DE3638669A1

DE3638669A1 - Reflektor fuer zahnaerztliche und chirurgische operationsleuchten

Info

Publication number: DE3638669A1
Application number: DE19863638669
Authority: DE
Inventors: Harry Wagener
Original assignee: Auer Lighting GmbH
Current assignee: Auer Lighting GmbH
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1986-11-12
Publication date: 1988-05-26
Also published as: DE3638669C2; EP0268117A3; EP0268117A2; US4942507A

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchte, die vorwiegend von Zahn ärzten dazu benutzt wird, die Mundhöhle des Patienten bei der Behandlung möglichst gleichmäßig und schattenfrei auszuleuchten.

Häufig bestehen solche Leuchten aus einem Reflektor in der Form eines Rotationsellipsoids mit der Rotationsachse x, in dessen reflektorseitigem Brennpunkt (oder in seiner unmittelbaren Nähe) sich eine Lichtquelle befindet.

In bekannter Weise wird ein wesentlicher Teil des Lichts der Glühlampe so reflektiert, daß sich die Lichtstrahlen um den re flektorfernen Brennpunkt herum vereinigen. Mit anderen Worten: Es wird die Lampenwendel durch den Reflektor in dessen ferner Brennebene abgebildet. Dieses Lichtfeld, das zur Ausleuchtung beispielsweise der Mundhöhle eines Patienten dienen soll, ist wegen der in der Regel geringen Abmessungen der Lampenwendel jedoch zu klein.

Aus diesem Grund wird oft eine zusätzliche transparente licht streuende Scheibe vor dem Reflektor angebracht. Diese hat die Aufgabe, das Lichtfeld sowohl in horizontaler Richtung (y-Achse) als auch in vertikaler Richtung (z-Achse) zu vergrößern. Nach teilig sind hier die Notwendigkeit des Einsatzes der zusätzlichen Streuscheibe, eine aufwendigere Leuchtenkonstruktion, erhöhter Montageaufwand sowie Lichtverluste durch die Streuscheibe selbst.

Es sind aber auch Reflektoren bekannt, deren rotationsellipti scher Grundform eine Vielzahl von lichtstreuenden Elementen überlagert ist. Diese können aus Streifen von der Ellipsoidform angepaßten Zylindermantelflächen oder aus planen, rechteckigen Flächen bestehen (US-PS 35 11 983). Auch diese lichtstreuenden Elemente können das Lichtfeld in der reflektorfernen Brenn ebene in einer oder zwei Richtungen vergrößern. Nachteilig ist jedoch dabei, daß diese Elemente wegen der erforderlichen Streuwirkung zu ausgeprägten Unstetigkeiten der Reflektorfläche führen. Werden diese Reflektoren nämlich - wie es allgemein üblich ist - im Hochvakuum mit dünnen, selektiv reflektierenden Schichten bedampft, so kommt es innerhalb dieser lichtstreuenden Elemente zu erheblichen Schichtdickenunterschieden, die sich als Farbverschiebungen besonders an den Rändern des Lichtfeldes äußern.

Es sind nun weiter Reflektoren bekannt, deren Grundform in der Koordinatenfläche y=0 elliptisch ist, während sie sich in denjenigen Ebenen, die zur Ebene y=0 senkrecht stehen und ferner mit den Ellipsennormalen zusammenfallen, aus einem oder mehreren Kreisbögen zusammensetzt (US-PS 31 91 023).

Diese Reflektor-Grundform führt jedoch zu Verzerrungen des Lichtfeldes, welches von der erwünschten rechteckigen Form stark abweicht. Um dennoch zu brauchbaren Resultaten zu kommen, werden bestimmte Teile des Reflektors ausgeblendet, wodurch dessen wirksame Fläche mehr oder weniger stark reduziert wird. Das hat schlechte Lichtausbeuten zur Folge. Außerdem kommt es zu unerwünschten Schattenbildungen im Lichtfeld, wenn z. B. die Hand des Zahnarztes in den schmalen Lichtkegel der Leuchte gerät.

Schließlich ist noch ein Reflektor bekannt, dessen Grundform aus mehreren Streifen zusammengesetzt ist (US-PS 41 49 227). Diese Streifen selbst besitzen die Form eines Rotationsellipsoids und sind bezüglich ihrer Rotationsachsen in horizontaler Richtung gegeneinander verkippt, so daß sich das Lichtfeld in der reflektorfernen Brennebene aus mehreren diskreten Teillichtfeldern zusammensetzt. Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit sind der Reflektorfläche zusätzliche lichtstreuende Elemente überlagert. Da diese Reflektoren wegen der örtlich getrennten Brennflächen grundsätzlich zu Ungleichmäßigkeiten im Lichtfeld neigen, werden entsprechend stark ausgeprägte Streuelemente benötigt, was zu den bereits geschilderten Nachteilen führt. Da sich die Grundform nur stückweise mathematisch geschlossen beschreiben läßt, wird der Bau der Formenwerkzeuge für einen solchen Reflektor verhältnismäßig kompliziert und aufwendig.

