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Spiegelnder Reflektor
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Die erfindung betrifft einen spiegelnden Reflektor für eine Lichtauelle,
deren Oberfläche in der Hauptsache eine axialsymmetrische, geschlossene, räumliche
Fläche bildet, welcher Reflektor eine die Lichtquelle teilweise umgebende Reflexionsfläche
hat, deren Rand oder Ränder an der Lichtausfallöffnung des Reflektors eine geschlossene,
im wesentlichen plane Kurve bilden, wobei die Reflexioflsfläche von jeder Normalebene
zu einer mit der Ebene der Lichtausfallöffnung parallelen Symmetrieachse der Lichtauellenoberfläche
in einer Schnittkurve geschnitten wird, deren hinter der Lichtquelle befindliche
Teil aus zwei Evolventen der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche mit derselben
Normalebene besteht.
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Unter einer Lichtciuelle, deren Oberfläche in der Hauptsache eine
axialsymmetrische, geschlossene, räumliche Fläche bildet, sind hier sowohl zylindrische
Lichtouellen mit z.B. kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt als auch Lichtauellen
zu verstehen, deren Oberfläche im wesentlichen eine Rotationsfläche bildet, wie
z.B. eine Kugelflache oder eine Rotationsellipsoidfläche. Je nach Form der Lichtouelle
kann entweder von einer oder von mehreren Symmetrieachsen der Lichtquellenoberfläche
die Rede sein, von denen jedoch wenigstens eine Symmetrieachse mit der Ebene der
Lichtausfallöffnung parallel ist. Bei zylindrischen Lichtquellen ist somit nur von
einer einzelnen mit der Ebene der Lichtausfallöffnung parallelen Symmetrieachse
die Rede, während es bei einer Lichtquellenoberfläche, die nicht nur axialsymmetrisch,
sondern rotationssymmetrisch ist,
mehr als eine Symmetrieachse gibt,
indem z.B. bei einer Kugelfläche eine Svmmetrieachse je Durchmesser und bei einer
Rotationsellipsoidfläche zwei Symmetrieachsen gibt, von denen die eine mit der Lichtausfallöffnung
parallel ist. Für die eingangs erwähnte Normalebene bedeutet dies, dass solche Ebenen
bei zylindrischen Lichtnuellen und Lichtnuellen mit rotationsellipsoidförmigen Oberflächen,
deren Längsachse mit der Ebene der Lichtausfallöffnung parallel verläuft, immer
parallel zu einander verlaufen, während bei Lichtouellen mit kugelförmigen Oberflächen
und rotationsellipsoidförmigen Oberflächen, deren Langsachse rechtwinklig zur Ebene
der Lichtausfallöffnung verläuft, sowohl von miteinander parallelen ormalebenen
zu jeder einzelnen mit der Ebene der Lichtausfallöffnung paparallelen Symmetrieachse
als auch von Normalebenen in Form von Symmetrieebenen die Rede sein kann, die einander
in der zur Ebene der Lichtausfallöffnung rechtwinklig verlaufenden Symmetrieachse
schneiden.
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Lichtouellen der erwahnten Art umfassen sowohl matte Glühlampen mit
länglicher oder runder Form und verschiedene matte Dampflampen, insbesondere mit
Leuchtstoffbeschichtungen, als auch Lampen mit klarem Kolben, wie z.B.
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Niederdruck- und Hochdrucknatriumlampen. Derartige Lichtnuellen finden
auf verschiedenen Gebieten Anwendung, insbesondere zur Püroraum-, Arbeitsplatz-,
Strassen-, Platz-, Sportplatz- und Fassadenbeleuchtung.
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Für alle diese Anwendungszwecke gilt, dass die Beleuchtungsarmatur
für eine Lichtquelle einen hohen Wirkungsgrad, d.h. so kleine Verluste wie überhaupt
möglich, und kleine Abmessungen aufweisen und gleichzeitig das Licht auf einen abgegrenzten
Bereich der zu beleuchtenden Fläche, d.h. von der Lichtausfallöffnung des Reflektors
aus gesehen innerhalb eines abgegrenzten Raumwinkelbereiches, konzentrieren und
verteilen können soll.
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Die Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad ist auf direkte beleuchtungsbetriebswirtschaftliche
Gründe zurückzuführen, während der Wunsch nach kleinen Abmessun-
gen
teils den Bestrebungen entspringt, die Herstellungskosten für die Armatur niedrig
zu halten, teils platzmässige, ästhetische und andere Ursachen hat. Der Zweck der
lichtdirigierenden Wirkung besteht darin, genau dort für eine starke Beleuchtllng
zu sorgen, wo sie benötigt wird, und gleichzeitig die Plendwirkung in normalen Sehrichtungen
zu beschränken. Bei der Beleuchtung von Flächen, z.B. in Fussbodenebene, ist man
somit oft daran interessiert, an den Grenzen des beleuchteten Bereiches, d.h. in
den Richtungen, die in der Nähe der Offnungsrichtungen der Armatur liegen, so hohe
Lichtstärken wie möglich zu erzielen, um eine gleichmässige Beleuchtung innerhalb
der Öffnungsrichtungen zu gewährleisten, und gleichzeitig eine starke Reduktion
der Lichtstärke unmittelbar ausserhalb der Offnungsrichtungen zu bewirken, um die
Rlendwirkung zu begrenzen.
