[發明專利]一種紫外LED固化光學系統的制作方法

有效

• 申請號: 201610013283.2
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105653810B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 文尚勝;向昌明;陳志濤;張志清
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅觀祥

1.一種紫外LED固化光學系統的制作方法，其特征在于，所述紫外LED固化光學系統具有外透鏡和內透鏡，所述制作方法包括以下步驟：

步驟一、以坐標原點O(0,0)建立平面坐標系，所述平面坐標系包括X軸和Y軸，以平面坐標系的坐標原點作為紫外LED的光源O，外自由曲面和內自由曲面的離散點坐標迭代關系的推導如下；

a)制作外透鏡自由曲面輪廓線；

光源O點發出的光線與Y軸的夾角為θ，與外透鏡自由曲線的交點處法線與出射光線的夾角為ε1，當θ為θ_i時，從光源O點發出的光線經過外透鏡自由曲線上第i個點p_i(x_i，y_i)折射后到達接受屏幕上，θ_i和θ_i+1分別表示第i根和i+1根入射光線所對應的θ值，根據能量守恒定律得到第i根折射光線與接收面交點的橫坐標r_i為：

式中，R為接受屏幕上光斑的半長；

光線在p點發生折射，由菲涅爾定律得到：

n×sinβ＝sinε1， (2)

式中，β和ε1分別為入射光線與外透鏡自由曲線交點處的入射角和折射角，n為透鏡的折射率，空氣折射率為1；

由幾何關系可得：

β-θ＝ε1-ε2， (3)

式中，ε2表示出射光線與Y軸的夾角；

由(2)式和(3)式得到：

ε2_i＝tan^-1((r_i-x_i)/(H-y_i))， (4)

α_i＝tan^-1(sin(θ_i-ε2_i)/(n-cos(θ_i-ε2_i))-θ_i， (5)

式中，α表示交點p處切線與X軸夾角，ε2_i和α_i分別表示第i根光線所對應的ε2和α值，H為接受屏幕與LED芯片的工作距離；

根據第i根入射光線與外透鏡自由曲線交點的切線與第i+1根入射光線相交得到離散點的迭代關系式：

x_i+1＝(y_i-k_i×x_i)/(tan(θ_i+1)-k_i)， (6)

y_i+1＝tan(θ_i+1)×x_i+1， (7)

式中k_i＝tanα_i，k_i表示第i根入射光線與外透鏡自由曲線交點p處的切線斜率，通過對R、H及外透鏡自由曲線初始點p₁(x₁，y₁)賦初值可以得到外透鏡自由曲線各離散點；

步驟二：制作內透鏡自由曲面輪廓線；

入射光線與X軸的夾角為θ；當θ為θ_i時，從光源O點發出的光線經過內透鏡自由曲線上第i個點q_i(x_i，y_i)折射后平行于X軸射出,θ_i和θ_i+1分別表示第i根和i+1根入射光線所對應的θ值，由菲涅爾定律可得：

sinθ＝n×sinα， (8)

n×sin(β-α)＝sinβ, (9)

式中θ和α分別為入射點m處的入射角和折射角，β為出射點q處的法線方向與X軸的夾角，n為透鏡的折射率，空氣折射率為1；

由(8)式和(9)式可得：

α_i＝sin^-1(sinθ_i/n)， (10)

k_i＝(1-n×cosα_i)/(n×sinα_i)， (11)

k_mpi＝tanα_i， (12)

式中，α_i表示第i根光線所對應的α值，k_i表示第i根出射光線與自由曲面交點處的切線斜率，k_mpi表示第i根光線入射點與出射點連線mp的斜率；

根據第i根入射光線和自由曲面交點的切線與第i+1根入射光線相交可得到離散點的迭代關系為：

x_i＝(x_i-1×k_i-1+d×tan(θ_i+1)-y_i-1-d×k_mpi)/(k_i-k_mpi)， (13)

y_i＝y_i-1+k_mpi×(x_i-x_i-1)， (14)

式中d表示內透鏡內表面距芯片距離，k_mpi表示i根光線入射點與出射點連線mp的斜率；通過對d和內透鏡自由曲線初始點q₁(x₁，y₁)賦初值便可以得到內透鏡自由曲線各離散點的坐標；

步驟二、將步驟一中的迭代關系編好程后賦予初值，并通過MATLAB計算出內透鏡自由曲線(1)和外透鏡自由曲線(2)的離散點；

步驟三、將步驟二中所求的離散點坐標先后導入CAD建模軟件，通過樣條曲線擬合成內透鏡自由曲線(1)和外透鏡自由曲線(2)；再分別構建成內透鏡和外透鏡；所述內透鏡沿旋轉方向準直光線，外透鏡均勻控制準直光線分布，通過內外透鏡組合得到紫外LED固化線光源光學透鏡模型，把線光源透鏡模型集成排列得到矩形光斑的紫外LED固化面光源光學系統。