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Leuchte, insbesondere Rück-, Sicherungs- oder Signalleuchte
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Die Erfindung betrifft eine Leuchte, insbesondere Rück-, Sicherungs-
oder Signalleuchte für Fahrzeuge (beispielsweise Kraftfahrzeuge oder Fahrräder)
mit einem Hohlspiegelreflektor, dessen reflektierende Fläche Wölbungen (Erhöhungen
und/oder Vertiefungen) aufweist, sowie mit einem Leuchtkörper, welcher mindestens
ein Teil des Brennraumes des Hohlspiegelreflektors ausfüllt, wodurch ein konisches
am Hohlspiegelreflektor reflektiertes Hauptlichtbündel entsteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, mit einfachen Mitteln
eine Leuchte, insbesondere Rück-, Sicherungs- oder Signalleuchte, zu schaffen, welche
bei niedrigem Energieverbrauch für andere Verkehrsteilnehmer bereits auf große Entfernung
deutlich sichtbar ist und bei der Annäherung an die Leuchte deutlich sichtbar bleibt.
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Die erfindungsgemäße Leuchte liefert hierfür in erster Linie ein sogenanntes
Hauptlichtbündel. Dieses Hauptlichtbündel soll beispielsweise nach deutschen Vorschriften
zumindest einen im Querschnitt quadratischen Winkelbereich ausleuchten, der sich
100 nach oben, 100 nach unten, 10° nach rechts und 100 nach links von der Fahrtrichtung
erstreckt. Um einen derartigen b'ffnungswinkel von je 20° in der Vertikalen und
der Horizontalen zu erreichen, muß der öffnungswinkel eines zur Fahrtrichtung rotationssymmetrischen
Lichtbündels mindestens etwa 280 betragen.
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In der Vergangenheit ist man davon ausgegangen, daß die Lichtstärke
(gemessen in Candela) in diesem Lichtbündel möglichst gleichmäßig sein soll. Ist
die für den Betrieb der Leuchte zur Verfügung stehende Energie jedoch begrenzt,
wie das zum Beispiel bei Fahrrädern oder bei Parkleuchten von Kraftfahrzeugen der
Fall ist, welche auch bei langem Parken die Batterie nicht erschöpfen
dürfen,
so ist es zweckmäßiger, innerhalb des HauPtlichtbündels die Lichtstärken gesetzmäßig
ungleichmäßig zu verteilen.
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An einem Beispiel soll dies erläutert werden. Auf einer zweispurigen
Straße von 8 in Breite fährt ein Radfahrer in einem Abstand von 1 m vom rechten
Straßenrand. Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Radfahrer und einem nachfolgenden
Personenkraftwagen ist besonders auf geraden Strecken in der Regel sehr hoch, wenn
zum Beispiel der Radfahrer mit 15 Stundenkilometem und das Kraftfahrzeug mit 100
Stundenkilometern fährt. Wegen dieser hohen Geschwindigkeitsdifferenz wird der Radfahrer
vom nachfolgenden Kraftfahrzeug in der Regel schneller erreicht als ein Kraftfahrzeug,
so daß eigentlich die Rückleuchte des Fahrrades besser und weiter sichtbar sein
müßte als die eines Kraftfahrzeuges. Da jedoch dem Radfahrer weniger Energie zur
Verfügung steht als dem Kraftfahrzeug, ist nach derzeitigem Stand der Technik letzteres
mit einer stärkeren Rückleuchte ausgerüstet.
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Selbst wenn man berücksichtet, daß derart schnelle Kraftfahrzeuge,
wenn Gegenverkehr fehlt, nicht genau innerhalb ihrer Fahrbahnhälfte fahren, sondern
oft so, daß der Fahrer sich in der Mitte der Straße befindet, dann reicht ein rotationssymmetrischer
Öffnungswinkel des Hauptlichtbündels der Leuchte bis 2 Grad bis zu einer Annäherung
des nachfolgenden Fahrzeuges an die Schlußleuchte des Fahrrads auf etwa 170 m aus.
