DE19700112C2 - Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalre­ flexion, unter Verwendung ineinandergestapelter Lichtumlenkkörper aus licht­ transparentem Material. Vorzugsweise dient die Vorrichtung als Sonnenschutzvor­ richtung.

Das energetische Potential der Sonne als Wärme- und Lichtquelle hat zur Entwick­ lung von thermischen Komponenten wie beispielsweise Solarkollektoren und Hausfassaden mit transparenter Wärmedämmung (TWD) angeregt. Die mit diesen Komponenten mittlerweile erreichbaren Wirkungsgrade sind so gut, daß es für Zeiten hoher Einstrahlung spezieller Vorrichtungen bedarf, um hohe Temperaturen und dadurch bedingte mögliche Schäden an den thermischen Komponenten selbst abzuwenden. Auch insbesondere im Hinblick auf den seit geraumer Zeit existieren­ den Trend zur "gläsernen Architektur", die die Verwendung großzügig dimen­ sionierter Fensterflächen propagiert, sind Verschattungssysteme, die ein zu starkes Aufheizen der Innenräume verhindern sollen, notwendig. Dies gilt nicht nur für großflächige Glasfassaden, sondern insbesondere auch für die in Mode gekomme­ nen Wintergärten, die zum großen Teil annähernd horizontal verlaufende, aus Glas gefertigte Dachkonstruktionen aufweisen, durch die die Sonneneinstrahlung, insbe­ sondere zu Zeiten hohen Sonnenstandes zum starken Überhitzen der Innenräume führt.

Da es bspw. bislang für Solarkollektoren noch kein marktreifes System für Über­ hitzungsschutz gibt, setzen die Hersteller für Solarkollektoren kostspielige, hochtem­ peraturbeständige Materialien und Komponenten ein, was sich jedoch direkt auf die Herstellungskosten derartiger Komponenten nachhaltig auswirkt.

Bei Hausfassaden mit transparenter Wärmedämmung werden in üblicher Weise Ja­ lousien eingesetzt, deren Gesamtkosten jedoch sehr hoch liegen, wodurch die Ver­ breitung von TWD erheblich behindert ist.

Ebenso gibt es für Fensterflächen eine Vielzahl von Sonnenschutzvorrichtungen, die zum größten Teil elektromechanisch oder rein mechanisch angesteuert werden, wie beispielsweise Jalousie- oder Markisensysteme. Derartige Schutzvorrichtungen sind jedoch ebenso kostspielig und bieten darüberhinaus nur unbefriedigende Kom­ promisse zwischen der Schutzwirkung, der Lichtdurchlässigkeit bzw. Transparenz und den damit verbundenen Gesamtkosten. Eine Übersicht diesbezüglich bietet der Beitrag "Verschattungsvorrichtungen an Gebäuden - optische und thermische Auswirkungen" von A. Raicu, H. R. Wilson und V. Wittwer aus der Reihe "Innovative Lichttechnik in der Architektur des ostbayrischen Technologietransferin­ stituts (OTTI)".

Zwar sind derzeit Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet schaltbarer optischer Schichten bekannt, die über elektrochrome, thermochrome, thermotrope oder ähnli­ che Eigenschaften verfügen und in Abhängigkeit äußerer physikalischer Parameter ihre Transmissionseigenschaften ändern können, doch bestehen derzeit noch ungelöste Fragen und Probleme im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad, Schal­ thub, der Langzeitstabiltät und Serienfertigung derartiger Schichten.

Bislang ist kein marktreifes, selbstregulierendes System für den Überhitzungsschutz im Fensterbereich und für thermische Komponenten bekannt, das ohne jegliche externe, gesteuerte Energiezufuhr arbeitet.

In der US 4 848 879 ist ein optisch transparentes Bauelement beschrieben, dessen Transmissionsvermögen durch das temperaturabhängige Brechungsindexverhalten einer Flüssigkeit bestimmbar ist, die zwischen ein Schichtsystem bestehend aus op­ tisch transparenten Schichten eingebracht ist. Zum gezielten Einstellen gewünschter Transmissionsgrade ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, durch die die Flüssigkeit erwärmt werden kann.

