DE178708C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-Ja 178708 KLASSE 42 Ji. GRUPPE

Firma CARL ZEISS in JENA.

Tripelspiegel. Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. November 1905 ab.

Die Erfindung besteht in der Verbesserung eines Spiegelsystems, das von Beck im Jahrgang 1887 der Zeitschrift für Instrumentenkunde, Seite 385 bis 389, beschrieben und als Tripelspiegel bezeichnet worden ist. Das Ziel der Erfindung ist die Verminderung der dem Spiegel eigentümlichen Strahlenverluste und die Erweiterung seines öffnungswinkels ohne Änderung des eigentlichen Spiegelsystems. Der Tripelspiegel besteht aus drei ebenen Spiegeln in solcher gegenseitigen Lage, daß die drei Schnittlinjen der Spiegelebenen einander nicht parallel sind, sich also in einem Punkt, dem Spiegelmittelpunkt, schneiden.

Zur Erläuterung der Erfindung diene eine Sonderform des Tripelspiegel, die von Beck Zentralspiegel genannt wird. Bei dieser Sonderform gestalten sich nicht nur die Wirkungen des Erfindungsgegenstandes am einfachsten, der Tripelspiegel hat auch in dieser Form und in einigen ihr nahe kommenden seine größte Bedeutung. Die Spiegelflächen des Zentralspiegels stehen alle drei senkrecht aufeinander. Er bildet also, wenn mit zusammenstoßenden quadratischen Spiegeln ausgeführt, die Hälfte eines Hohlwürfels. Die Würfeldiagonale durch den Spiegelmittelpunkt werde als Spiegelachse bezeichnet. Die Eigenschaft, der der Zentralspiegel seine Benennung verdankt, besteht darin, daß einerseits das Objekt und andererseits dessen Spiegelbild (richtiger dessen sechs ineinander fallende Spiegelbilder) eine punktsymmetrische Lage zum Spiegelmittelpunkt haben. Daraus folgt, daß im allgemeinen jeder eintretende Strahl, der mit irgend einer Neigung zur Spiegelachse und in irgend einer Orientierung zum Spiegel eine der drei Spiegelflächen trifft, in paralleler, aber entgegengesetzter Richtung austritt, und zwar in einer Ebene, die durch den eintretenden Strahl und den Spiegelmittelpunkt bestimmt und so weit über den Spiegelmittelpunkt hinaus verschoben ist, daß dieser in der Mitte zwischen dem eintretenden und dem austretenden Strahl liegt. Dies ist stets der Fall, wenn ⁴^ der Strahl dazu gelangt, nacheinander von allen drei Spiegelflächen zurückgeworfen zu werden. Während Beck die Verwendbarkeit des Zentralspiegels für gewisse astronomische Fehlerbestimmungen behandelt, hat G r u b b neuerdings in der englischen Patentschrift 21856 vom Jahre 1903 darauf aufmerksam gemacht, daß dem Zentralspiegel wichtige andere Anwendungen offen stehen, wenn man ihn dazu benutzt, das Licht entfernter Lichtquellen nach dem Ort — oder in die Nähe — der Lichtquelle zu reflektieren. Bei einigen dieser neuen Anwendungen wird von derjenigen Eigenschaft des Zentralspiegels ausgiebiger Gebrauch gemacht, derzufolge der Winkel, den die Spiegelachse mit der Eintrittsrichtung der Lichtstrahlen bildet, von Null bis zu einem beträchtlichen Winkel, 35 ° und darüber je nach der Orientierung des Spiegels zur Eintrittsrichtung, schwanken kann, ohne daß das Licht aufhört, zu seiner Quelle zurückzukehren. In dem Maße, wie die Strahlen von der zur Spiegelachse parallelen Richtung abweichen, büßt aber das erzeugte Bild an Lichtstärke ein, weil ein Teil der Strahlen nicht mehr die

dritte Spiegelfläche trifft, bei gewissen Orientierungen und großer Neigung zur Spiegelachse ein entsprechend geringerer Teil sogar nicht mehr die zweite Spiegelfläche. Diese Einbuße ist also am stärksten, wenn die Eintrittsrichtung der Strahlen den Grenzwinkel der Strahlenrückkehr erreicht hat, der der jeweiligen Orientierung des Spiegels entspricht. Solche Einbuße zu vermindern, also mehr

