新型空間光學陣列LED紫外固化光源系統研究

曲艷玲,蘆永軍,許文海,王麗梅

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

新型空間光學陣列LED紫外固化光源系統研究

曲艷玲1,蘆永軍1,許文海2,王麗梅1

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

大功率紫外LED是一種新型半導體光源,具有體積小、發熱量小、光電轉化效能高等優點。但是單管UV-LED存在功率小、輻射發散角大等缺陷,無法滿足實際現場應用要求,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設計方案,以實現空間能量累加且控制輻照面的光斑尺寸、輻照度、后工作距離等光學指標,經過 L ight-Tools軟件的優化設計與光學仿真模擬分析,證明了文中給出的點、線、面光固化光源系統設計方案合理、可行,為大功率 UV-LED的拓展性應用研究提供了可靠的實驗依據與可行性分析。

光學設計；紫外二極管；陣列；紫外固化

紫外輻照光固化技術是目前應用非常廣泛的一種涂料快速凝固技術,具有無需溶劑、無熱源、快捷、高效等優點,在多個應用領域 （如印刷、包裝、汽車等）有巨大的市場前景[1-2]。近幾年,紫外固化技術尤其在光電子生產領域 （如 DVD、LCD、光纖通信器件及模塊、其他微光電器件裝配等）得到了推廣與發展,極大地提高了生產效率,降低了生產成本,同時保證了產品質量。但是長久以來紫外輻射固化普遍采用功耗大、發熱量高、壽命短且效率低的高壓汞燈固化光源系統,制約了光固化技術的應用領域及快速推廣進程,因此迫切需要在不斷改進UV化工材料光固化特性的同時研制新型紫外輻射光源系統,以克服傳統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的發展是革命性的。該光源屬于新型半導體光源,具有電光轉化效率高、光譜純度高、體積小、發熱量低等優點,但是該型光源也有缺陷,即單管輻照功率太低及輻射強度分布均勻性差。為了充分發揮新型大功率 LED的優勢,同時彌補其不足,本文提出了單管能量聚光系統合理化空間二維陣列[3-5]排布設計方案,以實現多管 UV-LED能量的光學控制,最終在輻照面上實現空間能量累加,來達到應用現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聚光系統設計與多管 UV-LED空間排布優化光學設計相結合,給出了較大工作距離下大光斑、高輻照度的點、線、面陣列光源系統設計方案及光學仿真模擬結果,對于新型 UV-LED固化光源的研制以及最終大范圍、多領域的拓展性應用研究提供了實驗依據及可行性分析。

1 設計方案與考慮

大功率 UV-LED是半導體紫外光源,輻射發散角較大 （±25°）,所以能量的高效收集是單管聚光系統設計的重要指標,要求有大的數值孔徑NA。單管聚光系統作為后續空間陣列系統設計的基本單元,需要在設計初期對多個光學技術指標 （如后工作距離、輻照度、光斑形狀及尺寸、光斑光學均勻性等）綜合考慮,來保證各單元集成陣列后各指標實現的可行性。針對實際的現場使用要求 （如后工作距離大,以提供操作及應用場合靈活性；光斑尺寸大且輻照度同時滿足、光學均勻性好）,單管聚光系統設計需要在后工作距離或光斑尺寸與單位面積輻照度參數間尋求折中點。計算在基本滿足后工作距離指標（≥5 cm）條件下單聚光系統輻照度與實際應用要求之間的差距,初步確定空間 LED陣列系統的基本參數 （如 LED數量）及空間排布結構的可行性。基本指標滿足要求后,即進行單聚光系統結構參數及空間陣列排布優化設計,最終給出結構緊湊、后工作距大、光斑尺寸大、光學均勻性好且輻照度完全滿足要求的陣列 LED系統。下面給出具體的設計實例,驗證設計方案的合理性及可行性。UV-LED光源的主要技術指標見表 1,具體應用現場技術指標要求見表 2,圖 1為空間陣列系統的幾何平面圖。

表1 大功率 UV-LED主要技術指標

表2 實際應用現場技術指標

圖1 空間LED陣列系統的幾何結構圖

由于考慮到單元聚光系統傾斜照射時光斑展寬,導致輻射效率降低,故一般傾斜單元最大傾角不超過 45°,所以空間排布 LED數量d。實際現場輻照面 S上的輻照度要求為 E,單管聚光系統輻照度為 Es,故滿足輻照度基本要求的LED數量為最終可以確定滿足條件的 N值。由 10 mm光斑尺寸及1mm發光芯片的物像大小關系可確定×,取最大數值孔徑 NA=sin25°=0.42,則 LED芯片距離透鏡為故后工作距離 l′l＊β=100 mm,滿足設計指標要求。經Zemax軟件優化計算得到單管聚光系統的基本結構參數,該設計中采用了紫外高透過率及折射率的單片玻璃透鏡結合的非球面[6-7]及多層鍍膜技術,保證了系統的高透過率及成像質量。

