EP0402740B1 - Reflektor für eine Leuchte und Verfahren zum Bestimmen der Form eines Reflektors - Google Patents
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- EP0402740B1 EP0402740B1 EP90110622A EP90110622A EP0402740B1 EP 0402740 B1 EP0402740 B1 EP 0402740B1 EP 90110622 A EP90110622 A EP 90110622A EP 90110622 A EP90110622 A EP 90110622A EP 0402740 B1 EP0402740 B1 EP 0402740B1
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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
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- Y10S359/00—Optical: systems and elements
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Definitions
- the invention relates to a reflector for a lamp and a method for determining the shape of such a reflector.
- the luminaires in question are intended in particular to illuminate a room, to illuminate an object or to couple light into a light guide.
- conic intersection curves are known as reflector shapes, namely ellipse, parabola, hyperbola, circle and straight lines (the latter as so-called singular conic sections).
- reflector shapes namely ellipse, parabola, hyperbola, circle and straight lines (the latter as so-called singular conic sections).
- these reflector intersection curves are created in flat sectional figures, which contain the optical axis of the lamp.
- the designer of a certain reflector is given boundary conditions according to which the luminaire is to be constructed, for example the light exit diameter and the length of the luminaire can be predetermined on account of the structural conditions and also the desired light distribution at a certain distance from the luminaire.
- the shape of the reflector curve is also determined.
- Elliptical reflectors are often used to illuminate a relatively large area.
- the light distribution within the beam angle is very inhomogeneous and drops sharply with increasing distance from the optical axis to the outside.
- a reflector is known in which only a reflector close to the edge cut corresponds to a conic section, while an inner reflector section is constructed differently.
- the transition between the two mentioned reflector sections is discontinuous.
- the latter has disadvantages in the manufacture of reflectors with regard to the tool. At the point of discontinuity, the reflector cannot be shaped exactly according to the tool and stray light is usually generated. You have to expect an energy loss. Even with this known solution, the homogenization of the light distribution cannot be achieved to the desired extent.
- the reflector consists of segments which are arranged so that each segment reflects radiation emanating from another area of the light source, so that points on a surface to be irradiated each receive radiation that is reflected by several different segments.
- the invention has for its object to provide a way to construct reflector shapes with which desired light distributions can be generated with great efficiency as required. It should not be necessary to prepare the microstructure of the reflection surface (as explained above) and the reflector should also not have any seams connecting different curves.
- the two curves between which the reflector according to the invention runs can in particular be two different ellipses (ie ellipses with at least one different parameter), two different parabolas (ie parabolas with different parameters) or an ellipse and a parabola.
- the reflector shape according to the invention is thus characterized in the latter example in that it is neither a pure ellipse nor a pure parabola, but rather continuously, i.e. over their entire extent, an "in-between" between such conventional known reflector shapes.
- the reflector shape according to the invention does not correspond to a conic section.
- the reflection properties of reflectors constructed in accordance with the invention are fundamentally different from the reflection properties of conical reflectors and generally do not correspond to simple “mean values” from the reflection properties of reflectors corresponding to the enveloping curves.
- the light distributions achieved according to the invention are not always an “intermediate thing” between the properties of the two enveloping curves used. This is especially true if the two enveloping curves are different types of conic sections, such as a parabola and an ellipse.
- the invention not only proposes certain reflector shapes, but also gives the luminaire designer a method in which he can generally construct an optimal reflector shape depending on the given boundary conditions for the luminaire and the desired light distribution, the desired light distribution largely without the use of additional optical aids such as lenses, etc. can be achieved.
- reflector shapes can be constructed with which radiation from a light source can be optimally coupled into a radiation conductor.
- Conventional, purely ellipsoidal reflectors generate relatively large angles of incidence between the radiation to be coupled in and the light guide.
- a reflector according to the invention enables a relatively small angle of incidence between the radiation to be coupled in and the light guide, as a result of which the radiation is guided through the radiation guide, e.g. Fiber, is improved.
- a reflector that can be used for a given distance, e.g. one meter, which can concentrate radiation with high efficiency at a certain point.
- the bundling is better than with a paraboloid-shaped reflector.
- a reflector constructed according to the invention enables a relatively uniform light distribution.
