DE19737549A1 - Signalleuchte mit einem Spiegel mit gerillter Oberfläche - Google Patents

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 T_α zu suchen, für das gilt: y∈R, so daß T_α(y) = 0, E(P(0,y)) = E₀ (wobei E₀ eine gegebene Konstante ist).

Dazu wird eine iterative Methode angewendet:
T_α(k) wird ein Anfangswert T_{α 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 T_α 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 T_α(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:

• - T_α(k) = Konstante
• - T_α(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:

• - T_α(k) = Konstante
• - T_α(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.