一種紫外LED面固化的光學系統(tǒng)及其制作方法與流程

本發(fā)明涉及紫外LED固化技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種紫外LED面固化的光學系統(tǒng)及其制作方法。

背景技術(shù)：

紫外LED是隨LED而興起的新型技術(shù)，主要應用于固化領(lǐng)域，如印刷、油墨固化、UV膠等行業(yè)，相比傳統(tǒng)的固化源高壓汞燈、金屬鹵素燈等，紫外LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、隨時開啟或關(guān)閉等優(yōu)點。隨著紫外LED技術(shù)日益成熟，將很快替代傳統(tǒng)固化光源。

目前很多紫外光學系統(tǒng)采用的是LED陣列排布，對于未經(jīng)配光的燈珠發(fā)出的光直接照射在被固化物體表面，燈珠形成的光斑會與周圍燈珠形成的光斑重合，光斑均勻性差。通過理論計算得出芯片的間距，雖然可以改善光斑的照度均勻性，但LED為朗伯型光源，即光強呈余弦分布，未經(jīng)配光的LED光源半值角大，光線發(fā)散，計算出的最佳芯片間距較大，難以實現(xiàn)緊湊的封裝，在目標平面形成的光斑輻照度強度及均勻度難以達到紫外固化要求，且工作距離稍微偏離固定工作距離后，輻照度強度及均勻度下降明顯。因此，紫外LED二次配光是紫外固化光學系統(tǒng)設(shè)計中極為重要的環(huán)節(jié)之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種紫外LED面固化的光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能夠同時提高紫外固化光斑的輻照強度、能量利用率及照度均勻性的特點。

本發(fā)明的另一目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種應用于紫外LED面固化的光學系統(tǒng)的制作方法，該方法一方面可以提高光斑輻射強度和均勻度；另一方面增大光源封裝密度，使封裝結(jié)構(gòu)緊湊。

本發(fā)明的首要目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種紫外LED面固化的光學系統(tǒng)，包括：近朗伯光型LED透鏡、LED芯片和基板，所述近朗伯光型LED透鏡為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，近朗伯光型LED透鏡內(nèi)表面和外表面分別為內(nèi)輪廓線和外輪廓線繞X軸旋轉(zhuǎn)而得，建模時，在內(nèi)表面和外表面之間用實體填充得到近朗伯光型LED透鏡的模型，所述近朗伯光型LED透鏡和LED芯片均安裝在基板上。

所述近朗伯光型LED透鏡的實體填充材料采用耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc。

所述近朗伯光型LED透鏡和LED芯片均采用導熱膠安裝基板上。

本發(fā)明的另一目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種應用于權(quán)利要求1所述的紫外LED面固化的光學系統(tǒng)的制作方法，包括以下步驟：

步驟一：以坐標原點O(0,0)建立平面坐標系，包括X軸和Y軸，以坐標原點O為紫外LED光源，以下為近朗伯光型LED透鏡內(nèi)輪廓線和外輪廓線離散點坐標迭代關(guān)系的推導；所述近朗伯光型LED透鏡輪廓線的制作；

從LED芯片發(fā)出光線經(jīng)過透鏡內(nèi)表面P點和外表面Q點，發(fā)生兩次折射，根據(jù)光學理論，當光線兩次偏離角度相等時，透鏡的相差最小，得到：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2},---\left(1\right)$

式中，θ表示入射光線在透鏡內(nèi)表面處的折射光線l_PQ與Y軸正方向的夾角，光線出射角α表示光源出射光線與Y軸正方向的夾角，β表示出射光線與Y軸正方向的夾角，光線在P點和Q點發(fā)生折射，由菲涅爾定律得到：

sin(α-δ_l)＝n*sin(θ-δ_l)， (2)

sin(δ_o-β)＝n*sin(δ_o-θ)， (3)

式中，n表示透鏡折射率，近朗伯型光型LED透鏡由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制備而成，δ_l和δ_o分別表示P點切線和Q點切線與X軸負方向的夾角，由式(2)和(3)式得到：

