CN1648518B - 菲涅耳透镜聚光灯 - Google Patents

Abstract

为了提供一种发射的光束具有一个可变的孔径角的菲涅耳透镜聚光灯，其带有一个优选的椭球形反射镜，一个灯和至少一个菲涅耳透镜，其具有更紧凑的形式，并因此不仅更加节约空间，并且比常规的菲涅耳透镜聚光灯更轻，一个具有负焦距和虚焦点的透镜被用作散光玻璃。

Description

菲涅耳透镜聚光灯

技术领域

本发明涉及一种发射的光束有一个可调节的孔径角的菲涅耳透镜聚光灯，其有一个反射镜，一个灯和至少一个菲涅耳透镜。

背景技术

和照明目的相关的通常的菲涅耳透镜聚光灯通常包括一个灯，一个菲涅耳透镜和一个球面的辅助反射镜。通常灯丝基本上位于在球面反射镜的球体中心的一个固定位置。因此，从灯发射出的一部分光线被反射回来，并且帮助前半球的光线发射。向前反射的光线通过菲涅耳透镜聚焦。然而，光线聚焦的程度取决于菲涅耳透镜和灯之间的距离。如果灯丝位于菲涅耳透镜的焦点，则导致最窄的光束。这导致一个准平行的射束路径，其也被称为一个聚斑(spot)。形成的光束的孔径角，通过缩短菲涅耳透镜和灯之间的距离被连续扩大。这导致一个发散的射束路径，其也被称为一个泛光(flood)。

但是这种聚光灯有这样的缺点，即光输出弱，特别是在他们射束点的位置，因为在这种情况下只有灯的一个相对小的立体角范围被菲涅耳透镜覆盖。更进一步的缺点是通过球面反射镜反射的光线的一个很大比例又返回了灯丝自己，在那里它被吸收并且又加热灯丝。

DE3919643A1公开了一种聚光灯，其带有一个反射镜，一个光阑和一个菲涅耳透镜。聚光灯产生的照度通过移动光源变化，其改变光线的亮度。通过调节顶点和反射镜之间以及光阑和反射镜之间的距离调节亮度。

DE3413310A1公开了一种聚光灯，其带有一个灯和一个反射镜，或者一个灯和一个会聚透镜。这种聚光灯还带有一个散光玻璃或一个镜子，均以45°角定位。镜子偏转光线，光被散光玻璃散射。不同的光束的发射角通过移动散光玻璃被产生。

DE10113385C1公开了一种菲涅耳透镜聚光灯，其中的菲涅耳透镜是一个会聚透镜，它在光源侧的焦点基本位于远离反射镜的椭球形反射镜的焦点，当其在聚斑位置时远离反射镜。反射镜焦点间的距离，反射镜焦距以及菲涅耳透镜的焦距因此总计为这种菲涅耳透镜聚光灯的最小长度。

发明内容

然而，本发明想提供一种具有更紧凑形式的菲涅耳透镜聚光灯，并因此更加节省空间且比常规的菲涅耳透镜聚光灯明亮。

此目的用一种如权利要求1所述的菲涅耳透镜聚光灯和如权利要求19所述的照明装置的令人惊讶的简单方式达到。

使用一个具有负焦距的菲涅耳透镜使得得到非常紧凑的形式成为可能，例如在菲涅耳透镜聚光灯的聚斑位置，现在仅仅相当于反射镜的长度加上分别使用的菲涅耳透镜的厚度。

根据本发明的菲涅耳透镜聚光灯产生相当好的光效率，特别是在聚斑位置，而且在泛光位置也是如此。

同时，光强的均匀度在整个光场保持例如附图7图解的那样，既在聚斑位置又在泛光位置。

根据本发明，一个具有大孔径的椭球形反射镜被提供。聚斑位置如此设置，一个黑体发射体特别是一个卤素灯的灯丝，或者一个放电灯的放电弧，位于反射镜侧的椭圆体的焦点，而椭圆体远离反射镜的第二个焦点，近似地位于远离反射镜的菲涅耳透镜的负焦点或虚焦点。

通过反射镜反射的光线在进入负焦距前实际上完全聚焦在远离反射镜的椭圆体的几焦点。灯丝位于反射镜侧的焦点或放电弧上，在穿过菲涅耳透镜后在无限远处成象，这样它的光线变成实际的平行光束。

