Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung,

Bremerhaven, Deutschland

Bezeichnung

Reflektorstrahler

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reflektorstrahler, der der Erzeugung eines in eine Hauptabstrahlrichtung gerichteten Strahls dient, mit einem kombinierten Reflektor. Dieser setzt sich aus zwei oder mehr verspiegelten Rotationsellipsoidenabschnitt und einem zentralen Hohlspiegel zusammen. Jeder Rotationsellipsoidenabschnitt ist aus einem Rotationsellipsoiden gebildet, der in einer durch beide Brennpunkte verlaufenden Längsschnittebene und in einer dazu senkrecht zwischen seinem Mittelpunkt und einem seiner Brennpunkte verlaufenden

Querschnittebene geschnitten ist. Dabei liegt der eine Brennpunkt innerhalb und der andere Brennpunkt außerhalb jedes Rotationsellipsoidenabschnitts. Der Hohlspiegel ist aus einem zumindest einen Brennpunkt aufweisenden, in einer Schnittebene geschnittenen Hohlkörper gebildet. Rotationsellipsoidenabschnitte und Hohlspiegel weisen jeweils eine Öffnung auf, die einander entgegengerichtet angeordnet sind. Die außerhalb liegenden Brennpunkte der Rotationsellipsoidenabschnitte und der Brennpunkt des Hohlspiegels fallen zusammen. Die Rotationsellipsoidenabschnitte sind gleichmäßig um den zentralen Hohlspiegel herum angeordnet. Weiterhin umfasst der Reflektorstrahler eine gegenüber dem Hohlspiegel auf der Seite der Rotationsellipsoidenabschnitte angeordnete

Apertur, zumindest zwei, jeweils im innerhalb des Rotationsellipsoidenabschnitts liegenden Brennpunkt angeordnete Strahlungsquellen mit bekannter Abstrahlcharakteristik und weitere innere VerSpiegelungen.

Derartige Reflektorstrahler weisen eine besonders hohe Lichtausbeute bezie- hungsweise geringe Verluste durch Streuung auf. Alle Strahlen, die von der Strahlungsquelle ausgehen und den verspiegelten Rotationsellipsoidenabschnitt treffen, werden in den zweiten Brennpunkt des Rotationsellipsoiden und damit in den Brennpunkt des Hohlspiegels reflektiert. Der Hohlspiegel reflektiert das Licht in einem kollimierten Strahl in Hauptabstrahlrichtung durch die Apertur. Bereits bei einer Lichtquelle kann die Strahlkollimierung zu einer Intensitätserhöhung führen. Insbesondere kann mit derartigen Reflektorstrahlern das Licht von mehreren, in der Regel lichtschwächeren Strahlungsquellen zu einem einzigen starken Strahl gebündelt werden. Derartige Anordnungen können für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen einen hohe Lichtausbeute bei vorgegebenen Abstrahlwinkeln von Vorteil ist.

Stand der Technik Die US 2005/0094402 A1 offenbart einen als Autoscheinwerfer einsetzbaren Reflektorstrahler, bei dem ein Spiegel in Form eines Rotationsellipsoidenabschnitts mit einer Strahlungsquelle in dem einen vorhandenen Brennpunkt so hinter einem weiteren Hohlspiegel, der als Paraboloidenabschnitt ausgebildet ist, angeordnet wird, dass die Brennpunkte des Rotationsellipsoidenabschnitts und des Paraboloidenabschnitts in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur

Mittellinie des Rotationsellipsoidenabschnitts liegen. Dadurch werden alle

Strahlen der Strahlungsquelle von dem Rotationsellipsoidenabschnitt in den Paraboloidenabschnitt reflektiert, der aus einem Rotationsparaboloiden durch Abschneiden seines geschlossenen Endes entsteht, sodass sich zwei parallele Öffnungen ergeben. Durch Anordnung eines weiteren ebenen Spiegels in der Mittelachse des Paraboloidenabschnitts wird eine Anzahl von Strahlen, die von der nicht punktförmigen sondern in der Länge ausgedehnten Strahlungsquelle ausgehen, zusätzlich in den oberen Teil des Paraboloidenabschnitts reflektiert und verstärken den bei Kraftfahrzeugen gewünschten Abblendlichteffekt, indem der Hauptstrahl leicht nach unten auf die Straße gerichtet ist. Diese Form des Scheinwerfers erzeugt in der Mitte des Strahls aber eine kreisförmige Dunkelzone vom Durchmesser des abgeschnittenen Endes des Paraboloidenabschnitts und weist damit trotz der mit der Entfernung zunehmenden Diffusion keine

gleichmäßige Ausleuchtung auf.

Aus JP 2003065805 A ist ein im Aufbau ähnlicher Reflektorstrahler mit zumindest zwei Strahlungsquellen, mehreren den Strahlungsquellen zugeordneten Rotationsellipsoidenabschnitten und einem zentralen Hohlspiegel bekannt, bei dem der zentrale Hohlspiegel jedoch aus einem konvexen Paraboloidenabschnitt gebildet wird. Somit weist die Öffnung des Hohlspiegels von der Apertur weg. Insbesondere am der Apertur gegenüberliegenden Scheitelpunkt des

Paraboloidenabschnitts ergeben sich schwierige Reflexionsverhältnisse aufgrund des nur virtuellen Brennpunkt innerhalb des Paraboloidenabschnitts. Eine

