工程師詳析:高功率LED照明燈具的光學(xué)設(shè)計

　　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(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(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，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）以點弧位相角控制方式，改變燈泡的驅(qū)動電壓實現(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。

　　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)光動作時色度變化與反應(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。

　　LED燈具的設(shè)計

　　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，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)作照明光源使用時必須使用數(shù)個~數(shù)十個發(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，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64個排列，封裝在已經(jīng)考慮散熱的基板上，8個串聯(lián)連接的電路則以35mA電流的定電流電源驅(qū)動。此外基于提高散熱考慮，利用軸流冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強制空冷。

　　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(shù)

　　K：Koninck系數(shù)

　　A：高次非球面項

　　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測值；圖6是實際光源模塊外觀。

　　鏡片數(shù)組的設(shè)計

　　鏡片數(shù)組是整合64個對應(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的距離為13.5mm，雖然增加該焦點距離，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的口徑會變大，整體外形尺寸也會隨著暴增，因此設(shè)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(shè)計

　　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。設(shè)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(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開口處的功能，設(shè)計上必須進(jìn)行球面收差補正，因此凸面呈非球面形狀。本設(shè)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(zhì)則為壓克力（PMMA）。

　　變倍成像鏡片的設(shè)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(shè)計，很少設(shè)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?zé)粽彰鳠艟叩牟町慄c，例如分光強度與開口口徑進(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，可在100~150mm焦點范圍進(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)計進(jìn)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(xué)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(jìn)行各種條件的實驗，根據(jù)以上設(shè)計試作大型照明燈具，接著在光學(xué)平臺（Bench）上進(jìn)行配光量測、照度不均、色不均進(jìn)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(jié)果進(jìn)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(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，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(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改變。

　　新世代大型照明燈具的光學(xué)系