UV光固化系统及其设计和操作方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月15日提交的美国临时专利申请62/103,947以及2016年1月13日提交的美国专利申请14/994,747的权益，这两项申请的内容以其全文通过引用并入本文。

本发明涉及uv固化系统，并且更具体地，涉及具有改进的反射器的uv固化系统以及设计此类uv固化系统的方法。

背景技术：

紫外光固化(本文中称为uv固化和uv光固化)在本领域中是众所周知的，例如，如在美国专利4,710,638(标题为“apparatusfortreatingcoatings”)、美国专利8,872,137(标题为“dualellipticalreflectorwithaco-locatedfociforcuringopticalfibers”)以及美国专利申请公开2011/0147356(标题为“uvledbasedlampforcompactuvcuringlampassemblies”)中所描述。

在某些常规uv固化应用(例如，使用基于双椭圆几何形状的系统，以及其他常规uv固化系统等)中，由uv能源提供的用于固化(例如，通过光致聚合作用)的大部分uv能量实际上未命中目标。

因此，将需要提供改进的uv固化系统以及设计此类uv固化系统的方法。

技术实现要素：

根据本发明的示例性实施方案，提供一种uv光固化系统。所述uv光固化系统包括：uv光源；初级反射器，所述初级反射器用于在封闭体的方向上反射由uv光源发射的光，所述封闭体至少部分地包围感兴趣物体；以及次级反射器，所述次级反射器在所述封闭体的相对于所述初级反射器的相反侧上，所述次级反射器沿着封闭体的长度的一部分定位，所述次级反射器在封闭体的长度的所述部分处包围封闭体的至少40％。

根据本发明的另一个示例性实施方案，提供一种uv光固化系统。所述uv光固化系统包括：uv光源；初级反射器，所述初级反射器用于在目标的方向上反射由uv光源发射的光；次级反射器，所述次级反射器在目标的相对于初级反射器的相反侧上；以及至少一个三级反射器，所述至少一个三级反射器定位在初级反射器与目标之间，所述三级反射器将来自次级反射器的光朝目标反射回去。

根据本发明的另一个示例性实施方案，提供一种设计uv固化系统的方法。所述方法包括以下步骤：针对给定的uv光产生源大小和分布来设计初级反射器以在预定目标位置处提供所需要的光辐照度(例如，在预定波束宽度下的最大或预定辐照度水平)；以及设计次级反射器，所述次级反射器被配置来反射来自所述初级反射器的光，以在所述预定目标位置处提供总辐照的增加。

附图说明

当结合附图来阅读以下详细描述时，根据以下详细描述最佳地理解本发明。应强调，根据惯例，附图的各种特征并非按比例绘制。相反，为清晰起见，任意地扩大或缩小各种特征的尺寸。附图中包括以下各图：

图1为根据本发明的示例性实施方案的uv光固化系统的框图；

图2为例示根据本发明的示例性实施方案的初级反射器和次级反射器的辐照度对波束宽度的曲线图；

图3为根据本发明的示例性实施方案的uv光固化系统的一部分的框图；

图4为根据本发明的示例性实施方案的另一种uv光固化系统的一部分的框图；

图5为根据本发明的示例性实施方案的另一种uv光固化系统的框图，所述uv光固化系统包括多个子系统；并且

图6为例示根据本发明的示例性实施方案的设计uv光固化系统的方法的流程图。

具体实施方式

如本文中所使用，术语“复合曲线”旨在根据其常规定义加以广泛地定义，并且适用于由诸如初级反射器、次级反射器和/或三级反射器的反射器的反射表面(即，光学表面)限定的曲线。这种反射表面的曲线理想地包括具有不同半径长度的多个椭圆弧或圆弧。

根据本发明的uv固化系统结合某些狭窄目标uv固化应用具有特定用途。此类狭窄目标uv固化应用的实例包括光纤包覆、光纤着色、线缆着色、导线着色等。

本发明的某些实施方案使用复合曲线来限定诸如次级反射器(有时称为背面反射器)的一个或多个反射器的反射/光学表面。此类复合曲线可包括于反射器的设计中以显著增加狭窄目标处的光学辐照度。

根据本公开的某些实施方案，使用小的uvled光源(例如，单独led)，可大大改进光学系统光学集光率(光收集和使用效率)以在狭窄目标的各个表面处提供高得多的峰值功率。此外，通过增加目标处的光使用效率，使用较低输入电力来达成相同的固化效果，从而降低能量消耗。再此外，可在目标处达到较高峰值辐照度，从而提供诸如以下益处：增加的处理速度，使配方中的光引发剂含量更少(光引发剂往往是最贵的组分)，降低成本，以及减少处理期间的挥发物形成，挥发物往往会污染过程并且限制过程运行次数。

本发明的各实施方案涉及uv固化系统(及相关的设计方法)，其中可使用非简单椭圆反射表面(例如，复合曲线)来优化目标处的峰值功率(辐照度)。本发明可涉及结合uv固化系统设计(包括uv固化系统的光学元件的设计)来使用光学系统仿真，以提供改进的/优化的设计参数(诸如目标处的改进的/最大的峰值强度)。

更具体地，准确地描绘uv光源(诸如uvled光源)发射特性、材料折射率及表面反射性质的全尺度光学仿真可用于uv固化系统的设计。此类光学仿真允许并入反射器的复合曲线形反射表面或其他复杂的反射/光学表面。在此类仿真中，光学设计可被优化来最大化目标(例如，1mm至2mm宽的区域，光纤在此处被拉制)处的辐照度。通过优化反射器设计(例如，初级反射器、次级反射器和/或三级反射器等的设计)，可在使用现有固定设备时达成改进的处理速度和改进的uv能量效率。

通过改进针对狭窄目标(例如，光纤)的峰值辐照度，提供另外的益处(除了改进的处理速度和uv能量效率之外)。例如，降低了制造目标(例如，涂布光纤)的直接成本。此外，与较大的光源(例如，微波灯泡)或在led之间具有相对大空间的led源相比，小的光源大小(例如，小的led)允许改进的光子收集以及到狭窄目标的重新引导。

现在参考附图，图1例示紫外(uv)光固化系统100。uv光固化系统100包括电源102(例如，电源供应器)，所述电源102被配置来给灯头104(例如，uv光源，在本文中有时称为uv光产生源)提供电力。灯头104包括光产生元件106(例如，uvled)。为简单起见，省略了灯头104的另外细节。

初级反射器108耦接至灯头104，并且包括开口109，由光产生元件106发射的光(在目标窗口110处)由初级反射器108反射通过所述开口109，并且被朝封闭体112引导。

目标114(例如，将使用来自灯头104的光加以辐照的感兴趣物体，诸如光纤、缎带、导管等)设置在封闭体112中。封闭体112可以是存放目标的透明管或导管。次级反射器116设置在封闭体112的相对于初级反射器108的相反侧上。次级反射器116被配置来将来自灯头104的光反射回至封闭体112中的目标114以用于辐照(例如，用于固化目标114上的涂层)。

根据本发明，可能需要在目标114的位置处提供预定宽度下的高的和/或有效的(例如，最大化的)辐照水平。即，目标114可以具有狭窄宽度。这种目标的实例是宽度大约为1mm的涂布光纤。为了在这种狭窄目标处提供所需要水平的辐射(以及此辐照的对应的高效或“绿色”使用)，需要在狭窄路径中朝目标引导来自灯头104的辐射(由初级反射器108反射的辐照)。因此，初级反射器108应被设计(考虑诸如灯头规格、灯头与目标之间的位置关系、led源的位置和发射特性等因素)来在目标位置处提供高水平的辐照并且此辐照具有所需要宽度。例如，所需要宽度可与目标宽度相关(例如，所需要宽度可被设计成目标宽度的倍数等)。同样地，次级反射器116应被设计来提供类似的效果(例如，考虑到来自灯头104和初级反射器108的入射光线，将次级反射器116所接收的光以所需要宽度有效反射回至目标位置)。图1中值得注意的是，次级反射器116(至少次级反射器116的内部反射表面116’)具有由复合曲线限定的形状。

图1中的uv光固化系统100的总体布局还可适用于系统100a、100b和500，如以下在对应的图3、图4和图5的描述中所详述。即，在图3、图4和图5中，为简单起见已经省略了各种元件，所述元件包括电源、光源(灯头)以及初级反射器的部分。

在上文所描述(并且在本文中例如参考图6进一步描述)的初级反射器和次级反射器的设计中，需要确认来自反射器中的每一个的辐照度在目标位置处满足所需要水平并且覆盖所需要宽度。参考图2，提供了例示根据本发明的初级反射器和次级反射器的辐照度的图形说明。例如，假定目标为1mm光纤，其具有将要使用根据本发明的uv固化系统加以固化的涂层。在这种狭窄目标的情况下，可能需要由初级反射器和次级反射器中的每一个提供的峰值辐照度在目标位置处占据对应的宽度。这种对应宽度(例如，对于1mm光纤)可以是例如1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等，并且同时波束中心理想地以光纤的中点为中心。对于同一实例，让我们假定目标波束宽度(如图2中所示的wt)为3mm(其中3mm在x轴上从-1.5跨至1.5)。

再次参考图2，初级反射器已经被设计来在目标位置处提供最高水平的辐照度以具有大约3mm的目标宽度。即，辐照度曲线在wt频带中是最高的。同样地，次级反射器已经被设计来在目标位置处提供最高水平的辐照度以具有大约3mm的目标宽度。在这种设计中，目标应理想地以有效地使用来自uv光源(灯头)的uv能量输出的方式加以固化。

图3为另一种uv固化系统100a的部分的框图视图。初级反射器108a的开口108a1在封闭体112a(例如，透明管、导管等)的方向上反射由uv光源(未展示)发射的光。封闭体112a至少部分地包围将要辐照的感兴趣物体(即，目标114a)。在图3的情况下，感兴趣物体为光纤114a，并且封闭体112a在封闭体112a的由uv光源辐照的部分处包围光纤114a。次级反射器116a(在封闭体112a的相对于初级反射器108a的相反侧上)沿着封闭体112a的长度的一部分定位。次级反射器116a的内部反射表面116a1遵循如图3中所示的从第一末端延伸至第二末端的弯曲路径(所述弯曲路径可以是复合弯曲路径)。在图3中藉由假想线“il”连结这些末端。次级反射器116a在封闭体112a的长度的相关部分处包围封闭体112a的百分比可通过计算封闭体112a在图3中的假想线“il”右侧的区域的百分比来确定。根据本发明的示例性实施方案，这种百分比可以是至少40％、至少50％等。在图3中所示的实例中，百分比为大约50％。

图4为另一种uv固化系统100b的部分的框图视图，所述uv固化系统100b包括与图1和图3中所示的那些元件类似的各种元件。初级反射器108b的开口108b1在封闭体112b的方向上反射由uv光源(图4中未展示)发射的光，其中封闭体112b至少部分地包围目标114b。次级反射器116b(在封闭体112b的相对于初级反射器108b的相反侧上)沿着封闭体112b的长度的一部分定位。次级反射器116b的内部反射表面116b1遵循如图4中所示的从第一末端延伸至第二末端的弯曲路径(所述弯曲路径可以是复合弯曲路径)，其中在图4中藉由假想线“il”连结这些末端。次级反射器116b在封闭体112b的长度的相关部分处包围封闭体112a的百分比可通过计算封闭体112b在图4中的假想线“il”右侧的区域的百分比来确定。在图4中所示的实例中，百分比为大约50％。

根据本发明的各个示例性实施方案，为了使uv固化系统的设计甚至更有效，可在初级反射器与目标(或在提供了存放目标的封闭体的情况下，与封闭体)之间提供一个或多个三级反射器，这种三级反射器将来自次级反射器的光朝目标/封闭体反射回去。三级反射器在机械上可以是初级反射器的延伸部；即，三级反射器在物理上可以是初级反射器的部分以简化制造或组装。

图4中所示的uv光固化系统100b例示了具有两个三级反射器118a和118b的实例。三级反射器118a、118b的内部(反射)表面118a1、118b1接收从次级反射器116b的内部表面116b1反射的光的某一部分，并且将其朝封闭体112b(和目标114b)反射回去。因此，由光源(图4中未展示)射出的辐照目标114b的光的百分比有所增加，从而增加系统效率。当然，尽管图4中展示两个三级反射器，但在给定的应用中可按需要提供任何数目的此类三级反射器。

尽管已经主要关于用于辐照目标的一定长度(部分)的单独光源、单独初级反射器、单独次级反射器(背面反射器)等来描述本发明，但本发明的教导可适用于如给定的应用中所需要的包括多个以下各项中的一项或多项的uv固化系统：uv光源、初级反射器、次级反射器、三级反射器等。例如，可沿着封闭体的长度的相应部分成组地提供此类元件。图5为这种配置的实例。

图5例示被配置用于固化操作的uv光固化系统500。在图5中所示的实例中，目标为封闭体(例如，透明管)112c中的光纤120。例如，光纤120可包括涂层(在图5中所示的预期辐照之前刚刚涂布)，其中所述涂层将使用uv光固化系统500加以固化。光纤120可在其通往用于重绕的线轴的途中移动穿过封闭体112c。随着光纤120穿过uv固化系统500，涂层被固化。

uv固化系统500包括多个uv固化子系统100c1、100c2、100c3、100c4、100cn，每一个uv固化子系统包括多个元件，诸如结合图1、图3和图4所展示并描述的那些元件。例如，子系统100c1包括光源104c1(例如，包括多个uvled的灯头)、用于朝封闭体112c(和目标光纤120)反射光的初级反射器108c1，以及次级反射器116c1。次级反射器116c1部分地包围封闭体112c的一部分(例如，至少40％、至少50％等)。尽管图5中未展示三级反射器(类似于图4中所示的三级反射器118a、118b)，但在图5中所示的本发明的范围内涵盖三级反射器。

另外的子系统100c2、100c3、100c4、100cn包括类似于以上关于子系统100c1所描述的那些元件的元件。具体地，子系统100c2包括光源104c2、初级反射器(未标记)以及次级反射器116c2；子系统100c3包括光源104c3、初级反射器(未标记)以及次级反射器116c3；子系统100c4包括光源104c4、初级反射器(未标记)以及次级反射器116c4；并且子系统100cn包括光源104cn、初级反射器108cn以及次级反射器116cn。

图6为根据本发明的某些示例性实施方案的流程图。如本领域的技术人员所理解的，可省略流程图中所包括的某些步骤；可添加某些另外的步骤；并且步骤的顺序可与所例示的顺序不同。

具体参考图6中的流程图，提供一种设计uv固化系统的方法。在步骤600处，提供uv光源(例如，图1中所示的灯头104)。例如，uv光源包括一个或多个光产生元件(例如，uvled)。在步骤602处，提供uv光源与将要使用uv光源来辐照的目标(例如，光纤、缎带、导管等)之间的位置关系。这种位置关系可包括距离信息、取向信息等，并且可以是相对于目标本身和/或包围目标的封闭体的位置关系。

在步骤604处，(例如，针对给定uv光产生源大小和分布)设计初级反射器(例如，各个附图中所例示的初级反射器108、108a、108b、108c1、108cn等)，以在目标的预定位置处提供具有所需要宽度的峰值光辐照度。即，考虑各种因素来设计初级反射器。此类因素包括：光源的规格和物理几何形状(例如，led布局)；以上所提及的位置关系；用来辐照目标的光束的所需要宽度；在目标和/或封闭体的预定位置处所需要的辐照度水平等。在初级反射器的设计中可使用各种技术，诸如像仿真软件、示例性初级反射器的预定位置处的辐照度测试等。如上所述，图2例示初级反射器的辐照度曲线的实例(用实线例示)，其中此辐照度曲线可结合初级反射器的设计来使用。

在步骤606处，设计次级反射器(例如，各个附图中所例示的次级反射器116、116a、116b、116c1至116cn等)，所述次级反射器被配置来反射来自初级反射器的光，其中次级反射器被设计来在预定位置处提供所需要宽度下的所需要水平的辐照。在步骤608处，设计至少一个三级反射器(例如，图4中所示的三级反射器118a、118b)，其中所述至少一个三级反射器定位在初级反射器与目标之间，并且被设计来将来自次级反射器的光朝目标的预定位置处反射回去。用于设计次级反射器和三级反射器的技术可与本文结合初级反射器的设计所描述的那些技术相同。

图6中所例示的方法还可包括确定多个子系统中的每一个沿着uv固化系统的目标的长度的位置(例如，诸如图5中所例示的目标和对应的子系统)的步骤。多个子系统中的每一个可包括相应uv光产生源、在步骤604中所设计的相应的一个初级反射器中、在步骤606中所设计的相应的一个次级反射器以及在步骤608中所设计的相应的三级反射器(或多个三级反射器)。

尽管本发明特别适用于狭窄目标应用(例如，诸如光纤上的涂层的uv固化的应用，其中用来固化涂层的光束理想地为狭窄的并且具有高水平的辐照度)，但本发明不限于此。

尽管主要关于uv固化系统来描述本发明，但本文的教义可适用于其他类型的光系统，以及除了uv固化应用之外的不同类型的应用。

尽管在本文中参考特定实施方案例示并描述本发明，但本发明并不旨在局限于所示细节。相反，可在权利要求书的范畴及其等效物的范围内作出细节方面的各种修改而不脱离本发明。