DE2144300C3

DE2144300C3 - Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE2144300C3
Application number: DE2144300A
Authority: DE
Inventors: Sylvan R. Woodbridge Shemitz; Benjamin L. Clinton Stahlheber
Original assignee: Sylvan R Shemitz And Associates Inc West Haven Conn (vsta)
Current assignee: Sylvan R Shemitz And Associates Inc West Haven Conn (vsta)
Priority date: 1970-09-03
Filing date: 1971-09-03
Publication date: 1980-12-04
Also published as: US3679893A; JPS5224354B1; GB1363244A; FR2107192A5; CA930343A; DE2144300A1; DE2144300B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsanordnung zum gleichmäßigen Ausleuchten einer zur Hauptabstrahlrichtung geneigten ebenen Fläche, mit einer länglichen Lichtquelle, einer ersten reflektierenden Fläche mit parabolischem Profil, dessen Brennpunkt mit der Lichtquelle zusammenfällt und dessen Achse mit der Normalen auf die zu beleuchtende Fläche einen Winkel von mehr als 45° einschließt, einer zweiten reflektierenden Fläche mit elliptischem Profil, dessen erster Brennpunkt ebenfalls mit der Lichtquelle zusammenfällt, und mit mindestens einer zusätzlichen reflektierenden Fläche.

der zweite Brennpunkt des elliptischen Profils liegt außerhalb des Raumes, der von der ersten und zweiten reflektierenden Fläche sowie von der Ebene begrenzt ist, die die freien äußeren Ränder dieser Flächen miteinander verbindet,
die Hauptachse des elliptischen Profils ist zur Normalen unter einem Winkel zwischen etwa 5° und etwa 45° geneigt, und

wenn diese Neigung weniger als 35° beträgt, dann sind an den freien Rand des parabolischen Profils anschließende zusätzliche reflektierende Flächen derart angeordnet, daß sie das Licht in einem Winkelbereich zwischen etwa 0° und 65° auf die zu beleuchtende Fläche werfen.

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Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der eine Nebenlichtquelle bildende zweite Brennpunkt des elliptischen Profils außerhalb des Reflektors in Richtung zur zu beleuchtenden Fläche angeordnet ist, so daß die vom zweiten Brennpunkt gebildete Nebenlichtquelle zur unmittelbaren Beleuchtung des naheliegenden Bereiches der zu beleuchtenden Fläche herangezogen werden kann; soweit der Reflektor verhältnismäßig steil gegen die zu beleuchtende Flache gerichtet ist, ist mindestens eine, an der Außenseite des paraboliscäftin Profils angesetzte zusätzliche Fläche vorgesehen, die verhindert, daß die Lichtstrahlen der vom zweiten Brennpunkt des elliptischen Profils gebildeten Hilfslichtquelle über die zu beleuchtende Fläche hinausfallen, sondern der betroffene Strahlungsanteil wird auf die zu beleuchtende Fläche reflektiert Im übrigen können die zusätzlichen reflektierenden Flächen derart verlängert sein, daß sie zur Abschirmung und Begrenzung des abgestrahlten Lichtes herangezogen werden können.

Es wird somit durch die Erfindung eine Beleuchtungsanordnung geschaffen, die nicht nur die zu ihrer Hauptachse geneigte, zu beleuchtende Fläche besser und gleichmäßiger ausleuchtet sondern auch eine bessere Lichtausbeute liefert, so daß, obwohl im Gegensatz zur bekannten Anordnung nur eine einzige Lichtquelle verwendet wird, dennoch eine bessere Ausleuchtung der zu beleuchtenden Fläche erzielt werden kann.

Die erfindungsgemäße Beleuchlungsanordnung kann in typischer Weise als Straßenbeleuchtung verwendet werden, welche auf einer erhöhten Stütze zwischen einem verhältnismäßig schmalen Gehsteig und einer verhältnismäßig breiten Straße angebracht ist; bei entsprechender Auslegung kann die erfindungsgemäße Leuchte sowohl die Straße in voller Breite als auch den Gehsteig mit im wesentlichen gleichmäßiger Lichtstärke blendungsfrei ausleuchten, ohne daß für Bereiche jenseits der Straße und des Gehsteiges Licht verschwendet wird.

Werden zur Beleuchtung einer Fläche mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnungen verwendet, dann können diese entweder einsnder gegenüberstehend mit sich kreuzender Strahlung oder mit ihren Rückseiten zueinander in einem Kreis angeordnet sein, so daß das Licht auswärts reflektiert wird. Es ist grundsätzlich möglich, die Flächen der Beleuchiungsanordnung rotationssymmetrisch auszubilden, obwohl zylindrische Retlektorflächen in Verbindung mit einer langgestreckten Lichtquelle bevorzugt sind, beispielsweise einer Gas-Entladungslampe, wie uiner Quecksilberdampflampe, keramischen Entladungslampe, Metallhalogenidlampe, Fluoreszenzlampe, oder einer WoIframhalogenidlampe, Quarzlampe, Jodlampe oder dergl.

Weitere bevorzugte Ausbildungen sind in den Ansprüchen aufgeführt.

Ausführungsbeispiele der Beleuchtungsanordnung nach der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise schematisierte Schrägansicht einer erfindungsgemäßen B"'.-:.. 'ungsanordnung,

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht entsprechend der Linie2-2in Fig. 1,

Fig.3 eine schematisierte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung in einer Stellung zum Ausleuchten einer vertikal angeordneten ebenen Fläche unter asymmetrischer Lichtverteilung,

Fig.4 eine schematisierte Darstellung des Strahlen-

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65 ganges bei dem Reflektor gemäU einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 5 eine photometrische Kurve zur Darstellung der relativen Lichtstärke unter Verwendung des in F i g. 4 gezeigten Reflektors,

F ι g. 6 eine schematisierte Seitenansicht des Strahlenganges bei dem Reflektor gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, und

F i g. 7 eine photometrische Kurve zur Darstellung der relativen Lichtstärke unter Verwendung des in F i g. 6 gezeigten Reflektors.

In der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 1 bis 4 umfaßt ein Reflektor 11 im wesentlichen eine reflektierende Fläche 13 mit parabolischem Profil und eine reflektierende Fläche 15 mit elliptischem Profil. Dazwischen ist eine reflektierende, gekrümmte Fläche 17 angeordnet In unmittelbarer Nähe des äußeren Randes der elliptischen Fläche 15 befindet sich eine ebene reflektierende Fläche 19, deren Profil eine Gerade bildet. Darunter ist am äußeren Rand der paraboüschen Fläche 13 eine zweite ebene reflektierende Fläche 21 angeordnet, deren Profil ebenfalls eine Gerade bildet. Die reflektierende Fläche 17 ist gegenüber den Flächen 13 und 15 etwas auswärts versetzt, so daß sie damit Durchlässe 23 und 25 bildet. Im ersten Brennpunkt Fi der elliptischen Fläche 15 ist eine Lichtquelle 27 angeordnet. Der Reflektor 11 kann in einem Gehäuse 29 angeordnet und mittels (nicht dargestellter) Streben, Nieten, Schrauben oder dergl. hinter einem schützenden Fenster oder einem Deckglas 31 befestigt sein.

Fig. 3 zeigt den Reflektor U in einer Stellung auf einer horizontalen Fläche 35 zum Beleuchten einer vertikalen Fläche 33, beispielsweise einer Tafel. Ebenso kann die Fläche 33 aber auch horizontal verlaufen, wobei der Reflektor 11 dann oberhalb derselben, an einem nun mit dem Bezugszeichen 35 bezeichneten Teil, das dann eine vertikale Stütze bildet, angeordnet ist, um die Fläche 33 zu beleuchten. In beiden Siellungen ergib! der Reflektor 11 gerräß der Erfindung eine verhältnismäßig gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche 33 innerhalb des Winkelbereiches A zwischen 0° und 65° in bezug auf die Normale (das Lot der Lichtquelle auf die zu beleuchtende Fläche 33). Der größte zweckmäßige Winkelbereich A liegt bei 65°, läßt sich jedoch durch mit den parabolischen und elliptischen Flächen zusammenwirkende, zusätzliche reflektierende Flächen oder durch Schwenken der reflektierenden Flächen vergrößern oder verkleinern.

