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[注意]LED在照明工程中的应用

浙江星光集团 发布时间：2007-05-25 17:18

过去10年来，LED在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。LED以其令人惊叹而欣喜的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。LED寿命长达10万小时，意味着每天工作8小时，可以有35年免维护的理论保障。低压运行，几乎可达到100%的光输出，调光时低到零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制作成1平方毫米。经过二次光学设计，照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的LED技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性，这是许多传统光源所不可能实现的。
　
1.认识LED的特点
　　今天似乎全世界的目光都聚焦在LED这个新型的光源上，被誉为21世纪的绿色照明产品，甚至人们预言未来会大部分取代传统的光源。因为它具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能、发光体接近点光源（有利于LED的灯具设计）、薄型灯具、灯具材料选择范围大、不需要加发射器、低压、没有紫外辐射、尤其在公共环境中使用更加安全等特点。再加上LED光源的生产可实现无汞化，对环境保护和节约能源更具有重要意义。
　　传统的LED主要用于信号显示领域、建筑物航空障碍灯、航标灯、汽车信号灯、仪表背光照明，如今娱乐、建筑物室内外、城市美化、景观照明中应用也越来越广泛。
　
2.LED的光照图式设计与应用
　　LED作为新的光源，有它自身的发光机理与特点。二次光学设计中充分利用LED的优势，则是产品研发必须关注的问题。
2.1 表面发光
　　对LED进行组合设计，可以形成点发光、线发光和面发光的自发光形式。点发光的灯具表面亮度不需要很高，柔和的漫射光往往在环境中起到定向的作用。线发光的LED用于轮廓照明的情况较多，产品需要系列化，根据建筑物的形态、高度以及环境亮度，需要有不同管径大小和不同表面亮度的产品。面发光的LED是将模块化的LED拼装，形成发光的表面。在室内设计中，这类产品可以成为室内主要的装饰元素，也会在地面照明中使用。
2.2 侧向发光
　　在被发光的透明介质如玻璃侧面线性安装LED，通过光线的全发射，使得整个玻璃表面产生柔和的发光效果。这种装饰效果可以对标识进行照明，也可以用于宾馆大堂的主要视觉中心，如楼梯。当然，楼梯的材料一定是透明的。玻璃绘画的照明也可以采用这种照明方式，将玻璃上经过酸腐蚀的艺术绘画呈现出来，如图1、图2所示。
2.3 投射光
　　投射光的光照图式可以是扇形的，也可以是平行光束。这是LED投射灯具完全可以做到的。扇形的光束用于照射垂直的柱面或窗间墙面，而平行的光束可以照射连续的墙面，形成漫射光照明。
2.4 装饰性的动态变化——对颜色、光强和时间的控制
　　RGB技术，将使得LED的颜色理论上可以实现无数种。LED发光的光强与色彩产生预先程序设计的动态变化，展示了光的运动，这主要依赖于数字控制技术相结合的方式。照明设计和建筑师已经认识到LED强大的可变化效果，尤其在控制和美化方面，他们对LED的应用也加速了LED的发展速度。采用为LED全彩灯具设计的控制器，通过计算机编程，可以控制灯具同步或非同步进行色彩变化和快速色彩动作变化。如图3所示。
3.LED室内外灯具一览
　　目前照明工程对LED的应用多限于装饰性的，随着LED功率的提高，白光LED将逐步会取代传统的光源，应用到功能性照明的方方面面。
3.1 室内灯具
3.1.1　天花灯具
　　0.5～8W的小功率室内天花LED灯具，配上磨砂玻璃透镜，其小巧的外形，在餐饮、酒吧类的空间将会找到用武之地。灯具形式可为筒灯、嵌入式、吸顶式、下照式、方向型透投射式或加小型化的灯具如迷你型，配件可制成系列化的彩色装饰环（封口环），如图4、图5所示。
3.1.2　作业照明
　　如工作照明用的台灯，可以改变传统的台灯的造型，为工业设计带来新的设计理念。这种局部的照明，还可以在家具的厨房操作台处的暗藏式照明发挥作用。
3.1.3　暗光灯具
　 方向可以任意调节的装饰性暗光灯具。
3.1.4　图案型光束灯具
　　精确设计出光口，控制光斑的长度，将这类灯具组合，可以成为室内别样的光艺术作品。
3.1.5　交通指向性符号照明
3.1.6　夜间长明灯
　　居室内夜间长明的小型灯具。
