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Der Linsentubus - Das Abbildungssystem

Um ein Lichtfeld scharf abzubilden benötigt man eigentlich nur eine Linse, wenn man mal von dem noch einfacheren Prinzip der Lochkamera einmal absieht. Gegenüber der Lochkamera hat man mit der Linse die Möglichkeit das abzubildende Objekt zu vergrößern. Das Abbildungssystem des Profilscheinwerfers trägt maßgeblich zur Qualität des Scheinwerfers bei. Dieser Bildwerfer oder auch Projektor vergrößert ein reelles Bild und bildet es auf einer Fläche wieder ab. Entfernt man sich aus dem Bereich der Profilscheinwerfer, dann nennt man, bzw, kennt man den Begriff Diaprojektor, bei dem das abzubildende Objekt mit Licht durchflutet wird, so wie beim Profilscheinwerfer eben auch. Nebenbei; wird das Objekt jedoch mit Licht angestrahlt, dann nennt man das System Epidiaskop.


Nun wie funktioniert eine Linse die wir im Linsentubus zur Abbildung verwenden? Dazu sehen wir uns folgendes Prinzpbild an:



Parallel auftreffende Lichtstrahlen werden zum Brennpunkt hin gebrochen. Lichtstrahlen die aus dem Brennpunkt heraus auf die Linse treffen verlassen die Linse parallel zur optischen Achse. So lässt es sich leicht auch zeichnerisch die Vergrößerung ermitteln. Bei dicken Linsen haben wir jedoch erhöhten Aufwand, da man hier mit zwei Hauptebenen arbeiten muss. Nähert man die beiden Hauptebenen an, so das Sie nur eine Ebene bilden, sprechen wir von dünnen Linsen. Für dünne Linsen gilt dann die


Schleiferformel: 1/f = (n-1)(1/r1 – 1/r2) = 1/g + 1/b

mit

r1, r2 = Krümmungsradius     

n = Brechzahl des Linsenmaterials

g = Abstand Objekt zur Hauptebene

b = Abstand Projiziertes Bild zur Hauptebene


Nebenbei für diejenigen die eine Sehhilfe einsetzen, ist er Begriff Dioptrie (dpt) ein gängiger Begriff. Die Brechkraft B wird in der Einheit Dioptrie angegeben und die Brechkraft wiederum ist der Quotient aus der Brechzahl des Linsenmaterials (n) und der Brennweite (f), kurz B=n/f.

Jetzt bewegen wir das Objekt einmal von der Linse weg und betrachten uns das projizierte Bild. Befindet sich das Objekt in zweifacher Entfernung der Brennweite, so wird das projizierte Bild gleich groß dargestellt. Bei weiterer Objektentfernung zur Linse würde das projizierte Bild sogar verkleinert werden, was für unsere Anwendungen natürlich keinen Sinn macht.

An diesem Beispiel lässt sich auch erkennen, wie man grafisch die Abbildungsentfernung noch bestimmen kann. Dazu wird vom einem beliebigen Punkt vom Objekt ein Lichtstrahl der parallel zur Optischen Achse verläuft, bis zur Linsenhauptebene gezogen. Dann wird von dort eine Linie durch den Brennpunkt der Linse gezogen. Nun wird statt der Brennpunktlinie eine Linie vom Objekt durch den Mittelpunkt der Linse gezogen. An dem Schnittpunkt der beiden Linien entsteht nun ebenfalls ein scharf projiziertes Bild. Denn der Mittelpunktstrahl verlässt fast ungebrochen die dünne Linse. Bewegen wir nun die Linse zum Brennpunkt hin, vergrößert sich die Abbildung in größerer Entfernung, so wie wir es für unseren Profilscheinwerfer benötigen. Zum einen erkennen wir, das man den ersten Brennpunktstrahl nur mittel verlängerten Hilfslinie konstruieren könnten, und zum anderen verdeutlichen wir an diesem Beispiel, das viele Lichtstrahlen die Linse nicht erreichen. Somit ist also auch die Linsengröße für den Wirkungsgrad des Profilscheinwerfers von Bedeutung, wie aber auch wie das Licht, dass das Objekt durchleuchtet und möglichst auf die Abbildungsoptik fallen soll, jedoch mehr dazu später.


Bewegen wir das Objekt auf den Brennpunkt zu, so erkennt man dass die Abbilddungkonstruktionslichtstrahlen immer mehr parallel verlaufen und letztendlich keinen Kreuzungspunkt mehr geben. Es wird kein Bild mehr projiziert. Das abzubildende Objekt, von nun an wollen wir es die Abbildungsebene nennen in der die später beschriebenen Funktionen wie Iris, Blendenschieber oder Gobos platziert sind, befindet sich folglich zwischen einfacher und doppelter Brennweite der Linse. Die Linse arbeitet rotationssymmetrisch und bildet das Bild wie man bereits an den Prinzipdarstellungen sehen konnte, deshalb seitenverkehrt und auf dem Kopf stehend ab.


Da das Auftreffen des Lichts auf eine Wand, die sich in einem bestimmten Abstand befindet, wahrscheinlich nicht mit der Brennweite und Objektabstand zur Linse verhältnismäßig übereinstimmt, um das Bild scharf wiedergegeben, wird eine Linsenverstellung benötigt, um nach 1/f =1/g + 1/b mit f = Konstant und b gegeben eben die richtige Entfernung der Abbildungsebene zur Linse (g) zu realisieren. Unschärfe ist zwar in der Regel im Theater gewollt, um nicht so harte Übergänge von einem Scheinwerfer zum anderen zu erhalten bzw. auch um die Farbränder zu beseitigen, die sehr störend sind, wenn ein Schauspieler mit seinem Gesicht durch so eine Farbkante läuft. Um jedoch das Bild dann doch scharf zu stellen, um das zu projizierende Firmenlogo richtig scharf abzubilden, kann die Linse zur Abbildungsebene verschoben werden. Dies bewerkstelligt man oft, indem ein Tubus der die Linse beinhaltet verschoben wird. Seltener zu finden sind Profilscheinwerfer mit Festbrennweite, wie man auch das Abbildungssystem mit nur einer Linse nennt, bei denen die Linse im Tubus selbst verschoben wird. Denn wenn man einen Tubus einsetzt, ist es nahe liegend, das man Ihn so gestaltet, das man Ihn schnell und leicht gegen andere Tuben mit anderen Brennweiten bzw. Abstrahlwinkeln austauschen kann, eben ein Wechseltubuensystem.



Beispiel für Linsentubus (3)

mit Wechseltubus hier 19° bestückt (3)

mit Wechseltubus hier 10° bestückt (3)

mit 50°, ohne der Möglichkeit den

Tubus zu wechseln (3)

Quellenverzeichnis:

(1) Taschenbuch der Physik (Stöcker)

(2) Dtv-Atlas zur Physik (Band 1)

(3) Lightpower

(4) Didaktik der Physik Erlangen (Thomas Lettner)


Die Qualitäten der Linsenverschiebung entsprechen analog den Arten wie wir Sie z.B. auch bei den Linsenscheinwerfern kennen lernen konnten. Hier sollte man noch ein Augenmerk auf das verwendete Befestigungssystem des Tubus verwenden. Vorbildlich ist z.B. eine Fixierung der Position mit einer Rädelschraube und einer weiteren festen Schraube die sich nur mittels Werkzeug lösen lässt. Denn wenn der Wechseltubus nur mit einer Fixierungsschraube befestigt ist, kann er auch mal herausrutschen, und wenn dann der Tubus kein Sicherheitsseil hat, was in der Regel der Fälle so ist, nun dann fällt der Tubus hoffentlich nur auf den Bühnenboden. Denn es gibt auch Profilscheinwerfer mit Wechseltubus, bei denen zwar zwei Befestigungen vorhanden sind, welche aber beide aus einer Handverdrehbaren Rädelschraube bestehen und beide zum Verstellen geöffnet werden müssen. Hier kann man sich leicht vorstellen, das mal eine Schraube nicht angedreht wird. Denn meist ist es die Nachlässigkeit die zu Unfällen führt, und wenn man dies einfach Konstruktionsseitig bereits verhindern kann, dann sollte man solche Systeme auch bevorzugen.    




Einfache Feststellschrauben, gegen Selbstlösen nicht gesichert.

Akzeptable Lösung um den Tubus gegen unbeabsichtigtes Herausfallen zu sichern

Anhand der Detailaufnahmen einer Projektion sind deutlich Unterschiede in der Abbildungsqualität zu erkennen. Denn einfach eine Linse in den Strahlungseingang zu bringen ist nur die halbe Miete. Damit auch ein besseres Projektionsergebnis erfolgt, kann man die Linse noch verbessern.

Bei Detailaufnahmen von Projektionen von einem Scheinwerfer zum anderen sind deutliche Unterschiede auszumachen.

Die sphärische Aberration bzw. Kaustik hatten wir bereits unter Linsenscheinwerfern besprochen. Nur Achsnahe parallel einfallende Strahlen schneiden sich genau im Brennpunkt. Je weiter die parallelen Lichtstrahlen von der optischen Achse entfernt auf die Linse treffen, schneiden diese immer weiter vor dem Brennpunkt die optische Achse. Es entsteht ein Zerstreuungskreis bzw. ein Lichtfleck um die Abbildung. Man könnte dies mit einer nachgeschalteter Zerstreuungslinse oder einem speziellen Linsenschliff kompensieren, jedoch ist diese Korrektur mittels Zerstreuungslinse nur für eine festgelegte Objektentfernung möglich und speziellen Schliff der Linse findet man allenfalls bei der Kondensoroptik. Jedoch kann man sich anderweitig helfen, indem man dafür sorgt, dass nur Lichtstrahlen zur Abbildung verwendet werden, die eben nah an der optischen Achse sich befinden. Bei einem Halogenprofilscheinwerfer benutzt man dafür den Donat, was eigentlich nichts anderes ist als eine Lochblende, die in das Fach der Farbfolien eingeschoben wird und dafür sorgt, dass die Lichtstrahlen vom Rand abgeschattet werden.

Donat in der Anwendung (Sitz in der Farbfilterkasette). Die ringförmigen Schlitze sind Durchbrüche zum einfachen ausbrechen um den Durchmesser für seine Bedürfnisse anpassen zu können

Neben der sphärischen Aberration ist noch die chromatische Längsaberration bzw. der Farbfehler. Wie wir bereits aus dem Kapitel Scheinwerfer her wissen weisen blaue Lichtstrahlen einen kürzeren Brennpunkt als rote auf. Abbildungen mit weißen Licht haben einen farbigen Saum zur Folge. Zur Korrektur könnte auch eine Zerstreuungslinse mit abweichenden Dispersionsverlauf wie Kronglas oder Flintglas, eingesetzt werden (Achromat), findet aber in Profilscheinwerfern keine Anwendung.


Der Astimatismus tritt bei Abbildungen auf die nicht aus dem Zentrum heraus projiziert werden. Der Bildpunkt ist oval verzerrt und unscharf. Zur Korrektur werden Kombinationen von Linsenformen angewendet die sogenannten Anastigmaten. Der Koma oder Asymetriefehler kommt ebenfalls von den Abbildungen die nicht aus dem Zentrum heraus projiziert werden, jedoch zusätzlich neben dem schief zur optischen Achse einfallende parallele Strahlenbündel noch durch eine Blende begrenzt wird. Die Abbildung ist oval mit einem Kometenschweifförmiger Verformung, welche wir oft von unseren Profilscheinwerfern her kennen. Der Fehler hängt stark von der Position und Form der Blende ab. Eine Korrektur kann durch geeignete Positionierung der Blende erfolgen oder durch weiter Korrekturlinsen.  



Mittig noch scharf, am Rand hin wird es unschärfer


Trift ein Lichtbündel auf die Linse, so sind zwei Grenzflächen zu überwinden. Dabei ist es so, dass pro Grenzfläche noch ca. 4% des Lichtes reflektiert werden. Bei zwei Grenzflächen sind das immerhin 8% und 8% von 100% Licht ist wirklich eine wahrnehmbare Größe. Neben dem Lichtverlust haben die Reflektionen noch eine unangenehme Eigenschaft. Denn die Reflexionen können je nach weiterer vorhandener Optik dann weitere Unsauberkeiten auf dem projizierten Motiv zur Folge haben. Durch Aufdampfen geeigneter dünner Schichten auf die Glasoberfläche lässt sich eine Minderung der störenden Reflexionen und damit eine effektive Erhöhung der Durchlässigkeit erzielen. Man nennt dieses Verfahren Reflexminderung, Entspiegelung oder Vergütung. Die klassische Entspiegelung ist eine ë/4 Schicht aus Magnesiumfluorid. Die Reduktion der Reflexion ist auch von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Wird durch die Beschichtung bei 400nm von 4,2% auf 2,5% reduziert, so sind es bereits bei 450nm nur noch 1,5% Reflexion zu verzeichnen und bei 550nm sogar nur noch 1,2 %. So kann man nicht nur enorm Licht gewinnen, sondern auch statt einer dickeren Linse mit großen Abbildungsfehlern besser zwei dünnere Linse einsetzen, die bessere optische Eigenschaften aufweisen als ein Dicke Linse. Deshalb kann man statt einer Linse auch einmal sehr eng nebeneinander platziertes Linsenparr finden, die sich nicht in Ihrem Abstand zueinander verändern lassen. Sind die Linsen zueinander verschiebbar, kommen wir zur nächsten Funktion dem Zoom.  




Der eben beschriebene Linsentubus erlaubt nur eine Scharfstellung durch Verschieben der Linse. Jedoch wird oftmals auch die bestimmte Abbildungsgröße in einer bestimmten Entfernung benötigt. Wenn nun aber 1/f =1/g + 1/b mit g und b gegeben ist, dann muss man f variieren können. Die Brennweite f  kann man mit Hilfe zweier dünnen Linsen nach f = f1 x f2 / (f1 + f2 – r) variieren. Wir sprechen dann von einem Zoom. Die Linsen müssen dabei relativ nah beieinander liegen, damit die Abbildungsebene noch innerhalb des zweifachen Brennpunktes und dem einfachen Brennpunkt der Linsenkombination liegen kann. Durch Verstellen der Linse die zur Abbildungsebene hin liegt, stellt man am besten den Focus spricht die Scharfstellung ein, während die zur Lichtaustrittsöffnung am besten für die Einstellung der  Projektionsgröße am besten geeignet ist. Auch beim Zoom gibt es Unterschiedliche Verfahren die Linsen zueinander zu verschieben.





Fokuslinsenparr eines Zoomprofiler befindet sich nah an der Abbildungsebene (Blendenschieber der Abbildungsebene sind rechts erkennbar)



Während die Standardmöglichkeit bereits bei den Linsenscheinwerfern besprochen wurde, bleibt noch die Einhandbedienung und Feststellmöglichkeit zu erwähnen. Bei der Einhandbedienung ist man beim Einrichten sehr schnell, da mit Rotation des Drehknopfes der Abstand zwischen den Linsen geregelt wird und mit dem Verschieben des Drehknopfes folgt die Verschiebung des Linsenparrs zur Abbildungsebene. Sehr schön ist hier die Skalierung gelöst, das die eine Linse Zahlenwerte annimmt, während die zweite Skala Buchstaben aufweist. Damit sind bei der Lichtplannotation keine Verwechslungen mehr möglich. Scheinwerfer deren Verstellknöpfe seitlich angeordnet sind, sind fast von allen Bedienpositionen wie oberhalb bei Leitereinrichten, oder unterhalb beim Beugen über den Rang oder Seitlich bei der Bedienung an der Galerie zu handhaben. Nur bei speziellen Positionen wie seitliche Rinnen, wäre dann eine gespiegelte Anordnung der Linsenverstellhebel besser. Hier haben pfiffige Beleuchter auch schon mal den Scheinwerfer auf dem Kopf aufgehängt, um besser bedienen zu können, wenn einem die umgekehrte Schrift nicht stört und das Lampengehäuse um 180° verdreht wurde, um den Sockel in normaler Betriebslage zu halten. Bedienknöpfe oberhalb des Tubus sind selten zu finden, denn die Wärme steigt bekanntlich nach oben und erwärmt so unnötigerweise die Bediengriffe. Aber Unterhalb sind Bedienknöpfe schon eher anzutreffen, was bei Bedienungen aus der Galerie heraus oder bei Bedienung von oben bei Montage am Rang sehr schlecht erreichbar sind und so schon Schwierigkeit der Erreichbarkeit schon einige Schweißtropfen beim Einleuchten gekostet haben.

750W Profiler mit Einhandbedienung für den Zoom, Drehen und Verschieben an einem Knauf, mittig der Hebel zur Arretierung (3)

2,5KW Zoomprofiler mit seitlicher Linsenverstellung (3)



1,2KW Zoomprofiler mit Linsenverstellung von unten.



2,5KW Zoomprofiler mit seitlicher Linsenverstellung (3)

1,2KW Zoomprofiler mit seitlicher Linsenverstellung mit Skalierung für notationen im Beleuchtungsplan



Typischer Zoomprofilereinsatz von der Galerie



Siehe auch Hier die Seite zu Nachbauten und Copien.

Eine gleichmäßige Ausleuchtung muß das primäre Ziel für projezierende Aparate sein.

Gleichmäßige Verteilung und Schärfe


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