- the optical axis is provided with the reference symbol 1.
- the reflector cut curve R according to the invention is shown with a solid line. The entire reflector is created either by rotation of the curve R about the optical axis 1 or by translational displacement of the curve R if a channel-shaped reflector is to be created.
- the shape of the reflector cut curve R is formed such that it lies between two narrowing (envelope) curves in the manner described in more detail below, which are an outer ellipse Ei and an inner ellipse E2 in the exemplary embodiment shown in FIG. 1.
- the ellipses Ei and E2 differ with respect to at least one parameter (a and / or b).
- the use of two ellipses according to FIG. 1 as an envelope for the reflector cut curve R enables a reflector shape with which, in particular, radiation can be optimally coupled into a light guide, that is to say the coupled radiation has a relatively small angle of incidence.
- the two ellipses Ei, E2 and the reflector intersection curve R have a common optical axis 1.
- Two focal points F 1 , F 2 coincide.
- a fixed point O also lies at the location of the focal points F,, F 2 .
- the fixed point O defines a polar angle and a distance ratio described in more detail below.
- the reflector formed in this way is not an ellipsoid.
- the reflector intersection curve R runs much closer to the inner ellipse E2 in the vicinity of the apex than with increasing approach to the edge R a of the reflector. This is explained in more detail below using the "distance ratio".
- the exemplary embodiment shown in FIG. 1 can be modified in such a way that instead of the two ellipses, two parabolas are placed next to one another as enveloping curves for the reflector cut curve R.
- the reflector shape is close to the apex (ie on the optical axis). is closer to the outer parabola (not shown) than to the inner parabola (not shown).
- the reflector cut curve R approaches the inner parabola.
- the reflector is not a paraboloid.
- a luminaire is generated whose radiation is not aligned exactly parallel to the optical axis, but rather is reflected somewhat inwards.
- a light spot whose diameter is smaller than the opening diameter of the lamp can thus be generated at a given distance from the lamp without using a lens.
- the course of the reflector cut curve R between its two enveloping ellipses Ei, E2 is generated by means of a beam 2 originating from a fixed point O, which coincides with the focal points F1, F 2 of the ellipses, and the beam 2 generated by this beam Polar angle a described.
- the beam 2 intersects the ellipses E i , E2 and the reflector intersection curve R.
- the intersection points are provided with the reference symbols A, B and C, respectively. 1 shows two positions of the traveling beam 2, 2 ', the corresponding reference numerals being provided with a line in the second position.
- a distance ratio k can now be defined as follows: where a is the distance between points A and O, b is the distance between points B and O and c is the distance between points C and O.
- the distance ratio k is relatively small in the region of the vertices S 1 , S 2 and S R of the curves Ei, E2 and R, ie the vertex S R of the reflector R is closer to the vertex S 2 of the inner envelope Ellipse E2 as at the vertex S 1 of the outer envelope ellipse Ei.
- the distance ratio changes in such a way that near the edge R a of the reflector the reflector lies closer to its outer envelope ellipse Ei than to its inner envelope ellipse E2.
- the variation of the distance ratio as a function of the polar angle a can be represented analytically, for example, by the following equations: where a max is the largest polar angle of the traveling beam 2 (corresponding approximately to the beam 2 'in FIG. 1), ie the angle of the beam grazing the edge R a of the reflector section curve R.
- a max is the largest polar angle of the traveling beam 2 (corresponding approximately to the beam 2 'in FIG. 1), ie the angle of the beam grazing the edge R a of the reflector section curve R.
- y means a real number, in particular 1 and also U and V each mean real numbers.
- the reflector should not have any discontinuities, i.e. the change in the distance ratio as a function of the polar angle a should follow a continuous function.
- the reflector preferably has a continuously differentiable shape. This also applies to the other exemplary embodiment of a reflector according to the invention shown in FIG. 2.
- Polar coordinates have certain advantages here, but it is also possible to use Cartesian or other coordinates.
- the reflector R shown in Fig. 2 is used to generate a uniform light distribution.
- An ellipse E and a parabola P are placed side by side so that the focal point F 1 of the parabola coincides with a focal point F 2 of the ellipse E.
- the fixed point O which defines the beam 2 and the polar angle a, also lies in the two focal points on the optical axis 1.
