CN1637342B - 菲涅尔聚光灯 - Google Patents

Abstract

为了在有可调整出射光束孔径角的菲涅尔聚光灯中，特别是同样在泛光的设置中，以高的效率提供均匀的输出光场，该菲涅尔聚光灯包括最好是椭圆面的反射器、灯、和至少一个菲涅尔透镜，为此，要使菲涅尔透镜有一漫射器。

Description

菲涅尔聚光灯

技术领域

本发明涉及有可调整出射光束孔径角的菲涅尔(Fresnel)聚光灯，它有最好是椭圆面的反射器、灯、和至少一个菲涅尔透镜。

背景技术

在常规的菲涅尔聚光灯中，与光照有关的部件，一般包括灯、菲涅尔透镜、和球面辅助反射器。通常，灯丝基本上不可变地放在球面反射器的中心。因此，灯发射的光的一部分被反射回灯上，并增强向前半部空间的光发射。向前引导的该部分光，被菲涅尔透镜准直。但是，准直度与灯和菲涅尔透镜之间的距离有关。当灯丝位于菲涅尔透镜焦点时，获得最窄的准直。此时获得准平行的光路，也称为聚光。通过缩短菲涅尔透镜与灯之间的距离，可以连续地增大出射光束的孔径角。此时获得发散的光路，也称为泛光。

但是，这种聚光灯的缺点是低下的发光效率，特别是在它们的聚光设置时，因为此时只有灯的比较小的立体角范围，被菲涅尔透镜拾取。此外，还有一个不利的作用是，许多被球面反射器反射的光，再次落在实际的灯丝上，被灯丝吸收，额外地加热灯丝。

DE 39 19 643 A1公开一种聚光灯，它有反射器、光阑、和菲涅尔透镜。对该聚光灯，照度可以通过光源的调整而改变。从而导致光的亮度的变化。顶点与反射器之间距离的调整和光阑与反射器之间距离的调整，被用于亮度控制。

DE 34 13 310 A1公开一种聚光灯，它有灯和反射器，或灯和会聚透镜。该聚光灯还有漫射器或平面反射镜，两者成45°角放置。平面反射镜把光反射，而漫射器把光散射。通过移动漫射器，产生光束变化的发射角。

DE 101 13 358 C1说明一种菲涅尔聚光灯的透镜，其中的菲涅尔透镜是会聚透镜，在聚光设置时，它在光源一侧的焦点近似位于椭圆面反射器的远离该反射器的焦点。这样，灯不再被反射回来的光不必要地加热。此外，灯与反射器之间的距离比和反射器与菲涅尔透镜之间的距离比两者，可以通过精细制作的导轨独立地调整。但是，这要求额外的机械设备。

但是，随着光源微型化的增加，例如在高功率高压放电灯的情形，可能在输出光场中出现始终存在的中央暗区，它不能借助反射器内的散射装置补偿，或者能被反射器内的散射装置补偿，不过伴随大的光损耗。即使用常规的漫射装置来避免光源发射中心的成像，如果有帮助，也只能是有限的帮助，因为此时对菲涅尔聚光灯的任何设置，至少暗的中央孔径圆锥也必须均匀地被照明。然而，特别是在聚光的设置中，虽然在此设置中，只有非常小孔径角的暗区，但因为在常规的有散射装置的菲涅尔透镜中，菲涅尔透镜的全部面积仍然被用来使光场散射，直接导致大的光损耗。

发明内容

本发明的一个目的，是提供一种菲涅尔聚光灯，它能给出有高效率的均匀的输出光。该菲涅尔聚光灯还能以流水式并廉价地生产。

该目的是借助本发明的菲涅尔聚光灯，和本发明的照明单元，以意想不到的方式达到的。

本发明的发明人已经发现，这些大的光损耗，能够借助漫射器，以异常简单的方式避免。在此情形下，特别有利的做法是，使菲涅尔透镜有漫射器，该漫射器最好设计成圆形，并只安排在菲涅尔透镜的中心。

在该实施例中，照明场中央的暗区，能够在菲涅尔聚光灯的任何设置中非常有效地避免，且在反射器的聚光设置中高的光损耗不再出现。

令人意想不到的发现是，无论何时增加要求的散射光部分，从反射器出射的光的几何光学路径，都精确地照射在菲涅尔透镜位置上较小的区域。

本发明的发明人已经利用这一效应，以便借助本发明提供一种自动的或自适应的光混合系统，通过该系统，与菲涅尔聚光灯的调整同步地，只有该设置所必需的散射光分量，才与几何光学的成像光混合。

