CN1914453A - Led改进设备和方法 - Google Patents

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彼得·T·本松
米凯莱·A·克拉顿
戈尔东·D·亨森
大卫·L·霍费尔特
杰克·W·莱
迈克尔·A·梅斯
大卫·L·菲利普斯
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Abstract

一种辐射(100)设备包括，产生辐射的多个固态辐射源，通过固化或通过极化产生对准来改进第一材料(650)。该固态辐射源(104)可以被布置在阵列图形中。在相应阵列图形中布置的聚光器(120)，接收来自相应固态辐射源(104)的辐射。该集中的辐射被多个光波导(130)接收，光波导也被布置在相应的阵列图形中。每个光波导(130)包括接收该辐射的第一端(132)和输出该辐射的第二端(133)。与固态源(104)电连通的控制器(104)可以控制每个照射状态。该辐射改进设备(100)可以用于连续的基底、薄层、零部件、点固化和/或3D－辐射固化工序。

Description

LED改进设备和方法
技术领域
本发明涉及一种改进设备、系统和方法。更具体地说，本发明涉及一种固态发光器件、系统和方法，可以代替当前高强度直射光源和用于改进应用的技术。
背景技术
照明系统用于各种应用。家庭、医学、牙科和工业应用常常需要可被利用的光。类似地，飞行器、船舶和汽车应用常常需要高强度照明光束。
传统的照明系统使用电力灯丝或弧光灯，其有时包括聚焦透镜和/或反射表面，以将产生的照明直接变为光束。基于电力灯丝或弧光灯的常规光源如白炽或放电灯泡辐射360度的光和热。常规光源还包括微波驱动光源。因此，对于传统的应用，使用的光学设备必须被设计和/或特别处理，以承受由高强度(和高热量)放电灯泡引起的恒定热效应。此外，如果将从照明区域除去热量，那么必须采用昂贵的和复杂的热交换系统。
例如，常规固化系统利用水冷却辊，以最小化基底和/或配方的变形和/或损坏。其他常规系统利用刚好位于基底下面或与基底接触的平坦水冷凝板。
现在正在研究对于改进应用如固化、层叠的LED阵列(例如，阵列可以被“层叠”在交叉加工方向(CMD)和加工方向(MD)中方式)。但是，利用这些常规系统，随着LED发射波长变得更短，辐照度和寿命迅速下降。这些可能导致通过辐射吸收开始化学反应和通过光引发剂响应的问题，光引发剂典型地被设计为吸收小于450nm的辐射。如果辐照度过低，那么聚合反应将不能得到希望的产品性能。
为了阻碍低辐照度，一种常规方法是将LED互相邻近放置，以增加总辐照度和实现希望的固化。但是，以这种方式布置LED导致与热管理和电连接有关的几个复杂情况。如果该LED被更加展开，横穿该阵列的辐照度均匀性可能变得不理想。反射器有时安装在LED周围，以提高辐照度级别，但是该方法仍然有横穿反射器开口不均匀的问题。如果反射器内未使用适当的材料，那么辐照度也将下降距辐射表面的距离的平方。
发明内容
根据本发明的第一实施例，一种辐射设备包括，多个固态辐射源，以产生改进第一材料的辐射。控制器与固态辐射源电连通，以选择地并单独地启动多个固态辐射源的每一个固态辐射源。包括多个聚光器，每个聚光器接收来自多个固态辐射源的一个或多个的辐射。包括多个光波导，多个光波导的每一个包括第一端和第二端，以及每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的辐射。包括支撑结构，以至少稳定多个光波导的第二端的第一部分。
根据本发明的第二实施例，辐射系统包括固态辐射源，该固态辐射源包括多个LED管芯，产生能改进辐射可改进化学配方的辐射。控制器被电连接到多个LED管芯，以选择地并单独地启动多个LED管芯的每一个LED管芯。包括多个聚光器，每个聚光器接收来自一个或多个LED管芯的辐射。包括多个光纤，多个光纤的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的集中辐射。包括基底，以支撑辐射可改进化学配方。
根据本发明的第三实施例，辐射装置包括多个固态辐射源，以产生固化第一材料的辐射。控制器与固态辐射源电连通，以选择地并单独地控制来自多个固态辐射源的每一个固态辐射源辐射强度。包括多个聚光器，每个聚光器接收来自多个固态辐射源的一个或多个的辐射。包括多个光波导，多个光波导的每一个包括第一端和第二端，以及每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的辐射。包括支撑结构，以至少稳定多个光波导的第二端的第一部分。
根据本发明的第四实施例，辐射系统包括固态辐射源，该固态辐射源包括多个LED管芯，以产生能改进辐射可改进化学配方的辐射。控制器被电连接到多个LED管芯，以选择地并单独地控制来自多个LED管芯的每一个LED管芯的辐射强度。包括多个聚光器，每个聚光器接收来自一个或多个LED管芯的辐射。包括多个光纤，多个光纤的每一个包括第一端和第二端，以及每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的集中辐射。包括基底，以支撑辐射可改进化学配方。
根据本发明的第五实施例，辐射装置包括多个固态辐射源，以产生改进第一材料的辐射。包括多个聚光器，每个聚光器接收来自多个固态辐射源的一个或多个的辐射。包括多个光波导，多个光波导的每一个包括第一端和第二端，以及每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的辐射。光阀设置在来自波导的一个或多个第二端的辐射的路径中。包括支撑结构，以至少稳定多个光波导的第二端的第一部分。
根据本发明的第六实施例，辐射系统包括固态辐射源，该固态辐射源包括多个LED管芯，以产生能改进辐射可改进化学配方的辐射。包括多个聚光器，每个聚光器接收来自一个或多个LED管芯的辐射。包括多个光纤，多个光纤的每一个包括第一端和第二端，以及每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的集中辐射。光阀设置在来自波导的一个或多个第二端的辐射的路径中。包括基底，以支撑辐射可改进化学配方。
本发明的上述概要不打算描述本发明的每个所示实施例或每种实施方案。下面的附图和详细描述更具体例示这些实施例。
附图说明
图1A示出了根据本发明的示例性实施例的固态发光器件的透视图，图1B示出了其分解图。
图2示出了根据本发明的实施例布置在互连电路上的示例性LED管芯阵列的顶视图。
图3示出根据本发明的实施例的固态光源的侧视图。
图4示出根据本发明实施例的通过非成像聚光器耦合到光纤的各个LED管芯的近视图。
图5A-5F示出了根据本发明的替换实施例的替换光纤输出图形。
图6A示出了根据本发明的选择性实施例的用于易操纵输出的选择性光纤输出图形，以及图6B和6C分别示出了用于易操纵输出的示例性条带和支撑结构实施方案。
图7示出了根据本发明的选择性实施例的用于易操纵输出的另一选择性输出图形，其中光纤的部分输出端具有成角度抛光的输出表面。
图8示出了根据本发明的实施例的用于光纤阵列连接器的选择性结构。
图9A示出了根据本发明的另一实施例的适合于失常的固态照明系统。
图9B示出了根据本发明的另一实施例适合于失常的示例性控制器电路。
图10示出了固态发光器件的示例性实施方案。
图11示出了固态发光器件的另一示例性实施方案，这里用作牙科固化设备的一部分。
图12示出了根据本发明的另一示例性实施例的辐射固化设备。
图13示出用于易操纵输出发射的选择性实施例。
图14示出了一种辐射改进设备，该设备包括偏振器并且处理在基板上布置的辐射可改进材料。
图15示出了一种辐射改进设备，包括柱形透镜和偏振器，以及处理在基板上布置的辐射可改进材料。
图16A示出了一种辐射改进设备，包括微透镜阵列和偏振器，以及处理在基板上布置的辐射可改进材料。
图16B示出了一种辐射改进设备，包括在波导的输出端的每个光纤中形成的透镜和偏振器，以及处理在基板上布置的辐射可改进材料。
图17示出了一种辐射改进设备，包括与柱形透镜和偏振器结合的透镜状阵列，以及处理在基板上布置的辐射可改进材料。
图18示出了一种辐射改进设备的例子，包括通过另一光学元件与偏振器结合的光学元件，作为处理在基板上布置的辐射可改进材料的一种选择性方法。
图19示出了脉冲控制系统的第一例子的图形表示，包括用于导致LED阵列产生用于改进辐射可固化材料的脉冲辐射的脉冲发生器。
