光學透鏡介紹

光學透鏡是一種與LED密切相關的光學系統，可以提高光的利用效率和發光效率。根據不同的效果，可以使用不同的透鏡來改變LED的光場分布。其他類型的鏡頭如照相機鏡頭、望遠鏡鏡頭等不在本文討論范圍之內。本文重點介紹二次光學透鏡。

透鏡材質分類

硅膠鏡片

• 由于硅膠具有耐高溫性（也可回流焊），常用于直接封裝LED發光器件。
• 一般硅膠鏡片的尺寸較小，直徑為3-10mm。

亞克力鏡片

• 光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）。
• 塑料材料，優點：生產效率高（可通過注塑和擠出完成），透光率高（厚度為3mm時約93%）。缺點：溫度不能超過80°（熱變形溫度92°）。

PC鏡頭

• 光學級聚碳酸酯（簡稱PC）聚碳酸酯。
• 塑料材料，優點：生產效率高（可通過注塑和擠出完成），透光率稍低（厚度3mm時透光率約89%）。缺點：溫度不能超過110°（熱變形溫度135°）。

玻璃鏡片

• 光學玻璃材料，優點：光學參數特性豐富（可選）、透光率高（3mm厚度透光率97%）、耐高溫等。
• 缺點：體積大、重量重、形狀單一、易碎、難以實現批量生產、生產效率低、成本高等。此前，此類生產設備價格高，短期內難以普及。

此外，玻璃比PMMA和PC材料更易碎的缺點需要更多的研究和探索。至于可以實現的改進技術，玻璃的剛性只能通過鍍膜或回火來提高。透光率會降低，但仍會遠大于普通光學塑料鏡片的透光率。因此，玻璃鏡片的前景會更加廣闊。

應用分類

主鏡片

• 主透鏡直接封裝（或膠合）在 LED 芯片座上并與 LED 集成在一起。
• LED芯片（芯片）理論上可以360度發光，但實際上芯片可以固定封裝在LED支架上，所以芯片最大發光角度為180度（超過180度，有小余輝量）。此外，芯片會有一些雜散光，因此通過單個鏡頭，可以有效地收集芯片的所有光線以及180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的光角度°等可以得到，但是不同發光角度的LED的發光效率有一定的差異（一般規律是：角度越大，效率越高）。
• 初級鏡片一般采用PMMA、PC、光學玻璃、硅膠等材料。

二次透鏡

• 二次透鏡和LED是兩個獨立的物體，但在應用上確實是密不可分的。
• 二次透鏡的作用是將LED光源的發光角度會聚到5°到160°之間的任意角度。光場的分布主要可分為：圓形、橢圓形、矩形。
• 二次透鏡材料一般采用光學級PMMA或PC；在特殊情況下，可以選擇玻璃。

按規格分類

通過型（凸透鏡）

1. LED光線通過透鏡的曲面（雙凸面有曲面）時，光線會發生折射和會聚，調整透鏡與LED的距離時，角度也會發生變化（雙凸面有曲面）。角度與距離成反比）。透鏡光斑的光學設計會很均勻，但由于透鏡直徑和透鏡模式的限制，LED的光利用率不高，光斑邊緣有比較明顯的黃邊。
2. 一般用于大角度（50°及以上）射燈，如臺燈、酒吧燈等室內照明燈具。

折反射型（錐型或杯型）

1. 鏡頭的設計采用了正面穿透聚光，錐形表面可以收集和反射所有側光，這兩種光線（相同角度）的重疊可以獲得最完美的光利用和美麗的光斑影響。
2. 錐形透鏡的表面也可以做一些改變，可以設計成鏡面、磨砂面、珠面、條紋面、螺紋面、凸面或凹面等，以獲得不同的光斑效果。

鏡頭模組

1. 它是通過注塑多個單透鏡來完成一個完整的多透鏡透鏡。根據不同需求，可設計成3合1、5合1甚至幾十個鏡頭模組合二為一；也可以使用兩個單獨的鏡頭。由支架放在一起，
2. 這種設計有效地節約了生產成本，實現了產品質量的一致性，節省了燈機構的空間，更容易實現“大功率”的特性。

損失考慮

1、泡罩和透鏡的燈具的光通量實際上應該滿足標準所要求的配光，還必須考慮外殼和透鏡的透光率、溢出光的損失等因素。然而，大功率燈泡或普通照明使用透鏡來漫射平行光束以滿足標準的要求。

為使光學效果更合理，在設計時應將燈殼分割成長方形的小單元。這樣做的目的是打破光波的波面，使產品產生均勻的外觀效果。

在每個小單元中，使用一個橢球面，因為該面在水平和垂直方向都有一個弧度，這樣可以在兩個方向上使用不同的曲率半徑來實現不同的擴散效果。其根本目的是克服傳統技術的不足，合理利用光通量，實現均勻高效的配光。實際上，燈泡的外殼是用PC材料制成的（通過注塑完成）。球形、梨形、圓柱形燈泡都是非小單元，非平面整殼，光損大，發光角度小。

2、由于透鏡的一個表面是在水平和垂直方向都有曲率半徑的曲面，因此入射光可以在水平和垂直方向上進行漫射。由于兩個方向的曲率半徑相互獨立，因此可以根據需要分別調整兩個曲率，使出射光在兩個方向上進行不同程度的擴散。

