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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung der Strahlungsverteilung
einer Strahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Modifizierung der Strahlungsverteilung
einer Strahlungsquelle.
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Insbesondere
eine der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen betrifft das Ausgleichen
der Strahlungsverteilung einer Strahlungsquelle auf einer großen ebenen
Zielfläche.
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Bei
vielen Anwendungen, insbesondere bei der photographischen Belichtung
und bei Heizanwendungen, ist eine gleichförmige Belichtung einer großen Ebene
eine sehr wünschenswerte
und sogar notwendige Eigenschaft. Die Strahlungsintensität von einer
isotropen Punktquelle, die auf eine planare Oberfläche fällt, folgt
der Formel: I = I0cos3(θ) (1),worin ist:
θ der Einfallswinkel
der Strahlung zur Ebene und
I0 die
Strahlung auf die Symmetrieachse des kreisförmigen Strahlungsmusters, während zur
Erzielung einer Intensitätsabweichung
von weniger als ±5% über einen
Ebenenbereich mit 1,6 m Durchmesser, die Punktquelle in einem Abstand
von 4,3 m untergebracht werden muss. Die entsprechende Formel für eine Lambert-Oberflächen-Lichtquelle ist: I = I0cos4(θ) (2),wobei der
Abstand für
die gleiche Intensitätsabweichung
5,0 m beträgt.
In der Praxis kann die Lampe selbst mit der Punktquellenformel und
der Lampenreflektor mit der Lambert-Formel für die Oberflächen-Lichtquelle
angeglichen werden.
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Im
Stand der Technik wird eine gleichförmige Beleuchtung erzeugt,
beispielsweise mit Hilfe einer Anordnung von Lichtquellen, wobei
ein sorgsam ausgearbeiteten Reflektor hinter der Lichtquelle verwendet
wird (beispielsweise die US-Patente 3,763,348 und 4,027,151), mit
Hilfe eines sorgsam ausgearbeiteten Linsensystems zwischen der Lichtquelle
und der Ebene (beispielsweise US-Patent 5,555,190) und ebenfalls
durch Abtasten der Ebene mit der Lichtquelle.
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DE 197 54 931 beschreibt
eine Lampe mit einem Diffuser. In diesem Dokument sind die Energieverluste
in dem Diffuser essentiell. In vielen Anwendungen ist die Verwendung
einer Anordnung von Lichtquellen, die Beleuchtungssysteme von Ebene zu
Ebene beinhalten, zu mühsam,
teuer und Energie verschwendend. Der Haupt-Nachteil von sogar sehr sorgsam
ausgearbeiteten Reflektoren ist, dass die erzeugte Strahlungsverteilung
sehr empfindlich gegenüber
den Abmessungen der Lichtquelle und des Reflektors und besonders
gegenüber
der Position der Lichtquelle in Bezug auf den Reflektor ist. Dies gilt
auch für
die Verwendung der sorgsam ausgearbeiteten Linsensysteme, wobei
solche Linsensysteme in vielen Anwendungen zudem viel zu teuer sind. Das
Scanning-Verfahren eignet sich nur für eine eingeschränkte Zahl
von Anwendungen und ein komplexer Mechanismus ist zur Durchführung des
Scanning-Betriebs erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung soll die Nachteile der oben beschriebenen
Techniken bewältigen
und einen ganz neuen Verfahrenstyp und eine Vorrichtung zur Modifizierung
der Energieverteilung einer Strahlenquelle erzielen.
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Das
Ziel der Erfindung wird erreicht durch die Verwendung einer Kombination
von nicht-absorbierenden und/oder absorbierenden Platten zur Dämpfung der
Strahlung von Bereichen nahe der optischen Achse durch Reflexion
und/oder Absorption der einfallenden Strahlung in diesem Bereich
und zudem zur Verwendung einer optischen Diffuserplatte zur Streuung
von einfallendem Licht aus der Lichtquelle und zur Rückführung des
reflektierten Lichts zurück
von dem Plattenstapel auf den Diffuser in einer breiteren Winkelverteilung.