图20示出了脉冲控制系统的第二例子的图形表示，包括用于导致LED阵列产生用于改进辐射可固化材料的脉冲辐射的LED符号控制器。
图21示出了脉冲控制系统的第三例子的图形表示，包括用于导致LED阵列产生用于改进辐射可固化材料的脉冲辐射的计算机驱动输出。
图22示出用于增加与图9的适配电路相关的LED阵列的分辨率的另一适配电路。
图23示出用于增加LED阵列的强度控制的另一适配电路。
图24示出根据图23的适配电路设置在非均匀结构上的辐射可改进材料的均匀辐射改进。
图25示出布置在基板上、具有变化厚度的辐射可改进材料的均匀辐射改进。
图26示出一种辐射改进设备，利用光阀提供高分辨率改进。
图27示出了一种辐射改进设备，利用一个或多个光学元件，以平滑施加到辐射可改进材料的强度外形。
图28示出一种辐射改进设备，利用光阀使辐射偏转，用于产生图形和或减小到达偏振器的大角度。
尽管本发明受各种改进和选择性形式影响，但是通过例子其细节在图中被示出和被详细描述。但是，应该理解，该意图并不是限制发明为所描述的特定实施例。相反，该意图是覆盖属于附加权利要求限定的本发明范围内的所有改进、等效权利以及替换。
具体实施方式
图1A示出了示例性结构中的固态发光器件100(在此也称为照明器件或光子发射器件)。在图1B中示出了发光器件100的分解图。通过“光”，它意味着电磁辐射具有处于电磁波谱的紫外光、可见光和/或红外光部分中的波长。在下述结构中，发光器件100可以具有可与常规高强度放电(HID)灯泡相比较的总体紧凑尺寸，因此对包括道路照明、点发光、背光、图像投影和辐射激活固化的各种应用中的灯装置提供一种替换。
发光器件100包括产生辐射的固态辐射源104的阵列。该辐射被聚光器120的相应阵列聚集和集中。然后该集中的辐射进入波导130的相应阵列中，波导130被支撑结构150支撑。现在将更详细地描述这些特征的每一个。
在示例性实施例中，固态辐射源104包括布置在阵列图形中的多个分立的LED管芯或芯片，但是包括激光二极管的其他固态辐射源也可用。分立的LED管芯104被分别安装并具有用于操作控制的独立电连接(而不是所有LED被它们的公共半导体基底互相电连接的LED阵列)。该LED管芯可以产生对称辐射图形，以及在将电能转变为光时是有效的。因为许多LED管芯不是过度地热敏的，所以与许多类型的激光二极管相比，LED管芯可以仅仅利用适中的热沉(heat sink)充分地工作。在示例性实施例中，每个LED管芯与其最近邻间隔至少大于LED管芯宽度的距离。在进一步示例性实施例中，每个LED管芯与其最近邻间隔至少大于六个LED管芯宽度的距离。这些示例性实施例提供适合的热管理，如下面进一步详细说明。
此外，LED管芯104可以在-40°至125℃的温度下工作，以及与约10,000小时的大部份激光二极管寿命或大约2,000小时的UV弧光灯寿命相比较可以具有100,000小时范围内的工作寿命。在示例性实施例中，每个LED管芯可以具有约50流明(Lumen)或以上的输出强度。分立的大功率LED管芯可以是可从诸如Cree(如Cree的InGaN-基XBrightTM产品)和Osram买到的GaN-基LED管芯。在一个示例性实施例中，LED管芯的阵列，每个具有约300μm×300μm发射面积(由Cree制造)，可用来提供集中的(小面积、大功率)光源。也可以利用其他发光表面形状如矩形或其他多边形形状。此外，在选择性的实施例中，所利用的LED管芯的发射层可以位于顶表面或底表面。
在某些示例性实施例中，可以利用多个仅仅蓝光或紫外光(UV)LED管芯。在选择性的实施例，一个或多个LED管芯优选可以在发光表面上涂敷荧光层(未示出)，如用于蓝光LED管芯的YAG:Ce荧光粉，或UV LED管芯利用的RGB(红、绿、蓝)荧光粉的混合物。因此，荧光层可用于在不同的机理下将LED管芯的输出转变为“白”光。在共同拥有和同时申请的申请名称为″Illumination System Using a Plurality ofLight Sources″中详细描述了荧光层布置和结构(代理案号58130US004)，引入上面作为参考。
在选择性实施例中，可以在阵列中有选择地放置红、蓝和绿LED管芯的集合。所得的发射被光纤130的阵列聚集，以便当混合在一起时，观察者看到由光纤的输出端部发射的光是彩色光或“白”光。
在选择性实施例中，LED管芯阵列可以用垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列代替，该阵列通常可以提供可见区的输出，包括“白”光。
如图1B所示，来自LED管芯104的发射被多个聚光器120接收，聚光器120被布置在相应的阵列图形中。在示例性实施例中，每个聚光器接收来自相应一个LED管芯104的辐射。在示例性实施例中，聚光器120包括布置在阵列中的非成像聚光器(也称为反射光耦合器)。聚光器120的反射表面的形状被设计成俘获由每个光源104发射的辐射的实质性部分，以保持功率密度。此外，可以以基本上匹配光接收波导的接收角标准的方式设计该集中输出，以便辐射的实质性部分可用波导130俘获和通过其引导。在示例性实施例中，非成像聚光器120的阵列的每个非成像聚光器具有与二维(2-D)表面一致的内反射面，至少内反射面的第二部分与三维(3-D)表面一致。在共同拥有和待审、同时申请的专利申请名称″Reflective Light Coupler″(代理案号59121US002)中详细地描述了这些及其他反射表面设计，在此将其全部引入作为参考。
阵列120中的每个聚光器可以通过例如注入模塑、转移模塑、微复制、压印、冲压或热成型来形成。其中可以形成聚光器120(单个地或作为聚光器阵列的一部分)的基底或薄层可以包括各种材料如金属、塑料、热塑性材料、或多层光学薄膜(MOP)(如可以从3M公司St.Paul，MN获得的增强镜面反射器(ESR)膜)。用来形成聚光器120的基底材料可以涂敷反射涂层，如银、铝或无机薄膜的反射多层叠层，或简单地抛光，以便增加其反射率。
此外，可以布置聚光器基底，使得聚光器的阵列可以被定向在LED管芯底下、周围或上面。在示例性实施例中，聚光器基底被布置在LED阵列上或紧邻LED阵列，以便可以形成在每个LED管芯104上滑动的阵列120的每个聚光器，以便聚光器的下开口123(参见图4)提供在LED管芯104的周边周围密闭配合。选择性的聚光器设计包括其上支撑LED管芯的基底上的反射涂层的附加使用。
图1B所示实施例的一方面是每个辐射源、相应聚光器和相应波导之间的一一对应。每个聚光器表面被设计成将来自相应LED管芯的各向同性发射转变为光束，这将满足相应光接收波导的接收角标准，在某些应用中，相应的LED管芯可以是荧光粉涂敷的LED管芯。如上所述，该聚光器表面设计有助于保持从LED管芯发射的光的功率密度。
返回参考图1B，集中的输出辐射由多个光波导130接收，图1B示出光纤的阵列，每个波导具有输入端132和输出端133。本示例性实施例包括大线芯(例如，400μm至1000urn)聚合物包层石英光纤的阵列130(如市场上的贸易标识TECSTM，可以从3M公司St.Paul，MN获得)。在进一步示例性实施例中，每个光纤130可以包括具有约600μm至650μm的线芯直径的聚合物包层石英光纤。在示例性实施例中，光纤的纵向长度可以约为1至5英寸(2.5cm-12.5cm)长度。因为示例性光纤是非常柔软的，该短距离对紧密放置光纤、在输出端放置构图的光纤束仍然提供紧密型。此外，该短长度提供非常紧凑的器件，具有可与常规HID灯的尺寸相比较的尺寸。当然，在不导致输出的不利影响的条件下，在其他应用中可以增加光纤长度。
根据本发明的实施例也可以利用其他类型的光纤，如常规或专业化的石英光纤，取决于这种参数，例如LED管芯源的波长输出。例如，聚合光纤可能对涉及深蓝或UV光源应用的晒和/或漂白剂敏感。在该示例性实施例中，基于将被辐射的光引发剂或其他可固化材料的类型，可以利用对于450nm或更小的波长提供低损耗的光学纤维/波导。
另外，如本说明书所属领域的普通技术人员将明白，根据本教导也可以利用其他波导类型如平面型波导、聚合物波导、柔性聚合物波导等。
一旦由LED管芯发射的光被聚光器聚集和重定向到光接收光纤中，那么光纤可用来通过全内反射将光传输到特定位置，具有低的光损耗。但是，光接收光纤不仅仅用来通过将光纤从LED管芯阵列的较宽空间传输到更紧密空间或输出孔径处的空间，如紧密封装的光纤束，来传输光，而且来自(相对)分散的LED阵列的光可以被有效地集中为非常小的区域。此外，提供示例性光接收光纤线芯和覆层的光学设计，用于由于在输入端以及输出端处的光纤的数值孔径(NA)构形为从光纤束端部发出的光束。如在此所述，光接收光纤执行光集中和光束成形，以及光传输。
