专利名称：小角度投光灯反射面的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种光线分布为小角度 的平面对称形投光灯用的反射面的设计方法。
背景技术：
对于远距离照明，必须用光强分布角度很小的光源。而目前的光学照明，实现小角 度平面对称照明的方法通常是采用抛物形反射面，将光源置于该抛物形反射面的焦点上， 经过反射面反射后的光线平行射向远处。如果将抛物线旋转形成旋转抛物面，就形成了探 照灯，可以照明远处的小范围。如将抛物线沿垂直于截面的方向拉伸就形成了平面对称的 抛物面，使用线状光源就可照明远处的片状范围。但在某些场合，比如一些景观照明、道路照明等，对照明效果要求比较高。不仅要 求靠近光源和远离光源的区域均被照射到，而且要求这些被照区域内的照度也要均勻。此 时，抛物形反射面就无法满足。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种小角度投光灯平面对称反射面的设计方 法，该方法不仅能够兼顾远、近距离照明的问题，而且能使被照区域内的照度达到基本均 勻。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种小角度投光灯反射面的设计方法，所述反射面呈非球面形状，其特征在于所 述非球面形反射面是通过以下步骤完成a)、确定光源的位置和发光面的朝向，将被照面上离光源最远和最近点之间的线 段等分成多个小段，根据被照面上照度的要求、光源到被照点的光线距离和入射角度，分别 计算出所述多个被照小段上各自所分配的光通量的比例，按照从光源到被照点的光线入射 角越大，则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，以及光源发光强 度随发光角度的分布规律，依次确定所述多个被照小段各自所一一对应的反射线段相对于 光源的张角大小的比例；b)、在所述的被照小段中任选一段作为第一被照小段，并取其上任一点作为第一 被照点，这就对应地确定了第一反射线段相对于光源的张角，根据预定的投光灯反射面的 尺寸要求，在光源的某一光线方向上确定一点作为射向所述第一被照点的光线在反射面上 的反射点，由反射定律求得该反射点所在的该第一反射线段的方向，再根据该第一反射线 段相对于光源的张角确定该第一反射线段的长度；c)、在所述第一被照小段一侧的相邻第二被照小段上，与所述第一被照点的距离 等于所述被照小段长度的位置上取第二被照点，按照从光源到被照点的光线入射角越大， 则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，选择第一反射线段两个端 点中的一个端点为起点，由反射定律求得该第二被照点所对应的第二反射线段的方向，并
3根据该第二反射线段相对于光源的张角确定该第二反射线段的长度；d)、同上一步骤的方法，依次以前一反射线段的端点为起点，确定与第二被照小段 同侧的所有被照小段所对应的反射线段的方向和长度；e)、在所述第一被照小段另一侧的相邻小段上，以第一反射线段另一端点作为该 相邻小段所对应的反射线段的起点，同上一步骤的方法，确定该侧的所有被照小段所对应 的反射线段的方向和长度；f)、所有的反射线段形成反射面的一个截面，将所述截面沿其法线方向拉伸，形成 所述的非球面形反射面。由于本技术方案中对被照各段根据照度要求和光源的发光强度分布规律，以及从 光源到被照点的光线距离和入射角度，分配不同的光通量比例。(由于反射面的尺寸相对于 被照区域来说几乎可以忽略不计，因此可将该投光灯看成一个点光源，故光源到被照点的 光线距离和入射角度就相当于反射点反射到被照点的光线距离和入射角度。)并按照从光 源到被照点的光线入射角越大，即被照点越远离光源，则射向该被照点的光线在反射面上 的反射点越靠近光源的顺序进行合理配光，让靠近光源处的反射面“负责”远距离照明，而 远离光源处的反射面“负责”近距离照明，使得实现被照区域的照度均勻更为科学和合理。 另外，根据微分理论，在划分的被照面的数目较多时，完全可以将光线在反射面上的一个反 射点所确定的反射线的方向作为该反射线段上的所有点的反射线的方向，亦即只要选择反 射线段上一个点就可以确定每个被照小段所对应的反射面上的反射线段的长短。而且，当 这些被照小段的数目足够多时，形成的反射面就成为平滑的曲面。为设计和计算方便，可以将所述的第一被照点取在被照距离最远或最近的小段 上，并取该小段的端点或中点位置。
图1是本发明一实施例的立体图；图2是图1实施例某一截面各反射线段相对于光源的张角大小的比例设计方法 图；图3是图2各反射线段的方向以各被照小段的端点为第一被照点的设计方法图；图4是图2各反射线段的方向以各被照小段的中点为第一被照点的设计方法图；图5是图1实施例投射的光斑图；图6是现有的抛物面形反射面投射的光斑图。
