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Die
Erfindung betrifft einen Scheinwerfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Zur
Aufweitung bzw. Einengung des Lichtfeldes eines Scheinwerfers mit
einem Scheinwerfergehäuse,
in dem eine Lampe und ein paraboloider Reflektor angeordnet sind
und dessen Lichtaustrittsöffnung
durch eine oder mehrere Schutzscheiben abgedeckt ist, wird die Lampe
in axialer Richtung relativ zum Reflektor verschoben, so dass zum
Einstellen der Form des Lichtfeldes die Lampe entweder in den Reflektor
hinein in Richtung des Brennpunkts des Reflektors bewegt wird, um
eine Bündelung
des Lichtfeldes zu erhalten, oder aus dem Reflektor heraus vom Brennpunkt
des Reflektors weg, um eine Aufweitung des Lichtfeldes zu erreichen.
Eine maximale Bündelung
des Lichtes erhält
man, wenn die Lampe sich exakt im Brennpunkt des paraboloiden Reflektors
befindet, so dass die austretenden Lichtstrahlen im Wesentlichen
parallel zueinander aus dem Scheinwerfer austreten. Bei weitem Lichtfeld steht
die Lampe in einer vorderen Position im Reflektor, und die austretenden
Lichtstrahlen verhalten sich konvergent, d.h. sie verdichten und
kreuzen sich zunächst
in einem Bereich vor der Lichtaustrittsöffnung des Scheinwerfers und
laufen dann auseinander. Die Verteilung der austretenden Lichtstrahlen
wird dabei häufig über den
Halbstreuwinkel charakterisiert. Ein großer Halbstreuwinkel steht für ein weites
Lichtfeld, während
ein kleiner Halbstreuwinkel ein stark gebündeltes Lichtfeld beschreibt.
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Ein
Scheinwerfer der oben genannten Art weist in der Regel eine hohe
Lichtausbeute auf. Bei weitem Lichtfeld bilden die austretenden
Lichtstrahlen allerdings durch ihren konvergenten Strahlenverlauf
einen Bereich hoher Lichtdichte aus, so dass die Wärme- und UV-Belastung
in der Umgebung des Scheinwerfers groß sein kann. Darüber hinaus
sind zur Beeinflussung der austretenden Lichtstrahlen zusätzliche,
der Schutzscheibe vorgelagerte Streuscheiben notwendig, um für einen
Bereich von Halbstreuwinkeln ein Lichtfeld mit einer optimalen Lichtverteilung
zu bewirken. Eine Optimierung des Lichtfeldes für einen großen Bereich von Halbstreuwinkeln
ist mit einer solchen Anordnung aber nicht möglich.
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Darüber hinaus
werden Scheinwerfer mit einem sphärischen Reflektor, einer im
Krümmungsmittelpunkt
des Reflektors feststehenden Lampe und einer davor angeordneten
Stufenlinse verwendet. Um das gewünschte Lichtfeld einzustellen,
wird die aus Reflektor und Lampe bestehende Anordnung relativ zur
Stufenlinse bewegt und auf diese Weise eine Aufweitung oder Bündelung
des Lichtfeldes erzielt. Mit einem solchen Scheinwerfer kann über einen
großen Bereich
von Halbstreuwinkeln das optimale Lichtfeld eingestellt und stufenlos
verstellt werden, wobei der Scheinwerfer allerdings in der Regel
einen schlechten Wirkungsgrad aufweist und insbesondere für Scheinwerfer
mit großen
Leistungen schwere Stufenlinsen zur Formung der austretenden Lichtstrahlen erfordert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Scheinwerfer zur Verfügung zu
stellen, der ein gewünschtes
Lichtfeld für
einen großen
Bereich von Halbstreuwinkeln ermöglicht
und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Scheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung stellt
einen Scheinwerfer zur Verfügung,
bei dem ein Reflektor mit Facetten versehen ist, die eine Reflexionsfläche zur
Reflexion der von einer Lampe abgegebenen Lichtstrahlen ausbilden,
wobei die Facetten durch ihre Oberflächenformgebung so ausgebildet
sind, dass die Lichtstrahlen ein Lichtfeld mit einer gewünschten
Lichtverteilung erzeugen, dessen Lichtstrahlbreite durch das Verschieben
des Reflektors und/oder der Lampe in einem weiten Bereich einstellbar
ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung liefert
somit einen Scheinwerfer, der die Vorteile eines Scheinwerfers mit
einem paraboloiden Reflektor und eines Scheinwerfers mit einem sphärischen
Reflektor vereint, eine hohe Lichtausbeute aufweist, durch den mit Facetten
versehen Reflektor eine gewünschte
Lichtverteilung für
einen weiten Bereich von einstellbaren Lichtstrahlbreiten schafft
und dabei ohne zusätzliche Streu-,
Linsen-, Stufenscheiben oder dergleichen zur Formung der Lichtstrahlen
auskommt.
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Durch
die Veränderung
der relativen Lage von Lampe und Reflektor kann bei dem erfindungsgemäßen Scheinwerfer
die Lichtstrahlbreite bei Erhaltung der gewünschten Lichtverteilung über einen weiten
Bereich eingestellt werden. Bevorzugt ist der Scheinwerfer dabei
so ausgelegt, dass der die Lichtstrahlbreite des austretenden Lichtes
beschreibende Halbstreuwinkel zwischen in etwa 10° und 50° variiert.
