DE3919334A1

DE3919334A1 - Reflektor fuer eine leuchte

Info

Publication number: DE3919334A1
Application number: DE3919334A
Authority: DE
Inventors: Tetsuhiro Kano
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1990-12-20
Also published as: JPH0330204A; EP0402740A2; EP0402740B2; US5136491A; EP0402740B1; JPH0738285B2; EP0402740A3; DE59008220D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Reflektor für eine Leuchte.

Die Leuchte soll zur Ausleuchtung eines Raumes, zur Beleuchtung eines Objektes oder auch zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter dienen.

Als Reflektorformen sind im Stand der Technik ellipsoide, para boloide sowie aus kreis- und linienförmigen Elementen zusammen gesetzte Formen bekannt. In einem die optische Achse der Leuchte enthaltenden Schnitt entsprechen die bekannten Reflek torformen einer Ellipse, Parabel, einem Kreis oder einer Linie etc.

Am häufigsten werden Reflektoren verwendet, die im Schnitt ei ner Ellipse oder Parabel entsprechen.

Bei einem Reflektor mit ellipsenförmiger Gestalt wird die Lichtquelle in der Regel in einem Brennpunkt der Ellipse ange ordnet und die Lichtstrahlung wird so reflektiert, daß sie im zweiten Brennpunkt der Ellipse gebündelt wird, wonach sie sich mit einem relativ großen Öffnungswinkel ausbreitet.

Ellipsenförmige Reflektoren dienen vor allem zum Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung in Strahlungsleiter, wie Glasfa sern. Zum anderen werden ellipsenförmige Reflektoren auch bei Leuchten eingesetzt, die einen großen Ausstrahlungswinkel auf weisen sollen.

Bei einem im Schnitt parabelförmigen Reflektor wird die Licht quelle in der Regel im Brennpunkt der Parabel auf der optischen Achse der Leuchte angeordnet und das abgestrahlte Licht wird parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Solche Reflektoren werden daher in der Regel für Leuchten verwendet, die einen relativ kleinen Ausstrahlungswinkel aufweisen sollen.

Die herkömmliche Gestaltung von Reflektorformen entsprechend einem Ellipsoid bzw. einem Paraboloid oder auch Kombinationen daraus schränken die Möglichkeiten, die Verteilung des aus der Leuchte austretenden Lichtes nach Bedarf zu gestalten, erheb lich ein. Die Lichtverteilung der Reflektorform wird durch die gegebenen Randbedingungen für die Leuchte (Öffnungsdurchmesser, Tiefe, Art der Lichtquelle) und die festgelegten Parameter der Ellipse bzw. Parabel vollständig festgelegt. Dabei sind für den Leuchtenkonstrukteur die äußeren Randbedingungen häufig nicht beeinflußbar, dies sind insbesondere der Öffnungsdurchmesser d der Leuchte, die Länge l des Reflektors und der Abstand der Lichtquelle vom Scheitel des Reflektors.

Bei einem im Schnitt parabelförmigen Reflektor sind die opti schen Eigenschaften der Leuchte (wenn nicht andere Hilfsmittel wie Linsen etc. verwendet werden) allein durch den Parameter p der Parabel definiert. Da für den Brennpunkt gilt f = p/2, gibt es bei der Parabel keine optischen Gestaltungsmöglichkei ten mehr, wenn der Brennpunkt festgesetzt ist.

Die Ellipse weist zwei Parameter auf (a: große Halbachse, und b: kleine Halbachse). Für einen im Schnitt ellipsenförmigen Re flektor sind deshalb die drei Randbedingungen f, l und d sowie die zwei Parameter a und b bestimmend. Werden von diesen fünf Größen drei Werte festgesetzt, so sind auch die zwei anderen Größen bestimmt. Die Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich des Re flektors sind somit erheblich eingeengt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Konstruktion von Reflektorformen aufzuzeigen, mit denen ge wünschte Lichtverteilungen nach Bedarf mit hoher Lichtausbeute erzeugbar sind.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehen, daß die Form des Reflektors in einem eine optische Achse der Leuch te enthaltenden Schnitt zwischen zwei Kurven liegt, die durch die Gleichung

ax² + bxy + cy² + bx + ey + f = 0

bestimmt sind, wobei a, b, c, d, e und f Konstanten und x und y Variablen sind.

Die zwei Kurven, zwischen denen der erfindungsgemäße Reflektor verläuft, können zwei unterschiedliche Ellipsen (also Ellipsen mit zumindest einem unterschiedlichen Parameter), zwei unter schiedliche Parabeln (also Parabeln mit unterschiedlichen Para metern) oder auch eine Ellipse und eine Parabel sein.