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Sowohl aus beleuchtungstheoretischen als auch aus technologischen
Gründen widersprechen sich die drei obengenannten Anforderungen an Beleuchtungsarmaturen,
so dass eine hohe Prioritierung der Erfüllung einer der genannten Anforderungen
gewöhnlich bedeutet, dass die übrigen Anforderungen nur in geringerem Umfang berücksichtigt
werden können. Bei Armaturen, die aus Gründen der Abmessungsbeschränkung eine kleine
Lichtausfallöffnung haben, ist es deshalb nur möglich, den Lichtstrom durch Vergrössern
der Luminanz der Lichtquelle durch Interreflexion zwischen der Lichtquelle und dem
Reflektor zu verstärken, was jedoch gleichzeitig eine Vergrösserung der Verluste
mit sich bringt.
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Das Ausmass, in welchem den drei genannten Anforderungen genügt werden
kann, hängt von der beleuchtungstechnischen Ausgestaltung der Beleuchtungsarmatur
ab, und aus diesem Grund haben sich Armaturen mit spiegelnden Reflektoren in den
letzten Jahren grösserer Ausbreitung erfreut, da derartige Armaturen gewöhnlich
einen höheren Wirkungsgrad besitzen und eine bessere Steuerung der Lichtemission
bewirken als Armaturen mit zerstreuenden
Reflektoren.
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Bei den meisten dieser Armaturen hat der Reflektor einen parabelähnlichen
Querschnitt und umgibt aus Gründen der Platzersparnis die Lichtouelle mit sehr kleinem
Zwischenraum. Hierdurch wird jedoch ein Teil des von der Lichtouelle ausgesendeten
Lichtes zusammen mit der erzeugten Wärme wieder auf die Lichtquelle zurückgeworfen,
so dass der Wirkungsgrad teils infolge der Absorption des Lichtes, teils auf Grund
der Erhitzung der Lichtquelle reduziert wird, was sich insbesondere bei Leuchtstoffröhren
geltend macht.
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Es sind jedoch insbesondere für zylindrische Lichtauellen Reflektorausgestaltungen
bekannt geworden, bei denen Verluste dieser Art dadurch verhindert werden, dass
wenigstens der obere, hinter der Lichtquelle befindliche Teil des Reflektorauerschnitts
in einer Normalebene zur Längsachse als Evolventen der Schnittkurve der Lichtouellenoberfläche
in derselben Ebene ausgebildet ist. Durch diese Reflektorausgestaltung, die z.B.
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aus der Beschreibung zum britischen Patent Nr. t84.o6g bekannt ist,
wird ein Zurückwerfen auf die Lichtquelle vermieden. Im Zusammenhang mit dieser
bekannten Reflektorausgestaltung sind jedoch keine Angaben darüber gemacht, wie
die übrigen Teile des die Lichtausfallöffnung umgebenden Reflektorquerschnitts ausgestaltet
sein müssen, damit den beiden anderen erwähnten Anforderungen bezüglich der Steuerung
der Lichtemission und des Erzielen kleiner Reflektorabmessungen genügt wird. Es
sind auch keine Angaben darüber vorhanden, wie ein evolventenförmiger Teil eines
Reflektorquerschnitts mit anderen Formen von Querschnittkurven zusammengesetzt werden
kann, so dass sowohl Forderungen nach kleinen Abmessungen und bezüglich ästhetischen
Aussehens als auch Forderungen nach Produktionsfreundlichkeit berücksichtigt werden.
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Die Erfindung bezweckt, einen spiegelnden Reflektor der erwähnten
Art zu schaffen, mit dem ermöglicht wird, allen drei obengenannten Anforderungen
hochgradig zu genügen und somit in bezug auf bekannte verlustarme Reflektoren kleinere
Reflektorabmessungen und eine bessere Steuerung der Lichtemission zu verwirklichen.
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Zwecks Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemässe Reflektor
dadurch gekennzeichnet, dass der aus den genannten Evolventen bestehende Teil der
Reflexionsflächenschnittkurve begrenzt wird von zwei Halbtangenten der Lichtquellenoberflächenschnittkurve
mit derartigen Richtungen, dass sie auf der einen Seite in der der Lichtquellenoberflächenschnittkurve
zugekehrten Richtung miteinander einen Winkel von weniger als 180° bilden, während
auf der anderen Seite die sich an der Lichtouellenoberflächenschnittkurve vorbei
und in Richtung der Lichtausfallöffnung erstreckenden Verlängerungen dieser Halbtangenten
ausserhalb des Winkelraumes liegen, der durch die von den Endpunkten der Reflexionsoberflächenschnittkurve
an der Lichtausfallöffnung ausgehenden Tangenten der Lichtquellenoberflächenschnittkurve,
die einander auf der der Lichtausfallöffnung zugekehrten Seite der Lichtnuellenoberflächenschnittkurve
schneiden, abgegrenzt wird, und dass die Reflexionsflächenschnittkurve zwischen
dem aus den Evolventen bestehenden Teil und jedem der genannten Endpunkte übrige
Teile mit einem derartigen Verlauf hat, dass die Normale zur Kurve in jedem Punkt
jedes dieser übrigen Teile gebildet wird von der Winkelhalbierenden zwischen einer
Linie, die durch den betreffenden Kurvenpunkt und parallel mit der durch den Endpunkt
des anderen Teils an der Lichtausfallöffnung verlaufenden Tangente der der Lichtausfallöffnung
zugekehrten Seite der Lichtquellenoberflächenschnittkurve verläuft, und der vom
betreffenden Kurvenpunkt ausgehenden Tangente derjenigen Kurve,
welche
von den genannten Halbtangenten und dem zwischen diesen befindlichen Teil der Lichtquellenoberflächenschnittkurve
gebildet wird.
