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Beleuchtungsvorrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Beleuchtungsvorrichtungen zur, Erzielung einer vorgeschriebenen Verteilung der Beleuchtungsstärke
auf dem zu beleuchtenden Objekt, insbesondere zur Verwendung als Scheinwerfer oder
Lichtquelle für Projektionseinrichtungen.
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In der Beleuchtungstechnik steht man oft vor der Aufgabe, eine Fläche
mit einer einzigen Lichtquelle so zu beleuchten, daß eine vorgeschrieben-Verteilung
der Beleuchtungsstärke entisteht. Liegt die zu beleuchtende Fläche im Unendlichen,
so handelt es sich darum, einen Scheinwerferkegel mit vorgeschriebener Lichtverteilung
über den Kegelquerschnitt zu realisieren.
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Als Beispiel für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung betrachten
wir den letzteren Fall, da hier die maßgebenden Zusamänenhänlge klarer in Erscheinung
treten. Der Querschnitt des Scheinwerferkegels soll ein Rechteck sein, dessen Länge
bedeutend größer als die Breite ist, wobei die Verteilung der Beleuchtungsstärke
über das gesamte Ouerschnittsrechteck konstant sein soll.
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Von den Zeichnungen dienen die Fig. i bis 3 zur Erläuterung der im
Beleuchtungssystem auftretenden Fehler, während die Fig. 4 bis 8 Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes zeigen, und zwar stellt Fig. i a schematisch einen Schnitt
durch einen Scheinwerfer mit kleinem Lichtaufnahmewinkel dar, wobei ,die Zeichnungsebene
parallel zur Längsaus-dehnung .der stabfärmigen Lichtquelle ist,, und Fig. i b schematisch
einen Schnitt durch den gleichen Scheinwerfer, welcher senkrecht zur Zeichnungsebene
der Fig. i a liegt;
Fng.2:a stellt schematisch einen Schnitt durch
einen Scheinwerfer dar, dessen Lichtaufnahmewinkal erheblich größer ist als der
in den Fig. i a und i b dargestellte Scheinwerfer, und Fig. 21 wiederum schematisch
einen Schnitt senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 2-a; Fig. 3 zeigt schematisch
die veränderliche Größe und die Verdrehung der einzelnen Elementarlichtkegel,, wie
sie bei einem Scheinwerfer mit großem Lichfiaufnahmewinkel auftritt; Fig. q.a zeigt
schematisch einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung und Fig. 4.b und 4.c die Verteilung der Elementarlinsen
auf den Rasterplatten der, in Fig. ¢ a gezeigten Anordnung; Fig. 5 zeigt schematisch
im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, *bei welchem kombinierte
Prismenlinsen zur Anwendung. gelangen; Fig. 6 und Fig. 7 zeigen im Schnitt Einzelheiten
der Elementarlinsen der beiden Rasterplatten eines Ausführungsbeispiels, bei welchem
die zweite Rasterplatte in zwei Teilplatten aufgelöst ist, und Fig. 8a,
8b, 8 c und 8 d veranschaulichen, wie durch die Anordnung der Erfindung eine.
gewünschte, ungleichmäßige Lichfiverteilung durch gestufte Approximation erzeugt
werden kann.
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Entsprechend Fig. i bis 5 habe die Lichtquelle ii die Form eines leuchtenden
Zylinders, der quer zur optischen Achse in der Brennebene eines Parabolspiegels
12 sich befindet, wobei das Verhältnis der Zylinderlänge zu seinem Durchmesser ungefähr
der verlangten Querschnibtsform des Scheinwerferkegels entsprechen soll. 36 ist
ein Schirm., welcher den Austritt der nicht auf den Spiegel fallenden Strahlen verhindert.
y ß 17 e bis a ige und 62o9 bis 6229 bezeichnen die, Längs- und Queraper tut des
Lichtbogens von einem beliebigen Punkt auf den Spiegel. io ist die un- _ endlich
fern beleuchtete Fläche.
