1、淺談旋轉對稱燈罩的設計廣東東松三雄電器有限公司 蔣常義摘要：利用光學軟件Photopia設計旋轉對稱燈罩與其產品成型后的配光曲線圖、平面等照度曲線及照度均勻性的效果圖比較，探討旋轉燈罩在設計、生產和表面處理等相關問題。關鍵詞：Photopia軟件；旋轉對稱燈罩；配光曲線；平面等照度曲線；光束角1 引言一只優秀的綠色照明燈具不僅有優美的外型、合理的結構、高品質的電器組件，還要有高效能的反射器，而這個高效能的反射器是最有技術含量的部件之一，它接受來自光源的光線，反射出需要的光線分布，起到加工光線組合的作用。它應該具有高反射性、良好的眩光控制和反射出來的均勻度。在多次的理論與實踐中的探索與思考，就以

2、旋轉對稱的燈罩為例，探討這類燈罩的一些相關問題。2 根據市場上反饋的需求，定義燈罩選用的材料和基本的外觀尺寸如要求設計一個寬光束蝙蝠翼形（約110º）的配單端光源的燈罩，材料一般是選擇高純度鋁，中、低檔燈具的反射器有時會用到不銹鋼。應該說這個旋轉對稱燈罩有點象橢圓或雙曲線的某一段曲線，而不象拋物線那樣的曲線，為什么？因為橢圓焦點出來的光線會從另一個焦點交叉射出去，雙曲線是從一個焦點發光，反射光線的反向延伸到雙曲線的另一個焦點，拋物線焦點出來的光線會平行的射出去，利用數學公式是可以證明的，從光學設計軟件Photopia里也會很直觀的得到這個結果。其實也并不是一段簡簡單單的標準曲線就可做

3、好一個燈罩的，簡單的一段標準曲線常常會導致一些斑點和條紋出現，因為光線的分配得不到應有的補償，多曲面組成的一個近似某類形狀能夠較好的克服這個缺點。3 結合燈罩所匹配的燈具結構尺寸和安裝方法，確定燈罩的基本尺寸、沖孔位置和材料厚度燈罩往往是根據已有燈具結構及市場需要的規格尺寸要求設計，這些要求決定了燈罩的最大的高度和直徑，固定方式和安裝光源方式決定了燈罩沖孔尺寸，結合燈罩的高度、直徑、沖孔方式和需要的強度，就決定了材料的厚度。燈罩口徑過小或高度過高都就會影響了燈罩的配光曲線，特別是在設計寬角度燈罩時，影響究竟多大，可通過相關的數學和物理公式計算出來，如在某曲面上作法線，反射角等于入射角。有時理論

4、需要的東西不一定在實際中能夠做出來。燈罩相對光源的尺寸和匹配光源類型，也是必須考慮的，因為這將影響到眩光控制和配光曲線的問題。不同光分布的光源安裝在同一反射器中，反射的光線分布即不同，同一光源安裝在不同的反射器中，反射光線分布也各不相同，在燈具中小光源放置的位置要比大光源嚴格得多。4 確定燈罩基本尺寸參數后，把參數代入光學軟件Photopia進行模擬燈罩的大體尺寸已經確定了，把相關已確定的參數輸入到光學設計軟件Photopia里，調出需要安裝的光源，光源中心設置在軟件坐標軸的零點位置上，有著良好的配光曲線的反射器，光源發光點離燈罩設計的焦點約有偏差，應對配光曲線的影響不大，因為燈罩在裝配時不可

5、能沒有偏差。設計燈罩的剖面曲線（母線），這時在Photopia里得到的燈罩形狀和配光曲線也許會與要求不符，如最大直徑偏大了、高度偏高了或配光曲線達不到要求，利用軟件里的微調參數調節燈罩的尺寸、反射光線的分布等。燈罩形狀的改變，反射光線也跟著改變。耐心的調試，在軟件里找到需要的曲線為止。記下光源相對燈罩的位置（可稱為燈罩的焦點），設置將要照射的平面距離、反射器將選用的材料的反射率等，（注：為了使相關配光參數更好的進行對比，對將要照射的平面距離，燈罩的反射率與產品成型后在分布光度計測量設置的數據相同）。對燈罩的相關數據進行模擬。反射器常用材料的光學特性材料的折射率表面處理漫反射率鏡面反射率（垂直入

