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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?

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.

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.

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.

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.

Blick in den Scheinwerfer mit Falschfarbendarstellung der Leuchtdichte (2)

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.


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

Reales M-Filament

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Eine Möglichkeit die Wärmestrahlung aus der weiteren optischen Achse zu minimieren.