JP4199727B2 - フレネルレンズスポットライト - Google Patents

Description

本発明は、好ましくは楕円反射器、ランプ及び少なくとも１つのフレネルレンズを有し、射出する光束の開口角が調節可能であるフレネルレンズスポットライトに関する。

従来のフレネルレンズスポットライトにおける照明技術関連部品は、一般的に、ランプ、フレネルレンズ及び球面補助反射器を含む。ランプフィラメントは通常、実質的に常に球面反射器の中央に位置している。したがって、ランプから放出された光の一部が反射してランプに戻って、前方半空間での光放出を補強する。この前向きの光は、フレネルレンズによって平行光にされる。しかし、平行化の程度は、フレネルレンズとランプ間の距離によって決まる。ランプフィラメントがフレネルレンズの焦点に位置する時、最も細い平行光が得られる。その場合、スポットとも呼ばれる準平行光路が得られる。フレネルレンズとランプ間の距離を短縮することによって、射出する光束の開口角を連続的に増加させることができる。その場合、発散光路が得られ、これはフラッドとも呼ばれる。

しかし、そのようなスポットライトでは、ランプの比較的小さい立体角範囲だけがフレネルレンズで捕捉されるので、特にスポット設定の場合、発光効率が悪いという欠点がある。球面反射器によって反射した光の多くが、実際のランプフィラメントに再び衝突し、そこで吸収されて、ランプフィラメントをさらに加熱するため、さらなる不都合な影響が生じる。

ドイツ特許出願公開ＤＥ３９１９６４３Ａ１は、反射器、絞り、及びフレネルレンズを有するスポットライトを開示している。このスポットライトでは、光源の調節によって、照明が変更される。これは、光の明るさの変化をもたらす。頂点と反射器との間、及び絞りと反射器との間の距離調節により、明るさが制御される。

ドイツ特許出願公開ＤＥ３４１３３１０Ａ１は、ランプ及び反射器、またはランプ及び収束レンズを有するスポットライトを開示している。このスポットライトはさらに、ディフューザーまたはミラーを有し、これは両方とも、４５度の角度に配置されている。光はミラーによって偏向され、また、光はディフューザーによって散乱される。ディフューザーの変位によって、光束の放射角が変化する。

ドイツ特許ＤＥ１０１１３３８５Ｃ１は、スポット設定の場合、フレネルレンズがほぼ楕円反射器の反射器から遠い位置の焦点付近に光源側焦点が位置する収束レンズである、フレネルレンズスポットライトを開示している。このようにして、ランプは、反射して戻る光によって不必要に加熱されない。さらに、ランプと反射器との間、及び反射器とフレネルレンズとの間の両方の距離の比は、精巧な構造のガイドによって相互依存的に調節される。しかし、これは、特別な機械的装置を必要とする。

しかし、光源の小型化がますます進み、たとえば、高力高圧放電ランプの場合、これまで以上に目立つ中央暗領域が出力光照射野内に発生し、これは、反射器内部の散乱装置によって補償できないか、または、散乱装置によって補償できても、大きな光損失を伴う。フレネルレンズスポットライトのいずれの設定の場合でも、少なくとも暗い中央開口コーンを均一に照明する必要があるので、光源の発光中心の結像を避けるために従来の散乱装置を使用しても、この場合には、得られても限定的にしか改善されない。しかし、特にスポット設定では、この場合には開口角が非常に小さい暗領域が存在するだけであるが、散乱装置を備えた従来のフレネルレンズ内の光照射野を散乱させるために、フレネルレンズの全面積が使用されるので、これは大きい光損失に直結する。

本発明の目的は、均一な出力光を高効率で与えるフレネルレンズスポットライトを提供することである。このフレネルレンズスポットライトはまた、製造が簡単明瞭かつ低コストでなければならない。

この目的は、請求項１に記載のフレネルレンズスポットライト、及び請求項１７に記載の照明装置によって、驚異的に達成される。

本発明者は、これらの大きい光損失をディフューザーによって驚くほど簡単明瞭に回避できることを発見した。この場合、フレネルレンズに、特に好ましくは円形に構成されて、フレネルレンズの中心だけに配置されたディフューザーを設けることが特に好都合である。

