到2016年，我專門從事道路照明的研究，真的就10年了。10年思考一個(gè)問題時(shí)間長(zhǎng)了點(diǎn)，但是真正的要思考清楚可能還真的需要10年時(shí)間。下面就請(qǐng)大家看看我們10年來的思考得到了一些關(guān)于道路照明的哪些發(fā)現(xiàn)，或者是哪些結(jié)果。
LED低位照明系統(tǒng)技術(shù)與樣品
目前我們道路照明通常是20米的燈桿，就是間距，高10到12米，功率大概是150瓦左右，這是LED。如果是高壓鈉燈，大概是250瓦左右。
這樣的照明它存在什么問題?
第一個(gè)問題就是無效的照明。對(duì)于駕駛員來說，關(guān)注的是路面，越往上關(guān)注的就越少。但是現(xiàn)在的照明方式恰恰相反，越往上我們知道是越亮的，越往地面反倒越暗了，這個(gè)是沒有辦法的。
第二個(gè)問題就是不但上下是不合理的，并且它照明的區(qū)域也不夠合理。說區(qū)域不合理的原因就是說，我們有些區(qū)域，特別對(duì)于高速公路來說，就是快速路，是不需要照明的，但是我們也進(jìn)行了照明，例如這張圖當(dāng)中的藍(lán)色的區(qū)域。
這就產(chǎn)生了兩個(gè)問題，一個(gè)是它照明照度的T梯度分布不合理;第二個(gè)由于我們有很多大的區(qū)域是不需要的，這樣無效的光照區(qū)也很大。
除此之外，我們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，我們?cè)谀壳皞鹘y(tǒng)照明當(dāng)中，我們是有很多所謂眩光，那這個(gè)眩光是怎么樣出現(xiàn)的?
如果你采用截光或者是半截光的燈，我們都會(huì)看到眩光。這個(gè)眩光的出現(xiàn)是由于光的直線傳播規(guī)律所決定的，眩光在我們所有目前的照明方式中是沒有辦法完全避免的。
LED有很多優(yōu)點(diǎn)，例如亮度高、體積小、顏色性小、比較安全，以及可分散安裝，這就為這種小型化和分布式的照明來解決上述的問題提供了合理的光源。
那我們目前的LED是怎么做的?
我們還是簡(jiǎn)單的替代，因此我們目前用LED來替代高壓鈉燈可能在節(jié)能方面考慮得比較多。但是比如說在照明的合理性以及眩光方面，我們還沒有解決這個(gè)。
我們簡(jiǎn)單的用LED燈來替代高壓鈉燈。它的眩光，我們說同級(jí)別的情況下不是減小了，而是增加了，我們開車在路上走，恐怕也會(huì)有類似的感覺。
產(chǎn)生眩光的機(jī)理是路面與機(jī)動(dòng)車駕駛員在高度上位于光源的同側(cè)，那么消除眩光的必要條件，請(qǐng)注意是必要條件，而非充要條件，是使得這個(gè)路燈的光源與路面位于駕駛員同側(cè)，將路燈高度降至駕駛員眼睛的，也就是視點(diǎn)高度以下，這就是消除眩光的必要條件，但不是充分必要條件。
這就引出來一種新的照明方式，就是低燈位的道路照明。
以提高照明效率為目標(biāo)的路面照明——低燈位照明系統(tǒng)
低燈位的道路照明的主要特點(diǎn)就是路燈低于駕駛員眼睛的高度。
那么我們知道駕駛員眼睛的高度按照CNE，或者是(06：57英文)的規(guī)定，大概在1.4米到1.5米之間，因此我們說低燈位道路照明方式的第一個(gè)特征，就是它的路燈安裝一定要低于1.4米至1.5米。
[NT:PAGE]我們經(jīng)過幾年來的，從數(shù)學(xué)推導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)規(guī)律，在低燈位安裝路燈的情況下，逆向照明方式的路面小名的效率是最高的，所謂逆向照明就是路燈是朝著車型的方向來進(jìn)行照射的。
在逆向照明方向的這種基本照明方式下，大部分的光線將按照規(guī)則反射的方式，經(jīng)過路面的反射而在駕駛員的視網(wǎng)膜形成有效的照顧，那很顯然越光滑的路面它的反射效率越高，因?yàn)樗椒弦?guī)則反射的方式。
那我們認(rèn)為合理的路面，以及空間照明，大概是這樣分的，是分為三層：
第一層就是最下層，是集中照射區(qū);第二層就是1.5米到3米之間是過度的照射區(qū);最高我們到5.3米，因?yàn)橐话愕母咚俟返南薷叽蟾攀?.3米，我們稱為邊際照射區(qū)。
很顯然，對(duì)于機(jī)動(dòng)車駕駛員來說，集中照射區(qū)顯然是我們最為關(guān)注的照射區(qū)域，也是對(duì)于交通安全影響最大的一個(gè)區(qū)域。
這張圖就是我們提出的低燈位的逆向照明系統(tǒng)的立面的示意圖和平面的示意圖，我們仔細(xì)看一下，虛線就是駕駛員的視點(diǎn)的高度，這個(gè)燈一定要安裝在駕駛員視點(diǎn)高度之下，這是立面。平面我們來看，燈的投光不是順著行駛的方向，而是逆著行駛的方向來進(jìn)行投光。
為此我們進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，我們也發(fā)表了一些論文，去證明這樣是有效的。那同時(shí)也做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是我們這張圖的實(shí)驗(yàn)，這張圖我們來看，相機(jī)的位置有同向照明的位置和逆向照明的位置，然后我們用燈在一個(gè)滑軌上做的這樣的實(shí)驗(yàn)，分別來測(cè)出被側(cè)界面的亮度，這是在暗室內(nèi)做的。
結(jié)果怎么樣?
在這張圖當(dāng)中，我們分別把入射角規(guī)定為0度至80度，80度就應(yīng)該說是比較低了，而0度是比較高的，這個(gè)0度和80度是指的入射角，也就是你這個(gè)被測(cè)截至面的法線與入射光線之間的夾角，就那個(gè)夾角，上一個(gè)圖的夾角a，那從這個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看到，一個(gè)是第二列是照片，第三列是亮度成像儀。
我們看，80度的，無論從照片來看，還是亮度成像儀來看，都是最亮的。
這張圖片是我們?cè)趯?shí)際的場(chǎng)地當(dāng)中用亮度成像儀拍攝的亮度照片，它反映出我們逆向照明的均勻度還是比較好的，可以做到比較好。
它究竟是怎么安裝的?
這是一個(gè)安裝的圖，我們把這個(gè)燈就放在護(hù)欄上，高速公路的護(hù)欄上就可以做到這一點(diǎn)。它實(shí)際安裝的情況以及它的亮度照片，我們看下兩張圖。
這張圖是青島海灣大橋的一個(gè)實(shí)例，我們拍的時(shí)候是用相機(jī)來拍的，我們拍下一張圖是用亮度成像儀拍的亮度照片。
從這兩張照片我們可以看出，第一個(gè)從人的感覺來說還是挺舒服的，尤其它是所謂縱向均勻度還是非常好的，它的縱向均勻度，因?yàn)槲覀兊穆窡艉透邨U的那種路燈相比間距比較小，因此縱向均勻度比高桿的路燈還要好一些。
首先大家會(huì)提出，燈對(duì)著車頭來照，也就是對(duì)著駕駛員的眼睛來照會(huì)不會(huì)產(chǎn)生眩光?沒錯(cuò)。解決眩光問題應(yīng)該說是所謂低燈位照明技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)問題，我們來看下一個(gè)圖。
在這張圖中，我們介紹了采用防眩光格柵，在照度相同的情況下對(duì)眩光的影響效果是非常顯著的。我們看左邊的眩光是比較強(qiáng)的，右邊的眩光是顯著，就顯然非常低了。
所以我們采用的是防眩光格柵的辦法來解決眩光問題。
[NT:PAGE]這個(gè)就是我們?cè)O(shè)計(jì)的新型路燈的樣子，以及它的安裝辦法，這個(gè)看起來應(yīng)該是非常的簡(jiǎn)單了。那這個(gè)樣子是設(shè)計(jì)出來了，可是怎么能夠把它實(shí)現(xiàn)?
