基于背光源的新型主动发光交通标志研究

周德凯，马健霄*，朱亚运，刘干，丁伯林，

(1.南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京 210037；2.南京赛康交通安全科技股份有限公司，南京 210037)

基于背光源的新型主动发光交通标志研究

周德凯1，马健霄1*，朱亚运1，刘干2，丁伯林1，2

(1.南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京 210037；2.南京赛康交通安全科技股份有限公司，南京 210037)

通过系统分析现有主动发光标志的结构、光学模式以及性能，探寻现有主动发光技术难以应用于大型指路标志的原因。将LCD的背光源技术运用到交通标志中，研究一种基于背光源的新型主动发光交通标志，详细介绍了新型标志的结构、光学模式、光源设计、优缺点，针对光源设计给出了理论计算及计算机模拟结果，并在实际应用中得以验证。新型标志的研发实现了主动发光交通标志由点发光模式升级到面发光模式，将主动发光交通标志的应用推广到大型指路标志上。

交通标志；主动发光；背光源；LED

0 引言

主动 发光交通标志的出现是交通标志产业的一次革命性升级，改变了交通标志必须依靠外部光源的历史。现有主动发光标志采用的生产工艺是将LED灯珠以插入的方式固定在标志面板上，本文将其称之为点阵式LED交通标志。《太阳能道路交通标志》(GA/T 580-2005)的颁布实施，使得主动发光交通标志得到了长足的发展。但是，“太阳能道路交通标志”(GA/T 580-2005)也指出了点阵式LED交通标志的不足：不适用有文字说明的交通标志。如何让以文字为主的指路标志实现主动发光，是所有交通工作者一直思考的问题。文章在分析现有主动发光交通标志工艺结构、光学模式、性能的基础上，创造性地将LCD的背光源技术应用到主动发光交通标志中，研究了基于背光源的新型主动发光交通标志，并将其成功地运用于某工程，取得了良好的效果。

1 传统的点阵式LED交通标志

1.1 点阵式LED交通标志工艺结构及光学模式

点阵式LED交通标志自问世以来，因其不依赖外部光源、自主发光、美观、可视距离大等诸多优点[1]受到交通管理部门的青睐，被广为采用。

点阵式LED交通标志采用箱体结构，铝合金型材制作框架、铝合金板制作标志板。控制电路板位于箱体内部，固定在标志底板上；由反光膜制成的标志图案粘贴在标志面板上，并按照某一固定间距在标志面板和反光膜上钻孔，LED灯珠插入孔中，固定在标志面板上。

图1 典型的点阵式LED交通标志Fig.1 Typical lattice LED traffic sign

显然，点阵式LED交通标志是将LED灯珠以某一固定间距插在标志板上，当LED灯珠点亮时形成光点，若干个光点形成发光线条，再由线条勾画出图形轮廓或文字的笔画。这种以点状LED灯珠本身组成图形轮廓或文字笔画的光学模式被称之为点发光模式。

1.2 点阵式LED交通标志性能

1.2.1 优点

与传统逆反射式交通标志相比，点阵式LED交通标志优点显而易见。

(1)LED与反光膜相结合。白天或环境照度好时可以关闭LED；夜晚或环境照度较差时，点亮LED实现主动发光。

(2)可视距离大。点阵式LED交通标志采用高亮LED灯珠，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[2-3]。

(3)以太阳能、风能为能源，清洁、低碳、绿色符合可持续发展理念[4-6]。

1.2.2 缺点

(1)破坏了反光膜的完整性。一旦出现故障，LED灯珠不能被点亮，交通标志的反射性能将会低于传统的交通标志。

(2)视认性能受像素间距影响极大。相邻LED灯珠之间的距离称之为像素间距，点阵式LED交通标志的像素间距是影响标志视认性的一个关键性指标。如图2所示，不同的像素间距其视认效果有很大的差别。

(3)不适用于文字较多的指路标志。要想对文字进行准确刻画，必须采用较小的像素间距。而同一标志中只能采用一个像素间距，否则会造成明暗不均，影响远距离的视认性。随着像素间距减小，LED灯珠以及标志板上钻孔的数量成倍增加，生产成本大幅增加，而良品率却随之下降。

图2 不同像素间距的视认效果Fig.2 Effect of different pixel spacing

(4)局部LED灯珠出现故障时，导致可视效果减弱甚至出现错误信息。

2 基于背光源的新型主动发光交通标志

指路标志在交通标志体系中起着举足轻重的作用，但是受制于制造工艺，现有主动发光技术还不能较好地应用到指路标志中。如何实现指路标志主动发光一直是交通设计工作者不断思考的问题。

