具有菲涅尔透镜的led固化机的制作方法

专利名称：具有菲涅尔透镜的led固化机的制作方法
技术领域：
本发明涉及光固化机，特别涉及一种具有菲涅尔透镜的LED固化机以 及照射和固化光敏固化材料的医疗设备和方法。
背景技术：
光敏材料和粘合剂被广泛的应用于固定物体表面或填充物体表面的 空隙和空缺。这些材料可以通过光辐射来固化，如300到400纳米的UV波 段或400 - 500纳米的蓝光波段。医用光固化机经常用于齿科，内镜科 和整形美容外科。在齿科领域，固化型材料和光固化机常用于修复和美容 过程，这里使用的有口腔修复材料，充填材料和正畸粘合材料来固定托槽 到牙齿表面。通过光催化剂助动的复合剂来固定两种表面或保护元件，光 固化机还常用于器件，零件和线路板包装工艺里。
传统上，光固化机由灯泡为光源，如钨丝-氙气灯光源光耦合到光导 管，来输出辐照光到光照粘合剂。近来发展的发光二极管(LEDs)技术推 动了新一代的己半导体发光芯片为核心的光固化机，他们更小，寿命更长， 价格更便宜。
LED发射光波长在光催化剂的吸收带，从而启动粘合剂的固化反应。 通常齿科固化的波长在400-500纳米。实际上非常需要高光强度照射到光 固化粘合剂，从而产生快速固化时间，通常对固化深度在2到6毫米，期 望能在2到10秒之间完成。要做到对于4到5毫米深的固化剂实现部到 IO秒的固化时间，通常需要的光强度在1000mW/cm2以上。在齿科应用里， 这样的光照度辐射在2到6毫米半径的空间，也就是牙洞和托槽的尺寸。
至今从选择LED实现这样高光强上有两种途径，单个高功率LED或多 个标准LED。高功率LED集成多个LED芯片到一个包装里，如LUMILED制 造的LUXEON系列产品，其光输出可达800毫瓦。标准的单个LED芯片通常 产生不到150毫瓦的光输出，需要五个以上的LED来达到同样的功率。除
此之外，最关键的是光输出系统及固化机到固化面的工作距离。
美国专利6， 611， 110描述一个用光导管来传送固化光源到固化点的 设备。因为光耦合，传输，和衍射损失，这里的光导管会衰减光输出效率到30%以下。高功率LED可以补偿部分损失，另外使用美国专利6， 692， 251里的全反射(TIR)透镜可以提高光强度。但是，这些方法提高了造价 和系统的复杂笨重，加之有实践证明自动清洗光导管会降低其光传输性 能，使得修理更加昂贵。
美国专利7， 106， 523描述了一种用非球面透镜直接聚焦单个LED固化
光源到固化点的设备。这里的非球面透镜使用玻璃或塑料透镜。这样设计 比光导管的好处是体积小和成本低。然而，高功率LED方向性很差，通常 具有LAMBERTI認辐射图案，其辐射角度在半高强120度以上。加之光源 芯片的尺寸通常在3毫米左右，LED的辐射在通过非球面透镜时会有收集 损耗，并且由于非球面透镜有限的收敛角度(通常小于70度)很快衍射 损失。短焦距的非球面透镜非常厚，其直径和厚度的比例近一时会增大器 件的尺寸。这样设备的工作距离通常局限在几毫米，另外，保护透镜出口 的消毒盖由于光衍射还会更加减小辐射强度。
因此，尤其是在齿科应用上，市场须要改进的LED固化机，它要廉价 并能够提供高效率传输到固化点高光强度的性能。

发明内容
本发明为了克服克服习知牙科固化机的缺点，提供一种方法，和相应 的设备，尤其适用于齿科固化应用，用来实现固化粘合剂的高效固化系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是第一种实施方案为发明 的光器件包括一个高功率LED光源和一个菲涅尔透镜，透镜放在超过其距 LED源焦距的位置来聚敛高达160度角的辐射并聚焦到一个固化点上。