被反射的光线实质上不再走向灯丝或放电弧。菲涅耳透镜的负焦点与反射镜椭圆体的焦点重合，其中椭圆体远离反射镜，因而得到非常紧凑的形式。

如果反射镜和菲涅耳透镜的孔径角选择得当，由反射镜反射的光线实际上全部穿过菲涅耳透镜并形成一个窄的点波束向前发射。

因而光输出远大于常规菲涅耳透镜聚光灯的光线。

从菲涅耳透镜出来的光束的孔径角实际上在第一个实施例中可以无限放大，一方面通过改变灯相对于反射镜的位置，另一方面通过改变菲涅耳透镜和反射镜之间的距离，以一种适当的方式。

为了保留常规菲涅耳透镜聚光灯的优点，即照明强度的均匀性，这些距离改变通过恰当的选择正耦合被完成。

本发明的一个实施例包括一个由金属或透明材料组成的椭圆体反射镜。玻璃和聚合物材料或塑料被优选应用，其可以方便地被镀上金属，如铝。

为了产生可选择的或额外的一个反射面，反射镜两面中的一个或两个表面有一个光学薄层系统。因此，可见的发射成分被有利的反射，而不可见的元件，特别是热辐射，被穿过。

本发明一个更优选的实施例的反射镜，其一面或两面包括一个金属涂层。

在一个更进一步的可选择的实施例中，反射镜可以是一个金属反射镜，其可以是无涂层的，也可以是电介质的或金属的涂层的，以便产生需要的光谱或腐蚀特征。

本发明的一个优选实施例包括一个菲涅耳透镜聚光灯，其中反射镜的反光面以散射光线被构造，而菲涅耳透镜的一个或两个表面甚至没有表面被如此构造以致它或它们散射光线。这导致关于几何学上/光学上的成象光线的散射光线的一固定比例的迭加，这避免了灯在光场成象。为了这个目的反射镜优选的具有面元素或刻面，其允许它的光线散射元件以一个规定的方式计算或制造。

随着光源不断的小型化，例如在数字投射的重要领域或高功率放电灯，然而，可能产生一个更显著的中心黑暗区域，通过反射镜中的散射装置，其是不能被补偿的，或只能用较大的光损失来补偿。常规的散射装置用来避免光源发射中心成象只能在有限的程度内克服它，因为在这种情况下，在菲涅耳透镜的每个部分，至少黑暗中心的开球必须被均匀的照亮。但是，尤其在聚斑位置，这导致了过多的光损失，因为在这里只存在有一个带有很小的孔径角的黑暗区域，但是尽管如此，常规的带有散射装置的菲涅耳透镜，菲涅耳透镜的全部面积被用于散射光场。

本发明已发现，用一个令人惊讶的简单方法就可以避免这些高的光损失。在这种情况下，其对于带有散光玻璃的菲涅耳透镜特别有优点，在一种特别优选的方式下，散光玻璃是圆形的并且仅仅安排在菲涅耳透镜的中心。

在这个实施例中，在菲涅耳透镜聚光灯的任何位置，照明场中心的黑暗区域能够被非常有效的避免，并且反射镜在聚斑位置时也不引起较大的光损失。

令人惊讶地，已发现当需要的散射光比例增加时，自反射镜发出的光线，其几何学的/光学的射束路径准确地照亮菲涅耳透镜位置的一个更小的面积。通过本发明，发明人已利用这个现象以生产一种自动的或自适应的光线混合系统，其与菲涅耳透镜聚光灯的移动同步，仅与需要在此位置的散射光线成分的几何学的/光学的成象光线混合。

照明混合比例，其实际上最佳的可以与各自需要的光强分布相等，仅与下文中的混合比例有关，在此简略之。

这种自动光线混合系统导致反射镜每个位置正确的混合比例，因此产生一个始终均匀照亮的光场，而在同时没有不必要的散射损耗产生。

在这种情况下，完全照亮的菲涅耳透镜的混合比例通过选择关于菲涅耳透镜剩余面积的综合散光玻璃的直径可以被确定，散射光的孔径角通过负透镜的散射特征可以被确定。

此外，综合散光玻璃的散射效应本身可以改变，例如，以便更强的散射面积被安排在在散光玻璃的中心，并且次强的散射面积被安排在在其边缘。因此，相对高的聚焦光束又另外的被放宽了，因此可以得到非常宽的照射角。

