Tag 玻璃透镜

认识光的色散现象：

1.白光是复色光，通过棱镜后分解成各种色光：

2.把各种颜色的色光合在一起可以得到白光;

3.单色光不能再分解成其他的色光。

　　【仪器和器材】

三棱镜、白色光屏(可用白墙代替)、凸透镜、平面镜、狭缝、红色玻璃和蓝色玻璃，或“白光的色散与合成演示器”。

　　【方法】

1.用平面镜引入一束日光，通过狭缝照到三棱镜上，如图2.10-1所示。调整棱镜的方位，在白色光屏上可以看到白光通过棱镜折射后得到的彩色光带。把白纸放在棱镜前，让学生看到照到棱镜上的光是白光，由此得知白光通过棱镜折射后分解成各种颜色的色光。

2.在棱镜和光屏中间放一个凸透镜，调整凸透镜的位置，使得由三棱镜射出的各种颜色的色光都会聚在光屏上，得到白色的亮条，表明各种颜色的色光合在一起成为白光。

3.在狭缝前放置红色玻璃(或蓝色玻璃)，用白纸显示出照在三棱镜上的光是红光(或蓝光)，通过三棱镜后，光改变了传播方向，但不分解，仍然是红光(或蓝光)。

　　【注意事项】

1.仪器要在课前组装调整好，下面的调整顺序可供参考。按图2.10-2所示大致先摆好平面镜、棱镜和光屏的位置。转动平面镜使一束日光照到棱镜上，再稍稍转动棱镜的方位，在光屏上就可以见到彩色的光带。最后再在棱镜前面放上狭缝，调整狭缝的宽度，使得光屏上的几种颜色分辨得更清楚。要注意，狭缝的宽度要适当，例如3～5毫米左右。缝越宽，屏上光带的亮度越强，但是不同色光的光带会重叠，几种颜色不容易完全辨清。

2.日光的强度高，平行度好，而且日光的色温较高，是理想的白光光源，实验容易做好，如果狭缝取宽一些，实验可在一般教室中进行。光源也可以用普通平行光源来代替，由于白炽灯的色温较低，光的颜色偏黄，同时，光的强度也较弱，实验需在暗室中进行。

3.用凸透镜把各种颜色的色光合成为白光的实验原理，如图2.10-3所示。如果在棱镜的出射面上加一个光阑，从出射面的AB部分射出的光通过光阑后照到凸透镜上。调整凸透镜的位置，使AB成实像于光屏上，实像A′B′是白色的。棱镜的出射面AB上的每一点发出的光包含了从该点射出的各种色光，并且这些不同的色光出射角是不相同的。经过凸透镜的折射，会聚在光屏上相应的像点处，每个像点都是由各种色光会聚的，因此，像A′B′是白色的。

实验时，应选择通光口径φ和焦距f都大一些的凸透镜。三棱镜出射光的侧面与光屏的距离要略大于透镜4倍焦距。调整凸透镜的位置，使棱镜出射光的侧面在光屏上成实像。由于凸透镜和三棱镜对不同颜色色光的吸收作用不同，以及透镜的像差、色差的影响，因此，光屏上所成的实像的颜色不是理想的白色。

4.本实验也可以用白光的色散与合成演示器在J2508型光的干涉、衍射、偏振演示器上完成，这时，只需用J2508的光源和单缝，在光屏上观察;注意入射光线在棱镜上的入射角约为54°，光屏则应偏离光具座57°，才能看到彩色光谱带。合成时，第二个棱镜的顶角方向与第一个相反。

水晶（Quartz Crystal)是一种无色透明的大型石英结晶体矿物。它的主要化学成份是二氧化硅。化学式为SiO2。

　　玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物。

　　水晶和玻璃的外观十分相似，但却是两种完全不同的物质。其主要区别有以下五个方面：
　　一。材质不同
　　水晶是二氧化硅的结晶体，而玻璃只是含有二氧化硅的熔融状态混合物。
　　二。功效不同
　　玻璃只有装饰作用，而水晶除装饰作用外，还有压电效应，有特殊的保健作用。
　　三。价格不同
　　水晶的单价要比玻璃高出几倍甚至几十倍。
　　四。物理性质不同
　　1。水晶是结晶体，具有较高的硬度（莫氏7级），而玻璃的硬度较低，（莫氏5.5级），水晶可以在玻璃上划出痕迹，反之则不能。
　　2。水晶是结晶体，导热性能较好，用舌尖舔触有冰凉的感觉。而玻璃则显得温暖。
　　3。用偏光镜区别，水晶能透光，而玻璃则不能。
　　我们可以依据水晶和玻璃所具有的不同物理性质方便地将它们区分开来。
　　五。加工工艺不同
　　玻璃可以热铸成型，省料省工 成本低。水晶是结晶体，加热融化后不能逆转，所以不能用热铸成型法，只能用切磨等冷加工法。费料费工，成本高。

　　水晶硬度高，不易磨损。玻璃硬度低，容易擦毛。
　　水晶稳定性好，长久使用不会变色。而玻璃则容易翻黄。
　　要说他们的区别，外观来看玻璃比较纯净，色带清楚

嘉腾LED玻璃透镜模组优势
1.散热快,产品更耐用
2.配光优,照明效果更佳
3.光衰少,延长使用寿命
4.外观美,产品设计独特
5.组件好,品质更优
6.品质更优,寿命10年以上
玻璃透镜优势
玻璃透镜连板设计，突破了传统的模组采用的PC连板透镜，带来一种全新的体验，有效地克服了PC透镜的不良问题：
1、抗腐蚀能力：高硼硅3.4玻璃属于硼硅酸盐玻璃中的硼硅玻璃，耐酸耐碱，抗腐蚀性能优越。
2、耐温性强：相比PC透镜，其热膨胀系数较低，拥有良好的热稳定性，光学表面温度的变化小，保留原有的光学照明效果。
3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
4、相比于PC透镜，玻璃透镜不会产生老化/黄化现象，从而影响透镜透光率。
5、相比于PC透镜，玻璃透镜不会吸附灰尘，并且方便清洗。
隧道照明配光
发光角度120°×80°、150°×80°（对称）等多种配光角度，合理的照度均匀度和防眩光等级等
设计有效的改善隧道内路面的墙壁照明状况，改善隧道内视觉享受，减轻驾驶员驾驶疲劳。