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Insbesondere
ist das erfindungsgemäße Verfahren
durch den charakterisierenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet,
und die Vorrichtung ist durch den charakterisierenden Teil von Anspruch
7 gekennzeichnet.
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Die
Erfindung bietet erhebliche Vorteile.
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Verglichen
mit dem Stand der Technik ermöglicht
die Erfindung eine wesentliche Verringerung des Abstandes zwischen
der Lichtquelle und der zu beleuchtenden Ebene. Diese Eigenschaft
ermöglicht insbesondere
kleinere Testgeräte
für Sonnenkollektoren,
die erhebliche Einsparungen der Raumaufteilung mit sich bringen.
Insbesondere, wenn hauptsächlich
durchsichtige Elemente verwendet werden, um das Lichtmuster anzugleichen,
sind die Lichtenergieverluste minimal. Zudem ermöglicht die kürzere Distanz
zwischen der Lichtquelle und dem Zielbereich, die Verwendung von
Lichtquellen mit niedriger Energie.
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Im
Folgenden wird die Erfindung eingehender mit Hilfe der veranschaulichenden
Ausführungsformen
und zwar anhand der beigefügten
Zeichnungen untersucht. Es zeigt:
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1 einen
Seitenschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein
Schaubild, die Strahlungsverteilung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
wobei die relative Strahlung von der Lichtquelle ohne Absorber und
mit drei Absorbern gezeigt ist.
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3 ein
Schaubild, die Strahlungsverteilung nach der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Nachstehend
verwendet die Erklärung
der Grundidee der Erfindung ein theoretisches Modell einer Punktquelle,
ohne Reflektor hinter der Quelle. Zusätzliche Bemerkungen werden
bezüglich
der Aspekte gemacht, die bei der Entwicklung eines praktischen Systems
erwogen werden sollen und die enthalten sein sollen.
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Die
Erfindung setzt eine geeignete Kombination von lediglich reflektierenden
Platten und partiell absorbierenden Platten ein, die sich zwischen
der Lichtquelle und der Ebene befinden. Diese Platten sind so bemessen,
dass sie von der Kombination aus Lichtquelle und Diffuser selektiv
als Funktion der Richtung reflektiert und/oder gedämpft werden.
Eisenfreies Sodaglas und Polycarbonat sind beispielsweise geeignete
Materialien zur Konstruktion dieser Platten. An der Luft reflektiert
eine einzelne Glasplatte 8% des einfallenden Lichts und eine Polycarbonatplatte
10%. Bei der Verwendung einer Punktquelle müssen die Platten kreisförmig und
mittig untergebracht werden und zwar senkrecht zu der gleichen Achse,
die von der Lichtquelle stammt. Die Platten können an einem beliebigen Abstand
voneinander untergebracht werden, damit die Strahlung modifiziert
wird, da aber das gleiche Ziel erreicht werden kann durch Einstellen
des Durchmessers und der Dicke der Platten, werden sie in der Praxis
nahe aneinander platziert. Zur Gewährleistung der Reflexion an jeder
Oberfläche
muss ein kleiner Luftspalt zwischen den Platten vorhanden sein.
