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浅谈旋转对称灯罩的设计
广东东松三雄电器有限公司 蒋常义
摘要：利用光学软件Photopia设计旋转对称灯罩与其产品成型后的配光曲线图、平面等照度曲线及照度均匀性的效果图比较，探讨旋转灯罩在设计、生产和表面处理等相关问题。
关键词：Photopia软件；旋转对称灯罩；配光曲线；平面等照度曲线；光束角
1 引言
一只优秀的绿色照明灯具不仅有优美的外型、合理的结构、高品质的电器组件，还要有高效能的反射器，而这个高效能的反射器是最有技术含量的部件之一，它接受来自光源的光线，反射出需要的光线分布，起到加工光线组合的作用。它应该具有高反射性、良好的眩光控制和反射出来的均匀度。在多次的理论与实践中的探索与思考，就以旋转对称的灯罩为例，探讨这类灯罩的一些相关问题。
2 根据市场上反馈的需求，定义灯罩选用的材料和基本的外观尺寸
如要求设计一个宽光束蝙蝠翼形（约110º）的配单端光源的灯罩，材料一般是选择高纯度铝，中、低档灯具的反射器有时会用到不锈钢。应该说这个旋转对称灯罩有点象椭圆或双曲线的某一段曲线，而不象抛物线那样的曲线，为什么？因为椭圆焦点出来的光线会从另一个焦点交叉射出去，双曲线是从一个焦点发光，反射光线的反向延伸到双曲线的另一个焦点，抛物线焦点出来的光线会平行的射出去，利用数学公式是可以证明的，从光学设计软件Photopia里也会很直观的得到这个结果。其实也并不是一段简简单单的标准曲线就可做好一个灯罩的，简单的一段标准曲线常常会导致一些斑点和条纹出现，因为光线的分配得不到应有的补偿，多曲面组成的一个近似某类形状能够较好的克服这个缺点。
3 结合灯罩所匹配的灯具结构尺寸和安装方法，确定灯罩的基本尺寸、冲孔位置和材料厚度
灯罩往往是根据已有灯具结构及市场需要的规格尺寸要求设计，这些要求决定了灯罩的最大的高度和直径，固定方式和安装光源方式决定了灯罩冲孔尺寸，结合灯罩的高度、直径、冲孔方式和需要的强度，就决定了材料的厚度。灯罩口径过小或高度过高都就会影响了灯罩的配光曲线，特别是在设计宽角度灯罩时，影响究竟多大，可通过相关的数学和物理公式计算出来，如在某曲面上作法线，反射角等于入射角。有时理论需要的东西不一定在实际中能够做出来。灯罩相对光源的尺寸和匹配光源类型，也是必须考虑的，因为这将影响到眩光控制和配光曲线的问题。不同光分布的光源安装在同一反射器中，反射的光线分布即不同，同一光源安装在不同的反射器中，反射光线分布也各不相同，在灯具中小光源放置的位置要比大光源严格得多。
4 确定灯罩基本尺寸参数后，把参数代入光学软件Photopia进行模拟
灯罩的大体尺寸已经确定了，把相关已确定的参数输入到光学设计软件Photopia里，调出需要安装的光源，光源中心设置在软件坐标轴的零点位置上，有着良好的配光曲线的反射器，光源发光点离灯罩设计的焦点约有偏差，应对配光曲线的影响不大，因为灯罩在装配时不可能没有偏差。设计灯罩的剖面曲线（母线），这时在Photopia里得到的灯罩形状和配光曲线也许会与要求不符，如最大直径偏大了、高度偏高了或配光曲线达不到要求，利用软件里的微调参数调节灯罩的尺寸、反射光线的分布等。灯罩形状的改变，反射光线也跟着改变。耐心的调试，在软件里找到需要的曲线为止。记下光源相对灯罩的位置（可称为灯罩的焦点），设置将要照射的平面距离、反射器将选用的材料的反射率等，（注：为了使相关配光参数更好的进行对比，对将要照射的平面距离，灯罩的反射率与产品成型后在分布光度计测量设置的数据相同）。对灯罩的相关数据进行模拟。
反射器常用材料的光学特性
材料的折射率％
表面处理
漫反射率％
镜面反射率％（垂直入射）
薄膜增强反射的铝
阳极氧化加薄氧化膜
4
95
高纯度的铝
阳极氧化和抛光
6
88
商用等级的铝
阳极氧化和抛光
0
80
镀铝玻璃或塑料
镜面
0
94
铬
平面
0
65
不锈钢
抛光
0
60
钢
光泽白漆
≤75
5
其实上不管是商用等级的纯度铝还是高纯度的铝所设计出来的反射器都很难达到以上反射率数据，当然也有很多因素制约了反射率，如设计上的缺陷，表面处理的工艺等。在Photopia里很快得到这个旋转对称灯罩的配光曲线，平面等照度曲线和照度效果图等。 如图一：

在Photopia模拟的效果图

从图中可知：灯罩的 光束角(10%): H:110 Deg[-55,55] V:110 Deg[-55,55]
5 用DWG格式导出曲线，在3D软件（CAD、Pro/E或SolidWorks等）中精确修改，在此曲线的基础上设计需要的灯罩
在不影响这段理想的曲线情况下，可能对曲线做些小修改，变成我们所需要的精确尺寸，利用这段弧旋转成需要的三唯立体图，根据灯具已有的结构设计灯罩的冲孔、翻边等事项，这些问题在3D软件里处理起来比在Photopia要快得多，特别是一些复杂的反射器，更是如此。这时候，我们并没有完成对它的设计，把它存为STL文件格式。
6 在Photopia里输入灯罩的STL格式，设置相关参数，结果与一次的模拟数据进行对比
在Photopia里输入灯罩的STL格式和输入安装的光源，设置相关参数，让光源中心设置在软件坐标轴的零点位置上，这时灯罩的曲线在Photopia里是不能够修改的，把灯罩的原设计焦点与光源的发光点重合，设置与第一次照射的平面距离和反射罩的反射率，这时会发现与先做的模拟数据有些不同。 如图二：

3D软件设计好的灯罩在Photopia模拟的效果图

从图中可知：灯罩的 光束角(10%): H:110 Deg[-55,55] V:110 Deg[-55,55]
配光曲线图和平面等照曲线怎么会变成这样？其实上Photopia描述3D曲线时，一些参数在软件的转换过程中丢失了及软件模糊处理的结果等，多次的实践中发现，这个模拟数据与实际产品（阳极氧化/镜面）出来的数据较接近了，特别在控光角度上。
如上述效果不满意的话，有必要再次修改设计方案，调试多曲面的弧形达到接近要求为止，在设计时，尽量不要让光线在灯罩中多次反射、多次反射会减少有效光通量，不要让经过反射光线的交叉点靠近光源和防护玻璃之类的物件，交叉点的温度会把光源的玻壳和玻璃等物件烤变形或碎裂，还要考虑模具的加工工艺等。软件的调试可以节省很多设计时间和提供一个科学设计的理论依据，尽管在它里面调试也是一件很麻烦琐碎的事，也是不可缺的。在调试的过程中可以发现，灯罩顶部到光源的发光位置的这段曲线对整个反射效果起这决定性作用，在设计这类灯罩时需引起我们的重视。
7 制模，依模生产灯罩及对其表面处理，用分布光度计测量灯罩的反射情况，对比灯罩在三个不同阶段的数据
如在3D软件里修改设计的反射罩模拟合格的话，一般就会用移动硬盘拷贝灯罩的3D数据到制模厂家制模，依模生产我们所需要的灯罩。根据需要处理灯罩的表面，如镜面反光和哑光等，为了更好的进行对比，把一个镜面反光的灯罩在分布光度计上进行测量。测量结果如图三：

左图为效果图，由数码相机对实物照射情况的拍摄

从图中可知：灯罩的光束角(10%)：
H:114Deg[-57,57] V: 114 Deg[-57,57]

