CN107606531B - 一种uv-led平行点光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种UV‑LED平行点光源，包括光源本体，所述光源本体为长方体，所述本体由上到下依次包括：二次光学矫正部，一次光学单点灯珠光源和散热系统。本发明的有益效果是：采用紫外发光二极管LED灯珠，利用精确结合一次光学单点灯珠光源设计和二次光学矫正腔体设计，控制对出射光线的平行半角在1.7°以内，再通过合理的散热设计，单颗紫外发光二极管的通电电流在到达2.2安培情况下，一次光学单点灯珠光源控制在45℃以下。并且，由于出光角度小，本发明不但可以用在传统的紫外固化领域，还可以用于光刻曝光，以及远距离紫外能量传输等对出射光线角度要求非常小的点光源领域。
Description
技术领域
本发明涉及紫外光固化的技术领域，特别是涉及一种UV-LED平行点光源。
背景技术
紫外光(UV)固化技术，是指包含光引发剂、单体，稀释剂的特殊配方的体系，经过吸收紫外线光固化设备中产生的高强度紫外光后，产生活性自由基或阳离子，从而引发单体聚合、交联和接枝反应，使其在一定时间内由液态转化为固态的技术。
一般紫外光源使用汞灯光源，光电转换效率低而且制造过程对环境有污染。配光方式使用一次配光或简单的二次配光设计，出射光线角度大且只能近距离使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种UV-LED平行点光源。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种UV-LED平行点光源，包括光源本体，所述光源本体为长方体，其特征在于，所述本体由上到下依次包括：
二次光学矫正部，包括镜片承座和消光螺纹座，所述镜片承座内具有贯穿其上下端面的通孔，在所述通孔的上端面嵌设一个保护玻璃，所述通孔内设有玻璃非球面镜片，所述消光螺纹座同轴设置在所述镜片承座的下端面，所述消光螺纹座的内部贯穿设有带有沿轴向延伸的亚黑色的消光螺纹的截头圆锥槽，所述截头圆锥槽的锥角范围在5～10°；
一次光学单点灯珠光源，包括与所述消光螺纹座同轴设置的UV-LED芯片、半球透镜和氮化铝陶瓷基板，其中，所述UV-LED芯片通过固晶和焊线电气连接在所述氮化铝陶瓷基板的上端面的中心部分，所述半球透镜通过胶水粘接在所述UV-LED芯片上表面；
散热系统，由下到上包括散热罩、散热风扇和散热器，其中，所述散热罩为圆柱形，且上端设有散热风扇，所述散热风扇的上端间隔一段距离设有散热器，所述散热器靠近所述散热风扇的一端为多个竖向平行设置的散热鳍片、另一端为散热基部，在所述散热基部的上端面涂有与所述一次光学单点灯珠光源接触的导热硅脂层，且在所述导热硅脂层的中心埋置一颗温度感应电阻。
本发明的有益效果：采用紫外发光二极管LED灯珠，利用精确结合一次光学单点灯珠光源设计和二次光学矫正腔体设计，控制对出射光线的平行半角在1.7°以内，再通过合理的散热设计，单颗紫外发光二极管的通电电流在到达2.2安培情况下，一次光学单点灯珠控制在45℃以下。
并且，由于出光角度小，本发明不但可以用在传统的紫外固化领域，还可以用于光刻曝光，以及远距离紫外能量传输等对出射光线角度要求非常小的点光源领域。
附图说明
图1为本发明一种UV-LED平行点光源的结构示意图；
图2为图1中玻璃非球面镜片的结构示意图；
图3为图1中二次光学矫正部的结构示意图；
图4为图1中一次光学单点灯珠光源的结构示意图；
图5为图1中散热系统的结构示意图；
图6为本发明的另一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种UV-LED平行点光源，包括平行点光源本体，本体由上到下依次包括：二次光学矫正部1、一次光学单点灯珠光源2、散热系统3构成。
继续参见图2～3，本体为长方体，本体的上方设有镜片承座10，镜片承座10内具有贯穿其上下端面的通孔，该通孔的上端面设有保护玻璃11，优选地，保护玻璃11为正八边形，该通孔内设有玻璃非球面镜片12，在镜片承座10的下端面固设消光螺纹座13，该消光螺纹座13的内部贯穿设有一个截头圆锥槽14，且截头圆锥槽14的内壁设有沿轴向延伸的亚黑色的消光螺纹15，以吸收光线且不会产生镜面反射的杂散光线。镜片承座10和消光螺纹座13形成二次光学矫正部1。
进一步，玻璃非球面透镜12的直径为22毫米，该镜片对光线进行收束和矫正。玻璃非球面镜片12的一个曲面为双曲面、另一个面为球面，材料优选为成都光明光电有限公司牌号为ZK3的光学玻璃，该牌号玻璃有低软化点玻璃型号，小批量制作使用光学冷加工方式生产，大批量可使用低软化点玻璃型号进行模压成型的方式生产，可大大降低制造成本和周期。
玻璃非球面透镜12采用双凸面设计，焦距：29.8毫米，其S2面为凸球面，其S1面为凸双曲面。采用双凸面的设计可以对光线进行收束，S1面采用凸双曲面设计可以矫正在准直过程中产生的球差，使有效出光半角控制在1.7°以内。
S1面为双曲面，面型参照公式：
