曲艷玲,蘆永軍,許文海,王麗梅

（1.大連民族學(xué)院理學(xué)院,遼寧 大連 116605；2.大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116026）

新型空間光學(xué)陣列LED紫外固化光源系統(tǒng)研究

曲艷玲1,蘆永軍1,許文海2,王麗梅1

（1.大連民族學(xué)院理學(xué)院,遼寧 大連 116605；2.大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧 大連 116026）

大功率紫外LED是一種新型半導(dǎo)體光源,具有體積小、發(fā)熱量小、光電轉(zhuǎn)化效能高等優(yōu)點(diǎn)。但是單管UV-LED存在功率小、輻射發(fā)散角大等缺陷,無法滿足實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用要求,制約了該型光源的拓展性推廣使用。鑒于存在的問題,提出了針對多管UV-LED的空間合理陣列排布光學(xué)設(shè)計(jì)方案,以實(shí)現(xiàn)空間能量累加且控制輻照面的光斑尺寸、輻照度、后工作距離等光學(xué)指標(biāo),經(jīng)過 L ight-Tools軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與光學(xué)仿真模擬分析,證明了文中給出的點(diǎn)、線、面光固化光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理、可行,為大功率 UV-LED的拓展性應(yīng)用研究提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)與可行性分析。

光學(xué)設(shè)計(jì)；紫外二極管；陣列；紫外固化

紫外輻照光固化技術(shù)是目前應(yīng)用非常廣泛的一種涂料快速凝固技術(shù),具有無需溶劑、無熱源、快捷、高效等優(yōu)點(diǎn),在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 （如印刷、包裝、汽車等）有巨大的市場前景[1-2]。近幾年,紫外固化技術(shù)尤其在光電子生產(chǎn)領(lǐng)域 （如 DVD、LCD、光纖通信器件及模塊、其他微光電器件裝配等）得到了推廣與發(fā)展,極大地提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,同時(shí)保證了產(chǎn)品質(zhì)量。但是長久以來紫外輻射固化普遍采用功耗大、發(fā)熱量高、壽命短且效率低的高壓汞燈固化光源系統(tǒng),制約了光固化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及快速推廣進(jìn)程,因此迫切需要在不斷改進(jìn)UV化工材料光固化特性的同時(shí)研制新型紫外輻射光源系統(tǒng),以克服傳統(tǒng)光源所固有的諸多問題。大功率紫外 LED的研制成功對于輻射固化技術(shù)的發(fā)展是革命性的。該光源屬于新型半導(dǎo)體光源,具有電光轉(zhuǎn)化效率高、光譜純度高、體積小、發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn),但是該型光源也有缺陷,即單管輻照功率太低及輻射強(qiáng)度分布均勻性差。為了充分發(fā)揮新型大功率 LED的優(yōu)勢,同時(shí)彌補(bǔ)其不足,本文提出了單管能量聚光系統(tǒng)合理化空間二維陣列[3-5]排布設(shè)計(jì)方案,以實(shí)現(xiàn)多管 UV-LED能量的光學(xué)控制,最終在輻照面上實(shí)現(xiàn)空間能量累加,來達(dá)到應(yīng)用現(xiàn)場輻照面上輻照度與光斑形狀及尺寸的要求。該方案通過將單管光學(xué)聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與多管 UV-LED空間排布優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合,給出了較大工作距離下大光斑、高輻照度的點(diǎn)、線、面陣列光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及光學(xué)仿真模擬結(jié)果,對于新型 UV-LED固化光源的研制以及最終大范圍、多領(lǐng)域的拓展性應(yīng)用研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)及可行性分析。

