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Abbildendes optisches System zur Erzeugung eines geradlinigen Spaltbildes.
Die Aufgabe, eine gerade Lichtlinie durch Erzeugung eines wenigstens angenähert geradlinigen Bildes eines Leuchtspaltes oder einer entsprechend gestalteten Lichtquelle mittels eines abbildenden optischen Systems mit zwei an Luft grenzenden Flächen darzustellen, ist in der Weise zu lösen versucht worden, dass man als optisches System eine Zylinderlinse benutzte. Diese Lösung befriedigt jedoch nur dann, wenn es sich bei der Abbildung um verhältnismässig kleine Bildwinkel handelt. Da zu grossen Bildwinkeln grössere Abstände eines geradlinigen Objektes vom abbildenden System als zu kleineren Bildwinkeln gehören, folgt, dass bei konstanter Brechkraft der Linse die Bildabstände um so kleiner sind, je grösser der Bildwinkel ist, statt umgekehrt, wie es zur Erzielung eines in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene gelegenen Bildes notwendig wäre.
Es tritt also eine Bildfeldwölbung ein, die nur bei verhältnismässig kleinem Bildwinkel vernachlässigt werden kann.
Der genannte Nachteil hat dazu geführt, dass man an Stelle eines geradlinigen Spaltes bereits einen Spalt benutzte, dessen Mittellinie zwar eben, aber so gekrümmt war, dass der Spalt seine konkave Seite dem abbildenden System zukehrte. Die Erfindung besteht in einer andern Massnahme zur Lösung der Aufgabe, die sich als so wirksam erweist, dass der als Objekt für die Abbildung dienende Spalt, ohne die Ebnung des Spaltbildes unmöglich zu machen, nicht nur geradlinig, sondern sogar so gekrümmt sein kann, dass er seine konvexe Seite dem abbildenden System zukehrt. Diese Massnahme zur Behebung der Bildfeldwölbung besteht darin, dass man an Stelle der abbildenden Zylinderlinse ein optisches System benutzt, welches einer unter Beibehaltung ihrer Symmetrie zu der durch den Spalt und sein Bild bestimmten Ebene verbogenen Zylinderlinse entspricht.
Während man nämlich jede der beiden Aussenflächen einer Zylinderlinse als Hüllfläche aller gleichgrossen Kugeln auffassen kann, deren Mittelpunkte auf einer Geraden liegen, sind die zur Lösung der Aufgabe benutzten, optisch wirksamen Flächen Hüllflächen solcher Kugeln, deren Mittelpunkte auf einer Kurve liegen, die ihrerseits in der durch den Spalt und sein Bild bestimmten Ebene liegt.
Es ergibt sich damit ein Aufbau des optischen Systems, bei welchem nach der Erfindung die beiden Hauptkrümmungen wenigstens einer der beiden Aussenflächen von Null verschieden sind, wobei an jeder Aussenfläche diejenige Hauptkrümmung konstant ist, welche in denjenigen Hauptnormalschnitten gemessen wird, die zu der durch den Spalt und sein Bild bestimmten Ebene senkrecht sind, und wobei in den zu dieser Ebene senkrechten Hauptnormal- schnittei eine ebene scharfe Abbildung erfolgt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, das System so auszubilden, dass die aus der Krümmung in den zu der genannten Ebene senkrechten Hauptnormalschnitten errechnete Brechkraft der einen Aussenfläche gegenüber der entsprechend errechneten Brechkraft der zweiten Aussenfläche sehr klein ist, während die andern Hauptkrümmungen der Aussenflächen für jeden Bildwinkel so bestimmt sind, dass die in der genannten Ebene verlaufenden Hauptstrahlen wenigstens angenähert senkrecht stehen auf der zweiten Aussenfläche.
Die Abbildung durch das neue optische System ist astigmatisch, und es wird bei der Betrachtung der Bilderzeugung nur die Vereinigung derjenigen Strahlenbüschel berücksichtigt, deren Ebenen senkrecht zu der durch den Spalt und sein Bild bestimmten Ebene stehen. Die Vereinigung der in dem andern Hauptnormalschnitt gelegenen Strahlenbüschel findet in so grosser Entfernung von der Bildebene statt, dass die Abbildung dadurch nicht gestört wird.
