紫外光LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向昌明， 文尚勝*， 陳穎聰， 史晨陽(yáng)

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

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紫外光LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向昌明1,2， 文尚勝1,2*， 陳穎聰1,2， 史晨陽(yáng)1,2

(1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

為解決紫外光LED固化面光源光斑均勻性差及輻照強(qiáng)度低的問(wèn)題，提出一種陣列式紫外光LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法?；趲缀喂鈱W(xué)及菲涅耳定律等相關(guān)理論，完成近朗伯光型LED透鏡自由曲面輪廓線的推導(dǎo)，結(jié)合理論公式計(jì)算出透鏡陣列排布時(shí)透鏡之間的最佳間距。結(jié)果表明：透鏡有效控制了光線的發(fā)散，提高了陣列面光源所產(chǎn)生光斑的輻照強(qiáng)度及照度均勻度，使陣列結(jié)構(gòu)更加緊湊。當(dāng)光源半值角分別為27.5°和15.5°時(shí)，照度均勻度分別為95.3%和98.6%，輻照強(qiáng)度分別是理想朗伯型光源陣列的2.5倍和6.4倍。進(jìn)一步分析了工作距離和芯片形狀及其尺寸對(duì)面光源光學(xué)系統(tǒng)的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為紫外發(fā)光二極管的應(yīng)用及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

光學(xué)設(shè)計(jì)； 自由曲面； 近朗伯光源； 紫外固化； 陣列

1 引 言

紫外光LED固化技術(shù)從紫外固化技術(shù)衍生而來(lái)，與傳統(tǒng)固化光源相比，紫外發(fā)光二極管(UV-LED)光源具有節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)、工作時(shí)不用預(yù)熱、可隨時(shí)開啟或關(guān)閉、不產(chǎn)生熱輻射等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。紫外光LED固化范圍已由原來(lái)的點(diǎn)固化拓展到線固化和面固化，正向三維體固化方向發(fā)展，應(yīng)用范圍非常廣。目前，許多印刷設(shè)備已經(jīng)100%使用UV-LED固化技術(shù)[4]。隨著技術(shù)的日益成熟，UV-LED固化光源將很快替代傳統(tǒng)的固化光源。

目前很多光學(xué)系統(tǒng)采用的是LED陣列排布[5-7]。對(duì)于紫外固化陣列模組，未經(jīng)二次配光的燈珠發(fā)出的光直接照射在被固化物體表面，燈珠形成的光斑會(huì)與周圍燈珠形成的光斑重合，光斑均勻性差。通過(guò)理論計(jì)算可得出芯片的最佳排列間距，這樣雖然可以在一定程度上改善光斑的照度均勻性，但LED為朗伯型光源，即光強(qiáng)呈余弦分布，半值角大，光線發(fā)散，難以實(shí)現(xiàn)緊湊的封裝，在目標(biāo)平面形成的光斑輻照強(qiáng)度及均勻度難以達(dá)到紫外固化要求；且工作距離稍微偏離固定工作距離后，輻照強(qiáng)度及均勻度下降明顯。因此，LED二次配光是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[8-12]。

王加文等[13]對(duì)LED陣列模組化中的照度均勻性問(wèn)題進(jìn)行了研究，并用模擬退火算法進(jìn)行了優(yōu)化；史晨陽(yáng)等[14]提出用Taguchi方法解決曲面LED陣列照度問(wèn)題；郝劍等[15]設(shè)計(jì)了陣列型紫外LED均勻照明系統(tǒng)，提出利用TRACEPRO軟件的宏語(yǔ)言及優(yōu)化引擎對(duì)模組陣列間距進(jìn)行優(yōu)化；Wu等[16]通過(guò)能產(chǎn)生矩形光斑的透鏡陣列排布，實(shí)現(xiàn)了大面積矩形光斑照明。以上方法雖然改善了照度均勻度，但難以實(shí)現(xiàn)光源緊湊封裝，且光斑輻照強(qiáng)度較小。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種紫外光LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法?；趲缀喂鈱W(xué)和菲涅爾定律等理論，完成近朗伯光型LED透鏡內(nèi)外自由曲面輪廓線算法的推導(dǎo)。LED芯片與透鏡組合形成近朗伯光源，近朗伯光源相對(duì)LED芯片光源半值角變小。結(jié)合理論公式計(jì)算出了透鏡陣列排布時(shí)透鏡之間的最佳間距，然后通過(guò)陣列排布構(gòu)造出面光源光學(xué)系統(tǒng)。

2 理論建立

2.1 陣列設(shè)計(jì)理論

紫外固化對(duì)固化光學(xué)系統(tǒng)要求很高，系統(tǒng)產(chǎn)生的光斑需同時(shí)滿足輻照強(qiáng)度及均勻性的要求。為達(dá)到輻照強(qiáng)度要求，通常采用LED陣列或LED透鏡陣列方案實(shí)現(xiàn)，如將LED芯片或LED透鏡陣列安裝在弧形曲面上或平面上以實(shí)現(xiàn)能量的疊加。陣列安裝在弧面上的工藝復(fù)雜，成本高，所以本文只討論陣列安裝在平面上的情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，LED器件發(fā)光表現(xiàn)為非朗伯型光源特性，其光強(qiáng)分布函數(shù)可以表示為

(1)

式中，m主要由制造商決定，可表示為

(2)

式中，半值角θ0.5表示光源發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值1/2時(shí)的發(fā)光方向與發(fā)光軸向(法線)的夾角。

如圖1所示，目標(biāo)平面與LED芯片之間的垂直間距為z，d為L(zhǎng)ED芯片之間的間距，LED以矩形陣列N×M的方式排列在XY平面上，N和M分別表示X方向和Y方向上的LED芯片數(shù)目。當(dāng)N和M都為偶數(shù)時(shí)，P點(diǎn)總照度[17]為

(3)

當(dāng)總照度斜率最小時(shí)，得到工作距離z與芯片最佳間距d的關(guān)系為

(4)

由式(2)和(4)可得，芯片間距d由光源半值角θ0.5和工作距離z決定，θ0.5越小，d與z之間的正比例系數(shù)越小。即工作距離z不變時(shí)，d隨θ0.5的減小而減小。因此，減小光源的半值角，不但可以控制光線發(fā)散，還可以增大封裝密度，提高光斑輻照強(qiáng)度。

2.2 近朗伯光型LED透鏡的設(shè)計(jì)理論

如圖2所示，LED芯片表面發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)透鏡內(nèi)表面P點(diǎn)和外表面Q點(diǎn)，發(fā)生兩次折射。光源光線出射角α為出射光線與Y軸正方向的夾角，β表示透鏡出射光線與Y軸正方向的夾角，δl和δ0分別表示P點(diǎn)切線和Q點(diǎn)切線與X軸負(fù)方向的夾角。θ表示折射光線在透鏡內(nèi)部傳播路徑lPQ與Y軸正方向的夾角。由光學(xué)理論可知，當(dāng)光線兩次偏離角度相等時(shí)，透鏡偏差最小，可得

(5)

光線在P點(diǎn)和Q點(diǎn)發(fā)生折射，由菲涅爾定律可得

(6)

(7)

式中，n表示透鏡材料的折射率，由式(6)和(7)可得

(8)

(9)

由式(8)和(9)可得光源每個(gè)光線的出射角α所對(duì)應(yīng)的P點(diǎn)和Q點(diǎn)的切線斜率。為了獲得不同半值角的近朗伯光源，β定義為

(10)

式中，k(0.1

3 結(jié)果與討論

3.1 近朗伯光型LED透鏡設(shè)計(jì)實(shí)例

進(jìn)入透鏡的光線，會(huì)被透鏡吸收一部分，吸收比例因材料而異，且透鏡材料受紫外光照射易老化發(fā)黃，因而透鏡采用高透光耐紫外材料聚碳酸酯(PC)，表1列舉了近朗伯光型LED透鏡(a和b)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算出內(nèi)外自由曲面輪廓線離散點(diǎn)，圖3為透鏡a和透鏡b的輪廓線圖。表中H和R分別表示透鏡的高和半徑。

表1 透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)

透鏡模型導(dǎo)入TRACPRO軟件中進(jìn)行光學(xué)追跡，采用幾何尺寸為1 mm×1 mm×0.25 mm的LED芯片。圖4為光學(xué)追跡后的歸一化矩形光強(qiáng)分布曲線。由圖可知，理想的朗伯型光源半值角θ0.5為60°，由式(2)得m值為1，近朗伯光型LED透鏡a和透鏡b與LED芯片組合的近朗伯光源的半角值θ0.5分別為27.5°和15.5°，對(duì)應(yīng)m值分別為5.87和16.58。未經(jīng)配光的理想朗伯型光源的光束發(fā)散，能量分散。芯片前加上近朗伯光型LED透鏡后，有效控制了光束的發(fā)散，半值角越小則能量越集中。

