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Vorrichtung zur Begrenzung des Lichteinfallswinkels bei lichtelektrischen Zellen.
Bei der Konstruktion lichtelektrischer Beleuchtungsmesser, insbesondere für photographische
Zwecke, besteht die Notwendigkeit, Vorrichtungen anzuwenden, die nur Lichtstrahlen aus einem bestimmten Raumwinkel auf die Zelle gelangen lassen, während Strahlen aus andern Richtungen von der Zelle ferngehalten werden sollen. Die einfachsten Vorrichtungen zur Fernhaltung von Licht aus
Richtungen, die einen grösseren Winkel als erwünscht gegen das Lot auf der Zellenfläche aufweisen, ist ein vor der Zelle angeordnetes, nach vorn offenes Blendenrohr (Kammer). Um hinreichend grosse
Lichtströme auf der Zelle zu erhalten, hat man gewöhnlich die Länge des Blendenrohres und seine vordere Öffnung etwa ebenso gross bemessen wie die Zellenfläche.
Um die Abmessungen der Anordnung zu verringern, hat man fernerhin die eine grosse Blendenkammer durch eine Vielzahl von kleinen, nebeneinander liegenden Blendenkammern von beispielsweise wabenähnlicher Form ersetzt, die bei praktisch gleicher Wirkung eine wesentlich geringere Baulänge ermöglichen.
Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass die wirksame Öffnung nicht scharf abgegrenzt ist. Der Bruchteil des einfallenden Lichtes, der von dem auf die Vorrichtung auffallenden Lichtbüschel hindurchgelassen wird, nimmt vielmehr mit zunehmender Neigung des Lichtbüschels verhältnismässig langsam und stetig ab.
Man hat auch schon vorgeschlagen, die Totalreflexion beim Austritt des Lichtes aus Glas od. dgl. zur Fernhaltung von Lichtstrahlen bestimmter Neigung zu verwenden, indem man vor der Zellenfläche eine Platte aus Glas anordnete, deren Vorderseite erhaben und deren Rückseite eine entsprechende Anzahl von hohl gekrümmten kleinen Teilflächen aufwies. Auch diese Vorrichtung besitzt den Nachteil einer verhältnismässig unscharfen Begrenzung des hindurchtretenden Lichtbüschels, ganz abgesehen davon, dass auch durch mehrfache Reflexion noch ein erheblicher Bruchteil der Intensität von Strahlen aus solchen Richtungen auf die Zellenfläche gelangen kann, die von der Vorrichtung nicht mehr hindurchgelassen werden sollten.
Bei dem Erfindungsgegenstand erfolgt nun die Begrenzung der wirksamen Öffnung eines Büschels in vollkommener Weise durch den Grenzwinkel der Totalreflexion beim Auftritt des Lichtes aus einem durchsichtigen Körper (wie z. B. Glas) in Luft oder in ein anderes optisch dünneres Medium. Da das Reflexionsvermögen einer Grenzfläche "Glas-Luft" erst in unmittelbarer Nähe des Grenzwinkels der Totalreflexion ansteigt, ergibt sich ein verhältnismässig steiler Abfall der hindurchgelassenen Intensität, verglichen mit den bisher üblichen Anordnungen mit unterteilter Blendenkammer.
Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist vom Berechnungsvermögen der beiden, die Grenzfläche bildenden Medien abhängig, über das man nur innerhalb gewisser Grenzen frei verfügen kann. Will man erreichen, dass solche Strahlen total reflektiert werden, deren Einfallsrichtung einen bestimmten kleinen, aber beliebig wählbaren Winkelbetrag überschreitet, so muss die Grenzfläche, an der die Totalreflexion stattfinden soll, eine bestimmte Neigung gegen die vorzugsweise als Planfläche ausgebildete Eintrittsfläche des Glaskörpers aufweisen. Von einem solchen Körper werden aber anderseits Strahlen, die unter dem entgegengesetzt gleichen, oder auch einem grösseren Einfallswinkel symmetrisch zum Einfallslot auf die Vorrichtung auftreten, praktisch ungeschwächt hindurchgelassen.
Erfindungsgemäss ist daher die Einschaltung wenigstens eines zweiten Körpers aus Glas od. dgl. vorgesehen, der durch Totalreflexion den Durchtritt von solchen Strahlen verhindert, die unter entgegengesetzt gleichen oder ähnlichen Neigungen auf die Vorrichtung auftreffen, wie die Strahlen, die an der Grenzfläche Glas-Luft des ersten Körpers total reflektiert werden. Durch Wahl einer geeigneten Neigung der Aus-
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trittsflächen des zweiten und des ersten Körpers gegen die Eintrittsfläche kann man dann nach Belieben erreichen, dass diejenigen Strahlen, die aus irgendwelchen Richtungen kommend gerade im Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Grenzfläche Glas-Luft eines der Körper auffallen, verschieden gross oder auch gleiche Winkel mit dem Einfallslot auf der Eintrittsfläche des ersten Körpers bilden.
Um den Öffnungswinkel eines ebenen Büschels in der beschriebenen Weise symmetrisch oder unsymmetrisch zum Eintrittslot zu begrenzen, sind mindestens zwei Körper aus Glas od. dgl. notwendig, die so angeordnet sind, dass sich zwischen den beiden Körpern und hinter der Austrittsfläche des zweiten Körpers ein Mittel von niedrigerem Brechungsvermögen befindet. Die Aufgabe kann jedoch auch auf eine grössere Zahl von im Lichtweg hintereinander liegenden Körpern verteilt werden, wenn dies zur Erzielung einer bestimmten Abhängigkeit der Intensität des hindurchgelassenen Lichtes vom Einfallswinkel notwendig erscheint.
Fernerhin ist es möglich, die Vorrichtung durch weitere Körper aus Glas od. dgl. zu ergänzen, so dass sie als Ganzes für Lichtstrahlen, die nicht durch Totalreflexion an einer der Grenzflächen am Durchtritt durch die Vorrichtung gehindert werden, die Wirkung einer Planplatte besitzt. Ebenso ist es auch möglich, im Bedarfsfalle eine oder mehrere Flächen von einem oder mehreren hintereinander angeordneten Körpern so auszubilden, dass der Teil der Körper oder die Vorrichtung als Ganzes eine sammelnde oder zerstreuende Wirkung besitzt.
Kennzeichnend für den Erfindungsgegenstand ist in jedem Falle die Verwendung von mindestens zwei hintereinander angeordneten durchsichtigen Körpern von bestimmtem Brechungsvermögen, deren Lichtaustrittsflächen vermittels der Totalreflexion die Öffnung eines durch die Vorrichtung hindurch- tretenden Lichtbüschels begrenzen.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung schematisch dargestellt, die für ein in der Zeichenebene liegendes Büschel die beschriebene öffnungsbegrenzende Wirkung besitzt. Es bedeutet dabei 1 die lichtempfindliche Schicht der Photozelle, 2 ist der im Lichtweg an erster Stelle liegende Körper und 3 der vom Licht an zweiter Stelle getroffene Körper. Für ein derartiges ebenes Büschel besitzen die Körper 2 und. j zweckmässig prismatische Formen, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Eintrittsfläche des zweiten Körpers liegt dicht an der Austrittsfläche des ersten Körpers. Ein senkrecht auf die Vorrichtung auffallender Lichtstrahl (in Fig. 1 mit a"bezeichnet), trifft auf die Austrittsfläche des ersten Körpers unter einem Winkel auf, der kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion.
Er kann daher aus dem ersten Körper austreten, in den zweiten eintreten und verlässt diesen, lediglich geschwächt durch die Reflexionsverluste an den vier Grenzflächen der beiden Körper gegen das umgebende Medium, um auf die Zelle aufzufallen. Der Lichtstrahl"b", der stärker geneigt auf die Vorrichtung auffällt, wird zwar an der Eintrittsfläche nach dem Einfallslot hin gebrochen, die Neigung des gebrochenen Strahles gegen die Austrittsfläche des ersten Körpers (Winkel 9,) ist jedoch noch so gross, dass dieser Strahl an der Grenzfläche des ersten Körpers total reflektiert wird.
Ein Lichtstrahl c", der symmetrisch zum Lichtstrahl"b"auf die Vorrichtung auffällt, kann dagegen ebenso wie der Lichtstrahl"a"aus dem Körper 1 wieder heraustreten, und in den Körper 2 eintreten. Durch passende Wahl des Winkels f, zwischen Eintritts-und Austrittsfläche des zweiten Körpers ist jedoch erreicht, dass dieser Strahl an der Austrittsfläche des zweiten Körpers total reflektiert wird und daher nicht auf die Zelle gelangen kann.
Will man für ein ebenes Büschel erreichen, dass zwei Strahlen, von denen der eine auf die Austrittsfläche des ersten Körpers und der andere auf die Austrittsfläche des zweiten Körpers gerade im Grenzwinkel der Totalreflexion auftrifft, entgegengesetzt gleiche Winkel mit dem Einfallslot auf der Einfallsfläche des ersten Körpers bilden, so muss bei einer Anordnung gemäss Fig. 1 der Winkel gerade doppelt so gross gewählt werden wie der Winkel 111' Um für ein räumliches Büschel eine entsprechende Wirkung zu erzielen, kann man die Anordnung, wie in Fig. 2 dargestellt, wählen.
Hier bedeutet wiederum 1 die Photozelle, 4 ist ein Körper mit planer Eintrittsfläche und kegelförmiger Austrittsfläche, 5 ist der im Lichtweg an zweiter Stelle liegende Körper, bei dem die Eintritts-und die Austrittsfläche hohlkegelförmig ausgebildet sind. Die Wirkung dieser Anordnung entspricht offensichtlich weitgehend der oben beschriebenen Wirkung der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung.
Fig. 3 zeigt als Beispiel, wie in einfacher Weise die in Fig. 2 dargestellte Anordnung durch Hinzufügen eines weiteren Körpers so ergänzt werden kann, dass sie als Ganzes für Lichtstrahlen, die nicht an einer der Grenzflächen total reflektiert werden, nur die gleiche Wirkung ausübt wie eine Planplatte. In Fig. 3 bedeutet 6 den vom Licht zuerst getroffenen Körper mit planer Eintritts-und kegelförmiger Austrittsfläche, 7 den an zweiter Stelle vom Licht durchsetzten Körper mit hohlkegelförmiger Austrittsfläche und 8 einen dritten Körper, der die beiden vorerwähnten Körper zu einer Planplatte ergänzt. Durch den Körper 8 werden die Veränderungen in der Lichtverteilung auf der Zelle, die die aus den beiden Teilen 6 und allein bestehende Vorrichtung bewirken würde, wiederum rückgängig gemacht.
Fig. 4 zeigt schliesslich schematisch eine Form der Vorrichtung, bei der eine der Flächen eines Körpers, u. zw. die Eintrittsfläche des ersten Körpers, die Form einer Konvexfläche aufweist. Das hat zur Folge, dass die Vorrichtung als Ganzes für Strahlen, die nicht durch Totalreflexion am Durchtritt gehindert werden, die Wirkung einer Sammellinse ausübt. Während bei allen vorher beschriebenen
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der freie Durchmesser der Vorrichtung, kann bei einer Anordnung gemäss Fig. 4 der durch die Vorrich- tung einfallende Lichtstrom auf einer Zellenfläehe vereinigt werden, die erheblich kleiner ist als der freie Durchmesser der einzelnen Teilkörper der Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt schliesslich die Abhängigkeit der Intensität des hindurchgelassenen Lichtes vom Einfallswinkel für eine Vorrichtung gemäss Fig. 2 bzw. 3. Die Intensität nimmt mit zunehmendem Einfallswinkel zunächst langsam ab. Diese langsame Abnahme wird verursacht durch die Verringerung des Büschelquerschnittes (Cos.-Gesetz), durch Vignettierung und durch Winkelabhängigkeit der Reflexionsverluste an den vier bzw. sechs Grenzflächen gegen Luft. Wird der Einfallswinkel grösser, so dass der gebrochene Strahl in einem der Körper nahezu unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Austrittsfläche auffällt, so nimmt die Intensität sehr rasch ab, bis auf den Betrag 0 im Grenzwinkel selbst.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Begrenzung des Lichteinfallswinkels bei lichtelektrischen Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg wenigstens zwei Körper aus durchsichtigem Werkstoff von bestimmtem Brechungsindex aufeinander folgen, die durch ein Mittel von niedrigem Brechungsindex getrennt und deren Begrenzungsflächen derart angeordnet sind, dass sie die unter einem unzulässigen Winkel einfallenden Strahlen voll zurückwerfen.