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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die Ausbildung eines
geeigneten Reflektors zur weltwinkligen Beobachtung einer
Reflexfläche mittels eines Reflexsensors, der auch mit
Polarisationsfiltern ausgerüstet sein darf oder als
Laserreflexsensor arbeiten kann.
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Das Weitwinkelsensorsystem mit Tripelreflektor besteht aus einer
Lehre zur Wahl des Beobachtungswinkels und eines
Tripelreflektors, der aus einer Vielzahl von Tripeln besteht. Wobei
die um das Tripelzentrum angeordneten Tripelteilflächen nämlich
Spiegelseiten, nahezu im Rechten Winkel zueinander stehen und
die Achse der Tripels wechselweise um -5° und +5° oder mehr
vom Einfallslot der Reflektoroberfläche abweicht. Besonderes
Merkmal der Tripel ist die erhebliche Verlängerung mindestens
einer Tripelfläche.
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Ziel des Weitwinkelsensorsystems
mit Tripelreflektor ist es, ein Reflexsensorsystem zu schaffen, mit
dem eine Fläche beobachtet werden kann mit einem
Öffnungswinkel von 800 und mehr bei einem Rückstrahlwert an
jedem Beleuchtungswinkel der beobachteten horizontalen Fläche
von mindestens 3.000 mcd/lx.
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Außerdem können mit diesem System sich bewegende Körper im
Raum, zum Beispiel Fahrzeuge oder Transportgondeln
beobachtet werden, auch wenn diese Körper ihren Winkel zum
Beobachter verändern, zum Beispiel wenn eine Fördergondel in
einer Kurve geführt wird. Erst dadurch, dass von dem zu
beobachtenden Körper immer ein Reflexsignal in seiner Intensität
stark genug empfangen wird von mindestens 3.000 mcd/lx, kann
auch eine angeschlossene Messtechnik, zum Beispiel zur
Entfernungsmessung oder Positionsvermessung zuverlässig
arbeiten.
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Das Problem ist, dass es bisher für die Aufgaben der
Reflexsensorik keine qualitativ ausreichenden Reflexflächen auf
dem Markt gibt, die ein intensives Retroflexsignal beständig
liefern, besonders dann nicht, wenn die Reflexfläche mit 40° und
mehr abweichend vom Lot positioniert wird. Die auf dem Markt
befindlichen Rückstrahler oder Reflexfolien, so weit sie
weitwinklige Eigenschaften haben, sind konzipiert für den
Straßenverkehr, für reflektierende Schilder oder
Personenschutzrückstrahler an Kleidern. Diese reflektierenden
Strukturen erzeugen eine breitbandige Verteilung des reflektierten
Lichts. Dadurch reicht ihre reflektierte Lichtenergie nicht aus,
Reflexsensoren gebündelte zuverlässige Retroflexsignale zu
geben. Für Reflexsensoren muss möglichst der größte Teil des
Lichtes retroflektiert werden zielgerichtet zum Empfänger.
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Erst durch eine konstante, hohe Retroflexleistung wird es möglich,
den Sensor zusätzlich mit einem Polarisationfiltersystem zu
versehen, das naturgemäß die Hälfte bis zu zwei Drittei des
gesendeten Lichtes verbraucht, so dass diese Energie nicht mehr
für den Empfänger des Sensors zur weiteren Interpretation zur
Verfügung steht. Das Polarisationfiltersystem dient vor allem
dazu, das vom Sensor ausgesandte Licht und dann über den
Retroflektor in seiner Polarität gedrehte und zurückgeworfene
Licht zu unterscheiden von Fremdlicht oder Reflexionen, die von
anderen Körpern im Raum ausgehen können. Das
erfindungsgemäße Weitwinkelsystem mit seinem Tripelreflektor
besonderer Bauart ermöglicht den Betrieb des Sensors mit
Polarisationsfiltersystem.
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Außerdem kann dieser neuartige Tripelreflektor auch mit
bekannter Technologie als Mikrocubereflektor ausgebildet
werden, wie er besonders für die Lasersensorik oder
Folientechnik erforderlich ist. Die Anforderungen zur
Lasersensorik sind dazu vom Erfinder in der DE 197 27 527
beschrieben. Denn für das gestellte Ziel der vorliegenden
Erfindung sind pyramidale Tripelflächen völlig ungeeignet, zum
einen, weil sie nur ca. 66° des Lichtes retroflektieren, zum
anderen, weil sie für die erforderliche Lichtstrahlkontur und
Präzision für Lasersensoren ungeeignet sind. Die Erfindung
bedient sich deshalb einer besonderen Gestaltung von Fullcube-
Tripein.
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Der Stand der Technik
kennt das würfelförmige, reflektierende Spiegelsystem, dass in
der Messtechnik als Perkin-Elmer-Pyramide bekannt ist und bei
Rückstrahlern heute als Fullcube bezeichnet wird. Ein Fullcube-
Tripel besteht aus drei quadratischen Spiegeln, die zueinander im
Rechten Winkel stehen und das Licht zur Lichtquelle
retroflektieren. In der GB-PS 269 760 von Stimson sind
Werkzeuge beschrieben, die die Herstellung der würfelförmigen,
reflektierenden Flächen durch Verwendung einzelner
angeschliffener Stifte oder gekerbter Platten vorschlagen.
