穿霧性最佳LED光源顏色的實驗研究

石昌壽，金尚忠，王毓蓉，曾珊珊，魯玉紅

（1.中國計量學院 光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018；2.中國船舶重工集團第701研究所，湖北 武漢 430000）

LED由于波長帶寬窄、顏色鮮艷、色域大、節(jié)能環(huán)保、響應快、電壓可調(diào)、壽命長等特點，已廣泛應用于導航燈、交通信號燈、機場信號燈、船舶探照燈、顯示屏、平板顯示等功能照明領(lǐng)域［1-4］.

目前對于LED光源的應用環(huán)境，尤其是天氣影響的研究較少.作為信號燈，一個重要的指標是人眼觀測的視界距離，而影響視界的主要因素是空氣的能見度，包括大氣顆粒、氣溶膠、環(huán)境因素、霧、雪等［5］.其中霧是對汽車、火車、飛機、輪船等交通信號燈視界距離影響最主要的因素，從而需要研究不同光源波長在霧環(huán)境中的穿透性能.

1 基本原理

1.1 水的透過率

空氣中的水對光穿透性的影響包括吸收和散射.吸收、散射對光產(chǎn)生綜合衰減，它隨波長而變.不同類型的水的散射有很大差別，主要包括瑞利散射、米氏散射以及透明物質(zhì)引起的散射.較純凈的水散射主要為瑞利散射［6-8］.

由于水中所含物質(zhì)成分不同，通過王之江、顧培森的研究證明淡水和純凈海水的透過率窗口不同［7］，因此需要分別對淡水和海水水汽的穿透性能進行研究.

1.2 淡水霧和海霧的穿透性能

天氣對光源穿透性的影響，包括霧（水汽）、塵、煙、雪、雨、雹等.空氣中隨時都有水汽，水汽多了就成霧.霧既吸收光線，又散射光線，并且隨著霧濃度增加.通過上一小節(jié)可以知道，較純凈水的散射為瑞利散射，而淡水霧和海水霧的區(qū)別是霧滴所含物質(zhì)的差別，由于所用淡水和海水均較純凈，因此對于霧而言，吸收和瑞利散射衰減起主要影響，這個衰減隨波長而變.同時區(qū)別于水的透過性，由于霧存在大氣中，其透過窗口和液體狀態(tài)的水又有所不同［8-11］.

根據(jù)光在介質(zhì)水中的傳播，有：

式中c為介質(zhì)的衰減系數(shù)，是波長λ的函數(shù)，它由兩部分組成：c＝a＋b；a為介質(zhì)的吸收系數(shù)；b為散射系數(shù)；r為在介質(zhì)中傳播的距離，因此透過率T為：

由前文可知，光在穿過霧時主要光能損失是由散射和吸收引起的，因此公式（1）、（2）對霧同樣適用，并且本文在后續(xù)實驗中也證實其適用性.

2 測量裝置及方法

2.1 被測LED光源選擇

由于人與自然的關(guān)系，長期以來形成了人眼對紅、黃、綠、藍的顏色最為敏感；作為信號燈，必須要有相互顯著不同的顏色，因此一般有六種信號燈顏色：白、紅、黃、綠、藍、紫色.同時信號燈還需必要的強度，由于藍、紫色信號對人眼視覺強度相對較弱，因此信號燈首選白、紅、黃、綠四種，再選藍、紫色［12］.

LED光源由于其光譜波長帶寬短，一般為20nm左右，單色性好，是信號燈的最佳選擇.

本實驗考慮到，目前主流白光LED均采用藍光激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光，從而混合出白光.通過調(diào)節(jié)YAG熒光粉材料的濃度以及摻雜水平，可以獲得很大的色溫范圍，因此，實際實驗時只需選擇一種色溫的白光LED進行測試，通過其透過率的特性結(jié)合黃光和藍光透過率的數(shù)值可以得出不同色溫的透過率的范圍.

圖1 黃、紅、藍、綠、白色LED的光譜分布Figure 1 Spectral distribution of yellow，red，blue，green，and white LED

本實驗在測量時主要采用了25個照度計，其最小量程為0.1lx，實際實驗時霧的濃度略大于自然霧的濃度，同時為了減小實驗誤差，所以測量時需要保證照度計工作在×10，×100檔上，因此需要選擇大功率LED，本實驗采用的功率為2W的LED.

