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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer zum zumindest teilweisen Beleuchten einer Bühne, wobei der Scheinwerfer ein Gehäuse zum Aufnehmen einer Lichtquelle und eine Fresnel-Stufenlinse umfasst, durch die von der Lichtquelle ausgesandtes Licht das Gehäuse verlassen kann, wenn die Lichtquelle in dem Gehäuse aufgenommen ist.
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Derartige Scheinwerfer werden heute beispielsweise zum Beleuchten von Bühnen verwendet. Eine ausreichend starke Lichtquelle, die beispielsweise eine Gasentladungslampe oder eine Halogenlampe sein kann, wird in einem dafür vorgesehenen Gehäuse angeordnet. Auch die Verwendung von LEDs ist denkbar. Das Gehäuse ist zumeist bis auf eine durch die Linse abgedeckte Öffnung lichtundurchlässig und gegebenenfalls im Innern mit Reflektoren ausgestattet. Ziel ist es, möglichst viel des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes auf den zu beleuchtenden Bereich zu lenken. Dazu wird eine Linse verwendet, die das von der Lichtquelle ausgesandte Licht bündelt. Dabei ist es seit geraumer Zeit bekannt, hier eine Fresnel'sche Stufenlinse zu verwenden. Diese Art der Linsen ist besondere vorteilhaft bei großen und insbesondere dicken Linsen, die folglich eine geringe Brennweite im Verhältnis zu ihrer Größe aufweisen. Eine geringe Brennweite ist für die Anwendung in einem Scheinwerfer sinnvoll, damit die baulichen Abmessungen des Scheinwerfers möglichst gering gehalten werden können. Die Lichtquelle muss in der Nähe des Brennpunktes der verwendeten Linse angeordnet werden, so dass eine kurze Brennweite zu einem baulich kurzen Scheinwerfer führt.
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Dies hat jedoch eine erhöhte Dicke der Linse zur Folge. Um hier Gewicht und Material einsparen zu können, wird anstelle einer normalen Linse eine Fresnel-Stufenlinse verwendet. Bei einer derartigen Linse wird der Glaskörper in ringförmige Bereiche aufgeteilt, in denen die Dicke individuell verringert wird, so dass eine Fresnel-Stufenlinse eine Anzahl ringförmiger Stufen aufweist. Die Linse behält jedoch ihre Brennweite und damit ihre wesentliche optische Eigenschaft bei. Allerdings wird die Abbildungsqualität durch die Stufenstruktur gegenüber einer Linse aus Vollmaterial üblicherweise verschlechtert.
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Fresnel-Stufenlinsen können prinzipiell beidseitig oder auch nur einseitig Stufen aufweisen. In den meisten heutigen Anwendungen werden bevorzugt einseitig gestufte Fresnel-Stufenlinsen eingesetzt, da diese sich leichter herstellen lassen und auch optische Vorteile aufweisen. Dabei ist insbesondere die der Lichtquelle abgewandte Seite der Linse mit Stufen versehen, während die Innenseite, die also der im Innern des Gehäuses angeordneten Lichtquelle zugewandt ist, glatt ausgebildet ist. Werden auch auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der Linsen Stufen vorgesehen, führt dies zu einer Verminderung der Effizienz der Linse.
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Mit einem derartigen Scheinwerfer soll ein Lichtfleck einer bestimmten Form, beispielsweise kreisförmig, erreicht werden, der eine homogene Helligkeitsverteilung aufweist. Dazu wird die der Lichtquelle zugewandte Seite der Linse in der Regel aufgeraut, was üblicherweise als Stippelung bezeichnet wird. Dies kann beispielsweise schon beim Pressvorgang der Linse geschehen oder durch nachträgliches Sandstrahlen einer zunächst glatt gepressten Oberfläche erfolgen.
