CN112764213B - 一种灯管反射罩的设计及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种灯管反射罩的设计及加工方法，具体为：设定灯管投影点O，出射点直接出射光在被照面上的边界点R2，和被照面上的分界点R1，使O‑R1范围内的照度与R1‑R2范围内的照度相等，根据能量分布方程求出R1位置；根据灯管出射的能量与被照面上照度对应的能量相等的原理，列出O‑R1范围内和R1‑R2范围内的能量守恒方程，求得上半部分曲线和下半部分曲线的母线；将两者经过纵坐标对称复制，得到反射罩主体曲线，拉伸反射罩主体曲线得到其主体形状，之后可根据反射罩主体形状来进行一定的加工得到该反射罩。本发明的设计方法采用自由曲面进行光学设计，灯管光的照度在横截面方向相对均匀的分布，提高灯管的能量利用率；且加工方法相对简便，便于生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种灯管反射罩的设计方法，具体涉及一种基于自由曲面的单向均匀灯管反射罩的设计及加工方法。
背景技术
不同于LED平面型的发光面，传统荧光灯、汞灯等能在各个角度发光、发光面为圆柱侧面的发光体，在没有很好的光学二次配光设计时，会导致在目标照射面的照度不够均匀；且目前针对该类灯具的二次配光设计方法不多。在现有的荧光灯设计方法中，侧面母线为梯形的荧光灯反射罩设计比较多，其次弧形或对称的抛物线形，还有一些在反射罩下再添加匀光的其他器件。这些二次配光设计是缺点为：在目标照明面上或是照度分布不均匀，或是能量利用率不高，或是构造相对复杂。在室内照明的应用中，照度不均匀不仅使得灯具排布更具难度，且处在不同照度点的人接收的照度不同更会损害视力。在UV-C杀菌应用中，照度不均会使目标面不同处的细菌灭活速率不同，影响杀菌效果。设计出一种可调节灯具出射光线，调节目标面照度使其均匀的反射罩设计方法，将在很多方面都具有应用价值。
相对于传统光学曲面，自由曲面照明光学***拥有更高的设计自由度，能够进行光线的精细调控，在实现光斑外形塑造的同时，还达成目标能量分配，实现复杂照明输出；同时***也拥有更为灵活的空间布局。自由曲面的两个重要功能：(1)实现预定形状的光斑；(2)实现照明区域特定的能量分配。在照明中设计中，通常设计的光斑形状为或圆形方形，能量或照度分布为均匀。由于尺寸原因，如果要对灯管长轴方向的反射罩进行设计则会造成反射罩尺寸过大而导致体积过大，因此本发明提出基于自由曲面灯管反射罩设计方法，设计主要针对灯管横截面方向的光进行反射设计，即拉伸自由曲面母线组合得到反射罩形状。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种灯管反射罩的设计方法，采用自由曲面进行设计，达到反射罩的横截面方向上照度相对均匀的分布，提高灯具的能量利用率。
本发明的目的之二是提供一种灯管反射罩的加工方法，该加工方法根据灯管反射罩设计方法获得的反射罩主体形状进行加工。
为实现第一发明目的，采用以下技术方案：
一种灯管反射罩的设计方法，包括以下步骤：
以灯管圆点为出射点，以过出射点的水平线作为灯管反射罩上半部分和下半部分的分界线；
出射点垂直投影在被照面上的对应点为0，出射点直接出射光在被照面上的边界点为R2，即出射点直接出射光在被照面上的半径范围为O-R2；
确定位于O-R2连线上的分界点R1，使得O-R1范围内的照度与R1-R2范围内的照度相等，其中被照面O-R1范围内的光为自由出射的光与上半部分反射罩反射的光的叠加，被照面R1-R2范围内的光为自由出射的光与下半部分反射罩反射的光的叠加，即根据O-R1范围内与R1-R2范围内的第一能量分布方程求出R1位置；
根据灯管出射的光强对应的能量与被照面上照度对应的能量相等的原理，即O-R1范围内的光为自由出射光与上半部分反射罩反射光的叠加，列出O-R1范围内的第二能量守恒方程，求得上半部分曲线的母线；
根据灯管出射的光强对应的能量与被照面上照度对应的能量相等的原理，即R1-R2范围内的光为自由出射光与下半部分反射罩反射光的叠加，列出R1-R2范围内的第三能量守恒方程，求得下半部分曲线的母线；
以所述灯管圆点设定坐标系，上半部分曲线的母线和下半部分曲线的母线经过纵坐标对称复制，得到的反射罩主体曲线；
所述的上半部分曲线母线和下半部分曲线母线见图1。
所述的反射罩主体曲线是反射罩横截面所呈现的曲线，参见图2；
所述的上半部分曲线母线为上半部分曲线在横坐标上正轴或负轴上的部分曲线；
