80年前的專利引發的LED透鏡設計思考

每當夜幕降臨，城市街道燈光輝煌，人聲鼎沸。夜晚是燈的世界，栩栩如生的金魚燈、形象逼真的荷花燈、古樸典雅的官燈……燈是落在凡間的精靈，是天上閃著的明星。燈被發明以來，人們為了追求更適宜的照明效果不斷設計各式各樣的照明系統，全內反射透鏡就是其中鮮明一例。

圖 花燈：后羿射日 圖片來源：中國文明

TIR透鏡演變歷史

全內反射透鏡被稱為折反射透鏡，又稱TIR透鏡。TIR透鏡在探照燈、手電筒等照明系統中廣泛使用，利用折射和反射面型的合理結構，使光源出射角近乎準直。TIR透鏡是目前LED照明領域應該廣泛的照明元件。但其并非近幾年才被發明出來，其實早在近80年前，已經有人對其申請了相關的專利。

TIR透鏡到底是怎么被一步步設計出來的呢？讓我們追溯前輩們設計的思路，看看能否對你的設計帶來靈感。

早在1937年，Lawrence Harris就已經設計出了具備基本準直功能的折射反射透鏡。他的設計僅僅包含全反射的原理，如圖1所示，將光源置于拋物面型反射面焦點（即標記2處），光線3經過拋物面1的反射會以4方向出射，平行與光軸5。但是這樣的系統無法準直角度小于光線6的光線。

圖1

圖 2

后來，Lawrence Harris發現運用折射原理可以準直小角度光線。如圖2所示，當光源被置于橢球體一個焦點13處時，光源發射光線經過另外焦點所在半球任一點（如15點時），光線會被準直，平行與光軸出射（如17）。

但是上述兩種系統難以組合到一起，于是新的系統外形又被設計出來，如圖3所示。7弧線仍為拋物面，11點為拋物面焦點，9面為一段以11為焦點的半圓，光線經過半圓面方向不會發生改變，經過拋物面發生全反射，出射光線光路與圖1所示系統相似。

圖3

圖4 

將圖2與圖3系統結合，構成圖4所示系統。23同時為拋物線24，以及橢圓22的焦點，光源置于23所在位置，則光線無論出射至拋物面、橢圓面都可以被準直，圖1所示問題得到基本解決。但是并不是所有角度的光都可以被準直，光線如果出射到如圖5所示27位置時就無法實現平行光出射。

圖5

圖6

為了使27位置處可以出射平行光，通過將27旋轉一定角度到使其延長線交過焦點29達到圖6所示31位置，經過拋物面28全反射后的光線在通過傾斜面31的折射后可以平行出射。

圖 7

由于1937年多使用白熾燈作用光源，全球域發光，Lawrence Harris延長了圓弧29的長度，并且在拋物面以及延長圓弧面部分添加了金屬材料，使光源光線盡可能多的被反射到同一個出射面。并且通過圖7可知，這種折射反射透鏡出射的光線在d、e區域亮度差別明顯，在d、e兩個區域內部亮度也由中心向邊緣處遞減。

Lawrence Harris又在圖4、圖6的基礎上進行了很多優化，但是都是受當時光源的限制，設計出的透鏡很多已經被逐漸淘汰。

圖8

圖9

圖8與圖9設計的目的是針對當時光源會向各方向發射光線，提高光強利用率所做的改進，但是對于現代LED等光源而言上述設計已經沒有必要。

圖10

圖11

圖10已經非常接近現代TIR透鏡。圖11在圖10基礎上對于部分邊緣光線做了優化，使樣條曲線88邊緣處光線可以在出射面86發生全反射返回拋物曲面89，但是全反射回去光線無法在拋物面89面準直，會折射出該系統，造成光能的浪費。其實對于現代TIR透鏡設計而言，圖11的優化沒有必要，可以通過拉近曲面88或者縮小拋物面89張角都可以實現。受限于當時光源尺寸，上述優化具有一定時代局限性，但是根據光源實際設計、創新的精神值得我們借鑒。

TIR透鏡用于LED照明

現代TIR透鏡主要基于LED光源進行設計。LED在通用照明條件下,發光面積小，便于二次光學的設計，可以解決傳統光源一直無法進行有效光學設計來獲得精確配光的問題。現代光學設計軟件提供光線的追蹤，配光曲線分析等功能，為光學設計提供了更多的便利。

圖 12

同時，人們對于TIR透鏡的照明勻光性能、外形美觀等方面提出新的需求。于是TIR透鏡又衍生出在透鏡全反射面或者出射面添加各種微結構，滿足不同應用需求。

圖 13使用TracePro軟件添加微結構

圖13在TIR透鏡側面添加鱗甲面不僅可以豐富造型，達到美觀的目的，還可以起到勻光的作用。鱗甲面的種類多樣，不同的鱗甲可以賦予系統不同的光學性能。圖13還在出射面添加珠面，起到勻光的效果，解決了磨砂面降低出光強度的弊端。

全反射結構LED非球面透鏡配合表面微結構，出射光斑能量利用率可達到90%以上，照度均勻性與色均勻性表現都非常優秀。以開玄光電和慧炬光電子聯合設計的大功率彩色LED射燈微結構透鏡為例對比實際出光效果，真彩圖如下：

圖15 開玄光電和慧炬光電子聯合設計的大功率彩色LED射燈微結構透鏡

縱觀TIR透鏡的發展歷史、設計改進的過程，我們不難發現新的突破往往在早期研究的原始資料中有所體現。雖然這份專利已經有近80年的歷史，但我們仍然能從中得到一些設計靈感和啟發。

如果想要得到此份專利的具體數據可以發郵件給我們： support@kxopt.com