zurück zum Inhaltsverzeichnis
zur Fotoseite "pixel-zoo"

PI X E L - Z O O

10.2 Einfluß der Blenden auf das Gesichtsfeld

Der Projektor - das unbekannte Wesen !
Na gut, - ich gebe es zu: wer benutzt heute noch einen Diaprojektor ? Aber glauben Sie mir, auch bei den modernen "Beamern" gibt es das Problem der Gesichtsfeldbegrenzung. Bevor wir uns wirklich systematisch mit den Gesichtsfeldblenden befassen, sollten wir uns 'mal ein ganz einfaches Beispiel ansehen, bei dem Sie eine völlig neue Art von Aperturblende kennenlernen und gleichzeitig der Frage nachgehen können, welche Teile des Objektes mit voller Helligkeit, welcher Teil nur abgeschattet und welcher Teil überhaupt nicht mehr abgebildet wird.

Die Rede ist von einem Diaprojektor.

Sie glauben, daß Sie die Funktionsweise eines Diaprojektors kennen ? Die vergrößerte Abbildung eines Dias durch eine Linse eben !

Weit gefehlt, - Sie werden sich wundern !

Also wenn man es genau betrachtet, ist ein selbstleuchtendes Objekt eher die Ausnahme: Die Kerzenflamme oder das Glühbirnchen (auch bald nur noch im Museum zuu besichtigen!) die Sie in den meisten Lehrbüchern der Optik finden, sind doch eher unrealistisch. In Regel geht es um die Abbildung von Objekten, die von einer weiteren Lichtquelle (Sonne oder Lampenlicht) beleuchtet sind. Wir haben bisher - ohne es ausdrücklich zu erwähnen - nur eine ganz bestimmte Art von Objekten betrachtet - die selbstleuchtenden. D.h., von jedem Objektpunkt geht ein Strahlenbündel aus, dessen Öffnungswinkel durch die abbildende Optik begrenzt wird. Nun gibt es aber sehr oft den Fall, daß das Objekt gar nicht selbst leuchtet, sondern von einer Lichtquelle angestrahlt wird, so wie das Dia bei dem hier betrachteten Projektor, oder das beleuchtete, transparente Objekt vor einem Mikroskopobjektiv !

Wie steht es jetzt mit der helligkeitsbestimmenden Blende aus ? Welches ist die Aperturblende, wo ist eine eventuelle Eintrittspupille zu suchen - und die vielleicht die wichtigste Frage: welche Teile des Dias/Objektes werden überhaupt abgebildet ?
Lassen Sie uns die Angelegenheit Schritt für Schritt untersuchen.

Im folgenden Bild ist eine Anordnung skizziert, bei der die Glühwendel einer Projektorlampe als Lichtquelle dient. Ein Dia übernimmt die Rolle des Objektes, und dazu kommt noch eine Linse und ein Bildschirm. In diesem Fall wird der Öffnungswinkel des Strahlenbündels von der Abmessung der Lichtquelle, d.h. von der Größe der Lampenwendel bestimmt.

Die Lampenwendel ist also Aperturblende.
Die Modellvorstellung, dass die Lampenwendel die Rolle der Aperturblende spielt, ist sicher etwas gewöhnungsbedürftig!

Man könnte dabei leicht dem Irrtum verfallen, daß man eine Steigerung der Bildhelligkeit allein durch die Vergrößerung der Lampenwendel erreichen könnte.

Das ist natürlich nicht der Fall : eine Vergrößerung der Wendel bei konstanter Leistung würde natürlich die Leuchtdichte verkleinert, so daß die Bildhelligkeit davon nicht beeinflußt werden würde.

Trotzdem ist die Modellvorstellung, daß die Lampenwendel die Rolle der Aperturblende übernimmt sinnvoll.

