CN112415637A - 超厚陶瓷透镜、超厚陶瓷透镜的制造方法及激光照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超厚陶瓷透镜、超厚陶瓷透镜的制造方法及激光照明装置。一种超厚陶瓷透镜是由超厚透明陶瓷加工而成的超厚陶瓷透镜，包括：形成为平面状的入射面；垂直于入射面的形成为柱面状的外侧面；以及位于入射面的相反侧且形成为曲面状的出射面；超厚透明陶瓷的原料为钇铝石榴石、镁铝尖晶石、铝氧氮陶瓷粉体中的一种；超厚陶瓷透镜的直径范围是10~120mm，中心厚度范围是2~30mm，出射面的曲率半径范围是90~130mm；超厚陶瓷透镜的折射率为1.65~2.0，维氏硬度为13~20 GPa，抗弯强度为220~450 MPa。

Description

超厚陶瓷透镜、超厚陶瓷透镜的制造方法及激光照明装置

技术领域

本发明涉及激光照明技术领域，具体地，涉及一种超厚陶瓷透镜、超厚陶瓷透镜的制造方法及激光照明装置。

背景技术

光学透镜是半导体照明系统中的核心光学元部件之一，借助光学透镜可以按照需要对光源进行光束整形，得到特定扩散角、特定形状的光束。随着半导体照明产业的飞速发展，光学透镜材料受到了广泛的关注。目前主要有塑胶透镜和玻璃透镜两类。其中，塑胶透镜主要材料包括聚氨酯、PC和有机硅等；玻璃透镜主要材料包括石英玻璃和BK7玻璃等。通过优化配方和制备工艺可以获得光学质量优异的塑胶材料和玻璃材料，且易成型、易加工，但是这两类材料作为透镜存在如下几点难以克服的问题：其一，塑胶材质在制备工序中容易出现膨胀收缩变形，紫外辐照、高温及长期工况条件下老化、变黄等现象，严重影响发光质量、发光效率和使用寿命；其二，塑胶材料、玻璃材料折射率较低，使得透镜的焦距较大，从而增加了照明系统的体积，为了减小焦距，通常倾向于采用较高折射率的透镜材料，例如在玻璃成分中加入氧化铅获得火石玻璃，实现折射率的增加，但是氧化铅对环境及人体健康有害；其三，塑胶及玻璃材料强度较低，耐候性较差，在高温高湿、高压、磨蚀等条件下易发生表面损伤及体相破坏，导致发光质量的下降。因此，这两种透镜材料多适用于内部元件，而不适合与外部应用环境接触。例如，机载或深海领域照明装置在工作时需要承受与空气微粒产生的高频摩擦或者上千大气压力的压缩，塑胶材料及玻璃材料制成的光学透镜的表面及内部结构极易造成损伤。

为了解决透镜耐候性较差的问题，通常需要配置额外的光学窗口，对内部元器件进行保护。例如，在深海照明领域，美国Deepsea Power & Light公司、英国Kongsberg公司及荷兰SUBC IMAGING公司等具备深海照明与摄像设备研制能力的公司基本策略是光学透镜作为内部核心元件，外部选用蓝宝石单晶或者高硼硅玻璃等材料作为耐压窗口，对内部元件进行保护。国内相关研究单位大多借鉴上述知名公司的经验，采用耐压窗口材料对照明装置的内部元件进行保护。

图8是传统的激光照明装置的结构示意图。如图8所示，激光照明装置200具备作为光源模块的光源201、设置于光源201的出光侧的光学透镜202、容纳光源201和光学透镜202的壳体203、使光源201与未图示的电源连接的接电线路204。另外，在壳体203的开口部、即光学透镜202的出射面一侧还设置有光学保护罩205。这种设置方式为照明装置的运行提供了一定保障，但随着光学窗口的额外引入，不可避免地带来了一些弊端：其一，光经过透镜和窗口材料时造成光出射效率损失的叠加；其二，一定扩散角的光束经过外部窗口材料后出射角度发生变化，对光束整形的设计带来不确定性；其三，增加了半导体照明装置的体积和重量，降低了装置的灵活性和可靠性；其四，设计、制备和维护成本显著增加。

