2024年3月28日发(作者：肇幻梅)
应用tracepro的LED路灯光学设计
光学人生，你的精彩人生！
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。这种情况
下的LED路灯就不能叫做'节能'和'绿色照明'了。国家城市道路照明设
计标准要求LED路灯的光斑如图 1（b）所示，光斑为长方形，正好可
以覆盖马路，并且有很好的均匀性。LED的二次光学技术，不同于其
他的学科，是一门涵盖非成像光学和3维曲面建模的交叉学科，二次
光学的设计可以有效解决LED路灯的出光效率、均匀性、配光角度、
眩光和安全性等问题，提供符合于国家标准所要求的配光，真正实现
环保和绿色的照明。另外LED路灯有较好的显色指数（CRI），根据需
要可以调节不同的色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天等不同
的环境。
图 1(a)没有经过二次光学设计的LED路灯的光斑，(b)经过二次光
学配光设计的LED路灯的光斑
Fig. 1 (a) Light pattern without optical design, (b) Light
pattern with fine optical design
全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180°的光，
并重新分配到指定的区域，是个很好的解决方案。自由曲面的配光可
以使LED路灯光强的远场角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成长方形，
并且光斑的中间和边缘比较均匀，利用边缘光线原理，透镜还可以实
现截光设计，消除眩光。以下为一种全反射式二次光学透镜的设计方
法。
2. 全反射式二次光学透镜的设计
图 2 全反射式二次光学透镜的3D模型
Fig. 2 Lens 3D modeling
图 2为一种全反射式二次光学透镜的3维模型。透镜由4部分组
成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的
全反射棱镜部分、以及上表面'W'型的自由曲面组成。透镜将郎伯型
LED的光配成沿X方向120°（沿着道路方向）以及Y方向60°（垂直
于道路的方向）的光度分布。透镜的设计遵循'边缘光线原理' [1]，即
在X方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°，其他所有的
输出光线都分布在这一角度之内，在Y方向，输出光线的边缘光线的
角度为±30°。
透镜的设计原理如图 3所示。其中Y方向的配光原理如左图，从
LED发出的中间部分的光，由内凹的柱面镜进行会聚，会聚后所有输
出光线的反向延长线交于一虚焦点'F'， 'F'与柱面镜边缘组成的这部分
光线，再经过上表面之后，分布在角度±30°之内。剩下从LED发出的
往侧面部分的光，则由侧面的全反射棱镜进行配光。经入射面入射到
2024年3月28日发(作者：肇幻梅)
应用tracepro的LED路灯光学设计
光学人生，你的精彩人生！
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。这种情况
下的LED路灯就不能叫做'节能'和'绿色照明'了。国家城市道路照明设
计标准要求LED路灯的光斑如图 1（b）所示，光斑为长方形，正好可
以覆盖马路，并且有很好的均匀性。LED的二次光学技术，不同于其
他的学科，是一门涵盖非成像光学和3维曲面建模的交叉学科，二次
光学的设计可以有效解决LED路灯的出光效率、均匀性、配光角度、
眩光和安全性等问题，提供符合于国家标准所要求的配光，真正实现
环保和绿色的照明。另外LED路灯有较好的显色指数（CRI），根据需
要可以调节不同的色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天等不同
的环境。
图 1(a)没有经过二次光学设计的LED路灯的光斑，(b)经过二次光
学配光设计的LED路灯的光斑
Fig. 1 (a) Light pattern without optical design, (b) Light
pattern with fine optical design
全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180°的光，
并重新分配到指定的区域，是个很好的解决方案。自由曲面的配光可
以使LED路灯光强的远场角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成长方形，
并且光斑的中间和边缘比较均匀，利用边缘光线原理，透镜还可以实
现截光设计，消除眩光。以下为一种全反射式二次光学透镜的设计方
法。
2. 全反射式二次光学透镜的设计
图 2 全反射式二次光学透镜的3D模型
Fig. 2 Lens 3D modeling
图 2为一种全反射式二次光学透镜的3维模型。透镜由4部分组
成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的
全反射棱镜部分、以及上表面'W'型的自由曲面组成。透镜将郎伯型
LED的光配成沿X方向120°（沿着道路方向）以及Y方向60°（垂直
于道路的方向）的光度分布。透镜的设计遵循'边缘光线原理' [1]，即
在X方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°，其他所有的
输出光线都分布在这一角度之内，在Y方向，输出光线的边缘光线的
角度为±30°。
透镜的设计原理如图 3所示。其中Y方向的配光原理如左图，从
LED发出的中间部分的光，由内凹的柱面镜进行会聚，会聚后所有输
出光线的反向延长线交于一虚焦点'F'， 'F'与柱面镜边缘组成的这部分
光线，再经过上表面之后，分布在角度±30°之内。剩下从LED发出的
往侧面部分的光，则由侧面的全反射棱镜进行配光。经入射面入射到