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

　　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。