專利名稱：一種led整形一體化透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED領(lǐng)域，涉及一種LED整形一體化透鏡。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，具有體積 小、壽命長(zhǎng)、低能耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在同等照明亮度的狀況下，LED燈比普通燈平均節(jié)電40% 至50%以上，且后期維修維護(hù)費(fèi)用極低，安裝使用后3至5年內(nèi)幾乎不產(chǎn)生任何維護(hù)費(fèi)用； 其次LED燈不含當(dāng)前市場(chǎng)上普遍銷售的普通節(jié)能燈所含的汞、鉛等有害物質(zhì)及有害氣體； 三是使用壽命長(zhǎng)，平均使用壽命可達(dá)5萬(wàn)至10萬(wàn)小時(shí)，是普通燈具的3至5倍。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā) 展看，LED技術(shù)已成為節(jié)能減排的重要技術(shù)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。LED芯片(chip)按理論發(fā)光是360度，在實(shí)際使用中，將芯片在放置于LED支架上 得以固定及封裝，芯片最大發(fā)光角度是180度。常用的技術(shù)是通過一次透鏡有效收集chip 的所有光線，得到如160度、140度、120度、90度(不同需要)的出光角度。一次透鏡多用 PMMA或硅膠材料，直接封裝(或粘合)在LED芯片支架上，與LED成為一個(gè)整體。然而，一 次透鏡出來(lái)的大角度光并不能滿足實(shí)用的需求，通常再采用二次透鏡對(duì)LED芯片的大角度 光(一般為90-120度)再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度。二次透鏡與LED是 兩個(gè)獨(dú)立的物體，但它們?cè)趹?yīng)用時(shí)卻密不可分。由于各大LED廠商的不同規(guī)格LED芯片的 結(jié)構(gòu)與封裝方式、光線特性會(huì)有所區(qū)別，在選用二次透鏡時(shí)不僅要對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行模擬 分析，同時(shí)還需要考慮二次透鏡與LED芯片的裝配問題。必需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)、制作以及 裝配才能獲得良好的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有采用多次配光技術(shù)的缺點(diǎn)，采用一種LED 整形一體化透鏡，實(shí)現(xiàn)LED芯片的整形，達(dá)到使用要求。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是根據(jù)芯片特點(diǎn)及使用要求，設(shè)計(jì)制 作一體化整形透鏡，一面為帶有光焦度的折射面，利用一體化透鏡對(duì)芯片的光進(jìn)行匯聚；另 外一面為衍射面起到對(duì)LED發(fā)光芯片輸出光進(jìn)行整形的效果。一種集一次配光和二次配光 為一體的整形元件，一面為帶有光焦度的折射面，利用其對(duì)LED發(fā)光芯片的光進(jìn)行收集和 匯聚，另外一面為衍射面，基于對(duì)光束位相的調(diào)制使得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑重新分布的原理，對(duì)芯片輸 出光進(jìn)行整形，獲得滿足使用需求的輸出光束。一體化透鏡采用微光學(xué)衍射元件及折射元 件相融合的設(shè)計(jì)方法，通過折射面后的光線通過衍射面重新調(diào)制位相及強(qiáng)度分布。在加工 過程中，利用二元微光學(xué)元件微細(xì)加工(光刻-傳遞-套刻-傳遞)的方法制作衍射面，利 用常規(guī)研磨技術(shù)的加工折射面，且折射面和衍射面之間需要對(duì)準(zhǔn)。所述一體化透鏡，材料為PMMA、或硅膠、或PDMS、或PC、或玻璃。所述一體化透鏡，通過粘接、或機(jī)械件固定的方法直接封裝在LED芯片支架上，不 需要二次光學(xué)配光。
