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Glühlampe mit optischem System
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Die Erfindung bezieht sich auf Lampen, beispielsweise Fahrzeuglampen,
die ein Beleuchtungslichtbündel aussenden können.
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Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit der Vermeidung von
Farbsäumen bei derartigen Lichtbündeln.
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Grundsätzlich besteht ein bekanntes abbildendes Beleuchtungssystem
aus einer~Glühlampe, deren Glühdraht im vorderen Brennpunkt eines Ellipsoidreflektors
oder eines Ellipsoidkondensors steht, und dieser beleuchtet eine "Durchlaßöffnung"
oder Maske im oder nahe dem zweiten Brennpunkt. Das Beleuchtungsbild an der Maske
wird dann auf den von der abbildenden Linse zu beleuchtenden Bereich abgebildet.
Die beiden Hauptanwendungen
für diese Art Beleuchtungssysteme sind
scharf begrenzte Bühnen-Spotlights und Rraftfahrzeugscheinwerfer.
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Wird die abbildende Linse nur zur Beleuchtung verwendet, so besteht
sie gewöhnlich aus einer Einzellinse, zuweilen einer Fresnellinse. Die daraus sich
ergebende Hauptschwierigkeit liegt darin, daß, wenn versucht wird, eine scharf definierte
Beleuchtungsgrenze zu erhalten, die unvermeidlichen Farbfehler einer Einzellinse
starke Farbsäume am Rande des Abbildungslichtbündels entstehen lassen. Bei einem
Kraftfahrzeugscheinwerfer kann das nicht hingenommen werden, weil einem entgegenkommenden
Fahrer, dessen Augen sich in diesen farbigen Zonen befinden, die Scheinwerfer farbig
erscheinen. Sind seine Augen im blauen Teil des Farbsaums, so können die Scheinwerfer
ein Blaulicht vortäuschen, wie es von Rettungsfahrzeugen verwendet wird, und wenn
die Augen sich im roten Bereich des Farbsaums befinden, können die Scheinwerfer
fälschlich für Rüdlichter gehalten werden. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, das
verlangte weisse Licht zu verwischen oder zu streuen, um zu erreichen, daß es die
Farbränder überdeckt, jedoch führt das zu einer unscharfen Begrenzung mit der unerwünschten
Wirkung, daß Licht in die Bereiche jenseits der Beleuchtungsgrenze eindringt. Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lampe zu entwickeln, die, wie in den
Ausführungsbeispielen beschrieben, die Farbsäume zu vermeiden vermag und gleichzeitig
eine scharfe Begrenzung der beleuchteten Zone herstellt.
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Mit der Erfindung wird eine Lampe angegeben, die mit einem optischen
System ausgestattet ist, das eine Lichtquelle umfaßt, ferner eine Beleuchtungslinse,
die aus einem ersten und einem zweiten Teil besteht, die sich beiderseits einer
Ebene befinden, eine einzelne Maske oder zwei Masken zwischen der Lichtquelle und
der abbildenden Linse zur Herstellung einer Begrenzung in dem Beleuchtungslichtbündel,
wobei die genannten beiden Masken aus einer nähergelegenen Maske, die näher an der
abbildenden
Linse liegt, und einer entfernteren Maske bestehen, -die von der abbildenden Linse
weiter entfernt ist, wobei die Linsenöffnung der genannten abbildenden Linse einen
ersten bzw. einen zweiten Teil aufweist, der praktisch übereinstimmt mit dem abgedeckten
bzw. nicht abgedeckten Bereich der Brennebene, wobei das optische System ferner
ein optisches Element aufweist, das ein Bild der Lichtquelle auf oder in der Nähe
der genannten Einzelmaske oder zwischen den beiden Masken entwirft, wobei die Einzelmaske
oder die näher gelegene Maske sich zwischen der abbildenden Linse und dem Brennpunkt
des ersten Teils der Öffnung der abbildenden Linse befindet, wodurch der genannte
erste Teil ein aufrechtstehendes virtuelles Bild der Maske entwirft, und wobei der
Brennpunkt des zweiten Teils der Öffnung der abbildenden Linse sich zwischen der
abbildenden Linse und der Maske oder der weiter entfernt gelegenen Maske befindet,
wodurch der genannte zweite Teil ein umgekehrtes reelles Bild der Maske entwirft.
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Lampen, die von dem Erfindungsprinzip Gebrauch machen, können unterschiedlich
aufgebaut sein.
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Bei der bevorzugten Lampe ist die abbildende Linse als Einzellinse
mit gleichförmiger Brennweite ausgebildet, und es werden zwei Masken verwendet,
von denen die eine ausserhalb der Linsenbrennweite angeordnet ist und die andere
innerhalb der Brennweite. Die beiden Masken stehen praktisch symmetrisch zum Brennpunkt
der abbildenden Linse und haben vorzugsweise einen gegenseitigen Abstand, der zwischen
2,5 % und 25 % der Linsenbrennweite beträgt. Bei den meisten Linsen ist die Fläche
bester Schärfe keine ebene Fläche, und im Idealfall sollten die beiden Masken daher
gekrümmt sein, so daß die Fläche bester Schärfe ungefähr in der Mitte zwischen den
Rändern der Maske liegt. Die Masken sollten auch fluchten und die Profile solche
Abmessungen haben, daß die Kanten der beiden Masken ungefahr zusammenfallen, wenn
man sie vom hinteren Hauptpunkt der
abbildenden Linse aus betrachtet.
Die Maskenprofile können beliebigen Winkel haben.
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Bei anderen Konstruktionen von erfindungsgemäßen Lampen kann eine
Einzelmaske verwendet werden. In diesem Falle erhalten die beiden Teile der abbildenden
Linse unterschiedliche Abbildungseigenschaften. Dabei muß aber das Maskenprofil
annähernd prallel zu der Ebene verlaufen, die die beiden unterschiedlichen Linsenteile
trennt. Die beiden Teile können gleiche Brennweite aber unterschiedliche Position
längs der Achse des optischen Systems haben, wobei ihre Brennpunkte auf den beiden
Seiten der Maske liegen, und es kann sich um genau übereinstimmende Halblinsen handeln.
Andererseits können auch die beiden Teile der abbildenden Linse miteinander verbunden
werden, aber unterschiedliche Brennweite aufweisen. Bei derartigen Systemen haben
die hinteren Brennpunkte der beiden Linsenteile längs der Achse des optischen Systems
einen relativen Abstand, der zwischen 2,5 % und 25 % des Abstands zwischen Maske
und Linse ausmacht.
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Die Art und Weise, in der erfindungsgemäße Lampen Farbsäume zu unterdrücken
vermögen, wird im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert, die Ausführungsformen
zeigen, die bei einem Kraftfahrzeugscheinwerfersystem angewendet werden, das eine
abgeblendete Beleuchtung ohne jeden aufwärts gerichteten Lichtanteil liefern soll.
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Die Figuren stellen dar: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer
Ausführung der bevorzugten Lampenform mit zwei Masken und einer vollständigen Linse
einheitlicher Brennweite; Fig. 2 eine Erläuterung des optischen Schemas der Ausführungsform
nach Fig. 1;
Fig. 3 eine übertrieben gezeichnete Version eines
Teils des Schemas aus Fig. 2 zur Verdeutlichung des der Erfindung zugrundeliegenden
Prinzips; Fig. 4 und 5 perspektivische Darstellungen anders ausgeführter Masken
zur Anwendung bei der Ausführungsform nach Fig. 1; Fig. 6,7,8,9 und 10 schematische
Darstellungen der optischen Verhältnisse bei fünf Arten von abbildenden Linsen,
die in Verbindung mit einer Einzelmaske angewendet werden können; Fig. 11 bzw. 12
einen Längsschnitt bzw. eine Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug
-Scheinwerferlampe.
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Die Ausführung nach Fig. 1 besteht aus zwei Masken 10 und 12 mit ähnlich
geformtem lichtundurchlässigen Umriß, die von einem Glühdraht 14 beleuchtet werden,
der im vorderen Brennpunkt eines Ellipsenspiegels 16 steht. Die Masken stehen ungefähr
symmetrisch beiderseits des Brennpunkts 18 einer Abbildungslinse 20 und haben einen
gegenseitigen Abstand von ungefähr 10 % der Linsenbrennweite. Die Masken 10 und
12 sind gekrümmt, denn die Fläche bester Schärfe ist keine Ebene. Auf diese Weise
liegt die Fläche 22 bester Schärfe ungefähr in der Mitte zwischen den Kanten der
Masken 10 und 12. Die Masken sind fluchtend angeordnet, und ihre Umrißlinien sind
so ausgeführt, daß die Kanten der beiden Masken annähernd zusammenfallen, wenn sie
vom hinteren Hauptpunkt (P in Fig. 3) der Abbildungslinse 20 aus betrachtet werden.
