基于背光源的新型主動發光交通標志研究

周德凱，馬健霄*，朱亞運，劉干，丁伯林，

(1.南京林業大學 汽車與交通工程學院，南京 210037；2.南京賽康交通安全科技股份有限公司，南京 210037)

基于背光源的新型主動發光交通標志研究

周德凱1，馬健霄1*，朱亞運1，劉干2，丁伯林1，2

(1.南京林業大學 汽車與交通工程學院，南京 210037；2.南京賽康交通安全科技股份有限公司，南京 210037)

通過系統分析現有主動發光標志的結構、光學模式以及性能，探尋現有主動發光技術難以應用于大型指路標志的原因。將LCD的背光源技術運用到交通標志中，研究一種基于背光源的新型主動發光交通標志，詳細介紹了新型標志的結構、光學模式、光源設計、優缺點，針對光源設計給出了理論計算及計算機模擬結果，并在實際應用中得以驗證。新型標志的研發實現了主動發光交通標志由點發光模式升級到面發光模式，將主動發光交通標志的應用推廣到大型指路標志上。

交通標志；主動發光；背光源；LED

0 引言

主動 發光交通標志的出現是交通標志產業的一次革命性升級，改變了交通標志必須依靠外部光源的歷史。現有主動發光標志采用的生產工藝是將LED燈珠以插入的方式固定在標志面板上，本文將其稱之為點陣式LED交通標志。《太陽能道路交通標志》(GA/T 580-2005)的頒布實施，使得主動發光交通標志得到了長足的發展。但是，“太陽能道路交通標志”(GA/T 580-2005)也指出了點陣式LED交通標志的不足：不適用有文字說明的交通標志。如何讓以文字為主的指路標志實現主動發光，是所有交通工作者一直思考的問題。文章在分析現有主動發光交通標志工藝結構、光學模式、性能的基礎上，創造性地將LCD的背光源技術應用到主動發光交通標志中，研究了基于背光源的新型主動發光交通標志，并將其成功地運用于某工程，取得了良好的效果。

1 傳統的點陣式LED交通標志

1.1 點陣式LED交通標志工藝結構及光學模式

點陣式LED交通標志自問世以來，因其不依賴外部光源、自主發光、美觀、可視距離大等諸多優點[1]受到交通管理部門的青睞，被廣為采用。

點陣式LED交通標志采用箱體結構，鋁合金型材制作框架、鋁合金板制作標志板。控制電路板位于箱體內部，固定在標志底板上；由反光膜制成的標志圖案粘貼在標志面板上，并按照某一固定間距在標志面板和反光膜上鉆孔，LED燈珠插入孔中，固定在標志面板上。

圖1 典型的點陣式LED交通標志Fig.1 Typical lattice LED traffic sign

顯然，點陣式LED交通標志是將LED燈珠以某一固定間距插在標志板上，當LED燈珠點亮時形成光點，若干個光點形成發光線條，再由線條勾畫出圖形輪廓或文字的筆畫。這種以點狀LED燈珠本身組成圖形輪廓或文字筆畫的光學模式被稱之為點發光模式。

1.2 點陣式LED交通標志性能

1.2.1 優點

與傳統逆反射式交通標志相比，點陣式LED交通標志優點顯而易見。

(1)LED與反光膜相結合。白天或環境照度好時可以關閉LED；夜晚或環境照度較差時，點亮LED實現主動發光。

(2)可視距離大。點陣式LED交通標志采用高亮LED燈珠，在夜間的可視距離是常規標志的兩倍，在不良天氣狀態下是常規標志的4倍，能夠有效應對霧霾等惡劣氣候條件[2-3]。

(3)以太陽能、風能為能源，清潔、低碳、綠色符合可持續發展理念[4-6]。

1.2.2 缺點

(1)破壞了反光膜的完整性。一旦出現故障，LED燈珠不能被點亮，交通標志的反射性能將會低于傳統的交通標志。

(2)視認性能受像素間距影響極大。相鄰LED燈珠之間的距離稱之為像素間距，點陣式LED交通標志的像素間距是影響標志視認性的一個關鍵性指標。如圖2所示，不同的像素間距其視認效果有很大的差別。

