一種led整形一體化透鏡的制作方法

專利名稱：一種led整形一體化透鏡的制作方法
技術領域：
本發明屬于LED領域，涉及一種LED整形一體化透鏡。
背景技術：
發光二極管(Light Emitting Diode, LED)是一種半導體固體發光器件，具有體積 小、壽命長、低能耗等獨特優勢。在同等照明亮度的狀況下，LED燈比普通燈平均節電40% 至50%以上，且后期維修維護費用極低，安裝使用后3至5年內幾乎不產生任何維護費用； 其次LED燈不含當前市場上普遍銷售的普通節能燈所含的汞、鉛等有害物質及有害氣體； 三是使用壽命長，平均使用壽命可達5萬至10萬小時，是普通燈具的3至5倍。從長遠發 展看，LED技術已成為節能減排的重要技術，是經濟發展的新的重要增長點。LED芯片(chip)按理論發光是360度，在實際使用中，將芯片在放置于LED支架上 得以固定及封裝，芯片最大發光角度是180度。常用的技術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成為一個整體。然而，一 次透鏡出來的大角度光并不能滿足實用的需求，通常再采用二次透鏡對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 兩個獨立的物體，但它們在應用時卻密不可分。由于各大LED廠商的不同規格LED芯片的 結構與封裝方式、光線特性會有所區別，在選用二次透鏡時不僅要對其光學性能進行模擬 分析，同時還需要考慮二次透鏡與LED芯片的裝配問題。必需要進行針對性設計、制作以及 裝配才能獲得良好的性能。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有采用多次配光技術的缺點，采用一種LED 整形一體化透鏡，實現LED芯片的整形，達到使用要求。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是根據芯片特點及使用要求，設計制 作一體化整形透鏡，一面為帶有光焦度的折射面，利用一體化透鏡對芯片的光進行匯聚；另 外一面為衍射面起到對LED發光芯片輸出光進行整形的效果。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LED發光芯片的光進行收集和 匯聚，另外一面為衍射面，基于對光束位相的調制使得遠場光斑重新分布的原理，對芯片輸 出光進行整形，獲得滿足使用需求的輸出光束。一體化透鏡采用微光學衍射元件及折射元 件相融合的設計方法，通過折射面后的光線通過衍射面重新調制位相及強度分布。在加工 過程中，利用二元微光學元件微細加工(光刻-傳遞-套刻-傳遞)的方法制作衍射面，利 用常規研磨技術的加工折射面，且折射面和衍射面之間需要對準。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，列陣數從1到1000，透鏡尺寸從Imm 500mmo所述一體化透鏡，可單個裝配在單芯片上供低功率時使用，或組合成模組，結合機 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計，基于衍射原理，利用結構對光束位相的調制作用，使 得遠場光斑重新分布的原理設計；折射面設計，基于折射原理，利用透鏡面型對光的匯聚、 發散，實現光能量的重新分布的原理設計。所述的一體化透鏡衍射面根據使用要求、效率的不同可以為二臺階量化、或四臺 階量化、或八臺階量化。本發明與現有技術相比所具有的優點是(1)本發明LED整形一體化透鏡系統構成簡單、表面平整、集成度高、體積小、重量 輕；(2)本發明LED整形一體化透鏡不需要二次光學裝配，定位準確、使用方便；(3)利用本發明LED整形一體化透鏡可以獲得多種特殊功能。(4)本發明LED整形一體化透鏡，密封性能良好，有效避免灰塵、氣霧對LED芯片性 能的影響。


圖1是本發明LED整形一體化透鏡示意圖；
圖2是本發明LED整形一體化透鏡原理框圖；圖3是本發明實施例1獲得的圓形輸出光斑的示意圖；圖4是本發明實施例2采用的5 X 6模組示意圖；圖5是本發明實施例2獲得的矩形輸出光斑的示意圖；圖6是本發明實施例3獲得的環形輸出光斑的示意圖；圖7是本發明實施例3獲得的多環輸出光斑的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限于解釋本發 明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例本領域的技術人 員即可以實現本發明權利要求的全部內容。一種LED整形一體化透鏡，根據芯片特點及使用要求，設計制作一體化整形透鏡， 一面為帶有光焦度的折射面，利用其對芯片的光進行匯聚；另外一面為衍射面起到對芯片 輸出光進行整形的效果。一體化透鏡的實現過程如下首先，明確使用要求，確定使用LED發光芯片的類型，即明確光學系統的輸入、輸出參數。其次，進行光學設計獲得LED整形一體化透鏡的參 數，如透鏡材料折射率、折射面的焦距、口徑，衍射面的衍射效率、量化臺階數、加工線寬等。 通過光學系統模擬軟件，得到系統仿真結果，看是否滿足要求，否則再次優化一體化透鏡的 參數，直到滿足輸入、輸出要求。然后，利用微光學加工手段研制出一體化透鏡，并進行單芯 片的裝配、測試。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，通過機械配光，獲得模組效果。實施例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，發射角度為160°，朗伯發光體。設計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 曝光機對準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將光刻圖形傳遞到基底上，形成所需的一體化透鏡。實施例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IW的芯片，按6X 5組成5個模組，通過 計算可知，路寬方向的發射角為45°，沿路方向的發射角為51°。設計制作6X5的5個模 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階衍射面，通過套刻形成四 臺階衍射面，通過再次套刻形成八臺階衍射面。5X6模組排布示意圖如圖4所示，通過機械 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 環形。設計制作一體化整形透鏡，一體化透鏡衍射面采用四臺階量化，根據使用要求的不 同，設計不同的衍射面形，并通過微細加工的方法制作出來，透鏡口徑50mm，獲得單環整形 效果如圖6所示，多環整形輸出如圖7所示。
權利要求
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LED發光芯片的光 進行收集和匯聚，另外一面為衍射面，基于對光束位相的調制使得遠場光斑重新分布的原 理，對LED發光芯片輸出光進行整形，獲得滿足使用需求的輸出光束。
2.根據權利要求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.根據權利要求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、或環狀、或圖案、或要求的分布。
4.根據權利要求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.根據權利要求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，列陣數從1到1000，透鏡尺寸從Imm 500mm。
6.根據權利要求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 可單個裝配在單芯片上供低功率時使用，或組合成模組，結合機械配光，裝配在芯片列陣上 滿足大功率使用要求。
7.根據權利要求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、或機械件固定的方法直接封裝在LED芯片支架上，達到所需使用要求。
8.根據權利要求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室內燈、或LED路燈、或LED車燈、或LED顯示屏、或LED背光源。
9.根據權利要求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 射面設計，基于衍射原理，利用結構對光束位相的調制作用，使得遠場光斑重新分布的原理 設計；折射面設計，基于折射原理，利用透鏡面型對光的匯聚、發散，實現光能量的重新分布 的原理設計。
10.根據權利要求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 衍射面根據使用要求、效率的不同可以為二臺階量化、或四臺階量化、或八臺階量化。
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，利用其對芯片的光進行收集和匯聚，另外一面為衍射面，基于對光束位相的調制使得遠場光斑重新分布的原理，對芯片輸出光進行整形，獲得滿足使用需求的輸出光束。具有系統構成簡單、表面平整、集成度高、體積小、重量輕；不需要二次光學裝配，定位準確、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LED芯片性能的影響等顯著優點。
文檔編號F21Y101/02GK102095163SQ20111003741
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月14日 優先權日2011年2月14日
發明者尹韶云, 杜春雷, 董小春, 鄧啟凌 申請人:中國科學院光電技術研究所