可选择地，散光玻璃的边缘不仅可以突然终止，也可以如此设计以使它的散射效应连续降低，也可以在菲涅耳透镜的上或下延伸。这样可以更进一步适应与位置有关的混合比例。

本申请引用了在同一天由同一个申请人提交了的名称为“Optische Anordnung mit Stufenlinse”(带有菲涅耳透镜的光学装置)的申请，本申请公开的内客通过引用包含了此申请公开的内容全部。

根据本发明，这种聚光灯作为一种闪光灯用于建筑，医学，胶片，舞台，工作室和摄影。

在优选的实施例中，散光玻璃可以安置在光线入口侧，也可以安置在光线出口侧。而且，更有利地是在光线入口侧或出口侧安置多个散光玻璃。在最后提及的实施例中，还可以使用具有不同散射的散光玻璃，例如在不同位置散光玻璃有不同的散射。

附图说明

本发明参照附图将在一个优选实施例中更详细的说明，其中：

图1表示一个菲涅耳透镜聚光灯位于聚斑位置的实施例，其中远离反射镜的反射镜焦点近似地与右侧的菲涅耳透镜的虚焦点迭加，

图2表示图1中位于第一泛光位置中所示的菲涅耳透镜聚光灯实施例，远离反射镜的反射镜焦点近似地安置在菲涅耳透镜的表面，其与反射镜接近，

图3表示图1中位于第二泛光位置所示的有一个大的孔径角的菲涅耳透镜聚光灯实施例，远离反射镜的反射镜焦点通过菲涅耳透镜，成象在菲涅耳透镜的远离反射镜的表面的前面，

图4表示图1中位于第三泛光位置的所示的菲涅耳透镜聚光灯实施例，其带有一个比位于第二泛光位置更大的孔径角，远离反射镜的反射镜焦点通过菲涅耳透镜，成象在菲涅耳透镜的远离反射镜的表面的前面，光源从接近反射镜的焦点向反射镜移动，

图5表示图1中位于第二泛光位置的所示的有一个大的孔径角的菲涅耳透镜聚光灯实施例，通过一个辅助反射镜将通过光线的更多比例进入到反射镜，从那里进入菲涅耳透镜，

图6表示一个负菲涅耳透镜，中心安置有一个散光玻璃，

图7表示菲涅耳透镜聚光灯的光强在它的聚斑位置和它的一个泛光位置的对数关系(其取决于孔径角)。

图8表示变量a和b正耦合的特征，经由一个选择的例子的对于菲涅耳透镜，椭球形反射镜和光源的参数。

具体实施方式

在下文的详细说明中，相同的参考标记用于表示相同的元件或在不同实施例中具有相同效果的元件。

下文参照图1，其表示一个菲涅耳透镜聚光灯位于聚斑位置的实施例。此菲涅耳透镜聚光灯包括一个椭球形反射镜1，一个灯2其可以是一个卤素灯或一个放电灯，一个菲涅耳透镜3，其是一个具有负折射本领的透镜，优选是一个两面凹的菲涅耳透镜。

在图1中，远离反射镜的椭球形反射镜1的焦点F2近似地与右侧的菲涅耳透镜3的虚焦点或负焦点F3迭加。

从聚光灯发射的光束4在图中仅用它的射束外边界示意地表示。

菲涅耳透镜3和反射镜1的前边缘之间的距离，灯2和反射镜1的顶点之间的距离，同样如图1所示。

聚斑位置通过安排灯丝或灯2的放电弧基本上位于反射镜椭圆体1在反射镜侧的焦点F1而被设置。

在这个位置，从反射镜1反射的光线实际上在远离反射镜的椭圆体1的焦点F2处被完全导向。右侧的菲涅耳透镜3的负焦点或虚焦点F3因此与反射镜椭圆体1的焦点F2近似迭加。

在图1中的近场还显示了反射镜1上的开口5在光场4的平行射束路径中起一个黑暗区域6的作用。

一个圆形的中心定位的散射玻璃7被安装在菲涅耳透镜3中，对散射光产生一个规定的散射光线比例和散射光的一个规定的孔径角。这导致散射光相对于光线的一个规定的混合比例，所述光线是通过菲涅耳透镜3几何学的/光学的成象的。

作为散射玻璃7实施例可选择的实施例，在一个更进一步的实施例中，散射效应沿着散光玻璃7的半径连续变化，以致较强的散射面积位于散光玻璃7的中心，而较弱的散射面积位于其边缘，此边缘突然终止。

在另一个可选择的实施例中，散光玻璃7的边缘不仅可以设计为突然终止，也可以如此设计以使它的散射效应连续降低，并可以在菲涅耳透镜的上或下延伸。

因此，进一步的与位置有关的混合比例的替换作为此系统的一个功能，以便本领域的技术人员，能够始终提供一个最佳的混合比例用于均匀照亮的光场或特定方式产生的局部强度高的光场。

图1还显示所有光线中只有一小部分通过在聚斑位置的散光玻璃7。

散光玻璃7导致了非常均匀的照亮，如在图7中用于聚斑位置的线8所示，其显示了一个菲涅耳透镜聚光灯的光强的对数关系(其取决于孔径角)。

图2表示图1中所示的菲涅耳透镜聚光灯位于第一泛光位置的实施例，其中远离反射镜的反射镜1焦点F2近似地安置在菲涅耳透镜3的表面，其与反射镜接近。

在这种情况下，关于聚斑位置的位移值通过机械导轨以一种规定的方式改变。

从根本上，这种设计与图1中对菲涅耳透镜聚光灯的设计对应。

但是，如同在图2中清楚可见的那样，发射的光束4的孔径角和黑暗区域6的孔径角增大了。

但是，由于在这个位置的大部分光线集中在散光玻璃7中心的一个很小的区域，此区域实际上可以如此设计，使它向前的散射波瓣，在远场或远区域以一种所希望的的方式，近似地补偿黑暗区域6。参照图7，其线9显示了光线状态，例如在一个泛光位置。

下面文字提到图3，其表示图1中所示的菲涅耳透镜聚光灯位于第二泛光位置的实施例，其带有一个比图2中的更大的孔径角，远离反射镜的反射镜1的焦点F2通过菲涅耳透镜3，成象在远离反射镜的菲涅耳透镜3表面的前面。

在这种情况下，散光玻璃7比图2中显示的更大区域有光线通过，而它的全部散射行为能够与此泛光位置的关系相匹配。

如图4图解的那样，光束4更加扩宽，作为对图3中显示的泛光位置的替换或附加，通过改变灯2和反射镜1之间的距离b。向反射镜1再一次移动灯2，离开反射镜的光束更强的聚焦，导致从菲涅耳透镜3发射后增加的发射角。

距离a和距离b的改变可以在更多的实施例中实现，例如，通过手工，机械的，电力的，电子的或它们的结合，光学元件可以为此目的轴向地导向。

为了保持照度的均匀度，距离的改变特别通过一种优选的实施例，通过恰当的选择正耦合实现，正耦合保持了a和b的变化之间的规定关系。

正耦合确定的变量a和b之间的关系通过被用于菲涅耳透镜的、用于合成散光玻璃的、用于椭球形反射镜和用于光源的参数控制。在这种情况下，参数包括各元件的尺寸，几何形状，结构和光学特性。

特别地，用于菲涅耳透镜的参数包括它的光学直径，焦距，曲率，光散射结构和它在菲涅耳透镜的前和/或后表面的安排；被合并到菲涅耳透镜里的散光玻璃所使用的参数是它的光学直径，它的光散射结构和它的安排；椭球形反射镜的参数是它的光学直径，它的曲率，它的焦距，它的表面结构，两个焦点之间的距离和灯衬套的直径，光源(luminaire)的参数是它的形状，它的尺寸，它的位置和光源的性质，例如是一个金属蒸汽放电灯，卤素灯或CDM灯。在此没有特别提及的参数可以导致更多的影响。

举例来说，图8表示变量a和b之间正耦合的特征。用于菲涅耳透镜，椭球形反射镜和光源的参数的选择如下例：

菲涅耳透镜：具有160mm的光学直径和108.7mm的负焦距，在中心有一个直径28mm的整体化的散光玻璃(蜂窝：对角线3.4mm，半径4mm，3°扭曲)，后表面带有光散射结构；

椭球形反射镜：具有160mm的光学直径和35mm的焦距，两个焦点之间距离160mm，灯导轨直径30mm；

光源：在轴向位置的一个圆筒，长约7.2mm，直径约2.6mm。

参数的改变导致通过正耦合确定的变量a和b之间的关系的改变。这导致通过正耦合确定的特征之间的功能关系的改变。

图5显示了一个更优选的实施例。在这个实施例中，其与上述的实施例一致，除了一个附加的辅助反射镜18，辅助反射镜18使从灯2发出的光线偏转(其将在图5中向右传播而不会到达反射镜1)通过反射引入反射镜。结果，不仅例如通过射束路径19的光线(其不带辅助反射镜，对照明没有贡献)可以被使用，而且也可能使用另外进入菲涅耳透镜3的一部分光线，其对于所需的光强分布导向的更好。

辅助反射镜18的形状有利地选择为，反射到其上的光线不会再进入产生光线的灯2的装置上，例如一个灯丝或一个放电区，也不会不必要地加热它。

可选择地，辅助反射镜18可以配合安装进灯2的玻璃体的内表面和/或外表面。灯体的玻璃可以为此目的成形，即为反射光达到所需的导向效果。

作为例子，图6显示一个带有散光玻璃7的菲涅耳透镜3，如本发明所使用的。菲涅耳透镜3具有一个透明的基体10和一个菲涅耳透镜环系11，其具有环形透镜区11，12，13，在它们之间安置圆形散光玻璃7。

散光玻璃7以一种规定的方式构造，或具有刻面15，16，17，其在一个宽的范围内能够被精确地确定散射行为，刻面15，16，17在同一个申请人的德国专利申请DE10343630.8，名称为“Streuscheibe”(Diffusing glass)中被说明，其于9月19日向德国专利商标局提交。本申请通过引用包括了此申请公开的全部内容。

然而，本发明不限于这些已被说明的散光玻璃的实施例。

如上所述的菲涅耳透镜聚光灯特别有利地用于带有电源或镇流器的照明装置，它远比现有技术的小。供电设备能够设计为电力的和机械的，比现有技术使用同样光功率的小，因为根据本发明的菲涅耳透镜聚光灯有相当高的光输出。因此所需的重量轻，并且用来运输和贮藏的空间小。

然而，特别是用冷光反射镜时，这也减少了施加在照明人员或物体上的热负荷。

此外，根据本发明的菲涅耳透镜聚光灯能够有利地用于增加闪光灯的光输出，原则上，其可利用的电能是非常有限的。

Claims (6)

1.一种菲涅耳透镜聚光灯，其发射的光束具有一个可调节的孔径角，该菲涅耳透镜聚光灯具有一个椭球形反射镜、一个灯和至少一个菲涅耳透镜，

其中，所述菲涅耳透镜是一个具有负焦距和虚焦点、且两面凹的负透镜，该菲涅耳透镜带有整体化的散光玻璃，该散光玻璃仅仅安置在所述菲涅耳透镜的中心处，

其中，当所述菲涅耳透镜聚光灯位于聚斑位置时，所述反射镜的远离该反射镜的焦点在菲涅耳透镜之外迭加在所述虚焦点上，

其中，散光玻璃是圆形的，并确定一个光线混合系统，该光线混合系统相对于几何学的/光学的成象光线的比例改变散射光的比例，即光线混合比例，作为菲涅耳透镜聚光灯的位置的一个函数。

2.如权利要求1或2所述的菲涅耳透镜聚光灯，其中反射镜由金属的或透明的电介质材料构成。

3.如权利要求1或2所述的菲涅耳透镜聚光灯，反射镜的两个主表面中的至少一个提供有一个光学薄层系统。

4.如权利要求1或2所述的菲涅耳透镜聚光灯，其中反射镜的两个主表面中的至少一个涂有金属。

5.如权利要求1所述的菲涅耳透镜聚光灯，反射镜的光线反射面散射光线，且具有面元素或刻面，并且，除了散光玻璃以外，菲涅耳透镜的一个或两个表面或没有表面也散射光线。

6.如权利要求1所述的菲涅耳透镜聚光灯，其中一个辅助反射镜被安置在菲涅耳透镜和反射镜之间。

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