一、背景

LED(發(fā)光二極管)技術(shù)的發(fā)展開辟了照明技術(shù)革命的新時代。由于LED具有體積小、壽命長、電光效率高、環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點，使得LED路燈照明技術(shù)在最近幾年得到了迅速發(fā)展。目前,市面上單顆LED光源實際已經(jīng)可以做到每瓦130流明，采用傳統(tǒng)250瓦鈉燈作光源的路燈,用LED光源代替之后，大概只需要60顆1W的LED就可以產(chǎn)生相同的亮度，從而極大地節(jié)省了能源的消耗。由于大部分LED光源的輻射角分布為110度至120度的郎伯(Lambertiandistribution)分布，如果沒有經(jīng)過配光設(shè)計，照在地面上的光型將會為面積較大的圓型的光斑，約50%的光散落到道路之外沒有被利用起來,而且會對遠(yuǎn)處的車輛或行人產(chǎn)生眩光，與路面照明的要求不符?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求路燈的配光為長方形的光斑,將幾乎所有的光都分布在路面上。對于主干道還需要采用截光型或半截光型的配光設(shè)計，一方面可以提高光的利用效率，另一方面還可以避免產(chǎn)生眩光。

傳統(tǒng)的LED路燈均采用二次光學(xué)透鏡做配光，那么中間至少會增加兩個面(即會增加兩個面的菲涅爾損耗)，而且二次透鏡的尺寸要做的比較大，加上透鏡材料本身對光的吸收，這樣一來，整個系統(tǒng)的出光效率將會受到較大影響。

二、配光設(shè)計

我們采用把二次光學(xué)和一次光學(xué)整合在一起的思路，直接和芯片封裝在一起(即直接在一次光學(xué)透鏡上做配光)，中間將會省略很多環(huán)節(jié)，最大限度的減少光能損耗。一次光學(xué)透鏡的曲面計算結(jié)合了邊緣光學(xué)原理以及曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點法線矢量相匹配的方法，以下我們所討論的一次透鏡，其配光的角度和二次透鏡一樣，均為X方向130°，Y方向65°(其中X方向為沿道路方向，Y方向為垂直于道路方向)，透鏡的材料為PC，配光曲線以及均勻度按照國家道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。一次透鏡的設(shè)計原理如圖1所示。

垂直于道路方向的光束角同樣為±32.5°(左邊剖面圖)，沿道路方向的光束角為±64°(右面剖面圖)。在垂直于道路方向，其出射的光束是會聚的，其邊緣光線與光軸的夾角為32.5°，所有出射光線的反向延長線交于虛焦點F；而沿著道路方向，其出射光束是發(fā)散的，其邊緣光線與光軸的夾角也為65°。透鏡底部有一凹陷的球面用以填充硅膠，用以將透鏡和LED芯片直接封裝在一起，硅膠選取折射率最接近一次透鏡的材質(zhì)，以便芯片發(fā)出的光透過硅膠進(jìn)入一次透鏡后其傳播方向保持不變。

三、配光計算

由于一般的光學(xué)軟件(如Zemax,CodeV等) 針對自由曲面的優(yōu)化設(shè)計方法不夠成熟,設(shè)計一個非對稱的自由曲面需要花很多的時間用手工不斷反復(fù)的調(diào)整和設(shè)置操作參數(shù),一個比較復(fù)雜的自由曲面往往需要多達(dá)一個月甚至幾個月的時間,有時所優(yōu)化出來的曲面,光學(xué)效率還不夠理想。這里采用了邊緣光線擴(kuò)展度(Etendue)守恒的原理創(chuàng)建了一套自由曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點矢量的精確計算方法,可以在較短時間內(nèi)(一般為幾個小時甚至更短)優(yōu)化出具有最優(yōu)效率及精確配光的自由曲面光學(xué)元件。