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Bei einem sehr kleinen Öffnungswinkel des Parabolspiegels entsteht
ohne weiteres das verlangte homogene Bündel, dessen Querschnitt der Form des Leuchtzylinders
entspricht. Ein derartiger Scheinwerfer hat aber eine sehr schlechte Ausnutzung
der Gesamtstrahlung des Lichtzylinders.-Um auf einen hohen Wirkungsgrad zu kommen,
ruß die Spiegelöffnung erhöht werden. Wir betrachten den Grenzfall eines Parabolspiegels
13 mit einem öffnungswinkel - von i&o°. Durch diese Erhöhung der Öffnung geht
die rechteckige Querschnittsform dies. Scheinwerferkegels. und die homogene Verteilung
der Beleuchtungsstärke innerhalb desselben verloren.: Fig. 2a und 2b veranschaulichen
diese Verhältnisse. Die entstehende Verzerrung des Bündelquerschnitts iq. und die
stark inho@mogene Lichtverteilung 16 innerhalb desselben .ist, auf zwei Ursachen
zurückzuführen: i. Der Leuchtzylinder erscheint bei großer Spiegelöffnung, von den
verschiedenen Punkten des Spiegels aus gesehen, unter verschieden großen Raumwinkeln,
so daß die nach der Spiegelung telczentrischen Elementarbündel 17, 18, i9 über den
Spiegelquerschnitt sehr unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen.
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z. Bei einem Parabolspiegel großer Öffnung entsteht durch die Spiegelung
eine über die Spiegelfläche veränderliche Verdrehung der von dem einzelnen Spiegelpunkten
nach dem Leuchtzylinder zielenden Elementarlichüleegel, z. B. 17, 18, i9. Diese
Verdrehung ist in Eig. 3 dargestellt für einen Parabolspiegel 13 mit iSo° Öffnung
und einen Leuchtzylinder, dessen Länge 1/1s des Spiegeldurchmessers beträgt und
dessen Durchmesser 1/s reiner Länge ist.
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Es sind bereits Beleuchtungssysteme vorgeschlagen @vonden, welche
es ermöglichen sollen, eine Fläche mit einer einzigen Lichtquelle in vorgeschriebener
Weisse, insbesondere mit einer gleichmäßigen Verteilung der Beleuchtungsstärke,
zu beleuchten. Bei solchen Vorrichtungen werden zwischen dem Hohlspiegel und der
zu beleuchtenden Fläche zwei Linsenrasterplatten in den Strahlengang eingeschoben.
Dabei sind die Brennweite und der Abstand der Einzellinsen der beiden Raster so
gewählt, daß die Linsen des ersten, näher zur Lichtquelle gelegenen Rasters die
Lichtquelle in die Linsen das zweiten Rasters abbilden, während die Linsen der zweiten
Platte ihrerseits die Linsen der ersten Plattre in die zu beleuchtende Fläche abbilden.
Bei den vorgeschlagenen Anordnungen sind aber .die Größe, die optischen Eigenschaften
und die Form der Berandung der Linsen mindestens innerhalb einer jeden Rasterplatte
identisch, und die Anordnung der Einzellinsen erfolgt über die Fläche der Rasterplatten
nach einem identischen Muster. Eine solche Vorrichtung ist deshalb nicht in der
Lage, die obenerwähnten Fehler auszugleichen, weil diese über die Ausdehnung des
vom Hohlspiegel ausgehenden Gesiamtbündelsy also auch über die Ausdehnung der Rasterplatte,
verschieden groß sind. Eine homogene Ausleuchtung der zu beleuchtenden Fläche unter
gleichzeitiger vollständiger Ausnutzung des von: der Lichtquelle erzeugten Lichtstroms
und bei möglichst raumsparender Anordnung der Vorrichtung ist deshalb nicht möglich.
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Insbesondere ist es nicht möglich, die vorgeschriebene oder konstante
Beleucbtun:gsverteilung auf der Fläche zu: erreichen, wenn der Hohlspiegel zur möglichst
vollständigen Ausnutzung des Lichtstromes der Lichtquelle einen sehr großen Aufnahmewinkel
besitzt und wenn außerdem zur Ausleuchtung einer Fläche von ausgeprägt länglicher
Form eine Lichtquelle mit einer strahlenden Fläche von ähnlich länglicher Form verwendet
werden soll. In diesem Fall sind infolge der oben beschriebenen Wirkung des Hohlspiegels
die von den Linsen _ des ersten Rasters in den Linsen des zweitem. Rasters erzeugten
Bilder der Lichtquelle über die Fläche der Rasterplatte in der Größe veränderlich
und erscheinen außerdem in verschieden starkem Maß abhängig von ihrem Ort auf der
J2astcrplatte gegeneinander verdreht. Dadurch überlappen sich entweder die Bilder
oder sie sind durch unbeleuchtete Zwischenräume voneinander getrennt,
und
zwar in verschieden starkem Maß abhängig von ihrem Ort auf der Rasterplatte. Die
überlappung der Bilder bewirkt einen Verlust an Lichtstrom und damit an Wirkungsgrad.
Wird jedoch die Vorrichtung so ausgelegt, daß keine überlappung auftritt, was auf
eine unnötige Größe der Vorrichtung hinausläuft, so wird gleichzeitig eine schlechte
Ausnutzung der Linsen des Rasters an den Stellen in Kauf genommen, an. welchen die
Zwischenräume auftreten.
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Die vorliegende Erfindung gibt nun ein solches Beleuchtungssystem
an, welches es gestattet, die homogene Ausleuchtung einer Fläche oder eines Objektes
bei geringstem Raumaufwand und höchstmöglichem Lichtwirkungsgrad zu bewirken und
gleichzeitig die durch die Verwendung eines Hohlspiegels von sehr großem Aufnahmewinkel
und einer Lichtquelle von ausgeprägt länglicher Form auftretenden störenden Effekte
zu kompensieren.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsvorrichtung
zur Ausleuchtung einer Fläche mit vorgeschriebener Bera:ndung mit einem Hohlspiegel
sehr großer Öffnung und einem Linsenrastersystem mit zwei Gruppen von Linsen, wobei
die in einer ersten Ebene angeordneten Elementarlinsen der ersten Gruppe je einzeln
die Lichtquelle passend in die in mindestens einer zweiten, Ebene angeordneten Elementarlinsen
der zweiten Gruppe abbilden, während die Elementarlinsen der zweiten Gruppe die
zugeordneten Elemente der ersten Gruppe auf die zu beleuchtende Fläche abbilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Berandungen der Rasterelemente der ersten Gruppe
nach Größe und Form den von den einzelnen Elementarlichtröhren zu beleuchtenden
Flächenteilen entsprechen, während die Berandungen der Rasterelemente der zweiten
Gruppe nach Größe und Form den von den zugeordneten Elementen der ersten Gruppe
entworfenen Lichtquellenbildern angepaßt sind.
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Fig. 4a bis 4c, 5 bis 7 und 8 a bis 8 d veranschaulichen Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Gegenstandes.
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Fig. 4a bis 4c stellen den Fall ,eines rechteckigen Scheinwerferkegels
mit konstanter Beleuchtungsstärke über den Kegelquerschnitt dar. Die homogen ausgeleuchtete
Fläche, ein unendlich großes: Rechteck, liegt in diesem Fall im Unendlichen. Die
die Rasterplatten I und II bildenden Linsen 27, 28 der ersten und zweiten Gruppe
sind darstellungsgemäß im ursprünglich telezentrischen Strahlengang des Scheinwerferkegels
angeordnet. Durch die Elementarlinsen 27 der ersten Platte wird der gesamte aus
dem Parabolspiegel austretende Lichtstrom in einzelne Elementarlichtröhren zerlegt,
wobei für das vorliegende Beispiel die Apertur sämtlicher Röhren gleich groß sein
muß.
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Diese Aufgabe wird durch das Rastersystem in folgender Weise gelöst:
Die erste Rasterplatte 25 enthält Elementarlinsen a7, deren Berandungen nach Form
und Größe durch die gewünschte Querschnittsform der Elementarbündel des Scheinwerferkegels
gegeben sind. Die Linsen der ersten Rasterplatte erzeugen in ihrer Brennebene so
viele Bilder der Lichtquelle wie Elementarlinsen vorhanden sind. In der Brennebene
der ersten Rasterplatte befindet sich die zweite Rasterplatte 2-6, -welche Linsen
28 enthält, deren Berandungeri nach Form und Größe den von den Elementarlinsen der
ersten Platte entworfeenenLichtquellen bi:ldern entsprechen. Jede Elementarlinse
der zweiten Platte bildet die zugeordnete Linse der ersten Platte ins Unendliche
ab. Damit wird die Wirkung der über die Spiegeloberfläche veränderlichen Apertur
aufgehoben und die durch den Parabolspiegel bewirkte Drehung der elementaren Lichtquellenbilder
unschädlich gemacht.
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Die Beleuchtung des unendlich fernen Rechtecks ergibt sich als Superposition
der Abbildungen sämtlicher Elementarlinsen der ersten Rasterplatte durch die Linsen
der zweiten Rasterplatte.. Da jede Linse der ersten Platte von der entsprechenden
Linse der zweiten Platte aus betrachtet als homogen leuchtende Fläche erscheint,
ist auch das unendlich ferne Rechteck homogen beleuchtet, was einer konstanten Lichtstärke
über den Kegelquerschnitt entspricht.
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Ist die Lichtquelle von ungefähr kreisförmiger Form und ist der Öffnungswinkel
des Parabolspiegels nicht allzu groß, d. h. kleiner als etwa 6o°, so tritt die oben
geschilderte Verzerrung und die in Fig.3 gezeigte- Verdrehung der Dündelquerschnitte
praktisch nicht störend in Erscheinung. Man kann deshalb auf beiden Rasterplatten
Einzellinsen von gleicher Größe und Berandung verwenden. Je nachdem, ob ein paralleles
Bündel z. B. in einem Scheinwerfer oder ein konvergentes Bündel z. B. zur Beleuchtung
des Bildfensters eines Projektors erzeugt werden soll, sind dann die Verbindungslinien
der Mittelpunkte der zusammengehörigen Einzellinsen auf beiden Platten parallel
oder konvergieren auf einen gemeinsamen Schnittpunkt hin. Dem Verlauf dieser Mittellinien
entspricht auch der Verlauf der Zentralstrahlen der zugehörigen Elementarlichtröhren.
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Ist jedoch die Lichtquelle von ausgeprägt Jänglicher Form und besitzt
der Hohlspiegel einen entsprechend großen Öffnungswinkel, so ist dies nicht möglich.
Die von den einzelnen Linsen der ersten Rasterplatte entworfenen Bilder zeigen eine
Verzerrung und Verdrehung, wie dies bereits im Zusammenhang mit Fig.3 näher erläutert
wurde. Um zu vermeiden, daß die in der zweiten Rasterplatte durch die Linsen der
ersten Platte entworfenen Bilder entweder in der Mitte der zweiten Platte überlappen
oder am Rande durch große nicht erleuchtete Zwischenräume getrennt sind, müssen
die elementarem, Lichtröhren so abgelenkt werden, daß die Lichtquellenbilder über
die ganze zweite Rasterplatte ohne Zwischenräume aneinander anschließen. Das überlappen
der Bilder in der Mitte würde einen Verlust an Licht nach sich ziehen.. Den Zwischenräumen
zwischen den Bildern am Rand der Platte dagegen würde eine schlechte Ausnutzung
der Linsen entsprechen, was Platzverschwendung und unnötige Größe der Beleuchtungsvorrichtung
bedeuten würde.
Infoibge derabweichendenGrößederLichtquellenbilder
in der zweiten Platte können die Berandungen der Einzelhnsen in dieser nicht mehr
Übereinstimmen. Die Größe der Linsen muß von der Mitte der Platte zu den Rändern
hin abnehmen, und außerdem müssen die Berandttngen der Linsen entsprechend der Verdrehung
der Lichtröhren ebenfalls gegen die ursprüngliche Lage der Lichtquelle verdreht
sein, um den vollen Lichtstrom der zugehörigen Lichtröhre und nur diesem aufzunehmen.
Zu dem gleichmäßig rechteckigen, durch die Berandungen der Linsen in: derersten
Platte 2,5 gebildeten Muster, wie dies in Fig. 4. a und 4 b unter I-I gezeigt
ist, gehört nun eine Verteilung der Beran-Jungen über die zweite Platte
26, wie sie in Fig. 4 a und 41) unter II-II gezeigt ist. Damit die von den
Einzellinsen 227 der ersten Platte erzeugten Lichtröhren jeweils die zugehörige
Linse 28 der zweiten Platte treffen, müssen die Lichtröhren. zwischen den Platten,
wie bereits oben erwähnt, der Richtung des. aus dem durch den vom Hohlspiegel erzeugten
ursprünglichen, parallelen oder konvergenten Strahlengang abgelenkt werden. Um hinter
der zweitenRasterplatted.esen ursprünglichen Strahlengang wiederherzustellen, müssen
die Linsen der zweitem Platte diese Ablenkung wieder anisgleichen.
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Sowohl die Ablenkung der Lichtröhren in der ersten Platte als auch
der Ausgleich dieser Ablenkung durch die Linsen der zweiten Platte kann in einfacher
Weise durch Anwendung kombinierter Prismenlinsen geschehen, welche Anordnung in
Fig. 5 dargestellt ist. An Stelle der Prismenlinsen 29, 30 können auch exzentrische
Linsenelemente für die Ablenkung angewendet werden.
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Die Größe,der ausgeleuchteten Fläche kann, veränderlich gemacht werden,
indem die Linsen der zweitem. Gruppe auf zwei Rasterplatten, angeordnet werden,
wobei, die eine Platte positive, die andere negative Linsenelemente enthält. DieseVerhältnisse
gehen aus Abb. 6 hervor, wo die Rasterplatte 2.5 die Linsen 3 i der ersten. Gruppe
enthält, während in 26' und 26" die auf zwei Platten verteilten Linsen 32,33 der
zweiten Gruppe enthaltenen. sind. Die- resultierende Brechkraft der positiven und
negtivem. Elementarlinsen isst so, abgestimmt, daß die zugeordneten Elementarlinsen
der ersten Gruppe durch die Linsenkombination der zweiten Gruppe ins Unendliche
abgebildet werden.
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Zur Vergrößerung der ausgeleuchteten Fläche werden die Platten der
zweiten Gruppe gegeneinander verschoben. Dieses Verfahren ist in. einwandfreier
Form nur möglich, wenn die optischen. Achsen der Teilsysteme parallel zueinander
liegen, da sonst beim Verschieben damit gerechnet werden muß, daß die Lichtröhren
nicht mehr richtig relativ zu denn Linsen liegen. Dies wird ohne weiteres klar,
wenn man sich in Abb. 5 die Platte 26 gegen 25 verschoben denkt.
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Besonders vorteilhaft in bezug auf die maximale Vergrößerung der ausgeleuchteten
Fläche ist die Anwendung von Negativlinsen als Elemente der letzten Rasterplatte.
.Bei Verschiebung der ersten Platte II der zweiten Gruppe II', Il" gegen die erste
Rasterplatte 1 hin erreicht man damit eine sehr weitgehende Vergrößerung der ausgeleuchteten
Fläche, ohne daß dabei die Homogenität der Beleuchtungsstärke auf derselben gestört
wird. Fig. 7 zeigt den Strahlengang in diesem Fall.
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Soll eine Fläche mit ungleichmäßiger Lichtverteilung beleuchtet werden,
so wird dieselbe in Treppenform approximiert. Fig. 8 a bis 8 d veranschaulicht ein
Beispiel. Fig. 8 a und 8 c geben den kontinuierlichen Sollverlauf der Lichtverteilung
im Grund und Aufriß; wobei die charakteristischen Höhenkurven Li bis L5 eingezeichnet
sind. Fig. 8b und 8 d geben die gestufte Approximation wieder.
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Zur Erreichung dieses Resultates. wird die Berandungsform und Größe
der Elementarlinisen der ersten Gruppe, verschieden. ausgeführt, und zwar so, daß
bei Superposition der elementaren Bilder die treppenförmige Fig. 8d entsteht.
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Der Ausgleich der Treppenkurve kann durch Anwendung einer Streuscheibe
hinter der letzten Rasterplatte erfolgen.