DE1287480B - - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die F i g. 3 eine Aufsicht auf das in F i g. 1 dargestellte

optische Ausrüstung von Lichtsignalgeräten, Vorzugs- Element vom Beobachtungsort her gesehen, weise für den Eisenbahn- und den Straßenverkehr, F i g. 4 eine Abrollung nach rechts des in F i g. 1

welche mit verhältnismäßig schwachen Lichtquellen dargestellten Elementes, bestückt sind. Da diese Geräte nicht nur nachts, 5 F i g. 5 ein Schaubild eines lichtablenkenden EIesondern auch tagsüber leuchten müssen, ist es not- mentes gemäß den Abwicklungen der vorangehenden wendig, daß das Signallicht möglichst verlustlos nur Fig. Ibis 4 mit eingezeichnetem kartesischem Koordian diejenigen Stellen gebracht wird, an denen sich natensystem,

ein Beobachterauge befinden kann, und daß seine F i g. 6 das Koordinatensystem nach F i g. 5 mit

Intensität für Ferne und Nähe entsprechend ab- 10 den Vektoren der gekrümmten Elementenfläche, gestimmt wird, da bekanntlich für die Ferne eine F i g. 7 eine schematische Darstellung einer anderen

wesentlich stärkere Lichtintensität als für die Nähe Ausführungsform eines lichtablenkenden Elementes benötigt wird. der erfindungsgemäßen Lichtverteilungsscheibe in

Im allgemeinen sind solche Signalgeräte so gebaut, Aufsicht,

daß das Licht ihrer Lichtquelle von einer parallel 15 Fig. 8 eine Ansicht des in Fig. 7 dargestellten richtenden Optik erfaßt wird und das so erzeugte Elementes nach einer Verdrehung um 90° nach unten, parallele Strahlenbündel eine Lichtverteilungsscheibe F i g. 9 eine Aufsicht auf ein mit erfindungsgemäßen

durchsetzt, welche die gewünschte Richtung des Elementen bestücktes Abschlußscheibenstück in Rich-Lichts besorgt. tung der ankommenden parallelen Strahlen gesehen

Um mit dem geringen Lichtstrom, den die ver- 20 und

wendeten Glühlampen im allgemeinen nur haben, Fig. 10 eine schematische Darstellung der Wirauszukommen, muß von der Lichtverteilungsscheibe kungsweise eines lichtablenkenden Elementes der verlangt werden, daß sie das zur Verfügung stehende erfindungsgemäßen Lichtverteilungsscheibe. Licht möglichst exakt nur dem möglichen Beobachter- In F i g. 5 ist das neuartige lichtablenkende Element

