LED透镜相关知识详解

     透镜基本概念

　　透镜是根据光的折射规律制成的。透镜是由透明物质（如玻璃、水晶等）制成的一种光学元件。透镜是折射镜，其折射面是两个球面（球面一部分），或一个球面（球面一部分）一个平面的透明体。它所成的像有实像也有虚像。透镜一般可以分为两大类：凸透镜和凹透镜。中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜，有双凸、平凸、凹凸三种；中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜，有双凹、平凹、凸凹三种。

　　LED透镜一般为硅胶透镜，因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm.并且LED透镜一般与LED紧密联系在一起，它有助于提升LED的出光效率、透镜改变LED的光场分布的光学系统。

　　LED透镜即与LED紧密联系在一起的有助于提升LED的出光效率、改变LED的光场分布的光学系统。大功率LED透镜/反光杯主要用于大功率LED冷光源系列产品的聚光，导光等。大功率LED透镜根据不同LED出射光的角度设计配光曲线，通过增加光学反射，减少光损，提高光效（而设定的非球面光学透镜）。下面着重讲解PMMA材料的二次聚光大功率LED透镜。欲了解更多信息请登录电子发烧友网(https://www.elecfans.com)
 
　　专题详解LED用透镜相关知识点

　　一）、以材料分类

　　1、硅胶透镜

　　a、因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。

　　b、一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm.

　　2、PMMA透镜

　　a、光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）。

　　b、塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：温度不能超过80°（热变形温度92度）。

　　3、PC透镜

　　a、光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。

　　b、塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不能超过110°（热变形温度135度）。

　　4、玻璃透镜

　　光学玻璃材料，优点：具有透光率高（3mm厚度时穿透率97%）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较PMMA、PC料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性，虽然经过这些处理，玻璃透镜的透光率会有所降低，但依然会远远大于普通光学塑料透镜的透光效果。所以玻璃透镜的前景将更为广阔。

　　二）、LED透镜的应用分类

　　1、一次透镜

　　a、一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。

　　b、LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180°范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。

　　c、一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。

　　2、二次透镜

　　a、二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。

　　b、二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次汇聚光成5°至160°之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。

　　c、二次透镜材料一般用光学级PMMA或者PC;在特殊情况下可选择玻璃。

　　三）、以规格分类

　　1、穿透式（凸透镜）

　　a、当LED光线经过透镜的一个曲面（双凸有个曲面）时光线会发生折射而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（角度与距离成反比），经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，但由于透镜直径和透镜模式的限制，LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的黄边；

　　b、一般应用在大角度（50°以上）的聚光，如台灯、吧灯等室内照明灯具；

　　2、折反射式（锥型或杯型）

　　a、透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；

　　b、也可在锥形透镜表面做些改变，可设计成镜面、磨砂面、珠面、条纹面、螺纹面、凸或凹面等而得到不同光斑效果。

　　3、透镜模组

　　a、是将多个单颗透镜通过注塑完成一个整体的多头透镜，按不同需求可以设计成3合1、5合1甚至几十颗合一的透镜模组；也可以把两个单独的透镜通过支架组合在一起。

　　b、此设计有效节省生产成本，实现产品品质的一致性，节省灯具机构空间，更容易实现“大功率”等特点。

　　四）、用料及生产

　　1、LED透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级PMMA,如有特殊的需求可选择光学级PC.目前为日本三菱PMMA材料为最好（VH001是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍逊一些。

　　2、必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清理。

　　3、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。

　　4、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度Rt<0.005表面粗糙度Ra<0.0002.

　　5、产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须严格控制温度与湿度，并且最好不要存放超过一年以上。

　　从以上LED透镜的设计与生产过程来看，看似简单的LED透镜，从设计到成品，其对软件、硬件的要求都非常高，这也造成了市场上LED透镜的价格差异很大。从LED照明普及的美好前景来看，透镜做为LED照明灯具的必备部件，市场前景也将越来越好。

　　五）、LED透镜的设计与模具加工

　　1、首先取决于光源（大功率LED），不同品牌的大功率LED（例如CREE、lumileds、首尔、欧司朗、艾笛森、长森源等），其芯片结构与封装方式、光线特性等均会有所区别，从而造成同样的透镜搭配不同规格品牌LED时会所差异；所以要求有针对性开发（以主流品牌为导向），才能达成实际需要；

