EP1643186B1 - 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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EP1643186B1
EP1643186B1 EP05027056A EP05027056A EP1643186B1 EP 1643186 B1 EP1643186 B1 EP 1643186B1 EP 05027056 A EP05027056 A EP 05027056A EP 05027056 A EP05027056 A EP 05027056A EP 1643186 B1 EP1643186 B1 EP 1643186B1
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facets
reflector
radii
illuminant
light
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Harry Wagener
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Auer Lighting GmbH
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Schott AG
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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
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    • 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
    • F21V7/048—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 are used, for example, for lights for general lighting purposes. They have found widespread use especially in retail. But they are also used for the light supply in optical fibers, in video projectors or in headlights that produce a sharply limited light field (so-called pursuit headlights).
  • Such reflectors generally have an elliptical, parabolic or conic-like basic contour. In many cases, this basic contour is superimposed on an optical design in the form of facets in order to improve the uniformity of the light field and / or to increase the size of the light field.
  • reflectors of the type mentioned generate a circular field of light.
  • this is not always achieved.
  • the luminous bodies used are not rotationally symmetric.
  • the result is a light field that deviates from the circular shape. It may be oval or even approximately the shape of a rectangle, which is undesirable.
  • US-A-5,272,408 describes a generic reflector with a faceted reflecting surface for reflecting light rays and for generating a light field.
  • the reflector comprises a hollow base body having a first end for receiving a luminous body and a second end, which constitutes a light exit opening. It is about achieving a uniform light distribution.
  • the invention has for its object to design an optical design for a reflector for reflecting light rays such that light fields can be generated arbitrarily, which are at least nearly circular or nearly rectangular, regardless of the shape of the lamp used.
  • the inventors have recognized that a given light field contour can be generated for a given shape of the luminous element solely by the choice of the shapes of individual or all facets and by the arrangement or position of such facets to the optical axis of the reflector base body.
  • the invention solves the following problems:
  • a non-rotationally symmetric luminous element is given, and one would like to produce a round light field. Or it is given a rotationally symmetrical luminous body, and you want to create a non-circular light field.
  • the facets are designed and arranged such that a rotational symmetry of the facets, based on the optical axis of the reflector base, is largely avoided.
  • the invention can be put into practice in many ways.
  • the facets can be flat, spherical or cylindrical, for example. In the latter two cases, they may be both concave and convex.
  • the deviation from the rotational symmetry may also be that groups of facets are larger, and other groups are smaller.
  • certain facets or groups of facets extending over a certain peripheral area of the reflector base differ in their shapes and locations from certain other facets or groups of facets extending over another peripheral area.
  • Known reflectors have facets that run in rows, which in turn are arranged in axially perpendicular planes.
  • the plan view of the hollow reflector base body-thus into it-one can divide the entire reflection surface into columns, which extend from the light exit opening of the reflector to the holder of the filament.
  • the boundary lines between adjacent columns may coincide with meridian lines. You do not have to.
  • the axes of the cylinders may be parallel to the optical axis of the reflector, but also circumferentially.
  • one area of the reflector inner surface may be formed of spherical facets, while another area may be formed of planar facets.
  • Another mating between different columns may be in concave and convex cylinders, or in large and small cylinders.
  • the facets are arranged in rows which are concentric to the x-axis.
  • the facets are arranged in columns at the same time.
  • the facets can be spherical or cylindrical.
  • the radii of the facets (that is, the radii of the balls or the cylinder) within a facet row, varies according to the size of the solid angle, under which the facet "sees" the luminous element. In the case of a large solid angle and the associated greater light scattering, a smaller curvature of the facet surface is accordingly selected, thus a larger facet radius, and vice versa.
  • the radii of the facets in two columns lying on the z-axis must be greater than the radii of the facets in the two Columns that lie on the y-axis.
  • the radii of the facets in the Intervening columns should then be chosen appropriately between these two extreme values.
  • R r . s R z - R y ⁇ cos 2 ( 2 ⁇ ⁇ ⁇ s C r ) - 1 2 + R z + R y 2
  • the sector angles in the two columns lying on the z-axis must be smaller than the sector angles of the facets in the two Columns that lie on the y-axis. The sector angles in between lying columns are then to choose between these two extreme values in an appropriate manner.
  • the cylinder axes can be varied relative to the common reflector.
  • the cylinder axes may, for example, run in the circumferential direction, and thus follow the course of a row, or run in the direction of the columns.
  • the entire reflector surface is divided into four equal sectors A, B, C and D of 90 degrees each.
  • the z-axis is simultaneously the axis of symmetry of the sectors A and C, and the y-axis is the axis of symmetry of the sectors B and D, depending on the desired light distribution and the desired light field is then perpendicular to the reflector periphery for the sectors A and C ( or tangential) alignment of the cylinder axis of the facets selected, and for the sectors B and D to the reflector circumference tangential (or vertical) alignment.
  • the lamp with the non-rotationally symmetrical filament can be installed in the correct angular position in the reflector. It can thus be seen in which direction the ovate Lichtfetd extends.
  • FIG. 3 reveals a single set of facets. This runs spirally around the x-axis and thus around the optical axis of the reflector. The other rows are also spiral. The rows are thus not in planes that are perpendicular to the optical axis of the reflector.
  • boundary lines between two adjacent columns are radial. However, this does not necessarily have to be this way. Rather, the boundary lines - and thus the columns themselves - may have a different course, for example, a gradient inclined towards the radial.
  • facets does not necessarily mean that they are sharply demarcated areas. Rather, the facets can also merge into each other.

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.
  • US-A-5 272 408 beschreibt einen gattungsgemäßen Reflektor mit einer facettenaufweisenden Reflexionsfläche zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines Lichtfeldes. Der Reflektor umfasst einen hohlen Grundkörper, der ein erstes Ende zum Aufnehmen eines Leuchtkörpers aufweist sowie ein zweites Ende, das eine Lichtaustrittsöffnung darstellt. Dabei geht es darum, eine gleichmäßige Lichtverteilung zu erzielen.
  • 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 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 Reftektor-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: R r , s = R z - R y 2 ⋅ cos 4 ⁢ π ⁢ s C r + R z + R y 2
    Figure imgb0001
  • Es können jedoch auch andere periodische Beziehungen mit gleicher Periode gewählt werden, z.B.: R r , s = R z - R y ⋅ cos 2 ( 2 ⁢ π ⁢ s C r ) - 1 2 + R z + R y 2
    Figure imgb0002
  • 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 4 ⁢ π ⁢ s C r + σ z + σ y 2
    Figure imgb0003
  • Es können jedoch auch andere periodische Beziehungen mit gleicher Periode gewählt werden; z.B.: σ r , s = σ z - σ y ⋅ cos 2 ( 2 ⁢ π ⁢ s C r ) - 1 2 + σ z + σ y 2
    Figure imgb0004
  • 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 ovate Lichtfetd 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 (8)

  1. Reflektor
    mit einem hohlen Grundkörper, der ein erstes Ende zum Aufnehmen eines Leuchtkörpers aufweist, sowie ein zweites Ende, das eine Lichtaustrittsöffnung darstellt,
    einer Facetten aufweisende Reflexionsfläche zum Reflektieren von Lichtstrahlen und zum Erzeugen eines Lichtfeldes, wobei die Reflexionsfläche in der Draufsicht auf den hohlen Reflektor-Grundkörper in Spalten aufgeteilt ist, die sich von der Lichtaustrittsöffnung zur Fassung des Leuchtkörpers hin erstrecken und die Facetten in Reihen verlaufen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Krümmungsradien der Facetten innerhalb einer Facettenreihe variieren, derart, dass für einen nicht-rotationssymmetrischen Leuchtkörper eine nahezu kreisrunde Lichtfeldkontur erzeugt wird und die Krümmungsradien der Facetten innerhalb einer Facettenreihe variieren, entsprechend der Größe des Raumwinkels unter dem die Facette Licht des Leuchtkörpers aufnimmt.
  2. Reflektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten eine kugelige oder zylindrische Form aufweisen.
  3. Reflektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien von Facetten, die als Kugeln oder Zylinder ausgebildet sind, variiert werden.
  4. Reflektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine optische Achse aufweist.
  5. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige Facetten sphärische Flächen sind.
  6. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper eine erste Abmessung in einer ersten Richtung aufweist und eine zweite Abmessung in einer zweiten Richtung, wobei die erste Abmessung in der ersten Richtung größer als die zweite Abmessung in der zweiten Richtung ist und wobei die Radien der Facetten, die in einer Facettenreihe der Facettenspalte liegen, die sich in Richtung der ersten Richtung des Leuchtkörpers erstrecken, einen Minimalwert annehmen und die Radien der Facetten, die in einer Facettenspalte liegen, die sich in Richtung der zweiten Richtung des Leuchtkörpers erstrecken, einen Maximalwert annehmen und die Radien der Facetten, die in einer Facettenreihe in Facettenspalten, die sich in einer Richtung, die zwischen der ersten und der zweiten Richtung liegen, erstrecken, Radien aufweisen, die zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert liegen.
  7. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Radien der Facetten innerhalb einer Facettenreihe variieren entsprechend der Größe des Raumwinkels, unter dem die Facette Licht des Leuchtkörpers aufnimmt und für die Radien gilt R r , s = R z - R y 2 ⋅ cos 4 ⁢ π ⁢ s C r + R z + R y 2
    Figure imgb0005
  8. Verwendung eines Reflektors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7
    - für die Lichteinspeisung in Lichtleiter
    - in Videoprojektoren
    - in Scheinwerfern, die ein scharf begrenztes Lichtfeld erzeugen
    - in Leuchten für allgemeine Beleuchtungszwecke.
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