道路配光
有TYPE2-M、TYPE3-M等多种配光角度，其配光在路面形成照度均匀的类矩形光斑，
可以适用于双向八车道、六车道、四车道、二车道、一车道道路情况。
高杆灯配光
应用于大型广场、主干道交叉路口、码头、车站和体育场等场所中，悬挂高度较高，照明范围比较
广泛而且均匀，能够带来较好的照明效果，满足大面积场所的照明需求。
工矿灯配光
发光角度25°/45°/60°/90°/120°，主要应用于大楼外墙、桥梁、公园、广告招牌、球场广场、
工厂车间照明。

因为玻璃是由一些非常小的晶体组成的，这些晶体是透光的所以玻璃也就是透光的。 你一定会问：那不是和没有说一样。 那么告诉你，这些晶体之所以透光，是和我们人的眼睛有关系的，就是说，我们判断它是否透光，是视我们的眼睛能不能感觉到晶体后面的光线，这个说简单点，就是这种晶体，它既不吸收任何颜色的光线，也不反射任何颜色的光线，（这个你可以想一下有色玻璃和镜子，有色玻璃实现上是只让一种颜色的光线通过，而把其它颜色的光线给吸收了我们看到的玻璃的颜色，其实是这个玻璃所通过的光线的颜色。镜子就好理解了，镜子上的水银可以反射所有的可见光线，所以镜子后面是没有光线的）。

玻璃 

      玻璃在结构上属于原子排列不规则的无定型结构，跟晶体相对，晶体是原子规则排列的定型结构。这个差别在于，玻璃是各向同性，就是说各个方向的物理化学性质在宏观上相同，因为其原子排列在微观上杂乱无章，导致了宏观上的统计结果的同性；而晶体是各向异性，不同方向性质不同。各向同性导致的结果之一是，光线在通过该物质的时候，总能有合适的通路可以使其通过（杂乱无章另一方面也说明了存在各种排列的情况，总有一种符合光通过的条件）；而晶体则不同，仅有某个特定的方向可使光线通过，而且由于一般的物质都不是由单一的晶体组成，而是多晶体，这就使得可让光线通过的通路成为一条曲折的路线，于是直线传播的光线便不能通过。现实中的单晶体主要是宝石，因此宝石也有一定的透光性。但是不像玻璃那样。 

      一般的液体在结构上也是无定型的，因此像水也是透光的。事实上，玻璃的原子排布形式在晶体学上叫“玻璃态”，而玻璃态的物质同时也被成为“过冷液体”。我们知道，一般晶体物质在到达其凝固点时会结晶。这个结晶的过程实际上包括两步，一是原子不再可以随处运动，而是被固定在一定的位置上，二是原子的排布由不规则排列转变为规则排列。而玻璃态的物质在这时候只经历了第一个过程，而原子不规则的排列的状态则被“冷冻”了下来。玻璃和液体的原子排列方式实际上是一样的。 

      以上是对这个问题的一般的分析，实际的问题还要更复杂，因为以上的情况都是比较理想化的理论抽象，实际的情况得具体看物质内部的原子分布情况而定。就像物质不可能完全纯净一样，物质的结构也不可能完全单一。晶体内部也可能有玻璃态，玻璃态内部也有局部的晶态。

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玻璃透镜优势
玻璃透镜连板设计，突破了传统的模组采用的PC连板透镜，带来一种全新的体验，有效地克服了PC透镜的不良问题：
1、抗腐蚀能力：高硼硅3.4玻璃属于硼硅酸盐玻璃中的硼硅玻璃，耐酸耐碱，抗腐蚀性能优越。
2、耐温性强：相比PC透镜，其热膨胀系数较低，拥有良好的热稳定性，光学表面温度的变化小，保留原有的光学照明效果。
3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
4、相比于PC透镜，玻璃透镜不会产生老化/黄化现象，从而影响透镜透光率。
5、相比于PC透镜，玻璃透镜不会吸附灰尘，并且方便清洗。
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道路配光
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可以适用于双向八车道、六车道、四车道、二车道、一车道道路情况。
高杆灯配光
应用于大型广场、主干道交叉路口、码头、车站和体育场等场所中，悬挂高度较高，照明范围比较
广泛而且均匀，能够带来较好的照明效果，满足大面积场所的照明需求。
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发光角度25°/45°/60°/90°/120°，主要应用于大楼外墙、桥梁、公园、广告招牌、球场广场、
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1、亚克力镜（ACRYLIC、有机玻璃、PMMA、甲基丙烯酸）优点是透明度高，镜面镀层可以在反面，对反射镀膜保护效果好，，材质硬，缺点是有点脆。

2、PVC聚氯乙烯塑料镜，缺点是基材不透明，镜面镀层只能在正面，而且光洁度低，优点是便宜，硬度高。

3、PS聚苯乙烯镜子，基材比较透明，材质硬，比较脆，材料便宜。

4、PC聚碳酸酯镜子，基材透明度中等到比较透明，优点是坚韧性好，，材质硬偏软，缺点是价格最高。

5、玻璃镜的镀膜工艺成熟，价格低，最平整，材质最硬，耐磨，抗刮，缺点是最脆，破裂后对人的伤害性最高，不能承受冲击，比重大。

塑料镜片较玻璃镜片的优缺点

塑料镜片:

