LED光学透镜带你了解什么是LED光学透镜？

光学透镜介绍

光学透镜是一种与LED密切相关的光学系统，可以提高光的利用效率和发光效率。根据不同的效果，可以使用不同的透镜来改变LED的光场分布。其他类型的镜头如照相机镜头、望远镜镜头等不在本文讨论范围之内。本文重点介绍二次光学透镜。

透镜材质分类

硅胶镜片

• 由于硅胶具有耐高温性（也可回流焊），常用于直接封装LED发光器件。
• 一般硅胶镜片的尺寸较小，直径为3-10mm。

亚克力镜片

• 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）。
• 塑料材料，优点：生产效率高（可通过注塑和挤出完成），透光率高（厚度为3mm时约93%）。缺点：温度不能超过80°（热变形温度92°）。

PC镜头

• 光学级聚碳酸酯（简称PC）聚碳酸酯。
• 塑料材料，优点：生产效率高（可通过注塑和挤出完成），透光率稍低（厚度3mm时透光率约89%）。缺点：温度不能超过110°（热变形温度135°）。

玻璃镜片

• 光学玻璃材料，优点：光学参数特性丰富（可选）、透光率高（3mm厚度透光率97%）、耐高温等。
• 缺点：体积大、重量重、形状单一、易碎、难以实现批量生产、生产效率低、成本高等。此前，此类生产设备价格高，短期内难以普及。

此外，玻璃比PMMA和PC材料更易碎的缺点需要更多的研究和探索。至于可以实现的改进技术，玻璃的刚性只能通过镀膜或回火来提高。透光率会降低，但仍会远大于普通光学塑料镜片的透光率。因此，玻璃镜片的前景会更加广阔。

应用分类

主镜片

• 主透镜直接封装（或胶合）在 LED 芯片座上并与 LED 集成在一起。
• LED芯片（芯片）理论上可以360度发光，但实际上芯片可以固定封装在LED支架上，所以芯片最大发光角度为180度（超过180度，有小余辉量）。此外，芯片会有一些杂散光，因此通过单个镜头，可以有效地收集芯片的所有光线以及180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的光角度°等可以得到，但是不同发光角度的LED的发光效率有一定的差异（一般规律是：角度越大，效率越高）。
• 初级镜片一般采用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。

二次透镜

• 二次透镜和LED是两个独立的物体，但在应用上确实是密不可分的。
• 二次透镜的作用是将LED光源的发光角度会聚到5°到160°之间的任意角度。光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。
• 二次透镜材料一般采用光学级PMMA或PC；在特殊情况下，可以选择玻璃。

按规格分类

通过型（凸透镜）

1. LED光线通过透镜的曲面（双凸面有曲面）时，光线会发生折射和会聚，调整透镜与LED的距离时，角度也会发生变化（双凸面有曲面）。角度与距离成反比）。透镜光斑的光学设计会很均匀，但由于透镜直径和透镜模式的限制，LED的光利用率不高，光斑边缘有比较明显的黄边。
2. 一般用于大角度（50°及以上）射灯，如台灯、酒吧灯等室内照明灯具。

折反射型（锥型或杯型）

1. 镜头的设计采用了正面穿透聚光，锥形表面可以收集和反射所有侧光，这两种光线（相同角度）的重叠可以获得最完美的光利用和美丽的光斑影响。
2. 锥形透镜的表面也可以做一些改变，可以设计成镜面、磨砂面、珠面、条纹面、螺纹面、凸面或凹面等，以获得不同的光斑效果。

镜头模组

1. 它是通过注塑多个单透镜来完成一个完整的多透镜透镜。根据不同需求，可设计成3合1、5合1甚至几十个镜头模组合二为一；也可以使用两个单独的镜头。由支架放在一起，
2. 这种设计有效地节约了生产成本，实现了产品质量的一致性，节省了灯机构的空间，更容易实现“大功率”的特性。

损失考虑

1、泡罩和透镜的灯具的光通量实际上应该满足标准所要求的配光，还必须考虑外壳和透镜的透光率、溢出光的损失等因素。然而，大功率灯泡或普通照明使用透镜来漫射平行光束以满足标准的要求。

为使光学效果更合理，在设计时应将灯壳分割成长方形的小单元。这样做的目的是打破光波的波面，使产品产生均匀的外观效果。

在每个小单元中，使用一个椭球面，因为该面在水平和垂直方向都有一个弧度，这样可以在两个方向上使用不同的曲率半径来实现不同的扩散效果。其根本目的是克服传统技术的不足，合理利用光通量，实现均匀高效的配光。实际上，灯泡的外壳是用PC材料制成的（通过注塑完成）。球形、梨形、圆柱形灯泡都是非小单元，非平面整壳，光损大，发光角度小。