1 設(shè)計(jì)方案與考慮

大功率 UV-LED是半導(dǎo)體紫外光源,輻射發(fā)散角較大 （±25°）,所以能量的高效收集是單管聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),要求有大的數(shù)值孔徑NA。單管聚光系統(tǒng)作為后續(xù)空間陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本單元,需要在設(shè)計(jì)初期對多個(gè)光學(xué)技術(shù)指標(biāo) （如后工作距離、輻照度、光斑形狀及尺寸、光斑光學(xué)均勻性等）綜合考慮,來保證各單元集成陣列后各指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可行性。針對實(shí)際的現(xiàn)場使用要求 （如后工作距離大,以提供操作及應(yīng)用場合靈活性；光斑尺寸大且輻照度同時(shí)滿足、光學(xué)均勻性好）,單管聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在后工作距離或光斑尺寸與單位面積輻照度參數(shù)間尋求折中點(diǎn)。計(jì)算在基本滿足后工作距離指標(biāo)（≥5 cm）條件下單聚光系統(tǒng)輻照度與實(shí)際應(yīng)用要求之間的差距,初步確定空間 LED陣列系統(tǒng)的基本參數(shù) （如 LED數(shù)量）及空間排布結(jié)構(gòu)的可行性。基本指標(biāo)滿足要求后,即進(jìn)行單聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及空間陣列排布優(yōu)化設(shè)計(jì),最終給出結(jié)構(gòu)緊湊、后工作距大、光斑尺寸大、光學(xué)均勻性好且輻照度完全滿足要求的陣列 LED系統(tǒng)。下面給出具體的設(shè)計(jì)實(shí)例,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性及可行性。UV-LED光源的主要技術(shù)指標(biāo)見表 1,具體應(yīng)用現(xiàn)場技術(shù)指標(biāo)要求見表 2,圖 1為空間陣列系統(tǒng)的幾何平面圖。

表1 大功率 UV-LED主要技術(shù)指標(biāo)

表2 實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場技術(shù)指標(biāo)

圖1 空間LED陣列系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)圖

由于考慮到單元聚光系統(tǒng)傾斜照射時(shí)光斑展寬,導(dǎo)致輻射效率降低,故一般傾斜單元最大傾角不超過 45°,所以空間排布 LED數(shù)量d。實(shí)際現(xiàn)場輻照面 S上的輻照度要求為 E,單管聚光系統(tǒng)輻照度為 Es,故滿足輻照度基本要求的LED數(shù)量為最終可以確定滿足條件的 N值。由 10 mm光斑尺寸及1mm發(fā)光芯片的物像大小關(guān)系可確定×,取最大數(shù)值孔徑 NA=sin25°=0.42,則 LED芯片距離透鏡為故后工作距離 l′l＊β=100 mm,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。經(jīng)Zemax軟件優(yōu)化計(jì)算得到單管聚光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),該設(shè)計(jì)中采用了紫外高透過率及折射率的單片玻璃透鏡結(jié)合的非球面[6-7]及多層鍍膜技術(shù),保證了系統(tǒng)的高透過率及成像質(zhì)量。

經(jīng)過 Light tools軟件光學(xué)仿真,得到了單管UV-LED聚光系統(tǒng)輻照面光學(xué)均勻性及輻照度結(jié)果,其光學(xué)均勻性≤5%,在 ±5mm方形光斑范圍內(nèi)輻照度為 140 mW·cm-2,即完成了陣列系統(tǒng)基本單元的設(shè)計(jì)。以此基本單元為基礎(chǔ),采用 L ight too ls軟件宏編輯功能來實(shí)現(xiàn)陣列系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)排布自動優(yōu)化,主要是實(shí)現(xiàn)能量累加均勻性及結(jié)構(gòu)緊湊性指標(biāo),完成最終陣列系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)工作。

2 點(diǎn)、線、面光斑紫外 LED陣列光源系統(tǒng)

2.1 點(diǎn)光斑陣列系統(tǒng)

由單管聚光系統(tǒng)在輻照面上得到的輻照度 Es=140mW·cm-2及應(yīng)用現(xiàn)場技術(shù)要求 E=1 000 mW·cm-2可知,實(shí)現(xiàn)單光斑陣列系統(tǒng)最少需要LED數(shù)量 N=7個(gè),經(jīng)過 L ight too ls優(yōu)化后得到的空間排列結(jié)果如圖 2、圖 3。其中圖 2為緊湊型球面排列,LED數(shù)量為 9個(gè)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置,圖 3為一字線排列,依據(jù)機(jī)械加工及裝配的難度,擇優(yōu)選擇其一作為最終方案。

圖2、圖 3中不僅給出了點(diǎn)光斑實(shí)現(xiàn)陣列系統(tǒng)的空間分布結(jié)構(gòu)圖,同時(shí)分別給出了各系統(tǒng)最終得到的輻照光斑形狀、尺度及光學(xué)分布均勻性指標(biāo),從圖中可以看出,緊湊型球面陣列產(chǎn)生的光斑形狀不規(guī)則,但是輻照度分布較為均勻,在較小的區(qū)域內(nèi)排布了 9個(gè)UV LED,最終單光斑輻照度較高,系統(tǒng)緊湊性好。而一字線陣列結(jié)構(gòu)簡單,光斑為方形,輻照度分布非常均勻,光斑尺寸控制在±5mm范圍內(nèi),可作為線狀光斑陣列系統(tǒng)的基本單元。

2.2 線光斑陣列系統(tǒng)

再以圖 3中實(shí)現(xiàn)單光斑的一字線陣列結(jié)構(gòu)為基本單元,通過 Light tools軟件可以優(yōu)化出由點(diǎn)光斑密接形成的線光斑光源系統(tǒng),同樣可以保證線狀光斑的尺寸、形狀、輻照度分布及均勻性等技術(shù)指標(biāo),線光斑陣列系統(tǒng)圖及結(jié)果如圖 4。

圖4 二維紫外線光斑陣列系統(tǒng)及輻照仿真結(jié)果

從圖 4中可以看出,經(jīng)過 Light Tools非序列優(yōu)化得到的線光斑輻照度分布非常均勻,線光斑長度為 5個(gè)單光斑的疊加,長度約為 50mm,陣列排布緊湊,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.3 面光斑系統(tǒng)

通過圖 4線光斑 UV LED陣列系統(tǒng)的橫向掃描可以實(shí)現(xiàn)面光斑照明的效果,經(jīng)過應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)可以確定掃描速度及范圍,以下給出 2種實(shí)現(xiàn)面光斑照明的工作模式,如圖 5。模式 1為待測樣品不動而線光斑陣列系統(tǒng)橫向震蕩掃描模式,模式 2為待固化樣品或生產(chǎn)線移動實(shí)現(xiàn)模式。

圖5 采用線光斑陣列系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面照明的 2種模式

3 結(jié) 論

通過采用空間陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了多管 UV-LED輻射能量的定向控制和空間累積,充分發(fā)揮了 UV-LED的優(yōu)勢同時(shí)彌補(bǔ)了其不足,而且具有更好的可操控性和靈活性,可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用場合下的點(diǎn)、線、面固化照明,具有光斑光學(xué)均勻性好、尺度大、輻照度高、可通過外部電子線路控制、光束定向好、結(jié)構(gòu)緊湊、無熱輻射損傷、功耗低、效率高等眾多傳統(tǒng)固化光源系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢,因此也具有很好的應(yīng)用和推廣前景。

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（責(zé)任編輯 鄒永紅）

The Research to Newly UV Curing Radiation System Realized by Optical UV LED Array

QU Yan-ling1,LU Yong-jun1,XUW en-ha i2,WANG Li-mei1
（1.Optoelectronic Institute,Dalian Nationalities University,Dalian Liaoning 116605,China；2.School of Information Engineering,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning 116026,China）

The high power UV-LED is a new type semiconductor light source,and its appearance brings the revolutionary development to UV curing technique.It has the merits of com pact size,small heat radiation,high efficiency of electricity to light conversion,et a l..However the emitting power of single UV-LED cannot meet the high demand of practical application due to its low power and large emanative radiation,and advanced development is constrained due to this reason.A new optical system design method by which multiple UV-LEDs were arranged together to configure an array to realize the accumulation of energy wasp resented.Consequently the target parameter of irradiance,size of spot,back working distance can be controlled.The optical design projects to produce a single spot,zone or area illumination were proved to be realizable and reasonable by optical simulation using Light Too ls software.The given result and analysis can be reliable experimental base for the advanced research to high power UV-LED.

optical design；UV LED；array；UV cu ring

O439 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0031-03

2010-11-11

曲艷玲 （1974-）,女,內(nèi)蒙古海拉爾人,講師,主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)與紅外成像技術(shù)研究。