一、优点：

 1. 塑胶镜片重量轻，易加工、运输方便。

 2. 不易破裂：万一镜片被击碎，不但碎片少，且较不尖锐，能使眼球及面部受伤的情形减至最低程度，这就是市面上标榜为「安全镜片」的主因。

 3. 可以染色：树脂镜片容易染色，可与服饰、流行做适度的搭配。

 4. 可以遮断紫外线：几乎完全遮断波长350mm以下的紫外线，效果远比玻璃镜片为佳。

 5. 防雾性强：因塑料镜片的热传导率较玻璃低，不易因蒸汽、热水气而产生模糊不明现象，即使产生模糊亦会很快消退。

 6. 可防凹痕：一般高热小体积物质容易在玻璃片造成凹痕和斑点，但若碰到塑料镜片时，就会自动弹开，不会在镜片表面造成任何痕迹。

 7. 塑料镜片表面反射较一般玻璃片为低，也较不刺眼。

二、缺点：

 1. 容易擦伤：塑料镜片的耐刮性较玻璃镜片差，但可经由表面硬化处理改善之，但效果有限。

 2. 装框时容易产生变形：这是由於塑胶镜片的密度较玻璃镜片低的缘故。

亚克力-有机玻璃

 ” 亚克力”这个词也许听起来很陌生，因为它是一个近两年来才出现在大陆的新型词语。直到2002年，它在广告行业、家具行业、工艺品行业才渐渐被少数人了解。”压克力”是一个音译外来词，英文是ACRYLIC，它是一种化学材料。化学名称叫做”PMMA”属丙烯醇类，俗称”经过特殊处理的有机玻璃”，在应用行业它的原材料一般以颗粒、板材、管材等形式出现。

2.压克力板与有机玻璃

“有机玻璃”源自英文Organic Glass。近年来在某些地区将所有的透明塑料制成的板材统称为有机玻璃，其实这是错误的，压克力是专指纯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，而把PMMA板材称作压克力板。

3.压克力板之特性与优点

压克力具有高透明度，透光率达92％，有”塑胶水晶”之美誉。且有极佳的耐候性，尤其应用于室外，居其他塑胶之冠，并兼具良好的表面硬度与光泽，加工可塑性大，可制成各种所需要的形状与产品。另板材的种类繁多色彩丰富(含半透明的色板)，另一特点是厚板仍能维持高透明度。

4.压克力的历史

压克力（ACRYLIC），俗名特殊处理有机玻璃。压克力的研究开发，距今已有一百多年的历史。1872年丙烯酸的聚合性始被发现；1880年甲基丙烯酸的聚合性为人知晓；1901 年丙烯聚丙酸脂的合成法研究完成；1927年运用前述合成法尝试工业化制造；1937年甲基酸脂工业制造开发成功，由此进入规模性制造。二战期间因压克力具有优异的强韧性及透光性，首先，被应用于飞机的挡风玻璃，坦克司机驾驶室的视野镜。1948年世界第一只压克力浴缸的诞生，标志着压克力的应用进入了新的里程碑。

5.压克力的用途

PMMA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、热成型等。尤其是射出成型，可以大批量生产，制程简单，成本低。因此，它的应用日趋广泛，目前它广泛用于仪器仪表零件、汽车车灯、光学镜片、透明管道等。

亚克力是继陶瓷之后能够制造卫生洁具的最好的新型材料。与传统的陶瓷材料相比，亚克力除了无与伦比的高光亮度外，还有下列优点：韧性好，不易破损；修复性强，只要用软泡沫蘸点牙膏就可以将洁具擦拭一新；质地柔和，冬季没有冰凉刺骨之感；色彩鲜艳，可满足不同品位的个性追求。用亚克力制作台盆、浴缸、坐便器，不仅款式精美，经久耐用，而且具有环保作用，其辐射线与人体自身骨骼的辐射程度相差无几。亚克力洁具最早出现于美国，目前已占据整个国际市场的70%以上。

由于亚克力生产难度大、成本高，故市场上有不少质低价廉的代用品。这些代用品也被称为“亚克力”，其实是普通有机板或复合板（又称夹心板）。普通有机板用普通有机玻璃裂解料加色素浇铸而成，表面硬度低，易褪色，用细砂打磨后抛光效果差。复合板只有表面很薄一层亚克力，中间是ABS塑料，使用中受热胀冷缩影响容易脱层。真假亚克力，可从板材断面的细微色差和抛光效果中去识别

亚克力
有机玻璃亚克力（压克力）简史早在本世纪20年代，罗门哈新公司最早发明了用MMA聚合成压克力板的方法，这种板材后来被称作“Oroglas/Plexiglas”。

测凸透镜焦距的其他方法

　　（l）用平面镜辅助法测焦距

　　实验装置的示意图如图2．5－2所示。将平面镜固定在光具座上。把平行光源透镜取下来，换上一个灯罩，罩上有一个边长约4毫米的三角形小孔。使平行光源到平面镜的距离略大于被测透镜的焦距。接通电源，调节被测双凸透镜的位置和高度，直到从平面镜反射回来的光仍然照在小孔的位置并成一个清晰的三角形像。并使像的一个边与小孔的一个边重合，像与小孔构成菱形。这时透镜到小孔的距离即是透镜的焦距。

　　（2）用物距和像距求焦距

　　卸下平行光源的凸透镜，装上“1”字屏。把凸透镜固定在光具座中间，将光源置于导轨的左端，然后把毛玻璃屏自远而近移动，直到在毛玻璃屏上出现清晰的“1”字像为止。虽然“1”字屏到透镜的距离u及透镜到毛玻璃屏的距离v。即可用公式出焦距f。

　　（3）用两次成像法测焦距

　　装置与“用物距和像距求焦距”相同。先将“1”字屏和毛玻璃屏固定在光具座上，使二者间的距离L大于4倍焦距。把凸透镜放在二者之间并从“1”字屏慢慢向毛玻璃屏移动。当毛玻璃屏上出现清晰的“1”字像时，记下透镜所在的位置。继续移动凸透镜，毛玻璃屏上再出现清晰的像时，再记下透镜的所在位置。设两个位置距离为此d,“1”字屏与毛玻璃房间距离为L,即可用公式求出透镜的焦距。