6、射）薄膜增強反射的鋁陽極氧化加薄氧化膜495高純度的鋁陽極氧化和拋光688商用等級的鋁陽極氧化和拋光080鍍鋁玻璃或塑料鏡面094鉻平面065不銹鋼拋光060鋼光澤白漆755其實上不管是商用等級的純度鋁還是高純度的鋁所設計出來的反射器都很難達到以上反射率數據，當然也有很多因素制約了反射率，如設計上的缺陷，表面處理的工藝等。在Photopia里很快得到這個旋轉對稱燈罩的配光曲線，平面等照度曲線和照度效果圖等。 如圖一： 在Photopia模擬的效果圖從圖中可知：燈罩的 光束角(10%): H:110 Deg-55,55 V:110 Deg-55,555 用DWG格式導出曲線，在3D軟件（CAD、

7、Pro/E或SolidWorks等）中精確修改，在此曲線的基礎上設計需要的燈罩在不影響這段理想的曲線情況下，可能對曲線做些小修改，變成我們所需要的精確尺寸，利用這段弧旋轉成需要的三唯立體圖，根據燈具已有的結構設計燈罩的沖孔、翻邊等事項，這些問題在3D軟件里處理起來比在Photopia要快得多，特別是一些復雜的反射器，更是如此。這時候，我們并沒有完成對它的設計，把它存為STL文件格式。6 在Photopia里輸入燈罩的STL格式，設置相關參數，結果與一次的模擬數據進行對比在Photopia里輸入燈罩的STL格式和輸入安裝的光源，設置相關參數，讓光源中心設置在軟件坐標軸的零點位置上，這時燈罩的曲線

8、在Photopia里是不能夠修改的，把燈罩的原設計焦點與光源的發光點重合，設置與第一次照射的平面距離和反射罩的反射率，這時會發現與先做的模擬數據有些不同。 如圖二：3D軟件設計好的燈罩在Photopia模擬的效果圖從圖中可知：燈罩的 光束角(10%): H:110 Deg-55,55 V:110 Deg-55,55配光曲線圖和平面等照曲線怎么會變成這樣？其實上Photopia描述3D曲線時，一些參數在軟件的轉換過程中丟失了及軟件模糊處理的結果等，多次的實踐中發現，這個模擬數據與實際產品（陽極氧化/鏡面）出來的數據較接近了，特別在控光角度上。如上述效果不滿意的話，有必要再次修改設計方案，調試多曲

9、面的弧形達到接近要求為止，在設計時，盡量不要讓光線在燈罩中多次反射、多次反射會減少有效光通量，不要讓經過反射光線的交叉點靠近光源和防護玻璃之類的物件，交叉點的溫度會把光源的玻殼和玻璃等物件烤變形或碎裂，還要考慮模具的加工工藝等。軟件的調試可以節省很多設計時間和提供一個科學設計的理論依據，盡管在它里面調試也是一件很麻煩瑣碎的事，也是不可缺的。在調試的過程中可以發現，燈罩頂部到光源的發光位置的這段曲線對整個反射效果起這決定性作用，在設計這類燈罩時需引起我們的重視。7 制模，依模生產燈罩及對其表面處理，用分布光度計測量燈罩的反射情況，對比燈罩在三個不同階段的數據如在3D軟件里修改設計的反射罩模擬合格

10、的話，一般就會用移動硬盤拷貝燈罩的3D數據到制模廠家制模，依模生產我們所需要的燈罩。根據需要處理燈罩的表面，如鏡面反光和啞光等，為了更好的進行對比，把一個鏡面反光的燈罩在分布光度計上進行測量。測量結果如圖三：左圖為效果圖，由數碼相機對實物照射情況的拍攝從圖中可知：燈罩的光束角(10%)：H:114Deg-57,57 V: 114 Deg-57,57（注：配光曲線圖和平面等照度曲線數據來自本司實驗室對實物測量的報告；測量設備為浙江大學三色儀器有限公司制造的GMS-1800B臥式分布光度計）從圖一、圖二和圖三的對比我們可以看出，它們都近似寬光束蝙蝠翼形的配光，燈罩的光束角（10%）變化不大，在可接

