光學仿真分析下產品創新設計研究范文

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摘要：闡述LED行業在終端消費產品上工業設計創新與照明設計間脫節的現狀，并以臺燈燈具設計為例，介紹了基于光學仿真分析的新光源產品創新設計思路與方法。據此，展望了科學理性化的新光源產品設計開發的未來。

關鍵詞：LED；光學仿真；照明設計

能源緊缺已成為當前全球經濟發展的瓶頸，節能減排已然成為社會發展的趨勢。作為新一代的綠色照明光源，LED光源體積小，可控性好，且高效節能，相比傳統光源有著巨大的優勢。隨著低碳時代的到來，LED照明燈成為了照明行業一個重要的發展方向。

1新光源產品的發展現狀

隨著LED市場的快速發展和巨大的市場潛力，全國各地紛紛把發展LED作為發展新興產業的重要目標產業之一。受益于LED光源高效節能的優良特性，基于目前傳統能源枯竭的局面，LED照明產業受到來自多方的扶持。近年來，我國政府相繼出臺了多項政策推動LED產業發展。從表面看，LED產業可謂是風光正好。然而，LED產業在迅猛發展的同時實際上也面臨著諸多瓶頸。以中山市古鎮為例，古鎮擁有燈飾及其配件工商企業1.27萬家，其中燈飾商戶7497家，當中更是以中小微企業居多。大多數的企業還是以貼牌生產和簡單加工為主，燈飾設計主要靠模仿和抄襲為主，缺乏自主創新能力［1］。縱觀整個新光源產業的發展現狀，其中存在的主要問題是：企業雖逐漸意識到工業設計創新對企業的推動作用，但綜合結果來看，工業設計質量依舊不高，在產品研發中參與度依舊不夠，產業鏈上更多的還是沿用過去燈具設計的傳統方式，缺乏對LED產品特點的深入研究以及相應的創新性研發。

工業設計是有別于科學與藝術的第三種智慧，但其組成的子系統又含有科學與藝術的成分。工業設計體現了在經濟和社會發展中人類的創新能力，是企業創新和振興地方經濟的重要發展戰略。LED產業發展離不開工業設計和制造技術的有機結合，只有同時包含著優良的技術和設計兩大要素才能創造出具有市場競爭力的產品。然而目前現有的LED產品在工業設計創新與照明設計之間存在嚴重的脫節問題。大部分針對LED產品的工業設計創新研究都集中于產品的造型設計研究、情感化研究等方面，而缺乏嚴謹的照明設計相關的研究探索。本文研究是結合實例，基于光學仿真分析，開展對新光源產品的創新設計研究。

2照明設計與光學

仿真照明，是獲得舒適生活的一種可以簡單利用的工具。設計照明就是要站在使用者的立場上，最大限度提高光線給使用者帶來的心理和生理上的效果，創造一個讓使用者提升精神面貌的美好空間［2］。照明設計的過程簡單歸納就是合理利用燈具的過程，在合適的時間、空間里使用恰當造型、功能的燈具，帶給空間合適照度、光比等。某種意義上講，燈具的設計就是服務于照明設計。而反過來說，照明設計則可以指導燈具的設計。在照明設計的過程中，一般會通過計算照度來作為亮度的參考，并使用光學仿真軟件來確認照明效果，從而得到的效果不僅是感覺上的，也是科學的。現有市場上光學仿真軟件有不少，但其中既能免費使用，又有大量照明廠家支持的還是要數DIALux。使用DIALux可以很方便地建立模型、導入燈光，能快速計算所需要面的照度、輝度等數據，并能3D描繪實際顏色或偽色圖，最后輸出一份專業的設計報表。本文也將使用DIALux作為研究使用的光學仿真軟件。

3基于光學仿真分析的臺燈設計探索

本文以臺燈燈具設計為例，介紹如何基于光學仿真的分析，計算出臺燈光源位于桌面上科學合理的位置坐標范圍，由此展開對新光源產品創新性設計的研究。

3.1臺燈光學性能標準的確立

臺燈是人們日常生活中經常會使用到的燈具之一，GB/T9473-2008《讀寫作業臺燈性能要求》［3］中對臺燈在光度學要求方面主要有遮光性和照度及其均勻度的要求，其中照度要求為：以燈具出光口的幾何中心垂直投影點為圓心，位于眼睛的正前方，靠近眼睛一側的投射范圍內，離圓心的半徑距離為300mm的1/3扇形以內，AA級照度應大于500lx，A級照度應大于250lx；離圓心的半徑距離為500mm的1/3扇形被前面扇形截下的區域以內，AA級照度應大于300lx，A級照度應大于150lx。每個區域內的照度均勻度（最大值/最小值）不得大于3。本文研究擬采用A級照度標準［4］。結合美國IESNA推薦的臺燈照亮面積、照度及其均勻度要求，本文擬采用對家庭讀寫作業照明的作業面面積要求為：作業面面積360mm×310mm，如圖1所示；作業面維持的照度應大于200lx，最大照度與最小照度之比不應超過3［5］。

