一种紫外LED面固化的光学系统及其制作方法与流程

本发明涉及紫外LED固化技术领域，特别是涉及一种紫外LED面固化的光学系统及其制作方法。

背景技术：

紫外LED是随LED而兴起的新型技术，主要应用于固化领域，如印刷、油墨固化、UV胶等行业，相比传统的固化源高压汞灯、金属卤素灯等，紫外LED具有节能、环保、寿命长、随时开启或关闭等优点。随着紫外LED技术日益成熟，将很快替代传统固化光源。

目前很多紫外光学系统采用的是LED阵列排布，对于未经配光的灯珠发出的光直接照射在被固化物体表面，灯珠形成的光斑会与周围灯珠形成的光斑重合，光斑均匀性差。通过理论计算得出芯片的间距，虽然可以改善光斑的照度均匀性，但LED为朗伯型光源，即光强呈余弦分布，未经配光的LED光源半值角大，光线发散，计算出的最佳芯片间距较大，难以实现紧凑的封装，在目标平面形成的光斑辐照度强度及均匀度难以达到紫外固化要求，且工作距离稍微偏离固定工作距离后，辐照度强度及均匀度下降明显。因此，紫外LED二次配光是紫外固化光学系统设计中极为重要的环节之一。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种紫外LED面固化的光学系统，该系统具有能够同时提高紫外固化光斑的辐照强度、能量利用率及照度均匀性的特点。

本发明的另一目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种应用于紫外LED面固化的光学系统的制作方法，该方法一方面可以提高光斑辐射强度和均匀度；另一方面增大光源封装密度，使封装结构紧凑。

本发明的首要目的通过以下技术方案实现：一种紫外LED面固化的光学系统，包括：近朗伯光型LED透镜、LED芯片和基板，所述近朗伯光型LED透镜为旋转对称结构，近朗伯光型LED透镜内表面和外表面分别为内轮廓线和外轮廓线绕X轴旋转而得，建模时，在内表面和外表面之间用实体填充得到近朗伯光型LED透镜的模型，所述近朗伯光型LED透镜和LED芯片均安装在基板上。

所述近朗伯光型LED透镜的实体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透镜和LED芯片均采用导热胶安装基板上。

本发明的另一目的可以通过以下技术方案实现：一种应用于权利要求1所述的紫外LED面固化的光学系统的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：以坐标原点O(0,0)建立平面坐标系，包括X轴和Y轴，以坐标原点O为紫外LED光源，以下为近朗伯光型LED透镜内轮廓线和外轮廓线离散点坐标迭代关系的推导；所述近朗伯光型LED透镜轮廓线的制作；

从LED芯片发出光线经过透镜内表面P点和外表面Q点，发生两次折射，根据光学理论，当光线两次偏离角度相等时，透镜的相差最小，得到：

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

式中，θ表示入射光线在透镜内表面处的折射光线l_PQ与Y轴正方向的夹角，光线出射角α表示光源出射光线与Y轴正方向的夹角，β表示出射光线与Y轴正方向的夹角，光线在P点和Q点发生折射，由菲涅尔定律得到：

sin(α-δ_l)＝n*sin(θ-δ_l)， (2)

sin(δ_o-β)＝n*sin(δ_o-θ)， (3)

式中，n表示透镜折射率，近朗伯型光型LED透镜由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制备而成，δ_l和δ_o分别表示P点切线和Q点切线与X轴负方向的夹角，由式(2)和(3)式得到：

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

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

为了便于得到不同光型的近朗伯型光型LED透镜，β定义为：

β＝k*α， (6)

(6)式中，k为常数，0.1<k≤1，根据式(1)、式(4)、式(5)和式(6)，给定P点和Q点初始点、k值和α值，0＜α≤π/2，设置一定的步长Δα，以内轮廓线初始点处的切线与下一根入射光线的交点作为内轮廓线的第二个离散点，以内轮廓线第二个离散点处的折射光线与外轮廓线第一个离散点处的切线交点作为外轮廓线第二个离散点坐标，迭代出内外轮廓线的离散点坐标，导入建模软件CAD中生产两条曲线，构造成面后绕Y轴旋转360°生成近朗伯光型LED透镜；光线出射角为α-Δα时所对应得入射光线；

