LED照明裝置中的光學透鏡

LED照明裝置中的光學透鏡

史敏峰 國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心

光學透鏡是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。本文按照構型對光學透鏡進行了分類介紹，以期讀者對于光學透鏡具有更多的了解。

LED；照明；光學透鏡

1.LED照明裝置

LED由于其低功耗、高發光效率、長壽命等特點，在照明領域中具有越來越廣泛的應用，逐步滲透到了各個行業領域，尤其在近幾年國家節能減排的倡導下，更有了飛速的發展。LED照明裝置通常有LED芯片，覆蓋該芯片的反光杯和/或光學透鏡組成。根據不同的使用環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/或光學透鏡的光學設計也是很關鍵的因素，通過合理的優化設計，可以使得出射光束獲得相應的配光效果。相對于反光杯，光學透鏡的光路更為復雜，其設計也相對更多變、靈活，通過不同的光學透鏡設計，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用光學透鏡進行介紹。[1]

2.光學透鏡

LED芯片本身的體積很小，發光角較大，如果直接用來照明，其光強分布則大致呈正態分布，即所形成的光斑的中心部光強大、亮度高，邊緣部光強小、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，為了達到預期的照明效果，通常會配合光學透鏡來對出射光進行調制。光學透鏡，是指設置在光源的出光方向上的、對通過其的光束進行約束、改變的光學元件。通過光學透鏡的使用，能夠豐富LED光源的照明效果，滿足不同的使用需求。從光學透鏡的構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透鏡，其設置在LED110的正上方具有多個棱柱組成的光學透鏡130，借助相鄰的棱柱面上的連續反射，該光學透鏡通過全內反射使光線在發光軸CL從LED光源射出。這樣，由于光線在光學透鏡的周邊射出，明亮的中心點將會被消除或減弱。其他形式的棱柱型光學透鏡例如還包括多個棱柱平行排列、彎曲排列等等。

（2）非連續表面型

這一類型的光學透鏡，其出射和/或入射表面為非連續的結構化表面，例如菲涅爾型表面。圖2中的標記3所指為常見的一種非連續表面型光學透鏡，其中心部分為球面透鏡，邊緣部分則進行了菲涅爾結構化，通過對光線的折、反射，使得相同口徑下光學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，這種類型的光學透鏡通過偏置的、非對稱分布的光學透鏡，使得光的出射方向偏轉，使得照明區域主要分布在發光元件光軸一側，尤其適合于需要將光束偏轉照射的場合，例如路燈、洗墻燈等。

圖3

（4）球型透鏡

這類型的光學透鏡通常為中心軸對稱形狀，透鏡出射面為可以為旋轉對稱的圓弧面，通過合適的參數優化，能夠實現等光強出射，尤其適合點光源的配光。這一類型的光學透鏡設計方法相對直觀，計算簡便，設計目標角度選擇余地較大，在航標燈、交通燈等信號指示燈或室內照明等需要實現均勻光強分布領域具有良好的應用前景。另外，如果將光出射面設置為不連續的曲面，還可實現多區域的照明效果。

（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透鏡，其以二維的形式布置在光學透鏡的內表面上，能夠改善LED數量較多的發光裝置的發光強度分布，提供照度均勻的照明效果。

圖4

（6）圓柱型

現代的室內裝修中，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燈具所發出的光構成的圖案能是一件藝術品，為此，將LED芯片發出的光線轉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透鏡，其通過橫置于LED之上，能夠將近似點狀光源的LED所發出的光以接近于平行線狀的光束射出。另外，這樣的將點光源轉換為線狀光束出射的光學透鏡在其他領域中也多有應用，例如常見的條碼掃描裝置。

圖5

3.結束語

光學透鏡作為LED照明裝置的一個重要部件，在整個系統中發揮著重要的作用。基于不同的使用環境，具有不同的設計方式。筆者以構型為出發點，對光學透鏡進行了簡要的介紹、分析。在實際使用中，很可能單一的光學透鏡無法滿足使用需求，多種光學透鏡的復合使用也是常見的做法，但作用原理與單光學透鏡相同，都是通過對光束的折射來將光束約束至預定方向或形成預定圖案。

[1]劉全恩.電視技術[J].LED原理、術語、性能及應用，2012，36（24）：46-53.

史敏峰（1978—），男，碩士，審查員，主要從事光學領域的發明專利審查。