EP1035370A2 - Optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen - Google Patents

Optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen Download PDF

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EP1035370A2 EP00100805A EP00100805A EP1035370A2 EP 1035370 A2 EP1035370 A2 EP 1035370A2 EP 00100805 A EP00100805 A EP 00100805A EP 00100805 A EP00100805 A EP 00100805A EP 1035370 A2 EP1035370 A2 EP 1035370A2
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    • F21V7/04—Optical design
    • F21V7/048—Optical design with facets structure

Definitions

  • the invention relates to the optical design of a reflector in the form of Facets for reflecting light rays.
  • Such reflectors will for example used for luminaires for general lighting purposes. They have become particularly popular in retail. she but are also used for the light feed into light guides, in Video projectors or in headlights that have a sharply defined light field generate (so-called tracking lights).
  • the aim is that reflectors of the type mentioned generate a circular light field.
  • this is not always achieved.
  • the reason is that the illuminants used are not are rotationally symmetrical. The consequence of this is a light field that is from the Circular shape differs. It can be oval or almost the shape of a Rectangle, which is undesirable.
  • the invention has for its object an optical design for one To design reflector for reflecting light rays in such a way that Have light fields generated arbitrarily, which are at least almost circular or are almost rectangular, regardless of the shape of the one used Filament.
  • the inventors have recognized that a given light field contour for a given Shape of the luminous body solely by the choice of the shapes of individual or all facets as well as by the arrangement or location of such facets optical axis of the reflector base body can be generated.
  • Either a non-rotationally symmetrical luminous element is specified, and you want to create a round light field. Or it is a given a rotationally symmetrical illuminant, and you want a non-circular one Generate light field.
  • the facets become like this designed and arranged that a rotational symmetry of the facets, based on the optical axis of the reflector base, largely is avoided.
  • the invention can be put into practice in a variety of ways.
  • facets can be flat, spherical, or cylindrical. In In the latter two cases, they can be both concave and convex his.
  • the deviation from the rotational symmetry can also be that Groups of facets are larger, and other groups are smaller. What is decisive is that certain facets or groups of facets that differ extend over a certain circumferential area of the reflector base body, in terms of their shapes and locations of certain other facets or Groups of facets differ that are different from each other Extend circumferential area.
  • the series mentioned do not necessarily have to be in planes perpendicular to the axis. You could also spiral around the around the optical axis of the reflector.
  • an area of the inner reflector surface can be made of spherical facets are formed, while another area is made of planes Facets is formed.
  • Another pairing between different columns can exist in concave and convex cylinders, or in large and small cylinders.
  • the facets are in rows arranged, which are concentric to the x-axis.
  • the facets are arranged in columns at the same time.
  • the facets can be spherical or be cylindrical.
  • the radii of the facets i.e. the radii of the balls or the cylinder
  • the radii of the facets within a row of facets, varies according to size the solid angle at which the facet "sees" the luminous element. At large solid angle and the associated larger light scattering is the selected a smaller curvature of the facet surface, thus a larger facet radius, and vice versa.
  • the radii of the facets must be in two columns, which lie on the z-axis are larger than the radii of the facets in the two columns that lie on the y-axis.
  • the radii of the facets in the Columns in between are then suitably between to choose these two extreme values.
  • R r, s R e.g. -R y 2nd ⁇ Cos (4 ⁇ s C. r ) + R e.g. + R y 2nd
  • R r, s ( R e.g. - R y ) ⁇ cos 2nd (2 ⁇ s C. r ) - 1 2nd + R e.g. + R y 2nd
  • ⁇ r, s ( ⁇ e.g. - ⁇ y ) ⁇ cos 2nd (2 ⁇ s C. r ) - 1 2nd + ⁇ e.g. + ⁇ y 2nd
  • the cylinder axes can be varied relative to the entire reflector.
  • the cylinder axes can for example run in the circumferential direction, and thus the course of a follow the row or run in the direction of the columns.