另一种实施方案如下，发明的光器件包括一个高功率LED光源，其光 辐射被一个菲涅尔透镜接收，透镜的收敛角大约在100到160度，光通过 透镜后成为衍射限制的准直光束，然后由第二个菲涅尔透镜聚焦到一个大 约不到5毫米的光斑，这里第二个菲涅尔透镜紧挨第一个菲涅尔透镜。这 个透镜组可以粘合起来成为一个高效率的透镜，其向外的双面皆平而透 镜的凸面粘合在中间，总厚度大约0.5到2毫米之间。透镜组的出窗被一 个锥形状的一次性可清洗塑料罩保护。
在另一种实施方案为此发明的光器件包括一个高功率LED光源， 一对菲涅尔透镜和另 一个放在锥形状塑料罩上的菲涅尔透镜。这组透镜用于聚
敛光照高达160度的辐射并将之聚焦到一个有较长工作距离的固化点。
可以认识的是以上大致的描述以及下边详细的描述只是此发明的个别 实例，意在提供综述或者理解申请专利的特性。此专利的其他性能和优点 自然由以下图和描述反映出来。图反映此发明的各种实例，与描述在一起 提供解释发明的工作原理。


图1是习知的使用块状非球面透镜的牙科LED光固化机。 图2是此发明应用的光器件的一个实例。 图3是此发明应用的光器件的另一个实例。 图4是实现此发明光器件的一个实例。 图5是此发明与习知光收敛角的区别。
图6是此发明与习知光强度随固化机与固化点距离变化函数的区别。 图7是以此发明设计的一个无绳牙科LED固化机的实例。
具体实施例方式
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
它的组成为LED 130，非球面透镜110和透明罩120,均附加在延长 臂160上。非球面透镜110由第一个大致平面端140和第二个非球面曲面 端141。透明罩有一突出端121来有助于插入牙洞和卡位150来翻转并固 定透镜110。非球面透镜最佳由透明材料如玻璃，氧化铝，蓝宝石，石英， 丙烯酸酯，聚丙烯酸，聚丙烯和矽胶。如上说明的标准非球面透镜组成的 器件，其性能被这种透镜的光性能所局限，光收敛角通常在70度以下。 由于短焦距需要大曲率，透镜厚度一般超过3毫米。因此它们聚焦的效率 很低。
图一是本发明的一个实例。LED固化源由一个高功率LED210和一个菲 涅尔透镜220组成。透镜把LED的辐射光聚焦到衍射限制的光斑230。高功率LED210最好有输出功率400到800毫瓦之间，如LUMILED生产的 LUXE0N V波长在400至500纳米之间。更高的功率会更好，因为他们能 提供更快和更深的固化效果。光辐射线240， 240'和24(T '示意透镜 收敛和聚焦到固化点的功能。
菲涅尔透镜由一端齿槽面231和一端平面230组成。齿槽面是金刚石 车钻或铸压膜制成的园柱齿槽与锥形面相交的齿槽。如果去掉常规透镜折 射面的块状部分，齿槽面保持折射面的外表轮廓。这里菲涅尔透镜的齿槽 面最佳是光照射的接收方向，平面端为输出方向，这样可以防止组装时表 面伤害。设计菲涅尔透镜中，可以使用固定齿槽间距和固定齿槽高度。菲 涅尔透镜厚度较常用透镜可以薄10倍，这对于短距离的聚焦尤为重要。取 决于齿槽的形状，可以用圆周形或方锥形透镜实现圆形，方形或线条性的 聚焦点230。
图三示意另一个本发明最优的实例。LED固化光源由一个高功率 LED210和一对菲涅尔透镜320组成，此透镜组将发射光聚焦到光斑330。 与图二的一个菲涅尔相比，菲涅尔透镜对320将效率更高。这里透镜组成 为聚光镜，其组成为准直透镜321和聚焦透镜321'。准直透镜321放 在LED光源310的焦点，最好离光源2到5毫米，以将发射光准直为 衍射限制的准直光束。离LED光源芯片越近，透镜的尺寸要求就越小。通 常LED芯片与玻璃半球透镜包装在一起，尺寸在l到3毫米，因而限制 透镜到光源的距离。另外芯片的散热也会限制透镜到LED的距离。
菲涅尔透镜321应该优化光收集效率，同时平衡设备的尺寸限制。透
