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第 3 节 常用光学设计 台灯光线的改造手段（第2页）

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对台灯而言，光源和光学部件显然是其核心，如果说光源是基础的食材，那么光学设计就是烹饪的手段，将原始的光线分布改造为我们需要的形式。

对台灯设计师而言，光学设计是一个工具，为了满足最终的照明指标、造型外观和应用场合的要求，设计师可以选用丰富的光学设计方法。

直射式

如果我们追溯台灯的进化历史，台灯最初的形态应该是烛台，到了近代发展为煤油灯、马灯，之后白炽灯、荧光灯、LED才逐渐成为主流。

由于早期的烛台和煤油灯发光量小，直接点亮或者仅加防风灯罩是最简单经济的方式。这便是直射式，将光源最原始的发光形式直接投射出来，光亮盈满整个空间。

反射式

直射式台灯在拥有成本低，结构简单的优点的同时，暴露出两个突出的缺点：

光线没有全部照射到目标面能量利用率低；

直射光线照入人眼形成眩光。

于是，古老而经典的反射式台灯出现在历史的舞台。

普通反射器的利用最早出现在希腊神话中：公元前212年，阿基米德利用巨型抛物面反射镜集中了高能的光束，最终将进犯的罗马战船烧毁。公元10世纪，阿拉伯物理学家伊本·索在他的论文中首次给出了利用抛物面反射镜聚光的详细原理。但是，直到19世纪初，抛物面反射镜才被广泛应用于灯塔的照明。19世纪末，其它圆锥曲线的反射器开始大量应用在各个照明领域。

讲到反射式台灯，就不得不提光线的基本折反射定理以及圆锥曲线在照明光学设计中的应用。

我们知道平行光线经过抛物线反射汇聚于抛物线焦点，根据光线可逆原理，如果我们将光源放置于抛物面反射器的焦点处，理想情况下就可以得到准直出射的光。

类似的原理适用于椭圆，如果我们将光源置于椭圆一侧焦点处，光线经椭圆反射，就会先汇聚于椭圆另一个焦点再发散开来。

此处的抛物线和椭圆均为截面图，因此我们至少有两种利用形式：旋转和水平拉升。

通过旋转形成的反射面可以形成一个圆形照明面，而水平拉升的反射面则可以形成长条形的照明面。早期的白炽灯多利用旋转对称的反射面，而荧光灯多利用水平拉升的反射面，至于截面具体是抛物线、椭圆还是普通的圆，这个取决于具体的光学设计要求。

折射式

到了LED时代大家会发现，常用于白炽灯和荧光灯上的反射式灯罩好像都不见了，取而代之的是越来越多的透镜式设计。

这是厂家为了炫技而为之吗？非也，这是由LED的发光特点决定的。

白炽灯和荧光灯都是「空间全向」发光模式，光源通过反射器将背对工作面的一部分光线反射至工作面方向，叠加在正对工作面的直射光线上，形成了工作面的照明。

而LED发光模式是单向180的发光模式，学名「朗伯体」光线分布。这时候如果利用反射器的话，势必要将LED发光一面面向反射器内部，但由于LED背面常加PCB电路甚至散热装置，这就对光路造成遮挡，因此反射式光学设计不适合LED。

将LED翻过来正对工作面就解决了这个问题。但是为什么要在正面加透镜而不是裸露LED灯体呢？这是因为原始的LED发光角太大，发光太散，光线如果不加控制会造成能量的浪费和工作面照度分布的不可控。

因此，利用透镜的光线汇聚原理，可以将发散的LED光线「收一收」，更加集中地汇聚到工作面上。进一步地通过离焦我们还可以控制LED光线发散的角度。

在实际的LED台灯光学设计中，为了适应轻薄化需求，常用菲涅尔透镜代替普通透镜。菲涅尔透镜比普通透镜薄，节省用料却可以实现同等的光路控制目标，下图中热销的某款LED台灯便使用了菲涅尔透镜——

扩散式

当然，LED台灯也并非全用透镜，一些中高端台灯为了更加均匀的光线分布会使用导光板+扩散板的结构。

导光板技术利用侧发光的LED光源+导光板将光线均匀导向导光板正面，常用于显示器背光显示。台灯自然也可以利用这个技术将一圈LED发出的光导成一块发光平面。

但直接经过导光板导出的光式一颗一颗亮的发光点不够均匀，这时候就需要扩散板将光线进一步折射打散形成一个均匀的发光面，形成「皎皎如明月」的效果

导光板+测光光源并非必须，也有厂家使用均匀分布的直射LED+扩散板的形式，直接将LED光线通过扩散板打散，也能形成较为均匀的效果。

格栅设计

我们在许多LED台灯上常看到发光面加了一层格栅，比如「扩散式」里的例图2以及下图中的「蜂窝」设计。格栅是用于防眩光的，至少通过两种方法实现防眩光的效果：

格栅具有一定的深度，这样可以形成截光角，限制光线最大出射角度，减少直射眩光；

格栅本身类似于百叶窗，切断视觉连续性，减轻直射眩光。

格栅搭配扩散板的柔光作用，防眩光效果更佳。

小结

从直射、反射、折射到扩散和格栅设计，是台灯光学设计技术的发展历程，随着光源技术的发展、照明需求的提高而不断演进。

在当下的LED台灯中，普通的菲涅尔透镜设计已经可以实现较为理想光路控制从而在工作面形成合适的照度分布，满足最基本的台灯使用需求。而在一些中高端的台灯中，透镜设计可以进一步演化为「自由曲面」透镜设计，对光线实现每个角度的精确控制，从而实现工作面更高均匀度的照度分布。

导光板+扩散板是另一种技术路线，可以实现发光面和被照面的双重均匀观感。而格栅的设计通过引入一点成本的增加实现了更好的防眩光效果。

技术仍在发展，我们有理由期待未来会出现更极致均匀、更极致防眩光的台灯光学设计。?备案号:YXX1rdRlpB6FyzLyGmuAZPd

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