一種基于背光源設(shè)計(jì)的非機(jī)動(dòng)車道指示牌

李湘恒 馬文彬 許澤坤

摘 要：隨著科技的發(fā)展，LED作為新一代綠色光源以其體積小，效率高，環(huán)保，耐用等顯著的勢(shì)正逐步取代傳統(tǒng)光源在照明領(lǐng)域的地位。然而夜間常有機(jī)動(dòng)車誤入非機(jī)動(dòng)車道而導(dǎo)致交通事故頻繁發(fā)生，究其原因，無(wú)非是夜間非機(jī)動(dòng)車道指示牌不夠顯眼，因此利用LED的體積小，發(fā)光效率高等特點(diǎn)制作出的一款新型背光源可有效解決此問題。

本文對(duì)于背光源的設(shè)計(jì)主要采用試錯(cuò)法，運(yùn)用light tools軟件建模，分析light tools的模擬結(jié)果，如果模擬結(jié)果不符合，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)light tools中的模型進(jìn)行反復(fù)的參數(shù)修改，直到的到符合要求的發(fā)光圖案。

關(guān)鍵詞：背光源；導(dǎo)光板；印刷式網(wǎng)點(diǎn)；LED光源

一、研究背景

現(xiàn)在道路上投入使用的絕大多數(shù)交通信號(hào)指示牌絕大多數(shù)原理均為利用反射材料根據(jù)逆反射原理利用車燈的照射和光線的反射，來(lái)“照亮”前方，提高駕駛員發(fā)現(xiàn)前方物體的距離，從而能給駕駛員以更充分的時(shí)間，采取相應(yīng)的安全處置措施。反射型交通指示牌的反射材料為玻璃微球材料，玻璃微球材料主要是運(yùn)用回歸反射的原理進(jìn)行反光的，回歸反射是一種特殊的發(fā)射現(xiàn)象，就是光從哪里射過來(lái)，還能反射回到哪里。這種材料缺點(diǎn)也很明顯，易受極端天氣影響加速材料老化；被動(dòng)型發(fā)光導(dǎo)致夜間可視距離短，增大駕駛員反應(yīng)難度；指示牌局部隆起和凹陷表層的氣泡能改變?nèi)肷浣墙档湍娣瓷湎禂?shù)，反射膜版面水漬油污也會(huì)影響材料折射率。逆反射系數(shù)減小和材料折射率改變都會(huì)使反光膜基本失去反光功能，造成交通事故。

為了改善現(xiàn)有技術(shù)中反光材料壽命短、照明可視距離短、易受外界環(huán)境干擾影響指示效果等缺陷，本使用新型指示牌提供一種以LED為照明光源的非機(jī)動(dòng)車道指示牌，該指示牌設(shè)計(jì)為主動(dòng)發(fā)光型設(shè)計(jì)，采用LED光源側(cè)面入射的方式，通過設(shè)置導(dǎo)光板以及導(dǎo)光板內(nèi)設(shè)置的反射膜，將LED光源發(fā)出的光反射到背光面設(shè)置的二維紋理，二維紋理進(jìn)一步將光反射至顯示面，從而實(shí)現(xiàn)非機(jī)動(dòng)車道標(biāo)志的發(fā)光顯示。該LED指示牌封閉性好，不易受外界環(huán)境干擾，采用主動(dòng)發(fā)光的發(fā)光方式，可視距離遠(yuǎn)，而且達(dá)到了僅使用少量LED完成標(biāo)志的優(yōu)質(zhì)顯示的效果，光能利用效率大大提高。

LED是一種固態(tài)光源——半導(dǎo)體發(fā)光器件，依靠電子空穴復(fù)合發(fā)光，僅輸入小量電流就可以發(fā)出可見光，發(fā)光效率可達(dá)80%以上，作為綠色光源，節(jié)能是LED最重要的優(yōu)越性之一。傳統(tǒng)光源白熾燈成本低，顯色指數(shù)高，技術(shù)成熟，但光電轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)光效率僅為2%，日光燈、節(jié)能燈等發(fā)光效率為7%～12%，同樣照明條件下，LED光源的耗電量為白熾燈的1/8，為熒光燈管的1/2 ，在能源日益匱乏的今天，對(duì)于LED照明應(yīng)用的研究是順應(yīng)人類低碳綠色環(huán)保的需要。LED作為光源除了節(jié)能環(huán)保外還有許多其他顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）壽命長(zhǎng)耐用，理論平均壽命可達(dá)100000h；（2）安全可靠，LED為冷光源，無(wú)熱輻射，跟熒光燈相比無(wú)需充入汞蒸汽等有害物質(zhì)，且可以精確控制配光，減小眩光，改善工作面的工作安全性；（3）開關(guān)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間僅幾十納秒；（4）體積小重量輕，便于集成，實(shí)現(xiàn)照明產(chǎn)品的小型化。

