所望の色の光を発生させるために共に作用する配列であってもよい。後者の場合、選択された光の色を射出する配列を構成でき、異なる色を射出する配列は、白色光ユニットを形成するように組み合わせることができる。

図２６は、ディスプレイコントローラ９５５およびユニット９０５の配列９６０を含むシステム９５０の一実施形態の図である。システム９５０は、ユニット９０５のＬＥＤが電気的に接続される回路基板９７０を含むことができる。一実施形態に従い、ユニット９０５は、白色光ユニットを形成するように構成できる。コントローラ９５５は、制御信号をＬＥＤへ送信するためにＬＥＤに電気的に接続されるインターフェース９７５を含むことができる。プロセッサ９８０は、ＬＥＤへの制御信号を生成するために、コンピュータ可読メモリ９９０内に記憶された一組の命令９８５を実行できる。ＬＥＤの強度は、白色光ユニットによって生じた色を変更するために、ＬＥＤの強度を個々に制御できる。別の実施形態では、一連のユニットを制御してもよい。このため、例えば、コントローラ９５５は、配列内の個々のユニットの制御ではなく、全体的に配列の強度を適合させるために、一連の複数ユニットを制御してもよい。コントローラ９５５は、個々の制御モジュール、マイクロプロセッサおよび関連するハードウェア、ＡＳＩＣおよび関連するハードウェア、またはＬＥＤの制御に適した他のハードウェアおよび／またはソフトウェアとして実装できる。ファームウェア、ソフトウェアまたはハードウェアとして、またはいずれかの他の適した構成に従って、命令を埋め込むことができる。

所望の半角内に均一な分布で光を射出するレンズ１０５は、均一な白色または色の光を作成するための光混合の利点を提供するが、蛍光体と共に、レンズの他の実施形態も使用できる。図２７は、例えば、立体ドームレンズ２８０が使用されるシステムの一実施形態の図である。図２７の実施形態では、ＬＥＤ１１０は、反射体１４０として作用する先細りの側壁を有するＬＥＤキャビティ１３０内に配置される。蛍光体１４５の層は、ドームレンズ２８０の本体２８２の入射面を覆っている。配列において、各ＬＥＤは、個々のキャビティおよびドームレンズ２８０を備えることができる。別の実施形態では、一連のＬＥＤは、レンズの下の各キャビティ内に配置してもよい。キャビティよりもサイズが大きいドームレンズを含む、ドームレンズの様々な実施形態を使用できる。

図２８は、光学システムの別の実施形態の図である。図２８の実施形態では、ＬＥＤ１１０の周囲のＬＥＤキャビティ１３０内の封入材は、凸面部分２８５を形成する。蛍光体被覆１４５を有するレンズ１０５は、凸面部分２７５または筐体または別の構造に接着できる。光学システムは、レンズ１０５と凸面部分２８５との間に空気の空隙が存在しないように組み立てることができる。一例として、しかし、これに限定されないが、レンズ１０５は、凹面入射面を含むことができる。別の実施形態では、凹面入射面を有する中間層を使用できる。配列において、各ＬＥＤは、個々のキャビティおよびドームレンズ２８０を備えることができる。

当業者は、蛍光体を様々な方法でレンズ上に配置できることを理解されよう。上記のいくつかの実施形態に関連して記載されるように、蛍光体は、入射面または緩衝層への被覆として施すことができる。図２９は、別の実施形態の図である。図２９の実施形態では、レンズ８０５は、レンズ本体８０７への入射面８１５におけるポケット８１０を含む。蛍光体粒子８２０は、ポケット内に詰めることができ、結合材または別の材料層８２５で固定できる。材料８２５は、好ましくは蛍光体８２０の温度に耐え得る任意の透明な材料である。図３０は、緩衝層８４０と適した材料８４５の別の層との間に蛍光体８３５の層を挟む、レンズ８３０の別の実施形態をさらに図示する。層のスタックを、レンズ本体８５０に結合できる。材料層は、ガラス、ポリカーボネート、シリコンまたは他の層を含むことができる。

本開示は特定の実施形態を説明しているが、実施形態は例示的であり、本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されないことを理解されたい。上記実施形態の多くの変形、修正、追加および改善が可能である。例えば、提供される様々な範囲および寸法は、一例として提供され、ＬＥＤおよびレンズは、他の寸法を使用して、他の範囲内で動作可能であってもよい。これらの変形、修正、追加および改善は、本開示の範囲内に含まれることが考えられる。

Claims (21)

