Photoelektrischer Belichtungsmesser mit Vorrichtung zur Begrenzung der Öffnung des auf eine lichtelektrische Zelle einwirkenden Lichtbüschels. Bei der Konstruktion lichtelektrischer Belichtungsmesser, insbesondere für photo graphische Zwecke, besteht die Notwendig keit, Vorrichtungen anzuwenden, die nur Lichtstrahlen aus einem bestimmten Raum winkel auf die Zelle gelangen zu lassen, während Strahlen aus andern Richtungen von der Zelle ferngehalten werden sollen. Die einfachste Vorrichtung 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 Blenden rohr (Kammer).
Um hinreichend grosse Licht ströme 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 Ab messungen der Anordnung zu verringern, hat man fernerhin die eine grosse Blendenkammer durch eine Vielzahl von kleinen, nebenein- anderliegenden Blendenkammern von beispiels- weise 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 ein fallenden Lichtes, der von dem auf die Vor richtung auffallenden Lichtbüschels hindurch gelassen wird, nimmt vielmehr mit zuneh mender Neigung des Lichtbüschels verhältnis mässig langsam und stetig ab.
Man hat auch schon vorgeschlagen, die Totalreflexion beim Austritt des Lichtes aus Glas oder dergl, zur Fernhaltung von Licht strahlen bestimmter Neigung zu verwenden, indem man von der Zellenfläche eine Platte aus Glas anordnete, deren Vorderseite er haben und deren Rückseite eine entspre chende 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 Strah len aus solchen Richtungen auf die Zellen fläche gelangen kann, die von der Vorrich tung 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 Austritt des Lichtes aus einem durchsichtigen Körper (wie z. B. Glas) in Luft oder in ein anderes optisch dünneres Medium. Da das Reflexions vermögen einer Grenzfläche "Glas-Luftr0 erst in unmittelbarer Nähe des Grenzwinkels der Totalreflexion ansteigt, ergibt sich ein ver hältnismässig steiler Abfall der hindurchge lassenen Intensität, verglichen mit den bisher üblichen Anordnungen mit unterteilter Blen- denkammer.
Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist vom Brechungsvermögen der beiden; die C'arenzfläche 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 über schreitet, so muss die Grenzfläche, an der die Totalreflexion stattfinden soll, eine bestimmte Neigung gegen die vorzugsweise als Plan fläche ausgebildete Eintrittsfläche des Glas körpers 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 auftre ten, praktisch ungeschwächt hindurchgelas sen. Erfindungsgemäss ist daher die Einschal tung wenigstens eines zweiten Körpers aus Glas oder dergl. vorgesehen, der durch Total reflexion den Durchtritt von solchen Strahlen verhindert, die unter entgegengesetzt gleichen oder ähnlichen Neigungen auf die Vorrich tung auftreten, wie die Strahlen, die an der Grenzfläche Glas-Luft des ersten Körpers total reflektiert werden.
Durch Wahl einer geeig- neten Neigung der- Austrittsflächen des zwei ten und des ersten Körpers gegen die Ein trittsfläche kann man dann nach Belieben erreichen, dass diejenigen Strahlen, die aus irgendwelchen Richtungen kommend gerade im Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Urenzfläche Glas-Luft eines der Körper auf fallen, verschieden grosse oder auch gleiche Winkel mit dem Einfallslot auf der Eintritts fläche des ersten Körpers bilden.
Um den Öffnungswinkel eines ebenen Büschels in der beschriebenen Weise sym metrisch oder unsymmetrisch zum Eintritts lot zu begrenzen, sind mindestens zwei Körper aus (glas oder dergl. notwendig, die so- angeordnet sind, däss sich zwischen den beiden Körpern und hinter der Aus trittsfläche des zweiten Körpers ein Mit tel von niedrigerem Brechungsvermögen be findet. Die Aufgabe kann jedoch auch auf eine grössere Zahl von im Lichtweg hinter einanderliegenden Körpern verteilt werden, wenn dies zur Erzielung einer bestimmten Abhängigkeit der Intensität des hindurchge lassenen Lichtes vom Einfallswinkel notwen dig erscheint.
Fernerhin ist es möglich, die Vorrichtung durch weitere Körper aus Glas oder dergl. zu ergänzen, so dass sie als Gan zes für Lichtstrahlen, die nicht durch Total reflexion an einer der Grenzflächen am Durch tritt durch die Vorrichtung gehindert wer den, die Wirkung einer Planplatte besitzt. Ebenso ist es möglich, im Bedarfsfalle eine oder mehrere Flächen von einem oder meh reren hintereinander angeordneten Körpern so auszubilden, dass der Teil der Körper oder die Vorrichtung als Ganzes eine sammelnde oder zerstreuende Wirkung besitzt.
Kennzeichnend für den Erfindungsgegen stand ist in jedem Fall die Verwendung von mindestens zwei im Lichtweg aufeinander folgenden Körpern aus durchsichtigem Ma terial von bestimmten Brechungsindex die durch ein Mittel von niedrigerem Brechungs index getrennt sind.
In der Zeichnung sind beispielsweise Aus führungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine erste; Fig. 3 eine zweite und Fig. 4 eine dritte Ausführungsform; Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Ab hängigkeit der Intensität des hindurchgelas senen Lichtes vom Einfallswinkel, für eine Vorrichtung gemäss Fig. 2 oder 3 veranschau licht.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung schema tisch dargestellt, die für ein in der Zeichen ebene liegendes Büschel die beschriebene öff nungsbegrenzende Wirkung besitzt. Es bedeu tet 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 Kör per 2 und 3 zweckmässig prismatische For men, wie in Fig. 1 dargestellt.
Die Eintritts- fläche des zweiten Körpers liegt zwar dicht an der Austrittsfläche des ersten Körpers, aber der eine Körper wird vom andern durch eine dünne Luftschicht getrennt, welche na turgemäss einen entsprechend kleineren Bre chungsindex als Glas 'besitzt. 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 Grenz- winkel der Totalreflexion.
Er kann daher aus dem ersten Körper austreten, in den zweiten eintreten und verlässt diesen, ledig lich 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 Eintrittsfläcbe nach dem Einfallslot hin gebrochen, die Neigung des gebrochenen Strahles gegen die Austritts fläche des ersten Körpers (Winkel ii) 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 qs zwischen Eintritts- und Austrittsfläche des zweiten Körpers ist jedoch erreicht, dass dieser Strahl an der Austrittsfläche des zwei ten Körpers total reflektiert wird und daher nicht auf die Zelle gelangen kann.
Will man für ein ebenes Büschel. errei chen, 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 auftritt, entgegengesetzt gleiche Winkel mit dem Einfallslot auf der Einfalls fläche des ersten Körpers bilden, so muss bei einer Anordnung gemäss Fig. 1 der Win kel cpa gerade doppelt so gross gewählt wer den wie der Winkel cpi.
Um für ein räumliches Büschel eine ent sprechende Wirkung zu erzielen, kann man die Anordnung wie in Fig. 2 dargestellt wählen. Hier bedeutet wiederum 1 die Photo zelle, 4 ist ein Körper mit planer Eintritts fläche und kegelförmiger Austrittsfläche, 5 ist der im Lichtweg an zweiter Stelle lie gende Körper, bei dem die Eintritts- und die Austrittsfläche hohlkegelförmig au.gebildet sind. Die Wirkung dieser Anordnung ent spricht offensichtlich weitgehend der oben beschriebenen Wirkung der in Fig. 1 sche matisch dargestellten Anordnung.
Fig. 3 zeigt als Beispiel, wie in einfacher Weige die in Fig. 2 dargestellte Anordnung durch Hinzufügen eines weiteren Körpers 8 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 Plan platte. In Fig. 3 bedeutet 6 den vom Licht zuerst getroffenen Körper mit planer Ein tritts- und kegelförmiger Austrittsfläche, 7 den an zweiter Stelle vom Licht durchsetzten Körper mit hohlkegelförmiger Ein- und Aus trittsfläche und 8 den dritten Körper, der die beiden vorerwähnten Körper zu einer Plan platte ergänzt.
Durch den Körper 8 werden die Veränderungen in der Lichtverteilung auf der Zelle, die die aus den beiden Teilen 6 und 7 allein bestehende Vorrichtung bewir ken würde, wiederum rückgängig gemacht.
Fig. 4 zeigt schliesslich schematisch eine Form der Vorrichtung, bei der eine der Flä chen eines Körpers, und zwar die Eintritts fläche des ersten Körpers, die Form einer Konvexfläche aufweist. Das bat zur Folge, dass die Vorrichtung als Ganzes für Strahlen, die nicht durch Totalreflexion am Durchtritt gehindert werden, die Wirkung einer Sammel linse ausübt.
Während bei allen vorher be schriebenen Anordnungen die Auffangfläche der Zelle zweckmässig etwa die gleiche Flä chengrösse aufweist wie der freie Durchmesser der Vorrichtung, kann bei einer Anordnung gemäss Fig. 4 der durch die Vorrichtung ein fallende Lichtstrom auf einer Zellenfläche vereinigt werden, die erheblich kleiner ist als der freie Durchmesser der einzelnen Teil körper der Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt schliesslich die Abhängigkeit der Intensität des hindurchgelassenen Lichtes vom Einfallswinkel für eine Vorrichtung ge mäss Fig. 2 bezw. 3. Die Intensität nimmt mit zunehmendem Einfallswinkel zunächst langsam ab. Diese langsame Abnahme wird verursacht durch die Verringerung des Bü- schelquerschnittes (Cosinus-Gesetz), durch Vignettierung und durch die Winkelabhängig keit der Reflexionsverluste an den vier bezw. 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 Intensi tät sehr rasch ab, bis auf den Betrag 0 im Grenzwinkel selbst.
Photoelectric exposure meter with a device for limiting the opening of the light bundle acting on a photoelectric cell. In the construction of photoelectric light meters, especially for photographic purposes, there is a need to use devices that allow only light rays from a certain spatial angle to reach the cell, while rays from other directions are to be kept away from the cell. The simplest device for keeping light away from directions which have a larger angle than desired against the perpendicular on the cell surface is a front-open aperture tube (chamber) arranged in front of the cell.
In order to obtain sufficiently large light flows on the cell, the length of the diaphragm tube and its front opening have usually been made about as large as the cell area. In order to reduce the dimensions of the arrangement, the one large diaphragm chamber has also been replaced by a large number of small, adjacent diaphragm chambers of, for example, a honeycomb-like shape, which allow a substantially shorter overall length with practically the same effect.
However, these devices have the disadvantage that the effective opening is not sharply delimited. The fraction of a falling light that is allowed to pass through by the light bundle falling on the device decreases rather slowly and steadily with increasing inclination of the light bundle.
It has also been proposed to use total reflection when the light emerges from glass or the like, to keep light rays at a certain inclination by arranging a plate of glass from the cell surface, the front of which he has and the rear of a corresponding number of had hollow curved small partial surfaces. This device also has the disadvantage of a relatively fuzzy delimitation of the light bundle passing through, quite apart from the fact that even through multiple reflections a considerable fraction of the intensity of Strah len can reach the cell surface from directions that are no longer passed by the device should be.
In the subject matter of the invention, the effective opening of a tuft is completely limited by the critical angle of total reflection when the light emerges from a transparent body (such as glass) in air or in another optically thinner medium. Since the reflection capacity of a "glass-air flow" interface only increases in the immediate vicinity of the critical angle of total reflection, there is a relatively steep drop in the intensity that is passed through, compared to the conventional arrangements with a subdivided aperture chamber.
The critical angle of total reflection depends on the refractive power of the two; the media that form the surface of the war, which one can only freely dispose of within certain limits. If one wants to achieve that such rays are totally reflected, the direction of incidence of which exceeds a certain small but freely selectable angular amount, then the interface at which the total reflection is to take place must have a certain inclination against the entry surface of the glass body, which is preferably designed as a flat surface exhibit.
On the other hand, however, rays from such a body which are the same at the opposite, or also at a larger angle of incidence symmetrically to the perpendicular to the device, are passed through practically unattenuated. According to the invention, therefore, the switching device is at least one second body made of glass or the like. Provided, which prevents the passage of such rays by total reflection, which occur under oppositely identical or similar inclinations on the Vorrich device, such as the rays at the interface glass -Air of the first body to be totally reflected.
By choosing a suitable inclination of the exit surfaces of the second and the first body against the entry surface, one can then achieve at will that those rays that come from any direction just at the critical angle of total reflection on the surface glass-air of one of the Bodies fall on, form different sizes or the same angle with the perpendicular on the entry surface of the first body.
In order to limit the opening angle of a flat tuft in the manner described symmetrically or asymmetrically to the entry plumb line, at least two bodies made of (glass or the like) are necessary, which are arranged in such a way that between the two bodies and behind the exit surface of the However, the task can also be distributed over a larger number of bodies lying one behind the other in the light path if this appears necessary to achieve a certain dependence of the intensity of the light transmitted on the angle of incidence.
Furthermore, it is possible to supplement the device with further bodies made of glass or the like, so that it acts as a plane plate as a whole for light rays that are not prevented from passing through the device by total reflection at one of the interfaces owns. It is also possible, if necessary, to design one or more surfaces of one or more bodies arranged one behind the other so that the part of the body or the device as a whole has a collecting or dispersing effect.
Characteristic of the subject matter of the invention is in any case the use of at least two bodies made of transparent material, which follow one another in the light path and have a certain refractive index, which are separated by a means of lower refractive index.
In the drawing, for example, embodiments of the subject invention are shown. 1 shows a schematic representation of the device according to the invention, FIG. 2 shows a first; FIG. 3 shows a second and FIG. 4 shows a third embodiment; Fig. 5 is a diagram that from the dependence of the intensity of the light durchgelas NEN on the angle of incidence, for a device according to FIG. 2 or 3 illustrates.
In Fig. 1, a device is shown schematically table, which has the öff voltage-limiting effect described for a tuft lying in the plane of the characters. It means 1 is the light-sensitive layer of the photocell, 2 is the first body in the light path and 3 is the second body hit by the light. For such a flat tuft, the Kör men have suitably 2 and 3 prismatic For, as shown in FIG.
The entry surface of the second body is close to the exit surface of the first body, but one body is separated from the other by a thin layer of air, which naturally has a correspondingly smaller refractive index than glass. A light beam incident perpendicularly on the device (denoted by a in FIG. 1) strikes the exit surface of the first body at an angle which is smaller than the critical angle of total reflection.
It can therefore exit the first body, enter the second and leave it, only weakened by the reflection losses at the four interfaces between the two bodies and the surrounding medium, in order to attract attention to the cell. The light beam b, which strikes the device at a more inclined angle, is indeed refracted at the entrance surface after the incidence perpendicular, but the inclination of the refracted ray against the exit surface of the first body (angle ii) is still so great that this ray is Interface of the first body is totally reflected.
A light beam c, which is incident on the device symmetrically to the light beam b, can, on the other hand, just like the light beam a, exit the body 1 again and enter the body 2. A suitable choice of the angle qs between the entry and exit surface of the second body, however, ensures that this beam is totally reflected on the exit surface of the second body and therefore cannot reach the cell.
You want an even tuft. achieve that two rays, of which one occurs on the exit surface of the first body and the other on the exit surface of the second body just at the critical angle of total reflection, must form oppositely equal angles with the normal of incidence on the incidence surface of the first body in an arrangement according to FIG. 1, the angle cpa is chosen to be just twice as large as the angle cpi.
In order to achieve a corresponding effect for a spatial tuft, you can choose the arrangement as shown in FIG. Here again 1 means the photo cell, 4 is a body with a flat entry surface and a conical exit surface, 5 is the second body in the light path, in which the entry and exit surfaces are hollow-cone-shaped. The effect of this arrangement corresponds obviously largely to the above-described effect of the arrangement shown in FIG.
As an example, FIG. 3 shows how the arrangement shown in FIG. 2 can be supplemented in a simple manner by adding a further body 8 so that it only has the same effect as a whole for light rays that are not totally reflected at one of the interfaces exercises like a flat plate. In Fig. 3, 6 denotes the body first hit by light with a planar stepped and conical exit surface, 7 the second body interspersed with light with a hollow conical input and output surface and 8 the third body, which combines the two aforementioned bodies into one Plan plate supplemented.
Through the body 8, the changes in the light distribution on the cell, which the device consisting of the two parts 6 and 7 alone would cause, are in turn reversed.
Finally, FIG. 4 schematically shows a form of the device in which one of the surfaces of a body, namely the entry surface of the first body, has the shape of a convex surface. As a result, the device as a whole has the effect of a collecting lens for rays that are not prevented from passing through by total reflection.
While in all the arrangements previously described, the collecting surface of the cell expediently has approximately the same surface size as the free diameter of the device, in an arrangement according to FIG. 4 the luminous flux falling through the device can be combined on a cell surface which is considerably smaller than the free diameter of the individual body parts of the device.
Fig. 5 finally shows the dependence of the intensity of the transmitted light on the angle of incidence for a device ge according to FIG. 2 respectively. 3. The intensity initially decreases slowly with increasing angle of incidence. This slow decrease is caused by the reduction of the tuft cross-section (cosine law), by vignetting and by the angle dependence of the reflection losses at the four respectively. six interfaces with air.
If the angle of incidence becomes larger, so that the refracted ray in one of the bodies strikes the exit surface almost below the critical angle of total reflection, the intensity decreases very quickly, down to the amount 0 in the critical angle itself.