本文将结合笔者所在公司的研发工作介绍一种LED 4π出光的高光子提取率、高效率、无金属散热器的LED通用照明灯(可以直接替换白炽灯和相当光通量的荧光节能灯的LED照明灯)技术。

　　LED照明具有光效更高、寿命更长;不含有害物质汞;使用寿命与灯的开关次数几乎无关、可提倡“随手关灯”;可以瞬间起亮等突出优点，被认为终将替代白炽灯和节能灯，成为节能照明的主流。实际上，只有在LED灯的性价比全面超过白炽灯、特别是超过目前广泛使用的节能灯后才能成为通用照明灯的主流。

　　而LED照明的课题看起来十分明确，即在保证光质量的前提下光效需要大幅提高，例如比节能灯高一倍以上;价格需要大幅下降，最好接近节能灯;使其性价比明显优于节能灯。

　　目前的LED通用照明灯大多由功率型LED加金属散热器和恒流驱动电路构成。笨重的金属散热器不仅增加了灯的成本和重量，同时要消耗大量铝资源，有悖环保。一个LED灯就像一个金属球，不利于安全，特别是大功率LED灯。因此，目前不少消费者购买时还是选择节能灯。

　　本文将结合笔者所在公司的研发工作介绍一种LED 4π出光的高光子提取率、高效率、无金属散热器的LED通用照明灯(可以直接替换白炽灯和相当光通量的荧光节能灯的LED照明灯)技术。

　　该LED通用照明灯的整灯发光效率比荧光节能灯高一倍以上;显色指数可高达96;可制造光通量为几十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯，L70寿命可达30000小时。可直接替换10～100W和更大功率的白炽灯和相当光通量的荧光节能灯。

　　一、 LED芯片4π出光、提高PN结光提取率和实际光效

　　白光LED发光过程的能效η为：

　　η =ηI ×ηO × ηC ×K

　　其中，ηI ：内量子效率;ηO：外量子效率;ηC：光子下转换损失;K：发光粉吸收。

　　有人分析，在理想情况下[1]，ηI = 0.95;ηO = 0.5;ηC = 0.875;K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。这里的外量子效率ηO 指的是光子在出射过程中被芯片、窗口材料，荧光粉及透镜等沿途吸收或在不同折射率介质界面反射回芯片内部再被吸收等的结果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功当量为320 lm/W计算，则最高光效为320×0.395=126 lm/W。这显然是被低估了。但由此我们可以看到提高LED光效的一个重要并有巨大潜力的因数是提高光提取率。

　　LED的光来自LED芯片的PN结，其发光原本是4π立体角全方位均匀出射的自然光，但目前几乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

　　LED的应用从初期的指示灯到数码显示和目前的彩色大屏幕显示、液晶显示的背照明等，在这些应用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透镜等聚集向前方、即转变为≤2π出射的光，包括直插式、草帽式、表面贴(SMD)和COB等;这样的变换对于这些应用是需要的，也是正确的。

　　不过，这样的变换让芯片原本向后发射的光聚集向前方，将明显降低PN结发射的光的提取率，即降低了LED的实际有效光效，这对于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果让LED芯片4π出光，将可明显提高LED PN结产生的光子的提取率、即提高LED的实际光效。

　　图1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意图。LED芯片被安装在光反射碗的底部，反射碗内有光出射面为平面或曲面的透明介质(图1中为平面的例子)。