浅析：LED透镜的光损失

LED透镜模组

　　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;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。

[图1] 多种LED透镜

　　光损失斟酌

　　1.有泡壳、透镜的灯具其光通量实际要满足标准要求的光分布，还需考虑外壳、透镜的透过率、溢出光损失等因素。而泡灯或作普通照明用大功率需要用透镜将平行光束进行扩散处理，来满足标准的要求。为使光学效果更加合理，设计中应将灯具外罩分割成矩形小单元，这样做的目的在于打碎光波的波面，使产品产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用椭球面，因为该面具有水平和垂直两个方向的弧度，从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。其根本目的是克服传统技术的不足，合理利用光通量，实现均匀、高效的光分布。

　　实际上泡灯类的外壳就是PC料(注塑完成)，球形、梨形、筒形的泡壳都是非小单元、非平面的整壳，光损失很大、光角度偏小。

　　2.因为透镜的一个表面为具有水平和垂直两个方向曲率半径的曲面，所以可以使入射光在水平方向和垂直方向都得到扩散。鉴于两个方向的曲率半径相互独立，所以可以根据要求，分别调节两个曲率，使得光输出在两个方向上得到不同程度的扩散。因此，使用双向曲率曲面构成的透镜，可以根据设计要求更自由地分配光输出，更高效地利用光通量，减少不必要的浪费和眩光。此外，由于使用的是光滑过渡的曲面，灯具有均匀过渡的光分布和良好的外观。完全透明的PMMA灯饰或灯罩会在光源的中心造成眩目或刺眼的弦光，但是亮度在光源外围却迅速减少。很多社交场合与作业环境的照明必须排除这种令人不快的气氛或是尽量减少引起眼睛不适的光源。

[图2] LED可视化透镜光线

　　3.每个透镜单元在本体上的投影为矩形，从而使各单元能紧密、整齐地排列。平行入射光束经过透镜单元的折射作用，在水平方向形成左右对称的均匀扩散，在垂直方向形成向下偏折的均匀扩散。通过调整一组透镜中各单元的大小和两个方向的曲率半径，调配出射光通量在不同立体角范围内的分布，达到设计要求的光分布。

　　鉴于入射曲面的作用是使光线发生偏折形成扩散，产品设计中具体每组透镜的单元个数、单元大小、曲率半径等都可以结合实际情况而变化。实际情况是大功率用透镜的透镜上的内纹(为分割小单元)都由厂家做好，选用时只考虑透镜高度、角度、材质这些。

　　4.我们选择将光源放于透镜焦点的内侧，光源离透镜越远，透镜收集到的光源光通量越少。因而透镜系统的效率越低，根据单凸透镜的计算公式： r=(nL-1)f。其中r—凸面曲率半径， nL—透镜材料折射率， f—透镜焦距

　　在选定透镜材料的情况下，焦距越大，曲率半径越大。在同样透镜孔径Φ的条件下，曲率半径越大，透镜越薄。而透镜越厚，像差会越明显，从而影响使用效果。因此，尽可能选择焦距较大的透镜。同时，焦距的增大，光学系统尺寸的增加，因此，透镜的焦距也不可以一味追求最大。由于透镜厚度不是很大，因此没有采用菲涅耳透镜，避免增加加工的繁琐性和成本。