Werden Platten mit nicht gleichförmiger
Dicke verwendet, werden der Abstand des Plattenstapels und der Maximaldurchmesser
der größten Platte
bestimmt durch die Tatsache, dass Licht mit einem großen Einfallswinkel
nicht ganz reflektiert werden darf. Bei Glas und Polycarbonat beträgt der Winkel,
bei der eine Totalreflexion erfolgt, etwa 45°. Die Platten können beispielsweise
an den Rändern
gekrümmt
sein, damit der Einfallswinkel gesenkt wird. Die Gesamtanzahl und
die Durchmesser der Platten werden bestimmt durch Erwägen der
Erfordernis einer gleichförmigen
Bestrahlung des Orts und des Bedarfs zur Dämpfung der Strahlungsdichte, die
durch die Formeln (1) und (2) gegeben wird. Mit dem theoretischen
Punktquellenansatz und den Glasplatten kommt es zu einer Stufe von
8% der Strahlungsintensität
an der ebenen Fläche
aufgrund des Randes einer einzelnen Platte. Im echten System hat
die Lichtquelle eine endliche Größe, die
gesondert berücksichtigt
werden muss. Eine Folge davon ist, dass die Intensitätsstufen
aufgrund der Tatsache geglättet
werden, dass die Lichtquelle allmählich hinter den Plattenrändern "sichtbar" wird. Beispielsweise
bei der Verwendung einer Punktquelle, beträgt die Strahlung auf einer
Ebene bei einem Einfallswinkel von 45° nur 35% der Intensität bei dem
Winkel von 0°.
12 Glasplatten mit Durchmessern, die durch Formel (1) definiert
sind, glätten
die Mindestabweichung der ebenen Strahlung unter 9%. Werden Polycarbonatplatten
verwendet, kann eine minimale Strahlungsabweichung von 10% mit neun
Platten erzielt werden.
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Die 1 zeigt
eine übliche
erfindungsgemäße Vorrichtung,
die eine Lichtquelle umfasst, in diesem Fall eine runde Entladungsröhre 1,
hinter der sich ein Reflektor 2 befindet. In der Figur
ist daher die Intensität
der Lichtquelle nach rechts gerichtet, zur Zielebene 6,
die in diesem Fall ein Sonnenkollektor 6 ist. Die Diffuser 3 werden
nächst
der Entladungsröhre 1 positioniert
und sollen die Intensität
der Entladungsröhre 1 in
dem nahen Feld ebnen. Ein Diffuserrohr 5 umgibt die Diffuser 3.
Die Verwendung der Diffuser ist erfindungsgemäß wahlfrei. Die Strahlung, die
durch den rechten (am weitesten rechts gelegenen) Diffuser 3 gelangt,
verläuft
zu den durchsichtigen und absorbierenden reflektierenden Platten 4, die
voneinander beabstandet sind, so dass die Reflexion von jeder Oberfläche gesondert
erfolgt. Die Form der reflektierenden Platten 4 (beispielsweise gesehen
von der Zielebene 6) hängt
von der Form der Lichtquelle ab. In dem Fall einer theoretischen Punktlichtquelle,
sind die Platten 4 rund. Bei einer länglichen Quelle sind die Platten
beispielsweise oval, wobei die genaue Form durch die spezielle Geometrie
der Anordnung bestimmt wird.
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Die
Diffuser 3 können
notwendig sein, insbesondere im Falle einer Lichtquelle, die nicht
rotationssymmetrisch ist. Die Geometrie von Reflektor 2 kann sogar
den Bedarf für
Diffuser 3 umgehen, damit eine nicht-rotationssymmetrische
Verteilung von der Einheit aus Entladungsröhre 1 und Reflektor 2 in
eine rotationssymmetrische Verteilung umgewandelt wird.
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Eine
rotationssymmetrische Strahlungsverteilung kann in einem beliebigen
gewünschten
Weg mit Hilfe der Platten 4 modifiziert werden, die in
einer konischen Form gestapelt sind. In diesem Fall betrifft der
Begriff konische Form die Form des Querschnitts des Plattenstapels 4.
Gemäß der 1 ist
die größte Platte
dieses Stapels der Quelle 1 am nächsten, aber erfindungsgemäß kann die
abwechselnde Reihenfolge der Platten in dem Stapel frei gemäß optischen oder
Konstruktionsbedürfnissen
gewählt
werden. Im Prinzip kann der Absorberstapel auch durch eine einzelne
absorbierende Platte mit variabler Dicke ausgetauscht werden.
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Die
Vergleichsdimensionen in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die folgenden:
- a: Durchmesser des Reflektors 2
- b: Durchmesser der Lichtquelle 1
- c: Abstand zwischen der Quelle 1 und dem letzten Diffuser 3
- d: Abstand zwischen der Quelle 1 und der ersten Platte 4
- e: Abstand zwischen der Quelle 1 und dem Ziel 6
- f: Durchmesser des Diffusers 3
- g: Durchmesser der größten Platte 4
• c wesentlich
kleiner als a
• d
kleiner als 50% von e, gewöhnlich
5-20% von e, meist etwa 10% von e
• f größer als b, gewöhnlich kleiner
als 2a
• g
größer als
b, gewöhnlich
kleiner als 2a
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Es
folgt eine Beschreibung einer Implementierung der Erfindung, die
eine leicht modifizierte Version der Lösung von 1 ist.
Dieses Beispiel unterscheidet sich von 1 hauptsächlich dadurch,
dass es nur 2 Diffuser hat.
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Der
Durchmesser von Reflektor 2 beträgt 150 mm. Das runde Rohr hat
70 mm Außendurchmesser
und 10 mm Dicke (Rohrdurchmesser, wobei der Abstand zwischen Entladungsröhre 1 und
Reflektor 2 20 mm beträgt.
Das Diffuserrohr 5 hat 150 mm Innendurchmesser und ein
matte weiße
Innenseite. Der Abstand zwischen dem Entladungsröhre 1 und dem nächsten Diffuser 3 ist
30 mm, der Abstand zwischen der zweitnächsten Diffuser 3 und
der Entladungsröhre 1 beträgt 50 mm
(nur 2 Diffuser). Das Diffuserrohr 5 endet an dem zweiten
Diffuser (und unterscheidet sich somit von der Lösung in 1). Der Abstand
zwischen der Entladungsröhre 1 und
den absorbierenden Platten 4 beträgt 220 mm. Das Material für die Platten 4 ist
Schott NG12, aber es kann jedes Material mit einer angemessenen
Absorption verwendet werden. Die Platten 4 haben die folgenden
Abmessungen (wobei die erste Platte diejenige ist, die der Entladungsröhre 1)
am nächsten
ist:
- 1. Platte: 150 mm Durchmesser, 1,5 mm
Dicke
- 2. Platte: 100 mm Durchmesser, 2,0 mm Dicke
- 3. Platte: 70 mm Durchmesser, 3,0 mm Dicke
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Der
Spalt zwischen den Platten 4 beträgt etwa 0,5 mm.
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In
einer Experimentalmessung wurde das oben angegebene System derart
positioniert, dass ein Abstand von 240 cm zwischen der Entladungsröhre 1 und
dem Zielbereich 6 war. Ein runder Bereich mit 180 cm Durchmesser
in dem Zielbereich wurde untersucht. Die Vorrichtung erzeugt ein
symmetrisches rundes Muster, mit der höchsten Strahlung in der Mitte.
Ohne die reflektierenden und absorbierenden Platten 4 betrug
der Unterschied zwischen dem Mittel- und Randbereich des Testkreises
etwa 35%, wurde aber auf 6% gesenkt, wenn die reflektierenden und
absorbierenden Platten 4 verwendet wurden.
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Offensichtlich
hängt die
Abmessung der Vorrichtung und insbesondere der Platten 4 stark
von der Geometrie der Entladungsröhre 1 ab. Als allgemeine Regel
sollte der Plattenstapel 4 jedoch derart positioniert werden,
dass die nähere
Entladungsröhre 1 an der
Zielebene 6 ist, die stärkere
Absorption sollte für Strahlen
verwendet werden, die sich nahe der optischen Achse bewegen, damit
das Licht in den Bereichen gedämpft
wird, die die größten Intensitäten aufgrund
physikalischer Gesetzmäßigkeiten
(Formeln 1 und 2) empfangen.
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Bei
dieser Anwendung kann die Strahlungsquelle beliebig sein, wie eine
Blitzröhre,
eine Glühbirne
oder eine Infrarotquelle. Besonders vorteilhafte Lösungen wurden
jedoch in Zusammenhang mit Blitzröhren gefunden, die zum Testen
von Sonnenkollektoren erzeugt wurden. Die Strahlungsquelle kann
entweder kontinuierliche oder gepulste Strahlung emittieren.
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Erfindungsgemäß kann der
Stapel der Platten 4 die Strahlung bis zu 75% der Gesamtstrahlung absorbieren,
jedoch ist eine übliche
maximale Absorption des Stapels 40% der einfallenden Strahlung.
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Erfindungsgemäß bedeutet
der Begriff durchsichtig ein beliebiges Material, das im Wesentlichen
nicht diffus ist und eine kleinere Absorption als 75% hat.
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In
der 2 ist ein Schaubild gezeigt, wobei auf der horizontalen
Achse der Abstand (in Metern) von der Mitte der Zielebene gezeigt
ist und auf der vertikalen Achse die Dämpfung der Strahlung auf der Zielebene
gezeigt ist. In der 2 veranschaulicht die Zeile
10 eine Computersimulation ohne Absorber, die Zeile 11 eine Simulation
mit absorbierenden Platten mit Durchmessern bzw. Dicken von 70 mm
bzw. 3 mm, 100 mm bzw. 2 mm und 150 mm bzw. 1,5 mm. Die Zeile 12
veranschaulicht Messungen, die der Zeile 10 entsprechen, und die
Zeile 13 entspricht Messungen, die der Zeile 11 entsprechen. Die
Figur ergibt eindeutig aus den Simulationsstrahlungskurven gegenüber den
Messkurven, dass die erfindungsgemäße Wirkung genau veranschaulicht
wird durch einfache physikalische Modelle bezüglich der Winkelverteilung
der Strahlung, die durch die Diffuserplatten gestreut wird.
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Erfindungsgemäß kann die
abwechselnde Reihenfolge der Platten 4 frei gewählt werden.
Zudem kann der Abstand der Platten 4 von der Quelle 1,
sowie ihre Durchmesser geändert
werden.
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In
der 3 ist ein Schaubild gezeigt, in dem auf der horizontalen
Achse der Abstand (in Metern) von der Mitte der Zielebene 6 gezeigt
ist und auf der vertikalen Achse die Dämpfung der Strahlung auf der Zielebene
gezeigt ist. In der 3 werden drei zusätzliche
Platten zu der Ausführungsform
von 2 verwendet, wobei die Platten sind wie folgt
(Durchmesser/Dicke): 100 mm/1 mm, 120 mm/3 mm, 150 mm/6 mm. Zeile
14 veranschaulicht eine Simulation ohne Absorber, Zeile 15 eine
Simulation mit absorbierenden Platten mit einem Durchmesser/Dicke
von 100/1 mm, 120/3 mm, 150/6 mm.
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Aus
der Figur geht hervor, dass die Verwendung dickerer Absorber die
Strahlung innerhalb von ±2%
im Bereich von 0-900 mm von der Achse glättet. Gemäß der allgemeinen Eigenschaften
der Erfindung kann nahezu jeder Typ von Strahlungsverteilung synthetisiert
werden, wobei geeignete Kombinationen von Plattendurchmessern und
Dicken synthetisiert werden können.
Man beachte insbesondere, dass die gewünschte Dämpfung als Funktion der Richtung
erzielt werden kann, mit einer geeigneten Kombination von vollständig durchsichtigen
und/oder partiell absorbierenden Platten, da jede gesonderte Oberfläche die
Strahlung durch die Reflexion dämpft, unabhängig davon,
ob das Plattenmaterial Licht absorbiert oder nicht. Man beachte,
dass eine Veränderung
der Form der Platten in dem Stapel alle gewünschten Symmetrieeigenschaften
der Strahlungsverteilung erreichen kann.