Die Reflexionsrichtungen der einzelnen Flächen sowie die Wirkungsweise des Reflektors 11 insgesamt ergibt sich aus Fig.4 und 5. Wie man aus Fig.4 erkennt, weisen die beiden wesentlichen reflektierenden Flächen 13 und 15 eine Profilkrümmung und eine relative räumliche Anordnung auf wie folgt:

a) Der erste Brennpunkt des Profils der elliptischen Fläche 15 liegt auf der Achse des Profiles der parabolischen Fläche 13 und fällt mit dessen Brennpunkt zusammen,

b) der zweite Brennpunkt des Profils der elliptischen Fläche 15 liegt außerhalb eines durch die reflektierenden Flächen 13, 15 und eine die freien äußeren Ränder derselben verbindende Ebene begrenzten Raumes,

c) die Achse des Profils der parabolischen Fläche verläuft in einem Winkel zwischen etwa 45° und etwa 90°, und zwar 65° zur Normalen (zum Lot des

Brennpunkts des parabolischen Profils auf die zu beleuchtende Fläche 33),

d) die Hauptachse des elliptischen Profils verläuft in einem Winkel zwischen etwa 5° und 45°, und zwar etwa 45° zur Normalen.

Der vorstehend unter b) angeführte Raum ist in Fig.4 durch die Linie P-P'begrenzt. Man erkennt, daß der zweite Brennpunkt Fz jenseits der Linie P-P' und damit außerhalb des Raumes liegt. Hinsichtlich der Bedingung c) ist zu erkennen, daß die Linie 37 entlang der Achse des parabolischen Profils der Fläche 13 und durch den ersten Brennpunkt des Profils der Ellipsenfläche 15 verläuft. Die durch von den Flächen 13 und 15 reflektiertes Licht beleuchteten Flächenteile sind mit 33a bzw. 33b bezeichnet. Die Flächen 13 und 15 können zwar auch so angeordnet sein, daß sich das von ihnen reflektierte Licht auf der Fläche 33 etwas überlappt, vorzugsweise sind sie jedoch so gestaltet und angeordnet, daß· eine Überlappung entsprechend der Zeichnung vermieden ist.

Zum Vermeiden von Reflexionen zurück zur Lichtquelle und zum Ausfüllen der Teilbereiche zwischen den von den beiden Flächen 13, 15 beleuchteten Bereichen der zu beleuchtenden Fläche ist die zusätzliche Reflektorfläche 17 vorgesehen, welche eine zweckmäßige Profilform aufweist, beispielsweise eine ebene, kugelige, parabolische oder sonstwie zweckmäßig gekrümmte Profilform.

Als Hilfsreflektoreinrichtungen insbesondere zum Reflektieren von direkter Lichtstrahlung in die nutzbare Beleuchtungszone und zum Ablenken von Streureflexionen von den anderen Flächen können ebene Reflektorflächen Ϊ9 und 21 vorgesehen sein (Fig.4). Die Hilfsreflektoren 19 und 21 bewirken ferner eine scharfe Begrenzung der reflektierenden Strahlung auf die Fläche 33 in vorbestimmten Winkeln. So begrenzt die Reflektorfläche 21 in Fig.4 die direkte Strahlung von der Lichtquelle 27 derart, daß die Beleuchtung der Fläche 33 im Fußpunkt der Normalen ihren Anfang nimmt. Durch die Verwendung einer Reflektorfläche 21, welche eine zur Fläche 33 normal verlaufende Achse nicht schneidet oder berührt, läßt sich eine Beleuchtung auf der der Fläche 33 abgewandten Seite des Fußpunktes der Normalen erzielen, wie durch die den Winkel B einschließende gestrichelte Linie 38 angedeutet ist.

In Fig.4 verläuft die die Brennpunkte Fi und F2 schneidende Achse der EHipsenfläche 15 im Winkel von etwa 45° zur Normalen. Bei einer solchen Ausrichtung fällt im wesentlichen die gesamte durch die Ellipsenfläehc 15 reflektierte Strahlung in der, Winkelbereich zwischen 0° und 65° in bezug auf die Normale. Wie man jedoch im folgenden anhand von F i g. 6 und 7 erkennt, kann die Hauptachse der EHipsenfläche auch so ausgerichtet sein, daß das durch diese Fläche reflektierte Licht nicht in einem Bereich zwischen —10° und + 65° im bezug auf die Normale liegt, wobei dann eine Hilfsreflektorfläche vorgesehen sein kann, welche die reflektierte Strahlung in den Bereich zwischen —10° und +155° zurücklenkt.

F i g. 5 zeigt näherungsweise die Verteilung der relativen Lichtstärke an der Fläche 33 bei der Ausfühirungsform der Erfindung nach F i g. 1 bis 4. Die sich hier ergebende Kurve in Form eines halben Schmetterlingsflügels deutet bekanntlich auf eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Beleuchtungsstärke über die Fläche 33 hin. Man erkennt ferner, daß im links von der Normalen gelegenen Bereich in der durch den Winkel B eingeschlossenen Zone eine gewisse Beleuchtungsstärke vorhanden ist. Diese Stärke der dort vorhandenen Beleuchtung ist abhängig von der relativen Ausrichtung der Ellipsen- und Parabolflächen des Reflektors sowie von der Art und Anordnung vorhandener Hilfsreflektoreinrichtungen wie der Fläche 21 in F i g. 4. Es ist jedoch klar zu erkennen, daß der größere Teil des Lichtes bei einer Ausrichtung der Hauptachse der EHipsenfläche in einem Winkel von etwa 35° oder darüber in bezug auf die Normale auf den rechts gelegenen Bereich gelangt, so daß die sich ergebende photometrische Kurve noch immer der Kurve nach Fig. 5 angenähert wäre. Die Gesamtgröße der Fläche 41 ist von der Leistung der Lichtquelle 27 abhängig, die Form der Kurve isi jedoch bei einem gegebenen Reflektor und gleicher Anordnung der Lichtquelle konstant.

F i g. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines Reflektors für die Beleuchtungsanordnung. Hierbei sind die wichtigsten reflektierenden Flächen eine Fläche 43 mit parabolischem Profil und eine Fläche 45 mit elliptischem Profil. Hinsichtlich der gegenseitigen Ausrichtung der beiden Flächen ist aus Fig.6 zu ersehen, daß die vorstehend angeführten vier Bedingungen a) bis d) voll erfüllt sind. Insbesondere ist zu bemerken, daß der zweite Brennpunkt der Ellipsenfläche 45 sich zwar auf der Begrenzungsebene P-P', jedoch nicht innerhalb des durch sie begrenzten Raumes befindet. Die Achse 67 des Parabolprofils 43 verläuft durch den ersten Brennpunkt Fi der Ellipsenfläche 45, an dem sich auch die Lichtquelle 27 befindet, wobei bevorzugt Fi und der Brennpunkt des Parabolprofils 43 zusammenfallen.

Bei der in Fig.6 gezeigten Ausrichtung der Flächen 43 und 45 verläuft die durch die EHipsenfläche 45 reflektierte Lichtstrahlung durch den Brennpunkt F2 hindurch. Zum Zurückwerfen dieser reflektierten Strahlung in den Bereich zwischen 0° und 65° in bezug auf die Normale ist eine Hilfsreflektorfläche 47 mit parabolischem Profil vorgesehen. Die Reflektorfläche 47 kann je nach Zweckmäßigkeit eine geradlinige, allgemein gekrümmte oder sonstige Profilform aufweisen.