3.2 紫外光LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造

紫外固化時(shí)，輻照強(qiáng)度必須達(dá)到一定強(qiáng)度才能激活光引發(fā)劑，進(jìn)而引發(fā)被固化樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)交聯(lián)成膜。單管UV-LED的功率小，難以達(dá)到固化輻照強(qiáng)度要求，必須通過(guò)UV-LED芯片陣列排布實(shí)現(xiàn)能量的累加才能達(dá)到照度要求。圖5為近朗伯光型LED透鏡陣列面固化光學(xué)系統(tǒng)。透鏡以6×6陣列矩形排布，即N和M都為6。透鏡(或芯片)間距為d，芯片和透鏡通過(guò)導(dǎo)熱膠直接粘貼在基板上，透鏡起配光和散熱雙重作用。

Fig.5 Area-focusing source optical system of rectangular LED lens array (6×6)

表2列舉了不同陣列面光源光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)及模擬結(jié)果，工作距離都為20 mm，芯片幾何尺寸都為1 mm×1 mm×0.25 mm，定義照度均勻度為平頂區(qū)域[18]最小照度與最大照度的比值。由表2可得，當(dāng)z不變時(shí)，光源半值角θ0.5減小。由式(2)可知間距d減小，陣列排列變緊密，封裝結(jié)構(gòu)更加緊湊。圖6分別為不同透鏡陣列面光源的照度分布曲線圖及陣列a的3D照度分布圖，結(jié)合表2可得：隨著光源半值角θ0.5變小，光斑均勻性變好，單位表面積上的輻照強(qiáng)度增大，陣列a和陣列b產(chǎn)生的光斑最大輻照度分別是理想朗伯型光源陣列的2.5倍和6.4倍；同時(shí)，光斑邊緣照度梯度也隨光源半值角減小而增大，邊緣光線浪費(fèi)減少。這是因?yàn)楣庠窗l(fā)散角減小使分布在平頂區(qū)域的光線增多。

表2 不同光源陣列面固化光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)及模擬結(jié)果

3.2.1 不同芯片形狀及其尺寸對(duì)面光源的影響

透鏡自由曲面輪廓線的數(shù)據(jù)點(diǎn)是在把LED芯片當(dāng)做點(diǎn)光源的情況下得到的。實(shí)際應(yīng)用中，芯片具有一定的形狀和表面積，芯片表面出射的光會(huì)發(fā)生一定的偏離，影響光斑的輻照強(qiáng)度及照度均勻性，進(jìn)而影響被固化對(duì)象的固化結(jié)果，因此有必要分析芯片形狀及其尺寸對(duì)面光源的影響。以陣列 a 面固化光學(xué)系統(tǒng)為研究對(duì)象，圖7為芯片表面為圓形和正方形時(shí)光斑輻照強(qiáng)度及照度均勻度隨芯片表面積的變化曲線。由圖可得，芯片表面積在[1 mm2,9 mm2]范圍變化時(shí)，照度均勻度變化幅度較小，均勻度都在90%以上，輻照強(qiáng)度最大下降比例為12.5%。整體上，與芯片表面為正方形的系統(tǒng)相比，芯片表面為圓形的系統(tǒng)輻照強(qiáng)度要高，光斑均勻性要好。

圖6 不同光源陣列面光源的照度分布圖(a)及陣列b的3D照度分布圖(b)

Fig.6 Irradiance distribution of different area-focusing(a) and 3D irradiance map for array b (b)

圖7 輻照強(qiáng)度及照度均勻度隨芯片表面積的變化曲線

Fig.7 Irradiance intensity and illuminance uniformity as a function of chip surface area

3.2.2 工作距離對(duì)面光源光學(xué)系統(tǒng)的影響

紫外固化速度與基材、涂料、固化距離等有關(guān)，一般紫外設(shè)備的固化效果在廠家規(guī)定的固化工作距離時(shí)最好。偏離固化工作距離后，光斑輻照強(qiáng)度及照度均勻度下降明顯，致使固化速度變慢，固化效果變差。然而在實(shí)際應(yīng)用中，工藝操作及設(shè)備誤差等都會(huì)使工作距離有所浮動(dòng)，難以保證工作距離不變。因此，有必要分析工作距離對(duì)面光源光學(xué)系統(tǒng)的影響。照度均勻度偏小會(huì)影響固化結(jié)果的一致性。我們引入有效固化光斑寬度Wn，即照度分布曲線圖中輻照度為峰值90%以上的部分所對(duì)應(yīng)的光斑寬度。表3為不同的工作距離下陣列a面固化光學(xué)系統(tǒng)的模擬結(jié)果，圖8為對(duì)應(yīng)的歸一化照度分布圖。結(jié)合圖表可得，工作距離增大，使光斑邊緣照度變化梯度減小，有效固化光斑寬度變小，照度均勻性變好，最大輻照度強(qiáng)度變化很小。