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Fig. 2 zeigt zwei typische 5trahlenbündel, die die Kanten der beiden
Masken 10 und 12 beleuchten; die Figur verdeutlicht,
wie die obere
Hälfte der Linse 20 oberhalb der Systemachse 24 nur den Umriß der hinteren Maske
10 "sieht", während die untere Hälfte der Linse 20 nur die vorn stehende Maske 12
"sieht". Wie genauer im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert werden soll, liefern die
beiden Linsenhålften, die jeweils eine andere, defokussierte Maske sehen, Bilder
in solcher Weise, daß die stark farbigen Strahlen das stark beleuchtete Gebiet des
abgebildeten Strahlenbündelmusters überlagern, wo sie auf die Gesamtfarbe des Lichts
nur geringen Einfluß ausüben, während die am wenigsten farbigen Strahlen die scharfe
Begrenzungslinie und angrenzend daran einen Bereich verringerter Helligkeit liefern.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß die Schärfentiefe (Toleranz
beim Defokussieren der Linse) durch Anwendung der Doppelmaske vergrössert wird.
Durch eine Vergrösserung des Abstands zwischen den beiden Masken 10 und 12 vergrössert
sich auch die Schärfentiefe, jedoch mit dem Nachteil einer Zunahme der Breite der
an die scharfe Helligkeitsbegrenzung anschliessenden Sone herabgesetzter Helligkeit.
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Um den Betrag des neben der Helligkeitsgrenze auftretenden Streulichts
so niedrig wie möglich zu halten, empfiehlt es sich, die Kante der vorderen Maske
12 so auszubilden, daß sie keine wesentliche Reflexion aufgrund von streifendem
Lichteinfall liefert. Das läßt sich durch Verwendung dünnen Materials, beispielsweise
0,05 mm stark, erreichen, oder bei Verwendung von stärkerem Material durch Abschrägen
der Kante, oder durch Behandlung der Kante mit nichtreflektierender Farbe oder einer
entsprechenden chemischen Substanz. Ferner kann durch Schwärzen der Vorderseite
der vorderen Maske verhindert werden, daß von der Oberfläche der Abbildungslinse
20 zurückgeworfenes Licht wiederum vorwärts reflektiert wird und dadurch etwa den
Bereich jenseits der Beleuchtungsgrenze drhellt.
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Bei der Darstellung in Fig.3 ist der Abstand zwischen den
-beiden
Masken 10 und 12 der Deutlichkeit halber übertrieben groß gezeichnet, damit die
Winkel vergrössert und die Strahlen besser verfolgt werden können. Auf diese Weise
treten die Bilder der Masken auch näher an die Linse heran, so daß sie in der Schemazeichnung
gezeigt werden können, aber die verlangte Zone des unterdrückten Farbsaums wird
dadurch stark zusammengedrückt und näher an die Linse gerückt. Beim praktischen
Betrieb würden die Bilder der Masken etwa einen halben Meter von der Linse entfernt
liegen, und die Zone mit unterdrücktem Farbsaum könnte von etwa 5 m bis unendlich
reichen.
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Nach Fig. 3 können die Strahlen, die den Rand der hinteren Maske 10
beleuchten, nur die obere Hälfte der Linse 20 erreichen (Strahlen, die in Richtung
auf die untere Linsenhälfte verlaufen, werden von der vorderen Maske 12 abgehalten).
Da die Maske 10 in grösserem Abstand von der Linse 20 steht als der Linsenbrennpunkt
18 (Brennweite für unendlich"), wird vor der Linse 20 ein reelles umgekehrtes Bild
26 der Maske 10 entworfen. Von den Strahlen, die dieses Bild 26 erzeugen, sind die
nahe der Achse 24 verlaufenden farbfrei, während die nahe dem Oberrande der Linse
20 verlaufenden Strahlen. einen starken orange/rot-farbenen Saum hervorrufen.
