DE19809871C2 - Farbmischaufsatz zur additiven Farbmischung für mindestens drei verschiedene Farbleuchten als Bestandteil einer Beleuchtungseinheit - Google Patents

Description

Als Beleuchtungseinheit mit wechselnden Farben des ausgesandten Lichts sind die sogenannten Farbwechsler bekannt. Sie bestehen aus einem weißen Strahler und einem Vorsatz, in den mechanisch (auch steuerbar) verschiedene Farbfilter eingeschoben werden. Die Farbvielfalt und die Steuerungsmöglichkeiten sind jedoch begrenzt. Der Farbmischaufsatz nutzt das Prinzip der additiven Farbmischung. Dabei leuchtet die gesamte Ausgangsfläche räumlich weitestgehend homogen und, bei konstanten Eingangsintensitäten, zeitlich konstant in der eingestellten Farbe. Das Prinzip der additiven Farbmischung ist altbekannt und wird z. B. bei der Erzeugung farbiger Fernsehbilder angewandt. Hier ist die geringe Pixelgröße in Verbindung mit sinnesphysiologischen Eigenschaften des Auges (mangelnde Auflösung, Prinzipien des Farbensehens) die Ursache der Vermischung der eigentlich räumlich getrennten Grundfarben. Eine Methode, aus Rot, Grün und Blau farblich durchmischtes Licht als Lichtquelle mit der Helligkeit z. B. einer handelsüblichen Glühlampe zu erzeugen, ist der Farbkreisel (Bergmann/Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band III, 8. Auflage: Optik, S. 706). Dabei ist es aber nicht ohne weiteres möglich, die Farbe schnell und steuerbar zu wechseln und die Farbe ist, streng genommen, zeitlich nicht konstant; die Farbmischung entsteht durch die Trägheit des Auges. Ebenfalls in der Literatur (a. a. O., S. 701 ff) finden sich Anwendungen wie das Wollaston- Prisma und der Lambertsche Spiegel, die es erlauben, zwei Farben in der gewünschten Weise zu mischen, nicht aber alle drei Grundfarben. Aus Schulversuchen (a. a. O. beschrieben) kennt man die additive Mischung dreier Farben in einem Lichtfleck auf einem Schirm. Diese ist aber räumlich nicht homogen; beleuchtet man ein dreidimensionales Objekt, so zeigen sich verschiedenfarbige Schatten.

Auf dem Prinzip des Lambertschen Spiegels beruht das in DE 37 09 025 A1 beschriebene Gerät. Mit zwei in Lichtdurchtrittsrichtung hintereinander angeordneten Halbspiegeln wird zunächst das Licht zweier Leuchten gemischt und anschliessend wird das so erzeugte Licht mit dem Lieht einer dritten Leuchte gemischt. Diese Konstruktion erfordert eine sehr präzise Montage und Justierung, da die Bilder aller drei Leuchten vor Lichteintritt in die nach­ geschaltete Projektionsoptik exakt aufeinander liegen müssen, um farbliche Mischung zu erreichen.

Eine andere bekannte Methode zur Erzeugung wechselnd farbigen Lichts (angegeben in DE 42 09 882 A1) beruht auf der Zerlegung von weissem Licht in die Spektralfarben durch ein Prisma. Die Farbvielfalt ist im Vergleich zu den Möglichkeiten additiver Farbmischung aus drei oder mehr Farben also beschränkt.

In DE 295 20 700 U1 werden Konstruktionen zur Erzeugung von Licht beliebiger Farbe mit drei verschiedenfarbigen Lichtquellen angegeben. Dabei ist jede Lichtquelle von einem Reflektorelement mit einer Austrittsfläche umschlossen und die Austrittsflächen begrenzen einen so bezeichneten Mischraum, der jedoch keinerlei mischende Komponenten enthält, an dessen Austrittsöffnung dann farblich gemischtes Licht vorliegen soll. Allein durch Reflexionen kann eine räumlich homogene additive Farbmischung jedoch nicht erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Farbmischaufsatz zur additiven Farbmischung bereitzustellen, der Licht verschiedenfarbiger (z. B. roter, grüner und blauer) Leuchten so mischt, dass räumlich homogen einfarbiges Licht nach den Prinzipien der additiven Farbmischung mit hinreichend großer Intensität für Anwendungen in der Beleuchtungstechnik erzielbar ist, ohne dass es zur Farbmischung beweglicher Teile bedarf.

