WO2010049288A1 - Reflektorlampe - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • F21V7/28—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors characterised by coatings

Definitions

  • the present invention relates to a lamp, in particular a short-arc discharge lamp or an incandescent lamp with a reflector.
  • the reflector effects a conversion of the distribution of the light emitted by a light source into a light distribution that can be used for an application.
  • the object of the reflector is to couple the largest possible part of the light from the light source into an aperture defined by a surface and an acceptance angle.
  • Such reflectors are often formed as a rotational figure of a conical section, wherein the light source is arranged in a first focal point or its immediate vicinity.
  • the spatial extent in one direction is significantly greater than in the other directions. It is known that when this longest dimension is arranged along the axis of the reflector, a greater efficiency of light coupling into an aperture can be achieved than with other orientations. With this arrangement, however, a reflector which is effective for light coupling into an aperture can have the disadvantage that a small part of the reflected light falls on a part of the light source and is scattered or absorbed there, and thus is lost as useful light or even the lamp damaged.
  • many light sources eg discharge arc, incandescent filament
  • burner here means the actual lamp without a reflector.
  • a short-arc discharge lamp that is essentially the discharge vessel with the electrodes, with a (halogen) incandescent lamp the lamp vessel with the incandescent filament.
  • the aim of the invention is to provide a reflector design and a lamp with such a reflector, which allows efficient coupling of the light of the lamp into an aperture. Another aspect is the reduction of shading by parts of the lamp, in particular a lamp shaft.
  • a lamp in particular a short-arc discharge lamp, having a light source and a reflector with a reflector axis, along which light emitted by the light source is emitted in the direction of an aperture, wherein the light source substantially is aligned axially to the reflector axis and the reflector has an inner refractive and an outer reflective surface, which are arranged at a predeterminable distance from each other.
  • the inner surface is reflective.
  • the reflector design according to the invention thus provides an additional refractive surface and thus a further degree of freedom for the optical design of the reflector. In simulations, it has been found that an increase in the coupling efficiency into the aperture in the range of 3% to 5% can be achieved.
  • a further advantage of the use of an inner refractive and an outer reflecting surface is that the reflected rays can extend farther from the burner (see Figures 1 and 2), whereby shading of the light or heating of the burner compared to conventional Reflectors can be reduced.
  • a reflector which consists of a dome whose outer surface is mirrored.
  • This backside mirroring can be metallic or consist of a dielectric layer system.
  • the inside of the dome can also, as another embodiment, be anti-reflective.
  • Surface can be shaped identically or differently, with spherical, elliptical, parabolic, hyperbolic or generally aspherical rotation bodies being used. can be used.
  • the shape of the surfaces is essentially determined by the design of the lamp light using optical system.
  • both surfaces of the reflector represent ellipsoids of revolution and the center of the light source is located between the two primary focal points of the inner or outer surface.
  • the aperture can be arranged at a greater distance than the two secondary focal planes.
  • the distance between the primary focal points of the inner and outer elliptically shaped surfaces is 2 to 3 mm.
  • the inner ellipse having a greater numerical eccentricity than the outer wherein the ratio of the eccentricities is about 101% - 110%, in particular about 104%.
  • the inner reflecting surface has a smaller focal length than the outer.
  • the ratio of the focal lengths of the inner and outer surfaces is preferably 60-90%, in particular between 70-80%.
  • the wall thickness, so the distance between the inner and outer surface be approximately constant over the entire reflector, so that no specific manufacturing difficulties in pressing the dome occur by the reflector design according to the invention.
  • An advantageous glass thickness of the reflector is between 4 - 6 mm.
  • the reflector provided with the inner refractive surface and the outer reflecting surface can also be closed with a front pane and optionally filled with a gas.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of an elliptical reflector with front surface mirroring according to the prior art
  • Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of the invention. Preferred embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a preferred exemplary embodiment of the present invention, in which the geometry of the reflector 1 with an inner refractive elliptical surface 2 and an outer reflective elliptical surface 4 is schematically illustrated.
  • the curvature of the inner refractive surface 2 is selected such that the focal point Fl 1n is closer to the light exit opening 6 of the reflector 1 than the focal point Fl out of the outer reflecting surface 4.
  • Both focal points Fl 1n ; Fl out represent the primary focal points of the reflector 1, wherein preferably the center of a light source 8 between see the two primary foci Fl 1n ; Fl out is arranged.
  • the light source itself is preferably a short-arc discharge lamp 22, in which the discharge arc 21 is aligned longitudinally to the reflector axis 10.
  • the short arc discharge lamp 22, hereinafter referred to as burner for the sake of brevity consists of a glass bulb and two electrodes (not shown) projecting into the glass bulb, between which a discharge arc is formed.
  • the interior of the glass flask is hermetically sealed and filled with a discharge gas mixture.
  • the electrodes are melted.
  • the burner 22 may be fixedly connected to the reflector 1, but it is also possible to use an insertable, separate burner.
  • Light rays emitted by the light source 8 are coupled to the inner surface 2 of the reflector 1 in the glass body of the reflector, ie the region 18 between the inner and outer surface.
  • the light is refracted on the inner surface 2 in the direction of the outer surface 4, reflected there due to the mirroring, again refracted on the inner surface 2 due to the transition into air and then emitted in the direction of the light exit opening 6.
  • the inner surface 2 may also have an anti-reflection coating.
  • the additional refraction on the inner surface can increase the efficiency of coupling into the aperture on the order of 3% to 5%, especially if the etendue of the aperture is less than 30 mm 2 sr.
  • the light beam 16 of the reflector according to the invention shows a greater distance D 2 to the reflector axis, so that the disadvantages of a reflector according to the prior art due to the greater distance between the light beam and the reflector axis can be avoided.
  • the wall thickness of the reflector is approximately the same everywhere and is advantageously in the apex 4-6 mm.
  • the numerical eccentricity of the inner ellipse (e in ) is preferably larger than that of the outer ellipse (e ou t) t, and the ratio between e in and e out is about 104%.
  • the inner ellipse preferably has a smaller focal length than the outer ellipse, and is typically in the range of 70-80% of its focal length.
  • the aperture of the receiver optics is preferably located outside both secondary focal planes F2 in , F2 0Ut .
  • Fig. 3 shows alternatively the use of the reflector 1 according to the invention with a halogen burner 30, whose axially oriented to the burner longitudinal axis filament 32 along the reflector axis 10 is arranged.

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Abstract

Offenbart wird eine Lampe, insbesondere eine Kurzbogenentladungs- oder Glühlampe, mit einer länglichen Lichtquelle (8), insbesondere einem Entladungsbogen (21) bzw. einer Glühwendel, und einem Reflektor (1) mit einer Reflektorachse (10), wobei die Lichtquelle (8) im Wesentlichen entlang der Reflektorachse (10) angeordnet ist und der Reflektor eine innere lichtbrechende (2) und eine äußere reflektierende (4) Fläche aufweist, die in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Reflektorlampe
Technisches Gebiet
Vorliegende Erfindung betrifft eine Lampe, insbesondere eine Kurzbogenentladungslampe oder eine Glühlampe mit einem Reflektor.
Stand der Technik
Bei Reflektorlampen bewirkt der Reflektor eine Umwandlung der Verteilung des von einer Lichtquelle abgegebenen Lichtes in eine für eine Anwendung nutzbare Lichtverteilung. Für Projektionszwecke oder Faserbeleuchtungen besteht die Aufgabe des Reflektors darin, einen möglichst großen Teil des Lichts der Lichtquelle in eine durch eine Fläche und einen Akzeptanzwinkel definierte Apertur ein- zukoppeln .
Solche Reflektoren sind oft als Rotationsfigur eines Kegelschnitts ausgebildet, wobei die Lichtquelle in einem ersten Brennpunkt oder dessen unmittelbarer Umgebung angeordnet ist.
Aufgrund der länglichen Geometrie des lichtemittierenden Volumens vieler Lichtquellen (z.B. Entladungsbogen, Glühwendel) ist die räumliche Ausdehnung in eine Richtung deutlich größer als in die anderen Richtungen. Es ist bekannt, dass bei Anordnung dieser längsten Ausdehnung entlang der Achse des Reflektors eine größere Effizienz der Lichteinkopplung in eine Apertur erreicht werden kann als bei anderen Orientierungen. Bei dieser Anordnung kann jedoch ein für eine Lichteinkopplung in eine Apertur an für sich effizienter Reflektor den Nachteil haben, dass ein geringer Teil des reflektierten Lichtes auf einen Teil der Lichtquelle fällt und dort gestreut oder absorbiert wird und somit als Nutzlicht verloren geht oder gar die Lampe schädigt. Insbesondere bei Kurzbogenentladungslampen, bei denen ein Brenner entlang der Reflektorachse angeordnet ist, kann bei nach dem Stand der Technik bekannten elliptischen Re- flektoren ein Teil des reflektierten Lichts auf das Ende des Brennerschaftes einfallen, wodurch dieser Teil des Brenners und insbesondere die Stromzuführung unerwünscht aufgeheizt werden können. Unter dem Begriff Brenner ist hier übrigens die eigentliche Lampe ohne Reflektor ge- meint. Bei einer Kurzbogenentladungslampe ist das also im Wesentlichen das Entladungsgefäß mit den Elektroden, bei einer (Halogen-) Glühlampe das Lampengefäß mit der Glühwendel .