weg zuführt. 25 derart dargestellt, als ob es mit seiner — die Schein-

Es sind bereits Lichtverteilungsscheiben bekannt, die werferabschlußfläche bildenden — Lichtaustrittsauf ihrer nach außen gerichteten und daher als Schein- fläche 4 in der x,j;-Ebene und mit der optisch unwerferabschlußfläche dienenden Seite glatt ausgestaltet wirksamen, sogenannten Entformungsfläche 9 in der und auf ihrer anderen Seite mit einer Vielzahl von χ,Ζ-Ebene des Koordinatensystems liegt. Die Licht-Lichtverteilungskörpern besetzt sind. 30 austrittsfläche 4 steht also senkrecht und die Ent-Bei Lichtverteilungsscheiben dieser Art hat man formungsscheibe 9 parallel zu den parallelen Bebereits vorgeschlagen, zur Schaffung einer Lichtver- leuchtungsstrahlen im Scheinwerferinneren. Die beiteilungsanordnung, die auf einem in den Strahlengang den anderen Grenzflächen 6 und 8 plus 5 verlaufen senkrecht eingebrachten Prüfschirm einen Lichtfleck ebenfalls parallel zu den Beleuchtungsstrahlen und in Form eines Libellenflügels ergibt, eine Streuscheibe 35 sind entsprechend optisch unwirksam, mit mosaikartig in Reihen angeordneten Streukörpern Die Lichteintrittsfläche besteht aus zwei Zonen 1 derart auszustatten, daß sie, in je Gruppe für sich und 2, von denen die erstere eine zur Lichtaustrittsbestimmter Anzahl, mosaikartig und, je Gruppe für fläche 4 parallele Planfläche ist und die zweite die sich, gleichmäßig über die Oberfläche der Streuscheibe erfindungsgemäße »Wendeltreppen«-Charakteristik verteilt sind. Die die Lichtablenkung bewirkenden 40 besitzt. Die Zone 1 gibt also das Fernlicht, und die und zur Grundfläche der Streuscheibe geneigten Zone 2 beleuchtet den übrigen Teil des dem licht-Flächen können dabei eben oder einfach oder zweifach ablenkenden Element zugeordneten Beobachterweges, leicht gekrümmt sein. Es handelt sich also um Prismen-, Um die mathematische Beschreibung der weiter Kugel- oder Toroidflächen. oben kurz als Wendeltreppen-Charakteristik bezeich-Die Erfindung betrifft eine Lichtverteilungsscheibe 45 neten Eigenart der Fläche 2, sowohl bezüglich Gefalle für Signalscheinwerfer mit einer Mehrzahl von im als auch Krümmung von einem Nullwert an der parallelen Strahlungsgang angeordneten, zumindest Grenze 7 zur Zone 1 auf einen Höchstwert am Gegengruppenweise gleichartig lichtablenkenden prisma- ende zuzunehmen, zu erarbeiten, sei zunächst das tischen Elementen, deren optisch wirksame Licht- »Gefalle« der Fläche 2, d. h. der Verlauf einer ihrer austrittsfläche die plane Scheibenvorderfläche bildet, 50 Kanten mit der Seitenfläche S und 8 (s. F i g. 5), mit der Besonderheit, daß die Lichteintrittsflächen betrachtet.

der prismatischen Elemente — kurz definiert — Man stelle sich einen senkrechten Zylinder vor,

Ähnlichkeit mit einem Teil einer Wendeltreppe mit dessen Grundfläche kein Kreis zu sein braucht. Alle glatter Lauffläche oder eines Schraubenganges be- Mantellinien dieses Zylinders sind dann parallel und sitzen. Ausgehend von dem optisch nicht ablenkenden, 55 stehen senkrecht auf der Grundfläche. An einer Stelle also zur Vorderfläche parallelen Fernlichtbezirk besitzt des Zylinders sei auf einer Mantellinie ein Lot errichtet, die »Wendeltreppe« — bildlich gesprochen — zunächst Dieses Lot entspricht am fernteilnahen Anfang der nur geringes Gefalle und schwache Krümmung, die Fläche2 der Linie 7 in Fig. 1. Es bewege sich nun sich beide aber im letzten, d. h. dem Nahlichtbezirk um den Zylinder herum, wobei es die Bedingung sehr verstärken. 60 erfülle, daß es bei der Bewegung seinen Abstand von

Zur genaueren und ausführlicheren Definition der Grundfläche des Zylinders verringere. Dann besoll auf die Figuren Bezug genommen werden. Es streicht es die vorstehend erwähnte, vereinfachte zeigt »Wendelfläche ohne Krümmung« in Form einer

F i g. 1 eine Aufsicht auf ein lichtablenkendes EIe- schiefen Ebene, die unter die Zeichnungsebene führt, ment der erfindungsgemäßen Lichtverteilungsscheibe 65 Es sei ausdrücklich betont, daß die Abmessungen, von der Lichtquelle her gesehen, die in den Figuren gegeben sind, für die spätere Aus-

F ig. 2 eine Seitenansicht von oben des in F i g. 1 führung der Erfindung keine Bedeutung haben können, dargestellten Elementes, da sie von Fall zu Fall natürlich errechnet werden

müssen, vielmehr sollen die Figuren nur schematisch andeuten, was gemeint ist.