Es ist selbstverständlich, dass man durch eine geeignete Form der Lichtquelle bzw. durch passende Beleuchtung des Spaltes dafür sorgen wird, dass zur Vermeidung von Störungen der Abbildung die von den Punkten der Lichtquelle bzw. des Spaltes herrührenden Strahlenbündel in der durch den Spalt und sein Bild bestimmten Ebene nur
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kleine Öffnungswinkel aufweisen und dass die obengenannten Leitkurven der Hüllfläche die Ebenen der die Bilderzeugung bewirkenden Strahlenbüschel senkrecht durchsetzen.
Zur Erläuterung diene folgende Überlegung. Man denkt sich das abbildende optische System aus planzylindrischen Elementen gleicher Brennweite aufgebaut, deren Zylinderachsen alle in der durch den Spalt und sein Bild bestimmten Ebene liegen. Ort und Orientierung der Elemente ist so gewählt, dass die bekannte, für den Objekt-und den Bildabstand bestehende Beziehung zur Brechkraft bei jedem Element erfüllt ist und die Hauptstrahlen senkrecht aus den Zylinderflächen austreten. Die Planflächen der Elemente können gegebenenfalls durch Aufsetzen von Prismenelementen so verändert werden, dass die einfallenden Hauptstrahlen die gewünschten Richtungen senkrecht zu den Zylinder- flächenelementen erhalten.
In Fig. 1 der Zeichnung sind mehrere solche Linsenelemente im Aufriss
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der Zeichenebene der Fig. 1 sind ein linienförmiger Leuchtspalt a und sein geradliniges Bild b liegend gedacht. Die Linsenelemente haben Zylinderflächen c und ebene Lichteintrittsflächen d, auf die zwecks Umlenkung der in der Zeichenebene verlaufenden Hauptstrahlen e der abbildenden Strahlenbüsehel ablenkende Prismen f aufgesetzt sind. Es ist ersichtlich, dass durch Ergänzung der Elemente zu einem
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konstant sind, während die in der Zeichenebene gelegenen Hauptkrümmungen sich entsprechend einer gestrichelt angegebenen Leitkurve g ändern, deren Verlauf so zu bestimmen ist, dass in der Zeichenebene für alle diese Kurve schneidenden Hauptstrahlen die Abbildungsgleichung bezüglich der Licht- austrittsfläche erfüllt ist.
Die Kurve g ist so gezeichnet, dass ihre Tangenten mit den Zylinderachsen der Linsenelemente zusammenfallen. Die Kurve g gibt also an, in welcher Weise die Zylinderachse einer Zylinderlinse zu biegen wäre, um die genannte Bedingung zu erfüllen. Die Lichteintrittsfläche, welche senkrecht zur Zeichenebene die Krümmung Null hat, ist senkrecht zur Zeichenebene für die Abbildung unwirksam und dient lediglich dazu, die Hauptstrahlen so abzulenken, dass sie die Licht- austrittsfläche senkrecht durchstossen.. Die Verteilung der Aufgaben auf die beiden Aussenflächen des optischen Systems ist selbstverständlich willkürlich ;
es ist jedoch verständlich, dass nur dann eine gleichmässige Aufteilung der Brechkräfte auf beide Flächen statthaft sein wird, wenn eine Umlenkung der Hauptstrahlen nicht nötig ist. Selbstverständlich kann auch der Lichteintrittsfläche die abbildende und der Austrittsfläche die umlenkende Wirkung zugewiesen werden.
Aus vorstehender Überlegung folgt, dass die Kurve g bestimmt ist, wenn die Gestalt des Leuchtspaltes gegeben ist. Praktisch hat man jedoch oft eine gewisse Freiheit in der Wahl dieser Gestalt.
Diese Freiheit kann man sich zunutze machen, um das optische System z. B. so zu bestimmen, dass es ohne besondere Schwierigkeiten hergestellt werden kann, indem man der abbildenden Aussenfläche in beiden Hauptschnitten konstante Krümmung gibt, die Fläche also als torische Fläche ausführt. Man wählt dann die Gestalt des Leuchtspaltes so, dass seine Abbildung ein wenigstens in dem erforderlichen Masse angenähert geradliniges Bild ergibt.