Dazu die folgende Überlegung: Wenn man ganz dicht vor die Lampenwendel eine Irisblende setzt und diese kontinuierlich verkleinert, dann würde die Bildhelligkeit im selben Maße abnehmen! Wenn man also dafür sorgt, daß die Leuchtdichte der Lichtquelle konstant bleibt, dann kann man tatsächlich davon reden, daß sie als Aperturblende wirkt.
Jetzt stoßen wir zum ersten mal auf eine Schwierigkeit, die für den praktischen Gebrauch eines optischen Systems von größter Bedeutung ist, - die Frage nämlich: werden alle Punkte des Objektes bzw. des Dias mit gleicher Helligkeit abgebildet, und gibt es vielleicht sogar Bereiche, die nur abgedunkelt bzw. überhaupt nicht mehr auf der Leinwand erscheinen?

Die obige Skizze verdeutlicht, daß mit einer solchen "Vignettierung" (= Abschattung) tatsächlich gerechnet werden muß; in der folgenden Skizze wird es hoffentlich noch etwas deutlicher:
Der Punkt '1' auf dem Dia wird mit vollem Öffnungswinkel, d.h. mit maximaler Helligkeit, auf dem Bildschirm erscheinen. Der Punkt '2' wird aber bereits etwas dunkler abgebildet, da ein Teil des Strahlenbündels durch die Fassung der Abbildungsoptik unterdrückt wird.

Weitere Punkte, die auf dem Dia noch dichter am Bildrand liegen, werden auf der Leinwand schließlich überhaupt nicht mehr sichtbar, - die von hier ausgehenden Strahlenbündel verlieren sich vollständig im Gehäuse des Projektors, wie in der folgenden Skizze angedeutet.

Die Rolle der Gesichtsfeldblende übernimmt in diesem Beispiel die Linsenfassung. Es ist leicht zu erkennen, daß sich durch Vergrößerung der Abbildungslinse auch das Gesichtsfeld vergrößern läst, - aber das wäre sicher eine sehr schlechte Lösung, denn Linsen mit großem Durchmesser sind nicht nur teuer, sondern haben in aller Regel auch sehr schlechte Abbildungsqualitäten.

Bevor wir aber die Lösung vorstellen wie denn nun ein funktionierender Projektor mit einem vollständigen, gleichmäßig ausgeleuchteten Bild des Dias aussieht, sollten wir zunächst noch die Frage untersuchen, wie man die Gesichtsfeldgrenzen, bestimmen kann. Das läßt sich an der obigen Anordnung nämlich ganz gut erläutern; also los geht's:
Bereiche mit maximaler Helligkeit ..........
 .....erhält man, wenn man die gegenüberliegenden Kanten von Apertur- und Gesichtsfeldblende durch eine gerade Linie miteinander verbindet. Im Bild unten die etwas dicker ausgezogene rote Linie!

Der Schnittpunkt dieser Linie mit dem Objekt markiert den Bereich, der mit maximalem Öffnungswinkel abgebildet wird.
Die Gesichtsfeldgrenze .....
 ....die Verbindungslinie zwischen dem Fußpunkt der Apertublende (=Blendenmitte) und der Kante der Gesichtsfeldblende - im Bild unten die etwas dicker ausgezogene rote LInie - markiert den Bereich auf dem Objekt, der mit (annähernd) der halben Helligkeit abgebildet wird. Dies ist definitionsgemäß die Gesichtsfeldgrenze.
Die Dunkelgrenze ...
....ergibt sich, wenn man die Kanten der Apertur- und der Gesichtsfeldblende, die auf der gleichen Seite der optischen Achse liegen, miteinander verbindet:
Wichtig, bitte merken: Bereich maximaler Helligkeit: Gegenüber liegende Kanten von Apertur- und Gesichtsfeldblende miteinander verbinden.

Gesichtsfeldgrenze (Halbschattenbereich): Fußpunkt der Aperturblende mit einer Kante der Gesichtsfeldblende verbinden.

