DE3027719C2 - - Google Patents

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21VFUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00Reflectors for light sources
    • F21V7/04Optical design
    • F21V7/09Optical design with a combination of different curvatures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21LIGHTING
    • F21SNON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S8/00Lighting devices intended for fixed installation

Description

Die Erfindung betrifft einen Reflektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Er dient zur Ausleuch­ tung einer Fläche, beispielsweise zur Bildwandaus­ leuchtung bei Projektionssystemen. Die Schwierig­ keit dabei ist, das Bildfenster mit Hilfe eines Reflektors möglichst gleichmäßig ausleuchten zu können.

Bei strukturiertem Leuchtkörper, z. B. einer Wendel, und glatter Reflektoroberfläche kommt es entspre­ chend dem Wendelbild zu örtlichen Helligkeits­ schwankungen im Bildfenster. Daher ist man dazu übergegangen, die Oberfläche des Reflektors aufzu­ rauhen, indem man sie punziert oder facettiert hat. Ein Reflektor, der auf seiner Oberfläche viele kleine spiegelnde Flächen aufweist, ist beispiels­ weise aus US-PS 40 21 659 und US-PS 40 35 631 bekannt. Andere Oberflächenstrukturierungen werden u. a. in DE-OS 21 48 478 und DE-OS 23 63 378 angege­ ben. Durch die beschriebenen Strukturierungen der Reflektoroberfläche werden die Strahlenbündel gegen­ über der glatten Reflektorfläche stärker aufgefä­ chert bzw. gestreut. Somit tritt eine Verwischung der Wendelstruktur im Bildfenster ein, wobei jedoch immer noch eine gewisse Wolkigkeit der Bildfenster­ ausleuchtung übrigbleibt. Doch sinkt infolge des vermehrten Streulichts der Nutzlichtstrom, was durch Steigerung der Lampenleistung kompensiert werden muß, wodurch sich auch die Temperatur im Bildfenster gegenüber glatten Reflektoroberflächen erhöht. Allen diesen Lösungen gemeinsam ist, daß die Reflektoren nur eine Kontur aufweisen.

Aus der DE-PS 4 23 470 ist ein Reflektor für Leucht­ körper bekannt, der aus einer Vielzahl von Ringen von Rotationsellipsoiden besteht. Er dient jedoch dazu, das Licht eines Leuchtkörpers auf eine mög­ lichst kleine Fläche zu werfen, wobei die Gleichmä­ ßigkeit der Ausleuchtung keine Rolle spielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Oberfläche zu schaffen, mit der eine gute Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte auf der zu be­ leuchtenden Fläche in der Gegenstandsebene (im folgenden als Gleichmäßigkeit der Bildfensteraus­ leuchtung bezeichnet) erreicht werden kann und Streulicht möglichst vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk­ male gemäß Anspruch 1 gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Der Reflektor zur Ausleuchtung einer Fläche weist mindestens zwei bezüglich der optischen Achse des Gesamtreflektorsystems rotationssymmetrische Kontu­ ren auf, deren erzeugende Kegelschnitten folgen. Der Reflektor ist in zonale Bereiche unterteilt, wobei aufeinanderfolgende zonale Bereiche verschiede­ ne Konturen aufweisen. Dabei können die Brennpunkte der Erzeugenden zusammenfallen oder in der opti­ schen Achse oder auf einer Parallelen zur optischen Achse gegeneinander verschoben sein. Je nach Ver­ wendung des Reflektors können die Konturen identi­ schen oder nicht identischen Kegelschnitten folgen. Die die unterschiedlichen Konturen bildenden zonalen Bereiche müssen mit einem bestimmten Flächeninhalt vorhanden sein. Bei Verwendung von zwei zonalen Bereichen A und B sollten die Flächenanteile FA und FB an der gesam­ ten reflektierenden Fläche F den Gleichungen FA = x F und FB = (1 - x) F gehorchen mit 0,2 < x < 0,8. Je nach gewünschter Lichtverteilung können die Verhältnisse der Flächenanteile der unterschiedlichen zonalen Bereiche zwischen 1 : 4 und 1 : 1 betragen. Ebenso richtet sich die Aufeinanderfolge der zonalen Bereiche unter­ schiedlicher Kontur nach dem Anwendungszweck. Der Reflektor soll mindestens zwei bezüglich der opti­ schen Achse rotationssymmetrische zonale Bereiche aufweisen. Die Reflektorfläche einer Kontur ent­ steht durch Rotation einer Erzeugenden, die dem Kurvenverlauf eines Kegelschnittes folgt. Dabei kann die geometrische Achse mindestens eines der Kegelschnitte gegen die optische Achse geneigt sein, d. h. einen Winkel mit der optischen Achse des Gesamtsystems bilden.

Durch Abstimmung der verschiedenen Konturen der Kegelschnitte aufeinander, beispielsweise so, daß durch die Kontur des einen Kegelschnitts eine spotförmige Ausleuchtung und durch die Kontur des anderen Kegelschnitts eine sattelförmige Ausleuch­ tung erfolgt, ist eine sehr gleichmäßige Ausleuch­ tung des Bildfensters zu erzielen.