Dieses Aufgabe wird durch die Merkmale gemäss dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in einer deutlichen Erweiterung der Farbgestaltungsmöglichkeiten in der Beleuchtungstechnik, z. B. in Discotheken, auf Konzert- und Theaterbühnen, in privaten Haushalten sowie in der Dekoration. Es ergeben sich auch interessante Anwendungen in der Pädagogik des Farbensehens, z. B. für sehbehinderte Personen sowie auf dem Gebiet der Lichttherapie.

Durch verschiedene Varianten der Steuerung der Intensitäten der Eingangslampen, die z. B. den Rot-, Grün- und Blauanteil des Farbtons bestimmen, sind viele vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung möglich. Als Beispiel sei die Steuerung der Grundfarbenintensitäten mit Hilfe einer handelsüblichen dreikanaligen Lichtorgel angegeben. Alternativ zur Steuerung der Grundfarbenintensitäten über die an die Eingangslampen angelegten Spannungen besteht die Möglichkeit, unter Ausnutzung des Kerr-Effektes bei konstanter Farbtemperatur der Eingangsleuchten die Intensitäten separat zu regeln. Für einfache Anwendungen in der Beleuchtungstechnik kann der Farbmischaufsatz für zwei Eingangsleuchten ausgelegt werden. Der darstellbare Farbraum kann andererseits erweitert werden, indem mehr als drei Farben verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die in Fig. 2 mit ihren Farben rot, grün und blau bezeichneten Farbfilterfolien können weggelassen werden, wenn man statt weißer farbige Leuchtmittel in diesen Farben verwendet. Die Elemente des Gehäuses (1) sind von innen mit Spiegelfolie verspiegelt. Das Gehäuse (1) ist ein an zwei gegenüberliegenden Seiten offener, hohler Quader, der aus einzelnen Gehäuseelementen zusammengefügt ist (Fig. 2). Zum Zweck der verlustfreien Lichtführung der unter 45° in die Lichteintrittsöffnung strahlenden roten bzw. grünen Farbleuchte sowie der senkrecht und mittig einstrahlenden blauen Farbleuchte wurde die Gehäuseform, wie Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, an der Lichteintrittsöffnung (2) modifiziert.

Die Zwischenwände (4, 5, 6), die den Hohlraumabschnitt des Gehäuses bilden, bestehen aus Diffusorfolien. Die zur Lichteintrittsöffnung gerichtete Zwischenwand (4) ist ein Keil (ohne Grundfläche) mit der Spitze zur Lichteintrittsöffnung, die Zwischenwand (5) ist eine ebene Rechtecksfläche, die zur Austrittsöffnung gerichtete Zwischenwand (6) ist ein halber Kreiszylindermantel. Die anderen Wände des Hohlraumabschnitts werden durch Elemente des Gehäuses (1) gebildet.

Das Halbspiegelelement (7) ist eine transparente Folie; ebensogut eignet sich Fensterglas, wesentlich ist, dass bei einem Einfallswinkel von 45° etwa 50% des einfallenden Lichtes transmittiert und 50% reflektiert werden.

Die Maße a, b, c, d, e, f des Farbmischaufsatzes gemäß der technischen Zeichnung Fig. 1 sind aus dem Durchmesser L des zu verwendenden Leuchtmitteltyps wie folgt zu berechnen:

a = 4L/3,
b = 3.6a,
c = 2.4a,
d = c/2,
e = d und
f = a/2.

Drei weiße Leuchtmittel, deren Intensitäten z. B. über separate Dimmer gesteuert werden, strahlen senkrecht und mittig auf je eine der Farbfolien (Fig. 2). Das rote und das grüne Licht treffen in einem Winkel von im Mittel 45° auf die Transparentfolie, die somit als Lambertscher Spiegel wirkt. Die Transparentfolie, die auf der optischen Achse des Leuchtmittels, das die blaue Folie beleuchtet, liegt, beeinflußt den Strahlengang des blauen Lichts im wesentlichen nicht. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass das blaue Licht den gesamten Innenraum des Farbmischaufsatzes gleichmäßig ausleuchtet. Das rote und grüne Licht dagegen wird, durch die Halbspiegeleigenschaft der Transparentfolie aufeinander abgebildet, wegen des schrägen Einfalls oft (in hohen Ordnungen) an den verspiegelten Innenwänden des Farbmischaufsatzes reflektiert. Dies hat zur Folge, das an der Position der ersten Diffusorfolie (Zwischenwand (4)) die Farben schon einen hohen Grad an Mischung aufweisen. Die erste Diffusorfolie (4) leuchtet daher schon relativ gleichmäßig in der Mischfarbe. Durch weitere Reflexionen und die nachgeschalteten weiteren zwei Diffusorfolien (Zwischenwände (5, 6)) liegt an der Lichtaustrittsöffnung (3) dieses mehrstufigen Aufbaus weitestgehend homogen farblich durchmischtes Licht mit für Beleuchtungszwecke hinreichender Intensität vor.