透明陶瓷是一种具有优异光学质量的新型精细陶瓷材料，目前透明陶瓷种类繁多，主要包括钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷、镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）透明陶瓷、氧化钇（Y₂O₃）透明陶瓷、氮氧化铝（AlON）透明陶瓷、氟化钙（CaF₂）透明陶瓷等体系。透明陶瓷除了高透过率之外，还具有优异抗压、抗盐碱、抗磨蚀等力学性能及物理化学稳定性，在光学（可见及红外）窗口等领域受到越来越多的重视。但基于透明陶瓷材料的光学透镜在光学成像及非成像领域的研究和应用尚处于空白。

发明内容

发明要解决的问题：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种光学性能优异且能适应航海等高压严苛环境使用要求的超厚陶瓷透镜、超厚陶瓷透镜的制造方法及激光照明装置。

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本发明提供一种超厚陶瓷透镜，是由超厚透明陶瓷加工而成的超厚陶瓷透镜，包括：形成为平面状的入射面；垂直于所述入射面的形成为柱面状的外侧面；以及位于所述入射面的相反侧且形成为曲面状的出射面；所述超厚透明陶瓷的原料为钇铝石榴石、镁铝尖晶石、铝氧氮陶瓷粉体中的一种；所述超厚陶瓷透镜的直径范围是10~120mm，中心厚度范围是2~30mm，所述出射面的曲率半径范围是90~130mm；所述超厚陶瓷透镜的折射率为1.65~2.0，维氏硬度为13 ~20 GPa，抗弯强度为220 ~450 MPa。

根据本发明，该超厚陶瓷透镜具有高透光率和高折射率，能在相同曲率条件下获得更短焦距的透镜，从而能节省激光照明装置的空间。同时，超厚陶瓷透镜具有高度耐压、耐磨蚀、耐盐碱侵蚀的力学和化学性能，因此能与外界介质直接接触而无需保护罩，从而能制作的结构紧凑、光能利用效率高的激光照明装置。

也可以是，本发明中，所述超厚陶瓷透镜的入射面上镀有减反射膜，所述减反射膜为氧化铝膜，其厚度为140~450 nm。由此能改善超厚陶瓷透镜的透过率。

本发明还提供一种制造上述超厚透明陶瓷的超厚陶瓷透镜的制造方法，包括以下步骤：

步骤1）选择原料粉体，将该原料粉体装入粉体成型模具中，对容纳有所述原料粉体的所述粉体成型模具进行振荡使所述原料粉体均匀排布，然后进行预压成型，预压压力为10~20MPa；

步骤2）对预压成型后的原料进行冷等静压成型得到生坯，冷等静压压力为150~250MPa；

步骤3）将所述生坯进行真空预烧得到预烧体，真空预烧温度为1450~1920℃，保温时间为3~6小时；

步骤4）将所述预烧体进行热等静压烧结获得超厚透明陶瓷，热等静压烧结温度为1600~1800℃，保温时间为1~3小时；

步骤5）根据所述超厚陶瓷透镜的面形参数对所述超厚透明陶瓷进行机械加工得到超厚陶瓷透明毛坯，对所述超厚陶瓷透镜毛坯的表面进行研磨抛光处理，获得符合所述面形参数的超厚陶瓷透镜。

由此能制备出高折射率、力学性能优异的透明陶瓷，能满足超高压力、超大磨损、盐碱侵蚀等严苛环境下的应用需求。根据该透明陶瓷加工得到的超厚陶瓷透镜具有高度耐压、耐磨蚀、耐盐碱侵蚀的力学和化学性能。

进一步地，还包括计算所述超厚陶瓷透镜的所述面形参数的面型参数设计步骤，所述面形参数设计步骤中：首先设定所述陶瓷透镜的入射面的直径；然后设置光源及照明面，以该光源为原点建立坐标系，对光源立体角进行划分，根据所述照明面上的照度分布特征要求计算所述超厚陶瓷透镜的出射面的曲率半径；最后根据所述超厚陶瓷透镜的入射面的直径、出射面的曲率半径、预先设定的在规定介质中所承受的外部压力计算得到所述超厚陶瓷透镜的中心厚度和外侧面的边缘厚度；所述面形参数包括所述超厚陶瓷透镜的入射面的直径、中心厚度以及出射面的曲率半径。