Darstellung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, ein Reflektordesign und eine Lampe mit einem solchen Reflektor anzugeben, welche eine effiziente Einkopplung des Lichts der Lampe in eine Apertur ermöglicht. Ein weiterer Aspekt ist die Verringerung der Abschattung durch Teile der Lampe, insbesondere einen Lampenschaft .
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lampe, insbesondere eine Kurzbogenentladungslampe, mit einer Lichtquelle und einem Reflektor mit einer Reflektorachse, entlang der von der Lichtquelle abgegebenes Licht in Richtung einer Apertur abgegeben wird, wobei die Lichtquelle im Wesentlichen axial zur Reflektorachse ausgerichtet ist und der Reflektor eine innere lichtbrechende und eine äußere reflektierende Fläche aufweist, die in einem vorbestimmbaren Abstand zueinander angeordnet sind.
Im Unterschied dazu ist bei herkömmlichen Reflektoren die innere Fläche reflektierend ausgebildet. Durch das erfindungsgemäße Reflektordesign steht also eine zusätzliche lichtbrechende Fläche und somit ein weiterer Freiheitsgrad für die optische Auslegung des Reflektors zur Verfügung. In Simulationen hat sich herausgestellt, dass damit eine Steigerung der Kopplungseffizienz in die Apertur im Bereich von 3% bis 5 % erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteile der Verwendung einer inneren lichtbrechenden und einer äußeren reflektierenden Fläche be- steht darin, dass die reflektierten Strahlen weiter entfernt vom Brenner verlaufen können (vgl. Figuren 1 und 2), wodurch eine Abschattung von Licht bzw. ein Aufheizen des Brenners gegenüber herkömmlichen Reflektoren verringert werden können.
Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Reflektor verwendet wird, der aus einer Kalotte besteht, deren äußere Fläche verspiegelt ist. Diese Rück- seitenverspiegelung kann metallisch sein oder aus einem dielektrischen Schichtensystem bestehen. Die Innenseite der Kalotte kann zudem, wie ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, entspiegelt sein.
Die innere lichtbrechende und die äußere reflektierende
Fläche können gleichartig oder unterschiedlich geformt sein, wobei sphärische, elliptische, parabolische, hyper- bolische oder allgemein asphärische Rotationskörper ver- wendet werden können. Die Form der Flächen ist dabei wesentlich durch die Auslegung des das Lampenlicht nutzenden optischen Systems bestimmt.
Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem beide Flächen des Reflektors Rotationsellipsoide darstellen und sich das Zentrum der Lichtquelle zwischen den beiden primären Brennpunkten der inneren bzw. äußeren Fläche befindet. Zudem kann in diesem Fall vorteilhafter Weise die Apertur in einer größeren Entfernung angeordnet sein als die beiden sekundären Brennebenen. Dadurch wird bei gleicher Spotgröße auf die Apertur ein Lichteinfall unter etwas kleinerem Winkel bewirkt und somit eine Ein- kopplung mit höherer Effizienz erzielt.
Des weiteren hat es sich herausgestellt, dass die Nutzung eines erfindungsgemäßen Reflektors gegenüber einem bisherigen vorderflächenverspiegelten Reflektor besonders vorteilhaft ist bei einer Etendue der Apertur von weniger als 30 mm2 sr .
Zudem ist es bei dem erfindungsgemäßen Reflektor vor- teilhaft, wenn der Abstand der primären Brennpunkte der inneren und äußeren elliptisch geformten Flächen 2 - 3 mm beträgt. Dabei kann vorzugsweise die innere Ellipse eine größere numerische Exzentrizität als die äußere aufweisen, wobei das Verhältnis der Exzentrizitäten etwa bei 101 % - 110 %, insbesondere bei ca. 104 % liegt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die innere reflektierende Fläche eine kleinere Brennweite als die äußere aufweist. Das Verhältnis der Brennweiten von innerer und äußerer Fläche liegt vorzugsweise bei 60 - 90 %, insbe- sondere zwischen 70 - 80 %. Bei einer solcher Anordnung bzw. Ausbildung kann die Wanddicke, also der Abstand zwischen innerer und äußerer Fläche, über den gesamten Reflektor annähernd konstant sein, so dass durch das erfindungsgemäße Reflektordesign keine spezifischen Fertigungsschwierigkeiten beim Pressen der Kalotte auftreten. Eine vorteilhafte Glasdicke des Reflektors liegt dabei zwischen 4 - 6 mm.
