DE4341555C2

DE4341555C2 - Vorrichtung zum Bündeln und Übertragen von Licht

Info

Publication number: DE4341555C2
Application number: DE4341555A
Authority: DE
Inventors: Amir Fallahi; Donald Jay Jagos; Jeyachandrabose Chinniah; Mahendra Dassanayake; Jeffrey Allen Erion; John X Li
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2013-12-08
Also published as: GB2273976A; GB9325119D0; DE4341555A1; GB2273976B; US5406462A

Description

Die Erfindung betrifft generell ein Beleuchtungssystem für die Verwendung in Verbindung mit einem Fahrzeug und insbeson dere eine Vorrichtung, die zum Bündeln und Übertragen von Licht verwendet wird.

Übliche Fahrzeugbeleuchtungssysteme verwenden typischerweise eine Kombination aus einer Glühlampe und einem Reflektor. In einer Glühlampen- und Reflektor-Kombination ist ein Glühfaden der Glühlampe in oder nahe einem Brennpunkt des Reflektors angeordnet. Der Brennpunkt eines Reflektors ist der Punkt, an dem parallele Lichtstrahlen nach ihrer Reflexion durch den Reflektor zusammentreffen. Umgekehrt werden Lichtstrahlen, die von dem Brennpunkt ausstrahlen als parallele Lichtstrahlen reflektiert. Dem Glühfaden zugeführte Energie strahlt als Licht über einen 4 Steradiantraumwinkel aus. Ein Teil des ausgestrahlten Lichtes wird durch den Reflektor gebündelt und nach außen reflektiert. Das nach außen reflektierte Licht wird durch eine Linse geführt, um ein Lichtbündel zu formen.

Aus der Schrift GB 385 456 A ist es bekannt, zum Zwecke des Erzeugens eines Lichtkegels mit kleinem Öffnungswinkel einem ersten, langgestreckten, einen mit einer Öffnung versehenen Hohlraum bildenden, ellipsoidal geformten Hohlspiegel, in dessen einem Brennpunkt eine Lichtquelle angeordnet ist, einen zweiten, in Richtung zu der Lichtquelle hin konkav und in Richtung zur Öffnung des Hohlraums hin konvex ausgebildeten Spiegel zuzuordnen. Der zweite Spiegel wirkt dabei so, daß der von dem ersten Spiegel in Richtung auf die Lichtquelle reflektiertes Licht in Richtung auf die Öffnung des ersten Spiegels hin reflektiert.

Aus der Schrift GB 14 97 778 ist es bekannt, zum Zwecke des Erhöhens der Temperatur in einer Lampenanordnung einem ellipsoidal ausgebildeten Reflektor, in dessen einem Brenn punkt sich die Lichtquelle befindet, an seiner Öffnung einen hyperboloidal ausgebildeten, in Richtung auf die Lichtquelle konkav ausgebildeten Reflektor gegenüberzustellen, dessen Innenfläche mit einem Material beschichtet ist, das für Licht transparent, für Wärmestrahlen jedoch undurchlässig ist. Durch die mit Hilfe dieser Anordnung geschaffene Temperatur erhöhung im Innenraum der Lampenanordnung soll die Lichtausbeute derselben verbessert werden.

Mit dem Erscheinen von Lichtleitern, wie beispielsweise Fa seroptiken, wurde die Verwendung einer schwachen Lichtquelle und eines Faseroptiklichtleiters möglich, um Licht, welches an der schwachen Lichtquelle erzeugt wurde, in große Entfer nungen zu übertragen. Ein System von Reflektoren und Linsen wird typischerweise verwendet, um Licht in das Ende eines Fa seroptiklichtleiters zu richten, welches von der Lichtquelle, beispielsweise von einem Glühlampenfaden abgegeben wird. Die Lichtmenge, welche effektiv in den Faseroptiklichtleiter ge leitet werden kann, variiert in Abhängigkeit zu der numeri schen Apertur des Faseroptiklichtleiters. Die numerische Apertur ist ein Werte welcher mit dem Öffnungswinkel, bei spielweise dem Grenzwinkel, korrespondiert, bei welchem das, das Ende des Faseroptiklichtleiters treffende Licht in den Lichtleiter eintritt. Licht, welches den Lichtleiter unter einem Winkel größer als der Grenzwinkel trifft, wird von der Fläche des Faseroptiklichtleiters reflektiert und wird zu nicht verwertbarem Licht, welches demnach den Bündel ungswirkungsgrad verringert.