我們采用的是3D打印的辦法來做的，請(qǐng)看：
打印機(jī)的好處就是說你對(duì)任何所想象的造型，包括燈的外殼、燈里邊的反射罩等等的，所有的都可以先用打印機(jī)試一下。
因?yàn)榇蛴C(jī)目前它的精度還是能夠滿足我們的需要的，另外如果我們的打印機(jī)都開起來，做比如說幾百個(gè)燈也應(yīng)該是沒有問題的。
下面是打印機(jī)的特寫鏡頭：
下面這張圖，是我們做的可裝配的那種防眩光的陣列，格柵陣列，那么這殼和格柵陣列是分開的，是可以裝配的。
下面這個(gè)圖就是流線型的外殼。
我們做的這個(gè)燈，就是我們做得如何?我們進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試和對(duì)比，我們看下面對(duì)比的表格。
這個(gè)表格里邊有兩個(gè)比較重要的參數(shù)，一個(gè)是功率的線密度。你比如說我們按照LED的路燈，150瓦30米的間距，它的線密度是多少?就是150/30，應(yīng)該是5瓦。
那么我們目前的用低燈位的燈，我們的線密度，我們看是2.5瓦，從某種意義上說，在同樣滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，比現(xiàn)在的LED節(jié)能大概是一半左右。這是第一個(gè)特點(diǎn)。
那它的原因在哪?主要就是我們把一些不適當(dāng)?shù)摹⒉缓侠淼倪@些光濾去了，或者是說我們的照明就更精準(zhǔn)了。我們認(rèn)為所有的弊病，或者是說高桿燈的弊端，都是出自于這樣一種情況。
就是說我們一個(gè)燈賦予它太多的功能了，又要照亮路面，又要照亮空間，然后又要有一定的對(duì)比度，又要消除眩光，又要怎么怎么樣均勻等等。
實(shí)際上一個(gè)燈要做好這些共同的要求，必須是一個(gè)妥協(xié)的方案，妥協(xié)的方案最后就意味著哪樣都能做好，但哪樣都做不準(zhǔn)確、做不精準(zhǔn)。
那LED我們采用精確，就是說各司其職，它們可能能夠做到更精確一些，把不必要的這些雜散光給去掉了。雜散光原則上，或者理論上都是眩光，只不過你在不同的空間位置，感覺到的是不一樣的。由于雜散光我們把它去掉了，所以眩光也小。
第二個(gè)我們來看關(guān)鍵的數(shù)據(jù)就是投資造價(jià)的米度，就是每米LED大概要400元左右，當(dāng)然這個(gè)不在于燈，現(xiàn)在LED150瓦路燈的燈頭本身已經(jīng)降到600元了，但是對(duì)于LED路燈來說，它的主要造價(jià)體現(xiàn)在一個(gè)是鋼的路燈的燈桿，就是鋼鐵的那個(gè)桿上，還有一個(gè)就是比較大的電纜以及變壓器。
我們因?yàn)闆]有燈桿了，另外我們的燈也都是所謂的塑膠的這種燈，本身就比較便宜。所以我們說，投資造價(jià)的線密度LED是400元，我們這種分布式的低燈位的路燈大概是一半。總而言之，就是說節(jié)能一半、節(jié)省造價(jià)一半，大家是這么個(gè)結(jié)果。
LED低眩光的汽車前照燈技術(shù)與樣品
LED汽車燈應(yīng)該說是第三代，一般的汽車燈大概是這么分的。第一代是鹵素?zé)?、第二代是氙氣大燈，LED是第三代的汽車燈。第三代汽車燈目前應(yīng)用在這些高端的車上。它研究的背景我們通過下一張圖片來看，主要是汽車氙氣大燈和通常的LED大燈，它的眩光都比較強(qiáng)烈。
很顯然這個(gè)強(qiáng)烈的眩光對(duì)于對(duì)面來車那就造成了比較大的不便，甚至于是危害。
所謂的前大燈指的是什么?我們知道汽車的前大燈包括第一個(gè)就是遠(yuǎn)光燈，第二個(gè)是近光燈，第三個(gè)是視寬燈，第四個(gè)像霧燈等等。
我們?cè)谶@個(gè)里邊指的是近光燈，汽車的遠(yuǎn)光燈當(dāng)然了屬于越亮越好，但是我們認(rèn)為遠(yuǎn)光燈是不必考慮所謂眩光問題的。因?yàn)槲覀冎涝跁?huì)車的時(shí)候，或者是在室內(nèi)行駛的時(shí)候，都是要開近光燈，遠(yuǎn)光燈不容易去開。
因此前大燈所謂的技術(shù)含量就是體現(xiàn)在近光燈。那單顆LED的發(fā)光形態(tài)是什么樣的?
經(jīng)過簡(jiǎn)單的封裝，我們看右側(cè)的小圖，這個(gè)就是LED經(jīng)過封裝的發(fā)光形態(tài)。單顆LED發(fā)光形態(tài)它的散射角大概是120度左右，那怎么樣讓它成為平行光向前照射?可以通過所謂凸透鏡，當(dāng)然也可以通過菲涅爾透鏡而產(chǎn)生平行的光束。
經(jīng)過菲涅爾以及拋物面的透鏡的配光后，LED的光源發(fā)出的光就轉(zhuǎn)變?yōu)橹睆奖容^小的圓形光斑。
但是我們需要的還不是一個(gè)圓形的光斑，我們實(shí)際上需要的是條形光斑，所以我們?cè)诜颇鶢枓佄锩嫱哥R的前邊，還要再加上一個(gè)波紋鏡。
經(jīng)過波紋鏡散射之后我們就可以得到一個(gè)條形的光斑：
我們可以得到了一個(gè)條形的光斑，因?yàn)槲覀冏銮按鬅舻幕A(chǔ)就是條形的光斑。但是我們也發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生條形光斑的這個(gè)燈，它的眩光還是比較強(qiáng)烈的，從圖片來看，眩光還是比較強(qiáng)烈的。
所以我們說，要想把前邊的路面照亮是容易的，但是控制眩光又照亮路面這個(gè)就是技術(shù)含量了。那怎么辦?我們采用的是一種防眩光的技術(shù)：
這種防眩光的技術(shù)就是，我們采用的是用菲涅爾透鏡再加波紋，再加拋物面透鏡來產(chǎn)生所謂的條形的光斑，同時(shí)在它的前邊，我們?cè)偌由嫌谜蹚澥降姆姥９獾母駯抨嚵衼戆蜒９鉃V掉，這樣做就可以實(shí)現(xiàn)非常小的眩光。
下面給大家看一下我們做的成果：
仍然是采用3D打印機(jī)。這個(gè)燈，我們來看就是折彎式防眩光格柵陣列的效果，我們幾乎可以直視它，它的眩光非常小了。那它的效果如何?我們來看。
上面的紅點(diǎn)就是各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，我們看到它的光斑就是這樣的一個(gè)形狀的光斑，這個(gè)是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)我們做出來的。
那它在路上的實(shí)際情況又如何?
這個(gè)就是我們把它拿到野外去，我們看到的情況。我們來看它的眩光是非常小的，它的形狀什么形狀?
我們的設(shè)想是，目前對(duì)于道路的機(jī)動(dòng)車來說，在道路上行駛機(jī)動(dòng)車來說，眩光危害最大的恐怕不是轎車，而是什么?而是大卡車、大巴，以及那種大型的LUV。因?yàn)樗能嚤旧碥嚐艟透?，那么它的眩光就更?qiáng)烈一些。
我們的設(shè)想就把它做成保險(xiǎn)杠，一個(gè)用LED的燈做成的保險(xiǎn)杠，當(dāng)然了，這個(gè)保險(xiǎn)杠也不貴、也不很便宜。從這樣的情況下，它還亮，同時(shí)眩光又小。
下面是我們的燈和奧迪A8，我們知道奧迪A8是最新的奧迪的車，就是跟它的前大燈來比較的結(jié)果，我們來看一下。
從這個(gè)結(jié)果來看，我們燈的眩光要比奧迪A8小得多，當(dāng)然奧迪A8它有很多新的技術(shù)，這種新的技術(shù)導(dǎo)致它的造價(jià)是非常高的，同時(shí)，奧迪A8它用的電比我們還要多。
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