步骤二：近朗伯型光型LED透镜半值角的确定；

将近朗伯型光型LED透镜导入TRACEPRO软件中，采用1mm×1mm×0.25mm的LED芯片，光学追迹后，根据矩形光强分布曲线得到LED芯片与近朗伯型光型LED透镜组合光源的半值角θ_0.5，θ_0.5表示LED发光强度值为轴向强度值一半时的发光方向与发光轴向的夹角；轴向即法线；

步骤三：近朗伯型光型LED透镜阵列最佳间距的计算；

当总照度斜率最小时，计算得到光源最佳间距d与工作距离z的关系为：

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

式中，z表示目标平面与LED芯片之间的垂直间距，m表示为：

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

式中，参数m由厂家提供，θ_0.5由步骤二得到；

步骤四：给步骤一中的参数k、α、Δα、P点和Q点的初始点赋初值，得到近朗伯光型LED透镜模型；由步骤二得到LED芯片与近朗伯型光型LED透镜组合光源的半值角θ_0.5；给步骤三中断参数z赋初值，得到光源最佳间距d；近朗伯光型LED透镜和LED芯片的组合光源通过导热胶安装基板上，组合光源间距为d，X方向和Y方向光源数相等。

在步骤一中，所述近朗伯型光型LED透镜由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制备而成。

在步骤一中，所述近朗伯型光型LED透镜采用注塑成型工艺生产。

在步骤一中，k值取值范围为[0.1,1]，可以根据不同的应用要求进行取值。

在步骤四中，所述m的值是由步骤2中的光强分布曲线确定。

在步骤四中，所述朗伯光型LED透镜和LED芯片组合光源是通过导热胶安装在基板上。

本发明的另一目的也可以通过以下技术方案实现：一种紫外LED面固化光学系统的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，以坐标原点O(0,0)建立平面坐标系，包括X轴和Y轴，以坐标原点O为紫外LED光源，以下为近朗伯光型LED透镜内轮廓线和外轮廓线离散点坐标迭代关系的推导；近朗伯光型LED透镜轮廓线的制作；

从LED芯片发出光线经过透镜内表面P点和外表面Q点，发生两次折射。由光学理论可知，当光线两次偏离角度相等时，透镜的相差最小，可得：

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

式中，θ表示入射光线在透镜内表面处的折射光线l_PQ与Y轴正方向的夹角，光线出射角α表示光源出射光线与Y轴正方向的夹角，β表示出射光线与Y轴正方向的夹角，光线在P点和Q点发生折射，由菲涅尔定律可得：

sin(α-δ_l)＝n*sin(θ-δ_l)， (2)

sin(δ_o-β)＝n*sin(δ_o-θ)， (3)

式中，n表示透镜折射率，近朗伯型光型LED透镜由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制备而成，δ_l和δ_o分别表示P点切线和Q点切线与X轴负方向的夹角，由式(2)和(3)式可得：

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

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

为了便于得到不同光型的近朗伯光型LED透镜，β定义为

β＝k*α， (6)

(6)式中k(0.1<k≤1)为常数，根据式(1)、式(4)、式(5)和式(6)，给定P点和Q点初始点坐标、k值和α(0＜α≤π/2)值，设置一定的步长Δα，以内轮廓线初始点处的切线与下一根入射光线(光线出射角为α-Δα时所对应得入射光线)的交点作为内轮廓线的第二个离散点，以内轮廓线第二个离散点处的折射光线与外轮廓线第一个离散点处的切线交点作为外轮廓线第二个离散点坐标。如此循环下去，迭代出内外轮廓线的离散点坐标，导入建模软件CAD中生产两条曲线。