嘉腾LED玻璃透镜模组优势
1.散热快,产品更耐用
2.配光优,照明效果更佳
3.光衰少,延长使用寿命
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玻璃透镜优势
玻璃透镜连板设计，突破了传统的模组采用的PC连板透镜，带来一种全新的体验，有效地克服了PC透镜的不良问题：
1、抗腐蚀能力：高硼硅3.4玻璃属于硼硅酸盐玻璃中的硼硅玻璃，耐酸耐碱，抗腐蚀性能优越。
2、耐温性强：相比PC透镜，其热膨胀系数较低，拥有良好的热稳定性，光学表面温度的变化小，保留原有的光学照明效果。
3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
4、相比于PC透镜，玻璃透镜不会产生老化/黄化现象，从而影响透镜透光率。
5、相比于PC透镜，玻璃透镜不会吸附灰尘，并且方便清洗。
隧道照明配光
发光角度120°×80°、150°×80°（对称）等多种配光角度，合理的照度均匀度和防眩光等级等
设计有效的改善隧道内路面的墙壁照明状况，改善隧道内视觉享受，减轻驾驶员驾驶疲劳。

道路配光
有TYPE2-M、TYPE3-M等多种配光角度，其配光在路面形成照度均匀的类矩形光斑，
可以适用于双向八车道、六车道、四车道、二车道、一车道道路情况。
高杆灯配光
应用于大型广场、主干道交叉路口、码头、车站和体育场等场所中，悬挂高度较高，照明范围比较
广泛而且均匀，能够带来较好的照明效果，满足大面积场所的照明需求。
工矿灯配光
发光角度25°/45°/60°/90°/120°，主要应用于大楼外墙、桥梁、公园、广告招牌、球场广场、
工厂车间照明。

摘　要: LED 的二次光学元件设计对LED 路灯的配光及光学输出效率至关重要。良好的道路照明要求LED 路灯的配光为长方形的光型, 路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路, 而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED 路灯的长方形配光直接在单个LED 模组上实现。整体路灯只需要将这些LED 模组阵列按照相同方向排列即可, 从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。本文介绍了LED 路灯的二次光学设计, 及一种用于LED 路灯的自由曲面二次光学透镜的设计方法。

关键词: LED 路灯; 自由曲面; 二次光学元件; 配光; 道路照明; 散热

1 　背景LED (发光二极管) 技术的发展开辟了照明技术革命的新时代。由于LED 具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点。使得LED 路灯照明技术在最近几年得到了迅速发展。目前, 市面上单颗LED 光源的实际已经可以做到了每瓦100 流明, 采用传统250 瓦钠灯作光源的路灯, 用LED 光源代替之后, 大概只需要60 多颗LED 就可以产生相同的亮度, 从而极大地节省了能源的消耗。由于大部分LED 光源的辐射角分布为110 度至120 度的郎伯(Lambertian distribution) 分布, 如果没有经过配光设计, 照在地面上的光型将会为面积较大的圆型的光斑, 约50 %的光散落到马路之外没有被利用起来, 而且会对远处的车辆或行人产生眩光,与路面照明的要求不符。《城市道路照明设计标准》要求路灯的配光为长方形的光斑, 将几乎所有的光都分布在路面上[1 ] 。对于主干道还需要采用截光型或半截光型的配光设计, 一方面可以提高光的利用效率, 另一方面还可以避免产生眩光。

2 　LED 路灯的配光设计关于LED 路灯的配光设计有很多种, 最常见的有以下两种:第1 种是弧形排列的LED 路灯。单个LED 模组采用轴对称的全反射透镜或反光杯进行配光, 透镜配光的辐射角宽度足以覆盖道路的宽度; 再将LED模组排列在一个弧面上, 通过调整弧面的曲率在道路方向产生一个长方形的光型分布。图1 为弧形排列的一个LED 路灯的设计, 路灯采用了60 颗高功率OSRAM朗伯分布的Golden Dragon LED , 单颗LED的输出光通量为每瓦80 流明。透镜设计采用轴对称的透射———全反射组合结构, 如图2 所示。透镜中间部分为一平凸非球面透镜。平凸非球面透镜将从LED 出射的与光轴夹角±64°内的光均匀分布在±30°范围之内。剩余64°～90°部分的光透过透镜内部侧面的柱面之后, 由外边倾斜的曲面进行全反射, 这部分的反射光再经过上表面的锥面透射后也形成±30°范围内的分布。透镜的透射部分和全反射部分的光束经叠加后, 最后形成一个±30°范围内比较均匀的光束分布(均匀度大于60°) 。透镜的光线追迹和光强的远场角度分布见图3 , 光强的远场角度分布为蝴蝶形。 LED 路灯的构成方法为将LED 透镜模组排列在一个弧面上, 通过调整弧面的曲率, 使灯头在弧面方向形成±60°左右的配光, 于是灯头安装在10 米高的时候可以在路面上产生约长度约35 米, 覆盖215 个车道宽度约为10 米的方形的光型。这种LED 路灯的二次光学元件(透镜或反光杯) 的设计和加工较为简单, 引入全反射透镜可以最大可能地提高光的利用效率, 理论计算的效率超过98 %。但由于透镜材料本身的透射率约为92 % ,实际注塑出来的透镜效率约90 %。透镜需要产生一定的角度分布以便在要求的高度位置覆盖住所需的道路宽度, 而道路方向的配光则通过LED 排列的弧面来调整。弧形排列的LED 路灯比较美观, 不利因素是弧形的排列使高功率LED 的散热板设计和灯头的结构设计较为麻烦。第2 种是平面排列的LED 路灯。LED 路灯的设计采用了XY方向非对称的长方形配光的自由曲面光学元件(透镜或反光杯) , 长方形的配光直接在单个LED 光学元件上完成, 整体路灯只需将具有长方形配光的LED 模组简单的排列在一个平板上即可,这种LED 路灯在机械结构、散热及电源控制方面比较简单, 不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED 模组即可。由于配光为长方形非对称的分布, 简单轴对称的全反射透镜无法实现, 需要采用非对称自由曲面的透镜, 透镜的设计和加工工艺比较复杂。这里将重点介绍这种自由曲面透镜的设计。 由于一般的光学软件(如Zemax , CodeV 等) 针对自由曲面的优化设计方法不够成熟, 设计一个非对称的自由曲面需要花很多的时间用手工不断反复的调整和设置操作参数, 一个比较复杂的自由曲面往往需要多达一个月甚至几个月的时间, 有时所优化出来的曲面, 光学效率还不够理想。这里采用了边缘光线扩展度( Etendue) 守恒的原理创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法, 可以在较短时间内(一般为几个小时甚至更短) 优化出具有最优效率及精确配光的自由曲面光学元件。边缘光线的扩展度守恒原理如图4 所示, 它结合了边缘光线原理[2 ] 及光源的扩展度守恒( Etendue Conservation)