光的混合比，它几乎能够最佳地适应各种情形中要求的光分布，为简单起见，下面将称为混合比。

该自动的光混合系统，基本上对反射器的任何设置，确保校正的混合比，从而持续地提供非常均匀的照明光场，却不带来不需要的散射损耗。

在此情况下，被全表面照明的菲涅尔透镜的混合比，可以通过选择漫射器直径在菲涅尔透镜的剩余面积的比例来定义，同时可以用菲涅尔透镜的散射性质定义散射光的孔径角。

散射作用还可以在成一体的漫射器自身上进一步改变，例如，在漫射器的中央安排有更强散射作用的区，而在其边缘安排不那么强散射作用的区。十分强的聚焦光束可以据此进一步加宽，于是能够产生极其宽的照明角。

另外，漫射器边缘不仅不作成突然结束的，而是作成散射作用连续下降的形式，同时继续伸展至菲涅尔透镜的下面或上面。据此能够实现进一步适应与设置有关的混合比。

在各优选实施例中，漫射器可以安排在光的入口侧，也可以在光的出口侧。该有利的选项还可以进一步利用，把漫射器安排在光的入口侧和光的出口侧。在最后提到的实施例中，甚至可以使用有不同方式散射的漫射器，例如各种随位置变化的有不同方式散射的漫射器。

可以参考如下申请，该申请与本申请属相同的申请人，并在相同日期申请，标题为“Optical Arrangement with a Fresnel Lens”，该申请公开的内容，全部收入本申请公开的内容，供参考。

如图5通过举例方式所示，可以对聚光设置和对泛光设置两种设置，同时在整个光场中保持照度强度的均匀性。

按照本发明，提供一种有大孔径的椭圆面反射器。聚光设置的调整，是把黑体辐射体的灯丝，具体说是卤素灯、或放电灯的放电弧，定位在椭圆面在反射器一侧的焦点，而椭圆面远离反射器的第二焦点，则近似安排在菲涅尔透镜接近反射器的实焦点。

反射器反射的光，在进入菲涅尔透镜前，几乎完全聚焦在椭圆面的远离反射器的焦点上。位于菲涅尔透镜在反射器侧的焦点上的灯丝或放电弧，经过菲涅尔透镜成像后，成像在无穷远，因此它的光被转换为几乎平行的光束。

借助适当选择反射器和菲涅尔透镜的孔径角，被反射器反射的光，几乎完全被菲涅尔透镜拾取并作为窄的聚光光束向前发射。

在本发明的一个实施例中，椭圆面反射器由金属或透明介电材料组成。能镀以金属，例如铝，的玻璃和聚合物材料，即塑料，推荐作为介电材料使用。

另外，或此外，在用透明介电材料以产生反射表面的实施例中，反射器的两个表面之一或两者，涂敷光学薄层系统。菲涅尔透镜的涂层最好包括介电干涉层系统，该干涉层系统能改变通过的光的光谱。借助这样出来，有利于可见的辐射分量被反射和不可见分量，特别是热辐射分量，能够透过。

一般说，反射器、菲涅尔透镜和/或漫射器两者，至少在一侧有涂层，例如在涂敷了塑料的情形，涂以抗刮伤和/或抗反射的层。

本发明的另一个优选实施例，包括在反射器的一个或两个主面上的金属涂层。

在另一个不同配置的实施例中，反射器还可以是金属的反射器，它既可以是不涂敷的，也可以涂敷介电的或金属的材料，以便给出需要的光谱和腐蚀性质。

本发明的一个优选实施例，包括菲涅尔聚光灯，其中，反射器的光反射表面，最好有子表面或小面，被作成散射光的结构，而菲涅尔透镜的表面没有、有一个、或有两个被作成散射光的结构。这样，可以使叠加在几何光学成像光上的散射光的量固定，该散射光能减小光场中的暗环。

菲涅尔透镜最好在它的表面经过预应力处理，最好是热预应力处理，以便有较高强度和热稳定性。

按照本发明，该聚光灯可用于医药、建筑、电影术、剧场、摄影棚、和照相，以及手电筒中。

在各优选实施例中，可以把漫射器安排在光的入口侧或光的出口侧。有利的选项可以进一步用于把漫射器安排在光的入口侧和光的出口侧。在后一种实施例中，甚至可以使用有不同方式散射的漫射器，例如各种随位置变化的有不同方式散射的漫射器。

附图说明

本发明将借助优选实施例的帮助并参照附图，详加说明，附图有：

图1画出菲涅尔聚光灯在聚光设置时的实施例，反射器的远离反射器的焦点，与菲涅尔透镜左侧的实焦点近似重叠，

图2画出图1所示菲涅尔聚光灯在第一泛光设置时的实施例，反射器的远离反射器的焦点，被安排靠近菲涅尔透镜的表面，

图3画出图1所示菲涅尔聚光灯在聚光设置时的实施例，借助该辅助反射器，更多部分的光首先被偏折，进入反射器，又从反射器进入菲涅尔透镜，

图4画出一种在中央安排漫射器的会聚菲涅尔透镜，

图5画出菲涅尔聚光灯在它的聚光设置和在它的泛光设置之一时，依赖于孔径角的光强的对数表示。

具体实施方式

在下面的详细说明中假定，相同的参考数字，标记各个实施例中相同的或有相同作用的单元。

下面参考图1，图1画出菲涅尔聚光灯在聚光设置时的实施例。菲涅尔聚光灯基本上包括：椭圆面反射器1；灯2，它可以是白炽灯，特别是卤素灯、发光二极管、发光二极管阵列、或气体放电灯；和菲涅尔透镜3，它是会聚透镜，最好是平凸菲涅尔透镜。另外，菲涅尔透镜包括具有色校正成像性质的双透镜。

在图1中，椭圆面反射器1的远离它的焦点F2，近似与菲涅尔透镜3左侧的实的，或正的焦点F3重叠。

从聚光灯出射的光束4，在图中只示意地用它的外周边光线表示。

菲涅尔透镜3与反射器1的前边缘之间的距离a，也画在图1上。

聚光设置的调整，是把灯2的灯丝或放电弧，定位在椭圆面1反射器在反射器一侧的焦点F1上。

在该设置中，反射器1反射的光，几乎全部被引导至椭圆面1的远离反射器的焦点F2上。此时，菲涅尔透镜3左侧的正的或实的焦点F3，近似与反射器椭圆面的焦距F2重合。

图1还画出在近场中，反射器2内的开孔5，如何在光场4的平行光路中产生暗区6。

在菲涅尔透镜3内，有一圆形的安排在中央的漫射器7，该漫射器7产生规定的散射光比和规定的散射光孔径角。据此提供散射光对菲涅尔透镜3的几何光学成像光规定的混合比。

作为对漫射器7该实施例的一种变化，在另一个实施例中，散射作用沿漫射器7的径向连续地改变，使更强的散射区安排在漫射器7的中央，而在它的突然结束的边缘，安排不那么强的散射区。

在又一个不同的实施例中，漫射器7的边缘不仅不是突然结束，而是设计成散射作用连续地下降，并且它还延伸至菲涅尔透镜的下面或上面。

借助这一点，系统地实现进一步适应与设置有关的混合比，以便本领域熟练人员总能给出均匀照明光场的最佳混合比，或甚至总能按规定方式产生局部更高强度的光场。

图1还画出在聚光设置时，全部光中只有一小部分通过漫射器7。

漫射器7导致非常均匀的照度，如图5中对聚光设置的曲线8所示，图上画出菲涅尔聚光灯依赖于孔径角的光强的对数表示。

图2画出图1所示菲涅尔聚光灯在第一泛光设置时的实施例，其中，反射器1的远离反射器的焦点F2，被近似安排在菲涅尔透镜3靠近反射器的表面中。

借助如此安排，相对于聚光设置的位移值，是按规定方式用机械导轨改变的。

图2的结构基本上与图1说明的菲涅尔聚光灯的结构对应。

但是，从图2可以清楚看到，出射光束4孔径角与暗区6两者已经增加。

然而，因为在该设置中，非常大百分比的光只落在漫射器7中央非常小的区域，所以该区域可以有特殊的结构，以使其前向散射瓣在远场或长的范围上，按需要方式对暗区6进行近似的补偿。还可以参考图5，图上对某一泛光设置，曲线9以举例方式表明光的比值。

在一个实施例中，距离a的变化可以用手动进行，为此也可以使用光学部件的轴向导槽。

作为一种变化，该光学部件也可以用电机驱动。

图3画出另一个优选实施例。该实施例除了增加辅助反射器18外，基本上与上述实施例对应，来自灯2的光，在图3中向右传播，将不再抵达反射器1，被辅助反射器18反射，偏折进入反射器1。这样，不仅能利用例如只作例子举出的光路19的光，光路19的光如果没有辅助反射器，将对照度没有贡献；还能使没有辅助反射器便直接进入菲涅尔透镜3的那部分光，更好地用于需要的光分布。

