階梯型礦燈反光杯的設(shè)計(jì)及效果研究

張宇佳

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

礦燈照明水平對(duì)井下工作人員的神經(jīng)活動(dòng)具有重要影響，長(zhǎng)時(shí)間在不適宜的照明環(huán)境中工作會(huì)造成身心疲勞并導(dǎo)致事故發(fā)生[1]。有資料統(tǒng)計(jì)，某煤礦發(fā)生的74 起事故中有59.5%的事故與照明有關(guān)[2]，當(dāng)照明條件提升后，工傷事故率將顯著降低[3]。現(xiàn)行GB/T 7957—2017 國(guó)標(biāo)對(duì)礦燈的聚焦性能、中心光強(qiáng)、發(fā)射角等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，其中對(duì)水平方向照明角度的要求是每邊不小于60°[4]。

基于礦用產(chǎn)品的特殊性，礦燈生產(chǎn)企業(yè)更多注重于礦燈防爆及信息化性能的研究[5-6]，光學(xué)性能一直未能引起足夠的重視。目前市面上的礦燈類產(chǎn)品大多存在發(fā)光角度和照明均勻度不能兼得的問題，大部分符合標(biāo)準(zhǔn)要求角度的礦燈其照明效果不盡如人意，而追求照明均勻度的礦燈又很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的照明角度。在2020 年末國(guó)家礦山安全監(jiān)督局組織進(jìn)行的專項(xiàng)抽查中，礦燈類產(chǎn)品的抽檢合格率僅為20%，主要不合格項(xiàng)之一即為照明角度不達(dá)標(biāo)。為此，在對(duì)礦燈所需的照明特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種多層次結(jié)構(gòu)的反光杯設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了仿真和實(shí)際雙重驗(yàn)證，在優(yōu)化了礦燈的照明性能的同時(shí)提供了一種新的簡(jiǎn)便易行的燈具照明性能驗(yàn)證方法。

1 反光杯的設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

通常燈具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是光線的準(zhǔn)直和均勻，但考慮到煤礦井下實(shí)際作業(yè)需求，礦燈的設(shè)計(jì)既要考慮主要照射面的均勻性，又要兼顧近處的照明范圍及遠(yuǎn)端照射距離，并期待得到較高的能量利用率。礦燈照明區(qū)域示意圖如圖1。

圖1 礦燈照明區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of miner’s lamp lighting area

如圖1，可將礦燈的照明區(qū)域分成遠(yuǎn)光聚焦區(qū)、正常照明區(qū)和視野擴(kuò)大區(qū)3 部分。其中0°～10°立體角為遠(yuǎn)光聚焦區(qū)，此區(qū)域光線聚焦，能量集中，照射距離遠(yuǎn)，用于探照巷道情況，在工作面檢查時(shí)有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)冒頂、片幫、透水等安全狀況?？紤]到人眼視野范圍約等于45°[7]，將10°～45°立體角劃分為正常照明區(qū)，要求此角度區(qū)域在明視距離（25 cm）附近形成的光斑具有較高的均勻度，提升常規(guī)作業(yè)時(shí)的照明舒適度。45°～60°立體角為視野擴(kuò)大區(qū)，強(qiáng)度可以略弱，主要用于擴(kuò)大邊緣探照范圍，增加視覺背景環(huán)境亮度，不僅能夠減輕視覺疲勞，而且有利于使用者及時(shí)發(fā)現(xiàn)周邊突發(fā)危險(xiǎn)狀況。

1.2 礦燈二次光學(xué)設(shè)計(jì)方案

礦燈所使用的光源為帶有半球透鏡的朗伯型LED 燈珠，燈珠發(fā)散角度為2π 立體角，一次設(shè)計(jì)所用的半球透鏡能夠?qū)⒅饕芰考性谶h(yuǎn)光聚焦區(qū)，在照射面上形成一個(gè)中心亮斑，其他光線將在照射面上形成照度隨發(fā)射角增大而逐漸降低的分布。因此二次光學(xué)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是減小燈珠的發(fā)散角得到均勻的正常照明區(qū)和足夠的視野擴(kuò)大區(qū)。常見的礦燈二次光學(xué)系統(tǒng)主要采用反光杯系統(tǒng)[8-9]，可按深度分為淺光杯和深光杯2 種。其中淺光杯幾何出射角約為60°，即反光杯僅對(duì)從燈珠發(fā)出的60°～90°的光線起作用，其他光線自由出射，因此淺光杯雖能獲得符合標(biāo)準(zhǔn)要求的60°發(fā)散角，卻無(wú)法提高照明均勻度。深光杯的幾何出射角一般小于45°，能夠?qū)⒋蟛糠殖錾涔膺M(jìn)行準(zhǔn)直，均勻度較高，但同時(shí)也損失了視野擴(kuò)大區(qū)。在深光杯的基礎(chǔ)上結(jié)合菲涅爾透鏡或其他透射光學(xué)系統(tǒng)可以很好的彌補(bǔ)深光杯的不足[10]，但是其對(duì)加工精度的要求較高，且使用的PMMA 材質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大的吸收和散射損耗，能量利用率低，暫時(shí)不適于進(jìn)行批量生產(chǎn)。為解決以上問題，提出一種多層級(jí)階梯型的反光杯設(shè)計(jì)方案。

1.3 階梯型反光杯設(shè)計(jì)原理

階梯型反光杯原理示意圖如圖2。圖2 中，H1、H2、H3分別為3 個(gè)反射面的高度；φ1、φ2、φ3分別為3個(gè)反射面的口徑，其中φ1=φ2。

圖2 階梯型反光杯原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of stepped reflective cup

階梯型反光杯由3 層光學(xué)面構(gòu)成，第1 層和第3 層光學(xué)面為準(zhǔn)直反射面，第2 層光學(xué)面為大角度反射面。2 個(gè)準(zhǔn)直反射面均為旋轉(zhuǎn)拋物面，焦距分別為f1和f2，焦點(diǎn)F 重合在光源處，為便于計(jì)算分析，將大角度反射面簡(jiǎn)化為圓柱面。以準(zhǔn)直反射面的焦點(diǎn)F 為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，準(zhǔn)直面的拋物線方程為：

可得到此時(shí)反光杯主要幾何參數(shù)的關(guān)系為：

式中：H 為高度總和，H=H1+H2+H3。

H 和φ3的大小由礦燈燈頭內(nèi)空間尺寸決定，因此設(shè)計(jì)時(shí)將H、φ1、φ2、φ3作為初步確定參數(shù)，f1、f2及大角度反射面的具體形狀作為可優(yōu)化參數(shù)。

1.4 結(jié)構(gòu)模型

通過(guò)計(jì)算及初步優(yōu)化，設(shè)計(jì)得到了口徑為40 mm，高度為20 mm 的階梯型反光杯，為了留取余量，設(shè)計(jì)的出光角度為65°，階梯型反光杯三維模型圖如圖3。常見的淺光杯和階梯型反光杯的光路示意圖圖4。

圖3 階梯型反光杯三維模型圖Fig.3 3D model of stepped reflective cup

由圖4 2 種反光杯的光路對(duì)比可知：

1）淺光杯的光路包含2 部分：一小部分光經(jīng)過(guò)反射器的匯聚反射準(zhǔn)直出射，大部分光不經(jīng)過(guò)反射器直接往外出射，反射杯體的開口角度直接決定了出射光的角度。

2）階梯型反光杯的杯體較深，燈杯開口將直射光的角度限制在了45°左右，大于45°的光線一部分由大角度反射面反射用作視野擴(kuò)大區(qū)的補(bǔ)光，其他部分由準(zhǔn)直反射面進(jìn)行準(zhǔn)直。

2 光學(xué)仿真

將設(shè)計(jì)好的反光杯三維模型導(dǎo)入TracePro，并設(shè)置反光杯內(nèi)表面為反射率94.87%的光學(xué)鏡面。選取帶半球透鏡的180°發(fā)光的朗伯體LED 作為光源，設(shè)置光源尺寸為1.5 mm×1.5 mm，光通量50 lm，半球透鏡的半徑為3 mm，材質(zhì)為PMMA，折射率1.5。

設(shè)定輻照面距離光源25 cm，追跡2 000 000 條光線對(duì)上述光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，光線追跡圖如圖5，光斑仿真圖如圖6。由于光源一次透鏡的作用，光源出射光80%的能量集中在中心0°～10°的遠(yuǎn)光聚焦區(qū)內(nèi)，為方便分析并突出反光杯的作用，繪制圖5 時(shí)取消了半球透鏡，并且圖中只顯示了200 條光線。

圖5 光線追跡圖Fig.5 Ray tracing diagram

圖6 光斑仿真圖Fig.6 Simulation diagram of facula

通過(guò)階梯型反光杯配光后，光線按需求被分配到了所需的3 個(gè)區(qū)域，在輻照面上形成了明顯的遠(yuǎn)光聚焦區(qū)（Ⅰ區(qū)）、正常照明區(qū)（Ⅱ區(qū)）和視野擴(kuò)大區(qū)（Ⅲ區(qū)）。從圖6 中可看到：Ⅰ區(qū)為不大于10°的中心亮斑，該亮斑中心最大光強(qiáng)為4 300 cd，可以達(dá)到足夠的中心射程，符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光源聚焦的要求；Ⅱ區(qū)的光線被均勻的限制在了10°到45°之間，該區(qū)域的光強(qiáng)分布在17～32 cd 之間，強(qiáng)度適宜，能夠在保證正常照明的基礎(chǔ)上有效地避免眩光；Ⅲ區(qū)的角度范圍達(dá)到了65°，該區(qū)域獲得的能量分配較小，光強(qiáng)約為3～6 cd。

從仿真結(jié)果可知，階梯型反光杯的使用，既保證了光能的有效利用又?jǐn)U大了照明范圍，而且能夠在正常照明區(qū)域內(nèi)獲得較均勻的能量分布。

3 實(shí)物照度分布測(cè)試

考慮到礦燈發(fā)出的光照射到均勻的漫反射平面后，其反射光的強(qiáng)度分布與入射光強(qiáng)度分布具有一致性，因此可以通過(guò)分析相機(jī)拍攝的輻照面圖像對(duì)礦燈的照度分布進(jìn)行定性分析。基于上述思想，使用Matlab R2018b 編寫了礦燈照明均勻度分析軟件V1.0，該軟件能夠通過(guò)讀取圖片中的感興趣區(qū)域（ROI，region of interest）的R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）值，并將R、G、B 值基于強(qiáng)度公式轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度Y，之后對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行全局或區(qū)域分析，獲得強(qiáng)度分布圖像及均勻度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算值。本軟件使用的R、G、B 轉(zhuǎn)換公式為：

選用相同制造商相同規(guī)格的礦燈光源組，分別使用常規(guī)的淺光杯、深光杯和設(shè)計(jì)的階梯型反光杯組裝了3 臺(tái)礦燈整燈。選用白玻纖幕布作為受照面，燈頭到幕布的距離為25 cm，分別對(duì)3 臺(tái)礦燈的在幕布上的輻照面進(jìn)行拍照。相機(jī)的參數(shù)設(shè)置為感光度為800，快門速度為1/125 s，白平衡4 600。礦燈輻照面光斑圖如圖7，礦燈照度分布三維圖如圖8。

圖7 輻照面光斑圖Fig.7 Diagrams of faculae at irradiation surface

圖8 照度分布圖Fig.8 Diagrams of illuminance distribution

圖7 為3 臺(tái)礦燈0°到45°立體角范圍內(nèi)的光投射到幕布上的輻照面光斑圖片。圖8 為將圖7 中的照片導(dǎo)入均勻度分析軟件后生成的照度三維分布圖，其中圖8（a）～圖8（c）為全局分析圖，圖8（d）～圖8（f）為10°～45°正常照明區(qū)的區(qū)域分析圖。從圖8 可以看出，使用階梯型反光杯對(duì)礦燈進(jìn)行二次配光后，光源能量得到了重新分配，中心能量更為集中，且正常照明區(qū)的均勻度得到了明顯提升，經(jīng)軟件計(jì)算得到3 種配光形式下的正常照明區(qū)均勻度分別為69.65%、73.81%、82.17%。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前礦燈行業(yè)存在的照明角度不足和照明均勻性差的問題，設(shè)計(jì)了一款階梯型的新型反光杯。光學(xué)仿真驗(yàn)證及實(shí)物測(cè)試研究結(jié)果表明，用該反光杯進(jìn)行二次光學(xué)配光后，礦燈的光學(xué)性能得到了較大提升，更符合煤礦井下工況對(duì)照明的需求。提出了利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行照明均勻度分析的方法，使用MATLAB 編寫相關(guān)程序并對(duì)所設(shè)計(jì)的礦燈反光杯進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，結(jié)果符合預(yù)期，為礦燈及其他燈具的驗(yàn)證提供了一種新的簡(jiǎn)便有效的方法。