Der Halbstreuwinkel bezeichnet hierbei den Öffnungswinkel der austretenden
Lichtstrahlen und ist definiert als der Winkelbereich, in dem die
Intensität des
Lichtes gleich oder größer als
50% der maximalen Lichtintensität
ist.
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Ein
solcher Scheinwerfer ist also in der Lage, gebündelte Lichtfelder mit kleinen
Halbstreuwinkeln oder weite Lichtfelder mit großen Halbstreuwinkeln zu liefern,
wobei abhängig
vom Halbstreuwinkel die gewünschte
Lichtverteilung erzeugt wird. Dieses ermöglicht eine variable Einsetzbarkeit
des Scheinwerfers, der sowohl als ausleuchtendes Flächenlicht
als auch als gebündeltes
Spotlicht dienen und im Betrieb stufenlos eingestellt werden kann.
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Der
Scheinwerfer ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung dabei so konzipiert,
dass die Lichtstrahlen in divergenter Weise aus dem Scheinwerfer austreten,
um so einen Bereich hoher Licht- und Wärmedichte – einen so genannten „Hot-Spot" – im Bereich der Lichtaustrittsöffnung des
Scheinwerfers zu vermeiden und die Gefahr der Überhitzung von Gegenständen im
Bereich des Scheinwerfers zu verringern. Im gebündelten Fall treten die Lichtstrahlen dann
nahezu parallel aus und bilden ein Lichtfeld mit einer kleinen Lichtstrahlbreite,
während
bei weitem Lichtfeld die Strahlen in divergenter Weise aus dem Reflektor
laufen und sich erst im Fernfeld kreuzen, ohne in der Nähe des Scheinwerfers
einen Bereich hoher Wärmedichte
auszubilden.
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Es
ist auch möglich,
einen erfindungsgemäßen Scheinwerfer
so auszubilden, dass der Strahlengang der austretenden Lichtstrahlen
in konvergenter Weise erfolgt. In diesem Fall würden sich die Lichtstrahlen
zur Erzeugung eines weiten Lichtfeldes zunächst in einem Bereich vor dem
Scheinwerfer verdichten und kreuzen, um anschließend auseinander zu laufen.
Unabhängig
davon, ob der Strahlengang in divergenter oder konvergenter Weise
erfolgt, wird durch die Ausbildung des mit Facetten versehenen Reflektors
erreicht, dass die Lichtstrahlen so reflektiert werden, dass sich
das gewünschte
Lichtfeld ausbildet, also eine geeignete Durchmischung der Lichtstrahlen
erreicht und die gewünschte
Lichtstärkeverteilung
erzielt wird. Insbesondere kann auf diese Weise ein Lichtfeld mit
einer gleichmäßigen Lichtverteilung
erzeugt werden, ohne dass zu diesem Zweck gesonderte Bauteile in
Form von Linsen und Scheiben verwendet werden müssten.
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Bevorzugt
sind die Lampe und der Reflektor in einem Scheinwerfergehäuse angeordnet,
das eine Lichtaustrittsöffnung
aufweist, die durch ein lichtdurchlässiges Abdeckelement, beispielsweise
in Form einer als Schutzscheibe dienenden Glasscheibe abgedeckt
ist. Der Scheinwerfer ist dabei so ausgebildet, dass der Abstand
zwischen Lampe und Reflektor entlang der Reflektorachse zur Aufweitung
der Lichtstrahlbreite des austretenden Lichtes verringert und zur
Verkleinerung der Lichtstrahlbreite vergrößert wird. Bei maximaler Lichtbündelung
steht die Lampe also in einer Position, in der sie einen maximalen
Abstand zum Reflektor aufweist. Durch die Verringerung des Abstands
zwischen Reflektor und Lampe wird der Strahl dann aufgeweitet und
die Lichtstrahlen driften in divergenter Weise auseinander. Für den Fall,
dass der Strahlengang des Reflektors konvergent ausgeprägt ist,
kann die Änderung des
Abstands auch in genau umgekehrter Weise erfolgen. In diesem Fall
wird der Abstand zwischen Lampe und Reflektor zur Bündelung
des Lichts verkleinert und umgekehrt zur Aufweitung des Lichts vergrößert.
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Mit
Vorteil ist die Lampe ortsfest im Scheinwerfer angeordnet, und der
Reflektor wird zum Einstellen der Lichtstrahlbreite entlang seiner
Reflektorachse relativ zur Lampe verschoben. Im Falle des divergenten
Strahlengangs ist es einerseits erforderlich, dass der Reflektor
bei aufgeweiteter Lichtverteilung in unmittelbarer Nähe zur Lichtaustrittsöffnung des
Scheinwerfers angeordnet ist, damit die austretenden Lichtstrahlen
nicht vom Gehäuse
abgeschattet werden. Andererseits muss aber im Zustand maximaler
Lichtbündelung,
bei dem die Lampe weit vorn im Reflektor positioniert ist oder sogar
nach vorne aus dem Reflektor herausragt, ein Mindestabstand zur
Schutzscheibe eingehalten werden.
