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Leuchtmittel und Spiegel im Scheinwerfer
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Kugelspiegel
Abgesehen von einer klaren Allgebrauchslampe in einem Ofenrohr, weist heute jeder
Scheinwerfer einen Spiegel auf. Ein Leuchtmittel strahlt sein Licht je nach Konstruktion
unterschiedlich ab. So mag es sinnvoll sein für ein Halogenleuchtmittel mit TonnenFilament,
ein Ellipsenspiegel einzusetzen und für ein Biplan Filament einen Kugelspiegel. Denn
eine plane Anordnung des Filaments wirft das meiste Licht senkrecht zur Fläche des
Filamentes. Damit nun das Licht das zur Rückseite abgestrahlt wird, auch für die
vordere Optik auch genutzt werden kann, ist es sinnvoll, das Licht wieder zurück
zu reflektieren um durch das Filament hindurch bzw, knapp daran vorbei, für die anschießende
Optik wieder nutzbar zu sein. Für die anschließende Optik soll so der Eindruck hinterlassen
werden, als ob das reflektierte Licht ebenfalls von Austrittsort der Lichtquelle
her stammt. Würde man z.B. einfach einen Planen Spiegel einsetzen, so folgen die
reflektierten Lichtstrahlen aus einem anderen Winkel und einer anderen Höhe. Das
ist durchaus effektiv und wird bei z.B. Rinnenspiegelscheinwerfern auch angewendet,
jedoch wenn eine Optik sich anschließt, benötigt man optimaler weise eine möglichst
kleine Punktlichtquelle mit möglichst wenig optisch entgegenwirkenden Fremdgerichteten
Lichtstrahlen. So ist der Kugelspiegel das optische Bauteil, wenn es darum geht eine
anschließende Optik zu bedienen, wie z.B. bei einem Linsenscheinwerfer oder Kondensoroptikprofilscheinwerfer.
Hier ein kurzer Schwenk zu einer Prüfungsfrage…. Der Lichtschwerpunkt des Leuchtmittels
in einem Kugelspiegels liegt im A) im Brennpunkt der Kugel B) im Zentrum der Kugel?
Alle Lichtstrahlen die aus dem Zentrum heraus auf eine Spiegelkugel treffen werden
wieder in das Zentrum zurückreflektiert. Parallele Lichtstrahlen die auf einen Kugelspiegel
treffen werden im Brennpunkt gebündelt.
a) Seitenansicht: Planes Filament strahlt hauptsächlich senkrecht zur Fläche,
b)
Aufsicht (und 90° gedreht)
c) Seitenansicht: Kugelspiegel reflektiert Lichtstrahlen zurück,
d) Aufsicht (und 90° gedreht)
In der Praxis haben sich im laufe der Zeit viel Variationen von Leuchtmitteln gebildet.
Die Gestaltung des Filaments spielt dabei je nach Anwendung eine große Rolle. So
versucht man z.B. bei einem Diaprojektor das Dia in seiner gesamten Fläche gleichmäßig
zu durchleuchten, damit die anschießende Optik das Bild gleichmäßig kräftig bis in
den Randbereich hinein, darstellen kann. So verwendet man bei einem Leuchtmittel
für Diaprojektoren ein eher rechteckiges Filament das proprotional nur halb so hoch
im Rechteck ist wie die Proportionen eines Dias es erwarten lassen würde. Weiterhin
können die Wolframdrähte hier sehr dicht beieinander liegen, da hier auch mit einer
Kleinstspannung gearbeitet wird und damit der benötigte Mindestabstand zur Vermeidung
von Spannungsüberschlägen nicht so hoch zu sein braucht.
versetzte Reflexion am Kugelspiegel für Leuchtmittel für Diaprojektoren.
Reales Leuchtmittel für Diaprojektor (1)
Unter a) sehen wir ein Filament eines Leuchtmittels für Diaprojektoren. Durch Versetzen
des Kugelspiegels nach unten b), wird die Reflexion des Filamentes seitenverkehrt
und auf dem Kopf stehend oberhalb des Realen Filaments projiziert. in der Frontalsicht
c)wird ersichtlich, dass nun das Dia vollflächig durchleuchtet wird, obwohl das reale
Filament nur die hälfte der Fläche aufweist. Bei einem Bühnenscheinwerfer dagegen
versucht man, dass eine möglicht kleine Punktquelle entsteht wobei noch der Nachteil
besteht, dass die Leuchtmittel in der Regel mit 230V betrieben werden, wodurch das
Filament zwischen den Wendeln genügend Abstand benötigen, also räumlich das Lichtfeld
größer wird. Wenn man also einen den Kugelspiegel eines Bühnenscheinwerfers justieren
möchte, was in den historischen Scheinwerfern durchaus gang und gäbe war, da dort
die Befestigung des Spiegels variabel war und zum Teil der Spiegel zum Leuchtmitteltausch
herausgenommen werden musste, dann sollte man versuchen eine gleichgroße Überlagerung
des reflektierten Filamentbildes auf der Filamentebene zu erreichten.
