LED在照明工程中的應(yīng)用
 

        過(guò)去10年來(lái)，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(yīng)用在城市室內(nèi)外照明中發(fā)揮著傳統(tǒng)光源無(wú)可比擬的作用。LED壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，意味著每天工作8小時(shí)，可以有35年免維護(hù)的理論保障。低壓運(yùn)行，幾乎可達(dá)到100%的光輸出，調(diào)光時(shí)低到零輸出，可以組合出成千上萬(wàn)種光色，而發(fā)光面積可以很小，能制作成1平方毫米。經(jīng)過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)，照明燈具達(dá)到理想的光強(qiáng)分布?？焖侔l(fā)展的LED技術(shù)將為照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來(lái)嶄新的可能性，這是許多傳統(tǒng)光源所不可能實(shí)現(xiàn)的。
 

1. 認(rèn)識(shí)LED的特點(diǎn)
        

         今天似乎全世界的目光都聚焦在LED這個(gè)新型的光源上，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色照明產(chǎn)品，甚至人們預(yù)言未來(lái)會(huì)大部分取代傳統(tǒng)的光源。因?yàn)樗哂袎勖L(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)牢固、節(jié)能、發(fā)光體接近點(diǎn)光源（有利于LED的燈具設(shè)計(jì)）、薄型燈具、燈具材料選擇范圍大、不需要加發(fā)射器、低壓、沒(méi)有紫外輻射、尤其在公共環(huán)境中使用更加安全等特點(diǎn)。再加上LED光源的生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)汞化，對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源更具有重要意義。

傳統(tǒng)的LED主要用于信號(hào)顯示領(lǐng)域、建筑物航空障礙燈、航標(biāo)燈、汽車信號(hào)燈、儀表背光照明，如今娛樂(lè)、建筑物室內(nèi)外、城市美化、景觀照明中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
 

2. LED的光照?qǐng)D式設(shè)計(jì)與應(yīng)用
         

         LED作為新的光源，有它自身的發(fā)光機(jī)理與特點(diǎn)。二次光學(xué)設(shè)計(jì)中充分利用LED的優(yōu)勢(shì)，則是產(chǎn)品研發(fā)必須關(guān)注的問(wèn)題。

2.1 表面發(fā)光

        對(duì)LED進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，可以形成點(diǎn)發(fā)光、線發(fā)光和面發(fā)光的自發(fā)光形式。點(diǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)設(shè)計(jì)中，這類產(chǎn)品可以成為室內(nèi)主要的裝飾元素，也會(huì)在地面照明中使用。

2.2 側(cè)向發(fā)光

        在被發(fā)光的透明介質(zhì)如玻璃側(cè)面線性安裝LED，通過(guò)光線的全發(fā)射，使得整個(gè)玻璃表面產(chǎn)生柔和的發(fā)光效果。這種裝飾效果可以對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行照明，也可以用于賓館大堂的主要視覺(jué)中心，如樓梯。當(dāng)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(jīng)過(guò)酸腐蝕的藝術(shù)繪畫呈現(xiàn)出來(lái)。

2.3 投射光

        投射光的光照?qǐng)D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(dòng)態(tài)變化——對(duì)顏色、光強(qiáng)和時(shí)間的控制

        RGB技術(shù)，將使得LED的顏色理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)種。LED發(fā)光的光強(qiáng)與色彩產(chǎn)生預(yù)先程序設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)變化，展示了光的運(yùn)動(dòng)，這主要依賴于數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合的方式。照明設(shè)計(jì)和建筑師已經(jīng)認(rèn)識(shí)到LED強(qiáng)大的可變化效果，尤其在控制和美化方面，他們對(duì)LED的應(yīng)用也加速了LED的發(fā)展速度。采用為L(zhǎng)ED全彩燈具設(shè)計(jì)的控制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，可以控制燈具同步或非同步進(jìn)行色彩變化和快速色彩動(dòng)作變化。如圖3所示。
 

3. LED室內(nèi)外燈具一覽
         

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

3.1 室內(nèi)燈具

3.1.1 天花燈具

0.5～8W的小功率室內(nèi)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(huì)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(tái)燈，可以改變傳統(tǒng)的臺(tái)燈的造型，為工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)理念。這種局部的照明，還可以在家具的廚房操作臺(tái)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(diào)節(jié)的裝飾性暗光燈具。

3.1.4 圖案型光束燈具

精確設(shè)計(jì)出光口，控制光斑的長(zhǎng)度，將這類燈具組合，可以成為室內(nèi)別樣的光藝術(shù)作品。

3.1.5 交通指向性符號(hào)照明

3.1.6 夜間長(zhǎng)明燈

居室內(nèi)夜間長(zhǎng)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(shì)。其出光口可以是單向，也可以是上下兩個(gè)方向?？梢詫艟叱山M設(shè)計(jì)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(dǎo)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(guò)色彩的變化，具有流動(dòng)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(shè)計(jì)意味的草坪燈，將發(fā)光的部位設(shè)計(jì)成環(huán)裝等各種結(jié)構(gòu)，局部照亮草坪；同時(shí)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(yīng)用方向
         

4.1 建筑物外觀照明

        對(duì)建筑物某個(gè)區(qū)域進(jìn)行投射，無(wú)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(wú)疑成為L(zhǎng)ED投射燈具的一大亮點(diǎn)，因?yàn)樵S多建筑物根本沒(méi)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(jié)合，為照明設(shè)計(jì)師帶來(lái)了新的照明語(yǔ)匯，拓展了創(chuàng)作空間。并將對(duì)現(xiàn)代建筑和歷史建筑的照明手法產(chǎn)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(jī)結(jié)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(jìn)行照明。對(duì)于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作為光源進(jìn)行照明。LED隱藏式的投光燈具會(huì)特別受到青睞。固定端可以設(shè)計(jì)為插拔式，依據(jù)植物生長(zhǎng)的高度，方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.3 標(biāo)識(shí)與指示性照明

        需要進(jìn)行空間限定和引導(dǎo)的場(chǎng)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(dāng)?shù)腖ED自發(fā)光埋地?zé)艋蚯对诖怪眽γ娴臒艟撸缬皠≡河^眾廳內(nèi)的地面引導(dǎo)燈或座椅側(cè)面的指示燈，以及購(gòu)物中心內(nèi)樓層的引導(dǎo)燈等。另外，LED與霓虹燈相比，由于是低壓，沒(méi)有易碎的玻璃，不會(huì)因?yàn)橹谱鲝澢黾淤M(fèi)用，值得在標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)中推廣使用。

4.4 室內(nèi)空間展示照明

        就照明質(zhì)量來(lái)說(shuō)，由于LED光源沒(méi)有熱量、紫外與紅外輻射，對(duì)展品或商品不會(huì)產(chǎn)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(jiǎn)單，費(fèi)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(huì)使用彩色的LED，室內(nèi)外裝飾性的白光LED結(jié)合室內(nèi)裝修為室內(nèi)提供輔助性照明，暗藏光帶可以使用LED，對(duì)于低矮的空間特別有利。

4.5 娛樂(lè)場(chǎng)所及舞臺(tái)照明

        由于LED的動(dòng)態(tài)、數(shù)字化控制色彩、亮度和調(diào)光，活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動(dòng)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(zhǎng)壽命、高流明的維持值1萬(wàn)小時(shí)后仍然維持90%的光通），與PAR燈和金鹵燈的50~250小時(shí)的壽命相比，降低了維護(hù)費(fèi)用和更換光源的頻率。另外，LED克服了金鹵燈使用一段時(shí)間后顏色偏移的現(xiàn)象。與PAR燈相比，沒(méi)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(yīng)用已蔚然成風(fēng)。

4.6 視頻屏幕

        全彩色LED顯示屏是當(dāng)今世界上最為引人注目的戶外大型顯示裝置，采用先進(jìn)的數(shù)字化視頻處理技術(shù)，有無(wú)可以比擬的超大面積與超高亮度。根據(jù)不同的戶內(nèi)外環(huán)境，采用各種規(guī)格的發(fā)光像素，實(shí)現(xiàn)不同的亮度、色彩、分辨率，以滿足各種用途。它可以動(dòng)態(tài)顯示圖文動(dòng)畫信息，利用多媒體技術(shù)，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(dāng)屬美國(guó)曼哈頓時(shí)代廣場(chǎng)紐約證券交易所，總計(jì)使用了18677760只LED，面積為10736平方英尺。屏幕可以劃分成多個(gè)畫面，而同時(shí)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(guó)際總部，整個(gè)朝向浦西的建筑里面鑲上了長(zhǎng)100m的超大型LED屏，總計(jì)面積達(dá)到3600平方米?？胺Q世界第一。

4.7 與工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合

        LED是近年歐洲產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的寵兒，他們將LED作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)元素的一部分，馳騁于想象的空間，將光、玻璃或其它材料結(jié)合在一起，成為美輪美奐的藝術(shù)品。
 

5. LED產(chǎn)品研發(fā)亟待解決的問(wèn)題
        

         LED是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)照明領(lǐng)域。作為新型高效固體光源，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)體照明產(chǎn)品的外延生產(chǎn)、芯片制造、器件封裝、集成應(yīng)用等幾個(gè)環(huán)節(jié)已初步形成比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，但在白光照明實(shí)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(duì)LED照明產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)寄予以下希望：

5.1 滿足人們對(duì)照明的個(gè)性化需求

        LED的模塊化，為照明設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利，通過(guò)設(shè)計(jì)者充分合理的布局，使LED處于良好的工作狀態(tài)。LED的產(chǎn)品在滿足個(gè)性化照明方面是傳統(tǒng)光源相形見絀的，LED產(chǎn)品形制的多樣化將達(dá)到前所未有的程度。

5.2 面發(fā)光LED產(chǎn)品考慮建筑的模數(shù)化

        面發(fā)光的LED必須與城市設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合，才能滿足設(shè)計(jì)者的需求。例如作為地面鋪裝的夜間裝飾，產(chǎn)品的尺寸與地磚的尺寸相協(xié)調(diào)，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(shè)計(jì)

        城市夜景照明追求的不是亮度，而是藝術(shù)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，小功率的LED產(chǎn)品應(yīng)該能夠找到他的用武之地。發(fā)光角度小的LED方向性強(qiáng)，可作局部重點(diǎn)照明。問(wèn)題是要給設(shè)計(jì)師提供足夠大的選擇范圍，外觀上也應(yīng)有美觀的要求。可以肯定地說(shuō)，LED將會(huì)在未來(lái)引領(lǐng)照明的時(shí)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(shè)計(jì)目標(biāo)。如果將LED與太陽(yáng)能電池組合，將會(huì)擴(kuò)大LED的應(yīng)用范圍與場(chǎng)所。

5.5 大功率、高光效、高顯色性的白光LED照明產(chǎn)品研發(fā)

        LED在照明領(lǐng)域的使用目前還受到技術(shù)水平和價(jià)格的限制，目前我國(guó)LED在照明領(lǐng)域應(yīng)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(jià)格貴。但是白光LED的發(fā)展前景看好，發(fā)光效率將達(dá)到125LmW，單顆的輸出功率達(dá)到10W，大功率、高亮度LED集成封裝技術(shù)的研究，包括驅(qū)動(dòng)電路及特種燈具的開發(fā)，無(wú)疑是LED最終走入照明領(lǐng)域的關(guān)鍵。一旦光效和價(jià)格問(wèn)題得到解決，LED將是未來(lái)照明的主體。