阅读说明：本技术 一种通过光纤耦合的紫外led杀菌方法及装置 (Ultraviolet LED sterilization method and device through optical fiber coupling ) 是由 梁旭东 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通过光纤耦合的紫外LED杀菌方法,包括如下步骤：S1：封装好的紫外LED上安装透镜以及准直器；S2：通过准直器出来的紫外LED光能够接近准直的平行光；S3：多束光纤耦合准直后的平行光按照平行线状排列安装；S4：平行线状排列的紫外LED耦合光源可以做成杀菌消毒器。本发明具有以下有益效果：(1)可以安装在多种杀菌消毒装置上；(2)近距离和远距离都可以实现高效杀菌消毒,应用场景被无限拓宽；(3)发散的LED光经过光纤耦合成准直平行光,简单易行；(4)所需的透镜、准直器、光线集束器、光线分路器容易获得；(5)光纤耦合后的紫外LED发光强度损失非常小；(6)远距离光衰较少,可以应用在诸多大空间杀菌消毒领域。(The invention discloses an ultraviolet LED sterilization method through optical fiber coupling, which comprises the following steps: s1: a lens and a collimator are arranged on the packaged ultraviolet LED; s2: the ultraviolet LED light coming out of the collimator can be close to collimated parallel light; s3: a plurality of beams of parallel light after optical fiber coupling collimation are arranged in parallel; s4: the ultraviolet LED coupled light sources arranged in parallel and linear can be made into a sterilizer. The invention has the following beneficial effects: (1) can be arranged on various sterilization and disinfection devices; (2) the high-efficiency sterilization and disinfection can be realized at both short distance and long distance, and the application scene is infinitely widened; (3) the divergent LED light is coupled into collimated parallel light through the optical fiber, and the method is simple and easy to implement; (4) the needed lens, collimator, beam buncher and beam splitter are easy to obtain; (5) the loss of the luminous intensity of the ultraviolet LED after optical fiber coupling is very small; (6) the long-distance light attenuation is less, and the device can be applied to the field of sterilization and disinfection of a plurality of large spaces.)

一种通过光纤耦合的紫外LED杀菌方法及装置

技术领域

本发明属于紫外线杀菌技术领域，具体涉及一种通过光纤耦合的紫外LED杀菌方法及装置。

背景技术

随着科技水平的进步，制造业的持续发展，生活水平也得到不断地改善，物质生活和精神生活都有大幅的提升。然而近年来我们也遇到一个尴尬的情况，生活水平虽然改善，环境却日益恶化。雾霾、水污染等的加重给日益改善的生活水平增添了瑕疵，空气和水等携带的细菌病毒正在侵蚀我们的健康。2019年出现的新型冠状病毒，已经肆虐全球，生命在此病毒面前变得更加脆弱不堪一击，因病毒导致的死亡人数不可预估，同时世界经济也遭受前所未有的冲击。为了有效抑制病毒，中国卫健委也出台了一系列的方案，其中有一个方案也被提出来，也就是紫外线杀菌。紫外线杀菌的原理是利用适当波长紫外线对细菌的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的分子键进行破坏，破坏原有细菌菌落并阻止细菌的复制繁殖，达到杀死细菌的目的。紫外线杀菌技术是利用高强度紫外线照射，将各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，紫外线杀菌具有广谱高效性，对大部分细菌和病毒具有秒杀能力，所以目前被广泛应用于民生、医疗以及生产制造行业。

由于紫外线杀菌的光谱高效性，各式各样的紫外杀菌设备如雨后春笋爆发出来了，如紫外线杀菌加湿器、紫外创可贴、紫外杀菌饮水机、紫外线杀菌箱包、手持式表面杀菌器等等等。这些杀菌装置已经很大程度上满足了人们对近距离表面杀菌，近距离空气杀菌，近距离水杀菌的需求。近距离的杀菌需求非常大，但是对于大空间远距离的杀菌需求也存在很多应用场景。而紫外光因其在空气及水中传播存在指数级衰减规律，势必导致紫外线经过远距离传输后功率明显降低，杀菌消毒效率明显下降甚至可能起不到杀菌消毒的作用。

