Ellipsenspiegel- und Kondensorlinsenscheinwerfer

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 Dreieck eingestellt wird, das dann vergrößert projiziert wird.

Das optische System beider Scheinwerferarten besteht in einem Licht sammelnden, der Bildebene und einem abbildenden Teil. Dabei müssen beide Teile so ausgelegt und aufeinander abgestimmt sein, daß möglichst alles "gesammelte" Licht auch durch den abbildenden Teil geht. Das Licht sammelnde System kann als Lichthaus und das abbildende System als Scheinwerferobjektiv bezeichnet werden.
Die Bildebene besteht meistens aus 4 Abblendschiebern und einer Irisblende. Durch die abbildende Optik lassen sich die Kanten der Schieber oder/und die Irisblende scharf projizieren. Auch Vorlagen, oft Gobo genannt, 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 Kondensorlinsenscheinwerfer 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.

Licht sammelndes System (Lichthaus)

Ellipsenspiegel

Eine Ellipse hat 2 Brennpunkte mit der Eigenschaft, daß ein Lichtstrahl, der von einem Brennpunkt ausgeht, immer so reflektiert wird, daß er durch den 2 Brennpunkt geht. Der Ellipsenspiegel ist normalerweise rotationssymmetrisch und ein Ellipsoid.

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 / Nebenachse läßt sich der Winkel des Lichtkegels beeinflussen. In der Darstellung ist der Lichtkegel wieder unendlich klein. Bei endlicher Größe der Lichtquelle verändert sich der Strahlengang und bei F2 entsteht eine Vergrößerung der Lichtquelle.

Die wichtigsten Zusammenhänge ergeben sich aus folgender Zeichnung:

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.

Der Spiegel ist ein Abschnitt des Ellipsoid.

In Abbildung 1 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.

Die rote 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".

Die Mitte des Kugelspiegels muß also gleichzeitig der Brennpunkt F1 sein. Wie aus Abbildung 5 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 Ellpsenspiegel-Linsenscheinwerfern eingesetzt.

Das Spiegelsystem muß so ausgelegt sein, daß der Öffnungswinkel des erzeugten Lichtkegels zur abbildenden Optik paßt.
Die Bildeben liegt meistens in der Nähe des Brennpunktes F2.

Durch die endliche Größe der Lichtquelle wird im Brennpunkt F2 kein Punkt, sondern eine Lichtanhäufung erzeugt. Die Bildebene wird durch diese Bildanhäufung gelegt, so daß sich eine gut ausgeleuchtet Fläche ergibt.

Da der Spiegel rotationssymmetrisch ist, können die Strahlen gespiegelt werden:

Kondensorsystem

Wie schon beim Plankonvexlinsenscheinwerfer dargelegt wurde, läßt sich mit einem Kugelspiegel und mit einer Plankonvexlinse Licht sammeln und ausrichten. Beim Kondensorsystem wird dies zum Ausleuchten einer Bildebene optimiert.
In den folgenden Abbildungen ( 8 bis 11) wird eine unendlich kleine Lichtquelle benutzt. Die Bildebene wird durch die gepunktete Linie dargestellt und ist in allen Abbildungen gleich groß. Der Kugelspiegel hat einen Radius von 50 mm. Die Lichtquelle steht in den Beispielen immer im Brennpunkt des Linsensystems, die Abbildungsebene ist also im Unendlichen. Damit werden 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. 42-44°.

In Abbildung 9 werden 2 Plankonvexlinsen mit jeweils gleicher Brennweite von 100 mm benutzt. Die Lichtausbeute wird wesentlich größer, sie verdoppelt sich nahezu. Die Bildebene 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 Fehler. (Dieser Effekt wird Kautik genannt.) Dieser Effekt führt auch zu der Verengung im Strahlengang.

In Abbildung 10 wird die 2 Linse verändert, sie hat einen größeren Durchmesser und eine andere Brennweite, sie hat eine Brennweite von ca. 153 mm. Dadurch wird die gemeinsame Brennweite beider Linsen zwar größer als im vorangegangenen Beispiel, der nutzbare Winkel der Lichtquelle wird trotzdem noch etwas größer. Die Ausleuchtung der Bildebene wird hervorragend. (Die Bildebene könnte noch etwas weiter nach vorne verlegt werden, so daß das gesamte Licht durch die Bildebene geführt wird.)

Abbildung 11

In der Abbildung 11 werden die beiden Linsen aus der Abbildung 10 quasi durch eine asphärische Linse ersetzt. Diese Linse ist extrem bauchig. Die Oberfläche ist so korrigiert, daß die Lichtstrahlen immer parallel zur Achse gebrochen werden. (Natürlich nur bei Abbildung ins Unendliche.) Damit dies möglich ist, hat die Oberfläche unterschiedliche Radien.

In der folgenden 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. Das Verhältnis 1/11 von Wendelgröße zum Linsendurchmesser entspricht etwa praktischen Werten.

Je kleiner das Verhältnis w/D wird, desto geringer wird die Streuung.

Bei Verwendung einer realen Lichtquelle in den vorangegangenen Beispielen mit dem selben Verhältnis w/D würden bei diesen Beispielen die Streuungen noch größer werden.
 
 

Bildebene

Die Bildebene stellt den Ort dar, der vom Scheinwerferobjektiv scharf abgebildet werden kann. Dazu muß -ähnlich wie bei einer Kamera- das Objektiv entsprechend der Entfernung zum projizierten Bild verschoben werden.

In Profilscheinwerfern, also Ellipsenspiegel- oder Kondensorlinsenscheinwerfern, besteht die Bildebene mindestens aus einer runden Blende. Diese kann dann als Kreis oder bei schräger Bildwand als Ellipse bzw. Kegelschnitt abgebildet werden. Damit auch scharfe, gerade Kanten an beliebiger Stelle abgebildet werden können, werden zusätzlich bewegliche Abblendschieber in der Bildebene eingebaut. Diese sollten gegen ein versehentliches Herausfallen gesichert sein. Irisblenden werden zum schnellen und leichten Verstellen eines projizierten Kreises (bzw. Kegelabschnittes) verwendet.
Alle REICHE & VOGEL Scheinwerfer der Baureihen El.., NEL..; KEL und KL... haben Irisblenden werkseitig eingebaut.
 

Scheinwerferobjektiv

Starres Objektiv

Starre Objektive haben eine feste Brennweite. Bei Bühnenscheinwerfern besteht dieses Objektiv aus einer oder 2 Linsen mit festem Abstand zueinander. Das Objektiv läßt sich relativ zur Bildebene verschieben, so daß von einer Mindestentfernung bis ins Unendliche die Bildebene scharf abgebildet werden kann.

Die meisten Profilscheinwerfer, bei REICHE & VOGEL alle, bieten die Möglichkeit Vignetten (Gobos) als Bildvorlage, ähnlich einem Dia, in die Bildeben 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 umgewandelt, so daß sie hier dargestellt werden können.
Die Vorlage hat die Abmessung von 70 mm und wird dann durch die Optik vergrößert. Die Vorlage entspricht beim Scheinwerfer der Abbildungsebene.

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 180 mm. (keine 200!)

Soll die Entfernung zum Bild größer werden, verändert sich der Abstand zur Linsenrückseite.

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 81 mm.

Und bei einem Abstand von 5 m zum Bild verringert sich der Abstand Dia zur Linsenrückseite sogar auf nur noch 82 mm.

Aus den Abbildungen 13 bis 15 ist leicht ersichtlich, daß die Linse, das Scheinwerferobjektiv, bei einer festgelegten Entfernung nur eine Stelle haben kann, damit das Dia scharf abgebildet werden kann. Die Größe des Bildes läßt sich durch die Optik bei fester Entfernung nicht verändern.
Aus den Abbildungen 13 und 14 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 Lichtverluste.
 

Zoom Objektiv

Beim Zoom-Scheinwerfer werden üblicherweise 2 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.
 
 

In den Abbildungen 16 und 17 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.

Bei den Abbildungen 18 und 19 wird wieder ein reales Bild von 70 mm Größe abgebildet. Hier ist wieder sichtbar, 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.

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.

Der erste Bühnenscheinwerfer mit Vario-Optik ist der V2000 von REICHE & VOGEL:

Wie schon weiter oben gezeigt wurde, hat das abgestrahlte Licht beim Ellipsenspiegel-System eine ganz andere Richtung, als beim Kondensor-System. Deshalb sind auch für Zoomoptiken mit annähernd gleichem Brennweitenbereich auch andere Linsen erforderlich. Dieser Zusammenhang wird im folgendem anhand eines Projektionsgerätes erläutert.
 

Projektionsgerät

Ein Bühnen-Projektionsgerät entspricht prinzipielle dem Kondensor-System. Allerdings soll darauf hingewiesen werden, daß viele Kinomaschinen für das relativ kleine Filmformat Ellipsenspiegel-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.

Es wird ein Objektiv mit 20 cm Brennweite verwendet. Bei einer Entfernung bis zur Abbildung des Dias von 14 m ergibt sich eine Distanz von Dia bis zur Objektivlinse von 204 mm. In dieser Entfernung muß das Licht gebündelt sein, damit es durch das Objektiv gehen kann. Als Objektiv wird in diesem Beispiel eine Bikonvexlinse mit f = 200 mm verwendet, normalerweise wird ein richtiges Objektiv mit mehreren Linsen verwendet.
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 ist 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 Lichtquelle dichter zu den Kondensorlinsen verfahren, dann würde der Wirkungsgrad größer, aber die Bündelung der Lichtstrahlen wäre nach dem Objektiv, vom Objektiv würden also nicht mehr alle Lichtstrahlen erfaßt. Gleichzeitig wird der Durchmesser der Lichtbündelung größer.
Bei einem Objektiv längerer Brennweite ist der Abstand vom Dia zum Objektiv größer. Bei einem Objektiv von 40 cm, etwas über 40 cm. Um in diesem Abstand eine Bündelung des Lichts zu erreichen muß Abstand der Lichtquelle zu den Kondensorlinsen verringert werden. Gleichzeitig wir der Abstand 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 die Helligkeit des vergrößerten Bildes geringer.
Um dies zu vermeiden können beim Projektionsgerät P2000 und P5000 die Kondensorlinsen derart ausgewechselt werden, 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.

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. Deshalb sind diese auch relativ teuer.

Beide Strahlengänge, die des Kondensorsystems und die der abbildenden Optik,  sind in Einklang zu bringen.

Dies ist in obiger Darstellung ( Abbildung 22) dargestellt. In dem Beispiel, dem P2000 stimmt alles zusammen.

Anmerkung:
Die optischen Zusammenhänge im Einzelnen sollen noch in einem gesonderten Kapitel  dargestellt werden.
Einige Punkte wurden hier nicht erläutert:

Auswirkung der Schärfentiefe eines Objektives
Entsprechend dem Aufbau eines Objektives besitzt dies 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 im liegt, also vom Objektiv bis zur Lichtquelle. Optische Bauteile, wie zum Beispiel Linsen und Spiegel, werden einzeln hinzugerechnet und daraus ergeben sich einzelne Brennweiten.
Etwas anderst ausgedrückt, Im obigen Beispiel ergibt sich eine Gesamtbrennweite aus Objektiv und Kondensor. Diese Gesamtheit stellt ebenfalls ein Objektiv dar und kann deshalb ebenfalls Abbildungen ( Vergrößerungen) erzeugen. Beim Entwurf eines Projektionsgerätes oder eines Scheinwerfers ist deshalb darauf zu achten, daß der optische Aufbau so gemacht wird, daß an den kritischen Stellen "nichts steht", daß sich also keine störende Abbildung ergibt. Bei Scheinwerfern entsteht leicht der sogenannte "Hotspot", der nichts anderes darstellt, als die Unschärfe Abbildung der Lichtquelle.
Bei einem Aufbau, wie oben dargestellt, ist die Gesamtbrennweite so kurz, daß störende Abbildungen zuverlässig vermieden werden.

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. Wie dies entsteht und wie dies vermieden wird soll in einem anderen Kapitel erläutert werden.
 

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

 

Ellipsenspiegellinsenscheinwerfer  NEL650/1000 mit starrer Optik, Lichtkegel ca. 18° Typenreihe: NELK 650/1000 NEL    650/1000 NELL 650/1000