專利名稱：用于紫外led準直的透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體照明技術和應用技術領域，特別涉及一種能夠對LED光源發出的光線進行準直，并使得準直角度小于2度的準直透鏡。
背景技術：
近年來，隨著半導體芯片及封裝技術的發展，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，在生產加工過程中容易造成較大的環境污染，雖然業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，優秀的溫度控制性，環保節能、壽命長、波段單一純正無雜波等優點，而被廣泛的應用于各個領域。在紫外曝光領域，由于紫外LED光源的光強分布通常為朗伯型分布，有較大的發光角度，不能直接應用紫外曝光之中，而目前存在的準直系統，主要針對高壓紫外汞燈進行準直，并不適用于紫外LED光源。因此對紫外LED光源進行準直就成為研究的重點。目前應用于紫外LED準直的器件，一般采用反射型，需要在曲面表面鍍金屬膜進行反射準直，此種透鏡針對理想點光源的準直效果較為理想，但是針對實際的LED光源，由于發光較為集中，難以用這種器件進行準直。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的下一代技術以“硬化”或“防線”環氧封裝為特征，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的應用。針對目前用于紫外LED準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勢，同時引入自由曲面和全內反射的思想，采用自由曲面反射和折射聯合準直的設計，以解決現有技術遇到的問題。
發明內容
有鑒于此，本發明提供一種用于紫外LED準直的透鏡，采用自由曲面反射和折射聯合準直的設計，實現準直度達到2度的準直效果，解決了現有LED準直透鏡準直效果不理想的問題。另外，本發明的用于紫外LED準直的透鏡使用光學石英材料一體制成，因此極大地提高了其用于紫外LED準直時的使用壽命，具有顯著的進步。本發明通過以下技術手段解決上述技術問題:本發明的用于紫外LED準直的透鏡，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置在碗狀全反射自由曲面的內部，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。所述靠近光軸區域的LED光線和遠離光軸區域的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形出射面的內邊緣連接；所述環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生折射作用，使得經全反射自由曲面反射后的準直光線能夠平直射出。進一步，還包括沿光軸方向內凹的第二自由曲面，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。第二自由曲面的內凹形設計形成可容納LED光源的空間，并可對LED光源發出的光線形成一定的約束作用和初始的調制，所得LED光線能夠更集中地射入到準直透鏡中。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、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邊緣相重合。進一步，所述的透鏡由光學級石英材料制成。光學級石英的透光率在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系統下的夾角，而作為準直透鏡，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置有圓角倒角或直接倒角。作為上述技術方案的替換方案，所述透鏡由光學石英材料和反光材料分體設計制作而成。其中，所述反光材料用于制作全反射自由曲面；所述光學石英材料用于制作第一自由曲面和第二自由曲面。本發明還公開了所述的透鏡準直波長為320 400nm紫外光的用途。波長為320 400nm紫外光為UV-A波段，根據UV-A波段制成的紫外LED準直透鏡更適合用于紫外曝光、固化和醫療技術領域。本發明的用于紫外LED準直的透鏡具有以下有益效果:1、本發明的用于紫外LED準直的透鏡能夠實現準直度小于2度的準直效果，達到了發明目的。2、通過設置連接面和出射面使得所述本發明的準直透鏡能夠制成一體，結構簡單。
3、本發明的用于紫外LED準直的透鏡采用光學級石英材料制成，使其特別適用于紫外LED的準直，使得紫外LED的使用壽命至少延長十倍，達到5萬個小時。4、本發明透鏡中的曲面計算采用矢量Snell定律，通過本發明提供的定律和計算方法得到的透鏡曲面，其準直效果更好。5、本發明的用于紫外LED準直的透鏡的各個棱邊都進行了圓角倒角或直接倒角，使得本發明的透鏡不易破裂，更加耐用。6、本發明的用于紫外LED準直的透鏡解決了現有紫外LED準直透鏡使用壽命短、準直效果差的問題，使其更適合用于紫外曝光、固化和醫療技術等領域。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。圖1為本發明實施例一中的透鏡基本結構三維透視圖；圖2為本發明實施例一中的透鏡準直原理示意圖(圖中箭頭所示為光線照射方向)；圖3為本發明實施例一中的透鏡橫截面示意圖；圖4為本發明實施例一中的透鏡準直仿真效果圖；圖5為本發明實施例二中采用分體設計的透鏡結構示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明:圖1所示為本發明的采用一體設計的透鏡三維結構示意圖，其橫截面圖如圖3所示。本實施例中，優選日亞NCSU033B紫外LED芯片作為光源，透鏡材料采用光學級石英材料，考慮到LED芯片的尺寸，第二自由曲面5的外圍尺寸優選5_，考慮到加工的因素，過渡平面6尺寸優選1mm。經過本發明的透鏡準直后，紫外LED光線的準直角度小于2度，如圖4所示。