Durch die erfindungsgemäßen Reflektorformen, bei denen man den Leuchtkörper mit mehreren Reflektor­ konturen in das Bildfenster abbildet, läßt sich sowohl bei Projektion als auch bei Beleuch­ tung die Gleichmäßigkeit verbessern. Dabei ist entscheidend, daß sich bei der Projektion die Gleichmäßigkeit der 1. Ordnung über die ganze Bildwand verbessert und nicht wie bei den anfangs erwähnten Reflektoren mit vielen kleinen, eine Kontur aufweisenden spiegelnden Flächen nur die Gleichmäßigkeit der 2. Ordnung (Wolkigkeit der Bildfensterausleuchtung). Zur Erläuterung: Die Gleichmäßigkeit der 1. Ordnung beschreibt den Verlauf der Beleuchtungsstärke über die Bildwand (Grundverlauf der Kurve), die Gleichmäßigkeit der 2. Ordnung beschreibt innerhalb des Grundverlaufs die leichten Beleuchtungsstärkeschwankungen, die durch Abbildungen von Lampenstrukturen oder anderen Nebenerscheinungen im Bildfenster verursacht werden. Die Verbesserung läßt sich vielleicht damit erklären, daß Reflektoren, deren Kontur einer einzigen Kegelschnittgleichung entspricht, primär immer nur in der Lage sind, einen Objektpunkt in einen Bildpunkt zu projizieren. Bei Verwendung von z. B. zwei Konturen lassen sich zwei Objektpunkte in einen Bildpunkt oder ein Objektpunkt in zwei Bildpunkte projizieren. Bei Verwendung von mehreren Konturen kann man entsprechend viele Zuordnungen Objektpunkt/Bildpunkt festlegen. Die Konturen können in beliebiger Anordnung auf dem Reflektor verteilt werden. Wichtig ist dabei, daß die Gesamtlänge der Stoßkanten der Reflektorkonturen einen minimalen Wert haben und die Ausformschrägen für z. B. die Preßlingherstellung einen möglichst kleinen Raumwinkel in Anspruch nehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 gibt eine perspektivische Draufsicht des Reflektors,

Fig. 2 einen Schnitt des Reflektors wieder;

Fig. 3a-c zeigt relative Beleuchtungsstärkeverteilungen;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die Lage der für die Kegelschnitte verwendeten Koordinatensysteme schematisch dargestellt ist.

Der Reflektor 1 in Fig. 1 besteht vorzugsweise aus Borosilikatglas und ist in fünf zonale Bereiche (2a, 2b, 2c, 3a, 3b) unterteilt. Die drei zonalen Bereiche 2a-c basieren auf der erzeugenden Kegel­ schnittkurve K1. Die jeweils dazu abwechselnd angeordneten zonalen Bereiche 3a und 3b gehören zu einer anderen erzeugenden Kegelschnittkurve K2. Der Strahlengang verläuft wie in Fig. 2 dargestellt. Fig. 3a zeigt die Beleuchtungsstärkeverteilung E über die Diagonale d des Bildfensters bei Zugrun­ deliegen einer erzeugenden Kegelschnittkurve K1, die eine spotförmige Ausleuchtung ergibt, Fig. 3b bei erzeugender Kegelschnittkurve K2, die auf dem Bild­ fenster eine sattelförmige Beleuchtungsstärkeverteilung E erzeugt. In Fig. 3c ist die mit der aus den beiden erzeugenden Kegelschnittkurven ausgebildeten Reflexionsfläche des Reflektors erzeugte günstigere Beleuchtungsstärkeverteilung E dargestellt. Bei diesem Beispiel verhalten sich die auf unterschied­ lichen Konturen beruhenden Flächenanteile im Flä­ cheninhalt wie 5 : 3 (von Fläche zugeordnet Kegelschnittkurve K1 zu Fläche zugeordnet Kegelschnittkurve K2).

In dem Diagramm in Fig. 4 sind die beiden erzeu­ genden Kegelschnittkurven in ihrer Lage zur opti­ schen Achse des Gesamtsystems wiedergegeben. Die Koordinaten X01, Y01 gehören zum Mittelpunkt des geneigten Koordinatensystems X′, Y′, das der erzeu­ genden Kegelschnittkurve K1 zugeordnet ist. Ent­ sprechend wird der Mittelpunkt des der erzeugenden Kegelschnittkurve K2 zugeordneten Koordinatensystems durch X02, Y02 bestimmt. Das Koordinatensystem X′, Y′ ist gegen das Koordinatensystem X, Y um den Winkel ϕ geneigt, wobei die X-Achse durch die optische Achse des Gesamtsystems gegeben ist.

F1 bzw. F2 bezeichnen die Brennpunkte der beiden erzeugenden Kegelschnittkurven.

Solche Reflektoren, deren Reflexionsfläche auf mehreren erzeugenden Kegelschnittkurven beruht, eignen sich für Beleuchtungssysteme mit kleinen Leuchtkörpern, großen Bildfenstern und bei Verwen­ dung von relativ schwach geöffneten Objektiven. Zum Beispiel werden gute Ergebnisse erzielt bei folgen­ der Ausführung: Der Reflektor weist zwei zonale Bereiche auf, die identischen Kegelschnitten fol­ gen. Der Reflektordurchmesser beträgt 50 mm. Die Gleichung für die erzeugende Kegelschnittkurve K1 bzw. erzeugende Kegelschnittkurve K2 lautet X′2/41,252 + Y′2/24,652 = 1 mit X01 = 41,24 mm und Y01= - 0,37 mm (für erzeugende Kegelschnitt­ kurve K1) und X02 = 43,54 mm und Y02 = - 0,37 mm (für erzeugende Kegelschnittkurve K2) und ϕ = 1,42° (Fig. 4). Der dem Scheitel nächstgelegene zonale Bereich gehört der erzeugenden Kegelschnittkurve K1 an. Seine Fläche beträgt 4% der gesamten Reflek­ torfläche. Darauf folgt ein zonaler Bereich, der auf der erzeugenden Kegelschnittkurve K2 basiert (10% Reflektorfläche). Es folgen abwechselnd die zonalen Bereiche der erzeugenden Kegelschnittkurven K1 (16%), K2 (25%) und wiederum der zonale Be­ reich der erzeugenden Kegelschnittkurve K1 (45%) (s.a. Fig. 1 und 2). Das optische Auflagemaß, das ist der Abstand zwischen der Ebene, in der die Umrandung der Reflektoröffnung liegt, und der Ebene des Bildfensters, beträgt 35 mm, das Bildfenster hat die Ausmaße 9,60 mm×7,0 mm (16 mm-Projektion), die Objektivöffnung ist 1 : 1,3/35. Als Einbaulampe wird eine Halogenglühlampe 24 Volt/ 250 Watt mit einem Leuchtkörperdurchmesser von 2,6 mm und einer Leuchtkörperlänge von 4,6 mm verwendet.

Claims (10)

1. Reflektor zur Ausleuchtung einer Fläche mit folgenden Merkmalen:
  • - die Reflexionsfläche des Reflektors ist in ring­ förmig um die Längsmittelachse des Reflektors verlaufende Bereiche (zonale Bereiche) unter­ teilt, deren jeweilige Begrenzungsebenen quer zur Längsmittelachse des Reflektors (optische Achse) stehen
  • - die Reflexionsfläche des Reflektors ist durch Oberflächen von mindestens zwei sich hinsichtlich der Krümmung ihrer Oberfläche unterscheidenden Rotationskörpern gebildet, die durch Rotation von Abschnitten von Kegelschnittkurven um eine als Rotationsachse bezeichnete Achse entstehen, wobei diese Rotationsachse mit der Längsachse des Reflektors zusammenfällt
  • - die Oberfläche der jeweils aufeinanderfolgenden Bereiche weist in einer durch die Längsmittelach­ se des Reflektors gehenden Ebene einen unter­ schiedlichen Krümmungsverlauf auf,
dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Achsen (im Sinne von Hauptachse einer Kegelschnitt­ kurve) der Kegelschnittkurven (K1, K2) in einer durch die Längsmittelachse des Reflektors (1) gehenden Ebene liegen, wobei die geometrische Achse zumindest einer der Kegelschnittkurven (K1, K2) gegen die Längsmittelachse des Reflektors (1) geneigt ist.
2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennpunkte der die zonalen Bereiche (2a, 2b, 2c, 3a, 3b) erzeugenden Abschnitte der Kegelschnittkurven (K1, K2) zusammenfallen.
3. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennpunkte der erzeugenden Kegel­ schnittkurven (K1, K2) auf der optischen Achse oder auf einer Parallelen zur optischen Achse gegenein­ ander verschoben sind.
4. Reflektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die zonalen Bereiche (2a, 2b, 2c, 3a, 3b) der erzeugenden Kegelschnittkurven (K1, K2) identi­ sche Kegelschnitte sind.
5. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung seiner Reflexionsfläche durch zwei Rotationskörper die zonalen Bereiche (2a, 2b, 2c, 3a, 3b) durch eine abwechselnde Folge von Oberflächenabschnitten jeweils eines der beiden Rotationskörper festgelegt sind.
6. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (1) mindestens zwei zonale Bereiche aufweist.
7. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei zonalen Berei­ chen A und B die jeweiligen Flächenanteile FA und FB an der gesamten reflektierenden Fläche F durch die Gleichungen FA = x F und FB = (1 - x) F mit 0,2 x 0,8 festlegbar sind.
8. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Rotationskörper erzeugenden Kegel­ schnittkurven (K1, K2) Abschnitte von Ellipsen sind.
9. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flächen der jeweils aufeinanderfolgen­ den zonalen Bereiche (2a, 2b, 2c, 3a, 3b) in Stoß­ kanten aneinanderschließen.
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