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)?，F(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
Fig. 1 (a) Light pattern without optical design, (b) Light pattern with fine optical design

　　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。