前言：

　　21世紀最熱門的話題之一 —— 能源問題，LED在其中扮演著極其重要的角色。它有著高效、節能、環保等物理特質，還有著壽命長、體積小等優良的應用特質。當然，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在光的分布應用上存在一些不足，如何將LED發出的光合理有效并充分利用成為當前光學設計的一大熱門，隨之而來的便是二次光學設計的大面積研究，深圳雷曼光電科技股份有限公司，在二次光學設計方面投入了物力、財力和技術精干力量，現已取得一些初步成果，以下是對二次光學做一個簡單的論述。

　　一、LED二次光學

　　為了使LED芯片發出的光能夠更好地輸出，得到最大程度的利用，并且在照明區域內滿足設計要求，需要對LED進行光學系統的設計。其中，在封裝過程中的設計被稱為一次光學設計;而在LED之外進行的光學設計被稱為二次光學設計，也叫二次配光設計。

　　一次配光設計主要是決定發光器件的出光度、光通量大小、光強大小、光強分布等。二次配光設計必須在LED發光器件一次配光設計的基礎上進行。一次配光設計是保證每個LED發光器件的出光質量，考慮將LED芯片中發出的光能盡量多地取出。而二次配光設計是考慮怎樣把LED器件發出的光線集中到期望的照明區域上，從而讓整個系統發出的光能滿足設計需要。目前，進行LED二次配光設計所使用的基本光學元件主要有透鏡、反射鏡和折光板等。

　　LED二次光學設計主要考慮的是光通量、光強、照度及亮度，而這些屬于新興學科——非成像光學的研究范圍。在非成像光學中，評判系統性能的優劣不再是適用于成像光學中的像差理論和成像質量，而把光能利用率作為系統的評價標準。如何提高光能利用率也是照明系統的關鍵問題。當然，在照明區域的光學要求是其最根本的要求。如何對LED發出的光線最大限度利用起來并滿足照明要求，這就是二次光學設計考慮的范疇。

　　二、LED二次光學設計方法

　　目前，LED的二次光學設計方法主要依托非成像光學理論，而這一理論起源于20世紀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始是針對太陽能的聚光，而對小面積光源的照明研究起步更晚。現階段，LED二次光學設計主要有以下兩種：[NT:PAGE=21世紀最熱門的話題之一$]

　　(1)經驗法

　　由于非成像光學理論的不完善，應用起來還有相當大的難度，許多設計人員在做二次光學設計師，往往憑自己的經驗進行，主要是通過三維建模軟件PRO/E、Solidworks或UG燈繪制出光學元器件的結構，將其設計的結構在非成像光學分析軟件中通過非序列光線追跡來判斷照明面的照度及整個光強分布。由于這種設計的隨意性很強，設計者們往往需要多次修改光學元器件結構，多次模擬來完成設計。在這種方法中，經驗成了一個至關重要的因素。此類非成像光學分析軟件主要包括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不能滿足絕大部分照明的設計要求，自由曲面就成為發展的必然趨勢。如何得到合適的自由曲面成為整個設計的最終目標。目前，使用偏微分方程求解法去獲得此類自由曲面成為世界的研究課題，且這一課題進展相當緩慢。此類偏微分方程的建立是基于數學模型，通過反射、折射原理，通過曲面的參數化，利用能量守恒等原理而獲得。此類方程屬于非

　　線性偏微分方程組，并且由于在應用時存在結構的限制，邊界條件也成為要考慮的一個重要方面，求解難度大，往往通過數值解和擬合來得到非自由曲面。

　　三、LED二次光學設計方法的比較

　　目前，在LED二次光學設計中，經驗法是目前比較受歡迎的一種方法，它不需要很多復雜的計算，可以通過很隨意的修改來進行實驗，而經驗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，由于其方程組復雜，求解麻煩，在數學模型上很大做到應用上。并且此類方法對設計人員的要求很高，需要熟悉幾何光學知識，有相當扎實的數學基礎，有較強的編寫程序能力，還需要有較強的三維建模能力及光學分析軟件的能力，正是由于此類設計的難度很大，都還處在研究階段。[NT:PAGE=LED二次光學設計方法$]

　　四、二次光學設計的發展趨勢

　　由于上面提到得兩種方法，在實際應用中都存在相當大的難度，并且由于不同LED的發光情況不盡相同，表現為配光曲線不一致，這也就使得每一個光學元件只能適應尺寸相當、配光曲線基本一致的LED。因此不同的LED需要不同的光學元器件與之配合，大量的光學設計需要程序化。如何開發相對較程序化的設計方法將是以后的研究重點，主要體現在以下幾個方面：

　　(1)非成像光學設計軟件模擬分析的準確性

　　如何提高軟件模擬的準確性。一方面需要軟件自身的準確性，另一方面，軟件參數設置的準確性，兩者需要結合起來考慮。通過實際的設計和實際的測量對比，提高模型的準確性。

　　(2)優化設計

　　如何優化我們的光學設計。由于自由曲面參數眾多，不可能通過人為去控制，計算機程序必將代替我們的工作，而程序的建立需要我們準確的模型，這就就要求我們需要建立量化的模型，通過評價函數軟件的優化功能。評價函數就成為整個優化的核心。目前，具有優化功能的軟件基本都是利用照度

　　作為評價函數，由于程序需要量化參數，合適的評價函數將大大提高優化設計的速度及效果。

　　五、總結

　　LED二次光學設計是個新興而富有挑戰的行業，它嚴重影響著LED在照明中的應用及推廣，隨著LED本身及相關技術的不斷發展，其對二次光學的要求也越來越高。未來，LED二次光學將在照明領域中扮演著重要角色。[NT:PAGE=二次光學設計的發展趨勢$]