-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung geht aus von einer Streuscheibe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. derartige Streuschieben werden insbesondere
als Deckelgläser für Reflektoren verwendet, die
mit einer Lichtquelle bestückt sind. Als Lichtquelle kommen
dabei Glühlampen, Entladungslampen oder LED in Frage.
-
Stand der Technik
-
Aus
der
DE-A 103 43 630 und
der
EP-A 961 136 ist
eine Streuscheibe bekannt, die auf einer hexagonalen Facettenstruktur
basiert.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Streuscheibe bereitzustellen,
die inhomogene Lichtstärke- oder Beleuchtungsstärken
möglichst gut vermeidet.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
-
Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
-
Reflektorlampen
mit Hochdruckentladungslampen als Lichtquelle haben häufig
das Problem, dass die Lichtstärke- bzw. Beleuchtungsstärkeverteilung
inhomogen sind bezüglich der Lichtintensität und
Lichtfarbe. Die Ursache hierfür findet sich in der nicht
rotationssymmetrisch gleichförmigen Leuchtdichteverteilung
der Lichtquelle, beispielsweise durch die Lichtbogenkrümmung
oder die Ablagerung von Metallhalogenidkondensat im Entladungsgefäß.
-
Eine übliche
Methode, diesen Effekt abzuschwächen, besteht in der zusätzlich
zur Lichtreflexion angewendeten Lichtbrechung mittels einer transparenten
Streuscheibe. Hierbei verfügt die Streuscheibe über eine
Vielzahl von konvex oder konkav gekrümmten Linsen, deren
Linsenradius die Aufweitung des Ausstrahlwinkels der Lichtstärkeverteilungskurve
(LVK) bestimmt. In der Regel erzeugt jede einzelne Linse eine eigene LVK,
die hinsichtlich ihrer grundlegenden Form der Endform der LVK entsprechen
sollte. Die Überlagerung der einzelnen Linsen-LVKs bewirkt
dann die Durchmischung der unterschiedlichen Farbwerte, so dass
eine homogene Verteilung der Farbwerte im Fernfeld der LVK entsteht.
-
Bislang
sind häufig Deckelgläser anzutreffen, deren Linsenfacetten über
eine gleichmäßige hexagonale Form verfügen.
Die Gleichmäßigkeit der Linsenform spiegelt sich
in der Lichtstärkeverteilung wider. Diese lässt
die sechseckige Facettenform nach wie vor erkennen.
-
Um
eine rotationssymmetrische – und damit möglichst
gleichförmige – Lichtstärkeverteilung
zu erzielen, ist es bekannt, daß die Facettenform eine
polygonale und ungleichförmige Gestalt haben muss.
-
Stand
der Technik ist ein Streuscheibe mit konkav oder konvex gekrümmte
Linsen, die eine hexagonale Außenkontur aufweisen, wobei
die Scheitelpunkte der Linsen auf einer gemeinsamen Ebene (= flaches Streuscheibe)
oder einer gleichförmig gekrümmten Fläche
(= gewölbtes Streuscheibe) liegen.
-
Die
hexagonale Außenkontur der Facetten ergibt sich, wenn die
Linsenmittelpunkte gleichmäßig verteilt auf Sechsecken
angeordnet werden, wobei die Schlüsselweiten der Sechsecke
um einen konstanten Betrag zunehmen, und die Anzahl der Facetten
mit jedem Sechseck um 6 zunimmt. Der Flächeninhalt der
hexagonalen Facetten ist stets gleich groß. Die Eckpunkte
der Sechsecke ergeben jeweils eine Reihe von Facetten, die auf einer
radial wegführenden Linie vom Streuscheibezentrum liegen.
-
Bei
Verwendung dieses Designs entsteht im optischen Fernfeld eine hexagonale
Lichtverteilung gemäß 1b. Dieses
Streuscheibedesign wird häufig für Reflektorlampen
verwendet.
-
Zur
Vermeidung der hexagonalen Verteilungscharakteristik sind zurzeit
nur zwei relevante Lösungsansätze bekannt.
-
Das
Patent
DE-B4 10343630 geht
auch von einer hexagonalen Facettenstruktur aus, die sich aus der Anordnung
der Facetten in einem Sechseck ergibt, wie oben erläutert.
Prinzipieller Ansatz ist hier, dass die „Startpunkte” der
Sechsecke, die sich beim Streuscheibe gemäß Stand
der Technik auf einer radialen Linie befinden, nach einer bestimmten
mathematischen Vorschrift verdreht werden. Beispielsweise kann der
Verdrehwinkel quadratisch mit zunehmendem Abstand vom Zentrum ansteigen.
Allein durch diese Verdrehung der Sechsecke überlagern
sich die Facetten, so dass aus ursprünglich hexagonalen
Facetten nun polygonale Facetten entstanden sind.
-
Bei
einem weiteren dort beschriebenen Ausführungsbeispiel werden
die Scheitelpunkte der Facetten entlang einer Spirale angeordnet.
Die Überlagerung der Grenzflächen der zunächst
kreisförmigen Facetten führt zur Entstehung der
polygonalen Facettengeometrie.
-
Erfindungsgemäß wird
nun ein ganz anderer Ansatz für ein Streuscheibe mit polygonaler
Facettenform verwendet, mit deren Hilfe eine Lichtstärkeverteilung
gemäß 1a entsteht.
-
Der
Lösungsansatz der Erfindung ist durch eine Bauanleitung
gekennzeichnet, mit deren Hilfe polygonale, unregelmäßige
Facettenformen der Linsen entstehen. Die Unregelmäßigkeit
der Facettenformen bewirkt die gleichförmige rotationssymmetrische
Lichtverteilung.
-
Die
Bauanleitung ist durch folgende Merkmale charakterisiert:
Die
Linsen sind kreisförmig um das Streuscheibezentrum angeordnet.
Es werden mindestens zwei Kreise, bevorzugt mindestens vier Anordnungskreise,
verwendet.
-
Die
Linsen sind also auf Kreisen angeordnet, so daß sich unmittelbar
benachbarte Linsen gleichen Abstands zum Streuscheibenzentrum überschneiden
würden, wenn sie regelmäßige Sechsecke
wären.
-
Die
konzentrischen Anordnungskreise haben insbesondere untereinander
den gleichen Abstand. Das bedeutet, der Durchmesser aller Kreise
nimmt nach außen jeweils um den gleichen Betrag zu. In
einer weiteren Ausführungsform haben sie unterschiedliche
Abstände.
-
Das
Streuscheibe hat bevorzugt mindestens 6 und höchstens 15
Anordnungskreise.
-
Auf
jedem Anordnungskreis gibt es bevorzugt mindestens eine Facette,
deren Mittelpunktskoordinate xp, yp – damit ist der Scheitelpunkt
der Facettenlinse mit dem Krümmungsradius der Streuscheibe
gemeint, wobei die Streuscheibe nicht unbedingt gekrümmt
sein muss, sondern auch eben sein kann- auf einer gemeinsamen, radialen
Linie mit den betreffenden Facetten der anderen Anordnungskreise
liegt. Beispielsweise hat auf jedem Anordnungskreis mindestens eine
Facette die Koordinate yp = 0. Damit ist ein Verdrehen nicht erforderlich.
Mit dem Begriff Mittelpunktskoordinate ist insbesondere der Schwerpunkt
des Vielecks gemeint.
-
Die
Anzahl der Facetten pro Anordnungskreis steigt mit zunehmendem Kreisdurchmesser.
Bevorzugt steigt sie um einen festen Betrag. Regulär und
basierend auf dem Konzept der sechseckigen Facetten gemäß Stand
der Technik steigt sie pro Kreis um je 6 Facetten, mit Ausnahme
des Übergangs von der zentralen Facette zum ersten Kreis.
Jedoch wird eine bessere Gleichmäßigkeit erreicht,
wenn bei mindestens einem Anordnungskreis ab dem zweiten Kreis diese
Regel nicht eingehalten wird, und zwar bevorzugt hin zu höheren Werten.
Als Beispiel sei ein Konzept mit acht Kreisringen angesprochen,
bei dem die Anzahl der Facetten gemäß folgender
Vorgabe zunimmt: 1–6–12–18–25–31–37–43).
Beste Ergebnisse liefert eine Vorgehensweise, bei der die Anzahl
der Facetten um 5 bis 8 zunimmt.
-
Alle
Linsenflächen, als reguläre Sechsecke verstanden,
würden sich überschneiden. Es verbleiben keine
Zwischenräume zwischen den Facetten.
-
Die
sphärischen Linsen setzen sich in einer bevorzugten Ausführungsform
aus der Überschneidung von Kugeln zusammen. Der Kugel-
bzw. Linsenradius ist pro Anordnungskreis gleichbleibend. Vom Streuscheibezentrum
ausgehend kann der Linsenradius pro Anordnungskreis zu- oder abnehmen,
so dass mindestens drei unterschiedliche Linsenradien pro Streuscheibe
vorkommen.
-
Lediglich
die Scheitelpunkte der Linsen müssen auf einer Ebene (=
flaches Streuscheibe) oder auf einer Kurve (= gekrümmtes
Streuscheibe) liegen.
-
Eine
weitere Ausführungsform (neben der Wahl unterschiedlicher
Linsenradien), um unterschiedlich große Facettenflächen
und damit unterschiedlich polygonale Facettenformen zu erreichen,
ergibt sich aus der axialen Anordnung der Kugelmittelpunkte. Liegen
die Kugelmittelpunkte nicht auf einer gemeinsamen Ebene oder Kurve,
ergibt sich der gleiche Effekt wie bei der Wahl unterschiedlicher
Linsenradien.
-
Bevorzugt
sind die Abstände der Mittelpunkte aller Facetten eines
Kreises nach einer bestimmten Vorschrift vorgegeben: am einfachsten
sind sie gleichabständig über den Kreisumfang
verteilt. Oder sie sind alternierend mit zwei vorgegebenen Abständen
verteilt, so dass jede zweite Facette einen konstanten Abstand zur übernächsten
Facette aufweist.
-
Die
Facetten sind bevorzugt mindestens Vierecke und höchsten
Siebenecke.
-
Die
einzelnen Vielecke werden bevorzugt durch folgende Vorschrift ermittelt:
ausgehend von Kreisen als Platzhalter der zukünftigen Vielecke,
die sich flächendeckend überschneiden, werden
die Ecken der Facetten in die Mitte der Überschneidungen
von mindestens drei Kreisen gesetzt.
-
Die
polygonale, unregelmäßige Außenkontur
der Linsen bewirkt, dass in der Summe aller einzelnen Verteilungskurven
eine gleichmäßige, rotationssymmetrische Lichtverteilung
entsteht. Eine hexagonale Lichtverteilung gemäß Stand
der Technik wird damit vermieden (siehe 1).
-
Die
Berechnungsvorschrift für die Ermittlung der Mittelpunktskoordinaten
xp und yp ist vergleichsweise einfach gegenüber den Lösungen
gemäß Stand der Technik. Damit verbunden ist auch
der Herstellungsprozess der Pressstempels einfacher.
-
Die
unterschiedlichen Radien der Linsen können der lokal abweichenden
Strahlaufweitung, die der Basisreflektor erzeugt, angepasst werden.
-
Die
Form der zentralen Facette ist für die vorliegende Erfindung
unerheblich, das heißt es kommt nicht darauf, dass sie
ein reguläres Sechseck bildet. Die hier vorgestellten Polygone
können auch durch Körper mit geschwungenen Kurven
anstatt gerader Verbindungslinien ersetzt sein. Der Begriff Polygon
ist in diesem Fall als alleinige Bezugnahme auf die Anzahl der Ecken
zu verstehen.
-
Der
Begriff Facette meint hier im wesentlichen die zweidimensionale
Betrachtungsweise, während der Begriff Linse zusätzlich
die räumliche Ausdehnung im Falle einer gekrümmten
Streuscheibe explizit in betracht zieht.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
-
1 die Lichtverteilung gemäß der
Erfindung (1a) und gemäß dem Stand der Technik
(1b);
-
2 eine
Streuscheibe gemäß dem Stand der Technik;
-
3 eine
Prinzipdarstellung für den Radialstrahlenset;
-
4 eine
Prinzipdarstellung für die Entstehung der Facetten;
-
5 eine
Prinzipdarstellung der Erweiterung der Facetten;
-
6 eine
Hochdruckentladungslampe mit erfindungsgemäßer
Streuscheibe.
-
Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
-
1a zeigt
schematisch die Lichtverteilung einer erfindungsgemäßen
Streuscheibe. Sie ist nahezu kreisförmig. Dagegen zeigt 1b die
Lichtverteilung einer vorbekannten Streuscheibe. Sie lässt
vor allem in den Randbereichen radiale Inhomogenitäten
erkennen.
-
2 zeigt
eine übliche Streuscheibe 1, die aus regelmäßigen
sechseckigen Facetten 2 besteht. Die hexagonale Symmetrie
dieser Anordnung bleibt grundsätzlich in jedem Ring 3 von
Facetten erhalten und lässt sich letztlich in der damit
erzeugten Lichtverteilung, siehe 1b, erkennen.
-
Die
bekannten Vorschriften orientieren sich immer an diesem Grundgerüst,
das ggf. geeignet modifiziert wird, siehe
DE 103 43 630 .
-
Erfindungsgemäß wird
jetzt jedoch von einem System von Kreisringen als Ausgangspunkt
ausgegangen. Die Anzahl der Kreisringe sollte mindestens vier betragen.
Eine praktisch Obergrenze liegt bei etwa 15.