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Die Kante der vorderen Maske 12 kann nur von Strahlen beleuchtet werden,
die abwärts zur unteren Hälfte der Linse 20 gerichtet sind. Diese Strahlen divergieren,
wenn sie die Linse verlassen, -so daß sie von einem aufrechten virtuellen Bild 28
der vorderen Maske 12 herzurühren scheinen, weil die Maske 12 näher an der Linse
liegt als der Brennpunkt 18 für "unendlich".
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Nahe der Achse 24 verlaufende Strahlen sind unfarbig, während am unteren
Rande der Linse 20 verlaufende Strahlen eine starke Blaufärbung haben.
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Verfolgt man die Strahlen bis zu dem Bereich der unterdrückten Farbsäume,
der zwischen den gestrichelten Linien 30 und 32
liegt, so sieht
man, daß nur aus der Mitte der Linse 20 herkommende Strahlen, die unfarbig sind,
das Gebiet nahe der Beleuchtungsgrenze beleuchten, so daß ein Gebiet herabgesetzter
Helligkeit entsteht, das farbfrei ist. Die stark farbigen Strahlen, die alle viel
weiter von der Beleuchtungsgrenze entfernt auftreffen, werden von der vollen Intensität
des weissen Lichts überdeckt und liefern somit nur einen geringen Beitrag zu der
Gesamtfärbung des Lichts.
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Die beiden Maskenprofile können als die einander gegenüber liegenden
Kanten eines einzigen "dicken" Stücks aus lichtundurchlässigem Material ausgebildet
sein, vorausgesetzt, daß die Fläche zwischen den beiden Kanten ausreichend unregelmässig
ist (d.h. eine gebrochene, aufgerauhte oder geriffelte Oberfläche zeigt, die eine
Reflexion verhindert), und/ oder mit einem Chemikal oder einer Farbe behandelt ist,
die Reflexionen an der Oberfläche verhindert. Die Fig. 4 und 5 zeigen Möglichkeiten
für eine derartige Behandlung.
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Ferner kann man eine oder beide Masken als überzug auf einem durchsichtigen
Material ausführen. Nur einer der Überzüge muß über die gesamte Maskenfläche undurchsichtig
sein, während die andere Maske nur in einem Bereich in der Nähe des Maskenprofils
undurchlässig zu sein braucht. Man kann die Überzüge auf die entgegengesetzten Seiten
einer einzigen durchsichtigen Unterlage aufbringen. Ausserdem ist ohne weiteres
einzusehen, daß eine Maske Teil einer Platte sein kann, die zwischen die Lichtquelle
und die Linse gestellt ist. Die Platte, die zweifach vorhanden sein kann, würde
dann eine öffnung aufweisen, die Licht aus der Lichtquelle durch den Teil der Linse
treten zu lassen erlaubte, die das reelle umgekehrte Bild entwirft.
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Wie zuvor gesagt, sollte die Platte gekrümmt sein, damit sie der Schärfenebene
angepaßt ist, und wenn eine doppelte Platte zur Bildung von zwei Masken benutzt
wird, so sollen die Kanten fluchten, wenn sie von dem Hauptpunkt P aus betrachtet
wird.
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Fig. 6 zeigt eine andere Möglichkeit, nach welcher Bilder der Maske
von der oberen und der unteren Hälfte einer Linse erzeugt werden können, die den
Bildern ähnlich sind, die durch die doppelte Maske erzeugt worden sind. Eine Einzelmaske
34 wird verwendet und dazu zwei Halblinsen 36 und 38 gleicher Brennweite, die aber
in unterschiedlichem Abstand auf der optischen Achse 24 aufgestellt sind. Die obere
Halblinse 36 entwirft das reelle umgekehrte Bild 26, während die untere Halblinse
38 das aufrechtstehende virtuelle Bild 28 erzeugt. Wie bei allen diesen Ausführungen
sollte die Maske 34 am besten so gekrümmt sein, daß sie mit der Fläche bester Schärfe
zusammenfällt.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Methode zur Hervorbringung der gleichen
Wirkung; danach wird ein planparalleler Block 40 aus transparentem Material hinter
die untere Halblinse 38 gesetzt. Der Block aus transparentem Material könnte auch
die Form einer Schale mit konzentrischen Begrenzungsflächen erhalten, deren Mitte
in der Nähe der Mitte der Maskenkante liegt. Die Wirkung dieser Schale ist eine
Verschiebung des Brennpunkts F2 der unteren Halblinse 38 über die Maske 34 hinaus.