镜性能的一个好的参数可以由光学F指数来描述
F number = f/D
这里F指数是透镜焦距与透镜直径的比.F指数越小，透镜的收集广角效 率越高。菲涅尔透镜促使透镜更快，达到F指数低于0.3，可以收集 Lambertian光辐射高达120到160度角，相比之下，普通非球面透镜 的F指数高过0.5，这意味着只能收集70度以下的光辐射。这样的特
性大大减少了光耦合中的损失，这正是光导管和非球面透镜中无法解决的。 聚焦透镜321'平行紧挨着准直透镜321，其焦距由具体应用的工 作距离决定。在齿科应用中，聚焦透镜32r的焦距最好在2到20毫米 之间，以便优化工作距离到2到20毫米。菲涅尔透镜对等价为一个透镜，其焦距很短，可以低于2毫米，厚度可以小于0.5毫米，这两点 对降低衍射损失和实现小型器件都是至关重要的。
菲涅尔透镜对320最好由齿槽向外的菲涅尔透镜321和齿槽向内 的菲涅尔透镜321'交接成 一个薄片透镜320，其外向面均为平面。这 样的组合有助于放置菲涅尔透镜对320成为一个一个透镜组到LED搁置 机械配件，另外也增强了齿槽面抗刮伤的能力。
图四示意实现本发明LED固化机的实例。它由一个多芯片组成的高 功率LED 210，初始方向准直半球透镜210c, LED散热基底210a，菲涅尔 透镜对321 and 321，，抛物反光透镜架410和一次性固化罩420。半 球透镜210c包装的LED 210的发射光束通常发散角有80度。
抛物反光架410将高发散角的光束转变为近准直的光束。反光架 410由透镜架螺纹410a，高反射率内镜面410c，和保护罩卡位410b。 透镜架螺纹410a将LED光照透镜组安装到固化剂手柄头上，详细组装 将在图7阐述。高反射率内镜面410c提供在LED发光波长范围超过95%， 例如98%的反射率。410的实例材料为铜，铝和塑料。铜上电镀珞，镍， 铝，和银可以达到很好的反射率。除此之外，在内表面410c蒸度或后 加工集成高反射率薄膜如多层金属氧化物或高分子薄膜也可达到预期的效 果。
提议的透镜321 and 321'是薄片的菲涅尔透镜片，本专利的实例 成功的解决了LED光照的准直问题，减小了耦合损失，光聚焦到需要的光 斑大小。菲涅尔透镜由圆周型齿槽组成，在轴向不同的位置折光角不同。 它们可以使用固定齿槽间距和固定齿槽高度形成。固定齿槽高度为最好的 固化机应用实施方法，这种方法可以让两片透镜胶合形成一个整体聚光透 镜，他们齿槽相向而平整面向外。
菲涅尔透镜可以用透明材料，如聚碳酸酯，丙烯酸酯，矽胶，硬聚氯 乙烯和其它便宜材料，用大片材料压铸成型，这样批量生产可大大降低成 本。透镜对可以用标准的包装工艺组装，如单个或大片的组装成行。在 运用半球透镜210c和反光架410c取得相对比较准直的情况下，也可以运 用单个透镜实现如上功能。
一次性保护罩420将病人及处理物与固化机嘴隔离开。它可以简单 的卡在反光架410上并由罩卡位410b定位。保护罩420的长度应短与第二个菲涅尔透镜321'的焦距。保护罩420通过适当的调色可以吸收和 遮挡偏心光。保护罩可用一次性材料如丙烯酸酯，聚碳酸酯和其他塑料一 次成型。
图5比较本发明和习知单个非球面透镜牙科固化机的理论性能。这里 的计算显示了辐射光强相对垂直LED芯片面为轴的辐射角。习知单个非球 面透镜限制收集角在+/-35度，实现50%收集效率。本发明将收集角增加 到+/_60度以上，如520示意，相应收集效率高达90%。
图6示意固化光强(功率密度)与距离光出口距离的关系。与传统光导 管固化机630和块状非球面透镜固化机620相比，本发明610在2到 10毫米间保持并优化固化光强，因为它减小了衍射并优化了聚焦。在离 10mm处，本发明光强是习知固化机的两倍，保证了固化处的优化和可靠的 光固化功能。
图7是本发明实施在高效牙科固化机整机上。它由LED球头座710, 高功率LED 210，透镜架反光杯410，菲涅尔透镜321，保护挡光罩420， 和手机部分。手机部分由主板通730，充电电池组760和连接环760b 组成。其中球头座710和手机部分最佳由高热导材料，如铜和铝来增 加到热率。
LED球头座710是LED产生热量的热导源，LED 210通过背面导热胶 固定在导热界面711。
LED球头座710通过连接环720固定在手机上。 球头座710球头出口最好与手机形成大约5到45角，以利于在口中操 作。
LED 210由控制板740通过两根导线710c穿过球头座710控制。控 制板740位于主板通730内。启动由按启动开关740c实现，高能量密 度的充电电池770带动光源。控制板通过DC-DC转换实现LED 210的驱 动电流，通过程控设置预设曝光时间，LED的过温保护(由放在LED旁的 热敏电阻710b实现)，低电压LED 740b预警和自动关闭。
高容量充电电池770组装在电池通760里。电池经过一对弹片780c 与两个线路板780a和780b导通。充电电池770经过连接环760b固定 在电池通760里。在电池通760与主板通730经过内接螺纹730b连接时， 连接板780a与主板通740自动连接，电路由圆板750弹针750a和排母 740d导通。连接板780b经过插头790与外部适配器连接。整体电路板740， 750， 780a和780b同时起到智能充电池770的功能。
充电电池最好是锂电池，工作电压在3.7到4.2伏。通常单个锂电池 即可适用于牙科固化机的使用。
本发明的高效LED固化机实现高效率和原则上低成本的光固化机。 这种设备尤其适用于无绳牙科光固化机。自然对于本行的专家，还有各种 实施方案可以对本发明稍有变化而不失其宗旨思想的。因此，本发明包括 本发明的各种变化形式，只要这些变化在所声明的权利要求和其等价思想 的范畴内。
权利要求
1、一种用于固化光助粘合剂的光固化装置，其特征在于其包括多个LED光源；驱动LED光源发射固化光的驱动装置；多个菲涅尔透镜，该透镜直接传送该固化光到固化粘合剂，该菲涅尔透镜设置在所述发的LED光源和固化粘合剂两者之间，用于将菲涅尔透镜固定在LED光源和固化粘合剂旁的固定装置；所述包括反光透镜架，该反光透镜架包括上架螺纹和高反射率抛物内镜面，该内镜面的材料包括通过电镀，蒸镀以及胶合的铝，铬，镍，银和由多层金属氧化物和高分子薄膜组成的高反射率薄膜。
2、 根据权利要求1所述的光固化装置，其特征在于其进一步包括便携控制的手握机身，LED光源的置放机头以及用于阻挡固化光的透镜罩。
3、 根据权利要求1所述的光固化装置，其特征在于所述LED光源为高功率半导 体发光二级管，其发射固化光光强大约在100毫瓦到800毫瓦而波长大约 在300到500纳米。
4、 根据权利要求1所述的光固化装置，其特征在于所述LED光源固定在置放机 头里并以大约相对手提机身主轴5到45度角投射光。
5、 根据权利要求1所述的光固化装置，其特征在于所述菲涅尔透镜包括 一种 准直透镜，其焦距大约在2到1 0毫米之间，用于收集和准直固化光束；多个菲涅尔透镜聚焦所述准直固化光束到所述固化粘合剂。
6、 根据权利要求l所述的光固化装置，其特征在于所述菲涅尔透镜为圆柱，并且第一端是平面，第二端是齿槽面。
7、 根据权利要求1所述的光固化装置，其特征在于所述菲涅尔透镜厚度大约为0.1到5毫米并且F指数大约为0.1到2。
8、 根据权利要求1所述的光固化装置，其特征在于所述菲涅尔透镜材料系由下 列各物组成的群组中选出聚碳酸酯，丙烯酸酯，硬聚氯乙烯和聚丙烯酸酯。
9、 根据权利要求2所述的光固化装置，其特征在于所述手握机身包括 一种充 电电池；多种电路板;启动所述电路板的方法。
10、 根据权利要求2所述的光固化装置，其特征在于所述手握机身身形由下列各 物组成的群组中选出长筒圆柱形和加长球形，其主轴延手握长轴方向。
11、 根据权利要求2所述的光固化装置，其特征在于所述线路板包括 一种驱动 所述LED的稳流电路； 一种控制固化曝光时间的控时电路； 一种防治所述LED 过热和所述充电电池过放电的保护电路。
12、 根据权利要求9所述的光固化装置，其特征在于所述启动电路板的方法包括 机械开关和液晶控制面板。
13、 一种制造用于牙科的光固化装置的方法，包括以下步骤提供多个LED光源；提供启动LED光源发射固化光的方法；提供多个菲涅尔透镜准直和聚焦所述 固化光，其所述菲涅尔透镜设置在所指LED光源和固化粘合剂两者之间；将所 述菲涅尔透镜固定在LED光源和固化粘合剂旁的方法；其所述固定和保护透镜的方法包括 一个反光透镜架，其反光透镜架包括一个上架螺纹和高反射率抛物 内镜面，其内镜面制造材料包括电镀，蒸镀和胶合铝，铬，镍,银和由多层金属氧 化物和高分子薄膜组成的高反射率薄膜。
14、 根据权利要求1 3所述的方法，其特征在于所述LED光源为高功率半导体发 光二级管，其发射固化光光强大约在100毫瓦到800毫瓦而波长大约在 300至ij 500纳米。
15、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述启动所述LED光源的方法包 括如下步骤提供多种充电电池；提供多种电路板；提供启动所述电路板的方 法。
16、根据权利要求1 3所述的方法，其特征在于所述菲涅尔透镜包括 一种准直透 镜，其焦距大约在2到IO毫米之间，用于收集和准直固化光束；多个菲涅 尔透镜聚焦所述准直固化光束到所述固化粘合剂。
17、根据权利要求1 3所述的方法，其特征在于所述菲涅尔透镜材料系由下列各物 组成的群组中选出聚碳酸酯，丙烯酸酯，硬聚氯乙烯和聚丙烯酸酯。
18、 根据权利要求1 3所述的方法，其特征在于所述线路板包括驱动所述LED的稳流电路，控制固化曝光时间的控时电路以及防治所述LED过热和所述充电电池过放电的保护电路。
19、 一种聚焦高功率LED发射光的光学设备，其包括第一种菲涅尔透镜拥有第一非常平整的端面和第二由圆形齿槽组成的端面，其所指非常平整的第一面用来接收LED光源发射光，其圆形齿槽的第二面用来折射从第一面接收的光束成衍 射局限的平行光；第二种菲涅尔透镜拥有第一端面由圆形齿槽组成和第二端面非常平整，其所述圆形齿槽的第一面用来折射从第一种菲涅尔透镜接收的光束 成聚焦光束，其平整的第二面用来传输从第一面接收的光束成衍射局限的聚焦而紧挨固化粘合剂的光斑点；固定第一种菲涅尔透镜紧挨LED光源的方法；固 定第一和第二种透镜紧挨在一起的方法；其所述固定和保护透镜的方法包括一 个反光透镜架，其反光透镜架包括一个上架螺纹和高反射率抛物内镜面，其内 镜面制造材料包括电镀，蒸镀和胶合铝，铬，镍，银和由多层金属氧化物和高分子 薄膜组成的高反射率薄膜。
20、 根据权利要求19所述的装置，其特征在于所述第一种和第二种菲涅尔透镜包括等高和等距的圆形齿槽，其制造由透明材料包括聚碳酸酯，丙烯酸酯，矽胶 和硬聚氯乙烯，其制造工艺包括铸压模。
全文摘要
本发明提供一种用于固化光敏材料LED光固化机。它由多个LED光源和多个菲涅尔透镜组成。LED光源由主驱动板和充电电池驱动，发射波长在300到500纳米及光功率在100到800毫瓦。由一对菲涅尔透镜片组成的所说菲涅尔透镜将固化光源有效的聚焦到固化物上。
文档编号A61C1/00GK101621969SQ200780014312
公开日2010年1月6日 申请日期2007年2月22日 优先权日2006年2月24日
发明者刘永谦 申请人:刘永谦