- the distance ratio k of the reflector R as defined above is constant between the enveloping curves E and P.
- the optical properties of the reflector R can be changed as required.
- the optical properties of the reflector R in the exemplary embodiment according to FIG. 2 are determined by the parameters a, b of the ellipse E, the parameter p of the parabola P, the distance between the apex S E and Sp of the ellipse E and the parabola P on the optical one Axis 1 and the distance ratio k described above.
- the distance ratio k can also vary as a function of the polar angle a, in particular in accordance with the above functions (1), (2) and (3).
- the exemplary embodiment according to FIG. 2 can also be modified such that the focal points of the parabola or ellipse do not coincide.
- the distance between the vertices S E and Sp on the optical axis 1 can also be reduced; in extreme cases, the two vertices can coincide.
- FIGS. 1 and 2 can be modified such that the optical axes of the enveloping curves E i , E2, E, P do not coincide in each case.
- the optical axis of one envelope curve can be slightly inclined with respect to the optical axis of the other envelope curve.
- the light distribution of a reflector according to the invention can be determined both mathematically and empirically.
- a computational determination is particularly simple if an analytical expression for the distance ratio or the course of the curve R is given, so that the tangent can be calculated by differentiation. From the tangents at a large number of points, which are selected with constant angular distances from each other on the reflector cut curve R, the directions of the rays leaving the lamp result from the law of reflection ("angle of incidence equals angle of reflection") and this results in a given distance of the intensity distribution of the luminaire, ie the number of incoming light beams per unit area.
- the light beam S reaching the opening edge Ra of the reflector R with the optical axis 1 includes an angle ⁇ which is equal to the angle ⁇ 'which the beam S' reflected at the edge forms with the optical axis.
- the direct radiation from the light source at location O and the reflected radiation form the same light cone.
- the light source does not necessarily have to be arranged in the focal points F1, F 2 or at location O.
- FIGS. 3 and 4 show a comparison of the light intensity distributions in a conventional lamp with an ellipsoidal reflector and a lamp according to the invention according to Fig. 2.
- the light intensity distribution 1 1 is a lamp with a conventional ellipsoidal reflector as a function of emission angle in applied in the usual way.
- the curve 1 1 it can be seen that the brightness decreases starting from a maximum at 0 to the side strong.
- the light intensity distribution 1 2 according to FIG. 4 is much more uniform and remains almost constant within a certain angle.
- the shape need not necessarily be symmetrical with respect to the central longitudinal plane of the reflector. Rather, the lower part of the reflector can differ from the upper part in order to achieve an optimal adaptation to the required lighting.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Reflektor für eine Leuchte sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Form eines solchen Reflektors.
- Die hier in Rede stehenden Leuchten sollen insbesondere zur Ausleuchtung eines Raumes, zur Beleuchtung eines Objektes oder auch zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter dienen.
- Als Reflektorformen sind im Stand der Technik Kegelschnittkurven bekannt, nämlich Ellipse, Parabel, Hyperbel, Kreis und gerade Linien (letztere als sogenannte singuläre Kegelschnitte). Diese Reflektorschnittkurven entstehen bekanntlich in ebenen Schnittfiguren, welche die optische Achse der Leuchte enthalten.
- Die bekannten Reflektorschnittkurven Ellipse, Parabel, Hyperbel, Kreis und Gerade weisen jeweils die folgenden Parameter und Reflexionseigenschaften auf:
- a) Ellipse:
- Die Ellipse ist definiert durch zwei Parameter, nämlich die große Halbachse a und die kleine Halbachse b. Von einem Brennpunkt der Ellipse ausgehende Strahlung wird vom Ellipsoid-Reflektor so reflektiert, daß sie im anderen Brennpunkt gebündelt wird, wonach sich die Strahlung mit einem relativ großen Winkel ausbreitet.
- b) Parabel:
- Die Parabel ist durch einen Parameter (zumeist "p" genannt) definiert. Vom Brennpunkt des Paraboloids abgestrahlte Strahlung wird durch den Reflektor so reflektiert, daß sie zur optischen Achse parallel verläuft.