远距离杀菌消毒的主要障碍在于紫外线在远距离传输过程中存在的散射吸收而导致的巨大损耗，所以解决远距离紫外线传输损耗问题对紫外线杀菌消毒的拓展显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过光纤耦合的紫外LED杀菌方法及装置，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种通过光纤耦合的紫外LED杀菌方法，其结构要点在于：包括如下步骤：

S1：封装好的紫外LED上安装透镜以及准直器；

S2：通过准直器出来的紫外LED光能够接近准直的平行光，从准直器中出来的LED光耦合进入光纤传输，从光纤另外一头出来的光也为准直平行光，经过准直后的紫外LED光光束较小，光强较强；

S3：步骤S2中的多束光纤耦合准直后的平行光按照平行线状排列安装，可以获得一条线状紫外LED耦合光源；

S4：步骤S3中平行线状排列的紫外LED耦合光源可以做成杀菌消毒器，形成面扫描杀菌消毒，具有远距离高效杀菌消毒功能。

作为优选的，步骤S3：步骤S2中的光纤输出的一条或多条准直平行光经过光线集束器，把多束光集合成一束，形成单束准直平行光，从光线集束器出来的单束准直平行光经过鲍维尔棱镜后直接形成一条线光源。

作为优选的，从光线集束器出来的单束准直平行光可以通过光的分路器分成若干的功率相同的光束。

作为优选的，透镜采用一个或多个。

作为优选的，多束光纤耦合中的光纤为5～1000束。

作为优选的，紫外LED中紫外LED芯片的面积为100μm²-10cm²，紫外LED芯片的波长为200nm～320nm，单颗LED芯片的功率可以为1mW～1W。

作为优选的，一种用于实现紫外LED杀菌方法的杀菌装置，杀菌装置为手持式杀菌消毒装置或机器人移动平台式杀菌消毒装置，且杀菌装置内设有紫外LED耦合光源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)可以安装在多种杀菌消毒装置上，如手持式，移动式等；

(2)近距离和远距离都可以实现高效杀菌消毒，应用场景被无线拓宽；

(3)发散的LED光经过光纤耦合成准直平行光，简单易行；

(4)所需的透镜、准直器、光线集束器、光线分路器容易获得；

(5)光纤耦合后的紫外LED发光强度损失非常小；

(6)因远距离光衰较少，所以此杀菌装置可以应用在诸多大空间杀菌消毒领域，极大拓展了紫外杀菌消毒应用。

附图说明

图1为本发明紫外LED光纤耦合示意图；

图2为本发明紫外LED经光纤耦合后多路出光示意图；

图3为本发明多个紫外LED经光纤耦合后多路出光示意图；

图4为本发明紫外LED经光纤耦合后远距离照射示意图一；

图5为本发明紫外LED经光纤耦合后远距离照射示意图二；

图6为本发明带紫外LED耦合光源的手持式杀菌装置示意图一；

图7为本发明带紫外LED耦合光源的手持式杀菌装置示意图二；

图8为本发明带紫外LED耦合光源的手持式杀菌装置示意图三；

图9为本发明带紫外LED耦合光源的可移动杀菌装置示意图一；

图10为本发明带紫外LED耦合光源的可移动杀菌装置示意图二；

图11为本发明紫外辐射功率对比示意图；

1：紫外LED光源；2：透镜；3：光线准直器；4：光纤；5：耦合后光纤头；6：紫外LED光线准直系统；7：光纤分路器；8：点光源；9：线光源；61：第一手持式杀菌装置箱体；62：第一手持式手柄；63：第一紫外LED耦合光源；71：第二手持式杀菌装置箱体；72：第二手持式手柄；73：第二紫外LED耦合光源；81：第三手持式手柄；82：第三紫外LED光线准直系统；83：第三光纤；84：第三手持式杀菌装置箱体；85：第三光纤分路器；86：紫外LED平行光源照射示意图；91：第四紫外LED耦合光源；92：第一可移动式杀菌装置箱体；93：第四光纤分路器；94：第四光纤；95：第四紫外LED光线准直系统；101：第五紫外LED耦合光源；102：第二可移动式杀菌装置箱体；103：第五光纤分路器；104：第五光纤；105：第五紫外LED光线准直系统。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供一种技术方案，一种通过光纤耦合的紫外LED杀菌方法，包括如下步骤：

