LED灯具设计之透镜认识
LED灯具配光知识
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LED灯具配光知识
• LED灯具配光基础知识 • LED灯具配光技术 • LED灯具配光应用 • LED灯具配光性能评价 • LED灯具配光发展趋势与挑战
01
LED灯具配光基础知识
配光定义与重要性
配光定义
配光是指灯具发出的光线在空间 中的分布情况，包括光线的投射 角度、范围、亮度等特性。
配光的重要性
失真评价
总结词
失真是指LED灯具的实际配光曲线与理想配光曲线的偏差程度。
详细描述
失真评价关注LED灯具在实际使用过程中，其光线分布是否与预期一致。失真小的LED灯具，其光线 分布更接近理想状态，能够更好地满足照明需求。
色偏评价
总结词
色偏是指LED灯具发出的光线与标准色温 的偏差程度。
VS
详细描述
侧光配光
光线从侧面投射到目标区域， 常用于营造立体感和层次感。
窄角配光
光线覆盖较小的角度，适用于 局部重点照明。
配光标准与规范
01
国际照明委员会（CIE）标准
制定了一系列关于照明和配光的标准，为行业提供了指导和规范。
02
国家标准
各国根据自身实际情况制定了相应的照明和配光标准，如中国的《建筑
照明设计标准》（GB50034）。
详细描述
配光均匀性好的LED灯具，其灯光照 射范围内的亮度分布较为均匀，没有 明显的暗区和亮区。这样可以更好地 满足照明需求，提高照明质量。
眩光评价
总结词
眩光是指由于光线过亮或分布不均，导致人眼观察到刺眼或不舒服的现象。
详细描述
LED灯具的眩光评价主要关注其眩光等级和眩光控制能力。眩光等级低的LED灯具，光线柔和，不易引起人眼不 适；而眩光控制能力强的LED灯具，能够更好地抑制刺眼光线，提高照明舒适度。
LED灯具设计之透镜认识
LED灯具设计之透镜认识对于非专业人士认知的配光而言，大都会问的一个问题就是：反射器和透镜都有啥区别有个比较形象的比喻就是：反光杯是把光源发出的光反射出去，这种情况多少都会有漏网之鱼没通过反射就直接跑出去了；而透镜就是把光源发出的光都吞进去，消化了之后再吐出来。
孰优孰劣看需求定。
闲话少扯，下面来个揭秘。
标准的透镜最经典的就是圆锥形透镜，这些透镜很大一部分依赖于全内透反射所以称之为TIR（Total Internal Reflection）透镜。
通常 TIR 透镜是轴对称设计提供一个漂亮的圆形光斑，既可以组合成多颗 LED 成为阵列透镜也可以单颗加支架以方便安装和控光。
TIR透镜 VS 反光杯其实两者的基本工作原理都是相同的，但是 TIR 透镜相比而言具有更大的控制权，因为 TIR 透镜的每条光线都经过控制利用，而反光杯的很大一部分光是不接触反射面不受控制的，这个在小角度光学里面很容易看出来，反光杯的光型是没有 TIR 透镜出来的光型那么锐利的（简而言之也就是反光杯的副光斑更大）。
透镜的类型：图：从左到右:1、真正聚光(-RS),2、柔和聚光 (-SS),3、扩散聚光 (-D),4、中角度(-M/-M2),5、椭圆角度 (-O)，6、大角度 (-W/-WW/-WWW)。
不同的光学性能使用不同的TIR透镜，而透镜的尺寸和 LEDs 灯珠直接影响光学性能的，所以没有明确先提条件而谈角度、光强和效率都是不准确的，良好的光学设计必须跟 LEDs 灯珠的光分布完美的配合才能得到良好的光学效果。
在专业的光学设计里不存在万能的产品，有的是针对性配合光学和针对性的应用。
下面我们再 TIR 透镜家族里面好好分析下每种不同的光学：真正的聚光透镜（-RS）在透镜家族里面这类透镜是最聚光的，目的是取得高的cd/lm(峰值光强)但也会导致缺失部分混光性能，这类透镜很容易辨认，一般都是表面晶莹通透透，部分还可能是中空。
应用这一类透镜的主要方向包括：投光灯、聚光灯、远距离洗墙灯等。
详解LED用透镜相关知识点
专题详解LED用透镜相关知识点透镜基本概念透镜是根据光的折射规律制成的。
透镜是由透明物质（如玻璃、水晶等）制成的一种光学元件。
透镜是折射镜，其折射面是两个球面（球面一部分），或一个球面（球面一部分）一个平面的透明体。
它所成的像有实像也有虚像。
透镜一般可以分为两大类：凸透镜和凹透镜。
中央部分比边缘部分厚的叫凸透镜，有双凸、平凸、凹凸三种；中央部分比边缘部分薄的叫凹透镜，有双凹、平凹、凸凹三种。
LED透镜一般为硅胶透镜，因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。
