DE2755253A1

DE2755253A1 - Spiegelnder reflektor

Info

Publication number: DE2755253A1
Application number: DE19772755253
Authority: DE
Inventors: Kai Ove Dipl Ing Soerensen
Original assignee: Louis Poulsen and Co AS
Current assignee: Louis Poulsen and Co AS
Priority date: 1976-12-21
Filing date: 1977-12-12
Publication date: 1978-06-22
Also published as: NO148004B; NO148004C; DK145207C; SE7714268L; DK145207B; NO774283L; SE425990B; DK577576A

Description

Spiegelnder Reflektor
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.
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.
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.
Niederdruck- und Hochdrucknatriumlampen. Derartige Lichtnuellen finden auf verschiedenen Gebieten Anwendung, insbesondere zur Püroraum-, Arbeitsplatz-, Strassen-, Platz-, Sportplatz- und Fassadenbeleuchtung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Für symmetrisch ausgebildete Reflektoren fur Lichtauellen mit kreisförmigem Querschnitt sind in den Fig.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
L e e r s e i t e

Claims

Spiegelnder Reflektor Patentansprüche Spiegelnder Reflektor für eine Lichtquelle, deren Oberfläche in der Hauptsache eine axialsymmetrische, geschlossene, räumliche Fläche bildet, welcher Reflektor eine die Lichtnuelle teilweise umgebende Reflexionsfläche hat, deren Rand oder Ränder an der Lichtausfallöffnung des Reflektors eine geschlossene, im wesentlichen plane Kurve bilden, wobei die Reflexionsfläche von ;ieder Normalebene zu einer mit der Ebene der Lichtausfallöffnung parallelen Symmetrieachse der Lichtquellenoberfläche in einer Schnittkurve (1) geschnitten wird, deren hinter der Lichtouelle befindliche Teil aus zwei Evolventen (5,6) der Schnittkurve (2) der Lichtquellenoberfläche mit derselben Normalebene besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den genannten Evolventen (5,6) bestehende Teil der Reflexionsflächenschnittkurve (1) begrenzt wird von zwei Halbtangenten (3 ) der Lichtauellenoberflächenschnittkurve (2) mit derartigen Richtungen, dass sie auf der einen Seite in der der Lichtouellenoberflächenschnittkurve (2) zugekehrten Richtung miteinander einen Winkel von weniger als 180° bilden, während auf der anderen Seite die sich an der Lichtouellenoberflächenschnittkurve (2) vorbei und in Richtung der Lichtausfallöffnung erstreckenden Verlängerungen dieser Halbtangenten (3 ) ausserhalb des Winkelraumes liegen, der durch die von den Endpunkten der Reflexionsoberflächenschnittkurve (1) an der Lichtausfallöffnung ausgehenden Tangenten der Lichtquellenoberflächenschnittkurve (2), die einander auf der der Lichtausfallöffnung zugekehrten Seite der Lichtquellenoberflächenschnittkurve (2) schneiden, abgegrenzt wird, und dass die Reflexionsflächenschnittkurve (1) zwischen dem aus den Fvolventen (5,6) bestehenden Teil und jedem der genannten Endpunkte übrige Teile (7,8) mit einem derartigen Verlauf hat, dass die Normale zur Kurve in jedem Punkt jedes dieser ubrigen Teile (7 bzw. 8) gebildet wird von der Winkelhalbierenden zwischen einer Linie, die durch den betreffenden Kurvenpunkt und parallel mit der durch den Endpunkt des anderen Teils (7 bzw. 8) an der Lichtausfallöffnung verlaufenden Tangente der der Lichtausfallöffnung zugekehrten Seite der Lichtquellenoberflächenschnittkurve (2) verläuft, und der vom betreffenden Kurvenpunkt ausgehenden Tangente derjenigen Kurve, welche von den genannten Halbtangenten (3) und dem zwischen diesen befindlichen Teil der Lichtquellenoberflächenschnittkurve (2) gebildet wird.
2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Halbtangenten (3) mit je einer der den genannten Wickelraum abgrenzenden Tangenten zusammenfallen (Fig. 6).
3. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden volventen (27-29; 50-51) vom selben Punkt auf der Lichtauellenoberflächenschnittkurve (30-32; 40) ausgehen (Fig. 4, Fig. 7b).
4. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Evolventen (5,6; 11; 12; 21; 22; 42,43) einander in einem Punkt ausserhalb der Lichtouellenoberflächenschnittkurve (2; 9; 20; 39) schneiden (Fig. 1, 2, 3 und 7a).
5. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden F.volventen (33-35) von gegeneinander versetzten Punkten auf der Lichtquellenoberflächenschnittkurve (36-38) ausgehen, ohne einander zu schneiden (Fig. 5).
6. Reflektor nach jedem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der aus den genannten Evolventen (5,6; 42,43; 50,51) bestehende Teil der Reflexionsflächenschnittkurve (1; 41; 49) um den genannten Winkelraum symmetrisch ist.
7. Reflektor nach jedem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenoberflächenschnittkurve (2; 20; 32; 38) kreisförmig ist (Fig. 1, 3b, 4c und 5c).
8. Reflektor nach jedem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenoberflächenschnittkurve (9; 19; 30; 31; 36; 38; 39; 40) elliptisch ist (Fig.

2, 3a, 4a-b: 5a-6 und 7).
9. Reflektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenoberflache eine Zylinderfläche ist.
10. Reflektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittkurve der Lichtquellenoberfläche mit einer mit der Lichtausfallöffnung parallelen Ebene durch die Symmetrieachse eine punkt symmetrische Kurve mit auf der Symmetrieachse liegendem Mittelpunkt ist.