Eine andere Möglichkeit, das Transmissionsvermögen durch eine optisch transpa­ rente Scheibe zu variieren, besteht in der Veränderung des Reflexionsgrades, durch Ausnutzen von Interferenzeffekten, wie es aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 44 08 712 A1 hervorgeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtumlenkvorrichtung, die mittels Totalreflexion das auf die Vorrichtung einfallende Licht innerhalb eines bestimmt vor­ gegebenen Winkelbereiches zurückreflektiert, derart weiterzubilden, daß der totalre­ flektierende Winkelbereich vergrößert wird und überdies in weiten Grenzen ein­ stellbar ist. Das auf die Vorrichtung außerhalb dieses Winkelbereiches eintreffende Licht soll die Vorrichtung nahezu ungehindert durchdringen. Die Vorrichtung soll ins­ besondere als Überhitzungsschutz dienen, und in selbstregulierender Weise in Ab­ hängigkeit des Sonnenstandes über richtungsselektive Reflextionseigenschaften verfügen.

Lösungen der obenangegebenen Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 12 ange­ geben. Die Erfindung vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Erfindungsgemäß sieht die Lichtumlenkvorrichtung eine Vielzahl parallel nebenein­ ander flächig angeordneter Lichtumlenkelemente vor, von denen jedes aus einem Körper aus transparentem Material besteht, der die Form eines entlang seiner Längsachse halbierten Hohlzylinders aufweist, dessen Schnittflächen mit der Halbie­ rungs-Schnittebene dem einfallenden Licht zugewandt sind, wobei der Innen- und der Außenradius des Hohlzylinders und der Brechungsindex (n₂) des transparenten Materials gegenüber dem Brechungsindex (n₁) des das transparente Material um­ gebenden Materials so gewählt sind, daß an der einen Halbierungs-Schnittfläche in den Körper einfallendes Licht durch mehrfache Totalreflexion an der inneren und der äußeren Mantelfläche des halbierten Hohlzylinders zur jeweils anderen Halbie­ rungs-Schnittfläche umgelenkt wird.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Verwendung sogenannter halbauf­ geschnittener, hohlzylinderschaliger Umlenkkörper, deren Konkavseiten dem Lichteinfall zugewandt sind, so daß der Lichteinfall über die offenen Schnittflächen in das Innere der Umlenkkörper erfolgen kann, bei entsprechender Dimensionierung ideale Spiegel darstellen, die auf der Basis von Totalreflexion arbeiten. Je nach Einfallswinkel auf die entsprechenden Schnittflächen relativ zur Oberflächennor­ malen der Schnittflächen und der Dimensionierung der Umlenkkörper, treten an den inneren Grenzflächen der Umlenkkörper Totalreflexionen auf, die dazu führen, daß das über jeweils eine Schnittfläche in den Umlenkkörper eingestrahlte Licht verlust­ frei über die gegenüberliegende Schnittfläche aus dem Umlenkkörper wieder austritt. Es kann gezeigt werden, daß der Winkelbereich, innerhalb dem der Lichteinfall unter nachfolgender Totalreflexion auftritt, maximal etwa 50° beträgt, wohingegen entspre­ chende Aperturen bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik lediglich 10° betra­ gen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei geeigneter Montage die di­ rekte Sonneneinstrahlung ganzjährig ohne Nachstellung der Spiegelanordnung zurückreflektiert werden.

Um die vorstehend genannten Aperturen für Totalreflexionen zu erreichen, sind mehrere, geeignet dimensionierte halbe hohlzylinderschalige Umlenkkörper, gleichsam dem Aufbau einer zur Hälfte aufgeschnittenen Zwiebel, ineinander­ zufügen. Die auf diese Weise ineinandergestapelten Umlenkkörper weisen von außen nach innen abnehmende Zylinderradien auf, jedoch bleibt das Radienverhält­ nis zwischen Zylinderinnen- und Zylinderaußenradius jedes einzelnen halben hohl­ zylinderschaligen Umlenkkörpers konstant. Das Ineinanderstapeln unterschiedlich groß ausgestalteter Hohlzylinderschalen trägt jedoch nur bis zu einer bestimmten Anzahl von verschachtelten Schalen zu einer Reflexionssteigerung der Anordnung bei, so daß ein verbleibender innerer Bereich mit geeignetem, transparentem Mate­ rial massiv ausgefüllt werden kann. Je nach Anwendung ist dieser innere Bereich transparent oder mit einer reflektierenden Schicht auszustatten. Jedoch beeinflußt der innere Flächenanteil des massiv ausgebildeten Stückes bzw. der reflektierenden Schicht den maximal erreichbaren Schalthub, zumal in diesem Bereich keine Strahlungsselektivität durch Totalreflexion gegeben ist.

Um eine möglichst großflächige Lichtumlenkung zu erzielen, sind die einzelnen, inei­ nander verschachtelten Halbzylinderanordnungen parellel nebeneinander anzuord­ nen, so daß die nebeneinanderliegenden Schnittflächen jedes einzelnen halben hohlzylinderschaligen Umlenkkörpers dem Lichteinfall zugewandt sind.

Da die einzelnen Umlenkkörper aus sonnenlichttransparentem Material bestehen, sind sie für einfallendes Licht, das nicht innerhalb der totalreflektierenden Appertur auf die Lichtumlenkvorrichtung auftrifft, transparent. Um die Durchblickei­ genschaften durch die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung zu verbessern, ist an der, der Lichteintrittsoberfläche des Lichtumlenkelementes gegenüberliegen­ den Seite eine Negativ-Struktur vorgesehen, die die Zwischenräume zwischen den konvexen Rückseiten der Formkörper auffüllt und eine parellel zur Oberseite orien­ tierte, plane Fläche bildet.

Für das Auftreten von Totalreflexionen innerhalb der erfindungsgemäßen Umlenk­ körper ist es wesentlich, daß die einzelnen halben hohlzylinderschaligen Umlenkkör­ per gegeneinander über eine Grenzschicht beabstandet sind, die jeweils einen geringeren Brechungsindex aufweist als das Material, aus dem der Umlenkkörper selbst besteht. Ebenso ist an der Grenzfläche zwischen der äußeren halben hohl­ zylinderschaligen Kontur und der sich daran anschließenden Negativbindestruktur eine entsprechende Grenzschicht vorzusehen. Eine derartige Grenzschicht ist beispielsweise durch Lufteinschluß zwischen zwei aufeinanderliegenden Umlenkkör­ pern herstellbar oder mittels geeigneter, transparenter Klebematerialien.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen flächigen Anordnung der erfindungsgemäß ausgebildeten Umlenkkörper, die beispielsweise in Art einer Folie zu einer flächigen Lichtumlenkeinheit ausgebildet werden können, kann diese insbesondere bei schrägstehenden Fenstern an die äußere Scheibe einer Doppelverglasung geklebt werden. Der thermische Kontakt zur Außenscheibe und die geringe Absorption führen innerhalb der Folie zu einem Minimum an Wärmeeintrag. Dadurch wird die flächig ausgebildete Lichtumlenkeinheit bezüglich ihrer Hitzeschutzwirkung ver­ gleichbar mit außenstehenden Verschattungsvorrichtungen, ohne daß eine auf wendige Außenmontage notwendig wäre.

Eine auf diese Weise ausgebildete Folie kann selbstverständlich in weitgehend be­ liebiger Form deformiert und geformt werden. So ist es beispielsweise möglich, eine derart flexibel ausgestaltete Folie zu einem Hohlzylinder zu formen, deren Innen­ fläche der totalreflektierenden Oberfläche der erfindungsgemäßen Lichtumlenkeinheit bildet. Bringt man eine Lichtquelle in diesen, durch die Folie geformten Hohlzylinder ein, so wird das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht auf die Innenseite des Hohl­ zylinders weitgehend verlustfrei durch die vorbeschriebene Totalreflexion wieder in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert. Lediglich an beiden Hohlzylinderöffnungen kann das Licht von der Lichtquelle nach außen austreten. Selbstverständlich können derartige Öffnungen gezielt in die Folienanordnung eingebracht werden. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung ist es grundsätzlich möglich, Beleuchtungsreflektoren herzustellen, mit denen eine gerichtete, intensive Lichtabstrahlung von einer Licht quelle möglich ist.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Ausbildung des Lichtum­ lenkelementes unter Verwendung halber hohlzylinderschaliger Umlenkkörper ist die weitgehend individuelle Anpassung des Aperturbereiches, in dem Totalreflexion stattfindet. Durch geeignete Wahl von Material- und Geometriegrößen der Anord­ nung ist es möglich, den totalreflektierenden Bereich bis zu 50° zu vergrößern. Im einzelnen werden die Apertureinstellmöglichkeiten im Zusammenhang mit den Figuren nachstehend beschrieben.

Der Effekt der Lichtumlenkung kann erfindungsgemäß auch mit einer Lichtum­ lenkvorrichtung erzielt werden, die aus mehreren übereinander gestapelten Lagen aus jeweils einer Vielzahl parallel nebeneinander flächig angeordneter Lichtum­ lenkelemente besteht, von denen jedes aus einem Körper aus transparentem Mate­ rial gefertigt ist und die Form eines entlang seiner Längsachse halbierten Hohl­ zylinders aufweist, dessen Schnittflächen mit der Halbierungs-Schnittebene dem einfallenden Licht zugewandt sind, wobei die Lagen so übereinander gestapelt sind, daß zwischen den ineinander gestapelten Hohlzylinder-Körpern der verschiedenen Lagen ein Medium eingebracht ist, das einen temperaturabhängigen Brechungsindex aufweist, der unterhalb einer vorgegebenen Temperatur annähernd dem Brechung­ sindex des Materials der Hohlzylinder-Körper entspricht, so daß die Lichtumlenkvor­ richtung unterhalb der vorgegebenen Temperatur lichtdurchlässig ist, während er sich bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur derart ändert, daß sich zwis­ chen den ineinander gestapelten Formkörpern eine totalreflektierende Grenzschicht ausbildet, so daß oberhalb der vorgegebenen Temperatur das auf die Umlenkvor­ richtung fallende Licht durch Totalreflexion zurückreflektiert wird.

Vorzugsweise ist das Medium ein Fluid, das in der fließfähigen Phase einen Brechungsindex aufweist, der weitgehend dem der optisch transparenten Elemente entspricht und nach Überschreiten seiner Siedepunktstemperatur in der Dampf bzw. Gasphase einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex der optisch transparenten Lichtumlenkelemente unterscheidet und vorzugsweise nahe 1 ist.

Als Material für die transparenten Lichtumlenkelemente dienen vorzugsweise steife sonnenlichttransparente Kunststoffe wie Acrylglas, Polycarbonat oder sogenannte organische Gläser, die durch übliche Produktionsverfahren im Rahmen von Extrusions- oder Spritzgußverfahren hergestellt werden können. Derartige flächig ausgebildete Elemente weisen mikroraue Oberflächen auf, wodurch zwei aufeinan­ derliegende Lichtumlenkelemente des gleichen Materials nicht unmittelbar in op­ tischen Kontakt gelangen. Aufgrund der vorhandenen Oberflächenrauigkeit bildet sich zwischen den aufeinanderliegenden Lichtumlenkelementen ein Spalt aus, der eine Luftschicht einschließt, die eine Grenzfläche bildet und zu Reflexionen an der Materialoberfläche führt und für bestimmte Strahlen auch totalreflektierend wirkt.

Wird nun in den Spalt ein Fluid gefüllt, dessen Brechungsindex <1 ist, so reduziert sich der Reflexionsgrad der Grenzflächen und der Grenzwinkel für Totalreflexion nimmt zu. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß dieser Effekt in Verbindung mit totalreflektierenden Grenzflächen als optischer Schalter benutzt werden kann. Hierzu muß das Material einen temperaturabhängigen Brechungsindex aufweisen.

Vorzugsweise bestehen die optisch transparenten Lichtumlenkelemente aus einem Dielektrikum. Die vorstehend beschriebende Oberflächenrauhigkeit sorgt für einen Mikrospalt zwischen den komplementär ausgebildeten Profilen. Der Spalt ist mit einem Fluid gefüllt, das unterhalb einer Schalttemperatur T_S, die weitgehend der Sie­ detemperatur des Fluids entspricht, einen Brechungsindes aufweist, der möglichst gut mit dem Brechungsindex des Dielektrikums übereinstimmt. Bei Überschreiten der Schalttemperatur T_S respektive des Siedepunktes verdampft die Flüssigkeit teilweise oder ganz. Der Spalt füllt sich mit Dampf, wodurch eine Volumenzunahme beim Ver dampfen stattfindet und den Spalt auf ein Vielfaches seiner ursprünglichen Breite vergrößert. Durch den sprunghaften Abfall des Brechungsindex beim Verdampfen und durch die Verbreiterung des Spalts geht der unmittelbare optische Kontakt bei­ der komplementär aufeinanderliegender Profile, der im flüssigen Zustand geherrscht hat, verloren und der Reflexionsanteil an den Grenzflächen nimmt stark zu.

Im vorstehend geschilderten Fall beruht die Änderung des Reflexionsverhaltens der optisch teiltransparenten Vorrichtung hauptsächlich auf der geometrischen Beab­ standung beider Grenzflächen, wodurch sich Totalreflexionsverhältnisse einstellen. Es ist jedoch auch denkbar, daß in dem Zwischenraum beider aufeinanderliegender Flächenelemente ein Fluid eingebracht ist, das bei Überschreiten einer gewissen Schalttemperatur lediglich den Brechungsindex ändert und das nicht notwendiger­ weise von der flüssigen in die Gasphase übergeht. Derartige Fluide bzw. Medien sind bespielsweise aus der DE 44 33 090 A1 bekannt und betreffen thermooptische variable Polymerwerkstoffe.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Er­ findungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Einen halben hohlzylinderschaligen Umlenkkörper,

Fig. 2 eine flächige, folienartige Anordnung aus einer Vielzahl derartiger Um­ lenkkörper, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine folienartige Anordnung aus einer Vielzahl von Umlenkkörpern mit Negativ-Struktur,

Fig. 4a, b eine Vorrichtung aus zwei flächig aufeinanderliegenden transparenten Elementen mit temperaturabhängiger Zwischenschicht, die das Prinzip einer zweiten Ausführung der Erfindung verdeutlicht,

Fig. 5a, b eine folienartige Anordnung mit einer Vielzahl halber, hohlzylinder­ schaliger Körper mit temperaturabhängiger Zwischenschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sowie

Fig. 6 eine Einzelkomponentendarstellung zur Herstellung einer Folie aus einer Vielzahl halber, hohlzylinderschaliger Körper.

In der Fig. 1 ist ein Grundkörper eines halben hohlzylinderschaligen Umlenkkörpers 1 dargestellt, der aus einem sonnenlichttransparenten Material mit einem Bre­ chungsindex n₂ besteht. Der Umlenkkörper 1 weist einen Zylinderaußenradius R und einen Zylinderinnenradius r auf. Über die Schnittflächen S1 und S2 trifft Licht auf den Umlenkkörper 1 auf und dringt in das Innere des Umlenkkörpers 1 ein. Durch die Wahl des Materials des Umlenkkörpers und die geometrische Ausbildung hinsichtlich des Radienverhältnisses v = r/R kann der Winkelbereich, innerhalb dessen Licht auf die Schnittflächen S1 oder S2 des Umlenkkörpers 1 auftrifft und über Totalreflexio­ nen innerhalb des Umlenkkörpers zur gegenüberliegenden Schnittfläche geleitet wird, an der das Licht weitgehend verlustfrei den Umlenkkörper wieder verläßt, ein­ gestellt werden. Für den totalreflektiernden Winkelbereich, der durch den Winkel α_ein beschrieben wird und der zur Normalen der Schnittfläche zu messen ist, gilt fol­ gender Formelzusammenhang:

Hierbei gilt:
n₁: Brechungsindex des Mediums, das an die gekrümmten Wände 2, 3 des Umlenkkörpers 1 grenzt,
n₂: Brechungsindex des Mediums, aus dem der Umlenkkörper gefertigt ist
n₃: Brechungsindex des Mediums, das an die ebenen Schnittflächen S1 und S2 des Umlenkkörpers grenzt.

Der in der Fig. 1 gezeigte Umlenkkörper 1 zeigt wie vorstehend beschrieben für Lichteinfallswinkel <α_ein Totalreflexionseigenschaften. Das Licht, das auf eine der beiden Schnittflächen S1 und S2 trifft, verläßt den Umlenkkörper an der anderen Schnittfläche vollständig, sofern von Extinktion im Material und bei den Reflexionen abgesehen werden kann. Der vorstehend geschilderte Formelzusammenhang gilt für Lichtstrahlen, die in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse liegen. Für Strahlen die nicht in der genannten Ebene liegen, vergrößert sich der in dieser Ebene projezierte Grenzwinkel für Totalreflexion noch weiter.

Durch entsprechende Wahl der in dem Formelzusammenhang verwendeten Bre­ chungsindizes sowie des Radienverhältnisses ν kann der totalreflektierende Aper­ turbereich individuell eingestellt werden. Maximale Aperturbereiche für Winkel von bis zu 50° sind realisierbar, wodurch der erfindungsgemäße Umlenkkörper Grund­ lage für eine geeignete Sonnenschutzvorrichtung bietet. Um die totalreflektierenden Eigenschaften bezogen auf eine größtmögliche Fläche zu optimieren, werden zum einen gemäß Fig. 2 eine Vielzahl in der Größe unterschiedlich ausgestalteter hal­ ber, hohlzylinderschaliger Umlenkkörper ineinandergestapelt, gleichsam dem Aufbau einer Zwiebelschalenstruktur, und zum anderen derartig ineinandergestapelte Um­ lenkkörper parallel nebeneinander angeordnet. Zur gegenseitigen Verbindung der parallel angeordneten Umlenkkörper 1 dient eine diese miteinander verbindende Schicht 4.

Das Ineinanderstapeln entsprechend dimensionierter halber hohlzylinderschaliger Umlenkkörper ist jedoch nur bis zu einer gewissen unteren Grenze vernünftig, so daß der innere, verbleibende offene Bereich entweder mit einem sonnenlichttrans­ parenten Material massiv aufgefüllt wird oder mit einer reflektierenden Schicht überzogen wird.

Um die Durchsichteigenschaften durch die in der Fig. 2 dargestellte folienhaften Anordnung zu verbessern, ist gemäß Fig. 3 an der dem Lichteinfall zugewandten Oberfläche gegenüberliegenden Seite der Umlenkkörper eine Negativ-Struktur 5 vorgesehen, durch die die ursprüngliche Richtung, mit der ein Lichtstrahl auf die Oberfläche der Folie auftrifft, nach dem Durchdringen der Folienanordnung beim transmittierten Lichtstrahl wiederhergestellt wird. Dadurch ist sind weitgehend transparente Durchsichtverhältnisse zu erreichen. Eine in der Fig. 3 dargestellte Folienanordnung kann besonders vorteilhaft bei schrägstehenden Fenstern an die äußere Scheibe einer Doppelverglasung geklebt werden und dient auf diese Weise als Verschattungsvorrichtung ohne aufwendige Außenmontage.

In Fig. 4a ist eine optische teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion bestehend aus zwei flächig ausgebildeten optisch transparenten Ele­ menten 6 und 7 dargestellt, die über ihre komplementär zueinander ausgebildeten Oberflächen aufeinander liegen. Im Zwischenspalt zwischen beiden Elementen 6 und 7 ist ein Medium 8 mit temperaturabhängigem Brechungsindex eingebracht. Das in seinem Brechungsverhalten temperaturabhängige Medium weist in einem Tempera­ turbereich unterhalb einer Schalttemperatur T_S ein Brechungsverhalten auf, das dem Material der Flächenelemente 6 und 7 entspricht. Wie aus Fig. 4a hervorgeht, durchdringt Licht die Flächenelementanordnung nahezu ungestört.

Überschreitet das umgebende Temperaturniveau die Schalttemperatur T_S, die beispielsweise mit der Siedepunktstemperatur des Materials übereinstimmt, so treten für das einfallende Licht an der sich bildenden Grenzfläche zwischen den bei­ den Flächenelementen 6 und 7 Totalreflexionen auf, wodurch das einfallende Licht wieder zurückreflektiert wird (s. hierzu die in der Zeichnung eingetragenen Pfeile in Fig. 4b).

Handelt es sich bei dem in der Zwischenschicht eingebrachten Medium 8 um eine Flüssigkeit, die ab einer bestimmten Schalttemperatur T_S von der flüssigen in die Dampfphase übergeht, so bewirkt eine mit der Phasenumwandlung einhergehende Volumenänderung eine deutliche Beabstandung der beiden flächigen Elemente 6 und 7 voneinander, wie es in der Fig. 4b angegeben ist. Durch die Änderung im Brechungsindex und die räumliche Beabstandung wird der ursprünglich optische Kontakt unterbrochen, wodurch sich eine für die Totalreflexion erforderliche Gren­ zfläche bildet.

Es sind jedoch auch Medien bekannt, die ohne Phasenübergang ab einer gewissen Temperatur ihre Brechungseigenschaften ändern, wodurch ebenso eine für die Total­ reflexion erforderliche Grenzschichtausbildung erfolgt.

In den Fig. 5a und 5b ist eine vorteilhafte Ausführungsform für eine folienartige Anordnung mit einer Vielzahl nebeneinanderangeordneter, halber, hohlzylinder­ schaliger Körper mit einer vorstehend beschriebenen Zwischenschicht dargestellt.

Die Anordnung gemäß Fig. 5a stellt den Fall dar, für den die Anordnung weitge­ hend transparent ist, zumal die einzelnen aufeinandergestapelten Körper in unmittel­ barem optischen Kontakt stehen, da zwischen den Körpern ein Medium eingebracht ist, das weitgehend den gleichen Brechungsindex aufweist wie das Material der Kör­ per selbst.

Der in der Fig. 5a angedeutete Pfeil macht deutlich, daß bei Temperaturen unter­ halb der Schalttemperatur T_S die lichttransparente Anordnung vom Licht weitgehend verlustfrei passiert wird. Erst bei Überschreiten einer Schalttemperatur T_S erfährt die Zwischenschicht eine Brechungsindexänderung, die beispielsweise zusätzlich durch eine Volumenausdehnung begleitet ist. Durch diese Zustandsänderung bildet sich zwischen zwei aufeinander liegenden Körpern eine totalreflektierende Gren­ zschicht aus, wodurch einfallendes Licht - wie an den Pfeilen dargestellt - durch To­ talreflexion wieder zurückreflektiert wird.

Zusätzlich ist in der Ausführungsform gemäß den Fig. 5a und 5b jeweils eine re­ flektierende Schicht 9 im zentralen Bereich der ineinandergestapelten Körper aufgebracht.

In der Fig. 6 sind die einzelnen Komponenten dargestellt, mit denen ein flächen­ hafter, folienartiger Aufbau zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtumlenkung hergestellt werden kann. Die drei einzelnen Schichten 10, 11 und 12 können mittels Extrusionsverfahren aus Profilfolien hergestellt und unter Verwendung eines in die Zwischenschichten einzubringenden Mediums miteinander verschweißt werden. Überdies sind in den zentralen Bereichen eines jeden einzelnen ineinander gestapelten Körpers reflektierende Schichten 9 aufgebracht.

Claims (13)

1. Lichtumlenkvorrichtung aus einer Vielzahl parallel nebeneinander flächig an­ geordneter Lichtumlenkelemente, von denen jedes aus einem Körper (1) aus trans­ parentem Material besteht, der die Form eines entlang seiner Längsachse halbierten Hohlzylinders aufweist, dessen Schnittflächen (S1, S2) mit der Halbie­ rungs-Schnittebene dem einfallenden Licht zugewandt sind, wobei der Innen- und der Außenradius (r, R) des Hohlzylinders und der Brechungsindex (n₂) des transpa­ renten Materials gegenüber dem Brechungsindex (n₁) des das transparente Material umgebenden Materials so gewählt sind, daß an der einen Halbierungs-Schnitffläche in den Körper (1) einfallendes Licht durch mehrfache Totalreflexion an der inneren und der äußeren Mantelfäche des halbierten Hohlzylinders zur jeweils anderen Hal­ bierungs-Schnittfläche umgelenkt wird.

2. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtumlenkelemente jeweils aus mehreren halbierten Hohlzylin­ der-Körpern mit jeweils unterschiedlichen Zylinderradien bestehen, die derart kon­ zentrisch ineinander gestapelt angeordnet sind, daß die Lichtumlenkelemente jeweils annähernd die Form eines halben Vollzylinders aufweisen.

3. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 2, bei der zwischen den ineinander gestapelten Hohlzylinder-Körpern ein Zwischenspalt vorgesehen ist, der mit einem Medium befüllt ist, dessen Brechungsindex (n₂) kleiner ist als der Brechungsindex (n₁) des Materials, aus dem die Hohlzylinder-Körper be­ stehen.

4. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die ineinander gestapelten halbierten Hohlzylinderkörper jeweils über ein konstantes Verhältnis des Innenradius (r) zum Außenradius (R) verfügen.

5. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das auf die Schnittflächen (S1, S2) einfallende Licht innerhalb der Lichtum­ lenkelemente totalreflektiert wird, sofern gilt:
mit α_ein Lichteinfallswinkel auf die Schnittfläche, bezogen auf die Oberflächen­ normale
n₁ Brechungsindex des Mediums, das die Lichtumlenkelemente zumindest teilweise umgibt, insbesondere des Mediums innerhalb der Zwischen­ spalte ineinander gestapelter halbierter Hohlzylinder
n₂ Brechungsindex der Lichtumlenkelemente
n₃ Brechungsindex des Mediums, das an die Schnittflächen (S1, S2) grenzt, durch die das Licht in die Lichtumlenkelemente eintritt bzw. aus diesen austritt

6. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die dem einfallenden Licht zugewandten Mantelflächen der jeweils obersten halbierten Hohlzylinder mit einer reflektierenden Schicht (9) belegt sind.

7. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der Zwischenräume zwischen den parallel nebeneinander flächig angeordneten Lichtumlenkelementen auf der Lichteinfallsseite der Vorrichtung mit einem optisch transparenten Material befüllt sind.

8. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die flächig nebeneinander angeordneten Lichtumlenkelemente auf der dem einfallenden Licht abgewandten Rückseite von einer Materialschicht umgeben sind, die eine zu der dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche der Vorrichtung pa­ rallele, ebene Fläche aufweist.

9. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen aus flexiblem Material be­ steht und als Folie ausgebildet ist.

10. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen als Sonnenschutzvorrich­ tung an Fensterscheiben oder Gebäudefassaden angebracht ist.

11. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen einen hochreflektierenden Spiegel für eine Strahlungsquelle bildet.

12. Lichtumlenkvorrichtung aus mehreren übereinander gestapelten Lagen aus jeweils einer Vielzahl parallel nebeneinander flächig angeordneter Lichtumlenkele­ mente, von denen jedes aus einem Körper (1) aus transparentem Material besteht und die Form eines entlang seiner Längsachse halbierten Hohlzylinders aufweist, dessen Schnittflächen (S1, S2) mit der Halbierungs-Schnittebene dem einfallenden Licht zugewandt sind, wobei die Lagen so übereinander gestapelt sind, daß zwi­ schen den ineinander gestapelten Hohlzylinder-Körpern der verschiedenen Lagen ein Medium eingebracht ist, das einen temperaturabhängigen Brechungsindex auf weist, der unterhalb einer vorgegebenen Temperatur annähernd dem Brechungsin­ dex des Materials der Hohlzylinder-Körper entspricht, so daß die Lichtumlenkvor­ richtung unterhalb der vorgegebenen Temperatur lichtdurchlässig ist, während er sich bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur derart ändert, daß sich zwi­ schen den ineinander gestapelten Formkörpern eine totalreflektierende Grenzschicht ausbildet, so daß oberhalb der vorgegebenen Temperatur das auf die Umlenkvor­ richtung fallende Licht durch Totalreflexion zurückreflektiert wird.

13. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Medium bei der vorgegebenen Temperatur von der flüssigen in die Dampfphase übergeht, wobei mit diesem Übergang eine Volumenänderung verbun­ den ist, die zu einer Abstandsänderung zwischen den übereinander gestapelten La­ gen führt, so daß sich zwischen den Lagen eine totalreflektierende Grenzfläche bil­ det.