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Die
Erfindung betrifft Glühlampen,
Halogenlampen und Bogenlampen, und insbesondere bezieht sie sich
auf derartige Lampen, deren Kolben mit einem im Infraroten abstrahlenden
Film beschichtet sind.
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Die
Lichtausbeute herkömmlicher
Glühlampen
beträgt
weniger als 15%, wobei mehr als 80% der gesamten Energie, die sie
verbrauchen, in infrarote Strahlung umgewandelt wird. Sogar bei
den effizienteren Natrium-Hochdrucklampen, bei den Metall-Halogenid-Lampen
und Xenonlampen werden 20-30% der gesamten Energie in infrarote
Strahlung umgewandelt. Ein großer
Betrag der infraroten Strahlung wird von den Lampen emitiert, wodurch
nicht nur der Verbrauch an elektrischer Energie zunimmt, sondern
auch unser Lebensraum verunreinigt wird. Viele Jahre lang haben
Wissenschaftler nach einen Weg gesucht, die Lichtausbeute derartiger
Lampen zu verbessern und deren infrarote Strahlung auszunutzen.
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Anfang
der 90-iger Jahre wurde vorgeschlagen, einen im Infraroten reflektierenden
Film auf der Kolbenoberfläche
einer Lampe aufzubringen, so daß die
infraroten Strahlen, die von dem Glühdraht oder der Bogenentladungsröhre der
Lampe emitiert werden, derart zurück zu dem Glühdraht oder
der Bogenentladungsröhre
reflektiert werden, daß sie
diese erhitzen und dadurch die Lichtausbeute der Lampe beträchtlich
erhöhen.
Ein derartiger Reflexionsfilm kann jedoch nur unterhalb von 500°C verwendet
werden, wobei oberhalb dieser Temperatur kristalline Stoffe in dem
Film auftreten, die die Lampe unbrauchbar machen. Da ein Glühdraht gewöhnlich in
der Form einer geraden Linie hergestellt ist und eine bestimmte
Länge aufweist,
kann er andererseits nicht in der Form eines Punktes hergestellt
werden. Außerdem
weist der elektrische Bogen, der von einer Bogenentladungsröhre erzeugt
worden ist, auch eine lineare Form auf bzw. ist linienförmig. Um
eine Lampe mit einer derartigen Lichtquelle in einer linearen Form
herzustellen; ist die Form des Kolbens der Lampe sehr wichtig. Wenn
der Kolben mit dem Glühdraht
nicht zusammenpaßt,
werden die infraroten Strahlen nicht zu dem Glühdraht oder der Bogenentladungsröhre reflektiert,
um diese aufzuheitzen, wodurch es unmöglich wird, die Lichtausbeute
zu erhöhen.
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Anfang
der 90-iger Jahre wurde ferner vorgeschlagen, den linearen bzw.
linienförmigen
Glühdraht
in eine Ebene zu krümmen
und diesen im Zentrum des Kolbens einer sphärischen bzw. kugelförmigen Lampen derart
anzuordnen, um Punktsymmetrie (Kreismittelpunkt) auszubilden. Unterdessen
wird die innere Oberfläche
des Kolbens mit einem im Infraroten reflektierenden Film beschichtet.
Aus der Sicht der geometrischen Optik kann jedoch ein großer Teil
der infraroten Strahlung, die von dem Glühdraht einer derartigen Lampe
emitiert wird, nicht zu dem Glühdraht
zurück
reflektiert werden. Dies rührt
von der unsymmetrischen Reflexion von dem kugelförmigen oder bogenförmigen Kolben
zu dem linearen bzw. linienförmigen
Glühdraht,
der im Zentrum des Kolbens angeordnet ist, her. Eine Halogen-Wolfram-Glühlampe mit
einem im Infraroten reflektierenden Film ist von der GE-Corporation
in den USA entwickelt worden. In einer derartigen Lampe ist ein
Glühdraht auf
der Hauptachse eines elliptischen Kolbens angeordnet und die äußere Oberfläche des
Kolbens ist mit einem im Infraroten reflektierenden Film beschichtet.
Da der elliptische Kolben zwei Brennpunkte hat, wird sich ein Teil
der reflektierten infraroten Strahlen um die Brennpunkte konzentrieren,
so daß die
Abschnitte in der Nähe
der zwei Brennpunkte des Glühdrahts
außerordentlich
erhitzt bzw. aufgeheizt werden, wodurch die Lebensdauer des Glühdrahts
beträchtlich
verkürzt
wird. Unterdessen wird ein großer
Betrag der von den zwei Endabschnitten des Kolbens reflektierten
infraroten Strahlen nicht in der Lage zu sein, zu dem Glühdraht zurückzukehren,
so daß die
Lichtausbeute nicht sehr hoch ist. Obwohl es viele Arten von Lampen
gibt, die sphärische
oder zylindrische oder elliptische Kolben verwenden, weist keine
von diesen aus verschiedener Gründen
eine hohe Lichtausbeute auf.
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In
der
DE 26 44 977 C2 ist
eine Reflektorlampe offenbart, die einen Sockel und einen Kolben
aufweist, wobei der Sockel mit dem Kolben in Eingriff steht, und
sich der Kolben aus einer Linse und einem Reflektor, die in geeigneter
Weise einen Glühkörper umgebend
miteinander verbunden sind, zusammensetzt, wobei auf den inneren
Oberflächen
der Linse und des Reflektors ein im Infraroten reflektierender Film
aufgetragen ist, wobei der Glühkörper bezüglich einer
Achse, die den Scheitel der Linse und des Reflektors verbindet,
ausgerichtet ist und wobei die Reflexionsbrennpunkte der Linse und
des Reflektors zusammenfallen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile
zu überwinden und,
ausgehend von einer gegebenen Form der thermischen Lichtquelle,
eine Lampe mit einem Kolben bereitzustellen, dessen Grundform derart
ist, daß die
bei der thermischen Emission entstehende infrarote Strahlung von
einem an der Innenseite des Kolbens angebrachten Film in die Lichtquelle
zurückreflektiert
wird. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die Lebensdauer einer
solchen Lampe zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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In
einer derartigen Lampe werden die von dem Glühdraht oder der Bogenentladungsröhre emittierten infraroten
Strahlen gleichmäßig bzw.
gleichförmig
auf den Glühdraht
oder die Bogenentladungsröhre
von dem im Infraroten reflektierenden Film auf dem Kolben reflektiert,
so daß der
Glühdraht
oder die Bogenentladungsröhre
gleichmäßig erhitzt
werden. Dadurch wird die Lichtausbeute um ungefähr 50% verbessert und die Lebensdauer
bzw. Gebrauchsdauer der Lampe beträchtlich verlängert.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Energiesparlampe mit einem Sockel
bereit, der mit einem Kolben in Eingriff steht, welcher sich aus
einer Linse und einem Reflektor, die in geeigneter Weise einen linearen
bzw. linienförmigen
Glühdraht
oder eine lineare bzw. linienförmige
Bogenenladungsröhre
umgebend miteinander verbunden sind, zusammengesetzt. Die Linse
und der Reflektor haben jeweils eine innere Paraboloid-Oberfläche, wobei
ein im Infraroten reflektierender Film darauf angebracht ist. Der
Glühdraht
oder die Bogenentladungsröhre
sind bezüglich
einer Achse ausgerichtet, die die Scheitel der Linse und des Reflektors
verbindet, wobei der Reflexionsbrennpunkt der Linse mit dem des
Reflektors zusammenfällt
oder sich auf der Achse in etwas geringerem Abstand zu dem Scheitel
des Reflektors als der Reflexionsbrennpunkt des Reflektors befindet
und der Glühdraht
oder die Bogenentladungsröhre
zwischem dem Reflexionsbrennpunkt des Reflektors und dem Scheitel
des Reflektors angeordnet sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung setzt sich der Film der auf der Linse
und auf dem Reflektor aufgebracht ist, aus einer Vielzahl von TiO2-Filmen und SiO2-Filmen
oder einer Vielzahl Ta2O5-Filmen
und SiO2-Filmen zusammen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung setzt sich der Film, der
auf dem Reflektor aufgebracht ist, aus Aluminium oder Silber zusammen.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Lampe eine
Lampe in der Ausführung
mit zwei Endabschnitten (double-end type), die aus der Gruppe aus
Glühlampen,
Halogenlampen, Natrium-Hochdrucklampen oder Natrium-Niederdrucklampen,
Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen u.a. ausgewählt worden
ist.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Lampe eine
Lampe in der Ausführung
mit einem Endabschnitt (single-end type), die aus der Gruppe aus
Glühlampen,
Halogenlampen, Natrium-Hochdrucklampen oder Natrium-Niederdrucklampen,
Metall-Halogenid-Lampen und Xenonlampen u.a. ausgewählt worden
ist.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Lampe weiter
eine Positionierungsvertiefung in dem Scheitel der Linse auf, in
der ein Anschlußdraht
von einem Endabschnitt des Glühdrahts
oder der Bogenentladungsröhre
angebracht ist, um den Glühdraht
oder die Bogenentladungsröhre
derart zu befestigen, daß diese
die Ausrichtung bezüglich
der Achse beibehalten.
