365nm紫外LED二维空间阵列光学系统设计

　　0　引言

　　紫外固化[1-2]是许多行业(包括电子、包装、建材等)胶体速凝方面所广泛采用的技术,该技术的应用可以极大地提高生产效率和产品质量[3-5].目前固化技术中的紫外辐射光源还较普遍地采用传统紫外灯(超高压水银灯).该灯存在不可避免的诸多问题(如体积大、电光转化效率低、寿命短、光谱纯度低等),而新型紫外二极管UV-LED辐射光源的出现则解决了这些问题,成为大规模拓展性应用的又一新亮点.但是紫外固化材料广泛使用的中心波长为365 nm的紫外LED单管辐射能量为60~200 mW,由于散热、寿命及体积等多方面的限制,单管紫外LED辐射能量、能量限制已成为影响其在各领域推广使用的重要因素.

　　为了充分发挥紫外LED的优势同时提高被辐照面单位面积的辐射功率,本文提出了一种采用LED阵列空间分布实现能量重构光学设计方案.该方案通过针对单管的聚焦光学系统单元及各单元组成阵列进行空间合理重构设计实现辐射面的光功率、光斑尺寸及实际现场使用要求,通过Zemax软件进行了单管聚焦系统的光路计算,同时采用Light tools软件对该阵列组合系统进行了非序列光线追迹及空间结构优化,得到了满足实现现场要求的光学仿真结果,证明了该设计方案的可行性和有效性,为实现紫外阵列LED光源系统的设计制造提供了理论及实验依据.

　　1　紫外LED阵列系统设计方案

　　阵列系统设计在光学中有重要的应用(如半导体激光阵列[6],成像微透镜阵列[7-8]等),其主导思想是要通过针对单个发光体的光学系统参量设计与阵列空间重构设计相结合实现合成图像或光斑光学指标(如均匀性、后工作距离、辐射强度、光斑尺等)的优化控制,最终达到现场使用的具体要求.

　　1.1　紫外LED阵列系统单元设计

　　基于这种思路,针对单管UV-LED光源的具体发光特性,首先给出阵列单元光学设计的原理及思路.采用的单管UV-LED辐射中心波长为365 nm,光谱半宽为10 nm,额定功率为200 mW,发散角是±25°,发光面元为尺寸1×1 m的正方形灯丝.单管LED的主要光学设计指标是在给定的后工作距离限制条件下实现最大限度的能量收集及光斑尺寸控制,设计时需要在光斑尺寸与被辐射面元辐照度参量之间寻找折中点.

　　图1给出了单管LED光学设计的高斯近轴计算图,由近轴计算公式β=y′/y=l′/l,其中y为LED发光芯片半高度,y'为像方半光斑尺寸,由公式可知像方光斑尺寸y'与后工作距离l′在物方参量一定的条件下是同比例变化的,需要寻求一个折中点以保证UV-LED阵列空间排布在满足实际现场需求前提下实现较大数值孔径和最小的光斑尺寸,最终在辐射面上获得最高的辐照亮度.