所述一體化透鏡，通過透鏡整形后形成圓形、或矩形、或環(huán)狀、或圖案、或要求的分布。所述一體化透鏡，通過透鏡整形后光的出射角為5度到120度。所述一體化透鏡，為單透鏡，或透鏡列陣，列陣數(shù)從1到1000，透鏡尺寸從Imm 500mmo所述一體化透鏡，可單個(gè)裝配在單芯片上供低功率時(shí)使用，或組合成模組，結(jié)合機(jī) 械配光，裝配在芯片列陣上滿足大功率使用要求。所述一體化透鏡，可用于LED室內(nèi)燈、或LED路燈、或LED車燈、或LED顯示屏、或 LED背光源。所述一體化透鏡衍射面設(shè)計(jì)，基于衍射原理，利用結(jié)構(gòu)對(duì)光束位相的調(diào)制作用，使 得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑重新分布的原理設(shè)計(jì)；折射面設(shè)計(jì)，基于折射原理，利用透鏡面型對(duì)光的匯聚、 發(fā)散，實(shí)現(xiàn)光能量的重新分布的原理設(shè)計(jì)。所述的一體化透鏡衍射面根據(jù)使用要求、效率的不同可以為二臺(tái)階量化、或四臺(tái) 階量化、或八臺(tái)階量化。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是(1)本發(fā)明LED整形一體化透鏡系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、表面平整、集成度高、體積小、重量 輕；(2)本發(fā)明LED整形一體化透鏡不需要二次光學(xué)裝配，定位準(zhǔn)確、使用方便；(3)利用本發(fā)明LED整形一體化透鏡可以獲得多種特殊功能。(4)本發(fā)明LED整形一體化透鏡，密封性能良好，有效避免灰塵、氣霧對(duì)LED芯片性 能的影響。


圖1是本發(fā)明LED整形一體化透鏡示意圖；
圖2是本發(fā)明LED整形一體化透鏡原理框圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1獲得的圓形輸出光斑的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例2采用的5 X 6模組示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例2獲得的矩形輸出光斑的示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例3獲得的環(huán)形輸出光斑的示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例3獲得的多環(huán)輸出光斑的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過以下實(shí)施例本領(lǐng)域的技術(shù)人 員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。一種LED整形一體化透鏡，根據(jù)芯片特點(diǎn)及使用要求，設(shè)計(jì)制作一體化整形透鏡， 一面為帶有光焦度的折射面，利用其對(duì)芯片的光進(jìn)行匯聚；另外一面為衍射面起到對(duì)芯片 輸出光進(jìn)行整形的效果。一體化透鏡的實(shí)現(xiàn)過程如下首先，明確使用要求，確定使用LED發(fā)光芯片的類型，即明確光學(xué)系統(tǒng)的輸入、輸出參數(shù)。其次，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)獲得LED整形一體化透鏡的參 數(shù)，如透鏡材料折射率、折射面的焦距、口徑，衍射面的衍射效率、量化臺(tái)階數(shù)、加工線寬等。 通過光學(xué)系統(tǒng)模擬軟件，得到系統(tǒng)仿真結(jié)果，看是否滿足要求，否則再次優(yōu)化一體化透鏡的 參數(shù)，直到滿足輸入、輸出要求。然后，利用微光學(xué)加工手段研制出一體化透鏡，并進(jìn)行單芯 片的裝配、測(cè)試。如果需要組陣，以滿足高功率使用的要求，即將單芯片與一體化透鏡一起 作為整體考慮，通過機(jī)械配光，獲得模組效果。實(shí)施例1一種低功率單芯片用一體化整形透鏡。LED燈使用要求單顆LED汽車燈，功率 1 2W，出射面為圓形，角度為90°。目前單個(gè)LED芯片已能滿足功率要求，因而采用單芯 片，如歐斯朗1.5W芯片，發(fā)射角度為160°，朗伯發(fā)光體。設(shè)計(jì)制作一體化整形透鏡為單透 鏡，透鏡口徑為500mm，材料為PMMA，下表面為折射面，焦距為2mm，上表面為衍射面，由于要 求效率不高，采用二臺(tái)階量化，效率約為80%。整形透鏡示意圖如圖1所示，使用硅橡膠直 接將其粘接在LED芯片基底上。通過ZMAX模擬，整形效果示意圖如圖3所示，通過整形透 鏡后輸出圓形光斑，發(fā)射角度為89°。一體化透鏡的加工過程為先加工折射面，然后用雙面 曝光機(jī)對(duì)準(zhǔn)光刻在基片的另一面加工衍射面，利用光刻的方法將圖形傳遞到基底的光刻抗 蝕劑表面，然后通過等離子體刻蝕技術(shù)將光刻圖形傳遞到基底上，形成所需的一體化透鏡。實(shí)施例2一種高功率LED路燈用一體化整形透鏡。使用要求功率大于150W，路邊照明，燈 高10m，出射面矩形，面積為IOmX 25m。采用150個(gè)IW的芯片，按6X 5組成5個(gè)模組，通過 計(jì)算可知，路寬方向的發(fā)射角為45°，沿路方向的發(fā)射角為51°。設(shè)計(jì)制作6X5的5個(gè)模 組一體化整形透鏡列陣，透鏡口徑10mm，所需衍射元件的衍射效率高，故采用八臺(tái)階量化， 材料選用PC。