光纤132还可以包括光纤的一个或多个输出端133上的光纤镜头。类似地，光纤130的每个光接收端132还可以包括光纤镜头。在共同拥有和待审的美国专利申请号10/317,734和10/670,630中描述了光纤镜头制造和实施方案，在此引入作为参考。另外，可以邻近光纤的第二端放置光学元件如，透镜、微透镜、镜子或偏振器以聚焦、散射、对准或极化该辐照度。光学元件可以连续跨越多个光纤或可以是不连续的。
光纤阵列连接器134可以用来支撑阵列130的每个光纤的第一端。在示例性实施例中，光纤阵列连接器134包括刚性材料如模制塑料材料，具有多个孔径，该孔径具有对应于聚光器120的图形。每个孔径容纳阵列130的光纤输入端132，以及在其处可以提供简单的键合。
在示例性实施例中，可以利用刚性或柔性互连电路层，以提供用于LED管芯104的热管理和电连接到LED管芯104。如图1B所示，互连电路层可以包括多层结构，如可以从3M公司Saint Paul，MN获得的3M柔性(或挠性)电路。例如，多层互连层可以包括由例如铜或其他热导电材料、电绝缘介质层114和构图的导电层113构成的金属安装基底112，其中LED管芯被连接到导电层113的键合焊盘(未示出)。电绝缘介质层114可以由各种适合的材料组成，包括聚酰亚胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸脂、聚砜或FR4环氧树脂复合物。导电层和导热层113可以由各种适合的材料组成，包括铜、镍、金、铝、锡、铅及其组合物。
在示例性实施例中，如下面更详细地描述，LED管芯104的一个或多个组互相互连，但是与LED管芯的其他组分开，以提供失常的(pixilated)辐射输出。通孔(未示出)可用于贯穿介质层114。金属安装基底112可以被安装在热沉或热散逸组件140上。基底112可以通过电绝缘和导热材料层116与热沉140隔开。在示例性实施例中，热沉140还可以包括一系列热导体管脚，以在工作过程中进一步散逸来自LED管芯阵列的热量。
在一个示例性实施例中，每个裸LED管芯104可以位于介质表面114的凹陷部分中，直接在金属/电路层113上。在当前待审和共同拥有的申请名称″Flexible Circuit LED Thermal Packaging″(代理案号59333US002)中描述了互连电路的例子实施，在此将其全部引入作为参考。
在另一实施例中，对于电互连可以利用基于更刚性的FR4环氧树脂的印刷电路板结构。在另一实施例中，可以根据需要，通过在适合的基底上构图导电环氧树脂或导电油墨制备低成本电路，以连接LED管芯阵列。
固态发光器件100还包括支撑结构。在图1B的示例性实施例中，支撑结构被配置为外壳150，具有输入孔径152和输出孔径154。外壳150为波导130的阵列提供张力减轻并可以防止外面光源损坏波导130。此外，外壳150可以提供刚性支撑，优选用于车辆应用，如下面更详细地描述的那些。选择性地，当波导130是光纤时，支撑结构还可以包括条带(banding)156，该条带156被布置与波导130的第二端的周边部分接触。条带156可以帮助在选定的输出图形中分配波导130的输出端，如下面更详细描述。
此外，光纤阵列连接器134可以包括隆起部或缺口，以容纳外壳150的输入孔径152。尽管外壳150可以被键合或另外粘附到光纤阵列连接器134，但是在示例性实施例中，外壳150被锁扣装配在光纤阵列连接器134上。
在示例性结构方法中，光纤被首先载入光纤阵列连接器并键合到连接器。夹具(未示出)可以用来按行分组光纤，以具有有序的分组。该夹具可以包括多个部分，其从输入端至输出端重复地放置每个光纤。此外，该夹具可以被设计为光纤不互相跨越和具有用于输出端的可预测位置。为了固定输出端，利用刚性或柔性的条带，例如聚合物材料，以将光纤的位置固定在希望的输出图形内。然后张力减轻/支撑外壳可以在光纤和带上滑动并被固定到光纤阵列连接器。通过使用常规粘合剂或键合元件，条带可以被固定在外壳的输出孔径内。另外，该支撑结构可以包括遍及光纤束和围绕光纤束形成的包封材料。
另外，支撑结构150可以包括粘合材料，如键合环氧树脂，该粘合材料可以被应用于部分波导130，以便当粘合剂设置时，该波导被固定在希望的图形中。
整个定位(alignment)可以通过一个或多个定位管脚160提供，该一个或多个定位管脚160可用于将光纤阵列连接器134、聚光器阵列120、互连电路层110和热沉140定位在一起。在器件100的每个上述部件中可以形成一系列定位孔，如图2所示的定位孔162，以容纳定位管脚160。聚光器阵列120与互连电路层对准可以通过使用基准(未示出)来完成。
图2说明固态发光器件100的覆盖区。在该示例性结构中，在安装在热沉140上的互连电路层110上，可以在基本上矩形阵列图形中提供六十个(60)LED管芯104的阵列。当然，根据本发明，LED管芯的阵列可以包括基本上更大或更少数目的LED管芯104。但是，因为每个LED管芯具有约300微米的宽度，每个LED管芯104可与其最近邻间隔超过LED管芯宽度，本发明的固态光源可以提供高的总功率密度、紧凑的覆盖区(footprint)面积(约1in2至4in2或6.5cm2至26cm2)和适当的温度控制。此外，在示例性实施例中，光纤133的输出端的覆盖区(参见图1B)可以更加紧凑，例如约为0.1in2至1in2(0.65cm2至6.5cm2)。另外，输出端的覆盖区可以在一个方向上更加长，超出另一方向，如下面所述的一个或多个实施例所示。
图3中示出了固态发光器件100的侧视图。在该示例性实施例中，在热沉140上布置互连电路层110(具有在其上安装的LED管芯)，热沉140还包括在与输出孔径154相反方向上延伸的热散逸管脚142。此外，如上所述，外壳150可以包括突起153，以允许锁扣固定在光纤阵列连接器134上。聚光器120的阵列被布置在光纤阵列连接器134和互连层110之间。在该实施例中，光纤130被光纤阵列连接器134和条带156支撑，条带156被布置在外壳150的输出孔径154内。
如图4更详细所示，该固态发光器件的示例性结构包括减小光纤阵列的各个光纤131和聚光器阵列的各个聚光器121之间的未对准的光纤聚光器定位机构。具体，光纤阵列连接器134还可以包括在聚光器阵列基底的凹坑部分125中啮合的突起部分135。因此，光纤131被容纳在光纤阵列连接器134的孔径中。然后在聚光器基板上布置光纤阵列连接器，以致突起135被凹坑125容纳。以此方式，聚光器121的输出孔径126可以基本上与光纤131的输入端齐平。此外，利用该示例性设计，可以在同时抛光光纤的多个输入端，以便光纤端部相对于聚光器放置。
在图4的例子结构中，聚光器121的接收孔径123可以被紧邻相应的LED管芯104的发射面周边或围绕相应的LED管芯104的发射面周边布置。尽管未示出，位于聚光器基板和互连电路层之间的隔片可以在这两个元件之间设置适当的空间。然后聚光器基板可以被固定到隔片，或使用常规技术键合到互连电路层。
图4还示出了示例性多层互连110的截面，其包括将LED管芯104键合到互连层110的导电环氧树脂115。第一和第二电导电层113，111(可以包括，例如，镍和金或其他导电材料)，提供到阵列中的每个LED管芯的电迹线，利用布置的介质层114(例如，聚酰亚胺)提供电绝缘。提供基板112(例如，铜)，以支撑导电和绝缘层，以及对热沉140提供导热性，以远离发射方向传导热量。
根据在此描述的原理，该固态发光器件可以在一个或多个方向上同时提供高度定向的和/或成形的输出发射。如图1A和1B所示，光纤阵列130的输出端133可以被构图，以提供矩形或正方形输出。图5A-5F说明用于光纤阵列的选择性可配置输出端图形，该输出端图形可以根据特定应用需要的照明类型来采用。例如，图5A示出了六边形输出光纤图形133A，图5B示出了圆形输出光纤图形133B，图5C示出了环形输出光纤图形133C，图5D示出了三角形输出光纤图形133D，以及图5E示出了线形输出光纤图形133E。此外，如图5F所示，在选择性的示例性实施例中，可以提供分段的输出图形133F，其中对于特定的目标照明可以利用多个分开的光纤输出组。因为固定光纤输出端的条带可以由具有韧性的材料形成，如基于铅、锡和锌的材料和合金，在某些应用中，光纤输出图形可以被重配置。