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Diese
beiden Anforderungen lassen sich vereinen, wenn die Lampe ortsfest
im Scheinwerfer angeordnet ist und der Reflektor zum Einstellen
der Lichtstrahlbreite entlang seiner Reflektorachse verschoben wird,
also zur Lichtaufweitung zur durch die Schutzscheibe abgedeckten
Lichtaustrittsöffnung des
Scheinwerfers hin und zur Lichtbündelung
von der Lichtaustrittsöffnung
weg bewegt wird. In diesem Fall ist der Abstand zwischen Lampe und
Schutzscheibe unabhängig
von der eingestellten Lichtstrahlbreite konstant, so dass eine übermäßige Erwärmung der
Schutzscheibe durch die Lampe unabhängig von der eingestellten
Lichtstrahlbreite vermieden ist. Die Anordnung hat den zusätzlichen
Vorteil, dass durch die feststehende Lampe auch die zur Speisung
der Lampe erforderlichen Hochspannungskabel und alle anderen Bauteile,
wie beispielsweise eine Lampenfassung, ein Lampensockel und ein
an die Lampe gekoppeltes Kühlsystem
starr im Scheinwerfer befestigt werden können.
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Der
Reflektor des Scheinwerfers kann eine in etwa paraboloide oder ellipsoide
Grundform aufweisen, die um eine Reflektorachse im Wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Abweichungen von der Rotationssymmetrie
können
sich allerdings über
die Oberflächenformgebung
der auf dem Reflektor angeordneten Facetten ergeben. Durch die paraboloide
oder ellipsoide Auslegung des Reflektors wird gewährleistet,
dass der Scheinwerfer eine hohe Lichtausbeute und somit einen großen Wirkungsgrad
aufweist.
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Der
Reflektor kann eine erste Öffnung
zur Aufnahme einer Lampe und eine zweite Öffnung als Lichtaustrittsöffnung aufweisen.
Durch die erste Öffnung
erstreckt sich die am Scheinwerfer angeordnete Lampe in den Reflektor,
so dass das von der Lampe erzeugte Licht vom Reflektor zur zweiten Öffnung hin
reflektiert wird und den Scheinwerfer über die am Scheinwerfer vorgesehene
Lichtaustrittsöffnung
verlässt.
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Die
erste Öffnung
zur Aufnahme der Lampe kann prinzipiell beliebig im Reflektor angeordnet sein.
Bevorzugt sind die beiden Öffnungen
aber so positioniert, dass sie in Richtung der Reflektorachse beabstandet
sind und in etwa parallel zueinander und senkrecht zur Reflektorachse
ausgerichtet sind. Die erste Öffnung
zur Aufnahme der Lampe ist dabei im Bereich des Scheitelpunkts des
paraboloiden oder ellipsoiden Reflektorkörpers angeordnet, so dass sich
die Lampe durch die Öffnung
entlang der Reflektorachse in den Reflektor erstreckt und die Lage
der Lampe relativ zum Reflektor entlang der Reflektorachse veränderbar
ist, indem entweder der Reflektor oder die Lampe entlang der Reflektorachse
verschoben werden. Die zweite, als Lichtaustrittsöffnung dienende Öffnung ist
axial von der ersten Öffnung
des Reflektors beabstandet im aufgeweiteten Bereich des paraboloiden
oder ellipsoiden Körpers
des Reflektors angeordnet und parallel zur ersten Öffnung ausgerichtet,
so dass ein in Richtung der Reflektorachse offener paraboloider
oder ellipsoider Reflektorkörper
entsteht.
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Die
Reflexionsfläche
des Reflektors wird erfindungsgemäß von einer Vielzahl von Facetten
gebildet. Im Falle einer paraboloiden oder ellipsoiden, rotationssymmetrischen
Grundform ist der Reflektor dabei bevorzugt entlang seines Umfangs
um die Reflektorachse in eine Vielzahl von Sektoren aufgeteilt ist,
in denen die Facetten angeordnet sind. Die Sektoren erstrecken sich
von der ersten Öffnung
des Reflektors hin zur zweiten, als Lichtaustrittsöffnung dienenden Öffnung des
Reflektors und bilden Spalten von Facetten aus.
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Da
die Licht erzeugende Lampe in der Regel rotationssymmetrisch ausgebildet
ist, d.h. das erzeugt Licht in rotationssymmetrischer Weise von
der auf der Reflektorachse angeordneten Lampe auf den Reflektor
einfällt,
sind die die Spalten von Facetten umfassenden Sektoren vorteilhafterweise
zur Erzeugung eines ebenfalls in etwa rotationssymmetrischen Lichtfeldes
so angeordnet, dass sie entlang des Umfangs senkrecht zur Reflektorachse
eine periodische Struktur bilden. Der Reflektor ist dann bei einer
makroskopischen Betrachtung des Reflektorkörpers zwar rotationssymmetrisch
um die Reflektorachse ausgebildet. Eine Abweichung von der Rotationssymmetrie
ergibt sich aber über
die Oberflächenstruktur
der Facetten, die insbesondere entlang des Umfangs um die Reflektorachse
eine periodisch ausgebildete Oberflächenstruktur des Reflektors
schafft.
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Durch
die periodische Anordnung der Sektoren bilden die Facetten mit der
Reflektorachse konzentrische Zeilen gleicher Facetten aus, wobei
die Facetten sich von Zeile zu Zeile in Formgebung und Ausrichtung
unterscheiden können.
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Um
die gewünschte
Lichtstärkeverteilung
zu erreichen, können
die den Reflektor ausbildenden Facetten plan, gewölbt oder
strukturiert ausgebildet sein. Durch die Oberflächenformgebung der Facetten
wird die Streuung der Lichtstrahlen bestimmt und darüber hinaus
bewirkt, dass die gewünschte
Streuung sich für
einen weiten Bereich von einstellbaren Halbstreuwinkeln ergibt.
Insbesondere können
die Facetten in einer Raumrichtung eine konkave und in einer anderen
Raumrichtung eine konvexe Kontur aufweisen. Bevorzugt sind die Facetten
dabei so ausgebildet, dass sie im Längsschnitt entlang der Reflektorachse
und einer Querachse eine konkave und im Querschnitt senkecht zur
Reflektorachse eine konvexe Kontur aufweisen. Auf diese Weise kann
eine vorteilhafte Lichtverteilung des austretenden Lichtes erreicht
werden, bei der die Lichtstrahlen so vermischt sind, dass sich die
gewünschte
Lichtverteilung im Fernfeld des Scheinwerfers einstellt.
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Durch
die Auslegung des facettierten Reflektors wird erreicht, dass die
austretenden Lichtstrahlen ein Lichtfeld mit einer gewünschten,
optimalen Lichtverteilung erzeugen. Um die Lichtverteilung darüber hinaus
zu formen und im Betrieb zu verändern, ist
es denkbar, zusätzliche
Scheiben, insbesondere Linsenscheiben, Streuscheiben und/oder Stufenscheiben
im Bereich der Lichtaustrittsöffnung
des Scheinwerfers anzuordnen.
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Der
erfindungsgemäße Scheinwerfer
wird bevorzugt als Hochleistungslampe im kW-Bereich eingesetzt, bei denen es aufgrund
der großen
umgesetzten Leistungen zu großer
Wärmeentwicklung kommen
kann. Für
solche Lampen ist es deshalb unabdingbar, dass die Bauteile des
Scheinwerfers, insbesondere der Reflektor hitzebeständig ausgelegt sind.
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Zu
diesem Zweck können
die den Reflektor ausbildenden Facetten ganz oder teilweise aus
einem hitzebeständigen
Material wie Glas oder Glaskeramik ausgebildet und ein- oder mehrschichtig
aufgebaut sein. Insbesondere ist es zweckdienlich, die Facetten
in unmittelbarer Nähe
zur Lampe, also im Bereich der ersten Öffnung des Reflektors, durch
die sich die Lampe in den Reflektor erstreckt, aus einem solchen
Material herzustellen. Auf diese Weise wird vermieden, dass der
Reflektor in den Bereichen, in denen er während des Betriebes am stärksten erwärmt wird,
also in den in der Nähe
der Lampe angeordneten Bereichen, durch Überhitzung Schaden nimmt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Scheinwerfer darüber hinaus
eine die Lampe teilweise einschließende konvektive Kühlungseinrichtung zur
Erzeugung einer Konvektionsströmung
auf, die die von der Lampe abgegebene Wärme ableitet. Um eine Kühlung des
Reflektors auch auf der der Lampe zugewandten Seite zu ermöglichen,
kann der Reflektor dabei im oberen und unteren Bereich des Reflektors Öffnungen
aufweisen, die durch vollständiges oder
teilweises Entfernen einzelner Facetten geschaffen sind und durch
die eine durch die konvektive Kühlungseinrichtung
erzeugte Kühlluftströmung durch
den Reflektor strömen
kann.
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In
einer Variante des Scheinwerfers kann eine Aussparung im Reflektor
vorgesehen sein, die dadurch gebildet ist, dass ein eine oder mehrere
Zeilen von Facetten umfassender ringförmiger Bereich oder ein eine
oder mehrere Spalten von Facetten umfassender sektorenförmiger Bereich
des Reflektors freigelassen ist. Durch eine so geschaffene Aussparung
kann beispielsweise eine Kühlluftströmung in den
Reflektor hinein und durch den Reflektor hindurch strömen.
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Um
die durch die Aussparung bewirkten Lichtverluste zu verringern,
ist die ringförmige und/oder
spaltenförmige
Aussparung dabei in einer vorteilhaften Ausgestaltung durch einen
radial beabstandeten, aus reflektierenden Facetten gebildeten Abschnitt abgedeckt,
der von einer möglichen
Lampenposition auf der Reflektorachse aus betrachtet die Aussparung
vollständig überdeckt
und sich in etwa parallel zur Oberfläche des Reflektors erstreckt. Insbesondere
kann der Abschnitt zur Abdeckung der Aussparung durch einen in seinen
Dimensionen gegenüber
dem im Reflektor ausgesparten Bereich vergrößerten Ring und/oder Sektor
ausgebildet sein, wobei der Ring bzw. der Sektor von Facetten dabei so
beschaffen ist, dass er von der Reflektorachse aus betrachtet vor
oder hinter der eigentlichen Oberfläche des Reflektors angeordnet
ist. Auf diese Weise ist eine Unterbrechung im Reflektor für das Eindringen
des Kühlluftstroms
bei einer gleichzeitig optisch nahezu unveränderten Reflektoranordnung
geschaffen, so dass die durch die Aussparung bewirkten Lichtverluste
minimiert sind.
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Durch
eine insbesondere hinsichtlich der Oberflächenformgebung und der Anordnung
veränderte
Ausbildung der Facetten, die den radial beabstandeten, beispielsweise
ringförmigen
oder spaltenförmigen
Abschnitt zur Abdeckung der Aussparung bilden, kann dabei bewirkt
werden, dass die Lichtverteilung des mit der Aussparung versehenen
Reflektors im Vergleich zu dem Reflektor ohne Aussparung nicht verändert ist,
so dass die Reflektoranordnung die gewünschte Lichtverteilung erzeugt.
