DE112010005248B4

DE112010005248B4 - Modulare led-array-lichtquellen von hoher dichte

Info

Publication number: DE112010005248B4
Application number: DE112010005248.4T
Authority: DE
Inventors: Sola Anne Kuk; James Francis Farrell; Yong Wang
Original assignee: Excelitas Canada Inc
Current assignee: Excelitas Canada Inc
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: DE112010005248T5; US8581269B2; US20120305946A1; WO2011097694A1

Abstract

LED-Array-Lichtquelle einer lichtemittierenden Vorrichtung, umfassend mehrere LED-Array-Module (30a, 30b); wobei jedes Modul (30a, 30b) ein Modulsubstrat (36) umfasst, das mehrere LED-Elemente (12) trägt, die in einem Array angeordnet sind; wobei jedes Modul (30a, 30b) mindestens einen Randabschnitt des Substrats (36) aufweist, der sich über das LED-Array hinaus erstreckt und an den eines anderen Moduls (30a, 30b) grenzt; und wobei der Zwischenraum der LED-Lichtquellenelemente des Arrays in jedem Modul (30a, 30b) derart angeordnet ist, dass eine höhere Dichte von LED-Elementen (12) an Rändern des Arrays bereitgestellt wird, an denen Randabschnitte von zwei Modulen (30a, 30b) aneinander angrenzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Array-Lichtquellen, Lichtquellen-Arrays, die lichtemittierende Festkörper-Vorrichtungen (LEDs) umfassen, und insbesondere modulare LED-Array-Lichtquellen von hoher Dichte für Anwendungen wie Schnelldruck und Photohärtung, und Vorrichtungen, die LED-Array-Lichtquellen verwenden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Viele Tinten, Klebstoffe und andere härtende Beschichtungen umfassen auf freien Radikalen basierende oder kationische Rezepturen, die durch Belichtung, in der Regel ultraviolette (UV) Strahlung oder kurzwellige sichtbare Strahlung photogehärtet werden können. Zu Anwendungen gehören die Härtung großflächiger Beschichtungen, die Klebstoffhärtung sowie Druckverfahren wie der Tintenstrahldruck. Eine gleichmäßige Härtung ist für viele großflächige photoinduzierte Härtungsverfahren von entscheidender Bedeutung.
Zum Beispiel sind UV-härtende, auf freien Radikalen basierende photoreaktive Tinten zur Verwendung in Tintenstrahldruckern immer beliebter geworden. Solche Tinten werden gewöhnlich auf die Oberseite eines Substrats mit einer oder mehreren Schichten aufgetragen und werden unter einer UV- oder sichtbaren Lichtquelle gehärtet. Photoinitiatoren in der Tintenformulierung werden durch Photonen, zum Beispiel UV-Lichtenergie aktiviert, um freie Radikale zu erzeugen, die mit anderen Bestandteilen in der Tinte wie Monomeren und Oligomeren hoch reaktiv sind. Die resultierende, durch freie Radikale initiierte Polymerisations- oder Vernetzungsreaktion führt zu einer verfestigten Tintenschicht. In einer typischen Tintenstrahlanwendung beträgt der Bestrahlungszeitraum einen Bruchteil einer Sekunde oder weniger. Wenn die Tinte die Bestrahlungszone verlässt, kann die Polymerisation oder Verfestigung weitergehen, was als Dunkelreaktion bezeichnet wird. Solche Drucker können auf flexiblen Substraten wie Polyvinylchlorid (PVC) und anderen flexiblen Polymermaterialien drucken, und auf starren Substraten wie Metall, Holz und Kunststoff.
Zu typischen Parametern zur Beurteilung eines UV-Tintenstrahldruckers gehören zum Beispiel die Druckqualität, Druckgeschwindigkeit, Druckbreite, Substrattyp und Zuverlässigkeit. Von diesen wird die Kombination von Druckqualität und -geschwindigkeit oftmals als am schwierigsten betrachtet. Neben den Druckköpfen, die steuern, wie die Tintentröpfchen aufgesprüht werden, spielen UV-Lichtquellen, die zur Härtung verwendet werden, eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung von Druckqualität und -geschwindigkeit. Herkömmliche UV-Lichtquellen, die bei Tintenstrahldruckern verwendet werden, sind in der Regel Quecksilber(Hg)-Bogenlampen und eine andere Art von Hg-Lampen, eine Mikrowellen- oder elektrodenlose Lampe, wenngleich auch andere Gasentladungslampen verwendet werden können. Diese Lampen bieten eine Energie, die hoch genug ist, um die meisten Tintentypen bei Druckgeschwindigkeiten zu härten, die derzeit in der Industrie verwendet werden, und sie werden in kostengünstigen und teuren Druckersystemen eingesetzt. Allerdings ist die Wärmemenge, die von der Gasentladungslampe abgestrahlt wird, gewöhnlich sehr hoch, wodurch das Systemdesign eingeschränkt wird. Eine Überhitzung kann Betriebs- und Wartungsprobleme verursachen. Übermäßige Wärme schränkt auch die Fähigkeit von Tintenstrahldruckern zum Bedrucken bestimmter wärmeempfindlicher Substrate ein. Wenn die Lampenleistung jedoch herabgesenkt wird, um nachteilige Erwärmungseffekte zu vermeiden, kann dies zum Beispiel zu einer geringeren Druckqualität und -geschwindigkeit führen, oder aber dazu, dass gar keine Härtung eintritt.
In jüngeren Jahren wurden lichtemittierende Festkörpervorrichtungen (LEDs) wie lichtemittierende Dioden als alternative Lichtquellen für Industrieverfahren wie photoreaktive oder photoinitiierte Verfahren, zum Beispiel die Photohärtung von Tinten, Klebstoffen und anderen Beschichtungen entwickelt. LEDs sind energieeffizienter als herkömmliche Gasentladungslampen. Festkörper-Lichtquellen können auch aus Umweltgründen oder dank einer längeren Lebensdauer bevorzugt werden. UV-LEDs wurde viel Aufmerksamkeit geschenkt, weil diese bei gleicher Lichtleistung viel weniger Wärme erzeugen und viel weniger Energie verbrauchen als Gasentladungslampen.
UV-LED-Quellen, die in der Tintenstrahlindustrie verwendet werden, weisen Linien oder Arrays einer großen Anzahl von LEDs auf, die nahe zueinander gepackt sind, sodass aufgesprühte Tintenschichten eine kontinuierliche Bestrahlung empfangen. Viele der Anwendungen von UV-LED-Quellen in Tintenstrahldruckern verwenden Arrays gepackter bzw. gehäuster LED-Vorrichtungen oder die Chip-on-Board-Technologie mit direkter Beleuchtung, sodass Licht ausgebreitet oder verteilt wird. Beispiele solcher Anordnungen sind in der US-Patentveröffentlichung Nr. US 2007/0 013 757 A1 von Mimaki und in der US-Patentschrift Nr. US 7 137 696 B2 (CON-TROL-CURE) beschrieben. Diese Anordnungen können bei der Erzielung eines gleichmäßigen Strahlprofils und einer Intensität, die für eine gute Druckqualität hoch genug ist, für einige Anwendungen schwierig sein. Dichter gepackte LED-Chips können bereitgestellt werden, um eine hohe Intensität zu erzielen, jedoch kann danach eine Wasserkühlung erforderlich sein, die das System komplex und kostenintensiv macht. Eine Obergrenze für die Strahlungsintensität eines dicht gepackten LED-Arrays kann auch durch die Verpackung oder das mechanische Gehäuse einzelner Chips eingeschränkt sein, das den minimalen Zwischenraum zwischen den Chips bestimmt.
Modulare LED-Arrays sind zum Beispiel in der US-Patentschrift Nr. US 6 683 421 B1 (Kennedy) mit der Bezeichnung „Addressable semiconductor array light source for localized radiation delivery” offenbart.
Die US 8,573,766 B2 (Sheng Peng und Guomao Yang) mit der Bezeichnung „Distributed Light Sources for Photo-reactive curing” offenbart eine Lichtquelle, die mehrere lineare LED-Arrays zum Erzeugen eines Strahlprofils mit Bereichen, die mit hoher Intensität bestrahlt werden, und einem dunklen Bereich dazwischen umfasst. Diese Art von Bestrahlungsmuster macht sich die Zwischenräume sowohl von Photoreaktionen als auch von Dunkelreaktionen zunutze.
Bei den erhältlichen LED-Arrays und für Schnelldruckanwendungen mit sehr kurzen Expositionszeiten des zu härtenden Substrats kann ein Array, das aus einzeln gepackten bzw. gehäusten LED-Chips oder einer einzigen Reihe von LED-Chips gebildet ist, nicht genug Intensität bereitstellen, weshalb ein Array mit höherer Dichte bereitgestellt werden muss, um eine Beleuchtungslinie, ein Beleuchtungsband, mehrere Beleuchtungslinien oder -bänder von höherer Intensität bereitzustellen. Arrays von hoher Dichte für Moduleinheiten sind zum Beispiel in linearen LED-Arrays oder rechteckigen oder quadratischen LED-Arrays erhältlich.
Für den Breitformatdruck kann es erforderlich sein, eine lineare Array-Lichtquelle von etwa 35 cm oder breiter bereitzustellen, die aus einer Anzahl linearer Array-Module besteht, die jeweils zum Beispiel etwa 2 bis 5 cm lang sind und aneinander angrenzen, um ein langes lineares Array zu bilden.
Ein Problem bei den erhältlichen LED-Arrays besteht darin, dass zum Beispiel ein lineares Array einer einzigen Reihe einzelner LED-Chips entlang der Reihe zwar nah beabstandet sein kann, jedoch aufgrund der Verpackung und des Gehäuses, die ein lineares Array einzelner Chips umgeben, wenn zwei Arrays aneinander angrenzen, der Zwischenraum zwischen benachbarten LED-Chips auf unterschiedlichen Modulen zum Beispiel etwa 7 mm betragen kann, das heißt, viel größer ist als der Zwischenraum zwischen den Chips auf dem gleichen Modul (siehe Figur IB). In ähnlicher Weise sind quadratische Arrays von hoher Dichte bekannt, zum Beispiel Enfis^TM, das Arrays mit 5 × 5 Dioden anwendet. Diese Arrays können in Gruppen angeordnet sein, um großflächigere Arrays von hoher Intensität bereitzustellen, wie zum Beispiel in der oben erwähnten US-Patentschrift Nr. 6,683,421 (Kennedy) beschrieben. In einem anderen Beispiel verwendet das Produkt LEDZero^TM, das von Integration Technologies^TM hergestellt wird, eine Vielzahl von LED-Arrays in einer linearen Anordnung, um ein breites Beleuchtungsband bereitzustellen.
