光學(xué)仿真分析下產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：闡述LED行業(yè)在終端消費(fèi)產(chǎn)品上工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與照明設(shè)計(jì)間脫節(jié)的現(xiàn)狀，并以臺(tái)燈燈具設(shè)計(jì)為例，介紹了基于光學(xué)仿真分析的新光源產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路與方法。據(jù)此，展望了科學(xué)理性化的新光源產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的未來(lái)。

關(guān)鍵詞：LED；光學(xué)仿真；照明設(shè)計(jì)

能源緊缺已成為當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，節(jié)能減排已然成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。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(jié)能，相比傳統(tǒng)光源有著巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著低碳時(shí)代的到來(lái)，LED照明燈成為了照明行業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

1新光源產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著LED市場(chǎng)的快速發(fā)展和巨大的市場(chǎng)潛力，全國(guó)各地紛紛把發(fā)展LED作為發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)的重要目標(biāo)產(chǎn)業(yè)之一。受益于LED光源高效節(jié)能的優(yōu)良特性，基于目前傳統(tǒng)能源枯竭的局面，LED照明產(chǎn)業(yè)受到來(lái)自多方的扶持。近年來(lái)，我國(guó)政府相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展。從表面看，LED產(chǎn)業(yè)可謂是風(fēng)光正好。然而，LED產(chǎn)業(yè)在迅猛發(fā)展的同時(shí)實(shí)際上也面臨著諸多瓶頸。以中山市古鎮(zhèn)為例，古鎮(zhèn)擁有燈飾及其配件工商企業(yè)1.27萬(wàn)家，其中燈飾商戶(hù)7497家，當(dāng)中更是以中小微企業(yè)居多。大多數(shù)的企業(yè)還是以貼牌生產(chǎn)和簡(jiǎn)單加工為主，燈飾設(shè)計(jì)主要靠模仿和抄襲為主，缺乏自主創(chuàng)新能力［1］。縱觀整個(gè)新光源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，其中存在的主要問(wèn)題是：企業(yè)雖逐漸意識(shí)到工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新對(duì)企業(yè)的推動(dòng)作用，但綜合結(jié)果來(lái)看，工業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量依舊不高，在產(chǎn)品研發(fā)中參與度依舊不夠，產(chǎn)業(yè)鏈上更多的還是沿用過(guò)去燈具設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式，缺乏對(duì)LED產(chǎn)品特點(diǎn)的深入研究以及相應(yīng)的創(chuàng)新性研發(fā)。

工業(yè)設(shè)計(jì)是有別于科學(xué)與藝術(shù)的第三種智慧，但其組成的子系統(tǒng)又含有科學(xué)與藝術(shù)的成分。工業(yè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中人類(lèi)的創(chuàng)新能力，是企業(yè)創(chuàng)新和振興地方經(jīng)濟(jì)的重要發(fā)展戰(zhàn)略。LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開(kāi)工業(yè)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，只有同時(shí)包含著優(yōu)良的技術(shù)和設(shè)計(jì)兩大要素才能創(chuàng)造出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。然而目前現(xiàn)有的LED產(chǎn)品在工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與照明設(shè)計(jì)之間存在嚴(yán)重的脫節(jié)問(wèn)題。大部分針對(duì)LED產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究都集中于產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)研究、情感化研究等方面，而缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼彰髟O(shè)計(jì)相關(guān)的研究探索。本文研究是結(jié)合實(shí)例，基于光學(xué)仿真分析，開(kāi)展對(duì)新光源產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究。

2照明設(shè)計(jì)與光學(xué)

仿真照明，是獲得舒適生活的一種可以簡(jiǎn)單利用的工具。設(shè)計(jì)照明就是要站在使用者的立場(chǎng)上，最大限度提高光線給使用者帶來(lái)的心理和生理上的效果，創(chuàng)造一個(gè)讓使用者提升精神面貌的美好空間［2］。照明設(shè)計(jì)的過(guò)程簡(jiǎn)單歸納就是合理利用燈具的過(guò)程，在合適的時(shí)間、空間里使用恰當(dāng)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(shè)計(jì)就是服務(wù)于照明設(shè)計(jì)。而反過(guò)來(lái)說(shuō)，照明設(shè)計(jì)則可以指導(dǎo)燈具的設(shè)計(jì)。在照明設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一般會(huì)通過(guò)計(jì)算照度來(lái)作為亮度的參考，并使用光學(xué)仿真軟件來(lái)確認(rèn)照明效果，從而得到的效果不僅是感覺(jué)上的，也是科學(xué)的。現(xiàn)有市場(chǎng)上光學(xué)仿真軟件有不少，但其中既能免費(fèi)使用，又有大量照明廠家支持的還是要數(shù)DIALux。使用DIALux可以很方便地建立模型、導(dǎo)入燈光，能快速計(jì)算所需要面的照度、輝度等數(shù)據(jù)，并能3D描繪實(shí)際顏色或偽色圖，最后輸出一份專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)報(bào)表。本文也將使用DIALux作為研究使用的光學(xué)仿真軟件。

3基于光學(xué)仿真分析的臺(tái)燈設(shè)計(jì)探索

本文以臺(tái)燈燈具設(shè)計(jì)為例，介紹如何基于光學(xué)仿真的分析，計(jì)算出臺(tái)燈光源位于桌面上科學(xué)合理的位置坐標(biāo)范圍，由此展開(kāi)對(duì)新光源產(chǎn)品創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的研究。