具体实施例方式以下通过附图对本发明小角度投光灯反射面的设计方法做进一步详细的描述。图1所示是采用本发明方法得到的反射面1示意图，该反射面呈非球面形状，应用 于小角度平面而非旋转对称照明的投光灯中。下面结合附图具体说明该非球面形反射面的 设计步骤图2所示为光源和被照区(未按比例绘制)。在反射面设计之前，先将光源2的 位置和其发发光面的朝向确定下来。然后将被照面的最远距离点a点和最近距离点e点之 间的线段以等距离1分成多个小段，为使图形清晰，本实施例仅分为4小段，其端点分别为
4a、b、c、d、e点。根据实际使用中对被照面上照度E的要求、光源到被照点的光线距离r以 及入射角度θ (由于投光灯可看成点光源，则该r和θ相当于反射面上的反射点到被照点 的反射光线的距离和入射角度)。因为E反比于r2且正比于cos θ，故可以计算出ab、bc、 cd.de四段上各自所分配的光通量的比例。在确定了每个被照小段上所需的光通量的比例后，按照从光源到被照点的光线入 射角θ越大，则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，以及光源发 光强度随发光角度的分布规律，确定所述4个被照小段各自所对应的各个反射线段相对于 光源的张角大小的比例，分别为图2中所示的γ1、γ2, Υ3和γ4。如图3所示，在所述的4个被照小段中任选一段作为第一被照小段，并取其上任一 点作为第一被照点。为了说明方便，图3中取最远被照小段ab段为第一被照小段，并取其 端点a作为第一被照点。当该第一被照小段ab确定后，按照图2所示的方法，即相应地确 定了该第一被照小段ab段所对应的第一反射线段a' b'相对于光源的张角Yl。再根据 具体使用中对投光灯反射面的尺寸要求，在光源的某一光线方向上确定一点作为射向所述 第一被照点a的光线在反射面1上的反射点a'，通过反射定律求得该反射点a'所在的反 射线段的方向。根据上述微分理论，该反射线段可以作为第一被照线段ab上所有点对应的 反射线段。当该第一反射线段a' b'的取向、起点a'及其相对于光源的张角Y 1的大小和 位置用前述的方法确定下来后，其长度也就唯一的确定下来。在所述第一被照小段ab相邻的第二小段be上，与所述第一被照点a的距离等于 所述被照小段长度1的位置上取第二被照点。即图3中的b点。按照从光源到被照点的光 线入射角θ越大，则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，选择图 3中第一反射线段a' b'的端点b'为起点，通过反射定律求得该第二被照点b'所对应的 第二反射线段b' c'的方向，并按照图2所示方法确定其相对于光源的张角Y2，将所述第 二反射线段b' c'的长度确定下来。依此类推，依次确定出反射线段c' d'和d' e'的方向和长度，形成反射面1的 一个截面。将所述截面沿其法线方向拉伸，即可形成所述的非球面形反射面1。当所述被照小段的数目足够多时，所形成的反射面就成为平滑的曲面。图4是另一种确定各反射线段的方法。取最远被照小段ab段为第一被照小段取 该小段的中点al作为第一被照点。当该第一被照小段ab确定后，按照图2所示的方法，即 相应地确定了该第一被照小段ab段所对应的第一反射线段a' b'相对于光源的张角Y 1。 再根据具体使用中对投光灯反射面的尺寸要求，在该张角Yl的角平分线上确定一点作为 射向所述第一被照点al的光线在反射面1上的反射点al'，通过反射定律求得该反射点 al'所在的反射线段的方向。根据上述微分理论，该反射线段可以作为第一被照线段ab上 所有点对应的反射线段。当该第一反射线段a' b'的取向以及该反射线段相对于光源的张角Yl的大小 和位置均确定下来后，该第一反射线段a' b'的长度也就确定下来。在所述第一被照小段ab相邻的第二小段be上，与所述第一被照点al的距离等于 所述被照小段长度1的位置上取第二被照点，即取第二被照小段的中点bl。该第二被照小 段be所对应的第二反射线段b' c'相对于光源的张角Y 2也确定下来。按照从光源到被