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Im Fall ohne eine solche Stippelung würden sich die Leuchtmittel der Lichtquelle, beispielsweise die Filamente einer Halogenlampe, in der Abbildungsebene scharf abbilden können, wenn sie sich in einer Entfernung vor der Linse befände, welche etwas größer als die Brennweite der Linse ist. Dies würde dazu führen, dass man statt des gewünschten runden Lichtflecks zur Beleuchtung eines Bereichs auf einer Bühne eine mehr oder minder scharfe optische Abbildung der Kontur des leuchtenden Teils des Leuchtmittels in der betrachteten Ebene erhält. Dies ist störend und unerwünscht.
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Um dies zu vermeiden, werden die in Scheinwerfern eingesetzten Fresnel-Stufenlinsen auf der glatten Fläche so aufgeraut, dass eine exakte Fokussierung und damit eine scharfe Abbildung nicht mehr möglich ist. Im Falle eines so genannten Profilscheinwerfers wird in dem Scheinwerfer zunächst ein Zwischenbild erzeugt, welches dort mit Hilfe einer meist kreisförmigen Zwischenblende, insbesondere einer verstellbaren Irisblende, in seiner lateralen Ausdehnung begrenzt wird und dann als kreisförmiger Lichtfleck mit einem recht scharfen Rand in dem Bühnenbereich in der Abbildungsebene projiziert wird.
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Nachteilig an der Stippelung ist jedoch, dass hierzu ein zusätzlicher Arbeitsgang in Form eines nachträglichen Sandstrahlprozesses nötig ist oder das betreffende Stempelteil beim Pressen der Linse eine entsprechende gestippelte Oberflächenkontur erhält. Dabei darf die Oberflächenrauheit auch nicht zu stark ausgebildet sein, da sie die Lichtstrahlen nur leicht ablenken darf. Ansonsten wäre die Lichtstreuung an der aufgerauten Oberfläche in ihrer Wirkung so stark, dass die Linse insgesamt an Effizienz verlieren würde. Dieser Effizienzverlust ist besonders stark ausgeprägt, da sich die Stippelung auf der zuerst durchstrahlten Seite der Linse, also der der Lichtquelle zugewandten Seite, befindet. Beim Durchgang durch diese aufgeraute Oberfläche wird das Licht so stark gestreut, dass es zu einem kleinen Teil schon nicht mehr auf der anderen Seite der Fresnel-Stufenlinse austritt bzw. die Stufen erreicht. Das Licht gerät stattdessen in den Bereich der steilen Flanken bzw. in den zwischen den Stufenflächen und den Flankenflächen liegenden stark abgerundeten Übergangsbereich. Dieses Licht wird unkontrolliert in unterschiedlichste Richtungen weggebrochen und trägt im Bereich des gewünschten Lichtfeldes auf der Bühne nicht mehr bei. Dieser Effekt ist umso stärker, je stärker die Stippelung ist.
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Aus
US 4,823,246 A ist eine Leuchte für ein Kraftfahrzeug bekannt, die beispielsweise als Blinker oder Bremslicht verwendet werden kann. Da diese aufgrund des geringen Bauraums sehr flach ausgebildet werden müssen, wird eine Fresnel-Linse vorgeschlagen, durch die das Licht in die gewünschte Richtung emittiert werden kann.
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Aus der
US 2004/0021944 A1 ist ein Projektionssystem bekannt, bei dem von einer Lichtquelle kommendes Licht in unterschiedliche Farben aufgespalten und durch eine Spirallinse geschickt wird. Diese weist spiralförmig aufgebrachte Zylinderlinsen auf, so dass eine Rotation der Linse in ein Wandern und damit ein Umsortieren der unterschiedlichen Farben des einfallenden Lichtes umgewandelt wird.
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Die
DE 691 03 707 T2 offenbart eine optische Beugungslinse, die als Fresnel-Linse ausgebildet ist und gegebenenfalls keine kreisförmige Kontur aufweist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Scheinwerfer vorzuschlagen, bei dem mit einfachen Mitteln der Lichtfleck auf dem zu beleuchtenden Bereich eine möglichst homogene Helligkeit aufweist, und zudem die Lichtausbeute vergrößert wird.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Scheinwerfer, der sich dadurch auszeichnet, dass die Fresnel-Stufenlinse an zumindest einer Seite zumindest eine spiralförmig ausgebildete Stufe aufweist.
