CN1247954A - 具有小光面反射镜和螺旋透镜的灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有小光面螺旋反射镜和螺旋小光面透镜的灯。该具有螺旋反射镜和螺旋透镜的灯产生一具有清晰边缘的光滑圆形光束图案。光源图像扩展良好,并光束照明均匀光滑。

Description

具有小光面反射镜和螺旋透镜的灯

本发明涉及白炽灯，特别涉及反射镜灯。具体地，本发明涉及共同产生可控的波束方向图的反射镜和透镜的组合装置。

反射镜灯应能提供光束扩散和光束美感。通常，用户追求具有一适宜特殊要求的扩展角的光束。光束基本由反射镜的轮廓形成。典型地，一旋转抛物线用于提供紧密准直的平行光束。但是一完全平滑的反射镜可投影位于下面的光源图像。于是在被照明的物体上可看到灯丝或弧形图像的投影光结构。这个不良结果通常由透镜上分解光源图像的微透镜消除。微透镜也用于扩散该光束，例如将平行光束扩散为一具有选择扩展角的圆锥。微透镜通常组成图案，而且它们能形成导致亮或暗纹理的叠加的光束图案。例如，一典型的六边形封闭组装的微透镜组图案导致图1所示的六边形光束图案(视频扫描图像)。这种图案可用于照明车道，但不适于用户显示或强调美感的类似应用。一般来说，源图像扩散导致更多的漫斑，并减小物体区的亮度。因此需要具有好的分立斑和扩散源图像的PAR灯。

给光束美感下定义是困难的。这是由于人眼和脑的有效响应将实际的光图案合成为被察觉的图案。该察觉过程取决于光束中实际光的颜色、强度、对比度及其它因素，也取决于在该被察觉光束之外有多少杂散光。光束美感会受诸如反射镜中的光源焦点、微透镜上的缺陷和视觉特性等变量的影响。例如，人眼进行调节以增强对比边缘，使得当光强度明显变化时该被察觉光束的边缘增强。遗憾的是，这一过程会增大光束的缺陷，该缺陷被仪器测量时可不明显地显示出来。这一过程还会导致光幻觉。例如，在一个锐截止的光束中，可看到一个明亮的光束中心被一个更亮的环围绕，而这更亮的环依次被暗环和更暗的外部区域围绕。暗环和亮环都是幻觉，它们不能由实际的仪表读数鉴别。PAR灯的准直光在经球面透镜扩展时不仅产生锐截止，而且也显示透镜中可能产生的制造缺陷。任何与球形轮廓不同的结构偏差均能在采用抛物面反射镜的光束中被发现。因此，需要一种具有良好光束扩展、良好分立斑的反射镜灯，它能以良好的光源图像漫射进行照明并能减小或消除幻视缺陷。

一个提供改善光束方向图的反射镜灯可由一个电光源、一个具有限定空腔的壁的反射镜、一个轴线和一个限定开口的边缘构成。沿着该轴线，光源设置在该壁与该开口之间的空腔中。该反射镜还具有一个面对光源并相对该光源被成型和定位以便提供光束的反射面，该反射面包括若干围绕轴线定位的小光面、因而一个通过该小光面垂直于该轴线的横截面可提供N个小光面截面，其中N等于或大于16而小于或等于64。该灯还包括一个构成光透射板并能沿所述边缘与反射镜配合的透镜，该透镜上分布有大量的微透镜，该微透镜的定位应使其构成M个从透镜中心向透镜边缘伸展的螺旋臂图案，其中N大于M。

图1表示发自现有的PAR灯的已有的光束图案。

图2表示一具有螺旋反射镜和透镜的灯之优选实施例的截面图。

图3表示一反射镜的截面图。

图4表示一反射镜的顶视图。

图5表示一透镜的顶视图。

图6表示一发自具有螺旋反射镜和螺旋透镜的PAR灯的光束图案。

图2表示一具有螺旋反射镜和透镜的灯的优选实施例的截面图。灯10的优选实施例包括一光源12、一具有螺旋小光面图案的反射镜14、和一具有螺旋微透镜图案的透镜16。光源12可由钨卤(灯)或电弧放电灯构成，但任何小型电光源12均可接受。优选的光源12通常具有一单端压封连接的钨卤灯的形式。双端或其它形式也可使用。

图3表示一反射镜14的截面图。反射镜14可由模压玻璃或塑料制成以具有杯或空心管壳的一般形状。光源12被反射镜14围绕。反射镜14的内部具有一高反射性能的内表面18。反射镜14的内表面18通常是带有一个或多个弯曲的旋转抛物面区的轮廓。优选的灯10有一个轴线20，反射镜14相对轴线20粗略地对称。多个小光面22形成在反射表面18上。形成的小光面22可在径向伸展(纯太阳爆发图案)。在该优选实施例中，小光面至少部分地围绕灯轴线20旋转。反射镜14空腔的前端有一个限定开口26的边缘24，开口26是光射出的通道。优选的前开口26是圆形的。反射镜14也可包括用于电气和机械连接以及支撑的后端颈28或类似的管座或其它支撑或连接特征。

优选反射镜的基本轮廓是一旋转抛物面。基本轮廓的反射镜14具有一轴线或中心线20，轴线20可用于在标准圆柱座标(r，φ，和Z)中描绘反射镜表面，这里r是离开轴线20的径向距离，φ是围绕轴线20所测量的角，和Z是沿轴线20的距离。因此，基本反射面可变换为包括多个用沿着、离开、和围绕轴线20的参考距离描绘的小光面22。用于这种组合的优选反射镜14是一抛物面反射镜14，它被分为多个等角宽度的小光面22。每个小光面22从跟部30经一固定的弧φ₁(例如，45°弧)伸展到边缘24。优选的旋转速率是Z的一常值函数。该弧的半径既可增加也可减小。因此，当每个螺旋小光面22一般跟随反射镜轮廓时(沿一轴线的截面，中央平面)，每个螺旋小光面22也以沿轴20(Z)并绕轴线20以增加的距离“旋转”。这是该结构设计之最简单的形式。优选的小光面22结构具有一横截面32，横截面32在垂直于轴20的平面内是直的或平坦的。因此，该内表面18的横截面是常规的N面多边形。图4示出一具有48个平坦光面22的内表面，因此反射镜的垂轴地横截面示出常规的48侧多边形。对加工制造而言，一平坦光面的横截面是最简单的结构。另外，该小光面之截面可以是凹形也可凸形、正弦形、锥形或其它任何改变基本小光面之截面轮廓为不同表面的变形。当将小光面合并为平滑的反射镜时，应防止小光面轮廓与原有的圆形截面紧密地配合。应注意，通过增加小光面中对圆形截面的偏离，增加的光束扩展将附加到最终的光束上。当需要较小的微透镜扩展以实现总的所需光束角时，这个光束角扩展为可接受的程度。对于平坦小光面，发生在小光面端部的附加扩展等于或小于180度被小光面数N所除的结果(例如，48个小光面为3.75度)。不是所有的光均从小光面边缘扩展形成，因此被扩展的全部光具有从0到180/N度的平滑变化的扩展角。一平均扩展值将是180/2N。故本发明的效果明显地受到反射镜14周围的小光面22的计数N的影响。在约16和64之间的小光面数目N以不同程度产生所需的模糊和混配光源图像的效果。对于小光面数值大于50的平坦光面，反射面18更近似标准的抛物面，因此光源图像混合效果消失。当小光面数值小于30时，小光面30增大了从圆形的扩散，因此明显地扩展了光束。过多的扩展可附加到光束上，且窄斑光束的产生变得困难。于是，对于优选小光面计数值48的反射镜所产生的光束扩展是从0到3.75度，平均值是1.875度。这样在所需光谱一端可得到商用的窄(密集的)光束(9度)，并给宽(宽的)光束(56度)提供恰当的图像混合。

