專利名稱：具有小光面反射鏡和螺旋透鏡的燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及白熾燈，特別涉及反射鏡燈。具體地，本發(fā)明涉及共同產(chǎn)生可控的波束方向圖的反射鏡和透鏡的組合裝置。
反射鏡燈應(yīng)能提供光束擴(kuò)散和光束美感。通常，用戶追求具有一適宜特殊要求的擴(kuò)展角的光束。光束基本由反射鏡的輪廓形成。典型地，一旋轉(zhuǎn)拋物線用于提供緊密準(zhǔn)直的平行光束。但是一完全平滑的反射鏡可投影位于下面的光源圖像。于是在被照明的物體上可看到燈絲或弧形圖像的投影光結(jié)構(gòu)。這個不良結(jié)果通常由透鏡上分解光源圖像的微透鏡消除。微透鏡也用于擴(kuò)散該光束，例如將平行光束擴(kuò)散為一具有選擇擴(kuò)展角的圓錐。微透鏡通常組成圖案，而且它們能形成導(dǎo)致亮或暗紋理的疊加的光束圖案。例如，一典型的六邊形封閉組裝的微透鏡組圖案導(dǎo)致

圖1所示的六邊形光束圖案(視頻掃描圖像)。這種圖案可用于照明車道，但不適于用戶顯示或強(qiáng)調(diào)美感的類似應(yīng)用。一般來說，源圖像擴(kuò)散導(dǎo)致更多的漫斑，并減小物體區(qū)的亮度。因此需要具有好的分立斑和擴(kuò)散源圖像的PAR燈。
給光束美感下定義是困難的。這是由于人眼和腦的有效響應(yīng)將實(shí)際的光圖案合成為被察覺的圖案。該察覺過程取決于光束中實(shí)際光的顏色、強(qiáng)度、對比度及其它因素，也取決于在該被察覺光束之外有多少雜散光。光束美感會受諸如反射鏡中的光源焦點(diǎn)、微透鏡上的缺陷和視覺特性等變量的影響。例如，人眼進(jìn)行調(diào)節(jié)以增強(qiáng)對比邊緣，使得當(dāng)光強(qiáng)度明顯變化時該被察覺光束的邊緣增強(qiáng)。遺憾的是，這一過程會增大光束的缺陷，該缺陷被儀器測量時可不明顯地顯示出來。這一過程還會導(dǎo)致光幻覺。例如，在一個銳截止的光束中，可看到一個明亮的光束中心被一個更亮的環(huán)圍繞，而這更亮的環(huán)依次被暗環(huán)和更暗的外部區(qū)域圍繞。暗環(huán)和亮環(huán)都是幻覺，它們不能由實(shí)際的儀表讀數(shù)鑒別。PAR燈的準(zhǔn)直光在經(jīng)球面透鏡擴(kuò)展時不僅產(chǎn)生銳截止，而且也顯示透鏡中可能產(chǎn)生的制造缺陷。任何與球形輪廓不同的結(jié)構(gòu)偏差均能在采用拋物面反射鏡的光束中被發(fā)現(xiàn)。因此，需要一種具有良好光束擴(kuò)展、良好分立斑的反射鏡燈，它能以良好的光源圖像漫射進(jìn)行照明并能減小或消除幻視缺陷。
一個提供改善光束方向圖的反射鏡燈可由一個電光源、一個具有限定空腔的壁的反射鏡、一個軸線和一個限定開口的邊緣構(gòu)成。沿著該軸線，光源設(shè)置在該壁與該開口之間的空腔中。該反射鏡還具有一個面對光源并相對該光源被成型和定位以便提供光束的反射面，該反射面包括若干圍繞軸線定位的小光面、因而一個通過該小光面垂直于該軸線的橫截面可提供N個小光面截面，其中N等于或大于16而小于或等于64。該燈還包括一個構(gòu)成光透射板并能沿所述邊緣與反射鏡配合的透鏡，該透鏡上分布有大量的微透鏡，該微透鏡的定位應(yīng)使其構(gòu)成M個從透鏡中心向透鏡邊緣伸展的螺旋臂圖案，其中N大于M。
圖1表示發(fā)自現(xiàn)有的PAR燈的已有的光束圖案。
圖2表示一具有螺旋反射鏡和透鏡的燈之優(yōu)選實(shí)施例的截面圖。
圖3表示一反射鏡的截面圖。
圖4表示一反射鏡的頂視圖。
