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Lampe mit gerichtetem Licht, insbesondere Scheinwerfer
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lampe mit gerichtetem Licht, insbesondere auf einen Scheinwerfer.
Wie bekannt, werden Lampen mit gerichtetem Licht überall verwendet, wo eine bestimmte Fläche gleichmässig und mit einer erheblichen Lichtstärke zu beleuchten ist, wobei die Lampe ausserhalb der erwähnten Fläche nicht blenden darf. In der Regel sind Lampen dieser Art mit einer konkaven Spiegelfläche versehen, wobei die Lichtquelle an einer der Spiegelfläche zugeordneten Stelle, z. B. im Brennpunkt eines Paraboloids, angeordnet ist. Wenn verschiedene Beleuchtungen durch dieselbe Lampe bewirkt werden sollen, kann die Lichtquelle auch ausserhalb des Brennpunktes vorgesehen sein.
Gemäss dem Zweck der Lampe ist im Weg des ausgestrahlten Lichtes ein optisches System angebracht, das dazu dient, die Lichtstrahlen zu bündeln. Zusammen mit diesem optischen System oder unabhängig von demselben, können die Lampen auch mit Lichtschirmen versehen sein, durch welche bestimmte Teile des ausgestrahlten Lichtes abgefangen werden können. Weitere Forderungen bestehen öfters in einem niedrigen Wärme-oder Schattengehalt bzw. in einer Beleuchtung z. B. mittels des ultravioletten Teiles des Lichtspektrums.
Bekanntlich konnten die oben angeführten Forderungen bis jetzt nicht durch eine einzige Einheit bei gutem Wirkungsgrad befriedigt werden. Kombinationen von optischen und mechanischen Lampenelementen zeigen nämlich grundlegende Unzulänglichkeiten, die bestimmte Berichtigungen an der Lampe unvermeidlich machen. Durch diese Korrekturen wird aber der Wirkungsgrad der Lampe beeinträchtigt, indem die Energieverluste zunehmen, wodurch eine Lösung der gestellten Aufgabe grundsätzlich verhindert wird. Um eine Fläche annähernd genau beleuchten zu können, muss z. B. ein wesentlicher Teil der Lichtquelle der Lampe abgeschirmt werden. Eine ähnliche Abschirmung ist erforderlich, um zu verhindern, dass die Lampe ausserhalb der beleuchteten Fläche blendet.
Auf diese Weise bleibt aber ein wesentlicher Teil des Lichtstromes unausgenutzt, wodurch die für eine bestimmte Beleuchtung erforderliche elektrische Energie erhöht werden muss, so dass die unvorteilhaften Folgen eines zusätzlichen Verbrauches auftreten : Der Glühfaden, der als Lichtquelle dient, muss grösser bemessen und ausserdem müssen höhere Temperaturen für diesen Glühfaden gewählt werden usw. Lampen dieser Art sind also einerseits bezüglich ihrer Herstellung wie auch ihres Betriebes kostspieliger, und anderseits weisen sie eine verhältnismässig geringere Lebensdauer auf.
Bei Scheinwerfern, z. B. von Fahrzeugen, besteht ein Problem in der gegenseitigen Abgleichung der verschiedenen Lampenelemente. Die Lichtquelle der Lampe, egal ob sie einstellbar angeordnet oder in ihrer Lage festgelegt ist, wird infolge Verzerrungen ebenfalls störende Wirkungen herbeiführen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, diese Unzulänglichkeiten durch die Anordnung des Glühfadens, der Spiegelfläche und des optischen Systems in einem einheitlichen Vakuumgefäss zu beseitigen. Wenn auch eine derartige Anordnung bezüglich der Herstellung einen Fortschritt bedeutet, besteht ein Nachteil darin, dass nur Fehler beseitigt werden, die durch eine ungenaue Einstellung des Brennpunktes und durch die Alterung der Spiegelfläche bedingt sind, während optische und geometrische Fehler beibehalten bleiben. Eben deshalb können Scheinwerfer für Fahrzeuge, deren Licht genau abgegrenzt sein soll und ausserhalb der beleuchteten Fläche nicht blenden soll, durch asymmetrisch angeordnete Lampen oder
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durch Anbringung der Lampe in einem einheitlichen Vakuumgefäss nicht erhalten werden.