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Bei dieser Reflektorausgestaltung ist die Form derjenigen Teile der
Reflexionsflächenschnittkurve, die ausserhalb des aus den beiden Evolventen bestehenden
Teiles liegen, somit unter Berücksichtigung der Form von sowohl Lichtquellenoberflächenschnittkurve
als auch Evolventen unmittelbar festgelegt, indem die genannte Kurve, die von den
beiden Halbtangenten und dem zwischen diesen liegenden Teil der Lichtquellenoberflächenschnittkurve
gebildet wird, das von der Lichtauelle plus dem aus den Evolventen bestehenden Teil
der Reflexionsflächenschnittkurve erzeugte leuchtende Öffnungsprofil darstellt.
Durch die angegebene Ausgestaltung erhalten diese übrigen Teile der Reflexionsflächenschnittkurve
die grösstmögliche Krümmung, so dass der gesamte Reflektor mit minimalen Abmessungen
hergestellt werden kann, ohne dass Licht ausserhalb der Öffnungsrichtungen geworfen
wird.
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Ausserdem ist der Reflektor, genau wie die bbengenannten bekannten
Reflektoren, in dem Sinne verlustfrei, dass weder Licht noch Warme auf die Lichtquelle
zurückgeworfen wird. Die nicht ganz vermeidbaren Verluste sind in der Hauptsache
darauf zurückzuführen, dass es unmöglich ist, einen Reflektor mit einem Reflexionsfaktor
von 100 herzustellen. Der Wirkungsgrad eines erfindungsgemässen Reflektors liegt
typisch im Bereich von 80-90o.
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Ferner sendet der Reflektor nur innerhalb des durch die Offnungsrichtungen
festgelegten Raumwinkelbereiches Licht aus, und aus innerhalb dieses Bereiches liegenden
Richtungen gesehen bietet der Reflektor eine maximal erhellte Lichtausfallöffnung
und damit ein optimales Verhältnis zwischen der Lichtstärke und dem Querschnitt
der Lichtausfallöffnung dar.
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Bei einer wichtigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Reflektors
verlaufen die genannte erste und zweite Halbtangente parallel mit je einer der beiden
Offnungsrichtungen. Dies bedeutet, dass das von der Lichtouelienoberflächenschnittkurve
plus dem aus den Evolventen bestehenden Teil der Reflexionsflächenschnittkurve erzeugte
leuchtende Öffnungsprofil in Wirklichkeit nur aus dem zwischen den Berührungspunkten
der genannten Halbtangenten liegenden Teil der Lichtquellenoberflächenschnittkurve
besteht. Das Ergebnis hiervon ist, dass ein ganz glatter Ubergang zwischen dem aus
den Evolventen bestehenden Teil der Reflexionsflächenschnittkurve und den übrigen
Teilen dieser Kurve erzielt wird, so dass sich ein Reflektor ohne Knicke und damit
in sowohl ästhetischer als auch herstellungsmässiger Hinsicht zweckmässiger Ausgestaltung
ergibt.
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Oft ist der erfindungsgemasse Reflektor in dem Sinne symmetrisch,
dass wenigstens der aus den genannten Evolventen bestehende Teil der Reflexionsflächenschnittkurve
um die Winkelhalbierende zwischen den beiden Öffnungsrichtungen symmetrisch ist.
In diesem symmetrischen Fall kann durch eine solche Ausgestaltung des Reflektors,
dass die beiden Evolventen, die einen Teil der Reflexionsflächenschnittkurve bilden,
vom selben Punkt auf der Lichtnuellenoberflächenschnittkurve einer Lichtquelle mit
kreisförmigem Querschnitt ausgehen, und bei optimaler Lichtausbeute ein minimaler
Ouerschnitt der Lichtausfallöffnung erreicht werden, indem der Abstand von der genannten
Winkelhalbierenden zwischen den beiden Öffnungsrichtungen zu jedem Endpunkt der
Reflexionsflächenschnittkurve gleich r r/sini ist, wobei r der Radius des kreisförmigen
Querschnitts der Lichtnuelle und i der Öffnungswinkel, d.h. der halbe Winkel zwischen
den beiden Öffnungsrichtungen, ist.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf
die schematische Zeichnung näher erklärt. Es zeigt Fig. 1 die Schnittkurve der Reflexionsfläche
einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Reflektors für eine Lichtouelle
mit kreisförmigem Querschnitt, Fig. 2 die Schnittkurve der Reflexionsfläche einer
zweiten, unsymmetrischen Ausführungsform des Reflektors für eine Lichtouelle mit
elliptischem Querschnitt, Fig. 3a und b Schnittkurven der Reflexionsflächen von
unsymmetrischen erfindungsgemässen Reflektoren für Lichtauellen mit elliptischem
bzw. kreisförmigem Querschnitt, bei denen der aus den Evolventen bestehende Teil
der Schnittkurve glatt in die übrigen Teile dieser Kurve übergeht, Fig. 4a-c Reflexionsflächenschnittkurven
von unsymmetrischen Reflektoren, bei denen die evolventenförmigen Teile der Schnittkurve
vom selben Punkt auf der Schnittkurve der Lichtauellenoberfläche ausgehen, Fig.