圖5表示一透鏡的頂視圖。
圖6表示一發(fā)自具有螺旋反射鏡和螺旋透鏡的PAR燈的光束圖案。
圖2表示一具有螺旋反射鏡和透鏡的燈的優(yōu)選實(shí)施例的截面圖。燈10的優(yōu)選實(shí)施例包括一光源12、一具有螺旋小光面圖案的反射鏡14、和一具有螺旋微透鏡圖案的透鏡16。光源12可由鎢鹵(燈)或電弧放電燈構(gòu)成，但任何小型電光源12均可接受。優(yōu)選的光源12通常具有一單端壓封連接的鎢鹵燈的形式。雙端或其它形式也可使用。
圖3表示一反射鏡14的截面圖。反射鏡14可由模壓玻璃或塑料制成以具有杯或空心管殼的一般形狀。光源12被反射鏡14圍繞。反射鏡14的內(nèi)部具有一高反射性能的內(nèi)表面18。反射鏡14的內(nèi)表面18通常是帶有一個或多個彎曲的旋轉(zhuǎn)拋物面區(qū)的輪廓。優(yōu)選的燈10有一個軸線20，反射鏡14相對軸線20粗略地對稱。多個小光面22形成在反射表面18上。形成的小光面22可在徑向伸展(純太陽爆發(fā)圖案)。在該優(yōu)選實(shí)施例中，小光面至少部分地圍繞燈軸線20旋轉(zhuǎn)。反射鏡14空腔的前端有一個限定開口26的邊緣24，開口26是光射出的通道。優(yōu)選的前開口26是圓形的。反射鏡14也可包括用于電氣和機(jī)械連接以及支撐的后端頸28或類似的管座或其它支撐或連接特征。
優(yōu)選反射鏡的基本輪廓是一旋轉(zhuǎn)拋物面。基本輪廓的反射鏡14具有一軸線或中心線20，軸線20可用于在標(biāo)準(zhǔn)圓柱座標(biāo)(r，φ，和Z)中描繪反射鏡表面，這里r是離開軸線20的徑向距離，φ是圍繞軸線20所測量的角，和Z是沿軸線20的距離。因此，基本反射面可變換為包括多個用沿著、離開、和圍繞軸線20的參考距離描繪的小光面22。用于這種組合的優(yōu)選反射鏡14是一拋物面反射鏡14，它被分為多個等角寬度的小光面22。每個小光面22從跟部30經(jīng)一固定的弧φ1(例如，45°弧)伸展到邊緣24。優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)速率是Z的一常值函數(shù)。該弧的半徑既可增加也可減小。因此，當(dāng)每個螺旋小光面22一般跟隨反射鏡輪廓時(沿一軸線的截面，中央平面)，每個螺旋小光面22也以沿軸20(Z)并繞軸線20以增加的距離“旋轉(zhuǎn)”。這是該結(jié)構(gòu)設(shè)計之最簡單的形式。優(yōu)選的小光面22結(jié)構(gòu)具有一橫截面32，橫截面32在垂直于軸20的平面內(nèi)是直的或平坦的。因此，該內(nèi)表面18的橫截面是常規(guī)的N面多邊形。圖4示出一具有48個平坦光面22的內(nèi)表面，因此反射鏡的垂軸地橫截面示出常規(guī)的48側(cè)多邊形。對加工制造而言，一平坦光面的橫截面是最簡單的結(jié)構(gòu)。另外，該小光面之截面可以是凹形也可凸形、正弦形、錐形或其它任何改變基本小光面之截面輪廓為不同表面的變形。當(dāng)將小光面合并為平滑的反射鏡時，應(yīng)防止小光面輪廓與原有的圓形截面緊密地配合。應(yīng)注意，通過增加小光面中對圓形截面的偏離，增加的光束擴(kuò)展將附加到最終的光束上。當(dāng)需要較小的微透鏡擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)總的所需光束角時，這個光束角擴(kuò)展為可接受的程度。對于平坦小光面，發(fā)生在小光面端部的附加擴(kuò)展等于或小于180度被小光面數(shù)N所除的結(jié)果(例如，48個小光面為3.75度)。