Plankonvex- und Stufenlinsenscheinwerfer
Das optische System und dessen Wirkungsweise ist bei Stufenlinsenscheinwerfern das Selbe wie bei Plankonvexlinsenscheinwerfern. Deshalb wird zuerst der Plankonvexlinsenscheinwerfer, oft auch PC genannt beschrieben und erläutert. Anschließend wird die Stufenlinse erklärt.

Das optische System beider Scheinwerferarten besteht aus einer Lichtquelle, einem Spiegel und einer Linse. Deren Mittelpunkte müssen auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen. Im Normalfall ist der Spiegel ein Kugelspiegel.

Animation des Strahlenganges von der Spot- bis zur Floodstellung und zurück.

Zunächst sollte jedoch die Lichtquelle betrachtet werden. Zuerst  wird eine ideale 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 selbe Lichtverteilung. Im weiteren Verlauf werden sie Strahlen nicht mehr als Pfeile, sonder nur als Linien dargestellt.

Wird die Lichtquelle mit einem Kugelspiegel kombiniert, so wird nur ein Teil des Lichts von dem Spiegel erfaßt. Es ergibt sich der Nutzwinkel des Spiegels. (Räumlich) Durch hinzufügen der Plankonvexlinse entsteht das komplette optische System des Scheinwerfers. Damit das System optimal und symmetrisch ist, müssen Spiegelmitte, Lichtquelle und Linsenmitte auf einer Linie liegen, sie ist die optische Achse des Scheinwerfers.

Es ergibt sich nun zum Beispiel folgendes Bild:

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 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.

Der Verlustwinkel kann auch folgendermaßen dargestellt werden:

Üblicherweise werden nur die wirksamen Strahlen dargestellt, so daß dem Betrachter die Wirkungsweise des optischen Systems leichter sichtbar wird. Allerdings wird der Verlust im Strahlengang nicht mehr sichtbar!

Beispiel:

Der Verlustwinkel wirkt sich in Wirklichkeit nicht so stark aus, wie es sich aus den bisherigen Abbildungen ergibt. Bislang wurde von einer nach allen Richtungen gleichstarken Lichtabstrahlung der Lichtquelle ausgegangen. Reale Lichtquellen verhalten sich anderst. Eine Halogenlampe mit Mono- oder Biplanwendel strahlt das meiste Licht senkrecht zur Wendelfläche ab. Bei einem senkrechten Schnitt durch die Lampe würde dies etwa so aussehen:

Es ist zu sehen, daß sich der Bereich des Verlustwinkels des Scheinwerfers mit dem Bereich der Lampe deckt, in dem auch am wenigsten Licht abgestrahlt wird, Allerdings nur, wenn die richtige Lampe verwendet wird.

Der Zusammenhang von Spiegel, Spiegelsysteme und Lichtquelle wird an anderer Stelle noch erläutert.

Da 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 ist die Meinung vertreten, der Mittelpunkt des Kreises wäre auch der Brennpunkt. Das ist falsch, der Brennpunkt ist genau zwischen Spiegelfläche und dem Mittelpunkt. Siehe auch Spiegel.

Da die Lampe im Mittelpunkt ist, ist sie gleichzeitig 2 Brennweiten von der Spiegeloberfläche entfernt. Daraus ergibt sich, daß sich das Lampenwendel in sich selber im Maßstab 1:1 abbildet, jedoch seitenverkehrt.  Dies 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 2 Wendelabbildungen sichtbar. Eines davon ist hell und scharf abgebildet, das andere etwas unscharf, nicht ganz so hell. Das helle und scharfe Bild ist die direkte Abbildung des Wendels 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.

Folgende Schritte sind erforderlich:
 
 

	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.
	Jetzt stimmt der Abstand zum Spiegel, die Abbildungen sind gleich groß. Die Höhe muß noch nachjustiert werden.
	Beide Bilder sind gleich groß und liegen seitenverkehrt , zentriert übereinander. Das Gerät ist optimal eingestellt. Da die Abbildung des Wendels auf die Lücken des ersten Bildes gesetzt wird, ergibt sich eine Art Fläche, die leuchtet. Bei einem monoplanen Wendel ist eine derartige Einstellung erforderlich, um optimale Ergebnisse zu bekommen. Bei einem 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.

Bei der Abbildung des Wendels im Bereich der Lampe entsteht eine große Hitze. Theater- und 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 und erhitzt diesen, bis die Lampe zerstört ist.
 
 

	Die Lampe sitzt richtig im Mittelpunkt des Spiegels. Der obere Strahl wird an der Normalen des Spiegels reflektiert und trifft noch auf das Wendel. Der untere Strahl würde entgegengesetzt nach oben reflektieren und noch das Wendel treffen.
	Fehler: Die Lampe sitz über der optischen Achse 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. Anmerkung: Die Spiegelachse müßte eigentlich Spiegelungsachse heißen und ist nicht mit der optischen Achse zu verwechseln.

 

Auch die Linsenabmessungen und -eigenschaften wirken sich auf das Licht des Scheinwerfers aus. Ähnlich wie beim Spiegel ist das Verhältnis Linsendurchmesser/Wendeldiagonale ein wesentliches Merkmal. Je größer dieses Verhältnis ist, desto mehr nähert sich die Lichtquelle der idealen 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. Einzelheiten werden unter Linsen erläutert.

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 Lichtkegel, den das Gerät ermöglicht. wegen der Schärfentiefe wird das Wendel schon abgebildet. Um diese Abbildung zu vermeiden kann in das Gerät ein Weichzeichner eingesetzt werden, der die Lichtstrahlen etwas diffus macht, so daß die Abbildung verschwindet. REICHE & VOGEL empfiehlt und liefert dazu einen Weichzeichner aus Glas, da dieser mehr Licht durchläßt als ein Weichzeichner aus Kunststoff. Der Weichzeichner 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 aufgerauht oder mit einem bestimmten 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 möglich wäre. Der Vorteil besteht 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 dies erforderlich um 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.

Würde die Lampe über die Brennweite hinaus verschoben, würde sich das Lampenwendel vergrößert abbilden, der Wirkungsgrad würde immer schlechter.

Mit den folgenden Zeichnungen werden einige Merkmale bei idealer Lichtquelle dargestellt:
 
 

.	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.  Anmerkung: Die Brennweite der Linse wird von der Hauptebene bis zum Brennpunkt gemessen. Die Schnittweite ist die Entfernung von der Linsenkante bis zum Brennpunkt.
.	Wird die Lichtquelle mit dem Spiegel zur Linse hin verschoben, öffnet sich der Lichtkegel des Scheinwerfers stufenlos. Die Nutzwinkel werden größer und der Gesamtwirkungsgrad steigt. Da jedoch die ausgeleuchtet Fläche überproportional steigt, fällt gleichzeitig die Helligkeit. (Lux-Wert fällt)
	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.

 

Darstellung mit einem realen Wendel:
 

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.

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 verändern  läßt. Dieser Gerätetyp gehört deshalb zur Grundausstatttung einer Bühne.

Stufenlinsenscheinwerfer
Der Stufenlinsenscheinwerfer hat anstelle einer Plankonvexlinse eine Stufenlinse. Ansonsten verhält sich das System gleich. Eine Plankonvexlinse mit großem Durchmesser und relativ kurzer Brennweite bzw. Schnittweite würde sehr dickbauchig, damit schwer und ziemlich teuer werden. Weil Stufenlinsen in etwas dünne Scheiben darstellen lassen sie sich gleichmäßiger erhitzen und abkühlen, sie halten im Scheinwerfer höhere Temperaturen aus. Deshalb werden Stufenlinsen eingesetzt.

Einer Stufenlinse liegt folgender Gedanke zugrunde:
 

	Die links gezeichnete Plankonvexlinse ist sehr dickbauchig und hat deshalb eine kurze Brennweite. Der Radius r und der Brechungsindex des Glases legen die Brennweite fest.
	Nun wird die Linse in einzelne Ringe aufgeteilt.
	Diese Ringe werden im Beispiel nach links soweit verschoben, bis der Radienansatz an der selben Fläche anstößt. Es ergeben sich konzentrische Ringe mit gleichem Radius und mit gleich langer Brennweite. Wegen der Verschiebung verschieben sich auch die Mittelpunkte der konzentrischen Oberflächen. Somit ist auch kein gemeinsamer Brennpunkt vorhanden. Im letzten Schritt müssen nun -außer der äußersten- alle Flächen mit den neunen 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 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 verwendet. Im Normalfall sind die Entfernungen zum auszuleuchtenden Gegenstand geringer als beim Theater. Das Streulicht der Linse ist unbedenklich.

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 rotationssysmmetrisch.
• 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
Bühnenscheinwerfer als Beispiele:

Systembedingte Vorzüge:

• Großes Verhältnis von Linsendurchmesser/Wendeldiagonale
• 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 fürZubehör.
• 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.

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.