大功率LED透鏡的分析與應(yīng)用

 LED透鏡即與LED聯(lián)系在一起的密切相關(guān)的透鏡，其他如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等透鏡不屬于本文講解范圍，本文著重講解PMMA材料的二次聚光大功率LED透鏡。
 

一，LED透鏡的材料種類：

1． 硅膠透鏡；

a. 因?yàn)楣枘z耐溫高（也可以過(guò)回流焊），因此常用直接封裝在LED芯片上；

b. 一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm；

2,  PMMA透鏡

a. 光學(xué)級(jí)PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）

b .塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑完成）；透光率高（3mm厚度時(shí)穿透率93%左右）；缺點(diǎn)：耐溫70%（熱變形溫度90度）；

3． PC透鏡

a. 光學(xué)級(jí)Polycarbonate（簡(jiǎn)稱PC）聚碳酸酯

b. 塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑完成）；耐溫高（130度以上）；缺點(diǎn)：透光率稍底（87%）；

4． 玻璃透鏡

光學(xué)玻璃材料，具有透光率高（97%）耐溫高等特點(diǎn)，缺點(diǎn)：易碎、非球面精度不易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。
 

二，LED透鏡的應(yīng)用分類

1．一次透鏡

a. 一次透鏡是直接封裝（或粘合）在LED芯片支架上，與LED成為一個(gè)整體；

b. LED芯片（chip）按理論發(fā)光是360度，但實(shí)際上芯片在放置于LED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是180度，另外芯片還會(huì)有一些雜散光線，這樣通過(guò)一次透鏡就可以有效收集chip的所有光線并可得到如160度、140度、120度、90度甚至60度（不同需要）的出光角度；

c. 一次透鏡多用PMMA或硅膠材料。

   2．二次透鏡

   a 二次透鏡與LED是兩個(gè)獨(dú)立的物體，但它們?cè)趹?yīng)用時(shí)確密不可分；

   b 二次透鏡的功能是將LED的大角度光（一般為90-120度）再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度；

c 二次透鏡材料大都用PMMA或玻璃。
 

   三，LED透鏡規(guī)格分類

1． 穿透式（凸透鏡）

a. 當(dāng)LED光線經(jīng)過(guò)透鏡的一個(gè)曲面（雙凸有個(gè)曲面）時(shí)光線會(huì)反生折射而聚光，而且當(dāng)調(diào)整透鏡與LED之間的距離時(shí)角度也會(huì)變化（成反比），經(jīng)過(guò)非球面技術(shù)設(shè)計(jì)的曲面光斑將會(huì)非常均勻，但因?yàn)橥哥R直徑的局限性，透鏡側(cè)面的光線得不到利用（漏光）；

b．一般應(yīng)用在大角度（40-80度）聚光，如臺(tái)燈，路燈，室內(nèi)燈具等；

2． 全反射式（錐型或叫杯型）

a, 透鏡的設(shè)計(jì)在正前方用穿透式聚光，而錐形面又可以將側(cè)光全部收集并反射出去，而這兩種光線的重疊（角度相同）就可得到最完善的光線利用與漂亮的光斑效果；

b．也可在錐形透鏡表面做些改變，可設(shè)計(jì)成鏡面、磨砂面、珠面、條紋面、螺紋面、凸或凹面等而得到不同光斑效果。

3，LED透鏡模組

a. 是將多個(gè)單顆透鏡通過(guò)注塑完成一個(gè)整體的多頭透鏡，按不同需求可以設(shè)計(jì)成3合1、5合1甚至幾十顆合一的透鏡模組；

b. 此設(shè)計(jì)有效節(jié)省生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的一致性，節(jié)省燈具機(jī)構(gòu)空間，更容易實(shí)現(xiàn)“大功率”等特點(diǎn)。
 

四，LED透鏡的設(shè)計(jì)與模具加工

1． 首先取決于光源（大功率LED），不同品牌的大功率LED（例如CREE、lumileds、漢半、歐司朗、艾笛森、長(zhǎng)森源等），其芯片結(jié)構(gòu)與封裝方式、光線特性等均會(huì)有所區(qū)別，從而造成同樣的透鏡搭配不同規(guī)格品牌LED時(shí)會(huì)所差異；所以要求有針對(duì)性開發(fā)（以主流品牌為導(dǎo)向），才能達(dá)成實(shí)際需要；

2． 利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件（如Trace pro、CodeV、Zemax等）設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬光學(xué)跑光，設(shè)計(jì)得到相應(yīng)的光學(xué)非球面曲面；

3．LED透鏡本身屬于精密光學(xué)配件，故其對(duì)模具的精度要求極高，特別是透鏡光學(xué)曲面的加工精度要達(dá)到 0.1μm、鏡片偏心度要達(dá)到3μm 以內(nèi)。一般對(duì)此類高精度模具的加工必須具有以下設(shè)備：超精密加工機(jī)（例如：PRECITECH  NANOFORM 350）、CNC 綜合加工機(jī)、平面磨床、銑床、CNC 放電加工機(jī)、表面輪廓儀等。

4模具最精密的部件在于光學(xué)模仁，首先選用專用模仁鋼材，完成初胚，鍍鎳后再用超精密加工機(jī)進(jìn)行非球面技術(shù)加工曲面。
 

五，LED透鏡的用料及生產(chǎn)

1． LED透鏡作為光學(xué)級(jí)的產(chǎn)品，對(duì)透光性、縮水性要求極高。原材料一般采用高檔光學(xué)級(jí)PMMA。目前為日本三菱PMMA材料為最好（現(xiàn)在的VH5與VH001質(zhì)量更高），同樣是三菱的南通料就會(huì)稍遜一些；

2． 必須配備萬(wàn)級(jí)甚至更高級(jí)別的無(wú)塵車間，作業(yè)人員必須著防靜電服裝，以及戴手指套、戴口罩等防靜電防塵措施，并且定期對(duì)車間做檢驗(yàn)與清理；

3． 須有專業(yè)的光學(xué)注塑機(jī)（電動(dòng)）如法拉克，東洋，海天，佳明等品牌功率在35T以上，并嚴(yán)格控制注塑溫度、時(shí)間，降低產(chǎn)品縮水率，絕不能添加水口料重復(fù)利用，才能保證產(chǎn)品更符合設(shè)計(jì)方案；

4． 產(chǎn)品必須用防靜電防塵PVC包裝，并且須完全密封包裝，存放必須注意控制溫度與濕度，并且最好不要存放超過(guò)一年以上。

從以上LED透鏡的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，看似簡(jiǎn)單的LED透鏡，從設(shè)計(jì)到成品，其對(duì)軟件、硬件的要求都非常高，這也造成了市場(chǎng)上LED透鏡的價(jià)格差異很大。從LED照明普及的美好前景來(lái)看，透鏡做為L(zhǎng)ED照明燈具的配套產(chǎn)品，市場(chǎng)前景也將越來(lái)越好。