Die Erfindung bezweckt die grundsätzliche Vermeidung der angeführten Unzulänglichkeiten und die Schaffung einer Blendschutzlampe mit gerichtetem Licht, die nur bestimmte Flächen mit gutem Wirkungsgrad beleuchtet und ausserhalb der beleuchteten Fläche praktisch keine Blendung hervorruft. Die Erfindung geht von einer bekannten Lampe aus, die eine konkave Rotationsspiegelfläche und eine der Rotationsspiegelfläche zugekehrte sphärische Gegenspiegelfläche mit einem in den Brennpunkt der konkaven Rotationsspiegelfläche fallenden Mittelpunkt aufweist, wobei der Durchmesser der sphärischen Gegenspiegelfläche geringer als der Durchmesser der konkaven Rotationsspiegelfläche ist und im Brennpunkt bzw.
Mittelpunkt der beiden Spiegelflächen eine Lichtquelle und in der Bahn der aus der konkaven Rotationsspiegelfläche ausserhalb der sphärischen Gegenspiegelfläche austretenden Lichtstrahlen ein gegebenenfalls zum Beleuchten eines vorbestimmten Feldes ausgebildetes Lichtbrechungsprisma vorgese- hen ist. Hiebei ist die sphärische Gegenspiegelfläche an einem Formkörper angebracht, der mit dem Lichtbrechungsprisma aus einem Stück besteht und mit der konkaven Rotationsspiegelfläche zu einem Vakuumgefäss mit einer zentralen Öffnung zusammengelötet ist, und die Lichtquelle ist mit ihrer Halterung an einer Tragplatte befestigt, die ihrerseits in die zentrale Öffnung desVakuumgefässes eingelötet ist.
Gemäss der Erfindung ist an der Halterung für die Lichtquelle und/oder innerhalb des Lampenkegelverlustwinkels an der Gegenspiegelfläche und/oder an der Tragplatte und/oder an der Anschlussstelle zwischen dem Formkörper und dem Prisma eine lichtabsorbierende Schicht vorgesehen. Es wird gezeigt, dass bei der erfindungsgemässen Lampe die erwähnten Nachteile der bekannten Lampen im wesentlichen beseitigt oder mindestens um Grössenordnungen erniedrigt sind, so dass das der Erfindung zugrundeliegende Problem als praktisch befriedigend gelöst erachtet werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert, die einige Ausführungsbeispiele der Lampe mit gerichtetem Licht gemäss der Erfindung darstellen. Fig. 1 ist dabei ein Hauptschnitt eines Ausführungsbeispieles. Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Fig. 1 in grösserem Massstab.
Fig. 3 stellt eine Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 2 dar. Fig. 4 zeigt den Strahlengang eines weiteren Ausführungsbeispieles. Fig. 5 stellt ebenfalls ein weiteres Ausführungsbeispiel dar.
Gleiche Bezugszeichen weisen auf ähnliche Einzelheiten hin.
Mit 10 ist ein Formkörper bezeichnet, der die Gestalt eines Rotationsparaboloids aufweist, wobei die konkave Seite des Paraboloids mit einer Spiegelschicht 10a versehen ist. Gegenüber der Spiegelfläche 10a ist die konkave Seite eines zweiten Formkörpers 11 angeordnet, der einen sphärischen Teil aufweist, wobei die konkave Seite des sphärischen Teiles mit einer Gegenspiegelfläche lla versehen ist. Der Mittelpunkt des sphärischen Teiles liegt im Brennpunkt der Spiegelfläche lOa, d. h. die beiden Punkte fallen zusammen. Die Lichtquelle der Lampe besteht aus einem Glühfaden 12, der im
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kann praktisch von beliebiger Gestalt und Abmessung sein, wobei ihre Grösse lediglich durch technologische Gegebenheiten bestimmt wird. So z. B. kann sie eine rechteckige Form aufweisen.
