一、背景
LED(發光二極管)技術的發展開辟了照明技術革命的新時代。由于LED具有體積小、壽命長、電光效率高、環保節能等諸多優點，使得LED路燈照明技術在最近幾年得到了迅速發展。目前,市面上單顆LED光源實際已經可以做到每瓦130流明，采用傳統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就可以產生相同的亮度，從而極大地節省了能源的消耗。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，如果沒有經過配光設計，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,而且會對遠處的車輛或行人產生眩光，與路面照明的要求不符。《城市道路照明設計標準》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計，一方面可以提高光的利用效率，另一方面還可以避免產生眩光。
傳統的LED路燈均采用二次光學透鏡做配光，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，整個系統的出光效率將會受到較大影響。
二、配光設計我們采用把二次光學和一次光學整合在一起的思路，直接和芯片封裝在一起(即直接在一次光學透鏡上做配光)，中間將會省略很多環節，最大限度的減少光能損耗。一次光學透鏡的曲面計算結合了邊緣光學原理以及曲面控制網格的節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計標準進行設計。一次透鏡的設計原理如圖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，以便芯片發出的光透過硅膠進入一次透鏡后其傳播方向保持不變。
三、配光計算
由于一般的光學軟件(如Zemax,CodeV等) 針對自由曲面的優化設計方法不夠成熟,設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的調整和設置操作參數,一個比較復雜的自由曲面往往需要多達一個月甚至幾個月的時間,有時所優化出來的曲面,光學效率還不夠理想。這里采用了邊緣光線擴展度(Etendue)守恒的原理創建了一套自由曲面控制網格的節點矢量的精確計算方法,可以在較短時間內(一般為幾個小時甚至更短)優化出具有最優效率及精確配光的自由曲面光學元件。
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