一種基于背光源設計的非機動車道指示牌

李湘恒 馬文彬 許澤坤

摘 要：隨著科技的發展，LED作為新一代綠色光源以其體積小，效率高，環保，耐用等顯著的勢正逐步取代傳統光源在照明領域的地位。然而夜間常有機動車誤入非機動車道而導致交通事故頻繁發生，究其原因，無非是夜間非機動車道指示牌不夠顯眼，因此利用LED的體積小，發光效率高等特點制作出的一款新型背光源可有效解決此問題。

本文對于背光源的設計主要采用試錯法，運用light tools軟件建模，分析light tools的模擬結果，如果模擬結果不符合，根據模擬結果對light tools中的模型進行反復的參數修改，直到的到符合要求的發光圖案。

關鍵詞：背光源；導光板；印刷式網點；LED光源

一、研究背景

現在道路上投入使用的絕大多數交通信號指示牌絕大多數原理均為利用反射材料根據逆反射原理利用車燈的照射和光線的反射，來“照亮”前方，提高駕駛員發現前方物體的距離，從而能給駕駛員以更充分的時間，采取相應的安全處置措施。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用回歸反射的原理進行反光的，回歸反射是一種特殊的發射現象，就是光從哪里射過來，還能反射回到哪里。這種材料缺點也很明顯，易受極端天氣影響加速材料老化；被動型發光導致夜間可視距離短，增大駕駛員反應難度；指示牌局部隆起和凹陷表層的氣泡能改變入射角降低逆反射系數，反射膜版面水漬油污也會影響材料折射率。逆反射系數減小和材料折射率改變都會使反光膜基本失去反光功能，造成交通事故。

為了改善現有技術中反光材料壽命短、照明可視距離短、易受外界環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為照明光源的非機動車道指示牌，該指示牌設計為主動發光型設計，采用LED光源側面入射的方式，通過設置導光板以及導光板內設置的反射膜，將LED光源發出的光反射到背光面設置的二維紋理，二維紋理進一步將光反射至顯示面，從而實現非機動車道標志的發光顯示。該LED指示牌封閉性好，不易受外界環境干擾，采用主動發光的發光方式，可視距離遠，而且達到了僅使用少量LED完成標志的優質顯示的效果，光能利用效率大大提高。

LED是一種固態光源——半導體發光器件，依靠電子空穴復合發光，僅輸入小量電流就可以發出可見光，發光效率可達80%以上，作為綠色光源，節能是LED最重要的優越性之一。傳統光源白熾燈成本低，顯色指數高，技術成熟，但光電轉換效率低，發光效率僅為2%，日光燈、節能燈等發光效率為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，對于LED照明應用的研究是順應人類低碳綠色環保的需要。LED作為光源除了節能環保外還有許多其他顯著的優勢：（1）壽命長耐用，理論平均壽命可達100000h；（2）安全可靠，LED為冷光源，無熱輻射，跟熒光燈相比無需充入汞蒸汽等有害物質，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）開關響應速度快，響應時間僅幾十納秒；（4）體積小重量輕，便于集成，實現照明產品的小型化。

試錯法是現在大部分公司實際生產設計中采用的方法，該方法適用于任何的透鏡設計，無論是點光源，面光源，對稱，非對稱結構還是有特殊復雜結構要求的透鏡設計，有些是目前數學方法無法實現的，并且試錯法在設計透鏡使光斑達到要求的同時，還可以把模具制造與注塑生產的因素考慮進去，為后續工藝提供便利條件。但試錯法根據設計人員經驗選取初始結構，反復實驗修改參數消除誤差，設計周期相對較長。且主要依賴于設計人員的經驗，所以市場上產品的設計效果參差不齊。

隨著LED發光效率的提高，目前優質LED光源的發光效率可超過120lm/W（如Cree Xlamp XTE High-Voltage White LEDs 系列光源最高可達158lm/W），且由于單顆光源很難做到很高的光通量，一個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，推進了LED主流照明市場的應用，LED照明產品廣泛應用于道路照明，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備。典型的背光包括光源，導光板或者是所謂的light pipe。光源一般置于導光板的一側，以減小導光板的厚度。側光一般使用總的內反射來沿著演示器的長度方向來傳播光。

二、設計過程

根據實際非機動車道標識大小設計導光板的尺寸，初始時設計導光板尺寸300×150×20 mm（后面發現如果導光板過厚圖案的效果過于粗糙），考慮到背光源設置完成要實際運用還需要進行封裝即二次配光，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點，這些網點將入射光以散射的方式均勻地向各個方向反射出去，最后在接受面上形成圖像，為了更好地利用光線提高發光效果，除了LED發光面、底面以及導光板上表面之外其余各個表面均將光學屬性改為簡單反射鏡。

導光板設置完成后，要在其上表面設置接收平面并添加接收器，為了提升接收效果，接收面要略高于導光板上表面，先嘗試與導光板平面大小相吻合（在后面的設計過程發現我們需要圖像的對比度良好也就是說，我們只想要我們需要它發光能被看到的圖像發光效果好，而不需要發光的部分則越暗越好，提升對比度），后面根據出來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格劃分，這里我們設置的是一個較高分辨率的接收器：X軸網格劃分為150，Y軸網格劃分90。如果需要對接收器成像進行比對可設置多個接收器然后調節不同網格劃分使得其有不同分辨率。

然后再在導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，這種技術都運用印刷光輸出技術，白色網點的陣列被印刷在導光板底表面，將網點光學屬性設置為朗伯散射，將朗伯散射的反射率改為98%增強成像效果。由于最終圖像的形成都由二維網格點的形狀排布形成，為了更好的成像效果將網點形狀選定為圓形，能夠使得最終排布圖像更自然均勻，另外可以在導光板下面放置白色的漫反射片來提高效率，因為這樣可以循環利用沒有被模型構造改變方向的光。

然后是設計二維網格所要成的圖像，想要在導光板上得到我們需要的圖像就需要用到light tools中優化功能背光圖案優化，在BPO中，一個非統一的目標文件可以應用在“性能函數”部分的優化選項卡上，將目標類型設置為File，而要使用文件載入目標文件，必須將原始目標模式轉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，白色部分是印刷網點成像部分，將圖片用Paint Shop Pro輸出為PGM格式保存，在File選項卡下打開保存的PGM文件，背光圖像的處理就完成了一部分，接下來就要給導光板添加光源測試圖像成像效果，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光板透光面貼合，再利用light tools的三維編輯功能剪裁出一個反射罩，將反射罩表面光學屬性改為簡單反射鏡，然后添加優化函數以及優化變量，由于我們是想在導光板上得到成像效果良好的圖案，因此優化的函數是整個底表面的網格分布，所以我們添加Mesh Illuminance Group作為評價函數而優化變量為網格點的半徑，然后打開BPO，選中紋理控制選項卡，在排布選項下選擇網格點的數量可變，然后選擇優化的迭代次數，默認是三次，信噪比14000，打開模擬輸入調節輸入光線的數目，改為100000條，數目太多優化過程太慢，開始優化。

最后根據所得圖像選擇光源，打開工具庫，導入LED數據庫，利用試錯法，從中開始遴選合適的光源，最終選擇了供應商： Nichia的系列： Side Automotive模型： NESG505C，它的查看角度： 115/115 發光光通量： 1.46， 發射圖案： Lambertian

在選用LED光源后再打開BPO進行優化，優化結果：

三、結論

LED作為新一代綠色光源以其體積小，效率高，環保，耐用等顯著的優勢正逐步取代傳統光源在照明顯示領域的地位，用LED作為光源進行背光源設計，不僅發光效果好，能量利用率高，而且環保且使用壽命長，未來將擁有更為廣闊的使用空間。

本文針對夜間非機動車道指示燈設計，結合實際的生產過程，研究了以LED作為光源的背光圖案的光學設計，本文主要工作：采用Light tools對導光板、背光圖案的進行設計，光源的選取和Light tools中最常用的優化函數的應用，進行圖案模擬并根據結果分析優化的方法，對整個LED背光圖案的光學設計流程進行了研究。最終優化得出具有較高分辨率，照度均勻的背光圖案。

參考文獻：

[1] 姚凱，阮新波，王蓓蓓，顧琳琳，第四代新型光源——發光二極管[J]，電源世界，2008

[2] 李建，葉仁廣，徐時清，LED應用發展趨勢[J]，科技風，2014

[3]許孝芳，light tools課件

作者簡介：

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

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

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

基金項目：本文系江蘇大學2018年度大學生學生科研項目，項目編號17A59