LED在照明工程中的应用
时间：2010-06-24 阅读：604
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LED在照明工程中的应用
過去10年來，LED在顏色種類、亮度和功率都發生了極大的變化。LED以其令人驚歎而欣喜的應用在城市室內外照明中發揮著傳統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，而發光面積可以很小，能製作成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佈。快速發展的LED技術將為照明設計與應用帶來嶄新的可能性，這是許多傳統光源所不可能實現的。
1. 認識LED的特點
今天似乎*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的光源。因為它具有壽命長、啟動時間短、結構牢固、節能、發光體接近點光源（有利於LED的燈具設計）、薄型燈具、燈具材料選擇範圍大、不需要加發射器、低壓、沒有紫外輻射、尤其在公共環境中使用更加安全等特點。再加上LED光源的生產可實現無汞化，對環境保護和節約能源更具有重要意義。
傳統的LED主要用於信號顯示領域、建築物航空障礙燈、航標燈、汽車信號燈、儀錶背光照明，如今娛樂、建築物室內外、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，有它自身的發光機理與特點。二次光學設計中充分利用LED的優勢，則是產品研發必須關注的問題。
2.1 表面發光
對LED進行組合設計，可以形成點發光、線發光和麵發光的自發光形式。點發光的燈具表面亮度不需要很高，柔和的漫射光往往在環境中起到定向的作用。線發光的LED用於輪廓照明的情況較多，產品需要系列化，根據建築物的形態、高度以及環境亮度，需要有不同管徑大小和不同表面亮度的產品。面發光的LED是將模組化的LED拼裝，形成發光的表面。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 側向發光
在被發光的透明介質如玻璃側面線性安裝LED，通過光線的全發射，使得整個玻璃表面產生柔和的發光效果。這種裝飾效果可以對標識進行照明，也可以用於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採用這種照明方式，將玻璃上經過酸腐蝕的藝術繪畫呈現出來，如圖1、圖2所示。
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*可以做到的。扇形的光束用於照射垂直的柱面或窗間牆面，而平行的光束可以照射連續的牆面，形成漫射光照明。
2.4 裝飾性的動態變化——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無數種。LED發光的光強與色彩產生預先程式設計的動態變化，展示了光的運動，這主要依賴於數位控制技術相結合的方式。照明設計和建築師已經認識到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的發展速度。採用為LED全彩燈具設計的控制器，通過電腦編程，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的應用多限於裝飾性的，隨著LED功率的提高，白光LED將逐步會取代傳統的光源，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，配件可製成系列化的彩色裝飾環（封口環），如圖4、圖5所示。
3.1.2 作業照明
如工作照明用的臺燈，可以改變傳統的臺燈的造型，為工業設計帶來新的設計理念。這種局部的照明，還可以在傢俱的廚房操作臺處的暗藏式照明發揮作用。
3.1.3 暗光燈具
方向可以任意調節的裝飾性暗光燈具。
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 牆面或柱面的投光燈具
根據現代建築外觀照明的要求，投光燈具的小型化是投光燈具發展的趨勢。其出光口可以是單向，也可以是上下兩個方向。可以將燈具成組設計加以組合，滿足光效序列化的需要。這些燈具也可以用於綠化的照明，如圖6、圖7所示。
3.2.2 地面燈具
地面燈具使用LED光源可以將尺寸小型化。一方面可以用作環境照明（功率4～8W），另一方面可以作為自發光裝飾照明或引導照明（功率3~8W）。依據具體的地面鋪裝，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，如圖8、圖9所示。
3.2.3 線性自發光燈具
LED的輪廓照明效果可以替代傳統的鎂氖燈，通過色彩的變化，具有流動變幻的特殊效果。
3.2.4 壁燈
牆面安裝的局部下照明燈具，用於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，將發光的部位設計成環裝等各種結構，局部照亮草坪；同時也成為環境中的裝飾元素，如圖10、圖11所示。
3.2.6 水下燈
LED水下燈放在水下，用於水體的照明，其IP指數要求為68。
4. LED在照明工程中的應用方向
4.1 建築物外觀照明
對建築物某個區域進行投射，無非是使用控制光束的圓頭和方向形狀的投光燈具，這與傳統的投光燈具概念*一致。但是，由於LED光源小而薄，線性投射燈具的研發無疑成為LED投射燈具的一大亮點，因為許多建築物根本沒有出挑的地方放置傳統的投光燈。它的安裝便捷，可以水平也可以垂直方向安裝，與建築物表面更好地結合，為照明設計師帶來了新的照明語彙，拓展了創作空間。並將對現代建築和歷史建築的照明手法產生了影響，如圖12、圖13所示。
4.2 景觀照明
由於LED不像傳統燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道傢俱很好的有機結合。可以在城市的休閒空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進行照明。對於花卉或低矮的灌木，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，依據植物生長的高度，方向進行調節。
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的LED自發光埋地燈或嵌在垂直牆面的燈具，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，由於是低壓，沒有易碎的玻璃，不會因為製作彎曲而增加費用，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，由於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，與傳統光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統簡單，費用低廉，易於安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業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，對於低矮的空間特別有利。
