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Linsentypen

Für einen guten Wirkungsgrad sprechen eine großer Linsendurchmesser und die Nähe zum Leuchtmittel. Die Nähe des Leuchtmittels wiederum benötigt eine kleine Brennweite, was wiederum eine sehr dickbauchige Linse bedeutet. Dagegen ist eine große Brennweite besser für einen engen Abstrahlwinkel mit guter Lichtverteilung.  Folglich ist ein Kompromiss der Gegensätzlichen Parameter zu finden. Stellt man den Scheinwerfer in Spotstellung, also engen Abstrahlwinkel, so ist das Leuchtmittel im Brennpunkt der Linse. Betrachten wir hier mal eine Plankonvexe Linse (PC).

Für einen engen Abstrahlwinkel zu erreichen ohne Wendelabbildung kann man z.B. ein Frostfilter einsetzt. Gleichzeitig wirkt man der Eigenschaft entgegen, das kurzwelliges Licht stärker gebrochen wird wie langwelliges Licht. Das bedeutet, das rotes Licht nicht so stark abgelenkt wird von der Linse wie blaues Licht. Innerhalb des Lichtfeldes spielt das keine Rolle, da sich dort die Blauen und roten Anteile wieder überlagern und weiss ergeben. Aber an Randbereichen und dort wo abgeschattet wird kann dann eine Farbe übrig bleiben. So ist oftmals ein roter Rand bei PC-Scheinwerfern zu sehen.

Langwelliges Rot wird weniger stark gebeugt als kurzwelliges Blau

Hier reicht es das man mit einem Frost, also einer zufälligen Überlagerung jede Farbextration entgegenwirken kann. Eine andere Alternative statt Frostfilter ist es, die Plankonvexe Linse auf der planen Seite wie Milchglas anzurauhen also zu frosten. Das Ergebnis ist sehr gut, jedoch wird dann meist sehr viel Licht verloren, so das eine andere Lösung sich durchgesetzt hat.


Plankonvexe Linse mit gefrosteter Ebene - schluckt sehr viel Licht und wird in der Regel nicht eingesetzt.

Struktur einer PPC (Anmerkung:  

Die Linse darf auch mal geputzt werden)

Die alternative gegen zu hohen Lichtverlust bei Milchglas ist die Möglichkeit auf der Planen Seite eine leichte Struktur aufzubringen, die genügend Licht streut das der Abbildungseffekt des Leuchtmittels nicht auftritt, aber dennoch sehr Lichtdurchlässig ist. Diese Struktur wird oft als kleine punktförmige Erhöhungen aufgebracht so wie Blasen, deshalb der Name Pebbel Plan Konvex Linse (PPC).

Während in französischen Theatern der Plankonvexe Scheinwerfer bevorzugt wird, da man mit ihm ein härteres Licht erhält, sowie  die Abschattung der Torklappen zu schärferen Ergebnissen führt als mit einer Pebbel-Plankonvexen Linse, so haben sich in deutschen Theatern die Pebbel-Plankonvexen Linsenscheinwerfer weit verbreitet. Dort sieht man die unschönen Abbildungen der Wendel beim engen Abstrahlwinkel als nicht tragbar an. Beiden Gemein ist das Sie gerne in Theatern den Vorteil aufweisen sehr hartes Licht liefern zu können und bei großen Entfernungen mit engen Abstrahlwinkel wesentlich weniger Streulicht verursachen wie die Fresnellinse.


Schematische Linsendarstellung Plankonvexe Linse; Pebbel-Plankonvexe Linse (auch oft mit PB abgekürtzt)

Pebbel-Plankonvexe Linse

Fresnellinse

Die Dritte Linse im Bunde ist die Fresnel- oder Stufenlinse. Wie wir bereits wissen, werden für leistungsstarke Scheinwerfer aufgrund der großen Wendelabmessung auch große Linsendurchmesser benötigt. Für eine kompakte Scheinwerferbauform muss diese Linse recht dickbauchig sein. Eine PC bzw. PPC-Linse würde also aufgrund der verwendeten Glasmasse recht schwer werden. Nun ist es ja so, dass das Licht seine Richtung nur bei den Grenzflächen ändert, also beim Übergang von einem dünneren Medium in ein dichteres Medium.