In einer weiteren Ausführungsform kann der mit der inneren lichtbrechenden Fläche und der äußeren reflektieren- den Fläche versehene Reflektor auch mit einer Frontscheibe verschlossen und optional mit einem Gas gefüllt sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Figuren, der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elliptischen Reflektors mit Vorderflächenverspiegelung nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels . Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden gleiche oder gleichartige Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorlie- gender Erfindung, bei dem schematisch die Geometrie des Reflektors 1 mit einer inneren lichtbrechenden elliptischen Fläche 2 und einer äußeren reflektierenden elliptischen Fläche 4 dargestellt ist. Die Krümmung der inneren lichtbrechenden Fläche 2 ist dabei so gewählt, dass der Brennpunkt Fl1n näher der Lichtaustrittsöffnung 6 des Reflektors 1 liegt, als der Brennpunkt Flout der äußeren reflektierenden Fläche 4. Beide Brennpunkte Fl1n; Flout stellen die primären Brennpunkte des Reflektors 1 dar, wobei vorzugsweise das Zentrum einer Lichtquelle 8 zwi- sehen den beiden primären Brennpunkten Fl1n; Flout angeordnet ist.
Die Lichtquelle selbst ist vorzugsweise eine Kurzbogen- entladungslampe 22, bei der der Entladungsbogen 21 longi- tudinal zu der Reflektorachse 10 ausgerichtet ist. Die Kurzbogenentladungslampe 22, der Kürze wegen nachfolgend als Brenner bezeichnet, besteht aus einem Glaskolben und zwei in den Glaskolben hineinragenden Elektroden (nicht dargestellt) , zwischen denen sich ein Entladungsbogen ausbildet. Das Innere des Glaskolbens ist luftdicht abge- schlössen und mit einer Entladungsgasmischung gefüllt. In die Schäfte des Brenners 23, 24 sind die Elektroden eingeschmolzen. Der Brenner 22 kann fest mit dem Reflektor 1 verbunden sein, es ist jedoch auch möglich, einen einsetzbaren, separaten Brenner zu verwenden. Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle 8 abgegeben werden, werden an der inneren Fläche 2 des Reflektors 1 in den Glaskörper des Reflektors, also den Bereich 18 zwischen innerer und äußerer Fläche eingekoppelt. Das Licht wird an der inneren Fläche 2 in Richtung der äußeren Fläche 4 gebrochen, dort aufgrund der Verspiegelung reflektiert, wiederum an der inneren Fläche 2 aufgrund des Übertritts in Luft gebrochen und dann in Richtung Lichtaustrittsöffnung 6 abgegeben.
Damit keine unerwünschten Reflektionen an der inneren Fläche 2 auftreten, kann die innere Fläche 2 zudem eine Antireflexbeschichtung aufweisen .
Durch die zusätzliche Brechung an der inneren Fläche können Effizienzsteigerungen beim Einkoppeln in die Apertur in der Größenordnung von 3% bis 5 % erreicht werden, insbesondere dann, wenn die Etendue der Apertur weniger als 30 mm2 sr beträgt.
Zudem kann aufgrund der zusätzlichen Brechung am Übergang zwischen Luft und Glas erreicht werden, dass Abschat- tungseffekte bzw. ein Aufheizen des Brenners besser vermieden werden können, als bei elliptischen Reflektoren mit Vorderflächenverspiegelung . Dies wird insbesondere deutlich bei einem Vergleich zwischen einem Lichtstrahl 16 des erfindungsgemäßen Reflektors und einem korrespon- dierenden Lichtstrahl 20 eines auf der Innenseite verspiegelten, also herkömmlichen Reflektors 26 (vgl. Fig. 2) . Der Vergleich zwischen den Lichtstrahlen 16 und 20 zeigt deutlich, dass der Lichtstrahl 20 näher an der Reflektorachse 10 verläuft (siehe Abstand Di) und damit die Gefahr des Aufheizens und gegebenenfalls der Beschädigung des Brenners und von Abschattungseffekten größer ist. Im Unterschied dazu zeigt der Lichtstrahl 16 von dem erfindungsgemäßen Reflektor einen größeren Abstand D2 zur Reflektorachse, so dass die Nachteile eines Reflektors nach dem Stand der Technik aufgrund des größeren Abstands zwischen Lichtstrahl und Reflektorachse vermieden werden können .
Vorzugsweise ist die Wanddicke des Reflektors überall annähernd gleich und beträgt vorteilhafterweise im Scheitel 4 - 6 mm.
Wie vorstehend beschrieben, ist bei elliptischer Form der Flächen des Reflektors die numerische Exzentrizität der inneren Ellipse (ein) bevorzugt größer als die der äußeren Ellipse (eout) t wobei das Verhältnis zwischen ein und eout ungefähr 104% beträgt. Zudem weist die innere Ellipse bevorzugt eine kleinere Brennweite als die äußere Ellipse auf und liegt typisch im Bereich von 70 - 80 % von deren Brennweite. Bei einer solchen Wahl von Exzentrizität und Brennpunkt ist die Wanddicke über den gesamten Reflektor im Wesentlichen gleichbleibend, was eine einfache und kostengünstige Herstellung erlaubt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Apertur der Empfängeroptik vorzugsweise außerhalb beider sekundärer Brennebenen F2in, F20Ut angeordnet.
Fig. 3 zeigt alternativ die Nutzung des erfindungsgemäßen Reflektors 1 mit einem Halogenbrenner 30, dessen axial zur Brennerlängsachse orientierte Glühwendel 32 entlang der Reflektorachse 10 angeordnet ist.

Claims

Ansprüche
1. Lampe mit einer länglichen Lichtquelle und einem Reflektor mit einer Reflektorachse, wobei die längliche Lichtquelle im Wesentlichen parallel zu der Reflektorachse ausgerichtet ist und wobei der Reflektor so ausgebildet ist, dass das von der Lichtquelle abgegebene Licht außerhalb des Reflektors konzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine innere lichtbrechende und eine äußere reflektierende Fläche aufweist, die in einem vorbe- stimmten Abstand zueinander angeordnet sind.
2. Lampe nach Anspruch 1, wobei innere und äußere Fläche des Reflektors Rotationsfiguren von Kegelschnitten darstellen oder asphärisch geformt sind.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die längliche Lichtquelle ein sich im Wesentlichen entlang der Reflektorachse erstreckender Lichtbogen einer Entladungslampe ist.
4. Lampe nach Anspruch 3, wobei der Lichtbogen eine Länge von weniger als 2 mm aufweist.
5. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die längliche Lichtquelle eine sich im wesentlichen entlang der Reflektorachse erstreckende Glühwendel einer Glühlampe ist.
6. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Fläche des Reflektors eine dielektrische Beschichtung oder eine metallische Beschichtung aufweist .
7. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Fläche des Reflektors mit einer Antirefle- xionsschicht versehen ist.
8. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere und die äußere Fläche des Reflektors jeweils einen Teil eines Rotationsellipsoiden darstellen .
9. Lampe nach Anspruch 8, wobei die primären Brennpunkte der beiden Rotationsellipsoiden einen Abstand voneinander aufweisen, und der Mittelpunkt der länglichen Lichtquelle zwischen den beiden primären Brennpunkten angeordnet ist.
10. Lampe nach Anspruch 9, wobei der Abstand der beiden primären Brennpunkte ca. 2-3 mm beträgt.
11. Lampe nach Anspruch 8, wobei die innere Fläche eine größere numerische Exzentrizität als die äußere Fläche aufweist, insbesondere 2 - 7 % größer, und/oder die innere Fläche eine kleinere Brennweite als die äußere Fläche aufweist, insbesondere eine Brennweite von 60 - 90 % der Brennweite der äußeren Fläche.
12. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen innerer und äußerer Fläche über den Reflektor im Wesentlichen konstant ist.
13. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen innerer und äußerer Fläche des Reflektors im Scheitelpunkt des Reflektors 3 - 7 mm, insbesondere 4 - 6 mm beträgt.
14. Beleuchtungssystem mit einer Lampe nach einem der Ansprüche 8 bis 11 und einem optischen System, wobei die Apertur des optischen Systems auf der Reflektorachse angeordnet ist in einem größeren Abstand zur Lichtquelle als die sekundären Brennebenen beider Flächen des Reflektors.
15. Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, wobei das optische System ein optischer Lichtleiter ist.
16. Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, das optische System eine Projektionsvorrichtung ist.
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