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Anstatt also eine übliche Fresnel-Stufenlinse zu verwenden, die eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Stufen aufweist, wird erfindungsgemäß eine Fresnel-Stufenlinse verwendet, die zumindest eine spiralförmig ausgebildete Stufe aufweist. Auf diese Weise kann überraschenderweise die notwendige Stippelung auf der flachen ungestuften Seite zumindest anteilig verringert werden. In besonderen Ausführungsformen kann sogar gänzlich auf diese Stippelung verzichtet werden. Dadurch wird die Linse einfacher herstellbar, wodurch neben dem zeitlichen Aufwand auch die Herstellungskosten der Linse und damit des Scheinwerfers sinken. Zudem wird die Effizienzeinbuße durch die Stippelung auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der Linse aufgehoben oder zumindest reduziert, so dass ein größerer Anteil des von der Lichtquelle ausgesandten Licht auf den zu beleuchtenden Bereich beispielsweise einer Bühne gelenkt wird.
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Spiralförmige Fresnel-Stufenlinsen sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. So wird bereits in der
US 2,315,721 A eine derartige spiralförmige Stufenlinse vorgestellt. Sie wird in Verbindung mit dem in der Filmindustrie damals üblichen Prozess der so genannten Rückprojektion verwendet. Dabei wird das Bild einer Landschaftsszene von hinten auf einen halb durchlässigen stark streuenden Schirm geworfen. Die davor agierenden Schauspieler werden mit dem Hintergrundbild gefilmt, so dass es den Anschein hat, sie würden in der Szene selbst agieren. Dafür wurden sowohl Stufenlinsen mit konzentrischen Ringen als auch spiralförmige Strukturen verwendet. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass eine Fresnel-Stufenlinse mit mehreren konzentrischen Stufen bessere Eigenschaften aufweist und lediglich eine eng gewundene Spirale der gewünschten Anordnung aus konzentrischen Ringen sehr nahe kommt.
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Spiralförmige Fresnel-Stufenlinsen werden zudem in so genannten Solarkonzentratoren verwendet, wie sie beispielsweise in der Photovoltaik Anwendung finden. Anders als bei der hier beschriebenen Verwendung in einem Scheinwerfer kommt es bei Solarkonzentratoren jedoch auf ein möglichst hohes Sammelvermögen an, da die Fresnel-Stufenlinsen in der Photovoltaik verwendet werden, um möglichst viel Sonnenlicht auf eine möglichst kleine Fläche zu fokussieren. Eine möglichst homogene Verteilung der Helligkeit des Lichtes auf der beschienenen Fläche ist in dieser Anwendung folglich unerwünscht und störend.
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Überraschenderweise sind die optischen Eigenschaften einer Fresnel-Stufenlinse mit spiralförmig ausgebildeter Stufe auch vorteilhaft für den Einsatz in einem Scheinwerfer gemäß der vorliegenden Erfindung. Durch die Verwendung der spiralförmigen wenigstens einen Stufe wird die Lichtintensität über den Lichtfleck homogenisiert und der Kontrast zwischen Minima und Maxima der Lichtintensität nimmt ab.
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Vorteilhafterweise umfasst die Linse an der zumindest einen Seite mehrere, insbesondere drei, spiralförmig ausgebildete Stufen. Diese können einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt dieser in der Mitte der wenigstens einen Seite der Linse. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die mehreren spiralförmig ausgebildeten Stufen in äquidistanten Winkelabständen voneinander weglaufen. Weist die Linse also beispielsweise drei spiralförmig ausgebildete Stufen auf, liegt zwischen jeweils zwei von ihnen am gemeinsamen Schnittpunkt ein Winkel von 120°. Natürlich sind auch andere Ausgestaltungen mit mehr oder weniger spiralförmig ausgebildeten Stufen denkbar. Auch muss der Winkel nicht zwischen jeweils zwei benachbarten Stufen gleich groß sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung eines Scheinwerfers gemäß der vorliegenden Erfindung sind in einem mittleren Bereich der wenigstens einen Seite der Linse keine Stufen vorgesehen. In diesem Bereich, der im Folgenden als Zentrallinse bezeichnet wird, ist die Linse sowohl auf der der Lichtquelle zugewandten als auch auf der der Lichtquelle abgewandten Seite glatt ausgebildet. Mehrere spiralförmig ausgebildete Stufen können von dem mittleren Bereich ausgehen, deren radial innerste Punkte über den Umfang des mittleren Bereichs äquidistant verteilt sind. Auch dabei kann es zu einer möglichst homogenen Verteilung der Lichtintensität in dem beleuchteten Lichtfleck kommen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die zumindest eine spiralförmig ausgebildete Stufe über mehrere Windungen verläuft. Dabei kann der radiale Abstand zwischen den einzelnen Windungen konstant sein. Alternativ dazu kann die wenigstens eine spiralförmig ausgebildete Stufe auch in einer Spirale verlaufen, die nach radial außen hin weiter oder enger wird. Dies hängt von den gewünschten Eigenschaften des Lichtflecks und des Scheinwerfers ab.
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Vorzugsweise umfasst die Linse eine Außenkontur, die eine Form aufweist, der die Windungen der wenigstens einen spiralförmig ausgebildeten Stufe folgen. Eine derartige Form kann beispielsweise oval oder polygonal aber natürlich auch kreisförmig sein. So ist es beispielsweise denkbar, eine oval ausgebildete Linse in einen Scheinwerfer einzusetzen, die über wenigstens eine spiralförmig ausgebildete Stufe aufweist, wobei die Spirale ebenfalls oval ausgebildet ist. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen der spiralförmig ausgebildeten Stufe in Richtung der kurzen Halbachse des Ovals geringer auszubilden als entlang der langen Halbachse des Ovals.
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Um die Homogenisierung des durch den Scheinwerfer hervorgerufenen Lichtflecks weiter zu verbessern, ist es von Vorteil, auf der Seite der Fresnel-Stufenlinse, die über keine Stufen und insbesondere keine spiralförmig ausgebildete Stufen verfügt, eine Aufrauung oder Stippelung vorzusehen.
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Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
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1 – die simulierte Helligkeitsverteilung mit einem Scheinwerfer gemäß dem Stand der Technik,
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2 – einen Querschnitt durch die Helligkeitsverteilung aus 1,
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3 – eine Linse für einen Scheinwerfer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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4 – die Darstellung aus 2 für einen Scheinwerfer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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5 – die schematische Draufsicht auf eine Linse für einen Scheinwerfer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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6 – die Darstellung aus den 2 und 4 für einen Scheinwerfer mit einer Linse aus 5,
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7 – die schematische Draufsicht auf eine Linse für einen Scheinwerfer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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8 – die Darstellung aus den 2, 4 und 6 für einen Scheinwerfer mit einer Linse gemäß 7,
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9 – die schematische Draufsicht auf eine Linse für einen Scheinwerfer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
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10 – einen schematischen Schnitt durch einen Scheinwerfer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Im Folgenden werden unterschiedliche Linsenformen für einen gattungsgemäßen Scheinwerfer simuliert. Dabei wird für verschiedene Linsenformen die Helligkeitsverteilung bzw. ein Schnitt durch die Helligkeitsverteilung angegeben.
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Für die Berechnung der sich ergebenden Abbildungseigenschaften der einzelnen Linsen werden als Leuchtmittel eine bestimmte Art von Halogenlampen mit einer Leistung von 1000 Watt betrachtet, wie sie beispielsweise in Scheinwerfern für den Bühnenbereich häufig eingesetzt wird. Derartige Halogenlampen besitzen acht eng nebeneinander liegende Glühfilamente, die 0,8 mm Durchmesser und 18 mm Länge haben und 2 mm voneinander entfernt sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Licht emittierende Fläche von etwa 15 mm × 18 mm Ausdehnung. Diese Fläche leuchtet allerdings nicht gleichmäßig hell, sondern die einzelnen Filamente sind im Fall einer optischen Abbildung klar zu erkennen.
