專利名稱：用于聚光燈，投影機以及放大裝置的照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于聚光燈，投影機以及放大裝置的照明系統(tǒng)，在給定距離向給定區(qū)域提供高強度的均勻照明。它由光源、輔助反光鏡以及主反光鏡組成。該系統(tǒng)的另一部分是復合透鏡，包括網狀分布的多個單獨會聚透鏡，將光源的光線照射到規(guī)定的平面，這些透鏡在這上面形成光斑。
有許多照明系統(tǒng)用作汽車前燈。這些系統(tǒng)通常由覆蓋了有發(fā)散元件的玻璃罩的連續(xù)拋物面反射器構成。光源是兩根燈絲的鹵素燈泡;其中一根燈絲用于遠距離照明，另一根燈絲用于柔光照明，它有一內部光闌能對柔光束進行限制。
為減小反射器的垂直尺寸，傳統(tǒng)的拋物面反射器改造為共焦反射區(qū)域的形狀，使得此反射區(qū)域分成一系列具有相同最佳焦距的分立連接的拋物面分區(qū)。前燈尺寸再減小的需要的導致了橢圓屈光系統(tǒng)的產生。其反射器具有旋轉橢球或三軸多橢圓橢球的形狀。在其焦點中的一個焦點處有燈泡的燈絲，而在第二個焦點處有光闌。設置在橢圓第二焦點處的平凸透鏡使輸出光線的方向與系統(tǒng)的光軸平行。這種透鏡還將光闌投影到反射器的明亮背景上。這種方法確定柔光前燈照明的分布。
由于是一根燈絲的燈泡，因而這種系統(tǒng)只能用于柔光。因而還需要一個類似或相同結構的燈用于遠距離照明裝置。這種裝置具有很小的高度，它形成在明亮圓錐狀區(qū)域與黑暗區(qū)域之間有明顯界線的，強度和均勻性較佳的柔光照明。具有較大柔光照明作用范圍的另一裝置具有自由形成反射區(qū)域的那種反射器，它是連續(xù)和閉合的，以便反射器免受罩著的玻璃的影響反射器將單個燈絲燈泡的基本像投射到所需的空間。即使沒有光闌，它們在暗場和明場間形成邊界。這一系統(tǒng)的光輸出的大小隨反射器的效力成正比地增加，它還允許利用其下部，從而提高了效率。不過對于遠距離照明還需要一特別的裝置。通過運用有關自由形成反射區(qū)域的原理來實現一種改進的照明裝置的橢圓屈光投射系統(tǒng)。原來的橢球改造成在焦平面的非光闌部分有較多光束的總區(qū)域，反射器在其上部較為開放而在其下部較為閉合。這一系統(tǒng)的光輸出比以前的系統(tǒng)高許多。
相似的照明系統(tǒng)可用于不同的照明用途，例如在保健股務中聚光燈用于口腔治療。這些系統(tǒng)包括大多采用鹵素燈泡作為光源的已知類型的平面照明設備，和冷反射的凹面鏡。其反射部分設計為將光點投射到所需平面上的復合反光鏡。
目前的汽車照明系統(tǒng)的主要缺點在于其較低的照明效率。交通工具采用由不同形狀的反光鏡所反射的光束，而不采用光源在正前方的光通量，因而通常是有陰影的。這種照明設備的另一大問題是眩光效應，這是因為迄今為止幾乎所有系統(tǒng)所給出的燈泡燈絲的強光是從聚光燈前面空間才可以看見的。難以得到既有明顯的明暗邊緣又具有均勻的光束強度，其結果是系統(tǒng)相當復雜。這些照明設備的較大尺寸和其覆蓋玻璃的傾斜度要適合于汽車前部的空氣動力學設計將成為相當困難的任務。
用于口腔治療的聚光燈同樣具有較低的照明效率。由于光源出射的光是射到前方空間的，因而是不用的。當打開燈;燈光還會到達病人眼睛而引起令人不快的炫目。牙科醫(yī)生的反光鏡也會反射各種反光區(qū)域來的不要的光，這樣所觀察的圖像會受到干擾。在某些基本手術期間，例如在準備牙冠期間，金屬反射的光在準備牙冠的開孔和反射表面時形成某種障礙。這使手術更為困難。具有復合反光鏡的反射器相對來說較大，當聚光燈調整到不合適位置時，牙科醫(yī)生的頭很容易地遮斷光束而減少了來自聚光燈使之照射到病人身體的所需部位上的光量。
