（设计艺术学专业论文）家用LED灯具造型设计研究.pdf

家用l e d 灯具造型设计研究 摘要 l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) 的缩写，该课题是本人在长 时间研究现代家庭照明、家用灯饰设计以及l e d 技术的研究总结，针对当今家 用灯具的设计，只注重“量”而不注重“质”的现状，深入研究了l e d 照明技 术进入家庭的未来趋势，以及由此所带来的灯具及其配件造型设计的改变，设 计人员应该以敏锐的眼光，发现潜在的设计因素，创造出今后家庭良好的光环 境，设计出更加方便的、紧凑的l e d 灯具，减少资源的浪费。本文首先从灯具 设计的发展历史入手，再对家用灯具设计的现状进行讨论，指出l e d 技术在家 庭中必将得到的广泛应用。文章通过对l e d 的技术原理以及它在当今社会各个 领域的应用的研究，分析总结了l e d 进入家庭后，在灯具外观造型及其他方面 形成的新特点。文章还列举了家用l e d 灯具造型设计的一些对造型设计有着较 大启发意义的设计案例，从而证明l e d 家用灯具相对于如今一般家用灯具在造 型设计上的革命性和前瞻性。 关键词：l e d 照明 灯具造型家用 t h es t u d yo ns t y l i n gd e s i g no fd o m e s t i cl e d l a m p a b s t r a c t l e di st h ea b b r e v i a t i o no fe n g l i s hp h r a s e l i g h te m i t t i n gd i o d e ”i nt h el o n g t i m e ，t h i st o p i cw a sm yr e s e a r c hs u m m a r yo fm o d e mf a m i l yi l l u m i n a t i o n , t h ed o m e s t i e d e c o r a t i v el i g h t i n gd e s i g n 嬲w e l la st h el e dt e c h n o l o g y i nv i e wo ft o d a y sd e s i g no f d o m e s t i cl a m po n l yp a y sg r e a ta t t e n t i o nt o ”t h eq u a n t i t y ”b u td o e sn o tp a yg r e a ta t t e n t i o nt o t h eq u a l i t y ”it h o r o u g h l ys t u d i e dt h ef u t u r et e n d e n c yo f t h el e di l l u m i n a t i o nt e c h n o l o g y e n t e r i n gi n t ot h ef a m i l y , t h ec h a n g eo fl a m p sa n di t ss p a r ep a r t s d e s i g n e r ss h o u l db e s u p p o s e dt ou s i n gt h e i rk n e ej u d g m e n tt of i n dp o t e n t i a ld e s i g nf a c t o r sa n dc r e a t i n gab e t t e r l i g h te n v i r o n m e n to ff u t u r ef a m i l y i no r d e rt or e d u c er e s o u r c e sw a s t e ，t h e ys h o u l da l s o c a m eo u tm o r ec o n v e n i e n c ea n dc o m p a c tl e d l a m p s t h i sa r t i c l ed e s c r i b et h eh i s t o r yo f l a m pd e s i g na tf i r s t ，t h e nd i s c u s st h ec u r r e n ts i t u a t i o no f d o m e s t i cl a m pd e s i g n , p o i n t i n go u t t h ec e r t a i n t yo fw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fl e dt e c h n o l o g y t h r o u g ht h er e s e a r c ho fl e d t e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h em o d e ms o c i e t y t h ea r t i c l e a n a l y s i s e da n d s u m m a r i z e dt h en e wf e a t u r e so fd o m e