прожектор с линзой френеля

Формула изобретения

1. Прожектор с линзой Френеля, излучаемый световой луч которого имеет регулируемый апертурный угол, имеющий рефлектор, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля, при этом линза Френеля является линзой с отрицательной фокальной длиной и поэтому является отрицательной линзой с виртуальной фокальной точкой, причем прожектор выполнен с возможностью наложения на виртуальную фокальную точку линзы Френеля фокальной точки рефлектора, удаленной от рефлектора.

2. Прожектор по п.1, в котором указанная фокальная точка рефлектора наложена на виртуальную фокальную точку линзы Френеля в положении прожектора, образующем квазипараллельный путь луча.

3. Прожектор по п.1, в котором линза Френеля предпочтительно является двояковогнутой отрицательной линзой.

4. Прожектор по п.1, в котором линза Френеля содержит двойную линзу с хроматически скорректированными характеристиками отображения.

5. Прожектор по п.1, содержащий линзу Френеля с интегрированным рассеивающим стеклом.

6. Прожектор по п.5, в котором рассеивающее стекло является круговыми, расположено у центра линзы Френеля и образует систему смешивания света, которая изменяет долю рассеянного света относительно доли геометрически/оптически отображенного света, то есть отношение смешивания света как функции от положения прожектора с линзой Френеля.

7. Прожектор по любому из пп.1-6, в котором рефлектор состоит из металлического или прозрачного предпочтительно диэлектрического материала в виде стекла и/или пластмассы.

8. Прожектор по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из двух основных поверхностей рефлектора снабжена системой оптически тонких слоев.

9. Прожектор по п.5, в котором отражающая свет поверхность рефлектора структурирована для рассеяния света и предпочтительно имеет элементы поверхности или грани и ни одна, одна или две поверхности линзы Френеля структурированы с целью рассеяния света дополнительно к рассеивающему стеклу.

10. Прожектор по п.1, в котором рефлектор является эллипсоидным рефлектором.

11. Прожектор по п.1, в котором рефлектор, линза Френеля и/или рассеивающее стекло покрыты/покрыта, по меньшей мере, на одной стороне.

12. Прожектор по п.11, в котором покрытие линзы Френеля выполнено в виде системы диэлектрических интерференционных слоев, которые изменяют спектр через линзу проходящего света.

13. Прожектор по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из двух основных сторон рефлектора покрыта металлом, предпочтительно алюминием.

14. Прожектор по п.1, в котором лампа является лампой накаливания, в частности галогенной лампой, светоизлучающим диодом, матрицей светоизлучающих диодов или газоразрядной лампой.

15. Прожектор по п.1, в котором между линзой Френеля и рефлектором расположен вспомогательный рефлектор.

16. Прожектор по п.1, в котором линза Френеля предварительно напряжена, предпочтительно термически предварительно напряжена на своей поверхности.

17. Осветительная установка, содержащая прожектор с линзой Френеля по любому из пп.1-16, а также соответствующий источник электропитания или балластное сопротивление.

18. Применение прожектора с линзой Френеля по любому из пп.1-16 в качестве осветительного устройства в медицине, архитектуре, в кино, на сцене, в студии и в фотографии.

19. Карманный фонарь, содержащий прожектор с линзой Френеля по любому из пп.1-16.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к прожектору с линзой Френеля, излучаемый световой луч которого имеет регулируемый апертурный угол, причем прожектор имеет рефлектор, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля.

Уровень техники

Те части прожекторов с линзой Френеля, которые служат для целей освещения, обычно содержат лампу, линзу Френеля и сферический вспомогательный рефлектор. Обычно, нить накала лампы расположена по существу неподвижно в центральной точке сферического рефлектора. Следовательно, часть света, излучаемого лампой, отражается обратно в нее, поддерживая излучение света в переднюю полусферу. Этот свет, который направлен вперед, фокусируется линзой Френеля. Однако степень фокусирования света зависит от расстояния между линзой Френеля и лампой. Если нить лампы расположена в фокальной точке линзы Френеля, то это приводит к наиболее узкой фокусировке луча. Это приводит к квазипараллельному пути луча, что называется также пятном. Сокращение расстояния между линзой Френеля и лампой приводит к постоянному увеличению апертурного угла излучаемого светового луча. Это приводит к расхождению пути луча, что называется также заливающим светом.

