大功率LED透镜的分析与应用

大功率LED透镜的分析与应用

 LED透镜即与LED联系在一起的密切相关的透镜，其他如照相机、望远镜等透镜不属于本文讲解范围，本文着重讲解PMMA材料的二次聚光大功率LED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 .塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：耐温70%（热变形温度90度）；

3． PC透镜

a. 光学级Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯

b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；耐温高（130度以上）；缺点：透光率稍底（87%）；

4． 玻璃透镜

光学玻璃材料，具有透光率高（97%）耐温高等特点，缺点：易碎、非球面精度不易实现、生产效率低、成本高等。
 

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）按理论发光是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，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收集chip的所有光线并可得到如160度、140度、120度、90度甚至60度（不同需要）的出光角度；

c. 一次透镜多用PMMA或硅胶材料。

   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的大角度光（一般为90-120度）再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度；

c 二次透镜材料大都用PMMA或玻璃。
 

   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）时光线会反生折射而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（成反比），经过非球面技术设计的曲面光斑将会非常均匀，但因为透镜直径的局限性，透镜侧面的光线得不到利用（漏光）；

b．一般应用在大角度（40-80度）聚光，如台灯，路灯，室内灯具等；

2． 全反射式（锥型或叫杯型）

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，LED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；

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、汉半、欧司朗、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；

2． 利用光学设计软件（如Trace pro、CodeV、Zemax等）设计并进行模拟光学跑光，设计得到相应的光学非球面曲面；

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、镜片偏心度要达到3μm 以内。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（例如：PRECITECH  NANOFORM 350）、CNC 综合加工机、平面磨床、铣床、CNC 放电加工机、表面轮廓仪等。

4模具最精密的部件在于光学模仁，首先选用专用模仁钢材，完成初胚，镀镍后再用超精密加工机进行非球面技术加工曲面。
 

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、缩水性要求极高。原材料一般采用高档光学级PMMA。目前为日本三菱PMMA材料为最好（现在的VH5与VH001质量更高），同样是三菱的南通料就会稍逊一些；

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，以及戴手指套、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（电动）如法拉克，东洋，海天，佳明等品牌功率在35T以上，并严格控制注塑温度、时间，降低产品缩水率，绝不能添加水口料重复利用，才能保证产品更符合设计方案；

4． 产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须注意控制温度与湿度，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照明灯具的配套产品，市场前景也将越来越好。