s t i cl a m pa p p e a r a n c es t y l i n ga n di t so t h e ra s p e c t s w h e nl e d t e c h n o l o g ye n t e r i n gi n t of a m i l y t h ea r t i c l ea l s oe n u m e r a t e ds o m ee n l i g h t e n e d c a s eo fs t y l i n gd e s i g n ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h es u p e r i o r i t ya n dr e n o v a t i o no fd o m e s t i cl e d l a m pc o m p a r e dw i t ht h o s ec o m m o nd o m e s t i cl a m p si nt h ea s p e c to fs t y l i n g k e y w o r d s ：l e d i l l u m i n a t i o n s t y l i n gd e s i g n d o m e s t i c 插图清单 图1 1 我国古代灯具的造型1 图2 1 现代仿古类型家用灯具造型6 图2 2 现代创新类型家用灯具造型7 图3 1 最基本发光二极管( l e d ) 构造图9 图3 2 白光l e d 构造图及其与白炽灯光谱对照图1 1 图3 3 多样化的l e d 元件和模组图1 4 图3 4 日常生活中常见高亮度l e d 一般应用1 4 图3 5l e d 作为电视背光源1 5 图3 6l e d 于汽车车灯上的应用1 6 图3 7l e d 于交通信号灯上的应用1 6 图4 1 家居室内空间组成魔方1 9 图4 2 白炽灯灯泡造型2 1 图4 3 白炽灯灯罩造型2 1 图4 4 日光灯灯泡造型2 2 图4 5 日光灯灯罩造型2 2 图5 1 家用l e d 灯具造型设计案例一2 8 图5 2 家用l e d 灯具造型设计案例二2 9 图5 3 家用l e d 灯具造型设计案例三3 0 图5 4 家用l e d 灯具造型设计案例四3 l 图5 5 家用l e d 灯具造型设计案例五3 2 图5 6 家用l e d 灯具造型设计案例六3 3 图5 7 未来家庭l e d 灯具及照明设计创意构想一3 4 图5 8 未来家庭l e d 灯具及照明设计创意构想二3 5 图5 9 未来家庭l e d 灯具及照明设计创意构想三一3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金世王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：辛赂日期：。卯净膨月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构迭交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目b 王些盘 ! 邕一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：亏鼹导师签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 穗柳 签字日期：司年! 蝴品日 电话： 邮编： 致谢 在工大的两年，转眼间，就要谢幕了。 在3 6 班努力学习的种种日子，或艳阳高照：或月儿高悬：或暖风习习； 或凄风苦雨，有了师长、同学们的陪伴、鼓舞，每一天都是过得异常精彩，这 也成为我对抗任何困难的无比勇气。 首先要感谢指导老师韩春明教授，适时地给予意见和提点，进而一步步 地改进直至完善，并在深陷迷惘时，给予关怀及指引，在思绪紊乱时，予以鼓 励及指导，期间耗费了大量的时间和心血，终能完成此一毕业论文。 其次要感谢学院的各级指导老师，在学院开设的每一门课程中，都无私 地顷其所知地给予教导，为此一论文的展开打下了扎实的理论基础。同时也要 感谢同学们的相互扶持，特别是同学工造的四位志同道合的朋友以及程勋好同 学，在完成论文困难时期的相互鼓励，意义非凡。还要感谢班长李晓琼同学在 此期间的无私帮助。若是没有以上如此的大力帮助，亦无法成就出最终的论文 成果。 最后要感谢父母亲及亲人们在背后不计辛劳，始终如一的支持与鼓舞以 及所做出的默默付出。 短短的两年时间，不论嘻笑怒骂、欢喜悲伤，都会在生命中刻画出曾经 绚丽灿烂的美好故事。 第一章绪论 自古以来，人类对光明的渴求就从来没有间断过。“火”是人类祖先抵御 猛兽的主要工具，灯也是因为“火”而得到发展。根据古书最早的记录。灯具 的出现始见与战国。当时的灯具结构己比较完善，而且造型也很优美，可见在 它以前，灯的发明和演变已经有了一个相当时期，只是工艺说明已经失传。 如果再往前追述灯具的远古造型，那么西周时的“烛”应该可以被称为最 早的灯具设计了，它是一种由易燃材料制成的火把，没有点燃的火把通称为 “持”，故可以抱持，用于执持的已被点燃的火把，称之为“烛”，放在地上的 用来点燃的成堆的细草和树枝叫做“燎”，燎置于门外的称“大烛”，门内的则 称“庭燎”。 