??? 我國道路交通標志行業起步晚，上世紀80年代末開始采用反光膜材料制作道路交通標志。反光標志使用壽命長、耐候性好，但是遇到雨雪等惡劣天氣其視認性能明顯降低，尤其是在夜間必須開啟遠光燈才能識別標志內容。而夜間違規使用遠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90年代開始隨著LED技術的發展，因其高亮度、低功耗等性能特點開始被交通標志所采用。自《道路交通標志和標線》(GB5768-1999)頒布實施以來，新技術、新材料發展非常迅速，出現了各類新型的交通標志，極大地提高了交通標志的視認性能。其中以LED主動發光標志的應用最為廣泛。公安部2005年頒布了《太陽能道路交通標志》(GA/T 580-2005)對主動發光標志進行了系統的規范，使得主動發光交通標志得到了長足的發展。LED主動發光道路交通標志在惡劣天氣或夜晚外界亮度低的情況下，能夠自主發光彌補反光標志的不足，從而增加了標志的警示性能，降低了交通事故的發生率。提高了標志亮度，也起到亮化、美化城市的作用。目前市場上主要以點陣式主動發光標志為主，其工藝以手工為主且受到像素失效率的影響，有一定的質量隱患。本文主要探討一款新型的發光標志，采用LED背光源透射反光膜的形式發光，色澤均勻、亮度柔和，并且極大提高了標志的視認性能和美觀性。
1 LED背投式主動發光指路標志的工作機理及結構設計
1.1 LED背投式主動發光指路標志工作機理
LED背投式主動發光指路標志不同于點陣式主動發光道路交通標志，正面完全保留逆反射標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現發光。由于采用基于白色LED背光技術透射白色反光膜的新光學模式，能夠實現亮度均勻、色澤柔和的發光效果，且不產生眩光、不受筆畫圖形等條件的限制。
圖1 LED背投式主動發光指路標志結構示意圖
1.2 標志正面鏤空結構分析
考慮標志底板的抗風能力，發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，可以保證標志體在40m/s的風速下變形不大于8mm。
圖2 文字加筋效果圖
背投式交通標志的結構層次如圖3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3 背投式交通標志結構層次
1.3 箱體結構與防水處理
如圖1所示采用箱體式結構，正面標志底板粘貼反光膜，背后為封閉的箱體，防水結構好，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 控制模式設計
LED背投式主動發光指路標志完全保留了逆反射標志的性能，白天無須發光，節能環保，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光標志程序系統V1.0版控制軟件，實現了白天不亮夜間自動發光的功能。
2 外界環境亮度、自發光亮度對標志視認距離的影響
圖4 夜間藍色和綠色亮度與視認距離的關系
如圖4所示并不是LED亮度增高其視認距離就會增加而是趨于一個上述所提的極限值。對于自發光式標志，包括其他照明或發光設備，交通標志所處的環境亮度是決定交通標志發光亮度的關鍵因數。在低亮的環境中，較暗的自發光式交通標志視認性更佳;在高亮的環境下，如城市道路、高速公路隧道等環境中，需要高亮的自發光式交通標志與之適應。市區、郊區或鄉村等不同環境對交通標志醒目程度、發現和認讀都會產生影響。國內外對交通標志照明效果與最大亮度比之間的關系的研究表明，環境亮度與被照對象的最大亮度比例為1:5;如果需要重點強調，則環境亮度與被照對象的最大亮度比例為1:10，超過10倍以上，容易產生眩光。與之適應，結合環境亮度的實測平均值，最佳亮度所處區間以及以上分析結論，考慮道路使用者在行車狀態下對亮度反應的差異性，城市內使用自發光式交通標志亮度范圍為：背景明亮時，亮度取為140~400cd/m2;當背景亮度一般時，亮度取為50~140cd/m2;當背景較暗時，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構分析
最早發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80年代美國人發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高、反射角度大造成復雜文字顯示眩光，隨著工藝技術的提升微棱鏡技術得到完善。《道路交通反光膜》(GB/T18833-2012)規定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展前景。微棱鏡反光膜由透明的樹脂構成棱鏡型氣囊結構，加上背膠、防粘紙等構成，光線完全可以穿透發光使得背投式發光標志成為可能。
