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

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-11-25

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發(fā)光二極管(LightEmittingDiode，LED)，相對白熾燈等傳統(tǒng)光源具有功耗小、壽命長、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。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)國家綠色低碳的發(fā)展戰(zhàn)略，LED燈具及光源將會迅速應(yīng)用于地下軌道交通的照明，逐步完成對傳統(tǒng)光源及燈具的取代。

用于地鐵車廂照明的LED光源的優(yōu)勢
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。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，電工照明，通過不同的設(shè)計(jì)，營造、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，在視覺藝術(shù)讓人以一個(gè)全新的角度去認(rèn)識、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。未來的半導(dǎo)體照明器件還將會往環(huán)境、光學(xué)自適應(yīng)的方向發(fā)展，通過發(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)光源更長的使用壽命和更低的光衰，能顯著延長燈具的生命周期，減少維護(hù)量。同時(shí)LED光源在使用時(shí)限超過本身壽命的情況下，不會立即熄滅而造成照明失效，為場所的照明維護(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，其性能還會有大幅的提升，將更有利于場所和設(shè)施的照明維護(hù)。

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)，需對安全性作重點(diǎn)評估，在車廂照明中宜選用低壓小電流驅(qū)動、高耐溫低熱阻、光生物安全的光源，以避免燈具在使用過程中存在安全隱患以及對人體造成損害。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價(jià)參數(shù)，地鐵車輛的長時(shí)間運(yùn)行，對能量的消耗巨大，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。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光源的色容差將會直接決定車廂內(nèi)部照明的效果，大功率led照明，合理的選取光源色容差的范圍，將會保證照明燈具的顏色一致性，建筑照明，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、頻次高，車輛維護(hù)的工作量大，因此對于內(nèi)部設(shè)備要求具有良好的可維護(hù)性，甚至對燈具提出免維護(hù)的要求，而地鐵車輛的燈具時(shí)刻在強(qiáng)振動、高密封、低散熱的條件下工作，3c認(rèn)證，可靠性要求自然與普通照明燈具不同。因此，對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)行完善的可靠性評估，戶外照明，以保證在惡劣的條件下正常工作。

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，LED-T5一體化燈管，裝修照明，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。

通過透鏡的配光，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，通過比較可以看出，使用熒光燈管的燈具表面有明顯的亮度峰， led室內(nèi)照明，LED射燈，而邊緣部分亮度較暗，均勻性較差，而LED光源通過透鏡配光后，燈具表面亮度的過渡相對平滑，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.

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，可以提高乘客視覺舒適度，避免視覺疲勞;恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境對比度以及亮度，能夠有效提高乘客的視覺靈敏度;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，恒光，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、看報(bào)及信息瀏覽的視覺需求，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)頂部兩側(cè)，在長度方向線形延伸，與車廂結(jié)構(gòu)良好融合，通過照明分析，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)定眩光值評估點(diǎn)，評估乘客眼睛的眩光值，車間照明，店鋪照明，結(jié)果如圖6顯示，最大為19，裝修照明，最小值小于10，眩光表現(xiàn)良好。

實(shí)際照明效果與分析