2、由于透镜的一个表面是在水平和垂直方向都有曲率半径的曲面，因此入射光可以在水平和垂直方向上进行漫射。由于两个方向的曲率半径相互独立，因此可以根据需要分别调整两个曲率，使出射光在两个方向上进行不同程度的扩散。

因此，使用由双向曲率面构成的透镜，可以根据设计要求更自由地分配光输出，更有效地利用光通量，减少不必要的浪费和眩光。另外，由于曲面的平滑过渡，使灯具配光过渡均匀，外观美观。

完全透明的PMMA灯或灯罩会在光源中心产生刺眼或刺眼的串光，但光源外围的亮度会迅速降低。许多社交场合和工作环境的照明必须消除这种令人不快的气氛或尽量减少引起眼睛不适的光源。

3、每个透镜单元在机身上的投影都是矩形的，可以使单元排列紧密、整齐。平行入射光束经过透镜单元的折射，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转的均匀扩散。通过调整一组透镜中各单元的尺寸和两个方向的曲率半径，可以调整出射光通量在不同立体角范围内的分布，达到设计要求的配光效果。

鉴于入射曲面的作用是使光线偏转形成漫射，产品设计中各透镜组的具体单元数、单元尺寸、曲率半径等可根据实际情况改变。实际情况是大倍镜镜片上的内纹（分成小单元）都是厂家自己做的，选择时只考虑镜片的高度、角度、材质。

4、我们选择将光源放置在镜头的焦点内。光源离透镜越远，透镜收集的光源光通量越少，因此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。选择镜片材料时，焦距越大，曲率半径越大。

在相同的镜头孔径Φ下，曲率半径越大，镜头越薄。镜片越厚，像差越明显，影响使用效果。因此，尽量选择焦距较大的镜头。同时，随着焦距的增加，光学系统的尺寸也随之增加。因此，不能一味追求镜头的焦距。由于透镜的厚度不是很大，所以不使用菲涅耳透镜，以免增加加工的繁琐和成本。

模具加工

1. 首先，它取决于光源（大功率LED）。不同品牌的大功率LED（如CREE、lumileds、SSC、OSRAM、EVERLIGHT、EDSION等）会有不同的芯片结构、封装方式、光特性。同一个镜片搭配不同规格、不同品牌的LED，球杆不一样；因此，需要有针对性的开发（以主流品牌为导向）才能达到实际预期的效果。
2. 使用光学设计软件（如 Code V、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools 等）和机械建模软件（如：Pro/E、UG、SOLIDWORKS 等）进行设计和光学仿真，并不断优化以获得相应的光学镜片。
3. LED透镜本身是精密光学配件，因此对模具精度要求极高，特别是透镜光学曲面的加工精度必须达到0.1μm。加工此类高精度模具一般需要以下设备：超精密加工机（如PRECITECH NANOFORM 350）、CNC综合加工机、精密磨床、精密铣床、钻床、CNC精密火花机、表面轮廓仪和干涉仪等等。
4. 模具最精密的部分在于光学模芯。首先，必须将特殊的模芯钢（如瑞典S136镜面钢）热处理到55°才能完成毛胚。毛胚镀镍后，采用超精密加工机。通过表面处理获得。

材料生产

1. 光学透镜作为光学级产品，对透光率、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水率、浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际情况选择镜片的材料。原则上选择光学级PMMA，如果有特殊要求，可以选择光学级PC。目前，三菱的PMMA材料最好（VH001是经常选择的牌号），而三菱在中国的分公司南通丽阳则稍逊一筹。
2. 必须配备10000级以上的无尘车间。操作人员必须穿戴防静电服、戴指套、口罩等防静电防尘措施，并定期对车间进行检查和清洁。
3. 要有专业的光学注塑机，如东芝、德马格、海天、震雄等品牌，严格控制注塑工艺，才能获得合格的产品。
4. 产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流线、无月牙；形状精度 Rt<0.005 表面粗糙度 Ra<0.0002。
5. 产品必须采用防静电防尘PVC包装，并且必须完全密封。存放时必须严格控制温度和湿度，存放时间最好不要超过一年。

从以上LED光学透镜的设计和生产过程来看，看似简单的LED透镜，从设计到成品，对软件和硬件的要求都非常高，这也导致市场上LED透镜的价格差异很大。从LED照明普及的光明前景来看，透镜作为LED照明灯具必不可少的一部分，市场前景也将越来越好。

好处

1. 无论距离远近，灯罩（反光板）与镜头相差不大。在均匀性方面，透镜会比反射器好；
2. 使用小角度LED镜头，效果比灯罩好，因为要拍远！灯罩已经通过透镜聚光了（因为LED本身必须有透镜），然后再通过灯罩聚光，这时候会浪费很多光，最好是将光聚光在透镜里，而发光角度的镜头轻松搞定！另：有空的话，用三个1W，效果比用一个3W好很多！
3. 相比之下，灯罩的均匀点范围较广，但投影效果不好，镜片则相反；
4. LED渗透更高端。