Optisches System für Scheinwerfer. Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für Scheinwerfer, das aus einem Spiegel und einer Linse besteht, von welchen beiden Teilen der Spiegel mindestens die Hauptsammelwirkung leistet und op tische Flächen aufweist, die wenig oder gar nicht von der Kugelgestalt abweichen, und welche beide Teile so ausgebildet sind, dass die sphärischen Aberrationen des Systems für die vom Achsenpunkt der Leuchtfläche ausgehenden Strahlen behoben sind.
Ordnet man bei diesen Systemen gemäss der Erfindung die erwähnte Linse in der Nähe des Scheitelkrümmungsmittelpunktes der vordern Fläche des Spiegels an und die Lichtquelle in einem solchen Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der vordern Fläche des Spiegels, der grösser, dessen Produkt mit cos U aber kleiner als die Hälfte des Scheitel- 2 krümmungsradius der spiegelnden Fläche des Spiegels ist, wenn mit Ü der Aperturwinkel bezeichnet wird, so erzielt man den Vorteil,
dass sich auch die Vergrösserungsfehler des Systems selbst bei Verwendung einer dünnen Linse weitgehend beseitigen lassen, so dass das aus Spiegel und Linse bestehende System zur Anwendung bei Grossscheinwerfern, also etwa bei Scheinwerfern mit 60 cm und mehr Spiegeldurchmesser, in vorteilhafter Weise geeignet wird. Bei diesen Scheinwerfern hat man bisher im allgemeinen als optisches Sy stem einen Parabolspiegel verwendet, sei es in der Form des Oberflächenspiegels oder der Spiegellinse.
Der Parabolspiegel hat aber den Nachteil, dass seine Flächenelemente von der Lichtquelle Bilder verschiedener Gestalt und Grösse liefern und infolgedessen einer gleichmässig leuchtenden Fläche der Licht quelle ein Bild mit allmählichem Helligkeits abfall nach dem Rande zu entspricht. Bei weitgehender Hebung der Vergrösserungs fehler im optischen System lässt sich jedoch ein Leuchtfeld erzielen, das einen wesentlich schärferen Helligkeitsabfall am Rande auf weist.
Als Vergrösserung in einem System mit sehr grosser Bildentfernung wird clas Verhältnis des Winkels, unter dem vom Sy stem aus das Bild eines Durchmessers der Leuchtfläche erscheint, zu diesem Durch messer bezeichnet. Der reziproke Wert. dieses Verhältnisses soll Brennweite heissen.
Die bei einem System gemäss der Erfin dung vorliegenden Verhältnisse seien anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung stellt Fig. 1 schematisch ein Scheinwerfersystem der hier vorliegenden Art in einem Achsenschnitt dar, während die Fig. 2 bis 4 entsprechende Achsenschnitte durch drei verschiedene, der Erfindung ent sprechend ausgebildete Systeme wiedergeben.
In Fig. 1 ist mit a der Spiegel und mit b die Linse des Systems bezeichnet. Als Spie gel ist hier ein solcher gewählt, dessen spie gelnde Fläche sich auf der Rückseite des Spiegelkörpers befindet. Zwischen dem Spie gel<I>a</I> und der Linse b ist die mit<I>L</I> bezeich nete Lichtquelle angeordnet.
Der Achsen krümmungsmittelpunkt der Vorderfläche des Spiegels a ist mit C bezeichnet und die Schei teldicke der Linse b mit 80. Es bezeichnet ferner<I>a</I> die Entfernung der Lichtquelle<I>L</I> vom Krümmungspunkt C der spiegelnden Fläche und ss die Entfernung des Krüm- mungsmittelpunktes C von dem dem Spiegel a zugewandten Scheitel der Linse b.
Die Grössen<I>a,</I> ,B und 8o sind im folgenden, ebenso wie alle andern Längen, auf den Scheitel- krümmungsradius der Vorderfläche des Spie gels als Einheit bezogen. Liegt der Krüm- mungsmittelpunkt C, in der Figur betrachtet, rechts von dem genannten Scheitel, so ist die Strecke ,i positiv zu rechnen. Sie ist negativ zu rechnen, wenn der Punkt C links von dem Scheitel liegt.
Die sphärische Abweichung des aus dem Spiegel a und der Linse b bestehenden Sy stems kann durch geeignete Formgebung der Linse b vollständig behoben werden. Bezüg lich der Vergrösserung und ihrer Fehler muss man zwischen Sagittal- und Neridional- büscheln unterscheiden. Durch geeignete Formgebung der beiden Linsenflächen und Stellung der Linse ist es möglich, alle Ver- grösserungen gleich zu machen.
Es ist aber für ein Scheinwerfersystem in den meisten Fällen nicht erforderlich, diesen Idealzustand zu verwirklichen, sondern es genügt, die Ver grösserungsfehler auf kleine, für die Praxis unschädliche Beträge zu verringern. Da die Vergrösserung der meridionalen Büschel die grössten Unterschiede zeigt, kann man zum Beispiel Lage und Form der Linse so wählen, da.ss die Meridional - Vergrösserung am Rande und in der Achse den gleichen Wert hat, oder so, dass die lteridional- und die Sagittalvergrösserung am Rande den glei chen Wert haben.
Aber auch diese Forderung kann man meist durch die Forderung der Gleichheit der Sagittalvergrösserungen für zwei Zonen, z. B. für Mitte und Rand, er setzen.
Die Dicke des Spiegels soll in allen Zonen gering sein.
Für eine geringe Dicke des Spiegels spre chen Materialersparnis, Gewichtsersparnis bei beweglichen Anlagen, aber auch die ge ringere Empfindlichkeit gegen Temperatur unterschiede.
Für die nähere Beschreibung der Linsen formen wird der Einfachheit halber in dem System ein kugeliger Oberflächenspiegel vor ausgesetzt. Entscheidend für die Linsenform ist das Verbältnis, in dem die Lichtquelle die Achsenstrecke zwischen Scheitel und Krümmungsmittelpunkt des Spiegels teilt. Wie sich ergeben hat, hat die Linse für a = 0.5 von der Mitte nach dem Rande zu wachsende Dicke, für
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von der Mitte nach dem Rande zu abnehmende Dicke.
Für Werte a zwischen 0,5 und
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hat die Liwe eine Stelle geringster Dicke, die sich beim stetigen Übergang des Wertes a von 0,5
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von der Mitte nach dem Rande zu verschiebt. Bei dem Übergang nimmt die Minendicke dauernd zu und die Randdicke dauernd ab und es gibt eine Lin senform, bei der Mitten- und Randdicke gleich gross sind. Dies ist zugleich, wenig stens sehr näherungsweise, die Form mit dem geringsten Dickenunterschied, unter Dicken unterschied verstanden den Unterschied zwi schen grösster und geringster Dicke der Linse.
Neben der Linsenform mit dem gering sten Dickenunterschied gibt es eine Form mit Vorzügen anderer Art. Der Winkel, den die Linsenflächen in irgend einer Zone mitein ander bilden und der für die Strahlenablen kung in dieser massgeblich ist, hat bei jeder Linsenform mit einer Stelle geringster Dicke zwischen dieser Stelle und der Mitte einen Grösstwert. In dem übrigen Gebiet ist der Winkel zwischen den Linsenflächen am gröss ten am Rande.
Da dem Winkel näherungs- weise die Strahlenablenkung und dieser der Farbfehler verhältnismässig gleich ist, kann man die Farbenabweichungen verringern, wenn man den grössten Winkel der Flächen an den beiden entscheidenden Stellen auf das geringste Mass herabsetzt. Das ist der Fall, wenn man die Winkel an den beiden Stellen gleich macht. Dies fordert einen Wert für a, der zwischen dem Wert für die Linse mit geringstem Dickenunterschied und
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liegt und zum Beispiel für U = 60 dem Mittelwerte entspricht.
Die Farbenfehler können für U = 60 gegenüber der Linse a = 0,5 auf weniger als '/, gegenüber der Linse geringsten Dickenunterschiedes auf weniger als 1/2 und gegenüber der Linse
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auf weniger als 2/ verringert werden.
Da für die Linse mit den geringsten Far benfehlern, wie überhaupt für alle Linsen mit einem gleinstwert der Dicke, die Farben folge aus den beiden durch die Stelle gering ster Dicke getrennten Bereichen entgegen gesetzt liegt, überlagern sich die kurzwelligen Farben des einen Bereiches mit den lang- welligen des andern und umgekehrt, wodurch die an sich schon geringen Farbfehler sich noch weiter vermindern.
Es sei zunächst die Lage für den Fall er läutert, dass die Linse eine vom Hohlspiegel abgewandte ebene Fläche hat. Da die Ach sendicke der Linse in diesem Falle offenbar ohne Einfluss ist, gibt es für die Gleichheit der Sagittalvergrösserungen für Mitte und Rand einen einfachen Zusammenhang zwi schen a, ss und dem Aperturwinkel U, der für U = 60 durch die folgenden Werte ge nügend festgelegt ist:
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1) <SEP> a <SEP> - <SEP> 0,5000 <SEP> ss <SEP> = <SEP> - <SEP> 0,0576
<tb> a <SEP> - <SEP> 0,5326 <SEP> ss <SEP> = <SEP> - <SEP> 0,0125
<tb> a <SEP> = <SEP> 0,5568 <SEP> ss <SEP> = <SEP> -f- <SEP> 0,0032
<tb> a <SEP> - <SEP> 0,5774 <SEP> ss <SEP> = <SEP> 0,0000 Für einen a-Wert zwischen 0,5326 und 0..5568 ist ein zweiter Nullwert für ss vor handen, der näherungsweise bei 0,549 liegt. Für einen Wert von a zwischen 0,549 und 0,5774 hat ss einen grössten (positiven) Wert.
Weniger einfach ist die Beziehung (a, ss) für den Fall, dass die Linse eine dem Hohl spiegel zugewandte ebene Fläche hat, da hier die Achsendicke ö" von Einfluss ist, die ihrer seits durch die Forderung genügend grosser Dicke an der Stelle geringster Dicke be stimmt ist.
Wählen wir als Minimaldicke, bezogen auf den Krümmungsradius des Spie gels, 0,0075, so ergeben sich die folgenden Werte:
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II) <SEP> a <SEP> = <SEP> 0,5000 <SEP> ss <SEP> -0,0119 <SEP> 80 <SEP> = <SEP> 0,0075
<tb> a <SEP> - <SEP> 0,5326 <SEP> ss <SEP> = <SEP> -0,0026 <SEP> Ö, <SEP> = <SEP> 0,0151
<tb> a <SEP> 0,5774 <SEP> ss <SEP> + <SEP> 0,0308 <SEP> ba <SEP> = <SEP> 0,0470 Die ersten und letzten Beispiele der Ta bellen I und II liegen ausserhalb des Gegen standes der Erfindung und dienen nur dazu, die Zusammenhänge besser zu übersehen.
Nach der Übersicht über die flachen For men sind auch die gewölbten ohne weiteres bekannt, da sie aus den ersteren sich sehr genau durch Durchbiegung unter Erhaltung der Dicken oder besser der Lichtwege er geben. Die genaue Bestimmung des Linsen ortes erfolgt bekanntlich am einfachsten, in- dem man zwei Orte durchrechnet und auf Gleichheit der Sagittalbrennweiten inter poliert.
Um schliesslich ein Beispiel für die Güte der Korrektion zu geben, benutzen wir das zweite Beispiel der zweiten Tabelle mit den eine Stelle weiter gerechneten Werten- a = 0,53257 ,B = -0,00260 80 = 0,01508 und erhalten für die Sagittalbrennweiten für die Achse und ZU = 60 den Wert 0,53338, für einen Winkel r,' = 40 , 28 den Wert 0,53257, also nur einen relativen Unterschied von 15 -10--4.
Da auch für die übrigen Zonen die Sagittalbrennweiten ähnlich geringe Un terschiede zeigen, sind auch die 1@Ieridional- brennweiten und alle andern hinreichend gleich, um eine für ein Beleuchtungssystem genügend scharfe Abbildung einer kleinen Leuchtfläche senkrecht zur Achse zu ge währleisten.
Bei deformierten Linsen entsteht eine Schwierigkeit oft dadurch, da.ss ein Wende punkt auf einer oder beiden Flächen auf tritt. Flächen mit 'Wendepunkten sind aber schwieriger herzustellen und zu prüfen als solche ohne Wendepunkte. Um Freiheit von Wendepunkten zu erreichen, werden die Lin sen zu Menisken durchgebogen, bis die 'Wendepunkte verschwunden sind. Bei der Durchbiegung wandert der Wendepunkt ent weder nach dem Rande oder nach der Mitte und verschwindet bei einer bestimmten Durchbiegung an diesen Stellen.
Ob man die Durchbiegung in dem einen oder dem andern Sine wählt, hängt einmal von dem Interesse ab, das man an der Grösse der Durchbiegung hat, es hängt aber auch anderseits davon ab, bei welchem Durchbiegungssinne die klei neren Abweichungen der Vergrösseratngsich ergeben.
Liegt, wie in Fig. 1, ein Spiegel vor, dessen spiegelnde Fläche sich auf der Rück seite befindet, eine sogenannte Spiegellinse, so lässt sich eine besondere Verbesserung er reichen, wenn man die Flächen des Spiegels so ausbildet, dass ein Zusammenfallen von Strahlen stattfindet. Wir nennen einen Strahl, der an einer Spiegellinse rt, optische Beeinflussungen erlitten hat, einen Strahl n-ter Ordnung.
Ein an der Vorderfläche der Spiegellinse zurückgeworfener Strahl hat darnach die Ordnung 1, ein durch die Vor derfläche eingetretener, an der Hinterfläche zurückgeworfener und aus der Vorderfläche ausgetretener Strahl die Ordnung 3, ein im Innern dreimal gespiegelter und an der Vor derfläche zweimal gebrochener Strahl die Ordnung 5 usw. Unter Benutzung der Ord nungszahlen können wir dann sagen: Die Flächen des Spiegels sind so auszubilden, dass ein Zusammenfallen eines Strahls erster oder fünfter Ordnung mit einem Strahl dritter Ordnung wenigstens in einer Zone statt findet.
Man kann diese Verbesserung aber noch steigern, wenn man die Flächen des Spiegels so ausbildet, dass nicht nur für eine Zone, sondern für alle von der Mitte bis zum Rande ein Zusammenfallen der Strahlen erster oder fünfter Ordnung mit denen dritter Ordnung stattfindet. Es zeigt sich, dass dann die Strahlen aller Ordnungen zusammenfallen und somit nicht nur störende Nebenbilder vermieden, sondern dass die Strahlen für die Beleuchtung restlos nutzbar gemacht sind.
Diese Nutzbarmachung ist unabhängig von der Form, die man einer der Flächen des Spiegels gibt und kann durch geeignete Formgebung der andern Fläche stets erzielt werden; man kann also entweder der Vorder- oder der Hinterfläche des Spiegels Kugel gestalt geben.
Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Aus- führungsbeispiele enthalten alle einen sphä rischen Oberflächenspiegel a. An seine Stelle kann ohne weiteres auch eine Spiegellinse mit gleicher und gleichliegender Vorderfläche treten, falls die Strahlen der ungeradzahligen Ordnungen an allen Stellen zusammenfallen.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungs- form des Systems entspricht dem dritten in der Tabelle I angegebenen Fall, bei dem a = 5568 und ss = -I-0,0032 ist. Hier ist die dem Spiegel a zugewandte Seite der Linse b gekrümmt und die von dem Spiegel abge wandte Seite eben. Die Begrenzung der Linse b durch die ebene Fläche kann dabei in beliebigem Abstand vom Linsensc$eitel er folgen, da die ebene Grenzfläche ohne Ein fluss auf den Verlauf des Strahlenganges ist.
In Fig. 3 ist der zweite Fall der Ta belle II veranschaulicht, bei dem a = 0,5326 und ss = - 0,0026 ist. Hier ist eine ebene Begrenzungsfläche der Linse b dem Spiegel a zugekehrt und die andere Begrenzungsfläche der Linse b ist gekrümmt. Die Dicke der Linse b ist hier 80 = 0,0151.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel mit einer menis- kenförmigen Linse b, die auf der dem Hohl spiegel a zugewandten Seite eine kugelige Fläche mit dem Radius 1,25 besitzt. Der kleinste geometrische Lichtweg in der Linse ist 0,0090. Es ist a = 0,5326, ss = 0,0947, 80 = 0,0167. Der Hohlspiegel hat einen Aperturwinkel U =<B>66</B> , 6.6.