DE3804732A1 - Vorrichtung zum buendeln elektromagnetischer strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bündeln elektro­ magnetischer Strahlung, insbesondere zum Einkoppeln derselben in einen Strahlungsleiter, wie einen Lichtleiter aus Glasfaser, mit einer Strahlungsquelle, die an einem ersten Brennpunkt eines als Teil eines Ellipsoids ausgeformten Reflektors ange­ ordnet ist und deren Strahlung gebündelt wird.

Derartige Vorrichtungen dienen zum Ausleuchten eines engen Zielbereiches mit hoher Strahlungsintensität und werden zu ver­ schiedenen Zwecken eingesetzt. Zum Beispiel können sie bei Den­ talgeräten eingesetzt werden, mit denen ein fließfähiger Kunst­ stoff mittels einer durch elektromagnetische Strahlung be­ schleunigten Umwandlung ausgehärtet wird. Ein bekanntes Dental­ gerät dieser Art besteht aus einem elektrischen Versorgungs­ teil, an dem die Leistungsaufnahme der Lichtquelle und die Be­ lichtungszeit einstellbar sind, und einem gesonderten optischen Teil, dessen Form einer Pistole ähnlich ist und mit dem die oben beschriebene chemische Reaktion gezielt durchgeführt wird.

Auch bei Filmprojektoren wird eine gebündelte, intensive Strah­ lung verwendet.

Auch bei Mikroskopen und anderen Beobachtungseinrichtungen wer­ den häufig Lichtstrahlen in gebündelter Form in einen Strah­ lungsleiter (Lichtleiter aus Glasfaser) eingekoppelt.

Anhand der Fig. 1 soll eine herkömmliche Vorrichtung zum Bün­ deln elektromagnetischer Strahlung näher beschrieben werden. Diese Vorrichtung dient dem Einkoppeln der Strahlung in einen Strahlungsleiter.

Ein Reflektor 10 ist als Teil eines Ellipsoids ausgeformt. Eine Strahlungsquelle 12 ist im ersten Brennpunkt 14 des Ellipsoids angeordnet. Die von der Lichtquelle 12 ausgehende Strahlung wird an der Innenfläche 18 des Reflektors 10 reflektiert und gelangt zum zweiten Brennpunkt 16 des Ellipsoids. Die beiden Brennpunkte 12, 16 definieren die optische Achse 20 des Sy­ stems. Durch den vorderen Rand 22 des Reflektors 10 wird zum einen die Tiefe L ₂ der Lichtquelle 12 im Reflektor und zum an­ deren der Abstand zwischen dem Reflektorrand 22 und einem Ein­ gang 24 zu einem Strahlungsleiter 26 bestimmt. Die Längsachse des Strahlungsleiters 26 fällt mit der optischen Achse 20 des Reflektors 10 zusammen.

Damit nur Strahlung in einem ausgewählten Wellenlängenintervall in den Strahlungsleiter 26 gelangt, ist an dessen Eingang 24 ein Filter 28 vorgesehen, das auf beiden Seiten durch Schutz­ gläser 30 bzw. 30′ abgedeckt ist.

Der Strahlungsleiter 26 ist mit seinem die Strahlung aufnehmen­ den Endabschnitt in einer Öffnung 34 in einer Wand 32 befestigt.

Der in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Reflektor hat eine Reihe von Nachteilen. Insbesondere ist der Ausnutzungsgrad der von der Lichtquelle 12 erzeugten Strahlung sehr gering (kleiner Wirkungsgrad). Dies ist unmittelbar anschaulich einsichtig, da ein Großteil der von der Strahlungsquelle 12 abgegebenen Strah­ lung nicht vom Reflektor 10 reflektiert wird, sondern nutzlos abgegeben wird, siehe in Fig. 1 die Strahlen S ₁ und S ₂.

Es läßt sich mit einer geometrischen Betrachtung ausrechnen, daß bei einem herkömmlichen Teil-Ellipsoidreflektor der Aus­ nutzungsgrad der elektromagnetischen Strahlung geringer ist als 70%.

Im Stand der Technik sind bereits Wege zur Verbesserung des Ausnutzungsgrades der Strahlungsenergie beschrieben worden.

