OLED光源在民机客舱照明中的应用

周 莉，黄顺云，罗 莎，林燕丹

(1.复旦大学电光源研究所 先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；2.航空工业上海航空电器有限公司，上海 201100)

引言

在民机客舱中，伴随着不同外部光环境和不同飞行状态，乘客可能面临不同的视觉任务，包括登机、阅读、休息、就餐等，尤其在长途飞行过程中，客舱的内部光环境对于飞行体验十分重要。国内外航空标准将客舱照明分为一般照明、功能照明和应急照明三种[1]。其中一般照明包括客舱顶部和侧墙的照明[2]，这部分照明对于整个客舱的光环境氛围营造起到决定性作用，是评价飞机客舱的重要指标。对比LED和其它传统光源的照明方案，OLED光源的面发光、柔性可弯曲和轻薄的特点为OLED灯具设计带来了无限空间，更加符合飞机客舱个性化、高端舒适的照明需求，本文通过照明仿真，从光分布和眩光等指标阐述OLED在飞机客舱应用的可行性。

1 技术现状

2011年，日本全日航公司第一次将用 LED 作为照明系统的客机投入运营，此后LED照明系统逐渐成为飞机内饰照明的主流方向，并随着LED光源技术的发展而不断发展。与其他照明场所相比，客舱照明倾向于集照明与装饰为一体，更加注重照明舒适性和情景照明效果。Goodrich的LED 洗墙灯系列包含了白色、琥珀色、蓝色等多种光色的洗墙灯，通过控制系统预定义各种照明参数输出不同的客舱光环境，例如可以通过预设光参数，在客舱内形成一个琥珀色的侧壁和蓝色的舱顶，计算机仿真渲染如图1所示。SCHOOT AuraPlane系列提供了另一种实现思路，运用超薄(厚度为6 mm)LED面板灯，通过RGBW四色混光，实现舱内的超均匀照明效果，同时可以营造特殊的氛围照明。

图1 Goodrich LED 洗墙灯系列渲染图Fig.1 Rendered image of Goodrich LED washing lighting in cabin

现有的典型LED照明方案主要通过分开驱动以及间接照明来实现舱内照明效果，超薄LED平板灯是另一种直接照射的照明方式，可以满足一定像素的图像视频显示以及较高的照明均匀度，但由于LED显示照明需要特殊光学、驱动模组设计，与OLED自发光显示属性相比，存在制作成本高、系统稳定性差的缺点。OLED作为新一代显示技术的核心，具有以下特点：①具有自发光的技术，无需背光源，更轻薄；②OLED器件为全固态结构，无多余空间结构，抗震性能理论上优于传统灯具以及LED灯具，可以做在柔性材料基板上实现可弯曲的柔性结构；③可以集照明与显示与一体，兼具色域广、视角宽、显示画面响应快的优势[3]。综合对比LED以及其他传统光源，OLED更加符合飞机客舱高端照明的要求。

2 OLED在客舱中的仿真分析

2.1 仿真分析方法

为了探究OLED在客舱照明中的应用可行性，体现OLED柔性可弯曲在客舱中的应用优势，我们在照明仿真软件Dialux evo中复现空客A321双排座位的部分区域。根据实际机型的照明设计,该机型客舱的主照明通过洗墙间接照明实现，布灯位置如图2所示，采用Goodrich的LED 洗墙灯系列配光，光束角度为60°。在本仿真中，不考虑阅读灯开启的特殊情况，考察主照明对于舱内行李架表面、过道地面、乘客眼位、指示灯显示面、前方座椅等区域的照度以及典型的乘客、空乘人员的眼位眩光影响，仿真渲染效果见图2。

在本仿真模型中，设置多个典型接收面和接收点作为计算对象,如图3所示，其中F1为通道地面，用于评价客舱地面照度分布；B1、B2、B3为行李架上垂直于水平面的行李架表面的等距离点，B1、B2、B3三点的光分布用于评价在整体照明环境中视野内的行李架表面照度分布均匀情况；B4为头顶上方指示灯所在表面，客舱内指示灯一般用于禁烟以及安全带提醒，B4的表面照度用于评价指示灯表面光分布合理性；W1为客舱侧壁墙面的照度分布；S1、S2、S3三个计算面的光分布用于评价典型座位工作面的照度分布，距离客舱地面0.8 m；D1、D2、D3三个计算面的光分布用于评价典型座椅后方、乘客视野正前方的照度分布。同时设置两个计算点模拟舱内的典型人眼位置，分别位于座椅区域0.8 m点E1(座位上的观察眼位)和通道区域1.5 m点E2(站位的观察眼位)。每个计算表象的具体参数设置见表1。

图2 LED客舱布灯及仿真渲染图Fig.2 Lamps position and rendered image of LED simulation in cabin