In Fig. 6 ist zu erkennen, daß das durch die Parabelfläche reflektierte Licht einen Abschnitt 63a der Fläche 63 und das durch die EHipsenfläche 43 reflektierte und zurückgeworfene Licht einen Abschnitt 636 der Fläche 63 beleuchtet, wobei sich die beiden Abschnitte beträchtlich überlappen. Zur Verstärkung dieses reflektierten Lichts und zur Steuerung der direkt von der Lichtquelle 27 ausgehenden Strahlung sind in unmittelbarer Nähe der reflektierenden Flächen 43 und 45 und in bezug auf die Fläche 63 oberhalb derselben, reflektierende Profilflächen 53,54 und 56 angeordnet.

Die Reflektorflächen 53, 54 und 56 dienen ferner der Ausleuchtung der nicht durch die Reflektorflächen 43 und 45 ausgeleuchteten Abschnitte der Fläche 63, beispielsweise des Abschnitts 63c Bei der beschriebenen Ausbildung des Reflektors nach F i g. 6 würde auch, wie durch die gestrichelte Linie 68 angedeutet, ein schmaler Streifen zur Linken der Normalen beleuchtet werden. Für bestimmte Zwecke ist jedoch eine scharfe Begrenzung im Fußpunkt der Normalen oder an der der Fläche 63 zugewandten Normalen erwünscht Zu diesem Zweck können eine oder mehrere reflektierende Flächen oder Schirme mit geradlinigem Profil 49, 51 vorgesehen sein.

In der in F i g. 6 gezeigten Ausführung des Reflektors ist zwischen den Flächen 54 und 56 ein Ventilationsschlitz 57 nahe der Lichtquelle 27 gebildet, um deren Überhitzung zu vermeiden. Statt Reflektorflächen 53, 54 und 56 vorzusehen, können auch die beiden Haupl-Reflektorflächen entsprechend verlängert werden.

Fig.7 zeigt eine photometrische Darstellung der angenäherten relativen Lichtstärkenverteilung bei einer Beleuchtungsanordnung mit einem Reflektor nach F i g. 6. Die Bezeichnung »relative Lichtstärke« und die Winkel A und B haben die gleiche Bedeutung wie in F i g. 5. Aus der Form der Kurve ist zu erkennen, daß

innerhalb eines Bereiches zwischen etwa 0° und 65° in bezug auf die Normale eine nahezu ideale Lichtstärkenverteilung für eine gleichmäßige Beleuchtung erzielt ist. Entsprechend F i g. 5 ist auch hier die Größe der Fläche 71 lediglich von der Leistung der Lichtquelle 27 abhängig.

Ein besonderer mit dem Reflektor nach Fig.6 erzielter Vorteil ist eine im wesentlichen vollständige Begrenzung von direkter Strahlung der Lichtquelle im Bereich von etwa 70° in bezug auf die Normale ohne Zuhilfenahme von Hilfsreflektorflächen wie der Fläche 19 in F i g. 4 oder von Abschirmungen. ⁿ

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Beleuchtungsanordnung zum gleichmäßigen Ausleuchten einer zur Hauptabstrahlrichtung geneigten ebenen Fläche, mit

— einer länglichen Lichtquelle,

— einer ersten reflektierenden Fläche mit parabolischem Profil, dessen Brennpunkt mit der Lichtquelle zusammenfällt und dessen Achse mit der Normalen auf die zu beleuchtende Fläche einen Winkel von mehr als 45" einschließt,

— einer zweiten reflektierenden Fläche mit elliptischem Profil dessen erster Brennpunkt ebenfalls mit der Lichtquelle zusammenfällt,

— und mit mindestens einer zusätzlichen reflektierenden Fläche,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

— der zweite Brennpunkt (F₂) des elliptischen Profils liegt außerhalb des Raumes, der von der ersten (13; 43) und zweiten (15; 45) reflektierenden Fläche sowie von der Ebene (P-P') begrenzt ist, die die freien äußeren Ränder dieser Flächen miteinander verbindet,