3.2 户外照明灯具
3.2.1　墙面或柱面的投光灯具
　　根据现代建筑外观照明的要求，投光灯具的小型化是投光灯具发展的趋势。其出光口可以是单向，也可以是上下两个方向。可以将灯具成组设计加以组合，满足光效序列化的需要。这些灯具也可以用于绿化的照明，如图6、图7所示。
3.2.2　地面灯具
　　地面灯具使用LED光源可以将尺寸小型化。一方面可以用作环境照明（功率4～8W），另一方面可以作为自发光装饰照明或引导照明（功率3~8W）。依据具体的地面铺装，灯具的出光口面可大可小。嵌入式石灯、地砖灯，自然切边的方形，与铺装的石头取得一致，如图8、图9所示。
3.2.3　线性自发光灯具
　　LED的轮廓照明效果可以替代传统的镁氖灯，通过色彩的变化，具有流动变幻的特殊效果。
3.2.4　壁灯
　　墙面安装的局部下照明灯具，用于照亮地面或楼梯的踏面。
3.2.5　装饰草坪灯
　　具有设计意味的草坪灯，将发光的部位设计成环装等各种结构，局部照亮草坪；同时也成为环境中的装饰元素，如图10、图11所示。
3.2.6　水下灯
　　LED水下灯放在水下，用于水体的照明，其IP指数要求为68。
4.　　LED在照明工程中的应用方向
4.1 建筑物外观照明
　　对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束的圆头和方向形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。但是，由于LED光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为LED投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。它的安装便捷，可以水平也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师拓展了创作空间。并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响，如图12、图13所示。
4.2 景观照明
　　由于LED不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有机结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。对于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作为光源进行照明。LED隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方向进行调节。
4.3 标识与指示性照明
　　需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的LED自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。另外，LED与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。
4.4 室内空间展示照明
　　就照明质量来说，由于LED光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。商业照明大都会使用彩色的LED，室内外装饰性的白光LED结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用LED，对于低矮的空间特别有利。
4.5 娱乐场所及舞台照明
　　由于LED的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色，LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值1万小时后仍然维持90%的光通），与PAR灯和金卤灯的50~250小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率。另外，LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。与PAR灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。目前LED彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。
安装简单，在装饰之后的表面可以加装LED灯饰单元；
在下次装修时可重复使用，模块化拼装式结构；
方便更新动态显示效果，重新输入程序即可。
4.6 视频屏幕