Die mathematische Definition dieser »Wendelfläche ohne Krümmung« ergibt sich unter Benutzung der F i g. 5 und 6 folgendermaßen: Man stelle sich einen auf der xjz-Ebene senkrechten Zylinder vor, dessen Grundfläche kein Kreis zu sein braucht und dessen Umfangslinie also der allgemeinen Formel in Parameterdarstellung

sind und die Parameterdarstellung
x_F = χ (ψ) + o-n_x(q)

χ = χ (ψ)

y =

folgt. In F i g. 6 ist das xjMr-Koordinatensystem mit der Zylinderumfangslinie (x = x{q) und y = y (q)) dargestellt. Nun soll an einem beliebigen Punkt des Zylinders ein Lot errichtet werden, das also in Fig.6 als Vektor P₁Pf und in der x,j/-Ebene am Zylinderumfangspunkt P₀ als Normalenvektor rt erscheint. Dieser Normalenvektor errechnet sich nach bekannten Formeln der Vektoranalysis als Funktion von q aus der Parameterdarstellung von φ:7ΐ= n(q\ mit seinen Komponenten n_x und n_r Dieses Lot bzw. dieser Vektor η bewege sich um den Zylinder herum, d. h. als Funktion von ?, wobei der Vektor die Bedingung erfülle, daß er bei der Bewegung seinen Absland von der Zylindergrundfläche, also von der x,>>-Ebene, verringere. Folglich ist die z-Koordinate dieses Lotes eine sich verringernde, also monotone (bezüglich Flächenabschnitt 2) bzw. konstante (für Flächenabschnitt 1) Funktion ζ = /(</). Alle Punkte einer Geraden, die mit diesem Lot zusammenfällt, die auf ihr je einen Parameter« besitzen, bilden nun die »Wendelfläche ohne Krümmung«, die folglich in Parameterdarstellung die Koordinaten

x_F = x(q) + o- H_xU₁)
>V = >'('/) + :>■ n_y(<i)

' -V = f{q)

besitzt.

Um von der vereinfachten »Wendelfläche ohne Krümmung« zu einer solchen zu kommen, die im Sinne der obigen Erfindungs-Kurzdefinition auch noch »Krümmung« besitzt, wird in F i g. 6 am Fußpunkt P₁ des Lotes P₁ P _F eine Gerade P₁P,' angesetzt, die mit dem Lot P₁ P_F den Winkel ψ bildet und in der x.j'-Ebene die gleiche Projektion wie das Lot PTP^ besitzt. Dieser Winkel ψ ist die Variable für die »Krümmung« der »Wendelfläche« und gibt für jeden Fußpunkt der Linie P₁ P,', zusätzlich zu den weiter oben angegebenen x- und ^-Koordinaten die abgewandelte r-Koordinate

Die Erfindung betrifft — nunmehr mathematisch definiert — eine Lichtverteilungsscheibe für Signalscheinwerfer mit einer Mehrzahl von im parallelen Strahlengang angeordneten, zumindest gruppenweise gleichartig lichtablenkenden prismatischen Elementen, deren optisch wirksame Lichtaustrittsfläche die plane Scheibenvorderfläche bildet, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsflächen der prismatischen Elemente, bezogen auf ein kartesisches, dreidimensionales Koordinatensystem, mit in der x,>'-Ebene liegenden Lichtaustrittsflächen von parallel zur >Achse verlaufenden Lichtstrahlen durchsetzt y_F = y(^fl) + Τ n_y(<f)

erfüllen, in der x(q) und y((/) die Umfangslinie des erzeugenden Zylinders, n_x und n_y die Komponenten des Normalenvektors auf der Zylinderfläche, /(?) und f{q) zwei Funktionen von γ und schließlich ρ und q die Flächenparameter sind.

Die optisch wirksamen Flächen 1 und 2 des lichtablenkenden Elementes werden demnach durch drei Funktionen allgemein beschrieben und werden natürlieh von Fall zu Fall errechnet werden müssen. Vorzugsweise kann man die x-Achse oder die y-Achse parallel zur Horizontalen anordnen, womit in der F i g. 5 auch die Stellung der Horizontalen festgelegt ist. Ein Lichtstrahl eines parallelen Strahlenbündels,

