CN1179204A - 高效率、强可控性照明设备和方法 - Google Patents

Abstract

产生强可控性光线并充分利用该光线的照明设备和方法包括光源、直接置于光源上或光源附近的主反射器以及接收来自光源和主反射器的光线并将其反射至目标区域的副反射器。

Description

高效率、强可控性照明设备和方法

发明背景

A.发明领域

本发明涉及较大区域或目标的照明，具体涉及利用高强度光源以高效率、强可控性方法对这些区域或目标进行照明。

B.现有技术缺陷

有许多实例可以说明高效率、强可控性及高强度照明的优越性。己知有多种高强度照明方法。大多数均使用高瓦数弧光灯和反射系统，用以将来自弧光灯的部分光线指向目标区。其中应用广泛的实例之一是在碗状半球反射器中轴向安装弧光灯。这种己知照明装置在美国专利5,343,374和5,337,221中有详细介绍。

尽管这种照明装置可以产生较大强度和受控的集中光束，但该系统的性质决定了其在效率和控制方面的一些困难。通常，这些系统被升至数十英呎然后指向目标位置。由于反射器是对称的，一些光线直接落在目标区，而其它的光线则落在目标区之外。这些光线称为溢出光线。这就降低了光线的有效利用，因为由该系统产生、原本可以用于目标区的光线却没有到达目标区。

再有，尽管这种照明装置产生较为受控和集中的光线，但该光线的性质表明它仍然不能进行长距离瞄准，而会产生某种光束扩散和光线散射。因此，在长距离实现来自各个照明装置光束图形尖锐截止和控制该光线精确形状以及其它特性是困难的。另外，要使来自该照明装置的光线形状与目标区的形状相匹配也是困难的。

美国专利5,343,374和5,337,221给出并详明了照明设备和方法，其中强调了光线控制问题。其优选实施例所采用的是(但不局限于)碗状反射器(主反射器)和轴向弧光灯。该照明装置偏离目标区而指向反射镜或副反射器。该反射镜至少对来自主光源的部分光线进行反射。这种结构的特点是可产生具有尖锐、精确截止的受控光束。因此，以赛车跑道为例，可以将这些照明装置置于地面。每个系统发出一束光束，它覆盖了跑道的宽度而在跑道外沿限制墙的顶部或非常靠近其顶部边缘处截止。从而可将该照明装置置于跑道处以取代跑道。同时，其光线不会射入观众的眼睛。可将一组这样的照明装置置于跑道内部，共同为跑道提供平稳、均匀而受控的照明。

尽管这种系统是有效的，但对于其设计和方法仍存在改进的余地。

例如，这种设备的尺寸较大。在美国专利5,337,221和5,343,374所介绍的优选实施例中，发光系统的尺寸与常规具有轴向弧光灯的碗状照明装置基本相同。例如，反射器的口面直径可能为数英尺。反射镜或副反射器可能为数英呎高乘数英呎宽，且其与发光系统的距离为数英尺。

另外，这种设计在光线的有效利用方面存在困难。并非所有来自发光系统的光线都为副反射器或反射镜所反射。例如，来自发光系统的部分光线可能会落在反射镜之外而损失。

同时，这种设计的灵活性或进行随意定位及调整的性能方面是有限的。

因此，本发明的主要目的是提供一种高效率、强可控性照明装置和方法，以便改进现有技术状态。

本发明的另一目的是提供一种有效利用光线的设备和方法。

本发明的又一目的是利用较紧凑的照明装置为大区域提供强可控性光线。

本发明的再一目的是提供关于操作性能的灵活性，比如所产生光线特性的可调整性。

本发明的又一目的是提供关于光线指向目标区的灵活性。

参考后面的详细说明和权利要求，将对本发明上述及其它目的、特征和优点有更加清晰的认识。

发明概述

根据本发明的设备包括高强度光源。第一或主反射器置于光源处或接近光源处，且其尺寸与该光源基本相同。第二或副反射器的尺寸显著大于该光源，它以高度可控的方式反射来自该光源的光线。主反射器反射来自光源的光线重新穿过光源和/或送至副反射器，以便以高度可控的方式将其反射至目标区。

光源、主反射器和副反射器可以包含于同一机箱内。该机箱可与机座相连，该机座可使机箱相对于目标而调整定位。该机座可以置于地面或与某种机构相连，其中包括可抬升该机座的机构。

根据本发明的方法包括至少反射部分来自光源的光线重新穿过该光源，该反射发生在该光源的附近。然后，直接来自光源的光线以及任何被反射重新穿过该光源的光线以高度可控的方式被反射至目标区。