Der Bereich bis zu einem öffnungswinkel der Schluß leuchte von 5 Grad reicht aus
bis zu einer Annäherung auf circa 70 m. Der dann folgende Bereich mit einem Offnungswinkel
bis 10 Grad erfaßt das Auge des nachfolgenden Fahrers bei einer Annäherung bis auf
etwa 17 m. Anders ausgedrückt befinden sich die Augen des nachfolgenden Fahrers
bei seiner Annäherung an die Schluß leuchte des vorausfahrenden Fahrzeugs bis an
circa 170 m heran im Bereich
des Öffnungswinkels der Schlußleuchte
bis 2 Grad, von 170 m bis etwa 70 m im öffnungswinkel von 2 Grad bis 5 Grad und
von 70 m bis etwa 17 m im Öffnungswinkel von 5 Grad bis 10 Grad. Der ausreichende
Öffnungswinkel im Sinne dieses Absatzes ist also doppelt so groß wie der Winkel,
den die Blickrichtung des Fahrers zur Schlußleuchte mit der gemui'.rien Fahrtrichtung
einschließt.
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Da die Sichtbarkeit einer üblichen Leuchte jedoch mit der Entfernung
abnimmt, müßte, um eine von der Entfernung unabhängige, gleichmäßige Sichtbarkeit
der Leuchte zu gewährleisten, die Lichtstärke des Hauptlichtbündels von außen nach
innen entsprechend zunehmen.
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Beispielsweise sollte der Bereich des Lichtbündels der Leuchte, welcher
für den nachfolgenden Verkehr in 170 m Entfernung und mehr sichtbar ist, um ein
vielfaches stärker leuchten wie der Bereich, welcher das Auge des sich nähernden
Fahrers bei einer Annäherung auf zum Beispiel 17 m trifft.
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Natürlich spielen noch andere Faktoren mit, wie zum Beispiel die Krümmung
der Straße, unterschiedliche Straßenbreite, unterschiedliches Fahrverhalten, ob
Gegenverkehr vorhanden ist oder nicht usw. Aber auch bei Berücksichtigung dieser
Faktorenbleibt es von Vorteil, eine Leuchte derart zu gestalten, daß sie neben einer
Basishelligkeit, welche im Hauptlichtbündel nirgends unterschritten werden dar,
zusätzlich eine zu ihrer Achse hin ansteigende Helligkeit besitzt.
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Un in den besonders auf große Entfernungen benötigten Blickrichtungen
die Helligkeit stark zu erhöhen, bedarf es nur relativ geringer Lichtmengen, denn
je näher die Blickrichtung zur Achse liegt, um so kleiner ist der auszuleuchtende
Raumwinkel und desto geringer ist die zur Erhöhung der Lichtstärke benötigte Lichtmenge.
In der Praxis hat sich eine Leuchte als besonders vorteilhaft erwiesen, welche in
Blickrichtungen, die mit der Fahrtrichtung
einen Winkel von 5 Grad
bzw. 2,5 Grad bzw.
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Grad einschließen, zwi- bzw. drei- bzw. fünfmal so lichtstark ist
wie in Blickrichtungen, die mit der Fahrtrichtung einen Winkel von 10 Grad einschließen.
Diese Werte sollten selbstverständlich nicht sprunghaft wechseln, sondern sollten
kontinuierlich wachsend ineinander übergehen.
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Selbstverständlich kann man auch zu anderen Werten des Lichtzuwachses
in Richtung zur Achse hin kommen, ohne den grundsätzlichen Erfindungsgedanken zu
verlassen, zum Beispiel könnte die Lichtstärke in Richtungen, die mit der Fahrtrichtung
einen Winkel von 1 Grad bzw.
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2,5 Grad bzw. 5 Grad einschließen, dreimal bzw. zweimal bzw. eineinhalb
mal so stark sein wie in Richtungen, die mit der Fahrtrichtung einen Winkel von
10 Grad einschlie-Ben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtstärke
in 1 bzw. 2,5 bzw.5 Grad zur Achse etwa viermal bzw. etwa dreimal bzw. etwa eineinhalb
mal so stark wie in 10 Grad zur Achse.
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Für einen Kraftfahrer, der in der gleichen Fahrtrichtung wie ein Radfahrer,
jedoch um bis zu einige Meter seitlich versetzt fährt, wäre im Idealfall eine erfindungsgemäße
Leuchte aus allen vernünftigerweise in Frage kommenden Entfernungen, die im ausgeleuchteten
öffnungswinkel liegen, gleich stark sichtbar. Praktisch geht man davon aus, daß
die Leuchte in größeren BlickwiVelIi bei einer gewissen Basishelligkeit eine entsprechende
Basissichtbarkeit haben soll und daß die Helligkeit zur Achse hin derart zunimmt,
daß die Sichtbarkeit auf größere Entfernungen (kleinere Blickwinkel) nur weniq ahnimmt.
Während bisher eine gleichmäßige Lichtstärke im Hauptlichtbündel angestrebt wurde,
soll erfindungsgemäß eine nahezu gleichmäßige Sichtbarkeit erzielt werden. Wie nun
eine solche erfindungsgemäße Leuchte beschaffen sein muß, um solche oder ähnliche
Ergebnisse zu erzielen, wird nachfolgend beschrieben.
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Die Lösung besteht aus einer Leuchte, insbesondere Rück-, Sicherungs-
oder Signalleuchte,deren Leuchtkörper im Brennraum eines Hohlspiegelref lektors
angeordnet ist, dessen parabolische reflektierende Fläche mit Wölbungen (Erhöhungen
und/oder Vertiefungen) ausgestattet ist, wobei die mittlere Höhe aller Wölbungen
3% bis 12%, vorteilhaft 3,5% bis 8% und vorzugsweise 4% bis 6E des mittleren kleinsten
Basisdurchmessers aller Wölbungen beträgt und wobei der größte Abstand zweier Punkte
der Lichtquelle voneinander mindestens doppelt so groß ist, vorteilhaft mindestens
dreimal so groß ist und vorzugsweise mindestens fünfmal so groß ist wie die mittlere
Höhe aller Wölbungen. Durch das Zusammenwirken eines Leuchtkörpers definierter Abmessung
mit den Wölbungen, deren Abmessungen mit der Abmessung des Leuchtkörpers in der
angegebenen Beziehung stehen, entsteht ein konisches Lichtbündel, welches von seinem
Rand zur Achse hin für den Beobachter an Leuchtkraft kontinuierlich zunimmt.
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Rechnet man mit den Mittelwerten der Höhen bzw. der kleinsten Basisdurchmesser
sämtlicher Wölbungen, so schließt dies die Möglichkeit einzelner starker Abweichungen
von diesen Mittelwerten ein. Eine um so bessere Lichtverteilung erhält man jedoch,
je geringer die Abweichungen von den Mittelwerten sind. Die besten Ergebnisse erzielt
man, wenn die Höhe im wesentlichen jeder einzelnen Wölbung 3% bis 12%, vorteilhaft
3,5% bis 8% und vorzugsweise 4% bis 5% ihres kleinsten Basisdurchmessers beträgt.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die größte Ausdehnung der Projektion
des Leuchtkörpers auf eine Ebene senkrecht zur Richtung seiner größten Ausdehnung
mindestens 25% der mittleren Höhe aller Wölbungen, vorteilhaft der Höhe jeder einzelnen
Wölbung, beträgt.
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Eine für den Beobachter in allen (im ausgeleuchteten Offnungswinkel
liegenden) Blickrichtungen besonders günstige
Lichtverteilung ergibt
sich, wenn der mittlere kleinste Basisdurchmesser aller Wölbungen, vorteilhaft der
kleinste Basisdurchmesser jeder einzelnen Wölbung, 5% bis 40%, vorteilhaft 7% bis
30%, vorzugsweise 9% bis 25% des Abstands des Scheitels des parabolischen Hohlspiegelref
lektors von seinem Brennpunkt bzw.
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der Mitte seines Brennraums beträgt.
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GuteRrgebnisse erzielt man, wenn die Flächen der Wölbungen als Kugelkalotten
ausqeführt sind, wobei vorteilhaft der Krümmungsradius dieser Kugelkalotten zwischen
20% und 80%, vorzugsweise zwischen 30% und 60% des Abstands der Mitte des Brennraumes
zum Scheitelpunkt des parabolischen Hohlspiegelreflektors beträgt.
