CN113410373B - 一种聚光型紫外led灯珠 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚光型紫外LED灯珠，属于LED封装技术领域。本发明的聚光型紫外LED灯珠包括基板和复合透镜单元，复合透镜单元通过围坝设置于基板上，围坝先通过预先机械加工再钎焊在基板上。本发明的基板上设有芯片，芯片与复合透镜单元对应设置；本发明的复合透镜单元包括m个透镜，m≥2，且复合透镜单元用于对芯片发出的光束进行聚焦和准直。针对现有技术中仅具有一次光学的封装的LED灯珠的聚光性能和准直性能较差的问题，本发明提供一种聚光型紫外LED灯珠，通过一次光学设计即可提高紫外LED灯珠的聚光性能和准直性能，进而可以满足远距离辐射固化应用的需求，进一步提高了紫外LED灯珠应用的广泛性。

Description

一种聚光型紫外LED灯珠
技术领域
本发明属于LED封装技术领域，更具体地说，涉及一种聚光型紫外LED灯珠。
背景技术
紫外LED主要用于辐射固化譬如印刷油墨的固化，医疗器械譬如治疗皮肤病，和杀菌消毒譬如物体表面消毒和空气净化。用于辐射固化、医疗器械、消毒杀菌的光源通常需要很高的辐照强度即单位面积的辐射能量，并且辐射能量具有某种方向性。有时候辐射固化的应用要求辐射光的准直度，譬如固化光刻胶。
LED芯片辐射能量在空间的角度分布是朗伯分布，即在0～180°的半空间所有方向上均匀的辐射分布。LED芯片组装成为照明产品后，其辐射能量的空间角度分布一般要经过两次光学透镜的改变，即所谓的“一次光学”和“二次光学”。一次光学是在封装LED芯片成为光电元件即灯珠时，填充硅胶和在灯珠发光面添加半球或类似形状的透镜，一次光学的主要功能是“出光”，因为芯片的折射系数2.4大于空气的折射系数1，光从芯片到空气的发出受到全反射的阻碍。填充折射系数为1.4的硅胶和加半球形透镜能使光输出提高25％。改变光束的空间角度分布不是一次光学的主要目的。与一次光学相比，二次光学的主要功能是“分配”，即改变光在空间的角度分布譬如聚光。二次光学的主要器件是反光杯和全反射透镜，反光杯一般是金属做成的，表面反光从而改变光路。全反射透镜一般是由PMMA和PC制成，利用全反射的光学原理改变光路。
一次光学加上二次光学的通常做法充分地满足了一般照明应用需要，但是对于需要很高辐照强度的紫外光源则遇到了困难。首先二次光学的常用材料PMMA和PC不能用，因为它们对紫外波长的透明程度远不如石英玻璃。另外PMMA和PC长时间受紫外光的照射会发生“老化”-颜色发黄、脆化、裂纹。更致命的问题是二次光学透镜尺寸大，限制了灯珠的密集排列，因此很难取得高辐照强度。目前对于没有二次光学仅具有一次光学的封装的LED灯珠的发光角度一般约为90～110°，发光角度定义为半峰值全宽。将灯珠密集地排列起来，形成线光源或面光源是目前紫外LED光源的普遍做法，这对于近距离的辐射固化应用是可以的，但对于远距离、需要固化的油墨或涂料较厚的应用或者需要准直性光源的应用譬如曝光灯，则需要聚光性能和准直性较好的紫外LED灯珠。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中仅具有一次光学的封装的LED灯珠的聚光性能和准直性能较差的问题，本发明提供一种聚光型紫外LED灯珠，通过一次光学设计即可提高紫外LED灯珠的聚光性能和准直性能，进而可以满足远距离辐射固化应用的需求，进一步提高了紫外LED灯珠应用的广泛性。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，包括基板和复合透镜单元，复合透镜单元通过围坝设置于基板上，基板上设有芯片，芯片与复合透镜单元对应设置；其中，复合透镜单元包括m个透镜，m≥2，且复合透镜单元用于对芯片发出的光束进行聚焦和准直，从而实现了通过一次光学设计提高紫外LED灯珠的聚光性能和准直性能。
作为本发明更进一步地改进，复合透镜单元包括两个透镜，两个透镜分别为第一透镜和第二透镜，第二透镜设置于第一透镜上方，且第一透镜不与芯片相接触。进一步地，第一透镜为球形透镜，第二透镜为半球透镜，第一透镜用于将芯片发出的光束聚焦于第二透镜的焦点。
