任务二 照明中常用的反射器

照明系统中的反射器俗称灯罩或反射罩，其作用一般有两点：①获得所需照明效果，近处光照强度大而均匀，但远处效果不好；②在相同配光的前提下，增加外形美观。

反射器设计基础理论：将反射器上任意点（角度θ）接收的光源光线反射到与轴线成希望夹角α的方向上，换言之，要注定反射器上各区域将光线投射到什么方位，这是设计的第一步。为此，需要以下数据：

1）光束分布（配光）：用出射光线光强该光线与轴线夹角α表示，采用函数式或曲线图都可以。

2）光源发出光线的光分布（光强分布）：采用从它发出的各条光线与轴线夹角θ表示，常用曲线表示，在近似的计算中光源的配光常用余弦分布。

3）从要求的光束分布的总光通，考虑光源与反射器之间的结构限制等因素确定光源的功率。

计算中遵循光通量的守恒。具体细节如下：

1）对从光源射向四周空间的光线，要选择合适的角度间隔进行划分，如图2-13所示。

2）计算在光源光分布和出射光束光分布中各个角度间隔内的立体角。

3）采用“光通增量=光强×立体角增量”的公式计算各间隔内的光通量，其中光强由光源光分布和出射光束光分布中提供，往往取间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，得到折换系数，统一二者的差异。

5）找出光源在某个θ角间隔内能提供的光通量正好和光束在某个α角间隔内需要光通量相一致的对应关系，即某个θ角内的光线射到某个α角中去的θ-α关系。

根据θ-α的关系，求出反射器曲面形状，这是计算反射器的第二步。其中包括：

1）用公式计算光源光线间隔角度中反射面与轴线夹角β。

2）列表写出光源光线间隔角度θ和β角的正切值。

3）以光源置放点为原点，光轴（对称轴）为x轴，写出从光源发出的各光线间隔角度上光线的方程为y=tanθx。

4）设反射器起始于第一点的坐标是x0y0，它的斜率为tanβ0，则反射器上第一段的折线方程为y-y0=（x-x0）tanβ。

5）计算该线段与下一个光线间隔角度的交点x1y1，即解下述方程组：

6）重复过程5），计算下一个点，不同的是将x1y1的值作为x0，y0来处理，β0与tanθ另取新的值。

7）完成上述全过程就可得到—个需要的反射器曲线。

（一）二次曲线反射器

二次曲线包括圆、椭圆、抛物线和双曲线。

从圆锥曲线的一个焦点发出的光线，经过圆锥曲线的反射后，得到的反射光线所在的直线，相交于曲线的另一个焦点（抛物线的另一个焦点可看为无穷远点）。

1）圆面的光学反射特性：从圆心发出的光线，经圆球表面反射后，仍汇聚于圆心。

2）椭圆面的光学反射特性：从椭圆一个焦点发出的光线，经椭圆表面反射后，汇聚于另一个焦点。

3）抛物面的光学反射特性：从抛物面焦点发出的光线，经抛物面反射后，形成平行光。

4）双曲面的光学反射特性：从双曲面一个焦点发出的光线，经双曲面反射后，反射光线反向延长线，交于双曲面另一个焦点。

当光源偏离抛物面、椭圆面、双曲面焦点时，光线经反射后，光束发散和汇聚情况发生变化。

利用二次曲面反射器的性质，可以实现光线的收集和角度控制，完成光学设计要求不高的一些照明光学设计需求。

（二）其他反射器设计

简单二次曲面反射器很难满足越来越高的照明光学设计要求，例如，轨道灯、射灯反射器设计，既要求照度均匀，又要求外形尺寸、轮廓基本不变的情况下，方便实现同一系列灯具，发光角度的改变，比如16°～40°的变化，此种设计要求可采用如图2-14所示的鳞甲反射器方案。

又如，车灯尾灯的设计，需要形成横向、纵向不同的发光角度，可采用自由曲面反射器实现；车灯前照灯的设计，需要形成非对称的光型要求，也可以采用自由曲面反射器实现。此类反射器的设计较复杂，在后续内容中将详细介绍。