Im DE-GM 82 34 875 und in der DE-OS 33 19 562 werden Reflek­ toren mit einer glockenförmigen Reflexionsoberfläche beschrie­ ben, die aus zwei miteinander verbundenen Ellipsoid-Reflektor­ teilen bestehen. Die einzelnen Reflektorteile weisen unter­ schiedliche Halbachsen auf. Durch das zusätzliche Reflektorteil kann ein Teil der ansonsten verlorengehenden Strahlung erfaßt werden. Diese Lösung bewirkt nur eine geringe Verbesserung des Ausnutzungsgrades und hat Überdies den Nachteil, daß der Durch­ messer des zweiten Ellipsoid-Reflektorteiles wesentlich größer als der des ersten ist, so daß eine sperrige Anordnung ent­ steht.

Bei einem anderen bekannten Versuch zur Verbesserung des Aus­ nutzungsgrades hat der Reflektor eine Reflexionsoberfläche, die aus einem Ellipsoid-Reflektorteil und einem Kugel-Reflektorteil besteht. Die beiden Teile sind miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen Raum. Das Kugel-Reflektorteil hat eine mit­ tige Öffnung und ist so angeordnet, daß seine Öffnung mit der Achse des Ellipsoid-Reflektorteiles koaxial ist, wobei der Mit­ telpunkt der Kugel im primären Brennpunkt des Ellipsoid-Reflek­ torteiles liegt. Das Kugel-Reflektorteil lä8t die vom Ellipsoid- Reflektorteil reflektierte Strahlung durch, reflektiert aber die sonstige Strahlung zur Lichtquelle zurück. Bei einer Glüh­ lampe wird somit die Glühwendel durch die zurückreflektierte Strahlung erwärmt, was zwar die Lichtausbeute geringfügig er­ höht, aber gleichzeitig die Lebensdauer der Glühwendel redu­ ziert. Bei Verwendung von Entladungslampen kann mit dieser be­ kannten Anordnung keine Verbesserung erwartet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bündeln elektromagnetischer Strahlung zu schaffen, die mit ein­ fachen Mitteln einen hohen Ausnutzungsgrad der Strahlung er­ laubt und auch in einfacher Weise eine Wellenlängenselektion der Strahlung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein El­ lipsoid-Reflektor gewählt wird, der grö8er ist als die Hälfte eines Ellipsoids.

Der erfindungsgemäße Ellipsoid-Reflektor ermöglicht eine Reihe von Vorteilen.

Wird der Reflektor zur Beleuchtung eines Objektes eingesetzt, so kann ein relativ scharf begrenzter Lichtfleck erzeugt wer­ den. Dadurch, daß der erfindungsgemäße Reflektor größer ist als die Hälfte eines Ellipsoids, wird ein Großteil der von einer im ersten Brennpunkt des Ellipsoids angeordneten Strahlungsquelle abgegebene Strahlung reflektiert, während der Anteil der sogenannten direkten Strahlung, welche ohne Reflexion aus dem Reflektor gelangt, relativ klein ist. Erstreckt sich der Reflektor bis zum zweiten Brennpunkt, so werden etwa 95% der Strahlung reflektiert.

Darüberhinaus hat der erfindungsgemäße Reflektor auch den Vor­ teil, daß nur eine sehr geringe Blendwirkung entsteht, da der Blendung erzeugende Lichtkegel der direkten Strahlung relativ eng ist im Vergleich zum durch reflektierte Strahlung erzeugten Lichtkegel.

Bei der Beleuchtung von Objekten oder auch bei technisch-wis­ senschaftlichen Anwendungen ist es häufig erwünscht, daß das Strahlenbündel nur ganz bestimmte, ausgewählte Wellenlängen aufweist, zum Beispiel nur Wellenlängen aus einem vorgegebenen Intervall des sichtbaren Teiles des Spektrums. Im Stand der Technik wird hierzu der Reflektor mit einem sogenannten Kalt­ lichtspiegelbelag versehen, welcher den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums reflektiert, Infrarot-Strahlung aber nach hinten durchläßt. Um das gewünschte Wellenlängenin­ tervall im sichtbaren Teil des Spektrums zu erhalten, wird vor dem Reflektor noch zusätzlich ein Filter angeordnet, welches die nicht erwünschten Wellenlängen reflektiert oder absorbiert. Eine solche Anordnung ist nicht nur aufwendig, sondern auch mit technischen Nachteilen behaftet, insbesondere einer unerwünsch­ ten Erwärmung der gesamten Baugruppe.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß der Reflektor für nicht zu bündelnde Strahlung transparent und mit einem dichroitischen Belag versehen ist, welcher die zu bündelnde Strahlung reflektiert. Um das durch den Reflektor erzeugte Strahlungsbündel einzufärben, ist also erfindungsgemäß kein gesondertes Filter erforderlich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der Reflektor als senkrecht zur langen Achse etwa in Höhe des zweiten Brennpunktes abgeschnittenes Teil-Ellipsoid ausgeformt ist. Mit einem derart ausgebildeten Reflektor kann Licht mit sehr hohem Wirkungsgrad in einen Lichtleiter einge­ koppelt werden, dessen Eingang etwa bei dem sekundären Brenn­ punkt des Ellipsoids angeordnet ist.

Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Re­ flektors ist dann ermöglicht, wenn dieser zweiteilig ausgebil­ det ist, wobei ein Teil die Form einer Ellipsoid-Hälfte auf­ weist und das andere Teil des Reflektors die eines Ellipsoid- Abschnittes, dessen eine Seite der kleinen Achse des Ellipsoids entspricht. Ein solcher Reflektor läßt sich in einfacher Weise durch Spritzgießen identischer Teile ohne Hinterschneidungen herstellen.

Bei insbesondere für die Verkehrslenkung eingesetzten Signal­ anlagen wird Strahlung in eine Vielzahl von Lichtleitern einge­ koppelt. Hierfür sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen beson­ ders geeignet.

Über die vorstehend genannten Vorteile hinaus ermöglicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr einfache Justierung der optisch zusammenwirkenden Bauteile.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Reflektors der vorstehend genannten Art.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 2 einen Schnitt entlang der optischen Achse einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bündeln elektromag­ netischer Strahlung,

Fig. 3 Einzelheiten einer Ausführungsform des Reflektors, und

Fig. 4 die durch direkte und reflektierte Strahlung erzeug­ ten Strahlungskegel.

Der in Fig. 2 gezeigte Reflektor 10 ist teil-ellipsoidförmig und weist einen ersten Brennpunkt 14 sowie einen zweiten Brennpunkt 16 auf. Im ersten Brennpunkt 14 ist eine Lichtquelle 12 angeordnet. Als Lichtquelle kann eine Niedervolt-Halogen- Glühlampe vorgesehen sein. Die Innenfläche 18 des Reflektors 10 ist verspiegelt, gegebenenfalls dichroitisch, wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird.

Die beiden Brennpunkte 14, 16 des Ellipsoids definieren die op­ tische Achse 20 des Systems.

Bei 24 ist ein Eingang zu einem Strahlungsleiter 26 angeordnet. In Fig. 2 ist der Strahlungsleiter 26 nicht im einzelnen ge­ zeichnet; er entspricht insoweit dem Strahlungsleiter 26 gemäß Fig. 1, wobei aber ein Filter nicht erforderlich ist, wenn der Reflektor 10 mit einem wellenlängenselektiven Belag beschichtet ist (siehe unten).

Nur ein geringfügiger Teil der von der Lichtquelle 12 abgegebe­ nen Strahlung wird nicht zum zweiten Brennpunkt 16 reflektiert.

Der Reflektor 10 besteht gemäß Fig. 2 (siehe auch Fig. 3) aus zwei Teilen, nämlich einem linken Reflektorteil 36 und einem rechten Reflektorteil 38. Das linke Reflektorteil 36 ist genau in Form einer Ellopsoid-Hälfte ausgebildet, während das rechte Reflektorteil 38 als Ellipsoid-Abschnitt ausgebildet ist. Übli­ cherweise werden die große Halbachse eines Ellipsoids mit a und seine kleine Halbachse mit b bezeichnet. Das linke Reflektor­ teil 36 hat somit an seinem Rand 22 einen Öffnungsdurchmesser, welcher der doppelten Halbachse (2 b) entspricht. Gleiches gilt für den Durchmesser der größeren Öffnung des rechten Reflektor­ teiles 38 an dessen Rand 22′.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ergeben sich folgen­ de typischen Abmessungen:

Großer Öffnungsdurchmesser der Reflektorteile (2 b):|30 mm
Länge L₁ des ersten Reflektorteiles 36:	20,9 mm
Tiefe L₂ der Lichtquelle 12:	14,5 mm
Länge L₃ des zweiten Reflektorteiles 38:	14,5 mm
Durchmesser der kleineren Öffnung des zweiten Reflektorteiles:	21,6 mm

Das beide Reflektorteile 36, 38 definierende Ellipsoid hat folgende Achsen:

Große Halbachse (a):
20,86 mm und
kleine Halbachse (b):	15,0 mm

Der Ausnutzungsgrad des Reflektors 10 kann zu etwa 97% berech­ net bzw. gemessen werden.

Gemäß Fig. 2 ist in der den optischen Leiter 26 in einer Öff­ nung 34 aufnehmenden Wand 32 eine umlaufende Nut 40 ausgebil­ det, in welche der zugekehrte Rand 46 (siehe Fig. 3) des rech­ ten Reflektorteiles 38 eingepaßt ist. Durch die Nut 40 ist eine sehr einfache und genaue Justierung der optischen Teile zuein­ ander gewährleistet.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten des zweiteiligen Reflektors. Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit gleichen Be­ zugszeichen versehen. Gemäß Fig. 3 ergibt sich das kleinere Re­ flektorteil 38 dadurch, daß ein größeres Reflektorteil 36 ein­ fach an einer Stufe 48 abgeschnitten wird. Die Stufe 48 kann beim Spritzgießen des Reflektorteiles 36 hergestellt werden und markiert in einfacher Weise die Schneidstelle, welche etwa durch den zugeordneten Brennpunkt geht.

Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die beiden Ränder 22, 22′ der Reflektorteile 36 bzw. 38 mit einem Vorsprung 42 und einer kom­ plementären, umlaufenden Nut 44 versehen, so daß die beiden Teile paßgenau und justiert zusammengefügt werden können. Zum Befestigen kann eine Klebung, Verschraubung oder dergleichen vorgesehen sein.

Die beiden in Fig. 3 gezeigten Reflektorteile können sowohl in bezug zueinander als in bezug auf eine äußere Gehäuse-Abstützung in einfacher Weise justiert werden. Hierzu können die beiden Reflektorteile außenseitig auf den Flächen 49, 49′ mit einem Gewinde oder mit einem Bajonett-Verschluß versehen werden. Auf dem Gewinde bzw. dem Bajonettverschluß können jeweils, also auf beiden Reflektorteilen 36, 38, Halte-Bügel (nicht gezeigt) be­ festigt werden, an denen beide Reflektorteile richtig zueinan­ der und gleichzeitig in bezug auf ein umgebendes Gehäuse ju­ stiert und abgestützt werden. Es ist möglich, die Halte-Bügel elastisch gefedert am Gehäuse abzustützen.

Statt der Anordnung aus Vorsprung und Nut kann auch eine Schraubverbindung vorgesehen sein.

Die Länge L ₃ des kleineren Reflektorteiles 38 muß nicht not­ wendig genau dem Abstand der Mittelebene E (Fig. 2) vom zweiten Brennpunkt 16 entsprechen, dieser Abstand kann sowohl etwas kürzer als auch etwas länger sein als in Fig. 2 gezeichnet ist.

Während bei herkömmlichen Reflektorsystemen noch ein gesonder­ tes Filter (siehe Fig. 1, Bezugszeichen 28) erforderlich ist, um eine Wellenlängenselektion bezüglich des in den Lichtleiter 26 eingekoppelten Lichtes zu ermöglichen, kann bei einem er­ findungsgemäßen Reflektor mit großem Vorteil ein dichroitischer Belag auf die Innenfläche 18 des Reflektors aufgetragen werden. Derartige dichroitische Beläge sind dem Fachmann bekannt. Sie weisen in einem bestimmten Wellenlängenbereich eine sehr gute Transmission auf und reflektieren außerhalb dieses Wellenlän­ genbereiches praktisch 100%-ig. Dem Fachmann ist auch bekannt, daß dichroitische Beläge so ausgeführt werden können, daß nur unter einem bestimmten Einfallswinkel einfallendes Licht reflektiert wird, während unter anderen Winkeln einfallendes Licht durchgelassen wird (es versteht sich, daß in diesem Falle der Reflektor 10 aus für diese Strahlung transparentem Material besteht).

Da bei einem erfindungsgemäßen Reflektor an einem bestimmten Reflektorort die Strahlung nur unter einem bestimmten, gegebe­ nen Einfallswinkel einfällt, kann die vorstehend beschriebene winkelabhängige Wirkung eines dichroitischen Belages ausgenutzt werden. Der dichroitische Belag wird also so auf die Reflexions­ fläche 18 des Reflektors 10 aufgebracht, daß in Abhängigkeit vom jeweils örtlich gegebenen Einfallswinkel der Strahlung eine Reflexion nur in dem vorgegebenen, gewünschten Wellenlängenin­ tervall stattfindet.

Durch den vorstehend beschriebenen dichroitischen Belag oder auch eine andere wellenlängenselektive Beschichtung ist es mög­ lich, sowohl die Wärmestrahlung als auch sonstige, im zu erzeu­ genden Strahlungsbündel unerwünschte Strahlung aus dem Reflek­ tor nach hinten abzuführen. Hierdurch werden alle durch Wärme­ strahlung oder auch durch sonstige nicht erwünschte Strahlung aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums bedingte Probleme ver­ mieden.

Fig. 4 zeigt einen zur Erzeugung eines scharf begrenzten Licht­ kegels verwendeten Reflektor 10, der sich etwa bis auf die Höhe des zweiten Brennpunktes 16 erstreckt. Die von der Lichtquelle 14 ausgehende direkte Strahlung (also die nicht am Reflektor reflektierte Strahlung), welche sich der reflektierten Strah­ lung überlagert erzeugt einen relativ engen Lichtkegel, der durch die Randstrahlen 50 definiert ist. Demgegenüber ist der durch reflektierte Strahlung erzeugte Lichtkegel wesentlich breiter, was durch die diesem Lichtkegel zugeordneten Randstrah­ len 52 deutlich wird. Das Auge A eines Betrachters wird erst dann geblendet, wenn es in den engen Lichtkegel der direkten Strahlung (Randstrahlen 50) gelangt. Auch stört der durch direkte Strahlung erzeugte Lichtkegel den durch reflektierte Strahlung erzeugten breiten, scharf begrenzten und relativ homogenen Lichtfleck wenig.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Bündeln elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Einkoppeln derselben in einen Strahlungsleiter (26), wie einen Lichtleiter aus Glasfaser, mit einer Strahlungs­ quelle (12), die an einem ersten Brennpunkt (14) eines als Teil eines Ellipsoids ausgeformten Reflektors (10) angeordnet ist und deren Strahlung gebündelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10) größer ist als die Hälfte des Ellipsoids.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10) als senkrecht zur langen Achse (a) etwa in Höhe des zweiten Brennpunktes (16) abgeschnittenes Teil- Ellipsoid ausgeformt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10) zweiteilig ist, wobei ein Teil (36) zu­ mindest annähernd die Form einer Ellipsoid-Hälfte aufweist und das andere Teil (38) die Form eines Ellipsoid-Abschnittes auf­ weist, dessen eine Seite der kleinen Achse (2 b) des Ellipsoids entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ellipsoid-Teile (36, 38) an ihren einander zuge­ kehrten Rändern (22, 22′) eine Nut (44) und einen in diese pas­ senden Vorsprung (42) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (24) eines Strahlungsleiters (26) im zweiten Brennpunkt (16) des Ellipsoids und in einer Wand (32) angeord­ net ist, an welcher der Öffnungsrand (46) des Reflektors (10) anliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (32) eine Nut (40) vorgesehen ist, in welche der Öffnungsrand (46) des Reflektors (10) paßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10) für nicht zu bündelnde Strahlung trans­ parent und mit einem dichroitischen Belag versehen ist, welcher die zu bündelnde Strahlung reflektiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dichroitische Belag so auf die Reflexionsfläche des Re­ flektors (10) aufgebracht ist, daß in Abhängigkeit vom jeweils örtlich gegebenen Einfallswinkel der Strahlung eine Reflexion nur in einem vorgegebenen Wellenlängenintervall stattfindet.

9. Verfahren zum Herstellen eines Reflektors (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil (36) des Reflektors (10) als Halb-Ellipsoid hergestellt wird, daß ein zweiter Teil (38) des Reflektors (10) durch Abschneiden senkrecht zur großen Ellipsoid-Achse (a) ei­ nes solchen Halb-Ellipsoids gebildet wird und daß die beiden Teile (36, 38) an den Rändern (22, 22′) ihrer der kleinen Ellipsoidachse (2 b) entsprechenden Öffnungen zusammengefügt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschneiden in Höhe des zweiten Brennpunktes (16) des Ellipsoids erfolgt.