基于光學(xué)仿真分析的新光源產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究

王淦鵬，范勁松

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計系，廣東佛山528000）

基于光學(xué)仿真分析的新光源產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究

王淦鵬1，范勁松2*

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計系，廣東佛山528000）

闡述LED行業(yè)在終端消費(fèi)產(chǎn)品上工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新與照明設(shè)計間脫節(jié)的現(xiàn)狀，并以臺燈燈具設(shè)計為例，介紹了基于光學(xué)仿真分析的新光源產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計思路與方法。據(jù)此，展望了科學(xué)理性化的新光源產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的未來。

LED；光學(xué)仿真；照明設(shè)計

能源緊缺已成為當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，節(jié)能減排已然成為社會發(fā)展的趨勢。作為新一代的綠色照明光源，LED光源體積小，可控性好，且高效節(jié)能，相比傳統(tǒng)光源有著巨大的優(yōu)勢。隨著低碳時代的到來，LED照明燈成為了照明行業(yè)一個重要的發(fā)展方向。

1 新光源產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著LED市場的快速發(fā)展和巨大的市場潛力，全國各地紛紛把發(fā)展LED作為發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)的重要目標(biāo)產(chǎn)業(yè)之一。受益于LED光源高效節(jié)能的優(yōu)良特性，基于目前傳統(tǒng)能源枯竭的局面，LED照明產(chǎn)業(yè)受到來自多方的扶持。近年來，我國政府相繼出臺了多項(xiàng)政策推動LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展。從表面看，LED產(chǎn)業(yè)可謂是風(fēng)光正好。

然而，LED產(chǎn)業(yè)在迅猛發(fā)展的同時實(shí)際上也面臨著諸多瓶頸。以中山市古鎮(zhèn)為例，古鎮(zhèn)擁有燈飾及其配件工商企業(yè)1.27萬家，其中燈飾商戶7 497家，當(dāng)中更是以中小微企業(yè)居多。大多數(shù)的企業(yè)還是以貼牌生產(chǎn)和簡單加工為主，燈飾設(shè)計主要靠模仿和抄襲為主，缺乏自主創(chuàng)新能力［1］?？v觀整個新光源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，其中存在的主要問題是：企業(yè)雖逐漸意識到工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新對企業(yè)的推動作用，但綜合結(jié)果來看，工業(yè)設(shè)計質(zhì)量依舊不高，在產(chǎn)品研發(fā)中參與度依舊不夠，產(chǎn)業(yè)鏈上更多的還是沿用過去燈具設(shè)計的傳統(tǒng)方式，缺乏對LED產(chǎn)品特點(diǎn)的深入研究以及相應(yīng)的創(chuàng)新性研發(fā)。

工業(yè)設(shè)計是有別于科學(xué)與藝術(shù)的第三種智慧，但其組成的子系統(tǒng)又含有科學(xué)與藝術(shù)的成分。工業(yè)設(shè)計體現(xiàn)了在經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中人類的創(chuàng)新能力，是企業(yè)創(chuàng)新和振興地方經(jīng)濟(jì)的重要發(fā)展戰(zhàn)略。LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開工業(yè)設(shè)計和制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，只有同時包含著優(yōu)良的技術(shù)和設(shè)計兩大要素才能創(chuàng)造出具有市場競爭力的產(chǎn)品。

然而目前現(xiàn)有的LED產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新與照明設(shè)計之間存在嚴(yán)重的脫節(jié)問題。大部分針對LED產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新研究都集中于產(chǎn)品的造型設(shè)計研究、情感化研究等方面，而缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼彰髟O(shè)計相關(guān)的研究探索。本文研究是結(jié)合實(shí)例，基于光學(xué)仿真分析，開展對新光源產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計研究。

2 照明設(shè)計與光學(xué)仿真

照明，是獲得舒適生活的一種可以簡單利用的工具。設(shè)計照明就是要站在使用者的立場上，最大限度提高光線給使用者帶來的心理和生理上的效果，創(chuàng)造一個讓使用者提升精神面貌的美好空間［2］。照明設(shè)計的過程簡單歸納就是合理利用燈具的過程，在合適的時間、空間里使用恰當(dāng)造型、功能的燈具，帶給空間合適照度、光比等。某種意義上講，燈具的設(shè)計就是服務(wù)于照明設(shè)計。而反過來說，照明設(shè)計則可以指導(dǎo)燈具的設(shè)計。

在照明設(shè)計的過程中，一般會通過計算照度來作為亮度的參考，并使用光學(xué)仿真軟件來確認(rèn)照明效果，從而得到的效果不僅是感覺上的，也是科學(xué)的?，F(xiàn)有市場上光學(xué)仿真軟件有不少，但其中既能免費(fèi)使用，又有大量照明廠家支持的還是要數(shù)DIALux。使用DIALux可以很方便地建立模型、導(dǎo)入燈光，能快速計算所需要面的照度、輝度等數(shù)據(jù)，并能3D描繪實(shí)際顏色或偽色圖，最后輸出一份專業(yè)的設(shè)計報表。本文也將使用DIALux作為研究使用的光學(xué)仿真軟件。

3 基于光學(xué)仿真分析的臺燈設(shè)計探索

本文以臺燈燈具設(shè)計為例，介紹如何基于光學(xué)仿真的分析，計算出臺燈光源位于桌面上科學(xué)合理的位置坐標(biāo)范圍，由此展開對新光源產(chǎn)品創(chuàng)新性設(shè)計的研究。

3.1 臺燈光學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)的確立

臺燈是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會使用到的燈具之一，GB/T9473-2008《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》［3］中對臺燈在光度學(xué)要求方面主要有遮光性和照度及其均勻度的要求，其中照度要求為：以燈具出光口的幾何中心垂直投影點(diǎn)為圓心，位于眼睛的正前方，靠近眼睛一側(cè)的投射范圍內(nèi)，離圓心的半徑距離為300 mm的1/3扇形以內(nèi)，AA級照度應(yīng)大于500 lx，A級照度應(yīng)大于250 lx；離圓心的半徑距離為500 mm的1/3扇形被前面扇形截下的區(qū)域以內(nèi)，AA級照度應(yīng)大于300 lx，A級照度應(yīng)大于150 lx。每個區(qū)域內(nèi)的照度均勻度（最大值/最小值）不得大于3。本文研究擬采用A級照度標(biāo)準(zhǔn)［4］。

結(jié)合美國IESNA推薦的臺燈照亮面積、照度及其均勻度要求，本文擬采用對家庭讀寫作業(yè)照明的作業(yè)面面積要求為：作業(yè)面面積360 mm×310 mm，如圖1所示；作業(yè)面維持的照度應(yīng)大于200 lx，最大照度與最小照度之比不應(yīng)超過3［5］。

3.2 照度信息計算范圍的確立

基于臺燈日常的使用情景，首先應(yīng)構(gòu)建一個簡單的照明環(huán)境。房間大小為幅寬3.0 m，進(jìn)深2.4 m，天花板高2.8 m，內(nèi)裝修的反射系數(shù)為天花板60%、墻壁30%、地面20%。根據(jù)人體工程學(xué)的理論分析［6］，采用的桌椅尺寸為：桌面高度750 mm、桌面長度1 500 mm、桌面深度600 mm、桌板厚度20 mm、椅座高度410 mm、椅面寬度400 mm、椅面深度380 mm。為避免燈光在紙上產(chǎn)生反射眩光，且避開手的遮影，同時距離眼睛要有一定距離，臺燈宜放置在桌面左前方位置（以右手寫字為例）。本文擬測量臺燈位于桌面中垂線15°～75°間總共60°夾角內(nèi)且距離以靠近人一側(cè)桌面邊緣中點(diǎn)為圓心半徑500 mm大小的圓弧以外范圍的照度信息。位置范圍如圖2所示，其中黑點(diǎn)所示為具體計算的位置坐標(biāo)。

3.3 計算位置范圍內(nèi)的照度信息

首先在DIALux（筆者使用的DIALux evo 6版本）中，依據(jù)上文提供的數(shù)據(jù)，搭建出簡單的室內(nèi)模型，效果如圖3所示。本文采用的光源來自于OSRAM制造，型號為LED SUPERSTAR CL GLOBE 60 9 W827 E27 FR，其極坐標(biāo)配光曲線圖如圖4所示。

圖1 作業(yè)面面積

圖2 位置范圍

圖3 室內(nèi)模型

圖4 光源配光曲線

導(dǎo)入燈光文件后，根據(jù)GB/T9473-2008《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》可以計算出該光源用作臺燈的適合高度范圍。將光源放置在桌面中線上離邊緣500 mm外的位置，本文將其放置在距桌面邊緣550 mm的位置上，并繪制出需要計算的工作面，分別命名為300 mm和500 mm。從距離桌面100 mm開始，步長100 mm，最高600 mm，分別計算兩工作面的照度信息。根據(jù)A級照度標(biāo)準(zhǔn)，可以初步確定該光源合適的高度范圍為300～500 mm。再在200～300 mm和500～600 mm范圍內(nèi)細(xì)分，通過二分法，再測量多組高度的照度信息，最終可以確定該光源合適的高度范圍為210～560 mm，即是說，假如采用該光源作為臺燈光源，若光源高度設(shè)計在210～560 mm范圍內(nèi)，則可以符合GB/T9473-2008《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》內(nèi)A級照度的標(biāo)準(zhǔn)。接著，再結(jié)合美國IESNA推薦的臺燈照亮面積、照度及其均勻度要求跟臺燈適宜放置位置要求，具體計算出該光源用作臺燈在具體位置上的適合高度范圍。首先在桌面上繪制出310 mm×360 mm的工作面計算面，將該光源依次放置在圖2所示的位置坐標(biāo)上，同時繞中心軸旋轉(zhuǎn)使其對齊桌面邊緣中點(diǎn)，從距離桌面210 mm開始，依次計算300 mm、400 mm、500 mm和560 mm高度的照度信息，初步確定范圍后再通過二分法測量細(xì)分高度的照度信息，從而得到該具體位置上的適合高度范圍。例如在25°角R2坐標(biāo)上的測量數(shù)據(jù)如表1所示，從而得出該位置坐標(biāo)的燈源合適高度為330～520 mm。

3.4 整合分析所得的照度信息

統(tǒng)計所有位置坐標(biāo)的燈源合適高度，可以得出如表2所示數(shù)據(jù)，通過已知的特定位置坐標(biāo)數(shù)值，使用插值法（筆者使用的是Solidworks中的Akima樣條曲線插值法）擬合出該區(qū)間內(nèi)的高度范圍，并依此建立三維可視化模型，如圖5所示，數(shù)據(jù)范圍區(qū)域（圖中灰色色所示區(qū)域）即是針對該光源用作臺燈時候的位置及高度建議值，以市面上現(xiàn)售的某款臺燈為例，若臺燈光源設(shè)計的位置及高度在此范圍內(nèi)，則可以使該臺燈符合GB/T9473-2008《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中的A級照度標(biāo)準(zhǔn)以及美國IESNA推薦的臺燈照亮面積、照度及其均勻度要求跟臺燈適宜放置位置要求。

表1 25°/R2位置照度信息

表2 燈源合適高度范圍

圖5 燈源合適高度范圍三維模型

4 結(jié)論

本文以臺燈燈具設(shè)計為例，介紹了基于光學(xué)仿真分析的新光源產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的思路與方法，有助于設(shè)計師跳脫出單純從外觀美感等方向思考的局限，而關(guān)注燈具本身的實(shí)用性，杜絕盲目設(shè)計后產(chǎn)品不符合規(guī)范的現(xiàn)象存在。本次實(shí)驗(yàn)過程中在考慮設(shè)計臺燈時候采用了GB/T9473-2008《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》跟美國IESNA推薦的照度要求與標(biāo)準(zhǔn)，而如果涉及到其他類型的新光源產(chǎn)品設(shè)計則需要不同的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范才得以進(jìn)行，這也是本實(shí)驗(yàn)方法的核心難點(diǎn)所在。筆者相信，工業(yè)設(shè)計在未來會逐漸趨向于科學(xué)理性化發(fā)展，而非現(xiàn)有的美感主觀主導(dǎo)。具體到新光源產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計，則會發(fā)掘探討出更多的相關(guān)細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)，用以輔助基于光學(xué)仿真的分析研究，從而讓設(shè)計師以有別于一般工業(yè)產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計思維來看待新光源產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。

［1］肖錠.中山市古鎮(zhèn)燈飾工業(yè)設(shè)計服務(wù)平臺建設(shè)研究［J］.南昌教育學(xué)院學(xué)報,2013（8）:195-196.

［2］福多佳子.照明設(shè)計［M］.朱波,金旭東,劉濤,等,譯.北京:中國青年出版社,2014.

［3］王曄,呂蔚辰,姚夢明.GB/9473-2008,讀寫作業(yè)臺燈性能要求［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

［4］陳超中,於立成,施曉紅.視覺作業(yè)臺燈技術(shù)要求研究［J］.中國照明電器,2014（1）:29-35.

［5］IlluminatingEngineeringSocietyofNorth America.IESNALightingHandbook［M］.IlluminatingEngineering,2000.

［6］陳玉婷,葉繁,郭勇.人體工程學(xué)在桌臺類家具設(shè)計中的應(yīng)用［J］.西北林學(xué)院學(xué)報,2008（4）:167-170.

【責(zé)任編輯：周紹纓 410154121@qq.com】

Research on new light source product innovation design based on optical simulation

WANG Gan-peng1,FAN Jing-song2*
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China; 2.Department of Industrial Design,Foshan University,Foshan 528000,China）

This paper describes the status that,in the end consumer products of LED industry,the industrial design innovation and the lighting design is disjointed.Based on an example of lamp design,introduces the ideas and methods ofnewlight source produce design based on optical simulation.Based on this,forecasts the future of scientific and rational design and development ofnewlight source products.

LED;optical simulation;lightingdesign

TM923.02

A

1008-0171（2017）03-0075-05

2016-12-13

王淦鵬（1991-），男，廣東汕頭人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生。

*通信作者：范勁松（1968-），男，貴州貴陽人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，博士。