Прожектор с линзой френеля с взаимосвязанным изменением расстояния между осветительными элементами - RU2293250C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к прожектору с линзой Френеля, с регулируемым углом апертуры выходящего пучка света, который содержит отражатель, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля.

Уровень техники

В случае обычных прожекторов с линзой Френеля часть, соответствующая осветительному оборудованию, в общем, содержит лампу, линзу Френеля и сферический вспомогательный отражатель. Нить накаливания лампы обычно расположена, по существу, неподвижно в центре сферического отражателя. Следовательно, часть света, излучаемого лампой, отражается в обратном направлении на последнюю и поддерживает излучение света в передней полусфере. Этот направленный вперед свет фокусируется линзой Френеля. Степень оптического фокусирования, однако, представляет собой функцию расстояния между линзой Френеля и лампой. Самое узкое оптическое фокусирование происходит, когда нить накала лампы располагают в точке фокусирования линзы Френеля. В результате формируется квазипараллельный путь луча, также называемого световым пятном. При уменьшении расстояния между линзой Френеля и лампой угол апертуры выходящего луча света постепенно увеличивается. В результате этого образуется путь расходящегося пучка света, который также называют заливающим светом. Однако недостаток таких прожекторов состоит в плохой светоотдаче, в частности, при работе в режиме светового пятна, поскольку в этом случае линза Френеля перекрывает только относительно малый диапазон пространственного угла лампы. Кроме того, недостаток состоит в том, что большая пропорция света, отражаемого сферическим отражателем, снова падает на нить накала лампы, поглощается и дополнительно нагревает нить накала лампы.

В DE 3919643 A1 описан прожектор с отражателем, диафрагмой и линзой Френеля. Освещение, создаваемое прожектором, изменяют путем регулирования источника света. Таким образом обеспечивают изменение яркости света. Управление яркостью обеспечивают путем изменения расстояния между точкой вершины и отражателем и между диафрагмой и отражателем.

В DE 3413310 А1 описан прожектор с лампой и отражателем или лампой и композитной линзой. Прожектор дополнительно имеет диффузионный экран или зеркало, причем оба эти элемента установлены под углом 45°. Зеркало отклоняет свет, и диффузионный экран рассеивает свет. Различные углы излучения пучка света получают путем перемещения диффузионного экрана.

В DE 10113385 C1 описан прожектор с линзой Френеля, в котором линза Френеля представляет собой композитную линзу, точка фокусирования которой на стороне источника света расположена в положении, обеспечивающем режим светового пятна, приблизительно в точке фокусирования эллиптического отражателя, расположенной дальше от отражателя. Таким образом, предотвращается излишний нагрев лампы из-за отраженного в обратном направлении света. Однако по мере повышения степени миниатюризации источника света, например, в случае использования мощных разрядных ламп высокого давления, в середине поля, освещенного светом, возможно появление сильно выраженной затененной области, которую нельзя компенсировать или которую можно компенсировать только с использованием диффузионных устройств при больших потерях света. Даже когда обычные диффузионные устройства используют для предотвращения образования изображения центра излучения источника света, они только частично позволяют решить эту проблему, если позволяют решить ее вообще, поскольку в этом случае, по меньшей мере, затененная средняя входная угловая апертура также должна быть равномерно освещена в каждом положении прожектора с линзой Френеля. Однако при этом определенно происходят значительные потери света в положении светового пятна, в частности, поскольку в этом случае образуется только очень небольшой угол апертуры затененной области, тогда как в случае обычных линз Френеля с диффузионными устройствами всегда используют всю площадь линзы Френеля для рассеяния светового поля.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на прожектор с линзой Френеля, который обеспечивает формирование равномерно освещенного светового поля при одновременном получении высокой эффективности.

Эта цель достигается удивительно простым способом с помощью прожектора с линзой Френеля по п.1 формулы изобретения и осветительного устройства по п.19 формулы изобретения.

Авторы настоящей заявки определили, что высокие потери света можно предотвратить удивительно простым способом с помощью диффузионного экрана. Особенно предпочтительно в этом случае устанавливать диффузионный экран на линзе Френеля так, что в особенно предпочтительном способе он имеет круглую форму и установлен только в центре линзы Френеля.

В этом варианте выполнения можно очень эффективно исключить темные области в середине поля освещения в любом положении прожектора с линзой Френеля, и при этом больше не происходят значительные потери света в положении светового пятна отражателя.

Неожиданно оказалось, что с точки зрения геометрической оптики пучок света, проходящий от отражателя, будет освещать меньшую область в месте расположения линзы Френеля, точно в обратной пропорции к доле рассеянного света.

Авторы настоящей заявки использовали этот эффект в соответствии с настоящим изобретением, для получения средства автоматической или адаптивной системы смешения света, которая, кроме формирования света с использованием геометрической оптики, обеспечивает одновременное смешение и регулировку прожектора с линзой Френеля с использованием только той фракции рассеянного света, которая требуется для данного положения.

Такое практически оптимальное соотношение смешения света для обеспечения соответствующего требуемого распределения света ниже для краткости обозначается только как отношение смешения.

По существу, для каждого положения отражателя такая автоматическая система смешения света обеспечивает правильное отношение смешения и, таким образом, всегда позволяет формировать очень равномерно освещенное световое поле, без излишних потерь на рассеяние.

Выбор диаметра диффузионного экрана по отношению к остальной площади линзы Френеля в этом случае можно использовать для определения соотношения смешения линзы Френеля, освещенной по всей площади, и угол апертуры рассеянного света может быть определен по свойствам рассеивания линзы Френеля.

Кроме того, рассеивающее действие самого встроенного диффузионного экрана можно изменять так, что, например, области с большим рассеиванием будут расположены в середине диффузионного экрана, и области с меньшим рассеиванием будут расположены на его кромке. В результате этого сильно сфокусированный пучок света дополнительно расширяется, и при этом можно использовать очень широкие углы освещения.

В качестве альтернативы, может быть не только сформирована резко заканчивающаяся кромка диффузионного экрана, но ей может быть придана такая форма, которая обеспечивает эффект непрерывного снижения степени рассеяния, и также она может проходить как под, так и над линзой Френеля. Таким образом, могут быть получены другие адаптации смешения в зависимости от положения.

В случае предпочтительных вариантов выполнения диффузионный экран может быть установлен как на стороне входа света, так и на стороне выхода света. Кроме того, предпочтительно, существует возможность установки диффузионных экранов на стороне входа света и на стороне выхода света. В случае последнего варианта выполнения также возможно использовать диффузионные экраны, которые обладают, например, разной пространственной степенью рассеяния.

Сошлемся на заявку, поданную в этот же день, от имени настоящего автора под названием "Optische Anordnung mit Stufenlinse" ["Оптическое устройство с линзой Френеля"], раскрытие содержания которой также полностью приведено в раскрытии содержания настоящей заявки в качестве ссылки.

Одновременно поддерживается равномерность уровня освещения всего поля света, как показано, например, на фигуре 6, как для положения в режиме светового пятна, так и для положения заливающего света.

В соответствии с настоящим изобретением предложен эллиптический отражатель с большой апертурой. Положение светового пятна регулируют благодаря тому, что нить накала лампы излучателя типа черного тела, в частности галогенной лампы, или разрядной дуги, помещают в точку фокусирования эллипсоида на стороне отражателя, и при этом вторая точка фокусирования эллипсоида, которая расположена дальше от отражателя, устанавливается приблизительно в реальной точке фокусирования со стороны отражателя линзы Френеля.

Свет, отраженный отражателем, фокусируется практически полностью в точке фокусирования эллипсоида, расположенной дальше от отражателя, перед входом в линзу Френеля. Нить накала лампы или разрядная дуга, расположенная в точке фокусирования линзы Френеля на стороне отражателя, проецируется в бесконечность после прохода через линзу Френеля, и ее свет, таким образом, преобразуется в практически параллельный пучок.

При условии правильного выбора утла апертуры отражателя и линзы Френеля свет, отраженный отражателем, практически полностью захватывается линзой Френеля и излучается вперед в виде узкого пучка света прожектора.

Угол апертуры пучка света, выходящего из линзы Френеля, можно практически произвольно увеличивать в случае первого варианта выполнения путем соответствующего изменения положения лампы по отношению к отражателю, с одной стороны, и путем расположения линзы Френеля на определенном расстоянии от отражателя, с другой стороны.

При этом становится возможным поддерживать хорошие свойства обычных прожекторов с линзой Френеля в отношении равномерности уровня освещения в случае, когда эти изменения расстояния производят на основе правильно выбранной положительной связи.

Один из вариантов выполнения настоящего изобретения состоит в том, что эллиптический отражатель содержит металлический или прозрачный диэлектрический материал. Предпочтительно, использовать в качестве диэлектрических материалов стекло и полимерные материалы или пластмассы, которые могут быть покрыты металлом, например алюминием.

В качестве альтернативы, или в дополнение, в одном варианте выполнения, при использовании прозрачного диэлектрического материала, одна из двух или обе поверхности отражателя содержат систему оптически тонких слоев для получения отражающей поверхности. Покрытие линзы Френеля, предпочтительно, содержит систему диэлектрических интерференционных слоев, которая изменяет спектр света, проходящего через нее. Таким образом, предпочтительно, обеспечивается возможность отражения компонентов видимого света, а невидимые компоненты, в частности компоненты теплового излучения, пропускаются.

В общем, как на отражатель, так и на линзу Френеля и/или диффузионный экран, может быть нанесено покрытие, по меньшей мере, с одной стороны, например в случае использования пластмассы может быть нанесено покрытие в виде слоя, защищающего от царапин, и/или не отражающего слоя.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретение содержит металлическое покрытие на одной или на обеих основных поверхностях отражателя.

В другом альтернативном варианте выполнения отражатель также может представлять собой металлический отражатель, который можно использовать как без покрытия, так и с покрытием из диэлектрика или металла, для обеспечения требуемых спектральных свойств и свойств стойкости к коррозии.

Предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения содержит прожектор с линзой Френеля, в случае которого отражающая свет поверхность отражателя, часть площади которого, предпочтительно, содержит грани, сформирована так, что она рассеивает свет, и при этом ни одна из поверхностей, одна или две поверхности линзы Френеля выполнены в виде структуры, рассеивающей свет. Это обеспечивает фиксированную долю суперпозиции рассеянного света относительно света, проецируемого геометрической оптикой, что может уменьшить темные кольца в световом поле.

Линзу Френеля, предпочтительно, изготовляют из закаленного стекла, предпочтительно обработанного способом термической закалки для обеспечения, таким способом, более высокой прочности и стойкости к тепловым нагрузкам.

Настоящее изобретение направлено на использование прожектора для архитектуры, медицины, кино, театральных сцен, студий и фотографии, а также для использования в качестве карманных фонариков.

В предпочтительных вариантах выполнения диффузионный экран может быть установлен как на стороне входа света, так и на стороне выхода света. Кроме того, предпочтительно, существует возможность расположения диффузионных экранов на стороне входа света и на стороне выхода света. Также возможно, в случае последнего варианта выполнения, использовать диффузионные экраны, обеспечивающие различное рассеяние, например экраны, которые обеспечивают различное пространственное рассеяние.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже со ссылкой на его предпочтительные варианты выполнения и при рассмотрении прилагаемых чертежей, на которых:

На фигуре 1 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля при установке режима светового пятна с наложением в некоторой степени на точку фокусирования отражателя, расположенную на удалении от последнего, расположенной с левой стороны реальной точки фокусирования линзы Френеля;

на фигуре 2 представлен вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, показанного на фигуре 1, в первом положении заливающего света, при этом точка фокусирования отражателя, расположенная дальше от последнего, устанавливается рядом с поверхностью линзы Френеля;

на фигуре 3 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, представленного на фигуре 1, во втором положении заливающего света с большим углом апертуры, чем в первом положении заливающего света, при этом точка фокусирования отражателя, расположенная дальше от последнего, проецируется линзой Френеля перед поверхностью линзы Френеля, удаленной от отражателя, и источник света перемещен из точки фокусирования рядом с отражателем в направлении к отражателю;

на фигуре 4 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, изображенного на фигуре 1, в положении светового пятна, с дополнительным вспомогательным отражателем, с помощью которого дополнительную часть света вначале направляют на отражатель и от последнего на линзу Френеля;

на фигуре 5 показана положительная (собирающая) линза Френеля с диффузионным экраном, расположенным по центру;

на фигуре 6 показано представление логарифмической зависимости интенсивности освещения от угла апертуры прожектора с линзой Френеля, установленного в режим светового пятна и в одном из режимов заливающего света.

Осуществление изобретения

В следующем подробном описании предполагается, что идентичными номерами ссылок обозначены идентичные или аналогично действующие элементы в различных соответствующих вариантах выполнения.

Рассмотрим фигуру 1, на которой показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля в положении светового пятна. Прожектор с линзой Френеля, по существу, включает эллиптический отражатель 1, лампу 2, в качестве которой можно использовать лампу накаливания, в частности галогенную лампу, светоизлучающий диод, набор светоизлучающих диодов или газоразрядную лампу, и линзу 3 Френеля, которая представляет собой собирающую линзу, предпочтительно плоско-выпуклую линзу Френеля.

На фигуре 1 на точку F2 фокусирования эллиптического отражателя 1, расположенную дальше от отражателя, в определенной степени налагается расположенная с левой стороны реальная или положительная точка F3 фокусирования линзы 3 Френеля.

Пучок 4 света, выходящий из прожектора, обозначен на чертежах только схематично лучами, проходящими по внешней кромке.

На фигуре 1 также показано расстояние а между линзой 3 Френеля и передней кромкой отражателя 1 и расстояние b между лампой 2 и точкой вершины отражателя 1.

Положение светового пятна устанавливают благодаря тому, что нить накала лампы или разрядная дуга лампы 2, по существу, установлена в точке F1 фокусирования эллипсоида 1 отражателя, расположенной со стороны отражателя.

Свет, отражаемый отражателем 1, направляется в этом положении практически полностью в точку F2 фокусирования эллипсоида 1, расположенную дальше от отражателя. Расположенная с левой стороны положительная или реальная точка F3 фокусирования линзы 3 Френеля при этом приблизительно совпадает с точкой F2 фокусирования эллипсоида отражателя.

В ближней зоне фигуры 1 также можно видеть, как апертура 5 в пределах отражателя 2 действует как затененная область 6 для пути параллельного пучка поля 4 света.

В пределах линзы 3 Френеля установлен круглый, расположенный по центру диффузионный экран 7, который обеспечивает определенное соотношение рассеянного света и определенный угол апертуры рассеянного света. В результате этого получают определенное соотношение смешения рассеянного света по отношению к свету, проецируемому геометрической оптикой с помощью линзы 3 Френеля.

В качестве альтернативы данному варианту выполнения диффузионного экрана 7, в другом варианте выполнения, степень рассеяния постепенно изменяется по радиусу диффузионного экрана 7 таким образом, что более сильно рассеивающие области располагаются в середине диффузионного экрана 7, и менее сильно рассеивающие области расположены на его резко заканчивающейся кромке.

В еще одном альтернативном варианте выполнения кромка диффузионного экрана 7 не только резко заканчивается, но она также выполнена таким образом, что ее действие рассеяния постоянно уменьшается, и она также может быть расположена под или над линзой Френеля.

В других вариантах соотношения смешения в зависимости от положения, таким образом, используют как функцию системы так, что специалист в данной области техники всегда может получить оптимальное соотношение смешения для формирования равномерно освещенного поля света, и также полей света, в которых обеспечивается определенное местное увеличение интенсивности освещенности.

На фигуре 1 также можно видеть, что в положении светового пятна только небольшая часть всего света проходит через диффузионный экран 7.

Благодаря диффузионному экрану 7, обеспечивается очень равномерное освещение, как представлено для положения светового пятна линией 8 на фигуре 6, на которой изображено логарифмическое представление зависимости от угла апертуры интенсивности света прожектора с линзой Френеля.

На фигуре 2 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, представленного на фигуре 1, в первом положении заливающего света, в котором точка F2 фокусирования отражателя 1, расположенная дальше от отражателя, установлена приблизительно на поверхности линзы 3 Френеля, расположенной ближе к отражателю.

Значение смещения а, относящееся к положению формирования светового пятна, в этом случае определенным образом изменяется с помощью механической направляющей.

Эта конструкция, в принципе, соответствует конструкции прожектора с линзой Френеля, изображенного на фигуре 1. Однако на фигуре 2 можно явно видеть, что по мере увеличения угла апертуры пучка 4 света, также увеличивается затененная область 6.

Однако, поскольку в этом положении очень большая часть света попадает только на небольшую область в середине диффузионного экрана 7, эта область в особенности может быть сконфигурирована так, чтобы передний лепесток ее рассеяния приблизительно компенсировал требуемым образом затененную область 6 в дальней зоне или в дальней области. Также можно сделать ссылку на фигуру 6, на которой линией 9 представлены условия освещения, например, для положения заливающего света.

Рассмотрим ниже фигуру 3, на которой представлен вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, изображенного на фигуре 1, во втором положении заливающего света с еще большим углом апертуры, чем на фигуре 2, при этом точка F2 фокусирования отражателя 1, расположенная дальше от отражателя, проецируется линзой 7 Френеля вперед от поверхности линзы 7 Френеля, расположенной дальше от отражателя.

В этом случае просвечивается большая площадь диффузионного экрана 7, чем на фигуре 2, и ее полное поведение рассеяния может быть адаптировано к условиям этого положения заливающего света.

Как показано на фигуре 3, дополнительное расширение луча 4 получают в качестве альтернативы или в дополнение к положению заливающего света, представленному на фигуре 2, путем изменения расстояния b лампы 2 от отражателя 1. При перемещении лампы 2 в направлении к отражателю 1 получают еще менее сфокусированный пучок света, выходящий из отражателя, в результате чего увеличиваются выходные углы на выходе из линзы 3 Френеля.

Для поддержания равномерного уровня освещения, особенно в предпочтительном варианте выполнения, производят изменения расположения элементов путем соответствующего выбора принудительной взаимосвязи, с помощью которой устанавливают определенное соотношение изменения а и b, которое, однако, не представлено на чертежах.

Расстояния а и b можно в одном варианте выполнения изменять вручную, с этой целью можно использовать осевую направляющую оптических компонентов.

Другой предпочтительный вариант выполнения показан на фигуре 4. В этом варианте выполнения, который, по существу, соответствует, за исключением дополнительного вспомогательного отражателя 18, вариантам выполнения, описанным выше, свет от лампы 2, который распространяется в правую сторону на фигуре 4 и не попадает на отражатель 1, направляют на отражатель 1 с помощью вспомогательного отражателя 18. Следовательно, обеспечивается возможность не только использовать свет, который представлен только для примера путем пучка света 19 и который не использовался бы для освещения без вспомогательного отражателя, но также возможно лучше использовать для обеспечения требуемого распределения света ту часть света, которая в другом случае непосредственно попадала бы на линзу 3 Френеля.

Форму вспомогательного отражателя 18, предпочтительно, выбирают такой, что свет, отражаемый от него, не попадает повторно на средство излучения лампы 2, например нити накаливания или зоны разряда, и не создает дополнительный нежелательный его нагрев.

В качестве альтернативы, вспомогательный отражатель 18 может быть установлен внутри и/или снаружи стеклянного корпуса лампы 2. С этой целью стекло корпуса лампы может иметь соответствующую форму для обеспечения требуемого направленного действия отражаемого света. На фигуре 5 показана в качестве примера используемая в настоящем изобретении линза 3 Френеля с диффузионным экраном 7. Линза 3 Френеля содержит основной прозрачный корпус 10 и систему 11 колец линзы Френеля 11 с кольцевыми участками 11, 12, 13 линзы, в пределах которых установлен круглый диффузионный экран 7.

Диффузионный экран 7 имеет соответствующую структуру или содержит грани 15, 16, 17, обеспечивающие рассеивание, которое можно точно определить на большой площади, как описано в публикации под названием "diffusing screen" в заявке на патент Германии настоящего заявителя DE 10343630.8, которая была подана 19 сентября в Офис по патентам и товарным знакам Германии. Раскрытие содержание этой заявки также приведено полностью в качестве ссылки в раскрытии содержания настоящей заявки.

Настоящее изобретение, однако, не ограничивается этими ранее описанными вариантами выполнения диффузионных экранов.

Описанный выше прожектор с линзой Френеля особенно предпочтительно использовать в осветительном комплекте вместе с блоком электропитания, который имеет существенно меньший размер по сравнению с известным уровнем техники. При мощности света, равной мощности устройств известного уровня техники, этот блок питания может быть выполнен с меньшими размерами как в отношении электрических, так и механических параметров, поскольку прожектор с линзой Френеля в соответствии с настоящим изобретением имеет существенно более высокую световую эффективность. В результате этого обеспечивается меньший вес и требуется меньше места для хранения или транспортировки.

В частности, когда используют отражатели холодного света, это приводит к уменьшению общей тепловой нагрузки на освещаемых людей и объекты.

Кроме того, прожектор с линзой Френеля в соответствии с настоящим изобретением, также, предпочтительно, можно использовать для увеличения световой эффективности карманных фонариков.

Список номеров ссылки

1 - отражатель,

2 - лампа,

3 - линза Френеля,

4 - выходной пучок света,

5 - апертура отражателя 1,

6 - затененная область,

7 - диффузионный экран,

8 - распределение интенсивности в положении светового пятна,

9 - распределение интенсивности в положении заливающего света,

10 - основной корпус,

11 - система колец линзы Френеля,

12 - участки кольцевой линзы,

13 - то же,

14 - то же,

15 - грань,

16 - то же,

17 - то же,

18 - вспомогательный отражатель,

19 - путь луча, отражаемый вспомогательным отражателем.

Реферат

Прожектор с линзой Френеля с регулируемым углом апертуры выходящего пучка света содержит, предпочтительно, эллиптический отражатель, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля, причем расстояние между линзой Френеля и отражателем можно изменять по определенной геометрической функции в зависимости от расстояния между лампой и отражателем, в соответствии с регулируемым углом апертуры, для пучка света, выходящего из прожектора. При этом линза Френеля имеет диффузионный экран, который расположен по центру линзы Френеля и имеет круглую форму. Линза Френеля образует с помощью диффузионного экрана систему смешения света, позволяющую изменять долю рассеянного света по отношению к фракции света, и имеет действительную точку фокусирования, на которую можно накладывать точку фокусирования отражателя, расположенную дальше от отражателя. Линза Френеля представляет собой плоско-выпуклую собирающую линзу и содержит двойную линзу с хроматически скорректированными свойствами проецирования. Покрытие линзы Френеля содержит систему диэлектрического интерференционного слоя, которая изменяет спектр проходящего через нее света. Между линзой Френеля и отражателем расположен вспомогательный отражатель. Технический результат - обеспечивается формирование равномерно освещенного светового поля при одновременном получении высокой эффективности. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула