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Reflektor-System für Leuchtgeräte Alle bisher bekannten Konstruktionen
von Leuchtgeräten zur Beleuchtung von Wohn- und Arbeitsräumen, von Straßen und Plätzen,
von Eisenbahngleisfeldern und Bahnsteigen u. dgl. m. sowie zur Anleuchtung von Fassaden
haben den recht schwerwiegenden Nachteil, auf der angeleuchteten Fläche eine sehr
ungleichmäßige Beleuchtungsstärke zu erzeugen. Die Beleuchtungsstärke ist senkrecht
unter der Leuchte gut, nimmt aber nach dem Rande der angeleuchteten Fläche in ziemlich
starkem Maße ab; um an den Randflächen ausreichende Beleuchtung zu haben, ist man
gezwungen, entweder die Leuchten in verhältnismäßig kleinen Abständen anzuordnen
oder aber starke Lichtquellen zu verwenden. In. beiden Fällen ist die Beleuchtungsstärke
senkrecht unter der Leuchte unnötig groß und eine Licht- und damit Stromverschwendung
die unerwünschte, aber unvermeidbare Folge.
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Durch das Spiegelsystem gemäß der Erfindung soll dieser Mangel auf
ein nur noch sehr geringes Maß verkleinert werden. Es sei an einem Beispiel erläutert.
Eine Lichtquelle möge in io m Höhe aufgehängt sein und soll eine Bodenfläche vom
Durchmesser des Vierfachen der Lichtpunkthöhe, also 40 m, beleuchten; senkrecht
unter der Lichtquelle herrsche die Beleuchtungsstärke i Lux. Geht man von diesem
Kreismittelpunkt radial nach außen, so sinkt die Beleuchtungsstärke infolge der
zunehmenden Entfernung von der Lichtquelle und der zunehmenden Vergrößerung des
Winkels, unter- dem die Strahlen auf die Fläche einfallen, dem Ausstrahlungswinkel
der Leuchte, und erreicht-bei etwa 37° Ausstrahlungswinkel, d. i. an der Peripherie
eines Kreises von etwa 71/2 m Radius, den Wert von 1/2 Lux. Innerhalb dieses inneren
Kreises von etwa 15 m Durchmesser herrscht also eine Gleichmäßigkeit der Beleuchtung
i : 2, die zweifellos als ausgezeichnet anzusprechen ist. .Die verbleibende außenliegende
Ringfläche aber würde sehr viel weniger hell ausgeleuchtet sein, wenn nicht gemäß
der Erfindung besondere Vorkehrungen getroffen würden. Das geschieht durch zusätzliche
Beleuchtung mittels einer
über der Lichtquelle angeordneten spiegelnden
Fläche, die als Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet sein mag und so bemessen ist,
daß sie den Lichtstrom, welchen sie als Teil des von der Lichtquelle in den oberen
Halbraum gestrahlten Lichtstroms atifgenommen hat, gerade auf die verbliebene Randringfläche
von etwa z21/2 m Breite reflektiert. Diese Randringfläche wird also von zwei Lichtquellen,
nämlich einmal der reellen und dann der durch Spiegel hervorgerufenen virtuellen
Lichtquelle, mithin doppelt hell, beleuchtet, wenn man von den bei guten Spiegeln.
äußerst geringen Richtungsreflexionsverlusten durch Absorption und Diffusion absieht.
Am inneren Rande der Randringfläche wird also die Beleuchtungsstärke von = Lux wiederhergestellt
sein. Aber mit der weiteren Entfernung vom Kreismittelpunkt nimmt die Beleuchtungsstärke
wieder ab, und schon bei etwa 51° Ausstrahlungswinkel, d. i. an der Peripherie eines
Kreises von etwa i21/2 m Radius, hat die Beleuchtungsstärke wieder den niedrigen
Wert von nur 1/2 Lux erreicht. Nun aber tritt ein zweiter Spiegel in Tätigkeit,
welcher, ebenfalls als konischer Ringspiegel ausgebildet, sich an den ersten anschließt
und anders als der erste, nämlich so bemessen ist, daß der von ihm aufgenommene
Lichtstrom auf die nun noch verbliebene Randringfläche von nur noch etwa 71/2 m
Breite geworfen wird. Dieser schmalere Randring wird also von drei Lichtquellen
beleuchtet, der reellen und den durch die beiden Spiegel hervorgerufenen zwei virtuellen.
An den zweiten Spiegel schließt sich ein dritter konischer Ringspiegel, an diesen
wiederum ein vierter und an diesen letzteren noch ein fünfter an, von denen j eder
die Aufgabe hat, die immer schmaler werdende Randringfläche auszuleuchten, so daß
also folgendes Bild entsteht: Von dem Kreis von etwa ¢o m Durchmesser wird beleuchtet
der innere Kreis von etwa 15m Durchmesser ausschließlich von der reellen Lichtquelle,
der sich daran anschließende Ring von etwa 5 m Breite von der reellen und einer
virtuellen Lichtquelle, der hieran anschließende Ring von etwa 21/2 m Breite von
der reellen Lichtquelle und zwei virtuellen, der dann kommende Ring von etwa 21/2
m Breite von der reellen Lichtquelle und drei virtuellen, der sich nun anschließende
Ring von etwa i1/2 m Breite von der reellen Lichtquelle und vier virtuellen und
schließlich der letzte äußere, etwa i m breite Ring von der reellen Lichtquelle
und fünf virtuellen, wobei die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung nicht unter 1: 2
absinkt. Je größer die Anzahl der Spiegel, desto höher die nach dem Rände des Lichtfeldes
erzielte Lichtstärke; aber die Vermehrung der Spiegelanzahl findet ihre Grenzen
in der allmählichen Ausschöpfung des zur Reflexion verfügbaren Lichtstroms der Lichtquelle
und in dem mit der Vermehrung der Spiegelanzahl leider verbundenen starken Anwachsen
der Abmessungen des Reflektorschirmes. Schon bei der geschilderten einfachsten Ausführung
des Reflektor-Systems, nämlich einem Schirm, der aus fünf miteinander vereinigten
konischen Ringspiegeln verschiedener Breite und verschiedenen Winkels besteht, wird
eine Gleichmäßigkeit der Beleuchtung von solch ausgezeichneter Qualität und ein
so zweckmäßiges und starkes Anwachsen der Lichtstärke nach dem Rande des Lichtfeldes
erzielt, wie dies von den bisher bekannten Leuchtenkonstruktionen auch nicht entfernt
erreicht worden ist.
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Voraussetzung ist allerdings, daß hierbei folgendes beachtet wird:
Die Lichtquelle ist nicht ein winzig kleiner Punkt; sie hat vielmehr eine im Vergleich
zum Reflektor-System nicht so ganz unbedeutende Größe, gleichgültig ob es sich dabei
um den auf einen mehr oder weniger kleinen Raum zusammengedrängten Leuchtdraht einer
elektrischen Glühlampe oder um den Röhrenkolben einer Quecksilberdampflampe oder
um den Glühstrumpf einer Gaslampe handelt, von den großflächigen Natriumdampflampen,
Leuchtstoffquecksilberdampflampen oder gar Leuchtröhren ganz zu schweigen. Der von
der Lichtquelle ausgestrahlte Lichtstrom wird daher nach der Reflexion durch den
Spiegel sehr verschiedene Lichtstärken aufweisen; die Lichtstärke wird im mittleren
Teil, im Kern, wo die Strahlen von den meisten Punkten der Lichtquelle zusammenfallen,
am größten sein, nach dem Rande des Lichtstromes hin aber, wo ein immer größerer
Teil der Strahlen vom Spiegelrand abgeschnitten wird, je nach dem Größenverhältnis
zwischen Lichtquelle und Spiegel mehr oder weniger schnell abnehmen, um am Rande
auf Null abzusinken. Um die Spiegel gut auszunutzen, müssen sie deshalb derart bestimmt
und abgestimmt .'sein, daß die Kerne der von ihnen ausfallenden Lichtströme auf