Zum Beispiel kann jeder LED-Chip in einem typischen quadratischen 5 × 5-LED-Array 1 × 1 mm² betragen, sodass diese Arrays etwa 7 mm × 7 mm groß sein können. Allerdings werden die Arrays auf einem Substrat gefertigt, das einen Rand von 1 mm bis 2 mm aufweist, der die einzelnen Chips umgibt. Die Chips können in dem Gehäuse hermetisch versiegelt sein, was eine minimale Wanddicke um die LEDs erforderlich macht, um eine gute Versiegelung bereitzustellen. Wenn diese LED-Arrays aneinander angrenzen, ist ein Spalt oder Zwischenraum zwischen benachbarten LED-Gruppen vorhanden, der 2 mm bis 4 mm betragen kann (siehe 1C). Folglich ist aufgrund der Dicke der Wand der Verpackung oder des Gehäuses von erhältlichen LED-Arrays hoher Dichte und/oder aufgrund anderer Ausführungs-/Zusammenbauanforderungen ein Spalt oder Zwischenraum zwischen LED-Chips auf benachbarten Modulen vorhanden, wenn diese in einer Moduleinheit aneinander angrenzen. Dies bedeutet, dass entlang der Länge oder Breite jedes Moduls eine gleichmäßige Intensität gegeben ist, jedoch ein Gefälle hinsichtlich der Intensität/Strahlungsintensität in dem Bereich vorhanden ist, in dem jedes Modul angrenzt, was tendenziell zur Streifenbildung in dem zu diesem Zeitpunkt gehärteten Substrat führt.
Die US-Patentschrift Nr. US 6 450 664 B1 (Stockeryale) zeigt eine modulare LED-Array-Einheit, die eine dichtere Anordnung von LEDs nahe den Enden der Einheit bereitstellt, um ein gleichmäßiges Strahlungsintensitätsprofil mit einem schärferen Rand bereitzustellen, das heißt, sich an eine rechteckige oder „hutförmige” Funktion anzunähern. In ähnlicher Weise stellt die US-Patentschrift Nr. US 6 380 962 B1 (Miyazaki) eine Anordnung bereit, um ein Strahlungsintensitätsprofil mit einem schärferen Rand mittels einer breiteren Lichtquelle nahe den Enden einer linearen Lichtquelle bereitzustellen. Allerdings löst keine dieser Anmeldungen das Problem der Bereitstellung eines gleichmäßigeren Strahlungsintensitätsprofils an den Stellen, an denen zwei Module aneinander angrenzen. Vielmehr kann ein scharfes Profil Randeffekte in modularen Arrays verschärfen, das heißt, eine deutlichere Diskontinuität oder ein Gefälle hinsichtlich der Strahlungsintensität schaffen, die durch den Zwischenraum an den Stellen verursacht wird, an denen zwei Module aneinander angrenzen, und zwar je nach der Größe des Spalts oder der Trennung zwischen LED-Elementen aufgrund des mechanischen Gehäuses.
In einem anderen Beispiel, das in der US-Patentschrift Nr. US 7 175 712 B2 offenbart ist, sind die LEDs in versetzten Reihen angeordnet, und die LED-Arrays sind auch versetzt angeordnet, um eine gleichmäßigere Strahlungsintensität bereitzustellen. Jedoch überwindet diese Anordnung aufgrund der Dicke des Substrats und des Gehäuses, das das Array umgibt, auch nicht das Problem der diskontinuierlichen Strahlungsintensität um Ränder der Arrays oder an den Stellen, an denen zwei Arrays aneinander angrenzen. Es besteht ein Bedarf an einem modularen LED-Array von hoher Intensität, das über eine große Fläche eine gleichmäßige Strahlungsintensität bereitstellt und Probleme hinsichtlich einer diskontinuierlichen Strahlungsintensität an den Stellen, an denen zwei oder mehrere LED-Module aneinander angrenzen, vermeidet.
Eine gleichmäßige Strahlungsintensität ist nicht nur zwecks einer effektiven Härtung wünschenswert, sondern es sind auch verbesserte UV-LED-Array-Lichtquellen wünschenswert, die eine gewisse Wellenlängensteuerung bereitstellen, da die Härtung auch wellenlängenabhängig sein kann. Formulierungen und Farbstoffe von Tinten und Beschichtungen sind von Lieferant zu Lieferant und je nach den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen unterschiedlich. Sie weisen unterschiedliche Härtungsanforderungen auf, darunter unterschiedliche Wellenlängen von UV-Licht. Bekanntermaßen kann die Erscheinung eines gehärteten Tinten- oder Beschichtungsfilms von der Wellenlänge der zum Härten verwendeten UV-Bestrahlung abhängig sein, wobei die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen, zum Beispiel 365 nm und 400 nm, zu unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten, zum Beispiel matten oder glänzenden Oberflächen, führen kann. In der Regel verbessert das Hinzufügen einer Strahlung von 365 nm zu einer LED-Quelle von 400 nm die Oberflächenhärtung. Es kann auch wünschenswert sein, Flexibilität für die Verwendung unterschiedlicher UV-Wellenlängen bereitzustellen, da die Absorption, Reflexion von UV-Licht durch unterschiedliche Farbstoffe von Tinten und Beschichtungen sowie die Substratmaterialien sehr unterschiedlich sein können.
Die Lichtausgabe oder -intensität kann durch eine oder mehrere Photodioden in jedem Modul des Arrays überwacht werden. Große Arrays erfordern eine größere Anzahl von Photodioden, um die Intensität jedes Moduls zu überwachen und eine gleichmäßige Strahlungsintensität von Modul zu Modul zu gewährleisten. Diese Photodetektoren nehmen auch Platz in dem Array ein und führen zu weiteren Kosten. Es ist auch wünschenswert, eine verbesserte Überwachung und Steuerung der Intensität von jedem Modul bereitzustellen, um eine gleichmäßige Strahlungsintensität von Modul zu Modul bereitzustellen.
Weiterhin bekannt ist eine Anordnung mit einer Vielzahl von LED Chips, die zwischen benachbarten Chips unterschiedliche Abstände aufweisen ( US 2009/0 206 350 A1 ).
Ebenfalls bekannt ist eine Anordnung mit mehreren Lichtquellen, die parallel zu einer fluoreszierenden Faser 5 angeordnet sind, wobei an einem Ende der fluoreszierenden Faser 5 ein Fotodetektor 7 angeordnet ist ( JP H03-211 403 A ).
Somit werden weitere Verbesserungen in modularen LED-Array-Lichtquellen benötigt, insbesondere für großflächige Photohärtungs- oder andere photoinitiierte Verfahren.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung soll die oben erwähnten Probleme mit bekannten modularen LED-Arrays und Lichtquellen überwinden oder abschwächen oder zumindest eine Alternative bereitstellen.
Daher stellt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine LED-Array-Lichtquelle bereit, die Folgendes umfasst: eine Mehrzahl von LED-Modulen, wobei jedes Modul ein Modulsubstrat umfasst, das mehrere LED-Elemente aufweist, die in einem Array angeordnet sind, wobei jedes Modul mindestens einen Randabschnitt des Substrats umfasst, der sich über das LED-Array hinaus erstreckt und an den eines anderen Moduls angrenzt und wobei der Zwischenraum von LED-Elementen des Arrays in jedem Modul derart angeordnet ist, dass eine höhere Dichte von LED-Elementen an den Rändern des Arrays bereitgestellt wird, wo zwei Module aneinander angrenzen.
Vorzugsweise stellt die Anordnung von LED-Chips in jedem Modul eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität von Modul zu Modul bereit, wo zwei Module aneinander angrenzen.
Zum Beispiel kann jedes Modul Folgendes umfassen: einen zentralen Bereich des Moduls, der zentrale LED-Elemente des Arrays umfasst, die entlang einer Länge des Substrats angeordnet sind, und Endbereiche des Moduls, die LED-Elemente eines Endabschnitts des LED-Arrays umfassen, wobei sich der Randabschnitt des Substrats der Länge nach über das LED-Array hinaus erstreckt. Die LED-Elemente des Arrays sind derart angeordnet, dass eine höhere Dichte von LED-Elementen in dem Array nahe den Enden oder Rändern bereitgestellt wird, sodass die gleiche durchschnittliche Anzahl von LED-Elementen je Einheitslänge des Substrats in jedem zentralen Bereich des Arrays bereitgestellt wird wie über dem End- oder Randbereich des Moduls, der das Substrat in dem Verbindungsbereich zwischen Modulen aufweist.
In einer bevorzugten Anordnung umfasst jedes Modul einen zentralen Bereich, wobei das LED-Array als ein gleichmäßiges periodisches Array von LED-Elementen mit einer Anzahl n von Chips je Längeneinheit des Substrats angeordnet ist, und einen Endbereich des Moduls nahe des Rands des Arrays umfasst, wobei die Chips derart angeordnet sind, dass, einschließlich des Randabschnitts des Substrats, der sich über das LED-Array hinaus erstreckt, eine gleiche Anzahl n von Chips je Länge des Substrats in Endbereichen vorhanden ist, die an andere Module angrenzen. Vorteilhafterweise maximiert die Anordnung von LED-Chips des Arrays in zentralen und Endbereichen eines Moduls die Packungsdichte einzelner Chips, um eine modulare Lichtquelle von hoher Intensität bereitzustellen.
Auf diese Weise stellen Anordnungen von LED-Chips in jedem LED-Array dort, wo zwei Module aneinander grenzen, eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereit und verringern oder überwinden Randeffekte oder Wandeffekte, wobei vorzugsweise gleichzeitig die Packungsdichte zur Bereitstellung einer hohen optischen Leistung und Strahlungsintensität in einem einzigen Modul optimiert wird.
Vorzugsweise umfasst jedes Modul ein periodisches Array mehrerer mittlerer Cluster oder Gruppen von LED–Chips entlang einer Länge des Arrays und einen Endcluster von LED-Chips an jedem Ende der Länge des Arrays nahe Randabschnitten des Moduls, wo zwei Module aneinander angrenzen, wobei jeder Endcluster eine größere Anzahl von LED-Chips umfasst als die mittleren Cluster.
Vorteilhafterweise ist der Zwischenraum der LED-Chips in jedem mittleren Cluster und Endcluster und der Zwischenraum zwischen Clustern derart ausgewählt, dass entlang der Länge des Arrays und über Randabschnitten, an denen zwei Module aneinander grenzen, eine hohe optische Leistung und im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt werden. Zum Beispiel umfasst jeder mittlere Cluster mindestens einen LED-Chip und jeder Endcluster umfasst mindestens einen weiteren LED-Chip. Als Alternative umfasst jeder mittlere Cluster mindestens ein Paar LED-Chips und jeder Endcluster umfasst mindestens ein weiteres Paar LED-Chips.