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In der DE 44 10 994 von Gubela sind Körper und/oder Bauteile
beschrieben eines strangförmigen Tripelreflektors und/oder
Werkzeugelements zur Abformung von Tripelreflektoren mit
Fullcube-Eigenschaften. Diese strangförmigen Bauteile lassen
sich besonders einfach auch in der Mikrostrukturtechnik zu
Flächen zusammenfügen und sind eine Fertigungstechnik, die
auch für die Formkörperherstellung oder Darstellung des
erfindungsgemäßen Reflektors mit Weitwinkeleigenschaften für
die Sensoraufgaben geeignet ist.
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Der in der vorliegenden Erfindung beschriebene Reflektor und die
Herstellung der Werkzeuge basiert zwar auf den bekannten
Verfahren zur Herstellung von Tripelreflektoren, wählt aber eine
neuartige Form aus, die dem Fullcube nahe kommt.
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Es gibt auch andere Tripelformen, wie zum Beispiel die dreiseitige
Pyramide. Hier muss aber der Abwandlung des Fullcubes der
Vorzug gegeben werden, weil er grundsätzlich einen wesentlich
geringeren Streuverlust hat als die Pyramide. Pyramidale
Tripelstrukturen lassen sich aus einer ebenen gemeinsamen
Fläche schneiden, hingegen benötigen Fullcube-Tripel im
Werkzeugbau die Anordnung einer Vielzahl von Bauelementen,
um große strukturierte Flächen aus einer Vielzahl von Tripeln
darzustellen. Die Fertigungsmethoden und ihre Vor- und
Nachteile bei der Herstellung von Tripeln sind dem Fachmann
bekannt und brauchen hier nicht wiederholt zu werden.
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Die Erfindung macht sich die Erfahrungen zu Nutze, die man mit
der Herstellung und Verwendung von Fullcube-Tripeln in der
Technik gemacht hat. Der Fullcube-Tripel hat die vorzügliche
Eigenschaft, einfallendes Licht in einem weiten Toleranzbereich
des Einfallwinkels zu empfangen und nahezu vollständig an die
Lichtquelle zu retroflektieren. Die Retroflexion erfolgt über die
Lichtspiegelung auf den drei quadratischen Flächen des Fullcube-
Tripels. Diese Winkeltoleranz für das einfallene Licht wird in der
praktische Anwendung heute bei den meisten
Reflexionslichtschranken genutzt. Die Montage und Ausrichtung der
Rückstrahler winkelgerecht zum Sender/Empfängersystem ist
einfach und fehlertolerant. Auch Strahlbewegungen durch
Vibrationen werden meist von diesem Reflexionselement mit
Fullcube-Tripeln toleriert.
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Bei der Verwendung von Laserlichtsensoren wird die Anwendung
von Tripeln als Reflexionselement sehr schwierig, weil der Laser
bei unsachgemäßer Anwendung Informationen über seine
Bewegung auf der Retroflexionsstruktur und Informationen über
die Gestalt der Retroflexionsstruktur liefert, statt über den zu
beobachtenden Raum zwischen Sender/Empfänger und
Retroflexionsspiegel. Die DE 197 27 527 zeigt auf, wie
Retroflexionsspiegel für Lasersensoren gestaltet sein müssen,
erläutert auch die Unterschiede zwischen Fullcube und
pyramidalen Tripeln und lehrt, welche Gestalt das Strahlenbündel
des Lasersensors haben muss. Bei Anwendung der bekannten
Lehre erhält man auch mit Lasersensoren die Vorteile der Struktur
aus Fullcube-Tripeln bei der vorliegenden Erfindung und kann
ebenso den erfindungsgemäßen Reflektor des
Weitwinkelsensorsystems nutzen.
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Im weiteren Text wird nur noch von Tripelsystemen gesprochen,
die dem Fullcube zugeordnet werden können. Denn man muss
unbedingt bei Tripeln unterscheiden zwischen den pyramidalen
Tripeln, die aus einer Grundfläche geschnitten werden können
und Fullcube-Tripeln, die dagegen nur durch Zusammenfügen
von Teilsegmenten herstellbar sind.
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Die Herstellung der Rückstrahlertechnik kennt Fullcube-Tripel,
deren Tripelachse abweichend vom Einfallslot der
Reflektoroberfläche ausgerichtet ist.
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Während beim Fullcube, der sogenannten Perkin-Elmer-Pyramide
die Teilflächen der Tripel quadratisch sind, verwendet das
erfindungsgemäße Weitwinkelsensorsystem als Tripeireflektor
eine besondere Variation des Fullcube-Tripels, bei dem
mindestens eine Tripelteilfläche wesentlich größer ist als die
kleinste Tripelteilfläche.
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Diese vergrößerte, verlängerte Tripelteilfläche verhilft dazu, auch
sehr weltwinklig einfallendes Licht aufzufangen und an die
übrigen Tripelteilflächen weiterzugeben, so dass das Licht in
Richtung zur Lichtquelle retroflektiert wird. Es entsteht ein Tripel,
der völlig überraschend in der Praxis wesentlich weltwinkliger
arbeitet, als man erwarten konnte.
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Dagegen werden zum Beispiel bei Rückstrahlern für
Kraftfahrzeuge weitwinklig wirkende Reflexflächen durch Wölbung
des gesamten Reflektors dargestellt, indem man die
Reflektorfläche aus einer Vielzahl einzelner Reflexstifte bildet, die
in die gewünschten Richtungen blicken, so dass mittels einer
galvanischen Abformung dann ein Weitwinkelreflektor in
Kunststoff abgeformt werden kann. Die dabei entstandenen Tripel
haben dann immer noch gleich große, nahezu quadratische
Tripelteilflächen. Die Weitwinkligkeit des entstandenen Reflektors
beruht dann nur darauf, dass Tripel mit verschieden
ausgerichteten Tripelachsen kombiniert wurden, so dass je nach
Einfallswinkel des Lichtes immer nur ein sehr kleiner Teil der
Tripel arbeitet, deren Achsen in die Lichtrichtung blicken. Die
Retroflexleistung ist entsprechend sehr niedrig.
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Für den erfindungsgemäßen Reflektor sind Fertigungsmethoden
gewählt worden, die eine besondere Tripelfläche erzeugen, deren
Charakter sich deutlich von Reflexflächen unterscheidet, welche
durch Stifte gebildet wurden. Sind bei Fullcube-Reflektoren, die
aus Stiften dargestellt werden, die Tripelteilflächen etwa gleich
groß, quadratisch, so sind bei der besonderen Variation des
Fullcube-Tripels, wie er im erfindungsgemäßen Reflektor
verwendet wird, je Tripel mindestens eine Tripelteilfläche
wesentlich größer ist als die kleinste Tripelteilfläche des Tripels.
Erst die wesentlich vergrößerte, nämlich verlängerte
Tripelteilfläche ermöglicht sehr weitwinklig einfallendes Licht
einzufangen und die in Fig. 34 und die Tabelle der Fig. 35
gezeigten hervorragenden Rückstrahlwerte zu erzielen.
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Einige Zeichnungen und Darstellungen dieser
Erfindungsbeschreibung ähneln der DE 10 11 9671 des gleichen
Erfinders, die aber zum Zeitpunkt dieser vorliegenden Anmeldung
noch nicht veröffentlicht ist. Die Ähnlichkeit beruht auf der
Ähnlichkeit der verwendeten Herstellungstechniken für die
Tripelformen.
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Die erfindungsgemäße besondere Tripelform mit vergrößerter,
verlängerter Tripelteilfläche erreicht man bei Darstellung der
Tripel im Plattenverfahren, das in der GB-PS 269 760 von
Stimson beschrieben ist. Abweichend davon aber werden
natürlich die modernen Fertigungstechniken und Werkstoffe der
Mikrostrukturtechnik verwendet. Aber in einem Punkt weicht die
erfindungsgemäße Struktur des Reflektors deutlich von Stimson
ab. Wird dort der Tripel ausgerichtet zum Einfallslot geschnitten,
so sind beim erfindungsgemäßen Reflektor die Tripelachsen der
Tripel stark abweichend vom Einfallslot der Reflektorfläche
ausgerichtet, nämlich mindestens +/-5° und mehr und kombiniert
mit Tripeln, deren Tripelachsen zum Beispiel +/15° vom
Einfallstot der Reflektoroberfläche abweichen.
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Die gewünschte verlängerte Tripelteilfläche entsteht beim Kerben
der Werkzeugelementplatten bei Anwendung des Stimson
Plattenverfahren durch das schräge keilförmige Einschneiden in
den Platten (Fig. 11 und 12).
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Eine noch ebenfalls lange, aber dazu in der Breite nahezu
unbegrenzte Tripelteilfläche erhält man bei Verwendung des
Plattenverfahrens, wie es Gubela in der DE 44 10 994 C2
beschrieben hat, zum Beispiel in der dortigen Fig. 13 und Fig. 14.
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Beim Gubela Verfahren ist eine Ausrichtung der Tripelachsen von
5° abweichend vom Einfallslot der Reflektoroberfläche sehr
vorteilhaft für das erfindungsgemäße Weitwinkelsensorsystem.
Erhält man doch bei Darstellung des Reflektors mit diesem
Verfahren zusätzlich eine Weitwinkligkeit nicht nur in der
Horizontalen, sondern auch in der Vertikalen.
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Die Erfindung
schlägt einen Weitwinkelsensor mit einem Reflektor vor, bei dem
zu einem Lichtsender ein Lichtempfänger so eingesetzt wird, dass
der Beobachtungswinkel möglichst klein ist. Der
Beobachtungswinkel von 0° bedeutet, dass der Lichtempfänger zum Lichtsender
so positioniert ist, dass das vom Reflektor retroflektierte Licht auf
der gleichen Achse empfangen wird, wie es gesendet wurde.
Solche Anordnungen sind in der Sensorik bekannt und werden
zum Beispiel durch Verwendung von halbdurchlässigen Spiegeln
oder Strahlteilern gelöst. Allerdings geht bei dieser Anordnung
etwas Lichtenergie verloren, weil auch unerwünschte
Strahlengänge entstehen. Um solche aufwendigen optischen
Einrichtungen zu vermeiden, genügt es für das erfindungsgemäße
Sensorsystem den Lichtempfänger möglichst nahe an die Achse
des Lichtsenders zu positionieren, so dass ein
Beobachtungswinkel von größer 0°, zum Beispiel 0,2°, und nicht
mehr als 1° entsteht. Dann kann der Reflektor über eine
Horizontale von etwa +40° bis -40° beobachtet werden, was
einem Öffnungswinkel der vom Sensor beobachteten Fläche von
etwa 80° entspricht und einer dauernden Rückstrahlleistung des
Reflektors von über 3.000 mcd/Ix. Durch Veränderung der
Tripelachsen einiger Tripel im Reflektor bis zu etwa +/-15° und
mehr kann der Öffnungswinkel noch erheblich erweitert werden.