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In den folgenden Beispielen befindet sich dieses flache Leuchtmittel in einem Abstand von der jeweils betrachteten Fresnel-Stufenlinse, der etwas größer als deren Brennweite ist. Die betrachteten Linsen weisen einen handelsüblichen Durchmesser von 175 mm auf. Die Brennweite beträgt 85 mm. In den Simulationen wurde das betrachtete Leuchtmittel immer in einem Abstand von 85,73 mm Entfernung von der Hauptebene der Linse betrachtet. Es befindet sich also um 0,73 mm weiter von der Linse weg als deren Brennpunkt. Die Halogenlampe wurde dabei, wie sonst in Stufenlinsenscheinwerfern üblich, auf der nahezu glatten Seite der Stufenlinse positioniert.
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Mit diesen Vorgaben ergibt sich eine optische Abbildung auf der gestuften Seite der Fresnel-Stufenlinse in einem Abstand von 10 m. Zur Beurteilung der optischen Abbildung wird in den Berechnungen eine Detektorgröße von 2.400 mm × 2.400 mm in dem gegebenen Abstand von 10 m angenommen, um das sich ergebende Abbild des Leuchtmittels komplett betrachten zu können. Der angenommene Lichtstrom betrug 25.000 Lumen.
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Wie bereits dargelegt, ist in allen nachfolgenden Simulationen die der Lichtquelle zugewandte Seite der Linse ohne Rauheit bzw. Stippelung ausgeführt worden.
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1 zeigt eine simulierte Helligkeitsverteilung eines Scheinwerfers gemäß dem Stand der Technik. Ein derartiger Scheinwerfer umfasst ein Gehäuse sowie eine Fresnel-Stufenlinse, die mehrere konzentrische Stufenringe aufweist. Dabei ist die der Lichtquelle zugewandte Seite der Linse glatt angenommen und weist insbesondere keine Stippelung auf.
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1 zeigt, dass mit einer herkömmlichen Fresnel-Stufenlinse, die über mehrere konzentrisch angeordnete Stufen verfügt, die Struktur der hell leuchtenden Glühwendel sehr gut zu sehen ist. Die Helligkeit an jedem Ort der Detektorfläche ist dabei in Beleuchtungsstärke ([lx]) dargestellt, wobei die Beleuchtung um so heller ist, je dunkler das Abbild in 1 ist. Man erkennt, dass der Kontrast in der Mitte der Detektorfläche besonders groß ist, da hier nahezu schwarze und nahezu weiße Bereiche scharf getrennt nebeneinander vorliegen.
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Ein solches Ergebnis verwundert nicht, da in diesem Fall eine theoretisch perfekte optische Abbildung berechnet wurde, die durch eine idealisierte Stufenlinse mit mehreren konzentrischen Stufenringen hervorgerufen wurde.
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Aus der Darstellung in 1 zeigt sich, wie wichtig die Aufrauung der glatten ungestufen Seite einer Fresnel-Stufenlinse grundsätzlich ist. Ohne diese Aufrauung oder Stippelung wäre eine derartige Linse zur Beleuchtung eines Bühnengeschehens nicht geeignet.
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In 1 ist eine senkrechte gestrichelt dargestellte Linie gezeigt. 2 zeigt einen Schnitt entlang dieser Linie durch das Helligkeitsprofil aus 1. Man erkennt im mittleren Bereich einen sehr hohen Kontrast.
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Der Kontrast wird vorliegend aus dem Maximalwert der Beleuchtungsstärke und dem Minimalwert der Beleuchtungsstärke der Detektorfläche berechnet. Er ergibt sich zu Kontrast = (Maximalwert – Minimalwert)/(Maximalwert + Minimalwert).
