EP0601389B1 - Leuchte mit lichtbeeinflussender Abdeckung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Leuchte mit einem Leuchtmittel, das eine längliche Lichterzeugungseinrichtung aufweist, einem Reflektor, der eine Austrittsöffnung aufweist, und einer lichtbeeinflussenden Abdeckung, die vor der Austrittsöffnung des Reflektors angeordnet ist, als Scheibe ausgebildet ist und auf ihrer dem Reflektor zugewandten Seite in Richtung auf den Reflektor vorstehende Strukturelemente aufweist.
• Leuchten dieser Art können zur Beleuchtung oder Ausleuchtung eines Raumes mit Kunstlicht verwendet werden. Bei derartigen Raumbeleuchtungen sind in den letzten Jahren Leuchtmittel entwickelt worden, die trotz relativ kleiner elektrischer Leistungen eine große Lichtausbeute gewährleisten. So kann mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von nur 70 Watt ein normaler Wohn- oder Arbeitsraum ausreichend erhellt werden. Beispielsweise werden hierfür Quecksilberdampf-Hochdrucklampen oder andere Halogen- oder Halogenid-Leuchtmittel verwendet.
• Derartige Leuchtmittel sind sehr hell. Diese Helligkeit wird beispielsweise durch einen Lichtbogen erzeugt und konzentriert sich auf einen kleinen Bereich, der allerdings nicht punktförmig ist, sondern länglich, also in eine Richtung eine größere Ausdehnung als in anderen Richtungen aufweist. Derartige Leuchtmittel müssen in der Regel waagerecht eingebaut werden, was unter anderem auf thermische Gründe zurückzuführen ist. Die längliche Ausdehnung läßt sich also nicht durch eine andere Anordnung des Leuchtmittels zum Verschwinden bringen. Die längliche Ausdehnung des Leuchtmittels führt, auch wenn sie nur sehr klein ist, zu einer ungleichmäßigen Lichtverteilung im Raum, die in vielen Fällen unerwünscht ist.
• Die Lichtverteilung läßt sich durch die Form des Reflektors beeinflussen. In vielen Fällen ist es möglich, das Licht durch einen sogenannten Freiformreflektor in der gewünschten Art und Weise zu verteilen. Derartige Freiformreflektoren sind aber sehr aufwendig in der Konstruktion. Ihr Anwendungsgebiet ist in der Regel auf ein bestimmtes Leuchtmittel beschränkt. Als Vereinfachung ist vorgeschlagen worden (DE 37 40 901 A1), dem Reflektor eine reflektierende Oberfläche zu geben, die aus verschiedenen Abschnitten zusammengesetzt ist. Im Zusammenhang mit Projektionssystemen sind weitere Reflektoren vorgeschlagen worden (DE 30 27 774 C2, DE 30 27 719 A1), die über eine Aufteilung der Reflektionsfläche in mehrere ringförmige Bereiche, die auf verschiedenen Konturen liegen, eine Vergleichmäßigung des projizierten Lichtes erreichen. Die Herstellung derartiger Reflektoren ist jedoch relativ aufwendig.
• Es ist ferner bekannt, die Reflektoren ohne die Abdekkung zu mattieren, wodurch sich eine bessere Lichtstreuung ergibt. Diese verwischt jedoch nur die scharfe Kontur des Leuchtmittels, kann die Ausleuchtung jedoch nicht im gewünschten Maß vergleichmäßigen. Außerdem ergibt sich hier ein vergrößerter Streulichtanteil, der dem Nutzlichtstrom fehlt, so daß der erzielte Vorteil, nämlich mit geringen elektrischen Leistungen eine ausreichende Beleuchtung sicherstellen zu können, zum Teil wieder verlorengeht.
• Eine weitere Leuchte ist aus FR 2 623 597 bekannt. Diese Leuchte weist als Abdeckung eine Pyramide oder einen Kegel auf, der mit seiner Grundfläche die Austrittsöffnung des Reflektors abdeckt. Ein Leuchtmittel ist so im Reflektor angeordnet, daß seine Längserstreckung im wesentlichen senkrecht auf der Grundfläche steht. Mit dieser Anordnung soll ein relativ helles und damit weit sichtbares Licht erzeugt werden können.
• US-A-2 732 488 zeigt eine Leuchte mit einem Reflektor, in dem eine als punktförmig angenommene Lichtquelle angeordnet ist. Die Austrittsöffnung des Reflektors ist durch eine Streuscheibe abgedeckt, die auf ihrer dem Reflektor zugewandten Seite in Richtung auf den Reflektor vorstehende Strukturelemente aufweist. Diese sind als Strahlen ausgebildet, die vom Mittelpunkt der Abdeckung radial nach außen gehen und dabei mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Flankenneigungen aufweisen. In der Nähe des Mittelpunkts sind diese Strukturelemente im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet, während sie im Bereich des Randes eine abgerundete Form aufweisen.
• Eine Leuchte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE-U-90 12 286 bekannt. Dort ist das Leuchtmittel mit der länglichen Lichterzeugungseinrichtung in der Mitte angeordnet und ringförmig von einem weiteren Leuchtmittel umgeben. Für beide Leuchtmittel sind getrennte Reflektoren vorgesehen. Beide Reflektoren sind von einer gemeinsamen Abdeckung abgedeckt, die in Richtung auf die Reflektoren vorstehende Strukturelemente aufweist. Mit dieser Leuchte soll eine Lampe geschaffen werden, die bei Einsparung von Energie eine bessere Ausleuchtung des Nah- und Fernbereichs ermöglicht.
• DE-A-27 48 981 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung für Fahrzeuge, bei der ein Reflektor von einer Lichtscheibe abgedeckt ist, die aus zwei aus Kunststoff gespritzten Schichten besteht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung auch bei einer nicht-punktförmigen Lichterzeugungseinrichtung erzeugen zu können.
• Diese Aufgabe wird bei einer Leuchte der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Strukturelemente als Tetraeder ausgebildet, die mit einer Spitze zum Mittelpunkt weisen, wobei eine Seite parallel zur Ebene der Scheibe angeordnet ist.
• Mit anderen Worten liegen also diese Seiten aller Tetraeder in einer Ebene. Diese Ebene steht senkrecht auf der Hauptachse des Reflektors. Durch die Ausbildung der Strukturelemente als Tetraeder steht nicht nur ein Keil in Richtung auf den Reflektor vor. Dieser Keil hat auch eine in Richtung zum Mittelpunkt abnehmende Höhe, wodurch sich eine doppelte Dreieckswirkung und damit eine entsprechende Brechung und Reflektion der Lichtstrahlen ergibt, die zur gewünschten Vergleichmäßigung der Helligkeit beiträgt. Die Strukturelemente haben Grenzflächen zur Luft bzw. zu dem den Raum zwischen Abdeckung und Reflektor ausfüllenden Medium, so daß beim Eintreten von Lichtstrahlen in die Strukturelemente eine Brechung der Lichtstrahlen erfolgt. Eine weitere Brechung erfolgt beim Austritt aus der Scheibe. Ein Teil der Strahlung tritt, je nach Auftreffwinkel, nicht in die Scheibe ein, sondern wird zum Reflektor zurück reflektiert, von wo er dann mit einem anderen Winkel auf die Scheibe auftrifft. Durch eine geschickte Auswahl der Strukturelemente, d.h. durch eine Anordnung der Grenzflächen, die das Reflektions- und Durchlaßverhalten der Scheibe so steuern, daß nur unter bestimmten Winkeln einfallendes Licht durchtreten kann, läßt sich nun eine sehr gleichmäßige Lichtverteilung im Raum und damit eine gleichmäßige Helligkeit der auszuleuchtenden Fläche gewährleisten.
• Hierbei ist bevorzugt, daß die Strukturelemente im wesentlichen kreisförmig um einen Mittelpunkt der Scheibe herum periodisch wiederkehrend angeordnet sind, wobei alle Strukturelemente jeweils mit zwei benachbarten Strukturelementen ohne Lücke zusammenstoßen und die Strukturelemente punktsymmetrisch um den Mittelpunkt der Scheibe herum angeordnet sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Scheibe ohne Beachtung der Ausrichtung zum Leuchtmittel verwendet werden kann. Dies erleichtert die Montage und die Wartung einer derartigen Leuchte ganz erheblich. Die Strukturelemente decken die Oberfläche der Scheibe, die der Austrittsöffnung des Reflektors zugewandt ist, so ab, daß keine Lücken zwischen benachbarten Strukturelementen verbleiben, durch die Lichtstrahlen ungebrochen durch die Scheibe hindurchtreten könnten. Zumindest auf einem Kreisring ist damit eine Struktur der Scheibe auf der dem Reflektor zugewandten Seite vorgegeben, die es ermöglicht, die Lichtverteilung durch wiederholtes Brechen und Reflektieren der Lichtstrahlen so zu gestalten, daß auf der anderen Seite der Scheibe die gewünschte gleichmäßige Lichtverteilung entsteht.
• Bevorzugterweise ist eine der Spitze gegenüberliegende Fläche als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet. Unabhängig von der Richtung, aus der die Lichtstrahlen auf den Tetraeder fallen, stellen sich die Tetraeder gleich dar. Auch dies trägt zu einer Vergleichmäßigung der Helligkeit bei.
• Hierbei ist es bevorzugt, daß die Fläche als ungleichseitiges Dreieck ausgebildet ist, dessen in der Ebene der Scheibe liegender Schenkel länger als die beiden anderen gleichlangen Schenkel ist. Dies begrenzt die Steilheit der Flanken des Tetraeders so, daß die gewünschte Brechung der einfallenden Lichtstrahlen erzeugt wird.
• Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das Dreieck zwei gleiche Winkel im Bereich von 20° bis 40° aufweist. Bei einer derartigen Neigung ist sichergestellt, daß das vom Reflektor einfallende Licht teilweise gebrochen und teilweise wieder in den Reflektor zurückreflektiert wird, von wo es erneut auf die Scheibe zurückreflektiert wird.
• Bevorzugterweise ist eine Anzahl n von Tetraedern vorgesehen, wobei $$\text{0,35 x r ≤ n ≤ 0,85 x r,}$$

  

  n eine ganze Zahl und r der Abstand der Fläche vom Mittelpunkt, ausgedrückt in Millimetern, ist. Mit dieser Maßnahme läßt sich die Höhe der einzelnen Tetraeder unterhalb eines vorbestimmten Maximalwerts halten. Je größer der Radius der Scheibe wird, desto mehr Tetraeder werden verwendet. Die Zahl der Tetraeder sollte allerdings in einem bestimmten, durch den obigen Ausdruck definierten Bereich bleiben, um die gewünschte Brechungswirkung sicherstellen zu können.
• Vorzugsweise ist zwischen den Spitzen der Tetraeder eine plane Fläche vorgesehen. Dies erleichtert die Fertigung. Die Struktur im Bereich des Mittelpunktes würde ansonsten zu fein werden. Die plane Fläche, in der keine Lichtstrahlen durch Tetraeder oder andere Strukturelemente gebrochen werden, ist hierbei an einer Position angeordnet, an der praktische keine parasitären Lichtstrahlen entweichen können.
• Bevorzugterweise ist die plane Fläche zumindest annähernd kreisförmig ausgebildet, wobei der Kreis einen Radius aufweist, der 10 % oder weniger des Abstandes der Fläche vom Mittelpunkt beträgt. Die plane Fläche ist damit relativ klein. Andererseits ist damit sichergestellt, daß die Struktur der Tetraeder bis zur Begrenzungslinie dieses Kreises nicht zu fein wird.
• Bevorzugterweise ist die dem Reflektor abgewandte Seite der Scheibe plan. Lichtstrahlen, die aufgrund der beim Eintritt erfolgten Brechung die Scheibe senkrecht durchqueren, treten ungebrochen aus der Scheibe aus. Lichtstrahlen, die eine Neigung haben, werden hier erneut gebrochen. Neben diesen optischen Effekten hat die Planheit dieser Austrittsseite der Scheibe den Vorteil, daß das Aussehen der Scheibe die Gestaltungsmöglichkeiten beim Einrichten eines auszuleuchtenden Raumes weniger stark beeinflußt.
• Vorteilhafterweise weist die Scheibe eine Dicke auf, die größer als die größte Höhe der Strukturelemente ist. Dies gibt einerseits die erforderliche Festigkeit der Scheibe. Andererseits ergeben sich dadurch für die Brechung der Lichtstrahlen und damit für die Vergleichmäßigung der Helligkeit optimale Verhältnisse.
• Mit besonderem Vorteil sind die Scheibe und die Strukturelemente einstückig ausgebildet. Beim Übergang von den Strukturelementen in die Scheibe erfolgt damit keine erneute Brechung. Außerdem läßt sich ein derartig monolitisch ausgebildeter Gegenstand relativ leicht fertigen, etwa durch Gießen, ohne daß weitere Bearbeitungsschritte erforderlich wären, wie etwa das Zusammensetzen der Strukturelemente und der Scheibe.
• Mit Vorteil ist die Scheibe als UV-Filter ausgebildet. Neben der Funktion der Vergleichmäßigung des Lichtes übt sie damit auch noch eine Schutzfunktion aus.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1

einen Querschnitt durch eine Leuchte,

Fig. 2

eine perspektivische Darstellung einer Scheibe und

Fig. 3

eine Draufsicht auf die Scheibe.

• Eine Leuchte 1 weist ein Leuchtmittel 2 auf. Das Leuchtmittel 2 weist eine Lichterzeugungseinrichtung 3 auf, die im vorliegenden Fall als Wendel dargestellt ist und die eine gewisse Ausdehnung in Längsrichtung hat. Die Ausdehnung in Längsrichtung ist hier aus Gründen der Anschauung übertrieben groß dargestellt. Das Leuchtmittel ist in einer Aufhängung 4 innerhalb eines Reflektors 5 aufgehängt. Der Reflektor 5 hat eine Querschnittsform, die einem Kegelschnitt entspricht, wie dies allgemein bekannt ist. Der Reflektor 5 hat eine Austrittsöffnung 6, die durch eine Scheibe 7 abgedeckt ist. Die Scheibe 7 ist auf ihrer dem Reflektor 5 zugewandten Seite mit einer Vielzahl von Strukturelementen in Form von Tetraedern 8 versehen. Die Tetraeder 8 haben Spitzen 9, die zum Mittelpunkt 10 der Scheibe 7 weisen. Die Tetraeder 8 sind auf einem Kreis um den Mittelpunkt 10 angeordnet und zwar so, daß die Grundflächen 11 aller Tetraeder in einer gemeinsamen Ebene liegen. Diese Ebene ist parallel zur Ebene der Scheibe, d.h. senkrecht zur Hauptachse 12 des Reflektors 5. Die verbleibenden drei Seiten 13, 14, 15 der Tetraeder 8 stehen in Richtung auf den Reflektor 5 vor. Die Fläche 15 des Reflektors, die dem Mittelpunkt 10, d.h. der Spitze des Tetraeders 8, abgewandt ist, bildet ein gleichschenkliges, aber ungleichseitiges Dreieck. Die beiden gleichen Winkel a, b haben im vorliegenden Fall eine Größe von etwa 30°. Unabhängig also, von welcher Seite aus Licht auf die Tetraeder 8 auftritt, wird dieses Licht in gleicher Weise gebrochen. Bei dem gewählten Winkel wird allerdings nicht das gesamte Licht gebrochen. Vielmehr wird ein Teil des Lichtes wieder zum Reflektor 5 zurückreflektiert, von wo es erneut zur Scheibe 7 gesandt wird, bis es auf die Tetraeder 8 in einem Winkel auftritt, der ein Eintreten des Lichtes in die Scheibe 7 erlaubt.
• Durch die Ausbildung der Strukturelemente als Tetraeder 8 ergibt sich nicht nur eine Neigung, die der Seitenlinien der Fläche 15 entspricht, sondern die Seiten 13, 14 sind auch nach innen hin geneigt, d.h. die Höhe der Strukturelemente nimmt mit abnehmendem Radius ab.
• Die Spitzen 9 der Tetraeder 8 sind nicht bis zum Mittelpunkt 10 geführt. Hier würde die Struktur so fein werden, daß sie nur unter großen Schwierigkeiten herstellbar wäre. Die Spitzen 9 der Tetraeder 8 lassen daher um den Mittelpunkt 10 herum eine plane Fläche 16 frei, die im wesentlichen die Form eines Kreises hat, wobei der Radius dieses Kreises 10 % oder weniger des Abstandes der Fläche 15 vom Mittelpunkt 10 hat. Die plane Fläche 16 ist also so klein, daß keine nennenswerten Lichtmengen mehr durch sie hindurchtreten und zu einer Verungleichmäßigung der Helligkeit im unter der Leuchte 1 liegenden Raum beitragen können.
• Die Scheibe 7 ist einstückig mit den Tetraedern 8 gebildet, d.h. die Scheibe 7 und die Tetraeder 8 zusammen bilden einen monolitischen Block aus einem lichtdurchlässigen Material. Dieses Material hat aber die zusätzliche Eigenschaft, daß es als UV-Filter dient, so daß problemlos ein Leuchtmittel 2 verwendet werden kann, in dessen Emissionsspektrum ein gewisser UV-Anteil vorhanden ist. Es können also auch Quecksilber-Hochdrucklampen verwendet werden.
• Die Scheibe 7 ist an ihrer Unterseite 17 plan.
• Im vorliegenden Fall sind 36 Tetraeder 8 dargestellt. Die Anzahl der Tetraeder richtet sich nach dem Radius der Scheibe. Je größer der Radius der Scheibe ist, desto größer ist auch die Anzahl der Tetraeder, wobei man die Anzahl n nach folgender Formel abschätzen kann: $$\text{0,35 x r ≤ n ≤ 0 85 x r}$$

  

  wobei r in Millimetern eingesetzt wird und n natürlich eine ganze Zahl bildet. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn n eine durch 2 oder durch 4 teilbare Zahl ist.
• Die Tetraeder 8 sind rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt 10 herum angeordnet, d.h. sie bilden eine in Umlaufrichtung um den Mittelpunkt 10 herum periodisch wiederkehrende Struktur. Es ist also unerheblich, in welche Orientierung man die Scheibe 7 und den Reflektor 5 zusammenbaut.
• Die größte Höhe der Tetraeder 8, d.h. die Höhe der Fläche 15, ist kleiner als die Dicke der Scheibe 7 ohne Tetraeder 8. Dies führt einerseits zu einer gewissen mechanischen Stabilität der Scheibe 7. Andererseits wird damit ein Brechungsverhalten erreicht, daß das austretende Licht sehr stark vergleichmäßigt.

Claims (12)

1. Leuchte mit einem Leuchtmittel (2), das eine längliche Lichterzeugungseinrichtung (3) aufweist, einem Reflektor (5), der eine Austrittsöffnung (6) aufweist, und einer lichtbeeinflussenden Abdeckung (7), die vor der Austrittsöffnung (6) des Reflektors (5) angeordnet ist, als Scheibe (7) ausgebildet ist und auf ihrer dem Reflektor (5) zugewandten Seite in Richtung auf den Reflektor (5) vorstehende Strukturelemente (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente als Tetraeder (8) ausgebildet sind, die mit einer Spitze (9) zum Mittelpunkt (10) weisen, wobei eine Seite (11) parallel zur Ebene der Scheibe (7) angeordnet ist.
2. Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (8) im wesentlichen kreisförmig um einen Mittelpunkt (10) der Scheibe herum periodisch wiederkehrend angeordnet sind, wobei alle Strukturelemente (8) jeweils mit zwei benachbarten Strukturelementen ohne Lücke zusammenstoßen und die Strukturelemente punktsymmetrisch um den Mittelpunkt (10) der Scheibe (7) herum angeordnet sind.
3. Leuchte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Spitze (9) gegenüberliegende Fläche (15) als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet ist.
4. Leuchte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (15) als ungleichseitiges Dreieck ausgebildet ist, dessen in der Ebene der Scheibe (7) liegender Schenkel länger als die beiden anderen gleichlangen Schenkel ist.
5. Leuchte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreieck zwei gleiche Winkel (a, b) im Bereich von 20° bis 40° aufweist.
6. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl n von Tetraedern (8) vorgesehen ist, wobei $$\text{0,35 x r ≤ n ≤ 0,85 x r,}$$

   

   n eine ganze Zahl und r der Abstand der Fläche (15) vom Mittelpunkt (10) ist.
7. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spitzen (9) der Tetraeder (8) eine plane Fläche (16) vorgesehen ist.
8. Leuchte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die plane Fläche (16) zumindest annähernd kreisförmig ausgebildet ist, wobei der Kreis einen Radius aufweist, der 10 % oder weniger des Abstandes der Fläche (15) vom Mittelpunkt (10) beträgt.
9. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Reflektor (5) abgewandte Seite (17) der Scheibe (7) plan ist.
10. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (7) eine Dicke aufweist, die größer als die größte Höhe der Strukturelemente (8) ist.
11. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (7) und die Strukturelemente (8) einstückig ausgebildet sind.
12. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (7) als UV-Filter ausgebildet ist.

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