ίο der beispielsweise auf den Punkt 3 der Fläche 2 trifft, wird durch die Brechung etwas abgelenkt und ergibt eine Streuung, da jedes Flächenelement der Fläche 2 mit der vorderen Fläche 4 (Fig. 3), sofern diese eine Planfläche ist, ein Prismenelement bildet, das an verschiedenen Stellen der Fläche 2, sowohl hinsichtlich des Prismenwinkels als auch hinsichtlich seiner Stellung, verschieden sein kann. Die Seitenflächen 5 und 6 des erfindungsgemäßen Elementes haben keine optische Wirksamkeit. Aus preßtechnisehen Gründen wird man sie etwas konisch halten müssen, was aber für das hier vorliegende Problem keine Bedeutung hat. 7 ist gleichzeitig die Trennlinie, welche den parallelen Teil 1 von dem wendeiförmigen Teil 2 trennt. 8 ist die Seitenfläche des parallel richtenden Teiles. Sie ist meist nur eine theoretische Fläche, da sie ja im Glas eingebettet liegt. Nur der Deutlichkeit halber ist sie auf den Figuren angegeben worden. In F i g. 3 sieht man. da es sich um eine Untersicht handelt, die Trennlinie 7 nur gestrichelt.

Ersichtlicherweise kann man dadurch, daß die Flächen 2 und 4 zusammen an jeder Stelle Prismenwirkung haben, den Lichtstrahl wirklich exakt den Weg des Beobachterraumes bestreichen lassen. Dabei kann natürlich sowohl durch Variation des Querschnittes als auch durch Variation der Krümmung und des Gefälles, welche diese »Wendelfläche« besitzt, eine genaue Dosierung des Lichtes für die verschiedenen Beobachterabstände stattfinden. In den Fig.7 und 8 sind Beispiele einer solchen Formung der Wendelfläche angegeben. Die F i g. 7 und 8 entsprechen in ihren Ansichten den F i g. 1 und 2. Gleichliegende Teile sind mit dem Index α bezeichnet. Ersichtlicherweise geht ein wesentlicher Teil des Lichtes bei der F i g. 7 praktisch ohne Tiefenablenkung in kleine rechts liegende Horizontaiwinkel, lediglich am linken Ende des erfindungsgemäßen Streuelementes wird das Licht nicht nur seitlich, sondern auch etwas in die Tiefe gelenkt. Biegt man die linke Seite der F i g. 7 so weit herum, daß die Kante 9 mit der Kante 7 einen rechten Winkel bildet, so entsteht eine Prismenwirkung, die das Licht senkrecht unter das Signal werfen würde. Die Dosierung kann durch die vorzugsweise asphärische Krümmung der Fläche 2 und natürlich durch entsprechende Gestaltung der Grundfläche des obenerwähnten Zylinders in jeder Weise eingestellt werden. Die Größe der Fläche 1 gegenüber der der »Wendelfläche« 2 gibt das Verhältnis des unabgelenkien Fernlichtes zu der Summe

des abgelenkten Lichtes. Im allgemeinen wird es, wie erwähnt, so sein, daß die »Wendelfläche« sich zuerst sehr wenig senkt und sich sehr schwach krümmt; erst an ihrem letzten Teil, dem Nahlichtteil, wird sie sich stark senken und auch stark krümmen. An Hand der geometrischen Entstehung der Wendelfläche erkennt man, daß sich die erzeugende Gerade P₁ Pp demgemäß zunächst pro Einheit des Parameters nur sehr wenig senken und in der Ebene der F i g. 1 der Radius des an die Kurve 5 gelegten Schmiegungskreises sehr groß sein wird. Auch die durch die Funktion ψ {ψ) bestimmte Krümmung der Wendelfläche wird sich zunächst nur wenig ändern und für den Teil der Fläche, der das Licht in die dem Signal nächste Beobachterstellung ablenken soll, einen großen Wert ,,annehmen.

