摘要：随着我国人民群众精神文化消费需求的增加，舞台、演播室、娱乐室等逐渐增加，LED灯具有高效、节能、绿色、环保等优势。近年来散热和电源技术的不断完善，LED 灯具的可靠性得到很大的提高，LED 照明产业正朝着智能化控制和高照明品质的方向发展。本文从LED 灯具的优势概述入手，对绿色照明理念的投光照明灯具的光学设计进行了分析。
关键词：光学设计；投光灯；绿色照明
1.LED 灯具的优势概述
LED即“发光二极管”，以LED为光源的灯具统称为“LED灯具”，它在设计和工作原理上与传统灯具有很大的差异，从自身结构角度分析，LED灯具包含LED光源、用于固定和保护LED光源所需的全部零部件以及与电源连接所必需的线路附件。相对于传统灯具的独立照明工作系统而言，LED灯具内部的光源部分很小，容易固定，且具有很好的稳定性。
1.1节能环保
现代化社会离不开电力资源的支撑，其中照明是最基本、最普遍但又最重要的一种用途。尽管照明用电相对工业生产用电相比份额较低，但从全社会节能环保角度来说，依然是一笔较大的电力资源消耗，数据显示，我国照明用电约占全国电量的13%左右，而我国超过60%的电力来源于火力发电厂，每降低1个百分点的电力消耗，就意味着节约上万吨的煤炭，不仅有利于资源节约，还可以有效地控制环境污染。LED灯具特殊的发光原理在保持照明水平的情况下，对电力资源的消耗极低。同时，LED灯具在制造工艺中不含铅、水银灯元素，是典型的“绿色照明”灯具。
1.2高效转换
以常见的白炽灯为例，其发光率仅为15%左右，大量的宝贵电能转化为热量被浪费掉，而LED灯具的发光率高达90%以上，同等亮度下的单位耗能更低。
1.3清静舒适
传统白炽灯、日光灯等在使用过程中会产生大量的电流噪音，LED直接将电能转化为光能，能够提供一个更清净的照明环境。同时，传统灯具采用的是交流电工作，由此会产生较强烈的频闪（100-120T/S），容易造成视觉上的不适，而LED灯具则实现了交流电向直流电的转化，不会出现闪烁、光差等现象，尤其适合在精密仪器空间、科研场所、图书馆、办公环境中使用。
1.4照明优良
传统灯具会产生较强的紫外线，在室外空间中会吸引大量的蚊虫，LED则是发光二极管的作用机制，不会产生紫外线，从而提供更加优良的照明效果。
1.5寿命延长
传统灯具对于电压、电流较为敏感，任何的异常都会在照明功能上反应出来，如白炽灯电压低的情况下灯丝发红、灯光变黄，日光灯忽明忽暗、接触不良等，影响照明体验。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这是由于传统灯具对于电压有最小工作值的要求，而LED灯具在一定范围内均可以持续稳定的发光，并且灵活地调整灯光亮度，这也是LED灯光寿命较长的原因之一；相对于传统日光灯而言，LED灯的理论工作寿命可以达到6万小时，是日光灯的6倍，有效地保障了无故障运行周期。
1.6坚固耐用
相对于传统灯具来说，LED灯具在设计上不存在孤立的发光环境，如灯管、灯罩等，晶片及电路都通过环氧树脂进行密封，即便在没有灯具外部保护的情况下依然相对稳定，碰撞之后也不会轻易的损坏。
2基于绿色照明理念的LED灯具光学设计
照明系统的节能主要从两方面进行：一是研制和推广应用高效优质的照明灯具；二是提供合理的照明控制系统和工程应用。研究高效的照明灯具主要是从灯具光学系统的设计出发，合理选择灯具光源，科学地设计灯具光学系统形状，采用合理的反射材料和折射投光材料。
灯具光学设计就是利用几何光学原理设计由复杂曲面组成的反射罩和折射透镜，使光线射向要求的照明方向的一种办法。
2.1反射式的二次光学设计
反射式二次光学系统能够使LED 的下部光、侧部光、和上部光经直射、反射和折射充分输出至受光面，它是一种能够重新分配、控制光源光通量的设计。光源发出的光经反射器作用后，投射到要求的方向，LED 器件最终的发光效率就会得到显著地提高。反射器的设计包括反射材料的反射系数、反射分布形状以及适当反射曲面的构成，对于要求光效高、方向性好的灯具可采用镜面反射材料；对于光线要求柔和的灯具可采用扩散反射材料；对于眩光控制要求高的灯具可采用较大的截光角；对于光输出分布比较规则的灯具可选择合适的特种几何曲面，如抛物面，椭球面；对于光输出分布各向不均匀的灯具（如汽车前灯）就要采用复杂的曲面，甚至是自由曲面。灯具的反射器由许多片不同的反射片嵌在反射罩内组成，采用360°布置，反射器可以组合成不同形状，不同功能的小反射曲面组合成特定光反射功能的子模块，以便实现特定的光反射功能，采用这种布置方式对光线的控制更加精准，能进一步减少了外溢光，提高灯具的效率。反射片的不同组合搭配，能够形成多种配光曲线。在新开发投光照明灯具时只需要按照要求配光组合反射器子模块，就可以按照特殊要求实现灯具的配光设计，从而在应用中选择最合适的配光，做到合理投射和利用光线，以达到最佳的照明效果。
采用模块化模式设计全方位组合不同反射功能的反光罩和遮光罩，减少内部反射次数，控制投射方向和光束形状，减少将原本投射到非照明区域的散射眩光、溢出及偏射光和人工照明形成的天空杂散光。同时灯具可在反射罩外加装外置式防眩光控制器，提供一个舒适、清晰自然的照明环境。防眩光控制器必须根据空气动力学原理设计，降低灯杆上的风荷载，以便节省成本，降低能源消耗。
2.2折射式的二次光学设计
在折射型的设计中主要用到的是透镜。利用光的折射原理将某些透光材料做成灯具元件，常用的灯具元件有折射器和棱镜两大类，这些灯具元件是用来改变初始出射光线的前进方向和出光角度的大小，从而改变照明面积和照度，最后获得合理的分布。LED 采用透镜时，会使点光源发出的光线进行会聚或扩散，所以，LED 光源经过透镜光学系统后形成的泛光照明均匀柔和、不易引起视觉疲劳且无眩光污染。当LED 光源的阵列方式和透镜的光学系统合理搭配时，每个LED 的光能量利用率可达到约98% 以上，多束光投射在同一个焦平面上，最终形成的光亮度就会倍数增加。目前应用越来越多的双排复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将双排复眼透镜阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。例如LED 在信号灯中的二次光学设计，由于信号灯需要将LED 发出的光集中于一个较小的立体角范围内，所以就需要选用透镜作为准直光学组件，使得LED 发出的光满足要求。
结束语
时代的发展不断推动科技产品的商业化、产业化，最终实现广泛应用，造福于人类。LED投光灯具被广泛的应用于建筑照明、景观照明、体育场馆等照明场合，尤其从节能环保层面上说，具有取代传统灯具的重大价值。目前，我国正在不断增加对LED产业的投资，同时具有庞大国内消费市场的优势，因此应该加快投光灯具的技术研发，扩大LED投光灯具在相关应用场合的应用，提升LED投光灯具的光学系统性能及照明效果，从而开拓更广泛的市场。
参考文献
[1]李情，程良伦，马智远.照明灯具电压暂降容忍度机理建模及试验分析[J].电器与能效管理技术，2016，20：53-57.
[2]陈东.LED家用照明灯具的改装及应用[J].电子技术与软件工程，2016，12：126.
[3]周俊良.LED照明灯具的结构设计略谈[J].科技展望，2016，19：171.
[4]李汉生.LED照明灯具在变电站中的应用[J].现代建筑电气，2016，06：48-50+58.
[5]查朝云，熊念春，张景.一种新型LED照明灯具散热结构设计[J].中国照明电器，2016，08：28-31.
论文作者:于洪朗
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/5
标签：灯具论文; 反射论文; 透镜论文; 光源论文; 光学论文; 组合论文; 照明灯具论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;