Оптическое устройство со ступенчатой линзой

Изобретение относится к оптическому устройству для светотехнических целей, в частности прожекторам со ступенчатой линзой. Устройство включает ступенчатую линзу с рассеивающим экраном. Рассеивающий экран расположен в первой зоне, а ступенчатая линза - во второй зоне. Путем изменения формы падающего на оптическое устройство света и/или величины света, освещающего оптическое устройство, угол раствора выходящего из оптического устройства света может быть установлен между двумя предельными значениями, причем первая и вторая зоны занимают концентрично расположенные поверхности оптического устройства с разными диаметрами. Технический результат - упрощение конструкции, повышение светоотдачи. 9 н. и 57 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится в целом к оптическому устройству, по меньшей мере, с одной ступенчатой линзой и в частности к ступенчатой линзе со встроенным рассеивающим экраном для светотехнических целей.

Ступенчатые линзы или линзы Френеля были созданы французским физиком Огюстеном Жаном Френелем еще в девятнадцатом веке в виде оптического элемента, называемого также кольцевой линзой. В противоположность используемым обычно оптическим линзам со сплошным телом ступенчатые линзы или линзы Френеля имеют концентрические, расположенные, в основном, перпендикулярно главной плоскости линзы ступени, между которыми находятся кольцеобразные участки. Оптически активные поверхности кольцеобразных участков приблизительно соответствуют по своей форме участкам поверхности обычной линзы со сплошным телом, однако лежат существенно ближе к противоположной поверхности соответствующей линзы. Далее, по существу, не обладающие оптическим действием поверхности ступеней располагают как можно более параллельно основному направлению распространения света, чтобы создать как можно меньше отражений или нежелательного рассеянного света. Поэтому линза Френеля приблизительно, за исключением вызванных ступенями искажений, обладает такими же «изображающими» свойствами, что и обычная линза. Однако, несмотря на эти искажения, линза Френеля имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными линзами, благодаря которым этот тип линз при многих применениях делает их выбор заметно предпочтительным или же единственно возможным. Линзы Френеля имеют меньшую толщину, требуют меньше оптического материала, являются, следовательно, более легкими и имеют меньшее поглощение и, тем самым, также меньший нагрев, особенно при их использовании в светотехнических устройствах с высокой интенсивностью света.

Весьма предпочтительным является использование линз Френеля, например, в прожекторах со ступенчатой линзой, для театров, сцен, студий, киносъемки или подсветки архитектурных сооружений.

За счет меньшей толщины линз Френеля они также существенно более просты в изготовлении. Для штамповки, литья под давлением или горячего формования существенно лучше управлять охлаждением и извлечением из формы более тонкой линзы Френеля, чем линзы сплошного объема. С возрастанием величины этих линз такие преимущества приобретают все большее значение. Следовательно, предпочтительными областями применения являются осветительная техника, в частности, в театрах, студиях, в особенности для киносъемки на сцене, а также в архитектуре, где большое количество света приносит с собой высокую тепловую нагрузку, а ухудшение свойств по формированию изображения играет меньшую роль. Из сигнализационной техники железнодорожного транспорта известна ступенчатая линза с расположенным в центре, направляющим свет преимущественно в нижнее полупространство параллельным призменным устройством, которое используется для создания части падающего в ступенчатую линзу света с целью распознавания сигналов в близкой зоне.

В WO 01/86341 А1 описан датчик сигналов со ступенчатой линзой с рассеивающими элементами с относительно коротким фокусным расстоянием, у которой короткофокусные рассеивающие элементы увеличивают угол излучаемого света. Однако расположенные на всей поверхности ступенчатой линзы рассеивающие элементы не позволяют изменить световой поток, в частности, угол его раствора за счет смещения интенсивности освещающего ступенчатую линзу света в месте ее расположения.

В ЕР 0391287 описан операционный светильник, содержащий гиперболическое зеркало и линзовое устройство со стороны выхода света, по меньшей мере, с тремя линзами Френеля с разными фокусными расстояниями. За счет разных фокусных расстояний ступенчатых линз достигается то, что возможно получить по относительно большой глубине однородную силу света и, тем самым, однородное освещение глубокой хирургической раны. Преимущественно шестиугольники с меньшим структурным размером, чем структура используемых ступенчатых линз, служат для создания дальнейшей однородности светового поля. Однако изменение угла раствора выходящего светового поля или величины освещенного поля это устройство не обеспечивает, и это должно достигаться другими дополнительными средствами. Для этого требуются, однако, дополнительные детали.

В ЕР 1242399 А2 описана оптическая система для прожекторов со ступенчатой линзой, которая была изобретена авторами данной заявки и у которой на угол раствора выходящего света влияет изменение расстояния от лампы до отражателя этой системы. При этом, однако, очень горячую, как правило, лампу механически перемещают относительно отражателя, что требует значительных механических усилий для ее установки. Во-первых, следует предотвратить повреждение лампы, более восприимчивой к тряске в горячем состоянии, а, во-вторых, установочные элементы должны иметь как высокую температурную стойкость, так и высокую стойкость к изменениям температуры.

JP 61097602 А касается экрана, например, матового стекла зеркально отражающей камеры, у которого краевые области нередко кажутся темнее его середины, поскольку на краю косо падающие лучи поля изображения склонны выходить дальше наискось от середины после прохождения через матовое стекло. Для повышения яркости краевой области экрана, однако, без снижения яркости средней области в этом документе предложено выполнить центральную область соответствующей линзы Френеля с рассеивающими элементами с возможностью равномерного освещения всей поверхности изображения этого экрана. Изменение угла раствора выходящего светового поля или величины освещенного поля этим устройством, однако, не достигается, и подобная система была бы также нецелесообразной.

В DE 3806879 С1 раскрыта оптическая фильтрующая линза, у которой для реализации как можно более равномерного профиля интенсивности для сенсорных или измерительно-технических целей в световом поле линзы Френеля последнюю выполняют с радиально выступающими структурами, которые должны воспрепятствовать возрастанию интенсивности в середине светового поля. При этом свет из радиально выступающих структур больше не формирует изображение на сенсоре. Подобное устройство непригодно, однако, для применения в технике освещения, поскольку неизображаемые области приводят к нежелательным светопотерям. Далее для осветительных устройств, например, в студиях, театрах, киносъемке и архитектуре нередко крайне желательно за счет более светлой средней области вызвать желаемое выделение определенных зон освещенного объекта.

В основе изобретения лежит задача дальнейшего усовершенствования ступенчатой линзы в отношении ее применимости, в частности для светотехнических целей, и, в частности, за счет использования такой ступенчатой линзы задача упрощения конструкции светотехнических устройств.

Эта задача решается неожиданно простым образом посредством признаков п.1 формулы.

Если у оптического устройства, согласно изобретению, для светотехнических целей, в частности, для прожекторов со ступенчатой линзой, рассеивающий экран располагают в первой зоне, а ступенчатую линзу - во второй зоне, то неожиданно простым и очень гибким образом с изменением формы падающего на оптическое устройство света и/или величины освещающего оптическое устройство света можно изменить угол α раствора выходящего из оптического устройства света, в частности, установить между двумя предельными значениями - меньшим α_Sp и большим α_Fl.

За счет этого, в частности, при использовании этого оптического устройства в прожекторе со ступенчатой линзой обеспечиваются конструктивные формы с меньшим числом механических деталей, а также сильно повышенной светоотдачей.

Простым образом обеспечивается изменение соотношения смешения геометрически-оптически направляемого света, проходящего через ступенчатую линзу относительно света, проходящего через рассеивающий экран.

Большое преимущество состоит в том, что при прохождении через оптическое устройство с освещающим световым конусом только за счет изменения положения светового конуса относительно оптического устройства достигается изменение угла освещенности, например, от 8 до 60°, от 8 до 70° или даже от 4° или от 8 до 80° при равномерном изменении распределения света.

При этом угол раствора определяется как угол, при котором интенсивность света, измеренная от оптической оси системы, падает до десятой части интенсивности света в направлении оптической оси.

Неожиданно простым образом можно при этом непрерывно изменять угол раствора и постоянно поддерживать равномерное освещение в пределах освещенного углового диапазона.

Комбинация геометрически-оптического изображения ступенчатой линзы с наложением на него конуса рассеяния рассеянного на рассеивающем экране света позволяет также достичь светотехнических распределений освещающего света, при которых можно не только подавить изображение источника света или нити накала, но и при подходящем выборе рассеивающей структуры и ее геометрических размеров сильно уменьшить или даже избежать ошибок освещающих лучей.

Особый интерес представляет применение отражающих устройств с маленьким по отношению к патрону источником света, например, газоразрядной лампой высокого давления, которые имеют диапазоны излучения порядка нескольких миллиметров и заметно большие диаметры патронов. У подобных источников света затемнение центрального светового поля может произойти за счет того, что проходящий через отражатель патрон требует отверстия внутри отражателя, которое заметно больше источника света и, тем самым, световые лучи вблизи оптической оси не могут отражаться внутри этого отверстия. За счет подходящего выбора конуса рассеяния вперед у светорассеивающего устройства, преимущественно круглого центрального рассеивающего экрана, можно неожиданным образом получить, в основном, геометрически-оптические свойства ступенчатой линзы и, тем не менее, избежать уменьшения центральной интенсивности.

