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LED⼆次光学设计浅析（2）-透镜设计⼀、概论：1．全透明反射棱镜的特点LED全透明反射棱镜能分配LED在2π⽴体⾓内的光通，光通利⽤率⾼，η=85%，安装简便。
棱镜加⼯⽅便⽽且体积也很⼩，对空间的要求⼩，宜于安装在各类灯具之中。
2．前景⽬前安装LED棱镜的灯具已得到⼴泛的应⽤，像建筑照明、通⽤照明、标识照明、景观照明、交通信号灯等都已得到了很好的应⽤。
随着LED技术的不断提⾼，LED棱镜的前景也会更好。
⼆、设计⽅法：1．第⼀介⾯效率问题第⼀介⾯的效率很重要，它决定整个棱镜的光通利⽤率，因此光源光线在第⼀介⾯上的分布要合理。
如图1：β⾓为光源光通在第⼀介⾯上的半⾓分布，这部分光线在棱镜上都是⼆次折射光线，是折射次数较少的⼀部分光线，当β⾓增⼤时，光源在这部分的光通量增⼤，光通损耗少，但光线将向外偏移，将产⽣⽆⽤光通。
当β⾓减⼩时，则光源光通在这部分的光通量减少，效率减低。
另外，在ABCD圆柱体中，圆柱侧⾯将形成光的反射，当光线垂直射⼊时，根据菲涅尔公式得：ρ=2，对n1=1（空⽓），n2=n（给定材料的折射率）则公式变为ρ=2，若棱镜的折射率n=1.5,则ρ=0.04，当β减⼩时，α⾓增⼤（见图1），若α⾓⼤于60°以后，反射率剧增，将⼤⼤损耗光通，因此要根据预设配光，合理分布这部分光通。
2．全反射⾯的取得全反射⾯是分配LED光通的主要部分，所设计的棱镜是否满⾜预设的配光，主要是取决于全反射⾯的设计是否合理。
图2为全反射⾯中⼀条光线的形成过程。
设有⼀⽴体⾓为γ的环带光通，ρ为⼀条中间光线，当ρ射向两种介质的界⾯处A点时，光线进⾏第⼀次折射，光线是从光疏介质射向光密介质，进⼊光密介质的光线改变原来的传播⽅向（根据折射定律：Sin I1/Sin I2=n，其中I1为⼊射⾓，I2为折射⾓，n为折射率）。
光线经折射后到达棱镜的边缘，两种介质的界⾯处B 点，光线进⾏第⼆次折射，光线是从光密介质射向光疏介质，当B点是曲率半径为R的圆弧时，光线与圆弧形成的法线产⽣⼊射⾓I3，要使I3′成为全反射光线，I3必需⼤于临界⾓（折射⾓达到90°时，所对应的⼊射⾓叫临界⾓，根据折射定律：sinC=1/n，C为临界⾓）。
LED路灯的二次光学透镜设计
陈加琦;邹念育;张云翠;贺晓阳;李德胜
【期刊名称】《大连工业大学学报》
【年(卷),期】2012(031)003
【摘要】鉴于道路照明需求的多样性和复杂性,基于配光曲线映射原理,运用透射光学设计手段,借鉴传统路灯设计方法,针对单颗大功率白光LED,根据其特有的配光特性参数设计了一种新颖的二次光学透镜.该透镜实现了将LED的郎伯型配光转换为蝙蝠翼型配光,将圆形光斑转换为矩形光斑,同时可以达到很高的光输出效率和近似1:2的长宽比.与同类设计相比,达到国家道路照明标准,同时降低了设计复杂度,可应用于LED路灯设计.
【总页数】4页(P231-234)
【作者】陈加琦;邹念育;张云翠;贺晓阳;李德胜
【作者单位】大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连116034
【正文语种】中文
【中图分类】TN312.8
【相关文献】
1.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛
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3.多表面LED二次光学透镜设计的偏折能力分配法 [J], 周士康;陈春根
4.据光强分布设计LED二次光学透镜 [J], 程治明;曾平;张志海;洪芸芸;胡燕
5.探究LED路灯探讨二次光学设计——《LED路灯节能规划及二次光学设计》培训班开班在即 [J],
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谓的一次光学设计就是：把LED IC封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布;二次光学设计是针对大功率LED照明来说：一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。
二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。
我们必须清醒的认识到，一次光学设计是二次光学设计的基础。
只有一次光学设计封装设计合理，能够保证每个LED发光零组件的出光品质，才能在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，以保证整个发光系统的出光品质。
简单地说，一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光。
二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求雷笛克光學推出二次光學透鏡系列產品2009/05/08 - 10:39 — ivan在目前照明產業中，就屬LED照明為最新興產業，各界皆卯足了實力積極開發LED相關照明，當然LED照明的先決條件第一一定是LED本身之亮度、色溫，再者電源供應器及散熱裝置，其中攸關到最終的成敗關鍵則是LED發出的光形，如何有效控制運用LED光形的折射，此時二次光學的透鏡就是關鍵了。
雷笛克光學股份有限公司在光學透鏡開發耕耘已有相當一段時間，可說為亞洲區LED二次光學透鏡始祖之一，而為有效將LED的光源達到完整的運用，雷笛克光學研發團隊此段期間已開發出多款難度極高的產品，並針對CREE、OSRAM、LUXEON、NICHIA、SEOUL、EDISON等國際級封裝大廠特製開發專用之二次光學透鏡，產品類別從單顆光學透鏡甚至到60合1的舞台燈光透鏡以及路燈透鏡等皆完成開發，且目前已達到量產出貨階段，而發光角度則是由全角8度到全角180度一應俱全。
For CREE XR-E - 8° Single LensFor CREE XP-E - 15° Multi LensFor CREE MC-E - 40° Single LensFor Edison 1LA5 - 25° Multi LensFor Osram Golden Dragon Plus - 20° Single Lens。
LED路灯透镜光学设计二次光学是直接决定LED路灯的输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度的重要环节。
绿色环保的城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑，对马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少。
XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计，是实现此目标的最好的方法。
使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形的输出光斑、蝙蝠翼形的远场角度分布、以及实现截光设计。
整个灯头的结构变得非常的简洁，只要将这些完成配光设计的LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面的PCB板上即可，简化了LED路灯的机械结构、散热管理、以及电源控制的排布。
本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的设计，该透镜可以实现很高的输出光效率、蝙蝠翼形的配光曲线分布、以及较均匀的长方形光斑。
1. 技术背景LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。
中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广，相比于金属卤素灯（MH）和高压钠灯（HPS），LED路灯拥有更长的寿命（大于5倍）；除此之外，LED 路灯还具有更好的可控性和光效，可以节能50%之多。
LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源本身不含有害物质汞。
光学方面，LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学的优化设计，准确控制光线的方向，把光充分的分配到所需要照明的马路上，防止光污染和眩光。
二次光学设计是决定LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技术。
现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120°。
LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计，那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”，如图1（a）所示，大约1半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中间会比较亮，到周围会逐渐变暗。
这种灯装在马路上之后，路灯之间会形成很明显的明暗相间的光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。
LED路灯二次光学设计随着科技的发展，LED（Light Emitting Diode）路灯已经逐渐取代了传统的照明设备，成为照明行业的主力产品。
然而，由于LED的点光源特点，使得LED路灯在光学设计方面仍然存在一些问题。
为了进一步提高LED路灯的照明效果，研究者们进行了大量的工作，提出了许多的二次光学设计方案。
LED路灯的二次光学设计主要包括反射器和聚光器两个方面。
反射器的作用是将LED产生的光线反射到需要照明的区域，而聚光器的作用则是将光线集中到一个小的区域内。
这两个部分的光学设计都对LED路灯的照明效果有着重要的影响。
在反射器的设计中，通常使用的方法是将LED发出的光线通过折射、反射等方式来改变其传播方向和角度。
例如，可以使用三棱镜形状的反射器来实现光线的聚焦和分散，以达到光斑均匀分布的目的。
此外，还可以利用反射率较高的材料来增加光线的反射效果，从而提高光线的利用率。
在聚光器的设计中，主要考虑的是如何将LED产生的光线集中到一个小的区域内。
常用的方法是使用凸透镜或反射镜来实现光线的聚焦。
凸透镜可以通过改变其曲面形状来改变光线路径，从而实现光线的聚焦。
反射镜则是利用镜面的反射原理来实现光线的聚焦。
同时，还可以使用自适应光学技术，通过改变聚光器的形状或位置来调整光线的聚焦效果，以适应不同的照明需求。
除了反射器和聚光器的设计，LED路灯的二次光学设计还需考虑光线的色温和色彩还原指数等因素。
色温是指光源的色调，常用的单位是开尔文(Kelvin)。
一般来说，较高的色温会让人感到冷色调，较低的色温则会让人感到暖色调。
色温的选择要结合照明环境和使用需求来决定。
色彩还原指数是指光源对物体颜色的还原能力。
通常取值范围为 0-100，值越大表示还原能力越好。
在LED路灯的二次光学设计中，还需要考虑能源利用效率和使用寿命等因素。
LED的能源利用效率较高，可以达到较高的光电转换效率，从而实现节能的目的。
此外，LED的使用寿命较长，可以达到几万小时以上，减少了灯具更换的频率和维修的成本。