- c) Hyperbel:
- Die Hyperbel ist durch zwei Parameter bestimmt, die reelle Halbachse a und die imaginäre Halbachse b. Vom Brennpunkt abgestrahlte Strahlung wird so reflektiert, daß sie sich von der optischen Achse entfernt. Die Aufspreizung der Strahlung ist dabei eine Funktion des Abstandes von der optischen Achse; je näher die Strahlung an der optischen Achse verläuft, um so spitzer ist der Winkel zu optischen Achse.
- d) Kreis:
- Der Kreis ist definiert durch einen Parameter, nämlich den Radius r. Vom Mittelpunkt des Kreises abgestrahlte Strahlung wird so reflektiert, daß sie sich wieder im Mittelpunkt bündelt.
- e) Gerade:
- Die Gerade ist definiert durch den sogenannten Richtungsfaktor m. Die optischen Eigenschaften eines geradlinigen Reflektors sind trivial.
- Die vorstehend beschriebenen Reflexionseigenschaften der kegelschnittförmigen Reflektoren können auch durch Variation der genannten Parameter grundsätzlich nicht geändert werden.
- Im allgemeinen sind dem Konstrukteur eines bestimmten Reflektors Randbedingungen vorgegeben, gemäß denen die Leuchte zu konstruieren ist, beispielsweise kann der Lichtaustrittsdurchmesser und die Länge der Leuchte aufgrund der baulichen Gegebenheiten vorgegeben sein und auch die gewünschte Lichtverteilung in einem bestimmten Abstand von der Leuchte.
- Herkömmliche Reflektoren mit kegelschnittförmigen Schnittfiguren zwingen den Konstrukteur zu erheblichen Kompromissen, wenn die Randbedingungen eng gesetzt sind. Reflektoren mit kegelschnittförmigen Schnittfiguren erlauben bei gegebenen Randbedingungen nur selten eine optimale Gestaltung der Leuchte im Hinblick auf die gewünschte Lichtverteilung. Bei Kurvenarten mit zwei Parametern, wie Ellipse und Hyperbel, kann nur noch der Brennpunkt variiert werden, wobei aber Einschränkungen aufgrund der verwendeten Lichtquelle gegeben sind.
- Liegen die Randbedingungen (Parameter) und der Brennpunkt fest, so ist auch die Form der Reflektorkurve determiniert.
- Beispielsweise ist es möglich, mit einem parabelförmigen Reflektor einen kleinen Lichtfleck zu bilden. Die Größe des Lichtfleckes kann dann aber nur noch geändert werden, indem die Größe des Reflektors ingesamt verändert wird.
- Ellipsenförmige Reflektoren werden häufig verwendet, um einen relativ großen Raumbereich auszuleuchten. Allerdings ist dabei die Lichtverteilung innerhalb des Ausstrahlungswinkels sehr inhomogen und fällt mit zunehmenden Abstand von der optischen Achse nach außen stark ab.
- Es ist bekannt, die Mikrostruktur der Reflexionsoberfläche zu präparieren, zum Beispiel durch Aufrauhung, Hammerschlag oder Sandstrahlung, so daß die Strahlung homogener wird, d.h. die Lichtintensität wird in der Mitte reduziert und am Rande erhöht. Jedoch hat dieses Verfahren insofern Nachteile als man die Breite des Streulichtes bei der Konstruktion der Leuchte rechnerisch nicht abstimmen kann sondern vielmehr auf Erfahrungswerte und Versuche angewiesen ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß das Streulicht auch weit außerhalb des Austrahlungswinkels auftritt und somit die Abgrenzung des Lichtfleckes undeutlich werden läßt. Auch ist bei den bekannten Verfahren der Homogenisierung der Lichtverteilung der Wirkungsgrad der Leuchte relativ gering, d.h. um eine bestimmte vorgegebene Helligkeit zu erreichen, ist ein relativ großer Energieverbrauch in Kauf zu nehmen. Auch sind die Ergebnisse hinsichtlich der Vergleichmäßigung der Lichtverteilung innerhalb des Ausstrahlungswinkels verbesserungsfähig.