5a-c entsprechende Reflexionsflächenschnittkurven, bei denen die evolventenförmigen
Teile von gegeneinander versetzten Punkten auf der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche
ausgehen, Fig. 6a-f Reflexionsflächenschnittkurven von verschiedenen symmetrischen
Reflektoren für Lichtquellen mit kreisförmigem Querschnitt und Fig. 7a und b Reflexionsflächenschnittkurven
von verschiedenen symmetrischen Reflektoren für Lichtquellen mit elliptischem Querschnitt.
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In Fig. 1 ist die Schnittkurve der Reflexionsfläche von einer grundsätzlichen,
symmetrischen Ausführungsform eines erfindungsgemässen Reflektors in ihrer Gesamtheit
mit 1 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist von einer Lichtauelle die Rede,
deren Oberflächenschnittkurve kreisförmig ist, d.h. entweder von einer
kreiszylindrischen
Lichtauelle in Form von z.B. einer Leuchtstoffröhre oder von einer Lichtquelle,
deren Oberfläche eine Rotationsfläche um eine mit der Ebene der Lichtausfallöffnung
des Reflektors parallele Symmetrieachse bildet. Die Schnittkurve 1 der Reflexionsfläche
und die mit 2 bezeichnete Schnittkurve der Lichtauellenoberfläche liegen in einer
Normalebene zu der auf diese Weise definierten Symmetrieachse.
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Wie bereits in den voranstehenden Ausführungen erklärt, nimmt die
durch die Erfindung vorgeschlagene Reflektorausgestaltung ihren Ausgangspunkt von
einem spiegelnden Reflektor derjenigen Art, wobei die Reflexionsflächenschnittkurve
teilweise aus zwei Evolventen der Schnittkurve der Lichtauellenoberfläche besteht.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist der aus diesen Evolventen bestehende Teil
der Reflexionsflächenschnittkurve begrenzt auf einen Bereich zwischen zwei Halbtangenten
der Lichtquellenoberflächenschnittkurve 2, welche Halbtangenten miteinander einen
Winkel von weniger als 180° bilden und derartige Richtungen haben, dass die sich
an der Schnittkurve der Lichtouellenoberfläche vorbei und in Richtung der Lichtausfallöffnung
erstreckenden Verlängerungen dieser Halbtangenten ausserhalb des Winkelraumes liegen,
der durch die beiden als Halbtangenten der der Lichtausfallöffnung zugekehrten Seite
der Lichtouellenoberflächenschnittkurve festgelegten und durch die Endpunkte der
Reflexionsflächenschnittkurve an der Lichtausfallöffnung verlaufenden Offnungsrichtungen
begrenzt wird, und die ausserhalb des genannten Bereiches liegenden übrigen Teile
der Reflexionsflächenschnittkurve haben einen derartigen Verlauf, dass die Normale
zur Kurve in jedem Punkt jedes dieser Teile zwischen dem evolventenförmigen Bereich
und einem der Endpunkte der Kurve gebildet wird von der Winkelhalbierenden zwischen
der mit der zum Endpunkt des anderen
Teils verlaufenden Öffnungsrichtung
parallelen Linie durch den betreffenden Kurvenpunkt und der von diesem Punkt aus
an diejenige Kurve, die von den genannten Halbtangenten und dem zwischen diesen
befindlichen Teil der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche gebildet wird, gelegten
Tangente.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Reflexionsflächenschnittkurve
1 symmetrisch um die Winkelhalbierende zwischen den beiden Offnungsrichtungen, weshalb
in der Figur bei 3 bzw. 4 nur die eine der beiden Halbtangenten der Schnittkurve
2 der Lichtquellenoberfläche, die den aus den genannten Evolventen 5 und 6 bestehenden
Teil der Reflexionsflächenschnittkurve begrenzen, und auch nur die eine Öffnungsrichtung
eingezeichnet ist, die in Verlängerung der betreffenden Halbtangente 3 liegt.
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Es ist verständlich, dass die andere Halbtangente, die den genannten
Teil der Reflexionsflächenschnittkurve 1 begrenzt, und die andere Öffnungsrichtung
ebenfalls in Verlängerung voneinander und in bezug auf die genannte Halbtangente
3 bzw. die genannte Öffnungsrichtung 4 symmetrisch um die Winkelhalbierende liegen.
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Die Form der Reflexionsflächenschnittkurve und damit die Form der
Reflexionsfläche selbst wird im folgenden mit Hilfe des in Fig. 1 eingezeichneten
Koordinatensystems erläutert, dessen Nullpunkt auf der mit der Ebene der Lichtausfallöffnung
parallelen Symmetrieachse der Lichtauellenoberfläche liegt und dessen Ordinate Y
von der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Öffnungsrichtungen gebildet wird.
Der mathematischen Erklärung der Schnittkurve halber werden die festen Winkell und
ß eingeführt, die den Öffnungswinkel, d.h. den halben Winkel zwischen den beiden
Öffnungsrichtungen, bzw. den Winkel zwischen der Abszisse X des Koordinatensystems
und dem Ausgangspunkt der Evolvente 5 auf der Schnitt-
kurve 2
der Lichtquellenoberfläche angeben. Zwecks Bestimmung der Koordinaten X,Y eines
beliebigen Punktes auf der einen Hälfte der symmetrischen Reflexionsflächenschnittkurve
werden zusätzlich ein variabler Parameter in Form des Winkels e zwischen der X-Achse
und dem Berührungspunkt der vom betreffenden Punkt auf der Reflexionsflächenschnittkurve
1 an die Schnittkurve 2 der Lichtauellenoberfläche gelegten Tangente sowie der Radius
r der kreisförmigen Schnittkurve der Lichtquelle noberfläche eingeführt.