Z(r)为曲线的矢高，r为对应的球面半径，c为球面半径r的倒数，k为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为高阶项的系数常数。
优选地，该双曲面对应的系数分别为r＝51，k＝-100，其他高阶项的系数常数均为0。
进一步，S2面为球面半径为26毫米。S1和S2面均镀有光学增透膜。
进一步，玻璃非球面透镜12的镜片厚度为8毫米，其边缘开有深1毫米、宽度1毫米的环状槽台，以确保镜片与承靠面的平行度达到0.5度以内。
继续参见图3，截头圆锥槽13的锥角范围在5°～10°，使要消除的光线尽可能均匀的分布在截头圆锥槽13内，防止局部的温度过高烧坏螺纹表面亚黑的阳极氧化层。截头圆锥槽13对进入的光线进行选择：出光半角大于出20°的光线会照射到腔体侧壁上的消光螺纹14上，消光螺纹14会对这些光线进行吸收，不会产生因镜面反射的杂散光线。出光半角小于或等于20°的光线会进入到前方的玻璃非球面透镜中进行折射收束和矫正，透过保护玻璃11最后准直出射为有效出光半角1.7°的光线。
如图4所示，一次光学单点灯珠光源2由与截头圆锥槽13同轴设置的UV-LED芯片21、半球透镜22和氮化铝陶瓷基板23组成。其中，UV-LED芯片21通过固晶和焊线电气连接在氮化铝陶瓷基板23的上端面的中心部分，半球透镜22通过胶水粘接在UV-LED芯片21上表面。
优选地，其中，UV-LED芯片为台湾光宏科技股份有限公司型号BN-U4545R-A3氮化铟镓芯片，其形状为长1.14毫米、宽1.14毫米，发光波长有365纳米、385纳米、395纳米和405纳米波段可选。半球透镜采用直径为3毫米的半球透镜，材料为成都光明光电有限公司牌号为K9的光学玻璃，用结构件隔开半球透镜与发光二极管LED芯片之间的间隙。
进一步，本实施例中的一次光学单点灯珠光源2使用半球透镜对UV-LED芯片21发出的紫外光线进行收集，收集前原来UV-LED芯片的光线有效出光半角为60°，收集后光线变为有效出光半角27.5°。
图5为散热系统3的纵截面剖视图，由下到上包括散热罩31、散热风扇32和散热器33。散热罩31为圆柱形，其上端设有散热风扇32，散热风扇32的上端间隔一段距离设有散热器33，散热器33靠近散热风扇的一端为多个竖向平行设置的散热鳍片330，另一端为散热基部331，在散热基部331的上端面涂有与一次光学单点灯珠光源接触的导热硅脂层，且在导热硅脂层的中心埋置一颗温度感应电阻，当温度感应电阻感应温度超过45℃时，启动散热风扇32进行散热。
空气从散热罩31进入散热风扇32后吹到散热鳍片330带走热量，热风从散热鳍片330的侧壁的通风口吹出。并且，一次光学单点灯珠光源2的发热功率为4瓦特，经过散热系统后该光源在45℃内保持恒温稳定。
该本体还包括电源驱动接口4，其设置在本体的下端，具体地，设置在散热罩31的下端面，为外部供电电缆与本体之间电气连接的接口。
经过测试，保护玻璃11外测量的光强密度最高达到700mW/cm2，180毫米处最高光强密度672mW/cm2，350毫米处最高光强密度353mW/cm2(测量仪器型号Linshang UV EnergyMeter310)。
在180mm照射距离处，以照射光斑中心为圆心直径10mm处的光强密度最低值比上最高值在92％以上。
该紫外点光源出射紫外光线的总光功率在2米的距离内能量依然大于2W。
该紫外点光源可以根据客户的需求进行阵列拼接，每一个紫外点光源为阵列子单元，构成线排列和面排列，排列形式分为以下两种：
直接使用成品紫外点光源拼接。
使用一次光学单点灯珠光源和二次光学矫正腔体两项技术，把两项技术里面的各个结构件阵列后分别做成一块整体(即在一个整体上有多个相同类型的结构见图6)，用整体的结构件进行类似图1的组装，再使用风冷散热系统或更高效的水冷散热系统进行散热。
综上所述，本发明是一种可发射平行光的紫外点光源。该发明采用紫外发光二极管LED灯珠，利用精确结合一次光学单点灯珠光源设计和二次光学矫正腔体设计，控制对出射光线的平行半角在1.7°以内，再通过合理的散热设计，单颗紫外发光二极管的通电电流在到达2.2安培情况下，一次光学单点灯珠控制在45℃以下。
该发明由于出光角度小既可以用在传统的紫外固化领域，还可以用于光刻曝光，以及远距离紫外能量传输等对出射光线角度要求非常小的点光源领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (5)
1.一种UV-LED平行点光源，包括光源本体，所述光源本体为长方体，其特征在于，所述光源本体由上到下依次包括：
二次光学矫正部，包括镜片承座和消光螺纹座，所述镜片承座内具有贯穿其上下端面的通孔，在所述通孔的上端面嵌设一个保护玻璃，所述通孔内设有玻璃非球面透镜，所述消光螺纹座同轴设置在所述镜片承座的下端面，所述消光螺纹座的内部贯穿设有带有沿轴向延伸的亚黑色的消光螺纹的截头圆锥槽，所述截头圆锥槽的内径由下至上逐渐增大，且所述截头圆锥槽的锥角范围在5～10°；
一次光学单点灯珠光源，包括与所述消光螺纹座同轴设置的UV-LED芯片、半球透镜和氮化铝陶瓷基板，其中，所述UV-LED芯片通过固晶和焊线电气连接在所述氮化铝陶瓷基板的上端面的中心部分，所述半球透镜通过胶水粘接在所述UV-LED芯片上表面；
散热系统，由下到上包括散热罩、散热风扇和散热器，其中，所述散热罩为圆柱形，且上端设有散热风扇，所述散热风扇的上端间隔一段距离设有散热器，所述散热器靠近所述散热风扇的一端为多个竖向平行设置的散热鳍片、另一端为散热基部，在所述散热基部的上端面涂有与所述一次光学单点灯珠光源接触的导热硅脂层，且在所述导热硅脂层的中心埋置一颗温度感应电阻。
2.根据权利要求1所述的一种UV-LED平行点光源，其特征在于，所述玻璃非球面透镜采用双凸面设计，其前端面S2为凸球面，其后端面S1为双曲面。
3.根据权利要求2所述的一种UV-LED平行点光源，其特征在于，所述后端面S1参照公式：
其中，Z(r)为曲线的矢高，r为对应的球面半径，c为球面半径r的倒数，k为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为高阶项的系数常数。
4.根据权利要求1所述的一种UV-LED平行点光源，其特征在于，所述UV-LED芯片的发光波长为365纳米、385纳米、395纳米或405纳米。
5.根据权利要求1所述的一种UV-LED平行点光源，其特征在于，所述温度感应电阻感应温度超过45℃时，所述散热风扇启动以进行散热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 5, 6, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 5th Floor, R&D Building, No. 1, Modern Service Industry Base, Science and Technology Park, Huazhong University of Science and Technology, No. 13, Daxueyuan Road, East Lake New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430000 Patentee after: Wuhan Youweixin Technology Co., Ltd. Address before: 5th Floor, R&D Building/Unit 1, Huazhong University of Science and Technology Science Park Modern Service Industry Base, No. 13, Daxueyuan Road, East Lake New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430075 Patentee before: WUHAN UV LEDTEK Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: A UV-LED Parallel Point Light Source Effective date of registration: 20220926 Granted publication date: 20200501 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Youweixin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022420000324 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231101 Granted publication date: 20200501 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Youweixin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022420000324 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A UV LED parallel point light source Effective date of registration: 20231214 Granted publication date: 20200501 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Youweixin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980071681 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |