DE2455398A1

DE2455398A1 - Licht-kegelstumpf-konzentrator

Info

Publication number: DE2455398A1
Application number: DE19742455398
Authority: DE
Inventors: Albert Poirier
Original assignee: ULMIC SA
Current assignee: ULMIC SA
Priority date: 1973-11-23
Filing date: 1974-11-22
Publication date: 1975-05-28
Also published as: FR2252584A1; FR2252584B3; US3963327A; DE2455398C2

Description

Patentanwalt· Olpl.-Ing. R. BEETZ «en Dlpl-Ing. K. LAMPRECHT

Diving. R. B E E T Z Jr. • München 22, Stelnadorfetr. 1·

410-23.444P 22. 11. 1974

ULMIC FRANCE, Paris (Frankreich)

Licht-Kegelstumpf-Konzentrator

Die Erfindung betrifft einen Licht-Kegelstumpf-Konzentrator.

Optische Kegelstumpf-Konzentratoren, die aus einem Kegelstumpf, der von zwei ebenen Flächen (Grundflächen genannt) begrenzt ist, bestehen, werden kommerziell oft angewendet, insbesondere zur Konzentration des von einer Quelle abgegebenen und in der Symmetrieachse des Kegelstumpfs nahe der großen Grundfläche angeordneten Lichts. Die Abmessungen des Kegelstumpfs müssen an die Verwandung ange-

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paßt werden: Die Länge und der Scheitelwinkel ^ des Kegelstumpfs werden abhängig von der Art der Quelle, dem Öffnungswinkel der auf die große Grundfläche auftreffenden Lichtstrahlen und der höchsten konstanten Stromkonzentration oder der optim alen Beleuchtungsstärke, die an der kleinen Grundfläche des optischen Kegelkonzentrators erhalten werden soll, entsprechend gewählt. Derartige Licht-Kegelstumpf-Konzentratoren und deren Abmessungsbedingungen sind bekannt (vgl. z.B. FR-PS 1 543 165 und die Dissertation Pierre Malifa ud, "Die maximale Licht-Konzentration in Strahlungsempfängern; optimierte Kegel-Spiegel").

Bei lichtstarken Quellen ist es oft nützlich, das durch die Wände oder Mantelflächen des Kegelstumpfs austretende Licht zu kanalisieren, und muß der Kegelstumpf in einer ortsfesten Lage gegenüber der Quelle gehalten werden, ohne ihn einerseits durch zu starre Befestigungen zu beschädigen, und muß er sich wärmedehnen können unter dem Einfluß des beträchtlichen Wärmestroms, der von der Quelle kommt, was sehr starke Spannungen in dem lichtbrechenden Werkstoff des Kegelstumpfes hervorruft und Brüche nach sich zieht, wobei andererseits die den Kegelstumpf in einer ortsfesten Lage haltenden Werkstoffe ohne Ausfall den von der Quelle kommenden bedeutenden Wärmestrom aushalten müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen aus einem lichtbrechenden Werkstoff der Brechzahl η bestehenden Licht-Kegelstumpf-Konzentrator zu schaffen, dessen große Grundfläche neben einer Lichtquelle angeordnet ist und der unter geeigneten Bedingungen ortsfest gegenüber der Quelle haltbar ist, wobei die nahe einem Teil der Oberfläche angeord-

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neten Metallteile kühlbar sind und der aus der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfs austretende Lichtstrom optimiert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen am oberen Teil eines Kegelstumpfes angeordneten kegelstumpfförmigen Reflektor, der den Kegelstumpf auf einer Höhe entlang der Kegelstumpf-Symmetrieachse umgibt, der mit seiner Innenfläche zur Mantelfläche des Kegelstumpfs parallel und gering beabstandet ist und dessen Höhe mindestens gleich der auf der Symmetrieachse des Kegelstumpfs von der oberen Grundfläche des Kegelstumpfs gemessenen Ordinate eines Punkts ist, der derjenige Punkt ist, für den ein von der Quelle stammender, gegenüber der Symmetrieachse des Kegelstumpfs am meisten geneigter Lichtstrahl der ersten Reflexion an der Mantelfläche des Kegelstumpfs unter einem Winkel zur Normalen auf der Mantelfläche des Kegelstumpfs am Punkt unterliegt, der kleiner als der Totalreflexions winkel ist.

Der geringe Abstand liegt dabei zwischen ca. mindestens 0,1mm und mehreren Millimetern.

Auf diese Weise ist gemäß der Erfindung der beispielsweise metallische Reflektor derart angeordnet, daß alle die Seiten- oder Mantelflächen des Kegelstumpfs durchtretenden Lichtstrahlen einer Reflexion am Reflektor unterliegen und in den Kegelstumpf zurückgesendet werden. Diese Ausbildung spart einen beträchtlichen Lichtenergieteil ein, der im Kegelstumpf zurückgewonnen an der kleinen Grundfläche des Kegelstumpfs abgegeben wird, und außerdem können diese Lichtstrahlen nicht mehr einen in ihrer Lichtbahn entlang mehr

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oder weniger unkontrollierter Winkel angeordneten Gegenstand blenden oder aufheizen. Die kegelstumpfförmige Innenfläche des z. B. metallischen Reflektors ist derart spiegelpoliert, daß Absorption und Diffusion minimal sind.

Der Reflektor ist so mit geringem Abstand zum Kegelstumpf angeordnet, um einen möglicherweise komprimierten Luftstrom zum Abkühlen des Kegelst umpfs und des Reflektors hindurchtreten zu lassen, und um andererseits eine Immersions wirkung zu vermeiden, die bei enger Berührung des Metall-Reflektors mit der Kegelstumpf-Mantelfläche auftreten würde. Dann ist nämlich die dem Metall-Reflektor ί

entsprechende Brechzahl n' verschieden von Eins, weshalb die den Totalreflexionswinkel wiedergebende Gleichung

sin Λ = /η,

mit Λ = Totalreflexions winkel gegen die Normale auf die zwei Werk-, stoffe verschiedener Brechzahlen trennende Fläche,

gegeben, sondern durch die Gleichung

sin Λ = η '/η.

Da η¹ größer als Eins ist, ist der der Totalreflexion entsprechende Grenzwinkel λ im Immersionsfall erhöht, weshalb zahlreiche Lichtstrahlen, die einer Totalreflexion an der Trennfläche zwischen einem Werkstoff der Brechzahl η und einem Werkstoff der Brechzahl 1 (Luft) unterliegen, nun nicht mehr der Totalreflexion unterliegen, was

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aber ungünstig ist, da nun ein Teil der Lichtenergie vom Metall absorbiert wird- Wenn die Brechzahl n¹ eine komplexe Zahl ist, wird bei den genannten Gleichungen der Realteil der Brechzahl n' eingesetzt. Um diese Totalreflexionserscheinung zu vermeiden, muß der Abstand zwischen den beiden Werkstoffen der Brechzahl η bzw. n' um ein Mehrfaches größer sein als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Deswegen erfüllt ein Zwischenraum zwischen dem Kegelstumpf und dem Reflektor der Größenordnung mm vollkommen diese Bedingung, wobei noch das mögliche Kühlgas zwischen dem Kegelstumpf und dem Reflektor strömen kann. Es ist möglich, die Höhe 1 theoretisch zu berechnen, wenn die Lage der Quelle, der Scheitelwinkel X des Kegelstumpfs und der Öffnungswinkel Q des an der großen Grundfläche des Kegelstumpfs ankommenden Strahlungsbündels be-, kannt sind. Für die theoretische Berechnung sei auf die Seiten 190 ff. der oben genannten Dissertation hingewiesen. Bei bestimmten Anwendungsfällen ist eine graphische Konstruktion ebenso und möglicherweise bequemer möglich, die darin besteht, die Strahlenbahnen größten Neigungswinkels zur Eintrittsfläche des Kegelstumpfes aufzuzeichnen und die Ordinate des Punktes A zu messen, an der keine Totalreflexion mehr erfolgt.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich aus durch ein Zylinderrohr, an dem der Reflektor befestigt ist, mit einem Gewinde-Unterteil, eine den Kegelstumpf umgebende Feder, deren eines Ende an der Unterseite des Reflektors befestigt ist? einen Unterlegring, dessen Boden annähernd kegelstumpfförmig und der am anderen Ende der Feder befestigt ist, und einen am Unterteil des Rohrs anschraubbaren Gewindering mit einem kleineren Durchmesser

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als der Durchmesser des Kegelstumpfs.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Kegelstumpf im Inneren des Rohres durch eine nachgiebige Vorrichtung gehalten oder gehaltert werden, die ohne Schaden für den Kegelstumpf beträchtlichen Temperaturerhöhungen widerstehen kann.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorteilhaft durch ein Zylinderrohr, an dem der Reflektor befestigt ist, mit einem Gewinde-Unterteil, einen am Unterteil des Rohres anschraubbaren Gewindering, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Kegelstumpfes ist und der mit einer Schulter versehen ist, eine sich an der Schulter des Gewinderinges anlegende Dichtung, und einen in das Oberteil des Gewinderings einschraubbaren und die Dichtung gegen den Kegelstumpf pressenden Gegenring.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung enthält eine Einrichtung, um kalte Luft unter Druck nahe dem Kegelstumpf, der Feder und dem Reflektor umzuwälzen.

Dieser Luftstrom hat den Zweck, die Metallteile nahe der Quelle und des Kegelstumpfs abzukühlen, die einer kräftigen Bestrahlung durch die Quelle unterliegen und durch sie kräftig aufgeheizt werden. Die Abkühlung vermeidet zu große Wärmedehnungen der Metallteile, die den zerbrechlichen Kegelstumpf zusammenpressen könnten, um ihn zu zersplittern oder zu zerbrechen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Zylinder-

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rohr von Öffnungen oder Ausnehmungen in der Seitenwand durchsetzt, die eine bessere Belüftung, eine mögliche Betriebsüberwachung im Inneren der Vorrichtung und eine Führung :3ns Luftstroms unter Druck durch die Öffnungen ermöglichen. Die Metallteile, die das Rohr, die Feder, den Unterlegring und den Gewindering bilden, sind aus einem Metall geringen Wärmedehnungskoeffizienten wie Stahl oder Invar hergestellt.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gewindering an seinem horizontalebenen Abschnitt derart gezahnt oder gezackt, daß er, wenn er auf das Rohr aufgeschraubt ist, den Kegelstumpf durch Anlegen nur der Zähne oder Zacken am unteren Teil des Kegelstumpfes berührt.

Die Zähne verringern den vom am Kegelstumpf anlegenden Gewindering bedeckten Teil des Kegelstumpfs, damit der größte Teil des von der Quelle abgegebenen Lichtes in den Kegelstumpf eintreten kann.

Die Befestigungen des Kegelstumpfes gemäß der Erfindung sind vorteilhaft, da der Kegelstumpf fest in dem Rohr verankert oder gehaltert ist, weshalb bei einer Explosion von nahe der Grundfläche des Kegelstumpfs angeordneten Sendelampen (Quelle) der Kegelstumpf nicht beschädigt wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Anordnung des Reflektors abhängig von den

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Reflexionswinkeln eines Lichtstrahls an den Flächen des Kegelstumpfs,

Fig. 2 schematisch im Schnitt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, die den Kegelstumpf gegenüber dem Reflektor in Lage hält,

Fig. 3 eine Unteransicht des sich an der großen Grundfläche des Kegelstumpfs anlegenden Gewinderings,

Fig. 4 schematisch im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel der Befestigung des Kegelstumpfs im Rohr.

In Fig. 1 ist die Lage eines Teils eines Reflektors R neben einem Kegelstumpf C dargestellt, nämlich lediglich an einer Seite des Kegelstumpfs C. Ein Lichtstrahl 1, der von einer Quelle S kommt, ist der Lichtstrahl, der annähernd einem kleinsten Winkel θ der ersten Reflexion an den Wänden des Kegelstumpfs C entspricht. Der Winkel, den der Lichtstrahl 2 mit der Normalen auf der Wand oder Mantelfläche des Kegelstumpfs C bildet, verringert sich von Reflexion zu Reflexion; der Winkel θ ist deshalb kleiner als der Winkel θ und größer als der Winkel θ . Im in Fig. 1 betrachteten Fall, in dem der Reflexionsfaktor des den Kegelstumpf C bildenden lichtbrechenden Werkstoffs die Größe η hat, ist der Winkel θ größer als der Totalreflexionswinkel, während der Winkel Q kleiner als der Totalreflexionswinkel ist. Auf diese Weise ist ein Punkt A der erste Punkt, an dem keine Totalreflexion mehr erfolgt. Daraus folgt, daß der Winkel θ der kleinste Winkel für alle in den Kegelstumpf C eintretenden und von der

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Quelle S abgegebenen Lichtstrahlen 2 ist, und daß der Punkt A der erste Punkt ist, an dem ein von der Quelle S abgegebener Lichtstrahl 2 nicht mehr der Totalreflexion unterliegt. Gemäß der Erfindung ist die Höhe 1 des Reflektors R mindestens gleich oder etwas größer, wie in Fig. 1, als die Ordinate des Punkts A, gemessen in Richtung der Symmetrieachse Oy, ausgehend vom Punkt O

In der Fig · 2 ist schematisch im Schnitt eine Einrichtung dargestellt, die gemäß der Erfindung die Anordnung des Kegelstumpfs C nahe dem Reflektor R in einem Rohr T ermöglicht. Das Zylinderrohr T, an dem der Reflektor R, z. B. durch Schweißen, befestigt ist, ist an seinem Unterteil mit einem Gewinde 4 versehen. Eine Feder 6, die den Kegelstumpf C umgibt, ist an einem Ende A' an dem Reflektor R und am anderen Ende B¹ an einem Unterlegring 8 befestigt. Ein Gewindering 10 ist auf das Gewinde 4 des Rohrs T schraubbar. Dieser Gewindering 10 stößt durch das Schrauben den Kegelstumpf C nach oben. Der Gewindering 10 blockiert, sobald der Kegelstumpf C gerade bündig über dem Reflektor R liegt. Der Unterlegring 8 ist in dem Rohr T frei beweglich. Um den Kegelstumpf C indem Zylinderrohr T anzuordnen, wird er von der Unterseite des Rohrs T eingeführt, wobei die Feder 6 entlastet und der Unterlegring 8 freihängend sind. Beim Aufschrauben des Gewinderings 10, der den Kegelstumpf C stößt, berührt dieser den Unterlegring 8, was wiederum die Feder 6 zusammendrückt. Der Unterlegring 8 fixiert den Kegelstumpf 10 in dem Zylinderrohr T symmetrisch zur Achse 11 des Zylinders. Ein Preßluftstrom zum Abkühlen des Reflektors R und des Kegelstumpfs C tritt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch Öffnungen oder Aussparungen 12 im Rohr T gemäß dem Pfeil 14.

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In Fig. 3 ist eine Unteransicht des Gewinderinges 10 dargestellt, der den Kegelstumpf C an dessen großer Grundfläche durch Zacken oder Zähne 16 in Lage hält.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Befestigung des Kegelstumpfs C in dem Rohr T dargestellt mit einem Gewindering 18, der in das Rohr T einschraubbar ist und den Kegelstumpf C in vertikaler Lage hält. Der Gewindering 18 weist eine Schulter 20 auf,auf der eine Dichtung 22 aufliegt. Ein Gegenring 24 ist in das obere Ende des Gewinderings 18 einschraubbar und drückt die Dichtung 22 flach, die den Kegelstumpf C in der Achse 11 des Rohrs T hält.

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Claims

Patentansprüche

(Iy Licht-Kegelstumpf-Konzentrator aus einem Werkstoff der Brechzahl n, dessen große Grundfläche neben einer Lichtquelle angeordnet

ist, ; '

gekennzeichnet durch

einen am oberen Teil eines Kegelstumpfes (C) angeordneten kegelstumpfförmigen Reflektor (R),

der den Kegelstumpf (C) auf einer Höhe (l) entlang der Kegelstumpf-Symmetrieachse (Oy) umgibt,

der mit seiner Innenfläche zur Mantelfläche des Kegelstumpfs (C ) parallel und gering beabstandet ist, und

dessen Höhe (l) mindestens gleich der auf der Symmetrieachse (Oy) des Kegelstumpfs (C) von der oberen Grundfläche des Kegelstumpfs (C) gemessenen Ordinate eines Punkts (A) ist,

der derjenige Punkt ist, für den ein von der Quelle (S) stammender, gegenüber der Symmetrieachse (Oy) des Kegelstumpfs (C) am meisten geneigter Lichtstrahl (2) der ersten Reflexion an der Mantelfläche des Kegelstumpfs (C) unter einem Winkel (Q₀) zur Normalen auf der Mantelfläche des Kegelstumpfs (C) am Punkt (A) unterliegt, der kleiner als der Totalreflexionswinkel ist.
2. Konzentrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

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ein Zylinderrohr (T), an dem der Reflektor (R) befestigt ist, mit einem Gewinde (4) -Unterteil,

eine den Kegelstumpf (C) umgebende Feder (6), deren eines Ende (A) an der Unterseite des Reflektors (R) befestigt ist,

einen Unterlegring (8), dessen Boden annähernd kegelstumpfförmig und der am anderen Ende (B¹) der Feder (6) befestigt ist, und

einen am Unterteil des Rohrs (T) anschraubbaren Gewindering (1O) mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Kegelstumpfs (C).
3. Konzentrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein Zylinderrohr (T), an dem der Reflektor (R) befestigt ist, mit einem Gewinde ( 4) -Unterteil,

einen am Unterteil des Rohrs (T) anschfaubbaren Gewindering (18), dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Kegelstumpfes (C) ist und der mit einer Schulter (20) versehen ist,

eine sich an der Schulter (20) des Gewinderings (18) anlegende Dichtung (22) und

einen in das Oberteil des Gewinderings (18) einschraubbaren und die Dichtung (22) gegen den Kegelstumpf (C) pressenden Gegenring (24).
4. Konzentrator nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch

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eine Einrichtung zum Um wälzen von KaIt-Dr uckluft nahe dem Kegelstumpf (C) und dem Reflekor (R)-
5. Konzentrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung durch Aussparungen (12) iri der Seitenwand des Zylinderrohres (T) gebildet ist.
6. Konzentrator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindering (lO, 18) an seinem horizontalebenen Abschnitt mit Zähnen (16) versehen ist. "

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