${\mathrm{tan\δ}}_l=\frac{sin\mathrm{\α}-n*sin\mathrm{\β}}{cos\mathrm{\α}-n*cos\mathrm{\θ}},---\left(4\right)$

${\mathrm{tan\δ}}_o=\frac{sin\mathrm{\β}-n*sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\β}-n*cos\mathrm{\θ}},---\left(5\right)$

為了便于得到不同光型的近朗伯型光型LED透鏡，β定義為：

β＝k*α， (6)

(6)式中，k為常數(shù)，0.1<k≤1，根據(jù)式(1)、式(4)、式(5)和式(6)，給定P點和Q點初始點、k值和α值，0＜α≤π/2，設(shè)置一定的步長Δα，以內(nèi)輪廓線初始點處的切線與下一根入射光線的交點作為內(nèi)輪廓線的第二個離散點，以內(nèi)輪廓線第二個離散點處的折射光線與外輪廓線第一個離散點處的切線交點作為外輪廓線第二個離散點坐標，迭代出內(nèi)外輪廓線的離散點坐標，導入建模軟件CAD中生產(chǎn)兩條曲線，構(gòu)造成面后繞Y軸旋轉(zhuǎn)360°生成近朗伯光型LED透鏡；光線出射角為α-Δα時所對應得入射光線；

步驟二：近朗伯型光型LED透鏡半值角的確定；

將近朗伯型光型LED透鏡導入TRACEPRO軟件中，采用1mm×1mm×0.25mm的LED芯片，光學追跡后，根據(jù)矩形光強分布曲線得到LED芯片與近朗伯型光型LED透鏡組合光源的半值角θ_0.5，θ_0.5表示LED發(fā)光強度值為軸向強度值一半時的發(fā)光方向與發(fā)光軸向的夾角；軸向即法線；

步驟三：近朗伯型光型LED透鏡陣列最佳間距的計算；

當總照度斜率最小時，計算得到光源最佳間距d與工作距離z的關(guān)系為：

$d=\sqrt{\frac{4}{m+2}}z,---\left(7\right)$

式中，z表示目標平面與LED芯片之間的垂直間距，m表示為：

$m=\frac{-In2}{In\left({\mathrm{cos\&theta;}}_{0.5}\right)},---\left(8\right)$

式中，參數(shù)m由廠家提供，θ_0.5由步驟二得到；

步驟四：給步驟一中的參數(shù)k、α、Δα、P點和Q點的初始點賦初值，得到近朗伯光型LED透鏡模型；由步驟二得到LED芯片與近朗伯型光型LED透鏡組合光源的半值角θ_0.5；給步驟三中斷參數(shù)z賦初值，得到光源最佳間距d；近朗伯光型LED透鏡和LED芯片的組合光源通過導熱膠安裝基板上，組合光源間距為d，X方向和Y方向光源數(shù)相等。

在步驟一中，所述近朗伯型光型LED透鏡由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制備而成。

在步驟一中，所述近朗伯型光型LED透鏡采用注塑成型工藝生產(chǎn)。

在步驟一中，k值取值范圍為[0.1,1]，可以根據(jù)不同的應用要求進行取值。

在步驟四中，所述m的值是由步驟2中的光強分布曲線確定。

在步驟四中，所述朗伯光型LED透鏡和LED芯片組合光源是通過導熱膠安裝在基板上。

本發(fā)明的另一目的也可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種紫外LED面固化光學系統(tǒng)的制作方法，包括以下步驟：

步驟一：如圖1所示，以坐標原點O(0,0)建立平面坐標系，包括X軸和Y軸，以坐標原點O為紫外LED光源，以下為近朗伯光型LED透鏡內(nèi)輪廓線和外輪廓線離散點坐標迭代關(guān)系的推導；近朗伯光型LED透鏡輪廓線的制作；

從LED芯片發(fā)出光線經(jīng)過透鏡內(nèi)表面P點和外表面Q點，發(fā)生兩次折射。由光學理論可知，當光線兩次偏離角度相等時，透鏡的相差最小，可得：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}}{2},---\left(1\right)$