作为本发明更进一步地改进，所述第一透镜为双凸透镜，第二透镜为半球透镜，其中，第一透镜靠近芯片的一侧面为凸形面。
作为本发明更进一步地改进，第一透镜的半径为R1，第一透镜的底端与芯片表面之间的距离为
Figure BDA0003096537660000021
作为本发明更进一步地改进，第二透镜的半径为R2，第二透镜的底平面与第一透镜的顶端之间的距离为
Figure BDA0003096537660000022
作为本发明更进一步地改进，围坝设有台阶，第一透镜设置于台阶上。
作为本发明更进一步地改进，第二透镜的平面与第一透镜的顶端之间的距离为
Figure BDA0003096537660000023
作为本发明更进一步地改进，还包括套环，该套环的内壁设有涂层，且该套环套设于第一透镜上。
作为本发明更进一步地改进，第二透镜的底平面与套环的顶部相接触。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明的一种聚光型紫外LED灯珠，通过设置围坝和复合透镜单元，实现了通过一次光学设计提高单颗聚光型紫外LED灯珠的聚光效果和准直性，并且大大增加了紫外LED灯珠的远程辐射强度，进一步通过形成方型光斑，从而可以将多颗聚光型紫外LED灯珠进行密集排列，进而可以满足远距离辐射固化应用的需求，进一步提高了紫外LED灯珠应用的广泛性。
附图说明
图1为本发明一种聚光型紫外LED灯珠结构示意图一；
图2为本发明一种聚光型紫外LED灯珠结构示意图二；
图3为本发明的复合透镜单元的光路示意图。
图中：100、基板；110、芯片；120、围坝；121、台阶；122、套环；200、复合透镜单元；210、第一透镜；220、第二透镜；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本发明的一种聚光型紫外LED灯珠，包括基板100、芯片110、围坝120和复合透镜单元200，基板100上设有芯片110，本实施例的芯片110为方形芯片，且芯片110设置于基板100的中心位置，值得说明的是，基板100不仅为芯片110提供机械支撑，还为芯片110提供传热通道和电路；本实施例的基板100采用陶瓷制作而成，且基板100表面蚀刻有电路，本实施例的芯片110为紫外LED芯片，且芯片110粘贴于基板100的表面。进一步地，芯片110环绕设置有围坝120，本发明围坝120的材质为金属，围坝120先通过机械加工方式进行制作，然后将制作完成的围坝120钎焊在基板100上，从而可以根据需求制作不同形状、不同高度的围坝120，进而可以通过一次光学设计提高紫外LED灯珠的聚光效果。
本发明的复合透镜单元200通过围坝120设置于基板100上，且复合透镜单元200与芯片110对应设置；即复合透镜单元200通过围坝120固定于芯片110之上。值得说明的是，本发明的复合透镜单元200包括m个透镜，m≥2，透镜可以为球形透镜、半球透镜或者其他类型的凸面透镜，复合透镜单元200对芯片110发出的光束进行聚焦和准直，即通过一次光学设计使得单颗紫外LED灯珠具有较好的聚光性能和准直性能。
值得进一步说明的是，复合透镜单元200中透镜的数量和类型根据要求进行选择，只需使得复合透镜单元200对方形的芯片110发出的光束进行聚焦和准直后得到8～20度的光学发散角的方形光斑，形成方形光斑的紫外LED灯珠可以多颗密集排列，进而可以满足曝光机光源的强度均匀性的要求。以下进行示例说明：
示例一：结合图1所示，本示例中复合透镜单元200包括两个透镜，两个透镜分别为第一透镜210和第二透镜220，第二透镜220的直径大于等于第一透镜210的直径，第二透镜220设置于第一透镜210上方，且第一透镜210不与芯片110相接触。进一步地，本示例的第一透镜210为球形透镜，第二透镜220为半球透镜，第一透镜210(球形透镜)用于将芯片110发出的光束聚焦于第二透镜220(半球透镜)的焦点，从而可以使得从第二透镜220(半球透镜)的焦点发出的光经过第二透镜220(半球透镜)得以平直，如图3所示。
