二次光學是直接決定LED路燈的輸出效率、配光分布、均勻度及眩光程度的重要環節。綠色環保的城市道路照明要求LED路燈產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的配光設計，是實現此目標的最好的方法。使得在單個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。整個燈頭的結構變得非常的簡潔，只要將這些完成配光設計的LED透鏡模組，按照同一個方向排列在一塊平面的PCB板上即可，簡化了LED路燈的機械結構、散熱管理、以及電源控制的排布。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固態半導體照明技術被認為是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，相比于金屬鹵素燈（MH）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，可以節能50%之多。LED路燈的另一個綠色能源的特征是光源本身不含有害物質汞。光學方面，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化設計，準確控制光線的方向，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。
二次光學設計是決定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120°。LED路燈如果沒有經過二次光學的配光設計，那么照在馬路上的光斑會是一個“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的二次光學技術，不同于其他的學科，是一門涵蓋非成像光學和3維曲面建模的交叉學科，二次光學的設計可以有效解決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LED芯片發出的全部180°的光，并重新分配到指定的區域，是個很好的解決方案。自由曲面的配光可以使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，并且光斑的中間和邊緣比較均勻，利用邊緣光線原理，透鏡還可以實現截光設計，消除眩光。以下為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，中間內凹的非球面柱面鏡部分、側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，在Y方向，輸出光線的邊緣光線的角度為±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LED發出的中間部分的光，由內凹的柱面鏡進行會聚，會聚后所有輸出光線的反向延長線交于一虛焦點“F”，“F”與柱面鏡邊緣組成的這部分光線，再經過上表面之后，分布在角度±30°之內。剩下從LED發出的往側面部分的光，則由側面的全反射棱鏡進行配光。經入射面入射到外側全反射面的光線，從下到上，其反射角是漸變的，再經過上面的輸出面折射之后，這部分光也分布均勻在±30°之內。沿X方向的配光原理如圖3的右圖，內凹的柱面鏡覆蓋了從LED發出的中間部分的±76°之內的光線，上表面“W”形狀的曲面將這部分的光線均勻分配在發散角為±60°之內，并形成一個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發出的±76°~90°的光（這部分光如果不經過配光，直接射出后會造成眩光），經過透鏡兩端外側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。兩部分的光疊加一起后形成一光束角為±60°的光度分布，其光強的遠場角度分布（配光曲線）為蝙蝠翼形。
圖3：Y和X剖面的設計原理
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