專利名稱：菲涅爾聚光燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有可調(diào)整出射光束孔徑角的菲涅爾(Fresnel)聚光燈，它有最好是橢圓面的反射器、燈、和至少一個菲涅爾透鏡。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的菲涅爾聚光燈中，與光照有關(guān)的部件，一般包括燈、菲涅爾透鏡、和球面輔助反射器。通常，燈絲基本上不可變地放在球面反射器的中心。因此，燈發(fā)射的光的一部分被反射回?zé)羯?，并增強向前半部空間的光發(fā)射。向前引導(dǎo)的該部分光，被菲涅爾透鏡準直。但是，準直度與燈和菲涅爾透鏡之間的距離有關(guān)。當燈絲位于菲涅爾透鏡焦點時，獲得最窄的準直。此時獲得準平行的光路，也稱為聚光。通過縮短菲涅爾透鏡與燈之間的距離，可以連續(xù)地增大出射光束的孔徑角。此時獲得發(fā)散的光路，也稱為泛光。
但是，這種聚光燈的缺點是低下的發(fā)光效率，特別是在它們的聚光設(shè)置時，因為此時只有燈的比較小的立體角范圍，被菲涅爾透鏡拾取。此外，還有一個不利的作用是，許多被球面反射器反射的光，再次落在實際的燈絲上，被燈絲吸收，額外地加熱燈絲。
DE 39 19 643 A1公開一種聚光燈，它有反射器、光闌、和菲涅爾透鏡。對該聚光燈，照度可以通過光源的調(diào)整而改變。從而導(dǎo)致光的亮度的變化。頂點與反射器之間距離的調(diào)整和光闌與反射器之間距離的調(diào)整，被用于亮度控制。
DE 34 13 310 A1公開一種聚光燈，它有燈和反射器，或燈和會聚透鏡。該聚光燈還有漫射器或平面反射鏡，兩者成45°角放置。平面反射鏡把光反射，而漫射器把光散射。通過移動漫射器，產(chǎn)生光束變化的發(fā)射角。
DE 101 13 358 C1說明一種菲涅爾聚光燈的透鏡，其中的菲涅爾透鏡是會聚透鏡，在聚光設(shè)置時，它在光源一側(cè)的焦點近似位于橢圓面反射器的遠離該反射器的焦點。這樣，燈不再被反射回來的光不必要地加熱。此外，燈與反射器之間的距離比和反射器與菲涅爾透鏡之間的距離比兩者，可以通過精細制作的導(dǎo)軌獨立地調(diào)整。但是，這要求額外的機械設(shè)備。
但是，隨著光源微型化的增加，例如在高功率高壓放電燈的情形，可能在輸出光場中出現(xiàn)始終存在的中央暗區(qū)，它不能借助反射器內(nèi)的散射裝置補償，或者能被反射器內(nèi)的散射裝置補償，不過伴隨大的光損耗。即使用常規(guī)的漫射裝置來避免光源發(fā)射中心的成像，如果有幫助，也只能是有限的幫助，因為此時對菲涅爾聚光燈的任何設(shè)置，至少暗的中央孔徑圓錐也必須均勻地被照明。然而，特別是在聚光的設(shè)置中，雖然在此設(shè)置中，只有非常小孔徑角的暗區(qū)，但因為在常規(guī)的有散射裝置的菲涅爾透鏡中，菲涅爾透鏡的全部面積仍然被用來使光場散射，直接導(dǎo)致大的光損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的，是提供一種菲涅爾聚光燈，它能給出有高效率的均勻的輸出光。該菲涅爾聚光燈還能以流水式并廉價地生產(chǎn)。
該目的是借助按照權(quán)利要求1的菲涅爾聚光燈，和按照權(quán)利要求17的照明單元，以意想不到的方式達到的。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些大的光損耗，能夠借助漫射器，以異常簡單的方式避免。在此情形下，特別有利的做法是，使菲涅爾透鏡有漫射器，該漫射器最好設(shè)計成圓形，并只安排在菲涅爾透鏡的中心。
在該實施例中，照明場中央的暗區(qū)，能夠在菲涅爾聚光燈的任何設(shè)置中非常有效地避免，且在反射器的聚光設(shè)置中高的光損耗不再出現(xiàn)。
