LED漫反射反光杯及加工方法与流程

本发明属于LED照明设备技术领域，尤其涉及一种LED漫反射反光杯及加工方法。

背景技术：

LED照明产品广泛应用于室内照明和景观照明等领域，对于一些大型市政室外照明工程，采用LED灯照明有利于提升夜晚城市景观品质，使夜晚的城市显得更加明亮与绚丽多彩，给市民增添更加丰富多彩的夜晚生活元素。LED芯片为优质的照明设备，跟普通照明设备相比，具有寿命长、高效节能、绿色环保、市场潜力大等优势，我国已经将LED照明列为国家长期规划的重点发展领域。

LED照明设备中，保持较高光通量以及光源质量和光源稳定性十分重要。目前研究提高光源质量和光源稳定性，主要从三个方向进行：1、研究不同材料的荧光粉或量子点，提高光转换材料自身的发光性能；2、选择合适的荧光粉包覆载体，将荧光粉放入有机玻璃、钠硼硅玻璃或氯化钠晶体等介质中；3、改变器件结构，例如使用远程荧光粉技术、多芯片嵌入技术、引进新型材料导热板等。然而为了利用有限的光能保持较高的光通量，人们通常使用反光杯来控制LED光的光照距离和光照面积。

市场上反光杯的材质主要是不锈钢或铝合金，其内表面光滑。这种看似光滑的表面其实对光的反射率不足80%，且会使很大一部分光被反光杯内壁吸收。市面上的反光杯不仅减少了反光杯的出光率，还增大芯片受反射光照射范围，增加了芯片的发热量；另外对LED显色性能提升和改善炫光效果不明显。

在纳米技术日趋发展的当今，已经有使用纳米喷涂技术在LED反光杯内表面喷涂纳米材料形成漫反射反光涂层，用以增加LED芯片出光的均匀性和改善眩光以及提高LED器件的寿命并减少发热量。对于漫反射材料中纳米尺寸的调控和应用的研究相对较少，使用纳米喷涂技术在LED反光杯表面加工的漫反射反光涂层，是在LED反光杯表面形成了纳米微结构，纳米微结构主要由纳米颗粒组成。纳米喷涂技术在实施过程中很可能会随着反光杯温度的升高，而使纳米微结构可能发生剥离或脱落。目前喷涂的纳米颗粒的尺寸大小和均匀性均不佳，喷涂后也会有部分粘结成更大尺寸，从而造成反光杯反射率依然低下。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种LED漫反射反光杯及加工方法，以解决反光杯的反光层表面因纳米颗粒的均匀性不佳，造成反射率不高，器件的出光的光通量和出光率低的问题。本发明的另一目的是提供上述LED漫反射反光杯的加工方法。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：LED漫反射反光杯，包括金属材质的反光杯本体，所述反光杯本体的内部为圆台形的中空腔，所述反光杯本体的内表面设有激光加工的纳米反光层，所述中空腔内填充满透明的硅胶树脂。

本基础方案的工作原理在于：需要装配LED照明设备时，可使用本反光杯，将本反光杯的小径端覆盖于LED发光灯上，并进行封装，其他配套设备装好之后即可使用。

本基础方案的有益效果在于：金属材质的反光杯本体适于使用激光加工，反光杯本体的内表面使用激光加工出纳米反光层，由于激光加工的精密性，加工出来的纳米反光层的纳米颗粒均匀性和尺寸大小都极佳；纳米反光层可使得LED发射出及折射回的光能进一步反射出去形成漫反射，增加了反光面积和散热面积，因而增加了出光的光通量和出光率，有效降低了LED内部温度，延长LED照明设备的使用寿命。纳米反光层还可将入射反光杯内表面的光漫反射出去，从而使LED出光的光强分布更加均匀，减少了眩光和斑马纹，提高LED的出光性能。硅胶树脂吸附性能好，无需特殊固定即可将硅胶树脂填充至反光杯内。硅胶树脂的热稳定性强、化学性质稳定，随反光杯一起用于封装LED芯片，可延长本反光杯的使用寿命。硅胶树脂填充满中空腔，能起到将空气和纳米反光层隔绝的作用，防止纳米反光层被空气氧化，使反光杯性能下降。与现有技术相比，本反光杯有效提高了LED芯片出光的光通量和出光率，通过激光加工反光杯内表面的纳米反光层，使纳米反光层的均匀性和纳米尺寸良好，LED芯片反射率明显提升。

方案二：作为基础方案的优选，所述反光杯本体大径端处的硅胶树脂为凸起的半球形结构。LED芯片的光通过本反光杯小径端经中空腔从大径端射出，半球形结构可在本反光杯使用时，增加光的折射角度，进一步改善炫光现象。

方案三：作为基础方案中LED漫反射反光杯的加工方法，制造该反光杯包括以下步骤 ：

（1）准备步骤，预先制作完成金属材质的内部设有中空腔的反光杯本体；

（2）预处理步骤，使用抛光机对反光杯本体的内表面进行抛光处理，使其粗糙度达到0.005mm，然后使用去离子水进行超声清洗，洗掉表面的杂垢；

（3）装夹步骤，使用反光杯夹具夹持反光杯本体，并进行固定；

（4）通气步骤，向反光杯本体的内表面通入氮气，防止了杂质吸附在反光杯本体的内表面上；

（5）激光加工步骤，在激光加工头的通气管内通入氮气；设计激光加工的工艺路线，并进行激光布线；调节好激光加工的焦距，设定好扫描速度和激光波长的参数；使用激光在反光杯本体的内表面加工出一层纳米微结构的纳米反光层；

（6）退火步骤，对激光加工后的反光杯本体进行退火处理，将反光杯本体加热到600℃-640℃范围内，保温80-100分钟后冷却；

（7）填充步骤，反光杯本体退火处理完全冷却后，在中空腔内填满透明的硅胶树脂。

本方案三的有益效果在于：本加工方法中，抛光处理是为了除去反光杯本体内表面的氧化物杂质，若内表面有其他氧化物杂质就会造成反光杯对光波的吸收增加，减少出光量；由于抛光过程可能带来的废屑、残渣，将抛光后的反光杯使用去离子水进行超声清洗。对反光杯本体进行装夹，为了便于对反光杯本体的内表面进行激光加工。向反光杯本体的内表面通入氮气一是将反光杯本体的内表面吹干；二是防止空气中的粉尘等杂物吸附在反光杯本体的内表面上，影响加工效果。

通过激光在反光杯本体的内表面加工出一层纳米微结构的纳米反光层，实则是将反光杯本体的内表面进行激光处理，纳米反光层就是反光杯本体的表层在激光的作用下形成的纳米微结构，有效杜绝了纳米喷涂技术造成的反光层可能会随着反光杯温度的升高而发生剥离或脱落的问题。目前激光在曲面上进行加工的技术已经比较成熟，在调节好激光加工的扫描速度、激光脉冲能量、扫描线距等参数后，可以使加工出来的纳米反光层的纳米颗粒尺寸大小均匀、密度分布均匀，在反光杯内表面形成漫反射层，从而增加出光光通量，提高出光率，降低LED内部温度，延长使用寿命。

激光加工会在反光杯本体上产生残余应力，为此对反光杯本体进行退火处理，退火同时也会使反光杯本体内表面强度分布更加均匀。硅胶树脂能起到隔绝空气、匹配折射系数的作用。同时硅胶树脂与纳米反光层配合作用，在LED照明设备使用过程中，可有效减少LED芯片出光的炫光和斑马纹。

方案四：作为方案三的优选，所述预处理步骤中，超声清洗保持在8-12分钟内。依照常用反光杯的大小，8-12分钟足够将抛光过程可能带来的废屑、残渣清洗干净。

方案五：作为方案三的优选，氮气的通入时间保持在15-25分钟内。足以将反光杯的内表面吹干，也充分的防止了粉尘等杂质吸附在反光杯本体的内表面上。

方案六：作为方案三的优选，所述激光加工步骤中，使用超快激光加工反光杯内表面。超快激光能够聚焦到超细微空间区域，同时具有极高峰值功率和极短的激光脉冲，加工时加工处无毛刺、无热扩散、无微裂纹及冶金缺陷，加工过程中不会对所涉及的空间范围的周围材料造成影响，从而做到了加工的超精细。使用超快激光加工的纳米反光层的密度和纳米颗粒更均匀，出光的光通量和出光率更高，使得本反光杯的反光性能更好。

方案七：作为方案六的优选，所述激光加工步骤中，扫描振镜环绕反光杯的中轴线按照设定的速度进行环形扫描。环形扫描加工出来的纳米发光层均匀性更好。

方案八：作为方案三至方案六任一项的优选，所述准备步骤中，准备的反光杯本体为不锈钢反光杯本体。不锈钢可以延长本反光杯的使用寿命，不锈钢的反光杯可用于室外环境中，使得本反光杯适用范围更广。目前激光加工不锈钢的技术更为成熟，使用不锈钢的反光杯本体能更好的使用本方法加工出更理想的反光杯。

方案九：作为方案八的优选，所述激光加工过程中，激光加工的扫描速度为0.1-15mm/s，超快激光的脉冲能量设定范围为0.10mJ-0.30 mJ，纳米颗粒尺寸的间距设定为300-1000nm。根据不锈钢的特性和已有的使用激光加工不锈钢的具体加工的情况，将扫描速度、脉冲能量、纳米颗粒尺寸的间距设定上述范围，具体参数值需根据反光杯大小，以及具体设备等来设定。

方案十：作为方案九的优选，退火步骤中，反光杯本体在炉膛350℃时入炉，炉膛内温度以260℃/h升温至620℃，保温90分钟；然后以260℃/h降温至400℃出炉，室温冷却至常温。根据不锈钢材料的特性和已有不锈钢退火技术，使用以上方法和参数进行退火处理，可使得反光杯本体更好的释放应力，使得反光杯本体的内表面产生更为理想的纳米微结构。

附图说明

图1是本发明LED漫反射反光杯实施例的结构示意图；

图2是图1的安装使用示意图；

图3是本反光杯加工方法的工艺流程图；

图4是图3中装夹固定步骤中，LED漫反射反光杯夹持时的俯视图；

图5是图3中激光加工步骤中，对LED漫反射反光杯进行激光布线的示意图；

图6是图3中激光加工步骤的加工示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：反光杯本体10、纳米反光层11、硅胶树脂12、LED芯片20、基板30、夹具40、加工台50、激光60。

如图1所示，LED漫反射反光杯，包括金属材质的反光杯本体10，反光杯本体10为中空的圆台形，反光杯本体10的内部为圆台形的中空腔，其内表面通过激光加工了纳米反光层11。反光杯本体10的中空腔填充满透明的硅胶树脂12，硅胶树脂12内含有作为白光LED光转化材料的高稳定性荧光粉，从而提高LED芯片20的发光性能。处于反光杯大径端处的硅胶树脂12做成凸起的半球形结构，用以增加光的折射角度，进一步改善炫光现象。

安装使用时，如图2所示，准备一块基板30，基板30上设置了与LED漫反射反光杯小径端固定配合的盲孔，盲孔底部的基板30上通过银胶固定有LED芯片20。将LED漫反射反光杯的小径端嵌入基板30的盲孔内，并通过胶水将反光杯外表面与基板30的盲孔内壁固定，即可完成LED芯片20的封装。

加工上述LED漫反射反光杯的流程如图3所示，首先准备好不锈钢材质的反光杯本体10，反光杯本体10呈中空的圆台形。金属的导热能力强，选用不锈钢的LED反光杯，能够加快LED芯片20照射在反光杯上热量的扩散和传导。为了减轻LED漫反射反光杯的重量，反光杯本体10的尽可能薄。为增加LED芯片20的出光，需要将LED芯片20发出的光进行定向“集中”，若反光杯的表面有其他氧化物杂质就会造成反光杯对光波的吸收增加，减弱出光量，故本发明使用抛光机对反光杯本体10的内表面进行抛光处理。为了去除由于抛光过程可能带来的废屑、残渣，将抛光后的反光杯本体10的内表面用超声清洗十分钟。

