JP2005183402A - 光学素子の間隔を結合変化させるフレネルレンズスポットライト - Google Patents

Abstract

【課題】
射出する光束の開口角が調節可能なフレネルレンズスポットライトにおいて，高効率に均一に照明された光照射野を与える。
【解決手段】
好ましくは楕円反射器と、ランプと、少なくとも１つのフレネルレンズとを有するフレネルレンズスポットライトのフレネルレンズの中心に拡散体を設け、該拡散体を有するフレネルレンズは光混合システムを画定し、該光混合システムは、幾何光学的結像光に対する散乱光の混合比を、該フレネルレンズスポットライトの設定に応じて変更する。該フレネルレンズスポットライトから出る光束の開口角に従い、該フレネルレンズと該反射器との間隔は、該ランプと該反射器との間隔に対して幾何学的関数として可変であり、また、該ランプを該反射器の頂点を基準に可動に配置することにより、該ランプと該反射器との間隔が調節可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射器、ランプ及び少なくとも１つのフレネルレンズを有し、射出する光束の開口角が調節可能であるフレネルスポットライトに関する。

従来のフレネルレンズスポットライトの場合、照明関連部品は通常、ランプ、フレネルレンズ及び球面補助反射器を有する。ランプフィラメントは、従来からほぼ常に球面反射器の中央に位置している。したがって、ランプから放出された光の一部が再帰反射してランプに戻って、前方半空間への光放出を補強する。この前向きの光は、フレネルレンズによって集束される。しかし、光集束度は、フレネルレンズとランプとの間隔の関数である。ランプフィラメントがフレネルレンズの焦点に位置する時、光は最も細く集束する。その結果、スポットとも呼ばれる準平行光路が生じる。フレネルレンズとランプとの間隔を短縮することによって、射出する光束の開口角が連続的に拡大する。その結果、発散ビーム路が生じ、これはフラッドとも呼ばれる。しかし、特にスポット設定では、フレネルレンズがランプの比較的小さい立体角度範囲だけを有効範囲に含むので、そのようなスポットライトには発光効率が悪いという欠点がある。さらに、球面反射器によって反射した光の大部分が、ランプフィラメントそのものに再び衝突し、そこで吸収されて、ランプフィラメントをさらに加熱することは不都合である。

ドイツ特許出願公開ＤＥ３９１９６４３Ａ１は、反射器、絞り、及びフレネルレンズを有するスポットライトを開示している。スポットライトの照明は、光源の調節によって変更される。これにより、光の明るさが変化する。頂点と反射器との間、及び絞りと反射器との間の距離を制御することによって、明るさが制御される。

ドイツ特許出願公開ＤＥ３４１３３１０Ａ１は、ランプ及び反射器、またはランプ及び複合レンズを有するスポットライトを開示している。スポットライトはさらに、拡散スクリーンまたはミラーを有し、これは両方とも、４５度の角度に配置されている。ミラーは光を偏向し、拡散スクリーンは光を散乱させる。拡散スクリーンを変位させることにより、光束のさまざまな射出角で光束を放出する。

ドイツ特許ＤＥ１０１１３３８５Ｃ１は、フレネルレンズスポットライトレンズであって、そのフレネルレンズが、スポット設定では楕円反射器の、反射器から遠い位置の焦点付近に光源側焦点が位置する複合レンズである、フレネルレンズスポットライトレンズを開示している。これにより、ランプは、再帰反射した光によって不必要に加熱されない。しかし、光源の小型化がますます進み、たとえば、高力高圧放電ランプの場合、これまで以上に目立つと共に、拡散装置によって補償できないか、または、それらによって補償できても、大きな光損失を伴う可能性のある中央暗領域が、光照射野内に発生する可能性がある。この場合、フレネルレンズスポットライトのいずれの設定でも、少なくとも暗い中央受光コーンも均一に照明しなければならないので、光源の発光中心の結像を避けるために従来の拡散装置を使用しても、ここでは得られるとしても限定的な改善しか得られない。しかし、特にスポット設定にある時、この場合には非常に小さい開口角の暗領域が存在するだけであるが、拡散装置を備えた従来のフレネルレンズの場合、光照射野を拡散させるために、フレネルレンズの全面積が使用されるので、まさにそのために大きい光損失が生じる。