この実施形態では、フレネルレンズスポットライトのいずれの設定でも、照射野の中央の暗領域を非常に効果的になくすことができるが、反射器のスポット設定では、大きい光損失がまったく発生しない。

驚くことに、必要な散乱光の比率を増加させる時は必ずいつも、反射器から出る光の幾何光路によってフレネルレンズ位置での照明される領域が小さくなることがわかっている。

本発明者はこの効果を利用して、本発明で自動または適応光混合システムを提供しており、これにより、フレネルレンズスポットライトの調節と同時に、この設定に必要な散乱光成分だけを幾何光学的結像光に混合する。

それぞれの場合に必要な光分布にほぼ最適に適合させることができる光混合比を、以下の説明では、短縮して混合比と呼ぶ。

この自動光混合システムは、反射器の実質的にいずれの設定についても正確な混合比を確保し、したがって、不必要な散乱損失を伴うことなく、非常に均一に照明された光照射野を常に与える。

この場合、表面全体で照明されているフレネルレンズの混合比は、ディフューザーの直径をフレネルレンズの残りの面積に比例して選択することによって画定でき、また、散乱光の開口角は、フレネルレンズの散乱特性によって画定できる。

散乱効果は、一体型ディフューザーそのものの中でさらに変えることができるため、たとえば、より強い散乱領域をディフューザーの中央に配置し、弱い散乱領域をその縁部に配置することができる。これにより、非常に強く集束した光束をさらに広げることができ、その場合、非常に広い照明角度を生じることが可能である。

代替として、ディフューザーの縁部は、急激に終端するように構成できるだけでなく、フレネルレンズの下方または上方に延在し続けながら、徐々に減少する散乱効果を有するように構成してもよい。設定によって決まる混合比に対するさらなる適応を、これによって行うことができる。

好適な実施形態では、ディフューザーは、光入射側または光射出側のいずれかに配置することができる。さらに、ディフューザーを光入射側及び光射出側に配置する好都合な選択も可能である。後者の実施形態では、異なった散乱を行うディフューザー、たとえば、位置に応じて異なった散乱を行うディフューザーを使用することさえ可能である。

本出願と同一の出願人による「Optische Anordnung mit Stufenlinse （フレネルレンズを有する光学装置）」と題する出願を参照されたい。この出願の開示内容は、参照によって本出願の開示内容に全面的に援用される。

スポット設定及びフラッド設定の両方について図５に例示的に示されているように、光照射野全体の照明強度の均一性が同時に保持される。

本発明によれば、大きい開口を有する楕円反射器が設けられる。黒体放射体のランプフィラメント、特にハロゲンランプのランプフィラメント、または放電ランプの放電アークが、楕円反射器の反射器側焦点に位置し、楕円反射器の、反射器から遠い位置の第２焦点は、反射器に近いフレネルレンズの実焦点付近に配置するように、スポット設定が調節されている。

フレネルレンズに入射する前、反射器によって反射した光は、楕円反射器の、反射器から遠い位置の焦点上にほぼ完全に集束する。反射器側のフレネルレンズ焦点に位置するランプフィラメント、または放電アークは、フレネルレンズを通過後、無限遠に結像され、そのため、その光は、ほぼ平行な光束に変換される。

反射器及びフレネルレンズの開口角を好都合に選択することにより、反射器で反射した光は、フレネルレンズによってほぼ完全に捕捉されて、細いスポットライトビームとして前方に放射される。

本発明の１つの実施形態では、楕円反射器は、金属または透明誘電材料からなる。金属、たとえば、アルミニウムでコーティングすることができるガラス及び高分子材料、たとえば、プラスチックが、誘電材料として使用するのに好都合である。

代替または追加として、透明誘電材料を用いた実施形態において反射面を形成するために、反射器の２つの表面の一方または両方が、光学的に薄い層の系でコーティングされる。フレネルレンズのコーティングは好ましくは、通過する光のスペクトルを変える誘電干渉層系を有する。これにより、可視放射成分を好都合に反射し、非可視成分、特に熱放射成分を透過することができる。