一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。
并且LED透镜一般与LED紧密联系在一起，它有助于提升LED 的出光效率、透镜改变LED的光场分布的光学系统。
LED透镜即与LED紧密联系在一起的有助于提升LED的出光效率、改变LED的光场分布的光学系统。
大功率LED透镜/反光杯主要用于大功率LED冷光源系列产品的聚光，导光等。
大功率LED透镜根据不同LED出射光的角度设计配光曲线，通过增加光学反射，减少光损，提高光效(而设定的非球面光学透镜)。
下面着重讲解PMMA材料的二次聚光大功率LED透镜。
一).以材料分类1.硅胶透镜a.因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在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.塑胶类材料，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.PC透镜a.光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。
b.塑胶类材料，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.玻璃透镜光学玻璃材料，优点：具有透光率高（3mm厚度时穿透率97%）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。
LED透镜设计资料
led透镜前言：LED透镜即与LED紧密联系在一起的有助于提升LED的出光效率、改变LED的光场分布的光学系统。
其他类型的透镜如：用于照相机、望远镜等的透镜不属于本文讲解范围，本文着重讲解用于大功率LED的二次聚光透镜。
一、LED透镜的材料种类1．硅胶透镜a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在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 .塑胶类材料，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．PC透镜a. 光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。
b. 塑胶类材料，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．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：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。
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、LED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）。
基于LED光源的TIR透镜设计
基于LED光源的TIR透镜设计作者：黄煊李祥阳罗芳琳来源：《智富时代》2019年第10期【摘要】为了提高LED灯具的发光效率和照明系统的光能利用率，本文研究了一种基于自由曲面的能对光源进行准直的TIR透镜设计，使用Lighttools软件设计了一个全内反射透镜模型，通过对透镜曲面的参数进行优化，达到效果最佳的出光效果。
【关键词】LED;TIR透镜;优化1.引言1.1 LED的发展背景近年来，各个国家和行业都花费了大量的人力、财力资源在发光二极管及其灯具的研究和发展应用上。
与传统的光源相比，LED作为第四代照明光源和绿色光源，它具有效率高、节能环保、寿命长、可靠性强等优点、广泛应用于各种指示器件、显示器件、装饰器件、户外照明器件、背光板等领域。
大功率LED是第四代光源的代表，普通大功率LED发光效率很高，是白炽灯的八倍，荧光灯的两倍多，这就意味着在满足相同的光照时可以节约大量的电能，降低了耗能成本。
1.2 研究背景实际生活中，LED发光亮度比较低，并且发散角比较大，一般不能直接用于光學系统中，而是经过二次光学系统设计，也就是经过一个TIR透镜汇聚并准直后，才能应用于照明器件中。
由于TIR透镜具有减小光束发散角度实现准直的作用，所以它在实际应用中的用处很大。
在微型投影系统中，TIR透镜结构的优化设计是关键，它的光束收集整形能力从很大程度上决定了系统的光能利用率和均匀度。
在LED微型投影仪照明系统中，以系统光能利用率和照明均匀性构建评价函数，采用光纤追迹和结构优化相结合的方法，对TIR透镜进行优化设计，将大角度扩展光束压缩到小角度范围以内，并且使得投影屏幕达到一定的照明均匀性。
2.结构原理TIR透镜的设计基于全内反射的原理，透镜由4部分组成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。
透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120°（水平方向）以及Y方向60°（垂直方向）的光度分布。
led灯透镜光角规格
LED灯透镜的光角规格通常是根据不同的应用和需求而定制的。
一般来说，光角的大小可以影响LED灯透镜的聚光效果和光斑分布。
在选择LED灯透镜的光角规格时，需要考虑LED灯珠的尺寸、发光角度、色温等因素，同时也要考虑应用场景的具体需求。
一般来说，常见的LED灯透镜光角规格有15度、30度、45度、60度等。
其中，15度和30度属于小角度聚光灯，适合用于近距离、高密度的应用场景，如LED广告招牌灯等；45度和60度属于大角度聚光灯，适合用于远距离、低密度的应用场景，如LED路灯等。
此外，LED灯透镜的光角还可以分为前向投射光角和后向反射光角。
前向投射光角是指LED发出的光线直接照射到物体上，形成清晰成像的角度；后向反射光角是指LED发出的光线经过反射后再照射到物体上，形成泛光的效果。
不同的光角规格会对成像效果和泛光效果产生不同的影响，因此需要根据具体的应用需求来选择合适的LED灯透镜光角规格。
凸透镜led灯在光屏成像规律
凸透镜led灯在光屏成像规律
凸透镜是一种光学元件，它可以用来聚焦光线或改变光线的传播方向。
LED灯是一种发光二极管，它能够发出可见光。
当LED灯放置在凸透镜的一侧时，光线会被凸透镜折射和聚焦，形成一个光屏。
在这个过程中，有一些光学规律需要考虑：
1. 折射规律，根据折射定律，光线在从一种介质到另一种介质时会发生折射。
当光线从空气射入凸透镜时，会发生折射，根据折射定律可以计算出光线的折射角。
2. 聚焦规律，凸透镜能够将入射光线聚焦到焦点上。
根据透镜公式可以计算出凸透镜的焦距和物距的关系，从而确定光线在光屏上的成像位置。
3. 成像规律，根据光学成像的规律，可以确定LED灯在光屏上的成像大小、位置和形状。
成像的清晰度和亮度受到光源、凸透镜的曲率和材质等因素的影响。
总的来说，凸透镜LED灯在光屏成像的规律涉及到折射规律、聚焦规律和成像规律，需要综合考虑光学原理和凸透镜LED灯的特
性来进行分析和计算。
这些规律对于设计和优化光学系统具有重要的指导意义。
自由曲面LED准直透镜设计
自由曲面LED准直透镜设计作者：杜国红吴一新陈亮杜罡刘杨石岩来源：《山东工业技术》2016年第05期摘要：LED作为下一代的主流光源拥有各种传统光源无可替代的优势。
但是由于独特的发光机理，在使用LED光源时需要为其重新进行光学设计来满足实际的照明需求，而准直照明是其中的重要部分。
LED准直透镜对光线准直度有着重要的影响，合理的透镜结构有利于提升LED照明光源的二次配光。
本文将自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，综合其各个方面的优点，非常适合LED准直透镜设计。
关键词：自由曲面；光学设计；LED；准直透镜DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.05.2540 引言LED作为第四代照明光源，拥有诸多的优点，被应用在许多领域。
LED光源具有体积小、效率高、响应快、易调光、色域范围宽、无汞污染、使用寿命长等特点，是一种节能环保的新型光源[1-2]。
LED透镜与LED光源一起构成完整的光学系统，透镜使用的目的是为了能够增强光的使用效率和发光效率。
因此在不同条件下，使用与之相匹配的透镜，将可以改变LED照明系统的光场分布。
LED准直透镜对光线准直度有着重要的影响，合理的透镜结构有利于提升LED照明光源的二次配光。
不同结构的LED准直光学透镜，各有特点，对LED光源的准直效果也不相同。
自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，综合其各个方面的优点，非常适合LED准直透镜设计。
本文考虑了LED的发光特性，介绍了用于LED准直自由曲面透镜设计方法，并介绍了一个设计实例。
1 自由曲面与LED准直透镜自由曲面是最复杂而又经常使用的曲面，在许多领域中很多零件的外形均为自由曲面，如：飞机机翼、汽车外形、模具工件表面等[3]。
自由曲面的求解方法主要有：剪裁法、划分网格法和SMS法。
[4]剪裁法的基本思路是利用目标面的照度分布以及光源特性等数据列出一个关于光学面形的非线性偏微分方程组，通过求解微分方程组，得到相应的光学表面。
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LED灯具设计之透镜认识
对于非专业人士认知的配光而言，大都会问的一个问题就是：反射器和透镜都有啥区别有个比较形象的比喻就是：
反光杯是把光源发出的光反射出去，这种情况多少都会有漏网之鱼没通过反射就直接跑出去了；
而透镜就是把光源发出的光都吞进去，消化了之后再吐出来。
孰
优孰劣看需求定。
闲话少扯，下面来个揭秘。
标准的透镜最经典的就是圆锥形透镜，这些透镜很大一部分依赖于全内透反射所以称之为TIR（Total Internal Reflection）透镜。
通常TIR 透镜是轴对称设计提供一个漂亮的圆形光斑，既可以组合成多颗LED 成为阵列透镜也可以单颗加支架以方便安装和控光。
TIR透镜VS 反光杯
其实两者的基本工作原理都是相同的，但是TIR 透镜相比而言具有更大的控制权，因为TIR 透镜的每条光线都经过控制利用，而反光杯的很大一部分光是不接触反射面不受控制的，这个在小角度光学里面很容易看出来，反光杯的光型是没有TIR 透镜出来的光型那么锐利的（简而言之也就是反光杯的副光斑更大）。
透镜的类型：
图：从左到右:
1、真正聚光(-RS),
2、柔和聚光(-SS),
3、扩散聚光(-D),
4、中角度(-M/-M2),
5、椭圆角度(-O)，
6、大角度(-W/-WW/-WWW)。
不同的光学性能使用不同的TIR透镜，而透镜的尺寸和LEDs 灯珠直接影响光学性能的，所以没有明确先提条件而谈角度、光强和效率都是不准确的，良好的光学设计必须跟LEDs 灯珠的光分布完美的配合才能得到良好的光学效果。
在专业的光学设计里不存在万能的产品，有的是针对性配合光学和针对性的应用。
下面我们再TIR 透镜家族里面好好分析下每种不同的光学：
真正的聚光透镜（-RS）
在透镜家族里面这类透镜是最聚光的，目的是取得高的cd/lm(峰值光强)但也会导致缺失部分混光性能，这类透镜很容易辨认，一般都是表面晶莹通透透，部分还可能是中空。
应用这一类透镜的主要方向包括：投光灯、聚光灯、远距离洗墙灯等。
案例比如桥梁照明、高层楼宇照明、室内射灯等。
柔和的聚光透镜-SS
可以从下图与前面的对比看看，这一类透镜与聚光透镜的最大不同就是表面做了柔光处理，从而能取得更好的光质量分布，不过相比前面的聚光透镜它的cd/lm相对会低一点，角度也会稍宽一些。
这里光学的应用也主要是投光，射灯等。
两者没有谁好谁坏，都是为了满足不同的光应用需求，鱼和熊掌都是好东西，只是应用方向不同。
扩散聚光透镜（-D- ）
请先看下图，这类有着扩散表面设计的透镜在三款聚光透镜中光分布是最平滑的，相比而言，cd/lm取得的峰值光强比有着柔光面设计的透镜稍低一点，但是两者的角度差不多。
由于它的表面是扩散面处理，混光效果会更好，相比眩光控制效果也会更佳，所以这款的应用洗墙灯和中端距离的投光灯、聚光灯效果都是杠杠的。
中角度透镜（-M/M2）
这类透镜的光分布效果介于聚光透镜和大角度透镜之间，表面有小小的“枕形”表面设计，如果里面放上一颗LED 看起来有点像某种“飞行昆虫的眼睛”，一般来说不会有粗糙的漫反射表面。
应用很广，各种各样的灯具都可能用到，光分布均匀。
椭圆光型透镜(-O/ -O-90)
这一类透镜在建筑洗墙灯、广告灯箱照明等应用最为广泛。
椭圆的光分布是表现为某个轴向光分布非常的宽，而另一个轴向则为细小光角度。
目的很简单，光型就代表了一切，宽的是为了C0-C180°光分布覆盖面广和均匀，窄的轴向C90-C270°光分布是为了把光铺的更远。
这类透镜还有自带偏转角的版本，方便灯具不能调整的洗墙灯应用。
大角度透镜（-W-W4）
这一类属于TIR 家族透镜里面的大角度范畴，从40°到80°中间再细分为多个角度档次，角度越大意味着光分布就越广。
这些类型透镜的标准一般有比较粗糙的漫反射表面，但有些透镜会有中型“枕形”表面或者曲面，又或者两者都可以能有。
这类透镜的应用也是非常广泛的等。