长久以来，特别是《太阳能道路交通标志》(GA/T580-2005)颁布以来，人们惯性地认为主动发光就是采用点发光的光学模式以光源本身组成文字或图形轮廓。显然，要实现指路标志主动发光跳出现有的惯性思维是关键。

如果让整个面发光，那么不管文字如何复杂都能够准确地被刻画出来[7-8]。在此思路上，经过不断的实验，终于研发出基于背光源的新型主动发光交通标志，并成功应用于某工程，实施效果良好。

图3 基于背光源的交通标志应用实例Fig.3 Application of a traffic sign based on backlight

2.1 背光源

背光源的设计思路源自液晶显示器(LCD)。LCD是一个面光场，但是液晶面板本身是不发光的，液晶面板具有一定的透光性，LCD在无光处能够被人所见，源于液晶面板背部的光源模组-背光源[9-10]。LED矩阵发出的光经导光板(LGP)和光学膜系的传导成为均匀的面光场分布，再透过液晶面板，从而使得液晶面板上所显示的内容可以被人眼所见。LCD背光照明系统结构由光源、导光板、光学膜系三部分组成[11]，如图4所示。

图4 LCD背光照明系统示意图Fig.4 Schematic diagram of LCD backlight system

借助于LCD背光模组的设计思路，将点阵式LED交通标志的LED灯珠全部移至标志体内部，将其设计为背光源。光线经导光板传导，透过反光膜，从而实现标志面发光。这种新型发光标志被称之为背光源LED交通标志。

2.2 反光膜

背光源发出的光从反光膜透射出，因此反光膜透光是新标志研发成功的关键。

目前交通标志广泛使用的反光膜主要是微棱镜型反光膜。微棱镜反光膜由透明的树脂构成棱镜型气囊结构，光线可以穿透反光膜，微棱镜反光膜透光原理如图5所示。因此本设计中采用的反光膜为微棱镜型反光膜[12]。

图5 微棱镜反光膜透光原理图Fig.5 Schematic diagram of the micro prism reflective film

反光膜透光率的大小直接影响到光源的利用效率，高透射率的反光膜可以提高光源的利用效率，降低背光源的总功率。通过对常用的三种品牌的白色反光膜透光率的检测，选择透光率较高的A品牌反光膜作为新型标志的反光膜。

表1 不同品牌白色反光膜透光率检验结果

2.3 背光源LED交通标志结构设计

背光源LED交通标志结构设计的关键在于如何将点光源转变为面光源，并透过标志面板和反光膜。

新型标志的结构类似于点阵式LED交通标志：采用箱体结构，厚度为40～50 mm，铝合金型材制作框架、铝合金板做面板。不同的是背光源LED交通标志不是在标志面板上钻孔而是将需要发光的图形或文字部分雕刻成镂空状，如图6所示。考虑标志板抗风载的能力，需要对连接筋的大小和间距进行设计。采用沙袋试验法，对不同宽度和间距的连接筋方案进行试验。结果表明，将连接筋宽度控制在5～6mm，间距控制在50～60 mm，可以保证标志体在40 m/s的风速下变形不大于8 mm。

图6 背光源LED交通标志面板镂空结构示意图Fig.6 Schematic diagram of hollow structure of the traffic signs based on backlight

LED组成的光源固定在标志底板上，在标志面板和光源之间设置一块导光板，光源发出的光经过一段混光距离，再通过导光板使其进一步均匀化。

背光源LED交通标志的结构层次如图7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7 背光源LED交通标志结构层次Fig.7 Structure level of traffic signs based on backlight

2.4 背光源LED 交通标志光源设计

影响发光标志视认性的指标主要有两个：发光面的发光均匀度和亮度[13]。因此，光源设计主要就是确定亮度和发光均匀度。空间某一点的亮度是LED亮度叠加的结果，不同区域的亮度差异则构成了发光平面的发光均匀度。

2.4.1 均匀度

(1)单颗LED光强及照度分布

单颗LED的光强分布为[14]：

I(θ)=I0cosmθ。

(1)

根据照度与光强的关系可以推导出空间任一点的照度：

E(r,θ)=E0(r)cosmθ。

(2)

式中:E(r,θ)为与法线夹角θ的方向上距光源r处的照度；E0(r)为法向方向上距光源r处的照度；其他符号意义同上。

将极坐标转换为直角坐标系，则表达式为：

(3)

式中:E(x,y,z)为坐标(x，y，z)处的照度；(X,Y)为法向方向与被照平面交点坐标；其他符号意义同上。

由公式(3)可知，给定被照平面上任意一点的照度主要跟I0、m有关。

图8为LightTools模拟的LED照度分布图，被照平面距LED5mm。

图8 单个LED的光照度分布图Fig.8 Distribution of light intensity of a single LED

(2) LED矩阵照度分布

对于LED矩阵来说，被照平面上任意一点的照度是矩阵中每一个LED灯珠在该点照度的叠加。故由公式(3)可以推出a×b的LED矩阵在(x，y，z)处的照度为：

(d/2)]2+[y-(b+1-2j)(d/2)]+z2}-(m+2)/2。

(4)

式中：z为被照平面与LED矩阵的距离，亦称LED矩阵的混光距离；其他符号意义同上。

照度均匀度为被照平面上考察范围内照度的最小值与最大值的比值：

(5)

式中:R为光照度均匀度；Emin,Emax为照度的最小值和最大值。

假定被照平面的考察范围与LED矩阵一致，则最大值出现在被照平面上的中心，最小值则出现在矩形的角点上[15]。即最大值出现在点(0，0，z)处，最小值出现在点((a-1)d/2，(b-1)d/2，z)，则照度均匀度可以表示为：

(6)

显然，照度均匀度主要与三个参数有关：d、z、m，而m由半强角θ确定。由公式(6)可以得知，随着混光距离z的增加，均匀度也随之增加；随着LED半强角θ的增大，m的值变小，均匀度增大；同样，随着间距d的减小，均匀度也增加。图9、10、11分别是利用LightTools仿真得到的2×2LED矩阵的照度均匀度与z、d、m之间的关系曲线图。

图9 均匀度与d关系曲线图Fig.9 Relationship between evenness and d

图10 均匀度与z关系曲线图Fig.10 Relationship between evenness and z

图11 均匀度与m关系曲线图Fig.11 Relationship between evenness and m

由于标志结构和LED选择范围的限制，z和m的值通常是事先确定的，因此d的值就成了光源设计的重点。

通过LightTools仿真得知，d存在一个临界点。当小于临界点时，照度表现出较好的均匀度，当大于临界点时则呈现明显的光斑。如图12所示。

图12 5×5LED矩阵照度分布图Fig.12 The illumination distribution of the 5×5 LED matrix

(7)

当a=b时，最佳d可以用下式估算[16]：

(8)

2.4.2 亮度

(1)设计亮度的确定

根据韩文元[17]等学者的研究，标志的视认距离随着亮度的增加而变大，但是视认距离并不是无限地增大，而是在亮度达到某一临界值后趋缓，随后如果继续增加亮度反而会出现眩光现象。

标志的视认距离除了和标志的亮度有关，还受背景环境亮度影响。盛丽丽[1]等人的研究成果表明背景环境的亮度是决定自发光交通标志亮度的一个重要因素，在10～400 cd/m2之间存在一个合适的亮度值使交通标志的视认性最佳，并通过试验给出了不同背景环境亮度条件下满足视认距离的交通标志发光亮度的范围，见表2。

表2 不同背景亮度下标志发光亮度范围

(2)标志发光亮度计算

根据前文确定的LED灯珠间距和文字高度、宽度，初步确定LED灯珠的数量n，并初步选择LED灯珠，确定半强角、法向光强等参数。

标志发光亮度可以通过下式来计算：

(9)

式中：L为标志板面发光亮度；n为LED矩阵LED的数量；ηLGP,ηfilm为导光板和反光膜的透光率；ηLED为LED的光源利用效率，实际可利用光与LED发出的全部光的比值；φ1/2导光板的半强角；A为发光面积，与文字高宽为相等的矩形；其余符号意义同上。

将计算L与标志亮度设计值L′比较：若L>L′则满足亮度要求；若L

2.4.3 LED灯珠选择

(1) 颜色

交通标志版面颜色主要有白色、蓝色、红色等。同一标志至少是两种及以上的颜色组合。根据版面颜色组合和物体对不同色光的吸收特性，LED灯珠的颜色有两种选择方案：一是根据反光膜的颜色选择与之相对应的LED灯珠；二是全部选择白色LED灯珠[18]。

如果采用方案1，就需要针对不同颜色的反光膜逐个设计背光源，同时还要考虑不同光源之间的光线阻隔，否则在不同颜色反光膜搭接处就会出现相互干扰。这样既增大了光源设计的难度，也使得标志内部结构更为复杂。若采用方案2，只需要设计一个光源，但当光线穿过非白色反光膜时，仅与反光膜颜色相同的光能够透射出来，光源利用效率与方案1相比较低。综合考虑方案1和方案2的优缺点，选用白色LED作为背光源的颜色。

(2) 发光角度

前文研究已经证实，半强角越大，LED矩阵产生的光照度越均匀。但半强角越大，LED光源利用效率就越低。θ1/2=60°时，光源利用效率大约降低到75%。因此，同样亮度要求下，半强角越大亮度越均匀，但所需要的LED灯珠数量也越多。

(3) 法向光强

法向光强和LED灯珠的数量是决定标志亮度的两个最重要的因素。在标志亮度一定的情况下，降低LED灯珠的法向光强，则需要增加LED灯珠的数量。

因此，在进行光源设计时可以初步选择LED灯珠的半强角、法向光强，根据计算的结果再进行优化设计选择最适合的LED灯珠。

2.4.4 导光板

本文引入导光板主要有两个作用：一是弥补混光距离的不足，使得出射光更加均匀；二是导光板位于标志面板下，并在四周用胶水将导光板粘贴在标志面板上，可以弥补标志面板被雕刻成镂空后的防水和强度上的缺陷。

3 背光源LED交通标志光源设计实例

3.1 基本参数确定

3.1.1 LED的选择

本次设计中选择了白色LED，法向光强3 000 mcd，半强角θ1/2=60°，光源利用效率ηLED=75%。

3.1.2 混光距离z

标志体厚度50 mm，考虑标志底板布设线路和LED矩阵占用了一部分厚度，确定LED矩阵到标志面板的距离，即混光距离z为40 mm。

3.1.3 反光膜及导光板选择

通过实验来选择高透光率的棱镜反光膜。根据2.2节的试验结果，选择A品牌的白色反光膜作为透光材料，其透光率ηfilm=16%。

导光板选用新型体散射粒子型导光板，半强角φ1/2=60°，其透光率ηLGP=90%。

3.2 光源设计

3.2.1 确定最佳LED间距d

本次设计中文字高50 cm，高宽比为1∶1 。以单个文字为单元进行设计，则LED矩阵成正方形，利用公式(8)估算dmax=40 mm。

3.2.2 计算标志发光亮度

根据dmax=40 mm初定LED矩阵为14×14的方阵，据表2确定标志在明亮背景下的设计亮度L′为200 cd/m2。利用公式(9)得到在初定光源条件下的计算亮度L=254.02 cd/m2，L>L′足标志设计亮度要求。

3.2.3 均匀度验证

根据计算机模拟和实际产品对上文的结果进行验证，结果如图13和14所示。设计光源在被照平面上产生的照度具有较好的均匀度。

图13 仿真照度分布图Fig.13 The diagram of simulation illumination distribution

图14 实际样品发光图Fig.14 The illuminated diagram of real sample

4 背光源LED交通标志的性能

4.1 背光源LED交通标志的优点

(1)背光源设计，保证了反光膜的完整性。

(2)实现了面发光。背光模组的设计，将点状光源转换为面光场，实现文字或图形整个平面发光，即使部分LED灯珠出现故障，也不会对标志的功能产生较大影响。导光板的匀光作用，让面光场均匀、柔和，可以克服点阵式LED交通标志的刺眼与断字问题等缺点。

(3)模组化设计便于安装与维修。

4.2 背光源LED交通标志的缺点

从目前的工程实践来看，新型标志有以下两个主要的缺陷：

(1)功率较大，暂时未能实现太阳能供电。

(2)未能现实全部信息发光。限于结构及力学的要求，目前还不能将标志板上所有的信息雕刻成镂空，如英文、公里数等较小的文字。

5 结束语

主动发光标志摆脱了对外部光源的依赖，照顾了所有的道路使用者，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，是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较大，难以采用太阳能为能源；鉴于材料和工艺所限，目前只能实现主要文字发光，对于较小的文字还没有能够实现发光。相信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。

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New Active Luminous Traffic Signs Based on Backlight

Zhou Dekai1，Ma Jianxiao1*，Zhu Yayun1，Liu Gan2，Ding Bolin1，2

(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China； 2.Nanjing SKY Traffic Safety Technology Stock CO.，LTD，Nanjing 210037，China)

Based on the systematic analysis of the structure，optical mode and performance of existing active luminous signs，the reasons that the active luminous emitting technology is difficultly applied in large guide signs was explored in this paper.The LCD back light technology was creatively applied to the traffic signs and a new type active luminous traffic signs was developed based on backlight.The structure，optical mode，light design，advantages and disadvantages of the new traffic signs were introduced in detail.The theoretical calculation and computer simulation results were given for the light source design，and the results were verified in practical applications.The research of novel traffic signs makes the light-emitting mode of active luminous traffic signs upgrade from point emitting to surface emitting，and makes the large guide sign active luminous.

traffic signs；active light-emitting；backlight；LED

2016-09-09

公路交通安全技术交通行业重点实验室开放课题资助(20130104)

周德凯，硕士，工程师。研究方向：交通安全。

*通信作者：马健霄，博士，教授。研究方向：城市与区域交通规划。E-mail:jxmai@163.com

周德凯，马健霄，朱亚运，等.基于背光源的新型主动发光交通标志研究[J].森林工程，2017，33(1)：76-80.

S 792

A

1001-005X(2017)01-0076-07