若把另一光學系統(tǒng)，例如一個會聚系統(tǒng)，加到上面提及和敘述的系統(tǒng)之一上面的話，所形成的系統(tǒng)可以用于對第一主平面的照明，在此平面上插入負片和正片的片條。此區(qū)域藉助于物鏡投射到像平面上。此照明系統(tǒng)主要適用于投影機，幻燈片投影機以及放大裝置。
有種種帶高強度光源的大型幻燈片投影機。其結構和光源的不同亮度給入射平面的照明均勻性帶來消極影響。因而，這種照明系統(tǒng)包含具有復合組件的光學部件復合反光鏡，而不是采用簡單的凸鏡。而且在兩反射鏡之間置有由兩塊帶復合透鏡的板構成的中間成像系統(tǒng)。對于大型幻燈片通常采用由復合透鏡所組成的蜂窩狀會聚系統(tǒng)。還有所用的照明系統(tǒng)將復合反光鏡做成蜂窩狀。該反光鏡包含置于一個平面上的多組曲面反射板。這些系統(tǒng)的缺點在于其尺寸大，有大量復雜的光學元件，這還使光通量有較大損失。
小型幻燈片投影機中照明系統(tǒng)既采用帶光源的球面鏡，也應用帶非球面元件和溫度過濾器的透鏡會聚系統(tǒng)。這種光學系統(tǒng)的缺點在于第一主平面設置有底片的矩形框因圓形光束而不佳，這引起光通量損失。光通量的角度還受球面或非球面聚光器所獲得的外部光線的限制，因而此角度無法再提高。
在主要用于業(yè)余工作者的放大裝置中，主要采用大面積的光源，具體來說采用帶透鏡會聚系統(tǒng)的乳白色燈泡，或具有橢圓反射區(qū)域的燈。在一些放大裝置對彩色照片還可以采用一帶其本身光源的獨立頭，通常是采用帶發(fā)散系統(tǒng)的鹵素燈、用于連續(xù)調整濾色的混色室以及連續(xù)調整密度的光闌，但是這種系統(tǒng)的效率很差。
目前照明系統(tǒng)受到以上所列缺點的限制。本發(fā)明的主要內容在于，其光軸與主光軸相同，在其上定位有帶輔助反光鏡的光源的主反光鏡，使其凹面反射表面形成為復合反光鏡。這種復合反光鏡由一系列球面凹鏡構成，其側壁相互接觸，其最高點處于一個表面之上，該表面具有旋轉的圓錐截面形狀，在子午面上有非圓形曲線。凹面反射鏡的特定反射區(qū)域有這樣的焦距和與光軸的傾角使得它們在復合透鏡的幾何對應透鏡的最高點形成光源的光學像，該復合透鏡包括多個網狀分布的單個透鏡，而它也設置在主光軸上。球面凹鏡的相關單元區(qū)域被投影到所需的光斑平面上。
從主光軸方向看和從與主軸正交的假想平面看，每個球面凹鏡形狀與投影的光斑平面的輪廓相對應。球面凹鏡還安排在各區(qū)域中。在一個區(qū)域內的這些反光鏡的曲率半徑均相等，但不同區(qū)域的反光鏡的曲率半徑不相等。
復合透鏡的單個透鏡具有相同形狀和尺寸，它們與光源視場的形狀和尺寸極有關系。它們也安排在各個區(qū)域，這些區(qū)域可以按主軸方向分布。某一區(qū)域透鏡的曲率半徑與另一區(qū)域透鏡的曲率半徑不同。所有透鏡的最高點被安排在與主光軸正交的平面內，其光軸與主光軸平行。在這種情況下透鏡是平凸的。對于某些照明系統(tǒng)，復合透鏡的各個特定透鏡的背面可以傾斜其光軸以產生光楔。還可以使復合透鏡的整個背面成凹狀。以上所述的復合透鏡另一種布置使光束直達所需的平面。
在為投影目的采用照明系統(tǒng)，尤其用于幻燈片投影機以及放大裝置的情況下，照明系統(tǒng)中可以增加會聚系統(tǒng)，它使光通量到達放置幻燈片的平面。
本發(fā)明照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于其照明效果，光束均勻分布，而且眩光效應較小。當將此新系統(tǒng)用作直射光源(例如用于汽車前燈)或醫(yī)用聚光燈或增加會聚系統(tǒng)時，本系統(tǒng)尺度都很小。


圖1是汽車前燈照明系統(tǒng)的示意圖。
圖2是汽車遠距需前燈照明系統(tǒng)對公路較遠部分照明得到的光斑。