Da der Brennpunkt F1 der oberen Halblinse 36 näher ist als die Maske, ergeben sich
die beiden unterschiedlichen Bilder 26 und 28.
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Fig. 8 zeigt eine Anordnung, nach welcher die obere Halblinse 36 eine
kürzere Brennweite besitzt als die untere Halblinse 38. Auf diese Weise ergibt sich
die gleiche Anordnung der Brennpunkte F1, F2, und es wird die Unterdrückung der
Farbsäume erreicht.
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Die Fig. 9 und 10 geben~weitere mögliche Ausführungsformen wieder,
bei denen sich die Brennpunkte F1, F2 in gleicher Anordnung befinden wie zuvor.
Nach Fig. 9 wird die Brennweite der oberen Halblinse 36 durch Hinzufügen-einer besonderen
Halblinse
41 mit positiver Brechkraft verkürzt. Nach Fig. 10 wird die Brennweite der unteren
Halblinse 38 durch Hinzufügen einer besonderen Halblinse 42 mit negativer Brechkraft
verlängert.
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Es ist durchaus möglich, zum Erreichen der gleichen optischen Wirkung
mindestens zwei der obengenannten Methoden miteinander zu kombinieren. Beispielsweise
wäre es möglich, einen Doppelmaske, eine zweiteilige Linse in gegenseitigem Axialabstand
zu verwenden, wobei ein Linsenteil eine kürzere Brennweite als der andere hätte;
man könnte damit einen ähnlichen optischen Effekt erreichen wie er von den obenbeschriebenen
einzelnen Systemen erreichbar ist. Ausserdem könnte jede der obengenannten Linsen
im Prinzip durch eine gleichwertige Fresnellinse ersetzt werden.
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Die Einzelmaske für die Ausführungsformen nach den Fig. 6 bis 10 kann
in gleicher Weise hergestellt werden, wie für die Herstellung einer oder beider
Masken des Maskenpaars beschrieben.
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Die Einzelmaske kann daher ein Überzug auf einem transparenten Substrat
oder Teil einer eingeschalteten Platte sein.
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Bei den Scheinwerfern, die in den Fig. 11 und 12 gezeichnet sind,
ist eine Wolfram/Halogen-Lichtquelle mit einer Glühlampe 43 mit darin befindlichem
Glühfaden 44 in einem Reflektor 45 angeordnet, der sich in einem Gehäuse 46 befindet.
Das Gehäuse 46 besitzt einen Standardfuß 47 mit Anschlüssen 48 zum Herstellen von
elektrischen Verbindungen zu dem Glühfaden 44 der Lampe. Am vorderen Gehäuseende
befindet sich ein äusserer Montierungsflansch 49. In diesem Fall ist eine abbildende
Linse 50 getrennt vor dem Gehäuse angebracht, aber bei anderen Ausführungen ist
es zweckmässig, die- Abbildungslinse innerhalb des Gehäuses unterzubringen. Das
vordere Gehäuseende ist durch ein Fenster 51 verschlossen, und unmittelbar hinter
dem Fenster 51 befindet sich eine Blende 52, die die Gesamtform der
Fensteröffnung
definiert.
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Innerhalb des Gehäuses 46 ist eine Maskenplatte 53 mit einer insgesamt
rechteckigen öffnung 54 angebracht. Man erkennt, daß die Maskenplatte 53 um eine
vertikale Achse gebogen ist, um der Fläche bester Schärfe der Linse 50 zu folgen.
Der untere Rand 55 der Öffnung 54 befindet sich nahe der Höhe der optischen Achse
des Systems. Unter der Kante 55 weist die Maske 53 eine waagerechte Rippe 56 auf,
die in Richtung auf die Linse 50 vorspringt und eine zusätzliche Maskenplatte 57
hält. Der obere Rand 58 der Platte 57 hat dasselbe Profil wie der Rand 55, bestehend
aus zwei waagerechten, durch eine Stufe 59 miteinander verbundenen Teilen. Die Maskenränder
58 und 55 liegen in derselben Ebene, haben aber in der optischen Achse einen durch
die Rippe 56 definierten Abstand voneinander.
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Patentansprüche: