專利名稱：用于紫外led準(zhǔn)直的透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能夠?qū)ED光源發(fā)出的光線進行準(zhǔn)直，并使得準(zhǔn)直角度小于2度的準(zhǔn)直透鏡。
背景技術(shù)：
近年來，隨著半導(dǎo)體芯片及封裝技術(shù)的發(fā)展，紫外LED的光效和壽命得到不斷提高，成為新一代紫外光源。傳統(tǒng)的紫外汞燈在使用過程中溫度較高，耗電量巨大，壽命較短，在生產(chǎn)加工過程中容易造成較大的環(huán)境污染，雖然業(yè)界一直致力于對其改進，但因其原始硬件的局限性一直難以突破。紫外LED因具有恒定的光照強度，優(yōu)秀的溫度控制性，環(huán)保節(jié)能、壽命長、波段單一純正無雜波等優(yōu)點，而被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在紫外曝光領(lǐng)域，由于紫外LED光源的光強分布通常為朗伯型分布，有較大的發(fā)光角度，不能直接應(yīng)用紫外曝光之中，而目前存在的準(zhǔn)直系統(tǒng)，主要針對高壓紫外汞燈進行準(zhǔn)直，并不適用于紫外LED光源。因此對紫外LED光源進行準(zhǔn)直就成為研究的重點。目前應(yīng)用于紫外LED準(zhǔn)直的器件，一般采用反射型，需要在曲面表面鍍金屬膜進行反射準(zhǔn)直，此種透鏡針對理想點光源的準(zhǔn)直效果較為理想，但是針對實際的LED光源，由于發(fā)光較為集中，難以用這種器件進行準(zhǔn)直。另外，盡管紫外LED具有很多好處，但以往的紫外LED大多采用環(huán)氧樹脂封裝，這使得它的使用壽命明顯降低，這是因為紫外線束容易分解LED的環(huán)氧樹脂，從而將紫外LED的壽命降低至不足5千個小時。紫外LED的下一代技術(shù)以“硬化”或“防線”環(huán)氧封裝為特征，盡管提供的壽命將達到I萬個小時，但仍遠遠滿足不了大多數(shù)的應(yīng)用。針對目前用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡存在的問題和缺陷，本專利吸取了自由曲面透鏡的特有優(yōu)勢，同時引入自由曲面和全內(nèi)反射的思想，采用自由曲面反射和折射聯(lián)合準(zhǔn)直的設(shè)計，以解決現(xiàn)有技術(shù)遇到的問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，采用自由曲面反射和折射聯(lián)合準(zhǔn)直的設(shè)計，實現(xiàn)準(zhǔn)直度達到2度的準(zhǔn)直效果，解決了現(xiàn)有LED準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直效果不理想的問題。另外，本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡使用光學(xué)石英材料一體制成，因此極大地提高了其用于紫外LED準(zhǔn)直時的使用壽命，具有顯著的進步。本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題:本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，包括第一自由曲面和全反射自由曲面，所述第一自由曲面和全反射自由曲面為以光軸為軸心的回轉(zhuǎn)體,全反射自由曲面的開口沿光軸出射方向逐漸增大；所述第一自由曲面設(shè)置在碗狀全反射自由曲面的內(nèi)部，所述第一自由曲面沿光軸出射方向凸出；所述第一自由曲面用于對靠近光軸區(qū)域的光線進行折射，使得光線能夠平行于光軸射出；所述全反射自由曲面用于對遠離光軸區(qū)域的光線進行反射，使得光線能夠平行于光軸射出。所述靠近光軸區(qū)域的LED光線和遠離光軸區(qū)域的LED光線是以光軸線上的LED點光源射入透鏡中的扇形照射角度來區(qū)分的。進一步，還包括與光軸相平行的筒形連接面和與光軸相垂直的環(huán)形出射面，所述筒形連接面的一端沿光軸伸入至全反射自由曲面的內(nèi)部并與第一自由曲面的外邊緣連接，所述筒形連接面的另一端與環(huán)形出射面的內(nèi)邊緣連接；所述環(huán)形出射面的外邊緣與全反射自由曲面的大端開口邊緣連接。所述連接面與從第一自由曲面射出的準(zhǔn)直光相平行，其主要起到連接第一自由曲面與出射面的作用，使得所述透鏡成為一個整體。所述出射面不會對光線產(chǎn)生折射作用，使得經(jīng)全反射自由曲面反射后的準(zhǔn)直光線能夠平直射出。進一步，還包括沿光軸方向內(nèi)凹的第二自由曲面，所述第二自由曲面的外邊緣與全反射自由曲面的內(nèi)邊緣相連接。所述第二自由曲面作為LED光線入射面的，光軸從第二自由曲面的中心穿過。第二自由曲面的內(nèi)凹形設(shè)計形成可容納LED光源的空間，并可對LED光源發(fā)出的光線形成一定的約束作用和初始的調(diào)制，所得LED光線能夠更集中地射入到準(zhǔn)直透鏡中。進一步，所述第二自由曲面通過過渡平面與全反射自由曲面相連接，所述過渡平面與光軸相垂直。過渡平面的內(nèi)、外邊緣分別與第二自由曲面的外邊緣和全反射自由曲面的內(nèi)邊緣相重合。進一步，所述的透鏡由光學(xué)級石英材料制成。光學(xué)級石英的透光率在90%以上，而且耐高溫。進一步,所述第一自由曲面的外圍尺寸A滿足如下關(guān)系J1A1 = r2/h2,其中,Ii1為第一自由曲面底部距離整體透鏡底部平面的高度，r2為全反射自由曲面頂部的外圍尺寸，h2為其距離整體透鏡底部平面的高度。 進一步，所述第一自由曲面和全反射自由曲面的計算采用矢量Snell定律，其表
達式如下-.0ut - nln = Out-nln N，在第一自由曲面的計算過程中，η取值為透鏡材料
石英在紫外波段的折射率；在全反射自由曲面的計算過程中，η取值為-1 ;在計算第一自由曲面與全反射自由曲面的過程中，入射光線表示為T^sjcosi^sir^sini/^sinecos^，
其中，θ、識為入射光線在極坐標(biāo)系統(tǒng)下的夾角，而作為準(zhǔn)直透鏡，其出射光線表示為Om = {0,0,1}涼為自由曲面在光線入射點處的法線矢量。進一步，所述透鏡的棱邊處設(shè)置有圓角倒角或直接倒角。作為上述技術(shù)方案的替換方案，所述透鏡由光學(xué)石英材料和反光材料分體設(shè)計制作而成。其中，所述反光材料用于制作全反射自由曲面；所述光學(xué)石英材料用于制作第一自由曲面和第二自由曲面。本發(fā)明還公開了所述的透鏡準(zhǔn)直波長為320 400nm紫外光的用途。波長為320 400nm紫外光為UV-A波段，根據(jù)UV-A波段制成的紫外LED準(zhǔn)直透鏡更適合用于紫外曝光、固化和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡具有以下有益效果:1、本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)直度小于2度的準(zhǔn)直效果，達到了發(fā)明目的。2、通過設(shè)置連接面和出射面使得所述本發(fā)明的準(zhǔn)直透鏡能夠制成一體，結(jié)構(gòu)簡單。
3、本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡采用光學(xué)級石英材料制成，使其特別適用于紫外LED的準(zhǔn)直，使得紫外LED的使用壽命至少延長十倍，達到5萬個小時。4、本發(fā)明透鏡中的曲面計算采用矢量Snell定律，通過本發(fā)明提供的定律和計算方法得到的透鏡曲面，其準(zhǔn)直效果更好。5、本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡的各個棱邊都進行了圓角倒角或直接倒角，使得本發(fā)明的透鏡不易破裂，更加耐用。6、本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡解決了現(xiàn)有紫外LED準(zhǔn)直透鏡使用壽命短、準(zhǔn)直效果差的問題，使其更適合用于紫外曝光、固化和醫(yī)療技術(shù)等領(lǐng)域。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。圖1為本發(fā)明實施例一中的透鏡基本結(jié)構(gòu)三維透視圖；圖2為本發(fā)明實施例一中的透鏡準(zhǔn)直原理示意圖(圖中箭頭所示為光線照射方向)；圖3為本發(fā)明實施例一中的透鏡橫截面示意圖；圖4為本發(fā)明實施例一中的透鏡準(zhǔn)直仿真效果圖；圖5為本發(fā)明實施例二中采用分體設(shè)計的透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明:圖1所示為本發(fā)明的采用一體設(shè)計的透鏡三維結(jié)構(gòu)示意圖，其橫截面圖如圖3所示。本實施例中，優(yōu)選日亞NCSU033B紫外LED芯片作為光源，透鏡材料采用光學(xué)級石英材料，考慮到LED芯片的尺寸，第二自由曲面5的外圍尺寸優(yōu)選5_，考慮到加工的因素，過渡平面6尺寸優(yōu)選1mm。經(jīng)過本發(fā)明的透鏡準(zhǔn)直后，紫外LED光線的準(zhǔn)直角度小于2度，如圖4所示。另外，采用光學(xué)級石英材料制成的透鏡應(yīng)用于紫外LED準(zhǔn)直中可以極大地延長紫外LED的使用壽命。實施例一采用一體化設(shè)計的LED準(zhǔn)直透鏡本實施例中所示的透鏡包括第一自由曲面I和全反射自由曲面2，所述第一自由曲面I和全反射自由曲面2為以光軸為軸心的回轉(zhuǎn)體，全反射自由曲面2的開口沿光軸出射方向逐漸增大；所述第一自由曲面I設(shè)置在全反射自由曲面2的內(nèi)部，所述第一自由曲面I為沿光軸出射方向凸出。所述第一自由曲面I用于對靠近光軸區(qū)域的光線進行折射，使得光線能夠平行于光軸射出；所述全反射自由曲面2用于對遠離光軸區(qū)域的光線進行反射，使得光線能夠平行于光軸射出。本實施例中的透鏡還包括與光軸相平行的筒形連接面3和與光軸相垂直的環(huán)形出射面4，所述筒形連接面3的一端沿光軸伸入至碗狀全反射自由曲面2的內(nèi)部并與第一自由曲面I的外邊緣連接，所述筒形連接面3的另一端與環(huán)形出射面4的內(nèi)邊緣連接；所述環(huán)形出射面4的外邊緣與全反射自由曲面2的大端開口邊緣連接。所述連接面3與從第一自由曲面I射出的準(zhǔn)直光相平行，其主要起到連接第一自由曲面I與出射面4的作用。所述出射面4不會對光線產(chǎn)生折射作用，使得經(jīng)全反射自由曲面2反射后的準(zhǔn)直光線能夠平直射出。本實施例中的透鏡還包括作為LED光線入射面的第二自由曲面5，所述第二自由曲面5為內(nèi)凹面，光軸從第二自由曲面5的中心穿過,所述第二自由曲面5通過過渡平面6與全反射自由曲面相2連接，所述過渡平面6與光軸相垂直，過渡平面的外圍尺寸與全反射自由曲面的底部尺寸相等。過渡平面6的內(nèi)、外邊緣分別與第二自由曲面的外邊緣和全反射自由曲面的內(nèi)邊緣相重合。第二自由曲面5的內(nèi)凹形設(shè)計形成可容納LED光源7的空間，并可對LED光源7發(fā)出的光線形成一定的約束作用和初始的調(diào)制，所得LED光線向光軸聚攏，使得射出光線更加密集。上述實施例一中的透鏡準(zhǔn)直原理，如圖2所示，圖中Θ為發(fā)光線與對稱軸(光軸)的夾角，當(dāng)光線以小于Θ角度出射后將首先照射到第二自由曲面5上，經(jīng)第二自由曲面5的折射后照射到第一自由曲面I上，經(jīng)第一自由曲面I的二次折射后平行于光軸射出；當(dāng)光線以大于Θ角度出射后將首先照射到第二自由曲面5上，經(jīng)第二自由曲面5的折射后照射到全反射自由曲面2上，該全反射自由曲面2的反射為透鏡內(nèi)部的全反射，光線經(jīng)過全反射自由曲面2的反射后平行于光軸射出，由于出射面4是垂直于光軸的平面，所以不會改變經(jīng)全反射自由曲面2反射后的光線的路徑。作為上述技術(shù)方案的進一步改進，如圖3所示，所述第一自由曲面的外圍尺寸Γι滿足如下關(guān)系:T1Zh1 = r2/h2,其中，Ii1為第一自由曲面底部距離整體透鏡底部平面的高度，1"2為全反射自由曲面頂部的外圍尺寸，h2為其距離整體透鏡底部平面的高度。所述第一自由曲面和全反射自由曲面的計算采用矢量Snell定律，其表達式如下:
Out - nln = Out - nln N，在第一自由曲面的計算過程中，η取值為透鏡材料石英在紫外波段的折射率，本實施例中η優(yōu)選1.458 ;在全反射自由曲面的計算過程中，η取值為-1 ;在計算第一自由曲面與全反射自由曲面的過程中，入射光線表示為// = {cossin^sin^,sin^cos^},其中，Θ、爐為入射光線在極坐標(biāo)系統(tǒng)下的夾角，而作為準(zhǔn)直透鏡，其出射光線表示為Oiit 二 {0,0,1} 為自由曲面在光線入射點處的法線矢量。通過本發(fā)明提供的曲面算法計算得到的透鏡，其準(zhǔn)直效果更佳，實現(xiàn)了準(zhǔn)直度小于2度的準(zhǔn)直效果。實施例二采用分體化設(shè)計的LED準(zhǔn)直透鏡本實施例二中所述的透鏡由光學(xué)石英材料和反光材料分體設(shè)計制作而成。如圖5所示，其中，所述反光材料用于制作全反射自由曲面2 ;所述光學(xué)石英材料用于制作第一自由曲面I和第二自由曲面5。在分體設(shè)計中，透鏡省去了連接面和出射面，使得透鏡的結(jié)構(gòu)相對于實施例一而言要簡單得多，制造起來也沒有實施例一中的透鏡復(fù)雜。另外，作為實施例二的替換方案，還可以將實施例二中帶有第一自由曲面I和第二自由曲面5的透鏡部分與LED光源7進行一體化封裝。作為實施例一和二的進一步改進，所述透鏡的第一自由曲面、第二自由曲面或全反射自由曲面是根據(jù)非成像光學(xué)理論計算設(shè)計得到的。采用非成像光學(xué)理論中的邊緣光線原理以及SMS (多面同時設(shè)計方法)方法，計算折射/全反射型非成像LED準(zhǔn)直透鏡自由曲面的初始面型，然后利用光學(xué)設(shè)計軟件對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，最終得到準(zhǔn)直度較高的LED準(zhǔn)直透鏡。采用非成像光學(xué)理論計算設(shè)計得到的透鏡，其光能利用率和目標(biāo)面照度均勻性均有所提聞。作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述透鏡的棱邊處進行了圓角倒角或直接倒角，使得本發(fā)明的透鏡不易破裂，更加耐用。如在實施例一中，透鏡的棱邊處留有0.2mm左右的圓角，以防止石英玻璃破裂。本發(fā)明進一步還包括應(yīng)用所述透鏡準(zhǔn)直波長為320 400nm紫外光的用途。I)對于準(zhǔn)直波長在320 365nm紫外光的用途:高分子和油墨印刷；2)對于準(zhǔn)直波長為365nm紫外光的用途:用于紫外固化；3)對于準(zhǔn)直波長在375 395nm紫外光的用途:辨?zhèn)危?)對于準(zhǔn)直波長在390 410hm紫外光的用途:表面除菌/美容除菌。本發(fā)明LED準(zhǔn)直透鏡吸取了自由曲面透鏡的特有優(yōu)勢，同時引入自由曲面和全內(nèi)反射的思想，實現(xiàn)自由曲面反射和折射聯(lián)合準(zhǔn)直的設(shè)計，解決了現(xiàn)有準(zhǔn)直透鏡在加工過程復(fù)雜，準(zhǔn)直效果不理想的缺點，實現(xiàn)準(zhǔn)直度小于2度的準(zhǔn)直效果。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，包括第一自由曲面(I)和全反射自由曲面(2)，所述第一自由曲面(I)和全反射自由曲面(2)為以光軸為軸心的回轉(zhuǎn)體，其特征在于，全反射自由曲面(2)的開口沿光軸出射方向逐漸增大；所述第一自由曲面(I)設(shè)置在全反射自由曲面(2)的內(nèi)部，所述第一自由曲面⑴沿光軸方向凸出；所述第一自由曲面⑴用于對靠近光軸區(qū)域的光線進行折射，使得光線能夠平行于光軸射出；所述全反射自由曲面(2)用于對遠離光軸區(qū)域的光線進行反射，使得光線能夠平行于光軸射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于，還包括與光軸相平行的筒形連接面(3)和與光軸相垂直的環(huán)形出射面(4)，所述筒形連接面(3)的一端沿光軸伸入至全反射自由曲面(2)的內(nèi)部并與第一自由曲面(I)的外邊緣連接，所述筒形連接面(3)的另一端與環(huán)形出射面(4)的內(nèi)邊緣連接；所述環(huán)形出射面(4)的外邊緣與全反射自由曲面(2)的大端開口邊緣連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于，還包括沿光軸方向內(nèi)凹的第二自由曲面(5)，所述第二自由曲面(5)的外邊緣與全反射自由曲面(2)的內(nèi)邊緣相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于，所述第二自由曲面(5)通過過渡平面(6)與全反射自由曲面(2)相連接，所述過渡平面(6)與光軸相垂直，過渡平面(6)的外圍尺寸與全反射自由曲面(2)的底部尺寸相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于，所述的透鏡由光學(xué)石英材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于，所述第一自由曲面(I)的外圍尺寸A滿足如下關(guān)系:IVh1 = r2/h2 其中，h為第一自由曲面(I)底部距離整體透鏡底部平面的高度，r2為全反射自由曲面(2)頂部的外圍尺寸，匕為其距離整體透鏡底部平面的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于，所述第一自由曲面(I)和全反射自由曲面(2)的計算均采用矢量Snell定律，其表達式如下: Out - nln = Out - nln N 在第一自由曲面(I)的計算過程中，η取值為透鏡材料石英在紫外波段的折射率；在全反射自由曲面(2)的計算過程中，η取值為-1 ;在計算第一自由曲面(I)與全反射自由曲面(2)的過程中，入射光線表示為// =丨cosi^sin^sin爐,sin6*cos^ }，U:中，Θ、爐為入射光線在極坐標(biāo)系統(tǒng)下的夾角，而作為準(zhǔn)直透鏡，其出射光線表示為@ = {0,0,1},及為自由曲面在光線入射點處的法線矢量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其特征在于:所述透鏡的棱邊處設(shè)置有圓角倒角或直接倒角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的透鏡準(zhǔn)直波長為320 400nm紫外光的用途。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，包括第一自由曲面和全反射自由曲面，所述第一自由曲面和全反射自由曲面為以光軸為軸心的回轉(zhuǎn)體，全反射自由曲面的開口沿光軸出射方向逐漸增大；所述第一自由曲面設(shè)置在全反射自由曲面的內(nèi)部，所述第一自由曲面沿光軸方向凸出；所述第一自由曲面用于對靠近光軸區(qū)域的光線進行折射，使得光線能夠平行于光軸射出；所述全反射自由曲面用于對遠離光軸區(qū)域的光線進行反射，使得光線能夠平行于光軸射出。本發(fā)明的用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡，其準(zhǔn)直度高，使用壽命長，非常適用于紫外LED的準(zhǔn)直，解決了以往LED準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、準(zhǔn)直度低，不適用于紫外LED準(zhǔn)直等問題。
文檔編號F21V5/04GK103162234SQ20121055291
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者孫秀輝, 尹韶云, 杜春雷, 史浩飛 申請人:重慶綠色智能技術(shù)研究院