如图6A-6C所示，该固态发光器件的输出可以是易操纵的，以便可以同时或交替地照明一个或多个不同的方向。图6A示出了例如，在三个不同的组233A，233B和233C中布置的光纤输出端部233。例如，在正常条件下，固态发光器件可以通过端部233A可以在正向上提供输出照明。如果触发信号发生，那么对应于输出光纤233B的LED管芯可以被激活，以便可以提供附加照明，其中通过输出光纤233B在侧向照明。类似地，对应于输出光纤233C的LED管芯可以被激活，以便在另一侧向中可以提供附加照明。
在固化应用中，如下面参照图12所述，光纤输出的“易操纵”可以便于复杂的三维部件和结构的辐射固化。这类结构不是很适合于利用常规光源的“泛洪(flood)”型固化，因为阴影效应导致不均匀的固化。此外，在刚性电路板上布置的封装LED的常规阵列不容易弯曲，以适应复杂形状。
另外，可以利用光纤的横向延伸输出布置提供易操纵的照明系统，如图5E所示，由此如下所述的失常(pixilation)控制电路(参见例如图9A和9B)可以从一侧至另一侧激活照明光纤块。以此方式，输出照明可以根据应用直接朝向(或远离)特定的方向。
以此方式，非机械方法可用于由该固态发光器件提供易操纵输出照明。另外，如本说明书中所给出的所属领域的普通技术人员将明白，可以利用更多或更少的光纤组。此外，该分组可以具有不同的相对取向。
在图6B中，示出了可以用来稳定和支撑不同光纤组的结构。例如，在光纤的输出端提供条带256，条带256可以提供第一孔径254、第二孔径254A和第三孔径254B，其中布置在孔径254A和254b中的光纤将输出方向不同于布置孔径254中的光纤的光。此外，如图6C所示，条带256可以被连接到外壳250或与外壳250集成，作为固态发光器件的支撑结构中的一部分。
另外，如图7所示，该固态发光器件可以由光纤输出端的一个光纤束产生易操纵的光。例如，光纤输出端133可以被设置在相同的位置，如图6B的输出孔径254。在该示例性实施例中，确定为光纤输出端129的这些输出端部的一部分以不同的角度被成角度抛光，以至基本上不同于光纤输出端133的剩余部分的角度(例如，相对于光纤轴10至50度)。所得的发射将处于不同于光纤端133的输出的方向。因此，与相对于图6A-6C的上述应用相类似，该固态发光器件可以在正向(通过输出端133)和侧向(通过输出光纤129)中都提供输出照明。
在提供易操纵照明的选择性实施例中，图13所示，从阵列连接器734延伸的光纤可以被包扎为多个偏离光纤束、中心光纤束730A和侧面光纤束730B和730C。由光纤束的输出端发射的光被多焦点透镜750接收，如非球面透镜，来自该偏离光纤束的输出变为希望的不同照明区751A，751B和751C。
在本发明的示例性实施例中，该固态发光器件可以被用作放电型照明光源的灯泡取代。例如，可以通过使用凸缘139来完成固定至现有插座，图8所示。凸缘139可以被布置在光纤阵列连接器134的周边部分上。凸缘可以被设计成啮合在这种插座的锁定槽中。另外，凸缘可以形成在固态发光器件中的其他元件上，如外壳或聚光器基板上。
根据本发明的另一实施例，如图9A所示，提供一种照明系统300，允许可以用于孔径成形和/或动态光束移动的失常光控制。系统300包括固态光源301，其以类似于如上所述的固态光源100的方式构成。控制器304通过导线302和连接器310耦合到固态光源301，连接器310可以被连接到互连电路层。电源306被耦合到控制器304，以提供电源/电流到固态光源301。
在示例性实施例中，控制器304被配置为有选择地激活包含于固态光源301中的各个LED管芯或LED管芯组。此外，因为光接收波导与LED管芯以一一对应设置，照明系统300可以提供失常输出。这类失常控制允许控制不同的颜色(例如，用于RGB输出的红、绿和蓝)或类似颜色的(例如，白色、蓝色、UV)LED管芯。
图9B示出了可以对包含于固态发光器件中的LED管芯阵列提供失常的例子控制电路305。在该例子中，在LED管芯阵列中设置六十个LED管芯(LD1-LD60)，这些管芯被集合成每二十个LED管芯的三个大组(314A-314C)，每组进一步被分为较小的子分组或每五个LED管芯的沟道(例如，LD1-LD5)。总体，在该示例性实施例中，每个五个LED管芯的十二个沟道可以被分开地控制。在一个例子实施方案中，在RGB输出应用中，第一组LED管芯可以包括发红光的LED管芯，第二组LED管芯可以包括发蓝光的LED管芯以及第三组LED管芯可以包括发绿光的LED管芯。另外，在另一例子实施方案中，LED管芯的第一、第二和第三组可以包括发“白”光的LED管芯。
此外，该互连电路层也被设计成能为不同的LED管芯组提供分开的互连。根据在此描述的原理，也可以利用不同类型的LED管芯组，以及更大或更少数目的LED管芯。利用该结构，分开的RGB LED管芯沟道可以被驱动，以提供“白”或其他颜色输出。此外，由于LED管芯退化，特定的二极管沟道将失效或暗淡，在较高电流下，相邻沟道可能被驱动，以便输出照明看起来保持不变。因为互连层的(相对)宽LED管芯间隔和/或热管理能力，到某些LED管芯沟道的更大驱动电流将不会不利地影响总体性能。
更详细地，通过电源306电压被提供到电路305。该电压通过升压转换器芯片312A-312C和它们的相关电子设备(未示出)变为调整的输出电流/电压源。以此方式，来自电源306的电压变化可以被减轻，提供给LED管芯的电流/电压保持在调整级别。芯片312A-312C可以包括，例如，可以从National Semiconductor获得的LM2733芯片。在该示例性实施例中，在80-100mA下，驱动电压/电流参数可以约为20伏，因此为整个LED管芯阵列提供总共约1.0至1.2A。然后驱动电流/电压被提供给阵列内的不同LED管芯沟道。在该例子中，每个LED管芯正常地将需要约20mA偏置电流，偏压阈值随电流增加而增加，对于典型的GaN基LED管芯接近约4.0V。当然，不同的LED管芯效率或成分可能需要不同的偏压和驱动电平。
此外，在电路305中可以包括电阻器/电热调节器链316，以设置每个LED管芯沟道的总最大电流。此外，可以提供开关组318，包括相应数目的LED管芯沟道电子开关，由此每个LED管芯沟道被耦合/去耦合到地线(或电源，根据相对于开关组318的LED取向)，以便激活每个特定的LED管芯沟道。开关组318可以被微控制器(未示出)或遥控开关自动地控制，基于特定应用需要的照明参数。当然，该电路结构允许许多实施方案和取代，如本说明书给出的技术领域的普通技术人员所理解。例如，控制电路305可以被实现为利用相同的电流驱动所有LED管芯，或者给定的LED管芯沟道可以被自动地或依命令导通/截止。通过增加固定或可变电阻到开关组的开关脚，不同电流可以被施加到每个沟道。
图10示出了可以用于点固化的灯(lamp)应用中所利用的示例性固态发光器件401的示意图。例如，固态发光器件401被布置在隔室402中，该固态发光器件401可以根据如上所述的实施例配置。通过可滑动啮合的凸缘439的使用，发光器件401可以被固定在隔室402中，该可滑动啮合的凸缘439被配置为在插座的狭槽438内滑动和锁定。因此，从光输出方向散发热量的热沉440位于分开的隔室404中。通过光学元件415光束成形的输出照明可以被集中/聚焦为需要的照明图形。光学元件415可以被设计成根据可应用的标准提供选择的输出图形。例子光学元件可以包括非球面/变形的光学元件和/或间断和/或非分析的(键槽(spline))光学元件。
利用该方法，可以避免使用在隔室402中布置的复杂反射光学元件，此外，因为热量从隔室402散逸，因此不必特别热处理隔室402中的任意剩余的光学元件，因此避免由暴露于频繁的高强度热量可能引起的性能下降。此外，如果固态发光器件401设有输出光纤和输出孔径结构，如图6A-6C所示，可以完成易操纵的输出照明，不必利用当前由常规HID灯操纵输出时必须采用的移动镜子，灯泡和/或镜头机构。
在此描述的固态发光器件也可以用于其他应用。例如，图11示出了示意性高度局限的(例如，牙科)固化应用，在固化设备500中包含固态发光器件501(具有与图1A和1B和/或其他实施例类似的结构)。该固态发光器件501可以被布置在固化设备500的处理部分510中。此外，用来容纳和引导来自LED管芯或其他固态光产生源输出的输出光纤可以贯穿光传递臂525，该光传递臂525可以被直接放置在可固化材料上。在该应用中，可以根据接收该照明的材料的固化外表利用UV和/或蓝光辐射源。
在图12所示的示例性实施例中，提供一种示意性材料固化设备，如织物(web)固化台。例如，在粘合剂、带或基于织物的制造中，辐射可固化剂常常是蓝光/UV可固化材料，其必须在不同的材料或基底上固化。在常规方法中，高强度放电、弧光灯和微波驱动灯常常用来执行固化工序。但是，这些常规灯辐射360度的光和热量，因此需要复杂的热交换和/或冷却机构。另外，在某些常规方法中，基底材料和UV固化剂必须适合于承受高强度热量。
在图12中示意地图示了在常规固化系统中发现的发热问题的一种解决办法，其中固化台600包括固态发光器件604(类似于如上所述的实施例构成，如图1A和1B)，固态发光器件的热散逸或热沉元件可以被耦合到热交换单元602或被热交换单元602替代。如上所述，通过适当的LED空间、导热互连电路和/或热沉，由固态发光器件的辐射源产生的热量从光输出的方向散逸。固化台600可以用于连续的固化操作和/或零部件、点固化或薄层。
此外，固态发光器件604可以发出高度集中的辐射到可辐射固化的材料，因此减小由固化的不足深度引起的有害效应，当辐射固化使用常规LED阵列时该有害效应可能是明显的。例如，如上面参照图1A，1B和2所述，LED管芯覆盖区可以集中到初始LED管芯阵列面积的一小部分。例如，输出端的覆盖区可以是小于LED管芯阵列的覆盖区2-5倍的系数，光纤阵列的端部的每单位面积的相应强度增加(包括耦合损耗)。例如，每个LED管芯可以是基于GaN的LED管芯，每个额定365-nm辐射的管芯具有接近100mW/cm2的输出功率密度。所得的辐照度数值可以接近以甚至超出常规高功率(600W/in)聚焦水银紫外灯的输出，额定365-nm辐射的典型地输出约2W/cm2。
LED管芯或其他辐射产生源的集中输出可以被波导阵列聚集和引导，该波导阵列布置在张力减轻外壳630中，并传递给辐射可固化材料或配方650。辐射可固化材料可以包括，例如，丙烯酸脂(acrylate)或环氧树脂单体和/或低聚物，具有适合的光引发剂或混合物。辐射可固化材料或配方650可以被布置在基底652上。例子基底可以包括连续的聚合物、纺织品、金属箔等。
基底652可以被布置在平台上，如移动平台或输送带，或基底652可以停止在移动辊(未示出)之间，以提供用于薄层或大量材料的连续固化。如上面相对于图5A-5F所述，波导的输出端，例如光纤，可以被布置在大量不同的可重配置图形中，因此制成固态发光器件，特别适合于固化具有各种各样形状的材料和/或固化深度需要。
例如，如上所述，光纤的输出端可以被布置在选择的图形中。在固化应用中，选择的图形可以被选定，以提供用于零部件基底的固化，具有拐角、缝隙、及其他结构，不接收来自常规“泛洪”型源的均匀固化辐射。以此方式，通过光纤输出端的适当布置可以减小阴影效应。
此外，设备600还可以包括被耦合到固态光源604的控制器670。控制器670可以被实现为单个控制器单元或一组控制器单元，可以适合于有选择地激活LED管芯阵列中的不同LED管芯，以对应于示例性光引发剂的优先吸收带的发射辐射和/或固化不同类型的配方。例如，控制器670可以包括多个不同的控制部分(例如，控制部分670a-670d)，对应于不同的LED管芯部分或固态光源604的LED管芯阵列内的各个(独立)沟道。另外，多个独立的控制器单元可用来分别地控制每个LED管芯沟道。该控制可以使用电子或机械开关来完成，例如，使用触发开关(未示出)。
每个LED管芯部分可以包括，例如，一组LED管芯，以与另一组LED管芯不同的波长发射辐射和/或辐射该辐射可固化材料650的不同部分。使用如上所述的示例性失常电路，因此在使用相同固化装置固化不同类型的材料中，设备600可以提供更大的灵活性。例如，一个或多个LED管芯组可以被有选择地激活，例如，导通或截止，以适应可固化材料中的一种或多种光引发剂。
在本发明的该示例性实施例中，来自多个固态源的发射辐射可以被集中为预定义的图形，以便受辐照表面接收比利用互相紧密邻近的所述光源和所述受辐照表面另外获得的强度更高的强度。上述固化设备可以用于连续的基底、薄层、零部件、点固化和/或3D辐射固化工序。
与使用灯的常规固化装置相比较，图12的固化设备600可以提供较长的寿命、较小的能量需要、更大的效率、小形状因数(对于紧密间隙固化应用)，几乎没有发射的红外线辐射到基底和/或化学剂(对于热敏的产品结构特别重要)。
根据本发明的该示例性实施例，通过使用与光波导耦合的光学集中元件，可以由短波长(＜500-nm)、低强度LED管芯实现高辐照级别，该光波导的输出可以被有选择地构图。以此方式，可以利用较短波长LED管芯，而不遭受常规低辐照问题。此外，在固化材料650中，可以使用各种各样的光引发剂和光引发剂混合物。例子光引发剂可以包括ITX和Camphor Quinone(可以从Biddle-Sawyer获得)、TPO-L(可以从BASF获得)以及IRGACURE和DAROCUR系列引发剂(可以从CibaSpecialty Chemicals获得)。
此外，通过使用上述光纤聚光器结构，LED管芯可以被隔开一距离(例如，至少6个管芯宽度以上)，这适合于简单的热管理和电连接。所得的有效热散逸可以有效地延长LED管芯的寿命和保持高辐照。此外，每个LED管芯需要的电流/功率驱动可以被减小，而不影响辐照级别，因为在相对小的覆盖区内可以利用更多LED管芯。因此，根据本发明的示例性实施例可以实现较长的总管芯寿命。
与低辐照相关的问题是如果辐照过低，那么朝向相对厚的可辐射固化配方底部的固化速率被减小。因此，固化和粘结的深度可能变为利用某些常规LBD基方法的问题。如果在配方中包含散射中心或辐射吸收颗粒、颜料或染料，那么固化深度的问题被加强。而且，如果在达到配方之前辐射必须穿过承载膜或辊，那么可能产生更多的问题。
作为一种解决办法，设备600还可以包括透镜，或多个透镜也可以形成与光纤的端部集成(例如，光纤镜头)或与光纤的端部分开放置，以进一步集中或平行校正到被固化的材料或配方的辐射。这种透镜可以便于相对厚的和/或高吸收和/或散射配方的固化和用于辐射的配方内的元件取向。例如，可以从光纤/波导的输出端选择以一距离布置透镜或透镜阵列(在该图中未示出)。如先前提及，因为从辐射源产生的热量从发射的方向散逸，对于连续热暴露，附加输出平行校正/聚焦透镜不必被特别处理。
此外，根据本发明的该示例性实施例，设备600通过将集中的图形延伸到交叉加工方向(CMD)和/或加工方向(MD)阵列中，可以提供更均匀的固化光束。在常规的基于灯的系统中，灯横穿它们的长度具有至少15％变化。在某些情况下，随着时间的过去，灯的均匀性变化可以降低到30-40％。在常规的基于LED方法中，阵列中的LED被分开，以致分开导致横穿阵列的辐照不均匀性。由于不均匀固化，该不均匀性可能在最终产品性能上潜在地引起不利影响。
本发明的固化设备也可以利用不同类型的LED管芯阵列，可以通过图9A和9B所述的失常电路控制。例如，由于光纤的输出端可以被紧密地耦合，不同类型的LED管芯(例如，变化强度和/或波长的LED管芯)可以被引入到该LED管芯阵列中，由此产生波长和/或强度选择的固化设备，在加工和交叉加工方向具有最小的均匀性损耗。此外，引入不同波长的LED管芯到LED管芯阵列中可以用来在选择波长下发射辐射，该选择波长与示例性光引发剂，如ITX和TPO-L的混合物的优先吸收带一致。
因此，固化设备600可以被设计成用不同的波长和/或强度固化，以便相同的固化设备可用于固化不同类型的配方，使设备600适合于处理不同配方的实验室、导向器和生产线，需要不同的辐射波长和强度。此外，利用在此叙述的失常控制器电路，可以控制设备600，以根据被固化的材料类型，有选择地激活特定的LED管芯或LED管芯组。相反，利用常规方法，LED阵列通常仅仅配置有一种特定类型的LED。因此，当常规系统需要不同波长或强度时，需要一种新阵列，以适应配方吸收。这导致附加的模块，需要更多设备成本和更可能多的维修。
设备600也适合于图形、3维结构、光刻和掩模的高分辨率固化。例如，因为在可重配置带中可以固定光纤的输出端，如图1B的条带156，光纤的输出端可以被布置到图形中，以固化特定的3-维结构和/或部件。此外，对于基于基底的工序，设备600可以在交叉-加工和加工方向提供高分辨率辐照外形固化。因为光纤的输出端可以被紧密地包扎或紧密地构图，LED管芯可以在变化的强度下被驱动，以产生平滑的强度外形，具有为光纤直径的级别的分辨率。相反，进一步隔开的常规LED阵列(用于热目的)提供可变的强度外形。