4.5 娛樂場所及舞臺照明
由於LED的動態、數位化控制色彩、亮度和調光，活潑的飽和色可以創造靜態和動態的照明效果。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1萬小時後仍然維持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後顏色偏移的現象。與PAR燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前LED彩色裝飾牆面在餐飲建築中的應用已蔚然成風。
4.6 視頻螢幕
全彩色LED顯示幕是當今世界上zui為引人注目的戶外大型顯示裝置，採用先進的數位化視頻處理技術，有無可以比擬的超大面積與超高亮度。根據不同的戶內外環境，採用各種規格的發光圖元，實現不同的亮度、色彩、解析度，以滿足各種用途。它可以動態顯示圖文動畫資訊，利用多媒體技術，可播放各類多媒體檔。世界上目前zui有影響的LED顯示幕，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。螢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，整個朝向浦西的建築裏面鑲上了長100m的超大型LED屏，總計面積達到3600平方米。堪稱世界*。
4.7 與工業設計相結合
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，馳騁於想像的空間，將光、玻璃或其他材料結合在一起，成為美輪美奐的藝術品。
1. 認識LED的特點
今天似乎*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的光源。因為它具有壽命長、啟動時間短、結構牢固、節能、發光體接近點光源（有利於LED的燈具設計）、薄型燈具、燈具材料選擇範圍大、不需要加發射器、低壓、沒有紫外輻射、尤其在公共環境中使用更加安全等特點。再加上LED光源的生產可實現無汞化，對環境保護和節約能源更具有重要意義。
傳統的LED主要用於信號顯示領域、建築物航空障礙燈、航標燈、汽車信號燈、儀錶背光照明，如今娛樂、建築物室內外、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，有它自身的發光機理與特點。二次光學設計中充分利用LED的優勢，則是產品研發必須關注的問題。
2.1 表面發光
對LED進行組合設計，可以形成點發光、線發光和麵發光的自發光形式。點發光的燈具表面亮度不需要很高，柔和的漫射光往往在環境中起到定向的作用。線發光的LED用於輪廓照明的情況較多，產品需要系列化，根據建築物的形態、高度以及環境亮度，需要有不同管徑大小和不同表面亮度的產品。面發光的LED是將模組化的LED拼裝，形成發光的表面。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 側向發光
在被發光的透明介質如玻璃側面線性安裝LED，通過光線的全發射，使得整個玻璃表面產生柔和的發光效果。這種裝飾效果可以對標識進行照明，也可以用於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採用這種照明方式，將玻璃上經過酸腐蝕的藝術繪畫呈現出來，如圖1、圖2所示。
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*可以做到的。扇形的光束用於照射垂直的柱面或窗間牆面，而平行的光束可以照射連續的牆面，形成漫射光照明。
2.4 裝飾性的動態變化——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無數種。LED發光的光強與色彩產生預先程式設計的動態變化，展示了光的運動，這主要依賴於數位控制技術相結合的方式。照明設計和建築師已經認識到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的發展速度。採用為LED全彩燈具設計的控制器，通過電腦編程，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的應用多限於裝飾性的，隨著LED功率的提高，白光LED將逐步會取代傳統的光源，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，配件可製成系列化的彩色裝飾環（封口環），如圖4、圖5所示。
3.1.2 作業照明
如工作照明用的臺燈，可以改變傳統的臺燈的造型，為工業設計帶來新的設計理念。這種局部的照明，還可以在傢俱的廚房操作臺處的暗藏式照明發揮作用。
3.1.3 暗光燈具
方向可以任意調節的裝飾性暗光燈具。
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 牆面或柱面的投光燈具
根據現代建築外觀照明的要求，投光燈具的小型化是投光燈具發展的趨勢。其出光口可以是單向，也可以是上下兩個方向。可以將燈具成組設計加以組合，滿足光效序列化的需要。這些燈具也可以用於綠化的照明，如圖6、圖7所示。
3.2.2 地面燈具
地面燈具使用LED光源可以將尺寸小型化。一方面可以用作環境照明（功率4～8W），另一方面可以作為自發光裝飾照明或引導照明（功率3~8W）。依據具體的地面鋪裝，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，如圖8、圖9所示。
3.2.3 線性自發光燈具
LED的輪廓照明效果可以替代傳統的鎂氖燈，通過色彩的變化，具有流動變幻的特殊效果。
3.2.4 壁燈
牆面安裝的局部下照明燈具，用於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，將發光的部位設計成環裝等各種結構，局部照亮草坪；同時也成為環境中的裝飾元素，如圖10、圖11所示。
3.2.6 水下燈
LED水下燈放在水下，用於水體的照明，其IP指數要求為68。
4. LED在照明工程中的應用方向
4.1 建築物外觀照明
對建築物某個區域進行投射，無非是使用控制光束的圓頭和方向形狀的投光燈具，這與傳統的投光燈具概念*一致。但是，由於LED光源小而薄，線性投射燈具的研發無疑成為LED投射燈具的一大亮點，因為許多建築物根本沒有出挑的地方放置傳統的投光燈。它的安裝便捷，可以水平也可以垂直方向安裝，與建築物表面更好地結合，為照明設計師帶來了新的照明語彙，拓展了創作空間。並將對現代建築和歷史建築的照明手法產生了影響，如圖12、圖13所示。
4.2 景觀照明
由於LED不像傳統燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道傢俱很好的有機結合。可以在城市的休閒空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進行照明。對於花卉或低矮的灌木，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，依據植物生長的高度，方向進行調節。
