透鏡的分類與進化路徑
透 鏡 的 分 類 與 進 化 路 徑
一、透鏡技術進化歷程
阿拉伯學者阿爾哈雷（Alhazen，965 - 1038）首先發明了凸透鏡，培根（R.Bacon, 1214 - 1294）提出采用透鏡組構成望遠鏡的可能性，并描述了透鏡焦點的位置。阿瑪蒂（Armati）發明了眼鏡。波特（G.B.D.Porta，1535 - 1615）研究了成像暗箱，并在1589年的論文《自然的魔法》中討論了復合面鏡以及凸透鏡和凸透鏡組的組合。綜上所述，到15世紀末和16世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件已相繼出現。
1、正負透鏡（凹凸透鏡）
圖1 正負透鏡（凹凸透鏡）
15世紀初16世紀末出現了正負透鏡也就是凹凸透鏡。凸透鏡是由兩面磨成球面的透明鏡體組成，凹透鏡是由兩面都是磨成凹球面的透明鏡體組成。由于凸透鏡有匯聚光線的功能，故大部分用于照明的燈具都使用凸透鏡（下文所提透鏡均為照明產品透鏡），我們稱為聚光燈，其種類要比泛光燈要多得多。聚光燈投射光斑集中，亮度高，光線方向性強，易于控制，光線存在會聚焦點，光斑大小和焦點位置可控。
2、玻璃透鏡
圖2 玻璃透鏡
19世紀初，光學玻璃透明度高、純潔、無色、質地均勻，且有良好的折光能力，并且具有耐高溫、穿透率高的特點。由于化學成分和折射率不同光學玻璃有以下幾種：
1）火石玻璃——在玻璃成分中加入氧化鉛，以增加折射率（1.8804）。
2）冕牌玻璃——在玻璃成分中加入氧化鈉和氧化鈣制成，以減低其折射率（鋇冕玻璃的折射率為1.7055）。
3）鑭冕玻璃——為所發現的新品種，它具有折射率高，色散率低的優良特性，為創造大口徑的高級鏡頭提供了條件。
3、菲涅爾透鏡
圖3 菲涅爾透鏡
1823年菲涅爾透鏡首次用于燈塔照明。菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是根據光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的。
菲涅爾透鏡，第一個作用是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上；第二個作用是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號；第三個作用是極大的降低成本。
4、硅膠透鏡
圖4 硅膠透鏡
硅膠透鏡產生于20世紀初。主要特點——
1）耐溫性：LED硅膠產品的熱穩定性高，高溫下（或輻射照射）分子的化學鍵不斷裂、不分解。
2）耐候性：LED硅膠產品不易被紫外光和臭氧所分解，具有好的穩定性，壽命也長。
3）電氣絕緣性能：LED硅膠產品其介電損耗、耐電壓、耐電弧、耐電暈、體積電阻系數和表面電阻系數等均在絕緣材料中名列前茅，而且它們的電氣性能受溫度和頻率的影響很小。
4）低表面張力和低表面能：有機硅膠的主鏈十分柔順，表面張力弱，表面能小，成膜能力強。
采用硅膠封裝作為透鏡，不但有良好的折射率，還可以承受260°的高溫，使產品在客戶加工過程中耐熱性能提高，可以在過回流焊中保持性能穩定，達到客戶加工要求。
5、PMMA(亞克力)透鏡
圖5 PMMA(亞克力)透鏡
PMMA(亞克力)透鏡產生于1950年左右。亞克力具有質輕、價廉，易于成型等優點。它的成型方法有澆鑄、射出成型、機械加工、亞克力熱成型等。尤其是射出成型，可以大批量生產，制造過程簡單，成本低。使用PMMA材料其透光率較高可達到95%，而PC則在90%；但PC材料耐溫性較高，超過120℃才產生形變，PMMA材料一般不超過90℃。室內照明和背光使用PMMA材料較多，室外的的路燈透鏡多數采用PC材料。
燈具生產中將PMMA透鏡用膠黏在帶有LED的鋁基板上，把帶有LED的鋁基板涂上導熱硅膠后用螺絲固定在鋁制反光杯中心。通過PMMA透鏡和反光杯的多次對光的匯集和導出，減少光在產品內部的停留，從而降低產品內部的熱量，并充分利用光源，使照射出來的光線均勻可控。LED所產生的熱量通過反光杯的立體散熱，會把熱量迅速的分散，反光杯與產品外殼的緊密結合，充分導出產品內部的熱量，增加產品的使用壽命。
6、自聚焦透鏡
圖6 自聚焦透鏡
1968年，產生了自聚焦透鏡。自聚焦透鏡材料能夠使沿軸向傳輸的光產生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實現出射光線被平滑且連續的匯聚到一點。
7、非球面透鏡
圖7 非球面透鏡
非球面透鏡出現于1971年，它具有更佳的曲率半徑，可以維持良好的像差修正，以獲得所需要的性能。非球面透鏡的應用，帶來出色的銳度和更高的分辨率，同時鏡頭的小型化設計成為了可能。非球面透鏡簡化了光學工程師為了提高光學品質所涉及的元素，同時提高了系統的穩定性。非球面透鏡和球面透鏡相比，非球面透鏡可以修正球面透鏡在準直和聚焦系統中所帶來的球差。通過調整曲面常數和非球面系數，非球面透鏡可以最大限度的消除球差。例如在變焦系統中，1片或者2片非球面透鏡就可以實現10片球面透鏡相類似或更好的光學品質，從而減小這個照明產品光學系統的尺寸，降低成本，提高生產效率。
8、復眼透鏡
圖8 復眼透鏡
復眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，將雙排復眼透鏡陣列應用于照明系統可以獲得高的光能利用率和大面積的均勻照明。復眼透鏡陣列要實現均勻照明和提高照明亮度需兩列復眼透鏡陣列平行排列，第一列復眼透鏡陣列中的各個小單元透鏡的焦點與第二列的復眼透鏡陣列中對應的小單元透鏡的中心重合，兩列復眼透鏡的光軸互相平行，在第二列復眼透鏡后放置聚光鏡，聚光鏡的焦平面放照明屏就形成了均勻照明系統。
9、微透鏡陣列
圖9 微透鏡陣列
1980年采用當時先進的光刻工藝，制作出排列整齊、結構均勻的微透鏡陣列，而且微透鏡陣列的表面為平面，易于與其它平面元件耦合連接。它具有較好的聚光、準直、分路、成像、波分復用、開關、隔離等三維功能。由于單個透鏡的直徑小，透鏡密度高，可實現信息的大容量、多通道并行處理。
隨著科學技術的進步，當前的儀器設備已朝著光、機、電集成的趨勢發展。目前能夠生產出只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設備才能看到的直徑非常小的透鏡與透鏡陣列，就是微透鏡和微透鏡陣列。它體積小、重量輕、便于集成化、陣列化。改變了傳統光學元件尺寸大、重量大、生產工藝復雜等問題。隨著科技的發展，現在已經能夠制作出直徑為毫米、微米甚至納米量級的微透鏡與微透鏡陣。
10、樹脂透鏡
圖10 樹脂透鏡
