Прожектор с линзой френеля
Прожектор с линзой Френеля с регулируемым углом апертуры выходящего пучка света содержит, предпочтительно, эллиптический отражатель, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля. Линза Френеля содержит диффузор, при этом диффузор выполнен круглой формы и расположен только в центре линзы Френеля или диффузор выполнен с изменяющейся степенью рассеивания таким образом, что более сильно рассеивающие области расположены в середине диффузора, а в меньшей степени рассеивающие области расположены по его кромке. Линза Френеля с диффузором образует систему смешения света, которая изменяет долю рассеянного света по отношению к доле геометрически-оптически проецируемого света, и, таким образом, изменяет соотношение смешения света как функцию установки прожектора с линзой Френеля, а также имеет действительную точку фокусирования, которая может быть наложена на точку фокусирования отражателя, удаленную от отражателя. Линза Френеля представляет собой плосковыпуклую собирающую линзу и содержит двойную линзу с хроматическими корректируемыми свойствами проецирования. Покрытие линзы Френеля содержит систему диэлектрических интерференционных слоев, которая изменяет спектр проходящего через нее света. Между линзой Френеля и отражателем расположен вспомогательный отражатель. Технический результат - обеспечивается высокая эффективность получения равномерного выходного света. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к прожектору с линзой Френеля с регулируемым углом апертуры выходящего луча света, который предпочтительно содержит отражатель эллиптической формы, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля.
Уровень техники
Обычные прожекторы с линзой Френеля, используемые в технике осветительного оборудования, обычно содержат лампу, линзу Френеля и вспомогательный сферический отражатель. Нить накала лампы обычно расположена, по существу, неподвижно в центре сферического отражателя. Часть света, излучаемого лампой, поэтому отражается обратно на нее и усиливает излучение света в передней полусфере. Такой направленный вперед свет коллимируют с помощью линзы Френеля. Степень коллимации зависит, однако, от расстояния между линзой Френеля и лампой. Самую узкую коллимацию получают, когда нить накала лампы расположена в фокальной точке линзы Френеля. При этом получают режим квазипараллельного оптического пути, также называемый режимом светового пятна. Угол апертуры выходящего луча света можно непрерывно увеличивать при сокращении расстояния между линзой Френеля и лампой. При этом получают режим расходящегося оптического пути, который также называется режимом заливающего света.
Недостаток таких прожекторов, однако, состоит в малой эффективности излучения света, в частности, при установке параметров режима светового пятна, поскольку только относительно малый пространственный угол сферы излучения лампы захватывается линзой Френеля. Другой отрицательный эффект возникает в результате того, что большая часть света, отражаемого сферическим отражателем, вновь падает на нить накала лампы, где он поглощается и дополнительно нагревает нить накала лампы.
В DE 3919643 А1 описан прожектор с отражателем, диафрагмой и линзой Френеля. В таком прожекторе освещение изменяют путем регулировки источника света. Это приводит к изменению яркости света. Регулировку расстояния между вершиной (фокальной точкой линзы Френеля) и отражателем и между диафрагмой и отражателем используют для управления яркостью.
В DE 3413310 A1 описан прожектор, содержащий лампу и отражатель или лампу и собирающую линзу. Прожектор, кроме того, содержит диффузор или зеркало, установленные под углом 45°. Свет отклоняется зеркалом и рассеивается диффузором. Изменение угла распространения пучка света получают путем перемещения диффузора.
В DE 10113385 С1 описан прожектор с линзой Френеля, в котором линза Френеля представляет собой собирающую линзу, фокусная точка которой установлена на стороне источника света и, в режиме светового пятна, приблизительно в фокусной точке эллиптического отражателя, расположенной дальше от отражателя. Таким образом, предотвращается излишний нагрев лампы в результате обратного отражения света. Кроме того, соотношение расстояния между лампой и отражателем и расстояния между отражателем и линзой Френеля регулируют независимо с использованием тщательно сконфигурированной направляющей. Однако в таком устройстве требуется использовать дополнительные механические инструменты.
