-
Anamorphotisches Spiegelsystem Die Erfindung bezieht sich auf ein
anamorphotisches Spiegelsystem. Zur Erzeugung anamorphotischer Bilder, namentlich
in der sogenannten Breitschirmkinematographie, finden bis jetzt meistens Vorsatzsysteme
in Verbindung mit einem Aufnahme- oder ProjektionsobjektivVerwendung, die aus zylindrischen
Linsen oder aus keilförmigen Prismen zusammengesetzt sind. Sollen die erzeugten
Bilder möglichst scharf und verzeichnungsfrei sein, so sind komplizierte Linsen-
oder Prismensätze erforderlich, wobei die Herstellung und der Zusammenbau der vielen
Einzelteile verhältnismäßig schwierig und kostspielig ist.
-
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein anamorphotisches System von
einfachem Aufbau zu schaffen, das trotzdem sehr hohen Anforderungen bezüglich der
Bildqualität gerecht wird. Die Erfindung geht dazu von einem anamorphotischen Spiegelsystem
aus, das eine konvex-zylindrische Spiegelfläche und eine konkav-zylindrische Spiegelfläche
enthält, deren Erzeugende parallel oder nahezu parallel sind, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Spiegelflächen in solcher Weise angeordnet sind, daß ein auf eine der Spiegelflächen
einfallendes, paralleles Lichtbündel in Richtung der zweiten Spiegelfläche reflektiert
und von dieser wieder in ein annähernd paralleles Bündel umgewandelt wird, wobei
die Spiegelflächen solche Krümtnungsradien aufweisen, daß ihre Brennlinien ungefähr
koinzident sind.
-
Die Verwendung zweier zylindrischer Spiegel für die Erzeugung anamorphotischer
Bilder ist zwar aus der britischen Patentschrift 354 843 bekannt. Das bekannte System
weist jedoch den Nachteil eines sehr starken, die Bildqualität beeinträchtigenden-Astigmatismus
auf, die in ihm die Spiegelflächen nicht das Merkmal erfüllen, daß ihre Brennlinien
koinzident sind. Weiter ist in der USA.-Patentschrift 1525 658 ein aus zwei
konvex-zylindrischen Spiegelflächen bestehendes Spiegelsystem vorgeschlagen, das
aber kein afokales System bildet und in Verbindung mit einem Aufnahme- oder Projektionsobjektiv
kein scharfes Bild zu liefern vermag. Auch bei diesem System liegen die Brennlinien
der Zylinderflächen weit auseinander.
-
Das anamorphotische Spiegelsystem nach der Erdung besteht in seiner
einfachsten Form aus nur zwei zylindrischen Flächen und ist somit leicht herstellbar.
Das System ist dabei völlig farbenfrei und zeichnet sich durch die besondere Aufstellung
der Spiegel auch bezüglich der monochromatischen Bildfehler überraschend gut aus.
-
Eine andere günstige Ausführungsform ist die, bei welcher die Achsen
der zylindrischen Spiegelflächen praktisch in einer Ebene mit der optischen Achse
des Kameraobjektivs oder der Projektionslinse liegen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
ist, daß man ein sehr großes Blickfeld in der Richtung der größten Bildlänge erzielen
kann. Die sphärische Aberration ist bei dieser Anordnung möglichst gering. Ferner
werden die übrigen Aberrationen günstig beeinflußt dank der kleinen Einfallwinkel
auf den Spiegeln. Dieser Punkt wird im nachstehenden an Hand von Zeichnungen ausführlich
erläutert. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie das
Bild auf solche Weise verzerrt, daß bei Benutzung für Projektionszwecke die horizontalen
geraden Linien im Objekt als gebogene Linien projiziert werden, deren konkave Seite
nach unten gewendet ist. Da diese Verzerrung gerade das Gegenteil ist von der, die
naturgemäß bei Projektionen in einem Saal auftritt, weil die Kabine höher liegt
als der Mittelpunkt des gebogenen Projektionsschirmes, gewährt diese Ausführungsform
die Möglichkeit, die Verzerrung in erwünschter Weise zu beeinflussen.
-
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
anamorphotischen Systems dargestellt. Es zeigt Fig. 1 die schematische Ansicht einer
ersten Ausführungsform mit zwei zylindrischen Spiegeln, Fig. 2 die schematische
Ansicht einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 die schematische Ansicht eines mit
vier Spiegeln versehenen Systems nach der Erfindung,
Fig. 4 die
schematische Ansicht eines Zweispiegelsystems nach Art der Fig. 1, wobei der Konkav-Spiegel
durch Verspiegelung der konvexen Oberfläche einer zylindrischen Meniskuslinse gebildet
ist, Fig. 5 die schematische Ansicht eines Zweispiegelsystems nach Art der Fig.
2, bei dem zwei Prismen angeordnet sind.
-
In Fig. 1 ist 1 ein Objektiv, 2 ein zylindrischer Konvexspiegel. Die
geraden Erzeugenden dieser beiden Spiegel t und 3 stehen senkrecht zur Zeichnungsebene.
Ein vom Objektiv 1 austretendes Parallelbündel, vom axialen Punkt des Filmbildes
herrührend, wird bei Reflexion durch den Konkavspiegel 2 im dargestellten Querschnitt
im Punkt P konvergieren, der auf der Brennlinie des Konkavspiegels liegt. Dieses
konvergierende elliptische Lichtbündel wird durch Reflexion vom Konvexspiegel 3
aufs neue in ein gegen den Mittelpunkt des Projektionsschirmes gerichtetes Parallelbündel
verwandelt, da die Brennlinie dieses Konvexspiegels erfindungsgemäß in der Nähe
von P gelegen ist.
-
Durch die Anordnung wird erreicht, daß der Querschnitt des austretenden
Lichtbündels in der Zeichnungsebene um einen gewissen Faktor verringert wird. Angenommen,
es werde bei Fig. 1 dieser Querschnitt um einen Faktor 2 verringert, während in
einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung der Querschnitt des Lichtbündels
ungeändert bleibe. Dies hätte zur Folge, daß das Blickfeld und daher auch das Bild
in der in der Zeichnungsebene gelegenen Richtung um einen Faktor 2 ausgedehnt wird.
Bei Anwendung für Kinoprojektion wird die Zeichnungsebene also horizontal sein.
-
Fig. 2a zeigt ein aus der Projektionslinse 4, dem Konkavspiegel 5
und dem Konvexspiegel 6 bestehendes System. Fig.2b stellt den Durchschnitt dieser
Spiegel mit Ebene X-Y dar; die zur Zeichnungsebene von Fig. 2 a senkrecht steht.
Beide Spiegel sind zylindrisch, und ihre Erzeugenden sind der Zeichnungsebene von
Fig. 2 a parallel. Ein Parallelbündel runden Querschnitts, das auf Spiegel s einfällt,
wird beim Austritt aus Spiegel 6 einen elliptischen Querschnitt haben, wobei die
lange Achse sich in der Zeichnungsebene von Fig. 2 a befindet und die kurze Achse
senkrecht darauf steht. Infolgedessen wird das Bild in einer Richtung verlängert,
die zur Zeichnungsebene von Fig. 2 a senkrecht steht, welche Ebene bei Kinoprojektion
vertikal ist.
-
Die Berechnung ergibt, daß die sphärischen Aberrationen sowie die
meisten anderen Aberrationen um so größer sind, je größer der Einfallswinkel a (s.
Fig. 1) der Lichtstrahlen auf die reflektierenden Spiegelflächen ist.
