透镜的分类与进化路径

一、透镜技术进化历程

      阿拉伯学者阿尔哈雷（Alhazen，965 – 1038）首先发明了凸透镜，培根（R.Bacon, 1214 – 1294）提出采用透镜组构成望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。阿玛蒂（Armati）发明了眼镜。波特（G.B.D.Porta，1535 – 1615）研究了成像暗箱，并在1589年的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜组的组合。综上所述，到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。

      1、正负透镜（凹凸透镜）

图1 正负透镜（凹凸透镜）

      15世纪初16世纪末出现了正负透镜也就是凹凸透镜。凸透镜是由两面磨成球面的透明镜体组成，凹透镜是由两面都是磨成凹球面的透明镜体组成。由于凸透镜有汇聚光线的功能，故大部分用于照明的灯具都使用凸透镜（下文所提透镜均为照明产品透镜），我们称为聚光灯，其种类要比泛光灯要多得多。聚光灯投射光斑集中，亮度高，光线方向性强，易于控制，光线存在会聚焦点，光斑大小和焦点位置可控。

      2、玻璃透镜

图2 玻璃透镜

      19世纪初，光学玻璃透明度高、纯洁、无色、质地均匀，且有良好的折光能力，并且具有耐高温、穿透率高的特点。由于化学成分和折射率不同光学玻璃有以下几种：

      1）火石玻璃——在玻璃成分中加入氧化铅，以增加折射率（1.8804）。

      2）冕牌玻璃——在玻璃成分中加入氧化钠和氧化钙制成，以减低其折射率（钡冕玻璃的折射率为1.7055）。

      3）镧冕玻璃——为所发现的新品种，它具有折射率高，色散率低的优良特性，为创造大口径的高级镜头提供了条件。

      3、菲涅尔透镜

图3  菲涅尔透镜

      1823年菲涅尔透镜首次用于灯塔照明。菲涅尔透镜 (Fresnel lens) ，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。

菲涅尔透镜，第一个作用是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上；第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号；第三个作用是极大的降低成本。

      4、硅胶透镜

图4 硅胶透镜

      硅胶透镜产生于20世纪初。主要特点——

      1）耐温性：LED硅胶产品的热稳定性高，高温下（或辐射照射）分子的化学键不断裂、不分解。

      2）耐候性：LED硅胶产品不易被紫外光和臭氧所分解，具有好的稳定性，寿命也长。

      3）电气绝缘性能：LED硅胶产品其介电损耗、耐电压、耐电弧、耐电晕、体积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅，而且它们的电气性能受温度和频率的影响很小。

      4）低表面张力和低表面能：有机硅胶的主链十分柔顺，表面张力弱，表面能小，成膜能力强。

      采用硅胶封装作为透镜，不但有良好的折射率，还可以承受260°的高温，使产品在客户加工过程中耐热性能提高，可以在过回流焊中保持性能稳定，达到客户加工要求。

      5、PMMA(亚克力)透镜

图5  PMMA(亚克力)透镜

      PMMA(亚克力)透镜产生于1950年左右。亚克力具有质轻、价廉，易于成型等优点。它的成型方法有浇铸、射出成型、机械加工、亚克力热成型等。尤其是射出成型，可以大批量生产，制造过程简单，成本低。使用PMMA材料其透光率较高可达到95%，而PC则在90%；但PC材料耐温性较高，超过120℃才产生形变，PMMA材料一般不超过90℃。室内照明和背光使用PMMA材料较多，室外的的路灯透镜多数采用PC材料。

      灯具生产中将PMMA透镜用胶黏在带有LED的铝基板上，把带有LED的铝基板涂上导热硅胶后用螺丝固定在铝制反光杯中心。通过PMMA透镜和反光杯的多次对光的汇集和导出，减少光在产品内部的停留，从而降低产品内部的热量，并充分利用光源，使照射出来的光线均匀可控。LED所产生的热量通过反光杯的立体散热，会把热量迅速的分散，反光杯与产品外壳的紧密结合，充分导出产品内部的热量，增加产品的使用寿命。

      6、自聚焦透镜

图6 自聚焦透镜

      1968年，产生了自聚焦透镜。自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。

      7、非球面透镜

图7 非球面透镜

       非球面透镜出现于1971年，它具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的性能。非球面透镜的应用，带来出色的锐度和更高的分辨率，同时镜头的小型化设计成为了可能。非球面透镜简化了光学工程师为了提高光学品质所涉及的元素，同时提高了系统的稳定性。非球面透镜和球面透镜相比，非球面透镜可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。例如在变焦系统中，1片或者2片非球面透镜就可以实现10片球面透镜相类似或更好的光学品质，从而减小这个照明产品光学系统的尺寸，降低成本，提高生产效率。