Однако такие прожекторы имеют недостаток низкого выхода света, в частности в их положении пятна, поскольку в этом случае лишь относительно небольшой диапазон пространственного угла лампы перекрывается линзой Френеля. Другой недостаток состоит в том, что большая часть света, которая отражается от сферического отражателя, попадает снова на саму нить лампы, что приводит к ее поглощению и дополнительному нагреванию нити накала лампы.

В DE 3919643 A1 раскрыт прожектор, имеющий рефлектор, диафрагму и линзу Френеля. Количество света, излучаемого из прожектора, изменяется посредством регулирования источника света. Это приводит к изменению яркости света. Яркость регулируется посредством регулирования расстояния между вершиной и рефлектором и между диафрагмой.

В DE 3413310 A1 раскрыт прожектор с лампой и рефлектором или лампой и фокусирующей линзой. Прожектор имеет также рассеивающее стекло или зеркало, которые оба расположены под углом 45. Зеркало отражает свет, и свет рассеивается рассеивающим стеклом. Различные углы излучения светового луча получают посредством перемещения рассеивающего стекла.

В DE 10113385 С1 описан прожектор с линзой Френеля, в котором линза Френеля является фокусирующей линзой, фокальная точка которой на стороне источника света расположена в положении пятна приблизительно у фокальной точки эллипсоидного рефлектора, которая удалена от рефлектора. Таким образом, расстояние между фокальными точками рефлектора, фокальная длина рефлектора и фокальная длина линзы Френеля складываются с образованием минимальной длины прожектора с линзой Френеля. Кроме того, отношение расстояний между лампой и рефлектором и отношение расстояний между рефлектором и линзой Френеля установлены как функция друг друга, что соответственно усложняет конструкцию. Однако для этого необходимы дополнительные механические устройства.

Раскрытие изобретения

Поэтому целью изобретения является создание прожектора с линзой Френеля, который имеет более компактную форму и поэтому не только экономит пространство, но также является более легким по сравнению с обычным прожектором с линзой Френеля. Другой целью изобретения является простое и дешевое изготовление прожектора с линзой Френеля.

Эта цель достигнута неожиданно простым образом с помощью прожектора с линзой Френеля, согласно пункту 1 формулы изобретения, и с помощью осветительной установки, согласно пункту 17 формулы изобретения.

Использование линзы Френеля с отрицательной фокальной длиной делает возможным обеспечение экстремально компактной формы, которая, например, в положении пятна прожектора с линзой Френеля соответствует, по существу, лишь длине рефлектора вместе с толщиной соответствующей используемой линзы Френеля.

Прожектор с линзой Френеля, согласно изобретению, обеспечивает значительно лучшую эффективность света, в частности в положении пятна, а также в положении заливающего света.

Одновременно сохраняется равномерность интенсивности света во всем световом поле, как показано, например, на фиг.6, как для положения пятна, так и положения заливающего света.

Согласно изобретению, предусмотрен эллипсоидный рефлектор с большой апертурой. Положение пятна устанавливается посредством расположения нити накала лампы излучателя черного тела, в частности, галогенной лампы, или электроразрядной дуги, или электроразрядной лампы у фокальной точки эллипсоида на стороне рефлектора и посредством расположения второй фокальной точки эллипсоида, приблизительно, у отрицательной или виртуальной фокальной точки линзы Френеля, которая удалена от рефлектора.