圖5 微棱鏡反光膜結構圖
3.2 典型白色微棱鏡型反光膜透光率測試
從標志亮度與環境亮度的關系可知，微棱鏡型反光膜的透光率直接影響LED背光源的設計亮度。微棱鏡型反光膜由美國人發明，其核心技術一直掌握在3M、艾利等少數國外企業中，直到近幾年國內相關企業才有能力生產微棱鏡型反光膜，如通明、道明等幾家企業。采用統一亮度背光源透射反光膜的形式測試比較國內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)
|
反光膜代號 背光源亮度 |
M |
T |
D |
|
2690 |
430 |
273 |
290 |
|
3300 |
529 |
336 |
360 |
(注：以上為實驗數據僅供參考，不作為反光膜性能的指標參照。)
根據表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的發光強度同等發光角度下僅為白色LED的一半，無法滿足背景明亮或一般時的設計亮度要求。指路標志、指示標志的字膜顏色為白色、禁令類標志反光膜顏色通常為紅色和黑色、警告類標志通常為黃色和黑色。黑色反光膜不具有透光性，指示標志圖案多為箭頭，采用點陣式主動發光標志即可滿足視認效果。目前LED背投式主動發光道路交通標志主要應用在指路標志上。
4 LED背光源設計
4.1 背光源設計亮度分析
根據前面對外界環境亮度與自發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計亮度的范圍。
表2 設計亮度范圍(cd/m2)
|
反光膜型號 背景亮度 |
M |
T |
D |
|
背景明亮 |
875-2502 |
1380-3942 |
1295-3710 |
|
背景亮度一般 |
312-875 |
492-1380 |
463-1295 |
|
暗背景 |
62-312 |
98-492 |
92-463 |
4.2 LED設計亮度和LED發光強度、數量的關系
根據行業標準高速公路LED可變信息標志(GB/T23828-2009)中的規定設計亮度公式如式(1)。
LM= 
(1)
式中：
LM：設計亮度，單位為坎德拉每平方米(cd/m2);
M：測量區域內單粒LED的數量;
Ik：單粒LED在額定電流下的法向發光強度，單位為坎德拉(cd);
S：測量區域的有效面積，單位為平方米(m2);
如果LED發光強度一致且已知單顆LED的發光強度和發光面積就可以測計算出LED數量，如式(2)
M=LM*S/ik (2)
4.3 LED陣列均光分析
4.3.1 LED視認角度、間距、LED與反光膜間距的關系
圖6 白色90oLED光強分布圖
根據LED光強分布圖，在LED法向垂直且間距L的平面上各點的光強與此點和LED中軸線的角度θ有關系，利用回歸分析法光強分布與夾角成近似于直線的函數關系，如式(3)
q=Qmax-
Qmax (3)
式中：Q：平面上一點的光強;Qmax：平面上與LED中軸線相交點的光強;
：LED的發光角度;θ：平面上一點與中軸線的夾角。
從LED光強分布可知，圖6兩顆LED的中心點B點的光強最弱，不斷縮小LED間距可以使得中心點B點光強增加和LED中心點A點的差距減少，A點和B點的光強差代入公式，如式4：
Qc=
(2actan
-actan
)---------------------------------(4)
圖7 LED分布與反光膜間距關系圖
根據設計亮度范圍和文字的發光面積可以測算出不同發光強度LED的數量范圍，從而可以得到LED的間距D的范圍。根據公式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，根據公式就可以確定另外一個值。知道L的值直接影響標志的整體厚度，實際設計時應該先確定L的值，再確定D的值。如果通過公式計算出發光面積后的LED數量，無法滿足間距D的要求，必須增加LED數量直到滿足均勻度要求。
4.3.2 LED陣列光學分析與實例驗證
采用90度LED發光強度為3140mcd的白色LED，設計間距d為30MM，可以計算出設計亮度為2034(單位為cd/m2)符合背景明亮時設計亮度的要求。代入公式(4)得到光強差，從而得出均勻度系數，根據實際效果圖驗證了均光的分析。
表3 均勻性驗證表
|
均勻性
間距L |
均勻度 |
實際效果圖 |
|
10MM |
54% |
|
|
20MM |
82% |
|
|
30MM |
91% |
|
5 傳統發光道路交通標志和LED背投式主動發光指路標志的優缺點分析
5.1 傳統逆反射標志的優缺點分析
