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Optisches System fiir Scheinwerfer.
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme für Scheinwerfer, die aus einer Spiegel- linse von geringer Dicke und einer Linse bestehen, von welchen beiden Teilen die Spiegellinse mindestens die Hauptsammelwirkung leistet und optische 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 Leuchtfläehe ausgehenden Strahlen behoben sind.
Ordnet man bei diesen Systemen gemäss der Erfindung die erwähnte Linse in der Nähe der Scheitelkrümmungsmittelpunkte der Flächen der Spiegellinse an und die Lichtquelle in einem solchen
Abstand vom Krümmungsmittelpunkt der vorderen Spiegellinsenfläche, der grösser als die Hälfte der
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erfassten Strahlenbündels, 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 Spiegellinse und Linse bestehende System zur Anwendung bei Grossscheinwerfern, also etwa bei Scheinwerfern mit 60 cm und mehr Spiegeldurehmesser, in vorteilhafter Weise geeignet wird.
Bei diesen Scheinwerfern hat man bisher im allgemeinen als optisches System 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 infolgedesssen einer gleichmässig leuchtenden Fläche der Lichtquelle ein Bild mit allmählichem Helligkeitsabfall nach dem Rande zu entspricht. Bei weitgehender Hebung der Vergrösserungsfehler im optischen System lässt sich jedoch ein Leuchtfeld erzielen, das einen wesentlich schärferen Helligkeitsabfall am Rande aufweist. Als Vergrösserung in einem System mit sehr grosser Bildentfernung wird das Verhältnis des Winkels, unter dem vom System aus das Bild eines Durchmessers der Leuchtfläche erscheint, zu diesem Durchmesser bezeichnet.
Der reziproke Wert dieses Verhältnisses soll Brennweite heissen.
Die bei einem System gemäss der Erfindung vorliegenden Verhältnisse seien an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung stellt Fig. 1 schematisch ein Scheinwerfersystem der hier vorliegenden Art in einem Achsenschnitt dar, während die Fig. 2-4 entsprechende Achsenschnitt durch drei verschiedene, der Erfindung entsprechend ausgebildete Systeme wiedergeben.
In Fig. 1 ist mit a die Spiegellinse und mit b die Linse des Systems bezeichnet. Zwischen der Spiegellinse a und der Linse b ist die mit L bezeichnete Lichtquelle angeordnet. Der Aehsenkrümmungsmittelpunkt der Vorderfläche der Spiegellinse a ist mit C bezeichnet und die Seheiteldicke der Linse b mit 00. Es bezeichnet ferner a die Entfernung der Lichtquelle L vom Krümmungsmittelpunkt C und ss die Entfernung des Krümmungsmittelpunktes C von dem der Spiegellinse a zugewandten Scheitel der Linse b. Die Grössen a, ss und 00 sind im folgenden, ebenso wie alle andern Längen, auf den Scheitelkrümmungsradius der Vorderfläche der Spiegellinse als Einheit bezogen.
Liegt der Krümmungsmittel-
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punkt 0, in der Figur betrachtet, rechts von dem genannten Scheitel, so ist die Strecke ss positiv zu rechnen. Sie ist negativ zu rechnen, wenn der Punkt C links von dem Scheitel liegt.
Die sphärische Abweichung des aus der Spiegellinse a und der Linse b bestehenden Systems kann durch geeignete Formgebung der Linse b vollständig behoben werden. Bezüglich der Vergrösserung und ihrer Fehler muss man zwischen Sagittal-und Meridionalbüseheln unterscheiden. Durch geeignete
Formgebung der beiden Linsenflächen und Stellung der Linse ist es möglich, alle Vergrösserungen gleichzumachen. Es ist aber für ein Scheinwerfersystem in den meisten Fällen nicht erforderlich, diesen Idealzustand zu verwirklichen, sondern es genügt, die Vergrösserungsfehler auf kleine, für die
Praxis unschädliche Beträge zu verringern. Da die Vergrösserung der meridionalen Büschel die grössten Unterschiede zeigt, kann man z. B.
Lage und Form der Linse so wählen, dass die Meridionalvergrösserung am Rande und in der Achse den gleichen Wert hat oder so, dass die Meridional-und die Sagittalver- grosserung am Rande den gleichen 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, ersetzen.
Die Dicke der Spiegellinse a soll in allen Zonen gering sein. Sie kann auch vollständig versehwinden und damit die Spiegellinse in einen reinen Oberflächenspiegel übergehen, falls die mit einem solchen
Spiegel verbundenen Nachteile geringerer Reflexionsfähigkeit und grösserer chemischer Angreifbarkeit nicht von Bedeutung sind.
Für eine geringe Dicke der Spiegellinse a sprechen Materialersparnis, Gewichtsersparnis bei beweglichen Anlagen, aber auch die geringere Empfindlichkeit gegen Temperaturunterschiede.
Für die Beschreibung der Linsenformen wird der Einfachheit halber in dem System ein kugeliger Oberflächenspiegel vorausgesetzt. Entscheidend für die Linsenform ist das Verhältnis, in dem die
Lichtquelle die Achsenstrecke zwischen Scheitel und Krümmungsmittelpunkt des Spiegels teilt. Wie
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dicke gleich gross sind. Dies ist zugleich, wenigstens sehr annäherungsweise, die Form mit dem geringsten Dickenunterschied, unter Diekenunterschied verstanden den Unterschied zwischen grösster und geringster Dicke der Linse.
Neben der Linsenform mit dem geringsten Dickenunterschied gibt es eine Form mit Vorzügen anderer Art. Der Winkel, den die Linsenflächen in irgendeiner Zone miteinander bilden und der für die Strahlenablenkung 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 grössten am Rande. Da dem Winkel näherungsweise die Strahlenablenkung und dieser der Farbfehler verhältnismässig gleich ist, kann man die Farbenabweiehungen 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 gleiehmaelht.
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Es sei zunächst die Lage für den Fall erläutert, dass die Linse eine vom Hohlspiegel abgewandte ebene Fläche hat. Da die Achsendicke der Linse in diesem Falle offenbar ohne Einfluss ist, gibt es für die Gleichheit der Sagittalvergrösserungen für Mitte und Rand einen einfachen Zusammenhang zwischen
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<tb> I. <SEP> a <SEP> =0-5000 <SEP> ss <SEP> =-0-0576
<tb> a <SEP> =0-5326 <SEP> ss=-0-0125
<tb> or, <SEP> = <SEP> 0-5568 <SEP> p <SEP> = <SEP> + <SEP> 0-0032.
<tb> a <SEP> x=0-5774 <SEP> ss== <SEP> 0-0000
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Für einen a, -Wert zwischen 0'5326 und 0'5568 ist ein zweiter Nullwert vorhanden, der näherungs-
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Wert.
Weniger einfach ist die Beziehung ('1, ss) für den Fall, dass die Linse eine dem Hohlspiegel zugewandte ebene Fläche hat, da hier die Aehsendicke ao von Einfluss ist, die ihrerseits durch die Forderung genügend grosser Dicke an der Stelle geringster Dicke bestimmt ist. Wählen wir als Minimaldieke, bezogen auf den Krümmungsradius des Spiegels, 0'0075, so ergeben sich die folgenden Werte :
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<tb> II. <SEP> α= <SEP> 0#5000 <SEP> ss <SEP> = <SEP> -0#0119 <SEP> #0 <SEP> = <SEP> 0#0075
<tb> α= <SEP> 0#5326 <SEP> ss <SEP> = <SEP> -0#0026 <SEP> #0 <SEP> = <SEP> 0#0151
<tb> α= <SEP> 0#5774 <SEP> ss <SEP> = <SEP> -0#0308 <SEP> #0 <SEP> = <SEP> 0#0470.
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Die ersten und letzten Beispiele der Tabellen I und II liegen ausserhalb des Gegenstandes der Erfindung und dienen nur dazu, die Zusammenhänge besser zu übersehen.
Nach der Übersicht iiber die flachen Formen 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 ergeben. Die genaue Bestimmung des Linsenortes erfolgt bekanntlich am einfachsten, indem man zwei Orte durchrechnet und auf Gleichheit der Sagittalbrennweiten interpoliert.
Um schliesslich ein Beispiel für die Güte der Korrektion zu geben, benutzen wird das zweite Beispiel der zweiten Tabelle mit den eine Stelle weiter gerechneten Werten a = 0-53257, ss =-0-00260, zoo = 0-01508 und erhalten für die Sagittalbrennweiten für die Achse und U = 60 den Wert 0-53338, für einen Winkel u = 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 Unterschiede zeigen, sind auch die Meridionalbrennweiten und alle andern hinreichend gleich, um eine für ein Beleuchtungssystem genügend scharfe Abbildung einer kleinen Leuchtfläche senkrecht zur Achse zu gewährleisten.
Bei deformierten Linsen entsteht eine Schwierigkeit oft dadurch, dass ein Wendepunkt auf einer oder beiden Flächen auftritt. Flächen mit Wendepunkten sind aber schwieriger herzustellen und zu prüfen als solche ohne Wendepunkte. Um Freiheit von Wendepunkten zu erreichen, werden die Linsen zu Menisken durchgebogen, bis die Wendepunkte verschwunden sind. Bei der Durchbiegung wandert der Wendepunkt entweder 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 Sinne 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 kleineren Abweichungen der Vergrösserung sich ergeben.
Eine besondere Verbesserung lässt sich bei der Spiegellinse erreichen, wenn man ihre Flächen so ausbildet, dass ein Zusammenfallen von Strahlen stattfindet. Wir nennen einen Strahl, der an einer Spiegellinse n optische Beeinflussungen erlitten hat, einen Strahl n-ter Ordnung. Ein an der Vorderfläche der Spiegellinse zurückgeworfener Strahl hat danach die Ordnung], ein durch die Vorderfläche eingetretener, an der Hinterfläche zurückgeworfener und aus der Vorderfläche ausgetretener Strahl die Ordnung 3, ein im Innern dreimal gespiegelter und an der Vorderfläche zweimal gebrochener Strahl die Ordnung 5 usw.
Unter Benutzung der Ordnung können wir dann sagen : Die Flächen der Spiegellinse sind so auszubilden, dass ein Zusammenfallen eines Strahles erster oder fünfter Ordnung mit einem Strahl dritter Ordnung wenigstens in einer Zone stattfindet. Man kann diese Verbesserung aber noch steigern, wenn man die Flächen der Spiegellinse 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 für die Beleuchtung restlos nutzbar gemacht sind.
Diese Nutzbarmachung ist unabhängig von der Form, die man einer der Flächen der Spiegellinse gibt, und kann durch geeignete Formgebung der andern Fläche stets erzielt werden ; man kann also entweder der Vorder-oder der Hinterfläche der Spiegellinse Kugelgestalt geben.
Die in den Fig. 2-4 dargestellten Ausführungsbeispiele enthalten alle einen sphärischen Oberflächenspiegel a, der den Grenzfall einer Spiegellinse bildet. An seine Stelle kann natürlich auch eine Spiegellinse mit gleicher und gleichliegender Vorderfläche treten, falls die Strahlen der ungeradzahligen Ordnungen an allen Stellen zusammenfallen.
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Linse b durch die ebene Fläche kann dabei in beliebigem Abstand vom Linsenscheitel erfolgen, da die ebene Grenzfläche ohne Einfluss auf den Verlauf des Strahlenganges ist.
In Fig. 3 ist der zweite Fall der Tabelle II veranschaulicht, bei dem nr. = 0-5326 und ss =-0-0026 ist. Hier ist eine ebene Begrenzungsfläche der Linse b dem Spiegel a zugekehrt und die andere Begren- zungsfläche der Linse b ist gekrümmt. Die Dicke der Linse b ist hier ao = 0-0151.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel mit einer meniskenförmigen Linse b, die auf der dem Hohlspiegel a zugewandten Seite eine kugelige Fläche mit dem Radius 1-25 besitzt. Der kleinste geometrische Lichtweg in der Linse ist 0-0090. Es ist 0-5326, 19 = 0-0947, au = 0-0167. Der Hohlspiegel hat einen Aperturwinkel U = 600, 66.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Optisches System für Scheinwerfer, bei dem die sphärischen Aberrationen für die vom Achsenpunkt der Leuchtfläche ausgehenden Strahlen behoben sind, bestehend aus einer Spiegellinse geringer Dicke und einer Linse, von welchen beiden Teilen die Spiegellinse mindestens die Hauptsammelwirkung leistet und optische Flächen aufweist, die wenig oder gar nicht von der Kugelgestalt abweichen, während von den brechenden Flächen der Linse wenigstens eine erheblich von der Kugelgestalt abweicht, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Zweck, die Vergrösserungsfehler in dem System bei einer für grosse Scheinwerfer geeigneten Gestaltung der genannten Linse (b) weitgehend beseitigen zu können, die Linse (b)
in der Nähe der Scheitelkrümmungsmittelpunkte der Flächen der Spiegellinse (a) angeordnet ist und die Lichtquelle (L) sich in einem solchen Abstand vom Krümmungsmittelpunkt (C) der vorderen Spiegellinsenfläche befindet, der grösser als die Hälfte der Achsenstrecke zwischen dem Scheitel und
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