80年前的专利引发的LED透镜设计思考

每当夜幕降临，城市街道灯光辉煌，人声鼎沸。夜晚是灯的世界，栩栩如生的金鱼灯、形象逼真的荷花灯、古朴典雅的官灯……灯是落在凡间的精灵，是天上闪着的明星。灯被发明以来，人们为了追求更适宜的照明效果不断设计各式各样的照明系统，全内反射透镜就是其中鲜明一例。

图 花灯：后羿射日 图片来源：中国文明

TIR透镜演变历史

全内反射透镜最初被称为折反射透镜，又称TIR透镜。TIR透镜在探照灯、手电筒等照明系统中广泛使用，利用折射和反射面型的合理结构，使光源出射角近乎准直。TIR透镜是目前LED照明领域应该最广泛的照明元件。但其并非最近几年才被发明出来，其实早在近80年前，已经有人对其申请了相关的专利。

TIR透镜到底是怎么被一步步设计出来的呢？让我们追溯前辈们设计的思路，看看能否对你的设计带来灵感。

早在1937年，Lawrence Harris就已经设计出了具备基本准直功能的折射反射透镜。最初，他的设计仅仅包含全反射的原理，如图1所示，将光源置于抛物面型反射面焦点（即标记2处），光线3经过抛物面1的反射会以4方向出射，平行与光轴5。但是这样的系统无法准直角度小于光线6的光线。

图1

图 2

后来，Lawrence Harris发现运用折射原理可以准直小角度光线。如图2所示，当光源被置于椭球体一个焦点13处时，光源发射光线经过另外焦点所在半球任一点（如15点时），光线会被准直，平行与光轴出射（如17）。

但是上述两种系统难以组合到一起，于是新的系统外形又被设计出来，如图3所示。7弧线仍为抛物面，11点为抛物面焦点，9面为一段以11为焦点的半圆，光线经过半圆面方向不会发生改变，经过抛物面发生全反射，出射光线光路与图1所示系统相似。

图3

图4

将图2与图3系统结合，构成图4所示系统。23同时为抛物线24，以及椭圆22的焦点，光源置于23所在位置，则光线无论出射至抛物面、椭圆面都可以被准直，图1所示问题得到基本解决。但是并不是所有角度的光都可以被准直，光线如果出射到如图5所示27位置时就无法实现平行光出射。

图5

图6

为了使27位置处可以出射平行光，通过将27旋转一定角度到使其延长线交过焦点29达到图6所示31位置，经过抛物面28全反射后的光线在通过倾斜面31的折射后可以平行出射。

图 7

由于1937年多使用白炽灯作用光源，全球域发光，Lawrence Harris延长了圆弧29的长度，并且在抛物面以及延长圆弧面部分添加了金属材料，使光源光线尽可能多的被反射到同一个出射面。并且通过图7可知，这种折射反射透镜出射的光线在d、e区域亮度差别明显，在d、e两个区域内部亮度也由中心向边缘处递减。

Lawrence Harris又在图4、图6的基础上进行了很多优化，但是都是受当时光源的限制，设计出的透镜很多已经被逐渐淘汰。

图8

图9

图8与图9设计的目的是针对当时光源会向各方向发射光线，提高光强利用率所做的改进，但是对于现代LED等光源而言上述设计已经没有必要。

图10

图11

图10已经非常接近现代TIR透镜。图11在图10基础上对于部分边缘光线做了优化，使样条曲线88边缘处光线可以在出射面86发生全反射返回抛物曲面89，但是全反射回去光线无法在抛物面89面准直，会折射出该系统，造成光能的浪费。其实对于现代TIR透镜设计而言，图11的优化没有必要，可以通过拉近曲面88或者缩小抛物面89张角都可以实现。受限于当时光源尺寸，上述优化具有一定时代局限性，但是根据光源实际设计、创新的精神值得我们借鉴。

TIR透镜用于LED照明

现代TIR透镜主要基于LED光源进行设计。LED在通用照明条件下,发光面积小，便于二次光学的设计，可以解决传统光源一直无法进行有效光学设计来获得精确配光的问题。现代光学设计软件提供光线的追踪，配光曲线分析等功能，为光学设计提供了更多的便利。

图 12

同时，人们对于TIR透镜的照明匀光性能、外形美观等方面提出新的需求。于是TIR透镜又衍生出在透镜全反射面或者出射面添加各种微结构，满足不同应用需求。

图 13使用TracePro软件添加微结构

图13在TIR透镜侧面添加鳞甲面不仅可以丰富造型，达到美观的目的，还可以起到匀光的作用。鳞甲面的种类多样，不同的鳞甲可以赋予系统不同的光学性能。图13还在出射面添加珠面，起到匀光的效果，解决了磨砂面降低出光强度的弊端。

全反射结构LED非球面透镜配合表面微结构，出射光斑能量利用率可达到90%以上，照度均匀性与色均匀性表现都非常优秀。以开玄光电和慧炬光电子联合设计的大功率彩色LED射灯微结构透镜为例对比实际出光效果，真彩图如下：

图15 开玄光电和慧炬光电子联合设计的大功率彩色LED射灯微结构透镜

纵观TIR透镜的发展历史、设计改进的过程，我们不难发现新的突破往往在早期研究的原始资料中有所体现。虽然这份专利已经有近80年的历史，但我们仍然能从中得到一些设计灵感和启发。