CN1219225C - 使用白炽灯的照明系统 - Google Patents

Abstract

一种使用白炽灯的照明系统，包括一个白炽灯(102)，一个有第一和第二焦点的反射器(104)，该白炽灯(102)设于接近该反射器(104)的第一焦点(106)处以发射出电磁辐射光线，该电磁辐射光线由该反射器反射，并基本上会聚在该第二焦点(108)，其中由白炽灯(102)发射的一部分电磁辐射直接射到反射器(104)上，一部分电磁辐射没有直接射到该反射器上，其中该系统还包括一个附加反射器，设置该附加反射器以将至少部分没有直接射到反射器上的电磁辐射通过反射器的第一焦点(106)反射到该反射器(104)上。

Description

使用白炽灯的照明系统

背景技术

前后参照的相关申请：

本申请要求临时申请号为No.60/269,888，申请日为2001年2月21日的专利申请的优先权。该在先申请公开的内容被合并作参考。

发明领域

本发明涉及使用白炽灯的照明系统。

相关技术的描述

共轴反射系统，如：椭圆和抛物面反射系统，经常使用在如：纤维光学照明器，大屏幕显示的投影设备和投影监控器中。这些共轴反射系统可以用于使来自发射源的电磁辐射耦合到小目标。然而，共轴反射系统可以不同的角度和不同数量来放大由发射源放射出的电磁辐射。放大程度的差别随光源的尺寸加大而加剧。对于共轴系统，理想的光源是点光源。

在这样的系统中，经常采用弧光灯作为电磁辐射源，而不是采用如：白炽灯，因为弧光灯足够小，接近点光源。弧光灯比白炽灯小，是因为，如：白炽灯内的钨丝通常比可与其比较的短弧光灯的弧光长。如果白炽灯用于共轴反射系统，那么灯丝的图像会随不同角度的辐射光，具有不同的放大，结果是一个模糊的大点。因此，白炽灯在将光耦合成小目标方面效率很差。然而，白炽灯通常比弧光灯便宜、寿命更长。因此，仅当效率不是问题时，在共轴反射系统中一般采用白炽灯。在效率不是问题的应用中，可以采用白炽灯，如：大瓦数的灯。

因此，需要一种耦合系统，能将电磁辐射由一白炽灯高效率地耦合成一小目标。

发明内容

一方面，本发明包括一种使用白炽灯的照明系统，该系统包括一个白炽灯，一个有第一和第二焦点的反射器，该白炽灯设于接近反射器的第一焦点处，以反射由反射器反射出来的电磁辐射的辐射光线，并使其基本上都会聚第二焦点，其中由白炽灯发射的一部分电磁辐射直接射到反射器上，一部分电磁辐射没有直接射到该反射器上，其中该系统还包括一个附加反射器，设置该附加反射器以将至少部分没有直接射到反射器上的电磁辐射部分反射至该反射器的第一焦点，进而以电磁辐射的形式射到该反射器。

另一方面，本发明包括一种照明方法，包括以下步骤：在一反射器的第一焦点处设置一白炽灯，由该白炽灯产生辐射光线，由该反射器将一部分上述辐射光线反射到第二反射器的第二焦点，使上述辐射光线会聚到该反射器的第二焦点，将没有直接射到该反射器的辐射光线中的至少一部分反射至该反射器的第一焦点，进而以电磁辐射的形式射到该反射器；设置一出射光管，其具有一入射表面和一出射表面，则该入射表面基本上接近第二焦点，收集入射表面的辐射光线，将这些辐射光线传输通过出射光管，辐射光线由出射光管的出射表面射出。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的照明系统的示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的照明系统的示意图；

图3是根据本发明第三实施例的照明系统的示意图；

图4是根据本发明第四实施例的照明系统的示意图；

图5是根据本发明第五实施例的照明系统的示意图；

图6是根据本发明第六实施例的照明系统的示意图；

图7是根据本发明第七实施例的照明系统的示意图；

图8是根据本发明第八实施例的照明系统的示意图；

图9是根据本发明第九实施例的照明系统的示意图。

具体实施方式

使用白炽灯的照明系统100的第一实施例如图1所示，白炽灯102可设置在接近反射器104的第一焦点106处，该反射器具有第一焦点106和第二焦点108。白炽灯102可以是钨丝白炽灯。白炽灯102发射出电磁辐射光线110。一些电磁辐射光线110由反射器104反射并基本上会聚到第二焦点108。