Предпочтительно оптическое устройство выполнено при этом цельным с тем, чтобы технологически оптимально за одну операцию штамповки изготовить ступенчатую линзу и рассеивающий экран.

В самом предпочтительном варианте первая и вторая зоны, приданные соответственно ступенчатой линзе и рассеивающему экрану, занимают реальные поверхности оптического устройства, преимущественно концентрично расположенные поверхности разных диаметров (2R_Stl, 2R_strA).

Отношение величины поверхности ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана может при этом в широком диапазоне определять соотношение, соответственно, активных долей выходящего, используемого для светотехнических целей света и составляет (не обязательно) более 2 к 1 (поверхность ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана), предпочтительно отношение поверхности ступенчатой линзы и поверхности рассеивающего экрана составляет более 10 к 1, а предпочтительнее всего отношение поверхности ступенчатой линзы и поверхности рассеивающего экрана составляет более 100 к 1.

Поверхность ступенчатой линзы или рассеивающего экрана в контексте этого описания является не фактической поверхностью со всеми микро- и макроскопическими возвышениями и углублениями, а той, которая при освещении параллельно оптической оси в плоскости, проходящей перпендикулярно оптической оси и расположенной непосредственно позади оптического устройства, соответствует области тени, отбрасываемой ступенчатой линзой или рассеивающим экраном.

Весьма предпочтительно, чтобы угол раствора выходящего из рассеивающего экрана света в вертикальном направлении мог отличаться от угла раствора в горизонтальном направлении, и, следовательно, за счет рассеивающего экрана может возникнуть освещенное световое поле некруглой, эллипсоидной, многоугольной и, в частности, прямоугольной и/или квадратной формы.

Прямоугольные и, в частности, также квадратные световые поля позволяют получить расположение в ряд множества световых полей, благодаря чему могут равномерно освещаться большие площади, например, в студии, на сцене или при подсветке архитектурных сооружений.

В зависимости от освещенной поверхности рассеивающего экрана могут возникать также переходы от освещенных световых полей круглой формы к освещенным световым полям некруглой, эллипсоидной, многоугольной и, в частности, прямоугольной и квадратной форм, если рассеивающий экран имеет, например, множество областей, в частности, кольцеобразные участки поверхности, которые рассеивают свет в разных направлениях или с разной силой.

В этом случае круглое световое поле в положении точечного света при регулировке может перейти, например в некруглое, например, квадратное, световое поле, если световой конус, хотя еще и охватывает весь диаметр 2R_strA рассеивающего экрана, однако больше не охватывает ступенчатую линзу. При дальнейшей регулировке и уменьшающемся световом конусе световое поле может еще раз перейти в световое поле другой формы, например эллиптическое, если световой конус охватывает только внутренний диаметр 2R_StrI, участки которого направляют свет только в эллиптическое световое поле.

Таким образом, форму освещенного светового поля можно гибко регулировать.

Далее, разделение рассеивающего экрана на области с разной рассеивающей способностью позволяет также получить возможность управления видом падения света. Круглое световое поле в положении точечного света при регулировке может перейти сначала, например, в квадратное световое поле с плавным убыванием к краям, если световой конус, хотя еще и охватывает весь диаметр 2R_strA рассеивающего экрана, однако больше не охватывает ступенчатую линзу, а при дальнейшей регулировке и уменьшающемся световом конусе световое поле может еще раз перейти в световое поле с резким убыванием к краям, если световой конус охватывает только внутренний диаметр 2R_strI, участки которого направляют свет только в квадратное световое поле, однако в последнем случае намного точнее.

Предпочтительно для прожектора со ступенчатой линзой и эллиптическим отражателем с эллиптичностью ε отношение фокусного расстояния к радиусу n_Stl=R_Stl/F_Stl ступенчатой линзы составляет более 0,5×1/sqrt(ε²-1), преимущественно более 0,7×1/sqrt(ε²-1), наиболее предпочтительно более 0,9×1/sqrt(ε²-1).

Предпочтительно ступенчатая линза представляет собой асферическую линзу для компенсации отклонений от сферической формы и достижения как можно более высокой мощности изображения.

В случае если ступенчатая линза содержит тело, по существу, с вогнутой, формирующей лучи оптически активной поверхностью, то можно удовлетворить более сложным оптическим требованиям, поскольку за счет этого можно создать, например, вогнуто-выпуклые или двояковогнутые линзы, у которых ступенчатая линза и ее тело обладают геометрически-оптическим действием.

Далее, ступенчатая линза может содержать тело, по существу, с выпуклой поверхностью для создания, тем самым, выпукло-вогнутых или двояковыпуклых линз.

Форма тела может быть использована самостоятельно для формирования лучей, а формирующие лучи свойства ступенчатой линзы могут быть использованы в комбинации или с наложением.

При этом под телом ступенчатой линзы следует понимать ту часть, которая возникла бы, если бы у ступенчатой линзы были удалены ступени, а это означает материал объема, на который нанесены ступени ступенчатой линзы или в котором выштампованы эти ступени.

Таким образом, технологически можно сначала рассчитать форму желаемой ступенчатой линзы и достичь дополнительных оптических свойств формирования лучей за счет дальнейшего выполнения тела, предпочтительно плоско-вогнутой, плоско-выпуклой, двояковогнутой, двояковыпуклой или вогнуто-выпуклой формы.

Если, по существу, кольцеобразные, оптически активные поверхности ступеней выполнены в виде участков поверхности, образованных дугой окружности, то можно использовать технологически просто реализуемые геометрические формы, которые, тем не менее, обладают относительно хорошими оптическими свойствами.

В простом экономичном варианте, по существу, кольцеобразные, оптически активные поверхности ступеней выполнены в форме внешних границ конуса.

Однако оптимальная эффективность формирования оптического изображения достигается, по существу, у собирающей ступенчатой линзы, т.е. линзы с положительным фокусным расстоянием и действительным фокусом, если, по существу, кольцеобразные, оптически активные поверхности соответствующих ступеней выполнены так, что приблизительно плоская волна с перпендикулярными оптической оси фазовыми фронтами покидает линзу тогда, когда в нее входит свет, происходящий из единственного действительного фокуса. В случае рассеивающей линзы, т.е. линзы с отрицательным фокусным расстоянием и мнимым фокусом, оптимум достигается тогда, когда свет плоской волны, входящий в ступенчатую линзу, преобразуется в сферическую волну, центр которой кажется происходящим из единственного мнимого фокуса.

В особенно предпочтительном варианте рассеивающий экран расположен только в центральной части ступенчатой линзы и преимущественно на стороне ступеней, поскольку этот вариант может быть изготовлен с высокой точностью за один этап горячего формования.

Весьма предпочтительно, если рассеивающий экран расположен ограниченно в центральной части ступенчатой линзы, поскольку тогда за счет этого можно достичь неожиданно изменяемого распределения интенсивности у светотехнических осветительных устройств. Так, например, за счет использования диафрагм или посредством измененной фокусировки входящего светового поля можно варьировать его диаметр и создать разнообразно регулируемый переход от рассеянного света к геометрически-оптически изображенному свету. Пока свет падает на внутренний рассеивающий экран, его свойства определяют форму выходящего и освещающего светового поля. Если при увеличении диаметра светового поля значительно усиливаются свойства по геометрически-оптическому формированию изображения, то можно достичь, например, очень равномерного увеличения освещающего светового конуса.

Еще более непрерывный и плавный переход изменяемого распределения света может быть достигнут тогда, когда светорассеивающий элемент имеет по-разному рассеивающие области, предпочтительно сильнее рассеивающую в центре и слабее рассеивающую по краям.

Предпочтительно рассеивающий экран в зависимости от его материала, с учетом его рассеивающей способности, изготавливают способом горячего формообразования, в частности, штамповки и/или посредством литья под давлением.

Предпочтительными материалами для ступенчатой линзы и/или рассеивающего экрана являются стекло и стеклокерамические материалы. Особенно предпочтительным свойством стеклокерамики является высокая стойкость к изменениям температуры.

Далее, оптическое устройство со ступенчатой линзой и рассеивающим экраном может быть составлено из множества элементов, чтобы использовать, например, различные способы изготовления и их преимущества.

Так, в частности, штампованная пластиковая ступенчатая линза может быть соединена со состоящим из стекла рассеивающим экраном, в результате чего возникает гибридная композиция из стекла и пластика.

Если ступенчатая линза содержит материал с первой дисперсионной характеристикой и дополнительную линзу с противоположной преломляющей силой, преимущественно ступенчатую линзу с материалом со второй дисперсионной характеристикой, то можно создать даже хроматически корректированные или ахроматические системы линз.

В качестве длины оптического пути в смысле этого описания следует рассматривать длину волны центральной области используемого светового спектра.

Если ступенчатая линза представляет собой штампованную пластиковую линзу, то может быть весьма предпочтительным, если она имеет разность длин оптического пути на соответствующей ступени менее чем примерно 1000 длин оптической волны, поскольку тогда, как правило, может быть реализована относительно плоская ступенчатая линза, вызывающая лишь небольшие нарушения геометрически-оптического распространения света.

Далее, при локально высоких интенсивностях света в зависимости от конструкции может быть весьма целесообразным использовать не, как обычно, желатиновые фильтры, которые при высокой интенсивности света, например вблизи действительных фокусов, быстро просветляются или могут даже расплавиться и воспламениться, а покрытые или окрашенные стекла.

Если, тем самым, выполнить ступенчатую линзу и/или рассеивающий экран в качестве фильтра, в частности, в качестве УФ-, ИК- или цветного полосового фильтра и/или конверсионного фильтра, то можно получить намного более надежную и точную фильтрацию света. Далее, в рамках этого выполнения лежит изготовление комплектов оптических устройств, которые предпочтительно с дихроичными или интерференционными фильтрующими слоями согласованы с определенными температурами света для определенных источников света.

Так, например, определенный цветовой сдвиг в направлении более низких значений цветовой температуры может придать газоразрядной лампе высокого давления спектр излучателя черного тела, например, лампы накаливания.

Далее, спектрально доминирующие полосы линий возбужденного разряда можно определенным образом смягчить и, тем самым, достичь более равномерного спектрального распределения.

Дополнительно с помощью подобных фильтрующих устройств для заданных спектров источников света можно также имитировать световые настроения в их спектральном распределении, например, утренний свет, вечерний свет, грозовой свет или свет непогоды, так что с помощью единственного источника света и соответствующего комплекта оптических устройств, согласно изобретению, можно удовлетворить большинству требований, предъявляемых в студиях, театрах, киносъемке и архитектуре.

Поскольку дихроичные или интерференционные фильтры длительно выдерживают высокие интенсивности излучения с большой спектральной точностью, они могут быть в зависимости от применения не только спектрально лучше, но и за счет своего длительного срока службы даже дешевле, чем обычные цветные фильтрующие пластины. Далее, суровые окружающие условия, например, при подсветке архитектурных сооружений или при натурных съемках, являются дополнительной причиной использования подобных оптических устройств.

Особенно предпочтительно при применении пластиковых линз и/или рассеивающих экранов, если они покрыты слоем, обеспечивающим защиту от царапин.

Далее, нежелательные отражения, в частности на поверхностях ступеней, могут привести не только к потере света из основного светового потока, но даже к образованию в плоскости освещения более ярких окружностей или точек, которые за счет противоотражающего слоя на этих поверхностях ступеней могут быть сильно уменьшены или даже подавлены.

С помощью оптического устройства, согласно изобретению, для светотехнических целей, в частности, для прожектора со ступенчатой линзой, содержащего ступенчатую линзу и светорассеивающий элемент, можно весьма предпочтительно создать прожектор со ступенчатой линзой, обеспечивающий измеряемый угол раствора выходящего света и при каждой установке угла раствора равномерно освещенное световое поле при высокой эффективности.

Эта задача решается простым образом посредством прожектора со ступенчатой линзой по п.51.

Авторы обнаружили, что традиционно высоких светопотерь прожекторов со ступенчатой линзой можно неожиданно простым образом избежать с помощью рассеивающего экрана. Особенно предпочтительно при этом, если ступенчатая линза содержит рассеивающий экран, который особенно предпочтительным образом выполнен круглым и расположен только в центре ступенчатой линзы.

В этом варианте в любом положении прожектора со ступенчатой линзой можно весьма эффективно избежать темных областей в центре освещенного поля, и, тем не менее, при этом не возникает больших светопотерь в положении точечного света отражателя.

Неожиданным образом оказалось, что геометрически-оптический ход лучей выходящего из отражателя света в месте расположения ступенчатой линзы освещает меньшую область именно тогда, когда требующая доля рассеянного света повышена.

Этот эффект авторы использовали, чтобы благодаря изобретению создать автоматическую или адаптивную систему светосмешения, которая синхронно с регулировкой прожектора со ступенчатой линзой смешивает с геометрически-оптически изображенным светом только ту долю рассеянного света, которая требуется для этого положения.

Это соотношение светосмешения, которое почти оптимально может быть согласовано с требуемым распределением света, называется ниже сокращенно соотношением смешения.

Благодаря этой автоматической системе светосмешения, по существу, для любого положения отражателя может быть получено правильное соотношением смешения и, тем самым, создано всегда очень равномерно освещенное световое поле без возникновения при этом ненужных потерь на рассеивание.

При этом за счет выбора диаметра рассеивающего экрана по отношению к оставшейся поверхности ступенчатой линзы можно получить соотношение смешения для полностью освещенной ступенчатой линзы, а за счет рассеивающих свойств ступенчатой линзы можно свободно устанавливать в широких пределах угол раствора рассеянного света.

Далее, на самом встроенном рассеивающем экране можно варьировать рассеивающее действие, так, например, в центре рассеивающего экрана расположены сильнее рассеивающие области, а на его краю - слабее рассеивающие области. Благодаря этому сильнее фокусированный световой пучок дополнительно расширяется, и тогда могут быть реализованы очень большие углы освещения.

В качестве альтернативы край рассеивающего экрана может быть выполнен не только резко заканчивающимся, но и с непрерывно убывающим рассеивающим действием и может простираться под или над ступенчатой линзой. За счет этого можно осуществить дальнейшие согласования с зависимыми от положения соотношениями смешения.

В то же время получают равномерность освещенности во всем световом поле, как это изображено в качестве примера на фиг.12 как для положения точечного света, так и для положения заливного света.

Согласно изобретению предусмотрен эллипсоидный отражатель с большой апертурой. Положение точечного света устанавливают за счет того, что спираль лампы полного излучателя, в частности галогенной лампы, или разрядная дуга газоразрядной лампы находится в близком к отражателю фокусе эллипсоида, а удаленный от отражателя фокус эллипсоида расположен приблизительно в действительном, близком к отражателю фокусе ступенчатой линзы.

Отраженный отражателем свет перед попаданием в ступенчатую линзу почти полностью фокусируется в удаленном от отражателя фокусе эллипсоида. Находящаяся в близком к отражателю фокусе ступенчатой линзы спираль лампы или разрядная дуга после прохождения через ступенчатую линзу изображается в бесконечности, и, таким образом, ее свет преобразуется в почти параллельный пучок лучей.

При целесообразном выборе апертурного угла отражателя и ступенчатой линзы отраженный отражателем свет почти полностью охватывается ступенчатой линзой и излучается вперед в виде узкого точечного светового пучка.

В другом, механически, однако, более сложном варианте, угол раствора выходящего из ступенчатой линзы светового пучка может быть почти произвольно увеличен за счет изменения подходящим образом положения лампы по отношению к отражателю, с одной стороны, и расстояния от ступенчатой линзы до отражателя, с другой стороны.

Для того чтобы сохранить хорошие свойства традиционных прожекторов со ступенчатой линзой в отношении равномерности освещенности, эти изменения расстояния должны осуществляться за счет целесообразно выбранной ограничивающей связи.

В целом, отражатель, ступенчатая линза и/или рассеивающий экран могут иметь, по меньшей мере, с одной стороны, покрытие, например, в случае пластика могут быть покрыты противоцарапающим и/или противоотражающим слоем.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения включает в себя прожектор со ступенчатой линзой, у которого светоотражающая поверхность отражателя, имеющая предпочтительно частично участки или грани, имеет светорассеивающую структуру, а ни одна поверхность ступенчатой линзы не имеет светорассеивающую структуру, или одна или две поверхности ступенчатой линзы имеют светорассеивающую структуру. За счет этого возникает установленная доля наложения рассеянного света и геометрически-оптически изображенного света, которая может уменьшить темные круги в световом поле.