Es ist aber
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Durchmessern der Spiegelfläche 10a und der Gegenspiegelfläche lla ist, umso mehr Licht wird durch die Lampe ausgestrahlt. Durch Versuche konnte festgestellt werden, dass eine gute Lichtausheute erreicht werden kann, wenn der Durchmesser der Gegenspiegelfläche 11a geringer ist als die Hälfte des Durchmessers der Spiegelfläche 10a.
Der die Gegenspiegelfläche lla tragende Formkörper 11 und das Lichtbrechungsprisma 13 bestehen aus einem Stück. Sie sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Stück gepresst oder gegossen. Es ist möglich, den die Gegenspiegelfläche lla tragenden Formkörper 11 in einer dazu bestimmten Öffnung des Prismas 13 durch Löten zu befestigen. Dadurch, dass der Formkörper 11 mit dem Lichtbrechungsprisma 13 aus demselben Stück besteht, wird es möglich, die sphärische Gegenspiegelfläche lla bis zu ihrem Äquator reichen zu lassen, was bei den bekannten Systemen mit Glühlampen als Lichtquellen aus technologischen Gründen nicht erreicht werden konnte. Durch diese Ausdehnung der halbkugelförmigen Gestalt der Gegenspiegelfläche 11a wird der Wirkungsgrad offensichtlich erhöht.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Formkörper 10 und der mit dem Prisma 13 aus einem Stück bestehende Formkörper 11 durch Löten luftdicht miteinander verbunden, wie dies an der Stelle 14 angedeutet ist.
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Im Mittelteil des Formkörpers 10 ist eine kreisrunde Öffnung freigelassen, in die eine Tragplatte 16 eingepasst und durch Löten befestigt ist, wie dies bei 15 angedeutet ist.
Zwei Elektroden 17 und 18 durchsetzen die Tragplatte 16, von denen jede in einem Kontakt 17 a bzw. 18a ausläuft (Fig. 1). Die in der Tragplatte 16 liegenden Teile der Elektroden 17 und 18 sind aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Wärmedehnungszahl mit jener der Tragplatte 16 übereinstimmt. Die an der konkaven Seite des Formkörpers 10 aus der Tragplatte 16 herausragenden Elektrodenteile sind mit einer lichtabsorbierenden schwarzen Schicht 17b bzw. 18b überzogen, wodurch unerwünschte Reflexionen vermieden werden (Fig. 2 und 3). Die Lichtquelle der Lampe bildet einen Glühfaden 12. Er ist durch Zuführungen 19 bzw. 20 mit den Elektroden 17 bzw. 18 verbunden, wobei die Zuführungen 19 und 20 aus demselben Material wie der Glühfaden 12 bestehen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind ferner die Zuführungen 19 bzw. 20 mit Fäden 25 bzw. 26 umwickelt, die ebenfalls aus einem dem Werkstoff des Glühfadens 12 ähnlichen Werkstoff, z. B. aus Wolfram, bestehen. Sie sind dazu bestimmt, die Zuführungen 19 und 20 durch eine Vergrösserung der wärmestrahlenden Fläche zu kühlen und dadurch das Entstehen von unerwünschten Lichtstrahlen durch Glühung der Zuführungen zu verhindern.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Glühfaden aus einer flachen Doppelspirale (Fig. 2 und 3), wobei die Längsachse 22 des Querschnittes der Spirale zur Hauptachse 23 des Formkörpers 10 der Lampe parallel liegt. Die Ausbildung des Glühfadens 12 als eine Doppelspirale ermöglicht eine Verringerung der Abmessungen der Lichtquelle und dadurch die Annäherung an eine punktartige Gestalt. Dazu kommt, dass durch die flache Gestalt der Doppelspirale der dem Verlustwinkel ss der Lampe entsprechende Lichtstrom verringert und auf diese Weise der Wirkungsgrad erhöht wird.
