LED用透镜介绍

LED 用透镜介绍

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。

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、P C 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、L ED 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0.1卩m、镜片偏心度要达到3卩m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