一种基于背光源设计的非机动车道指示牌

李湘恒 马文彬 许泽坤

摘 要：随着科技的发展，LED作为新一代绿色光源以其体积小，效率高，环保，耐用等显著的势正逐步取代传统光源在照明领域的地位。然而夜间常有机动车误入非机动车道而导致交通事故频繁发生，究其原因，无非是夜间非机动车道指示牌不够显眼，因此利用LED的体积小，发光效率高等特点制作出的一款新型背光源可有效解决此问题。

本文对于背光源的设计主要采用试错法，运用light tools软件建模，分析light tools的模拟结果，如果模拟结果不符合，根据模拟结果对light tools中的模型进行反复的参数修改，直到的到符合要求的发光图案。

关键词：背光源；导光板；印刷式网点；LED光源

一、研究背景

现在道路上投入使用的绝大多数交通信号指示牌绝大多数原理均为利用反射材料根据逆反射原理利用车灯的照射和光线的反射，来“照亮”前方，提高驾驶员发现前方物体的距离，从而能给驾驶员以更充分的时间，采取相应的安全处置措施。反射型交通指示牌的反射材料为玻璃微球材料，玻璃微球材料主要是运用回归反射的原理进行反光的，回归反射是一种特殊的发射现象，就是光从哪里射过来，还能反射回到哪里。这种材料缺点也很明显，易受极端天气影响加速材料老化；被动型发光导致夜间可视距离短，增大驾驶员反应难度；指示牌局部隆起和凹陷表层的气泡能改变入射角降低逆反射系数，反射膜版面水渍油污也会影响材料折射率。逆反射系数减小和材料折射率改变都会使反光膜基本失去反光功能，造成交通事故。

为了改善现有技术中反光材料寿命短、照明可视距离短、易受外界环境干扰影响指示效果等缺陷，本使用新型指示牌提供一种以LED为照明光源的非机动车道指示牌，该指示牌设计为主动发光型设计，采用LED光源侧面入射的方式，通过设置导光板以及导光板内设置的反射膜，将LED光源发出的光反射到背光面设置的二维纹理，二维纹理进一步将光反射至显示面，从而实现非机动车道标志的发光显示。该LED指示牌封闭性好，不易受外界环境干扰，采用主动发光的发光方式，可视距离远，而且达到了仅使用少量LED完成标志的优质显示的效果，光能利用效率大大提高。

LED是一种固态光源——半导体发光器件，依靠电子空穴复合发光，仅输入小量电流就可以发出可见光，发光效率可达80%以上，作为绿色光源，节能是LED最重要的优越性之一。传统光源白炽灯成本低，显色指数高，技术成熟，但光电转换效率低，发光效率仅为2%，日光灯、节能灯等发光效率为7%～12%，同样照明条件下，LED光源的耗电量为白炽灯的1/8，为荧光灯管的1/2 ，在能源日益匮乏的今天，对于LED照明应用的研究是顺应人类低碳绿色环保的需要。LED作为光源除了节能环保外还有许多其他显著的优势：（1）寿命长耐用，理论平均寿命可达100000h；（2）安全可靠，LED为冷光源，无热辐射，跟荧光灯相比无需充入汞蒸汽等有害物质，且可以精确控制配光，减小眩光，改善工作面的工作安全性；（3）开关响应速度快，响应时间仅几十纳秒；（4）体积小重量轻，便于集成，实现照明产品的小型化。

试错法是现在大部分公司实际生产设计中采用的方法，该方法适用于任何的透镜设计，无论是点光源，面光源，对称，非对称结构还是有特殊复杂结构要求的透镜设计，有些是目前数学方法无法实现的，并且试错法在设计透镜使光斑达到要求的同时，还可以把模具制造与注塑生产的因素考虑进去，为后续工艺提供便利条件。但试错法根据设计人员经验选取初始结构，反复实验修改参数消除误差，设计周期相对较长。且主要依赖于设计人员的经验，所以市场上产品的设计效果参差不齐。

随着LED发光效率的提高，目前优质LED光源的发光效率可超过120lm/W（如Cree Xlamp XTE High-Voltage White LEDs 系列光源最高可达158lm/W），且由于单颗光源很难做到很高的光通量，一个灯具需要多颗光源和配光透镜增加成本，COB高效集成面光源开始盛行，推进了LED主流照明市场的应用，LED照明产品广泛应用于道路照明，汽车照明，通用照明及其背光源。

背光是指用于电子元件中的有一个要求背后出光的平面，其中可以包括小到PDA大到电视屏的电子设备。典型的背光包括光源，导光板或者是所谓的light pipe。光源一般置于导光板的一侧，以减小导光板的厚度。侧光一般使用总的内反射来沿着演示器的长度方向来传播光。

