CN105653810A - 一种紫外led固化光学***的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外LED固化光学***的制作方法，所述紫外LED固化光学***包括外透镜和内透镜，该制作方法包括以下步骤：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，制作外透镜自由曲线和内透镜自由曲线；2、将迭代关系编好程后赋予初值，并通过MATLAB计算出内透镜自由曲线和外透镜自由曲线的离散点；3、将离散点坐标先后导入CAD建模软件，构建外透镜和内透镜；所述内透镜沿旋转方向准直光线，外透镜控制准直光线分布，通过组合得到紫外LED固化线光源光学透镜模型，把线光源透镜模型集成排列得到紫外LED固化面光源光学***。具有可获得不同形状透镜等优点。

Description

一种紫外LED固化光学***的制作方法

技术领域

本发明涉及紫外LED固化技术领域，特别是涉及一种紫外LED固化光学***的制作方法。

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。

由于紫外LED光源发出的光近似朗伯型，即光强呈余弦分布，不能直接用于固化,需二次配光。

目前市场上出现的大多数紫外LED设备采用的是LED矩形阵列排布，各个灯珠直接照射在被固化物体表面，这样导致一个问题：灯珠形成的光斑与周围灯珠形成的光斑重合，出现中间固化区域高光强，边缘区域低光强。能量利用率低，均匀性差，工作距离稍微偏离固定工作距离后，均匀性下降严重。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种紫外LED固化光学***的制作方法，该方法一方面可以大幅度提高辐射光斑均和光能利用率；另一方面大大节省时间，并能使光线进行精确控制，而且通过不同的初始值，获得不同形状的透镜，满足不同的应用场合。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种紫外LED固化光学***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，以下两自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；

a)外透镜自由曲面轮廓线的制作；

如图1所示，光源O点发出的光线与Y轴的夹角为θ，出射光线和外透镜自由曲线交点处的法线与出射光线的夹角为ε1，当θ为θ_i时，从光源O点发出的光线经过外透镜自由曲线上第i个点p_i(x_i，y_i)折射后到达接受屏幕上，θ_i和θ_i-1分别表示表示第i根和i+1根入射光线所对应的θ值，根据能量守恒定律得到第i根折射光线与接收面交点的横坐标r_i为：

$r_i=\sqrt{{(r_i-1)}^2+R^2\×({\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{i-1}}),---\left(1\right)$

式中，R为接受屏幕上光斑的半长；

光线在p点发生折射，由菲涅尔定律得到：

n×sinβ＝sinε1，(2)

式中，β和ε1分别为入射光线与外透镜自由曲线交点处的入射角和折射角，n为透镜的折射率，空气折射率为1；

由几何关系可得：

β-θ＝ε1-ε2，(3)

式中，ε2表示出射光线与Y轴的夹角；

由(2)式和(3)式得到：

ε2_i＝tan^-1((r_i-x_i)/(H-y_i))，(4)

α_i＝tan^-1(sin(θ_i-ε2_i)/(n-cos(θ_i-ε2_i))-θ_i，(5)

式中，α表示交点p处切线与X轴夹角，ε2_i和α_i分别表示第i根光线所对应的ε2和α值，H为接受屏幕与LED芯片的工作距离；

根据第i根入射光线与外透镜自由曲线交点的切线与第i+1根入射光线相交得到离散点的迭代关系式：

x_i+1＝(y_i-ki×x_i)/(tan(θ_i+1)-k_i)，(6)

y_i+1＝tan(θ_i+1)×x_i+1，(7)

式中，k_i＝tanα_i，ki表示第i根入射光线与外透镜自由曲线交点p处的切线斜率，通过对R、H及外透镜自由曲线初始点p₁(x₁，y₁)赋初值可以得到外透镜自由曲线各离散点；

步骤二：内透镜自由曲面轮廓线的制作；

如图2所示，θ(0°≤θ≤90°)为入射光线与X轴的夹角。当θ为θ_i时，从光源O点发出的光线经过内透镜自由曲线上第i个点q_i(x_i，y_i)折射后平行于X轴射出,θ_i和θ_i-1分别表示表示第i根和i+1根入射光线所对应的θ值，由菲涅尔定律可得：

sinθ＝n×sinα，(8)

n×sin(β-α)＝sinβ,(9)

