Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes


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Inhalt: Allgemeines zur Lichtbündelung

Text und Abbildungen: Frank Hermann

Die meisten Lichtquellen strahlen ihr Licht in alle möglichen Richtungen ab (Bild 1). Um das erzeugte Licht optimal zu nutzen, benötigt man daher in der Regel zusätzliche Bauelemente. Zum einen möchte man bestimmte Richtungen heller ausleuchten, zum anderen auch Bereiche unbeleuchtet lassen.

Bild 1
Bild 1: Radiale Abstrahlung einer Lichtquelle

Die zusätzlichen Bauelemente dienen dazu das Licht entsprechend dem gewünschten Anwendungsfall in bestimmte Vorzugsrichtungen zu lenken oder mit Hilfe von Blenden (z.B. einem "Lampenschirm") definierte Bereiche unbeleuchtet zu lassen. 

Leuchtfeuertechnische Einrichtungen sind insofern eine Besonderheit, da sehr viel Licht (hohe Lichtstärken) in äußerst enge Bereiche (kleine Raumwinkel) gelenkt werden müssen.

Nur so können die großen Reichweiten (Tragweiten) der Feuer, die bei Schifffahrtszeichen erforderlich sind, erreicht werden. Auf der anderen Seite steht für viele Laternen (autarke Feuer mit Solar- oder Windenergieversorgung) nur wenig Energie zu Verfügung für, sodass man gezwungen ist, das erzeugte Licht möglichst effektiv zu nutzen.

Diese Nebenbedingungen bewirken, dass sich die Lichtsignaltechnik des Schifffahrtszeichenwesens zum Beispiel deutlich vom Straßenwesen unterscheidet.

Eine weitere Besonderheit der Leuchtfeuertechnik ist, dass in ihr - historisch betrachtet - nahezu alle wesentlichen Erfindungen der Lichtlenkung entstanden sind - viele Jahrzehnte bevor sie im Eisenbahn- und Straßenwesen eingesetzt wurden. Auch zahlreiche neue LED-Leuchten benutzen in verkleinertem Masstab optische Prinzipien, die ihren Ursprung in der Leuchtfeuertechnik haben.

Für die exakte Ablenkung von Licht gibt es zwei physikalische Möglichkeiten:

- Spiegelung

- Brechung

Es existiert noch eine dritte Methode, die physikalisch zum Phänomen der Brechung gehört, aber wie eine Spiegelung wirkt: die Totalreflexion.

Alle drei Mittel werden im Seezeichenwesen angewandt.

Die Spiegelung ist das einfachste und effektivste Mittel zu Bündelung von Licht. Bereits durch eine geschickte Anordnung von kleinen Spiegeln um die Lichtquelle herum, kann man eine Vervielfachung der Lichtstärke erreichen (Bild 2). Je mehr Lichtstrahlen in die Vorzugsrichtung abgelenkt werden, so heller erscheint die Lichtquelle dort.

Bild 2
Bild 2: Anordnung von einigen Spiegeln zur Lichtbündelung

Wenn die Lampe fast vollständig von Spiegeln umgeben wird, ist die gebündelte Lichtmenge maximal (Bild 3).

Bild 3
Bild 3:  Anordnung von mehreren symmetrischen Spiegeln zur Lichtbündelung

Wählt man die Spiegel immer kleiner und lässt sie zusammen wachsen, erhält man schließlich den so genannten Parabolspiegel (Bild 4).

Bild 4
Bild 4: Parabolspiegel

Vom Prisma zur Linse...

Die zweite Methode zur Lichtablenkung beruht auf dem physikalischen Effekt der Lichtbrechung. Wird ein Lichtstrahl durch ein Glasprisma geschickt, so verlässt er das Prisma unter einem anderen Winkel: er wird gebrochen (Bild 5). Dabei wird das Licht auch geringfügig in die Regenbogenfarben aufgespaltet.

Bild 5
Bild 5: Lichtbrechung an einem Prisma

Analog zu dem Aufbau eines Parabolspiegels kann man nun durch Mehrfachanordnung von Prismen die Lichtstärke in die Vorzugsrichtung erhöhen (Bild 6). Auch hier erhält man die höchste Lichtstärke, wenn möglichst viele Strahlen zur Ablenkung aufgefangen werden.

Bild 6
Bild 6 : Anordnung von einigen Prismen zur Lichtbündelung

Lässt man die Prismen immer kleiner werden und aneinander stoßen, entsteht eine Scheinwerferlinse (Bild 7 und 8).

Bild 7
Bild 7:  Anordnung von mehreren symmetrischen Prismen zur Lichtbündelung

Bild 8
Bild 8: Kompakte Linse

Im Unterschied zum Parabolspiegel ist zu beachten, dass die Linse nur auf einer Seite der Lichtquelle steht, während der Spiegel die Lichtquelle richtig gehend umfasst. Ein Parabolspiegel kann also viel mehr Lichtstrahlen ablenken als eine Linse. Spiegelsysteme erreichen höhere Lichtstärken als Linsensysteme.

... und wieder zurück zum Prisma

Obwohl Spiegelsysteme viel effektiver Licht bündeln können, sind die meisten noch erhaltenen Leuchtfeuer mit Linsensystemen ausgestattet. Dies hat mehrere Gründe.

Die großen Entwicklungen in der Leuchtfeuertechnik wurden vor 1900 gemacht. Damals konnte man keine spiegelnden Flächen erzeugen, die über einen ausreichend langen Zeitraum glänzend blieben. Man verwendete polierte Metalle, die wie Silbergeschirr mit der Zeit anliefen und dunkel wurden. Glas war dem gegenüber schon damals ein sehr dauerhafter Werkstoff.

Um die hohe Lichtbündelung eines Spiegelsystems auch wirklich zu erreichen, muss die Lichtquelle vom Spiegel umschlossen werden. Damit ist sie nicht nur schwer erreichbar (Lampenwechsel!). Die durch die Lichtquelle erzeugte Hitze lässt sich ebenfalls nur schwer abführen.

Ein weiterer Grund für die bevorzugte Verwendung von Linsensystemen sind die Gürtellinsen. Diese bündeln das Licht rundum in der Horizontalen. Bei dieser Art von Optiken ergibt sich kein Vorteil für Spiegelsysteme.

Daher wurde Anfang des 19. Jahrhunderts intensiv über die möglichst effektive Lichtbündelung mit Linsen nachgedacht. Es stellte sich heraus, dass die Linsen sehr hoch sein müssen. Tatsächlich wurden Höhen von bis zu 3 Metern angestrebt, damit möglichst viele Strahlen der Lichtquelle von der Linse eingefangen werden. Durch die große Höhe müsste aber eine kompakte Linse auch sehr dick sein (2-3 Meter). Solche Linsen sind bis heute nicht realisierbar.

Man besann sich wieder auf das Prismenprinzip und zerschnitt die angestrebte dicke Linse in einzelne Zonen, entfernte den großen Glasklotz und korrigierte die Flächen für eine optimale Bündelung. Dadurch wurde die "dicke" Linse in relativ kleine Teile zerlegen (Bild 9). Obwohl diese Teile in der Regel gekrümmte Flächen aufweisen, nennt man sie dennoch Prismen.

Bild 9
Bild 9: Fresnellinse mit brechenden Elementen

Wesentliche Arbeiten zu dieser Anordnung werden dem französischen Physiker Fresnel (1788 - 1827) zu geordnet. Daher nennt man diese Linsen auch Fresnellinsen.

Bei sehr hohen Fresnellinsen wurde jedoch festgestellt, dass die Strahlen, die an den äußeren Prismen sehr flach auf die Glasflächen treffen, teilweise reflektiert werden und auch einer starken Farbzerlegung unterworfen sind (Fresnelgleichungen). Daher setzte man dort wieder Spiegel ein. Um aber keine Metallspiegel verwenden zu müssen, wurden hierfür vorzugsweise totalreflektierende Prismen eingesetzt (Bild 10).

Bild 10
Bild 10: Prisma in brechender und totalreflektierender Anordnung

Bei den totalreflektierenden Prismen wird das Licht an der ersten Fläche gebrochen, an der zweiten "total" reflektiert und an der dritten wieder gebrochen. Theoretisch ist es möglich mit totalreflektierenden Prismen die Lichtquelle - wie mit dem Spiegel - fast vollständig zu umfassen. Nach unten hin musste aber die Lichtquelle befestigt werden und nach oben musste für eine ausreichende Entlüftung der heißen Lichtquelle gesorgt werden. Daher wurde darauf verzichtet.

Die vollständige Fresnellinse besteht somit sowohl aus brechenden als auch reflektierenden Prismen (Bild 11).

Bild 11
Bild 11: Vollständiges Fresnelprofil

Das von Fresnel erfundene Prinzip der "zerschnittenen" Linse ist bis heute erfolgreich und wird in vielen lichttechnischen und optischen Geräten verwendet. Der Ursprung liegt aber im Leuchtfeuerwesen. Durch seinen frühen Tod hat Fresnel die große Blüte seiner Ideen nicht mehr erleben dürfen. Der großflächige Einsatz in Leuchtfeuern mit erheblichen Weiterentwicklungen fand erst nach seinem Tod statt.