- Aus der US-PS 3 390 262 ist ein Reflektor bekannt, bei dem nur ein randnaher Reflektorabschnitt einem Kegelschnitt entspricht, während ein innerer Reflektorabschnitt anders konstruiert ist. Der Übergang zwischen den beiden genannten Reflektorabschnitten ist unstetig. Letzteres hat Nachteile bei der Reflektorherstellung bezüglich des Werkzeuges zur Folge. An der Unstetigkeitsstelle kann der Reflektor nicht exakt gemäß dem Werkzeug geformt werden und es wird in der Regel Streulicht erzeugt. Dabei muß man mit einem Energieverlust rechnen. Auch ist bei dieser bekannten Lösung die Vergleichmäßigung der Lichtverteilung nicht in dem gewünschten Maße erreichbar.
- Aus der DE-OS 35 07 143 ist eine Leuchte bekannt, deren Reflektor aus Segmenten besteht, die so angeordnet sind, daß jedes Segment Strahlung reflektiert, die von einem anderen Bereich der Lichtquelle ausgeht, so daß Punkte auf einer zu bestrahlenden Fläche jeweils Strahlung empfangen, die von mehreren unterschiedlichen Segmenten reflektiert ist.
- Das Dokument US-A-3 398 272 beschreibt eine Reflektorschnittkurve, die nicht kegelschnittförmig ist. Diese Reflektorschnittkurve wird dort so erzeugt, daß zwei Konstanten festgelegt werden (bestimmte Winkel). Durch Vorgabe dieser konstanten Winkel ist der Reflektor vollständig definiert und wird mittels einer mathematischen Gleichung berechnet.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Konstruktion von Reflektorformen aufzuzeigen, mit denen gewünschte Lichtverteilungen nach Bedarf mit großem Wirkungsgrad erzeugt werden können. Dabei soll eine Präparierung der Mikrostruktur der Reflexionsoberfläche (wie oben erläutert) nicht notwendig sein und der Reflektor soll auch keine Nahtstellen einer Verbindung von unterschiedlichen Kurven aufweisen.
- Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen beschrieben.
- Die zwei Kurven, zwischen denen der erfindungsgemäße Reflektor verläuft, können insbesondere zwei unterschiedliche Ellipsen (also Ellipsen mit zumindest einem unterschiedlichen Parameter), zwei unterschiedliche Parabeln (also Parabeln mit unterschiedlichen Parametern) oder auch eine Ellipse und eine Parabel sein.
- Die erfindungsgemäße Reflektorform ist somit bei dem letztgenannten Beispiel dadurch gekennzeichnet, daß sie weder eine reine Ellipse, noch eine reine Parabel ist, sondern kontinuierlich, d.h. über ihre gesamte Erstreckung, ein "Zwischending" zwischen solchen herkömmlichen bekannten Reflektorformen. Die erfindungsgemäße Reflektorform entspricht keinem Kegelschnitt.
- Die Reflexionseigenschaften von erfindungsgemäß konstruierten Reflektoren sind grundsätzlich verschieden von den Reflexionseigenschaften kegelschnittförmiger Reflektoren und entsprechen in der Regel auch nicht einfachen "Mittelwerten" aus den Reflexionseigenschaften von den einhüllenden Kurven entsprechenden Reflektoren. Mit anderen Worte, die erfindungsgemäß erzielten Lichtverteilungen sind nicht notwendig immer ein "Zwischending" zwischen den Eigenschaften der verwendeten zwei einhüllenden Kurven. Dies gilt insbesondere dann, wenn die zwei einhüllenden Kurven unterschiedliche Kegelschnittarten sind, wie eine Parabel und eine Ellipse.
- Die Erfindung schlägt nicht nur bestimmte Reflektorformen vor, sondern gibt dem Leuchtenkonstrukteur auch ein Verfahren in die Hand, wie er allgemein in Abhängigkeit von den gegebenen Randbedingungen für die Leuchte und die gewünschte Lichtverteilung eine optimale Reflektorform konstruieren kann, wobei die gewünschte Lichtverteilung weitgehend ohne Verwendung von zusätzlichen optischen Hilfsmitteln wie Linsen etc., erreicht werden kann.
- Nach der erfindungsgemäßen Lehre können Reflektorformen konstruiert werden, mit denen Strahlung aus einer Lichtquelle optimal in einen Strahlungsleiter eingekoppelt werden kann. Herkömmliche, rein ellipsoidförmige Reflektoren erzeugen relativ große Einfallswinkel zwischen der einzukoppelnden Strahlung und dem Lichtleiter. Ein erfindungsgemäßer Reflektor hingegen ermöglicht einen relativ kleinen Einfallswinkel zwischen der einzukoppelnden Strahlung und dem Lichtleiter, wodurch die Leitung der Strahlung durch den Strahlungsleiter, z.B. Glasfaser, verbessert wird.
- Nach der erfindungsgmäßen Lehre ist es ebenfalls möglich, einen Reflektor zu schaffen, der für einen gegebenen Abstand, z.B. ein Meter, die Strahlung mit hohem Wirkungsgrad auf einen bestimmten Punkt bündeln kann. Die Bündelung ist besser als bei einem paraboloidförmigen Reflektor.
- Im Vergleich mit beim Stand der Technik für große Ausstrahlungswinkel vorgesehenen ellipsoidförmigen Reflektoren ermöglicht ein erfindungsgemäß konstruierter Reflektor eine relativ gleichmäßige Lichtverteilung.
- Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigt:
- Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Reflektors;
- Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reflektors;
- Fig. 3 eine Lichtstärkeverteilung einer Leuchte mit einem herkömmlichen EIlipsoid-Reflektor und
- Fig. 4 eine Lichtstärkeverteilung einer Leuchte mit einem erfindungsgemäßen Reflektor gemäß Fig. 2.
- Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die optische Achse mit den Bezugszeichen 1 versehen. Die erfindungsgemäße Reflektorschnittkurve R ist mit durchgezogener Linie dargestellt. Der ganze Reflektor entsteht entweder durch Rotation der Kurve R um die optische Achse 1 oder durch translatorische Verschiebung der Kurve R, wenn ein rinnenförmiger Reflektor geschaffen werden soll.
- Die Form der Reflektorschnittkurve R wird so gebildet, daß sie in weiter unten näher beschriebener Weise zwischen zwei eingrenzenden (einhüllenden) Kurven liegt, die beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine äußere Ellipse Ei und eine innere Ellipse E2 sind. Die Ellipsen Ei und E2 unterscheiden sich hinsichtlich zumindest eines Parameters (a und/oder b).
- Die Verwendung von zwei Ellipsen gemäß Fig. 1 als Einhüllende für die Reflektorschnittkurve R ermöglicht eine Reflektorform, mit der insbesondere Strahlung in optimaler Weise in einen Lichtleiter eingekoppelt werden kann, also die eingekoppelte Strahlung einen relativ kleinen Einfallswinkel aufweist. Hierzu weisen die beiden Ellipsen Ei, E2 und die Reflektorschnittkurve R eine gemeinsame optische Achse 1 auf. Zwei Brennpunkte F1 , F2 fallen zusammen. Ein fester Punkt O liegt ebenfalls am Ort der Brennpunkte F, , F2. Der ortsfeste Punkt O definiert einen Polarwinkel und ein weiter unten näher beschriebenes Abstandsverhältnis.
- Der so gebildete Reflektor ist kein Ellipsoid.
- Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, verläuft die Reflektorschnittkurve R in der Nähe des Scheitels wesentlich näher an der inneren Ellipse E2 als bei zunehmender Annäherung an den Rand Ra des Reflektors. Dies wird weiter unten anhand des "Abstandsverhältnisses" näher erläutert.
- Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt sich dahingehend abwandeln, daß statt der beiden Ellipsen zwei Parabeln als einhüllende Kurven für die Reflektorschnittkurve R nebeneinander gelegt werden. Um mit einem derart konstruierten Reflektor eine starke Bündelung der Strahlung in einem gegebenen Abstand von der Leuchte erzielen zu können, ist (umgekehrt als beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1) vorgesehen, daß die Reflektorform nahe dem Scheitel (also auf der optischen Achse) näher an der äußeren Parabel (nicht gezeigt) liegt, als an der inneren Parabel (nicht gezeigt). Mit zunehmender Annäherung an den Rand der Leuchte nähert sich dann die Reflektorschnittkurve R der inneren Parabel. Dabei ist der Reflektor kein Paraboloid.
- Mit der vorstehend beschriebenen Reflektorform mit zwei Parabeln als Einhüllenden, wird eine Leuchte erzeugt, deren Strahlung nicht genau parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist, sondern etwas nach innen reflektiert wird. Es kann also ohne Verwendung einer Linse in einem gegebenen Abstand von der Leuchte ein Lichtfleck erzeugt werden, dessen Durchmesser geringer ist als der Öffnungsdurchmesser der Leuchte.
- Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Verlauf der Reflektorschnittkurve R zwischen seinen beiden einhüllenden Ellipsen Ei, E2 mittels eines von einem ortsfesten Punkt O, welcher mit den Brennpunkten F1, F2 der Ellipsen zusammenfällt, ausgehenden Strahls 2 und dem von diesem Strahl erzeugten Polarwinkel a beschrieben. Der Strahl 2 schneidet die Ellipsen Ei, E2 und die Reflektorschnittkurve R. Die Schnittpunkte sind mit den Bezugszeichen A, B bzw. C versehen. In Fig. 1 sind zwei Stellungen des wandernden Strahles 2, 2' gezeigt, wobei in der zweiten Stellung die entsprechenden Bezugszeichen mit einem Strich versehen sind.
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- Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das Abstandsverhältnis k im Bereich der Scheitelpunkte S1 , S2 und SR der Kurven Ei, E2 bzw. R relativ klein, d.h. der Scheitelpunkt SR des Reflektors R liegt näher am Scheitelpunkt S2 der inneren einhüllenden Ellipse E2 als am Scheitelpunkt S1 der äußeren einhüllenden Ellipse Ei.
- Mit größer werdendem Polarwinkel a ändert sich das Abstandsverhältnis dahingehend, daß nahe dem Rand Ra des Reflektors der Reflektor näher an seiner äußeren einhüllenden Ellipse Ei liegt als an seiner inneren einhüllenden Ellipse E2.
- Analytisch kann die Variation des Abstandsverhältnisses als Funktion des Polarwinkels a z.B. durch folgende Gleichungen dargestellt werden:
- Der Reflektor soll keine Unstetigkeitsstellen aufweisen, d.h. die Änderung des Abstandsverhältnisses als Funktion des Polarwinkels a soll einer stetigen Funktion folgen. Bevorzugt weist der Reflektor eine stetig differenzierbare Form auf. Dies gilt auch für das in Fig. 2 gezeigte andere Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reflektors.
- Vorstehend ist die erfindungsgemäße Konstruktion eines Reflektors anhand von Polarkoordinaten beschrieben. Polarkoordinaten haben hier bestimmte Vorteile, es ist aber auch möglich, cartesische oder andere Koordinaten zu verwenden.
- Der in Fig. 2 gezeigte Reflektor R dient zur Erzeugung einer gleichmäßigen Lichtverteilung. Eine Ellipse E und eine Parabel P werden so nebeneinander gelegt, daß der Brennpunkt F1 der Parabel mit einem Brennpunkt F2 der Ellipse E zusammenfällt. Auch der feste Punkt O, welcher den Strahl 2 und den Polarwinkel a definiert, liegt in den beiden Brennpunkten auf der optischen Achse 1.
- Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das wie oben definierte Abstandsverhältnis k des Reflektors R zwischen den einhüllenden Kurven E und P konstant.
- Durch Änderung des Abstandsverhältnisses k lassen sich die optischen Eigenschaften des Reflektors R nach Bedarf ändern. Je näher das Abstandsverhältnis k bei 1,0 liegt, umso ähnlicher sind die optischen Eigenschaften des Reflektors R denen eines parabelförmigen Reflektors.
- Die optischen Eigenschaften des Reflektors R beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind bestimmt durch die Parameter a, b der Ellipse E, den Parameter p der Parabel P, den Abstand der Scheitelpunkt SE und Sp der Ellipse E bzw. der Parabel P auf der optischen Achse 1 und das oben beschriebene Abstandsverhältnis k.
- In Abwandlung des in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispieles kann das Abstandsverhältnis k auch als Funktion des Polarwinkels a variieren, insbesondere gemäß den obigen Funktionen (1), (2) und (3).