式中，θ和α分别为入射点m处的入射角和折射角，β为出射点q处的法线方向与X轴的夹角，n为透镜的折射率，空气折射率为1。

由(8)式和(9)式可得：

α_i＝sin^-1(sinθ_i/n)，(10)

k_i＝(1-n×cosα_i)/(n×sinα_i)，(11)

k_mpi＝tanα_i，(12)

式中，α_i表示第i根光线所对应的α值，k_i表示第i根出射光线与自由曲面交点处的切线斜率，k_mpi表示第i根光线入射点与出射点连线mp的斜率。

根据第i根入射光线和自由曲面交点的切线与第i+1根入射光线相交可得到离散点的迭代关系为：

x_i＝(x_i-1×k_i-1+d×tan(θ_i+1)-y_i-1-d×k^mpi)/(k_i-k_mpi)，(13)

y_i＝y_i-1+k_mpi×(x_i-x_i-1)，(14)

式中，d表示内透镜内表面距芯片距离，k_mpi表示i根光线入射点与出射点连线mp的斜率。通过对d和内透镜自由曲线初始点q₁(x₁，y₁)赋初值便可以得到内透镜自由曲线各离散点的坐标。

步骤二：将步骤一的迭代关系编好程后赋予初值通过MATLAB计算出内外自由曲线的离散点。

步骤三：将步骤二所求的离散点坐标先后导入CAD建模软件，通过样条曲线拟合成自由曲线1和自由曲线2，自由曲线1与共平面直线df形成的面s_def绕X轴旋转180°形成内透镜,其中，d点和f点为自由曲线1与直线df的交点。自由曲线2与共平面半圆弧曲线agb形成的平面s_abc沿X轴正方向拉伸距离D形成外透镜，其中a点和b点为自由曲线2与共平面半圆弧曲线agb的交点，g为点半圆弧曲线agb上一点。其中内透镜沿旋转方向准直光线，外透镜均匀控制准直光线分布，内外透镜组合得到紫外LED固化线光源光学透镜模型。把多个线光源透镜模型按夹角θ弧形集成排列得到产生大面积矩形光斑的紫外LED固化面光源光学***。

本发明的原理：基于非成像光学理论，完成内透镜自由曲线和外透镜自由曲线各离散点迭代关系的推导，编程后赋初值，通过MATLAB计算出各自由曲线的离散点，在CAD软件中建模，分别形成紫外固化线光源和面光源光学***。经TracePro光学仿真后，线光源光学***形成长条形矩形光斑，***能量利用率为60％，水平和垂直方向照度均匀度为分别为96.7％和98％；面光源光学***形成矩形光斑，***能量利用率为66.46％，水平和垂直方向照度均匀度为分别为97％和98.2％；满足紫外固化要求。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1)本发明基于菲涅耳定律和能量守恒定律，完成了自由曲线算法的推导，通过CAD软件将计算出来的离散点生成紫外LED固化线光源透镜模型，并通过多个固化透镜模型组合构成产生矩形光斑的紫外LED固化面光源模型。相比传统设计方法，大大节省时间，并能使光线进行精确控制，赋予不同的初始值，可获得不同形状透镜，满足不同场合的应用。

2)与传统的紫外固化光学***相比，本发明获得的紫外LED固化光学***，能够在固定工作距离的接受平面上形成所需尺寸的矩形光斑。通过组合可以由线光源生成面光源，能量利用率高，均匀性好，而且在一定的工作距离范围内，光斑的水平和垂直方向照度均匀度均在90％以上，满足了紫外固化要求。

附图说明

图1是本发明的外自由曲面原理示意图。

图2是本发明的内自由曲面原理示意图。

图3是本发明的紫外LED固化线光源模型图。

图4是本发明的紫外LED固化面光源模型图。

图5a是本发明紫外LED固化线光源的照度分布光斑图。

图5b是本发明紫外LED固化线光源的照度分布曲线图。

图6a是本发明紫外LED固化面光源的照度分布光斑图。

图6b是本发明紫外LED固化面光源的照度分布曲线图。

图7是本发明紫外LED固化面光源的照度均匀度随工作距离变化曲线图。

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1

如图1所示，一种紫外LED固化光学***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，以下两自由曲线离散点坐标迭代关系的推导；

a)外透镜自由曲面轮廓线的制作；

如图1所示，光源O点发出的光线与Y轴的夹角为θ，出射光线和外透镜自由曲线交点处的法线与出射光线的夹角为ε1，当θ为θ_i时，从光源O点发出的光线经过外透镜自由曲线上第i个点p_i(x_i，y_i)折射后到达接受屏幕上，θ_i和θ_i-1分别表示表示第i根和i+1根入射光线所对应的θ值，根据能量守恒定律得到第i根折射光线与接收面交点的横坐标r_i为：

