中间视觉条件下汽车信号灯色漂移、照度和透雾率研究

徐何辰 饶 丰 薛文涛 谈 茜

(1.江苏科技大学，江苏镇江 212003;2.江苏检验检疫车辆灯具实验室，江苏丹阳 212300)

1 引言

发光二极管 (Light Emitting Diode，LED)作为第四代电光源，以其长寿命、高光效、响应速度快、体积小、结构简单等优点备受汽车制造商的青睐［1］，预计到2013年全球95%的新车尾灯都会使用LED。雾天时，空气中悬浮微粒对不同波长的光，产生的散射和吸收不同，使能见度降低，光源颜色改变，这都不利于道路交通安全。雾天常常出现在清晨和晚上，此时机动交通道路照明的平均路面亮度在0.5～2cd m2，处在中间视觉范围内。在中间视觉条件下，光源的光视效能随着人眼的适应水平改变而变化，变化规律与光源的光谱有关［2］，LED与钨丝灯发光原理不同，导致光谱差异很大。因此有必要研究中间视觉下LED与钨丝汽车信号灯的色漂移、照度变化和透雾率。

2009年，M.F.ZAINI等在暗室内，让人眼分别观测同一状态不同雾浓度下12种单色LED的亮度并打分，得出橙黄光透雾性最佳［3，4］。由于用人眼直接去观测受主观因素影响较大，实验结果不具有客观性。2011年，关雪峰等选择红、黄、绿和蓝四种单色LED作为测试光源，测量同一距离不同雾浓度下光源的照度值，得出在任意浓度下，透雾率从高到低依次是黄光、红光、绿光和蓝光［5］。由于照度计的设计是基于明视觉视见函数，而中间视觉视见函数相对于明视觉视见函数往短波方向移动，使用照度计去测量光源中间视觉透雾率误差较大。同年饶丰等测量了白、蓝、绿、黄和红色 LED从12mA到24mA的辐射谱，计算了不同亮度水平下的光通量，得出白、绿、蓝色LED光通量随亮度水平的降低而增大，黄色和红色LED的光通量随着亮度水平的降低而减小［6］。汽车信号灯对光度与色度要求较高，而以上研究采用的光源色度范围一般，并不针对汽车信号灯，其结果不能完全反映汽车信号灯的变化规律，因此，本研究结合实际道路照明情况，并引入中间视觉来研究汽车信号灯透雾率，更准确的反映信号显示的实际情况。

本研究选择以5050贴片LED、晶圆芯片LED和钨丝灯为光源的红色和琥珀色信号灯为研究对象，在暗箱内用光谱仪测量不同雾浓度下各信号灯的光谱，计算色坐标，然后结合CIE最新推荐的中间视觉模型MES2［7］，计算照度和透雾率并进行比较。

2 实验

2.1 实验条件

为了避免外界光源的干扰，整个实验在自制的长2m、宽1m、高0.5m的暗箱内进行，暗箱关闭后，其内照度小于10－3lx。保持室温为20℃，并关闭门窗以防止气流对实验产生影响。

2.2 实验装置

本实验在暗箱内设置2块黑色挡板并在暗箱四周粘上黑布以吸收杂散光，在同一水平线的暗箱壁和挡板上开一小孔，在光度头处设置一遮光孔来研究光源直射部分的透雾率。用一个6200K，老练过后的白色LED作为参考光源来描述暗箱内雾浓度。实验过程中，把待测灯放置在参考光源后是因为参考光源发热少、体积适中，在测量过程中移动参考光源比移动待测灯更为方便。整个实验装置如图1所示。其中，①为遮光孔;②为暗箱;③为光度头，直径1cm;④为加湿器，用于人工造雾;⑤为小孔;⑥为挡板;⑦为待测灯;⑧为参考光源。

图1 实验装置俯视图Fig.1 Vertical view of experimental apparatus

2.3 实验方法

(1)点亮参考光源与待测灯30分钟，待其稳定后调整待测灯的位置，使光度头位于光斑中心区域并固定待测灯。调整参考光源的位置使之完全遮挡住待测灯并且光度头同样位于光斑中心区域，在参考光源的摆放处做下标记。

(2)合上暗箱，移开参考光源，测量待测灯的初始光谱。放置参考光源于标记处，测量参考光源的初始光谱。

(3)开启加湿器15分钟后关闭，使雾缓慢地从暗箱内消散。等待3分钟让雾扩散均匀后开始测量。测量待测灯时移开参考光源，第一次测量待测灯，第二次测量参考光源，第三次再测量待测灯依此类推一共测量60次，两次测量间隔10s，实验过程中测量参考光源时参考光源保持在初始标记处。

(4)打开暗箱，待雾散尽后擦去暗箱内水气。

(5)重复步骤(2)～(4)三次。

(6)选用另一个待测灯重复步骤(1)～(5)直至6个待测灯全部测量完毕。

3 实验结果及分析

使用LED光色电综合分析仪测量光谱，采样间隔为1nm。实验选用LED及钨丝灯主要参数如表1所示。3种琥珀色汽车信号灯主波长相差最大不超过2nm，红色钨丝灯的主波长相较于红色LED向短波方向移动了10nm。2种LED琥珀色信号灯相较于其他样品绝对光谱功率峰值较小。根据GB4785—2007汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定，以上样品的色度特性均符合国家标准［8］。图2给出了样品的相对光谱，其中琥珀色5050贴片型LED相较于其他2种灯波形较窄，几乎不含有红光部分，晶圆芯片LED含有一部分绿光以及红光，琥珀色钨丝灯则含有大量红光和小部分绿光与黄光，红色5050贴片型LED与晶圆芯片LED光谱分布都较窄，主要集中在橙光与短波红光部分，红色钨丝灯光谱分布较宽，含有少量黄光和大量的长波红光。

表1 实验样品参数Table 1 Parameter of experimental sample

图2 实验样品相对光谱Fig.2 Relative spectrum of experimental sample

在本实验中，当参考光源的透雾率小于15%时，杂散光引起的干扰很大，实验所得数据有较大的误差，另一方面，大雾天时，机场、高速公路等都会采取封闭措施，研究不具有实用性。相比于调节加湿器的档位来获取不同浓度的雾，采用散雾的方法能得到比较平稳的雾，但是当雾浓度较小时，消散时间较长，这对实验的成本以及仪器的要求较高，如供电电源的稳定性等，所以本实验仅研究参考光源透雾率15% ～85%范围内，6种汽车信号灯中间视觉条件下的色漂移、照度变化和透雾率。

3.1 色漂移

由于雾对不同波长光的吸收不同，透雾后信号灯光谱组成发生变化导致颜色的漂移，严重影响交通安全。经研究在雾浓度最大，即参考光源透雾率在15%左右时，6种信号灯透雾后光谱组成与初始光谱差别最大，随着雾浓度的下降，透雾后光谱与初始光谱差别越来越小。

计算透雾后光谱与初始光谱差别方法如下:

式中S(λ)、S'(λ)分别表示光源的初始相对光谱和在参考光源透雾率15%左右时的相对光谱。

表2给出的是6种信号灯在整个实验中的f值。由表2可见，同种颜色LED的f值小于钨丝灯，红色信号灯的f值小于琥珀色信号灯。这主要是因为LED相比于钨丝灯含有的光谱范围较窄，雾对邻近波长光吸收的差异较小，而琥珀色LED的f值偏大可能是由于其光谱功率较小导致的。因此，为了使汽车信号灯在雾天时仍能满足国家标准的色度要求，在设计汽车信号灯具时，应避免选择国家标准的边缘区域，这对设计与检测汽车信号灯具具有重要意义。

表2 6种信号灯f值Table 2 f value of six signal lights

经研究发现，6种信号灯任意雾浓度下色漂移满足Δx+Δy=0，即透雾后6种信号灯色坐标均在过初始色坐标且斜率为－1的直线上移动，如图3所示，其中*表示信号灯的初始色坐标，○表示不同雾浓度下各信号灯的色坐标，可见钨丝灯色漂移大于同种颜色LED，琥珀色信号灯色漂移大于红色信号灯，汽车信号灯在不同雾浓度下色坐标沿着斜率为－1的直线漂移。这是因为CIE1931标准色度系统中 (Z)为蓝原色，对红色与琥珀色信号灯不敏感。图4是CIE1931标准色度观察——(Z)刺激值曲线，结合图2可知 (Z)刺激值曲线与汽车信号灯光谱重合部分很少，经研究汽车信号灯 (Z)刺激值很小，不同雾浓度下 (Z)刺激值的变化量小于0.0001.因此不同雾浓度下汽车信号灯色坐标基本沿着斜率为－1的直线移动。

图3 不同雾浓度下红色和琥珀色信号灯色坐标漂移Fig.3 Color coordinate shift of red and amber signal lights with different fog

图4 CIE1931标准色度观察——(Z刺激值曲线)Fig.4 CIE1931 Standard Chroma

3.2 中间视觉照度变化

在中间视觉下，由于视锥细胞和视杆细胞同时对人眼视觉产生作用，人眼的视见函数发生改变。随着亮度水平的降低，中间视觉视见函数相对于明视觉视见函数向短波方向偏移，这种改变不仅与亮度水平有关，还与光源的光谱有关。

由于现行的城市道路照明设计标准均是以明视觉条件为准，所以引入一个比例参数RL来研究LED与钨丝灯用于汽车信号灯时照度随亮度的变化。RL表示为没有雾时待测灯不同亮度水平L下与明视觉条件下的照度值之比，为了方便起见，用具体亮度值代替L写在下标处。由于在本实验中光源与光度探头的位置固定不变，立体角Ω、给定方向和发光面法线之间的夹角θ都恒定不变，所以其亮度与照度成正比，计算方法如下［9，10］:

其中Ep、Emes表示明视觉与中间视觉下的照度，Δs表示光度头的面积，S(λ)表示光源光谱，φp、φmes分别是由明视觉Vp(λ)和Vmes(λ)定义得到的L亮度水平下，计算得到的光源光通量。

表3给出了6种汽车信号灯在亮度水平0.5、1、2cd m2下相比于明视觉条件下的照度之比。可见6种信号灯在3种亮度水平下的RL均小于1，且随着亮度的降低，RL逐渐减小。在同一亮度水平下，钨丝灯RL大于LED，琥珀色信号灯RL大于红色信号灯。这主要是因为琥珀色与红色信号灯光谱位于视见函数的右侧，随着亮度的降低，视见函数左移，两曲线重合部分急剧减小，红色信号灯减小得更快的缘故。因此在设计汽车信号灯具时，可以增加一个补偿光源以弥补在亮度水平较低时由于视见函数左移导致的照度减小，这对提高实际驾驶安全具有重要意义。

表3 6种信号灯RLTable 3 RLof six signal lights

3.3 中间视觉透雾率

以光度头接收的照度来研究6种信号灯透雾率，透雾率η计算方法如下:

其中K1、K2表示起雾和未起雾时的最大光谱光视效率，S1(λ)、S2(λ)表示起雾和未起雾时光源绝对光谱功率分布，V1(λ)、V2(λ)表示起雾和未起雾时视见函数，Δs表示光度头的面积。根据测得的光谱，使用式 (5)分别计算参考光源与待测灯不同雾浓度下的透雾率。

经研究发现使用式 (6)进行数据拟合能很好的描述光源透雾率随时间的变化关系:

使用式 (6)分别拟合出参考光源和待测灯透雾率随时间的函数关系，拟合过程中排除大于2倍标准差的数据点。图5表示一次拟合过程，其中空心圈代表被排除的数据点。

图5 式 (2)拟合图示Fig.5 Fitting map of formula(2)

篇幅所限，表4仅给出了6种汽车信号灯在明视觉亮度水平下的拟合确定系数，用下标1、2、3来区分同一个待测灯的3次拟合，从表4可知R2均大于0.97，拟合效果良好。

表4 拟合确定系数R2Table 4 Fitting factor R2

结合同一次实验参考光源与待测灯透雾率随时间的函数，取参考光源的透雾率为15%、20%、25%…85%，求出待测灯的透雾率。把同一个待测灯3次实验的透雾率全部求出后，取平均值作为该待测灯的透雾率。

经研究发现亮度水平的改变对6种汽车信号灯透雾率的影响很小，图6是3种红色和琥珀色信号灯明视觉条件下透雾率曲线，以误差棒的形式给出透雾率在亮度水平0.1～2cd m2内的变化范围。由图6可见，无论是红色还是琥珀色信号灯，5050贴片型LED透雾率曲线都位于最上方，晶圆芯片LED透雾率曲线位于最下方。随着雾浓度的降低，3种信号灯透雾率的差异呈现出先增大后减小，琥珀色信号灯透雾率差异不超过6%，红色不超过7%。这主要是因为雾对不同波长的光吸收不同，随着雾浓度的降低，不同波长的光透雾率差异先增大后减小，在任意雾浓度下，黄光的透雾性最好，其次是红光，透雾性最差的是绿光和蓝光［5］。琥珀色5050贴片型LED绝大部分是透雾性最佳的黄光，所以其透雾率最高。琥珀色钨丝灯由于含有少量透雾性较差的绿光以及大量透雾性较好的红光，所以其透雾率次之。琥珀色晶圆芯片LED由于绿光的成份增多且红光的成份减少，所以其透雾率最低。红色信号灯透雾率的差异可能是由于每个纳米波长透雾率的不同再加权光谱分布和人眼视见函数导致的。在亮度水平0.1～2cd m2范围内，6种汽车信号灯透雾率变化很小，钨丝灯透雾率变化不足2%，LED透雾率变化小于1%。这主要是因为汽车信号灯光谱范围较窄，雾对邻近波长光吸收差异不明显。因此，在误差允许范围内设计与检测汽车信号灯具时，可以用明视觉透雾率来替代中间视觉透雾率，这对降低设计难度，降低检测要求均具有重要意义。

图6 红色和琥珀色信号灯透雾率比较Fig.6 Fog penetrability comparison of red and amber signal light

4 结论

LED正成为可应用于汽车信号灯中最具潜力的光源，是国内外研究的热点，为了比较LED与钨丝灯等汽车信号灯中间视觉条件下的特性，本研究运用光色电综合分析仪，分别测量了不同雾浓度下5050贴片LED、晶圆芯片LED和钨丝灯为光源的红色和琥珀色汽车信号灯的光谱。研究表明，在不同雾浓度下，汽车信号灯色坐标沿着斜率为－1的直线漂移，同种颜色钨丝灯色漂移大于LED，琥珀色信号灯色漂移大于红色信号灯。随着亮度水平的降低，汽车信号灯照度均减小，LED减小的幅度大于钨丝灯，红色信号灯减小的幅度大于琥珀色信号灯。亮度水平的改变对汽车信号灯透雾率的影响小于2%，无论是红色还是琥珀色信号灯，透雾率从高到底依次是5050贴片LED、钨丝灯、晶圆芯片LED。该研究对提高实际雾天驾驶安全，汽车信号灯具的设计与检测具有重要意义。

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