  • the entire reflector surface is in four same sectors A, B, C and D divided by 90 degrees each.
  • the z axis is thereby simultaneously the axis of symmetry of sectors A and C, and the y-axis is simultaneously axis of symmetry of sectors B and D.
  • an orientation perpendicular (or tangential) to the reflector circumference selected the cylinder axis of the facets, and one for sectors B and D. Alignment tangential (or vertical) to the reflector circumference.
  • a Mark on the reflector This allows the lamp to be used the non-rotationally symmetrical filament in the right one Install the angular position in the reflector. It can be seen in which direction the oval light field extends.
  • Figure 3 shows a single row of facets. This is spiral around the x-axis and thus around the optical axis of the reflector. The others Rows are also spiral. The rows are therefore not in levels which run perpendicular to the optical axis of the reflector.
  • facets does not necessarily mean that it is sharply demarcated areas. Rather, they can Facets also merge continuously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reflektor mit einer Facetten aufweisenden Reflexionsfläche zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines Lichtfeldes; mit einem hohlen Grundkörper, der ein ein erstes Ende zum Aufnehmen eines Leuchtkörpers aufweist (Fassungsende) sowie ein zweites Ende, das eine Lichtaustrittsöffnung darstellt; zum Erzeugen einer bestimmten Lichtfeldkontur bei gegebener Gestalt des Leuchtkörpers sind die Formen einzelner Facetten und deren Lage relativ zur optischen Achse des Reflektors in bestimmter Weise ausgewählt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft das optische Design eines Reflektors in Gestalt von Facetten zum Reflektieren von Lichtstrahlen. Solche Reflektoren werden beispielsweise verwendet für Leuchten für allgemeine Beleuchtungszwecke. Sie haben insbesondere im Einzelhandel große Verbreitung gefunden. Sie werden aber auch verwendet für die Lichteinspeisung in Lichtleiter, in Videoprojektoren oder in Scheinwerfern, die ein scharf begrenztes Lichtfeld erzeugen (sogenannte Verfolgungsscheinwerfer).
Solche Reflektoren besitzen im allgemeinen eine elliptische, parabolische oder kegelschnittähnliche Grundkontur. In vielen Fällen ist dieser Grundkontur ein optisches Design in Form von Facetten überlagert, um die Gleichmäßigkeit des Lichtfeldes zu verbessern und/oder die Größe des Lichtfeldes zu erhöhen.
Im allgemeinen strebt man an, daß Reflektoren der genannten Art ein kreisrundes Lichtfeld erzeugen. Dies wird jedoch nicht immer erzielt. Der Grund liegt darin, daß die verwendeten Leuchtkörper nicht rotationssymmetrisch sind. Die Folge davon ist ein Lichtfeld, das von der Kreisform abweicht. Es kann oval sein oder gar annähernd die Gestalt eines Rechteckes haben, was unerwünscht ist.
Umgekehrt kann aber auch der Fall vorliegen, daß man gern ein von der Kreisform abweichendes Lichtfeld hätte, daß man aber aus Gründen der Herstellung oder des Einbaus nur rotationssymmetrische Leuchtkörper verwenden kann. Bei Verwendung eines solchen rotationssymmetrischen Leuchtkörpers ist somit das Erzeugen eines von der Kreisform abweichenden Lichtfeldes mit einfachen Mitteln nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Design für einen Reflektor zum Reflektieren von Lichtstrahlen derart zu gestalten, daß sich Lichtfelder willkürlich erzeugen lassen, die wenigstens nahezu kreisrund oder nahezu rechteckig sind, und zwar ungeachtet der Gestalt des verwendeten Leuchtkörpers.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. Anspruch 13 gelöst.