不是所有的光均從小光面邊緣擴(kuò)展形成，因此被擴(kuò)展的全部光具有從0到180/N度的平滑變化的擴(kuò)展角。一平均擴(kuò)展值將是180/2N。故本發(fā)明的效果明顯地受到反射鏡14周圍的小光面22的計數(shù)N的影響。在約16和64之間的小光面數(shù)目N以不同程度產(chǎn)生所需的模糊和混配光源圖像的效果。對于小光面數(shù)值大于50的平坦光面，反射面18更近似標(biāo)準(zhǔn)的拋物面，因此光源圖像混合效果消失。當(dāng)小光面數(shù)值小于30時，小光面30增大了從圓形的擴(kuò)散，因此明顯地擴(kuò)展了光束。過多的擴(kuò)展可附加到光束上，且窄斑光束的產(chǎn)生變得困難。于是，對于優(yōu)選小光面計數(shù)值48的反射鏡所產(chǎn)生的光束擴(kuò)展是從0到3.75度，平均值是1.875度。這樣在所需光譜一端可得到商用的窄(密集的)光束(9度)，并給寬(寬的)光束(56度)提供恰當(dāng)?shù)膱D像混合。
圖5表示一透鏡16的頂視圖。雖然可以使用塑料，但優(yōu)選的透鏡16由模制的光透射玻璃制成。透鏡16可具有常規(guī)的盤形，或帶有與反射鏡14相匹配之直徑的盤形，以便密封反射鏡14開口26、進(jìn)而封閉光源12。優(yōu)選的透鏡16可包括一密封反射鏡邊緣24以便封閉開口26的外邊緣。透鏡16具有多個配置成同心環(huán)36的微透鏡34以便形成圍繞軸線20的螺旋臂38。該優(yōu)選的微透鏡被精選以提供擴(kuò)展的光束從而使來自反射鏡的平均光束擴(kuò)展疊加上微透鏡的擴(kuò)展而產(chǎn)生理想的整個燈的光束擴(kuò)展。
該優(yōu)選的微透鏡陣列具有一種位于圍繞透鏡16中心之環(huán)中的微透鏡極陣列。每個微透鏡環(huán)由遞增數(shù)目的微透鏡組成以便有效地消除同一環(huán)中微透鏡之間的空隙。類似地，相鄰的微透鏡環(huán)在徑向充分地靠近以便消除相鄰環(huán)之間的空隙。各連續(xù)同心微透鏡環(huán)36的起始點(diǎn)沿半徑以固定距離r2和以固定角偏移量φ2被偏置。該偏移量(r2，φ2)可消除微透鏡線性陣列的出現(xiàn)或消除可導(dǎo)致光束區(qū)中重疊偏差的微透鏡之間的連接，所述的微透鏡線性陣列和導(dǎo)致重疊偏差的連接會產(chǎn)生亮或暗的條紋。對不同度數(shù)的角偏移量φ2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2°時的效果最好。在本優(yōu)選實(shí)例中，每個環(huán)36包括了是基數(shù)M整數(shù)倍的微透鏡。用于圖5中之微透鏡的基數(shù)M是六，因此在各連續(xù)行中微透鏡計數(shù)以六倍增。在理論上，任何大于兩個微透鏡的微透鏡基數(shù)M能產(chǎn)生某一度數(shù)的螺旋結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，該基數(shù)的實(shí)際最小值為5。對于基數(shù)M較少的微透鏡，提供良好的單個光源圖像擴(kuò)散的微透鏡較大，但整組式的螺旋臂結(jié)構(gòu)被粗略地限定、且多個光源圖像的重疊不好，因此產(chǎn)生條紋或不均勻的圖案。另外，對于較大的微透鏡，一單個微透鏡可覆蓋由反射鏡擴(kuò)展提供的整個擴(kuò)展角，于是來自小光面的全部擴(kuò)展圖像被單個微透鏡投影為一個整體。最大的基數(shù)M不宜限定，但它應(yīng)小于二十。基數(shù)M增大時，微透鏡相對地變得較小。即使與M相同的螺旋臂數(shù)目增加了并且該圖案變得更細(xì)化以致導(dǎo)致多重疊的光源圖像，但仍存在較小的單個圖像擴(kuò)散。極端的結(jié)果是未擴(kuò)散的光源圖像緊密地重疊。微透鏡34和螺旋臂數(shù)目必需相互平衡。
