Back to List

多面體和微結構技術應用-反光杯

提供光學設計與開發。
規格可客製化。

CUSTOMIZATION PRODUCE
線上詢問

背景說明

反光杯表面上鱗面的做法由來已久;鱗面的正式名稱為「facet」,字義是「面」的意思,multi-faceted就是多個面體組成,套用多面體設計的反光杯,此類設計就稱為multi-faceted reflector,中譯為「多面體反光杯」,縮寫成MR;為方便說明,後文會沿用行業慣稱的「鱗面」來做為「多面體」的另外的稱謂。

MR很眼熟吧?照明中的MR 16,就是此鱗面技術來設計出的,MR指的是多面體反光杯,數值16指的是反光杯的開口直徑值(16除以8,英吋),MR16就是開口2英吋的多面體反光杯。MR16燈的最早型態,就是多面體反光杯,只是到了初期的LED照明,受限於當時技術,業界先以TIR lens的形式,追求高集光比,但隨著傳統照明廠進入到LED照明,照明業界普遍偏好傳統的多面體反光杯的架構,逐漸此類照明設計架構,會隨著傳統照明廠的逐步進入而隨之份額愈佔愈高。

約略幾十年前就開始有大量的反光杯的照明應用,目前可以在一般大學圖書館查到的最早的反光杯的專書是「The Optical Design of Reflectors,」。1980年代,「電腦」的設計方法並無普及,所以在此書裡,大量匯整了「幾何作圖法」與「數學曲線法」來設計反光杯,舉如下圖所示[1]。

Reflector Design with Drawing Method
[1]:The Optical Design of Reflectors, William Bull Elmer, 1980

多面體反光杯應用多年後,設計人員開發出各式排列的反光杯鱗面,排列的方式通常是直接繪出,也有用演算法生成,或是利用布林運算生成;當前業界常見的反光杯鱗面形式如下圖所示;最常見到的有Hexagonal與Rectangular與Spiral這三大類型式,有不少的非成像光學設計軟件,具有直接生成類似的鱗面的功能,供設計師快速設計反光杯,把精力放在光斑設計,而不要去浪費時間在複雜的鱗面排佈。

common multi-faceted types

光學原理

按經典(classic)的反光杯設計方法(如前述的反光杯專書),設計人員從雙曲線開始規劃,接著再按曲線特性來決定焦點、投射點與光強;近代反光杯設計方法,開始跳脫曲線的思路,改採面型的思路來進行,所謂的面型的思路,是把反光杯離散成有限個面型,而最後的光斑,就是把有限個面型的光斑結果做疊加。

multi-faceted reflector design concept

反光杯的網格切格,是按每個網格佔的流明都是相同的情況下進行切割,相當於假設光源是各方向均勻發光,光源每個方向的球面度與反光杯外形相交所切割出來的網格,這意謂著,每個網格內的流明是一致的(但因為距離不一,所以網格大小不一),假若,該每一網格面能把光線反射成平行出光,則投影到特定平面時,他的等流明能量網格分佈就會如下圖所示。

light pattern of multi-faceted reflector

從光路的整體設計來看,是分成「交錯發散」與「非交錯發散」兩種類型,在實務上,這兩種的光路設計,在遠場來看,也許可以達到一樣的結果(照度),但是,在應用上,這兩種卻有不同的混光效果。

parallel and cross ray path design concept

在面型設計的光路設計方面,可以分成「一對一映射」(one-to-one Mapping)與「疊加原理」(superposition)的設計思路;一對一映射,指的是維持每一面打到唯一的接受面位置;而疊加則是把不同面會打到同一位置,形成光斑疊加的效果。

疊加原理對於鱗面式反光杯的設計是居關鍵設計要點,在相同的反光杯杯身曲率的情況下,即使在相同的鱗面曲率的情況下,光斑最終疊加效果,也會因鱗面的數量與排列而有所差異;光斑,在某種程度上,可以視為光源經過反光杯后的影像,最終單片的光斑,則為此所有的影像(光斑)疊加而成。

在相同的鱗面曲率之後,不同的切割數目,會造成最終的疊加光斑不同,沿續前述的反光杯的概念,把反光杯切割成接近0度的片,整個反光杯意謂是接近無限個片所組合,以及每10度切一片,則會有36片組成反光杯,以及每20度切一片,則會有18片組成反光杯,如下圖所示,在相同鱗面曲率設計,不同的切割數,最終疊加的光源效果是不一樣,此概念說明了切割面的總數的疊加會影響光斑的效果。 度),但是,在應用上,這兩種卻有不同的混光效果。

superposition principle

工藝說明

傳統的多面體反杯是採用旋壓製程來製作的,旋壓製程是很有歷史的工藝,工藝如名,旋轉然後壓製成品;加工過程非常單純,可以一站完成,簡略來說,首先,先放置鋁錠,鋁錠材料隨機床主軸轉動,製造人員用桿棒加壓於旋轉中的材料,產生了局部的塑性變形,加壓材料來緊貼於模具,完成了零件的旋壓加工。

metal spinning

近幾年,也有工程人員採用塑膠注塑,成形塑膠反射杯,高反射的塑膠材料的的反射杯模具光學面,盡管是拋光至鏡面,該反射面仍是散射性質多,不會呈現鏡面反射,此是材料特性所造成,而非表面光潔度;把塑膠成形的反射杯,再經過鍍金屬膜,就能形成具有鏡射反射光學性質的反射杯。

鍍膜有分好幾種,舉如水鍍、真空鍍或濺鍍,水鍍是在有金屬離子的水溶液中,把金屬離子在被鍍物的表面形成一層金屬膜;真空鍍是指真空環境中的電鍍,用高壓電場使得氣體中的金屬分子被激發而沉積在被鍍物品表面;濺鍍是一種物理氣相沉積技術,固體靶材中的原子被高能量離子撞擊而進入氣體狀況,再濺到被鍍物品表面。鍍膜能在被鍍表面形成一層薄膜,這層薄膜可以遮蓋住被鍍物的材料特性,體現出表面光潔度的鏡射效果。但物品表面沒有徹底清潔或處理不當,鍍層可能會容易掉落,這也是當前鍍金屬膜式的反射杯應用的缺點。