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Die
Brennweite des Reflektors ist auf der Grundlage der Länge des
Glühdrahts
oder der Bogenentladungsröhre
derart bestimmt, daß alle
infraroten Strahlen gleichmäßig bzw.
gleichförmig
auf den linearen Glühdraht
oder die Bogenentladungsröhre
reflektiert werden, während
das sichtbare Licht durch die Linse vom Kolben emitiert wird.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
anhand der Zeichnung.
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Hierbei
zeigt 1 eine schematische
Darstellung einer Energiesparlampe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Genauer
gesagt, zeigt
1 schematisch
eine Lampe in der Ausführung
mit zwei Endabschnitten, wie beispielsweise eine Glühlampe,
eine Halogenlampe, eine Natrium-Hochdrucklampe oder Natrium-Niederdrucklampe,
eine Metall-Halogenid-Lampe oder Xenonlampe, wobei ein im Infraroten
reflektie render Film auf derem Kolben aufgebracht ist. In
1 bezeichnet das Bezugszeichen
10 einen
Reflektor, der aus Glas hergestellt ist, bezeichnet das Bezugszeichen
11 eine
Linse oder Abdeckung, die aus Glas hergestellt sind, und bezeichnet
das Bezugszeichen
12 die innere Oberfläche des Reflektors
10 die
ein Paraboloid ist und nach der folgenden Gleichung berechnet werden
kann:
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Hierbei
ist y1 die Ordinate des Paraboloids, x die
Abszisse des Paraboloids, r der Radius des Kalibers bzw. Innendurchmessers
des Reflektors 10 und b1 die Höhe des Reflektors, 10.
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Das
Bezugszeichen
13 bezeichnet die innere Oberfläche der
Linse
11, die ein Paraboloid ist und nach der folgenden
Gleichung berechnet werden kann:
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Hierbei
ist y2 die Ordinate des Paraboloids, x die
Abszisse des Paraboloids, r der Radius des Innendurchmessers der
Linse 11 und b2 die Höhe der Linse, 11.
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Das
Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Positionierungsvertiefung
in der Linse 11, die in dem Scheitel der Paraboloid-Oberfläche 13 angeordnet
ist. Der Brennpunkt F1 der Paraboloid-Oberfläche 12 und
der Brennpunkt F2 der Paraboloid-Oberfläche 13 fallen
hier in Punkt 15 zusammen. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine
Position zum Anbringen bzw. Montieren einer Lichtquelle einer Glühlampe,
Halogenlampe oder Bogenlampe. Das Bezugszeichen 17 stellt
schematisch die Pfade der Infrarotstrahlen dar, die aus theoretischen
Berechnungen und Experimenten erhalten werden. Das Bezugszeichen 18 zeigt
schematisch die Pfade von sichtbarem Licht, das durch die Linse 11 austritt.
Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Stütze bzw. Halterung, die durch
Schweißen
mit einem Metallsockel verbunden ist, wobei der Sockel auf den Glasreflektor
geschweißt
ist. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine zentrale Positionierungshalterung,
die dicht anliegend in der Positionierungsvertiefung 14 befestigt
ist. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet die Position, an der
die Linse 11 und der Reflektor 10 zusammengeschweißt oder
miteinander verbunden sind. Der Glühdraht oder die Bogenentladungsröhre 22 sind
bezüglich
der Achse, die die Scheitelpunkte der Paraboloid-Oberflächen 12 und 13 verbindet,
ausgerichtet. Der Lampensockel 23 kann in verschiedenen
Größen oder
Typen hergestellt sein, je nach dem, wie es erforderlich ist.
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Auf
den Paraboloid-Oberflächen 12 und 13 des
Reflektors 10 und der Linse 11 ist ein im Infraroten reflektierender
Film bzw. eine im Infraroten reflektierende Schicht vorgesehen,
der bzw. die sich aus TiO2-SiO2 oder
Ta2O5-SiO2 zusammensetzt.
Alternativ dazu kann der Film bzw. die Schicht auf dem Reflektor 10 aus
Aluminium hergestellt sein.
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Tabelle
1 zeigt die Ergebnisse, die von dem Institut Electro-light Source
Institute of Fudan University erhalten worden sind. Das Experiment
wurde mit Natrium-Hochdrucklampen (HPS) in der Ausführung mit
zwei Endabschnitten und mit im Infraroten reflektierenden Filmen
durchgeführt,
die die erfindungsgemäße Ausgestaltung
bzw. Konfiguration verwenden, wobei sie einen Kolben in der Form
eines Doppelparaboloiden und eine lineare Bogenentladungsröhre aufweisen.
Die Lampen in der Referenzgruppe haben die gleiche Struktur, außer, daß sie keinen
im Infraroten reflektierenden Film auf ihren Kolben aufweisen.
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Anhand
der in Tabelle 1 dargestellten Daten kann gefolgert werden, daß die Lichtausbeute
von HPS-Lampen in der Ausführung
mit zwei Endabschnitten und mit einem im Infraroten reflektierendem
Film um ungefähr
15% durch die Unterstützung
der Ausgestaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung verbessert worden sind. Theoretische Berechnungen haben
gezeigt, daß unter
Verwendung der Ausgestaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung die Lichtausbeute der Glühlampen und Halogenlampen in
der Ausführung
mit zwei Endabschnitten und mit im Infraroten reflektierenden Filmen
auf ungefähr
50% verbessert werden konnte. Insbesondere durch Aufbringen eines
im Infraroten reflektierenden Films auf der inneren Oberfläche des
Kolbens und durch Beabstanden des Films von der Bogenentladungsröhre um einem
gewissen Abstand, während
die Temperatur des Kolbens derart geregelt wird, daß sie unterhalb
von 500°C
liegt, um Schaden an dem Film zu vermeiden, bringt die vorliegende
Erfindung beträchtliche
Verbesserungen für
Natrium-Hochdrucklampen und Natrium-Niederdrucklampen, für Metall-Halogenid-Lampen,
Xenonlampen, usw.. Die Lampen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung hergestellt worden sind, finden verschiedene Anwendungen
sowohl drinnen wie draußen.
Sie können
derart hergestellt werden, daß sie
eine beliebige Größe, Leistung
und Betriebsspannung aufweisen, und sie können nahezu kahltes Licht emitieren.
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Im
folgenden wird ein Beispiel für
eine Halogenlampe in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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1. Auslegung und Berechnung
der Paraboloid-Oberfläche
des Reflektors:
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Der
Reflektor wird aus Hartglas mittels Formens hergestellt. Die innere
Oberfläche
des Reflektors weist die Form eines Paraboloids auf, wobei ein Aluminiumfilm
darauf aufgebracht ist. Es wird angenommen, daß die Halogenlampe einen für 120 V
und 100 W ausgelegten Glühdraht
(d.h. einen Wolfram-Glühdraht)
aufweist, dessen Länge
14 mm beträgt.
Wie oben bereits erwähnt
worden ist, sollte die Brennweite des Reflektors gleich der Länge des
Glühdrahts
sein, oder ein wenig länger.
Somit erhält
man die Brennweite der Paraboloid-Oberfläche des Reflektors zu 14 mm
+ 2 mm = 16 mm. Es wird angenommen, daß der Innendurchmesser des
Reflektors 100 mm beträgt.
Unter Verwendung der folgenden Gleichung ergibt sich:
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Hierbei
ist f
1 die Brennweite der Paraboloid-Oberfläche des
Reflektors, r der Radius des Innendurchmessers des Reflektors, mit
r = 50 mm, und ist b
1 die Höhe des Paraboloids
des Reflektors. Aus dem vorstehenden ergibt sich,
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Somit
erhält
man unter Verwendung der Paraboloid-Gleichung:
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Es
ist bekannt, daß der
Glühdraht
der Halogenlampe zwei Endabschnitte aufweist, von denen einer im
Brennpunkt der Paraboloid-Oberfläche
des Reflektors (Punkt 15 in 1)
angeordnet ist, und der andere in der Nähe des Scheitels des Reflektors
auf der Achse angeordnet ist.
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2. Auslegung und Berechnung
der Paraboloid-Oberfläche
der Linse:
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Die
Linse (Abdeckung) wird aus Hartglas mittels Formens hergestellt.
Die innere Oberfläche
der Linse weist eine Form eines Paraboloids auf, wobei ein im Infraroten
reflektierender Film, der sich aus TiO
2-SiO
2 zusammensetzt, darauf aufgebracht wird.
Es ist bekannt, daß der
Innendurchmesser der Linse gleich dem des Reflektors ist, d. h.,
100 mm. Es wird angenommen, daß die
Höhe der
Paraboloid-Oberfläche
der Linse b
2 = 16 mm (die Brennweite der
Paraboloid-Oberfläche
des Reflektors) ist. Aus der folgenden Gleichung erhält man:
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Hierbei
ist f
2 die Brennweite der Linse, b
2 die Höhe
der Paraboloid-Oberfläche
und ist r der Radius des Innendurchmessers der Linse, so daß sich ergibt
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Anhand
der Gleichung für
die Paraboloid-Oberfläche
der Linse erhält
man
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Die
gesamte Höhe
der inneren Oberfläche
des Kolbens ergibt sich zu B = b2 + b1 = 16 + 39,0625 = 55,0625 mm. Es sei bemerkt,
daß sich
ergibt: B – f1 = 55,0625 – 16 = 39,0625 mm = f2 (Brennweite der Linse), was bedeutet, daß der Brennpunkt
der Linse mit dem Brennpunkt des Reflektors zusammenfällt, wenn
diese zusammengeschweißt
oder miteinander verbunden sind. Eine Positionierungsvertiefung
ist in dem Scheitel der Linse mittels eines Formverfahrens angeordnet.
Die Positionierungsvertiefung dient auch dazu, den Glühdraht zu
befestigen. Ein Endabschnitt des Anschlußdrahts des Glühdrahts
ist in der Positionierungsvertiefung derart angebracht, um den Glühdraht zu
befestigen, so daß der
Glühdraht
bezüglich
der Achse, die die Scheitel der Linse und des Reflektors verbindet,
ausgerichtet ist.
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Andere
Glühlampen
oder Bogenlampen sind in der gleichen Weise ausgelegt. Ein Endabschnitt
des Glühdrahts
oder eine Elektrode der Bogenentladungsröhre ist in dem Brennpunkt des
Reflektors angeordnet und der andere Endabschnitt oder die andere
Elektrode ist in der Nähe
des Scheitels des Reflektors (auf der Achse) angeordnet.
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Offenbart
ist eine Energiesparlampe, mit einem Sockel und einem Kolben, wobei
sich der Kolben aus einer Linse 11 und einem Reflektor 10 zusammensetzt.
Die innere Oberfläche
des Reflektors ist ein Paraboloid 12 und ist mit einem
im Infraroten reflektierenden Film beschichtet. Die innere Oberfläche der
Linse ist ebenso ein Paraboloid 13 und ist mit einem Film
aus Aluminium oder Silber oder einem im Infrarotem reflektierendem Film
beschichtet. Der Reflexionsbrennpunkt des Paraboloids 12 fällt mit
demjenigen des Paraboloids 13 zusammen. Ein linearer Glühdraht oder
eine Bogenentladungsröhre 22 sind
bezüglich
der Achse, die die Scheitel des Reflektors und der Linse verbindet,
angeordnet, wobei deren einer Endabschnitt in dem Brennpunkt des Reflektors und
der andere Endabschnitt in dem oder in der Nähe des Scheitels des Reflektors
angeordnet ist.