所述的下半部分曲线母线为下半部分曲线在横坐标上正轴或负轴上的部分曲线。
所述的第一能量分布方程是：
其中a1是O-R1间的距离，a2是O-R2间的距离，H是出射点到被照水平面的距离。
所述第二能量守恒方程是：
其中E是被照面照度，I是出射光光强，θ为灯管出射光角度，r1为光线在被照面上的位置变量，范围为O-R1；
结合斯涅尔方程解第二能量守恒方程，获得出射光出射角度θ与上半部分曲线的坐标点的关系，最后通过变化θ的值即可求出上半部分曲线母线的位置坐标。
所述第三能量守恒方程是：
其中r2为光线在被照面上的位置变量，范围为R1-R2；
结合斯涅尔方程第三能量守恒方程，获得出射光出射角度θ与下半部分曲线的坐标点的关系，最后通过变化θ的值即可求出下半部分曲线母线的位置坐标。
本发明的设计方法的原理是：
如上述步骤(1)，方案中将灯管反射罩分为上半部分和下半部分。下半部分灯管发出的光投射到被照面，为直接出射的光与经下半部分反射罩反射的光的叠加。上半部分灯管发出的光投射到被照面，为经上半部分反射罩，以及经上半部分反射罩后经下半部分二次反射的反射光的叠加。
在本发明的灯管反射罩设计方法中只考虑强度最强的出射方向，即灯管曲面的法线方向。
参见图3，灯管左半部分直接出射的光的照射范围为O-R2，即半边被照面O-R1、R1-R2范围内都有灯管直接出射的光。参见图4，被照面O-R1范围内的光为自由出射的光与上半部分反射罩反射的光的叠加；被照面R1-R2范围内的光为自由出射的光与下半部分反射罩反射的光的叠加。
由边缘光线理论可知，入射处于边缘的光线在照射面中也处于边缘。因此在设计的上半部分反射罩中，把上半部分灯管中心出射的光线反射后，恰好擦过下半部分反射罩的边缘，落到至R1位置处；上半部分边缘出射的光线经反射罩反射，落至灯管正下方出。由于有些灯管出射的光在经过灯管本身后会有很大的损耗，因此本发明的设计旨在让上半部分灯管的中心附近出射的光在经反射罩反射后可以绕开灯管本身，达到更高的能量利用率。而在设计的下半部分反射罩中，下半部分反射罩与上半部分反射罩接壤处受到的光照被反射分布到被照明R1位置处，而下半部分反射罩最边缘的部分受到的光照被反射分布到被照明R2位置处，这样边缘形成交叉的光线可以使下半部分反射罩的曲率变化得更快，即反射罩可用比较小的尺寸完成R1到R2点经过处的光的均匀分布。
由于上半部分荧光灯中心出射的光线反射后，恰好擦过下半部分反射罩的边缘，落在被照面的半径为R1，且O-R1范围内的光、R1-R2范围内的光为自由出射光与反射罩反射光的叠加，且叠加后要达到照度均匀，O-R1范围与R1-R2范围内每点的照度相等，决定R1只能是一个定值。
本发明所述的灯管反射罩的主体形状由反射罩主体曲线沿垂直其所在面的垂直方向拉伸形成，拉伸后反射罩的长度与灯管长度一致或稍长。所述的反射罩主体形状是该反射罩的内表面形状。
所述的灯管是能在各个角度发光，发光面为圆柱侧面的发光体；可以是荧光灯、汞灯、紫外灯等。
为实现第二发明目的，采用以下技术方案：
一种根据上述设计方法的灯管反射罩加工方法：计算得到反射罩主体曲线形状后，用冲压整块镜面铝合金/冲压镜面小件铝合金后拼接成型的方式，加工制成灯管反射罩。
所述的加工方法能提高优良率以降低成本，其中冲压镜面小件铝合金后拼接成型的方式能减少模具的大小。
为实现第二发明目的，采用以下另一种技术方案：
一种根据上述设计方法的灯管反射罩加工方法：计算得到反射罩主体形状后，通过先注塑或用合金制成具有所述反射罩主体曲线的灯光反射罩骨架后，再在表面覆盖反射材料的方式，加工制成灯管反射罩。所述的加工方法便于在需要多种材料时节约原料。
本发明的有益效果：
1.采用本发明设计方法设计的灯罩，灯管光的照度在横截面方向相对均匀的分布。
本发明方法设计出来的反射罩极大地利用灯管在照射范围内的光照强度，提高灯管的能量利用率，即提高接收面接收的能量与出射面出射能量的比值，进一步推动节能减排。而且其对进行其他光学设计，或者推进灯具的其他应用都有着重要意义；例如：以相对紧凑的设计完成反射罩设计，方便在反射罩后添加其他如柔光等功能的光学器件。
本发明的设计方法步骤相对固定，对灯管一类的灯具具有普适意义；采用本发明设计方法设计的反射罩构造简单，成本低，能够很好地推广应用。
本发明的灯管反射罩的设计方法，采用自由曲面进行光学设计，能够对光线进行精细调控，实现照明区域特定的能量分配，同时照明***也拥有更为灵活的空间布局。
2.根据本发明设计方法获得的反射罩的加工方法相对简便，便于实现，且方法灵活，适合不同反射罩结构、不同材料，方法实用可提升良率、节约原料及降低成本。
附图说明
图1是上半部分曲线母线和下半部分曲线母线的示意图；
图2是反射罩主体曲线的示意图；
图3是灯管直接出射光的示意图；
图4是反射罩反射的光的示意图；
图5是实施例的反射罩的三维模型图；
图6是实施例的反射罩的三维模型图；
图7是采用实施例的反射罩的辐照能量分布图；
图8是采用实施例的反射罩在灯管横截面方向的辐照能量曲线图；
图9是对比例的反射罩的三维模型；
图10是采用对比例的反射罩的辐照能量分布图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请具体实施例，对本发明进行更加清楚、完整地描述。
实施例
选用紫外杀菌灯作为反射罩设计中所述的灯管：
(1)选用直径26.0mm，长度436.0mm的，辐射能量4.0W的紫外线灯管作为光源，设定被照面到出射点的距离H＝500mm，设定出射点直接出射光在被照面上的半径范围O-R2为340mm，即a2＝340mm；
(2)根据能量分布方程求出分界点R1，其中O-R1范围内的光由自由出射光与上半部分反射罩反射光的叠加，R1-R2范围内的光为自由出射光与下半部分反射罩反射光的叠加，且叠加后要达到照度均匀，列出第一能量分布方程为：
(3)根据紫外线灯出射的光强对应的能量与被照面照度对应的能量相等，即O-R1范围内的光为自由出射光与上半部分反射罩反射光的叠加，列出O-R1范围内的能量守恒方程，即第二能量守恒方程：
其中r1为被照面上的位置变量，范围为O-R1。
积分后代入目标面参数H，以及代入特定的条件：θ＝0时，r1＝R1，求出E与I的关系；
把E与I的关系代入第二能量守恒方程得到r1与θ的关系，此例中r1与θ的方程为：
r1＝213.7152/(cos(atan(213.7152/500))-2)*(-1+cos(atan(r1/500))-cos(θ))。
将上述r1与θ的方程代入到目标面与出射光的几何关系：
通过变化θ即可求出向量ρ；
由于x＝ρ*cosθ，y＝ρ*sinθ，即求出上半部分曲线母线的坐标(x，y)。
本例中求出的上半部分反射罩母线的坐标点为：
115，7.04171909509728E-15
113.168210638795，2.26366604296388
111.335595136793，4.45580048592173
109.50309590113，6.57808134682119
107.671610569387，8.63215196504516
105.84199357559，10.6196217182772
104.015058972012，12.54206687084
102.191580710326，14.4010312066042
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80.8136754844298，32.278010055874
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77.3773896304102，34.5546179121075
75.6758679502716，35.6267250158205
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(4)根据荧光灯出射的光强对应的能量与被照面照度对应的能量相等，即R1-R2范围内的光为自由出射光与下半部分反射罩反射光的叠加，列出R1-R2范围内的能量守恒方程，即第三能量守恒方程：
其中r2为被照面上的位置变量，范围为R1-R2。
积分后代入目标面参数H，以及代入特定条件：0＝-arctan(R2/H)时，r2＝R2、，求出E与I的关系；
把E与I的关系代入第三能量守恒方程得到微分方程或r2与θ的关系，此例中r2与θ的关系为：-0.0058*(r2-213.7152)＝(cos(atan(213.7152/500))-cos(atan(r2/500))-coS(theta))
将上述r2与θ的方程代入到目标面与出射光的几何关系：
通过变化θ即可求出向量ρ；
由于x＝ρ*cosθ，y＝ρ*sinθ，即求出下半部分曲线母线的坐标(x，y)。
本例中求出的下半部分反射罩母线的坐标点为：
-115，7.04171909509728E-15
-116.232800499211，2.3249660137196
-117.449859689864，4.70050158922255
-118.650459463898，7.12758272054642
-119.833853064875，9.60721238163591
-120.99926371848，12.1404214477746
-122.145882013186，14.7282694962403
-123.272864965869，17.3718457328999
-124.379333901882，20.0722698316905
-125.464373988922，22.8306930460874
-126.527031953159，25.6482991400318
-127.566312955728，28.5263051084314
-128.581179571768，31.4659622959396
-129.570548914665，34.4685571845977
-130.533292038968，37.535412779146
-131.468230494407，40.6678893639535
-132.374132765243，43.8673851241478
-133.2497128111，47.1353374094081
-134.093626635376，50.4732234525768
-134.9044710124，53.8825619032704
-135.680778807958，57.3649131931173
-136.421015111641，60.9218800851346
-137.123574791923，64.5551088427341
-137.786778759244，68.266289937215
-138.408871376316，72.0571593707833
-138.988014526289，75.9294983941569
-139.522283614985，79.8851340674882
-140.009663366327，83.9259397507843
-140.448044077066，88.0538359331777
-140.835217037643，92.2707906775427
-141.168867487693，96.5788184402414
-141.44657025929，100.979980469166
-141.665783645494，105.476384033345
-141.823845171109，110.070182995677
-141.917964854911，114.763576617007
-141.945217280807，119.558807177931
-141.902536215019，124.45815942502
-141.786707039923，129.463958155583
-141.594360856786，134.578567090303
-141.321966120737，139.804385399024
-140.965820019127，145.143843517916
-140.522041511927，150.599400221871
-139.986562608039，156.173537609463
-139.355120081108，161.868756023514
-138.623246520056，167.687567675314
-137.786261247468，173.632489376535
-136.839261403886，179.706034643517
-135.777112207861，185.910703777499
-134.594437759481，192.248973410406
(5)以所述灯管圆点设定坐标系，上半部分曲线的母线和下半部分曲线的母线经过纵坐标对称复制，得到的反射罩主体曲线。
(6)由反射罩主体曲线沿垂直其所在面的垂直方向拉伸形成灯管反射罩的主体形状。
反射罩的三维模型如图5和6所示。
根据实施例得到的反光罩的主体形状，进行一定的加工得到该反射罩。具体加工方法是：
方法1：用冲压整块镜面铝合金得到的到反射罩的形状，也可以是冲压镜面小件铝合金得到反射罩形状后进行拼接。
方法2：先注塑或用合金做反射罩形状的骨架，后再在表面覆盖反射材料。
对比例
对比例为现有常用的灯管反射罩，其形状为梯形，其三维模型如图9所示。
如图7中所示为辐照能量分布图，使用本发明设计的反射罩，x方向上0-340mm附近辐照度基本一致，再往外快速变为黑色基本没有辐照能量。反射罩横截面上的照度如图8所示，从中心0mm处开始340mm有比较一致的辐照度，而大于340mm处辐照度开始急剧衰减并快速归0。而且从图7可知，使用本发明设计的反射罩，其灯具在被照面上能量利用率约为79％(即图中所示的光通量/发射光通量)。
如图10所示，采用该反射罩，x方向上0-500mm均有辐照能量，但是辐照度过于集中在中间较窄的区域，即0-200mm附近，而大于200mm处辐照度明显下降。采用该反射罩不可避免地出现中间区域照度过大的现象，即眩光现象，而且在被照面上能量利用率也低，只有约68％。
综上所述，采用本发明方法设计及加工的反射罩相对于现有的反射罩，灯管光照度在横截面方向分布相对均匀，在被照面上能量利用率更高。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。本发明的上述实施例都只能认为是对本发明的说明而不是限制。因此凡是依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种灯管反射罩的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
以灯管圆点为出射点，以过出射点的水平线作为灯管反射罩上半部分和下半部分的分界线；
出射点垂直投影在被照面上的对应点为O，出射点直接出射光在被照面上的边界点为R2，即出射点直接出射光在被照面上的半径范围为O-R2；
确定位于O-R2连线上的分界点R1，使得O-R1范围内的照度与R1-R2范围内的照度相等，其中被照面O-R1范围内的光为自由出射的光与上半部分反射罩反射的光的叠加，被照面R1-R2范围内的光为自由出射的光与下半部分反射罩反射的光的叠加，即根据O-R1范围内与R1-R2范围内的第一能量分布方程求出R1位置；所述的第一能量分布方程是：
其中a1是O-R1间的距离，a2是O-R2间的距离，H是出射点到被照水平面的距离；
根据灯管出射的光强对应的能量与被照面上照度对应的能量相等的原理，即O-R1范围内的光为自由出射光与上半部分反射罩反射光的叠加，列出O-R1范围内的第二能量守恒方程，求得上半部分曲线的母线；所述第二能量守恒方程是：
其中E是被照面照度，I是出射光光强，θ为灯管出射光角度，r1为光线在被照面上的位置变量，范围为O-R1；具体为结合斯涅尔方程解第二能量守恒方程，获得出射光出射角度θ与上半部分曲线的坐标点的关系，最后通过变化θ的值即可求出上半部分曲线母线的位置坐标；
根据灯管出射的光强对应的能量与被照面上照度对应的能量相等的原理，即R1-R2范围内的光为自由出射光与下半部分反射罩反射光的叠加，列出R1-R2范围内的第三能量守恒方程，求得下半部分曲线的母线；所述第三能量守恒方程是：
其中r2为光线在被照面上的位置变量，范围为R1-R2；具体为结合斯涅尔方程第三能量守恒方程，获得出射光出射角度θ与下半部分曲线的坐标点的关系，最后通过变化θ的值即可求出下半部分曲线母线的位置坐标；
以所述灯管圆点设定坐标系，上半部分曲线的母线和下半部分曲线的母线经过纵坐标对称复制，得到的反射罩主体曲线；
所述的反射罩主体曲线是反射罩横截面所呈现的曲线。
2.根据权利要求1所述的灯管反射罩的设计方法，其特征在于：所述灯管反射罩的主体形状由反射罩主体曲线沿垂直其所在面的垂直方向拉伸形成。
3.根据权利要求2所述的灯管反射罩的设计方法，其特征在于：所述的反射罩主体形状是该反射罩的内表面形状。
4.根据权利要求1-3任一项所述的灯管反射罩的设计方法，其特征在于：所述的灯管是能在各个角度发光、发光面为圆柱侧面的发光体。
5.根据权利要求4所述的灯管反射罩的设计方法，其特征在于：所述的灯管是荧光灯、汞灯、紫外灯。
6.一种根据权利要求1所述的灯管反射罩的设计方法的灯管反射罩加工方法，其特征在于：计算得到反射罩主体曲线形状后，用冲压整块镜面铝合金/冲压镜面小件铝合金后拼接成型的方式，加工制成灯管反射罩。
7.一种根据权利要求6所述的灯管反射罩的设计方法的灯管反射罩加工方法，其特征在于：计算得到反射罩主体形状后，通过先注塑或用合金制成具有所述反射罩主体曲线的灯光反射罩骨架后，再在表面覆盖反射材料的方式，加工制成灯管反射罩。
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