进一步地，还包括步骤6），在所述超厚陶瓷透镜的入射面镀减反射膜。由此能改善超厚陶瓷透镜的透过率。

本发明另一方面提供一种激光照明装置，包括：向一方开口的筒状的壳体；以出光表面朝所述壳体的开口的形式设置于所述壳体的内部的光源模块；以入射面朝向所述光源模块的形式配光地安装于所述壳体的开口的上述超厚陶瓷透镜；以及通过接电线路与所述光源模块电气连接的电源。

也可以是，本发明中，所述激光照明装置的出射光线扩散角为2°~40°。

也可以是，本发明中，所述壳体的材料为陶瓷、铝合金或钛合金。由此激光照明装置能在不同的严苛环境下工作。

发明效果：

本发明的超厚陶瓷透镜具有高透光率、高折射率以及强耐候特性，能兼顾激光照明装置中的核心光学元件和结构承载部件的作用，从而能节省激光照明装置的成本使之紧凑化、提高可靠性并改善光束质量，且能大幅降低光线传输损失，抑制出射光线角度的增加。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的激光照明装置的结构示意图；

图2是图1所示激光照明装置中使用的超厚陶瓷透镜的结构示意图；

图3是图1所示激光照明装置在规定介质中工作时的配光示意图；

图4是本发明实施例1中制备的超厚透明陶瓷的实物照片；

图5是实施例1的超厚透明陶瓷的直线透过率曲线图；

图6是本发明实施例2中制备的超厚陶瓷透镜的实物照片；

图7是具备实施例2中的超厚陶瓷透镜的激光照明装置在额定功率下的光谱曲线及发光光斑图，（a）是该激光照明装置的可见全光谱，（b）是去除蓝光光谱部分后的光谱曲线，（c）示出了该激光照明装置的发光光斑；

图8是传统的激光照明装置的结构示意图；

符号说明：

100、200、激光照明装置；

101、201、光源模块（LD光源）；

102、超厚陶瓷透镜；

202、光学透镜；

103、203、壳体；

104、204、接电线路；

205、光学保护罩。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此公开一种光学性能优异且能适应飞行器、航海等严苛环境使用要求的超厚陶瓷透镜、超厚陶瓷透镜的制造方法及激光照明装置。

图1是根据本发明一实施形态的激光照明装置100的结构示意图。如图1所示，激光照明装置100包括光源模块101、超厚陶瓷透镜102、壳体103、使光源模块101与未图示的电源连接的接电线路104。

壳体103形成为向一方开口的大致圆筒状，主要用于容纳后述的光源模块101和对超厚陶瓷透镜102形成支撑。壳体103可根据外部环境选择陶瓷、铝合金、钛合金。例如，在高水压力环境下使用时，可选用钛合金；在盐碱腐蚀环境中使用时，可选用陶瓷壳体；在高速飞行等环境下使用时，可选用铝合金。

在壳体103的内部容纳有光源模块101，该光源模块101可以是由蓝光LD光源激发荧光体获得的混合白光光源模块，以出光表面朝向壳体103的开口的形式设置于壳体103的内部，且通过接电线路104经由壳体103的底面上形成的端口与未图示的电源连接。

超厚陶瓷透镜102是激光照明装置100的光学元件，其相对于光源模块101的出光表面位于壳体103的开口一侧。具体而言，在壳体103的开口处形成有未图示的透镜安装部，超厚陶瓷透镜102借助该透镜安装部配光地安装固定于壳体103。

图2是超厚陶瓷透镜102的结构示意图。如图2所示，超厚陶瓷透镜102是平凸透镜，包括入射面、外侧面以及出射面。超厚陶瓷透镜102的入射面是具有与壳体103的尺寸、具体而言与透镜安装部的尺寸相适应的直径D的圆形平面，其与光源模块101的出光表面相向配置，从光源模块101射出的光束经由该入射面射入超厚陶瓷透镜102内部。外侧面是垂直于入射面的柱面，其具有与的透镜安装部相适应的直径D和边缘厚度H。超厚陶瓷透镜102的出射面位于入射面的相反侧，是曲率半径为R的曲面。