Eine besondere Vereinfachung, die im allgemeinen eine Umlenkung der Hauptstrahlen nicht mehr nötig macht, ergibt sich, wenn eine der Aussenflächen des optischen Systems als Träger des Leueht- spaltes dient. Auch kann es zweckmässig sein, mehrere optische Systeme der beschriebenen Art zu kombinieren. Mit einer Kombination mehrerer Glieder, die gewissermassen nebeneinander, d. h. so angeordnet sind, dass die erzeugten Spaltbilder stetig aneinanderschliessen, kann man einen besonders grossen Bildwinkel erfassen, während eine Kombination, deren Glieder nacheinander von allen Strahlen durchsetzt werden, also so angeordnet sind, dass das von einem Gliede erzeugte Bild jeweils als Objekt des folgenden Gliedes dient, geeignet ist, die Bildgüte beispielsweise durch chromatische Korrektur zu verbessern.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der. Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig. 3,5 und 7 zeigen die Beispiele in Mittelschnitten im Aufriss. In den Fig. 4,6 und 8 sind die Beispiele in Mittelschnitten im Grundriss wiedergegeben.
Zur Herstellung sämtlicher Beispiele wird Spiegelglas mit einer Brechungszahl n = li22 benutzt.
Die Lage der punktförmig angenommenen Lichtquelle ist jeweils mit L bezeichnet. S ist der Leuchtspalt, der von den optischen Systemen abgebildet wird, und sein Bild ist B. Besteht das optische System aus mehreren Gliedern, dann sind diese Bezugsbuchstaben durch Indizes unterschieden.
Das als erstes Beispiel (Fig. 3 und 4) gewählte optische System besteht nur aus einem Gliede.
Dieses Glied ist von einer sphärischen Lichteintrittsfläche mit dem Krümmungsradius)'i und einer torischen Lichtaustrittsfläche begrenzt, deren grosser Krümmungsradius 1'2 die Krümmung des im Aufriss gezeichneten Schnittes bestimmt, während der kleine Krümmungsradius !'s die Krümmung in der Grundrissebene angibt. Die Lichteintrittsfläche dient als Träger des abzubildenden Spaltes S, der als linienförmige Aussparung eines diese Fläche bedeckenden, lichtundurchlässigen Belags verkörpert ist. Der Abstand des Scheitels der Lichteintrittsfläche von der Lichtquelle L ist 1"die Glasdicke in der optischen Achse dl und der Abstand des Bildes B vom Scheitel der Liehtaustrittsfläche ist l,.
In der folgenden Tabelle l sind die Radien, Abstände und die Dicke für das Ausführungsbeispiel angegeben.
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Tabelle 1.
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<tb>
<tb> r1=45α <SEP> l1 <SEP> = <SEP> 37#7
<tb> r2 <SEP> = <SEP> 65#000 <SEP> d1 <SEP> = <SEP> 25#0
<tb> r3 <SEP> = <SEP> 7-419 <SEP> =105-0
<tb>
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Ebene, welche die erstgenannte Symmetrieebene in der optischen Achse des Systems rechtwinkelig schneidet. Mit Bezug auf diese Ebene ist jedes der beiden äusseren Glieder symmetrisch zum andern.
Die optischen Achsen dieser Glieder liegen in der Symmetrieebene des gesamten optischen Systems und schneiden die optische Achse des mittleren Gliedes unter den Winkeln a und-a in einem Punkte, in welchem die zu den beiden äusseren Gliedern gehörende Lichtquelle L1 angeordnet ist. Die Lichteintrittsflächen dieser Glieder sind torische (im vorliegenden Grenzfall zylindrische) Flächen mit den Radien r4 und r5 ; sie sind lichtundurchlässig belegt, wobei je ein linienförmiger Spalt SI in dem Belag ausgespart ist. Die Lichtaustrittsflächen sind torisehe Flächen mit den Krümmungsradien re und r,.
Die Glieder sind begrenzt durch Ebenen, die senkrecht zur Symmetrieebene des ganzen Systems stehen und in denen die Lichtquelle L1 liegt. Diese Ebenen sind gegen die optischen Achsen der Glieder unter Winkeln ss und -ss sowie ss + y und -(ss + y) geneigt. Die Abstände der Scheitel der Lichteintrittsflächen von der Lichtquelle Li sind dz die Dicken in den optischen Achsen d2. Zum mittleren Gliede gehört eine zweite Lichtquelle L2, die auf der optischen Achse des gesamten Systems im Abstande l4
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Grenzfall zylindrische) Fläche mit den Radien r3 und rg. Sie ist wiederum lichtundurchlässig belegt und trägt einen linienförmigen Spalt dz Die Lichtaustrittsfläche ist gleichfalls torisch ; ihre Radien sind jo und r11.
Der Scheitel der Lichteintrittsfläche hat den Abstand l5 von der Lichtquelle L2. Die Dicke des Gliedes ist da und der Abstand des von dem System erzeugten Spaltbildes B vom Scheitel der Lichtaustrittsfläche des mittleren Gliedes ist 1e. Dieses mittlere Glied ist begrenzt durch Ebenen, die senkrecht zur Symmetrieebene des Systems stehen und die optische Systemachse in der Lichtquelle L2 schneiden. Die Neigung dieser Ebenen zur optischen Achse beträgt 0 und-b. Die von den
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der Glieder so gewählt ist, dass sich die Bilder um kleine Beträge an den Anschlussstellen überlagern. In der folgenden Tabelle 2 sind die Radien, Abstände, Dicken und Winkel des Ausführungsbeispieles zusammengestellt.
Tabelle 2.
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<tb>
<tb> r4 <SEP> = <SEP> 82#290 <SEP> r10 <SEP> = <SEP> 137#161 <SEP> l3 <SEP> = <SEP> 81#414
<tb> =o3) <SEP> u= <SEP> 18-415 <SEP> 2 <SEP> = <SEP> 54-276
<tb> r6 <SEP> = <SEP> 135#690 <SEP> α= <SEP> 13 <SEP> l4 <SEP> = <SEP> 80
<tb> 1"7 <SEP> = <SEP> 18-415 <SEP> ss <SEP> = <SEP> 20 <SEP> l5 <SEP> = <SEP> 82#810
<tb> rs <SEP> = <SEP> 83#505 <SEP> γ= <SEP> 250 <SEP> da <SEP> = <SEP> 54-351
<tb> dz <SEP> # <SEP> # <SEP> = <SEP> 34 <SEP> l5 <SEP> = <SEP> 2913
<tb>
Das dritte Ausführungsbeispiel (Fig. 7 und 8) der Erfindung zeigt ein aus zwei hintereinander angeordneten Gliedern bestehendes optisches System. Die Glieder, die von allen Strahlen nacheinander durchsetzt werden, sind symmetrisch zu zwei Ebenen, die sich in der optischen Achse des Systems rechtwinkelig schneiden. In dieser optischen Achse liegt die Lichtquelle L.
Die Lichteintrittsfläche des Vordergliedes ist eine torisehe (im vorliegenden Grenzfall zylindrische) Fläche mit den Krümmungsradien r12 und flg. Diese Fläche ist lichtundurchlässig belegt, wobei der linienförmige Spalt S in dem Belage ausgespart ist. Die Lichtaustrittsfläche ist ebenfalls torisch und hat die Krümmungsradien r14 und r". Das Hinterglied ist von zwei torischen Flächen begrenzt, deren Krümmungsradien ?-M und r-i, bzw. r15 und r15 sind. Der Abstand des Scheitels der Lichteintrittsfläche des Vordergliedes von der Lichtquelle ist 1"die Dicke dieses Gliedes d4. Der Abstand des Hintergliedes vom Vordergliede ist ,
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erzeugt.
Das Vorderglied gleicht im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel. Die zweimalige Abbildung des Spaltes dient der besseren Bildfeldebnung. Tabelle 3 gibt die Krümmungsradien, Abstände und Dicken des Ausführungsbeispieles an. Tabelle 3.
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<tb>
<tb> r12 <SEP> = <SEP> 45α <SEP> l7 <SEP> = <SEP> 37-7
<tb> r13 <SEP> = <SEP> 00 <SEP> d4 <SEP> = <SEP> 25-0
<tb> r14 <SEP> = <SEP> 65#000 <SEP> ls <SEP> = <SEP> 15#0
<tb> f15 <SEP> = <SEP> 7'419 <SEP> d5 <SEP> = <SEP> 7-6
<tb> r16 <SEP> = <SEP> 80#085 <SEP> l9 <SEP> = <SEP> 77#0
<tb> r17 <SEP> = <SEP> # <SEP> l10 <SEP> = <SEP> 5#4
<tb> r18 <SEP> = <SEP> 87#6
<tb> dz <SEP> = <SEP> 423#0
<tb>