LED在照明工程中的應用
 

        過去10年來，LED在顏色種類、亮度和功率都發(fā)生了極大的變化。LED以其令人驚嘆而欣喜的應用在城市室內外照明中發(fā)揮著傳統(tǒng)光源無可比擬的作用。LED壽命長達10萬小時，意味著每天工作8小時，可以有35年免維護的理論保障。低壓運行，幾乎可達到100%的光輸出，調光時低到零輸出，可以組合出成千上萬種光色，而發(fā)光面積可以很小，能制作成1平方毫米。經過二次光學設計，照明燈具達到理想的光強分布?？焖侔l(fā)展的LED技術將為照明設計與應用帶來嶄新的可能性，這是許多傳統(tǒng)光源所不可能實現(xiàn)的。
 

1. 認識LED的特點
        

         今天似乎全世界的目光都聚焦在LED這個新型的光源上，被譽為21世紀的綠色照明產品，甚至人們預言未來會大部分取代傳統(tǒng)的光源。因為它具有壽命長、啟動時間短、結構牢固、節(jié)能、發(fā)光體接近點光源（有利于LED的燈具設計）、薄型燈具、燈具材料選擇范圍大、不需要加發(fā)射器、低壓、沒有紫外輻射、尤其在公共環(huán)境中使用更加安全等特點。再加上LED光源的生產可實現(xiàn)無汞化，對環(huán)境保護和節(jié)約能源更具有重要意義。

傳統(tǒng)的LED主要用于信號顯示領域、建筑物航空障礙燈、航標燈、汽車信號燈、儀表背光照明，如今娛樂、建筑物室內外、城市美化、景觀照明中應用也越來越廣泛。
 

2. LED的光照圖式設計與應用
         

         LED作為新的光源，有它自身的發(fā)光機理與特點。二次光學設計中充分利用LED的優(yōu)勢，則是產品研發(fā)必須關注的問題。

2.1 表面發(fā)光

        對LED進行組合設計，可以形成點發(fā)光、線發(fā)光和面發(fā)光的自發(fā)光形式。點發(fā)光的燈具表面亮度不需要很高，柔和的漫射光往往在環(huán)境中起到定向的作用。線發(fā)光的LED用于輪廓照明的情況較多，產品需要系列化，根據(jù)建筑物的形態(tài)、高度以及環(huán)境亮度，需要有不同管徑大小和不同表面亮度的產品。面發(fā)光的LED是將模塊化的LED拼裝，形成發(fā)光的表面。在室內設計中，這類產品可以成為室內主要的裝飾元素，也會在地面照明中使用。

2.2 側向發(fā)光

        在被發(fā)光的透明介質如玻璃側面線性安裝LED，通過光線的全發(fā)射，使得整個玻璃表面產生柔和的發(fā)光效果。這種裝飾效果可以對標識進行照明，也可以用于賓館大堂的主要視覺中心，如樓梯。當然，樓梯的材料一定是透明的。玻璃繪畫的照明也可以采用這種照明方式，將玻璃上經過酸腐蝕的藝術繪畫呈現(xiàn)出來。

2.3 投射光

        投射光的光照圖式可以是扇形的，也可以是平行光束。這是LED投射燈具完全可以做到的。扇形的光束用于照射垂直的柱面或窗間墻面，而平行的光束可以照射連續(xù)的墻面，形成漫射光照明。

2.4 裝飾性的動態(tài)變化——對顏色、光強和時間的控制

        RGB技術，將使得LED的顏色理論上可以實現(xiàn)無數(shù)種。LED發(fā)光的光強與色彩產生預先程序設計的動態(tài)變化，展示了光的運動，這主要依賴于數(shù)字控制技術相結合的方式。照明設計和建筑師已經認識到LED強大的可變化效果，尤其在控制和美化方面，他們對LED的應用也加速了LED的發(fā)展速度。采用為LED全彩燈具設計的控制器，通過計算機編程，可以控制燈具同步或非同步進行色彩變化和快速色彩動作變化。如圖3所示。
 

3. LED室內外燈具一覽
         

         目前照明工程對LED的應用多限于裝飾性的，隨著LED功率的提高，白光LED將逐步會取代傳統(tǒng)的光源，應用到功能性照明的方方面面。

3.1 室內燈具

3.1.1 天花燈具

0.5～8W的小功率室內天花LED燈具，配上磨砂玻璃透鏡，其小巧的外形，在餐飲、酒吧類的空間將會找到用武之地。燈具形式可為筒燈、嵌入式、吸頂式、下照式、方向型透投射式或加小型化的燈具如迷你型，配件可制成系列化的彩色裝飾環(huán)（封口環(huán)），如圖4、圖5所示。