本发明中，激光照明装置100在超厚陶瓷透镜102的外侧不设置保护罩，而是在装配超厚陶瓷透镜102的状态下直接在例如深海、高空等恶劣环境下使用。因此，超厚陶瓷透镜102不仅作为激光照明装置100的光学元件，还要作为与外界介质直接接触的结构承载部件发挥作用。为了满足超高压力、超大磨损、盐碱侵蚀等严苛环境下的应用需求，超厚陶瓷透镜102由超厚透明陶瓷通过机械加工和表面抛光处理等加工而成。以下按照超厚透明陶瓷的制备以及将制备得到的超厚透明陶瓷制造成超厚陶瓷透镜这一顺序详细说明本发明的超厚陶瓷透镜的制造方法。

[制备超厚透明陶瓷]

用于光学窗口、成像等领域的超厚透明陶瓷对微结构的完整性、一致性有非常高的要求，即使微小的气孔、杂质等存在其中，也会对光传输产生明显影响，也会对其强度造成负面影响。特别是晶内和晶间气孔排除，被认为是制备高质量透明陶瓷的关键。随着透明陶瓷直径及厚度的增加，受限于原料粉体的流动性等因素，容易在坯体预压成型过程中就形成不均匀的微结构，在烧结过程中气孔等缺陷持续保留其中从而最终影响成品光学、力学性能。本发明中，通过以下步骤来制备具有高透光率、高硬度和高强度的透明陶瓷的制备包括以下步骤。

步骤1）首先从钇铝石榴石、镁铝尖晶石、铝氧氮陶瓷粉体中选择一种作为原料粉体，并将原料粉体装入粉体成型模具，此处，为了防止坯体预压成型过程中形成不均匀的微结构以抑制缺陷的产生，对原料粉体和粉体成型模具进行振荡使原料粉体在粉体成型磨具中均匀排布。然后进行预压成型，预压压力可以是10-20MPa。该粉体成型模具可以使用已有模具，也可以根据预先设定的超厚陶瓷透镜102的面形参数进行设计，由此能够大幅减少后续机械加工的加工余量，从而提高制造效率。

步骤2）接着对预压成型后的原料进行冷等静压得到生坯，冷等静压压力可以是150-250MPa。

步骤3）然后对冷等静压得到生坯进行真空预烧，预烧温度可以是1450-1920℃，保温时间可以是3-6小时。

步骤4）最后通过热等静压烧结获得透明陶瓷块体，烧结温度可以是1600-1800℃，保温时间可以是1-3小时。

根据该制备方法烧结得到的陶瓷块体的性能参数如下：折射率 n可以是1.65-2.0，优选是1.7-1.9；维氏硬度HV可以是13-20 GPa，优选是13-15 GPa；抗弯强度σ可以是220-450 MPa，优选是300-400 MPa。

[制备超厚陶瓷透镜]

在制备得到高性能的透明陶瓷后，按照规定的面形参数对其进行机械加工和表面研磨抛光处理，得到具有焦距小、耐候性高、力学性能优异的超厚陶瓷透镜102。因此，在根据上述方法制备得到超厚透明陶瓷后，设计所需超厚陶瓷透镜102的面形参数，并按照该面形参数对超厚透明陶瓷进行机械加工和表面抛光等。该面形参数包括超厚陶瓷透镜102的直径、中心厚度、出射面的曲率半径以及外侧面的边缘厚度。

本实施形态中，在制备得到超厚透明陶瓷后设计超厚陶瓷透镜102的面形参数，然后根据该面型参数对超厚透明陶瓷进行机械加工和表面抛光等，但不限于此，也可以是在制备超厚透明陶瓷之前就进行用于设计超厚陶瓷透镜102的面形参数的门面性参数设计步骤。此外，还可以是不进行面形参数设计步骤，而是根据预先计算得到的面型参数对超厚透明陶瓷进行加工。

