中間視覺條件下汽車信號(hào)燈色漂移、照度和透霧率研究

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)檢疫車輛燈具實(shí)驗(yàn)室，江蘇丹陽(yáng) 212300)

1 引言

發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode，LED)作為第四代電光源，以其長(zhǎng)壽命、高光效、響應(yīng)速度快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)備受汽車制造商的青睞［1］，預(yù)計(jì)到2013年全球95%的新車尾燈都會(huì)使用LED。霧天時(shí)，空氣中懸浮微粒對(duì)不同波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生的散射和吸收不同，使能見度降低，光源顏色改變，這都不利于道路交通安全。霧天常常出現(xiàn)在清晨和晚上，此時(shí)機(jī)動(dòng)交通道路照明的平均路面亮度在0.5～2cd m2，處在中間視覺范圍內(nèi)。在中間視覺條件下，光源的光視效能隨著人眼的適應(yīng)水平改變而變化，變化規(guī)律與光源的光譜有關(guān)［2］，LED與鎢絲燈發(fā)光原理不同，導(dǎo)致光譜差異很大。因此有必要研究中間視覺下LED與鎢絲汽車信號(hào)燈的色漂移、照度變化和透霧率。

2009年，M.F.ZAINI等在暗室內(nèi)，讓人眼分別觀測(cè)同一狀態(tài)不同霧濃度下12種單色LED的亮度并打分，得出橙黃光透霧性最佳［3，4］。由于用人眼直接去觀測(cè)受主觀因素影響較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有客觀性。2011年，關(guān)雪峰等選擇紅、黃、綠和藍(lán)四種單色LED作為測(cè)試光源，測(cè)量同一距離不同霧濃度下光源的照度值，得出在任意濃度下，透霧率從高到低依次是黃光、紅光、綠光和藍(lán)光［5］。由于照度計(jì)的設(shè)計(jì)是基于明視覺視見函數(shù)，而中間視覺視見函數(shù)相對(duì)于明視覺視見函數(shù)往短波方向移動(dòng)，使用照度計(jì)去測(cè)量光源中間視覺透霧率誤差較大。同年饒豐等測(cè)量了白、藍(lán)、綠、黃和紅色 LED從12mA到24mA的輻射譜，計(jì)算了不同亮度水平下的光通量，得出白、綠、藍(lán)色LED光通量隨亮度水平的降低而增大，黃色和紅色LED的光通量隨著亮度水平的降低而減?。?］。汽車信號(hào)燈對(duì)光度與色度要求較高，而以上研究采用的光源色度范圍一般，并不針對(duì)汽車信號(hào)燈，其結(jié)果不能完全反映汽車信號(hào)燈的變化規(guī)律，因此，本研究結(jié)合實(shí)際道路照明情況，并引入中間視覺來(lái)研究汽車信號(hào)燈透霧率，更準(zhǔn)確的反映信號(hào)顯示的實(shí)際情況。

本研究選擇以5050貼片LED、晶圓芯片LED和鎢絲燈為光源的紅色和琥珀色信號(hào)燈為研究對(duì)象，在暗箱內(nèi)用光譜儀測(cè)量不同霧濃度下各信號(hào)燈的光譜，計(jì)算色坐標(biāo)，然后結(jié)合CIE最新推薦的中間視覺模型MES2［7］，計(jì)算照度和透霧率并進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了避免外界光源的干擾，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在自制的長(zhǎng)2m、寬1m、高0.5m的暗箱內(nèi)進(jìn)行，暗箱關(guān)閉后，其內(nèi)照度小于10－3lx。保持室溫為20℃，并關(guān)閉門窗以防止氣流對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在暗箱內(nèi)設(shè)置2塊黑色擋板并在暗箱四周粘上黑布以吸收雜散光，在同一水平線的暗箱壁和擋板上開一小孔，在光度頭處設(shè)置一遮光孔來(lái)研究光源直射部分的透霧率。用一個(gè)6200K，老練過(guò)后的白色LED作為參考光源來(lái)描述暗箱內(nèi)霧濃度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，把待測(cè)燈放置在參考光源后是因?yàn)閰⒖脊庠窗l(fā)熱少、體積適中，在測(cè)量過(guò)程中移動(dòng)參考光源比移動(dòng)待測(cè)燈更為方便。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中，①為遮光孔;②為暗箱;③為光度頭，直徑1cm;④為加濕器，用于人工造霧;⑤為小孔;⑥為擋板;⑦為待測(cè)燈;⑧為參考光源。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖Fig.1 Vertical view of experimental apparatus

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)點(diǎn)亮參考光源與待測(cè)燈30分鐘，待其穩(wěn)定后調(diào)整待測(cè)燈的位置，使光度頭位于光斑中心區(qū)域并固定待測(cè)燈。調(diào)整參考光源的位置使之完全遮擋住待測(cè)燈并且光度頭同樣位于光斑中心區(qū)域，在參考光源的擺放處做下標(biāo)記。

(2)合上暗箱，移開參考光源，測(cè)量待測(cè)燈的初始光譜。放置參考光源于標(biāo)記處，測(cè)量參考光源的初始光譜。

(3)開啟加濕器15分鐘后關(guān)閉，使霧緩慢地從暗箱內(nèi)消散。等待3分鐘讓霧擴(kuò)散均勻后開始測(cè)量。測(cè)量待測(cè)燈時(shí)移開參考光源，第一次測(cè)量待測(cè)燈，第二次測(cè)量參考光源，第三次再測(cè)量待測(cè)燈依此類推一共測(cè)量60次，兩次測(cè)量間隔10s，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量參考光源時(shí)參考光源保持在初始標(biāo)記處。

(4)打開暗箱，待霧散盡后擦去暗箱內(nèi)水氣。

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)三次。

(6)選用另一個(gè)待測(cè)燈重復(fù)步驟(1)～(5)直至6個(gè)待測(cè)燈全部測(cè)量完畢。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

使用LED光色電綜合分析儀測(cè)量光譜，采樣間隔為1nm。實(shí)驗(yàn)選用LED及鎢絲燈主要參數(shù)如表1所示。3種琥珀色汽車信號(hào)燈主波長(zhǎng)相差最大不超過(guò)2nm，紅色鎢絲燈的主波長(zhǎng)相較于紅色LED向短波方向移動(dòng)了10nm。2種LED琥珀色信號(hào)燈相較于其他樣品絕對(duì)光譜功率峰值較小。根據(jù)GB4785—2007汽車及掛車外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定，以上樣品的色度特性均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［8］。圖2給出了樣品的相對(duì)光譜，其中琥珀色5050貼片型LED相較于其他2種燈波形較窄，幾乎不含有紅光部分，晶圓芯片LED含有一部分綠光以及紅光，琥珀色鎢絲燈則含有大量紅光和小部分綠光與黃光，紅色5050貼片型LED與晶圓芯片LED光譜分布都較窄，主要集中在橙光與短波紅光部分，紅色鎢絲燈光譜分布較寬，含有少量黃光和大量的長(zhǎng)波紅光。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)Table 1 Parameter of experimental sample

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品相對(duì)光譜Fig.2 Relative spectrum of experimental sample

在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)參考光源的透霧率小于15%時(shí)，雜散光引起的干擾很大，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)有較大的誤差，另一方面，大霧天時(shí)，機(jī)場(chǎng)、高速公路等都會(huì)采取封閉措施，研究不具有實(shí)用性。相比于調(diào)節(jié)加濕器的檔位來(lái)獲取不同濃度的霧，采用散霧的方法能得到比較平穩(wěn)的霧，但是當(dāng)霧濃度較小時(shí)，消散時(shí)間較長(zhǎng)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)的成本以及儀器的要求較高，如供電電源的穩(wěn)定性等，所以本實(shí)驗(yàn)僅研究參考光源透霧率15% ～85%范圍內(nèi)，6種汽車信號(hào)燈中間視覺條件下的色漂移、照度變化和透霧率。

3.1 色漂移

由于霧對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收不同，透霧后信號(hào)燈光譜組成發(fā)生變化導(dǎo)致顏色的漂移，嚴(yán)重影響交通安全。經(jīng)研究在霧濃度最大，即參考光源透霧率在15%左右時(shí)，6種信號(hào)燈透霧后光譜組成與初始光譜差別最大，隨著霧濃度的下降，透霧后光譜與初始光譜差別越來(lái)越小。

計(jì)算透霧后光譜與初始光譜差別方法如下:

式中S(λ)、S'(λ)分別表示光源的初始相對(duì)光譜和在參考光源透霧率15%左右時(shí)的相對(duì)光譜。

表2給出的是6種信號(hào)燈在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的f值。由表2可見，同種顏色LED的f值小于鎢絲燈，紅色信號(hào)燈的f值小于琥珀色信號(hào)燈。這主要是因?yàn)長(zhǎng)ED相比于鎢絲燈含有的光譜范圍較窄，霧對(duì)鄰近波長(zhǎng)光吸收的差異較小，而琥珀色LED的f值偏大可能是由于其光譜功率較小導(dǎo)致的。因此，為了使汽車信號(hào)燈在霧天時(shí)仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的色度要求，在設(shè)計(jì)汽車信號(hào)燈具時(shí)，應(yīng)避免選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的邊緣區(qū)域，這對(duì)設(shè)計(jì)與檢測(cè)汽車信號(hào)燈具具有重要意義。

表2 6種信號(hào)燈f值Table 2 f value of six signal lights

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，6種信號(hào)燈任意霧濃度下色漂移滿足Δx+Δy=0，即透霧后6種信號(hào)燈色坐標(biāo)均在過(guò)初始色坐標(biāo)且斜率為－1的直線上移動(dòng)，如圖3所示，其中*表示信號(hào)燈的初始色坐標(biāo)，○表示不同霧濃度下各信號(hào)燈的色坐標(biāo)，可見鎢絲燈色漂移大于同種顏色LED，琥珀色信號(hào)燈色漂移大于紅色信號(hào)燈，汽車信號(hào)燈在不同霧濃度下色坐標(biāo)沿著斜率為－1的直線漂移。這是因?yàn)镃IE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)中 (Z)為藍(lán)原色，對(duì)紅色與琥珀色信號(hào)燈不敏感。圖4是CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察——(Z)刺激值曲線，結(jié)合圖2可知 (Z)刺激值曲線與汽車信號(hào)燈光譜重合部分很少，經(jīng)研究汽車信號(hào)燈 (Z)刺激值很小，不同霧濃度下 (Z)刺激值的變化量小于0.0001.因此不同霧濃度下汽車信號(hào)燈色坐標(biāo)基本沿著斜率為－1的直線移動(dòng)。

圖3 不同霧濃度下紅色和琥珀色信號(hào)燈色坐標(biāo)漂移Fig.3 Color coordinate shift of red and amber signal lights with different fog

圖4 CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察——(Z刺激值曲線)Fig.4 CIE1931 Standard Chroma

3.2 中間視覺照度變化

在中間視覺下，由于視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞同時(shí)對(duì)人眼視覺產(chǎn)生作用，人眼的視見函數(shù)發(fā)生改變。隨著亮度水平的降低，中間視覺視見函數(shù)相對(duì)于明視覺視見函數(shù)向短波方向偏移，這種改變不僅與亮度水平有關(guān)，還與光源的光譜有關(guān)。

由于現(xiàn)行的城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均是以明視覺條件為準(zhǔn)，所以引入一個(gè)比例參數(shù)RL來(lái)研究LED與鎢絲燈用于汽車信號(hào)燈時(shí)照度隨亮度的變化。RL表示為沒有霧時(shí)待測(cè)燈不同亮度水平L下與明視覺條件下的照度值之比，為了方便起見，用具體亮度值代替L寫在下標(biāo)處。由于在本實(shí)驗(yàn)中光源與光度探頭的位置固定不變，立體角Ω、給定方向和發(fā)光面法線之間的夾角θ都恒定不變，所以其亮度與照度成正比，計(jì)算方法如下［9，10］:

其中Ep、Emes表示明視覺與中間視覺下的照度，Δs表示光度頭的面積，S(λ)表示光源光譜，φp、φmes分別是由明視覺Vp(λ)和Vmes(λ)定義得到的L亮度水平下，計(jì)算得到的光源光通量。

表3給出了6種汽車信號(hào)燈在亮度水平0.5、1、2cd m2下相比于明視覺條件下的照度之比。可見6種信號(hào)燈在3種亮度水平下的RL均小于1，且隨著亮度的降低，RL逐漸減小。在同一亮度水平下，鎢絲燈RL大于LED，琥珀色信號(hào)燈RL大于紅色信號(hào)燈。這主要是因?yàn)殓晟c紅色信號(hào)燈光譜位于視見函數(shù)的右側(cè)，隨著亮度的降低，視見函數(shù)左移，兩曲線重合部分急劇減小，紅色信號(hào)燈減小得更快的緣故。因此在設(shè)計(jì)汽車信號(hào)燈具時(shí)，可以增加一個(gè)補(bǔ)償光源以彌補(bǔ)在亮度水平較低時(shí)由于視見函數(shù)左移導(dǎo)致的照度減小，這對(duì)提高實(shí)際駕駛安全具有重要意義。

表3 6種信號(hào)燈RLTable 3 RLof six signal lights

3.3 中間視覺透霧率

以光度頭接收的照度來(lái)研究6種信號(hào)燈透霧率，透霧率η計(jì)算方法如下:

其中K1、K2表示起霧和未起霧時(shí)的最大光譜光視效率，S1(λ)、S2(λ)表示起霧和未起霧時(shí)光源絕對(duì)光譜功率分布，V1(λ)、V2(λ)表示起霧和未起霧時(shí)視見函數(shù)，Δs表示光度頭的面積。根據(jù)測(cè)得的光譜，使用式 (5)分別計(jì)算參考光源與待測(cè)燈不同霧濃度下的透霧率。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)使用式 (6)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合能很好的描述光源透霧率隨時(shí)間的變化關(guān)系:

使用式 (6)分別擬合出參考光源和待測(cè)燈透霧率隨時(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)。圖5表示一次擬合過(guò)程，其中空心圈代表被排除的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖5 式 (2)擬合圖示Fig.5 Fitting map of formula(2)

篇幅所限，表4僅給出了6種汽車信號(hào)燈在明視覺亮度水平下的擬合確定系數(shù)，用下標(biāo)1、2、3來(lái)區(qū)分同一個(gè)待測(cè)燈的3次擬合，從表4可知R2均大于0.97，擬合效果良好。

表4 擬合確定系數(shù)R2Table 4 Fitting factor R2

結(jié)合同一次實(shí)驗(yàn)參考光源與待測(cè)燈透霧率隨時(shí)間的函數(shù)，取參考光源的透霧率為15%、20%、25%…85%，求出待測(cè)燈的透霧率。把同一個(gè)待測(cè)燈3次實(shí)驗(yàn)的透霧率全部求出后，取平均值作為該待測(cè)燈的透霧率。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)亮度水平的改變對(duì)6種汽車信號(hào)燈透霧率的影響很小，圖6是3種紅色和琥珀色信號(hào)燈明視覺條件下透霧率曲線，以誤差棒的形式給出透霧率在亮度水平0.1～2cd m2內(nèi)的變化范圍。由圖6可見，無(wú)論是紅色還是琥珀色信號(hào)燈，5050貼片型LED透霧率曲線都位于最上方，晶圓芯片LED透霧率曲線位于最下方。隨著霧濃度的降低，3種信號(hào)燈透霧率的差異呈現(xiàn)出先增大后減小，琥珀色信號(hào)燈透霧率差異不超過(guò)6%，紅色不超過(guò)7%。這主要是因?yàn)殪F對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收不同，隨著霧濃度的降低，不同波長(zhǎng)的光透霧率差異先增大后減小，在任意霧濃度下，黃光的透霧性最好，其次是紅光，透霧性最差的是綠光和藍(lán)光［5］。琥珀色5050貼片型LED絕大部分是透霧性最佳的黃光，所以其透霧率最高。琥珀色鎢絲燈由于含有少量透霧性較差的綠光以及大量透霧性較好的紅光，所以其透霧率次之。琥珀色晶圓芯片LED由于綠光的成份增多且紅光的成份減少，所以其透霧率最低。紅色信號(hào)燈透霧率的差異可能是由于每個(gè)納米波長(zhǎng)透霧率的不同再加權(quán)光譜分布和人眼視見函數(shù)導(dǎo)致的。在亮度水平0.1～2cd m2范圍內(nèi)，6種汽車信號(hào)燈透霧率變化很小，鎢絲燈透霧率變化不足2%，LED透霧率變化小于1%。這主要是因?yàn)槠囆盘?hào)燈光譜范圍較窄，霧對(duì)鄰近波長(zhǎng)光吸收差異不明顯。因此，在誤差允許范圍內(nèi)設(shè)計(jì)與檢測(cè)汽車信號(hào)燈具時(shí)，可以用明視覺透霧率來(lái)替代中間視覺透霧率，這對(duì)降低設(shè)計(jì)難度，降低檢測(cè)要求均具有重要意義。

圖6 紅色和琥珀色信號(hào)燈透霧率比較Fig.6 Fog penetrability comparison of red and amber signal light

4 結(jié)論

LED正成為可應(yīng)用于汽車信號(hào)燈中最具潛力的光源，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，為了比較LED與鎢絲燈等汽車信號(hào)燈中間視覺條件下的特性，本研究運(yùn)用光色電綜合分析儀，分別測(cè)量了不同霧濃度下5050貼片LED、晶圓芯片LED和鎢絲燈為光源的紅色和琥珀色汽車信號(hào)燈的光譜。研究表明，在不同霧濃度下，汽車信號(hào)燈色坐標(biāo)沿著斜率為－1的直線漂移，同種顏色鎢絲燈色漂移大于LED，琥珀色信號(hào)燈色漂移大于紅色信號(hào)燈。隨著亮度水平的降低，汽車信號(hào)燈照度均減小，LED減小的幅度大于鎢絲燈，紅色信號(hào)燈減小的幅度大于琥珀色信號(hào)燈。亮度水平的改變對(duì)汽車信號(hào)燈透霧率的影響小于2%，無(wú)論是紅色還是琥珀色信號(hào)燈，透霧率從高到底依次是5050貼片LED、鎢絲燈、晶圓芯片LED。該研究對(duì)提高實(shí)際霧天駕駛安全，汽車信號(hào)燈具的設(shè)計(jì)與檢測(cè)具有重要意義。

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