傳統(tǒng)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(qiáng)調(diào)配光的控制性，單純考慮發(fā)光效率的場(chǎng)合，熒光燈與高強(qiáng)度氣體放電燈(HID: High Intensity Discharge)非常優(yōu)秀，不過(guò)高強(qiáng)度氣體放電燈的電氣調(diào)光范圍卻很狹窄。相較之下熒光燈的光學(xué)系統(tǒng)照射特定領(lǐng)域時(shí)，若與鹵素?zé)舻逆u絲比較，它的發(fā)光部位非常大，無(wú)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(diào)光，一般都使用晶閘管(Thyristor)以點(diǎn)弧位相角控制方式，改變燈泡的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)光效果，因此大型照明燈具的光源幾乎都使用鹵素?zé)?。大型照明燈具并不要求均勻照射物體，通常都是依照需求使用復(fù)數(shù)明用燈具，改變照射方向與照射范圍，因此大型照明燈具大多設(shè)有照射范圍調(diào)整機(jī)構(gòu)，照射范圍的調(diào)整分成：改變燈泡與鏡片的間隔；將光收斂至開(kāi)口(Aperture)處，改變投射開(kāi)口的鏡片群焦距。實(shí)際上必須根據(jù)明用燈具的種類與用途使用。

　　最近幾年地球環(huán)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(guó)外照明燈具業(yè)者已經(jīng)舍棄傳統(tǒng)低發(fā)光效率的白熾燈泡，改用高發(fā)光效率新世代發(fā)光二極管光源。90年日亞化學(xué)中村教授開(kāi)發(fā)高輝度藍(lán)光發(fā)光二極管，96年高輝度藍(lán)光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)熒光體的白光發(fā)光二極管照明光源問(wèn)世后，立即被視為次世代光源成為全球注目的焦點(diǎn)。

　　白光發(fā)光二極管發(fā)光效率的提升與高功率化，除了一般室內(nèi)照明之外，還被當(dāng)成大型照明燈具的光源使用。一般認(rèn)為LED的調(diào)光特性非常優(yōu)秀，進(jìn)行調(diào)光動(dòng)作時(shí)色度變化與反應(yīng)特性比傳統(tǒng)鹵素?zé)舾翡J，然而大型照明燈具用發(fā)光二極管光源，必須解決以下課題，分別是：LED單體的光束非常少；藍(lán)光LED組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管，它的配光差異極易造成照射面發(fā)生色不均勻問(wèn)題。使用復(fù)數(shù)LED的場(chǎng)合，各LED之間的分布非常大。接著本文要以大型照明燈具為范例，深入探討高功率發(fā)光二極管照明燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)。

　　LED燈具的設(shè)計(jì)

　　燈具結(jié)構(gòu) 

　　如圖1所示使用鹵素?zé)艚?gòu)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，大多利用橢圓形反射鏡將光線集中至開(kāi)口處投影。發(fā)光二極管的場(chǎng)合，單位發(fā)光二極管的光束很少，當(dāng)作照明光源使用時(shí)必須使用數(shù)個(gè)~數(shù)十個(gè)發(fā)光二極管，因此復(fù)數(shù)光源產(chǎn)生的光線控制非常重要。

復(fù)數(shù)LED當(dāng)作配配光控制型照明燈具使用時(shí)，必須結(jié)合高功率發(fā)光二極管與光學(xué)系統(tǒng)，利用鏡片數(shù)組(Array)將發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準(zhǔn)直化(Collimate)，接著再透過(guò)聚光鏡片(Condenser Lens)使光線在開(kāi)口處混合集光，最后再利用成像光學(xué)系統(tǒng)使該開(kāi)口光源影像變倍投影，進(jìn)行所謂的“配光控制”。此外使用鏡片數(shù)組與聚光鏡，還可以消除照射面的亮度不均與色不均等問(wèn)題。

      大型照明燈具大多使用1000W左右的鹵素?zé)簦?000W的鹵素?zé)粝喈?dāng)于2.5萬(wàn)流明(lm)的光束，使用這種光源的照明燈具若轉(zhuǎn)換成目前LED的容量，效率上幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。圖2與圖3是研究人員根據(jù)以上大型照明燈具要求的特性，設(shè)計(jì)的照明燈具具體結(jié)構(gòu)。

       整體結(jié)構(gòu)如圖所示，LED光源呈8×8合計(jì)64個(gè)排列，封裝在已經(jīng)考慮散熱的基板上，8個(gè)串聯(lián)連接的電路則以35mA電流的定電流電源驅(qū)動(dòng)。此外基于提高散熱考慮，利用軸流冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制空冷。

      上述大型照明燈具，光學(xué)組件接近光源設(shè)置的場(chǎng)合，必須考慮發(fā)光二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型化。模型化首先量測(cè)發(fā)光二極管的形狀與熒光體的尺寸。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(jìn)行與量測(cè)值的優(yōu)化(Fitting)。發(fā)光部位則進(jìn)行熒光體發(fā)光的模型化，各部位的發(fā)光強(qiáng)度則與激發(fā)強(qiáng)度呈比例。 
 
 
Z：光軸方向的下陷(Sag)
H：與光軸直交方向的高度
C：曲率半徑的逆數(shù)
K：Koninck系數(shù)
A：高次非球面項(xiàng) 
 
　　圖4是已經(jīng)模型化的LED鏡片、發(fā)光部與LED整體的模型；圖5是使用上述模型利用仿真分析獲得的配光分布與實(shí)測(cè)值；圖6是實(shí)際光源模塊外觀。