365nm 紫外LED 二维空间阵列光学系统设计

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1、第３８卷第２期光子学报Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．２２００９年２月ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＦｅｂｒｕａｒｙ２００９３６５ｎｍ紫外ＬＥＤ二维空间阵列光学系统设计芦永军１，许文海２，曲艳玲１，赵欢２，宋敏１（１大连民族学院光电子技术研究所，辽宁大连１１６６００）（２大连海事大学，辽宁大连１１６０２６）摘要：针对紫外固化技术领域中新型大功率３６５ｎｍＵＶＬＥＤ光源进行了拓展性应用研究．提出了空间阵列排布实现能量累加的技术方案，给出了其优化设计原理与软件实例仿真结果．结果证明：该二维空间阵列光学设计方案的正确

2、性和可行性，完全可以实现应用现场的实际光学技术指标（辐照度、光斑尺寸、后工作距离、光斑等）；其中指标要求在辐照面实现５０ｍｍ×１０ｍｍ线状辐照光斑，后工作距离≥５０ｍｍ，辐照度≥１Ｗ／ｃｍ２，辐照面光斑分布均匀，设计出的空间阵列光学系统在结构上实现了最高优化设计．关键词：光学设计；紫外二极管；阵列；紫外固化中图分类号：Ｏ４３９文献标识码：Ａ文章编号：１００４４２１３（２００９）０２２６８４０引言供了理论及实验依据．紫外固化［１２］是许多行业（包括电子、包装、建材１紫外犔犈犇阵列系统设计方案等）胶体速凝

3、方面所广泛采用的技术，该技术的应用阵列系统设计在光学中有重要的应用（如半导可以极大地提高生产效率和产品质量［３５］．目前固化体激光阵列［６］，成像微透镜阵列［７８］等），其主导思想技术中的紫外辐射光源还较普遍地采用传统紫外灯是要通过针对单个发光体的光学系统参量设计与阵（超高压水银灯）．该灯存在不可避免的诸多问题（如列空间重构设计相结合实现合成图像或光斑光学指体积大、电光转化效率低、寿命短、光谱纯度低等），标（如均匀性、后工作距离、辐射强度、光斑尺等）的而新型紫外二极管ＵＶＬＥＤ辐射光源的出现则解优化控制

4、，最终达到现场使用的具体要求．决了这些问题，成为大规模拓展性应用的又一新亮１．１紫外犔犈犇阵列系统单元设计点．但是紫外固化材料广泛使用的中心波长为基于这种思路，针对单管ＵＶＬＥＤ光源的具体３６５ｎｍ的紫外ＬＥＤ单管辐射能量为６０～２００ｍＷ，发光特性，首先给出阵列单元光学设计的原理及思由于散热、寿命及体积等多方面的限制，单管紫外路．采用的单管ＵＶＬＥＤ辐射中心波长为３６５ｎｍ，ＬＥＤ辐射能量、能量限制已成为影响其在各领域推光谱半宽为１０ｎｍ，额定功率为２００ｍＷ，发散角是广使用的重要因素．±２５°，发光面

5、元为尺寸１×１ｍｍ２的正方形灯丝．为了充分发挥紫外ＬＥＤ的优势同时提高被辐单管ＬＥＤ的主要光学设计指标是在给定的后工作照面单位面积的辐射功率，本文提出了一种采用距离限制条件下实现最大限度的能量收集及光斑尺ＬＥＤ阵列空间分布实现能量重构光学设计方案．该寸控制，设计时需要在光斑尺寸与被辐射面元辐照方案通过针对单管的聚焦光学系统单元及各单元组度参量之间寻找折中点．成阵列进行空间合理重构设计实现辐射面的光功图１给出了单管ＬＥＤ光学设计的高斯近轴计率、光斑尺寸及实际现场使用要求，通过Ｚｅｍａｘ软算图，由近轴计算公式／狔

6、＝犾′／犾，其中狔为β＝狔′件进行了单管聚焦系统的光路计算，同时采用ＬＥＤ发光芯片半高度，狔＇为像方半光斑尺寸，由公式Ｌｉｇｈｔｔｏｏｌｓ软件对该阵列组合系统进行了非序列光可知像方光斑尺寸狔＇与后工作距离犾′在物方参量一线追迹及空间结构优化，得到了满足实现现场要求的光学仿真结果，证明了该设计方案的可行性和有效性，为实现紫外阵列ＬＥＤ光源系统的设计制造提大连市科技基金（２００５Ａ１１ＧＸ０４４）和大连民族学院博士启图１单管ＵＶＬＥＤ近轴计算几何图动基金（２００５６２０７）资助Ｆｉｇ．１ＦｉｇｕｒｅｏｆＧａｕ

7、ｓｓｐａｒａｘｉａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅＴｅｌ：０２０８８２３９４６７Ｅｍａｉｌ：ｙｏｎｇｊｕｎ＿ｌｕ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍＵＶＬＥＤｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ收稿日期：２００７１０３１２期芦永军，等：３６５ｎｍ紫外ＬＥＤ二维空间阵列光学系统设计２６９定的条件下是同比例变化的，需要寻求一个折中点以保证ＵＶＬＥＤ阵列空间排布在满足实际现场需求前提下实现较大数值孔径和最小的光斑尺寸，最终在辐射面上获得最高的辐照亮度．以较有应用前景的线状紫外辐射光斑为例，要求空间紫外阵列在辐射面产生一

8、条高亮度的线状辐射带，辐射带整体的光学均匀性、辐照度及１０ｍｍ宽尺寸为主要技术指标，就单管而言则首先需得到图３空间ＬＥＤ阵列系统的几何结构１０ｍｍ尺寸的光斑，及像方光斑半高为５ｍｍ．物方Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｐｌｏｔｏｆｔｗｏ辐射芯片半高为０．５ｍｍ，故／狔＝－１０×，辐射β＝狔′ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＵＶＬＥＤａｒｒａｙ发散角为±２５°，故要求聚光系统