Verzerrungen, die auf die Verbindung des Formkörpers 10 mit der Tragplatte 16 durch Löten und auf Lichtstrahlen, die vom Rand l1b des Formkörpers 11 sowie vom innerhalb des Verlustwinkels ss liegenden Teil der Gegenspiegelfläche lla und schliesslich von der Tragplatte 16 reflektiert werden, zurückzuführen sind, rufen unerwünschte Reflexionen hervor. Um diese zu beheben, müssen alle Lichtstrahlen absorbiert werden, die von diesen Flächen reflektiert werden könnten. Zu diesem Zweck sind diese mit lichtabsorbierenden Schichten 27,28, 29 bzw. 30 bedeckt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 weist das Prisma 13 eine genutete oder geriffelte Oberfläche 13b auf. Die Nuten haben halbkreisförmige Querschnitte und dienen dazu, einerseits eine gleichmässige Beleuchtung durch geringe Divergenz der Lichtstrahlen und auf diese Weise eine Überlappung derselben zu sichern, und anderseits an der Gestaltung des Lichtbündels durch Bildung eines optischen Systems mit dem Prisma 13 teilzunehmen. Eine bestimmte Richtung und ein gewünschter Kegelwinkel des austretenden Lichtes kann durch eine entsprechende Bemessung des Prismas 13 gesichert werden, wobei eine Bedingung darin besteht, dass die einfallenden Lichtstrahlen praktisch parallel zueinander verlaufen. Die austretenden Lichtbündel divergieren und überlappen folglich einander.
Je nachdem, ob die Halbmesser der Nuten 13b grösser oder geringer sind, ist die Divergenz und daher die Überlappung derLichtbündel verschieden. Die Felder 33a und 33b z. B., die durch die Lichtbündel 32a, 32b bzw. 32c, 32d beleuchtet werden, die aus Nuten geringer Halbmesser rl austreten, überlappen einander im oberen Teil der Abbildung nur bis zur Hälfte ihrer Breite. Die Lichtbündel 34a, 34b bzw. 34c, 34d dagegen, die aus Nuten von verhältnismässig grösserem Halbmesser r2 austreten, weisen eine viel grössere Divergenz auf, so dass die Felder 35a bzw. 35b, die durch sie beleuchtet sind, beinahe vollständig voneinander überlappt werden (übersichtlichkeitshalber ist je ein Lichtbündel der erwähnten Paare mit ihren zugeordneten beleuchteten Feldern durch gestrichelte Linien angedeutet).
Die Nuten 13b können entlang paralleler Geraden ausgebildet sein. Sie können aber auch konzentri- sche Kreise bilden oder gemäss irgendeinem andern Muster angeordnet sein. Wie ersichtlich, erreicht das Licht von Lichtbündeln grösserer Divergenz auch Felder, die durch Lichtbündel von geringerer Divergenz beleuchtet werden. Wenn demnach die Nuten 13b geeignet bemessen sind, z. B. in der Weise, dass die oberen Ränder der einander überlappenden beleuchteten Felder zusammenfallen, kann eine sehr ge- nau begrenzte beleuchtete Fläche erreicht werden.
Die Herstellung des dargestellten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Lampe mit gerich- tetem Licht enthält prinzipiell die folgenden Verfahrensschritte :
Der Formkörper 10 wird hergestellt und in seinem mittleren Teil mit einer Öffnung versehen, deren Gestalt der Gestalt der Tragplatte 16 entspricht. Die Spiegelfläche 10a wird aufgetragen.
Hierauf wird der einheitliche Körper 11,13, der aus dem Formkörper 11 und dem Prisma 13 besteht, hergestellt, wobei der Durchmesser der Gegenspiegelfläche l1a entsprechend dem Durch- messer der Tragplatte 16 bemessen wird. Die Stirnfläche des Randes llb (Fig. l) wird mit einem
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Schirm oder einer lichtabsorbierenden Schicht 27 versehen. Die konkave sphärische Fläche des Form - körpers 11 wird mit einer Spiegelfläche bzw. reflektierenden Schicht lla versehen. Innerhalb des Verlustwinkels ss wird die Fläche l1a mit einer lichtabsorbierenden Schicht 29 überzogen.
Der Formkörper 10 wird dem aus einem Stück bestehenden Körper 11,13 eingepasst und nach Einführung des abschirmenden Ringes 30 im Winkel zwischen Formkörper 10 und den Körpern 11, 13, werden die beiden Körper miteinander verlötet, wie dies bei 14 angedeutet ist.