　　全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可以比拟的超大面积与超高亮度。根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。世界上目前最有影响的LED显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18677760只LED，面积为10736平方英尺。屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。另外崛起在上海浦东陆家觜金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑里面镶上了长100m的超大型LED屏，总计面积达到3600平方米。堪称世界第一。
4.7 与工业设计相结合
　　LED是近年欧洲产品设计师的宠儿，他们将LED作为产品设计元素的一部分，驰骋于想象的空间，将光、玻璃或其它材料结合在一起，成为美轮美奂的艺术品。
　
5.LED产品研发亟待解决的问题
　　LED是21世纪最具发展前景的高技术照明领域。作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保等显著优点，将是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯的又一次飞跃。在半导体照明产品的外延生产、芯片制造、器件封装、集成应用等几个环节已初步形成比较完整的产业链，但在白光照明实现LED功能化照明方面存在着许多制约因素。因此，在目前的情况下，对LED照明产品开发与设计寄予以下希望：
5.1 满足人们对照明的个性化需求
　　LED的模块化，为照明设计带来了便利，通过设计者充分合理的布局，使LED处于良好的工作状态。LED的产品在满足个性化照明方面是传统光源相形见绌的，LED产品形制的多样化将达到前所未有的程度。
5.2 面发光LED产品考虑建筑的模数化
　　面发光的LED必须与城市设计和建筑设计相结合，才能满足设计者的需求。例如作为地面铺装的夜间装饰，产品的尺寸与地砖的尺寸相协调，即符合模数的要求：150×15；200×200；200×100；300×300；400×200等。
5.3 小功率LED灯具设计
城市夜景照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，小功率的LED产品应该能够找到他的用武之地。发光角度小的LED方向性强，可作局部重点照明。问题是要给设计师提供足够大的选择范围，外观上也应有美观的要求。可以肯定地说，LED将会在未来引领照明的时尚与潮流。
5.4 环保与节能，LED合理利用
　　绿色照明的概念是全球追随的生态设计目标。如果将LED与太阳能电池组合，将会扩大LED的应用范围与场所。
5.5 大功率、高光效、高显色性的白光LED照明产品研发
　　LED在照明领域的使用目前还受到技术水平和价格的限制，目前我国LED在照明领域应用的困难是LED白光光效不高（20Lm/W左右），功率不大（几十豪瓦至一瓦）、价格贵。但是白光LED的发展前景看好，发光效率将达到125Lm/W，单颗的输出功率达到10W，大功率、高亮度LED集成封装技术的研究，包括驱动电路及特种灯具的开发，无疑是LED最终走入照明领域的关键。一旦光效和价格问题得到解决，LED将是未来照明的主体。

LED在景观照明中的优势
　　LED光源除了无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线等优点外，在照明领域中，特别是在景观照明中，还有很多出类拔萃的优势。如：
⑴低压供电：无高压环节，为了绝缘的开销要小很多，可靠性高；
⑵附件简单：无启动器、镇流器或超高压变压器；
⑶结构简单：具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击；
⑷可控性好：响应时间快（微秒数量级），可反复频繁亮灭，基本无惰性，不会疲倦；
⑸色彩纯厚：由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚；
⑹色彩丰富：三基色加数码技术，可演变任意色彩；
⑺轻质结构：材质对灯具强度和刚度要求很低；
⑻体积小巧：大的LED灯具可看成有LED细胞组成，最小的LED仅为平方毫米数量级或更小；
⑼柔性化好：LED光源的精巧，使LED能适应几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形体乃至任意艺术造型的灯光雕塑。
综合以上内容，LED照明，特别是在景观照明中有无以伦比的优势。LED不愧为21世纪绿色照明的骄子。
