OLED光源在民機客艙照明中的應用

周 莉，黃順云，羅 莎，林燕丹

(1.復旦大學電光源研究所 先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433；2.航空工業上海航空電器有限公司，上海 201100)

引言

在民機客艙中，伴隨著不同外部光環境和不同飛行狀態，乘客可能面臨不同的視覺任務，包括登機、閱讀、休息、就餐等，尤其在長途飛行過程中，客艙的內部光環境對于飛行體驗十分重要。國內外航空標準將客艙照明分為一般照明、功能照明和應急照明三種[1]。其中一般照明包括客艙頂部和側墻的照明[2]，這部分照明對于整個客艙的光環境氛圍營造起到決定性作用，是評價飛機客艙的重要指標。對比LED和其它傳統光源的照明方案，OLED光源的面發光、柔性可彎曲和輕薄的特點為OLED燈具設計帶來了無限空間，更加符合飛機客艙個性化、高端舒適的照明需求，本文通過照明仿真，從光分布和眩光等指標闡述OLED在飛機客艙應用的可行性。

1 技術現狀

2011年，日本全日航公司第一次將用 LED 作為照明系統的客機投入運營，此后LED照明系統逐漸成為飛機內飾照明的主流方向，并隨著LED光源技術的發展而不斷發展。與其他照明場所相比，客艙照明傾向于集照明與裝飾為一體，更加注重照明舒適性和情景照明效果。Goodrich的LED 洗墻燈系列包含了白色、琥珀色、藍色等多種光色的洗墻燈，通過控制系統預定義各種照明參數輸出不同的客艙光環境，例如可以通過預設光參數，在客艙內形成一個琥珀色的側壁和藍色的艙頂，計算機仿真渲染如圖1所示。SCHOOT AuraPlane系列提供了另一種實現思路，運用超薄(厚度為6 mm)LED面板燈，通過RGBW四色混光，實現艙內的超均勻照明效果，同時可以營造特殊的氛圍照明。

圖1 Goodrich LED 洗墻燈系列渲染圖Fig.1 Rendered image of Goodrich LED washing lighting in cabin

現有的典型LED照明方案主要通過分開驅動以及間接照明來實現艙內照明效果，超薄LED平板燈是另一種直接照射的照明方式，可以滿足一定像素的圖像視頻顯示以及較高的照明均勻度，但由于LED顯示照明需要特殊光學、驅動模組設計，與OLED自發光顯示屬性相比，存在制作成本高、系統穩定性差的缺點。OLED作為新一代顯示技術的核心，具有以下特點：①具有自發光的技術，無需背光源，更輕薄；②OLED器件為全固態結構，無多余空間結構，抗震性能理論上優于傳統燈具以及LED燈具，可以做在柔性材料基板上實現可彎曲的柔性結構；③可以集照明與顯示與一體，兼具色域廣、視角寬、顯示畫面響應快的優勢[3]。綜合對比LED以及其他傳統光源，OLED更加符合飛機客艙高端照明的要求。

2 OLED在客艙中的仿真分析

2.1 仿真分析方法

為了探究OLED在客艙照明中的應用可行性，體現OLED柔性可彎曲在客艙中的應用優勢，我們在照明仿真軟件Dialux evo中復現空客A321雙排座位的部分區域。根據實際機型的照明設計,該機型客艙的主照明通過洗墻間接照明實現，布燈位置如圖2所示，采用Goodrich的LED 洗墻燈系列配光，光束角度為60°。在本仿真中，不考慮閱讀燈開啟的特殊情況，考察主照明對于艙內行李架表面、過道地面、乘客眼位、指示燈顯示面、前方座椅等區域的照度以及典型的乘客、空乘人員的眼位眩光影響，仿真渲染效果見圖2。

在本仿真模型中，設置多個典型接收面和接收點作為計算對象,如圖3所示，其中F1為通道地面，用于評價客艙地面照度分布；B1、B2、B3為行李架上垂直于水平面的行李架表面的等距離點，B1、B2、B3三點的光分布用于評價在整體照明環境中視野內的行李架表面照度分布均勻情況；B4為頭頂上方指示燈所在表面，客艙內指示燈一般用于禁煙以及安全帶提醒，B4的表面照度用于評價指示燈表面光分布合理性；W1為客艙側壁墻面的照度分布；S1、S2、S3三個計算面的光分布用于評價典型座位工作面的照度分布，距離客艙地面0.8 m；D1、D2、D3三個計算面的光分布用于評價典型座椅后方、乘客視野正前方的照度分布。同時設置兩個計算點模擬艙內的典型人眼位置，分別位于座椅區域0.8 m點E1(座位上的觀察眼位)和通道區域1.5 m點E2(站位的觀察眼位)。每個計算表象的具體參數設置見表1。

圖2 LED客艙布燈及仿真渲染圖Fig.2 Lamps position and rendered image of LED simulation in cabin

圖3 仿真計算對象設置Fig.3 Target surface and point in simulation

表1 計算對象設置Table 1 Setting of calculate objects

在相同的客艙空間內，選擇兩種外觀的OLED作為客艙主照明，不加入其他照明燈具，分別與現有的LED照明方式進行對比，由于OLED的光束角與加工工藝相關[3]，在本次仿真設置中，設置OLED光源的半角寬為40°，現有的LED照明方案見圖1，兩種OLED布燈示意圖見圖4，其中圖4(a)為凹面OLED布燈示意圖，OLED向下彎曲，彎曲弧度形狀與艙頂對稱；圖4(b)為凸面OLED布燈示意圖，OLED貼合艙頂彎曲，虛線曲線為OLED的配光形狀。

圖4 OLED布燈示意圖Fig.4 Arrangement of OLED

2.2 仿真結果分析

為了對比LED與OLED光源的光效利用率，綜合SAE AIR512推薦客艙內部區域的各項最小照明值，本仿真選取走廊地面照度為基準，考察當過道表面平均照度為100 lx時，燈具的總光通量和其他區域的光分布情況。

仿真結果顯示，過道表面平均照度為100 lx時，現有的LED方案需要總光通量25 120 lm，兩種OLED照明方案需要總光通量相同，都為6 000 lm，即可達到相同的過道照明要求，本仿真中設置的OLED方案所需光通量只需LED間接照明方案的23.9%。

仿真設置各個計算區域的照度分布如圖5所示。

圖5 三種照明條件下艙內不同區域照度分布曲線Fig.5 Curve: Illumination distribution in different areas of cabin under three lighting conditions

根據照度分布仿真結果，結合SAE AIR512給出的照度建議，標準對于客艙內各個表面照度分布要求較低，本次仿真在滿足相同的地面照度要求下，LED方案艙內各個面平均照度達到213 lx，OLED方案僅有99 lx，LED照明方案中各個區域的照度均高于OLED方案。以B4點為例，由于客艙指示燈為自發光器件，對指示燈的開關狀態判斷那起重要的提醒作用，如B4表面照度過高，會降低指示燈顯示信息對比度，影響對指示燈開關狀態的判讀[4],OLED方案可以將B4表面的照度控制在15 lx以下，與LED方案的95 lx結果對比具有明顯優勢。

在本研究中采用統一眩光值(Unified Glare Rating，UGR)[5，6]來評價客艙內的不舒適眩光值，艙內兩個觀察點的眩光仿真結果如圖6所示，結果顯示每個計算點水平方向0°～360°的URG值分布，其中0°方向為典型眼位正前方向。結果顯示：雖然采用間接照明的方式，LED方案艙內的眩光依然偏高，E1點最大眩光值最大可達26，角度為通道走廊一側，這是由于視野范圍內照度分布不均勻，局部過量造成的。而OLED照明的方案中，艙內眩光明顯低于LED方案，可控制在19以下[5]，其中凸面的OLED照明方案結果優于凹面方案。

E2點的眩光分布如圖7所示，同樣反映了站位(乘客站在中間通道眼位點位置)的類似問題；同時，由于站位位置特點，E2值的各個角度眩光均高于E1。在OLED照明的兩個方案中，凸面的OLED方案中可以將眩光控制在15以下。

圖6 三種照明條件下E1點眩光分布曲線Fig.6 UGR distribution of E1 under three lighting conditions

圖7 三種照明條件下E2點眩光分布曲線Fig.7 UGR distribution of E2 under three lighting conditions

3 討論與結果

基于民機客艙照明的基本要求，通過對成熟OLED樣燈的測試以及LED與OLED照明方案計算機仿真對比，我們可以得出如下結果：

從產品外觀角度，OLED燈具可以實現任意彎曲形狀，可以體現各個飛機和航班個性化特點，同時OLED還可以拓展其顯示領域，在形狀和功能上都具有多樣性；從光效利用角度，間接照明光效較大程度依賴燈具本身和艙內表面反射率，為了達到柔和舒適的照明效果，艙內反射率一般設置較低，在本次仿真中，客艙內表面反射率為45%，相同的照明要求下，直接照明的OLED方案中光通量要求僅為LED方案的23.9%，OLED具有明顯光效利用率優勢；從光分布角度，OLED方案中光分布更加合理，艙內整體光分布規律更加符合標準和實際使用需求；從視覺舒適角度，無論站位或者座位，采用直接照明方式的OLED方案URG均低于LED方案，以凸面形狀即貼合客艙本身曲面弧度的方式更優。

總之，在不考慮燈具成本和防護性能的前提下，通過樣燈實測和仿真對比，OLED從燈具外觀、光色品質、光效利用角度，與LED相比都具有明顯優勢。我們的研究可以為OLED光源在民機客艙照明中的應用提供一定的參考。