Dunkelgrenze: Auf der gleichen Seite der opt. Achse liegende Kanten von Apertur- und Gesichtsfeldblende verbinden.
Na schön, wir wissen jetzt was alles nicht geht, -
aber wie funktioniert ein Diaprojektor denn nun ?		 Diese Betrachtung über das Gesichtsfeld beim Abbildungsstrahlengang für ein transparentes nicht-selbstleuchtendes Objekt hat Ihnen sicher klargemacht, daß Sie niemals einen funktionierenden Projektor konstruieren könnten, wenn Sie den Einfluß der Blenden, Linsenfassungen u.s.w. außer acht lassen.

Das Problem ist also erkannt - aber wie sieht die Lösung aus ? Wie muß ein Projektor beschaffen sein, der das Dia über den gesamten Bildbereich mit voller Helligkeit abbildet und dabei mit einer handlichen, d.h. möglichst kleinen, Abbildungsoptik auskommt?

Ganz offensichtlich spielt der Abstand der Blenden untereinander und ihr Abstand zum Objekt eine wichtige Rolle. Betrachten Sie doch bitte daraufhin ein der obigen Skizzen: Wenn es z.B. möglich wäre, das Dia ganz dicht an die abbildende LInse heranzuschieben, dann ließe sich das Gesichtsfeld erheblich vergrößern.

Die Grundidee ist richtig - sie scheitert nur an folgendem Problem:

- Der Abstand zwischen Dia und Projektionslinse läßt sich nicht beliebig verkleinern. Wenn Sie auf ein reelles, vergrößertes Bild Wert legen, dann muß sich das Dia zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite befinden, - Sie erinnern sich sicher an die Betrachtungen im Kapitel 7.

Und jetzt kommt der unglaubliche Trick ....... In dieser Situation hilft nun die Tatsache, daß die Rolle der Aperturblende auch vom Bild dieser Blende, der sog. 'Eintrittspupille', übernommen werden kann. (Kapitel 10.1) Wenn man also den Abstand zwischen der Eintrittspupille und der Gesichtsfeldblende sehr klein - am besten zu Null - macht, läßt sich dann vielleicht das Problem mit der Abschattung lösen?

Sie vermuten richtig ! Ich hätte diese rethorische Frage gar nicht formuliert, wenn sie nicht die Lösung enthalten würde. Mit Hilfe der sog. 'Kondensorlinse' wird ein Bild der Lampenwendel am Ort der Projektionslinse erzeugt:
.... und schon ist das Bild auf der Leinwand gleichmäßig hell ausgeleuchtet !

Im folgenden Bild ist der vollständige Abbildungsstrahlengang mit Kondensorlinse dargestellt:
Nach Einfügen einer Kondensorlinse zwischen Lampenwendel und Objekt (=Dia) können alle Teile des Dias abgebildet werden, denn:

- das Bild der Lampenwendel am Ort der Projektionslinse funktioniert als Eintrittspupille. Von jedem Punkt des abzubildenden Objektes gelangt ein Strahlenkegel in die Projektoroptik, dessen Öffnungswinkel vom Durchmesser der Eintrittspupille, also dem Bild der Lampenwendel, bestimmt wird. Das Bild auf der Leinwand ist - wie gewünscht - gleichmäßig hell.
Na, ist das ein Trick ? Hätten Sie das dem guten alten Projektor zugetraut ?
Wir können den Durchmesser der Abbildungsoptik (das Objektiv) des Projektors sogar beliebig klein machen, ohne eine Abschattung des projizierten Bildes zu riskieren; aber leider wird dabei auch die Bildhelligkeit erheblich leiden !
Noch ein paar Anmerkungen zum Projektor: Das Bild der Lampenwendel am Ort der Projetionslinse sollte möglichst genau in die Linsenöffnung passen. Wenn das Bild zu groß ist, dann wird die Abbildung dunkler und die Fassung der Projektorlinse übernimmt die Rolle der Aperturblende. Wenn das Bild sehr viel kleiner ist, dann wird die Projektoroptik nicht mit der vollen Öffnung benutzt und man hätte durch die Verwendung einer lichtschwächeren Version Geld sparen können.