时空继续向后推移，中国现存最早的、可以称得上有造型意义上的灯具设 计就出自于战国，在楚辞招魂中有“兰膏明烛，华镫错些”的记录，说明 战国时已出现“镫”这个名称了。在周代，“镫”、“登”通用，尔雅释器：“木 豆谓之豆，竹豆谓之豆笾，瓦豆谓之登。”徐铉日：今俗别作灯，非是。晋郭 璞云：礼器也。古人把“镫”称灯，应该是字义的假借。这因此可以看出我国 古代灯具的设计还是具有相当水平的。如图l 一1 所示； 西汉燕鱼灯战国树形灯战国漆绘人形灯 图i i 然而，不幸的是，在此后的一千多年的时间里，因为社会生产力的落后以 及电力资源的迟迟不能问世等种种原因，灯具的设计几乎陷入了停滞的局面， 因为其使用的原理就只是简单地燃烧动植物的油及脂肪来产生火光。以达到照 明效果，所以此类灯具的设计就被局限于“承载火与造火的容器”这样一种定 义，而基于此一定义的设计也就难免流于纯粹的外形设计，因此无论当时的设 计人员( 或许称为工匠更为贴切) 如何绞尽脑汁，他们所能作的变化无外乎改 变其使用的材料，木、竹、石、玉、铜、铁等等，用尽了当时可以说是一切能 用的材料。所以这样的一种物理光源时代的灯具设计是不完善的，是有其时代 缺陷的设计。随着社会的进步，对新一代的灯具的需求的呼声也越来越高，于 是在1 8 7 9 年终于诞生了第一个现代意义上的灯具设计一一白炽灯，人类社会 至此步入电光源时代，电，这个现代文明最活跃的因子，闯入人类生活以来显 了强大的威力，使人类文明发生了神奇的变化。至此，现代灯具的设计展现出 了前所未有的活力，各种灯具不断问世，其造型也是千变万化，多种多样。时 代依旧在发展，但随着l e d 技术在上世纪末期的异军突起，跨入新世纪的照明 灯具设计又开始了一项新的变革，而这种变革无疑会对当今社会乃至将来的家 庭灯具设计带来前所未有的创新。 发光二极管( l e d ) 与电灯泡相比，体积更小，寿命更长，对环境的危害 也更小。它可以连续使用l o 万个小时，相当于1 1 年的时间。如今，距离电灯 泡的发明已经1 0 0 多年，围绕在它身上的光环正在隐去，发光二极管开始走到 前台，从电灯泡那里接过照明的接力棒。剑桥大学发光二极管研究小组成员 科林哈姆普利斯教授认为，到2 0 0 8 年，发光二级管将会被广泛用于家庭照 明。他估计电灯泡将在未来1 0 年内被发光二极管完全取代。 再者对于能源来说，发光二极管取代电灯泡无疑是个好消息。目前家庭使 用的电灯泡照明时，大部分的电能都作为热量白白释放掉了，这就造成了电力 资源的浪费。而发光二极管则不会出现这种情况，它能把相对于其他灯泡多得 多电能都用于发光，这就使得它的使用寿命是常规电灯泡使用寿命的1 0 0 倍， 而所消耗的能量却只是电灯泡的1 0 ! 这也就意味着人们可以节省大量的电费 开支。同时，发光二极管的使用电压只有4 伏，因此不会有触电的危险，这种 安全性的保障在今后更为重要。 而且有趋势表明，发光二极管的价格会在未来5 年内逐渐下降。一旦发光 二极管的价格下降，它就可以走进平常百姓家，取代电灯泡的地位，这可不是 信口开河，一切将成为现实，理由就是现如今各种家用灯具造型设计虽然名目 品种繁多，但由于技术上的停滞，使得外观造型设计迟迟不能取得突破，导致 设计上互相抄袭的现象此起彼伏，为此家用灯具市场急需一种革命性的造型设 计来突破当今沉闷的现状。但如何打破这样一种现状? 我们就必须对现有的家 庭灯具设计现状进行分析，找到症结所在。 第二章家用灯具设计现状及发展分析 2 1家用灯具市场现状分析 经过多年的培育和发展，中国灯具市场逐步走向成熟，并在近年的发展中， 呈现出以下市场现状： ( 一) 根据产品功能的不同，市场划分越来越细。人们对灯具适应不同场 合、不同光照功能的要求越来越高，因此具有多种功能的灯具应运而生，如书 写灯、应急灯、日光灯、霞光灯、晚餐灯以及不同高度的落地灯等新品迭出。 ( 二) 产品趋于高技术化、多功能化。由于电子技术被广泛用于灯具的制 造，适应不同的电压，使可调节亮度的灯具多起来。3 种波长色谱可调灯、远 红外光灯等具备保护视力功能的灯具已进入市场：而符合当前的消费时尚、集 多种功能于一体的灯，如床头兼作光敏电话自控灯、带八音盒台灯等，是近年 另一需求特点。 ( 三) 外观装饰越来越重要，装饰造型追求新颖、独特。过去人们喜欢造 型简单的传统灯饰，但近年优质新款的灯饰在国内日渐风行。随着大客厅、小 卧室楼房逐渐流行，客厅、饭厅已逐渐占据居室装饰的重点，而灯饰选择更注 重设计美观和与整体装饰和谐统一。近年不少人开始欣赏优雅的欧式设计灯饰 及装置。颜色方面亦逐渐趋向于多元化，有枫叶红、天然蓝、珊瑚黄、水草绿 等色彩；而高级饭店、豪华宾馆等的装饰灯具则日趋豪华。 ( 四) 市场对灯具产品的需求更趋于个性化。在主要灯具灯饰产品中，台 灯开始转向装饰化、情趣化和组合化。从目前市场销售情况看，装饰化台灯注 重装饰效果，迎合了消费者既具有艺术欣赏价值又具有实用价值的心理。情趣 化台灯小巧玲珑，造型多选用卡通人物及生肖动物，备受青少年喜爱。组合灯 中有闹钟与台灯组合的；有活动年历表与台灯组合的；亦有把文具盒、相片架 与台灯组合的等等，近年在市场亦颇受欢迎。在吊灯方面，欧派灯饰仍占市场 主流地位，但在玻璃材料方面却有所突破。国内市场出现一些造型简洁的新型 吊灯，其主要特征为金属灯架采用沙银或沙金表面处理，金属经过特殊的加工 过程后，会呈现沙质的金色和银色，再加上白色灯罩，色彩更显得柔和。