DE1936715C3

DE1936715C3 - Optische Projektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE1936715C3
Application number: DE1936715A
Authority: DE
Inventors: Pierre Paris Malifaud
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-07-19
Filing date: 1969-07-18
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE1936715A1; DE1936715B2; PL80252B1; CH502604A; US3676667A; FR1602203A; ES369598A1; BE736085A; NL6911068A; SE364120B; BR6910832D0; GB1284123A; AT321612B

Description

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bestimmt sind, in welchen:

Si" die Fläche dieses Querschnitts,

S2 die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der von allen Spiegelelementen gebildeten Gruppe,

γ der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spie-

geieiements,

(0i—}>) der Wert des mittleren Öffnungsnalbwinkels des aus dem erstgenannten Querschnitt (Si") austretenden Strahlenbündels, und

τ? ein festgelegter Wert des Verhältnisses

zwischen dem von dem aus diesem Querschnitt (Si") austretenden Strahlenbündels transportierten Lichtfluß und dem von dem Eintrittsquerschnitt (4) eingefangenen Lichtfluß ist.

6. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (S,'), in welchem alle Austrittsflächen (36, 37) der Spiegelelemente (31,32) zusammentreffen, durch die Gleichungen:

I I»,«::: J

sin- (W₁ ^ ·■)

bestimmt ist, in welcher:

Si die Fläche des Querschnitts, in welchem die so

Austrittsflächen zusammenstoßen,

S? die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der von den Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,

γ der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spie- y,

gelelements.

(Θ-γ) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus dem erstgenannten Querschnitt (Si') austretenden Strahlenbündel, und

η ein festgelegter Wert des Verhältnisses mi

zwischen dem aus diesem Querschnitt (S]") austretenden Strahlenbündels beförderten Strahlüngsflüß und dem von dem Eintrittsquerschnitt (4) eingefangenen Strahlungs-Hu ß ist. _M

7. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (5) des pyramidenstumpfförmigen Spiegels (3) einen mathematisch ähnlichen Umriß der senkrechten Projektion des Umrisses des zu bestrahlenden Bereichs auf eine zur Achse des bestrahlenden Strahlenbündels senkrechte Ebene aufweist

8. Projektionsvorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des pyramidenstumpfförmigen Spiegels (3) im Inneren der Kammer (23, 24, 25, 26) der Lichtquelle (1) angeordnet ist, und daß der Leuchtkörper der Lichtquelle in dem Eintrittsquerschnitt (4) des pyramidenstumpfförmigen Spiegels angeordnet ist

9. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der pyramidenstumpfförmige Spiegel (3) in zwei Teile (3a, 3b) geteilt ist wobei sich der den kleinen Querschnitt (4) aufweisende Teil (3a^im Inneren der Kammer (2) der Lichtquelle (1) und der den großen Austrittsquerschnitt aufweisende Teil (3b) außerhalb dieser Kammer befindet und optisch m^:: Jem ersten Teil (3a) verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Projektionsvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Problem der Bild- und Kinoprojektion sowie das der gerichteten Bestrahlung besteht darin, daß auf einen Schirm oder einen Gegenstand der größte Anteil an dem von der Strahlenquelle ausgesandten Strahlungsfluß befördert werden soll, wobei dieser so homogen wie möglich verteilt sein muß. Bisher wurden hierzu entweder optische Brechungssysteme (torische Linsen und Kondensoren bei zahlreichen Bild- und Kinoprojektoren oder Fresnel-Linsen bei Leuchtfeuer!], Bekuchtungsprojektoren für Theater, Museen oder zur Beleuchtung von Bauwerken, in Schaufensiern und dergleichen) oder Parabolspiegel verwendet (wie bei Siablampen und batteriebetriebenen Lampen Kraftfahrzeugscheinwerfern, Straßenlaternen und dergleichen).

Bei optischen Brechungssystemen ist die erste Bedingung zum Erreichen eines maximalen Resultats, daß der gesamte von der Lichtquelle ausgesandte Strahlungsfluß eingefangen wird, was ein optisches System mit der Öffnung F/0,5 vor der Quelle und ein reflektierendes optisches Sammelsystem mit derselben Öffnung F/0,5 hinter der Quelle voraussetzt. Die gebräuchlichen optischen Systeme, die vor der Quelle ameo\lnet werden können, besitzen eine Öffnung, die kaum F/l überschreitet und in der Praxis maximal bis F/0.75 gehen kann. Der eingefangene Strahlüngsflüß ist proportional zum Raumwinkel. Bei einer öffnung von F/1 beträgt das Verhältnis des eingefangenen Strahlungsflusses zu dim ausgesandten Strahlungsfluß (in einer Raumhälfte) etwa 1 : 7,5 Bei einer öffnung von F/0,75 beträgt dieses Verhältnis etwa 1 :4, mit Hilfe eines sphärischen Spiegels, der so hinter der Quelle angeordnet ist, daß er ein leicht versetztes Bild der Quelle liefert, kann ungefähr derselbe Anteil an ausgesandtem Strahlungsfluß in der anderen Raumhälfte eingefangen werden. Es können also bei einer öffnung von F/l theoretisch insgesamt 13% und bei einer Öffnung von F/0,75 bis zu 25% des gesamten

Sffählungsflüsses cingefängen werden. Hierbei sind die Verluste durch verschiedene bei diesen öffnungen nicht vefnachlässigbare Aberrationen nicht berücksichtigt. Es lassen sich also in der Praxis letztlich mit diesen Einrichtungen nur 10 bis höchstens 15% des Strahlungsflusses einfangen. Hiermit sind jedoch die maximalen Möglichkeiten keineswegs ausgenutzt.

