任務(wù)二 照明中常用的反射器

照明系統(tǒng)中的反射器俗稱燈罩或反射罩，其作用一般有兩點(diǎn)：①獲得所需照明效果，近處光照強(qiáng)度大而均勻，但遠(yuǎn)處效果不好；②在相同配光的前提下，增加外形美觀。

反射器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論：將反射器上任意點(diǎn)（角度θ）接收的光源光線反射到與軸線成希望夾角α的方向上，換言之，要注定反射器上各區(qū)域?qū)⒐饩€投射到什么方位，這是設(shè)計(jì)的第一步。為此，需要以下數(shù)據(jù)：

1）光束分布（配光）：用出射光線光強(qiáng)該光線與軸線夾角α表示，采用函數(shù)式或曲線圖都可以。

2）光源發(fā)出光線的光分布（光強(qiáng)分布）：采用從它發(fā)出的各條光線與軸線夾角θ表示，常用曲線表示，在近似的計(jì)算中光源的配光常用余弦分布。

3）從要求的光束分布的總光通，考慮光源與反射器之間的結(jié)構(gòu)限制等因素確定光源的功率。

計(jì)算中遵循光通量的守恒。具體細(xì)節(jié)如下：

1）對(duì)從光源射向四周空間的光線，要選擇合適的角度間隔進(jìn)行劃分，如圖2-13所示。

2）計(jì)算在光源光分布和出射光束光分布中各個(gè)角度間隔內(nèi)的立體角。

3）采用“光通增量=光強(qiáng)×立體角增量”的公式計(jì)算各間隔內(nèi)的光通量，其中光強(qiáng)由光源光分布和出射光束光分布中提供，往往取間隔角度的中值角上的值。

4）找出光源能提供的光通量和光束中需要的光通量的差值，得到折換系數(shù)，統(tǒng)一二者的差異。

5）找出光源在某個(gè)θ角間隔內(nèi)能提供的光通量正好和光束在某個(gè)α角間隔內(nèi)需要光通量相一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即某個(gè)θ角內(nèi)的光線射到某個(gè)α角中去的θ-α關(guān)系。

根據(jù)θ-α的關(guān)系，求出反射器曲面形狀，這是計(jì)算反射器的第二步。其中包括：

1）用公式計(jì)算光源光線間隔角度中反射面與軸線夾角β。

2）列表寫出光源光線間隔角度θ和β角的正切值。

3）以光源置放點(diǎn)為原點(diǎn)，光軸（對(duì)稱軸）為x軸，寫出從光源發(fā)出的各光線間隔角度上光線的方程為y=tanθx。

4）設(shè)反射器起始于第一點(diǎn)的坐標(biāo)是x0y0，它的斜率為tanβ0，則反射器上第一段的折線方程為y-y0=（x-x0）tanβ。

5）計(jì)算該線段與下一個(gè)光線間隔角度的交點(diǎn)x1y1，即解下述方程組：

6）重復(fù)過程5），計(jì)算下一個(gè)點(diǎn)，不同的是將x1y1的值作為x0，y0來處理，β0與tanθ另取新的值。

7）完成上述全過程就可得到—個(gè)需要的反射器曲線。

（一）二次曲線反射器

二次曲線包括圓、橢圓、拋物線和雙曲線。

從圓錐曲線的一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)過圓錐曲線的反射后，得到的反射光線所在的直線，相交于曲線的另一個(gè)焦點(diǎn)（拋物線的另一個(gè)焦點(diǎn)可看為無窮遠(yuǎn)點(diǎn)）。

1）圓面的光學(xué)反射特性：從圓心發(fā)出的光線，經(jīng)圓球表面反射后，仍匯聚于圓心。

2）橢圓面的光學(xué)反射特性：從橢圓一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)橢圓表面反射后，匯聚于另一個(gè)焦點(diǎn)。

3）拋物面的光學(xué)反射特性：從拋物面焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)拋物面反射后，形成平行光。

4）雙曲面的光學(xué)反射特性：從雙曲面一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)雙曲面反射后，反射光線反向延長線，交于雙曲面另一個(gè)焦點(diǎn)。

當(dāng)光源偏離拋物面、橢圓面、雙曲面焦點(diǎn)時(shí)，光線經(jīng)反射后，光束發(fā)散和匯聚情況發(fā)生變化。

利用二次曲面反射器的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)光線的收集和角度控制，完成光學(xué)設(shè)計(jì)要求不高的一些照明光學(xué)設(shè)計(jì)需求。

（二）其他反射器設(shè)計(jì)

簡單二次曲面反射器很難滿足越來越高的照明光學(xué)設(shè)計(jì)要求，例如，軌道燈、射燈反射器設(shè)計(jì)，既要求照度均勻，又要求外形尺寸、輪廓基本不變的情況下，方便實(shí)現(xiàn)同一系列燈具，發(fā)光角度的改變，比如16°～40°的變化，此種設(shè)計(jì)要求可采用如圖2-14所示的鱗甲反射器方案。

又如，車燈尾燈的設(shè)計(jì)，需要形成橫向、縱向不同的發(fā)光角度，可采用自由曲面反射器實(shí)現(xiàn)；車燈前照燈的設(shè)計(jì)，需要形成非對(duì)稱的光型要求，也可以采用自由曲面反射器實(shí)現(xiàn)。此類反射器的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，在后續(xù)內(nèi)容中將詳細(xì)介紹。