[3 ] 。光源经过光学系统到达目标是个数学映射的关系。通过自由曲面的边缘的那部分光线,经过映射后, 也对应于目标的边缘, 自由曲面中间连续的部分, 经过映射后, 也在目标中间形成连续的分布。如果光学系统没有损耗, 那光学系统的光源及目标的扩展度是守恒的。扩展度为光源或目标第19 卷第4 期蒋金波等: LED 路灯透镜的二次光学设计介绍61的面积与光线发散角所形成的立体角的乘积。根据这一原理, 可将目标及自由曲面分割成等量的网格(如图4 中的V&U 网格及Y&X 网格) , 目标的网格节点与自由曲面的网格节点形成一一对应, 再根据目标节点的位置及法矢量, 就可以对应地精确计算出图5 所示的自由曲面的控制网格的节点法矢量,从而生成所需要的自由曲面。边缘光线的扩展度守恒原理可以由以下式子来表示:这种设计方法被用来设计LED 路灯的自由曲面透镜, 路灯安装高度为12 米, 路灯间隔40 米, 路面宽12 米(3 个车道) , 即路灯需要在路面上产生40 米长、12 米宽的方形光斑。根据这个要求, 需要设计在X方向产生±60°内均匀分布的配光, 在Y方向产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑的自由曲面透镜。图6 为用边缘光线扩展度守恒方法设计的自由曲面透镜。透镜的控制网格的节点法线, 跟据边缘光线扩展度守恒原理, 以及斯涅尔(Snell) 折射定律, 有以下公式(2) 的关系, 式中N 为法线矢量, A 为入射光线矢量, A′为出射光线矢量。

 N = Nx i + Ny j + Nz k ;A = Ax i + Ay j + Az k ;A′= Bx i + By j + Bz k ;

将透镜曲面和目标光斑分成等量的网格, 根据入射光线及出射光线的Snell 方程, 将网格的节点矢量一一对应, 整个曲面的控制网格由计算机迭代法算出, 最后将控制网格蒙上蒙皮形成曲面再填充后形成透镜实体。整体路灯的光效模拟由光线追迹软件LightTools 进行光线追迹, 如图8 所示。模拟结果如图9 至图11 所示, 当路灯高度为12 米的时候,路灯在40 米×12 米的路面上可以产生非常均匀的配光。路灯的远场角度分布为蝙蝠翼形, 辐射强度X方向的峰值光强的一半约为±60°, 辐射强度Y方向的峰值光强的一半约为±30°。路灯的光型如图11所示, 实物照片如图12 所示, 路灯光形测试结果通过国家城市道路照明设计标准CJJ 45 —2006。图12  采用自由曲面透镜的LED路灯实物照片

3 　结论本文主要介绍了两种LED 路灯的配光设计并重点介绍了一种非对称配光的自由曲面透镜的光学设计。第一种LED 路灯采用了轴对称的全反射透镜或反光杯, LED 透镜模组排列于一个弧面上以产生长方形的配光。全反射透镜的引入可以极大地提高光的利用效率, 但是弧形的LED 模组的排列使高功率LED 的散热板设计和机械结构较为麻烦。第二种LED 路灯采用了非对称的自由曲面透镜, 可以将长方形的配光直接由单个LED 光学元件完成。整体灯头只需将具有长方形配光的LED 模组简单的排列在一个平板上即可, 这种LED 路灯在机械结、散热、及电源控制方面比较简单, 不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED模组即可。自由曲面的设计采用了边缘光线扩展度(Etendue) 守恒的原理, 创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法。使透镜在X 方向产生±60°内均匀分布的配光, 在Y方向产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑。

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。

球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，而非球而透镜则是从小心到边缘之曲率连续发生变化。在摄影镜头中，为了保证光学性能，必须校正众多的“像差”。若仅仅用球面透镜来校正，则对应镜头的技术要求需要有许多透镜组合。仆巳对于特殊的高级镜头，汉仅用球面透镜有时不能使像差校正到用户满意的程度。
光学设计中的计算公式：

1，技术原理
　　非球面透镜，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特的优势，因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用，例如数码相机、CD播放器、高端显微仪器。

　　2，对比优势

　　a 球差校准

　　非球面透镜用以替换球面透镜，最显著的优势在于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。非球面透镜（光线汇聚到同一点，提供光学品质），基本上消除了球面透镜所产生的球差（光线汇聚到不同点，导致成像模糊）。

　　采用三片球面透镜，增大有效焦距，用于消除球差。但是，一片非球面透镜（高数值孔径，短焦距）就可以实现，并且简化系统设计和提供光的透过率。

　　b 系统优势

　　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。例如在变焦系统中，通常情况下10片或者更多的透镜被采用（附加：高的机械容差，额外装配程序，提高抗反射镀膜），然而1片或者2片非球面透镜就可以实现类似或更好的光学品质， 从而减小系统尺寸，提高成本率，降低系统的综合成本。