樹脂透鏡產生于1990年，與無機的玻璃鏡片相比, 合成樹脂透鏡具有十分高的安全性。由于耐沖擊強度高, 在受沖擊時, 不易出現象玻璃粉碎時那樣的碎片。另外, 加工性能優良、重量輕、著色方便, 也是合成材料的主要優點。但是, 合成樹脂透鏡的缺點也是明顯的，主要是表面硬度(HB) 較低,易擦傷；折射率低，一般在1.50 左右；欲制作相同度數的有度鏡片, 將比玻璃片要厚許多；耐熱性、耐氣候性差, 時間長易變色、老化；耐溶劑性也較差等等。
11、導光柱
圖11 導光柱
導光柱也是一種透鏡，它將光以最小損耗從光源傳輸到一定距離，光線是依靠全內反射在導光柱內部傳輸。導光柱通常是采用光學材料制成，如：丙烯酸樹脂，聚碳酸酯、環氧樹脂和玻璃。導光柱的外表面光滑是其正常工作的重要保證，也能保證產生全內反射。導光柱可以制作成任何形狀，圓柱形、方形、錐形（尺寸從入口到出口逐漸增加）或任何特殊形狀（剪頭、星型、半月型等等）。
12、TIR透鏡
圖12 TIR透鏡
1996 年產生了TIR透鏡，TIR（Total Internal Reflection）透鏡又稱全內反射透鏡。全內反射透鏡是采用全反射原理，將光線收集并處理，可提高LED光能利用率。根據LED的光能分布特點，通過控制光線路徑得到TIR透鏡折射面和反射面輪廓曲線上的離散點，利用插值得到樣條曲線，再旋轉360°得到透鏡模型。全內反射透鏡能在保持透鏡小尺寸的同時，光能利用率仍為95.26%，光束的發散角控制在正負15°以內。
13、液體透鏡
圖13 液體透鏡
2000年產生了液體透鏡。它是將液體作為透鏡通過改變液體的曲率來改變焦距。在兩片導電玻璃之間灌滿液晶，再利用電場來控制液晶的折射率，并由折射率的分布來達到聚焦的功能，同時控制焦距，甚至做出凹透鏡效果。由于外部變焦的機構通常較為龐大且笨重，而運用液晶變換的方式改變微透鏡焦距，可以大大減小機構的體積。同時也可以運用電力改變液晶的旋轉方向，達到聚焦點方向的轉換。
14、薄膜透鏡
薄膜透鏡是一種基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的軟模壓印制作微透鏡的方法。PDMS薄膜在負壓作用下變形，形成微凸透鏡或凹透鏡結構，前最小直徑可以達到30μｍ。薄膜透鏡進行微觀結構設計，使得光線在通過薄膜時光線發生改變。由于其生產容易、成本低、體積厚度小，受到越來越多廠家關注。
圖14 薄膜透鏡制作工藝過程
圖15 薄膜透鏡
二、透鏡技術進化路徑
1、物體分割進化路線
對系統組件進行分割也是系統動態化進化的方法。分割是系統發展的一個方向，是將整體的、單一體的物體逐步分隔成多個部分，這樣的分割基本上是可以無限制地進行到物體轉變為真空，然后到“理想系統”。從本質上來講分割路線展示的是系統從宏觀層次到微觀層次的跳躍。
由于尺寸較大的宏觀物質所完成的功能逐步進化為由尺度較小的微觀物質來完成，用以消除系統在宏觀級中出現的矛盾，提高原有系統的性能。進化后的系統表現在控制參數更有效、更柔性，成為可以執行更多的功能，而且品質更高、尺寸更小、效率更高、耗能更少、更加理想的系統。技術系統是由物質組成的，物質有不同的尺度、層次及不同的物理結構。由宏觀向微觀進化，就是通過應用不同能量場的結果，使物質在物理結構上，由整塊晶體結構不斷分化為小塊、粉末等更小尺度，逐漸向分子、原子、離子等基本粒子轉化。
圖16 由宏觀到微觀的物質狀態進化路徑
LED燈具在使用過程中，光源產生的光線經過透鏡的折射、反射，與LED緊密聯系在一起能增強光的作用，使燈具產生期望的光線的匯聚和發散功能。可以根據不同的透鏡改變LED的光學分布的光學系統。
