DE19700112C2 - Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion - Google Patents
Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels TotalreflexionInfo
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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 TS, die weitgehend der Sie
detemperatur des Fluids entspricht, einen Brechungsindes aufweist, der möglichst
gut mit dem Brechungsindex des Dielektrikums übereinstimmt. Bei Überschreiten der
Schalttemperatur TS 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
αein 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.
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 <αein 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 TS 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 TS, 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 TS 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 TS die lichttransparente Anordnung vom Licht weitgehend
verlustfrei passiert wird. Erst bei Überschreiten einer Schalttemperatur TS 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 αein 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
mit αein 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.
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