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Hieraus ist ersichtlich, dass der Streckenabschnitt der betrachteten
Hälfte der symmetrischen Reflexionsflächenschnittkurve, die aus einer Evolventen
der Schnittkurve 2 der Lichtauellenoberfläche, in diesem Fall aus einer Kreisevolventen,
besteht, beim Wert 6 =» beginnt. Aus dem veranschaulichten Beispiel, in dem die
Halbtangente 3, die das Ende dieser Strecke festlegt, in Verlängerung der Offnungsrichtung
4 zum Endpunkt der anderen symmetrischen Hälfte der Reflexionsflächenschnittkurve
liegt, ist ferner ersichtlich, dass das Ende der betreffenden Strecke der-betrachteten
Hälfte der Reflexionsflächenschnittkurve durch den Wert 6 =#+α gegeben ist.
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Innerhalb dieser Strecke der betrachteten Hälfte der symmetrischen
Reflexionsflächenschnittkurve sind die Koordinaten eines beliebigen Punktes, wie
z.B. des in Fig. 1 gezeigten Punktes A, gegeben durch: x = r (cos 6 + (6 -p) sin
6) (1) y = r (sin 6 - (6 -p) cos #) (2) Die übrige Strecke 7 der betrachteten Hälfte
der Reflexionsflächenschnittkurve 1 verläuft somit vom Wert 6 = t+ zu dem an der
Lichtausfallöffnung befindlichen Endpunkt der Reflexionsflächenschnittkurve, wo
der Wert 6, wie ohne weiteres ersichtlich ist, gleich 27r -« ist.
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Für einen beliebigen Punkt, wie z.B. dem Punkt B, auf
dieser
Kurvenstrecke ergeben sich die Koordinaten: cos # - cosα + (# + α +
# - 2ß) sin # x = r . (3) 1 - cos (# - α) sin # - sinα - (# + α
+ # - 2ß) cos# y = r . (4) 2 - cos (# - α) Genau wie die evolventenförmige
Strecke 6 der anderen Hälfte der Reflexionsflächenschnittkurve 1 in bezug auf die
obengenannte evolventenförmige Strecke 5 symmetrisch um die Y-Achse ist, so ist
auch die übrige Strecke 8 dieser zweiten Hälfte der Schnittkurve 1 in bezug auf
die Strecke 7 symmetrisch um die Y-Achse.
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Sowohl aus Fig. 1 als auch aus den oben erklärten geometrischen Bedingungen
für den Verlauf der verschiedenen Teile 5,7 bzw. 6,8 der Reflexionsflächenschnittkurve
1 geht hervor, dass in dem dargestellten Fall, in welchem die Halbtangente 3 und
die Öffnungsrichtung 4 in Verlängerung voneinander liegen, die genannten Teile 5,7
bzw. 6,8 glatt und ohne irgendwelche Diskontinuitäten ineinander übergehen.
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Im Ausführungsbeispiel nach.Fig 1 wurde ein Öffnungswinkel α
von 60° gewählt, während der Winkel ß zwischen der X-Achse und dem Ausgangspunkt
des evolventenförmigen Teils der Reflexionsflächenschnittkurve 1 auf der Schnittkurve
2 der Lichtouellenoberfläche 750 betragt, was bedeutet, dass die zu je einer Hälfte
der Reflexionsflächenschnittkurve 1 gehörenden evolventenförmigen Teile 5 und 6
sich gegenseitig um 300 überlappen und einander in einem ausserhalb der Schnittkurve
2 der Lichtouellenoberfläche befindlichen Punkt auf der Y-Achse schneiden.
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Aus der obigen Beziehung (3) lässt sich der Abstand D von der Y-Achse
zum Endpunkt der einen Hälfte der Reflexionsflächenschnittkurve 1 berechnen, und
zwar ergibt sich für den Wert 6 =
-(3# - 2ß) . sinα (3#/2
- ß) D = -x = -r . = r . (5) 1 - cos (2# - 2α) sin α Bei einer kreiszylindrischen
Lichtquelle entspricht der Abstand D der halben Breite der Lichtausfallöffnung des
Reflektors, und es ist ersichtlich, dass sich durch 5 Variation des Winkels ß für
einen Reflektor, der die Lichtquelle oben ganz abdeckt, die kleinste Breite ergibt
durch D = r . #/sinα beim Wert ß = #/2, was dem Fall entspricht, dass die
evolventenförmigen Teile 5 und 6 von ein und demselben Punkt auf der Schnittkurve
10 2 der Lichtouellenoberfläche ausgehen, nämlich vom Schnittpunkt mit der Y-Achse.
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Ebenso lässt sich die Höhe des Reflektors aus den obigen Beziehungen
(2) und (4) als die Summe H1 + H2 der y-Werte in den genannten Beziehungen für e
= # bzw.