傳統的逆反射標志一般采用鋁合金板材作為標志底板，粘貼反光膜的形式制作而成。反光膜根據道路交通反光膜(GB/T18833-2012)的要求，除了Ⅵ類、Ⅶ類用于輪廓標、作業區標志、臨時性交通標志等設置等級低的場所，其它反光膜壽命都在7年以上。逆反射標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，從而使人感知到標志所承載的信息。此類標志具有制作簡單、安裝方便、使用壽命長、成本低等優勢，目前也是應用最為廣泛的交通標志產品，但是此類標志功能單一，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性能明顯降低;
(2)被動反光，標志角度歪斜或者在夜間極易被駕駛人和行人忽略;
(3)夜間駕駛員開啟遠光燈才能看清標志信息，而濫用“遠光燈”是夜間發生交通事故的重大隱患之一。
5.2 點陣式主動發光道路交通標志的優缺點分析
點陣式主動發光道路交通標志是將LED以鑲嵌的方式固定在標志底板的表面上，接通電源后，一個個發光點組成線條，勾勒出標志的圖形輪廓或文字的筆畫，如圖8所示。
圖8 點陣式主動發光道路交通標志
5.2.1點陣式主動發光道路交通標志的優點
構成外部輪廓的LED間距≦40MM，內部圖案的LED間距≦35MM，大型標志遠處觀看線形效果好，具有以下優點：
(1)采用反光膜與LED相結合，突破了依賴外部光源視認的局限性
點陣式 LED交通標志是在傳統的交通標志底板上，按照標志的圖形輪廓或文字筆畫，以某一像素間距鉆孔將LED固定在標志底板上。在夜間或環境照度較差時，點亮LED 采用主動發光的方式;在白天或光照條件好的情況下，可以關閉LED依靠反光膜傳遞信息，同時在電路出現故障時也能夠正常發揮作用。
(2)主動發光，可視距離提高
LED主動發光改變了交通標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并配以專門的光學透鏡，具有極強的光透性和良好的耐候性，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。
(3)低能耗，可采用太陽能、風能為其供電
點陣式LED交通標志采用了較少數量的LED發光二極管，能耗極低，完全可以采用便利的太陽能和風能供電，可以全天候工作，不受地理位置影響，清潔、低碳、綠色符合可持續發展理念。
5.2.2 點陣式主動發光道路交通標志的缺點
點陣式 LED交通標志的缺點如下：
(1)大型標志采用如圖8所示顯示效果好，應用在小型標志或復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顯示模糊看不清顯示內容如9所示。
圖9 小型標志復雜圖案的顯示效果
(2)LED失控時導致顯示效果減弱
當其中某個或某幾個LED失控時就會出現顯示效果減弱，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
由于點陣式LED交通標志是將LED發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，雨水進入標志后容易腐蝕線路板，故障頻發。
(4)需要在標志版面打孔背后安裝線路，無法實現機械化生產。
5.3 LED背投式主動發光指路標志較傳統標志優勢分析
LED背投式主動式發光指路標志不僅具有點陣式主動發光道路交通標志的優點，還具有一些特有的優勢。
(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)采用箱體式結構，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機器焊接，外部可采用型材結構實現機械化生產;
圖11 LED背投式主動發光指路標志實際效果圖
(5)LED背投式主動發光指路標志完全保留了逆反射標志的性能，白天不亮的情況下和逆反射標志效果一致。夜間發光由于采用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，但是對顯示內容沒有任何影響，燈光條件下仍能準確辨認顯示內容。圖12為LED失效后的圖片。
圖12 LED失效后效果圖
6 結論
主動發光標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，將成為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的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增大，難以采用太陽能為能源，成本過高。但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。