如图2所示，通过近朗伯光型LED透镜内轮廓线01和外轮廓线02控制LED芯片03发出的光线，近朗伯光型LED透镜为旋转对称结构，近朗伯光型LED透镜内表面和外表面分别为内轮廓线01和外轮廓线02绕X轴旋转而得，建模时，在内外表面之间用实体填充得到透镜模型。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透镜生产方式采用注塑成型。

步骤二：近朗伯型光型LED透镜半值角的确定；

将近朗伯型光型LED透镜导入TRACEPRO软件中，采用1mm×1mm×0.25mm的LED芯片，光学追迹后，根据矩形光强分布曲线(如图3所示)得到LED芯片与近朗伯型光型LED透镜组合光源的半值角θ_0.5，θ_0.5表示LED发光强度值为轴向强度值一半时的发光方向与发光轴向(法线)的夹角。

步骤三：近朗伯型光型LED透镜阵列最佳间距的计算；

当总照度斜率最小时，计算得到最佳光源间距d(d为近朗伯型光型LED透镜间距或LED芯片间距)与工作距离z的关系为

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

式中，z表示目标平面与LED芯片之间的垂直间距，m可表示为:

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

式中，参数m主要由厂家提供，θ_0.5由步骤二所得。

步骤四：给步骤一参数k、α、Δα及P点和Q点初始点赋初值，得到近朗伯光型LED透镜模型；由步骤二得到LED芯片与近朗伯光型LED透镜组合光源的半值角θ_0.5；给步骤三参数z赋初值，得到光源最佳间距d；

如图4所示，紫外LED面固化光学系统包括近朗伯光型LED透镜、LED芯片、基板，每个近朗伯光型LED透镜尺寸及材料相同，LED芯片型号一致。将LED芯片01和近朗伯光型LED透镜02用导热胶安装基板03上，透镜及芯片之间间距都为d，d为6。

本发明的该设计及制作方法主要如下：1、以坐标原点O建立平面坐标系，以平面坐标系的坐标原点作为紫外LED的光源O，制作近朗伯光型LED透镜轮廓线；2、确定近朗伯型光型LED透镜半值角；3、计算透镜阵列最佳间距；4、将涉及参数赋初值得到透镜模型及透镜阵列最佳间距，构造阵列紫外LED面固化光学系统。该系统结构紧凑，能同时提高紫外固化光斑的辐照强度、能量利用率及照度均匀性。

本发明的原理：基于几何光学及菲涅耳定律等相关理论，完成近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线的推导，经TRACEPRO光学仿真后，得到LED芯片与近朗伯型光型LED透镜组合光源的半值角，结合理论公式计算出近朗伯型光型LED透镜阵列排布时透镜之间的最佳间距。模拟结果表明：近朗伯光型LED透镜有效控制了光线的发散，同时提高了紫外固化光斑的辐照强度、能量利用率及照度均匀性。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点与有意效果：

1)本发明基于几何光学及菲涅耳定律，完成了近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线算法的推导，通过CAD软件将计算出来的离散点生成近朗伯光型LED透镜模型，近朗伯光型LED透镜按计算出来的间距阵列矩形排布构成紫外LED固化面光源模型。相比传统设计方法，大大节省时间。

2)与传统的紫外固化光学系统相比，本发明获得的紫外LED面固化光学系统，能够同时提高紫外固化光斑的辐照强度、能量利用率及照度均匀性。且在一定的工作距离范围内，固化光斑的照度均匀度均在95％以上，满足了紫外固化要求。

附图说明

图1是本发明的近朗伯光型LED透镜设计原理示意图。

图2是本发明的近朗伯光型LED透镜与LED芯片组合的结构示意图。

图3是本发明的一个实例中所提够的近朗伯光型LED透镜与LED芯片组合光源模组光学追迹后的矩形光强分布图。

图4是本发明的一个实例中所提够的紫外LED固化面光源模型图。

图5是本发明的一个实例中所提够的紫外LED固化面光源光学追迹后在目标平面的照度曲线分布图。

图6是本发明的一个实例中所提够的紫外LED固化面光源的照度均匀度随工作距离的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种紫外LED面固化光学系统的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，以坐标原点O(0,0)建立平面坐标系，包括X轴和Y轴，以坐标原点O为紫外LED光源，以下为近朗伯光型LED透镜内轮廓线和外轮廓线离散点坐标迭代关系的推导；