对反光杯本体10进行装夹固定，由于反光杯本体10比较薄，容易受到夹具的伤害而发生变形或损坏，因此使用与反光杯外表面贴合的专用夹具40，从反光杯本体10的外表面将反光杯本体10进行装夹固定，如图4所示。然后向反光杯本体10的内表面通入氮气二十分钟，以防止空气中的粉尘等杂物吸附在反光杯上，影响加工效果。

专用夹具40的内表面具有与反光杯本体10外表面一致的形状，在装夹过程中使两者间紧密贴合，激光加工过程中反光杯本体10表面的受力分布将更加均匀，为了提高加工的自动化程度，使用楔形块将专用夹具40焊接在机床的三爪卡盘上，在机床上控制卡盘的松紧就可实现加工过程中对反光杯本体10的“抓紧”和“松开”。

将夹紧的反光杯本体10放置于激光加工设备的加工台50上，对反光杯本体10进行如图6所示的激光加工。进行激光加工前，先在在激光加工头的通气管内通入氮气做保护气，设计激光加工的工艺路线，调节激光加工的焦距、扫描速度、激光波长等参数，通过激光60在反光杯本体10的内表面加工出纳米反光层11。激光60加工反光杯本体10的内表面时，主要是将反光杯本体10的内表面加工出纳米颗粒，纳米颗粒形成漫反射纳米反光层11。本方法中的的激光加工采用超快激光加工，扫描振镜环绕反光杯的中轴线按照设定的速度进行环形扫描。因为作用于不锈钢反光杯本体10的内表面，所以本方法中设定激光加工的扫描速度为10mm/s，超快激光的脉冲能量设定范围为0.10mJ-0.30 mJ，纳米颗粒尺寸的间距设定为500nm。对于不同材料，不同大小的反光杯，其激光加工过程中的参数各不相同，需要按照具体操作进行调整。

激光布线呈环形，由于激光将反光杯本体10的内表面加工出由纳米颗粒形成的纳米微结构，在已知微型结构数学模型基础的情况下，是需要确定每个纳米颗粒的中心点位置，然后根据此中心点建立坐标系进而达到加工的目的。因此，问题实际转化为找出锥形截面上所有待加工纳米颗粒的中心点。由于圆锥面是一个参数化的曲面，因而可以分成以下几个步骤找出所有的中心点。

如图5所示，设反光杯本体10的小径端半径为r1，大径端半径为r2，母线长为L，母线与竖直方向夹角为ϴ，两个纳米颗粒间间隔为rc。

1.先以圆锥体的下底面的中心建立一个坐标系，即下底面圆的坐标为（0,0,0）由母线长L和中心点间隔为rc，将整个锥形面的中心点分为n层。

2.对于第一层，总共有个中心点，令其等于m1。所有的中心点的坐标的.同时，以x轴坐标上的点为第一个中心点，向逆时针方向去寻找第二个点，可得在第二个中心点较第一个中心点旋转的弧度为（弧长/半径）。以此类推，第三个中心点较第二个中心点旋转弧度也为因此，在指定第一个点后可得第一层上所有点的中心点坐标为 。

3.同理可得，第二层上的中心点间的间隔弧度为，共有个中心点。其所有中心点坐标为。

4.以此类推，可得出第n层上所有的中心点坐标为。

5.找出中心点后，以此中心点建立微结构的局部坐标系，即可达到加工目的。

激光加工会在反光杯本体10上产生残余应力，在反光杯本体10完成激光加工步骤后需进行退火处理，退火同时也会使反光杯本体10内表面强度分布更加均匀。由于反光杯本体10为不锈钢材质，本反光杯的退火过程为：将反光杯本体10在炉膛350℃时入炉，炉膛内温度以260℃/h升温至620℃，保温90分钟；然后以260℃/h降温至400℃出炉，然后空冷至常温。最后将含有荧光粉的硅胶树脂12填充蛮到反光杯内部，将位于反光杯大径端的硅胶树脂12做成向外凸起的半球形。硅胶树脂12的能起到隔绝空气、匹配折射系数的作用。同时硅胶树脂12与纳米反光层11配合作用，在LED照明设备使用过程中，可有效减少LED芯片20出光的炫光和斑马纹。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和具体方法及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构和方法的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。