先加工折射面，然后在基底的反面定位加工出二臺(tái)階衍射面，通過套刻形成四 臺(tái)階衍射面，通過再次套刻形成八臺(tái)階衍射面。5X6模組排布示意圖如圖4所示，通過機(jī)械 螺釘固定在已焊接有芯片陣列的PCB板上。通過透鏡后獲得輸出光斑效果示意圖如圖5所 示，面積約為IOmX25m。實(shí)施例3一種LED顯示燈用一體化整形透鏡。使用要求輸出光出射角為5°，光斑形狀為 環(huán)形。設(shè)計(jì)制作一體化整形透鏡，一體化透鏡衍射面采用四臺(tái)階量化，根據(jù)使用要求的不 同，設(shè)計(jì)不同的衍射面形，并通過微細(xì)加工的方法制作出來(lái)，透鏡口徑50mm，獲得單環(huán)整形 效果如圖6所示，多環(huán)整形輸出如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述透鏡為一種集一次配光和二次配光為 一體的整形元件，它的一面為帶有光焦度的折射面，利用一體化透鏡對(duì)LED發(fā)光芯片的光 進(jìn)行收集和匯聚，另外一面為衍射面，基于對(duì)光束位相的調(diào)制使得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑重新分布的原 理，對(duì)LED發(fā)光芯片輸出光進(jìn)行整形，獲得滿足使用需求的輸出光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述的一體化透鏡 材料為PMMA、或硅膠、或PDMS、或PC、或玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于通過透鏡整形后形 成圓形、或矩形、或環(huán)狀、或圖案、或要求的分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于通過透鏡整形后光 的出射角為5度到120度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述的一體化透鏡 為單透鏡，或透鏡列陣，列陣數(shù)從1到1000，透鏡尺寸從Imm 500mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述的一體化透鏡 可單個(gè)裝配在單芯片上供低功率時(shí)使用，或組合成模組，結(jié)合機(jī)械配光，裝配在芯片列陣上 滿足大功率使用要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述的一體化透鏡 通過粘接、或機(jī)械件固定的方法直接封裝在LED芯片支架上，達(dá)到所需使用要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述的一體化透鏡 可用于LED室內(nèi)燈、或LED路燈、或LED車燈、或LED顯示屏、或LED背光源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述一體化透鏡衍 射面設(shè)計(jì)，基于衍射原理，利用結(jié)構(gòu)對(duì)光束位相的調(diào)制作用，使得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑重新分布的原理 設(shè)計(jì)；折射面設(shè)計(jì)，基于折射原理，利用透鏡面型對(duì)光的匯聚、發(fā)散，實(shí)現(xiàn)光能量的重新分布 的原理設(shè)計(jì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED整形一體化透鏡，其特征在于所述的一體化透鏡 衍射面根據(jù)使用要求、效率的不同可以為二臺(tái)階量化、或四臺(tái)階量化、或八臺(tái)階量化。
全文摘要
一種LED整形一體化透鏡，集一次配光和二次配光為一體的整形元件，一面為帶有光焦度的折射面，利用其對(duì)芯片的光進(jìn)行收集和匯聚，另外一面為衍射面，基于對(duì)光束位相的調(diào)制使得遠(yuǎn)場(chǎng)光斑重新分布的原理，對(duì)芯片輸出光進(jìn)行整形，獲得滿足使用需求的輸出光束。具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、表面平整、集成度高、體積小、重量輕；不需要二次光學(xué)裝配，定位準(zhǔn)確、使用方便；可以獲得多種特殊功能；密封性能良好，有效避免灰塵、氣霧對(duì)LED芯片性能的影響等顯著優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK102095163SQ20111003741
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者尹韶云, 杜春雷, 董小春, 鄧啟凌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所