基于LED車載警用照明燈光組的檢測技術要求和測試方法研究

■ 文/公安部裝備財務局警用裝備研發(fā)論證中心 凌建壽

中國汽車技術研究中心 朱瑛

鄭州市公安局車輛管理所 喬大力

1 引言

隨著國內外形勢的發(fā)展和車輛改裝技術的進步，各類特種警用車輛在公安民警進行巡邏執(zhí)勤、反恐防暴、搶險救災等工作中起到了至關重要的作用。一些新技術、新裝備越來越多地應用于實戰(zhàn)，進一步提升了警用車輛裝備的保障能力。如具有高效、節(jié)能、壽命長等特點的LED光源正逐步取代大功率氣體放電光源的照明設備，越來越多地應用于警用特種專業(yè)技術用車，為處置突發(fā)事件提供了現(xiàn)場照明的有效保障。但由于目前國內外針對LED光源的標準要求和技術規(guī)范相對滯后，因此，本文結合LED光源的光學特性以及配光鏡材料的物理特性，對LED車載警用照明燈光組的檢測指標和試驗方法提出了相應的參考意見。

2 車載警用照明燈光組的定義由來

把配備于警用車輛上的照明設備定義為車載照明燈光組主要有三點原因：

1）光源的數(shù)量。從現(xiàn)有警用照明車輛的實際配置情況來看，車載照明燈設備很少是由單一光源組成的，多數(shù)是由多個、甚至多種型式的光源組成的燈具組合體。

2）光學照射特性。車載照明設備所發(fā)射光束的光學照射特性有兩種，即泛光特性和聚光特性。有的車載照明設備僅單純具有泛光特性或聚光特性，有的則是兩者兼而有之。

3）組合方式。有的車載照明燈設備是用幾組光源體現(xiàn)一種光學照射特性，有的是用一組光源體現(xiàn)兩種光學照射特性。

基于此，為了更加全面地體現(xiàn)車載照明設備光學性能方面的多樣性、靈活性和特殊性，筆者將其命名為車載照明燈光組，并作了如下定義：車載照明燈光組為具有一種或兩種光學照射特性的車載照明燈具組合。

3 LED燈光組的檢測要求及測試方法

車載警用照明燈光組（以下簡稱燈光組）置于警車上形成專用照明車輛，其主要功能是為處置突發(fā)事件提供現(xiàn)場應急照明。由于國內對LED燈光組的檢測標準和相關技術規(guī)范尚屬空白，現(xiàn)有警用照明車輛的檢測要素不統(tǒng)一，筆者結合國內外現(xiàn)有LED光源檢測技術和實際的使用需求，從配光性能、紫外成份、色溫、顯色性、光度和色度溫度穩(wěn)定性、塑料配光鏡材料試驗等方面提出檢測要求和試驗方法，下面對上述幾方面分析說明。

3.1 LED燈光組的配光性能

基于LED燈光組的配光性能分析，按照射特性分類有兩種，即泛光特性和聚光特性。泛光特性是光呈泛射覆蓋，即光在規(guī)定空間范圍內具備近似等同照度的光學特性；聚光特性是光的聚焦式準直，是一束具備一定照射角度和發(fā)光強度的光線對某物體局部小面積進行照明所具備的特性。顯然，前者要求光的發(fā)散角較大，且有一定的照度均勻性要求，而后者要求光的發(fā)散角較小，照射的強度要求很高。照射特性是把基礎光源發(fā)出的光利用相應的配光部件通過透射、散射、反射、折射后調制而成。

基于配光性能的試驗室測試方法分析，根據(jù)各地民警執(zhí)勤業(yè)務的需要，對燈光組的有效照射距離提出了15m、30m、50m的不同需求，也就提出了對不同有效照射距離情況下的燈光組的考核要求。國內外常見的燈光暗室的測試距離一般為10m或25m。因此，試驗時可采用汽車燈具測試中最常見的車燈旋轉法，利用現(xiàn)有試驗室條件進行照度測試，再把得到的測試結果按照度與測試距離平方成反比的定律進行換算，即可得到任意有效照射距離下的值。這種試驗方法簡單、準確，操作性和復現(xiàn)性強。

通過大量的試驗，得到了不同功率的光源發(fā)出的光通量的最大值，并得到了每種光通量所能滿足的不同照射距離情況下的最小照度值，并據(jù)此對燈光組提出了相應的技術規(guī)范和測試要求，詳見表1。

3.2 LED燈光組的紫外成份

基于LED燈光組的紫外成份分析，在IEC 62471-2006中，提出了光輻射安全方面潛在的生物健康危害主要有以下方面：皮膚和眼睛的光化學危害（200nm～400nm）、眼睛近紫外危害（315nm～400nm）、視網膜藍光光化學危害（300 nm～700nm）、視網膜光化學危害（300nm～-700nm）等幾個方面。白光LED技術（如紫外LED激發(fā)紅綠藍熒光粉的技術）需要增加紫外成份檢測，一是考慮光輻射危害，二是考慮塑料紫外成份會加速塑料配光鏡的老化，影響配光配的透過率，最終影響到配光的效果?，F(xiàn)在的車燈基本上使用塑料材料制成，為防止LED光源中的紫外線成分對塑料配光鏡的老化，對光源的紫外線成分含量需進行一定限制。

表1 車載照明燈光組配光性能參數(shù)表

對于LED燈光組紫外成份測試，參考照明類成熟的燈具技術要求，提出相應的技術規(guī)范。對于汽車用LED光源前照燈，GB 25991-2010中5.9.2.2條已經規(guī)定低UV輻射型式的LED模塊Kuv值應滿足（1）式要求：

（1）式中：Ee（λ）——發(fā)光光譜能量，單位為瓦（W）；

V（λ）——光譜發(fā)光效率，單位為流明1；

（λ）——波長，單位為納米（nm）；

S（λ）——光譜（效應）權重函數(shù)，單位為1；

km——發(fā)光體最大發(fā)光功效極限值，km=583lm/W。

該值用光譜分析儀測得后，應用不大于5nm間距進行計算。UV輻射光譜權重表依據(jù)270nm波長為典型值[即S（λ）=1]；其他UV輻射光譜權重值，依據(jù)表2以內插值替代。

表2 UV輻射光譜權重值

3.3 LED燈光組的色溫

基于LED燈光組色溫分析，目前市場上大多是高色溫、高亮度的LED產品，主流LED白光技術為藍色芯片激發(fā)黃色熒光粉形成白光，采用這種技術的白光當其色溫較高時，在短波藍光波段（約440nm處）有一個較強的峰值（如圖1），藍光輻射對人眼視網膜產生的光化學危害明顯提高，尤其是嬰兒和兒童，其眼睛對短波長光的過濾能力不如成年人。近50年來我國青少年近視發(fā)生率的顯著上升也與光源的不合理光譜組合和亮度配置有重要的相關性。老年人的視網膜黃斑區(qū)功能性退化與藍光輻射的傷害也有直接關系。隨著LED的應用，LED產品為了追求高光效，提高LED的色溫導致光譜中的藍光成分增加，大大提高了光源藍光危害的風險，因此需要限制高色溫的車燈產品，而不能一味片面追求光效或效能。國際照明委員會（Commission Internationale de L'Eclairage，CIE）推薦路燈照明的色溫為4200K，是符合人體生理需求的。鑒于燈光組警用執(zhí)勤的特殊用途，建議最高色溫不應超過5500K。

圖1 典型LED白光的光譜成分

色溫測試時，用積分球或色溫表進行測量，直接讀取數(shù)值即可。

3.4 LED燈光組的顯色性

基于顯色性分析，顯色性是與參考標準光源相比較，光源顯示物體顏色的特性。通俗地講，顯色性是指光源對物體顏色的還原能力，它影響人眼對物體顏色的判斷，是評價照明質量的一項重要指標。一般來說，在顯色性好的光源下看到的物體顏色接近于在日光下看到的該物體的顏色。鑒于警用車的執(zhí)勤的專業(yè)性和嚴謹性考慮，顯色性的考核非常必要。

基于顯色性測試方法，LED光源的光譜分布不同于燈絲燈泡或氣體放電電光源，為了保證LED光源車燈在夜晚使用時對交通標志的清晰辨識，特別是一些紅色的標識，必須要求光源中包含一定量的紅光成分。

LED光源的光譜最低紅光成分應滿足（2）式的要求：

（2）式中：

（λ）為波長，單位為納米（nm）；

Ee（λ）為發(fā)光光譜能量，單位為瓦（W）；

V（λ）為光譜發(fā)光效率，單位為流明1。

試驗時用光譜分析儀測量HV點的最低紅光成分后，用不大于5nm間距進行計算即可。

3.5 光度和色度溫度穩(wěn)定性

基于LED燈光組光度和色度溫度穩(wěn)定性分析，由于LED光源對溫度較為敏感，溫度上升會對其光源顏色、輸出光通量及使用壽命產生較大影響。當LED光源點亮后，會因溫度上升而出現(xiàn)光通輸出的衰退，不同功率及生產廠的衰減程度不同，直接影響到最終的配光效果。因此，對LED光源的車燈均應考核其剛剛點亮及光輸出穩(wěn)定后的光度和色度特性均應符合標準的限值要求。

試驗時，應將LED車載照明燈光組的光源在配光性能測試前應進行15小時的老煉，使其趨于穩(wěn)定后冷卻至室溫。在配光性能試驗時應再度點亮光源，連續(xù)點亮并監(jiān)測其光源出現(xiàn)光度穩(wěn)定狀態(tài)，即光度變化值在15分鐘內小于3%后再進行配光性能的測試。

3.6 LED燈光組的塑料配光鏡材料試驗

目前，照明類車燈的配光鏡材料主要是聚碳酸脂（PC），這種材料的優(yōu)點是透光度高，沖擊韌性好，耐熱性高，尺寸穩(wěn)定性好，成型收縮率小。其缺點主要有以下方面：一是硬度不足，這導致它的耐機械磨損的能力較差。另外，它的耐溫度變化的能力、耐腐蝕能力及抗紫外輻射能力等都較差?，F(xiàn)代的汽車用照明類燈具不僅需要耐受來自太陽的自然光輻射，還要耐受來自自身光源產生的紫外輻射。因此，PC配光鏡一般都要做紫外線表面硬化處理，即在其表面涂上耐候性硬化涂層，一般是耐磨有機硅固化漆。那么就有必要針對塑料配光鏡的這些物理特性進行測量，以保證其材料的穩(wěn)定性，避免產生對配光性能的不良影響。

測試方法應參考較為成熟的GB 4599-2007中對汽車前照燈的配光鏡材料的要求對燈光組的配光鏡進行規(guī)范性考核。

4 結語

作為目前代表著高效、節(jié)能、環(huán)保等設計理念的LED光源，在公安相關業(yè)務領域已廣泛應用。雖然在用于車載照明光源時固然有著其性能的先進性，但節(jié)能、環(huán)保應以安全性、舒適性、可靠性為前提，而大功率LED光源恰恰在安全、舒適、可靠等方面存在隱患。因此，在確立LED車載警用照明燈光組的性能考核時，應將安全隱患的影響降到最低納入考量范疇。有鑒與此，筆者參考了大量同類產品的技術要求，并進行了多次性能測試，積累了大量的技術數(shù)據(jù)，在此基礎上，起草了公安行業(yè)技術標準，首次在國內規(guī)范了LED燈光組技術要求和測試方法，讓其在發(fā)揮公安機關處置突發(fā)事件現(xiàn)場照明保障中最大效能的同時，為國內其他行業(yè)同類車型的LED燈光組測試提供技術參考依據(jù)。

[1] GB 25991-2010.汽車用LED前照燈[S].

[2] IEC/EN 62471.Photobiological safety of lamps and lamp systems[S].2008.