Mit einem Linsenscheinwerfer ist es möglich, den Abstrahlwinkel in einem sehr großen Bereich zu verändern. Dies ist sehr vorteilhaft bei Leuchten, denn je nach Erfordernis kann ein großer Bereich mit Licht abgedeckt oder ein sehr enger Lichtkegel mit hoher Intensität mit ein und demselben Scheinwerfer erzeugt werden. Je nach Art der Linse kann den Linsenscheinwerfer in folgende Gruppierungen unterteilt werden:
Stufen- (Fresnel) Linse
Plankonvexe Linse oder plankonvexe Linse, deren plane Seite streuende Eigenschaften aufweist
Pebbel Plankonvexlinse
Außerdem kann natürlich das Leuchtmittel zwischen Halogen, LED und Entladungslampe variieren. Zu guter Letzt lassen auch die Ausstattungsmerkmale des Scheinwerfers eine weitere Unterteilung in Studio- und Theater-Linsenscheinwerfer zu.
Ein Linsenscheinwerfer besteht also aus dem Leuchtmittel, einem Kugelspiegel und einer Linse, die als Fresnel-, Plankonvex- oder Pebbel-Plankonvex (s. auch: Artikel “Linsentypen”) ausgeführt ist. Der Kugelspiegel hat die Aufgabe, das emittierte Licht der Leuchtquelle, das von der Linse nach hinten abgestrahlt wird, wieder durch die Lichtquelle hindurch nach vorne zur Linse zu reflektieren. Die verschiedenen Arten der Spiegel finden Sie hier.
Diese Leuchtmittel-Spiegel-Anordnung kann nun in unterschiedlichen Abständen zur Linse verfahren werden, wodurch sich ein unterschiedliches Abstrahlverhalten ergibt, wie es im folgenden Bild (“Prinzip der Abstrahlwinkelverstellung”) ersichtlich wird:
Abstand a: Eng bündelnd, hohe Verluste, hohe Intensität Abstand b: Mittlere Einstellung Abstand c: Breit abstrahlend, geringe Verluste, geringe Intensität (Bild: Herbert Bernstädt)
Die Linse
Die Einbaurichtung der Linse
Gegenüber einer gewöhnlichen Linse, bei der beide Seiten gleich gewölbt sind, verwendet man im Scheinwerferbau in der Regel Linsen, deren eine Seite eben (“plan”) ist. Auch hier versucht man, jeden Lichtstrahl optimal zu nutzen. Deshalb ist es auch von Bedeutung, ob die Linse mit der planen Seite zum Leuchtmittel oder umgekehrt eingebaut ist. Totalreflexionen im Randbereich und ungleichmäßigere Strahlaufweitung sind die Folgen von verkehrt eingesetzten Linsen.
Welche Linsen-Seite zum Leuchtmittel zeigt, ist oft eine entscheidende Frage für die Wirkung (Bild: Herbert Bernstädt)
Die Linsengröße
Je größer die Linse bei einem Linsenscheinwerfer ist, desto größer ist auch der Wirkungsgrad bzw. umso mehr Licht strahlt der Scheinwerfer bei gleichem Leuchtmittel ab. Folglich fallen die fotometrischen Daten in der Regel bei 1 kW-Linsenscheinwerfer mit 150-mm Linsendurchmesser geringer aus als bei denjenigen, die eine 200-mm-Linse aufweisen. Aber auch die Größe und Beschaffenheit des Spiegels hat Einfluss auf die abgegebenen Lumen (s. Abschnitt Spiegel). Es ist allerdings nutzlos, wenn der Spiegel größer gehalten wird, die reflektierten Lichtstrahlen jedoch nicht auf die Linse gelangen, sondern nur auf die innere Gehäuselackierung …
Damit das Licht von der Lackierung nicht reflektiert wird und dann als Streulicht durch die Linse nach außen tritt, sind gute Scheinwerfer an der Innenseite mit einem matten Lack ausgestattet, der das Licht absorbieren soll. Matte Lacke haben aber den Nachteil, dass sie sehr kratzempfindlich sind, weshalb die Gehäuseaußenseite mit einem robusten und kratzfesten Lack versehen wird. Da dieser jedoch glänzt (und damit reflektiert), ist er für die Innenseite nicht geeignet. Diese Konstruktion mit zwei unterschiedlichen Lackierungen führt somit fertigungstechnisch zu einem Mehrpreis.
a) Glänzender Gehäuselack b) Lichtabblockkeil: günstig bei großer Entfernung des Leuchtmittels zur Linse hin und folglich spitzem Winkel zur Oberfläche für das Streulicht und der damit bestehenden Gefahr der Reflexion, die das Streulicht durch die Linse hinaus lassen würde c) Matte Lackierung zur Lichtabsorption (Bild: Herbert Bernstädt)
Der Spiegel
Der Spiegel kann theoretisch sehr klein gehalten und dafür sehr nah an das Leuchtmittel gesetzt werden. Jedoch sprechen meist die Temperaturen des Leuchtmittels dagegen, da die Hitze den Spiegel leicht ausbleichen lässt. So findet man in Qualitätsscheinwerfern doch eher große Spiegel in gebührendem Abstand zum Leuchtmittel.
Je nachdem ob das Leuchtmittel durchsichtig ist, wie bei einer Entladungslampe, oder Abschattungen verursacht, wie die Wendel bei einem Halogenleuchtmittel, bringt der rückwärtige Spiegel zwischen 20 und 30 % Leistung. Ein Betrieb ist auch ohne Reflektor durchaus möglich – wenn man die ca. 25 % Unterschied bei Scheinwerfern mit und ohne Reflektor jedoch nebeneinander im Lichtwurf betrachtet, ist der Unterschied doch sehr deutlich.
Nicht zu vernachlässigen ist aber, je nach Leuchtmittel mit entsprechender Wendel, dass der rückwärtige Spiegel (die richtige Einstellung vorausgesetzt) auch dafür sorgt, dass für die nachfolgende Optik das Filament noch dichter erscheint, da das reflektierte Wendelabbild die Lücken der echten Wendel auffüllt und somit das gesamte Lichtbild gleichmäßiger wird. Wie an dem Bild Prinzip der Abstrahlwinkelverstellung erkennbar, ist bei einem sehr engen Abstrahlwinkel der Verlust von Licht am größten. In der Spotstellung ist der Wirkungsgrad also sehr schlecht. Das Licht gewinnt jedoch aufgrund der engen Bündelung sehr an Intensität, da die Fläche, die er bestrahlt, relativ klein ist.
Spitze
In der Spotstellung, also bei enger Fokussierung, entsteht also ein sehr intensiver Lichtstrahl (sog. “Beam”), der gerne eingesetzt wird, um prägnante Objekte oder Schauspieler hervorzuheben. Im Studio spricht man auch von “einer Spitze setzen” bzw. vom “Spitzlicht”. Wird das Leuchtmittel zur Linse hin bewegt, wird der Abstrahlwinkel groß (“Flood”), der Wirkungsgrad nimmt zu. Hierbei wird immer mehr Licht des Leuchtmittels von der Linse erfasst. Dennoch verliert sich die Intensität des Lichtes, das auf das Objekt auftrifft, da die beleuchtete Fläche exponentiell größer wird. Das lässt sich auch nicht mit dem besseren Wirkungsgrad auffangen.
Beim Einleuchten im Theater mit eingeschränkter Scheinwerferanzahl wird oft der Intensitätsgewinn beim Fokussieren dazu verwendet, um einen Schauspieler noch stärker von dem Grundlicht hervorzuheben und somit die Aufmerksamkeit des Publikums zu führen. Der Lichtgestaltende fordert dann lieber einen engen Fokus, um nur noch das Gesicht zu erhellen, statt dass die gesamte Person im Grundlicht untergeht.
Um dem Umstand entgegenzutreten, dass der Wirkungsgrad sich mit variieren des Abstrahlwinkels verändert bzw. damit noch mehr Licht zur Verfügung steht, auch wenn der Scheinwerfer sehr eng gezogen ist, wird eine weitere Linse sehr nah am Leuchtmittel platziert. Aufgrund der Funktion, das Licht in eine Richtung hin zu konzentrieren, wird diese Linse Kondensorlinse genannt. (Weitere Informationen zur Kondensorlinse und ihren genauen Eigenschaften gibt es im Beitrag über Profilscheinwerfer). Mit dieser zweiten Linse lässt sich der Wirkungsgrad eines Linsenscheinwerfers verbessern. Kurz: Die Kondensorlinse ist dicht am Leuchtmittel platziert, um das gesamte Licht des Leuchtmittels aufzufangen und (auch bei sehr kleinem Abstrahlwinkel) gezielt auf die vordere Linse zu richten – und nicht auf die Gehäuseinnenwand (s. folgendes Bild).
Gleichbleibender Wirkungsgrad durch Kondensorlinse. Alle Lumen werden dem abstrahlenden Licht zugeführt (Bild: Herbert Bernstädt)
Moderner Linsenscheinwerfer mit angefrosteter Kondensorlinse für gleichmäßigste Lichtverteilung (Bild: Herbert Bernstädt)
Historischer Linsenscheinwerfer mit klarer Kondensorlinse (Bild: Herbert Bernstädt)
Kaustik
Eine Kondensorlinse kann neben einem verbesserten Wirkungsgrad auch die Lichtverteilung verbessern. Gerade bei Linsen mit starker Wölbung, wie es meist bei Kondensorlinsen der Fall ist, werden die Lichtstrahlen zum Rand hin stärker gebrochen. Ihr Brennpunkt wandert scheinbar zur Linse hin, je näher die Lichtstrahlen am Linsenrand eintreffen. Man nennt diesen Effekt Kaustik. Rr bewirkt, dass die aufprojizierte Lichtfläche zum Rand hin mehr Licht, also einen hellen Rand erzeugt, während die Mitte durchschnittlich beleuchtet ist, für uns jedoch wie ein Loch erscheint.
Diesem Randfehler kann entgegen gewirkt werden, indem die Linse zum Rand hin anders geformt wird. Da diese Linse nun nicht mehr sphärisch geformt ist (also unterschiedliche Radien aufweist) wird sie asphährische Linse genannt. Die Herstellung von solchen asphärischen Linsen hat wiederum ihren Preis: In der Regel werden Linsen für Scheinwerfer aus Borosilikatglas hergestellt, für Linsenpositionen sehr nah am Leuchtmittel können auch noch höhere Temperaturfestigkeiten benötigt werden. Dann verwendet man z.B. Linsen aus Duran bis hin zum Quarzglas.
Radial geformte Linsen bilden einen Kaustikfehler, asphärische Linsen kompensieren das, sind aber schwerer herzustellen (Bild: Herbert Bernstädt)
Die DIN 15560-1:2003-08 definiert einen Linsenscheinwerfer unter Abschnitt 3.2.6 als Beleuchtungsgerät mit gerichteter Lichtführung, bei dem das Licht der Leuchtquelle auf direktem Wege einer Linse oder indirektem Weg über einen Hohlspiegel einer Linse zugefügt wird. Diese Linse bündelt und richtet das Licht. Durch Verändern des Abstandes der Lichtquelle-Spiegelkombination zur Linse kann der Abstrahlwinkel verändert werden. Weiterhin definiert diese DIN unter Abschnitt 3.2.5 den Stufenlinsenscheinwerfer – der Unterschied im Text ist nur, dass nun von Stufenlinse statt von Linse gesprochen wird. Aus den bereits behandelten Grundlagen ist klar, dass die Stufenlinse zur Familie der Linsen gehört. Also ist Linse der Oberbegriff für Fresnellinsen (Stufenlinsen), Plankonvexe (PC) Linsen und Plankonvexe Pebbel-Linsen (PPC). Die konkaven Linsen gibt es auch noch, sie werden aber an dieser Stelle unterschlagen, da sie kaum eine Anwendung in der Beleuchtungstechnik haben. Unter Abschnitt 3.2.6 müsste der PC-Linsenscheinwerfer folglich definiert sein, wenn man den PPC zur PC-Gattung dazuzählen will. So verwundert es auch nicht, dass in der Din 15560 Teil 6 der plankonvexe Scheinwerfertyp nicht als Symbol aufgeführt ist, was wiederum die Studiolastigkeit dieser DIN erkennen lässt. Im Theater haben sich dennoch folgende Symbole herausgebildet:
Für die Beleuchtungspläne unerlässlich: Symbole für Linsenscheinwerfer, je nach Einsatzgebiet haben sich unterschiedliche Symbole etabliert (Bild: Herbert Bernstädt)
