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Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsleuchte mit wenigstens einer Lampe und einem die Lampe teilweise umgebenden Reflektor, der eine zur Bündelung des von der Lampe ausgesandten Lichts zu einem gerichteten Strahl sich in einer Längsrichtung erweiternde innere reflektierende Oberfläche aufweist, die aufgrund unterschiedlicher Abstände zur Lampe Bereiche mit unterschiedlichen Anforderungen enthält.
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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 Oberflächeneinheit 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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DE 30 44 081 A1 offenbart eine Kaltlichtleuchte, bei der ein elliptisch geformter erster Reflektor das von einer in einem ersten Brennpunkt angeordneten Lampe ausgehende Licht so bündelt, dass es in einem zweiten Brennpunkt abgebildet wird. Die Lampe verfügt über einen zweiten sphärischen Reflektor, der einen Gegenspiegel zum ersten, das Licht bündelnden Reflektor darstellt und dessen Mittelpunkt in einem Brennpunkt des elliptischen Reflektors liegt. Dieser Reflektor weist einen lichtdurchlässigen Mittelbereich auf, der so ausgebildet ist, dass er lediglich Wärmestrahlung reflektiert und sichtbares Licht möglichst ungedämpft durchlässt. Auf dem restlichen Bereich des sphärischen Spiegels ist eine das Licht im vollen Spektrum reflektierende Schicht aufgebracht. Der erste elliptische Reflektor ist für sichtbares Licht reflektierend und für Wärmestrahlung durchlässig beschichtet. Der umgekehrt beschichtete Gegenspiegel hat somit die Funktion, die Kaltlichteigenschaften des elliptischen Reflektors noch zu verbessern, indem direkt von der Lampe in Abstrahlrichtung durch den lichtdurchlässigen Bereich abgestrahlte Wärmestrahlung reflektiert wird. Ferner wird die Lichtausbeute durch den Gegenspiegel in an sich bekannter Weise verbessert. Probleme des elliptischen Reflektors, die bei einer Hochleistungsleuchte auftreten könnten, werden dabei nicht angesprochen.
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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 Teilreflektor und einem zweiten Teilreflektor besteht, der sich über eine Stoßkante so an den ersten Teilreflektor anschließt, dass die reflektierenden Oberflächen der beiden Teilreflektoren gemeinsam die das Licht bündelnde, sich in Längsrichtung erweiternde innere 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 anliegenden 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 Oberfläche 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.
