CN103568544A

CN103568544A - 一种固化光学系统以及印刷设备

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Publication number: CN103568544A
Application number: CN201310590628.7A
Authority: CN
Inventors: 徐卫琼; 柯有勇; 敖日塔; 邓伟
Original assignee: BEIJING HUIYAN ZHIXING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING HUIYAN ZHIXING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明提供了一种固化光学系统以及印刷设备：多个LED固定在LED基板上组成的LED阵列，多个透镜固定在透镜基板上组成的蝇眼透镜，会聚透镜；所述LED的个数与透镜的个数相等，并且采用相同的阵列排列方式以使得每一个LED的光学中心与每一个透镜的光学中心重合；所述会聚透镜的面积不小于LED阵列的面积；LED阵列出射的光经过蝇眼透镜整形后得到平行光，蝇眼透镜出射的平行光经会聚透镜会聚后获得预设面积的固化光，蝇眼透镜以及会聚透镜将LED阵列出射的光会聚获得预设面积的固化光，减小了LED阵列的辐照面积，提高了辐照功率，实现了一种瞬间点亮和关闭的固化系统，LED阵列使用寿命长，节约能源，降低固化设备的成本。

Description

一种固化光学系统以及印刷设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种固化光学系统以及印刷设备。

背景技术

印刷技术是采用计算机设计以及电子刻绘等技术实现的一种现代印刷技术，使用印版或其他方式将原稿上的图文信息转移到承印物上的工艺技术。为了保证印刷的速度和质量，需要采用高效的印后烘干设备。目前，印刷技术最常用的是紫外线（UV）油墨，主要采用固化设备对UV油墨进行固化烘干。

现有的固化设备主要采用汞灯灯管提供固化的光源，汞灯灯管接通电源后，启动较慢，必须等待汞灯达到正常工作状态后才能打印，降低网络打印的效率；并且汞灯不能瞬时点亮和关闭，在打印过程中，印刷品面积之间存在较大的间隔不需要固化时，仍然需要保持汞灯一直处于点亮的状态，造成了能源的浪费；汞灯灯管的使用寿命只有800～3000小时，使用寿命短，造成固化设备价格昂贵，维护成本高。

为了解决汞灯灯管启动慢，不能瞬间点亮和关闭以及使用寿命短等问题，使用LED阵列替换汞灯灯管，LED可以瞬间点亮和关闭，并且使用寿命长达20000～30000小时，并且LED的成本低，降低了固化设备的成本，无需额外的维护成本，提高了网络印刷的效率。

但是，由于单个LED的照明功率仅为1w～10w，照明功率很低，无法满足固化的需求，必须采用多个LED组成的阵列才能达到固化所需的辐照功率。LED阵列的辐照面积较大，单位面积的辐照功率较低，无法满足对条形码或二维码等小面积印刷品，对于固化设备进行小面积高功率的固化需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种固化光学系统以及印刷设备，采用蝇眼透镜与会聚透镜依次将LED阵列射出的光进行会聚，减小LED阵列的辐照面积，提高LED阵列的辐照功率。

一种固化光学系统，所述系统包括：

多个LED固定在LED基板上组成LED阵列，多个透镜固定在透镜基板上组成蝇眼透镜，会聚透镜；

所述LED的个数与透镜的个数相等，并且采用相同的阵列排列方式以使得每一个LED的光学中心与每一个透镜的光学中心重合；

所述会聚透镜的面积不小于LED阵列的面积；

LED阵列出射的光经过蝇眼透镜整形后得到平行光，蝇眼透镜出射的平行光经会聚透镜会聚后获得预设面积的固化光。

可选的，所述会聚透镜包括：

凸透镜、平凸透镜或菲涅尔透镜。

可选的，

所述菲涅尔透镜为薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。

可选的，

所述LED基板为印刷电路板，多个LED焊接在印刷电路板上组成LED阵列。

可选的，

所述蝇眼透镜中的每个透镜可以是一个整体，镶嵌固定在透镜基板上；

或者，

蝇眼透镜中的每个透镜分为上半透镜和下半透镜分别固定在透镜基板上，上半透镜与下半透镜光学中心重合，上半透镜接收LED出射的光，下半透镜输出整形后的平行光。

可选的，所述透镜基板的材料包括：

透镜和透镜基板为一个整体时，所述透镜基板的材料包括紫外光玻璃或红外光玻璃；

透镜和透镜基板不是一个整体时，所述透镜基板的材料包括紫外光玻璃、红外光玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。