— die Hauptachse (Fi-F₂) des elliptischen Profils ist zur Normale unter einem Winkel zwischen etwa 5° und etwa 45" geneigt,

— wobei bei einer Neigung von weniger als 35° an den freien Rand des parabolischen Profils anschließende zusätzliche reflektierende Flächen derart angeordnet sind, daß sie das Licht in einem Winkelbereich zwischen etwa 0° und 65° auf die zu beleuchtende Fläche werfen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche reflektierende Fläche als parabolische Fläche (47) ausgebildet ist, deren Achse durch den zweiten Brennpunk.'. (F₂) der Fläche (45) mit elliptischem Profil verläuft.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine weitere reflektierende Fläche (17; 53, 54, 56), die zwischen der ersten (13; 43) und der zweiten (15; 45) reflektierenden Fläche zum Reflektieren der Strahlung in den Winkelbereich von -10° bis +65° bezüglich der Normalen angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere zusätzliche reflektierende Fläche aus Teilstücken (53,54,56) zusammengesetzt ist.

Zur Beleuchtung einer horizontalen Fläche, wie etwa bei Straßen, Gehwegen, Parkplätzen, Decken und Bodenflächen in Gebäuden, Ausstellungsflächen oder einem Vorfeld eines Flugplatzes oder zur Beleuchtung einer vertikalen Fläche, wie Tafeln, Wände und dergl. ist es oftmals nicht möglich. Beleuchtungskörper mit achs- oder flächensymmetrischer Lichtverteilung derart anzubringen, daß die zu beleuchtende Fläche auch gleichmäßig aufgehellt wird. Ferner wird oftmals die zu

ίο beleuchtende Fläche an ihren Rändern überstrahlt, wodurch nicht nur ggf. eine unerwünschte Blendung eintritt, sondern insbesondere auch die Lichtausbeute verhältnismäßig gering ist

Um bei asymmetrischer Anordnung eines Beleuchtungskörpers, also bei der Beleuchtung einer zur HauptabslrahlrichtuDg geneigten ebenen Fläche, eine gleichmäßigere Ausleuchtung zu erzielen, als dies mit einem Beleuchtungskörper mit symmetrischer Abstrahlungscharakteristik möglich ist, wurde eine Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen (US-PS 27 17 954), bei welcher die reflektierende Fläche mit parabolischem Profil den von der Lichtquelle am weitesten entfernten Bereich der zu beleuchtenden Fläche ausleuchtet, während zusätzliche reflektierende Flächen mit elliptischem Profil vorgesehen sind, um die näherliegenden Bereiche auszuleuchten. Bei der bekannten Beleuchtungsanordnung sind allerdings mehrere reflektierende Flächen mit elliptischem Profil vorgesehen, deren erster Brennpunkt jeweils mit dem Brennpunkt des parabolischen Profiles und einer von zwei Lichtquellen zusammenfällt, während die von den zweiten Brennpunkten der Flächen mit elliptischem Profil gebildeten Nebenlichtquellen jeweils in einem wandnahen Bereich des Reflektors — teilweise zwischen diesem und der obengenannten Lichtquelle — angeordnet sind. Die somit teilweise von der Hauptlichtquelle abgeschirmten Nebenlichtquellen können daher nur einen verhältnismäßig geringen Beitrag zur Ausleuchtung der zu beleuchtenden Fläche leisten, so daß die Ausleuchtung der dem Reflektor nahen Bereiche der zu beleuchtenden Fläche ungenügend ist und im übrigen die Lichtausbeute der obengenannten einen Lichtquelle so gering ist, daß die Anordnung einer zweiten Lichtquelle erforderlich

45 ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, bei der Beleuchtung einer zur Hauptabstrahlrichtung geneigten ebenen Fläche eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung und zugleich eine bessere Lichtausbeute als bei der bekannten Anordnung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die folgenden Merkmale gelöst: