LED在地铁车厢照明中的应用及光学设计案例浅析

苏 丹

(深圳市九洲光电科技有限公司,广东 深圳 518057)

引言

发光二极管(Light Emitting Diode, LED),相对白炽灯等传统光源具有功耗小、寿命长、体积小、重量轻、工作电压低、发光响应时间短、光色纯等特性。LED光源作为一种新的光源正在快速进入照明领域，具有高发光效率、低能耗、长寿命的特点，在绿色低碳和节能减排方面具有明显的优势。目前，城市地下轨道交通快速发展，其已经成为缓解城市路面交通压力的重要途径。随着LED产业的迅猛发展以及相应国家绿色低碳的发展战略，LED灯具及光源将会迅速应用于地下轨道交通的照明，逐步完成对传统光源及灯具的取代。

1 用于地铁车厢照明的LED光源的优势

首先，LED光源在车厢内部照明灯具的光学设计上具有优势。在照明光学工程中，必须把光和人类的生活完美融合，照明方式变革为空间照明，通过不同的设计，营造、烘托环境或空间的氛围，形成系统照明。它将科学性和艺术性有机结合,在视觉艺术让人以一个全新的角度去认识、理解和表达光的主题。LED光源属于朗伯光源，发光具有一定的方向性，光线能够非常容易被控制，可根据特定光学需求进行配光，由于发光面积较小，可以使用透镜或者反光器对光线进行合理分配，并能实现灯具的功能和外观多样化，使得LED能很好应用在车厢中的各个照明环境。

其次，LED灯具更容易实现车厢照明的智能控制。作为半导体电子器件，LED容易被集成到智能控制系统中，实现智能调光、调色、远程控制等功能。智能化的照明方式可以根据不同的光学、美学、人类心理学及生理学的需求，随时提供不同的照明方案；智能化的照明方式在能源节约方面也能以最优化的方式进行照明能耗管控，提升LED的节能减排效果。未来的半导体照明器件还将会往环境、光学自适应的方向发展，通过发光器件或者灯具自身的智能调整，满足不同照明的需求。

再者，使用LED灯具将会更方便地进行车厢内照明的维护。LED光源具有比传统光源更长的使用寿命和更低的光衰，能显著延长灯具的生命周期，减少维护量。同时LED光源在使用时限超过本身寿命的情况下，不会立即熄灭而造成照明失效，为场所的照明维护提供了安全性及时间上的保障。随着LED芯片和封装技术的不断进步，其性能还会有大幅的提升，将更有利于场所和设施的照明维护。

2 用于地铁车厢照明中的LED光源的基本要求

首先，用于地铁轨道交通照明的LED光源应具有高安全性的特点。地铁车辆是城市居民出行的重要的交通工具，安全性应提高要求，在选取LED光源时，需对安全性作重点评估，在车厢照明中宜选用低压小电流驱动、高耐温低热阻、光生物安全的光源，以避免灯具在使用过程中存在安全隐患以及对人体造成损害。

其次，用于地铁轨道交通照明的LED光源应具有高光学质量的特点。光源的发光效能始终是重要的评价参数，地铁车辆的长时间运行，对能量的消耗巨大，使用更高光效的LED光源就能更明显的体现节能减排的优势。另外，LED光源的色温稳定性、显色性以及色容差等方面也要有良好性能。色温、显色性等光学参数的稳定除了保证车厢内部照明效果的稳定外，能使乘客一直处于舒适的心理状态；LED光源的色容差将会直接决定车厢内部照明的效果，合理的选取光源色容差的范围，将会保证照明灯具的颜色一致性，维持良好的照明效果。

最后，用于地铁轨道交通照明的LED光源应具有高可靠性的特点。由于地铁车辆每天的工作时间长、频次高，车辆维护的工作量大，因此对于内部设备要求具有良好的可维护性，甚至对灯具提出免维护的要求，而地铁车辆的灯具时刻在强振动、高密封、低散热的条件下工作，可靠性要求自然与普通照明灯具不同。因此，对LED光源本身的支架材料、封装结构以及生产工艺等方面也就提出了非常高的要求。为保障可靠性满足要求，LED光源一定要进行完善的可靠性评估，以保证在恶劣的条件下正常工作。

3 使用LED光源的地铁列车照明灯具的光学设计

LED由于其发光面积小，可使用二次透镜对其进行配光设计。在设计中，灯具的尺寸结构将影响透镜如何配光，配光的优劣会直接决定灯具的照明外观和效果，在本设计案例中，灯具光学空间高度低，发光面大，光源需要形成翼型光分布以满足要求，如图1所示。

图1 透镜配光曲线图Fig.1 Light intensity distribution of the lens

通过透镜的配光，LED的光线被均匀的分配到灯具的出光面，光线追迹图如图2所示。

图2 灯具光线追迹效果图Fig.2 The light tracing sketch

图3是同一灯具分别使用LED光源和荧光灯管的表面亮度曲线，通过比较可以看出，使用荧光灯管的灯具表面有明显的亮度峰，而边缘部分亮度较暗，均匀性较差，而LED光源通过透镜配光后，灯具表面亮度的过渡相对平滑，均匀性得到明显改善，不仅提升了灯具的美观性，而且降低了眩光值。

图3 LED与荧光灯管的灯具表面亮度曲线Fig.3 Surface luminance curve of the luminaires by using LED and fluorescent tube

4 地铁车厢的照明设计

地铁车厢内部的照明设计中，合适的照度以及照度均匀度，可以提高乘客视觉舒适度，避免视觉疲劳；恰当的环境对比度以及亮度，能够有效提高乘客的视觉灵敏度；柔和的灯具发光光线以及较低的空间眩光值，使人眼能够快速完成视觉适应；高的显色指数可以很好的还原物体颜色，提高人眼的色彩分辨力。在实际照明的设计设计案例中，须兼顾功能性和美观性，在保持与列车风格一致的前提下，合理调整灯具参数和布置，以保证获得最佳的照明效果。在普通的列车中，为提供良好的视觉环境，光源的色温宜选取4000K的自然白光，显色指数80以上，车厢地面的平均水平照度宜为400lx以上，同时为了满足乘客读书、看报及信息浏览的视觉需求，工作面的垂直照度须达到300lx，而眩光值要控制在25以下。

图4是本案例的地铁车厢内部照明的伪色图，灯具装配于车厢内顶部两侧，在长度方向线形延伸，与车厢结构良好融合，通过照明分析，地面的照度分布如图5的结果所示,地铁车厢地面的照度平均值可达到402lx，最小照度/最大照度值为0.833，照度水平及均匀度均有良好的表现。在地铁车厢内不同位置设定眩光值评估点，评估乘客眼睛的眩光值，结果如图6显示，最大为19，最小值小于10，眩光表现良好。

图4 车厢照明模拟伪色图Fig.4 The false color of the train coach illumination

图5 使用LED灯具照明的车厢地面照度分布Fig.5 The ground illumination distribution of the train coach by using LED luminaires

图6 使用LED灯具照明的车厢内部眩光值Fig.6 The glare index of the train by using LED luminaires

5 实际照明效果与分析

图7展示了本案例的实际照明效果，灯具表面亮度均匀且光线柔和，整个照明空间照度和亮度分布均匀，有好的视觉舒适度。通过实际的测试，对于同一节列车车厢，使用LED灯具进行照明时，车厢内地面平均照度为410lx，消耗功率960W，而使用荧光灯管的灯具在照明时，车厢内地面平均照度为350lx，消耗功率1730W， LED灯具以近乎一半的功率损耗就能超过荧光灯管灯具的照明水平，并且照明质量得到了极大的提升，足以体现LED灯具在列车车厢照明中的优势。

图7 车厢实际照明效果图Fig.7 The true illumination effect of the train coach

6 小结

LED光源在光学设计、照明质量以及智能控制方面，相比传统光源有着先天性的优势，能够根据照明的需要，合理进行光学设计，为乘客提供高质量的照明环境。LED光源的高可靠性、高安全性、高光学利用率以及长寿命等特点，能够极大及降低车厢照明系统的维护性和运营成本，在节能减排、低碳环保方面具有巨大的社会效应。

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