den die größte Lichtstärke erheischenden Punkt der auszuleuchtenden Fläche, im allgemeinen
also auf deren Rand, gerichtet sind. Nun hängt aber äuch die Lichtstärke der Kerne
stark von dem Größenverhältnis zwischen Lichtquelle und Spiegel ab; sie wird ihren
Höchstwert erreichen, wenn der Spiegel gerade so groß wird, daß das Innere des Kerns
vom reflektierten Lichtstrom parallel gerichtete Strahlen von allen Punkten der
Lichtquelle enthält, wenn also beim Betrachten des Spiegels aus der Achse des Lichtstromkerns
gerade eben das Bild der ganzen Lichtquelle erkennbar wird; eine weitere Vergrößerung
des Spiegels würde nur eine Verbreiterung des Kerns bewirken. Die einzelnen Spiegel
des vorliegenden Systems sind also vorteilhaft so groß zn bemessen, daß die größte
Lichtquelle, für welche das Reflektor-System bestimmt sein soll, auch wirklich ihre
volle Wirkung erreicht; dann liegt das günstigste Verhältnis zwischen Größe des
Reflektors und erzielbarer Wirkung vor. Daß aus Gründen der Abstimmung der einzelnen
Spiegel zueinander und der Anpassung des ganzen Systems an die z. B. für Glühlampen,
Fassungen u. dgl. bestehenden Normen kleine Abweichungen von dem eben geschilderten
Spiegelmaß geboten sind, sei nebenher erwähnt.
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Nun strahlt nur ein Teil des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstroms,
teils direkt und teils indirekt über den Reflektor, auf die auszuleuchtende Fläche,
während der restliche Teil zwischen Fläche und Reflektor ungeregelt in den Raum
strahlt. Durch geeignete Verteilung auch dieses Neben- oder Seitenlichts läßt sich
eine weitere erhebliche Verbesserung erreichen. Die Ausnutzung des Nebenlichts kann
je nach der gewünschten Wirkung- auf verschiedene Weise geschehen.
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Ist es erwünscht, daß eine kleinere '.Menge Licht auch in, den Raum
strahlt, wie das z. B. bei Beleuchtung repräsentativer Straßen der Fall ist, wo
auch die
Fassaden mindestens eine Aufhellung erfahren sollen, oder
bei Beleuchtung von Fabrik-, Büro-, Küchen-oder sonstigen Arbeitsräumen, wo auch
die Wände und Decken etwas mitbeleuchtet werden sollen, so ist es vorteilhaft, den
Nebenlichtstrom durch einen um die Lichtquelle angeordneten lichtstreuenden Glasring,
der aus Opal- oder aus ein- oder beiderseitig mattiertem Klarglas bestehen kann,
abzufangen. Dieser Ring sendet dann einen kleinen Teil in den Raum, den größten
Teil aber an Fläche und Reflektor und dient somit in sehr erheblichem Maße auch
zur Verstärkung der Wirkung des Reflektor-Systems. Daneben wird eine Blendung bei
großem Ausstrahlungswinkel vermieden. Ein solcher Glasring reflektiert einen Teil
des empfangenen Lichts gerichtet. Er läßt sich daher auch als Anfangs-,Mittel-oder
Endstufenspiegeloder, wenn er als Vereinigung zweier oder mehrerer konischer Glasringe
ausgebildet ist, als Mehrstufenspiegel des ganzen Systems verwenden. Auch zur besonders
großen Verstärkung der Beleuchtung unter der Leuchte kann er dienen, so daß hiermit
eine Leuchte entsteht, die als Universalgerät zur starken Werkplatzbeleuchtung und
zur starken, äußerst gleichmäßigen Allgemeinbeleuchtung angesprochen werden muß.
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Ist es aber erwünscht, daß die Leuchte von einem gewissen größten
Ausstrahlungswinkel ab völlig abgeblendet ist, wie z. B. bei Beleuchtung von Eisenbahnanlagen,
wo jede Gefahr der Ablenkung des Lokomotivpersonals von der Beobachtung der Signale
ängstlich zu vermeiden ist, wird an Stelle des Glasnebenreflektors ein lichtundurchlässiger
Nebenspiegelreflektor verwendet. Auch ein solcher kann zur Verteilung diffusen Lichts
in den seitlichen und oberen Halbraum ausgenutzt werden dadurch, daß er oberseitig
eine matte, gut reflektierende Oberfläche erhält und von einem Teil des Hauptreflektors
mit für die Flächenbeleuchtung nicht unbedingt erforderlichen Strahlen beleuchtet
wird.
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Wird der Nebenreflektor als Ein- oder Mehrstufenspiegel des ganzen
Systems verwendet, so läßt sich die vollkommenste Ausnutzung des Nebenlichtstroms
erreichen,-wenn Haupt- und Nebenreflektor die Strahlen nach einander entgegengesetzten
Richtungen reflektieren.
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In manchen Fällen wird es angezeigt sein, Glasnebenreflektor und lichtundurchlässigen
Nebenreflektor gemeinsam zu verwenden, wobei der Glasring unter dem Nebenspiegelreflektor
oder über diesem oder auch an beiden Stellen angeordnet werden kann. Die Kombination
beider Arten Nebenreflektoren bietet den Vorteil sowohl einer Wand- und Deckenaufhellung
als auch der wesentlichen Verstärkung des Randlichts und damit der Gleichmäßigkeit
der Beleuchtung.
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Bislang ist stets von konischen Spiegelflächen die Rede gewesen. An
ihrer Stelle können selbstverständlich auch gewölbte lichtsammelnde oder lichtstreuende
Spiegelflächen Anwendung finden; das ändert an dem System nichts. So kann z. B.
der Nebenreflektor vorteilhaft als gewölbter lichtstreuender Ringspiegel ausgebildet
sein, welcher die Fläche vom Mittelpunkt bis zum Rande zusätzlich gewissermaßen
als Halbstufe ausleuchtet und eine Vergrößerung der Lichtstärke auf dem Gebiet der
ganzen Fläche bewirkt. Schließlich können statt kreisrunder auch ovale, viereckige
oder vieleckige ebene oder gewölbte Spiegelflächen Verwendung finden. Viereckige
bieten den Vorteil, daß viereckige Flächen voll ausgeleuchtet und schwache oder
tote Zonen vermieden werden.
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Daß das vorliegend dargestellte System nicht allein für ringsum breitstrahlende
Leuchten, sondern auch für Schrägstrahler und Zweirichtungsleuchten anwendbar ist,
sei der Vollständigkeit halber erwähnt.
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Ein bisher noch nicht betonter Vorteil des vorliegenden Systems ist
die verhältnismäßig geringe Blendwirkung, weil die Lichtstrahlen nicht von einem
konzentrierten Lichtpunkt ausgehen, sondern von einer verhältnismäßig schwachen
reellen Lichtquelle und einer mehr oder weniger großen Anzahl daneben oder darüber
erscheinender scheinbarer Lichtquellen, der Spiegelbilder. Aus dem gleichen Grunde
ergibt das vorliegende Reflektor-System auch ziemlich weiche Schatten mit unscharfen
Konturen. Soweit Klarglaslampen Verwendung finden, ist natürlich trotzdem eine mäßige
Abblendwirkung mittels opaleszenten oder seidenmattierten Abschlußglases angebracht.
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In den Fig. i bis 3 der Zeichnung sind zur Erläuterung der bisherigen
Darlegungen einige der sehr vielen möglichen Anwendungsformen der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Fig. i zeigt schematisch eine Zweirichtungsleuchte für Leuchtröhrenbestückung
mit Dreiregisterspiegel und einer größten Lichtstärke bei 6o° Ausstrahlungswinkel.
L ist die Leuchtröhre; die drei Planspiegel der einen Seite sind mit i, 2 und 3,
die hierzu symmetrisch angeordneten Spiegel der anderen Seite mit 4, 5 und 6 bezeichnet.
Z1, L, Z3 sind die durch die Spiegel i, 2 und 3 hervorgerufenen virtuellen Lichtquellen.
Von dem Spiegel i geht der reflektierte Lichtstrom mit den Randstrahlen 7 und 8
und den Kernranlstrahlen g und io aus. Der vom Spiegel 2 reflektierte Lichtstrom
beginnt mit dem Randstrahl ii, während sein Kern mit dem Randstrahl i2 endet. Der
vom Spiegel 3 reflektierte Lichtstrom beginnt mit dem Randstrahl 13, sein Kern endet
mit dem Kernrandstrahl 14. . Die Divergenz der von den drei Spiegeln ausgehenden
inneren Randstrahlen 7, 11, 13 läßt erkennen, wie diese drei Spiegel mit zunehmender
Entfernung von der Leuchte nacheinander zu wirken beginnen, während die Parallelität
der äußeren Kernrandstrahlen io, 12 und 14 erkennen läßt, daß bei diesem Ausstrahlungswinkel
(in diesem Fall 6o°) alle drei Spiegel ihre volle Wirkung erreicht und gerade noch
innehaben. Bei größerem Ausstrahlungswinkel nimmt dann die Wirkung der drei Spiegel
schnell ab, bis schließlich mit dem Strahl 8 jede Reflexion aufhört.
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Fig. 2 zeigt im Schema einen für Glühlampenbestückungbestimmten Ringsumbreitstrahlermit
höchster Lichtstärke bei 66° Ausstrahlungswinkel mit einem Hauptreflektor, bestehend
aus den konischen Ringspiegeln 15 und 16, und dem davon getrennt angeordneten, oben
offenen Nebenreflektor, bestehend aus dem gewölbten Ringspiegel 17, und den konischen
Ringspiegeln 18, ig und 20. Die von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen werden
vom Hauptreflektor nach der gleichen Richtung, d. h. die nach rechts gehenden Strahlen
nach rechts, die nach links gehenden
Strahlen nach links reflektiert,
während die Reflexion durch den Nebenreflektor nach der entgegengesetzten Richtung
erfolgt. Im übrigen läßt der gezeichnete vom Lichtschwerpunkt ausgehende Strahlengang
erkennen, wie hier mit zunehmender Entfernung von der Leuchte nacheinander die Spiegel
17, r5, =6, 2o, z9 und 1ß zu wirken. beginnen, während bei 66° Ausstrahlungswinkel
(die parallelen Strahlen) sämtliche Spiegel ihre volle Wirkung haben. Bei noch größerem
Ausstrahlungswinkel nimmtl!die Wirkung aller sechs Spiegel mehr oder weniger schnell
ab, und es tritt völlige Abblendung ein.-In Fig. 3 ist ein Ringsumbreitstrahler
für Glühlampenbestückung mit höchster Lichtstärke bei 64° Ausstrahlungswinkel schematisch
dargestellt. Hier ist der aus einem gewölbten Ringspiegel bestehende Hauptreflektor
21 mit dem aus den konischen Ringspiegeln 22, 23, 24 und 25 bestehenden Nebenreflektor
zu einem Stück vereinigt. Wie der gezeichnete, vom Lichtschwerpunkt ausgehende Strahlengang
zeigt, beginnt hier nacheinander die Wirkung der Spiegel 21, 25, 24,23 und 22, welche
bei 64° Ausstrahlungswinkel sämtlich ihre volle Wirkung haben. Auch hier tritt bei
größerem Ausstrahlungswinkel ein rasches Absinken der Spiegelwirkung und völlige
Abblendung ein.