LED照明裝置中的光學(xué)透鏡

史敏峰 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心

光學(xué)透鏡是LED照明裝置中的重要元件之一，其對出射光線的配光圖案有重要影響，也是影響整個照明裝置的照明效果的重要因素之一。本文按照構(gòu)型對光學(xué)透鏡進(jìn)行了分類介紹，以期讀者對于光學(xué)透鏡具有更多的了解。

LED；照明；光學(xué)透鏡

1.LED照明裝置

LED由于其低功耗、高發(fā)光效率、長壽命等特點(diǎn)，在照明領(lǐng)域中具有越來越廣泛的應(yīng)用，逐步滲透到了各個行業(yè)領(lǐng)域，尤其在近幾年國家節(jié)能減排的倡導(dǎo)下，更有了飛速的發(fā)展。LED照明裝置通常有LED芯片，覆蓋該芯片的反光杯和/或光學(xué)透鏡組成。根據(jù)不同的使用環(huán)境下不同的照明需求，除了對LED的亮度、色溫的特定配置外，對反光杯和/或光學(xué)透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)也是很關(guān)鍵的因素，通過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使得出射光束獲得相應(yīng)的配光效果。相對于反光杯，光學(xué)透鏡的光路更為復(fù)雜，其設(shè)計(jì)也相對更多變、靈活，通過不同的光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)，能夠滿足不同的照明需求，本文將對具有不同配光效果的一些LED用光學(xué)透鏡進(jìn)行介紹。[1]

2.光學(xué)透鏡

LED芯片本身的體積很小，發(fā)光角較大，如果直接用來照明，其光強(qiáng)分布則大致呈正態(tài)分布，即所形成的光斑的中心部光強(qiáng)大、亮度高，邊緣部光強(qiáng)小、亮度低，這樣的照明效果在很多場合是無法滿足使用需求的。因此在使用時，為了達(dá)到預(yù)期的照明效果，通常會配合光學(xué)透鏡來對出射光進(jìn)行調(diào)制。光學(xué)透鏡，是指設(shè)置在光源的出光方向上的、對通過其的光束進(jìn)行約束、改變的光學(xué)元件。通過光學(xué)透鏡的使用，能夠豐富LED光源的照明效果，滿足不同的使用需求。從光學(xué)透鏡的構(gòu)型上大致包括以下類型：

（1）棱柱型

圖1

圖1為一種典型的棱柱型光學(xué)透鏡，其設(shè)置在LED110的正上方具有多個棱柱組成的光學(xué)透鏡130，借助相鄰的棱柱面上的連續(xù)反射，該光學(xué)透鏡通過全內(nèi)反射使光線在發(fā)光軸CL從LED光源射出。這樣，由于光線在光學(xué)透鏡的周邊射出，明亮的中心點(diǎn)將會被消除或減弱。其他形式的棱柱型光學(xué)透鏡例如還包括多個棱柱平行排列、彎曲排列等等。

（2）非連續(xù)表面型

這一類型的光學(xué)透鏡，其出射和/或入射表面為非連續(xù)的結(jié)構(gòu)化表面，例如菲涅爾型表面。圖2中的標(biāo)記3所指為常見的一種非連續(xù)表面型光學(xué)透鏡，其中心部分為球面透鏡，邊緣部分則進(jìn)行了菲涅爾結(jié)構(gòu)化，通過對光線的折、反射，使得相同口徑下光學(xué)透鏡的聚光力得到提升，出射光的方向性更好，并且整個裝置能夠薄化。

圖2

（3）非對稱型

非對稱型透鏡，能夠消除不需要的方向上的照明而使得出射光偏向某一方向，提升照明光通量的利用率。如圖3所示，這種類型的光學(xué)透鏡通過偏置的、非對稱分布的光學(xué)透鏡，使得光的出射方向偏轉(zhuǎn)，使得照明區(qū)域主要分布在發(fā)光元件光軸一側(cè)，尤其適合于需要將光束偏轉(zhuǎn)照射的場合，例如路燈、洗墻燈等。

圖3

（4）球型透鏡

這類型的光學(xué)透鏡通常為中心軸對稱形狀，透鏡出射面為可以為旋轉(zhuǎn)對稱的圓弧面，通過合適的參數(shù)優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)等光強(qiáng)出射，尤其適合點(diǎn)光源的配光。這一類型的光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)方法相對直觀，計(jì)算簡便，設(shè)計(jì)目標(biāo)角度選擇余地較大，在航標(biāo)燈、交通燈等信號指示燈或室內(nèi)照明等需要實(shí)現(xiàn)均勻光強(qiáng)分布領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。另外，如果將光出射面設(shè)置為不連續(xù)的曲面，還可實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的照明效果。

（5）微透鏡陣列型

由于單個LED功率上的不足，常規(guī)的照明裝置都采用多個LED。而多個LED由于空間上不可避免的間隔分布，容易造成照明時出射光的不均勻，甚至可能形成較為顯著的明暗變化的配光圖案，這在道路照明中尤為不利的。圖4所示是一種微透鏡陣列型光學(xué)透鏡，其以二維的形式布置在光學(xué)透鏡的內(nèi)表面上，能夠改善LED數(shù)量較多的發(fā)光裝置的發(fā)光強(qiáng)度分布，提供照度均勻的照明效果。

圖4

（6）圓柱型

現(xiàn)代的室內(nèi)裝修中，人們對LED燈具提出了越來越高的要求，LED燈具不再簡單地作為一種照明用具，而是希望LED燈具所發(fā)出的光構(gòu)成的圖案能是一件藝術(shù)品，為此，將LED芯片發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換成接近于平行光束射出也成為了常見的需求之一。圖5所示的是一種圓柱型的光學(xué)透鏡，其通過橫置于LED之上，能夠?qū)⒔泣c(diǎn)狀光源的LED所發(fā)出的光以接近于平行線狀的光束射出。另外，這樣的將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為線狀光束出射的光學(xué)透鏡在其他領(lǐng)域中也多有應(yīng)用，例如常見的條碼掃描裝置。

圖5

3.結(jié)束語

光學(xué)透鏡作為LED照明裝置的一個重要部件，在整個系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用?；诓煌氖褂铆h(huán)境，具有不同的設(shè)計(jì)方式。筆者以構(gòu)型為出發(fā)點(diǎn)，對光學(xué)透鏡進(jìn)行了簡要的介紹、分析。在實(shí)際使用中，很可能單一的光學(xué)透鏡無法滿足使用需求，多種光學(xué)透鏡的復(fù)合使用也是常見的做法，但作用原理與單光學(xué)透鏡相同，都是通過對光束的折射來將光束約束至預(yù)定方向或形成預(yù)定圖案。

[1]劉全恩.電視技術(shù)[J].LED原理、術(shù)語、性能及應(yīng)用，2012，36（24）：46-53.

史敏峰（1978—），男，碩士，審查員，主要從事光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明專利審查。