Linsentypen: Plankonvex, Pebbel-Plankonvex und Fresnel

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit den verschiedenen Linsentypen: Plankonvex, Pebble-Plankonvex und Fresnel.

Reale Linsen von links nach rechts: Fresnel, Pebbel-Plankonvex, Fresnel 

Für einen guten Wirkungsgrad sprechen ein 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):

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

Farbrand

Um einen engen Abstrahlwinkel ohne Wendelabbildung zu erreichen, kann man z.B. einen Frostfilter einsetzen. Gleichzeitig wirkt man der Eigenschaft entgegen, dass kurzwelliges Licht stärker gebrochen wird als langwelliges. Das bedeutet, dass rotes Licht nicht so stark von der Linse abgelenkt wird 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 z.B. oftmals ein roter Rand bei PC-Scheinwerfern zu sehen.

Hier reicht es also, dass man mit einem Frost einer zufälligen Überlagerung jeder Farbextraktion entgegenwirken kann. Eine andere Alternative statt Frostfilter ist es, die plankonvexe Linse auf der planen Seite wie Milchglas anzurauen – also zu frosten. Das Ergebnis ist sehr gut, jedoch geht dann meist sehr viel Licht verloren, so dass sich eine andere Lösung durchgesetzt hat.

Die Alternative gegen zu hohen Lichtverlust bei Milchglas ist die Möglichkeit, auf der planen Seite eine leichte Struktur aufzubringen. Diese sollte genügend Licht streuen, so dass der Abbildungseffekt des Leuchtmittels nicht auftritt, aber dennoch sehr lichtdurchlässig sein. Diese Struktur wird oft als kleine punktförmige Erhöhungen aufgebracht so wie Blasen, deshalb der Name Pebbel-Plankonvex Linse (PPC).

Pebbel-Plankonvexe Linse

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

Fresnellinse

Die Nächste 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.

Dazu kann man sich eine Truppe marschierender Soldaten vorstellen, die von einem geteerten Weg seitlich abkommen und in ein matschiges Feld eintreten. Die ersten aus der Formation zum Feld hin werden aufgrund des dichteren Mediums Matsch langsam, 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 – weshalb die Stufenlinse auch Fresnellinse genannt wird – und bei Leuchttürmen eingesetzt. 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-Plankonvex-Linse ebenfalls eine Struktur erhält, wodurch ein sehr homogenes Lichtfeld entsteht. Ein solch stark streuender Scheinwerfer hat den Vorteil, dass der Lichtkegel zum Rand hin weich ausläuft. In der Praxis wird so ein Übergang von einem Scheinwerfer zum anderen somit unsichtbar. Gerade im Aufzeichnungsbereich, also Film und Fernsehen, wo Kameras sehr sensibel auf Lichtübergänge reagieren, ist damit die Stufenlinse die erste Wahl und wird gerne für Führungslicht und Spitzlicht eingesetzt.

Die kompakte Bauform der Stufenlinse hat weiterhin den Vorteil, dass sich bei Temperaturerhöhung – was in der Nähe des Leuchtmittels zwangsweise auftritt – das Material aufgrund weniger Masse 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 gerade in sehr dünner Ausführung leichter zerbrechlich bei mechanischen Einflüssen.

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