令人意想不到的發(fā)現(xiàn)是，無論何時增加要求的散射光部分，從反射器出射的光的幾何光學(xué)路徑，都精確地照射在菲涅爾透鏡位置上較小的區(qū)域。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)利用這一效應(yīng)，以便借助本發(fā)明提供一種自動的或自適應(yīng)的光混合系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，與菲涅爾聚光燈的調(diào)整同步地，只有該設(shè)置所必需的散射光分量，才與幾何光學(xué)的成像光混合。
光的混合比，它幾乎能夠最佳地適應(yīng)各種情形中要求的光分布，為簡單起見，下面將稱為混合比。
該自動的光混合系統(tǒng)，基本上對反射器的任何設(shè)置，確保校正的混合比，從而持續(xù)地提供非常均勻的照明光場，卻不帶來不需要的散射損耗。
在此情況下，被全表面照明的菲涅爾透鏡的混合比，可以通過選擇漫射器直徑在菲涅爾透鏡的剩余面積的比例來定義，同時可以用菲涅爾透鏡的散射性質(zhì)定義散射光的孔徑角。
散射作用還可以在成一體的漫射器自身上進一步改變，例如，在漫射器的中央安排有更強散射作用的區(qū)，而在其邊緣安排不那么強散射作用的區(qū)。十分強的聚焦光束可以據(jù)此進一步加寬，于是能夠產(chǎn)生極其寬的照明角。
另外，漫射器邊緣不僅不作成突然結(jié)束的，而是作成散射作用連續(xù)下降的形式，同時繼續(xù)伸展至菲涅爾透鏡的下面或上面。據(jù)此能夠?qū)崿F(xiàn)進一步適應(yīng)與設(shè)置有關(guān)的混合比。
在各優(yōu)選實施例中，漫射器可以安排在光的入口側(cè)，也可以在光的出口側(cè)。該有利的選項還可以進一步利用，把漫射器安排在光的入口側(cè)和光的出口側(cè)。在最后提到的實施例中，甚至可以使用有不同方式散射的漫射器，例如各種隨位置變化的有不同方式散射的漫射器。
可以參考如下申請，該申請與本申請屬相同的申請人，并在相同日期申請，標題為“Optical Arrangement with a菲涅爾Lens”，該申請公開的內(nèi)容，全部收入本申請公開的內(nèi)容，供參考。
如圖5通過舉例方式所示，可以對聚光設(shè)置和對泛光設(shè)置兩種設(shè)置，同時在整個光場中保持照度強度的均勻性。
按照本發(fā)明，提供一種有大孔徑的橢圓面反射器。聚光設(shè)置的調(diào)整，是把黑體輻射體的燈絲，具體說是鹵素?zé)?、或放電燈的放電弧，定位在橢圓面在反射器一側(cè)的焦點，而橢圓面遠離反射器的第二焦點，則近似安排在菲涅爾透鏡接近反射器的實焦點。
反射器反射的光，在進入菲涅爾透鏡前，幾乎完全聚焦在橢圓面的遠離反射器的焦點上。位于菲涅爾透鏡在反射器側(cè)的焦點上的燈絲或放電弧，經(jīng)過菲涅爾透鏡成像后，成像在無窮遠，因此它的光被轉(zhuǎn)換為幾乎平行的光束。
借助適當選擇反射器和菲涅爾透鏡的孔徑角，被反射器反射的光，幾乎完全被菲涅爾透鏡拾取并作為窄的聚光光束向前發(fā)射。
在本發(fā)明的一個實施例中，橢圓面反射器由金屬或透明介電材料組成。能鍍以金屬，例如鋁，的玻璃和聚合物材料，即塑料，推薦作為介電材料使用。
另外，或此外，在用透明介電材料以產(chǎn)生反射表面的實施例中，反射器的兩個表面之一或兩者，涂敷光學(xué)薄層系統(tǒng)。菲涅爾透鏡的涂層最好包括介電干涉層系統(tǒng)，該干涉層系統(tǒng)能改變通過的光的光譜。借助這樣出來，有利于可見的輻射分量被反射和不可見分量，特別是熱輻射分量，能夠透過。
一般說，反射器、菲涅爾透鏡和/或漫射器兩者，至少在一側(cè)有涂層，例如在涂敷了塑料的情形，涂以抗刮傷和/或抗反射的層。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，包括在反射器的一個或兩個主面上的金屬涂層。
