CN107768361B - 一种高密度紫外光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高密度紫外光源，包括光源基板组件(1)和透镜(2)，所述的光源基板组件(1)上间隔设置有若干个能够发光的紫外LED芯片(3)，所述的透镜(2)包括出光面板(21)，所述的出光面板(21)上设有与其一体成型并呈锥台结构的若干根透镜柱(22)，相邻两根透镜柱(22)的底端相接，另外，所述的透镜柱(22)的顶端表面与紫外LED芯片(3)一致并与紫外LED芯片(3)紧密触接，所述的透镜柱(22)的倾斜角度为80°至89°,所述的透镜(2)外侧还设有围住透镜柱(22)并供出光面板(21)外露的围壳(4)。本发明结构简单，制造工艺简单，光功率密度高，易于集成使用，同时亦具有很高光分布均匀性。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种高密度紫外光源，属于半导体光源领域。
【背景技术】
紫外固化是光化学反应，利用波长300nm至400nm的紫外线照射涂层，产生辐射聚合、辐射交联等反应，是将低分子量物质转变成高分子量产物的化学过程。其具有固化效果好、固化速度快、挥发性有机化合物排放低及行业应用范围广等诸多优势，因此自60年代末以来，这一技术在国际上得到飞速发展，其产品在许多行业都得到广泛应用。
汞灯紫外光源推动了早期的紫外固化技术发展，以汞灯为光源的紫外固化设备发展了近百年，但由于汞灯寿命短、耗电高、使用成本高、温升高、体积大等缺点，同时重金属汞会造成巨大的环境污染，因此需发展新型无污染的紫外固化光源。21世纪初，随着LED固体光源技术的发展，紫外固化进入到LED光源时代，其不仅提供稳定单一波长的紫外光，同时相比传统汞灯还具有长寿命、节能、低热辐射、小型化以及环保等诸多优势。据计算，采用紫外LED光源模块替代汞灯，可节能80％以上，寿命提高20倍以上，市场前景非常广阔。
目前，固化用紫外LED光源有点光源、线光源及面光源等诸多种类，由于固化涂料的光固化反应速率主要取决于紫外线功率密度，因此固化用紫外LED光源需具有较高光功率分布均匀度，点光源及线光源可以通过二次配光来实现，比较容易实现，但是目前面光源主要采用周期性均匀分布的大功率紫外LED器件，通过调节周期及LED器件分布密度获得一定的光分布均匀度，其在普通木材及油墨固化中可以应用，但在精度要求高的半导体等固化应用中则会影响固化效果。
因此有必要设计一种结构简单、易于集成，并且同时具有很高光功率分布均匀度的紫外LED固化光源。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单，制造工艺简单，光功率密度高，易于集成使用，同时亦具有很高光分布均匀性的固化用紫外LED光源。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高密度紫外光源，其特征在于：包括光源基板组件1和透镜2，所述的光源基板组件1上间隔设置有若干个能够发光的紫外LED芯片3，所述的透镜2包括出光面板21，所述的出光面板21上设有与其一体成型并呈锥台结构的若干根透镜柱22，相邻两根透镜柱22的底端相接，另外，所述的透镜柱22的顶端表面与紫外LED芯片3一致并与紫外LED芯片3紧密触接，所述的透镜柱22的倾斜角度为80°至89°,所述的透镜2外侧还设有围住透镜柱22并供出光面板21外露的围壳4。
1、根据权利要求1所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的光源基板组件1包括金属制成的导热板11，所述的导热板11的两侧分别设有第一绝缘层12和第二绝缘层13，所述的第一绝缘层13上设有用于固定紫外LED芯片3的芯片焊盘14，所述的第二绝缘层13上设有连接外部电源的外部电极15，所述的导热板11内设置有与其绝缘隔开并用于电连接芯片焊盘14和外部电极15的内置电路。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的导热板11为铜、铝、铁中的一种或其它合金制成。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的透镜柱22的长度为5mm至5cm。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的围壳4为中空的方形管状结构，其下端安装于导热板11、其上端安装于出光面板21，所述的围壳4的壁厚为0.1mm至1mm。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的透镜柱22为石英、塑料或玻璃材料。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的透镜柱22的外侧壁上涂有反射层。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的围壳4靠近出光面板21一端的内壁与透镜柱22的底端相接。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的紫外LED芯片3发出的光线波长范围为360nm至410nm，所述的紫外LED芯片3长宽规格为0.254mm*0.254mm至1.27mm*1.27mm，所述的紫外LED芯片3厚度范围为10微米至100微米，相邻两个紫外LED芯片3的间距为10微米至500微米。
