LED透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)揭秘——TIR家族

文 | 蔣超澤

編輯手記

對(duì)于非專業(yè)人士認(rèn)知的配光而言,，大都會(huì)問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題就是：反射器和透鏡都有啥區(qū)別,？有個(gè)比較形象的比喻就是：反光杯是把光源發(fā)出的光反射出去，這種情況多少都會(huì)有漏網(wǎng)之魚沒通過(guò)反射就直接跑出去了,；而透鏡就是把光源發(fā)出的光都吞進(jìn)去,，消化了之后再吐出來(lái)。孰優(yōu)孰劣,？看需求定,。閑話少扯，下面來(lái)個(gè)揭秘,。

標(biāo)準(zhǔn)的透鏡最經(jīng)典的就是圓錐形透鏡,，這些透鏡很大一部分依賴于全內(nèi)透反射所以稱之為TIR（Total Internal Reflection）透鏡。通常 TIR 透鏡是軸對(duì)稱設(shè)計(jì)提供一個(gè)漂亮的圓形光斑,，既可以組合成多顆 LED 成為陣列透鏡也可以單顆加支架以方便安裝和控光,。

TIR透鏡 VS 反光杯

其實(shí)兩者的基本工作原理都是相同的，但是 TIR 透鏡相比而言具有更大的控制權(quán),，因?yàn)?TIR 透鏡的每條光線都經(jīng)過(guò)控制利用,，而反光杯的很大一部分光是不接觸反射面不受控制的，這個(gè)在小角度光學(xué)里面很容易看出來(lái)，反光杯的光型是沒有 TIR 透鏡出來(lái)的光型那么銳利的（簡(jiǎn)而言之也就是反光杯的副光斑更大）,。

透鏡的類型：

圖：從左到右:  1,、真正聚光(-RS), 2,、柔和聚光 (-SS), 3,、擴(kuò)散聚光 (-D), 4、中角度(-M/-M2), 5,、橢圓角度 (-O),，6、大角度 (-W/-WW/-WWW),。

不同的光學(xué)性能使用不同的 TIR 透鏡,，而透鏡的尺寸和 LEDs 燈珠直接影響光學(xué)性能的，所以沒有明確先提條件而談角度,、光強(qiáng)和效率都是不準(zhǔn)確的,，良好的光學(xué)設(shè)計(jì)必須跟 LEDs 燈珠的光分布完美的配合才能得到良好的光學(xué)效果。在專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)里不存在萬(wàn)能的產(chǎn)品,，有的是針對(duì)性配合光學(xué)和針對(duì)性的應(yīng)用,。

下面我們?cè)?TIR 透鏡家族里面好好分析下每種不同的光學(xué)：

真正的聚光透鏡（-RS）

在透鏡家族里面這類透鏡是最聚光的，目的是取得高的cd/lm(峰值光強(qiáng))但也會(huì)導(dǎo)致缺失部分混光性能,，這類透鏡很容易辨認(rèn),，一般都是表面晶瑩通透透，部分還可能是中空,。應(yīng)用這一類透鏡的主要方向包括：投光燈,、聚光燈、遠(yuǎn)距離洗墻燈等,。案例比如橋梁照明,、高層樓宇照明、室內(nèi)射燈等,。

柔和的聚光透鏡-SS

可以從下圖與前面的對(duì)比看看,，這一類透鏡與聚光透鏡的最大不同就是表面做了柔光處理，從而能取得更好的光質(zhì)量分布,，不過(guò)相比前面的聚光透鏡它的cd/lm相對(duì)會(huì)低一點(diǎn),，角度也會(huì)稍寬一些。這里光學(xué)的應(yīng)用也主要是投光,，射燈等,。兩者沒有誰(shuí)好誰(shuí)壞，都是為了滿足不同的光應(yīng)用需求,，魚和熊掌都是好東西,，只是應(yīng)用方向不同。

擴(kuò)散聚光透鏡（-D- ）

請(qǐng)先看下圖，這類有著擴(kuò)散表面設(shè)計(jì)的透鏡在三款聚光透鏡中光分布是最平滑的,，相比而言,，cd/lm取得的峰值光強(qiáng)比有著柔光面設(shè)計(jì)的透鏡稍低一點(diǎn)，但是兩者的角度差不多,。由于它的表面是擴(kuò)散面處理,，混光效果會(huì)更好，相比眩光控制效果也會(huì)更佳,，所以這款的應(yīng)用洗墻燈和中端距離的投光燈,、聚光燈效果都是杠杠的。

中角度透鏡（-M/M2）

這類透鏡的光分布效果介于聚光透鏡和大角度透鏡之間,，表面有小小的“枕形”表面設(shè)計(jì),，如果里面放上一顆 LED 看起來(lái)有點(diǎn)像某種“飛行昆蟲的眼睛”，一般來(lái)說(shuō)不會(huì)有粗糙的漫反射表面,。應(yīng)用很廣,，各種各樣的燈具都可能用到，光分布均勻,。

橢圓光型透鏡(-O/ -O-90)

這一類透鏡在建筑洗墻燈,、廣告燈箱照明等應(yīng)用最為廣泛。橢圓的光分布是表現(xiàn)為某個(gè)軸向光分布非常的寬,，而另一個(gè)軸向則為細(xì)小光角度,。目的很簡(jiǎn)單，光型就代表了一切,，寬的是為了C0-C180°光分布覆蓋面廣和均勻,，窄的軸向C90-C270°光分布是為了把光鋪的更遠(yuǎn)。這類透鏡還有自帶偏轉(zhuǎn)角的版本,，方便燈具不能調(diào)整的洗墻燈應(yīng)用,。

大角度透鏡（-W-W4）

這一類屬于 TIR 家族透鏡里面的大角度范疇，從40°到80°中間再細(xì)分為多個(gè)角度檔次,，角度越大意味著光分布就越廣,。這些類型透鏡的標(biāo)準(zhǔn)一般有比較粗糙的漫反射表面，但有些透鏡會(huì)有中型“枕形”表面或者曲面,，又或者兩者都可以能有,。這類透鏡的應(yīng)用也是非常廣泛的等。

蔣 超澤

芬蘭LEDil 中國(guó)副總經(jīng)理

光學(xué)工程師

云知光照明微課堂 專欄作者

云知光照明學(xué)院 特約講師

上文介紹了 TIR 透鏡家族光學(xué)差異的不同成員,，廣泛應(yīng)用于投光,、聚光、橢圓光型等燈具,。不得不說(shuō),，不同光學(xué)設(shè)計(jì)的透鏡是滿足不同場(chǎng)景應(yīng)用燈具的關(guān)鍵,，而能達(dá)到不同效果的 TIR 透鏡設(shè)計(jì)原理您知道嗎？

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