Die Beleuchtungsarmatur 17,18, 19,20 wird auf der Tragplatte 16 befestigt, deren Innenseite mit einer lichtabsorbierenden Schicht oder Abschirmung 28 versehen wird. Schliesslich wird die mit der Beleuchtungsarmatur versehene Tragplatte 16 in die mittlere Öffnung des Formkörpers 10 eingepasst und durch Löten befestigt, wie dies bei 15 angedeutet ist. Hiedurch kommt der Glühfaden 12 in den Brennpunkt der Spiegelfläche 10a zu liegen, der mit dem Mittelpunkt dersphäri- schen Gegenspiegelfläche l1a zusammenfällt, wobei die Kontakte 17a bzw. 18a der Elektroden 17 bzw. 18 aus der Tragplatte 16 an deren Aussenseite herausragen. Dadurch bilden die Formkörper 10 und 11 mit dem Prisma 13 ein durch die Tragplatte 16, die ihrerseits die Beleuchtungsarmatur trägt, abgeschlossenes Gefäss.
Es ist leicht einzusehen, dass bei diesem Herstellungsverfah- ren die gegenseitigen Lagen der verschiedenen Bestandteile durch Vorrichtungen genau gesichert werden können, wobei das aus dem Formkörper 10, dem Prisma 13 und dem Formkörper 11 bestehende Gefäss eine Einheit bildet, deren Lebensdauer von jener der Beleuchtungsarmatur unabhängig ist und die wiederholt zur Anwendung gelangen kann.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Lampe arbeitet wie folgt :
Der Glühfaden 12 strahlt Lichtstrahlen in jeder Richtung aus und die Lichtstrahlen fallen zum Teil auf die Gegenspiegelfläche lla, die sie reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen erreichen zum Teil die lichtabsorbierende Schicht 28 an der Innenseite der Tragplatte 16, wodurch sie gelöscht werden. Einer dieser Lichtstrahlen ist mit 37d bezeichnet. Es gibt aber Lichtstrahlen, die nach Reflexion an der Gegenspiegelfläche 11a die Spiegelfläche 10a erreichen, von wo sie in einer zur Hauptachse 23 der Lampe parallelen Richtung zur Innenfläche 13a des Prismas 13 gelangen.
Ein Lichtstrahl dieser Art ist als Beispiel mit 37b bezeichnet. Einige der durch den Glühfaden 12 ausgestrahlten Lichtstrahlen fallen unmittelbar auf die Spiegelfläche 10a, wie dies durch Lichtstrahlen 37c und 37f angedeutet ist. Schliesslich fallen einige Lichtstrahlen unmittelbar auf die lichtab-
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Da das gesamte Strahlungssystem eine geschlossene Einheit bildet, kann die gegenseitige Lage der Bestandteile nicht geändert werden, wogegen bei den bekannten Lampen besonders beim Ersetzen von Bestandteilen Lagenänderungen unvermeidlich sind. Aus demselben Grund ist auch die Lebensdauer der Spiegelflächen länger.
Werden mehrere Lampen verwendet, können praktisch schattenfreie Systeme gebildet werden. Erforderlichenfalls kann vor der Lampe eine wärmeabsorbierende Glasplatte vorgesehen oder der Formkörper 10 aus wärmedurchlässigem Glas hergestellt werden. Irgendeine dieser Massnahmen oder eine Kombination derselben ermöglicht, die Wärmewirkung des Lichtes nach Wahl bis zu einem gewünschten Mass zu vermindern, wobei die Wärmeübergangszahlen im gewünschten Sinn beeinflusstwerden können.
Es ist selbstverständlich möglich, in der Lampe weitere Lichtquellen in ähnlicher Weise anzubringen, wie dies bei Strassenfahrzeugen erforderlich ist.