另外，采用光學級石英材料制成的透鏡應用于紫外LED準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計的LED準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設置在全反射自由曲面2的內部，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的另一端與環形出射面4的內邊緣連接；所述環形出射面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不會對光線產生折射作用，使得經全反射自由曲面2反射后的準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、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邊緣相重合。第二自由曲面5的內凹形設計形成可容納LED光源7的空間，并可對LED光源7發出的光線形成一定的約束作用和初始的調制，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直原理，如圖2所示，圖中Θ為發光線與對稱軸(光軸)的夾角，當光線以小于Θ角度出射后將首先照射到第二自由曲面5上，經第二自由曲面5的折射后照射到第一自由曲面I上，經第一自由曲面I的二次折射后平行于光軸射出；當光線以大于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的反射為透鏡內部的全反射，光線經過全反射自由曲面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，所以不會改變經全反射自由曲面2反射后的光線的路徑。作為上述技術方案的進一步改進，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系統下的夾角，而作為準直透鏡，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。通過本發明提供的曲面算法計算得到的透鏡，其準直效果更佳，實現了準直度小于2度的準直效果。實施例二采用分體化設計的LED準直透鏡本實施例二中所述的透鏡由光學石英材料和反光材料分體設計制作而成。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。在分體設計中，透鏡省去了連接面和出射面，使得透鏡的結構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非成像光學理論計算設計得到的。采用非成像光學理論中的邊緣光線原理以及SMS (多面同時設計方法)方法，計算折射/全反射型非成像LED準直透鏡自由曲面的初始面型，然后利用光學設計軟件對結構進行優化設計，最終得到準直度較高的LED準直透鏡。采用非成像光學理論計算設計得到的透鏡，其光能利用率和目標面照度均勻性均有所提聞。作為上述技術方案的進一步改進，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。本發明進一步還包括應用所述透鏡準直波長為320 400nm紫外光的用途。I)對于準直波長在320 365nm紫外光的用途:高分子和油墨印刷；2)對于準直波長為365nm紫外光的用途:用于紫外固化；3)對于準直波長在375 395nm紫外光的用途:辨偽；4)對于準直波長在390 410hm紫外光的用途:表面除菌/美容除菌。本發明LED準直透鏡吸取了自由曲面透鏡的特有優勢，同時引入自由曲面和全內反射的思想，實現自由曲面反射和折射聯合準直的設計，解決了現有準直透鏡在加工過程復雜，準直效果不理想的缺點，實現準直度小于2度的準直效果。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.用于紫外LED準直的透鏡，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)設置在全反射自由曲面(2)的內部，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)用于對遠離光軸區域的光線進行反射，使得光線能夠平行于光軸射出。
2.根據權利要求1所述的用于紫外LED準直的透鏡，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)的另一端與環形出射面(4)的內邊緣連接；所述環形出射面(4)的外邊緣與全反射自由曲面(2)的大端開口邊緣連接。
3.根據權利要求2所述的用于紫外LED準直的透鏡，其特征在于，還包括沿光軸方向內凹的第二自由曲面(5)，所述第二自由曲面(5)的外邊緣與全反射自由曲面(2)的內邊緣相連接。
4.根據權利要求3所述的用于紫外LED準直的透鏡，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.根據權利要求4所述的用于紫外LED準直的透鏡，其特征在于，所述的透鏡由光學石英材料制成。
6.根據權利要求5所述的用于紫外LED準直的透鏡，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.根據權利要求6所述的用于紫外LED準直的透鏡，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系統下的夾角，而作為準直透鏡，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.根據權利要求7所述的用于紫外LED準直的透鏡，其特征在于:所述透鏡的棱邊處設置有圓角倒角或直接倒角。
9.根據權利要求1-8任一項所述的透鏡準直波長為320 400nm紫外光的用途。
全文摘要
本發明公開了一種用于紫外LED準直的透鏡，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置在全反射自由曲面的內部，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域的光線進行反射，使得光線能夠平行于光軸射出。本發明的用于紫外LED準直的透鏡，其準直度高，使用壽命長，非常適用于紫外LED的準直，解決了以往LED準直透鏡結構復雜、準直度低，不適用于紫外LED準直等問題。
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 優先權日2012年12月19日
發明者孫秀輝, 尹韶云, 杜春雷, 史浩飛 申請人:重慶綠色智能技術研究院