LED透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)揭秘——TIR家族
文 | 蔣超澤
編輯手記
對于非專業(yè)人士認(rèn)知的配光而言，大都會問的一個(gè)問題就是：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，這種情況多少都會有漏網(wǎng)之魚沒通過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。孰優(yōu)孰劣？看需求定。閑話少扯，下面來個(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，反光杯的光型是沒有 TIR 透鏡出來的光型那么銳利的（簡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)里不存在萬能的產(chǎn)品，有的是針對性配合光學(xué)和針對性的應(yīng)用。
下面我們在 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，不過相比前面的聚光透鏡它的cd/lm相對會低一點(diǎn)，角度也會稍寬一些。這里光學(xué)的應(yīng)用也主要是投光，射燈等。兩者沒有誰好誰壞，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，混光效果會更好，相比眩光控制效果也會更佳，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 看起來有點(diǎn)像某種“飛行昆蟲的眼睛”，一般來說不會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，不同光學(xué)設(shè)計(jì)的透鏡是滿足不同場景應(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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