LED路灯在雨、雾、雪环境下的应用

1、概述

        近几年，由于LED照明产品节能、寿命长等优点，在室内照明已经广泛取代白炽灯和日光灯；在室外，一些高品质的LED路灯已经完全胜任道路照明，而且还表现出一些特有的优势，比如高显色指数、寿命长等，但是LED路灯在雨、雪、雾天气下的穿透性还存在不足，是影响LED照明在户外应用的主要因素。

2、道路照明对穿透性的要求

        道路上的照明灯具主要分为汽车灯、路灯，目前汽车灯、路灯主要以黄光为主。信号灯作为指示灯对道路上行人和行车起到指引、指示和警示作用。

        2.1车灯方面

        大雾（雨、雪）是车辆行驶的一大障碍。车辆在遇到大雾（雨、雪）时，常常会打开前后雾灯，让一簇灿烂的黄色灯光开路，既照亮了前方的道路，又标明了自己的位置，使迎面而来的车辆行人能够透过浓浓的雾幕，迅速避让，防止碰撞事故发生。汽车雾灯照射出来的光是黄色光，这是经过科学家精心研究以后作出的最佳选择。

        28岁的绍兴车主陈先生为了使爱车大灯更亮，他花钱将远光、近光、雾灯全部改成了6000K的高色温氙气大灯。“真是亮极了!”陈先生说，改成氙气灯后，天气好的时候，只要打开灯光，“能晃得眼睛看不见”，他感到很满意。可不久后他驾车外出游玩时，突遭大雾袭击。他顺手打开氙气灯，可出乎意料的是“眼前完全白茫茫一片，什么都看不见”。由于能见度不到五米，氙灯又毫无用处，他只能凭感觉一点点移动。可几分钟后，突然听到后面的车急按喇叭，他停车一看，“天啊，车头离路边悬崖只有二十公分了!”

        专家建议：高色温氙灯令光线穿透力下降雾天切勿乱改灯

        陈先生回绍兴后，马上将近光灯与雾灯又改成了普通灯。由于花钱不讨好，他很是郁闷：“氙灯那么亮，怎么会在雾天就失效呢?”

        对此，绍兴汽车改装专家张师傅解释，车主将普通车灯改用色温过高的氙灯后，灯光的穿透能力会下降，一旦碰到雨雾天，灯光几乎失去作用。张师傅说，氙灯因具备亮度高、能省电、还耐用等优点，受到不少车主的青睐。在他的店中，最近几乎每天都有顾客开车前来改装氙灯。但有些车主为了炫酷，会选择6000K、8000K、12000K的高色温氙灯。因为这些氙灯不仅亮度强，而且光线中还带有蓝色、紫色等彩色，看上去绚丽夺目。但这样却降低了灯光的穿透力。

        2.2道路照明方面

        以前主要应用低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯的工作蒸气压不超过几个帕。低压钠灯的放电辐射集中在589.0纳米和589.6纳米的两条双D谱线上，它们非常接近人眼视觉曲线的最高值（555纳米），低压钠灯辐射单色黄光，其辐射光谱纯正、稳定、无杂散光，该波长光线透雾性强，所以低压钠灯，也适宜于多雾区域的照明；针对低压钠灯单色性太强，显色性很差，放电管过长等缺点而研制的高压钠灯，高压钠灯相对低压钠灯，具有显色指数高、寿命长的特点，同时也也具有较高的穿透性，色温主要在2200-2500K之间。钠灯应用在道路照明的最大优点就是对雨、雪、雾的穿透能力。

        深圳路灯管理处吴春海《LED路灯色温的思考与选择》中明确提出，从属性角度研究色温，即生理性和心理性。毫无疑问，色温兼具生理和心理两种属性。例如，光的透雾性影响驾驶者的辨识能力和反应速度，属于生理性；同时，透雾能力差使驾驶者感觉朦胧，精神高度紧张，属于心理性。他提起的案例：1999年，某国际品牌在国内推广金卤灯，深圳很多主干道，包括深南大道，都换成白光的金卤灯（6000-6500K）。初时效果尚算不错，但好景不长，2000年后开始有市民投诉，2001、2002年投诉达到高峰，反映白光昏暗，感觉不好。自此之后，深圳的主干道逐渐换回黄光的高压钠灯。

        2.3交通信号灯

        黄色光不仅用在汽车雾灯上，城市道路的十字路口交通信号灯，到了深更半夜，行人车辆稀少，交通灯上只有一盏黄灯一闪一闪地发出间断光芒，使深夜行驶的车辆驾驶员在很远的地方就能发现，以便及时降低车速，安全驶过十字路口。

3、国家标准对色温的要求

        据相关专家介绍，一方面原因是人体对冷色光源的视觉舒适度较差，不宜采用冷色光源；另一方面，色温较高的光源偏白，容易使驾驶者在视觉上产生雾蒙蒙的感觉。

        《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）于2007年实施，此标准和以前的标准对光源的要求主要是钠灯，由于钠灯的色温具有局限性，只有2500K以下，所以以前所有的标准中均没有特别说明色温。

