高功率LED照明灯具光学设计

    传统照明光源大多使用灯与白炽灯泡，基本大型照明灯具非常强调配光的控制性，单纯考虑发光效率的场合，荧光灯与高强度气体放电灯(HID: High Intensity Discharge)非常优秀，不过高强度气体放电灯的电气调光范围却很狭窄。相较之下荧光灯的光学系统照射特定领域时，若与卤素灯的钨丝比较，它的发光部位非常大，无法高效率从光源收敛光线。 

　　此外大型照明灯具要求0~100%柔顺的调光，一般都使用晶闸管(Thyristor)以点弧位相角控制方式，改变灯泡的驱动电压实现调光效果，因此大型照明灯具的光源几乎都使用卤素灯。大型照明灯具并不要求均匀照射物体，通常都是依照需求使用复数明用灯具，改变照射方向与照射范围，因此大型照明灯具大多设有照射范围调整机构，照射范围的调整分成：改变灯泡与镜片的间隔；将光收敛至开口(Aperture)处，改变投射开口的镜片群焦距。实际上必须根据明用灯具的种类与用途使用。

　　最近几年地球环保声浪日益高涨，大型照明灯具也要求省能源与降低二氧化碳的排放量，因此国外照明灯具业者已经舍弃传统低发光效率的白炽灯泡，改用高发光效率新世代发光二极管光源。90年日亚化学中村教授开发高辉度蓝光发光二极管，96年高辉度蓝光发光二极管组合钇铝石榴石(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)荧光体的白光发光二极管照明光源问世后，立即被视为次世代光源成为全球注目的焦点。

　　白光发光二极管发光效率的提升与高功率化，除了一般室内照明之外，还被当成大型照明灯具的光源使用。一般认为led的调光特性非常优秀，进行调光动作时色度变化与反应特性比传统卤素灯更敏锐，然而大型照明灯具用发光二极管光源，必须解决以下课题，分别是：LED单体的光束非常少；蓝光LED组合钇铝石榴石荧光体的白光发光二极管，它的配光差异极易造成照射面发生色不均匀问题。使用复数LED的场合，各LED之间的分布非常大。接着本文要以大型照明灯具为范例，深入探讨高功率发光二极管照明灯具的光学设计。

　　LED灯具的设计

　　灯具结构 

　　如图1所示使用卤素灯建构光学系统时，大多利用椭圆形反射镜将光线集中至开口处投影。发光二极管的场合，单位发光二极管的光束很少，当作照明光源使用时必须使用数个~数十个发光二极管，因此复数光源产生的光线控制非常重要。

   复数LED当作配配光控制型照明灯具使用时，必须结合高功率发光二极管与光学系统，利用镜片数组(Array)将发光二极管产生的光线准直化(Collimate)，接着再透过聚光镜片(Condenser Lens)使光线在开口处混合集光，最后再利用成像光学系统使该开口光源影像变倍投影，进行所谓的“配光控制”。此外使用镜片数组与聚光镜，还可以消除照射面的亮度不均与色不均等问题。

    大型照明灯具大多使用1000W左右的卤素灯，1000W的卤素灯相当于2.5万流明(lm)的光束，使用这种光源的照明灯具若转换成目前LED的容量，效率上几乎无法实现。图2与图3是研究人员根据以上大型照明灯具要求的特性，设计的照明灯具具体结构。

    整体结构如图所示，LED光源呈8×8合计64个排列，封装在已经考虑散热的基板上，8个串联连接的电路则以35mA电流的定电流电源驱动。此外基于提高散热考虑，利用轴流冷却风扇进行强制空冷。

    上述大型照明灯具，光学组件接近光源设置的场合，必须考虑发光二极管内部结构模型化。模型化首先量测发光二极管的形状与荧光体的尺寸。镜片形状的模型化使用式(1)非球面方程式，以最小自乘法进行与量测值的优化(Fitting)。发光部位则进行荧光体发光的模型化，各部位的发光强度则与激发强度呈比例。 
 
 
Z：光轴方向的下陷(Sag)
H：与光轴直交方向的高度
C：曲率半径的逆数
K：Koninck系数
A：高次非球面项 
 
　　图4是已经模型化的LED镜片、发光部与LED整体的模型；图5是使用上述模型利用仿真分析获得的配光分布与实测值；图6是实际光源模块外观。

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