本发明的应用方式可以是单个系统，也可以是多系统组合，以便为某个区域或目标产生高度可控和高利用率的光线。

附图简要说明：

图1为根据本发明优选实施例照明设备的正右侧透视图。

图1A为装于电杆之上组合照明设备的立体示意图。

图2为图1所示照明设备的独立放大透视图，其前透镜处于打开状态。在该设备机箱的内部部分地描述了大副反射器、光源组件和主反射器。

图3为沿图4中3-3线的侧立体图。

图4为图2光源组件的俯视放大平面图。

图5为沿图4中5-5线的后立体图。

图6为图2的简化缩小正立体图。

图7A为光源和弯曲分离式主反射器的侧立体示意图。

图7B为光源和平直分离式主反射器的侧立体示意图。

图7C为光源和涂层式主反射器的侧立体示意图。

图8为光源和主反射器实施例的独立透视图。

图9为图1照明设备的后左侧透视图。

图9A为图9中系统机箱的放大透视图，其中描述了绕枢轴转动而开启的后壁和支撑副反射器的框架后部。

图10为带有副反射器连接片的反射器框架独立放大透视图。

图11为一个反射镜片和该镜片一端与图10框架相连之连接件的放大侧立体图，它通常是沿图10中11-11线观察的结果。

图11A为沿图11中11A-11A线的侧视图。

图12为沿图10中12-12线的部分放大后立体图。

图13为图9部分机箱内部的放大剖视图，描述了该机箱内大反射器框架的定位，它通常是沿图9中13-13线观察的结果。

图14A为大副反射器和框架侧立面的放大独立视图，简要描述了各个反射器单元的定位线。

图14B与图14A相似，只是其中描述了可用于替换图14A中反射器单元的反射器单元。

图15为该照明装置移去后壁之后机箱内部的后立体图，描述了副反射器装于托架之上、使得图10中框架可在该照明装置内进行调整的情形。

图16与图15相似，只是其中描述了图10中框架可在该照明装置中倾斜调整的情形。

图17为穿过图1照明装置的垂直剖视图，说明了支撑电杆与下枢轴箱的连接方式。

图18为沿图9中18-18线的剖视图。

图19为赛车跑道的俯视平面图，简要描述了根据图1照明设备在跑道内定位的一个实例。

图20的侧立体示意图描述了利用根据本发明优选实施例的照明设备实现光束限定截止的情形。

最佳实施例的详细说明

A.概述

为更好地理解本发明，现将详细说明其优选实施例。所述优选实施例只是本发明可采用的一种形式，它不能也不意味着限定本发明可采用形式。

在说明过程中将频繁地参考附图。在图中将利用参考数字表示某些部件和位置。除非特别声明，所有图中的相同部件和位置均用同样的参考数字表示。

本发明特殊应用的实例可在美国专利5,337,221和5,343,374中找到。例如，本发明可有效地应用于赛车跑道等目标区域。其它实例包括田径场或球场的照明、公路或交叉路口的照明以及其它需要或要求使用高效率、强可控性和高强度照明的情形。

B.最佳实施例的基本结构

图1描述了根据本发明优选实施例的照明装置10。机箱12包括顶部14、底部16、左侧部18、右侧部20、后部22(均为不锈钢制)和前部24。应当理解，在此实施例中前部24由镶在不锈钢框架26中的全透明窗或透镜组成，该框架与机箱12相连并构成其一部分。机座(通常以数字28表示)基本上为双枢轴，叉形部30可绕枢轴旋转地安装于机箱侧部18(见枢轴连接部32)和20，使得机箱12能绕由枢轴连接部32(见图6)定义的水平轴旋转(见箭头40)；叉形部30(其具有机箱12下方枢轴箱伸出的垂直分离臂)又可在电杆42上转动，从而定义了垂直轴(见箭头44)。电杆42再牢固地安装在地面46上，使得整个照明装置10可以置于地面附近。另一方面，电杆42(或其它类似装置)可以安装于几乎任意形式的支撑上(甚至包括那些架高的支撑)。实例之一是将若干照明装置10安装在架高于电杆50的横臂48上(见图1A)。图1A中的各个照明装置10均可以转动和/或倾斜。然而，那些熟知此技术的人应当理解，并非一定要使用枢轴式固定装置，机箱12可以通过多种方式安装于某种支撑结构或任意形式的机座上。

因此，如图1所示，照明装置10为独立单元，它由装于机箱12内的元件产生光输出。

在此优选实施例中，机箱12的尺寸为：宽293/4英吋，高34英吋，深191/4英吋。当然也可以使用其它结构和尺寸。机箱12所使用的材料并不局限。它们可以是金属片。同样，机座28部件的材料也不限定。在此优选实施例中它们由金属杆和金属管制成。

图2描述了前透镜24在折叶52上绕枢轴开启的情形(通过释放插销56)。插销56竖直或以其它方式与机箱12相连，并通过末端带有凸缘的中间弹性销将箱门24关闭。中销两侧的销片阻止对玻璃的侧向抻拉和对其施加弯曲压力。前门(透镜24)和机箱12的前周界具有伸展啮合凸缘和硅树脂密封垫以便在门关闭时实现密封。插销56既可将门24可靠地锁定，又可很容易将门24打开。机箱12内部包括通常被称为光源组件的部件58(由金属或陶瓷制成)，它悬于反向延伸的钢棒60和62之上，该钢棒的外端与钢臂64和66相连。副反射器(通常用数字70表示)以一定距离装于光源组件58与透镜24相反一侧的周围。反射器70的精确形状和尺寸可以不同。例如，副反射器70可以比图2中大得多。其末端可以超出光源组件58向前伸延得更远。但是，有时反射器70尺寸的增加所得到的利益不大。因此，反射器尺寸应在不损失光线有效控制的条件下尽可能做得最小。还可以使用附加侧反射器72和74(分别在机箱12左右两侧之内)。反射器72和74装于与垂直杆73相连的框架(图中未画出)上。电源通过导线76供给光源组件58。应当理解，其它电气元件(如镇流器、保险丝和开关等)可以装于机箱12外部，比如装于枢轴叉部30或其它附件之内。例如，枢轴叉部30的水平部(称为枢轴箱)可以包含镇流器和其它元件。发热元件(特别是镇流器)可装于机箱12的外部以减小照明装置10的散热问题。

图3-5更为详细地描述了光源组件58及其附件。通常，光源80(此处直径约11/8英吋，长约41/2英吋、围绕电极84和86的弧光管82)水平安装于支架88与90之间，该支架由固定件体92上向后伸出。

弧光管82面向后向一侧为暴露的，并且其面向反射器70。如图3所示，弧光管82前向一侧被反射器94所环绕，该反射器仅仅略大于弧光管82且靠近该弧光管或与之相抵。反射器94可以为弯曲的(见图7A和图8)、平直的(见图7B)，也可以由形成于弧光管82上的涂层构成(见图7C)。在此优选实施例中，它的尺寸约为：高11/8英吋，厚1/8英吋，高11.0英吋。