在另一個不同配置的實施例中，反射器還可以是金屬的反射器，它既可以是不涂敷的，也可以涂敷介電的或金屬的材料，以便給出需要的光譜和腐蝕性質(zhì)。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，包括菲涅爾聚光燈，其中，反射器的光反射表面，最好有子表面或小面，被作成散射光的結(jié)構(gòu)，而菲涅爾透鏡的表面沒有、有一個、或有兩個被作成散射光的結(jié)構(gòu)。這樣，可以使疊加在幾何光學(xué)成像光上的散射光的量固定，該散射光能減小光場中的暗環(huán)。
菲涅爾透鏡最好在它的表面經(jīng)過預(yù)應(yīng)力處理，最好是熱預(yù)應(yīng)力處理，以便有較高強度和熱穩(wěn)定性。
按照本發(fā)明，該聚光燈可用于醫(yī)藥、建筑、電影術(shù)、劇場、攝影棚、和照相，以及手電筒中。
在各優(yōu)選實施例中，可以把漫射器安排在光的入口側(cè)或光的出口側(cè)。有利的選項可以進一步用于把漫射器安排在光的入口側(cè)和光的出口側(cè)。在后一種實施例中，甚至可以使用有不同方式散射的漫射器，例如各種隨位置變化的有不同方式散射的漫射器。


本發(fā)明將借助優(yōu)選實施例的幫助并參照附圖，詳加說明，附圖有圖1畫出菲涅爾聚光燈在聚光設(shè)置時的實施例，反射器的遠離反射器的焦點，與菲涅爾透鏡左側(cè)的實焦點近似重疊，圖2畫出圖1所示菲涅爾聚光燈在第一泛光設(shè)置時的實施例，反射器的遠離反射器的焦點，被安排靠近菲涅爾透鏡的表面，圖3畫出圖1所示菲涅爾聚光燈在聚光設(shè)置時的實施例，借助該輔助反射器，更多部分的光首先被偏折，進入反射器，又從反射器進入菲涅爾透鏡，圖4畫出一種在中央安排漫射器的會聚菲涅爾透鏡，圖5畫出菲涅爾聚光燈在它的聚光設(shè)置和在它的泛光設(shè)置之一時，依賴于孔徑角的光強的對數(shù)表示。
具體實施例方式
在下面的詳細說明中假定，相同的參考數(shù)字，標記各個實施例中相同的或有相同作用的單元。
下面參考圖1，圖1畫出菲涅爾聚光燈在聚光設(shè)置時的實施例。菲涅爾聚光燈基本上包括橢圓面反射器1；燈2，它可以是白熾燈，特別是鹵素?zé)?、發(fā)光二極管、發(fā)光二極管陣列、或氣體放電燈；和菲涅爾透鏡3，它是會聚透鏡，最好是平凸菲涅爾透鏡。
在圖1中，橢圓面反射器1的遠離它的焦點F2，近似與菲涅爾透鏡3左側(cè)的實的，或正的焦點F3重疊。
從聚光燈出射的光束4，在圖中只示意地用它的外周邊光線表示。
菲涅爾透鏡3與反射器1的前邊緣之間的距離a，也畫在圖1上。
聚光設(shè)置的調(diào)整，是把燈2的燈絲或放電弧，定位在橢圓面1反射器在反射器一側(cè)的焦點F1上。
在該設(shè)置中，反射器1反射的光，幾乎全部被引導(dǎo)至橢圓面1的遠離反射器的焦點F2上。此時，菲涅爾透鏡3左側(cè)的正的或?qū)嵉慕裹cF3，近似與反射器橢圓面的焦距F2重合。
圖1還畫出在近場中，反射器2內(nèi)的開孔5，如何在光場4的平行光路中產(chǎn)生暗區(qū)6。
在菲涅爾透鏡3內(nèi)，有一圓形的安排在中央的漫射器7，該漫射器7產(chǎn)生規(guī)定的散射光比和規(guī)定的散射光孔徑角。據(jù)此提供散射光對菲涅爾透鏡3的幾何光學(xué)成像光規(guī)定的混合比。
作為對漫射器7該實施例的一種變化，在另一個實施例中，散射作用沿漫射器7的徑向連續(xù)地改變，使更強的散射區(qū)安排在漫射器7的中央，而在它的突然結(jié)束的邊緣，安排不那么強的散射區(qū)。
在又一個不同的實施例中，漫射器7的邊緣不僅不是突然結(jié)束，而是設(shè)計成散射作用連續(xù)地下降，并且它還延伸至菲涅爾透鏡的下面或上面。
借助這一點，系統(tǒng)地實現(xiàn)進一步適應(yīng)與設(shè)置有關(guān)的混合比，以便本領(lǐng)域熟練人員總能給出均勻照明光場的最佳混合比，或甚至總能按規(guī)定方式產(chǎn)生局部更高強度的光場。
圖1還畫出在聚光設(shè)置時，全部光中只有一小部分通過漫射器7。
漫射器7導(dǎo)致非常均勻的照度，如圖5中對聚光設(shè)置的曲線8所示，圖上畫出菲涅爾聚光燈依賴于孔徑角的光強的對數(shù)表示。