3.1.2 作業(yè)照明

如工作照明用的臺燈，可以改變傳統(tǒng)的臺燈的造型，為工業(yè)設計帶來新的設計理念。這種局部的照明，還可以在家具的廚房操作臺處的暗藏式照明發(fā)揮作用。

3.1.3 暗光燈具

方向可以任意調節(jié)的裝飾性暗光燈具。

3.1.4 圖案型光束燈具

精確設計出光口，控制光斑的長度，將這類燈具組合，可以成為室內別樣的光藝術作品。

3.1.5 交通指向性符號照明

3.1.6 夜間長明燈

居室內夜間長明的小型燈具。

3.2 戶外照明燈具

3.2.1 墻面或柱面的投光燈具

根據(jù)現(xiàn)代建筑外觀照明的要求，投光燈具的小型化是投光燈具發(fā)展的趨勢。其出光口可以是單向，也可以是上下兩個方向?？梢詫艟叱山M設計加以組合，滿足光效序列化的需要。這些燈具也可以用于綠化的照明。

3.2.2 地面燈具

地面燈具使用LED光源可以將尺寸小型化。一方面可以用作環(huán)境照明（功率4～8W），另一方面可以作為自發(fā)光裝飾照明或引導照明（功率3~8W）。依據(jù)具體的地面鋪裝，燈具的出光口面可大可小。嵌入式石燈、地磚燈，自然切邊的方形，與鋪裝的石頭取得一致。

3.2.3 線性自發(fā)光燈具

LED的輪廓照明效果可以替代傳統(tǒng)的鎂氖燈，通過色彩的變化，具有流動變幻的特殊效果。

3.2.4 壁燈

墻面安裝的局部下照明燈具，用于照亮地面或樓梯的踏面。

3.2.5 裝飾草坪燈

具有設計意味的草坪燈，將發(fā)光的部位設計成環(huán)裝等各種結構，局部照亮草坪；同時也成為環(huán)境中的裝飾元素。

3.2.6 水下燈

LED水下燈放在水下，用于水體的照明，其IP指數(shù)要求為68。
 

4. LED在照明工程中的應用方向
         

4.1 建筑物外觀照明

        對建筑物某個區(qū)域進行投射，無非是使用控制光束的圓頭和方向形狀的投光燈具，這與傳統(tǒng)的投光燈具概念完全一致。但是，由于LED光源小而薄，線性投射燈具的研發(fā)無疑成為LED投射燈具的一大亮點，因為許多建筑物根本沒有出挑的地方放置傳統(tǒng)的投光燈。它的安裝便捷，可以水平也可以垂直方向安裝，與建筑物表面更好地結合，為照明設計師帶來了新的照明語匯，拓展了創(chuàng)作空間。并將對現(xiàn)代建筑和歷史建筑的照明手法產生了影響，如圖12、圖13所示。

4.2 景觀照明

        由于LED不像傳統(tǒng)燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道家具很好的有機結合?？梢栽诔鞘械男蓍e空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進行照明。對于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作為光源進行照明。LED隱藏式的投光燈具會特別受到青睞。固定端可以設計為插拔式，依據(jù)植物生長的高度，方向進行調節(jié)。

4.3 標識與指示性照明

        需要進行空間限定和引導的場所，如道路路面的分隔顯示、樓梯踏步的局部照明、緊急出口的指示照明，可以使用表面亮度適當?shù)腖ED自發(fā)光埋地燈或嵌在垂直墻面的燈具，如影劇院觀眾廳內的地面引導燈或座椅側面的指示燈，以及購物中心內樓層的引導燈等。另外，LED與霓虹燈相比，由于是低壓，沒有易碎的玻璃，不會因為制作彎曲而增加費用，值得在標識設計中推廣使用。

4.4 室內空間展示照明

        就照明質量來說，由于LED光源沒有熱量、紫外與紅外輻射，對展品或商品不會產生損害，與傳統(tǒng)光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統(tǒng)簡單，費用低廉，易于安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業(yè)照明大都會使用彩色的LED，室內外裝飾性的白光LED結合室內裝修為室內提供輔助性照明，暗藏光帶可以使用LED，對于低矮的空間特別有利。

4.5 娛樂場所及舞臺照明

        由于LED的動態(tài)、數(shù)字化控制色彩、亮度和調光，活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動態(tài)的照明效果。從白光到全光譜中的任意顏色，LED的使用在這類空間的照明中開啟了新的思路。長壽命、高流明的維持值1萬小時后仍然維持90%的光通），與PAR燈和金鹵燈的50~250小時的壽命相比，降低了維護費用和更換光源的頻率。另外，LED克服了金鹵燈使用一段時間后顏色偏移的現(xiàn)象。與PAR燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前LED彩色裝飾墻面在餐飲建筑中的應用已蔚然成風。

4.6 視頻屏幕

        全彩色LED顯示屏是當今世界上最為引人注目的戶外大型顯示裝置，采用先進的數(shù)字化視頻處理技術，有無可以比擬的超大面積與超高亮度。根據(jù)不同的戶內外環(huán)境，采用各種規(guī)格的發(fā)光像素，實現(xiàn)不同的亮度、色彩、分辨率，以滿足各種用途。它可以動態(tài)顯示圖文動畫信息，利用多媒體技術，可播放各類多媒體文件。世界上目前最有影響的LED顯示屏，當屬美國曼哈頓時代廣場紐約證券交易所，總計使用了18677760只LED，面積為10736平方英尺。屏幕可以劃分成多個畫面，而同時顯示，將華爾街股市的行情一目了然呈現(xiàn)在公眾面前。另外崛起在上海浦東陸家觜金融中心的震旦國際總部，整個朝向浦西的建筑里面鑲上了長100m的超大型LED屏，總計面積達到3600平方米。堪稱世界第一。

4.7 與工業(yè)設計相結合

        LED是近年歐洲產品設計師的寵兒，他們將LED作為產品設計元素的一部分，馳騁于想象的空間，將光、玻璃或其它材料結合在一起，成為美輪美奐的藝術品。
 

5. LED產品研發(fā)亟待解決的問題
        

         LED是21世紀最具發(fā)展前景的高技術照明領域。作為新型高效固體光源，具有壽命長、節(jié)能、環(huán)保等顯著優(yōu)點，將是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈的又一次飛躍。在半導體照明產品的外延生產、芯片制造、器件封裝、集成應用等幾個環(huán)節(jié)已初步形成比較完整的產業(yè)鏈，但在白光照明實現(xiàn)LED功能化照明方面存在著許多制約因素。因此，在目前的情況下，對LED照明產品開發(fā)與設計寄予以下希望：

5.1 滿足人們對照明的個性化需求

        LED的模塊化，為照明設計帶來了便利，通過設計者充分合理的布局，使LED處于良好的工作狀態(tài)。LED的產品在滿足個性化照明方面是傳統(tǒng)光源相形見絀的，LED產品形制的多樣化將達到前所未有的程度。

5.2 面發(fā)光LED產品考慮建筑的模數(shù)化

        面發(fā)光的LED必須與城市設計和建筑設計相結合，才能滿足設計者的需求。例如作為地面鋪裝的夜間裝飾，產品的尺寸與地磚的尺寸相協(xié)調，即符合模數(shù)的要求：150×15；200×200；200×100；300×300；400×200等。

5.3 小功率LED燈具設計

        城市夜景照明追求的不是亮度，而是藝術的創(chuàng)意設計，小功率的LED產品應該能夠找到他的用武之地。發(fā)光角度小的LED方向性強，可作局部重點照明。問題是要給設計師提供足夠大的選擇范圍，外觀上也應有美觀的要求?？梢钥隙ǖ卣f，LED將會在未來引領照明的時尚與潮流。

5.4 環(huán)保與節(jié)能，LED合理利用

        綠色照明的概念是全球追隨的生態(tài)設計目標。如果將LED與太陽能電池組合，將會擴大LED的應用范圍與場所。

5.5 大功率、高光效、高顯色性的白光LED照明產品研發(fā)

        LED在照明領域的使用目前還受到技術水平和價格的限制，目前我國LED在照明領域應用的困難是LED白光光效不高（20LmW左右），功率不大（幾十豪瓦至一瓦）、價格貴。但是白光LED的發(fā)展前景看好，發(fā)光效率將達到125LmW，單顆的輸出功率達到10W，大功率、高亮度LED集成封裝技術的研究，包括驅動電路及特種燈具的開發(fā)，無疑是LED最終走入照明領域的關鍵。一旦光效和價格問題得到解決，LED將是未來照明的主體。