Der Lichtbilderapparat und seine Wirkungsweise

Die allgemeine Anordnung

Der Lichtbilderapparat ist nichts anderes als eine vervollkommnete Form der Laterna magica wie wir sie aus der Kinderstube kennen.

Fig. 1. Laterna magica.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung und läßt die wesentlichen Bestandteile erkennen: das Gehäuse mit der Lichtquelle, hier einer Petroleumlampe; die Sammellinse C in der Vorderwand des Gehäuses; davor die Bildbühne B, in welche die Glasbilder eingesetzt werden und weiter vorne, mit dem Gehäuse durch ein ausziehbares Rohr verbunden, eine zweite Sammellinse O. Die Linse C, welche man Kondensor nennt, hat die Aufgabe, die Lichtstrahlen zu sammeln und in einem Kegel durch das davorstehende Glasbild zu werfen. Die Linse O anderseits, die man als Objektiv bezeichnet, soll diesen Strahlenkegel aufnehmen und derart geordnet auf die Wand leiten, daß dort ein vergrößertes, scharfes Lichtbild entsteht. Die Eigenschaften, welche die einzelnen Bestandteile des Apparats besitzen müssen, lassen sich hieraus direkt ableiten: das Objektiv O muß zunächst solcher Konstruktion sein, daß es eine scharfe Vergrößerung des Glasbildes entwirft, ferner muß es so groß im Durchmesser sein oder, wie man sagt, eine so große »Öffnung« haben, daß alle vom Kondensor kommenden Strahlen aufgefangen werden. Der Kondensor C soll möglichst viele Strahlen der Lichtquelle aufnehmen, er soll das davorstehende Glasbild gleichmäßig beleuchten und die Strahlen in einem spitzen Kegel so nach vorne schicken, daß sie glatt ins Objektiv gelangen. Die Lichtquelle muß kräftig sein, denn von ihrer Intensität hängt die Helligkeit des Lichtbildes direkt ab; dabei soll die leuchtende Fläche eine geringe Ausdehnung haben, weil der Kondensor nur dann die Strahlen in einem hinreichend spitzen Winkel nach vorne werfen kann. Hat die Lichtquelle nämlich eine zu große Ausdehnung, so werden die Strahlen in Form eines breiten Büschels nach vorne geworfen, und das Objektiv kann dann nur einen Teil davon auffassen. Der Apparat muß naturgemäß derart gebaut sein, daß die beiden Linsensysteme in richtiger Stellung zueinander angeordnet (»zentriert«) sind; er muß stabil sein und genügend Platz für die Lichtquelle sowie für die Glasbilder bieten. Das Glasbild (um auch dies hinzuzunehmen) soll klar sein in den Lichtern, kräftig in den Umrissen und reich an Details, und die Projektionswand endlich muß eine ebene, weiße Fläche bieten, die das darauf geworfene Licht gehörig reflektiert.

Fig. 2. Lichtbilderapparat.

Diese Forderungen nun, soweit sie an den Apparat gestellt werden, können von den einfachen Linsen der in Fig. 1 dargestellten Laterna magica nicht in befriedigender Weise erfüllt werden: die Beleuchtung ist keine ausreichende, indem der Kondensor das zur Verfügung stehende Licht schlecht ausnutzt, und vor allem fehlt es dem Lichtbild an Schärfe. Fig. 2 zeigt nun den verbesserten Apparat, und zwar mit der optischen Ausrüstung, wie sie jetzt in der Regel gebraucht wird. Der Kondensor C besteht aus zwei plankonvexen Linsen, während das Objektiv O aus vier Linsen zusammengesetzt ist und einen Trieb zum Scharfeinstellen besitzt. Der Gang der Lichtstrahlen ist punktiert eingezeichnet; man ersieht daraus, daß die Strahlen durch die erste Kondensorlinse parallel gemacht und dann durch die zweite Linse gesammelt werden.

Der Doppelkondensor ist im folgenden Bilde unter A für sich dargestellt. Daneben sehen wir zwei Formen von dreifachen Kondensoren. Der Zusatz einer dritten Linse bewirkt, daß die Lampe näher an den Kondensor herankommt, und daß infolgedessen mehr Licht aufgenommen wird. Unter D und E ist dies angedeutet; man sieht, daß der dreifache Kondensor, welcher bei B und E durch Vorsetzen einer Meniskuslinse, bei C durch Zwischensetzen einer bikonvexen Linse hergestellt ist, einen größern Winkel auffaßt als der Doppelkondensor. Die dreilinsige Ausführung wird hauptsächlich bei größern Kondensoren, z. B. solchen von 15 cm Durchmesser, angewandt.

Der Kondensor

Fig. 3. Doppelter und dreifacher Kondensor.

Der Kondensor muß im Durchmesser so groß sein, daß er die Glasbilder ausbeleuchtet. Die Glasbilder nun, welche man im Handel bekommt, haben das Außenformat 8¹/₄ × 8¹/₄ oder 8¹/₂ × 10 cm; das Innenmaß, d. h. die eigentliche Bildgröße, beträgt in der Regel etwa 7 × 7 cm. Um ein solches Bild von 7 × 7 cm bis in die Ecken zu beleuchten, braucht man, wie Fig. 4 links zeigt, einen Kondensor von 10 cm Durchmesser. Man benutzt daher für die gewöhnlichen Projektionsapparate Beleuchtungslinsen von 10 bis 11¹/₂ cm Durchmesser. Für größere Glasbilder ist ein Apparat mit entsprechend größerem Kondensor erforderlich; aus Fig. 4 rechts ist zu ersehen, daß das Bildmaß 9 × 12 cm Linsen von 15 cm Durchmesser verlangt. Benutzt man einen Kondensor, der wesentlich größer ist als das Glasbild, so geht nur ein Teil des Lichtes durch das Bild hindurch, und alle übrigen Strahlen gehen verloren. Indessen kann man diesen Lichtverlust in der Weise vermeiden, daß man die Bilder, welche sonst dicht vor den Linsen stehen, weiter nach vorn in den Strahlenkegel bringt, wo dieser enger ist. Es wird dann das ganze Licht darauf konzentriert.

Fig. 4. Kondensordurchmesser und Bildgröße.

Das Objektiv

Als Projektionsobjektiv wird meistens das von Petzval erfundene Porträtobjektiv benutzt; es besitzt eine große Lichtstärke und läßt sich in ausreichend guter Qualität verhältnismäßig billig herstellen. Das Instrument besteht aus vier Linsen, die in einem Messingrohr sitzen. Die beiden Vorderlinsen sind verkittet, während die Hinterlinsen durch einen schmalen Ring getrennt sind. Man tut gut, sich die Anordnung der Linsen zu merken, damit man sie nach dem Reinigen wieder richtig einsetzt.

Fig. 5. Petzvalsches Objektiv.

Es gibt eine einfache Regel, die lautet: alle Linsen zeigen mit ihrer gewölbten bzw. der am stärksten gewölbten Seite nach vorne. In der normalen Ausführung liefern diese Instrumente eine gute Mittelschärfe. Wenn eine höhere Leistung verlangt wird, so muß man ein besonders sorgsam gearbeitetes Objektiv nehmen, das entsprechend teurer ist. Eine wie man sagt »geschnittene Schärfe« und dabei plastische Zeichnung wird von den modernen lichtstarken Instrumenten geliefert, die man als »Anastigmate« bezeichnet. Die an Lichtbilderapparaten benutzten Objektive haben in der Regel eine mit Zahntrieb versehene Fassung, die ein scharfes Einstellen gestattet. Man fertigt die Instrumente aber auch in glatter, zylindrischer Ausführung und steckt sie dann in eine sogenannte Auswechselfassung, an welcher der Zahntrieb angebracht ist; bei dieser Anordnung ist eine bequeme und rasche Auswechslung gegen eine andere Objektivtube möglich.

Verhältnis von Bildgröße zu Abstand = 1 : 2

Verhältnis von Bildgröße zu Abstand = 1 : 3

Fig. 6. Brennweite, Abstand und Bildgröße.

Durch das Objektiv wird auch die Größe des Lichtbildes auf einen gewissen Abstand hin bestimmt. Die normalen Objektive liefern ein Bild, das nach Höhe und Breite etwa halb so groß ist, wie der Abstand des Apparates von der Wand. In der schematischen Darstellung (Fig. 6) ist das Objektiv durch eine einfache Linse wiedergegeben. a b ist das Glasbild. In dem obern Schema bekommen wir auf 3 m Entfernung ein 1¹/₂ m großes Bild, auf 6 m Entfernung ein 3 m großes Bild. Unten ist ein anderes Verhältnis dargestellt. Da ist das Lichtbild ein Drittel so groß wie der Abstand: wir bekommen z. B. ein 2-m-Bild auf 6 m Abstand und ein 3-m-Bild auf 9 m Abstand. Um ein solches Verhältnis zu erzielen, müssen wir ein anders geschliffenes Objektiv nehmen. Wie ein Vergleich beider Zeichnungen ergibt, steht die Linse unten in einem größern Abstand vom Glasbild a b als oben. Dieser Abstand, in den Figuren mit f bezeichnet ist ungefähr gleich der Brennweite des Objektivs.

Wenn wir die Geometrie zu Hilfe nehmen, so finden wir, daß in der obern Figur die Brennweite f doppelt so groß ist wie das Glasbild a b; in der untern Figur dreimal so groß. Ja, es gibt eine allgemeine einfache Regel: die Objektivbrennweite steht in dem gleichen Verhältnis zur Größe des Glasbildes wie der Apparatabstand zur Größe des Lichtbildes. Wenn wir z. B. ein 3 m großes Lichtbild auf 12 m Entfernung haben wollen, so gibt das ein Verhältnis 1: 4. Mithin brauchen wir ein Objektiv, dessen Brennweite viermal so groß ist wie das Glasbild. Wenn nun die Glasbilder im Lichten durchschnittlich 7 cm messen, so muß die Brennweite 4 × 7 = 28 cm betragen. Auf diese Weise ist es leicht, für jedes Verhältnis rechnerisch die erforderliche Objektivbrennweite zu bestimmen. Man sieht aus den Zeichnungen gleichzeitig, daß die Glasbilder auf dem Kopf stehen müssen, damit die Lichtbilder aufrecht erscheinen.

Der Begriff der Brennweite läßt sich am leichtesten erklären mit Hilfe des bekannten Experiments: Man hält eine Sammellinse gegen die Sonnenstrahlen und bringt mit der andern Hand ein Blatt Papier dahinter. Wenn man nun das Blatt vor- und zurückschiebt, so wird man bald eine Stelle finden, wo die Strahlen darauf einen helleuchtenden Fleck geben. Dieser Fleck ist nichts anderes als ein Bildchen der Sonne; man hat die Stelle »Brennpunkt« genannt, weil hier auch die mit den Lichtstrahlen vereinigten Wärmestrahlen konzentriert werden, die das Papier in Brand setzen. Den Abstand des Brennpunktes von der Linse oder richtiger von der Mitte des Glaskörpers bezeichnet man nun als »Brennweite«.

Wenn man dies Experiment mit verschiedenen Brenngläsern macht, wird es sich herausstellen, daß deren Brennweiten nicht gleich sind; es wird sich ferner zeigen, daß die stärker gewölbten Gläser eine kürzere Brennweite haben als die flacher geschliffenen. Statt die Linse gegen die Sonne zu halten, kann man sie auch gegen einen gut beleuchteten, weit entfernten Gegenstand, z. B. einen Schornstein richten, wobei man das Papierblatt vor- und zurückschiebt, bis sich ein scharfes Bild des Schornsteins darauf zeigt; das Blatt deckt man möglichst gegen »falsches Licht« ab, um das Bild deutlich erscheinen zu lassen. Es wird dem Beobachter dabei auffallen, daß das Bild auf dem Kopfe steht. Der Abstand des Papiers von der Mitte der Linse ist geradesogroß wie bei dem Experiment mit der Sonne, und wenn wir ihn messen, haben wir also die Brennweite.

Zusammenarbeiten von Kondensor und Objektiv

Der Kondensor muß der Brennweite des Objektivs angepaßt sein. Er soll dem Objektiv, welches in Fig. 7 durch eine einfache Linse wiedergegeben ist, einen Strahlenkegel zuwerfen, in der Weise, daß (wie unter I) alles Licht durch das Objektiv hindurchgeht. Wenn nun der Apparat mit einem Objektiv längerer Brennweite versehen wird, wobei dieses in einen größern Abstand vom Kondensor kommt, so wird, wie sich aus der Darstellung II ergibt, der Kondensor nicht mehr richtig arbeiten: das Objektiv »kommt zu kurz«, indem es von dem Strahlenkegel nur den mittlern Teil aufnimmt. Damit die richtige Wirkung erhalten wird, müssen wir dem Kondensor ebenfalls eine längere Brennweite geben, so daß er den Strahlenkegel wiederum mit der Spitze gegen das Objektiv wirft. Dies ist unter III skizziert: die vordere Kondensierungslinse ist dort durch eine flachere ersetzt. Es ist von größter Wichtigkeit, daß man diese Bedingung für das richtige Zusammenarbeiten von Kondensor und Objektiv beachtet. Bei der Beschaffung eines neuen Objektivs wird es häufig versäumt, die unter Umständen erforderlichen Veränderungen des Kondensors vorzunehmen, und die Folge ist dann, daß man kein reines, weißes Bildfeld erhält: bei der normalen Einstellung der Lampe zeigen sich gelbrote Ränder, während bei vorgeschobener Lampe blaue Flecken entstehen.

Fig. 7. Das Zusammenarbeiten von Kondensor und Objektiv.

Einfluß der Lichtquelle

Aber noch ein Punkt ist beim Zusammenpassen von Objektiv und Kondensor zu berücksichtigen. Man stellt die Wirkungsweise des Kondensors durch die in Fig. 8 unter I gegebene Zeichnung dar, wonach die von der punktförmigen Lichtquelle L ausgehenden Strahlen durch die Linsen wieder in einem Punkte M vereinigt werden. Diese Darstellung ist aber eine ideale. In Wirklichkeit werden die auf den Rand der Linse auffallenden Strahlen stärker gebrochen als die zentralen Strahlen; erstere sammeln sich in M₁, letztere in M₂ (vgl. Fig. 8 II), während die Vereinigungspunkte der übrigen Strahlen zwischen M₁ und M₂ liegen. Wenn wir uns nun in der Figur alle diese Strahlen ausgezogen denken, so bekommen wir das unter III wiedergegebene Büschel. Da sehen wir, daß die Linsen des Objektivs O einen hinreichend großen Durchmesser haben müssen, damit sie das ganze Strahlenbündel auffassen.

Fig. 8. Wirkungsweise des Kondensors bei punktförmiger Lichtquelle.

Tatsächlich liegen die Verhältnisse noch ungünstiger. Es steht uns nämlich keine Lichtquelle zur Verfügung, die punktförmig ist. Nehmen wir nun aber gemäß Fig. 9 eine Lichtquelle mit einer leuchtenden Fläche L₁ L₂, so wird jeder einzelne Punkt für sich ein Strahlenbüschel liefern; für L₁ verläuft dies Büschel nach unten, wie unter I angedeutet ist, für L₂ geht es in gleicher Weise nach oben. Und alle diese Büschel vereinigen sich zu einem breiten Büschel, dessen Begrenzung unter II dargestellt ist. Das einskizzierte Objektiv O