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Beleuchtungsvorrichtung zur Ausleuchtung eines bestimmten Bildfeldes
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtu.ngsvorrichtun- zur Ausleuchtung eines bestimmten
Bildfeldes, das in bezug auf diese Vorrichtung eine feste Lage hat. Ein sehr bedeutendes
Anwendungsgebiet bildet dabei die Ausleuchtung des Bildfensters eines Projektors.
Aus diesem Grund wird in der nachstehenden Beschreibung hauptsächlich auf diesen
Fall Bezug genommen.
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Die bisher bekanntgewordene Technik verwendet zur Ausleuchtung des
Bildfensters eines Projektors Spiegelkondensor- oder ltom#binierte Systeme, wobei
die Lichtquelle. entweder ins Bildfenster oder ins Objektiv abgebildet wird. Als
Abbildungsort ist hier der Schnittpunkt der von der Mitte der Lichtquelle ausgehenden
Hauptstrahlen zu betrachten. Bei Abbildung der Lichtquelle ins Bildfenster erhält
man einen höheren Lichtwirkungsgrad, da die engste Einschnürung der totalen Beleuchtungslichtröhre
im Bildfenster selbst liegt, während bei Abbildung ins Objektiv notwendigerweise
ein erheblicher Teil des Gesamtlichtstromes von- der Bildfensterbegrenzung abgeschnitten
wird.
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Bei Abbildung ins Bildfenster mittels eines Hohlspiegels muß' der
-räumliche Strahlungsaufnahmewinkel des Hohlspiegels beschränkt werden, da sich
:sonst eine homogene Ausleuchtung des Bildfensters nicht erreichen läßt.
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Betrachtet man gemäß Fig. r im Meridione,lsch:nitt die Beleuchtungsbündel,
welche von der ersten Fläche 2-a des optischen Systems aus nach der Lichtquelle
zielen, so erkennt man, daß die
merkdionalen .und saaittalen Öffnungswinkel
gM und gs dieser Kegel abhängig sind vom Neigungswinkel y der Kegelachse zur optischen
Achse des optischen Systems. Bei einer ebenen Leuchtfläche wird für y = 9dl die
meridionale Apertur gyi der Beleuchtungsbündel zu Null. Bei Abbildung der . Lichtquelle..
ins Bildfenster hat dies bei großem räumlichem Aufnahmewinkel, z. B. 2 n wie in
Fig. i, ein Abfallen der Helligkeit vom Zentrum des Bildfensters nach dessen Rand
hin zur Folge.
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Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß vorzugsweise das zu jedem einzelnen
Bildpunkt gehörige Beleuchtungsbündel die Objektivblende ohne Abschattung passieren
sollte.
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Wird die Lichtquelle ins Bildfenster abgebildet, so kann diese Bedingung
nur durch Anwendung einer Feldlinse am Ort des Bildfensters erfüllt werden, welche
ihrerseits die Austrittspupille des Beleuchtungssystems in die Objektivblende abbildet.
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Diese Feldlinse bietet aber praktische Schwierigkeiten, indem jede
Verunreinigung derselben durch das Objektiv auf den Projektionsschirm scharf abgebildet
wird. Die vorliegende Erfindung gestattet, diese Nachteile zu beheben.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Beleuchtungsvorrichtung, bestehend
aus einer Lichtquelle und einem optischen System zur Ausleuchtung eines Bildfeldes,
dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte System in jeder Meridianebene vier Brennpunkte
aufweist, von denen die ersten zwei Brennpunkte mit dem Rand der Lichtquelle und
die anderen zwei Brennpunkte mit dem Rand,des Bildfeldes zusammenfallen, wobei jeweils
nur das von einem Lichtquellenrandbrennpunkt auf die zugehörige Meridianhälfte der
ersten Fläche des optischen Systems fallende ebene Strahlenbündel in dieser Meridianebene
in dem zugehörigen, auf der anderen. Seite .der optischen Achse liegenden Bildfeldrandbrennpunkt
zur Vereinigung gelangt.
