LED在地鐵車廂照明中的應(yīng)用及光學(xué)設(shè)計(jì)案例淺析

蘇 丹

(深圳市九洲光電科技有限公司,廣東 深圳 518057)

引言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED),相對(duì)白熾燈等傳統(tǒng)光源具有功耗小、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、工作電壓低、發(fā)光響應(yīng)時(shí)間短、光色純等特性。LED光源作為一種新的光源正在快速進(jìn)入照明領(lǐng)域，具有高發(fā)光效率、低能耗、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，在綠色低碳和節(jié)能減排方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，城市地下軌道交通快速發(fā)展，其已經(jīng)成為緩解城市路面交通壓力的重要途徑。隨著LED產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及相應(yīng)國(guó)家綠色低碳的發(fā)展戰(zhàn)略，LED燈具及光源將會(huì)迅速應(yīng)用于地下軌道交通的照明，逐步完成對(duì)傳統(tǒng)光源及燈具的取代。

1 用于地鐵車廂照明的LED光源的優(yōu)勢(shì)

首先，LED光源在車廂內(nèi)部照明燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)上具有優(yōu)勢(shì)。在照明光學(xué)工程中，必須把光和人類的生活完美融合，照明方式變革為空間照明，通過(guò)不同的設(shè)計(jì)，營(yíng)造、烘托環(huán)境或空間的氛圍，形成系統(tǒng)照明。它將科學(xué)性和藝術(shù)性有機(jī)結(jié)合,在視覺(jué)藝術(shù)讓人以一個(gè)全新的角度去認(rèn)識(shí)、理解和表達(dá)光的主題。LED光源屬于朗伯光源，發(fā)光具有一定的方向性，光線能夠非常容易被控制，可根據(jù)特定光學(xué)需求進(jìn)行配光，由于發(fā)光面積較小，可以使用透鏡或者反光器對(duì)光線進(jìn)行合理分配，并能實(shí)現(xiàn)燈具的功能和外觀多樣化，使得LED能很好應(yīng)用在車廂中的各個(gè)照明環(huán)境。

其次，LED燈具更容易實(shí)現(xiàn)車廂照明的智能控制。作為半導(dǎo)體電子器件，LED容易被集成到智能控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光、調(diào)色、遠(yuǎn)程控制等功能。智能化的照明方式可以根據(jù)不同的光學(xué)、美學(xué)、人類心理學(xué)及生理學(xué)的需求，隨時(shí)提供不同的照明方案；智能化的照明方式在能源節(jié)約方面也能以最優(yōu)化的方式進(jìn)行照明能耗管控，提升LED的節(jié)能減排效果。未來(lái)的半導(dǎo)體照明器件還將會(huì)往環(huán)境、光學(xué)自適應(yīng)的方向發(fā)展，通過(guò)發(fā)光器件或者燈具自身的智能調(diào)整，滿足不同照明的需求。

再者，使用LED燈具將會(huì)更方便地進(jìn)行車廂內(nèi)照明的維護(hù)。LED光源具有比傳統(tǒng)光源更長(zhǎng)的使用壽命和更低的光衰，能顯著延長(zhǎng)燈具的生命周期，減少維護(hù)量。同時(shí)LED光源在使用時(shí)限超過(guò)本身壽命的情況下，不會(huì)立即熄滅而造成照明失效，為場(chǎng)所的照明維護(hù)提供了安全性及時(shí)間上的保障。隨著LED芯片和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，其性能還會(huì)有大幅的提升，將更有利于場(chǎng)所和設(shè)施的照明維護(hù)。

2 用于地鐵車廂照明中的LED光源的基本要求

首先，用于地鐵軌道交通照明的LED光源應(yīng)具有高安全性的特點(diǎn)。地鐵車輛是城市居民出行的重要的交通工具，安全性應(yīng)提高要求，在選取LED光源時(shí)，需對(duì)安全性作重點(diǎn)評(píng)估，在車廂照明中宜選用低壓小電流驅(qū)動(dòng)、高耐溫低熱阻、光生物安全的光源，以避免燈具在使用過(guò)程中存在安全隱患以及對(duì)人體造成損害。

其次，用于地鐵軌道交通照明的LED光源應(yīng)具有高光學(xué)質(zhì)量的特點(diǎn)。光源的發(fā)光效能始終是重要的評(píng)價(jià)參數(shù)，地鐵車輛的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)能量的消耗巨大，使用更高光效的LED光源就能更明顯的體現(xiàn)節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。另外，LED光源的色溫穩(wěn)定性、顯色性以及色容差等方面也要有良好性能。色溫、顯色性等光學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定除了保證車廂內(nèi)部照明效果的穩(wěn)定外，能使乘客一直處于舒適的心理狀態(tài)；LED光源的色容差將會(huì)直接決定車廂內(nèi)部照明的效果，合理的選取光源色容差的范圍，將會(huì)保證照明燈具的顏色一致性，維持良好的照明效果。

最后，用于地鐵軌道交通照明的LED光源應(yīng)具有高可靠性的特點(diǎn)。由于地鐵車輛每天的工作時(shí)間長(zhǎng)、頻次高，車輛維護(hù)的工作量大，因此對(duì)于內(nèi)部設(shè)備要求具有良好的可維護(hù)性，甚至對(duì)燈具提出免維護(hù)的要求，而地鐵車輛的燈具時(shí)刻在強(qiáng)振動(dòng)、高密封、低散熱的條件下工作，可靠性要求自然與普通照明燈具不同。因此，對(duì)LED光源本身的支架材料、封裝結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)工藝等方面也就提出了非常高的要求。為保障可靠性滿足要求，LED光源一定要進(jìn)行完善的可靠性評(píng)估，以保證在惡劣的條件下正常工作。

3 使用LED光源的地鐵列車照明燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)

LED由于其發(fā)光面積小，可使用二次透鏡對(duì)其進(jìn)行配光設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，燈具的尺寸結(jié)構(gòu)將影響透鏡如何配光，配光的優(yōu)劣會(huì)直接決定燈具的照明外觀和效果，在本設(shè)計(jì)案例中，燈具光學(xué)空間高度低，發(fā)光面大，光源需要形成翼型光分布以滿足要求，如圖1所示。

圖1 透鏡配光曲線圖Fig.1 Light intensity distribution of the lens

通過(guò)透鏡的配光，LED的光線被均勻的分配到燈具的出光面，光線追跡圖如圖2所示。

圖2 燈具光線追跡效果圖Fig.2 The light tracing sketch

圖3是同一燈具分別使用LED光源和熒光燈管的表面亮度曲線，通過(guò)比較可以看出，使用熒光燈管的燈具表面有明顯的亮度峰，而邊緣部分亮度較暗，均勻性較差，而LED光源通過(guò)透鏡配光后，燈具表面亮度的過(guò)渡相對(duì)平滑，均勻性得到明顯改善，不僅提升了燈具的美觀性，而且降低了眩光值。

圖3 LED與熒光燈管的燈具表面亮度曲線Fig.3 Surface luminance curve of the luminaires by using LED and fluorescent tube

4 地鐵車廂的照明設(shè)計(jì)

地鐵車廂內(nèi)部的照明設(shè)計(jì)中，合適的照度以及照度均勻度，可以提高乘客視覺(jué)舒適度，避免視覺(jué)疲勞；恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境對(duì)比度以及亮度，能夠有效提高乘客的視覺(jué)靈敏度；柔和的燈具發(fā)光光線以及較低的空間眩光值，使人眼能夠快速完成視覺(jué)適應(yīng)；高的顯色指數(shù)可以很好的還原物體顏色，提高人眼的色彩分辨力。在實(shí)際照明的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)案例中，須兼顧功能性和美觀性，在保持與列車風(fēng)格一致的前提下，合理調(diào)整燈具參數(shù)和布置，以保證獲得最佳的照明效果。在普通的列車中，為提供良好的視覺(jué)環(huán)境，光源的色溫宜選取4000K的自然白光，顯色指數(shù)80以上，車廂地面的平均水平照度宜為400lx以上，同時(shí)為了滿足乘客讀書(shū)、看報(bào)及信息瀏覽的視覺(jué)需求，工作面的垂直照度須達(dá)到300lx，而眩光值要控制在25以下。

圖4是本案例的地鐵車廂內(nèi)部照明的偽色圖，燈具裝配于車廂內(nèi)頂部?jī)蓚?cè)，在長(zhǎng)度方向線形延伸，與車廂結(jié)構(gòu)良好融合，通過(guò)照明分析，地面的照度分布如圖5的結(jié)果所示,地鐵車廂地面的照度平均值可達(dá)到402lx，最小照度/最大照度值為0.833，照度水平及均勻度均有良好的表現(xiàn)。在地鐵車廂內(nèi)不同位置設(shè)定眩光值評(píng)估點(diǎn)，評(píng)估乘客眼睛的眩光值，結(jié)果如圖6顯示，最大為19，最小值小于10，眩光表現(xiàn)良好。

圖4 車廂照明模擬偽色圖Fig.4 The false color of the train coach illumination

圖5 使用LED燈具照明的車廂地面照度分布Fig.5 The ground illumination distribution of the train coach by using LED luminaires

圖6 使用LED燈具照明的車廂內(nèi)部眩光值Fig.6 The glare index of the train by using LED luminaires

5 實(shí)際照明效果與分析

圖7展示了本案例的實(shí)際照明效果，燈具表面亮度均勻且光線柔和，整個(gè)照明空間照度和亮度分布均勻，有好的視覺(jué)舒適度。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，對(duì)于同一節(jié)列車車廂，使用LED燈具進(jìn)行照明時(shí)，車廂內(nèi)地面平均照度為410lx，消耗功率960W，而使用熒光燈管的燈具在照明時(shí)，車廂內(nèi)地面平均照度為350lx，消耗功率1730W， LED燈具以近乎一半的功率損耗就能超過(guò)熒光燈管燈具的照明水平，并且照明質(zhì)量得到了極大的提升，足以體現(xiàn)LED燈具在列車車廂照明中的優(yōu)勢(shì)。

圖7 車廂實(shí)際照明效果圖Fig.7 The true illumination effect of the train coach

6 小結(jié)

LED光源在光學(xué)設(shè)計(jì)、照明質(zhì)量以及智能控制方面，相比傳統(tǒng)光源有著先天性的優(yōu)勢(shì)，能夠根據(jù)照明的需要，合理進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，為乘客提供高質(zhì)量的照明環(huán)境。LED光源的高可靠性、高安全性、高光學(xué)利用率以及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，能夠極大及降低車廂照明系統(tǒng)的維護(hù)性和運(yùn)營(yíng)成本，在節(jié)能減排、低碳環(huán)保方面具有巨大的社會(huì)效應(yīng)。

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