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    LED背投式主动发光指路标志研发
    2015-03-23 09:14:29   来源:Tranbbs.com      作者:丁伯林 刘干 马健霄 周德凯 田甜    评论:0 点击:

    摘   要:本文分析研究了一种新型发光道路交通标志—LED背投式主动发光指路标志的设计,采用LED阵列作为背光源透过正面镂空的铝制型材和棱镜型反光膜发光,最后粘贴显示字形的深色反光膜,白天完全保留了逆反射标志的性能,夜间主动发光节能环保。LED背投式主动发光道路交通标志属于内照式发光标志的一种,不同于传统的逆反射标志和点阵式主动发光标志,将LED背光技术应用在交通标志领域是一种新的技术尝试。采用LED阵列背光源透过反光膜后的形式发光,部分LED失效后不会影响标志的整体亮度。大面积LED失效后会造成发光字部分明暗不一,但是只会影响标志的美观程度,正面显示的内容由反光膜字样确定不受背光影响,安全可靠。此类标志亮度均匀、无眩光,能够起到主动显示交通信息、警示驾驶人、降低交通事故发生率的作用,而且色泽均匀、视认效果好,还能够起到亮化、美化城市的作用。

    关键词:交通标志;LED背光源;主动发光;内照式发光

    0 引言

    我国道路交通标志行业起步晚,上世纪80年代末开始采用反光膜材料制作道路交通标志。反光标志使用寿命长、耐候性好,但是遇到雨雪等恶劣天气其视认性能明显降低,尤其是在夜间必须开启远光灯才能识别标志内容。而夜间违规使用远光灯也是造成夜间交通事故的重要原因之一,给人们出行带来安全隐患。

    20世纪90年代开始随着LED技术的发展,因其高亮度、低功耗等性能特点开始被交通标志所采用。自《道路交通标志和标线》(GB5768-1999)颁布实施以来,新技术、新材料发展非常迅速,出现了各类新型的交通标志,极大地提高了交通标志的视认性能。其中以LED主动发光标志的应用最为广泛。公安部2005年颁布了《太阳能道路交通标志》(GA/T 580-2005)对主动发光标志进行了系统的规范,使得主动发光交通标志得到了长足的发展。LED主动发光道路交通标志在恶劣天气或夜晚外界亮度低的情况下,能够自主发光弥补反光标志的不足,从而增加了标志的警示性能,降低了交通事故的发生率。提高了标志亮度,也起到亮化、美化城市的作用。目前市场上主要以点阵式主动发光标志为主,其工艺以手工为主且受到像素失效率的影响,有一定的质量隐患。本文主要探讨一款新型的发光标志,采用LED背光源透射反光膜的形式发光,色泽均匀、亮度柔和,并且极大提高了标志的视认性能和美观性。

    1 LED背投式主动发光指路标志的工作机理及结构设计

    1.1  LED背投式主动发光指路标志工作机理

    LED背投式主动发光指路标志不同于点阵式主动发光道路交通标志,正面完全保留逆反射标志的性能不损坏反光膜,底部粘贴白色反光膜然后粘贴深色膜镂空显示字样或图案,标志底板和深色膜通样镂空在一定间距后放置LED背光源,靠反光膜透射光线实现发光。由于采用基于白色LED背光技术透射白色反光膜的新光学模式,能够实现亮度均匀、色泽柔和的发光效果,且不产生眩光、不受笔画图形等条件的限制。

    图1 LED背投式主动发光指路标志结构示意图

    1.2 标志正面镂空结构分析

    考虑标志底板的抗风能力,发光文字不可能完全镂空需要增加连接筋,将连接筋宽度控制在5~6mm,间距控制在50~60mm,可以保证标志体在40m/s的风速下变形不大于8mm。

    图2 文字加筋效果图

    背投式交通标志的结构层次如图3所示:从下至上内分别是标志底板、光源、导光板、标志面板、反光膜。

    图3 背投式交通标志结构层次

    1.3 箱体结构与防水处理

    如图1所示采用箱体式结构,正面标志底板粘贴反光膜,背后为封闭的箱体,防水结构好,LED必须通过防水胶等方法处理,保证LED正常工作,防水等级要求满足在IP53以上的要求。

    1.4 控制模式设计

    LED背投式主动发光指路标志完全保留了逆反射标志的性能,白天无须发光,节能环保,采用的是南京赛康交通安全科技股份有限公司的赛康太阳能发光标志程序系统V1.0版控制软件,实现了白天不亮夜间自动发光的功能。

    2 外界环境亮度、自发光亮度对标志视认距离的影响

    图4 夜间蓝色和绿色亮度与视认距离的关系

    如图4所示并不是LED亮度增高其视认距离就会增加而是趋于一个上述所提的极限值。对于自发光式标志,包括其他照明或发光设备,交通标志所处的环境亮度是决定交通标志发光亮度的关键因数。在低亮的环境中,较暗的自发光式交通标志视认性更佳;在高亮的环境下,如城市道路、高速公路隧道等环境中,需要高亮的自发光式交通标志与之适应。市区、郊区或乡村等不同环境对交通标志醒目程度、发现和认读都会产生影响。国内外对交通标志照明效果与最大亮度比之间的关系的研究表明,环境亮度与被照对象的最大亮度比例为1:5;如果需要重点强调,则环境亮度与被照对象的最大亮度比例为1:10,超过10倍以上,容易产生眩光。与之适应,结合环境亮度的实测平均值,最佳亮度所处区间以及以上分析结论,考虑道路使用者在行车状态下对亮度反应的差异性,城市内使用自发光式交通标志亮度范围为:背景明亮时,亮度取为140~400cd/m2;当背景亮度一般时,亮度取为50~140cd/m2;当背景较暗时,亮度取为10~50cd/m2。

    3 微棱镜型反光膜透光率测试

    3.1微棱镜型反光膜透光结构分析

    最早发明的反光膜为玻璃微珠型反光膜,此类反光膜具有金属镀层不具有透光性能。20世纪80年代美国人发明了微棱镜型反光膜,此类反光膜开始推出时由于反射系数高、反射角度大造成复杂文字显示眩光,随着工艺技术的提升微棱镜技术得到完善。《道路交通反光膜》(GB/T18833-2012)规定III类以上的反光膜全部为微棱镜型反光膜,肯定了微棱镜反光膜的地位和发展前景。微棱镜反光膜由透明的树脂构成棱镜型气囊结构,加上背胶、防粘纸等构成,光线完全可以穿透发光使得背投式发光标志成为可能。

    图5 微棱镜反光膜结构图

    3.2 典型白色微棱镜型反光膜透光率测试

    从标志亮度与环境亮度的关系可知,微棱镜型反光膜的透光率直接影响LED背光源的设计亮度。微棱镜型反光膜由美国人发明,其核心技术一直掌握在3M、艾利等少数国外企业中,直到近几年国内相关企业才有能力生产微棱镜型反光膜,如通明、道明等几家企业。采用统一亮度背光源透射反光膜的形式测试比较国内外三家厂家反光膜的透光性能,分别以M、T、D表示。

    表1 透射反光膜后的亮度(单位cd/m2,)

         反光膜代号

    背光源亮度

    M

    T

    D

    2690

    430

    273

    290

    3300

    529

    336

    360

    (注:以上为实验数据仅供参考,不作为反光膜性能的指标参照。)

    根据表1可得M型白色微棱镜型的反光膜的透光率η≈16%,D型白色微棱镜型的反光膜的透光率η≈11%,T型白色微棱镜型的反光膜的透光率η≈10%。

    3.3其他颜色微棱镜型反光膜透光率测试

    与测试白色微棱镜型反光膜的透光率的方法一样,测试出红色微棱镜反光膜和黄色微棱镜型的反光膜透光率都在2%以下而且目前市场上的红色、黄色LED的发光强度同等发光角度下仅为白色LED的一半,无法满足背景明亮或一般时的设计亮度要求。指路标志、指示标志的字膜颜色为白色、禁令类标志反光膜颜色通常为红色和黑色、警告类标志通常为黄色和黑色。黑色反光膜不具有透光性,指示标志图案多为箭头,采用点阵式主动发光标志即可满足视认效果。目前LED背投式主动发光道路交通标志主要应用在指路标志上。

    4 LED背光源设计

    4.1 背光源设计亮度分析

    根据前面对外界环境亮度与自发光亮度对比度的分析和白色微棱镜反光膜透光率的测试可得出三类反光膜设计亮度的范围。

    表2 设计亮度范围(cd/m2)

    反光膜型号

    背景亮度

    M

    T

    D

    背景明亮

    875-2502

    1380-3942

    1295-3710

    背景亮度一般

    312-875

    492-1380

    463-1295

    暗背景

    62-312

    98-492

    92-463

    4.2  LED设计亮度和LED发光强度、数量的关系 

    根据行业标准高速公路LED可变信息标志(GB/T23828-2009)中的规定设计亮度公式如式(1)。

    LM=                                  1

    式中:

    LM:设计亮度,单位为坎德拉每平方米(cd/m2,);

    M:测量区域内单粒LED的数量;

    Ik:单粒LED在额定电流下的法向发光强度,单位为坎德拉(cd);

    S:测量区域的有效面积,单位为平方米(m2);

    如果LED发光强度一致且已知单颗LED的发光强度和发光面积就可以测计算出LED数量,如式(2)

               M=LM*S÷ik                                          (2)

    4.3 LED阵列均光分析

    4.3.1 LED视认角度、间距、LED与反光膜间距的关系

    图6白色90°LED光强分布图

    根据LED光强分布图,在LED法向垂直且间距L的平面上各点的光强与此点和LED中轴线的角度θ有关系,利用回归分析法光强分布与夹角成近似于直线的函数关系,如式(3)

    q=Qmax-Qmax                               3

    式中:Q:平面上一点的光强;Qmax:平面上与LED中轴线相交点的光强;LED的发光角度;θ :平面上一点与中轴线的夹角。

    从LED光强分布可知,图6两颗LED的中心点B点的光强最弱,不断缩小LED间距可以使得中心点B点光强增加和LED中心点A点的差距减少,A点和B点的光强差代入公式,如式4:

    Qc=(2actan-actan)---------------------------------4)

    图7 LED分布与反光膜间距关系图

    根据设计亮度范围和文字的发光面积可以测算出不同发光强度LED的数量范围,从而可以得到LED的间距D的范围。根据公式D与L的比值不同,亮度的均匀度就不同,确定D和L的其中一个值后,根据公式就可以确定另外一个值。知道L的值直接影响标志的整体厚度,实际设计时应该先确定L的值,再确定D的值。如果通过公式计算出发光面积后的LED数量,无法满足间距D的要求,必须增加LED数量直到满足均匀度要求。

    4.3.2  LED阵列光学分析与实例验证

    采用90度LED发光强度为3140mcd的白色LED,设计间距d为30MM,可以计算出设计亮度为2034(单位为cd/m2)符合背景明亮时设计亮度的要求。代入公式(4)得到光强差,从而得出均匀度系数,根据实际效果图验证了均光的分析。

    表3 均匀性验证表

    均匀性

     

    间距L

    均匀度

    实际效果图

    10MM

    54%

    20MM

    82%

    30MM

    91%

    5 传统发光道路交通标志和LED背投式主动发光指路标志的优缺点分析

    5.1 传统逆反射标志的优缺点分析

    传统的逆反射标志一般采用铝合金板材作为标志底板,粘贴反光膜的形式制作而成。反光膜根据道路交通反光膜(GB/T18833-2012)的要求,除了Ⅵ类、Ⅶ类用于轮廓标、作业区标志、临时性交通标志等设置等级低的场所,其它反光膜寿命都在7年以上。逆反射标志依靠反光膜通过逆反射作用将光线按接近入射角的角度反射到人眼中,从而使人感知到标志所承载的信息。此类标志具有制作简单、安装方便、使用寿命长、成本低等优势,目前也是应用最为广泛的交通标志产品,但是此类标志功能单一,也存在自身的缺陷。

    (1)受天气影响较大,在恶劣天气条件下其视认性能明显降低;

    (2)被动反光,标志角度歪斜或者在夜间极易被驾驶人和行人忽略;

    (3)夜间驾驶员开启远光灯才能看清标志信息,而滥用“远光灯”是夜间发生交通事故的重大隐患之一。

    5.2点阵式主动发光道路交通标志的优缺点分析

    点阵式主动发光道路交通标志是将LED以镶嵌的方式固定在标志底板的表面上,接通电源后,一个个发光点组成线条,勾勒出标志的图形轮廓或文字的笔画,如图8所示。

    图8点阵式主动发光道路交通标志

    5.2.1点阵式主动发光道路交通标志的优点

    构成外部轮廓的LED间距≦40MM,内部图案的LED间距≦35MM,大型标志远处观看线形效果好,具有以下优点:

    (1)采用反光膜与LED相结合,突破了依赖外部光源视认的局限性

    点阵式 LED交通标志是在传统的交通标志底板上,按照标志的图形轮廓或文字笔画,以某一像素间距钻孔将LED固定在标志底板上。在夜间或环境照度较差时,点亮LED 采用主动发光的方式;在白天或光照条件好的情况下,可以关闭LED依靠反光膜传递信息,同时在电路出现故障时也能够正常发挥作用。

    (2)主动发光,可视距离提高

    LED主动发光改变了交通标志必须依靠外部光源才能被识别的历史,兼顾到所有的道路使用者[9]。采用高亮LED并配以专门的光学透镜,具有极强的光透性和良好的耐候性,在夜间的可视距离是常规标志的两倍,在不良天气状态下是常规标志的4倍,能够有效应对雾霾等恶劣气候条件。

    (3)低能耗,可采用太阳能、风能为其供电

    点阵式LED交通标志采用了较少数量的LED发光二极管,能耗极低,完全可以采用便利的太阳能和风能供电,可以全天候工作,不受地理位置影响,清洁、低碳、绿色符合可持续发展理念。

    5.2.2点阵式主动发光道路交通标志的缺点

    点阵式 LED交通标志的缺点如下:

    (1)大型标志采用如图8所示显示效果好,应用在小型标志或复杂图形和文字时显示效果差,过多的LED排布在很小的范围内显示模糊看不清显示内容如9所示。

    图9小型标志复杂图案的显示效果

    (2)LED失控时导致显示效果减弱

    当其中某个或某几个LED失控时就会出现显示效果减弱,甚至完全改变含义的情况,如图10所示,太行山路在部分LED失控的情况下变成了大行山路。

    图10 LED正常和失效后的显示效果对比

    (3)防水性能差,故障率高

    由于点阵式LED交通标志是将LED发光二极管通过钻孔工艺镶嵌在板志底板上,无法解决防水问题,雨水进入标志后容易腐蚀线路板,故障频发。

    (4)需要在标志版面打孔背后安装线路,无法实现机械化生产。

    5.3  LED背投式主动发光指路标志较传统标志优势分析

    LED背投式主动式发光指路标志不仅具有点阵式主动发光道路交通标志的优点,还具有一些特有的优势。

    (1)亮度均匀,色泽柔和;如图11所示;

    (2)亮化、美化城市;如图11所示;

    (3)采用箱体式结构,LED采用密封胶处理,防水性能更好,故障率更低;

    (4)光源可采用贴片式LED机器焊接,外部可采用型材结构实现机械化生产;

                          图11 LED背投式主动发光指路标志实际效果图

    (5)LED背投式主动发光指路标志完全保留了逆反射标志的性能,白天不亮的情况下和逆反射标志效果一致。夜间发光由于采用LED阵列背光源,部分LED失效后亮度损失不大,外观无明显变化,大部分LED失效后会造成亮暗不均显示效果明显减低,但是对显示内容没有任何影响,灯光条件下仍能准确辨认显示内容。图12为LED失效后的图片。

    图12 LED失效后效果图

    6 结论

    主动发光标志摆脱了外部光源的约束,照顾了所有的道路使用者,也能应对恶劣的气候条件,同时也让交通标志真正成为城市景观的一部分,将成为未来交通标志发展的趋势。而基于背光源的新型主动发光交通标志,则改变了现有的发光模式,实现了点发光向面发光的转变,从而使得主动发光应用于以文字为主的大型指路标志成为现实,是主动发光交通标志产业的一大变革。当然新型标志仍然存在很多难题有待解决,如大型指路标志发光模块功率增大,难以采用太阳能为能源,成本过高。但随着研发技术的不断提高,能源、材料和工艺的不断进步,这些问题也将逐一得到解决。

     

    (丁伯林刘干 南京赛康交通安全科技股份有限公司

    马健霄 周德凯 南京林业大学汽车与交通工程学院

    田甜 上海应用技术学院)

     

    责任编辑:白小嵩

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      刘干 南京赛康交通安全科技股份有限公司董事长;南京林业大学汽车与交通工程学院兼职教授、硕士生导师;南京市城市与交通规划设计研究院交通安全设计分院副院长