- LED透霧性研究
- 在任意濃度下，黃色LED的透過率最大，其次是紅色LED
- 較差透霧性的可見光成分是藍(lán)光和綠光
可見光在雪花、雨滴和霧滴中傳播時，由于散射和吸收等作用，使其可見性受到很大影響。一些研究機(jī)構(gòu)曾做過相關(guān)研究，并給出了一些可見光在這些嚴(yán)峻天氣條件下傳播的特性和結(jié)論。
對于可見光在霧的環(huán)境中傳播，BobsyAriefKURNIAWAN測量了在不同霧濃度和霧滴大小條件下，人眼對LED亮度的響應(yīng)。他采用了紅黃藍(lán)綠四種顏色光，以及他們每兩種顏色之間的顏色，構(gòu)成了十二種顏色光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得出了紅黃光和紅藍(lán)光穿過霧時亮度最高。同時，藍(lán)光在濃霧中的可見性最差。而在下雨和下雪的環(huán)境中，研究大多集中在對黃光和白光的選擇上。人們通常認(rèn)為黃光比白光好，因?yàn)樵谙嗤炼认曼S光帶來的眩光沒有白光嚴(yán)重。這個常識性的認(rèn)識被JohnD.Bullough’s的研究證實(shí)了。他得出了在相同光強(qiáng)下，黃光比白光受到反向散射的影響小，因而眩光小的結(jié)論[2,3]。
作為對可見光在惡劣天氣條件下傳播特性的初步研究，本文所述實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注可見光在霧中的傳播情況。與BobsyAriefKURNIAWAN的實(shí)驗(yàn)不同，本實(shí)驗(yàn)采用了四種單色LED作為光源，這就避免了Bobsy的方法中可能出現(xiàn)的同色異譜現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)采用加濕器產(chǎn)生霧，測量四種單色LED在不同霧濃度下的照度衰減。霧的濃度由一個白色LED在相應(yīng)濃度下的照度衰減值來描述。通過照度衰減曲線得到了具有最佳透霧能力的單色可見光。本實(shí)驗(yàn)從量化的角度分析了單色可見光對霧的穿透特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)論對道路照明設(shè)備的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。
實(shí)驗(yàn)方法
1實(shí)驗(yàn)裝置
Fig.1Systemsetupoftheexperimentinsideview
如圖1所示，1為光源，四只單色LED均為1W；2為霧氣箱，長30cm，寬37cm，高32cm，內(nèi)表面涂黑；3為加濕器，通過22個檔位產(chǎn)生不同度的霧；4為連通管，將加濕器產(chǎn)生的霧通入霧氣箱；5為探頭，正對著光源；6為照度計(jì)，用來采集照度值。
2實(shí)驗(yàn)條件
為防止外界光對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，整個實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行。同時，實(shí)驗(yàn)室的門窗均緊閉，以防止外界氣流對實(shí)驗(yàn)的干擾。實(shí)驗(yàn)室保持恒溫25℃。
該實(shí)驗(yàn)最為重要的部分是在實(shí)驗(yàn)室中對霧進(jìn)行模擬。由于實(shí)驗(yàn)對霧的要求是具有均勻性、穩(wěn)定性，并且能夠較方便地調(diào)節(jié)濃度，因此該實(shí)驗(yàn)不能霧天在室外進(jìn)行，必須在實(shí)驗(yàn)室人工造霧。實(shí)驗(yàn)采用加濕器噴出的霧狀水氣來模擬自然界中的霧。大多數(shù)霧滴取樣法獲得的自然界中存在的霧，其粒子直徑的范圍是4~10μm。而采用離心式加濕器可打出直徑為5μm[4]的細(xì)霧，恰在天然霧粒子大小的范圍之內(nèi)。另外，采用離心式加濕器可避免蒸汽式加濕器打出的高溫水霧可能對照度計(jì)探頭產(chǎn)生的影響。
通過光譜儀采集得到實(shí)驗(yàn)所用四種單色LED的特征參量峰值波長和半波寬，依次為：紅色LED（λp=625nm，F(xiàn)WHM=50nm）、黃色LED（λp=594nm，F(xiàn)WHM=13nm）、綠色LED（λp=514nm，F(xiàn)WHM=45nm）、藍(lán)色LED（λp=459nm，F(xiàn)WHM=22nm）。實(shí)驗(yàn)在不同霧濃度下測量各單色LED的透過照度。
3實(shí)驗(yàn)過程