圖3是汽車柔光前燈照明系統(tǒng)用于對公路進行柔光照明在主向A看得的光斑。
圖4是保健服務中所用聚光燈的光學系統(tǒng)的示意圖。
圖5是大型幻燈片投影機的照明系統(tǒng)的示意圖。
圖6是小型幻燈片投影機的照明系統(tǒng)的示意圖。
圖7是放大裝置的照明系統(tǒng)的示意圖。
圖1示意性示出交通工具的照明系統(tǒng)，尤其是汽車前燈光學系統(tǒng)。它包括光源1，為單根燈絲的鹵素燈泡，置于主光軸0之上，在主光軸0上還安排有輔助反光鏡2。該系統(tǒng)的另一部分是主反光鏡3，其光軸O1與主光軸0相同。主反光鏡被制成復合反光鏡，由網狀分布的矩形球面凹鏡31形成。其側壁互相緊緊地鄰接，而其最高點32處于一個假想平面內，在子午面上形成非球面曲線，并繞與主光軸0相同的光軸01旋轉對稱。另一部分是復合透鏡4，也置于主光軸0處。它包括一系列會聚透鏡41，它具有六邊形形狀。同樣，它們的側壁互相緊緊鄰接。其最高點42處于與主光軸正交的公共平面內，其后壁43均形成斜面，以便構成光楔。所有光軸40均與主光軸0平行。
在反光鏡3和復合透鏡4之間必須滿足一種條件，透鏡41的焦點和球面凹鏡31的焦點形成類似形狀的點網，從光源1的中間出射的光線從球面凹鏡最高點32反射后射到幾何對應的透鏡41的最高點42。通過覆蓋屈光中性的玻璃10來完成此照明系統(tǒng)。
從光源1出射的光束，包括從輔助反光鏡2的反射表面所反射的那部分，照射到主反光鏡3的反射表面上。其每個球面凹鏡31在復合透鏡4的對應透鏡41處產生光源1的像，復合透鏡以給定放大倍數使矩形球面凹鏡31投影到光斑平面6。通過此平面的光線束其形狀是主反光鏡3中球面凹鏡31形狀的像與球面凹鏡31透鏡41的數量相同的象在這里會聚。這對遠距離前燈和對柔光前燈都有效。
圖2中可以看到公路剖面61上小汽車遠距離前燈的光斑。這種狀態(tài)通過對復合透鏡4的一些特定透鏡41的背面區(qū)域43作合適安排才能夠達到。
圖3示出柔光光斑。在圖面之外在該平面當中部分比起外部來其光斑更為集中。通過對復合透鏡4的背部區(qū)域進行適當的安排也可以達到。
這種前燈照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點，是其利用主、輔反光鏡所反射的光線，并將光通量適當地射到規(guī)定區(qū)域，而能達到更高的照明效果。這種光通量僅在光斑方向上出射，沒有任何干擾和不必要的側向光照。在柔光前燈中實現了明場與暗場間極為清晰的分界以及可以獲得優(yōu)選的光斑。這種前燈也適合于有軌車輛，輪式車輛以及軍用車輛，這種前燈有一種帶有特別開口，設在罩著的屈光中性玻璃后面的機械光闌，以根據用戶的需要射出并減弱光通量。
在遠距照明的照明設備中，光斑集中為一圖形，它總的來說是均勻的，而且與光源出射光的形狀以及分配無關。因為僅僅是凹面鏡的特定照明區(qū)域被投射到光斑平面，發(fā)光的燈泡燈絲的高亮度并沒有在前燈前方的空間成像，因此對于交匯小汽車或它本身的眩光效應就被減到最低水平。具有單個燈絲鹵素燈泡的柔光前燈其外前部尺寸可以與前燈投射系統(tǒng)Super-ED相比。減小光源照明面積，例如采用氣體放電燈時，可以使前燈的前部尺寸減小。沒有發(fā)散元件的玻璃罩是光學中性的，允許加在其垂直和水平的傾斜面。這有助于解決對整個前燈以及對汽車的前散熱罩的空氣動力學設計。
從圖4可知對這種照明系統(tǒng)稍作改變也適合于醫(yī)療尤其適用于口腔治療。對主反光鏡3的凹鏡31以及復合透鏡4的各個透鏡41作適當調整后，可以使復合透鏡4的整個背面為平面。光斑平面則是均勻照明的。在900mm距離其尺度達到125×140mm，這是口腔治療的最佳尺度。在這種情況下，獲得在明場和暗場間的清晰分界，對病人的眩光效應為最小。
照明系統(tǒng)還可以用于需要較小眩光以及均勻光通量照明的許多領域，例如在電視工作室，在照相工作室，或如劇場和影片的聚光照明工作間等，這些地方要求在給定距離內眩光較小和光斑照明均勻。
若上述照明系統(tǒng)加上會聚設備，它還可以如圖5所示用于幻燈片投影機或用于投射較大尺寸的圖像。
這種照明系統(tǒng)采用高壓放電燈作為光源1，還采用輔助反光鏡2和中間投影設備，它包括由一系列球面凹鏡31所形成的主反光鏡3，以及包含一系列透鏡41的復合透鏡4。所有這些組件均位于主光軸0上。整個系統(tǒng)以及各組件間的關系與汽車前燈或醫(yī)用燈所用的照明系統(tǒng)相似。只是把復合透鏡4的背面制成使光發(fā)散的。此系統(tǒng)與置于主光軸0上的會聚系統(tǒng)5相連。它包括兩個凹透鏡，其后面的一個透鏡可以根據所用物鏡7的焦距而更換。
從光源1中間出射的光線以及后來從主反光鏡3的多個球面凹鏡31中央反射出的光線通過與之幾何對應的多個帶發(fā)散透鏡的復合透鏡的多個凸透鏡41，并通過會聚系統(tǒng)5，大體上相交在光斑6平面當中，這里置有幻燈片，它靠物鏡7投影到成像平面(未圖示)上。在這種系統(tǒng)中，由復合透鏡4出射的出射光束的直徑與會聚系統(tǒng)5距復合透鏡4的距離的比值必須等于或小于物鏡7的相對口徑值。光斑平面6仍會聚有許多凹鏡31的像，由復合透鏡4的各個透鏡41投影，其數量與凹鏡31的數量或透鏡41的數量相同。這做到了可實際利用全部的光通量，同時光分布均勻，而且整個系統(tǒng)的總長度較短。
從圖6起可知，在作某些改動后此系統(tǒng)可用作小型幻燈片投影機。其構思與敘述同上面所述例子相似。但在主反光鏡3、透鏡4以及會聚系統(tǒng)5的結構方面還有某些差異。鹵素燈泡用作光源-1。主反光鏡3由相同尺寸的矩形球面凹鏡31組成，它按直線排列，相鄰直線間的線寬度為一個反光鏡31的一半寬度。這些反光鏡31的幾何中心形成一個網，它類似于復合透鏡4的透鏡41的幾何網。這些球面凹鏡31的最高點32處于非球面上，其光學心與幾何中心一致，這些球面鏡31布置在距主光軸0不同半徑的位置上。同時，這些具有相同焦距球面凹鏡31形成了區(qū)域，而不同區(qū)域的球面鏡31具有不同焦距，以便將光源1投射到各透鏡的最高點42，這些透鏡由處于各區(qū)域中并沿主光軸方向延伸。會聚系統(tǒng)5包括更多元件，第一個元件是發(fā)散的，其結構適于主要光線大體上在光斑6的平面中心處相交，而且全部光束通過物鏡7。后面一個透鏡是可以更換的。光源1則在接近幾何網中在物鏡7的中間投射，該幾何網與主反光鏡3，以及在某表面中的復合透鏡4的那種相類似，在該表面處光束直徑和光斑平面6距此光束的距離之比接近等于或小于目鏡7的相對口徑值。
按照以上所述的解決方案，不論光源1的照明區(qū)域形狀和其上光的分布如何，都可在光斑6的平面與所插入的幻燈片處得到較高的光通量以及均勻的照明。
如圖7所示，本系統(tǒng)與能夠投影的放大裝置的照明系統(tǒng)幾乎是一致的。對幻燈片投影來說，此系統(tǒng)只是轉過90°到水平面上而已。光源1是鹵素燈泡。系統(tǒng)還有反光鏡8，它使光束轉向照到垂直平面上。透鏡會聚系統(tǒng)5的后面一個元件可以根據投影物鏡7的類型而更換。在光斑6的平面內放了一片黑白或彩色的幻燈片條，或者一幻燈片。彩色相片用濾色鏡9置于離復合透鏡4較近的位置，當插入濾色鏡時將改變色彩的濾過。通過灰色濾色鏡(未圖示)和機械光闌(未圖示)，白光和彩色光的光密度得到調整。主反光鏡3具有一反射層，它允許熱輻射通過。
在此例子中，要達到輸入功率50W的較大光強以及光的均勻照明，也是很重要的，尤其對于彩色相片更是如此。優(yōu)點還在于這種系統(tǒng)形成一種結構單元，它既可以以高的光通量放大黑白和彩色相片，還可以用于出色的幻燈投影。
以上所述系統(tǒng)提供了利用此最新設計的照明系統(tǒng)的較多可能，例如用于專業(yè)投影和復印技術領域。
權利要求
1.一種用于聚光燈、投影器以及放大裝置的照明系統(tǒng)，對給定距離給定大小的區(qū)域提供高強度均勻的照明，它包括光源，輔助反光鏡，主反光鏡，以及帶有會聚光學元件、能將光源出射的光線照到形成光斑的規(guī)定平面的復合反光鏡，其特征在于所述主反光鏡(3)的反射區(qū)域做成網狀分布的球面凹鏡(31)，其最高點32處于這樣一個表面上，該表面具有旋轉轉錐截面形狀，其旋轉軸為其光軸(O1)，在子午平面內具有非圓曲線的形狀，所述主反光鏡(3)的光軸(O1)與主光軸(O)一致，在主光軸上放有所述光源(1)的中心以及輔助反光鏡(2)，球面凹鏡(31)的特定反射區(qū)域具有一個焦距，而它們的光軸(30)傾斜以便將光源的像投射到與復合透鏡(4)幾何對應的透鏡(41)的最高點(42)，這些特定透鏡(41)將主反光鏡(3)的球面凹鏡(31)對應的單元區(qū)域的像投射到所需光斑(6)的平面上。
2.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于當沿主光軸(O)方向看去和在與主光軸相正交的平面上看去，主反光鏡(3)的每個球面凹鏡(31)與光斑(6)的平面形狀相對應，這些球面凹鏡(31)通過其側壁相互緊緊鄰接，復合透鏡(4)的特定透鏡(41)的形狀和大小應盡可能地與光源(1)場以及球面凹鏡(31)形成的光源像的形狀和大小相對應，使之通過這些透鏡(41)，這些透鏡大小相同，并通過側壁相互緊緊鄰接。
3.如權利要求1和2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于把各個凹形球面鏡(31)構成一些區(qū)域，同一區(qū)域的一組球面凹鏡具有相同曲率半徑，但與另一區(qū)域的一組球面凹鏡的曲率半徑不同。
4.如權利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于透鏡41構成一些區(qū)域，向一區(qū)域中的一組透鏡(41)與不同區(qū)域的透鏡(41)組相比沿主光軸(O)方向延伸，一區(qū)域內各透鏡41的曲率半徑與別的區(qū)域中的曲率半徑不同。
5.如權利要求1至4所述的照明系統(tǒng)，其特征在于復合透鏡(4)的各透鏡(41)的最高點(42)位于一個平面上，此平面與主光軸(O)正交，各透鏡(41)的光軸(40)與這根主光軸(O)平行，各透鏡(41)均為平凸的透鏡。
6.如權利要求1至4所述的照明系統(tǒng)，其特征在于復合透鏡(4)的各透鏡(41)的背面(43)相對于其光軸(40)傾斜。
7.如權利要求1至4所述的照明系統(tǒng)，其特征在于復合透鏡(4)的背面是凹的。
8.如權利要求1至7所述的照明系統(tǒng)，其特征在于在光斑(6)平面的前方設置一個會聚系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于聚光燈，汽車前燈以及醫(yī)學用和產業(yè)用聚光燈的照明系統(tǒng)。它由光源1(尤其是鹵素燈泡)、輔助反光鏡2由一系列球面凹鏡31構成的主反光鏡3以及復合透鏡4組成。所有這些元件全部布置在主光軸0上。若系統(tǒng)在其基本部件上增加聚光器5和物鏡7，此系統(tǒng)便可用于影片投影和幻燈片投影器。
文檔編號F21V13/04GK1089712SQ9312076
公開日1994年7月20日 申請日期1993年12月21日 優(yōu)先權日1992年12月21日
發(fā)明者米羅斯拉夫·漢那卡 申請人:米羅斯拉夫·漢那卡