a) Filament
b) Reflexionen am zentrischen Kugelspiegel
c) richtige Einstellung, Abbild des Filamentes seitenverkehrt und gedreht in gleicher
Größe
d) Kugelspiegel befindet sich nicht in der optischen Achse und die Wendelabzeichnung
ist jetzt vergrößert und aus der Achse.
Stufenlose Einstellmöglichk eiten - Der Beleuchter musste früher die Justage selbst
vornehmen.
Unterschiedliche Höhe des Lichtschwerpunktes, bei gleicher Wattage, Spannungsbereich
und Sockel.
Heute sind viele komfortable optischen Einheiten einer Leuchtmittel–Kugelspiegelkombination
bereits in so kleinen Tolleranzen herstellbar, das man von vorjustierten Optiken
sprechen kann. Der Beleuchter braucht nur noch das Leuchtmittel zu wechseln. Natürlich
sind gerade noch in Movinglights die Justageschrauben für das Leuchtmittel vorhanden,
denn damit ermöglicht man das Einstellen von einem Hotspot, um möglicht zentral einen
hohen Output zu erhalten, was bei Goboprojektionen natürlich kontraproduktiv ist,
da man auch eine gleichmäßig hohe Lichtleistung gerade auch im Randbereich benötigt.
Doch dazu in einen späteren Zeitpunkt mehr.
Trotz Normierungsbestreben sind so viele verschiedene Sorten von Leuchtmitteln auf
dem Markt, dass alleine mit der Leistung, Betriebsspannung, Farbtemperatur, mittlere
Lebesdauer, Filamentform und natürlich den Sockel, noch nicht das richtige Leuchtmittel
beschrieben sein muss, denn es gilt noch den richtigen Lichtschwerpunkt für die verwendete
Optik auszuwählen. Unter Lichtschwerpunkt, kann man sich einfach die Höhe von der
Sockelbasis zur Filamentmitte vorstellen. Denn es ist durchaus möglich, in ein und
denselben Sockel ein Leuchtmittel einzusetzen das z.B. einen Schwerpunkt bei 35mm
aufweist und ein anderes bei 46mm. Die Folge kann sein, das der Kugelspiegel dann
das Filament nicht mehr zurück wirft, sondern genau auf die Fassung des Leuchtmittels,
welches dann erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist und dementsprechend schneller altert
bzw. das Leuchtmittel stärker belastet. So besteht bei manchen Scheinwerfern die
Möglichkeit die Höhe des Sockels für den entsprechenden Lichtschwerpunkt anzugleichen.
Grundsätzlich sollte man aber im Hinterkopf behalten, dass wenn einmal ein Kugelspiegel
mal erblindet oder „wegbrennt“, dann ist der Scheinwerfer bei einer Kondensoroptik
für diese Show ohne weiteres noch einsetzbar, denn man hat in der Regel nur ca. 25%
Verlust hinzunehmen. Jedoch diese 25% können bei falscher Filamenthöhe, falscher
Lichtschwerpunkteinstellung oder Dejustage der optischen Achse beachtliche Auswirkungen
am Lichtfeld verursachen, so das z.B. ein zweiter schwächwerer versetzter Lichtkreis
zu erkennen ist.
Schädigung des Leuchtmittels oder des Sockels durch falschen Lichtschwerpunkt
Einstellbare Höhe für verschiedene Leuchtmittel, ansonsten ist heute die Kombination
Spiegel zum Leuchtmittel, nicht mehr verstellbar.
Kommen wir auf das Tonnenförmige Filament zurück, so wird klar, dass die rotationssymetrische
Anordnung das Lichtfeld für eine Abstrahlung in einen rotationssymetrischen Raum
ausgelegt ist. Das hat den Vorteil, das weniger Licht durch benachbarte Wendel abgeschattet
wird, aber den Nachteil, das der Lichtschwerpunkt nicht kleinflächig ist, wie es
für eine anschließende Optik optimal wäre. Deshalb ist das Tonnen-Filament nicht
für den Einsatz mit Kugelpiegeln geeignet. Hier bringt z.B. ein Ellipsenspiegel erhebliche
Vorteile, da er das Leuchtmittel bei Einbringung im Scheitelpunkt, vollständig das
Abstrahlfeld umfassen kann und somit ein sehr hoher Wirkungsgrad zu erwarten ist.
Der Elipsenspiegel hat noch einen weiteren Vorteil, denn wenn das Leuchtmittel mit
seinen Lichtschwerpunkt im ersten Brennpunkt liegt, wird das Licht zum zweiten Brennpunkt
der Ellipse gebündelt. Das macht man sich zur Konstruktion eins Elipsenspiegelprofilscheinwerfers
zu nutze. Jedoch das direkt nach vorne abgestrahlte Licht hat die ungewollte Eigenschaft
aus einer anderen Richtung wie das reflektierte Licht die Abbildungsebene zu durchfluten.
Auch ist für eine Optik die ein Bild projezieren soll, ein mit parallelen Lichtstrahlen
durchflutetes Bild besser geeignet, so das oftmals der Ellipenspiegel für Profilscheinwerfer
nicht die geforderte Abbildungsqualität erreichen kann.
Ein Hersteller hat den Spiegelkörper darüber hinaus in kleine Fassetten unterteilt.
Mit der besonderen Anordnung des Filamentes hat man nun die einzelnen Fasetten so
angeordnet, das ein möglicht gleichförmige Lichtdurchflutung einer Abbildungsebene
die Folge ist. Diese Kombination von Fasettenausrichtung im übergeordneten Elipsenspiegel,
mit den Tonnenförmigen Filament hatte sich der Hersteller wohlweißlich patentieren
lassen. Denn der Wirkungsgrad und die Abbildungsqualität wurden dadurch erheblich
gesteigert und sind für diese Bauart von Scheinwerfer weiterhin sehr gut.
Lichtstrahlen aus dem einen Brennpunkt bündeln sich im zweiten Brennpunkt der Ellipse
Tonnen Anordnung und
Biplan Anordnung
der Wendel
Blick in den Scheinwerfer mit Falschfarbendarstellung der Leuchtdichte (2)
Ellipsenspiegelrefektor genau an das Frilament angepasst
Wenn man schon verschiedene Scheinwerfer und Ihre Spiegel betrachtet hat, so wird
man feststellen, das es sehr unterschiedlichen Oberflächen und Trägermaterialien
für Spiegel existieren. Wird bei einem Kugelspiegel nach einer möglichst glänzende
Oberfläche verlangt, die man oft aus polierten Aluminium herstellt, so wird man aber
auch angeraute Flächen finden. Das hat oftmals den Hintergrund, das damit das Licht
weiter gestreut wird, und damit die Gefahr, das bei einer anschließenden Optik, deren
Linsen wie eine Lupe arbeiten das LeuchtmittelFilament im Lichtfeld abbilden was
dann mitnichten als Homogenes Lichtfeld genannte werden kann.
Bei anderen Herstellern versucht man dagegen eine möglicht hohe und genaue Reflexion
zu erhalten. So werden nicht nur hochreine Alluminiumkörper poliert, sondern deren
Spiegelfläche zusätzlich beschichtet bzw. bedampft. Für sehr hochklassige Scheinwerfer
werden auch Gläser mit Silberbeschichtung eingesetzt. Die Reinheit des Stoffes ist
nur der Massstab inwieweit keine anderen Stoffe wie z.B. Kupfer mit beigemischt sind.
Denn die rötliche Kupferfärbung ändert auch die Lichtfarbe sprich die Farbtemperatur
des Scheinwerfers. Auch sind die Reflexionasgrade der unterschiedlichen Metalle unterschiedlich.
Reflektiert Aluminium immerhin 69% des Lichtes, so weist Silber z.B. einen noch höheren
Wert wie 0,88 auf. Magnesiumoxid kann immerhin mit 0,98 aufwarten. Einen Nachteil
haben jedoch diese Vollmetall Spiegel. Sie reflektieren das sichtbare Licht genauso
wie die Wärmestrahlung. Damit ist das Licht, dass z.B. ein Gobo durchflutet muss,
sehr heiß. Bei einem Movinglight sind dann noch oftmals dichoitsche Farbfilter im
Strahlengang. So wird dann womöglich die Wärmestrahlung zurück zum Leuchtmittel reflektiert,
was natürlich eine erhöhte Wärmebelastung bedeutet die der Haltbarkeit entgegenwirkt.
Deshalb ist man versucht möglichst geringe Wärmebelastung im Strahlengang aufzubauen.