ίο Strahlen als bisher wiederzugewinnen und zugleich die Grenzwiiikel zu erweitern, d. h. innerhalb eines bisher unbenutzbaren Winkelbereichs Strahlenrückkehr überhaupt erst zu schaffen, ist der zweifache Erfolg des hier vorgeschlagenen Mittels. Das Mittel, das den Gegenstand der Erfindung bildet, besteht darin, den Spiegelhohlraum mit einem durchsichtigen Körper auszufüllen, der optisch dichter ist als die bisher mit den Spiegelflächen in Berührung stehende Luft. Der Füllkörper ist durch eine ebene oder nahezu ebene Ein- und Austrittsfläche zu begrenzen, die man zweckmäßig zur Spiegelachse senkrecht stellt. So entsteht, wenn das hinzugefügte optische Mittel fest, z. B. Glas, ist, ein tetraedrisches Prisma, das selbst der Träger der Spiegelbelegung werden kann, so daß die bisherigen Spiegelkörper fortfallen. Läßt man auch die Belegung fort, begnügt sich also mit der Totalreflexion der an Luft grenzenden Glasflächen, so nimmt der Winkelbereich der Strahlenrückkehr dadurch allerdings ab, kann aber noch immer größer gehalten werden als beim Zentralspiegel bisheriger Konstruktion, weil der Erfolg des »Füllkörpers« mit dessen Brechungsvermögen wächst, sehr stark brechende Glasarten aber verfügbar sind. Für große Zentralspiegel können Flüssigkeiten mit Nutzen als Füllkörper verwendet werden. Es tritt dann ein sogenanntes Flüssigkeitsprisma mit dünnen Glaswänden an die Stelle des Glasprismas. Man kann aber auch als ebene Ein- und Austrittsfläche des flüssigen Füllkörpers dessen freie Oberfläche benutzen, indem man die Spiegelöffnung aufwärts richtet. Ein über dem Zentralspiegel geneigt angeordneter Planspiegel wirft dann die Strahlen, die gewöhnlich in ungefähr wagerechter Richtung von der entfernten Lichtquelle kommen, dem Zentralspiegel zu.

Die acht Figuren der Zeichnung sind alle in gleicher Projektionsart ausgeführt. Fig. 1 stellt den Zentralspiegel bisheriger Konstruktion dar. Drei planparallele Platten tragen die Spiegelflächen, die sich durch drei andere Flächen (mit punktierten Kanten) zum Würfel ergänzen lassen. Die vom Spiegelmittelpunkt C ausgehende Würfeldiagonale A ist die Spiegelachse.

60. Fig. 2 zeigt, wieder in einen Würfel eingetragen, das tetraedrische Glasprisma, das nach vorliegender Erfindung den Hohlspiegel (Fig. 1) vorliegender Erfindung den Hohlspiegel (Fig. 1) mit Vorteil ersetzt. Die Ein- und Austrittsfläche oder Öffnung des Zentralspiegels ist ein gleichseitiges Dreieck abc.

In Fig. 3 sind wie in Fig. 1 die wirksamen Flächen. des Hohlspiegels dargestellt, aber in der Form der Spiegelflächen des tetraedrischen Glasprismas (Fig. 2). Die gleichzeitig dreieckige Spiegelöffnung abc liegt hier abweichend von Fig. ι und 2 der Zeichenebene parallel. Die punktierten Linien stellen das Bild dar, das der Spiegel von sich selbst entwirft. Man erkennt leicht die zum Mittelpunkt C symmetrische Lage der Öffnung abc einerseits und des Öffnungsbildes a' V c' andererseits. Auch das Stück der Spiegelachse A vom Mittelpunkt C bis zu der auf ihr senkrechten Ebene der Öffnung abc ist nebst seinem Spiegelbild A' in die Figur eingetragen.

Nach Fig. 4 ist aus Fig. 3 die Öffnung abc und das Öffnungsbild a' V c' sowie die Achse A und das Achsenbild A' übernommen. Soll ein Bündel paralleler Strahlen in den Zentralspiegel parallel zur Achse A eintreten, und die Öffnung abc vollständig ausfüllen, so muß es die Form eines dreiseitigen Prismas haben, dessen Kanten so liegen wie die an den Punkten a, b und c angedeuteten Pfeilschwänze. Wie eingangs erwähnt, ist die Lage der zu diesen eintretenden Kantenstrahlen gehörigen, ihnen parallel gerichteten austretenden Strahlen dadurch gegeben, daß der Spiegelmittelpunkt in der Mitte zwischen je zwei zusammengehörigen Strahlen liegt. Die Richtungen der zurückkehrenden Kantenstrahlen gehen also durch die Spiegelbilder a', V und c' der Punkte a, b und c. In der Figur ist das ideelle zurückkehrende Strahlenprisma in seinem (verlängerten) Teil zwischen dem Öffnungsbild a' b' c' und der öffnungsebene durch feine Punktierung angedeutet. Wie ersichtlich, treffen die Kantenstrahlen a' «^x, V b^x und c' c^x und ihnen benachbarte Teilbündel von dreieckigem Querschnitt außerhalb der Öffnung abc auf die öffnungsebene. Dies bedeutet, daß sie von Spiegelteilen die dritte Reflexion empfangen, die keine Wirklichkeit mehr haben, daß sie also aus dem zurückkehrenden Bündel ausfallen. Die Kanten des reellen zurückkehrenden Bündel sind durch Pfeilspitzen angedeutet. Der Querschnitt dieses Bündels ist ein regelmäßiges Sechseck.