二、设计过程

根据实际非机动车道标识大小设计导光板的尺寸，初始时设计导光板尺寸300×150×20 mm（后面发现如果导光板过厚图案的效果过于粗糙），考虑到背光源设置完成要实际运用还需要进行封装即二次配光，为了减小背光源体积以及提高图像分辨率又将其尺寸改为200×100×5 mm，然后需要确定光源放置的平面，由于光線是通过照射底部二维印刷网点，这些网点将入射光以散射的方式均匀地向各个方向反射出去，最后在接受面上形成图像，为了更好地利用光线提高发光效果，除了LED发光面、底面以及导光板上表面之外其余各个表面均将光学属性改为简单反射镜。

导光板设置完成后，要在其上表面设置接收平面并添加接收器，为了提升接收效果，接收面要略高于导光板上表面，先尝试与导光板平面大小相吻合（在后面的设计过程发现我们需要图像的对比度良好也就是说，我们只想要我们需要它发光能被看到的图像发光效果好，而不需要发光的部分则越暗越好，提升对比度），后面根据出来的成像效果修改接收平面尺寸，为了提高接收器分辨率，需要修改接收平面网格划分，这里我们设置的是一个较高分辨率的接收器：X轴网格划分为150，Y轴网格划分90。如果需要对接收器成像进行比对可设置多个接收器然后调节不同网格划分使得其有不同分辨率。

然后再在导光板底面添加二维纹理，二维纹理有三种形状：矩形、圆形、椭圆形，这种技术都运用印刷光输出技术，白色网点的阵列被印刷在导光板底表面，将网点光学属性设置为朗伯散射，将朗伯散射的反射率改为98%增强成像效果。由于最终图像的形成都由二维网格点的形状排布形成，为了更好的成像效果将网点形状选定为圆形，能够使得最终排布图像更自然均匀，另外可以在导光板下面放置白色的漫反射片来提高效率，因为这样可以循环利用没有被模型构造改变方向的光。

然后是设计二维网格所要成的图像，想要在导光板上得到我们需要的图像就需要用到light tools中优化功能背光图案优化，在BPO中，一个非统一的目标文件可以应用在“性能函数”部分的优化选项卡上，将目标类型设置为File，而要使用文件载入目标文件，必须将原始目标模式转换为可移植的灰色映射（*.pgm）或者可移植的位图（*.pbm），PGM和PBM文件是简单的文本文件。黑色和白色分别代表0和255，通过Paint Shop Pro或者类似的图像处理包可以创建PGM/PBM文件，因此我用Paint Shop Pro得到我需要的图片，黑底白图，白色部分是印刷网点成像部分，将图片用Paint Shop Pro输出为PGM格式保存，在File选项卡下打开保存的PGM文件，背光图像的处理就完成了一部分，接下来就要给导光板添加光源测试图像成像效果，先选用理想光源的体积光源，建立柱面光源模型将光源表面与导光板透光面贴合，再利用light tools的三维编辑功能剪裁出一个反射罩，将反射罩表面光学属性改为简单反射镜，然后添加优化函数以及优化变量，由于我们是想在导光板上得到成像效果良好的图案，因此优化的函数是整个底表面的网格分布，所以我们添加Mesh Illuminance Group作为评价函数而优化变量为网格点的半径，然后打开BPO，选中纹理控制选项卡，在排布选项下选择网格点的数量可变，然后选择优化的迭代次数，默认是三次，信噪比14000，打开模拟输入调节输入光线的数目，改为100000条，数目太多优化过程太慢，开始优化。

最后根据所得图像选择光源，打开工具库，导入LED数据库，利用试错法，从中开始遴选合适的光源，最终选择了供应商： Nichia的系列： Side Automotive模型： NESG505C，它的查看角度： 115/115 发光光通量： 1.46， 发射图案： Lambertian

在选用LED光源后再打开BPO进行优化，优化结果：

三、结论

LED作为新一代绿色光源以其体积小，效率高，环保，耐用等显著的优势正逐步取代传统光源在照明显示领域的地位，用LED作為光源进行背光源设计，不仅发光效果好，能量利用率高，而且环保且使用寿命长，未来将拥有更为广阔的使用空间。

本文针对夜间非机动车道指示灯设计，结合实际的生产过程，研究了以LED作为光源的背光图案的光学设计，本文主要工作：采用Light tools对导光板、背光图案的进行设计，光源的选取和Light tools中最常用的优化函数的应用，进行图案模拟并根据结果分析优化的方法，对整个LED背光图案的光学设计流程进行了研究。最终优化得出具有较高分辨率，照度均匀的背光图案。

参考文献：

[1] 姚凯，阮新波，王蓓蓓，顾琳琳，第四代新型光源——发光二极管[J]，电源世界，2008

[2] 李建，叶仁广，徐时清，LED应用发展趋势[J]，科技风，2014

[3]许孝芳，light tools课件

作者简介：

李湘恒，江西南昌人，生于1997年5月，汉族，江苏大学本科在读，光电信息科学与工程方向

马文彬，宁夏石嘴山人，生于1998年1月，回族，江苏大学本科在读，光电信息科学与工程方向

许泽坤，新疆博乐人，生于1997年10月，汉族，江苏大学本科在读，光电信息科学与工程方向

基金项目：本文系江苏大学2018年度大学生学生科研项目，项目编号17A59