本発明の目的は、高効率であると共に均一に照明された光照射野を与えるフレネルレンズスポットライトを提供することである。

この目的は、請求項１に記載のフレネルレンズスポットライト、及び請求項１９に記載の照明装置によって、驚異的に簡単に達成される。

本発明者は、これらの大きい光損失を拡散スクリーンによって驚くほど簡単に回避できることを発見した。この場合、フレネルレンズに、特に好ましくは円形に構成されて、フレネルレンズの中心だけに配置された拡散スクリーンを設けることが特に好都合である。

この実施形態では、フレネルスポットライトのいずれの位置でも、照射野の中央の暗領域を非常に効果的になくすことができるが、反射器のスポット位置では、大きい光損失がまったく発生しない。

驚くことに、幾何光学の観点から、散乱光の必要比率を増加させる時は必ず、反射器から出る光の光路がフレネルレンズの位置で照明する領域が小さくなることが明らかになっている。

本発明者はこの効果を活用して、本発明で自動または適応光混合システムを提供しており、これは、フレネルレンズスポットライトの調節と同時に、この位置での散乱光の必要分だけを、幾何光学で結像された光に加えて混合する。

それぞれの場合に必要な光分布にほぼ最適に適合させることができる光混合比を、以下で示す説明では、短縮して単に混合比と呼ぶ。

反射器の実質的にいずれの位置についても、この自動光混合システムは正確な混合比を、したがって常に非常に均一に照明された光照射野を生じるが、これによって不必要な散乱損失を発生させることはない。

この場合、拡散スクリーンの直径をフレネルレンズの残りの面積との関係で選択することによって、全面積にわたって照明されるフレネルレンズの混合比を規定することができ、また、散乱光の開口角は、フレネルレンズの散乱特性によって画定することができる。

さらに、一体型拡散スクリーンそのものに対する散乱作用を変えることができ、それにより、たとえば、より強い散乱領域を拡散スクリーンの中央に配置し、弱い散乱領域をその縁部に配置することができる。これには、強く集束したビーム束をさらに拡大するという効果があり、それにより、非常に広い照明角度を生じることができる。

代替として、拡散スクリーンの縁部は、急激に終端するように構成できるだけでなく、徐々に減少する散乱効果を有すると共に、フレネルレンズの下方または上方に延在するように構成してもよい。これにより、位置の関数である混合比に対するさらなる適応を行うことができる。

好適な実施形態の場合、拡散スクリーンは、光入射側または光射出側のいずれかに配置することができる。さらに、拡散スクリーンを光入射側及び光射出側に配置する好都合な可能性もある。後者の実施形態の場合、異なった散乱を行う拡散スクリーン、たとえば、空間的に異なった散乱を行う拡散スクリーンを使用することも可能である。

本出願と同一の出願人による「Optische Anordnung mit Stufenlinse（フレネルレンズを有する光学装置）」と題する出願を参照されたい。この出願の開示内容も、参照によって本出願の開示内容に全面的に援用される。

同時に、スポット設定及びフラッド設定の両方について図６に例示的に示されているように、光照射野全体の照明強度の均一性が維持される。

本発明によれば、大きい開口を有する楕円反射器が提供される。黒体放射体、特にハロゲンランプのランプフィラメント、または放電ランプの放電アークが、楕円反射器の反射器側焦点に位置し、楕円反射器の、反射器から遠い位置の第２焦点は、反射器側のフレネルレンズの実焦点付近に配置するようにスポット位置が調節される。

反射器によって反射した光は、フレネルレンズに入射する前、楕円反射器の、反射器から遠い側の焦点上にほぼ完全に集束する。反射器側のフレネルレンズ焦点に位置するランプフィラメント、または放電アークは、フレネルレンズを通過後には無限遠に結像され、そのため、その光は、ほぼ平行な光束に変換される。

反射器及びフレネルレンズの開口角を好都合に選択すれば、反射器で反射した光は、フレネルレンズによってほぼ完全に捕捉されて、細いスポットライト束として前方に放射される。

フレネルレンズから出る光束の開口角は、第１実施形態の場合、一方では反射器を基準にしたランプ位置を、また他方では、フレネルレンズと反射器との間隔を適当に変化させることによって、ほぼ任意に拡大することができる。

それにより、これらの間隔の変化が、好都合に選択された強制的結合に起因するものであれば、照明強さの均一性に関する従来のフレネルレンズスポットライトの良好な特性を保持することができる。

本発明の１つの実施形態は、楕円反射器が金属または透明誘電材料からなることにある。金属、たとえば、アルミニウムでコーティングすることができるガラス及び高分子材料、またはプラスチックが、誘電材料として使用するのに好都合である。

代替または追加として、透明誘電材料を用いた１つの実施形態では、反射面を形成するために、反射器の２つの表面の一方または両方に光学的に薄い層の系を設ける。フレネルレンズのコーティングは好ましくは、誘電干渉層系を有し、これは、通過する光のスペクトルを変える。これにより、好都合にも、可視放射成分を反射し、非可視成分、特に熱放射成分を通過させることができる。

一般的に、反射器、フレネルレンズ及び／または拡散スクリーンは共に、少なくとも片面をコーティングしてもよい。たとえば、プラスチックの場合、スクラッチ傷防止及び／または非反射層でコーティングしてもよい。

本発明のさらなる好適な実施形態は、反射器の主表面の一方または両方に金属膜を有する。

別の代替改良形態では、反射器は、コーティングされないか、または、所望のスペクトルまたは腐食特性を与えるために誘電または金属コーティングされた金属反射器でもよい。

本発明の好適な実施形態は、フレネルレンズスポットライトであって、反射器の反射面が、好ましくは小面積部分または切子面を有して、光を散乱するように形成され、フレネルレンズの表面のいずれも光を散乱するように構成されていないか、あるいは１つまたは２つの表面が光を散乱するように構成されている、フレネルレンズスポットライトを有する。これにより、幾何光学による結像光に対する散乱光の重合せの固定分が生じるため、光照射野内の暗いリングを減少させることができる。

より高い強度及び熱負荷耐性を示すように、フレネルレンズは、好都合にその表面が強化、好ましくは熱強化されている。

本発明は、建築、医学、映画、舞台、スタジオ及び写真用に、また懐中電灯にスポットライトを使用できるようにする。

好適な実施形態では、拡散スクリーンは、光入射側または光射出側のいずれかに配置することができる。さらに、拡散スクリーンを光入射側及び光射出側に配置する好都合な可能性もある。後者の実施形態では、異なった散乱を行う拡散スクリーン、たとえば、空間的に異なった散乱を行う拡散スクリーンを使用することも可能である。

次に、添付の図面を参照しながら、好適な実施形態によって本発明をさらに詳細に説明する。

以下の詳細な説明では、同一の参照番号は、さまざまなそれぞれの実施形態において同一であるか、または同一作用を有する部材を示すものとする。

まず、図１を参照するが、これは、スポット設定の場合のフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す。フレネルスポットライトは実質的に、楕円反射器１と、ランプ２であって、白熱ランプ、特にハロゲンランプ、発光ダイオード、発光ダイオードアレイまたはガス放電ランプなどにすることができるランプ２と、正レンズ、好ましくは平凸フレネルレンズであるフレネルレンズ３とを有する。

