第四章-光学设计基础

1、第四章 光学设计基础,1、概述 2、光学设计的基本原理 3、光学设计的基本手法 4、光学设计的基本内容 5、光学设计中的几个问题 6、旋转对称反射器的设计 7、柱面反射器的设计 8、柱面反射器两侧板的计算,1、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.,举例： 1）图中APAP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。,3）该灯除了有通常灯具功能和外观外

2、,其侧面上用网孔板制作,在灯点亮时,成为发光条,既好看,又增加了室内的亮度.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; 2) 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.,3) 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.,4)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

3、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. 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

4、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,不对称 的用全部角度. 6)角度规定 对光源射向反射 器侧的光线用和,对反射器 射出侧的光线用c和,以示统一 区别和方便计算.,图中,从光源射向反射器的光线f P的角度是和,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,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=LS0cos,即闪亮的投 影面积S0cos乘以闪亮面上 的亮度L.L就是光源亮度L 乘以反射比,因此必须知道 光源的亮度. 探照灯的光强I= LS0cos,实际上发光体的亮度是各处都不同,为了比较

5、和计算,现大多取平均亮度,用 . =I/S0cos I是观察方向上的光强,S0是实际面积,S0cos 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.,具有余弦配光的光源光通量与轴向光强I0 (1)对平板光源 =I0, (2)对直线状光源 =2I0,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=2900/2=294cd. = I0/1.15/0.016=15978 cd/m2 对T8：直径26mm,长度1.2m，光通量是2500（54），2700（3

6、3），三基色3350lm，亮度分别是6500，7021和8712 cd/m2。,2、光学设计的基本原理 1.能量守恒原理 包括:反射器吸收:反射比; 前玻璃片的吸收:透过比; 光源的挡光造成的损失:.,与有关的因素,2.等亮度原理 光源的亮度L在反射面的反射比=1和透射面的透射比=1的过程中亮度不变. 若不等于1的话,光源亮度减低或,即不会增加,只会减少.不能用什么光学系统来增加亮度。 L= L或L= L 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 d 来自反射面上某一 dc, 面元ds上反射的光 通量d的

7、贡献; 3)而ds上的光线来 自光源射向该面元 d, 的光通量d.,将前面两个图连在一起后有下图,射向ds微元的光通量d来自微立体角元d,反射后的光通量为d*,反射后的微立体角元为d c,.从而求得光强I c,见后.,出射光线的光强Ic,可表达为: Ic,=d/ dc, 其中d= d ,而d=I,d, 有出射光强Ic,= I,d,/dc, 其中, d,=sindd dc,= sinddc 最后得Ic,的表式: Ic, = I, sindd/sinddc,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c中的光通量 有 =KI0 I0:

8、两边界面内的中值光强 K:常数,与 c的大小和发光 体在沿轴平面内的配光形状 有关,即K=f( c,I(). K有类似立体角的意义, 称作扇形立体.,对余弦分布的光源来说,的计算如下: = c=I0sin sinddc = dc I0sin2 d=(c/2) I0 0 括号中的内容代表上页表式中 的K. 若以c=100代入, 10=0.274 I0 K= 0.274 若c=50, K=0.137.,3、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)

9、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,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,哪些角度上光线少 哪些光线多,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,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

10、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 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.,(2)抛物线 到一定点(焦点)和一定直线距离 相同的点的轨迹.

11、 因此很容易作图. 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.,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:=l/(1-e cos) 在已知max和max的情况下, e用下式求得: e=sin( max + max)/(sin ma

12、x -sin 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.,椭圆的直角坐标方程: x2/a2+y2/b2=1 极坐标方程: =l/(1+e cos ) 偏心率e=c/a, 及l=a(1-e2)=b2/a, 在已知max和max的情况下,偏心率的求得有: e=sin(max - max)/(sin max +sin max ),(5)渐开线 封闭的曲线都有渐开线,在反射器

13、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.,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.,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,出光度M,亮度L和 照度E有下

14、面的关系: L=M/=E / ,一个漫射面dSa发出到dSb的光通量: ddSa-dSb=(LadSa cos1/r2ab)cos2dSb = La cos1 cos2 dSa dSb/ r2ab 从a面b面的光通量Sa-Sb有: Sa-Sb=ddSa-dSb=Lacos1cos2 dSa dSb/ r2ab,反之,从b 面a面的光通量Sb- Sa有: Sb-Sa =Lbcos1cos2 dSa dSb/ r2ab 两式相除得: Sa-Sb/ Sb-Sa = La /Lb (1) 若将fa-b定义为b面接受a面的光通量除以a面发 出的光通量(MaSa,M出光度),称a到b面的固有光通 入射系数

15、,即 f a-b = a-b/ MaSa和 f b-a = b-a/ MbS b (2) 因为La= Ma /, Lb= Mb / ,将(2)代入(1)得 s a f a b=s b f b a 此即互易定律.表示两个面之间的固有光通入射系数与它们的面积成反比.,3.利用电脑软件 使用软件计算光学元件的内容如下: 1)建立光源模型,软件已提供. 2)用AUTOCAD建立你认为能得到需要光分布的一个反射器或折射器或两者联合体的光学系统. 3)选择计算光线的数量,有几万到几百万,数量越多,时间越长,但越准确. 4)如果配光不对,调整反射器/折射器上对应面块的角度方向和大小,重复3)计算,直到得到好

16、的结果为止.,4、光学设计的基本内容 灯具光学系统的计算都出于这样一个目的:得到一个反射器或折射器,在使用规定的光源时能够得到需要的配光曲线.因此它的已知条件是:需要的配光曲线,即各个角度上的光强数值. 由此看来,设计必须经过下列过程: 1.从需要的配光曲线得到它包含的光通量: =i 其中i可以是一个环带的光通量,也可以是一 个微元立体角中的光通量. a.对环带光通量i有该i环带立体角i和环带中值光强I i+1/2,即i =2(sin i+1-sini) I i+1/2 b.对微元立体角中的光通量ij = ij= I i j d ij = I ij sini di dj,上述文字的描述如下:

17、适合于旋转对称 适合于非旋转对称 配光 配光 实际的光源绝大部分都具有旋转对称的配光分布.,2.考虑到光学系统损失(反射/吸收损失)后必须选用的光源及其功率 设系统的损失(反射/吸收损失)为,则必须选用的光源光通量光源: 光源= / 从而确定选用的光源. 3.测量或查找该光源的光强分布曲线,了解该光源在整个空间中的光通量的分布; 4.根据需要的配光曲线中各个空间立体角中需要的光通量,与光源在空间中的光通量构筑一一对应关系,其中要了解:,对只有反射器的系统,灯具出射的光通 灯具,由两部分组成: 1)光源的直接出射光通d; 2)光源射向反射器后的反射光通R. 即 灯具= d + R.= d + (

18、- d ) d 灯具 ( - d)=R,对折射系统,光源的直接光就通过光学系统了, 见下例: 图示了一个机场进入灯的结构,反射器是抛物线, 反射出平行光,光线被前面的柱面透镜扩散,得到 水平有扩散,垂直扩散不大的扇形光束.,5、光学设计中的几个问题 1.光源的体积大小对配光的影响 看球形光源在抛物反射器中的影响 sino=r/f sin1=r/ sino=r/f sin1=r /,2.不同包角但口径相同的反射器中装有相同大 小的光源后对配光的影响. 下面是相同大小的球形光源安装在三个口径 相同但有不同焦距的抛物面的焦点上,包角分别是 600,900,1200.显然: 1= 1 , 1 1和 o

19、 o o . 1 1 1 o o o,3.反射面上有扩散处理后对配光的影响 反射面上有扩散处理是为了得到更均匀的配光, 特别对有些成像的镜面反射器(椭圆,抛物面等)来 讲:白炽灯的一圈圈的钨丝会通过反射器在受照面 上成像后得到不均匀的光斑;HID灯自身的亮度是 中间高两头低,在有些需要均匀光分布的场合也需 要解决这个中间亮两边暗的问题. 在反射面上作文章就是为了解决这个问题.,实际配光(红色) 需要配光(绿色) 将镜面反射表面作如下三种处理是目前常用的做法: 1)反射面上有喷沙处理 喷沙处理有粗沙和细沙之分,处理后,反射的光线从原来只 有单一角度变得有一个角度范围,使反射光线变得比较均匀. 右

20、图是两种扩散程度不同的材料. 这些材料扩散的特 点就是扩散光线分居 反射主光线的两侧. 表面较毛糙 表面毛糙,扩散面扩散光线就是由表面上许多点的扩散 反射光线迭加而成.迭加的方法见表: 角度 ( 0 ) 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 原配光 10 2 5 10 2 5 10 2 5 光扩散 0.5 2 5 2 0.5 0.1 0.4 1 0.4 0.1 0.25 1 2.5 1 0.25 0.5 2 5 2 0.5 0.1 0.4 1 0.4 0.1 0.25 1 2.5 1 0.25 0.5 2 5 2 0.5 0.1 0.4 1 0.4 0.1 0.25

21、 1 2.5 1 0.25 现配光 0.5 2.1 5.65 4.5 5.5 6.75 4.75 5.5 6.75 4.25 3.4 1.1 0.25 软边 软边,喷沙处理的表面也称哑面或毛面,一个原来的 配光可以看成是若干根反射光线的集合体,见下左 图.然后,它们都会被在喷沙处理的表面上被扩散 开来,下右图只表示了其中的两根(紫色和蓝色),其 迭加后的光线分布(红色)就比较均匀. 由于每一根入射光线的反射扩散光束都有一 个缓慢的光强衰减过程,因此,该方法只能得到软 边的光斑. 表面的反射比比 镜面低,会影响一些 灯具效率.,2)反射面上有龟板面 龟板面就是一个个六角平面,作为平面, 它会对光

22、源成像,在镜面的虚像方向得到反 射.反射光成矩形分布,俗称硬边.因此,反射 光在迭加时可以以等值光强进行. 一个具有硬边的光束,龟板面扩散光线的计算说明了可以得到 很均匀的光分布,因此现在使用得很广泛.,角度 ( 0 ) 20 21 22 23 24 25 原配光 12 3 6 12 3 6 12 3 6 光扩散 4 4 4 1 1 1 2 2 2 4 4 4 1 1 1 2 2 2 4 4 4 1 1 1 2 2 2 现配光 4 5 7 7 7 7 7 7 7 3 2,龟板面控制光路远比喷沙面准确,不受控 的散光少,因此外逸到规定角度外的光线不 多,光斑偏硬,反射器的反射比不变,灯具的 效率

23、较高.这也成为广泛使用的一个重要的 原因. 其次,龟板面的反射面给人一种新鲜感,有 诱惑力. 龟板面都用液压或冲压制造,为了得到轮 廓清晰的六角,模具成本很高,制造比较复杂, 投入成本和人工远比毛面来得大.,3)反射面上有凸或凹的镜面(hammer面) 介于上述两种方法的一种反射面就是在 平面的镜面板上滚压出许多大小不等且没 有分布规律的向外凸出(对反面是凹进的)的 小反射面,英文称hammer,有大hammer与小 hammer之分. 该板面仍为镜面,表面的反射比不受影响.因此对灯具的效率来说影响不很大.,反射面上有凸(反过来就是凹)的镜面,它扩散光线的能力说明如下: (1)入射光线在凸或凹