Bei Parabolspiegeln ist die im Brennpunkt angeordnete Lichtquelle zum Teil von dem Spiegel umgeben. Auf diese Weise Wird ein hoher Anteil an Strahliingsfluß aufgefangen. Gleichzeitig bewirkt jedoch die diesen Spiegeln eigene Komaaberration, daß ein Teil des aufgefangenen Strahlungsflusses in ein unverwendbares divergierendes Bündel verstreut wird. Meistens können hierbei kaum mehr als 15 oder 20% des von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlungsflusses wirksam ausgenutzt werden.

Die optischen Brechungssysteme besitzen also einen snnehinbsrsn ^yirkuri^s^rsd fsn^sn 'sdoch weni" werden. Es ist also keineswegs mehr erforderlich, eine punktförmige Strahlungsquelle zu verwenden. Lediglich der Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels ist an die Größe der verwendeten Quelle

Die BE-PS 6 62 861 (FR-PS 15 43 165) betrifft eine optische Konzentrationsvorrichtung, die sich auf die Konzentration eines von einem Austrittsquerschnilt zu einem Eintrittsquerschnitt verlaufenden Lichtflusses beschränkt, während die Erfindung auf das Projizieren eines Lichtflusses von einem Eintritts- 2U einem Austrittsquerschnitt beschränkt ist. Beide Vorgänge sind also nicht symmetrisch, da beim Konzentrieren das zu bewältigende Hauptproblem darin besteht, optimale Bedingungen dahingehend festzusetzen, daß jeder in den Kegel eintretende Strahl nach Zurücklegung einer gewissen Strecke zurückkehrt und folglich einen bestimmten Querschnitt des Kegels nicht durchläuft.

niocor- Diiorc^hniK IcI hol rW CD.P5 1 ζ Αϊ IA^ nnfimnl

Strahlungsfluß ein; die Parabolspiegel fangen dagegen mehr Strahlungsfluß ein, haben jedoch einen geringen Wirkungsgrad.

Ferner erfordern alle diese optischen Systeme, die umgekehrte Bilder liefern — sowohl die mit Kondensoren (mit plankonvexen Linsen) verbundenen torischen r> Linsen als auch die Parabolspiegel —, die Verwendung von möglichst punktförmigen Quellen. I lierzu sind teure empfindliche Lampen erforderlich, die eine verhältnismäßig geringe Lebensdauer haben. Derartige Lampen werden häufig mit Niederspannung gespeist, was jo außerdem die Verwendung von kostspieligen schweren Transformatoren großer Abmessung erfordert.

Bei einer Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Gattung (US-PS 33 18 184) bewirken alle nicht korrigierten Linsen eine Aberration der Lichtstrahlen und verhindern so eine homogene Strahlungsflußverteilung.

In der DE-PS 11 99 205 ist eine Vorrichtung zum Einführen von Licht in ein Glasfaserbündel beschrieben und weist einen ellipsen- oder parabolförmigen Spiegel -to auf. der seiner Beschaffenheit nach keinen homogenen Lichtfluß erzeugen kann. Dieser Typ eines ellipsen- bzw. parabolförmigen Spiegels ist dafür bekannt, daß er einen sehr inhomogenen Leuchtpunkt in der Mitte einer beleuchteten Fläche herstellt.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Projektionsvorrichtung, bei der ein vorgegebener Strahlungsfluß mit möglichst geringen Verlusten möglichst homogen einen vorgegebenen Raumwinkel ausleuchten soll, wobei jedoch die Bestrahlungsstärke — wenn auch so schwach wie möglich — vom Zentrum zum Rand monoton abnehmen soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der gesamte von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlenfluß von dem kleinen Querschnitt (im folgenden »Eintrittsquerschnitt« genannt) des kegelstumpfförmigen oder ringförmigen Spiegels eingefangen. Da ein in dieser Richtung verwendeter kegelstumpfförmiger Spiegel (Einfangen des Strahlungsflusses mit dem kleinen Querschnitt und Projektion am großen Querschnitt) das einzige optische System ist, das einen Strahlungsfluß in einer Raumhälfte einfangen und ihn am Ausgang in einem kleineren Raumwinkel projizieren kann, kann auf diese Weise eine optische Projektionsvorrichtung mit maximalem Wirkungsgrad geschaffen

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6=> weil der gesamte Lichtfluß dahin gelangt. Dagegen kann im Fall der Projektion kein Strahl umkehren, und kein besonderer Querschnitt des Spiegels wäre in der Lage, eine der in der entgegengehaltenen FR-PS beschriebenen und definierten Rolle ähnliche Rolle zu spielen. Das mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelöste Problem hat nichts mit den im entgegengehaltenen französischen Patent gemachten Überlegungen zu tun, n? Mich ein aus einem Projektor in vorbestimmtem Winkel austretendes Bündel zu erzielen, das so homogen wie möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestpltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsbeispielen, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung im Schnitt,