　　3，成型工艺

　　a 精密玻璃模压成型

　　精密玻璃模压成型，是将玻璃材料加热至高温而变得具有可塑性，通过非球面模具来成型，然后逐步冷却至室温。目前，精密玻璃模压成型，不适用于直径大于10mm的非球面透镜。但是，新的工具、光学玻璃和计量过程，都在推动该项技术的发展。 精密玻璃模压成型，虽然在设计初期时成本较高（高精密的模具开发），但是模具成型后，生产的高品质产品可以平摊掉前期的开发成本，特别适合于需要大批量生产的场合。

　　b 精密抛光成型

　　研磨和抛光一般适用于一次生产单片非球面透镜的场合，随着技术的提高，其精度越来越高。最为显著，精准抛光由计算机进行控制，自动调整以实现参数优化。如果需要更高品质的抛光，磁流变抛光（magneto-rheological finishing）将被采用。磁流变抛光相对于标准抛光而言，具有更高的性能和更短的时间。精密抛光成型，需要专业的设备，目前是样品制作和小批量试样的首要选择。

　　c 混合成型

　　混合成型，以球面透镜为基底，通过非球面模具在球面透镜表面压铸并采用紫外光固化上一层高分子聚合物的非球面体。混合成型，一般采用消色差球面透镜为基底，表面压铸一层非球面，用以实现同时消除色差和球差。图7是混合成型非球面透镜的制造工艺流程。混合成型非球面透镜， 适用于需要附加特性（同时消除色差和球差），大批量制造的场合。

　　d 注塑成型

　　除了玻璃材质的非球面透镜，还存在塑料材质的非球面透镜。塑料成型，是将熔融的塑料注射入非球面模具中。相对于玻璃，塑料的热稳定性和抗压性较差，需要经过特别处理，以得到类似的非球面透镜。然而，塑料非球面透镜最大的特点是成本低、重量轻、易成型，广泛应用于光学品质适中、热稳定性不敏感、抗压力不大的场合。

　　4，选择依据

　　各种类型的非球面透镜，都有其自身的相对优势。因此针对不同的应用场合，选择合适的产品就现得很重要。主要的考虑因素，包括：批量、品质和成本。

　　a 精密玻璃成型非球面透镜， 具有批量化生产和热稳定性高的特点，适合于批量大、品质高、热稳定性高的场合

　　b 精密抛光成型非球面透镜，具有制样周期短和不需要模具的特点，适合于样品制作和小批量试样的场合

　　c 混合成型非球面透镜，具有球差和色差同时校准的特点，适合于宽光谱、批量大、品质高的场合

　　d 塑料成型非球面透镜，具有成本低和重量轻的特点，适合于批量大、品质适中、热稳定性不高的场合

　　需要定制非球面透镜时（没有标准产品或者库存产品不足），开发成本、试样成本、批量化价格、交货周期等因素都要考虑在内。

　　光学玻璃透镜模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，它是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项技术自80年代中期开发成功至今已有十几年的历史了，现在已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一，在许多国家已进入生产实用阶段。这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。由于此项技术能够直接压制成型精密的非球面光学零件，从此便开创了光学仪器可以广泛采用非球面玻璃光学零件的时代。因此，也给光电仪器的光学系统设计带来了新的变化和发展，不仅使光学仪器缩小了体积、减少了重量、节省了材料、减少了光学零件镀膜和工件装配的工作量、降低了成本，而且还改善了光学仪器的性能，提高了光学成像的质量。

　　光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下优点：①不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中心等工序，就能使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；②能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人，使一个小型车间就可具备很高的生产力；③可很容易经济地实现精密非球面光学零件的批量生产；④只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度；⑤可以模压小型非球面透镜阵列；⑥光学零件和安装基准件可以制成一个整体。

  目前批量生产的模压成型非球面光学零件的直径为2～50mm，直径公差为±0.01mm；厚度为0.4～25mm，厚度公差为±0.01mm；曲率半径可达5mm；面形精度为1.5λ，表面粗糙度符合美国军标为80－50；折射率可控制到±5×10－4mm，折射均匀性可以控制到<5×10－6mm；双折射小于0.01λ/cm。

　　现在，世界上已掌握这项先进玻璃光学零件制造技术的著名公司和厂家有美国的柯达、康宁公司，日本的大原、保谷、欧林巴斯、松下公司，德国的蔡司公司和荷兰的菲利浦公司等。

　　玻璃光学零件模压成型技术是一项综合技术，需要设计专用的模压机床，采用高质量的模具和选用合理的工艺参数。成型的方法，玻璃的种类和毛坯，模具材料与模具制作，都是玻璃模压成型中的关键技术。

  3.1 成型方法

　　玻璃之所以能够精密模压成型，主要是因为开发了与软化的玻璃不发生粘连的模具材料。

　　原来的玻璃透镜模压成型法，是将熔融状态的光学玻璃毛坯倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具的模面上，而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹（皱纹），不易获得理想的形状和面形精度。后来，采用特殊材料精密加工成的压型模具，在无氧化气氛的环境中，将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近，在玻璃和模具大致处于相同温度条件下，利用模具对玻璃施压。接下来，在保持所施压力的状态下，一边冷却模具，使其温度降至玻璃的转化点以下（玻璃的软化点时的玻璃粘度约为107。6泊，玻璃的转化点时的玻璃粘度约为1013。4泊）。这种将玻璃与模具一起实施等温加压的办法叫等温加压法，是一种比较容易获得高精度，即容易精密地将模具形状表面复制下来的方法。这种玻璃光学零件的制造方法缺点是：加热升温、冷却降温都需要很长的时间，因此生产速度很慢。为了解决这个问题，于是对此方法进行了卓有成效的改进，即在一个模压装置中使用数个模具，以提高生产效率。然而非球面模具的造价很高，采用多个模具势必造成成本过高。针对这种情况，进一步研究开发出与原来的透镜毛坯成型条件比较相近一点的非等温加压法，借以提高每一个模具的生产速度和模具的使用寿命。另外，还有人正在研究开发把由熔融炉中流出来的玻璃直接精密成型的方法。

　　3.2 玻璃的种类和毛坯

　　玻璃毛坯与模压成型品的质量有直接的关系。按道理，大部分的光学玻璃都可用来模压成成型品。但是，软化点高的玻璃，由于成型温度高，与模具稍微有些反应，致使模具的使用寿命很短。所以，从模具材料容易选择、模具的使用寿命能够延长的观点出发，应开发适合低温（600℃左右）条件下模压成型的玻璃。然而，开发的适合低温模压成型的玻璃必需符合能够廉价地制造毛坯和不含有污染环境的物质（如PbO、As2O3）的要求。对模压成型使用的玻璃毛坯是有要求的：①压型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清洁；②呈适当的几何形状；③有所需要的容量。毛坯一般都选用球形、圆饼形或球面形状，采用冷研磨成型或热压成型。

