由于急于将产品推向市场，早期人们很少关注固态照明SSL的光学特性和它带来的机会。OEM商和灯具生产商设计的LED灯具，仍然与130年电光源史上的其他灯具有着一样的外观和功能。Bailey说：“由于当时技术远远不如今天，我们无法实现人与产品的互动。我们发明了光，但并没能往前再走一步。”当舒适、无眩光、均匀等照明需求提上议事日程，制造商与灯具设计师们都在重新审视自己要走的路。
差异解读
要了解LED与传统（灯丝）光源的不同，就必须知道它们的工作原理。二极管是半导体两极产生的光子填充空穴产生电流发光。白炽灯是通过高温热辐射产生光。
图：LED发光原理
来源：OMS lighting
光分布是不同光源之间的另一区别。传统光源的光分布呈360度的球型，而LED光源的分布是180度。Acuity照明品牌的研发副总裁Peter Ngai说：“因此，我们必须根据这一特性来定制光学器件。”
LED的定向性，前向发光的特点意味着改造传统灯具决不只是换个光源那么简单。比方，适用于白炽灯或紧凑型荧光灯的反射器对LED光源来说，可能完全没有效果。因为LED背面不会发光，反射器无光可以反射。Nagi说，在大多数改造的案例中，“光分布差异很大。如果要正确地用LED替换现有灯具，需要更换之前的反射器、透镜及其他内部光学器件，换成适合LED光源的。
数量也很关键。Bailey说，LED灯具使用多个二极管（相当于多个小光源），每一个点都“产生大量光通”，这就需要对它们的亮度进行控制并适当的重新分配，否则很容易产生不舒适眩光和像素化分布，而不是整体连续均匀。
图：LED像素化应用示例。在整灯中，需要尽量避免光源点的像素化。
来源：OMS lighting
光学器件
对于传统灯具，制造商利用反射杯和透镜的结合将光扩散并投射到目标上。但是这些光学器件，比如磨砂玻璃碗（DOME），可能导致多达50%的光损失。普锐的资深应用专家Maria Topete说：大量的光被吸收掉了。
所以，在LED应用这场以效能之名的游戏中，那些使用传统光学器件的灯具供应商，“遭受了致命一击”。 Topete说，“所以在设计的时候，我们变得更加聪明了。那些看起来相似的光学方案，实际上有很多精益求精的想法及技术。”
LED与传统光源一样，想要消除眩光就必须扩大发光面积，使之漫射。Topete说道：“尽管OEM商想要从最小的封装里得到尽可能多的光通，但这可能引起视觉上的不适。
LED灯具通常具有两个光学层。一次光学，利用类似玻璃半球的透镜，按照预期的光度规范规束和分布光线；二次光学是进一步根据光分布及定向的需要，使光平行、扩散或者直射。这样二次光学时，就增加了光源的尺寸。也有相反的情况，一次光学用扩散器控光，二次光学则用透镜或反射杯控光。
图：LED光学设计结构图
来源：网络
调整传统技术
Topete说，是否使用光学器件取决于包括应用场景在内的几个因素，但无论如何，高效利用光的关键点都是要“允许光线出射”并到达被照面。
由于LED的发光角度在180度以内，“在多数情况下，透镜是控制光输出的一种合适的方法”, Nagi这样说。LED的小尺寸也就意味着，完整的透镜要与光源的大小相差无几，并且可以应用紧凑型、或者菲涅尔透镜来校准光。这样一来，从源头上就可以减少光的损失及分散。
制造商们也在提高透镜的质量。Bailey说，我们正在改变透镜内表面，形成多个哑光面，从而大量消除由透镜内部表面反射造成的反射光。
扩散技术的提高，使得在保持发光效率的同时，可以更好的控制光。Topete说，与磨砂处理或内部填充散射微粒的玻璃或聚碳酸酯透镜不同，制造商可以根据LED的应用，开模定做形状及表面合适的塑料透镜，这样可能会减少10%左右的光流失。
图：一款使用棱镜散射器来使光线均匀分布的嵌入式LED灯盘。
来源：Courtesy Hubbell Lighting
Bailey说，相对而言，LED向前散发的热量较少，因此可以在它的前方加上透镜或者扩散介质，与薄膜、薄片等材料一起配合应用。而这一点，显然是产生高热量的传统光源无法做到的。
灯具制造商及OEM商也会利用抛物型或双曲线型反射器来控制光线，防止光线直接进入视野，以此减少眩光。 但是，尽管抛物线型反射器使得足够的光线呈球面分布，但它可能会无法控制光源中心轴附近的光发生逸散，这对180度发光的LED来说可是很大的一部分。因此，一些灯具制造商尝试在抛物线型反射器内部使用不同方向的LED阵列，以此改进对光输出方向的控制。
未来新技术
现有的光学技术并不能全部满足灯具应用的需求。
制造商们正在挖掘折射技术的潜力。Bailey说，我们在研发棱镜来替换反射杯。全内反射（TIR)光学器件结合了反射杯及折射透镜，可以控制LED的直射及反射光。LED中心轴的光束可以进入并通过折射透镜，而全内反射表面可以控制光束范围。
图：LED的小尺寸允许灯具变得更小更高效，光学器件精度更高。上图为TIR全内反射透镜。
来源：Courtesy Hubbell Lighting
为了有效利用内反射，灯具制造商也利用“光导材料”，来分配安装在灯具侧面的LED发出的强烈的光线。Nagi说，“光导材料的光学设计是为了更好地利用光线，光注入后，由于光导材料的全内反射特性，可以对它们进行重新分配。”
图：一种利用导光板的超薄灯箱的做法
来源：网络
照明制造商也使用诸如聚碳酸酯和聚酯材料组成的全息膜来做实验。这些扩散板的微结构可以消除LED的成像和像素化效果，改变光的分布形成不同的光束角，有效地传输光线。
注塑成型的丙烯酸和塑料光学器件，也引起了LED和灯具制造商的兴趣。光学工程师们正在不断地试验透镜上的微表面和微特性。Bailey说：“透镜上的这些看起来微乎其微的特征，却对产品及光的呈现产生巨大的影响。”
图：一款使用高精度注塑成型丙烯酸洗墙透镜的筒灯。
来源：Courtesy Hubbell Lighting
制造商们现在有了另一种的新技术，用来定制LED的光学器件：3D打印。挪威的Luxexcel公司的专利技术——“光学打印方法”——可以实现二极管级别的打印。利用改进的、兼容多种格式的工业级喷绘打印机，不用任何工具、任何模具，也不需要压铸，只需要CAD文件就可以打印出平面和3D的光学器件，包括透镜、棱镜、微结构，和多颜色、多表面的层压制品。Luxexcel公司的市场部经理说：全球已经有几家灯具厂家开始试验这一项技术。
图：Luxexcel公司打印的绿色线性棱镜
来源：Courtesy Luxexcel
图：Luxexcel公司打印的球面微透镜，可以使光平行、发散或漫射，以及混色。
来源：Courtesy Luxexcel
LED的尺寸、效能及可靠性开启了光学器件和灯具设计的大门，这一点制造商们刚刚开始意识到。与此同时，电致发光和远程荧光粉技术的进步同样让人惊叹。Bailey说，照明产业已经“浴光重生...这是一个振奋人心的时代，我们可以利用这种新技术，自由地创造美好的光。”