11、受的范圍之內，而平面等照度曲線有些變化。用目測產品成型后反射的照度均勻性發現，有輕微的彩虹、彩斑和黑圈等現象，這些現象的產生既有設計上的缺陷，也有燈罩內腔涂層（光譜選擇性）的改變，從而改變反射光線色溫所表現出來的。這樣一個要求精密的產品需要時間才能把它做好，如認為不理想的話，可修改燈罩的曲線，從而去修改燈罩的模具。但按上述方法制作出來的燈罩一般不會與軟件模擬效果偏離的太多，必要的修改是為了更加完善其配光曲線。所以有時候我們不得不對它實行補償配光，如在燈罩進行小部分打砂或進行其它的處理，打砂可分腐蝕燈罩的模具，讓燈罩在生產黑坯時就帶上砂紋，也可在表面處理時打砂，前一種打砂燈罩的反射率要高于后一種

12、打砂方式，但前一種模具不能再生產鏡面反光燈罩了，除非重新修改模具。對模具做成珠紋或根據需要在某些部分做成凹凸不平等方法來達到最優，雖然適當的降低了它的反射效率但我們可以提高它的配光的均勻度是值得的。但在高檔燈具會采用薄的氧化層（如Ti）被蒸發到陽極氧化表面，會減少彩虹現象的產生，以下就談談這些系統誤差的出現原因。以上所說的旋轉對稱燈罩，我們大多數情況下采取旋壓制做成型，有時候設計者拿一個標有尺寸的工程圖給模具廠做模，一個較理想旋轉對稱燈罩在Photopia導出來后，有可能上百個點或幾百個，在一張工程圖中，我們不可能把這百多個點都表示出來，那怕設計者表示出來，一些模具廠也無法加工出來，都知道，國

13、內的一些燈罩廠家，規模小，雖專業做燈罩但技術力量不足，沒有認識到燈罩配光曲線重要性，隨意的加工制作，燈罩的形狀是制作出來了，誤差不知道有多大。這時，設計者不得不把幾個點用弧線連起來，減少需要表示的點，降低加工生產難度，同時也降低了模擬效果的真實性。最好的方法是用移動硬盤，把燈罩的三唯數據拷貝到數控中心去數控加工，盡量減少人為的誤差。模具做好了，就開始旋壓產品了（有些廠家會拉伸這類產品），產品與加工者本身的素質有關，國內做燈罩，可以說有一半是靠手工，另外一半是靠機器完成的，鋁板的旋壓產品，能做到0.01MM公差也算很不錯了，因為材料本身還有彈性和塑性，鋁材的純度也起著關鍵的作用。多數燈具的反射器

14、（旋轉對稱燈罩）加工成型后的產品需要進行陽極氧化（ANODIZING）處理，正確的陽極氧化處理能完全發揮鋁陽極氧化膜的功能，可將其反光效率完全發揮出來，提高反光器的反光性和可靠性。但這個工藝與鋁的純度有很大的關系，需要純度為99.95%以上的鋁板和電器自動化才能做到。而國內生產的鋁純度幾乎難以達到99.95%。陽極氧化處理過程包含脫脂、拋光、清洗、鍍膜、封孔等方面，但國內產品對以上的工藝，很多情況是用手工或半手工完成的而不是通過電器自動化完成的，誤差也在所難免。8 結語通過對實踐與理論的比較及多個工藝的考慮，要做好一個反射器的設計，Photopia這樣的光學設計軟件只能提供一個理論的數據參考及減少設計時間，一個高效能的反射器，很大程度上還依賴設計者本身對這方面的造詣、在軟件中反復的調試及對產品成型后做些必要的修改。其實上我們在追求高的反射率、高的平均照度就會相應的增加反射器設計難度和其成本，有時對其進行適當補償配光設計也未嘗不可。以上是設計過程，但實際的生產過程中將會更難，因為設計者的經驗、軟件理論的分析與實踐中的差別、還