Свет, который отражается от рефлектора, фактически полностью фокусируется в фокальной точке эллипсоида, которая удалена от рефлектора, прежде, чем он входит в отрицательную линзу. Нить лампы, которая расположена у фокальной точки на стороне рефлектора, или электроразрядная дуга, фокусируется в бесконечно удаленную точку после прохождения через линзу Френеля, и ее свет изменяется таким образом в практически параллельный световой луч.

Отраженный свет, по существу, больше не попадает на нить лампы или электроразрядную дугу. Виртуальная отрицательная фокальная точка линзы Френеля совпадает с фокальной точкой эллипсоида рефлектора, которая удалена от рефлектора, что обеспечивает экстремально компактную форму.

Если апертурный угол рефлектора и линзы Френеля выбраны подходящим образом, то свет, отражаемый рефлектором, практически весь направляется на линзу Френеля и излучается вперед в виде узкого точечного светового луча.

Таким образом, выход света значительно больше, чем в случае обычных прожекторов с линзой Френеля.

Один вариант выполнения изобретения содержит эллипсоидный рефлектор, состоящий из металлического или прозрачного материала. Предпочтительно используются стеклянные или полимерные материалы или пластмассы, которые, предпочтительно, покрыты металлом, например алюминием.

В качестве альтернативного решения или дополнительно к изготовлению отражательной поверхности одна или обе поверхности рефлектора снабжены системой оптически тонких слоев. Это предпочтительно приводит к отражению видимых составляющих излучения, а невидимые составляющие, в частности тепловые составляющие излучения, пропускаются.

Другой предпочтительный вариант выполнения изобретения содержит металлическое покрытие на одной или обеих основных поверхностях рефлектора.

В другой альтернативной модификации рефлектор может быть также металлическим рефлектором, который может быть непокрытым, или также диэлектрическое или металлическое покрытие с целью получения желаемых спектральных и коррозионных характеристик.

Один предпочтительный вариант выполнения изобретения содержит прожектор с линзой Френеля, в котором отражающая свет поверхность рефлектора имеет структуру, рассеивающую свет, и ни одной, одна или две поверхности линзы Френеля имеют структуру, рассеивающую свет. Это приводит к фиксированному соотношению наложения рассеянного света к геометрически/оптически отображаемому свету, что исключает формирование изображения лампы в световом поле. Для этой цели рефлектор, предпочтительно, имеет элементы поверхности или грани, которые делают возможным вычисление и изготовление его рассеивающих свет компонентов заданным образом.

С увеличением миниатюризации источника света, например в важной области цифровой проекции или для мощных электроразрядных ламп, может возникать все более сильно выраженная центральная темная зона, которую нельзя компенсировать или же можно компенсировать лишь с потерями света с помощью рассеивающих устройств внутри рефлектора. Кроме того, обычные рассеивающие устройства, которые используются для исключения формирования изображения центра излучения источника света, позволяют устранять это лишь в ограниченной степени, если вообще устраняют, поскольку в этом случае, по меньшей мере, темный центральный апертурный конус необходимо также равномерно освещать в каждом положении прожектора с линзой Френеля. Однако, в частности в положении пятна, это само по себе приводит к большим потерям света, поскольку в этом случае имеется лишь темная зона с очень малым апертурным углом, а тем не менее необходимо использовать полную площадь линзы Френеля для рассеяния светового поля в случае обычных линз Френеля с рассеивающими устройствами.

Изобретателями было установлено, что эти большие потери света можно исключить неожиданно простым образом. В этом случае особенно предпочтительно, чтобы линза Френеля имела рассеивающее стекло, которое, особенно предпочтительно, является круговым и расположено лишь у центра линзы Френеля.

В этом варианте выполнения темные зоны в центре освещаемой зоны можно очень эффективно исключать в каждом положении прожектора с линзой Френеля без вызывания излишне больших потерь света, когда рефлектор находится в положении пятна.

Неожиданным образом было установлено, что геометрический/оптический путь луча света, выходящего из рефлектора в месте расположения линзы Френеля, освещает меньшую зону, когда увеличивается необходимая доля рассеянного света.

