LED透镜(Lens)基础知识

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)，因此常用直接封装在LED 芯片上。

b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。

图、LED透镜

2.PMMA 透镜

a. 光学级PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力)。

b .塑胶类材料，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. 塑胶类材料，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：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。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;在特殊情况下可选择玻璃。

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;

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，而这两种光线的重叠(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.透镜模组

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组;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。

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、lumileds、SSC、OSRAM、EVERLIGHT、EDSION 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。