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Die
Erfindung betrifft eine Hochleistungsleuchte mit wenigstens einer
Lampe und einem die Lampe teilweise umfassenden Reflektor zur Bündelung
des von der Lampe ausgesandten Lichts zu einem gerichteten Strahl,
wobei der Reflektor eine innere reflektierende Oberfläche aufweist,
die aufgrund unterschiedlicher Abstände zur Lampe Bereiche mit unterschiedlichen
Anforderungen aufweist.
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Hochleistungsleuchten
der hier angesprochenen Art sind beispielsweise Lichtquellen für die digitale
Projektion sowie Scheinwerfer für
die Beleuchtung von Bühnen,
von Architektur und dergleichen. Die die Lampen umgebenden Reflektoren
geraten wegen der Leistungsfähigkeit
der Lampen, beispielsweise Halogenlampen, insbesondere aber Quecksilberhöchstdrucklampen,
an ihre thermische Belastungsgrenze, da die von der Lampe ausgesandte Wärmestrahlung üblicherweise
der Lichtleistung der Lampe proportional ist. Da sich die Baugröße der Leuchte
aber nicht in dem selben Maß erhöhen soll wie
die eingesetzte Licht- bzw. Wärmeleistung,
steigt die Wärmebelastung
des Reflektors pro Oberfächeneinheit
stark an, sodass für
die langfristige thermische Formstabilität des Reflektorkörpers relevante kritische
Werte, wie die Transformationstemperatur, die Erweichungstemperatur
und der nominelle mittlere thermische Längenausdehnungskoeffizient,
erreicht werden. Während
die Transformationstemperatur und die Erweichungstemperatur Parameter
für die
langfristige thermische Formstabilität des Körpers sind, spiegelt der nominelle
mittlere thermische Längenausdehnungskoeffizient α die Beständigkeit
des Körpers
gegenüber
kurzfristigen Temperaturänderungen
wider.
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Eine
Glassorte mit einem für
Reflektoren im Allgemeinen geeigneten geringen Längenausdehnungskoeffizienten α ist ein
Borosilikatglas, wie es unter der Marke SUPRAX® (Schott
AG, Mainz) im Markt ist. Derartige Glassorten geraten für die oben beschriebenen
Einsatzfälle
jedoch an ihre Belastungsgrenze, sodass Alternativmaterial eingesetzt werden
muss.
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Als
Alternativmaterial eignet sich insbesondere Glaskeramik, die insbesondere
gegenüber
kurzfristigen Temperaturänderungen
resistent ist, wie sie beim Anschalten bzw. Ausschalten des Leuchtmittels in
geschlossenen Scheinwerfersystemen auftreten. Bei Hochleistungsscheinwerfern
werden daher bevorzugt Glaskeramikreflektoren eingesetzt, die eine deutlich
höhere
Wechseltemperaturbeständigkeit
haben, bevor es bei ihnen zu einem thermisch bedingten Bruch kommt.
Nachteilig an den Glaskeramikreflektoren sind jedoch insbesondere
ihre hohen Herstellkosten gegenüber
standardmäßigen Reflektoren vergleichbarer
Größe aus Glaszusammensetzung, wie
z. B. SUPRAX®.
Außerdem
haben die aus Glaskeramik hergestellten Reflektoren technische Nachteile
bei der Beschichtung der inneren Reflektorfläche, wenn diese mit einem Beschichtungsverfahren, wie
insbesondere dem PICVD-Verfahren
(Plasma-Impulse-Chemical-Vapor-Deposition) hergestellt werden, da
dieses Verfahren auf der Einkopplung von Mikrowellen in den zu beschichtenden
Bereich beruht. Glaskeramiken weisen in Abhängigkeit von ihrem Keramisierungszustand
eine deutlich variierende Durchlässigkeit
bzw. ein deutlich unterschiedliches Absorptionsvermögen für Mikrowellen
auf. Dadurch hängen
die Beschichtungsparameter – und
damit auch die sich beim Beschichtungsvorgang ergebenden Eigenschaften
der Beschichtung wie Transmissionsvermögen, optischer Brechwert und
mechanische oder chemische Eigenschaften der Beschichtung – stark
vom Keramisierungszustand des Reflektormaterials ab. Dadurch ist
eine Serienproduktion insbesondere von großen Glaskeramikreflektoren von
gleich bleibenden Eigenschaften sehr schwierig. Die Beschichtung
des Reflektormaterials ist von hoher Bedeutung, weil sie in vielen
Fällen
so ausgebildet wird, dass sie nicht nur möglichst viel Licht spiegelnd
zurückwirft,
sondern gleichzeitig auch die Wärmestrahlung
der Lichtquelle (der Lampe) durch den Reflektor hindurch lässt, sodass
die im Strahlengang folgenden optischen Komponenten, wie Linsenstreuscheiben
oder Filter, thermisch deutlich weniger belastet werden. Um möglichst
viel Wärmestrahlung aus
dem Reflektor auszukoppeln, muss die Beschichtung so ausgelegt werden,
dass sie im sichtbaren Bereich von etwa 400 bis 700 nm möglichst
viel Licht zurückwirft,
um eine hohe Spiegelwirkung zu erzeugen, während im daran anschließenden Wellenlängenbereich
(naher Infrarotbereich) oberhalb von 700 nm ein möglichst
großer
Anteil der Wärmestrahlung
durch die Beschichtung hindurchtreten soll. Diese Infrarotstrahlung
tritt dann üblicherweise
zu einem großen
Teil sowohl durch die Beschichtung als auch durch das Reflektormaterial
hindurch, sodass sie direkt aus dem Scheinwerfersystem ausgekoppelt wird.
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Eine
derartige Beschichtung, die für
ein so genanntes Kaltlichtspiegelsystem verwendet wird, ist bei
Bühnenscheinwerfern
und Projektoren für
die digitale Projektion (beispielsweise Kinoprojektion) weit verbreitet
und nicht durch eine einfache metallische Beschichtung realisierbar.
Vielmehr muss eine Folge von interferenzoptischen Wechselschichten
mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebracht werden. Solche
Interferenzschichtsysteme werden auch für andere Anwendungsfälle, wie
UV-Schutzfilter, Farbkonversionsfilter,
Bandpassfilter, Entspiegelungsschichten usw. eingesetzt und sind
daher hinlänglich
bekannt. Sie bestehen aus abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten, die
im optischen Bereich ausreichend transparent sein müssen. Besonders
geeignet für
niedrigbrechende Schichten ist Siliziumdioxid SiO2 mit
einem Brechwert von etwa 1,45, da es sehr transparent und thermisch
sehr belastbar ist.
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Als
hochbrechende Schichten werden meistens Schichten aus Titandioxid
TiO2 mit einem Brechwert von 2,4 bis 2,5
eingesetzt, wobei dieses Material jedoch nicht sehr temperaturbeständig und
häufig
im sichtbaren Bereich leicht absorbierend ist. Ähnliche Eigenschaft weist Niobpentoxid
Nb2O5 mit einem Brechwert
von etwa 2,35 auf.
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Als
transparentes und thermisch stabiles hochbrechendes Material in
Wechselschichtsystemen werden meist Zirkonoxid ZrO2 oder
Tantalpentoxid Ta2O5 eingesetzt.
Diese beiden ansonsten für Kaltlichtspiegel
unter hohen thermischen Belastungen gut geeigneten Materialien haben
jedoch den Nachtteil, dass ihr Brechwert gegenüber dem von Titanoxid mit etwa
2,05 bis 2,15 deutlich niedriger ist. Dadurch werden in einem Interferenzschichtsystem deutlich
mehr Wechselschichten aus ZrO2 und SiO2 bzw. aus Ta2O5 und SiO2 benötigt, um
dieselben Eigenschaften der Spektralkurven zu erzielen wie in einem
Wechselschichtsystem aus TiO2 und SiO2, was sich ungünstig auf die Beschichtungskosten
der Reflektoren auswirkt.
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Für die Beschichtung
der Reflektoren stehen daher Systeme mit unterschiedlichen Vor-
und Nachteilen zur Verfügung.
Generell bedingt eine hohe Temperaturstabilität hohe Herstellkosten, was
insbesondere für
größere Reflektoren
besonders ins Gewicht fällt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, die Vorteile
bestimmter Grundmaterialien und Beschichtungen für Reflektoren nutzen zu können und
dennoch vertretbare Herstellkosten zu erreichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist eine Hochleistungsleuchte der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass der Reflektor aus wenigstens einem ersten und
einem zweiten Teilreflektor besteht, die an einer Stoßkante aneinander liegen
und deren reflektierende Oberflächen
gemeinsam die innere reflektierende Oberfläche des Reflektors bilden.