Claims (7)

1. Farbmischaufsatz zur additiven Farbmischung für mindestens drei verschiedene Farbleuchten als Bestandteil einer Beleuchtungseinheit, wobei die Lichtintensitäten der Farbleuchten separat regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern eines Gehäuses (1), das eine Lichteintrittsöffnung (2) sowie eine Lichtaustrittsöffnung (3) aufweist, in Lichtdurchtrittsrichtung nacheinander zwei oder mehr Zwischenwände (4, 5, 6) aus weißem, diffus-lichtdurchlässigem Material angeordnet sind, nur einen Hohlraumabschnitt dergestalt bilden, dass Licht von der Lichteintrittsöffnung (2) nur nach Durchtritt durch den Hohlraumabschnitt zur Lichtaustrittsöffnung (3) gelangt wobei die Wände des Gehäuses (1) lichtundurchlässig sind und innen weiß oder verspiegelt ausgebildet sind.

2. Farbmischaufsatz nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbleuchten farbige Leuchtdioden sind.

3. Farbmischaufsatz nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuse (1) und Hohlraumabschnitt rotationssymmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Achse sind und Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnung Kreisflächen senkrecht zu dieser Achse sind.

4. Farbmischaufsatz nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) ein beidseitig offener Hohlzylinder ist, dessen eine Öffnung die Lichteintrittsöffnung (2) ist, auf der mindestens je zwei rote, grüne und blaue Farbleuchten geeigneten Durchmessers so angeordnet sind, dass die roten und grünen Leuchten abwechselnd und äquidistant auf einem Kreis am Rand der Lichteintrittsöffnung (2) und die blauen Leuchten symmetrisch im Innern dieses Kreises um den Mittelpunkt der Lichteintrittsöffnung (2) angebracht sind.

5. Farbmischaufsatz nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus vier rechteckigen Platten, von denen je zwei deckungsgleich sind, zu einem hohlen Quader mit rechteckiger Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnung zusammengefügt ist, und dass die Zwischenwände (4, 5, 6), die den Hohlraumabschnitt bilden, symmetrisch bezüglich Spiegelung an den Ebenen sind, die senkrecht durch die Seitenhalbierenden der Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnung gehen, und dass jede der Zwischenwände (4, 5, 6) entweder eben oder gekrümmt ist oder Keil- oder Pyramiden­ form (jeweils ohne Grundfläche) hat oder aus diesen Elementen zusammengesetzt ist.

6. Farbmischaufsatz nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lichteintrittsöffnung (2) mindestens je zwei rote, grüne und blaue Farbleuchten geeigneten Durchmessers so angeordnet sind, dass die roten und grünen Leuchten abwechselnd und äquidistant auf einem Rechteck am Rand der Lichteintrittsöffnung (2) und die blauen Leuchten im Innern dieses Rechtecks symmetrisch zum Flächenschwerpunkt der Lichteintrittsöffnung (2) angebracht sind.

7. Farbmischaufsatz nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein ebenes Halbspiegelelement (7) in einer Mittelebene des Gehäuses (1), die durch Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnung geht, angeordnet ist und von der Lichteintrittsöffnung (2) bis zu der in Lichtdurchtrittsrichtung ersten Zwischenwand (4) reicht, und dass mindestens je eine rotes, grünes und blaues Licht abgebende Farbleuchte spiegelsymmetrisch zur Ebene des Halbspiegels (7) so angebracht sind, dass die rotes Licht abgebenden Farbleuchten von einer Seite, die grünes Licht abgebenden Farbleuchten von der anderen Seite, unter einem Winkel von 45° auf den Halbspiegel (7) gerichtet sind, während die blaues Licht abgebenden Farbleuchten senkrecht und mittig auf die Lichteintrittsöffnung (2) gerichtet sind.