3.1臺(tái)燈光學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)的確立

臺(tái)燈是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會(huì)使用到的燈具之一，GB/T9473-2008《讀寫(xiě)作業(yè)臺(tái)燈性能要求》［3］中對(duì)臺(tái)燈在光度學(xué)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(diǎn)為圓心，位于眼睛的正前方，靠近眼睛一側(cè)的投射范圍內(nèi)，離圓心的半徑距離為300mm的1/3扇形以?xún)?nèi)，AA級(jí)照度應(yīng)大于500lx，A級(jí)照度應(yīng)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(qū)域以?xún)?nèi)，AA級(jí)照度應(yīng)大于300lx，A級(jí)照度應(yīng)大于150lx。每個(gè)區(qū)域內(nèi)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(jí)照度標(biāo)準(zhǔn)［4］。結(jié)合美國(guó)IESNA推薦的臺(tái)燈照亮面積、照度及其均勻度要求，本文擬采用對(duì)家庭讀寫(xiě)作業(yè)照明的作業(yè)面面積要求為：作業(yè)面面積360mm×310mm，如圖1所示；作業(yè)面維持的照度應(yīng)大于200lx，最大照度與最小照度之比不應(yīng)超過(guò)3［5］。

3.2照度信息計(jì)算范圍的確立

基于臺(tái)燈日常的使用情景，首先應(yīng)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的照明環(huán)境。房間大小為幅寬3.0m，進(jìn)深2.4m，天花板高2.8m，內(nèi)裝修的反射系數(shù)為天花板60%、墻壁30%、地面20%。根據(jù)人體工程學(xué)的理論分析［6］，采用的桌椅尺寸為：桌面高度750mm、桌面長(zhǎng)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(chǎn)生反射眩光，且避開(kāi)手的遮影，同時(shí)距離眼睛要有一定距離，臺(tái)燈宜放置在桌面左前方位置（以右手寫(xiě)字為例）。本文擬測(cè)量臺(tái)燈位于桌面中垂線15°~75°間總共60°夾角內(nèi)且距離以靠近人一側(cè)桌面邊緣中點(diǎn)為圓心半徑500mm大小的圓弧以外范圍的照度信息。

3.3計(jì)算位置范圍內(nèi)的照度信息

首先在DIALux（筆者使用的DIALuxevo6版本）中，依據(jù)上文提供的數(shù)據(jù)，搭建出簡(jiǎn)單的室內(nèi)模型。導(dǎo)入燈光文件后，根據(jù)GB/T9473-2008《讀寫(xiě)作業(yè)臺(tái)燈性能要求》可以計(jì)算出該光源用作臺(tái)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(jì)算的工作面，分別命名為300mm和500mm。從距離桌面100mm開(kāi)始，步長(zhǎng)100mm，最高600mm，分別計(jì)算兩工作面的照度信息。根據(jù)A級(jí)照度標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)細(xì)分，通過(guò)二分法，再測(cè)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(shuō)，假如采用該光源作為臺(tái)燈光源，若光源高度設(shè)計(jì)在210~560mm范圍內(nèi)，則可以符合GB/T9473-2008《讀寫(xiě)作業(yè)臺(tái)燈性能要求》內(nèi)A級(jí)照度的標(biāo)準(zhǔn)。接著，再結(jié)合美國(guó)IESNA推薦的臺(tái)燈照亮面積、照度及其均勻度要求跟臺(tái)燈適宜放置位置要求，具體計(jì)算出該光源用作臺(tái)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(tǒng)計(jì)

所有位置坐標(biāo)的燈源合適高度，通過(guò)已知的特定位置坐標(biāo)數(shù)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(qū)間內(nèi)的高度范圍，并依此建立三維可視化模型，數(shù)據(jù)范圍區(qū)域（圖中灰色色所示區(qū)域）即是針對(duì)該光源用作臺(tái)燈時(shí)候的位置及高度建議值，以市面上現(xiàn)售的某款臺(tái)燈為例，若臺(tái)燈光源設(shè)計(jì)的位置及高度在此范圍內(nèi)，則可以使該臺(tái)燈符合GB/T9473-2008《讀寫(xiě)作業(yè)臺(tái)燈性能要求》中的A級(jí)照度標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)IESNA推薦的臺(tái)燈照亮面積、照度及其均勻度要求跟臺(tái)燈適宜放置位置要求。

4結(jié)論

本文以臺(tái)燈燈具設(shè)計(jì)為例，介紹了基于光學(xué)仿真分析的新光源產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路與方法，有助于設(shè)計(jì)師跳脫出單純從外觀美感等方向思考的局限，而關(guān)注燈具本身的實(shí)用性，杜絕盲目設(shè)計(jì)后產(chǎn)品不符合規(guī)范的現(xiàn)象存在。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在考慮設(shè)計(jì)臺(tái)燈時(shí)候采用了GB/T9473-2008《讀寫(xiě)作業(yè)臺(tái)燈性能要求》跟美國(guó)IESNA推薦的照度要求與標(biāo)準(zhǔn)，而如果涉及到其他類(lèi)型的新光源產(chǎn)品設(shè)計(jì)則需要不同的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范才得以進(jìn)行，這也是本實(shí)驗(yàn)方法的核心難點(diǎn)所在。筆者相信，工業(yè)設(shè)計(jì)在未來(lái)會(huì)逐漸趨向于科學(xué)理性化發(fā)展，而非現(xiàn)有的美感主觀主導(dǎo)。具體到新光源產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)，則會(huì)發(fā)掘探討出更多的相關(guān)細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)，用以輔助基于光學(xué)仿真的分析研究，從而讓設(shè)計(jì)師以有別于一般工業(yè)產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)思維來(lái)看待新光源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

［1］肖錠.中山市古鎮(zhèn)燈飾工業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)研究［J］.南昌教育學(xué)院學(xué)報(bào),2013（8）:195-196.

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［4］陳超中,於立成,施曉紅.視覺(jué)作業(yè)臺(tái)燈技術(shù)要求研究［J］.中國(guó)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(xué)技術(shù)學(xué)院，2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院