EP0268117A2 - Reflektor für zahnärztliche und chirurgische Operationsleuchten - Google Patents

Reflektor für zahnärztliche und chirurgische Operationsleuchten Download PDF

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EP0268117A2
EP0268117A2 EP87115882A EP87115882A EP0268117A2 EP 0268117 A2 EP0268117 A2 EP 0268117A2 EP 87115882 A EP87115882 A EP 87115882A EP 87115882 A EP87115882 A EP 87115882A EP 0268117 A2 EP0268117 A2 EP 0268117A2
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EP
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reflector
plane
light
focal point
light field
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Harry Wagener
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AUER-SOG Glaswerke GmbH
Auer Lighting GmbH
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AUER-SOG Glaswerke GmbH
Auer Lighting GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/04—Optical design
    • F21V7/09—Optical design with a combination of different curvatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2131/00—Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
    • F21W2131/20—Lighting for medical use
    • F21W2131/202—Lighting for medical use for dentistry
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S362/00—Illumination
    • Y10S362/804—Surgical or dental spotlight

Definitions

  • the invention relates to a reflector according to the preamble of claim 1.
  • the combination of ellipsoid and paraboloid (for example DE 24 46 521, US 3 191 023) basically opens up the possibility of producing an elongated light field at a desired working distance from the light source in the usual use of an elongated light source, in particular an incandescent filament. This represents a significant advantage over reflectors in the form of an ellipsoid section (US 3,511,983, 4,149,227) or a paraboloid section (US 4,459,647).
  • the subdivision of the reflector into several partial areas has the disadvantage that it is not possible to evaporate thin coatings with a uniform thickness.
  • the composition of partial areas in reflectors with the basic shape of an ellipsoid-paraboloid section mentioned at the outset is considerably more complex than in the case of simple basic shapes.
  • an ellipsoid-paraboloid In the case of a known reflector of the type mentioned at the outset (JG Holmes, Lighting Research and Technology, 1979, Volume 11, No. 2, pages 95-98), the basic form of an ellipsoid-paraboloid is one in which one parabolic or one in two normal axial planes is elliptical in shape, in the transition areas between these axial planes so shaped that all plane cuts are normal to the ellipse plane parabolas and all rays emerging from the closer ellipsoid focal point and the associated paraboloid focal point are parallel to the ellipse Plane are reflected and go through a normal focal line of the further ellipse focal point to the ellipse plane.
  • the invention is based on the task of creating a reflector which is suitable for surgical lights and which on its own generates an almost rectangular and largely uniformly illuminated light field.
  • the basic ellipsoid-paraboloid shape is deliberately distorted in such a way that a desired approximately rectangular light field is illuminated more uniformly in the region of the focal line corresponding to the basic shape.
  • the distortion can easily be produced continuously, so that neither edges or discontinuities nor the disadvantages resulting therefrom need to be accepted and simple production is possible.
  • Additional partial mirrors are not required, but can of course also be attached for special purposes.
  • the shape of the reflector is defined by a simple closed mathematical relationship that can be conveniently entered into an automatic manufacturing machine.
  • the vertex Z of the reflector 1 is in the origin of a Cartesian coordinate system with the axes x, y and z (FIG. 1).
  • the z axis extends in the vertical direction, while the x axis coincides with the optical axis.
  • the center Z 'of the lamp filament is at f l ; 0; 0.
  • the basic shape of the reflector 1 can be described as follows:
  • the real, not arbitrarily small lamp filament generates light rays whose origin is more or less far from the point f1: 0; 0. This results in natural light scattering.
  • the distortions of the parabolic ellipsoid are at their greatest, so that both light-scattering effects largely overlap to form a basic scatter that is uniform over all reflector parts.
  • An almost rectangular light field 2 thus arises, the width b of which is determined primarily by the width B of the reflector and secondly by the length of the lamp filament in the y direction.
  • the height h of the light field 2 is essentially determined by the width of the lamp filament in the z direction, but also by the lashings mentioned by the parabolic ellipsoid at its points remote from the axis.
  • the lamp filament has an extensive winding and thus a very inhomogeneous luminance distribution, this will be reflected in the imaging properties of the reflector in a certain unevenness in the illuminance in the light field. Then it is advantageous if the basic shape of the parabolic ellipsoid is superimposed on a weak light-scattering structure. The uniformity of the illumination of the light field 2 is then significantly improved without the width and height of the light field being significantly increased.
  • the superimposed light-scattering structure can be applied without an additional operation in the case of a numerically controlled milling of the mold for the parabolic ellipsoid (see FIG. 4).
  • a suitable milling cutter diameter of 2 0 small cylindrical outer surfaces of the radius r are automatically created, the width b and height h of which are formed by the respective step sizes in the numerically controlled milling process.
  • this circular ellipsoid can be represented mathematically as follows: Then for y ⁇ R
  • the parabola can be replaced by an arc. This can result in advantages for the production of the molds in certain manufacturing processes.

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Abstract

Ein Reflektor für zahnärztliche und chirurgische Operationsleuchten weist in einer ersten Schnittebene eine elliptische Kontur und in einer zu dieser ersten Schnittebene senkrechten, zweiten Schnittebene eine parabolische Kontur auf, wobei sich das Zentrum der Lampenwendel im gemeinsamen Brennpunkt von Ellipse und Parabel befindet und der lichtreflektierenden Oberfläche eine feine lichtstreuende Struktur zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Lichtfeldes überlagert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reflektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Kombination von Ellipsoid und Paraboloid ( zum Beispiel DE 24 46 521, US 3 191 023)eröffnet bei der üblichen Verwendung einer läglichen Lichtquelle, insbesondere einer Glühwendel, grundsätzlich die Möglichkeit, ein längliches Lichtfeld in einem gewünschten Arbeitsabstand von der Lichtquelle zu erzeugen. Dies stellt einen bedeutsamen Vorteil gegenüber Reflektoren in Form eines Ellipsoid-Abschnitts (US 3 511 983, 4 149 227) oder eines Paraboloid-Abschnitts (US 4 459 647) dar. Es ist jedoch schwierig, ein für übliche Anwendungen, beispielsweise im Kieferbereich, genügend großes längliches Lichtfeld und darin eine gewünschte gleichmäßige Strahlleistungsdichte zu erzielen, und zwar über eine für den Gebrauch erforderliche Tiefe (in Richtung der optischen Achse y = 0, z = 0 des Reflektors). Es ist bekannt, zur Annäherung an diese Ziele die Gestalt des Reflektors zu modifizieren. So ist ein Ellipsoid-Reflektor bekannt (US 3 511 938), dessen Ellipsoid-Grundform von einer Vielzahl von konvexen oder konkaven Teilspiegeln überlagert ist. Die Herstellung eines solchen Reflektors erfordert einen erheblichen Aufwand. Bei einem anderen bekannten Ellipsoid-Reflektor (US 4 149 227) ist das Ellipsoid aus streifenförmigen Segmenten zusammengesetzt, die jeweils etwas nach außen verdreht sind. Auch diese Bauweise ist sehr aufwendig. Das gleiche gilt für einen anderen bekannten Reflektor (US 4 459 647), der die Gestalt eines Paraboloid-Abschnitts hat; die Paraboloid-Fläche ist aus ebenen Spiegelsegmenten zusammengesetzt.
  • Allgemein hat die Unterteilung des Reflektors in mehrere Teilflächen den Nachteil, daß es nicht möglich ist, dünne Beschichtungen mit gleichmäßiger Dicke aufzudampfen. Besonders bei dem üblichen Aufdampfen von dünnen reflektierenden Schichten kommt es deshalb zu Farbverschiebungen innerhalb und besonders an den Rändern des Lichtfeldes. Schließlich ist die Zusammensetzung aus Teilflächen bei Reflektoren mit der eingangs erwähnten Grundform eines Ellipsoid-Paraboloid-Abschnitts noch erheblich aufwendiger als bei einfacheren Grundformen.
  • Bei einem bekannten Reflektor der eingangs angegebenen Art (J. G. Holmes, Lighting Research and Technology, 1979, Band 11, Nr. 2, Seiten 95-98) ist die Ellipsoid-Paraboloid-Grundform, bei der in zwei zueinander normalen Axialebenen eine parabolische beziehungsweise eine elliptische Gestalt vorliegt, in den Übergangsbereichen zwischen diesen Axialebenen so geformt, daß alle ebenen Schnitte normal zu der Ellipsen-Ebene Parabeln sind und alle Strahlen, die aus dem näheren Ellipsoid-Brennpunkt und dem damit vereinigten Paraboloid-Brennpunkt austreten, parallel zu der Ellipsen-Ebene reflektiert werden und durch eine zu der Ellipsen-Ebene normale Brennlinie des ferneren Ellipsen-Brennpunkts gehen. Damit kann ein die Brennlinie enthaltendes ausgedehnteres Lichtfeld nur mit sehr großer Ungleichförmigkeit der Strahlleistungsdichte ausgeleuchtet werden. Es sind in der genannten Arbeit noch Hinweise auf andere mögliche Intensitätsverteilungen enthalten, doch nur eine davon entspricht dem Bestreben, ein ausgedehnteres Lichtfeld mit gleichmäßiger Ausleuchtung zu erhalten; dafür wird eine Doppel-Ellipsoid vorgeschlagen, das in zwei zueinander normalen axialen Schnittebenen unterschiedliche nähere Brennpunktabstände hat. Es leuchtet ein, daß damit das Ellipsoid-Paraboloid-Konzept aufgegeben wird.
  • Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen für Operationsleuchten geeigneten Reflektor zu - schaffen, der für sich allein ein nahezu rechteckiges und weitgehend gleichmäßig ausgeleuchtets Lichtfeld erzeugt.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Reflektor nach dem Anspruch 1 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Reflektor ist die Ellipsoid-Paraboloid-Grundform gezielt so in sich verzerrt, daß ein gewünschtes etwa rechteckiges Lichtfeld im Bereich der der Grundform entsprechenden Brennlinie gleichmäßiger ausgeleuchtet wird. Die Verzerrung ist leicht kontinuierlich herstellbar, so daß weder Kanten oder Unstetigkeiten noch die dadurch bedingten Nachteile in Kauf genommen zu werden brauchen und eine einfache Herstellung möglich ist. Zusätzliche Teilspiegel sind nicht erforderlich, können aber natürlich für Spezialzwecke ebenfalls angebracht werden.
  • Für die Herstellung ist es besonders günstig, wenn die Gestalt des Reflektors durch eine einfache geschlossene mathematische Beziehung definiert ist, die einem Herstellungsautomaten bequem eingegeben werden kann.
  • Der Scheitelpunkt Z des Reflektors 1 befinde sich im Ursprung eines kartesischen koorinatensystems mit den Achsen x, y und z ( Fig. 1) Dabei erstreckt sich die z-Achse in vertikaler Richtung, während die x-Achse mit der optischen Achse zusammenfällt. In der Ebene x =f2 soll ein rechteckiges Lichtfeld 2 der Höhe h und der Breite b erzeugt werden. Das Zentrum Z' der Lampenwendel befinde sich bei fl;0;0.
  • Die Grundform des Reflektors 1 läßt sich eindeutig durch eine dreidimensionale Gleichung für eine räumlich ausgedehnte Fläche beschreiben:
    Figure imgb0001
    lm Schnitt mit der Ebene y = o entsteht hieraus die zweidimensionale Kurve
    Figure imgb0002
    oder
    Figure imgb0003
    Dies ist die Gleichung einer Ellipse mit der langen Halbachse a und der kurzen Halbachse b. Das Zentrum dieser Ellipse befindet sich bei a;0;0, ihre Scheitelpunkte liegen also bei 0;0;0 und 2a;0;0.
  • Die Halbachsen a und b werden so gewählt, daß alle Lichtstrahlen die aus dem Punkt f1;0;0 kommen und auf die Ellipse fallen, sich bei f2;0;0 vereinigen. Das ist der Fall, wenn
    Figure imgb0004
    und
    Figure imgb0005
    Andererseits entsteht aus der Grundform des Reflektors im Schnitt mit der Ebene z = 0 die Kurve
    Figure imgb0006
    oder y2 = 2px (s.Fig. 3).
  • Dies ist die Gleichung einer Parabel mit dem Parameter p. dieser Parameter p wird so gewählt, daß alle Lichtstrahlen, welche aus dem Punkt fi;0;0 kommen und auf diese Parabel fallen, parallel zur optischen Achse zurückgeworfen werden. Dies ist der Fall, wenn p = 2 . f, ist.
  • Die Grundform des Reflektors 1 kann als folgendermaßen beschrieben werden:
    Figure imgb0007
  • Alle Lichtstrahlen, die aus dem Punkt fi;0;0 kommen und auf den Reflektor 1 in den Ebenen y = o und z = o fallen, werden in der Ebene x = f2 zu einer Brennlinie 3 vereinigt, die sich parallel zur y-Achse erstreckt und für die z = o ist. Diese Brennlinie 3 ist genauso lang, wie der Reflektor 1 breit ist, d.h. b = B.
  • Alle weiteren Lichtstrahlen, die den Reflektor 1 außerhalb der Ebenen y = o und z = o treffen, vereinigen sich nicht mehr ganz exakt in dieser Brennlinie 3. Das ist aber aus folgenden Gründen vorteilhaft:
  • Die reelle, nicht beliebig kleine Lampenwendel erzeugt Lichtstrahlen, deren Ursorung mehr oder weniger weit vom Punkt f1:0;0 entfernt sind. Daraus ergibt sich eine natürliche Lichtstreuung. Diese ist umso größer, je ausgedehnter die Lampenwendel ist bzw. je näher sich die Lampenwendel an der Oberfläche des Reflektors befindet. Sie ist daher für den Scheitel Z des Reflektors 1 am größten und wird umso kleiner, je weiter weg sich die reflektierende Fläche von dem Punkt fi;0;0, das heißt dem Zentrum Z' der Lampenwendel befindet. Dort aber sind die Verzerrungen des parabolischen Ellipsoids gerade am stärksten, so daß sich beide iichtstreuende Effekte weitgehend zu einer über alle Reflektorteile gleichmäßigen Grundstreuung überlagern.
  • Es entsteht also ein nahezu rechteckiges Lichtfeld 2, dessen Breite b in erster Linie von der Breite B des Reflektors und in zweiter Linie von der Länge der Lampenwendel in y-Richtung bestimt wird. Die Höhe h des Lichtfeldes 2 wird im wesentlichen duch die Breite der Lampenwendel in z-Richtung bestimmt, ferner aber auch durch die genannten Verzurrungen durch das parabolische Ellipsoid an seinen achsfernen Punkten.
  • Immer dann, wenn die Lampenwendel eine weitgängige Wicklung und damit eine sehr inhomogene Leuchtdichteverteilung besitzt, wird sich das in den Abbildungseigenschaften des Reflektors in diner gewissen Ungleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke im Lichtfeld äußern. Dann ist es vorteilhaft, wenn der Grundform des parabolischen Ellipsoids eine schwache lichtstreuende Struktur überlagert ist. Die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung des Lichtfeldes 2 wird dann wesentlich verbessert, ohne daß Breite und Höhe des Lichtfeldes nennenswert vergrößert werden.
  • In den Fällen, in denen ein größeres Lichtfeld gewünscht wird, kann dies durch eine gröbere lichtstreuende Struktur erreicht werden.
  • In jedem Fall kann die überlagerte lichtstreuende Struktur ohne zusätzlichen Arbeitsgang bei einem numerisch gesteuerten Fräsen des Formenwerkzeugs für das parabolische Ellipsoid aufgebracht werden (s. Fig. 4). Durch Wahl eines geeigneten Fräserdurchmessers von 2 0 entstehen automatisch kleine Zylindermantelflächen des Halbmessers r, deren Breite b und Höhe h durch die jeweiligen Schrittweiten beim numerisch gesteuerten Fräsvorgang gebildet werden.
  • Eine Vergrößerung der Breite und der Höhe des Lichtfeldes erhält man auch, wenn das Zentrum Z' der Lampenwendel aus dem Punkt fi;0;0 in Richtung zum Reflektor hin verschoben wird. Den gleichen Effekt erhält man, wenn die Halbachsen a und b der Ellipse
    sowie der Parameter p der Parabel folgendermaßen berechnet werden:
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
    mit f'>f1 und Lampenzentrum Z' bei fl;0;0.
  • Soll lediglich die Breite b des Lichtfeldes 2 vergrößert werden, wählt man
    Figure imgb0011
    Figure imgb0012
    Figure imgb0013
    mit f'>f1 und Lampenzentrum Z' bei fi;0;0.
  • Wählt man hingegen f'< fi, so wird mit Lampenzentrum Z' bei fi;0;0 die Lichtfeldbreite b kleiner als die Reflektorbreite B.
  • Soll schließlich nur die Höhe h des Lichtfeldes 2 vergrößert werden, so berechnet man
    Figure imgb0014
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
    mit f > fi und Lampenzentrum Z'bei fi;0;0.
  • Wird die Parabel durch einen Kreisbogen mit dem Radius R ersetzt, so läßt sich dieses Kreis-Ellipsoid mathematisch geschlossen folgendermaßen darstellen:
    Figure imgb0017
    Für y << R ist dann
    Figure imgb0018
  • Das Kreisellipsoid geht damit wieder in ein parabolisches Ellipsoid über, dessen Parabel-Parameter p = R ist. Für sehr schmale Reflektoren mit geringer Breite B kann als die Parabel durch einen Kreisbogen ersetzt werden. Dadurch können sich bei gewissen Fertigungsverfahren Vorteile für das Herstellen der Formenwerkzeuge ergeben.

Claims (7)

1. Reflektor für zahnärztliche und chirurgische Operationsleuchten, der in einem räumlichen kartesischen Koordinatensystem mit den Achsen x, y, z, wobei x die optische Achse des Reflektors darstellt, in der Ebene z = 0 eine ellipische Form und in der Ebene y = 0 eine parabolische Form hat, wobei der Brennpunkt der Parabel mit dem näheren Brennpunkt fi; 0, 0 der Ellipse im wesentlichen zusammenfällt, so daß Lichtstrahlen, die aus diesem gemeinsamen Brennpunkt kommen und in den Ebenen y = 0 und z = 0 auf den Reflektor auftreffen, in einer Ebene x = f2 durch eine Brennlinie x = f2; z = 0 gehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor in von der optischen Achse y = 0; z = 0 entfernten Bereichen derart verzerrt ist, daß Lichtstrahlen, die aus dem Bereich des gemeinsamen Brennpunktes kommen und außerhalb der Ebenen y = 0 und z = 0 reflektiert werden, in der Ebene x = f2 innerhalb eines gewünschten etwa rechteckigen Lichtfeldes liegen und Abstände von der Brennlinie haben, derart, daß in dem Lichtfeld eine im wesentlichen gelichmäßige Strahlungsdichte vorliegt.
2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Gestalt bestimmt ist durch die Gleichung:
Figure imgb0019
oder mit
Figure imgb0020
Figure imgb0021
in der b der Parameter der sich in der Ebene z = 0 ergebenden Parabel y = 2px ist und a und b die große beziehungsweise die kleine Halbachse der sich in der Ebene y = 0 ergebenden Ellipse sind.
3. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine seiner lichtreflektierenden Oberfläche überlagerte feine lichtstreuende Struktur zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Strahlleistungsdichte in dem Lichtfeld.
4. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine seiner lichtreflektierenden Oberfläche überlagerte größere lichtstreuende Struktur zur Vergrößerung der Breite und / oder der Höhe des Lichtfeldes.
5. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Ebene y = 0 eine verhältnismäßig geringe Breite hat und die Parabel durch einen Kreisbogen approximiert ist.
6. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nähere Brennpunkt der Ellipse und der Brennpunkt der Parabel einen geringfügigen Abstand auf der x-Achse voneinander haben, entsprechend einer gewünschten Veränderung der Breite des Lichtfeldes.
7. Reflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nähere Brennpunkt der Ellipse und der Brennpunkt der Parabel einen geringfügigen Abstand auf der y-Achse voneinander haben, entsprechend einer gewünschten Veränderung der Länge des Lichtfeldes.
EP87115882A 1986-11-12 1987-10-29 Reflektor für zahnärztliche und chirurgische Operationsleuchten Withdrawn EP0268117A3 (de)

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