高功率LED照明燈具光學(xué)設(shè)計(jì)

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(chǎng)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(guó)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(chǎng)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)。

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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)、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(cè)

配光量測(cè)的照射距離為3m，依此量測(cè)照射壁面時(shí)的照度，接著針對(duì)目視與配光量測(cè)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(cè)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(chǎng)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(yǔ)

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。