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傳統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，單純考慮發光效率的場合，螢光燈與高強度氣體放電燈(HID: High Intensity Discharge)非常優秀，不過高強度氣體放電燈的電氣調光範圍卻很狹窄。相較之下螢光燈的光學系統照射特定領域時，若與鹵素燈的鎢絲比較，它的發光部位非常大，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。大型照明燈具並不要求均勻照射物體，通常都是依照需求使用複數明用燈具，改變照射方向與照射範圍，因此大型照明燈具大多設有照射範圍調整機構，照射範圍的調整分成：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者已經捨棄傳統低發光效率的白熾燈泡，改用高發光效率新世代發光二極體光源。90年日亞化學中村教授開發高輝度藍光發光二極體，96年高輝度藍光發光二極體組合釔鋁石榴石(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)螢光體的白光發光二極體照明光源問世後，立即被視為次世代光源成為全球注目的焦點。
白光發光二極體發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的調光特性非常優秀，進行調光動作時色度變化與反應特性比傳統鹵素燈更敏銳，然而大型照明燈具用發光二極體光源，必須解決以下課題，分別是：LED單體的光束非常少；藍光LED組合釔鋁石榴石螢光體的白光發光二極體，它的配光差異極易造成照射面發生色不均勻問題。使用複數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範例，深入探討高功率發光二極體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時，大多利用橢圓形反射鏡將光線集中至開口處投影。發光二極體的場合，單位發光二極體的光束很少，當作照明光源使用時必須使用數個~數十個發光二極體，因此複數光源產生的光線控制非常重要。
複數LED當作配配光控制型照明燈具使用時，必須結合高功率發光二極體與光學系統，利用鏡片陣列(Array)將發光二極體產生的光線準直化(Collimate)，接著再透過聚光鏡片(Condenser Lens)使光線在開口處混合集光，最後再利用成像光學系統使該開口光源影像變倍投影，進行所謂的「配光控制」。此外使用鏡片陣列與聚光鏡，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的鹵素燈相當於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。此外基於提高散熱考慮，利用軸流冷卻風扇進行強制空冷。
上述大型照明燈具，光學元件接近光源設置的場合，必須考慮發光二極體內部結構模型化。模型化首先量測發光二極體的形狀與螢光體的尺寸。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最佳化(Fitting)。發光部位則進行螢光體發光的模型化，各部位的發光強度則與激發強度呈比例。 |
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發表於 2011-12-1 09:02:02
