灯具光学设计

5)在得到需要的配光曲线情况下加工最简 单 下图中产生同样配光形状的两个汽车 前大灯,一个用反射器加条状透镜,另一 个只用一个反射器就满足配光要求,显 然后者简洁漂亮,有现代气息.
3.有关的术语 1)母线:形成反射器的主要特征曲线,主要的光学 设计都环绕着它进行. 母线的数量随不同形式的反射器而不同. 2)旋转对称反射器 用一条母线绕一轴旋 转而生成的一个曲面. 3)柱面反射器 一条母线沿一轴线 平移后再加上两个侧板 后组成.分有一个和两个 对称面的两种.
渐开线的反射光路 从圆的切线反射器内侧射向反射面的光线都 被反射到另一个侧面而射出反射器,并没有反射光 回到光源被自身被挡. 图中的红线都是圆 的切线,就是曲线的 法线. 反射光线用颜色示 之,如蓝色的光线都能 射出去.
圆渐开线的计算
2.扩散材料 光线被该材料扩散,原光束角度增大.采 用两面之间光通量互换的方法进行.目前 在漫反射材料之间的光通量互换有现成 的公式可查到. 漫反射材料的反射 比ρ,出光度M,亮度L和 照度E有下面的关系: L=M/π=E· ρ/ π
双曲线的表式: x2/a2-y2/b2=1, 偏心率e=c/a, l=a(e2-1)=b2/a, 用极坐标表式:ρ=l/(1-e cosθ) 在已知θmax和αmax的情况下, e用下式求得: e=sin(θ max +α max)/(sinθ max -sinα max)
(4)椭圆 到两定点之间的距离之和等于常数(K)的点的 轨迹.有Mf1+Mf2=K.将点光源 置于一个焦点上,反 射的光线会在另一 个焦点会聚后再发 散,形成扩散光线. 缺点:反射光线在 灯的前方会聚,对保 护玻璃不利. 优点:反射器的包角大,利用光源的光通量多.
灯具光学设计
为欧普准备
一.概述 1.光学设计目的 1)充分利用光源光线,将它们控制到 规定的方向上去,得到需要的配光分 布,满足照明场所的照明要求; 2)在满足得到需要光分布的前提下, 创造一个好的发光的外观感觉. 原因：光学设计不是单值的。
举例：1）图中AP∥AP’其它光线亦有类 似的效果，其实两个反射器的配光效果 相同，而形态不同。 2）工厂灯中上面开孔和设置玻璃可 以得到相同的上射配光，但感觉不同， 档次 不同。
光输出比和灯具效率
(1)欧洲称光输出比,美国称灯具效率; (2)数值上等于:灯具光输出/裸光源的光输出; (3)按效率的涵义,灯具内光源的光输出应该与 裸光源的光输出相同时才称效率; (4)实际上灯具内光源发出的光通量往往大于裸 光源的光通量.
概念上的效率
实际的情况
(5)光源安装在灯具的反射器内,周围环境的 温度远大于裸光源时的周围空气温度,造 成光源的功率增大,光通量增加,造成灯具 的效率的飚升.此点对高压钠灯特别明显. 对高压钠灯,过小的光学腔会使管压上升 很多,严重影响了 光源的寿命.高压 钠灯的管压在整 个寿命期内是变 化的.
椭圆的直角坐标方程: x2/a2+y2/b2=1 极坐标方程: ρ=l/(1+e cos θ) 偏心率e=c/a, 及l=a(1-e2)=b2/a, 在已知θmax和αmax的情况下,偏心率的求得有: e=sin(θmax - α max)/(sinθ max +sinα max )
(5)渐开线 封闭的曲线都有渐开线,在反射器中用得 最多的是圆渐开线. 将一根环绕一个圆的绳索拉开,其线端 划出的弧线就是圆渐开线. 制作方法是先将圆等角度细分,得相等 的弧长,在各个分割 点上作切线,将切线 的长度等于相应的 弧长即可.
28WT5灯管的光通量与环境温度的关系图 T5灯管最大光通量在35°C; T8灯管最大光通量在25 °C.
3)在得到需要的配光曲线情况下眩光最小; 光强I=L(反射面亮度)X投影面积S
2 = 1+1 所以I相同. 视见的是平均亮度B=I/S’,S’是光斑的总面积, 含不闪亮的被包围部分,因为S’>S,所以 B= I/S’<I/S=L
图中,从光源射向反射器的光线f P的角 度是θ和φ,分别代表纬度角和经度角;从反 射器中射出的光线PQ的角度C 和γ,分别 代表经度角和纬度角.
7)光源平均亮度
反射器出射光强I的计算 都用I=L’· 0cosθ,即闪亮的投 S 影面积S0cosθ乘以闪亮面上 的亮度L’.L’就是光源亮度L 乘以反射比ρ,因此必须知道 光源的亮度. 探照灯的光强I= ρ LS0cosθ 实际上发光体的亮度是各处都不同,为了比较和计算,现 大多取平均亮度,用Ĺ . Ĺ=I/S0cosθ I是观察方向上的光强,S0是实际面积,S0cos θ是投影面积. 然后,在样本上往往只知道光源的光通量,此时的平均亮 度的计算都基于发光面具有漫射(漫反射或漫透射)特性为 前提.
2)反射材料
用反射材料做成反射器来改变光线光路是当前最普 遍､最价廉和最实用的控光元件.可以说,绝大多数的配 光曲线都能由一个或数个来完成,仅仅是由于它的外观 和发光后灯的光感差于折射材料做成的控光器件而在 高档场所受到排斥. 根据配光的需要有不同的
曲线于之适应,其中有四条圆锥
截线(圆､抛物线､双曲线和椭圆) 是最典型和最常用的反射面的
为了说明上述内容有下照片: 该灯具的反射器的下 方有六角龟板,作用有 二: (1)增大闪亮点的覆盖 面积,降低平均亮度; (2)在相同配光的前提 下,增加外形美观;
4)在得到需要的配光曲线情况下外观最好 看,有现代产品的韵味 在一个工厂照明灯 上加上适当的透光棱镜 罩,既好看又增加了上 射光通,提高了空间的 环境亮度和照明质量. 下方的龟板面和出光口 面上的玻璃又增加了美 观减少了眩光.
对余弦分布的光源来说,ΔΦ的计算如下: ΔΦ= Φ Δc=∫∫I0sinγ· sinγdγdc
π
= ∫ dc ∫ I0sin2γ dγ=(πΔc/2) · I0
0
括号中的内容代表上页表式中 的K. 若以Δc=100代入, Φ Δ10=0.274 ·0 I K= 0.274 若Δc=50, K=0.137.
三.光学设计的基本手法 1.光线光路材料 此材料采用镜面的反射材料和透明的折射材 料.光线的行进方式符合反射定律和折射定律, 用光线光路进行计算和予测配光曲线.对反射和 折射材料的计算手法有所不同. 1)折射材料 (1)顺行光路法:从光 源作为起始,发出光线,计 算在材料中的路径和损 失,前者了解透出光线的 方向,后者得到该光线的 强度,两者结合,得到配光 分布.如与需要的配光不
具有余弦配光的光源光通量Φ与轴向光强I0 (1)对平板光源 Φ=πI0, (2)对直线状光源 Φ=π2I0,
如计算T5灯管的平均亮度: 已知T5 28W的光通量是2900lm,灯管 直径16mm,长度1.15m. 轴向光强I0=2900/π2=294cd. Ĺ= I0/1.15/0.016=15978 cd/m2 对T8：直径26mm,长度1.2m，光通量是 2500（54），2700（33），三基色 3350lm，亮度分别是6500，7021和8712 cd/m2。
效果
用途
近轴光线的反射光是平 行光,离轴越远光越扩散. 用R大的来产生平行光, 用R小的产生扩散光
收集并反射光 扩散光线 线
集光源光线提高 利用效率
少见
(2)抛物线
到一定点(焦点)和一定直线 （凖线）距离相同的点的轨迹. 因此很容易作图.
光源位置
置于焦 点
焦点内 外
扩散,有黑 心，热量 分布不同
效果
二个对称面 一个对称面
4)异形面反射器 (1)有两个对称面: 右图是一个如半个 蛋的形状,适用于长 条光源. (2)有一个对称面: 用于不对称布灯但要前 后均匀的照度.图中的光 强:I红线>I黄线>I绿线>I黑线
5)包角:反射器包围住光源的角度,往往只指在一 个平面上的角度,仅应用于对称反射器和柱面反 射器. 对于对称的只用 半个角度θ,不对称 的用全部角度θ. 6)角度规定 对光源射向反射 器侧的光线用θ和φ,对反射器 射出侧的光线用c和γ,以示统一 ､区别和方便计算.
曲线.
圆滑曲线
折线段
用反射材料制成的反射器不一定是圆滑曲线,特别在 当前,为了减少被照面上的光斑和使产品更有冲动的感 觉(更有冲击力),已向折线反射器的方向在变化.
(1)圆
圆是一种收集光线和扩散光线的反射器,单个使用的 不多见.下面比较光源置于不同位置上后的结果. 圆心和反射面之间 圆心 圆心以外 光源位 置
一致,就修改原来的面形,逐步逼近. (2)逆行光路法 根据需要的配光曲线的形状,那些角度上光线少 那些光线多,那么,从少光线的 角度上入射光线的话,一定被 折射材料反射出来(进不去). 而多的部分就全部应进去,因 此设计就倒过来做,从灯具的 外部开始,选择若干条有代表 性的光线,看怎样阻挡/畅通光 00方向无光线 线,从光路上最终得到曲面. 进入灯腔内
ρ
ρ ρ τ
透射 比
α
吸收
2.等亮度原理 光源的亮度L在反射面的反射比ρ=1和透射面的 透射比τ=1的过程中亮度不变. 若不等于1的话,光源亮度减低ρ或τ,即不会增加, 只会减少.不能用什么光学系统来增加亮度。 L’= ρL或L’= τL
L L’ L’
L’
L
3.微元立体角内光通量的传递(光强计算) 1)光学设计的基本目的是计算出射光线的光强 分布; 2)出射光线的光自 dΦ’ 来自反射面上某一 dωc,γ 面元ds上反射的光 通量dΦ’的贡献; 3)而ds上的光线来 自光源射向该面元 dωθ,φ 的光通量dΦ.
二.光学设计的基本原理 1.能量守恒原理
1单位 X
η
= η 单位
η包括:反射器吸收:反射比ρ; 前玻璃片的吸收:透过比τ; 光源的挡光造成的损失:α.
与η有关的因素
符号 名称 含义
与之有关的 因素
图示
1
1
ρ
τ
反射 比
反射面的反 反射面材 射损失 料和处理
两个玻璃面 材料,形状 的反射损失 和折射率 加玻璃内的 吸收τ’ 光源在光学 光源大小,透 腔中的遮挡 明度,反射器 引起的损失 的设计
将前面两个图连在一起后有下图,射向ds微 元的光通量dΦ来自微立体角元dωθ,φ,反射 后的光通量为dΦ*,反射后的微立体角元 为d ωc,γ.从而求得光强I c,γ见后.
出射光线的光强Ic,γ可表达为: Ic,γ=dΦ’/ dωc,γ 其中dΦ’=ρ· dΦ ,而dΦ=Iθ,φdωθ,φ 有出射光强Ic,γ= ρ· Iθ,φdωθ,φ/dωc,γ 其中, dωθ,φ=sinθdθdφ dωc,γ= sinγdγdc 最后得Ic,γ的表式: Ic,γ = ρ· Iθ,φ sinθdθdφ/sinγdγdc
高压钠灯的寿命与管压有关,因此,增加管 压也就降低了寿命,有下图:
(6)此点对T5荧光灯的密闭形灯具也有类似 结果 T5荧光灯的最大光通量输出发生在350C的 环境温度下,在密闭形灯具内,灯管周围的温 度高,灯管的光输出高;在裸灯管测量时周围 温度只有250C,光输出低,因此灯具效率也会 变得很高. 例如形式相同的灯具,点T8的效率为66%, 点T5的为89%.
4.扇形立体 上述的内容是普遍适用的规律,在柱面反射器中 引入扇形立体就更实用. 直线状光源沿轴线方向的两面角Δc中的光通量 Δ Φ有 Δ Φ=K·I0 I0:两边界面内的中值光强 K:常数,与Δ c的大小和发光 体在沿轴平面内的配光形状 有关,即K=f(Δ c,I(γ)). K有类似立体角ω的意义, 称作扇形立体.
产生平 行光
仅点光源置于焦点上后才能产生 平行光线,光源的体积越大,光线 越扩散.
(3)双曲线 到两定点距离之差为常数(K)的点的轨迹.有 Mf1-Mf2=K 点光源置于一个定点上, 反射光线呈扩散状. 光源的体积影响光束 的扩散(增大扩散角). 特点:反射光线不相 交,因此前方没有热点, 对保护玻璃有利. 缺点:包角较小,光源 光通量的利用率较低.
举例3:该灯除了有通常灯具功能和外观外, 其侧面上用网孔板制作,在灯点亮时,成为 发光条,既好看,有增加了室内的视亮度.其 实,有网孔和无网孔 的配光几乎一样.
2.什么是好的光学设计? 1)得到需要的配光曲线;ห้องสมุดไป่ตู้2)在得到需要的配光曲线情况下光输出比(效率) 最高;
两个曲线的形状相同,但曲线1的光输出 高于曲线2.