- Auch kann das Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 dahingehend abgewandelt werden, daß die Brennpunkte der Parabel bzw. Ellipse nicht zusammenfallen. Auch kann der Abstand der Scheitelpunkte SE und Sp auf der optischen Achse 1 verringert werden, im Extremfall können die beiden Scheitelpunkte zusammenfallen.
- Es ist auch möglich, in Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 die Ellipse außerhalb der Parabel anzuordnen, also das Größenverhältnis von Parabel und Ellipse umzukehren.
- Weiterhin können die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele dahingehend abgewandelt werden, daß die optischen Achsen der einhüllenden Kurven Ei, E2, E, P nicht jeweils zusammenfallen. Die optische Achse einer einhüllenden Kurve kann in bezug auf die optische Achse der anderen einhüllenden Kurve leicht schräg gestellt sein.
-
- Die Lichtverteilung eines erfindungsgemäßen Reflektors kann sowohl rechnerisch als auch empirisch festgestellt werden. Eine rechnerische Feststellung ist dann besonders einfach, wenn ein analytischer Ausdruck für das Abstandsverhältnis bzw. den Verlauf der Kurve R gegeben ist, so daß die Tangente durch Differenzierung berechnet werden kann. Aus den Tangenten an einer Vielzahl von Punkten, die jeweils mit gleichbleibenden Winkelabständen voneinander auf der Reflektorschnittkurve R ausgewählt werden, ergeben sich aufgrund des Reflexionsgesetzes ("Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel") die Richtungen der die Leuchte verlassenden Strahlen und daraus ergibt sich in einen gegebenen Abstand von der Leuchte die Intensitätsverteilung, d.h. die Zahl der ankommenden Lichtstrahlen pro Flächeneinheit.
- Um mit einem Reflektor R gemäß Fig. 2 ohne Verwendung von Hilfsmitteln (Kappen oder dergleichen) einen einzigen homogen ausgeleuchteten Lichtfleck auf einer von der Leuchte entfernten Wand zu erzeugen, ist vorgesehen, daß der den Öffnungsrand Ra des Reflektors R erreichende Lichtstrahl S mit der optischen Achse 1 einen Winkel β einschließt, der gleich ist dem Winkel β', den der am Rand reflektierte Strahl S' mit der optischen Achse einschließt. In diesem Falle bilden die direkte Strahlung aus der Lichtquelle am Ort O und die reflektierte Strahlung gleiche Lichtkegel.
- Die Lichtquelle muß nicht notwendig in den Brennpunkten F1, F2 bzw. am Ort O angeordnet werden.
- Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Vergleich der Lichtstärkeverteilungen bei einer herkömmlichen Leuchte mit einem Ellipsoid-Reflektor und einer erfindungsgemäßen Leuchte gemäß Fig. 2. In Fig. 3 ist die Lichtstärkeverteilung 11 einer Leuchte mit herkömmlichem Ellipsoid-Reflektor als Funktion des Ausstrahlungswinkels in üblicher Weise aufgetragen. Der Kurve 11 ist zu entnehmen, daß die Helligkeit ausgehend von einem Maximum bei 0 zur Seite hin stark abfällt.
- Bei einem erfindungsgemäßen Reflektor hingegen ist die Lichtstärkeverteilung 12 gemäß Fig. 4 wesentlich gleichmäßiger und bleibt innerhalb eines bestimmten Winkels nahezu konstant. Der die Lichtverteilug gemäß Fig. 4 erzeugende Reflektor ist wie vorstehend beschrieben konstruiert mit zwei Kegelschnittkurven, nämlich einer Parabel mit p = 39,0, einer Ellipse mit a = 90,2 und b = 56,0 sowie einem Abstandsverhältnis k von 0,22 (konstant).
- Es ist möglich, eine erfindungsgemäße Reflektorfläche mit Facetten zu versehen, um bei bestimmten Lichtquellen, die einen gewickelten Wendeldraht aufweisen, eine ästhetisch störende Erscheinung von hellen und dunklen Ringen im Lichtfleck zu vermeiden.
- Insbesondere bei einem rinnenförmigen Reflektor muß die Form nicht unbedingt in bezug auf die zentrische Längsebene des Reflektors symmetrisch sein. Vielmehr kann das Unterteil des Reflektors sich vom Oberteil unterscheiden, um eine optimale Anpassung an die geforderte Beleuchtung zu erreichen.
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