      8、复眼透镜

图8 复眼透镜

      复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将双排复眼透镜阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。复眼透镜阵列要实现均匀照明和提高照明亮度需两列复眼透镜阵列平行排列，第一列复眼透镜阵列中的各个小单元透镜的焦点与第二列的复眼透镜阵列中对应的小单元透镜的中心重合，两列复眼透镜的光轴互相平行，在第二列复眼透镜后放置聚光镜，聚光镜的焦平面放照明屏就形成了均匀照明系统。

      9、微透镜阵列

图9 微透镜阵列

      1980年采用当时先进的光刻工艺，制作出排列整齐、结构均匀的微透镜阵列，而且微透镜阵列的表面为平面，易于与其它平面元件耦合连接。它具有较好的聚光、准直、分路、成像、波分复用、开关、隔离等三维功能。由于单个透镜的直径小，透镜密度高，可实现信息的大容量、多通道并行处理。

      随着科学技术的进步，当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展。目前能够生产出只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能看到的直径非常小的透镜与透镜阵列，就是微透镜和微透镜阵列。它体积小、重量轻、便于集成化、阵列化。改变了传统光学元件尺寸大、重量大、生产工艺复杂等问题。随着科技的发展，现在已经能够制作出直径为毫米、微米甚至纳米量级的微透镜与微透镜阵。

      10、树脂透镜

图10 树脂透镜

      树脂透镜产生于1990年，与无机的玻璃镜片相比, 合成树脂透镜具有十分高的安全性。由于耐冲击强度高, 在受冲击时, 不易出现象玻璃粉碎时那样的碎片。另外, 加工性能优良、重量轻、着色方便, 也是合成材料的主要优点。但是, 合成树脂透镜的缺点也是明显的，主要是表面硬度(HB) 较低,易擦伤；折射率低，一般在1.50 左右；欲制作相同度数的有度镜片, 将比玻璃片要厚许多；耐热性、耐气候性差, 时间长易变色、老化；耐溶剂性也较差等等。

      11、导光柱

图11 导光柱

      导光柱也是一种透镜，它将光以最小损耗从光源传输到一定距离，光线是依靠全内反射在导光柱内部传输。导光柱通常是采用光学材料制成，如：丙烯酸树脂，聚碳酸酯、环氧树脂和玻璃。导光柱的外表面光滑是其正常工作的重要保证，也能保证产生全内反射。导光柱可以制作成任何形状，圆柱形、方形、锥形（尺寸从入口到出口逐渐增加）或任何特殊形状（剪头、星型、半月型等等）。

12、TIR透镜

图12  TIR透镜

      1996 年产生了TIR透镜，TIR（Total Internal Reflection）透镜又称全内反射透镜。全内反射透镜是采用全反射原理，将光线收集并处理，可提高LED光能利用率。根据LED的光能分布特点，通过控制光线路径得到TIR透镜折射面和反射面轮廓曲线上的离散点，利用插值得到样条曲线，再旋转360°得到透镜模型。全内反射透镜能在保持透镜小尺寸的同时，光能利用率仍为95.26%，光束的发散角控制在正负15°以内。

13、液体透镜

图13 液体透镜

      2000年产生了液体透镜。它是将液体作为透镜通过改变液体的曲率来改变焦距。在兩片导电玻璃之间灌满液晶，再利用电场來控制液晶的折射率，并由折射率的分布来达到聚焦的功能，同时控制焦距，甚至做出凹透镜效果。由于外部变焦的机构通常较为庞大且笨重，而运用液晶变换的方式改变微透镜焦距，可以大大减小机构的体积。同时也可以运用电力改变液晶的旋转方向，达到聚焦点方向的转换。

14、薄膜透镜

      薄膜透镜是一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的软模压印制作微透镜的方法。PDMS薄膜在负压作用下变形，形成微凸透镜或凹透镜结构，前最小直径可以达到30μｍ。薄膜透镜进行微观结构设计，使得光线在通过薄膜时光线发生改变。由于其生产容易、成本低、体积厚度小，受到越来越多厂家关注。