式中，θ表示入射光線在透鏡內(nèi)表面處的折射光線l_PQ與Y軸正方向的夾角，光線出射角α表示光源出射光線與Y軸正方向的夾角，β表示出射光線與Y軸正方向的夾角，光線在P點和Q點發(fā)生折射，由菲涅爾定律可得：

sin(α-δ_l)＝n*sin(θ-δ_l)， (2)

sin(δ_o-β)＝n*sin(δ_o-θ)， (3)

式中，n表示透鏡折射率，近朗伯型光型LED透鏡由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制備而成，δ_l和δ_o分別表示P點切線和Q點切線與X軸負方向的夾角，由式(2)和(3)式可得：

${\mathrm{tan\&delta;}}_l=\frac{sin\mathrm{\&alpha;}-n*sin\mathrm{\&beta;}}{cos\mathrm{\&alpha;}-n*cos\mathrm{\&theta;}},---\left(4\right)$

${\mathrm{tan\&delta;}}_o=\frac{sin\mathrm{\&beta;}-n*sin\mathrm{\&theta;}}{cos\mathrm{\&beta;}-n*cos\mathrm{\&theta;}},---\left(5\right)$

為了便于得到不同光型的近朗伯光型LED透鏡，β定義為

β＝k*α， (6)

(6)式中k(0.1<k≤1)為常數(shù)，根據(jù)式(1)、式(4)、式(5)和式(6)，給定P點和Q點初始點坐標、k值和α(0＜α≤π/2)值，設(shè)置一定的步長Δα，以內(nèi)輪廓線初始點處的切線與下一根入射光線(光線出射角為α-Δα時所對應得入射光線)的交點作為內(nèi)輪廓線的第二個離散點，以內(nèi)輪廓線第二個離散點處的折射光線與外輪廓線第一個離散點處的切線交點作為外輪廓線第二個離散點坐標。如此循環(huán)下去，迭代出內(nèi)外輪廓線的離散點坐標，導入建模軟件CAD中生產(chǎn)兩條曲線。

如圖2所示，通過近朗伯光型LED透鏡內(nèi)輪廓線01和外輪廓線02控制LED芯片03發(fā)出的光線，近朗伯光型LED透鏡為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，近朗伯光型LED透鏡內(nèi)表面和外表面分別為內(nèi)輪廓線01和外輪廓線02繞X軸旋轉(zhuǎn)而得，建模時，在內(nèi)外表面之間用實體填充得到透鏡模型。填充材料使用耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc或k9玻璃材料，近朗伯光型LED透鏡生產(chǎn)方式采用注塑成型。

步驟二：近朗伯型光型LED透鏡半值角的確定；

將近朗伯型光型LED透鏡導入TRACEPRO軟件中，采用1mm×1mm×0.25mm的LED芯片，光學追跡后，根據(jù)矩形光強分布曲線(如圖3所示)得到LED芯片與近朗伯型光型LED透鏡組合光源的半值角θ_0.5，θ_0.5表示LED發(fā)光強度值為軸向強度值一半時的發(fā)光方向與發(fā)光軸向(法線)的夾角。

步驟三：近朗伯型光型LED透鏡陣列最佳間距的計算；

當總照度斜率最小時，計算得到最佳光源間距d(d為近朗伯型光型LED透鏡間距或LED芯片間距)與工作距離z的關(guān)系為

$d=\sqrt{\frac{4}{m+2}}z,---\left(7\right)$

式中，z表示目標平面與LED芯片之間的垂直間距，m可表示為:

$m=\frac{-In2}{In\left({\mathrm{cos\&theta;}}_{0.5}\right)},---\left(8\right)$

式中，參數(shù)m主要由廠家提供，θ_0.5由步驟二所得。

步驟四：給步驟一參數(shù)k、α、Δα及P點和Q點初始點賦初值，得到近朗伯光型LED透鏡模型；由步驟二得到LED芯片與近朗伯光型LED透鏡組合光源的半值角θ_0.5；給步驟三參數(shù)z賦初值，得到光源最佳間距d；

如圖4所示，紫外LED面固化光學系統(tǒng)包括近朗伯光型LED透鏡、LED芯片、基板，每個近朗伯光型LED透鏡尺寸及材料相同，LED芯片型號一致。將LED芯片01和近朗伯光型LED透鏡02用導熱膠安裝基板03上，透鏡及芯片之間間距都為d，d為6。