如上所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的高密度紫外光源的封装顺序包括如下步骤：
①在光源基板组件1上固定紫外LED芯片3；
②在光源基板组件1上安装围壳4；
③在真空或氮气保护气氛下安装透镜2并密封处理。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明的透镜包括出光面板和与出光面板一体成型并呈锥台结构的透镜柱，相邻两个透镜柱的底端相连，透镜柱的顶端表面与紫外LED芯片一致，因此，透镜柱顶端表面的外形尺寸与紫外LED芯片的相同，这样紫外LED芯片就与透镜柱顶端表面完全贴合，由于紫外LED芯片与透镜中均不存在低折射率的空气介质，因此，可以大幅减少紫外LED芯片正向出光光线的全反射，从而大幅提高出光光效，使紫外光源具备光功率密度高，并且具有很高光功率分布均匀性的特点。光源基板组件上的紫外LED芯片与透镜柱顶端表面对应紧密触接，围壳围在透镜柱周围并供出光面板外露，整个结构零部件少，制造工艺简单，成本低廉。
2、本发明的透镜柱呈锥台结构，并且透镜柱22的倾斜角度为80°至89°，因此，相邻透镜柱之间存在间隔，而该间隔内存在比透镜柱折射率低的空气介质，所以存在折射率差，从而使得紫外LED芯片发出的光线具有较大的全反射角，可以将光线主要导至出光面板而从正面出光，保证出光的准直。
3、本发明的围壳呈管状结构，厚度薄，结合高密度分布的紫外LED芯片和透镜柱设计，使得光源正面出光准直，光斑尺寸基本与光源尺寸一致且分布均匀，从而可以大面积多光源集成并保障其大面积条件下的均匀性。
4、本发明采用金属导热板，可以将紫外LED芯片产生的热量快速导出，同时导热板背面外置的外部电极可以方便紫外光源的安装维护和集成化设计。
【附图说明】
图1是本发明立体图；
图2是本发明仰视图；
图3是本发明剖视图；
图4是图3中A处的放大视图；
图5是本发明的透镜的立体图；
图6是本发明的光路示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步描述：
一种高密度紫外光源，包括光源基板组件1和透镜2，所述的光源基板组件1上间隔设置有若干个能够发光的紫外LED芯片3，所述的透镜2包括出光面板21，所述的出光面板21上设有与其一体成型并呈锥台结构的若干根透镜柱22，相邻两根透镜柱22的底端相接，另外，所述的透镜柱22的顶端表面与紫外LED芯片3一致并与紫外LED芯片3紧密触接，所述的透镜柱22的倾斜角度为80°至89°，所述的透镜2外侧还设有围住透镜柱22并供出光面板21外露的围壳4。透镜柱22的顶端表面可以是正方形或长方形，与紫外LED芯片3的形状大小相同即可，这样紫外LED芯片3就与透镜柱22顶端表面完全贴合而紧密触接，紫外LED芯片3发出的光线大部分射入透镜柱22内。由于紫外LED芯片3与透镜2中均不存在低折射率的空气介质，因此，可以大幅减少紫外LED芯片正向出光光线的全反射，从而大幅提高出光光效，使紫外光源具备光功率密度高，并且具有很高光功率分布均匀性的特点。光源基板组件1上的紫外LED芯片3与透镜柱22顶端表面对应紧密触接，围壳4围在透镜柱22周围并供出光面板21外露，整个结构零部件少，制造工艺简单，易于集成，成本低廉。而且透镜柱22呈锥台结构并具有较大的倾斜角，因此，相邻透镜柱22之间存在间隔，而该间隔内存在比透镜柱22折射率低的空气介质，所以存在折射率差，从而使得紫外LED芯片3发出的光线具有较大的全反射角，可以将光线主要导至出光面板而从正面出光，保证出光的准直。当然，还可以在透镜柱22上涂覆高反射铝镜或其它金属反射镜涂层来提高反射率，增大紫外LED芯片3发出的光线的全反射角。
所述的光源基板组件1包括金属制成的导热板11，所述的导热板11为铜、铝、铁中的一种或其它合金制成，所述的导热板11的两侧分别设有第一绝缘层12和第二绝缘层13，所述的第一绝缘层13上设有用于固定紫外LED芯片3的芯片焊盘14，所述的第二绝缘层13上设有连接外部电源的外部电极15，所述的导热板11内设置有与其绝缘隔开并用于电连接芯片焊盘14和外部电极15的内置电路。金属导热板11可以将紫外LED芯片3产生的热量快速导出，同时导热板11背面外置的外部电极15可以方便紫外光源的安装维护和集成化设计。
