[发明专利]用于紫外LED准直的透镜

说明书

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。