尽管一些由白炽灯发射的电磁辐射光线110直接射到反射器104上，但仍有部分电磁辐射光线112没有直接射到反射器104上。照明系统100还包括一个附加反射器114，设置该反射器用以将没有直接射到反射器104上的电磁辐射光线112中的至少一部分通过第一焦点106射向反射器104。然而，由于白炽灯102的灯丝已经占据了第一焦点106的位置，因此基本上白炽灯102的灯丝阻碍了电磁辐射光线112。因此白炽灯102的灯丝将吸收一些电磁辐射光线112。被白炽灯102的灯丝吸收的那部分电磁辐射光线112会加热白炽灯102的灯丝，使其温度升高。更高的温度将导致光线射出量增加，增加量可能为30％。

附加反射器114可能是，如，一个球形回射器，设置在白炽灯102与反射器104相对的一侧，以将从白炽灯102发射出的电磁辐射光线112通过第一焦点106反射向反射器104。在第二实施例中，如图2所示，附加反射器114可以是一抛物面反射器154和平面镜156结合而成。在进一步的可选实施例中，可以采用一个全圆周的抛物面反射器。

在一实施例中，反射器104具有一涂层116，基本上仅反射电磁辐射110光谱中的预定部分118。预定部分118可能是，例如，可见光辐射光线，紫外线，红外线，预定波长频带的辐射光线，或一具有特定颜色的辐射光线。

在第三实施例中，如图3所示，照明系统100包括一个滤波器148，基本上设置在电磁辐射光线110的路线上。滤波器148具有一涂层150，基本上仅反射电磁辐射110光谱中的预定部分152。在一可选实施例中，涂层150基本上仅反射电磁辐射110光谱中的预定部分152。在另一实施例中，预定部分152可以是，例如，可见光辐射光线，紫外线，红外线，预定波长频带的辐射光线，或一具有特定颜色的辐射光线。

在一优选实施例中，滤波器148将紫外线和红外线反射回第一焦点106，同时将可见光辐射光线传送至第二焦点108。如果可见光被发射进入一输出装置，而紫外线或红外线没有进入，则会是上述这种情况。因此，被滤波器148反射的红外线和紫外线能被再次聚焦到白炽灯102的灯丝上，进一步对该灯丝加热以产生更多的光。因此，更多的红外线和紫外线被限制在反射器104内部，用于加热白炽灯102的灯丝，从而提高系统100的效率。因此，否则可能被浪费的紫外线和红外线被再利用。在另一可选实施例中，滤波器148的一半是一反射器，而另一半设有涂层，例如，涂层150。

在一优选实施例中，照明系统100包括一出射光管120，其具有一入射表面122和出射表面124。入射表面122位于接近第二焦点108的位置处，以充分收集所有辐射光线110。辐射光线110通过出射光管120，并且基本由出射表面124射出。出射光管120可以是由下列材料制成，例如，石英，玻璃，塑料，或丙烯酸。出射光管120可以是，例如，一个均质器，一个锥形光管，或一直光管。出射光管120具有一个可以是，例如矩形，圆形，三角形，梯形，菱形，五边形，六边形，或八边形的横截面。

在第四实施例中，如图4所示，照明系统100可以还包括一个纤维光学器件126，其基本上可以被自出射光管120的出射表面124出射的辐射光线110照亮，然后纤维光学器件126释放收集到的辐射光线110，以提供在预定位置128的照明。

在第五实施例中，如图5所示，照明系统100可以还包括一个聚光镜130，基本上设置在出射光管120的出射表面124附近。一个图像投影系统132，基本上设置在聚光镜120的射出侧134附近，释放由聚光镜130收集和会聚的辐射光线110以显示一图像136。

在第六实施例中，如图6所示，照明系统100包括一波导146，其基本上设置在输出表面124的附近。波导146可以是一个单芯光纤，一个光纤束，一个熔合的光纤束，一个多棱杆或一中空的反射光管。波导146进一步还可以是一个圆形波导，一棱柱波导，一棱锥波导或其组合。波导146可以由例如石英、玻璃、塑料或丙烯酸的材料制成。

在第七实施例中，如图7所示，照明系统100的反射器104包括一个具有一第一光轴140的第一反射器138和一具有第二光轴144的第二反射器142。第二反射器142基本上可以与第一反射器138对称设置，以便第一、第二光轴140、144基本上在同一条直线上。此实施例中，第一焦点106可以是第一反射器138的一个焦点，第二焦点108可以是第二反射器的142的一个焦点。

在一个实施例中，第一和第二反射器138、142每个都可以是，例如，一个基本上旋转曲面的至少一部分。在另一个实施例中，第一、第二反射器138、142每个都可以是，例如，一个基本上旋转球面的至少一部分。