試錯(cuò)法是現(xiàn)在大部分公司實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中采用的方法，該方法適用于任何的透鏡設(shè)計(jì)，無(wú)論是點(diǎn)光源，面光源，對(duì)稱，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)還是有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求的透鏡設(shè)計(jì)，有些是目前數(shù)學(xué)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，并且試錯(cuò)法在設(shè)計(jì)透鏡使光斑達(dá)到要求的同時(shí)，還可以把模具制造與注塑生產(chǎn)的因素考慮進(jìn)去，為后續(xù)工藝提供便利條件。但試錯(cuò)法根據(jù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)選取初始結(jié)構(gòu)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)修改參數(shù)消除誤差，設(shè)計(jì)周期相對(duì)較長(zhǎng)。且主要依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，所以市場(chǎng)上產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果參差不齊。

隨著LED發(fā)光效率的提高，目前優(yōu)質(zhì)LED光源的發(fā)光效率可超過120lm/W（如Cree Xlamp XTE High-Voltage White LEDs 系列光源最高可達(dá)158lm/W），且由于單顆光源很難做到很高的光通量，一個(gè)燈具需要多顆光源和配光透鏡增加成本，COB高效集成面光源開始盛行，推進(jìn)了LED主流照明市場(chǎng)的應(yīng)用，LED照明產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于道路照明，汽車照明，通用照明及其背光源。

背光是指用于電子元件中的有一個(gè)要求背后出光的平面，其中可以包括小到PDA大到電視屏的電子設(shè)備。典型的背光包括光源，導(dǎo)光板或者是所謂的light pipe。光源一般置于導(dǎo)光板的一側(cè)，以減小導(dǎo)光板的厚度。側(cè)光一般使用總的內(nèi)反射來(lái)沿著演示器的長(zhǎng)度方向來(lái)傳播光。

二、設(shè)計(jì)過程

根據(jù)實(shí)際非機(jī)動(dòng)車道標(biāo)識(shí)大小設(shè)計(jì)導(dǎo)光板的尺寸，初始時(shí)設(shè)計(jì)導(dǎo)光板尺寸300×150×20 mm（后面發(fā)現(xiàn)如果導(dǎo)光板過厚圖案的效果過于粗糙），考慮到背光源設(shè)置完成要實(shí)際運(yùn)用還需要進(jìn)行封裝即二次配光，為了減小背光源體積以及提高圖像分辨率又將其尺寸改為200×100×5 mm，然后需要確定光源放置的平面，由于光線是通過照射底部二維印刷網(wǎng)點(diǎn)，這些網(wǎng)點(diǎn)將入射光以散射的方式均勻地向各個(gè)方向反射出去，最后在接受面上形成圖像，為了更好地利用光線提高發(fā)光效果，除了LED發(fā)光面、底面以及導(dǎo)光板上表面之外其余各個(gè)表面均將光學(xué)屬性改為簡(jiǎn)單反射鏡。

導(dǎo)光板設(shè)置完成后，要在其上表面設(shè)置接收平面并添加接收器，為了提升接收效果，接收面要略高于導(dǎo)光板上表面，先嘗試與導(dǎo)光板平面大小相吻合（在后面的設(shè)計(jì)過程發(fā)現(xiàn)我們需要圖像的對(duì)比度良好也就是說(shuō)，我們只想要我們需要它發(fā)光能被看到的圖像發(fā)光效果好，而不需要發(fā)光的部分則越暗越好，提升對(duì)比度），后面根據(jù)出來(lái)的成像效果修改接收平面尺寸，為了提高接收器分辨率，需要修改接收平面網(wǎng)格劃分，這里我們?cè)O(shè)置的是一個(gè)較高分辨率的接收器：X軸網(wǎng)格劃分為150，Y軸網(wǎng)格劃分90。如果需要對(duì)接收器成像進(jìn)行比對(duì)可設(shè)置多個(gè)接收器然后調(diào)節(jié)不同網(wǎng)格劃分使得其有不同分辨率。

然后再在導(dǎo)光板底面添加二維紋理，二維紋理有三種形狀：矩形、圓形、橢圓形，這種技術(shù)都運(yùn)用印刷光輸出技術(shù)，白色網(wǎng)點(diǎn)的陣列被印刷在導(dǎo)光板底表面，將網(wǎng)點(diǎn)光學(xué)屬性設(shè)置為朗伯散射，將朗伯散射的反射率改為98%增強(qiáng)成像效果。由于最終圖像的形成都由二維網(wǎng)格點(diǎn)的形狀排布形成，為了更好的成像效果將網(wǎng)點(diǎn)形狀選定為圓形，能夠使得最終排布圖像更自然均勻，另外可以在導(dǎo)光板下面放置白色的漫反射片來(lái)提高效率，因?yàn)檫@樣可以循環(huán)利用沒有被模型構(gòu)造改變方向的光。