        《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2015）于2016年6月1日实施，CJJ45-2015版的标准对光源选择做了新规定：增加了发光二极管灯（LED灯），由于LED色温较宽，可以从2300K-6500K，甚至更高，所以CJJ45-2015版的标准对LED路灯的色温做了要求，即LED路灯的相关色温不宜高于5000K，并宜优先选择中或者低色温。

        广西壮族自治区住建厅出台了《城市照明与建设管理工作方案（2015-2016年）》，明确色温由低到高分为暖色、正白和冷色。根据不同的地域环境和不同等级的道路，应采用相应色温的灯具。如在快速路、主干路、次干路、山区多雾的地区应选用色温比较低的灯具。同批次的光源色温应一致，市政道路不推荐使用冷色光源。

4、光的穿透性能与哪些因素有关

        光在照明中的应用中，穿透性不是严格意义上的穿透,而是绕过尘埃颗粒，被人看到。光的波长越长，越不容易被散射（也就是波长越大的光衍射能力越强），故穿透能力最强。但实际中由于水雾灰尘等因素的影响，红色光线的实际穿透能力就变弱了，而且红光的光效很低，不能满足照明的要求。

        国际照明委员会（CIE）在1931年定义的人眼对波长的敏感曲线，在波长555nm的绿光最敏感，也就是说一瓦(1W)的555nm的绿光，人眼对他的相对亮度是683流明。由此可以知道,光能量最大的效率是683lm/W。

人眼对波长的效率表

        绿色光早就被作为“安全”和“可以通过”等的标志光；但是由于绿色光波长小，容易被散射，同时为单色光，不适合户外路灯照明。

因此从波长和人眼对波长敏感因素，黄光最适合户外照明。

5、LED路灯穿透性的研究

        常规白光LED的频谱中，短波长占据很大部分，在雪花、雨滴和雾滴中传播时短波长的光会被散射，造成眼前白茫茫的一片，照明效果不佳。

        对于可见光在雾的环境中传播，BobsyAriefKURNIAWAN测量了在不同雾浓度和雾滴大小条件下，人眼对LED亮度的响应。他采用了红黄蓝绿四种颜色光，以及他们每两种颜色之间的颜色，构成了十二种颜色光进行实验，并得出了红黄光和红蓝光穿过雾时亮度最高。同时，蓝光在浓雾中的可见性最差。而在下雨和下雪的环境中，研究大多集中在对黄光和白光的选择上。人们通常认为黄光比白光好，因为在相同亮度下黄光带来的眩光没有白光严重。这个常识性的认识被JohnD.Bullough’s的研究证实了。他得出了在相同光强下，黄光比白光受到反向散射的影响小，因而眩光小的结论。

        不同色温的LED的光谱图

（1）6000K色温的LED的光谱图

        此图为产品色温段6000K左右的光谱图，图中光谱能量最多的为460nm左右的蓝光波段，再下来就是550~580nm段的绿色及黄色波段能量较多。

（2）3000K色温的LED的光谱图

        接下来就是3000K色温的LED产品的光谱组成其中以570nm~630nm段的光谱能量最多，蓝色段的能量几乎没有了。但是由于存在大量红光，所以整体效率偏低。也就是3000K色温的路灯光效低，替换钠灯时节电比较低。

6、如何实现LED路灯的低色温、高光效

        在LED行业中，基本是色温越高，光效越高；色温越低，光效越低。所以目前LED路灯基本实现模组化，主要组成：LED模组、LED驱动电源、灯壳，要实现LED路灯的低色温、高光效，主要取决LED模组。荧光粉主要影响色温，LED芯片、荧光粉、二次配光透镜主要影响光效。

        实现低色温的办法：是在封装时调整LED红粉、绿粉和黄粉的比例，以便封装出不同色温的LED灯珠；

        实现高光效的主要办法：一是采用高光效的LED芯片；二是采用高转换效率的LED荧光粉；三是采用高出光率的LED二次配光透镜；四是选择高导热的铝基板。

        通过以上办法，可以实现LED路灯的“低色温、高光效”，在行业内的实际应用中，LED路灯的色温在逐年降低，LED路灯的整灯光效在逐年增加。

图一：2016年前LED路灯实际应用中的色温变化

图二：2016年前LED路灯实际应用中的整灯光效变化

7、结论

        道路照明的功能性需求之一就是希望提高雨、雾、雪天气的穿透能力，以便增强的对行车、行人的引导性，提高雨、雪、雾天气的行车安全。LED路灯作为新一代照明产品，除了节能、寿命长、显色性好等优点外，从技术角度，完全可以实现低色温，色温可以控制在高压钠灯和白炽灯之间的色温，从而使LED产品在户外照明中的优势越来越突出。

参考文献：

[1] 《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）

[2] 《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2015）

[3] 广西壮族自治区住建厅《城市照明与建设管理工作方案（2015-2016年）》

[4]《LED路灯色温的思考与选择》吴春海

[5]《国际照明委员会色彩体系（CIE色彩系统）》