F i g. 2 und 3 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung, bei denen das reflektierende Sammelsystem (im folgenden »Reflektorsystem« genannt) aus einem Planspiegel bzw. einem mit einem Abschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels gekoppelten Planspiegel bestehen,

Fig.4 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem das Reflektorsystem aus einem halbkugelförmigen Spiegel besteht,

F i g. 5 und 6 zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welchen das Reflektorsystem aus zwei Hohlspiegeln besteht, von denen der eine sphärisch oder elliptisch und der sTidere sphärisch gewölbt ist,

F i g. 7 eine schematische perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform mit länglicher Lichtquelle,

Fig.8 bis 10 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen zumindest ein Teil der Lichtquellenkammer das Reflektorsystem bildet,

Fig. 11 und 12 zwei Ausführungsformen mehrerer parallel arbeitender kegelstumpfförmiger Spiegelelemente,

F i g. 13 eine schematische Darstellung eines kegelstumpfförmigen Spiegels zur Erläuterung der optimalen Bestimmung seiner Abmessungen,

Fig. 14 die Darstellung eines kegeistumpfförmigen Spiegels mit einem in der Mitte mit einer Öffnung versehenen frontalen Planspiegel,

Pig. 15 einen schematischen Schnitt durch zwei aneinandergesetzte kegelstumpfförmige Spiegelelemente zur Erläuterung der optimalen Bestimmung der Abmessungen der Austrittsquerschnitte und

Fig. 16 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform, bei welcher vier kegelstumpfförmige Spiepelelemente vorgesehen sind.

Bc-t der auf Fig. 1 dargestellten Projektionsvorrichtung ist eine Lichtquelle I₁ beispielsweise eine Glühlampe, vorgesehen, die sich in einem Reflektorsystem 2 beliebiger Form befindet, welches zusammen mit dem kegelstumpfförmigen Spiegel 3 die Lichtquelle 1 in einem Raumwinkel von 4π Sterad. optisch umgibt. Der Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3, dessen Fläche mindestens gleich der gesamten Ausstrahlungsfläche der Quelle 1 ist, fällt in dem vorliegenden Beispiel mit einer in dem Reflektorsystem 2 vorgesehenen Öffnung zusammen. Bei einer derartigen Projektionsvorrichtung wird der gesamte von der Lichtquelle 1 ausgesandte Lichtfluß entweder direkt oder nach einer gewissen Anzahl von Reflexionen von dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels aufgefangen und durch innere Reflexionen zu dem Austrittsquerschnitt des Spiegels befördert, in dem der Lichtfluß die Form eines Strahlenbündels mit einem mittleren öffnungswinkel θι besitzt. Der kegelstumpfförmige Spiegel 3 kann hohl oder voll sein und aus einem lichtbrechenden Material, wie Glas, bestehen.

Bei einer besonderen Ausführungsform ist die Lichtquelle 1 im wesentlichen in der Ebene des Eintrittsquerschnitts des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 angeordnet (vgl. F i g. 2 und 4).

Bei den auf F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen besteht das Reflektorsystem aus mindestens einem an dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 angebrachten Planspiegel 6. Bei der auf Fig.2 dargestellten Ausführungsform befindet sich dieser Planspiegel 6 in unmittelbarer Nähe des Eintrittsquerschnitts 4 und ist direkt an diesem befestigt. Bei der auf Fig.3 dargestellten Ausführungsform wird der Planspiegel 6 mittels eines den kegelstumpfförmigen

η · I^ f * l·» 1" J-I l^orrolrf ι irnnffAr

sen. Diese Anordnung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Lichtquelle selbst längliche Form besitzt, wobei die Achse des Zylinders im wesentlichen mit der Lichtquelle zusammenfällt.

Um zu vermeiden, daß die Lichtstrahlen nach Reflexion in dem Reflektorsystem von der Lichtquelle wieder absorbiert werden, ist es erforderlich, den Mittelpunkt des kreisförmigen Querschnitts des Spiegels 8 bezüglich der Lichtquelle zu versetzen, so daß das

ίο von dem Spiegel erzeugte Bild der Lichtquelle nicht mit dieser zusammenfällt.

Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, daß das Reflektorsystem zusammen mit dem kegelstumpfförmigen Spiegel die Lichtquelle körperlich in einem Raumwinkel von An Sterad. umgibt, sondern kann diese auch nur optisch umgeben, d. h. so, daß jeder von der Lichtquelle in einem Raumwinkel von 4 π Sterad. ausgesandte Strahl entweder auf den Sammelspiegel oder auf den Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels trifft. Zur Venlilierung und Kühlung der Lichtquelle kann es zweckmäßig sein, zwischen dem Außenumfang des Sammelspiegels 8 und dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 einen freien Raum 9 (vgl. F i g. 4) vorzusehen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung (Fig. 5) besteht das Reflektorsystem 2 aus zwei sphärisch gekrümmten Spiegeln 11 und 12 mit einander entgegengesetzt angeordneten Scheiteln, deren optische Achse mit der des kegelstumpfförmigen Spiegels 3

3'J zusammenfällt. Der geometrische Mittelpunkt des einen (11) Hohlspiegels liegt hierbei in der Mitte zwischen der Lichtquelle 1 und dem Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3. der des anderen Spiegels 12 in der Mittelebene der Lichtquelle 1. Der Spiegel 12 besitzt eine Aussparung 14, durch welche der kegelstumpfförmige Spiegel 3 hindurchtritt.

Bei der auf Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besteht das Reflektorsystem aus zwei Hohlspiegeln mit einander entgegengesetzt angeordneten Scheiteln,

•to deren Achsen mit der des kegelstumpfförmiger-Spiegels 3 zusammenfallen. Einer dieser Spiegel (15) ist

migen Spiegels 7 angebracht.

In allen Fällen, in denen die Lichtquelle verhältnismäßig umfangreich ist, ist es zweckmäßig, ein Reflektorsystem zu verwenden, das aus mindestens zwei V-förmig gegen die Lichtquelle geneigten Planspiegeln besteht. Ein Teil der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlen, die bei einem einfachen Planspiegel auf die Lichtquelle zu reflektiert und somit von ihr absorbiert wurden, werden auf diese Weise durch die V-förmig angeordneten Spiegel von der Lichtquelle abgelenkt und können zur Projektion benutzt werden.

Ein noch besseres Ergebnis kann erreicht werden, wenn als Reflektorsystem ein Spiegel verwendet wird, von dem mindestens ein Meridianschnitt die Form einer Evolvente der von dem entsprechenden Meridianquerschnitt der Lichtquelle gebildeten Kurve besitzt

Bei dem auf F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Spiegel des Reflektorsystems konkav und besitzt die Form einer Halbkugel 8, deren geometrischer Mittelpunkt im wesentlichen im Mittelpunkt des Eintrittsquerschnitts 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 liegt. Der Spiegel 8 kann auch zylindrisch ausgebildet sein und einen halbkreisförmigen Meridianquerschnitt aufweisen. Dieser zylindrische Spiegel ist an seinen beiden Enden durch Spiegel, beispielsweise durch senkrecht zur Achse angeordnete Planspiegel, geschlos-

Mittelebene der Lichtquelle und sein anderer Brennpunkt F2 im Mittelpunkt des Eintrittsquerschnitts 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels 3. Der andere Spiegel 16 ist sphärisch gekrümmt; sein geometrischer Mittelpunkt liegt in der Mittelebene der Lichtquelle. Er besitzt eine Aussparung 17, welche den Eintrittsquerschnitt 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels umgibt.

Wenn die Lichtquelle längliche Form hat, werden an Stelle der sphärischen oder elliptischen Sammelspiegel auch hier zweckmäßigerweise zylindrische Spiegel mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt verwendet, deren Achse im wesentlichen mit der Lichtquelle zusammenfällt

Ferner kann auch ein sphärischer Spiegel 16 vorgesehen sein, dessen Rand nicht an den des elliptischen Spiegels 15 anstößt, sondern in derselben Ebene wie der Rand des elliptischen Spiegels i5, jedoch außerhalb von diesem liegt Hierbei ist die Aussparung 17 des sphärischen Spiegels 16 auf den Austrittsquerschnitt des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 zurück versetzt so daß der Eintrittsquerschnitt 4 durch den sphärischen Spiegel 16 hindurchtritt Der geometrische Mittelpunkt dieses sphärischen Spiegels 16 befindet sich hierbei ebenfalls in der Mittelebene der Lichtquelle 1 und der Brennpunkt F₂ des elliptischen Spiegels 15 befindet sich im Mittelpunkt des Eintrittsquerschnitts 4

des kegelstumpfförmigen Spiegels 3, Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung auf einfache und wirksamere Weise gekühlt werden.

Fig. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung beispielsweise für Kraftfahrzeugscheinwerfer zur Beleuchtung mittels gerichteter Lichtbahnen. Hierbei ist die Lichtquelle 1 zylindrisch und pssteht beispielsweise aus dem in einer länglichen Spirale angeordneten Wolfrainfaden einer Halogendampflampe. Das Reflektorsystem besteht aus zwei zylindrischen Spiegeln 18 und 19, deren Meridianquerschnitte in Form und Anordnung den auf Fig. 5 dargestellten Querschnitten entsprechen. Der Spiegel 3 besitzt hierbei die Form eines Prismas, dessen das Bild der Lichtquelle einfangender Eintrittsquerschnitt 4 rechteckig ist und durch den Spiegel 19 hindurchtritt. Die Seitenflächen der zylindrischen Spiegel 18 und 19 sind durch Planspiegel 20 abgeschlossen, Der Austrittsquerschnitt 5 des prismenförmigen Spiegels 3 besitzt ebenfalls die Form eines länglichen Rechtecks. Das Strahlenbündel, das an dem Austrittsquerschnitt 5, der hierbei die Rolle eines Spaltes spielt, ausgeworfen wird, verläßt in Form einer gerichteten Strahlenbahn, die die Strahlen in einer leicht nach unten geneigten Ebene beleuchtet. Dadurch, daß die Strahlen gerichtet sind, wird jegliches Blenden der Fahrer entgegenkommender Fahrzeuge vermieden. Der Austrittsquerschnitt 5 des prismenförmigen Spiegels kann zusätzlich mit einem leicht lichtbrechenden optischen Organ 21 versehen sein, durch welches die Öffnung des Strahlenbündels jo verringert wird.

Das Reflektorsystem 2 kann direkt die Kammer der Lichtquelle 1 bilden; zu diesem Zweck ist diese Kammer zumindest teilweise mit einem reflektierenden Belag versehen und besitzt in dem dem kegelstumpfförmigen π Spiegel 3 gegenüberliegenden Bereich einen transparenten Teil 22 (F ig. 8 bis 10).

Bei der auf Fig.8 dargestellten Ausführungsform besteht die Kammer der Lichtquelle 1, beispielsweise ein Glühfaden, aus einem Glasgehäuse, das von einem elliptischen Spiegel 23 und einem sphärischen Spiegel 24 gebildet wird, deren Scheitel einander entgegengesetzt angeordnet sind und deren optische Achse mil tier des kegelstumpfförmigen Spiegels zusammenfällt. Der innere Brennpunkt Fy des hinten liegenden elliptischen Spiegels 23 liegt in der Mittelebene der Lichtquelle 1 und der zweite Brennpunkt F^ liegt in der Ebene des am Scheitel des vorderen sphärischen Spiegels 24 vorgesehenen durchsichtigen Teils oder Fensters 22. der geometrische Mittelpunkt des Spiegels 24 liegt in der Mittelebene der Quelle 1, d. h. in dem Brennpunkt Fi, und auf der optischen Achse des kegelstumpfförmigen Spiegels (nicht dargestellt). Der durchsichtige Teil 22 -besitzt dieselbe Fläche wie der mit diesem Teil in Kontakt befindliche Eintrittsquerschnitt des kegelstumpfförrr.igen Spiegels.

Bei den auf den Fig.9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der kegelstumpfförmige Spiegel 3 in zwei Teile 3a und 36 geteilt, wobei sich der den Eintrittsquerschnitt 4 aufweisende Teil im Inneren der ho Kammer der Lichtquelle 1 befindet und der den Austrittsquerschnitt aufweisende Teil außerhalb dieser Kammer liegt und mit dem ersten Teil 3a optisch verbunden ist. Die Kammer der Lichtquelle 1 besteht aus einem einzigen, hinter der Lichtquelle angeordneten b> haibkugeiförmigen Spiegel 25, dessen geometrischer Mittelpunkt im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Eintrittsquerschnitts 4 des kegelstumpfförmigen Spiegels und mit der Lichtquelle zusammenfällt, wobei das von dem Spiegel e.beugte Bild der Lichtquelle bezüglich des Leuchtkörpers dieser Lichtquelle leicht versetzt ist. Bei diesen Ausführungsformen bleibt der vordere Teil 26 des Gehäuses durchsichtig, da er keine optische Aufgabe zu erfüllen hat.

Bei der auf F i g. 9 dargestellten Ausführungsform ist im vorderen Teil 26 des Gehäuses eine Ausbauchung 27 mit einem Fenster 22 vorgesehen, die zur Aufnahme des vorderen Endes des hinteren Teils 3a des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 dient. Ferner dient diese Ausbauchung als Halter zum Aufsetzen des hinteren Endes des vorderen Teils 36des kegelstumpfförmigen Spiegels 3.

Eine abgewandelte Ausführungsform (nicht dargestellt) besteht darin, daß die Ausbauchung 27 nach vorne verlängert ist und seitlich mit einem reflektierenden Belag versehen ist, so daß sie den gesamten vorderen Teil 36des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 bildet.

Bei der auf F i g. 10 dargestellten Ausführungsform ist im vorderen Teil 26 des Gehäuses eine Einbuchtung 28 vorgesehen, die in das vordere Ende des hinteren Teils 2a des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 eingreift. In diese Einbuchtung ist von außen das hintere Ende des vorderen Teils 3b des Spiegels 3 eingesetzt.

Der kegelstumpfförmige, konische oder prismenförmige Spiegel 3 kann ferner auch aus einem Bündel parallel arbeitender Spiegelelemente 3' derselben Form gebildet sein (vgl. Fig. 11 und 12). Diese Spiegelelemente 3' bestehen vorzugsweise aus mit ihren Seitenflächen aneinanderliegenden Pyramiden, deren Grundfläche ein gleichseitiges Dreieck, ein Quadrat, oder ein Sechseck ist. Diese Spiegelelemente 3' können auch aus konischen optischen Fasern bestehen. Durch diese Parallelanordnung der Spiegelelemente 3' kann die Gesamtlänge des vollständigen kegelstumpfförmigen Spiegels 3 beträchtlich verringert werden, und zwar verringert sich die Länge jedes Spiegelelements im Verhältnis der Quadratwurzel aus der Anzahl dieser Spiegelelemente.

In allen Fällen, in denen der zu beleuchtende Bereich einen genau bestimmten Umriß besitzt, beispielsweise den Umriß eines in einen Projektionsapparat eingesetzten Diapositivs mit gegebenem Format, ist es «.weckmä-

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förmigen Spiegels einen mathematisch ähnlichen Umriß der senkrechten Projektion des Umrisses des zu beleuchtenden Bereichs auf eine zur Achse des beleuchtenden Bündels senkrechte Ebene zu geben. Auf diese Weise wird der gesamte austretende Lichtfuß wirksam ausgenutzt, da er vollständig auf den zu beleuchtenden Bereich zu geführt wird.

Um mit der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es zweckmäßig, den kegelstumpfförmigen Spiegel 3 mit Hilfe der folgenden Konstruktionsformeln zu bestimmen, welche fm folgenden für verschiedene allgemeine Anwendungszwecke angegeben werden.

In einem zweiten Fall (F i g. 13) soll der Strahlungsfluß vollständig in den zu beleuchtenden Bereich befördert werden. Es muß deshalb zusätzlich zu dem mittleren Slrahlungsflußteil mit Lambert'scher Verteilung ein zusätzlicher Randfluß bis zu einem Öffnungshalbwinkel Θι' (6t' > Θι) zugelassen werden, dessen Verteilung nicht mehr homogen sein kann. Der Unterschied zwischen der zentralen Beleuchtung und der Randbeleuchtung kann verringert werden, wenn man e'.nen vorbestimmten Wert τ des diesen Unterschied charakterisierenden Faktors der Bestrahlungshomogenität festlegt, sofern die Abmessungen des kegelstumpfförmi-

gen Spiegels 3 mit Hilfe folgender Gleichungen bestimmt werden:

I - lg·

sin² (■)[

- ¹J -

In diesen Formeln ist:

IO

Si und S₃ die Fläche des Austritts- bzw. des Eintrittsquerschnitts des Spiegels,

γ dei m.Uilere Spitzenhalbwinkel des Spiegels,

θι' der mittlere Öffnungshalbwinkel des aus dem

Austrittsquerschnitt des Spiegels austretenden und den gesamten von dem Eintrittsquerschnitt des Spiegels eingefangenen Strahlungsfluö befördernden Lichtstrahls; und

τ ein festgelegter Wert des Koeffizienten der

Beleuchtungshomogenität, der das Verhältnis zwischen der Mindestbestrahlungsstärke und der Höchstbestrahlungsstärke kennzeichnet, die von dem Lichtstrahl des Spiegels erzeugt werden.

Ähnlich wie im vorliegenden Fall geht man von den bekannten Werten Sj, Θι' und τ aus und bestimmt Si und γ.

In der Praxis kann es vorkommen, daß der für die Fläche Si des Austrittsquerschnitts 5 des kegelstumpfförmigen Spiegels gefundene Wert aus anderen Gründen zu groß ist. Dies kann beispielsweise bei einem Projektionsapparat für Diapositive der Fall sein, bei J5 dem das Format des Austrittsquerschnitts 5 durch das Format des Diapositivs beschränkt wird, so daß der durch die Formeln bestimmte Querschnitt Si zu groß sein kann.

Erfindungsgemäß kann diese Schwierigkeit umgan- -fo gen werden, indem an den Austrittsquerschnitt 5, der die in Hand der oben stehenden Formeln bestimmte Fläche

Si besitzt, cm rialiapicgc'i 23 aiigcicgi wiitl, ucaacii

reflektierende Seite auf das Innere des kegelstumpfförmigen Spiegels 3 zugewandt ist. In dem mittleren Teil -15 dieses Planspiegels 29 ist ein Fenster 30 ausgeschnitten, dessen Abmessungen der obenerwähnten erforderlichen Größenbeschränkung entsprechen. Auf diese Weise wird ein Teil des außerhalb des Fensters an dem Austrittsquerschnitt 5 ankommenden Strahlungsflusses ausgenutzt, d. h. durchquert schließlich nach einer gewissen Anzahl innerer Reflexionen das Fenster 30, so daß die mittlere Bestrahlungsstärke in der Fläche des Fensters größer als die mittlere Bestrahlungsstärke im Äustrittsquerschnitt ohne Fenster ist

Ferner kann der mit einem Fenster versehene Planspiegel auch zur Verringerung des Öffnungshalbwinkels des austretenden Strahls ohne Erhöhung der Länge des kegelstumpfförmigen Spiegels benutzt werden, was insbesondere bei einem Beleuchtungs- on scheinwerfer interessant sein kann. Auf diese Weise nämlich nimmt das Verhältnis Si: S₂ oder Si: S₃ zu und verringern sich die Winkel θ ι oder θ ι'.

Wenn mehrere kegelstumpfförmige, pyramidenförmige oder prismenförmige, mit ihren Seitenflächen μ ineinanderüegende Spicgdelernente verwendet werden, die parallel arbeiten (Fig. 15), sind ihre optischen Achsen gegen die optische Hauptachse geneigt, so daß der Gesamtöffnungshalbwinkel des aus der Gruppe dieser Spiegelelemente austretenden Gesamtstrahls zunimmt. Dieser Nachteil kann erfindungsgemäß auf folgende Weise vermieden werden:

Auf Fig. 15 ist ein senkrechter Meridianschnitt durch zwei pyramidenförmige Spiegelelemente 31, 32 dargestellt, deren optische Achsen 33 und 34 gegen die optische Hauptachse 35 um ihren Spitzenhalbwinkel γ geneigt sind.

Erfindungsgemäß sind die Austrittsflächen 36 und 37 der Spiegelelemente 31 und 32 des Gesamtaustrittsquerschnitts 5 auf den Gesamteintrittsquerschnitt 4 zu geneigt und schneiden sich in der optischen Achse 35 in einer Geraden 38 (bei Verwendung von mehr als zwei Spiegelelementen, beispielsweise vier Spiegelelementen, schneiden sich die Austrittsflächen der Spiegelelemente in einem Punkt).

Die Lage der Geraden oder des Punktes 38, in der bzw. dem sich die Austrittsflächen schneiden, auf der optischen Hauptachse 35 wird durch die unten angegebenen Abmessungsformeln bestimmt.

Alle Austrittsflächen der Spiegelelemente stoßen also auf der optischen Hauptachse im Inneren des von der Gruppe der Spiegelelemente gebildeten Spiegels zusammen; die Randbereiche dieser Austrittsflächen schließen an die entsprechenden Seitenflächen gleichartiger Spiegelelemente in einem Querschnitt an, der größer als der Querschnitt ist, an dem alle Austrittsflächen zusammentreffen.

Auf diese Weise kann ein von einem Punkt auf der durch den Punkt 38 gelegten senkrechten Ebene ausgehender Strahl 39, der gegen die optische Achse 33 des kegelstumpfförmigen Spiegelelements 31 um den Winkel θ nach unten und somit gegen die optische Hauptachse 35 um den Winkel (θ-y) geneigt ist, ohne Nachteil unbehindert aus dem kegelstumpfförmigen Spiegel austreten, da sich die Neigung der Achse 33 gegen die Hauptachse 35 hierbei positiv auswirkt.

Dagegen ist ein von demselben Punkt wie der Strahl 39 ausgehender und um den Winkel 0 gegen die optische Achse 33 nach oben geneigter Strahl 40 gegen die optische Hauptachse 35 um einen Winkel (0 + y) geneigt. IjS iSi ucäualu ÄWC^Mlläoig", UCIl Suah! 40

zusätzlich in dem Spiegelelement 31 reflektier-.·! zu lassen, so daß er um einen Winkel von 2 γ abgelenkt wird und seine Neigung gegen die optische Hauptachse 35 am Austritt somit (θ - γ) beträgt.

In einem Fall, bei dem die bereits in Verbindung mit Fi g. 13 erwähnte Beibehaltung des gesamten eingefangenen Strahlungsflusses erreicht werden soll, wird der Querschnitt, an dem alle Austrittsflächen der Spiegelelemente zusammenstoßen, mit Hilfe folgender Formeln bestimmt:

^cos -'
sin (-F₁

In diesen Formeln ist:

a' und S₃ die Fläche des Querschnitts, an dem sich die Austrittsflächen treffen, bzw. die Fläche des Emtrittsquerschnitts der von allen Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,

γ der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spiegelelements,

(Θΐ' + γ) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des Strahlenbündels, das an dem erstgenannten Querschnitt austritt,

τ ein festgelegter Wert des Homogenitätskoeffizienten, der das Verhältnis zwischen der Mindestbestrahlungsstärke und der Höchstbestrahlungsstärke kennzeichnet, die von dem aus diesem Querschnitt austretenden Strahlenbündel erzeugt werden.

In demselben Fall kann es zweckmäßig sein, den Querschnitt, in welchem die Randbereiche der Austrittsflächen an die entsprechenden Seitenflächen der Spiegelelemente anstoßen, mit Hilfe folgender Formeln zu berechnen:

.," _ Γ COS;· T⁵

< I

(\ - tu- ί

V I sin-

In diesen Formeln ist:

15

20

' und S₃ die Fläche des Querschnitts, in welchem die _ln Randbereiche der Austrittsflächen an die entsprechenden Seitenflächen der Spiegelelemente anstoßen, bzw. die Fiäche des

Eintrittsquerschnitts der von allen Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,

γ der mittlere Spitzenhalbwinkel jedes Spiegel

elements,

(Θ|' — γ) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus dem erstgenannten Querschnitt austretenden Strahlenbündels,

τ' ein festgelegter Wert des Homogenitätsfaktors, der das Verhältnir zwischen der ίο Mindestbestrahlungsstärke und der Höchst

bestrahlungsstärke kennzeichnet, die von den aus diesem Querschnitt austretenden Strahlenbündeln erzeugt werden.

Fig. 16 zeigt eine optische Projektionsvorrichtung, die beispielsweise zur gerichteten Beleuchtung dient. Bei dieser Vorrichtung ist vor dem Reflektorsystem 41 ein in diesem Fall pyramidenförmig ausgebildeter Spiegel 42 vorgesehen, in welchem Planspiegel 43, 44, 45 und 46 kreuzförmig angeordnet sind, die mit den Innenflächen des pyramidenförmigen Spiegels 42 vier Spiegelelemente bilden. Die Stirnkatiten 43', 44', 45' und 46' dieser Planspiegel sind aufs Innere des pyramidenförmigen Spiegels zu geneigt und treffen sich in einem Punkt, der auf eine der oben angegebenen Weisen bestimmt wird.

