【摘要】：紫外LED具有節(jié)能環(huán)保、能效高等諸多優(yōu)點,在紫外特種照明領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。紫外照明大多數(shù)光學系統(tǒng),如紫外光油墨固化、紫外曝光機等都需要均勻照明,而LED光強呈朗伯體分布,不能直接實現(xiàn)均勻照明,因此需要對紫外LED照明進行勻光設(shè)計。常見的勻光方法有復(fù)眼照明法、方棒照明法、放置補償濾光片法、反射鏡法等,它們都有各自的優(yōu)缺點和適用情況。隨著自由曲面加工技術(shù)的發(fā)展,自由曲面透鏡逐漸被用于LED勻光系統(tǒng)。自由曲面設(shè)計靈活,自由度高,采用自由曲面可極大簡化照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),準確控制光束分布,并有效實現(xiàn)所需均勻照明。本文根據(jù)實際工業(yè)需求研究了兩個勻光實例:油墨固化系統(tǒng)和平行光曝光機系統(tǒng),分別設(shè)計了用于勻光的自由曲面透鏡。在油墨固化系統(tǒng)中,采用數(shù)值求解偏微分方程結(jié)合反饋優(yōu)化的方法來獲得自由曲面面型數(shù)據(jù)。具體過程是: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,然后通過能量守恒定律建立自由曲面面與目標面的坐標對應(yīng)關(guān)系,從而對自由曲面的面型偏微分方程進行化簡,再通過編程計算得到自由曲面離散點信息并進行曲面建模,最后采用反饋優(yōu)化的方法優(yōu)化面型。設(shè)計完成后,將多個波長的LED光源和自由曲面透鏡組合在一起,并在弧面上依次排成陣列作為最終的固化光源系統(tǒng),通過仿真驗證,單顆燈珠可以獲得均勻性較好的照明光斑,陣列光源也能得到光照強度、均勻性以及波長均勻性都滿足要求的照明光斑。然后,在平行光曝光機系統(tǒng)中,通過將目標面照度均勻分布轉(zhuǎn)化成出射光線能量分布建立自由曲面設(shè)計目標,采用矢量形式的折射定律與幾何關(guān)系建立自由曲面面型方程,數(shù)值求解該方程獲得離散點數(shù)據(jù)并進行曲面建模。光線追跡仿真結(jié)果表明,使用該自由曲面透鏡可以有效提高目標面照明光斑的照度均勻性。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.8
【圖文】：

復(fù)眼透鏡又稱為積分透鏡或微透鏡，是由一系列小透鏡組合形成，復(fù)眼照明逡逑勻光系統(tǒng)由前后兩排完全相同的微透鏡陣列構(gòu)成，間隔距離為小透鏡的焦距，其逡逑勻光原理如圖１．邋３所示。當光束照到第一塊透鏡后被聚焦到第二塊復(fù)眼透鏡的中逡逑心，即光源被多個小透鏡成像于第二塊透鏡中的每個小透鏡的中心位置，然后出逡逑射到達照明面。第一塊透鏡的每個小透鏡相當于一個光學通道，每個通道內(nèi)的光逡逑束獨立的照明目標平面，照明面的光斑是每個通道照明光束的疊加。結(jié)果每個通逡逑道光束內(nèi)的細小的不均勻性因為光束的對稱疊加而優(yōu)化，整個孔徑內(nèi)的出射光均逡逑勻性得到很大改善［２７邋２９］。小透鏡單元的形狀決定目標光斑的形狀，可以通過設(shè)計逡逑小透鏡的參數(shù)以及工作距離得到需要的照明光斑。逡逑復(fù)眼照明系統(tǒng)是以成像光學為理論基礎(chǔ)的光學系統(tǒng)，可以實現(xiàn)較高的照明均逡逑４逡逑

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安置補償濾光片逡逑安置補償濾光片也叫棱鏡法＿，由圖１．１可知，對于一般的ＬＥＤ照明光，總逡逑是中心強度比邊緣強。為了提高照明均勻性，可測量出照明場中心照度與邊緣照逡逑度的比值，根據(jù)該比值鍍制補償濾光片使得中心透過率低于邊緣透過率，放置于逡逑光學系統(tǒng)中，使整體光強更均勻，原理如圖１．４所示，圖中棱鏡為“四面棱鏡”，逡逑每個面的傾角接近丨０°。逡逑安置補償濾光片法適用于對照明均勻性要求不太高的系統(tǒng)，例如在接觸接近逡逑式曝光機系統(tǒng)中，可以通過安置補償濾光片來代替復(fù)眼透鏡，達到勻光效果。但逡逑是，當輸入光束不是嚴格對稱時，使用該方法得不到理想的勻光效果，并且能夠逡逑獲得均勻光束截面的位置與光楔的角度嚴格對應(yīng)，且系統(tǒng)的能量利用率會降低。逡逑５逡逑

當一光強分布近似為高斯分布的準平行激光束入射到聚焦透鏡后，如果在透逡逑鏡焦點處放置一平面反射鏡，則經(jīng)過一次反射后，會產(chǎn)生光束方向的光束能量疊逡逑加現(xiàn)象，如圖１．５邋（ａ）所示［３１１。將聚焦透鏡和反射鏡合稱為透鏡組，則當系統(tǒng)中逡逑有多個透鏡組的時候，光束將得到多次疊加，如圖１．５邋（ｂ）所示。最后，初始的逡逑高斯光束能量分布將被均勻化。逡逑反射鏡法適用于準高斯分布的激光光源，對于朗伯體分布的ＵＶ－ＬＥＤ光源不逡逑適用，且反射鏡法的裝配和調(diào)試極其困難，實際應(yīng)用并不廣泛１３２１。逡逑２５邐邋Ｍｉｒｒｏｒ逡逑３’邋一Ｖ逡逑Ｍ２逡逑圖１．５反射鏡法光路示意圖（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

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本文編號：2783492