DE19737549A1 - Signalleuchte mit einem Spiegel mit gerillter Oberfläche - Google Patents
Signalleuchte mit einem Spiegel mit gerillter OberflächeInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
- F21S43/00—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights
- F21S43/30—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights characterised by reflectors
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Signalleuchten mit
einem Spiegel mit gerillter Oberfläche.
Derartige Leuchten sind herkömmlicherweise nach dem
Stand der Technik bekannt. Sie umfassen einen Sockel,
der mindestens eine Aufnahme begrenzt, dessen Boden
einen allgemein parabolischen Spiegel bildet, der auf
seiner Oberfläche Rillen aufweist, die üblicherweise
in Form von vertikalen Streifen ausgeführt sind. In
den Boden des Sockels ist eine Lampe eingebaut, wäh
rend eine Abdeckscheibe den Sockel auf seiner Vorder
seite (bezogen auf die Richtung der Lichtabstrahlung)
verschließt. Diese Abdeckscheibe kann selbst auf ih
rer Innenfläche horizontale zylindrische Rillen auf
weisen.
Bei einigen Leuchten dieser Art ist ein uneinheit
liches Aussehen in ihrem Lichtfeld festgestellt wor
den. So ist es insbesondere möglich, daß einige Zonen
der Rillen des Spiegels in bestimmten Betrachtungs
richtungen nicht reflektieren. Sie erscheinen in die
sen Richtungen als dunkle, nicht leuchtende Zonen.
Die JP 03 179 604, in der die Ausführung von zylin
drischen Rillen auf einem Rotationsparaboloid vorge
schlagen wird, beschreibt eine derartige Leuchte, bei
der die durch die Rille bewirkte Streuung des Lichts
entlang ein und derselben Rille veränderlich ist.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrun
de, diesen Nachteil zu beseitigen.
Dazu schlägt sie eine Signalleuchte für Kraftfahrzeu
ge vor, umfassend einen Sockel, der mindestens eine
Aufnahme begrenzt, in deren Boden mindestens ein
Spiegel mit allgemein konkaver Form ausgebildet ist,
sowie eine in der Aufnahme angebrachte Lichtquelle,
wobei die Reflexionsfläche des Spiegels eine Mehrzahl
von im wesentlichen parallelen Rillen aufweist, da
durch gekennzeichnet, daß bei jeder Rille der Schnitt
der Rille in einer Schnittebene senkrecht zur Rich
tung der Orthogonalprojektionen der Rillen auf einer
Ebene senkrecht zur optischen Achse der Leuchte das
Licht der Lichtquelle auf einem gleichen Winkelab
stand in der Projektion auf dieser Schnittebene re
flektiert, wobei sich dieser Winkelabstand beider
seits der optischen Achse erstreckt, während sich die
Reflexionsrichtung der Lichtstrahlen auf jedem dieser
Schnitte von einer Kante jeder Rille zur anderen ste
tig verändert.
Daher weist jede Rille, unabhängig von der jeweiligen
Winkelposition des Betrachters, für diesen ein homo
genes Aussehen auf.
Insbesondere ist dieser Winkelabstand vorteilhafter
weise für jede der Rillen des Spiegels gleich.
Bei einer derartigen Struktur weist die Gesamtheit
der Leuchte, wenn sie eingeschaltet ist, ein homoge
nes Aussehen auf, das durch eine Bewegung des Be
trachters in einem gegebenen Winkelbereich nicht be
einträchtigt wird.
Außerdem reflektieren die Rillen vorteilhafterweise
das Licht der Lichtquelle senkrecht zur Richtung der
Orthogonalprojektionen der Rillen auf einer Ebene
senkrecht zur optischen Achse der Leuchte.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden Beschreibung. Diese Be
schreibung dient nur zu Veranschaulichungszwecken und
hat keine einschränkende Wirkung. Sie ist unter Be
zugnahme auf die beigefügte einzige Figur zu lesen,
auf der als Schnittansicht eine Signalleuchte gemäß
einer möglichen Ausführungsart der Erfindung darge
stellt ist.
Die in dieser Figur dargestellte Signalleuchte umfaßt
eine Lampe, beispielsweise eine (nicht dargestellte)
Glühfadenlampe, sowie einen Spiegel 1, der durch ei
nen Sockel der Leuchte gebildet wird und in dessen
Boden eine Öffnung für die Lampe eingearbeitet ist.
An die Lampe ist ein Vorsatz 2 angefügt, der sich vom
Spiegel 1 aus erstreckt. Diese Leuchte weist außerdem
eine vor dem Spiegel 1 angeordnete Abdeckscheibe 3
auf.
Die Reflexionsfläche des Spiegels 1 weist eine Mehr
zahl von vertikalen Rillen 4 auf, während die Innen
fläche der Abdeckscheibe 3 ihrerseits eine Mehrzahl
von horizontalen Rillen aufweist.
Als Variante kann die Abdeckscheibe eine glatte In
nenfläche aufweisen. Der Spiegel 1 weist dann bei
spielsweise horizontale Rillen auf, die zusammen mit
den vertikalen Rillen 4 in etwa rechteckige Refle
xionsteilflächen bildet. Darüber hinaus kann auch ei
ne Zwischenscheibe vorgesehen sein, die horizontale
Rillen aufweist.
Die Rillen 4 des Spiegels 1 weisen Reflexionsflächen
auf, die mathematisch so definiert sind, daß bei je
der Rille jeder Horizontalschnitt der Rille das Licht
folgendermaßen ablenkt:
- - in horizontaler Projektion auf einem gleichen Win kelabstand, bezogen auf die optische Achse,
- - eventuell divergierend, in vertikaler Projektion.
Es soll nun ein Berechnungsbeispiel für die Refle
xionsfläche des Spiegels 1 beschrieben werden.
Im gesamten weiteren Fortgang des Textes wird eine
solche Fläche mit S bezeichnet, wobei davon ausgegan
gen wird, daß S in einem orthonormalen Bezugspunkt in
einem euklidischen Raum durch z = f(x,y) definiert
ist, wobei f eine differenzierbare Funktion ist und
wobei ein Richtvektor für die Seiten der Orthogo
nalprojektionen der Rillen auf einer Ebene senkrecht
zur optischen Achse der Fläche S ist, während ein
Richtvektor der optischen Achse ist und = Λ
Im folgenden wird der Fall gesetzt, daß sich eine
punktuelle Lichtquelle im Ursprung O des Bezugssy
stems befindet.
M sei ein Punkt von S mit den Koordinaten (x, y,
f(x,y)).
sei ein Einheitsrichtvektor für den in M reflek
tierten Strahl.
Für den Vektor gilt:
ist normal zu S in M
Unter Zugrundelegung der kartesischen Gesetze läßt
sich zeigen, daß:
Es sei P (x,y) der Schnittpunkt des im Punkt M re
flektierten Strahls mit der Ebene z = z₀.
Ebenso läßt sich zeigen, daß:
Es sei die Lichtstärke der Lichtquelle in der
Richtung
Es ergibt sich, daß sich die Beleuchtungsstärke in P
auf dem Projektionsschirm durch den folgenden Aus
druck darstellen läßt:
der sich wiederum, unter Berücksichtigung der Aus
drücke für r und OP als Funktion von f, und
I ausdrücken läßt.
Demzufolge bedeutet die Vorgabe von r(x,y) (das heißt
des Divergenzwinkels), daß zwei Gleichungen mit par
tiellen Ableitungen in f aufgestellt werden (da =
letztlich nur zwei unabhängige Komponenten hat).
Die Vorgabe von E(P) bedeutet, daß eine zusätzliche
Gleichung aufgestellt wird.
Es liegen dann drei Gleichungen für eine Unbekannte
(die Funktion f) vor. Zu einer solche Formulierung
des Problems gibt es im allgemeinen keine Lösung, es
sei denn, es werden weitere Bedingungen vorgegeben.
Wenn dazu zwei Punkte M₀(x₀,y₀) und M₁(x₁,y₁) als be
kannt vorausgesetzt werden, die zu S gehören und
ebenfalls bekannten Reflexionsrichtungen und
entsprechen, kann anhand der Gleichung (1)
bestimmt werden.
Wenn M ein Punkt der Fläche S in der Nähe von M₀ und
von M₁ ist, dessen Koordinaten x,y bekannt sind und
dessen Koordinate Z gesucht wird, sind, da f diffe
renzierbar ist, die folgenden zusätzlichen Bedingungen
bekannt:
wobei d eine Normale der euklidischen Ebene (0,
ist und wobei o eine Notation ist, die bedeutet, daß
der bezeichnete Wert kleiner als der in Klammern an
gegebene Wert ist.
Im Anschluß an die Diskretisation des Systems läßt
sich die folgende Gleichung aufstellen (wobei M₀, M₁
und M Knoten sind):
Dabei ist zu beachten, daß es zur Bestimmung eines
Punktes M der Fläche S unabdingbar ist, zwei seiner
Nachbarpunkte zu berücksichtigen, um die Kohärenz der
Normalen sicherzustellen, wie sie ausgehend von den
Punkten der Flächen mit den aus den partiellen Ablei
tungen abgeleiteten Normalen neuberechnet werden kön
nen, die zwischen den Diskretisationspunkten bestimmt
werden (da nur ein Nachbarpunkt unzureichend ist).
Die Gleichungen (2) ermöglichen die Berechnung zweier
Werte z(1) und z(2) von z (die von vornherein ver
schieden sind, da das System grundsätzlich keine Lö
sung hat).
z erhält vorteilhafterweise den Wert
der den quadratischen Fehler (z-z(1))² + (z-z(2))² mini
miert, ebenso wie den Winkel
Nachdem der Punkt M so bestimmt ist, steht ein zu
sätzlicher Punkt (und der entsprechende Vektor zur
Verfügung, um andere Punkte des Reflektors zu berech
nen. Auf diese Weise wird nach und nach der gesamte
Reflektor berechnet, wobei er örtlich im Sinne der
vorstehenden Kriterien optimiert wird. Die Berechnung
der erzeugten Beleuchtungsstärken kann anhand der
weiter oben aufgestellten Formeln gleichzeitig erfol
gen.
Es ist festzustellen, daß sich die genaue Formel für
die Beleuchtungsstärke vereinfachen läßt, wenn man
davon ausgeht, daß in den meisten Anwendungen z₀»x,
z₀»y, z₀»f(x,y).
Dann erhält man
Für den Fall, daß eine der partiellen Ableitungen
gleich null ist
darf die
Approximation von nicht verwendet werden, und es
muß beispielsweise die folgende Gleichung aufgestellt
werden:
Dann gilt:
Der Versuch, ) festzulegen, setzt mehr Bedingun
gen für den Reflektor voraus, als dies im Prinzip für
die Behandlung einer Aufgabenstellung zur Beleuch
tungs-/Signalanlage erforderlich ist. Die Verlaufs
funktionen können hingegen verändert werden, um die
erzeugten Beleuchtungsstärken zu optimieren.
Es wird nun eine besondere Anwendung der vorstehend
dargelegten Berechnungsmethode beschrieben.
Es geht um den Fall, in dem
Koordinaten mit der
folgenden Form hat:
wobei:
Dabei ist Δy eine vorher festgelegte Konstante.
g : [-1,1[ → [-1,1[ ist eine ebenfalls vorher fest
gelegte Funktion, mit deren Hilfe sich die Funktion
der Lichtenergie im Lichtfeld anpassen läßt, bei
spielsweise um das Lichtfeld in der Mitte der Leuchte
zu erweitern.
Eine solche Funktion tα definiert Reflektoren mit
Rillen der Breite Δy, die die Verteilung des Lichts
in der Ebene x = 0 in ähnlicher Weise bei jeder Rille
bewirken, wobei die Lichtfelder aber verschieden sein
können.
Es ergibt sich
Wenn beispielsweise ein homogenes Aussehen erzielt
werden soll, bedeutet das, nach einem Tα zu suchen,
für das gilt: y∈R, so daß Tα(y) = 0, E(P(0,y)) = E₀
(wobei E₀ eine gegebene Konstante ist).
Dazu wird eine iterative Methode angewendet:
Tα(k) wird ein Anfangswert Tα i zugeordnet (nutzbares Lichtfeld), woraufhin die entsprechende Oberfläche konstruiert wird.
Tα(k) wird ein Anfangswert Tα i zugeordnet (nutzbares Lichtfeld), woraufhin die entsprechende Oberfläche konstruiert wird.
Danach wird die Gesamtheit der Punkte gewählt, auf
denen E gesetzt werden soll, um anschließend Tα aus
gehend von (3) zu berechnen, wobei E(r) = E₀ auf der
äußersten Teilfläche übernommen wird und nach und
nach die anderen Punkte berechnet werden.
Dadurch wird eine neue Fläche verfügbar, mit der
Tα(k) erneut berechnet werden kann. Auf diese Weise
wird die Berechnung der Fläche wiederholt, bis die
Berechnung konvergiert.
In der Regel genügen einige Iterationen, da der Mit
telpunkt der Teilflächen in etwa auf einem gleichen
Paraboloid angeordnet bleibt.
In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß die
Wahl von g willkürlich ist. In einem ersten Schritt
kann g gleich der Identität gewählt werden, wobei
dann gilt g′ = 1.
Die Berechnungsmethode, die vorstehend für den Fall
eines Reflektors mit vertikalen Rillen beschrieben
wurde, läßt sich, mit deutlich längeren Iterations
zeiten, auf Reflektoren verallgemeinern, die durch
eine Mehrzahl von rechteckigen Teilflächen (horizon
tale und vertikale Rillen) definiert sind.
Bei größeren Abmessungen werden im übrigen vorzugs
weise Fresnel-Linsen konstruiert, um ihre Tiefe zu
verringern.
Um im Falle eines diskontinuierlichen Reflektors alle
Schlagschatteneffekte (einer Rille auf die nächste)
auszuschließen, wird das Bild der Kante der vorange
henden Rille zugrunde gelegt, und zwar:
Eine solche Konstruktion hat jedoch den Funktionsaus
fall eines Teils der sichtbaren Oberfläche zur Folge
(woraus sich ein Lichtstromverlust ergibt) und ist
jenseits der Ebene der Lichtquelle ineffizient (bzw.
sogar nachteilig).
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Berech
nungsmethode sind mehrere Reflektoren berechnet wor
den.
Dabei wurden insbesondere ein erster und ein zweiter
Reflektor mit kleinen Abmessungen (80×60 mm²) und
kontinuierlicher Fläche berechnet, wobei:
- - Tα(k) = Konstante
- - Tα(k) so gewählt, daß die Lichtstärken in der Ach se, die sich aus den verschiedenen Teilflächen erge ben, in einem Verhältnis von 1 bleiben.
Außerdem wurden ein dritter und vierter Reflektor mit
größeren Abmessungen (190×60 mm²) und mit diskonti
nuierlicher Fläche berechnet, wobei:
- - Tα(k) = Konstante
- - Tα(k) so gewählt, daß die Lichtstärken in der Ach se, die sich aus den verschiedenen Teilflächen erge ben, in einem Verhältnis von 4 bleiben.
In allen Fällen war die Lichtquelle so beschaffen,
daß die Achse
des Glühfadens darstellt (die in unseren Beispielen
vertikal, d. h. parallel zu (Ox) ist) und ε gleich 5%
gewählt wird.
Es können natürlich auch andere Ausführungsvarianten
als die vorstehend beschriebenen in Betracht gezogen
werden. So können vor allem die Rillen des Spiegels
horizontal verlaufen. Außerdem ist es möglich, daß
sie nicht aneinander stoßen und auch keine konstante
Breite aufweisen. Die Breiten der Rillen können ins
besondere so gewählt werden, daß die Leuchtstärken
der Rillen von einer Rille zur anderen in etwa kon
stant ausfallen.
Claims (7)
1. Signalleuchte für Kraftfahrzeuge, umfassend einen
Sockel, der mindestens eine Aufnahme begrenzt, in de
ren Boden mindestens ein Spiegel mit allgemein konka
ver Form ausgebildet ist, sowie eine in der Aufnahme
angebrachte Lichtquelle, wobei die Reflexionsfläche
des Spiegels eine Mehrzahl von im wesentlichen paral
lelen Rillen aufweist , dadurch gekenn
zeichnet, daß bei jeder Rille der Schnitt der
Rille in einer Schnittebene senkrecht zur Richtung
der Orthogonalprojektionen der Rillen auf einer Ebene
senkrecht zur optischen Achse der Leuchte das Licht
der Lichtquelle auf einem gleichen Winkelabstand in
der Projektion auf dieser Schnittebene reflektiert,
wobei sich dieser Winkelabstand beiderseits der opti
schen Achse erstreckt, während sich die Reflexions
richtung der Lichtstrahlen auf jedem dieser Schnitte
von einer Kante jeder Rille zur anderen stetig verän
dert.
2. Signalleuchte nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß dieser Winkelabstand
für jede der Rillen des Spiegels gleich ist.
3. Signalleuchte nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rillen das Licht der Lichtquelle senkrecht zur
Richtung der Orthogonalprojektionen der Rillen auf
einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Leuchte
reflektieren.
4. Signalleuchte nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
die Breiten der Rillen so gewählt sind, daß die
Leuchtstärken von einer Rille zur anderen in etwa
konstant ausfallen.
5. Signalleuchte nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rillen vertikal sind.
6. Signalleuchte nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
die Reflexionsfläche des Spiegels aus rechteckigen
Teilflächen besteht.
7. Signalleuchte nach einem der vorangehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spiegel eine allgemein parabolische Form auf
weist.
Applications Claiming Priority (1)
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