第7章：常用光学器件
照明光学设计是通过对光线传播方向的控制，最终实现光通量的合理分配，满足照明设计要求的过程。而控制光线的途径，在照明光学设计里，一般均采用光的几何光学传播规律：折射和反射（很少使用物理光学原理）。对光线的折射和反射，离不开透镜元件和反射元件。透镜元件和反射元件，已经广泛应用于照明中的各个方面，成为照明设计中不可或缺的一部分。射灯、路灯、自行等灯、汽车车灯等各个方面，均有使用。本章节简单介绍照明中常用的透镜元件和反射元件，简介各种透镜元件和反射元件的光学性能。详细的设计方法将在后续章节介绍。7.1 照明中常用透镜7.1.1凸透镜和凹透镜凸透镜和凹透镜是在照明光学设计中应用的最简单的透镜形式。凹透镜可以实现对光线的发散；凸透镜可以实现对光线的汇聚和发散（汇聚之后再发散）。调整凹透镜和凸透镜与光源的距离或调整透镜的曲率半径，均可以实现对光线出射角度的调整。以图示中凹透镜为为例，当其孔径为D，曲率半径为r，折射率为n时，其出射光线发散角度为：凸透镜或凹透镜的阵列组合，可以形成复眼透镜，UI全反射透镜组合，控制全反射的发光角度。7.1.2 棱镜棱镜可以用来改变光线前进方向，使光线偏折一定的角度。通过切割球面，获得的偏心球面透镜，在偏折光线的同时，也可以起到扩散或汇聚光线的作用。光线棱镜折射后，出射光线向棱镜较厚的一边折射。从平面棱镜折射光线图中还可以看出，棱镜对不同波长颜色的光线，偏折角度是不同的。对蓝光偏折角度最大，对红光偏折角度最小。根据折射定律分析此现象，可知：同种材料，对于不同波长，其折射率不同。照明光学设计中，在需形成非对称光效：非对称照度分布，非对称光强分布时，经常采用棱镜以实现此效果。且棱镜的采用，并非一定用平面镜的结构，大多数或柱面镜，在改变光线传播方向的同时，改变整个光束角发散角度。此种透镜，在警示灯具，自行车灯，汽车车灯中，均有使用。偏折角计算公式：
7.1.3 菲涅尔透镜菲涅尔透镜（螺纹透镜）的设计思想是将透镜分成若干个不同曲面的环带，使通过每一环的光线近似汇聚在同一像点上。菲涅尔透镜设计原则如图7.4所示。在大孔径的照明系统中，采用菲涅尔透镜，来代替单透镜或二次曲面透镜，可以减小透镜的质量和厚度，并在一定程度上减小球差（即不同入射角高度的光线，镜球面折射后，不汇聚于同一点的现象）。球差的概念，如图7.5所示。既可校正球差，又可减小透镜的重量和厚度，这在大口径的照明系统中时非常重要的。基于以上优点，菲涅尔透镜在大口径照明系统、航空障碍灯、汽车信号灯等灯具中均有大量使用。菲涅尔透镜的主要设计步骤是分割环带高度和计算曲率半径。下面，对环带分隔作简要介绍，如图7.6所示。1、我们将第一环的R,H,p.L1各值在图中按比例作出，得到N'T1。2、根据环数将N'T1等分，例如在本例中，将N'T1分成四等分，并以O1为圆心通过各等分点作同心圆，与通过N'的垂线相交得到其余各环带的高H'2、H'3、H'4的值，3、从A1'点作H2'、H3'、H4'各高度端点之连线，此连线与第一表面的交点，到光轴的距离即为h2'、 h3'、 h4'的值。曲率半径的求解方法较多，在《菲涅尔透镜中》一节，将做详细介绍。
7.1.4 全反射透镜全反射透镜是指一面或多面，运用全反射原理，实现光线收集或分配的透镜元件。全反射透镜广泛应用于照明的各个领域。射灯、准直透镜、航空障碍灯、自行车灯均有使用。全反射透镜一般运用二次曲面，形成全反射面，参与光线的汇聚，之后通过复眼透镜或其他透镜形式的组合，最终实现对光线的收集和光通量的分配，达到预定的照明效果。如图7.7所示的射灯透镜和图7.8的自行车灯前照灯透镜，均属此类。如图7.8所示的自行车灯，其光斑非对称。这种非对称的光斑的形成，需要对复眼透镜进行分别设计，复眼透镜的曲率半径和横向、纵向偏移均需要根据设计要求调整。图7.9 所示的航空障碍灯透镜，全反射为锥面4，将此透镜中心透镜汇聚的光线反射向四周，形成航空障碍灯所需要的配光要求。
7.1.5 自由曲面透镜在照明光学设计中，自由曲透镜的使用也很常见。路灯透镜、均匀照明透镜，背光透镜等等，均采用自由曲面实现对光线的有效控制并最终获取符合要求的照度分布或光强分布。
7.2 照明中常用反射罩7.2.1 二次曲线反射罩二次曲线包括圆，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，相较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）。即：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：椭圆面的光线反射特性：从椭圆的一个焦点发出的光线，经椭圆表面发散后，汇聚于另一焦点：
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：
双面的光学反射特性：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，光束发散和汇聚发生变化。变化情况如图7.10-12示。
通过二次曲面的切割、旋转，平移，即形成复合二次曲面，可以更方面的实现光线收集、角度控制的同时。提升最终获得的光学设计效果，可以更方面的实现收集、角度控制的同时，提升最终获得的光学设计效果。例如：简单的手电筒反射罩设计，有时会采用符合抛物面，方便调整发光角度，保证所需发光角度，减小近似暗斑的同时，保证远处光斑的明亮、清晰。更复杂的鳞甲反射罩，汽车尾灯反射罩、前大灯反射罩的设计，均会涉及到二次曲线反射罩的光学特性的运用。可以说，二次曲线反射罩的光学性质，是各类反射罩设计的基础。
7.2.2 其他反射罩设计简单的二次曲面反射罩，很难满足越来越多的照明光学设计要求。例如：轨道灯，射灯反射罩的设计，即要求照度均匀，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°到40°的变化，此种设计要求可采用如图7.14的鳞甲反射罩方案。
又如：车灯尾灯的设计，需要形成横向，纵向不同的发光角度：均可采用如图7.15所示自由曲面反射罩实现；车灯前照灯的设计，需要形成非对称的光型要求；可以采用如图7.18所示自由曲面反射罩实现。
此类反射罩的设计较为复杂，后续详细讲述。 7.3 反射罩镜组合形式
反射罩与透镜组合照明系统，也比较常见。如图7.19示，为全内反射透镜和鳞甲反射罩的组合，可以提高光通量利用率，并方便在不改变反射罩外形尺寸的情况下，修改照明系统的发光角度。
如图7.20，投射式车灯采用的是多椭圆球与非球面透镜的组合形式。通过多椭球对光线的汇聚，非球面透镜的投射，最终形成符合要求的配光。
页:
[1]