穿雾性最佳LED光源颜色的实验研究

石昌寿，金尚忠，王毓蓉，曾珊珊，鲁玉红

（1.中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.中国船舶重工集团第701研究所，湖北 武汉 430000）

LED由于波长带宽窄、颜色鲜艳、色域大、节能环保、响应快、电压可调、寿命长等特点，已广泛应用于导航灯、交通信号灯、机场信号灯、船舶探照灯、显示屏、平板显示等功能照明领域［1-4］.

目前对于LED光源的应用环境，尤其是天气影响的研究较少.作为信号灯，一个重要的指标是人眼观测的视界距离，而影响视界的主要因素是空气的能见度，包括大气颗粒、气溶胶、环境因素、雾、雪等［5］.其中雾是对汽车、火车、飞机、轮船等交通信号灯视界距离影响最主要的因素，从而需要研究不同光源波长在雾环境中的穿透性能.

1 基本原理

1.1 水的透过率

空气中的水对光穿透性的影响包括吸收和散射.吸收、散射对光产生综合衰减，它随波长而变.不同类型的水的散射有很大差别，主要包括瑞利散射、米氏散射以及透明物质引起的散射.较纯净的水散射主要为瑞利散射［6-8］.

由于水中所含物质成分不同，通过王之江、顾培森的研究证明淡水和纯净海水的透过率窗口不同［7］，因此需要分别对淡水和海水水汽的穿透性能进行研究.

1.2 淡水雾和海雾的穿透性能

天气对光源穿透性的影响，包括雾（水汽）、尘、烟、雪、雨、雹等.空气中随时都有水汽，水汽多了就成雾.雾既吸收光线，又散射光线，并且随着雾浓度增加.通过上一小节可以知道，较纯净水的散射为瑞利散射，而淡水雾和海水雾的区别是雾滴所含物质的差别，由于所用淡水和海水均较纯净，因此对于雾而言，吸收和瑞利散射衰减起主要影响，这个衰减随波长而变.同时区别于水的透过性，由于雾存在大气中，其透过窗口和液体状态的水又有所不同［8-11］.

根据光在介质水中的传播，有：

式中c为介质的衰减系数，是波长λ的函数，它由两部分组成：c＝a＋b；a为介质的吸收系数；b为散射系数；r为在介质中传播的距离，因此透过率T为：

由前文可知，光在穿过雾时主要光能损失是由散射和吸收引起的，因此公式（1）、（2）对雾同样适用，并且本文在后续实验中也证实其适用性.

2 测量装置及方法

2.1 被测LED光源选择

由于人与自然的关系，长期以来形成了人眼对红、黄、绿、蓝的颜色最为敏感；作为信号灯，必须要有相互显著不同的颜色，因此一般有六种信号灯颜色：白、红、黄、绿、蓝、紫色.同时信号灯还需必要的强度，由于蓝、紫色信号对人眼视觉强度相对较弱，因此信号灯首选白、红、黄、绿四种，再选蓝、紫色［12］.

LED光源由于其光谱波长带宽短，一般为20nm左右，单色性好，是信号灯的最佳选择.

本实验考虑到，目前主流白光LED均采用蓝光激发YAG荧光粉发出黄光，从而混合出白光.通过调节YAG荧光粉材料的浓度以及掺杂水平，可以获得很大的色温范围，因此，实际实验时只需选择一种色温的白光LED进行测试，通过其透过率的特性结合黄光和蓝光透过率的数值可以得出不同色温的透过率的范围.

图1 黄、红、蓝、绿、白色LED的光谱分布Figure 1 Spectral distribution of yellow，red，blue，green，and white LED

本实验在测量时主要采用了25个照度计，其最小量程为0.1lx，实际实验时雾的浓度略大于自然雾的浓度，同时为了减小实验误差，所以测量时需要保证照度计工作在×10，×100档上，因此需要选择大功率LED，本实验采用的功率为2W的LED.

图1示出了白、红、黄、绿、蓝色LED的光谱分布，峰值波长如表1所示，其中白光对应的峰值波长为蓝光LED的峰值波长，实验所选用的白光LED色温为4386K.本文主要对黄、红、蓝、绿、白色LED在雾中的穿透性进行研究，从而为不同的工作环境和用途，选择不同颜色的LED光源提供依据.

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

2.2 测量装置

根据式（2），只要测出入射光能量和穿过雾后的透射能量即可获得雾的穿透性.因此建立了如图2所示的测试装置.包括：500mm×500mm×1000mm的有机玻璃箱一个；黄、红、蓝、绿、白5组，每组25个共125个LED光源，光源由散热器、反光杯、驱动电路板以及固定座组成；25个照度计；4个超声波雾化器.

图2 LED穿透性测试装置示意图Figure 2 Schematic diagram of LED penetration testing

每种颜色的LED光源布成5×5阵列，间隔80mm；25个照度计的硅光电池探测器排列成同样间隔的5×5阵列，并正对光源阵列.每个LED光源正对一个硅光电池探测器.LED光源阵列、有机玻璃箱、硅光电池阵列固定在光学平台上.25个LED光源前面均设有挡板.

2.3 测量方法

2.3.1 实验中雾的要求和控制 雾是由大量的细小水滴悬浮在近地面大气层中，使空气浑浊、可见度降到1000m以下时的水汽凝结现象［13］.本实验采用超声波雾化器（加湿器）进行人工造雾.

超声波雾化器是将水包括水里所含物质一起雾化成小水珠.实验中利用的是雨水、海水进行造雾，这和空气中水汽凝聚而成的雾相接近.还需要提及的是，超声波雾化器可以调节雾化档位，可以很方便的调节到和自然雾相似浓度.

实验时，需要控制雾的均匀性；实验数据记录时间尽可能短，需要保证同一位置的雾的变化尽量小.

2.3.2 实验步骤 由于实验对雾需要进行可控，所以该实验只能在室内进行，本实验为了排除外界杂散光的影响，故本实验均在暗室中进行，具体测试步骤：

1）将照度计的示值校零；

2）打开LED驱动电源，点亮LED光源；

3）待LED光源输出稳定后，通过逐个打开LED光源前的挡板，分别记下每个LED光源对应的全部硅光电池探测器的读数，构成入射能量矩阵M0；

4）通过4个超声波雾化器，将淡水雾化，分别从有机玻璃箱底部和上部进行输雾.待雾稳定均匀后，并使箱内雾的浓度达到目视刚好看清对面（1000mm远）72号粗黑体字.

5）对每个LED光源，同步骤3操作，记录有淡水雾时的每个LED光源对应的读数矩阵Mrain；

6）海水雾的测量步骤同淡水雾一样，记录海水雾情况下每个LED光源对应的读数矩阵Msea.所用海水取自浙江象山东门岛海域.

3 实验数据处理及分析

3.1 实验数据处理

测量时，硅光电池与有机玻璃箱的端面接触.由于雾输入有机玻璃箱的均匀性较难控制，不同位置有较明显差别，因此实际测量时，要求在雾达到相对均匀状态下进行，并且要求测量时间短.实验中，测量25个相同颜色LED光源在不同雾区的透过信号，然后计算其平均值作为这种颜色LED光源的穿透性能，共进行了10次实验.

再由公式（2）得到淡水雾透过率矩阵Train和海水雾透过率矩阵Tsea；同时由c＝求得雾的体衰减系数，因此可得出每种颜色LED光源对雾的平均透过率和平均体衰减系数c.表2为5种颜色LED光源在雾中的平均透过率，表3为5种颜色LED光源在雾中的平均体衰减系数.

表2 5种颜色LED光源的平均透过率Table 2 Average transmittance of the five kinds of color LED light source

表3 5种色光LED的平均体衰减系数Table 3 Average transmittance of the five kinds of color LED light source 单位：m－1

可见，雨水雾以及海水雾对黄光的透过率最大，淡水雾对白光LED的透过率优于在海水雾的透过率.

实验也对各种颜色LED在淡水雾中的透过率与距离的关系进行了研究.实验方法，探测器固定是在同一电动滚动光学导轨的滑块上，LED光源放置于有机玻璃箱一侧，通过电动滚动光学导轨移动探测器，并更换不同LED光源.实验时为了保证每次更换LED光源后雾的浓度一致，使用卤钨灯光源系统作为标准灯具，调节雾的输入，使得每次更换LED光源后探测器的读数一致，雾的浓度控制为目视刚好看清对面（1000mm远）48号粗黑体字程度.淡水雾中，其透过率与距离的关系如图3所示，可见黄光LED在雾中的透过率随距离下降最慢，白光次之，这是由于白光LED中包含较多的黄光，红光最快.通过拟合，得出透过率与距离关系为T＝a·e－b·r，其a和b参数见表5所示.可见，黄光LED对应的b最小，白光稍大，红光最大.

图3 五种LED透过率与距离的关系Figure 3 Relationship of transmittance and the distance of five kinds of LED

表4 拟合曲线时a和b的参数值Table 4 Values of parameter aand bfor fitting curves

3.2 实验分析

通过表2、表3和表4可以得出，对淡水雾和海水雾的透过率从大到小依次为黄光、白光、蓝光、绿光、红光.由表2、表3可以得出，蓝光对于海水雾的透过明显优于淡水透过率，此外在整体雾浓度相近的情况下（均为看清1000mm处72号字），海水雾的透过率都小于淡水雾的透过率，这是由于本文所用海水取自浙江象山东门岛海域，在实验室沉淀1星期后进行实验，海水中含有少量大颗粒物质，这导致海水雾对光的吸收和散射变得复杂且透过率下降.

在测量LED光源透过率与距离关系时，本实验是在同一电动滚动光学导轨上进行的.实验误差主要有两个原因引起：其一就是由于光强值的微小扰动导致实验数据的波动，这个误差可以通过多次测量求平均值消除；其二由于通过对滚动导轨滑块的移动控制探测器与光源的距离，这个过程对于雾有一定的扰动，且无法避免，故如图3，这也是实验误差的主要来源，由于使用了电动滚动导轨，并且控制了导轨移动速度，实际拟合时曲线的和方差（SSE）在0.0021～0.003之间，确定系数不小于0.9927.

在测量25个LED光源在不同雾区的透过信号时，虽然雾的浓度相对稳定，不过由于每个灯进行实验需要一定的时间测量，不同位置的雾有变化，这对实验结果有一定影响.本文通过尽量缩短测量时间、多次实验求平均值的方法进行消误差.表5给出了一颗黄光LED，10次实验测得的透过率，表格25个探测器对应的25个位置10次实验测量值的标准差的范围是0.113～0.223.

表5 一颗黄光LED光源的透过率测量值Table 5 Measured values of transmittance of a yellow LED light source

4 结 语

通过实验测量，各种颜色LED在雾中与距离的关系随指数下降.信号灯、路灯、探照灯经常遇到雾天的工作环境，应该选择黄光或者黄光相对光谱光功率分布较多的LED作为光源.海雾同淡水雾时的透过性能基本一致，但对于白光LED光源，淡水雾的透过率优于海水雾.

［1］崔 真.LED信号灯二次光学设计［J］.现代显示，2009，105（10）：30－32.Cui Zhen.Secondary optics design for LED signal lamps［J］.Advanced Display，2009，105（10）：30－32.

［2］谢家纯.LED照明在未来船舶上的应用展望［J］.上海造船，2011（4）：43－45.Xie Jiachun.Application prospect of LED lighting in the future ship［J］.Shanghai Shipbuilding，2011（4）：43－45.

［3］关积珍，朱雪良，蓝 普，等.LED在交通信息显示领域的应用［J］.现代显示，2005，53（4）：20－23.Guan Jizhen，Zhu Xueliang，Lan Pu，et al.The application of LED in the information display of transportation［J］.Advanced Display，2005，53（4）：20－23.

［4］敖锦龙.发展中的汽车照明技术［J］.技术与市场，2008，46（21）：27－29.Ao Jinglong.Developing technology of auto vehicle lamp［J］.Technology and Market，2008，46（21）：27－29.

［5］祖耶夫V E，卡巴诺夫M B.光信号在地球大气中的传输［M］.殷贤湘，译.北京：科学出版社，1987：34－68.

［6］赵 平.信号灯光颜色的研究［M］.北京：人民铁道出版社，1952：11－14.

［7］王之江，顾培森.现代光学应用技术手册（上册）［M］.北京：机械工业出版社，2009：229－249.

［8］Melf I S H，Lawrence J D，Mccormick M P.Observation of Raman scattering by water vapor in the atmosphere［J］.Applied Physics Letters，1969，15（9）：295－297.

［9］韩 涛，朱学光.一种计算大气透过率的方法［J］.红外技术，2002，24（6）：51－53.Han Tao，Zhu Xueguang.A Method of Calculating the Atmosphere Transmissibility［J］.Infrared Technology，2002，24（6）：51－53.

［10］吴 晓.地球大气透过率及辐射率计算［J］.应用气象学报，1998，1（2）：124－127.Wu Xiao.Calculation of earth atmospheric transmissivity radiance［J］.Journal of Applied Meteorology，1998，1（2）：124－127.

［11］Cohen G，Eisenberg H.Light scattering of water，deuterium oxide，and other pure liquids［J］.J Chem Phys，1965，43：3381－419.

［12］甘子光，周太明.信号灯光的颜色［J］.照明工程学报，1994，5（3）：58－61.Gan Ziguan，Zhou Taiming.Color of signal lights［J］.China Illuminating Engineering Journal，1994，5（3）：58－61.

［13］吕 正，徐 涛.雾灯穿透能力最佳波长的实验确定［J］.应用光学，2008，29（4）：530－532.Lv Zheng，Xu Tao.Determination of optimum penetration wavelength for fog lights［J］.Journal of Applied Optics，2008，29（4）：530－532.