* In F i g. 10 ist die Wirkungsweise der Lichtverteilungsscheibe nochmals in Verbindung mit dem zu beleuchtenden Beobachterweg dargestellt. 10 ist die zu beleuchtende, gekrümmte Straße. 11 ist in starker Vergrößerung und gekippt die Austrittsfläche des Signals. Sie entspricht also der Fläche 4. Gestrichelt gezeichnet sieht man durch diese Signalabschlußfläche ein erfindungsgemäßes lichtabienkendes Element, das etwa dem der F i g. 1 entspricht, aber um 90° verdreht ist. An dieser Stelle sei nochmals daraufhingewiesen, daß diese Verdrehung durchaus im Rahmen der Erfindung liegt. Sie richtet sich ganz nach der speziellen optischen Aufgabe. Die Stelle 12 des ablenkenden Elementes sendet den Lichtstrahl 13 mit sehr schwacher Neigung nach unten zu dem vom Signal weit entfernten Punkt 14 des Beobachterweges. Die Stelle 15 des ablenkenden Elementes sendet den Lichtstrahl 16 zu dem Punkt 17 des Beobachterweges. Die Stelle 18 des ablenkenden Elementes sendet den Lichtstrahl 19 zu dem Punkt 20 des Beobachterweges, und die Stelle 21 des ablenkenden Elementes sendet den Lichtstrahl 22 zur Stelle 23 cles Beobachterweges. Die lichtablenkenden Kanten 12, 15, 18 und 21 sind mit vier verschiedenen Stellungen der erzeugenden Geraden P₁P/ der F i g. 6 identisch.

Die genaue Form der erfindungsgemäßen Scheibe errechnet sich, wie bereits oben angeführt, nach den gestellten Bedingungen. Der geforderte Lichtweg und

.das Entfernungsgesetz diktieren den Verlauf der drei erzeugenden Funktionen und damit den asphärischen Verlauf der ücTütBrechenden Fläche.

F i g. 9 zeigt einen Vorschlag, wie man die erfindungsgemäßen Elemente auf dem Innern einer Signalabschlußscheibe verteilen kann. F i g. 9 ist eine Aufsicht auf die dem Licht zugewandte Seite der Scheibe und entspricht daher der F i g. 1. Die entsprechenden Teile der F i g. 1 sind mit dem Index b versehen. Um die Flächen gut unterbringen zu können, sind im Beispiel der F i g. 9 die fernlichtgebenden Teile mit dreieckigem Querschnitt entworfen worden; sie sind mit Ib bezeichnet. Die Linien 9b liegen an sich unter der Zeichnungsebene; von diesen Linien steigen in der Zeichnung eben nur als Strich zu sehende, senkrecht zur Zeichenebene stehende Flächen bis zu den Flächen 1 auf. An den Stellen 9 b liegen also Stufen.

Es versteht sich von selbst, daß man aus Gründen einer guten räumlichen Verteilung die einzelnen Elemente noch weiter in Einzelstücke aufteilen kann, die dann in zweckmäßiger Weise auf der Lichtverteilungsscheibe verteilt werden können. Es entstehen

dann natürlich mehrere Gruppen von unter sich verschiedenen Teilelementen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtverteilungsscheibe besteht darin, daß die wendelartige Lauffläche, wie erwähnt, sehr exakt errechnet werden kann und daß die fernlichtgebenden Teile 1 und 4 geschliffen und poliert werden können, ohne daß die ablenkenden Teile verletzt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lichtverteilungsscheibe für Signalscheinwerfer

mit einer Mehrzahl von im parallelen Strahlengang angeordneten, zumindest gruppenweise gleichartig lichtablenkenden prismatischen Elementen, deren optisch wirksame Lichtaustrittsfläche die plane Scheibenvorderfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsflächen der prismatischen Elemente, bezogen auf ein kartesisches, dreidimensionales Koordinatensystem, mit in der x,y-Ebene liegenden Lichtaustrittsflächen von parallel zur z-Achse verlaufenden Lichtstrahlen durchsetzt sind und die Parameterdarstellung

Xp = x(q) + Q-n_x(q)

y_F = y (?) + ρ · n_y (q)

Zf = fW) + Q' V (?)

erfüllen, in der x{q) und y {q) die Umfangslinie des erzeugenden Zylinders, n_x und n_y die Kom-

ponenten des Normalenvektors auf der Zylinderfläche, f{q) und f(q) zwei Funktionen von ψ und schließlich ρ und q die Flächenparameter sind.

2. Lichtverteilungsscheibe nach Anspruch 1 mit das Fernlicht unabgelenkt durchlassenden Flächenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß sie in den Lücken zwischen aneinandergrenzenden prismatischen Elementen angeordnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen