DE4307581A1

DE4307581A1 - Lichteinkopplungsreflektor für Lichtleitsysteme

Info

Publication number: DE4307581A1
Application number: DE4307581A
Authority: DE
Inventors: Harald Ing Weingaertner
Original assignee: D Swarovski KG
Current assignee: D Swarovski KG
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-15
Also published as: US5467416A; EP0615094A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichteinkopplungsreflektor für Lichtleitsysteme. Der Reflektor ist mit einem Algorithmus errechenbar und zeichnet sich gegenüber den bisher üblichen Reflektoren durch einen mehrfach gesteigerten Wirkungsgrad aus.

Lichteinkopplungsreflektoren sind aus der Verkehrssignaltechnik und der Medizintechnik bekannt, um Licht in Lichtleitsysteme, beispielsweise Glasfasern, einzukoppeln. Dabei wurden bisher Wirkungsgrade von 1 bis etwa 7% erreicht, bezogen auf ein 1,5 m Glasfaserbündel mit einem optischen Durchmesser von 14 mm (der Wirkungsgrad ist gemäß DIN- Norm als Beleuchtungswirkungsgrad - Verhältnis von abgestrahltem Lichtstrom des Beleuchtungssystems zu abgegebenem Lichtstrom des Leuchtmittels - definiert).

Die bisher bei Lichteinkopplungsreflektoren für Lichtleitsysteme erreichten Wirkungsgrade sind sehr gering. Es kommt hinzu, daß bei den bekannten Reflektoren die Beleuchtungsstärkeverteilung auf der Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems extrem ungleichmäßig ist, was verschiedene, schwerwiegende Nachteile mit sich bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Lichteinkopplungsreflektor für Lichtleitsysteme zu schaffen, und zwar insbesondere einen solchen, der sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet und bei dem eine gleichmäßige Lichtverteilung bezogen auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems erreichbar ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß die Reflektorkurve nach einem bestimmten Algorithmus berechnet wird, der nicht dem Algorithmus für eine Ellipse oder Parabel entspricht.

Gegenstand der Erfindung ist ein Lichteinkopplungsreflektor für Lichtleitsysteme, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest 50% des umgelenkten Lampenlichtstromes auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems treffen.

Mit bisher üblichen Reflektoren war eine solch hohe Ausleuchtung der Lichteintrittsfläche nicht möglich. Vorzugsweise werden zumindest 80%, insbesondere zumindest 85% des umgelenkten Lampenlichtstromes auf die Lichteintrittsfläche geführt.

Der erfindungsgemäße Lichteinkopplungsreflektor ermöglicht eine Wirkungsgradsteigerung gemäß der vorstehenden Definition auf etwa 30%.

Der Lichteinkopplungsreflektor zeichnet sich ferner dadurch aus, daß die Beleuchtungsstärke über die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems sehr konstant ist und insbesondere um nicht mehr als 10%, vorzugsweise um nicht mehr als 5% variiert.

Damit konnten die bisher üblichen Nachteile in der Beleuchtungsstärkeverteilung an der Einkoppelstelle, wie sie z. B. bei Ellipsoidreflektoren gegeben sind, die zwar theoretisch die beste Bündelung ergeben aber extreme Ungleichmäßigkeiten in der Lichtverteilung hervorrufen, vermieden werden.

Die Vergleichmäßigung der Beleuchtungsstärkeverteilung an der optischen Eintrittsfläche hat gleichzeitig zur Folge, daß extreme Temperaturspitzen durch die gebündelte elektromagnetische Strahlung gemildert werden und höhere Lampenleistungen einsetzbar sind.

Die Lichtlenkung des Reflektors erfolgt unter Berücksichtigung der Lichtverteilungskurve der Lampe. Dabei wird der Lampenlichtstrom der Lampe in einen Raumwinkelbereich umgelenkt, dessen Ursprung im optischen Lichteintrittsdurchmesser des Lichtleitsystems liegt. Damit wird sichergestellt, daß mehr als 85% oder sogar mehr als 90% des umgelenkten Lampenlichtstromes auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems treffen und von diesem aufgenommen werden können.

Die Geometrie des erfindungsgemäßen Reflektors berechnet sich gemäß nachstehender Formel:

beta(n+1) = 1/2{alpha(n+1)+
+arctan(((tan Gamma(n))ˆ2+/-dphi/(pi*hˆ2*Em))ˆ(1/2))}

hierin bedeuten:
beta(n+1) . . . Winkel der algorithmisch folgenden Reflektortangente;
die erste Reflektortangente er rechnet sich aus den geometrischen Gegebenheiten, die sich durch die Wahl von gamma(n) und alpha(n) ergeben
alpha(n+1) . . . Winkel des nach Festlegung des er sten Lampenstrahles folgenden Lam penstrahles;
delta-alpha gilt dabei als das Kri terium für die Feinheit der Auf lösung der errechneten Koordinaten;
Startwert alpha(n) kennzeichnet da bei den gewünschten Bereich, ab dem die Lichtstrahlen der Lampe auf den Reflektor treffen sollen
gamma(n) . . . Winkel des gewünschten ersten Re flektorstrahles
dphi . . . Lichtstrom der Lampe im zur Be rechnung stehenden Raumwinkelbe reich (siehe Leuchtmittelkatalog)
pi . . . Kreiszahl 3,1415 . . .
h . . . Entfernung der Nutzungsebene und
Em . . . gewünschte mittlere Beleuchtungs stärke bzw. Ergebnis aus Lampenge samtlichtstrom, max. Strahlungs winkel und Entfernung h der Nutzungsebene.

Aus der mathematischen Verschneidung der Geraden mit der errechneten Steigung beta(n+1) und der Geraden mit der Steigung alpha(n+1) können die konkreten Koordinaten berechnet werden.

Als wesentliches Merkmal der Formel ist zu sehen, daß der entscheidende Wert, die Steigung der Reflektortangente, zunächst unabhängig von der Reflektorgröße ist, so daß sich eine Kurvenschar von identischen Reflektorformen ergibt.

Mit Festlegung des konstruktiven Durchmessers wird der auszuführende Reflektor definiert.

Weiters wurde bei der Konzeption des errechneten Reflektors berücksichtigt, daß diverse Lichtleitsysteme unterschiedliche optische Eintrittsdurchmesser (bzw. Eintrittsflächen) aufweisen. Durch Verschieben der Lampe im Reflektor kann die Lichtverteilung des errechneten Reflektors auf die verschiedenen Eintrittsdurchmesser angepaßt werden, so daß sowohl der hohe Wirkungsgrad als auch die gleichmäßige Verteilung der Beleuchtungsstärke an der Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems erhalten bleiben.

Durch das Aufbringen einer dichroitischen Beschichtung am Reflektor wird eine weitere Verbesserung im Hinblick auf die Reduzierung der Wärmestrahlung erzielt. Insbesondere ist es vorteilhaft, eine dichroitische Beschichtung zu verwenden, die anfallende Wärmestrahlung der Lampe schon ab etwa 700 nm nicht mehr reflektiert, sondern in das umgebende Lampengehäuse transmittiert, von wo aus diese elektromagnetische Strahlung in Form von Konvektionswärme abgeführt wird.

Dies bedeutet für das Beleuchtungssystem, daß bedingt durch den errechneten und speziell beschichteten Reflektor die Wärmestrahlung weitgehend reduziert in das Lichtleitsystem eintritt und nur mehr sehr wenig Wärmestrahlung das Lichtleitsystem gemeinsam mit dem transmittiertem sichtbaren Licht verläßt.

Dies ist besonders bei verschiedenen Anwendungsfällen, wie Vitrinen wichtig, da auf diese Weise und in Kombination mit einem Glasfaserlichtleitsystem, welches auch noch die UV-Strahlung unterhalb von 400 nm filtert, ein Beleuchtungssystem geschaffen werden kann, welches nur mehr Licht innerhalb des für den Menschen sichtbaren Spektrums abgibt. Sämtliche unnotwendige oder sogar störende elektromagnetische Strahlung kann damit ausgeschaltet werden.

Es ist möglich, den errechneten Reflektorkurvenverlauf aufgrund von technischen Randbedingungen zu vergrößern oder zu verkleinern, und die gleiche Wirkung für verschiedene Lichtleitsysteme zu erzielen. Dies ist besonders im Hinblick auf die große Vielfalt an Lampen wesentlich, weil damit durch Einsatz sämtlicher existierender sogenannter punktförmiger Lichtquellen (wie etwa Halogenglühlampen, Halogen-, Metalldampf- Lampen, Kurzbogenlampen u. a.) ein spezieller Reflektor für jeden Lampentyp gemäß dem errechneten Reflektor angefertigt werden kann, wobei sich das daraus ergebende Reflektorsortiment (Kurvenschar) nur in der Größe der Reflektoren unterscheidet, während der Kurvenzug nach dem gleichen Algorithmus bzw. den gleichen Randbedingungen erhalten wird.

Die Randbedingungen liegen zum einen in der Bemessung der Reflektorgröße durch Wahl der Lampeneinstrahlwinkel alpha 1 und alpha 2 und ferner in der Festlegung der Strahlungscharakteristika des Reflektors für Lichtbündelung beginnend mit gamma 1 bis zum maximalen Strahlungswinkel gamma max. Der Verlauf der Reflektorkurve (Tangentensteigungen) errechnet sich gemäß dem Algorithmus zur Erzielung einer gleichmäßigen Beleuchtungsstärke am optischen Lichteintrittsdurchmesser. Verschiedene Brennpunktlagen zur Erzielung unterschiedlich großer Durchmesser am optischen Lichteintrittsdurchmesser können berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung die Einkoppelung des von einem Lichteinkopplungsreflektor abgestrahlten Lichts in ein Lichtleitsystem.

Das Licht der Lampe 1 mit dem Brennpunkt 2 wird von dem Reflektor 3 auf die Lichteintrittsfläche 7 des Lichtleitsystems 6 reflektiert.

Mit 4 ist die Kurvenschar der möglichen Reflektorkurven unterschiedlicher Größe, die durch die Winkel alpha 1 und alpha 2 festgelegt werden, illustriert.

Die optische Achse ist mit 5 bezeichnet.

Die Festlegung der Strahlungscharakteristika erfolgt über die Winkel gamma 1 und den maximalen Strahlungswinkel gamma max.

Claims

1. Lichteinkopplungsreflektor für Lichtleitsysteme, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 50% des umgelenkten Lampenlichtstromes auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems treffen.

2. Lichteinkopplungsreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 80% des umgelenkten Lampenlichtstromes auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems treffen.

3. Lichteinkopplungsreflektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 85% des umgelenkten Lampenlichtstromes auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems treffen.

4. Lichteinkopplungsreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsstärke über die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems um nicht mehr als 10% variiert.

5. Lichteinkopplungsreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsstärke über die Lichteintrittsfläche des Lichtleitsystems um nicht mehr als 5% variiert.

6. Lichteinkopplungsreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Geometrie des Reflektors gemäß der Formel beta(n+1) = 1/2{alpha(n+1)+
+arctan(((tan Gamma(n))ˆ2+/-dphi/(pi*hˆ2*Em))ˆ(1/2))}worin
beta(n+1) . . . Winkel der algorithmisch folgenden Reflektortangente;
die erste Reflektortangente er rechnet sich aus den geometrischen Gegebenheiten, die sich durch die Wahl von gamma(n) und alpha(n) ergeben
alpha(n+1) . . . Winkel des nach Festlegung des er sten Lampenstrahles folgenden Lam penstrahles;
delta-alpha gilt dabei als das Kri terium für die Feinheit der Auf lösung der errechneten Koordinaten;
Startwert alpha(n) kennzeichnet da bei den gewünschten Bereich, ab dem die Lichtstrahlen der Lampe auf den Reflektor treffen sollen
gamma(n) . . . Winkel des gewünschten ersten Re flektorstrahles
dphi . . . Lichtstrom der Lampe im zur Be rechnung stehenden Raumwinkelbe reich (siehe Leuchtmittelkatalog)
pi . . . Kreiszahl 3,1415 . . .
h . . . Entfernung der Nutzungsebene und
Em . . . gewünschte mittlere Beleuchtungs stärke bzw. Ergebnis aus Lampenge samtlichtstrom, max. Strahlungs winkel und Entfernung h der Nutzungsebene,
berechnet.

7. Lichteinkopplungsreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor eine dichroitische Beschichtung aufweist.

8. Lichteinkopplungsreflektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitische Beschichtung Strahlung mit längerer Wellenlänge als 700 nm nicht reflektiert.