在光到達(dá)透鏡16之前，小光面反射鏡14對光有輕微地偏離平行(擴(kuò)展)的作用。這一輕微的偏離平行之作用可改變在光束邊緣周圍的光強(qiáng)度曲線的斜率。該強(qiáng)度變化不再被人眼明顯地看作一個邊緣，因此幻覺光和暗環(huán)效果被減小或消除。反射鏡和透鏡的組合也有效地使光束擴(kuò)展，并在不犧牲拋物面形狀效率的前提下足以隱藏透鏡16的缺陷。本發(fā)明另一有益效果是在使用涂敷膜片的燈中可以色混合。該燈可產(chǎn)生圓形的光束視覺并具有平滑的邊緣、均勻的照明、并且沒有或帶有很小的幻視的暗或亮環(huán)。
制作實(shí)例中的某些參數(shù)大體如下光源由鎢鹵或弧光放電燈構(gòu)成，也可使用任何小型的電光源。反射鏡由模制玻璃構(gòu)成，并具有一個內(nèi)部反射面其具有等角地形成在內(nèi)壁上的48個平坦光面。48個小光面以45度角圍繞軸線盤旋。反射鏡具有7.63厘米(3英寸)的外部高度，和12.19厘米(4.8英寸)外徑。透鏡由模制透射玻璃制成，并具有設(shè)置在19個同心環(huán)中的微透鏡。24個微透鏡在最內(nèi)環(huán)中，對全部1482個微透鏡來說，每個連續(xù)的環(huán)36以6倍增微透鏡計數(shù)。每個微透鏡環(huán)以約2度的偏移量(φ2)偏離于鄰近環(huán)中的微透鏡，因此形成的螺旋圖案以45度圍繞軸旋轉(zhuǎn)并從透鏡中心伸展到透鏡邊緣。
通過上述制作實(shí)例，構(gòu)成了一個燈、且光束照射在一墻壁上。圖6表示了如從一視頻掃描圖像得到的合成光束的效果。可看到該光束有一個均勻照明的明亮的中心圓盤。帶有被模糊的任何光源圖像的圓盤之邊緣是近似準(zhǔn)確的圓形。在強(qiáng)度迅速下降的圖案中，外部區(qū)被近似光滑地照明。(在陰影中有一些數(shù)字化效果。)如果不是更好，實(shí)際斑點(diǎn)同樣令人眼滿意?？傊哔|(zhì)量圓形斑被形成。上述的參數(shù)、結(jié)構(gòu)和實(shí)施例只是作為一個范例，其它適宜的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系可用于實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一個提供改進(jìn)的光束圖案的反射鏡燈，包括(a)一個電光源，(b)一個反射鏡，該反射鏡具有限定一個空腔的壁、一個軸線、和一個限定一開口的邊緣，所述光源位于所述軸線上在所述壁與所述開口之間的所述空腔中，所述壁還具有一個面對所述光源并相對所述光源被定位和成型為可提供照明光束的反射表面，所述反射表面包括多個圍繞軸線定位的小光面，為此，一個通過所述小光面垂直于軸線的橫截面可提供N個小光面截面，其中N等于或大于16而小于或等于64，和(c)一個構(gòu)成光透射板的透鏡，該光透射板與所述反射鏡沿所述邊緣相配合，所述透鏡上分布著多個微透鏡，所述微透鏡被配置得形成復(fù)數(shù)M的螺旋臂圖案，該螺旋臂圖案從所述透鏡中心伸展到所述透鏡邊緣，其中N大于M。
2.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所述小光面的數(shù)目等于或大于32和等于或小于56。
3.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所述小光面的數(shù)目等于48。