圖2畫出圖1所示菲涅爾聚光燈在第一泛光設(shè)置時的實施例，其中，反射器1的遠離反射器的焦點F2，被近似安排在菲涅爾透鏡3靠近反射器的表面中。
借助如此安排，相對于聚光設(shè)置的位移值，是按規(guī)定方式用機械導(dǎo)軌改變的。
圖2的結(jié)構(gòu)基本上與圖1說明的菲涅爾聚光燈的結(jié)構(gòu)對應(yīng)。
但是，從圖2可以清楚看到，出射光束4孔徑角與暗區(qū)6兩者已經(jīng)增加。
然而，因為在該設(shè)置中，非常大百分比的光只落在漫射器7中央非常小的區(qū)域，所以該區(qū)域可以有特殊的結(jié)構(gòu)，以使其前向散射瓣在遠場或長的范圍上，按需要方式對暗區(qū)6進行近似的補償。還可以參考圖5，圖上對某一泛光設(shè)置，曲線9以舉例方式表明光的比值。
在一個實施例中，距離a的變化可以用手動進行，為此也可以使用光學(xué)部件的軸向?qū)Р邸?br> 作為一種變化，該光學(xué)部件也可以用電機驅(qū)動。
圖3畫出另一個優(yōu)選實施例。該實施例除了增加輔助反射器18外，基本上與上述實施例對應(yīng)，來自燈2的光，在圖3中向右傳播，將不再抵達反射器1，被輔助反射器18反射，偏折進入反射器1。這樣，不僅能利用例如只作例子舉出的光路19的光，光路19的光如果沒有輔助反射器，將對照度沒有貢獻；還能使沒有輔助反射器便直接進入菲涅爾透鏡3的那部分光，更好地用于需要的光分布。
輔助反射器18形狀的選擇，最好能使它反射的光，不再進入燈2的發(fā)光裝置，例如燈絲或放電區(qū)，從而不會再不必要地把發(fā)光裝置加熱。
作為一種變化，輔助反射器18可以安裝在燈2的玻璃體內(nèi)側(cè)或外側(cè)。燈體的玻璃能夠為此目的作成適當?shù)男螤?，以便對被反射的光獲得需要的定向作用。
圖4畫出例如本發(fā)明使用的有漫射器7的菲涅爾透鏡3的例子。菲涅爾透鏡3有透明基體10和菲涅爾透鏡環(huán)系統(tǒng)11，透鏡環(huán)系統(tǒng)有環(huán)形透鏡的分段11、12、13，在其內(nèi)側(cè)安排圓形漫射器7。
漫射器7按規(guī)定方式構(gòu)造，或有小面15、16、17，這些小面的散射性質(zhì)能在大面積上精確規(guī)定，漫射器7在標題為“Diffuser”的德國專利申請DE 103 43 630.8中說明，該申請由與本申請相同的申請人于9月19日提交德國專利與商標局。該申請公開的內(nèi)容，全部收入本申請公開的內(nèi)容，供參考。
但是，本發(fā)明不受前面說明的這些漫射器實施例的限制。
上述菲涅爾聚光燈，在帶有比現(xiàn)有技術(shù)明顯更小的電源單元或鎮(zhèn)流器的光照單元中采用特別有利。因為按照本發(fā)明的菲涅爾聚光燈，有高出許多發(fā)光效率，所以對現(xiàn)有技術(shù)中相同的未能利用的光功率，該電源可以在電上和機械上兩方面都做得更小。因此在運輸和存儲時，需要較低的重量和較小的存儲空間。
據(jù)此，特別是當使用冷光反射器時，對被照射的人和物的全部熱荷載輻照量被進一步降低。
按照本發(fā)明的菲涅爾聚光燈，還能有利地用于增加手電筒的發(fā)光效率。
參考數(shù)字表1 反射器2 燈3 菲涅爾透鏡4 出射光束5 反射器1中的開孔6 暗區(qū)7 漫射器8 聚光設(shè)置的強度分布9 泛光設(shè)置的強度分布10 基體11 菲涅爾透鏡環(huán)12 環(huán)形透鏡分段13 同上14 同上15 小面16 同上17 同上18 輔助反射器19 通過輔助反射器反射的光路
權(quán)利要求
1.一種有可調(diào)整出射光束孔徑角的菲涅爾聚光燈，它有最好是橢圓面的反射器、燈、和至少一個菲涅爾透鏡，特征在于，該菲涅爾透鏡有漫射器。
2.按照權(quán)利要求1的菲涅爾聚光燈，其中的漫射器按圓形設(shè)計，并安排在菲涅爾透鏡的中心。
3.按照權(quán)利要求1或2的菲涅爾聚光燈，其中的菲涅爾透鏡以漫射器定義一種光混合系統(tǒng)，該混合系統(tǒng)隨菲涅爾聚光燈設(shè)置的變化，改變散射光對幾何光學(xué)成像光的比例，從而改變光的混合比。