图3 仿真计算对象设置Fig.3 Target surface and point in simulation

表1 计算对象设置Table 1 Setting of calculate objects

在相同的客舱空间内，选择两种外观的OLED作为客舱主照明，不加入其他照明灯具，分别与现有的LED照明方式进行对比，由于OLED的光束角与加工工艺相关[3]，在本次仿真设置中，设置OLED光源的半角宽为40°，现有的LED照明方案见图1，两种OLED布灯示意图见图4，其中图4(a)为凹面OLED布灯示意图，OLED向下弯曲，弯曲弧度形状与舱顶对称；图4(b)为凸面OLED布灯示意图，OLED贴合舱顶弯曲，虚线曲线为OLED的配光形状。

图4 OLED布灯示意图Fig.4 Arrangement of OLED

2.2 仿真结果分析

为了对比LED与OLED光源的光效利用率，综合SAE AIR512推荐客舱内部区域的各项最小照明值，本仿真选取走廊地面照度为基准，考察当过道表面平均照度为100 lx时，灯具的总光通量和其他区域的光分布情况。

仿真结果显示，过道表面平均照度为100 lx时，现有的LED方案需要总光通量25 120 lm，两种OLED照明方案需要总光通量相同，都为6 000 lm，即可达到相同的过道照明要求，本仿真中设置的OLED方案所需光通量只需LED间接照明方案的23.9%。

仿真设置各个计算区域的照度分布如图5所示。

图5 三种照明条件下舱内不同区域照度分布曲线Fig.5 Curve: Illumination distribution in different areas of cabin under three lighting conditions

根据照度分布仿真结果，结合SAE AIR512给出的照度建议，标准对于客舱内各个表面照度分布要求较低，本次仿真在满足相同的地面照度要求下，LED方案舱内各个面平均照度达到213 lx，OLED方案仅有99 lx，LED照明方案中各个区域的照度均高于OLED方案。以B4点为例，由于客舱指示灯为自发光器件，对指示灯的开关状态判断那起重要的提醒作用，如B4表面照度过高，会降低指示灯显示信息对比度，影响对指示灯开关状态的判读[4],OLED方案可以将B4表面的照度控制在15 lx以下，与LED方案的95 lx结果对比具有明显优势。

在本研究中采用统一眩光值(Unified Glare Rating，UGR)[5，6]来评价客舱内的不舒适眩光值，舱内两个观察点的眩光仿真结果如图6所示，结果显示每个计算点水平方向0°～360°的URG值分布，其中0°方向为典型眼位正前方向。结果显示：虽然采用间接照明的方式，LED方案舱内的眩光依然偏高，E1点最大眩光值最大可达26，角度为通道走廊一侧，这是由于视野范围内照度分布不均匀，局部过量造成的。而OLED照明的方案中，舱内眩光明显低于LED方案，可控制在19以下[5]，其中凸面的OLED照明方案结果优于凹面方案。

E2点的眩光分布如图7所示，同样反映了站位(乘客站在中间通道眼位点位置)的类似问题；同时，由于站位位置特点，E2值的各个角度眩光均高于E1。在OLED照明的两个方案中，凸面的OLED方案中可以将眩光控制在15以下。

图6 三种照明条件下E1点眩光分布曲线Fig.6 UGR distribution of E1 under three lighting conditions

图7 三种照明条件下E2点眩光分布曲线Fig.7 UGR distribution of E2 under three lighting conditions

3 讨论与结果

基于民机客舱照明的基本要求，通过对成熟OLED样灯的测试以及LED与OLED照明方案计算机仿真对比，我们可以得出如下结果：

从产品外观角度，OLED灯具可以实现任意弯曲形状，可以体现各个飞机和航班个性化特点，同时OLED还可以拓展其显示领域，在形状和功能上都具有多样性；从光效利用角度，间接照明光效较大程度依赖灯具本身和舱内表面反射率，为了达到柔和舒适的照明效果，舱内反射率一般设置较低，在本次仿真中，客舱内表面反射率为45%，相同的照明要求下，直接照明的OLED方案中光通量要求仅为LED方案的23.9%，OLED具有明显光效利用率优势；从光分布角度，OLED方案中光分布更加合理，舱内整体光分布规律更加符合标准和实际使用需求；从视觉舒适角度，无论站位或者座位，采用直接照明方式的OLED方案URG均低于LED方案，以凸面形状即贴合客舱本身曲面弧度的方式更优。

总之，在不考虑灯具成本和防护性能的前提下，通过样灯实测和仿真对比，OLED从灯具外观、光色品质、光效利用角度，与LED相比都具有明显优势。我们的研究可以为OLED光源在民机客舱照明中的应用提供一定的参考。