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关于大功率LED灯珠透镜

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.大功率LED灯珠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.大功率LED灯珠玻璃透镜
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,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、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.大功率LED灯珠二次透镜
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、大功率LED灯珠透镜规格分类
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、大功率LED灯珠透镜的设计与模具加工
1. 首先取决于光源(大功率LED灯珠),不同品牌的大功率LED灯珠(例如CREE、合丰光电‘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,大功率LED灯珠透镜的用料及生产
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。

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