5照点的光线入射角θ越大，则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺 序，在该张角Y 2的角平分线上确定一点作为射向所述第二被照点bl的光线在反射面1上 的反射点bl'，选择图4中第一反射线段a' b'的端点b'为起点，通过反射定律求得该 第二被照点b'所对应的第二反射线段b' c'的方向，并按照图2所示方法确定的该第二 被照小段be所对应的第二反射线段b' c'相对于光源的张角Y2的大小，将所述第二反 射线段b' c'的长度确定下来。依此类推，依次确定出反射线段c' d'和d' e'的方向和长度，形成反射面1的 一个截面。将所述截面沿其法线方向拉伸，即可形成所述的非球面形反射面1。当第一被照点取在被照小段的任意位置时，按照该被照点将该被照小段分成的两 部分的比例大小，确定该被照点所对应的反射点在该被照小段所对应的反射线段相对于光 源的张角内的位置。图5是反射面1投射的光斑图。图中f点是与光源在被照面上的投影点k之间的 距离最近点，g点是最远点，被照面上的照度也基本均勻。图6是现有的抛物面形反射面投 射的光斑图。和图5相比较，被照最近距离点f与k点之间的距离要大很多，其被照最远距 离和被照最近距离之比也要小很多，在靠近光源的区域内光线是无法照到。
权利要求
一种小角度投光灯反射面的设计方法，所述反射面呈非球面形状，其特征在于所述非球面形反射面是通过以下步骤完成a)、确定光源的位置和发光面的朝向，将被照面上离光源最远和最近点之间的线段等分成多个小段，根据被照面上照度的要求、光源到被照点的光线距离和入射角度，分别计算出所述多个被照小段上各自所分配的光通量的比例，按照从光源到被照点的光线入射角越大，则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，以及光源发光强度随发光角度的分布规律，依次确定所述多个被照小段各自所一一对应的反射线段相对于光源的张角大小的比例；b)、在所述的被照小段中任选一段作为第一被照小段，并取其上任一点作为第一被照点，这就对应地确定了第一反射线段相对于光源的张角，根据预定的投光灯反射面的尺寸要求，在光源的某一光线方向上确定一点作为射向所述第一被照点的光线在反射面上的反射点，由反射定律求得该反射点所在的该第一反射线段的方向，再根据该第一反射线段相对于光源的张角确定该第一反射线段的长度；c)、在所述第一被照小段一侧的相邻第二被照小段上，与所述第一被照点的距离等于所述被照小段长度的位置上取第二被照点，按照从光源到被照点的光线入射角越大，则射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，选择第一反射线段两个端点中的一个端点为起点，由反射定律求得该第二被照点所对应的第二反射线段的方向，并根据该第二反射线段相对于光源的张角确定该第二反射线段的长度；d)、同上一步骤的方法，依次以前一反射线段的端点为起点，确定与第二被照小段同侧的所有被照小段所对应的反射线段的方向和长度；e)、在所述第一被照小段另一侧的相邻小段上，以第一反射线段另一端点作为该相邻小段所对应的反射线段的起点，同上一步骤的方法，确定该侧的所有被照小段所对应的反射线段的方向和长度；f)、所有的反射线段形成反射面的一个截面，将所述截面沿其法线方向拉伸，形成所述的非球面形反射面。
2.根据权利要求1所述的小角度投光灯反射面的设计方法，其特征在于所述第一被 照小段是距离光源最远的被照小段。
3.根据权利要求1所述的小角度投光灯反射面的设计方法，其特征在于所述第一被 照小段是距离光源最近的被照小段。
4.根据权利要求1、2或3所述的小角度投光灯反射面的设计方法，其特征在于所述 第一被照点位于第一被照小段的左端点上。
5.根据权利要求1、2或3所述的小角度投光灯反射面的设计方法，其特征在于所述 第一被照点位于第一被照小段的右端点上。
6.根据权利要求1、2或3所述的小角度投光灯反射面的设计方法，其特征在于所述 第一被照点位于第一被照小段的中点上。
全文摘要
一种小角度投光灯反射面的设计方法，涉及照明领域，解决照明中远近距离兼顾且照度均匀问题。该方法是根据被照面照度要求和光源发光强度分布，对被照不同段分配不同的光通量比例，并按照从光源到被照点的光线入射角越大，射向该被照点的光线在反射面上的反射点越靠近光源的顺序，确定各被照段所对应的反射线段相对于光源的张角大小的比例。根据反射面尺寸要求，确定第一个被照点所对应的反射点位置，由反射定律求得第一反射线段的方向，以此作为该被照点所在小段所对应的反射线段的方向。即可确定第一反射线段的位置和长度。依此类推，求得所有反射线段的位置和长度，形成该反射面的一个截面，将该截面沿其法线方向拉伸即形成该反射面。
文档编号F21V7/04GK101922678SQ20091005284
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者周士康, 陈必寿, 陈鸣 申请人:上海三思电子工程有限公司;上海三思科技发展有限公司;嘉善晶辉光电技术有限公司