關(guān)于LED燈具二次配光透鏡材料的選用

朱少鋒

（陜西烽火集團(tuán)烽火佰鴻公司，陜西 西安 710075）

LED作為新型綠色節(jié)能長壽命光源已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在照明領(lǐng)域當(dāng)中已經(jīng)開始替代傳統(tǒng)光源，并有愈演愈烈之勢；LED芯片理論上發(fā)光是360°，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(fā)光角度是180°（大于180°范圍也有少量余光），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匯聚所有光線并可得到如 180°、150°、120°、90°、60°等不同的出光角度；但是由于LED燈芯選定之后，發(fā)光角度一定要有合適的配光效果才能在各個不同的領(lǐng)域使用；故必須在LED燈具照明系統(tǒng)中加二次配光透鏡來改善燈具的配光，已達(dá)到不同照明效果的要求；為配合LED光源的長壽命以及高性能，對二次透鏡的材料的選用也提出了很高的要求。

1 LED二次配光透鏡的分類

（1）穿透式（凸透鏡）。

（2）折反射式（錐型或杯型）。

（3）透鏡模組。將多個單顆透鏡通過注塑集合成一個整體的多頭透鏡，按不同需求可以設(shè)計成四合一、八合一，甚至幾十合一的透鏡模組，現(xiàn)階段陜西烽火集團(tuán)烽火佰鴻公司應(yīng)用最多的為十六合一透鏡；此設(shè)計可有效節(jié)省生產(chǎn)成本，實現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的一致性，節(jié)省燈具機(jī)構(gòu)空間，更容易實現(xiàn)“大功率”等特點。

1 LED透鏡材料的種類及其優(yōu)缺點

到目前為止透鏡材料主要有以下幾種：硅膠透鏡；PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）；PC（聚碳酸酯）；玻璃透鏡。

（1）硅膠透鏡。由于固態(tài)硅膠較難加工，生產(chǎn)周期比較長，故應(yīng)用較多的一般為液態(tài)硅膠。①因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用來直接封裝在LED芯片上。②一般硅膠透鏡體積較小，直徑3～10mm，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸比較大時，不適宜用液態(tài)硅膠做透鏡材料，緊固與加工使用都存在問題；

（2）PMMA透鏡。① 光學(xué)級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）。②塑料類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率高（3mm厚度時穿透率93%左右）；缺點：溫度不能超過80°（熱變形溫度92°）。

（3）PC透鏡。①光學(xué)級料Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯。②塑料類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率稍低（3mm厚度時穿透率89%左右）；缺點：溫度不能超過110°（熱變形溫度135°）。

（4）玻璃透鏡。光學(xué)玻璃材料，優(yōu)點：具有透光率高(3mm厚度時穿透率97%)、耐溫高等特點;缺點：體積大質(zhì)量重、形狀單一、易碎、批量生產(chǎn)不易實現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。不過目前此類生產(chǎn)設(shè)備的價格高昂，短期內(nèi)很難普及。

目前，業(yè)內(nèi)對二次配光透鏡主要采用注塑的方式進(jìn)行生產(chǎn)，綜合價格與生產(chǎn)實際考慮，主要采用PMMA和PC材質(zhì)的透鏡，下面全文主要根據(jù)不同的使用要求對以上兩種材質(zhì)進(jìn)行對比說明。

2 二次透鏡使用環(huán)境及要求

根據(jù)燈具的使用環(huán)境不同主要分為以下幾種環(huán)境：

（1）室內(nèi)燈具透鏡。室內(nèi)燈具透鏡主要對透光性、熱穩(wěn)定性、密度、折射率均勻性、折射率穩(wěn)定性、吸水性、混濁度、最高長期工作溫度等有嚴(yán)格的要求；對于室內(nèi)燈具燈具一般的使用環(huán)境溫度較恒定，室內(nèi)溫度為20℃（除過高溫環(huán)境），LED燈具節(jié)溫要求控制在85℃以下，燈具腔體內(nèi)與透鏡直接接觸點溫度在控制在75℃以下。

（2）室外燈具透鏡。室外燈具主要對透光性、熱穩(wěn)定性、密度、折射率均勻性、折射率穩(wěn)定性、吸水性、混濁度、最高長期工作溫度以外，對抗UV（紫外線）及風(fēng)沙方面也有很高的要求；對于室外燈具，在夏季戶外的溫度一般都比較高，局部溫度可以達(dá)到40℃左右，再加上戶外燈具功率一般都比較大，燈具內(nèi)部與透鏡接觸部分的溫度會很高；還有隨著LED燈芯技術(shù)的發(fā)展，在滿足燈具壽命的前提下，LED的燈芯節(jié)溫現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到125℃左右，故燈具墻體內(nèi)與透鏡接觸處溫度在最高環(huán)境溫度下可以達(dá)到110℃左右。

3 二次配光透鏡的設(shè)計、加工與生產(chǎn)

現(xiàn)階段，設(shè)計和生產(chǎn)相應(yīng)的透鏡產(chǎn)品，只需要選擇合適的顆粒料，直接注塑加工成型，就可以得到想要的產(chǎn)品。

設(shè)計時根據(jù)不同廠家材料的物性表，可以進(jìn)行折射率等相關(guān)光學(xué)參數(shù)設(shè)定，兩種材料均可滿足配光設(shè)計的需求；根據(jù)材料物性表可以看出，PC料與PMMA料除過透光率和熱變形溫度之外，其它指標(biāo)都可以根據(jù)選用材料的不同來做相應(yīng)的設(shè)計該進(jìn)，調(diào)整都可以滿足使用。 PC材料的透光率88%，溫度不能超過 110℃，PMMA材料的透光率 93%，溫度不能超過80℃。

作為燈具產(chǎn)品來說，最主要的性能是產(chǎn)品的燈具的發(fā)光效率（光效）與可靠性，故透鏡材料透光率的高低將會直接影響燈具的效率，在LED來說5%的效率將會對燈具品質(zhì)造成很大的影響。

兩種材料都是直接采用注塑機(jī)注塑成型，對生產(chǎn)設(shè)備要求，以及生產(chǎn)難易程度，價格成本基本上一致；唯一不同的是，透鏡成品將來固定方式的選擇也會影響到透鏡的材質(zhì)。

目前LED的固定方式主要有膠粘和螺釘固定兩種，對于膠粘來說，PC與PMMA的材料都可以用；但是對于螺釘式固定，由于PMMA材質(zhì)的透鏡比較脆，特別是薄壁透鏡，稍微用力就會將透鏡弄列，故透鏡的壁厚和固定方式也會對材料的選擇產(chǎn)生影響。

故在使用環(huán)境溫度低于80℃的情況下，盡量使用透光率高的透鏡（PMMA）；當(dāng)最高使用環(huán)境溫度高于80℃時，必須采用耐溫高的PC材質(zhì)的透鏡。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段LED二次透鏡材料主要有PC和PMMA兩種，根據(jù)每款燈具的要求與使用環(huán)境選擇合適的透鏡材料是燈具可靠性的必要保證。希望隨著科學(xué)的發(fā)展，在二次配光透鏡上可以采用更加經(jīng)濟(jì)實惠的材料。