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Breitstrahl-Spiegelreflektor Die Spiegelreflektoren erlauben eine
exakte Lichtstromumformung und werden daher insbesondere in solchen Fällen angewandt,
wo es auf die möglichst genaue Einhaltung der erforderlichen Lichtverteilung ankommt.
Die Erzeugung- einer breiten Lichtverteilung ist beispielsweise mit den Spiegelreflektoren
erheblich leichter als mit Reflektoren, die aus anderen bekannten lichttechnischen
Baustoffen gebaut sind. Der Spiegelreflektor wird daher bevorzugt bei den Breitstrahlern
angewandt.
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Die gebräuchlichste Form der Spiegelreflektoren zur Erzeugung einer
breitstrahlenden Lichtverteilung ist ein Umdrehungskörper ABDE mit der Parabel
AB als Erzeugenden (Abb. r), wobei die Symmetrieachse MN
dieser Parabel
unter einem großen Winkel, dem Winkel der maximalen Lichtausstrahlung a, zu der
Umdrehungsachse des Spiegelreflektors gelegt ist.
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Wird zur Erreichung eines hohen Reflektorwirkungsgrades außerdem die
Bedingung gestellt, daß die Lichtstrahlen nur einmal an der Reflektorspiegelfläche
reflektiert werden dürfen, worauf sie dann den Reflektor ungehindert verlassen sollen,
so sind dadurch der Bauhöhe la des Umdrehungskörpers und somit dem von ihm erfaßten
Lichtstrom Grenzen gesetzt.
In der Abb. i ist das Gesagte verdeutlicht.
Die Lichtstrahlen i, 2 und 3 einschließlich des Grenzstrahls .I können den Reflektor
bereits nach der einmal stattgefundenen Reflexion ungehindert verlassen. Der Schnittpunkt
der Parabel mit dem Grenzstrahl .[, der den unteren Rand des Reflektors E berührt
und parallel der Symmetrieachse der Parabel JIV verläuft, ergibt den Punkt B, durch
welchen die bei der einmaligen Reflexion höchstzulässige Bauhöhe des Umdrehungskörpers
lt bestimmt wird. In der Tat, würde man die erzeugende Parabel AB
über diesen
Schnittpunkt B hinaus fortsetzen, so würden die an dieser verlängerten Parabelfläche
reflektierten Strahlen die gegenüberliegende Reflektorfläche ED treffen und könnten
erst nach der zweiten Reflexion an dieser Fläche den Reflektor verlassen. Da der
Grenzstrahl .4 stets parallel der Parabelachse 111` verläuft, ist die Bauhöhe h
lediglich von dem Reflektordurchmesser d und von dem Ausstrahlungswinkel x abhängig.
Je größer der Reflektordurchmesser d, um so größer kann die Höhe des Umdrehungskörpers
lt sein, um so größer ist also der erfaßte Lichtstrom und umgekehrt, je größer dieser
Ausstrahlungswinkel, um so kleiner muß die Bauhöhe gewählt werden, und um so mehr
geht an dem nützlichen Lichtstrom verloren.
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Es sind Reflektoi#en bekannt, welche zur Erhöhung des erfaßten Lichtstroms,
auch denjenigen, der von der Lichtquelle außerhalb des Winkels e ausgesandt wird,
eine aus Parabel- und Ellipsenabschnitt zusammengesetzte Kurve als Reflektorerzeugende
benutzen. Der Lichtstrahlengang bei diesen Reflektoren ist der, daß sämtliche Strahlen
an der Oberfläche des Ellipsoids einmal, sodann zum zweiten Male an der Oberfläche
des Paraboloids reflektiert werden, wodurch zwangsläufig Verluste am Reflektorwirkungsgrad
auftreten.
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Die vorliegende Ausführung, die, wie an sich bekannt, eine aus einem
Parabelabschtitt und aus einem Ellipsenabschnitt zusammengesetzte Kurve als Reflektorerzeugende
benutzt, soll den geschilderten Nachteil beseitigen. Sie stellt eine Reflektorkonstruktion
dar, die eine bei der einmaligen Reflexion größtmögliche Breitstrahlung zu erreichen
erlaubt, wodurch der hohe Wirkungsgrad beibehalten wird. Der Reflektor ist, wie
ebenfalls bekannt ist. aus einem unteren Umdrehungskörper ABDE, dessen Erzeugende
ein Parabelabschnitt AB ist, und aus einem zweiten oberen Umdrehungskörper
BCD, dessen Erzeugende ein Ellipsenabschnitt BC ist, zusammengesetzt. Dabei fällt
erfindungsgemäß der eine Brennpunkt der Ellipse pi mit dem Brennpunkt der Parabel
und mit der Lichtquelle zusammen, während der andere Brennpunkt der Ellipse p.,
sich an dein unteren Rand des Parabelabschnitts befindet. Durch diese Maßnahme wird
es sämtlichen Strahlen ermöglicht, den Reflektor nach nur einmaliger Reflexion frei
zu verlassen.
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Die Symmetrieachse J11,' der den Reflektor erzeugenden Parabel wird
dabei erfindungsgemäß unter dein Winkel der geforderten Breitstrahlung a zu der
Umdrehungsachse des Reflektors gelegt. Die größte Bauhöhe li dieses Umdreliungskörpers
ABDE ergibt sich aus der Bedingung, daß sämtliche Strahlen nach der erfolgten einmaligen
Reflexion die Leuchte ungehindert verlassen müssen, wofiireshinreichend ist, wenn
in einem Symmetrieabschnitt des Reflektors nach der Erfindung der obere Rand BI)
des unteren Umdrehungskörpers ABDE durch den Schnittpunkt B der erzeugenden Parabel
AB mit derjenigen Geraden F_B bestimmt wird, die den unteren Rand des Reflektors
AE berührt und parallel der Parabelachse MIN' verläuft. Die Radienvektoren der Ellipse
werden in ihrer Größe nicht festgelegt, da die Abmessungen des oberen Umdrehungskörpers
den jeweiligen praktischen Bedingungen angepaßt «-erden müssen, und da die untere
Austrittsöffnung des oberen Umdrehungskörpers BI-) nicht unbedingt die gleichen
Abmessungen wie die obere Offnung des unteren Umdrehungskörpers haben muß.
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Der Strahlengang innerhalb des Reflektors ist in der Abb. i gezeigt.
Die Strahlen i, 2, 3 und 4, die innerhalb des Winkels e ausgesandt und an der Paraboloidfläche
reflektiert werden, verlaufen nach der Reflexion parallel der Parabelachse :l11'
und verlassen den Reflektor unter dem Ausstrahlungswinkel a. Sämtliche Strahlen,
die in dem Winkel größer als e von der Lichtquelle ausgesandt werden, beispielsweise
die Strahlen 5 und 6, werden nach der erfolgten Reflexion durch den Punkt p2 geleitet.
Aus dem Bild ist ersichtlich, daß die Breitstrahlwirkung der umgelenkten Strahlen
5 und 6 unter der Bedingung der einmaligen Reflexion tatsächlich die größtmögliche
ist.
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Bei ausgedehnten Leuchtsystemen der Lichtquellen kommen auf der beleuchteten
Fläche Abbildungen des Leuchtsystems zustande, welche meistens in Form von hellen,
zum Teil verschwommenen Streifen in Erscheinung treten. Diese Streifenbildung ist
dann besonders störend, wenn ein in die Breite stark auseinandergezogenes Licht
von der Leuchte verlangt wird. Je größer die zu beleuchtende Fläche, um so ausgeprägterdiebreitstrahlende
Charakteristik des Reflektors. um so größer muß aber auch die Zusammenziehung in
einem engen Ausstrahlungsbereich einer großen Zahl von Lichtstrahlen sein. Die einzelnen
Elemente des Spiegels werden dafür so zu der Svinmetrieachse des Reflektors orientiert,
daß
eine Reihe von dessen. Elementen in einem engen, Ausstrahlungsbereich
f das Licht der Lichtquelle lenken. Infolge der sich daraus ergebenden kleinen Überschneidungswinkel
können die oben erwähnten Abbildungen des Leuchtsystems auf der beleuchteten Fläche
nicht aufgelöst werden, sie müssen vielmehr durch den Einbau der sogenannten Optik,
d. h. durch den Einbau von kleinen optischen Elementen, wie z. B. Hohlspiegelkalotten,
Hohlspiegelzylinder usw., aufgelöst werden. Dabei versteht es sich von selbst, daß
die eingebaute Optik weder den Verlauf der Reflektorerzeugenden merklich verändern,
noch den Wirkungsgrad des Reflektors wesentlich herabsetzen darf.
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Erfindungsgemäß wird eine- Optik vorgeschlagen, die den beiden Bedingungen
gerecht wird. Sie besteht zur Erfüllung der ersten Bedingung aus bekannten meridional
verlaufenden, auf der Spiegeloberfläche aufgetragenen Rinnen, welche dank des eben
meridionalen Verlaufs keinen Einfluß auf die Gestalt der Reflektorerzeugenden ausüben.
Zur Erfüllung der zweiten Bedingung ist folgendes zu berücksichtigen: Der Einbau
der Optik bringt es mit sich, daß die geforderte Überschneidung der Strahlen zum
Teil ihr Totlaufen innerhalb des Reflektors verursacht. Dieses Totlaufen der Strahlen
ist bei kleineren Brennweiten der Optik als Folge der vielen Überschneidungen der
Strahlen groß, wodurch natürlich die Verluste in dem Reflektor groß werden. Umgekehrt,
bei großen Brennweiten werden die Verluste gering. Es ist daher zweckmäßig, die
Brennweiten der eingebauten Optik nur so kurz zu wählen, als das zur Auflösung der
Leuchtsystemabbildungen erforderlich ist. Da der Reflektor bei der v orliegendenKonstruktion
aus zwei Umdrehungskörpern mit verschiedenem Grad der Strahlungsüberschneidung besteht,.
ist es ebenfalls zweckmäßig, zur Erreichung eines möglichst hohen Reflektorwirkungsgrades
zweierlei Optik einzubauen.
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Erfindungsgemäß wird daher eine Optik vorgeschlagen, die neben dem
meridionalen Verlauf der Rinnen noch darin besteht, daß hei dem oberen Umdrehungskörper,
der eine durch die Konstruktion der Reflektorerzeugenden bereits gegebene bedeutende
Strahlenüberschneidung hat, die Brennweiten der Rinnen größer gewählt werden als
bei dem unteren Umdrehungskörper, dessen Spiegelfläche bei einer punktförmigen Lichtquelle
keine, bei den ausgedehnten Leuchtsystemen nur eine geringe Strahlenüberschneidung
aufweist und folglich zum Abbilden des Leuchtsystems neigt.
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Da das Totlaufen der Strahlen an den tiefer in dem Reflektor liegenden
Zonen größer ist als an denjenigen, die näher an der Austrittsöffnung liegen,. kann
erfindungsgemäß auch derart verfahren werden, daß die Brennweiten der Optik von
dem unteren Rand zu dem oberen Rand des Reflektors stetig zunehmen. Die stetige
Zunahme der Brennweiten ist insbesondere bei solchen nach den obigen Grundsätzen
konstruierten Reflektoren zweckmäßig, bei denen der Übergang von dem unteren Umdrehungskörper
zu dem oberen Umdrehungskörper stetig ist. Durch diese Maßnahme ist es in diesem
letzten Fall möglich, den optimalen Wirkungsgrad des Reflektors zu erreichen.
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Der grundsätzliche Unterschied des mit dieser Optik versehenen Reflektors
zu demjenigen ohne Optik besteht darin, daß, während bei dem glatten Reflektor die
Größe der Lichtstärke in dem jeweiligen Vertikalschnitt lediglich von den in diesem
Schnitt liegenden Spiegelelementen gebildet wird, bei dem mit Rinnenoptik versehenen
Reflektor die jeweilige Lichtstärke nicht nur von den in diesem Schnitt liegenden
Elementen, sondern auch von den benachbarten Spiegelelementen gebildet wird. In
der Abb.2, die einen horizontalen Schnitt senkrecht zu der Symmetrieachse des Reflektors
darstellt, ist der Strahlengang für den Fall des glatten Spiegel s, die Strahlen
z, 2 und 3, und für den Spiegel mit Rinnenoptik, die Strahlen i', 2' und 3', schematisch
dargestellt.
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Im Zusammenhang mit dem Strahlenverlauf bei der Rinnenoptik soll der
Vorteil nicht unerwähnt bleiben, den der Einbau dieser Optik in besonders gelagerten
Fällen haben könnte. Der glatte Reflektor bietet dem Auge stets ein hell ausgeleuchtetes
ununterbrochenes Lichtband hoher Leuchtdichte. Bei dem Reflektor mit der rinnenförmigen
Optik sind dagegen nur diejenigen Teile des Spiegels ausgeleuchtet, die das Licht
in die gegebene Richtung lenken, wodurch die einzelnen Rinnen teils hell; teils
dunkel erscheinen und das ursprünglich hell ausgeleuchtete Band in helle und dunkle
Streifen zerlegen. Bei der entsprechenden Wahl der Brennweiten der Rinnen und der
Abmessungen des Spiegelreflektors kann diese Unterbrechung der leuchtenden Fläche
zur Verbesserung der Sehbedingungen von Bedeutung sein.