Denn mit dem Kippen der Tripelachse weg vom Einfallslot der
Reflektoroberfläche, also mit der Vergrößerung der Tripelachse,
vergrößert sich auch die verlängerte Tripelteilfläche, die das Licht
wesentlich besser einfängt. Die verblüffende Wirkung des
erfindungsgemäßen Systems beruht auf dieser besonderen
Tripelgestalt des Reflektors, die die Weitwinkligkeit des Reflektors
nicht nur durch das Verschwenken der Tripelachse erzielt,
sondern durch die damit verbundene Vergrößerung der
verlängerten Tripelteilfläche. So erzielt man bei einem
horizontalem Verschwenken der Tripelachsen um +/-5° bereits
eine horizontale Weitwinkligkeit von mehr als 40°, dabei bleibt
aber die äußerst hohe Reflexleistung von über 9.000 mcd/lx bei
horizontal und vertikal 0° bestehen.
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Die Erfindung ermöglicht also
ein Weitwinkelsensorsystem mit Tripelreflektor zu schaffen durch
einen Beobachtungswinkel des Weitwinkelsensors von 10 oder
kleiner und der Gestaltung eines Tripelarrays für den Reflektor,
der aus einer Vielzahl von Fullcube-Tripeln besteht, von denen
die überwiegende Zahl von Tripeln mindestens eine wesentlich
verlängerte Tripelteilfläche besitzen und deren Tripelachse um
+/-5° oder mehr bezogen zum Einfallslot der Lichteintrittsfläche
geneigt ist, und bei Verwendung eines Herstellverfahrens der
Fullcube-Tripel mittels Stimson-Platten oder Gubela-Strängen, so
dass über einen Anleuchtungswinkel von +/-40° oder mehr der
Weitwinkelsensor über seinen gesamten Beobachtungswinkel von
80° oder mehr ein Retroflexsignal erhält, dessen Rückstrahlwert
niemals unter 3.000 mcd/lx sinkt und so dass der
Weitwinkelsensor auch mit einem Polarisationsfilter ausgerüstet
werden kann. Zusätzlich kann der Reflektor auf der
Lichteintrittsfläche mit einer Fresnellinse ausgerüstet werden, die
die Anleuchtweitwinkligkeit erhöht.
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Bei der Besprechung der Figuren werden weitere Details der
Erfindung nachstehend dargestellt.
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In den Zeichnungen zeigen
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Fig. 1 einen einzelnen Tripel der Weitwinkelspiegelstruktur des
Reflektors, nach Anspruch 1. Der Tripel besteht aus drei
Spiegelflächen (1, 2, 3), die zueinander nahezu im Rechten
Winkel stehen, nämlich zwischen 89° und 91°.
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Die geringfügigen Abweichungen von 90° sind wegen der
unterschiedlichen Brechungseigenschaften der zur Verarbeitung
kommenden Kunststoffe oder Gläser und dem unterschiedlichen
Schrumpfverhalten der Werkstoffe erforderlich zur im
Werkzeugbau vorrauseilenden Winkelkorrektur.
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Auffällig ist die Form der Spiegelfläche (3), die ein
ungleichseitiges Viereck ist. Diese Form entsteht bei einer
erfindungsgemäßen Weitwinkelstruktur des Reflektors, wenn die
Struktur in der Horizontalen nach beiden Seiten weitwinklig sein
soll, also der Neigungswinkel der Tripelachsen zu dem Einfallstot
der Reflektoroberfläche für die eine Gruppe der Tripel +5°
betragen soll und für die zweite Tripelgruppe -5° betragen soll. Es
sei angemerkt, dass man natürlich weitere Tripel mit anderen
Neigungswinkeln der Tripelachsen der Weitwinkelstruktur
hinzufügen kann, zum Beispiel mit Neigungswinkel 0° oder etwa
+/-150°.
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Ein wesentliches Merkmal des Tripels ist, dass die beiden
Tripelteilflächen, die Spiegelflächen (2 und 3), wesentlich größer
und länger sind als die Tripelteilfläche 1. Denn es soll
erfindungsgemäß mindestens eine Tripelteilfläche wesentlich
verlängert werden in die Richtung des zu empfangenden Lichtes
aus weitwinkliger Position. So leistet die erfindungsgemäße
verlängerte Tripelteilfläche (2) die Anleuchtungsweitwinkligkeit in
der Fig. 3 horizontaler, die Tripelteilfläche (3) in wesentlich
geringerer vertikaler Richtung. Siehe dazu auch die Tabelle der
Fig. 35.
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Das Zentrum des Tripels ist der tiefste Punkt (4), den alle drei
Spiegelflächen berühren. Die auf eine Ebene projizierte
Grundfläche des Tripels ist ein ungleichmäßiges Sechseck. Die
Form des Tripels ist so beschaffen, dass er mit anderen
gleichartigen Tripeln zu einer Weitwinkelspiegelstruktur des
Reflektors (Fig. 3 und Fig. 4) zusammengefügt werden kann, die
aus zwei gegensätzlichen Richtungen das einfallende Licht
einfangen können. Die Lichteintrittsfläche (17) des Reflektors ist
hier nicht maßstabsgetreu positioniert. Das Einfallstot (16) zur
Lichteintrittsfläche (17) entspricht einem direkten Einfallswinkel
des Lichtes bei horizontal und vertikal 0°. Die Tripelachse (18)
des Tripels ist in diesem Beispiel um etwa -5° von dem Einfallslot
nach rechts wegweisend, geneigt zur Tripelteilfläche (2) hin.
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Man kann bei der Neigung des Einfallslotes unterscheiden
zwischen der Neigung zu den Flächen, in diesem besonderen
Konstruktionsfall sogar bezogen auf drei unterschiedliche
Flächen, und zur Neigung zu den Kanten des Tripels, wobei
ebenfalls drei unterschiedliche Kanten zu berücksichtigen wären.
Für das Verständnis der Erfindung ist ein detaillierteres
Koordinatensystem für die Neigung der Tripelachse nicht
erforderlich.
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In den folgenden Beispielen wird von einer Neigung zu der
Tripelteilfläche (2) ausgegangen.
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Zur Erläuterung, Minuswerte sind für den Betrachter nach rechts
weisende Neigungswerte, Pluswerte sind nach links weisende
Neigungswerte.
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Aber natürlich könnte die Neigung auch zu der Kante des Tripels
ausgeführt werden, die von den Tripelteilflächen (2 und 3)
gebildet wird. Wichtig ist für die vorliegende Erfindung, dass die
Neigung der Tripelachse in Richtung der verlängerten
Tripelteilfläche oder Teilflächen hin erfolgt, oder zu der
Tripelkante, die aus diesen verlängerten Teilflächen gebildet wird.
Denn damit wird die erfindungsgemäße Lichteinfangwirkung der
verlängerten Tripelteilflächen für den Weitwinkelbereich wirksam.
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Fig. 2 einen einzelnen Tripel der Weitwinkelspiegelstruktur des
Reflektors, wobei dieser Tripel zu einem Segment, siehe Fig. 20
und Fig. 21, der Weitwinkelspiegelstruktur gehört, die nur nach
einer Seite hin für die Anleuchtung weitwinklig ausgerichtet ist,
wie in den Fig. 7 bis 10 dargestellt. Dieser Tripel besteht aus drei
Spiegelflächen (1, 2, 5), die zueinander wiederum nahezu im
Rechten Winkel stehen. Er ist wie der Tripel in Fig. 1 mit seiner
Tripelachse um -5° nach rechts geneigt zur Tripelfläche 2 hin.
Die Form der Tripelteilflächen, Spiegelflächen (2 und 5), sind
jeweils gestreckte Rechtecke. Das Zentrum des Tripels ist der
tiefste Punkt (4). Die auf eine Ebene projizierte Grundfläche des
Tripels ist ein ungleichmäßiges Sechseck. Die Form des Tripels
ist so beschaffen, dass er mit anderen gleichartigen Tripeln zu
einer Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors (Fig. 7 und Fig. 8)
gefügt werden kann, die das einfallende Licht überwiegend aus
einer Raumrichtung rechts vom Einfallslot empfängt und
retroflektiert.
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Fig. 3 eine Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors, die aus
Tripeln der Fig. 1 zusammengefügt ist. Durch die perspektivische
Ansicht sind jeweils die Spiegelflächen (2 und 7) der Fig. 4 nicht
sichtbar. Die Spiegelflächen (1) und (3) zeigen die Tripel der
ersten Ausrichtung. Die Spiegelflächen (6) und (8) zeigen die
Tripel der zweiten Ausrichtung in ihrer um 180° gedrehten
Position gegenüber den Tripeln der ersten Ausrichtung. Die Tripel
einer gleichen Ausrichtung sind in Reihen angeordnet. Es
wechseln sich Reihen mit gegenläufiger Ausrichtung ab. Die
Ausrichtung des Tripeis bestimmt grob die Raumrichtung, aus der
er bevorzugt Licht empfängt.
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In diesen Beispielen wird der Neigungswinkel der Tripelachse
bezogen zum Einfallslot mit Minus angegeben, wenn die Neigung
in der Figur für den Betrachter nach rechts zeigt und mit Plus
angegeben, wenn die Neigung in der Figur nach links weist.
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Diese Tripelanordnung mit +5° Neigung der Tripelachse der
hintersten Reihe von Tripeln kombiniert mit Tripeln der zweiten
Reihe, deren Winkelachsen der Tripel um -5° geneigt sind
ergeben eine Weitwinkligkeit von 40° horizontal nach beiden
Seiten des Einfallslots der Reflektoroberfläche. Das bedeutet,
dass der Reflektor über einen Öffnungswinkel von mehr als 80°
wirksam ist. Obwohl in diesem Beispiel alle Tripelachsen um -5°
oder +5° geneigt sind, ergibt diese Tripelanordnung bei
senkrechtem Lichteinfall folgend dem Einfallslot eine
Reflexleistung die nahezu 100% eines Hochleistungs-Fullcube-
Reflektors entspricht, dessen Tripelachsen nicht, geneigt sind.
Das ist ein unerwartetes Ergebnis dieser erfindungsgemäßen
Konstruktion, dass die ungewöhnlich hohe
Anleuchtungsweitwinkligkeit des erfindungsgemäßen Reflektors nicht durch
Leistungsverlust in lotrechter Lichteinstrahlung erkauft werden
muss.
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Fig. 4 die Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors der Fig. 3 in
der Sicht von oben und somit die Projektion aller Kanten auf eine
Grundfläche. Die Spiegelflächen (1, 2, 3), die um das
Tripelzentrum (4) angeordnet sind, bilden den Tripel der ersten
Ausrichtung, siehe Fig. 6, Ziffer (9). Die Spiegelflächen (6, 7, 8),
die um das Tripelzentrum (4) angeordnet sind, bilden den Tripel
der gegenläufigen zweiten Ausrichtung, siehe Fig. 6, Ziffer (10).
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Fig. 5 den Schnitt durch die Weitwinkelspiegelstruktur des
Reflektors der Fig. 4. Der Schnitt durchläuft die gegenläufigen
Tripel reihen.
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Fig. 6 die Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors im Raum so
gedreht, dass alle Spiegelflächen (3) der Tripel der ersten
Ausrichtung (9) mit den Spiegelflächen (8) der Tripel der zweiten
Ausrichtung (10) eine geschlossen spiegelnde Fläche für den
Betrachter Zeigen. Hier wird deutlich, dass die
Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors sich aus den Tripeln der Fig. 1 nahtlos
zusammenfügen läßt.
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Fig. 7 die Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors, die einseitig
nach rechts ausgerichtet ist und die aus Tripeln der Fig. 2
zusammengefügt ist. Durch die perspektivische Ansicht ist jeweils
eine Spiegelfläche (12) der Fig. 8 nicht sichtbar.
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Fig. 8 die selbe Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors der Fig.
7 in der Sicht von oben und somit die Projektion aller Kanten auf
eine Grundfläche. Alle Spiegelflächen der Tripel sind Rechtecke.
Die Spiegelflächen (11, 12, 13) sind um das Tripelzentrum (14)
angeordnet. Alle Tripel sind gleichmäßig ausgerichtet empfangen
deshalb das Licht überwiegend aus der rechten Seite vom
Einfallslot.
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Fig. 9 den Schnitt durch die Weitwinkelspiegelstruktur des
Reflektors der Fig. 8. Der Schnitt durchläuft die alle in gleicher
Ausrichtung angeordneten Tripel.
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Fig. 10 die Weitwinkelspiegelstruktur des Reflektors der Fig. 7 im
Raum so gedreht dass alle Spiegelflächen (13) der Tripel
gleicher Ausrichtung (15) eine geschlossen wirkende Fläche für
den Betrachter zeigen wie ein einziger großer Spiegel.
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Fig. 11 entfällt.
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Fig. 12 entfällt.
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Fig. 13 das Prinzip des Tripeis mit der verlängerten
Tripelteilfläche (2). Dieser stehen die beiden anderen
Tripelteilflächen in nahezu Rechtem Winkel gegenüber, in dieser
zweidimensionalen Skizze als Linie (23) dargestellt. Vom
Einfallslot (16) der Lichteintrittsfläche (17) weicht die Tripelachse
(18) um zum Beispiel 5° ab. Hier ist die Tripelachse zur
verlängerten Tripelteilfläche (2) hin geneigt. Der Lichtsender (24)
des Reflexsensors sendet den Lichtstrahl (26), der auf der
verlängerten Tripelteilfläche (2) noch Referenzpunkte innerhalb
des Tripels findet, die eine Retroflexion des Lichtes über den
Strahlengang (28) zum Empfänger (25) ermöglicht. Auch wenn in
diesem Beispiel Sender und Empfänger getauscht werden, ergibt
sich der Strahlengang in umgekehrter Richtung.
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Bei der erfindungsgemäßen Wirkung der
Anleuchtungsweitwinkligkeit erweitern wahrscheinlich auch Beugungseffekte an der
Kante, gebildet aus (2) und (17) der verlängerten Tripelteilfläche
die Möglichkeiten der Anleuchtung.
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Fig. 14 den Sensor (29), der die Reflektoren (30) in einem
horizontalem Öffnungswinkel von größer 80° beobachten kann.
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Fig. 15, Fig. 16 und Fig. 17 den Sensor (29) der die Reflektoren
auch bei Drehung von mehr als +1-40° abweichend von dem
Strahlengang zwischen Sensor und Reflektor beobachten kann.
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Fig. 18 in einem senkrechtem Schnitt den Reflektor (30) der auf
der Lichteintrittseite (17) zusätzlich mit einer Fresnel-Linse
oberflächlich strukturiert wurde. Die Fresnel-Linse verstärkt noch
die Fähigkeit des Reflektors zur Weitwinkligkeit. Die theoretische
Linsenform (31) hat einen im Zentrum abgeflachten Bogen und
bestimmt die Gestalt der in diesem Beispiel linear in Kreisen
aufgebrachten Fresnel-Struktur. Die Fresnel-Struktur läßt sich mit
bekannter Technik mikronisiert im spanabhebenden Verfahren
fertigen.
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Fig. 19 den Reflektor (30) der Fig. 18 in Sicht auf die
Lichteintrittsfläche (17) mit den linearen Kreisen der
Fresnelstruktur (32) und dem planen Zentrum (33) der Oberfläche
der Lichteintrittseite (17), die nicht strukturiert wurde. Für
besondere sensorische Aufgaben kann die Fresnellinse auch eine
vollständig andere Form haben.
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Auch kann der Reflektor in sich selbst zusätzlich gewölbt sein
oder nur die Lichteintrittseite.
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Fig. 20 den Reflektor (30), in der Sicht von der Lichteintrittsfläche,
mit einer Aufteilung der Reflexstruktur in die Segmente (35) und
(36).
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Wählt man die nach zwei Seiten wirksame Struktur der Fig. 3
könnte man durch 90° Verdrehen des zweiten Segments
zueinander die Weitwinkligkeit sowohl horizontal wie auch vertikal
nach allen vier Seiten des Reflektors weisend herstellen.
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In dieser Figur wird dagegen gezeigt, dass einseitig ausgerichtete
Strukturen der Fig. 7 gegeneinander um 180° verdreht
nebeneinander angeordnet werden, so dass die Strukturfläche
(34) nach links (37) wirksam ist und die Strukturfläche (35) nach
rechts (36) wirksam ist. Die Pfeile zeigen die Richtung, in die die
verlängerten Tripelteilflächen zeigen.
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Fig. 21 den Reflektor (30), in der Sicht von der Lichteintrittsfläche,
in zahlreiche Segmente aufgeteilt, die in sehr unterschiedliche
Richtungen mit den verlängerten Tripelteilflächen zeigen, zum
Beispiel (38) und (39). Es können aber auch Segmente
hinzugefügt werden, deren Tripel nicht geneigt sind, so dass ihre
Tripelachse dem Einfallslot zur Reflektoroberfläche entspricht.
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Fig. 22 bis Fig. 33 zeigen die Werkzeugherstellung zur
Erzeugung der weitwinklig wirkenden Reflektoren mit Hilfe des
Gubela Plattenverfahrens.
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Fig. 22 ein Werkzeugelement (40), das als Glaskörper
ausgebildet auch ein Reflektorelement selbst sein kann, mit einer
Fase, die eine nahezu unbegrenzte Tripelteilfläche (41) bildet.
Das plattenförmige Werkzeugelement ist an der oberen Kante
gekerbt. Die Kanten der Kerben bilden die zwei weiteren
Tripelteilflächen (42) und (43) in Fig. 25 sichtbar.
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Fig. 23 das Werkzeugelement von der Breitseite mit der Fase
(41).
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Fig. 24 das Werkzeugelement von der Schmalseite mit dem
Winkel (44), der die Lage der Kerbe bestimmt. Soll die
Tripelachse zur großen Tripelteilfläche (41) geneigt werden um
zum Beispiel 5°, wäre hier ein Winkel von etwa 30° zu verwenden
bezogen zu der Lichteintrittsfläche des Reflektors.
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Fig. 25 zeigt das strangförmige Werkzeugelement in der Sicht
senkrecht von der Lichteintrittsfläche. Die über die ganze Länge
des Stranges verlaufende Tripelteilfläche steht den
Tripelteilflächen (42) und (43) gegenüber. Alle Tripelteilflächen
stehen in nahezu Rechtem Winkel zueinander.
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Fig. 26 eine vollständige Reflektorstruktur zusammengefügt aus
den vier Werkzeugelementen (40).
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Fig. 27 entspricht der Fig. 26 betrachtet aus dem Lichteinfallslot.
Die in der Länge und in der Breite vergrößerte Tripelteilfläche
(41) und die Tripelteilflächen (42) und (43).
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Fig. 28 den Block der vier Werkzeugelemente im Schnitt.
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Fig. 29 das Negativ der Fig. 26, die der galvanischen Abformung
entspricht und als metallischer Reflektor oder als
Werkzeugstruktur zur Abformung weitwinkliger Reflektoren
verwendet werden kann.
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Auch als Glaskörper mit der Lichteintrittseite von unten beleuchtet
ist das Negativ ein geeigneter Retroflektor.
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Gekennzeichnet sind die Tripelteilflächen (42) und (43). Die
Tripelteilfläche (41) ist nicht einsehbar. Die Außenkanten des
Negativs sind mit (40a) und (40b) und der verdeckten Außenkante
(40c) gekennzeichnet, damit man in der folgenden Fig. 30 die
Drehung des Negativs im Bezug zum Betrachter erkennen kann.
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Fig. 30 das zum Betrachter gedrehte Negativ aus Fig. 29 mit der
Außenkante (40b) und der jetzt sichtbaren Außenkanten (40c).
Die erfindungsgemäßen verlängerten Tripelteilflächen (41)
verlaufen in ihrer Breite über die gesamte Länge des Negativs.
Die Tripelteilflächen (42) und (43) stehen im nahezu Rechten
Winkel zur Tripelteilfläche (41). Auf dieser ist der in dieser
Darstellung sichtbare Teil (41a) und der nicht sichtbare Teil (41b)
gezeigt der tatsächlich wirksamen Tripelteilfläche (41) die zu den
beiden markierten Tripelteilflächen (42) und (43) geeignete
Referenzpunkte trägt, um Licht aus weitem Anleuchtwinkel
einzufangen. Hier erkennt man, das die Bauart mit den Gubela
Strängen Weitwinkeltripel der Gruppe der Fullcubetripel
zugehörig mit einer sehr großen Lichteinfangfläche für
weitwinkliges Licht ermöglicht. Denn die große Tripelteilfläche
(41) kann für mehrere Tripel zugleich sich überdeckende
Referenzflächen zur Verfügung stellen, die aus der Summe aller
Referenzpunkte gebildet wird, die Licht einfangen können und
dieses zur Retroflexion an die anderen Tripelteilflächen
übergeben kann.
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Fig. 31 bis Fig. 33 zeigen noch eine weitere Variante der Gubela
Stränge, um noch zusätzliche verlängerte Lichteinfangflächen zu
gestalten für eine zweite Raumrichtung, zum Beispiel einer
vertikalen.
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Fig. 31 das Werkzeugelement (45), das dem Werkzeugelement
(40) aus Fig. 22 ähnlich ist. Jedoch sind die Kerben (46), die die
Fase (47) treffen mit ungleichförmigen Seiten ausgebildet, was in
Figur (32) sichtbar wird.
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Fig. 32 das Werkzeugelement im Längsschnitt mit der
angedeuteten Fase (47) und den ungleichförmigen Kerben (46).
Die Kanten (48) und (49) der Kerben (46) bilden die zwei
Tripelteilflächen, die zur Fase (47), die der dritten Tripelteilfläche
entspricht, nahezu im Rechten Winkel stehen.
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Fig. 33 die Sichtweise auf das Werkzeugelement von der
Lichteintrittseite dem Einfallslot entsprechend.
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Fig. 34 die Rückstrahlwerte eines beispielhaften Reflektors
gefertigt aus PMMA, der der retroflektiven Struktur der Fig. 3
entspricht, als Funktion vom Anleuchtungswinkel in der
Horizontalachse der Fig. 4 bei einem Beobachtungswinkel von
0,2°.
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Die Messmethode: Der Vertikalwinkel ist 0°. Um die Spiegelung
auf der Lichteintrittsfläche des Reflektors auszublenden betragen
der Xoffset 0°, der Yoffset 0,5°. Auf der x-Achse sind die
Horizontalwinkel, auf der Y-Achse die Rückstrahlwerte in mcd/Ix
eingetragen. Das Prüfmuster "IMOS Weitwinkel 1" ist von der
Firma IMOS Gubela GmbH, Renchen, Deutschland, für den
Erfinder auftragsgefertigt und besteht aus einer 50 × 50 mm großen
Reflektorplatte mit aufgeschweißtem Rückkasten. Die
Reflexfläche ist etwa 47 × 47 mm groß und besteht aus den
erfindungsgemäßen Strukturen der fig. 3 mit deutlich
verlängerten Tripelteilflächen, deren Leistungsmaximum etwas
aus der Horizontalen liegt. Die Reflexstruktur besteht aus Tripeln,
die in Spuren gesetzt sind und deren verlängerte Tripelseite je
Spur um 180° gedreht ist. Die Neigung der Tripelachsen betragen
5° jeweils zu den verlängerten Tripelflächen hin geneigt. Die
Tripel sind als Mikrocubetripel ausgebildet, deren kleinste
Kantenlänge etwa 1 mm beträgt. Die Tripelstruktur ist für
Sensoren mit Polarisationsfilter oder Lasersensoren geeignet.
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Die Bauweise der Struktur des Prüfkörpers ist wie alle in dieser
Erfindung vorgeschlagenen Bauweisen der Tripelarrays auch für
die Herstellung mikrostrukturierter Reflexfolien geeignet.
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Was sofort auffällt, ist der außergewöhnlich hohe Rückstrahlwert
bei horizontal 0° von 9.510 mcd/lx. Damit übertrifft der Reflektor
bereits die meisten am Markt befindlichen Rückstrahlflächen. Mit
diesem Leistungswert ist er den zur Zeit leistungsbesten
Kunststoff-Reflektoren am Markt, zum Beispiel den IMOS
Microcube-Reflektoren, in der Leistung entsprechend. Man hätte
erwarten können, dass ein weitwinkliger Reflektor wie in der
Vergangenheit zwar wenn er denn wirklich über 40° hinaus
weitwinklig wirkt, äußerst schlechte Rückstrahlwerte erbringt bei
einem Anleuchtungswinkel von horizontal/vertikal 0°. Denn
bisherige, als Weitwinkel bezeichnete Fullcube-
Tripelkonstruktionen verteilen die Lichtenergie falsch und sind
nicht in der Lage, in einem weiten Anleuchtungswinkel von über
80° leistungsstarke Retroflexion über 3.000 mcd/lx zu erzeugen.
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Bei einem Anleuchtungswinkel von 15° arbeiten bei dem
erfindungsgemäßen Prüfmuster nur noch 50% der Tripel.
Dennoch erreichen die Tripel aber immer noch 6.030 mcd/lx. So
wird noch bei 40° Anleuchtungswinkel 3.510 mcd/lx erreicht.
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Dieses Prüfmuster ist nur ein erster Beweis für die Richtigkeit der
vorgetragenen Erfindung. Werden die in dieser Erfindung
vorgetragenen beispielhaften Bauweisen der Gubela Stränge,
Fig. 22 bis Fig. 33 verwendet, so wird die Weitwinkligkeit nicht
nur horizontal größer, sondern auch vertikal. Gleichmäßige
Leistungslevel lassen sich durch Anwendung der Lehren in Fig.
18 bis Fig. 22 erzielen. Dort können die bei verschiedenen
Anleuchtwinkeln erzielbaren Leistungsmaxima beim
Zusammenstellen der Segmente berücksichtigt werden, so dass
der Reflektor für seine Aufgaben optimiert werden kann.
Fig. 35 die Tabelle der photometrischen Messergebnisse im
Detail der Fig. 34. Es bedeutet (Test Punkt), die Angabe des
Beobachtungswinkel 0,2° gefolgt von den Anleuchtungswinkeln in
Winkelgraden bei horizontal (H) und vertikal (V). (HV) ist der
Anleuchtungswinkel bei horizontal und vertikal 0°.
Man erkennt, dass das Prüfmuster auf die horizontale
Weitwinkligkeit hin gestaltet wurde.