傳統(tǒng)照明光源大多使用燈與白熾燈泡,，基本大型照明燈具非常強(qiáng)調(diào)配光的控制性,，單純考慮發(fā)光效率的場合，熒光燈與高強(qiáng)度氣體放電燈(HID: High Intensity Discharge)非常優(yōu)秀,，不過高強(qiáng)度氣體放電燈的電氣調(diào)光范圍卻很狹窄,。相較之下熒光燈的光學(xué)系統(tǒng)照射特定領(lǐng)域時(shí)，若與鹵素?zé)舻逆u絲比較,，它的發(fā)光部位非常大,，無法高效率從光源收斂光線。 

　　此外大型照明燈具要求0~100%柔順的調(diào)光，一般都使用晶閘管(Thyristor)以點(diǎn)弧位相角控制方式,，改變燈泡的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)光效果,，因此大型照明燈具的光源幾乎都使用鹵素?zé)簟４笮驼彰鳠艟卟⒉灰缶鶆蛘丈湮矬w,，通常都是依照需求使用復(fù)數(shù)明用燈具,，改變照射方向與照射范圍，因此大型照明燈具大多設(shè)有照射范圍調(diào)整機(jī)構(gòu),，照射范圍的調(diào)整分成：改變燈泡與鏡片的間隔,；將光收斂至開口(Aperture)處，改變投射開口的鏡片群焦距,。實(shí)際上必須根據(jù)明用燈具的種類與用途使用,。

　　最近幾年地球環(huán)保聲浪日益高漲，大型照明燈具也要求省能源與降低二氧化碳的排放量,，因此國外照明燈具業(yè)者已經(jīng)舍棄傳統(tǒng)低發(fā)光效率的白熾燈泡,，改用高發(fā)光效率新世代發(fā)光二極管光源。90年日亞化學(xué)中村教授開發(fā)高輝度藍(lán)光發(fā)光二極管,，96年高輝度藍(lán)光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)熒光體的白光發(fā)光二極管照明光源問世后,，立即被視為次世代光源成為全球注目的焦點(diǎn)。

　　白光發(fā)光二極管發(fā)光效率的提升與高功率化,，除了一般室內(nèi)照明之外,，還被當(dāng)成大型照明燈具的光源使用。一般認(rèn)為LED的調(diào)光特性非常優(yōu)秀,，進(jìn)行調(diào)光動(dòng)作時(shí)色度變化與反應(yīng)特性比傳統(tǒng)鹵素?zé)舾翡J,，然而大型照明燈具用發(fā)光二極管光源，必須解決以下課題,，分別是：LED單體的光束非常少,；藍(lán)光LED組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管，它的配光差異極易造成照射面發(fā)生色不均勻問題,。使用復(fù)數(shù)LED的場合,，各LED之間的分布非常大。接著本文要以大型照明燈具為范例,，深入探討高功率發(fā)光二極管照明燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)" title="光學(xué)設(shè)計(jì)">光學(xué)設(shè)計(jì),。

　　LED燈具的設(shè)計(jì)

　　燈具結(jié)構(gòu) 

　　如圖1所示使用鹵素?zé)艚?gòu)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，大多利用橢圓形反射鏡將光線集中至開口處投影,。發(fā)光二極管的場合,，單位發(fā)光二極管的光束很少，當(dāng)作照明光源使用時(shí)必須使用數(shù)個(gè)~數(shù)十個(gè)發(fā)光二極管,，因此復(fù)數(shù)光源產(chǎn)生的光線控制非常重要,。

       復(fù)數(shù)LED當(dāng)作配配光控制型照明燈具使用時(shí)，必須結(jié)合高功率發(fā)光二極管與光學(xué)系統(tǒng)，利用鏡片數(shù)組(Array)將發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準(zhǔn)直化(Collimate),，接著再透過聚光鏡片(Condenser Lens)使光線在開口處混合集光,，最后再利用成像光學(xué)系統(tǒng)使該開口光源影像變倍投影，進(jìn)行所謂的“配光控制”,。此外使用鏡片數(shù)組與聚光鏡,，還可以消除照射面的亮度不均與色不均等問題。

      大型照明燈具大多使用1000W左右的鹵素?zé)簦?000W的鹵素?zé)粝喈?dāng)于2.5萬流明(lm)的光束,，使用這種光源的照明燈具若轉(zhuǎn)換成目前LED的容量,，效率上幾乎無法實(shí)現(xiàn)。圖2與圖3是研究人員根據(jù)以上大型照明燈具要求的特性,，設(shè)計(jì)的照明燈具具體結(jié)構(gòu),。

       整體結(jié)構(gòu)如圖所示，LED光源呈8×8合計(jì)64個(gè)排列,，封裝在已經(jīng)考慮散熱的基板上,，8個(gè)串聯(lián)連接的電路則以35mA電流的定電流電源驅(qū)動(dòng)。此外基于提高散熱考慮,，利用軸流冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制空冷。

      上述大型照明燈具,，光學(xué)組件接近光源設(shè)置的場合,，必須考慮發(fā)光二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型化。模型化首先量測發(fā)光二極管的形狀與熒光體的尺寸,。鏡片形狀的模型化使用式(1)非球面方程式,，以最小自乘法進(jìn)行與量測值的優(yōu)化(Fitting)。發(fā)光部位則進(jìn)行熒光體發(fā)光的模型化,，各部位的發(fā)光強(qiáng)度則與激發(fā)強(qiáng)度呈比例,。 
 
 
Z：光軸方向的下陷(Sag)
H：與光軸直交方向的高度
C：曲率半徑的逆數(shù)
K：Koninck系數(shù)
A：高次非球面項(xiàng) 
 
　　圖4是已經(jīng)模型化的LED鏡片、發(fā)光部與LED整體的模型,；圖5是使用上述模型利用仿真分析獲得的配光分布與實(shí)測值,；圖6是實(shí)際光源模塊外觀。

 　　鏡片數(shù)組的設(shè)計(jì)

　　鏡片數(shù)組是整合64個(gè)對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管,，由12.5×12.5mm大小,，壓克力(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)制成的矩形鏡片Cell構(gòu)成，鏡片數(shù)組可以使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準(zhǔn)直化,。鏡片數(shù)組從鏡片背面至焦點(diǎn)的距離為13.5mm,，雖然增加該焦點(diǎn)距離，準(zhǔn)直化的光線散亂比較少,，而且聚光鏡片的集光效率可以大幅提高,，然而相同N/A值，單位Cell的口徑會(huì)變大，整體外形尺寸也會(huì)隨著暴增,，因此設(shè)計(jì)上以降低球面收差為主要訴求,。圖7是單位Cell的鏡片外觀，Cell的形狀如圖所示呈平凸鏡片狀,，凸出部位主要是為補(bǔ)正收差,，刻意制成Koninck形狀。

 
　　聚光鏡片的設(shè)計(jì) 

　　聚光鏡片除了可以使鏡片數(shù)組準(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開口處之外,，還可以應(yīng)用在復(fù)數(shù)光線的混合,、消除照度與色不均等設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上為縮短照明系統(tǒng)整體的長度,，單鏡片若與口徑比較它的焦距很短,，因此F/N只有0.93。

　　此外聚光鏡片非常重視將準(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開口處的功能,，設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行球面收差補(bǔ)正,，因此凸面呈非球面形狀。本設(shè)計(jì)使用的聚光鏡片C=0.0145,、K=-0.587,，采用6次非球面項(xiàng)次，它可以使光線收斂至口徑為ψ50mm的開口處,，聚光鏡片的材質(zhì)則為壓克力(PMMA),。

　　變倍成像鏡片的設(shè)計(jì) 

　　一般大型照明燈具，例如變倍投影的照明燈具大多采用2群2片成像鏡片設(shè)計(jì),，很少設(shè)置收差補(bǔ)正鏡片,。新型大型照明燈具使用的鏡片，采用很重視成像特性的鏡片系統(tǒng),，同時(shí)針對(duì)發(fā)光二極管與鹵素?zé)粽彰鳠艟叩牟町慄c(diǎn),，例如分光強(qiáng)度與開口口徑進(jìn)行確認(rèn)。成像鏡片采用3群3片全長固定型變倍鏡片(Zoom Lens)設(shè)計(jì),，可在100~150mm焦點(diǎn)范圍進(jìn)行變倍投影,，圖8是變倍成像光學(xué)系統(tǒng)與光線圖。

 
　　此外為補(bǔ)正各收差,，各鏡片使用分散相異的光學(xué)玻璃,，配合非球面化設(shè)計(jì)進(jìn)行收差補(bǔ)正，因此3片鏡片之中的2片鏡片使用高次非球面鏡片,。圖9是變倍投影鏡片的橫收差圖,，由圖可知大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)，在有效變倍范圍可以獲得充分的收差補(bǔ)正,。

　　LED燈具的特性評(píng)鑒 

　　研究人員為進(jìn)行各種條件的實(shí)驗(yàn),，根據(jù)以上設(shè)計(jì)試作大型照明燈具,，接著在光學(xué)平臺(tái)(Bench)上進(jìn)行配光量測、照度不均,、色不均進(jìn)行評(píng)量,。圖10是試作照明系統(tǒng)的實(shí)際外觀。

 
　　配光量測

　　配光量測的照射距離為3m,，依此量測照射壁面時(shí)的照度,，接著針對(duì)目視與配光量測結(jié)果進(jìn)行評(píng)鑒。圖11是照射距離3m,，4種照射直徑時(shí)的配光特性測試結(jié)果,，由圖可知新世代大型照明燈具可以獲得低照度不均、良好的配光特性,。此外3m照射距離的中心照度,，0.9m最小照射直徑與1.5m最大照射直徑時(shí)，可以獲得570流明(lm)與300流明(lm)實(shí)用等級(jí)的照度與配光特性,。

　　色不均特性 

　　如上述藍(lán)光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管,，結(jié)構(gòu)上發(fā)光二極管芯片產(chǎn)生的藍(lán)光配光特性，與藍(lán)光激發(fā)組合釔鋁石榴石熒光體產(chǎn)生的黃光配光特性不同,，因此隨著照射角度顏色會(huì)改變,。

　　新世代大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)使用鏡片數(shù)組與聚光鏡片，除了可以使光線高效率收斂至開口處之外,，還能夠使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線均勻化(Homogenizing),，有效消除照射光的色不均勻現(xiàn)象。

　　如圖12所示發(fā)光二極管單體的場合,，中心部位的色度分別是x=0.2742，y=0.2831比較偏藍(lán)色,，距 離光軸16°的位置x=0.3114,，y=0.3704，周邊部位30°的位置x=0.3358,，y=0.3745,，隨著角度不同色度變化非常明顯，即使目視都可以分辨照射光中心部位與周邊部位顏色差異,。

 　　新世代大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)使用部份開口進(jìn)行投影,，變倍的廣角端(Wide)照射角度為16°。雖然理論上無法進(jìn)行角度與LED單體相同比較,，不過基本上周邊部位與中心部位的比較,，可作相同色不均勻的評(píng)鑒。

　　新世代大型照明燈具的中心部位色度x=0.3220,，y=0.3252,，中間部位亦即距離光軸5°位置的色度x=0.3247,，y=0.3294，周邊部位10°的位置x=0.3128,，y=0.3178,，與發(fā)光二極管單體比較時(shí)，角度造成的色度差異明顯減少,。

　　結(jié)語

　　以上介紹高功率白光發(fā)光二極管構(gòu)成的新世代配光控制型大型照明燈具的特性,。研究人員透過設(shè)計(jì)、試作,，解決高功率白光發(fā)光二極管構(gòu)成的大型照明燈具配光控制問題點(diǎn),，獲得無照度不均而且非常柔順的配光分布特性。 
 
　　此外新世代配光控制型大型照明燈具使用的光學(xué)系統(tǒng),，可以有效改善色不均現(xiàn)象,，今后將進(jìn)行詳細(xì)的發(fā)光二極管內(nèi)部模型化，進(jìn)行將藍(lán)光與熒光體納入考慮的光學(xué)系統(tǒng)仿真分析,。由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)混色非常有利,，而且使用單色發(fā)光二極管的照明燈具，可以獲得高效率,、立體影像的全像(Hologram)再生照明,，因此研究人員計(jì)劃制作組合單色發(fā)光二極管，開發(fā)全彩,、無色不均的照明燈具,。