目前，水晶灯光源以白炽灯或卤素灯泡为主，其具有发光角度大的优点，但水晶灯通常需要10-20个光源，甚至更多，耗电量大。水晶灯光源只有实现较大的发光角度，才能将周边的水晶打亮，呈现出晶莹剔透的光学效果，达到装饰作用。在实际使用中，发光角度在250°左右的光源基本可满足要求。

由于LED具有光效高、损耗低等优势，各厂家陆续推出LED光源水晶灯，但LED光强呈朗伯分布，出光角度110°-130°，要实现超过250°左右的出光角度，必须进行二次光学设计。目前，绝大部分LED水晶灯发光角度只有60°-160°。通过使用二次光学透镜，配合常用LED，可实现250°左右的出光角度，设计原理如下：

透镜顶部设计为一内凹面自由曲面反射面，外轮廓侧面是一弧线出射面，底部为锥圆台腔体入射面。光线自LED光源发出，从透镜底部内锥圆台腔体入射，一部分光线入射到透镜顶部的内凹自由曲面处，其少数光线直接折射出射，大部分光线反射到外轮廓侧面折射出射，另一部分光线直接由外轮廓侧面折射出射。

内锥圆台腔体顶部入射面为凸弧面，其可将从该入射面入射的光线发散;侧壁入射面为从下至上逐渐内缩具有一定斜度的旋转面，其可将从该入射面入射的光线发散。

透镜顶部内凹自由曲面反射面，采用snell定律推算形成，从透镜底部入射的光线在自由曲面处发生全反射，将小角度光线反射到透镜侧面出射，增大透镜出光角度，与镜面反射相比可以有效避免镜面反射损耗。外轮廓侧面从下至上逐渐向内缩，其可增大侧面出射光线出射角。

透镜底部采用螺牙设计，能紧密地与散热体连接，装配简单合理。同时，透镜在与散热体旋紧后，能利用透镜螺牙下端面的平面压住PCB板，减小PCB板与散热体、导热硅胶间的空隙，免除了PCB板与散热体的固定问题，在达到光学要求的同时，对灯具的连接和散热做到合理设计。

采用自由曲面原理设计一款水晶灯光源透镜，能够使LED替代白炽灯、卤素灯等传统光源应用于水晶灯，LED单灯性能稳定，系统寿命和可靠性更高。