Fig. 5 unterscheidet sich von der vorhergehenden nur dadurch, daß das durch die Öffnung abc eingelassene Bündel mit der Achse A einen Winkel bildet. Die sechs Pfeilspitzen begrenzen in diesem . Fall ein reelles · zurückkehrendes Bündel, dessen Querschnitt ungleichseitig und kleiner ist als der des zur Achse parallelen Bündels in Fig. 4, weil bei

geneigtem Eintritt noch mehr Strahlen über den Rand der jeweilig dritten spiegelnden Fläche hinweggehen.

In Fig. 6 ist die Wirkung des Erfindungsgegenstandes in dem Fall nach Fig. 5 dargestellt. Denkt man sich in Fig. 3 den Raum zwischen den drei Spiegeln und der öffnungsebene durch ein Glasprisma von gewöhnlichem Brechungsvermögen, z. B. vom Exponenten 1,5, erfüllt, so entwirft die von der ebenen Öffnungsfläche begrenzte Glasschicht auf der Achse A ein Bild des Spiegelmittelpunktes C, das von dieser

Fläche nur noch = — so weit absteht, wie

•1,5 3

der Punkt C selbst. Ebenso wird das öffnungs-

2
bild a' V c' von der Glasschicht in — des bis-

herigen Abstandes von der Öffnungsebene als a" b" c" (Fig. 6) nochmals abgebildet, so daß dieses neue Öffnungsbild und die öffnung abc wieder punktsymmetrisch zum Bild C des Spiegelmittelpunktes liegen. Infolge dieser Annäherung zwischen Öffnung und Öffnungsbild hat die Spur «^xx &^xx c^xx des ideellen zurückkehrenden Strahlenprismas in der öffnungsebene eine andere Lage zur Öffnung abc als die Spur a^x b^x c^x in Fig. 5. Die Pfeilspitzen zeigen zwar noch immer einen ungleichseitigen Querschnitt des reellen zurückkehrenden sechsseitigen Strahlenprismas an, aber einen größeren als in Fig. 5. Es ist ein beträchtlicher Teil der sonst verlorenen Strahlen wiedergewonnen worden.

Mit Fig. 7 kehrt die Darstellung wieder zum unausgefüllten Zentralspiegel zurück. Diese Figur stellt einen der Fälle dar, wo das durch die öffnung abc eingelassene Strahlenprisma mit der Achse .4 einen Winkel bildet, der für die gegebene Orientierung des Zentralspiegels ■ den Grenzwinkel der Strahlenrückkehr schon ein wenig überschreitet. Der Querschnitt des reellen zurückkehrenden Strahlenprismas wäre also schon bei einem kleineren Winkel zu Null geworden.

Die Einwirkung des Ernndungsgegenstandes im Fall Fig. 7 ist in Fig. 8 dargestellt. Die

Pfeilspitzen zeigen, welchen Querschnitt das reelle zurückkehrende Strahlenprisma besitzt, das sein Vorhandensein der Anwendung des Glastetraeders verdankt.

In Fig. 9 ist das Glastetraeder nach Fig. 2 nochmals dargestellt. Seine öffnung ist aber durch zur Achse A parallele ebene Schnitte auf ein Sechseck zurückgeführt. Wie ein Vergleich mit Fig. 4 zeigt, hat eine solche Öffnung, wenn das Sechseck regelmäßig ist, die Eigenschaft, daß ein die öffnung ausfüllendes, parallel zur Achse A gerichtetes Bündel ohne Strahlenverlust zurückkehrt. Aber auch bei geneigtem Einfall eines die öffnung ausfüllenden Strahlenbündeis wird der Strahlenverlust verhältnismäßig gering.

Dasselbe gilt von der kreisförmigen Begrenzung der öffnung nach Fig. 10, wo die spitzen Ecken des Tetraeders durch eine koachsiale Zylinderfläche abgeschnitten sind.

Claims (2)

Pate nt-An Sprüche:

1. Tripelspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß behufs Verminderung der Strahlen-Verluste und Erweiterung des öffnungswinkels den Spiegelhohlraum ein optisches Mittel ausfüllt, das ein höheres Brechungsvermögen besitzt als Luft und den Lichtstrahlen eine ebene oder nahezu ebene Ein- und Austrittsfläche darbietet.

2. Eine Ausführungsform des Tripelspiegels nach Anspruch 1 als tetraedrischer Zentralspiegel mit zur Achse senkrechter oder wenig geneigter Ein- und Austrittsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tetraeder durch ein koachsiales, regelmäßig dreiseitiges Prisma oder durch einen koachsialen Zylinder so abgestumpft ist, daß die Ein- und. Austrittsfläche ein regelmäßiges Sechseck bezw. einen Kreis bildet, damit jedes Bündel paralleler Strahlen von gegebener Neigung und Orientierung, das beim Eintritt die volle Ein- und Austrittsfläche des Zentralspiegels beansprucht, mit einem verhältnismäßig geringen Strahlenverlust zurückgeworfen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Berlin, gedruckt in der reiChsdruckerei.