工程師解析:高功率LED照明燈具光學設計

　　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(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(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有照射范圍調(diào)整機構，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(nèi)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(diào)光特性非常優(yōu)秀，進行調(diào)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(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(shù)個~數(shù)十個發(fā)光二極管，因此復數(shù)光源產(chǎn)生的光線控制非常重要。

復數(shù)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(shù)組(Array)將發(fā)光二極管產(chǎn)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(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(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(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(nèi)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(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)組的設計

　　鏡片數(shù)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(shù)組可以使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準直化。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(shù)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(shù)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(zhì)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(jù)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。