菲涅爾聚光燈的制作方法

專利名稱：菲涅爾聚光燈的制作方法
技術領域：
本發明涉及有可調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：
在常規的菲涅爾聚光燈中，與光照有關的部件，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，燈發射的光的一部分被反射回燈上，并增強向前半部空間的光發射。向前引導的該部分光，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。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，可以連續地增大出射光束的孔徑角。此時獲得發散的光路，也稱為泛光。
但是，這種聚光燈的缺點是低下的發光效率，特別是在它們的聚光設置時，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整而改變。從而導致光的亮度的變化。頂點與反射器之間距離的調整和光闌與反射器之間距離的調整，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，產生光束變化的發射角。
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，在聚光設置時，它在光源一側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軌獨立地調整。但是，這要求額外的機械設備。
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始終存在的中央暗區，它不能借助反射器內的散射裝置補償，或者能被反射器內的散射裝置補償，不過伴隨大的光損耗。即使用常規的漫射裝置來避免光源發射中心的成像，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，特別是在聚光的設置中，雖然在此設置中，只有非常小孔徑角的暗區，但因為在常規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，直接導致大的光損耗。

發明內容
本發明的一個目的，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。
該目的是借助按照權利要求1的菲涅爾聚光燈，和按照權利要求17的照明單元，以意想不到的方式達到的。
本發明的發明人已經發現，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，能夠在菲涅爾聚光燈的任何設置中非常有效地避免，且在反射器的聚光設置中高的光損耗不再出現。
令人意想不到的發現是，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路徑，都精確地照射在菲涅爾透鏡位置上較小的區域。
本發明的發明人已經利用這一效應，以便借助本發明提供一種自動的或自適應的光混合系統，通過該系統，與菲涅爾聚光燈的調整同步地，只有該設置所必需的散射光分量，才與幾何光學的成像光混合。
光的混合比，它幾乎能夠最佳地適應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，基本上對反射器的任何設置，確保校正的混合比，從而持續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，而在其邊緣安排不那么強散射作用的區。十分強的聚焦光束可以據此進一步加寬，于是能夠產生極其寬的照明角。
另外，漫射器邊緣不僅不作成突然結束的，而是作成散射作用連續下降的形式，同時繼續伸展至菲涅爾透鏡的下面或上面。據此能夠實現進一步適應與設置有關的混合比。
在各優選實施例中，漫射器可以安排在光的入口側，也可以在光的出口側。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和光的出口側。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”，該申請公開的內容，全部收入本申請公開的內容，供參考。
如圖5通過舉例方式所示，可以對聚光設置和對泛光設置兩種設置，同時在整個光場中保持照度強度的均勻性。
按照本發明，提供一種有大孔徑的橢圓面反射器。聚光設置的調整，是把黑體輻射體的燈絲，具體說是鹵素燈、或放電燈的放電弧，定位在橢圓面在反射器一側的焦點，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的焦點上的燈絲或放電弧，經過菲涅爾透鏡成像后，成像在無窮遠，因此它的光被轉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射。
在本發明的一個實施例中，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，涂敷光學薄層系統。菲涅爾透鏡的涂層最好包括介電干涉層系統，該干涉層系統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。
本發明的另一個優選實施例，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。
本發明的一個優選實施例，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，被作成散射光的結構，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構。這樣，可以使疊加在幾何光學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。
菲涅爾透鏡最好在它的表面經過預應力處理，最好是熱預應力處理，以便有較高強度和熱穩定性。
按照本發明，該聚光燈可用于醫藥、建筑、電影術、劇場、攝影棚、和照相，以及手電筒中。
在各優選實施例中，可以把漫射器安排在光的入口側或光的出口側。有利的選項可以進一步用于把漫射器安排在光的入口側和光的出口側。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。


本發明將借助優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置和在它的泛光設置之一時，依賴于孔徑角的光強的對數表示。
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，特別是鹵素燈、發光二極管、發光二極管陣列、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。
聚光設置的調整，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的焦點F1上。
在該設置中，反射器1反射的光，幾乎全部被引導至橢圓面1的遠離反射器的焦點F2上。此時，菲涅爾透鏡3左側的正的或實的焦點F3，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內的開孔5，如何在光場4的平行光路中產生暗區6。
在菲涅爾透鏡3內，有一圓形的安排在中央的漫射器7，該漫射器7產生規定的散射光比和規定的散射光孔徑角。據此提供散射光對菲涅爾透鏡3的幾何光學成像光規定的混合比。
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的徑向連續地改變，使更強的散射區安排在漫射器7的中央，而在它的突然結束的邊緣，安排不那么強的散射區。
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束，而是設計成散射作用連續地下降，并且它還延伸至菲涅爾透鏡的下面或上面。
借助這一點，系統地實現進一步適應與設置有關的混合比，以便本領域熟練人員總能給出均勻照明光場的最佳混合比，或甚至總能按規定方式產生局部更高強度的光場。
圖1還畫出在聚光設置時，全部光中只有一小部分通過漫射器7。
漫射器7導致非常均勻的照度，如圖5中對聚光設置的曲線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表示。
圖2畫出圖1所示菲涅爾聚光燈在第一泛光設置時的實施例，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，相對于聚光設置的位移值，是按規定方式用機械導軌改變的。
圖2的結構基本上與圖1說明的菲涅爾聚光燈的結構對應。
但是，從圖2可以清楚看到，出射光束4孔徑角與暗區6兩者已經增加。
然而，因為在該設置中，非常大百分比的光只落在漫射器7中央非常小的區域，所以該區域可以有特殊的結構，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6進行近似的補償。還可以參考圖5，圖上對某一泛光設置，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部件的軸向導槽。
作為一種變化，該光學部件也可以用電機驅動。
圖3畫出另一個優選實施例。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，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的發光裝置，例如燈絲或放電區，從而不會再不必要地把發光裝置加熱。
作為一種變化，輔助反射器18可以安裝在燈2的玻璃體內側或外側。燈體的玻璃能夠為此目的作成適當的形狀，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和菲涅爾透鏡環系統11，透鏡環系統有環形透鏡的分段11、12、13，在其內側安排圓形漫射器7。
漫射器7按規定方式構造，或有小面15、16、17，這些小面的散射性質能在大面積上精確規定，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。該申請公開的內容，全部收入本申請公開的內容，供參考。
但是，本發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，在帶有比現有技術明顯更小的電源單元或鎮流器的光照單元中采用特別有利。因為按照本發明的菲涅爾聚光燈，有高出許多發光效率，所以對現有技術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。
按照本發明的菲涅爾聚光燈，還能有利地用于增加手電筒的發光效率。
參考數字表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7 漫射器8 聚光設置的強度分布9 泛光設置的強度分布10 基體11 菲涅爾透鏡環12 環形透鏡分段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
權利要求
1.一種有可調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.按照權利要求1的菲涅爾聚光燈，其中的漫射器按圓形設計，并安排在菲涅爾透鏡的中心。
3.按照權利要求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，該混合系統隨菲涅爾聚光燈設置的變化，改變散射光對幾何光學成像光的比例，從而改變光的混合比。
4.按照權利要求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計，最好是平凸的會聚透鏡。
6.按照前面權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的雙透鏡。
7.按照前面權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/或塑料構成。
8.按照前面權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有光學薄層系統。
9.按照前面權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，被作成散射光的結構，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構。
10.按照前面權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，都至少有一側是涂敷的。
12.按照前面權利要求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，它改變通過的光的光譜。
13.按照前面權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，特別是鹵素燈、發光二極管、發光二極管陣列、或氣體放電燈。
15.按照前面權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過預應力處理，最好是熱預應力處理。
17.一種光照單元，包括前面權利要求1至16之一要求的菲涅爾聚光燈，及有關的電源單元或鎮流器裝置。
18.按照權利要求1到16之一的菲涅爾聚光燈的使用，和按照權利要求17的光照單元的使用，可用于醫藥、建筑、電影術、劇場、攝影棚、和照相中。
19.一種手電筒，包括前面權利要求之一的菲涅爾聚光燈。
全文摘要
為了在有可調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 優先權日2003年12月22日
發明者魯迪格·基特爾曼, 哈里·瓦格納 申請人:肖特股份公司