LED
(LightEmittingDiode)即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED的发光原理就是将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。
自20世纪60年代第一个商用LED诞生以来，LED光源就得到了快速的发展和应用。LED最初多用作指示灯、显示板等，随着白光LED的出现，其应用范围得到了很大的提高，现已在交通信号、广告标识、应急照明、LCD背光照明、汽车照明系统、商用照明以及城市夜间景观照明工程等诸多照明领域中得到了广泛的应用。因此，LED光源被称为第四代照明光源或绿色光源，成为21世纪新一代光源。
近些年来，随着LED照明技术的飞速发展和我国节能减排政策的深入实施，LED光源也开始应用于道路照明及公路隧道照明。据统计，我国开发和生产以白光LED为光源的道路和隧道照明灯具企业已经有数百家。采用LED作为照明光源的隧道也逐渐增多，如上海长江隧道、北京德胜口隧道等。任何一个新生事物必然有一个发展与完善的过程，因此，在LED光源应用于隧道照明初期，我们应当尽快了解和认识LED光源在当前隧道照明中的优点及不足，充分发挥LED光源的优势，正视存在的不足。从而为我们在隧道照明中正确使用LED光源提供参考依据，为今后LED光源在隧道照明中的应用和发展指明方向。
1、LED光源的特点
LED光源作为新一代光源，与白炽灯、高压钠灯等传统热辐射和气体放电光源相比，有着很大的不同，当前的LED光源在照明方面具有以下一些优点:
(1)体积小
LED光源与传统光源相比体积小、重量轻，可以制作成各种形状的器件，便于各种灯具和设备的布置与设计，适应性强，适用范围广。
(2)环保性能好
由于LED光源在生产过程中无需添加金属汞，因此LED废弃后，不会造成汞污染，且其废弃物几乎可以全部回收利用，不仅节约了资源，还保护了环境。
(3)安全稳定
LED光源使用低压直流电就可以驱动，一般供电电压在6~24V之间，因此安全性能比较好，特别适用于公共场所。另外在外界环境较好的条件下，LED光源比传统光源的光衰小、寿命长，即使频繁开关，也不影响其使用寿命。
(4)抗震、抗冲击性能好
LED光源的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，在结构上没有玻璃外壳，不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽成真空或冲入特定气体。因此，LED光源的抗震、抗冲击性能良好，给其生产、运输、使用各环节带来了便利。
(5)指向性强
与传统光源相比，LED光源发出的光线是定向的，从LED发出的大部分光线能直接射向被照面，利用率远高于传统光源。
LED(LightEmittingDiode)即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED的发光原理就是将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。
自20世纪60年代第一个商用LED诞生以来，LED光源就得到了快速的发展和应用。LED最初多用作指示灯、显示板等，随着白光LED的出现，其应用范围得到了很大的提高，现已在交通信号、广告标识、应急照明、LCD背光照明、汽车照明系统、商用照明以及城市夜间景观照明工程等诸多照明领域中得到了广泛的应用。因此，LED光源被称为第四代照明光源或绿色光源，成为21世纪新一代光源。
近些年来，随着LED照明技术的飞速发展和我国节能减排政策的深入实施，LED光源也开始应用于道路照明及公路隧道照明。据统计，我国开发和生产以白光LED为光源的道路和隧道照明灯具企业已经有数百家。采用LED作为照明光源的隧道也逐渐增多，如上海长江隧道、北京德胜口隧道等。任何一个新生事物必然有一个发展与完善的过程，因此，在LED光源应用于隧道照明初期，我们应当尽快了解和认识LED光源在当前隧道照明中的优点及不足，充分发挥LED光源的优势，正视存在的不足。从而为我们在隧道照明中正确使用LED光源提供参考依据，为今后LED光源在隧道照明中的应用和发展指明方向。
1、LED光源的特点
LED光源作为新一代光源，与白炽灯、高压钠灯等传统热辐射和气体放电光源相比，有着很大的不同，当前的LED光源在照明方面具有以下一些优点:
(1)体积小
LED光源与传统光源相比体积小、重量轻，可以制作成各种形状的器件，便于各种灯具和设备的布置与设计，适应性强，适用范围广。
(2)环保性能好
由于LED光源在生产过程中无需添加金属汞，因此LED废弃后，不会造成汞污染，且其废弃物几乎可以全部回收利用，不仅节约了资源，还保护了环境。
(3)安全稳定
LED光源使用低压直流电就可以驱动，一般供电电压在6~24V之间，因此安全性能比较好，特别适用于公共场所。另外在外界环境较好的条件下，LED光源比传统光源的光衰小、寿命长，即使频繁开关，也不影响其使用寿命。
(4)抗震、抗冲击性能好
LED光源的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，在结构上没有玻璃外壳，不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽成真空或冲入特定气体。因此，LED光源的抗震、抗冲击性能良好，给其生产、运输、使用各环节带来了便利。
(5)指向性强
与传统光源相比，LED光源发出的光线是定向的，从LED发出的大部分光线能直接射向被照面，利用率远高于传统光源。
(6)响应时间快
白炽灯的响应时间为毫秒级，LED光源的响应时间则为纳秒级。因此，广泛应用于交通信号及汽车信号灯领域。
(7)发光效率较高
随着LED照明技术的发展，LED光源的发光效率已经由原来的不到10lm/W提高到100lm/W以上，且其发光效率仍有较大提高的潜力。
(8)光色丰富
LED光源通过改变电流、化学修饰、单色光混合等方法，可以实现可见光波段各种颜色的发光和变色，即使对于白光LED也可以制作成各种色温的光源。因此，在室内装饰照明和景观照明中具有明显的
优势。
(9)无闪烁、无紫外线
LED光源采用的是直流供电，发光稳定不闪烁，且光谱主要集中在可见光区域，基本无紫外线或红外线辐射的干扰，从而可以避免频闪效应带来的不利影响，提高人眼舒适性。
(10)亮度可调性好
根据LED光源的发光原理，LED的发光亮度或输出光通量基本随电流正向变化。而其工作电流在额定范围内可大可小，具有良好的可调性，为LED光源实现按需照明、亮度无级控制奠定了基础。
正是因为LED光源具有以上传统光源无法比拟的优势，因此LED光源成为各国照明事业发展的重点和方向。
2、隧道照明的特点及对光源的要求
隧道照明是为了保证隧道内交通顺畅而设置的功能性照明，其照明的目的是为了给驾驶员在隧道行驶过程中提供一个安全、舒适的视觉环境，保障交通运行，提高运输效率。由于隧道是一个半封闭空间，隧道在行车视觉特性上要比其他照明复杂得多，它不仅需要24h不间断照明，而且白天照明要比夜间照明更复杂。因此，隧道照明具有以下一些特点:
(1)分段式照明
分段式照明是隧道照明最显著的特点。这是由于白天隧道内部与外部道路的光环境发生了很大的变化，视觉需要有一定的适应时间才能看清道路的情况。因此，为了让驾驶员在隧道两端出入口处能有一个良好的视觉过渡，隧道照明被分为几个不同的照明段:入口段、过渡段、中间段和出口段，且每个照明段的路面亮度水平要求不同，如图1所示。其中入口段、过渡段的路面亮度水平则需要根据隧道洞外亮度来确定。
(2)加强照明
由于隧道白天与夜间的照明要求不同，因此对于入口段、过渡段及出口段的照明基本是由基本照明和加强照明两部分组成，前者按中间段照明考虑，后者可用功率较大的灯具加强照明。同时，对于应急停车带和连接通道处的照明也有相应的照明要求。
(3)避免/烟雾效应
由于隧道内部通风条件的限制，汽车排出的废气不易快速稀释，容易产生集聚形成烟雾，从而产生/烟雾效应0。因此，在隧道照明设计和光源选择上都要考虑其影响。
正是由于隧道照明具有如上所述的特点，我国现行的行业标准5公路隧道通风照明设计规范6对隧道照明的光源和灯具提出了如下要求:
(1)一般情况下宜选择效率高、透雾性能好的光源；
(2)短隧道、柴油车较少的城镇附近隧道、应急停车带、人行横通道、车行横通道可选用显色指数较高的光源；
(3)光源的使用寿命应不小于10000h；
(4)灯具的防护等级应不低于IP65；
(5)灯具应具有适合公路隧道特点的防眩装置；
(6)灯具结构应便于更换灯泡和附件；
(7)灯具零部件应具有良好的防腐性能；
(8)灯具配件安装应易于操作，并能调整安装角度；
(9)灯具不得侵入隧道建筑界限；
(10)中间段的灯具布置应满足低于2.5Hz或高于15Hz的闪烁频率。
3、LED光源在隧道照明中的机遇与挑战
随着LED照明技术的飞速发展和推广普及，LED光源在隧道照明中的应用也逐渐增多，LED光源由于其体积小、环保性能好、安全稳定、发光效率高、可调性好等优点在隧道照明中具有良好的前景与机遇。
(1)具有良好的光学性能
在发光效率上，虽然现阶段LED隧道灯还不是发光效率最高的光源，但与荧光灯和金卤灯相比还是具有一定的优势；另外，由于LED光源指向性强、体积小，在LED封装时就可以进行配光设计，通过科学合理的二次光学设计，LED隧道灯则可实现高于高压钠隧道灯的有效发光效率。
在使用寿命上，虽然在实际应用中，由于封装技术等方面的影响，LED光源很难达到100000h以上的理论寿命，但现阶段仍有20000h左右的实际使用寿命，仍然满足隧道照明对光源的要求，具有较高的使用寿命。
在光源光色上，白光LED光源可以达到80以上的显色指数，应用于隧道照明可以使驾驶员具有更好的清晰度和可见度，大幅度提高识别能力和反应速度，避免交通事故。同时，白光LED光源的色温也可以根据需求进行定制，因此有利于研究隧道照明中不同色温光源的视觉功效，选择更适合隧道照明色温的光源。
(2)有利于提高隧道的照明质量
对于大部分传统光源来说，一般功率高的光源往往其光效高，光通量大。因此，在道路照明时，在保证路面照度均匀度的前提下，一般选择功率较大的光源，这样可以提高效率，加大灯具之间的间距，减少灯杆和灯具的数量，降低成本。而对于隧道照明来说，虽然灯具的安装无须增设灯杆，但由于传统小功率光源光效相对较低，且需要增加灯具的数量，因此，也尽可能选用功率大的光源。
而对于LED光源来说，虽然应用于隧道照明的是大功率LED光源，但是其单个光源的功率一般在1W~3W之间，其隧道灯是由多个大功率LED光源通过串、并联组合成的，因此，LED隧道灯可以根据需要进行组合，降低单个隧道灯的功率，缩短灯具之间的距离，从而带来以下一些好处:
1)避免眩光
由于降低了单个隧道灯的功率，其亮度就会降低，从而避免在行车过程中，特别是在逆光照明条件下由于光源过亮所产生的眩光干扰。
2)提高亮度均匀度
由于灯具之间的距离较短，不易出现灯具之间的/暗区0，同时配合良好的二次光学设计，则可以大大提高隧道路面的亮度均匀度和目标可见度。
3)避免频闪效应
频闪效应(flickereffect)是驾驶时通过明暗周期性变化照明所产生的一种现象。闪烁频率(即频闪效应的频率)f=v/s(其中v为车速，s为灯具之间距离)应满足低于2.5Hz或高于15Hz的要求。因此，较短的灯具之间距离易使得闪烁频率高出15Hz，亮度分配较均匀的光源也利于减弱频闪效应所带来的不舒适现象。
4)增强视觉引导性
由于灯具之间的距离短、排列有序，且LED隧道灯具有一定的亮度，容易形成一条较明亮的光带，提醒驾驶者注意路面方向的变化，使隧道具有良好的视觉引导性，如图2所示。
从上面所述可以看出，LED隧道灯通过科学的设计和布置，特别是采用LED带状光源或条形灯具，则可以大大提高隧道的照明质量。
(3)有利于隧道照明的智能无级控制
在隧道照明标准中规定，应根据洞外亮度和交通量变化分级调整入口段、过渡段和出口段的照明亮度。传统的隧道光源(高压钠灯和金卤灯)主要是靠关闭部分光源来达到调光要求，这种方式一方面会增加灯具数量和照明回路，另一方面还会降低隧道照明质量，容易产生/斑马效应0。
而LED光源由于具有良好的亮度可调性，因此，可以实现按需照明、亮度无级控制。LED隧道灯的无极调光性能是其最大的优势与亮点之一，若结合智能化照明控制系统，采用隧道照明的智能无级控制，则白天可以根据隧道洞外实际亮度变化对洞内加强照明进行实时调节控制，下半夜则根据交通量的变化同步调节隧道的基本照明亮度，并不会产生/斑马效应0，有效避免过度照明，在满足安全舒适的前提下最大限度地节约照明能耗。
(4)安装维护方便
LED隧道灯是通过多个LED光源组装成的模块拼装起来的，安装时采用模块式安装，无需多余配线，安装简便。
LED隧道灯在维护方面也要优于传统光源的隧道灯。传统光源的隧道灯达到寿命期限时就必须进行整个灯具的更换，而LED隧道灯由于采用的是模块式，一旦出现个别光源熄灭的现象，只需更换其中的那个模块，而不会造成整个灯具无法使用，从这个角度来看，LED隧道灯也存在节约能源的优点。同时，由于LED光源的寿命长，意味着无需经常进行更换，从而减少了交通中断的潜在性，降低了为此支付的维修费用。
虽然LED光源在隧道照明中比传统光源更具上述一些优势，且正在隧道照明领域推广，但LED光源在隧道照明普及和应用方面仍需面临以下一些挑战。
(1)价格高
价格高是LED推广应用不可回避的问题，尤其是大功率型LED光源的价格较高。一盏100W的LED隧道灯与一盏150W的高压钠灯的功效差不多，但一套优质150W高压钠灯灯具设备的价格约800元左右，而一套优质100WLED灯具的价格约4000元左右，其价格相差5倍。因此，一次性投入较大及产品性价比问题是影响当前LED隧道照明普及的重要原因。
(2)散热问题
高压钠灯、金卤灯等传统光源电弧管工作时都需要外泡壳维持很高的管壁温度，密闭的照明灯具对这种光源工作是有利的。然而，这对LED光源却十分有害，这是因为LED工作时会有70%甚至更高比例的电能会转换成不能依靠辐射释放的热量，且隧道内部通风条件不佳，温度很容易升高。而LED半导体发光器件会随着自身温度的变化其特性会有明显的变化，特别是PN结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。这种变化主要体现在三个方面：
1)减少LED的外量子效率；
2)缩短LED的寿命；
3)造成LED发出光的主波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。
因此，散热是LED光源在隧道照明中所面临的重要挑战，否则会大大影响LED的正常工作，降低光效，加快光衰，缩短寿命。
除了上述两大限制LED隧道照明灯具发展的瓶颈外，目前LED光源的光效、封装工艺和材料、驱动电路、二次光学设计、产品及测试标准等相关问题尚欠成熟和完善，这些问题都将是LED光源在今后隧道照明及其他照明推广应用中所面临的挑战。
4、结论与展望
LED光源作为新一代的照明光源，以其高效、节能、环保等优点得到国家和地方政府的大力支持和推广。其应用领域也逐渐由信号指示、应急照明等小功率照明拓展到道路照明及公路隧道照明等大功率照明。在隧道照明中，LED光源除了具有良好的光学性能外，还具有提高隧道照明质量、采用智能无级控制和方便后期维护等优势，这为LED光源在隧道照明中的应用带来了很好的机遇。但与此同时，LED光源在当前的隧道照明中仍面临价格高和散热难两个方面的重大挑战，以及LED照明技术尚未成熟的挑战。
因此，在当前隧道照明中，应当避免过分夸大LED光源的效果、急功近利、盲目使用，LED光源在隧道照明中的应用仍待进一步深入研究和检验，并建立标准规范的LED隧道照明设计、管理及运营体系，实现LED照明产品的标准化，真正发挥LED光源在隧道照明中的优势。同时，我们也应看到LED照明技术的发展势头和广阔前景，在解决了当前所面临的问题后，LED光源无疑是隧道照明甚至其他照明领域发展的方向。