参考图2及图3-5，可见固定件体92有效地从照明装置10的前方遮挡住了弧光管82。弧光管82的后向暴露和反射器94保证了从弧光管82到反射器70的大部分或全部直射光得到反射器70的反射控制。还应当明白，反射器94的形状和它到弧光管82的近距离将来自弧光管82未直接投向反射器70的大量光线反射回弧光管82的弧光流和/或投向反射器70。

在此优选实施例中，弧光管82由高亮度弧光管组成，该弧光管为细长的且产生大致细长的弧光流，而不是接近点源光线的情形。然而，应当明白，水平方向较短弧光流或较短弧光源将在照明装置水平方向产生较窄的光束。有一些高亮度光源具有相当窄的弧光流。某些HMI灯泡便具有这样的性质。导线76如图所示与电极84和86相连。可利用绝缘器77和托架79悬挂并支撑导线76。

然而，应当理解，本发明可使用不同类型、不同形状和不同特性的光源。上述优选实施例适用于类似赛车跑道的照明，其中细长光源结合细长矩形反射镜片可以产生非常尖锐的限定截止，特别在光束的顶部。

此优选实施例的垂直光束扩散是弧光管82的直径和该弧光管与反射器70顶点之间距离的函数。光束最宽部由沿该弧光管顶部和底部向该反射器传播的光线及其各自的反射方向决定。从该弧光管任意位置到反射器70上任意其它位置的光线将落在来自该弧光管顶部和底部由反射器顶点反射之射线所定义的垂直光束扩散之内。在此优选实施例中，反射器70具有尺寸为4英吋×24英吋的反射片100，它们沿方程y²＝4fx定义的抛物线而配置，其中最大x＝83/4英吋，f＝61/2英吋，最大y＝15英吋。反射器70顶部前缘与底部前缘之间的距离(反射器70相对两端之间的弦)约为30英吋。安装时，各个反射片100相邻边缘之间的间距约为5/32英吋。对于10°的垂直光束扩散，将直径11/8英吋、电极间距离4英吋的弧光管82沿反射器70的焦长配置于距其顶点约61/2英吋处。

因此，应当明白，通过增加光源的直径，可以产生更宽的光束。另一方面，将光源移近反射器70，可以产生更宽的光束。反之亦然。使用较小直径弧光管或令弧光管远离反射器70可使光束变窄。如果改变光源位置，可能使光束发散。此时可能需要重新定向和/或改变抛物线的尺寸。照明装置10的特征是，通过调整反射片100可以在不改变光源相对于反射器70位置的条件下对光束的垂直宽度进行一定程度的调整。

另外，还应当明白，由于上述关系，整个照明装置根据光源与反射器之间的距离可以做得更小或更大。如果光源直径可做得很小，则它可以比大直径情形配置得离反射器70更近。这将缩短距离。而较短的距离可使照明装置的尺寸减小。

如下将要更详细介绍的那样，利用反射片构成反射镜70给出了另一种展宽或调窄垂直光束扩散的方法。每个反射片均可绕水平轴线旋转而独立调整其相对光源的取向。通过设置从光源到反射片光线的较大入射角，可以得到较宽的光束。这增加了照明装置10的可调性和灵活性。

对适合于NASCAR标准赛车尺寸的赛道，选定垂直光束扩散为10°。光束侧面的截止并不重要，因为该赛道沿两个方向均很长。光源、主反射器和副反射器之间的关系，包括其尺寸、形状和间隔均可进行调整或设定以获得某种照明效果。在许多情况下，将光束形状与目标匹配是有利的。将副反射器镜片形状与光束形状相关联可实现这个目的。在优选实施例中，这是通过在弧光管82底部与副反射器70各个镜片顶部之间形成平行表面，再利用大致为线形的光源80和矩形反射镜片而实现的。可利用其它形状和关系产生其它所需的照明效果。

在优选实施例中，使用了2,000瓦金属盐岩弧光管。也可以使用其它类型和瓦数的灯泡。可使用250瓦甚至更低的瓦数。对光源的瓦数类型或尺寸没有限制。

反射器94紧接弧光管82的外侧设置并且进行涂敷以便使红外辐射穿过而将85％的可见光反射。这样，红外辐射不会被反射穿过弧光管82从而减少对密封装置的加热或电极附近的热斑，但85％的可见光却被反射穿过弧光流和/或传向反射器70。

如图3所示，反射器94制作得与弧光管82周界匹配。另一方面，它可以取平直(图7B)或其它形状。它可以略微离开弧光管82或作为其上的一层涂层(图7C)。例如，它可以为介质材料、分光材料或陶瓷材料(比如氧化铝)。

通常，图7A和7C所示的弯曲反射器形状可以更好地控制光线并产生比图7B所示平直或较大反射器94更窄的光束。然而，可能有一些需要较宽光束的情形，从而要使用平直或较小弯曲的反射器94。另外，如图7A和7C所示的弯曲反射器94会产生发热问题，这些问题可影响弧光管82，如对密封装置加热或其它发热问题，或影响反射器94(无论其作为独立单元还是弧光管82上的涂层)，如降低配置反射器94所需粘结剂性能。因此，使用允许红外辐射穿过而反射绝大多数可见光的材料将是有利的。

反射器94较为靠近弧光管82且比其尺寸小。与美国专利5,337,221和5,343,374所介绍的主反射器相比，通过如此定位反射器94并设计其尺寸，本发明照明装置的总体尺寸可大幅度缩小。

因此，使反射器94的尺寸相对于光源最小化通常是有利的。一般而言，反射器94相对于副反射器70也是很小的。同样，这也有利于整个系统尺寸的最小化。

然而，应当理解，主反射器94可以是高度镜面型的。但是，它也可以是漫射型的，比如由陶瓷或陶瓷涂层制成(例如氧化铝)。

图6给出了照明装置10的主视图。同时参考图2可见，各个反射片100在垂直平面内沿某种曲线而并排放置。各个反射片100通常横过机箱12的内部宽度而水平延伸。该反射片基本上以180°围绕悬挂的光源80。如后面将要说明的那样，反射片100相对于光源80位置的设定，使得其能够以高效率和强可控方式反射光线并将光线发射出透镜24。

图9给出了照明装置10的后视图并描述了其后面板22，它与前面板24相同，通过插销56可绕枢轴旋转地连接于闭合、密封位置。参考图9A，后面板22可绕枢轴旋转打开以便接近反射器70的背面。如图9A所示，此优选实施例利用框架110生成反射器70的抛物线形状并固定各个反射片100。而框架110又安装于机箱12上。

图10更为详细地描述了框架110。通常为矩形的子框架112连接有两个弯曲框架114和116。框架114和116遵循抛物线106(见图14A和14B)。支撑耳118沿各个曲线114和116向外突出且配置得使反射片100可沿曲线114和116连接于相应支撑耳118之间。

图10同时还描述了，安装托架122与各个支撑耳118相连并用于支撑反射镜片100的一端。另外，侧反射镜安装架123和125由框架110的两端向前伸出并包括窄缝124。各对安装架123和125接受垂直杆73的相对两端(见图2)，使得侧反射镜72和74可以安装在机箱12之内。侧反射镜可绕垂直杆73转动以改变其位置，从而影响离开照明装置10光束的水平宽度。

图11更为详细地描述了托架122的结构。托架122的法兰盘128配置在两瓣支撑耳118之间。螺钉180和衬管188穿过支撑耳118和法兰盘128的校正开口，并提供托架122的转动枢轴。车身螺栓126穿过两瓣配对支撑耳118的校正开口和法兰盘128的曲线缝130。螺栓126可通过螺母拧紧以锁定托架122。托架122的倾斜范围由曲线缝130决定。因此，在支撑反射镜片100相对两端之托架122的螺栓126被紧固之前，反射镜片100可以在曲线缝130中螺栓126所允许的范围内倾斜移动。

图11还描述了精确和较安全地将反射镜片100安装于托架122之上的实施例，因为可能会有各种各样的力施加于易碎的反射镜片100上，从而可能会由于安装而使之损坏。这种实施例还使得反射镜片100可以较方便和快捷地插入或移出。托架122具有C形截面的主部134。法兰盘128由主部134的一端伸出。反射镜片100可啮合并滑入主部134。片状弹簧136可以由螺栓、铆钉或其它紧固装置138固定在托架122上，且形状可做得使其相对两外端延伸至后侧反射镜片120的顶部和底部边缘。然后，螺钉140可穿过突出焊接在托架122主部134后侧的螺母141旋下并将弹簧136的相对两端推进而抵住反射镜片120的后部。衬垫142可置于反射镜片100前侧顶部和底部与主部134钳口之间，且特弗龙(Teflon)块144可置于弹簧136的两端以提供某种衬垫并保护反射镜片100不受本设计施加其上之力的损坏。特弗龙(Teflon)可承受光源80在照明装置10中产生的热。

应当理解，通过对反射镜片100后侧顶部和底部施加压力使之抵住托架122主部134的前部钳口，可以获得反射镜片100与框架110的牢固连接，并且该反射镜片可以方便地插入和抽出。这还减小了对反射镜片100施加压力或扭矩而可能使其破碎或弯曲的危险。

注意，在图10中各个托架122的主部134在托架122法兰盘128的一侧延伸。在图10的设计中，托架122置于一个反射镜片100面向某个方向，而置于下一个反射镜片100又面向另一个方向。这使得反射镜片100可紧密地相邻排列，且当进行各个反射镜片绕枢轴的精细调整时托架122不会相互干扰。

图11A详细地描述了托架122与框架110支撑耳118的连接。支撑耳118的分离两瓣146和148允许托架122的法兰盘128插入其中。当法兰盘128的窄缝130(见图11)通过支撑耳118的各个分离两瓣146和148与开口对准时，将车身螺栓126穿过所有这些部件。参考图11A可见，衬管188(50％压缩)通过贯穿支撑耳118分离两瓣146与148的校正开口和法兰盘128的开口181插入。外垫片186和184与衬管188的相对两端相抵。垫片186和184均为No.10垫片。5/16英吋垫片190抵住垫片186并围绕衬管188的一端。如图所示，在垫片190与支撑耳118分离瓣146外侧之间配置有Bellville垫片192A和192B。

衬管188为准确的枢轴。紧固螺钉180和螺母182使之足以压紧垫片192A和192B。然后，垫片192A和192B给出足够压力以向支撑耳118的两分离瓣提供对托架122法兰盘128的足够夹固力，而一旦完成任何枢轴调整之后，托架122便固定于该位置。因此，图11A的设计提供了足够的张力，使得反射镜片可以迅速、平稳、精确和方便地调整，而在车身螺栓126紧固之前又能够保持原位。

可以通过紧固车身螺栓126上的螺母127将各个托架122锁定在支撑耳118上而不影响反射镜片100的精确排列。

图12更详细地描述了框架110，特别是弯曲框架114和116。实际上，各个弯曲框架114和116包含外半部146和内半部148，它们通过分隔装置150(即两半部146和148后缘处的焊点以使得位于支撑耳118处的两半部146和148可弹性地相向移动)而保持略微分开的位置。然后，法兰盘128或托架122可配置于各个支撑耳118处两半部146和148之间的空间之内。

图13较详细地描述了与照明装置10相关的若干情况。图13右侧较详细地描述了托架122与支撑耳118的连接。图13左侧较详细地描述了安装架123和反射镜74的结构。

图13还描述了框架110通过螺栓152固定在装于机箱12中托架154上的情形。托架156(同时参考图10)固定在框架110侧壁且从其上向外伸出。从图15和16中可更详细地看出，托架154上具有垂直窄缝158。因此，如图16所示，整个框架110可通过放松螺栓152并向右(如图16所示)或向左偏转该框架110而倾斜。图15描述了框架110，它基本处于中心位置。螺栓152可用于紧固框架110使之处于所需位置。

图14A描述了反射器70的优选截面形状和反射镜片100与该形状相配的情形。该形状最好选为抛物线。如图14A所示，线102和104代表X轴和Y轴。线102位于穿过反射器70抛物线曲线106(取自侧立截面)中心的平面。尽管各种抛物线均可以使用，但方程x²＝4fy定义了优选形状，其中x等于水平距离，y等于垂直距离，f为焦距。图14A说明，一旦选定了曲线106，则各个反射镜片100便被并排排列以紧密地匹配曲线106。在图14A所示的实施例中，反射镜片100为扁平、4英吋高的反射镜片。各个镜片设置得使其尽可能紧密地与线106相配。

在此优选实施例中，反射镜片100由背面具有镜面的玻璃制成。这些反射镜片是高度镜面型的(如同反射镜)，具有最小的散射。可以使用较弱镜面型的反射面。镜面特性的大小取决于所需的控制量。以赛车跑道为例，需要严格控制以便在跑道照射光与观众之间很小距离内得到非常迅速的截止。一片玻璃的镜面化后表面称为第二表面反射镜，因为该反射镜位于玻璃的后侧(即第二表面)。在玻璃的前侧或第一表面会发生一定反射(约为入射光的4％)。在玻璃的第二表面也会发生一定反射(同样约为入射光的4％)。使用第二表面反射镜原因是，尽管玻璃反射了一定光线，且因吸收而损失了少量光线，但玻璃将吸收紫外线辐射，否则被反射到人将灼伤眼睛。损失的光量将是极小的，因为来自玻璃第一和第二表面的反射光将沿与来自镜面化表面反射光相同的方向传播。另外，镜面化表面是易损坏的。所以，将其置于玻璃背面，可以在不刮擦或影响镜面化表面的情况下清洁反射镜片100。然而，应当理解，可以使用第一表面反射镜。这样可避免玻璃所引起的反射或吸收问题。

图14B与图14A相同，只是其中给出了另一种替代图14A中反射镜片100的结构。采用这种反射镜片100可以更好地逼近抛物线曲线106的形状。因此，由于平面反射镜片100仅仅是逼近该曲线(而在抛物线的中部其曲率更为显著)，所以可利用其垂直截面为弯曲的反射镜片100A以沿曲线106的各个位置匹配该曲率。这样，抛物线106最外端的反射镜片100A的曲率将比其中心附近镜片的曲率小。

各个反射镜片100或反射镜片100A与托架122的连接方式由图10-14A和14B详细给出。

图17描述了叉形部30装于电杆28的情形。一段套管160熔焊或以其它方式固定在叉形部30水平横段底部的开口162之内。套管160的顶部封闭，但其上留有开口164。电杆28的直径略小于开口162和套管160的内径。这样，叉形部30可装配在电杆28上。开口164允许导线166穿出叉形部30进入电杆28，进而穿入地下。

图18详细描述了叉形部30与照明装置10的机箱12之间的枢轴连接部32。在此实施例中，使用托架154(它用于倾斜调整机箱12内的框架110)作为枢轴连接部32的一部分。托架154的平板200抵住机箱12的内侧壁18并与之平行。内套管202熔焊于(在204处)平板200并穿过机箱12的开口向外伸出。平板206、外套管208和另一平板212围绕内套管202而置。如图所示，平板206和平板212通过焊点210和214牢固地与外套管208连接。

螺栓与螺母组合216/218穿过平板206、机箱12和平板200的开口将平板206牢固地安装于机箱12上。这种设计为枢轴32提供了牢固的连接。平面硅树脂密封垫219配置于平板206与机箱12之间。

螺栓220穿过叉形部30垂直臂中的开口伸出。小型隔离装置224将衬垫226与叉形部30外表面隔开。螺母228将衬垫226紧固在隔离装置224上。由图18可见，平板212配置于衬垫226与叉形臂30之间。当放松螺母228时，可允许平板212相对于叉形部30转动。内套管202将在叉形臂30侧面的开口230中随机箱12和平板212一道旋转。螺母228可向下拧紧以便衬垫226加紧平板212而将机箱12枢轴的取向固定在所需方向上。

C.操作

图20简略并按比例画出了赛车跑道200。与美国专利5,337,221和5,343,374中一样，它可以是具有超过一英里长和足够宽度的跑道。为便于理解照明装置10的应用情形，图中描述了其在跑道200安装位置的地面上分立安装的情形。正如美国专利5,337,221和5,343,374中所描述的那样，这种设计的优点是能够避免在安装地点使用高电杆，而高电杆的使用将遮挡跑道内安装地点附近观众的视线和跑道外侧观众的视线使之不能看到离他们较远一侧的跑道部分，同时它还将给电视转播及观众带来与高速行使赛车有关的“木桩栅栏”(picket fence)问题。另外，通过将照明装置10置于地面使光源位于所需照明区域的附近(即在跑道上)，且照明装置10光照的高度可控性允许置光照于跑道并实现迅速的截止，从而光线不会射入观众的眼中，甚至对跑道外沿附近的观众也没有影响。

然而，应当理解，照明装置10还可装于电杆(包括非常高的电杆)之上。他们也可装于架高结构上，如新闻记者席、横梁和高层建筑等。在许多情况下，使用照明装置10可减少所需普通型照明单元的数量。因此，它通常为低能耗、低成本和易维护的。

图21-23描述了照明装置10可产生的光束模式类型。基于上述原因，对于赛车跑道来说，具有尖锐截止特性、高度控制的模式是极为有利的。

另外，具有光源组件58的本优选实施例挡住了光源80的直接射线，从而消除了其对观众和驾驶员眼睛的照射。

照明装置10被置于分立的位置并且在枢轴装置上进行调整以便最有效地将光束投射到跑道200上。应当理解，可使用固定螺母和螺钉等零件以及其它方法实现照明装置10的调整和随后的固定。