4.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所述螺旋臂圖案的數(shù)目等于或大于5和等于或小于20。
5.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所述螺旋臂圖案的數(shù)目等于6。
6.一個提供改進(jìn)的光束圖案的反射鏡燈，包括(a)一個電光源，(b)一個反射鏡，該反射鏡具有一個限定空腔的壁、一個軸線、和一個限定一開口的邊緣，所述光源沿所述軸位于所述壁與所述開口之間的所述空腔中，所述壁還具有一個面對所述光源并相對所述光源被定位并成型得提供一光束的反射表面，該光束來自該具有復(fù)數(shù)N個圍繞所述軸線螺旋的小光面的反射鏡之相鄰區(qū)域，同時(小光面)從反射鏡內(nèi)部向反射鏡邊緣伸展，因此所述螺旋小光面導(dǎo)致N光源圖像圍繞所述軸線的徑向重復(fù)，和(c)一個構(gòu)成光透射板的透鏡，該光透射板被成形得與所述反射鏡沿所述邊緣相配合，所述透鏡上分布著多個微透鏡，所述微透鏡被配置得形成復(fù)數(shù)的螺旋臂圖案，該螺旋臂圖案從所述透鏡中心伸展到所述透鏡邊緣，其中各微透鏡具有大于N度的擴(kuò)展角。
7.一個提供光束角的反射鏡燈，包括(a)一個電光源，(b)一個反射鏡，該反射鏡具有一限定位于原點(diǎn)與邊緣之間之空腔的壁，所述邊緣限定一個開口，一個軸線沿著從所述原點(diǎn)穿過所述開口的軸向伸展，所述光源沿所述軸位于所述壁與所述開口之間的所述空腔中，所述壁還具有一個面對所述光源的反射表面，該反射表面還包括多個帶小光面邊緣的螺旋小光面、該小光面邊緣相對所述軸線沿螺旋路徑展開以增加軸向位移，和在一垂直所述軸線的平面內(nèi)小光面指向相鄰小光面邊緣中間、并處在相鄰小光面邊緣之間的一線上，和(c)一個構(gòu)成光透射板的透鏡，該光透射板被成形得與所述反射鏡沿所述邊緣相配合，所述透鏡上分布著多個微透鏡。
8.如權(quán)利要求7的反射鏡，其特征在于，所述的燈提供一A度的光束角，所述反射鏡小光面提供一使平行于所述軸線的光束擴(kuò)展B度，所述的微透鏡提供一使平行于所述軸線的光束擴(kuò)展C度，其中A＝B+C。
9.如權(quán)利要求8的反射鏡，其特征在于，B小于C。
10.一個具有小光面反射鏡和螺旋透鏡的燈，包括(a)一個電光源，(b)一個反射鏡，該反射鏡具有一限定空腔的壁、該空腔有一個軸線和一個內(nèi)反射表面，和一個正向開口， 所述的壁基本相對所述正向開口圍繞和封閉所述光源，多個小光面形成在所述內(nèi)壁上，所述小光面至少部分地圍繞所述軸線螺旋轉(zhuǎn)動，所述的反射鏡還包括已有技術(shù)中的機(jī)械和電氣連接結(jié)構(gòu)，(c)一個透鏡，該透鏡沿包圍所述空腔的正向開口連接到所述反射鏡上，所述透鏡具有多個圍繞所述軸線螺旋設(shè)置的微透鏡和一個密封所述反射鏡開口的外邊緣。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有小光面螺旋反射鏡和螺旋小光面透鏡的燈。該具有螺旋反射鏡和螺旋透鏡的燈產(chǎn)生一具有清晰邊緣的光滑圓形光束圖案。光源圖像擴(kuò)展良好,并光束照明均勻光滑。
文檔編號F21V5/04GK1247954SQ9911859
公開日2000年3月22日 申請日期1999年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月11日
發(fā)明者W·C·奧康奈爾, J－P·加朗 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司