DE124584C

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Publication number: DE124584C
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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

Bei Scheinwerfern und Apparaten für ähnliche Zwecke verwendet man Sammellinsen Fresnel'scher Art, die bekanntlich aus einer Reihe von Linsenringen bestehen, die concentrisch um eine Mittellinse angeordnet sind. Die Fresnel'sehe Linse gewährt gegenüber der einfachen Sammellinse neben dem Vortheil der geringeren Dicke und des entsprechend verminderten Materialverbrauchs und Gewichts vor Allem die Möglichkeit, die Krümmungsradien von Ring zu Ring so zu variiren, dafs die aus der Kugelabweichung sich ergebende Erweiterung des erzeugten Lichtcylinders zu einem Kegel, die ,sogenannte Streuung, ein gewisses niedriges Mafs nicht überschreitet.Converging lenses are used in headlights and apparatus for similar purposes Fresnel type, which is known to consist of a series of lens rings that are concentric are arranged around a central lens. The Fresnel lens grants over the simple converging lens besides the advantage of the smaller thickness and the correspondingly reduced one Material consumption and weight above all the possibility of the radii of curvature to vary from ring to ring in such a way that the one resulting from the spherical deviation Extension of the generated light cylinder to a cone, the so-called scattering, a certain does not exceed a low level.

Die hier zu erläuternde Erfindung bewirkt eine erhebliche Herabsetzung der Kosten eines derartigen Beleuchtungssystems oder eine entsprechende Steigerung der Leistung bei gleichbleibenden Kosten, indem sie durch eine Abänderung des Systems im ersteren Falle eine Verminderung der Anzahl der Theillinsen, in letzterem Falle aber eine Verkleinerung der Streuung, also des Oeffhungswinkels des erzeugten Lichtkegels, oder eine gesteigerte Ausnutzung der Lichtquelle ermöglicht.The invention to be explained here causes a significant reduction in the cost of a such a lighting system or a corresponding increase in performance with the same Costs, by changing the system in the former case, reducing the number of partial lenses in in the latter case, however, a reduction in the spread, i.e. the opening angle of the generated Cone of light, or an increased utilization of the light source.

Je mehr man nämlich die Streuung zu vermindern, d. h. den den Apparat verlassenden Lichtkegel der cylindrischen Gestalt zu nähern sucht, um die Abnahme seiner Intensität mit der Entfernung möglichst auf die unvermeidlichen Verluste durch Absorption zu beschränken, um so mehr vermindert sich auch der Durchmesser der Mittellinse und die Breite der Ringlinsen, um so mehr Ringe sind also für eine Gesammtlinse von gegebenem Durchmesser erforderlich. Weshalb aber bei solcher Variation der Streuung der Durchmesser der Fresnel'schen Linse als gegeben zu gelten hat, so lange man nicht auch den Grad der Lichtausnutzung ändern will, lehrt folgende kurze Betrachtung. Beim Vergleich verschiedener Linsenconstructionen für Beleuchtungszwecke ist es wesentlich, dafs die Brennweite derselben (folgen mehrere Linsen auf einander, die Brennweite des Gesammtsystems) sowie die Gröfse und Intensität der Lichtquelle die gleichen sind. Das von einer Lichtquelle endlicher Gröfse ausgehende Licht wird nämlich — auch wenn die vorerwähnte Streuung vollständig beseitigt wäre — nicht auf einen Punkt der in der Ferne zu beleuchtenden Fläche concentrirt, sondern auf ein Flächenstück ausgebreitet, das nichts anderes ist als das Bild der Lichtquelle, dessen Dimensionen nach den elementaren optischen Abbildungsgesetzen bestimmt sind und demzufolge in directem Verhältnifs zur Gröfse der Lichtquelle und in umgekehrtem zur Brennweite stehen. Es wird daher auch im Folgenden vorausgesetzt, dafs die annähernd punktförmige Lichtquelle stets dieselbe Gröfse und Gestalt sowie Intensität besitze und dafs die Brennweite des Gesammtsystems immer dieselbe sei. Bei gegebener Brennweite ist aber für die gleiche Ausnutzung der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlen auch der gleiche Durchmesser der Fresnelschen Linse und im Falle eines Beleuchtungssystems aus mehreren hinter einander geschalteten Elementen der gleiche Durchmesser für die Linse, welche die Strahlen zuletzt passiren, erforderlich.Namely, the more you reduce the scatter, d. H. the one leaving the machine Seeks to approximate the cone of light to the cylindrical shape in order to reflect the decrease in its intensity to limit the distance as far as possible to the inevitable losses through absorption, the more the diameter of the central lens and the width of the ring lenses decrease, so the more rings there are required for a total lens of a given diameter. But why with such Variation in the scattering of the diameter of the Fresnel lens is taken as given as long as one does not also want to change the degree of light utilization, the following teaches brief consideration. When comparing different lens constructions for lighting purposes it is essential that the focal length the same (if several lenses follow one another, the focal length of the entire system) as well as the The size and intensity of the light source are the same. That of a light source more finite Large outgoing light is namely - even if the aforementioned scattering is complete would be eliminated - not concentrated on one point of the surface to be illuminated in the distance, but spread out over a piece of land that is nothing other than the image of the Light source, the dimensions of which are determined according to the elementary laws of optical imaging are and consequently in direct proportion to the size of the light source and vice versa stand for focal length. It is therefore also assumed in the following that the approximately point-shaped light source is always have the same size and shape as well as intensity, and that the focal length of the whole system always be the same. At a given focal length, however, is for the same utilization the rays emitted by the light source also have the same diameter as the Fresnel's Lens and, in the case of a lighting system, several connected in series Elements of the same diameter for the lens through which the rays last pass, necessary.

Verein deutschen JnaenieureAssociation of German Engineers

Bezirksverein a. d. η ί e d e r & η Ruhr.District Association a. d. η ί e d e r & η Ruhr.

Sucht man andererseits durch Vergröfserung des Durchmessers der F res η el'sehen Linse einen gröfseren Antheil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes zu verwerthen, so ist damit ebenfalls der Uebelstand einer unvcrhiillnifsmüfsigen Steigerung der Ringzahl verknüpft, weil mit wachsendem Durchmesser nicht blos die Breite, sondern sogar der Flächeninhalt der Ringe abnimmt.On the other hand, if one looks for a lens by increasing the diameter of the lens to utilize a larger portion of the light emitted by the light source, so is thus also the disadvantage of an irreconcilable increase in the number of rings linked, because with increasing diameter not only the width, but even the surface area the rings decrease.

Das Maafs dieser beiden Einflüsse auf die Anzahl der Ringlinsen, des Einflusses der zugelassenen Streuung und desjenigen der verlangten Lichtausnutzung, wird an dem in Fig. ι dargestellten Ausführungsbeispiel einer Fresnel'sehen Linse ersichtlich. Bei dieser Linse sind, wie gebräuchlich, die Krümmungsradien einerseits und die Durchmesser andererseits so gewählt, dafs am inneren Rande eines jeden der Ringe a, b, c, d, e,f die von der annähernd punktförmigen Lichtquelle g ausgehenden Strahlen die Richtung parallel zum ungebrochenen Achsenstrahl annehmen und dafs ferner, da bei jedem Ringe von diesem inneren Rande aus und bei der Mittellinse h von der Achse aus die austretenden Strahlen eine von Null an zunehmende Neigung zur Achse erhalten, der doppelte Werth dieser Neigung (d. h. der Oeffnungswinkel des entsprechenden Lichtkegels) an dem äufseren Rande eines jeden Ringes wie an dem Rande der Mittellinse den Betrag der zugelassenen Streuung erreicht. Diese Streuung ist in dem dargestellten Beispiel zu i° angenommen und die Lichtausnutzung durch den halben Oeffnungswinkel a — 23,25° des von der Fresn el 'sehen Linse aufgefangenen Lichtkegels gegeben. Bei einer Brennweile von 1000 mm steht dem halben Durchmesser der Mittellinse h von 192 mm, der einem Winkel a/j = 11,2° entspricht, eine Breite des sich anschliefsenden innersten Ringes α von nur 64 mm {a_a = 14,8°) und des sechsten (äufsersten) Ringes f von gar nur 24 mm (a = 23,25°) gegenüber. Die Fresnel'sehe Linse von den angegebenen Werthen der Streuung und Lichtausnutzung setzt sich bei einem Durchmesser von 835 mm aus 7 Theillinsen zusammen. Wollte man nur eine halb so grofse Streuung zulassen, so müfste die Anzahl der Linsentheile doppelt so grofs sein, der Durchmesser der Mittellinse würdeThe extent of these two influences on the number of ring lenses, the influence of the permitted scattering and that of the required light utilization can be seen in the exemplary embodiment of a Fresnel lens shown in FIG. In this lens, as is customary, the radii of curvature on the one hand and the diameters on the other hand are chosen so that at the inner edge of each of the rings a, b, c, d, e, f the rays emanating from the approximately point-shaped light source g are in the direction parallel to assume an unbroken axis ray, and furthermore, since with each ring from this inner edge and with the central lens h from the axis the rays emerging from the axis have an inclination increasing from zero to the axis, twice the value of this inclination (i.e. the opening angle of the corresponding light cone ) at the outer edge of each ring as at the edge of the central lens reaches the amount of permitted scattering. In the example shown, this scattering is assumed to be i ° and the light utilization is given by the half opening angle a- 23.25 ° of the light cone captured by the Fresn el 'see lens. With a focal length of 1000 mm, half the diameter of the central lens h of 192 mm, which corresponds to an angle a / j = 11.2 °, has a width of the adjoining innermost ring α of only 64 mm {a _a = 14.8 ° ) and the sixth (outermost) ring f of only 24 mm (a = 23.25 °) opposite. The Fresnel lens with the stated values of scattering and light utilization is composed of 7 partial lenses with a diameter of 835 mm. If one wanted to allow only half as great a scattering, the number of lens parts would have to be twice as great as the diameter of the central lens

ungefähr I/ — = 0,79+ mal so grofiabout I / - = 0.79+ times as large

s werden, die 6 Ringe wurden in Durchmesser und Breite entsprechend zusammenschrumpfen und zur Aufrechterhaltung des Lichtausnutzungsgrades wären neue schmälere Ringe bis zur Wiederausfüllung des Durchmessers der Gesammtlinse hinzuzufügen. Wie andererseits mit zunehmendem Winkel a, also wachsender Lichtausnutzung, die Ringzahl unverhältnifsmäfsig wächst, lehrt das Ausführungsbeispiel unmittelbar.The 6 rings were shrunk in diameter and width accordingly, and to maintain the degree of light utilization, new, narrower rings would have to be added until the diameter of the entire lens was filled again. On the other hand, how the number of rings increases disproportionately with increasing angle α, that is to say with increasing utilization of light, the exemplary embodiment teaches directly.

Die Herabsetzung der Zahl der Ringlinsen oder eine entsprechende Steigerung der Leistung durch Minderung der Streuung oder Mehrung der Lichtausnutzung wird durch die Erfindung allerdings nur erreicht unter Hinzufügung einer oder mehrerer einfacher Linsen. Doch ist der Vortheil noch immer sehr grofs; denn es wird z. B. bei unveränderter Streuung und Lichtausnutzung durch jede hinzugefügte Linse die Zahl der Theile der Fresnel'sehen LinseThe reduction in the number of ring lenses or a corresponding increase in performance by reducing the scattering or increasing the utilization of light, the invention but only achieved with the addition of one or more simple lenses. But it is Advantage still very great; because it is z. B. with unchanged scattering and light utilization by each added lens the number of parts of the Fresnel lens seen

herabgesetzt auf weniger als ein Drittel (—■> reduced to less than a third (- ■>

wenn η der Brechungsquotient der Zusatzlinse ist). Da die neuen Linsen aufserdem in die zulässig gröfste Nähe der Lichtquelle gerückt werden können und dann verhältnifsmäfsig klein ausfallen, so ist das Gesammtergebnifs eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung des optischen Systems. Diese einfachen Linsen werden zwischen Fresnel'scher Linse und Lichtquelle angeordnet und sind sogenannte aplanatische Menisken, d. h. convexconcave Linsen, deren beide Krümmungen sich wie η : (η -f- 1) verhalten und deren concave Fläche die Lichtquelle bezw. den Kreuzungspunkt der eintretenden Strahlen zum Mittelpunkt hat. Eine solche Linse verleiht den Strahlen Richtungen, als wenn sie von einer «mal weiter entfernten Lichtquelle kämen, die Neigung (genauer ihr Sinus) eines jeden austretenden Strahls zur Achse ist also nur noch der «te Theil seiner Neigung (des Sinus) α beim Eintritt. Aus Fig. ι war bereits erkennbar geworden, dafs eine Ringlinse um so breiter ausfällt, je kleiner der Winkel α der von ihr aufgenommenen Strahlen ist. Verbreiterung der Ringlinsen ist aber, wenn die Gesammtlinse ihren Durchmesser behält, gleichbedeutend mit Verringerung ihrer Anzahl.if η is the refraction quotient of the additional lens). Since the new lenses can also be moved into the closest permissible proximity to the light source and then turn out to be comparatively small, the overall result is a considerable simplification and a reduction in the cost of the optical system. These simple lenses are arranged between the Fresnel lens and the light source and are so-called aplanatic menisci, ie convex-concave lenses, the two curvatures of which behave as η : (η -f- 1) and whose concave surface the light source or. has the point of intersection of the incoming rays as the center. Such a lens gives the rays directions as if they came from a light source which is sometimes further away; the inclination (more precisely its sine) of each emerging ray to the axis is therefore only part of its inclination (the sine) α upon entry . From Fig. 1 it was already apparent that a ring lens turns out to be wider, the smaller the angle α of the rays it receives. Widening of the ring lenses is, however, when the total lens retains its diameter, tantamount to reducing its number.

Ersetzt man entsprechend der Erfindung die in Fig. ι dargestellte Fresnel'sche Linse durch ' einen aplanatischen Meniskus und eine andere Fresnel'sche Linse unter Einhaltung derselben Werthe bezüglich der zulässigen Streuung und der geforderten Lichtausnutzung, so ergiebt sich das in Fig. 2 dargestellte System, dessen Fresnel'sche Linse nur noch einen einzigen Ring ä aufser der Mittellinse h' umfafst. Denn da die aplanatische Linse i aus einem Glase vom Brechungsquotienten η = 1,545 hergestellt ist, so reducirt sie den Winkel a =. 23,25° auf a' = 14,8° (sin 23,25° : sin 14,8° = 1,545). Der Winkel a_a des innersten Ringes bei der Fresnel'schen Linse nach Fig. 1 war aber ebenfalls 14,8°, woraus folgt, dafs ein einziger Ring a' genügt, um den in Fig. 1 vorausgesetzten Streuungsgrad einzuhalten.If, according to the invention, the Fresnel lens shown in FIG. 1 is replaced by an aplanatic meniscus and another Fresnel lens while maintaining the same values with regard to the permissible scattering and the required utilization of light, the system shown in FIG. 2 results , the Fresnel lens only a single ring, etc. besides the center lens embraces h '. For since the aplanatic lens i is made of a glass with the refraction quotient η = 1.545, it reduces the angle a =. 23.25 ° to a ' = 14.8 ° (sin 23.25 °: sin 14.8 ° = 1.545). The angle a _{a of} the innermost ring in the Fresnel lens according to FIG. 1 was also 14.8 °, from which it follows that a single ring a ' is sufficient to maintain the degree of scattering assumed in FIG.

Die Vortheile der neuen Anordnung bleiben — abgesehen von der Verwendbarkeit mehrererThe advantages of the new arrangement remain - apart from the fact that several can be used

aplanatischer Menisken ■—· auch noch erhalten, wenn für die aplanatische Linse etwas stärker oder schwächer brechendes Glas gewählt wird, oder wenn von der typischen Form einer solchen Linse etwas abgewichen, d. h. das Radienverhältnifs etwas gröfser oder kleiner als η : (η -\- ι) genommen wird, oder wenn ferner die Vertheilung der Sammelwirkung auf beide Linsen etwas abgeändert, d. h. die reciproke Brennweite der einen Linse etwas vermindert und diejenige der anderen entsprechend vermehrt wird.aplanatic menisci ■ - · also preserved if a slightly stronger or weaker refractive glass is chosen for the aplanatic lens, or if the typical shape of such a lens deviates somewhat, i.e. the radius ratio is slightly larger or smaller than η: (η - \ - ι) is taken, or if, furthermore, the distribution of the collecting effect on both lenses is somewhat changed, that is, the reciprocal focal length of one lens is somewhat reduced and that of the other is increased accordingly.

Claims

Patent claim:
Lens system for headlights and the like, characterized in that one or more approximately or strictly aplanatic meniscuses are inserted between the Fresnel lens, which is otherwise arranged alone, and the light source, each added meniscus having the number of rings composing the Fresnel lens about the third part if the same utilization of light and the same scattering (the same for each ring and the core lens) is maintained.

For this purpose ι sheet of drawings.