LED在地鐵車廂照明中的應用及光學設計案例淺析

蘇 丹

(深圳市九洲光電科技有限公司,廣東 深圳 518057)

引言

發光二極管(Light Emitting Diode, LED),相對白熾燈等傳統光源具有功耗小、壽命長、體積小、重量輕、工作電壓低、發光響應時間短、光色純等特性。LED光源作為一種新的光源正在快速進入照明領域，具有高發光效率、低能耗、長壽命的特點，在綠色低碳和節能減排方面具有明顯的優勢。目前，城市地下軌道交通快速發展，其已經成為緩解城市路面交通壓力的重要途徑。隨著LED產業的迅猛發展以及相應國家綠色低碳的發展戰略，LED燈具及光源將會迅速應用于地下軌道交通的照明，逐步完成對傳統光源及燈具的取代。

1 用于地鐵車廂照明的LED光源的優勢

首先，LED光源在車廂內部照明燈具的光學設計上具有優勢。在照明光學工程中，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，通過不同的設計，營造、烘托環境或空間的氛圍，形成系統照明。它將科學性和藝術性有機結合,在視覺藝術讓人以一個全新的角度去認識、理解和表達光的主題。LED光源屬于朗伯光源，發光具有一定的方向性，光線能夠非常容易被控制，可根據特定光學需求進行配光，由于發光面積較小，可以使用透鏡或者反光器對光線進行合理分配，并能實現燈具的功能和外觀多樣化，使得LED能很好應用在車廂中的各個照明環境。

其次，LED燈具更容易實現車廂照明的智能控制。作為半導體電子器件，LED容易被集成到智能控制系統中，實現智能調光、調色、遠程控制等功能。智能化的照明方式可以根據不同的光學、美學、人類心理學及生理學的需求，隨時提供不同的照明方案；智能化的照明方式在能源節約方面也能以最優化的方式進行照明能耗管控，提升LED的節能減排效果。未來的半導體照明器件還將會往環境、光學自適應的方向發展，通過發光器件或者燈具自身的智能調整，滿足不同照明的需求。

再者，使用LED燈具將會更方便地進行車廂內照明的維護。LED光源具有比傳統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，減少維護量。同時LED光源在使用時限超過本身壽命的情況下，不會立即熄滅而造成照明失效，為場所的照明維護提供了安全性及時間上的保障。隨著LED芯片和封裝技術的不斷進步，其性能還會有大幅的提升，將更有利于場所和設施的照明維護。

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光源應具有高安全性的特點。地鐵車輛是城市居民出行的重要的交通工具，安全性應提高要求，在選取LED光源時，需對安全性作重點評估，在車廂照明中宜選用低壓小電流驅動、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光源應具有高光學質量的特點。光源的發光效能始終是重要的評價參數，地鐵車輛的長時間運行，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節能減排的優勢。另外，LED光源的色溫穩定性、顯色性以及色容差等方面也要有良好性能。色溫、顯色性等光學參數的穩定除了保證車廂內部照明效果的穩定外，能使乘客一直處于舒適的心理狀態；LED光源的色容差將會直接決定車廂內部照明的效果，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，維持良好的照明效果。

最后，用于地鐵軌道交通照明的LED光源應具有高可靠性的特點。由于地鐵車輛每天的工作時間長、頻次高，車輛維護的工作量大，因此對于內部設備要求具有良好的可維護性，甚至對燈具提出免維護的要求，而地鐵車輛的燈具時刻在強振動、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LED光源本身的支架材料、封裝結構以及生產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光源一定要進行完善的可靠性評估，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設計

LED由于其發光面積小，可使用二次透鏡對其進行配光設計。在設計中，燈具的尺寸結構將影響透鏡如何配光，配光的優劣會直接決定燈具的照明外觀和效果，在本設計案例中，燈具光學空間高度低，發光面大，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。

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 地鐵車廂的照明設計

地鐵車廂內部的照明設計中，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；恰當的環境對比度以及亮度，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；高的顯色指數可以很好的還原物體顏色，提高人眼的色彩分辨力。在實際照明的設計設計案例中，須兼顧功能性和美觀性，在保持與列車風格一致的前提下，合理調整燈具參數和布置，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境，光源的色溫宜選取4000K的自然白光，顯色指數80以上，車廂地面的平均水平照度宜為400lx以上，同時為了滿足乘客讀書、看報及信息瀏覽的視覺需求，工作面的垂直照度須達到300lx，而眩光值要控制在25以下。

圖4是本案例的地鐵車廂內部照明的偽色圖，燈具裝配于車廂內頂部兩側，在長度方向線形延伸，與車廂結構良好融合，通過照明分析，地面的照度分布如圖5的結果所示,地鐵車廂地面的照度平均值可達到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。在地鐵車廂內不同位置設定眩光值評估點，評估乘客眼睛的眩光值，結果如圖6顯示，最大為19，最小值小于10，眩光表現良好。

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燈具照明的車廂內部眩光值Fig.6 The glare index of the train by using LED luminaires

5 實際照明效果與分析

圖7展示了本案例的實際照明效果，燈具表面亮度均勻且光線柔和，整個照明空間照度和亮度分布均勻，有好的視覺舒適度。通過實際的測試，對于同一節列車車廂，使用LED燈具進行照明時，車廂內地面平均照度為410lx，消耗功率960W，而使用熒光燈管的燈具在照明時，車廂內地面平均照度為350lx，消耗功率1730W， LED燈具以近乎一半的功率損耗就能超過熒光燈管燈具的照明水平，并且照明質量得到了極大的提升，足以體現LED燈具在列車車廂照明中的優勢。

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

6 小結

LED光源在光學設計、照明質量以及智能控制方面，相比傳統光源有著先天性的優勢，能夠根據照明的需要，合理進行光學設計，為乘客提供高質量的照明環境。LED光源的高可靠性、高安全性、高光學利用率以及長壽命等特點，能夠極大及降低車廂照明系統的維護性和運營成本，在節能減排、低碳環保方面具有巨大的社會效應。

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