一种紫外LED面固化的光学系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种紫外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透镜和LED芯片均安装在基板上。本实用新型专利技术具有系统结构紧凑和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等优点。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及紫外LED固化
，特别是涉及一种紫外LED面固化的光学系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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。本技术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。本技术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芯片均采用导热胶固定安装在基板上。本技术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：式中，θ表示入射光线在透镜内表面处的折射光线lPQ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-δl)＝n*sin(θ-δl)，(2)sin(δo-β)＝n*sin(δo-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，δl和δo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：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θ0.5，θ0.5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：式中，z表示目标平面与LED芯片之间的垂直间距，m表示为：式中，参数m由厂家提供，θ0.5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θ0.5；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。本技术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：式中，θ表示入射光线在透镜内表面处的折射光线lPQ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-δl)＝n*sin(θ-δl)，(2)sin(δo-β)＝n*sin(δo-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，δl和δo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：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紫外LED面固化的光学系统，其特征在于，包括：近朗伯光型LED透镜、LED芯片和基板，所述近朗伯光型LED透镜和LED芯片均安装在基板上。

【技术特征摘要】
1.一种紫外LED面固化的光学系统，其特征在于，包括：近朗伯光型LED透镜、LED芯片和基板，所述近朗伯光型LED透镜和LED芯片均...

【专利技术属性】
技术研发人员：文尚胜，向昌明，陈志涛，陈颖聪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44