徐何辰 饒 豐 薛文濤 談 茜

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇檢驗(yàn)檢疫車(chē)輛燈具實(shí)驗(yàn)室，江蘇丹陽(yáng) 212300)

1 引言

霧天天氣時(shí)，可見(jiàn)光在霧氣中傳播，由于散射和吸收等作用，使其能見(jiàn)度降低，不利于道路交通安全［1］。隨著科技的發(fā)展，道路照明光源的種類(lèi)越來(lái)越多，由于其發(fā)光原理的不同，各種光源的光譜差異很大，而霧對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收不同，因此很有必要研究不同光源的透霧性［2］。

2008年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院呂正等人對(duì)霧燈穿透能力最佳波長(zhǎng)進(jìn)行了研究，比較了相同傳播距離下，光信號(hào)在薄霧、中霧、濃霧中的傳播情況，發(fā)現(xiàn)LED在用作霧燈時(shí)的最佳波長(zhǎng)為578nm［3］。由于在實(shí)際道路照明中，絕大多數(shù)光源都是復(fù)色光，所以研究復(fù)色光的透霧性更具有實(shí)用價(jià)值。2009年，ZAINI、MFb用主觀(guān)評(píng)價(jià)的方法，在不同霧濃度下，對(duì)不同單色光源讓人眼觀(guān)測(cè)并打分，得出橙黃光透霧性最佳［4］。由于用人眼直接去觀(guān)測(cè)受主觀(guān)因素影響較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有客觀(guān)性。2011年，關(guān)雪峰選擇紅、黃、綠和藍(lán)四種單色 LED作為測(cè)試光源，測(cè)量不同霧濃度下的照度值，得出四種單色光在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光，透霧性最差的是綠光和藍(lán)光，但彼此間的差別不大［5］。由于這些結(jié)果均是基于明視覺(jué)的，沒(méi)有考慮中間視覺(jué)，而且霧天天氣常常出現(xiàn)在清晨和晚上，此時(shí)的道路照明大多屬于中間視覺(jué)范疇［6］，若仍用明視覺(jué)視見(jiàn)函數(shù)去計(jì)算可能存在一定的偏差。所以本實(shí)驗(yàn)引入中間視覺(jué)來(lái)研究可見(jiàn)光的透霧性，更準(zhǔn)確的反映了人眼的實(shí)際情況，為道路交通安全提供保障。在道路照明中，由于散射光相對(duì)于直射光攜帶的信息量小，這些散射光雖然能被人眼接收到，但人眼不能根據(jù)這些散射光判斷出物體的位置，所以本實(shí)驗(yàn)研究光源直射部分的透霧性。

本實(shí)驗(yàn)研究在明視覺(jué)與中間視覺(jué)下，鎢絲燈、LED、金鹵燈和高壓鈉燈的透霧性。在暗箱內(nèi)測(cè)量四種光源不同霧濃度下的光譜，比較四種光源明視覺(jué)透霧性;采用 CIE2010年最新的推薦模型MES2［7］，研究四種光源透霧性隨亮度變化的關(guān)系并與其明視覺(jué)透霧性做比較。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

以鎢絲燈、LED、金鹵燈和高壓鈉燈為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，比較四種光源在明視覺(jué)下的透過(guò)率并研究透過(guò)率與亮度的關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

不同霧濃度下鎢絲燈、LED、金鹵燈和高壓鈉燈的光譜。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)需要在不同霧濃度下測(cè)量四種光源的光譜，對(duì)霧的要求是:均勻性、穩(wěn)定性以及較大的濃度范圍。本實(shí)驗(yàn)采用人工造霧的方法，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在自制的暗箱內(nèi)進(jìn)行，以避免外界光源對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，暗箱關(guān)閉后，其內(nèi)照度在10－3lx以下。保持室溫為20℃，并關(guān)閉門(mén)窗，防止外界氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)研究光源直射部分的透霧性，因此在暗箱內(nèi)設(shè)置3塊黑色擋板并在暗箱四周粘上黑布，盡可能的吸收雜散光;在同一水平線(xiàn)的暗箱壁和擋板上開(kāi)一小孔，使只有直射小孔的光才能被光度頭接收到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)點(diǎn)亮LED并調(diào)整LED位置使光度頭位于光斑中心區(qū)域，記錄下LED的位置;點(diǎn)亮鎢絲燈并調(diào)整鎢絲燈位置，同樣使光度頭位于光斑中心區(qū)域，固定鎢絲燈的位置。

(2)等待30分鐘讓光源穩(wěn)定后，分別測(cè)量LED與鎢絲燈的初始光譜。

(3)開(kāi)啟加濕器15分鐘后關(guān)閉，等待5分鐘讓霧擴(kuò)散均勻后開(kāi)始測(cè)量。第一次測(cè)量鎢絲燈，第二次測(cè)量LED，第三次再測(cè)量鎢絲燈依此類(lèi)推一共測(cè)量120次，兩次測(cè)量時(shí)間間隔10s，并使LED的擺放位置與初始記錄值相同。

(4)打開(kāi)暗箱，待霧散盡后擦去暗箱內(nèi)水氣。

(5)重復(fù)步驟 (1)～ (4)10次。

然后分別用金鹵燈與高壓鈉燈代替鎢絲燈重復(fù)步驟 (1)～(5)測(cè)量不同霧濃度下的光譜。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

步驟 (2)測(cè)得的四種光源的光譜如圖2所示，可見(jiàn)四種光源光譜相差較大，鎢絲燈藍(lán)光部分較少紅光部分較多，LED燈由藍(lán)、綠兩個(gè)波峰組成，紅光部分很少，高壓鈉燈黃光較多同時(shí)高壓鈉燈和金鹵燈波峰均較多。

圖2 四種光源相對(duì)光譜

以光度頭接收到的部分光通量透過(guò)率η作為透霧性能的評(píng)價(jià)指標(biāo):

其中K1為起霧時(shí)最大光譜光視效率，K2為未起霧時(shí)最大光譜光視效率，S1(λ)為起霧時(shí)光源絕對(duì)光譜功率分布，S2(λ)為未起霧時(shí)光源絕對(duì)光譜功率分布，V1(λ)為起霧時(shí)光譜光效率函數(shù)，V2(λ)為未起霧時(shí)光譜光效率函數(shù)。

根據(jù)測(cè)得的光譜，使用公式 (1)分別計(jì)算LED與鎢絲燈不同霧濃度下的透過(guò)率，取其中透過(guò)率在10%到70%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用matlab進(jìn)行擬合，采用三階擬合:

分別擬合出LED、鎢絲燈的透過(guò)率隨時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，擬合過(guò)程中排除大于2倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)點(diǎn)。研究表明確定系數(shù)R2均大于0.99。然后令LED的透過(guò)率為10%、5%、20%、25%…70%，求出鎢絲燈的透過(guò)率。把10次實(shí)驗(yàn)鎢絲燈的透過(guò)率全部求出后，排除其中的最大值與最小值，取剩余8次的平均值作為鎢絲燈的透過(guò)率。金鹵燈與高壓鈉燈透過(guò)率的計(jì)算方法與鎢絲燈相同。全部計(jì)算完成后如圖3所示。

圖3 明視覺(jué)下四種光源透霧性比較

由圖3可知:鎢絲燈的透霧性最佳;LED的透霧性最差;ηLED＜50%時(shí)，金鹵燈的透過(guò)率優(yōu)于高壓鈉燈;ηLED＞50%時(shí)，高壓鈉燈的透過(guò)率優(yōu)于金鹵燈。這是因?yàn)殪F對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收不同。在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光。透霧性最差的是綠光和藍(lán)光［5］。鎢絲燈光譜的藍(lán)光和綠光所占的比例最少，紅光和黃光所占的比例最大，所以其透霧性最好。相反LED光譜中藍(lán)光、綠光占了大部分，只有小部分的黃光和紅光，所以其透霧性最差。由于在霧濃度＜45%時(shí)η綠＞η藍(lán);霧濃度＞45%時(shí) η綠＜η藍(lán)［5］。高壓鈉燈光譜中綠光所占的比例大于藍(lán)光，金鹵燈光譜中藍(lán)光所占的比例大于綠光。所以，在霧較濃時(shí) η金鹵燈＞η高壓鈉燈;在霧較稀時(shí) η金鹵燈＜η高壓鈉燈。

分別取四種光源不同霧濃度下的光譜，采用MES2模型，選取亮度0.005～2cd/m2，計(jì)算出中間視覺(jué)透過(guò)率，四種光源中間視覺(jué)透過(guò)率如圖4所示。

圖4 中間視覺(jué)下四種光源透霧性比較

由圖4可知:在霧較濃時(shí)，四種光源η中間視覺(jué)＞η明視覺(jué); 隨著霧濃度的下降，η中間視覺(jué)/η明視覺(jué)的比值變化趨勢(shì)一致，都是先減小后增大但最大偏差不超過(guò)5%，且最大偏差隨著亮度的增大而減小。這是因?yàn)橹虚g視覺(jué)下人眼光譜光視效率函數(shù)相對(duì)于明間視覺(jué)往短波方向移動(dòng)，隨著霧濃度的下降藍(lán)光和綠光的透過(guò)率相對(duì)于紅光和黃光先減小再增大，所以中間視覺(jué)透過(guò)率與明視覺(jué)透過(guò)率的比值隨著霧濃度的降低先減小后增大。在明視覺(jué)下，人眼中的視錐細(xì)胞起主導(dǎo)作用，在中間視覺(jué)下，人眼中的視錐與視桿細(xì)胞共同起作用。隨著亮度的增大，視錐細(xì)胞的作用越來(lái)越重要［8］，所以中間視覺(jué)透過(guò)率越來(lái)越接近明視覺(jué)透過(guò)率。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)四種常用光源在明視覺(jué)下的透霧情況進(jìn)行了比較并結(jié)合道路實(shí)際情況，分析了四種光源在中間視覺(jué)與明視覺(jué)下透霧性的差異。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)明視覺(jué)下鎢絲燈的透霧性最佳;LED的透霧性最差;ηLED＜50%時(shí)，金鹵燈的透霧性?xún)?yōu)于高壓鈉燈;ηLED＞50%時(shí)，高壓鈉燈的透霧性?xún)?yōu)于金鹵燈。中間視覺(jué)下隨著霧濃度的下降，四種光源 η中間視覺(jué)/η明視覺(jué)的比值變化趨勢(shì)一致，都是先減小后增大但最大偏差不超過(guò)5%。該研究對(duì)提高實(shí)際霧天駕駛安全，設(shè)計(jì)與檢測(cè)道路照明燈具有重要意義。

★2012年10月3日，歐司朗光電半導(dǎo)體展出目前汽車(chē)市場(chǎng)上最小巧的高功率LED-Oslon Compact LED原型。這款小巧的LED布局靈活，因此更易于實(shí)現(xiàn)各種個(gè)性化車(chē)頭燈設(shè)計(jì)，且成本效益更高。在由法國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì) (SIA)于今年10月9日在凡爾賽宮舉辦的Vision國(guó)際展覽會(huì)上，來(lái)自德國(guó)雷根斯堡的汽車(chē)半導(dǎo)體專(zhuān)家歐司朗光電半導(dǎo)體揭開(kāi)了Oslon Compact LED原型的神秘面紗。

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