3.2照度信息計算范圍的確立

基于臺燈日常的使用情景，首先應構建一個簡單的照明環境。房間大小為幅寬3.0m，進深2.4m，天花板高2.8m，內裝修的反射系數為天花板60%、墻壁30%、地面20%。根據人體工程學的理論分析［6］，采用的桌椅尺寸為：桌面高度750mm、桌面長度1500mm、桌面深度600mm、桌板厚度20mm、椅座高度410mm、椅面寬度400mm、椅面深度380mm。為避免燈光在紙上產生反射眩光，且避開手的遮影，同時距離眼睛要有一定距離，臺燈宜放置在桌面左前方位置（以右手寫字為例）。本文擬測量臺燈位于桌面中垂線15°~75°間總共60°夾角內且距離以靠近人一側桌面邊緣中點為圓心半徑500mm大小的圓弧以外范圍的照度信息。

3.3計算位置范圍內的照度信息

首先在DIALux（筆者使用的DIALuxevo6版本）中，依據上文提供的數據，搭建出簡單的室內模型。導入燈光文件后，根據GB/T9473-2008《讀寫作業臺燈性能要求》可以計算出該光源用作臺燈的適合高度范圍。將光源放置在桌面中線上離邊緣500mm外的位置，本文將其放置在距桌面邊緣550mm的位置上，并繪制出需要計算的工作面，分別命名為300mm和500mm。從距離桌面100mm開始，步長100mm，最高600mm，分別計算兩工作面的照度信息。根據A級照度標準，可以初步確定該光源合適的高度范圍為300~500mm。再在200~300mm和500~600mm范圍內細分，通過二分法，再測量多組高度的照度信息，最終可以確定該光源合適的高度范圍為210~560mm，即是說，假如采用該光源作為臺燈光源，若光源高度設計在210~560mm范圍內，則可以符合GB/T9473-2008《讀寫作業臺燈性能要求》內A級照度的標準。接著，再結合美國IESNA推薦的臺燈照亮面積、照度及其均勻度要求跟臺燈適宜放置位置要求，具體計算出該光源用作臺燈在具體位置上的適合高度范圍。

3.4整合分析所得的照度信息統計

所有位置坐標的燈源合適高度，通過已知的特定位置坐標數值，使用插值法（筆者使用的是Solidworks中的Akima樣條曲線插值法）擬合出該區間內的高度范圍，并依此建立三維可視化模型，數據范圍區域（圖中灰色色所示區域）即是針對該光源用作臺燈時候的位置及高度建議值，以市面上現售的某款臺燈為例，若臺燈光源設計的位置及高度在此范圍內，則可以使該臺燈符合GB/T9473-2008《讀寫作業臺燈性能要求》中的A級照度標準以及美國IESNA推薦的臺燈照亮面積、照度及其均勻度要求跟臺燈適宜放置位置要求。

4結論

本文以臺燈燈具設計為例，介紹了基于光學仿真分析的新光源產品創新設計的思路與方法，有助于設計師跳脫出單純從外觀美感等方向思考的局限，而關注燈具本身的實用性，杜絕盲目設計后產品不符合規范的現象存在。本次實驗過程中在考慮設計臺燈時候采用了GB/T9473-2008《讀寫作業臺燈性能要求》跟美國IESNA推薦的照度要求與標準，而如果涉及到其他類型的新光源產品設計則需要不同的相應標準加以規范才得以進行，這也是本實驗方法的核心難點所在。筆者相信，工業設計在未來會逐漸趨向于科學理性化發展，而非現有的美感主觀主導。具體到新光源產品的工業設計，則會發掘探討出更多的相關細則標準，用以輔助基于光學仿真的分析研究，從而讓設計師以有別于一般工業產品的工業設計思維來看待新光源產品的設計開發。

參考文獻：

［1］肖錠.中山市古鎮燈飾工業設計服務平臺建設研究［J］.南昌教育學院學報,2013（8）:195-196.

［2］福多佳子.照明設計［M］.朱波,金旭東,劉濤,等,譯.北京:中國青年出版社,2014.

［3］王曄,呂蔚辰,姚夢明.GB/9473-2008,讀寫作業臺燈性能要求［S］.北京:中國標準出版社,2008.

［4］陳超中,於立成,施曉紅.視覺作業臺燈技術要求研究［J］.中國照明電器,2014（1）:29-35.

作者：王淦鵬1；范勁松2 單位：1.佛山科學技術學院，2.佛山科學技術學院