　　3.3 模具材料与模具加工

　　模具材料需要具备如下特征：①表面无疵病，能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面；②在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能，而且结构等不发生变化，表面质量稳定，面形精度和光洁度保持不变；③不与玻璃起反应、发生粘连现象，脱模性能好；④在高温条件下具有很高的硬度和强度等。

　　现在已有不少有关开发模具材料的专利，最有代表性的模具材料是：以超硬合金做基体，表面镀有贵金属合金和氮化钛等薄膜；以碳化硅和超硬合金做基体，表面镀有硬质碳、金刚石状碳等碳系薄膜；以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。

  玻璃透镜压型用的模具材料，一般都是硬脆材料，要想把这些模具材料精密加工成模具，必需使用高刚性的、分辨率能达到0.01μm以下的高分辨率超精密计算机数字控制加工机床，用金刚石磨轮进行磨削加工。磨削加工可获得所期盼的形状精度，但然后还需再稍加抛光精加工成光学镜面才行。在进行高精度的非球面加工中，非球面面形的测试与评价技术是非常重要的。对微型透镜压型用模的加工，要求更加严格，必需进一步提高精度和减轻磨削的痕迹。

  3.4 玻璃模压成型技术的应用

　　目前，光学玻璃透镜模压成型技术，已经用来批量生产精密的球面和非球面透镜。平时，除了一般生产制造直径为15mm左右的透镜外，还能生产制造直径为50mm的大口径透镜、微型透镜阵列等。现已能制造每个透镜的直径为100μm的微型透镜阵列。

　　（1）制造军用和民用光学仪器中使用的球面和非球面光学零件，如各透镜、棱镜、以及滤光片等；
　　（2）制造光通信用的光纤耦合器用非球面透镜；
　　（3）制造光盘用的聚光非球面透镜。使用一块模压成型法制造的非球面透镜，可代替光盘读出器光学镜头内使用的三块球面透镜。由于模压成型非球面透镜的精度很高，不仅能够控制和校正大数值孔径的轴向像差，而且还使原来的光学镜头的重量减轻、成本降低30～50%。
　　（4）制造照相机取景器非球面透镜、电影放映机和照相机镜头的非球面透镜等。美国仅柯达公司每年就需要压型几百万个非球面光学零件。

