浅谈LED技术在现代灯具设计上的应用

摘要：近年来，由于LED技术的发展，对灯具设计领域带来了前所未有的改变。由于LED光源具有性能优良、体积小、亮度高、耗电量低、使用寿命长、节能环保等优点，给灯具设计师的创作带来了更大的发挥想象空间，以便设计出更多时尚、有个性、符合现代审美的灯具作品。文章先从LED技术原理及其发展进行介绍，然后对LED技术的优势进行剖析；最后重点阐述如何运用构成、仿生、模块化、中国元素等设计法则结合LED技术进行灯具创新设计。

关键词：LED构成　仿生　模块化　中国元素

一、LED技术原理及其发展

(一)、LED技术原理

LED(Lighting Emitting Diode)即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固体发光材料。发光二极管主要由PN结晶片、电极和光学系统组成；它主要是利用固体半导体芯片作为发光材料，基本结构是一块电子发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，P型半导体为多空穴的半导体，N型半导体为多电子的半导体，当这两种半导体结合起来的时候，它们之间就形成一个过渡层，称为P-N结。当给LED芯片加上顺方向的电压时，电子与空穴在LED芯片中移动，就会以光子的形式发出能量。这就是LED发光的原理。而在加反向电压时，由于少数载流子难以注入，所以不发光。而光的波长也就是光的颜色，是形成P-N结的材料决定的，在很大的工作电流范围内，发光二极管的亮度随电流的增大而提高。

1、节能化发展

随着LED技术的发展，未来LED主要能源采用太阳能，太阳能发电和半导体照明相结合完成光电到电光的转换，是最佳的组合模式。以太阳电池发电作为电源的半导体照明灯具，具有节能、环保、寿命长等特点。不仅省去了相关的电线及配套设施的费用，而且还能按照节能光源的尺寸、形状等精准的设计出灯具的光学系统，进一步提高灯光的有效利用率。

2、集成化发展

随着电子化技术的迅速发展，集成化技术正在与现代灯具的发展逐步接轨，各种集成化装置和计算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了明显的进步。在调光、远控、控制光色等方面有了很大的改善。

首先是在调光方面，由于采用了集成化技术，比传统的调光手段更先进，更方便和灵活。在LED灯具上，除了装有设置调光装置和开关装置外，还用带集成化的红外接收器或是一种远控的调光装置对投光光源进行调光，或者使用计算机进行编程调光；这种调光系统可对十个以下的不同场所同时实行无级调光和延时照明。

其次是在远控方面，就是用通常的连线把灵活多变的照明设计和多点控制结合起来。通过场景调光器和远间隔场景控制器的多路安装，随意组合，操控方便、灵活，效果明显。

再次是控制光色方面，利用计算机远控台和电脑照明控制系统，将整个照明系统的参数设置、改变和监控通过屏幕实现，系统可随自然照明程度不同、昼夜时间差异以及用户的不同要求，自动改变室内装饰照明灯具光源的状态。

3、多功能小型化发展

随着紧凑型光源的发展，各种新技术、新工艺不断采用，镇流器等灯具电器配件越来越小型化，现代灯具正在向小型、实用、多功能方向发展。由于LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以体积比较小；LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固；而且灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏，安全性能良好。故而LED适合小型、多用途灯具的设计研发。

二、LED技术的优点

LED技术主要包含节能、环保、体积小、寿命长、灯光色彩丰富、技术先进等优点。由于LED作为半导体发光灯，它的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80％以上；由于LED是由无毒的材料做成，所以不含汞等有害气体；LED光谱中也没有紫外线和红外线，同时也没有热量，没有辐射、眩光小、可以安全触摸，是一种可回收利用的绿色照明光源。

LED是一种固体冷光源，采用环氧树脂封装，所以灯体内没有松动的部分，不会出现灯丝发光易烧、热沉积、光衰等问题；LED光源在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命要长10倍以上。

由于LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机数码技术控制下，形成不同光色的组合变化多端，可实现纯正、浓厚，丰富多彩的动态色彩变化效果；由于LED光源是低压微电子产品，是数字信息化产品，具有半导体光电器件“高新尖”技术；它同时融合了计算机、网络通信、图像处理、嵌入式控制等技术，所以具有在线编程、无限升级、灵活多变的优点。

三、运用LED技术进行灯具创新设计

(一)、构成设计

在LED灯具设计中，由于LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以体积比较小，技术原理简单明了，灯具内部结构也很小巧；所以在设计的时候可以把单个LED晶片看作个体，看作平面构成或立体构成中的基本元素，运用平面构成中的渐变、发散、重复、对比、对称、密集、平衡、节奏、比例等形式法则对LED晶粒进行排列设计；再通过立体构成法则对这些排列好的LED晶片有组织有秩序地进行排列、组合、分解；最后利用各种材料把它们结合起来形成有变化、有个性的灯具造型。运用构成设计法则进行灯具设计，大大提高了设计师创意的自由发挥空间，使灯具形态更加立体多变，呈现出构成的装饰效果。

(二)、仿生设计

大千世界，蕴藏着极其丰富的有机生命形态，不仅形式优美，而且结构精妙合理，灯具设计师能从这些精妙的有机生命形态中获取灵感，用仿生设计的手法进行LED灯具创新设计。下面主要介绍从LED灯具形态、灯具功能、灯具结构三个方面进行仿生设计。

形态仿生设计是对生物体的整体形态或局部特征进行模仿、应用联想、移情、组合等方式进行抽象，应用于灯具形态中。这种形态仿生设计方法可以使人产生心理、生理效应和情感呼应，最终实现LED灯具设计的功能和意义。形态仿生设计具体可分为具象形态和抽象形态。

具象形态的仿生是指外界的形态映入眼膜后，刺激神经感觉到存在的形态，直接逼真的再现事物的特征。这类LED灯具设计具有很好的情趣性、亲和性、自然性，人们普遍更乐于接受。抽象形态仿生设计，是灯具设计师在对生物形态进行深入研究后，在形态上进行高度的简化和概括，用点、线、面的组合方式来表现LED灯具形态。抽象形态的仿生具有形态高度的简化性和概括性，形态丰富的联想性和想象性，同一具象形态经过抽象后，形态呈现多样性这三个特征。同时在应用于LED灯具开发时，具有生产便捷，灯具形态多样化，满足不同层次的顾客等优点。

功能仿生设计主要研究自然界生物体和自然界物质存在的功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，以促进灯具的更新或新灯具的开发。

灯具结构仿生设计是指设计师通过研究生物精巧的结构和奇特的材料，学习与借鉴生物自身的组织方式与运行模式、巧妙地应用这些结构和材料，结合市场的需要设计出人们需求的各种LED灯具产品。

(三)、模块化设计

模块是构成系统的、具有特定功能的、可兼容和互换的独立单元。在LED灯具设计中，模块是指把光源、散热部件、驱动电源统一集成在一起。灯具设计师进行模块化设计，要根据灯具整体形态系统，把整体功能目标系统分解成各个专业子系统模块体系，然后根据二级功能模块的要求，进一步分解功能子系统。在现代LED灯具设计中，要根据灯具总功能，在系统内进一步分解形成结构单元模块，寻求系统中模块之间在形态、技术、结构之间的衔接和协调。

在灯具设计的实际应用中，要求灯具设计师具有较高的技术水平和美学创造、表达能力，在灯具研发中，能够准确地抓住灯具专业系统的特点，用简练的专业语言和手绘能力表达模块接口特征，采用模块组合进行LED灯具设计。灯具设计师运用模块化设计LED灯具，最大程度地降低了设计的研制风险，节省了研发费用、缩短了研制周期，提高了灯具的质量和可靠性；模块化拆装方便、组合方式灵活，可作为吊灯照明，也可以拆开模块作为台灯照明，给家居照明环境增加了趣味性。

中国五千年的漫长历史积淀了优秀的传统文化，中国传统元素就是中国传统文化的重要象征，是现代灯具设计中不可缺少的重要元素。中国传统元素是中华民族独有的内在和外在的特质，具有独特的视觉感受，表现出外在形式和内在精神的和谐统一。

中国传统元素有很多，文化风格元素(中国书法、水墨、国画、京戏脸谱、皮影、篆刻印章等)，建筑风格元素(长城、故宫、敦煌、苏州园林等)，服饰风格元素(刺绣、丝绸、唐装、旗袍、绣花鞋等)，自然风格元素(长江、黄河、黄山、珠穆朗玛峰等)，动物风格元素(熊猫、白鳍豚等)，宗教神话风格(飞天、龙凤、麒麟等)。这些丰富多彩的元素，就是中国传统元素；另外，讲究“中庸精神”、“天人合一”的儒家思想，讲究“无为而治”的道家思想等也属于中国传统元素范畴。

如今消费者在对灯具的选择上已经不仅仅满足于照明功能，消费者对灯具的需求已经上升到精神层面。这就要求灯具设计师要深入去挖掘中国传统元素的精髓，把中国传统元素加于改造提炼和运用，设计出既符合现代审美需求又有浓郁中国风特色的LED灯具作品。

五、总结

综上所述，在运用LED技术进行灯具创新设计的时候，除了要运用构成、仿生、模块化、中国元素等设计法则进行灯具外观设计外，也要全面的对灯具照明系统进行分析，特别是要对系统光效、光效设计、散热与相对光通量等方面进行考虑；另外对灯具结构、灯具热平衡等方面要进行深入研究，因为很多光控元件，电器、外壳等都是通过机械结构来组合的，灯具的热平衡设计也是关系到光源的工作温度和工作寿命的重要环节；最后是在社会大力倡导节能能源的大环境下，灯具设计师要大力推广绿色节能环保的太阳能，设计出新一代能源和新型光源完美结合的现代LED灯具作品。