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Der
der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll anhand eines Ausführungsbeispiels
in den nachfolgenden Figuren näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
Frontansicht eines Scheinwerfers mit einem facettierten Reflektor
von vorne in den Scheinwerfer hinein;
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2 eine
seitliche Teilschnittsansicht eines Scheinwerfers mit einem facettierten
Reflektor bei aufgeschnittenem Scheinwerfergehäuse;
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3 eine
Projektion eines Reflektors auf eine Ebene senkrecht zur Reflektorachse;
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4 eine
Projektion eines Reflektors auf eine Längsebene parallel zur Reflektorachse;
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5a, 5b zwei
schematische Schnittansichten eines Reflektors in unterschiedlichen
Positionen;
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6a, 6b eine
schematische Darstellung eines Reflektors mit einer ringförmigen Aussparung
und
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7a, 7b eine
schematische Darstellung eines Reflektors mit einer sektorenförmigen Aussparung.
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Die
in 1 gezeigte Frontansicht und die in 2 dargestellte
seitliche Teilschnittansicht eines Scheinwerfers zeigen ein Scheinwerfergehäuse 1, dessen
mittlerer Bereich 10 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet
und dessen vorderer Bereich 11 der Kontur eines Reflektors 3 angepasst
ist. Der Scheinwerfer weist eine konvektive Kühlungseinrichtung 4 auf,
die zur Erzeugung einer Konvektionsströmung die durch eine Lampe 2 abgegebene
Wärme gezielt
zum oberen Bereich des Scheinwerfergehäuses 1 ableitet und
somit die im Inneren des Scheinwerfergehäuses 1 befindlichen
Bauteile vor einer zu starken Wärmebelastung
schützt.
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Die
Licht abgebende Frontseite des Scheinwerfergehäuses 1 ist durch ein
Abdeckelement 5 in Form einer als Schutzscheibe dienenden
Glasscheibe oder einer Linsenscheibe abgeschlossen. Der Reflektor 3 ist
im vorderen Bereich des Scheinwerfergehäuses 1 angeordnet
und teilweise von der konvektiven Kühlungseinrichtung 4 eingeschlossen.
Im Bereich des Lampensockels 20 weist der Reflektor 3 eine
erste Öffnung 31 auf,
durch die hindurch sich die am Lampensockel 20 befestigte
Lampe 2 in das Innere des Reflektors 3 entlang
der Reflektorachse des Reflektors 3 erstreckt. Die Lampe 2 erzeugt
zur Reflektorachse rotationssymmetrische Lichtstrahlen, die vom
Reflektor 3 zu einer zweiten Öffnung 32 des Reflektors 3 hin
reflektiert werden und durch das lichtdurchlässige Abdeckelement 5 den
Scheinwerfer verlassen.
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Die
Lampe 2 ist im Inneren des Reflektors 3 angeordnet
und dabei ortsfest über
den Lampensockel 20 mit dem Scheinwerfergehäuse 1 verbunden. Zum
Einstellen der Lichtstrahlbreite ist der Reflektor 3 entlang
der Reflektorachse verschiebbar, so dass durch ein Verschieben des
Reflektors 3 die Lage von Reflektor 3 und Lampe 2 relativ
zueinander verändert werden
kann. Bei einem gebündelten
Lichtfeld, also einer kleinen Lichtstrahlbreite der austretenden
Lichtstrahlen, ist der Reflektor 3 von dem Abdeckelement 5 weg
in eine hintere Position bewegt, so dass die Lampe 2 in
einer vorderen Position im Reflektor 3 steht. Bei weitem
Lichtfeld, also einer großen
Lichtstrahlbreite, ist der Reflektor 3 zum Abdeckelement 5 hin
verschoben, und die Lampe 2 nimmt eine Position nahe am
Scheitelpunkt des Reflektors 3 ein. Der Reflektor 3 ist
dabei stufenlos verschiebbar, so dass die Lichtstrahlbreite in einem
Bereich von Halbstreuwinkeln zwischen in etwa 10° und 50° stufenlos einstellbar ist.
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Die 3 und 4 zeigen
Ansichten des Reflektors 3, in denen der Reflektor 3 zum
einen auf eine Querebene senkrecht zur Reflektorachse (3)
und zum anderen auf eine durch die Reflektorachse und eine Querachse
senkrecht zur Reflektorachse gebildete Längsebene (4)
projiziert ist. Der Reflektor 3 weist eine paraboloide,
rotationssymmetrische Grundform auf und ist aus einzelnen Facetten 33 ausgebildet,
die von der Reflektorachse aus gesehen im Querschnitt senkrecht
zur Reflektorachse eine konvexe Form aufweisen (3)
und die im Längsschnitt
entlang der Reflektorachse und einer Querachse konkav ausgebildet
sind (4). Die Facetten 33 sind also so geformt,
dass sie im Querschnitt einen zur Reflektorachse hin weisenden Bauch
ausbilden und gleichzeitig im Längsschnitt von
der Reflektorachse aus betrachtet in konkaver Weise gewölbt sind.
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Die
Facetten 33 sind auf dem Reflektor 3 in einer
Vielzahl von Sektoren 34 angeordnet, die sich von der ersten Öffnung 31 des
Reflektors 3, durch die die Lampe 2 in das Innere
des Reflektors 3 geführt wird,
zur zweiten Öffnung 32 des
Reflektors 3 hin erstrecken und nach außen hin verbreitern. Durch
die gleichförmige
Anordnung der Facetten 33 in den einzelnen Sektoren 34 ergibt
sich eine Aufteilung der Facetten 33 in Spalten und Zeilen,
wobei sich die Spalten entlang der Sektoren 34 erstrecken
und die Zeilen senkrecht dazu entlang des Umfangs um die Reflektorachse
verlaufen. Die Facetten 33 in einer Zeile gleichen sich
dabei in Formgebung und Größe, so dass
entlang jeder Zeile eine aus der Aneinanderreihung der Facetten 33 gebildete
periodische Struktur entsteht. Die Facetten 33 in unterschiedlichen
Zeilen hingegen können
sich in Formgebung und Größe unterscheiden.
Insbesondere ist der Reflektor 3 so ausgebildet, dass in
den innen gelegenen Zeilen, also zur ersten Öffnung 31 des Reflektors 3 hin,
die Facettierung des Reflektors 3 entsprechend der Winkelteilung
in Sektoren enger wird.
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Die
Facetten 33 sind hinsichtlich Wölbung und Anordnung so ausgebildet,
dass sie eine optimale Lichtfeldverteilung erzeugen. Die Facetten 33 des Reflektors 3 gemäß 3 und 4 sind
in fünf
Ringen 35a–35e angeordnet,
die zur Reflektorachse konzentrisch sind und jeder für sich im
Längsschnitt entlang
der Reflektorachse und einer Querachse eine konkave Form aufweisen,
wie aus 4 hervorgeht. Die einzelnen
Ringe 35a–35e bestehen
dabei zumindest teilweise aus mehrere Facettenzeilen, wobei die
Aufteilung zur ersten, die Lampe 2 aufnehmende Öffnung 31 hin
enger wird und die Anzahl der Zeilen pro Ring nach innen zunimmt.
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Der
Reflektor 3 ist entlang einer parallel zur Reflektorachse
weisenden Verschieberichtung V verschiebbar im Scheinwerfergehäuse 1 angeordnet und
wird zum Einstellen der Lichtstrahlbreite des ausfallenden Lichtes
gegenüber
der im Lampensockel 20 befestigten Lampe 2 verschoben. 5a und 5b zeigen
schematische Schnittansichten des Reflektors 3 in relativ
zur Lampe 2 unterschiedlichen Positionen. In 5a ist
der Reflektor 3 vom Abdeckelement 5 weg nach hinten
verschoben, so dass die Lampe 2 in einer vorderen Position
im Reflektor 3 steht. Diese relative Lage von der Lampe 2 zum
Reflektor 3 bewirkt ein gebündeltes Lichtfeld, bei dem der
die Lichtstrahlbreite beschreibende Halbstreuwinkel klein ist und
die Lichtstrahlen L nahezu parallel zueinander aus dem Reflektor 3 austreten.
Zur Aufweitung der Lichtstrahlbreite wird der Reflektor 3 zum Abdeckelement 5 hin
nach vorne geschoben, so dass die Lampe 2 in eine Position
nahe am Scheitelpunkt des Reflektors 3 bewegt wird. Dieser
Zustand ist in 4b gezeigt, in dem
sich ein weites Lichtfeld mit einem großen Halbstreuwinkel dadurch
ergibt, dass der Reflektor 3 sich in eine vordere Position
im Scheinwerfer nahe an das Abdeckelement 5 verschoben
ist.
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Der
Reflektor 3 ist facettiert ausgebildet, um eine gewünschte Lichtverteilung
ohne die Verwendung zusätzlicher
Linsen-, Streu- oder Stufenscheiben zu erzeugen. Jede einzelne Facette 33 nimmt dabei
Licht auf und erzeugt ein reflektiertes Strahlenfeld, wobei sich
die von den Facetten 33 ausgehenden Lichtstrahlen vermischen
und sich im Fernfeld derart überschneiden,
dass die gewünschte
Lichtverteilung im Fernfeld entsteht. Dadurch, dass auf zusätzliche
Scheiben zur Formung des ausfallenden Lichtfeldes verzichtet werden
kann, werden auch die Lichtverluste, die mit der Verwendung solcher
Scheiben unvermeidbar einhergehen, vermieden, so dass die Anordnung
insgesamt verlustärmer
als herkömmliche
Scheinwerfer ausgebildet sein kann.
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Durch
die gewölbten
Facetten 33 weist der Reflektor 3 mit seiner aus
den einzelnen Facetten 33 zusammengesetzten Reflexionsfläche keinen
echten Brennpunkt auf. Im Zustand maximaler Lichtbündelung
(siehe 5a) steht die Lampe 2 aber
in einem Quasibrennpunkt, so dass die von der Lampe 2 ausgehenden
und von den Facetten 33 reflektierten Lichtstrahlen L nahezu
parallel aus dem Scheinwerfer austreten. Dieser Quasibrennpunkt
entspricht dabei dem Brennpunkt der rotationssymmetrischen, paraboloiden
Grundform des Reflektors 3 bei Vernachlässigung der durch die einzelnen
Facetten 33 bewirkten lokalen Oberflächenwölbung. Zur Aufweitung des Lichtfeldes
wird die Lage der Lampe 2 relativ zum Reflektor 3 dann
so verändert,
dass der Abstand zwischen Reflektor 3 und Lampe 2 kleiner
wird, die Lampe 2 also aus dem Quasibrennpunkt hin zum
Reflektor 3 bewegt wird.
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Bei
alternativen Ausführungsformen
kann der Reflektor 3 ortsfest im Scheinwerfer angeordnet sein
und die Lampe 2 zum Einstellen der Lichtstrahlbreite verschoben
werden. Die Wirkweise des Scheinwerfers ist davon nicht beeinträchtigt.
Es ist auch denkbar, den Strahlengang des Scheinwerfers konvergent
auszubilden, so dass sich bei weitem Lichtfeld die austretenden
Lichtstrahlen L zunächst
in einem Bereich vor dem Scheinwerfergehäuse 1 verdichten und
erst dann auseinander laufen. In diesem Fall ist es zweckdienlich,
dass zur Aufweitung des Lichtfeldes der Reflektor 3 nach
hinten verschoben wird, die Lampe also in eine vordere, dem Quasibrennpunkt
des Reflektors vorgelagerte Position im Reflektor 3 bewegt
wird, während
zur Bündelung
des ausfallenden Lichtes der Reflektor 3 nach hinten verschoben
wird, um die Lampe 2 in den Quasibrennpunkt des Reflektors
zu bringen. Auch hier wird aber durch die Ausbildung der Facetten 33 eine
Vermischung der Lichtstrahlen L bewirkt und dementsprechend ein
gewünschtes
Lichtfeld erzeugt, ohne dass zusätzliche
Bauteile in Form von Scheiben erforderlich wären.
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Der
Scheinwerfer ist insbesondere als Hochleistungsscheinwerfer mit
Leistungen im kW-Bereich einsetzbar.
Aufgrund der großen
umgesetzten Leistungen kommt es bei solchen Scheinwerfern zu großer Wärmeentwicklung,
so dass die Bauteile des Scheinwerfers hitzebeständig ausgebildet sein müssen. Insbesondere
betrifft dieses den Reflektor 3, dessen Facetten 33 in
Bereichen, in denen der Reflektor 3 besonders stark erwärmt wird,
aus speziellen, hitzebeständigen
Materialien wie Glas oder Glaskeramik hergestellt ist. Der Reflektor 3 reflektiert dabei
einen Großteil
der Lichtleistung im Bereich der inneren Facettenringe 35a,
so dass es insbesondere dort zur Erwärmung kommt und die Facetten 33 in diesem
Bereich hitzebeständig
ausgebildet sein müssen.
In den Außenbereichen 35d, 35e sind
solche Maßnahmen
nicht erforderlich, so dass dort die Facetten 33 aus einem
günstigem
Material, wie beispielsweise metallbeschichtetes Glas, hergestellt sein
können.
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Zur
Kühlung
des Scheinwerfers ist eine konvektive Kühlungseinrichtung 4 vorgesehen,
die den Reflektor 3, wie aus 2 ersichtlich,
teilweise einhüllt.
Die konvektive Kühlungseinrichtung 4 erzeugt einen
vertikalen Kühlluftstrom,
der die Wärme
ableitet und nach oben im Scheinwerfer und aus dem Scheinwerfer
heraus transportiert. Um einen solchen Kühlluftstrom auch im inneren
Bereich des Reflektors 3 und durch den Reflektor 3 hindurch
zu ermöglichen, können im
oberen und unteren Bereich des Reflektors 3 Öffnungen
vorgesehen sein, die dadurch geschaffen sind, dass einzelne Facetten 33 ganz
oder teilweise weggelassen sind. Auf diese Weise werden Kanäle geschaffen, durch
die ein vertikaler Kühlluftstrom
Wärme von
unten nach oben durch den Reflektor 3 hindurch und aus
dem Reflektor 3 hinaus ableiten kann. Die Reflexion der
Lichtstrahlen am Reflektor 3 wird dabei durch die Schaffung
der Öffnungen im
Reflektor 3 nicht wesentlich beeinflusst, da die reflektierte
Lichtleistung näherungsweise
proportional zur Gesamtfläche
des Reflektors 3 ist und die Öffnungen klein im Vergleich
zur Gesamtfläche
des Reflektors 3 sind. Die Lichtverteilung im Fernfeld
ist also von solchen Maßnahmen
nicht betroffen.
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Bei
den in den 6a, 6b und 7a, 7b dargestellten
Ausführungsformen
des Reflektors 3 sind Aussparungen 36 im Reflektor
geschaffen, indem ganze Zeilen oder Spalten von Facetten 33 des
Reflektors 3 freigelassen sind.
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In
den 6a und 6b ist
ein Reflektor gezeigt, bei dem eine ringförmige Aussparung 36 in der
Oberfläche
des Reflektors 3 durch einen Ring 35b' von Facetten 33 abgedeckt
ist, wobei der Ring 35b' aus
mehreren Facettenzeilen ausgebildet ist, einen vergrößerten Durchmesser
und eine größere Höhe als der
Reflektor 3 im Bereich der Aussparung 36 aufweist
und somit von der Reflektorachse aus betrachtet hinter dem eigentlichen
Reflektor 3 angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine Reflektoranordnung
mit einer Aussparung 36 geschaffen, bei der beispielsweise
ein Kühlluftstrom
in das Innere des Reflektors 3 hinein und durch den Reflektor 3 hindurch
dringen kann und gleichzeitig das optische Verhalten des Reflektors 3 nicht
wesentlich beeinträchtig ist.