　　2、利用光学设计软件（如Tracepro、CodeV、Zemax等）设计并进行模拟光学跑光，设计得到相应的光学非球面曲面；

　　3、LED透镜本身属于精密光学配件，故其对模具的精度要求极高，特别是透镜光学曲面的加工精度要达到0.1μm、镜片偏心度要达到3μm以内。一般对此类高精度模具的加工必须具有以下设备：超精密加工机（例如：PRECITECHNANOFORM350）、CNC综合加工机、平面磨床、铣床、CNC放电加工机、表面轮廓仪等。

　　4、模具最精密的部件在于光学模仁，首先选用专用模仁钢材，完成初胚，镀镍后再用超精密加工机进行非球面技术加工曲面。

　　六）、优势

　　1、无论远近，灯罩（反光杯）与透镜没多大区别，均匀性来讲，透镜会优于反光杯。

　　2、用小角度的LED透镜，效果比灯罩好，因为要射得远的！灯罩聚光已经过透镜（因为LED本身一定会有透镜的）再经过一次光罩聚光，这次会浪费很多光的，还不如在透镜就聚光了，而透镜的发光角度很好处理。

　　另：如果空间可以的话，用3个1W的，比使用一个3W的效果要好得多。

　　3、相比之下，灯罩发光均匀点范围大，但是投光度不好，透镜则相反。

　　4、LED透境显得要高档些。

　　七）、光损失斟酌

　　1、有泡壳、透镜的灯具其光通量实际要满足标准要求的光分布，还需考虑外壳、透镜的透过率、溢出光损失等因素。而泡灯或作普通照明用大功率需要用透镜将平行光束进行扩散处理，来满足标准的要求。为使光学效果更加合理，设计中应将灯具外罩分割成矩形小单元，这样做的目的在于打碎光波的波面，使产品产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用椭球面，因为该面具有水平和垂直两个方向的弧度，从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。其根本目的是克服传统技术的不足，合理利用光通量，实现均匀、高效的光分布。实际上泡灯类的外壳就是PC料（注塑完成），球形、梨形、筒形的泡壳都是非小单元、非平面的整壳，光损失很大、光角度偏小。

　　2、因为透镜的一个表面为具有水平和垂直两个方向曲率半径的曲面，所以可以使入射光在水平方向和垂直方向都得到扩散。鉴于两个方向的曲率半径相互独立，所以可以根据要求，分别调节两个曲率，使得光输出在两个方向上得到不同程度的扩散。因此，使用双向曲率曲面构成的透镜，可以根据设计要求更自由地分配光输出，更高效地利用光通量，减少不必要的浪费和眩光。此外，由于使用的是光滑过渡的曲面，灯具有均匀过渡的光分布和良好的外观。完全透明的PMMA灯饰或灯罩会在光源的中心造成眩目或刺眼的弦光，但是亮度在光源外围却迅速减少。很多社交场合与作业环境的照明必须排除这种令人不快的气氛或是尽量减少引起眼睛不适的光源。

　　3、每个透镜单元在本体上的投影为矩形，从而使各单元能紧密、整齐地排列。平行入射光束经过透镜单元的折射作用，在水平方向形成左右对称的均匀扩散，在垂直方向形成向下偏折的均匀扩散。通过调整一组透镜中各单元的大小和两个方向的曲率半径，调配出射光通量在不同立体角范围内的分布，达到设计要求的光分布。

　　鉴于入射曲面的作用是使光线发生偏折形成扩散，产品设计中具体每组透镜的单元个数、单元大小、曲率半径等都可以结合实际情况而变化。实际情况是大功率用透镜的透镜上的内纹（为分割小单元）都由厂家做好，选用时只考虑透镜高度、角度、材质这些。

　　4、我们选择将光源放于透镜焦点的内侧，光源离透镜越远，透镜收集到的光源光通量越少，因而透镜系统的效率越低，根据单凸透镜的计算公式：r=（nL-1）f.其中r-凸面曲率半径，nL-透镜材料折射率，f-透镜焦距在选定透镜材料的情况下，焦距越大，曲率半径越大。在同样透镜孔径Φ的条件下，曲率半径越大，透镜越薄。而透镜越厚，像差会越明显，从而影响使用效果。因此，尽可能选择焦距较大的透镜。同时，焦距的增大，光学系统尺寸的增加，因此，透镜的焦距也不可以一味追求最大。由于透镜厚度不是很大，因此没有采用菲涅耳透镜，避免增加加工的繁琐性和成本。