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Gerät zur Bündelung von Strahlen" Die nachstehend beschriebene Erfindung
betrifft ein Gerät, welches aufgrund seiner geometrischen Form und seiner sonstigen
Konstruktionsmerkmale in der Lage ist, reflektierbare Strßnlen zu bündeln und so
parallel u richten, daß, von ReGlexions- und konstruktiv bedingten Verlusten abgesehen,
die gesamte ausgestrahlte Energie in einem einzigen Strahlenbündel kleinsten Durchmessers
mit sehr hoher Intensität wirksam wird.
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Das Gerät hat einen sehr breiten Anwendungsbereich zu erwarten und
kann praktisch in allen Bereichen der Industrie und auch in anderen Zweigen eingesetzt
werden.
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Es gibt viele Beispiele für Strahlenbündelungen; mit Hilfe optischer
Linsen, verschieden geformter Spiegel oder Kombinationen von beiden. Die positiven
und negativen Eigenschaften dieser Instrumente sind so allgemein bekannt, daß hier
nicht besonders darauf eingegangen zu werden braucnt.
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Die einzige bisher bekanntgewordene nutzbare Form fast paralleler
Strahlenbündelung ist der LASER-Strahl in seinen verschiedensten Ausführungen. Auch
hier kann die Entstehung und @irkungsweise als bekannt vorausgesetzt werden.
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Die Grundform der vorliegenden erfindung ist die Ellipse und Qie aarauI
aufbauenden Rotations- und geometrischen Körper, enauer gesagt, Honlkorper.
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Des leichteren Verständnisses wegen sollen die ersten Erklärungen
zunächst an Eand der Ellipse erfolgen: In der Abb. 1 sind, wie auch in allen folgenden
Abbildungen, A und B die Brennpunkte der Ellipse.
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Innerhalb einer Ellipse werden alle von einem Brennpunkt radial ausgehenden
Strahlen von der die Ellipse umgrenzenden Kurve so reflektiert, daß sie sich in
dem anderen Brennpunkt wieder sammeln. Diese Tatsache ist seit altersher bekannt
(Flüstergewölbe) und wird auch heute weithin angewandt, wie z.S, bei der Übertragung
der Frregerenergie auf das LASER-Medium.
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Nach diesem Sammeln in dem zweiten Brennpunkt breiten sich die Strahlen
aber genau so radial aus, wie im Anfang bei der Strahlenquelle des ersten Brennpunktes.
Das bedeutet, daß sich alle Strahlen auch wieder im ersten Brennpunkt sammeln, um
von dort wieder zum zweiten Brennpunkt zu laufen. Dieser Strahlengang setzt sich
also ständig fort. Und dabei kommt eine weitere Eigenart der Ellipse zur Geltung:
Nach jeder Reflexion und nach jedem Durchlaufen der Brennpunkte nähert sich jeder
Strahl aufgrund mathematischer Gesetze immer mehr der Hauptachse der Ellipse, bis
schließlich alle Strahlen straff gebündelt und parallel auf der Hauptachse liegen.
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In der Abb. 1 ist ein vom Brennpiiiikt A senKrecht nach oben ausgehender
Strahl und der weitere Strahlenverlauf eingezeichnet. t!ach den im letzten Absatz
erwähnten mathematiscnen Gesetzen verhalten sich die Abstände eines Strahles von
der Hauptacnse wie die dazugehorenden Abschnitte auf der dauptachse.
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Das ist: 1.) (A-a) : (C-c) = (A-£) : (L-C) 2.) (C-c) : (D-d) = (C-A)
: (A-D) usw.
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Diese Relationen ergeben gleichzeitig, daß streng mathematisch die
Strahlen sich erst in der Unendlichkeit parallel auf die Hauptachse legen.
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Es kann also festgestellt werden: Alle in einer Ellipse von einem
oder auch von beiden Brennpunkten ausgehenden Strahlen werden letztlich auf der
Hauptachse zu einem Strahlenbündel gesammelt, dessen Durchmesser gleich Null ist!
Dieser hier beschriebene Effekt läßt sich auch mit einer Halbellipse erreichten,
wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. Auf der Nebenachse ist hier eine planebene Reflexionsfläche
angebracht.
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Bei dieser Form ist allerdings die doppelte Anzahl von Reflexionen
erforderlich, ehe alle Strahlen auf der Hauptachse liegen.