Die erfindungsgemäße Reflektorform ist somit dadurch gekenn zeichnet, daß sie weder eine reine Ellipse, noch eine reine Pa rabel ist, sondern kontinuierlich, d.h. über ihre gesamte Er streckung, ein "Zwischending" zwischen solchen herkömmlichen bekannten Reflektorformen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Re flektors sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung schlägt nicht nur bestimmte Reflektorformen vor, sondern gibt dem Leuchtenkonstrukteur auch ein Verfahren in die Hand, wie er allgemein in Abhängigkeit von den gegebenen Rand bedingungen für die Leuchte und der gewünschten Lichtverteilung eine optimale Reflektorform konstruieren kann, wobei die ge wünschte Lichtverteilung weitgehend ohne Verwendung von zusätz lichen optischen Hilfsmitteln wie Linsen etc., erreicht werden kann.

Nach der erfindungsgemäßen Lehre können Reflektorformen kon struiert werden, mit denen Strahlung aus einer Lichtquelle op timal in einen Strahlungsleiter eingekoppelt werden kann. Her kömmliche, rein ellipsoidförmige Reflektoren erzeugen relativ große Einfallswinkel zwischen der einzukoppelnden Strahlung und dem Lichtleiter. Ein erfindungsgemäßer Reflektor hingegen er möglicht einen relativ kleinen Einfallswinkel zwischen der ein zukoppelnden Strahlung und dem Lichtleiter, wodurch die Leitung der Strahlung durch den Strahlungsleiter, z.B. Glasfaser, ver bessert wird.

Nach der erfindungsgmäßen Lehre ist es ebenfalls möglich, einen Reflektor zu schaffen, der für einen gegebenen Abstand, z.B. ein Meter, die Strahlung mit hohem Wirkungsgrad auf einen be stimmten Punkt bündeln kann. Die Bündelung ist besser als bei einem paraboloidförmigen Reflektor.

Im Vergleich mit beim Stand der Technik für große Ausstrahlungs winkel vorgesehenen ellipsoidförmigen Reflektoren ermöglicht ein erfindungsgemäß konstruierter Reflektor eine relativ gleichmäßige Lichtverteilung (bei einem herkömmlichen ellipsoid förmigen Reflektor fällt die Lichtintensität von der optischen Achse nach außen stark ab).

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch ein erstes Ausfüh rungsbeispiel eines Reflektors;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reflektors;

Fig. 3 eine Lichtstärkeverteilung einer Leuchte mit einem herkömmlichen Ellipsoid-Reflektor und

Fig. 4 eine Lichtstärkeverteilung einer Leuchte mit einem erfindungsgemäßen Reflektor gemäß Fig. 2.

Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die opti sche Achse mit den Bezugszeichen 1 versehen. Der erfindungsge mäße Reflektor R ist mit durchgezogener Linie dargestellt. Der ganze Reflektor entsteht entweder durch Rotation der Kurve R um die optische Achse 1 oder durch translatorische Verschiebung der Kurve R bei einem rinnenförmigen Reflektor.

Die Form des Reflektors R wird so gebildet, daß sie in weiter unten näher beschriebener Weise zwischen zwei eingrenzenden Kurven liegt, die beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungs beispiel eine äußere Ellipse E₁ und eine innere Ellipse E₂ sind. Die Ellipsen E₁ und E₂ unterscheiden sich hinsichtlich zumindest eines Parameters (a und/oder b).

Die Verwendung von zwei Ellipsen gemäß Fig. 1 als Einhüllende für den Reflektor R ermöglicht eine Reflektorform, mit der ins besondere Strahlung in optimaler Weise in einen Lichtleiter eingekoppelt werden kann, also die eingekoppelte Strahlung ei nen relativ kleinen Einfallswinkel aufweist. Hierzu weisen die beiden Ellipsen E₁, E₂ und der Reflektor R eine gemeinsame optische Achse 1 auf. Zwei Brennpunkte F₁, F₂ fallen zusammen. Ein fester Punkt O liegt ebenfalls am Ort der Brennpunkte F₁, F₂. Der ortsfeste Punkt O definiert einen Polarwinkel und ein weiter unten näher beschriebenes Abstandsverhältnis.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, verläuft der Reflektor R in der Nähe des Scheitels wesentlich näher an der inneren Ellipse E₂ als bei zunehmender Annäherung an den Rand Ra des Reflektors. Dies wird weiter unten anhand des "Abstandsverhältnisses" näher erläutert.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt sich dahin gehend abwandeln, daß statt der beiden Ellipsen zwei Parabeln als einhüllende Kurven für den Reflektor R nebeneinandergelegt werden. Um mit einem derart konstruierten Reflektor eine starke Bündelung der Strahlung in einem gegebenen Abstand von der Leuchte erzielen zu können, ist (umgekehrt als beim oben be schriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1) vorgesehen, daß die Reflektorform R nahe dem Scheitel (also auf der optischen Achse) näher an der äußeren Parabel (nicht gezeigt) liegt, als an der inneren Parabel (nicht gezeigt). Mit zunehmender Annä herung an den Rand der Leuchte nähert sich dann die Reflektor form der inneren Parabel.

Mit der vorstehend beschriebenen Reflektorform mit zwei Para beln als Einhüllenden, wird eine Leuchte erzeugt, deren Strah lung nicht genau parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist, sondern etwas nach innen reflektiert wird. Es kann also ohne Verwendung einer Linse in einem gegebenen Abstand von der Leuchte ein Lichtfleck erzeugt werden, dessen Durchmesser ge ringer ist als der Öffnungsdurchmesser der Leuchte.

Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Ver lauf des Reflektors R zwischen seinen beiden einhüllenden El lipsen E₁, E₂ mittels eines von einem ortsfesten Punkt O, wel cher mit den Brennpunkten F₁, F₂ der Ellipsen zusammenfällt, ausgehenden Strahls 2 und dem von diesem Strahl erzeugten Po larwinkel α beschrieben. Der Strahl 2 schneidet die Ellipsen E₁, E₂ und den Reflektor R. Die Schnittpunkte sind mit den Be zugszeichen A, B bzw. C versehen. In Fig. 1 sind zwei Stellun gen des wandernden Strahles 2 gezeigt, wobei in der zweiten Stellung die entsprechenden Bezugszeichen mit einem Strich versehen sind.

Es kann ein Abstandsverhältnis k wie folgt definiert werden:

k = (b-c)/(a-c),

wobei a der Abstand zwischen den Punkten A und O, b der Abstand zwischen den Punkten B und O und c der Abstand zwischen den Punkten C und O sind.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Abstandsverhält nis k im Bereich der Scheitelpunkte S₁, S₂ und S_R der Kurven E₁, E₂ bzw. R relativ klein, d.h. der Scheitelpunkt S_R des Reflektors R liegt näher am Scheitelpunkt S₂ der inneren El lipse E₂ als am Scheitelpunkt S₁ der äußeren Ellipse E₁.

Mit größer werdendem Polarwinkel α ändert sich das Abstandsver hältnis dahingehend, daß nahe dem Rand R_a des Reflektors R der Reflektor näher an seiner äußeren einhüllenden Ellipse E₁ liegt als an seiner inneren einhüllenden Ellipse E₂.

Analytisch kann die Variation des Abstandsverhältnisses als Funktion des Polarwinkels α wie folgt dargestellt werden:

k = 0,8×α/α_max + 0,1,

wobei α_max der größte Polarwinkel des wandernden Strahles 2 ist (also entsprechend etwa dem Strahl 2′ in Fig. 1).

Statt der vorstehend beschriebenen linearen Änderung des Ab standsverhältnisses als Funktion des Winkels kann auch eine andere mathematische Funktion gewählt werden, z.B. kann sich das Abstandsverhältnis als Funktion des Polarwinkels α loga rithmisch von innen nach außen ändern. Allerdings soll der Re flektor R keine Unstetigkeitsstellen aufweisen, d.h. die Ände rung des Abstandsverhältnisses als Funktion des Polarwinkels soll einer stetigen Funktion folgen. Bevorzugt weist der Re flektor R eine stetig differenzierbare Form auf. Dies gilt auch für das in Fig. 2 gezeigte andere Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reflektors.

Der in Fig. 2 gezeigte Reflektor R dient zur Erzeugung einer gleichmäßigen Lichtverteilung. Eine Ellipse E und eine Parabel P werden so nebeneinandergelegt, daß der Brennpunkt F₁ der Parabel mit einem Brennpunkt F₂ der Ellipse E zusammenfällt. Auch der feste Punkt O, welcher den Strahl 2 und den Polarwin kel α definiert, liegt in den beiden Brennpunkten auf der opti schen Achse 1.

Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das wie oben definierte Abstandsverhältnis k des Reflektors R zwischen den einhüllenden Kurven E und P konstant.

Durch Änderung des Abstandsverhältnisses k lassen sich die optischen Eigenschaften des Reflektors R nach Bedarf ändern. Je näher das Abstandsverhältnis k bei 1,0 liegt, umso ähnlicher sind die optischen Eigenschaften des Reflektors R denen eines parabelförmigen Reflektors.

Die optischen Eigenschaften des Reflektors R beim Ausführungs beispiel gemäß Fig. 2 sind bestimmt durch die Parameter a, b der Ellipse E, den Parameter p der Parabel P, den Abstand der Scheitelpunkt S_E und S_P der Ellipse E bzw. der Parabel P auf der optischen Achse 1 und das oben beschriebene Abstandsver hältnis k.

In Abwandlung des in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles kann das Abstandsverhältnis k auch als Funktion des Polarwin kels α variieren.

Auch kann das Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 dahingehend ab gewandelt werden, daß die Brennpunkte der Parabel bzw. Ellipse nicht zusammenfallen. Auch kann der Abstand der Scheitelpunkte S_E und S_P auf der optischen Achse 1 verringert werden, im Ex tremfall können die beiden Scheitelpunkte zusammenfallen.

Es ist auch möglich, in Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 die Ellipse außerhalb der Parabel anzuordnen, also das Größenverhältnis von Parabel und Ellipse umzukehren.

Weiterhin können die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungs beispiele dahingehend abgewandelt werden, daß die optischen Achsen der einhüllenden Kurven E₁, E₂, E, P nicht jeweils zu sammenfallen. Die optische Achse einer einhüllenden Kurve kann in bezug auf die optische Achse der anderen einhüllenden Kurve leicht schräg gestellt sein.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von die Re flektorform einhüllenden Kurven können durch Gleichungen

ax² + bxy + cy² + bx + ey + f = 0

beschrieben werden, wobei a, b, c, d, e und f jeweils Konstante und x und y Variable sind.

Die Lichtverteilung eines erfindungsgemäßen Reflektors kann so wohl rechnerisch als auch empirisch festgestellt werden. Eine rechnerische Feststellung ist dann besonders einfach, wenn ein analytischer Ausdruck für das Abstandsverhältnis bzw. den Ver lauf der Kurve R gegeben ist, so daß die Tangente durch Diffe renzierung berechnet werden kann.

Um mit einem Reflektor R gemäß Fig. 2 ohne Verwendung von Hilfsmitteln (Kappen oder dergleichen) einen einzigen homogen ausgeleuchteten Lichtfleck auf einer von der Leuchte entfernten Wand zu erzeugen, ist vorgesehen, daß der den Öffnungsrand Ra des Reflektors R erreichende Lichtstrahl S mit der optischen Achse 1 einen Winkel β einschließt, der gleich ist dem Winkel β′, den der am Rand reflektierte Strahl S′ mit der optischen Achse einschließt. In diesem Falle bilden die direkte Strahlung aus der Lichtquelle am Ort O und die reflektierte Strahlung gleiche Lichtkegel.

Die Lichtquelle muß nicht notwendig in den Brennpunkten F₁, F₂ bzw. am Ort O angeordnet werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Vergleich der Lichtstärkevertei lungen bei einer herkömmlichen Leuchte mit einem Ellipsoid-Re flektor und einer erfindungsgemäßen Leuchte gemäß Fig. 2. In Fig. 3 ist die Lichtstärkeverteilung I₁ einer Leuchte mit her kömmlichem Ellipsoid-Reflektor als Funktion des Ausstrahlungs winkels in üblicher Weise aufgetragen. Der Kurve I₁ ist zu ent nehmen, daß die Helligkeit ausgehend von einem Maximum bei 0° zur Seite hin stark abfällt.

Bei einem erfindungsgemäßen Reflektor hingegen ist die Licht stärkeverteilung I₂ gemäß Fig. 4 wesentlich gleichmäßiger und bleibt innerhalb eines bestimmten Winkels nahezu konstant.

Claims

1. Reflektor für eine Leuchte, dadurch gekennzeichnet, daß seine Form in einem eine optische Achse (1) der Leuchte enthaltenden Schnitt zwischen zwei Kurven (E₁, E₂; P, E) liegt, die jeweils durch eine Gleichung ax² + bxy + cy² + bx + ey + f = 0bestimmt sind, wobei a, b, c, d, e und f jeweils Konstanten und x und y Variablen sind.

2. Reflektor nach Anspruch 1, daß die zwei Kurven (E₁, E₂; P, E) und der Reflektor (R) eine gemeinsame optische Achse (1) aufweisen.

3. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsverhältnis (k) zwischen dem Reflektor (R) und den zwei Kurven als Funktion des Polarwinkels (α) variiert.

4. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsverhältnis (k) zwischen dem Reflektor (R) und den zwei Kurven als Funktion des Polarwinkels (α) konstant ist.

5. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kurven unterschiedliche Ellipsen (E₁, E₂) sind.

6. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kurven unterschiedliche Parabeln sind.

7. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kurven eine Ellipse (E) und eine Parabel (P) sind.

8. Reflektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkte der zwei Kurven zusammenfallen.

9. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte der zwei Kurven auf der optischen Achse aufeinanderliegen.

10. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte (S₁, S₂, S_R; S_P, S_E, S_R) der Kurven auf einer optischen Achse (1) der Leuchte voneinander beabstandet sind.

11. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (β), den ein am Reflektorrand auftreffender Lichtstrahl mit der optischen Achse (1) bildet, gleich ist dem Winkel, den ein am Reflektorrand reflektierter Lichtstrahl (S) mit der optischen Achse (1) bildet.