具体而言，首先设定超厚陶瓷透镜102的直径D，超厚陶瓷透镜102的直径D可以按照激光照明装置100的尺寸（例如透镜安装部的内径）进行设定。接着，以光源模块101为坐标原点O建立坐标系，光源模块101的出光表面所在平面为XOY平面，过原点O与XOY平面垂直的轴为Z轴，对光源立体角进行划分。然后根据激光照明装置100在照明面上的照度分布特征要求，运用能量守恒定律和Snell定律通过数值计算得到超厚陶瓷透镜102的出射面的曲面形状、即曲面曲率R。根据超厚陶瓷透镜102的直径D、出射面的曲率半径R、在介质B中所承受的外部压力以及激光照明装置100的壳体103上的装配结构（透镜安装部）计算得到超厚陶瓷透镜102的中心厚度L。另外，当超厚陶瓷透镜102的直径D、出射面的曲率半径R、超厚陶瓷透镜102的中心厚度L都确定后，超厚陶瓷透镜102的外形尺寸也已经固定，因此可以省略计算外侧面的边缘厚度H。

本实施形态中，超厚陶瓷透镜102的具体尺寸范围如下：入射面的直径（即超厚陶瓷透镜102的直径）D可以是10-120 mm，优选是50-100mm；出射面的曲率半径R可以是90-130mm，优选是110-120；中心厚度L可以是2-30mm，优选是15-25mm。

步骤5）在完成上述面形参数设计步骤后，根据计算得到的面形参数对超厚透明陶瓷进行机械加工，并对作为入射面和出射面的表面进行光学研磨抛光处理，且对外侧面进行滚圆处理，由此获得符合上述面形参数的超厚陶瓷透镜102。

另外，为了改善超厚陶瓷透镜102的直线透过率，还可以采用例如磁控溅射等方法在其入射面上镀减反射膜。该减反射膜可以是氧化铝膜，其膜厚d如图2所示可以是140-450nm，镀膜后超厚陶瓷透镜的直线透过率从84%左右提升到90-92%。

如上所述，超厚陶瓷透镜102具有高透光率和高折射率，可以在相同曲率条件下获得更短焦距的透镜，从而能节省激光照明装置的空间，设计出紧凑的激光照明装置。同时，超厚陶瓷透镜102的透明陶瓷材料具有高度耐压、耐磨蚀、耐热震、耐盐碱侵蚀的理化性能，因此无需壳体103的开口设置用于使超厚陶瓷透镜102与外侧介质隔离的保护罩，而是能与出射面外侧、即激光照明装置100外侧的介质直接接触，从而能利用超厚陶瓷透镜102制作的结构紧凑、光能利用效率高的激光照明装置100。在紧凑型的激光照明装置100中，其出射光线扩散角可以按照要求在较宽的小角度范围内设计并通过例如使光源偏离透镜交点的方法进行调节，由此能在较短的焦距情况下获得低扩散角的光束，其出射光线扩散角为2°-40°，优选是3°-20°。

图3是激光照明装置100在规定介质中工作时的配光示意图。如图3所示，激光照明装置100在例如在海洋环境使用时，位于点O处的光源模块101发出激光束，激光束通过超厚陶瓷透镜102的入射面进入由介质A构成的超厚陶瓷透镜内部，再通过出射面射入位于超厚陶瓷透镜102外侧的介质B、即海水中，最终在照明面上形成光斑。由于水分子对光的散射较强，光在水下传输扩散角大。经过超厚陶瓷透镜102进行整形后，激光束的扩散半角θ/2可约束在1.5°-4°，即扩散角可约束在3°-8°，因此能实现光线能量（照度）的集中。

根据本发明，通过选用具备高折射率的陶瓷材料来制备超厚陶瓷透镜，可以在相同曲率条件下获得更短焦距的透镜，节省激光照明装置的空间。同时，超厚陶瓷透镜具有优异的力学（抗弯、抗压、硬度）和化学（耐腐蚀）性能，经过结构设计可以满足超高压力、超大磨损、盐碱侵蚀等严苛环境下的应用需求，能兼顾核心光学元件和结构承载部件的作用，从而实现多种功能的集成，避免额外使用保护罩带来的空间占用、成本升高、可靠性降低以及光束质量下降的风险。此外，采用集结构、功能为一体的超厚陶瓷透镜，减少了界面数量，大幅降低了光线传输损失，抑制了出射光线角度的增加，与装配额外透明陶瓷保护罩的照明装置相比，总光通量增加6~20%。该超厚陶瓷透镜除了应用于深海等高压高腐蚀环境下之外，也可以用于航空器、航天器等高空严苛环境。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