Ziel der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der genannten Nachteile der bekannten Reflektoren eine geometrische Grundform für einen solchen Reflektor zu finden, der für sich allein ein nahezu rechteckförmiges und möglichst gleichmäßiges Lichtfeld erzeugt.

Dieses Ziel wird mit einem Reflektor gemäß den Patentansprüchen erreicht. Dabei wird eine mathematisch geschlossene Grundform erreicht, welche eine Kombination aus Ellipsoid und Paraboloid darstellt und als parabolisches Ellipsoid bezeichnet werden kann.

Das Zentrum bzw. der Scheitelpunkt Z des Reflektors 1 befindet sich im Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z (Bild 1). Dabei erstreckt sich die z-Achse in vertikaler Richtung, während die x-Achse mit der optischen Achse zusammenfällt. In der Ebene x=1 soll ein rechteckiges Lichtfeld 2 der Höhe h und der Breite b erzeugt werden. Das Zentrum Z′ der Lampenwendel befinde sich bei x=f.

Die Grundform des Reflektors 1 läßt sich dann eindeutig durch eine dreidimensionale Gleichung für eine räumlich ausgedehnte Fläche beschreiben:

Im Schnitt mit der Ebene y=0 entsteht hieraus die zweidimensionale Kurve

oder

Dies ist die Gleichung einer Ellipse mit der langen Halbachse a und der kurzen Halbachse b. Das Zentrum dieser Ellipse befindet sich bei x=a, ihre Scheitelpunkte also bei x=0 und x=2a.

Die Halbachsen a und b werden so gewählt, daß alle Lichtstrahlen, welche aus dem Punkt x=f kommen und auf die Ellipse fallen, sich bei x=1 vereinigen. Das ist der Fall, wenn

und

Andererseits entsteht aus der Grundform des Reflektors im Schnitt mit der Ebene z=0 die Kurve

oder

y² = 2 p x (s. Bild 3)

Dies ist die Gleichung einer Parabel mit dem Parameter p. Dieser Parameter p wird so gewählt, daß alle Lichtstrahlen, welche aus dem Punkt x=f kommen und auf diese Parabel fallen, parallel zur optischen Achse zurückgeworfen werden. Dies ist der Fall, wenn

p = 2 · f

ist.

Die Grundform des Reflektors 1 kann also folgendermaßen beschrieben werden:

Alle Lichtstrahlen, welche aus dem Punkt x=f kommen und auf den Reflektor 1 in den Ebenen y=0 und z=0 fallen, werden in der Ebene x=1 zu einer Brennlinie 3 vereinigt, die sich parallel zur y-Achse erstreckt und für die z=0 ist. Diese Brennlinie 3 ist genauso lang, wie der Reflektor 1 breit ist, d. h. b=B.

Alle weiteren Lichtstrahlen, die den Reflektor 1 außerhalb der Ebenen y=0 und z=0 treffen, vereinigen sich nicht mehr ganz exakt in dieser Brennlinie 3. Das ist aber aus folgenden Gründen vorteilhaft:

Die reelle, nicht beliebige kleine Lampenwendel erzeugt Lichtstrahlen, deren Ursprung mehr oder weniger weit vom Punkt x=f entfernt sind. Daraus ergibt sich eine natürliche Lichtstreuung. Diese ist umso größer, je ausgedehnter die Lampenwendel ist bzw. je näher sich die Lampenwendel an der Oberfläche des Reflektors befindet. Sie ist daher für das Zentrum z des Reflektors 1 am größten und wird umso kleiner, je weiter weg sich die reflektierende Fläche vom Zentrum Z′ befindet. Dort aber sind die Verzerrungen des parabolischen Ellipsoids gerade am stärksten, so daß sich beide lichtstreuenden Effekte weitgehend zu einer über alle Reflektorteile gleichmäßigen Grundstreuung überlagern.

Es entsteht also ein nahezu rechteckiges Lichtfeld 2, dessen Breite b in erster Linie von der Breite B des Reflektors und in zweiter Linie von der Länge der Lampenwendel in y-Richtung bestimmt wird. Die Höhe h des Lichtfeldes 2 wird im wesentlichen durch die Breite der Lampenwendel in z-Richtung bestimmt, ferner aber auch durch die genannten Verzerrungen durch das parabolische Ellipsoid an seinen achsfernen Punkten.

Immer dann, wenn die Lampenwendel eine weitgängige Wicklung und damit eine sehr inhomogene Leuchtdichteverteilung besitzt, wird sich das durch Abbildungseigenschaften des Reflektors in einer gewissen Ungleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke im Lichtfeld äußern. Dann ist es vorteilhaft, wenn der Grundform des parabolischen Ellipsoids eine schwache, lichtstreuende Struktur überlagert wird. Die Gleichmäßigkeit des Lichtfeldes 2 wird dann wesentlich verbessert, ohne daß seine Breite und Höhe nennenswert vergrößert wird.

In den Fällen, in denen ein größeres Lichtfeld gewünscht wird, kann dies durch eine gröbere lichtstreuende Struktur erreicht werden.

In jedem Fall kann die überlagerte lichtstreuende Struktur ohne zusätzlichen Arbeitsgang bei einem numerisch gesteuerten Fräsen des Formenwerkzeugs für das parabolische Ellipsoid aufgebracht werden (s. Bild 4). Durch Wahl eines geeigneten Fräserdurchmessers von 2 · r entstehen automatisch kleine Zylindermantelflächen des Halbmessers r, deren Breite b und Höhe h durch die jeweiligen Schrittweiten beim numerischen Fräsvorgang gebildet werden.

Eine Vergrößerung der Breite und der Höhe des Lichtfeldes erhält man auch, indem das Zentrum Z′ der Lampenwendel aus dem Punkt x=f in Richtung zum Reflektor hin verschoben wird. Den gleichen Effekt erhält man, indem die Halbachsen a und b der Ellipse sowie der Parameter p der Parabel folgendermaßen berechnet werden:

mit

f′ < f

und Lampenzentrum Z′ bei x=f.

Soll lediglich die Breite b des Lichtfeldes 2 vergrößert werden, wählt man

mit

f′ < f

und Lampenzentrum Z bei x=f.

Wählt man hingegen f′<f, so wird mit Lampenzentrum z bei x=f die Lichtfeldbreite b kleiner als die Reflektorbreite B.

Soll schließlich nur die Höhe h des Lichtfeldes 2 vergrößert werden, so berechnet man

mit

f′ < f

und Lampenzentrum Z′ bei x=f.

Wird die Parabel durch einen Kreisbogen mit dem Radius R ersetzt, so läßt sich dieses Kreis-Ellipsoid mathematisch geschlossen folgendermaßen darstellen:

Für y»R ist dann

Das Kreisellipsoid geht damit wieder in ein parabolisches Ellipsoid über, dessen Parabel-Parameter p=R ist. Für sehr schmale Reflektoren mit geringer Breite B kann also die Parabel durch einen Kreisbogen ersetzt werden. Dadurch können sich bei gewissen Fertigungsverfahren Vorteile für das Herstellen der Formenwerkzeuge ergeben.

Claims

1. Reflektor für zahnärztliche und chirurgische Operations leuchten, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer ersten Schnitt ebene eine elliptische Kontur aufweist und daß er in einer zu dieser ersten Schnittebene senkrechten, zweiten Schnittebene eine parabolische Kontur aufweist, wobei sich das Zentrum der Lampenwendel im gemeinsamen Brennpunkt von Ellipse und Parabel befindet.

2. Reflektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine seiner lichtreflektierenden Oberfläche überlagerten feinen lichtstreu enden Struktur zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Licht feldes.

3. Reflektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine seiner lichtreflektierenden Oberfläche überlagerten gröberen lichtstreu enden Struktur zur Vergrößerung von Breite und/oder Höhe des Lichtfeldes.

4. Reflektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß sich die Lampe zur Veränderung von Höhe und Breite des Lichtfeldes nicht im gemeinsamen Brennpunkt von Ellipse und Parabel befindet.

5. Reflektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennpunkte von Ellipse und Parabel nicht decken und sich die Lampe entweder im Brennpunkt der Ellipse zur Ver änderung der Lichtfeldbreite oder im Brennpunkt der Parabel zur Veränderung der Lichtfeldhöhe befindet.

6. Reflektor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Parabel durch einen Kreisbogen ersetzt ist.

7. Reflektor nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß automatisch die lichtstreuende Oberflächenstruktur definiert durch geeignete Wahl des Fräserdurchmessers und der Schrittweiten beim numerisch gesteuerten Fräsen des Formenwerk zeugs der Grundform überlagert wird.