半导体照明灯具及光学系统

LED小巧轻量、驱动电压低、全彩色、寿命长、效率高、耐振动、易于控光等特性，为设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。人们习惯于看日光下的东西，对于通用照明来说，人们需要的主要是接近太阳光质量的光源，所以白光LED是半导体照明科技的重要指标。由于单只LED功率小，光亮度低，不宜单独使用，为此必须将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明系统。但目前白光LED与通用照明的要求还有一定的距离，还存在诸多技术与成本问题急需解决。 　　
1、半导体照明灯具系统的主要技术概况
1）灯具系统的热量管理
一般常称LED为冷光源，这是因为LED发光原理是电子经过复合直接发出光子，而不需要热的过程。但由于焦耳热的存在，LED在发光的同时也有热量伴随，而且对于大功率和多个LED应用的场合，热量积少成多而不能小觑，LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源，过高的温度会缩短，甚至终止其使用寿命。而且LED是温度敏感器件，当温度上升时，其效率急剧下降，所以系统结构设计及散热技术开发也是LED应用需面对的课题。由于强制空气冷却通常在光源中是不可取的，所以随着输入电功率的提高，散热片和其它增强自然对流冷却的方法就在 LED 灯和光源设计中发挥日益重要的作用。
2）提高显色性
目前白光LED普遍使用发蓝光LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石(YAG)荧光粉，合成为白光。由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱，所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题，不符合普通照明要求。人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性，对照明而言，光源的显色性往往比发光效率更重要。所以加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要的课题。
3）灯具系统的二次光学设计
传统灯具长期以白炽灯、荧光灯光源为参照物来决定灯具的光学和形状的标准，因此LED灯具系统应考虑摒弃传统灯具加上LED发光模块的组装方式，充分考虑其光学特性，为LED光源专门设计不同的灯具。光学系统设计内容主要包括如下几个方面：① 根据照明对象、光通量的需求，决定光学系统的形状、LED的数目和功率的大小；② 将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”，根据组合成的二次光源，计算照明光学系统；③ 构成照明光学系统设计的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要。
由于LED发出的光束集中，更易于控制，且不需要反射器聚光，有利于减少灯具的深度。例如，利用平面镜光学系统，可以只用1～2个LED就可照亮很大的表面，而灯具深度很薄；而利用光导技术，LED直接装于光导管旁，可大大减少光源及其它组件占用的体积，制成超薄的灯具。
4）电源、电路与灯具的集成
为LED 设计灯具，需要注意白炽灯和荧光灯灯具设计师很少需要关注的一个问题就是电源。大多数白炽灯直接由交流电线供电，因此不需要电源。荧光灯使用镇流器来完成电源的功能。但LED需要专门的电源与驱动电路与其配套，在设计灯具的时候应考虑电源与灯具系统集成。
半导体照明和太阳能发电的最大特点都是环保、节能、长寿命、安全。太阳能发电和半导体照明相结合完成光电到电光的转换，是最佳的组合。以太阳电池发电作为电源的自然能利用型独立半导体照明灯具，节能、环保、长寿命，还省去了相关的电线及配套设施，拥有巨大的市场空间。
5）提高系统的可靠性