鏡片數組的設計

　　鏡片數組是整合64個(ge) 對應發光二極管，由12.5×12.5mm大小，壓克力(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)製成的矩形鏡片Cell構成，鏡片數組可以使發光二極管產(chan) 生的光線準直化。鏡片數組從(cong) 鏡片背麵至焦點的距離為(wei) 13.5mm，雖然增加該焦點距離，準直化的光線散亂(luan) 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(hui) 變大，整體(ti) 外形尺寸也會(hui) 隨著暴增，因此設計上以降低球麵收差為(wei) 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(wei) 補正收差，刻意製成Koninck形狀。

 
　　聚光鏡片的設計 

　　聚光鏡片除了可以使鏡片數組準直化的光線高效率收斂至開口處之外，還可以應用在複數光線的混合、消除照度與(yu) 色不均等設計。設計上為(wei) 縮短照明係統整體(ti) 的長度，單鏡片若與(yu) 口徑比較它的焦距很短，因此F/N隻有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，設計上必須進行球麵收差補正，因此凸麵呈非球麵形狀。本設計使用的聚光鏡片C=0.0145、K=-0.587，采用6次非球麵項次，它可以使光線收斂至口徑為(wei) ψ50mm的開口處，聚光鏡片的材質則為(wei) 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係統，同時針對發光二極管與(yu) 鹵素燈照明燈具的差異點，例如分光強度與(yu) 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焦點範圍進行變倍投影，圖8是變倍成像光學係統與(yu) 光線圖。

 
　　此外為(wei) 補正各收差，各鏡片使用分散相異的光學玻璃，配合非球麵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麵鏡片。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係統，在有效變倍範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(wei) 進行各種條件的實驗，根據以上設計試作大型照明燈具，接著在光學平台(Bench)上進行配光量測、照度不均、色不均進行評量。圖10是試作照明係統的實際外觀。

 
　　配光量測

　　配光量測的照射距離為(wei) 3m，依此量測照射壁麵時的照度，接著針對目視與(yu) 配光量測結果進行評鑒。圖11是照射距離3m，4種照射直徑時的配光特性測試結果，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(yu) 1.5m最大照射直徑時，可以獲得570流明(lm)與(yu) 300流明(lm)實用等級的照度與(yu) 配光特性。

　　色不均特性 

　　如上述藍光發光二極管組合釔鋁石榴石熒光體(ti) 的白光發光二極管，結構上發光二極管芯片產(chan) 生的藍光配光特性，與(yu) 藍光激發組合釔鋁石榴石熒光體(ti) 產(chan) 生的黃光配光特性不同，因此隨著照射角度顏色會(hui) 改變。

新世代大型照明燈具的光學係統使用鏡片數組與(yu) 聚光鏡片，除了可以使光線高效率收斂至開口處之外，還能夠使發光二極管產(chan) 生的光線均勻化(Homogenizing)，有效消除照射光的色不均勻現象。

　　如圖12所示發光二極管單體(ti) 的場合，中心部位的色度分別是x=0.2742，y=0.2831比較偏藍色，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(yu) 周邊部位顏色差異。

 　　新世代大型照明燈具的光學係統使用部份開口進行投影，變倍的廣角端(Wide)照射角度為(wei) 16°。雖然理論上無法進行角度與(yu) LED單體(ti) 相同比較，不過基本上周邊部位與(yu) 中心部位的比較，可作相同色不均勻的評鑒。

　　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(yu) 發光二極管單體(ti) 比較時，角度造成的色度差異明顯減少。

　　結語

　　以上介紹高功率白光發光二極管構成的新世代配光控製型大型照明燈具的特性。研究人員透過設計、試作，解決(jue) 高功率白光發光二極管構成的大型照明燈具配光控製問題點，獲得無照度不均而且非常柔順的配光分布特性。 
 
　　此外新世代配光控製型大型照明燈具使用的光學係統，可以有效改善色不均現象，今後將進行詳細的發光二極管內(nei) 部模型化，進行將藍光與(yu) 熒光體(ti) 納入考慮的光學係統仿真分析。由於(yu) 光學係統對混色非常有利，而且使用單色發光二極管的照明燈具，可以獲得高效率、立體(ti) 影像的全像(Hologram)再生照明，因此研究人員計劃製作組合單色發光二極管，開發全彩、無色不均的照明燈具。