4.按照權(quán)利要求1、2或3的菲涅爾聚光燈，其中的菲涅爾透鏡有實的焦點，特別是在菲涅爾聚光燈的聚光設(shè)置時，該焦點與反射器遠離反射器的焦點重疊。
5.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的菲涅爾透鏡按菲涅爾透鏡設(shè)計，最好是平凸的會聚透鏡。
6.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的菲涅爾透鏡包括具有色校正成像性質(zhì)的雙透鏡。
7.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中反射器由金屬或透明的，最好是介電材料，玻璃和/或塑料構(gòu)成。
8.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中反射器兩個主面中至少有一個設(shè)有光學(xué)薄層系統(tǒng)。
9.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中反射器的光反射表面，最好有子表面或小面，被作成散射光的結(jié)構(gòu)，而菲涅爾透鏡的表面沒有、有一個、或有兩個被作成散射光的結(jié)構(gòu)。
10.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的菲涅爾透鏡如在德國申請中所說明和要求那樣，是會聚透鏡，該申請與本申請屬相同的申請人，并在相同日期申請，標題為“Optical Arrangement with菲涅爾Lens”。
11.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的反射器、菲涅爾透鏡、和/或漫射器，都至少有一側(cè)是涂敷的。
12.按照前面權(quán)利要求11的菲涅爾聚光燈，其中菲涅爾透鏡的涂層包括介電干涉層系統(tǒng)，它改變通過的光的光譜。
13.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中反射器兩個主面的至少一個，涂敷以金屬，最好是鋁。
14.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的燈是白熾燈，特別是鹵素?zé)簟l(fā)光二極管、發(fā)光二極管陣列、或氣體放電燈。
15.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的輔助反射器被安排在菲涅爾透鏡與反射器之間。
16.按照前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈，其中的菲涅爾透鏡在它的表面經(jīng)過預(yù)應(yīng)力處理，最好是熱預(yù)應(yīng)力處理。
17.一種光照單元，包括前面權(quán)利要求1至16之一要求的菲涅爾聚光燈，及有關(guān)的電源單元或鎮(zhèn)流器裝置。
18.按照權(quán)利要求1到16之一的菲涅爾聚光燈的使用，和按照權(quán)利要求17的光照單元的使用，可用于醫(yī)藥、建筑、電影術(shù)、劇場、攝影棚、和照相中。
19.一種手電筒，包括前面權(quán)利要求之一的菲涅爾聚光燈。
全文摘要
為了在有可調(diào)整出射光束孔徑角的菲涅爾聚光燈中，特別是同樣在泛光的設(shè)置中，以高的效率提供均勻的輸出光場，該菲涅爾聚光燈包括最好是橢圓面的反射器、燈、和至少一個菲涅爾透鏡，為此，要使菲涅爾透鏡有一漫射器。
文檔編號G02B3/08GK1637342SQ200410056438
公開日2005年7月13日 申請日期2004年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者魯?shù)细瘛せ貭柭? 哈里·瓦格納 申請人:肖特股份公司