DE19910192A1 - Optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines Lichtfeldes; DOLLAR A das optische Design ist einem Grundkörper überlagert, der hohl ist, ein erstes Ende zum Aufnehmen eines Leuchtkörpers aufweist (Fassungsende) sowie ein zweites Ende, das eine Lichtaustrittsöffnung darstellt; DOLLAR A die Innenfläche des Grundkörpers besitzt ein optisches Design aus einer Vielzahl von Facetten; DOLLAR A zum Erzeugen einer bestimmten Lichtfeldkontur bei gegebener Gestalt des Leuchtkörpers sind die Formen einzelner Facetten und deren Lage relativ zur optischen Achse des Reflektors in bestimmter Weise ausgewählt.

Description

Die Erfindung betrifft das optische Design eines Reflektors in Gestalt von Facetten zum Reflektieren von Lichtstrahlen. Solche Reflektoren werden beispielsweise verwendet für Leuchten für allgemeine Beleuchtungszwecke. Sie haben insbesondere im Einzelhandel große Verbreitung gefunden. Sie werden aber auch verwendet für die Lichteinspeisung in Lichtleiter, in Videoprojektoren oder in Scheinwerfern, die ein scharf begrenztes Lichtfeld erzeugen (sogenannte Verfolgungsscheinwerfer).

Solche Reflektoren besitzen im allgemeinen eine elliptische, parabolische oder kegelschnittähnliche Grundkontur. In vielen Fällen ist dieser Grundkontur ein optisches Design in Form von Facetten überlagert, um die Gleichmäßigkeit des Lichtfeldes zu verbessern und/oder die Größe des Lichtfeldes zu erhöhen.

Im allgemeinen strebt man an, daß Reflektoren der genannten Art ein kreisrundes Lichtfeld erzeugen. Dies wird jedoch nicht immer erzielt. Der Grund liegt darin, daß die verwendeten Leuchtkörper nicht rotationssymmetrisch sind. Die Folge davon ist ein Lichtfeld, das von der Kreisform abweicht. Es kann oval sein oder gar annähernd die Gestalt eines Rechteckes haben, was unerwünscht ist.

Umgekehrt kann aber auch der Fall vorliegen, daß man gern ein von der Kreisform abweichendes Lichtfeld hätte, daß man aber aus Gründen der Herstellung oder des Einbaus nur rotationssymmetrische Leuchtkörper verwenden kann. Bei Verwendung eines solchen rotationssymmetrischen Leuchtkörpers ist somit das Erzeugen eines von der Kreisform abweichenden Lichtfeldes mit einfachen Mitteln nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen derart zu gestalten, daß sich Lichtfelder willkürlich erzeugen lassen, die wenigstens nahezu kreisrund oder nahezu rechteckig sind, und zwar ungeachtet der Gestalt des verwendeten Leuchtkörpers.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. Anspruch 13 gelöst.

Die Erfinder haben erkannt, daß eine bestimmte Lichtfeldkontur bei gegebener Gestalt des Leuchtkörpers allein durch die Wahl der Formen einzelner oder aller Facetten sowie durch die Anordnung oder Lage solcher Facetten zur optischen Achse des Reflektor-Grundkörpers erzeugbar ist.

Mit der Erfindung lassen sich die folgenden Probleme lösen:
Entweder ist ein nicht-rotationssymmetrischer Leuchtkörper vorgegeben, und man möchte ein rundes Lichtfeld erzeugen. Oder es ist ein rotationssymmetrischer Leuchtkörper vorgegeben, und man möchte ein nicht- rundes Lichtfeld erzeugen. In beiden Fällen werden die Facetten derart gestaltet und angeordnet, daß eine Rotationssymmetrie der Facetten, bezogen auf die optische Achse des Reflektor-Grundkörpers, weitgehend vermieden wird.

Die Erfindung läßt sich in vielfältiger Weise in die Praxis umsetzen.

So gibt es bezüglich der Formen der Facetten zahlreiche Möglichkeiten. Die Facetten können beispielsweise eben, kugelförmig oder zylindrisch sein. In den zwei letztgenannten Fällen können sie sowohl konkav als auch konvex sein.

Die Abweichung von der Rotationssymmetrie kann auch darin liegen, daß Gruppen von Facetten größer, und andere Gruppen wiederum kleiner sind. Maßgeblich ist, daß gewisse Facetten oder Gruppen von Facetten, die sich über einen gewissen Umfangsbereich des Reflektor-Grundkörpers erstrecken, bezüglich ihrer Formen und Lagen von gewissen anderen Facetten oder Gruppen von Facetten unterscheiden, die sich über einen anderen Umfangsbereich erstrecken.