在落 地灯的需求上，近年落地灯款式比较流行折叠式子母灯，母灯灯头向上照向天 花板，子灯灯头向下，明亮度较高。今年落地灯颜色仍以暖色系和复古色系为 主，诸如咖啡色、原木色都是市场上较流行的颜色。此外，苹果绿、宝蓝色、 黄色以及橙色系列出较受欢迎。壁灯是作为一种辅助的照明灯饰，新一代的壁 灯系列还运用了最新的感应技术。如一种配备有自动传感器的灯种能随外在光 线的强弱自动明灭，可避免因使用者忘记关灯所造成的能源浪费。还有一种配 有被动式红外线感应器的壁灯，因其能感应移动物体的热能进而激活光源，有 阻吓小偷的作用。 ( 五) 保健灯具成为市场热点。中国灯具前期的发展大致可分为初期照明、 光亮、节能、安全、保健这几个阶段，每一阶段的发展提高，都经历了一个淘 汰低一级产品的市场阵痛阶段。进入2 0 世纪9 0 年代初期，消费者对节能产品 的大量需求，呼唤出一系列节能新产品，如小夜灯等。到了2 0 世纪9 0 年代中 期，安全质量成为消费者共同关注的课题，于是一批企业创出自己的灯具灯饰 品牌，该类产品至今还占据着市场主导地位。中国灯具已从节能、安全阶段发 展到了保健阶段。保健灯具的发展，标志着我国灯具行业走进了提高专业照明 水平的新阶段。 保健灯具的问世，是在二十世纪末期，主要是伴随着青少年近视发病率的 提高而出现的。据统计，中国学生的近视发病率高达7 0 至8 0 ，在全世界的 排名已上升到第二位，仅次于近视大国日本。科学研究表明，这些近视病主要 是由于中小学生晚上在灯光下看书，致使眼睛长期处于疲劳状态造成的。保健 灯具重在预防青少年近视，所以它的问世为青少年预防近视提供了一种手段， 并渐成市场热点。 从我国这样一种灯具设计现状的分析，我们不难得出这样一些结论：虽然 从市场上看，我国现阶段家用灯具设计的现状是一副欣欣向荣的景象，然而在 更深层面上，造型设计大同小异的现象却日趋明显，究其根源，实在是因为当 今在发光技术日趋成熟、没有新突破基础上的灯具设计己到了造型设计发展的 极致，在没有一种新技术的出现基础上的灯具造型设计仍将不会有太大的改 变。对此，我们迫切需要对家用灯具设计的发展方向进行研究，探讨l e d 灯具 成为未来发展的趋势。 2 2家用灯具造型设计现状分析 现代家用灯具是现代科学技术的产物，是与现代建筑密切联系的。现代科 学技术造就了电光源，而电光源又造就了现代灯具。因此，现代家用灯具的造 型和装饰，要求采用现代最新的科技成果，其中包括光学、机械、电学、传热 学、声学，以及新功能、新结构、新材料在灯具设计中的综合运用，要反映现 代化的生产方式和工艺水平，要与建筑结构式样的现代化、室内设计的现代化 相统一。同时灯具也是一个国家文化的组成部分，不能完全与传统文化相割裂， 更不能完全脱离民族的审美心理。通过对我国古代灯具的精华认真研究和继 承，就能创造出具有我们民族精神和气质的现代灯具。因此现代灯具的造型设 计总体归纳起来基本包容于仿古、创新和实用三类，这几类将在后面的文章中 继续阐述。 2 2 1现代家用一般类型灯具造型设计特征 对于工业产品，要求符合实用、创新、美观、经济、可靠的原则，灯具是 4 工业产品，它包含三个基本要素：即物质功能、物质技术条件和实体艺术造型， 同时它也包括精神功能和使用功能，而且它的造型设计要与科学技术、材料、 结构、工艺和艺术内容紧密结合，在外观上要“时尚”，要符合“潮流”。在质感 设计上，对可见部分、接触部分，如面板、商标、操作件等，应做良好的视觉 质感和触觉质感设计。在销售时，用户不是很关心它采用了何种技术，而是它 的价格是否能承受、功能是否实用，使用是否方便，工艺是否合理等。 2 2 2 现代家用一般类型灯具造型设计要素 灯具的造型需要多工种、多工艺共同协作，通过各种造型方法以形成一个 完美的外观造型，而影响造型的因素有很多，主要有，形态：形态各异造型多 变，各组成部分在形状和细部上保持相互协调。色彩：要求是使它的物质功能、 使用环境和人们的心理产生统一、协调的感觉。材质：生产工艺的先进性，造 型处理上要体现材料本身所特有的合理的美学因素。 2 2 3现代家用一般类型灯具造型设计原理 ( 1 ) 系统化原理：它是把开发设计、生产制造、市场销售三个方面作为 一个系统的整体考虑，并运用系统工程的方法进行系统分析和综合，从而使产 品的设计工作更能有效地合理的推进。这样使灯具在设计与创新当中不会脱离 实际，并在设计中使各方面都得到优化。 ( 2 ) 人性化原理：人性化设计是现在工业设计的大趋势，因为任何产品 都是为人设计，供人们使用。产品的优劣最终是由产品与人之间的协调程度来 决定的，所以应把我们的感性要求和理性要求融合到灯具的造型设计中。 ( 3 ) 可靠性原理：可靠性是衡量人们信赖和接受产品与否的基本标准。 没有可靠性或可靠性过低的灯具在使用中容易失效而经常出现故障，甚至带来 不安全的因素。 ( 4 ) 美学原理：按照美学原理的规律塑造产品，使之具有新颖、美观、 精致的外观形象，是现代工业产品的主要特征之一。美的造型形态可以提高灯 具的附加值，为企业增加效益。 2 2 4现代家用一般类型灯具造型设计分类 ( 1 ) 仿古类型灯具造型：此类灯具造型设计一般从外观上来说都比较繁 琐，而这种仿古类型灯具又可分为仿中式古典和仿欧式古典两大类，既然是古 典灯具造型，那就不可避免地流于纯外观艺术设计，通过种种艺术设计手段， 如洛可可式、巴洛克式，又如中式乡土风情手法，对灯具进行外观装饰，使之 满足于不同风格的家庭装饰，从设计的材料选择上来说，欧式古典风格大致采 用一般玻璃、铁、铜等易于工业铸造、成型的材料，而中式古典风格则趋向于 采用木、竹、陶瓷、丝绸甚至玉石等原生态易于加工、组合的材料。