可选的，确定透镜的上表面曲率半径和下表面曲率半径的参数包括：

LED的发光角度，LED与透镜的距离，LED的波长和LED的配光曲线。

可选的，所述LED包括：

紫外LED或红外LED。

一种印刷设备，所述印刷设备包括权利要求1-8任意一项所述的固化光学系统。

由上述内容可知，本发明有如下有益效果：

本发明提供了一种固化光学系统以及印刷设备，所述系统包括：多个LED固定在LED基板上组成的LED阵列，多个透镜固定在透镜基板上组成的蝇眼透镜，会聚透镜；所述LED的个数与透镜的个数相等，并且采用相同的阵列排列方式，以使得每一个LED的光学中心与每一个透镜的光学中心重合；所述会聚透镜的面积不小于LED阵列的面积；LED阵列出射的光经过蝇眼透镜整形后得到平行光，蝇眼透镜出射的平行光经会聚透镜会聚后获得预设面积的固化光，蝇眼透镜以及会聚透镜将LED阵列出射的光会聚获得预设面积的固化光，减小了LED阵列的辐照面积，提高了辐照功率，实现了一种瞬间点亮和关闭的固化系统，LED阵列使用寿命长，节约能源，降低固化设备的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种固化光学系统实施例一结构示意图；

图2为本发明LED阵列结构示意图；

图3为本发明多个透镜103组成的蝇眼透镜结构正视图；

图4为本发明多个透镜103组成的蝇眼透镜结构右视图；

图5为本发明一种固化光学系统实施例二结构示意图；

图6为本发明菲涅尔透镜结构右视图；

图7为本发明菲涅尔透镜结构正视图；

图8为入射光经菲涅尔透镜折射示意图；

图9为入射光经透镜103折射示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种固化光学系统以及印刷设备，采用蝇眼透镜与会聚透镜依次将LED阵列射出的光进行会聚，实现了固化光学系统瞬间点亮和关闭，辐照面积小，功率高。

下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。

实施例一

图1为本发明一种固化光学系统实施例一结构示意图，所述系统包括：

多个LED101固定在LED基板102上组成LED阵列，多个透镜103固定在透镜基板104上组成蝇眼透镜，会聚透镜105。

如图2所示，多个LED101固定在LED基板102上组成LED阵列，其中，多个LED101的排列方式并不仅限于图2所示的11×11的正方形阵列，LED101的个数可以根据实际需求增加或减少。多个LED101的排列方式并不仅限于正方形，还可以排列成长方形、菱形或圆形等，多个LED101的排列方式主要取决于需要被固化的印刷品的形状。

可选的，LED基板102为印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB），多个LED101焊接在PCB板102上，PCB板给多个LED101提供电能。

这里需要说明的是，LED基板除了是PCB板以外，还可以是一般的固定板，LED基板与电源相连，给多个LED101提供电能。

可选的，所述LED101可以采用紫外LED或红外LED。这里需要说明的是，LED101还可以根据实际需要设置LED发光的波长，可以实现印刷油墨的固化即可，并不仅限于上述几种LED，这里不再一一赘述。

可选的，所述会聚透镜包括凸透镜、平凸透镜或菲涅尔透镜。这里需要说明的是，会聚透镜为凸透镜和平凸透镜时，可以采用球面透镜或非球面透镜，还可以采用其他种类可以将平行光会聚到一个小面积的透镜，这里不再一一赘述。