Die Erfinder haben erkannt, daß eine bestimmte Lichtfeldkontur bei gegebener Gestalt des Leuchtkörpers allein durch die Wahl der Formen einzelner oder aller Facetten sowie durch die Anordnung oder Lage solcher Facetten zur optischen Achse des Reflektor-Grundkörpers erzeugbar ist.
Mit der Erfindung lassen sich die folgenden Probleme lösen:
Entweder ist ein nicht-rotationssymmetrischer Leuchtkörper vorgegeben, und man möchte ein rundes Lichtfeld erzeugen. Oder es ist ein rotationssymmetrischer Leuchtkörper vorgegeben, und man möchte ein nichtrundes Lichtfeld erzeugen. In beiden Fällen werden die Facetten derart gestaltet und angeordnet, daß eine Rotationssymmetrie der Facetten, bezogen auf die optische Achse des Reflektor-Grundkörpers, weitgehend vermieden wird.
Die Erfindung läßt sich in vielfältiger Weise in die Praxis umsetzen.
So gibt es bezüglich der Formen der Facetten zahlreiche Möglichkeiten. Die Facetten können beispielsweise eben, kugelförmig oder zylindrisch sein. In den zwei letztgenannten Fällen können sie sowohl konkav als auch konvex sein.
Die Abweichung von der Rotationssymmetrie kann auch darin liegen, daß Gruppen von Facetten größer, und andere Gruppen wiederum kleiner sind. Maßgeblich ist, daß gewisse Facetten oder Gruppen von Facetten, die sich über einen gewissen Umfangsbereich des Reflektor-Grundkörpers erstrecken, bezüglich ihrer Formen und Lagen von gewissen anderen Facetten oder Gruppen von Facetten unterscheiden, die sich über einen anderen Umfangsbereich erstrecken.
Bekannte Reflektoren weisen Facetten auf, die in Reihen verlaufen, welche ihrerseits in achssenkrechten Ebenen angeordnet sind. In der Draufsicht auf den hohlen Reflektor-Grundkörper - somit in diesen hinein - kann man die gesamte Reflexionsfläche in Spalten aufteilen, die sich von der Lichtaustrittsöffnung des Reflektors zur Fassung des Leuchtkörpers hin erstrecken. Die Grenzlinien zwischen einander benachbarten Spalten können mit Meridianlinien zusammenfallen. Sie müssen es aber nicht.
Desgleichen müssen die genannten Reihen nicht unbedingt in achssenkrechten Ebenen verlaufen. Sie könnten sich auch spiralig um die optische Achse des Reflektors herumwinden.
Von den zahlreichen Arten, eine Rotations-Asymmetrie vorzusehen, ist noch die folgende Möglichkeit zu erwähnen: Handelt es sich um Facetten von zylindrischer Form, so können die Achsen der Zylinder parallel zur optischen Achse des Reflektors verlaufen, aber auch in Umfangsrichtung.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ungleiche Formen miteinander zu paaren. So kann beispielsweise ein Bereich der Reflektor-Innenfläche aus kugeligen Facetten gebildet sein, während ein anderer Bereich aus ebenen Facetten gebildet ist. Eine weitere Paarung zwischen verschiedenen Spalten kann in konkaven und konvexen Zylindern bestehen, oder in großen und kleinen Zylindern.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1
zeigt eine Draufsicht auf einen facettierten Reflektor mit 24 Spalten und 9 Reihen.
Figur 2
zeigt wiederum eine Draufsicht auf einen facettierten Reflektor mit vier Gruppen von Facetten.
Figur 3
zeigt eine Draufsicht auf einen abgewickelten, facettierten Reflektor, bei dem nur eine einzige Reihe dargestellt ist.
Figur 4
zeigt eine Draufsicht auf einen Reflektor mit gegeneinander versetzten Facettenreihen.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Reflektor sind die Facetten in Reihen angeordnet, die zur x-Achse konzentrisch verlaufen. Die Facetten sind gleichzeitig in Spalten angeordnet. Die Facetten können kugelförmig oder zylindrisch sein.
Dabei werden die Radien der Facetten (das heißt die Radien der Kugeln oder der Zylinder) innerhalb einer Facettenreihe, variiert entsprechend der Größe des Raumwinkels, unter dem die Facette den Leuchtkörper "sieht". Bei großem Raumwinkel und damit verbundener größerer Lichtstreuung wird dem gemäß eine kleinere Krümmung der Facettenfläche gewählt, somit ein größerer Facettenradius, und umgekehrt. Sind beispielsweise die Abmessungen des Leuchtkörpers in Richtung der y-Achse größer, als in Richtung der z-Achse, so müssen die Radien der Facetten in zwei Spalten, die auf der z-Achse liegen, größer sein als die Radien der Facetten in den beiden Spalten, die auf der y-Achse liegen. Die Radien der Facetten in den dazwischen liegenden Spalten sind dann in geeigneter Weise zwischen diesen beiden Extremwerten zu wählen.
In der Praxis hat sich dabei folgende cosinusförmige Beziehung als sehr geeignet erwiesen: Rr,s = Rz-Ry 2 ·cos(4π s Cr )+ Rz +Ry 2
Es können jedoch auch andere periodische Beziehungen mit gleicher Periode gewählt werden, z.B.: Rr,s = (Rz -Ry )·cos2(2π s Cr )-12 + Rz +Ry 2
Einen ähnlichen Effekt erhält man, wenn nicht der Radius der Facette innerhalb einer Reihe variiert wird, sondern der Winkel, über den sich eine Spalte von Facetten erstreckt. Dieses Prinzip läßt sich nicht nur auf kugelförmige oder zylindrische Facetten, sondern auch auf ebene Facetten anwenden. Es werden die Sektorwinkel von kugeligen oder zylindrischen oder ebenen Facetten innerhalb einer Facettenreihe entsprechend der Größe des Raumwinkels variiert, unter dem die Facette den Leuchtkörper "sieht". Bei großem Raumwinkel und dem gemäß größerer Lichtstreuung wählt man einen kleineren Sektorwinkel, und umgekehrt. Sind zum Beispiel die Abmessungen des Leuchtkörpers in Richtung der y-Achse größer, als in Richtung der z-Achse, so müssen die Sektorwinkel in den beiden Spalten, die auf der z-Achse liegen, kleiner sein als die Sektorwinkel der Facetten in den beiden Spalten, die auf der y-Achse liegen. Die Sektorwinkel in den dazwischen liegenden Spalten sind dann in geeigneter Weise zwischen diesen beiden Extremwerten zu wählen.
In der Praxis hat sich dabei folgende cosinusförmige Beziehung als sehr geeignet erwiesen: σ r,s = σ z -σ y 2 ·cos(4π s Cr )+σ z +σ y 2
Es können jedoch auch andere periodische Beziehungen mit gleicher Periode gewählt werden, z.B.: σ r,s = (σ z -σ y )·cos2(2π s Cr )-12 +σ z +σ y 2
Handelt es sich um zylindrische Facetten, so können die Zylinderachsen relativ zum gesamen Reflektor variiert werden. Die Zylinderachsen können beispielsweise in Umfangsrichtung verlaufen, und somit dem Verlauf einer Reihe folgen, oder in Richtung der Spalten verlaufen.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist die gesamte Reflektorfläche in vier gleiche Sektoren A, B, C und D von jeweils 90 Grad aufgeteilt. Die z-Achse ist dabei gleichzeitig Symmetrieachse der Sektoren A und C, und die y-Achse ist gleichzeitig Symmetrieachse der Sektoren B und D. Je nach der gewünschten Lichtverteilung und dem gewünschten Lichtfeld wird dann für die Sektoren A und C eine zum Reflektorumfang senkrechte (bzw. tangentiale) Ausrichtung der Zylinderachse der Facetten gewählt, und für die Sektoren B und D eine zum Reflektorumfang tangentiale (bzw. senkrechte) Ausrichtung.
Damit der gewünschte Effekt erreicht wird, sollte in geeigneter Weise eine Marke am Reflektor angebracht werden. Hierdurch läßt sich die Lampe mit dem nicht-rotationssymmetrischen Leuchtkörper in der richtigen Winkelposition in den Reflektor einbauen. Es läßt sich damit erkennen, in welche Richtung sich das ovale Lichtfeld erstreckt.
Figur 3 läßt eine einzige Reihe von Facetten erkennen. Diese verläuft spiralig um die x-Achse und damit um die optische Achse des Reflektors. Die anderen Reihen verlaufen ebenfalls spiralig. Die Reihen liegen somit nicht in Ebenen die senkrecht zur optischen Achse des Reflektors verlaufen.
In den Figuren 1 und 2 verlaufen die Grenzlinien zwischen zwei einander benachbarten Spalten radial. Dies muß jedoch nicht unbedingt so sein. Vielmehr können auch die Grenzlinien - und damit die Spalten selbst - einen anderen Verlauf haben, beispielsweise einen gegen die Radiale geneigten Verlauf.
Die Ausdrucksweise "Facetten" bedeutet nicht unbedingt, daß es sich um scharf gegeneinander abgegrenzte Flächen handelt. Vielmehr können die Facetten auch stetig ineinander übergehen.
Wenn von "Reihen" und "Spalten" die Rede ist, so bedeutet dies ebenfalls nicht zwingend eine strenge Abgrenzung zwischen einzelnen Reihen und einzelnen Spalten. Vielmehr ist auch hier ein stetiger Übergang zwischen einander benachbarten Reihen bzw. einander benachbarten Spalten möglich. Es handelt sich somit in einem solchen Falle nur um ideelle Reihen und ideelle Spalten.

Claims (12)

  1. Reflektor mit einer Facetten aufweisenden Reflexionsfläche zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines Lichtfeldes;
    1.1 mit einem hohlen Grundkörper, der ein ein erstes Ende zum Aufnehmen eines Leuchtkörpers aufweist (Fassungsende) sowie ein zweites Ende, das eine Lichtaustrittsöffnung darstellt;
    1.2 zum Erzeugen einer bestimmten Lichtfeldkontur bei gegebener Gestalt des Leuchtkörpers sind die Formen einzelner Facetten und deren Lage relativ zur optischen Achse des Reflektors in bestimmter Weise ausgewählt.
  2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten derart gestaltet und angeordnet sind, daß eine Rotationssymmetrie der Facetten weitgehend vermieden ist.
  3. Reflektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    3.1 die Facetten sind einerseits in Reihen angeordnet, die um die optische Achse des Reflektors herum gruppiert sind, und andererseits in Spalten, die sich vom Lichtaustrittsende des Grundkörpers zum Fassungsende hin erstrecken;
    3.2 die Facetten einander benachbarter Spalten weisen unterschiedliche Reflexionsverhalten auf.
  4. Reflektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen in Ebenen liegen, die zur optischen Achse des Reflektors senkrecht verlaufen.
  5. Reflektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinien zwischen den Spalten in Ebenen liegen, die parallel zur optischen Achse verlaufen .
  6. Reflektor nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen von Facetten spiralig um die optische Achse des Reflektors verlaufen.
  7. Reflektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinie zwischen einander benachbarten Spalten in Ebenen liegen, die gegen die Radiale des optischen Designs geneigt sind.
  8. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten Zylinderflächen sind.
  9. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten sphärische Flächen sind.
  10. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten andere gekrümmte Flächen aufweisen, beispielsweise Rotations-Ellipsoide oder Rotations-Paraboloide.
  11. Reflektor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien von Facetten innerhalb einer Facettenspalte unterschiedlich groß sind.
  12. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Facetten ebene Flächen sind.
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