（实施例1）

图4是实施例1中制备得到的超厚透明陶瓷的实物照片，图5是该超厚透明陶瓷的直线透过率曲线图。本实施例中，选用直径80 mm的模具。

1）称取1.13 kg高纯度钇铝石榴石粉体装入模具中，在施加预压压力前，连同模具进行振荡，使原料粉体充分均匀排布以抑制缺陷的产生。然后进行预压成型，预压压力为15MPa。

2）对预压成型后的原料在200MPa的压力下进行冷等静压成型得到生坯。

3）接着对生坯经真空预烧，在1600℃下保温3小时得到预烧体。

4）然后对上述预烧体进行热等静压烧结，以1600℃的温度保温3小时得到透明陶瓷块体。

5）本实施例中省略了超厚陶瓷透镜的面型参数设计步骤和根据面型参数进行加工的步骤，而是仅对透明陶瓷块体进行外圆机械加工，并进行表面抛光加工，得到高光学质量的超厚透明陶瓷。该超厚透明陶瓷的直径为50mm，厚度为36mm，折射率为1.82，抗弯强度320 为MPa，硬度为13.5 GPa。

6）在该超厚透明陶瓷的入射面镀氧化铝薄膜，薄膜厚度为150nm。如图5所示，镀膜后超厚透明陶瓷在激光波长为450-700nm的范围内透过率在90%以上，其直线透过率为92%。最终实物如图4所示，透过透明陶瓷样品，纸上文字清晰可见。

将该超厚透明陶瓷在127MPa下进行等静压打压，保压8小时取出，完好无损；在海水中浸泡180天取出，表面完好无损。

（实施例2）

激光照明装置100结构如图1所示，包括光源模块101、超厚陶瓷透镜102、壳体103、使光源模块101与未图示的电源连接的接电线路104。图6是实施例2中制备得到的超厚陶瓷透镜102的实物照片。

首先根据激光照明装置100的尺寸构型和照明面的上的光斑照度要求设定超厚陶瓷透镜102的面形参数。根据该面形参数，设计边长130×130mm的方形模具。接下来进行超厚透明陶瓷的制备和超厚陶瓷透镜的制造。

1）称取1.5Kg高纯钇铝石榴石粉体装入模具中，在施加预压压力前，连同模具进行振荡，使原料粉体充分均匀排布。然后进行预压成型，预压压力20MPa。

2）之后对预压成型后的原料经250MPa冷等静压成型得到生坯。

3）接着对生坯经真空预烧，在1650℃下保温4小时得到预烧体。

4）然后对上述预烧体进行热等静压烧结，以1650℃保温3小时得到透明陶瓷块体。

5）根据面形参数设计步骤中计算得到的面型参数对透明陶瓷块体进行机械加工，并进行表面抛光加工，得到直径100mm、曲率半径120mm、厚度19.5mm的高光学质量的超厚陶瓷透镜102。

6）在该超厚陶瓷透镜102的入射面镀氧化铝薄膜，氧化铝薄膜厚度为150nm，得到入射面减反射的陶瓷光学透镜。最终实物如图6所示，透过透镜样品，纸上文字清晰可见。

使用该超厚陶瓷透镜102，与240W（电功率）的激光光源模块101、铝合金壳体103、接电线路104、电源以及水密插件等进行装配，得到如图1所示的具有耐压特性的紧凑型的激光照明装置100。

图7是具备该超厚陶瓷透镜102的激光照明装置100在额定功率下的光谱曲线及发光光斑图，（a）是该激光照明装置100的可见全光谱，（b）是去除蓝光光谱部分后的光谱曲线，（c）示出了该激光照明装置100的发光光斑。如图7中（a）~（c）所示，该激光照明装置100的光通量为9600lm，色坐标为（0.3156，0.3246），扩散角为3.5°。结果显示该超厚陶瓷透镜102对激光光源模块101的光束进行了良好的约束，从而得到扩散角小、光斑均匀的激光照明装置100。此外，该超厚陶瓷透镜未对激光光源模块101的光色造成影响，使其仍然保持类白光。将该紧凑型的激光照明装置100在60MPa压力下打压12小时，结构完好无损。

