LED透镜光学设计揭秘——TIR家族

文 | 蒋超泽

编辑手记

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。

下面我们在 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。

蒋 超泽

芬兰LEDil 中国副总经理

光学工程师

云知光照明微课堂 专栏作者

云知光照明学院 特约讲师

上文介绍了 TIR 透镜家族光学差异的不同成员，广泛应用于投光、聚光、椭圆光型等灯具。不得不说，不同光学设计的透镜是满足不同场景应用灯具的关键，而能达到不同效果的 TIR 透镜设计原理您知道吗？

 

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