镜片数组的设计

　　镜片数组是整合64个对应发光二极管，由12.5×12.5mm大小，压克力(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)制成的矩形镜片Cell构成，镜片数组可以使发光二极管产生的光线准直化。镜片数组从镜片背面至焦点的距离为13.5mm，虽然增加该焦点距离，准直化的光线散乱比较少，而且聚光镜片的集光效率可以大幅提高，然而相同N/A值，单位Cell的口径会变大，整体外形尺寸也会随着暴增，因此设计上以降低球面收差为主要诉求。图7是单位Cell的镜片外观，Cell的形状如图所示呈平凸镜片状，凸出部位主要是为补正收差，刻意制成Koninck形状。

 
　　聚光镜片的设计 

　　聚光镜片除了可以使镜片数组准直化的光线高效率收敛至开口处之外，还可以应用在复数光线的混合、消除照度与色不均等设计。设计上为缩短照明系统整体的长度，单镜片若与口径比较它的焦距很短，因此F/N只有0.93。

　　此外聚光镜片非常重视将准直化的光线高效率收敛至开口处的功能，设计上必须进行球面收差补正，因此凸面呈非球面形状。本设计使用的聚光镜片C=0.0145、K=-0.587，采用6次非球面项次，它可以使光线收敛至口径为ψ50mm的开口处，聚光镜片的材质则为压克力(PMMA)。

　　变倍成像镜片的设计 

　　一般大型照明灯具，例如变倍投影的照明灯具大多采用2群2片成像镜片设计，很少设置收差补正镜片。新型大型照明灯具使用的镜片，采用很重视成像特性的镜片系统，同时针对发光二极管与卤素灯照明灯具的差异点，例如分光强度与开口口径进行确认。成像镜片采用3群3片全长固定型变倍镜片(Zoom Lens)设计，可在100~150mm焦点范围进行变倍投影，图8是变倍成像光学系统与光线图。

 
　　此外为补正各收差，各镜片使用分散相异的光学玻璃，配合非球面化设计进行收差补正，因此3片镜片之中的2片镜片使用高次非球面镜片。图9是变倍投影镜片的横收差图，由图可知大型照明灯具的光学系统，在有效变倍范围可以获得充分的收差补正。

LED灯具的特性评鉴 

　　研究人员为进行各种条件的实验，根据以上设计试作大型照明灯具，接着在光学平台(Bench)上进行配光量测、照度不均、色不均进行评量。图10是试作照明系统的实际外观。

 
　　配光量测

　　配光量测的照射距离为3m，依此量测照射壁面时的照度，接着针对目视与配光量测结果进行评鉴。图11是照射距离3m，4种照射直径时的配光特性测试结果，由图可知新世代大型照明灯具可以获得低照度不均、良好的配光特性。此外3m照射距离的中心照度，0.9m最小照射直径与1.5m最大照射直径时，可以获得570流明(lm)与300流明(lm)实用等级的照度与配光特性。

　　色不均特性 

　　如上述蓝光发光二极管组合钇铝石榴石荧光体的白光发光二极管，结构上发光二极管芯片产生的蓝光配光特性，与蓝光激发组合钇铝石榴石荧光体产生的黄光配光特性不同，因此随着照射角度颜色会改变。

新世代大型照明灯具的光学系统使用镜片数组与聚光镜片，除了可以使光线高效率收敛至开口处之外，还能够使发光二极管产生的光线均匀化(Homogenizing)，有效消除照射光的色不均匀现象。

　　如图12所示发光二极管单体的场合，中心部位的色度分别是x=0.2742，y=0.2831比较偏蓝色，距 离光轴16°的位置x=0.3114，y=0.3704，周边部位30°的位置x=0.3358，y=0.3745，随着角度不同色度变化非常明显，即使目视都可以分辨照射光中心部位与周边部位颜色差异。

 　　新世代大型照明灯具的光学系统使用部份开口进行投影，变倍的广角端(Wide)照射角度为16°。虽然理论上无法进行角度与LED单体相同比较，不过基本上周边部位与中心部位的比较，可作相同色不均匀的评鉴。

　　新世代大型照明灯具的中心部位色度x=0.3220，y=0.3252，中间部位亦即距离光轴5°位置的色度x=0.3247，y=0.3294，周边部位10°的位置x=0.3128，y=0.3178，与发光二极管单体比较时，角度造成的色度差异明显减少。

　　结语

　　以上介绍高功率白光发光二极管构成的新世代配光控制型大型照明灯具的特性。研究人员透过设计、试作，解决高功率白光发光二极管构成的大型照明灯具配光控制问题点，获得无照度不均而且非常柔顺的配光分布特性。 
 
　　此外新世代配光控制型大型照明灯具使用的光学系统，可以有效改善色不均现象，今后将进行详细的发光二极管内部模型化，进行将蓝光与荧光体纳入考虑的光学系统仿真分析。由于光学系统对混色非常有利，而且使用单色发光二极管的照明灯具，可以获得高效率、立体影像的全像(Hologram)再生照明，因此研究人员计划制作组合单色发光二极管，开发全彩、无色不均的照明灯具。