本實(shí)驗(yàn)通過加濕器的六個檔位（0檔、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔）產(chǎn)生不同濃度的霧，霧濃度隨著檔位的上升而上升。
首先，在無霧的條件下點(diǎn)亮紅色LED，通過照度計(jì)測得此時的照度值作為初始照度。在某一特定檔位下，開啟加濕器兩分鐘。關(guān)閉加濕器10秒后，霧在透霧箱內(nèi)已基本均勻分布，測得此時的照度值作為紅色LED在此濃度下的透過照度。透過照度與初始照度的比值即為透過率。等待一段時間，當(dāng)透霧箱內(nèi)的霧氣散去后，改變加濕器檔位并重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。每種顏色的LED都重復(fù)上述過程。取三次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最后結(jié)果。
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4霧濃度的表征
本實(shí)驗(yàn)中，霧的濃度通過一個白色LED（λp=492nm,Tc=6000K）在相應(yīng)檔位霧濃度下的透過率來定義。也就是說，白色LED的透過率數(shù)值表征了對應(yīng)霧環(huán)境的濃度值。白色LED的透過率采用了與其他四種單色LED透過率相同的方法獲得。在0檔（無霧）、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔的白光透過率如表1所示。
表1不同檔位下白光LED的透過率
Table.1TransmissionfactorofwhiteLEDunderdifferentlevels
相應(yīng)地，霧在0檔（無霧）、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔的濃度可描述為100%，75.9%，51.2%，22.8%，10.1%，5.9%。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
得到了在100%，75.9%，51.2%，22.8%，10.1%，5.9%霧濃度下，四種單色LED的透過率。取三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，如表2所示。
表2四種單色LED在不同霧濃度下透過率
Table.2MeansoftransmissionfactorsoffourmonochromeLEDs
基于表2，可以得到隨著霧濃度變化，四種單色LED透過率變化的曲線。如圖2。
圖2不同霧濃度下單色光透過率曲線
Fig.2Curvesoffogtransmissionfactorsthroughdifferentfogdensities
圖2中，橫坐標(biāo)為用白色LED的透過率表示的霧濃度，縱坐標(biāo)為四種單色LED的透過率。從圖2可以得出，隨著霧濃度的上升，四種單色LED的透過率逐漸下降。在任意濃度下，黃色LED的透過率最大，其次是紅色LED。藍(lán)色和綠色LED的透過率較低。
本實(shí)驗(yàn)測量了四種單色LED在不同霧濃度下的穿透情況，得出了隨著霧濃度的上升，單色LED的透霧性能也下降，但下降程度不盡相同。四種單色光在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光。透霧性最差的是綠光和藍(lán)光。
此結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了之前的相關(guān)研究結(jié)果，即黃光成分具有較好的透霧性。同時，本實(shí)驗(yàn)得出具有較差透霧性的可見光成分是藍(lán)光和綠光，這個結(jié)論與BobsyAriefKURNIAWAN的結(jié)論稍有不同。造成結(jié)論不同的原因之一可能是由于兩個實(shí)驗(yàn)所用藍(lán)光的光譜不同。
在霧的環(huán)境中，可見光透過率的下降是對比降低的結(jié)果。人們能夠看到事物，并不是基于事物本身的絕對亮度，而是基于事物與周圍環(huán)境的對比。霧的存在降低了這種對比的程度，而霧的濃度越高，這種對比的程度就越低。因此，人們在霧中就不那么容易看清楚周圍事物。
本實(shí)驗(yàn)僅是對可見光在惡劣天氣條件下透過情況的初步研究。盡管通過加濕器造出的霧，在成分和霧滴大小以及空間分布上與自然中的霧不盡相同，但仍能一定程度上反映出單色光在大量水汽凝結(jié)環(huán)境中的透過情況，如下雨或濕度很大的環(huán)境。進(jìn)一步的研究將集中在下雪和下雨的條件下，以期研究結(jié)論對道路照明設(shè)備的選擇起到一定的指導(dǎo)意義，從而提高惡劣天氣條件下道路交通安全。