表3 不同工作距離下的模擬結(jié)果

圖8 不同工作距離下的歸一化照度分布圖

Fig.8 Normalized irradiance distribution of rectangular LED lens array(6×6) with different work distance

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陣列模組采用3.2所述的Array a陣列，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為20 ℃，濕度為55%，測(cè)試使用遠(yuǎn)方SPIC-200照度計(jì)。為了便于得到光斑圖，在平板玻璃上放置一張白紙作為接收平面。圖9為實(shí)驗(yàn)裝置圖及測(cè)試結(jié)果圖(制照度分布圖時(shí)，水平方向上，水平向左為正方向；垂直方向上，豎直向上為正方向)。由圖可得，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果大致相同，分析其誤差主要原因有：(1)各芯片發(fā)光效率存在差異(制造或散熱差異造成)；(2)透鏡生產(chǎn)、手工組裝及測(cè)試產(chǎn)生的誤差。

Fig.9 Experimental device and test results. (a) Experimental device. (b) Test spot diagram. (c) Normalized irradiance distribution.

5 結(jié) 論

紫外光LED固化光源相對(duì)其他固化光源有諸多優(yōu)點(diǎn)，但單管LED功率小且光線發(fā)散，未經(jīng)配光很難達(dá)到紫外固化對(duì)固化光斑輻照強(qiáng)度及照度均勻度的要求。本文提出紫外光LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，整個(gè)計(jì)算和建模過(guò)程時(shí)間短，透鏡易加工，大大節(jié)省了時(shí)間。仿真結(jié)果表明：近朗伯光型LED透鏡陣列相對(duì)理想朗伯型光源陣列提升了固化光斑的輻照強(qiáng)度及照度均勻度；與芯片表面為正方形的系統(tǒng)相比，芯片表面為圓形的系統(tǒng)輻照度強(qiáng)度更高，光斑均勻性更好，且光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的固化光斑的輻照度強(qiáng)度及照度均勻度對(duì)工作距離敏感度較小。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果大致相同，為紫外LED的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

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向昌明(1990-)，男，湖南懷化人，碩士研究生，2014年于南華大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體器件光學(xué)設(shè)計(jì)及散熱方面的研究。E-mail: xcmscut@163.com

文尚勝(1964-)，男，湖北黃岡人，博士，教授，2001年于華南師范大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事有機(jī)及無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料與器件方面的研究。E-mail: shshwen@scut.edu.cn

Optical System Design of LED Area Source for Ultraviolet Curing

XIANG Chang-ming1,2, WEN Shang-sheng1,2*, CHEN Ying-cong1,2, SHI Chen-yang1,2

(1. Institute of Polymer Optoelectronic Materials and Devices， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China 2.StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevice，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China)*CorrespondingAuthor,E-mail:shshwen@scut.edu.cn

In order to enhance the uniformity and irradiation intensity of UV-LED area curing, an optical system for array UV-LED curing area-focusing was constructed. Based on the geometrical optics and Fresnel’s law, the derivation of lens contour was completed, and the optimum resolution of lens array was calculated. The results show that the light is controlled effectively by lens, the irradiance intensity and irradiance uniformity of area-focusing are improved, while the structure of array is more compact. When the half value of the light source is 27.5° and 15.5°, the uniformity is 95.3% and 98.6%, and the irradiance intensity is 2.5 and 6.4 times larger than Lambertian optical source array. The influence of working distance and the parameters of chip on area-focusing optical source system is also analyzed, and the simulation results are verified by experiments. These results provide theoretical basis for the application of UV-LED and optical design.

optical design; freeform surface; approximate Lambertian source; ultraviolet curing; array

1000-7032(2016)12-1507-07

2016-06-25；

2016-08-24

國(guó)家文化科技提升計(jì)劃(GJWHKJTSXM20154464); 廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)(2015B010134001)； 廣東省揚(yáng)帆計(jì)劃引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)(2015YT02C093)； 廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201604010006)資助項(xiàng)目

O439

A

10.3788/fgxb20163712.1507