Abstrahlung in die gewünschte Hauptabstrahlrichtung ist hier schwer umsetzbar. Des Weiteren kann der zentrale Hohlspiegel nur als Paraboloid mit einem einzigen Brennpunkt ausgeführt sein, da bei Verwendung einer ellipsoiden Kontur die Strahlen aus dem zweiten virtuellen Brennpunkt divergieren in die

Rotationsellipsoidenabschnitte würden. Des Weiteren sind die Strahlungsquellen auf einem Kegelstumpf und damit zum Hohlspiegel verkippt angeordnet. Dabei zeigt die Verkippung aber vom virtuellen Brennpunkt des konvexen Hohlspiegels weg, es ergibt sich ein stumpfer Kippwinkel von über 180°. Eine Verkippung der Rotationsellipsoidenabschnitte bzw. deren Längsschnittebenen gegenüber der Schnittebene des paraboloiden Hohlspiegels wird nicht gelehrt. Ebenso werden alle Komponenten des Reflektorstrahlers nur einzeln und schematisch dargestellt, ein diese verbindendes Gehäuse, das weitere Verspiegelungen aufweist, wird nicht offenbart.

Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der DE 10 2006 044 019 A1 offenbart, deren vollständiger Offenbarungsgehalt in die vorliegende Erfindung einfließen soll. Bei dem bekannten Reflektorstrahler mit den eingangs aufgezählten Merkmalen liegen jedoch die Längsschnittebenen der Rotationsellipsoidenabschnitte und die Schnittebene des zentralen Hohlspiegels in einer gemeinsamen Grundebene, in der auch alle Brennpunkte der genannten

Komponenten liegen. Dadurch ergibt sich eine starre Konstellation zwischen den genannten Komponenten, die keine Effizienzsteigerung mit einfachen Mitteln zulässt. Weiterhin ist der gewölbte zentrale Hohlspiegel aus einem beliebigen Hohlkörper mit konkaven Spiegelflächen mit zumindest einem Brennpunkt in der Schnittebene gebildet. Des Weiteren können die Begrenzungsflächen der Rotationsellipsoidenabschnitte und des zentralen Hohlspiegels des bekannten Reflektorstrahlers zur Reflexion von ungenutzter, nicht in die Hauptabstrahlrichtung abgestrahlte Strahlung verspiegelt sein, nicht aber die Apertur. Somit kann nur die gemeinsame Grundebene verspiegelt sein. Da diese jedoch parallel zur Querschnittsebene der Apertur verläuft, ergibt sich durch eine solche

Verspiegelungsmaßnahme keine wesentliche Effizienzsteigerung, da nur ein geringer Teil der divergierten Strahlung auf die Apertur gelenkt werden kann.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, eine solche Weiterbildung des bekannten Reflektorstrahlers anzugeben, mit der die Effizienz bei der Erzeugung eines in eine Hauptabstrahlrichtung gerichteten Strahls mit einfachen Mitteln noch weiter gesteigert werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Reflektorstrahlers sind in den Unteransprüchen aufgezeigt und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert. Der Reflektorstrahler ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Längsschnittebene der Rotationsellipsoidenabschnitte und die Schnittebene des Hohlspiegels in Abhängigkeit von der Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquellen unter gleichen oder unterschiedlichen Kippwinkel zwischen 0° und 90° im

Brennpunkt des Hohlspiegels zueinander angeordnet sind. Weiterhin sind die Apertur von einem ersten Ringreflektor und der Hohlspiegel von einem an seine Schnittebene in Richtung auf die Apertur anschließenden zweiten Ringreflektor als weitere innere Verspiegelungen umgeben. Dabei ist erfindungsgemäß der Wandverlauf des ersten und zweiten Ringreflektors so gestaltet, dass auftreffende Strahlen in die Hauptabstrahlrichtung des Reflektorstrahlers oder in den Bereich des Brennpunkts des Hohlspiegels reflektiert werden. Durch die erfindungsgemäße Verkippung der Rotationsellipsoidenabschnitte zum Hohlspiegel können verschiedene optische Charakteristiken der Strahlungsquellen effizienter genutzt werden. Dabei ist für eine optimale Anpassung die zugrunde liegende Abstrahlcharakteristik der verwendeten Strahlungsquelle zu berücksichtigen. Durch die erfindungsgemäße Verkippung jedes Rotationsellipso- idenabschnitts wird die Umgebung des Hohlspiegels segmentiert. Jedes Segment umfasst einen Rotationsellipsoidenabschnitt. Dabei kann der Kippwinkel für alle Rotationsboloidenabschnitte gleich sein, insbesondere wenn die zugehörigen Strahlungsquellen eine gleiche Abstrahlcharakteristik aufweisen. Ist dies nicht der Fall, kann jeder Rotationsellipsoidenabschnitt unter einem anderen Kippwinkel zum zentralen Hohlspiegel verkippt werden. Durch die Verkippung werden die auf die Rotationsellipsoidenabschnitte auftreffenden Strahlen in einem gegenüber einer ungekippten Anordnung deutlich günstigeren Winkel in den zentralen Hohlspiegel projiziert. Dies hängt damit zusammen, dass flach in die Rotationsellipsoidenabschnitte eingestrahlte Strahlen bei der Reflexion überwiegend nur den Randbereich des zentralen Reflektors treffen, in dem Abbildungsfehler zunehmen, die die Gesamteffizienz des Reflektorstrahlers vermindern. Bevorzugt und vorteilhaft liegt der Kippwinkel zwischen den Längsschnittebenen der Rotationsellipsoidenabschnitte und der Schnittebene des Hohlspiegels zwischen 20° und 45°. Besonders günstig für die Effizienz ist ein Kippwinkel zwischen 25° und 40°. Zur weiteren Effizienzverbesserung können in den gekippten Rotationsellipsoidenabschnitten bevorzugt und vorteilhaft auch noch die Strahlungsquellen geneigt angeordnet sein. Vorteilhaft und bevorzugt können daher die Strahlungsquellen in Abhängigkeit von der Abstrahlcharakteristik zur Schnittebene des Hohlspiegels unter gleichen oder unterschiedlichen Neigungswinkeln zwischen 0° und 80°, vorzugsweise zwischen 10° und 45°, insbesondere um 35°, geneigt sein. Dabei können wieder gleiche Neigungswinkel für Strahlungsquellen mit gleicher Abstrahlcharakteristik und unterschiedliche Neigungswinkel für Strahlungsquellen mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik gewählt werden. Die genannten be- vorzugten Kipp- und Neigungswinkel gelten insbesondere für bei der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft eingesetzte Leuchtdioden als Strahlungsquellen mit einer kegelförmigen Abstrahlcharakteristik von +/- 60° von der zentralen Abstrahlachse. Ansonsten können optimale Kipp- und Neigungswinkel in Abhängigkeit von der bekannten Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquelle vom Fachmann durch Simulationsrechnungen ermittelt werden. Im Gegensatz zu dem bekannten Reflektorstrahler mit unter stumpfen (>90°) Winkeln verkippten Strahlungsquellen werden die Strahlungsquellen bei der Erfindung unter spitzen (< 90°) Neigungswinkeln zur Schnittebene des Hohlspiegels verkippt. Bei dem Reflektorstrahler nach der Erfindung kann der Hohlspiegel vorteilhaft und bevorzugt paraboloid, sphärisch oder ellipsoid oder in linear ausgezogener Form davon ausgebildet sein. Bei einem sphärischen Hohlspiegel kann jeder beliebige Punkt innerhalb der Sphäre, aber außerhalb des Mittelpunkts

Brennpunkt sein (Strahlen, die durch den Mittelpunkt als Brennpunkt verlaufen, werden in sich zurückreflektiert). Bei der Erfindung ist festgelegt, dass der

Brennpunkt in der Schnittebene der Sphäre zur Bildung der Kugelschale liegt. Bei der linear ausgezogenen Form die genannten Wölbungen ergibt sich eine

Brennlinie als Verbindungslinie der Brennpunkte der Grundform. Dabei wird unter dem Begriff„linear ausgezogene Form" diejenige Formgebung verstanden, wenn gedanklich die paraboloide, sphärische oder ellipsoide Grundform entlang einer zentralen Achse aufgeschnitten und gleichmäßig lineare Verlängerungsstücke eingefügt werden. Es ergibt sich eine wannenförmige Form, deren Rundungen entsprechend paraboloid, sphärisch oder ellipsoid verlaufen. Ein zentraler Hohlspiegels (auch mit variabler Exzentrizität bei paraboloidem oder ellipsoidem Querschnitt) hat gegenüber einem konvexen Spiegel diverse Vorteile bezüglich des Reflexionsverhaltens, da keine virtuellen Brennpunkte genutzt werden und somit an der Spiegeloberfläche die Reflexion besser eingestellt werden kann. Dabei können Hohlspiegel auch räumlich relativ klein ausgeführt werden, da nur geringe Schnittanteile der vollständigen Paraboloid-, Sphären- oder Ellipsoidform genutzt werden. Weiterhin ist es möglich, bei einem solchen Hohlspiegel durch Wahl seiner Form als Ellipsoid einen weiteren Brennpunkt zu erzeugen, der dann an einen günstigen Ort gelegt werden kann. Alle Lichtstrahlen aus dem zentralen Hohlspiegel konvergieren um diesen Punkt. Dies ist besonders vorteilhaft für Linsensysteme und führt parallel dazu, dass nur eine relativ kleine Apertur benötigt wird. Die Form des Hohlspiegels kann wiederum in Abhängigkeit von der Abstrahlcharakteristik der eingesetzten Strahlungsquellen, aber auch von den gewählten Kipp- und Neigungswinkeln gewählt werden. Eine besonders hohe Ausbeute ergibt sich, wenn bevorzugt und vorteilhaft bei einem ellipsoiden Hohlspiegel der außerhalb des Hohlspiegels liegende zweite Brennpunkt innerhalb der Apertur oder oberhalb der Apertur außerhalb des Reflektorstrahlers liegt. Analog gilt für einen linear ausgezogenen ellipsoiden Hohlspiegel, dass die außerhalb des Hohlspiegels liegende zweite Brennlinie vorteilhaft in der Apertur liegt, die dann ebenfalls eine linear ausgezogene Form aufweist. Eine optimale Lichtausbeute ergibt sich außerdem, wenn die gesamte eingestrahlte Lichtmenge in die Hauptabstrahlrichtung des Reflektorstrahlers eingekoppelt wird. Vorteilhafterweise ist dazu bei einem paraboloiden, sphärischen oder ellipsoiden Hohl- spiegel eine zentrale Abstrahlachse oder bei einer ausgezogenen Form davon eine zentrale Abstrahlfläche des Hohlspiegels in die Hauptabstrahlrichtung ausgerichtet. Nähere Einzelheiten zu den zentralen Abstrahlachse bzw. der zentralen Abstrahlflächen der einzelnen Wölbungsformen sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Im Normalfall ist die Hauptabstrahlrichtung der Strahlungsquelle so gewählt, dass diese senkrecht zu der Ebene liegt, gegenüber der die

Verkippung der Rotationsellipsoidenabschnitte erfolgt. Durch eine Veränderung des Neigungswinkels der Strahlungsquelle kann erreicht werden, dass der Hauptabstrahlungskegel der Strahlungsquelle zu größeren Teilen auf den entsprechend zugeordneten Rotationsellipsoidenabschnitt trifft und damit weniger Strahlen über andere Wege genutzt werden müssen. Bei dem bekannten Reflektorstrahler können zwar innere Verspiegelungen vorgesehen sein, diese werden aber nicht weiter beschrieben und lassen aufgrund ihrer möglichen Anordnungen weiterhin einen Großteil der erzeugten Strahlen ungenutzt. Der größte Strahlanteil verlässt den Reflektorstrahler auf direktem Wege von der Strahlungsquelle zur Apertur. Strahlen, die stark von der Hauptab- Strahlrichtung abweichen, können kaum genutzt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Reflektorstrahler hat kein Strahl mehr die Möglichkeit, den Reflektorstrahler direkt von der Strahlungsquelle aus zu verlassen. Alle möglichen Abstrahlwinkel sind bei der Erfindung durch zusätzliche Spiegelflächen abgedeckt, die dafür sorgen, dass die Strahlung den Reflektorstrahler überwiegend kollimiert und parallel in Richtung der Hauptabstrahlrichtung verlässt. Es ist dafür ein erster Ringreflektor vorgesehen, der die Apertur umgibt. Eine besonders günstige Einkopplung bislang ungenutzter Randstrahlen in die Hauptabstrahlrichtung des Reflektorstrahlers ergibt sich, wenn bevorzugt und vorteilhaft zumindest der erste Ringreflektor einen paraboloiden Wandverlauf aufweist, wobei der Brennpunkt in der Apertur liegt.

Um keinen Lichtstrahl ungenutzt zu lassen, sind bei der Erfindung im Inneren des Reflektorstrahlers verspiegelte Stirnflächen besonderer Ausformung in Form des zweiten Ringreflektors integriert, die einen Teil dieser ungenutzten Strahlen in den zentralen Hohlspiegel umlenken, der diese dann in die Hauptabstrahlrichtung einkoppelt. Zur Lenkung der ungenutzten Strahlen in den zentralen Hohlspiegel ist es besonders vorteilhaft und bevorzugt, wenn der zweite Ringreflektor zumindest abschnittsweise einen paraboloiden oder ellipsoiden Wandverlauf aufweist, wobei der Brennpunkt im Bereich des innerhalb des Hohlspiegels liegenden Brennpunkts liegt. Dabei kann es aus herstellungstechnischen

Gründen vorteilhaft sein, wenn der Wandverlauf zumindest abschnittsweise (insbesondere im Gebiet des paraboloiden oder ellipsoiden Verlaufs) aus mehreren geraden, winklig aneinanderstoßenden Flächen zusammengesetzt ist. Mit dem zweiten Ringreflektor mit einem zumindest abschnittsweise paraboloiden oder ellipsoiden Wandverlauf kann insbesondere Strahlung für einen LED- Abstrahlwinkel von 65° bis 70° deutlich besser genutzt werden. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass Anpassungen an die Abstrahlcharakteristik der verwendeten Strahlungsquellen zu einer optimierten Lichtausbeute führen. Dies gilt auch für die Ausformung des zweiten Ringreflektors in seinem Verlauf in der Radialebene zur Hauptabstrahlrichtung. Deshalb kann der zweite Ringreflektor einen Querschnittsverlauf aufweisen, der entsprechend der Anzahl der vorhandenen Lichtquellen ellipsoide Ausbuchtungen aufweist. Es ergibt sich ein Querschnittsverlauf nach Art eines vielblättrigen Kleeblatts. Dann werden alle Strahlen, die von der Strahlenquelle divergent verlaufen auch dann erfasst, wenn sie vom Brennpunkt des zentralen Hohlspiegels abweichen. Durch die Einbettung des zentralen Hohlspiegels und der Rotationsellipsoidenabschnitte in einen Gehäuseblock entsteht im Inneren des Reflektorstrahlers eine komplexe Konturierung. Diese ermöglicht es, dass der erste und zweite Ringreflektor nicht als eigenständige Komponenten zusätzlich eingebaut werden müssen, sondern bevorzugt und vorteilhaft von verspiegelten Wandungen im Inneren des Reflektorstrahlers gebildet werden können. Weitere Verspiegelungen von Innenflächen können noch zusätzlich vorgesehen sein. Weitere Einzelheiten hierzu sind ebenfalls den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Neben den Optimierungsmaßnahmen durch Verkippung der Reflexionsebenen und durch zusätzliche Ringreflektoren kann der Reflektorstrahler nach der Erfindung in seiner Abstrahleffizienz auch noch durch konstruktive Optimierungen gesteigert werden. Bevorzugt und vorteilhaft ist es dabei, wenn die Apertur kleiner als der Rotationsellpsoidenabschnitt ist. Beispielsweise kann der Querschnitt der Apertur an der kleinsten Stelle kleiner sein als die Hälfte des Querschnitts des Rotationsellipsoidenabschnitts, gemessen zwischen den Körperkanten. Ein scharf gebündelter kombinierter Strahl in die Hauptabstrahlrichtung benötigt zum Austritt nur eine kleine Apertur. Auch ein zentraler Hohlspiegel mit einem ellipsoiden Verlauf, dessen zweiter Brennpunkt in die Apertur gelegt werden kann, begünstigt eine kleine Apertur. Vorteil einer kleinen Apertur ist die Möglichkeit groß dimensionierter Rotationsellipsoidenabschnitte, die damit einen Großteil der Strahlung in Richtung auf den zentralen Hohlspiegel projizieren können.

Hierdurch wird die Effizienz weiter gesteigert und der kleine blinde Reck im Zentrum der Projektion wird kleiner. Durch eine Anpassung des Aperturdurchmessers (kleinster Durchmesser des paraboloiden ersten Ringreflektors) an den Durchmesser des zweiten Ringreflektors kann die Effizienz durch die maximale Ausnutzung des zentralen Hohlspiegels (Strahlengangsoptimierung) noch gesteigert werden. Weiterhin hängt die Effizienz des beanspruchten Reflektor- Strahlers auch von der Auslegung der Rotationsellipsoidenabschnitte ab. Eine Optimierung kann hier erreicht werden, wenn die Rotationsellipsoidenabschnitte ein Verhältnis ihrer kleinen Radien zu ihren großen Radien in einem Bereich von 1 :1 ,4 bis 1 :1 ,7 aufweisen, bevorzugt mit R1 = 40 mm und R2=28 mm. Dies gilt insbesondere bei einem Neigungswinkel von LEDs als Strahlungsquelle von 35° und bei einem Radius des sphärischen Hohlspiegels von 32,5 mm... bevorzugt mit R1 = 40 mm und R2=28 mm bei einem Modellskalierungsfaktor von 2

(Übertragung vom Modell auf die konkrete Ausführung). Die Radien können aber in weiten Bereichen (R1 =20 mm mit R2=6 bis 18 mm; R1 =14 bis 26 mm mit R2=12 mm) gewählt werden bei einem Modellskalierungsfaktor von 1. Ein bevorzugtes Verhältnis bildet sich bei einem Modellskalierungsfaktor von 0,5 bis 10 und ist abhängig von der Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquellen, bevorzugt wird der Skalierungsfaktor von 2.

Der Reflektorstrahler nach der Erfindung kann beispielsweise für Signalanlagen oder für medizinische Leuchten, als Scheinwerfer für Fahrzeuge oder für Off- Shore-Systeme oder allgemein zum Unterwassereinsatz, beispielsweise für Tauchlampenköpfe, eingesetzt werden. Für derartige Anwendungsfälle ist eine kompakte Ausbildung mit guter Handhabbarkeit von großem Vorteil. Bevorzugt und vorteilhaft ist der Reflektorstrahler nach der Erfindung mehrteilig ausgeführt, wobei bei einer dreiteiligen Ausführung in einem Oberteil die Rotationsellipsoidenabschnitte, die Apertur und der erste Ringreflektor, in einem Mittelteil Ausnehmungen für die Strahlungsquellen und der zweite Ringreflektor und in einem Unterteil der Hohlspiegel angeordnet sind. In einer zweiteiligen Ausführungsform können Mittel- und Unterteil zu einem gemeinsamen Teil zusam- mengefasst sein. Weiterhin kann der Reflektorstrahler vorteilhaft und bevorzugt ein Deckelteil mit einer transparenten Abdeckung für die Apertur aufweisen. Zur weiteren Kollimierung des erzeugten Strahls ist es dabei vorteilhaft und

bevorzugt, wenn die transparente Abdeckung eine strahlmodifizierende Optik, beispielsweise eine Fresnelstruktur oder plan-konvexe Linsen mit glattem Rand oder konkav-konvexe Gläser, aufweist. Ebenso können weitere optische Linsen zur zusätzlichen Strahlbündelung vorgesehen sein. Für Unterwassereinsätze ist es vorteilhaft und bevorzugt, wenn Deckel-, Ober-, Mittel- und Unterteil druckdicht miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Schraubverbindungen mit Dichteinlagen. Schließlich können bei dem Reflektorstrahler nach der Erfindung vorteilhaft und bevorzugt als Strahlungsquellen Halogenlampen, Leuchtstofflampen, UV-Lampen oder Leuchtdioden (LED) eingesetzt werden. Es werden also mit dem Reflektorstrahler nach der Erfindung elektromagnetische Strahlen, in der Hauptsache Lichtstrahlen, reflektiert und gebündelt. Leuchtdioden haben eine höhere Lichtausbeute als Glühlampen, sie werden weniger heiß und haben eine entscheidend längere Lebensdauer. Dabei können sie ein- oder mehrfarbig ausgebildet sein und eine kegelförmige Abstrahlcharakteristik von +/- 60° von der zentralen Abstrahlachse aufweisen. Die Leuchtdichte der LEDs ist jedoch deutlich geringer als die von Glühlampen und so begründet sich der Einsatz von mehreren lichtschwächeren Lampen in einem gemeinsamen Reflektorstrahler nach der Erfindung. Weitere Details dazu sind den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele

Ausbildungsformen des Reflektorstrahlers nach der Erfindung werden nachfolgend zum weiteren Verständnis der Erfindung anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 eine perspektivische Gesamtansicht auf den Reflektorstrahler,

Figur 2A eine Seitenansicht des Reflektorstrahlers,

Figur 2B einen Längsschnitt durch den Reflektorstrahler,

Figur 2C ein Detail im Bereich des zweiten Ringreflektors,

Figur 3 einen Längsschnitt durch die einzelnen Komponenten des

Reflektorstrahlers in Explosionsdarstellung,

Figur 4A eine Seitenansicht des Oberteils des Reflektorstrahlers,

Figur 4B eine Innenansicht des Oberteils des Reflektorstrahlers,

Figur 4C eine Draufsicht auf das Oberteil,

Figur 4D einen Längsschnitt durch das Oberteil,

Figur 5A eine Innenansicht des Mittelteils des Reflektorstrahlers,

Figur 5B einen Längsschnitt durch das Mittelteil,

Figur 6A eine Innenansicht des Unterteils des Reflektorstrahlers,

Figur 6B einen Längsschnitt durch das Unterteil mit sphärischem

Hohlspiegel,

Figur 6C einen Längsschnitt durch das Unterteil mit paraboloidem

Hohlspiegel,

Figur 6D einen Längsschnitt durch das Unterteil mit ellipsoidem

Hohlspiegel und

Figur 7 den Strahlengang im Reflektorstrahler.

In einzelnen Figuren nicht gezeigte oder nicht erläuterte Bezugszeichen sind den vorher- oder nachfolgenden Figuren oder Erläuterungen zu entnehmen.

Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht des Reflektorstrahlers 01 nach der Erfindung. Zu erkennen sind ein Deckelteil 02, ein Oberteil 03, ein Mittelteil 04 und ein Unterteil 05 des Reflektorstrahlers 01. Im gewählten Ausführungsbeispiel sind fünf gleichmäßig um den zentralen Hohlspiegel herum angeordnete Rotationsellipsoidenabschnitte vorgesehen, wodurch sich im Mittelteil 04 die pentagonale Form ergibt. Dabei ist die Darstellung von fünf Rotationsellipsoidenabschnitten nur beispielhaft, gleichermaßen können auch zwei, drei, vier, sechs, sieben bis n Rotationsellipsoidenabschnitte vorgesehen sein, wobei deren Breite abnimmt. Ausführungsformen mit fünf, sechs oder sieben Rotationsellipsoidenabschnitten sind daher zu bevorzugen. Dargestellt sind auch Öffnungen 06 zum Einsatz von Schrauben zur Verbindung der einzelnen Komponenten miteinander.

In der Figur 2A ist der Reflektorstrahler 01 von der Seite dargestellt. Zu erkennen ist eine Wellenlinie im Mittelteil 04, die durch den Anschnitt bedingt ist, der die mehrstrahlige Symmetrie hervorbringt. Die Figur 2B zeigt einen Längsschnitt durch den Reflektorstrahler 01 entlang BB gemäß Figur 2A. Eingezeichnet ist eine axiale Hauptabstrahlrichtung 07, die im gewählten Ausführungsbeispiel mit der zentralen Achse des Reflektorstrahlers 01 übereinstimmt. Anders orientierte Hauptabstrahlrichtungen, durch eine Apertur 08 hindurchfallen, sind ebenfalls ohne Weiteres realisierbar. Oberteil 03, Mittelteil 04 und Unterteil 05 bilden zusammen einen kombinierten Reflektor 09. Dieser besteht im gewählten Ausführungsbeispiel aus fünf Rotationsellipsoidenabschnitte 10, die jeweils eine Öffnung 11 aufweisen. Die Bildungsgeometrie jedes Rotationsellipsoidenabschnitts 10 ist in Figur 5D aufgezeigt. Weiterhin besteht der kombinierte Reflektor 09 aus einem zentralen Hohlspiegel 12 im Unterteil 05 des Reflektorstrahlers 01. Weiterhin sind Ausnehmungen 13 im Mittelteil 04 mit Öffnungen 06 zur Befestigung dargestellt. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist in jeder Ausnehmung 3 eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine LED, mit einer Abstrahlrichtung in Richtung auf die Rotationsellpsoidenabschnitte 10 angeordnet. Im Oberteil 03 ist ein erster Ringreflektor 15 mit einem verspiegelten paraboloiden Wandverlauf 34 um die Apertur 09 herum angeordnet. Im Mittelteil 04 ist ein zweiter Ringreflektor 16 oberhalb der Schnittebene 17 des zentralen Hohlspiegels 12 angeordnet.

Zumindest in seinem oberen Bereich weist auch der zweite Ringreflektor 16 einen angenähert einen zumindest teilweise paraboloiden (oder auch ellipsoiden) Wandverlauf 34 auf, wobei der Brennpunkt 44 auf dem Brennpunkt 30 des Hohlspiegels 12 oder zumindest in dessen Bereich liegt. Sowohl der erste Ringreflektor 15 als auch der zweite Ringreflektor 16 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel von verspiegelten Wandungen 14 im Inneren des Reflektorstrahlers 01 gebildet. In der Figur 2C ist der im Ausführungsbeispiel dargestellte Wandverlauf im Detail dargestellt. Für eine vereinfachte Herstellbarkeit ist der

Wandverlauf der zweiten Ringreflektors 16 aus mehreren geraden Flächen 18 zusammengesetzt, die die unter stumpfen Winkeln (angedeutet mit x°, y°, z°) aneinander anschließen.

In der Figur 3 ist die Schnittdarstellung gemäß Figur 2B des Reflektorstrahlers 01 aus Deckelteil 02, Oberteil 03, Mittelteil 04 und Unterteil 05 dargestellt. Zu erkennen sind Spiegelflächen 20 der Rotationsellpsoidenabschnitte 10 im

Oberteil 03 und die Ausnehmungen 13 mit Öffnungen 06 im Mittelteil 04 des Reflektorstrahlers 01. Alle Teile werden durch Schraubverbindungen in den Öffnungen 06 unter Zwischenlage von Dichtelementen, im Ausführungsbeisp ^' iel O-Ringe (nicht dargestellt) in Nuten 47, druckdicht miteinander verbunden.

Weiterhin ist der erste Ringreflektor 15 im Oberteil 03 und der zweite Ringreflektor 16 im Mittelteil 04 oberhalb der Schnittebene 17 des zentralen Hohlspiegels 12 im Unterteil 05 dargestellt. Der zentrale Hohlspiegel 12 weist eine Öffnung 19 auf. Im Deckelteil 02 und im Oberteil 03 sind Ausfräsungen 21 zum Einlegen einer transparenten Abdeckung 45 (gestrichelt dargestellt) der Apertur 08 im Oberteil 03. Dabei dient die transparente Abdeckung 45 der Druckdichtung und weist im gewählten Ausführungsbeispiel eine den abgestrahlten gebündelten Lichtstrahl zusätzlich kollimierende Fresnelstruktur 46 auf.

Die Figur 4A zeigt das Oberteil 03 des Ringreflektors 01 in der Seitenansicht, die Figur 4B in der Innenansicht. Deutlich sind die fünf Spiegelflächen 20 der Rotationsellpsoidenabschnitte 10, die gleichmäßig um die Apertur 08 herum angeordnet sind, zu erkennen. Die Figur 4C zeigt eine Aufsicht auf das Oberteil 03. In der Figur 4D ist der Schnitt EE gemäß Figur 4C durch das Oberteil 03 dargestellt. Zu erkennen ist der erste Ringreflektor 15 mit dem paraboloiden Wand- verlauf. Dabei kann die Parabel unterschiedlich tief in die Apertur 08 eindringen. Der Scheitelpunkt der Parabel hat einen Abstand y vom Scheitelpunkt des Rota- tionsellpsoidenabschnitts 10, damit hat die Parabel eine Eindringtiefe z in die Apertur 08. Vorteilhaft ist es, den Brennpunkt 22 der Parabel in die Apertur 08 zu legen. Gebildet ist jeder Rotationsellipsoidenabschnitt 10 aus einem Rotationsellipsoiden 23, der in einer durch beide Brennpunkte 24, 25 verlaufenden Längsschnittebene 26 und in einer dazu senkrecht zwischen seinem Mittelpunkt 27 und einem seiner Brennpunkte 24, 25 (bevorzugt 25) verlaufenden Querschnittebene 28 geschnitten ist. Der Rotationsellpsoidenabschnitt 10 weist einen großen Ra- dius R1 und einen kleinen Radius R2 auf. Zwischen dem Mittelpunkt 27 und einem der Brennpunkte 24, 25 liegt der Abstand v. Die Längsschnittebene 26 ist zur Schnittebene 17 um n° im spitzen Kippwinkel 29 geneigt. Der Brennpunkt 25 des Rotationsellpsoidenabschnitts 10 ist gleichzeitig der Brennpunkt 30 des zentralen Hohlspiegels 12.

Die Figur 5A zeigt den Mittelteil 04 des Reflektorstrahler 01 in der Innenansicht. Zu erkennen sind fünf Ausnehmungen 13 mit jeweils zwei Öffnungen 06 zur Befestigung der Strahlungsquellen. Die Figur 5B zeigt den Schnitt JJ gemäß Figur 5A. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 13 und damit die LEDs (oder andere Strahlungsquellen) um n° in einem spitzen

Neigungswinkel 31 im Brennpunkt 30 des zentralen Hohlspiegels 12 gegenüber der Schnittebene 17 (die identisch ist mit der unteren Kante 32 des Mittelteils 05 nach dem Zusammenbau aller Teile) geneigt. Der Brennpunkt 30 ist um die Strecke s von einer zentralen Anordnung der LED in den Ausnehmungen 13 entfernt. Die Entfernung von der Ausnehmung 13 zur Spitze der LED bemisst die Strecke t.

Die Figur 6A zeigt eine Innenansicht des Unterteils 05 des Reflektorstrahlers 01 mit dem zentralen Hohlspiegel 12. Dieser kann im Querschnitt sphärisch, paraboloid oder ellipsoid ausgeführt sein. In der Figur 6B ist ein sphärischer

Hohlspiegel 2 mit dem Radius R und der Schnittebene 17 bei R/2 im Schnitt GG gemäß Figur 6A dargestellt. Die zentrale Abstrahlachse 33 des sphärischen Hohlspiegels 12 verläuft durch den Brennpunkt 30 des Kreises 35 und steht senkrecht auf der Schnittebene 17 durch den Kreis 35. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Brennpunkt 30 bei R/2. Er kann zwischen 0 und R liegen und ist definiert als der Schnittpunkt der Schnittebene 17 mit dem Radius R. Die Figur 6C zeigt den Schnitt mit einem paraboloiden Hohlspiegel 12. Die

Schnittebene 17 hat den Abstand u vom Scheitelpunkt der Parabel 36. Dabei ist u gleichzeitig der Abstand zum Brennpunkt 30. Die zentrale Abstrahlachse 33 des paraboloiden Hohlspiegels 12 verläuft durch den gewählten Brennpunkt 30

(Schnittpunkt Schnittebene 17 mit Radius R, beispielsweise bei R/2) und steht senkrecht auf der Schnittebene 17. Die Figur 6D zeigt den Schnitt mit einem ellipsoiden Hohlspiegel 12. Die Ellipse 37 hat den großen Radius R1 und den kleinen Radius R2. Der Abstand des Mittelpunkts 38 von der Schnittebene 17 bemisst die Strecke q. Die zentrale Abstrahlachse 33 verläuft durch den Mittel- punkt 38 und steht senkrecht auf der Schnittebene 17 bzw. verläuft durch die beiden Brennpunkte 30, 39 der Ellipse 37. Die zentralen Abstrahlachse 33 ist in der Regel mit der Hauptabstrahlrichtung 07 (vergleiche Figur 2B) kongruent, spezielle Anwendungsfälle können aber Winkelabweichungen erfordern

(vergleiche Figur 2B).

Der in verschiedenen Querschnittsformen ausführbare Hohlspiegel 12 ist in den Ausführungsbeispielen immer mit einem kreisförmigen Querschnitt in der anderen Ebene dargestellt. Ebenso sind aber ausgezogene Formen der verschiedenen Querschnitte in der anderen Ebene möglich. Die jeweilige eindimensionale Ab- Strahlachse durch den Brennpunkt wird dann lediglich zur zweidimensionalen Abstrahlfläche mit gleicher Ausrichtung mit einer entsprechenden Brennlinie erweitert. An den Reflexionsverhältnissen im Reflektorstrahler 01 ändert sich nichts. Ausgezogene Formen des zentralen Hohlspiegels sind insbesondere bei einer größeren Anzahl von Strahlungsquellen und damit von Rotationsellipsoiden- abschnitten aus Anordnungsgründen von Vorteil (vergleiche auch die der Erfindung nächstliegende DE 10 2006 044 019 B4). In der Figur 7 ist der Strahlengang im Reflektorstrahler 01 nach der Erfindung mit um den Kippwinkel 29 gekippten Rotationsellipsoidenabschnitten 10, erstem Ringreflektor 15 und zweitem Ringreflektor 16 am Schnitt BB gemäß Figur 2B dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, dass kein Lichtstrahl, der von der Strah- lungsquelle 40 ausgeht, den Reflektorstrahler 01 auf direktem Wege durch die Apertur 08 verlässt, sodass insbesondere auch ansonsten ungenutzte, diffuse Randstrahlen in die Hauptabstrahlrichtung 07 (vergleiche Figur 2B) eingekoppelt werden. In einem ersten Abstrahlwinkelbereich 41 werden die Strahlen vom zugehörigen Rotationsellipsoidenabschnitt 10 in den zentralen Hohlspiegel 12 und von dort durch den Brennpunkt 30 durch die Apertur 08 geleitet. In einem zweiten Abstrahlwinkelbereich 42 werden die Strahlen vom ersten Ringreflektor 15 durch die Apertur 08 geleitet. In einem dritten Abstrahlwinkelbereich 43 werden die Strahlen vom zweiten Ringreflektor 16 in den zentralen Hohlspiegel 12 und von dort durch die Apertur 08 geleitet. Dadurch wird der Abstrahlbereich der Strahlungsquelle 40 zu zumindest 80% ausgenutzt. Die verbleibenden 20% werden als diffuse Strahlung durch die Apertur 08 gelenkt und tragen nicht unbedingt zur Hauptabstrahlrichtung 07 bei. Die Angaben gelten aber bei einer Strahlungsquelle 40 mit einer idealen Halbkugelabstrahlung unter 180°. Richtcharakteristiken herkömmlicher Strahlungsquellen, beispielsweise LEDs, liegen jedoch bei +/- 60° von ihrer Hauptachse, sodass hier eine bessere Ausnutzung der ausgesendeten Strahlung durch den Reflektorstrahler 01 nach der Erfindung gegeben ist. Dieser weist damit eine besonders hohe Effizienz auf. Stark gebündelte Strahlen mit hoher Intensität können bei einer nur handgroßen Dimensionierung des Reflektorstrahlers 01 nach der Erfindung für verschiedene

Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Bezugszeichenliste

01 Reflektorstrahler

02 Deckelteil

03 Oberteil

04 Mittelteil

05 Unterteil

06 Öffnung

07 Hauptabstrahlrichtung

08 Apertur

09 kombinierter Reflektor

10 Rotationsellipsoidenabschnitt

11 Öffnung von 10

12 zentraler Hohlspiegel

13 Ausnehmung für 40

14 verspiegelte Wandung von 15, 16

15 erster Ringreflektor

16 zweiter Ringreflektor

17 Schnittebene von 12

18 gerade Fläche für 16

19 Öffnung von 12

20 Spiegelfläche von 10

21 Ausfräsung

22 Brennpunkt von 15

23 Rotationsellipsoid

24 innerer Brennpunkt von 10

25 äußerer Brennpunkt von 0

26 Längsschnittebene von 10

27 Mittelpunkt von 23

28 Querschnittebene von 10

29 Kippwinkel zwischen 0 und 2 Brennpunkt von 12

Neigungswinkel zwischen 13 bzw. 40 und 12 untere Kante von 05

zentrale Abstrahlachse von 12

Wandverlauf von 15, 16

Kreis

Parabel

Ellipse

Mittelpunkt von 37

äußerer Brennpunkt von 37

Strahlungsquelle

erster Abstrahlwinkelbereich (für 12) zweiter Abstrahlwinkelbereich (für 15) dritter Abstrahlwinkelbereich (für 16)

Brennpunkt von 16

transparente Abdeckung

Fresnelstruktur

Nut (für O-Ring)