$r_i=\sqrt{{(r_i-1)}^2+R^2\×({\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{i-1}}),---\left(1\right)$

式中，R为接受屏幕上光斑的半长；

光线在p点发生折射，由菲涅尔定律得到：

n×sinβ＝sinε1，(2)

式中，β和ε1分别为入射光线与外透镜自由曲线交点处的入射角和折射角，n为透镜的折射率，空气折射率为1；

由几何关系可得：

β-θ＝ε1-ε2，(3)

式中，ε2表示出射光线与Y轴的夹角；

由(2)式和(3)式得到：

ε2_i＝tan^-1((r_i-x_i)/(H-y_i))，(4)

α_i＝tan^-1(sin(θ_i-ε2_i)/(n-cos(θ_i-ε2_i))-θ_i，(5)

式中，α表示交点p处切线与X轴夹角，ε2_i和α_i分别表示第i根光线所对应的ε2和α值，H为接受屏幕与LED芯片的工作距离；

根据第i根入射光线与外透镜自由曲线交点的切线与第i+1根入射光线相交得到离散点的迭代关系式：

x_i+1＝(y_i-ki×x_i)/(tan(θ_i+1)-k_i)，(6)

y_i+1＝tan(θ_i+1)×x_i+1，(7)

式中k_i＝tanα_i，ki表示第i根入射光线与外透镜自由曲线交点p处的切线斜率，通过对R、H及外透镜自由曲线初始点p1(x₁，y₁)赋初值可以得到外透镜自由曲线各离散点；

步骤二：内透镜自由曲面轮廓线的制作；

如图2所示，θ(0°≤θ≤90°)为入射光线与X轴的夹角。当θ为θ_i时，从光源O点发出的光线经过内透镜自由曲线上第i个点q_i(x_i，y_i)折射后平行于X轴射出,θ_i和θ_i-1分别表示表示第i根和i+1根入射光线所对应的θ值，由菲涅尔定律可得：

sinθ＝n×sinα，(8)

n×sin(β-α)＝sinβ,(9)

式中θ和α分别为入射点m处的入射角和折射角，β为出射点q处的法线方向与X轴的夹角，n为透镜的折射率，空气折射率为1。

由(8)式和(9)式可得：

α_i＝sin^-1(sinθ_i/n)，(10)

k_i＝(1-n×cosα_i)/(n×sinα_i)，(11)

k_mpi＝tanα_i，(12)

式中，α_i表示第i根光线所对应的α值，k_i表示第i根出射光线与自由曲面交点处的切线斜率，k_mpi表示第i根光线入射点与出射点连线mp的斜率。

根据第i根入射光线和自由曲面交点的切线与第i+1根入射光线相交可得到离散点的迭代关系为：

x_i＝(x_i-1×k_i-1+d×tan(θ_i+1)-y_i-1-d×k_mpi)/(k_i-k_mpi)，(13)

y_i＝y_i-1+k_mpi×(x_i-x_i-1)，(14)

式中d表示内透镜内表面距芯片距离，k_mpi表示i根光线入射点与出射点连线mp的斜率。通过对d和内透镜自由曲线初始点q₁(x1，y1)赋初值便可以得到内透镜自由曲线各离散点的坐标。

步骤三：将步骤一和步骤二的迭代关系编程后赋予初值通过MATLAB计算出内外自由曲线的离散点。其中，内外透镜材料均采用高透光耐紫外材料聚碳酸酯pc，其折射率n为1.59，内透镜引入初始值坐标q₁(15mm，0mm)、θ₁＝0.001mm、d＝10mm，以及步长Δθ＝0.001mm，外透镜引入初值p₁(0.001mm,25mm)、R＝60mm、H＝50mm、D＝10mm、θ₁＝0.001mm，以及步长Δθ＝0.001mm。然后将所求的离散点坐标先后导入CAD建模软件，通过样条曲线拟合成自由曲线1和自由曲线2，自由曲线1与共平面直线df形成的面s_def绕X轴旋转180°形成内透镜,其中，d点和f点为自由曲线1与直线df的交点。自由曲线2与共平面半圆弧曲线agb形成的平面s_abc沿X轴正方向拉伸距离D形成外透镜，其中a点和b点为自由曲线2与共平面半圆弧曲线agb的交点，g为点半圆弧曲线agb上一点。其中内透镜沿旋转方向准直光线，外透镜均匀控制准直光线分布，内外透镜组合得到紫外LED固化线光源光学透镜模型。LED固化线光源透镜模型图如图3所示；

步骤四：将LED固化线光源模型导入到TracePro光学仿真软件中进行光线追迹模拟，验证并分析所建模型。如图5a和5b所示，分别为工作距离为50mm时目标面的照度分布光斑图及曲线图。从图5a可看出，光线基本上被限制在一个长约120mm,宽约20mm的似长条矩形光斑内。由5b可得，紫外LED出射的光线经紫外固化线光源***作用后分布在预定的光分布范围内紫外LED固化***的光能利用率为60％，水平方向照度均匀度为96.7％，垂直方向照度均匀度为98％。

实施例2

一种紫外LED固化光学***的制作方法，包括以下步骤：

步骤a：采用实例1步骤三中所述的LED固化线光源透镜模型，材料与尺寸与实例1相同；

步骤b：将六个步骤a中的LED固化线光源透镜模型按夹角θ为2.5°弧形集成排列得到产生大面积矩形光斑的紫外LED固化面光源光学***，实体模型如图4所示，然后导入到TracePro光学仿真软件中验证并分析所建模型。工作距离为50mm，图6a和6b分别为接收平面上的照度分布光斑图及曲线图。由图6a可得，光线基本上被控制在一个长约120宽、约100mm的长条形矩形光斑内。由图6b可得：紫外LED的出射光经紫外固化面光源***作用后分布在预定的光分布范围内紫外固化面光源***的光能利用率为66.46％，水平照度均匀度97％，垂直方向照度均匀度为98.2％。如图7所示，为光斑照度均匀度随工作距离的变化曲线，可以看出，在工作距离为45～60mm内，矩形光斑的水平和垂直方向照度均匀度在90％以上，满足紫外固化要求。

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。

Claims (5)

1.一种紫外LED固化光学***的制作方法，其特征在于，所述紫外LED固化光学***具有外透镜和内透镜，所述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，所述平面坐标系包括X轴和Y轴，以平面坐标系的坐标原点作为紫外LED的光源O，所述外自由曲面和内自由曲面的离散点坐标迭代关系的推导如下；

a)制作外透镜自由曲面轮廓线；

光源O点发出的光线与Y轴的夹角为θ，与外透镜自由曲线的交点处法线与出射光线的夹角为ε1，当θ为θ_i时，从光源O点发出的光线经过外透镜自由曲线上第i个点p_i(x_i，y_i)折射后到达接受屏幕上，θ_i和θ_i-1分别表示表示第i根和i+1根入射光线所对应的θ值，根据能量守恒定律得到第i根折射光线与接收面交点的横坐标r_i为：

$r_i=\sqrt{{\left(r_{i-1}\right)}^2+R^2\×({\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{i-1}}),---\left(1\right)$

式中，R为接受屏幕上光斑的半长；

光线在p点发生折射，由菲涅尔定律得到：

n×sinβ＝sinε1，(2)

式中，β和ε1分别为入射光线与外透镜自由曲线交点处的入射角和折射角，n为透镜的折射率，空气折射率为1；

由几何关系可得：

β-θ＝ε1-ε2，(3)

式中，ε2表示出射光线与Y轴的夹角；

由(2)式和(3)式得到：

ε2_i＝tan^-1((r_i-x_i)/(H-y_i))，(4)

α_i＝tan^-1(sin(θ_i-ε2_i)/(n-cos(θ_i-ε2_i))-θ_i，(5)

式中，α表示交点p处切线与X轴夹角，ε2_i和α_i分别表示第i根光线所对应的ε2和α值，H为接受屏幕与LED芯片的工作距离；

根据第i根入射光线与外透镜自由曲线交点的切线与第i+1根入射光线相交得到离散点的迭代关系式：

x_i+1＝(y_i-ki×x_i)/(tan(θ_i+1)-k_i)，(6)

y_i+1＝tan(θ_i+1)×x_i+1，(7)

式中k_i＝tanα_i，k_i表示第i根入射光线与外透镜自由曲线交点p处的切线斜率，通过对R、H及外透镜自由曲线初始点p₁(x₁，y₁)赋初值可以得到外透镜自由曲线各离散点；

步骤二：制作内透镜自由曲面轮廓线；

入射光线与X轴的夹角为θ；当θ为θ_i时，从光源O点发出的光线经过内透镜自由曲线上第i个点q_i(x_i，y_i)折射后平行于X轴射出,θ_i和θ_i-1分别表示表示第i根和i+1根入射光线所对应的θ值，由菲涅尔定律可得：

sinθ＝n×sinα，(8)

n×sin(β-α)＝sinβ,(9)

式中θ和α分别为入射点m处的入射角和折射角，β为出射点q处的法线方向与X轴的夹角，n为透镜的折射率，空气折射率为1；

由(8)式和(9)式可得：

α_i＝sin^-1(sinθ_i/n)，(10)

k_i＝(1-n×cosα_i)/(n×sinα_i)，(11)

k_mpi＝tanα_i，(12)

式中，α_i表示第i根光线所对应的α值，k_i表示第i根出射光线与自由曲面交点处的切线斜率，k_mpi表示第i根光线入射点与出射点连线mp的斜率；

根据第i根入射光线和自由曲面交点的切线与第i+1根入射光线相交可得到离散点的迭代关系为：

x_i＝(x_i-1×k_i-1+d×tan(θ_i+1)-y_i-1-d×k_mpi)/(k_i-k_mpi)，(13)

y_i＝y_i-1+k_mpi×(x_i-x_i-1)，(14)

式中d表示内透镜内表面距芯片距离，k_mpi表示i根光线入射点与出射点连线mp的斜率；通过对d和内透镜自由曲线初始点q₁(x₁，y₁)赋初值便可以得到内透镜自由曲线各离散点的坐标；

步骤二、将步骤一中的迭代关系编好程后赋予初值，并通过MATLAB计算出内透镜自由曲线(1)和外透镜自由曲线(2)的离散点；

步骤三、将步骤二中所求的离散点坐标先后导入CAD建模软件，通过样条曲线拟合成内透镜自由曲线(1)和外透镜自由曲线(2)；再分别构建成内透镜和外透镜；所述内透镜沿旋转方向准直光线，外透镜均匀控制准直光线分布，通过内外透镜组合得到紫外LED固化线光源光学透镜模型，把线光源透镜模型集成排列得到矩形光斑的紫外LED固化面光源光学***。

2.根据权利要求1所述的紫外LED固化光学***制作方法,其特征在于，在步骤一中，所述透镜由高透光性聚碳酸酯Pc或k9玻璃材料制备而成。

3.根据权利要求1所述的紫外LED固化光学***制作方法,其特征在于，在步骤二中，所述的内透镜自由曲线(1)和外透镜自由曲线(2)的离散点，通过MATLAB分别赋予初值R、H、p₁(x₁，y₁)、L和d、q₁(x₁，y₁)，并计算出各离散点坐标，其中，p₁(x₁，y₁)点的纵坐标y₁≥25mm，q₁(x₁，y₁)点的横坐标x₁≤15mm，d≥8mm。

4.根据权利要求1所述的紫外LED固化光学***制作方法,其特征在于，在步骤三中，所述内透镜由内透镜自由曲线(1)形成的面s_def绕X轴旋转180°形成,外透镜由外透镜自由曲线(2)形成的平面s_abc沿X轴正方向拉伸距离D而成。

5.根据权利要求1所述的紫外LED固化光学***制作方法,其特征在于，在步骤三中，所述的紫外LED固化面光源光学***是由相邻夹角为θ的若干紫外LED固化线光源光学透镜模型弧形集成排列而成，其中，2°≤θ≤3°。