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Der Hohlspiegel ist im Prinzip parabolisch, wenn man von den Wölbungen
absieht, und wird daher kurz als "parabolischer Hohlspiegelreflektor" bezeichnet.
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Zur Steuerungder Lichtverteilunq kann es vorteilhaft sein, wenn die
Flächen der Wölbungen AuGschnitte aus Ellipsoiden oder ellipsoidartigen Flächen
sind und der Grundriß der Basis der Wölbungen länglich vorteilhaft elliptisch oder
etwa elliptisch ist.
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Auch können bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
die Wölbungen in Form von die Achse des Hohlspiegelreflektors konzentrisch umgebenden
Ringen ausgebildet sein, deren Flächen vorteilhaft Ausschnitte aus Toroidflächen
sind. Wenn man bei einer derartigen Ausführung den Anteil des im wesentlichen zur
Reflektorachse parallelen Lichts weiter erhöhen will, kann man diese Ringe durch
Flächenbereiche unterbrechen, welche die Orientierung der ungestörten Paraboloidfläche
haben.
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Um eine Leuchte herzustellen, welche eine Lichtverteilungskurve hat,
die insbesondere Beobachter auf große Entfernungen warnen soll, hat es sich bewährt,
wenn die Summe der Basisflächen der Wölbungen 40% bis 95%,
vorteilhaft
50% bis 90% und vorzugsweise 60% bis 80% der theoretischen Fläche des Hohlspiegelreflektors
beträgt. Unter der "theoretischen Fläche" ist dabei diejenige Fläche zu verstehen,
mit welcher der Hohlspiegelreflektor reflektieren würde, wenn er keine Wölbungen
aufwiese. Von dieser ursprünglichen Paraboloidfläche verbleiben also 60% bis 5%,
vorteilhaft 50% bis 10% und vorzugsweise 40% bis 20% als "ungestörte Parabloidfläche",
der Rest ist mit Wölbungen besetzt.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die Lichtintensität der in
Richtung Achse zu verstärken, besteht darin, die Wölbungen mit einer zu ihrer Basisfläche
parallelen ebenen Fläche zu versehen.
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Da es bei der erfindungsgemäBen Leuchte auf die genauen Abmessungen
der einzelnen Teile und auf ihre präzise räumliche Zuordnung sehr genau ankommt,
sollten kleine Toleranzen eingehalten werden. Hierzu ist es vorteilhaft, die Leuchte
als sogenannte sealed-beam-Einheit herzustellen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1: Eine an einer erfindungsgemäßen Leuchte gemessenen
Verteilung der Lichtstärke über die Blickrichtungen, Fig. 1a: Die Verkehrssituation
eines sich einem Fahrrad nähernden Kraftfahrzeugs.
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Fig. 2: Einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Leuchte, Fig.
3: Die Ansicht des Gegenstandes der Fig. 2 von rechts, Fig. 4: Ein Detail der Fig.
2 in vergrößerter Darstellung, Fig. 5: Den Grundriß einer elliptischen Wölbung,
Fig. 6: Einen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 5 längs der Linie A-B, Fig.
7: Eine Ansicht entsprechend Fig. 3, mit ringförmigen Wölbungen, sowie Fig. 8 und
9: Zwei Ausführungsformen des Leuchtkörpers.
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In Punkt 18 der Fig. 1 befindet sich eine erfindungsgemäße Leuchte,
die im wesentlichen in Richtung der Reflektorachse 14 ausstrahlt. Die Winkel der
Blickrichtungen zur Leuchte 18 sind von der Reflektorachse 14 (Blickrichtung O Grad)
aus gemessen und rundherum am Rande in Grad angegeben. Um die Leuchte 18 herum sind
konzentrische Kreise eingezeichnet, wobei jeweils der Abstand zweier stark eingezeichneter
Kreise ein Candela bezeichnen. Die stark ausgezogene Kurve 24 gibt dann die Abhängigkeit
der bei einer erfindungsgemäßen Leuchte 18 gemessenen Lichtstärke, in Candela, vom
Blickwinkel an. Man erkennt, daß die Lichtstärke bei einem öffnungswinkel von 28
Grad (Blickwinkel 14 Grad) etwa 2 Candela beträgt, bei einem öffnungswinkel von
20 Grad (Blickwinkel 10 Grad) bereits 4 Candela, bei einem öffnungswinkel von 10
Grad (Blickrichtung von 5 Grad) 6 Candela, bei einem Öffnungswinkel von 5 Grad (Blickrichtung
von 2,5 Grad) 13 Candela und in der Reflektorachse (Blickrichtung O Grad) schließlich
sogar 20 Candela.