Und noch ein Hinweis -

bei konventionellen Projektoren wird das 'Scharfstellen' des Bildes durch eine Verschiebung des Projektorobjektives realisiert. Das mag konstruktiv die einfachste Lösung sein, aber eigentlich verstößt diese Methode gegen die Grundidee, die zum Einsatz der Kondensorlinse geführt hatte. Bei diesem Verfahren wird die Position des Projektorobjekts relativ zum Bild der Lampenwendel verschoben, d.h., die optimale Anpassung wird gestört. Sinnvoller wäre es, das Dia zur 'Scharfeinstellung' zu verschieben.

*) ..... dabei wird mir bewußt, dass ich demnächst unbedingt ein Kapitel zur Abbildung durch einen Hohlspiegel einfügen muß !

**) Wärmeschutzfilter sind Glasscheiben, die den langwelligen Teil des Lichtes - also die Wärmewellen - absorbieren und nur den sichtbaren Teil des Spektrums durchlassen. Vorsicht das Ding wird höllisch heiß !!!

Ich hoffe, daß Sie jetzt etwas mehr Respekt vor dem Diaprojektor haben, der bei Ihnen zu Hause so langsam einstaubt.

Wenn Ihre handwerklichen Fähigkeiten damit nicht überfordert sind, dann nehmen Sie doch mal die Kondensorlinse heraus, sie werden sich wundern, was von Ihrem schönen Bild noch übrig bleibt !

Ach ja, noch etwas. Um die Lichtausbeute weiter zu steigern, wird oft hinter der Lampenwendel ein Hohspiegel gestellt, der die Lampenwendel in sich abbildet *), dabei muß man allerdings höllisch aufpassen, dass sich die Projektorlampe nicht überhitzt. Das gilt übrigens auch das Dia und das gesamte Projektorgehäuse. Aus diesem Grund werden häufig Wärmeschutzfilter **) vor das Dia gesetzt und der gesamte Apparat wird mit einem Ventilator gekühlt.

Aber lassen Sie sich von diesen technischen Details nicht verwirren - der wirklich wichtige Punkt, der den Projektor zu einem funktionierenden Gerät macht, besteht in der Abbildung der Lampenwendel in die Projektionsoptik - alles andere ist Schnickschnack !

Und zum Schluß will ich Ihnen gern noch die Arbeit abnehmen Ihren heimischen Diaprojektor zu öffnen, um sich all die Kmponenten anzusehen von denen wir hier - reichlich theoretisch ! - gesprochen haben. (Mein Dank für das Bild geht an Rainer Knäpper)
Etwas genauer kann man das Lampengehäuse in der folgenden Ausschnittsaufnahme sehen. (Das Bild ist ebenfalls von Rainer Knäpper)
Der Kondensor wird häufig mit zwei plan-konvexen Linsen realisiert, - warum ist mir auch nicht ganz klar ! (Schreiben Sie mir doch 'mal, wenn Sie eine Erklärung finden.)

Und nocht etwas:

Was war der Grund warum der Kondensor so wichtig ist ? Ja klar: um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Dias zu erreichen !

Hätte man das nicht auch durch eine Vergrößerung der Abbildungsoptik erreichen können ? Ja, hätte man, aber das wäre sehr teuer und aufwändig geworden !

Wieso, die Kondensorlinse muß doch auch einen ziemlich großen Durchmesser haben ? Na ja, eine große Kondensorline ist trotzdem sehr viel billiger als eine Projektionsoptik mit dem notwendigen großen Durchmesser, - aus zwei Gründen:

1. Die Kondensorlinse muß keine sehr gute Abbildungqualität haben;
2. Die Abbildungsoptik muüßte einen noch größeren Durchmesser als der Kondensor haben.

Unabhängig von einem bestimmten optischen Gerät sollten wir versuchen, für ein beliebiges optisches System ein 'Rezept' zur Identifizierung der Apertur- und der Gesichtsfeldblende anzugeben, das machen wir aber im nächsten Kapitel!