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1、LED研究中间视觉条件下符合道路照明安全标准的LED路灯研究3收稿日期:20082082223 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678180)作者简介:杨春宇(1953-),男,博士,教授,主要从事建筑技术(光学方向)研究。杨春宇(重庆大学建筑城规学院,重庆400045)摘 要:LED功率型路灯是目前研究的热点之一,文章提出LED功率型路灯应符合国家道路照明标准,道路照明与中间视觉的关系作为LED路灯不可忽视的问题,文章建议了LED功率型路灯研究应深入的几方面问题,使之能应用到道路照明中,达到安全、节能等目的。关键词:中间视觉;道路照明;LED路灯;确定的问题Study on LED
2、Streetlamps With Road Lighting Safe In the Condition of Mesoptic VisionYang Chunyu(College of Architecture and Urban Planning,Chongqing University,Chongqing400045)Abstract:Power-LED streetlamps is one of the hot spots of research,this paper discussed power-LED street2lamps should be in line with nat
3、ional standardsfor road lighting.The relationship between road lighting and mesop2tic vision can not be ignored,this paper recommends that the power-LED streetlamps should be an in-depthstudy,so that in can be applied to road lighing for safe,energy-saving purposes.Keywords:mesoptic vision;road ligh
4、ting;LED street lamps;identified problems 随着半导体科学技术的发展,高亮度发光二极管制作技术取得巨大突破,人们希望通过推广和采用高光效光源,逐步取代低光效光源。用LED制作路灯主要有以下优点或特点:发光效率高,灯具反射损失低,节省能源;配合数字控制亮度功能,更省电;不需高压,安全性高;配合软件可由远程自动遥控亮度;事故、多雾、雨天等特殊情况下提供超高亮度及显色性高的照明光源;安装维护简便;模块安装、无多余配线;不会造成光污染或浪费;长寿命,意味着不需要经常进行更换,从而减少了交通中断的潜在性,降低了为此支付的维修费用。当前,推行LED制作路灯存在的问题
5、是:LED作为路灯产品,一般技术水平较低;生产企业普遍规模较小,生产工艺落后;产品结构不合理,原材料和配件的协调发展程度较差,不能适应产业化发展的要求;产品质量不稳定,影响产品寿命;产品市场混乱,低价、低质、假冒、伪劣产品对LED路灯的推广影响很坏。因此,研制高效、节能、品质优良的LED路灯产品,是每一个研发和生产LED企业应尽的责任。LED路灯在实际环境下成组使用的灯具产品,必须满足道路照明的基本功能要求,为夜间行车者提供一个视觉安全可靠的条件。因此,加强对LED路灯运用于道路照明的各项技术性研究,开发出符合道路照明标准的LED路灯是我国LED各相关科212008年12月 灯与照明 第32卷
6、第4期研单位及生产企业的当务之急。道路照明水平是在低于几cdm2和高于百分之几cdm2的亮度范围内,属于中间视觉范围。因此,用中间视觉理论并应用于LED路灯产品各项技术研究中,是我国LED应用于道路照明的重要内容。国际照明委员会(CIE)的调查报告表明,夜间良好的道路照明可降低城市道路交通事故率30%-40%。目前,我国道路照明设计是在明视觉条件下评价照明效果。即根据中央窝(2 视场)锥状感光细胞的光谱光视效率函数V()进行计算的。事实上,在夜间行车和室外步行时,锥状感光细胞和杆状感光细胞在同时工作,即除了中央视觉外,周边视觉也在起作用,而且避免交通事故发生和保证行人安全的最重要的早期察觉得益
7、于周边视觉。实际上,保持合适的行车路线或判断到路边距离和障碍物的能力及较早的发现危险现象,几乎完全是依赖于周边视觉。所以,采用中间视觉理论研究LED路灯的各项相关技术,提高道路照明可见度,非常必要。LED照明路灯是基于LED节能、环保等优点,与其相应的电子电路配合研制而成,主要由金属灯壳、驱动电子电路和数只大功率LED光源组成。其LED发光板结构如图1所示,平面图如图2所示。当电源接通220 V交流电,经电子电路降压、整流、滤波、恒流后,输出450 mA恒流源,供LED光源发光。其工作原理如图3所示。图1LED发光板结构图图2 平面示意图图3 工作原理图 功率型LED路灯构造主要由控制电源、灯
8、光源、灯坐、灯罩、散热装置、壳体及灯杆组成。保证灯具功能的核心是控制电源、灯光源、灯罩、散热装置。目前,功率型LED路灯光源是采用大功率LED光源均匀排列,通过串、并联组合,来满足功率型LED作为路灯光源的功能技术要求。大功率LED颗粒状发光二极管P-N结的工作曲线决定,它的最佳工作状态、发光效率都与其供电的电压和电流的大小和其稳定性有关,功率型LED路灯采用大功率LED颗粒状发光二极管均匀排列,通过串、并联组合后,其每一串串联组合的回路,是否电流分配一致,对路灯整体发光效果有致关重要的影响;每一组并联组合的回路,是否电压稳定一致,对路灯整体发光效果也有致关重要的影响。发光二极管还有一个致命的
9、弱点,发光二极管的工作环境温度,对其保持最佳工作状态和理想发光效率影响极大,超过摄氏60度,发光二极管的工作曲线就不稳定,甚至无法工作。路灯的工作时间一般是晚上六点至第二天早上六点。上半夜居民用电高峰,电网电压偏低;后半夜居民用电低谷,电网电压偏高。允许偏差最高达40 V。甚至电网电压会出现瞬间峰值。这是目前发电厂的调控措施较难解决的问题。所以功率型LED作为路灯光源的电源控制问题,是保证功率型LED路灯满足道路照明的基本功能要求的首要问题。确保功率型LED路灯每一回路的电流和电压恒定在LED光源的最佳工作点,对延长LED路灯的使用寿命,延缓光的衰减速度,提高发光效率,承受温度效应,都有着致关
10、重要的作用。功率型LED路灯灯光源的生产技312008年12月 灯与照明 第32卷第4期术,目前基本能满足功率型LED路灯的功能要求,当然也有待于进一步提高和发展。功率型LED路灯的灯罩工艺,是否采用了二次光学设计技术,是解决光通效率的关键措施。克服发光二极管致命的弱点,控制发光二极管的工作环境温度,是靠功率型LED路灯的散热装置来解决。这是功率型LED路灯目前较难解决的问题。大功率多数量的LED颗粒组成的路灯,LED工作时需要的电能很大部分转换成热能释放出来,如果不及时散掉,就会影响发光二极管的正常工作效能。又由于使用在高杆上,要求路灯散热装置不能过重,给路灯散热装置设置了一定的约束条件,给
11、该课题的研发增加了难度。尽管研发路灯散热装置的难度很大,只有突破这项难关,才能确保功率型LED路灯的推广与广泛正常使用,目前LED功率型路灯应解决如下一些问题。1、LED路灯光源光谱分布在中间视觉状况下,道路及障碍物可见度的研究,采用新颖的研究中间视觉的综合方法获得的中间视觉光度学系统进行评价。从理论上解决LED路灯光源光谱在道路照明应用的可见度情况。2、LED路灯在道路照明中发热时光效变化过程(老化、稳定性降低等)与中间视觉条件下视看度的影响程度研究。LED路灯散热处理不好,导致老化加快,工作稳定性降低。需要研究的是,在正常点亮时结温温升 25 时,从点亮到稳定的一个温度过程中,光通量下降、
12、光效降低到何种程度,影响在中间视觉条件下的视看度,从而为散热处理提供理论支撑。3、在中间视觉条件下,人对LED路灯的白光(5700 K-6 300 K之间)与暖白光(2 700 K-3 300 K之间)的反应时间研究。CIE2000年成立了TC1-58技术委员会进行中间视觉条件下视觉功效的研究。He等人用实验研究了金卤灯与高压钠灯发光效率相等,再利用CIE的明视觉10 视野的光谱光视效能函数V10()和暗视觉光谱光视效能函数V()的组合后获得光谱光视效能函数Vm()。Vm()=K,(L)x(L)V10()+(1-x(L)V()(1)式中 K,(L)标准化的常量;x(L)0-1之间的系数,大小取
13、决于背景亮度。He等人的方法是用二类光源来确定Vm(),这需要证明其具有普适性才行,即证明对其他光源如LED也是适合的。重庆大学学者依据实验数据拟合成Vm()表达式,并给出了不同网膜照度下的最大光谱光视效能值。复旦大学学者研究了视锐度模型以及研究了反应时间与亮度对比等关系。这些有关中间视觉的研究为LED路灯的白光、暖白光反应时间比较研究打下了理论基础。在LED白光与暖白光不同色温在道路照明中,反应时间的不同表现来确定最佳LED路灯照明光源,有利于道路交通安全。4、研究LED路灯在发热过程中的光效变化机制LED路灯发热量大,散热处理不好会导致LED快速老化,光通量下降,光效降低,光效降低,LED