Однако при повышении степени миниатюризации источника света, например, в случае применения разрядных ламп высокого давления большой мощности в выходном поле света может даже появиться еще более сильно выраженная темная область, расположенная по центру, которую нельзя скомпенсировать рассеивающими инструментами, расположенными внутри отражателя, или которая может быть скомпенсирована с их помощью только при больших потерях света. Даже обычные рассеивающие инструменты, используемые для предотвращения формирования изображения центра излучения источника света, позволяют решить эту проблему только частично, если вообще, поскольку при этом, по меньшей мере, центральный апертурный конус затенения должен быть равномерно освещен при любых установках прожектора с линзой Френеля. Однако, в частности, при установке режима светового пятна это прямо приводит к большим потерям света, поскольку, хотя в этом случае затененная область имеет очень небольшой угол апертуры, вся площадь линзы Френеля, тем не менее, используется для рассеивания поля света в обычных линзах Френеля, в которых используют инструменты рассеивания.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на прожектор с линзой Френеля, который позволяет с высокой эффективностью получать равномерный выходной свет. Такой прожектор с линзой Френеля также должен быть простым и не дорогостоящим в производстве.
Эта проблема была неожиданно решена с помощью прожектора с линзой Френеля по п.1 формулы изобретения и осветительного блока по п.17 формулы изобретения.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что большие потери света можно предотвратить удивительно простым способом с помощью диффузора. В этом случае особенно предпочтительно устанавливать диффузор на линзе Френеля, который, в частности, предпочтительно имеет круглую форму и расположен только в центре линзы Френеля.
В данном варианте выполнения затененную область в середине поля освещения можно очень эффективно исключить при установках любых режимов работы прожектора с линзой Френеля, и при этом не возникают большие потери света при установке отражателя в режим светового пятна.
Неожиданно было определено, что геометрически-оптический путь луча света, выходящего из отражателя, освещает тем меньшую область при точном расположении линзы Френеля, чем больше доля рассеиваемого света.
Авторы настоящей заявки использовали этот эффект для создания автоматической или адаптивной системы смешения света, в соответствии с настоящим изобретением, с помощью которой синхронно с регулировкой прожектора с линзой Френеля только ту часть рассеянного света, которая необходима для такой установки, смешивают с геометрически-оптически проецируемым светом.
Отношение смешения света, которое может быть почти оптимально адаптировано к распределению света, требуемому в каждом случае, для краткости в следующем описании будет называться отношением смешения.
Эта автоматическая система смешения света обеспечивает правильное отношение смешения, по существу, для любых установок отражателя и поэтому последовательно обеспечивает возможность формирования очень равномерно освещенного светового поля без нежелательных потерь на рассеяние.
В этом случае отношение смешения для линзы Френеля, освещаемой по всей поверхности, можно определить путем выбора диаметра диффузора в пропорции к остальной области линзы Френеля, и угол апертуры рассеиваемого света может быть определен по свойствам рассеивания линзы Френеля.
Эффект рассеивания можно, кроме того, изменять в самом интегрированном диффузоре так, что, например, более сильно рассеивающие области могут быть расположены в середине диффузора, и в меньшей степени рассеивающие области могут быть расположены по его кромке. Благодаря этому, достаточно сильно сфокусированный луч света будет дополнительно расширен, и при этом обеспечивается возможность получать исключительно широкий угол освещения.
В качестве альтернативы, кромка диффузора может быть сформирована не только резко оканчивающейся, но с постепенным уменьшением эффекта рассеивания, при этом он снова будет проходить под линзой Френеля или поверх нее. Благодаря этому можно получать другие адаптации отношения смешения, в зависимости от установок.
В предпочтительных вариантах выполнения диффузор может быть расположен на стороне входа света или на стороне выхода света. Кроме того, возможен предпочтительный вариант установки диффузоров на стороне входа света и на стороне выхода света. В последнем варианте возможно даже использовать дифференциально рассеивающие диффузоры, например диффузоры, которые имеют разную степень рассеивание, в зависимости от положения.