24、的面上的反射角度是一样的,见下列三种实例; (2)对凹的面来说,有些反射光线会向内入射到凹面或损失或无法控制方向,因此,hammer面都应是凸面为工作面.如需凹面,那么它的半径一定很大.,(3)主要的反射光线的方向仍在凸/凹面的中心, 即按反射器设计母线的方向,然而入射在一个凸 面两边的光束被扩散到很大的角度,因此,光线 被扩散的很厉害。 (4)改变这种现象的办法就是扩大凸面的半径 或凸面内更多的地方近似呈平面 (5) 为了使出射光线变得均匀,当前在使用柱面 反射器的投光灯上使用的比较普遍。,4.避免光源档住反射光线的方法 不少光源有一定的体积,特别对涂有荧光 粉(荧光灯和荧光高压汞灯)和半透

25、明放电管 (高压钠灯和陶瓷金卤灯)的光源,其被反射器 反射的光线往往有一部分回到灯管上而被遮 挡或吸收,造成灯管周围温度升高,轻则降低灯 具效率,重则减少光源的寿命.因此如何减少反 射回光源的光线数量是十分重要的. IEC（国际电工委员会）对HPS光源在灯 具内的管压升高有下规定:,说明:*表示Sylvania的数据. 金卤灯的管压升高并不明显,只有1-2V,但也 要注意这个问题. 对荧光灯管特别要注意这个问题,它的管 径大,遮挡很厉害. 解决方法是使用以该光源直径为圆的圆 渐开线.,1)圆渐开线制作的实践 a)圆渐开线的制作 以光源直径为基础做圆,在圆周上作 出若干个等分角度,一 般是150

26、,再在圆周的等 分点上作切线,在切线 上量得相应的弧长并取 点后连线即可。 b)确定圆渐开线的实践 为了使光源不紧贴圆 渐开线,根据光源的大小,适 当选择一个离光源合适的距离ao。,起始线段ao的选择由光源的功率和直径 决定. 圆渐开线由参数方程表示: x=a cos+asin y=a sin -acos 其中a是圆的半径. 极坐标表示： =(/a)2-1-tg-1 (/a)2-1 在50o后, 与 成线性,有 /a=0.018 +1.33 以度为单位 在=0o时, /a=1.33,此时的=50o.,6、旋转对称反射器的设计 题目:设计一个反射器符合下面配光: 1.从这个配光曲 线上可算出光源

27、的 光通和功率等参数.,计算该光束中含的光通量: 需要2410lm光通量,2.求出适合的光源 目的:挑选光源从而了解光分布. 假设灯具效率=70%,光源光通量为: 2410lm/0.7=3440lm. 查找 3440lm的适用光源: 200W白炽灯. 200W白炽灯的光通:3700 lm,完全胜任. 查找该灯泡的光分布曲线(或自测量), 得到该灯泡的在各个角度内的光通量分布.,3.光源的光分布 光源各环带上的光通量:,4.光源可利用的光通量 1800-1200区域内为光源直接射出的光通 量.计有946lm,光源余下的光通量: 3700- 946=2754lm 该部分将有损失:反射0.8,透射0

28、.85, 出射光通量为: 2754lm0.80.85=1870lm. 光源可利用的光通量: 946+1870=2816lm.,5.可利用光通大于需要光通后的折算 2816lm大于2410lm,需要将2410lm扩大: 2816/2410=1.168倍后计算需要的光强曲线.,6.尚缺的1870lm分摊到反射器中 得到提供方(光源)和需方(反射器)对应关系,7.得到相同配光分布的几种反射器模式,8.在确认和变化趋势后求出和的对应关系,9. 关系表 在 的情况下,得到关系表:,10.计算反射面的计算公式 分入射与反射是同侧还是异侧两种情况.,得到各段的方位角的表,11.反射面的计算,7、柱面反射器的设计 柱状光源配柱面反射器可以得到高的利 用效率和某些特殊的配光,如常用的洗墙灯 (wallwashing). 但光源的光通量不能沿用环带法,