二次光學是直接決(jue) 定LED路燈的輸出效率、配光分布、均勻度及眩光程度的重要環節。綠色環保的城市道路照明要求LED路燈產(chan) 生正好覆蓋馬路的長方形的光斑，對馬路之外的其他地方譬如居民樓和建築物的光汙染盡量的少。XY非軸對稱的自由曲麵二次光學的配光設計，是實現此目標的最好的方法。使得在單個(ge) 透鏡模組上就可以完成高效率長方形的輸出光斑、蝙蝠翼形的遠場角度分布、以及實現截光設計。整個(ge) 燈頭的結構變得非常的簡潔，隻要將這些完成配光設計的LED透鏡模組，按照同一個(ge) 方向排列在一塊平麵的PCB板上即可，簡化了LED路燈的機械結構、散熱管理、以及電源控製的排布。本文介紹了一種全反射型的二次光學透鏡的設計，該透鏡可以實現很高的輸出光效率、蝙蝠翼形的配光曲線分布、以及較均勻的長方形光斑。

　　1、技術背景

　　LED固態半導體(ti) 照明技術被認為(wei) 是21世紀的戰略節能技術。中國、歐洲和北美的許多國家和城市都已經進行了LED道路照明技術的開發和大力推廣，相比於(yu) 金屬鹵素燈（MH）和高壓鈉燈（HPS），LED路燈擁有更長的壽命（大於(yu) 5倍）；除此之外，LED路燈還具有更好的可控性和光效，可以節能50%之多。LED路燈的另一個(ge) 綠色能源的特征是光源本身不含有害物質汞。光學方麵，LED芯片的小光源特性可以比較容易實現精確的配光和二次光學的優(you) 化設計，準確控製光線的方向，把光充分的分配到所需要照明的馬路上，防止光汙染和眩光。

　　二次光學設計是決(jue) 定LED路燈的配光曲線、輸出光效、均勻度、以及眩光指數的一項重要技術。現有市場上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布，光斑是圓形的，峰值光強一半位置處的光束角的全寬度約為(wei) 120°。LED路燈如果沒有經過二次光學的配光設計，那麽(me) 照在馬路上的光斑會(hui) 是一個(ge) “圓餅”，如圖1（a）所示，大約1半左右的光斑會(hui) 散落到馬路之外而浪費掉，並且光斑的中間會(hui) 比較亮，到周圍會(hui) 逐漸變暗。這種燈裝在馬路上之後，路燈之間會(hui) 形成很明顯的明暗相間的光斑分布，對司機造成視覺疲勞，引發事故。這種情況下的LED路燈就不能叫做“節能”和“綠色照明”了。

　　國家城市道路照明設計標準要求LED路燈的光斑如圖1（b）所示，光斑為(wei) 長方形，正好可以覆蓋馬路，並且有很好的均勻性。LED的二次光學技術，不同於(yu) 其他的學科，是一門涵蓋非成像光學和3維曲麵建模的交叉學科，二次光學的設計可以有效解決(jue) LED路燈的出光效率、均勻性、配光角度、眩光和安全性等問題，提供符合於(yu) 國家標準所要求的配光，真正實現環保和綠色的照明。另外LED路燈有較好的顯色指數（CRI），根據需要可以調節不同的色溫使其可以滿足白天、晚上、晴天和雨天等不同的環境。

　　圖1(a)沒有經過二次光學設計的LED路燈的光斑，(b)經過二次光學配光設計的LED路燈的光斑

　　全反射式二次光學透鏡可以收集從(cong) LED芯片發出的全部180°的光，並重新分配到指定的區域，是個(ge) 很好的解決(jue) 方案。自由曲麵的配光可以使LED路燈光強的遠場角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成長方形，並且光斑的中間和邊緣比較均勻，利用邊緣光線原理，透鏡還可以實現截光設計，消除眩光。以下為(wei) 一種全反射式二次光學透鏡的設計方法。

2、全反射式二次光學透鏡的設計

圖2：全反射式二次光學透鏡的3D模型（點擊放大）

　　圖2為(wei) 一種全反射式二次光學透鏡的3維模型。透鏡由4部分組成，中間內(nei) 凹的非球麵柱麵鏡部分、側(ce) 麵的全反射棱鏡部分、兩(liang) 端的全反射棱鏡部分、以及上表麵“W”型的自由曲麵組成。透鏡將郎伯型LED的光配成沿X方向120°（沿著道路方向）以及Y方向60°（垂直於(yu) 道路的方向）的光度分布。透鏡的設計遵循“邊緣光線原理”[1]，即在X方向，輸出光線的邊緣光線的與(yu) 光軸的夾角為(wei) ±60°，其他所有的輸出光線都分布在這一角度之內(nei) ，在Y方向，輸出光線的邊緣光線的角度為(wei) ±30°。

　　透鏡的設計原理如圖3所示。其中Y方向的配光原理如左圖，從(cong) LED發出的中間部分的光，由內(nei) 凹的柱麵鏡進行會(hui) 聚，會(hui) 聚後所有輸出光線的反向延長線交於(yu) 一虛焦點“F”，“F”與(yu) 柱麵鏡邊緣組成的這部分光線，再經過上表麵之後，分布在角度±30°之內(nei) 。剩下從(cong) LED發出的往側(ce) 麵部分的光，則由側(ce) 麵的全反射棱鏡進行配光。經入射麵入射到外側(ce) 全反射麵的光線，從(cong) 下到上，其反射角是漸變的，再經過上麵的輸出麵折射之後，這部分光也分布均勻在±30°之內(nei) 。沿X方向的配光原理如圖3的右圖，內(nei) 凹的柱麵鏡覆蓋了從(cong) LED發出的中間部分的±76°之內(nei) 的光線，上表麵“W”形狀的曲麵將這部分的光線均勻分配在發散角為(wei) ±60°之內(nei) ，並形成一個(ge) 蝙蝠翼的配光曲線分布。透鏡兩(liang) 端各有一全反射棱鏡，用來起截光的作用，收集剩下從(cong) LED發出的±76°~90°的光（這部分光如果不經過配光，直接射出後會(hui) 造成眩光），經過透鏡兩(liang) 端外側(ce) 的全反射麵反射和上表麵“W”曲麵的折射之後，重新分布在光束角±30°之內(nei) 。兩(liang) 部分的光疊加一起後形成一光束角為(wei) ±60°的光度分布，其光強的遠場角度分布（配光曲線）為(wei) 蝙蝠翼形。

圖3：Y和X剖麵的設計原理