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Die Erfindung wird an Hand der durch die Fig. 2, 5, 6, 7, 8 und 9
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Außerdem sind zum besseren Verständnis
die der Erläuterung dienenden Fig. i, 3 und q. hinzugefügt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig: 2 schematisch
dargestellt, welche einen Schnitt durch einen Hohlspiegel längs einer Meridionalebene
darstellt. Die reflektierende Oberfläche dieses. Spiegels ist rßtationsisymmetri:sch
in Bezug auf seine optische Achse 15-15. Die Erzeugende der Spiegeloberfläche ist
der Teilbogen einer Ellipse, deren eine Hauptachse um einen kleinen Winkel gegen
die Achse 15-15 des Spiegels geneigt ist, welche letztere zugleich die Rotationsachse
der Erzeugenden bei der Bildung der Spiegelfläche ist. Infolge der Neigung der Hauptachse
liegen die beiden #Brennpunkte der Ellipse nicht auf der Achse 15-15 und nehmen
ebenfalls an der Drehung teil. Sie bilden zwei Brennkreise, die in zwei zur Spiegelachse
senkrechten -Ebene liegen.
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Dies wird noch klarer aus einer Betrachtung der Fig. 4 hervorgehen,
welche die Bildung der Spiegelöl .erfläche durch das Rotierenlassen eines Ellipsen-Bogens
als Erzeugende erläutern soll. 5o ist die optische Achse des zu erzeugenden Spiegels.
Die Hauptachse 51 der Ellipse 52, punktiert angedeutet, ist- um einen kleinen Winkel
h gegen die Achse 50 geneigt. Die beiden Brennpunkte 53 und 54 liegen außerhalb,
und zwar auf verschiedenen Seiten der Rotationsachse 5o. Die Oberfläche des Spiegels
55 wird nun erhalten, indem man den dick ausgezogenen Teilbogen 56 der Ellipse um
die Achse 5o rotieren läßt. Um dies klarer zu zeigen ist in ' der Zeichnung ein
Ouadrant des fertigen Spiegels weggeschnitten. Die beiden Brennpunkte 53 und 54
nehmen an der, Rotation teil und bilden die beiden Brennkreise 57 und 58; welche
in den durch die Pfeile 59 und 6o bezeichneten, zur Achse 50 senkrechten
Ebenen liegen.
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Der optische Effekt eines auf obige Weise erhaltenen Spiegels soll
nun an Hand der Fig.2 erklärt werden, wobei diese, wie bereits erwähnt, einen Schnitt
längs einer Meridionalebene des Spiegels darstellt. Die Hauptachse,des erzeugenden
Ellipsenbogens ist so gegen die Spiegelachse geneigt, daß seine Brennpunkte auf
verschiedenen Seiten der optischen Achse i5-15 liegen. Jeder Meridionalschnitt des
Spiegels zeigt zwei Ellipsenbögen 5-io und 5-11, die sich in einem Punkt 5 auf der
Achse 15-r5 treffen, aber keine gemeinsame Tangente in diesem Punkt besitzen. Die
beiden durch die Rotation gebildeten Brennkreise schneiden die mit der Ebene der
Zeichnung zusammenfallende Meridionalebene in vier Brennpunkten o, i, 3 und 12.
Man kann also auch sagen, ein derartiger Spiegel weise in jedem Meridionalschnitt
vier Brennpunkte auf. Entsprechend dem in Fig.2 gewählten Sinn der Neigung der Ellipsenachse
gegenüber der Spiegelachse gehören die Brennpunkte i und 3 zum Teilbogen 5-iö und
die Brennpunkte o und 12 zum Teilbogen 5-11 des Meridianschnittes.
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Nach den Gesetzen der geometrischen Optik vereinigen sich alle von
einem Brennpunkt einer Ellipse ausgehenden und von ihr reflektierten Strahlen in
ihrem zweiten Brennpunkt. In dem in Fig.2 gezeigten Meridianschnitt vereinigen sich
also alle von dem ersten Brennpunkt i ausgehenden Strahlen im zweiten Brennpunkt
3, soweit sie durch den zugehörigen Bogen 5-io@ reflektiert werden, wie dies durch
ausgezogene Linien angedeutet ist. Dasselbe gilt- für die vom Brennpunkt o ausgehenden
und vom Bogen 5-l i reflektierten strichpunktierten Strahlen, welche sich in Punkt
1.2 vereinigen.
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Wird jetzt eine -Lichtquelle mit flacher, kreisförmiger strahlender
Fläche, z. B. der positive Krater einer Bogenlampe, deren Durchmesser mit dem des
ersten Brennkreises übereinstimmt, in die erste Brennebene, d. h. die Ebene des
ersten Brennkreises, gelegt, so liegen in jedem Meridianschnitt die ersten Brennpunkte
jeweils auf gegenüberliegenden Randpunkten der Lichtquelle. Infolge der oben beschriebenen
Wirkung der Spiegelfläche werden diese Randpunkte jeweils durch den zugehörigen
Halbbogen der Spiegelfläche punktuell im zugehörigen zweiten Brennpunkt abgebildet.
So
gehen z. B. alle vom Randpunkt i ausgehenden und vom Bogen 5-io
reflektierten Lichtstrahlen durch Punkt3 des zweiten Brennkreises. In dieser zweiten
Brennebene wird vorzugsweise das zu beleuchtende Objekt, z. B. das Bildfenster eines
Projektors, angeordnet. Elementarlichtkegel, welche jeweils die volle lichtaussendende
Fläche der Lichtquelle als Basis besitzen und deren Spitzen auf Punkten der Spiegeloberfläche,
z. B. 7, 8, g oder io, liegen, werden in der Weise reflektiert, daß sie durch das
Innere des zweiten Brennkreises, d. h. in Fig. 2 von dessen Schnitt 3-i2, gehen
und somit ausschließlich diesen beleuchten. Dies ist dann-der Fall, wenn das Verhältnis
des Durchmessers des zweiten Brennkreiss zu .dem des ersten Brennkreises :gleich
groß oder größer ist als die Axialvergrößerung des Spiegels, welche ihrerseits gegeben
ist durch das Verhältnis der senl;recht2#n Abstände der beiden Brennebenen vom Durc'hstoßpunkt
der optischen Achse durch die Spiegeloberfläche.
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Z'orteilhafterweise wird der zweite Brennkreis so groß gemacht, daß
das zu beleuchtende Objekt, z. B. das Bildfenster, gerade von ihm umschrieben wird.
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Da sich alle Randstrahlen der obenerwähnten Elementarlichtkegel im
Randpunkt 3 des zweiten Brennkreises vereinigen, steigt demgemäß die Intensität
des vom oberen Halbbogen 5-io reflektierten und auf die Strecke 3-i2 fallenden Lichtes
in Richtung auf den Punkt 3 an, d. h. die vom Halbbogen 5-io herrührende Beleuchtungsstärke
in der zweiten Brennebene besitzt einen Höchstwert am Rand des zweiten Brennkreises.
Die vom unteren Halbbogen 5-11 herrührende Beleuchtungsstärke weist eine in entgegengesetzter
Richtung verlaufende Verteilung auf. Da die von beiden Halbboen herrührenden Beleuchtungen
sich überlagern, ist, die resultierende Beleuchtungsstärke über den Durchmesser
3-12 des Brennkreises nahezu gleichmäßig verteilt. Exakt wird dies erreicht, wenn
das' Verhältnis der Durchmesser der Brennkreise gerade so groß gemacht wird wie
die Axialvergrößerung des Spiegels.
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Der oben beschriebene Effekt wird auch durch Fig.3 verdeutlicht, welche
die Bilder der Lichtduellen darstellt, die in der zweiten Brennebene durch einzelne
Punkte des in Fig.2 gezeigten Meridianschnittes des Spiegels entworfen werden. 3-1-2
ist der in der Ebene des Meridianschnittes der Fig.2 liegende Durchmesser des zweiten
Brennkreises. Die Ellipsen 7, 8 und 9 stellen die Bilder der kreisförmigen, in der
ersten Brennebene liegenden Lichtquelle dar. Die gegen den Rand der Spiegeloberfläche
hin abnehmenden meridionalen und sagittalen öffnungzwinkiel (vgl. Fig. i) der zugehörigen
Elementarlichtkegel entsprechen dem Raumwinkel, unter dem die Lichtquelle von den
entsprechenden Punkten der Spiegeloberfläche gesehen wird. Ihre von. den einzelnen
Elementarlichtkegeln entworfenen .Bilder sind deshalb Ellipsen, «-elche infolge
des oben beschriebenen Verhaltens der erfindungsgemäß geformten Spiegeloberfläche
eine gemeinsame Tangente im Punkt 3 besitzen. ' Der vom ),Iittelpunkt des Spiegels
5 ausgehende Elementarlichtkegel erzeugt ein kreisförmiges Bild, während das zu
Punkt io, welcher am Rand des Spiegels in der Ebene der Lichtquelle liegt und diese
deshalb streifend sieht, gehörige Bild zu einer Strecke degeneriert. Bei Einhaltung
der obigen Bedingung für die gegenseitigen Größen von Brennkreisen und Axialvergrößerung
fällt der zu Punkt 5 gehörige Bildkreis gerade mit dem Brennkreis in der zweiten
Brennebene zusammen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
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Da ,der Spiegel rotationssymmetrisch ist, überlagert sich die zu allen
Punkten seiner Oberfläche gehörige Vielzahl dieser Elementarbilder in solcher Weise,
daß die Beleuchtungsstärke bei Einhaltung der obenerwähnten Bedingung über die gesamte
Fläche des zweiten Brennkreises konstant ist. Die bisher übliche Abbildung der Lichtquelle
durch die Hauptstrahlen der Beleuchtungsbündel in Fig. i wird also ersetzt durch
eine besondere Abbildung von Randstrahlen, während die vom Innern der Lichtquellenfläche
ausgehenden Strahlen ins Innre des Bildfeldes geleitet werden.
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Die Hauptstrahlen der Bündel durchstoßen das Bildfeld nicht mehr im
Zentrum, sondern sind um so mehr gegen den Rand hin verschoben, je kleiner die Apertur
des zugehörigen Bündels ist. Aus diesem Grund erhält man trotz des großen räumlichen
Aufnahmewinkels des Spiegels (2.T) eine sehr homogene :%,usleuchtung des Bildfeldes.
Bei der beschriebenen Anordnung liegen der zweite Brennpunkt (auf dem Bildfeldrand)
und die zugehörige Meridianhälfte auf der einen Seite, der erste Brennpunkt (auf
dem Lichtquellenrand) auf der anderen Seite der optischen Achse. Eine andere Möglichkeit
der Zuordnung besteht darin, daß der erste Brennpunkt und die zugehörige Meridianhälfte
auf der einen Seite der optischen Achse liegen, der zweite Brennpunkt dagegen auf
der gegenüberliegenden Seite.
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Die obere Meridiankurve der Spiegelfläche ist in diesem zweiten Fall,
wie in Fig.5 unter Hinzufügung eines '-*= zu den in Fig. 2 gewählten Bezugsziffern
dargestellt ist, wiederum ein Ellipsenbogen 5'@-10*, de3,sen Brennpunkte einerseits
durch :den L.ichtquellenrandpunkt o':`, andererseits durch den Bildfeldrandpunkt
12'@` gegeben sind, während die untere Meridiankurve 5''`-i 1@ einen symmetrisch
zur Rotationsachse 15* liegenden Ellipsenbogen mit den Brennpunkten i'@ und 3" darstellt.
Die Ellipsenachsen sind wie auch im Fall von Fig. 3 zur Rotationsachse in einem
kleinen Winkel geneigt, aber in entgegengesetzter Richtung.
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Wiederum ergibt sich bei diesem Spiegel der Effekt, daß alle von der
mit dem ersten Brennkreis zusammenfallenden Lichtquelle ausgehenden Strahlen, soweit
sie auf die Spiegelfläche treffen, bei geeigneter Wahl der Brennkreisdurchmesser
und der Axialvergrößerung die zweite Brennebene ausschließlich innerhalb des zweiten
Brennkreises durchstoßen und bei Einhaltung der ebenfalls obenerwähnten Bedingung
eine nahezu konstante Beleuchtungsstärke über den ganzen zweiten Brennkreis
erreicht
wird. Wie in Fig. 5 durch den Pfeil 14* angedeutet ist, gibt es eine zur optischen
Achse 15* des Spiegels senkrechte Ebene, in welcher das gesamte vom Spiegel :ausgehende
Lichtbündel eine Einschnürung besitzt. In dieser Ebene wird zweckmäßigerweise bei
Bedarf eine Aperturblende angebracht; da in dieser Ebene die Beleuchtungskegel sämtlicher
Punkte des in der Brennebene erzeugten Beleuchtungsfeldes eine gemeinsame Basis
besitzen. Während bei der in Fig.4 gezeigten Anordnung diese Ebene @zwischen den
beiden Brennebenen liegt, befindet sie sich bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung
in Lichtrichtung hinter der zweiten Brennebene.
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In Fig.6 sind nur die Beleuchtungsbündel der Randpunkte 3 und z2 (nicht
die vom Hohlspiegel ausgehenden Strahlenbündel) gezeichnet. Man erkennt, daß von
3 aus gesehen der Spiegelteil 10-z4, von i2 aus gesehen dagegen der Spiegelteil
z3-11 leuchtet.
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Wird ein großer Abstand zwischen dem Bildfenster und der Lichtquellenfläche
verlangt, was z. B. bei Bodenlampen durch die notwendige Länge der Positivkohle
gegeben sein kann, so wird zweckmäßigerweise ein telezentrischer Strahlengang angewendet,
um einen allzu großen Beleuchtungsspiegel zu vermeiden.
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Fig. 7 zeigt, wie eine derartige Anordnung durch Kombination eines
Hohlspiegels :2o mit einer Sammellinse 21 realisiert werden kann.