需要说明的是，本示例中的第一透镜210也可以为双凸透镜，第一透镜210(双凸透镜)靠近芯片110的一侧面为凸形面，从而可以更好地收集芯片110发出的光束。此外，第二透镜220可以为非球面透镜，从而可以保证光束聚焦的一致性。
进一步地，设定芯片110的对角线尺寸为L，第一透镜210的直径大于nL，其中，n代表第一透镜210的光学折射系数。以芯片110为1×1平方毫米的方形芯片且第一透镜210为石英材料为例，第一透镜210的光学折射系数n为1.47，芯片110的对角线尺寸L为1.41毫米，nL＝1.47×1.41＝2.07毫米，则第一透镜210的直径应大于2.07毫米。需要说明的是，第一透镜210的直径越大，则第一透镜210收集的光越多，但第一透镜210直径过大则会造成紫外LED灯珠体积过大，本例中第一透镜210的直径为芯片110对角线尺寸L的2～4倍。
值得说明的是，第一透镜210的半径为R1，第一透镜210的底端与芯片110表面之间的距离为
Figure BDA0003096537660000041
该距离为垂直距离，本示例中第一透镜210的底端与芯片110表面之间的距离为
Figure BDA0003096537660000042
Figure BDA0003096537660000043
或者
Figure BDA0003096537660000044
以第一透镜210为石英材料为例，第一透镜210的光学折射系数n为1.47，则第一透镜210的底端与芯片110表面之间的距离为0.16R1～0.64R1。通过设置第一透镜210底端至芯片110表面之间的垂直距离，从而使得该紫外LED灯珠具有良好的聚光效果和准直效果，且具有较大的光强强度。
进一步地，根据紫外LED灯珠光束的聚焦和准直性的要求，第二透镜220的半径为R2，第二透镜220的底平面与第一透镜210的顶端之间的距离为
Figure BDA0003096537660000045
该距离为垂直距离，本示例中第二透镜220的底平面与第一透镜210的顶端之间的距离为
Figure BDA0003096537660000046
Figure BDA0003096537660000047
或者
Figure BDA0003096537660000048
进一步以第二透镜220为石英材料为例，第二透镜220的光学折射系数n为1.47，则第二透镜220的底平面与第一透镜210的顶端之间的距离为1.06R2～2.13R2。值得说明的是，为达到紫外LED灯珠的聚光效果和准直效果，第二透镜220的底平面与第一透镜210的顶端之间的距离优选为
Figure BDA0003096537660000051
即当第二透镜220为石英材料时，第二透镜220的底平面与第一透镜210的顶端之间的距离优选为1.49R2～1.91R2。
本示例中复合透镜单元200通过围坝120固定于芯片110之上，具体地，围坝120设有台阶121，第一透镜210(球形透镜)设置于台阶121上，即第一透镜210卡设于台阶121上，第二透镜220嵌于围坝120顶部，具体地，围坝120的顶部通过机械变形紧贴在第二透镜220(半球透镜)的曲面上，从而使得第二透镜220(半球透镜)固定在围坝120上。需要说明的是，通过机械变形将第二透镜220嵌入至围坝120顶部的方法与该专利文献(发明名称为：一种紫外LED灯珠、封装套筒及封装方法，申请号：CN202010174530.3)中的方法相同。
示例二：结合图2所示，本示例与示例一基本相同，进一步地，本示例的紫外LED灯珠还包括套环122，该套环122套设于第一透镜210上，具体地，套环122的底部套设与第一透镜210的顶部。此外，套环122的顶部与第二透镜220的底平面相接触，从而套环122可以起到支撑第二透镜220的作用。值得进一步说明的是，套环122的内壁设有涂层，且套环122的内壁形状呈波纹状，从而可以吸收和围坝120的中心轴线成大角度的光束，这样透过第二透镜220(半球透镜)的光束只有和围坝120的中心轴线成小角度的光束，进而达到消光的目的。