（注：配光曲线图和平面等照度曲线数据来自本司实验室对实物测量的报告；测量设备为浙江大学三色仪器有限公司制造的GMS-1800B卧式分布光度计）

从图一、图二和图三的对比我们可以看出，它们都近似宽光束蝙蝠翼形的配光，灯罩的光束角（10%）变化不大，在可接受的范围之内，而平面等照度曲线有些变化。用目测产品成型后反射的照度均匀性发现，有轻微的彩虹、彩斑和黑圈等现象，这些现象的产生既有设计上的缺陷，也有灯罩内腔涂层（光谱选择性）的改变，从而改变反射光线色温所表现出来的。这样一个要求精密的产品需要时间才能把它做好，如认为不理想的话，可修改灯罩的曲线，从而去修改灯罩的模具。但按上述方法制作出来的灯罩一般不会与软件模拟效果偏离的太多，必要的修改是为了更加完善其配光曲线。所以有时候我们不得不对它实行补偿配光，如在灯罩进行小部分打砂或进行其它的处理，打砂可分腐蚀灯罩的模具，让灯罩在生产黑坯时就带上砂纹，也可在表面处理时打砂，前一种打砂灯罩的反射率要高于后一种打砂方式，但前一种模具不能再生产镜面反光灯罩了，除非重新修改模具。对模具做成珠纹或根据需要在某些部分做成凹凸不平等方法来达到最优，虽然适当的降低了它的反射效率但我们可以提高它的配光的均匀度是值得的。但在高档灯具会采用薄的氧化层（如Ti）被蒸发到阳极氧化表面，会减少彩虹现象的产生，以下就谈谈这些系统误差的出现原因。
以上所说的旋转对称灯罩，我们大多数情况下采取旋压制做成型，有时候设计者拿一个标有尺寸的工程图给模具厂做模，一个较理想旋转对称灯罩在Photopia导出来后，有可能上百个点或几百个，在一张工程图中，我们不可能把这百多个点都表示出来，那怕设计者表示出来，一些模具厂也无法加工出来，都知道，国内的一些灯罩厂家，规模小，虽专业做灯罩但技术力量不足，没有认识到灯罩配光曲线重要性，随意的加工制作，灯罩的形状是制作出来了，误差不知道有多大。这时，设计者不得不把几个点用弧线连起来，减少需要表示的点，降低加工生产难度，同时也降低了模拟效果的真实性。最好的方法是用移动硬盘，把灯罩的三唯数据拷贝到数控中心去数控加工，尽量减少人为的误差。模具做好了，就开始旋压产品了（有些厂家会拉伸这类产品），产品与加工者本身的素质有关，国内做灯罩，可以说有一半是靠手工，另外一半是靠机器完成的，铝板的旋压产品，能做到0.01MM公差也算很不错了，因为材料本身还有弹性和塑性，铝材的纯度也起着关键的作用。
多数灯具的反射器（旋转对称灯罩）加工成型后的产品需要进行阳极氧化（ANODIZING）处理，正确的阳极氧化处理能完全发挥铝阳极氧化膜的功能，可将其反光效率完全发挥出来，提高反光器的反光性和可靠性。但这个工艺与铝的纯度有很大的关系，需要纯度为99.95%以上的铝板和电器自动化才能做到。而国内生产的铝纯度几乎难以达到99.95%。阳极氧化处理过程包含脱脂、抛光、清洗、镀膜、封孔等方面，但国内产品对以上的工艺，很多情况是用手工或半手工完成的而不是通过电器自动化完成的，误差也在所难免。
8 结语
通过对实践与理论的比较及多个工艺的考虑，要做好一个反射器的设计，Photopia这样的光学设计软件只能提供一个理论的数据参考及减少设计时间，一个高效能的反射器，很大程度上还依赖设计者本身对这方面的造诣、在软件中反复的调试及对产品成型后做些必要的修改。其实上我们在追求高的反射率、高的平均照度就会相应的增加反射器设计难度和其成本，有时对其进行适当补偿配光设计也未尝不可。以上是设计过程，但实际的生产过程中将会更难，因为设计者的经验、软件理论的分析与实践中的差别、还有设计的曲线也不可能完全在模具及其工艺中体现出来，为什么？因为可见光的波长实在太短了(3.8x10-4MM~7.8x10-4MM)，一个微小的偏差，也会对它造成明显的变化，而我们在每一步都会有微小误差出现，多个工序的误差加起来的系统误差相对光线的波长来说就不是一个小数字了，所以补偿配光也是一种必须考虑的设计方式之一。
参考文献
[1] J．R．柯顿，A．M．马斯登．陈大华,等译．光源与照明 [M] ．上海:复旦大学出版社,2000．1
[2] 复旦大学．光源与照明工程系/电光源研究所．灯具设计