大功率LED透鏡的分析與應用

 LED透鏡即與LED聯系在一起的密切相關的透鏡，其他如照相機、望遠鏡等透鏡不屬于本文講解范圍，本文著重講解PMMA材料的二次聚光大功率LED透鏡。
 

一，LED透鏡的材料種類：

1． 硅膠透鏡；

a. 因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用直接封裝在LED芯片上；

b. 一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm；

2,  PMMA透鏡

a. 光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）

b .塑膠類材料，優點：生產效率高（可以通過注塑完成）；透光率高（3mm厚度時穿透率93%左右）；缺點：耐溫70%（熱變形溫度90度）；

3． PC透鏡

a. 光學級Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯

b. 塑膠類材料，優點：生產效率高（可以通過注塑完成）；耐溫高（130度以上）；缺點：透光率稍底（87%）；

4． 玻璃透鏡

光學玻璃材料，具有透光率高（97%）耐溫高等特點，缺點：易碎、非球面精度不易實現、生產效率低、成本高等。
 

二，LED透鏡的應用分類

1．一次透鏡

a. 一次透鏡是直接封裝（或粘合）在LED芯片支架上，與LED成為一個整體；

b. LED芯片（chip）按理論發光是360度，但實際上芯片在放置于LED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發光角度是180度，另外芯片還會有一些雜散光線，這樣通過一次透鏡就可以有效收集chip的所有光線并可得到如160度、140度、120度、90度甚至60度（不同需要）的出光角度；

c. 一次透鏡多用PMMA或硅膠材料。

   2．二次透鏡

   a 二次透鏡與LED是兩個獨立的物體，但它們在應用時確密不可分；

   b 二次透鏡的功能是將LED的大角度光（一般為90-120度）再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度；

c 二次透鏡材料大都用PMMA或玻璃。
 

   三，LED透鏡規格分類

1． 穿透式（凸透鏡）

a. 當LED光線經過透鏡的一個曲面（雙凸有個曲面）時光線會反生折射而聚光，而且當調整透鏡與LED之間的距離時角度也會變化（成反比），經過非球面技術設計的曲面光斑將會非常均勻，但因為透鏡直徑的局限性，透鏡側面的光線得不到利用（漏光）；

b．一般應用在大角度（40-80度）聚光，如臺燈，路燈，室內燈具等；

2． 全反射式（錐型或叫杯型）

a, 透鏡的設計在正前方用穿透式聚光，而錐形面又可以將側光全部收集并反射出去，而這兩種光線的重疊（角度相同）就可得到最完善的光線利用與漂亮的光斑效果；

b．也可在錐形透鏡表面做些改變，可設計成鏡面、磨砂面、珠面、條紋面、螺紋面、凸或凹面等而得到不同光斑效果。

3，LED透鏡模組

a. 是將多個單顆透鏡通過注塑完成一個整體的多頭透鏡，按不同需求可以設計成3合1、5合1甚至幾十顆合一的透鏡模組；

b. 此設計有效節省生產成本，實現產品品質的一致性，節省燈具機構空間，更容易實現“大功率”等特點。
 

四，LED透鏡的設計與模具加工

1． 首先取決于光源（大功率LED），不同品牌的大功率LED（例如CREE、lumileds、漢半、歐司朗、艾笛森、長森源等），其芯片結構與封裝方式、光線特性等均會有所區別，從而造成同樣的透鏡搭配不同規格品牌LED時會所差異；所以要求有針對性開發（以主流品牌為導向），才能達成實際需要；

2． 利用光學設計軟件（如Trace pro、CodeV、Zemax等）設計并進行模擬光學跑光，設計得到相應的光學非球面曲面；

3．LED透鏡本身屬于精密光學配件，故其對模具的精度要求極高，特別是透鏡光學曲面的加工精度要達到 0.1μm、鏡片偏心度要達到3μm 以內。一般對此類高精度模具的加工必須具有以下設備：超精密加工機（例如：PRECITECH  NANOFORM 350）、CNC 綜合加工機、平面磨床、銑床、CNC 放電加工機、表面輪廓儀等。

4模具最精密的部件在于光學模仁，首先選用專用模仁鋼材，完成初胚，鍍鎳后再用超精密加工機進行非球面技術加工曲面。
 

五，LED透鏡的用料及生產

1． LED透鏡作為光學級的產品，對透光性、縮水性要求極高。原材料一般采用高檔光學級PMMA。目前為日本三菱PMMA材料為最好（現在的VH5與VH001質量更高），同樣是三菱的南通料就會稍遜一些；

2． 必須配備萬級甚至更高級別的無塵車間，作業人員必須著防靜電服裝，以及戴手指套、戴口罩等防靜電防塵措施，并且定期對車間做檢驗與清理；

3． 須有專業的光學注塑機（電動）如法拉克，東洋，海天，佳明等品牌功率在35T以上，并嚴格控制注塑溫度、時間，降低產品縮水率，絕不能添加水口料重復利用，才能保證產品更符合設計方案；

4． 產品必須用防靜電防塵PVC包裝，并且須完全密封包裝，存放必須注意控制溫度與濕度，并且最好不要存放超過一年以上。

從以上LED透鏡的設計與生產過程來看，看似簡單的LED透鏡，從設計到成品，其對軟件、硬件的要求都非常高，這也造成了市場上LED透鏡的價格差異很大。從LED照明普及的美好前景來看，透鏡做為LED照明燈具的配套產品，市場前景也將越來越好。