现在转向图14，示出了改进设备结构的例子，由此从波导802发射的光在撞击辐射极化材料之前被极化。如下面论述的图14和图15-18所示，波导802是线性的，但是应当理解二维阵列也是可用的。波导802输出未被极化的光808，以便电磁能的波被随机地对准。但是，对于某些改进应用，优选用极化的光处理辐射可改进材料。这种改进应用的一个例子是液晶材料的处理。另一例子是聚合物链的处理。在这些情况下，希望液晶或聚合物链键变得对准某些方向。液晶或聚合物键根据撞击主题材料的辐射电磁能的波的定位来定位它们自己。因此，在它撞击主题材料之前极化光，导致液晶或聚合物键将本身与定位波对准。
在图14的例子中，从波导802发射的光808直接发出到偏振器804，它覆盖基本上圆形的区域812。因为从波导802直接发射的光808具有较宽的发射角，偏振器804必须具有宽的接受锥形，以避免浪费从波导802发射的光。甚至利用对于特定辐射波长有效的偏振器，该极化的光通过偏振器804并撞击其上布置了辐射可改进材料的基底806，具有较低的强度。
各种偏振器设计是可用的。对于红外线和可见光波长，可接受的偏振器包括但是不局限于布鲁斯特(Brewster)叠层、涂敷极板、多层光学膜、吸收偏振器和棱镜。但是，对于UV波长，可接受的偏振器典型地具有窄的接受锥形，其需要减窄来自波导的光的发散角，如下面论述。适合于UV应用的偏振器的例子包括Brewster叠层、多层涂敷光学元件、线-栅格和某些棱镜。
图15示出了一种改进设备结构的例子，由此从波导902发射的光在被极化之前，首先被聚焦为线。在该例子中，从波导902发射的光908沿位于辐射路径中和波导902和偏振器906之间的柱面透镜914的轴被聚焦为线。到达偏振器906的光形成线912，与发射光的全锥形相比具有更高的强度。因此，该极化光到达其上布置了辐射可改进材料的基底906，将具有更高的强度。
尽管柱面透镜将来自波导902的每个光纤端的光聚焦为线，从柱面透镜914发出的光910沿柱面透镜914的轴继续具有宽的发散角。因此，偏振器904必须也具有宽的接收锥形，至少沿相同的轴，以避免浪费从波导902发射的光。如上所述，对于UV应用，可接受的偏振器具有较小的接收锥形，要求光的发散角被减小，如下面论述。
图16A示出了一种改进设备结构的例子，由此从波导1002发射的光在被极化之前首先被平行校正(collimate)。平行校正光的一个优点是可以使用UV偏振器。在该例子中，从波导1002发射的光1008被微透镜(lenslet)阵列1014平行校正，该微透镜阵列1014具有与数目和发散角相配的大量微透镜，与波导1002的光纤的“光纤锥形”无关。偏振器1004的需要接收锥形被确定为阵列1014的每个微透镜的焦距和波导1002的每个光纤尺寸的函数，与单独由光纤性能决定相反。由此，微透镜阵列1014平行校正光，以便偏振器1004需要的接收锥形被减少到适于许多偏振器的数量，包括适用于UV光。
然后该平行校正的光1010达到偏振器，来自每个微透镜的平行校正光1010撞击偏振器并覆盖根据每个微透镜限定的形状覆盖形成的区域1012。如下面根据图18所指出，柱面透镜可以包括在偏振器1004和其上布置了辐射可改进材料的基底1006之间，以将光聚焦为更大强度的线。
图16B示出了与图16A相同的结构，除了在波导1003的每个光纤端部中形成透镜之外，以便微透镜阵列不是必需的。每个光纤的透镜平行校正来自光纤的光，以便该平行光1009撞击偏振器1005时具有减小的锥形，以覆盖由每个光纤的透镜限定而形成的区域1011。同样，柱面透镜可以位于偏振器1005的任一侧上，以在该极化的光撞击其上布置了辐射可改进材料基底1007之前，将该光聚焦为更大强度的线。
图17示出了一种改进设备结构的例子，由此从波导1102发射的光在被极化之前，首先被平行校正，然后聚焦为线。在该例子中，光1108被与柱面透镜1116结合的透镜状阵列1114平行校正。应当理解该透镜状阵列114具有用于每个光纤的透镜，光纤的尺寸和透镜的焦距决定偏振器1104所需要的接收锥形。此外，透镜状阵列1114平行校正该光，以便偏振器1104需要的接收锥形被减少到许多偏振器可用的数量，包括适用于UV光。
该平行光1110撞击偏振器1104并覆盖相对聚焦的线性区1112。然后该极化光撞击其上布置了辐射可改进材料的基底1106。如下面根据图18指出，柱面透镜可以包括在偏振器1104和基底1106之间，以进一步将光聚焦为更大强度的线。此外，在透镜状阵列1114由柔性材料制成的实施例中，透镜状阵列1114可以被弯曲为弯曲形状，以执行柱面透镜1116的聚焦功能。
图18示出了图16和17的选择性结构。在该结构中，波导1202发出光1208，该光到达光学元件1218，如图16的微透镜阵列，或图17的透镜状阵列。光学元件1218平行校正那些光，然后平行光1210达到偏振器1204。此外，因为光1210已经被平行校正，偏振器1204需要的接受锥形被减小，允许选择包括适用于UV光的偏振器。然后从偏振器1204发出的极化光1212撞击第二光学元件1214，如柱面透镜。在柱面透镜的情况下，极化光1216被聚焦为线，然后撞击其上布置了辐射可改进材料的基底1206。
相对于这些结构，作为组合的透镜和偏振器的参数可以被选择，以最佳化强度或极化的均匀性和最小化光损失。考虑透镜的参数包括透镜距波导端部的距离和透镜的直径。相对于已知值可以选择这些参数，包括波导的每个光纤的光纤线芯直径(Dfiber)、每个光纤的数值孔径(NAfiber)和所选偏振器的接受锥形。
作为一个例子，对于选择的波导，光纤线芯直径Dfiber可以等于600μm，而数值孔径NAfiber等于0.39。选择的偏振器可以具有5度的全接收锥形，以便实现希望的极化态。为了使透镜最佳化，Dfiber或600μm被除以希望发散角的一半的切线两倍(5度或以下的一半)，其为0.86或以下。这些为透镜给出最小允许焦距，当位于离波导一个焦距，从波导得到具有锥角的光，该锥角匹配偏振器的接受锥形，在该例子中，该最小距离是6.97mm。接下来，需要对着离开波导的光的透镜的最小直径，由两倍NAfiber或0.78乘以已经计算的距离，或6.97mm来近似。用于该例子的所得直径是5.44mm。为了在这些最小参数上提供某些容差，到透镜的距离可以被选为7mm，而透镜的直径被选为5.5mm。选择较长焦距的透镜将导致更少的发散，但是透镜的焦距比数(F-number)应该保持小于NAfiber两倍的倒数，或在此情况下，1.28，以便对着来自波导的所有光。
图19-21示出了允许如上所述的任意设备的LED管芯的脉冲调制的控制器结构，包括有或者没有透镜和/或偏振器的结构。如上面相对于图9B所述，和下面更详细地论述，控制器可以控制各个管芯，以便每个各个管芯可以与其它管芯分开地受脉冲作用，以及可以利用不同于其它管芯的强度脉冲。下面根据图22-25更详细地论述分别控制阵列的LED管芯的激活和强度。
当与稳态LED辐射的应用相比较时，固化设备的LED的脉冲调制具有许多优点。通过脉冲调制LED可以实现更高的瞬时辐照，允许在空气中固化丙烯酸脂，并提供更厚涂层的固化。此外，脉冲调制LED产生更少的总体热量，同时增加涂层中的局部峰值温度。为了实现更高的辐照度，对于脉冲的持续时间电流增加。为了防止损坏LED，它被关断和允许在脉冲之间冷却。脉冲调制LED固化的优点包括：增加固化的深度、增加反应速率、增加氧气损耗和增加自由基的扩散以开始聚合反应。还有暗固化的优点，其中在脉冲调制之间的时间过程中将被固化材料不经受光，以便原子团-原子团湮灭被最小化。具体地，LED管芯发射UV辐射，脉冲调制LED带来这些优点，在更高的分子量产品的制造中达到极点。
图19的控制器结构是提供高频、短时间脉冲调制的结构，该结构用于各种改进，包括在空气中固化丙烯酸脂和固化相对厚的涂层。该结构包括可变电压DC电源1302，其提供功率到固态开关元件1304。对于LED管芯的各个脉冲调制，固态开关元件1304可以为LED阵列1308的每个LED管芯提供各个开关。固态开关1304被脉冲发生器1306驱动。脉冲发生器可以被选为使它具有可变脉冲频率和可变脉冲宽度。
DC电源1302的输出电压可以被调整，以通过固态开关1304提供希望的驱动电流量到LED阵列。固态开关1304的例子是功率晶体管，例如场效应晶体管(功率FET)，具有驱动电路，接收来自脉冲发生器1306的输入。脉冲发生器可以是市场上可买到的各种器件，如来自AgilentTechnologies的型号81101A。该特定的脉冲发生器具有从1mHz至50MHz的频率范围和具有低到10ns的脉冲宽度。众所周知UV LED，如由Cree Optoelectronics提供，其光学上升时间是30ns左右。