Согласно изобретению использование прожектора предпочтительно в архитектуре, медицине, киносъемке, на сцене, в студии и фотографии, а также в карманном фонаре.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью предпочтительных примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - первый вариант оптического устройства ступенчатой линзы с расположенным приблизительно по центру, по существу, круглым рассеивающим экраном, имеющим отдельные, слегка развернутые по отношению друг к другу грани;

фиг.2 - второй вариант оптического устройства ступенчатой линзы с расположенным приблизительно по центру, по существу, круглым рассеивающим экраном, имеющим грани, смещенные методом Монте-Карло из их правильного положения;

фиг.3 - третий вариант оптического устройства ступенчатой линзы с расположенным приблизительно по центру, по существу, круглым рассеивающим экраном, у которого отдельные грани рассеивающего экрана лежат на архимедовой спирали;

фиг.4 - сечение плоско-выпуклой линзы с центральным рассеивающим экраном, тело которой выполнено, по существу, плоским, а ступенчатая линза - выпуклой;

фиг.5 - сечение двояковогнутой ступенчатой линзы, обладающей свойствами геометрически-оптического расширения лучей или светорассеивающими свойствами, при этом и тело, и ступенчато-линзовая система геометрически-оптического действия выполнены, по существу, вогнутыми;

фиг.6 - увеличенный фрагмент верхней части сечения фиг.4;

фиг.7 - сечение устройства с выпукло-вогнутой ступенчатой линзой, тело которого выполнено вогнутым, а ступенчато-линзовая система геометрически-оптического действия - по существу, выпуклой;

фиг.8 - сечение устройства с гибридной линзой, содержащее штампованное плоско-выпуклое пластикового ступенчато-линзовое устройство, размещенное на состоящем из стекла рассеивающем экране;

фиг.9 - сечение гибридно-линзового ахромата, у которого состоящая из стекла плоско-выпуклая линза соединена с двояковогнутой ступенчатой линзой, состоящей из пластика или стекла с другой дисперсией;

фиг.10 - вариант прожектора со ступенчатой линзой с положительной преломляющей силой в положении точечного света, причем удаленный от отражателя фокус отражателя приблизительно наложен на действительный фокус ступенчатой линзы с левой стороны;

фиг.11 - вариант прожектора со ступенчатой линзой из фиг.10 в первом положении заливного света, причем удаленный от отражателя фокус отражателя расположен вблизи поверхности ступенчатой линзы;

фиг.12 - график зависимости от угла раствора в логарифмическом масштабе интенсивности света прожектора со ступенчатой линзой в положении точечного света и в одном из положений заливного света;

фиг.13 - вариант прожектора со ступенчатой линзой с отрицательной преломляющей силой в положении точечного света, причем удаленный от отражателя фокус отражателя приблизительно наложен на правосторонний мнимый фокус ступенчатой линзы;

фиг.14 - вариант прожектора со ступенчатой линзой из фиг.13 в первом положении заливного света, причем удаленный от отражателя фокус отражателя расположен приблизительно на поверхности ступенчатой линзы, близкой к отражателю;

фиг.15 - график зависимости от угла раствора интенсивности света в логарифмическом масштабе для прожектора со ступенчатой линзой в положении точечного света и в одном из положений заливного света.

Осуществление изобретения

Изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления.

В этом описании, в целом, предполагается, что на чертежах входящий в линзу свет распространяется слева направо.

Далее, при описании различных вариантов осуществления изобретения использованы одинаковые позиции для одинаковых или, по существу, одинаково действующих компонентов оптического устройства 1.

Содержание приоритетных заявок DE 10361122 и DE 10361117 с названием «Прожектор со ступенчатой линзой с взаимосвязанным изменением расстояния между светотехническими элементами» посредством ссылки в полном объеме включено в содержание настоящей заявки.

Ниже дана ссылка на фиг.1, изображающую первый вариант оптического устройства ступенчатой линзы с расположенным приблизительно по центру, по существу, круглым рассеивающим экраном, имеющим отдельные, слегка развернутые по отношению друг к другу грани.

Оптическое устройство, обозначенное, в целом, поз.1, включает в себя ступенчатую линзу 2 и расположенный в ее центральной части рассеивающий экран 3.

Ступенчатая линза 2 имеет концентрично расположенные кольцевые ступени с оптически активными участками поверхности, обозначенные на фиг.1 лишь для примера поз.4, 5, 6.

Изображенные на фиг.1-3 рассеивающие экраны 3 являются примером рассеивающих экранов, описанных в DE 10343630.8 того же заявителя от 19.09.2003 с названием «Рассеивающий экран», содержание этой заявки посредством ссылки в полном объеме также включено в содержание настоящей заявки.

В особенно предпочтительном варианте за одну операцию горячего формообразования, в основном в случае пластика, из, по существу, плоского тела 7 получают оптическое устройство 1.

Ниже описаны, прежде всего, только общие признаки изображенных на фиг.1-3 оптических устройств, а затем подробно поясняются их соответствующие отличия.

Круглый рассеивающий экран 3 расположен на стороне выхода света из тела 7 и простирается по всей поверхности в пределах первого кольцевого участка 8, который четко отграничен, и предпочтительно примыкает к экрану без разрыва.

Тело 7 линзы с действительным правосторонним, т.е. положительным фокусом, в зоне рассеивающего экрана 3, а также в зоне кольцеобразных поверхностей 4, 5, 6, 8 предпочтительно выполнено выпуклым или выгнутым наружу, как это схематично для примера показано на сечениях на фиг.4 и 6.

Тело 7 линзы с мнимым или отрицательным левосторонним фокусом в зоне рассеивающего экрана 3, а также в зоне кольцеобразных поверхностей 4, 5, 6, 8 предпочтительно выполнено вогнутым или выгнутым внутрь, как это схематично для примера показано на сечении на фиг.5.

Однако, в частности, при использовании гибридной линзы, показанной в сечении на фиг.8 и 9, тело 7 может быть выполнено также из двух или более частей и включает в себя тогда участок 7 тела, содержащий ступенчатую линзу 2 и дополнительный участок 9 тела, который может быть выполнен, как показано на фиг.8, плоским или, как показано на фиг.9, например, плоско-выпуклым.

Предпочтительно участок 9 тела у гибридных линз изготовлен из стекла первого материала, а участок 7 тела - из стекла другого материала с другой дисперсией, нежели дисперсия участка 9 тела, или из пригодного к горячему формованию пластика.

Ниже дана ссылка на фиг.4, показывающую плоско-выпуклую ступенчатую линзу с центральным рассеивающим экраном 3, и на фиг.6, изображающую часть фиг.4 в увеличенном виде.

У изображенной на фиг.4 и 5 цельной ступенчатой линзы 2 соответствующая оптически активная поверхность 11, 12, 13 может быть частью асферической или сферической линзы, а оптическое устройство 1 может иметь краевую область 10, которая может быть выполнена плоскопараллельно держателю в соответствующем механическом посадочном приспособлении.

В качестве части асферической линзы кольцевые, оптически активные поверхности этих ступеней (например, 4, 5, 6, 11, 12, 13) формуют так, что приблизительно плоская волна с фазовыми фронтами, перпендикулярными оптической оси, объединяется в действительном фокусе.

При этом предполагается, что оптическая ось проходит через центр оптического устройства, по существу, перпендикулярно ее главным плоскостям.

В случае изображенной на фиг.5 двояковогнутой ступенчатой линзы соответствующие кольцеобразные, оптически активные поверхности выполняют так, что с возможностью создания из входящей слева плоской волны формируются фазовые фронты сферической волны, мнимый фокус или кажущееся начало которой представляется лежащим на оптической оси слева от изображенной на фиг.5 ступенчатой линзы 2.

Эти геометрически-оптические условия относятся только к одной длине волны в центральном диапазоне длин волн используемого светового спектра.

Для упрощения изготовления вместо комплексных асферических кольцеобразных геометрических форм асферическая линза может быть выполнена с помощью сферических кольцевых участков.

При этом для соответствующих поверхностей колец, с тем чтобы достичь более простого изготовления необходимых штампов, используют как можно более приближенные сферические участки, т.е. участки поверхности дуги окружности.

Еще одно упрощение состоит в том, чтобы, например, для ступенчатых линз с очень большим числом ступеней и лишь небольшими соответствующими отличиями длин оптического пути между краевыми точками соседних ступеней использовать оптические поверхности в форме внешних границ конуса, которые тогда согласовывают только по их наклону к среднему наклону асферической линзы.

При этом отдельные кольцеобразные участки и центральный круглый участок ступенчатой линзы в зависимости от того, желательны ли светособирающие или светорассеивающие свойства, могут быть выполнены либо вогнутыми, либо выпуклыми.

Для пояснения разнообразного применения концепций, согласно изобретению, на фиг.5 изображена двояковогнутая ступенчатая линза, на фиг.7 - выпукло-вогнутая линза, а на фиг.8 и 9 - гибридные линзы, из которых линза на фиг.9 имеет хроматически корректированные свойства.

Ниже дана ссылка на изображенную на фиг.9 гибридную линзу, у которой плоско-выпуклая стеклянная линза 14 с действительным фокусом соединена с правой стороны с вогнуто-выпуклой рассеивающей ступенчатой линзой 15.

Соответствующие преломляющие силы или фокусные расстояния, а также показатели преломления обеих линз 14, 15 выбраны, в целом, так, что возникает собирающее действие. Это означает, что возникает, в целом, собирающая линза со смещенным вправо фокусом.

При этом материал ступенчатой линзы 15 выбран, однако, так, что действие его дисперсии во всем устройстве противоположно действию дисперсии плоско-выпуклой линзы 14, так что, в целом, возникают меньшие хроматические аберрации этой системы линз.

В альтернативном варианте ступенчатая линза 15 может состоять также из штампованного пластика, ламинируемого на линзе 14. Эта пластиковая линза 15 может быть снабжена слоем 21 против царапин.

При использовании штампованных стеклянных линз разность длин оптического пути составляет в зоне соответствующей ступени более 100 длин оптической волны.

При использовании штампованных стеклянных линз предпочтительно, чтобы разность длин оптического пути на соответствующей ступени была менее 100 длин оптической волны.

При использовании штампованных пластиковых ступенчатых линз предпочтительно, чтобы разность длин оптического пути на соответствующей ступени была менее чем примерно 1000 длин оптической волны.