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Da, wie in 2 zu erkennen ist, der Minimalwert auf Null abfällt, ist der Kontrast im in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel 1.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine Fresnel-Stufenlinse 2 für einen Scheinwerfer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie weist eine spiralförmig ausgebildete Stufe 4 auf, die im Mittelpunkt der Linsenfläche beginnt und sich in mehreren Windungen nach außen erstreckt. Dabei stellt die spiralförmig ausgebildete Linie, die die Stufe 4 darstellt, den von oben sichtbaren Kantenbereich der spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 dar. Dieser wird, wie bereits nach wenigen Windungen erkennbar ist, breiter. Dies liegt daran, dass in der gezeigten Draufsicht auch die Flankenbereiche deutlicher sichtbar werden, welche zwischen den einzelnen Stufenbereichen liegen. Je weiter sich die spiralförmig ausgebildete Stufe 4 nach außen windet, umso schräger liegen die Stufen relativ zum Betrachter der hier gezeigten Draufsicht. Ab einem Trennungspunkt 6 in der sechsten Windung wird auch in 3 nicht nur der optisch wirksame Anteil 8 der spiralförmig ausgebildeten Stufe 4, sondern auch der optisch nicht wirksame Anteil 10 dargestellt. Man erkennt, dass der optisch nicht wirksame Anteil 10 der spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 nach radial außen dicker wird. Dies bedeutet jedoch nicht, dass der äußere Bereich der Linse optisch weniger wirksam ist. Vielmehr muss berücksichtigt werden, dass sich in der beabsichtigten Anwendung der gezeigten Fresnel-Stufenlinse 2 das Leuchtmittel auf der ungestuften nahezu glatten Seite der Fresnel-Stufenlinse 2 befindet, also auf der in 3 dem Betrachter abgewandten Seite. Das Licht, welches von dort von einer Position in der Nähe des Brennflecks kommt, trifft die Flanken von dieser Seite aus kommend nicht, da die Stufenform und die damit zwangsweise verbundene Flankenform der spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 gerade so berechnet wurde, dass die Flanken im Idealfall für das Licht nicht sichtbar sind.
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4 zeigt einen Schnitt durch die simulierte Beleuchtung der Beleuchtungsfläche mit einem Scheinwerfer, der die Fresnel-Stufenlinse 2 gemäß 3 beinhaltet. Im Vergleich zu 2 fällt auf, dass der Kurvenverlauf viel gleichmäßiger ist, da sowohl die sehr hohen Spitzen als auch die stark ausgeprägten Einbrüche in der Beleuchtungsstärke nicht mehr auftreten. Der Kontrast, der nach der oben bezeichneten Formel berechnet wird, ergibt sich in diesem Fall zu 0,42 und ist damit weniger als halb so stark ausgeprägt, wie im Fall der konventionellen Stufenlinse.
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Um mit einem Scheinwerfer mit der Fresnel-Stufenlinse 2 gemäß 3 eine vollständig homogene Lichtverteilung auf der Beleuchtungsfläche zu erreichen, muss die für die Streuung auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der Linse vorgesehene Stippelung deutlich weniger stark ausgeprägt sein, als bei einer herkömmlichen Fresnel-Stufenlinse 2, die mehrere konzentrisch angeordnete Stufen umfasst. Daher kann die Stippelung auf der flachen Seite deutlich schwächer ausgeführt werden als bei der konventionellen Stufenlinse, wodurch natürlich auch die durch die Stippelung hervorgerufenen Verluste verringert und somit die Effizienz der Linse erhöht wird. Damit erreicht ein Scheinwerfer, der die Fresnel-Stufenlinse 2 gemäß 3 beinhaltet, eine höhere Lichtausbeute und damit eine höhere Helligkeit als ein Scheinwerfer mit einer herkömmlichen Fresnel-Stufenlinse 2. Zudem ist kein zusätzlicher und aufwändiger Arbeitsschritt nötig, um eine aufwändige Stippelung auf der Rückseite der Fresnel-Stufenlinse 2, die der Lichtquelle zugewandt ist, zu erzeugen.
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5 zeigt die Draufsicht auf die Fresnel-Stufenlinse 2 für einen Scheinwerfer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 5 gezeigte Fresnel-Stufenlinse 2 verfügt über zwei spiralförmig ausgebildete Stufen 4, die sich im Zentrum der Linsenfläche treffen und sich von dort aus in einer Mehrzahl von Windungen nach außen erstrecken. Auch hier wird im äußeren Bereich der optisch nicht wirksame Anteil 10 im Vergleich zum optischen wirksamen Anteil 8 immer breiter, was die bereits genannten Ursachen hat.