图3为多个透镜103组成的蝇眼透镜结构正视图，图4为蝇眼透镜的右视图。

透镜103的材质由LED101确定，例如，当LED101为紫外光LED时，透镜103为透紫外线玻璃；当LED101为红外光LED时，透镜103为透红外线玻璃。

可选的，所述蝇眼透镜中的每个透镜103可以是一个整体，镶嵌固定在透镜基板104上。

其中，所示透镜基板104的材料包括：

透镜和透镜基板不是一个整体时，所述透镜基板的材料包括紫外光玻璃、红外光玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。。

可选的，蝇眼透镜中的每个透镜103分为上半透镜和下半透镜分别固定在透镜基板上，上半透镜与下半透镜光学中心重合，上半透镜接收LED出射的光，下半透镜输出整形后的平行光。

LED101可以实现瞬时打开和关闭，使用寿命长达20000～30000小时，被照射的印刷品表面温度升高在5摄氏度以下，制作成本低，无需维护成本，不会造成汞污染。

所述LED101的个数与透镜103的个数相等，并且采用相同的阵列排列方式以使得每一个LED的光学中心与每一个透镜的光学中心重合。

每个LED101的光源中心对应一个透镜103的光心，LED阵列的排列方式与蝇眼透镜的排列方式相同，如图1所示，一个LED101与一个透镜上下对应。从而保证每个透镜103将LED101出射的整形聚成平行光。

所述会聚透镜105的面积不小于LED阵列的面积。

为了保证LED阵列出射的光都被会聚透镜105所会聚，则会聚透镜105的面积不小于LED阵列的面积，即不小于蝇眼透镜的面积。

LED阵列出射的光经过蝇眼透镜整形后得到平行光，蝇眼透镜出射的平行光经会聚透镜105会聚后获得预设面积的固化光。

会聚透镜将蝇眼透镜输出的平行光会聚得到预设面积的固化光，预设面积根据实际印刷品的面积以及印刷品所需的固化面积所决定，预设面积应该大于印刷品的面积，但是最好不要超过印刷品面积的二倍，会聚后的光的辐照功率应该等于或略大于印刷品所需的固化功率。

这里需要说明的是，固化光学系统根据实际需要可以设计的很小也可以设计的较大，根据实际应用尝尽进行具体设计。

由上述内容可知，本发明有如下有益效果：

多个LED固定在LED基板上组成的LED阵列，多个透镜固定在透镜基板上组成的蝇眼透镜，会聚透镜；所述LED的个数与透镜的个数相等，并且采用相同的阵列排列方式，以使得每一个LED的光学中心与每一个透镜的光学中心重合；所述会聚透镜的面积不小于LED阵列的面积；LED阵列出射的光经过蝇眼透镜整形后得到平行光，蝇眼透镜出射的平行光经会聚透镜会聚后获得预设面积的固化光，蝇眼透镜以及会聚透镜将LED阵列出射的光会聚获得预设面积的固化光，减小了LED阵列的辐照面积，提高了辐照功率，实现了一种瞬间点亮和关闭的固化系统，LED阵列使用寿命长，节约能源，降低固化设备的成本。

实施例二

图5为本发明一种固化光学系统实施例二结构示意图，与实施例一相比，实施例二中会聚透镜为菲涅尔透镜，所述系统包括：

多个LED101固定在LED基板102上组成LED阵列，多个透镜103固定在透镜基板104上组成蝇眼透镜，菲涅尔透镜501。

图6为菲涅尔透镜的右视图，所述菲涅尔透镜为薄片，镜片表面一面为光面基底601，另一面刻录了由小到大的同心圆602。图7为菲涅尔透镜的正视图，可以看出，菲涅尔透镜501的同心圆602是以菲涅尔透镜的几何中心为圆心的同心圆，从菲涅尔透镜501的几何中心到边缘，同心圆的直径由小到大均匀增大。

图8为入射光经菲涅尔透镜折射示意图，其中，N₁为空气的折射率，N₂为菲涅尔透镜材料的折射率。θ_n、

β_n、

分别为菲涅尔透镜斜面和平面两侧的入射角和折射角，r_n、

分别是入射点A、B距离透镜光轴OO’的距离，f、f′分别是菲涅尔透镜的物方焦距和像方焦距，α_n为菲涅尔透镜每个小三角形斜面和底边的夹角，h是每个小三角镜的斜面中心距离平面的距离，所述菲涅尔透镜501中各个参数满足下述公式：