В изобретении используется это явление с целью создания автоматической или адаптивной системы смешивания света, которая добавляет к геометрически/оптически отображаемому свету синхронно с перемещением прожектора с линзой Френеля лишь ту составляющую рассеянного света, которая необходима для этого положения.

Это отношение смешивания света, которое можно практически оптимально согласовывать с соответствующим требуемым распределением света, в последующем тексте для краткости называется соотношением смешивания.

Эта автоматическая система смешивания света создает правильное соотношение смешивания активного слоя в каждом положении рефлектора, создавая, тем самым, всегда сильно равномерно освещенное световое поле без необходимости ненужных потерь рассеивания, возникающих в процессе.

В этом случае соотношение смешивания линзы Френеля, полная площадь которой освещается, можно задавать посредством выбора диаметра интегрированного рассеивающего стекла относительно остальной площади линзы Френеля, и апертурный угол рассеиваемого света можно задавать с помощью характеристик рассеяния отрицательной линзы.

Кроме того, рассеивающий эффект интегрированного рассеивающего стекла можно изменять, так что, например, более сильно рассеивающие зоны расположены у центра рассеивающего стекла, а менее сильно рассеивающие зоны расположены на его кромке. В соответствии с этим относительно сильно сфокусированный луч дополнительно также расширяется, так что достигаются экстремально широкие углы освещения.

В качестве альтернативного решения, кромка рассеивающего стекла может быть выполнена не только с резкими окончаниями, а может быть выполнена так, что ее рассеивающее действие постоянно уменьшается, все еще проходя ниже или выше линзы Френеля. Это обеспечивает дополнительное согласование с зависящими от положения соотношениями смешивания.

В данную заявку включается полное содержание заявки, поданной в тот же день заявителем с названием "Оптическая система со ступенчатой линзой (линзой Френеля)".

Согласно изобретению прожектор предназначается для использования в архитектуре, медицине, в кино, на сцене, в студии и фотографии, а также для карманного фонаря.

Рассеивающее стекло в предпочтительном варианте выполнения может быть расположено как на стороне входа света, так и на стороне выхода света. Кроме того, предпочтительно возможно расположение рассеивающих стекол на стороне входа света или на стороне выхода света. В этом указанном последнем варианте выполнения можно использовать рассеивающие стекла с различным рассеиванием, например рассеивающие стекла с различным рассеиванием в различных местах.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание изобретения с использованием предпочтительных вариантов выполнения и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - вариант выполнения прожектора с линзой Френеля в положении пятна, при этом фокальная точка рефлектора, которая удалена от рефлектора, приблизительно накладывается на виртуальную фокальную точку линзы Френеля на правой стороне;

фиг.2 - вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, показанный на фиг.1, в первом положении заливающего света, при этом фокальная точка рефлектора, которая удалена от рефлектора, расположена приблизительно на поверхности линзы Френеля, которая находится вблизи рефлектора;

фиг.3 - вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, показанный на фиг.1, в своем втором положении заливающего света с большим апертурным углом, при этом фокальная точка рефлектора, которая удалена от рефлектора, отображается линзой Френеля перед той поверхностью линзы Френеля, которая удалена от рефлектора;

фиг.4 - вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, показанный на фиг.1, в своем втором положении заливающего света с большим апертурным углом, при этом другая часть света первоначально пропускается с помощью вспомогательного рефлектора в рефлектор и оттуда в линзу Френеля;

фиг.5 - отрицательная линза Френеля с центрально расположенным рассеивающим стеклом; и

фиг.6 - график в логарифмическом масштабе (в зависимости от апертурного угла) интенсивности света прожектора с линзой Френеля в его положении пятна и в одном из его положений заливающего света.

Осуществление изобретения

В последующем подробном описании используются одинаковые позиции для обозначения одинаковых элементов или элементов, имеющих одинаковое действие в каждом из вариантов выполнения.

На фиг.1 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля в положении пятна. Прожектор с линзой Френеля, по существу, содержит эллипсоидный рефлектор 1, лампу 2, которая может быть галогенной лампой или же электроразрядной лампой, линзу 3 Френеля, которая является линзой с отрицательной преломляющей способностью, предпочтительно двояковогнутой линзой Френеля.

На фиг.1 фокальная точка F2 эллипсоидного рефлектора 1, которая удалена от рефлектора, приблизительно накладывается на виртуальную или отрицательную фокальную точку F3 линзы Френеля на правой стороне.

Световой луч 4, который излучается прожектором, показан на чертежах лишь схематично в виде наружных кромок луча.

Положение пятна устанавливается посредством расположения нити накала лампы или электроразрядной дуги лампы 2, по существу, у фокальной точки F1 эллипсоида 1 рефлектора на стороне рефлектора.

Свет, который отражается рефлектором 1, направлен в этом положении практически полностью к фокальной точке F2 эллипсоида 1, которая удалена от рефлектора. Расположенная справа отрицательная или виртуальная фокальная точка F3 линзы 3 Френеля в этом случае, предпочтительно, совпадает с фокальной точкой F2 эллипсоида рефлектора.

Ближнее поле на фиг.1 также показывает, какое воздействие оказывает отверстие 5 внутри рефлектора 1 в качестве темной зоны 6 на параллельный путь луча светового поля 4.

Внутри линзы 3 Френеля предусмотрено круговое, центрально расположенное рассеивающее стекло 7, которое создает заданное отношение рассеянного света и задает апертурный угол рассеянного света. Это приводит к заданному отношению смешивания рассеянного света относительно света, который геометрически/оптически отображается линзой 3 Френеля.

В качестве альтернативного решения для этого варианта выполнения рассеивающего стекла 1, рассеивающее действие в другом варианте выполнения постоянно изменяется вдоль радиуса рассеивающего стекла 7, так что более сильно рассеивающие зоны расположены в центре рассеивающего стекла 7, а менее сильно рассеивающие зоны расположены на его кромке, которая резко заканчивается.

В еще одной альтернативной модификации кромка рассеивающего стекла 7 выполнена не только так, что она резко заканчивается, но также так, что ее рассеивающее действие постоянно уменьшается, и она может также проходить над или под линзой Френеля.

Следовательно, можно выполнять дополнительные согласования с зависящими от положения отношениями смешивания в качестве функции системы, так что специалисты в данной области техники могут всегда обеспечивать оптимальное отношение смешивания для равномерно освещенного светового поля или же создавать световые поля с заданными местными более высокими интенсивностями.

На фиг.1 также показано, что лишь небольшая часть полного света проходит через рассеивающее стекло 7 в положении пятна.

Рассеивающее стекло 7 приводит к очень равномерному освещению, как показано линией 8 для положения пятна на фиг.6, на которой показана в логарифмическом масштабе (в зависимости от апертурного угла) интенсивность света прожектора с линзой Френеля.

На фиг.2 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, показанного на фиг.1, в первом положении заливающего света, в котором фокальная точка F2 рефлектора 1, которая удалена от рефлектора, расположена приблизительно на поверхности линзы 3 Френеля, которая находится вблизи рефлектора.

В этом случае величина смещения относительно положения пятна изменяется другим образом с помощью механической направляющей.

В основном, конструкция соответствует прожектору с линзой Френеля, описанному применительно к фиг.1.

Однако, как показано на фиг.2, как апертурный угол излучаемого светового луча 4, так и темная зона 6 увеличены.

Однако, поскольку очень большая часть света в этом положении падает лишь на очень небольшую зону в центре рассеивающего стекла 7, то эту зону можно в действительности выполнять так, что ее передний рассеивающий лепесток, приблизительно, компенсируется в темной зоне 6 дальнего поля или в дальней зоне желаемым образом. На фиг.6 показаны световые условия с помощью линии 9, например, для положения заливающего света.

На фиг.3 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, согласно фиг.1, во втором положении заливающего света с еще большим апертурным углом, чем на фиг.2, при этом фокальная точка F2 рефлектора 1, которая удалена от рефлектора, отображается линзой 3 Френеля по направлению вперед относительно поверхности линзы 3 Френеля, которая удалена от рефлектора.

В этом случае большая зона рассеивающего стекла 7 имеет проходящий через нее свет, который показан на фиг.2, и ее полное рассеивающее действие можно согласовывать с взаимоотношениями этого положения заливающего света.

На фиг.4 показан другой предпочтительный вариант выполнения. В этом варианте выполнения, который, по существу, соответствует описанным выше вариантам выполнения, за исключением того, что предусмотрен вспомогательный рефлектор 18, при этом вспомогательный рефлектор 18 отклоняет свет из лампы 2 (который проходил бы вправо на фиг.2 и больше не достигал рефлектора 1) в рефлектор 1 за счет отражения. В результате не только можно использовать свет, который представлен в качестве примера, лучом 19 и который не вносил бы вклад в освещение без вспомогательного рефлектора, но также можно лучше использовать ту часть света, которая, в противном случае, непосредственно входит в линзу 3 Френеля, для желаемого распределения света.

Форма вспомогательного рефлектора 18, предпочтительно, выбрана так, что свет, который отражается от него, не входит снова в средство создания света в лампе 2, например нить накала или электроразрядную дугу, и не приводит к его нежелательному нагреванию.

В качестве альтернативного решения, вспомогательный рефлектор 18 может быть установлен на внутренней поверхности или наружной поверхности стеклянного корпуса лампы 2. Для этой цели корпус лампы может иметь соответствующую форму для достижения желательного направления отраженного света.

Например, на фиг.5 показана линза 3 Френеля с рассеивающим стеклом 7, используемым в изобретении. Линза 3 Френеля имеет прозрачный основной корпус 10, а также кольцевую систему 11 линзы Френеля с кольцевыми линзовыми секциями 11, 12, 13, между которыми расположено круговое рассеивающее стекло 7.

Рассеивающее стекло имеет выполненную заданным образом структуру или же имеет грани 15, 16, 17 с характеристиками рассеяния, которые можно задавать в широких пределах, при этом грани 15, 16, 17 описаны в заявке на патент Германии DE 10343630.8 с названием "Рассеивающее стекло", которая подана в Патентное ведомство Германии 19 сентября. Полное содержание этой заявки также включается в данное описание.

Однако данное изобретение не ограничивается этим уже описанным вариантом выполнения рассеивающего стекла.

Описанный прожектор с линзой Френеля особенно предпочтительно использовать в осветительной установке совместно с блоком электропитания или балластным сопротивлением, которые значительно меньше, чем в уровне техники. Этот блок электропитания может быть выполнен электрически и механически меньшим для той же полезной световой мощности, чем в уровне техники, поскольку прожектор с линзой Френеля, согласно изобретению, имеет значительно более высокий выход света. Поэтому он меньше весит и занимает меньше места при хранении и транспортировки.

Однако, в частности при использовании рефлекторов холодного света, снижается также полная тепловая нагрузка на людей и на освещаемые объекты.

Кроме того, прожектор с линзой Френеля, согласно изобретению, можно, предпочтительно, использовать для увеличения выхода света из карманных фонарей, в которых более жестко ограничивается доступная электрическая энергия.

Перечень ссылок на чертежах

1) Рефлектор

2) Лампа

3) Линза Френеля

4) Излучаемый световой луч

5) Отверстие в рефлекторе 1

6) Темная зона

7) Рассеивающее стекло

8) Распределение интенсивности в положении пятна

9) Распределение интенсивности в положении заливающего света

10) Основной корпус

11) Кольцевая система линзы Френеля

12) Кольцевые секции линзы

13) То же

14) То же

15) Грань

16) То же

17) То же

18) Вспомогательный рефлектор

19) Путь луча, отраженного вспомогательным рефлектором.