DE1918909U - Zusatzoptik zur aenderung der apertur eines strahlenbueschels. - Google Patents

Description

P.A. 205127*23.4.65 »

Zeiss Ikon AG. Stuttgart, den 20. April 1965

Z 76 38 /42h Gbm

"Zusatzoptik zur Änderung der Apertur eines Strahlenbüschels"

Die Neuerung betrifft eine Zusatzoptik, z.B. einen Optikkörper, zur Änderung der Apertur eines Strahlenbüschels.

Unter dem Aperturwinkel eines Strahlenbüschels versteht man bekanntlich den Winkel 2 γ » den die Begrenzungen des Strahlenbuschels bilden. Oft begnügt man sich mit der Angabe des halben Aperturwinkels ^f, der dann auf eine feste Achse, etwa auf die Symmetrieachse eines optischen Systems bezogen wird. Als numerische Apertur bezeichnet man den Ausdruck

A = η sin^. (1)

Zusätzlich wird hier der Begriff der relativen Apertur

1 : k = 2 η slnf= 2 A (2)

eingeführt, der eine mit der relativen Öffnung d : f der Objektive vergleichbare Charakterisierung der Lichtleistung des Optikkörpers ermöglicht.

Da sich Licht von seinem Ursprungsort als Kugelwelle ausbreitet, sendet jedes Element eines Flächenstrahlers Licht in den Halbraum aus. Bei photographischen und kinematographischen Empf*4ngern spielt sich andererseits der Vorgang der

Umwandlung von Lieht In chemisch® Ettergie oder Elektrizität gewöhnlich in einer dünaen Gbarfl&che&sehicht ab· Man kasß demnach sagen, daß ^©dee Fläeh©ti@l«meat des Impfäiägera iß der Lag® ist, Strahlen mxa eisern Haibrauia aufzunehmen und z.B. in Elektrizität umzueatsstn«

Ditser Halbrnuaistrahltiiig» d.h· einer Strahlung mit dem halben Aperturwiiiksl ψ * 90° kann man aa<?h dar Daf initioiasgl@iehujG^ (2) di@ relativ® Apertur 1 ι k zuordnen, für di® sich i» Luft (η β 1) der Wert 1*0,3 und z.B. in einem Material rait äer Br@ehäahl 1,5 dtr Wert 1*0,33 ergibt. Im letzttren Fall muß die Strahler- bzw» die Bmpfängerfläeiw mit dem vorgelagert©!* M©diuHi iß optiachem Sontakt steh©» oder dnreh einen Kitt sit d©r Brechzahl 1,5 oder »€hr verbünde»

B©r extraia großen Apertur der Strahler- bzw* Empfingerfläehan steht die meist sehr viel kleiaer© Apertur einer tiblichtn Abbildungsoptik geg©nüb@r, tür di® ss*B< Wert© zwischen 1M,5 bis 1*16 charakteristisch si«d. B@i Fro^aktioasobjektivea geht mast bis ©twa 1«1,2, Sehraidtoptik für Ferasehgroßpro-5@ktioa hat gewöhnlich die Apertur ύΟ,Τ*

Bei raaneheia optische» Anordaujigea varwendet maa. ntm. Öptikteile, d@r©n Aufgabe nicht pristäi· eine Abbildung» sondern eine Aperturä»der«ßg ist. für diasejti Zw@ok bemrtsst man beispielsweise Iiiaseiiöptikea Bach Art dea G&lilei¹ sehen Fernrohres od@r Prism®»- bzw· Zylindsrlias©aoptik wie beira Amamorphoten. D©rartig© optische Änord»u»gen, dia im folgenden als Aporturä&derujagSQptik bezeichnet werde» sollen,

«M> O ^*

zwar im Bereich mittlerer Aperturen,nicht aber den rungeη, die an eins lichtstarke Optik insbesondere im Zusammenhang mit FlScheustrahlern und Empfängern gestellt werden

müssen.

Neuerdings wurde als Faseroptik ©ine weitere Form der Aperturoptik bekannt, die im Bereich größerer Aperture» auch in Verbindung mit Strahler- und ®npfangerflachen Anwendung findet. Ihrem Wesen nach stellt si© eine Iiichtführungseinrichtung unter Verwendung von Glasfasern dar. Mit einem Bündel, das aus einer Vielzahl von konischen Glasfasern besteht, kann die Apertur eines Abbildungsstrahlengangea Punkt für Punkt geändert werden, wobei die erzielbare Auflösung durch die Anzahl der Fasern im Bündel bestimmt ist» Me als Faseroptik bekanntgewordene Aperturänderungsoptik ist verhältnismäßig achwierig herzustellen und bleibt in ihrer Leistung hinter den theoretischen Erwartungen surtlek, da stark geneigt in die Optik eintretende Lichtstrahlen einen langen Weg in der Glasfaser zurückgelegen und eine sehr große Aneahl von Reflexionen an den Aussenfl'iiehen erleiden, die auch bei sorgfaltigster Herstellung der Glasfasern und der Faseroberfläche zu Lichtverlusten führen. Ein weiterer Fachteil der Faseroptik mit konischen Glassfasern besteht darin, daß die Optik für die Zweeke einer Aperturänderung eine große Baulänge besitzen muß.

Die - beseitigt diese Nachteile, indem sie <m.v Änderung der Apertur eines Strahlenbüschels einen Optikkörper mit einer als asphärische Flache ausgebildeten spiegelnden bzw»

totalreflektiereiadaa Mantelfläche aöwie #iaer Mehteiatrittsfläche und einer Iiiehtaustrittaflache verwendet_t äer#Ä Größen sich wenigstens annähernd umg#l£«hrt wl© öi© Qu&4raie der numerischen Aperturen äer dten Körper
lea verhalten.

zur ogemaflm AusfeilduMg dieses Optili&Örpers gewählte B®5i5i@huÄg s5wi0ßh@B Liohte int ritte* umü !»iohtauetrittsflächt und ü®r Apertur trägt &®m Bctergieaatz Reohtmng ua3 unt©r Bemutguijg ö@r Befiaitioasgl^iebuiag (2) i» der form

(35

düa öler P_ <äi@ Fliabd. n_ äi« Brecbsahl. den HiaximaleB halb®» Apsrturwüskel «aö k_& öi« relativ© Apertur vor der I»ißht®ia£aL3®eit®» F^, η^,ψ^ und k^ iit e«tspr©oh©iidi«a Größen hinter der Meiitewstrittsaeit© ä©r Optik bedeuten. Die !©giöhuag (3) gilt streng mir für efeeße Li@ht~ eiatrittsflacht» P uaä Mehtaustrittsfllaheß F_fe| bei gewölbmit aag©öäh©rt ®fe«a#a RaaäbtgröatssuHggkttrTai» ist

unter I und F^ der Fläoheuiaiialt ämr Isßdtorvea ®a versteh©»» Ein mit AbIQakfmiller» b®haft«t#r OptiiöE^rper wür<t« für v®rlustfrtiea Energietraßsport ein,® gröisrt Iiicshtawstrittsfläche als g^aiiJ Gleichung (5) erfordern, baw· bei fahl Äer Lichtauatrlttsflache geaäB Sleiehusg {3} für cli© aäogegebtäs Apertur nicht üen vollen Lichtstrom durehlass®».

Der Baergiesat« gibt zwar Über die l&IbeZiehungen «wischen der Lichteintritts- und AustrittaflEehe und übt Apertur Auskunft* nicht aber darüber, wit ein fehlerfreie!¹ Qptikkörper ssur Aperturändtrusg» insbesondere i« Bereich großer Apertures %xk v@rwirklich#a ist. Brat äas wtiter® lerteal der daß die Maat#lfläehö d®s QptiklciSrpeya als Aaphäire ist, schafft die Voraustetfctuag dafür, dai eia@ iferaiilwag, mit ü®m Biaximalöa !©iguagsiriokeiy di@ Fliehe F_a durchsetzt» ü±m nach Grleiehung (35 gewühlte Fläche F^ ©h»a LichtVQFlust mit !©igu^swijakela Ttrläßt» <Si« ü®m Winkel aicht ütoarschreit®n·

In weiterer Aasbildtiiig d@r -rfm ist die Bauläßga das Optikkörpers so bemausen, daß die geaaste Mantelfläche von der Licht© int ritt sf lach© bis ssur I*ieht««atritt®fl8lehe vö» den unter dem halben Äperturwinkel ψ_Α einfallenden, gefelienenfall an der Liohteintrittsflache gebroeheaen Lichtstrahlen ausgeleuchtet ist» Bei axialapimetrigohef· Ausführung des · -4«tBg«geffläß@n Optikkörpers wird Im Schnitt in U&w Syautttrie» ebene die Ersseugende der Mantelfläche» vorzugsweise in ihrer Länge, durch die !sandstrahlen eines die Liehteintrittsfltehe durchsetzenden, unter dem halben Äperturwinkel ψ einfalleB-den und gegebenenfalls an der Iiichteintrittsfläehe gebrochenen Strahlenbündels begrenzt»

Im folgenden soll die - em einigen AusiU.hrungsbeispielen näher erläutert werden, aus üm^n weitere, ihr eigene Merkmale erkennbar sind.

6 -

Ea zeigeηJ

Fig. 1 eineja erfindai^sgeiaäße» öptikkörp«r mir voB. Lieht strahlung mit 80° Apertur im Strahlung mit 120° Apertur» mit ©teaer Lieht«iatrittaflach®

fig· 2 ©inen Qptikkörper wie Fig. 1 mit lmmm®t I*ieht· θintrittsflaeh©,

Fig, J einon als Spiegalkaamer auageftihrtt» * g©iaäien OptikkörpQr aait ©iiaer Austritt^apertur voja 180°,

Fig. 4 einen massiveai Optikkörper roit etosaer Iiichtetotritts« tl'uche und ©bener Liohtfwstrittafläeh© «ad siaar Austrittsapertur von 180°, ®ob«i #ia fläeli©Ratrahl@r oder Empfänger a» di© Üchtaustrittsflache gekittet ist,

Fig. 5 einen massiven Optikicörper mit konvexer trittafläehe uad ebener Iiichtaastrittafläcliö einer Austrittsapertur vo» 180^a» mit zwischen des FIlcheastrahler oä#r Srapfiagtr uaä der lichtaustrittsfläehe,

Fig. β ©inen aia«eiv©n Optikkörper wie tig· 4* aber iiit

Licht©intritts£lieh®.

««κ f mm

Fig» 7 eine graphische Darstellung wn Meßwink©!vertui~ lungskurven für die H©ßwißk©lb®gr@ö5§tttig wn Baliehtungemessern unter ¥©rw©ndung von Stegrastern und ein©!» Optikkörper nach der

Fig. S einen emäBea Optikkörper in mit anderen Optikteil©», ssur M®ßwinkcslteegr©rizung für einen elektrischen Belichtungsmesser mit mel sucht begrenzung»

Fig. 9 Qia Raster aus Optikkörpern mit ebener Licht-Siatritts- und -Aust ritt et lacht«

Die Zeichnungen beziehen sich auf axialsymmetrisch© Körper, deren wesentliche El^enschafteia in den dargestellten Meridian-' schnitten zum Ausdruck kommen» Die Körper köunaja analog zur Eylincierlinstnoptik sweiciime&öional© ?risaien darstellen, sie köanen aber auch drsidiaisnsioixal als Rotationskörper oder 2·Β# βΧβ Körper ait einem Querschnitt in Gestalt eines rögalaäßigeij Vielecks ausgeführt sein.

Im Meridiansehßitt ©ines aweidiaiensionalsn OptikkUrpers, d.h. in einem Schnitt, der die Symmetrieachse enthält und senkrecht aur Tiefenausdehnung der aw9idimsnsiojaal©n Optik geführt ist, markiert sich di© emäß asphärisch© fläch® als ebene Kurve bgiw. als Erzeugende diestr Fläch©. Für diei® Kurve gilt nun folgend© Dimensionierungsvorsehrift. line unter dem halben Äperturwinkel <f in den Optikkörper ©indringende ebene Welle

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soll die der Lichteinfall sr iehtujag gegenüberliegende Erzeugende der asph^H„ri8ehen Mantelfläche is, ihrer ganzen Längenausdehnung mit Lieht erfüllen, lach Reflexion oder fotalreflexion an dieser Flach© 30II die felle den Körper vorgugaweise als eben® Welle unter dem neuen halben Aperturwinkel M⁷, verlassen, wahlweise aber auch als Zylinderwell©, deren Uraprungsort die Begrenzungsiinie der Lichtauatrittsfläehe sein soll, auf die dis von der ^sphärischen Fläch© reflektierten Lichtatrahlen konzentriert werden» wahrend eine asphärische Optik sonat gewöhnlich so ausgelegt wird, daß sie eine achsensenkrecht einfallende ebene Welle oder ein horaozentrisches Strahlenbündel in einem Acheenpunkt konzentriert, gilt hier also eine abweichende Diai©nsionierungsvor3chrift»

Di© Fign. 1 und 2 geigen typische Strahl®ngänge gemäß dieser Vorschrift. Dargestellt sind Meridianschnitte 9yiam@tri8ch©r Massivkörper aus durchsichtigem Kunststoff mit der Brechzahl 1,492. Die beiden figuren unterscheiden sich dadurch, daß ctie Lichteintrittsfläche in Pig. 1 eben und in Fig. 2 zylindrisch konvex gekrümmt ist. Beide Optikkörper löaen durch die erfindungsgem&ße Ausbildung der Begrtnzungsfläch©» des Körpers die Aufgabe, eine Strahlung mit et era halben Aperturwinkel ψ_Ά ** 40° in ©in® Strahlung mit dem halben Aperturwinkel ψ _fe * 60 umzuformen« Wegen der giugruadegtlegttn 2ylind#rsymmetrie ist die Grundgleiehung (3) iß öer i@ise ufflguformen, daß au die Stelle der Flächen F und F- di© durch di© Verbindungslinie» der Eckpunkte A- ~ A₂ und B- - Bg der Lichteintritts- bssw. Liehtaustrittsflache definierten Flächenbreiten 2a und 2b im Merid!anschnitt treten· Aus Gleichung (3) wird dann, w©sa aiaa noch n_& = 1 und EL· β 1 setzt, - 9 -

Dies© Gleichung gilt sowohl für Massivkörper als auch für Spiegelkammern mit Luft ale Aussenmediurn. Bei den halbem Aperturwinkel» f _a ~ 40° und f_fe - 60° folgt aus Gleichung (4) für die Strecken a und b die Maßbeaiehung b =* 0_f742a. Die Baulänge des Körpers ergibt sich aus der Forderung, daß die Erzeugende I! der Mantelfläche in ihrer ganzen Länge von den unter dem halben Aperturwinkel ψ einfallenden und im Körper gebrochenen Lichtstrahlen ausgeleuchtet ist. Ersichtlich kann die Baulänge durch konvexe Wölbung der Licht«in- oder Austrittsfläche verkürzt werden» In Fig. 1 besteht die Erzeugende M aus zwei Teilstrecken, der Geraden HL und der Parabel Mp. Während die an M₁ reflektierten Strahlen die Lichtaustrittsfläche in ihrer ganzen Ausdehnung durchsetzen, konzentriert das Parabel stück M« die Strahlen auf den Eckpunkt Bo der Lichtaustrittsflache, der somit den Brennpunkt der Parabel darstellt. In Fig. 2 ist die Erzeugende M in ihrer ganzen Länge angenähert ©ine Hyperbel, welche die durch die konvexe Lichteintrittsfläche konvergent geraachte Strahlen wieder in eine ebene felle verwandelt und isugleich dafür sorgt, daß sie die Liehtaustrittsfläehe in voller Breite ausfüllen. Beide Optikkörper entsprechen den Bedingungen für eine fehlerfreie Aperturoptik, da sie das gesamte Strahlenbündel aus dem Winkelbereich -¹P₀ ··· + ψ_& iß ©iß solches mit dem Winkelbereich ~ψγ* ··· + ψ-w umformen. Der Optikkörper nach Fig. 2 ist aber für viele Anwendungen aus folgenden G-ründen vorzu-

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Erstens ist die Bawltege kleiner vmA zweitens wird die b©i jnanchea Anwendungen störend© MehtkOÄssejstr&tioii awf die Begrengußgslini® Bg der Mchtaitstrittsfläota® vermied®»· Urn dies ssu erreich©!!, muQ die Krlirawiig d©r Lieht-lintritta- bzw. -Austrittsfläeha» d@ffi©tttspreeb©a4 f«wählt werden.

Für deu Äbatand der FläciiQß f_ und F_K gilt gaas allgtisaia (vgl. Fign. 1 und 2)

1 » (a + b) ctg^_a (5)

Di© I4aßb@S5i@hung©n (4), (5) u»d {6} legen di@ ämaser© Fora Optikkörpers fest und lasse» bereits erkennen» daß dis sionierungsvorsohrift für den Öptikkörper s@in© rollstindig© Beermöglicht·

Die in den Figii. 3 bis 6 dargestellten M^ridia&sch&itt® be-2i©h©n sich auf Optiickörper» di© waiaitttlbar als foreatzoptik für Strahler- und lmpfäögerflicfe®a tow®»öuag f iiiü&n kö Teils handelt ©s sieh um ein® Spiegeloptik, t®il« um Kassivoptik» bei der noch zwischen mit der Strahler- bzw. Efnpfängerflflche verkitteter und uavQrkittöter Öftik uattr-Bchieden w©rd©fi muß· Bei allen Beispiel®» ist di@ als eben vorausgesetzt© Fiaohe F. des OptikkÖrp^rs dem Strahler bzw. Empfänger isug@wan.dt.

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Analog zur Gleichung (4) k§&» man für diese drei Optikarten aus Gleichung (3) folgende flach®-Apertur-BeZiehung herleiten, wenn man die Brechzahlen und Aperturwinkel atets auf dsn außerhalb des öptikkörpers beziehti

Spiegeloptik und Maasivoptik, unverkittet (n » 1» «l. » 1, <f_b-*>^e>

Massivoptik der Breohssahl n, rait einem Material gleicher Brechzahl, verkittet (a * 1, jeu« n, ^₁* 90°)

Aus den Gleichungen (7) wnd (8) kanu eine wichtige Eigenschaft fehlerfreier Aperturoptik für Strahler- u&d Iiapfängerflachen abgeleitet werden. lacndem ttber a und b bsiw· η verfügt ist, folgt zwangsläufig der halbe Aperturwinkel ψ auf dar Seite der Fläche F . ψ spielt somit die Roll© ©inea Grengwinkela» Von den aus dem Halbraum eindringenden Strahlen kann nur der in den Winkelbereieh -

Bruchteil durch den Optikkörper hindrucfa ^u einer Brapftogerfläche gelangen. Umgekehrt kann ein Strahler mit vorgesetztem Optikkörper nur Strahlen in den genannten Winkelbsreiöh aussenden. Aua diesem Grunde hängt auch die Dimensionierung der Optikkörper vornehmlich von dem Grengwinkel^f _m ab.

Fig. 3 seigt den Meridianschnitt einer Spiegeloptik und den Strahlengang für die unter dem Winkelf einfallenden &ren& strahlen. Die Spiegelflächen sind Parabelflachen mit Brenn-

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linien bei B^ und Bg· In dam öingesstlehnst®m u, v-Ioordiaa-

tensystem, d@ss®n u~Achse um den Winkel Ψ _ g©g©J& die

2 trieaehs® geneigt i3t, lautet ä±& Parab«!gleichung ν « 2 pu.

Der Ursprung des Koordinatensysteme liegt bei 0, W ist di© Leitlinie und ρ der Parameter der Parabel« Man üb©rz@ugt sich leicht, daß für Einfall sw izfel kleiner als Ψ_α alle ©infalltßden StrahlejQ den Spiegelkörper bei F^ durchsetzen

aber Strahlen mit Einfallawiakela größer als *f_a durch F wieder herausgespiegelt werde». Ein aweidimonasionaler Spiegelkörper mit d©m äargöstellten MeridiaiiQCiiiiitt arbeitet folglich im Sinne der früher gegebene« Definition als fehlerfrei® gweidimansionale Aperturoptik.

Fig. 4 zeigt gleichfalls einen Meridiaßschnitt mit parab©!- förmiger Mantelfläch©. Hier handelt es sich um eines Maesivkörper aus durchsiehtige© Material, d$r für eine ¥©rkittung mit der Strahler- bzw* Itepfäagerfläch© ausgelegt ist. Ir l©nkt die Grenzstrahlen in der Hauptsache durch !Totalreflexion an der Mantelfläche um und toomswirtrx^rt si© auf die linian B₁ und B₂ aeiner Lichtaustrittaflächö F^. Weg©» Strahlenbr@chu23g an der Liohteintrittsfläche ist der Massivkörper öach Fig. 4 länger als der Spiegelkörper nach Fig. 3»

Pie Fign. 5 und 6 zeiges leridiaasehnitte von Masaivkörpörn gsdrungQBer Bauart, die inab©sond©re für di© Verwendung in Belichtuiigsmes0©m geeignet sind, und zwar bezieht eich Fig. auf ein© unverkittote und Fig. 6 auf ©ine verkittete Ausführungsform. Beide Körper haben in KWsidimenaioiaaltr Ausführung als Lichteintrlttsfläeh© einen konvexen Zylinder,

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Radiua so klein gewählt ist, daß die eingezeichneten Grenaetrahlen mit dem halben Aperturwinkel<f_ft bei A^ streifend in den Körper eintrete». Die Spurlinie der Mantelfläche des Optikkörpers nach Fig. 5 hat hyperbolischen Charakter und spiegelt den weitaus größten Teil der Grenzstrahlen der Fläche F^ unter dem Gren^winkel der Totalreflexion </" g;u. Hierfür gilt

sin/ * £ , (9)

wenn η die Brechzahl des Materials bedeutet, aus dem d©r Optikkörper besteht. Ein kleiner Teil der Mantelflächen dieses Körpers, der a» A-j bzw. Ag angrensst, muß jedoch eine von der Hyperbelgestalt abweichende Krümmung beaitjzen, um die in diesem Teil der Mantelfläche einfallenden Grenzstrahlen auf die Begrenzungslinien IL und B2 der Lichtaustrittsfläche zu konzentrieren, da die Breqhkraft des der Zeichnung zugrundegelegten Materials, nämlich Plexiglas, nicht ausreicht, um die vollständige Überführung der einen ebenen Welle in die andere §su bewirken. Bei den Optikkörperii nach den Fign. 5 und 6 werden wegen der gedrungenen Bauform in gewissem Umfang auch die gestrichelt eingezeichneten, achaenparallel einfallenden Strahlen, jedoch gleichfalls ohne ausgesprochene Brennpunktbildung, auf die Lichtaustrittsflache konzentriert.

Bei dem für Verkittung mit dem Strahler bzw. Empfänger vorgesehenen Optikkörper nach Fig. 6 werden die Grenzatrahlen mit dem Neigungswinkel ^f₀, wie bei dem Körper nach Pig. 4, auf die Begrenzungslinien B₁ und Bg konzentriert·

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Bei einem Optikkörper mit konvexer Liohteintrittsflache nach den Fign. 5 oder 6 konv§rgi@res die ffrengiBtrahlea sur Mantelfläche hin und treffen dort teilweise unter Einfallewinkela auf, die dem Grenawinkal der Totalreflexion nahe kommen oder ihn, wie ©a bei Fig. 6 dar Fall iet, sogar untersehreiten. Bei der Optik nach Fig. 5 ist zwar die Totalreflexion an der Mantelfläche im Durchlaßt©reich gesichert, im Sperrbereieh ist hingegen die Mantelfläch® für solche Strahlen, die unter gro'sserem leigungswinkel durch F₀ in den Körper eintreten, teilweise lichtdurchlässig. Um dies© Schwierigkeiten au b©89itigen, kann man beispielsweise die Mantelfläche zusätzlich mit ein©» Spiegelbelag bedecken. Da das Reflexionsvermögen der Mantelfläche durch einen Spiegelbelag im Vergleich zur Totalreflexion herabgesetzt ist, kann man zumindest bei dem Körper nach Fig» 5 auch so vorgehen, die durchg©lass@n@n Strahlen in θinigar Entfernung von der Mantelfläche durch eine absorbierend© Fl&ehe abzufangen, um sie von der Srapfängerflache fern mz halt@n. Wird der Optikkörper dagegen als Vorsatzoptik einer Strahlerfläche benutzt, so kann man den Eintritt von Mcht, das von d@n außerhalb F^ liegenden Teilen der StrahlerfIftehe herrührt, durch Abdeckung dieser Talie der Strahlerfläche v©rhind0rn.

Bei dem Körper nach Fig. 6 weicht die geoiäß dimensionierte asphärische Mantelfläche so wenig von einer Ebene bzw. im Fall eines Rotationskörpers von einem Kegelmantel Eb, daß man sie näherungsweise, wie in Fig. 6 mit Strichpunktlertea Linien angedeutet, durch eins Ebene bzw. durch einen Kegelmantel ersetzen kann. Körper dieser Art sind bereits bekannt. Heu sind jedoch die Maßbeaiehungen, die sieh aus der

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geraäßen Dimensionierungsvorschrift ergaben. Erst beim Einhalten dieser Abmessungen erhält der Optikkörp©r nach Fig. 6 die Eigenschaft, ©in Strahlenbüschel mit dam halben Aperturwinkel *f unter optimaler Liehtkon&antration in ein solches mit einem Aperturwinkel f^a 90° zu verwandeln.

Am Beispiel eines Bsliehtungsmöasers werden int folgenden die Vorteile näher erläutert, die sich bei der Verw@ndung d@r-^p-•Lndu'gemäßen Öptikkörper ergeben.

Photoelektrisch© Belichtungsmesser werden bekanntlich mit einem Meßwinkelbegrenzer ausgerüstet, der den Aperturwinkel der ©infallenden Strahlen dem Bildwinkel üblicher Kameraobjektiv© anpaßt. Der erreichbar© Photostrom hängt von diesem Meßwinkel und der Größe der Empfängerflache ab, da der Photoström primär von dem auf die Bmpfängerfläeh© fallenden Lichtstrom erzeugt wird. Zur Eichung eines Belichtungsnessers bringt man ihn vor die Öffnung eines gleichmäßig mit einer vorgegebenen Leuchtdicht© leuchtenden Lichtkastens. Unter diesen Bedingungen lassen sich die 1ichtteehnisehen Zusammenhänge bei einem Belichtungsmesser durch folgQnd® GrundgleichungQ» beachreibeas

i » <tC φ (10)

j- "" b b

(12)

V* «// B/ A Y^d (13)

Cl

A ~ (si Yt IC
A SXO γ _a

. Ί6 -

Barin sind

i » Photo strom in n&

eC w Stromeiapfindlichkeit des Empfängers in « Lichtstrom in lumen

» Beleuchtungsstarke vor dem Liehtbegrenzer in lux β mittlere Beleuchtungsstärke auf dem Empfänger in lux

F_fe a Erapfängerfläefae in m²

B β Leuchtdichte des Lichtkastens in cd/ra / » Lichtdurchlässigkeit des Lichtbegranssers

Halbwertwinkel der Meßwinkel-

verteiluagskurve

A s Auffangfaktor « Bruchteil der im halben Aperturwinkel ^o i® Vergleich mxm Halbraum Qnthaltentn Lichtstrahlung

¥ a Yerdichtuagafaktor aur Berücksichtigung einer Äperturänderung durch eine forsatBOptik.

Als Ifichtbeg-renzer verwendet man b©i bekannten Auaführungen b@iapi©lsweiee ©in Stegraster, das die einfallenden Strahlen entsprechend einer glockenförmigen Terteilungskurv© mit dem Halbwertwinkel <f abaehattet»(Kurve 1 in Fig. 7). Deragegenüber ist mit dem «mgggemäßen Optikkörper ein© fast rechteckige Winkel verteilung mit dein Grenzwinkel ^ %u erwarten (Kurve 2 in Fig. 7). Schon aus den Pign. 3 bis 6 wird deutlich, daß mit dem agemäßen Optikkörper die Fläche d@s Empfängers verkleinert werden kann. Bei einem fehlerfreien Optikkörper entspricht die Erhöhung der Beleuchtungsstärke dem FlMchenverhältnis. Mr fle» ?erdichtungafaktor ¥ in Gleichung (13) kann man deshalb ansetzen -

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V a

~ 17 -

1/2

in der a und b wi© bisher die hall)® Breite bziw. den Radius geometrisch ähnlichen Lieht-Bintritts- bssw. -Austrittsflach© F_a b&w. F₁₃ des -gemftBen Optikkörpers bedeuten. Wi© bisher ist für eine verkittete Ausführung beispielsweise η « 1,5 und unverkittet η » t &u setzen. Setat man ßleichußg (14) uad (15) in Gleichung (13) ei», so ergibt sich

Aus dieser Sleichuug kanu maa schließen, daß mit einer Aperturoptik die mittler© Beleuchtungsstärke auf d@ro Empfänger bei unver kit töter Ausführung bis auf den Faktor / demjenigen Wert Tor dem Lientbegrenzer entspricht, der sich ergeben wurd©, wenn der Empfänger unmittelbar der der im Auasenraum vorausg©aetaten Halbraurastrahlung ausgesetzt wird« Bei Verkittung mit dam Empfänger kann sia sogar über diesen Wert hinaus gesteigert werden. Bemgegenübtr würde bei Verwendung ©inea üblichen Lichtbegrenzers mit dem Auffangfaktor A nach Gleichung (13) und (14) auf den Empfänger nur die Beleuchtungsstärke einwirken

rr². (17)

Da für den Auffangfaktor i@rt@ zwischen 0,1 und 0,25 gebräuehlieh sind, bringt die Anwendung dea -gemäßen Optikkörpera ©ine Steigerung der Beleuchtungsstärke um den Faktor 4 bis 10, Die erhöhte Beleuchtungsstärke maeht sich bei Gleichlicht in einer Verringerung der Einstellzeit und bei Verwen*

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dung iron Wtehsellicht in einer Abnahme des Rauschens des lmpfangers bemerkbar. Bei Photoelemeiiteii und Photowiderstäi*"-deii tritt außerdem ein© sehr erwtiaschte Abnahne der Einstell-2iait des Photostroffl@8 eis.

Zusammenfassend ergibt sich, daß eine Aperturoptik bei« Belichtungsmesser folgend© Yorteile mit sich briugti Eine I»ichtbegr@nzu.ng erfolgt ohne Abschattung durch Raster oder darglöichonj es werden ©in scharfer örenswinkel und eine fast rechteckige MeßwinkelTerteilung erzitltj im Vergleich zur Lichteintrittsflache kann ein© stark verkleinert© Zellenfläche benutzt werden und die Zeitkonstante wird wesentlich verkleinert.

Die in Fig. 8 im Schnitt dargestellte gemäße Belichtungsraesseroptik hat folgende Eigenschaften

Die Optik leuchtet einen Flächenanteil vom Format 6x6 — eines Photowiderstandes aus. Sie ist dreiteilig ausgeführt und besteht aus der Vorsammellinse I>, dem Kunst stoff körper A.. mit drei asphärischen Mantelflachen und einer für Befestigungeswecke vorgesehenen ebenen Grundfläche sowie schließlich aua einem eingesetzten Kunetstoffkörper Ap rait einer konvexen Lichteintrittsfläche und der asphärisch©» Fläche H.., die einer genau gleichen Fläche H^ des Körpers A- in einem kleinen I*uftabstand gegenübersteht. Die beiden Flächen H^ und Hg dienen der Himmelsiichtbegrenzung. Außerdem wird ©in© Blende B mit einer maximalen Öffnung von 12 mm 0 gur Bingab© von Belichtungsparametern benutzt. In dem in der Zeichnung dargestellten

— IQ —

Meridianschnitt sind Grenastrahlen mit den Neigungswinkeln und 8° βing®gelehnet. Di© 22°-Strahl©n 1,1* erfüllen die Erzeugende der Mantelfläche von A-j glelehioäöig mit Licht. Dementsprechend sind die Kriistßnmgsradien der konvexen Flächen von Ii und Ag gewählt. Dia beiden Optikkörper A* und A£ sind im übrigen nach de» mitgeteilten Hegeln eo öiiaenaioniert, daß die an diesen Flächen total reflektierten Grenzfirtrahlen auf di® tlcht- austrittsfläeh© von A- unter dem Sr©nsswinkel d©r Totalreflexion auftreffen» der für Plexiglas 42,1^a batr%t. Der obengenannte Greazwinkel von 22° ergibt sieh aus der Forderung» daß die Grenz:strahlen dl©« Blende τ©η 12 mm jö einerseits voll aualeuch-

ten und andererseits den Flächenanteil 61611 der Liehtaustrittsflache unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion erreichen.

Die ?/siterhin ©inge ze lehne ten Lichtstrahlen 2,2· mit des Hei~ gungswinkel 8° entsprechen den Ob^ektstrahlen, die durch ©in Objektiv der Brennweite 12,5 mm auf die obere Bildkante eines

Schmalfilmbildes vom Format 5,6-χ 4,8 mm abgebildet werden· Die Fläche H₁ ist so bemessen, daß sie von diesen Strahlen unter dem Greruswlnkal der Totalreflexion erreicht wird· Die stärker geneigten Strahlen 3,3' gleicher Heigungsrichtung werden folglich an der Fläche H^ total reflektiert und von den geschwäraten Flächen S« absorbiert. Geschwärmt ist außerdem der Flächenanteil S^ des Körpers A^, der sich an den Photowideratand Ph anschließt« Himmelalicht mit einem Einfallswinkel von mehr als 8° wird also absorbiert. Im Vergleich zu anderen Arten der Himmelslichtbegrenaung hat die hier gewählte den Vorteil, daß die Optik geradsichtig ausgeführt werden kann. Selbst-

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verständlich könnt© «an auch dadurch eine Himmelsiichtbegrenzung einreichen, daß die Achs© der Belichtungsmtsservor·- satzoptik gegenüber der Objektlvachse schräg nach unten gt~ richtet wird· Demgegenüber kann die geraäsichtig© Bauart billiger ausgeführt warden.

Weitere Anwendungsniöglichkeiten ergeben sich bei einer rasterartigen Ausbildung der ApQrturänd©rung soptik. Fig. 9 55<sigt als Beispiel ein Raster aus Optikkörpern mit ebener &icht~Sißtritts* und -Austritteflache nach den Fign. 3 oder 4, dae mit der B0gr@n2sungsfläehe eines Optikteiles, ζ·Β· einer Planplatta vereinigt ist. Der Zwischenraum zwischen ü®n Hasterkörpern kajßß z.B. mit durchsichtigem, η led erbrechend em Material oder bei vorspiegelten laßtelflachen mit beliebigem, auch lichtabsorbierendem Material ausgefüllt sein. Mit eolchen Rasterplatte», ist β.B. eine konzentrierte Lichteinwirkung auf lichtelektrisch oder photochemisch aktive Schichten möglich· Sowohl die Rasteroptik als auch der einzelne Optikkörper lassen sich mit Vorteil für Kondensor« oder Baleuchtungszwecke, beispielsweise filr einen lichtdurchlässigen Arbeitstisch verwenden» Erwähnt aei auch noch die Möglichkeit, Optikkörper mit ebenen LichtdurchgangaflM.chen mit Prismen, Lichtleitatäben, Glasfasern oder dergleichen isur Weiterleitung des Lichtes vor oder nach der Aperturändarung su kombinieren·

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Claims (1)

1. S c h. u t 2 a η a ρ .r ü c h e

   1. Zusatzoptik, z.B. Optikkörper, zur Änderung der Apertur eines Strahlenbüschels, gekennzeichnet durch eine als asphärische Fläche ausgebildete spiegelnde oder totalreflektierende Mantelfläche (M), die wesentlich zur Aperturänderung beiträgt, sowie einer Licht-Bintrittsflache (Fa) und -Austrittsfläche (Fb), deren Größen sich wenigstens annähernd umgekehrt wie die Quadrate der numerischen Aperturen der sie durchsetzenden Lichtstrahlen verhalten.

   2. Optikkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung seiner Umhüllung, insbesondere seiner Mantelfläche (M), daß, von den üblichen Reflexions- und Absorptionsverlusten abgesehen, der überwiegend© !Peil der Lichtstrahlen, der die Lichteintrittsfläche (Fa) im Bezug auf eine feste Körperaehse mit Neigungswinkeln^^ erreicht, die Lichtaustrittsfläche (Fb) mit Neigungswinkeln j-g; ψ^ verläßt, wobei 'ψ χχηάψ, die halben Aperturwinkel bedeuten, für die der Körper ausgelegt ist.

   3· Optikkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Eintrittsfläche (Fa) und die -Austrittsfläche (Fb) praktisch ebene Kandbegrenzungskurven besitzen, und daß zwischen dem Flächeninhalt J_& und F^ der Randkurven, den Brechzahlen n„ und n, der angrenzenden Aussenmedien und

   a , ο

   den halben Aperturwinkeln Ψ_& und Ψ^ angenähert die Proportion besteht

   ^Fb - "b ^sin2 f b ^:

   4. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich-

   net, daß seine Baulänge so bemessen ist, daß die gesamte Mantelfläche von der Lichteintrittsfläeh® bis !©ar Lichtaustrittafläche von den unter dem halben Aperturwinkel *f _β ©tofallenden, gegebenenfalls an der Liehtöintrittsflache gebrochenen Lichtstrahlen ausgeleuchtet ist.

   5. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei axialsymmetrischer Ausführung im Schnitt in der Symmetrieebene die Erzaugende der Mantelfläche in ihrer Läng© durch die Randstrahlen eines die Lichteintrittsfläche durchsetzenden, unter dem halben Aperturwtekel^f_& einfallenden und gegebenenfalls an der Lichteintrittsfläche gebrochenen Strahlenbündels begrenzt wird.

   6. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche eben sind.

   7. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine Liehteintrittsfläche und/oder seine Lichtaustrittafl^che gewölbt ist.

   8. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 7 oder einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein feil seiner Mantelfläche so geformt ist, daß er die von ihm reflektierten Strahlen auf den Rand der Lichtau8trittsflache konzentriert.

   9. Optikkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, da-

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   durch gekennzeichnet _f d&ß er ale Massivkörper mit g@lt©r» totalreflektierender oder teile versp lege lter, teils totalr©£l@kti@r@nd@r Mantelfläche bew· als Spiegelkaauser ausgebildet iet.

   OptiJsfcörper nach öl©» Ansprüchen t bis 9, dadurch gefesnntseichn®t_t daß er als zwei- oder dreidimensional wirksam änderuögaoptik awsgebil<l©t 1st«

   11« Optikkörper nach äea iasprUchea 1 bis 10, dadurch net, äai er eißtr Strahler- oä©r laipfäiigerfläch© Yorssugswtisö «alt dieser verkittet ist tew· mit ihr 1« optischem Kontakt steht»

   12. Optikkörper »ach Anspruch 11» gek©Miaelehnet durch el»e solehe , daß das Strahlenbüachel» das im Äuasönraum den

   halbeia Aperturwioktl ^f besitist» am Ort der Strahler bssw. lnpfftngerfl-lch© ein© Halbrmtti»strahltt«f, d.h. ein Strahlenbüsehel mit dem halben Aperfcurwiaakel^ » 90° bildet«

   13. Optikkörper aaeh den Anspruch©« 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er von der Strahler- odtr Brnpfftogerfliiaii· dwreh einen Luftspalt oder ein niederbrechendes lediwa geringer Dicfce rait einer derartigen Bemessung getrennt iat, daß die Strahlen, die in diesem ZwiachesiraiirB ά®η halb©» Aperturwintel y^ » 90 aufweisen» vor der dem Strahler bzw· Sapfinger abgeimndten Fläche einen vorherbeatiffliaten halben AS5ertunrinfcei^₀ besitzen·

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   14« Axi&lspMnetrischer W$vp%T mit ebener Ideht-Eintritts- und -Austrittaflaehe XiBQh den Ansprüchen 5, β oder 13» beispielsweise zur Verwendung vor eiatr Bapfiagerflache» dadurch gekennzeichnet, daß die Sygettgend® atiner lantalfläen© iai Moridia»· schnitt teils ein Parabelstück» teils ata« stetig sich anschließend© Gerade darstellt» wobei äi& «ßt@:r dem tP tißfall®3a<äaja SreniSiitrahleii auf d@a ΙοΙφακΜ B2 der Xdehtaustrittsfläeh® (Fig* 1) koa»entriei*t weyd««, wS,hrö»4 <3ie an d@r Geradeja re fielet ie rt@n (rr@»2istrah!@ii äit Üsh tau stritt s~ fläch© unter dem Gran^winkel übt fotalreflexioa arröiehea eie is gaastr Ausäehaiaig ait Ücht ©rfüllta·

   15· AxialayoiiBötrisch©r Kölner mit sphärisch gewölbter Llohteintritteflache naoh üqu AaeprUcha» 5» 7_f 12 od©r 13 beispielsw@is© eur Y©rw©E<3u8g Tor einer Bi^fing©rflach©_f äaäureh k@nazeichnet_# daß die Srseugeaä© der Maatelflache im schnitt im wesentlichen ©in© Hyperbel darstellt» die unter de»

   GrenEwinkelf_e einfallend® Strahlen genlß Fig. 5 der licht« ' a

   austrittsfläche vorwiegend wnter ü®m ©renawinkel der Totalreflexion zuleitet und sie in gansser Ausdehnung mit leicht erfüllt.

   16. Optikkörper naoh den Ansprüchen 7» 11 oder 12» dadurch gekennzeichnet, daß seine der Strahler- oder Eiapfängerflache abgewandte Lichtdurehgsngsfläohe derart gewölbt ist» daß die Strahlung, die vor der Strahler- oder^sBmpfangerfllehe ©ine HaIbraumstrahlung darstellt und im Außenraua den halben Aperturwinkel ^f besitzt, von dieser !»ichtdurchgangsfladhe noch vollständig aufgenommen wird, sie aber ausa Teil streifend durch-

   17. Ro tat ions symmetrischer Optikkörp#r nach den Ansprüchen 7, 11, 12 oder 16, dessen ein© Idchtäurchgangsfläch© gewölbt ist, während die andere mit Qiner Strahler- oder Empfang©rflach© verkittet ist oder mit ihr im optisch©!! Kontakt steht, dadurch gekennaeiohnet, daß sein® Mant@lfläch© als teil- od@r totalr@flektierend©r Kegelmantel solcher Länge ausgebildet ist, daß di© ßrenssstrahlen roit dem halben Aperturwitik@l f_& den Kegelmantel vollständig rsit Licht erfüllen. ''

   18. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß d©r Lichteintrittsfliehe an sich bekannte, die Apertur ändernd® Optiktell© vorgeordnet und/oder der Lichtaustrittsfläche ebensolche nachgeordiaet aind.

   19. Optikkörper nach Anspruch 18, dadurch g@kennz@iehnst, daß die vor- oder nachgeordneten Optikteile auf seine Licht^Biatritta- bzw. -Austrittsflache aufgekittet sind.

   20. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Körpern anderer, beispielsweise prismatischer Form in Wirkv©rbi»dung gebracht ist oder mit diesen Körper» eine Einheit bildet.

   21. Optikkörper nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ©r Teil eines unterschiedlich geformten Gesamtkö'rpers ist·

   22. Optikkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennaelehnet, daß ©r in zwei oder mehr Teile aufgegliedert ist.

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   23. Optikkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die einzelnen Teile des aufgegliederten Körpers Zonen gelegt sind, die mit Luft oder eine» Material mit gegenüber den αθβ Körpers vorsnagsweiet srhtblieh niedrigerem Brechungsindex ausgefüllt sind.

   24. Optikkörper nach den Ansprüchen ! bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Vielzahl gleichartiger Körper zu einem Raster ssusaramengefügt iat, und die zwischen diesen Körpern, deren Mantelfläche vorzugsweise verspiegelt ist, entstehenden Räum® gegebenenfalls mit geeignetem Material ausgefüllt, beispielsweise vergossen sind.

   25. Hasterkörper nach den Ansprüchen 6, 14 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster eine Fläche eines Optikteilea, z.B. einer Planplatte oder einer Linse bedeckt oder mit dem Optikteil eine Einheit bildet, daß ferner die an das Optikteil angrenzenden und vorzugsweise die d©m Optikteil abgewandten Iiichtdurchgangsflächen des Rasters eben sind, und daß das Raster im übrigen vorzugsweise so beraeasen ist, daß es eine da© Optikteil durchsetzende Strahlung begrenzter Apertur in eine Halbraumstrahlung verwandelt.

   26. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bie 25, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens seine Mantelfläche in ein niederbrechendes Material eingebettet ist.

   27. Optikkörper nach den Ansprüchen 1 bis 26, dadurch gekennzeich-

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   , daß Hiinäesteas seine verspiegelt« oder rait ©iaer

   Schicht toedeokte MaotelfXaohe iß ©in äunklee» licht

   tißgsbettst ist.

   . Verwendung eines Körpers aaoh äen Äagfrtichen 1 bis 2T iß Verbindung mit Strahler- ana Bttpfä&gö3*fX%ehett, iasbesonäere licht©lektrisoh odtr photochemiseh aJfctiver Behieht©»·

   29» ?©rw@nduBg ei&@e Körpers ßaeto dös Äasprttoh@n 1 bis 27 2» ö©B3orzw@Olsen, beiepielsveise toei ProJ@fctör@B Ar und Auf lieht.

   ^). Verwendung ©iiaes Körper© »acli Ssn AÄsprtleiien 1 Isis 27 bl©i«lfreiejä Erlauchten ©iß@r Iiohtdwrolila® eigen Arlit it st ischplatt©· ·

   31» Vtrwenduag ©ines Körpers uaefc den Aösprtich®» 1 bip 27 für objektive oä@r eubjiWivt