基于黑板燈透鏡的復合非對稱主動偏光設計研究及應用

阮 程，徐天宇，黃耀偉，汪 洋，2 ，張 鑫，2

(1.長春希達電子技術有限公司，吉林 長春 130103； 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130103)

引言

自2018年習總書記提出“呵護好兒童青少年的眼睛”重要指示以來，教育部聯合十五部門印發《兒童青少年近視防控光明行動工作方案(2021—2025年)》，加強落實后疫情時代兒童青少年近視防控戰略部署。經研究發現，教室光環境質量與學生眼睛發生疲勞的概率有密切關系[1],講臺區域照明光環境作為教室光環境質量的重要組成部分，提高黑板照明光品質和師生視覺舒適度意義重大。目前講臺區域照明普遍存在以下問題：黑板面照度和均勻度不足、燈具安裝位置不標準、不舒適眩光造成師生視疲勞[2]。本文以基于復合型非對稱主動偏光設計的黑板照明為研究對象，通過對目前背景現狀調研，進行光學和照明設計模擬分析，提出黑板照明設計策略，推動我國教室健康照明應用落地。

1 背景現狀

常規中小學校黑板面尺寸為4.0 m×1.2 m，根據黑板燈具對老師的眩光影響研究，黑板燈具發光面距離黑板面水平距離小于600 mm，距離黑板上邊沿垂直距離大于200 mm時，老師眼睛不受直接眩光影響或者受到的眩光影響相對會有所減少[3]。

根據《中小學校教室采光和照明衛生標準》[4]以及黑板照明防眩目標，本文旨在設計一款黑板燈透鏡，出光均勻、距黑板面水平距離近，能夠有效解決老師的眩光問題；光束照亮黑板集中度高，有益于光利用效率及改善老師一側直接眩光；黑板面及黑板邊緣無明顯彩虹斑及黃斑，為師生提供良好的黑板照明環境。

2 分析與設計

2.1 黑板燈透鏡材料及加工工藝分析

在進行黑板燈透鏡的光學設計之前，需要明確透鏡設計中擬采用的加工工藝和透鏡材料，這與透鏡設計過程中黃斑問題處理方式以及材料選擇息息相關，直接影響黑板燈透鏡的結構和光學特性。

黑板燈透鏡一般為不同位置截面相同的長條形，通常具有兩種成型工藝，一種為拉伸成型，一種為注塑成型。拉伸工藝模具僅考慮透鏡截面形狀，材料通過模具擠塑成型，最后截斷成需要長度的透鏡；注塑工藝模具完全根據透鏡的形狀進行制作。拉伸成型的透鏡精度低，模具成本以及透鏡成本低，而注塑成型精度高，成本也更高。

黃斑是黑板燈透鏡具有的普遍問題，其具體現象是照射在黑板上的光斑存在寬度不一的黃色條紋，十分影響師生授/聽課質量，解決黃斑的主要方式為黃斑均勻化，弱化黃斑的區域集中性。黑板燈透鏡拉伸成型與注塑成型有不同處理黃斑問題的方案，拉伸成型通常采用在材料中摻入擴散劑解決黃斑問題，注塑成型通常采用曬紋解決黃斑問題，也可以采取摻入擴散劑方式。

透鏡內加入擴散劑是在透鏡成型前均勻加入到材料中，擴散劑用量越大，對透鏡配光改變程度越大，每次加工透鏡均需要控制擴散劑所占比例，也會導致不同批次透鏡配光略有不同。由于擴散劑是分布在整個透鏡中，設計的透鏡配光會被很大程度改變，拉伸成型的透鏡，同一模具可以輸出多種透鏡長度，根據需要進行截斷。曬紋是在模具上進行操作，對透鏡的某一個或者某幾個面進行曬紋，曬紋的程度調控并不復雜，可以選擇不同的曬紋程度在解決黃斑問題的同時最大程度地實現設計的透鏡配光，注塑成型的透鏡長度由模具長度確定。

黑板燈透鏡加工還需考慮長度、變形度以及材料屬性。以黑板面的長度4.0 m為例，市場上與之匹配的黑板燈具一般為1 200 mm或1 500 mm，由于透鏡越長變形量越大，大多數透鏡選擇300 mm拼接，也有少部分采用100 mm拼接。市場上常見的黑板燈透鏡通常采用兩種材料，PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)以及PMMA(Polymethacrylate，聚甲基丙烯酸樹脂)，PMMA材料較PC不易黃化，但透鏡易變形。

結合上述黑板燈透鏡的成型方式以及其他影響因素，在本文的黑板燈透鏡設計中，選用拼接式300 mm PC材料透鏡，選取注塑成型工藝并采用曬紋方式解決黃斑問題。

2.2 黑板燈透鏡光學設計

由于LED光源為類似朗伯體光源，需要對其進行二次配光才能滿足黑板面照明要求。根據黑板燈具與黑板面的相對位置關系，本文采用透鏡旋轉式主動偏光結合透鏡不對稱式被動偏光進行復合型光學設計，實現對黑板面均勻有效的照明需求。黑板燈透鏡設計目標：黑板燈透鏡發光面距離黑板水平距離小于500 mm，距離黑板上邊沿垂直距離大于200 mm，實現黑板面的照度均勻度達到0.8以上，維持平均照度達到500 lx。

本文設計的黑板燈透鏡，采用TIR(Total Internal Reflection)透鏡設計原理[5-7]，利用自由曲面進行折反射一體控光設計。如圖1(a)所示，透鏡左側設有入光部，右側設有出光部，上、下兩側分別設有反光面d和反光面e，頂端和底端分別設置安裝結構3和安裝結構4。入光部由傾斜平面a、傾斜平面b以及入光面c構成入光腔體，反光面d和反光面e均為凹面反光面面向透鏡內側的弧面，出光部由出光面f構成，出光面f為凸面面向光源方向的弧面。光源1為長3.5 mm、寬2.8 mm、厚度0.7 mm的2835 LED光源，呈長條形排布設置在入光部一側，出光面距透鏡左端面距離為0.2 mm，光源1的長邊與黑板燈透鏡拉伸方向平行，短邊與黑板燈透鏡的左端面平行。單根透鏡結構如圖1(b)所示，透鏡入光腔體的平面a、平面b以及入光面c進行曬紋處理，初始設計采用輕度曬紋，黃斑情況需根據透鏡實物進行具體細節處理。

圖1 黑板燈透鏡(a)透鏡結構截面，(b)單根透鏡結構圖Fig.1 Blackboard lamp lens (a) lens structure section, (b) single lens structure diagram

利用Lighttools模擬軟件對透鏡控光進行模擬，為清晰地表明透鏡各面對光線的折反射作用，圖2(a)為追跡光線在透鏡內部的光路圖，大角度光線通過傾斜平面a照射向反光面d，通過傾斜平面b照射向反光面e，小角度光線通過入光面c發散進入透鏡主體當中；由反光面d反射的光線從出光面f的上部出射，向下方彎折；由反光面e反射的光線從出光面f的下部出射，向下方彎折，由入光面c照射向出光面f的光線經過出光面f后再次發散，照射到黑板面。圖2(b)為光源光線照射向黑板面時側面觀察模擬圖，設計的黑板燈透鏡能夠有效的將光源發出的光線照射向黑板面，集中度高，光線利用效率高。

圖2 黑板燈透鏡控光示意圖(a)追跡光線在透鏡內部光路圖，(b)光源光線黑板照明模擬側面圖Fig.2 Schematic diagram of blackboard lamp lens light control (a) light path diagram of tracing rays inside the lens, (b) side view of simulated blackboard lighting with light source

黑板燈透鏡0°水平照明時，橫向與縱向配光曲線如圖3(a)所示，橫向發光角度約為91°，縱向發光角度約為18°。向黑板面照明時透鏡出光面朝向黑板墻面，向下旋轉45°安裝后橫向與縱向配光曲線如圖3(b)所示，橫向發光角度約為122°，縱向發光角度約為18°。圖3(c)為單個燈具的模擬光斑，光斑均勻，視覺感知無明顯黃斑。

圖3 黑板燈透鏡配光及模擬光斑(a)0°配光曲線,(b)45°配光曲線,(c)45°模擬光斑Fig.3 Blackboard lamp lens light distribution and simulated spot (a) 0° light distribution curve, (b) 45° light distribution curve, (c) 45° simulated spot

利用照明模擬Dialux軟件進一步評估黑板照明效果，維護系數0.8，如圖4所示，黑板長4 000 mm，高1 200 mm。每個燈具裝配三根透鏡，使用三個裝配有此黑板燈透鏡的燈具對黑板進行照明，間距為400 mm，透鏡相對黑板面向下旋轉45°，黑板燈透鏡出光面距黑板水平距離480 mm，垂直距離200 mm。黑板面照度如圖5所示，可以看出，光照射到1 200 mm高度黑板面上均勻度0.825，維持照度679 lx，符合設計目標。

圖4 黑板燈透鏡安裝位置Fig.4 Installation position of blackboard lamp lens

圖5 黑板燈透鏡照度模擬結果Fig.5 Simulation results of illuminance of blackboard lamp lens

2.3 照明設計

用注塑工藝對黑板燈透鏡開模成型，黑板燈透鏡實物如圖6所示。結合外殼結構對透鏡進行實測驗證，實測配光曲線如圖7(a)所示；利用照明模擬軟件對照明效果進行驗證，如圖7(b)所示，黑板面照度均勻，光線集中照射在黑板面，燈具后側、兩側以及黑板下方地面無效照明區域小。黑板面照度模擬結果如圖8(a)所示，使用3個黑板燈具對黑板面進行照明，燈具相對黑板面向下旋轉40°～50°，透鏡出光面距黑板水平距離490 mm，垂直距離240 mm，光照射到1 200 mm高度黑板面上均勻度高于0.8，維持照度658 lx。圖8(b)為1.75 m老師在講臺區域的眩光模擬結果，老師面向學生側，眼睛在距離黑板面70 mm內有眩光感受，根據研究發現，老師眼睛離黑板最近的極限狀態距離大于150 mm[3]，在本文的教室黑板面照明設計中，無不舒適眩光影響。

圖6 黑板燈透鏡實物Fig.6 Physical object of blackboard lamp lens

圖7 (a)黑板燈透鏡實測配光曲線，(b)黑板照明模擬效果偽彩圖Fig.7 (a)Measured light distribution curve of blackboard lamp lens, (b) pseudo color diagram of blackboard lighting simulation effect

圖8 黑板燈透鏡實測配光曲線照明模擬結果(a)照度模擬結果；(b)眩光模擬效果 Fig.8 Lighting simulation results of measured light distribution curve of blackboard lamp lens (a) illuminance simulation results, (b) glare simulation results

3 總結

本文針對目前教室黑板照明光環境痛點，基于復合非對稱主動偏光設計，通過透鏡主動偏光和燈具旋轉控光，實現黑板照明平均照度和照度均勻度滿足國家標準要求同時，降低老師不舒適眩光感受，提高學生學習效率和視覺健康，實現講臺區域教學光環境舒適度整體提升，為領域內照明設計師和技術人員提供設計參考，助力兒童青少年視覺健康。