Es ist bereits erwähnt worden, dass die aus der Lampe austretenden Lichtbündel gewünschte Umrisslinien erhalten und die Lichtbündel durch geeignete Ausbildung des Prismas 13 in vorbestimmte Richtungen gelenkt werden können. Auf diese Weise kann z. B. eine asymmetrische Beleuchtung gemäss Fig. 5 erhalten werden. Die mit Nuten versehene Fläche 13b ist an ihrem oberen Teil in Fig. 5 unter einem Winkel ct geneigt. Eine geometrische Anordnung dieser Art führt einen Strahlengang herbei, in dem das austretende Lichtbündel der Lampe durch Lichtstrahlen 41a und 41b begrenzt ist. Der Lichtstrahl 41a sowie Lichtstrahlen, die aus dem geneigten Teil des Prismas 13 heraustreten, erfahren eine starke Lichtbrechung, die ein Lichtbündel 41a, 42b zur Folge hat, das in Fig. 5 nach rechts verschoben ist.
Anderseits wird das Lichtbündel, das aus dem ungeneigten Teil des Prismas heraustritt, durch den bereits erwähnten Lichtstrahl 41b und einen Lichtstrahl 42a begrenzt. Auf diese Weise wird ein asymmetrisches Lichtbündel erhalten, das unmittelbar vor der Lampe eine starke Beleuch-
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wird, wo das Licht sich nach rechts ausbreitet. In einem Abstand von der Linie 38 liegt eine weitere Linie 39, nach der beide Lichtbündel, die aus dem ungeneigten und geneigten Teil des Prismas 13 heraustreten, voneinander getrennt werden. Diese Trennung ist in Fig. 5 durch Linien 40a bzw. 40b angedeutet.
Wird Fig. 5 als ein waagrechter Querschnitt eines Fahrzeugscheinwerfers angesehen, ist das ausgestrahlte Licht bezüglich des Strassenverkehrs ideal, da ausserhalb des durch die strichpunktierten Linien 43a und 43b begrenzten Lichtbündels kein Blenden durch die Lampe hervorgerufen wird und unmittelbar vor dem Scheinwerfer liegende oder verhältnismässig weit entfernte Teile der Strasse gut beleuchtet sind. Die Lampe wird nur dann blenden, wenn zwei Fahrzeuge in einander entgegengesetzten Richtungen eine gekrümmte Strecke der Strasse befahren. Dann ist es nämlich möglich, dass das Bündel 43a, 43b jenes Fahrzeuges, das die Kurve verlässt, die Augen des Fahrers des sich der Kurve nähernden Fahrzeuges erreicht und sie blendet.
Dieses Blenden dauert aber nur einige Augenblicke, und die erfindungsgemässe Lampe ist, von den erwähnten möglichen Begegnungen abgesehen, blendenfrei.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lampe mit gerichtetem Licht, insbesondere Scheinwerfer, die eine konkave Rotationsspiegelfläche und eine der Rotationsspiegelfläche zugekehrte sphärische Gegenspiegelfläche mit einem in den Brennpunkt der konkaven Rotationsspiegelfläche fallenden Mittelpunkt aufweist, wobei der Durchmesser der sphärischen Gegenspiegelfläche geringer als der Durchmesser der konkaven Rotationsspiegelfläche ist und im Brennpunkt bzw.
Mittelpunkt der beiden Spiegelflächen eine Lichtquelle und in der Bahn der aus der konkaven Rotationsspiegelfläche ausserhalb der sphärischen Gegenspiegelfläche austretenden Lichtstrahlen ein gegebenenfalls zum Beleuchten eines vorbestimmten Feldes ausgebildetes Lichtbrechungsprisma vorgesehen ist, wobei ferner die sphärische Gegenspiegelfläche an einem Formkörper angebracht ist, der mit dem Lichtbrechungsprisma aus einem Stück besteht und mit der konkaven Rotationsspiegelfläche zu einem Vakuumgefäss mit einer zentralen Öffnung zusammengelötet ist, und dieLichtquelle mit ihrer Halterung an einer Tragplatte befestigt ist, die ihrerseits in die zentrale Öffnung des Vakuumgefässes eingelötet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Halterung (17,18) für die Lichtquelle und/oder innerhalb des Lampenkegelverlustwinkels (6)
an der Gegenspiegelfläche (alla) und/oder an der Tragplatte (16) und/öder an der Anschlussstelle zwischen dem Formkörper (10) und dem Prisma (13) eine lichtabsorbierende Schicht (17b, 18b, 27,28, 29,30) vorgesehen ist.