DE19532341A1 - Lichtquellenvorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts mit zwei Spiegeln zur Beseitigung von Schatteneffekten einer Lampe - Google Patents
Lichtquellenvorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts mit zwei Spiegeln zur Beseitigung von Schatteneffekten einer LampeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtquellenvorrich
tung zur Erzeugung parallelen Lichts und spezieller auf eine
Lichtquellenvorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts, die
zwei Spiegel besitzt, um Schatteneffekte der Lampe zu besei
tigen.
Bei der Erzeugung parallelen Lichts nach dem üblichen
Stand der Technik, bei dem ein elliptischer Reflektor
(Spiegel) verwendet wird, wird unerwünschterweise durch den
Schattenwurf der Lampe selbst ein kleines Gebiet mit relativ
geringer Lichtintensität um die zentrale Achse des parallelen
Lichts herum geformt. Natürlich wird auch Licht direkt von
der Lampe ausgestrahlt. Dieses Licht kann jedoch den Verlust
der Lichtintensität im schattigen Gebiet nicht kompensieren,
da das direkt ausgesandte Licht unfokusiert ist und mit der
Entfernung schwächer wird, da es sich nicht um paralleles
Licht handelt.
Die Erzeugung parallelen Lichts nach dem üblichen Stand
der Technik, bei der ein elliptischer Reflektor verwendet
wird, ist in Fig. 1 gezeigt. Die Vorrichtung zur Erzeugung
parallelen Lichts ist zusammengesetzt aus einer Lichtquelle
l, wie beispielsweise einer Halogen-Metalldampflampe, einem
elliptischen Reflektor 2, der eine Lichtquelle 1 in seinem
Brennpunkt aufweist, einer Blende 7 vor der Lichtquelle 1 und
einer Linse 6. Der schraffierte Abschnitt 8 zeigt ein Gebiet
an, das eine verminderte Lichtintensität aufweist, was durch
den Schatten der Lampe 1 verursacht wird. Hier wird das Licht
von der Lampe 1, die nahe dem Brennpunkt des elliptischen Re
flektors 2 angeordnet ist, durch den elliptischen Reflektor 2
reflektiert, um beim entfernten Brennpunkt des Reflektors,
der sich in einer Öffnung der Blinde 7 befindet, zusammenzu
treffen, hinter der das Licht auseinander läuft und durch die
Linse 6, deren Brennpunkt auch mit der Öffnung zusammenfällt,
in paralleles Licht gewandelt wird.
Die verminderte Lichtintensität des schraffierten Ab
schnitts 8 kann sich je nach Verwendung des parallelen Lichts
als verhängnisvoller Fehler herausstellen. Daher sollte die
verminderte Lichtintensität kompensiert werden, wobei für die
Kompensation der verminderten Lichtintensität einige damit
verbundene Probleme zu betrachten sind: das Problem der Be
stimmung der Größe des Spiegels 3, wenn die Größe des anderen
Spiegels 4 nahe der Lampe 1 gemäß der Größe des Lampenschat
tens, der ein Querschnittsgebiet der Lampe 1 darstellt, fest
gelegt wird, das Problem der Entfernung zwischen Lampe 1 und
Spiegel 3, das die Größenfestlegung betrifft, das Problem der
Übereinstimmung zwischen dem Brennpunkt, der durch die beiden
Spiegel bestimmt wird und dem Brennpunkt des elliptischen Re
flektors und das Problem der parallelen Ausbreitung der gan
zen Strahlen, die durch Linse 6 treten, indem der Brennpunkt
der Linse in präziser Übereinstimmung mit den vorher erwähn
ten übereinstimmenden Brennpunkten gebracht wird.
Zur Lösung der obigen Probleme besteht die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung darin, eine Lichtquellenvorrichtung
bereitzustellen, die einen elliptischen Reflektor verwendet,
bei der zwei Spiegel vorgesehen sind zur Erzeugung parallelen
Lichts ohne Schatteneffekte durch die Lampe.
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist daher eine Lichtquel
lenvorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die
enthält: einen elliptischen Reflektor; eine Lichtquelle nahe
dem Brennpunkt des elliptischen Reflektors; einen ersten
Spiegel mit einer Öffnung in der Mitte zur Reflexion von
Strahlen, die direkt von der Lichtquelle ausgesandt wurden,
zurück zur Lichtquelle; einen zweiten Spiegel, der direkt vor
der Lichtquelle angeordnet ist, zur Reflexion der Strahlen,
die vom ersten Spiegel reflektiert wurden und zum Durchlassen
der Strahlen durch die Öffnung des ersten Spiegels und eine
Parallelrichtlinse zur Erzeugung parallelen Lichts durch die
Fokusierung der Strahlen, die durch die Öffnung des ersten
Spiegels gelangen.
Um die oben angegebene Aufgabe zu lösen, ist eine andere
Lichtquellenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die folgendes umfaßt:
einen elliptischen Reflektor; eine Lichtquelle am naheliegen
den Brennpunkt des elliptischen Reflektors; einen ersten
Spiegel, der entfernt von der optischen Achse zwischen der
Lichtquelle und dem entfernten Brennpunkt des elliptischen
Reflektors angeordnet ist; einen zweiten Spiegel direkt vor
der Lichtquelle zur Reflexion der vom ersten Spiegel reflek
tierten Strahlen und eine Parallelrichtlinse zur Bildung pa
rallelen Lichts durch die Fokusierung der Strahlen, die vom
elliptischen Reflektor und vom zweiten Spiegel kommen.
Fig. 1 ist eine Ansicht einer konventionellen Lichtquel
lenvorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts unter Verwen
dung eines elliptischen Reflektors.
Fig. 2 ist eine Ansicht einer Lichtquellenvorrichtung
zur Erzeugung parallelen Lichts gemäß der vorliegenden Erfin
dung.
Fig. 3A und 3B sind Ansichten, die das Verfahren zur
Installation eines zweiten Spiegels auf einem elliptischen
Reflektor zeigen.
Fig. 4 ist eine Ansicht, die die optische Beziehung zwi
schen ersten und zweiten Spiegeln zeigt.
Fig. 5 ist eine Ansicht einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung parallelen
Lichts durch Verwendung eines elliptischen Reflektors, der
gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Spiegeln ausgerü
stet ist. In einer solchen Lichtquellenvorrichtung zur Erzeu
gung parallelen Lichts befindet sich die Halogen-Metall
dampflampe 1 am Brennpunkt des elliptischen Reflektors 2 und
das Licht, das von der Lampe 1 ausgesendet wird, geht, nach
dem es vom elliptischen Reflektor 2 reflektiert wurde, zur
Linse 6, die paralleles Licht erzeugt. Ein erster Spiegel 3,
der in seiner Mitte eine Öffnung 5 zum Durchlaß der Strahlen,
die sich auf dem Weg zur Linse 6 befinden, aufweist, reflek
tiert die Strahlen, die von der Lampe 1 zum zweiten Spiegel 4
ausgestrahlt werden. Der zweite Spiegel 4 ist vor der Lampe 1
angeordnet und konzentriert und reflektiert die Strahlen, die
vom ersten Spiegel 3 reflektiert wurden, zur Linse 6 hin. Die
Linse 6 sammelt die reflektierten Strahlen und erzeugt paral
leles Licht.
Um mit der oben angegebenen Vorrichtung ein befriedigen
des Ergebnis zu erhalten, müssen einige Bedingungen erfüllt
werden.
Zuerst müssen sich die Strahlen, die vom elliptischen
Reflektor 2 reflektiert wurden im Brennpunkt sammeln, der
identisch ist mit dem Brennpunkt der Linse 6, die um die Öff
nung 5 herum angeordnet ist; das heißt, der entfernte Brenn
punkt des elliptischen Reflektors 2 sollte mit dem der Linse
6 zusammenfallen. Auch müssen sich die Strahlen, die vom
zweiten Spiegel 4 reflektiert werden, im gleichen Brennpunkt
der Linse 6 sammeln. Obwohl in den Zeichnungen der zweite
Spiegel 4 als konvexer Spiegel dargestellt ist, kann bei Be
darf auch ein konkaver Spiegel verwendet werden, um den
Brennpunkt des zweiten Spiegels 4 im Verhältnis zum ersten
Spiegel 3 auszubilden. Das heißt, um die Brennweite des er
sten Spiegels 3 zu justieren, kann die des zweiten Spiegels 4
entsprechend verändert werden.
Als zweites muß die Bedingung für die Kompensation des
durch den Schatten der Lampe 1 verursachten Verlusts der
Lichtintensität überprüft werden. Neben der verminderten
Lichtintensität kann auch eine zu große Lichtintensität ein
Problem darstellen. Daher muß die Bedingung genau bestimmt
und vollständig erfüllt werden. Die Bedingung wird durch zwei
entscheidende Elemente erfüllt: eines davon ist die Entfer
nung zwischen Lampe 1 und dem ersten Spiegel 3 und das andere
ist die effektive Fläche des Spiegels 3. Die effektive Fläche
kann in Abhängigkeit von der ersten Entscheidung über die
Entfernung zwischen Lampe 1 und erstem Spiegel 3 bestimmt
werden, wobei auch das umgekehrte Verfahren möglich ist. Im
vorliegenden Fall ist unter Berücksichtigung der Beziehung
der anderen Elemente das erste Verfahren nützlich. Die Be
leuchtung steht im Verhältnis zur Leuchtintensität einer
Lichtquelle und im inversen Verhältnis zum Quadrat der Ent
fernung. Daher wird die Lichtintensität zur Kompensation, die
die Bedingung erfüllt, bestimmt durch die Entfernung zwischen
Lampe 1 und elliptischem Reflektor 2 und dem Gebiet des Lam
penschattens bestimmt. Das Gebiet des ersten Spiegels 3 kann
berechnet werden unter Verwendung der Formel:
S₁/d₁² = S₂/d₂².
Hier stellen S₁ und d₁ das Gebiet des Schattens der Lampe 1
beziehungsweise die Entfernung der Lampe 1 vom elliptischen
Reflektor 2 dar. S₂ und d₂ stellen das Gebiet des ersten
Spiegels 3 beziehungsweise die Entfernung der Lampe 1 vom er
sten Spiegel 3 dar. Die oben angegebene Formel dient nur zur
Erläuterung und kann nur in dem Fall direkt angewandt werden,
bei dem das Gebiet leicht berechnet werden kann und die Ent
fernung einheitlich ist, das heißt, unter idealen Bedingun
gen.
Als drittes muß ein dritter Spiegel präzise und stabil
montiert werden, da nämlich die Installation des Spiegels den
Einfluß auf den Lichtpfad minimieren soll. Wie beim ersten
Spiegel müssen auch beim zweiten Spiegel 4 die genaue Positi
on und Ausrichtung stabil aufrecht erhalten werden. Wenn sich
die Position und Ausrichtung des zweiten Spiegels 4 etwas
verdreht, so bildet sich im Lichtstrahl ein Gebiet mit ver
minderter oder erhöhter Lichtintensität, was ein Schirmbild
mit unerwünschten Schatten ergibt. Wie in A und B der Fig. 3
gezeigt, gibt es ein Verfahren zur Befestigung des zweiten
Spiegels 4 auf dem elliptischen Reflektor 2, das 3 oder 4
Speichen verwendet. Für die Speiche muß vorzugsweise ein sta
biles Material, das die hohe Temperatur der Lampe aushält,
verwendet werden. Im allgemeinen wird das Material gewählt,
aus dem die Tragekonstruktion des Reflektors besteht, wobei
auch eine Superlegierung wie Hastelloy oder Inconel verwendet
werden kann. Obwohl man am besten ein Schweißverfahren zur
sicheren und stabilen Befestigung der Speichen verwendet,
kann auch, wenn ein Schweißverfahren nur schlecht angewandt
werden kann, da sich das Material der Speiche vom Material
der Tragekonstruktion des Reflektors unterscheidet oder wenn
die durch das Schweißen bedingte Verformung die Genauigkeit
der Vorrichtung beeinflußt, eine Verbindung durch Nieten in
Betracht gezogen werden.
Als viertes ist das Problem der Übereinstimmung von er
stem und zweitem Spiegel zu betrachten. Hier bedeutet Über
einstimmung, daß eine einheitliche Lichtintensität ausgebil
det und geliefert wird und daß der sich durch die Verwendung
von zwei Spiegeln ergebende Brennpunkt in seiner regulären
Position angeordnet ist. Daher werden die beiden Spiegel in
Abhängigkeit voneinander ausgebildet. Zweifelsohne ist es
wünschenswert, daß die Punkte auf der Oberfläche des ersten
Spiegels 3 von der Lampe 1 alle gleichweit entfernt sind. Da
im ersten Spiegel 3 eine Öffnung angeordnet ist, durch die
die zusammenfallenden Strahlen hindurchgehen, wird, wenn der
erste Spiegel identisch mit dem zweiten Spiegel ist, ein Ge
biet verminderter Lichtintensität in der Mitte des ersten
Spiegels 3 ausgebildet. Folglich ist der erste Spiegel 3 aus
gebildet, um Licht, wie in Fig. 4 gezeigt, zu reflektieren,
wobei das Licht des ersten Spiegels 3 überlappend auf den
zweiten Spiegel 4 fällt. In A von Fig. 4 ist das Licht, das
vom ersten Spiegel 3 projiziert wird, durch die Bestandteile
a, b, c und d ausgedrückt. Auch in B, C, D und E von Fig. 4
sind die Lichtbestandteile, die zum zweiten Spiegel proji
ziert werden, jeweils mit a, b, c und d ausgedrückt. Um die
Richtung eines Bestandteils anzuzeigen, ist jeder Bestandteil
mit einem Pfeil versehen. Folglich überlappen sich die beiden
Bestandteile des ersten Spiegels 3, das heißt, a und c, auf
dem zweiten Spiegel 4. Natürlich wird, wenn so eine Überlap
pung beabsichtigt ist, die Lichtintensität unter Berücksich
tigung der Überlappung festgelegt. Dadurch wird das Problem
eines Gebietes mit verminderter Lichtintensität, verursacht
durch die Öffnung des ersten Spiegels 3, gelöst.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Licht
quellenvorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts gemäß der
Erfindung. Hierbei ist der erste Spiegel 3a mit einem Abstand
zur optischen Achse zwischen der Lichtquelle und dem entfern
ten Brennpunkt des elliptischen Reflektors angeordnet. Bei
dieser Art der Vorrichtung, das heißt, wenn der erste Spiegel
3 in einer Entfernung von der optischen Achse angeordnet ist,
muß in der Mitte des ersten Spiegels keine Öffnung ausgebil
det werden und es kann der erste Spiegel 3 neben der zwischen
dem zweiten Spiegel 4 und der Linse 6 ausgebildeten optischen
Achse angeordnet werden.
Die Verwendung dieser Ausführungsform hängt ab von der
Größe des Querschnittsbereichs von Lampe 1; das heißt, die
Ausführungsform wird vorteilhafterweise dann verwendet, wenn
das obige Querschnittsgebiet klein ist. Bei dieser Ausfüh
rungsform können außerdem eine Vielzahl von ersten Spiegeln
3a abhängig von der Anwendung installiert werden, da Rahmen
oder Speichen des ersten Spiegels 3 leicht ohne Beeinflussung
des Lichtpfades installiert werden können.
Wie oben beschrieben, kann man durch die Kompensation
des Verlusts der Lichtintensität, verursacht durch den Schat
ten einer Lampe, mittels der vorliegenden Erfindung einen
gleichförmigen parallelen Lichtstrahl erhalten. Das parallele
Licht kann als Lichtquelle oder als sonstiges Element eines
optischen Instruments verwendet werden, welches eine paral
lele Lichtquelle mit hoher Gleichmäßigkeit erfordert.
Claims (2)
1. Lichtquellenvorrichtung zur Erzeugung parallelen
Lichts mit:
einem elliptischen Reflektor;
einer Lichtquelle nahe des Brennpunkts des elliptischen Reflektors;
einem ersten Spiegel mit einer in der Mitte angeordneten Öffnung zur Reflexion von Strahlen, die direkt von der Lichtquelle ausgestrahlt wurden, zurück zur Lichtquelle;
einem zweiten Spiegel direkt vor der Lichtquelle zur Reflexion der vom ersten Spiegel reflektierten Strahlen und zum Durchlassen der Strahlen durch die Öffnung des ersten Spiegels; und
einer Parallelrichtlinse zur Formung parallelen Lichts durch die Fokusierung der durch die Öffnung des ersten Spie gels gelangenden Strahlen.
einem elliptischen Reflektor;
einer Lichtquelle nahe des Brennpunkts des elliptischen Reflektors;
einem ersten Spiegel mit einer in der Mitte angeordneten Öffnung zur Reflexion von Strahlen, die direkt von der Lichtquelle ausgestrahlt wurden, zurück zur Lichtquelle;
einem zweiten Spiegel direkt vor der Lichtquelle zur Reflexion der vom ersten Spiegel reflektierten Strahlen und zum Durchlassen der Strahlen durch die Öffnung des ersten Spiegels; und
einer Parallelrichtlinse zur Formung parallelen Lichts durch die Fokusierung der durch die Öffnung des ersten Spie gels gelangenden Strahlen.
2. Lichtquellenvorrichtung zur Erzeugung parallelen
Lichts mit:
einem elliptischen Reflektor;
einer Lichtquelle nahe des Brennpunkts des elliptischen Reflektors;
einem ersten Spiegel, der im Abstand von der optischen Achse zwischen der Lichtquelle und dem entfernten Brennpunkt des elliptischen Reflektors angeordnet ist;
einem zweiten Spiegel direkt vor der Lichtquelle zur Reflexion der vom ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahlen; und
einer Parallelrichtlinse zur Formung parallelen Lichts durch Fokusierung der Strahlen, die vom elliptischen Reflek tor und vom zweiten Spiegel kommen.
einem elliptischen Reflektor;
einer Lichtquelle nahe des Brennpunkts des elliptischen Reflektors;
einem ersten Spiegel, der im Abstand von der optischen Achse zwischen der Lichtquelle und dem entfernten Brennpunkt des elliptischen Reflektors angeordnet ist;
einem zweiten Spiegel direkt vor der Lichtquelle zur Reflexion der vom ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahlen; und
einer Parallelrichtlinse zur Formung parallelen Lichts durch Fokusierung der Strahlen, die vom elliptischen Reflek tor und vom zweiten Spiegel kommen.
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