DE68909668T2

DE68909668T2 - Fresnel-Reflektor mit mehrflächigen Elementen.

Info

Publication number: DE68909668T2
Application number: DE89304713T
Authority: DE
Inventors: Sanford Cobb; Richard A C O Minnesota Miller
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1988-05-10
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: EP0341996A2; JPH0218801A; AU629207B2; BR8902170A; AU3379389A; US4989125A; ES2044107T3; DE68909668D1; CA1332390C; EP0341996A3; KR0147828B1; KR890017487A; EP0341996B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Beleuchtungselemente, die Fresnel-Reflektoren verwenden. Ein Beleuchtungskörper nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US-A-4 081 667 bekannt.

Stand der Technik

Ein bekannter Beleuchtungskörper verwendet eine Lichtquelle mit einem Reflektorelement, um einen kollimierten oder teilweise kollimierten Lichtstrahl zu erzeugen. Das Reflektorelement kann kugelförmig oder parabolisch sein, oder es kann Fresnel-Strukturen verwenden, die die Arbeitsweise solcher Reflektoren simulieren. Die Lichtquelle ist normalerweise am optischen Mittelpunkt eines solchen Reflektorelements angebracht.
Ein Problem, das solche Reflektoren gemeinsam haben, betrifft die Anbringung der Lichtquelle. Weil die Lichtquelle normalerweise in einem Körper angebracht ist, der sich durch das Reflektorelement erstreckt, treten keine Reflexionen aus dem Bereich direkt hinter der Lichtquelle auf. Als Ergebnis erzeugt der Beleuchtungskörper keine gleichmäßige Helligkeit über seine gesamte Oberfläche. Sie wird sogar in dem Bereich, der sich der Lichtquelle am nächsten befindet, dunkler erscheinen. Weiterhin wird um den zentralen dunklen Bereich herum ein heller Streifen erscheinen. Die scheinbare Helligkeit wird dann in Richtung der äußeren Bereiche des Körpers ständig abnehmen. Daher wird ein solcher Beleuchtungskörper scheinbar signifikante Ungleichmäßigkeiten in der Helligkeit aufweisen, mit dunkleren Bereichen in den Gebieten, die dem optischen Mittelpunkt des Beleuchtungskörpers am nächsten bzw. am weitesten davon entfernt liegen.
Ein weiteres Problem tritt bei solchen Beleuchtungskörpern auf, wenn sie, was sehr üblich ist, im Kraftfahrzeugsektor eingesetzt werden. In vielen Ländern gibt es Grenzwerte für die Lichtmenge bzw. die Helligkeit des Lichts, das von verschiedenen Lampen an einem Kraftfahrzeug in bestimmte Richtungen abgegeben wird. "Aufhellampen" zwischen den Scheinwerfern eines Fahrzeugs dürfen zum Beispiel nicht mehr als eine vorgeschriebene Lichtmenge in der Vorwärtsrichtung abgeben. Dadurch soll verhindert werden, daß die Sicht von entgegenkommenden Fahrzeugführern beeinträchtigt wird. Einige der zuverlässigsten Lichtquellen überschreiten jedoch solche sicherheitsstandards, wenn die Reflektorleistung zu groß ist. Die Reflektorleistung kann reduziert werden, indem man Bereiche davon abdunkelt, oder indem man die spiegelnde Reflexion des Spiegels reduziert. Beide Lösungen führen jedoch im allgemeinen zu Beleuchtungskörpern, die ästhetisch weniger ansprechend sind.
Nach der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 5 beansprucht wird, ist ein Reflektor mit einer Vielzahl von Fresnel-Strukturen ausgerüstet. Mindestens einige dieser Fresnel-Strukturen haben zwei aktive Flächen und einen Vorsprung. Der Einsatz von mehreren aktiven Flächen gestattet es, daß Licht in verschiedene Richtungen gerichtet wird, um einen gleichmäßigen Helligkeitsgrad über einen Beleuchtungskörper zu erzeugen. Einige der aktiven Flächen können auch dazu benutzt werden, nicht benötigtes oder unerwünschtes Licht wegzuleiten.
Figur 1 ist eine Ansicht eines Beleuchtungskörpers nach der Erfindung;
Figur 2 ist eine schematische Querschnittansicht einer ersten Fresnel-Struktur, die in einem Reflektor nach der Erfindung verwendet wird;
Figur 3 ist eine schematische Querschnittansicht einer zweiten Fresnel-Struktur, die in einem Reflektor nach der Erfindung verwendet wird;
Figur 4 ist eine schematische Querschnittansicht einer dritten Fresnel-Struktur, die in einem Reflektor nach der Erfindung verwendet wird.
Figur 1 zeigt einen Beleuchtungskörper 10 nach der Erfindung. Der Beleuchtungskörper 10 weist ein Gehäuse 11 auf, welches einen optischen Hohlraum 12 mit einem optischen Fenster 13 bildet. Der Beleuchtungskörper 10 weist weiterhin ein Reflektorelement 14 auf einer Seite des Gehäuses 11 gegenüber dem optischen Fenster 13 und eine Lichtquelle 15 auf. Das Reflektorelement 14 weist Fresnel-Strukturen 16 auf, die einen Teil des von der Lichtquelle 15 abgegebenen Lichts kollimieren und das restliche Licht auf gewünschte Stellen lenken. Da die Lichtquelle 15 als Punktlichtquelle wirkt, sind die Fresnel-Strukturen 16 kreisförmig und konzentrisch um die Lichtquelle 15 herum angeordnet. Wenn alternativ eine lineare Lichtquelle benutzt wird, sollten die Fresnel-Strukturen linear sein und parallel zu der Hauptachse der Lichtquelle verlaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fresnel- Strukturen 16 in drei konzentrischen Gruppen angeordnet. Figur 2 zeigt den Aufbau der Fresnel-Strukturen der ersten Gruppe. Reflektorelement 14 umfaßt eine transparente Schicht 17, normalerweise aus einem polymeren Material, und einen reflektierenden Überzug 18, normalerweise aus im Vakuum aufgedampftem Metall. Wie man in Figur 2 sieht, sind die Fresnel-Strukturen auf der Rückseite des Reflektors vorgesehen. Die Erfindung schließt jedoch nicht aus, daß die Fresnel-Strukturen auf der ersten Oberfläche angeordnet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Elemente der ersten Gruppe in einem inneren Streifen vorgesehen, der der Lichtquelle 15 am nächsten ist. Die Fresnel-Struktur 19 in Figur 2 ist für die Fresnel-Strukturen dieser ersten Gruppe typisch. Die Fresnel-Struktur 19 umfaßt eine erste aktive Fläche 20, eine zweite aktive Fläche 22, eine dritte aktive Fläche 24 und einen Vorsprung 26. Die erste aktive Fläche 20 reflektiert das von der Lichtquelle 15 abgegebene Licht, wie zum Beispiel den Lichtstrahl 28, zum Mittelpunkt des optischen Fensters. Die zweite aktive Fläche 22 reflektiert Licht, wie zum Beispiel den Lichtstrahl 30, zur Seite, um solches Licht in bezug auf einen Betrachter, der den Beleuchtungskörper von vorn betrachtet, wegzulenken. Die aktive Fläche 24 reflektiert Licht, wie beispielsweise den Lichtstrahl 32, in der Art eines konventionellen Fresnel- Reflektors, d.h. durch Simulieren der Arbeitsweise eines Reflektors, der eine vorgewählte Krümmung hat. Die aktive Fläche 24 und andere ähnliche aktive Flächen können zum Beispiel so ausgelegt sein, daß sie die Eigenschaften eines parabolreflektors simulieren.
Eine zweite Gruppe von Fresnel-Strukturen ist konzentrisch zu und außerhalb der ersten Gruppe vorgesehen. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Fresnel-Strukturen der zweiten Gruppe, wie zum Beispiel durch die Fresnel-Sruktur 34. Die Fresnel-Struktur 34 umfaßt zwei aktive Flächen 36 und 38 und einen Vorsprung 40. Die aktive Fläche 36 leitet nicht benötigtes Licht weg ähnlich wie die aktive Fläche 22 in Figur 2. Normalerweise wird ein geringerer Prozentsatz des Lichts, das auf die zweite Gruppe der Fresnel-Strukturen auftrifft, weggeleitet, als er durch die erste Gruppe der Fresnel-Strukturen weggeleitet wird. Auf diese Art und Weise erreicht man, daß die scheinbare Helligkeit des Beleuchtungskörpers über seine Oberfläche nahezu konstant ist. Die aktive Fläche 38 kollimiert auf sie auftreffendes Licht in ähnlicher Weise wie die aktive Fläche 24 in Figur 2.
In dem Maß, wie der Radius der Fresnel-Strukturen zunimmt, muß weniger Licht weggeleitet werden, um einen gleichmäßigen Helligkeitsgrad über den Beleuchtungskörper aufrechtzuerhalten. Schließlich wird der Radius groß genug, so daß kein Licht mehr weggeleitet werden muß. Demgemäß wird eine dritte Gruppe von Fresnel-Strukturen im äußeren Bereich des Reflektors vorgesehen. Figur 4 zeigt die Fresnel-Strukturen der dritten Gruppe, wie zum Beispiel Fresnel-Struktur 42. Die Fresnel-Struktur 42 weist eine aktive Fläche 44 und eine Vorsprung 46 auf. Die aktive Fläche 44 arbeitet als konventioneller Fresnel-Reflektor und trägt zu der Abgabe kollimierten Lichts durch den Beleuchtungskörper bei, ohne daß auftreffendes Licht weggeleitet wird.

Claims

1. Beleuchtungskörper (10) umfassend ein Gehäuse (11), welches einen optischen Hohlraum (12) mit einem optischen Fenster (13) in dem Gehäuse bildet, eine Lichtquelle (15) in dem optischen Hohlraum, und einen Reflektor (14) mit einer Vielzahl von Fresnel-Strukturen (16) auf einer Seite des Gehäuses gegenüber dem optischen Fenster, wobei der Beleuchtungskörper dadurch gekennzeichnet ist, daß:

mindestens zwei der Fresnel-Strukturen (19) zwei aneinandergrenzende aktive Flächen (20, 24) und einen Vorsprung (26) umfassen, wobei eine der aktiven Flächen so positioniert ist, daß sie Licht von der Lichtquelle kollimiert, und die andere der aktiven Flächen (20) so positioniert ist, daß sie Licht von der Lichtquelle zu einem Punkt auf dem optischen Fenster im Bereich der Lichtquelle reflektiert.

2. Beleuchtungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Strukturen kreisförmig und konzentrisch sind.

3. Beleuchtungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fresnel-Strukturen (34) zwei aktive Flächen (36, 38) und einen Vorsprung (40) umfassen, wobei eine der aktiven Flächen (38) so positioniert ist, daß sie Licht von der Lichtquelle kollimiert, und die andere der aktiven Flächen (36) so positioniert ist, daß sie Licht radial nach außen, weg von der Lichtquelle reflektiert.

4. Beleuchtungskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fresnel-Strukturen (19) drei aktive Flächen (20, 22, 24) und einen Vorsprung (26) umfassen, wobei eine der aktiven Flächen (24) so positioniert ist, daß sie Licht von der Lichtquelle kollimiert, eine andere der aktiven Flächen (20) so positioniert ist, daß sie Licht von der Lichtquelle zu einem Punkt auf dem optischen Fenster im Bereich der Lichtquelle reflektiert, und die andere der aktiven Flächen (22) so positioniert ist, daß sie Licht radial nach außen, weg von der Lichtquelle reflektiert.

5. Reflektor mit einer Vielzahl von Fresnel-Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß:

mindestens einige der Fresnel-Strukturen (19, 34) erste und zweite aktive Flächen (20, 22, 24; 36, 38) und einen Vorsprung (26; 40) umfassen, wobei die ersten aktiven Flächen so angeordnet sind, daß sie Licht in einer ersten vorbestimmten Richtung reflektieren, und die zweiten aktiven Flächen so angeordnet sind, daß sie Licht in einer zweiten vorbestimmten Richtung reflektieren, die von der ersten vorbestimmten Richtung verschieden ist, wobei die ersten und zweiten aktiven Flächen aneinander angrenzen.

6. Reflektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fresnel-Strukturen erste, zweite und dritte aktive Flächen und einen Vorsprung umfassen.

7. Reflektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Strukturen kreisförmig und konzentrisch sind.