可以把單顆透鏡稱為LED燈具的初始方案，現在隨著單系統透鏡的進化，產生了兩顆透鏡、三顆透鏡、多顆透鏡，甚至復眼透鏡。透鏡上的顆粒越來越多，透鏡的尺寸也越來越小。
圖17 單－雙－多透鏡系統進化路徑
接下來的分割是在分子層次上進行的，二十世紀產生了液體透鏡，通過改變液體的曲率來改變焦距。但是目前液體透鏡只應用于高檔數碼相機、手機、攝像機、工業內窺鏡等產品上，還沒有應用于LED燈具照明領域。所以根據TRIZ技術系統進化法則的“物體分割進化路線”，照明產品透鏡的分割進化路線如下圖：
圖18 照明產品透鏡的物體分割進化路線
2、物體表面特性進化路線
物體一般通過表面實現相互間的接觸，因此系統任何元素的表面都是對其進行改良的重要資源。通過改變表面的微形狀和特性，可以控制物體件的摩擦力和粘附力以及物體對物體的作用。物體表面特征進化路線從擁有光滑平面的物體開始，包括以下步驟：形成凹凸——形成微雕表面——形成有特殊特性的表面。
在實際使用這條路線時，對其內部的每一個方案的具體化都有很廣闊的應用前景。刻意在物體表面設想大量的凹凸類型：縱向的、橫向的，像槽溝一樣的凹凸。
圖19 表面特性進化路線
可通過多種方法得到特殊性質的表面，其中一種是使用各種場及其組合，也可使用具有特殊性質的物質：彈性物質、對其表面附著力可控物質、不同的反光性質的物質及其他有特殊性質的材料。
圖20 透鏡單系統進化路線
物體通常從光滑表面開始進化。隨著發展，物體表面的微觀形狀開始變得復雜起來。透鏡最初產生的時候是表面光滑的凸透鏡、凹透鏡。15世紀末和16世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件已相繼出現。19世紀以后陸續出現了透明度高、純潔無色、有良好折光能力的光學玻璃，如：火石玻璃、冕牌玻璃、鑭冕玻璃等，接著又出現了硅膠透鏡、PMMA透鏡、樹脂透鏡等不同材料。硅膠透鏡不但有良好的折射率，還可以提高在加工過程中耐熱性，降低生產成本，延長燈具壽命。PMMA(亞克力)透鏡具有質輕、價廉、易于成型等優點。可以注射成型、澆鑄成型、機械加工、亞克力熱成型等，可以進行大批量生產，制程簡單、成本低。另外PMMA透鏡透光率較高可達到95%。
物體一般通過表面實現相互間的接觸，照明產品的透鏡通過表面跟光產生折射作用。因此，透鏡系統表面是實現對其進行改良的重要資源。通過改變透鏡表面的微觀形狀和特征，來控制對光的折射角度和折射、反射作用。根據物體表面特征進化規律，物體通過對光滑表面開始進化，隨著發展，物體表面的微觀形狀開始變得復雜，透鏡也不例外。最初當透鏡剛發明的時候只是光滑表面，當它用到LED照明產品上，只是將LED點光源的光線，改變為平行光，甚至更大角度的光。隨著非球面透鏡的出現和應用，帶來出色的銳度和更高的分辨率，同時鏡頭的小型化設計成為了可能。總之，無論是出現硅膠透鏡、PMMA透鏡、樹脂透鏡等不同材料的透鏡的變化，還是非球面透鏡都是單系統不同參數的進化。
透鏡的下一步進化，表面形狀變得復雜起來。1822年產生的菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，通常壓有各種各樣“龜紋”或“蜂窩”，使光線適當散射，使照明效果柔和均勻，無明顯邊界。它比普通透鏡更薄，更大的降低成本。菲涅爾透鏡的出現使得透鏡向體積更小更薄的方向進化。
在透鏡的進一步進化過程中，為了改進傳統透鏡尺寸大、重量大、工藝復雜的缺點，1980年出現了利用當時先進的光刻工藝，制作出排列整齊、結構均勻的微透鏡和微透鏡陣列，改善了這一問題。現在已經研發出了直徑為毫米、微米甚至納米級的微透鏡。此時的透鏡已經形成了微雕表面，尺寸更小，形狀更復雜。近年來透鏡開始向更加微觀進化，產生了薄膜透鏡，這是一種利用薄膜的軟模壓印方法制作的微透鏡。薄膜透鏡通過微觀設計，薄膜在負壓作用下變形，形成微凸透鏡或凹透鏡結構，使光線通過薄膜時發生改變，具有生產容易、成本低、體積小、厚度薄等優點。
圖21 透鏡表面特征進化路線
動態性進化法則：子趨勢二組成動態化。在表面特征進化中可以發現先是形成了凹凸，然后凹凸尺寸變小，形狀變得復雜，最后轉變到了微觀層次，即轉變到了有特殊性質的表面，這種性質是通過加入場或者力來實現的。所以從擁有光滑表面的物體開始，到形成凹凸（凹凸可以縱向的，橫向的，像溝槽類型）進化為微雕表面，進而形成有特殊性質的表面。
圖22 系統組成動態化進化路線
在前面導光板的進化部分，我們已經提到了向超系統進化法則。一個技術系統與另一個或多個技術系統（即超系統）相互結合，稱之為超系統的集成，這種不同系統之間的優化組合與充足，體現了向超系統進化法則。技術系統向超系統進化，可以在資源約束的條件下，通過系統合并增加功能或降低費用。LED透鏡的主要用途是通過折射光線增加光效，改善光的均勻度及投光角度。LED反光杯是通過對光線反射改變光線的投射角度，達到最強光強分布及實現各種光束角，提高光效，減少散光、眩光。
LED透鏡與LED反光板主要功能相似以及作用對象相似，所以屬于競爭系統。根據向超系統進化法則的趨勢一，我們知道系統進化有技術系統與超系統集成參數化增加的趨勢。當TIR透鏡（全內反射透鏡）產生時，它集成了透鏡與反光杯兩系統的優勢。它通過折射和反射來控制光線路徑。TIR透鏡能更好的提高LED光能利用率，更精準的控制光束發射角。進而TIR透鏡會沿著參數差異化增加的方向進化。TIR透鏡表面特征出現了類似棱鏡的特征，它能更好幫助TIR透鏡實現全內反射，又使TIR透鏡變的更薄。
在燈具的實際運用中我們發現TIR透鏡一般與大功率的COB光源的筒燈或者射燈配合使用。那么一般也會出現遮光罩的光學器件。因為筒燈或者射燈會產生眩光，遮光罩可以幫助阻擋眩光的作用，所以會有一些燈稱為防眩射燈。那么LED透鏡與LED遮光罩就互為聯合系統（所謂聯合系統是它們的主要功能不同，但作用對象一樣），兩個聯合系統也可以集成為一個系統，所以出現了新的防眩光的TIR透鏡。
它與遮光罩的原理不同，遮光罩的原理是通過反射能有效消除雜光的再反射作用，也可以起到防眩光、遮光、吸光的作用。防止眩光的TIR透鏡的設計原理為，通過TIR透鏡的全內反射作用，利用透鏡表面將雜光可眩光通過二次反射改變光線的方向，從而達到防止眩光的目的，但是防眩光的TIR透鏡，光效相對較低，只有70％左右。
圖23 透鏡向超系統進化路線
根據構建進化樹的基本方法，我們可以構建透鏡的進化樹。首先選擇主要的進化路線，即所構建進化樹的主干。選擇內部元素變化最明顯的進化路線，即動態化的物質動態化進化路線作為進化樹的主框架。然后根據其他進化路線確定進化樹其他子進化路線，如動態化的組織動態化進化路線、向超系統進化路線等，最后對進化樹的結構做出補充和確認。
圖24 透鏡進化樹
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