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15 # = 2# - α berechnen, und zwar ergibt sich durch Einsetzen
dieser Werte in die Beziehungen (2) und (4): H1 = r . (# - ß) (6) (sin α +
(3#/2 - ß) cos α H2 = r . (7) sin²α was wiederum ergibt: sin α
+ (3#/2 - ß) cos α 20 H = H1 + H2 = r(# - ß +) (8) sin Hieraus ist ersichtlich,
dass bei einem Reflektor, der die Lichtquelle oben ganz abdeckt, auch die Höhe H
ihren Kleinstwert für den Wert ß = t/2 annimmt.
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Speziell für eine kreiszylindrische Lichtquelle 25 lässt sich aus
den folgenden Retrachtungen herleiten, dass die obengenannte Beziehung (5) die minimale
Breite für einen Reflektor mit optimaler Lichtemission angibt.
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Der von der Reflexionsflächenschnittkurve 1 umgebene und damit Licht
aussendende Teil der Kurve 2 der Lichtquel-30 lenoberfläche ist gegeben durch: r
(3# - 2&) (9)
Da die Oberflächenluminanz der Lichtquelle gleich
L ist, entspricht der Lichtquellenlichtstrom des derartig umgebenen Teils pro laufenden
Meter der Lichtquelle in Richtung der Längsachse: = . L r (35 - 2 p) (10) Ein idealer
Reflektor mit optimaler Lichtemission hat die Reflektanz 1, so dass er die erhellten
Teile mit der Luminanz der Lichtouelle beleuchtet. Insbesondere für die kreiszylindrische
Lichtquelle gilt, dass die gesamte Lichtausfallöffnung des Reflektors bei Betrachtung
aus einer Richtung, die innerhalb des von den Offnungsrichtungen begrenzten Winkelraumes
liegt, erhellt ist, während sie beim Betrachten aus Richtungen, die ausserhalb dieses
Winkelraumes liegen, als ganz dunkel erscheint.
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Durch die Lichtausfallöffnung, deren Breite 2 D entspricht, wird
unter diesen Voraussetzungen folgender Lichtstrom ausgesendet: # . L . 2D #2 = sinα
(11) Da der Reflektor voraussetzungsgemäss verlustfrei ist, ist 1 = #2, was wiederum
genau die obige Beziehung (5) ergibt.
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Bei nichtzylindrischen Lichtauellen mit einer kreisförmigen Schnittkurve
wie der in Fig. 1 dargestellten, d.h. z.B. bei rotationssymmetrischen Lichtquellen,
sind die Verhaltnisse etwas anders als bei dem oben beschriebenen, rein axialsymmetrischen
raU, da man bezüglich der Reflektoren für derartige Lichtquellen nicht ohne weiteres
annehmen kann, dass beim Betrachten aus Richtungen, die an den Grenzen des von den
Öffnungsrichtungen begrenzten Winkelraumes liegen, d.h. in der Nähe der Öffnungsrichtungen,
die gesamte Lichtausfallöffnung erhellt ist. Der Aufhellungsgrad ist jedoch auch
bei Reflektoren für derartige Lichtquellen maximal, so dass auch für diese Lichtouellen
gilt, dass bei der durch die
Erfindung vorgeschlagenen Reflektorausgestaltung
das Verhältnis zwischen der Lichtstarke und dem Querschnitt der Lichtausfallöffnung
optimal ist.
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Während die mathematischen Bedingungen für die Ausgestaltung eines
erffndungsgemässen Reflektors in den voranstehenden Ausführungen allein unter Bezugnahme
auf den einfachen, aber sehr wichtigen Spezialfall beschrieben wurden, in dem die
Schnittkurve der Lichtquelle kreisförmig ist und die Schnitt kurve der Reflexionsfläche
symmetrisch um die Winkelhalbierende zwischen den beiden Öffnungsrichtungen ist
und in dem ausserdem die beiden symmetrischen Hälften dieser Schnittkurve einen
glatten Verlauf ohne irgendwelche Diskontinuität zwischen dem oberen evolventenförmigen
Teil und dem restlichen unteren Teil aufweisen, werden im folgenden verschiedene
andere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Reflektors schematischer erklärt.
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Für alle in den Fig. 2-7 dargestellten Ausführungsformen gilt, dass
die jeweiligen Figuren allein die Schnittkurve der Lichtauellenoberfläche und die
Schnittkurve der Reflexionsfläche wiedergeben, und zwar.gesehen in einer Normalebene
zu einer mit der Ebene der Lichtausfallöffnung parallelen Symmetrieachse der Lichtquellenoberfläche,
so wie es auch in Fig. 1 der Fall ist.
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Fig. 2 zeigt somit eine Ausführungsform, bei der die Schnittkurve
9 der Lichtouellenoberfläche eine Ellipse bildet, so wie es z.B. bei einer zylindrischen
Lichtauelle mit elliptischem Querschnitt oder bei einer rotationsellipsoidförmigen
Lichtquelle, deren Rotationsachse im wesentlichen rechtwinklig zur Ebene der Lichtausfallöffnung
verläuft, der Fall ist. Bei dieser Ausführungsform ist ferner die Schnittkurve der
Reflexionsfläche, die in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist, völlig unsymmetrisch.
