前言：

　　21世紀(jì)最熱門(mén)的話題之一 —— 能源問(wèn)題，LED在其中扮演著極其重要的角色。它有著高效、節(jié)能、環(huán)保等物理特質(zhì)，還有著壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)良的應(yīng)用特質(zhì)。當(dāng)然，LED作為照明用光源還存在一些不足，單顆亮度難以滿足大部分照明需求，目前通常采用多顆LED組合的方法;另一方面，由于照明要求的差異，使得LED在光的分布應(yīng)用上存在一些不足，如何將LED發(fā)出的光合理有效并充分利用成為當(dāng)前光學(xué)設(shè)計(jì)的一大熱門(mén)，隨之而來(lái)的便是二次光學(xué)設(shè)計(jì)的大面積研究，深圳雷曼光電科技股份有限公司，在二次光學(xué)設(shè)計(jì)方面投入了物力、財(cái)力和技術(shù)精干力量，現(xiàn)已取得一些初步成果，以下是對(duì)二次光學(xué)做一個(gè)簡(jiǎn)單的論述。

　　一、LED二次光學(xué)

　　為了使LED芯片發(fā)出的光能夠更好地輸出，得到最大程度的利用，并且在照明區(qū)域內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)LED進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，在封裝過(guò)程中的設(shè)計(jì)被稱(chēng)為一次光學(xué)設(shè)計(jì);而在LED之外進(jìn)行的光學(xué)設(shè)計(jì)被稱(chēng)為二次光學(xué)設(shè)計(jì)，也叫二次配光設(shè)計(jì)。

　　一次配光設(shè)計(jì)主要是決定發(fā)光器件的出光度、光通量大小、光強(qiáng)大小、光強(qiáng)分布等。二次配光設(shè)計(jì)必須在LED發(fā)光器件一次配光設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。一次配光設(shè)計(jì)是保證每個(gè)LED發(fā)光器件的出光質(zhì)量，考慮將LED芯片中發(fā)出的光能盡量多地取出。而二次配光設(shè)計(jì)是考慮怎樣把LED器件發(fā)出的光線集中到期望的照明區(qū)域上，從而讓整個(gè)系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設(shè)計(jì)需要。目前，進(jìn)行LED二次配光設(shè)計(jì)所使用的基本光學(xué)元件主要有透鏡、反射鏡和折光板等。

　　LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)主要考慮的是光通量、光強(qiáng)、照度及亮度，而這些屬于新興學(xué)科——非成像光學(xué)的研究范圍。在非成像光學(xué)中，評(píng)判系統(tǒng)性能的優(yōu)劣不再是適用于成像光學(xué)中的像差理論和成像質(zhì)量，而把光能利用率作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如何提高光能利用率也是照明系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)然，在照明區(qū)域的光學(xué)要求是其最根本的要求。如何對(duì)LED發(fā)出的光線最大限度利用起來(lái)并滿足照明要求，這就是二次光學(xué)設(shè)計(jì)考慮的范疇。

　　二、LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)方法

　　目前，LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)方法主要依托非成像光學(xué)理論，而這一理論起源于20世紀(jì)60年代中期，知道 1966年才第一次被Hinterberger 和 Winston提出。由于這一理論的提出開(kāi)始是針對(duì)太陽(yáng)能的聚光，而對(duì)小面積光源的照明研究起步更晚。現(xiàn)階段，LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)主要有以下兩種：[NT:PAGE=21世紀(jì)最熱門(mén)的話題之一$]

　　(1)經(jīng)驗(yàn)法

　　由于非成像光學(xué)理論的不完善，應(yīng)用起來(lái)還有相當(dāng)大的難度，許多設(shè)計(jì)人員在做二次光學(xué)設(shè)計(jì)師，往往憑自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，主要是通過(guò)三維建模軟件PRO/E、Solidworks或UG燈繪制出光學(xué)元器件的結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在非成像光學(xué)分析軟件中通過(guò)非序列光線追跡來(lái)判斷照明面的照度及整個(gè)光強(qiáng)分布。由于這種設(shè)計(jì)的隨意性很強(qiáng)，設(shè)計(jì)者們往往需要多次修改光學(xué)元器件結(jié)構(gòu)，多次模擬來(lái)完成設(shè)計(jì)。在這種方法中，經(jīng)驗(yàn)成了一個(gè)至關(guān)重要的因素。此類(lèi)非成像光學(xué)分析軟件主要包括Tracepro、lighttools或ASAP等。

　　(2)偏微分方程求解法

　　由于普通的球面透鏡、反射鏡及反射器已經(jīng)不能滿足絕大部分照明的設(shè)計(jì)要求，自由曲面就成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何得到合適的自由曲面成為整個(gè)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。目前，使用偏微分方程求解法去獲得此類(lèi)自由曲面成為世界的研究課題，且這一課題進(jìn)展相當(dāng)緩慢。此類(lèi)偏微分方程的建立是基于數(shù)學(xué)模型，通過(guò)反射、折射原理，通過(guò)曲面的參數(shù)化，利用能量守恒等原理而獲得。此類(lèi)方程屬于非

　　線性偏微分方程組，并且由于在應(yīng)用時(shí)存在結(jié)構(gòu)的限制，邊界條件也成為要考慮的一個(gè)重要方面，求解難度大，往往通過(guò)數(shù)值解和擬合來(lái)得到非自由曲面。

　　三、LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)方法的比較

　　目前，在LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)法是目前比較受歡迎的一種方法，它不需要很多復(fù)雜的計(jì)算，可以通過(guò)很隨意的修改來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而經(jīng)驗(yàn)豐富者可以少走很多彎路。

　　偏微分方程法是目前研究的重點(diǎn)，由于其方程組復(fù)雜，求解麻煩，在數(shù)學(xué)模型上很大做到應(yīng)用上。并且此類(lèi)方法對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求很高，需要熟悉幾何光學(xué)知識(shí)，有相當(dāng)扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，有較強(qiáng)的編寫(xiě)程序能力，還需要有較強(qiáng)的三維建模能力及光學(xué)分析軟件的能力，正是由于此類(lèi)設(shè)計(jì)的難度很大，都還處在研究階段。[NT:PAGE=LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)方法$]

　　四、二次光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

　　由于上面提到得兩種方法，在實(shí)際應(yīng)用中都存在相當(dāng)大的難度，并且由于不同LED的發(fā)光情況不盡相同，表現(xiàn)為配光曲線不一致，這也就使得每一個(gè)光學(xué)元件只能適應(yīng)尺寸相當(dāng)、配光曲線基本一致的LED。因此不同的LED需要不同的光學(xué)元器件與之配合，大量的光學(xué)設(shè)計(jì)需要程序化。如何開(kāi)發(fā)相對(duì)較程序化的設(shè)計(jì)方法將是以后的研究重點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)非成像光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬分析的準(zhǔn)確性

　　如何提高軟件模擬的準(zhǔn)確性。一方面需要軟件自身的準(zhǔn)確性，另一方面，軟件參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，兩者需要結(jié)合起來(lái)考慮。通過(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)和實(shí)際的測(cè)量對(duì)比，提高模型的準(zhǔn)確性。

　　(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　如何優(yōu)化我們的光學(xué)設(shè)計(jì)。由于自由曲面參數(shù)眾多，不可能通過(guò)人為去控制，計(jì)算機(jī)程序必將代替我們的工作，而程序的建立需要我們準(zhǔn)確的模型，這就就要求我們需要建立量化的模型，通過(guò)評(píng)價(jià)函數(shù)軟件的優(yōu)化功能。評(píng)價(jià)函數(shù)就成為整個(gè)優(yōu)化的核心。目前，具有優(yōu)化功能的軟件基本都是利用照度

　　作為評(píng)價(jià)函數(shù)，由于程序需要量化參數(shù)，合適的評(píng)價(jià)函數(shù)將大大提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的速度及效果。

　　五、總結(jié)

　　LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)是個(gè)新興而富有挑戰(zhàn)的行業(yè)，它嚴(yán)重影響著LED在照明中的應(yīng)用及推廣，隨著LED本身及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其對(duì)二次光學(xué)的要求也越來(lái)越高。未來(lái)，LED二次光學(xué)將在照明領(lǐng)域中扮演著重要角色。[NT:PAGE=二次光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)$]