本發(fā)明的該設(shè)計及制作方法主要如下：1、以坐標原點O建立平面坐標系，以平面坐標系的坐標原點作為紫外LED的光源O，制作近朗伯光型LED透鏡輪廓線；2、確定近朗伯型光型LED透鏡半值角；3、計算透鏡陣列最佳間距；4、將涉及參數(shù)賦初值得到透鏡模型及透鏡陣列最佳間距，構(gòu)造陣列紫外LED面固化光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能同時提高紫外固化光斑的輻照強度、能量利用率及照度均勻性。

本發(fā)明的原理：基于幾何光學及菲涅耳定律等相關(guān)理論，完成近朗伯光型LED透鏡自由曲面輪廓線的推導，經(jīng)TRACEPRO光學仿真后，得到LED芯片與近朗伯型光型LED透鏡組合光源的半值角，結(jié)合理論公式計算出近朗伯型光型LED透鏡陣列排布時透鏡之間的最佳間距。模擬結(jié)果表明：近朗伯光型LED透鏡有效控制了光線的發(fā)散，同時提高了紫外固化光斑的輻照強度、能量利用率及照度均勻性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下顯著優(yōu)點與有意效果：

1)本發(fā)明基于幾何光學及菲涅耳定律，完成了近朗伯光型LED透鏡自由曲面輪廓線算法的推導，通過CAD軟件將計算出來的離散點生成近朗伯光型LED透鏡模型，近朗伯光型LED透鏡按計算出來的間距陣列矩形排布構(gòu)成紫外LED固化面光源模型。相比傳統(tǒng)設(shè)計方法，大大節(jié)省時間。

2)與傳統(tǒng)的紫外固化光學系統(tǒng)相比，本發(fā)明獲得的紫外LED面固化光學系統(tǒng)，能夠同時提高紫外固化光斑的輻照強度、能量利用率及照度均勻性。且在一定的工作距離范圍內(nèi)，固化光斑的照度均勻度均在95％以上，滿足了紫外固化要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的近朗伯光型LED透鏡設(shè)計原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的近朗伯光型LED透鏡與LED芯片組合的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的一個實例中所提夠的近朗伯光型LED透鏡與LED芯片組合光源模組光學追跡后的矩形光強分布圖。

圖4是本發(fā)明的一個實例中所提夠的紫外LED固化面光源模型圖。

圖5是本發(fā)明的一個實例中所提夠的紫外LED固化面光源光學追跡后在目標平面的照度曲線分布圖。

圖6是本發(fā)明的一個實例中所提夠的紫外LED固化面光源的照度均勻度隨工作距離的變化曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

一種紫外LED面固化光學系統(tǒng)的制作方法，包括以下步驟：

步驟一：如圖1所示，以坐標原點O(0,0)建立平面坐標系，包括X軸和Y軸，以坐標原點O為紫外LED光源，以下為近朗伯光型LED透鏡內(nèi)輪廓線和外輪廓線離散點坐標迭代關(guān)系的推導；

近朗伯光型LED透鏡輪廓線的制作；

從LED芯片發(fā)出光線經(jīng)過透鏡內(nèi)表面P點和外表面Q點，發(fā)生兩次折射。由光學理論可知，當光線兩次偏離角度相等時，透鏡的相差最小，可得：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}}{2},---\left(1\right)$

式中，θ表示入射光線在透鏡內(nèi)表面處的折射光線l_PQ與Y軸正方向的夾角，光線出射角α表示光源出射光線與Y軸正方向的夾角，β表示出射光線與Y軸正方向的夾角，光線在P點和Q點發(fā)生折射，由菲涅爾定律可得：

sin(α-δ_l)＝n*sin(θ-δ_l)， (2)

sin(δ_o-β)＝n*sin(δ_o-θ)， (3)

式中n表示透鏡折射率，近朗伯型光型LED透鏡由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制備而成，δ_l和δ_o分別表示P點切線和Q點切線與X軸負方向的夾角。由式(2)和(3)式可得：

