LED(LightEmittingDiode)即發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件。LED的發光原理就是將電流通過化合物半導體，通過電子與空穴的結合，過剩的能量將以光的形式釋出，達到發光的效果。
自20世紀60年代第一個商用LED誕生以來，LED光源就得到了快速的發展和應用。LED最初多用作指示燈、顯示板等，隨著白光LED的出現，其應用范圍得到了很大的提高，現已在交通信號、廣告標識、應急照明、LCD背光照明、汽車照明系統、商用照明以及城市夜間景觀照明工程等諸多照明領域中得到了廣泛的應用。因此，LED光源被稱為第四代照明光源或綠色光源，成為21世紀新一代光源。
近些年來，隨著LED照明技術的飛速發展和我國節能減排政策的深入實施，LED光源也開始應用于道路照明及公路隧道照明。據統計，我國開發和生產以白光LED為光源的道路和隧道照明燈具企業已經有數百家。采用LED作為照明光源的隧道也逐漸增多，如上海長江隧道、北京德勝口隧道等。任何一個新生事物必然有一個發展與完善的過程，因此，在LED光源應用于隧道照明初期，我們應當盡快了解和認識LED光源在當前隧道照明中的優點及不足，充分發揮LED光源的優勢，正視存在的不足。從而為我們在隧道照明中正確使用LED光源提供參考依據，為今后LED光源在隧道照明中的應用和發展指明方向。
1、LED光源的特點
LED光源作為新一代光源，與白熾燈、高壓鈉燈等傳統熱輻射和氣體放電光源相比，有著很大的不同，當前的LED光源在照明方面具有以下一些優點:
(1)體積小
LED光源與傳統光源相比體積小、重量輕，可以制作成各種形狀的器件，便于各種燈具和設備的布置與設計，適應性強，適用范圍廣。
(2)環保性能好
由于LED光源在生產過程中無需添加金屬汞，因此LED廢棄后，不會造成汞污染，且其廢棄物幾乎可以全部回收利用，不僅節約了資源，還保護了環境。
(3)安全穩定
LED光源使用低壓直流電就可以驅動，一般供電電壓在6~24V之間，因此安全性能比較好，特別適用于公共場所。另外在外界環境較好的條件下，LED光源比傳統光源的光衰小、壽命長，即使頻繁開關，也不影響其使用壽命。
(4)抗震、抗沖擊性能好
LED光源的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，在結構上沒有玻璃外殼，不需要像白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內抽成真空或沖入特定氣體。因此，LED光源的抗震、抗沖擊性能良好，給其生產、運輸、使用各環節帶來了便利。
(5)指向性強
與傳統光源相比，LED光源發出的光線是定向的，從LED發出的大部分光線能直接射向被照面，利用率遠高于傳統光源。
LED(LightEmittingDiode)即發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件。LED的發光原理就是將電流通過化合物半導體，通過電子與空穴的結合，過剩的能量將以光的形式釋出，達到發光的效果。
自20世紀60年代第一個商用LED誕生以來，LED光源就得到了快速的發展和應用。LED最初多用作指示燈、顯示板等，隨著白光LED的出現，其應用范圍得到了很大的提高，現已在交通信號、廣告標識、應急照明、LCD背光照明、汽車照明系統、商用照明以及城市夜間景觀照明工程等諸多照明領域中得到了廣泛的應用。因此，LED光源被稱為第四代照明光源或綠色光源，成為21世紀新一代光源。
近些年來，隨著LED照明技術的飛速發展和我國節能減排政策的深入實施，LED光源也開始應用于道路照明及公路隧道照明。據統計，我國開發和生產以白光LED為光源的道路和隧道照明燈具企業已經有數百家。采用LED作為照明光源的隧道也逐漸增多，如上海長江隧道、北京德勝口隧道等。任何一個新生事物必然有一個發展與完善的過程，因此，在LED光源應用于隧道照明初期，我們應當盡快了解和認識LED光源在當前隧道照明中的優點及不足，充分發揮LED光源的優勢，正視存在的不足。從而為我們在隧道照明中正確使用LED光源提供參考依據，為今后LED光源在隧道照明中的應用和發展指明方向。
1、LED光源的特點
LED光源作為新一代光源，與白熾燈、高壓鈉燈等傳統熱輻射和氣體放電光源相比，有著很大的不同，當前的LED光源在照明方面具有以下一些優點:
(1)體積小
LED光源與傳統光源相比體積小、重量輕，可以制作成各種形狀的器件，便于各種燈具和設備的布置與設計，適應性強，適用范圍廣。
(2)環保性能好
由于LED光源在生產過程中無需添加金屬汞，因此LED廢棄后，不會造成汞污染，且其廢棄物幾乎可以全部回收利用，不僅節約了資源，還保護了環境。
(3)安全穩定
LED光源使用低壓直流電就可以驅動，一般供電電壓在6~24V之間，因此安全性能比較好，特別適用于公共場所。另外在外界環境較好的條件下，LED光源比傳統光源的光衰小、壽命長，即使頻繁開關，也不影響其使用壽命。
(4)抗震、抗沖擊性能好
LED光源的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，在結構上沒有玻璃外殼，不需要像白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內抽成真空或沖入特定氣體。因此，LED光源的抗震、抗沖擊性能良好，給其生產、運輸、使用各環節帶來了便利。
(5)指向性強
與傳統光源相比，LED光源發出的光線是定向的，從LED發出的大部分光線能直接射向被照面，利用率遠高于傳統光源。
(6)響應時間快
白熾燈的響應時間為毫秒級，LED光源的響應時間則為納秒級。因此，廣泛應用于交通信號及汽車信號燈領域。
(7)發光效率較高
隨著LED照明技術的發展，LED光源的發光效率已經由原來的不到10lm/W提高到100lm/W以上，且其發光效率仍有較大提高的潛力。
(8)光色豐富
LED光源通過改變電流、化學修飾、單色光混合等方法，可以實現可見光波段各種顏色的發光和變色，即使對于白光LED也可以制作成各種色溫的光源。因此，在室內裝飾照明和景觀照明中具有明顯的
優勢。
(9)無閃爍、無紫外線
LED光源采用的是直流供電，發光穩定不閃爍，且光譜主要集中在可見光區域，基本無紫外線或紅外線輻射的干擾，從而可以避免頻閃效應帶來的不利影響，提高人眼舒適性。
(10)亮度可調性好
根據LED光源的發光原理，LED的發光亮度或輸出光通量基本隨電流正向變化。而其工作電流在額定范圍內可大可小，具有良好的可調性，為LED光源實現按需照明、亮度無級控制奠定了基礎。
正是因為LED光源具有以上傳統光源無法比擬的優勢，因此LED光源成為各國照明事業發展的重點和方向。
2、隧道照明的特點及對光源的要求
隧道照明是為了保證隧道內交通順暢而設置的功能性照明，其照明的目的是為了給駕駛員在隧道行駛過程中提供一個安全、舒適的視覺環境，保障交通運行，提高運輸效率。由于隧道是一個半封閉空間，隧道在行車視覺特性上要比其他照明復雜得多，它不僅需要24h不間斷照明，而且白天照明要比夜間照明更復雜。因此，隧道照明具有以下一些特點:
(1)分段式照明
分段式照明是隧道照明最顯著的特點。這是由于白天隧道內部與外部道路的光環境發生了很大的變化，視覺需要有一定的適應時間才能看清道路的情況。因此，為了讓駕駛員在隧道兩端出入口處能有一個良好的視覺過渡，隧道照明被分為幾個不同的照明段:入口段、過渡段、中間段和出口段，且每個照明段的路面亮度水平要求不同，如圖1所示。其中入口段、過渡段的路面亮度水平則需要根據隧道洞外亮度來確定。
(2)加強照明
由于隧道白天與夜間的照明要求不同，因此對于入口段、過渡段及出口段的照明基本是由基本照明和加強照明兩部分組成，前者按中間段照明考慮，后者可用功率較大的燈具加強照明。同時，對于應急停車帶和連接通道處的照明也有相應的照明要求。
(3)避免/煙霧效應
由于隧道內部通風條件的限制，汽車排出的廢氣不易快速稀釋，容易產生集聚形成煙霧，從而產生/煙霧效應0。因此，在隧道照明設計和光源選擇上都要考慮其影響。
正是由于隧道照明具有如上所述的特點，我國現行的行業標準5公路隧道通風照明設計規范6對隧道照明的光源和燈具提出了如下要求:
(1)一般情況下宜選擇效率高、透霧性能好的光源；
(2)短隧道、柴油車較少的城鎮附近隧道、應急停車帶、人行橫通道、車行橫通道可選用顯色指數較高的光源；
(3)光源的使用壽命應不小于10000h；
(4)燈具的防護等級應不低于IP65；
(5)燈具應具有適合公路隧道特點的防眩裝置；
(6)燈具結構應便于更換燈泡和附件；
(7)燈具零部件應具有良好的防腐性能；
(8)燈具配件安裝應易于操作，并能調整安裝角度；
(9)燈具不得侵入隧道建筑界限；
(10)中間段的燈具布置應滿足低于2.5Hz或高于15Hz的閃爍頻率。
3、LED光源在隧道照明中的機遇與挑戰
隨著LED照明技術的飛速發展和推廣普及，LED光源在隧道照明中的應用也逐漸增多，LED光源由于其體積小、環保性能好、安全穩定、發光效率高、可調性好等優點在隧道照明中具有良好的前景與機遇。
(1)具有良好的光學性能
在發光效率上，雖然現階段LED隧道燈還不是發光效率最高的光源，但與熒光燈和金鹵燈相比還是具有一定的優勢；另外，由于LED光源指向性強、體積小，在LED封裝時就可以進行配光設計，通過科學合理的二次光學設計，LED隧道燈則可實現高于高壓鈉隧道燈的有效發光效率。
在使用壽命上，雖然在實際應用中，由于封裝技術等方面的影響，LED光源很難達到100000h以上的理論壽命，但現階段仍有20000h左右的實際使用壽命，仍然滿足隧道照明對光源的要求，具有較高的使用壽命。
在光源光色上，白光LED光源可以達到80以上的顯色指數，應用于隧道照明可以使駕駛員具有更好的清晰度和可見度，大幅度提高識別能力和反應速度，避免交通事故。同時，白光LED光源的色溫也可以根據需求進行定制，因此有利于研究隧道照明中不同色溫光源的視覺功效，選擇更適合隧道照明色溫的光源。
(2)有利于提高隧道的照明質量
對于大部分傳統光源來說，一般功率高的光源往往其光效高，光通量大。因此，在道路照明時，在保證路面照度均勻度的前提下，一般選擇功率較大的光源，這樣可以提高效率，加大燈具之間的間距，減少燈桿和燈具的數量，降低成本。而對于隧道照明來說，雖然燈具的安裝無須增設燈桿，但由于傳統小功率光源光效相對較低，且需要增加燈具的數量，因此，也盡可能選用功率大的光源。
而對于LED光源來說，雖然應用于隧道照明的是大功率LED光源，但是其單個光源的功率一般在1W~3W之間，其隧道燈是由多個大功率LED光源通過串、并聯組合成的，因此，LED隧道燈可以根據需要進行組合，降低單個隧道燈的功率，縮短燈具之間的距離，從而帶來以下一些好處:
1)避免眩光
由于降低了單個隧道燈的功率，其亮度就會降低，從而避免在行車過程中，特別是在逆光照明條件下由于光源過亮所產生的眩光干擾。
2)提高亮度均勻度
由于燈具之間的距離較短，不易出現燈具之間的/暗區0，同時配合良好的二次光學設計，則可以大大提高隧道路面的亮度均勻度和目標可見度。
3)避免頻閃效應
頻閃效應(flickereffect)是駕駛時通過明暗周期性變化照明所產生的一種現象。閃爍頻率(即頻閃效應的頻率)f=v/s(其中v為車速，s為燈具之間距離)應滿足低于2.5Hz或高于15Hz的要求。因此，較短的燈具之間距離易使得閃爍頻率高出15Hz，亮度分配較均勻的光源也利于減弱頻閃效應所帶來的不舒適現象。
4)增強視覺引導性
由于燈具之間的距離短、排列有序，且LED隧道燈具有一定的亮度，容易形成一條較明亮的光帶，提醒駕駛者注意路面方向的變化，使隧道具有良好的視覺引導性，如圖2所示。
從上面所述可以看出，LED隧道燈通過科學的設計和布置，特別是采用LED帶狀光源或條形燈具，則可以大大提高隧道的照明質量。
(3)有利于隧道照明的智能無級控制
在隧道照明標準中規定，應根據洞外亮度和交通量變化分級調整入口段、過渡段和出口段的照明亮度。傳統的隧道光源(高壓鈉燈和金鹵燈)主要是靠關閉部分光源來達到調光要求，這種方式一方面會增加燈具數量和照明回路，另一方面還會降低隧道照明質量，容易產生/斑馬效應0。
而LED光源由于具有良好的亮度可調性，因此，可以實現按需照明、亮度無級控制。LED隧道燈的無極調光性能是其最大的優勢與亮點之一，若結合智能化照明控制系統，采用隧道照明的智能無級控制，則白天可以根據隧道洞外實際亮度變化對洞內加強照明進行實時調節控制，下半夜則根據交通量的變化同步調節隧道的基本照明亮度，并不會產生/斑馬效應0，有效避免過度照明，在滿足安全舒適的前提下最大限度地節約照明能耗。
(4)安裝維護方便
LED隧道燈是通過多個LED光源組裝成的模塊拼裝起來的，安裝時采用模塊式安裝，無需多余配線，安裝簡便。
LED隧道燈在維護方面也要優于傳統光源的隧道燈。傳統光源的隧道燈達到壽命期限時就必須進行整個燈具的更換，而LED隧道燈由于采用的是模塊式，一旦出現個別光源熄滅的現象，只需更換其中的那個模塊，而不會造成整個燈具無法使用，從這個角度來看，LED隧道燈也存在節約能源的優點。同時，由于LED光源的壽命長，意味著無需經常進行更換，從而減少了交通中斷的潛在性，降低了為此支付的維修費用。
雖然LED光源在隧道照明中比傳統光源更具上述一些優勢，且正在隧道照明領域推廣，但LED光源在隧道照明普及和應用方面仍需面臨以下一些挑戰。
(1)價格高
價格高是LED推廣應用不可回避的問題，尤其是大功率型LED光源的價格較高。一盞100W的LED隧道燈與一盞150W的高壓鈉燈的功效差不多，但一套優質150W高壓鈉燈燈具設備的價格約800元左右，而一套優質100WLED燈具的價格約4000元左右，其價格相差5倍。因此，一次性投入較大及產品性價比問題是影響當前LED隧道照明普及的重要原因。
(2)散熱問題
高壓鈉燈、金鹵燈等傳統光源電弧管工作時都需要外泡殼維持很高的管壁溫度，密閉的照明燈具對這種光源工作是有利的。然而，這對LED光源卻十分有害，這是因為LED工作時會有70%甚至更高比例的電能會轉換成不能依靠輻射釋放的熱量，且隧道內部通風條件不佳，溫度很容易升高。而LED半導體發光器件會隨著自身溫度的變化其特性會有明顯的變化，特別是PN結溫的升高會導致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現在三個方面：
1)減少LED的外量子效率；
2)縮短LED的壽命；
3)造成LED發出光的主波長偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。
因此，散熱是LED光源在隧道照明中所面臨的重要挑戰，否則會大大影響LED的正常工作，降低光效，加快光衰，縮短壽命。
除了上述兩大限制LED隧道照明燈具發展的瓶頸外，目前LED光源的光效、封裝工藝和材料、驅動電路、二次光學設計、產品及測試標準等相關問題尚欠成熟和完善，這些問題都將是LED光源在今后隧道照明及其他照明推廣應用中所面臨的挑戰。
4、結論與展望
LED光源作為新一代的照明光源，以其高效、節能、環保等優點得到國家和地方政府的大力支持和推廣。其應用領域也逐漸由信號指示、應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學性能外，還具有提高隧道照明質量、采用智能無級控制和方便后期維護等優勢，這為LED光源在隧道照明中的應用帶來了很好的機遇。但與此同時，LED光源在當前的隧道照明中仍面臨價格高和散熱難兩個方面的重大挑戰，以及LED照明技術尚未成熟的挑戰。
因此，在當前隧道照明中，應當避免過分夸大LED光源的效果、急功近利、盲目使用，LED光源在隧道照明中的應用仍待進一步深入研究和檢驗，并建立標準規范的LED隧道照明設計、管理及運營體系，實現LED照明產品的標準化，真正發揮LED光源在隧道照明中的優勢。同時，我們也應看到LED照明技術的發展勢頭和廣闊前景，在解決了當前所面臨的問題后，LED光源無疑是隧道照明甚至其他照明領域發展的方向。