1. 光学システムであって、
   基部と１つ以上のキャビティ側壁とによって画定されるキャビティ内に配置されるＬＥＤと、
   レンズであって、
   ＬＥＤから光を受容するように設置された入射面を有するレンズ本体と、
   該レンズ本体の該入射面と該ＬＥＤとの間で該レンズ上に配置される蛍光体の層であって、それにより、該ＬＥＤから射出される光が、該蛍光体上に入射し、および該入射面を通って該レンズ本体に入る前にダウンコンバートされる、蛍光体の層と
   をさらに備える、レンズと
   を備え、
   該レンズは、該蛍光体が空隙によって該ＬＥＤから分離されるように設置される、システム。
2. 前記１つ以上のキャビティ側壁は、該側壁の入射光を前記レンズの射出面へと方向付けるように成形される、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記１つ以上のキャビティ側壁は、反射体として作用する材料から形成される、請求項２に記載の光学システム。
4. 前記キャビティを少なくとも部分的に充填する封入材をさらに備え、該封入材は、表面張力によって前記ＬＥＤの周囲に反射体を形成する、請求項２に記載の光学システム。
5. 前記蛍光体は、前記レンズ本体の前記入射面上に蛍光体被覆として配置される、請求項１に記載の光学システム。
6. 前記蛍光体は、１つ以上の材料の層によって前記レンズ本体の前記入射面から分離される、請求項１に記載の光学システム。
7. 前記蛍光体層は、前記蛍光体によって生成される熱から前記レンズ本体を保護するように適合される材料の緩衝層上に配置される、請求項６に記載の光学システム。
8. 前記レンズ本体は、選択されるビーム角内に前記光の５０％超を射出するように成形される、請求項１に記載の光学システム。
9. 前記レンズ本体は輝度を保存するように成形される、請求項８に記載の光学システム。
10. 前記１つ以上のキャビティ側壁は、該キャビティ側壁への入射光を前記レンズの前記入射面へと方向付けるように成形され、該キャビティ側壁は、前記ＬＥＤおよび蛍光体によって発生される光の反射体として作用する材料から形成される、請求項９に記載の光学システム。
11. 前記キャビティ内の光を前記レンズの前記入射面へと反射するための反射体をさらに備える、請求項９に記載の光学システム。
12. 前記キャビティは、封入材によって少なくとも部分的に充填され、前記反射体は、該封入材の表面張力から形成される、請求項１１に記載の光学システム。
13. 光学システムであって、
    サブマウントと、
    該サブマウントに載置されたＬＥＤの配列と、
    筐体であって、該筐体は、該サブマウントおよび一組のレンズキャビティと協働して一組のＬＥＤキャビティを少なくとも部分的に画定し、各レンズキャビティは、対応するＬＥＤキャビティに対して開口しており、およびレンズを収容するようにサイズ決めされている、筐体と、
    該レンズキャビティ内に配置される一組のレンズであって、各レンズが、
    該対応するＬＥＤキャビティへの該開口に近接する入射面を有するレンズ本体と、
    該入射面と、対応するＬＥＤとの間で該レンズ上に配置される蛍光体の層であって、それにより、対応するＬＥＤによって射出された光が、該レンズ本体に入る前にダウンコンバートされる、蛍光体の層と
    を備える、一組のレンズと
    を備え、
    各レンズの該入射面は、該対応するＬＥＤからある距離に設置される、システム。
14. 前記一組のレンズにおける各レンズの前記レンズ本体は、選択された半角において均一な分散パターンで光を射出するように構成される、請求項１３に記載の光学システム。
15. 前記一組のレンズが密にパックされることにより、前記光学システムが、該一組のレンズにおける個々のレンズよりも大きい領域にわたって、前記選択された半角において均一な分散パターンで光を射出する、請求項１４に記載の光学システム。
16. 前記一組のレンズにおける各レンズの前記レンズ本体は、輝度を保存するように成形される、請求項１５に記載の光学システム。
17. 各レンズキャビティは一組の側壁によって画定され、各レンズキャビティの該側壁は、該レンズキャビティが前記対応するＬＥＤキャビティへの前記開口に近接していると、より小さく、および該対応するＬＥＤキャビティの該開口から遠位であると、より大きくなるように成形される、請求項１３に記載の光学システム。
18. 対応するレンズキャビティ内に１つ以上のレンズを支持するカバーをさらに含む、請求項１７に記載の光学システム。
19. 前記カバーと１つ以上のレンズ本体とは、単一の材料のピースから形成される、請求項１８に記載の光学システム。
20. 各レンズ上に配置される前記蛍光体層は、前記一組のレンズにおける異なるレンズが異なる色の光を射出するように選択される、請求項１３に記載の光学システム。
21. 各レンズ上に配置される前記蛍光体層は、前記光学システムが１つ以上の白色光ユニットを形成するように選択される、請求項１３に記載の光学システム。

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