图14 薄膜透镜制作工艺过程

图15 薄膜透镜

      二、透镜技术进化路径

      1、物体分割进化路线

      对系统组件进行分割也是系统动态化进化的方法。分割是系统发展的一个方向，是将整体的、单一体的物体逐步分隔成多个部分，这样的分割基本上是可以无限制地进行到物体转变为真空，然后到“理想系统”。从本质上来讲分割路线展示的是系统从宏观层次到微观层次的跳跃。

      由于尺寸较大的宏观物质所完成的功能逐步进化为由尺度较小的微观物质来完成，用以消除系统在宏观级中出现的矛盾，提高原有系统的性能。进化后的系统表现在控制参数更有效、更柔性，成为可以执行更多的功能，而且品质更高、尺寸更小、效率更高、耗能更少、更加理想的系统。技术系统是由物质组成的，物质有不同的尺度、层次及不同的物理结构。由宏观向微观进化，就是通过应用不同能量场的结果，使物质在物理结构上，由整块晶体结构不断分化为小块、粉末等更小尺度，逐渐向分子、原子、离子等基本粒子转化。

图16 由宏观到微观的物质状态进化路径

      LED灯具在使用过程中，光源产生的光线经过透镜的折射、反射，与LED紧密联系在一起能增强光的作用，使灯具产生期望的光线的汇聚和发散功能。可以根据不同的透镜改变LED的光学分布的光学系统。

      可以把单颗透镜称为LED灯具的初始方案，现在随着单系统透镜的进化，产生了两颗透镜、三颗透镜、多颗透镜，甚至复眼透镜。透镜上的颗粒越来越多，透镜的尺寸也越来越小。

图17 单－双－多透镜系统进化路径

      接下来的分割是在分子层次上进行的，二十世纪产生了液体透镜，通过改变液体的曲率来改变焦距。但是目前液体透镜只应用于高档数码相机、手机、摄像机、工业内窥镜等产品上，还没有应用于LED灯具照明领域。所以根据TRIZ技术系统进化法则的“物体分割进化路线”，照明产品透镜的分割进化路线如下图：

图18 照明产品透镜的物体分割进化路线

      2、物体表面特性进化路线

      物体一般通过表面实现相互间的接触，因此系统任何元素的表面都是对其进行改良的重要资源。通过改变表面的微形状和特性，可以控制物体件的摩擦力和粘附力以及物体对物体的作用。物体表面特征进化路线从拥有光滑平面的物体开始，包括以下步骤：形成凹凸——形成微雕表面——形成有特殊特性的表面。

      在实际使用这条路线时，对其内部的每一个方案的具体化都有很广阔的应用前景。刻意在物体表面设想大量的凹凸类型：纵向的、横向的，像槽沟一样的凹凸。

图19 表面特性进化路线

      可通过多种方法得到特殊性质的表面，其中一种是使用各种场及其组合，也可使用具有特殊性质的物质：弹性物质、对其表面附着力可控物质、不同的反光性质的物质及其他有特殊性质的材料。

图20 透镜单系统进化路线

      物体通常从光滑表面开始进化。随着发展，物体表面的微观形状开始变得复杂起来。透镜最初产生的时候是表面光滑的凸透镜、凹透镜。15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。19世纪以后陆续出现了透明度高、纯洁无色、有良好折光能力的光学玻璃，如：火石玻璃、冕牌玻璃、镧冕玻璃等，接着又出现了硅胶透镜、PMMA透镜、树脂透镜等不同材料。硅胶透镜不但有良好的折射率，还可以提高在加工过程中耐热性，降低生产成本，延长灯具寿命。PMMA(亚克力)透镜具有质轻、价廉、易于成型等优点。可以注射成型、浇铸成型、机械加工、亚克力热成型等，可以进行大批量生产，制程简单、成本低。另外PMMA透镜透光率较高可达到95%。

      物体一般通过表面实现相互间的接触，照明产品的透镜通过表面跟光产生折射作用。因此，透镜系统表面是实现对其进行改良的重要资源。通过改变透镜表面的微观形状和特征，来控制对光的折射角度和折射、反射作用。根据物体表面特征进化规律，物体通过对光滑表面开始进化，随着发展，物体表面的微观形状开始变得复杂，透镜也不例外。最初当透镜刚发明的时候只是光滑表面，当它用到LED照明产品上，只是将LED点光源的光线，改变为平行光，甚至更大角度的光。随着非球面透镜的出现和应用，带来出色的锐度和更高的分辨率，同时镜头的小型化设计成为了可能。总之，无论是出现硅胶透镜、PMMA透镜、树脂透镜等不同材料的透镜的变化，还是非球面透镜都是单系统不同参数的进化。

      透镜的下一步进化，表面形状变得复杂起来。1822年产生的菲涅尔透镜 (Fresnel lens) ，通常压有各种各样“龟纹”或“蜂窝”，使光线适当散射，使照明效果柔和均匀，无明显边界。它比普通透镜更薄，更大的降低成本。菲涅尔透镜的出现使得透镜向体积更小更薄的方向进化。

      在透镜的进一步进化过程中，为了改进传统透镜尺寸大、重量大、工艺复杂的缺点，1980年出现了利用当时先进的光刻工艺，制作出排列整齐、结构均匀的微透镜和微透镜阵列，改善了这一问题。现在已经研发出了直径为毫米、微米甚至纳米级的微透镜。此时的透镜已经形成了微雕表面，尺寸更小，形状更复杂。近年来透镜开始向更加微观进化，产生了薄膜透镜，这是一种利用薄膜的软模压印方法制作的微透镜。薄膜透镜通过微观设计，薄膜在负压作用下变形，形成微凸透镜或凹透镜结构，使光线通过薄膜时发生改变，具有生产容易、成本低、体积小、厚度薄等优点。

图21 透镜表面特征进化路线

      动态性进化法则：子趋势二组成动态化。在表面特征进化中可以发现先是形成了凹凸，然后凹凸尺寸变小，形状变得复杂，最后转变到了微观层次，即转变到了有特殊性质的表面，这种性质是通过加入场或者力来实现的。所以从拥有光滑表面的物体开始，到形成凹凸（凹凸可以纵向的，横向的，像沟槽类型）进化为微雕表面，进而形成有特殊性质的表面。

图22 系统组成动态化进化路线

      在前面导光板的进化部分，我们已经提到了向超系统进化法则。一个技术系统与另一个或多个技术系统（即超系统）相互结合，称之为超系统的集成，这种不同系统之间的优化组合与充足，体现了向超系统进化法则。技术系统向超系统进化，可以在资源约束的条件下，通过系统合并增加功能或降低费用。LED透镜的主要用途是通过折射光线增加光效，改善光的均匀度及投光角度。LED反光杯是通过对光线反射改变光线的投射角度，达到最强光强分布及实现各种光束角，提高光效，减少散光、眩光。

      LED透镜与LED反光板主要功能相似以及作用对象相似，所以属于竞争系统。根据向超系统进化法则的趋势一，我们知道系统进化有技术系统与超系统集成参数化增加的趋势。当TIR透镜（全内反射透镜）产生时，它集成了透镜与反光杯两系统的优势。它通过折射和反射来控制光线路径。TIR透镜能更好的提高LED光能利用率，更精准的控制光束发射角。进而TIR透镜会沿着参数差异化增加的方向进化。TIR透镜表面特征出现了类似棱镜的特征，它能更好帮助TIR透镜实现全内反射，又使TIR透镜变的更薄。

      在灯具的实际运用中我们发现TIR透镜一般与大功率的COB光源的筒灯或者射灯配合使用。那么一般也会出现遮光罩的光学器件。因为筒灯或者射灯会产生眩光，遮光罩可以帮助阻挡眩光的作用，所以会有一些灯称为防眩射灯。那么LED透镜与LED遮光罩就互为联合系统（所谓联合系统是它们的主要功能不同，但作用对象一样），两个联合系统也可以集成为一个系统，所以出现了新的防眩光的TIR透镜。

      它与遮光罩的原理不同，遮光罩的原理是通过反射能有效消除杂光的再反射作用，也可以起到防眩光、遮光、吸光的作用。防止眩光的TIR透镜的设计原理为，通过TIR透镜的全内反射作用，利用透镜表面将杂光可眩光通过二次反射改变光线的方向，从而达到防止眩光的目的，但是防眩光的TIR透镜，光效相对较低，只有70％左右。

图23 透镜向超系统进化路线

      根据构建进化树的基本方法，我们可以构建透镜的进化树。首先选择主要的进化路线，即所构建进化树的主干。选择内部元素变化最明显的进化路线，即动态化的物质动态化进化路线作为进化树的主框架。然后根据其他进化路线确定进化树其他子进化路线，如动态化的组织动态化进化路线、向超系统进化路线等，最后对进化树的结构做出补充和确认。

图24 透镜进化树