(3)不適用于文字較多的指路標志。要想對文字進行準確刻畫，必須采用較小的像素間距。而同一標志中只能采用一個像素間距，否則會造成明暗不均，影響遠距離的視認性。隨著像素間距減小，LED燈珠以及標志板上鉆孔的數量成倍增加，生產成本大幅增加，而良品率卻隨之下降。

圖2 不同像素間距的視認效果Fig.2 Effect of different pixel spacing

(4)局部LED燈珠出現故障時，導致可視效果減弱甚至出現錯誤信息。

2 基于背光源的新型主動發光交通標志

指路標志在交通標志體系中起著舉足輕重的作用，但是受制于制造工藝，現有主動發光技術還不能較好地應用到指路標志中。如何實現指路標志主動發光一直是交通設計工作者不斷思考的問題。

長久以來，特別是《太陽能道路交通標志》(GA/T580-2005)頒布以來，人們慣性地認為主動發光就是采用點發光的光學模式以光源本身組成文字或圖形輪廓。顯然，要實現指路標志主動發光跳出現有的慣性思維是關鍵。

如果讓整個面發光，那么不管文字如何復雜都能夠準確地被刻畫出來[7-8]。在此思路上，經過不斷的實驗，終于研發出基于背光源的新型主動發光交通標志，并成功應用于某工程，實施效果良好。

圖3 基于背光源的交通標志應用實例Fig.3 Application of a traffic sign based on backlight

2.1 背光源

背光源的設計思路源自液晶顯示器(LCD)。LCD是一個面光場，但是液晶面板本身是不發光的，液晶面板具有一定的透光性，LCD在無光處能夠被人所見，源于液晶面板背部的光源模組-背光源[9-10]。LED矩陣發出的光經導光板(LGP)和光學膜系的傳導成為均勻的面光場分布，再透過液晶面板，從而使得液晶面板上所顯示的內容可以被人眼所見。LCD背光照明系統結構由光源、導光板、光學膜系三部分組成[11]，如圖4所示。

圖4 LCD背光照明系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of LCD backlight system

借助于LCD背光模組的設計思路，將點陣式LED交通標志的LED燈珠全部移至標志體內部，將其設計為背光源。光線經導光板傳導，透過反光膜，從而實現標志面發光。這種新型發光標志被稱之為背光源LED交通標志。

2.2 反光膜

背光源發出的光從反光膜透射出，因此反光膜透光是新標志研發成功的關鍵。

目前交通標志廣泛使用的反光膜主要是微棱鏡型反光膜。微棱鏡反光膜由透明的樹脂構成棱鏡型氣囊結構，光線可以穿透反光膜，微棱鏡反光膜透光原理如圖5所示。因此本設計中采用的反光膜為微棱鏡型反光膜[12]。

圖5 微棱鏡反光膜透光原理圖Fig.5 Schematic diagram of the micro prism reflective film

反光膜透光率的大小直接影響到光源的利用效率，高透射率的反光膜可以提高光源的利用效率，降低背光源的總功率。通過對常用的三種品牌的白色反光膜透光率的檢測，選擇透光率較高的A品牌反光膜作為新型標志的反光膜。

表1 不同品牌白色反光膜透光率檢驗結果

2.3 背光源LED交通標志結構設計

背光源LED交通標志結構設計的關鍵在于如何將點光源轉變為面光源，并透過標志面板和反光膜。

新型標志的結構類似于點陣式LED交通標志：采用箱體結構，厚度為40～50 mm，鋁合金型材制作框架、鋁合金板做面板。不同的是背光源LED交通標志不是在標志面板上鉆孔而是將需要發光的圖形或文字部分雕刻成鏤空狀，如圖6所示。考慮標志板抗風載的能力，需要對連接筋的大小和間距進行設計。采用沙袋試驗法，對不同寬度和間距的連接筋方案進行試驗。結果表明，將連接筋寬度控制在5～6mm，間距控制在50～60 mm，可以保證標志體在40 m/s的風速下變形不大于8 mm。

圖6 背光源LED交通標志面板鏤空結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of hollow structure of the traffic signs based on backlight

LED組成的光源固定在標志底板上，在標志面板和光源之間設置一塊導光板，光源發出的光經過一段混光距離，再通過導光板使其進一步均勻化。

背光源LED交通標志的結構層次如圖7所示。從下至上內分別是標志底板、光源、導光板、標志面板、反光膜。

圖7 背光源LED交通標志結構層次Fig.7 Structure level of traffic signs based on backlight

2.4 背光源LED 交通標志光源設計

影響發光標志視認性的指標主要有兩個：發光面的發光均勻度和亮度[13]。因此，光源設計主要就是確定亮度和發光均勻度。空間某一點的亮度是LED亮度疊加的結果，不同區域的亮度差異則構成了發光平面的發光均勻度。

2.4.1 均勻度

(1)單顆LED光強及照度分布

單顆LED的光強分布為[14]：

I(θ)=I0cosmθ。

(1)

根據照度與光強的關系可以推導出空間任一點的照度：

E(r,θ)=E0(r)cosmθ。

(2)

式中:E(r,θ)為與法線夾角θ的方向上距光源r處的照度；E0(r)為法向方向上距光源r處的照度；其他符號意義同上。

將極坐標轉換為直角坐標系，則表達式為：

(3)

式中:E(x,y,z)為坐標(x，y，z)處的照度；(X,Y)為法向方向與被照平面交點坐標；其他符號意義同上。

由公式(3)可知，給定被照平面上任意一點的照度主要跟I0、m有關。

圖8為LightTools模擬的LED照度分布圖，被照平面距LED5mm。

圖8 單個LED的光照度分布圖Fig.8 Distribution of light intensity of a single LED

(2) LED矩陣照度分布

對于LED矩陣來說，被照平面上任意一點的照度是矩陣中每一個LED燈珠在該點照度的疊加。故由公式(3)可以推出a×b的LED矩陣在(x，y，z)處的照度為：

(d/2)]2+[y-(b+1-2j)(d/2)]+z2}-(m+2)/2。

(4)

式中：z為被照平面與LED矩陣的距離，亦稱LED矩陣的混光距離；其他符號意義同上。

照度均勻度為被照平面上考察范圍內照度的最小值與最大值的比值：

(5)

式中:R為光照度均勻度；Emin,Emax為照度的最小值和最大值。

假定被照平面的考察范圍與LED矩陣一致，則最大值出現在被照平面上的中心，最小值則出現在矩形的角點上[15]。即最大值出現在點(0，0，z)處，最小值出現在點((a-1)d/2，(b-1)d/2，z)，則照度均勻度可以表示為：

(6)

顯然，照度均勻度主要與三個參數有關：d、z、m，而m由半強角θ確定。由公式(6)可以得知，隨著混光距離z的增加，均勻度也隨之增加；隨著LED半強角θ的增大，m的值變小，均勻度增大；同樣，隨著間距d的減小，均勻度也增加。圖9、10、11分別是利用LightTools仿真得到的2×2LED矩陣的照度均勻度與z、d、m之間的關系曲線圖。

圖9 均勻度與d關系曲線圖Fig.9 Relationship between evenness and d

圖10 均勻度與z關系曲線圖Fig.10 Relationship between evenness and z

圖11 均勻度與m關系曲線圖Fig.11 Relationship between evenness and m

由于標志結構和LED選擇范圍的限制，z和m的值通常是事先確定的，因此d的值就成了光源設計的重點。

通過LightTools仿真得知，d存在一個臨界點。當小于臨界點時，照度表現出較好的均勻度，當大于臨界點時則呈現明顯的光斑。如圖12所示。

圖12 5×5LED矩陣照度分布圖Fig.12 The illumination distribution of the 5×5 LED matrix

(7)

當a=b時，最佳d可以用下式估算[16]：

(8)

2.4.2 亮度

(1)設計亮度的確定

根據韓文元[17]等學者的研究，標志的視認距離隨著亮度的增加而變大，但是視認距離并不是無限地增大，而是在亮度達到某一臨界值后趨緩，隨后如果繼續增加亮度反而會出現眩光現象。

標志的視認距離除了和標志的亮度有關，還受背景環境亮度影響。盛麗麗[1]等人的研究成果表明背景環境的亮度是決定自發光交通標志亮度的一個重要因素，在10～400 cd/m2之間存在一個合適的亮度值使交通標志的視認性最佳，并通過試驗給出了不同背景環境亮度條件下滿足視認距離的交通標志發光亮度的范圍，見表2。

表2 不同背景亮度下標志發光亮度范圍

(2)標志發光亮度計算

根據前文確定的LED燈珠間距和文字高度、寬度，初步確定LED燈珠的數量n，并初步選擇LED燈珠，確定半強角、法向光強等參數。

標志發光亮度可以通過下式來計算：

(9)

式中：L為標志板面發光亮度；n為LED矩陣LED的數量；ηLGP,ηfilm為導光板和反光膜的透光率；ηLED為LED的光源利用效率，實際可利用光與LED發出的全部光的比值；φ1/2導光板的半強角；A為發光面積，與文字高寬為相等的矩形；其余符號意義同上。

將計算L與標志亮度設計值L′比較：若L>L′則滿足亮度要求；若L

2.4.3 LED燈珠選擇

(1) 顏色

交通標志版面顏色主要有白色、藍色、紅色等。同一標志至少是兩種及以上的顏色組合。根據版面顏色組合和物體對不同色光的吸收特性，LED燈珠的顏色有兩種選擇方案：一是根據反光膜的顏色選擇與之相對應的LED燈珠；二是全部選擇白色LED燈珠[18]。

如果采用方案1，就需要針對不同顏色的反光膜逐個設計背光源，同時還要考慮不同光源之間的光線阻隔，否則在不同顏色反光膜搭接處就會出現相互干擾。這樣既增大了光源設計的難度，也使得標志內部結構更為復雜。若采用方案2，只需要設計一個光源，但當光線穿過非白色反光膜時，僅與反光膜顏色相同的光能夠透射出來，光源利用效率與方案1相比較低。綜合考慮方案1和方案2的優缺點，選用白色LED作為背光源的顏色。

(2) 發光角度

前文研究已經證實，半強角越大，LED矩陣產生的光照度越均勻。但半強角越大，LED光源利用效率就越低。θ1/2=60°時，光源利用效率大約降低到75%。因此，同樣亮度要求下，半強角越大亮度越均勻，但所需要的LED燈珠數量也越多。

(3) 法向光強

法向光強和LED燈珠的數量是決定標志亮度的兩個最重要的因素。在標志亮度一定的情況下，降低LED燈珠的法向光強，則需要增加LED燈珠的數量。

因此，在進行光源設計時可以初步選擇LED燈珠的半強角、法向光強，根據計算的結果再進行優化設計選擇最適合的LED燈珠。

2.4.4 導光板

本文引入導光板主要有兩個作用：一是彌補混光距離的不足，使得出射光更加均勻；二是導光板位于標志面板下，并在四周用膠水將導光板粘貼在標志面板上，可以彌補標志面板被雕刻成鏤空后的防水和強度上的缺陷。

3 背光源LED交通標志光源設計實例

3.1 基本參數確定

3.1.1 LED的選擇

本次設計中選擇了白色LED，法向光強3 000 mcd，半強角θ1/2=60°，光源利用效率ηLED=75%。

3.1.2 混光距離z

標志體厚度50 mm，考慮標志底板布設線路和LED矩陣占用了一部分厚度，確定LED矩陣到標志面板的距離，即混光距離z為40 mm。

3.1.3 反光膜及導光板選擇

通過實驗來選擇高透光率的棱鏡反光膜。根據2.2節的試驗結果，選擇A品牌的白色反光膜作為透光材料，其透光率ηfilm=16%。

導光板選用新型體散射粒子型導光板，半強角φ1/2=60°，其透光率ηLGP=90%。

3.2 光源設計

3.2.1 確定最佳LED間距d

本次設計中文字高50 cm，高寬比為1∶1 。以單個文字為單元進行設計，則LED矩陣成正方形，利用公式(8)估算dmax=40 mm。

3.2.2 計算標志發光亮度

根據dmax=40 mm初定LED矩陣為14×14的方陣，據表2確定標志在明亮背景下的設計亮度L′為200 cd/m2。利用公式(9)得到在初定光源條件下的計算亮度L=254.02 cd/m2，L>L′足標志設計亮度要求。

3.2.3 均勻度驗證

根據計算機模擬和實際產品對上文的結果進行驗證，結果如圖13和14所示。設計光源在被照平面上產生的照度具有較好的均勻度。

圖13 仿真照度分布圖Fig.13 The diagram of simulation illumination distribution

圖14 實際樣品發光圖Fig.14 The illuminated diagram of real sample

4 背光源LED交通標志的性能

4.1 背光源LED交通標志的優點

(1)背光源設計，保證了反光膜的完整性。

(2)實現了面發光。背光模組的設計，將點狀光源轉換為面光場，實現文字或圖形整個平面發光，即使部分LED燈珠出現故障，也不會對標志的功能產生較大影響。導光板的勻光作用，讓面光場均勻、柔和，可以克服點陣式LED交通標志的刺眼與斷字問題等缺點。

(3)模組化設計便于安裝與維修。

4.2 背光源LED交通標志的缺點

從目前的工程實踐來看，新型標志有以下兩個主要的缺陷：

(1)功率較大，暫時未能實現太陽能供電。

(2)未能現實全部信息發光。限于結構及力學的要求，目前還不能將標志板上所有的信息雕刻成鏤空，如英文、公里數等較小的文字。

5 結束語

主動發光標志擺脫了對外部光源的依賴，照顧了所有的道路使用者，能應對惡劣的氣候條件，同時也讓交通標志真正成為城市景觀的一部分，是未來交通標志發展的趨勢。而基于背光源的新型主動發光交通標志，則改變了現有的發光模式，實現了點發光向面發光的轉變，從而使得主動發光應用于以文字為主大型指路標志成為現實，是主動發光交通標志產業的一大變革。當然，新型標志仍然存在很多難題有待解決，如大型指路標志發光模塊功率較大，難以采用太陽能為能源；鑒于材料和工藝所限，目前只能實現主要文字發光，對于較小的文字還沒有能夠實現發光。相信隨著研發技術的不斷提高，能源、材料和工藝的不斷進步，這些問題也將逐一得到解決。

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New Active Luminous Traffic Signs Based on Backlight

Zhou Dekai1，Ma Jianxiao1*，Zhu Yayun1，Liu Gan2，Ding Bolin1，2

(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China； 2.Nanjing SKY Traffic Safety Technology Stock CO.，LTD，Nanjing 210037，China)

Based on the systematic analysis of the structure，optical mode and performance of existing active luminous signs，the reasons that the active luminous emitting technology is difficultly applied in large guide signs was explored in this paper.The LCD back light technology was creatively applied to the traffic signs and a new type active luminous traffic signs was developed based on backlight.The structure，optical mode，light design，advantages and disadvantages of the new traffic signs were introduced in detail.The theoretical calculation and computer simulation results were given for the light source design，and the results were verified in practical applications.The research of novel traffic signs makes the light-emitting mode of active luminous traffic signs upgrade from point emitting to surface emitting，and makes the large guide sign active luminous.

traffic signs；active light-emitting；backlight；LED

2016-09-09

公路交通安全技術交通行業重點實驗室開放課題資助(20130104)

周德凱，碩士，工程師。研究方向：交通安全。

*通信作者：馬健霄，博士，教授。研究方向：城市與區域交通規劃。E-mail:jxmai@163.com

周德凱，馬健霄，朱亞運，等.基于背光源的新型主動發光交通標志研究[J].森林工程，2017，33(1)：76-80.

S 792

A

1001-005X(2017)01-0076-07