3.LED景观装饰灯具研发的特点
　　由于LED具有一系列优越性，笔者认为LED在景观灯具的研发方面主要有以下几个方向：
3.1 常规景观灯具的升级
　　常规景观灯具如：园林灯、步道灯、地埋灯、小型射灯、草坪灯、快车道分道地灯、壁灯等。光源采用LED，并结合变幻控制，对景观的烘托，使其更具艺术品味。
3.2 非标异形景观灯具的开发
　　在景观照明中，灯具安装要保护景观，爱护环境，防止灯具有碍观瞻，要做到白天美化，夜幕下艺术亮化。这就需要灯具的结构与安装因景制宜，因建筑特色制宜，很多标准灯具是满足不了以上要求的。LED灯具设计的柔性化，特别适合因景制宜的非标灯具设计，使景观照明与景观协调，达到美化环境的新水平。
3.3 景观灯具开发
灯具本身就是一种造型艺术，而LED光源将更能使景观灯具的艺术创意达到更高境界。由于LED的可控性好，色彩丰富，与微电子技术实现智能化控制，可以构思出各种色彩缤纷，动感节奏欢快，旋律优美的景观灯具。
如：LED霹雳灯，比气体放电型霹雳灯要长寿得多，并且不易损坏，而且色彩丰富。又如：LED风车灯，只需微机智能控制，就可实现“无风时”飞速旋转，并且还能实现自动变速和换色的美妙变幻。
类似这样的构思，只要有灵感，艺术创意较优，均能实现。
3.4 灯光雕塑的开发
　　任何仿真的、仿生的、漫画的、卡通的、商业的、旅游的等等的各种灯光雕塑，均可结合LED和音响技术以及微电子控制，必要时还可再加上机电一体化技术，开发出一系列吸引人们眼球的景观灯雕塑。
　
4. LED景观照明的智能化控制技术
LED景观照明的智能化控制技术，属于模拟或数码技术，或微机控制技术领域，多数为紧凑型或嵌入式系统
4.1 特点
⑴可靠性高，价格优；
⑵常常批量不大；
⑶变化花样名目繁多；
⑷既有单灯控制，又有群控模式；
⑸非标设计很多；
⑹长或超长灯具多（如：长光带，很多壁灯线状布局情况）；
因此，这与LED显示屏技术有很多不同之处。
4.2 变幻控制模式
　　根据景观美化要求，变幻控制模式应该丰富多彩，旋律优美，节奏欢快，有时还要有撼动人心的强烈刺激视觉。
4.3 色彩构成的控制
根据LED可控性好，色彩构成丰富的优越性，按照三基色原理加数字灰度控制技术，原理上可演变出几乎超越大自然存在的任意色彩。
例如：三基色LED，如只采用二级灰度控制，即：明和暗，可实现8种色彩演变；
又如：三基色LED，采用三级灰度控制，即：明、中、暗，可实现27种色彩变幻；
再如：三基色LED，如都采用8为数码的灰度控制，色彩种类竟达到了另人吃惊的程度，达1677万种，连每一种颜色的名字你都来不及命名。当然色彩太多，有时对景观美化不一定有意义。
4.4 电子控制特点
目前，LED灯具的电子控制结构，主要有5大类或更多：单灯控制、群灯控制、长或超长跨距灯控制、声响控制、感应控制。
LED微电子控制电路优化设计的焦点在于：可靠、价优，采用通用元器件。对于长或超长跨距灯的控制有以下要求：数十米、百米乃至千米以上的光带或线状布局的点光源。优化设计的目标还有：在运动控制上，要色彩丰富，变幻多姿，既含跳变，又有渐变，同时还要求最大限度地减少讯导线。当然有很多规范可以采用，例如：C-BUS系统，IEEE Standard 802等等，但很多场合不一定用得上，且价格高，市场竞争力差。为此，我司成功开发了一种性价比优越的全新系统。
5.LED发展中要攻克的主要问题
　　LED进入照明领域是新生事物，具有划时代的意义。但是，与任何新技术一样，LED还存在一些急需完善的方面。
5.1 研发LED高功率点光源
　　国际上，Philips、GE、OSRAM等大公司都有双端的球形HID产品，这是目前世界上最先进的大功率HID光源，特别是Philips公司基于这种光源的体育场馆灯具，灯具效率和配光曲线非常优秀。尽管LED有很多独特的优势，但目前这方面却是空白。高功率密度的点状光源对基于半导体发光原理的LED可能是一个很大的技术难点。
　　当然，人们可以说：一个短跑世界冠军不可能同时又是世界游泳冠军。因此，对这个问题暂时是一种期待。
5.2 发展高效率、高功率因数、价优的紧凑型模块化LED电源
　　LED供电简便，既可直流供电，又可脉冲供电。没有HID和高压霓虹灯的一系列麻烦。目前，低效率的供电系统拖了LED的后腿，节能水平大打折扣。
5.3 发展新型LED混光、混色技术
　　LED光源单位体积小，有很多场合明显是优点，但有时又是缺点。如：LED平面型光源上，通常出现点状光斑以及混色不均匀现象。目前，混光、混色存在的问题是混光、混色的均匀水平与透光率的矛盾。这个问题也是拖LED后腿的因素，主要是材料的原因，急待攻克，对LED景观灯具的实用性有很重要的意义。

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