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照明知识

专题详解 LED用透镜相关知识点
发布日期:2018-02-06      浏览次数:138

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 光场分布的光学系统。透镜主要用于LED 冷光源系列产品的聚光,导光等。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。

.LED透镜的材料分类

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。

.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 PMMAPC、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。

.以规格分类

1.穿透式(凸透镜)

a. 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3151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。

.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 CREElumileds、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 TraceproCodeVZemax 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;

3LED 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:PRECITECH NANOFORM 350)、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。