Eine LED-Array-Lichtquelle kann mehrere Module umfassen, wobei jedes Modul ein lineares Array von LED-Chips umfasst, das mittlere Cluster und Endcluster von LED-Chips umfasst, wobei jeder mittlere Cluster 4 LED-Chips umfasst und jeder Endcluster 6 LED-Chips umfasst und der Zwischenraum von Endclustern und mittleren Clustern derart gewählt ist, dass entlang der Länge des Lichtquellen-Arrays von Modul zu Modul eine hohe optische Leistung und im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt werden. In anderen Anordnungen kann jedes LED-Modul ein rechteckiges Array von LED-Chips umfassen, wobei jedes rechteckige Array mittlere Cluster, Randcluster und Eckcluster von LED-Chips umfasst und wobei die Anzahl der Chips und der Zwischenraum von mittleren, Rand- und Eckclustern derart ausgewählt sind, dass von Modul zu Modul eine hohe optische Leistung und im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein LED-Modul bereit, das Folgendes umfasst: ein Substrat, eine Mehrzahl von LED-Chips, die in einem Array auf einem Substrat angeordnet sind, wobei die Dichte der LED-Chips in dem Array zu dem mindestens einen Rand des Moduls erhöht wird. Wenn also das LED-Array ein lineares Array von LED-Chips ist, sind die Anzahl und der Zwischenraum der LED-Chips entlang einer Länge des Arrays und nahe jedem Ende der Länge des Arrays derart ausgewählt, dass eine größere Chipdichte nahe den Enden des Arrays bereitgestellt wird.
Wenn das Substrat zum Beispiel einen Teil eines Gehäuses umfasst, das eine Wand aufweist, die sich um die LED-Chips des Arrays erstreckt, und ein optisches Fenster, das über dem Array liegt und zur Wand des Gehäuses hermetisch abgeschlossen ist, ist ein minimaler Zwischenraum des Endclusters von dem Rand oder Ende des Substrats erforderlich, um der Dicke der Wand Rechnung zu tragen.
Durch eine angemessene Auswahl der Chipanzahl in jedem mittleren und Endcluster und des Zwischenraums zwischen den Clustern kann entlang der Länge des Arrays dort, wo zwei Module aneinander angrenzen, eine hohe optische Leistung und eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt werden, um Randeffekte oder Wandeffekte zu reduzieren oder zu überwinden.
Wenn jedes Modul mehrere mittlere Cluster von m × n LED-Chips und mehrere Endcluster von m × (n + 1) LED-Chips umfasst, wobei die Chips in jedem Cluster eine Abmessung w aufweisen und um einen Abstand x beabstandet sind, jeder mittlere Cluster um einen Abstand v beabstandet ist und jeder Endcluster von einem Rand des Substrats derart beabstandet ist, dass dort, wo zwei Module aneinander angrenzen, Endcluster in benachbarten Modulen um einen Abstand U beabstandet sind, und wobei U = v + 2 / n(v – x).
Neben der Anordnung und der Beabstandung der einzelnen Chips oder Cluster von Chips in jedem Modul zur Reduzierung von Endeffekten an Stellen, an denen Module aneinander grenzen, um eine gleichmäßige Strahlungsintensität bereitzustellen, können als Alternative auch andere Strahlungsintensitätsprofile erzeugt werden. Bekanntermaßen können LED-Treiberschaltungen die Steuerung einzelner Chips oder Cluster bereitstellen, um eine bestimmte Ausgabeleistung und ein bestimmtes Strahlungsintensitätsprofil bereitzustellen. Module können einzelne LED-Chips mit unterschiedlichen Ausgabeleistungen und Wellenlängen umfassen.
Vorteilhafterweise umfasst das LED-Array-Modul optische Überwachungsmittel, die Folgendes umfassen: einen Lichtleiter, der sich entlang der Länge des LED-Arrays benachbart zum Array erstreckt, und eine Photodiode, die optisch gekoppelt ist, um Licht aus dem Lichtleiter zu empfangen, um den Betriebsstatus des Arrays zu überwachen.
Vorzugsweise umfasst der Lichtleiter einen fluoreszierenden Faserlichtleiter, der sich entlang einer Seite der Länge des Arrays erstreckt und mit einem Rand des optischen Fensters ausgerichtet ist, um einen Teil des Lichts, der von dem LED-Array emittiert wird, zu empfangen, und eine Photodiode, die mit einem Ende des fluoreszierenden Faserlichtleiters optisch gekoppelt ist, um Licht von der Faser zu empfangen, das den Betriebsstatus des Arrays anzeigt.
Ein anderer Aspekt der Erfindung stellt eine Vorrichtung zur optischen Überwachung des Betriebsstatus eines Arrays von lichtemittierenden Vorrichtungen (LEDs) bereit, umfassend: einen fluoreszierenden Lichtleiter, der sich entlang einer Länge des Arrays erstreckt und optisch damit gekoppelt ist, um die Emission mehrerer LEDs des Arrays zu empfangen und eine Photodiode, die an eine Ausgabe des fluoreszierenden Lichtleiters gekoppelt ist, um die Fluoreszenz zu überwachen, die den Betriebsstatus des LED-Arrays anzeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das LED-Array ein optisches Fenster, das über den LEDs des Arrays liegt, und der fluoreszierende Lichtleiter umfasst einen fluoreszierenden Faserlichtleiter, der entlang eines Rands des optischen Fensters optisch gekoppelt ist, um einen Teil des Lichts aus dem Array zu empfangen, wobei die Photodiode an ein Ende der optischen Faser gekoppelt ist, um die Lichtausgabe zu überwachen, die den Betriebsstatus der LEDs des Arrays anzeigt.
Noch ein anderer nicht erfindungsgemäßer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen des Betriebsstatus von LEDs eines LED-Arrays bereit, das Folgendes umfasst: Koppeln eines fluoreszierenden Lichtleiters entlang einer Länge des LED-Arrays, um die Ausgabe mehrerer LEDs eines LED-Arrays zu empfangen; Koppeln einer Photodiode an eine Ausgabe des fluoreszierenden Lichtleiters; Versorgen der LEDs des Arrays mit Energie und Überwachen der optischen Ausgabe aus dem fluoreszierenden Lichtleiter mittels der Photodiode, um einen Betriebsstatus der LEDs des Arrays zu bestimmen.
Das Verfahren kann das selektive Versorgen einzelner oder Gruppen von LED-Chips des LED-Arrays mit Energie umfassen, um den Betriebsstatus davon aus der optischen Ausgabe des fluoreszierenden Lichtleiters zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Aspekts der Erfindung stellen lineare oder rechteckige Arrays bereit, wobei die LED-Chips nahe Enden und/oder Rändern des LED-Arrays mit einer höheren Dichte angeordnet sind, um der Anzahl von Chips je Längeneinheit des Substrats in angrenzenden und mittleren Bereichen eines Moduls gleichzukommen, um den Zwischenraum zwischen Modulen auszugleichen, der durch die Verpackung/das Gehäuse jedes Moduls verursacht wird. Auf diese Weise gleicht die Anordnung der LED-Chips in jedem Modul Randeffekte aus, um von Modul zu Modul und zwischen Modulen eine gleichmäßige Strahlungsintensität bereitzustellen. Die LED-Module können auch Temperatursensoren, Kühlelemente, umfassend eine Wärmesenke, und optische Überwachungsmittel umfassen. Die LED-Module können auch optische Elemente wie Linsen oder Reflektoren umfassen, um das Ausgabestrahlprofil zu formen, und wenn die LED-Module LEDs umfassen, die zwei oder mehr Wellenlängen emittieren, können optische Elemente zum Mischen oder Trennen von Wellenlängen benutzt werden.
Modulare LED-Array-Lichtquellen, die ein breites Beleuchtungs- oder Bestrahlungsband mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Strahlungsintensität bereitstellen, werden zur Photohärtung oder Photoverarbeitung großflächiger Substrate und für andere Verfahren angewendet, die eine gleichmäßige Beleuchtung erfordern, wie zur Bildverarbeitung für Prüf- und Messanwendungen.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, wobei die Beschreibung nur beispielhaft dargestellt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen haben identische oder entsprechende Elemente in den unterschiedlichen Figuren das gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
1A ein Beispiel einer bekannten LED-Lichtquelleneinheit, die mehrere einzeln gepackte LED-Chips umfasst, die in einem linearen Array angeordnet sind.
1B und 1C schematisch Beispiele bekannter LED-Lichtquellen-Arrays, die mehrere LED-Module umfassen, die jeweils in einem linearen Array und einem rechteckigen Array angeordnet sind;
2A schematisch eine modulare LED-Lichtquelle, die zwei LED-Array-Module umfasst, die aneinander angrenzen, um ein lineares Array zu bilden, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B beispielhafte Abmessungen eines Moduls;
3A ein schematisches Diagramm, das eine modulare LED-Lichtquelle darstellt, die eine Mehrzahl i einzelner LED-Module M1 bis Mi umfasst, die nebeneinander angeordnet sind, um ein breites lineares Array zu bilden;
3B ein vergrößertes schematisches Diagramm eines Moduls, das eine Anordnung von j Clustern von LED-Chips darstellt, die Endcluster CE1 und CEj und mittlere Cluster CM2, CMj – 1 umfassen;
4 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Clusters von m × n einzelnen LED-Chips, die die Abmessung w jedes Chips und den Zwischenraum x zwischen den Chips darstellt;
5 ein schematisches Diagramm von zwei LED-Array-Modulen, das die Abmessungen darstellt, die zur Berechnung der erforderlichen Zwischenräume der mittleren und Endcluster eines linearen modularen LED-Arrays verwendet werden;
6A eine schematische Darstellung eines mittleren Clusters von m × n LED-Chips;
6B eine schematische Darstellung eines Endclusters von m × (n + 1) LED-Chips;
7 schematisch eine LED-Array-Lichtquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein rechteckiges Array umfasst, das aus vier rechteckigen LED-Array-Modulen gefertigt ist, die aneinander angrenzen, um ein großflächiges Array zu bilden, wobei jedes Modul eine Anordnung mittlerer, Rand- und Eckcluster von LED-Chips umfasst;
8 eine Ausführungsform einer LED-Array-Lichtquelleneinheit, die eine Anordnung von Array-Lichtquellen umfasst, von denen jede mehrere LED-Array-Module auf einem gemeinsamen Substrat umfasst;
9 eine andere Ausführungsform einer LED-Array-Lichtquelleneinheit, die eine LED-Array-Lichtquelle umfasst, die in einer versetzten Konfiguration angeordnet ist, wobei jede mehrere LED-Array-Module auf einem gemeinsamen Substrat umfasst;
10 ein schematisches Diagramm einer perspektivischen Ansicht einer LED-Array-Lichtquelle, die zwei LED-Array-Module umfasst;
11 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils eines Endes eines LED-Array-Moduls 30, das in 10 dargestellt ist;
12 ein schematisches Querschnittsdiagramm durch eines der LED-Array-Module, die in 10 dargestellt sind, um die Anordnung der optischen Überwachungselemente zu zeigen, die einen fluoreszierenden Fasersensor umfassen;
13 eine Seitenansicht einer Lichtquelleneinheit für eine Photohärtungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die drei LED-Array-Module umfasst;
14 eine schematische Querschnittsansicht durch ein LED-Array-Modul, das Paare von LED-Chips und ein optisches Element umfasst, das eine Zylinderlinse umfasst;
15 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines LED-Array-Moduls, das Paare von LED-Chips und ein optisches Element umfasst, das einen Reflektor umfasst, der zur Verbesserung der Kopplungseffizienz und Bereitstellung eines breiten Strahlprofils konfiguriert ist;
16 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines LED-Array-Moduls, das Paare von LED-Chips und ein optisches Element umfasst, das einen optische Verjüngung umfasst, die zur Erhöhung der Strahlungsintensität (Energiedichte) und Bereitstellung eines schmalen Strahlprofils konfiguriert ist;
17 eine Querschnittsansicht durch ein lineares LED-Array-Modul gemäß einer Ausführungsform, die ein lineares Array von Paaren von LEDs umfasst, die in einem zylindrischen Reflektor angeordnet sind, und ein Zylinderlinsenpaar für eine erhöhte Strahlungsintensität und Formung des Strahlprofils; und
18A und 18B eine Querschnittsansicht durch ein lineares LED-Array-Modul gemäß einer Ausführungsform, das ein lineares Array von Paaren von LEDs umfasst, die erste und zweite unterschiedliche Wellenlängen emittieren, und eine Zylinderlinse zum Formen des Strahlprofils, bei einem ersten und einem zweiten Arbeitsabstand, um jeweils die Mischung von Wellenlängen und Trennung von Wellenlängen zu zeigen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine herkömmliche LED-Lichtquelleneinheit, die mehrere handelsübliche, einzeln gepackte LED-Elemente oder -Chips 12 umfasst, die in einem linearen Array gleichmäßig angeordnet sind, ist schematisch in 1A dargestellt. Für Lichtquellen-Arrays von hoher Intensität sind die Chips 12 vorzugsweise nahe zueinander beabstandet und so dicht wie möglich gepackt, das heißt, um einen Abstand z beabstandet. Allerdings erstrecken sich das Substrat 14 und die Einzelverpackung jedes Chips um einen Abstand y um jedes LED-Element, sodass die Packungsdichte des Chips begrenzt ist. Zur Ermöglichung einer höheren Packungsdichte können mehrere Chips 12 auf einem gemeinsamen Substrat 14 befestigt werden, um ein Array-Modul, zum Beispiel das Modul 10a zu bilden, wie in 1B dargestellt. Wie schematisch in 1B dargestellt, kann eine herkömmliche modulare LED-Chip-Array-Lichtquelle 1 zwei oder mehr LED-Module 10a, 10b umfassen, die jeweils mehrere LED-Chips 12 umfassen, in diesem Fall ein Array von 1 × 5, das in einem linearen Array auf einem Substrat 14 gleichmäßig angeordnet ist. Dementsprechend kann ein quadratisches oder rechteckiges Array 2 bereitgestellt werden, wie schematisch in 1C dargestellt, das zwei oder mehr rechteckige LED-Module 20a, 20b umfasst, die jeweils ein Array von 5 × 5 von LEDs 12 umfassen. In der Regel sind die einzelnen LEDs auf einem Substrat 14 in einem gleichmäßig beabstandeten Array befestigt, das heißt, mit einem Zwischenraum z zwischen jedem Chip. Das Substrat 14 erstreckt sich um die LED-Chips um einen Abstand y, weil die LEDs gewöhnlich in einem Gehäuse mit einem über den LEDs liegenden optischen Fenster eingeschlossen sind, das um die Ränder des Arrays hermetisch versiegelt ist. Das Gehäuse erfordert eine minimale Wanddicke y um die LED-Chips, um eine effektive hermetische Versiegelung bereitzustellen oder Raum für eine anderweitige Versiegelung, zum Beispiel durch Epoxideinkapselung zu schaffen. An den Stellen, an denen zwei oder mehr Arrays 10a, 10b oder 20a, 20b aneinander grenzen, um eine großflächigere LED-Array-Lichtquelle zu bilden, bewirkt die Differenz hinsichtlich des Zwischenraums z zwischen LED-Chips in benachbarten Modulen in Bezug auf den Zwischenraum x der LED-Chips in einem Array-Modul eine Ungleichmäßigkeit, das heißt, ein Gefälle hinsichtlich der Strahlungsintensität an den Stellen, an denen die Module aneinander angrenzen.
Eine modulare LED-Array-Lichtquelle 3 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 2A dargestellt und umfasst zwei LED-Array-Module 30a, 30b, die nebeneinander in einer linearen Anordnung aneinander angrenzen. In diesem Beispiel trägt jedes der zwei LED-Module 30a, 30b ein lineares Array von Paaren von LED-Chips 12 auf einem Substrat 36. Die LED-Chips sind in Paaren angeordnet, das heißt, zwei Reihen, um ein Array zu bilden, das fünf Gruppen oder mittlere Cluster 32 umfasst, die jeweils 4 LED-Chips umfassen, die mit regelmäßigen Zwischenräumen periodisch angeordnet sind, und Endcluster 34, die an jedem Ende der Module 30a, 30b 6 LED-Chips umfassen. Beispielabmessungen eines Moduls 30 sind nur beispielhaft in 2B dargestellt, das heißt, jeder LED-Chip kann 1 × 1 mm betragen, und die einzelnen Chips in jedem Cluster sind nahe um einen Abstand x (0,2 mm) zueinander beabstandet. Ein Cluster von vier Chips beträgt daher 2,2 Quadratmillimeter. Die mittleren Cluster sind in Zwischenräumen mit Abständen L3, zum Beispiel Zwischenräumen von 3,55 mm, das heißt, mit 1,35 mm zwischen Clustern angeordnet. Jeder Endcluster umfasst 6 Einzelchips, die mit ähnlichen Zwischenräumen von 0,2 mm zwischen den Chips angeordnet sind. Das Modulsubstrat 36, das die LED-Chips stützt, erstreckt sich lateral um mehrere Millimeter um den gesamten Chip herum, außer an den Enden 38, an denen die Endgruppe 34 der LED-Chips so nahe wie möglich an dem Ende des Substrats angeordnet ist, wo die Module 30a, 30b in Stoßverbindung an das benachbarte Modul angrenzen können. Folglich beträgt die Länge des Arrays L2 26,3 mm und die Länge des Moduls L3 einschließlich der Wanddicke zur Versiegelung des Moduls beträgt 28,34 mm. Vorzugsweise sind die Cluster 32, 34 des Chips 12 auf einem Substrat 36 gepackt, das um die Ränder hermetisch versiegelt ist, was einen Zwischenraum von mindestens 1 mm zwischen dem Ende des LED-Chips 12 an dem Ende des Arrays und dem Rand des Endabschnitts des Gehäusesubstrats 38 in dem Verbindungsbereich zwischen zwei Modulen erforderlich macht. Selbst wenn also die Module so nahe wie möglich aneinander angrenzen, ist ein Raum von etwa 2 mm zwischen den Chips am Ende jedes Moduls vorhanden. Zum Ausgleich dieses Spalts zwischen Modulen ist die Chipgruppierung und Beabstandung entlang der Länge des Moduls derart angeordnet, dass Wand-/Randeffekte ausgeglichen werden, das heißt, durch Bereitstellen des zusätzlichen Paars von LED-Chips in jedem der Endcluster und Strukturieren der Chipcluster in periodischer Weise. Daher stellt diese Ausführungsform eine hohe Dichte und modulare LED-Beleuchtungsquelle mit erhöhter optischer Leistung und verbesserter Gleichmäßigkeit der Strahlungsintensität entlang der Länge einer LED-Array-Lichtquelle bereit, die zwei oder mehr Module umfasst. Durch Erhöhen der Anzahl oder Dichte von LED-Chips in dem Array nahe den Endabschnitten der Module, die an andere Module angrenzen, und Strukturieren der Chipcluster in periodischer Weise, wie in 2A dargestellt, kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität entlang der Länge einer Lichtquelleneinheit bereitgestellt werden, die mehrere lineare LED-Array-Module umfasst, und Rand- oder Wandeffekte werden ausgeglichen, um ein Gefälle hinsichtlich der Strahlungsintensität in dem Spalt zwischen herkömmlichen, gleichmäßig beabstandeten LED-Array-Modulen zu vermeiden (wie diejenigen, die in 1B und 1C dargestellt sind). Die resultierende modulare LED-Lichtquelle stellt für Anwendungen wie den Schnelldruck und andere Photohärtungsverfahren eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Strahlungsintensität bereit, um die Streifenbildung zu vermeiden, die durch eine ungleichmäßige Strahlungsintensität an den Stellen eines Arrays verursacht wird, an denen Module aneinander grenzen.
Berechnung von LED-Chipverteilungen.
Zur Ermittlung angemessener Clusteranordnungen und Zwischenräumen für lineare und rechteckige LED-Array-Module, um eine gleichmäßigere Strahlungsintensität in ein oder zwei Dimensionen bereitzustellen, wird auf 3 bis 8 Bezug genommen. 3A stellt schematisch eine lineare LED-Array-Lichtquelle dar, die i Module M1, M2 bis Mi umfasst. Jedes Modul Mi umfasst y Cluster von LED-Chips, wie in 3B dargestellt, die erste und zweite Endcluster von LED-Chips umfassen, die durch CE1 und Cej gekennzeichnet sind, und mehrere mittlere Cluster von LED-Chips CM2, CM3, ... CMj – 1. Wie zum Beispiel in 4 dargestellt, weist in jedem mittleren Cluster von m × n LED-Chips jeder Chip eine Abmessung w und eine gleichmäßige Beabstandung zwischen den Chips 12 einer Abmessung x auf.
Wie in 5 dargestellt, umfasst also unter der Annahme eines linearen Arrays von zwei oder mehr LED-Modulen 30 jedes Modul 30 mittlere Cluster (CM), das heißt, insgesamt j – 2 Cluster, die jeweils m × n LED-Chips aufweisen. Jeder Endcluster (CE) weist m × (n + 1) Chips auf, das heißt, eine größere Anzahl von LED-Chips, um die Wanddicke an dem Ende des Moduls auszugleichen, wie oben erläutert.
Für diese Anordnung wird bei der Festlegung einer allgemeinen Regel für die Beabstandung zwischen LED-Clustern von den folgenden Annahmen ausgegangen:

A) die Variation der optischen Ausgabe der Chips ist flussgebunden. Zum Beispiel betragen die Ausgabevariationen der Chips weniger als ±10%;
B) die Lichtquelle ist eine Lambertsche Quelle; herkömmliche oberflächenemittierende LEDs nähern sich einer Lambertschen Lichtquelle an;
C) ein bestimmter Abstand > 5 mm zwischen der Oberfläche des Substrats und der Chipoberfläche wird empfohlen. Zum Beispiel kann dieser Abstand von einem Reflektor, einer Zylinderlinse oder einem kegelförmigen Konzentrator besetzt sein; und
D) jedes Modul weist j Chipcluster auf; jeder mittlere Cluster weist m Reihen und n Spalten auf.

Endcluster weisen m × (n + 1) Chips auf, um den Spalt zwischen den Modulen in Bezug auf den Zwischenraum zwischen benachbarten Clustern auszugleichen.
Haben die mittleren Cluster eine Länge A und die Endcluster an dem Verbindungsbereich eine Länge B, wie in 5 dargestellt, wird der Abstand zwischen Modulen zur Beibehaltung der Anzahl von Chips je Längeneinheit desselben durch die folgende Gleichung (1) angegeben: A / 2 × n = B / 2 × (n + 1) (1)
Unter der Annahme, dass die Breite der Chips w ist, der Zwischenraum zwischen den Chips x ist, der Zwischenraum zwischen mittleren Clustern v ist und der Zwischenraum zwischen Endclustern U ist (18), gilt Folgendes: A = 2 × n × w + 2 × v + 2 ×(n – 1)× x (2) B = 2 ×(n + 1) × w + v + U + 2 × n × x (3)
Durch Substitution der Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (1) kann U aus der folgenden Gleichung berechnet werden: U = v + 2 / n(v – x) (4)
Wenn beispielsweise n = 2, v = 1,35, x = 0,2 in einer linearen Array-Konfiguration für ein hermetisch versiegeltes Gehäuse bei einer minimalen Wanddicke von 1 mm ist, dann ist U = 2,5.
Angemessene Zwischenräume in einem zweidimensionalen rechteckigen Array mehrerer Module, die mittlere Cluster von m × n LED-Chips umfassen, wie in 6A dargestellt, und Endcluster, die m × (n + 1) LED-Chips umfassen, wie in 6B dargestellt, können berechnet werden, um von Modul zu Modul bei Angrenzen derselben entlang der Länge einer Einheit, die zwei oder mehr LED-Array-Module umfasst, eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitzustellen.
In anderen Ausführungsformen kann ein ähnliches Ausführungsprinzip angewendet werden, um andere Anordnungen modularer LED-Arrays bereitzustellen. Großflächige modulare LED-Lichtquellen können mithilfe von LED-Array-Modulen bereitgestellt werden, die verschiedene Konfigurationen einzelner LEDs, LED-Paaren oder Gruppen oder Clustern einer Vielzahl von LEDs aufweisen.
Wenn im Allgemeinen jedes Modul ein Modulsubstrat umfasst, das mehrere LED-Elemente stützt, die in einem Array angeordnet sind, weist jedes Modul mindestens einen Randabschnitt des Substrats auf, der sich über das LED-Array hinaus erstreckt, um an denjenigen eines anderen Moduls anzugrenzen, und der Zwischenraum von LED-Lichtquellenelementen des Arrays in jedem Modul ist derart angeordnet, dass an den Stellen, an denen zwei Module aneinander angrenzen, eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität von Modul zu Modul bereitgestellt wird.
Wenn für Module, die ein lineares Array umfassen, jedes Modul einen mittleren oder zentralen Bereich des Moduls umfasst, der zentrale LED-Elemente des Arrays umfasst, die entlang einer Länge des Substrats angeordnet sind, und Endbereiche des Moduls LED-Elemente eines Endabschnitts des Arrays umfassen und sich der Randabschnitt des Substrats der Länge nach über das LED-Array hinaus erstreckt, dann sind die LED-Elemente des Arrays derart angeordnet, dass sie die gleiche durchschnittliche Anzahl von LED-Elementen je Einheitslänge des Substrats in jedem zentralen Bereich des Arrays und in jedem Endbereich, einschließlich der Substrat-/Gehäusewanddicke des Moduls, bereitstellen. Zur Bereitstellung eines Arrays von hoher Intensität ist die Packungsdichte der LED-Elemente in dem Array jedes Moduls vorzugsweise so hoch wie möglich, wobei gleichzeitig der Spalt zwischen LED-Elementen von Modul zu Modul ausgeglichen wird. Daher umfasst jedes Modul vorzugsweise einen zentralen Bereich, wobei das LED-Array als ein gleichmäßiges periodisches Array von LED-Elementen mit einer Anzahl n von Chips je Längeneinheit des Substrats angeordnet ist, und einen Endbereich des Moduls nahe des Rands des Arrays, wobei die Chips derart angeordnet sind, dass, einschließlich des Randabschnitts des Substrats, der sich über das LED-Array hinaus erstreckt, eine gleiche Anzahl von n Chips je Länge des Substrats in Endbereichen vorhanden ist, die an andere Module angrenzen.
Allgemeiner sind die LED-Chips für lineare oder rechteckige Arrays derart angeordnet, dass im Vergleich zu dem zentralen Bereich jedes einzelnen Moduls eine gleiche Anzahl von Chips je Länge des Moduls über den Endbereich oder angrenzenden Bereich von zwei Modulen vorhanden ist, das heißt, eine größere Chipanzahl in jedem Cluster nahe Enden oder Rändern der Module, um den Spalt oder Zwischenraum zwischen Modulen je nach der Dicke der Wand der Verpackung/des Gehäuses jedes Moduls auszugleichen.
Daher ist zum Beispiel in 7 eine modulare LED-Array-Lichtquelleneinheit gemäß einer anderen Ausführungsform dargestellt, die 4 rechteckige Arrays 40a, 40b, 40c und 40d umfasst, die entlang Rändern 48 angeordnet sind bzw. angrenzen, um ein großflächiges rechteckiges Array 5 zu bilden. Jedes LED-Array-Modul 40a, 40b, 40c, 40d umfasst mehrere einzelne LED-Chips 12, die in Clustern 42, 44 und 45 angeordnet sind. Die zentralen oder mittleren Cluster 42 umfassen jeweils 4 LED-Chips. Eckcluster 45 umfassen jeweils 9 LED-Chips. Randcluster 44 entlang jeder Seite umfassen 6 LED-Chips. Diese Anordnung stellt somit eine erhöhte Dichte von LED-Chips nahe Rändern 48 des LED-Array-Modulsubstrats 46 bereit, die in den Verbindungsbereichen 49 an andere Module angrenzen.
In anderen Ausführungsformen wird man zu schätzen wissen, dass viele andere Anordnungen, die Einheiten von zwei oder mehr LED-Modulen in verschiedenen Konfigurationen umfassen, berücksichtigt werden. Zum Beispiel ist in 8 eine modulare LED-Array-Lichtquelleneinheit 6 gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt, die eine Mehrzahl h LED-Arrays 60a, 60b ... 60h umfasst, die zur Bildung eines rechteckigen Arrays mit Zwischenräumen zwischen Arrays angeordnet sind, wobei die LED-Arrays parallel angeordnet sind. Jedes Array 1, 2 ... h kann denjenigen ähnlich sein, die in 3A dargestellt sind und mehrere LED-Array-Module umfassen. Eine LED-Array-Lichtquelleneinheit 7 gemäß einer vierten Ausführungsform ist in 9 dargestellt und umfasst mehrere LED-Array-Module 60a, 60b, ... 60h, die in einer gewinkelten oder versetzten Anordnung angeordnet sind.
Eine modulare UV- oder sichtbare (UV-V) LED-Array-Lichtquelleneinheit 8 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die zur Verwendung in einer UV-Photohärtungsvorrichtung geeignet ist, ist zum Beispiel schematisch in 10 dargestellt und umfasst zwei UV-LED-Array-Module 30a und 30b. In einer bevorzugten Anordnung umfasst jedes Modul mittlere Cluster 32 von 4 LED-Chips, die periodisch mit einem regelmäßigen Zwischenraum x angeordnet sind, wobei größere Endcluster 34 von 6 LED-Chips an jedem Ende bereitgestellt sind, um Randeffekte oder Wandeffekte nahe Rändern 38 des Substrats 36 auszugleichen. Die LED-Array-Module 30a, 30b können auf einem geeigneten Substrat (nicht dargestellt) wie der Wärmesenke eines Kühlmittels befestigt sein. Jedes Modul 36 stellt einen Bereich 40 benachbart jedes linearen Arrays bereit, um eine Verbindung 42 zum Anschluss an die Antriebs-/Steuerschaltung (in den Zeichnungen nicht dargestellt) aufzunehmen. Das heißt, Verbindungsstrukturen 42 umfassen elektrische Kontaktstifte 46, um jeden Cluster 32, 34 der LED-Chips eines LED-Arrays mit Energie zu versorgen und zu steuern. Eine Wand 48 des Gehäuses jedes LED-Array-Moduls umgibt die LED-Chips und ein darüber liegendes Fenster 50 ist zu der Wand 48 hermetisch versiegelt. Ein oder mehrere optische Elemente, in diesem Beispiel eine Zylinderlinse 52, die von dem Array beabstandet ist und sich entlang der Länge beider Module erstreckt, ist bereitgestellt, um das Strahlprofil der optischen Ausgabe aus den LED-Array-Modulen 30a, 30b bei einem angemessenen Arbeitsabstand zu formen, das heißt, zu fokussieren oder zu verteilen. Andere Ansichten dieser Elemente sind auch in 11 und 12 dargestellt.
Vorzugsweise ist das Gehäuse hermetisch versiegelt, was eine minimale Randwanddicke der Wand 48 erfordert, die durch die Verpackungstechnologie bestimmt wird. Als Alternative kann das Array durch andere herkömmliche Mittel wie Epoxid oder eine andere Einkapselung eingekapselt werden, was für eine effektive Versiegelung auch erforderlich macht, dass sich das Modulsubstrat um eine bestimmte minimale Dicke um das Array erstreckt. Ferner weist das LED-Modulgehäuse vorzugsweise ein Substrat 36 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit auf, um ein verbessertes Wärmemanagement in einem Array mit hoher LED-Chipdichte bereitzustellen. Eine Lichtquelleneinheit, die mehrere LED-Array-Module umfasst, kann ein geeignetes Kühlsystem umfassen. Zum Beispiel können die Substrate 36 der LED-Array-Module in thermischem Kontakt mit einer geeigneten Kühlstruktur wie einer Wärmesenke und/oder Flüssigkeitskühlung oder einem anderen herkömmlichen Wärmemanagementsystem befestigt werden.
Vorteilhafterweise weist jedes Modul einen Temperatursensor, zum Beispiel einen oder mehrere Thermistoren 54 zum Messen/Überwachen der Betriebstemperatur und einen optischen Sensor, zum Beispiel einen Lichtwellenleitersensor zur optischen Überwachung (nachstehend ausführlicher beschrieben) auf, der einen Lichtleiter 56 und einen externen Photodiodendetektor 58 zum Erkennen eines Betriebsstatus (das heißt, Ein/Aus/Ausfall usw.) jedes Moduls 30a, 30b umfasst.
Ein herkömmlicher LED-Treiber (nicht dargestellt) treibt die LEDs einzeln oder in Gruppen an. Die LEDs werden vorzugsweise in Gruppen angetrieben, und da ein großer Spannungsabfall über jeder Gruppe vorhanden ist, ist eine parallele Konfiguration vorteilhaft. Unter Verwendung einer Vielzahl von Eingaben für den Antrieb, zum Beispiel werden die ersten 8 Gruppen von einer ersten Eingabe angetrieben, die nächsten 8 Gruppen werden von der nächsten Eingabe angetrieben usw., wird eine verbesserte Gleichmäßigkeit bereitgestellt. Handelsübliche Treiberchips können verwendet werden.
Optische In-situ-Überwachung
Ein bekanntes Verfahren zur Überwachung der Veränderung der optischen Leistung des Arrays ist die Einbettung von Photodioden in das Array, wie in der ebenfalls abhängigen US-Patentveröffentlichung Nr. US 2005/0 230 600 A1 beschrieben, das heißt, einige der lichtemittierenden Dioden in einem großflächigen Array sind als Photodiodendetektoren zur Überwachung der Ausgabe der lichtemittierenden Dioden konfiguriert. Allerdings werden viele Photodioden benötigt, um das gesamte Array zu überwachen. Eine Anordnung unter Verwendung vieler Photodioden ist tendenziell kostenintensiv. Photodioden nehmen wertvollen Platz in dem Array ein und können die Gleichmäßigkeit der Strahlungsintensität beeinträchtigen. Niedrigere Kosten oder alternative Verfahren zur Überwachung der Ausgabe großflächiger Dioden-Array-Module sind wünschenswert.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein lichtemittierendes Dioden-Array-Modul bereitgestellt, das optische Überwachungsmittel aufweist, die eine fluoreszierende Faser umfassen, die mit dem LED-Modulfenster optisch gekoppelt ist, um Veränderungen hinsichtlich der Ausgabeleistung an jedem beliebigen Punkt in dem Array zu erkennen. Das heißt, Licht, das von den LEDs emittiert wird, wird mit der Seite des Faserlichtleiters von dem Rand des optischen Fensters entlang der Länge eines LED-Moduls gekoppelt. Die Faser wird zum Fluoreszieren gebracht und die Fluoreszenz wird durch die Faser zu dem Photodetektor geleitet. Auf diese Weise wird Licht mithilfe einer einzigen Photodiode je Modul aus einer Vielzahl von LEDs extern gesammelt.
Während des Betriebs kann jede Lichtveränderung, die von der Photodiode erkannt wird, benutzt werden, um die Degradation insgesamt des LED-Arrays zu erkennen, oder sie wird eine Veränderung des Status einzelner LEDs erkennen, zum Beispiel wenn eine ausgeschaltet ist oder ausgefallen ist. Als Alternative ermöglicht die Überwachung der optischen Ausgabe, die von der Photodiode erkannt wird, während einzelne LEDs oder Cluster von LEDs mit Energie versorgt werden, in einer Prüfsequenz die Erkennung von Degradation oder Ausfall einzelner oder Gruppen von LEDs.
Wie in der Lichtquelleneinheit in 10 dargestellt, weist jedes LED-Array-Modul einen optischen Sensor auf, der eine Photodiode 58 umfasst, und einen entsprechenden fluoreszierenden Faserlichtleiter 56, der sich entlang eines Rands des optischen Fensters 50 jedes Arrays erstreckt. Ein Teil eines Moduls ist auch in einer vergrößerten Ansicht in 11 dargestellt, wobei die Zylinderlinse 52 aus Klarheitsgründen entfernt ist. 12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines LED-Array-Moduls, das die Ausrichtung des fluoreszierenden Faserlichtleiters 56 und die Photodiode 58 darstellt, die zur Überwachung der Ausgabeintensität des LED-Arrays und Erkennung einer Veränderung hinsichtlich der Ausgabe, zum Beispiel aufgrund von Alterung oder des Ausfalls einer oder mehrerer LEDs bereitgestellt sind. Die Verwendung einer fluoreszierenden Faser ermöglicht die Überwachung der Lichtausgabe des gesamten Array-Moduls mithilfe nur einer einzigen Photodiode je Modul. Während des normalen Betriebs bewirkt die Lichtemission aus den LED-Chips die Fluoreszenzemission aus der Faser, die zu der Photodiode geleitet wird. Eine Veränderung der Ausgabe aus der Faser kann erkannt werden und auf ein Problem oder Versagen eines oder mehrerer Chips in dem Array-Modul hinweisen.
Die vergrößerte Ansicht eines Teils von 10 ist in 11 dargestellt und die Querschnittsansicht in 12 zeigt die Ausrichtung der fluoreszierenden Faser 54 entlang eines Rands des optischen Fensters 50, um eine Lichtprobe zu nehmen, die von dem LED-Array emittiert wird, wobei die Fluoreszenz in der Faser erregt wird, wobei diese geleitet wird, um von der Photodiode zu der Photodiode 58 erkannt zu werden. Die Fluoreszenz, die von der fluoreszierenden Faser emittiert wird, wird bei einer anderen Wellenlänge (das heißt, einer längeren Wellenlänge) emittiert als das Licht, das von den LEDs des Arrays emittiert wird, sodass dann die erkannte Emission leichter von dem Hintergrund oder der UV-Bestrahlung getrennt werden kann.
In einer Prüfsequenz kann die sequenzielle Einschaltung einzelner Cluster und die Beobachtung der Fluoreszenz aus der Faser einen inoperativen oder defekten Betrieb eines oder mehrerer Cluster oder einzelner Chips identifizieren. Gewöhnlich ist dazu die Aufnahme einer Vielzahl von Photodioden in jedes LED-Array-Modul zu Überwachungszwecken erforderlich. Daher stellt diese Anordnung unter Verwendung einer fluoreszierenden Faser ein kostengünstigeres Überwachungssystem bereit, das die Anzahl der Photodioden reduziert, die zur effektiven Überwachung eines großen Arrays erforderlich sind.
Jedes Modul weist einen optischen Sensor auf, der eine Photodiode und eine fluoreszierende optische Faser zur Überwachung des Betriebsstatus jedes Moduls umfasst. Ebenfalls dargestellt sind zwei Thermistoren für jedes Modul.
Wenngleich die in 10 dargestellte Ausführungsform zwei Module 30a und 30b umfasst, können in anderen Ausführungsformen mehrere Module aneinander angrenzen, um eine längere LED-Array-Lichtquelleneinheit, zum Beispiel für eine großflächige Photohärtung zu bilden. Zum Beispiel ist in 13 eine Seitenansicht einer ähnlichen Einheit dargestellt, die 3 Module 30a, 30b, 30c umfasst, die aneinander angrenzen, um eine längere Array-Lichtquelle zu bilden. Jedes Modul umfasst mittlere 31 und Endcluster 34 von LEDs, die mit geeigneten Zwischenräumen angeordnet sind, um eine Lichtquelle einer gewünschten Länge bereitzustellen, die eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität entlang der Länge des Moduls bereitstellt, wie oben beschrieben. Jedes Modul umfasst ein optisches Fenster, das um die Ringeinfassung oder -wand 48 des LED-Gehäuses hermetisch versiegelt ist. Jedes Modul umfasst eine Photodiode 58 und einen Faserlichtleiter 56 zur optischen Überwachung und ein Paar Thermistoren 54 zur thermischen Überwachung, sowie elektrische Kontaktstifte 46 und die Verbindung 48.
In alternativen Ausführungsformen wird man zu schätzen wissen, dass die modulare LED-Array-Lichtquelle andere Anordnungen von LED-Modulen, optische Sensoren und Temperatursensoren umfassen kann.
Array-Optik
Vorzugsweise umfasst jede LED-Array-Lichtquelle optische Elemente, zum Beispiel eine oder mehrere Zylinderlinsen oder Reflektoren zur Erhöhung oder Maximierung der Strahlungsintensität an dem Substrat und Formung des Strahlprofils aus den LED-Modulen. Typischerweise sind gepackte oder gehäuste LEDs mit sphärischen Reflektoren und Linsen ausgeführt oder als Alternative sind die LED-Arrays aus einer Vielzahl von LEDs jeweils mit ihrem eigenen Reflektor und/oder Linse ausgebildet (siehe zum Beispiel US-Patentschrift Nr. 7,071,493 B2 ).
Querschnittsansichten durch ein LED-Array-Modul, die einige alternative Anordnungen optischer Elemente darstellen, sind in 14, 15 und 16 dargestellt. 14 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein LED-Modul, das ein Paar LED-Chips 12 darstellt, die auf einem Substrat 36 befestigt sind, mit einer einzigen Zylinderlinse 52, die der in 10 dargestellten ähnlich ist. 15 zeigt ein schematisches Querschnittsdiagramm eines LED-Array-Moduls, das Paare von LED-Chips 12 auf einem Substrat 36 umfasst, und ein optisches Element 53, das einen zylindrischen Reflektor umfasst, der für eine verbesserte Kopplungseffizienz und Bereitstellung eines breiten Strahlprofils konfiguriert ist. 16 zeigt ein schematisches Querschnittsdiagramm eines LED-Array-Moduls, das Paare von LED-Chips 12 und ein optisches Element 55 umfasst, das einen optischen Taper (Verjüngung) umfasst, der für eine erhöhte Strahlungsintensität (Energiedichte) und Bereitstellung eines schmalen Strahlprofils konfiguriert ist.
17 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein lineares LED-Array-Modul gemäß einer anderen Ausführungsform, die ein lineares Array von Paaren von LEDs 12 umfasst, die in einem zylindrischen Reflektor 57 angeordnet sind, und ein Zylinderlinsenpaar 52a und 52b für eine erhöhte Strahlungsintensität am Substrat und Formung des Strahlprofils.
18A und 18B zeigen eine Querschnittsansicht durch ein lineares LED-Array-Modul gemäß einer Ausführungsform, das ein lineares Array von Paaren von LEDs 12a und 12b umfasst, die erste und zweite unterschiedliche Wellenlängen emittieren, und eine Zylinderlinse 52 zum Formen des Strahlprofils, bei einem ersten und einem zweiten Arbeitsabstand d₁ und d₂ von einer zu härtenden Beschichtung 70, um jeweils die Mischung von Wellenlängen und Trennung von ersten und zweiten Wellenlängen zu zeigen.
Für lineare Arrays wie oben beschrieben und in der verwandten US-Patentanmeldung Nr. US 8 573 766 B2 offenbart, bietet ein optisches Element wie eine Linse oder ein Reflektor mit zylindrischer Geometrie einige Vorteile. Zum Beispiel kann die Verwendung eines zylindrischen optischen Elements verteilte Lichtpulse bereitstellen und kann für Anwendungen mit sich bewegenden Substraten wie beim Digitaldruck und für die Härtung mittels Förderband-Flächenstrahler verwendet werden; eine fokussierende Linse und Reflektoren können benutzt werden, um die Energiedichte (Strahlungsintensität) in einer Ebene zu erhöhen, die zu dem sich bewegenden Substrat bei einem spezifischen Arbeitsabstand senkrecht ist; im Gegensatz zur Bereitstellung einzelner Linsen oder Reflektoren für jeden Chip können eine einzige Linse und/oder Reflektor je linearem Array verwendet werden und so den Raum reduzieren, der zwischen den LED-Chips benötigt wird, sodass eine größere Packungsdichte von LED-Chips in einer Dimension ermöglicht wird.
Dual-Wellenlängen- oder Multi-Wellenlängenbestrahlung
Wie in den Ausführungsformen in 10, 11 und 12 dargestellt, ist eine einzige Zylinderlinse 52 zur Fokussierung der Ausgabe der Cluster 32, 34 der LED-Chips 12 der LED-Array-Module 30a, 30b bereitgestellt. Wenn das LED-Array 8 Paare von LED-Chips umfasst, die in zwei Reihen angeordnet sind, um Cluster zu bilden, wie oben beschrieben, kann jedes LED-Paar eine erste LED umfassen, die eine erste Wellenlänge, zum Beispiel 400 nm emittiert, und eine zweite LED, die eine zweite Wellenlänge, zum Beispiel 365 nm emittiert. Durch Einstellen des Arbeitsabstands von dem zu härtenden Substrat kann eine Beleuchtungslinie, die sowohl die erste als auch die zweite Wellenlänge umfasst, auf das Substrat fokussiert werden, wie in 18 dargestellt. Als Alternative können zum Beispiel durch Erhöhen des Arbeitsabstands getrennte Beleuchtungslinien jeder der zwei Wellenlängen auf das zu härtende Substrat gelenkt werden, wie in 18B dargestellt. Die Fähigkeit zur Bestrahlung bei zwei Wellenlängen bietet Flexibilität, um die Bestrahlung für Tinten und Beschichtungen unterschiedlicher Formulierungen für unterschiedliche Anwendungen und Substrate zu steuern, oder wenn Tinten und Beschichtungen unterschiedlicher Farben unterschiedliche Absorptions- und Reflektionseigenschaften haben. Die Auswahl der entsprechenden Strahlung mit einer spezifischen Wellenlänge oder Kombination für den mehrfarbigen Druck oder Beschichtung wird ermöglicht.
Wenngleich eine bestimmte Ausführungsform im Hinblick auf die Verwendung modularer LED-Array-Lichtquellen, die UV-LEDs zur Photohärtung umfassen, beschrieben wurde, können als Alternative oder zusätzlich LEDs zur Photohärtung benutzt werden, die kurzwelliges sichtbares Licht wie bei Wellenlängen von 400 nm emittieren. LED-Quellen, die andere Wellenlängen, sichtbares Licht oder Infrarotlicht emittieren, können als Alternative je nach Bedarf zur Ausführung der Photohärtung oder Photoinitiierung anderer Reaktionen, die andere Wellenlängen erfordern, verwendet werden. Unterschiedliche Wellenlängen können für spezifische Effekte benutzt werden, wie zum Beispiel zur Oberflächenhärtung oder Bereitstellung von Oberflächen mit unterschiedlicher Erscheinung.
Bekanntermaßen kann die Erscheinung einer gehärteten Tinte oder eines Beschichtungsfilms durch selektives Anwenden unterschiedlicher Wellenlängen von UV-Strahlung in unterschiedlichen Stufen des Härtungsprozesses beeinflusst werden. Zum Beispiel bringt die Anwendung einer bestimmten Menge einer UV-Strahlung von 365 nm bei einer gesteuerten Strahlungsintensität vor einer Strahlung von 400 nm zur Härtung einer pigmentierten Beschichtung gewöhnlich eine matte Oberflächenbeschaffenheit hervor, wohingegen die Verwendung einer UV-Strahlung von 400 nm vor einer UV-Strahlung von 365 nm eine glänzendere Oberflächenbeschaffenheit hervorbringt. Ferner bringt die Anwendung einer UV-Strahlung von 365 nm zusätzlich zu einer 400-nm-Härtung oftmals eine verbesserte Oberflächenhärtung einiger Tinten und Beschichtungen hervor. Geeignete Anordnungen optischer Elemente und Arbeitsabstände können verwendet werden, um einzelne beabstandete Linien unterschiedlicher Wellenlängen, einzelne Linien mit gemischten Wellenlängen bereitzustellen, wobei die relative Menge (das heißt, relative Amplitude) jeder Wellenlänge gesteuert werden kann. Diese kann manuell eingestellt oder automatisch gesteuert werden. Wenngleich also in 18A und 18B die zwei Wellenlängen mit Strahlprofilen mit der gleichen Intensität dargestellt sind, können unterschiedliche Intensitäten für jede Wellenlänge benutzt werden. Wenn eine automatische Steuerung der Intensität oder relativen Amplitude bereitgestellt ist, kann diese Auswahl programmierbar oder während der Härtung durch Rückkopplungssystem-Abtasteigenschaften der Tinte oder Beschichtung während der Härtung eingestellt werden oder mit anderen Steuersignalen wie den Spritzdüsen-Steuersignalen verknüpft werden.
Als Alternative können anstatt einer Zylinderlinse, wie in 18A und 18B dargestellt, andere optische Elemente, zum Beispiel wie in 15, 16 und 17 dargestellt, eine Beleuchtung bei gemischten Wellenlängen durch die Verwendung eines zylindrischen Reflektors 53 oder eines kegelförmigen optischen Elements 55 bereitgestellt werden, um ein breites oder schmales Beleuchtungsband oder eine Wellenlänge oder gemischte Wellenlängen bereitzustellen.
Modulare LED-Array-Lichtquellen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen stellen eine gleichmäßigere Strahlungsintensität für Anwendungen wie die Photohärtung oder andere photoinitiierte Prozesse bereit. Andere Anwendungen solcher modularer LED-Array-Lichtquellen können Verfahren umfassen, die eine großflächige Beleuchtung mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Strahlungsintensität erfordern, wie die Beleuchtung oder Bestrahlung zur Überwachung und Bildverarbeitung für Prüfungen oder Messungen, zum Beispiel Verfahrensüberwachung, Qualitätskontrolle und andere bildverarbeitungs- und bildanzeigebasierte Anwendungen. LED-Arrays können lichtemittierende Festkörpervorrichtungen umfassen, die zum Beispiel eine oder mehrere lichtemittierende Dioden, Laserdioden und OLEDs (organische lichtemittierende Dioden) umfassen. Für Photohärtungsanwendungen, zum Beispiel die UV-Härtung von photohärtenden Tinten oder Beschichtungen können LEDs UV-LEDs oder LEDs mit kurzwelligem sichtbarem Licht umfassen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT.
Eine lichtemittierende Dioden(LED)-Lichtquelle wird bereitgestellt, die mehrere LED-Module umfasst, wobei die Module aneinander angrenzen, um ein großflächiges Array von hoher Intensität und hoher Dichte bereitzustellen. Vorzugsweise ist in jedem Modul ein lineares oder rechteckiges Array von LED-Gruppen bereitgestellt, wobei die Dichte der LED-Chips in dem Array nahe den Enden oder Rändern des LED-Arrays höher ist, sodass die durchschnittliche Anzahl von LED-Chips je Einheitslänge des Substrats über den Endbereichen, einschließlich eines Rands des Substrats, der an andere Module angrenzt, der Anzahl der Chips je Längeneinheit in den mittleren Bereichen des Arrays entspricht, um über dem beleuchteten Bereich zwischen Modulen eine gleichmäßige Strahlungsintensität bereitzustellen. Auf diese Weise werden zum Beispiel durch die Bereitstellung von Endclustern mit einer oder mehreren zusätzlichen LEDs und die Auswahl angemessener Zwischenräume von mittleren und End- oder Eckclustern Rand- oder Wandeffekte aufgrund der Beabstandung der LED-Chips von Rändern des Substrats und des Gehäuses jedes Moduls, die eine Diskontinuität oder Gefälle hinsichtlich der Strahlungsintensität zwischen herkömmlichen Modulen verursachen, vermieden oder verringert.
Modulare LED-Array-Lichtquellen, die ein breites Beleuchtungs- oder Bestrahlungsband mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Strahlungsintensität bereitstellen, werden zur Photohärtung oder Photoverarbeitung großflächiger Substrate wie für die UV-Härtung und für andere Verfahren angewendet, die eine gleichmäßige Beleuchtung erfordern, wie die Überwachung oder Bildverarbeitung für Prüf- und Messanwendungen.
Andere Ausführungsformen stellen einen Sensor und ein Verfahren zur Überwachung der Ausgabe einer oder mehrerer LED-Array-Module mithilfe einer einzigen Photodiode bereit, die an einen fluoreszierenden Lichtleiter, vorzugsweise einen fluoreszierenden Faserlichtleiter gekoppelt ist, der an mehrere einzelne LEDs oder Gruppen von LEDs des Array-Moduls optisch gekoppelt ist.
Wenngleich Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und ausführlich dargestellt wurden, muss man verstehen, dass diese nur der Darstellung und als Beispiel dienen und nicht als einschränkend verstanden werden dürfen, wobei der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche eingeschränkt ist.

Claims

LED-Array-Lichtquelle einer lichtemittierenden Vorrichtung, umfassend mehrere LED-Array-Module (30a, 30b); wobei jedes Modul (30a, 30b) ein Modulsubstrat (36) umfasst, das mehrere LED-Elemente (12) trägt, die in einem Array angeordnet sind; wobei jedes Modul (30a, 30b) mindestens einen Randabschnitt des Substrats (36) aufweist, der sich über das LED-Array hinaus erstreckt und an den eines anderen Moduls (30a, 30b) grenzt; und wobei der Zwischenraum der LED-Lichtquellenelemente des Arrays in jedem Modul (30a, 30b) derart angeordnet ist, dass eine höhere Dichte von LED-Elementen (12) an Rändern des Arrays bereitgestellt wird, an denen Randabschnitte von zwei Modulen (30a, 30b) aneinander angrenzen.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die Anordnung der LED-Chips in jedem Modul (30a, 30b) eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität von Modul zu Modul, wo zwei Module (30a, 30b) aneinandergrenzen, bereitstellt.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jedes Modul Folgendes umfasst: einen zentralen Bereich des Moduls, der zentrale LED-Elemente (12) des Arrays umfasst, die entlang einer Länge des Substrats (36) angeordnet sind, und Endbereiche des Moduls, die LED-Elemente (12) eines Endabschnitts des Arrays umfassen, wobei sich der Randabschnitt des Substrats (36) der Länge nach über das LED-Array hinaus erstreckt, wobei die LED-Elemente (12) des Arrays derart angeordnet sind, dass sie die gleiche durchschnittliche Anzahl von LED-Elementen (12) je Längeneinheit des Substrats (36) in jedem zentralen Bereich und Endbereich des Moduls bereitstellen.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei in jedem Modul ein zentraler Bereich des LED-Arrays ein gleichmäßiges periodisches Array von LED-Elementen mit einer Anzahl n von Chips je Längeneinheit des Substrats (36) und einen Endbereich des Moduls nahe des Rands des Arrays umfasst, wobei Chips derart angeordnet sind, dass, einschließlich des Randabschnitts des Substrats (36), der sich über das LED-Array hinaus erstreckt, eine gleiche Anzahl n von Chips je Länge des Substrats in jedem Endbereich vorhanden ist, der an ein anderes Modul angrenzt.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 4, wobei die Anordnung von LED-Chips in zentralen und Endbereichen eines Moduls (30a, 30b) die Packungsdichte einzelner Chips maximiert.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jedes Modul (30a, 30b) ein periodisches Array mehrerer mittlerer Cluster (32) von LED–Chips entlang einer Länge des Arrays und einen Endcluster (34) von LED-Chips an jedem Ende der Länge des Arrays nahe Randabschnitten des Moduls (30a, 30b) umfasst, wo zwei Module (30a, 30b) aneinander angrenzen, und wobei jeder Endcluster (34) eine größere Anzahl von LED-Chips umfasst als die mittleren Cluster (32).
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 6, wobei der Zwischenraum der LED-Chips in jedem mittleren Cluster (32) und Endcluster (34) und der Zwischenraum zwischen Clustern (32, 34) derart ausgewählt sind, dass entlang der Länge des Arrays und über Randabschnitte, an denen zwei Module (30a, 30b) aneinander angrenzen, eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt wird.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei jeder mittlere Cluster (32) mindestens einen LED-Chip umfasst und jeder Endcluster (34) mindestens einen zusätzlichen LED-Chip umfasst.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei jeder mittlere Cluster (32) mindestens ein Paar LED-Chips umfasst und jeder Endcluster (34) mindestens ein zusätzliches Paar Chips umfasst.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei jedes Modul (30a, 30b) ein lineares Array von LED-Chips umfasst, das mittlere Cluster (32) und Endcluster (34) von LED-Chips umfasst, und jeder mittlere Cluster (32) 4 LED-Chips umfasst und jeder Endcluster (34) 6 LED-Chips umfasst und der Zwischenraum von Endclustern (34) und mittleren Clustern (32) derart gewählt ist, dass entlang der Länge des Lichtquellen-Arrays von Modul (30a, 30b) zu Modul (30a, 30b) eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt wird.
LED-Array-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis l0, wobei jedes Modul (30a, 30b) mehrere mittlere Cluster (32) von m × n LED-Chips und mehrere Endcluster (34) von m × (n + 1) LED-Chips umfasst, wobei die Chips in jedem Cluster (32, 34) eine Abmessung w aufweisen und um einen Abstand v beabstandet sind, jeder mittlere Cluster (32) um einen Abstand x beabstandet ist und jeder Endcluster (34) von einem Rand des Substrats (36) derart beabstandet ist, dass dort, wo zwei Module (30a, 30b) aneinander angrenzen, Endcluster (34) in benachbarten Modulen (30a, 30b) um einen Abstand U beabstandet sind, und wobei U = v + 2 / n(v – x).
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jedes LED-Modul (30a, 30b) ein rechteckiges Array von LED-Chips umfasst, wobei jedes rechteckige Array mittlere Cluster (32), Randcluster und Eckcluster von LED-Chips umfasst und wobei die Anzahl der Chips und der Zwischenraum von mittleren, Rand- und Eckclustern derart ausgewählt ist, dass von Modul (30a, 30b) zu Modul (30a, 30b) eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitgestellt wird.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 11, wobei sich jedes Modulsubstrat (36) um die LED-Lichtquellenelemente des Arrays zum Verpacken des Arrays nach außen erstreckt und eine Versiegelung umfasst, die die LEDs des Arrays umgibt.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei das Modulsubstrat (36) einen Teil eines Modulgehäuses, das eine Wand (48) umfasst, die die LED-Lichtquellenelemente des Arrays umgibt, und ein darüber liegendes optisches Fenster (50) umfasst, das die LEDs des Arrays mit dem Modulgehäuse hermetisch versiegelt.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 14, ferner umfassend Kühlmittel, die eine Wärmesenke umfassen, wobei Substrate (36) der mehreren Lichtquellenmodule in thermischem Kontakt mit der Wärmesenke gestützt sind.
LED-Array-Modul für eine modulare eine Anordnung mehrerer LED-Array-Module umfassende Lichtquelle (3), wobei jedes Modul umfasst: ein Substrat (36), das mehrere LED-Chips (12) aufweist, die in einem Array auf dem Substrat (36) angeordnet sind, wobei sich Randabschnitte des Substrats über das Array hinaus erstrecken, wobei die Zwischenräume der LED-Chips derart ausgewählt sind, dass eine Chipdichte in einem mittleren Bereich des Arrays und eine größere Chipdichte nahe den Enden des Arrays bereitgestellt wird, die Randabschnitten des Substrats zum Angrenzen mit einem anderen Modul (30a, 30b) benachbart sind, wobei die Zwischenräume zur Bereitstellung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Strahlung von Modul (30a, 30b) zu Modul (30a, 30b) über die Randabschnitte in der Anordnung ausgewählt sind.
LED-Array-Modul nach Anspruch 16, wobei das Array ein periodisches Array mehrerer mittlerer Cluster von LED-Chips entlang einer Länge des Arrays und einen Endcluster (34) von LED-Chips an jedem Ende der Länge des Arrays umfasst, wobei jeder Endcluster (34) eine größere Anzahl von LED-Chips umfasst als die mittleren Cluster (32).
LED-Modul nach Anspruch 16, wobei das Substrat (36) einen Teil eines Modulgehäuses, das eine Wand (48) aufweist, die sich um die LED-Chips des Arrays erstreckt, und ein optisches Fenster (50) umfasst, das über dem Array liegt und zu der Wand (48) des Gehäuses hermetisch versiegelt ist.
LED-Modul nach Anspruch 16, wobei jedes Modul mehrere mittlere Cluster (32) von m × n LED-Chips und mehrere Endcluster (34) von m × (n + 1) LED-Chips umfasst, wobei die Chips in jedem Cluster (32, 34) eine Abmessung w aufweisen und um einen Abstand x beabstandet sind, jeder mittlere Cluster (32) um einen Abstand v beabstandet ist und jeder Endcluster (34) von einem Rand des Substrats (36) derart beabstandet ist, dass dort, wo zwei Module (30) aneinander angrenzen, Endcluster (34) in benachbarten Modulen (30) um einen Abstand U beabstandet sind, und wobei U = v + 2 / n(v – x).
LED-Modul nach Anspruch 16, ferner umfassend optische Sensormittel, umfassend: einen Lichtleiter (56), der sich entlang der Länge des LED-Arrays benachbart des Arrays erstreckt und ausgerichtet ist, um einen Teil der optischen Ausgabe aus dem LED-Array zu empfangen; einen Photodetektor (58), der optisch gekoppelt ist, um Licht aus einer Lichtleiterausgabe zum Überwachen des Betriebsstatus des Arrays zu empfangen.
LED-Modul nach Anspruch 18, ferner umfassend einen optischen Sensor, der einen fluoreszierenden Faserlichtleiter umfasst, der sich entlang einer Seite der Länge des Arrays erstreckt und mit einem Rand des optischen Fensters (50) ausgerichtet ist, um einen Teil des Lichts zu empfangen, das von dem LED-Array emittiert wird, und einen Photodetektor (58), der mit einer Ausgabe des fluoreszierenden Faserlichtleiters optisch gekoppelt ist, um eine Ausgabe aus der Faser zu empfangen, die den Betriebsstatus des Arrays anzeigt.
Vorrichtung zur optischen Überwachung des Betriebsstatus eines Arrays mehrerer LEDs (12), umfassend: einen fluoreszierenden Lichtleiter (56), der sich entlang einer Länge des Arrays erstreckt und damit optisch gekoppelt ist, um eine Emission von den LEDs des Arrays zu empfangen; einen Photodetektor (58), der mit einer Ausgabe des fluoreszierenden Lichtleiters (56) gekoppelt ist, um eine Lichtausgabe davon zu überwachen, die den Betriebsstatus des Arrays von LEDs anzeigt, wobei das LED-Array ein optisches Fenster (50) umfasst, das über den LEDs des Arrays liegt, und der fluoreszierende Lichtleiter (56) einen fluoreszierenden Faserlichtleiter umfasst, der entlang eines Rands des optischen Fensters (50) optisch gekoppelt ist, um einen Teil des Lichts aus dem Array zu empfangen, und wobei der Photodetektor (58) an ein Ende der optischen Faser gekoppelt ist, um die Fluoreszenzausgabe zu überwachen, die den Betriebsstatus der LEDs des Arrays anzeigt.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei mehrere erste LEDs in jedem Array eine erste Wellenlänge emittieren und mehrere zweite LEDs in jedem Array eine zweite, andere Wellenlänge emittieren und wobei die Lichtquelle ferner optische Elemente zum Mischen oder Trennen der Emission bei der ersten und der zweiten Wellenlänge umfasst.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 9, wobei eine erste LED jedes LED-Paars eine erste Wellenlänge emittiert und eine zweite Diode jedes Diodenpaars eine zweite Wellenlänge emittiert.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 24, wobei die Diodenpaare in einem linearen Array angeordnet sind und wobei die Lichtquelle ferner zylindrische optische Elemente zum Mischen oder Trennen der Lichtemission bei der ersten und der zweiten Wellenlänge umfasst.
LED-Array-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und 23 bis 25, wobei die LEDs lichtemittierende Festkörper-Vorrichtungen umfassen, die eine oder mehrere lichtemittierende Dioden, Laserdioden und OLEDs (organische lichtemittierende Dioden) umfassen.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 26 für eine photohärtende Vorrichtung, umfassend LEDs zum Emittieren einer Wellenlänge, die zum Initiieren einer Photoreaktion geeignet ist.
LED-Array-Lichtquelle nach Anspruch 26 für eine photohärtende Vorrichtung, wobei die LEDs UV-LEDs zur UV-Photohärtung umfassen.
LED-Array-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend eine Anordnung einer Mehrzahl i von LED-Array-Modulen, wobei jedes Modul eine Länge L aufweist, die von Ende zu Ende angrenzt, um eine Lichtquelle einer Länge i × L bereitzustellen, wobei die Anordnung von LED-Chips in jedem Array-Modul entlang der Länge i × L eine im Wesentlichen gleichmäßige Strahlungsintensität bereitstellt.