-
So beträgt z. B. die sphärische Aberration eines einzigen zylindrischen
Spiegels in der Längsrichtung: f (1 - 1fcös a),
worin f die Brennweite
und a den Einfallswinkel des betreffenden Strahls bezeichnet. Aus dieser Formel
geht hervor, daß für geringe Werte von a. und daher für Werte von cos a, die sich
schnell dem Wert 1 nähern, die- sphärische Aberration in der Längsrichtung vernachlässigbar
wird, Nun zeigt Fig. 2, daß das darin dargestellte System -gegenüber dem in Fig.
1 dargestellten den Vorteil bietet, daß der Einfailstvinkel a auffallend klein ist.
-
Die Anwendung des Systems nach Fig. 1 oder 2 bedingt eine parallele
Verschiebung des austretenden Lichtbündels in bezug auf die optische Achse der Projektionslinse,
und zwar-in'-horizontaler Richtung in Fig. 1 und in vertikaler Richtung bei der
Anordnung der Fig.2. Die Parallelverschiebung kann aus verschiedenen Gründen unerwünscht
sein, so bei Kinoprojektion wegen der damit verknüpften Vergrößerung des Kabinenfensters,
für welche manchmal von den Feuerwehrbestimmungen sehr hohe Anforderungen gestellt
werden. Bei Anwendung für Aufnahme kann die durch die Parallelverschiebung sich
ergebende Parallaxe sehr unangenehm sein.
-
Die Parallelverschiebung des Lichtbündels läßt sich in erster Linie
durch Verwendung eines Systems mit zwei Planspiegeln aufheben, die vorzugsweise
im Strahlenweg zwischen der Projektionslinse (oder dem Filmkameraobjektiv) und dem
System zylindrischer Spiegel gelegen sind und erwünschtenfalls auch durch zwei Seitenflächen
eines rhomboedrischen Prismas gebildet werden können, was in bezug auf Fabrikation
und Einstellungsmöglichkeit Vorteile gegenüber der Anwendung zweier Einzelspiegel
bietet.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Parallelverschiebung
jedoch dadurch vermieden, daß man dem bereits beschriebenen Zweizylinderspiegelsystem
ein zweites System ähnlicher Ausführung hinzufügt. Auf diese Weise werden nämlich
noch zwei weitere Vorteile erzielt.
-
Erstens kann die von einem einzigen Spiegelsystem verursachte Verzerrung
durch das zweite System teilweise aufgehoben werden, was besonders günstig ist in
denjenigen Fällen, wo der Projektionswinkel, d. h. der Neigungswinkel des Projektors
nach unten, verhältnismäßig klein ist, denn bei erheblichen Projektionswinkeln ist
es vorzuziehen, die große Verzerrung eines einzigen Systems zu benutzen zur Kompensation
der Verzerrung infolge des gebogenen Projektionsschirmes.
-
Zweitens wird der Vorteil erzielt, daß die erwünschte anamorphotische
Wirkung über zwei Systeme verteilt wird, so daß jedes einzelne System weniger zu
leisten hat und daher schwächer gekrümmte Spiegel gebraucht werden können. Infolgedessen
werden Aberrationen verringert, und das Bild hat dann eine größere Zeichenschärfe.
-
Eine Ausführungsform des soeben beschriebenen Vierspiegelsystems ist
beispielsweise in Fig.3 abgebildet. Die Zeichnungsebene wird hier als vertikal betrachtet.
Vor dem zum Linsensystem einer 16-mm-Filmkamera oder eines Projektors gehörenden
Objektivs mit Brennweite f = 50 mm sind die zylindrischen Spiegel 27, 28, 29 und
30 in der Anordnung aufgestellt, wie man sie in der Figur sieht. Die Achsen dieser
Spiegel befinden sich in praktisch ein und derselben Ebene wie die optische Achse
des Objektivs. Spiegel 27 und 29 sind konkav und haben einen Krümmungsradius von
280 mm, während die Konvexspiege128 und 30 einen Krümmungsradius von 200 mm haben.
Der Abstand zwischen den Spiegeln 27 und 28 und zwischen den Spiegeln 28 und 30
ist 40 mm, gemessen auf dem Hauptstrahl des Lichtbündels, der dem axialen Punkt
des Objekts entspricht. Jedes der Spiegelsysteme gibt eine Erweiterung des Bildes
in horizontaler Richtung um einen Faktor 1,4, so daß im ganzen eine ungefähr zweifache
Erweiterung erzielt wird.
-
Das dargestellte Vierspiegelsystem kompensiert die Verzerrung, die
aus der nach unten in einem Winkel von 12° stattfindenden Projektion entsteht. Außerdem
ist die Zeichenschärfe des Bildes sehr gut, weil die anamorphotische Wirkung jedes
einzelnen Systems gering ist (Faktor 1,4), während die Kombination dennoch einen
anamorphotischen Faktor 2 hat.
Die in der Zeichnung dargestellten
Spiegel 27, 28, 29 und 30 können erwünschtenfalls gänzlich oder teilweise
durch 45°-Prismen- ersetzt werden, deren total reflektierende Hypotenusenflächen
so zylindrisch geschliffen sind, daß sie die obenerwähnten Krümmungsradien besitzen.
-
Obwohl die bisher beschriebenen Systeme bereits einen guten Korrektionsgrad
aufweisen, ist die durch den Konkavspiegel bewerkstelligte Unterkorrektion für sphärische
Aberration manchmal zu groß, um durch den Konvexspiegel völlig korrigiert zu werden;
dies ist besonders der Fall bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, in
der die Parallelachsen der beiden zylindrischen Spiegel ungefähr (mit etwa 20° Spielraum)
senkrecht auf die optische Achse des Objektivs fallen.
-
Die Erfindung kommt dieser Schwierigkeit dadurch entgegen, daß man
dem System eine zylindrische Meniskuslinse hinzufügt, welche eine überkorrektion
gewährt.
-
Das Einsetzen der zusätzlichen Linse in das System kann auf verschiedene
Weisen erfolgen; die Linse kann im Strahlenweg zwischen dem Objektiv und dem ersten
Spiegel, zwischen den beiden Spiegeln oder erwünschtenfalls nach dem zweiten Spiegel
eingestellt werden.
-
Die günstigste Stelle für die erfindungsgemäße zylindrische Linse
(oder das erfindungsgemäße zylindrische Linsensystem) in irgendeinem bestimmten
Falle wird von den gegebenen Verhältnissen abhängig sein.
-
Eine Ausführungsform mit einer zylindrischen Meniskuslinse ist in
Fig. 4 dargestellt. Die Zeichnungsebene ist hierbei horizontal. Vor dem Objektiv
31 mit Brennweite f = 75 mm, relativer COffnung 1 :1,9, einer 35-tnm-Filmkamera
oder eines Projektors umfaßt die Anordnung den zylindrischen Konkavspiege133 mit
einem Krümmungsradius von 602 mm und den zylindrischen Konvexspiegel 34 mit einem
Krümmungsradius von 331 mm. Die Achsen dieser beiden Spiegel sind einander parallel
und ungefähr senkrecht auf die optische Achse des Objektivs 31. Spiegel
33 wird gebildet durch die reflektierende Konvexfläche der zylindrischen
Meniskuslinse, deren Konkavfläche 32 zylindrisch ist und einen Krümmungsstrahl von
500 mm hat. Die Tiefe dieser Linse ist 11 mm, und das Glas, woraus die Linse gemacht
ist, hat eine Brechzahl von 1,52 und eine Streuungszahl von v = 60. Die Differenz
zwischen den Konvex-und den Konkavspiegelflächen 34 und 33 ist 160 mm, gemessen
auf dem Hauptstrahl des in der Zeichnung dargestellten Lichtbündels. Das ganze System
hat eine derartige anamorphotische Wirkung, daß die Breite des Lichtbündels in der
horizontalen Zeichnungsebene um einen Falttor 2 verkleinert wird, was mit anderen
Worten bedeutet, daß das in der horizontalen Ebene projizierte Bild um einen Faktor
2 erweitert wird.