一般的に、プラスチックの場合、反射器、フレネルレンズ及び／またはディフューザーは共に、少なくとも片面をたとえば、スクラッチ傷防止及び／または反射防止層でコーティングしてもよい。

本発明の別の好適な実施形態は、反射器の主表面の一方または両方に金属膜を有する。

別の代替構造では、反射器は、コーティングされないか、または、所望のスペクトルまたは腐食特性を与えるために誘電または金属コーティングされた金属反射器でもよい。

本発明の好適な実施形態は、光を散乱するように、反射器の光反射面が、好ましくは小表面または切子面を有する構造であり、フレネルレンズの表面のいずれも光を散乱しないように構成されているか、または１つまたは２つのフレネルレンズの表面が光を散乱するように構成されているフレネルレンズスポットライトを含む。これにより、固定量の散乱光が、幾何光学的結像光上に重ね合わされ、これにより、光照射野内の暗いリングを減少させることができる。

強度及び熱安定性を高めるために、フレネルレンズは、その表面にプレストレスが、好ましくは熱プレストレスが好都合に加えられている。

本発明によれば、スポットライトは、医学、建築、映画、劇場、スタジオ及び写真用に、また懐中電灯に使用することができる。

好適な実施形態では、ディフューザーは、光入射側か、または光射出側のいずれかに配置することができる。ディフューザーを光入射側及び光射出側に配置する好都合な選択もさらに可能である。後者の実施形態では、異なった散乱を行うディフューザー、たとえば、位置に応じて異なった散乱を行うディフューザーを使用することさえ可能である。

次に、添付の図面を参照しながら、好適な実施形態によって本発明をさらに詳細に説明する。

以下の詳細な説明では、同一の参照番号は、さまざまなそれぞれの実施形態において同一であるか、または同一効果を有する部材を示すものとする。

まず、図１を参照するが、これは、スポット設定の場合のフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す。フレネルレンズスポットライトは実質的に、楕円反射器１と、ランプ２であって、白熱ランプ、特にハロゲンランプ、発光ダイオード、発光ダイオードアレイまたはガス放電ランプなどにすることができるランプ２と、フレネルレンズ３とを有し、フレネルレンズ３は、収束レンズ、好ましくは平凸フレネルレンズである。

図１において、楕円反射器１の、反射器から遠い位置の焦点Ｆ２は、フレネルレンズ３の左側の実焦点、すなわち正の焦点Ｆ３にほぼ重ね合わされている。

図１では、スポットライトから出る光束４は、その外周光線のみが概略的に表されている。

フレネルレンズと反射器１の前縁部との間の距離ａも、図１に示されている。

スポット設定では、ランプ２のランプフィラメントまたは放電アークが、楕円反射器の反射器側焦点Ｆ１に位置するように調節される。

反射器１によって反射した光は、この設定では楕円反射器１の焦点Ｆ２上にほぼ完全に向けられる。その時、フレネルレンズ３の左側の正の、すなわち実焦点Ｆ３は、楕円反射器の焦点Ｆ２にほぼ一致する。

図１はまた、反射器２内の開口５による光照射野４の平行光路内の暗領域６が、いかに発生するかを近視野に示している。

フレネルレンズ３の内部の中央に、円形のディフューザー７が配置されており、これは、規定の散乱光比及び散乱光の規定開口角を生じる。フレネルレンズ３によって幾何光学的に結像された光に対する散乱光の規定の混合比が、このようにして得られる。

ディフューザー７のこの実施形態の代替として、別の実施形態では、散乱効果が、ディフューザー７の半径に沿って連続的に変化し、それにより、より強い散乱領域がディフューザー７の中央に配置され、弱い散乱領域が、それの急激に終端する縁部に配置される。

さらに別の変更実施形態では、ディフューザーの縁部は、急激に終端するだけでなく、連続的に減少する散乱効果を有するようにも構成され、それは、フレネルレンズの下方または上方に延在してもよい。

設定によって決まる混合比に対するさらなる適応が、これによって系統的に行われ、それにより、当該技術分野の専門家であれば、均一に照明された光照射野に、さらには、所定の方法で発生させたより高い局部強度を有する光照射野に、最適の混合比を常に与えることができる。