Bis vor kurzem war der Stellenwert des Grenzwinkels im Hin blick auf das Ende der Faseroptiklichtleiter nicht erkannt worden und man verringerte einfach den Abstand zwischen dem Faseroptiklichtleiter und der Lichtquelle. Dies resultierte jedoch in einer größeren Lichtmenge, welche auf das Ende des Faseroptiklichtleiters bei einem Winkel größer als der Grenzwinkel auftraf, woraus ein verschlechterter Bündelungs wirkungsgrad resultierte. Bei einem Versuch, die in dem Fa seroptiklichtleiter eintretende Lichtmenge zu vergrößern, wurden Reflexions- und Fokussiersysteme entwickelt.

Ein Beispiel für ein derartiges System ist in der US-PS 4241382 und in der US-PS 4 755 918 offenbart. Diese Patente offenbaren Reflexionssysteme mit einer Kombination eines el liptischen und eines sphärischen Spiegels, um das von dem Glühlampenglühfaden auf das Ende des Faseroptiklichtleiters ausgestrahlte Licht zu richten und zu bündeln. Das von der Quelle abgegebene Licht wird durch den sphärischen Reflektor reflektiert und durch die Quelle zurückgeleitet, bevor es auf einen elliptischen Reflektor auftrifft, welcher das Licht auf das Ende des Faseroptiklichtleiters bündelt.

Ein weiteres Beispiel für ein derartiges System ist aus der Schrift GB 15 02 423 A bekannt. Dabei wird das konvergierende Licht einer im Brennpunkt eines ellipsoidalen Reflektors angeordneten Lichtquelle mit Hilfe einer divergierend wirkenden Anordnung, beispielsweise einer einer Konkavlinse, soweit zerstreut, daß sein Öffnungswinkel verkleinert wird und somit in einen Lichtleiter eingekoppelt werden kann.

Ein weiteres Beispiel für ein derartiges System ist aus der Schrift DE 92 02 590 U1 bekannt. Hierbei wird zwischen einer mit einer Lichtquelle versehenen Reflektoranordnung und einem Lichtleiter, in dessen Eintrittsfläche die Strahlung der Lichtquelle eingekoppelt werden soll, ein optisches System angeordnet, das aus mindestens zwei koaxial angeordneten Linsensystemen besteht, von denen das der Lichtquelle zugewandte erste Linsensystem eine Abbildung des Brennpunktes der Reflektoranordnung nach unendlich bewirkt, und das zweite, der Eintrittsfläche des Lichtleiters zugewandte Linsensystem ein reelles Zwischenbild des Brennpunktes der Reflektoranordnung in der Ebene der Lichtleitereintrittsflä che erzeugt.

Da an jeder Reflexionsoberfläche Verluste entstehen, redu ziert jede zusätzliche Reflexion den Wirkungsgrad der Vor richtung. Auch wenn das Licht durch den Glühfaden reflektiert wird, entstehen zusätzliche Verluste dadurch, daß der Licht strahl auf den Glühfaden auftrifft. Da der Glühfaden keine Punktquelle ist, vergrößert jede Reflexion des Lichtes die Abweichung vom gewünschten Pfad oder Weg, bis die Abweichung erkennbar wird und der reflektierte Lichtstrahl nicht weiter auf den Faseroptiklichtleiter fokussiert wird. Schließlich neigen diese System dazu, das gesamte Licht in einen kleinen Bereich des elliptischen Reflektors zu fokussieren. Da die Lichtquelle oder der Glühlampenfaden keine Punktquelle ist, ist dieses System sehr empfindlich bezüglich der Glühfaden größe und Anordnung, woraus größere Winkelabweichungen des Lichtstrahls resultieren.

Üblicherweise wird eine Lichtquelle größerer Intensität ver wendet, um jegliche Nachteile eines Reflexionssystems aus zugleichen. Jedoch wird jedes Watt der im Glühlampenfaden eingespeisten Energie in nur 0,25 Watt optische Energie (Licht) und in verbleibende 0,75 Watt nichtoptische Energie (Wärme) umgesetzt, auch wenn eine relative effiziente Licht quelle verwendet wird. Demzufolge führt die Verwendung einer Lichtquelle mit höherer Intensität zu übermäßiger Wärmeent wicklung.

Es ist daher wünschenswert, eine hocheffiziente, kompakte Vorrichtung zu haben, welche das von einem Glühlampenfaden in einem bestimmten Bereich bereitgestellte Licht in das Ende eines Faseroptiklichtleiters bündelt und fokussiert unter ei nem Winkel, der kleiner als der Grenzwinkel des Faseroptik lichtleiters ist. Es ist ferner erwünscht, zu vermeiden, daß reflektiertes und rückgerichtetes Licht durch den Glühfaden zurück verläuft. Das Auftreten von Reflexionen der Licht strahlen sollte auf einem Minimum gehalten werden, bevor die Lichtstrahlen in den Faseroptiklichtleiter eintreten, um jeg liche weitere Verluste zu reduzieren, die durch Reflexion und Streuung der Lichtstrahlen entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zum Bündeln und Übertragen von Licht zu schaffen, bei der die Reflexionen der Lichtstrahlen auf einem Minimum gehalten sind und der Öffnungswinkel des austretenden, in einen Lichtleiter einzukoppelnden Lichtes gleichwohl kleiner als der Öffnungs winkel des Lichtleiters ist.

Für eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 wird diese Aufgabe durch die Kombination der Merkmale des kennzeichnenden Teils dieses Anspruches gelöst.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine hocheffiziente kom pakte Vorrichtung zur Verwendung bei der Bereitstellung brauchbaren Lichtes in der Form eines Lichtstrahls oder zur Fokussierung des von einem Glühfaden abgegebenen Lichts in das Ende eines Faseroptiklichtleiters geschaffen. Allgemein umfaßt die Vorrichtung eine Lichtquelle zur Abgabe von Licht und eine Reflexionsoberfläche, welche einen ellipsoidalen Teil und einen hyperboloidalen Teil hat, wobei die Reflexi onsoberfläche das von der Lichtquelle abgegebene Licht sam melt, fokussiert und überträgt. Das Licht kann in einem vor bestimmten Strahlenmuster abgegeben und in einem Fahrzeug scheinwerfer verwendet oder auf das Ende eines Faseroptik lichtleiters zur Übertragung in einen entfernten Ort fokus siert werden.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine kompakte Vorrichtung entwickelt werden kann, welche eine effiziente Lichtbündelung und Fokussierung auf ein rela tiv kleines Ziel oder einen relativ kleinen Empfangsbereich bereitstellt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, einen größeren Lichtbetrag von einer Quelle geringerer Leistung zu erhalten, woraus sowohl eine Reduzierung des Energieverbrauchs als auch der Infrarothitze energie erzielt wird. Darüberhinaus reduziert die vorlie gende Erfindung die Anzahl der Reflexionen, bevor der Licht strahl auf das Ende eines Faseroptiklichtleiters fokussiert wird, wodurch der Gesamtbündelungswirkungsgrad der Vorrich tung verbessert wird.

Die Erfindung wird nachfolgende anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen.

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche für die Verwendung mit einem Faseroptiklichtleiter dargestellt ist;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche als Beleuchtungs einrichtung für die Verwendung in einem Fahrzeug dargestellt ist.

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 5;

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 5;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer ersten alternati ven Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 10 eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 in Fig. 9 und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer zweiten alterna tiven Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Bezugnehmend auf dies Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 bis 4 ist eine als Bündelvorrichtung 20 ausgebildete Vorrichtung zum Bündeln und Fokussieren von Lichtstrahlen 22 auf das Ende eines Faseroptiklichtleiters 28 dargestellt, welche von einer Lichtquelle 24 abgegeben wurden, die einen Glühlampenfaden 26 hat. Wie dargestellt, weist die Bündel vorrichtung 20 eine Reflexionsoberfläche 30 zum Bündeln von Lichtstrahlen 22 auf. Die Reflexionsoberfläche 30 hat einen ellipsoidalen Teil 32 und einen hyperboloidalen Teil 34. Es ist zu erkennen, das die vorliegende Erfindung eine Bündel vorrichtung 20 bereitstellt, welche eine reduzierte Länge entlang ihrer Brennlinie 31 (Fig. 4) hat und im wesentlichen die Gesamtheit des von der Lichtquelle 24 emittierten Lichtes bündelt.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, treffen die von der Licht quelle 24 emittierten Lichtstrahlen 22a-22b sowohl auf den ellipsoidalen Teil 32 als auch auf den hyperboloidalen Teil 34 der Reflexionsoberfläche 30 auf. Die Lichtstrahlen 22a- 22b werden von dem ellipsoidalen Teil 32 und dem hyperboloi dalen Teil 34 der Reflexionsoberfläche 30 in Richtung eines Endes 29 des Lichtleiters 28 reflektiert. Der ellipsoidale Teil 32 und der hyperboloidale Teil 34 fokussieren die Licht strahlen 22a-22b auf des Ende 29 des Lichtleiters 28 unter einem Winkel, der kleiner ist, als der Öffnungswinkel des Lichtleiters 28. Dies ist derart zu verstehen, daß durch das Fokussieren der Lichtstrahlen 22a-22b in dieser Art die An zahl der Lichtstrahlen 22, welche in den Lichtleiter 28 ein dringen, vergrößert wird, während die Anzahl der Reflexionen eines jeden Lichtstrahls verkleinert wird, was dement sprechend zu einer Begrenzung der Reflexionsverluste führt.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Bündelvorrich tung 20. Der ellipsoidale Teil 32 der Reflexionsoberfläche 30 hat einen ersten Brennpunkt (F₁) 36 und einen zweiten Brenn punkt (F₂) 38. Die Anordnung der Lichtquelle 24 im ersten Brennpunkt (F₁) 36 des ellipsoidalen Teils 32 führt zur Fo kussierung der von der Lichtquelle 24 emittierten Lichtstrah len 22 im zweiten Brennpunkt (F₂) 38 des ellipsoidalen Teils 32. Ein Teil des durch den ellipsoidalen Teil 32 reflektier ten Lichtes wird in den Lichtleiter 28 ohne jegliche Refle xion gerichtet. Das verbleibende Licht trifft auf den hy perboloidalen Teil 34 der Reflexionsoberfläche 30 auf. Der hyperboloidale Teil 34 konzentriert das von dem ellipsoidalen Teil 32 abgestrahlte Licht auf das Ende 29 des Lichtleiters 28. Zusätzlich zur Konzentration des von dem ellipsoidalen Teil 32 erhaltenen Lichtes reflektiert der hyperboloidale Teil 34 ferner direktes Licht von der Lichtquelle 24. Der zu sätzliche hyperboloidale Teil 34 verbessert den Wirkungsgrad der Bündelvorrichtung 20.

Die Anordnung der Reflexionsoberfläche 30 wird basierend auf verschiedenen, vorbestimmten, nachfolgend genannten Parametern bestimmt: Die numerische Apertur oder den Öffnungswinkel (Θ_f), den Radius des Faseroptiklichtleiters (a′), den Radius (R) des elliptischen Teils 32 der Reflexionsoberfläche 30 und den Winkel (Θ_b), unter dem die Lichtstrahlen von dem Glühlam penfaden (26) emittiert werden. Eine übliche Glühlampe mit oder ohne einer schwarzen oder nichtreflektierenden Beschich tung des äußersten Endes emittiert Licht lediglich außerhalb eines Winkels (Θ_b) größer als 30 Grad zur Brennlinie 31. Vom praktischen Standpunkt aus emittieren derartige Glühlampen ohne schwarzes äußeres Ende infolge der zu kleinen oder redu zierten Seitenansicht des Glühfadens (längs der Brennlinie gesehen) daher Licht nur unter einem Winkel größer als 30 Grad bezüglich zu der Brennlinie 31 nach außen.

Ausgehend von den voranstehend genannten vorbestimmten Para metern werden die folgenden Unbekannten bestimmt, welche den ellipsoidalen Teil 32 und den hyperboloidalen Teil 34 der Re flexionsoberfläche 20 definieren: c′ = Brennpunkt des hyper boloidalen Teils 34, c = Brennpunkt des ellipsoidalen Teils 32, a = Scheitelpunkt des ellipsoidalen Teils 32 und L = Länge des hyperboloidalen Teils 34.

Der hyperboloidale Teil 34 bündelt das durch den ellipsoi dalen Teil 32 reflektierte Licht durch Umwandlung der gering winkligen Lichtstrahlen, weiche auf den großen Flächenbereich 33 (Fokalscheibe), definiert durch c′, auftreffen in großwinklige Lichtstrahlen, welche auf einen kleineren Flä chenbereich 35 (Fokalscheibe), definiert durch a′, auftref fen. Da der kleinere Bereich 35 und der maximale Winkel, un ter dem das Licht auf den kleineren Bereich 35 auftreffen kann, bekannt sind, können a′ = Radius des Faseroptiklicht leiters 28 und f = maximaler Öffnungswinkel sowie der maxi male Inzidenzwinkel (Θ_I) der auf den großen Flächenbereich 33 auftreffenden Lichtstrahlen nach der folgenden LaGrange′schen invarianten Gleichung berechnet werden:

Während Θ₁ bekannt ist, werden die verbleibenden Unbekannten c′, c, a und L (welche die Reflexionsoberfläche 30 bestimmen) durch die folgenden Gleichungen bestimmt. Die Variablen mit einem oberen Strichindex repräsentieren hierbei Koordinaten des hyperboloidalen Teils 34 und Variable ohne Strichindex repräsentieren die Koordinaten des ellipsoidalen Teils 32 der Reflexionsoberfläche 30. Auflösung nach dem Brennpunkt (c′) des hyperboloidalen Teils 34 der Reflexionsoberfläche 30:

und

Auflösung nach L:

so daß:

Vereinfachung und Auflösung nach c′:

in der:

Nachdem c′ bekannt ist, kann die Form oder die Krümmung des hyperboloidalen Teils 34, welcher eine Rotationsfläche ist, bestimmt werden durch:

mit:

b′² = c′² - a′²

Auflösung nach dem ellipsoidalen Teil 32:

Vereinfachung und Auflösung nach c:

mit:

Θ_b = 30°

Die Gleichung für eine Ellipse ist:

wobei

c² = a² - b²

Ersetzen der Variablen x und y:

Vereinfachung und Auflösen nach a:

resultiert in:

Hierbei sind (a) und (c) der entsprechende Scheitelpunkt und Brennpunkt des ellipsoidalen Teils 32 der Reflexionsoberflä che 30.

Nachfolgend ist ein Beispiel für eine Anordnung einer Refle xionsoberfläche 30 angegeben, welches auf einem vorbestimmten Satz von Parametern a′, Θ_f und R basiert, von welchen c′, c, a und L bestimmt werden können. Ausgehend von einem Faserop tiklichtleiter mit einem Radius (a′) = 4 mm, einer nu merischen Apertur Θ_f = 40° und einem ellipsoidalen Teil 32 mit einem Radius (R) von 20 mm, werden die Unbekannten c′, c, a und L, welche die Reflexionsoberfläche 30 bestimmen, wie folgt berechnet:

Auflösen nach c′:

c′² - 0.302c′ - 22.048 = 0

c′ = 4,48

und

Auflösen nach den Brennpunkten (c) und den Scheitelpunkten (a) des ellipsoidalen Teils:

und

Demnach wird die Gesamtlänge (P) der Reflexionsoberfläche 30 durch die folgende Gleichung bestimmt:

wobei

In den Fig. 5 bis 8 ist die Vorrichtung als ein Strahler 60 zum Bündeln und Emittieren von Lichtstrahlen 62a, b, c von einer Lichtquelle 64, beispielweise eines Glühlampenelements 66, durch eine Linse 68 dargestellt. Der Strahler 60 umfaßt eine Reflexionsoberfläche 70, welche aus einem paraboloidalen Teil 72, einem ellipsoidalen Teil 74 und einem hyperbo loidalen Teil 76 besteht. Fig. 6 zeigt Lichtstrahlen 62a, 62b, 62c, welche den Strahler 60 als verwendbares Licht ver lassen. Wie in Fig. 6 dargestellt, hat das Ende 61 des die Lichtstrahlen 62a, 62b, 62c emittierenden Strahlers 60 einen kleineren Durchmesser (2a′) als der Gesamtdurchmesser der Re flexionsoberfläche 70. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Entwicklung von hocheffizienten Leuchtmitteln mit kleinen Abmessungen, welche einem Designer einen größeren Spielraum hinsichtlich der Aerodynamik und der ästhetischen Form eines Fahrzeuges einräumen.

In Fig. 8 ist ein Schema des Strahlers 60 dargestellt. Die KonFig.ation des Strahlers 60 wird durch die Verwendung der folgenden vorbestimmten Parameter bestimmt: Die Einbautiefe (D), die Höhe des Strahlers (2R), den Radius (H) des ellipti schen Teils und die Anordnung der beiden Brennpunkte (F₁), (F₂) des ellipsoidalen Teils 74. Der Brennpunkt des pa raboloidalen Teils 72 fällt mit dem ersten Brennpunkt F₁ des ellipsoidalen Teils 74 zusammen, so daß die Lichtquelle sowohl des paraboloidalen Teils 72 als auch des elliptischen Teils 74 in dem Brennpunkt F₁ plaziert ist. Basierend auf den Dimensionen der Abmessungen des Strahlers 60 sollte ein zwei ter Brennpunkt F₂ ausgewählt werden. Bei der Berechnung ist mit der Basisgleichung der Kurven zu beginnen, welche gelöst werden muß, um den paraboloidalen Teil 72, den ellipsoidalen Teil 74 und den hyperboloidalen Teil 76 zu erhalten.

(Parabol)

y² = 4fx

(Ellipse)

wobei a, b die Längen der großen Halb- und der Nebenachsen und c die Brennweite der Ellipse sind. Darüber hinaus ist

c² = a² - b²

und

(Hyperbol)

wobei

b′² = c′² - a′²

und c′ die Brennweite der Hyperbel. Wenn 2H die Gesamthöhe der Bündelvorrichtung und 2R der Ausgangsdurchmesser der Bün delvorrichtung ist, gilt:

wobei Θ_I den Winkel des Lichtes darstellt, das durch den hy perboloidalen Teil 76 gebündelt und nach außen durch die Linse 68 geleitet wird. Ein nach der voranstehend beschriebe nen Vorgehensweise konstruierter Strahler 60 wird nachfolgend beschrieben:

Ausgangspunkt sind die folgenden vorbestimmten Parameter: Eine Gesamtabmessungshöhe (2H) von 120 mm, eine Strahlerhöhe von 2R, wobei R = 25 mm ist und eine gewählte Brennweite des Parabols von f = 30 mm. Der Abstand wird angegeben durch:

Die Brennweite der Ellipse berechnet sich nach

Beispielsweise wird festgesetzt a = 3H und c = 169,70 mm. Um das gesamte, durch den Ellipsoiden gebündelte Licht durch den Ausgang zu leiten, wird die Dimension d gewählt als:

Die Brennweite c′ des Hyperbols für diese Anordnung wird da mit errechnet als

c′ = 113 mm

Demzufolge ist

Der durch das Hyperbol abgedeckte Lichtwinkel ist gegeben durch:

Der Lichtwinkel, welcher nicht effektiv durch den Ausgang verläuft beträgt

19,47° - 15,42° = 4,05°.

Dieser Winkel ist sehr klein und kann durch Iteration weiter reduziert werden. Ein nach der voranstehend beschriebenen Me thode konstruierter Strahler 60 resultiert in einem Linsen profil, welches kleiner ist, als der Gesamtdurchmesser des Reflexionsoberflächendurchmessers. Das durch den paraboloi dalen Abschnitt gebündelt Licht wird direkt zu der Linse ge leitet. Durch den ellipsoidalen Teil gebündeltes Licht wird bei F₂ fokussiert. Die Lichtstrahlen werden in die gewünschte Richtung mittels Linsenoptiken gerichtet, und durch den hyperboloidalen Teil gebündeltes Licht wird ebenfalls in Richtung der Linsen gerichtet. Zur besseren Kontrolle der Lichtstreuung am Ausgang können segmentierte Reflexionsgeome trien (komplexe Oberflächen) verwendet werden.

In den Fig. 9 bis 11 ist eine erste alternative Aus führungsform einer Bündelvorrichtung 120 dargestellt. Ent sprechend den Teilen der Bündelvorrichtung 20 haben gleiche Teile der Bündelvorrichtung 120 Bezugsziffern, welche um den Faktor 100 vergrößert sind. Fig. 9 zeigt zwei feststehende Bündelvorrichtungen 120a, b, welche vorzugsweise aus einem transparenten, Acryl- oder polykarbonatischem Material beste hen und angrenzend an eine Lichtquelle 124 angeordnet sind. Die Verwendung von zwei Bündelvorrichtungen 120a, b ermög licht die Übertragung der Lichtstrahlen durch zwei separate einzelne Lichtleiter 80, 82. Die GesamtkonFig.ation der Refle xionsoberfläche 130a, b, beispielweise des ellipsoidalen Teils 132a, b und der hyperboloidalen Teils 134a, b, wird in Übereinstimmung mit der voranstehend beschriebenen Methode bestimmt. Wie in Fig. 10 dargestellt, fallen die Brennpunkte des elliptischen Teils 132a, b mit dem Zentrum eines ent fernten sphärischen Teils 86 zusammen. Die Lichtquelle 124 ist im Brennpunkt des ellipsoidalen Teils 132a, b angeord net. Durch die Anordnung der Lichtquelle 124 in diesem Brenn punkt gelangt das von der Lichtquelle 124 erzeugte Licht durch die sphärische Fläche 87a, b mit einem annähernd 90° großen Inzidenzwinkel in die linke Hälfte 120a und die rechte Hälfte 120b der Bündelvorrichtung 120, um jegliche Reflexion zu reduzieren, welche das Eintreten des Lichtes in die Bün delvorrichtung 120a, b, verhindert. Ein Material, mit einem geringeren Brechungsindex, genannt Umhüllung 88, bedeckt die gesamte Oberfläche beider ellipsoidaler Teile 132a, b und beider hyperboloidaler Teile 134a, b, mit Ausnahme des sphä rischen Teils 86. Die voranstehend beschriebene Ausführ ungsform stellt eine Bündelvorrichtung mit einem einzelnen Eingang (Lichtquelle) und mehreren Ausgängen (Lichtleitern) dar, welche verwendet werden kann, um Licht zu verschiedenen entfernt liegenden Orten zu leiten.

Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsform der Bündelvorrich tung 120a, b, gemäß Fig. 10 mit einer Reflexionsoberfläche 130a, b, welche ellipsoidale und hyperboloidale Seitenflächen 96a, b, 98a, b und plane obere und untere Flächen 90a, b, 92a, b aufweist. Eine Lichtquelle 94, von der aus Lichtstrah len in einer vorbestimmten zylindrischen Form emittiert wer den, ist im Brennpunkt der ellipsoidalen Seitenfläche 96 a, b, angeordnet. Die ellipsoidalen und hyperboloidalen Seiten flächen 96a, b, 98a, b, bündeln und fokussieren das von der Lichtquelle 94 emittierte Licht auf die Enden der Lichtleiter 80, 82. Eine derartige Bündelvorrichtung führt zu einem Lichtbündelsystem zur Übertragung von Licht an einen entfernt liegenden Ort mit einer hohen Lebensdauer und einem hohen Wirkungsgrad.

Eine Vorrichtung des voranstehend beschriebenen Typs bündelt im wesentlichen die Gesamtheit der von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen. Das Licht kann in einem variablen Intensitätsmuster oder als verwendbares Licht mittels der Vorrichtung in der Form eines Strahlers verteilt werden, oder die Vorrichtung kann die Form einer Bündelvorrichtung zur Fokussierung des verteilten Lichtes in einen Faseroptiklichtleiter sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Bündeln und Übertragen von Licht mit ei ner Licht emittierenden Lichtquelle (24, 64, 124) und ei ner Reflexionsoberfläche (30, 70, 130), wobei die Refle xionsoberfläche (30, 70, 130) einen ellipsoidalen Teil (32, 74, 132a, b) und einen hyperboloidalen Teil (34, 76, 134a, b) aufweist, um das von der Lichtquelle (24, 64, 124) emittierte Licht zu richten, und die Lichtquelle (24, 64, 124) in einem ersten Brennpunkt (36) des ellip soidalen Teils (32, 74, 132a, b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Brennpunkt (38) des ellipsoidalen Teils inner halb des von dem hyperboloidalen Teil gebildeten Volumens angeordnet ist und das Licht nach Durchlaufen des zweiten Brennpunkts (38) vom hyperboloidalen Teil der Refle xionsoberfläche derart reflektiert wird, daß das resul tierende Brennscheibchen derart verkleinert ist, daß das Licht in einen Lichtleiter eingeleitet werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Lichtleiter (28, 80, 82), dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsoberfläche (30, 70, 130) das Licht in einen Lichtleiter (28, 80, 82) richtet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (28, 80, 82) eine Lichtleitfaser aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Lichtquelle (24, 64, 124) angrenzend angeordnete Linse zum Richten des von der Lichtquelle (24, 64, 124) emit tierten Lichtes verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hyperboloidale Teil (34, 76, 134a, b) durch die fol gende Gleichung definiert ist: wobei c′ der Halbmesser des Brennscheibchens des hyperbo loidalen Teils (34, 76, 134a, b) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ellipsoidale Teil (32, 74, 132a, b) durch die folgende Gleichung definiert ist: a⁴ - a² (c² + R² + [«3 R - c]²) + c² («3 R - c)² = 0wobei a der Scheitelpunkt des ellipsoidalen Teils (32, 74, 132a, b) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsoberfläche (30, 70, 130) einen paraboloidalen Teil (72) hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der paraboloidale Teil (72) einen Brennpunkt (F₁) hat, der el lipsoidale Teil (74) einen Brennpunkt (F₁) aufweist und der ellipsoidale Teil (74) derart angeordnet ist, daß die Brenn punkte zusammenfallen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der paraboidale Teil (72) und der ellipsoidale Teil (74) eine gemeinsame optische Achse (31) aufweisen, wobei der paraboidale Teil (72) und der ellipsoidale Teil (74) in einer Ebene zusammengefügt sind, die normal zu dieser op tischen Achse verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Mit tel zur Bündelung des gerichteten Lichtes.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Bündelung des gerichteten Lichtes eine Linse aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ellipsoidale Teil (32, 74, 132a, b) einen ersten und einen zweiten Brennpunkt umfaßt, wobei der erste Brennpunkt (36) mit dem Brennpunkt des paraboloidalen Abschnittes koinzidiert und der Abschnittsbrennpunkt (zweiter Brennpunkt) des ellipsoi dalen Teils (32, 74, 132a, b) außerhalb des Mittels zur Bünde lung des gerichteten Lichtes angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsoberfläche (30, 70, 130) ein fester Körper ist, der aus einem transparenten Werkstoff mit einem Brechungsindex besteht und eine äußere Oberfläche des festen Körpers mit ei nem Werkstoff beschichtet ist, der einen Brechungsindex auf weist, der kleiner ist als der Brechungsindex des transparen ten Werkstoffs.

14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Bündeln und Übertragen von Licht mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen einer Reflexionsoberfläche (30, 70, 130) mit einem hyperboloidalen Teil (34, 76, 134a, b) und einem ellipsoidalen Teil (32, 74, 132a, b), wobei der hyperboloidale Teil (34, 76, 134a, b) und der ellipsoi dale Teil (32, 74, 132a, b) in Abhängigkeit von vorbe stimmten Parametern ausgebildet sind, wobei
- das Bestimmen der vorbestimmten Parameter die folgen den Schritte aufweist:
- Bestimmen des Öffnungswinkels eines faseroptischen Lichtleiters (Θ_f);
- Bestimmen des Radius des faseroptischen Lichtleiters (a′);
- Bestimmen des Radius des ellipsoidalen Teils (R);
- Bestimmen der Konfiguration des hyperboloidalen Teils und des ellipsoidalen Teils durch Bestimmung eines Halbmessers des Brennscheibchens des hyperboloidalen Teils gemäß der folgenden Gleichung: und Berechnen der Länge (L) des hyperboloidalen Teils gemäß der folgenden Gleichung: Bestimmen der Entfernung zwischen einem ersten Brennpunkt des ellipsoidalen Teils und des Halbierungspunktes nach der folgenden Gleichung:
- Berechnen der Gesamtlänge des ellipsoidalen Teils mit der folgenden Gleichung: derart, daß die Gesamtlänge der Reflexionsoberfläche durch die folgende Gleichung bestimmt ist:
- Berechnen der Gesamtlänge (D) der Reflexionsoberfläche nach der folgenden Gleichung:
- Anordnen einer Lichtquelle (24, 64, 124) in dem ersten Brennpunkt (36) des ellipsoidalen Teils (32, 74, 132a, b), wobei der zweite Brennpunkt (38) des ellipsoidalen Teils innerhalb des von dem hyperboloidalen Teil gebildeten Vo lumens angeordnet ist und das Licht nach Durchlaufen des zweiten Brennpunkts (38) vom hyperboloidalen Teil der Re flexionsoberfläche derart reflektiert wird, daß das re sultierende Brennscheibchen derart verkleinert ist, daß das Licht in einen Lichtleiter eingeleitet werden kann.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt Bereitstellen eines an den ellipsoidalen Teil angren zenden paraboloidalen Teils, wobei der paraboloidale Teil und der ellipsoidale Teil einen gemeinsamen Brennpunkt haben.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der vorbestimmten Parameter die Bestimmung der Gesamttiefe der Reflexionsoberfläche (D), die Bestimmung der Höhe der Reflexionsoberfläche (2a′), die Bestimmung des Radius des ellipsoidalen Teils (R), die Bestimmung der Position eines ersten und eines zweiten Brennpunktes (F₁, F₂) umfaßt, und der Schritt des Ausbildens des hyperboloidalen und des ellipsoi dalen Teils folgende Schritte aufweist:

- Bestimmen der Distanz (A) zwischen dem Scheitelpunkt und dem Brennpunkt des paraboloidalen Abschnitts nach der Gleichung:
- Bestimmen der Länge des ellipsoidalen Teils (B) nach der folgenden Gleichung: wobei b = R und ist;
- Bestimmen des Scheitelpunktes des hyperboloidalen Teils nach der folgenden Gleichung: wobei L = D - B ist.