（对比例）

如图8所示，作为对比例的传统的激光照明装置200，选用曲率半径为110mm的BK7玻璃制的光学透镜202，选用内径80mm、外径100mm的透明陶瓷制的光学保护罩205作为光学保护窗口。将它们与240W（电功率）激光光源模块201、铝合金壳体203、接电线路204、电源以及水密插件等进行装配，得到具有耐压特性的激光照明装置200。该激光照明装置200的光通量为8120lm，色坐标为（0.3226，0.3258），扩散角为12°。

通过将实施例2的激光照明装置100和对比例的激光照明装置200进行比较，采用超厚陶瓷透镜102的紧凑型的激光照明装置200的光通量提高提高18.2%，且光照度（能量）集中度显著提高。

Claims (8)

1.一种超厚陶瓷透镜，其特征在于，

是由超厚透明陶瓷加工而成的超厚陶瓷透镜，包括：

形成为平面状的入射面；

垂直于所述入射面的形成为柱面状的外侧面；以及

位于所述入射面的相反侧且形成为曲面状的出射面；

所述超厚透明陶瓷的原料为钇铝石榴石、镁铝尖晶石、铝氧氮陶瓷粉体中的一种；

所述超厚陶瓷透镜的直径范围是10~120mm，中心厚度范围是2~30mm，所述出射面的曲率半径范围是90~130mm；

所述超厚陶瓷透镜的折射率为1.65~2.0，维氏硬度为13 ~20 GPa，抗弯强度为220 ~450 MPa。

2.根据权利要求1所述的超厚陶瓷透镜，其特征在于，

所述超厚陶瓷透镜的入射面上镀有减反射膜，所述减反射膜为氧化铝膜，其厚度为140~450 nm。

3.一种制造根据权利要求1所述的超厚陶瓷透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）选择原料粉体，将该原料粉体装入粉体成型模具中，对容纳有所述原料粉体的所述粉体成型模具进行振荡使所述原料粉体均匀排布，然后进行预压成型，预压压力为10~20MPa；

步骤2）对预压成型后的原料进行冷等静压成型得到生坯，冷等静压压力为150~250MPa；

步骤3）将所述生坯进行真空预烧得到预烧体，真空预烧温度为1450~1920℃，保温时间为3~6小时；

步骤4）将所述预烧体进行热等静压烧结获得超厚透明陶瓷，热等静压烧结温度为1600~1800℃，保温时间为1~3小时；

步骤5）根据所述超厚陶瓷透镜的面形参数对所述超厚透明陶瓷进行机械加工得到超厚陶瓷透明毛坯，对所述超厚陶瓷透镜毛坯的表面进行研磨抛光处理，获得符合所述面形参数的超厚陶瓷透镜。

4.根据权利要求3所述的超厚陶瓷透镜的制造方法，其特征在于，

还包括计算所述超厚陶瓷透镜的所述面形参数的面型参数设计步骤，所述面形参数设计步骤中：首先设定所述陶瓷透镜的入射面的直径；然后设置光源及照明面，以该光源为原点建立坐标系，对光源立体角进行划分，根据所述照明面上的照度分布特征要求计算所述超厚陶瓷透镜的出射面的曲率半径；最后根据所述超厚陶瓷透镜的入射面的直径、出射面的曲率半径、预先设定的在规定介质中所承受的外部压力计算得到所述超厚陶瓷透镜的中心厚度和外侧面的边缘厚度；

所述面形参数包括所述超厚陶瓷透镜的入射面的直径、中心厚度以及出射面的曲率半径。

5.根据权利要求3或4所述的超厚陶瓷透镜的制造方法，其特征在于，

还包括步骤6），在所述超厚陶瓷透镜的入射面镀减反射膜；

所述减反射膜为氧化铝膜，其厚度为140~450 nm。

6.一种激光照明装置，其特征在于，包括：

向一方开口的筒状的壳体；

以出光表面朝所述壳体的开口的形式设置于所述壳体的内部的光源模块；

以入射面朝向所述光源模块的形式配光地安装于所述壳体的开口的由权利要求5至7中任一项所述的超厚陶瓷透镜；以及

通过接电线路与所述光源模块电气连接的电源。

7.根据权利要求6所述的激光照明装置，其特征在于，

所述激光照明装置的出射光线扩散角为2°~40°。

8.根据权利要求6所述的激光照明装置，其特征在于，

所述壳体的材料为陶瓷、铝合金或钛合金。

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