Далее, расположенные вокруг центрального круглого участка ступенчатой линзы кольцеобразные участки имеют, по существу, одинаковую радиальную протяженность 16, т.е. одинаковую ширину 16 ступеней (фиг.6). Следовательно, возникают ступени разной высоты, поскольку углы наклона соответствующих кольцеобразных, оптически активных участков поверхности обычно изменяются с увеличением расстояния от центра.

Для достижения технологически высокой точности у трудно формуемых материалов в качестве альтернативы высота 17 оптически активных участков поверхности может поддерживаться постоянной, так что за счет этого возникают кольца разной величины (фиг.6).

Далее, ступенчатая линза 2 и/или рассеивающий экран 3 могут быть выполнены в виде фильтра, в частности, УФ-, ИК- или цветного полосового фильтра и/или конверсионного фильтра.

Особенно предпочтительно, если для этого на одну сторону, например, на фиг.9 на левую сторону плоско-выпуклой линзы 14, нанесен интерференционный фильтрующий слой 20.

Эта система с интерференционным фильтрующим слоем может также использоваться в качестве альтернативы для изменения цветовой температуры или для компенсации спектральных линий.

Далее, особенно предпочтительно, если, по меньшей мере, обращенная к источнику света поверхность оптического устройства 1 состоит из стекла и закалена, предпочтительно термически закалена, поскольку за счет этого достигается заметно более высокая термическая стойкость.

Рассеивающий экран 3 может быть расположен как с левой стороны, т.е. со стороны входа света, так и с правой стороны оптического устройства 1, т.е. стороны выхода света.

Далее, как схематично показано на фиг.7, как на стороне входа, так и на стороне выхода света можно расположить рассеивающий экран 3, так что возникает наложение их рассеивающего действия.

Далее, вместо резкой радиальной границы рассеивающий экран 3 может иметь также по-разному сильно рассеивающие области, например, центральную, сильнее рассеивающую область и предпочтительно непрерывно заканчивающуюся, слабее рассеивающую по краям область.

Для этого рассеивающий экран может иметь, например, определенную зернистость, которая в центральной области 22 имеет более мелкую структуру, а по мере радиального удаления к краевой области 23 - более крупную структуру (фиг.8).

В описанных ниже вариантах рассеивающие экраны 3 используются в качестве альтернативы просто зернистостям или матированным зонам; новая концепция состоит, в том числе, в том, чтобы уйти от равномерного расположения граней правильного рассеивающего экрана.

Это происходит в первом варианте на фиг.1 за счет того, что создают рассеивающий экран 3, содержащий прозрачное тело 7, 9, причем оптически активная поверхность рассеивающего экрана 3 разделена на грани 24, 25, 26, которые лишь в качестве примера обозначены позициями, и причем каждой грани 24, 25, 26 соответствует возвышение или углубление со второй, выполненной выгнутой поверхностью, и грани 24, 25, 26 расположены с разворотом по отношению друг к другу или имеют разные геометрические формы.

Под гранью понимается поверхность, образованная краевым контуром соответствующей геометрической формы. В зависимости от выполнения первой поверхности, т.е. поверхности тела 7 рассеивающего экрана 3, в виде плоской или выпуклой поверхности грань 24, 25, 26, образованная геометрическими формами, также может быть плоской или выпуклой.

Приданное грани 24, 25, 26 возвышение или углубление представляет собой элемент рассеивающего экрана 3. Возвышение или углубление содержит грань 24, 25, 26 в качестве основания и находится, по меньшей мере, в основном, над или под этим основанием. Возвышение или углубление может действовать в случае освещения в качестве линзы.

Благодаря этому решению возникает суперпозиция множества световых полей разного контура и, тем самым, по желанию, круглое световое поле.

В зависимости от соответствующей конфигурации граней и характера приданных граням возвышений и углублений может быть создано световое поле с выбираемым градиентом интенсивности освещения или такое, которое задаваемым образом плавно или резко убывает.

Мягко убывающим световым полем является поле с малым градиентом интенсивности освещения в направлении края светового поля. Наоборот, большой градиент интенсивности освещения на краю светового поля приводит к резко убывающему световому полю. Другое достигнутое преимущество состоит в том, что с этой конфигурацией граней можно избежать краевых искажений при использовании газоразрядных ламп.

Для повышения различия между отдельными световыми полями, дающими вклад в суперпозицию, и достижения вышеназванных преимуществ могут быть приняты различные меры.

Так, может быть предусмотрено, что грани имеют многоугольный краевой контур. При этом число углов многоугольников является изменяемым.

Грани с многоугольным краевым контуром должны полностью покрывать поверхность, поскольку иначе локально не возникнет рассеивающего действия.

Далее, могут быть созданы также рассеивающие экраны, у которых грани 24, 25, 26 имеют разные площади, как это показано в качестве примера на фиг.2.

В качестве многоугольников могут быть выбраны треугольники, четырех-, пяти-, шести- и/или семиугольники. Соединительные участки между соседними углами многоугольников могут быть прямыми или изогнутыми линиями.

Вследствие неправильности граней они имеют разную ориентацию.

Другой мерой, с помощью которой можно приблизиться к цели, заключающейся в круглых световых полях, а в отношении освещенности - в плавно или резко убывающих к краю световых полях, является выбор и, при необходимости, варьирование соответствующей кривизны возвышений или углублений. Кривизна может быть сферической, а возвышение или углубление может быть выполнено, соответственно, в форме шарового сегмента. В качестве альтернативы кривизна может быть выбрана асферической. Далее, для обеспечения вышеназванной цели существует возможность варьирования глубины выемок или высоты возвышений.

Из приведенных рассуждений следует, что перечисленные меры могут быть предусмотрены альтернативно или кумулятивно. Для практической реализации описанного решения в первом варианте предусмотрен рассеивающий экран, содержащий прозрачное тело с первой поверхностью, причем первая поверхность разделена на грани, каждой из которой придано возвышение или углубление со второй, выполненной изогнутой поверхностью, а вершины S возвышений или углублений расположены по спирали.

Вершину S возвышения или углубления следует определить как точку пересечения нормали к поверхности грани, проходящей через центр тяжести грани, с изогнутой поверхностью возвышения или углубления.

Если у двух соседних граней возвышение, радиус и/или глубина возвышения или углубления разные, то, в целом, общий край является изогнутым и возникают углубления, из-за того, что края имеют в плане разные геометрические формы.

За счет расположения вершин S по спирали возникает множество неправильно расположенных граней, которые, по желанию, создают круглое световое поле, которое при использовании газоразрядных ламп не имеет в краевой зоне искажений, а градиент интенсивности освещения может быть задан.

Высота возвышений или углублений может варьировать по рассеивающему экрану 3, так что возвышения и углубления оказываются соответственно разной высоты и глубины. Также это способствует цели образования круглого светового поля, которое более или менее плавно или резко убывает.

В изображенном на фиг.3 рассеивающем экране 3 вершины S граней 24, 25, 26 находятся, по существу, на архимедовой спирали.

Отдельные точки получают за счет непрерывного откладывания постоянной длины L дуги по спирали изнутри наружу. Вершины могут быть расположены эквидистантно по отношению друг к другу. Помимо эквидистантного расположения вершин возможна также переменная длина L дуги. Так, может быть выбрана возрастающая изнутри наружу длина L дуги. В пределах рассеивающего экрана выполняют маленькие грани с возвышениями небольшой высоты или углублениями небольшой глубины и, тем самым, получают небольшое рассеивающее действие. К краю увеличиваются грани, высота возвышений и глубина углублений и возрастает также рассеивающее действие. Световое поле имеет тогда довольно небольшой угол полурассеяния с очень высокой интенсивностью освещения в центре. В противоположность этому при постоянном значении L интенсивность освещения имела бы форму плато и была бы плавно убывающей.

Описанные выше меры, которые могут быть приняты альтернативно и, при необходимости, кумулятивно, позволяют согласовать рассеивающий экран 3 с соответствующей системой освещения, например, соответствующим отражателем.

Так, за счет выбора типа спирали значения длины L дуги, а также за счет варьирования или постоянства длины дуги можно осуществить согласование с отражателем. Эти меры позволяют влиять на световое поле в заданных зонах системы освещения, локально усиливать или ослаблять его и различным образом оптимизировать.

Из приведенных рассуждений следует, что эти варианты решения предоставляют в распоряжение специалисту множество параметров для того, чтобы можно было сформировать и согласовать световое поле с учетом системы освещения. В этом отношении выбранная концепция разных геометрических форм граней обеспечивает многообразное и вариативное согласование светового поля с соответствующими условиями.

Например, на фиг.1 и 2 изображены другие предпочтительные варианты. На фиг.1 изображен первый вариант оптического устройства ступенчатой линзы с расположенным приблизительно в центре, по существу, круглым рассеивающим экраном, имеющим отдельные, слегка развернутые по отношению друг к другу грани, а на фиг.2 - второй вариант оптического устройства ступенчатой линзы с расположенным приблизительно в центре, по существу, круглым рассеивающим экраном, имеющим грани, смещенные методом Монте-Карло из их правильного положения.

К тому же для реализации желаемого светового поля или желаемой, заранее определенной рассеивающей способности имеется множество возможностей, отличающихся по дизайну. Варианты решения позволяют также создавать рассеивающие экраны, оптимизированные в отношении эстетического внешнего вида. Для граней можно использовать, например, ромбовидный узор или узор лапок.

Далее, в рамках изобретения можно использовать также некоаксиальные или несоосные схемы расположения рассеивающего экрана.

Ниже обсуждаются примеры предпочтительных вариантов светотехнических устройств, у которых система светосмешения, согласно изобретению, может использоваться особенно предпочтительно.

Подробное описание предпочтительных вариантов светотехнических устройств

Прожекторы, содержащие ступенчатую линзу с положительной преломляющей силой

Ниже дана ссылка на фиг.10, где изображен вариант прожектора со ступенчатой линзой в положении точечного света.

Прожектор, по существу, содержит эллипсоидный отражатель 31, лампу 32, которая может быть лампой накаливания, в частности, галогенной лампой, светодиодом, светодиодной матрицей или газоразрядной лампой, и ступенчатую линзу 33, которая является собирающей линзой, предпочтительно плоско-вогнутой ступенчатой линзой.

На фиг.10 удаленный фокус F2 эллипсоидного отражателя 31 приблизительно наложен на левосторонний действительный или положительный фокус F3 ступенчатой линзы 33.

Выходящий из прожектора световой пучок 34 обозначен на фигурах лишь схематично своими внешними краевыми лучами.

Расстояние «а» между ступенчатой линзой 33 и передней кромкой отражателя 31 и расстояние «b» между лампой 32 и вершиной отражателя 31 также обозначены на фиг.10.

Положение точечного света устанавливают за счет того, что нить накаливания или разрядную дугу лампы 32 располагают, по существу, в фокусе F1 эллипсоида отражателя 31.

Отраженный отражателем 31 свет в этом положении почти полностью направлен в фокус F2, удаленный от эллипсоида 31. Тогда левосторонний положительный или действительный фокус F3 ступенчатой линзы 33 совпадает приблизительно с фокусом F2 эллипсоида отражателя 31.

На фиг.11 также можно увидеть в ближней зоне, как отверстие 35 в отражателе 31 проявляется в виде темной области 36 в ходе параллельных лучей светового поля 34.

Внутри ступенчатой линзы 33 предусмотрен круглый, расположенный в центре рассеивающий экран 37, который создает определенное соотношение рассеянного света и определенный угол раствора рассеянного света. За счет этого возникает определенное соотношение смешения рассеянного света и света геометрически-оптически изображенного посредством ступенчатой линзы 33.

В качестве альтернативы этого варианта рассеивающего экрана 37 в другом варианте рассеивающее действие изменяется вдоль радиуса рассеивающего экрана 37 непрерывным образом, так что в центре рассеивающего экрана 37 расположены сильнее рассеивающие области, а на его резко заканчивающемся краю - слабее рассеивающие области.

Еще в одном альтернативном варианте край рассеивающего экрана 37 выполнен не только резко заканчивающимся, но и с непрерывным убыванием своего рассеивающего действия и может простираться под и над ступенчатой линзой.

За счет этого в зависимости от системы осуществляют дополнительные модификации для получения зависимого от положения соотношения смешения, так что специалист всегда может создать оптимальное соотношение смешения для однородно освещенного светового поля или для световых полей с определенным образом созданными, локально более высокими интенсивностями.

Далее, на фиг.10 видно, что в положении точечного света только малая часть всего света проходит через рассеивающий экран 37.

Благодаря рассеивающему экрану 37 возникает очень однородное освещение, как это обозначено линией 38 для положения точечного света на фиг.12, показывающей зависимость силы света в логарифмическом масштабе прожектора со ступенчатой линзой от угла раствора.

На фиг.11 изображен показанный на фиг.10 вариант прожектора со ступенчатой линзой в первом положении заливного света, в котором удаленный от отражателя 31 фокус F2 расположен приблизительно на ближней к отражателю поверхности ступенчатой линзы 33.

При этом значение сдвига «а» относительно положения точечного света определенным образом изменяют посредством механического перемещения.

Конструкция соответствует, в принципе, поясненной с помощью фиг.10 конструкции прожектора со ступенчатой линзой.

Однако из фиг.11 хорошо видно, что возросли как угол раскрытия выходящего пучка 34 световых лучей, так и угол раскрытия темной области 36.

Поскольку в этом положении, однако, очень большая доля света падает только на очень маленькую область в центре рассеивающего экрана 37, именно эта область может быть выполнена так, что ее конус рассеяния вперед желаемым образом приблизительно компенсирует темную область 36 в дальнем поле или дальней зоне. Следует сослаться на фиг.12, где линия 39 представляет условия освещенности в положении заливного света.

Существенно более компактная конструкция прожектора со ступенчатой линзой с более высокой полезной светоотдачей достигается с помощью описанного ниже варианта.

Прожекторы, содержащие ступенчатую линзу с отрицательной преломляющей силой

Ниже дана ссылка на фиг.13, где изображен вариант прожектора со ступенчатой линзой в положении точечного света. Прожектор, по существу, содержит эллипсоидный отражатель 41, лампу 42, которая может быть галогенной или газоразрядной лампой, и ступенчатую линзу 43, которая является линзой с отрицательной преломляющей силой, предпочтительно двояковогнутой ступенчатой линзой.

На фиг.13 удаленный от эллипсоидного отражателя 41 фокус F2 приблизительно наложен на правосторонний мнимый или отрицательный фокус F3 ступенчатой линзы 43.

Выходящий из прожектора световой пучок 44 обозначен на фигурах липа схематично своими внешними краевыми лучами.

Расстояния «а» между ступенчатой линзой 43 и передней кромкой отражателя 41 и «b» между лампой 42 и вершиной отражателя 41 также обозначены на фиг.13.

Положение точечного света устанавливают за счет того, что нить накаливания или разрядную дугу лампы 42 располагают, по существу, в фокусе F1 эллипсоида отражателя 41.

Отраженный отражателем 41 свет в этом положении почти полностью направлен в удаленный от отражателя 41 фокус F2. Правосторонний отрицательный или мнимый фокус F3 ступенчатой линзы 43 совпадает тогда приблизительно с фокусом F2 эллипсоида отражателя 41.

На фиг.14 показано, как отверстие 45 в отражателе 41 проявляется в виде темной области 46 по ходу параллельных лучей светового поля 44.

Внутри ступенчатой линзы 43 выполнен круглый, расположенный по центру рассеивающий экран 47, который создает определенное соотношение рассеянного света и определенный угол раствора рассеянного света. За счет этого создается определенное отношение смешения рассеянного света к свету, геометрически-оптически изображенному ступенчатой линзой 43.

В качестве альтернативы этого варианта рассеивающего экрана 47 в другом варианте рассеивающее действие непрерывно изменяется вдоль радиуса рассеивающего экрана 47, так что в центре рассеивающего экрана 47 расположены более сильно рассеивающие области, а на его резко заканчивающемся краю - менее сильно рассеивающие области.

Еще в одном альтернативном варианте край рассеивающего экрана 47 выполнен не только резко заканчивающимся, но и с непрерывным убыванием своего рассеивающего действия и может простираться под и над ступенчатой линзой.

За счет этого в зависимости от системы осуществляют дополнительные модификации для получения зависимого от положения соотношения смешения, так что специалист всегда может создать оптимальное соотношение смешения для однородно освещенного светового поля или для световых полей с определенным образом созданными, локально более высокими интенсивностями.

Далее, на фиг.13 видно, что в положении точечного света только малая часть всего света проходит через рассеивающий экран 47.

Благодаря рассеивающему экрану 47 возникает очень однородное освещение, как это показано линией 48 для положения точечного света на фиг.15, представляющей зависимость силы света в логарифмическом масштабе прожектора со ступенчатой линзой от угла раствора.

На фиг.14 изображен показанный на фиг.13 вариант прожектора со ступенчатой линзой в первом положении заливного света, в котором удаленный от отражателя 41 фокус F2 расположен приблизительно на ближней к отражателю поверхности ступенчатой линзы 43.

При этом значение сдвига «а» относительно положения точечного света определенным образом изменяют посредством механического перемещения.

Конструкция соответствует, в принципе, поясненной с помощью фиг.13 конструкции прожектора со ступенчатой линзой.

Однако из фиг.14 хорошо видно, что возросли как угол раскрытия выходящего пучка 44 световых лучей, так и угол раскрытия темной области 46.

Поскольку в этом положении, однако, очень большая доля света падает только на очень маленькую область в центре рассеивающего экрана 47, именно эта область может быть выполнена так, что ее конус рассеяния вперед желаемым образом приблизительно компенсирует темную область 46 в дальнем поле или дальней зоне. Следует сослаться на фиг.15, где линия 49 показывает условия освещенности в положении заливного света.

В описанных выше вариантах первая и вторая зоны, выделенные соответственно ступенчатой линзе и рассеивающему экрану, занимают реальные поверхности оптического устройства в виде концентрично расположенных поверхностей разного диаметра (2R_Stl, 2R_strA). При этом рассеивающий экран расположен внутри окружности с радиусом RstrA и в другом варианте еще раз разделен.

Рассеивающий экран с радиусом R_strA имеет концентричную меньшую окружность диаметром R_strI, которая в этом альтернативном варианте обладает иной рассеивающей способностью.

Отношение поверхности ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана определяет соотношение долей (учитывая эффект в каждом случае) выходящего света, используемого для светотехнических целей света, и в зависимости от варианта составляет более 2 к 1 (поверхность ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана), предпочтительно отношение поверхности ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана составляет более 10 к 1, а предпочтительнее всего отношение поверхности ступенчатой линзы и поверхности рассеивающего экрана составляет более 100 к 1.

В другом варианте угол раствора выходящего из рассеивающего экрана света в вертикальном направлении отличается от угла раствора в горизонтальном направлении, и, тем самым, за счет рассеивающего экрана в зависимости от варианта выполнения создается освещенное световое поле некруглой, эллипсоидной, многоугольной и, в частности, прямоугольной и/или квадратной формы.

Разделение рассеивающего экрана на области с разной рассеивающей способностью, в частности, разной по силе рассеивающей способностью, приводит также к тому, что видом падения света можно управлять. Круглое световое поле в положении точечного света при регулировке может переходить, например, сначала в квадратное световое поле с плавным убыванием к краям, если световой конус, хотя все еще охватывает весь диаметр 2R_strA рассеивающего экрана, однако больше не охватывает ступенчатую линзу, при дальнейшей регулировке и уменьшении светового конуса световое поле может перейти в световое поле с резким убыванием к краям, если световой конус охватывает только внутренний диаметр 2R_StrI, доли которого направляют свет только в квадратное световое поле, однако намного точнее.

Эллиптический отражатель с телом эллипса можно математически точно определить посредством его главных осей Н_а, Н_b (фиг.14), причем для отражателя 31, 41 предполагается, что он выполнен цилиндрически-симметричным и вращательно-инвариантным, а это означает, что он полностью определен за счет указания двух отличных друг от друга главных осей Н_а, Н_b.

Эллиптичность отражателя 31, 41 указывает на отношение главных осей ε=Н_а/Н_b эллипса, определяющего форму отражателя (фиг.14), при этом цилиндрически-симметричный отражатель в отношении оптической оси прожектора применяется в качестве базового со ступенчатой линзой.

Далее предполагается, что изображенный на фиг.14 отражатель приблизительно соответствует половине разделенного по центру эллипса или не слишком сильно отличается от этого, но лишь для пояснения и лучшего понимания нижеследующего неравенства.

Для предпочтительного для техники освещения выполнения с высокой светоотдачей значение ε должно быть больше единицы.

Предпочтительно для описанных выше вариантов прожектора с эллиптическим отражателем 31, 41 с эллиптичностью ε отношение фокусного расстояния к радиусу n_Stl=R_Stl/F_Stl ступенчатой линзы больше 0,5×1/sqrt(ε²-1), предпочтительно больше 0,7×1/sqrt(ε²-1), наиболее предпочтительно больше 0,9×1/sqrt(ε²-1), причем 1/sqrt(ε²-1) обозначает обратную величину квадратного корня из (ε²-1).

За счет применения ступенчатой линзы с рассеивающим экраном можно использовать для светотехнических целей значительно большую часть излучаемого лампой 32, 42 светового потока, например более чем на 50% больше излучаемого лампой 32, 42 света, направляется в освещаемое поле. В положении точечного света, по существу, весь идущий от отражателя 31, 41 свет можно направить в узкое световое поле точечного освещения, причем доля падающего на рассеивающий экран 37, 47 света образует плавно убывающий край, который весьма желателен для многих светотехнических целей.

В варианте прожектора со ступенчатой линзой с отрицательной преломляющей силой, в частности, в его положении точечного света, можно использовать также почти всю часть света, направленную непосредственно вперед от лампы 42, непосредственно в ступенчатую линзу и рассеивающий экран, поскольку эта часть в наибольшей степени дает вклад в убывающую краевую область освещающего света.

В положении точечного света прожектора со ступенчатой линзой более чем на 80%, а в положении заливного света более чем на 60% можно использовать выходящий из лампы 42 свет.

За счет выбора соотношения освещенных поверхностей ступенчатой линзы и рассеивающего экрана можно по желанию установить это отношение между долями света в области пятна и в краевой области, например, за счет выбора диаметров рассеивающего экрана и ступенчатой линзы. За счет этого можно создавать прожекторы со световым полем, более резко или более плавно убывающим к краю в положении точечного света.

Особенно предпочтительно описанный выше прожектор со ступенчатой линзой использовать в осветительном комплекте вместе с блоком источника питания и балластным сопротивлением, существенно уменьшенными по размеру по сравнению с уровнем техники электрической сетевой частью или пускорегулирующим аппаратом. Этот блок источника питания при равной полезной световой мощности может быть выполнен электрически и механически меньшим по сравнению с известным из уровня техники, поскольку прожектор со ступенчатой линзой обладает существенно более высокой светоотдачей. Таким образом, требуется меньшая масса, а при транспортировке и хранении - меньше места.

Благодаря этому, в частности, при использовании люминесцентных отражателей снижается общая термическая нагрузка на осветителей и предметы.

Далее прожектор со ступенчатой линзой может быть использован предпочтительно для повышения светоотдачи и однородности освещенного светового поля также в карманных фонарях.

Перечень ссылочных позиций

1 - оптическое устройство

2 - ступенчатая линза

3 - рассеивающий экран

4 - кольцеобразные, концентричные, по существу, оптически активные участки поверхности

5 - то же

6 - то же

7 - тело (участок)

8 - как 4-6

9 - участок тела составного устройства

10 - плоскопараллельная краевая зона

11 - оптически активная поверхность

12 - то же

13 - то же

14 - плоско-выпуклая линза из сплошного материала

15 - выпукло-вогнутая ступенчатая линза

16 - радиальная протяженность оптически активных участков поверхности, ширина

17 - высота оптически активных участков поверхности

18 - противоотражательный слой

19 - противоцарапающий слой

20 - интерференционный фильтрующий слой

21 - противоцарапающий слой

22 - центральная, сильнее рассеивающая область

23 - краевая, слабее рассеивающая область

24 - грань

25 - то же

26 - то же

31 - отражатель

32 - лампа

33 - ступенчатая линза

34 - выходящий световой пучок

35 - отверстие в отражателе 31

36 - темная область

37 - рассеивающий экран

38 - распределение интенсивности в положении точечного света

39 - распределение интенсивности в положении заливного света

41 - отражатель

42 - лампа

43 - ступенчатая линза

44 - выходящий световой пучок

46 - отверстие в отражателе 41

46 - темная область

47 - рассеивающий экран

48 - распределение интенсивности в положении точечного света

49 - распределение интенсивности в положении заливного света

1. Оптическое устройство для светотехнических целей, в частности, для прожектора со ступенчатой линзой, включающее в себя ступенчатую линзу с рассеивающим экраном, в котором рассеивающий экран расположен в первой зоне, а ступенчатая линза - во второй зоне, при этом путем изменения формы падающего на оптическое устройство света и/или величины света, освещающего оптическое устройство, угол раствора выходящего из оптического устройства света может быть установлен между двумя предельными значениями - меньшим α_Sp и большим α_F1, причем первая и вторая зоны занимают концентрично расположенные поверхности оптического устройства с разными диаметрами (2R_St1, 2R_strA).

2. Устройство по п.1, в котором путем изменения величины, в частности диаметра, падающего на оптическое устройство света может быть изменен, в частности установлен, угол (α, α_Sp, α_F1) раствора выходящего из оптического устройства света, по существу, без изменения угла падения света, освещающего оптическое устройство.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором отношение величины поверхности ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана составляет более чем 2 : 1, предпочтительно отношение величины поверхности ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана составляет более чем 10 : 1, а наиболее предпочтительно отношение величины поверхности ступенчатой линзы к поверхности рассеивающего экрана составляет более чем 100 : 1.

4. Устройство по п.1, в котором угол раствора выходящего из рассеивающего экрана света в вертикальном направлении отличается от угла раствора в горизонтальном направлении.

5. Устройство по п.1, в котором рассеивающий экран имеет множество областей, в частности, кольцеобразные участки поверхности, рассеивающие свет в разных направлениях или с разной силой.

6. Устройство по п.1, в котором для прожектора со ступенчатой линзой и эллиптическим отражателем с эллиптичностью ε отношение фокусного расстояния к радиусу n_St1=R_St1/F_St1 ступенчатой линзы составляет более 0,5·1/sqrt(ε²-1), предпочтительно более 0,7·1/sqrt(ε²-1), наиболее предпочтительно более 0,9·1/sqrt(ε²-1).

7. Устройство по п.1, в котором рассеивающий экран расположен только в центральной и/или средней части ступенчатой линзы.

8. Устройство по п.1, в котором рассеивающий экран расположен на поверхности выхода света.

9. Устройство по п.1, в котором рассеивающий экран расположен на поверхности входа света.

10. Устройство по п.1, в котором рассеивающий экран расположен на поверхности выхода света и на поверхности входа света.

11. Устройство по п.1, в котором светорассеивающий элемент имеет с разной силой рассеивающие области, предпочтительно центральную, сильнее рассеивающую, и краевую, слабее рассеивающую.

12. Устройство по п.1, в котором рассеивающий экран выполнен матированным и/или изготовлен посредством горячего формообразования, в частности, штамповки, и/или литья под давлением.

13. Устройство по п.1, в котором материал ступенчатой линзы и/или рассеивающего экрана содержит стекло.

14. Устройство по п.1, в котором материал ступенчатой линзы и/или рассеивающего экрана содержит стеклокерамический материал, в частности, состоит из стеклокерамического материала.

15. Устройство по п.1, в котором устройство выполнено цельным.

16. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза представляет собой асферическую линзу.

17. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза представляет собой сферическую линзу.

18. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза содержит тело, по существу, с плоской поверхностью.

19. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза содержит оптически активное, формирующее лучи тело, по существу, с вогнутой сферической или асферической поверхностью.

20. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза содержит оптически активное, формирующее лучи тело, по существу, с выпуклой сферической или асферической поверхностью.

21. Устройство по п.1, в котором, по существу, кольцеобразные, оптически активные поверхности ступеней выполнены в виде участков дуги окружности.

22. Устройство по п.1, в котором, по существу, кольцеобразные, оптически активные поверхности ступеней выполнены в виде внешней границы конуса.

23. Устройство по п.1, в котором, по существу, кольцеобразные, оптически активные поверхности соответствующих ступеней выполнены так, что приблизительно плоская волна с перпендикулярными оптической оси фазовыми фронтами объединяется в действительном фокусе или преобразуется в сферическую волну, центр которой представляется лежащим в мнимом фокусе.

24. Устройство по п.1. в котором материал ступенчатой линзы и/или рассеивающего экрана содержит пластик.

25. Устройство по п.1, в котором оптическое устройство со ступенчатой линзой и рассеивающим экраном скомпоновано из нескольких элементов.

26. Устройство по п.1, в котором оно представляет собой гибридную структуру из стекла и пластика.

27. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза содержит материал с первой дисперсионной характеристикой, а дополнительная линза с противоположной преломляющей силой, предпочтительно ступенчатая линза из материала со второй дисперсионной характеристикой выполнена с возможностью уменьшения хроматических аберраций.

28. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза представляет собой тисненую линзу, в частности пластиковую линзу, предпочтительно с разностью длин оптического пути на соответствующей ступени менее чем примерно 1000 длин волны.

29. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза выполнена или расположена на первой стороне, а рассеивающий экран - на стороне, противоположной первой стороне.

30. Устройство по п.1, в котором расположенные вокруг центрального круглого участка ступенчатой линзы кольцеобразные участки имеют, по существу, одинаковую радиальную протяженность.

31. Устройство по п.1, в котором ступенчатые возвышения, по меньшей мере, двух соседних кольцеобразных участков имеют, по существу, одинаковую высоту.

32. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, обращенная к источнику света поверхность оптического устройства состоит из стекла и закалена, предпочтительно термически закалена.

33. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза и/или рассеивающий экран выполнена/выполнены в виде фильтра, в частности, в виде УФ-, ИК- или цветного полосового фильтра и/или конверсионного фильтра.

34. Устройство по п.1, в котором ступенчатая линза и/или рассеивающий экран покрыты механическим противоцарапающим и/или противоотражающим слоем.

35. Рассеивающий экран для оптического устройства по любому из пп.1-34, имеющий первую поверхность, разделенную на грани, к каждой из которых относится возвышение или углубление со второй, выполненной изогнутой, поверхностью, причем грани имеют разные геометрические формы.

36. Рассеивающий экран по п.35, в котором грани имеют многоугольный краевой контур.

37. Рассеивающий экран по п.35, в котором грани имеют разную площадь.

38. Рассеивающий экран по п.35, в котором грани имеют форму треугольника, четырех-, пяти-, шести- и/или семиугольника.

39. Рассеивающий экран по п.35, в котором грани имеют разные ориентации.

40. Рассеивающий экран по п.35, в котором возвышения или углубления выполнены в форме шарового сегмента.

41. Рассеивающий экран по п.35, в котором высота возвышений и/или глубина углублений выбраны разными.

42. Рассеивающий экран для оптического устройства по любому из пп.1-34, имеющий первую поверхность, разделенную на грани, к каждой из которых относится возвышение или углубление со второй, выполненной изогнутой, поверхностью, в котором соответствующие вершины (S) возвышений или углублений расположены по спирали.

43. Рассеивающий экран по п.42, в котором вершины (S) расположены на архимедовой спирали.

44. Рассеивающий экран по п.42 или 43, в котором длина (L) дуги между двумя соседними вершинами (S) вдоль спирали почти эквидистантна.

45. Рассеивающий экран по п.42 или 43, в котором длина (L) дуги между двумя соседними вершинами (S) вдоль спирали выполнена переменной.

46. Рассеивающий экран по п.42 или 43, в котором высота возвышений и/или глубина углублений выбраны разными.

47. Рассеивающий экран для оптического устройства по любому из пп.1-34, содержащий отдельные, повернутые по отношению друг к другу грани.

48. Рассеивающий экран для оптического устройства по любому из пп.1-34, содержащий грани, смещенные методом Монте-Карло из их упорядоченного положения.

49. Рассеивающий экран для оптического устройства по любому из пп.1-34, имеющий определенную зернистость, которая в центральной области мельче, а по мере удаления от центра - грубее.

50. Прожектор со ступенчатой линзой и с регулируемым углом раствора выходящего светового пучка, содержащий предпочтительно эллипсоидный отражатель, лампу и, по меньшей мере, одну ступенчатую линзу, при этом ступенчатая линза содержит рассеивающий экран и, в частности, представляет собой ступенчатую линзу с рассеивающим экраном по любому из пп.35-49.

51. Прожектор по п.50, в котором ступенчатая линза с рассеивающим экраном образует систему светосмешения, которая выполнена с возможностью изменения доли рассеянного света относительно доли геометрически-оптически изображенного света, тем самым соотношение светосмешения зависит от положения прожектора.

52. Прожектор по п.50 или 51, в котором ступенчатая линза имеет действительный фокус, выполненный с возможностью наложения на удаленный от отражателя фокус отражателя, в частности, в положении точечного света прожектора.

53. Прожектор по п.50, в котором ступенчатая линза представляет собой преимущественно плоско-выпуклую собирающую линзу, выполненную в виде ступенчатой линзы.

54. Прожектор по п.50, в котором ступенчатая линза представляет собой линзу с отрицательным фокусным расстоянием, тем самым отрицательную линзу с мнимым фокусом.

55. Прожектор по п.54, в котором ступенчатая линза имеет мнимый фокус и выполнена с возможностью наложения этого фокуса на удаленный от отражателя фокус отражателя, в частности, в положении точечного света прожектора.

56. Прожектор по п.54 или 55, в котором ступенчатая линза представляет собой предпочтительно двояковогнутую отрицательную линзу.

57. Прожектор по п.50, в котором угол раствора света, выходящего из прожектора в положении точечного света, меньше или равен 8°, а в положении заливного света - больше или равен 60°.

58. Прожектор по п.50, в котором угол раствора света, выходящего из прожектора в положении точечного света, меньше или равен 8°, а в положении заливного света - больше или равен 70°.

59. Прожектор по п.50, в котором угол раствора света, выходящего из прожектора в положении точечного света, меньше или равен 8°, а в положении заливного света - больше или равен 80°.

60. Прожектор по п.50, в котором он содержит эллиптический отражатель с эллиптичностью ε, при этом отношение фокусного расстояния к радиусу n_St1=R_St1/F_Stl ступенчатой линзы составляет более 0,5·1/sqrt(ε²-1), предпочтительно более 0,7·1/sqrt(ε²-1), наиболее предпочтительно более 0,9·1/sqrt(ε²-1).

61. Прожектор по п.50, в котором отражатель содержит металлический или прозрачный, предпочтительно диэлектрический материал, стекло и/или пластик.

62. Прожектор по п.50, в котором, по меньшей мере, одна из двух главных поверхностей отражателя снабжена системой оптически тонких слоев.

63. Прожектор по п.50, в котором светоотражающая поверхность отражателя, предпочтительно имеющая участки или грани, выполнена светорассеивающей, и ни одна поверхность ступенчатой линзы не имеет светорассеивающую структуру или одна или две поверхности ступенчатой линзы дополнительно к рассеивающему экрану имеют светорассеивающую структуру.

64. Прожектор по п.50, в котором между ступенчатой линзой и отражателем расположен дополнительный отражатель.

65. Применение прожектора со ступенчатой линзой по любому из пп.50-64 в качестве осветительного устройства в медицине, архитектуре, киносъемке, на сцене, в студии и фотографии.

66. Карманный фонарь, содержащий прожектор со ступенчатой линзой по любому из пп.50-64.