全反射型菲涅尔透镜-LED窄角度投光之选

菲涅尔透镜是常见的一类聚光透镜,它的一面是光面,另一面是由从小到大的同心圆环组成的结构,从剖面上看,其表面是一系列呈锯齿状的凹槽组成,中心是弧线。这样设计的好处是节省了大部分光学材料,大大减轻了透镜的重量。因而自1822年被发明以来,深受人们欢迎。

(菲涅尔透镜与等效平凸透镜,图片来源:知乎)

在窄角度投光应用上,菲涅尔透镜被广泛地使用。如今,几乎全世界的灯塔中,都有着基于菲涅尔透镜的探照灯,而航母上也安装着一套基于菲涅尔透镜的战机降落引导灯系统,该系统能够发射小角度高亮度的光束,用以指引战机安全地降落。

(欧洲某航海船舶博物馆的菲涅尔透镜,图片来源:多普光电)

(航母助降灯,图片来源:360doc个人图书馆)

(航母助降灯,图片来源:360doc个人图书馆)

传统的光源大多数是360°发光,虽然可以通过某些光学器件(如反光罩)将部分光线反射到前面一侧,但光线还是有不少损失。随着固态光源(典型的,如LED和激光光源)的发展,光只从一侧发射已经变成现实。但光源还是有着一个固定的发射面积和发射角度,如何更多地利用光线成为光学研发工程师们想方设法去解决的问题。一般地,LED面光源的发射角约120°左右,菲涅尔透镜的焦距一般都比较长,因传统的制造工艺无法做到很短的焦距,虽然能够对光线进行准直、聚光,但光线还是有着较大的损失。要解决这个问题,一方面可以从光源部分进行优化,将发射角变窄,比如将光源做成LED模组的形式,这种方案的成本相对较高。另一方面,从透镜入手,寻找到焦距足够短的光学透镜。

(焦距为140mm的玻璃菲涅尔透镜,图片来源:多普光电)

利用全反射原理的聚焦透镜能做到较短的焦距,产生窄角度光束。LED光源能够靠近透镜安装,这允许设计紧凑的灯具。当光源功率大的时候,会有较多的热辐射,这对制造透镜的材料耐温提出了高的要求。采用塑料材质的透镜,不能够很好地支持大功率光源,而采用玻璃材质的透镜,虽然耐高温,但存在制造工艺和成本上的困难。无论采取何种光学材料,对于大功率的LED光源,全反射聚焦透镜大而重。尤其是塑料的全反射聚焦透镜,在注塑时需要长时间的保压,而且较为容易缩水,导致成品的一致性不够好。

为解决以上这些问题,广州市多普光电科技有限公司(TOPLITE)的研发团队设计和发明了一种全新的全反射型菲涅尔透镜(Total Internal Reflection Fresnel Lens,以下简称反射菲涅尔透镜)。反射菲涅尔透镜是一种运用了全内反射原理以实现超短焦汇聚的光学器件。它可以支持多种类型的固态光源,如LED、激光光源、红外光源、紫外光源等。

(上:反射菲涅尔透镜,下:等效全反射聚焦透镜,图片来源:多普光电)

反射菲涅尔透镜拥有类似菲涅尔透镜的结构,透镜的一面为平面,另一面为同心圆的环形塌陷结构,其中心处为凸透镜。不同于传统菲涅尔透镜的用法,位于透镜中心线上的光源,其发出的光是从圆环侧入射的,由于透镜材料的折射率(针对不同的光源,可选择不同的材料制作透镜),光线会在圆环表面折射,在透镜的环形结构内全反射,最后从平面射出,光的传播路径像是被折叠了一样(呈Z型)。该光学设计的难点在于,使用现有的光学设计软件无法建模,无法进行光线追迹,因为并没有现成的库或数学模型来支持。多普光电(TOPLITE)的研发团队经过多年的努力,建立了一套特殊的计算方法,该计算方法能够成功地解决复杂的、异形的光学器件的建模,基于此计算方法的全反射型菲涅尔透镜获得了国家知识产权局授予的发明专利。

独特的折叠式光路(Z型光路),使反射菲涅尔透镜具有很短的焦距(例如,直径126mm的反射菲涅尔透镜,焦距仅为39mm)以及较为均匀的光输出,同时节省了大部分透镜材料,对光线的利用率更高,照明产品更容易小型化。在光路相同的情况下,光束角随光源的发光面大小而变化,当发光面较大时,光束角较大,发光面较小时,光束角则变小,最小可达1度。

(光束角随光源的发光面大小而变化,图片来源:多普光电)

创新的光学设计和超短焦的特点赋予了全反射型菲涅尔透镜独特的应用优势。灯具除了可以做得更加轻薄和紧凑之外,还可以共享一套结构外形。同一款结构外形的LED灯,用同一个尺寸的反射菲涅尔透镜,通过更换其内部的LED,这些LED具有不同的发光面,可以衍生出一系列具有不同光束角的灯,以满足各式各样的照明需求。

(相同的灯具,采用不同发光面的LED光源打出的光斑效果,图片来源,多普光电)

此外,可使用一个具备可变发光面的LED来实现电子变焦。

(反射菲涅尔电子变焦,图片来源:多普光电)

如今,对于大功率LED照明的需求变得越来越多,比较常见的一种方案是采用单颗大功率光源。功率越大,光源的发光面就越大,而且散热也是工程上面临的一个难题。一般地,当光源的发光面变得更大的时候,想维持原先的窄角度输出,同时又要保证灯具效率,在光学的匹配上会变得更加困难与复杂。如果采用反射菲涅尔透镜阵列的方式,则可以解决关键的几个问题(大功率、角度、散热、效率)。多LED和透镜阵列所输出的光束角,与同样的单LED和透镜所输出的光束角几乎保持一致,阵列中各个LED的位置保持着一定的间距,有利于散热,良好的散热保证了LED的使用效能。

(图示为5*6反射菲涅尔透镜阵列,来源,多普光电)

多普光电(TOPLITE)出品的反射菲涅尔透镜产品有:PEGGY、KULLEN和KULLEN GLASS三个系列,提供了从Φ45到Φ200mm不同的直径可选。

(图片来源,多普光电)

KULLEN GLASS是采用了高精密的玻璃模压工艺制成的反射菲涅尔透镜,其圆环结构具有更加尖锐的倾角和表面质量更佳的倾斜面,具有更优秀的光学性能。

目前,反射菲涅尔透镜已经被应用到野外和消防搜救灯、船舶探照灯、直升机探照灯、演播厅观众灯、体育场馆照明、商业照明、博物馆照明以及影视拍摄等各个领域。

多普光电(TOPLITE)将不遗余力地探索新的光学设计,为客户提供高品质的光学器件和可靠的光学解决方案。(来源:多普光电)

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