An der Grenzfläche wird das Licht wird zur dichteren Medium hin gebrochen

Dazu kann man sich eine Truppe Marschierender Soldaten vorstellen, die von einem Teerweg seitlich abkommen und in ein matschiges Feld eintreten. Die ersten aus der Formation zum Feld hin werden langsam aufgrund des dichteren Mediums Matsch, während die außen am Rand noch auf dem Teer schnell marschieren können. Dadurch verändert sich beim gleichen Tritt die Marschrichtung. Die Bewegungsrichtung wird zum dichteren Medium hin gebrochen.


Folglich ist bei der Linse das ganze Glas innerhalb der Linse ohne Funktion da es keine Grenzfläche darstellt. So kann man es herausschneiden und nur noch die Grenzflächen übrig lassen, um die gleiche Brennweite zu erhalten. Dies hatte damals der Herr Augustin Jean Fresnel entdeckt und bei Leuchttürmen eingesetzt, weshalb die Stufenlinse auch Fresnel genannt wird. Die Fresnellinse (F) weist aber viele Kanten auf, bei der sich das Licht in ungewollte Richtungen hin bricht, und somit ein hohes Streulicht darstellt. Diese Streuungen sind regelmäßig. Deshalb wird in der Regel ein weiterer Streueffekt hinzugefügt, indem die Plane Seite wie die der Pebbel-Planconvexe Linse ebenfalls eine Strucktur erhält, damit ein sehr homogenes Lichtfeld entsteht. Ein solch stark streuender Scheinwerfer hat den Vorteil, das der Lichtkegel zum Rand hin weich ausläuft. In der Praxis wird so ein Übergang von einem Scheinwerfer zum andern somit unsichtbar. Gerade im Aufzeichnungsbereich, als Film und Fernseh, wo Kameras sehr sensibel auf Lichtübergänge reagieren ist damit die Stufenlinse die erste Wahl und wird gerne für Führungslicht und Spitzlicht eingesetzt.   

Fresnell (Stufenlinse) entsteht durch Weglassen von „Füllstoff“

Die Struktur auf der Planen Seite einer Stufenlinse

Reale Linsen von links nach rechts: Fresnel, Pebbel-Plankonvex, Fresnell (Quelle: Lightpower)

Die kompakte Bauform der Stufenlinse hat weiterhin den Vorteil, das bei Temperaturerhöhung, was in der Nähe des Leuchtmittels zwangsweise auftritt, das Material aufgrund weniger Masse sich gleichmäßiger aufwärmt als z.B. eine PC-Linse mit gleicher Brennweite. Folglich ist ein Linsenplatzen durch Temperaturspannungen geringer als bei PC oder PPC Linsen. Dagegen sind die F-Linsen gerader bei sehr dünner Ausführung leichter zerbrechlich bei mechanischen Einflüssen.

Weiterhin bedeutet dies auch, das das durch die starke Bündelung bei kleinerer Brennweite als beim PC kann die Bauform von einem Fresnelscheinwerfer erheblich kürzer gestaltet werden.



Diese Skala eines Wechsellinsen-Scheinwerfers für alle drei Linsentypen verdeutlicht die benötigten Abstände für einen engen Abstrahlwinkel und der damit verbundenen unterschiedlichen Baulänge des Scheinwerfers.

Eine Überfokusierung erzeugt eine Strahlenbündelung außerhalb des Scheinwerfergehäuses

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Die Lichtstrahlen sollten dann eigentlich parallel aus dem Scheinwerfer austreten. Da die Linse ja gleichzeitig auch eine Lupe darstellt, wird die Linse auch die Wendel des Leuchtmittels abbilden. Das entspricht aber nicht das was wir unter einem homogenen Lichtfläche verstehen. Deshalb muss man diese Abbildung versuchen zu verhindern. Einige Scheinwerferhersteller lassen einen Fahrweg bis in den Brennpunkt nicht zu, was wiederum keinen engen Abstrahlwinkel erlaubt, jedoch einen Scheinwerfer kurzer Bauform ermöglicht. Grundsätzlich sollte der Verfahrbereich der Linse zum Leuchtmittel nicht über den Brennpunkt hinausgehen, da ansonsten die Lichtstrahlen in einigen Abstand vor dem Scheinwerfer erneut verdichten bzw. die Wendel abgebildet wird und damit an diesem Punkt es sehr heiß werden kann, und damit eine Brandgefahr ausgehen kann.