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Die Steigerung der Lichtstärke von außenliegenden Blickrichtungen
zu der genau in der Reflektorachse 14 liegenden Blickrichtung ist enorm und bewirkt
eine angenähert gleichmäßige Sichtbarkeit der Leuchte in verschiedenen in diesem
Zusammenhang in Frage kommenden Entfernungen von derselben.
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Fig. la zeigt nahe dem rechten Straßenrand 30 den Radfahrer 32, dessen
Rücklicht 18 mit einem Öffnungswinkel von 28 Grad strahlt. Von hinten nähert sich
dem Radfahrer 32 ein Kraftfahrzeug 34, dessen Fahrer 36 sich auf dem Fahrbahnmittelstreifen
38 befindet. Die Entfernungen des Kraftfahrzeuges zum Radfahrer sind auf dem Mittelstreifen,
das heißt, allgemein auf der Fahrtlinie des Fahrers des Kraftfahrzeuges, gemessen.
Der Blickwinkel ist der Winkel zwischen der Fahrtlinie 40 des Radfahrers und der
Blickrichtung 42 des Fahrers 36 auf das Rücklicht 18.
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In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Leuchte schematisch im Axialschnitt
dargestellt. Fig. 4 zeigt vergrößert ein Detail der gleichen Leuchte. Im Brennraum
20 des parabolischen ohlspiegelreflektors 4 ist ein Leuchtkörper 2 innerhalb der
Glühlampe 3 angeordnet. Die Innenfläche des Reflektors 4 trägt Wölbungen 6, die
in Fig. 2 und Fig. 3 (in einem kleinen Ausschnitt der Reflektorfläche) nur schematisch
dargestellt sind; Fig. 4 dagegen zeigt etwas größer die Anordnung einer Wölbung
6 in der ungestörten Paraboloidfläche 8 des Reflektors 4.
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In Fig. 5 und 6 ist eine Wölbung dargestellt, deren Fläche ein Ausschnitt
aus einem Ellipsoid ist. Die Grundfläche dieser Wölbung entsteht mathematisch durch
die Verschneidung dieses Ellipsoids mit der Paraboloidfläche des parabolischen Reflektors
4. Im Rahmen der interessierenden Toleranzen ist diese Verschneidung eine Ellipse
und als solche ill Fig. 5 als Grundriß der Wölbung 6 dargestellt.
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Die elliptische Basisfläche 12 der in Fig. 5 und 6 dargestellten Wölbung
hat einen kleinsten Durchmesser d und einen größten Basisdurchmesser, der hier nicht
interessiert.
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Weiterhin hat die Wölbung, wie in Fig. 4 und insbesondere in Fig.
6 ersichtlich, eine Höhe h. Diese ist der Abstand des höchsten Punktes der Wölbung
von der Basisfläche 12 und betragt 3% bis 12%, vorteilhaft 3,52 bis 8% und vorzugsweise
4% bis 6% des kleinsten Basisdurchmessers d.
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Gemäß Fig. 6 ist die Spitze der Wölbung 6 abgeschnitten, so daß diese
Wölbung eine zu ihrer Basisfläche 12 parallele ebene Fläche 16 trägt, um die Lichtintensität
in Richtung der Reflektorachse 14 zu verstärken. Diese ebene reflektierende Fläche
ist in Fig. 5 in Aufsicht als Ellipse sichtbar. Die auch für diesen Fall eingezeichnete
Höhe h ist diejenige EIöhe der Wölbung 6, die gemessen wurde ohne die Abschneidung
in der ebenen Fläche 16 zu
berücksichtigen.
