Scheinwerfersysteme - Aufbau und Wirkungsweise 27-2
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Scheinwerfersysteme Aufbau und Wirkungsweise Niedervoltparabolspiegelscheinwerfer Plankonvex- und Stufenlinsenscheinwerfer Abbildende Scheinwerfersysteme, Projektion © Das Copyright dieses Heftes, insbesondere auch der Zeichnungen und Bilder, liegt bei der Firma H.M.Wörwag GmbH Berlin Email: [email protected] Interent: revolux.com und bei Hans Wörwag Scheinwerfersysteme Zu diesem Heft Dieses Heft wurde von mir vor über 10 Jahren angefertigt und veröffentlicht. Der Anlaß war, allen, die sich für Scheinwerfer, insbesondere Theaterscheinwerfer interessieren, aufzuzeigen, wie diese aufgebaut sind und auf was zu achten ist. Insbesondere war und ist das Heft für Auszubildende gedacht. Dabei wollte ich ”Theorie“ möglichst vermeiden und durch schematische Zeichnungen ersetzen. Die letzte Ausgabe dieses Hefts erscheint nun unverändert seit 2003. Die erste Ausgabe erschien einige Jahre vorher. Noch heute wird es regelmäßig von unserer Homepage heruntergeladen. Inzwischen wurde es tausendfach eingesehen und benutzt. Das freut mich und deshalb habe ich das Heft überarbeitet und ergänzt. Dies hat auch mein langjähriger Mitarbeiter Herr Gunther Friedrichsen tatkräftig unterstützt und deshalb möchte ich ihm für sein Verständnis und seine Mitarbeit danken. Die wesentlichen Änderungen sind die Darstellungen der Zusammenhänge. Alle diesbe zügliche Zeichnungen wurden von mir deshalb koloriert. Dabei wurde darauf geachtet, daß sie sich auch auf einem Schwarz/Weiß Drucker vernünftig ausdrucken lassen. Die ursprüngliche Ausgabe war eine Zusammenstellung, um den Aufbau der gängigen Scheinwerfertypen zu zeigen. Das erklärt jedoch nicht, warum diese so aufgebaut sind. Weitgehendst hängt dies von der Art der Lichtquelle und deren Lichtverteilung, der Linse und des verwendeten Spiegels ab. In dieser Ausgabe werden deshalb die Bedeutung die ser Bauteile am Anfang kurz behandelt. Weitergehende Einzelheiten über diese Bauteile werden in Anhängen erläutert. Bislang gibt es den Anhang 1, der diese Bauteile auf einfache Weise erläutert. Falls ich die Zeit dazu finde, schreibe ich noch den einen oder anderen Anhang, um wei tergehende Details und Fragen zu erläutern und darzustellen. Anregungen dazu würde ich gerne aufnehmen. Allen Lesern wünsche ich, daß sie den einen oder anderen Nutzen aus dem Heft haben. Sollten Sie Verbesserungsvorschläge haben, dann schreiben Sie mir bitte und ich werde versuchen diese in das Heft aufzunehmen. Hans Wörwag Das Copyright liegt bei der Firma REICHE & VOGEL-B.DELTSCHAFT Zweigniederlassungen der H.M.Wörwag GmbH und bei Hans Wörwag. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 1 von 6 Seiten Scheinwerfersysteme © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 2 von 6 Seiten Scheinwerfersysteme Gliederung Seite Zu diesem Heft 1 1 Wesentliche Bauteile eines Scheinwerfers 1 1.1 Lichtquellen und deren Lichtverteilung 1 3 4 6 1.1.1 Halogenlampe 1.1.2 Entladungslampe 1.1.3 LED 1.1.4 Leuchtdichte 7 1.2 Spiegel / Reflektor 8 8 1.2.2 Parabolspiegel 1.2.3 Ellipsenspiegel 8 1.3 Linsen 9 10 12 1.3.1 Plankonvexlinse 1.3.2 Stufenlinse 1.3.4 Asphärische Linse 13 2 Parabolspiegelscheinwerfer 2.1 Grundlagen 13 2.2 Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfer 16 16 19 2.2.1 Wirkungsweise 2.2.2 Ringblende 22 3 Linsenscheinwerfer 22 3.1 Plankonvexlinsenscheinwerfer 24 26 27 3.1.1 Betrieb mit idealisierter Lichtquelle 3.1.2 Aufbau mit realer Lichtquelle 3.1.2.1 Aufbau mit Halogenlampe © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 3 von 6 Seiten Scheinwerfersysteme 28 Einstellen der Lampe (Beispiel Glühlicht, Halogenlampe) 3.1.2.2 Aufbau mit Entladungslampe 3.1.2.3 Überfokussierung 31 33 3.2 Stufenlinsenscheinwerfer 34 3.3 Zusammenfassung 34 3.4 Sonderbauformen 35 35 36 3.4.1 Linsenscheinwerfer mit zusätzlichem Kondensor. 3.4.2 Linsenscheinwerfer mit Ellipsenspiegel. 39 4 Abbildende Scheinwerfersysteme 4.1 Scheinwerferobjektiv 40 4.1.1 Starres Objektiv 4.1.2 Zoom Objektiv 40 42 44 4.2 Kondensorlinsenscheinwerfer 44 46 4.2.1 Kondensorsystem 4.2.2 Kondensorlinsensystem als Gesamtsystem 49 4.3 Ellipsenspiegel-Linsenscheinwerfer 49 4.3.1 Licht sammelndes System (Lichthaus) mit Ellipsenspiegel 4.3.2 Ellipsenspiegelsystem als Gesamtaystem 52 55 4.4 Bühnen-Projektionsgerät 59 5 Entwicklungen - neue Scheinwerfersysteme 59 5.1 Linsenscheinwerfer mit einem LED als Lichtquelle 5.1.1 Linsenscheinwerfer mit Brennweitenverkürzung 5.1.2 Scheinwerfer mit Brennweitenverlängerung 5.1.3 Scheinwerfer mit mehreren LEDs als Lichtquelle und mit Abbildungsoptik 5.1.3.1 Beispiel eines Scheinwerfers mit mehreren LEDs 69 71 5.2 Profilscheinwerfer / Verfolger für Halogen- oder Entladungslampe © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 60 64 67 Seite 4 von 6 Seiten Scheinwerfersysteme 71 73 5.2.1 Mit Halogenlampe 5.2.2 Entladungslampe 74 5.3 Linsenscheinwerfer für Halogen- oder Entladungslampe © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 5 von 6 Seiten Scheinwerfersysteme © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 6 von 6 Seiten Scheinwerfersysteme 1 Wesentliche Bauteile eines Scheinwerfers Abhängig von der Art des Scheinwerfers sind eine Lichtquelle, gegebenenfalls mit Vor schaltgerät, ein oder mehrere Reflektoren und eine oder mehrere Linsen erforderlich. Darüber hinaus sind noch eine oder mehrere Fassungen und ein Gehäuse notwendig. Auf letzteres wird hier jedoch nicht eingegangen. Anmerkung: In der Technik werden für verformte, reflektierende Bauteile der Begriff ”Reflektor“ verwendet. Im Theater wird häufig der Begriff "Spiegel" verwendet. Zum Beispiel "Kugelspiegel", "Parabolspiegel" und "Ellipsenspiegel". 1.1 Lichtquellen und deren Lichtverteilung Jeder Lichtquelle läßt sich eine eigene Lichtverteilung zuordnen. Die Art der Lichtverteilung ist bei der Konstruktion und optischen Auslegung des Scheinwerfers zu berücksichtigen. Hier werden beispielhaft vier Typen betrachtet; idealisierte Lichtquelle, Halogenlampe Entladungslampe und LED. Idealisierte Lichtquelle Zunächst sollte jedoch die Lichtquelle betrachtet werden. Zuerst wird eine idealisierte Lichtquelle dargestellt. Diese ist unendlich klein, also punktförmig und strahlt nach allen Richtungen gleichmäßig Licht ab. Von der Seite oder von oben betrachtet ergibt sich immer die gleiche Lichtverteilung. Im weiteren Verlauf werden die Strahlen teilweise nicht mehr als Pfeile, sondern nur als Linien dargestellt. Abbildung 1 1.1.1 Halogenlampe Bislang wurde von einer nach allen Richtungen gleichstarken Lichtabstrahlung der Lichtquelle ausgegangen. Reale Lichtquellen verhalten sich anders. Eine Halogenlampe mit Mono- oder Biplanwendel strahlt das meiste Licht senkrecht zur Wendelfläche ab. Bei einem senkrechten Schnitt durch die Lampe würde dies etwa wie in Abbildung 1.1 aussehen: © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 1 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Die Lichtverteilungskurve gibt unter dem jeweiligen Winkel die Beleuchtungsstärke in 1 m Abstand an. (Candella [cd]) Die einzelnen Strahlen werden proviel Licht viel Licht zur Linse zum Spiegel portional in die Kurve eingetragen. Ein hoher Meßwert gibt einen langen Strahl und ein kleiFlaches Wendel (rechteckige Fläche) ner Meßwert einen entsprechend kleineren Strahl. Die Fläwenig Licht che innerhalb der Lichtverteilungskurve, ist in den AbbildunAbbildung 1.1 Schematische Darstellung - seitlich gen 1.2 und folgenden Blau gezeichnet und gibt die Lichtmenge an. Die gesamte Fläche entspricht 100%. Je größer bei einem Spiegel oder anderen optischen Bauteil der Anteil an der gesamten Fläche wird, den das oder die optischen Bauteile erfaßt, um so höher wird der Wirkungsgrad. wenig Licht Anmerkung: Normalerweise werden die Strahlen in einer Lichtverteilungskurve nicht eingetragen. Es werden die Meßpunkte zu einer Kurve verbunden und einige Winkel gezeichnet. Bei der Messung eines Scheinwerfers wird ähnlich verfahren. Abbildung 1.2: Halogenlampe Schematische Darstellung - seitlich Abbildung 1.3: Halogenlampe Schematische Darstellung - seitlich Links in der Abbildung 1.2 ist schematisch die Lichtverteilung einer Halogenlampe mit flachem Wendel ( mono- oder biplan ) dargestellt. Das Wendel ist der glühende Teil der Lampe und erzeugt das Licht. In Abbildung 1.3 ist derjenige Winkel eingezeichnet, der das abgestrahlte Licht der Lichtquelle umgibt. Er ist hier als Nutzwinkel bezeichnet. Ein Schnitt durch die seitlich gezeichnete Lampe, Abbildung 1.2 ergibt die entsprechenden Zeichnungen Abbildung 1.4 und 1.5 von oben betrachtet. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 2 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Es ist dabei darauf zu achten, daß die Zeichnungen zweidimensional sind. In Wirklichkeit ist die Abstrahlung dreidimensional, also räumlich zu verstehen. Abbildung 1.4: Halogenlampe Schematische Darstellung - von oben Abbildung 1.5: Halogenlampe Schematische Darstellung - von oben 1.1.2 Entladungslampe In der Entladungslampe wird ein Lichtbogen aufgebaut und betrieben. Die Strahlen und die Hitze des Lichtbogens lassen Zusätze in der Gasfüllung der Lampe verdampfen und regen gleichzeitig die Moleküle der Gasfüllung des Leuchtmittels an. Dadurch wird Licht erzeugt. In den Abbildungen 1.6 und 1.7 sind schematisch die Lichtverteilung einer Entladungslam pe abgebildet, wie zuvor bei der Halogenlampe. Abbildung 1.6 Entladungslampe Schematische Darstellung - seitlich © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Abbildung 1.7 Entladungslampe Schematische Darstellung seitlich mit Nutzwinkel Seite 3 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Bei einer Entladungslampe ergeben sich seitlich betrachtet ähnliche Bilder, Abbildungen 1.6 und 1.7, wie bei einer Lampe mit Wendel (Halogenlampe). Abbildungen 1.2, 1.3 und 1.6, 1.7 Nutzwinkel: volle 360° Aus dem Schnitt quer zur Lampe, also von oben betrachtet, ist nun ersichtlich, daß die Lampe um die ganze senkrechte Achse herum gleichmäßig ihr Licht abstrahlt. Abbildung 1.8 Abbildung 1.8 Entladungslampe Schematische Darstellung - von oben Dazu ein praktisches Beispiel einer Entladungslampe: Diese Lichtverteilung hat uns die Firma USHIO zur Verfügung gestellt. Abbildung 1.9 Abbildung 1.10 Entladungslampe 1.1.3 LED Nachdem LEDs (Licht emittierende Dioden) in den letzten Jahren leistungsstärker wurden, werden sie nun auch in Scheinwerfern eingesetzt. Relativ gut lassen sie sich für Scheinwerfer mit Reflektoren, also Fluter und Rampen, verwenden. Es werden mehrere LEDs eingebaut. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 4 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Bei Scheinwerfern mit Linsen, zum Beispiel Profilscheinwerfern, ist der Einbau hauptsäch lich wegen der erforderlichen Kühlung schwierig. Es sind sperrige Kühlkörper erforderlich um die Wärme, die die LED entwickelt, abzuführen, sonst zerstört sich die LED wegen Überhitzung selbst. Auch die Aufteilung der Lichtquelle auf mehrere LEDs ist problematisch. Oft wird übersehen, daß mit steigender Temperatur des LEDs die Lebensdauer stark abnimmt und beim Übersteigen einer Grenztemperatur (liegt bei ca. 120°C) sofort zerstört wird. Lebensdauerangaben von LEDs beziehen sich meistens auf Laborbedingungen mit einer Umgebungstemperatur von 20° bis 25°C. Im Theater oder in einem Studio kann die Umgebungstemperatur an dem Scheinwerfer über 40°C oder noch höher sein. In einem solchen Fall ist die Lebensdauer wesentlich geringer. Dieser Zusammenhang ist beim Betrieb zu beachten. Links ist schematisch eine LED mit Kühlkörper dargestellt. Abbildung 1.11 Aufbau eines LED Moduls mit Kühlkörper Wegen des sperrigen Kühlkörpers kann dieses Modul nicht einfach als Ersatz eines konventionellen Leuchtmittels verwendet werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 5 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Abbildung 1.12 Nutzwinkel des LED Moduls 1.1.4 Leuchtdichte Je kleiner und je stärker die Lichtquelle im Verhältnis zu Spiegel und Linse wird, desto besser wird der Wirkungsgrad des Scheinwerfers. Dieser Sachverhalt wird später noch erläutert. Die Leuchtdichte ergibt sich aus der Lichtmenge pro Fläche; gemessen wird in der folgenden Tabelle in Lumen / mm². Die Werte sind aus Katalogen entnommen und sind Richtwerte. Halogenlampe 1000 Watt Halogenlampe 1200 Watt Halogenlampe 2000 Watt Halogenlampe 2500 Watt Halogenlampe 5000 Watt 15 x 13 16 x 14 20 x 19 20 x 19 26 x 33 Effizienz [Lm/Watt] Leistung [Watt] Leuchtdichte [lm / mm²] Lichtmenge [lm] Fläche der Lichtquelle [mm²] Lichtquelle Abmessun g der Lichtquelle [mm] Leuchtdichten verschiedener Lichtquellen 240 224 380 380 858 26.000 30.000 52.000 65.000 135.000 108 134 137 171 157 1.000 1.200 2.000 2.500 5.000 26,0 25,0 26,0 26,0 27,0 7,0 7,0 49.000 7.000 575 85,2 10,0 10,0 110.000 11.000 1.200 91,7 14,0 14,0 240.000 17.143 2.500 96,0 23,5 23,5 380.000 16.170 4.000 95,0 23,0 23,0 600.000 26.087 6.000 100,0 Ø 30 706,5 7.600 11 Bogenlänge [mm] Metallhalogendampflampe 575 Watt Metallhalogendampflampe 1200 Watt Metallhalogendampflampe 2500 Watt Metallhalogendampflampe 4000 Watt Metallhalogendampflampe 6000 Watt LED 120 Watt 120 63,3 Bei der Flächenberechnung der Metallhalogenlampen wurde für die Dicke der Entladungsstrecke 1 mm angenommen. Hinweis: © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 6 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Scheinwerferoptiken sind meistens rotationssymmetrisch aufgebaut. Deshalb sollte bei der Konstruktion die größte Strecke der Lichtquelle zu Grunde gelegt werden. Bei einem Wendel also die Diagonale, bei einer Halogenmetalldampflampe mit klarem Kolben die Bogenlänge und bei einer runden LED der Durchmesser. Dadurch ergeben sich etwas andere Werte als oben angegeben. Bemerkenswert ist der niedrige Wert des LED! Der eine oder andere Hersteller ermöglicht höhere Lichtwerte, das geht dann meistens zu Lasten der Lebensdauer. Ein genauer und präziser Vergleich ist erforderlich. Bemerkenswert ist der Vergleich zu einer Halogenlampe. Dabei ist allerdings zu beachten, daß, wie schon dargelegt, die Hälfte des Lichts, das die Halogenlampe abgibt meistens auf einen Spiegel fällt und dann über die Mitte des Spiegels reflektiert wird. Bei einem Bi planwendel entstehen dabei besonders hohe Verluste, da das Wendel das reflektierte Licht versperrt und damit von diesem Lichtanteil bis zur Hälfte verloren wird. Da bei einer LED das Licht nur in einer Richtung ausgestrahlt wird und deshalb ein Spiegel nicht erfor derlich ist, sollten in einem Vergleich mit einer Halogenlampe mit Biplanwendel für die Halogenlampe nur 75% der angegebenen Lumenwerte angesetzt werden. Auch hier sind Ausnahmen zu beachten und eine genaue Untersuchung ist im Einzelfall erforderlich! 1.2 Spiegel / Reflektor Die gebräuchlichsten Spiegel sind Kugelspiegel, Parabolspiegel und Ellipsenspiegel. Einzelheiten dazu sind im Anhang 1 enthalten. Alle drei Spiegelarten lassen sich von einem Kegelschnitt ableiten. Der Kugelspiegel ist der Abschnitt einer hohlen Kugel, der Parabolspiegel ist der Abschnitt eines hohlen Paraboloids, und der Ellipsenspiegel der Abschnitt eines hohlen Ellipsoids. Bei Bühnenscheinwerfern ist der Spiegel innen mit einer stark reflektierenden Oberfläche versehen. In den folgenden Abbildungen werden nur die Lichtstrahlen, die der Spiegel erfaßt darge stellt. Des weiteren liegt eine idealisierte Lichtquelle den Abbildungen zugrunde. 1.2.1 Kugelspiegel Beim Kugelspiegel steht das Leuchtmittel im Mittelpunkt der Kugel. Das Licht, das auf den Spiegel trifft, wird zum Mittelpunkt zurück reflektiert. Steht die Lichtquelle nicht im Mittelpunkt des Kugelspiegels, dann ergibt sich ein anderer Nutzwinkel. Das ist selten der Fall. Hinweis: Der Mittelpunkt der Kugel ist nicht der Brennpunkt! Dieser ist bei r/2 in Richtung Spiegel . Abbildung 1.13 Kugelspiegel © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 7 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 8 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 1.2.2 Parabolspiegel Die Lichtquelle steht im Brennpunkt des Parabolspiegels und alle Strahlen einer idealen Lichtquelle, die der Parabolspiegel erfaßt, werden parallel zur optische Achse reflektiert. Einzelheiten sind im Anhang 1 erläutert. Abbildung 1.14 Parabolspiegel 1.2.3 Ellipsenspiegel Ellipsenspiegel Beim Ellipsenspiegel steht die Lichtquelle im ersten Brennpunkt des Ellipsoids und das Licht, das auf den Spiegel fällt, wird zum zweiten Brennpunkt reflektiert. Einzelheiten sind im Anhang 1 erläutert. Abbildung 1.15 Ellipsenspiegel 1.3 Linsen Im Scheinwerferbau werden Linsen zum sammeln von Licht und zur Abbildung einer Vorlage, zum Beispiel eines Dias, auch Gobo genannt, benutzt. Linsen verändern die Richtung der Lichtstrahlen. Bei positiver Brennweite werden die Lichtstrahlen zur optischen Achse hin verändert, dies wird als „gebrochen“ bezeichnet, bei negativer Brennweite verändern sie sich weg von der optischen Achse. Näheres zu den verschiedenen Linsenarten, deren Bezeichnungen und die Gesetzmäßigkeiten zur Abbildung sind im Anhang 1 erläutert. Die gebräuchlichsten Linsen im Scheinwerferbau sind die Plankonvexlinse, die Stufenlinse und die asphärische Linse. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 9 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 1.3.1 Plankonvexlinse Plankonvexlinse Kugelabschnitt Die Plankonvexlinse ist der Abschnitt einer Glaskugel. Das Licht wird an der planen und gekrümmten Fläche gebrochen. r Oberfläche der Glaskugel Plane Fläche Abbildung 1.16 Plankonvexlinse Plankonvexlinse F Lichtstrahl Optische Achse Schnittweite Brennweite Abbildung 1.17 Plankonvexlinse Fallen Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse auf eine Plankonvexlinse, dann schneiden die Lichtstrahlen die optische Achse im Brennpunkt F der Plankonvexlinse. Treffen Lichtstrahlen, die vom Brennpunkt der Plankonvexlinse ausgehen, auf die Plankonvexlinse, dann werden sie von der Plankonvexlinse so gebrochen, daß sie nach dem Durchgang durch die Linse, parallel zur optischen Achse ausgerichtet sind. Die dargestellten Eigenschaften treffen nur auf dünne Linsen zu. Bei dicken Linsen erge ben sich Abweichungen, die mit dem Abstand zur optischen Achse zunehmen. Für Scheinwerfer wird dieser Effekt unter dem Abschnitt Plankonvexlinsenscheinwerfer näher erläutert, für Linseneigenschaften im gesonderten Anhang 1. Steht die idealisierte Lichtquelle im Brennpunkt der Plankonvexlinse, dann ergibt sich ein paralleler Lichtstrahl mit dem dazugehörigen Nutzwinkel. Abbildung 1.18 Plankonvexlinse © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 10 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Mit dem Verschieben der Lichtquelle in Richtung zur Linse öffnet sich der Lichtstrahl und der Nutzwinkel wird größer. Abbildung 1.19 Plankonvexlinse 1.3.2 Stufenlinse Eine Plankonvexlinse mit großem Durchmesser und relativ kurzer Brennweite bzw. Schnittweite würde sehr dickbauchig und damit schwer und ziemlich teuer werden. Die Dicke der Stufenlinse ist gleichmäßiger als eine Plankonvexlinse. Deshalb erwärmen sie sich gleichmäßiger und kühlen sich auch gleichmäßiger ab. Die Spannungen im Glas sind geringer. Die Stufenlinse kann deshalb höheren Temperaturen als eine Plankonvexlinse ausgesetzt werden. Einer Stufenlinse liegt folgender Gedanke zugrunde: Die gezeichnete Plankonvexlinse ist sehr dickbauchig und hat deshalb eine kurze Brennweite. Der Radius „r“ und der Brechungsindex des Glases legen die Brennweite fest. r Abbildung 1.20 Plankonvexlinse als Ausgangslinse für eine Stufenlinse © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 11 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme ergibt 1. Ring Nun wird die Linse in einzelne Ringe aufgeteilt. ergibt 2. Ring r ergibt 3. Ring ergibt 4. Ring ergibt 5. Ring = Mitte Abbildung 1.21 Diese Ringe werden im Beispiel nach links soweit verschoben, bis der Radien1. Ring ansatz an der selben Fläche anstößt. Es 2. Ring ergeben sich konzentrische Ringe mit 3. Ring r1 gleichem Radius und mit gleich langer 4. Ring r3 Brennweite. r5 5. Ring = Mitte Wegen der Verschiebung verschieben r4 sich auch die Mittelpunkte der konzentrir2 schen Oberflächen. Somit ist auch kein gemeinsamer Brennpunkt vorhanden. Im letzten Schritt müssen nun -außer der äußersten- alle Flächen mit den neuen Abbildung 1.22 Abständen für einen gemeinsamen Brennpunkt neu berechnet werden. Es ergeben sich dadurch neue Werte für „“r2 bis „r5“. Die endgültige Linse ist nicht dargestellt. Anmerkung: Die Rückseite der Stufenlinse ist heute meistens gewölbt. Die Ursprungsform ist dann eine Meniske. Außerdem ist die Rückseite der Linse strukturiert (siehe Abschnitt Plankonvexlinse), um einen Art Weichzeichnereffekt zu erhalten und damit Wendelabbildungen zu vermeiden. Durch die Rückseite und durch die Ringe entsteht etwas Streulicht. Im Allgemeinen werden Stufenlinsen mit positiver Brennweite hergestellt. Es sind auch Linsen mit negativer Brennweite erhältlich. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 12 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Links ist im Schnitt ist eine positive Stufenlinse mit konkaver Rückseite abgebildet. Die Linse wird industriell im Preßverfahren hergestellt. Abbildung 1.23 1.3.4 Asphärische Linse Bei asphärischen Linsen liegt der Oberfläche der Linse kein Kreis, sondern ein anderer Kegelschnitt, zu Grunde. F Asphärische Oberfläche Für Kondensorlinsen wird die Oberfläche der Linse so korrigiert, daß die Strahlen nach der Linse möglichst parallel sind. Abbildung 1.24 Einzelheiten werden im Abschnitt Kondensorsystem und Anhang 1 erläutert. Asphärische Kondensorlinsen werden in Kondensorlinsenscheinwerfern beziehungsweise Profilscheinwerfern und kleineren Projektionsgeräten eingesetzt. Die Art und Weise, wie die einzelnen Bauteile zusammenpassen und aufeinander abge stimmt werden können, wird im Folgenden unter den Scheinwerfersystemen erläutert. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 13 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 2 Parabolspiegelscheinwerfer 2.1 Grundlagen In der Abbildung 2.1 befindet sich im Brennpunkt eines Parabolspiegels eine idealisierte Lichtquelle. Sie ist punktförmig und strahlt in Verlustwinkel allen Richtungen gleich viel Licht ab. Nutzwinkel Alle Lichtstrahlen, die von der F Lichtquelle auf den Spiegel treffen, werden vom Parabolspiegel achsparallel reflektiert und sind nutzbar. (In der Zeichnung sind dies die blauen Linien.) Wird der Winkel über alle Lichtstrahlen, die den Parabolspiegel treffen, gezeichnet, so ergibt sich der Nutzwinkel. Alle Lichtstrahlen, die nicht auf Abbildung 2.1 den Spiegel treffen sind verloren, da sie nicht achsparallel sind. Davon ausgenommen ist nur jener Strahl, der auf der opti schen Achse liegt. Dieser kann unberücksichtigt bleiben. Wird nun über alle diese Strahlen ebenfalls ein Winkel gezeichnet, ergibt sich der Verlustwinkel. Alle Winkel zusammen müssen 360° ergeben. In der Abbildung 2.1 hat der Nutzwinkel 220° und der Verlustwinkel 140°. Wird eine reale Lichtquelle in diesem Parabolspiegel benutzt, dann ändern sich die Ver hältnisse. Je nach der Lichtverteilung der realen Lichtquelle kann sich die Lichtausbeute verbessern oder verschlechtern. Siehe hierzu auch den Absatz Lichtverteilung von Lichtquellen. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 14 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme b Nutzwinkel des Leuchtmittels Teil B Nutzwinkel des Leuchtmittels Teil A Achsparallele Lichtstrahlen vom planen Wendel. Diese sind ebenfalls nutzbar. Abbildung 2.2 In der Abbildung 2.2 ist in dem Parabolspiegel eine Halogenlampe mit planem Wendel im Brennpunkt eingezeichnet. Es ist die gleiche Lichtquelle, wie zuvor beschrieben. Siehe hierzu auch die Abbildung 1.1.2. Diese Lichtquelle strahlt ihr Licht hauptsächlich in zwei Richtungen ab, so daß sich die Lichtverteilungskurve des Leuchtmittels in den Teil A und den Teil B aufteilen läßt. In diesem Fall hat jeder Anteil 50% des Lichts. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß das Licht vom Anteil A vollständig vom Spiegel erfaßt und reflektiert wird. Vom Anteil B der Lichtverteilungskurve wird vom Parabolspiegel kein Licht erfaßt und die Lichtstrahlen gehen fast vollständig verloren, da sie nicht achsparallel zur optischen Achse sind. Nur ein geringer Anteil des Lichts vom Teil B der Lichtverteilung wird achsparallel abgestrahlt. Diese sind in der Zeichnung gekennzeichnet und ebenfalls nutzbar. Somit liegt der tatsächliche geometrische Wirkungsgrad dieser Darstellung etwas über 50%. Aus der Zeichnung geht auch hervor, daß der Spiegel zu groß ist. Der Spiegelteil, der mit dem Maß „b“ gekennzeichnet ist, ist unwirksam und unnötig. Der Spiegel und damit auch der Scheinwerfer könnte kleiner und preiswerter gebaut werden, ohne daß sich die licht technischen Eigenschaften verändern würden. Aus den Abbildungen 2.1 und 2.2 ist ersichtlich, daß der geometrische Wirkungsgrad von der Lichtverteilung der Lichtquelle und vom optischen Bauteil beziehungsweise weiterer optischer Bauteile abhängt. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 15 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme In Abbildung 2.3 ist in dem gleichen Parabolspiegel, der in Abbildung 2.2 dargestellt ist, eine EntNutzwinkel des ladungslampe eingebaut. Die EntLeuchtmittels ladungsstrecke liegt auf der optischen Achse und der Mittelpunkt der Entladungsstrecke ist im Brennpunkt. Der Parabolspiegel hat in der Mitte eine kreisförmige Öffnung, damit das Leuchtmittel befestigt werden kann. Dieser Bereich des Spiegels entfällt und die Nutzwinkel des Leuchtmittels davon betroffenen Winkel sind rot eingezeichnet. Die Lichtstrahlen, die vom Spiegel reflektiert werden sind blau gezeiAbbildung 2.3 chent. Analog, wie zuvor ergeben sich die Nutzwinkel. Aus der Lichtverteilungskurve des Leuchtmittels ist ersichtlich, daß weit über 50% des Lichts achsparallel reflektiert wird. Der Rest ist wieder verloren. Es ist auch ersichtlich, daß der Parabolspiegel wesentlich mehr Licht reflektieren würde, wenn der Spiegel um das Maß „b“ vergrößert wird. Dadurch wird der Durchmesser des Parabolspiegels größer. Er würde dann vermutlich 80% bis 90% der Lichtstrahlen erfassen und reflektieren. b © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 16 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 2.2 Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfer 2.2.1 Wirkungsweise Abbildung 2.4 Gängige Darstellung des Strahlengangs eines Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfers mit kuppenverspiegelter Lampe Der Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfer ist ein besonderes Gerät. Vom Aufbau her gibt es einen engen Lichtstrahl ab. Wegen des Leuchtmittels ist dieses Licht gleißend und glitzernd. Soll auf der Bühne ein Kronleuchter oder Straß an Kostümen zum Funkeln und Brillieren gebracht werden, sind NV-Parabolspiegelscheinwerfer die beste Wahl und in ihrer Wirkung von anderen Scheinwerfern nicht erreichbar. Darüber hinaus hat dieser Scheinwwerfer einen sehr guten Wirkungsgrad und eignet sich wegen des engen Lichtstrahls zur Ausleuchtung auf große Entfernungen. In der Animation (-siehe unsere Internetseite-) wird eine ideale Lichtquelle verwendet, sie ist also unendlich klein, beziehungsweise ein Punkt. Aus der Animation ist leicht ersichtlich, daß schon ein geringfügiges Verschieben der Lichtquelle eine große Auswirkung auf den Strahlengang hat. Zum Aufbau: Streuendes Licht Parabolspiegel Paralleles Licht Treffen parallele Lichtstrahlen zentrisch auf einen Parabolspiegel, dann schneiden sie sich im Brennpunkt des Spiegels. Dieser Effekt gilt auch umgekehrt. Alle Lichtstrahlen aus dem Brennpunkt, die den Spiegel treffen werden als parallele Lichtstrahlen reflektiert. Brennpunkt Streuendes Licht Abbildung 2.5 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 17 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Parabolspiegel Hilfsspiegel Kugelabschnitt Lichtquelle im Brennpunkt des Parabolspiegels und gleichzeitig im Mittelpunkt des Kugelabschnitts Abbildung 2.6 Diese Eigenschaft wird beim NV-Parabolspiegel angewendet. Die Lichtquelle muß im Brennpunkt des Reflektors stehen. Um die Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle nach vorne, also nicht zum Parabolspiegel hin, abgestrahlt werden, ebenfalls nutzen zu können, wird ein Hilfsspiegel verwendet. Dieser Hilfsspiegel stellt eine Halbkugel dar, in deren Mittelpunkt sich die Lichtquelle befindet. Damit beim Einjustieren der Lichtquelle der Hilfsspiegel mitwandert, beziehungsweise beim Verstellen der Lichtquelle diese immer im Mittelpunkt der Halbkugel bleibt, ist der Spiegel im Glaskolben der Niedervoltlampe aufgebracht. Abbildung 2.7 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 18 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme minus 3 O 120 dunkle Zone in der Mitte des Lichtkegels Idealer Fall gefährliche Bündelung des Lichtkegels mit Brandgefahr plus 3 Aus den Zeichnungen 2.8, links, ist leicht ersichtlich, daß schon eine geringfügige Verstellung der Lampe aus dem Brennpunkt heraus eine große Änderung des Lichtkegels erzeugt, obwohl eine fast punktförmige Lichtquelle verwendet wird. Bei einer Verschiebung zum Spiegel, im Beispiel sind es minus 3 mm, streut der Scheinwerfer und es ergibt sich in der Mitte des Lichtkegels eine dunkle Zone. Bei einer Verschiebung weg vom Spiegel, im Beispiel ebenfalls 3 mm, aber plus, ergibt sich Abbildung 2.8 außerhalb des Scheinwerfers eine Verengung der Lichtstrahlen. Diese Verengung kann gefährlich werden und eine Brandgefahr darstellen. Eine derartige Verschiebung muß deshalb mechanisch verhindert werden. Deshalb ist bei Reiche & Vogel Scheinwerfern ein Stellring vorhanden, so daß auch Fertigungstoleranzen der Lampe und des Scheinwerfers ausgeglichen werden können. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 19 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 2.2.2 Ringblende Zu den NV-Parabolspiegelscheinwerfern werden Ringblenden geliefert. Die Ringe sind so gebaut, daß sie Streulicht aus dem Scheinwerfer auffangen. Einschubrahmen Versteifung In der Zeichnung 2.9 ist eine Ringblende gezeichnet, links die Aufsicht und rechts ein Schnitt. Blende Konzentrische Ringe Versteifung Abbildung 2.9 In der Zeichnung 2.10 sind die Lichtstrahlen, die von der Rinblende durchgelassen werden, blau gezeichnet. Die Lichtstrahlen mit größerem Winkel zur optischen Achse sind rot gezeichnet und werden von den Ringen absorbiert, also ausgeblendet. Dazu müssen die Ringe schwarz/matt sein. Der Grenzwinkel „α“ ergibt sich aus der Tubuslänge „t“ und dem Abstand „a“ von Ring zu Ring. Abbildung 2.10 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 20 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Beispiele von REICHE & VOGEL Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfer NS 250 / T mit Ringblende und mit eingebautem Transformator Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfer NS 500 / T mit Ringblende und mit eingebautem Transformator © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 21 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Niedervolt-Parabolspiegelscheinwerfer NS 1000 mit Ringblende Dieses Gerät ist auch mit einer kardanischen Aufhängung erhältlich Niedervolt-Brückenverfolger BV 500 mit Ringblende und kardanischer Aufhängung © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 22 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3 Linsenscheinwerfer 3.1 Plankonvexlinsenscheinwerfer Üblicher Weise besteht ein Linsenscheinwerfer aus einer Linse, einem Kugelspiegel und einer Lichtquelle. Bei einem Plankonvex-Linsenscheinwerfer ist die Linse eine Plankon vexlinse, beim Stufenlinsenscheinwerfer eine Stufenlinse. Allerdings lassen sich auch andere Linsentypen verwenden, zum Beispiel eine Meniske. Das ist jedoch eher selten der Fall. Die Mittelpunkte der optischen Bauteile und der Lichtquelle müssen auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen. Der Kugelspiegel und die Lichtquelle bilden eine mechanisch feste Einheit und lassen sich entlang der optischen Achse verschieben. Dabei verändert sich der Abstand zur Linse und der Öffnungswinkel des Lichtkegels. Das optische System und dessen Wirkungsweise ist bei Stufenlinsenscheinwerfern und bei Plankonvexlinsenscheinwerfern gleich. Deshalb wird zuerst der Plankonvexlinsenscheinwerfer, oft auch PC genannt, beschrieben und erläutert. Anschließend wird der Stu fenlinsenscheinwerfer erklärt. In den üblichen, schematischen Darstellungen wird die Lichtquelle als Punkt, also als idealisierte Lichtquelle abgebildet und es werden nur jene Lichtstrahlen abgebildet, die im Strahlengang des Scheinwerfers enthalten sind. In Abbildung 3.1 ist der schematische Strahlengang von der Spot- bis zur Floodstellung, mit einer Zwischenposition, dargestellt. Unter Spotstellung ist der engste und unter Floodstellung der breiteste Lichtkegel zu verstehen. Abbildung 3.1 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 23 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Mit den folgenden Zeichnungen werden einige Merkmale mit idealisierter Lichtquelle dargestellt: Ideale Lichtquelle Spotstellung Lichtquelle im Brennpunkt Schnittweite s Die Lichtquelle mit dem Spiegel ist im Brennpunkt. Der Scheinwerfer gibt nahezu paralleles Licht ab. Diese Einstellung wird auch "Spot-Stellung" bezeichnet. Die Nutzwinkel sind sehr klein. Der erreichte Lichtfleck hat die größte Helligkeit obwohl der Wirkungsgrad des Scheinwerfers am geringsten ist. Brennweite f Abbildung 3.2 Anmerkung: Die Brennweite der Linse wird von der Hauptebene bis zum Brennpunkt gemessen. Die Schnittweite ist die Entfernung von der äußersten Linsenkante bis zum Brennpunkt, in der Zeichnung von der Linsenrückseite (Abbildung 3.2.). Würde die Lampe über die Brennweite hinaus verschoben, würde sich das Lampenwendel vergrößert abbilden, der Wirkungsgrad würde immer schlechter. ( siehe hierzu auch den gesonderten Anhang 1, Seite 36: 4.4. Darstellung mit Hauptebenen - Abbildungsgesetz und Vergrößerung ) Wird die Lichtquelle mit dem Spiegel zur Linse hin verschoIdeale Lichtquelle ben, öffnet sich der Lichtkegel Zwischenstellung des Scheinwerfers stufenlos. Die Nutzwinkel werden größer und der Gesamtwirkungsgrad steigt. Da jedoch die ausgeleuchtete Fläche überproportional steigt, fällt gleichzeitig die Helligkeit. (Beleuchtungsstärke, Lux-Wert Schnittweite s fällt) Brennweite f Abbildung 3.3 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 24 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Ideale Lichtquelle Floodstellung Lichtquelle dicht an der Linse Schnittweite s Brennweite f Abbildung 3.4 Sobald die Lichtquelle und der Spiegel am dichtesten zur Linse hin verschoben sind, ist der größt mögliche Lichtkegel erreicht. Diese Einstellung wird auch "Flood-Stellung" genannt. Die Nutzwinkel und der Gesamtwirkungsgrad sind am größten. Die Helligkeit ist am geringsten. (Beleuchtungsstärke, Lux-Wert am geringsten). Der Spiegeldurchmesser wird deshalb entsprechend der geometrischen Verhältnisse in der Flood-Stellung bemessen. 3.1.1 Betrieb mit idealisierter Lichtquelle In Abschnitt 1 wurde kurz erläutert, daß eine idealisierte Lichtquelle ihr Licht in allen Richtungen gleichmäßig abgibt. Offensichtlich ist deshalb, daß der Spiegel und die Linse nur einen Teil des Lichtes erfassen und in die beabsichtigte Richtung lenken. Um den Linsenscheinwerfer leicht zu verstehen wird seine Wirkungsweise zuerst mit einer derartigen Lichtquelle erläutert. Wird die Lichtquelle mit einem Kugelspiegel kombiniert, so wird Kugelspiegel nur ein Teil des Lichts von dem Spiegel erfaßt. Es ergibt sich der Nutzwinkel des Spiegels. (Räumlich) Nutzwinkel Durch hinzufügen der Plankonvexlinse entsteht das komplette optische System des Scheinwerfers. Damit das System optimal und symmetrisch ist, müssen Spiegelmitte, Lichtquelle Mittelpunkt des und Linsenmitte auf einer Linie Kugelspiegels und der Lichtquelle liegen, sie ist die optische Achse des Scheinwerfers. Abbildung 3.5 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 25 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Es ergibt sich nun zum Beispiel folgendes Bild: Kugelspiegel Spiegel Linse optische Achse Vom Spiegel wird ein größerer Winkel als von der Linse erfaßt. Wirksam wird jedoch nur der Winkel von der Linse. Im Spiegel werden die Strahlen in sich reflektiert, so daß am Spiegel ebenfalls nur der Winkel der Linse wirksam wird. Das restliche Licht geht verloren. Je weiter sich der Spiegel mit der Lichtquelle von der Linse entfernt, desto weniger Licht Abbildung 3.6 wird erfaßt und geht durch die Linse. Umgekehrt gilt auch, je dichter der Spiegel mit Lichtquelle an die Linse gefahren wird, desto mehr Licht wird erfaßt und der Wirkungsgrad steigt. Mittelpunkt des Kugelspiegels und der Lichtquelle Der Verlust kann nun durch einen Verlustwinkel folgendermaßen dargestellt werden: Verlustwinkel Zu beachten ist, daß es sich immer um räumliche Winkel handelt. Verlustwinkel Abbildung 3.7 Wie schon erläutert werden üblicherweise nur die wirksamen Strahlen dargestellt, so daß dem Betrachter die Wirkungsweise des optischen Systems leichter sichtbar wird. Deshalb werden in Abbildung 3.7 auch einmal die Verluste im Strahlengang aufgezeigt. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 26 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3.1.2 Aufbau mit realer Lichtquelle Auch die Linsenabmessungen und -eigenschaften wirken sich auf das Licht des Schein werfers aus. Ähnlich wie beim Spiegel ist das Verhältnis Linsendurchmesser/Wendeldia gonale ein wesentliches Merkmal. Je größer dieses Verhältnis ist, desto mehr nähert sich die Lichtquelle der idealisierten Lichtquelle mit dem Durchmesser 0 und das Gerät streut weniger Licht. Darüber hinaus ist die Brennweite „f“ bzw. die Schnittweite „s“ für die Güte des Lichtes entscheidend. Je größer die Brennweite ist, desto enger und besser läßt sich das Gerät fokussieren. Auch hier lassen sich Verhältniszahlen angeben. Linsendurchmesser /Brennweite und Linsendurchmesser/Diagonale der Lichtquelle. Steht die Lampe mit dem Spiegel im Brennpunkt der Linse wird das Lampenwendel im Unendlichen abgebildet, es ergibt sich ein sehr enger Lichtkegel. Es ist der engste Licht kegel, den das Gerät ermöglicht. Wegen der Schärfentiefe wird das Wendel schon im Endlichen abgebildet. Um diese Abbildung zu vermeiden kann in das Gerät ein Weich zeichner eingesetzt werden, der die Lichtstrahlen etwas diffus macht, so daß die Abbil dung verschwindet. REICHE & VOGEL empfiehlt und liefert dazu einen Weichzeichner aus Glas, der mehr Licht durchläßt als ein Weichzeichner aus Kunststoff. Der Weichzeich ner kann bei streuender Einstellung des Gerätes herausgenommen werden, da in diesem Betriebszustand das Wendel nicht mehr abgebildet wird und sich ein homogenes Licht einstellt. Dadurch wird eine optimale Lichtausbeute erzielt. Einige Hersteller verwenden Plankonvexlinsen deren Rückseite wie ein Weichzeichner aufgeraut oder mit einem be stimmten Muster versehen ist, um den selben Effekt zu erzielen. Auch diese Linsen vernichten, ähnlich wie ein Weichzeichner aus Glas, Licht. Allerdings wirkt diese Rückseite auch bei streuendem Licht, so daß in diesem Betriebszustand nicht das optimale Licht erzielt werden kann. Zu guter Letzt sind auch noch Geräte auf dem Markt, bei denen sich die Lampe nicht bis zum Brennpunkt verschieben läßt. Diese Geräte benötigen deshalb auch keinen Weichzeichner. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sich das Licht nicht richtig eng einstellen läßt bzw. nicht so eng, wie es konstruktiv möglich wäre. Der Vorteil be steht in einem kürzeren Gerät. Hier sei gleich erwähnt, daß Stufenlinsen für Theater- und Studioanwendungen immer eine strukturierte Rückseite haben. Die Anwendungsentfernung dieser Geräte ist relativ kurz und weil die Brennweite gemessen am Linsendurchmesser ebenfalls gering ist, ist die strukturierte Rückseite erforderlich, um damit ein homogenes Licht zu erhalten. Derartige Stufenlinsenscheinwerfer ermöglichen keinen so engen Lichtkegel wie Plankonvexlinsenscheinwerfer. Wird die Lampe vom Brennpunkt aus zur Linse hin verschoben öffnet sich der Lichtkegel und er wird immer größer, bis das Maximum erreicht ist. Ganz zum Schluß werden die Lichtstrahlen so extrem gebrochen, daß der Lichtkegel im Innern wieder etwas dunkler wird als am Rand. ( Siehe hierzu auch Anhang 1 ) Anmerkung: REICHE & VOGEL Plankonvexlinsenscheinwerfer sind so ausgelegt, daß sie im Spotbereich sich an NV-Parabolspiegelscheinwerfern annähern. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 27 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3.1.2.1 Aufbau mit Halogenlampe Der Verlustwinkel wirkt sich in Wirklichkeit nicht so stark aus, wie es sich aus den bisheri gen Abbildungen ergibt. Bislang wurde von einer nach allen Richtungen gleichstarken Lichtabstrahlung der Lichtquelle ausgegangen. Reale Lichtquellen verhalten sich anders. Eine Halogenlampe mit Mono- oder Biplanwendel strahlt das meiste Licht senkrecht zur Wendelfläche ab. Bei einem senkrechten Schnitt durch die Lampe würde dies etwa wie in Abbildung 3.8 aussehen: wenig Licht viel Licht zur Linse viel Licht zum Spiegel Flaches Wendel (rechteckige Fläche) wenig Licht Abbildung 3.8: Schematische Darstellung Links in der Abbildung 3.9 ist schematisch die Lichtverteilung einer Halogenlampe mit flachem Wendel ( mono- oder biplan ) dargestellt. Unten wird ein seitlicher Längsschnitt und oben ein Schnitt durch die Lampe gesetzt, quasi von unten oder oben betrachtet. Offensichtlich wird, daß weder nach unten, noch nach oben viel Licht abgestrahlt wird, auch nicht auf die Seiten der Lampe. Diese Lampentype ist deshalb gut geeignet für Linsenscheinwerfer mit Kugelspiegel und für Kondensorsysteme. Falls das Wendel quadratisch ist, ist die Lichtverteilung von der Seite und von oben betrachtet nahezu gleich. Abbildung 3.9 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 28 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Aus der schematischen Zeichnung, Abbildung 3.10, ist zu ersehen, daß in den Bereich, der mit Verlustwinkel bezeichnet ist, die Halogenlampe kaum Licht abstrahlt. Verlustwinkel Nutzwinkel der Linse Nutzwinkel Spiegel Linsendurchmesser D Nutzwinkel Lampe Abstand a Fast alles Licht wird vom Spiegel und der Linse erfaßt! Es ergibt sich ein erstaunlich hoher Wirkungsgrad, bei dieser Einstellung des Scheinwerfers, allerdings nur, wenn die richtige Lampe verwendet wird. Verlustwinkel Abbildung 3.10 Einstellen der Lampe (Beispiel Glühlicht, Halogenlampe) Weil die Lampe immer im Mittelpunkt – nicht im Brennpunkt – des Kugelspiegels steht, wird auch das vom Spiegel reflektierte Licht zur Linse gelenkt, mit der Wirkung, daß sich das direkt von der Lichtquelle zur Linse gestrahlte Licht verstärkt. Je größer das Verhältnis Spiegeldurchmesser/Wendeldiagonale ist, desto besser wird das Licht vom Spiegel zum Spiegelmittelpunkt reflektiert und gleichzeitig wird das System unempfindlicher. Der Spiegel wirkt wie eine Linse, er kann ein Bild vergrößern und verkleinern und auch gleich groß abbilden. Die Brennweite „f“ eines Spiegel ist der halbe Krümmungsradius. f = 1/2 r. Anmerkung: Häufig wird die Meinung vertreten, daß der Mittelpunkt des Kreises auch der Brennpunkt ist. Diese Meinung ist falsch, der Brennpunkt ist auf der optischen Achse genau zwischen Spiegel und dem Mittelpunkt (siehe auch Spiegel), also „r/2“. Da die Lampe im Mittelpunkt ist, ist sie gleichzeitig zwei Brennweiten von dem Spiegel (Scheitel des Spiegels) entfernt. Daraus ergibt sich, daß sich das Lampenwendel in sich selber im Maßstab 1:1 abbildet, jedoch seitenverkehrt. Dieser Effekt kann zum Einstellen des Scheinwerfers benutzt werden. Dazu wird die Lampe mit dem Spiegel in die Brennweite der Lampe verstellt; Spiegel und Lampe bilden sich im Unendlichen und wegen der Schärfentiefe auch in endlicher Entfernung ab. Außer der Lampe sind auch zwei Wende labbildungen sichtbar. Eines davon ist hell und scharf abgebildet und das andere etwas © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 29 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme unscharf, nicht ganz so hell. Das helle und scharfe Bild ist die direkte Abbildung des Wen dels durch die Linse. Das etwas unscharfe Wendelbild ist die Abbildung von dem durch den Spiegel erzeugten Wendelbild. Dieses Bild kann größer, gleich groß oder kleiner sein als das helle Bild, es kann sich auch an einer anderen Stelle befinden. Dies hängt davon ab, wie das Gerät eingestellt ist. Beim richtig eingestellten Gerät müssen beide Bilder gleich groß und übereinander liegen. Entweder ist der Spiegel oder es ist die Lampe zu verstellen. Der Lampenschlitten mit Spiegel wird soweit verstellt, bis sich das Wendel in relativ kurzer Entfernung abbildet. Bei Reiche & Vogel Scheinwerfern kann ein Stellring gelöst werden, damit der Scheinwerfer für diesen Zweck überfokussiert werden kann. Es ist darauf zu achten, daß nach Einstellung der Lampe der Stellring wieder so eingestellt wird, daß ein Überfokussieren verhindert wird. Folgende Abbildungen erläutern das Einstellen des Plankonvexlinsenscheinwerfers: scharfes, helles Wendel Die Lampe steht zu dicht am Spiegel und ist etwas über der optischen Achse. Das Bild der Wendel wird vergrößert (seitenverkehrt) und bildet sich unterhalb der optischen Achse ab. großes, etwas verschwommenes Wendel Abbildung 3.11 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 30 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme scharfes, helles Wendel Die Lampe steht in der richtigen Entfernung zum Spiegel und ist etwas über der optischen Achse. Die Abbildung des Wendels ist gleich groß (seitenverkehrt) und bildet sich unterhalb der optischen Achse ab. gleich großes, etwas verschwommenes Wendel, jedoch noch an der falschen Stelle Abbildung 3.12 Beide Bilder sind gleich groß und liegen zentriert übereinander, eines davon ist seitenverkehrt. Das Gerät ist optimal eingestellt. Da die Abbildung des Wendels auf die Lücken des ersten Bildes gesetzt wird, ergibt sich eine Fläche, die leuchtet. gleich großes, etwas verschwommenes Wendel, Bei einem monoplanen Wendel liegt im anderen Wendel ist eine derartige Einstellung erforderlich, um optimale Ergebnisse zu bekommen. Bei einem Abbildung 3.13 Biplanwendel ist oft keine Lücke sichtbar, da die Wendel in 2 Ebenen so angeordnet sind, daß die Lücken des einen Wendels von den Wendeln der anderen Ebene verdeckt werden. In diesem Fall erhöht sich die Leuchtdichte der Lampe erheblich, die Wirkung des Spiegels läßt aber nach. Die Bedeutung des Spiegels wird geringer. scharfes, helles Wendel Bei der Abbildung des Wendels im Bereich der Lampe entsteht eine große Hitze. Theaterund Studiolampen sind so gebaut, daß sie diese bei richtig eingestelltem Gerät aushalten. Das Wendel muß sich also nicht nur wegen der Helligkeit, sondern auch wegen der Hitze in sich selber abbilden. Bei einer falsch eingestellten Lampe, wenn sie zum Beispiel zu hoch im Gerät steht, bildet sich das Wendel auf dem Lampensockel ab, erhitzt diesen, und die Lampe wird zerstört. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 31 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme oberer Strahl Die Lampe sitzt richtig im Mittelpunkt des Spiegels. Der obere Strahl wird an der Innenseite des Spiegels reflektiert und trifft unten auf das Wendel. Der untere Strahl wird entgegengesetzt nach oben reflektieren und trifft das Wendel oben. r Die Lampe sitzt richtig im Mittelpunkt des Spiegels. reflektierter Strahl optische Achse Abbildung 3.14 d Normale, Spiegelungsachse diese Fläche des Sockels, etwas dicker gezeichnet, wird überhitzt. Fehler: Die Lampe sitzt über der optischen Achse ( Maß d ) und deshalb ergibt sich eine Überhitzung am Sockel. Vom Wendel sind 2 Grenzstrahlen zum Spiegel eingezeichnet. Diese reflektieren sich an der Normalen des Spiegels und treffen auf den Sockel, so daß sich dieser erhitzt. optische Achse Abbildung 3.15 3.1.2.2 Aufbau mit Entladungslampe Hauptsächlich bei Stufenlinsenscheinwerfern werden häufig Halogen-Metalldampflampen, also Entladungslampen, verwendet. Wegen des niedrigen, inneren, elektrischen Widerstands der brennenden Lampe ist zum Betrieb dieser Lampen ein Vorschaltgerät erforderlich, das den Strom begrenzt. Damit die Lampe „zündet“, muß kurzzeitig eine hohe Spannung an die Elektroden angelegt werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 32 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme In Abschnitt 1 wurde schon kurz dargestellt, daß eine Metallhalogendampflampe eine andere Lichtverteilung als eine Halogenlampe hat. Die Auswirkungen werden hier erläutert. In der Abbildung 3.16 ist schematisch die Lichtverteilung einer Entladungslampe abgebildet. Seitlich betrachtet, siehe zweite Abbildung, ergibt sich ein ähnliches Bild, wie bei der Lampe mit Wendel. Aus dem Schnitt quer zur Lampe ist nun ersichtlich, daß die Lampe um die ganze senkrechte Achse herum gleichmäßig ihr Licht abstrahlt. Für einen Kugelspiegel ist sie deshalb weniger gut geeignet. In einem Ellipsenspiegel oder in einem Parabolspiegel läßt sie sich jedoch gut einsetzen, besser als die oben dargestellte Halogenlampe. Abbildung 3.16 Bei einer Entladungslampe mit der Entladungsstrecke von 10 mm ergibt sich seitlich betrachtet ebenfalls das selbe Bild. Von oben oder unten betrachtet ergibt sich jedoch ein Verlustwinkel nach Abbildung 3.17. Abbildung 3.17 Der Wirkungsgrad des Scheinwerfers ist ungünstig. Wegen der hohen Leuchtdichte der Lichtquelle ergibt sich eine gute Bündelung und Lichtverteilung. Deshalb wird ein derartiger Scheinwerfer gerne benutzt. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 33 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3.1.2.3 Überfokussierung Reale Lichtquelle: Wendelgröße: 20 X 21 mm F Strahlen vom Brennpunkt F ausgehend sind nach der Linse annähernd parallel überfokussiert, es entsteht eine Bündelung und damit Gefahrenquelle! Schnittweite überfokussierter Bereich Abbildung 3.18 Eine Gefahrenquelle entsteht, sobald das Gerät überfokussiert wird. Wenn der Abstand von der Lichtquelle zur Linsenrückseite größer als deren Schnittweite wird, entsteht eine reale Abbildung des Wendels als heiße Bündelung des Lichts. Fälschlicherweise wird häufig von einem zweiten Brennpunkt außerhalb des Gerätes gesprochen. Es handelt sich hierbei nicht um einen Brennpunkt im optischen Sinne, sondern um eine Einschnürung der Lichtstrahlen mit der Folge, daß es in der Einschnürung heiß wird. Deshalb wird dieser Punkt manchmal als ”Brennpunkt“ bezeichnet. Bei REICHE & VOGEL Scheinwerfer verhindert ein einstellbarer Stellring, daß die Lampe mit Spiegel über den Brennpunkt hinaus verstellt werden kann. Anmerkung: Eine Einschnürung des Lichtstrahles kann sich auch aus der Kautik der Linse ergeben. Dies wird im Anhang A erläutert. Der Plankonvexlinsenscheinwerfer ist das universale Gerät für Theater, ob groß oder ob klein, weil mit ihm enge, kleine Flächen und auch große Flächen ausgeleuchtet werden können. REICHE & VOGEL Geräte werden grundsätzlich mit axial drehbaren Vierfachlichtblenden ausgeliefert, so daß auch der Lichtkegel des Scheinwerfers in seinen Konturen sich verändern läßt. Dieser Gerätetyp gehört deshalb zur Grundaussttung einer Theaterbühne. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 34 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3.2 Stufenlinsenscheinwerfer Der Stufenlinsenscheinwerfer hat anstelle einer Plankonvexlinse eine Stufenlinse. An sonsten verhält sich das System wie ein Plankonvexlinsenscheinwwerfer. Eine Plankon vexlinse mit großem Durchmesser und relativ kurzer Brennweite bzw. Schnittweite würde sehr dickbauchig, damit schwer und ziemlich teuer werden. Die Dicke der Stufenlinse ist gleichmäßiger als eine Plankonvexlinse. Deshalb erwärmen sie sich gleichmäßiger und kühlen sich auch gleichmäßiger ab, die Spannungen im Glas sind geringer. Oder anders betrachtet, deshalb können sie in der Praxis höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Anmerkung: Die Rückseite ist heute meistens gewölbt. Die Ursprungsform ist dann eine Meniske. Die Rückseite der Linse ist strukturiert um einen Art Weichzeichnereffekt zu erhalten um somit Wendelabbildungen zu vermeiden. Durch die Rückseite und durch die Ringe entsteht etwas Streulicht. Der Stufenlinsenscheinwerfer wird hauptsächlich in Studios und beim Fernsehen verwen det. Im Normalfall sind die Entfernungen zum auszuleuchtenden Gegenstand geringer als beim Theater. Das Streulicht der Linse ist deshalb unbedenklich. 3.3 Zusammenfassung • Das optische System besteht aus Lichtquelle, Linse und Spiegel • Die Mittelpunkte der Lichtquelle, der Linse und des Spiegels müssen auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen. • Das System ist rotationssymmetrisch. • In der Flood-Stellung (weitester Lichtkegel) ist der Wirkungsgrad am größten, die ausgeleuchtete Fläche ebenfalls, die Beleuchtungsstärke in der Mitte jedoch am geringsten. • In der Spot-Stellung (engster Lichtkegel) ist dies umgekehrt. Der Wirkungsgrad ist am geringsten, die Beleuchtungsstärke in der Mitte am höchsten. Die ausleuchtbare Fläche am geringsten. • Der Lichtkegel des Scheinwerfers läßt sich stufenlose verändern. • Das Verhältnis Linsendurchmesser/Wendeldiagonale ist eine wichtige Kenngröße für die lichttechnische Qualität. • Die Brennweite ist ebenfalls eine wichtige Kenngröße; je größer die Brennweite, desto besser lassen sich große Entfernungen überbrücken. • Nur mit Scheinwerfern, bei denen die Lichtquelle bis zum Brennpunkt der Linse verschoben werden kann, lassen sich engste Lichtkegel erzeugen. Für diese ist in irgendeiner Form ein Weichzeichner wünschenswert. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 35 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3.4 Sonderbauformen Gelegentlich werden Linsenscheinwerfer mit einer zusätzlichen Kondensorlinse hergestellt. Seltener wird als Licht sammelndes System ein Ellipsenspiegel verwendet. Dieser ersetzt den Kugelspiegel und den Kondensor. 3.4.1 Linsenscheinwerfer mit zusätzlichem Kondensor. Der Kondensor wird dicht zum Leuchtmittel derart fest eingebaut, daß das vom Kondensor erfaßt Licht die Plankonvexlinse oder eine Stufenlinse in der Spotstellung voll ausleuchtet. Das vom Kondensor erfaßte Licht ist bei einer Halogenlampe mit quadratischem Abbildung 3.23 Wendel sehr hoch und wird durch den Winkel „ “ ausgedrückt. Der Winkel „“ stellt den engsten Winkel des Scheinwerferlichtkegels dar. Wird der Abstand zwischen Kondensorlinse und Plankonvexlinse verringert, wird der Winkel „“ des Lichtkegels grö ßer. Der Winkel „“ verändert sich dabei nicht, so daß die Lichtmenge konstant bleibt. Durch den größer werdenden Winkel des Lichtkegels, nimmt die Beleuchtungsstärke ab. Abbildung 3.24 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Mit dieser Bauweise läßt sich im Spotbereich ein höherer Wirkungsgrad als mit einem normalen Linsenscheinwerfer erzielen. Allerdings läßt sich der Winkel „“ des Scheinwerferlichtkegels nur we nig vergrößern. Seite 36 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 3.4.2 Linsenscheinwerfer mit Ellipsenspiegel. Anstelle eines normalen Kugelspiegels und einer Kondensorlinse wird hier ein Ellipsenspiegel mit einem Gegenspiegel zum Ausrichten des Licht der Lampe eingesetzt. Der Gegenspiegel ist ein Kugelspiegel und reflektiert das Licht, das von der Lampe auf ihn fällt, in sich zur Lampe zurück und trifft dann ebenfalls auf den Ellipsenspiegel. Das Leuchtmittel befindet sich im Brennpunkt „F1“ der Ellipse und zugleich im Mittelpunkt des Gegenspiegels. Als Leuchtmittel empfiehlt sich eine Entladungslampe oder eine Halogenlampe mit radialem Wendel, das sich auf der Abbildung 3.25 optischen Achse befindet. Bei einer Entladungslampe befindet sich die Entladungsstrecke auf der optischen Achse. Im Brennpunkt „F2“ der Ellipse wird durch diese Anordnung eine virtuelle oder Ersatzlichtquelle mit gerichtetem Licht erzeugt. In der Abbildung 3.25 sind die Bereiche, in denen Verlust entsteht, Rot eingezeichnet. Das Licht, das direkt von dem Leuchtmittel durch die Öffnung des Kugelspiegels strahlt ist als Winkel „ ℇ“ bezeichnet und stellt Verlust dar. Ebenfalls ergibt sich etwas Verlust an der Rückseite des Ellipsenspiegels. Allerdings sind diese Verluste sehr gering, da das Leuchtmittel in diesen Winkelbereichen kaum Licht abstrahlt. (Siehe auch Leuchtmittel) Bei „F2“ steht eine Lochblende und begrenzt die virtuelle Lichtquelle. In der Spotstellung entsteht in der Abbildung 3.25 zwischen der Blende und der Plankonvexlinse etwas Verlust. (rote Flächen). Dieser Verlust verschwindet, sobald der Abstand Abbildung 3.26 zwischen Blende und Plankonvexlinse verringert wird und sich der Lichtkegel Winkel „ “ vergrößert. (siehe Abbildung 3.26) © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 37 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme REICHE & VOGEL Bühnenscheinwerfer als Beispiele: Systembedingte Vorzüge: ⇒ Großes Verhältnis von Linsendurchmesser /Wendel-diagonale ⇒ Lichtquelle mit Spiegel lassen sich bis zum Brennpunkt verfahren, dadurch sind optimale ⇒ Einstellungsmöglichkeiten für das Licht gegeben. ⇒ Der Spiegel läßt sich justieren, so daß immer der dritte Punkt der optischen Achse eingestellt werden kann, damit ist sie klar festgelegt. Die Zwischenabbildung des Wendels läßt sich ebenfalls justieren. ⇒ Es kann ein Weichzeichner aus Glas verwendet werden. ⇒ Es können wahlweise Plankonvexlinsen oder Stufenlinsen verwendet werden. Die Linsen sind auf einer leicht austauschbaren Platte montiert. Weitere Merkmale der Bühnenausführung: ⇒ Die Geräte sind nach DIN hergestellt. ⇒ 3 Einschübe für Zubehör. ⇒ Im Lieferumfang sind axial drehbare Vierfachlichtblenden enthalten. ⇒ Die Seiten- und die Rückwand sind doppelt ausgeführt, um die Temperaturen an der Gehäuseaußenwand möglichst gering zu halten. ⇒ Die Verstellung der Lichtquelle mit dem Spiegel erfolgt über eine Spindel. ⇒ Leicht zu warten. ⇒ Ausführungen auch für elektrische Fernsteuerungen. Leistungsgrößen und Typen für den Bühnenbetrieb: 650 Watt L650MS STL650MS 1000 bzw.1000 Watt L1200MS STL1200MS © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 2000 Watt L2000MS STL2000MS 2000 bzw. 2500 Watt L2500MS STL2500MS 5000 Watt Seite 38 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme REICHE & VOGEL Stufenlinsenscheinwerfer für Film- und Fernsehbetriebe als Beispiele: Diese Gerätereihe ist für die Verwendung bei Film- und Fernsehbetriebe optimiert. Stabile und trotzdem leichte Bauweise. ⇒ Leichte Wartung. ⇒ Ausführung für händischen Betrieb. ⇒ Ausführung für Studiobetrieb, Einstellung mit Bedienungsstange. Ausführung mit verschiedenen, elektrischen Fernsteuerungen. 650 Watt 1000 bzw.1000 Watt 2000 Watt 2000 bzw. 2500 5000 Watt Diese Geräte sind auch mit einer lichtdichten Zubehörkassette erhältlich, so daß sie damit für Bühnen ebenfalls geeignet sind. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 39 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 4 Abbildende Scheinwerfersysteme Bislang wurden Scheinwerfersysteme ohne einer Optik zur Abbildung von Vorlagen, zum Beispiel eines Dias oder Gobos, beschrieben. Es handelte sich bislang um zwei grundlegende Typen, nämlich dem Parabosspiegelscheinwerfer und dem Linsenscheinwerfer. Diese Scheinwerfer eignen sich für die Ausleuchtung von Flächen, ohne scharfen Rand, so daß deren Licht überlagert werden kann. Um eine Vorlage projizieren zu können, ist eine Abbildungsoptik erforderlich. Diese er möglicht die Projektion einer Vorlage, zum Beispiel eines Dias, der Abblendschieber und einer Irisblende. Im Theater- und Studiobereich gibt es zwei unterschiedliche Systeme. Diese unterscheiden sich in der Art, wie das Licht der Lichtquelle gebündelt wird; entweder mit einem Ellip senspiegel oder mit einem Kondensorsystem. Das Bühnenprojektionsgerät ist als Kondensorsystem und ein Filmprojektor (für Spielfilme) als Ellipsenspiegelsystem aufgebaut. Auf den Filmprojektor wird hier jedoch nicht weiter eingegangen. Ellipsenspiegel- und Kondensorlinsenscheinwerfer werden auch Profilscheinwerfer genannt. Der Name kommt daher, daß sich dem normalen runden Lichtkegel des Scheinwerfers ein Profil aufzwingen läßt, indem zum Beispiel mit den Abblendschiebern ein Drei eck eingestellt werden kann, das dann vergrößert projiziert wird. Das optische System beider Scheinwerferarten besteht in einem Licht sammelnden, der Bildebene und einem abbildenden Teil. Dabei müssen alle Teile so ausgelegt und aufein ander abgestimmt sein, daß möglichst alles ”gesammelte“ Licht auch durch den abbildenden Teil geht. Das Licht sammelnde System kann als Lichthaus und das abbildende Sys tem als Scheinwerferobjektiv oder Abbildungsoptik bezeichnet werden. Die Bildebene trennt das Licht sammelnde System von der Abbildungsoptik und besteht meistens aus vier Abblendschiebern und einer Irisblende, sowie einem Gobohalter, der ein Dia (oft Gobo genannt) aufnehmen kann. Durch die abbildende Optik lassen sich die Kanten der Schieber oder/und die Irisblende scharf projizieren. Auch Gobos lassen sich so vergrößert abbilden. Beim Ellipsenspiegel-Linsenscheinwerfer wird das Licht durch eine Ellipse gesammelt. Eine Linse ist in diesem Teil des Scheinwerfers nicht erforderlich. Beim Kondensorlinsen scheinwerfer wird das Licht durch einen Kugelspiegel und einen Kondensor gesammelt. Der Kondensor kann aus mehreren Linsen bestehen. Das gesammelte und gerichtete Licht leuchtet die Bildebene aus und muß so gerichtet sein, daß es durch das Scheinwerferobjektiv geht. Der Ausgangswinkel des Licht sam melnden Systems sollte dem Eingangswinkel der abbildenden Optik entsprechen. Das Scheinwerferobjektiv ist im grundsätzlichen Aufbau bei allen Typen gleich. Deshalb wird dieses zuerst erläutert. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 40 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 4.1 Scheinwerferobjektiv 4.1.1 Starres Objektiv Starre Objektive haben eine feste Brennweite. Bei Bühnenscheinwerfern besteht dieses Objektiv aus einer oder zwei Linsen mit festem Abstand zueinander. Das Objektiv läßt sich relativ zur Bildebene verschieben, so daß von einer Mindestentfernung bis ins Unend liche die Bildebene scharf abgebildet werden kann. Die meisten Profilscheinwerfer, bei REICHE & VOGEL alle, bieten die Möglichkeit Gobos als Bildvorlage, ähnlich einem Dia, in die Bildebene zu schieben. Auf diese Art lassen sich einfache Projektionen und Lichteffekte erzielen. Im Folgendem wird kurz dargestellt und erläutert, wie die Grundzüge bei der Abbildung sind. Die Bilder wurden mit einem Programm für Optik erzeugt und dann in ein normales Zeichenprogramm übernommen, so daß sie hier dargestellt werden können. Die Blende beziehungsweise der Durchmesser des Gobos hat die Abmessung von 70 mm und wird dann durch die Optik vergrößert abgebildet. Es ist die Bildebene. 200 200 183 70 70 9.0 Vorlage f = 100 Abbildung 4.1 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 projeziertes Bild Die Vorlage, im folgenden das Dia genannt, ist links dargestellt. Die Entfernung zur Hauptachse beträgt 200 mm, so daß bei der Plankonvexlinse mit einer Brennweite von 100 mm eine Abbildung, das projizierte Bild mit gleicher Größe entsteht. Die Entfernung vom Dia bis zur Rückseite der Linse beträgt in diesem Fall 183 mm. (keine 200!) Soll die Entfernung zum Bild größer werden, verändert sich der Abstand zur Linsenrückseite. Seite 41 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Die Entfernung zur Bildwand beträgt nun 1 m und aus dem Dia von 70 mm wird ein Bild von 630 mm Kantenlänge. Der Abstand vom Dia zur Linsenrückseite verringert sich auf 94 mm. 1119 1000 110 O 70 O 630 94 Abbildung 4.2 5110.0 5000.0 85 O 70 O 3430 110 Aus den Abbildungen A13 und A14 ist ersichtlich, daß sich je nach der Entfernung des Bildes von dem Dia zur Linse ein ganz bestimmter, definierter Strahlengang gibt. Das Licht vom Scheinwerferlichthaus muß so ausgerichtet sein, daß es durch die Bildebene, dem Dia, und durch die Linse geht, andernfalls ergeben sich starke Licht- und Bildverluste. Abbildung 4.3 Es ergibt sich die einfache Beziehung Brennweite/Bildentfernung = Gobodurchmesser / Bilddurchmesser . Beziehungsweise f/e = b/B (alles in der selben Einheit) © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 42 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 4.1.2 Zoom Objektiv Beim Zoom-Scheinwerfer werden üblicherweise zwei Plankonvexlinsen verwendet. Je nach Abstand der Linsen zueinander verändert sich die Gesamtbrennweite und damit bei fester Entfernung zur Leinwand die Größe der Abbildung. In den folgenden Abbildungen wird dies gezeigt. Die einzelnen Linsen haben jeweils eine Brennweite von 100 mm. 115 93 78 F f = 200 mm 50 f = 200 mm fgesamt = 120 mm Abbildung 4.4 In den Abbildungen 4,5 und 4.4 wird ein unendlich kleiner Punkt im Unendlichen abgebildet. Beim Vergleich der beiden Bilder läßt sich leicht erkennen, wie sich mit dem Abstand der Linsen zueinander auch die Brennweite verändert. 101 72 57 F 100 f = 200 mm f = 200 mm fgesamt = 141 mm Abbildung 4.5 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 43 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme O 70 O 1144 O 588 10 f = 200 mm f = 200 mm fgesamt = 107 mm Abbildung 4.6 150 O 33 2 O 70 1094 f = 200 mm f = 200 mm Bei den Abbildungen 4.6 und 4.7 wird wieder ein reales Bild von 70 mm Größe abgebildet. Es ist ersichtlich, wie sich mit größer werdendem Abstand der beiden Linsen zueinander, auch die Brennweite vergrößert und zugleich mit größer werdender Brennweite die Abbildung des gleich großen Bildes (Dias) verkleinert. fgesamt = 171 mm Abbildung 4.7 Im Scheinwerfer müssen nicht Linsen mit gleicher Brennweite verwendet werden. Im Gegenteil, die Linsenbrennweiten müssen derart gewählt werden, daß auch das Licht vom Lampenhaus durch beide Linsen geführt wird und gleichzeitig möglichst gleichmäßig die Bildebene ausgeleuchtet ist. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 44 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 4.2 Kondensorlinsenscheinwerfer 4.2.1 Kondensorsystem Wie schon beim Plankonvexlinsenscheinwerfer dargelegt wurde, läßt sich mit einem Kugelspiegel und mit einer Plankonvexlinse Licht sammeln und ausrichten. Beim Kondensor system wird dies zum Ausleuchten einer Bildebene optimiert. In den folgenden Abbildun gen ( 4.8 bis 4.11) wird eine unendlich kleine Lichtquelle benutzt. Die Bildebene wird durch die gepunktete Linie dargestellt und ist in allen Abbildungen gleich groß. Der Kugel spiegel hat einen Radius von 50 mm. Die Lichtquelle steht in den Beispielen immer im Brennpunkt des Linsensystems, die Abbildungsebene ist also im Unendlichen. Damit wer den die dargestellten Systeme vergleichbar. Die Plankonvexlinse in Abbildung 8 hat eine Brennweite von 100 mm. Die Bildebene ist gut ausgeleuchtet. Allerdings wird das Licht der Lichtquelle nur mäßig genutzt. Der Winkel beträgt nur ca. 47°. Abbildung 4.8 In Abbildung 4.9 werden 2 Plankonvexlinsen mit jeweils gleicher Brennweite von 100 mm benutzt. Die Lichtausbeute wird F wesentlich größer. Die Bildebe69° ne ist ebenfalls gut ausgeleuchtet. Dieser Aufbau wird in vielen Projektionsgeräten und Scheinwerfern verwendet. Die äußersten Strahlen verlaufen jedoch "wild". Wegen der starken Linsenkrümmung entstehen hier Abbildung 4.9 Fehler. (Dieser Effekt wird Kautik genannt.) Dieser Effekt führt auch zu der Verengung im Strahlengang und kann eventuell zur Ausleuchtung der Bildebene und der Abbildungsoptik benutzt werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 45 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme In unserem System wurde der Kondensor so ausgelegt, daß die Lichtstrahlen den Kon densor parallel verlassen. Das muß nicht immer so sein. Je nach dem, unter welchem Winkel die Lichtstrahlen den Kondensor verlassen und die Bildebene ausleuchten, müs sen die Objektivlinsen passend gewählt werden. Bei einem Bühnenprojektionsgerät bün deln sich zum Beispiel die Strahlen wieder. Ähnlich ist es bei einem Ellipsenspiegelschein werfer. In Abbildung 4.10 wird die zweite Linse verändert, sie hat einen größeren Durchmesser und eine andere Brennweite. Sie hat eine F Brennweite von ca. 153 mm. 78,3° Dadurch wird die gemeinsame Brennweite beider Linsen größer als im vorangegangenen Beispiel und der nutzbare Winkel der Lichtquelle noch etwas größer. Die Ausleuchtung der Abbildung 4.10 Bildebene wird hervorragend. (Die Bildebene könnte noch etwas weiter nach vorne verlegt werden, so daß das gesamte Licht durch die Bildebene geführt wird.) F 92° Abbildung 4.11 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 In der Abbildung 4.11 werden die beiden Linsen aus der Abbildung 4.10 durch eine asphärische Linse ersetzt. Diese Linse ist extrem bauchig. Die Oberfläche ist so korrigiert, daß die Lichtstrahlen bei Abbildung ins Unendliche immer parallel zur Achse gebrochen werden. Damit dies möglich ist, hat die Oberfläche unterschiedliche Radien.Deshalb auch der Begriff „asphärisch“. Seite 46 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme In dieser Abbildung wird eine Lichtquelle mit endlicher Abmessung in Verbindung mit einer asphärischen Linse dargestellt. Da nun nicht mehr alle Lichtstrahlen vom Brennpunkt ausgehen, ergeben sich Streuungen. Diese sind unvermeidlich. w D Strahlen aus der Mitte der Lichtquelle Strahlen vom oberen Ende der Lichtquelle Strahlen vom unteren Ende der Lichtquelle Abbildung 4.12 Lichtquelle mit endlicher Ausdehnung w und Kondensorlinsendurchmesser D Je kleiner das Verhältnis „w/D“ wird, desto geringer wird die Streuung. Bei Verwendung einer realen Lichtquelle in den vorangegangenen Beispielen mit dem sel ben Verhältnis „w/D“ würden bei diesen Beispielen die Streuungen noch größer werden. 4.2.2 Kondensorlinsensystem als Gesamtsystem Mit dem Kondensor aus Abbildung 4.11 und dem Zoom-Objektiv nach Abbildungen 4.6 und 4.7 wird ein einfacher Kondensorlinsenscheinwerfer für eine Halogenglühlampe zusammengestellt und an diesem werden die Vorgänge erläutert. 17° © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 O 332 O 70 Dabei können zwei Teile unterschieden werden, 1094 nämlich das Licht sammelnde Teil und das ab150 bildende Teil. Beide Teile müssen zusammenpasF sen. Dabei müssen der 92° größte Winkel (kleinste Brennweite des Abbildungsobjektives) und kleinster Winkel (größte Bildebene zum Beispiel Brennweite des AbbilIrisblende oder Gobo dungsobjektives) untersucht werden, ob alle f = 200 mm f = 200 mm fgesamt = 171 mm Lichtstrahlen vom Kondensor durch das ObjekAbbildung 4.13 tiv gehen. Der gesamte Aufbau für den kleinsten Winkel entspricht der Abbildung 4.13 und für den größten Winkel 4.14. Seite 47 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme O 70 1144 29° 92° F O 588 10 Bildebene zum Beispiel Irisblende oder Gobo f = 200 mm f = 200 mm fgesamt = 107 mm Abbildung 4.14 Aus den beiden Abbildungen wird ersichtlich: 1) Von der Lichtquelle wird das meiste Licht (rote Strahlen) eingesammelt und über den Kondensor gesammelt. Es sei daran erinnert, daß die Lichtquelle (Halogenglühlampe) nach oben und unten nur wenig Licht abstrahlt (siehe Plankonvex- und Stufenlinsenscheinwerfer). 2) Der Kondensor bricht das Licht derart, daß die gesamte Bildebene ausgeleuchtet ist. 3) Das gesammelte Licht (rote Strahlen) tritt auch auf die Eingangslinse des Objektivs. Es geht kein Licht verloren. Was im Objektiv geschieht wird weiter unten erläutert. 4) Da das gesamte Licht die gesamte Bildebene, nämlich die Irisblende bzw. ein Gobo usw., ausleuchtet und durch das Objektiv geht, ergibt sich eine voll ausgeleuchtete Abbildung. Unter 4) wird behauptet, daß die Lichtstrahlen durch das Objektiv gehen. Bislang steht nur fest, daß alle Strahlen in die erste Linse gehen. Dort werden sie jedoch gebrochen und umgelenkt, zusätzlich auch noch von der zweiten Linse des Objektivs. Die Linsen müssen also so gewählt werden, daß sie nicht nur eine gute Abbildung der Bildebene ermöglichen, sondern daß sie auch alle Lichtstrahlen erfassen und durchlassen. Erst dann ergibt sich ein gutes System. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 48 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Gehäuse ca. 410 360 150 Schutzgitter, Folie Das "gesamte" Licht geht durch das Objektiv In Abbildung 4.15 sind die Lichtstrahlen für die lange Brennweite, enger Lichtkegel, rot eingezeichnet. Es wird ersichtlich, daß alle Lichtstrahlen durch das Objektiv gehen und somit sich auch eine saubere Abbildung erzielen läßt. Die Strahlen der Lichtquellen bündeln sich hier, heiße Stelle! Abbildung 4.15 In Abbildung 4.16 ist der selbe Strahlengang für die kürzeste Brennweite eingezeichnet. Auch hier gehen alle Strahlen durch das Objektiv. Abbildung 4.16 In beiden Fällen bündeln sich jedoch die Lichtstrahlen nach dem Durchgang des Objektives und schneiden sich. Hier entsteht ein heißer räumlicher Bereich, der bei ungünstiger Auslegung des Systems außerhalb des Gerätes sein und dann gefährlich werden kann. Bei unserem einfachen Scheinwerfer wählen wir die Gehäuseabmessung so, daß dieser heiße Bereich immer innerhalb vom Gerät ist und auch so weit vom Schutzgitter und dem Einschubfach für Folien entfernt ist, daß nichts passieren kann. Ferner ist ersichtlich, daß mit größer werdendem Winkel des Lichtkegels die Frontlinse im Tubus nach innen verschoben wird. Ab einem bestimmten Winkel, wird dann Licht von der Frontöffnung des Gehäuses und vom Tubus abgeschnitten. Der Wirkungsgrad des Scheinwerfers sinkt entsprechend ab. Die Abbildung bleibt jedoch scharf. Deshalb ist ein zu großes Verhältnis vom kleinsten bis zum größten Winkel nicht ratsam. Die praktische Grenze liegt bei ca. 1:2,5 bis 1:3. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 49 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 4.3 Ellipsenspiegel-Linsenscheinwerfer 4.3.1 Licht sammelndes System (Lichthaus) mit Ellipsenspiegel Eine Ellipse hat zwei Brennpunkte mit der Eigenschaft, daß ein Lichtstrahl, der von einem Brennpunkt ausgeht, immer so reflektiert wird, daß er durch den zweiten Brennpunkt geht. Der Ellipsenspiegel ist normalerweise rotationssymmetrisch und ein Ellipsoid. Nebenachse Hauptachse F2 F1 Brennpunkte der Ellipse Abbildung 4.17 Die Lichtquelle steht im Brennpunkt „F1“ und die Lichtstrahlen bündeln sich wieder in „F2“, um dann als Lichtkegel abgestrahlt zu werden. Durch die Veränderung des Verhältnisses Hauptachse zu Nebenachse läßt sich der Winkel des Lichtkegels beeinflussen. In der Darstellung ist die Lichtquelle wieder unendlich klein. Bei endlicher Größe der Lichtquelle verändert sich der Strahlengang und bei „F2“ kann auch eine Vergrößerung der Lichtquelle entstehen. Die wichtigsten Zusammenhänge einer Ellipse ergeben sich aus folgender Zeichnung: b a F1 F2 e a e= a² - b² Abbildung 4.18 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 50 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Spiegel F2 F1 In der Praxis wird jedoch nur ein Teil des Ellipsoid als Spiegel verwendet, da sonst das Gerät zu groß oder der Spiegel zu heiß würde. Im Bereich von „F2“ muß der Spiegel immer offen sein. Der Spiegel ist ein Abschnitt des Ellipsoid. Abbildung 4.19 In Abbildung 4.17 sind nur Lichtstrahlen gezeichnet, die reflektiert werden. In Wirklichkeit ist der Spiegel ein Abschnitt und es existieren Lichtstrahlen, die nicht reflektiert werden und teilweise verloren gehen. F2 F1 Abbildung 4.20 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Die roten Strahlen gehen teilweise verloren. Der Wirkungsgrad ist schlecht. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen kann ein zusätzlicher Kugelspiegel eingesetzt werden. Der Kugelspiegel muß so eingesetzt werden, daß die roten Strahlen in sich reflektiert werden und zum Brennpunkt „F1“ zurückgehen und anschließend auf den Ellipsenspiegel treffen. Dort werden sie dann ebenfalls nach „F2“ reflektiert und sind "Nutzstrahlen". Seite 51 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Gewinn an Licht (Verbesserung des Wirkungsgrades) Geringer Verlust F2 F1 Geringer Verlust Kugelspiegel Ellipsenspiegel Gewinn an Licht (Verbesserung des Wirkungsgrades) Abbildung 4.21 Ausdehnung der Lichtquelle Die Mitte des Kugelspiegels muß also gleichzeitig der Brennpunkt „F1“ sein. Wie aus Ab bildung 4.21 ersichtlich ist, werden nun fast alle Lichtstrahlen über den Brennpunkt „F2“ gelenkt und der Wirkungsgrad des Spiegelsystems ist deshalb sehr hoch. Dieses Spiegelsystem wurde von REICHE & VOGEL entwickelt und wird in den EllipsenspiegelLinsenscheinwerfern eingesetzt. ausgeleuchtete Fläche F1 F2 halber Öffnungswinkel Das Spiegelsystem muß so ausgelegt sein, daß der Öffnungswinkel des erzeugten Lichtkegels zur abbildenden Optik paßt. Die Bildebene liegt meistens in der Nähe des Brennpunktes „F2“. Leuchtmittel Oben Leuchtstrahlen vom Leuchtmittel ausgehend Leuchtmittel Mitte Leuchtmittel Unten Abbildung 4.22 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 52 von 79 Seiten Ausdehnung der Lichtquelle Scheinwerfersysteme ausgeleuchtete Fläche F2 F1 Winkel des Lichtkegels Durch die endliche Größe der Lichtquelle wird im Brennpunkt „F2“ kein Punkt, sondern eine Lichtanhäufung erzeugt. Die Bildebene wird durch diese Bildanhäufung oder in der Nähe von „F2“ gelegt, so daß sich eine gut ausgeleuchtete und genügend kleine Fläche ergibt. Leuchtmittel Oben Leuchtstrahlen vom Leuchtmittel ausgehend Leuchtmittel Mitte Leuchtmittel Unten Abbildung 4.23 4.3.2 Ellipsenspiegelsystem als Gesamtaystem Beim Ellipsenspiegelsystem wird das Licht der Lichtquelle durch einen Ellipsenspiegel mit eventuell einem Hilfsspiegel gesammelt. Der Kondensor und der Kugelspiegel werden da durch ersetzt. Durch das System bedingt wird die Bildebene nicht mehr von parallelem Licht ausgeleuchtet, sondern von einem Lichtkegel mit unterschiedlichen Winkeln der Lichtstrahlen zur Bildebene. Je nach dem, ob die Bildebene vor oder hinter dem zweiten Brennpunkt steht ergeben sich andere Verhältnisse für die Winkel und damit auch für das Objektiv. F2 F2 F1 Bildebene 20 O Abbildung 4.24 F1 Bildebene 20 O Abbildung 4.25 In den beiden folgenden Zeichnungen werden die Winkelverhältnisse dargelegt; zuerst der engste Winkel (lange Brennweite): © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 53 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Gesamtsystem f = 100 F1 5° 33 f = 200 f = 100 ° 24 150 40 Abbildung 126 O 214 F2 Bildebene 20 O Abbildung 4.26 und nun der größte Winkel (kurze Brennweite): f = 100 f = 100 f = 200 18° F2 29 F1 10 79 Bildebene 20 O Abbildung 386 O Abbildung 4.27 Durch verschieben der dritten Linse wird der Zoom-Effekt erreicht. Zum scharf einstellen der Abbildung muß das gesamte Objektiv ebenfalls leicht verschoben werden, weil sich die Schnittweite des Objektivs verändert. Der Entwurf hat einen großen Zoombereich von etwa 5° bis 18°. Die Bildebene ist jedoch sehr klein. Sie hat nur einen Durchmesser von 20 mm. Beim Licht sammelnden System wurden auch nur idealisierte Bedingungen angenommen, die Lichtquelle ist unendlich klein. Dies entspricht nicht realen Verhältnissen. Deutlich werden jedoch der grundsätzliche Aufbau eines Ellipsenspiegellinsenscheinwerfers und die Besonderheiten. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 54 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Der erste Bühnenscheinwerfer mit Vario-Optik ist der V2000 von REICHE & VOGEL: Abbildung 4.28 Wie schon weiter oben gezeigt wurde, hat das vom lichtsammelden System, also vom Ellipsenspiegel, eine ganz andere Richtung, als beim Kondensor-System. Deshalb sind auch für Zoomoptiken mit annähernd gleichem Brennweitenbereich auch andere Linsen erforderlich. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 55 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 4.4 Bühnen-Projektionsgerät Ein Bühnen-Projektionsgerät entspricht prinzipiell dem Kondensor-System. Allerdings soll darauf hingewiesen werden, daß viele Kinomaschinen für das relativ kleine Filmformat El lipsenspiegel-Systeme verwenden. Das Kondensorsystem besteht aus einem Kugelspiegel in dessen Kreismittelpunkt die Lichtquelle ist. Im folgenden Beispiel wird das Kondensorsystem des PV2000 von REICHE & VOGEL benutzt. Als Lichtquelle wird eine Metallhalogendampflampe 1200 Watt eingesetzt, diese hat eine Entladungsstrecke von 10 mm. Länge der Entladungsstrecke 10 mm PL8 PL8 Absatand d ca. 204 mm bei 14 m Entfernung PL9 vereinfachtes Objektiv f = 20 cm ca. 287 mm Bildebene Diagonale von Dia 13 x 13 cm mit Nutzmaß 12 x 12 cm Abbildung 4.29 Es wird ein Objektiv mit 20 cm Brennweite verwendet. Bei einer Entfernung bis zur Abbil dung des Dias von 14 m ergibt sich eine Distanz vom Dia bis zur Objektivlinse von 204 mm. In dieser Entfernung muß das Licht gebündelt sein, damit es durch das Objektiv ge hen kann. Als Objektiv wird in diesem Beispiel eine Bikonvexlinse mit f = 200 mm verwen det. Normalerweise besteht ein richtiges Objektiv aus mehreren Linsen. Die Lichtstrahlen werden im Kugelspiegel in sich reflektiert und alle dargestellten Lichtstrahlen werden über die Plankonvexlinsen PL9, Pl8 und nochmals Pl8 zum Objektiv hin umgelenkt. Dabei wird die Bildbühne bzw. das Dia vollkommen ausgeleuchtet. Der Wirkungsgrad ist für ein Projektionsgerät recht gut. Für einen Scheinwerfer wäre er allerdings zu gering. Der schlechtere Wirkungsgrad für das Projektionsgerät ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß das relativ große Dia möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird und gleichzeitig das Licht wieder im Objektiv gebündelt werden muß. Würde die Lichtquel © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 56 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme le dichter zu den Kondensorlinsen geschoben, dann würde der Wirkungsgrad des Kon densors größer, aber die Bündelung der Lichtstrahlen wäre nach dem Kondensor geringer und damit würde das Objektiv nicht mehr alle Lichtstrahlen erfassen. Gleichzeitig wird der Durchmesser der Lichtbündelung größer. Bei einem Objektiv längerer Brennweite ist der Abstand „d“ vom Dia zum Objektiv größer. Bei einem Objektiv von 40 cm sind es etwas über 40 cm. Um in diesem Abstand eine Bündelung des Lichts zu erreichen muß der Abstand der Lichtquelle zu den Kondensorlinsen verringert werden. Gleichzeitig wird der Ab stand „d“ vom Dia zu der Lichtbündelung für das Objektiv größer und kann somit an den erforderlichen Abstand von etwas über 40 cm angepaßt werden. Allerdings wird nun der Durchmesser der Lichtbündelung für das Objektiv immer größer und dafür die Helligkeit des vergrößerten Bildes geringer. Um dies zu vermeiden können beim Projektionsgerät P2000 und P5000 die Kondensorlinsen ausgewechselt werden, so daß für verschiedene Objektivbrennweiten verschiedene Kondensorlinsensätze verwendet werden können. Beim HP5000 wird diese Anpassung durch einen Vario-Kondensor erreicht. Bei diesem Gerät kann durch geeignetes Verstellen der Kondensorlinsen zueinander die Brennweite des Kondensors so verändert werden, daß ein Wechseln der Kondensorlinsen nicht erforderlich ist. Damit das Dia auch vergrößert abgebildet werden kann, muß ein Objektiv verwendet werden; im Beispiel die Linse. Entsprechend den optischen Gesetzen wird das Dia (oder im Profilscheinwerfer die Irisblende, das Gobo usw.) vergrößert. Folglich muß auch gleichzeitig der Zusammenhang zwischen Diagröße, Objektivbrennweite, gewünschter Abbildungsgröße und Entfernung vom Scheinwerfer zur Abbildung stimmen. Innerhalb vom Scheinwerfer bzw. Projektionsgerät ergibt sich in unserem Beispiel folgendes Bild: ca. 205 mm bei 14 m Entfernung Bildebene Diagonale von Dia 13 x 13 cm mit Nutzmaß 12 x 12 cm vereinfachtes Objektiv f = 20 cm Abbildung 4.30 Jeder beliebige Punkt auf dem Dia muß über das Objektiv abgebildet werden können. Auf der Zeichnung erscheint dies leicht möglich zu sein, in Wirklichkeit ist jedoch das Einhalten der Abbildungsmöglichkeiten des Objektives schwierig, besonders bei kurzbrennweitigen Objektiven, diese sind deshalb auch relativ teuer. Es gibt zwei Strahlengänge. Einer des Lichts, er beginnt bei der Lichtquelle (Abbildungen 4.15 und 4.16) und der Strahlengang von der Abbildungsoptik. Beide Strahlengänge © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 57 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme sind in Einklang zu bringen. Im Beispiel der vom Kondensorsystem mit dem der Abbildungsoptik. Abbildung 4.31 Dies ist in obiger Darstellung ( Abbildung 4.31) dargestellt. In dem oben genannten Pro jektionsgerät, dem „P2000“, stimmt alles zusammen. Anmerkung: Auswirkung der Schärfentiefe eines Objektives. Ein Objektives besitzt die Eigenschaft, daß es unabhängig vom theoretischen Abstand zum Bildpunkt eine mehr oder weniger große Toleranz hat, in dessen Bereich es noch scharf abbildet. Grundsätzlich steigt der Bereich der Schärfentiefe mit der Brennweite des Objektives. Ein Objektiv bildet alles ab, was vom Scheinwerfer aus betrachtet hinter ihm liegt, also vom Objektiv bis zur Lichtquelle. Beim Entwurf eines Projektionsgerätes oder eines Scheinwerfers ist deshalb darauf zu achten, daß der optische Aufbau so durchgeführt wird, daß sich zwischen der Lichtquelle und der Bildbühne nichts befindet, das abgebildet werden könnte. Bei Scheinwerfern entsteht leicht der sogenannte ”Hotspot“, der nichts anderes darstellt, als die unscharfe Abbildung der Lichtquelle. Bei einem Aufbau, wie oben dargestellt, ist die Gesamtbrennweite so kurz, daß störende Abbildungen zuverlässig vermieden werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 58 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Auswirkungen eines Vario-Objektives. Ein Vario-Objektiv verändert seine Brennweite. Dadurch werden auch die Orte der Abbildung verändert, mit zunehmender Brennweite wird auch der Bereich der Schärfentiefe größer. Beim Entwurf von Scheinwerfern ergeben sich dadurch besondere Probleme, die beachtet und gelöst werden müssen. Ein Fall ist vielen bekannt. Bei kurzbrennweitigen Scheinwerfer ergibt sich bei bestimmten Einstellungen ein heißer Punkt vor der äußersten Linse, im Bereich des Zubehörhalters. (Siehe unter Kondensorlinsenscheinwerfer Abbildungen 4.15 und 4.16) Beispiele von REICHE & VOGEL Kondensorlinsenscheinwerfer KL 1200 MS/L mit Zoom-Optik zum Verstellen des Lichtkegels von ca. 11° bis 30° Typenreihe: KL 1200 MS/K KL 1200 MS/M KL 1200 MS/L KL 2500 MS/M KL 2500 MS/L Abbildung 4.32 Ellipsenspiegellinsenscheinwerfer NEL650/1000 mit starrer Optik, Lichtkegel ca. 18° Typenreihe: NELK 650/1000 NEL 650/1000 NELL 650/1000 Abbildung 4.33 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 59 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5 Entwicklungen - neue Scheinwerfersysteme In den letzten Jahren erfolgten bei REICHE & VOGEL noch umfangreiche, grundlegende Entwicklungen, die allerdings nicht mehr vermarktet wurden. Auf diese Entwicklungen wurden jedoch Schutzrechte angemeldet. Deshalb: Bitte beachten: Auf die Konstruktionsweise der im Abschnitt 5 erläuterten Scheinwerfersysteme sind Schutzrechte angemeldet. Deshalb sind sie für einen gewerblichen Nachbau ohne unsere schriftliche Zustimmung nicht geeignet. Bei herkömmlichen Plankonvex- oder Stufenlinsenscheinwerfern, zum Beispiel mit Halogenlampe, ist die Linse (Frontlinse) immer starr und nicht verschiebbar im Gehäuse eingebaut. Um den Öffnungswinkel des Lichtkegels zu verändern wird die Lichtquelle auf der optischen Achse verschoben. Wird als Lichtquelle eine oder mehrere LEDs verwendet, ist dies nicht mehr möglich. Der oder die erforderlichen Kühlkörper müßten mit verschoben werden oder die Frontlinse müßte verschiebbar sein. Mit den Techniken der Reiche & Vogel Universaloptik läßt sich dieses Problem lösen, entweder mit Brennweitenverkürzung und/oder -verlängerung, beziehungsweise Schnittweitenverlängerung oder -verkürzung. Im Folgenden wird jeweils ein durchgerechnetes Beispiel für einen Scheinwerfer mit einer LED als Lichtquelle erläutert. Anschließend wird kurz auf den Aufbau eines Scheinwerfers mit einer Vielzahl von LEDs eingegangen und zum Schluß der Aufbau eines Verfolgers beziehungsweise eines Profilscheinwerfers für eine Halogen- und eine Entladungslampe. Damit die Wirkungsweise der Scheinwerferoptiken leichter verständlich ist, werden sie an extremen Beispielen erläutert. Die Beispiele sind nicht optimiert und deshalb in der vorliegenden Form nicht unbedingt für Scheinwerfer verwendbar. Da das Licht von LEDs kaum Wärme mit sich führt, können Linsen aus Kunststoff verwen det werden. Stufenlinsen aus Kunststoff mit sehr feinen Rillen können im Preßverfahren preiswert gefertigt werden. Diese haben teilweise eine sehr hohe „Brechkraft“ und asphärische Eigenschaften. Derartige Linsen werden im Folgenden teilweise verwendet. Deshalb sind die Linsen in den Zeichnungen auch so dünn. 5.1 Linsenscheinwerfer mit einem LED als Lichtquelle Den Beispielen liegt eine LED mit einem Durchmesser von 30 mm zu Grunde. Abhängig von der Scheinwerferauslegung können auch LEDs mit größerem Durchmesser verwendet werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 60 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5.1.1 Linsenscheinwerfer mit Brennweitenverkürzung 233 Öffnungswinkel etwa 10° ( Kautik ) 163 O 30 11 LED 30 O Frontlinse mit positiver Brennweite Kondensorlinse ( Positive Brennweite ) Linse mit negativer Brennweite © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.1 In Abbildung 5.1 ist der Aufbau ersichtlich. Von Links nach Rechts sind folgende Bauele mente vorhanden: LED mit 30 mm Durchmesser. Der Kühlkörper ist nicht eingezeichnet. Das LED ist feststehend und zum Beispiel an der Gehäuserückwand derart angebracht, daß der Kühlkörper außerhalb des Gehäuses ist. Eine Linse mit positiver Brennweite als Kondensorlinse. Es handelt sich um eine Stu fenlinse mit hoher Brechkraft (kurzer Brennweite) aus Kunststoff. ( Es könnte auch eine Baugruppe sein. ) Etwa in der Mitte ist eine Stufenlinse ( oder eine Baugruppe ) mit negativer Brenn weite. Diese wird zum verändern des Öffnungswinkels auf der optischen Achse verschoben. Die Frontlinse ist ebenfalls eine Stufenlinse ( oder eine Baugruppe ) mit positiver Brennweite. Diese ist nicht beweglich und zum Beispiel in der Frontseite des Gehäu ses fest eingebaut. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 61 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Wird die mittlere Linse mit negativer Brennweite, verschoben, verändert sich die gemeinsame Brennweite der positiven Frontlinse und der beweglichen mittleren Linse derart, daß sich der Öffnungswinkel des Lichtkegels verändert. Siehe Abbildung 5.2. 233 222 O 30 206 13 O 231 O 76 O 140 11 LED 30 O © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.2 © die gemeinsame Durch Verschieben der mittleren Linse zur positiven Frontlinse wird Brennweite beider Linsen länger und der gemeinsame Brennpunkt verschiebt sich nach links über das LED hinaus. REICHE & VOGEL, Berlin Die folgende Bilder sind selbsterklärend. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 62 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme © 53° 41° LED 30O REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.3 O 2448 ab Frontlinse 11938 © REICHE & VOGEL, Berlin Verengung des Lichtkegels (Kautik) © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.4 Aus Abbildung 5.4 ist ersichtlich, daß sich bei engem Lichtkegel vor dem Scheinwerfer eine Verengung des Lichtkegels ergibt. ( Kautik ). Somit erklärt sich auch der enge Licht strahl aus Abbildung 5.1. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 63 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Öffnungswinkel etwa 10° ( Kautik ) 233 163 233 Öffnungswinkel über 40° 222 206 13 Verschiebung der Linse 150 mm © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.5 Aus Abbildung 5.5 ergibt sich die erforderliche Wegstrecke für die Verschiebung, sie be trägt 150 mm. Durch entsprechende Auswahl der zur Anwendung kommenden Linsen, kann der Lichtstrahl so eng ausgelegt werden, daß der Scheinwerfer einen NV-Parabolspiegelscheinwerfer ersetzen kann. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 64 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5.1.2 Scheinwerfer mit Brennweitenverlängerung 296 Öffnungswinkel etwa 11° ( Kautik ) O 230 58 LED 30 O Kondensorlinse ( Positive Brennweite ) Baugruppe mit positiver Brennweite Frontlinse mit negativer Brennweite © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.6 Aus Abbildung 5.6 ist der Aufbau ersichtlich. Von Links nach Rechts sind folgende Bauelemente vorhanden: LED mit 30 mm Durchmesser. Der Kühlkörper ist nicht eingezeichnet. Das LED ist feststehend und zum Beispiel an der Gehäuserückwand derart angebracht, daß der Kühlkörper außerhalb des Gehäuses liegt. Eine Linse mit positiver Brennweite als Kondensorlinse. Es handelt sich um eine Stu fenlinse mit hoher Brechkraft (kurzer Brennweite) aus Kunststoff. ( Es könnte auch eine Baugruppe sein. ) Etwa in der Mitte ist eine eine Baugruppe aus zwei Linsen mit positiver Brennweite. Diese wird zum verändern des Öffnungswinkels auf der optischen Achse verschoben. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 65 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Die Frontlinse ist ebenfalls eine Stufenlinse ( oder eine Baugruppe ) mit negativer Brennweite. Diese ist nicht beweglich und zum Beispiel in der Frontseite des Gehäu ses fest eingebaut. Wird die mittlere Baugruppe, mit positiver Brennweite, verschoben, dann verändert sich die gemeinsame Brennweite der negativen Frontlinse und der beweglichen mittleren Bau gruppe derart, daß sich der Öffnungswinkel des Lichtkegels verändert. Siehe Abbildung 5.7. 296 208 O 230 ca. 54° 1 © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.7 Eine enge Bündelung des Scheinwerferlichts ist aus Abbildung 5.6 und ein aufgeweiteter Lichtkegel des Scheinwerferlichts aus Abbildung 5.7 ersichtlich. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 66 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 296 58 Öffnungswinkel etwa 11° ( Kautik ) 296 Öffnungswinkel über 45° 208 Verschiebung der Linse 150 mm © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.8 Aus Abbildung 5.8 ergibt sich die erforderliche Wegstrecke für die Verschiebung der mitt leren Linse, sie beträgt 150 mm. Anmerkung Der tatsächliche Wirkungsgrad müßte durch Versuche noch festgestellt werden. Ein üblicher Wirkungsgrad für Linsen- / Stufenlinsenscheinwerfer ist zu erwarten. Mit anderen Lin sen lassen sich andere Winkel und Abmessungen realisieren. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 67 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5.1.3 Scheinwerfer mit mehreren LEDs als Lichtquelle und mit Abbildungsoptik Am naheliegendsten ist die Verwendung einer Lichtquelle in einem Scheinwerfer. Bei der Verwendung von Halogenlampen und Entladungslampen ist dies möglich, da sie in vielen Leistungsklassen hergestellt werden. Werden LEDs verwendet, entstehen plötzlich Probleme. LEDs werden mit Zunahme der Leistung recht groß und sie benötigen zuverlässige Kühler. Je stärker das LED wird, desto schwieriger wird es, den Chip zu kühlen, da die Wärmedichte am Chip zunimmt. Naheliegend ist es deshalb, mehrere LEDs als Lichtquelle in einem Scheinwerfer zu verwenden. Bei Flächenleuchten ist dies kein Problem, bei Scheinwerfern mit Optik wird es jedoch schwierig, da das Licht der einzelnen LEDs auf die Reihe gebracht werden müssen; nämlich auf die optische Achse. Reiche & Vogel hatte ein derartiges Gerät mit Abbildungsoptik entwickelt. Es funktioniert vorzüglich. Bei dieser Gelegenheit haben wir auch eine Optik erprobt, die einen Plankonvex- oder Stufenlinsenscheinwerfer ermöglicht. In diesem Fall wird eine virtuelle Lichtquelle verwendet. Auch diese Entwicklungen haben wir zum Patent angemeldet. Im Prinzip werden die einzelnen Lichtquellen optisch so ausgerichtet, daß sie sich in einem Punkt überlagern. An diesem Punkt entsteht dann eine virtuelle Lichtquelle. Diese virtuelle Lichtquelle ist räumlich betrachtet eine Kugel oder ein Ellipsoid, in dem sich das Licht aller Lichtquellen sammelt. Diese Kugel bzw. dieser Ellipsoid wird der optischen Auslegung des Scheinwerfers zu Grunde gelegt und stellt eine virtuelle Ersatzlichtquelle dar. In der zweidimensionalen Zeichnung (Abbildung 5.11) ist dies eine Strecke. Soweit auch zum Verständnis der Zeichnungen. Unter dem Abschnitt 1 wurde eine Optik dargelegt, die mit einer Lichtquelle funktioniert. Diese Lichtquelle kann durch die virtuelle Lichtquelle, die aus einer Mehrzahl von LEDs er zeugt wird, ersetzt werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 68 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 21 O 125,5 O 105 O 90 O 125,5 74,5 15 LED Modul 18W 95,5 © REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.10 In Bild 5.10 ist als Beispiel ein LED Modul abgebildet. Die einzelnen LEDs sind mit einer Linse versehen, die das Licht zu einem Lichtstrahl von etwa 12° bündelt. In Abbildung 5.11 ist das Lichtbündel einer LED schraffiert gezeichnet. Systemaufbau Lichtbündel einer LED Linse Virtuelle Lichtquelle Lichtbündel aller LEDs Abstrahlwinkel der virtuellen Lichtquelle Abstand a © Abstand b REICHE & VOGEL, Berlin Abbildung 5.11 Wird der Abstand „a“ verändert, verändern sich auch der Abstand „b“, die Größe der virtu ellen Lichtquelle und deren Abstrahlwinkel. Somit läßt sich die virtuelle Lichtquelle an die Scheinwerferoptik anpassen. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 69 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5.1.3.1 Beispiel eines Scheinwerfers mit mehreren LEDs Dieser Scheinwerfer wurde für eine spezielle Anwendung entwickelt und gebaut. Er ver fügt über eine Scheinwerferoptik, die eine Vorlage abbildet, in diesem Fall vier Abblend schieber. Ausgelegt ist er für einen extrem großen Öffnungswinkel des Lichtkegels. Das Gerät ist vollständig geschlossen und die Frontlinse ist unbeweglich eingebaut, das Ge häuse ist staubdicht. Abbildung 5.12 Muster © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 70 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Abbildung 5.13 Durch Verschieben der zweiten Linse läßt sich die Brennweite und somit der Öffnungswin kel einstellen. Die dritte Linse ist starr ins Gehäuse eingebaut, damit das Gehäuse staub dicht wird. Um eine scharfe Abbildung zu erhalten wird die Bildbühne verschoben. Durch Verschieben der ersten Linse wird immer eine volle Ausleuchtung der Bildbühne erreicht. Die Abbildungen 5.14 und 5.15 zeigen projizierte Bilder eines senkrechten Schlitzes, der durch vier Abblendschieber eingestellt ist, bei etwa 10 m Entfernung. Der Öffnungswinkel des Lichtkegels beträgt ca. 56° . Der Lichtschlitz hebt sich gegenüber dem Umlicht gut und scharf ab. Abbildung 5.14 Abbildung 15.5 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 71 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5.2 Profilscheinwerfer / Verfolger für Halogen- oder Entladungslampe 5.2.1 Mit Halogenlampe Die neuartigen Techniken mit Schnittweitenverkürzung und Schnittweitenverlängerung von REICHE & VOGEL ermöglicht Abbildungsoptiken mit besonders großem Zoombereich, insbesondere, wenn beide Techniken gleichzeitig zur Anwendung kommen. Bei Scheinwerfern mit sehr engem Lichtkegel, also besonders langer Brennweite, verkürzt sich die Baulänge des Scheinwerfers erheblich. Dadurch wird er leichter zu handhaben und hat ein geringeres Gewicht. Im Folgenden wird an einem extremen Beispiel die Wirkungsweise erläutert. Bei dem Beispiel ist zu beachten, daß die Auslegung nicht optimiert ist. Das Beispiel eignet sich jedoch gut, um die Wirkungsweise zu erläutern. Licht sammelnder Teil - Kondensor Linsenbaugruppe 1 Linsenbaugruppe 3 Linsenbaugruppe 2 Blende 75 mm Durchmesser Brennweite f = ca. 1.974 mm © REICHE & VOGEL, Berlin 2015 Abbildung 5.16 Der das Licht sammelnde Teil besteht aus einem Kondensorsystem, wie schon zuvor erläutert. Die Blende, beziehungsweise Bildbühne, hat einen Durchmesser von 75 mm und wird sehr gut ausgeleuchtet. Die Lichtstrahlen des Kondensors sind auf die Scheinwerferoptik abgestimmt. Die Abbildungsoptik besteht aus drei Linsengruppen. Die erste Linsengruppe sind Linsen mit insgesamt positiver Brennweite, die zweite aus Linsen mit insgesamt negativer Brennweite und die dritte wiederum mit insgesamt positiver Brennweite. Im Beispiel ist der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linsengruppe konstant und beide Linsengruppen werden zusammen verschoben. Bei engster Einstellung des Lichtkegels (Abbildung 5.16) wird die Schnittweite der dritten Linsengruppe (Frontlinsen) durch die zweite Linsenbaugruppe (mittlere) stark verkürzt, © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 72 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme trotzdem bleibt die lange Brennweite erhalten. Dadurch wird die Länge des Tubus wesentlich kürzer, als bei herkömmlicher Bauweise. 908 729 ca. 2° Abstand t2 416 O 300 Blende 75 mm Durchmesser Brennweite f = ca. 1.974 mm © REICHE & VOGEL, Berlin 2015 Abbildung 5.17 Die Abmessungen des Beispiels ergeben sich aus Abbildung 5.17. Obwohl die Brennweite 1974 mm beträgt, ist der Tubus nur 729 mm lang. Bei herkömmlicher Bauweise wäre der Tubus mindesten 2.000 mm lang. Auf der Strecke „t2“ entsteht etwas Streulicht. Dies könnte durch größere Linsendurchmesser der Baugruppe drei verringert werden. 886 707 ca. 35° Abstand t1 322 Blende 75 mm Durchmesser Brennweite f = ca. 111 mm © REICHE & VOGEL, Berlin 2015 Abbildung 5.18 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 73 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme Die Einstellung mit dem größten Lichtkegel ist aus der Abbildung 5.18 zu entnehmen. Es ergibt sich ein Lichtkegel mit etwa 35° ! Das Verhältnis engster Lichtkegel zu größtem Lichtkegel beträgt 1 : 17,5 ! Die Baulängen des Tubus betragen 707 mm bei größtem Lichtkegel und bei engstem Lichtkegel 729 mm. Die Differenz sind nur 22 mm, so daß vom Gehäuse auch bei größtem Lichtkegel kein Licht abgeschnitten wird. Durch verschieben der Linsenbaugruppen 1 und 2, wird nun die Schnittweite der Abbil dungsoptik extrem verlängert. Die Brennweite beträgt nur etwa 111 mm. Mit Streulicht ist bei der Strecke „t1“ zu rechnen. Der Verlust kann durch Anpassungen noch verringert werden und dürfte sich im üblichen Rahmen halten. 5.2.2 Entladungslampe Soll eine Entladungslampe zur Anwendung kommen, dann empfiehlt sich, das Licht sam melnde System umzustellen. Anstelle des Kondensorsystems sollte ein Ellipsenspiegelsystem eingesetzt werden. Die Baulänge des Scheinwerfers wird dadurch etwas länger. In Abbildung 5.19 ist ein für unser Beispiel passendes System dargestellt. Es ist für eine Metallhalogendampflampe geeignet. Das gesamte Scheinwerfersystem ist nicht mehr dargestellt. Abbildung 5.19 Hier ist noch erwähnt, daß sich der Scheinwerfer in gewissem Umfang mechanisch dimmen läßt. Hierzu wird die Lampe aus dem Ellipsenspiegel gezogen. Dadurch nimmt die Helligkeit an der Bildbühne ab, die Lichtstrahlen werden stei ler und es gelangen weniger durch die Abbildungsoptik. Wird eine elektrische Dimmung der Entladungslampe - im Vorschaltgerät - mit der mechanischen Verdunklung gekoppelt, ergibt sich ein großer Regelbereich für die Helligkeit des Scheinwerfers. Das Restlicht kann mit einer Blackout Klappe ausgeblendet werden. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 74 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 5.3 Linsenscheinwerfer für Halogen- oder Entladungslampe Im Folgenden wird ein einfacher Aufbau eines Linsenscheinwerfers mit Schnittweitenverkürzung dargestellt. Die Zeichnungen sind weitgehend selbsterläuternd. 517 ca. 26° 1 ,6 ° O 200 ca. 467 f = 740 mm 2 x 0,77° Abbildung 5.20 O 200 ca. 52° ca . 40 ° 317 267 Abbildung 5.21 © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 75 von 79 Seiten Scheinwerfersysteme 517 ca. 26° 1 ,6 ° O 200 ca. 467 f = 740 mm Verschiebung ca. 52° ca . 40 ° 200 267 317 Abbildung 5.22 Um die Floodstellung einzustellen, ist die erforderliche Verschiebung der Linsen relativ ge ring. In den Zeichnungen ist jeweils eine Brennweitenverkürzung angewendet. Es läßt sich jedoch auch ein Aufbau mit Brennweitenverkürzung und -verlängerung realisieren. Ähnlich wie zuvor bei der abbildenden Optik, (Abbildungen 5.16 bis 5.18). Bei geschickter Auslegung der Optik müssen dann nur eine oder zwei Linsen zum Verändern des Lichtkegels verschoben werden. Die Lichtquelle und die Frontlinse können dann fest in das Scheinwerfergehäuse eingebaut werden. Diese Bauweise eignet sich besonders für die Anwendung von Metallhalogendampflam pen und Ellipsenspiegel. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 76 von 79 Seiten ca. ca .3 7° 1 ,6 ° O 500 Scheinwerfersysteme 470 520 Abbildung 5.22 Wird die Frontlinse durch eine Stufenlinse aus Kunststoff ersetzt, dann wird ein größerer Durchmesser der Frontlinse möglich und der Wirkungsgrad wird größer. In diesem Abschnitt wurden einige Entwicklungen der Firma REICHE & VOGEL aus letzter Zeit erläutert. Die Darstellungen sind nicht optimiert und sollen ausschließlich die Wirkungsweise der Entwicklungen aufzeigen. © REICHE & VOGEL, Berlin Dezember 2015 Seite 77 von 79 Seiten