本示例的基板100采用氮化铝陶瓷制作而成，且该基板100为6.5×6.5平方毫米的平板，厚度为0.5毫米。本示例的芯片110为4颗紧密排列的紫外LED芯片，发光面尺寸为2.1×2.1平方毫米的正方形。进一步地，围坝120的材质为金属，围坝120先通过机械加工方式进行制作，然后将制作完成的围坝120钎焊在基板100上，围坝120的外径为6.4毫米。本示例的第一透镜210和第二透镜220均为石英透镜，且两者的直径均为5.6毫米。进一步地，第一透镜210(球形透镜)的底端和芯片110的距离为0.4毫米，第二透镜220(半球透镜)的底平面距离第一透镜210(球形透镜)的顶端为4毫米。对该聚光型紫外LED灯珠进行测量，可得到发光角度为10度的方型光斑。
本发明的一种聚光型紫外LED灯珠，通过设置围坝120和复合透镜单元200，实现了通过一次光学设计提高单颗聚光型紫外LED灯珠的聚光效果和准直性，并且大大增加了紫外LED灯珠的远程辐射强度，进一步通过形成方型光斑，从而可以将多颗聚光型紫外LED灯珠进行密集排列，进而可以满足远距离辐射固化应用的需求，进一步提高了紫外LED灯珠应用的广泛性。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (7)

1.一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，包括基板(100)和复合透镜单元(200)，所述复合透镜单元(200)通过围坝(120)设置于基板(100)上，所述基板(100)上设有芯片(110)，所述芯片(110)与复合透镜单元(200)对应设置；其中，复合透镜单元(200)包括m个透镜，m≥2，且复合透镜单元(200)用于对芯片(110)发出的光束进行聚焦和准直；复合透镜单元(200)包括两个透镜，两个透镜分别为第一透镜(210)和第二透镜(220)，所述第二透镜(220)设置于第一透镜(210)上方，且第一透镜(210)不与芯片(110)相接触；
第一透镜(210)的半径为R1，第一透镜(210)的底端与芯片(110)表面之间的距离为
Figure FDA0004078430430000011
第二透镜(220)的半径为R2，第二透镜(220)的底平面与第一透镜(210)的顶端之间的距离为
Figure FDA0004078430430000012
2.根据权利要求1所述的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，所述第一透镜(210)为球形透镜，第二透镜(220)为半球透镜，所述第一透镜(210)用于将芯片(110)发出的光束聚焦于第二透镜(220)的焦点。
3.根据权利要求1所述的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，所述第一透镜(210)为双凸透镜，第二透镜(220)为半球透镜，其中，第一透镜(210)靠近芯片(110)的一侧面为凸形面。
4.根据权利要求2所述的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，所述围坝(120)设有台阶(121)，所述第一透镜(210)设置于台阶(121)上。
5.根据权利要求4所述的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，第二透镜(220)的平面与第一透镜(210)的顶端之间的距离为
Figure FDA0004078430430000013
6.根据权利要求4所述的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，还包括套环(122)，该套环(122)的内壁设有涂层，且该套环(122)套设于第一透镜(210)上。
7.根据权利要求6所述的一种聚光型紫外LED灯珠，其特征在于，所述第二透镜(220)的底平面与套环(122)的顶部相接触。
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