Um die Infrarotstrahlung aus der optischen Achse herauszunehmen könnte man einen
IR-Filter in den Strahlengang einbringen. Dies wird bei einigen Movinglights auch
praktiziert, wobei immer noch zu beachten ist, das dann die IR-Strahlung in die Brennkammer
zurückreflektiert wird, was eine höhere Zwanglüftung erfordert was oftmals mit einem
erhöhten Betriebsgeräusch einhergeht. Ein anderer Scheinwerferhersteller hat einer
Modelreihe den Filter genau in entgegengesetzter Funktionalität eingesetzt. Dieser
Filter reflektiert das Licht und lässt die Wärmestrahlung hindurch. Natürlich ist
damit verbunden auch die Anordnung des Filters abweichend. Bei diesem Scheinwerfertyp
ist der Spiegel im Strahlengang in einem Winkel von 45° angebracht, so das die Langwelligen
IR-Strahlen den Spiegel durchdringen und nicht mehr die nachfolgenden optischen Elemente
belasten, aber auch nicht mehr zurück zum Leuchtmittel reflektiert werden. Da nun
der Lichtaustritt um 90° zur Position des Leuchtmittels verdreht ist, hat gleichzeitig
einen weiteren Vorteil. Wenn der Scheinwerfer relativ steil nach unten abgerichtet
ist, weht der Konvektionsluftzug nicht entlang des Leuchtmittels zur Fassung, sondern
erfasst die Fassung und das Leuchtmittel mehr seitlich liegend. Somit ist dieser
Scheinwerfertyp sehr gut geeignet senkrecht nach unten zu strahlen.
Profilscheinwerfer in der 2KW Halogenleuchtmittelklasse entwickeln so viel Hitze,
dass viele Hersteller diesen Scheinwerfertyp mit einem Ventilator ausrüsten. In einem
Sprechtheater sind aber Lüftergeräusche oft unerwünscht. Zwar ist der Lüfter einfach
parallel zum Leuchtmittel angeschlossen, was bedeutet, dass wenn der Scheinwerferdimmer
0% leuchtet, dreht sich kein Lüfter und mit Erhöhung der Lichtleistung wird auch
der Lüfter proportional schneller und bei 100% läuft der Lüfter auf höchster Stufe,
weil da ja auch am meisten gekühlt werden muss. Dabei sind schon einige Scheinwerfer
auf dem Markt erhältlich, deren Lüftergeräusch kaum wahrzunehmen ist. Aber es gibt
auch in dieser Klasse lüfterlose Profilscheinwerfer. Dies wird erreicht, indem der
Kugelspiegel ebenfalls dichroitisch aufgebaut ist und zumindest aus dem Rückseitig
abgestrahlten Licht wird die Wärmestrahlung nach hinten weg abgeführt. Sind die Spiegel
hochwertig beschichtet, dann ist mit keiner Verfälschung der Farbtemperatur zu rechnen.
Jedoch wenn die Beschichtung sehr kostengünstig hergestellt wird, das heißt die Filterflanke
ist sehr weich, weil weniger Schichten augedampft wurden, was den Preis natürlich
deutlich reduziert, dann wird auch mehr das rötlichere Licht aus dem Strahlengang
nach hinten weg hindurchgelassen. Zwar ist damit die nach vorne abgestrahlte Lichtfarbe
ein wenig bläulicher, was unser Gehirn als „Heller“ interpretiert, Jedoch die Farbfilter
und auch im Zusammenspiel mit anderen Linsenscheinwerfer wird damit eine homogene
Lichtfarbe nicht optimal sein. Wenn Bildaufzeichnungsgeräte im Gebrauch sind wird
man das erkennen können, in einer Diskothek ist das jedoch völlig unerheblich. Jedoch
kann die schlechte Beschichtungsqualität bei einem nach hinten „offenen“ Gehäusedesign
auch eine Lichtabstrahlung nach hinten heraus bewirken, so das Rückwände oder sonstige
Gegenstände in einem schmutzigen Farblicht beleuchtet werden.
Auf einem Aluminiumträger wurde Wolfram Aufgedampft für eine noch bessere Reflexion.
Lichtabstrahlung in Gegengesetzter Richtung. Linke Seite markenprodukt, rechte Seite
mit billiger dichroitischer Spiegelbeschichtung. Abstand zum en bei Kaltlichtspiegeln
und deren Auswirkungen.
Abstand zur Rückseitigen Wand ca. 1,5m.
Quellenverzeichnis:
(1) Osram
(2) L-Lab Paderborn
Blick in den Scheinwerfer zur Betrachtung der Filamentabbildung
a) Seitenansicht: TonnenFilament strahlt rundum ab,
b) Aufsicht
c) Seitenansicht: Ellipsenspiegel fängt fast jeden Lichtstrahl auf.
Elipsenspiegel
Eine Möglichkeit die Wärmestrahlung aus der weiteren optischen Achse zu minimieren.