図１はさらに、スポット設定では、光全体の一部だけがディフューザー７を通過することを示している。

図５は、フレネルレンズスポットライトの光強度と開口角との関係を示す対数グラフであり、図中に線８で示されているように、スポット設定時、ディフューザー７は非常に均一な照明をもたらす。

図２は、第１フラッド設定時の図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を示し、ここでは、反射器１の、反射器から遠い位置の焦点Ｆ２が、反射器に近いフレネルレンズ３の表面上にほぼ配置されている。

これにより、スポット設定に対する変位量の値ａが、機械的ガイドによって規定通りの方法により変更される。

この構造は、図１に説明したフレネルレンズスポットライトの構造にほぼ対応している。

しかし、射出する光束４の開口角及び暗領域６の開口角の両方が増加していることが、図２から明らかにわかるであろう。

しかし、この設定では、光の大部分が、ディフューザー７の中央の非常に狭い領域だけに入射するので、それの前方散乱ローブが、遠視野または遠距離で暗領域６を所望通りにほぼ補償するように、この領域を具体的に構成することができる。やはり図５を参照する必要があり、図５の線９は、フラッド設定の場合の光比率を例示的に示している。

１つの実施形態では、距離ａの変更を手動で行うことができ、その場合、光学部品の軸方向ガイドをこのために使用することができる。代替として、光学部品をモータで駆動してもよい。

図３は、別の好適な実施形態を示す。この実施形態は、追加的な補助反射器１８を除いて、本質的には上述の実施形態に対応しており、図３の右方向に伝播されて、反射器１に到達することはないランプ２からの光が、補助反射器１８での反射によって反射器１内へ偏向される。このように、例示的に光路１９のみで示され、補助反射器がなければ、照明に貢献しないはずである光を利用することができるだけでなく、光の、フレネルレンズ３に直接的に入射するはずである部分をよりうまく利用して、所望の光分布を得ることもできる。

補助反射器によって反射する光が、ランプ２の発光手段、たとえば、フィラメントまたは放電区域に再入射してそれを不必要にさらに加熱することがないように、補助反射器１８の形状が好都合に選択される。

代替として、補助反射器１８は、ランプ２のガラス本体の内側または外側にはめ付けることができる。反射光に対して所望の指向性効果を達成するために、ランプ本体のガラスをこの目的に適した形状にすることができる。

図４は、本発明によって使用される、ディフューザー７を有するフレネルレンズ３の一例を示す。フレネルレンズ３は、透明のベース本体１０と、環状のレンズセグメント１１、１２、１３を有するフレネルレンズリング系１１とを有し、フレネルレンズリング系の内側に円形ディフューザー７が配置されている。

ディフューザー７は、規定通りに構成されるか、または、本出願と同一の出願人によってドイツ国特許商標庁に出願された「Streuscheibe beschrieben sind（ディフューザー）」と題するドイツ特許出願第ＤＥ１０３４３６３０．８号に開示された、広範囲に正確に画定することができる散乱挙動を有する切子面１５、１６、１７を有する。この出願の開示内容は、参照によって本出願の開示内容に全面的に援用される。

しかし、本発明は、ディフューザーのこれらの上記実施形態に制限されない。

上述のフレネルレンズスポットライトは、従来技術の場合より相当に小型の電源または安定器と一緒に、照明装置に特に好都合に用いることができる。本発明に従ったフレネルレンズスポットライトは、はるかに高い発光効率を有するので、従来技術の場合と同じ使用可能な光出力を得る場合、この電源を電気的及び機械的の両方で小さくすることができる。したがって、必要な重量が減少し、また、運搬及び保管のために必要な空間を小さくできる。

これにより、特に冷光反射器を使用する時、照明される人及び物体の全熱負荷暴露量がさらに減少する。

本発明に従ったフレネルレンズスポットライトは、懐中電灯の発光効率を高めるためにも好都合に使用することができる。

反射器の、反射器から遠い位置の焦点が、フレネルレンズの左側の実焦点にほぼ重なり合っている、スポット設定時のフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す図である。 反射器の、反射器から遠い位置の焦点が、フレネルレンズの表面の近くに配置されている、第１フラッド設定時の図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す図である。 光のさらなる部分を最初に反射器に偏向し、そこからフレネルレンズに偏向する補助反射器を備えている、スポット設定時の図１に示されたフレネルレンズスポットライトの実施形態を示す図である。 中央に配置されたディフューザーを有する収束フレネルレンズを示す図である。 スポット設定時、及び複数のフラッド設定時におけるフレネルレンズスポットライトの光強度の、開口角に対する対数グラフである。