Сошлемся на заявку под названием "Optical arrangement with fresnel lens", поданную настоящим Заявителем в тот же день, раскрытое содержание которой приводится полностью в качестве ссылки в раскрытом содержании настоящей заявки.
Равномерность освещенности по полю света одновременно сохраняется как для установки в режиме светового пятна, так и для установки в режиме заливающего света, как показано на примере, представленном на фигуре 5.
В соответствии с настоящим изобретением предложен отражатель эллиптической формы с большой апертурой. Установку режима пятна регулируют так, что нить лампы излучателя с черным телом, в частности галогенной лампы или дуги разрядной лампы, устанавливают в точку фокусирования эллипсоида на стороне отражателя, и реальную точку фокусировки линзы Френеля, расположенную со стороны отражателя, устанавливают приблизительно во второй точке фокусирования эллипсоида, расположенной на удалении от отражателя.
Перед входом в линзу Френеля отраженный отражателем свет практически полностью фокусируется в точке фокусирования эллипсоида, удаленной от отражателя. Изображение нити накала лампы или разрядной дуги, расположенной в точке фокусирования линзы Френеля на стороне отражателя, после прохождения через линзу Френеля проецируется в бесконечность, так что ее свет преобразуется в практически параллельный луч света.
При правильном выборе угла апертуры отражателя и линзы Френеля свет, отраженный отражателем, будет практически полностью собираться линзой Френеля и передаваться вперед в виде узкого луча света прожектора.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения отражатель эллиптической формы изготовлен из металла или прозрачного диэлектрического материала. В качестве материалов диэлектрика предпочтительно используют стекло и полимерные материалы, то есть пластмассу, на которые может быть нанесено покрытие из металла, например алюминия.
В качестве альтернативы или в дополнение, для получения отражающей поверхности в варианте выполнения с прозрачным диэлектрическим материалом на одну из двух поверхностей отражателя или на обе его поверхности наносят покрытие в виде системы оптически тонких слоев. Покрытие линзы Френеля предпочтительно содержит систему диэлектрических интерференционных слоев, которые изменяют спектр света, проходящего через них. Благодаря этому, видимые компоненты излучения могут преимущественно отражаться, и невидимые компоненты, в частности компоненты теплового излучения, могут проходить без отражения.
В общем, как на отражатель, так и на линзу Френеля и/или на диффузор могут быть нанесены покрытия, по меньшей мере, с одной стороны, например, в виде слоя, устойчивого к царапинам, и/или противоотражательного слоя в случае применения пластика.
В другом предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения металлическое покрытие наносят на одну или на обе основные поверхности отражателя.
В другой альтернативной конфигурации отражатель также может быть выполнен как металлический отражатель без покрытия или с диэлектрическим или металлическим покрытием для обеспечения требуемых спектральных свойств и свойств стойкости к коррозии.
В предпочтительном варианте выполнения настоящее изобретение содержит прожектор с линзой Френеля, в котором отражающая свет поверхность отражателя выполнена структурированной, предпочтительно с использованием подповерхностных слоев или граней, которые рассеивают свет, и при этом либо ни одной, либо одна, либо обе поверхности линзы Френеля структурированы так, что они рассеивают свет. Таким образом, обеспечивается фиксированная величина суперпозиции рассеянного света на геометрически-оптически проецируемый свет, компенсирующего темные кольца в поле света.
Линза Френеля предпочтительно выполнена предварительно напряженной, предпочтительно предварительно напряженной тепловым способом, так что она имеет высокую прочность и тепловую стабильность.
В соответствии с настоящим изобретением прожектор можно использовать для медицины, архитектуры, кинематографии, в театрах, студиях, фотостудиях и в осветительных приборах.
В предпочтительных вариантах выполнения диффузор может быть расположен либо на стороне входа света, или на стороне выхода света. В предпочтительном варианте, кроме того, диффузоры установлены как на стороне входа света, так и на стороне выхода света. В последнем варианте выполнения возможно даже использовать диффузоры по-разному рассеивающие свет, например один из которых по-разному рассеивает свет, в зависимости от положения.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более подробно описано на примере предпочтительных вариантов выполнения и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фигуре 1 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля при установке режима светового пятна, с приблизительным наложением на точку фокусирования отражателя, расположенную на удалении от отражателя, левой точки фокусирования линзы Френеля.
На фигуре 2 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, представленного на фигуре 1, в первом режиме заливающего света, при этом точка фокусирования отражателя, расположенная на удалении от отражателя, установлена рядом с поверхностью линзы Френеля.
На фигуре 3 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, представленного на фигуре 1 при установке в режиме светового пятна, со вспомогательным отражателем, с помощью которого дополнительная часть света сначала отклоняется на отражатель, а затем на линзу Френеля.
На фигуре 4 показана собирающая линза Френеля с диффузором, расположенным по центру.
На фигуре 5 показано представление логарифмической зависимости силы света 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 одинаковыми номерами ссылки обозначены элементы, которые являются одинаковыми или оказывают одинаковое влияние в различных соответствующих вариантах выполнения.
Рассмотрим вначале фигуру 1, на которой представлен вариант выполнения прожектора с линзой Френеля в режиме светового пятна. Прожектор с линзой Френеля, по существу, содержит отражатель 1 эллиптической формы, лампу 2, которая может представлять собой лампу накаливания, в частности галогенную лампу, светоизлучающий диод, набор светоизлучающих диодов или газоразрядную лампу, а также линзу 3 Френеля, которая представляет собой собирающую линзу, предпочтительно плосковыпуклую линзу Френеля.
На фигуре 1 на точку F2 фокусирования эллиптического отражателя 1, которая расположена на удалении от отражателя, приблизительно накладывается реальная или положительная точка F3 фокусирования, расположенная с левой стороной линзы 3 Френеля.
Луч 4 света, выходящий из прожектора, обозначен на чертежах очень схематично только его внешними, периферийными лучами.
На фигуре 1 также представлено расстояние между линзой Френеля и передней кромкой отражателя 1.
Установку светового пятна регулируют так, что нить накаливания лампы или газоразрядную дугу лампы 2 устанавливают в точке F1 фокусирования эллиптического отражателя, которая находится на стороне отражателя.
При такой установке свет, отражаемый отражателем 1, практически полностью направляется в точку F2 фокусирования эллипсоида 1. Левая положительная или реальная точка F3 фокусирования линзы 3 Френеля при этом приблизительно совпадает с точкой F2 фокусирования эллипсоида отражателя.
На фигуре 1 также показано, как в ближней зоне отверстие 5 внутри отражателя 2 образует затененную область 6 в параллельном оптическом пути светового поля 4.
Внутри линзы 3 Френеля по центру установлен круглый диффузор 7, который образует определенное соотношение рассеянного света и определенный угол апертуры рассеянного света. Таким образом, получают определенное соотношение смешения рассеянного света по отношению к свету, геометрически-оптически проецируемому с помощью линзы 3 Френеля.
В качестве альтернативы данному варианту выполнения диффузора 7, в другом варианте выполнения эффект рассеивания непрерывно изменяется вдоль радиуса диффузора 7, так что более сильно рассеивающие области расположены в середине диффузора 7 и менее сильно рассеивающие области расположены на его резко оканчивающейся кромке.
В еще одном альтернативном варианте выполнения кромка диффузора не только резко заканчивается, но она также разработана таким образом, что эффект рассеивания постепенно снижается, и он также может проходить под или над линзой Френеля.
Другие адаптации смешения в зависимости от установок выполняют систематически таким же образом, так что специалист в данной области техники всегда сможет получить оптимальное соотношение смешения равномерно освещенного поля света или даже полей света с более высокими локальными интенсивностями, образуемыми определенным способом.
