???       我國道路交通標(biāo)志行業(yè)起步晚，上世紀(jì)80年代末開始采用反光膜材料制作道路交通標(biāo)志。反光標(biāo)志使用壽命長、耐候性好，但是遇到雨雪等惡劣天氣其視認(rèn)性能明顯降低，尤其是在夜間必須開啟遠(yuǎn)光燈才能識別標(biāo)志內(nèi)容。而夜間違規(guī)使用遠(yuǎn)光燈也是造成夜間交通事故的重要原因之一，給人們出行帶來安全隱患。

20世紀(jì)90年代開始隨著LED技術(shù)的發(fā)展，因其高亮度、低功耗等性能特點(diǎn)開始被交通標(biāo)志所采用。自《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB5768-1999)頒布實(shí)施以來，新技術(shù)、新材料發(fā)展非常迅速，出現(xiàn)了各類新型的交通標(biāo)志，極大地提高了交通標(biāo)志的視認(rèn)性能。其中以LED主動發(fā)光標(biāo)志的應(yīng)用最為廣泛。公安部2005年頒布了《太陽能道路交通標(biāo)志》(GA/T 580-2005)對主動發(fā)光標(biāo)志進(jìn)行了系統(tǒng)的規(guī)范，使得主動發(fā)光交通標(biāo)志得到了長足的發(fā)展。LED主動發(fā)光道路交通標(biāo)志在惡劣天氣或夜晚外界亮度低的情況下，能夠自主發(fā)光彌補(bǔ)反光標(biāo)志的不足，從而增加了標(biāo)志的警示性能，降低了交通事故的發(fā)生率。提高了標(biāo)志亮度，也起到亮化、美化城市的作用。目前市場上主要以點(diǎn)陣式主動發(fā)光標(biāo)志為主，其工藝以手工為主且受到像素失效率的影響，有一定的質(zhì)量隱患。本文主要探討一款新型的發(fā)光標(biāo)志，采用LED背光源透射反光膜的形式發(fā)光，色澤均勻、亮度柔和，并且極大提高了標(biāo)志的視認(rèn)性能和美觀性。

1 LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志的工作機(jī)理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志工作機(jī)理

LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志不同于點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志，正面完全保留逆反射標(biāo)志的性能不損壞反光膜，底部粘貼白色反光膜然后粘貼深色膜鏤空顯示字樣或圖案，標(biāo)志底板和深色膜通樣鏤空在一定間距后放置LED背光源，靠反光膜透射光線實(shí)現(xiàn)發(fā)光。由于采用基于白色LED背光技術(shù)透射白色反光膜的新光學(xué)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)亮度均勻、色澤柔和的發(fā)光效果，且不產(chǎn)生眩光、不受筆畫圖形等條件的限制。

圖1 LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 標(biāo)志正面鏤空結(jié)構(gòu)分析

考慮標(biāo)志底板的抗風(fēng)能力，發(fā)光文字不可能完全鏤空需要增加連接筋，將連接筋寬度控制在5~6mm，間距控制在50~60mm，可以保證標(biāo)志體在40m/s的風(fēng)速下變形不大于8mm。

圖2 文字加筋效果圖

背投式交通標(biāo)志的結(jié)構(gòu)層次如圖3所示：從下至上內(nèi)分別是標(biāo)志底板、光源、導(dǎo)光板、標(biāo)志面板、反光膜。

圖3 背投式交通標(biāo)志結(jié)構(gòu)層次

1.3 箱體結(jié)構(gòu)與防水處理

如圖1所示采用箱體式結(jié)構(gòu)，正面標(biāo)志底板粘貼反光膜，背后為封閉的箱體，防水結(jié)構(gòu)好，LED必須通過防水膠等方法處理，保證LED正常工作，防水等級要求滿足在IP53以上的要求。

1.4 控制模式設(shè)計

LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志完全保留了逆反射標(biāo)志的性能，白天無須發(fā)光，節(jié)能環(huán)保，采用的是南京賽康交通安全科技股份有限公司的賽康太陽能發(fā)光標(biāo)志程序系統(tǒng)V1.0版控制軟件，實(shí)現(xiàn)了白天不亮夜間自動發(fā)光的功能。

2 外界環(huán)境亮度、自發(fā)光亮度對標(biāo)志視認(rèn)距離的影響

圖4 夜間藍(lán)色和綠色亮度與視認(rèn)距離的關(guān)系

如圖4所示并不是LED亮度增高其視認(rèn)距離就會增加而是趨于一個上述所提的極限值。對于自發(fā)光式標(biāo)志，包括其他照明或發(fā)光設(shè)備，交通標(biāo)志所處的環(huán)境亮度是決定交通標(biāo)志發(fā)光亮度的關(guān)鍵因數(shù)。在低亮的環(huán)境中，較暗的自發(fā)光式交通標(biāo)志視認(rèn)性更佳;在高亮的環(huán)境下，如城市道路、高速公路隧道等環(huán)境中，需要高亮的自發(fā)光式交通標(biāo)志與之適應(yīng)。市區(qū)、郊區(qū)或鄉(xiāng)村等不同環(huán)境對交通標(biāo)志醒目程度、發(fā)現(xiàn)和認(rèn)讀都會產(chǎn)生影響。國內(nèi)外對交通標(biāo)志照明效果與最大亮度比之間的關(guān)系的研究表明，環(huán)境亮度與被照對象的最大亮度比例為1:5;如果需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，則環(huán)境亮度與被照對象的最大亮度比例為1:10，超過10倍以上，容易產(chǎn)生眩光。與之適應(yīng)，結(jié)合環(huán)境亮度的實(shí)測平均值，最佳亮度所處區(qū)間以及以上分析結(jié)論，考慮道路使用者在行車狀態(tài)下對亮度反應(yīng)的差異性，城市內(nèi)使用自發(fā)光式交通標(biāo)志亮度范圍為：背景明亮?xí)r，亮度取為140~400cd/m2;當(dāng)背景亮度一般時，亮度取為50~140cd/m2;當(dāng)背景較暗時，亮度取為10~50cd/m2。

3 微棱鏡型反光膜透光率測試

3.1微棱鏡型反光膜透光結(jié)構(gòu)分析

最早發(fā)明的反光膜為玻璃微珠型反光膜，此類反光膜具有金屬鍍層不具有透光性能。20世紀(jì)80年代美國人發(fā)明了微棱鏡型反光膜，此類反光膜開始推出時由于反射系數(shù)高、反射角度大造成復(fù)雜文字顯示眩光，隨著工藝技術(shù)的提升微棱鏡技術(shù)得到完善。《道路交通反光膜》(GB/T18833-2012)規(guī)定III類以上的反光膜全部為微棱鏡型反光膜，肯定了微棱鏡反光膜的地位和發(fā)展前景。微棱鏡反光膜由透明的樹脂構(gòu)成棱鏡型氣囊結(jié)構(gòu)，加上背膠、防粘紙等構(gòu)成，光線完全可以穿透發(fā)光使得背投式發(fā)光標(biāo)志成為可能。

圖5 微棱鏡反光膜結(jié)構(gòu)圖

3.2 典型白色微棱鏡型反光膜透光率測試

從標(biāo)志亮度與環(huán)境亮度的關(guān)系可知，微棱鏡型反光膜的透光率直接影響LED背光源的設(shè)計亮度。微棱鏡型反光膜由美國人發(fā)明，其核心技術(shù)一直掌握在3M、艾利等少數(shù)國外企業(yè)中，直到近幾年國內(nèi)相關(guān)企業(yè)才有能力生產(chǎn)微棱鏡型反光膜，如通明、道明等幾家企業(yè)。采用統(tǒng)一亮度背光源透射反光膜的形式測試比較國內(nèi)外三家廠家反光膜的透光性能，分別以M、T、D表示。

表1 透射反光膜后的亮度(單位cd/m2)

(注：以上為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考，不作為反光膜性能的指標(biāo)參照。)

根據(jù)表1可得M型白色微棱鏡型的反光膜的透光率η≈16%，D型白色微棱鏡型的反光膜的透光率η≈11%，T型白色微棱鏡型的反光膜的透光率η≈10%。

3.3 其他顏色微棱鏡型反光膜透光率測試

與測試白色微棱鏡型反光膜的透光率的方法一樣，測試出紅色微棱鏡反光膜和黃色微棱鏡型的反光膜透光率都在2%以下而且目前市場上的紅色、黃色LED的發(fā)光強(qiáng)度同等發(fā)光角度下僅為白色LED的一半，無法滿足背景明亮或一般時的設(shè)計亮度要求。指路標(biāo)志、指示標(biāo)志的字膜顏色為白色、禁令類標(biāo)志反光膜顏色通常為紅色和黑色、警告類標(biāo)志通常為黃色和黑色。黑色反光膜不具有透光性，指示標(biāo)志圖案多為箭頭，采用點(diǎn)陣式主動發(fā)光標(biāo)志即可滿足視認(rèn)效果。目前LED背投式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志主要應(yīng)用在指路標(biāo)志上。

4 LED背光源設(shè)計

4.1 背光源設(shè)計亮度分析

根據(jù)前面對外界環(huán)境亮度與自發(fā)光亮度對比度的分析和白色微棱鏡反光膜透光率的測試可得出三類反光膜設(shè)計亮度的范圍。

表2 設(shè)計亮度范圍(cd/m2)

4.2 LED設(shè)計亮度和LED發(fā)光強(qiáng)度、數(shù)量的關(guān)系

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高速公路LED可變信息標(biāo)志(GB/T23828-2009)中的規(guī)定設(shè)計亮度公式如式(1)。

LM=   (1)

式中：

LM：設(shè)計亮度，單位為坎德拉每平方米(cd/m2);

M：測量區(qū)域內(nèi)單粒LED的數(shù)量;

Ik：單粒LED在額定電流下的法向發(fā)光強(qiáng)度，單位為坎德拉(cd);

S：測量區(qū)域的有效面積，單位為平方米(m2);

如果LED發(fā)光強(qiáng)度一致且已知單顆LED的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光面積就可以測計算出LED數(shù)量，如式(2)

M=LM*S/ik  (2)

4.3 LED陣列均光分析

4.3.1 LED視認(rèn)角度、間距、LED與反光膜間距的關(guān)系

圖6 白色90oLED光強(qiáng)分布圖

根據(jù)LED光強(qiáng)分布圖，在LED法向垂直且間距L的平面上各點(diǎn)的光強(qiáng)與此點(diǎn)和LED中軸線的角度θ有關(guān)系，利用回歸分析法光強(qiáng)分布與夾角成近似于直線的函數(shù)關(guān)系，如式(3)

q=Qmax-Qmax  (3)

       式中：Q：平面上一點(diǎn)的光強(qiáng);Qmax：平面上與LED中軸線相交點(diǎn)的光強(qiáng);：LED的發(fā)光角度;θ：平面上一點(diǎn)與中軸線的夾角。

從LED光強(qiáng)分布可知，圖6兩顆LED的中心點(diǎn)B點(diǎn)的光強(qiáng)最弱，不斷縮小LED間距可以使得中心點(diǎn)B點(diǎn)光強(qiáng)增加和LED中心點(diǎn)A點(diǎn)的差距減少，A點(diǎn)和B點(diǎn)的光強(qiáng)差代入公式，如式4：

Qc=(2actan-actan)---------------------------------(4)

圖7 LED分布與反光膜間距關(guān)系圖

根據(jù)設(shè)計亮度范圍和文字的發(fā)光面積可以測算出不同發(fā)光強(qiáng)度LED的數(shù)量范圍，從而可以得到LED的間距D的范圍。根據(jù)公式D與L的比值不同，亮度的均勻度就不同，確定D和L的其中一個值后，根據(jù)公式就可以確定另外一個值。知道L的值直接影響標(biāo)志的整體厚度，實(shí)際設(shè)計時應(yīng)該先確定L的值，再確定D的值。如果通過公式計算出發(fā)光面積后的LED數(shù)量，無法滿足間距D的要求，必須增加LED數(shù)量直到滿足均勻度要求。

4.3.2 LED陣列光學(xué)分析與實(shí)例驗(yàn)證

采用90度LED發(fā)光強(qiáng)度為3140mcd的白色LED，設(shè)計間距d為30MM，可以計算出設(shè)計亮度為2034(單位為cd/m2)符合背景明亮?xí)r設(shè)計亮度的要求。代入公式(4)得到光強(qiáng)差，從而得出均勻度系數(shù)，根據(jù)實(shí)際效果圖驗(yàn)證了均光的分析。

                             表3 均勻性驗(yàn)證表

5 傳統(tǒng)發(fā)光道路交通標(biāo)志和LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志的優(yōu)缺點(diǎn)分析

5.1 傳統(tǒng)逆反射標(biāo)志的優(yōu)缺點(diǎn)分析

傳統(tǒng)的逆反射標(biāo)志一般采用鋁合金板材作為標(biāo)志底板，粘貼反光膜的形式制作而成。反光膜根據(jù)道路交通反光膜(GB/T18833-2012)的要求，除了Ⅵ類、Ⅶ類用于輪廓標(biāo)、作業(yè)區(qū)標(biāo)志、臨時性交通標(biāo)志等設(shè)置等級低的場所，其它反光膜壽命都在7年以上。逆反射標(biāo)志依靠反光膜通過逆反射作用將光線按接近入射角的角度反射到人眼中，從而使人感知到標(biāo)志所承載的信息。此類標(biāo)志具有制作簡單、安裝方便、使用壽命長、成本低等優(yōu)勢，目前也是應(yīng)用最為廣泛的交通標(biāo)志產(chǎn)品，但是此類標(biāo)志功能單一，也存在自身的缺陷。

(1)受天氣影響較大，在惡劣天氣條件下其視認(rèn)性能明顯降低;

(2)被動反光，標(biāo)志角度歪斜或者在夜間極易被駕駛?cè)撕托腥撕雎?

(3)夜間駕駛員開啟遠(yuǎn)光燈才能看清標(biāo)志信息，而濫用“遠(yuǎn)光燈”是夜間發(fā)生交通事故的重大隱患之一。

5.2 點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志的優(yōu)缺點(diǎn)分析

點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志是將LED以鑲嵌的方式固定在標(biāo)志底板的表面上，接通電源后，一個個發(fā)光點(diǎn)組成線條，勾勒出標(biāo)志的圖形輪廓或文字的筆畫，如圖8所示。

圖8 點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志

5.2.1點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志的優(yōu)點(diǎn)

構(gòu)成外部輪廓的LED間距≦40MM，內(nèi)部圖案的LED間距≦35MM，大型標(biāo)志遠(yuǎn)處觀看線形效果好，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用反光膜與LED相結(jié)合，突破了依賴外部光源視認(rèn)的局限性

點(diǎn)陣式 LED交通標(biāo)志是在傳統(tǒng)的交通標(biāo)志底板上，按照標(biāo)志的圖形輪廓或文字筆畫，以某一像素間距鉆孔將LED固定在標(biāo)志底板上。在夜間或環(huán)境照度較差時，點(diǎn)亮LED 采用主動發(fā)光的方式;在白天或光照條件好的情況下，可以關(guān)閉LED依靠反光膜傳遞信息，同時在電路出現(xiàn)故障時也能夠正常發(fā)揮作用。

(2)主動發(fā)光，可視距離提高

LED主動發(fā)光改變了交通標(biāo)志必須依靠外部光源才能被識別的歷史，兼顧到所有的道路使用者。采用高亮LED并配以專門的光學(xué)透鏡，具有極強(qiáng)的光透性和良好的耐候性，在夜間的可視距離是常規(guī)標(biāo)志的兩倍，在不良天氣狀態(tài)下是常規(guī)標(biāo)志的4倍，能夠有效應(yīng)對霧霾等惡劣氣候條件。

(3)低能耗，可采用太陽能、風(fēng)能為其供電

點(diǎn)陣式LED交通標(biāo)志采用了較少數(shù)量的LED發(fā)光二極管，能耗極低，完全可以采用便利的太陽能和風(fēng)能供電，可以全天候工作，不受地理位置影響，清潔、低碳、綠色符合可持續(xù)發(fā)展理念。

5.2.2 點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志的缺點(diǎn)

點(diǎn)陣式 LED交通標(biāo)志的缺點(diǎn)如下：

(1)大型標(biāo)志采用如圖8所示顯示效果好，應(yīng)用在小型標(biāo)志或復(fù)雜圖形和文字時顯示效果差，過多的LED排布在很小的范圍內(nèi)顯示模糊看不清顯示內(nèi)容如9所示。

圖9 小型標(biāo)志復(fù)雜圖案的顯示效果

(2)LED失控時導(dǎo)致顯示效果減弱

當(dāng)其中某個或某幾個LED失控時就會出現(xiàn)顯示效果減弱，甚至完全改變含義的情況，如圖10所示，太行山路在部分LED失控的情況下變成了大行山路。

圖10 LED正常和失效后的顯示效果對比

(3)防水性能差，故障率高

由于點(diǎn)陣式LED交通標(biāo)志是將LED發(fā)光二極管通過鉆孔工藝鑲嵌在板志底板上，無法解決防水問題，雨水進(jìn)入標(biāo)志后容易腐蝕線路板，故障頻發(fā)。

(4)需要在標(biāo)志版面打孔背后安裝線路，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)。

5.3 LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志較傳統(tǒng)標(biāo)志優(yōu)勢分析

LED背投式主動式發(fā)光指路標(biāo)志不僅具有點(diǎn)陣式主動發(fā)光道路交通標(biāo)志的優(yōu)點(diǎn)，還具有一些特有的優(yōu)勢。

(1)亮度均勻，色澤柔和;如圖11所示;

(2)亮化、美化城市;如圖11所示;

(3)采用箱體式結(jié)構(gòu)，LED采用密封膠處理，防水性能更好，故障率更低;

(4)光源可采用貼片式LED機(jī)器焊接，外部可采用型材結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn);

圖11 LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志實(shí)際效果圖

(5)LED背投式主動發(fā)光指路標(biāo)志完全保留了逆反射標(biāo)志的性能，白天不亮的情況下和逆反射標(biāo)志效果一致。夜間發(fā)光由于采用LED陣列背光源，部分LED失效后亮度損失不大，外觀無明顯變化，大部分LED失效后會造成亮暗不均顯示效果明顯減低，但是對顯示內(nèi)容沒有任何影響，燈光條件下仍能準(zhǔn)確辨認(rèn)顯示內(nèi)容。圖12為LED失效后的圖片。

圖12 LED失效后效果圖

6 結(jié)論

主動發(fā)光標(biāo)志擺脫了外部光源的約束，照顧了所有的道路使用者，也能應(yīng)對惡劣的氣候條件，同時也讓交通標(biāo)志真正成為城市景觀的一部分，將成為未來交通標(biāo)志發(fā)展的趨勢。而基于背光源的新型主動發(fā)光交通標(biāo)志，則改變了現(xiàn)有的發(fā)光模式，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)發(fā)光向面發(fā)光的轉(zhuǎn)變，從而使得主動發(fā)光應(yīng)用于以文字為主的大型指路標(biāo)志成為現(xiàn)實(shí)，是主動發(fā)光交通標(biāo)志產(chǎn)業(yè)的一大變革。當(dāng)然新型標(biāo)志仍然存在很多難題有待解決，如大型指路標(biāo)志發(fā)光模塊功率增大，難以采用太陽能為能源，成本過高。但隨著研發(fā)技術(shù)的不斷提高，能源、材料和工藝的不斷進(jìn)步，這些問題也將逐一得到解決。