太阳能是一种取之不竭、用之不尽又无污染的洁净的自然能源。太 阳辐射到地球的总能量虽只有其本身每年产生的能量的２０亿分之一（相当于１８ ０万亿千瓦，约每平方米１０００瓦），这一巨大的能量十分惊人。如果把１００ 平方公里面积上的太阳能收集起来，仅仅几秒钟就相当于爆炸一颗原子弹所释放出 来的能量。因此，太阳能作为一种新的洁净能源正在受到人们的高度重视，世界各 国都在致力于开发和利用太阳能资源为人类造福。 目前，已有两种类型的太阳能转换技术装置被人们研制开发成功，并得到广为 应用。一是将太阳能转换为热能，即利用一种装置吸收或反射太阳辐射能并将其转 换成可利用的热能。二是将太阳能转换为电能，即利用特制材料（玻璃、硅电池） 所产生的光电效应，使太阳能直接转换为电能。 太阳能的利用装置和材料，无论是透光材料、吸收涂层和各种反射薄膜，以及 当今最为走俏的太阳能电池等都离不开玻璃。玻璃已成为太阳能开发与利用中最具 有竞争力的优秀一族。 透明的平板玻璃，作为一种基板材料，无论用于太阳能的热转化装置，还是用 于电能的转换装置，它都具有诸多优点：透明玻璃的表面经加工处理后，对太阳光 具有高的透过率或低反射率；玻璃中通过掺入特定的着色剂后，对太阳光谱的不同 波长可进行选择性吸收为人类所利用；玻璃具有耐高温而不变形的特点；易于拉制 成适用于太阳能利用所需的超薄、极超薄、普通薄玻璃等各种不同厚度的透明板材 ；玻璃的表面光滑平整，便于清洗镀膜加工，它具有抗风化和潮湿的腐蚀；玻璃虽 脆而易碎，但可以通过钢化等处理来增加其功能，达到增强效果，消除和防范脆而 易碎的弊病。 因此，国内外玻璃商们正大力开发太阳能玻璃。太阳能玻璃开发利用得好，就 有可能成为我国平板玻璃行业一个新的经济增长点。编辑部从本期开始连载太阳能 玻璃的专业文章，供企业参考。 据报道，世界上采用透明平板玻璃作基板研制应用于太阳能电池最早的国家为 德国。当初德国科技人员将这种板状的太阳能电池作为窗玻璃安装在建筑物上，它 可将摄取的电能直接供住户使用，多余的电能还可输入电网，这种最初的太阳能电 池用玻璃的开发利用，不久被一些欧、美工业发达国家及亚洲日本等国所重视，并 加快了用于太阳能的低铁、超薄太阳能玻璃的研制开发与应用的步伐。 用于太阳能的玻璃，在国际上玻璃商一般研制生产三种主要类型，一是从厚度 范围的开发、生产与应用；二是表面镀膜的太阳能玻璃；三是低铁太阳能玻璃的开 发、生产及应用。 太阳能玻璃的主要分类 据有关资料显示，当今人们开发应用的太阳能玻璃主要分厚度类、镀膜类及低 铁类三种主要类型。 一定厚度范围内的太阳能玻璃，从厚度范围看一般有三种： ①普通薄板玻璃２～６毫米：它们大量用于人类居住在地球上的各种太阳能（ 作为电池基板的光电幕墙、太阳光热能转换）装置的基板； ②超薄平板玻璃０.１～１.５毫米：它可用于太阳能发电用反射的玻璃镜、太 阳能电池的玻璃盖板（罩）等以及电子工业的平面显示器基板等； ③极超薄玻璃厚度≤０.１毫米：这种无碱极超薄玻璃不仅是电子工业各种平 面显示器用基片，同时也是宇宙开发领域中所急需的太阳能电池玻璃罩（玻璃盖玻 片），当今在太阳能电池中已崭露头角，成为玻璃中的俏品。 表面镀膜层的太阳能玻璃 英国皮尔金顿公司已将一种浮法玻璃在线镀膜工艺生产太阳能玻璃的使用权转 让日本板硝子。该镀膜技术系采用化学气相沉积法，在生产浮法玻璃的同时，在其 表面形成极薄的半导体膜层。不同的膜层可用来生产不同的产品。采用这种技术生 产的太阳能玻璃可用来制造电太阳能电池，即玻璃将吸收的太阳能转变成电能。 另据报道，１９９８年日本板硝子投资４０亿日元从英国皮尔金顿引进非晶形 镀膜太阳能电池用玻璃基板在线生产技术与设备，该设备已安装在日本千叶县的日 产４５０吨级的浮法玻璃生产线上，并于１９９９年底投产。由于环保要求日趋严 格，该公司预测到２０１０年，面向住宅的太阳能电池用玻璃市场将扩大到４００ 万平方米，为此该公司断定今后硅用量少的非晶形镀膜太阳能电池玻璃的需求量将 会有明显增长。这种在浮法玻璃成型过程中通过喷、吹工艺，直接在玻璃表面镀膜 ，与以往公司引进的化学气相沉积法相比，其生产成本大幅度降低，产品质量稳定 。日本除大批量生产在线镀膜的太阳能电池用玻璃外，还可生产建筑用低辐射膜玻 璃。 低铁太阳能玻璃 玻璃界专家指出，要生产优质的太阳能玻璃，提高玻璃的阳光透光率，就必须 减少浮法玻璃的铁含量；减少玻璃中铁含量，提高玻璃的透光率，生产低铁太阳能 玻璃最早由美国的福特公司玻璃厂研制成功。该公司生产低铁太阳能玻璃的工艺措 施是： ①在配合料中完全去除（确保玻璃颜色一致的）红粉（即氧化铁）； ②选择含铁量低的硅质原料，从源头上降低铁的含量； ③减少或除去外界掺入的机械铁，因这些外来铁是通过称量和混合过程而进入 窑炉熔制的。 ④在配合料中尽量少用还原剂，而利用氧化剂，因此公司为了制取低铁的太阳 能玻璃，在配合料中去除煤粉（还原剂），稍增加一些芒硝用量，并相应降低纯碱 用量。 美国福特公司玻璃厂采用上述工艺措施利用浮法玻璃熔窑拉制生产了９０００ ０平方米高透过率的低铁浮法玻璃，用于Ｐａｓｔｏ（巴斯脱）的１０兆瓦太阳能 电站，获得高效率的成功。该公司所生产的９００００平方米低铁太阳能浮法玻璃 ，厚度约为３毫米左右，光透过率为８９.３％，用这种低铁浮法玻璃制造的镀银 太阳能反射镜的太阳光反射率达８９.６％以上。 如今，美国ＰＰＧ公司已可自如地生产透过率高达９２％以上的低铁太阳能用 浮法玻璃。该公司技术人员，采取一系列切实有效的工艺措施，使玻璃原料中的Ｆ ｅ２Ｏ３（三氧化二铁）含量现已低于英国皮尔金顿公司含量的９３％；现今ＰＰ Ｇ生产的低铁浮法玻璃Ｆｅ２Ｏ３含量仅为０.００６３％，高透过率低铁浮法玻 璃不仅用作太阳能玻璃，而且作为汽车玻璃、导电膜玻璃、制镜玻璃及高档建筑玻 璃，它已成为一流的无缺陷优质浮法玻璃。 玻璃在太阳能集热器领域里的开发与应用 太阳能集热器，最早出现于１９１３年的欧洲，当时的英国人发明了利用平板 玻璃罩着的锅筒，沿槽形抛物面的焦点轴线放置，并使其长轴沿南北方向，白天自 动旋转，追踪太阳的光照来获得热能。这是最早的平板玻璃太阳能集热器。随着世 界工业、经济的飞速发展，太阳能的开发利用已成为世界各国能源工业研究和发展 的重点项目。据悉，太阳能集热器以聚焦型和玻璃护罩型两大类为主，并以平板型 和管状型等为辅的多种形式，在世界各国得到了广泛开发与利用。 聚焦型太阳能集热器 聚焦型集热器是利用玻璃镜的聚焦反射，将太阳的辐射热能聚焦在集热器锅炉 上而加热液体，驱动透平机发电。玻璃在太阳能利用的高温集热器系统中起到热能 聚集而转换为电能的重要作用。 太阳能通过大量的玻璃镜反射聚焦的热能可使锅炉内液体加热到５００℃的高 温，足以用于发电。据太阳能利用专家的估算，如以每片玻璃表面积约为２５平方 米的聚光镜建有１６０００个聚光玻璃镜系统来加热液体发电，可年发电达７亿千 瓦时左右。为此，美国在加利福尼亚州的一个沙漠地区耗资约１.４２亿美元，建 成了一座目前世界上最大的１０兆瓦塔式太阳能发电站而闻名于世界。据报道，该 发电站选用了１８１８面定目镜（聚焦玻璃镜），并按加州地区一定的日照规律追 踪太阳光照而排列组成。每一面玻璃聚焦镜由１２块玻璃镜片组成，面积３９.３ 平方米。该聚焦型太阳能发电站共耗用９００００平方米的３毫米厚高透光率低铁 浮法玻璃。该低铁玻璃全部由美国福特汽车公司浮法玻璃厂生产供货。该太阳能电 站于２０世纪８０年代末正式投入商业营运，至今运行良好，为世界太阳能聚焦型 发电工程提供了一个典范。 (.E501W03037.)