基于光学仿真分析的新光源产品创新设计研究

王淦鹏，范劲松

（1.佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院工业设计系，广东佛山528000）

基于光学仿真分析的新光源产品创新设计研究

王淦鹏1，范劲松2*

（1.佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院工业设计系，广东佛山528000）

阐述LED行业在终端消费产品上工业设计创新与照明设计间脱节的现状，并以台灯灯具设计为例，介绍了基于光学仿真分析的新光源产品创新设计思路与方法。据此，展望了科学理性化的新光源产品设计开发的未来。

LED；光学仿真；照明设计

能源紧缺已成为当前全球经济发展的瓶颈，节能减排已然成为社会发展的趋势。作为新一代的绿色照明光源，LED光源体积小，可控性好，且高效节能，相比传统光源有着巨大的优势。随着低碳时代的到来，LED照明灯成为了照明行业一个重要的发展方向。

1 新光源产品的发展现状

随着LED市场的快速发展和巨大的市场潜力，全国各地纷纷把发展LED作为发展新兴产业的重要目标产业之一。受益于LED光源高效节能的优良特性，基于目前传统能源枯竭的局面，LED照明产业受到来自多方的扶持。近年来，我国政府相继出台了多项政策推动LED产业发展。从表面看，LED产业可谓是风光正好。

然而，LED产业在迅猛发展的同时实际上也面临着诸多瓶颈。以中山市古镇为例，古镇拥有灯饰及其配件工商企业1.27万家，其中灯饰商户7 497家，当中更是以中小微企业居多。大多数的企业还是以贴牌生产和简单加工为主，灯饰设计主要靠模仿和抄袭为主，缺乏自主创新能力［1］。纵观整个新光源产业的发展现状，其中存在的主要问题是：企业虽逐渐意识到工业设计创新对企业的推动作用，但综合结果来看，工业设计质量依旧不高，在产品研发中参与度依旧不够，产业链上更多的还是沿用过去灯具设计的传统方式，缺乏对LED产品特点的深入研究以及相应的创新性研发。

工业设计是有别于科学与艺术的第三种智慧，但其组成的子系统又含有科学与艺术的成分。工业设计体现了在经济和社会发展中人类的创新能力，是企业创新和振兴地方经济的重要发展战略。LED产业发展离不开工业设计和制造技术的有机结合，只有同时包含着优良的技术和设计两大要素才能创造出具有市场竞争力的产品。

然而目前现有的LED产品在工业设计创新与照明设计之间存在严重的脱节问题。大部分针对LED产品的工业设计创新研究都集中于产品的造型设计研究、情感化研究等方面，而缺乏严谨的照明设计相关的研究探索。本文研究是结合实例，基于光学仿真分析，开展对新光源产品的创新设计研究。

2 照明设计与光学仿真

照明，是获得舒适生活的一种可以简单利用的工具。设计照明就是要站在使用者的立场上，最大限度提高光线给使用者带来的心理和生理上的效果，创造一个让使用者提升精神面貌的美好空间［2］。照明设计的过程简单归纳就是合理利用灯具的过程，在合适的时间、空间里使用恰当造型、功能的灯具，带给空间合适照度、光比等。某种意义上讲，灯具的设计就是服务于照明设计。而反过来说，照明设计则可以指导灯具的设计。

在照明设计的过程中，一般会通过计算照度来作为亮度的参考，并使用光学仿真软件来确认照明效果，从而得到的效果不仅是感觉上的，也是科学的。现有市场上光学仿真软件有不少，但其中既能免费使用，又有大量照明厂家支持的还是要数DIALux。使用DIALux可以很方便地建立模型、导入灯光，能快速计算所需要面的照度、辉度等数据，并能3D描绘实际颜色或伪色图，最后输出一份专业的设计报表。本文也将使用DIALux作为研究使用的光学仿真软件。

3 基于光学仿真分析的台灯设计探索

本文以台灯灯具设计为例，介绍如何基于光学仿真的分析，计算出台灯光源位于桌面上科学合理的位置坐标范围，由此展开对新光源产品创新性设计的研究。

3.1 台灯光学性能标准的确立

台灯是人们日常生活中经常会使用到的灯具之一，GB/T9473-2008《读写作业台灯性能要求》［3］中对台灯在光度学要求方面主要有遮光性和照度及其均匀度的要求，其中照度要求为：以灯具出光口的几何中心垂直投影点为圆心，位于眼睛的正前方，靠近眼睛一侧的投射范围内，离圆心的半径距离为300 mm的1/3扇形以内，AA级照度应大于500 lx，A级照度应大于250 lx；离圆心的半径距离为500 mm的1/3扇形被前面扇形截下的区域以内，AA级照度应大于300 lx，A级照度应大于150 lx。每个区域内的照度均匀度（最大值/最小值）不得大于3。本文研究拟采用A级照度标准［4］。

结合美国IESNA推荐的台灯照亮面积、照度及其均匀度要求，本文拟采用对家庭读写作业照明的作业面面积要求为：作业面面积360 mm×310 mm，如图1所示；作业面维持的照度应大于200 lx，最大照度与最小照度之比不应超过3［5］。

3.2 照度信息计算范围的确立

基于台灯日常的使用情景，首先应构建一个简单的照明环境。房间大小为幅宽3.0 m，进深2.4 m，天花板高2.8 m，内装修的反射系数为天花板60%、墙壁30%、地面20%。根据人体工程学的理论分析［6］，采用的桌椅尺寸为：桌面高度750 mm、桌面长度1 500 mm、桌面深度600 mm、桌板厚度20 mm、椅座高度410 mm、椅面宽度400 mm、椅面深度380 mm。为避免灯光在纸上产生反射眩光，且避开手的遮影，同时距离眼睛要有一定距离，台灯宜放置在桌面左前方位置（以右手写字为例）。本文拟测量台灯位于桌面中垂线15°～75°间总共60°夹角内且距离以靠近人一侧桌面边缘中点为圆心半径500 mm大小的圆弧以外范围的照度信息。位置范围如图2所示，其中黑点所示为具体计算的位置坐标。

3.3 计算位置范围内的照度信息

首先在DIALux（笔者使用的DIALux evo 6版本）中，依据上文提供的数据，搭建出简单的室内模型，效果如图3所示。本文采用的光源来自于OSRAM制造，型号为LED SUPERSTAR CL GLOBE 60 9 W827 E27 FR，其极坐标配光曲线图如图4所示。

图1 作业面面积

图2 位置范围

图3 室内模型

图4 光源配光曲线

导入灯光文件后，根据GB/T9473-2008《读写作业台灯性能要求》可以计算出该光源用作台灯的适合高度范围。将光源放置在桌面中线上离边缘500 mm外的位置，本文将其放置在距桌面边缘550 mm的位置上，并绘制出需要计算的工作面，分别命名为300 mm和500 mm。从距离桌面100 mm开始，步长100 mm，最高600 mm，分别计算两工作面的照度信息。根据A级照度标准，可以初步确定该光源合适的高度范围为300～500 mm。再在200～300 mm和500～600 mm范围内细分，通过二分法，再测量多组高度的照度信息，最终可以确定该光源合适的高度范围为210～560 mm，即是说，假如采用该光源作为台灯光源，若光源高度设计在210～560 mm范围内，则可以符合GB/T9473-2008《读写作业台灯性能要求》内A级照度的标准。接着，再结合美国IESNA推荐的台灯照亮面积、照度及其均匀度要求跟台灯适宜放置位置要求，具体计算出该光源用作台灯在具体位置上的适合高度范围。首先在桌面上绘制出310 mm×360 mm的工作面计算面，将该光源依次放置在图2所示的位置坐标上，同时绕中心轴旋转使其对齐桌面边缘中点，从距离桌面210 mm开始，依次计算300 mm、400 mm、500 mm和560 mm高度的照度信息，初步确定范围后再通过二分法测量细分高度的照度信息，从而得到该具体位置上的适合高度范围。例如在25°角R2坐标上的测量数据如表1所示，从而得出该位置坐标的灯源合适高度为330～520 mm。

3.4 整合分析所得的照度信息

统计所有位置坐标的灯源合适高度，可以得出如表2所示数据，通过已知的特定位置坐标数值，使用插值法（笔者使用的是Solidworks中的Akima样条曲线插值法）拟合出该区间内的高度范围，并依此建立三维可视化模型，如图5所示，数据范围区域（图中灰色色所示区域）即是针对该光源用作台灯时候的位置及高度建议值，以市面上现售的某款台灯为例，若台灯光源设计的位置及高度在此范围内，则可以使该台灯符合GB/T9473-2008《读写作业台灯性能要求》中的A级照度标准以及美国IESNA推荐的台灯照亮面积、照度及其均匀度要求跟台灯适宜放置位置要求。

表1 25°/R2位置照度信息

表2 灯源合适高度范围

图5 灯源合适高度范围三维模型

4 结论

本文以台灯灯具设计为例，介绍了基于光学仿真分析的新光源产品创新设计的思路与方法，有助于设计师跳脱出单纯从外观美感等方向思考的局限，而关注灯具本身的实用性，杜绝盲目设计后产品不符合规范的现象存在。本次实验过程中在考虑设计台灯时候采用了GB/T9473-2008《读写作业台灯性能要求》跟美国IESNA推荐的照度要求与标准，而如果涉及到其他类型的新光源产品设计则需要不同的相应标准加以规范才得以进行，这也是本实验方法的核心难点所在。笔者相信，工业设计在未来会逐渐趋向于科学理性化发展，而非现有的美感主观主导。具体到新光源产品的工业设计，则会发掘探讨出更多的相关细则标准，用以辅助基于光学仿真的分析研究，从而让设计师以有别于一般工业产品的工业设计思维来看待新光源产品的设计开发。

［1］肖锭.中山市古镇灯饰工业设计服务平台建设研究［J］.南昌教育学院学报,2013（8）:195-196.

［2］福多佳子.照明设计［M］.朱波,金旭东,刘涛,等,译.北京:中国青年出版社,2014.

［3］王晔,吕蔚辰,姚梦明.GB/9473-2008,读写作业台灯性能要求［S］.北京:中国标准出版社,2008.

［4］陈超中,於立成,施晓红.视觉作业台灯技术要求研究［J］.中国照明电器,2014（1）:29-35.

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

［6］陈玉婷,叶繁,郭勇.人体工程学在桌台类家具设计中的应用［J］.西北林学院学报,2008（4）:167-170.

【责任编辑：周绍缨 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

王淦鹏（1991-），男，广东汕头人，佛山科学技术学院硕士研究生。

*通信作者：范劲松（1968-），男，贵州贵阳人，佛山科学技术学院教授，博士。