符号の説明

１ 反射器
２ ランプ
３ フレネルレンズ
４ 射出する光束
５ 反射器１内の開口
６ 暗領域
７ ディフューザー
８ スポット設定時の光度分布
９ フラッド設定時の光度分布
１０ ベース本体
１１ フレネルレンズリング
１２ 環状のレンズセグメント
１３ 環状のレンズセグメント
１４ 環状のレンズセグメント
１５ 切子面
１６ 切子面
１７ 切子面
１８ 補助反射器
１９ 補助反射器を通って反射する光路

Claims (18)

1. 好ましくは楕円反射器、ランプ及び少なくとも１つのフレネルレンズを有し、射出する光束の開口角が調節可能であるフレネルレンズスポットライトであって、該フレネルレンズは光を散乱するディフューザーを有し、該ディフューザーは該フレネルレンズの中心部のみに配置されることを特徴とするフレネルレンズスポットライト。
2. 前記ディフューザーは円形に構成されている、請求項１のフレネルレンズスポットライト。
3. 前記ディフューザーを有する前記フレネルレンズは、光混合システムを画定し、該光混合システムは、幾何光学的結像光に対する散乱光の割合（光混合比）を、該フレネルレンズスポットライトの設定に応じて変更する、請求項１または２のフレネルレンズスポットライト。
4. 前記フレネルレンズは、実焦点を有し、特に前記フレネルレンズスポットライトのスポット設定で、該実焦点は、前記反射器の、該反射器から遠い位置の焦点に重なり合う、請求項１乃至３のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
5. 前記フレネルレンズは、フレネルレンズ、好ましくは平凸収束レンズとして構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
6. 前記フレネルレンズは、色補正された結像特性を有する二重レンズを含む、請求項１乃至５のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
7. 前記反射器は、金属、または透明の、好ましくは誘電材料、ガラス及び／またはプラスチックからなる、請求項１乃至６のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
8. 前記反射器の２つの主表面の少なくとも一方に、光学的に薄い層の系が設けられている、請求項１乃至７のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
9. 前記反射器の前記光反射面は、光を散乱するように、好ましくは小表面または切子面を有する構造であり、前記フレネルレンズの表面のいずれも、前記ディフューザーと共に光を散乱しないように構成されているか、または１つまたは２つの表面が光を散乱するように構成されている、請求項１乃至８のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
10. 前記反射器、前記フレネルレンズ及び／またはディフューザーは、少なくとも片面がコーティングされている、請求項１乃至９のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
11. 前記フレネルレンズの前記コーティングは、通過する光のスペクトルを変える誘電干渉層系を含む、請求項１０のフレネルレンズスポットライト。
12. 前記反射器の前記２つの主表面の少なくとも一方は、金属、好ましくはアルミニウムでコーティングされている、請求項１乃至１１のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
13. 前記ランプは、白熱ランプ、特にハロゲンランプ、発光ダイオード、発光ダイオードアレイまたはガス放電ランプである、請求項１乃至１２のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
14. 補助反射器が、前記フレネルレンズと前記反射器間に配置されている、請求項１乃至１３のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
15. 前記フレネルレンズは、その表面にプレストレスが、好ましくは熱プレストレスが加えられている請求項１乃至１４のいずれか一項のフレネルレンズスポットライト。
16. 請求項１乃至１５のいずれか一項のフレネルレンズスポットライトと、関連の電源または安定器とを備える照明装置。
17. 医学、建築、映画、劇場、スタジオ及び写真での、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のフレネルレンズスポットライト及び請求項１６の照明装置の使用。
18. 請求項１乃至１５のいずれか一項のフレネルレンズスポットライトを備える懐中電灯。

Images