圖1示出了白、紅、黃、綠、藍色LED的光譜分布，峰值波長如表1所示，其中白光對應的峰值波長為藍光LED的峰值波長，實驗所選用的白光LED色溫為4386K.本文主要對黃、紅、藍、綠、白色LED在霧中的穿透性進行研究，從而為不同的工作環(huán)境和用途，選擇不同顏色的LED光源提供依據(jù).

表1 LED的峰值波長Table 1 Peak wavelength of the LED

2.2 測量裝置

根據(jù)式（2），只要測出入射光能量和穿過霧后的透射能量即可獲得霧的穿透性.因此建立了如圖2所示的測試裝置.包括：500mm×500mm×1000mm的有機玻璃箱一個；黃、紅、藍、綠、白5組，每組25個共125個LED光源，光源由散熱器、反光杯、驅(qū)動電路板以及固定座組成；25個照度計；4個超聲波霧化器.

圖2 LED穿透性測試裝置示意圖Figure 2 Schematic diagram of LED penetration testing

每種顏色的LED光源布成5×5陣列，間隔80mm；25個照度計的硅光電池探測器排列成同樣間隔的5×5陣列，并正對光源陣列.每個LED光源正對一個硅光電池探測器.LED光源陣列、有機玻璃箱、硅光電池陣列固定在光學平臺上.25個LED光源前面均設(shè)有擋板.

2.3 測量方法

2.3.1 實驗中霧的要求和控制 霧是由大量的細小水滴懸浮在近地面大氣層中，使空氣渾濁、可見度降到1000m以下時的水汽凝結(jié)現(xiàn)象［13］.本實驗采用超聲波霧化器（加濕器）進行人工造霧.

超聲波霧化器是將水包括水里所含物質(zhì)一起霧化成小水珠.實驗中利用的是雨水、海水進行造霧，這和空氣中水汽凝聚而成的霧相接近.還需要提及的是，超聲波霧化器可以調(diào)節(jié)霧化檔位，可以很方便的調(diào)節(jié)到和自然霧相似濃度.

實驗時，需要控制霧的均勻性；實驗數(shù)據(jù)記錄時間盡可能短，需要保證同一位置的霧的變化盡量小.

2.3.2 實驗步驟 由于實驗對霧需要進行可控，所以該實驗只能在室內(nèi)進行，本實驗為了排除外界雜散光的影響，故本實驗均在暗室中進行，具體測試步驟：

1）將照度計的示值校零；

2）打開LED驅(qū)動電源，點亮LED光源；

3）待LED光源輸出穩(wěn)定后，通過逐個打開LED光源前的擋板，分別記下每個LED光源對應的全部硅光電池探測器的讀數(shù)，構(gòu)成入射能量矩陣M0；

4）通過4個超聲波霧化器，將淡水霧化，分別從有機玻璃箱底部和上部進行輸霧.待霧穩(wěn)定均勻后，并使箱內(nèi)霧的濃度達到目視剛好看清對面（1000mm遠）72號粗黑體字.

5）對每個LED光源，同步驟3操作，記錄有淡水霧時的每個LED光源對應的讀數(shù)矩陣Mrain；

6）海水霧的測量步驟同淡水霧一樣，記錄海水霧情況下每個LED光源對應的讀數(shù)矩陣Msea.所用海水取自浙江象山東門島海域.

3 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)處理

測量時，硅光電池與有機玻璃箱的端面接觸.由于霧輸入有機玻璃箱的均勻性較難控制，不同位置有較明顯差別，因此實際測量時，要求在霧達到相對均勻狀態(tài)下進行，并且要求測量時間短.實驗中，測量25個相同顏色LED光源在不同霧區(qū)的透過信號，然后計算其平均值作為這種顏色LED光源的穿透性能，共進行了10次實驗.

再由公式（2）得到淡水霧透過率矩陣Train和海水霧透過率矩陣Tsea；同時由c＝求得霧的體衰減系數(shù)，因此可得出每種顏色LED光源對霧的平均透過率和平均體衰減系數(shù)c.表2為5種顏色LED光源在霧中的平均透過率，表3為5種顏色LED光源在霧中的平均體衰減系數(shù).

表2 5種顏色LED光源的平均透過率Table 2 Average transmittance of the five kinds of color LED light source

表3 5種色光LED的平均體衰減系數(shù)Table 3 Average transmittance of the five kinds of color LED light source 單位：m－1

可見，雨水霧以及海水霧對黃光的透過率最大，淡水霧對白光LED的透過率優(yōu)于在海水霧的透過率.

實驗也對各種顏色LED在淡水霧中的透過率與距離的關(guān)系進行了研究.實驗方法，探測器固定是在同一電動滾動光學導軌的滑塊上，LED光源放置于有機玻璃箱一側(cè)，通過電動滾動光學導軌移動探測器，并更換不同LED光源.實驗時為了保證每次更換LED光源后霧的濃度一致，使用鹵鎢燈光源系統(tǒng)作為標準燈具，調(diào)節(jié)霧的輸入，使得每次更換LED光源后探測器的讀數(shù)一致，霧的濃度控制為目視剛好看清對面（1000mm遠）48號粗黑體字程度.淡水霧中，其透過率與距離的關(guān)系如圖3所示，可見黃光LED在霧中的透過率隨距離下降最慢，白光次之，這是由于白光LED中包含較多的黃光，紅光最快.通過擬合，得出透過率與距離關(guān)系為T＝a·e－b·r，其a和b參數(shù)見表5所示.可見，黃光LED對應的b最小，白光稍大，紅光最大.

圖3 五種LED透過率與距離的關(guān)系Figure 3 Relationship of transmittance and the distance of five kinds of LED

表4 擬合曲線時a和b的參數(shù)值Table 4 Values of parameter aand bfor fitting curves

3.2 實驗分析

通過表2、表3和表4可以得出，對淡水霧和海水霧的透過率從大到小依次為黃光、白光、藍光、綠光、紅光.由表2、表3可以得出，藍光對于海水霧的透過明顯優(yōu)于淡水透過率，此外在整體霧濃度相近的情況下（均為看清1000mm處72號字），海水霧的透過率都小于淡水霧的透過率，這是由于本文所用海水取自浙江象山東門島海域，在實驗室沉淀1星期后進行實驗，海水中含有少量大顆粒物質(zhì)，這導致海水霧對光的吸收和散射變得復雜且透過率下降.

在測量LED光源透過率與距離關(guān)系時，本實驗是在同一電動滾動光學導軌上進行的.實驗誤差主要有兩個原因引起：其一就是由于光強值的微小擾動導致實驗數(shù)據(jù)的波動，這個誤差可以通過多次測量求平均值消除；其二由于通過對滾動導軌滑塊的移動控制探測器與光源的距離，這個過程對于霧有一定的擾動，且無法避免，故如圖3，這也是實驗誤差的主要來源，由于使用了電動滾動導軌，并且控制了導軌移動速度，實際擬合時曲線的和方差（SSE）在0.0021～0.003之間，確定系數(shù)不小于0.9927.

在測量25個LED光源在不同霧區(qū)的透過信號時，雖然霧的濃度相對穩(wěn)定，不過由于每個燈進行實驗需要一定的時間測量，不同位置的霧有變化，這對實驗結(jié)果有一定影響.本文通過盡量縮短測量時間、多次實驗求平均值的方法進行消誤差.表5給出了一顆黃光LED，10次實驗測得的透過率，表格25個探測器對應的25個位置10次實驗測量值的標準差的范圍是0.113～0.223.

表5 一顆黃光LED光源的透過率測量值Table 5 Measured values of transmittance of a yellow LED light source

4 結(jié) 語

通過實驗測量，各種顏色LED在霧中與距離的關(guān)系隨指數(shù)下降.信號燈、路燈、探照燈經(jīng)常遇到霧天的工作環(huán)境，應該選擇黃光或者黃光相對光譜光功率分布較多的LED作為光源.海霧同淡水霧時的透過性能基本一致，但對于白光LED光源，淡水霧的透過率優(yōu)于海水霧.

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