\frac{{\sin θ}_{n}}{{\sin θ}_{n}^{'}} = \frac{{\sin β}_{n}^{'}}{{\sin β}_{n}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = N - - - (1)

{\tan α}_{n} = \frac{\frac{r_{n}^{/}}{\sqrt{{f^{'}}^{2} + {r_{n}^{/}}^{2}}} + \frac{r_{n}}{\sqrt{{(f - h)}^{2} - r_{n}^{2}}}}{\sqrt{N^{2} - \frac{{r_{n}^{/}}^{2}}{{f^{'}}^{2} + {r_{n}^{/}}^{2}}} - \frac{f - h}{\sqrt{{(f - h)}^{2} + r_{n}^{2}}}} - - - (2)

所述LED101的个数与透镜103的个数相等，并且采用相同的阵列排列方式以使得每一个LED的光学中心与每一个透镜的光学中心重合。透镜103的上表面曲率半径以及下表面曲率半径由LED101的发光角度，LED101与透镜103的距离，LED的波长，LED的配光曲线等参数确定。

图9为透镜103光路图，若LED101的发光角度为α，PCB板与透镜103之间的距离为L，则每个透镜103的焦距f′=L，每个透镜103的通光孔径D=2L tanα，透镜103的上表面曲率半径以及下表面曲率半径满足公式（3）和公式（4）：

f^{'} = \frac{n^{'}}{\frac{n_{L} - n}{r_{1}} - \frac{n_{L} - n^{'}}{r_{2}}} - - - (3)

f = \frac{n}{\frac{n_{L} - n}{r_{1}} - \frac{n_{L} - n^{'}}{r_{2}}} - - - (4)

其中，f和f′分别为物方焦距和像方焦距，n和n′分别为空气物方和像方折射率，n_l为透镜103的折射率，r₁为透镜103物方球面的曲率半径，r₂为透镜103像方球面的曲率半径。

所述菲涅尔透镜501的面积不小于LED阵列的面积。

菲涅尔透镜501的面积不小于LED阵列的面积，即不小于蝇眼透镜的面积，用于将LED阵列上所有的LED发射的光经蝇眼透镜整形后得到的平行光进行会聚，减少光能的损失。

LED阵列出射的光经过蝇眼透镜整形后得到平行光，蝇眼透镜出射的平行光经菲涅尔透镜501会聚后获得预设面积的固化光。

多个LED101固定在LED基板102上组成LED阵列，多个透镜103固定在透镜基板104上组成蝇眼透镜的其他描述与实施例一类似，参考实施例一的描述，这里不再赘述。

由上述内容可知，本发明还有如下有益效果：

会聚透镜采用菲涅尔透镜，与凸透镜和平凹透镜相比，降低生产成本，菲涅尔透镜的造价远低于凸透镜和平凹透镜的造价。

实施例三

本发明还提供了一种印刷设备，其中，所述印刷设备包括实施例一和实施例二所述的固化光学系统。

这里需要说明的是，实施例一和实施例二所述的固化光学系统不仅可以应用于印刷设备，还可以用到其他油墨固化的设备上，例如有些胶水、油漆含有UV固化剂的设备也可以使用，这里不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种固化光学系统，其特征在于，所述系统包括：

所述会聚透镜的面积不小于LED阵列的面积；

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述会聚透镜包括：

凸透镜、平凸透镜或菲涅尔透镜。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

或者，

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述透镜基板的材料包括：

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，确定透镜的上表面曲率半径和下表面曲率半径的参数包括：

8.根据权利要求1-6任意一项所述的系统，其特征在于，所述LED包括：

紫外LED或红外LED。

9.一种印刷设备，其特征在于，

所述印刷设备包括权利要求1-8任意一项所述的固化光学系统。