在色彩的 表现上也力图通过金黄色，鲜艳的红、橙等明度较高的色彩来表现其金碧辉煌 的气势，通过材质本色的自然体现或略加红、黄、黑等单一色彩来表现心境悠 然的氛围。如图2 一l 所示： 图2 一l ( 2 ) 实用类型灯具造型：此类灯具造型设计原本就是基于照明基础、材 料加工一般手段及方法等严密的科学研究来界定灯具的外观造型，例如，对于 家庭中不同种类型的灯具就有不同的尺寸规格，不同的照明亮度要求，以求发 挥灯具照明的最大限度，因此这类灯具必然体现了良好的人体工程学的要求， 是这三种类型当中最为宜人化的设计。而且灯具在造型设计上也必须考虑生产 上的流程，必须符合工业化大生产，这也体现了设计上的经济实用价值。所以， 灯具在材料的选择上一般都选用玻璃、钢铁、塑料等现代工业材料。因此灯具 造型的色彩基本上就是利用了在各种材料表面镀上的色彩，通过对使用环境以 及消费者的需求心理分析，再对色彩进行合理的搭配整合，以达到适合生产的， 满足市场需求的良好色彩计划。 ( 3 ) 创新类型灯具造型：此类灯具造型设计也是随着时代发展、人民生 活水平不断提高而演变发展而来的。当今社会不断在进步，人们的消费观念也 不断在进步，他们对于家用灯具造型设计的要求也越来越趋向于“个性化”， 特别是当“8 0 后”出生的年轻人逐渐成为社会的主要消费者时，他们根据自己 的喜好或是自己家庭的装修风格，对家用灯具造型有着自己独特的选择，而不 像十几年前的人们对外观设计并没有太大的见解，对家用灯具的选择上基本上 都是“随大流”。而当今社会新技术、新材料的不断涌现则是创新类型灯具造 型设计出现的客观原因，因此也可以说，创新类型灯具造型设计也就代表了未 来灯具设计的发展趋势。这类灯具在使用的材料上大都采用如聚丙烯酸树脂、 玻璃钢、高碳纤维等新型材料，并且，其设计者们还积极探索各种材料之间以 前从未有过的组合方式，如钢材与石材、玻璃与毛皮，甚至多种以上区别甚大 6 的不同材质之间的结合，这其中就产生了许多令人激动的优秀设计。而此类灯 具在色彩方面的选用更为大胆，对色域的选择更为广泛，同时对色彩的搭配更 为细致而讲究。如图2 2 所示： 图2 2 2 3家用灯具设计的发展方向 总体来说，随着现代照明技术的发展与新材料、新科技成果的不断出现， 对各种照明原理及家用灯具造型设计其使用环境的深入研究，都丰富了现代家 用灯具设计的表现力和其独特的艺术魅力。那么，现代灯具有些什么新的发展 趋势呢? 现代家用灯具设计已不仅仅是为了单纯照明，美化产品，更重要的是采用 技术，通过对灯具的结构及功能的合理设计，来满足实需求和最大限度地发挥 光源的性能。现代家用灯具设计应当使灯具在满足产品功能要求的前提下， 外观造型尽可能美观、舒适、耐用。现代家用灯具正在向以下几个方向发展： ( 一) 向高效节能方向发展：首先是采用节能光源，然后是按照节能光源 的尺寸、形状，精心设计灯具的光学系统，真正提高灯光的有效利用率。如在 壁灯中，选用光色好的高强度灯，可造成一个光线弥散、均匀柔和的照明环境， 且灯具的保护角小、效率高，能较好地显示室内结构。 ( 二) 向集成、可调化方向发展：技术的迅速发展，各种集成化装置和电 子计算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了显著的进步，如应用电子镇 流器对灯具及照明系统进行调光、遥控、控制光色。 ( 三) 向多功能小型化发展：随着紧凑型光源的发展，镇流器等灯用电器 配件的超小、超薄、各种新技术、新工艺的不断采用，现代家用灯具正在向小 型、实用和多功能方向发展。 ( 四) 向装配系列化转变：现代家用灯具的选型追求简洁明快，淘汰了过 去一味追求表面华美的造型及过分装饰的风格。既强调个性，又强调与背景环 境的协调，还注重表现灯具材料的质感。为了保证照明条件和视觉的舒适感， 灯具大都配有各种系列成套的配件选择，以使用户根据需要自我调整。 ( 五) 向基于l e d 技术基础上的灯具设计方向转变：l e d 技术因为其直 流驱动，没有频闪，没有红外线和紫外线的辐射污染，显色性高并且具有很强 的发光方向性，调光性能好，色温变化时不会产生视觉误差，发热量低，可以 安全触摸，体积小，质量轻等种种优点，被称为二十一世纪最有价值的光源， 而基于此种光源的灯具造型设计无疑将会是未来家居照明的主要灯具。 以上所述，均只是l e d 灯具进入家庭之前的家用一般类型灯具造型设计的 方法论，然而，一旦l e d 灯具进入家庭之后，其鲜明的造型特点、与众不同的 造型方式将对原有的灯具造型设计要素、特征、原理等带来极大的冲击力。 8 第三章l e d 技术原理及其应用 3 1l e d 技术原理 5 0 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二 极管产生于1 9 6 0 年。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个 有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 l e d 的抗震性能好。 最基本l e d 结构图如下图所示： 图3 1发光二极管的构造图 的阴极杆 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，在p 型 半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p n 结。在某些半导体材料的p n 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放 出来，从而把电能直接转换为光能。p n 结加反向电压，少数载流子难以注入， 故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 l e d 。 当它处于正向工作状态时( 即两端加上正向电压) ，电流从l e d 阳极 流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电 流有关。 3 1 1l e d 灯具的特点 l e d 使用低压电源，供电电压在6 2 4 v 之间，根据产品不同而异，所以它 是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。它消耗的能量较 相同光效的白炽灯要少8 0 ，同时它的体积很小，每个单元l e d 小片是3 - 5 m m 9 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易交的环境。它的稳 定性很好，寿命可达1 0 万小时，光衰为初始的5 0 。在响应时间上，白炽灯 的响应时间为毫秒级，而l e d 灯的响应时间则为纳秒级。并且它还没有有害金 属汞污染。通过改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调 整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 l e d ，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。最后，l e d 灯具的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只l e d 的价格就可以与一只白炽灯的 价格相当，而例如最普通的每组信号灯就需要由3 0 0 5 0 0 只二极管构成。 3 1 2 单色光l e d 的种类及其发展历史 最早应用半导体p - n 结发光原理制成的l e d 光源问世于2 0 世纪6 0 年代 初。当时所用的材料是g a a s p ，发红光( 九p = 6 5 0 n m ) ，在驱动电流为2 0 毫安 时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约o 1 流明瓦。7 0 年代中 期，引入元素i n 和n ，使l e d 产生绿光( 九p = 5 5 5 n m ) ，黄光( 九p = 5 9 0 n m ) 和橙光( 九p = 6 1 0 n m ) ，光效也提高到1 流明h i 。到了8 0 年代初，出现了g a a i a s 的l e d 光源，使得红色l e d 的光效达到1 0 流明，瓦。9 0 年代初，发红光、黄 光的g a a i i n p 和发绿、蓝光的g a l n n 两种新材料的开发成功，使l e d 的光效 得到大幅度的提高。在2 0 0 0 年，前者做成的l e d 在红、橙区( 丸p = 6 1 5 n m ) 的光效达到1 0 0 流明瓦，而后者制成的l e d 在绿色区域( 九p = 5 3 0 n m ) 的光 效可以达到5 0 流明瓦。 3 1 3白光l e d 的开发 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1 9 9 8 年发白光的l e d 开发 成功。这种l e d 是将o a n 芯片和钇铝石榴石( y a g ) 封装在一起做成。g a n 芯片发蓝光( 九p = 4 6 5 n m ，w d = 3 0 n m ) ，高温烧结制成的含c e 3 + 的y a g 荧光 粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值5 5 0 n m 。蓝光l e d 基片安装在碗形反 射腔中，覆盖以混有y a g 的树脂薄层，约2 0 0 5 0 0 n m 。l e d 基片发出的蓝光 部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。 现在，对于i n g a n y a o 白色l e d ，通过改变y a g 荧光粉的化学组成和调节荧 光粉层的厚度，可以获得色温3 5 0 0 1 0 0 0 0 k 的各色白光。( 如下图所示) l e d 芯片 ( g m ) e ：l e d 芯片发蓝光 f ：t g 荧光粉发黄光 一种白色l e d 灯头的结构示意图 波长( 血) 白色l e d 和白炽灯的光谱比较 图3 2 光 片 下图的表格列出了目前白色l e d 的种类及其发光原理。目前已商品化的 第一种产品为蓝光单晶片加上y a g 黄色荧光粉，其最好的发光效率约为2 5 流 明瓦，y a g 多为日本日亚公司的进口，价格在2 0 0 0 元公斤：第二种是日本 住友电工亦开发出以z n s e 为材料的白光l e d ，不过发光效率较差。 从表中也可以看出某些种类的白色l e d 光源离不开四种荧光粉：即三基色 稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即 以无机紫外光晶片加r g b 三颜色荧光粉，用于封装l e d 白光，预计三波长 白光l e d 今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳 定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。 e 厂 ， f 丁je ，_ | f心，磁 表3 1 白色l e d 的种类和原理 芯片数 激发源 发光材料发光原理 l 蓝色l e d i n g a n y a g i n g a n 的蓝光与y a g 的黄光混合 成白光 蓝色l e di n g a n 荧光粉i n g a n 的蓝光激发的红绿蓝三基色 荧光粉发白光 蓝色l e d z r i s e 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激 发出的黄光混色成白光 紫外l e d i n g a n 荧光粉l n g a n 的紫外激发的红绿蓝三基色 荧光粉发白光 2 蓝色l e di n g a n 、g a p 将具有补色关系的两种芯片封装在 黄绿l e d一起，构成白色l e d 3 蓝色l e di n g a n将发三原色的三种小片封装在一起， 绿色l e da l l n g a p构成白色l e d 红色l e d 多个多种光色的l e di n g a n 、g a p将遍布可见光区的多种光芯片封装 a l i n g a p 在一起，构成白色l e d 采用l e d 光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明 市场进军，将会节约大量的电能。近期，白色l e d 已达到单颗用电超过1 瓦， 光输出2 5 流明，也增大了它的实用性。表3 2 和表3 3 列出了白色l e d 的 效能进展。 表3 2 单颗白光l e d 的效能进展 年份发光效能( 流明瓦)备注 1 9 9 85 1 9 9 91 5 相若白炽灯 2 0 0 l 2 5 相若卤钨灯 2 0 0 55 0估计 表3 3 长远发展目标 单颗白色l e d 输入功率 1 0 瓦 发光效能1 0 0 流明瓦 输出光能1 0 0 0 流明，瓦 1 2 3 1 4 业界概况 在l e d 业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮 度l e d ，以及蓝紫光半导体激光( l a s e rd i o d e ；l d ) ，是业界握有蓝光l e d 专利权的重量级业者。在日亚化学取得兰色l e d 生产及电极构造等众多基本专 利后，坚持不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光l e d 价格高昂。但其他己具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系l e d 业者认 为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光l e d 竞争中，逐步被欧美及其他 国家的l e d 业者抢得先机，届时将对整体日本l e d 产业造成严重伤害。因此 许多业者便千方百计进行蓝光l e d 的研发生产。目前除日亚化学和住友电工 外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商c r e e ，全球3 大照明厂奇异、飞 利浦、欧司朗以及h p 、s i e m e n s 、r e s e a r c h 、e m c o r e 等都投入了该产品的 研发生产，对促进白光l e d 产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。 3 2l e d 技术的应用 3 2 1在一般情况下的应用 l e d 晶粒不但尺寸小，且颜色选择性多，应用时其排列组合的方式有很大 的弹性，配合各式各样的应用需求，也发展出多样化的封装型式。单颗l e d 最常见的封装后的成品标示于图3 3 ( a ) ，为外径约五公分l e d 小灯，头部呈 子弹形或方形，加上两只细长的金属接脚，广泛使用于各式电器产品里。近来， 配合轻薄短小的电子产品，图3 3 ( b ) 和( c ) 里的各种表面黏着型l e d 应运而生， 以其下表面的焊材取代金属脚，可直接固定于p c 板上，尺寸可小到o 5 公分 以下，方便被置于如手机按键或屏幕的背光源等狭窄空间中。此外，配合某些 特殊需要，数颗或数十颗l e d 常常被组装在一起来使用，最常见的如图3 3 ( d ) 中的数字显示和八方阵列模组等，使用于表示阿拉伯数字、跑马灯或室内显示 屏；又如图3 3 ( e ) 5 h 组合多个小灯组合而成的l e d 大灯，使用于户外大型彩 色显示屏、高速公路上的交通指示板等；另外，图3 3 ( f ) 是组合4 0 颗红光l e d 晶粒而成的直线阵列，体积小，光度强且集中，并可个别点灯，常用于如雷射 印表机等精密光学机具中。 图3 3 多样化的l e d 元件( a ) ( b ) ( c ) 和模组( d ) ( e ) ( f ) 虽然l e d 使用的原材料需先经各种纯化技术，将其不纯物降低至百万分的 一以下，达六个九( 9 9 9 9 9 9 5 ) 以上的半导体级纯度，材料成本极高，但因每颗 l e d 晶粒使用的体积很小，每片2 英寸晶片可产出大约两万颗晶粒，大量生产 后，目前一般亮度l e d 的平均单价远低于人民币五元，而近年全世界每年产值 已达1 5 0 0 亿人民币以上。日常生活中一般亮度的红色和草绿色l e d 最为常见， 由于价格便宜，早期主要用于各种仪表、室内音响和电器的面板，做资讯或状 态显示，或者制成各种室内用活动字幕，如号子内的看板，前几年手机市场成 长时，则大量使用于手机的按键和l c d 屏幕的背光源。随着亮度逐渐增强， 高亮度l e d 大量生产后，l e d 也由传统室内应用扩展到各种户外应用，被广 泛应用于大型彩色户外资讯看板以及交通信号等，如图3 4 所示。 圈3 4日常生活中常见高亮度l e d 的应用：大型户外咨讯看板、户 外全彩电视墙，p d a 、手机屏幕的背光源 1 4 近年，蓝色l e d 还被大量使用于手机中，以呈现特殊的高科技感，促使其 价格大幅下跌：最近，配合彩色l c d 萤幕的需求，白光l e d 接着发挥其优势， 使用于各种手机、p d a 、照相机用l c d 萤幕的背光。未来，l e d 使用于大型 l c dt v 的背光源是值得期待的应用，因为l e d 的色彩纯正，以三原色的l e d 当背光源时，t v 的色彩饱和度可达n t s c l 0 0 以上，传统的电视或使用c c f l 当背光源时，只能达n t s c7 0 左右，如图3 5 所示，因此l e d 背光可让t v 的色彩更加丰富和自然，大幅提升其附加价值。台湾工研院光电所于2 0 0 4 年 成果展中展示3 0 寸的原型机，而同年中日本s o n y 也展示l e d 背光的4 0 寸 l c d 电视，都实验证明其色彩饱和度远于c c f l 背光者。 图3 5 ( a ) c i e 图中三角形的面积大小代表色彩饱和度之高低，其中 显示l e d 背光源较c c f l 者为高。( b ) 台湾工研院光电所展示的3 2 ”l c d t v 以l e d 为背光源，亮度8 0 0n i t s 至于l e d 于汽车上各种车灯的应用，可就是非常成功。最先使用于第三刹 车灯，如图3 6 ( a ) 所示，由于l e d 的点灯速度可达纳秒级水准，较传统秒级 的灯泡型灯具，可提供高速行驶的车辆驾驶人较长的紧急刹车时间，大幅提高 安全的保障。近来，l e d 也成为驾驶盘仪表板、方向灯或刹车灯的主流光源， 车用传统灯具大都以灯泡加盖滤光罩而成，近年来改用l e d 后，除了可省电和 溅轻保养负担之外，还可将灯盒厚度大幅缩小，如图3 6 ( b ) 所示；而且，由 于l e d 体积小，车灯造型设计的自由度扩大，透过各色l e d 的组合，如图3 6 ( c ) 所示，外形酷炫的火箭喷射尾灯设计，很容易吸引使用者，若再增加点 亮时间控制的适当安排，可提高产品的附加价值。 图3 6 ( a ) l e d 汽车仪表板、第三刹车灯和方向灯，( b ) 2 e ：l e d 灯 盒，右：灯泡式灯盒； ( c ) 火箭喷射尾部外形的车用尾灯 在交通信号应用方面，如图3 7 所示，l e d 所消耗的电力只有传统灯泡 的1 0 一1 5 ，加上寿命可增长1 0 倍，尽管l e d 的初期设置成本高出许多，使用 约2 年后，它所节省的电费和维护费就足以回本，因此，已经逐渐于世界各地 被广泛使用。除了可大幅省电8 5 之外，最令人津津乐道的要属行人穿越用的 小绿人，由于它会随着时间的溅少而加速脚步，非常人性化，此一设计淋漓尽 致地表现出l e d 特有的时间和空间的数位化能力，是国人值得骄傲的创意。 图3 7l e d 交通信号和行人用信号 3 2 2 在景观照明中的应用 然而，当今社会l e d 在室外应用最为广泛的莫过于其在城市景观照明中的 应用了。城市景观照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，l e d 产品应该 能够找到它的用武之地。发光角度小的l e d 方向性强，可作局部重点照明；在 封装材料中添入散射剂可以实现1 7 5 度的发光角适合较大范围内的照明，问题 是目前城市夜景照明中建设单位过于追求高亮度难以给设计师提供足够大的 选择范围，目前在城市夜景照明工程中常用的l e d 光源主要有： ( 1 ) 线性发光灯具l e d 线性发光灯具( 管、带、幕墙灯等) ：产生的轮廓 照明效果可以替代传统的霓虹灯、镁氖发光管、彩色荧光灯。常用产品额定工 作电压d c l 2 v 、2 4 v ( 大部分为大功率开关电源供电，也有部分产品采用线性 1 6 电源) ，a c 2 2 0 v 控制方式分为内控和外控，照明工程中一般采用几十到几百 个的单体组合。l e d 线性发光灯具以其良好的耐候性、寿命期内极低的光衰、 多变的色彩，具有流动变幻的照明效果在城市建筑的轮廓照明、桥梁的栏杆照 明中得到了广泛的应用。以一幢建筑物勾画的轮廓灯为例，利用l e d