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調配光的控制性，單純考慮發(fā)光效率的場合，熒光燈與高強度氣體放電燈(HID: High Intensity Discharge)非常優(yōu)秀，不過高強度氣體放電燈的電氣調光范圍卻很狹窄。相較之下熒光燈的光學系統(tǒng)照射特定領域時，若與鹵素燈的鎢絲比較，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%柔順的調光，一般都使用晶閘管(Thyristor)以點弧位相角控制方式，改變燈泡的驅動電壓實現調光效果，因此大型照明燈具的光源幾乎都使用鹵素燈。大型照明燈具并不要求均勻照射物體，通常都是依照需求使用復數明用燈具，改變照射方向與照射范圍，因此大型照明燈具大多設有照射范圍調整機構，照射范圍的調整分成：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。實際上必須根據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年日亞化學中村教授開發(fā)高輝度藍光發(fā)光二極管，96年高輝度藍光發(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。
白光發(fā)光二極管發(fā)光效率的提升與高功率化，除了一般室內照明之外，還被當成大型照明燈具的光源使用。一般認為LED的調光特性非常優(yōu)秀，進行調光動作時色度變化與反應特性比傳統(tǒng)鹵素燈更敏銳，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。使用復數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設計" title="光學設計">光學設計。
LED燈具的設計
燈具結構
如圖1所示使用鹵素燈建構光學系統(tǒng)時，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，當作照明光源使用時必須使用數個~數十個發(fā)光二極管，因此復數光源產生的光線控制非常重要。
復數LED當作配配光控制型照明燈具使用時，必須結合高功率發(fā)光二極管與光學系統(tǒng)，利用鏡片數組(Array)將發(fā)光二極管產生的光線準直化(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系統(tǒng)使該開口光源影像變倍投影，進行所謂的“配光控制”。此外使用鏡片數組與聚光鏡，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左右的鹵素燈，1000W的鹵素燈相當于2.5萬流明(lm)的光束，使用這種光源的照明燈具若轉換成目前LED的容量，效率上幾乎無法實現。圖2與圖3是研究人員根據以上大型照明燈具要求的特性，設計的照明燈具具體結構。
整體結構如圖所示，LED光源呈8×8合計64個排列，封裝在已經考慮散熱的基板上，8個串聯連接的電路則以35mA電流的定電流電源驅動。此外基于提高散熱考慮，利用軸流冷卻風扇進行強制空冷。
上述大型照明燈具，光學組件接近光源設置的場合，必須考慮發(fā)光二極管內部結構模型化。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，以最小自乘法進行與量測值的優(yōu)化(Fitting)。發(fā)光部位則進行熒光體發(fā)光的模型化，各部位的發(fā)光強度則與激發(fā)強度呈比例。
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
K：Koninck系數
A：高次非球面項
圖4是已經模型化的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測值；圖6是實際光源模塊外觀。
鏡片數組的設計
鏡片數組是整合64個對應發(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構成，鏡片數組可以使發(fā)光二極管產生的光線準直化。鏡片數組從鏡片背面至焦點的距離為13.5mm，雖然增加該焦點距離，準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的口徑會變大，整體外形尺寸也會隨著暴增，因此設計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正收差，刻意制成Koninck形狀。
聚光鏡片的設計
聚光鏡片除了可以使鏡片數組準直化的光線高效率收斂至開口處之外，還可以應用在復數光線的混合、消除照度與色不均等設計。設計上為縮短照明系統(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直化的光線高效率收斂至開口處的功能，設計上必須進行球面收差補正，因此凸面呈非球面形狀。本設計使用的聚光鏡片C=0.0145、K=-0.587，采用6次非球面項次，它可以使光線收斂至口徑為ψ50mm的開口處，聚光鏡片的材質則為壓克力(PMMA)。
變倍成像鏡片的設計
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片成像鏡片設計，很少設置收差補正鏡片。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)，同時針對發(fā)光二極管與鹵素燈照明燈具的差異點，例如分光強度與開口口徑進行確認。成像鏡片采用3群3片全長固定型變倍鏡片(Zoom Lens)設計，可在100~150mm焦點范圍進行變倍投影，圖8是變倍成像光學系統(tǒng)與光線圖。
此外為補正各收差，各鏡片使用分散相異的光學玻璃，配合非球面化設計進行收差補正，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系統(tǒng)，在有效變倍范圍可以獲得充分的收差補正。
LED燈具的特性評鑒
研究人員為進行各種條件的實驗，根據以上設計試作大型照明燈具，接著在光學平臺(Bench)上進行配光量測、照度不均、色不均進行評量。圖10是試作照明系統(tǒng)的實際外觀。
配光量測
配光量測的照射距離為3m，依此量測照射壁面時的照度，接著針對目視與配光量測結果進行評鑒。圖11是照射距離3m，4種照射直徑時的配光特性測試結果，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，可以獲得570流明(lm)與300流明(lm)實用等級的照度與配光特性。
色不均特性
如上述藍光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管，結構上發(fā)光二極管芯片產生的藍光配光特性，與藍光激發(fā)組合釔鋁石榴石熒光體產生的黃光配光特性不同，因此隨著照射角度顏色會改變。
新世代大型照明燈具的光學系統(tǒng)使用鏡片數組與聚光鏡片，除了可以使光線高效率收斂至開口處之外，還能夠使發(fā)光二極管產生的光線均勻化(Homogenizing)，有效消除照射光的色不均勻現象。
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系統(tǒng)使用部份開口進行投影，變倍的廣角端(Wide)照射角度為16°。雖然理論上無法進行角度與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，角度造成的色度差異明顯減少。
結語
以上介紹高功率白光發(fā)光二極管構成的新世代配光控制型大型照明燈具的特性。研究人員透過設計、試作，解決高功率白光發(fā)光二極管構成的大型照明燈具配光控制問題點，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系統(tǒng)，可以有效改善色不均現象，今后將進行詳細的發(fā)光二極管內部模型化，進行將藍光與熒光體納入考慮的光學系統(tǒng)仿真分析。由于光學系統(tǒng)對混色非常有利，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。