Die Schnittkurve 10 besteht oben aus zwei Teilen 11 und 12 in Form von Evolventen
der Schnittkurve 9 der Lichtquellenoberfläche. Genau wie bei der
Ausführungsform
nach Fig. 1 schneiden sich diese evolventenförmigen Teile 11 und 12 in einem Punkt
ausserhalb der Schnittkurve 9 der Lichtquellenoberfläche, aber der Schnittpunkt
liegt in diesem Fall weder auf einer Symmetrieachse der Schnittkurve 9 noch auf
der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Offnungsrichtungen, die mit 13 bzw. 14
bezeichnet sind. Ausserdem weist die Schnittkurve 10 der Reflexionsfläche zwischen
den genannten evolventenförmigen Teilen 11 und 12 und den übrigen Teilen 15 bzw.
16 der Schnittkurve Knicke auf, indem die beiden evolventenförmigen Teile 11 und
12 so weit hinabgezogen sind, dass die Richtungen der von den Endpunkten der evolventenförmigen
Teile 11 und 12 ausgehenden Halbtangenten 17 bzw. 18 der Schnittkurve 9 der Lichtquellenoberfläche
nicht mit den beiden Öffnungsrichtungen 13 und 14 zusammenfallen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen
der kleinen Achse und der grossen Achse der elliptischen Schnittkurve 9 gleich 1:1,5,
und die beiden evolventenförmigen Teile überlappen sich gegenseitig um 300, während
der Winkel zwischen den Öffnungsrichtungen 13 und 14 gleich 1200 ist.
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Die Fig. 3a und 3b zeigen zwei unsymmetrische Reflektorausgestaltungen
für einen elliptischen bzw. einen kreisförmigen Lichtquellenquerschnitt' wie durch
die Schnittkurven 19 bzw. 20 angegeben. In diesem Fall werden jedoch die evolventenförmigen
Teile der Schnittkurve 21 bzw. 22 der Reflexionsfläche von Halbtangenten 23,24 bzw.
25,26 der Lichtquellenoberflächenschnittkurve 19 bzw. 20 begrenzt, deren Richtungen
mit den Öffnungsrichtungen des Reflektors zusammenfallen. Genau wie in den Fig.
1 und 2 überlappen sich die evolventenförmigen Teile um 300, so dass diese Teile
einander ausserhalb der Schnittkurve der Lichtauellenoberfläche schneiden, und der
Winkel zwischen den Öffnungsrichtungen beträgt auch in diesem Fall 1200. Auf gleiche
Weise wie in Fig.
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2 ist die Unsymmetrie dadurch entstanden, dass die Ausgangspunkte
der evolventenförmigen Teile auf der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche 19
bzw. 20 in bezug auf die im wesentlichen rechtwinklig zur Ebene der Lichtausfallöffnung
verlaufende Symmetrieachse der Lichtquellenoberfläche versetzt sind, und zwar dreht
es sich bei den beiden in Fig. 3 darstellten Fällen um eine Versetzung um 15°. Bei
der elliptischen Schnittkurve in Fig. 3a ist das Verhältnis zwischen der kleinen
Achse und der grossen Achse dasselbe wie in Fig. 2, nämlich 1:1,5.
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Die Fig. La-c veranschaulichen einige unsymmetrische Reflektorausgestaltungen,
bei denen die evolventenförmigen Teile der Schnittkurve der Reflexionsfläche, die
in den drei Figuren mit 27, 28 bzw. 29 bezeichnet ist, vom selben Punkt auf der
Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche ausgehen, welche Schnittkurve in den Fig.
4a und b elliptisch ist und die Bezeichnung 30 bzw. 31 trägt und in Fig. 4c kreisförmig
ist und mit 32 bezeichnet ist. Der Winkel zwischen den Öffnungsrichtungen ist in
allen drei Fällen derselbe wie bei den vorigen Ausführungsformen, d.h. 1200, und
die Unsymmetrie ist wieder genau wie in den Fig. 2 und 3 dadurch entstanden, dass
der auf der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche liegende Ausgangspunkt der evolventenförmigen
Teile der Reflexionsflächenschnittkurve in bezug auf die zur Ebene der Lichtausfallöffnung
im wesentlichen rechtwinklig verlaufende Symmetrieachse der Lichtquellenoberfläche
um 150 versetzt ist. Bei den elliptischen Schnittkurven 30 und 31 in den Fig. 4a
und b ist das Verhältnis zwischen der kleinen Achse und der grossen Achse dasselbe
wie in Fig. 2 und in Fig. 3a, nämlich 1:1,5.
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Den voranstehenden mathematischen Ausführungen lässt sich entnehmen,
dass man bei Reflektorausgestaltungen wie den in Fig. 4 gezeigten minimale Breite
der Lichtausfallöffnung in bezug auf den ausgesendeten Lichtstrom
erzielt.
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In den Fig. 5a, b und c sind Reflektorausgestaltungen veranschaulicht,
die in allem wesentlichen den Ausgestaltungen nach Fig. 4 entsprechen, aber bei
denen die evolventenförmigen Teile der Schnittkurve der Reflexionsfläche, die mit
33, 34 bzw. 35 bezeichnet ist, von verschiedenen Punkten auf der Schnittkurve der
Lichtquellenoberfläche, die mit 36, 37 bzw. 38 bezeichnet ist, ausgehen und einander
nicht schneiden, so dass die Lichtzelle oben einen Bereich aufweist, der nicht vom
Reflektor abgedeckt ist. Hierdurch kann auch in einer vom eigentlichen Bereich der
Lichtemission abgekehrten Richtung Licht ausgesendet werden, was insbesondere dann
aktuell wird, wenn man z.B. an einer schwachen Beleuchtung einer Deckenfläche gleichzeitig
mit der Beleuchtung einer Tisch- oder Fussbodenfläche interessiert ist. Zusätzlich
wird durch diese Ausgestaltung erreicht, dass die Abmessungen des Reflektors kleiner
werden, weil der Reflektor einen kleineren Teil des Umfanges der Lichtauelle umgibt.