然后是設(shè)計(jì)二維網(wǎng)格所要成的圖像，想要在導(dǎo)光板上得到我們需要的圖像就需要用到light tools中優(yōu)化功能背光圖案優(yōu)化，在BPO中，一個(gè)非統(tǒng)一的目標(biāo)文件可以應(yīng)用在“性能函數(shù)”部分的優(yōu)化選項(xiàng)卡上，將目標(biāo)類型設(shè)置為File，而要使用文件載入目標(biāo)文件，必須將原始目標(biāo)模式轉(zhuǎn)換為可移植的灰色映射（*.pgm）或者可移植的位圖（*.pbm），PGM和PBM文件是簡(jiǎn)單的文本文件。黑色和白色分別代表0和255，通過Paint Shop Pro或者類似的圖像處理包可以創(chuàng)建PGM/PBM文件，因此我用Paint Shop Pro得到我需要的圖片，黑底白圖，白色部分是印刷網(wǎng)點(diǎn)成像部分，將圖片用Paint Shop Pro輸出為PGM格式保存，在File選項(xiàng)卡下打開保存的PGM文件，背光圖像的處理就完成了一部分，接下來(lái)就要給導(dǎo)光板添加光源測(cè)試圖像成像效果，先選用理想光源的體積光源，建立柱面光源模型將光源表面與導(dǎo)光板透光面貼合，再利用light tools的三維編輯功能剪裁出一個(gè)反射罩，將反射罩表面光學(xué)屬性改為簡(jiǎn)單反射鏡，然后添加優(yōu)化函數(shù)以及優(yōu)化變量，由于我們是想在導(dǎo)光板上得到成像效果良好的圖案，因此優(yōu)化的函數(shù)是整個(gè)底表面的網(wǎng)格分布，所以我們添加Mesh Illuminance Group作為評(píng)價(jià)函數(shù)而優(yōu)化變量為網(wǎng)格點(diǎn)的半徑，然后打開BPO，選中紋理控制選項(xiàng)卡，在排布選項(xiàng)下選擇網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量可變，然后選擇優(yōu)化的迭代次數(shù)，默認(rèn)是三次，信噪比14000，打開模擬輸入調(diào)節(jié)輸入光線的數(shù)目，改為100000條，數(shù)目太多優(yōu)化過程太慢，開始優(yōu)化。

最后根據(jù)所得圖像選擇光源，打開工具庫(kù)，導(dǎo)入LED數(shù)據(jù)庫(kù)，利用試錯(cuò)法，從中開始遴選合適的光源，最終選擇了供應(yīng)商： Nichia的系列： Side Automotive模型： NESG505C，它的查看角度： 115/115 發(fā)光光通量： 1.46， 發(fā)射圖案： Lambertian

在選用LED光源后再打開BPO進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果：

三、結(jié)論

LED作為新一代綠色光源以其體積小，效率高，環(huán)保，耐用等顯著的優(yōu)勢(shì)正逐步取代傳統(tǒng)光源在照明顯示領(lǐng)域的地位，用LED作為光源進(jìn)行背光源設(shè)計(jì)，不僅發(fā)光效果好，能量利用率高，而且環(huán)保且使用壽命長(zhǎng)，未來(lái)將擁有更為廣闊的使用空間。

本文針對(duì)夜間非機(jī)動(dòng)車道指示燈設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)過程，研究了以LED作為光源的背光圖案的光學(xué)設(shè)計(jì)，本文主要工作：采用Light tools對(duì)導(dǎo)光板、背光圖案的進(jìn)行設(shè)計(jì)，光源的選取和Light tools中最常用的優(yōu)化函數(shù)的應(yīng)用，進(jìn)行圖案模擬并根據(jù)結(jié)果分析優(yōu)化的方法，對(duì)整個(gè)LED背光圖案的光學(xué)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了研究。最終優(yōu)化得出具有較高分辨率，照度均勻的背光圖案。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 李建，葉仁廣，徐時(shí)清，LED應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)[J]，科技風(fēng)，2014

[3]許孝芳，light tools課件

作者簡(jiǎn)介：

李湘恒，江西南昌人，生于1997年5月，漢族，江蘇大學(xué)本科在讀，光電信息科學(xué)與工程方向

馬文彬，寧夏石嘴山人，生于1998年1月，回族，江蘇大學(xué)本科在讀，光電信息科學(xué)與工程方向

許澤坤，新疆博樂人，生于1997年10月，漢族，江蘇大學(xué)本科在讀，光電信息科學(xué)與工程方向

基金項(xiàng)目：本文系江蘇大學(xué)2018年度大學(xué)生學(xué)生科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)17A59