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In 6 ist wieder ein Schnitt durch ein simuliertes Beleuchtungsmuster gezeigt, bei dem ein Scheinwerfer simuliert wurde, der die Fresnel-Stufenlinse 2 gemäß 5 beinhaltet. Im Vergleich zur 3 ist zu erkennen, dass sich die Schwankungshöhe der einzelnen Peaks leicht reduziert. Der Kontrast ergibt sich nach der dargelegten Formel zu 0,38. Im Vergleich zum Kontrast von 0,42 bei der Darstellung in 4 ergibt dies nur einen sehr geringen Unterschied. Auch der gesamte Kurvenverlauf der in 6 und der in 4 gezeigten Kurven ist relativ ähnlich, auch wenn in den beiden Randbereichen der Detektorfläche, bei beispielsweise etwa +/– 900 mm die Beleuchtungsstärke erkennbar höher ist, als bei einem Scheinwerfer mit einer Fresnel-Stufenlinse 2 gemäß 3.
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7 zeigt die Draufsicht auf die Fresnel-Stufenlinse 2 für einen Scheinwerfer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie unterscheidet sich von den Darstellungen aus den 3 und 5 dadurch, dass die in 7 gezeigte Fresnel-Stufenlinse 2 über drei spiralförmig ausgebildete Stufen 4 verfügt, die sich im Mittelpunkt der Linsenfläche treffen.
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8 zeigt einen Schnitt durch die sich daraus ergebende Beleuchtungsstärke. Die Schwankungshöhe der einzelnen Spitzen ist gegenüber den Darstellungen aus den 4 und 6 deutlich reduziert. Eine Berechnung des Kontrastes ergibt einen Wert von 0,25, der damit deutlich unter den beiden vorherigen Kontrastwerten liegt. Zur vollständigen Homogenisierung der Ausleuchtung der Beleuchtungsfläche mit einem Scheinwerfer mit der Fresnel-Stufenlinse 2 gemäß 7 ist folglich, wenn überhaupt, nur eine sehr geringe Stippelung auf der der Lichtquelle zugewandten Seite der Fresnel-Stufenlinse 2 erforderlich. Dadurch wird erreicht, dass nur noch ein sehr geringer Anteil der Lichtstrahlen auf die optisch unwirksamen Flankenbereiche der drei spiralförmig ausgebildeten Stufen 4 fällt, so dass auch der Anteil des verloren gegangenen Lichtes deutlich reduziert wird. Eine solche Dreifach-Spirallinse, wie sie in 7 dargestellt ist, weist folglich eine höhere Effizienz auf, als die einfache oder die doppelte Spirallinse der 3 und 5. Allerdings geht dies leicht auf Kosten der Konturenschärfe, da sich die Verteilung der Beleuchtungsstärke bei jeder zusätzlichen Spirale leicht verbreitert.
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Allerdings wird durch die bei der konventionellen Fresnel-Stufenlinse 2 mit konzentrisch verlaufenden Stufen ebenfalls eine Abnahme der Effizienz und eine merkliche Verbreiterung des beleuchteten Bereiches durch die notwendige Stippelung und Aufrauung der der Lichtquelle zugewandten Seite erreicht.
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Es lässt sich also festhalten, dass überraschenderweise die Fresnel-Stufenlinse 2 mit wenigstens einer spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 den Vorteil aufweist, dass sie insgesamt mehr Helligkeit in den gewünschten Bühnenbereich erbringen kann, als ein Scheinwerfer mit einer konventionellen aus mehreren einzelnen Stufen bestehenden Fresnel-Stufenlinse 2. Dieser Vorteil ist jedoch nicht auf die konkret benannten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise denkbar, die wenigstens eine spiralförmig ausgebildete Stufe 4 nicht in der Mitte der Linse zu beginnen. Im Fall mehrerer spiralförmig ausgebildeter Stufen 4 müssen diese auch nicht in einem gemeinsamen Punkt beginnen. So ist es beispielsweise möglich, dass sich in der Mitte der Fresnel-Stufenlinse 2 eine kleine Zentrallinse 12 befindet, so wie es bei konventionellen Stufenlinsen üblicherweise der Fall ist. Von dieser Zentrallinse 12 ausgehend, in der sich keine Stufe befindet, beginnt an deren Rand die wenigstens eine spiralförmig ausgestaltete Stufe 4.