近朗伯光型LED透镜轮廓线的制作；

从LED芯片发出光线经过透镜内表面P点和外表面Q点，发生两次折射。由光学理论可知，当光线两次偏离角度相等时，透镜的相差最小，可得：

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

式中，θ表示入射光线在透镜内表面处的折射光线l_PQ与Y轴正方向的夹角，光线出射角α表示光源出射光线与Y轴正方向的夹角，β表示出射光线与Y轴正方向的夹角，光线在P点和Q点发生折射，由菲涅尔定律可得：

sin(α-δ_l)＝n*sin(θ-δ_l)， (2)

sin(δ_o-β)＝n*sin(δ_o-θ)， (3)

式中n表示透镜折射率，近朗伯型光型LED透镜由耐紫外高透光性聚碳酸酯Pc材料制备而成，δ_l和δ_o分别表示P点切线和Q点切线与X轴负方向的夹角。由式(2)和(3)式可得：

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

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

为了便于得到不同光型的近朗伯光型LED透镜，β定义为

β＝k*α， (6)

(6)式中k(0.<k≤1)为常数，根据式(1)、式(4)、式(5)和式(6)，给定P点和Q点初始点坐标、k值和α(0＜α≤π/2)值，设置一定的步长Δα，以内轮廓线初始点处的切线与下一根入射光线(光线出射角为α-Δα时所对应得入射光线)的交点作为内轮廓线的第二个离散点，以内轮廓线第二个离散点处的折射光线与外轮廓线第一个离散点处的切线交点作为外轮廓线第二个离散点坐标。如此循环下去，迭代出内外轮廓线的离散点坐标，导入建模软件CAD中生产两条曲线.

如图2所示，通过近朗伯光型LED透镜内轮廓线01和外轮廓线02控制LED芯片03发出的光线，近朗伯光型LED透镜为旋转对称结构，近朗伯光型LED透镜内表面和外表面分别为内轮廓线01和外轮廓线02绕X轴旋转而得，建模时，在内外表面之间用实体填充得到透镜模型。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透镜生产方式采用注塑成型。

步骤二：近朗伯型光型LED透镜半值角的确定；

将近朗伯型光型LED透镜导入TRACEPRO软件中，采用1mm×1mm×0.25mm的LED芯片，光学追迹后，根据矩形光强分布曲线(如图3所示)得到LED芯片与近朗伯型光型LED透镜组合光源的半值角θ_0.5，θ_0.5表示LED发光强度值为轴向强度值一半时的发光方向与发光轴向(法线)的夹角。

步骤三：近朗伯型光型LED透镜阵列最佳间距的计算；

当总照度斜率最小时，计算得到最佳光源间距d(d为近朗伯型光型LED透镜间距或LED芯片间距)与工作距离z的关系为

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

式中，z表示目标平面与LED芯片之间的垂直间距，m可表示为:

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

式中，参数m主要由厂家提供，θ_0.5由步骤二所得。

步骤四：步骤一引入参数初值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透镜内外轮廓线如图2所示；由图3得出LED芯片与近朗伯型光型LED透镜组合光源的半值角θ_0.5为27.5°；给步骤三参数引入初值z＝20mm，得到光源最佳间距d＝14.3mm；

如图4所示，紫外LED面固化光学系统包括近朗伯光型LED透镜、LED芯片、基板，每个近朗伯光型LED透镜尺寸及材料相同，LED芯片型号一致。将LED芯片01和近朗伯光型LED透镜02用导热胶安装基板03上，透镜及芯片之间间距都为d，d为6。如图5所示，可得固化光斑照度均匀度为95.3％。如图6所示，工作距离在[20mm,30mm]范围内对，固化光斑均匀度均在95％以上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。