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的LED自發光埋地燈或嵌在垂直牆面的燈具，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，由於是低壓，沒有易碎的玻璃，不會因為製作彎曲而增加費用，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，由於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，與傳統光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統簡單，費用低廉，易於安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業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，對於低矮的空間特別有利。
4.5 娛樂場所及舞臺照明
由於LED的動態、數位化控制色彩、亮度和調光，活潑的飽和色可以創造靜態和動態的照明效果。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1萬小時後仍然維持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後顏色偏移的現象。與PAR燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前LED彩色裝飾牆面在餐飲建築中的應用已蔚然成風。
4.6 視頻螢幕
全彩色LED顯示幕是當今世界上zui為引人注目的戶外大型顯示裝置，採用先進的數位化視頻處理技術，有無可以比擬的超大面積與超高亮度。根據不同的戶內外環境，採用各種規格的發光圖元，實現不同的亮度、色彩、解析度，以滿足各種用途。它可以動態顯示圖文動畫資訊，利用多媒體技術，可播放各類多媒體檔。世界上目前zui有影響的LED顯示幕，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。螢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，整個朝向浦西的建築裏面鑲上了長100m的超大型LED屏，總計面積達到3600平方米。堪稱世界*。
4.7 與工業設計相結合
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，馳騁於想像的空間，將光、玻璃或其他材料結合在一起，成為美輪美奐的藝術品。
5. LED產品研發亟待解決的問題
LED是21世紀發展前景的高技術照明領域。作為新型固體光源，具有壽命長、節能、環保等顯著優點，將是人類照明*繼白熾燈、螢光燈、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、晶片製造、器件封裝、集成應用等幾個環節已初步形成比較完整的產業鏈，但在白光照明實現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的模組化，為照明設計帶來了便利，通過設計者充分合理的佈局，使LED處於良好的工作狀態。LED的產品在滿足個性化照明方面是傳統光源相形見絀的，LED產品形制的多樣化將達到的程度。
5.2 面發光LED產品考慮建築的模數化
面發光的LED必須與城市設計和建築設計相結合，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調，即符合模數的要求：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，而是藝術的創意設計，小功率的LED產品應該能夠找到他的用武之地。發光角度小的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範圍，外觀上也應有美觀的要求。可以肯定地說，LED將會在未來引領照明的時尚與潮流。
5.4 環保與節能，LED合理利用
綠色照明的概念是追隨的生態設計目標。如果將LED與太陽能電池組合，將會擴大LED的應用範圍與場所。
5.5 大功率、高光效、高顯色性的白光LED照明產品研發
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（20Lm/W左右），功率不大（幾十豪瓦至一瓦）、價格貴。但是白光LED的發展前景看好，發光效率將達到125Lm/W，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，無疑是LEDzui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。
LED是21世紀發展前景的高技術照明領域。作為新型固體光源，具有壽命長、節能、環保等顯著優點，將是人類照明*繼白熾燈、螢光燈、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、晶片製造、器件封裝、集成應用等幾個環節已初步形成比較完整的產業鏈，但在白光照明實現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的模組化，為照明設計帶來了便利，通過設計者充分合理的佈局，使LED處於良好的工作狀態。LED的產品在滿足個性化照明方面是傳統光源相形見絀的，LED產品形制的多樣化將達到的程度。
5.2 面發光LED產品考慮建築的模數化
面發光的LED必須與城市設計和建築設計相結合，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調，即符合模數的要求：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，而是藝術的創意設計，小功率的LED產品應該能夠找到他的用武之地。發光角度小的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範圍，外觀上也應有美觀的要求。可以肯定地說，LED將會在未來引領照明的時尚與潮流。
5.4 環保與節能，LED合理利用
綠色照明的概念是追隨的生態設計目標。如果將LED與太陽能電池組合，將會擴大LED的應用範圍與場所。
5.5 大功率、高光效、高顯色性的白光LED照明產品研發
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（20Lm/W左右），功率不大（幾十豪瓦至一瓦）、價格貴。但是白光LED的發展前景看好，發光效率將達到125Lm/W，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，無疑是LEDzui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。