Das Reflektorsystem kann zweckmäßigerweise aus dem Gehäuse einer Speziallampe bestehen, dessen Leuchtkörper 47 längliche Form aufweist und bezüglich der optischen Hauptachse versetzt ist, wodurch in Verbindung mit einer geeigneten Ausbildung des dahinter liegenden Sammelspiegels eine Absorption der Strahlen durch den Leuchtkörper verhindert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Optische Projektionsvorrichtung, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Reflektorsystem, mit einem kegelstumpfförmigen, kegelförmigen oder prismenförmigen Spiegel, dessen Eintrittsquerschnitt zusammen mit dem Reflektorsystem die Lichtquelle in einem Raumwinkel von 4π Sterad. umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des kegel- oder pyramidenstumpf förmigen oder prismenförmigen Spiegels (3) durch die Gleichungen:

¹ = r. ^co"^:' T

, LMn(H₁' - _;.|J

I Ig-

sin^:

bestimmt sind, in welchen:

Si die Fläche des Austrittsquerschnitts,
Sj die Fläche des Eintrittsquerschnitts des Spiegels wobei Si vorgegeben ist und die Strahlungsquelle vollständig auf den Eintrittsquerschnitt abgebildet wird, der dementsprechende Abmessungen hat,

γ der mittler . Spitzenhalbwinkel des Spiegels,
θι' der mittlere öffnungshalb«»nkel des aus dem Austrittsquerschnitt des Spiegels austretenden und den gesamten von dem Rntrittsquerschnitt des Spiegels eingefangenen Lichlfluß befördernden Strahlenbündels, und

r ein festgelegter Wert des Koeffizienten der Bestrahlungshomogenität ist, welcher

I. mm /. ma\

minimale Bestrahlungsstärke
maximale Hesirahlunussijrko
2. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pyramidenstumpfförmige, Spiegel aus einem Bündel parallel arbeitender Spiegelelemente (3', 31, 32) derselben Form besteht und daß die Austrittsflächen (36, 37) der pyramidenstumpfförmigen Spiegelelemente (31, 32) gegen die optische Hauptachse (35) so geneigt sind, daß alle Austrittsflächen der Spiegelelemente auf der optischen Hauptachse im Inneren des von diesen Spiegelelementen gebildeten Spiegels zusammenttoßen, und daß die Randbereiche dieser Austrittsflächen an die entsprechenden Seitenflächen gleichartiger Spiegelelemente in einem Querschnitt (6") Zusammentreffen, dessen Durchmesser größer als der des Querschnitts (6') ist, in welchem alle Austrittsflächen zusammenstoßen.
3, Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (6'), an Welchem alle Austrittsflächen (36, 37) der Spiegelelemente
Formel:

(31, 32) zusammenstoßen, durch die

6'
S

' = Γ^{ct1s :>} ΐ

, L sin f-i{ J

(l -ig:·

sin- [H', + ;■)

- I 1 = r

bestimmt sind in welchen

6' die Fläche dieses Querschnitts,

S3 die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der

von allen Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,

γ der mittlere Spitzenhalbwinkel der Spie

gelelemente,

(θ'ι + y) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus diesem Querschnitt (6') austretenden Strahienbündeis, und

τ ein festgelegter Wert des Homogenitäts

koeffizienten ist, welcher das Verhältnis zwischen der von dem aus diesem Querschnitt (6') austretenden Strahlenbündel erzeugten Mindesibeleuchtungsstärke und Höchstbeleuchtungsstärke kennzeichnet.
4. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (6") in welchem die Randbereiche der Austrittsflächen (36, 37) an die entsprechenden Seitenflächen der Spiegelelemente (31, 32) anschließen, durch die Gleichungen:

S,

ei 1* 1"

sin!··;, . ) I

Il-

Mir IH₁ 1

bestimmt sind, in weichen:

6" die Fläche dieses Querschnitts,

Si die Fläche des Eintrittsquerschnitts (4) der

von allen Spiegelelementen gebildeten Spiegelgruppe,

γ der mittlere Spitzenhalbwinkel der Spie

gelelemente,

(&\' — y) der Wert des mittleren Öffnungshalbwinkels des aus diesem Querschnitt (6") austretenden Strahlenbündels, und

r ein festgelegter Wert des Homogenitäts

koeffizienten ist, der das Verhältnis zwischen der von dem aus diesem Querschnitt (6") austretenden Strahlenbündels erzeugten Mindestbeleuchtungsstärke und Höchstbeleuchtungsstärke kennzeichnet.
5. Projektionsvorrichtung nadi Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt fSi"), in welchem die Randbereiche der Austriltsflächen

(36, 37) an die entsprechenden Seitenflüchen der Spiegelelemente (31, 32) anstoßen, durch die Gleichungen:

S," / COS ;■ V

S₂ ~~ \ -in w, )

I
sin² (W₁ -

-0"

IO