图5表示一透镜16的顶视图。虽然可以使用塑料，但优选的透镜16由模制的光透射玻璃制成。透镜16可具有常规的盘形，或带有与反射镜14相匹配之直径的盘形，以便密封反射镜14开口26、进而封闭光源12。优选的透镜16可包括一密封反射镜边缘24以便封闭开口26的外边缘。透镜16具有多个配置成同心环36的微透镜34以便形成围绕轴线20的螺旋臂38。该优选的微透镜被精选以提供扩展的光束从而使来自反射镜的平均光束扩展叠加上微透镜的扩展而产生理想的整个灯的光束扩展。

该优选的微透镜阵列具有一种位于围绕透镜16中心之环中的微透镜极阵列。每个微透镜环由递增数目的微透镜组成以便有效地消除同一环中微透镜之间的空隙。类似地，相邻的微透镜环在径向充分地靠近以便消除相邻环之间的空隙。各连续同心微透镜环36的起始点沿半径以固定距离r₂和以固定角偏移量φ₂被偏置。该偏移量(r₂，φ₂)可消除微透镜线性阵列的出现或消除可导致光束区中重叠偏差的微透镜之间的连接，所述的微透镜线性阵列和导致重叠偏差的连接会产生亮或暗的条纹。对不同度数的角偏移量φ₂进行实验，发现2°时的效果最好。在本优选实例中，每个环36包括了是基数M整数倍的微透镜。用于图5中之微透镜的基数M是六，因此在各连续行中微透镜计数以六倍增。在理论上，任何大于两个微透镜的微透镜基数M能产生某一度数的螺旋结构。在实践中，该基数的实际最小值为5。对于基数M较少的微透镜，提供良好的单个光源图像扩散的微透镜较大，但整组式的螺旋臂结构被粗略地限定、且多个光源图像的重叠不好，因此产生条纹或不均匀的图案。另外，对于较大的微透镜，一单个微透镜可覆盖由反射镜扩展提供的整个扩展角，于是来自小光面的全部扩展图像被单个微透镜投影为一个整体。最大的基数M不宜限定，但它应小于二十。基数M增大时，微透镜相对地变得较小。即使与M相同的螺旋臂数目增加了并且该图案变得更细化以致导致多重叠的光源图像，但仍存在较小的单个图像扩散。极端的结果是未扩散的光源图像紧密地重叠。微透镜34和螺旋臂数目必需相互平衡。

在光到达透镜16之前，小光面反射镜14对光有轻微地偏离平行(扩展)的作用。这一轻微的偏离平行之作用可改变在光束边缘周围的光强度曲线的斜率。该强度变化不再被人眼明显地看作一个边缘，因此幻觉光和暗环效果被减小或消除。反射镜和透镜的组合也有效地使光束扩展，并在不牺牲抛物面形状效率的前提下足以隐藏透镜16的缺陷。本发明另一有益效果是在使用涂敷膜片的灯中可以色混合。该灯可产生圆形的光束视觉并具有平滑的边缘、均匀的照明、并且没有或带有很小的幻视的暗或亮环。

制作实例中的某些参数大体如下：光源由钨卤或弧光放电灯构成，也可使用任何小型的电光源。反射镜由模制玻璃构成，并具有一个内部反射面其具有等角地形成在内壁上的48个平坦光面。48个小光面以45度角围绕轴线盘旋。反射镜具有7.63厘米(3英寸)的外部高度，和12.19厘米(4.8英寸)外径。透镜由模制透射玻璃制成，并具有设置在19个同心环中的微透镜。24个微透镜在最内环中，对全部1482个微透镜来说，每个连续的环36以6倍增微透镜计数。每个微透镜环以约2度的偏移量(φ₂)偏离于邻近环中的微透镜，因此形成的螺旋图案以45度围绕轴旋转并从透镜中心伸展到透镜边缘。

通过上述制作实例，构成了一个灯、且光束照射在一墙壁上。图6表示了如从一视频扫描图像得到的合成光束的效果。可看到该光束有一个均匀照明的明亮的中心圆盘。带有被模糊的任何光源图像的圆盘之边缘是近似准确的圆形。在强度迅速下降的图案中，外部区被近似光滑地照明。(在阴影中有一些数字化效果。)如果不是更好，实际斑点同样令人眼满意。总之，高质量圆形斑被形成。上述的参数、结构和实施例只是作为一个范例，其它适宜的结构和相互关系可用于实施本发明。

Claims (10)

1.一个提供改进的光束图案的反射镜灯，包括：

(a)一个电光源，

(b)一个反射镜，该反射镜具有限定一个空腔的壁、一个轴线、和一个限定一开口的边缘，所述光源位于所述轴线上在所述壁与所述开口之间的所述空腔中，所述壁还具有一个面对所述光源并相对所述光源被定位和成型为可提供照明光束的反射表面，所述反射表面包括多个围绕轴线定位的小光面，为此，一个通过所述小光面垂直于轴线的横截面可提供N个小光面截面，其中N等于或大于16而小于或等于64，和

(c)一个构成光透射板的透镜，该光透射板与所述反射镜沿所述边缘相配合，所述透镜上分布着多个微透镜，所述微透镜被配置得形成复数M的螺旋臂图案，该螺旋臂图案从所述透镜中心伸展到所述透镜边缘，其中N大于M。

2.如权利要求1的灯，其特征在于，所述小光面的数目等于或大于32和等于或小于56。

3.如权利要求1的灯，其特征在于，所述小光面的数目等于48。

4.如权利要求1的灯，其特征在于，所述螺旋臂图案的数目等于或大于5和等于或小于20。

5.如权利要求1的灯，其特征在于，所述螺旋臂图案的数目等于6。

6.一个提供改进的光束图案的反射镜灯，包括：

(a)一个电光源，

(b)一个反射镜，该反射镜具有一个限定空腔的壁、一个轴线、和一个限定一开口的边缘，所述光源沿所述轴位于所述壁与所述开口之间的所述空腔中，所述壁还具有一个面对所述光源并相对所述光源被定位并成型得提供一光束的反射表面，该光束来自该具有复数N个围绕所述轴线螺旋的小光面的反射镜之相邻区域，同时(小光面)从反射镜内部向反射镜边缘伸展，因此所述螺旋小光面导致N光源图像围绕所述轴线的径向重复，和

(c)一个构成光透射板的透镜，该光透射板被成形得与所述反射镜沿所述边缘相配合，所述透镜上分布着多个微透镜，所述微透镜被配置得形成复数的螺旋臂图案，该螺旋臂图案从所述透镜中心伸展到所述透镜边缘，其中各微透镜具有大于N度的扩展角。

7.一个提供光束角的反射镜灯，包括：

(a)一个电光源，

(b)一个反射镜，该反射镜具有一限定位于原点与边缘之间之空腔的壁，所述边缘限定一个开口，一个轴线沿着从所述原点穿过所述开口的轴向伸展，所述光源沿所述轴位于所述壁与所述开口之间的所述空腔中，所述壁还具有一个面对所述光源的反射表面，该反射表面还包括多个带小光面边缘的螺旋小光面、该小光面边缘相对所述轴线沿螺旋路径展开以增加轴向位移，和在一垂直所述轴线的平面内小光面指向相邻小光面边缘中间、并处在相邻小光面边缘之间的一线上，和

(c)一个构成光透射板的透镜，该光透射板被成形得与所述反射镜沿所述边缘相配合，所述透镜上分布着多个微透镜。

8.如权利要求7的反射镜，其特征在于，所述的灯提供一A度的光束角，所述反射镜小光面提供一使平行于所述轴线的光束扩展B度，所述的微透镜提供一使平行于所述轴线的光束扩展C度，其中A＝B+C。

9.如权利要求8的反射镜，其特征在于，B小于C。

10.一个具有小光面反射镜和螺旋透镜的灯，包括：

(a)一个电光源，

(b)一个反射镜，该反射镜具有一限定空腔的壁、该空腔有一个轴线和一个内反射表面，和一个正向开口，  所述的壁基本相对所述正向开口围绕和封闭所述光源，多个小光面形成在所述内壁上，所述小光面至少部分地围绕所述轴线螺旋转动，所述的反射镜还包括已有技术中的机械和电气连接结构，

(c)一个透镜，该透镜沿包围所述空腔的正向开口连接到所述反射镜上，所述透镜具有多个围绕所述轴线螺旋设置的微透镜和一个密封所述反射镜开口的外边缘。

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