${\mathrm{tan\&delta;}}_l=\frac{sin\mathrm{\&alpha;}-n*sin\mathrm{\&beta;}}{cos\mathrm{\&alpha;}-n*cos\mathrm{\&theta;}},---\left(4\right)$

${\mathrm{tan\&delta;}}_o=\frac{sin\mathrm{\&beta;}-n*sin\mathrm{\&theta;}}{cos\mathrm{\&beta;}-n*cos\mathrm{\&theta;}},---\left(5\right)$

為了便于得到不同光型的近朗伯光型LED透鏡，β定義為

β＝k*α， (6)

(6)式中k(0.<k≤1)為常數(shù)，根據(jù)式(1)、式(4)、式(5)和式(6)，給定P點和Q點初始點坐標、k值和α(0＜α≤π/2)值，設(shè)置一定的步長Δα，以內(nèi)輪廓線初始點處的切線與下一根入射光線(光線出射角為α-Δα時所對應得入射光線)的交點作為內(nèi)輪廓線的第二個離散點，以內(nèi)輪廓線第二個離散點處的折射光線與外輪廓線第一個離散點處的切線交點作為外輪廓線第二個離散點坐標。如此循環(huán)下去，迭代出內(nèi)外輪廓線的離散點坐標，導入建模軟件CAD中生產(chǎn)兩條曲線.

如圖2所示，通過近朗伯光型LED透鏡內(nèi)輪廓線01和外輪廓線02控制LED芯片03發(fā)出的光線，近朗伯光型LED透鏡為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，近朗伯光型LED透鏡內(nèi)表面和外表面分別為內(nèi)輪廓線01和外輪廓線02繞X軸旋轉(zhuǎn)而得，建模時，在內(nèi)外表面之間用實體填充得到透鏡模型。填充材料使用耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc或k9玻璃材料，近朗伯光型LED透鏡生產(chǎn)方式采用注塑成型。

步驟二：近朗伯型光型LED透鏡半值角的確定；

將近朗伯型光型LED透鏡導入TRACEPRO軟件中，采用1mm×1mm×0.25mm的LED芯片，光學追跡后，根據(jù)矩形光強分布曲線(如圖3所示)得到LED芯片與近朗伯型光型LED透鏡組合光源的半值角θ_0.5，θ_0.5表示LED發(fā)光強度值為軸向強度值一半時的發(fā)光方向與發(fā)光軸向(法線)的夾角。

步驟三：近朗伯型光型LED透鏡陣列最佳間距的計算；

當總照度斜率最小時，計算得到最佳光源間距d(d為近朗伯型光型LED透鏡間距或LED芯片間距)與工作距離z的關(guān)系為

$d=\sqrt{\frac{4}{m+2}}Z,---\left(7\right)$

式中，z表示目標平面與LED芯片之間的垂直間距，m可表示為:

$m=\frac{-In2}{In\left({\mathrm{cos\&theta;}}_{0.5}\right)},---\left(8\right)$

式中，參數(shù)m主要由廠家提供，θ_0.5由步驟二所得。

步驟四：步驟一引入?yún)?shù)初值k＝0.5、α＝π/2、Δα＝0.001、P(2.5,0.0025)和Q(2.52，0.0159)，得到近朗伯型光型LED透鏡內(nèi)外輪廓線如圖2所示；由圖3得出LED芯片與近朗伯型光型LED透鏡組合光源的半值角θ_0.5為27.5°；給步驟三參數(shù)引入初值z＝20mm，得到光源最佳間距d＝14.3mm；

如圖4所示，紫外LED面固化光學系統(tǒng)包括近朗伯光型LED透鏡、LED芯片、基板，每個近朗伯光型LED透鏡尺寸及材料相同，LED芯片型號一致。將LED芯片01和近朗伯光型LED透鏡02用導熱膠安裝基板03上，透鏡及芯片之間間距都為d，d為6。如圖5所示，可得固化光斑照度均勻度為95.3％。如圖6所示，工作距離在[20mm,30mm]范圍內(nèi)對，固化光斑均勻度均在95％以上。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。