图20的控制器结构提供低频和长时期脉冲调制。该结构包括用来编程市场上可买到的LED符号(sign)控制器1404的个人电脑1402，以提供脉冲调制。然后LED符号控制器1404脉冲调制LED矩阵阵列1406的每个LED，仿佛LED矩阵阵列1406是闪烁的LED信号。因为LED信号1404被设计成控制可见符号，脉冲频率更低和约为25Hz。
图21示出另一控制器结构，提供中频和中期脉冲调制。该结构包括可变电压DC电源1502，提供功率到固态开关元件或开关阵列1504。固态开关阵列1504被数字输出板1508驱动，数字输出板1508配置为X和Y阵列，随后被个人电脑1506控制。个人电脑1506可以执行控制程序如National Instruments Lab VIEW Virtual Instrument程序，以控制NationalInstrument数字输出板1508。该程序允许LED被随意地脉冲调制，或在特定的频率下，典型地在千赫兹范围内。
图22示出形成其自身的沟道的各个LED管芯的电路例子，以便可以在高分辨率下执行固化或其他改进，如先前相对于图12所述。相对于阵列的其他LED管芯，每个LED可以被有选择地和分别地激活。由此，通过仅仅激活产生图形需要的LED，在辐射可改进材料中可以产生图形，与阵列的所有LED相反。图22包括提供功率到升压电路1604的Vcc电源1602，如上面根据图9B所述的电源。然后升压电路1604提供功率到各个沟道1606A-1606F，每个沟道是单个LED管芯。然后开关阵列组1608有选择地激活一个或多个沟道，随后有选择地激活一个或多个各个LED管芯。由此，开关阵列组1608可以被配置为仅仅激活产生希望图形所需要的那些沟道。
该电路可以与上面指出的任意技术结合使用。例如，该电路可以与透镜和/或偏振器结合使用或不使用透镜和/或偏振器。此外，该电路可以使用或不使用脉冲发生控制器。当包括脉冲控制器时，开关组1608根据提供的脉冲信号允许电流流过选择的LED管芯。
图23示出了形成其自身的沟道的各个LED管芯1706A-1706C的电路例子，以便可以在高分辨率下执行固化，以及每个沟道具有连接到Vcc电源1702的其功率控制电路1704A-1704C，以便可以为每个各个LED管芯控制强度。通过每个各个升压电路1704A-1704C分别控制每个LED管芯1706A-1706C的强度，允许执行外形固化或其他外形改进，由此横穿波导提供的辐照是不均匀的，以便匹配也不均匀的目标。
该电路也可以与上面指出的任意技术结合使用。例如，该电路可以与透镜和/或偏振器结合使用或不使用透镜和/或偏振器，和使用或不使用脉冲发生控制器。
图24示出目标不均匀的例子。在该例子中，目标是位于不均匀结构1810上的可固化材料1808。具体地，该例子的结构1810是U形的，以便辐射可固化材料在中心比在端部更远离波导。由此，如果横穿波导1802提供均匀辐照，那么材料1808的表面将不接收相对均匀的辐照。反而，该端部将接收比中心辐照更大强度的辐照。
为了计算U形结构1810，波导1802在波导1802处输出不均匀的辐照。在波导处，端部上的辐照光束1804A和1804B的强度比中心的光束1806A和1806B的辐照更低。由此，辐照到达材料1808，以及所得的固化从侧面至侧面更均匀。
图25示出也不均匀目标的另一例子。但是，在该例子中，该目标是具有变化传输率的可固化材料1910，具体地从一端至另一端的厚度。因此，如果在波导1902处的辐照是均匀的，那么在材料表面的辐照在厚的端部1912相对于薄的端部1914更少有效，以便固化整个涂层不可能是相对均匀的。
为了计算，偏差是材料1910的传输率，波导1902在波导1902处输出不均匀的辐照。朝向厚端部1912的辐照光束1904的强度是最高的。朝向材料的中间的辐照光束1906的强度具有比光束1904更低的强度，但是具有高于朝向薄端部1914的光束1908的辐照的强度。因此，材料1910的固化从一侧到另一侧更均匀。
图26示出控制从波导2002到辐射可改进材料2006的辐射应用的选择性方法。可以通过光阀结构2012控制来自波导2002的各个光纤的辐射，该光阀位于从波导2002发出的辐射路径中。光阀结构2012用来控制到可改进材料光的路径。如图所示，光阀2012可以与一组偏振器2003，2004结合工作，允许来自给定光纤的辐射被阻挡，允许来自给定光纤的基本上所有辐射流过，或应用连续可变减小来自给定光纤的辐射强度。此外，该光阀可以在静态或掩模条件中配置或该光阀是可控的，以便它是动态的。
如图所示，光阀结构2012是光阀单元2016的一维阵列，其中每个光阀单元2016可被分别地控制，由此动态地控制接收辐射的路径。在此使用的术语光阀通常指包括多个光阀单元2016的光阀结构2012或各个光阀单元2016。应当理解完全的光阀结构2012或仅仅各个光阀单元2016可以位于辐射路径中。
可以使用的光阀有各种形式。如图26所示，可以提供液晶显示器(“LCD”)阵列。LCD阵列使用LCD单元作为各个光阀单元2016。标准的LCD控制器(未示出)有选择地控制该各个LCD单元，以使得它们控制通过光的极化旋转。光阀的其他例子包括有格栅的光阀和数字镜子装置。有格栅的光阀使用光阀单元，包括形成衍射光栅的多个静电控制的反射带。有格栅的光阀例子采用光阀相对于波导2002和材料2006的光阀定位，以估计通过各个光阀单元提供的反射，与如用于LCD光阀所示的直线方法相反。利用有格栅的光阀或数字镜子装置的结构例子依靠偏转来控制光强度，下面根据图28更详细地论述。
图26的LCD光阀通过与初始偏振器2003和最后的偏振器2004结合工作，控制到达可改进材料的光强度。初始偏振器2003给予光特定的极化。然后LCD光阀2012旋转偏振器给定的量，从0至180度任何位置。然后该辐射必须通过最后的偏振器2004。但是，仅仅具有适当的极化状态的光穿过最后的偏振器2004，具有正常强度。如果偏振态从最后的偏振器2004需要的偏振态偏转90度，那么没有辐射穿过。由此，LCD光阀2012可以用来依照要求旋转偏振态，由此控制将穿过最后的偏振器2004的辐射量。因为各个LCD单元2016可以被独立地控制，与穿过其他单元的辐射相比，穿过某些LCD单元的辐射可以给予不同的极化旋转，以便辐射图形从最后的偏振器2004发出。
因为光阀控制到达辐射可改进材料的辐射强度，所以光阀可以用来在材料中产生图形或提高固化的均匀性或用于高度不均匀材料或材料位置的其他改进，如图24和25所示。穿过该光阀的光强度被控制，以产生希望的图形或改变横穿光阀的强度外形。由此，来自各个光纤的强度可能基本上是均匀的，与控制激活和/或来自每个各个光纤的强度相反，如上面相对于图22-25所述。
如论述，图26的该例子示出了光阀单元2016的一维阵列。应当理解也可利用其他阵列维数。但是，如该例子所示，当应用阵列如一维阵列2012时，通过使用光学元件在阵列2012上聚焦从波导2002发出的光是合符需要的。光被聚焦，以便来自波导2002的基本上所有光在到达材料2006之前，必须穿过光阀结构2012。在所示例子中，柱面透镜2014位于从波导2002发出的辐射2008的路径中，以便从柱面透镜2014发出的光2010变得聚焦在光阀2012上。
此外，进一步改变从第二偏振器2004发出辐射路径也是有利的。在所示例子中，在偏振器2004和可改进材料2006之间包括第二光学元件2020。具体地，该例子的第二光学元件是投影透镜，其获得从偏振器偏离的光并且将该光再次聚焦到可改进材料2006上的点2024。点2024的集合形成线，其遵照由光阀2012所示的图形或强度外形。
另一提高可以与具有多个维数的光阀结合使用，包括角控制元件如棱镜膜(未示出)。棱镜膜被放置在波导2002和光阀2012之间，最好利用离开波导2002的高角度光。
图27示出了利用光学元件来平滑强度外形的辐射改进结构，被应用于辐射可改进材料。波导2102朝着光学元件2106例如微透镜阵列的方向输出辐射。为了提供无穷波导2102的效果，可以包括镜子2104A和2104B，以朝向光学元件2106反射回错误辐射。在该例子中，也包括可选的第二光学元件2108，如微透镜阵列，以进一步平行校正从第一光学元件2106发出的光。可选的模糊过滤器2110被布置在第二光学元件2108和辐射可改进材料2112之间。
在图27中图示了几个辐射路径角和非辐射路径角，以论证平滑效果。非辐射路径2114从没有辐射发出的波导2102的光纤之间的小区域延伸。如图所示，该路径2114延伸至可改进材料2112上的点2116。但是，该点2116不暴露于辐射，辐射路径2118从光纤的中部延伸到点2116，以致别的未曝光的点2116接收辐射。类似地，点2224不通过高角度路径2122接收辐射。但是，点2224通过包括路径2120的路径接收辐射。由此，光学元件2106和选择性地2108产生非成像结构，由此从波导2102发出的光在材料2112处被模糊，而不是被直接成像。模糊过滤器2110可以包括更多的模糊辐射以平滑强度外形。
图28示出了一种辐射改进结构，其使光阀偏转，以产生图形和/或减小到偏振器的辐射接收角。波导2202朝着光学元件2206例如微透镜阵列的方向输出辐射。如同图26的结构一样，为了提供无穷波导2202的效果，可以包括镜子2204A和2204B，以朝向光学元件2206反射回错误辐射。在该例子中，也包括可选的第二光学元件2208如微透镜阵列，以进一步平行校正从第一光学元件2206发出的光。
该结构也包括在第一光学元件2206和第二光学元件2208之间放置的偏转光阀2210。该偏转光阀2210可以是有格栅的光阀或数字镜子装置。偏转光阀2210具有可分别地控制的单元，以便选择偏转光，以依照要求产生图形。
在图28中图示了几个辐射路径角以及非辐射路径角，以论证偏转，以及也图示了平滑。非辐射路径2214从没有辐射发出的波导2202的光纤之间的小区域延伸。如图所示，该路径2214延伸至可改进材料2212上的点2216。但是，该点2216不暴露于辐射，辐射路径2218从光纤的中部延伸到点2216，以便别的未曝光的点2216接收辐射。但是，在该例子中，偏转光阀2210已经被激活，以便点2224通过包括已经偏转的路径2220的路径接收辐射。偏转依照要求重定向辐射，这可用于在辐射可改进材料2212中产生图形。此外，偏转减小辐射的接近角，偏振器(在该图中未示出)位于光学元件2206和材料2212之间的点是有用的。
尽管参考示例性优选实施例叙述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的条件下，本发明可以以其他特定的形式体现。由此，在此叙述和图示的实施例仅仅是示例性的，不应该被认为是限制本发明。根据本发明的范围可以进行其他改变和改进。

Claims (31)

1.一种辐射设备，包括：
多个固态辐射源，生成改进第一材料的辐射；
与固态辐射源电连通的控制器，选择性地并单独地激活多个固态辐射源的每一个；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自多个固态辐射源的一个或多个的辐射；
多个光波导，其中多个光波导的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的辐射；以及
支撑结构，至少稳定多个光波导的第二端的第一部分。
2.如权利要求1的辐射设备，其中控制器选择性地并单独地控制来自所激活的多个固态辐射源的每一个的辐射强度。
3.如权利要求1的辐射设备，其中控制器使得固态辐射源产生脉冲调制的辐射。
4.如权利要求1的辐射设备，还包括放置在从第二端发出的辐射的路径中的光学元件。
5.如权利要求1的辐射设备，其中控制器选择性地并单独地激活每个固态辐射源，以在第一材料中产生图形。
6.一种辐射系统，包括：
固态辐射源，包括
多个LED管芯，生成能够改进辐射可改进化学配方的辐射；
电连接到多个LED管芯的控制器，选择性地并单独地激活多个LED管芯的每一个；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自一个或多个LED管芯的辐射；
多个光纤，其中多个光纤的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的集中辐射；以及
基底，支撑该辐射可改进化学配方。
7.如权利要求6的辐射系统，其中控制器选择性地并单独地控制来自所激活的多个LED管芯的每一个的辐射强度。
8.如权利要求6的辐射系统，其中控制器选择性地并单独地激活每个LED管芯，以在辐射可改进化学配方中产生图形。
9.如权利要求6的辐射系统，还包括放置在从第二端发出的辐射的路径中的光学元件。
10.一种辐射设备，包括：
多个固态辐射源，生成改进第一材料的辐射；
与固态辐射源电连通的控制器，选择性地并单独地控制来自多个固态辐射源的每一个的辐射强度；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自多个固态辐射源的一个或多个的辐射；
多个光波导，其中多个光波导的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的辐射；以及
支撑结构，至少稳定多个光波导的第二端的第一部分。
11.如权利要求10的辐射设备，其中控制器选择性地并单独地激活多个固态辐射源的每一个。
12.如权利要求10的辐射设备，其中控制器使得固态辐射源产生脉冲调制的辐射。
13.如权利要求10的辐射设备，其中在非均匀结构上设置第一材料，并且其中控制器选择性地并单独地控制来自每个固态辐射源的辐射的强度，以根据该非均匀结构向第一材料输送均匀辐射。
14.如权利要求10的辐射设备，其中第一材料包括具有变化的传输率的表面，并且其中控制器根据变化的传输率，选择性地并单独地控制来自每个固态辐射源的辐射的强度。
15.一种辐射系统，包括：
固态辐射源，包括
多个LED管芯，生成能够改进辐射可改进化学配方的辐射；
电连接到多个LED管芯的控制器，选择性地并单独地控制来自多个LED管芯的每一个的辐射强度；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自一个或多个LED管芯的辐射；
多个光纤，其中多个光纤的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的集中辐射；以及
基底，支撑该辐射可改进化学配方。
16.如权利要求15的辐射系统，其中控制器选择性地并单独地激活多个LED管芯的每一个。
17.如权利要求15的辐射系统，其中控制器使得多个LED管芯产生脉冲调制的辐射。
18.如权利要求15的辐射系统，其中在非均匀结构上设置辐射可改进化学配方，并且其中控制器选择性地并单独地控制来自每个LED管芯的辐射的强度，以根据该非均匀结构向辐射可改进化学配方输送均匀辐射。
19.如权利要求15的辐射设备，其中辐射可改进化学配方包括具有变化的传输率的表面，并且其中控制器根据变化的传输率，选择性地并单独地控制来自每个LED管芯的辐射的强度。
20.一种辐射设备，包括：
多个固态辐射源，生成改进第一材料的辐射；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自多个固态辐射源的一个或多个的辐射；
多个光波导，其中多个光波导的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的辐射；以及
光阀，设置在来自波导的一个或多个第二端的辐射的路径中；以及
支撑结构，至少稳定多个光波导的第二端的第一部分。
21.如权利要求20的辐射设备，其中光阀是液晶阵列。
22.如权利要求20的辐射设备，其中光阀是有格栅的光阀。
23.如权利要求20的辐射设备，还包括放置在从第二端发出的辐射的路径中的光学元件，使得光阀在从光学元件发出的辐射的路径中。
24.如权利要求23的辐射设备，其中光学元件将来自波导的一个或多个第二端的辐射聚焦到光阀。
25.如权利要求20的辐射设备，其中光阀调节辐射，以在辐射可改进材料中产生图形。
26.如权利要求25的辐射设备，其中光阀偏转至少部分辐射，以产生图形。
27.如权利要求27的辐射设备，还包括：
第一偏振器，放置在从波导发出的辐射的路径中，使得偏振的辐射到达光阀，其中光阀旋转辐射的偏振；
第二偏振器，放置在从光阀发出的辐射的路径中，该第二偏振器根据偏振的旋转控制辐射强度。
28.一种辐射系统，包括：
固态辐射源，包括
多个LED管芯，生成能够改进辐射可改进化学配方的辐射；
多个聚光器，其中每个聚光器接收来自一个或多个LED管芯的辐射；
多个光纤，其中多个光纤的每一个包括第一端和第二端，其中每个第一端接收来自多个聚光器的一个或多个的集中辐射；
光阀，设置在来自波导的一个或多个第二端的辐射的路径中；以及
基底，支撑该辐射可改进化学配方。
29.如权利要求28的辐射系统，其中光阀是液晶阵列。
30.如权利要求28的辐射系统，其中光阀是有格栅的光阀。
31.如权利要求28的辐射系统，其中光阀在辐射可改进化学配方中产生图形。
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