經過 Light tools軟件光學仿真,得到了單管UV-LED聚光系統輻照面光學均勻性及輻照度結果,其光學均勻性≤5%,在 ±5mm方形光斑范圍內輻照度為 140 mW·cm-2,即完成了陣列系統基本單元的設計。以此基本單元為基礎,采用 L ight too ls軟件宏編輯功能來實現陣列系統空間結構排布自動優化,主要是實現能量累加均勻性及結構緊湊性指標,完成最終陣列系統的合理設計工作。

2 點、線、面光斑紫外 LED陣列光源系統

2.1 點光斑陣列系統

由單管聚光系統在輻照面上得到的輻照度 Es=140mW·cm-2及應用現場技術要求 E=1 000 mW·cm-2可知,實現單光斑陣列系統最少需要LED數量 N=7個,經過 L ight too ls優化后得到的空間排列結果如圖 2、圖 3。其中圖 2為緊湊型球面排列,LED數量為 9個實現最優配置,圖 3為一字線排列,依據機械加工及裝配的難度,擇優選擇其一作為最終方案。

圖2、圖 3中不僅給出了點光斑實現陣列系統的空間分布結構圖,同時分別給出了各系統最終得到的輻照光斑形狀、尺度及光學分布均勻性指標,從圖中可以看出,緊湊型球面陣列產生的光斑形狀不規則,但是輻照度分布較為均勻,在較小的區域內排布了 9個UV LED,最終單光斑輻照度較高,系統緊湊性好。而一字線陣列結構簡單,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,可作為線狀光斑陣列系統的基本單元。

2.2 線光斑陣列系統

再以圖 3中實現單光斑的一字線陣列結構為基本單元,通過 Light tools軟件可以優化出由點光斑密接形成的線光斑光源系統,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指標,線光斑陣列系統圖及結果如圖 4。

圖4 二維紫外線光斑陣列系統及輻照仿真結果

從圖 4中可以看出,經過 Light Tools非序列優化得到的線光斑輻照度分布非常均勻,線光斑長度為 5個單光斑的疊加,長度約為 50mm,陣列排布緊湊,達到了設計要求。

2.3 面光斑系統

通過圖 4線光斑 UV LED陣列系統的橫向掃描可以實現面光斑照明的效果,經過應用現場實驗可以確定掃描速度及范圍,以下給出 2種實現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橫向震蕩掃描模式,模式 2為待固化樣品或生產線移動實現模式。

圖5 采用線光斑陣列系統實現面照明的 2種模式

3 結 論

通過采用空間陣列系統設計,實現了多管 UV-LED輻射能量的定向控制和空間累積,充分發揮了 UV-LED的優勢同時彌補了其不足,而且具有更好的可操控性和靈活性,可以實現多種應用場合下的點、線、面固化照明,具有光斑光學均勻性好、尺度大、輻照度高、可通過外部電子線路控制、光束定向好、結構緊湊、無熱輻射損傷、功耗低、效率高等眾多傳統固化光源系統難于實現的優勢,因此也具有很好的應用和推廣前景。

[1]王軍,劉文彬,史明東.輻射固化膠粘劑的開發應用現狀[J].化學與粘合,2003,4:182-185.

[2]朱勝武,施文芳.紫外光 /電子束固化市場狀況及發展趨勢[J].輻射研究與輻射工藝學報,2001,19（3）:161-167.

[3]牛崗,樊仲維,王培峰,等.大功率半導體激光列陣單光纖耦合技術[J].半導體學報,2007,28（10）:1607-1610.

[4]王曉薇,方高瞻,馬宇,等.出纖功率 30W的激光二極管線列陣光纖耦合器件 [J].半導體學報,2004,25（5）:580-581.

[5]許文海,趙歡,蘆永軍.LED陣列式紫外固化光源光學系統設計 [J].光學精密工程,2007,15（7）:1032-1034.

[6]勾志勇,王江,王磊,等.衍射極限非球面準直透鏡[J].應用光學,2006,27（6）:528-530.

[7]陳勝斌,李紀賽,張新宇.基于硅各向異性腐蝕的非球面微光學元件的制作[J].半導體光電,2007,28（2）:231-234.

（責任編輯 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">文獻標志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0031-03

2010-11-11

曲艷玲 （1974-）,女,內蒙古海拉爾人,講師,主要從事光學設計與紅外成像技術研究。