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Bevor auf die praktische Anwendung dieser Tatsache eingegangen wird,
müssen noch einige Worte über die Ellipse allgemein gesagt werden: Es gibt nicht
eine klassische Ellipse, sondern sie kann alle Formen haben, die zwischen den Grenzfällen
liegen: dem Kreis auf der einen Seite und der Geraden auf der anderen Seite.
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Dieses ergibt sich aus dem Ursprung der Ellipse, dem Kegelschnitt.
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Diese Gegebenheit hat auch Auswirkungen auf die vorliegende Erfindung.
An Hand zweier Beispiele soll dieses erläutert werden: 1.) Ellipse, die sich der
Kreisform nähert (Siehe Abb. 3) Bei dieser Ellipse liegen die Brennpunkte A und
B sehr nahe am Kreuzungspunkt der Hauptachse mit der Nebenachse.
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Das hat nach der o.g. mathematischen Begründung zur Folge,
daß
die von einem Brennpunkt ausgehenden Strahlen sehr oft reflektiert werden mässen,
ehe sie sich auf der Hauptachse parallel bkindeln. Unterstellt man, daß die Ellipse
an einer Seite auf der nauptacnse eine konzentrische oeffnung hat, wie in Abb. 3
dargestellt, durch welche die Strahlen die Ellipse verlassen können, dann zeigt
sicd aber, daß gegenüber der im nächsten Absatz beschriebenen Ellipse bei gleich
großer Öffnung die Strahlen wesentlich stärker gebündelt sind, d.n., sie treten
unter einem Kleineren winkel aus.
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2.) Langgestreckte Ellipse (Siehe Abb. 4) Bei dieser Foran liegen
die Brennpunkte sehr weit weg vom Kreuzungspunkt der beiden Achsen und nähern sich
der Begrenzung der Ellipse. Dieses bewirkt, daß sich die von einem Brennpunkt ausgehenden
Strahlen relativ schnell, d.n. mit wenig Reflexionen, auf die hauptachse legen.
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Dafür liegt jedoch ein nachteil darin, daß bei einer gleich großen
Austrittsöffnung wie im Fall 1 der Austrittswinkel entsprechend größer ist. Während
bei der vorher beschriebenen, mehr runden Ellipse ein vom Brennpunkt A senkrecht
nach oben -wie in Abb.3 dargestellt- ausgehender Strahl 19 mal reflektiert werden
muB, ehe er durch die recnts angegebene Öffnung die Ellipse verlassen kann, ist
bei der gestreckten Ellipse nur eine Reflexion notwendig.
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Da der Austrittswinkel der Strahlen abhängig ist vorn Abstand des
Brennpunktes vorn Ellipsenmantel und vom Öffnungedurchmesser, ergibt sich bei gleich
großer Öffnung bei der langgestreckten Ellipse ein wesentlich größerer Streuwinkel.
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Im Rahmen dieser Erfindung bedeutet dieses, daß von Pall zu Fall die
für den vorgesehenen Zweck günstigste Forn ausgewählt werden muß.
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zinke weitere Möglichkeit soll an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben.
Dabei wird unterstellt, daß die Punktion des sogenannten Riesenimpulses beim LASER-Stranl
bekannt ist. Analog zu dieser Technik kann bei dieser Erfindung auch der Effekt
eines Riesenimpulses erreicht werden und zwar dadurch, daß die im Vorhergesagten
schon erwahnte Öffnung in der Ellipse durch eine Blende verschlossen wird, sodaß
sich innerhalb des Hohlkörpers die gebündelte Energie aufstockt. Beim nachträglichen
Öffnen der Blende wird die gesammelte Energie in Form eines Rieseni,npulses freigegeben.
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Die praktische Anwendung dieser theoretischen Gegebenheiten stößt
nun zunächst auf Schwierigkeiten. Dabei ist nicht so sehr an die präzise Herstellung
der elliptischen Hohlkörper gedacht; bei dem heutigen Stand der Technik und der
Vollkommenheit unserer Maschinen dürfte dieses ebenso möglich sein, wie die mikroskopisch
porenlose Verspiegelung der Reflexionsflachen. Die Schwierigkeiten ergeben sich
vielmehr bei der Konstruktion und Anordnung der Strahlenquellen.
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Bei der Erklärung der Strahlengänge wurde immer davon ausgegangen,
daß die Strahlen radial von einem oder auch von beiden Brennpunkten ausgehen. Dieses
ist aber in der Praxis nur bei bestimmten Pällen möglich, da, selbst wenn man eine
ideale Punktstrahlenquelle zur Verfügung hätte, diese immer Materie genau in dem
Brennpunkt erfordert. (Ausnahme: Licntbogen) Um den Strahlengang nicht zu unterbrechen,
darf jedoch gerade in den Brennpunkten keine Materie vorhanden sein Es müssen also
auch Möglichkeiten gefunden werden, das Strahlenzentrum
außerhalb
der Brennpunkte zu legen und dabei die Strahlen so zu lenken, als wenn sie radial
von den Brennpunkten ausgingen.
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Dabei gibt es nicht eine" Lösung, sondern für jede Strahlenart und
für jeden Verwendungszweck müssen jeweils besondere Lösungen gefunden werden.
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Einige ixtlöglichkeiten sollen an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele
gezeigt werden.
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Zunäcnst jedoch einige Anwendungsmoglichkeiten, die aber nur eine
Auswahl sein können: 1. Bündelung von Strahlen für die medizinische Strahlentheraple
2. Bündelung von hochfrequenzstrahlen, z.B. für Funkstrecken, Richtfunk auf weite
Entfernungen u.dgl.
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3. Bündelung von Lichtwellen für die Beleuchtung von Strahlen, Plätzen,
Theaterbühnen u.gl.
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4. Blendfreie Fahrzeugbeleuchtung 5. Bündelung von Infarot- und UV-Strahlen
6. Bündelung von Schallwellen, auch Ultraschall 7. Bündelung von Strahlen zum Löten,
Schweißen, Schneiden, Bohren usw.
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Um bei den nachfolgenden Beispielen die bildlichen Darstellungen nicht
unübersichtlich zu gestalten, sind jeweils nur die Grenzstrahlen eingezeichnet,
zwischen denen sich alle anderen Strahlen befinden.
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Nun zu einem ersten Anwendungsbeispiel. (Hierzu Abb. 5) Der Laser-Strahl
ist das bisher bekannteste Beispiel intensiv gebündelter Lichtstrahlen. Der Strahlendurchmesser
ist so klein, daß er dem Punktlicht in dieser Dimension sehr nahe kommt. Diese Tatsacne
soll bei diesem Beispiel genutzt werden.
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Die Intensität des LASER-Strahls läßt sich nicht wesentlich
steigern,
will man nicht einen wirtschaftlich kaum zu vertretenden Aufwand treiben. Die vorliegende
Erfindung bietet hierzu jedochmit relativ einfachen Mitteln die Möglichkeit.
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Die Abb. 5 zeigt einen elliptoidischen Hohlkörper. Von außen werden
durch Öffnungen in der Wandung eine beliebige Zahl von LASER-Strahlen (LS) durch
einen oder durch beide Brennpunkte gesendet, die sich nach dem Vorhergesagten zu
einem einzigen, um die Anzahl der eingesendeten Strahlen addierten Strahl sammeln
und den Hohlkörper durch eine Öffnung, die dem Durchmesser der Strahlen entspricht
oder besser noch kleiner ist, wieder verlassen. Die Öffnungen für die Strahleneingänge
sind so zu legen, daß die Öffnungsfläche nicht von einem eingegebenen Strahl als
Reflexionsfläche benötigt wird.
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Es konnte u.U. wünschenswert sein, statt eines "Vollstrahls" einen
"Hohlstrahl" zu erhalten. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß der Durchmesser
der Austrittsöffnung um soviel vergrößert wird, wie der ausgehende Strahl innen
hohl sein soll. Das bringt aber zwangsläufig einen größeren Austrittswinkel mit
sich.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen weitere Beispiele der Ausbildung von Strahlenquellen
außerhalb der Brennpunkte.
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Bei allen dargestellten Beispielen ist es natürlich ohne weiteres
möglich, die Strahlenquellen an einem oder an beiden Brennpunkten anzusetzen. Desweiteren
gelten die Beispiele sowohl für elliptische Rotationskörper (Ellipsoide) als auch
für Zylinder mit elliptischer Grundfläche. Im letzteren Fall ist die Strahlenquelle
natürlich auch länglich auszubilden, und die Strahlen werden zwangsläufig auch länglich,
d.h.
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nur in einer Dimension gebündelt.
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In der Abb. 6 ist ein Hohlkugelring als Strahlenquelle (S)
dargestellt,
mit dem beispielsweise Infrarot-Strahlen radial ausestrahlt werden können.
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In aer Abb. 7 beaeutet A = Brennpunkt, R = Reflektor, S = Strahlenquelle.
ber Reflektor R ist so ausgebildet, daß die von der Strahlenquelle S radial ausgehenden
Stranlen so reflektiert werden, als wenn sie zentral vom Brennpunkt A ausgingen.
In dem gezeigten Beispiel ist die obere Hälfte der Strahlenquelle durch einen halbkugel-
oder durch einen nalbkreisförmigen Reflektor abgeaeckt, da die hier austretenden
Strahlen den reflektor R nicht mehr treffen können und somit fur eine Bündelung
nicht wirksam werden können. Die von diesem Reflektor zurückgeworfenen Strahlen
werden nur mittelbar durch Energieverstärkung der Strahlenquelle wirksam.
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Bei allen Beispielen sind natürlich nur die Teile der Ellipse notwenaig,
die für die Reflexion der Strahlen benötigt werden, d.h., nicnt erforderliche Teile
können weggelassen werden, wenn z.B. eine Entlüftung des Hohlkörpers wegen zu großer
Hitzeentwicklung oaer aus sonstigen Gründen zweckmäßig sein könnte.
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Pür den BündelungseffekJt ist es auch gleichgültig, auf welcher Seite
der Ellipse sich die Austrittsöffnung befindet.
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Dieses hängt allein von den Erfordernissen ab und bei Bedarf können
auch auf beiden Seiten Austrittsöffnungen angebracht werden.
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In den Abb. 8 und 9 sina noch einige Kombinationen von elliptischen
Hohlkörpern dargestellt, bei denen die Strahlungsquellen direkt in einem Brennpunkt
liegen.
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Die Abb. 8 zeigt die Kombination zweier ineinanderliegender elliptischer
Hohlkörper, die einen Brennpunkt, in diesem Prall den Brennpunkt U, gemeinsam naben.
Die Punkte A und R sind
sind die Brennpunkte der groden Ellipse,
die Punkte A1 und B die der innen liegenden, kleineren Ellipse, von der jedocn nur
die dick ausgezogenen Teile vorhanden sind. Die vom Brennpunkt A ausgehenden Stranlen
weruen in dem durch die Grenzstrahlen gekennzeichneten Bereicn von der Wandung der
großen Ellipse so reflektiert, daß sie sich in dem gemeisamen Brennpunkt 3 wieder
sammeln; von hier treffen sie dann aber auf die Reflexionsfläche der kleinen Ellipse,
um sich innerhalb dieser dann auf der Hauptachse zu sammeln.
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ähnlich ist der Strahlengang. bei der Kombination von zwei Ellipsen,
wie sie in der Abb. 9 dargestellt sind. Der Brennpunkt B ist der gemeinsame Brennpunkt
beider Ellipsen. Die von dem Brennpunkt A1ausgenenden Stranlen bündeln sich auf
der Hauptachse der großen Ellipse.
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Als letztes soll ein konkretes Beispiel zur Anwendung vorliegender
Erfindung erläutert werden: Blendungsfreier Autoscheinwerfer (Hierzu Abb. 10.1 und
10.2) Die Abb. 10.1 zeigt das Prinzip im Scnnitt. A und B sind die Brennpunkte des
elliptischen Reflektors, der innen verspiegelt ist. Der Honlköiper ist als Zylinder
mit elliptischer GrLmdfläche angenommen.
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L1 bis L4 sind die Lichtquellen mit Reflektoren, wie sie bereits an
fand der Abb, 7 erläutert wurden. Der Stranlengang ist im Vorausgesagten ebenfalls
schon eingehend geschildert worden.
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Die Ellipse ist in diesem Fall so zu konstruieren und die Austrittsöffnung
so anzulegen, daß das Licht nur in dem gewänschten und notwendigen lini-cel austre-ten
kann.
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Die von der Lichtquelle L1 ausgenenden Lichtstrahlen treffen
nach
Duronlaufen des Brennpunktes B unterhalb der Hauptachse auf den Ellipsenmantel.
In dem gezeigten Beispiel kann bereits ein Teil des Lichtes austreten und erreicht
unter relativ steilem winkel die zu beleuchtende Straßenfläcne.
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Die unterhalb der Öffnung auf den Ellipsenmantel treffenden Strahlen
werden reflektiert, durchlaufen den Brennpunkt A, werden noch einmal reflektiert
und verlassen aanach den Hohlkörper auch wieder unterhalb der Hauptachse, jeaoch
stärker gebündelt und aucn unter einem weniger steilen vvinkel.
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Dadurch strahlt aieses Licht weiter als das zuerst ausgestrahlte Licht,
da es aber stärker gebündelt ist, wird die weiter entfernt liegende Straßenfläche
entsprechend stärker ausgeleuchtet.
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Da alle von der Licntquelle L1 ausgenenden Licntstrahlen bei entsprechender
Austrittsöffnung immer unterhalb der Hauptachse austreten, haben wir damit dasrideale
Abblendlicnt, welches unter normalen Umständen nicht die geringste Blendwirkung
naben kann, da die Beflexionsfläche, die ja bei herkömmlichen Fahrzeugbeleuchtungen
die Blendung mit sich bringt, immer oberhalb der hauptachse liegt und somit von
entgegenkommenden Fahrern nie gesehen werden kann.
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Das von der Lichtquelle D2 ausgenende licnt verhält sich im Bezug
auf die Hauptachse entgegengesetzt wie das von der Lichtquelle L1 abgestrahlte Licht.
Diese Lichtquelle soll das Fernlicht liefern. Da Fernlicnt wesentlich schärfe gebündelt
sein muß und auch einen kleineren Austrittswinkel braucht, ist aie Austrittsöffnung
oberhalb der Hauptacnse auch wesentlich kleiner als unterhalb der Hauptacnse für
@as Abblendlicnt.
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Der ganze Lampenkörper muß natürlich den Erfor@ernissen entsprechend
gegen die zu beleuentende @traßenflache nin geneigt
sein, damit
auch das oberhalb der Hauptachse austretende Pernlicht nach einer gewissen Entfernung
die Straßenfläche ausleuchten kann. Somit ergibt sich ninsichtlich der Blendwirkung
das Gleiche, was bereits über das Abblendlicht gesagt wurde. Eine Blendwirkung ist
auf ebener Straße ausgeschlossen, da in jedem Falle die absolut scharfe Lell-DunkelGrenze
unterhalb der Sichthöhe entgegenkommender Fahrer liegt und kein Streulicht nach
oben dringen kann.
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Da der Tren@ in letzter Zeit immer mehr danin geht, statt zwei Iichtstufen
(Abblend- und Fernlicht) mehrere Helligkeitsstufen einzuführen, ist eine diese Forderung
erfüllende Erweiterung in die Abb. 10.1 gestrichelt eingezeichnet. Bei diesem Beispiel
würde die Lichtquelle L3 das Fernlicht, die Lichtquelle L4 das Abblendlicht verstärken.
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Die Abb. 10.2 zeigt als Beispiel eine Aufsicht auf den in der Abb.
10.1 im Prinzip dargestellten Beleuchtungskörper.
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Die planebenen Seitenflächen sind in diesem Fall schräg angeordnet,
um auch einen Teil des nicht rechtwinklig von den Lichtquellen austretenden Streulichtes
mit in den gewünschten Haupt strahl zu lenken.
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Diese schräge Anordnung ist allerdings nur dann sinnvoll, wenn nur
die Lichtquellen L1 und L2 zur Anwendung kommen.
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Bei 4 Lichtquellen sollten die Außenflächen parallel zur Mittelachse
liegen, da sich sonst der begbsichtigte Effekt gegenseitig aufneben würde.
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Zur Lichtquelle bleibt noch zu bemerken, daß es eine zylindrische
Einfaden-Glühlampe oder dgl., z.B. Halogen-Lampe, sein sollte, bei der durch geeignete
£yiaßnahmen dafür gesorgt sein müßte, daß der möglichst dünne Glühfaden auch im
Betrieb zentriert und gerade gespannt bleibt. Dieses könnte z.B. durch
eine
an einer Seite angebrachte federnde Halterung oder durch zweckmäßig angebrachten
Bimetallstreifen erreicht werden.
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Der Glaszylinaer sollte so ausgebildet sein, daß Breonungserscheinungen
nicht auftreten können, und damit unerwünschte Lichtverluste und Streuwirkungen
vermieden werden.