基于自由曲面的紫外LED匀光系统研究

发布时间：2020-08-07 04:34

【摘要】：紫外LED具有节能环保、能效高等诸多优点,在紫外特种照明领域得到了广泛应用。紫外照明大多数光学系统,如紫外光油墨固化、紫外曝光机等都需要均匀照明,而LED光强呈朗伯体分布,不能直接实现均匀照明,因此需要对紫外LED照明进行匀光设计。常见的匀光方法有复眼照明法、方棒照明法、放置补偿滤光片法、反射镜法等,它们都有各自的优缺点和适用情况。随着自由曲面加工技术的发展,自由曲面透镜逐渐被用于LED匀光系统。自由曲面设计灵活,自由度高,采用自由曲面可极大简化照明系统的结构,准确控制光束分布,并有效实现所需均匀照明。本文根据实际工业需求研究了两个匀光实例:油墨固化系统和平行光曝光机系统,分别设计了用于匀光的自由曲面透镜。在油墨固化系统中,采用数值求解偏微分方程结合反馈优化的方法来获得自由曲面面型数据。具体过程是:利用矢量形式的折射定律建立自由曲面面型的偏微分方程,然后通过能量守恒定律建立自由曲面面与目标面的坐标对应关系,从而对自由曲面的面型偏微分方程进行化简,再通过编程计算得到自由曲面离散点信息并进行曲面建模,最后采用反馈优化的方法优化面型。设计完成后,将多个波长的LED光源和自由曲面透镜组合在一起,并在弧面上依次排成阵列作为最终的固化光源系统,通过仿真验证,单颗灯珠可以获得均匀性较好的照明光斑,阵列光源也能得到光照强度、均匀性以及波长均匀性都满足要求的照明光斑。然后,在平行光曝光机系统中,通过将目标面照度均匀分布转化成出射光线能量分布建立自由曲面设计目标,采用矢量形式的折射定律与几何关系建立自由曲面面型方程,数值求解该方程获得离散点数据并进行曲面建模。光线追迹仿真结果表明,使用该自由曲面透镜可以有效提高目标面照明光斑的照度均匀性。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8
【图文】：

方棒,透镜

复眼透镜又称为积分透镜或微透镜，是由一系列小透镜组合形成，复眼照明逡逑匀光系统由前后两排完全相同的微透镜阵列构成，间隔距离为小透镜的焦距，其逡逑匀光原理如图１．邋３所示。当光束照到第一块透镜后被聚焦到第二块复眼透镜的中逡逑心，即光源被多个小透镜成像于第二块透镜中的每个小透镜的中心位置，然后出逡逑射到达照明面。第一块透镜的每个小透镜相当于一个光学通道，每个通道内的光逡逑束独立的照明目标平面，照明面的光斑是每个通道照明光束的叠加。结果每个通逡逑道光束内的细小的不均匀性因为光束的对称叠加而优化，整个孔径内的出射光均逡逑匀性得到很大改善［２７邋２９］。小透镜单元的形状决定目标光斑的形状，可以通过设计逡逑小透镜的参数以及工作距离得到需要的照明光斑。逡逑复眼照明系统是以成像光学为理论基础的光学系统，可以实现较高的照明均逡逑４逡逑

复眼,滤光片,光效果

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｆｌｙ邋ｅｙｅ邋ｌｅｎｓ邋ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ逡逑１．邋３．邋３安置补偿滤光片逡逑安置补偿滤光片也叫棱镜法＿，由图１．１可知，对于一般的ＬＥＤ照明光，总逡逑是中心强度比边缘强。为了提高照明均匀性，可测量出照明场中心照度与边缘照逡逑度的比值，根据该比值镀制补偿滤光片使得中心透过率低于边缘透过率，放置于逡逑光学系统中，使整体光强更均匀，原理如图１．４所示，图中棱镜为“四面棱镜”，逡逑每个面的倾角接近丨０°。逡逑安置补偿滤光片法适用于对照明均匀性要求不太高的系统，例如在接触接近逡逑式曝光机系统中，可以通过安置补偿滤光片来代替复眼透镜，达到匀光效果。但逡逑是，当输入光束不是严格对称时，使用该方法得不到理想的匀光效果，并且能够逡逑获得均匀光束截面的位置与光楔的角度严格对应，且系统的能量利用率会降低。逡逑５逡逑

示意图,棱镜法,光路,示意图

当一光强分布近似为高斯分布的准平行激光束入射到聚焦透镜后，如果在透逡逑镜焦点处放置一平面反射镜，则经过一次反射后，会产生光束方向的光束能量叠逡逑加现象，如图１．５邋（ａ）所示［３１１。将聚焦透镜和反射镜合称为透镜组，则当系统中逡逑有多个透镜组的时候，光束将得到多次叠加，如图１．５邋（ｂ）所示。最后，初始的逡逑高斯光束能量分布将被均匀化。逡逑反射镜法适用于准高斯分布的激光光源，对于朗伯体分布的ＵＶ－ＬＥＤ光源不逡逑适用，且反射镜法的装配和调试极其困难，实际应用并不广泛１３２１。逡逑２５逦邋Ｍｉｒｒｏｒ逡逑３’邋一Ｖ逡逑Ｍ２逡逑图１．５反射镜法光路示意图（ａ）邋—次反射（ｂ）二次反射逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ邋ｍｅｔｈｏｄ邋（ａ）邋ｏｎｅ邋ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ邋Ｃｂ）邋ｔｗｏ邋ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ逡逑６逡逑

【参考文献】