鏡片數(shù)組的設(shè)計(jì)
鏡片數(shù)組是整合64個(gè)對(duì)應(yīng)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(gòu)成，鏡片數(shù)組可以使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準(zhǔn)直化。鏡片數(shù)組從鏡片背面至焦點(diǎn)的距離為13.5mm，雖然增加該焦點(diǎn)距離，準(zhǔn)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(huì)變大，整體外形尺寸也會(huì)隨著暴增，因此設(shè)計(jì)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(bǔ)正收差，刻意制成Koninck形狀。
聚光鏡片的設(shè)計(jì)
聚光鏡片除了可以使鏡片數(shù)組準(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開口處之外，還可以應(yīng)用在復(fù)數(shù)光線的混合、消除照度與色不均等設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上為縮短照明系統(tǒng)整體的長(zhǎng)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(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開口處的功能，設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行球面收差補(bǔ)正，因此凸面呈非球面形狀。本設(shè)計(jì)使用的聚光鏡片C=0.0145、K=-0.587，采用6次非球面項(xiàng)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(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)，很少設(shè)置收差補(bǔ)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(shí)針對(duì)發(fā)光二極管與鹵素?zé)粽彰鳠艟叩牟町慄c(diǎn)，例如分光強(qiáng)度與開口口徑進(jìn)行確認(rèn)。成像鏡片采用3群3片全長(zhǎng)固定型變倍鏡片(Zoom Lens)設(shè)計(jì)，可在100~150mm焦點(diǎn)范圍進(jìn)行變倍投影，圖8是變倍成像光學(xué)系統(tǒng)與光線圖。
此外為補(bǔ)正各收差，各鏡片使用分散相異的光學(xué)玻璃，配合非球面化設(shè)計(jì)進(jìn)行收差補(bǔ)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(xué)系統(tǒng)，在有效變倍范圍可以獲得充分的收差補(bǔ)正。
LED燈具的特性評(píng)鑒
研究人員為進(jìn)行各種條件的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)以上設(shè)計(jì)試作大型照明燈具，接著在光學(xué)平臺(tái)(Bench)上進(jìn)行配光量測(cè)、照度不均、色不均進(jìn)行評(píng)量。圖10是試作照明系統(tǒng)的實(shí)際外觀。
配光量測(cè)
配光量測(cè)的照射距離為3m，依此量測(cè)照射壁面時(shí)的照度，接著針對(duì)目視與配光量測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)鑒。圖11是照射距離3m，4種照射直徑時(shí)的配光特性測(cè)試結(jié)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1.5m最大照射直徑時(shí)，可以獲得570流明(lm)與300流明(lm)實(shí)用等級(jí)的照度與配光特性。
色不均特性
如上述藍(lán)光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管，結(jié)構(gòu)上發(fā)光二極管芯片產(chǎn)生的藍(lán)光配光特性，與藍(lán)光激發(fā)組合釔鋁石榴石熒光體產(chǎn)生的黃光配光特性不同，因此隨著照射角度顏色會(huì)改變。
新世代大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)使用鏡片數(shù)組與聚光鏡片，除了可以使光線高效率收斂至開口處之外，還能夠使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線均勻化(Homogenizing)，有效消除照射光的色不均勻現(xiàn)象。
如圖12所示發(fā)光二極管單體的場(chǎng)合，中心部位的色度分別是x=0.2742，y=0.2831比較偏藍(lán)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周邊部位顏色差異。
新世代大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)使用部份開口進(jìn)行投影，變倍的廣角端(Wide)照射角度為16°。雖然理論上無法進(jìn)行角度與LED單體相同比較，不過基本上周邊部位與中心部位的比較，可作相同色不均勻的評(píng)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，與發(fā)光二極管單體比較時(shí)，角度造成的色度差異明顯減少。
結(jié)語
以上介紹高功率白光發(fā)光二極管構(gòu)成的新世代配光控制型大型照明燈具的特性。研究人員透過設(shè)計(jì)、試作，解決高功率白光發(fā)光二極管構(gòu)成的大型照明燈具配光控制問題點(diǎn)，獲得無照度不均而且非常柔順的配光分布特性。
此外新世代配光控制型大型照明燈具使用的光學(xué)系統(tǒng)，可以有效改善色不均現(xiàn)象，今后將進(jìn)行詳細(xì)的發(fā)光二極管內(nèi)部模型化，進(jìn)行將藍(lán)光與熒光體納入考慮的光學(xué)系統(tǒng)仿真分析。由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)混色非常有利，而且使用單色發(fā)光二極管的照明燈具，可以獲得高效率、立體影像的全像(Hologram)再生照明，因此研究人員計(jì)劃制作組合單色發(fā)光二極管，開發(fā)全彩、無色不均的照明燈具。
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