DE1165514B - Axialsymmetrische Sammellinse - Google Patents

Description

• Axialsymmetrische Sammeflinse Die Erfindung betrifft eine axialsymmetrische Sammellinse, insbesondere für Signale, Scheinwerfer und Kondensorsysteme, die frei von sphärischer Aberration einen Lichtpunkt virtuell oder im Unendlichen abbildet.
• Es ist eine zweilinsige Signaloptik mit 180' öffnungswinkel bekannt. Die erste Linse ist eine sphärischee Meniskuslinse, wobei deren der Lichtquelle zugekehrte Fläche kalbkugelförmig konkav ausgebildet ist. Die zweite Linse ist als sphärische Plankonvex- oder Meniskuslinse ausgebildet.
• Diese Signaloptik besitzt den Nachteil, daß die Reflexionsverluste in der Randzone der Optik nach außen sehr schnell anwachsen, da bei 901 öffnungswi,nkel an der zweiten Linsenfläche das Licht bereits streifend austritt, wobei der Reflexionsverlust auf 1000/0 steigt.
• Des weiteren sind Signaloptiken bekannt, die aus der Kombination einer Sammellinse mit einem dazu paraxialen ringförmigen Sammelspiegel von parabolischer und parabolähnlicher Form besteht. An diesem Sammelspiegel kann zwecks Ausnutzung der rückwärtigen Strahlen eine weitere Spiegelvorrichtung angeschlossen werden.
• Diese Signaloptiken besitzen den Nachteil der Uneinheitlichkeit der Optik. Die Brennweite des Parabolspiegels ist gegenüber dem zentralen Linsenteil relativ kurz, so daß das Signal hier eine große natürliche Streuung besitzt.
• Wird die Lichtquelle nicht exakt justiert, so tritt ein weiterer Nachteil dadurch auf, daß das Scheinwerferbündel aufgespalten wird. Bei einer Verschiebung der Lichtquelle senkrecht zur optischen Achse erfährt der Scheinwerferstrahl, der aus dem Spiegel austritt, eine gegenläufige Bewegung zu dem Scheinwerferstrahl des Linsenteils.
• Auch sind lichtbrechende Körper für Beleuchtungszwecke bekannt. Hierbei ist die eine Fläche aus einer in bezug auf die im wesentlichen als punktförmig vorausgesetzte Lichtquelle eine aplanatische Fläche vierter Ordnung, die nicht zu einer Fläche zweiter Ordnung degradiert ist, oder aus Zonen solcher Flächen gebildet, während die andere Fläche aus einer Kugel oder aus Kugelzonen besteht, deren Mittelpunkte in dem zweiten aplanatischen Punkt hegen.
• Bei dieser Optik treten hohe Reflexionsverluste auf, die eine technische Anwendung nicht sinnvoll erscheinen lassen. Das gleiche gilt für eine Weiterbildung dieser Optik für Bodenbeleuchtung, bei der diese riesigen Lichtverluste beim Austritt unter großen Austrittswinkeln gleich dreimal hintereinander vorkommen. Aufgabe der Erfindung ist es, alle Nachteile der bekannten Signaloptiken zu beseitigen und gleichzeitig bei geringem Durchmesser eine axialsymmetrische Sammellinse, bei der die Reflexionsverluste weitgehend herabgesetzt sind, zu schaffen. Diese Aufgabe wird bei einer axialsymmetrischen Sammellinse, die frei von sphärischer Aberration einen Lichtpunkt virtuell oder im Unendlichen abbildet, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ihr Axialschnitt nach dem Lichtpunkt zu in der Mitte konkav, insbesondere kreisförmig um den Lichtpunkt als Zentrum, und am Rand konvex begrenzt ist, während seine nach dem Fermatprinzip in bekannter Weise errechenbare, dem Lichtpunkt abgewandte, Seite in der Mitte asphärisch konvex, am Rand asphärisch konkav oder im Grenzfall geradlinig begrenzt ist, wobei die Verbindungslinie der Wendepunkte beider Begranzungskurven durch den Lichtpunkt geht.
• Die weitere Ausbildung der Erfindung betrifft ein Linsensystern bestehend aus zwei Linsen, bei dem die erste Linse das unter Winkeln bis zu 90' Neigung zur Symmetrieachse ausgesandte Strahlenbündel nur auf etwa den halben öffnungswinkel zusammendrängt und die zweite Linse, die sich koaxial dicht an die erste Linse anschließt, die Strahlung im Axialschnitt achsenparallel austreten läßt.
• Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Sammellinse nach der Erfindung sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung ist an Hand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine aus einem Stück bestehende axialsymmetrische Sammellinse nach der Erfindung, F i g. 2 eine aus zwei Einzellinsen nach der Erfindung zusammengesetztes Sammellinsensystem, F i g. 3 ein zusammengesetztes Sammellinsensystem nach F i g. 2 mit stufenförmig abgesetzten Lichtaustrittsflächen nach Art der Fresnellinsen, F i g. 4 ein aus drei Einzellinsen nach der Erfindung zusammengesetztes Linsensystem, F i g. 5 ein aus zwei Einzellinsen nach der Erfindung und einer Plankonvexlinse zusammengesetztes Kondensorsystem, Fig. 6 eine Sammellinse nach der Erfindung mit abgesetzter Innenfläche zwecks Erläuterung eines Herstellungsverfahrens.
• Die verwendeten Bezugsziffern sind nicht - wie sonst üblich - für gleiche Teile oder Punkte in den Figuren dieselben.
• Wegen der Verschiedenheit der einzelnen Ausbildungsformen der Sammellinse nach der Erfindung wird in jeder mit Ziffern versehenen Figur von »l« an neu und selbständig gezählt, so daß jede Zahl nur für die Jeweilige Figur gilt.
• Gemäß der Erfindung wird die Auffangfläche der Meniskuslinse, welche die Strahlung bis zu einem Winkel von 900 zur Achse aufnehmen soll, soweit es olünstig ist, hohlkugelförmig gestaltet und von dieser Form dann allmählich immer stärker in die konvexe Krümmungsform übergeführt, um mit größeren öffnungswinkeln zunehmend die zusätzliche Ablenkung an der ersten Fläche zu erhalten. Man muß natürlich die Abwandlung der Auffangfläche von der konkaven zur konvexen Begrenzung so vornehmen, daß die an den verschiedenen Stellen eindringenden Strahlen sich nicht im Innern der Linse schneiden. Einfachste Lösung ist, die Konkavfläche bis zum Wendepunkt sphärisch mit dem Lichtpunkt als Krümmungsmittelpunkt zu gestalten und den anschließenden Konvexbogen des Axialschnittes so zu führen, daß die Strahlen nach der Brechung im Innern der Linse parallel verlaufen zu dem durch den Wendepunkt gehenden Strahl.
• Wenn man, wie in F i g. 1 dargestellt ist, mit einer einzigen Linse die Ausstrahlung eines Lichtpunktes 1 bis zu 90' Neigung zur Achse achsenparallel richten will, läßt man die kreisförmige Höhlung bis zu 45' Neigung zur Achse gehen - d. h. vom Punkt 2 nach Punkt 3 -, so daß man innerhalb der Linse maximal 45' Neigung zur Achse hat. Für die im Achsenschnitt parallel zum Strahl 1-3 gerichteten Strahlen im Außenbezirk erfolgt die weitere Ablenkung um 45' im Achsenschnitt durch Austritt an einer geradlinigen Begrenzung 5-6-7, also räumlich durch eine konische Fläche, für die homozentrische Strahlung im Mittelteil durch eine asphärische Abschlußfläche 7-11-12 der Linse. Die Berechnung der asphärischen Flächen erfolgt in bekannter Weise nach dem Fennatprinzip, welches besagt, daß die optischen Weglängen vom Strahlenausgangspunkt bis zu einer Wellenfläche für alle Strahlen gleich groß sein müssen. Man geht bei der Berechnung des Achsenschnittes aus von der Länge 1-2, die so groß gewählt sein muß, daß die Lichtquelle in der Höhlung Platz hat. Für die Berechnung des anschließenden Bogens 3-4-5 ist die Wellenfläche im Glasinnern senkrecht zu den parallelen Strahlen, d. h. im Achsenschnitt repräsentiert durch die Gerade 5-9-10, so daß, verzogen auf F i g. 1, für einen Brechungsindex n die Beziehung gilt: (i---3) + n - (j---l 0) = (T--4) + n - (4----9) = (1 - 5]. Man kann danach für jeden Winkel 4-1-3 die Länge des Abstandes 1-4 und damit den ganzen Verlauf der Kurve 3-4-5 errechnen. Der Verlauf der geradlinigen Begrenzungslinie 5-7 ergibt sich aus dem Ablenkungswinkel 45' und dem Brechungsindex. Für die Berechnung des abschließenden Bogens 7-11-12 werden als Wellenflächen benutzt der Kreisbogen 7-13-14 um den Lichtpunkt 1 und die zur Achse senkrechte Linie 12-15-16, zwischen denen wieder die optische Weglänge für alle Strahlen gleich groß sein muß.
• Die achsenparallele Ausrichtung des unter 180' Winkel ausgestrahlten Strahlenbüschels mittels einer einzigen Linse hat zwar den Vorteil, daß nur zwei Linsenflächen benutzt werden, an denen Reflexionsverluste stattfinden, aber dafür sind sie groß bei den notwendigerweise hohen Einfallswinkeln, mit denen man die Ablenkung von 45' durch Brechung erzielen muß; auch die Mitteldicke der Linsen wird groß. Zur Reduzierung dieser Verluste muß man zu Glasarten von hohem Brechungsindex übergehen, wobei aber auch Grenzen dadurch gesetzt sind, daß die Schwerflinte mit wachsendem Bleigehalt gelbstichiger werden. Deswegen ist es zweckmäßiger, ein lichtsammelndes System für 180' öffnungswinkel aus zwei Ünsen mit Wendeflächen zusammenzusetzen, von denen die erste das stark divergierende Lichtbüschel auf etwa den halben öffnungswinkel zusammendrängt und sich koaxial in die Höhlung der zweiten Linse einschmiegt, welche das Strahlenbüschel dann achsenparallel auszurichten hat. Dies ist in F i g. 2 dargestellt. Die erste Linsenfläche ist sphärisch vom Achsenpunkt 2 bis 3; dann schließt sich ein Konvexbogen 3-4 an, an dem die von 1 ausgehenden Lichtstrahlen parallel zu der durch den Wendepunkt 3 gehenden Linie 1-3-7 gebrochen werden. Dieser Bogen wird, genau wie oben beschrieben, nach dem Fermatprinzip errechnet. Die Berechnung der asphärischen Außenfläche - im Schnitt dargestellt durch den Bogen 4-7-6 - erfolgt ebenfalls nach dem Fermatprinzip, wobei als Wellenfläche ein Kreis um den virtuellen Bildpunkt 5 anzusetzen ist, der nach Belieben auf der Achse angenommen werden kann, je nachdem, welche anderen Wünsche zu berücksichtigen sind, z. B. wegen des größten Durchmessers der Linse. Die äußere Linse, im Schnitt begrenzt von der Linie 6-8-9-11-10, ist gcnau wie die innere Linse zu berechnen. Der Wendepunkt 8 der ersten Fläche ist zweckmäßig so zu legen, daß der Winkel 4-5-1 durch die Linie 5-8 halbiert wird.
• Um an Glasdicke zu sparen, kann man, wie F i g. 3 zeigt, die vom Lichtpunkt 1 abgewandte Seite nach Art der Fresnellinsen in Stufen aufteilen, wobei für jede einzelne Stufe dasselbe Berechnungsverfahren gilt wie für die Vollinsen. Man gewinnt bei dieser Aufteilung sogar noch aus dem an der Glasoberfläche reflektierten Lichtanteil nutzbare Strahlung für die Nahsicht eines damit ausgestatteten Signals.
• Genau wie man durch Rotation der gezeichneten Achsenschnitte um die waagerechte Symmetrieachse Linsen für Scheinwerfer und Kondensorsysteme gewinnen kann, lassen sich durch Rotation um eine durch den Lichtpunkt gelegte senkrechte Achse Gürtellinsen für Ausstrahlung eines waagerechten Lichtbündels nach allen Seiten gewinnen, wie sie für Seezeichen benötigt werden.
• Die neuen Linsen gemäß den Patentansprüchen können sowohl Verwendung finden für Signale, Seezeichen, Scheinwerfer als auch für Kondensoren von Projektoren und Kinoapparaten. Da mit ihnen die Erfassung eines Lichtstromes von 180' Öffnung möglich ist, können sie in Verbindung mit einem halbkugelförmigen Rückspiegel hinter der Lichtquelle zur vollen Ausnutzung des ausgesandten Lichtstroms verhelfen. Für Kondensorsysteme ist die zweilinsige Optik, welche achsenparalleles Licht liefert, wie F i g. 4 zeigt, durch eine weitere Linse derselben oder der bisheriaen Art zu ergänzen, welche das Licht durch das Projektionsbild hindurch in das Projektionsobjektiv sammelt.
• F i g. 5 zeigt die Anwendung der neuen Linse in Verbindung mit einem Rückspiegel und einer herkömmlichen langbrennweitigen plankonvexen sphärischen Linse für einen Kinoprojektor.
• Die Herstellung der neuen Linsen kann nach dem Blankpreßverfahren erfolgen. Man gibt hierbei dem Preßkörper, wie Fig. 6 übertrieben zeigt, auf der sphärischen Hohlseite eine Materialzugabe, die dazu bestimmt ist, die bei der Abkühlung auftretende Oberflächeneinziehung an dieser Stelle geringsten Widerstandes aufzunehmen. Dort kann auch der Glaskörper bei der Feuerpolitur an das Hefteisen angeheftet werden, denn diese Fläche läßt sich, da sie sphärisch ist, auf billige Weise optisch nacharbeiten. Man kann natürlich die neuen Linsen anstatt aus Glas aus durchsichtigen Kunststoffen herstellen.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1.. Axialsymmetrische Sammellinse, insbesondere für Signale, Scheinwerfer, und Kondensorsysteme, die frei von sphärischer Aberration einen Lichtpunkt virtuell oder im Unendlichen abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Axialschnitt nach dem Lichtpunkt zu in der Mitte konkav, insbesondere kreisförmig um den Lichtpunkt als Zentrum, und am Rand konvex begrenzt ist, während seine nach dem Fermatprinzip in bekannter Weise errechenbare, dem Lichtpunkt abgewandte Seite in der Mitte aspärisch konvex, am Rand asphärisch konkav oder im Grenzfall geradlinig begrenzt ist, wobei die Verbindungslinie der Wendepunkte beider Begrenzungskurven durch den Lichtpunkt geht.
2. 2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Lichtpunkt zugekehrte konvexe Randfläche so gestaltet ist, daß die Strahlen im Axialschnitt von der Verbindungslinie der Wendepunkte bis zum Linsenrand, parallel zu dieser Verbindungslinie verlaufen. 3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unter einem Öffnungswinkel von 180' ausgesandte Strahlung bis zu einem Winkel von 45' zur Achse vom zentralen Linsenteil und zwischen 45 und 90' zur Achse von der Randzone der ersten Wendefläche erfaßt ist, so daß die Strahlung im Innern der Linse maximal 45' Neigung zur Achse erreicht und aus der Außenfläche der Linse, die in der Randzone im Grenzfall kegelförmig ist, parallel zur Achse ausgestrahlt wird. 4. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der mit den großen Einfallswinkeln verbundenen großen Reflexionsverluste ein Linsenmaterial von hohem Brechungsindex verwendet ist. 5. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für Scheinwerfer, Lichtsignale und Kondensoren von Projektions- und Kinoapparaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse rotationssymmetrisch ist. 6. Linsensystem, bestehend aus zwei Sammellinsen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse das unter Winkeln bis zu 90' Neigung zur Symmetrieachse von der Lichtquelle ausgesandte Strahlenbündel nur auf etwa den halben Öffnungswinkel zusammendrängt und daß erst aus der zweiten Linse, die sich koaxial dicht an die erste Linse anschließt, die Strahlung im Axialschnitt achsenparallel austritt. 7. Linse bzw. Linsensystern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkurve(n) der Linse(n) zur Verringerung der Linsendicke nach Art der Fresnellinsen stufenförmig ausgebildet ist (sind). 8. Linse für Rundsicht, insbesondere für Seezeichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Rotation des Axialschnittes um eine durch den Lichtpunkt gehende, zur Symmetrieachse des Axialschnittes senkrechte Achse entstanden ist, Stufenlinsenform hat oder in Linsenringe aufgeteilt ist. 9. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus glasklarem Kunststoff hergestellt ist. 10. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus flüssigem Glas blank gepreßt ist. 11. Linse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie feuerfest poliert ist. 12. Linse nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Materialzugabe auf der sphärischen Hohlfläche für die optische Nachbearbeitung hat. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 208 030> 216 194; USA.-Patentschrift Nr. 2 254 961.