在实践中，每个反射镜片100或100A可分别进行调整以保证对于跑道外观众的尖锐截止线。应当理解，在照明装置10的设计中，弧光管82的底部总是限定了照明装置10所投射光束的顶部。因此，举例来说，通过反复调式各个照明装置10的每一反射镜片，可使各个镜片的截止线均处于环绕跑道任意围墙的顶部以保证尖锐的截止。通常，各个反射镜片的可调角度小于5°，但这也可以改变而包括更大的调整角。

各个反射镜片的可调性还允许在生产厂对反射镜片进行调整。换句话说，对于给定的照明应用，反射镜片可脱离现场进行预先调整以便产生某种特性的光束，从而可将它们运到现场直接按照预先的设计进行安装。这将省却了对反射镜片的现场调整。

本发明的另一方面是能够调整照明装置中的副反射器。换句话说，它可以相对于照明装置的机箱而转动和倾斜。这又导致照明装置机箱的转动和倾斜。存在这种需要的一个例子是赛车跑道情形。如果整体转动照明装置将大部分光束投射到跑道上以避免其射入路过驾驶员的眼睛，则照明装置顶部精确的截止将不会与跑道另一侧的围墙严格地匹配。通过使照明装置中的副反射器可相对于照明装置和地面而倾斜调整，可使沿围墙的截止重新与该围墙的顶部匹配。

与美国专利5,337,221和5,343,374中实施例相比，效率的增加与若干因素有关。上述使用的效率主要与有效利用现有光线的情形相关。例如，通过将反射镜片100或100A沿抛物线配置，并根据光源的尺寸和形状设计它们的尺寸和形状，可以使来自光源的光线更好地与目标匹配。换句话说，如果来自照明装置的光线与目标匹配，则目标以外不存在浪费的光线，从而就更加有效。

应当注意，利用弯曲反射镜片100A进一步提高了这种效率，因为每个镜片均能够提供非常窄的垂直光束。在赛车跑道的例子中，要求在外围墙顶部产生非常严格的截止，以防止光线进入观众眼睛并将所有光线配置在横过该光源之前的狭长跑道上，这导致使用10°的精确窄光束。根据本发明实施例的照明装置可实现比美国专利5,337,221和5,343,374中实施例高约3倍的效率。

增加效率原因的第二个例子是主反射器94的应用。从根本上讲，主反射器94能聚集更多的光线。如果没有它，副反射器70将收集来自弧光管约180°范围的光线。利用主反射器94，可多收集来自光源约120°范围的光线。否则，该光线的一部分将反射到照明装置边缘或目标区域之外，使光束对于目标区应用而言显得过宽。

增加效率的另一个例子是侧反射镜72和74的应用(见图2)。实际上可称它们为第三反射器，因为它们收集的并非是直接来自光源的光线，而是由副反射器反射且原本无用或会被照明装置侧边所吸收的光线，然后再将其反射回目标。

能够增加效率的又一个例子是在照明装置前部透镜24上两个表面使用非反射涂层。这将降低当光线照射玻璃的第一和第二表面时所产生的反射损耗。

因此，本发明的总体设计使得效率比美国专利5,337,221和5,343,374中系统的效率有显著的提高，甚至高于标准的照明装置。

图2和13说明，提供利用侧反射镜72和74(通常它们均在照明装置10的侧边)可以获得附加的效率。图13描述了反射镜72和74可通过折叶进行调整(见由框架110两侧上下托架122之间伸出的轴杆75)以便拦截光线并将其反射至目标。应当理解，这些系统的效率通过将光束与目标形状匹配而实现。在此不产生显著的剩余光线。例如，与美国专利5,337,221和5,343,374中的系统相比，其中在某些情况下来自主反射器光源的光线落在副反射器之外，从而这些光线将会损失，因为它不会被反射到目标。

在某些情况下，对这些照明装置所讨论的“效率”允许该各个结构之间存在较大的间隔。例如，与美国专利5,337,221和5,343,374中的照明装置相比，照明装置10可沿赛车跑道以更大的间隔安置。希望增大照明装置间隔的原因之一是避免在跑道上建立过多的照明灯。各个结构之间的间隔主要由一定瓦数之灯泡所产生的光量决定。为帮助理解这种概念，我们可以这样说，若缩小各个照明装置10之间的距离，则可使用较小瓦数的光源。

应当明白，有时需要遮挡一些光线以便消除晃眼。例如，光源组件58的外侧可喷涂成绝对黑色。通过将其喷涂成绝对黑色，光源组件58不仅能遮挡照明装置弧光管82的直射光，而且可吸收原本会造成晃眼或其它问题的光线。

D.选择、特征、改变

上述优选实施例仅以实例给出而绝非对本发明的限定，本发明的范围由权利要求说明。应当指出，本发明可采用多种形式的实施例。其中一些替代实施例在前面己有说明。另外的例子如下所述。

对于反射器94，可使用第一或第二表面反射器或反射镜。在许多情况下可使用第一表面反射镜，  因为它有利于实现较好的光线截止。弧光管弧光处或附近距离的微小变化将在其外部跑道上产生极大的差别。

照明装置10前侧的透镜24可以是玻璃。一种选择是在前玻璃板24的两个表面上使用抗反射涂层以减小玻璃各个表面的反射和减弱由这种反射所造成的晃眼。在某些情况下，单独使用反射镜片100或100A会产生条纹问题。例如，在美国专利5,337,221和5,343,374中，可各自取向的分段型反射镜会产生亮度强弱相间的照明区域。本发明设计的照明装置10对此问题的处理是将反射器94置于弧光管82附近。反射器94将光线反射回弧光流并使其与弧光管传向反射器70的直射光回合，从而平滑地填充在反射镜片100或100A之间。

还应当理解，既然反射镜片100或100A是单独使用，则可对它们进行开关或调整以便按要求成形光束。以下是一个实例。通过绕其水平轴倾斜调整反射镜片，可以使光束垂直伸展。但是，伸展的范围存在一个极限。如果倾斜调整反射镜片(不论是图14A所示的平面反射镜片100还是图14B所示的弯曲反射镜片100A)使得光束过宽，则可能会在目标区产生条纹状不均匀光束模式(即光线亮度强弱相间的情形)。在图14B所示的弯曲反射镜片100A的场合，应当理解，抛物线106在其顶点附近的弯曲最大。因此，反射镜70顶点附近的反射镜片100A应具有比其外端的反射镜片更大的曲率以使得内反射镜片100A能更精确地逼近抛物线106的曲率。已经发现，只需通过交换高曲率内反射镜片100A与低曲率外反射镜片100A就可加宽光束宽度。因此，为了实现此项功能，上述结构在反射镜片100A的安装方面使该反射镜片的拆卸与交换更为方便。

还应当理解，各个反射镜片可以预先定位。这意味着可将一个镜片的反射叠加在另一个镜片的反射上以便加倍跑道相应区域的光束强度。另外，应当理解，枢轴或类似装配系统的使用允许光束对跑道不同部分的精确指向和对光束的调整。如前所述，各个反射镜片的独立可调性允许各个反射子光束与截止点相匹配。

反射镜片100或100A在反射器框架上的具体安装方式也可以不同。在本发明实施例中，使用了特殊的装配系统以便增强反射镜片各自指向的性能。

还应当明白，可将弧光管的镇流器置于机箱12内或该箱体外以便消除发热问题。

应当理解，本发明优选实施例在副反射器上使用了矩形反射镜片并使用了大致为细长或线形的光源，该光源沿反射镜片长度方向而延伸。在赛车跑道的情况下，这种设计可使光线与目标区域相匹配，因为需要照明的赛车跑道和围墙是水平细长的，要求非常窄的垂直光束扩散以便将光线置于由跑道限定的较窄条带和围墙上，而不会使光线超出围墙射入观众眼中或在跑道的安装位置附近投射大量光线。因此，本发明优选实施例可适用于矩形目标区域的照明，如篮球场、马球场、足球场和矩形舞台等。

为帮助理解在光束顶部获得严格截止的情况，可参考图20。此图为示意图，并非按比例，只是为了说明问题。图中画出了光源82、主反射器94和用于副反射器70的若干典型反射镜片100。图中还画出了具有围墙223的跑道200和赛车221。

一般地，点L代表弧光管82的顶部，点W代表其底部。字母A、C、E、G、I、K、M和O表示各个反射镜片100的顶部边缘，而字母B、D、F、H、J、L、N和P则代表其底部边缘。

入射角等于反射角的基本定律表明，弧光管82的最低点将光线投射到任意反射镜片100的顶部边缘，这将限定该特定反射镜片100反射光束的顶部垂直部分。因此，本发明允许相对于光源82如下配置反射镜片100，使之可精确调整以便能够将反射角与反射镜片100的顶部边缘匹配，从而各个子光束均收敛于围墙223的顶部。这样，来自任何反射镜片100的光线均不会超出围墙顶部，所以便产生了非常尖锐的截止。其余的光线横贯跑道而照射(见通用参考数字225，在此立体图中它通常对应于光束)。应当明白，因为光源附近的反射镜片比远处的反射镜片产生更宽的垂直光束，所以应设计近处的反射镜片使其垂直光束扩散覆盖大部或全部跑道。如图20所示，向反射器70末端方向远离光源的反射镜片具有较窄的光束扩散。

因此，由于调整反射镜片100使其光束顶部收敛于围墙的顶部，所以从反射镜片到跑道200的远端存在许多光束的累积叠加。这使得整个跑道得到均匀的照射，因为强亮度光线离开照明装置传输较远的距离，而弱亮度光线传输较近的距离。这样，照明的基本定律产生了均匀性，且这可以通过各个反射镜片而实现。

图20还描述了，利用主反射器94收集来自光源更多的光线，然后通过反射镜片100进行控制，以便将更多的光线投射到跑道200上。

应当明了，本发明可拥有许多形式和实施例。本发明的真谛和精髓由所附权利要求而定义，此处所提供的实施例绝不应作为对本发明的限定。

Claims (49)

1.具有充分光强度、用于对一定形状大面积目标区域照明的照明装置包括：具有充分透明前透镜的系统机箱；位于机箱内的高强度光源，该光源具有一定长度；主反射器，它通常置于或接近光源处并沿光源长度方向配置，其尺寸与光源处于相同量级且用于收集来自光源一侧的光线；置于机箱内的副反射器，其尺寸比主反射器大得多，其位置离开光源一定距离且围绕光源关于主反射器相反一侧而延伸，该副反射器包括框架、一组形状和尺寸相似的反射镜片、用于沿该框架依次固定各个反射镜片以构成基本连续副反射器表面的固定装置和接于该固定装置与框架之间允许倾斜调整反射镜片的调整装置；主反射器将其收集的光线反射给副反射器；副反射器产生由来自各个反射镜片反射光组成的强可控合成光束，这些反射光可以通过倾斜调整各个反射镜片而相对调整定位，该光束最终由机箱的透镜射出。

2.根据权利要求1的照明装置，其中还包括将框架固定于机箱的第二固定装置和接于该第二固定装置与框架之间允许倾斜调整该机箱中框架的调整装置。

3.根据权利要求1的照明装置，其中光源沿其长度为细长的，且副反射器的反射镜片为细长和矩形的。

4.根据权利要求2的照明装置，其中透镜具有抗反射涂层。

5.根据权利要求1的照明装置，其中副反射器通常为扁平的，且沿一维弯曲。

6.根据权利要求5的照明装置，其中副反射器由各个高度镜面化反射镜片组成。

7.根据权利要求6的照明装置，其中反射镜片为扁平的。

8.根据权利要求6的照明装置，其中反射镜片在与副反射器同维平面上弯曲。

9.根据权利要求5的照明装置，其中曲线形状为抛物线。

10.根据权利要求1的照明装置，其中光源为高强度的。

11.根据权利要求10的照明装置，其中光源为弧光管。

12.根据权利要求11的照明装置，其中弧光管沿长度方向为细长的。

13.根据权利要求12的照明装置，其中弧光管在机箱中横向放置。

14.根据权利要求12的照明装置，其中弧光管位于或接近副反射器的焦点。

15.根据权利要求11的照明装置，其中主反射器接近光源配置或置于光源之上。

16.根据权利要求15的照明装置，其中主反射器通常为扁平的。

17.根据权利要求15的照明装置，其中主反射器为弯曲的。

18.根据权利要求15的照明装置，其中主反射器为第一表面反射器。

19.根据权利要求15的照明装置，其中主反射器为第二表面反射器。

20.根据权利要求11的照明装置，其中主反射器为弧光管上的涂层。

21.根据权利要求20的照明装置，其中主反射器按弧光管的形状弯曲。

22.根据权利要求1的照明装置，其中主反射器为高度镜面化的。

23.根据权利要求1的照明装置，其中主反射器反射绝大部分可见光而使红外辐射透过。

24.根据权利要求6的照明装置，其中还包括装于机箱内侧壁的反射板。

25.根据权利要求24的照明装置，其中反射板相对于侧壁可调。

26.根据权利要求1的照明装置，其中第二固定装置具有可释放元件以便从框架上拆除各个反射镜片。

27.根据权利要求1的照明装置，其中还包括用于安装光源的固定装置，它含有位于主反射器与机箱前部之间的遮挡块。

28.根据权利要求1的照明装置，其中还包括安装机箱的基座，该基座包括用于绕第一枢轴调整机箱的机箱枢轴连接装置和绕第二枢轴调整第一枢轴连接装置的枢轴装置。

29.对大面积区域进行照明的照明系统包括：一组照明装置，它们由基座支撑，分立安装于照明区域的相应位置；各个照明装置包括具有被透镜覆盖开口的机箱、置于机箱内的高强度光源、置于光源附近或其上的主反射器和置于机箱内距光源一定距离的副反射器；其中，主反射器将来自光源的光线反射到副反射器，副反射器将来自主反射器和光源的光线反射穿出透镜。

30.根据权利要求29的照明系统，其中各个照明装置相对于基座至少具有二维自由度。

31.根据权利要求29的照明系统，其中基座置于地面。

32.根据权利要求29的照明系统，其中基座置于如下结构，该结构至少将部分照明装置抬升于地面之上。

33.根据权利要求29的照明系统，其中机箱包括其前部之上装有透镜的箱体。

34.根据权利要求29的照明系统，其中机箱体积小于4英尺×4英尺×4英尺。

35.根据权利要求29的照明系统，其中光源包括弧光管。

36.根据权利要求29的照明系统，其中光源通常在水平平面内平行于前透镜向机箱相对两侧壁延伸。

37.根据权利要求29的照明系统，其中主反射器尺寸与光源大致处于同数量级。

38.根据权利要求29的照明系统，其中副反射器的垂直截面形状为抛物线且其宽度延伸至机箱相对两侧。

39.根据权利要求29的照明系统，其中副反射器包括沿抛物线放置、各自独立可调的反射镜片。

40.对具有特定形状目标区域进行照明的方法包括：将光源置于距目标区一定距离；在非常靠近光源处收集来自光源的直射光，否则这些光线会沿非指定目标区方向传播；收集来自光源的其它光线，否则这些光线会沿脱离光源的方向传播；最后，反射所收集的光线，使之与目标区域的特定形状相匹配。

41.根据权利要求40的方法，其中还包括：利用一组反射镜片反射所收集的光线；相对于光源调整各个反射镜片，使得来自该镜片所收集光线的至少一侧边界指向目标区域的同一位置，以便在该位置产生尖锐、限定的光线截止。

42.根据权利要求41的方法，其中光源为细长的，反射镜片为细长和矩形的，且目标区域为矩形的。

43.根据权利要求42的方法，其中光源底部与各个反射镜片顶部边缘相平行。

44.对具有较大面积且距光源较远的目标区域进行照明的方法包括：利用反射器反射弧光管产生的部分光线，该反射器位于弧光管附近且尺寸与该弧光管处于同数量级；将该反射光与来自弧光管的其它光线汇成精确可控光束并将其指向目标区域的一部分；将多个精确可控光束(各自通过上述步骤产生)指向各个位置，以便对目标区域的指定部分进行照明。

45.根据权利要求44的方法，其中目标区域为赛车跑道。

46.根据权利要求44的方法，其中反射镜片沿具有指向目标区域之焦线的抛物线放置，各个反射镜片的形状与光源的形状类似，而这些反射镜片所投射的光束形状与照明区域的形状类似。

47.根据权利要求46的方法，其中各个反射镜片为矩形的，光源的底部边缘与反射镜片的顶部边缘平行，通过调整各个反射镜片的角度而产生尖锐、限定的截止，以便使任意反射镜片所产生的光束顶部均收敛于目标区域的相近位置，而该位置定义了目标区域的边界。

48.根据权利要求46的方法，其中各个反射镜片在垂直平面内是弯曲的，以便沿抛物线在该镜片相应位置处逼近该曲线形状，抛物线顶点附近的反射镜片比离该顶点较远的镜片具有更大的曲率。

49.根据权利要求48的方法，其中还包括交换距抛物线顶点不同距离的至少两个反射镜片，以改变这些镜片合成光束的宽度。

Images