-
Eine
Beispieltabelle (Tab. 1) für fünf Ringe, die um
eine zentrale Facette angeordnet sind (hier ist die zentrale Facette
insbesondere als ein reguläres Sechseck angenommen), ist
im folgenden angegeben. Dabei ist ein radialer Strahl von Facetten
mit gemeinsamen Koordinate xp verwendet. Die Größe
a ist der Abstand der Kreisringe voneinander. Nachfolgend sind die
Koordinaten der Facetten dieses zentralen Strahls angegeben (Koordinaten-Angabe
bezieht sich auf den Schwerpunkt). Tab. 1
| Ringnummer | Anzahl
Facetten | x-Koordinate
1) | y-Koordinate
1) | Linsenradius |
| 1 | n | 0 | y | R1 |
| 2 | n
+ 6 | 0 | y
+ a | R1 |
| 3 | n
+ 12 | 0 | y
+ 2a | R2 |
| 4 | n
+ 19 | 0 | y
+ 3a | R2 |
| 5 | n
+ 25 | 0 | y
+ 4a | R3 |
- 1) Koordinaten derjenigen Facetten, die
auf einer gemeinsamen radialen Achse liegen
-
3 zeigt
das Prinzip der zunächst kreisförmigen Anordnung
von Linsen, wobei die Kreisabstände a hier jeweils gleich
groß gewählt wurden. Der Radius der einzelnen
Kreise ist R1, R2 usw.. Also gilt hier R5 – R4 = R4 – R3
= R3 – R2 = R2 – R1 = a.
-
Dadurch
ist zunächst der Schwerpunkt des Radialstrahlensets 10 an
Facetten definiert. Die Abstände der Mittelpunkte der Kreisringe,
hier a, müssen mindestens so gewählt sein, dass
daraus eine Überlappung aller Linsen entsteht, die flächendeckend
die ganze Streuscheibe füllen.
-
Im
nächsten Schritt wird die Anzahl der Linsen pro Kreisring
festgelegt, wobei bevorzugt mindestens 5 und maximal 8 zusätzliche
Linsen pro Folge-Kreis gewählt werden sollten um eine möglichst
gleichmäßige Ausleuchtung zu erhal ten. Dabei wird
auch die Abstandsvorschrift der Linsen pro Kreis festgelegt: insbesondere
gleichmäßiger Abstand oder alternierend gleichmäßiger
Abstand, etc.
-
Aufgrund
dieser Vorschrift werden nun die entsprechenden Linsen und ihre
Radien eingezeichnet.
-
4 zeigt
nun, bei Berücksichtigung des Radialstrahlensets 10 und
seiner linken, 11, und rechten Nachbarn 12, wie
die Form der Facetten, die dem Radialstrahlenset 10 zugeordnet
sind, entsteht. Die Ecken der Polygone werden hier jeweils in den
Schwerpunkt von überlappenden Linsenflächen gesetzt,
sofern mindestens drei Linsen sich überlappen, also eine
gemeinsame Schnittmenge aufweisen. Diese sollte zumindest punktförmig
sein.
-
5 zeigt
nun, wie diese Erzeugungsvorschrift auf weitere Facetten, die außerhalb
des Radialstrahlensets 10 liegen, erweitert wird. Die geschilderte
Vorschrift führt zur Generierung unregelmäßiger,
polygonaler Facetten 20 und erlaubt dabei sogar die besondere
Berücksichtigung lokaler Inhomogenitäten, die
durch Besonderheiten der Lichtquelle oder des Reflektors entstehen.
-
6 zeigt
eine Reflektorlampe 25 mit einem PAR-Reflektor 26 und
einer Streuscheibe 1, die nach einer derartigen Vorschrift
erstellt wurde. Eine Einbaulampe 27 ist im Reflektor angeordnet.
-
Im
Sinne der Erfindung ist jeder Facette ein Mittelpunkt zugeordnet,
der auf verschiedene Weise bestimmt werden kann. Insbesondere, aber
nicht notwendigerweise, ist der Mittelpunkt der Schwerpunkt des
von der Facette gebilde ten Polygons. Er kann auch einfach der Scheitelpunkt
der Linse am Krümmungsradius der Streuscheibe sein.
-
Im
konkreten Fall einer Reflektorlampe wird beispielsweise das Design
der Streuscheibe so gewählt, dass eine übliche
PAR-Lampe mit vorgegebener Lichtquelle vorgegeben ist, deren Öffnung
die Abmessungen der Streuscheibe definieren. Dann wird zunächst
eine relativ geringe Anzahl von Kreisringen gewählt (in
der Regel vier bis 12, bevorzugt 6 bis 12) und eine Anforderung
an die Homogenität der Lichtabstrahlung gesetzt. Kann diese
Anforderung mit der gewählten Anzahl an Kreisringe nicht
erfüllt werden, wird die Anzahl der Kreisringe schrittweise
höher gesetzt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10343630
A [0002]
- - EP 961136 A [0002]
- - DE 10343630 B4 [0014]
- - DE 10343630 [0045]