DE2229011A1 - Lichtstreuplatte für Leuchtstoffröhren - Google Patents
Lichtstreuplatte für LeuchtstoffröhrenInfo
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Description
Ignacio Goytisolo Taltavull
Barcelona, Spanien
Barcelona, Spanien
Lichtstreuplatte für Leuchtstoffröhren
Die Erfindung betrifft eine Lichtstreuplatte für Leuchtstoffröhren,
die an ihrer Außenfläche mit pyramidenförmig oder konisch ausgebildeten optischen Brechungselementen versehen ist, deren
Symmetrieachsen durch ihre Spitzen gehen.
Zwei Bedingungen, die eine Lichtstreuplatte erfüllen muß, bestehen
1. in einer hohen Lichtdurchlässigkeit und
2. in einer möglichst kleinen Streuung, d.h. von den die Streuplatte durchsetzenden Lichtstrahlen sollen möglichst wenig einen
Winkel zwischen 60 und 90° mit der Vertikalen bilden, um eine Blendung zu vermeiden.
Von den drei allgemein in Beleuchtungskörpern für Leuchtstoffröhren
verwendeten Arten von Lichtstreuplatten haben die Mattglasplatten im allgemeinen eine geringe Leuchtkraft und starke Blendwirkung;
Prismenplatten, die mit lichtdurchlässigen Prismen oder
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Pyramiden versehen sind, haben gute Beleuchtungswirkung, besitzen aber zu starke Blendwirkung; Streuplatten vom Jalousientyp
haben zwar keine oder fast keine Blendwirkung, besitzen aber geringe Beleuchtungsstärke.
Die Erfindung hat die Aufgabe, bei den erwähnten Lichtstreuplatten
mit pyramidenförmig oder konisch ausgebildeten Brechungselementen die Blendwirkung zu verringern, indem die Streuwinkel möglichst
gleichmäßig verteilt werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Achsenschnitte
der pyramidenförmigen oder konischen Brechjrtüngselemente in zur
Seitenfläche derselben senkrechten Ebenen durch hinsichtlich der Symmetrieachse symmetrische, nach außen konvexe Kurven begrenzt
sind.
Die Krümmung dieser Kurven bzw. der betreffenden Seitenflächen kann so gewählt werden, daß nahezu keine an diesen Mantelflächen
gebrochenen Lichtstrahlen einen Winkel zwischen 60 und 80 mit der Symmetrieachse bilden. Dadurch wird eine Blendung vermieden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer
mit Prismen besetzten Lichtstreuplatte bekannter Art mit
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eingezeichneten Lichtstrahlen;
Pig.2 ein schematischer Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen
Lichtstreuplatte längs der Linie 10-10' in Fig. 4;
Pig.3 ein Teilschnitt längs der Linie 17-17' in Fig. 4;
Fig.4 die Aufsicht einer erfindungsgemäßen Lichtstreuplatte
mit sechseckigen Pyramiden;
Fig.5 eine Aufsicht einer anderen Ausführungsform, bei der die
Lichtstreuplatte mit Kegeln besetzt ist;
Fig.6 eine schematische Darstellung der Profile der Anordnung
nach Fig.5 längs der Linien 32-32' und 35-35's
Fig.7 ein Teilschnitt längs der Linie 32-32' in Fig. 5 mit ausgewählten
Strahlengängen und
Fig.8 eine Darstellung der entsprechenden Strahlengänge bei
dem Schnitt 10-10' in Fig. 4.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Lichtstreuplatte, die
in Decken, Hängedecken u.dgl. eingebaut wird, um dahinterliegende Leuchtstoffröhren zu verdecken. Die Streuplatte ist mit Prismen
besetzt, deren Seitenflächen eben sind. Wie man sieht, ist nur ein Teil der austretenden Lichtstrahlen nutzbar, d.h. sie bilden
einen Winkel von weniger als 6o mit einer zur Prismenachse parallelen Geraden. Ein anderer Teil der Lichtstrahlen hat Austrittswinkel
zwischen 60 und 90° mit der erwähnten Geraden und bewirkt infolgedessen Blendung, während ein weiterer Teil der
Lichtstrahlen wieder in die Lichtstreuplatte eintritt und somit
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nutzlos bleibt.
Da die Lichtquelle normalerweise aus einer, zwei oder mehr Leuchtstoffröhren besteht, die in einer Passung mit weiß
emailliertem Metallreflektor sitzen, empfängt die Lichtstreuplatte, welche die Passung abschließt, Lichtstrahlen von allen
Richtungen auf ihrer den Leuchtstoffröhren zugekehrten ebenen Fläche. Zum leichteren Verständnis des optischen Verhaltens
der auf die Oberseite der prismatischen Elemente auftreffenden Lichtstrahlen sei beispielsweise angenommen, daß jedes Prisma
einen Scheitelwinkel α. = 100° besitzt. Schneidet man ein solches
Prisma längs einer achsialen Ebene auf, so erhält man die Schnittdarstellung der Fig. 1, worin die Linie ST die Spur der
oberen Begrenzungsebene 24 der Streuplatte darstellt. Auf dieser Linie sollen die Punkte 11,12,13,14,15,16 und 12',13',14f,15' und
l6f in regelmäßigen Abständen markiert werden.
Als besonders charakteristisches Beispiel des Strahlengangs sollen
diejenigen Strahlen betrachtet werden, die durch den Punkt 15' gehen; die Verhältnisse in Punkt 15 sind symmetrisch hierzu.
Von besonderem Interesse sind die Geraden C.DT und CLD, die
durch den Scheitel C. gehen und einen Winkel θ = 42 mit den
Normalen C1R^ und C1R^ auf die Seitenflächen C1Y und C1Y'
bilden, θ = 42° ist der typische Winkel des für die Lichtstreuplatte verwendeten Werkstoffs, als der Polymethylmethacrylat
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-■ C _
angenommen wird.
Die Geraden CLD und C.D' schneiden die Linie ST in den Punkten
D und D', die zwischen den Punkten 11 und 12 bzw. 11 und 12' liegen. Die Lichtstrahlen, die von Stellen der Linie ST zwischen
den Punkten D und D' ausgehen, erleiden keine Totalreflexion, da ihr Einfallswinkel auf die Prismenflächen größer als der
kritische Winkel ist. Je größer der Abstand des Ausgangspunktes eines Lichtstrahls auf der Linie ST von den Punkten D und D'
ist, desto größer ist der Anteil der von diesem Punkt ausgehenden Lichtstrahlen, der an den Prismenflächen nicht gebrochen wird,
sondern Totalreflexion erleidet. Der als Beispiel gewählte Punkt 15' hat verhältnismäßig großen Abstand von dem Punkt D' und
zeigt somit die Verhältnisse deutlich. Der Strahl 2a erfährt Totalreflexion am benachbarten Prisma, wird aber dann außerhalb
des dargestellten Ausschnitts gebrochen. Die Strahlen 2b bis 2g werden an der Seitenfläche 1' des Prismas gebrochen und haben
einen Austrittswinkel von weniger als 60° gegen die Normale zur Linie ST. Sie stellen also den nutzbaren Anteil des austretenden
Lichtes dar. Die Strahlen 4g und 4i treten unter Winkeln zwischen 60 und 90° aus und erzeugen deshalb Blendungserscheinungen.
Der Strahl 4j wird zunächst an der Fläche 1' total reflektiert, trifft dann auf die Seitenfläche 1 und wird dort
nach oben gebrochen. Die Strahlen 3e und 3h schließlich erleiden
eine innere Totalreflexion und gehen durch die Oberseite der Streuplatte zurück, so daß sie für die Beleuchtung verloren sind.
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Die Zone, die blendende Strahlen hervorruft, ist mit A1 bezeichnet,
während die Zone, in der die Strahlen ganz verlorengehen, mit B^ bezeichnet ist. Nur der auf die übrigen Teile des Prismas
auftreffende Anteil der Strahlen vom Punkt 15* ist nützlich.
Es sei bemerkt, daß der Strahl 2, 3e, der dem kritischen Winkel entspricht in die Strahlen 2e und 3e aufgespalten wird, d.h. er
entspricht der Grenze der Zone B^.
Die Verhältnisse sind dieselben, wenn statt der Prismen Pyramiden verwendet werden, um eine Richtung zu bevorzugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 bis 4
dargestellt. Statt der Seitenflächen mit geraden Schnittlinien haben die Schnittprofile hier nach außen konvexe Form.
Fig. 2 zeigt den Achsenschnitt einer Pyramide längs der Linie 10-10' in Fig. 4. Die Gerade 7 entspricht der Oberseite der
Lichtstreuplatte. Die Seitenlinien und 25 und 25* sind Kreisbögen mit den Krümmungsmittelpunkten E. und E' . Die Scheiteltangenten
am Scheitel CL des Schnittes bilden in dem vorliegenden Beispiel einen Winkel Δ. = 150°. Aus dem Winkel α zwischen
dem Scheitel C2 und den beiden Grundlinien F1 und F^, sowie dem
Winkel ß zwischen der Horizontalen und dem Krümmungsradius im Punkt F1 lassen sich der Zentriwinkel γ und der Winkel <5 zwischen
der Symmetrieachse und der Verbindungelinie E^C2 durch die
folgenden Formeln ableiten:
- 7 209853/0784
γ = 180° - 2(90° -|+β)=α-2β
δ = 180° - (90° + β + γ) = 90° - α + β
Fig. 3=die geometrische Konstruktion des Schnittes der gleichen
gewölbten Pyramide längs der Linie 17~l7f in Fig. 4. Die Linie
8 ist die Spur der oberen Begrenzungsebene der Lichtstreuplatte. Fig. 4 zeigt auch, daß die Abstände UF' und UG' unmittelbar
miteinander verknüpft sind, weil bei einer sechseckigen Pyramide UF' = UG1Q · cos 30°. Deshalb sind die Bögen 9, 9' in Fig. 3
Abschnitte zweier Ellipsen mit gleicher Halbachse, deren kleine Halbachse E3V die gleiche Länge wie die Radien E2F'2 und E'2F2
der kleinsten KrümmungsJ^relse in Fig. 3 und auch wie die
Krümmungsireise 25 in Fig. 2 haben. Die große Halbachse E2S3
der Ellipse ergibt sich aus den Strecken HLF' und NLF1, denen
in Fig. 3 die Strecken IYLG' und M2G nach folgenden Beziehungen
entsprechen:
M1F' . MF
MG' = ——s— und M5G = ^—~
d cos 30° d cos 30°
Diese Daten genügen, um nach einer bekannten geometrischen Konstruktion die Ellipsenbögen zu zeichnen, d.h. vom Punkt G'
wird das Dreieck und Rechteck F'gG'H" gezeichnet und H' gefunden,
der seinerseits auf dem Umfang eines mit dem Radius der großen Halbachse um E2 gezogenen Kreises liegt. Der Punkt G'
ist ein Ellipsenpunkt. Das Dreieck KIJ wird so oft x^iederholt9
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wie es für die Konstruktion des Ellipsenbogens erforderlich ist.
Mit diesen beiden Kreisbögen mit den Radien EpP'? und EpH und
mit dem Kreisbogen, dessen Radius die Summe derselben ist, d.h. rl = E2F*2 + E2H s^nd alle Elemente beisammen, um nach bekannten
geometrischen Methoden die interessierenden Ellipsenbögen und die Normalen in jedemEllipsenpunkt zu zeichnen, so daß die
Brechungs- und Reflexionswinkel für auf die Ellipsenbögen auftreffende Lichtstrahlen bestimmt werden können. Solche Normalen
sind z.B. die Linien NN' und C,Lp.
Fig. 5 und 6 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem die brechenden Elemente der Lichtstreuplatte als Kegel mit kreisförmiger Grundfläche ausgebildet sind. Auch
hier ist die Mantellinie keine gerade Linie, sondern eine nach außen konvexe Kurve.
Die Mantellinie eines Kegels ist in Fig. 6 mit G'.Cu gezeichnet.
Zwischen den großen Kegeln sind, wie Fig. 5 zeigt, kleine Kegel angeordnet, um die Zwickel auszufüllen. Die Gestalt der
kleinen Kegel entspricht derjenigen der großen Kegel1 , jedo.ch
beträgt der Grundkreisdurchmesser 0,155 des Durchmessers der großen Kegel.
In dem Achsenschnitt der Fig. 6 sind auf der Mantellinie ,die
Punkte G^, G'2, G',, G'^, GV und C1+ markiert. Die untere
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Hälfte der Pig. 6 unterhalb der geraden Linie W1W entspricht
den horizontalen Schnitten durch Gf1G1, G1 Ja , 0N0V G\Gh
und G' COJ während die obere Hälfte oberhalb der Linie WW1-den
vertikalen Schnitten durch O1O und W'Wj- der Umdrehungsfigur entspricht.
Um die Mantellinie im Achselschnitt des krummlinigen Kegels zu konstruieren, wurde von der Kurve F1^2 in Fig. 2 ausgegangen,
die den Achsenschnitt einer krummlinigen Pyramide ohne Blendungserscheinungen darstellt. Die Kurve F^Cp in Fig. 2
entspricht jedoch einem Schnitt der Umdrehungsfigur im halben
Abstand des Wertes r, d.h. des Grundkreisradius des Kegels.
Eine Konstruktionsbeschreibung der Fig. 6 läßt zeigen, wie
man ausgehend von der Kurve F 'CL zur Kurve G' C2, kommt.
Ausgehend von den Punkten G1, Q1^3 G,, G^ und CL des Profils
F 'CL erhält man die Punkte G^, G', G', G'j. und G' des
Profils G'^ mittels der Vertikalen G1W1, G2W3, G3W3, G^W^ und
C2Wp., markiert die Punkte 0., 0 , 0 , Oj, und O1-, die ihrerseits
die Vertikalen 0.G' , 0oG'o, 0_G' , 0,.G',, und 0rG' bestimmen.
11 ad. 2 · j HH z>
0
Dadurch erhält man auf den von G1, Gp, G,, Gu und Cp ausgehenden
Horizontalen die gewünschten Punkte G'1S G', G' , G'^ und G1,..
Die Mantellinie kann nun angenähert gezeichnet werden, indem zuerst ein Kreisbogen G^Of' gezeichnet wird, dessen Mittelpunkt
- 10 ? Ci <) f\t,l/ 0 n :\ ■'
im Treffpunkt der Geraden G'^1 und G 'Q" ± liegt. Dann hat
die Kurve einen tangential zu dem Kreisbogen verlaufenden geraden Teil G1,, G 1^, G' und endet schließlich in einem Kreisbogen
G',-Cj., dessen Mittelpunkt in G" liegt.
Dieser krummlinige Kegel ist blendungsfrei, was durch graphische Methoden in beliebigen axialen und nicht axialen Schnitten der
Fig. 5 bewiesen werden kann. Wenn andererseits im Falle der krummlinigen Pyramide Schnitte in zu den Linien 17-17' parallelen
Ebenen, z.B. längs der Linie X-X' in Fig. 4 gelegt werden, ergibt sich eine gewisse, wenn auch eine kleine Blendwirkung
in den ebenen Teilen ~$k. der Fig. 3·
Fig. 7 zeigt den Schnitt eines krummlinigen Kegels mit dem Profil G' C1, nach Fig. 6 entsprechend einem Schnitt längs der
Linie 32-32' in Fig. 5, sowie mit eingezeichneten Strahlengängen für ein durch den Punkt 21' gehendes Lichtbündel. Die
Strahlen 6d, 6e, 6f und 6j fallen in die Zone B_ der Lichtverluste
und die nutzbaren Strahlen 5a, 5b, 5c, 5<ä9 5i und 5g
werden unter Austrittswinkel von weniger als 60 gebrochen. Es existiert aber keine Zone A~ , da keine zur Blendung führenden
Strahlen zwischen den Winkeln 60 und 90° in das Freie austreten. Das gleiche gilt für jeden Punkt der Lichtaustrittsfläche; abgesehen
von den Zonen B? existieren also zwischen der Kegelachse
und den Grenzpunkten 23, 23' nur nutzbare Strahlen. Es kann gezeigt werden, daß dasselbe gilt, wenn Schnitte durch nicht-
- 11 -
axiale Ebenen geführt werden, beispielsweise längs der Linien
34-34' und 35-35' in Fig. 5.
Dieselbe Konstruktion und das gleiche Ergebnis gelten für Fig.8s
die der Fig.2 entspricht, also einen Schnitt durch eine krummlinige
Pyramide längs der Linie 10-10 in Fig. 4, wobei die durch den Punkt 29' gehenden Lichtstrahlen und ihre Normalen im Treffpunkt
mit der Pyramidenfläche eingezeichnet sind. In diesem Falle befinden sich die Strahlen 6g', 6f und 6h' in der Zone B, der
Lichtverluste, während die Strahlen 5a', 5b.', 5c1, 5d', 5e', 5f' s
5h', 5i' und 5j' nutzbare Strahlen mit einem Austrittswinkel
von weniger als 60° sind. Auch hier verschwindet die Blendungszone A, = 0, d.h. es gibt keine Strahlen mit einem Austrittswinkel von weniger als 60°. Dies gilt für alle Strahlen, die
zwischen der Prismenachse und den Grenzpunkten 31 und 3I' auf
die Oberseite der Streuplatte auftreffen.
Es kann gezeigt werden, daß sowohl in Achsenschnitten, die also
in Fig. 4 durch den Punkt U gehen und den Linien G -G' und F,-F' 0 ° 0033
entsprechen, als auch in außeraxialen Schnitten, wie den Schnitten
Z-Z' und X-X1 in Fig. 4 nahezu keine Lichtstrahlen in den
Blendungsraum austreten, so daß die Streuplatte beinahe blendungsfrei
ist. .
Hinsichtlich der Lichtausbeute muß im Auge behalten werden, daß
- 12 209853/0784
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diese weitgehend von der Güte des Reflektors abhängt. Die gesamte Lichtausbeute von Passungen für Leuchtstoffröhren mit
Streuplatten in Jalousieform beträgt im allgemeinen weniger als 30%; in Fassungen mit Streuplatten aus Opalglas beträgt sie
etwa 50% und in Passungen mit prismatischen Lichtstreuscheiben
etwa 60%. Zum Vergleich der Lichtverluste einer normalen prismatischen
Lichtstreuplatte und einer der hier beschriebenen Lichtstreuplatten wurden in den Punkten 11,12,13,14,15,16, 12',13',
14', 15' und 16' der Fig. 1 die Blendungszonen A und die Reflexionszonen
B graphisch bestimmt. Es ergab sich für 4 Abschnitte ein Mittelwert von 0,175 für die Blendungszonen A und ein Mittelwert
von 0,433 für die Reflexionszonen B, also ein Gesamtmittelwert von O,6O8 für die Zonenkonstante A + B des nicht nutzbaren
Lichtes. Mittels eben solcher graphischer Untersuchungen für die Punkte 18,19,20,21,22,23,19*,20«,21',22», und 23' in Fig.
und die Punkte 26,27,28,29,30,31, 27',28',29'30' und 31' in
Fig. 8 ergab sich für 4 verschiedene Schnitte eine Zonenkonstante
von insgesamt 0,558 für den Fall der Fig. 7 und 0,560 für den Fall der Fig.8, also eine Verbesserung gegenüber einer gewöhnlichen
prismatischen Streuplatte. Es ist bekannt, daß die Lichtstrom-Konstante an der Austrittsseite der Lichtstreuplatte, multipliziert
mit der entsprechenden Lichtstärke der Lichtquelle, den Wert des Lichtstromes ergibt. Im Falle der beschriebenen Lichtstreuplatten tritt also nicht nur eine praktisch vollständige
Blendungsfreiheit ein, sondern auch die Lichtausbeute gegenüber den besten bisher bekannten Werten wird noch verbessert.
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Claims (10)
- PATENTANSPRÜCHELichtstreuplatte für Leuchtstoffröhren, die an ihrer Außenfläche mit pyramidenförmig oder konisch ausgebildeten optischen Brechungselementen versehen ist, deren Symmetrieachsen durch ihre Scheitel gehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsenschnitte der Brechungselemente in zu ihrer Seitenfläche senkrechten Ebenen durch hinsichtlich der Symmetrieachse symmetrische, nach außen konvexe Kurven (25,25') begrenzt sind.
- 2. Lichtstreuplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungselemente Pyramiden sind, deren Seitenflächen in gleicher Weise zylindrisch gewölbt sind und deren Schnittflächen in axialen Ebenen (10,10f), die senkrecht zu zwei Seitenflächen verlaufen, jeweils von zwei symmetrisch hinsichtlich der Symmetrieachse der Pyramide gekrümmten, nach außen konvexen Kurven (25»25') begrenzt sind.
- 3. Lichtstreuplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittkurven der Pyramiden in axialen Ebenen senkrecht zu den beiden Seitenflächen Kreisbögen darstellen, deren Mittelpunkte (E1, E^) oberhalb der Basis (P1, F^) der Pyramide und symmetrisch hinsichtlich ihrer Symmetrie-- 2 209853/078Λachse liegen.
- 4. Lichtstreuplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyramiden quadratische oder sechseckige Grundflächen haben.
- 5. Lichtstreuplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungselemente als Kegel ausgebildet sind, deren Mantellinien (G* ^C^,) nach außen konvexe Kurven darstellen.
- 6. Lichtstreuplatte nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitte der Brechungskegel durch parallel zur Symmetrieachse und normal zu einem Radius des Basiskreises des Kegels in der Mitte des Radius verlaufende Ebenen (35-35') durch zwei Kreisbögen (P1 0P* p'ic?^ beSrenzt werden, die symmetrisch zu einer Normalen auf den Radius des Basiskreises, in dessen Halbierungspunkt, verlaufen, wobei die Mittelpunkte dieser Kreisbögen oberhalb des Basiskreises des Kegels und symmetrisch zu der erwähnten Normalen liegen.
- 7. Lichtstreuplatte nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der die Seitenflächen definierenden Kreisbögen durch folgende Formel bestimmt sind:γ = 180° τ 2(90° - I + β) = α - 2 β, δ = 180° - (90° + β + γ) = 90° - α + β,09853/078/»worin bedeuten:α der Scheitelwinkel zwischen den Sehnen (CpP1, C?P'1) der beiden Kreisbögen;β der Winkel zwischen der Basis des Brechungselementes und der Normalen auf die Tangente eines Kreisbogens am Schnittpunkt (P1JP1 ^) des Kreisbogens mit der Basis;γ der von einem Kreisbogen überspannte Winkel;δ der Winkel zwischen der Symmetrieachse und der Normalen zur Tangente eines Kreisbogens im Scheitelpunkt (C2) des betreffenden Schnittes.
- 8. Lichtstreuplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α etwa 100° und der Winkel β etwa 25° beträgt .
- 9. Lichtstreuplatte nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Achsenschnitts jedes Kegels durch zwei zur Symmetrieachse desselben symmetrische Linien begrenzt wird, deren jede aus einem Kreisbogen (G'^G'), dessen Mittelpunkt (G".) auf der anderen Seite der Symmetrieachse und oberhalb der Basisebene des Kegels liegt, einer diese» Kreisbogen tangential fortsetzenden Strecke (G' G1J und einem weiteren Kreisbogen (G' Ch), dessen Mittelpunkt (G"2) auf der anderen Seite der Symmetrieachse und in der Basisebene des Kegels liegt, zusammengesetzt ist.209853/0786
- 10. Lichtstreuplatte nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwickeln der kegelförmigen Brechungselemente kleinere ähnliche Brechungskegel angeordnet sind, welche die Räume zwischen den Basiskreisen der großen Brechungskegel im wesentlichen ausfüllen.209853/0784Leerseite
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