一种应用于LCD投影仪中LED聚光镜制备方法

一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法
技术领域
1.本发明属于光学部件的制备技术领域，具体涉及一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法。


背景技术：

2.led作为一种可以电-光转换的固体半导体器件以其在照明领域的高效性、低耗能性、长寿命、低能耗等优点已被广泛应用。并且在目前的lcd投影机中常采用白光led作为其背光光源。而“蓝色led芯片+黄色荧光粉”是实现白光led照明的最常见组合方法。
3.但传统的封装技术使用的是荧光粉点胶封装工艺。该技术的不仅存在环氧树脂或硅胶耐高温及紫外辐照能量差等问题，而且树脂与荧光粉折射率的不匹配，以及玻璃与空气之间不同的折射率，导致菲涅尔反射与全反射，影响了白光led出光效率的提升，器件的光效和光强分布。因此，荧光陶瓷成为了远程封装技术中的新兴的荧光转换材料，它们不仅兼具封装材料与荧光材料的功能，而且热稳定性与热导率也远高于荧光粉与硅胶的混合物。尤其是不存在封装材料与荧光粉之间折射率不匹配问题。并且针对封装材料与空气之间由于不同折射率增加的光线反射损耗，使用凝胶注模的方法制备自由曲面半球状荧光陶瓷，使光线垂直入射到荧光陶瓷与空气之间的界面，以提高白光led的出光效率。此外，自由曲面半球状荧光陶瓷可以起到聚光效果，使光线汇聚成矩形光斑，映射到长方形状的显示屏上，有效解决lcd投影仪亮度低的问题。
4.前期调研了系列荧光陶瓷与投影仪聚光镜设计，未有将两者相结合的例子。如专利cn 112759396 a公开了一种棒状荧光陶瓷及其制备方法和应用，采用pibm体系的凝胶注模方法制备棒状荧光陶瓷，由于其为棒状无法解决荧光陶瓷与空气之间折射率不同而导致的反射问题；专利cn 108178629 a公开了一种红色荧光陶瓷及其制备方法，也采用凝胶注模的方法制备荧光陶瓷，但其形状是圆片状，同样没有解决荧光陶瓷与空气之间折射率不同而导致的反射问题，更无法起到聚光的作用。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：
6.本技术针对现有技术的不足，获得一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，拟采用“蓝色led芯片+荧光陶瓷”的方法来产生优质白光，并通过制备半球状荧光陶瓷来改善其荧光陶瓷与空气之间折射率不同而导致的反射问题，并且使光线汇聚成矩形光斑使之适配于lcd投影仪。
7.技术方案：
8.为实现上述目的，本技术通过以下技术方案予以实现：
9.一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，首先偏微分方程法求解自由曲面透镜，得到模具；其次利用凝胶注模的方法制备自由曲面状荧光陶瓷；最后不仅利用自由曲面半球形减少光的反射损耗，提高led的出光效率，并且利用其聚光性能将光线汇聚成矩形光
斑，提高利用率，具体包括如下步骤：
10.step1、偏微分方程法推导光线与自由曲面的关系，光源与被照空间的能量映射关系，利用插值法进行求解，将数据导入solidworks进行实体建模，最后加工出模具；
11.step2、按照掺杂的ce离子浓度进行化学式配平ce:yag＝ce
3x
:y
(3-3x)
al5o
12
的化学计量比称取高纯氧化物原料粉体，除杂预处理；其中x的取值是0.001＜3x《0.006；
12.step3、将上述除杂预处理后的粉末加入溶剂中，并添加烧结助剂、分散剂，放入球磨机内进行球磨混合，得到具有良好流动性的浆料；
13.step4、将球磨后的浆料放入烘箱内烘干处理，之后进行研磨过筛，5℃/min上升至1000℃，保温5-12h煅粉除尘；
14.step5、将step4煅粉除尘得到的粉末与不同凝胶体系溶液混合，进行球磨，得到高固含量、高流动性能的浆料；
15.step6、将step5得到的浆料浇注入设计的模具中，静置干燥，得到自由曲面半球形状led聚光镜荧光陶瓷素坯；
16.step7、将陶瓷素坯进行冷等静压、胚体素烧、真空烧结、退火处理、研磨抛光得到具有聚光效果的ce:yag荧光陶瓷。
17.进一步地，所述step1中模具为硅胶材质。
18.进一步地，所述step1中推导公式为：
[0019][0020][0021][0022]
式中，(y2，z2)为q点的坐标，θ为入射光线与光轴的夹角，μ为出射光线与光轴的夹角，θ1为在透镜中传播光线与光轴夹角，n为透镜透过率。
[0023]
进一步地，所述step2中高纯氧化物原料粉体为高纯氧化铝、高纯氧化钇、高纯氧化铈，其纯度》99.99％；除杂预处理采用煅烧方法，所述煅烧方法为5℃/min上升至1000摄氏度，保温5-12h。
[0024]
进一步地，所述step3中溶剂为无水乙醇其用量为60～120ml；烧结助剂是mgo和/或正硅酸乙酯(teos)，质量分数为0.1～0.5wt.％；分散剂为聚醚酰亚胺(pei)其含量为200～300ul；在球磨过程中使用的是高纯的氧化铝球与尼龙罐体，并且球料比为2:1～3:1，以无水乙醇为溶剂，球磨转速为220～260r/min，球磨时间为7～8小时。
[0025]
进一步地，所述step3中粉末加入溶剂后固含量为50wt.％-80wt.％。
[0026]
进一步地，所述step4中烘干温度为60℃，烘干时间为6～7小时；研磨过筛工艺为将上述烘干后的固体浆料进行研磨并过100目筛网三次。
[0027]
进一步地，所述step5中不同凝胶体系分别为am与pibm体系，球磨转速为400～500r/min，时间为20～30min。
[0028]
进一步地，所述step6中干燥条件为在室温下静置2～5天，再在恒温恒湿箱内干燥1天，温度为60℃。
[0029]
进一步地，所述step7中陶瓷素坯进行压力为200mpa的冷等静压，其升压速率为20mpa/min，保压时间为5分钟；所述胚体素烧的条件是850℃空气气氛素烧，时间为4～5小时；所述真空烧结的温度为1780℃，升温速率为2～5℃/min，时间为10小时；所述退火工艺为以5℃/min的升温速度升温到200℃，接着以10℃/min的升温速度升温到1200℃，再以4℃/min的升温速度升温到1450℃，然后保温10h，最后以10℃/min的降温速度降温到400℃。
[0030]
上述一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法的工作原理在于：首先荧光陶瓷作为新型荧光转换器，可以将蓝光有效地转换为优质白光。具有散热效果好，耐高温等优点，可以应用于高功率蓝光led芯片或激光照明，有效提高白光亮度。并且通过凝胶注模的方法，制备自由曲面状的荧光陶瓷，同样起到了聚光镜的作用，有效地将分散的白光汇聚成一个矩形光斑，照射到显示屏上，进一步提高亮度。
[0031]
有益效果：
[0032]
本技术提供了一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，与现有技术相比，具备以下有益效果：
[0033]
1.本技术提供一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，偏微分方程法求解自由曲面透镜，从而加工模具的方法，确保制备出的荧光陶瓷可以使光线汇聚成矩形光斑，适合在lcd投影仪中使用。
[0034]
2.本技术提供一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，通过使用荧光陶瓷来解决传统荧光转换器中荧光粉与封装材料折射率不匹配的问题。
[0035]
3.本技术提供一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，制备半球状的荧光陶瓷有效解决因陶瓷与空气折射率不同而导致的反射问题。
附图说明
[0036]
图1为本技术实施例2中自由曲面建模图。
[0037]
图2为本技术实施例2中的素坯图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0039]
实施例1：
[0040]
一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，步骤为：
[0041]
step1、偏微分方程法推导光线与自由曲面的关系，光源与被照空间的能量映射关系，利用插值法进行求解，将数据导入solidworks进行实体建模，最后加工出模具；模具为硅胶材质，推导公式为：
[0042]
[0043][0044][0045]
式中，(y2，z2)为q点的坐标，θ为入射光线与光轴的夹角，μ为出射光线与光轴的夹角，θ1为在透镜中传播光线与光轴夹角，n为透镜透过率。
[0046]
step2、60gce
3+
:yag分子式的化学计量比分别称量高纯纳米y2o3粉体(纯度》99.99％)34.193g、高纯纳米al2o3粉体(纯度》99.99％)25.758g，高纯纳米ceo2粉体(纯度》99.99％)0.052g，600℃煅烧除杂预处理；除杂预处理采用煅烧方法，所述煅烧方法为5℃/min上升至1000摄氏度，保温5-12h；
[0047]
step3、在上述除杂预处理后的粉体中加入60ml无水乙醇之后，接着加入烧结助剂mgo
2 0.06g、正硅酸乙酯(teos)330ul、分散剂聚醚酰亚胺(pei)240ul充分搅拌，再以高纯度的al2o3球(纯度》99.99％)与尼龙罐体的球磨机进行球磨，球料比为2:1，球磨转速为220r/min，球磨时间为8h；
[0048]
step4、将此浆料放入烘干箱内烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为6小时；接着进行研磨，并将研磨后的粉体过100目筛网三次，5℃/min上升至1000℃，保温5-12h煅粉除尘；
[0049]
step5、丙烯酰胺(am)为混合粉体的2.5wt％；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙酰胺(mbam)为am的1/12；四甲基氢氧化铵和柠檬酸铵添加量都为混合粉体质量的0.5wt.％配制am凝胶体系溶液，并将step4煅粉除尘得到的粉体与am凝胶体系溶液进行球磨混合，球磨转速为400r/min，时间为30min，得到高固含量、高流动性能的浆料；
[0050]
step6、将step5得到的浆料浇注入设计好的模具中，先在室温下静置2天，接着放入恒温恒湿箱干燥1天，温度为60℃，得到自由曲面半球形状led聚光镜荧光陶瓷素坯；
[0051]
step7、将上述陶瓷素坯进行压力为200mpa的冷等静压，其升压速率为20mpa/min，保压时间为5分钟；其次将胚体以850℃空气气氛的条件进行素烧，时间为5小时；然后进行温度为1780℃，升温速率为2℃/min，时间为10小时的真空烧结；接着以5℃/min的升温速度升温到200℃，接着以10℃/min的升温速度升温到1200℃，再以4℃/min的升温速度升温到1450℃，然后保温10小时，最后以10℃/min的降温速度降温到400℃的工艺进行退火处理；最后将陶瓷表面进行研磨抛光。
[0052]
实施例2：
[0053]
本实施例的一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，步骤为：
[0054]
step1、偏微分方程法推导光线与自由曲面的关系，光源与被照空间的能量映射关系，利用插值法进行求解，将数据导入solidworks进行实体建模，最后加工出硅胶模具如图1；
[0055]
step2、60gce
3+
:yag分子式的化学计量比分别称量高纯纳米y2o3粉体(纯度》99.99％)34.193g、高纯纳米al2o3粉体(纯度》99.99％)25.758g，高纯纳米ceo2粉体(纯度》99.99％)0.052g，600℃煅烧除杂预处理；除杂预处理采用煅烧方法，所述煅烧方法为5℃/min上升至1000摄氏度，保温5-12h；
[0056]
step3、在上述除杂预处理后的粉体中加入120ml无水乙醇之后，接着加入烧结助剂mgo
2 0.30g、正硅酸乙酯(teos)60ul、分散剂聚醚酰亚胺(pei)300ul充分搅拌，再以高纯度的al2o3球(纯度》99.99％)与尼龙罐体的球磨机进行球磨，球料比为3:1，球磨转速为260r/min，球磨时间为7h；
[0057]
step4、将此浆料放入烘干箱内烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为6小时；接着进行研磨，并将研磨后的粉体过100目筛网三次，5℃/min上升至1000℃，保温5-12h煅粉除尘；
[0058]
step5、按质量份数配比isobam粉末与氨水的比例为1：4，边加热边搅拌配制pibm凝胶体系溶液，并将step4煅粉除尘得到的粉体与pibm凝胶体系溶液进行球磨混合，球磨转速为500r/min，时间为20min，得到高固含量、高流动性能的浆料；
[0059]
step6、将step5得到的浆料浇注入设计好的模具中，先在室温下静置5天，接着放入恒温恒湿箱干燥1天，温度为60℃，得到荧光陶瓷素坯如图2；
[0060]
step7、将上述陶瓷素坯进行压力为200mpa的冷等静压，其升压速率为20mpa/min，保压时间为5分钟；其次将胚体以850℃空气气氛的条件进行素烧，时间为4小时；然后进行温度为1780℃，升温速率为5℃/min，时间为10小时的真空烧结；接着以2℃/min的升温速度升温到200℃，接着以10℃/min的升温速度升温到1200℃，再以4℃/min的升温速度升温到1450℃，然后保温10小时，最后以10℃/min的降温速度降温到400℃的工艺进行退火处理；最后将陶瓷表面进行研磨抛光。
[0061]
实施例3：
[0062]
本发明提供一种应用于lcd投影仪中led聚光镜制备方法，它包括以下步骤：
[0063]
step1、偏微分方程法推导光线与自由曲面的关系，光源与被照空间的能量映射关系，利用插值法进行求解，将数据导入solidworks进行实体建模，最后加工出模具；模具为硅胶材质，推导公式为：
[0064][0065][0066][0067]
式中，(y2，z2)为q点的坐标，θ为入射光线与光轴的夹角，μ为出射光线与光轴的夹角，θ1为在透镜中传播光线与光轴夹角，n为透镜透过率；
[0068]
step2、60gce
3+
:yag分子式的化学计量比分别称量高纯纳米y2o3粉体(纯度》99.99％)34.193g、高纯纳米al2o3粉体(纯度》99.99％)25.758g，高纯纳米ceo2粉体(纯度》99.99％)0.052g，600℃煅烧除杂预处理；除杂预处理采用煅烧方法，所述煅烧方法为5℃/min上升至1000摄氏度，保温5-12h；
[0069]
step3、在上述粉体中加入120ml无水乙醇之后，接着加入烧结助剂mgo
2 0.12g、正硅酸乙酯(teos)180ul、分散剂聚醚酰亚胺(pei)300ul充分搅拌，再以高纯度的al2o3球(纯度》99.99％)与尼龙罐体的球磨机进行球磨，球料比为2:1，球磨转速为260r/min，球磨时间
为7h；
[0070]
step4、将此浆料放入烘干箱内烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为6小时；接着进行研磨，并将研磨后的粉体过100目筛网三次，5℃/min上升至1000℃，保温5-12h煅粉除尘；
[0071]
step5、将step4煅粉除尘得到的粉体与pibm凝胶体系溶液进行球磨混合，球磨转速为500r/min，时间为25min，得到高固含量、高流动性能的浆料；
[0072]
step6、将step5得到的浆料浇注入设计好的模具中，先在室温下静置3天，接着放入恒温恒湿箱干燥1天，温度为60℃，得到荧光陶瓷素坯；
[0073]
step7、将上述陶瓷素坯进行压力为200mpa的冷等静压，其升压速率为20mpa/min，保压时间为5分钟；其次将胚体以850℃空气气氛的条件进行素烧，时间为4.5小时；然后进行温度为1780℃，升温速率为4℃/min，时间为10小时的真空烧结；接着以2℃/min的升温速度升温到200℃，接着以10℃/min的升温速度升温到1200℃，再以4℃/min的升温速度升温到1450℃，然后保温10小时，最后以10℃/min的降温速度降温到400℃的工艺进行退火处理；最后将陶瓷表面进行研磨抛光。
[0074]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。