На фигуре 1, кроме того, показано, что только небольшая часть общего света проходит через диффузор 7 при установке в режиме светового пятна.
Диффузор 7 обеспечивает очень равномерное освещение, как показано для установки в режиме светового пятна линией 8 на фигуре 5, на которой изображено логарифмическое представление зависимости силы света от угла апертуры прожектора с линзой Френеля.
На фигуре 2 показан вариант выполнения прожектора с линзой Френеля, изображенного на фигуре 1, в первом режиме заливающего света, в котором точку F2 фокусирования отражателя 1, которая расположена на удалении от отражателя, устанавливают приблизительно на поверхности линзы 3 Френеля, которая расположена ближе к отражателю.
При этом степень смещения по отношению к установке в режиме светового пятна определенным образом изменяется с помощью механической направляющей.
Данная структура, по существу, соответствует структуре прожектора с линзой Френеля, описанной со ссылкой на фигуру 1.
На фигуре 2, однако, можно явно видеть, что как угол апертуры выходящего луча 4 света, так и затененная область 6 увеличились.
Кроме того, ввиду очень высокой пропорции света, падающего при такой установке на очень небольшую область в середине диффузора 7, эта область может быть соответствующим образом сконфигурирована так, что ее передний лепесток рассеяния приблизительно компенсирует требуемым образом затененную область 6 в дальней зоне или на большом расстоянии. Следует также сделать ссылку на фигуру 5, на которой с помощью линии 9 представлены, в качестве примера, значения соотношения света для установки в режиме заливающего света.
В одном варианте выполнения изменение расстояния можно выполнять вручную, и с этой целью можно использовать осевую направляющую оптических компонентов. В качестве альтернативы, привод оптических компонентов также можно осуществлять с помощью двигателя.
На фигуре 3 показан другой предпочтительный вариант выполнения. В этом варианте выполнения, который, по существу, соответствует вариантам выполнения, описанным выше, за исключением дополнительного вспомогательного отражателя 18, свет от лампы 2, который мог бы распространяться в правом направлении на фигуре 3 и который никогда не попал бы на отражатель 1, в действительности отклоняется на отражатель 1 с помощью вспомогательного отражателя 18. Таким образом, обеспечивается не только возможность использования света, который представлен, только в качестве примера, оптическим путем 19 и который не использовался бы для освещения без вспомогательного отражателя, но также возможно обеспечить лучшее использование для обеспечения требуемого распределения света той части света, которая в противном случае непосредственно попадала бы на линзу 3 Френеля.
Форму вспомогательного отражателя 18 предпочтительно выбирают такой, что свет, отражаемый им, не попадает повторно в средство генерирования света на основе лампы 2, например не попадает на нить накаливания или в зону разряда, и не приводит к излишнему его дополнительному нагреву.
В качестве альтернативы, вспомогательный отражатель 18 может быть установлен внутри или снаружи стеклянного корпуса лампы 2. Стекло корпуса лампы с этой целью может иметь соответствующую форму, для обеспечения требуемого направленного эффекта отраженного света.
На фигуре 4 показан пример линзы 3 Френеля с диффузором 7 в соответствии с настоящим изобретением. Линза 3 Френеля содержит прозрачный корпус 10 основания и систему 11 колец линзы Френеля 11 с кольцевыми сегментами 11, 12, 13 линзы, внутри которых установлен круговой диффузор 7.
Диффузор 7 имеет определенную структуру или выполнен с гранями 15, 16, 17, проявляющими рассеивающее поведение, которое может быть точно определено в широких диапазонах, описанных в заявке на патент Германии DE 10343630.8, составленной Заявителем настоящей заявки под названием "Diffuser", которая была подана 19 сентября в Офис по патентам и товарным знакам Германии. Раскрытое содержание этой Заявки приводится здесь полностью в качестве ссылки как раскрытое содержание настоящей Заявки.
Настоящее изобретение, однако, не ограничивается этими, ранее описанными вариантами выполнения диффузоров.
Описанный выше прожектор с линзой Френеля в особенности предпочтительно можно использовать в качестве осветительного блока вместе с источником электропитания или балластным устройством, по существу, меньшим, чем в известном уровне техники. Для той же получаемой световой мощности, что и в известном уровне техники, такой источник питания может быть выполнен меньшим как с электрической, так и с механической точки зрения, поскольку прожектор с линзой Френеля, в соответствии с настоящим изобретением, имеет намного большую эффективность освещения. Поэтому установка имеет меньший вес и занимает меньше места при транспортировке и хранении.
Благодаря этому, в особенности, когда используют отражатели холодного света, дополнительно уменьшается общая экспозиция тепловой нагрузки на освещаемых людей и объекты.
Прожектор с линзой Френеля в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно также можно использовать для повышения эффективности света осветительных приборов.
1. Прожектор с линзой Френеля с регулируемым углом апертуры выходящего луча света, содержащий предпочтительно эллиптический отражатель, лампу и, по меньшей мере, одну линзу Френеля, причем линза Френеля содержит диффузор, при этом диффузор выполнен круглой формы и расположен только в центре линзы Френеля или диффузор выполнен с изменяющейся степенью рассеивания таким образом, что более сильно рассеивающие области расположены в середине диффузора, а в меньшей степени рассеивающие области расположены по его кромке.
2. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором линза Френеля с диффузором образует систему смешения света, которая изменяет долю рассеянного света по отношению к доле геометрически-оптически проецируемого света, и, таким образом, изменяет соотношение смешения света как функцию установки прожектора с линзой Френеля.
3. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором линза Френеля имеет действительную точку фокусирования, которая может быть наложена на точку фокусирования отражателя, удаленную от отражателя, в частности, при установке прожектора с линзой Френеля в режим светового пятна.
4. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором линза Френеля разработана как линза Френеля предпочтительно как плоско-выпуклая собирающая линза.
5. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором линза Френеля содержит двойную линзу с хроматическими корректируемыми свойствами проецирования изображения.
6. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором отражатель состоит из металлического или прозрачного предпочтительно диэлектрического материала, стекла и/или пластмассы.
7. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из двух основных поверхностей отражателя содержит систему оптически тонких слоев.
8. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором отражающая свет поверхность отражателя выполнена структурированной предпочтительно с подповерхностными слоями или гранями так, что она рассеивает свет, и ни одна из поверхностей, одна или две поверхности линзы Френеля выполнены структурированными так, что они рассеивают свет в дополнение к диффузору.
9. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором на отражатель, линзу Френеля и/или диффузор нанесено покрытие, по меньшей мере, с одной стороны.
10. Прожектор с линзой Френеля по п.9, в котором покрытие линзы Френеля содержит систему диэлектрических интерференционных слоев, которая изменяет спектр света, проходящего через нее.
11. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором, по меньшей мере, на одну из двух основных поверхностей отражателя нанесено покрытие из металла, предпочтительно алюминия.
12. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором лампа представляет собой лампу накаливания, в частности галогенную лампу, светоизлучающий диод, набор светоизлучающих диодов или газоразрядную лампу.
13. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором вспомогательный отражатель расположен между линзой Френеля и отражателем.
14. Прожектор с линзой Френеля по п.1, в котором линза Френеля выполнена предварительно напряженной предпочтительно с помощью предварительного теплового напряжения на ее поверхности.
15. Осветительный блок, содержащий прожектор с линзой Френеля по любому из пп.1-14 и соответствующий блок питания или нагрузочное устройство.
16. Применение прожектора с линзой Френеля по одному из пп.1-14 в качестве осветительного прибора для медицины, архитектуры, кинематографии, театра, в студиях и в фотографии.
17. Осветительный прибор, содержащий прожектор с линзой Френеля по любому из пп.1-14.