S1：封装好的紫外LED上安装透镜以及准直器；

S2：通过准直器出来的紫外LED光能够接近准直的平行光，从准直器中出来的LED光耦合进入光纤传输，从光纤另外一头出来的光也为准直平行光，经过准直后的紫外LED光光束较小，光强较强；

S3：步骤S2中的多束光纤耦合准直后的平行光按照平行线状排列安装，可以获得一条线状紫外LED耦合光源；

S4：步骤S3中平行线状排列的紫外LED耦合光源可以做成杀菌消毒器，形成面扫描杀菌消毒，具有远距离高效杀菌消毒功能。

其中，在本实施例中，所述的步骤S3：步骤S2中的光纤输出的一条或多条准直平行光经过光线集束器，把多束光集合成一束，形成单束准直平行光，从光线集束器出来的单束准直平行光经过鲍维尔棱镜后直接形成一条线光源。

其中，在本实施例中，所述的从光线集束器出来的单束准直平行光可以通过光的分路器分成若干的功率相同的光束。

其中，在本实施例中，所述的透镜采用一个或多个。

其中，在本实施例中，所述的多束光纤耦合中的光纤为5～1000束。

其中，在本实施例中，所述的紫外LED中紫外LED芯片的面积为100μm²-10cm²，紫外LED芯片的波长为200nm～320nm，单颗LED芯片的功率可以为1mW～1W。

其中，在本实施例中，一种用于实现所述的紫外LED杀菌方法的杀菌装置，所述的杀菌装置为手持式杀菌消毒装置或机器人移动平台式杀菌消毒装置，且杀菌装置内设有紫外LED耦合光源。

具体实施例一：

家用手持式光纤耦合紫外LED杀菌消毒器和杀菌方法

1、取50颗1mm×1mm大小的紫外LED芯片，波长为为275nm，单颗电压为6V，350mA时的功率为50mW。每颗封装好后,都安装一颗透镜，并同时各安装一颗光线准直器。

2、准直器之后连接光纤，一共50根光纤，此50根光纤耦合出来的紫外LED光为准直平行点光源，点光源的直径约0.5cm。

3、把此50根光纤耦合出来的紫外LED光并列成一条直线，形成一条紫外线光源，线光源的长度为25cm。

4、以上1～3步做成的紫外线光源，集成于一个手持式箱体内，手持式箱体内同时还集成了可充电电源。本手持式箱体可以用内部充电电源供电，也配备外部电源接口。

5、手持式箱体的手持上设置了电源开关，可以随时开启杀菌消毒器或关闭杀菌消毒器。

6、此手持式杀菌消毒器可以用于居家表面杀菌，可以对厨房，沙发，床等位置杀菌消毒，因本杀菌消毒器的紫外LED辐射功率较高，所以手持式杀菌消毒器可以以0.1m/s的速度向前行进，表面杀菌效率可以达到99％以上。

具体实施例二：

办公用手持式光纤耦合紫外LED杀菌消毒器和杀菌方法

1、取100颗1mm×1mm大小的紫外LED芯片，波长为为275nm，单颗电压为6V，350mA时的功率为50mW。每颗封装好后,都安装一颗透镜，并同时各安装一颗光线准直器。

2、准直器之后连接光纤，一共100根光纤，并入光纤分路器，随后又均匀分配至100根光纤，此100根光纤耦合出来的紫外LED光为准直平行点光源，点光源的直径约0.5cm。

3、把此100根光纤耦合出来的紫外LED光并列成一条直线，形成一条紫外线光源，线光源的长度为50cm。

4、以上1～3步做成的紫外线光源，集成于一个手持式箱体内，手持式箱体内同时还集成了可充电电源。本手持式箱体可以用内部充电电源供电，也配备外部电源接口。

5、因本装置中使用的100颗紫外LED芯片功率较大，所以本杀菌消毒器内部配备有个风扇，以备芯片冷却使用，当杀菌消毒开启时，风扇也同时开启。

6、手持式箱体的手持上设置了电源开关，可以随时开启杀菌消毒器或关闭杀菌消毒器。

7、此手持式杀菌消毒器可以用于办公室桌椅表面，地面等位置杀菌消毒，因本杀菌消毒器的紫外LED辐射功率较高，所以手持式杀菌消毒器可以以0.1m/s的速度向前行进，表面杀菌效率可以达到99.9％以上。

具体实施例三：

车厢用移动式光纤耦合紫外LED杀菌消毒器和杀菌方法

1、取100颗1mm×1mm大小的紫外LED芯片，波长为为275nm，单颗电压为6V，350mA时的功率为50mW。每颗封装好后,都安装一颗透镜，并同时各安装一颗光线准直器。

2、准直器之后连接光纤，一共100根光纤，并入光纤分路器，随后又均匀分配至100根光纤，此100根光纤耦合出来的紫外LED光为准直平行点光源，点光源的直径约0.5cm。

3、把此100根光纤耦合出来的紫外LED光并列成一条直线，形成一条紫外线光源，线光源的长度为50cm。

4、按照1～3步再做一根相同的紫外LED线光源。

5、以上1～4步做成的紫外线光源，安装至可移动式箱体顶部，对称并分别倾斜45度角安装。

6、可移动式箱体内同时还集成了可充电电源，本可移动式箱体可以用内部充电电源供电，也配备外部电源接口。

7、因本装置中使用的200颗紫外LED芯片功率较大，紫外LED芯片在开启时会散发大量的热量，所以本杀菌消毒器内部配备有个风扇，以备芯片冷却使用，当杀菌消毒开启时，风扇也同时开启。

8、可移动式杀菌消毒器在底部和顶部的四个角位置以及四边的中心位置都设置了传感器，当遇到物体时能够主动避开。

9、可移动式杀菌消毒装置内部还安装了5G数据传输卡，通过此5G数据传输卡能够把杀菌消毒的实时信息发展手机APP终端，也可以通过手机APP控制其杀菌消毒位置和行进速度等。

10、此可移动式杀菌消毒器可以车厢座椅表面、地面、卫生间等位置杀菌消毒，因本杀菌消毒器的紫外LED辐射功率较高，所以可移动式杀菌消毒器可以以0.1m/s的速度向前行进，表面杀菌效率可以达到99.9％以上。

具体实施例四：

医院用移动式光纤耦合紫外LED杀菌消毒器和杀菌方法

1、取100颗1mm×1mm大小的紫外LED芯片，波长为为275nm，单颗电压为6V，350mA时的功率为50mW。每颗封装好后,都安装一颗透镜，并同时各安装一颗光线准直器。

2、准直器之后连接光纤，一共100根光纤，并入光纤分路器，随后又均匀分配至100根光纤，此100根光纤耦合出来的紫外LED光为准直平行点光源，点光源的直径约0.5cm。

3、把此100根光纤耦合出来的紫外LED光并列成一条直线，形成一条紫外线光源，线光源的长度为50cm。

4、按照1～3步再做3根相同的紫外LED线光源。

5、以上1～4步做成的紫外线光源，安装至可移动式箱体顶部四个角位置，对称并分别倾斜45度角安装。

6、可移动式箱体内同时还集成了可充电电源，本可移动式箱体可以用内部充电电源供电，也配备外部电源接口。

7、因本装置中使用的400颗紫外LED芯片功率较大，紫外LED芯片在开启时会散发大量的热量，所以本杀菌消毒器内部配备有个风扇，以备芯片冷却使用，当杀菌消毒开启时，风扇也同时开启。

8、可移动式杀菌消毒器在底部和顶部的四个角位置以及四边的中心位置都设置了传感器，当遇到物体时能够主动避开。

9、可移动式杀菌消毒装置内部还安装了5G数据传输卡，通过此5G数据传输卡能够把杀菌消毒的实时信息发展手机APP终端，也可以通过手机APP控制其杀菌消毒位置和行进速度等。

10、此可移动式杀菌消毒器可以医院手术台、手术床等位置杀菌消毒，因本杀菌消毒器的紫外LED辐射功率较高，所以可移动式杀菌消毒器可以以0.1m/s的速度向前行进，表面杀菌效率可以达到99.9％以上。

如图1所示，紫外LED光源1波长为200nm-320nm，紫外LED光源1经过透镜2做准平行光输出，进入光线准直器3，再经过光纤4传输，光纤4传输基本可以认为是准平行光，耦合后光纤头5出来的紫外LED光为准平行点状光源。此处紫外LED光线准直系统6中包含一颗或者多颗集成的紫外LED。

如图2所示，紫外LED光线准直系统6出来的紫外LED光，经过光纤分路器7之后能够均匀地分配给多根光纤，并经由多个耦合后光纤头5出光，如此发出的各路光功率相同，且都准直平行。

如图3所示，具有多个紫外LED光线准直系统6，每个紫外LED光线准直系统6中的光强不一定相同，经过光纤4传输到光纤分路器7能够有效且均匀地分配至多个耦合后光纤头5。

图中：

如图4所示，紫外LED经光纤耦合后远距离照能够形成亮度均匀分配的点光源8，此点光源8排列成一条线，形成紫外LED耦合光源，此紫外LED耦合光源能够实现很好的远距离杀菌消毒。

如图5所示，紫外LED经光纤耦合后在光纤分路器7上安装棱镜，使平行的紫外LED光能够变成线光源9。

如图6所示，第一手持式杀菌装置箱体61内部安装有电源系统、第一紫外LED耦合光源63、冷却系统、电路系统，第一手持式手柄62内可安装电源开光及充电设备，手持式杀菌装置在设备行进过程中可以对表面和空气进行杀菌消毒，因其远距离的衰减较小，手持式杀菌装置能够在较大的空间使用，比如食品加工厂，药品生产车间等等。

如图7所示，第二手持式杀菌装置箱体71内部安装有电源系统、第二紫外LED耦合光源73、冷却系统、电路系统，手持式手柄72可安装电源开光及充电设备，手持式杀菌装置在设备行进过程中可以对表面和空气进行杀菌消毒，因其远距离的衰减较小，手持式杀菌装置能够在较大的空间使用，比如食品加工厂，药品生产车间等等。

如图8所示，第三手持式杀菌装置箱体84内部安装有电源系统、第三紫外LED耦合光源、冷却系统、电路系统，第三手持式手柄81可安装电源开光及充电设备，第三光纤分路器85自带棱镜，手持式杀菌装置在设备行进过程中可以对表面和空气进行杀菌消毒，因其远距离的衰减较小，手持式杀菌装置能够在较大的空间使用，比如食品加工厂，药品生产车间等等。

如图9所示，第一可移动式杀菌装置箱体92内部安装有电源系统、第四紫外LED耦合光源91、冷却系统、电路系统，第四紫外LED耦合光源91，此处采用紫外LED经光纤耦合后远距离照射形成均匀分布的点光源，此点光源排列成一条线，形成紫外LED线光源，可移动式杀菌装置在设备行进过程中可以对表面和空气进行杀菌消毒，因其远距离的衰减较小，可移动式杀菌装置能够在较大的空间使用，能够进入较为复杂或者安全系数低的空间进行杀菌消毒。可移动式杀菌消毒装置可以假装数据传输系统，通过数据传输系统能够很好低控制设备的运行方向、速度等参数。

如图10所示，第二可移动式杀菌装置箱体102内部安装有电源系统、第五紫外LED耦合光源101、冷却系统、电路系统，第五紫外LED耦合光源101，此处采用紫外LED经光纤耦合后远距离照射，直接形成紫外LED线光源，可移动式杀菌装置在设备行进过程中可以对表面和空气进行杀菌消毒，因其远距离的衰减较小，可移动式杀菌装置能够在较大的空间使用，能够进入较为复杂或者安全系数低的空间进行杀菌消毒。可移动式杀菌消毒装置可以假装数据传输系统，通过数据传输系统能够很好低控制设备的运行方向、速度等参数。

如图11所示，LED直接照射随距离的变化呈指数衰减，衰减幅度非常大，而经过光纤耦合之后的LED光能够远距离保持较小衰减。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。