LED光学玻璃透镜

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。其它类型的透镜如：用于照相机、望远镜等的透镜不属于本文讲解范围，本文着重讲解用于大功率LED的二次聚光透镜。

一、LED透镜的材料种类

1． 硅胶透镜

　　a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用来直接封装在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 .塑料类材料，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. 塑料类材料，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（97%）、耐温高等特点；缺点：形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。但是，目前国内已有极少厂家开始研发玻璃模造工艺，如深圳万方达科技使用模具熔铸生产玻璃透镜，可生产各种形状、特殊表面的透镜。另外，模具化生产，产品一致性好、精密度高，并且可以极大的提升生产效率，有效降低玻璃透镜的成本，加上透光率高的特点，玻璃透镜势必成为光学塑料类大功率LED透镜的替代性产品。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；目前只在特殊情况下才选择玻璃。但随着玻璃模造工艺的推广与普及，二次透镜将会迎来一次材料性的革命，光学玻璃将替代光学级的PMMA或者PC。

三、LED透镜规格分类

1． 穿透式（凸透镜）

　　a. 当LED光线经过透镜的一个曲面（双凸有2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（产生黄边的原因暂不赘述）；

　　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，而这两种光线的重迭（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．透镜模块

　　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块；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，实现产品质量的一致性，节省灯具机构空间，更容易实现“大功率”等特点。

四、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、亿光、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），才能达成实际需要的效果；

　　2． 利用光学设计软件（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，不断优化而得到相应的光学透镜

　　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 0.1μm。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（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、干涉仪等。

　　4．模具最精密的部件在于光学模仁，首先必须选用专用模仁钢材（如：瑞典S136镜面钢）经过热处理到55°，完成粗胚，在粗胚上经过镀镍处理后再用超精密加工机进行曲面加工而得到。

五、LED透镜的用料及生产

　　1． LED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。