Bekannte Reflektoren weisen Facetten auf, die in Reihen verlaufen, welche ihrerseits in achssenkrechten Ebenen angeordnet sind. In der Draufsicht auf den hohlen Reflektor-Grundkörper - somit in diesen hinein - kann man die gesamte Reflexionsfläche in Spalten aufteilen, die sich von der Lichtaustrittsöffnung des Reflektors zur Fassung des Leuchtkörpers hin erstrecken. Die Grenzlinien zwischen einander benachbarten Spalten können mit Meridianlinien zusammenfallen. Sie müssen es aber nicht.

Desgleichen müssen die genannten Reihen nicht unbedingt in achssenkrechten Ebenen verlaufen. Sie könnten sich auch spiralig um die optische Achse des Reflektors herumwinden.

Von den zahlreichen Arten, eine Rotations-Asymmetrie vorzusehen, ist noch die folgende Möglichkeit zu erwähnen: Handelt es sich um Facetten von zylindrischer Form, so können die Achsen der Zylinder parallel zur optischen Achse des Reflektors verlaufen, aber auch in Umfangsrichtung.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ungleiche Formen miteinander zu paaren. So kann beispielsweise ein Bereich der Reflektor-Innenfläche aus kugeligen Facetten gebildet sein, während ein anderer Bereich aus ebenen Facetten gebildet ist. Eine weitere Paarung zwischen verschiedenen Spalten kann in konkaven und konvexen Zylindern bestehen, oder in großen und kleinen Zylindern.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen facettierten Reflektor mit 24 Spalten und 9 Reihen.

Fig. 2 zeigt wiederum eine Draufsicht auf einen facettierten Reflektor mit vier Gruppen von Facetten.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen abgewickelten, facettierten Reflektor, bei dem nur eine einzige Reihe dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen Reflektor mit gegeneinander versetzten Facettenreihen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Reflektor sind die Facetten in Reihen angeordnet, die zur x-Achse konzentrisch verlaufen. Die Facetten sind gleichzeitig in Spalten angeordnet. Die Facetten können kugelförmig oder zylindrisch sein.

Dabei werden die Radien der Facetten (das heißt die Radien der Kugeln oder der Zylinder) innerhalb einer Facettenreihe, variiert entsprechend der Größe des Raumwinkels, unter dem die Facette den Leuchtkörper "sieht". Bei großem Raumwinkel und damit verbundener größerer Lichtstreuung wird dem gemäß eine kleinere Krümmung der Facettenfläche gewählt, somit ein größerer Facettenradius, und umgekehrt. Sind beispielsweise die Abmessungen des Leuchtkörpers in Richtung der y-Achse größer, als in Richtung der z-Achse, so müssen die Radien der Facetten in zwei Spalten, die auf der z-Achse liegen, größer sein als die Radien der Facetten in den beiden Spalten, die auf der y-Achse liegen. Die Radien der Facetten in den dazwischen liegenden Spalten sind dann in geeigneter Weise zwischen diesen beiden Extremwerten zu wählen.

In der Praxis hat sich dabei folgende cosinusförmige Beziehung als sehr geeignet erwiesen:

Es können jedoch auch andere periodische Beziehungen mit gleicher Periode gewählt werden, z. B.:

Einen ähnlichen Effekt erhält man, wenn nicht der Radius der Facette innerhalb einer Reihe variiert wird, sondern der Winkel, über den sich eine Spalte von Facetten erstreckt. Dieses Prinzip läßt sich nicht nur auf kugelförmige oder zylindrische Facetten, sondern auch auf ebene Facetten anwenden. Es werden die Sektorwinkel von kugeligen oder zylindrischen oder ebenen Facetten innerhalb einer Facettenreihe entsprechend der Größe des Raumwinkels variiert, unter dem die Facette den Leuchtkörper "sieht". Bei großem Raumwinkel und dem gemäß größerer Lichtstreuung wählt man einen kleineren Sektorwinkel, und umgekehrt. Sind zum Beispiel die Abmessungen des Leuchtkörpers in Richtung der y-Achse größer, als in Richtung der z- Achse, so müssen die Sektorwinkel in den beiden Spalten, die auf der z- Achse liegen, kleiner sein als die Sektorwinkel der Facetten in den beiden Spalten, die auf der y-Achse liegen. Die Sektorwinkel in den dazwischen liegenden Spalten sind dann in geeigneter Weise zwischen diesen beiden Extremwerten zu wählen.

In der Praxis hat sich dabei folgende cosinusförmige Beziehung als sehr geeignet erwiesen:

Es können jedoch auch andere periodische Beziehungen mit gleicher Periode gewählt werden, z. B.:

Handelt es sich um zylindrische Facetten, so können die Zylinderachsen relativ zum gesamten Reflektor variiert werden. Die Zylinderachsen können beispielsweise in Umfangsrichtung verlaufen, und somit dem Verlauf einer Reihe folgen, oder in Richtung der Spalten verlaufen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die gesamte Reflektorfläche in vier gleiche Sektoren A, B, C und D von jeweils 90 Grad aufgeteilt. Die z-Achse ist dabei gleichzeitig Symmetrieachse der Sektoren A und C, und die y-Achse ist gleichzeitig Symmetrieachse der Sektoren B und D. Je nach der gewünschten Lichtverteilung und dem gewünschten Lichtfeld wird dann für die Sektoren A und C eine zum Reflektorumfang senkrechte (bzw. tangentiale) Ausrichtung der Zylinderachse der Facetten gewählt, und für die Sektoren B und D eine zum Reflektorumfang tangentiale (bzw. senkrechte) Ausrichtung.

