如果将LED应用看成一个完整的系统工程，驱动技术可以算是一个相对比较独立的子系统，作为驱动设计来说LED只是一个富含LED电性特征的半导体二极管，而光学和热学则贯穿于芯片、封装、应用各个环节，其设计工作需要承上启下地考虑，因此算是这个系统工程中的主体技术。

　　以往的文章中多是独立地考虑光学和散热问题，本人将更深入挖掘其内在联系，力争为设计提供一个更清晰的脉络。

　　通常的光学系统包括透镜和反光碗的方式，从LED封装到应用都随处可见这样的光学系统，至于是选择透镜还是反光杯则需要根据实际情况而定，但是没有好的方案，只有更好。光学设计的优劣主要体现在效率和合理性（笔者曾经以cnoe99@163.com的名义写过一篇关于“LED路灯的反光碗和透镜”的文章发表于网络，可以在google中搜索“LED路灯反光碗式和透镜式的二次光学”，该文揭示了一种用反光碗方式做LED路灯的思路，在道路照明效果和灯具效率中间找到一个相对合理的平衡点）。

　　光学系统的效率

　　衡量既定的照明需求采用多大功率的系统，通常有以下的公式：

　　系统产生的发热功率有：

　　其中为输入功率，为照明需求的光通量，为灯具效率，为LED发光效率，为发热功率，为LED的能量转换系数，光学系统的效率即体现在灯具效率。

　　目前一般80lm/W的白光LED发出光的能量约占输入能量，即为25%。

　　举例说明光学系统的效率对热管理的影响：

　　例：一照明需求1000lm的光线，假设采用80lm/W的LED：

　　若采用灯具效率为90%的照明系统，则需要总功率为：

　　发热功率

　　若使用其他部分相同，而灯具效率60%的照明系统，则需要总功率为：

　　发热功率

　　可见选用同样的LED，后者的发热量高出（17.7-10.76）/10.76=65%

　　芯片的PN结温度

　　其中为环境温度，为环境到PN结的系统热阻

　　假设该照明系统的外界环境温度为25℃，为3℃/W

　　那么灯具效率90%的LED芯片结温为：25+3×10.76=57.3℃

　　那么灯具效率60%的LED芯片结温为：25+3×17.7=78.1℃

　　实际上本计算还是存在一定误差，60%灯具效率的芯片结温还应该略高一些，因为本身芯片温度越高，其发光效率越低，严格地说应该不能以80lm/W的光效计算。

　　表1是某品牌大功率白光LED的结温在亮度衰减70%时与寿命的关系[1]

[1]戴维德，大功率LED的散热设计

　　可见使用相同的散热系统两者的寿命前者为75000小时左右，后者为34000左右。

　　两个照明系统达到同样的照明效果，光学效率低的不仅仅需要使用更多数量的LED，而且还多出了65%的热量，或者如果考虑相同的光源寿命，除了节约的光源成本外，还可以节约65%的散热材料成本、减轻65%的散热器重量、减小65%的散热器体积。

　　未来白光LED效率达到160lm/W，光功率占输入功率50%左右，则：

　　灯具效率90%的照明系统，则一共需要（1000/90%）/160=6.94W

　　产生的热量为6.94×50%+6.94×50%×10%=3.82W

　　灯具效率90%的照明系统，则一共需要（1000/60%）/160=10.42W

　　产生的热量为10.42×50%+10.42×50%×40%=7.3W

　　后者比前者高出1倍，可见高效的光学设计除了节约LED成本外，对热管理也是有非常重要的意义的，在绞尽脑汁优化散热方案的同时，也应该考虑一下改善一下光学系统，会更有利于散热。

　　常见的光学系统几个概念：

　　对于Lambertian出光的LED，选择反光方式或透镜的方式取决于应用，一般来说对于角度特别大或者特别小的要求，用反光方式无法实现的，对于一般角度要求的应用，选择反光方式可能获得更高的灯具效率。

　　反射一般采用高纯度铝材，或其他材质表面镀金属覆膜或者其他高反射率的复合材料，一般可以获得的反射效率在85%～98%

　　各种材料反射膜在不同波长的反射率[2]

　　透镜材料一般选择高纯度低老化的PMMA，其标称折射率在=1.496。根据Fresnel定律推导出在光学透镜的入射和出射界面的反射系数，计算可以即因入射和出射将损失8%的光线。

　　而在实际应用中，加工误差和材料本身吸收也会产生一些额外的光损失，但是入射和出射的界面损失又因为无足够介质吸收继续再次通过光学系统射出，因此整个透镜系统是一个复杂的光学系统，实际效率和设计水平有很大的关系，而效率也需要科学地测量。

　　光学的合理性

　　以上概述了光学系统的效率问题，还有另外一方面也是至关重要的：光学合理性。除了空间照明需要一定的空间亮度外，很多时候都有一个要求的照明范围，比如路灯的主要功用是照亮马路，并且是周边有良好的环境比；交通指示和户外显示有一个有效观看角度；洗墙灯要求被照物体是一面墙体。如果设计出的光源有大部分的光没有照射到因该照射到的范围，那也形成了光浪费，为何不减少这些浪费，以节省LED数量，减少发热量呢？

　　以交通信号灯为例：

　　通常信号灯用的LED等光强极坐标图如下所示：

　　整个LED呈对称式配光，但是不可避免的将有一半的光照射在水平轴以上的空间，这些光照射到了空中是浪费掉了，即使是交通信号灯的国家标准也只限定了灯具向下以及左右的光强，因此用于交通信号灯的理想状况是将所有光都向下范围照射（专利产品），如下图所示：

　　原本需要近200颗LED才能达到的国家标准，用了新型配光的LED，只要100颗不到就可以达到了，总发热量是原来方案的一半，并且节约了大量的LED成本。

　　对于LED显示屏、LED洗墙灯等等，许多应用都可以做这些优化的方案，当散热遇到瓶颈，难以突破时，无论通过一次光学还是二次光学，都可以为散热效果提升和成本降低提供一个新的思路。