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Der
erfindungsgemäße Reflektor
für eine Hochleistungsleuchte
ist daher wenigstens zweiteilig aufgebaut. Die Erfindung erlaubt
daher die Herstellung der Teilreflektoren unter unterschiedlichen
Anforderungsprofilen für
die Teilreflektoren, die sich beispielsweise daraus ergeben können, dass
einer der Teilreflektoren näher
an der eingesetzten Lampe angeordnet ist als der andere bzw. ein
anderer Teilreflektor. Somit ist es beispielsweise unter dem Gesichtspunkt
der thermischen Belastung möglich,
einen thermisch hoch belasteten Bereich des Reflektors als ersten
Teilreflektor und einen thermisch weniger belasteten Bereich als
zweiten Teilreflektor auszubilden.
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Der
zweite Teilreflektor kann sich dann von dem ersten Teilreflektor
bezüglich
des Grundmaterials und/oder der Beschichtung unterscheiden. So kann
beispielsweise ein thermisch höher
belasteter Teilreflektor, dessen Oberfläche nur einen kleineren Anteil
der Gesamtoberfläche
des Reflektors ausmacht, aus einem aufwendigen Grundmaterial und einer
aufwendigen Beschichtung gebildet werden, während wenigstens ein weiterer
Teilreflektor eine billiger herzustellende Beschichtung und/oder
ein billigeres Grundmaterial aufweist, das thermisch nicht so hoch
belastbar sein muss.
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Die
erfindungsgemäße Aufteilung
des Reflektors in wenigstens zwei Teilreflektoren ermöglicht auch
eine Anpassung des Reflektors an andere Parameter, wie besondere
Formanpassungen, Schichtausbildungen der reflektierenden Schicht
usw.
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Ein
bevorzugter Hauptanwendungsfall der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass die durch die Stoßkante
voneinander getrennten Teilreflektoren unterschiedlichen mittleren
thermischen Belastungen durch die Lampe ausgesetzt sind. Dabei ist
es beispielsweise möglich,
den ersten Teilreflektor der thermisch höher belastet ist, mit einem
Glaskeramikmaterial als Grundmaterial auszubilden und aufwändig zu
beschichten, um auch an diesem Bereich eine hohe Durchlässigkeit
für die
Wärmestrahlung
zu erreichen. Andererseits kann der zweite Teilreflektor beispielsweise
aus einem Borosilikatglas als Grundmaterial gebildet sein und eine
weniger aufwändig herstellbare
Beschichtung aufweisen, die bezüglich der
thermischen Belastung nicht den höchsten Ansprüchen entsprechen
muss. Selbstverständlich
sind dabei auch andere Varianten denkbar. So ist es beispielsweise
möglich,
die Teilreflektoren alle aus demselben Grundmaterial herzustellen
und gegebenenfalls mit verschiedenen Beschichtungen zu versehen. In
einzelnen Fällen
kann es sogar sinnvoll sein, beide Reflektoren aus gleichem Grundmaterial
und mit gleichen Beschichtungen zu dem Reflektor zusammenzusetzen,
weil sich aufgrund einer speziellen Formgebung dadurch eine verbesserte
Herstellbarkeit ergibt.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere von Bedeutung für einen
Reflektor, der eine sich in einer Längsrichtung vergrößernde innere
reflektierende Oberfläche
aufweist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass die an der Stoßkante aneinander
an liegenden Teilreflektoren in der Längsrichtung aneinander anschließen, die
Stoßkante
also quer zur Längsrichtung
verläuft.
Dabei muss die Stoßkante
keine stetige Kontur ausbilden, sondern kann beliebig geformt sein.
Beispielsweise können
sich in der Stoßkante
Vorsprünge
und Rücksprünge, beispielsweise in
einer Zick-Zackausbildung, befinden, um die Teilreflektoren an der
Stoßkante
drehfest passig aneinander zu setzen. Die Stoßkante sollte bevorzugt eine geschlossene
Linie bilden.
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In
einer konkreten Ausführungsform
der Erfindung weist der Reflektor eine Öffnung für den Durchtritt der Lampe
und von der Öffnung
ausgehend über
die Lampe hinaus einen sich vergrößernden Querschnitt auf. Erfindungsgemäß ist dabei
der erste Teilreflektor um die Öffnung
herum angeordnet und der zweite Teilreflektor schließt sich
an dem ersten Teilreflektor in Richtung des sich vergrößernden Querschnitts
an. Der erste Teilreflektor ist dabei vorzugsweise sowohl bezüglich des
Grundmaterials als auch der Beschichtung thermisch höher belastbar ausgebildet
als der zweite Teilreflektor.
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Die
inneren reflektierenden Oberflächen
in den Teilreflektoren sollten an der Stoßkante möglichst übergangslos aneinander anschließen, also nur
einen minimalen Spalt ausbilden, der optisch nicht ins Gewicht fällt. Um
dies zu ermöglichen
und eine genaue Positionierung der beiden reflektierenden Oberflächen zu
einander zu ermöglichen,
ist es zweckmäßig, wenn
die Teilreflektoren mit über
die Dicke der Teilreflektoren verzahnten komplementären Kanten
an der Stoßkante
aneinander anschließen. Die
Verzahnung, die beispielsweise nach Art einer Nut-Feder-Verbindung
ausgebildet sein kann, soll dabei eine passige Zusammensetzung der
Teilreflektoren derart erlauben, dass eine genaue Positionierung
in bezüglich
einer Längsachse
radialer Richtung gewährleistet
ist. Vorzugsweise werden die Teilreflektoren durch an ihrer Außenseite
die Stoßkante übergreifende
Befestigungsmittel aneinander gehalten, wobei die Befestigungsmittel
insbesondere mit einer Vorspannung die Teilreflektoren gegeneinander drücken, also
beispielsweise als Klemmmitte ausgebildet sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der erste Teilreflektor, der ein thermisch höher belastbarer
Teilreflektor sein kann, eine reflektierende Oberflä che auf,
die weniger als die Hälfte,
vorzugsweise weniger als ein Drittel, der reflektierenden Oberfläche des
Gesamtreflektors ausmacht.
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Die
Beschichtungen der Teilreflektoren können – wie oben erwähnt – gleich
oder verschieden ausgebildet sein. Insbesondere können die
Beschichtungen auch in gleichen oder unterschiedlichen Beschichtungsverfahren
aufgebracht sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn für den thermisch
höher belasteten
ersten Teilreflektor eine aufwändige Beschichtung
aufgeführt
werden muss, die für
den (größeren) zweiten
Teilreflektor vermeidbar ist. Die Beschichtungen der Teilreflektoren
sind insbesondere Interferenzoptische Beschichtungen, die den Abtransport
der Wärmestrahlung
aus dem Nutzstrahlengang ermöglichen.
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In
besonderen Anwendungsfällen
kann es zweckmäßig sein,
dass wenigstens einer der Teilreflektoren eine Facettierung seiner
inneren reflektierenden Oberfläche
aufweist. Derartige Facettierungen sind üblich, um beispielsweise eine
homogene Verteilung des Lichtes der Lampe in einem aufgeweiteten
Strahl zu erreichen. Wenn die Teilreflektoren alle eine Facettierung
der inneren Oberfläche
aufweisen, kann diese so ausgebildet sein, dass sich eine gleichmäßige Facettierung über die
gesamte reflektierende Oberfläche
ergibt. In Einzelfällen
kann es vorteilhaft sein, wenn die Teilreflektoren ungleiche Facettierungen
aufweisen.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochleistungsleuchte;
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2 eine
schematische Detaildarstellung für
eine verzahnte Stoßkante
an voneinander getrennten Teilreflektoren;
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3 eine
vergrößerte schematische
Darstellung der zusammengefügten
Teilreflektoren aus 2;
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4 eine
frontale Draufsicht auf einen aus zwei Teilreflektoren mit unterschiedlichen
Facettierungen gebildeten Reflektor.
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1 lässt eine
Hochleistungsleuchte erkennen, die eine Lampe 1 in Form
einer Quecksilber-Höchstdrucklampe
aufweist. Die Lampe 1 weist eine Längsachse L auf, die eine Symmetrieachse
eines Reflektors 2 bildet, dessen innere Oberfläche 3 eine
dreidimensionale geschlossene Fläche
darstellt, die im Schnitt eine Kegelschnittform (Parabel, Ellipse)
oder eine Freiform aufweist. Der Reflektor 2 weist eine
Durchgangsöffnung 4 auf,
durch die die Lampe 1 in das Innere des Reflektors 2 hindurchragt,
um an der Außenseite
des Reflektors 2 elektrisch angeschlossen zu werden.
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Der
Reflektor 2 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus zwei Teilreflektoren 5, 6, die aus jeweils
einem Grundmaterial 7, 8 und einer inneren reflektierenden
Oberfläche 9, 10 in
Form einer Beschichtung, vorzugsweise interferenzoptischen Beschichtung,
bestehen. Die beiden Teilreflektoren 5, 6 sind
mit Stoßkanten 11 aneinander
gesetzt und bilden dort einen Spalt 12 aus, der mit Hilfe
eines Befestigungsmittels 13, das auf der Außenseite
des Reflektors 2 die Stoßkanten 11 übergreift,
möglichst klein
gehalten wird.
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Der
erste Teilreflektor 5 weist die Öffnung 4 auf und erstreckt
sich von der Öffnung 4 mit
einer ellipsoiden oder paraboloiden Form ein Stück in Längsrichtung L der Lampe 1.
Der zweite Teilreflektor schließt
sich in Längsrichtung
an den ersten Teilreflektor 5 an. Da sich die innere Oberfläche 3 des
Gesamtreflektors von der Öffnung 4 stetig
in Längsrichtung
L erweitert, weist der zweite Teilreflektor 6 einen größeren Abstand
zur Lampe 1 auf als der erste Teilreflektor 5.
Daraus ergibt sich, dass der zweite Teilreflektor 6 durch
die Wärmestrahlung
der Lampe 1 weniger belastet ist als der erste Teilreflektor 5.
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Daher
kann es erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass der erste Teilreflektor 5 aus einem Grundmaterial 7 aus
Glaskeramik besteht, während der
zweite Teilreflektor 6 ein Grundmaterial 8 aus
einem Borosilikatglas aufweisen kann. In ähnlicher Weise kann die innere
reflektierende Oberfläche 9 des
ersten Teilreflektors 5 aus thermisch hochbelastbaren Materialien
(ZrO2 oder Ta2O5 als hochbrechendes Material) bestehen,
die eine höhere
Schichtenanzahl benötigen
als höherbrechende,
thermisch nicht so belastbare Materialien (z. B. TiO2),
die für
die innere reflektierende Oberfläche 10 des
zweiten Teilreflektors 6 geeignet sein können.
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2 verdeutlicht,
dass die Stoßkanten 11 des
ersten Teilreflektors 5 und des zweiten Teilreflektors 6 über ihre
Dicke (Materialstärke)
eine komplementäre
Zick-Zackform aufweisen
können,
durch die die beiden Teilreflektoren 5, 6 passgenau
unter Bildung eines minimalen Spaltes 12 zusammensetzbar sind,
wie dies in 3 dargestellt ist. 3 verdeutlicht
auch, dass die beiden Teilreflektoren 5, 6 mit
ihren Stoßkanten 11 aneinander
liegend durch das Befestigungsmittel 13 zusammengehalten
werden, das mit Raststegen 15, 16 in entsprechend
vorgesehener Ausnehmungen 17, 18 in den Teilreflektoren 5, 6 eingreift
und so eine die beiden Teilreflektoren gegeneinander drückende Vorspannung
an der Stoßkante 11 bewirkt,
die zu einer Minimierung der Breite des Spaltes 12 führt.
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4 lässt in einer
frontalen Draufsicht die Teilreflektoren 5, 6 erkennen,
deren Oberflächen
mit unterschiedlichen Facetten 19, 20 ausgebildet
sind. Die Facettierung des inneren ersten Teilreflektors 5 weist
dabei kleinere Facetten 19 als der äußere zweite Teilreflektor 6 auf.
Für den
Fachmann ist ersichtlich, dass sowohl die Größe und die Form der Facetten 19, 20 an
die jeweilige Beleuchtungsaufgabe angepasst werden kann und dass
auch die innere Oberfläche
eines Teilreflektors 5, 6 unterschiedliche Formen
und Größen von
Facetten 19, 20 aufweisen kann um eine gewünschte Strahlformung
zu erreichen.
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Die
erfindungsgemäße Aufteilung
des Reflektors in Teilreflektoren 5, 6, deren
inneren Oberflächen 9, 10 zur
Bildung der inneren reflektierenden Oberfläche des Gesamtreflektors aneinander
anschließen,
ermöglicht
eine Anpassung an die Anforderungen an den Reflektor bei einer Optimierung
der Herstellkosten, da der größere Anteil
des Gesamtreflektors, hier gebildet durch den zweiten Teilreflektor 6,
in preiswerter Weise herstellbar ist, während der erste Teilreflektor 5 für die hohe
thermische Belastung durch die Lampe 1 ausgelegt ist.