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Für symmetrisch ausgebildete Reflektoren fur Lichtauellen mit kreisförmigem
Querschnitt sind in den Fig.
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6a-f die voranstehend erläuterten Möglichkeiten dafür veranschaulicht,
die evolventenförmigen Teile der Schnittkurve der Reflexionsfläche entweder von
einem gemeinsamen Punkt auf der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche oder von
gegeneinander versetzten Punkten auf dieser Schnittkurve ausgehen zu lassen, wobei
sich die evolventenförmigen Teile entweder schneiden oder nicht schneiden. Die drei
Möglichkeiten sind in den Fig. 6a-c für Reflektoren mit einem Winkel von 900 zwischen
den Öffnungsrichtungen bzw. in den Fig. 6d-f für Reflektoren mit einem Winkel von
1200 zwischen den Offnungsrichtungen dargestellt. Die Figuren zeigen, dass sich
für einen Reflektor mit optimaler Lichtemission die kleinsten Abmessungen bei einem
gegebenen
Winkel zwischen den Öffnungsrichtungen dadurch erzielen
lassen, dass man die evolventenförmigen Teile der Schnittkurve der Reflexionsfläche
vom selben Punkt auf der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche ausgehen lässt.
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Noch kleinere Reflektorabmessungen können jedoch dadurch erzielt werden,
dass man den Reflektor nicht die ganze Lichtauelle umgeben lässt, so wie es auch
unter Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt ist. Ferner geht aus den Figuren hervor, dass
die Höhe und die Breite des Reflektors vom Winkel zwischen den Öffnungsrichtungen
abhängig ist.
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Schliesslich sind in den Fig. 7a und b die wichtigen Spezialfälle
von symmetrisch ausgebildeten Reflektoren für Lichtquellen mit elliptischem Querschnitt
veranschaulicht. Bei der Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche, die mit 39 bzw.
40 bezeichnet ist, verläuft in diesem Fall die grosse Achse rechtwinklig zur Ebene
der Lichtausfallöffnung, so wie es bei vielen ellipsoidförmigen Lichtouellen der
Fall ist, wie z.B. bei Quecksilberlampen mit Leuchtstoffbeschichtung, d.h. farbkorrigierenden
Quecksilberlampen für z.B. Strassenbeleuchtungszwecke, und bei Hochdruck-Natriumlampen
mit zerstreuendem Kolben, die u.a. auch für Strassenbeleuchtungszwecke Anwendung
finden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 gehen die evolventenförmigen Teile 42
und 43 der Schnittkurve 41 der Reflexionsfläche von gegeneinander versetzten Punkten
auf der Schnittkurve 39 der Lichtquellenoberfläche aus und schneiden einander in
einem ausserhalb dieser Schnittkurve liegenden Punkt.
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Ferner sind die evolventenförmigen Teile 42 und 43 um die Lichtquelle
herum so weit hinabgezogen, dass die Richtungen der von den Endpunkten dieser Teile
aus an die Schnittkurve 39 der Lichtquellenoberfläche gelegten Halbtangenten nicht
mit den Öffnungsrichtungen 45 und 46 zusammenfallen, so dass die Reflexionsfläche
am Ubergang zwischen den evolventenförmigen Teilen 42 und 43 und den restlichen
unteren Teilen 47 bzw. 4
eine Diskontinuität aufweist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 7b gehen die evolventenförmigen
Teile 50 und 51 der Schnittkurve 49 der Reflexionsfläche vom selben Punkt auf der
Schnittkurve 40 der Lichtquellenoberfläche aus, und der Ubergang zwischen diesen
Teilen und den restlichen unteren Teilen 52 bzw. 53 der Schnittkurve der Reflexionsfläche
ist glatt, da die Richtungen der von den Endpunkten der evolventenförmigen Teile
50 und 51 aus an die Schnittkurve 40 der Lichtquellenoberfläche gelegten Halbtangenten
mit den Öffnungsrichtungen zusammenfallen.
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Die voranstehende Beschreibung vermittelt eine überwiegend mathematische
und beleuchtungstheoretische Erklärung der verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen
Reflektors. Aus dieser Erklärung geht hervor, dass es durch eine geeignete Reflektorausgestaltung
innerhalb der Rahmen der Erfindung möglich ist, eine sehr genaue Steuerung der Lichtverteilung
durch eine mit einem derartigen Reflektor versehene Armatur zu erreichen, und zwar
gleichzeitig damit, dass die einzigen Verluste dadurch entstehen, dass die Reflexionsfläche
nicht das gesamte von der Lichtquelle erzeugte Licht zu 100% reflektiert, sondern
immer eine gewisse Absorption bewirkt, wogegen keine Verluste als Folge von Interreflexion
zwischen der Lichtquelle und der Reflexionsfläche auftritt.
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Bei der praktischen Ausgestaltung kann ein erfindungsgemässer Reflektor
auf übliche Weise mit Ventilationsspalten versehen werden, und die Reflexionsfläche
kann eventuell gehämmert sein, um die Lichtverteilung zu glätten.
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L e e r s e i t e