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Die obere Meridionalkurve des Spiegels stellt einen Parabelbogen dar;
dessen Achse 22 parallel zur Rotationsachse 23 des optischen Systems liegt und dessen
Brennpunkt sich auf dem Lichtquellenrrand i befindet, während die untere Meridionalkurve
einem Pärabelbogen entspricht, dessenBrennpunkt in o liegt.
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Alle aus i kommenden- Strahlen werden über den oberen Spiegelbogen
achsenparallel reflektiert, während alle aus o kommenden Strahlen über den unteren
Spiegelbogen achsenparailel gemacht werden.
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Alle achsenparällelen Strahlen oberhalb der Hauptachse 23 sollen im
Bildrandpunkt 24, jene unterhalb der Hauptachse im Bildrandpunkt 25 vereinigt werden.
Diesen Zweck erfüllt eine hyperboloidische Sammellinse 21, deren oberer Meridionalschnitt
die optische Achse 17 hat, während der symmetrische untere Meridionalschnitt die
optische Achse 18 aufweist. Die hyperbolische Sammellinse bildet bekanntlich das-
Gegenstück zum Parabolspiegel, d. h. parallele Lichtstrahlen sammeln sich exakt
in ihrem Brennpunkt.
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Der Bildrandpunkt 3 ist also Brennpunkt des oberen, der Bildrandpunkt
12 entsprechend Brennpunkt des unteren Meridionalschnittes der Linse2i.
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Die Gesamtanordnung der Fig.7 zeigt genau dieselbe Wirkungsweise wie
jene der Fig. 2 und 5.. Eine dritte Anordnung, welche eine Verkleinerung der Linse
gestattet, findet sich in Fig. 8 j dargestellt. Diese Form ist besonders geeignet
für Kinolampen, welche mit großer Beleuchtungsapertur im Bildfenster arbeiten. Die
Form des Spiegels 26 entspricht jener der Fig. 2 und 5. Dem Bildfeld der Fig. 2
und 5 entspricht hier das Bildfeld 27; durch die Wirkung dgr Linse 29 wird der Strahlengang
auf das kleinere Bildfeld 28 konzentriert und die Apertur der Beleuchtungsbündel
im Bildfeld damit entsprechend erhöht.
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Das optische System kann auch aus zwei Kondensorlinsen bestehen, was
besonders für Schmalfilmprojektion -mit Glühlampen in Frage kommen kann. Fig. 9
zeigt eine derartige Anordnung. Der obere Meridianschnitt der hyperboloidischen
Linse 30 hat seinen Brennpunkt im Lichtquellenrand i, während der obere Meridionalschnitt
der Linse 31 seinen Brennpunkt im Bildfeldrand hat. Für die untere Hälfte des telezentrischen
Strahlenganges gelten symmetrische Beziehungen. Insgesamt werden wiederum alle vom
Lchtquellenrand i nach der oberen Linsenhälfte zielenden Strahlen im gegenüberliegenden
Bildfeldrand 3, jene vom Lichtquellenrand o nach der unteren Linsenhälfte ausgehenden
Strahlen im Bildrandpunkt 12 vereinigt.
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Die beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen haben einen hohen Lichtwirkungsgrad,
indem die engste Einschnürung der gesamten beleuchteten Lichtröhre in der Bildfeldebene
liegt. Es findet dabei weder eine scharfe noch unscharfe Abbildung der Lichtquellenfläche
ins Bildfeld statt, vielmehr wird jede Anhäufung von Hauptstrahlen im Bildfeld vermieden.
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Dadurch wird eine eventuelle inhomogene Struktur der Lichtquelle im
Bildfenster unwirksam gemacht, was :bei der Projektion rnit Glühlampen besondere
Vorteile bietet, indem die Wendeln des Lichtfeldes im Bildfeld zum Verschwinden
gebracht werden.
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Bei Zugrundelegung einer nicht kreisförmigen Bildfläche gelten die
vorstehenden Betrachtungen sinngemäß in jedem Meridanschnitt.
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Neben den optischen Vorteilen bietet ein solcher Spiegel oder solche
kombinierten Spiegel- und Linsensysteme noch den weiteren Vorteil der sehr einfachen
Herstellung der rotationssymmetrischen Oberflächen, da für diese die für die Erzeugung
normaler Spiegel. oder Linsen allgemein üblichen Vorrichtungen verwendet werden
können, wobei lediglich zusätzlich die Neigung oder Verschiebung der erzeugenden
Kurve zu berücksichtigen ist.