LED照明装置中的光学透镜

LED照明装置中的光学透镜

史敏峰 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心

光学透镜是LED照明装置中的重要元件之一，其对出射光线的配光图案有重要影响，也是影响整个照明装置的照明效果的重要因素之一。本文按照构型对光学透镜进行了分类介绍，以期读者对于光学透镜具有更多的了解。

LED；照明；光学透镜

1.LED照明装置

LED由于其低功耗、高发光效率、长寿命等特点，在照明领域中具有越来越广泛的应用，逐步渗透到了各个行业领域，尤其在近几年国家节能减排的倡导下，更有了飞速的发展。LED照明装置通常有LED芯片，覆盖该芯片的反光杯和/或光学透镜组成。根据不同的使用环境下不同的照明需求，除了对LED的亮度、色温的特定配置外，对反光杯和/或光学透镜的光学设计也是很关键的因素，通过合理的优化设计，可以使得出射光束获得相应的配光效果。相对于反光杯，光学透镜的光路更为复杂，其设计也相对更多变、灵活，通过不同的光学透镜设计，能够满足不同的照明需求，本文将对具有不同配光效果的一些LED用光学透镜进行介绍。[1]

2.光学透镜

LED芯片本身的体积很小，发光角较大，如果直接用来照明，其光强分布则大致呈正态分布，即所形成的光斑的中心部光强大、亮度高，边缘部光强小、亮度低，这样的照明效果在很多场合是无法满足使用需求的。因此在使用时，为了达到预期的照明效果，通常会配合光学透镜来对出射光进行调制。光学透镜，是指设置在光源的出光方向上的、对通过其的光束进行约束、改变的光学元件。通过光学透镜的使用，能够丰富LED光源的照明效果，满足不同的使用需求。从光学透镜的构型上大致包括以下类型：

（1）棱柱型

图1

图1为一种典型的棱柱型光学透镜，其设置在LED110的正上方具有多个棱柱组成的光学透镜130，借助相邻的棱柱面上的连续反射，该光学透镜通过全内反射使光线在发光轴CL从LED光源射出。这样，由于光线在光学透镜的周边射出，明亮的中心点将会被消除或减弱。其他形式的棱柱型光学透镜例如还包括多个棱柱平行排列、弯曲排列等等。

（2）非连续表面型

这一类型的光学透镜，其出射和/或入射表面为非连续的结构化表面，例如菲涅尔型表面。图2中的标记3所指为常见的一种非连续表面型光学透镜，其中心部分为球面透镜，边缘部分则进行了菲涅尔结构化，通过对光线的折、反射，使得相同口径下光学透镜的聚光力得到提升，出射光的方向性更好，并且整个装置能够薄化。

图2

（3）非对称型

非对称型透镜，能够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。如图3所示，这种类型的光学透镜通过偏置的、非对称分布的光学透镜，使得光的出射方向偏转，使得照明区域主要分布在发光元件光轴一侧，尤其适合于需要将光束偏转照射的场合，例如路灯、洗墙灯等。

图3

（4）球型透镜

这类型的光学透镜通常为中心轴对称形状，透镜出射面为可以为旋转对称的圆弧面，通过合适的参数优化，能够实现等光强出射，尤其适合点光源的配光。这一类型的光学透镜设计方法相对直观，计算简便，设计目标角度选择余地较大，在航标灯、交通灯等信号指示灯或室内照明等需要实现均匀光强分布领域具有良好的应用前景。另外，如果将光出射面设置为不连续的曲面，还可实现多区域的照明效果。

（5）微透镜阵列型

由于单个LED功率上的不足，常规的照明装置都采用多个LED。而多个LED由于空间上不可避免的间隔分布，容易造成照明时出射光的不均匀，甚至可能形成较为显著的明暗变化的配光图案，这在道路照明中尤为不利的。图4所示是一种微透镜阵列型光学透镜，其以二维的形式布置在光学透镜的内表面上，能够改善LED数量较多的发光装置的发光强度分布，提供照度均匀的照明效果。

图4

（6）圆柱型

现代的室内装修中，人们对LED灯具提出了越来越高的要求，LED灯具不再简单地作为一种照明用具，而是希望LED灯具所发出的光构成的图案能是一件艺术品，为此，将LED芯片发出的光线转换成接近于平行光束射出也成为了常见的需求之一。图5所示的是一种圆柱型的光学透镜，其通过横置于LED之上，能够将近似点状光源的LED所发出的光以接近于平行线状的光束射出。另外，这样的将点光源转换为线状光束出射的光学透镜在其他领域中也多有应用，例如常见的条码扫描装置。

图5

3.结束语

光学透镜作为LED照明装置的一个重要部件，在整个系统中发挥着重要的作用。基于不同的使用环境，具有不同的设计方式。笔者以构型为出发点，对光学透镜进行了简要的介绍、分析。在实际使用中，很可能单一的光学透镜无法满足使用需求，多种光学透镜的复合使用也是常见的做法，但作用原理与单光学透镜相同，都是通过对光束的折射来将光束约束至预定方向或形成预定图案。

[1]刘全恩.电视技术[J].LED原理、术语、性能及应用，2012，36（24）：46-53.

史敏峰（1978—），男，硕士，审查员，主要从事光学领域的发明专利审查。