Damit der gewünschte Effekt erreicht wird, sollte in geeigneter Weise eine Marke am Reflektor angebracht werden. Hierdurch läßt sich die Lampe mit dem nicht-rotationssymmetrischen Leuchtkörper in der richtigen Winkelposition in den Reflektor einbauen. Es läßt sich damit erkennen, in welche Richtung sich das ovale Lichtfeld erstreckt.

Fig. 3 läßt eine einzige Reihe von Facetten erkennen. Diese verläuft spiralig um die x-Achse und damit um die optische Achse des Reflektors. Die anderen Reihen verlaufen ebenfalls spiralig. Die Reihen liegen somit nicht in Ebenen, die senkrecht zur optischen Achse des Reflektors verlaufen.

In den Fig. 1 und 2 verlaufen die Grenzlinien zwischen zwei einander benachbarten Spalten radial. Dies muß jedoch nicht unbedingt so sein. Vielmehr können auch die Grenzlinien - und damit die Spalten selbst - einen anderen Verlauf haken, beispielsweise einen gegen die Radiale geneigten Verlauf.

Die Ausdrucksweise "Facetten" bedeutet nicht unbedingt, daß es sich um scharf gegeneinander abgegrenzte Flächen handelt. Vielmehr können die Facetten auch stetig ineinander übergehen.

Wenn von "Reihen" und "Spalten" die Rede ist, so bedeutet dies ebenfalls nicht zwingend eine strenge Abgrenzung zwischen einzelnen Reihen und einzelnen Spalten. Vielmehr ist auch hier ein stetiger Übergang zwischen einander benachbarten Reihen bzw. einander benachbarten Spalten möglich. Es handelt sich somit in einem solchen Falle nur um ideelle Reihen und ideelle Spalten.

Claims (14)

1. Optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines Lichtfeldes;

• 1. 1.1 das optische Design ist einem Grundkörper überlagert, der hohl ist, ein erstes Ende zum Aufnehmen eines Leuchtkörpers aufweist (Fassungsende) sowie ein zweites Ende, das eine Lichtaustrittsöffnung darstellt;
• 2. 1.2 die Innenfläche des Grundkörpers besitzt ein optisches Design aus einer Vielzahl von Facetten;
• 3. 1.3 zum Erzeugen einer bestimmten Lichtfeldkontur bei gegebener Gestalt des Leuchtkörpers sind die Formen einzelner Facetten und deren Lage relativ zur optischen Achse des Reflektors in bestimmter Weise ausgewählt.

2. Optisches Design nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten derart gestaltet und angeordnet sind, daß eine Rotationssymmetrie der Facetten weitgehend vermieden ist.

3. Optisches Design nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 1. 3.1 die Facetten sind einerseits in Reihen angeordnet, die um die optische Achse des Reflektors herum gruppiert sind, und andererseits in Spalten, die sich vom Lichtaustrittsende des Grundkörpers zum Fassungsende hin erstrecken;
• 2. 3.2 die Facetten einander benachbarter Spalten weisen unterschiedliche Reflexionsverhalten auf.

4. Optisches Design nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen in Ebenen liegen, die zur optischen Achse des Reflektors senkrecht verlaufen.

5. Optisches Design nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinien zwischen den Spalten in Ebenen liegen, die parallel zur optischen Achse verlaufen.

6. Optisches Design nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen von Facetten spiralig um die optische Achse des Reflektors verlaufen.

7. Optisches Design nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinie zwischen einander benachbarten Spalten in Ebenen liegen, die gegen die Radiale des optischen Designs geneigt sind.

8. Optisches Design nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten Zylinderflächen sind.

9. Optisches Design nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten sphärische Flächen sind.

10. Optisches Design nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten andere gekrümmte Flächen aufweisen, beispielsweise Rotations-Ellipsoide oder Rotations- Paraboloide.

11. Optisches Design nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien von Facetten innerhalb einer Facettenspalte unterschiedlich groß sind.

12. Optisches Design nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten ebene Flächen sind.

13. Optisches Design nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten konvexe oder konkave Flächen sind.

14. Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines bestimmten Lichtfeldes;

• 1. 14.1 mit einem optischen Design;
• 2. 14.2 die reflektierende Fläche des optischen Designs ist aus einer Vielzahl von Facetten zusammengesetzt;
• 3. 14.3 das optische Design ist gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 gestaltet.