14、工作处于不稳定状态中等问题,影响道路照明质量,给交通安全带来危险。LED路灯发热与光效之间的变化机理是一个重要内容。LED路灯发热到什么程度时光通量开始下降?发生变化的临界点是什么?研究这一问题会对LED路灯散热处理方法提供基础参数,有利于散热处理的方式选择,从而提高LED路灯的稳定质量。5、不同散热处理方式的LEDL路灯在允许范围内的不同温度区间上,光效变化参数与寿命实验研究。功率型LED路灯散热可有多种方式。每种散热方式对LED路灯光效变化影响参数与寿命影响。在允许温度范围内不同温度段的光通量改变情况,通过光通量下降或稳定及光效降低或稳定状况,找出LED路灯的生命周期。6、LED路灯与其它
15、路灯光源在道路照明中安全识别性能影响比较实际。He等人用实验研究了金属卤物灯与高压钠灯的发光效率的比值随亮度的变化关系。这需要证明LED光源的发光效率比例是否也随亮度发生变化。此外。系数x(L)的大小是否与波长有关也需要加以论证,He等人在确定Vm()的过程中没有与反应时间RT发生直接关系。这是需要注意的问题。用实验研究LED发光效率比值与亮度变化情况,将金卤灯与高压钠灯的发光效率比值与亮度变化情况进行比对,同时进行三种光源的反应时间实验比较,从理论与实验中找到LED发热过程光效与亮度之间相互关系,从而确定出LED路灯与金属卤化物灯、高压钠灯在夜间同等视觉环境条件的反应时间状况,确定出三者的各
16、自优弱点。7、研究LED路灯在不同温度影响下的光谱能量分布,对色温、显色指数的影响。LED路灯在发热过程中光通量下降,光谱能量分布发生变化,这种变化对色温、显色指数的影响程412008年12月 灯与照明 第32卷第4期度,在温度变化每一时段到临界点之间相互关系等进行研究,为散热处理方式及散热程度提供理论与实验技术支持。8、LED路灯与道路路面材料反射性能实验研究。我国新出台的 城市道路照明设计标准(中华人民共和国行业标准(CJJ45-2006)从2007年7月1日开始实施),我国 城市道路照明设计标准 中的照明评价指标非常重要的有路面亮度问题,这与路面材料紧密相关,不同的路面材料有不同的光反射
17、特性,受光后产生不同的路面亮度。必须研究常用路面材料在LED光源照射下的反射性能,在LED路灯功率大小、灯具效率、布灯形式等与路面材料形成的路面亮度是否达到“标准”中之规定。9、研究LED路灯不同功率等情况下的道路投射高度、间距等的光效及道路均匀度,研究LED其他一些相关问题及与国家 城市道路照明设计标准 要求相符合的情况等。参考文献:1ANSIIESNA RP-8-00.Roadway Lighting2 陈仲林,杨春宇,胡英奎.建立中间视觉模型的新颖方法J.灯与照明,2006(1):133Yunjizn He,Mark Rea,Andrew Bierman,John Bullough.Ev
18、aluating light source efficacy under mesopic conditions usingreaction tims.Journal of the Illuninating Engineering society,26,1(1997):1251384 陈仲林,杨春宇,何正军.中间视觉函数表达式的研究J.照明工程学报,2003(4):165 陈仲林,杨春宇,何正军.光谱光视效能最大值研究J.照明工程学报,2003(3):13(上接第11页)全数字亮度计安置在高档电动遥控的履带式玩具装甲车(以下简称为测试小车)上,该测试小车的驱动系统受站在路边的测量者手中的遥控器和
19、测试小车内安置的以可编程控制器为主体的的自动控制系统控制,当车内的自动控制系统启动时,装甲车将按照事先设定的动作程序沿如图7所示的箭头方向完成行走程序,并采用四点法在每个矩形网格的四角处自动完成亮度测量和记录,存贮任务,待全部程序结束后,测试小车在遥控器的操纵下自动返回测量者所在位置。遥控器的另一作用是在车内控制系统失灵的情况下,由测量者手动遥控完成全部的测量过程,并在道路出现行驶车辆时紧急召回测试小车。7 小结将常规的人工逐点测量法与全自动逐点测量法进行对比,全自动逐点测量法不仅有测量速度快、测量安全性好、减低劳动强度、数据处理方便的优点,更由于采用测试小车自动测量排除了测量人员在测试现场所引起的挡光、反光干扰。有效地提高了测试精度和数据采集的准确性。应该是一种有推广价值的新型光亮度测试手段。参考文献:1G JJ 45-2006.城市道路照明设计标准S512008年12月 灯与照明 第32卷第4期