在一个可选实施例中，如图7所示的第一反射器138包括一个基本上旋转椭圆面的至少一部分，而第二反射器142包括一个基本上旋转双曲面的至少一部分。在其另一个可选实施例中，第一反射器138包括一个基本上旋转双曲面的至少一部分，而第二反射器142包括一个基本上旋转椭圆面的至少一部分。这些变化的优点可显示于一些系统中，在这些系统中，一些因素可能要求两种反射器的形状不同，或需要补偿灯罩，或目标可能较大，不必按1∶1成像。

在第八实施例中，如图8所示，第一和第二反射器138e、142e每个都可以是，例如，一个基本上旋转椭圆面的至少一部分。图8示出了照明系统100e的一个实施例，采用具有基本上共线的光轴140e、144e的两个半周椭圆镜138e和142e。

白炽灯102的灯丝可以设置在椭圆反射器138e的焦点106e。球反射器114e可提供向后反射。球滤波器148e可这样设置，滤波器148e的曲率中心158与两个椭圆反射器138e、142e共有的焦点160重合。入射到滤波器148e上的红外线和紫外线将沿同样的路径反射回到白炽灯102的灯丝上。

在一实施例中，椭圆反射器138e、142e基本上具有相同的形状。在其他实施例中，椭圆反射器138e、142e可以，例如具有不同的椭圆率，以便投影的图像可能接近1∶1。

在进一步的实施例中，出射光管120的入射表面122可以设置在第二椭圆反射器142e的第二焦点108e处，以收集电磁辐射光线110并将其数值孔径(numerical aperture：NA)转换成，例如，较低的数值孔径。

在第九实施例中，如图9所示，第一和第二反射器138p、142p每个可以是，例如是一个基本上回转抛物面的至少一部分。由抛物面反射器138p收集的辐射光线110平行进入抛物面反射器142p。抛物面反射器142p基本上可以对称地设置在与抛物面反射器138p相对的位置，这样在抛物面反射器138p的第一焦点106处形成白炽灯102的灯丝的对所有角度的光线都具有单位放大率的影像，并保持灯丝的亮度。

在第十实施例中，照明方法包括下列步骤：在一反射器104的第一焦点106处设置一白炽灯102，由该白炽灯102产生辐射光线110，由该反射器104将一部分上述辐射光线110反射到第二反射器104的第二焦点108，使上述辐射光线110会聚到该反射器104的第二焦点108，将没有直接射到该反射器104的辐射光线110中的至少一部分通过该反射器104的第一焦点106反射到该反射器104，设置一出射光管120，其具有一入射表面122和一出射表面124，则该入射表面122基本上接近第二焦点108，收集在入射表面110的辐射光线，将这些辐射光线110传输通过出射光管120，辐射光线110由出射光管120的出射表面124射出。

尽管本发明已详细描述如上，但本发明并不限于描述的实施例。显然，熟悉此技艺的人士可以在不脱离本发明精神下利用所述的实施例并对其进行修饰。

Claims (33)

1.一种使用白炽灯的照明系统，包括：

白炽灯；

反射器，具有第一焦点和第二焦点；

该白炽灯设置在所述反射器的第一焦点附近，其发射出电磁辐射光线，该电磁辐射光线由该反射器反射并会聚在该第二焦点；

其特征在于，由该白炽灯发射的电磁辐射的一部分直接射到该反射器且一部分没有直接射到该反射器，其中所述系统还包括一个附加反射器，以使至少部分没有直接射到该反射器的电磁辐射反射至该反射器的第一焦点，进而以一电磁辐射的形式射向该反射器。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述附加反射器包括球形回射器，设在该白炽灯的与该反射器相对的一侧，以将该白炽灯沿远离该反射器的方向发射出的电磁辐射反射至该反射器的第一焦点。

3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述附加反射器包括一个抛物面回射器和一个平面反射器；

该抛物面回射器设在该白炽灯的与该反射器相对的一侧，以将该白炽灯沿远离该反射器的方向发射出的电磁辐射反射至所述平面反射器，这样所述电磁辐射可以被该平面反射器反射至所述抛物面回射器，并通过该反射器的第一焦点。

4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述白炽灯包括钨丝白炽灯。

5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述反射器具有一涂层，仅反射该电磁辐射光谱的预定部分。

6.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，所述预定部分选自一个组中，该组包括：

可见光辐射光线，

紫外线，

红外线，

具有预定波长频带的辐射光线，和

具有特定颜色的辐射光线。

7.如权利要求1所述的照明系统，还包括：

一个出射光管，其具有一入射表面和一出射表面；

所述入射表面设置在该第二焦点附近，用于收集所有的所述辐射；及

其中所述出射表面传送所有的辐射。

8.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述出射光管由选自包括石英、玻璃、塑料或丙烯酸的组中的材料制成。

9.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述出射光管选自一个组，该组包括：

一个均质器，

一个锥形光管，和

一直光管。

10.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述出射光管具有一个横截面，所述横截面选自包括下列形状的组中：

矩形，

圆形，

三角形，

梯形，

菱形，

五边形，

六边形和

八边形。

11.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于，还包括一个纤维光学器件，该纤维光学器件被在所述出射光管的出射表面传送的辐射照亮，该纤维光学器件将收集和聚集的辐射释放出来，提供在一预定位置的照明。

12.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于，还包括：

聚光镜，设在所述出射光管的出射表面附近；

一个图像投影系统，设置在所述聚光镜的出射侧附近；

一图像，被由所述出射光管的出射表面传送的辐射照亮，该投影系统释放收集和聚集的辐射从而显示该图像。

13.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述反射器包括具有第一光轴的第一反射器和具有第二光轴的第二反射器；

所述第二反射器与该第一反射器对称设置，这样该第一光轴和第二光轴在同一条直线上；和

其中该第一焦点是该第一反射器的焦点，该第二焦点是该第二反射器的焦点。

14.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该第一和第二反射器至少包括一是回转椭圆面的一部分。

15.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该第一和第二反射器至少包括一为旋转曲面的一部分。

16.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该第一和第二反射器至少包括一为回转球面的一部分。

17.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该第一和第二反射器至少包括一为回转抛物面的一部分。

18.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于：

所述第一反射器至少包括为回转椭圆面的一部分；和

所述第二反射器至少包括为回转双曲面的一部分。

19.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于：

所述第一反射器至少包括为回转双曲面的一部分；和

所述第二反射器至少包括为回转椭圆面的一部分。

20.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，还包括一个波导元件，实质设在所述出射表面附近，所述波导元件选自一个组中，该组包括：

一单芯光纤，

一光纤束，

一熔合的光纤束，

一多棱杆，和

一中空的反射光管。

21.如权利要求20所述的照明系统，其特征在于，所述波导元件选自由圆形波导、棱柱波导、棱锥波导和其组合组成的组。

22.如权利要求20所述的照明系统，其特征在于，所述波导元件的材料选自石英、玻璃、塑料或丙烯酸组成的组。

23.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，还包括一个滤波器，设在所述电磁辐射的路径中。

24.如权利要求23所述的照明系统，其特征在于，所述滤波器具有一涂层，该涂层仅反射电磁辐射光谱的预定部分。

25.如权利要求24所述的照明系统，其特征在于，所述预定部分选自由下列光线构成的组：

可见光线，

紫外线，

红外线，

具有预定波长频带的光线，和

具有特定颜色的辐射光线。

26.如权利要求23所述的照明系统，其特征在于，所述滤波器具有一涂层，该涂层仅传输电磁辐射光线光谱的预定部分。

27.如权利要求26所述的照明系统，其特征在于，所述预定部分选自包括下列光线构成的组：

可见光线，

紫外线，

红外线，

具有预定波长频带的光线，和

具有特定颜色的辐射光线。

28.一种照明方法，包括下列步骤：

在一反射器的第一焦点处设置一白炽灯；

由该白炽灯产生辐射光线；

由该反射器将一部分上述辐射光线反射到第二焦点；

使上述辐射光线会聚到该第二焦点；

将没有直接射到该反射器的辐射光线中的至少一部分反射至该反射器的第一焦点，进而以一电磁辐射的形式射到该反射器；

设置一出射光管，其具有一入射表面和一出射表面，则该入射表面接近第二焦点；

收集位于入射表面的辐射光线；

将上述辐射光线传输通过该出射光管；

将辐射光线由出射光管的出射表面射出。

29.如权利要求28所述的照明方法，其特征在于，所述反射器包括第一反射器和第二反射器；

其中所述第一焦点是第一反射器的一个焦点；和

所述第二焦点是第二反射器的一个焦点。

30.如权利要求29所述的照明方法，其特征在于，该第一和第二反射器至少包括一为回转抛物面的一部分。

31.如权利要求29所述的照明方法，其特征在于，该第一和第二反射器至少包括一为回转椭圆面的一部分。

32.如权利要求29所述的照明方法，其特征在于：

所述第一反射器包括为回转椭圆面的至少一部分；和

所述第二反射器包括为回转双曲面的至少一部分。

33.如权利要求29所述的照明方法，其特征在于：

所述第一反射器包括为回转双曲面的至少一部分；和

所述第二反射器包括为回转椭圆面的至少一部分。

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