CN103162234B - 用于紫外led准直的透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于紫外LED准直的透镜，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为以光轴为轴心的回转体，全反射自由曲面的开口沿光轴出射方向逐渐增大；所述第一自由曲面设置在全反射自由曲面的内部，所述第一自由曲面沿光轴方向凸出；所述第一自由曲面用于对靠近光轴区域的光线进行折射，使得光线能够平行于光轴射出；所述全反射自由曲面用于对远离光轴区域的光线进行反射，使得光线能够平行于光轴射出。本发明的用于紫外LED准直的透镜，其准直度高，使用寿命长，非常适用于紫外LED的准直，解决了以往LED准直透镜结构复杂、准直度低，不适用于紫外LED准直等问题。

Description

用于紫外LED准直的透镜

技术领域

本发明涉及半导体照明技术和应用技术领域，特别涉及一种能够对LED光源发出的光线进行准直，并使得准直角度小于2度的准直透镜。

背景技术

近年来，随着半导体芯片及封装技术的发展，紫外LED的光效和寿命得到不断提高，成为新一代紫外光源。传统的紫外汞灯在使用过程中温度较高，耗电量巨大，寿命较短，在生产加工过程中容易造成较大的环境污染，虽然业界一直致力于对其改进，但因其原始硬件的局限性一直难以突破。紫外LED因具有恒定的光照强度，优秀的温度控制性，环保节能、寿命长、波段单一纯正无杂波等优点，而被广泛的应用于各个领域。

在紫外曝光领域，由于紫外LED光源的光强分布通常为朗伯型分布，有较大的发光角度，不能直接应用紫外曝光之中，而目前存在的准直系统，主要针对高压紫外汞灯进行准直，并不适用于紫外LED光源。因此对紫外LED光源进行准直就成为研究的重点。目前应用于紫外LED准直的器件，一般采用反射型，需要在曲面表面镀金属膜进行反射准直，此种透镜针对理想点光源的准直效果较为理想，但是针对实际的LED光源，由于发光较为集中，难以用这种器件进行准直。

另外，尽管紫外LED具有很多好处，但以往的紫外LED大多采用环氧树脂封装，这使得它的使用寿命明显降低，这是因为紫外线束容易分解LED的环氧树脂，从而将紫外LED的寿命降低至不足5千个小时。紫外LED的下一代技术以“硬化”或“防线”环氧封装为特征，尽管提供的寿命将达到1万个小时，但仍远远满足不了大多数的应用。

针对目前用于紫外LED准直的透镜存在的问题和缺陷，本专利吸取了自由曲面透镜的特有优势，同时引入自由曲面和全内反射的思想，采用自由曲面反射和折射联合准直的设计，以解决现有技术遇到的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于紫外LED准直的透镜，采用自由曲面反射和折射联合准直的设计，实现准直度达到2度的准直效果，解决了现有LED准直透镜准直效果不理想的问题。另外，本发明的用于紫外LED准直的透镜使用光学石英材料一体制成，因此极大地提高了其用于紫外LED准直时的使用寿命，具有显著的进步。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

本发明的用于紫外LED准直的透镜，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为以光轴为轴心的回转体，全反射自由曲面的开口沿光轴出射方向逐渐增大；所述第一自由曲面设置在碗状全反射自由曲面的内部，所述第一自由曲面沿光轴出射方向凸出；所述第一自由曲面用于对靠近光轴区域的光线进行折射，使得光线能够平行于光轴射出；所述全反射自由曲面用于对远离光轴区域的光线进行反射，使得光线能够平行于光轴射出。所述靠近光轴区域的LED光线和远离光轴区域的LED光线是以光轴线上的LED点光源射入透镜中的扇形照射角度来区分的。

进一步，还包括与光轴相平行的筒形连接面和与光轴相垂直的环形出射面，所述筒形连接面的一端沿光轴伸入至全反射自由曲面的内部并与第一自由曲面的外边缘连接，所述筒形连接面的另一端与环形出射面的内边缘连接；所述环形出射面的外边缘与全反射自由曲面的大端开口边缘连接。所述连接面与从第一自由曲面射出的准直光相平行，其主要起到连接第一自由曲面与出射面的作用，使得所述透镜成为一个整体。所述出射面不会对光线产生折射作用，使得经全反射自由曲面反射后的准直光线能够平直射出。

进一步，还包括沿光轴方向内凹的第二自由曲面，所述第二自由曲面的外边缘与全反射自由曲面的内边缘相连接。所述第二自由曲面作为LED光线入射面的，光轴从第二自由曲面的中心穿过。第二自由曲面的内凹形设计形成可容纳LED光源的空间，并可对LED光源发出的光线形成一定的约束作用和初始的调制，所得LED光线能够更集中地射入到准直透镜中。

进一步，所述第二自由曲面通过过渡平面与全反射自由曲面相连接，所述过渡平面与光轴相垂直。过渡平面的内、外边缘分别与第二自由曲面的外边缘和全反射自由曲面的内边缘相重合。

进一步，所述的透镜由光学级石英材料制成。光学级石英的透光率在90％以上，而且耐高温。

进一步，所述第一自由曲面的外围尺寸r₁满足如下关系：r₁/h₁＝r₂/h₂，其中，h₁为第一自由曲面底部距离整体透镜底部平面的高度，r₂为全反射自由曲面顶部的外围尺寸，h₂为其距离整体透镜底部平面的高度。

进一步，所述第一自由曲面和全反射自由曲面的计算采用矢量Snell定律，其表达式如下：在第一自由曲面的计算过程中，n取值为透镜材料石英在紫外波段的折射率；在全反射自由曲面的计算过程中，n取值为-1；在计算第一自由曲面与全反射自由曲面的过程中，入射光线表示为其中，θ、为入射光线在极坐标系统下的夹角，而作为准直透镜，其出射光线表示为 为自由曲面在光线入射点处的法线矢量。

进一步，所述透镜的棱边处设置有圆角倒角或直接倒角。

作为上述技术方案的替换方案，所述透镜由光学石英材料和反光材料分体设计制作而成。其中，所述反光材料用于制作全反射自由曲面；所述光学石英材料用于制作第一自由曲面和第二自由曲面。

本发明还公开了所述的透镜准直波长为320～400nm紫外光的用途。波长为320～400nm紫外光为UV-A波段，根据UV-A波段制成的紫外LED准直透镜更适合用于紫外曝光、固化和医疗技术领域。

本发明的用于紫外LED准直的透镜具有以下有益效果：

1、本发明的用于紫外LED准直的透镜能够实现准直度小于2度的准直效果，达到了发明目的。

2、通过设置连接面和出射面使得所述本发明的准直透镜能够制成一体，结构简单。

3、本发明的用于紫外LED准直的透镜采用光学级石英材料制成，使其特别适用于紫外LED的准直，使得紫外LED的使用寿命至少延长十倍，达到5万个小时。

4、本发明透镜中的曲面计算采用矢量Snell定律，通过本发明提供的定律和计算方法得到的透镜曲面，其准直效果更好。

5、本发明的用于紫外LED准直的透镜的各个棱边都进行了圆角倒角或直接倒角，使得本发明的透镜不易破裂，更加耐用。

6、本发明的用于紫外LED准直的透镜解决了现有紫外LED准直透镜使用寿命短、准直效果差的问题，使其更适合用于紫外曝光、固化和医疗技术等领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明实施例一中的透镜基本结构三维透视图；

图2为本发明实施例一中的透镜准直原理示意图(图中箭头所示为光线照射方向)；

图3为本发明实施例一中的透镜横截面示意图；

图4为本发明实施例一中的透镜准直仿真效果图；

图5为本发明实施例二中采用分体设计的透镜结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1所示为本发明的采用一体设计的透镜三维结构示意图，其横截面图如图3所示。本实施例中，优选日亚NCSU033B紫外LED芯片作为光源，透镜材料采用光学级石英材料，考虑到LED芯片的尺寸，第二自由曲面5的外围尺寸优选5mm，考虑到加工的因素，过渡平面6尺寸优选1mm。经过本发明的透镜准直后，紫外LED光线的准直角度小于2度，如图4所示。另外，采用光学级石英材料制成的透镜应用于紫外LED准直中可以极大地延长紫外LED的使用寿命。

实施例一采用一体化设计的LED准直透镜

本实施例中所示的透镜包括第一自由曲面1和全反射自由曲面2，所述第一自由曲面1和全反射自由曲面2为以光轴为轴心的回转体，全反射自由曲面2的开口沿光轴出射方向逐渐增大；所述第一自由曲面1设置在全反射自由曲面2的内部，所述第一自由曲面1为沿光轴出射方向凸出。所述第一自由曲面1用于对靠近光轴区域的光线进行折射，使得光线能够平行于光轴射出；所述全反射自由曲面2用于对远离光轴区域的光线进行反射，使得光线能够平行于光轴射出。

本实施例中的透镜还包括与光轴相平行的筒形连接面3和与光轴相垂直的环形出射面4，所述筒形连接面3的一端沿光轴伸入至碗状全反射自由曲面2的内部并与第一自由曲面1的外边缘连接，所述筒形连接面3的另一端与环形出射面4的内边缘连接；所述环形出射面4的外边缘与全反射自由曲面2的大端开口边缘连接。所述连接面3与从第一自由曲面1射出的准直光相平行，其主要起到连接第一自由曲面1与出射面4的作用。所述出射面4不会对光线产生折射作用，使得经全反射自由曲面2反射后的准直光线能够平直射出。本实施例中的透镜还包括作为LED光线入射面的第二自由曲面5，所述第二自由曲面5为内凹面，光轴从第二自由曲面5的中心穿过，所述第二自由曲面5通过过渡平面6与全反射自由曲面相2连接，所述过渡平面6与光轴相垂直，过渡平面的外围尺寸与全反射自由曲面的底部尺寸相等。过渡平面6的内、外边缘分别与第二自由曲面的外边缘和全反射自由曲面的内边缘相重合。第二自由曲面5的内凹形设计形成可容纳LED光源7的空间，并可对LED光源7发出的光线形成一定的约束作用和初始的调制，所得LED光线向光轴聚拢，使得射出光线更加密集。

上述实施例一中的透镜准直原理，如图2所示，图中θ为发光线与对称轴(光轴)的夹角，当光线以小于θ角度出射后将首先照射到第二自由曲面5上，经第二自由曲面5的折射后照射到第一自由曲面1上，经第一自由曲面1的二次折射后平行于光轴射出；当光线以大于θ角度出射后将首先照射到第二自由曲面5上，经第二自由曲面5的折射后照射到全反射自由曲面2上，该全反射自由曲面2的反射为透镜内部的全反射，光线经过全反射自由曲面2的反射后平行于光轴射出，由于出射面4是垂直于光轴的平面，所以不会改变经全反射自由曲面2反射后的光线的路径。

作为上述技术方案的进一步改进，如图3所示，所述第一自由曲面的外围尺寸r₁满足如下关系：

r₁/h₁＝r₂/h₂，

其中，h₁为第一自由曲面底部距离整体透镜底部平面的高度，r₂为全反射自由曲面顶部的外围尺寸，h₂为其距离整体透镜底部平面的高度。

所述第一自由曲面和全反射自由曲面的计算采用矢量Snell定律，其表达式如下：

$\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\stackrel{\→}{\mathrm{In}}=|\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\stackrel{\→}{\mathrm{In}}|\stackrel{\→}{N},$

在第一自由曲面的计算过程中，n取值为透镜材料石英在紫外波段的折射率，本实施例中n优选1.458；在全反射自由曲面的计算过程中，n取值为-1；在计算第一自由曲面与全反射自由曲面的过程中，入射光线表示为其中，θ、为入射光线在极坐标系统下的夹角，而作为准直透镜，其出射光线表示为 为自由曲面在光线入射点处的法线矢量。

通过本发明提供的曲面算法计算得到的透镜，其准直效果更佳，实现了准直度小于2度的准直效果。

实施例二采用分体化设计的LED准直透镜

本实施例二中所述的透镜由光学石英材料和反光材料分体设计制作而成。如图5所示，其中，所述反光材料用于制作全反射自由曲面2；所述光学石英材料用于制作第一自由曲面1和第二自由曲面5。在分体设计中，透镜省去了连接面和出射面，使得透镜的结构相对于实施例一而言要简单得多，制造起来也没有实施例一中的透镜复杂。另外，作为实施例二的替换方案，还可以将实施例二中带有第一自由曲面1和第二自由曲面5的透镜部分与LED光源7进行一体化封装。

作为实施例一和二的进一步改进，所述透镜的第一自由曲面、第二自由曲面或全反射自由曲面是根据非成像光学理论计算设计得到的。采用非成像光学理论中的边缘光线原理以及SMS(多面同时设计方法)方法，计算折射/全反射型非成像LED准直透镜自由曲面的初始面型，然后利用光学设计软件对结构进行优化设计，最终得到准直度较高的LED准直透镜。采用非成像光学理论计算设计得到的透镜，其光能利用率和目标面照度均匀性均有所提高。

作为上述技术方案的进一步改进，所述透镜的棱边处进行了圆角倒角或直接倒角，使得本发明的透镜不易破裂，更加耐用。如在实施例一中，透镜的棱边处留有0.2mm左右的圆角，以防止石英玻璃破裂。

本发明进一步还包括应用所述透镜准直波长为320～400nm紫外光的用途。1)对于准直波长在320～365nm紫外光的用途：高分子和油墨印刷；2)对于准直波长为365nm紫外光的用途：用于紫外固化；3)对于准直波长在375～395nm紫外光的用途：辨伪；4)对于准直波长在390～410nm紫外光的用途：表面除菌/美容除菌。

本发明LED准直透镜吸取了自由曲面透镜的特有优势，同时引入自由曲面和全内反射的思想，实现自由曲面反射和折射联合准直的设计，解决了现有准直透镜在加工过程复杂，准直效果不理想的缺点，实现准直度小于2度的准直效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.用于紫外LED准直的透镜，包括第一自由曲面(1)和全反射自由曲面(2)，所述第一自由曲面(1)和全反射自由曲面(2)为以光轴为轴心的回转体，其特征在于，全反射自由曲面(2)的开口沿光轴出射方向逐渐增大；所述第一自由曲面(1)设置在全反射自由曲面(2)的内部，所述第一自由曲面(1)沿光轴方向凸出；所述第一自由曲面(1)用于对靠近光轴区域的光线进行折射，使得光线能够平行于光轴射出；所述全反射自由曲面(2)用于对远离光轴区域的光线进行反射，使得光线能够平行于光轴射出；还包括沿光轴方向内凹的第二自由曲面(5)，所述第二自由曲面(5)的外边缘与全反射自由曲面(2)的内边缘相连接；所述透镜由光学石英材料和反光材料分体设计制作而成，其中，所述反光材料用于制作全反射自由曲面(2)；所述光学石英材料用于制作第一自由曲面(1)和第二自由曲面(5)；所述第一自由曲面(1)的外围尺寸r₁满足如下关系：

r₁/h₁＝r₂/h₂

其中，h₁为第一自由曲面(1)底部距离整体透镜底部平面的高度，r₂为全反射自由曲面(2)顶部的外围尺寸，h₂为其距离整体透镜底部平面的高度。

2.根据权利要求1所述的用于紫外LED准直的透镜，其特征在于，所述第一自由曲面(1)和全反射自由曲面(2)的计算均采用矢量Snell定律，其表达式如下：

在第一自由曲面(1)的计算过程中，n取值为透镜材料石英在紫外波段的折射率；在全反射自由曲面(2)的计算过程中，n取值为-1；在计算第一自由曲面(1)与全反射自由曲面(2)的过程中，入射光线表示为其中，θ、为入射光线在极坐标系统下的夹角，而作为准直透镜，其出射光线表示为 为自由曲面在光线入射点处的法线矢量。

3.根据权利要求2所述的用于紫外LED准直的透镜，其特征在于：所述透镜的棱边处设置有圆角倒角或直接倒角。

4.根据权利要求1-3任一项所述的透镜准直波长为320～400nm紫外光的用途。