辅助反射器18形状的选择，最好能使它反射的光，不再进入灯2的发光装置，例如灯丝或放电区，从而不会再不必要地把发光装置加热。

作为一种变化，辅助反射器18可以安装在灯2的玻璃体内侧或外侧。灯体的玻璃能够为此目的作成适当的形状，以便对被反射的光获得需要的定向作用。

图4画出例如本发明使用的有漫射器7的菲涅尔透镜3的例子。菲涅尔透镜3有透明基体10和菲涅尔透镜环系统11，透镜环系统有环形透镜的分段11、12、13，在其内侧安排圆形漫射器7。

漫射器7按规定方式构造，或有小面15、16、17，这些小面的散射性质能在大面积上精确规定，漫射器7在标题为“Diffuser”的德国专利申请DE 103 43 630.8中说明，该申请由与本申请相同的申请人于9月19日提交德国专利与商标局。该申请公开的内容，全部收入本申请公开的内容，供参考。

但是，本发明不受前面说明的这些漫射器实施例的限制。

上述菲涅尔聚光灯，在带有比现有技术明显更小的电源单元或镇流器的光照单元中采用特别有利。因为按照本发明的菲涅尔聚光灯，有高出许多发光效率，所以对现有技术中相同的未能利用的光功率，该电源可以在电上和机械上两方面都做得更小。因此在运输和存储时，需要较低的重量和较小的存储空间。

据此，特别是当使用冷光反射器时，对被照射的人和物的全部热荷载辐照量被进一步降低。

按照本发明的菲涅尔聚光灯，还能有利地用于增加手电筒的发光效率。

参考数字表

1    反射器

2    灯

3    菲涅尔透镜

4    出射光束

5    反射器1中的开孔

6    暗区

7    漫射器

8    聚光设置的强度分布

9    泛光设置的强度分布

10   基体

11   菲涅尔透镜环

12   环形透镜分段

13   同上

14   同上

15   小面

16   同上

17   同上

18   辅助反射器

19   通过辅助反射器反射的光路

Claims (15)

1.一种具有可调整的出射光束孔径角的菲涅尔聚光灯，该菲涅尔聚光灯具有椭圆面的反射器、灯、和至少一个菲涅尔透镜，

特征在于，该菲涅尔透镜具有漫射器，该漫射器仅仅布置在所述菲涅尔透镜的中心处，其中，能够在聚光设置和泛光设置之间调整所述菲涅尔聚光灯，在聚光设置中，由所述灯发射的总光中的仅有一小部分通过漫射器区，在泛光设置中，由所述灯发射的总光中的大部分通过漫射器区，

其中漫射器按圆形设计，并且

其中具有漫射器的菲涅尔透镜限定一种光混合系统，该混合系统随着菲涅尔聚光灯的设置而改变散射光相对于几何光学成像光的比例，从而改变光的混合比。

2.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中菲涅尔透镜具有实的焦点，在菲涅尔聚光灯的聚光设置中，该焦点能够与反射器的远离该反射器的焦点重叠。

3.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中菲涅尔透镜设计为平凸的会聚透镜。

4.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中菲涅尔透镜包括具有色校正成像性质的双透镜。

5.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中反射器由金属或透明的材料构成。

6.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中反射器的两个主面中的至少一个设有光学薄层系统。

7.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中反射器的光反射表面具有散射光的结构，除了漫射器以外，菲涅尔透镜的表面中没有一个、有一个、或有两个具有散射光的结构。

8.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中反射器、菲涅尔透镜、和/或漫射器在至少一侧上是用涂层涂敷的。

9.按照权利要求8的菲涅尔聚光灯，其中菲涅尔透镜的涂层包括介电干涉层系统，该介电干涉层系统改变通过的光的光谱。

10.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中反射器的两个主面中的至少一个被涂敷有金属。

11.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中所述灯是白炽灯、卤素灯、发光二极管、发光二极管阵列、或气体放电灯。

12.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，还包括被安排在菲涅尔透镜与反射器之间的辅助反射器。

13.按照权利要求1的菲涅尔聚光灯，其中菲涅尔透镜在它的表面上经过预应力处理。

14.一种光照单元，包括按照权利要求1所述的菲涅尔聚光灯、及相关的电源单元或镇流器装置。

15.一种手电筒，包括按照权利要求1所述的菲涅尔聚光灯。

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