-
Die Meniskuslinse 32, 33 ist ganz schwach, da sie vom Lichtbündel
zweimal durchkreuzt wird. Die effektive Kraft ist daher groß genug, um eine Uberkorrektion
einzuführen, welche die restliche Unterkorrektion des aus den beiden Spiegeln 34
und 33 bestehenden Systems kompensieren wird. Andererseits ist die Linse so schwach,
daß sie keine anderen Aberrationen in irgendeinem störenden Maße verursacht.
-
Eine weitere Ausführungsform des Systems, die verzerrungsfrei ist
und keine Parallelverschiebung des Lichtbündels verursacht, zeigt Fig. 5. Sie faßt
außer einem zylindrischen Konkav- und einem zylindrischen Konvexspiegel zwei ungefähr
gleiche Prismen, die auf solche Weise zwischen die Spiegel verlegt sind, daß zwei
übereinstimmende Flächen der Prismen praktisch parallel sind und auf kurzem Abstand
voneinander liegen. Ferner ist die Anordnung so, daß jede der genannten übereinstimmenden
Flächen sowohl als total reflektierende Fläche wie als transmittierende Fläche fungiert.
Das System ist für die anamorphotische Projektion eines 35-mm-Filmes mit einem anamorphotischen
Falttor 2 konstruiert und besteht aus den ungefähr gleichen Prismen ABC und
DEF. Die Fläche B-C des ersten Prismas ist konvex-zylindrisch geschliffen und danach
verspiegelt, so daß ein zylindrischer Konkavspiegel entsteht, dessen Krümmungsradius
332 mm ist. Die Fläche E-F des zweiten Prismas ist konvexzylindrisch geschliffen
und poliert und danach verspiegelt, um einen zylindrischen Konvexspiegel mit Radius
166 mm zu bekommen. Die Achsen dieser beiden Spiegelflächen sind einander und auch
der Zeichnungsfläche und dem von links auf die Eingangsfläche A-B des ersten Prismas
fallenden Hauptlichtstrahl parallel.
-
Die Winkel A und B sind 47°, die Winkel B und
E 93°,5 und die Winkel C und F 39°,5. Die Prismen sind aus Glas mit Brechungsindex
1,52, so daß der kritische Winkel der totalen Reflexion ungefähr 41° beträgt.
-
Man sieht in Fig. 5, wenn man den auf Fläche A-B fallenden Hauptstrahl
durch das System verfolgt, daß dieser Hauptstrahl die Fläche A-B senkrecht durchkreuzt
und in einen Winkel a = 47° auf Fläche A-G fällt. Dieser Wert ist größer als der
des kritischen Winkels, so daß der Strahl total reflektiert wird. Danach wird der
Strahl an der zylindrischen Spiegelfläche B-C reflektiert und fällt zum zweiten
Mal auf die Fläche A-C ein. Da der Einfallswinkel ,B=32° jetzt kleiner ist als der
kritische Winkel, wird der Strahl transmittiert und tritt durch die Fläche D-F in
das zweite Prisma ein. Hierin wird der Strahl zuerst am zylindrischen Konvexspiegel
E-F reflektiert und nachher an der Fläche total reflektiert, wobei der Einfallswinkel
a = 47° wieder größer ist als der kritische Winkel, und schließlich tritt der Strahl
durch die Fläche D-E des zweiten Prismas hervor.
-
Der Abstand zwischen den Spiegeln B-C und E-F ist zur Scharfstellung
einstellbar, was auf einfache Weise dadurch erfolgen kann, daß ein Prisma in bezug
auf das andere die Flächen A-C und D-F entlang verschoben werden.
-
Die soeben beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist nur zwei
optische Elemente mit nur zwei zylindrischen und ferner ebenen Flächen auf. Die
Fabrikation ist infolgedessen sehr einfach. Zudem ist die Bildqualität wegen der
kleinen Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf beide Spiegel ausgezeichnet.