所述的紫外LED芯片3采用电极同侧的倒装结构芯片，通过倒装固晶工艺固定于芯片焊盘14上，所述的紫外LED芯片3发出的光线波长范围为360nm至410nm，所述的紫外LED芯片3长宽规格为0.254mm*0.254mm至1.27mm*1.27mm，所述的紫外LED芯片3厚度范围为10微米至100微米，相邻两个紫外LED芯片3的间距为10微米至500微米。
所述的透镜柱22的长度为5mm至5cm。
所述的围壳4为中空的方形管状结构，其下端安装于导热板11、其上端安装于出光面板21，所述的围壳4的壁厚为0.1mm至1mm。
所述的围壳4靠近出光面板21一端的内壁与透镜柱22的底端相接。围壳4呈管状结构，厚度薄，结合高密度分布的紫外LED芯片3和透镜柱22设计，使得光源正面出光准直，光斑尺寸基本与光源尺寸一致且分布均匀，从而可以大面积多光源集成并保障其大面积条件下的均匀性。
所述的透镜柱22为具有高折射率的石英、塑料或玻璃材料，在透镜柱22外侧壁上还可以涂覆高反射率的反射层。
基于上述的光源结构，本发明紫外光源的封装流程顺序为如下步骤：
①在光源基板组件1上固定紫外LED芯片3；
②在光源基板组件1上安装围壳4；
③在真空或氮气保护气氛下安装透镜2并密封处理。
图6展示了紫外LED芯片3出射光线的轨迹。光线100由紫外LED芯片3正面垂直出射，并从出光面板21正面垂直出射，此部分光线强度最大；光线200由相对紫外LED芯片3垂直方向呈小角度倾斜出射，并从出光面板2正面呈小角度倾斜出射，此部分光线强度其次；光线300由相对紫外LED芯片3垂直方向大角度倾斜出射，由于透镜柱22倾斜角度小且相对折射率高(或者透镜22上涂覆的高反射镜)，因此会出现全反射，经多次反射后衰减，并在出光面板21处反射而不射出，此部分光线最弱。由于紫外LED芯片尺寸相比透镜柱22高度小很多，因此最后出射的光线100和光线200将具有均匀且准直(相比垂直方向倾斜角较小)的特点。
Claims (8)
1.一种高密度紫外光源，其特征在于：包括光源基板组件(1)和透镜(2)，所述的光源基板组件(1)上间隔设置有若干个能够发光的紫外LED芯片(3)，所述的透镜(2)包括出光面板(21)，所述的出光面板(21)上设有与其一体成型并呈锥台结构的若干根透镜柱(22)，相邻两根透镜柱(22)的底端相接并且相邻两根透镜柱(22)围成倒V型的凹槽，另外，所述的透镜柱(22)的顶端表面与紫外LED芯片(3)一致并与紫外LED芯片(3)紧密触接，所述的透镜柱(22)的倾斜角度为80°至89°,所述的透镜(2)外侧还设有围住透镜柱(22)并供出光面板(21)外露的围壳(4)；
所述的光源基板组件(1)包括金属制成的导热板(11)，所述的导热板(11)的两侧分别设有第一绝缘层(12)和第二绝缘层(13)，所述的第一绝缘层(13)上设有用于固定紫外LED芯片(3)的芯片焊盘(14)，所述的第二绝缘层(13)上设有连接外部电源的外部电极(15)，所述的导热板(11)内设置有与其绝缘隔开并用于电连接芯片焊盘(14)和外部电极(15)的内置电路；
所述的透镜柱(22)的外侧壁上涂有反射层。
2.根据权利要求1所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的导热板(11)为铜、铝、铁中的一种或其它合金制成。
3.根据权利要求1或2所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的透镜柱(22)的长度为5mm至5cm。
4.根据权利要求1所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的围壳(4)为中空的方形管状结构，其下端安装于导热板(11)、其上端安装于出光面板(21)，所述的围壳(4)的壁厚为0.1mm至1mm。
5.根据权利要求1或2所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的透镜柱(22)为石英、塑料或玻璃材料。
6.根据权利要求3所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的围壳(4)靠近出光面板(21)一端的内壁与透镜柱(22)的底端相接。
7.根据权利要求1或2所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的紫外LED芯片(3)发出的光线波长范围为360nm至410nm，所述的紫外LED芯片(3)长宽规格为0.254mm*0.254mm至1.27mm*1.27mm，所述的紫外LED芯片(3)厚度范围为10微米至100微米，相邻两个紫外LED芯片(3)的间距为10微米至500微米。
8.根据权利要求1或2所述的高密度紫外光源，其特征在于：所述的高密度紫外光源的封装顺序包括如下步骤：
①在光源基板组件1上固定紫外LED芯片3；
②在光源基板组件1上安装围壳4；
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