図１において、楕円反射器１の、反射器から遠い側のの焦点Ｆ２は、フレネルレンズ３の左側の実焦点、すなわち正の焦点Ｆ３に若干重ね合わされている。

図面では、スポットライトから出る光束４は、その外縁光のみが概略的に表されている。

フレネルレンズ３と反射器１の前縁部との間隔ａ、及びランプ２と反射器１の頂点との間隔ｂも、図１に示されている。

スポット設定は、ランプ２のランプフィラメントまたは放電アークが、楕円反射器１の反射器側焦点Ｆ１付近に配置して設定される。

反射器１によって反射した光は、この設定では楕円反射器１の、反射器から遠い側の焦点Ｆ２上にほぼ完全に向けられる。その時、フレネルレンズ３の左側の正の、すなわち実焦点Ｆ３は、楕円反射器の焦点Ｆ２にほぼ一致する。

図１はまた、反射器２内の開口５による光照射野４の平行光路内の暗領域６が、いかに発生するかが近視野で示している。

フレネルレンズ３の内部中央に、円形の拡散スクリーン７が配置されており、これにより、規定の散乱光比及び散乱光の規定開口角が生じる。その結果として、フレネルレンズ３によって幾何光学的に結像された光に対する散乱光の規定の混合比が得られる。

拡散スクリーン７のこの実施形態の代替として、さらなる実施形態では、散乱作用が、拡散スクリーン７の半径に沿って徐々に変化し、それにより、より強い散乱領域が拡散スクリーン７の中央に配置され、弱い散乱領域が、それの急激に終端する縁部に配置される。

さらに別の改良形態では、拡散スクリーン７の縁部は、急激に終端するだけでなく、徐々に減少する散乱作用を有するようにも構成され、それは、フレネルレンズの下方または上方に延在してもよい。

これにより、位置によって決まる混合比に対するさらなる適応が、系に応じて行われ、それにより、当該技術分野の専門家であれば、均一に照明された光照射野に、または、所定の方法で発生させた局部的高強度を有する光照射野にも最適の混合比を常に与えることができる。

図１から、スポット設定では、光全体の一部だけが拡散スクリーン７を通過することもわかるであろう。

フレネルレンズスポットライトの光度と開口角との関係を示す対数グラフである図６にスポット設定の場合が線８で示されているように、非常に均一な照明が拡散スクリーン７から得られる。

図２は、第１フラッド設定の場合の、図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を示し、ここでは、反射器１の、反射器から遠い側の焦点Ｆ２が、フレネルレンズ３の反射器側表面付近に配置されている。

この場合、スポット設定を基準にした変位量の値ａが、機械的ガイドによって規定通りに変更される。

この構造は、図１に示されたフレネルレンズスポットライトの構造に基本的に対応している。しかし、射出する光束４の開口角が、暗領域６の開口角と共に増加していることが、図２から明らかにわかるであろう。

しかし、この位置では、光の大部分が、拡散スクリーン７の中央の非常に狭い領域だけに入射するので、この領域は特に、それの前方散乱ローブが、遠視野または遠距離で暗領域６を所望通りにほぼ補償するように構成することができる。やはり図６を参照することができ、これは、たとえば、フラッド設定時の照明状態を線９で示している。

次に、図３を参照するが、これは、図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を、開口角が図２の場合よりさらに大きい第２フラッド設定時を示しており、反射器１の、反射器から遠い側の焦点Ｆ２が、フレネルレンズ７によってフレネルレンズ７の、反射器と反対側の表面前方に結像される。

この場合、徹照される拡散スクリーン７の面積が、図２の場合より大きく、それの散乱挙動全体をこのフラッド設定の状態に適応させることができる。

図３に示されているように、図２のフラッド設定の代替として、またはその追加として、ランプ２と反射器１との間隔ｂを変化させることによって、ビーム４をさらに拡大させることができる。ランプ２が反射器１の方に変位すると、反射器から出る光束がさらに強く集束し、その結果、フレネルレンズ３を射出した後の射出角が増加する。

照射強度の均一性を維持するために、特に好適な実施形態では、ａ及びｂの変化を規定比に設定する、好都合に選択された強制的結合によって、間隔の変更が行われるが、これは図示されていない。

１つの実施形態では、間隔ａ及び間隔ｂの変更を手動で行うことができ、この目的のために光学部品の軸方向ガイドを使用することができる。

さらなる好適な実施形態を図４に示す。この実施形態は、追加的な補助反射器１８を除いて、本質的には上述の実施形態に対応しており、図４の右方向に伝播されて、反射器１に到達することはないランプ２からの光が、補助反射器１８により反射され反射器１内へ向けられる。したがって、例示的に光路１９のみで示され、補助反射器がなければ照明に貢献しないはずである光を利用することができるだけでなく、フレネルレンズ３に直接的に入射するはずである光部分をよりうまく利用して、所望の光分布を得ることもできる。

補助反射器で反射する光が、ランプ２の発光手段、たとえば、フィラメントまたは放電区域に再入射してそれを不必要にさらに加熱することがないように、補助反射器１８の形状が好都合に選択される。

代替として、補助反射器１８は、ランプ２のガラス本体の内側および／または外側に取り付けることができる。反射光に対して所望の指向性効果を達成するために、ランプ本体のガラスをこの目的に適した形状にすることができる。図５は、本発明によって使用されるような、拡散スクリーン７を有するフレネルレンズ３を例示として示す。フレネルレンズ３は、透明の基本体１０と、環状のレンズ部分１１、１２、１３を有するフレネルレンズリング系１１とを備え、フレネルレンズリング系の内側に円形拡散スクリーン７が配置されている。

拡散スクリーン７は、規定通りに構成されるか、または、本出願と同一の出願人によってドイツ特許商標庁に出願された「Streuscheibe beschrieben sind（拡散スクリーン）」と題するドイツ特許出願第ＤＥ１０３４３６３０．８号に記載された、広い領域にわたって正確に規定することができる散乱挙動を有する切子面１５、１６、１７を有する。この出願の開示内容は、参照によって本出願の開示内容に全面的に援用される。

しかし、本発明は、拡散スクリーンのこれらの上記実施形態に制限されない。

上述のフレネルレンズスポットライトは、従来技術と比べて相当に小型化された電源ユニットと一緒に、照明装置に特に好都合に用いられる。本発明に従ったフレネルレンズスポットライトは、はるかに高い発光効率を有するので、従来技術の場合と同じ有効光出力を得る場合、この電源ユニットを電気的及び機械的の両方で小さく構成することができる。したがって、必要な重量が減少し、また、運搬及び保管中に占める保管空間が少ない。

しかし、特に冷光反射器を使用する時、この結果として、照明される人及び物体の全熱負荷がさらに減少する。

さらに、本発明に従ったフレネルレンズスポットライトは、懐中電灯の発光効率を高めるためにも好都合に使用することができる。

反射器の、反射器から遠い側の焦点が、フレネルレンズの左側の実焦点にいくらか重なり合っている、スポット設定時のフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す図である。 反射器の、反射器から遠い側の焦点が、フレネルレンズの表面の近くに配置されている、第１フラッド設定時の図１に示されたフレネルスポットライトの実施形態を示す図である。 反射器の、反射器から遠い側の焦点が、フレネルレンズによってフレネルレンズの、反射器から遠い側の表面前方に結像され、また、光源が、反射器付近の焦点から反射器に向かって移動する、第１フラッド設定より大きい開口角を有する第２フラッド設定にある図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す図である。 光のさらなる部分を最初に反射器に向けて、そこからフレネルレンズに向ける付加的な補助反射器を備えている、スポット設定時の図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す図である。 中央に配置された拡散スクリーンを有する凸フレネルレンズを示す図である。 スポット設定、及びフラッド設定の１つにあるフレネルレンズスポットライトの光強度の、開口角に対する対数グラフである。

符号の説明

１ 反射器
２ ランプ
３ フレネルレンズ
４ 射出する光束
５ 反射器１内の開口
６ 暗領域
７ 拡散スクリーン
８ スポット設定における光度分布
９ フラッド設定における光度分布
１０ 基本体
１１ フレネルレンズリング系
１２ 環状のレンズ部分
１３ 環状のレンズ部分
１４ 環状のレンズ部分
１５ 切子面
１６ 切子面
１７ 切子面
１８ 補助反射器
１９ 補助反射器によって反射される光路

Claims (20)

1. 好ましくは楕円反射器、ランプ及び少なくとも１つのフレネルレンズを有し、射出する光束の開口角が調節可能であるフレネルレンズスポットライトであって、前記フレネルレンズは、拡散スクリーンを有するフレネルレンズスポットライト。
2. 前記拡散スクリーンは、円形に構成されて、前記フレネルレンズの中心に配置されている、請求項１のフレネルレンズスポットライト。
3. 前記フレネルレンズは、前記拡散スクリーンで光混合システムを画定し、該光混合システムは、幾何光学的結像光の割合に対する散乱光の割合（光混合比）を、該フレネルレンズスポットライトの位置に応じて変更する、請求項１または２のフレネルレンズスポットライト。
4. 前記フレネルレンズは、実焦点を有し、特に該フレネルレンズスポットライトのスポット設定時には、前記反射器の、該反射器から遠い位置の焦点を前記実焦点に重ね合わせることができる、請求項１乃至３のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
5. 前記フレネルレンズは、フレネルレンズとして構成された、好ましくは平凸の正レンズである、請求項１乃至４のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
6. 前記フレネルレンズは、色補正された結像特性を有する二重レンズを含む、請求項１乃至５のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
7. 該フレネルレンズスポットライトから出る光束に合わせて調節すべき開口角に従って、前記フレネルレンズと前記反射器との間隔は、前記ランプと前記反射器との間隔に対して規定の幾何学的関数として変化することができる、特に請求項１乃至６のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
8. 前記ランプが前記反射器の頂点を基準にして変位可能に配置されていることによって、前記ランプと前記反射器との間隔が調節することができる、請求項７のフレネルレンズスポットライト。
9. 前記反射器は、金属、または透明の、好ましくは誘電材料、ガラス及び／またはプラスチックからなる、請求項１乃至８のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
10. 前記反射器の２つの主表面の少なくとも一方に、光学的に薄い層の系が設けられている、請求項１乃至９のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
11. 前記反射器の前記２つの主表面の少なくとも一方は、金属、好ましくはアルミニウムでコーティングされている、請求項１乃至１０のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
12. 前記反射器の前記光反射面は、好ましくは部分表面または切子面を有し、光を散乱するように構成されており、前記フレネルレンズの表面のいずれにも、前記拡散スクリーンと共に光を散乱するようなパターンが付けられていないか、あるいは、１つまたは２つの表面に光を散乱するようなパターンが付けられている、請求項１乃至１１のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
13. 前記反射器、前記フレネルレンズ及び／または前記拡散スクリーンは、少なくとも片面がコーティングされている、請求項１乃至１２のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
14. 前記フレネルレンズの前記コーティングは、通過する光のスペクトルを変える誘電干渉層系を含む、請求項１３のフレネルレンズスポットライト。
15. 前記ランプは、白熱ランプ、特にハロゲンランプ、発光ダイオード、発光ダイオードアレイまたはガス放電ランプである、請求項１乃至１４のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
16. 補助反射器が、前記フレネルレンズと前記反射器間に配置されている、請求項１乃至１５のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
17. 前記フレネルレンズの表面は、強化、好ましくは熱強化されている、請求項１乃至１６のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項のフレネルレンズスポットライトと、対応の電源ユニットまたは安定器とを備える照明装置。
19. 医学、建築、映画、舞台、スタジオ及び写真での、請求項１乃至１７のいずれか１項のフレネルレンズスポットライト及び請求項１８の照明装置の使用。
20. 請求項１乃至１７のいずれか１項のフレネルレンズスポットライトを有する懐中電灯。
    

Images