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Der
zur Abdeckung der Aussparung 36 dienende Ring 35b' ist dabei radial
vom eigentlichen Reflektor 3 beabstandet, erstreckt sich
im Wesentlichen parallel zur ursprünglichen Oberfläche des
Reflektors 3 im Bereich der Aussparung 36 und überlappt
in Richtung der Reflektorachse die jeweils benachbarten Ringe 35a, 35c,
um somit von der Reflektorachse, insbesondere von den möglichen
Lampenpositionen auf der Reflektorachse aus betrachtet die Aussparung 36 vollständig zu überdecken.
Auf diese Weise können
die Verluste, die durch aus der Aussparung 36 im Reflektor 3 heraus
gestreutes Licht entstehen, vermindert werden, so dass der Wirkungsgrad
und die erzeugte Lichtverteilung des in der beschriebenen Weise
mit Aussparungen 36 versehenen Reflektors 3 nicht
wesentlich beeinflusst ist.
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In
dem in den 7a und 7b dargestellten
Reflektor 3 ist eine Aussparung 36 beispielsweise für einen
Kühlstrom
geschaffen, indem ein sektorenförmiger
Bereich von Facetten 33 des Reflektors 3 freigelassen
ist und durch einen radial beabstandeten, von der Reflektorachse
aus gesehen hinter dem eigentlichen Reflektor 3 angeordneten Sektor 34' abgedeckt ist.
Der Sektor 34' ist
durch mehrere Spalten von Facetten 33 ausgebildet und erstreckt
sich im Wesentlichen parallel zur ursprünglichen Oberfläche des
Reflektors 3 im Bereich seiner Aussparung 36. Aus
der 7a ist ersichtlich, dass der Sektor 34' zum einen in
seiner Höhe
entlang der Reflektorachse und in radialer Richtung senkrecht zur
Reflektorachse vergrößert ist
und zum anderen von der Reflektorachse aus betrachtet nach außen, also
in radialer Richtung relativ zum eigentlichen Reflektor 3 versetzt angeordnet
ist. Der Sektor 34' kann
dabei zusätzlich entlang
des Umfangs des Reflektors 3 senkrecht zur Reflektorachse
so ausgebildet sein, dass er in Umfangsrichtung die dem Sektor 34' benachbarten
Sektoren überlappt.
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Ein
Reflektor 3 gemäß den 6a, 6b und 7a, 7b weist
somit eine Aussparung 36 auf, mittels derer eine effektive
Kühlung
des Reflektors 3 und der Lampe 2, die im Innenraum
des Reflektors 3 angeordnet und von diesem eingeschlossen
ist, möglich
ist, wobei durch die Ausbildung und die räumliche Anordnung des einen
Abschnitt zur Abdeckung der Aussparung 36 ausbildenden
Sektors 34' oder
Rings 35b' die
Lichtleistung und Lichtverteilung des Scheinwerfers nicht wesentlich
beeinträchtigt
ist, so dass der Scheinwerfer einen vergleichbaren Wirkungsgrad
wie eine Anordnung mit einem geschlossen Reflektor 3 aufweist.
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Es
sei hierbei darauf hingewiesen, dass die 6a, 6b und 7a, 7b nicht
maßstabsgetreu
gezeichnet sind und insbesondere der radiale Abstand zwischen dem
zur Abdeckung der Aussparung 36 dienenden Abschnitt 34', 35b' und dem Reflektor 3 kleiner
als dargestellt sein kann.
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Bei
den Ausführungsformen
des Reflektors 3 gemäß den 6a, 6b und 7a, 7b kann
dabei durch eine veränderte
Ausbildung der Facetten 33 hinsichtlich ihrer Wölbung und
ihrer Anordnung in dem Ring 35b' oder dem Sektor 34' bewirkt werden,
dass die erzeugte Lichtverteilung des mit der Aussparung 36 versehenen
Reflektor 3 vergleichbar ist mit der Lichtverteilung eines
Reflektors 3 ohne Aussparung 36.
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Es
ist denkbar, nicht nur eine einzelne Aussparung 36 zu schaffen,
sondern durch das Weglassen, Versetzen und/oder Skalieren mehrerer
Ringe 35b' und/oder
Sektoren 34' von
Facetten 33 mehrere Aussparungen im Reflektor 3 herzustellen,
um eine weitere Verbesserung der Kühlung zu erreichen.
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Andere
Ausführungsformen
des Scheinwerfers sind denkbar. Insbesondere ist die Erfindung hier anhand
eines Scheinwerfers mit einem divergenten Strahlengang erläutert worden,
der zur Formung des Lichtfeldes einen facettierten Reflektor 3 verwendet. Es
ist aber auch möglich,
einen Scheinwerfer mit einem konvergenten Strahlengang herzustellen,
der durch die Ausbildung des facettierten Reflektors 3 ebenfalls
für einen
weiten Bereich von einstellbaren Halbstreuwinkeln eine gewünschte Lichtverteilung aufweist.
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- 1
- Scheinwerfergehäuse
- 2
- Lampe
- 3
- Reflektor
- 4
- Konvektive
Kühlungseinrichtung
- 5
- Abdeckelement
- 10
- Mittlerer
Bereich des Scheinwerfergehäuses
- 11
- Vorderer
Bereich des Scheinwerfergehäuses
- 20
- Lampensockel
- 31
- Erste Öffnung des
Reflektors
- 32
- Zweite Öffnung des
Reflektors
- 33
- Facette
- 34
- Sektor
- 34'
- Sektor
- 35a-e
- Ringe
- 35b'
- Ring
- 36
- Aussparung
- L
- Lichtstrahlen
- V
- Verschieberichtung