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In Fig. 6 ist auch der Krumlaungsradius r der Fläche der Wölbung 6
angegeben. Dieser Krümmungsradius ist, genaugenommen, nur dann über die gesamte
Fläche der Wölbung 6 konstant, wenn diese - abweichend vom Ausführungsbeispiel der
Fig. 6 - als Kugelkalotte ausgehildet ist.
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In den dargestellten Figuren sind die Wölbungen als L'i4T"J'hiricjen,
also sozusagen als positive Wölbungen dargestellt. In gleicher Weise könnten "negative
Wölbungen" anstelle oder neben der Erhöhungen verwendet werden. Die Tiefe einer
derartigen Vertiefung hätte dann das Maß der "Höhe der Wölbung".
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 beträgt die
Höhe h der dargestellten Wölbung 4% des kleinsten Basisdurchmessers d der dargestellten
Wölbung. Dieser Zahlenwert liegt innerhalb der optimalen Grenzen des Anspruches
1.
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Der Figur 4 ist auch der Abstand des Scheitels 10 des parabolischen
Hohlspiegelreflektors 4 von der Mitte seines Brennraums 20 zu entnehmen. Der kleinste
Basisdurchmesser d der in Fig. 4 dargestellten Wölbung 6 beträgt 38% des Abstands
des Scheitels 10 vom Brennraum 20 und liegt somit innerhalb der Grenzen des Anspruches
4. Der Krümmungsradius r der Wölbung 6 beträgt hier 75% des Abstandes f wie in Anspruch
5 angegeben.
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Fertigungstechnisch ist es in manchen Fällen einfacher, die Wölbungen
gemäß Fig. 7 als Ringe 22 auszubilden, die konzentrisch die Achse 14 des Hohlspiegelreflektors
4 umgeben. Man kann sich die in Fig. 4 dargestellte Wölbung 6 als Radialschnitt
durch einen derartigen Ring denken; man erkennt, daß in diesem Fall der Basisdurchmesser
d der Wölbung" gleich der Breite des Ringes und die Höhendes Ringes ist, wobei dieser
vorteilhaft als Toroidfläche ausgebildet ist.
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Gemäß den Fig. 4 und 6 ragen die Wölbungen aus der ungestörten Paraboloidfläche
8 des Reflektors hervor. Das Verhältnis zwischen der Summe der Basisflächen 12 der
Wölbungen 6 zur verbleibenden ungestörten Paraboloidfläche 8 bestimmt wesentlich
die Intensität des Lichtbündels in der Nähe der Reflektorachse 14, wobei dieser
Teil des Lichtbündels zusätzlich durch zur Basisfläche 12 parallele ebene Flächen
16 verstärkt werden kann.
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Auch kann eine Verstärkung dieses Teils des Lichtbündels dadurch erzielt
werden, daß zwischen den Ringen mehr oder minder breite Bereiche ungestörter Paraboloidflächen
verbleiben und/oder daß die Ringe durch ungestörte Paraboloidflächen unterbrochen
sind.
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Die Fig.8 und 9 zeigen zwei Ausführungsformen eines einfach gewendelten
Leuchtkörpers 2 . Der größte Abstand zweier Punkte des leuchtenden Bereiches des
Leuchtkörpers beträgt b. Die Verbindungslinie der beiden Punkte des leuchtenden,
das heißt wirksamç Abschnitts des Leuchtkörpers 2 sei als die "Richtung seiner größten
Ausdehnung b" bezeichnet. Man denke sich eine Ebene senkrecht zu dieser "Richtung
der größten Ausdehnung" und projeziere den Leuchtkörper 2 auf diese Ebene. In einfachen
Fällen erhält man als Projektion eine im Umriß etwa rechteckige Figur, und dieses
Rechteck ist in den Fig. 8 und 9 in die Zeichenebene umgeklappt. Die größte Ausdehnung
s dieses Rechteckes beträgt erfindungsgemäß mindestens 252 der Elöhender Wölbung
6 bzw. des Mittelwertes der Höhe aller Wölbungen 6.