二次光學(xué)是直接決定LED路燈的輸出效率、配光分布、均勻度及眩光程度的重要環(huán)節(jié)。綠色環(huán)保的城市道路照明要求LED路燈產(chǎn)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筑物的光污染盡量的少。XY非軸對稱的自由曲面二次光學(xué)的配光設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的最好的方法。使得在單個(gè)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(yuǎn)場角度分布、以及實(shí)現(xiàn)截光設(shè)計(jì)。整個(gè)燈頭的結(jié)構(gòu)變得非常的簡潔，只要將這些完成配光設(shè)計(jì)的LED透鏡模組，按照同一個(gè)方向排列在一塊平面的PCB板上即可，簡化了LED路燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱管理、以及電源控制的排布。本文介紹了一種全反射型的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)，該透鏡可以實(shí)現(xiàn)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(shù)背景

　　LED固態(tài)半導(dǎo)體照明技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)的戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)。中國、歐洲和北美的許多國家和城市都已經(jīng)進(jìn)行了LED道路照明技術(shù)的開發(fā)和大力推廣，相比于金屬鹵素?zé)簦∕H）和高壓鈉燈（HPS），LED路燈擁有更長的壽命（大于5倍）；除此之外，LED路燈還具有更好的可控性和光效，可以節(jié)能50%之多。LED路燈的另一個(gè)綠色能源的特征是光源本身不含有害物質(zhì)汞。光學(xué)方面，LED芯片的小光源特性可以比較容易實(shí)現(xiàn)精確的配光和二次光學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確控制光線的方向，把光充分的分配到所需要照明的馬路上，防止光污染和眩光。

　　二次光學(xué)設(shè)計(jì)是決定LED路燈的配光曲線、輸出光效、均勻度、以及眩光指數(shù)的一項(xiàng)重要技術(shù)。現(xiàn)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(qiáng)一半位置處的光束角的全寬度約為120°。LED路燈如果沒有經(jīng)過二次光學(xué)的配光設(shè)計(jì)，那么照在馬路上的光斑會是一個(gè)“圓餅”，如圖1（a）所示，大約1半左右的光斑會散落到馬路之外而浪費(fèi)掉，并且光斑的中間會比較亮，到周圍會逐漸變暗。這種燈裝在馬路上之后，路燈之間會形成很明顯的明暗相間的光斑分布，對司機(jī)造成視覺疲勞，引發(fā)事故。這種情況下的LED路燈就不能叫做“節(jié)能”和“綠色照明”了。

　　國家城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求LED路燈的光斑如圖1（b）所示，光斑為長方形，正好可以覆蓋馬路，并且有很好的均勻性。LED的二次光學(xué)技術(shù)，不同于其他的學(xué)科，是一門涵蓋非成像光學(xué)和3維曲面建模的交叉學(xué)科，二次光學(xué)的設(shè)計(jì)可以有效解決LED路燈的出光效率、均勻性、配光角度、眩光和安全性等問題，提供符合于國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的配光，真正實(shí)現(xiàn)環(huán)保和綠色的照明。另外LED路燈有較好的顯色指數(shù)（CRI），根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)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(huán)境。

　　圖1(a)沒有經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì)的LED路燈的光斑，(b)經(jīng)過二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)的LED路燈的光斑

　　全反射式二次光學(xué)透鏡可以收集從LED芯片發(fā)出的全部180°的光，并重新分配到指定的區(qū)域，是個(gè)很好的解決方案。自由曲面的配光可以使LED路燈光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成長方形，并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(shí)現(xiàn)截光設(shè)計(jì)，消除眩光。以下為一種全反射式二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法。

2、全反射式二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)

圖2：全反射式二次光學(xué)透鏡的3D模型（點(diǎn)擊放大）

　　圖2為一種全反射式二次光學(xué)透鏡的3維模型。透鏡由4部分組成，中間內(nèi)凹的非球面柱面鏡部分、側(cè)面的全反射棱鏡部分、兩端的全反射棱鏡部分、以及上表面“W”型的自由曲面組成。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°（垂直于道路的方向）的光度分布。透鏡的設(shè)計(jì)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光軸的夾角為±60°，其他所有的輸出光線都分布在這一角度之內(nèi)，在Y方向，輸出光線的邊緣光線的角度為±30°。

　　透鏡的設(shè)計(jì)原理如圖3所示。其中Y方向的配光原理如左圖，從LED發(fā)出的中間部分的光，由內(nèi)凹的柱面鏡進(jìn)行會聚，會聚后所有輸出光線的反向延長線交于一虛焦點(diǎn)“F”，“F”與柱面鏡邊緣組成的這部分光線，再經(jīng)過上表面之后，分布在角度±30°之內(nèi)。剩下從LED發(fā)出的往側(cè)面部分的光，則由側(cè)面的全反射棱鏡進(jìn)行配光。經(jīng)入射面入射到外側(cè)全反射面的光線，從下到上，其反射角是漸變的，再經(jīng)過上面的輸出面折射之后，這部分光也分布均勻在±30°之內(nèi)。沿X方向的配光原理如圖3的右圖，內(nèi)凹的柱面鏡覆蓋了從LED發(fā)出的中間部分的±76°之內(nèi)的光線，上表面“W”形狀的曲面將這部分的光線均勻分配在發(fā)散角為±60°之內(nèi)，并形成一個(gè)蝙蝠翼的配光曲線分布。透鏡兩端各有一全反射棱鏡，用來起截光的作用，收集剩下從LED發(fā)出的±76°~90°的光（這部分光如果不經(jīng)過配光，直接射出后會造成眩光），經(jīng)過透鏡兩端外側(cè)的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后，重新分布在光束角±30°之內(nèi)。兩部分的光疊加一起后形成一光束角為±60°的光度分布，其光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布（配光曲線）為蝙蝠翼形。

圖3：Y和X剖面的設(shè)計(jì)原理