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Die 9 zeigt die Draufsicht auf die Fresnel-Stufenlinse 2 nach dieser Ausführungsform. Sie verfügt im mittleren Bereich über die Zentrallinse 12, von der die spiralförmig ausgebildete Stufe 4 beginnt. Die Zentrallinse 12 selbst weist keine Stufen auf. So lange die Fläche der Zentrallinse 12 klein gegenüber der Gesamtfläche der Fresnel-Stufenlinse 2 ist, hat dies nahezu keine Auswirkungen auf die optischen Abbildungseigenschaften.
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Natürlich können auch Fresnel-Stufenlinsen 2, die in der Mitte die Zentrallinse 12 aufweisen, auch mehr als nur eine spiralförmig ausgebildete Stufe 4 aufweisen. Es ist auch nicht zwingend notwenig, dass sie sich durchgehend nach außen winden. Vielmehr ist es auch möglich, dass eine oder mehrere der spiralförmig ausgebildeten Stufen 4 auf ihrem Weg nach außen aufspaltet, so dass also aus einer spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 an einer bestimmten Stelle im Laufe eines gewissen Übergangsbereichs zumindest zwei spiralförmig ausgebildete Stufen 4 werden.
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In den gezeigten Ausführungsformen ist deutlich zu erkennen, dass der Abstand der umlaufenden mindestens einen spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 vom Mittelpunkt der Fresnel-Stufenlinse 2 bei jedem Umlauf gleichmäßig nach außen zunimmt. Es ist jedoch auch möglich und gegebenenfalls auch vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen zwei nebeneinander liegenden spiralförmig ausgebildeten Stufen 4 nach außen hin bei jeder Windung leicht abnimmt, so dass auch die Stufenbreite der wenigstens einen spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 von innen nach außen in radialer Richtung hin kontinuierlich abnimmt. Dies ist dann von Vorteil, wenn besonders große Fresnel-Stufenlinsen 2 verwendet werden sollen, die relativ zu ihrem Durchmesser eine vergleichsweise kurze Brennweite aufweisen. In diesem Fall nimmt die Schragstellung der Stufenoberfläche nach außen hin stark zu, wodurch die zwischen zwei benachbarten Stufenoberflächen liegenden Flankenbereiche bei einem äquidistanten Abstand von einer Windung zur nächsten tiefer werden müssten.
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Auch muss die Geometrie einer Linse nicht, wie in den Figuren dargestellt, kreisförmig sein. Die Außenkontur einer Fresnel-Stufenlinse 2 kann auch oval oder polygonal verlaufen. Auch eine Verwendung anderer als der hier simulierten Leuchtmittel ist denkbar.
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10 zeigt die schematische Darstellung durch einen Scheinwerfer 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Scheinwerfer umfasst ein Gehäuse 16, an dessen einer Seite, in 10 links, die Fresnel-Stufenlinse 2 angeordnet ist. Im Inneren des Gehäuses 14 befindet sich eine Lichtquelle 18, die an einem Sockel 20 angeordnet, über den sie mit dem Gehäuse 14 verbunden ist. Die Lichtquelle 18 strahlt in einem schematisch dargestellten Lichtkegel 22 Licht ab, das auf die Fresnel-Stufenlinse 2 mit der spiralförmig ausgebildeten Stufe 4 trifft.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fresnel-Stufenlinse
- 4
- Spiralförmig ausgebildete Stufe
- 6
- Trennungspunkt
- 8
- Optisch wirksamer Anteil
- 10
- Optisch nicht wirksamer Anteil
- 12
- Zentrallinse
- 14
- Scheinwerfer
- 16
- Gehäuse
- 18
- Lichtquelle
- 20
- Sockel
- 22
- Lichtkegel