因此，使用由雙向曲率面構成的透鏡，可以根據設計要求更自由地分配光輸出，更有效地利用光通量，減少不必要的浪費和眩光。另外，由于曲面的平滑過渡，使燈具配光過渡均勻，外觀美觀。

完全透明的PMMA燈或燈罩會在光源中心產生刺眼或刺眼的串光，但光源外圍的亮度會迅速降低。許多社交場合和工作環境的照明必須消除這種令人不快的氣氛或盡量減少引起眼睛不適的光源。

3、每個透鏡單元在機身上的投影都是矩形的，可以使單元排列緊密、整齊。平行入射光束經過透鏡單元的折射，在水平方向形成左右對稱的均勻擴散，在垂直方向形成向下偏轉的均勻擴散。通過調整一組透鏡中各單元的尺寸和兩個方向的曲率半徑，可以調整出射光通量在不同立體角范圍內的分布，達到設計要求的配光效果。

鑒于入射曲面的作用是使光線偏轉形成漫射，產品設計中各透鏡組的具體單元數、單元尺寸、曲率半徑等可根據實際情況改變。實際情況是大倍鏡鏡片上的內紋（分成小單元）都是廠家自己做的，選擇時只考慮鏡片的高度、角度、材質。

4、我們選擇將光源放置在鏡頭的焦點內。光源離透鏡越遠，透鏡收集的光源光通量越少，因此透鏡系統的效率越低。根據單凸透鏡的計算公式：r=(nL-1)f。其中，r-凸面曲率半徑、nL-透鏡材料折射率、f-透鏡焦距。選擇鏡片材料時，焦距越大，曲率半徑越大。

在相同的鏡頭孔徑Φ下，曲率半徑越大，鏡頭越薄。鏡片越厚，像差越明顯，影響使用效果。因此，盡量選擇焦距較大的鏡頭。同時，隨著焦距的增加，光學系統的尺寸也隨之增加。因此，不能一味追求鏡頭的焦距。由于透鏡的厚度不是很大，所以不使用菲涅耳透鏡，以免增加加工的繁瑣和成本。

模具加工

1. 首先，它取決于光源（大功率LED）。不同品牌的大功率LED（如CREE、lumileds、SSC、OSRAM、EVERLIGHT、EDSION等）會有不同的芯片結構、封裝方式、光特性。同一個鏡片搭配不同規格、不同品牌的LED，球桿不一樣；因此，需要有針對性的開發（以主流品牌為導向）才能達到實際預期的效果。
2. 使用光學設計軟件（如 Code V、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools 等）和機械建模軟件（如：Pro/E、UG、SOLIDWORKS 等）進行設計和光學仿真，并不斷優化以獲得相應的光學鏡片。
3. LED透鏡本身是精密光學配件，因此對模具精度要求極高，特別是透鏡光學曲面的加工精度必須達到0.1μm。加工此類高精度模具一般需要以下設備：超精密加工機（如PRECITECH NANOFORM 350）、CNC綜合加工機、精密磨床、精密銑床、鉆床、CNC精密火花機、表面輪廓儀和干涉儀等等。
4. 模具最精密的部分在于光學模芯。首先，必須將特殊的模芯鋼（如瑞典S136鏡面鋼）熱處理到55°才能完成毛胚。毛胚鍍鎳后，采用超精密加工機。通過表面處理獲得。

材料生產

1. 光學透鏡作為光學級產品，對透光率、熱穩定性、密度、折射率均勻性、折射率穩定性、吸水率、濁度、最高長期工作溫度等都有嚴格的要求。因此，必須根據實際情況選擇鏡片的材料。原則上選擇光學級PMMA，如果有特殊要求，可以選擇光學級PC。目前，三菱的PMMA材料最好（VH001是經常選擇的牌號），而三菱在中國的分公司南通麗陽則稍遜一籌。
2. 必須配備10000級以上的無塵車間。操作人員必須穿戴防靜電服、戴指套、口罩等防靜電防塵措施，并定期對車間進行檢查和清潔。
3. 要有專業的光學注塑機，如東芝、德馬格、海天、震雄等品牌，嚴格控制注塑工藝，才能獲得合格的產品。
4. 產品檢驗：無氣泡、無凹陷、無縮痕、無流線、無月牙；形狀精度 Rt<0.005 表面粗糙度 Ra<0.0002。
5. 產品必須采用防靜電防塵PVC包裝，并且必須完全密封。存放時必須嚴格控制溫度和濕度，存放時間最好不要超過一年。

從以上LED光學透鏡的設計和生產過程來看，看似簡單的LED透鏡，從設計到成品，對軟件和硬件的要求都非常高，這也導致市場上LED透鏡的價格差異很大。從LED照明普及的光明前景來看，透鏡作為LED照明燈具必不可少的一部分，市場前景也將越來越好。

好處

1. 無論距離遠近，燈罩（反光板）與鏡頭相差不大。在均勻性方面，透鏡會比反射器好；
2. 使用小角度LED鏡頭，效果比燈罩好，因為要拍遠！燈罩已經通過透鏡聚光了（因為LED本身必須有透鏡），然后再通過燈罩聚光，這時候會浪費很多光，最好是將光聚光在透鏡里，而發光角度的鏡頭輕松搞定！另：有空的話，用三個1W，效果比用一個3W好很多！
3. 相比之下，燈罩的均勻點范圍較廣，但投影效果不好，鏡片則相反；
4. LED滲透更高端。