WO1998029684A1 - Optically partially transparent device for deflecting light by total reflection - Google Patents

Optically partially transparent device for deflecting light by total reflection Download PDF

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WO1998029684A1
WO1998029684A1 PCT/DE1997/002923 DE9702923W WO9829684A1 WO 1998029684 A1 WO1998029684 A1 WO 1998029684A1 DE 9702923 W DE9702923 W DE 9702923W WO 9829684 A1 WO9829684 A1 WO 9829684A1
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light
light deflection
refractive index
hollow cylinder
stacked
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Harry Wirth
Peter Nitz
Volker Wittwer
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0147—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on thermo-optic effects

Definitions

  • Optically partially transparent device for redirecting light by means of total reflection
  • the invention relates to a device for deflecting light by means of total reflection, using stacked light deflecting bodies made of light-transparent material.
  • the device preferably serves as sun protection devices.
  • thermal components such as solar collectors and house facades with transparent thermal insulation (TWD).
  • TWD transparent thermal insulation
  • special devices are required for times of high irradiation in order to avert high temperatures and possible damage to the thermal components themselves.
  • shading systems that are intended to prevent the interior from overheating are necessary.
  • US Pat. No. 4,848,879 describes an optically transparent component whose transmissivity can be determined by the temperature-dependent refractive index behavior of a liquid which is introduced between a layer system consisting of optically transparent layers.
  • a heating device is provided for the targeted setting of the desired transmittance, by means of which the liquid can be heated.
  • the invention has for its object to further develop a light deflecting device which reflects the light incident on the device within a certain predetermined angular range by means of total reflection in such a way that the totally reflecting angular range is enlarged and moreover can be set within wide limits.
  • the light incident on the device outside this angular range should penetrate the device almost unhindered.
  • the device is intended in particular to protect against overheating and to have directionally selective reflection properties in a self-regulating manner depending on the position of the sun.
  • the light deflecting device provides a plurality of light deflecting elements arranged parallel and side by side, each of which consists of a body made of transparent material, which has the shape of a hollow cylinder halved along its longitudinal axis, the intersecting surfaces of which are tion cutting plane are facing the incident light, the inner and outer radius of the hollow cylinder and the refractive index (n 2 ) of the transparent material compared to the refractive index (n- ⁇ ) of the material surrounding the transparent material are selected so that at one Halving cut surface into the body light is deflected by multiple total reflection on the inner and outer surface of the halved hollow cylinder to the other halving cut surface.
  • the direct sunlight can be reflected back all year round without readjusting the mirror arrangement, provided the installation is suitable.
  • each half hollow-cylindrical deflection body face the incidence of light.
  • the individual deflecting bodies are made of material that is transparent to sunlight, they are transparent to incident light that does not strike the light deflecting device within the totally reflecting aperture.
  • a negative structure is provided on the side opposite the light entry surface of the light deflecting element, which fills the spaces between the convex rear sides of the shaped bodies and forms a flat surface oriented parallel to the upper side.
  • the individual half hollow-cylindrical deflecting bodies are spaced apart from one another via an interface layer, each of which has a lower refractive index than the material from which the deflecting body itself consists.
  • a corresponding boundary layer must be provided at the interface between the outer half hollow-cylindrical contour and the adjoining negative binding structure.
  • Such a boundary layer is can be produced, for example, by trapping air between two deflecting bodies lying one on top of the other or by means of suitable, transparent adhesive materials.
  • the deflecting bodies designed according to the invention which can be formed, for example, in the manner of a film to form a planar light deflecting unit, this can be glued to the outer pane of double glazing, in particular in the case of inclined windows.
  • the thermal contact to the outer pane and the low absorption lead to a minimum of heat input within the film.
  • the flat-shaped light deflection unit is comparable in terms of its heat protection effect to external shading devices, without the need for complex external installation.
  • a film formed in this way can of course be deformed and shaped in a largely arbitrary form. It is thus possible, for example, to form a film of such a flexible design into a hollow cylinder, the inner surface of which forms the totally reflecting surface of the light deflection unit according to the invention. If a light source is introduced into this hollow cylinder formed by the film, the light emitted by the light source is reflected back to the inside of the hollow cylinder largely without loss due to the above-described total reflection in the direction of the light source. The light can only emerge from the light source to the outside at both hollow cylinder openings. Of course, such openings can be made in a targeted manner in the film arrangement. With the help of such an arrangement, it is fundamentally possible to produce lighting reflectors with which a directed, intensive light emission from a light source is possible.
  • An essential aspect of the design of the light deflecting element according to the invention using half hollow-cylindrical deflecting bodies is the largely individual adaptation of the aperture area in which total reflection takes place. Through appropriate selection of material and geometry sizes of the arrangement it is possible to enlarge the total reflecting area by up to 50 °.
  • the aperture setting options in connection with the figures are described in detail below.
  • the effect of the light deflection can also be achieved according to the invention with a light deflection device which consists of a plurality of layers stacked one on top of the other, each consisting of a plurality of light deflection elements arranged parallel to one another, each of which is made of a body made of transparent material and the shape of which is halved along its longitudinal axis Has hollow cylinder, the cutting surfaces with the bisection plane facing the incident light, the layers being stacked one above the other so that a medium is introduced between the stacked hollow cylinder bodies of the different layers, which has a temperature-dependent refractive index that is below a predetermined Temperature approximately corresponds to the refractive index of the material of the hollow cylinder body, so that the light deflection device is transparent below the predetermined temperature, while it is exceeded when the predetermined The temperature changes in such a way that a totally reflecting boundary layer forms between the stacked moldings, so that the light falling on the deflection device is reflected back by total reflection above the predetermined temperature.
  • the medium is preferably a fluid which has a refractive index in the flowable phase which largely corresponds to that of the optically transparent elements and, after exceeding its boiling point temperature in the vapor or.
  • Gas phase has a refractive index that differs from the refractive index of the optically transparent light deflecting elements and is preferably close to 1.
  • the material for the transparent light deflection elements is preferably rigid, sunlight-transparent plastics such as acrylic glass, polycarbonate or so-called organic glasses, which are produced by conventional production processes in the context of Extrusion or injection molding processes can be produced.
  • Such planar elements have micro-rough surfaces, so that two light deflection elements of the same material lying on top of each other do not come into direct optical contact. Due to the existing surface roughness, a gap is formed between the light deflection elements lying on top of one another, which encloses an air layer that forms an interface and leads to reflections on the material surface and also has a total reflection for certain rays.
  • the optically transparent light deflecting elements preferably consist of a dielectric.
  • the surface roughness described above creates a micro-gap between the complementary profiles.
  • the gap is filled with a fluid which, below a switching temperature T s , which largely corresponds to the boiling point of the fluid, has a refractive index which corresponds as closely as possible to the refractive index of the dielectric. If the switching temperature Ts or the boiling point is exceeded, the liquid evaporates partially or completely.
  • the gap fills with steam, which leads to an increase in volume when evaporating and increases the gap to a multiple of its original width.
  • the change in the reflection behavior of the optically partially transparent device is based primarily on the geometric spacing of the two interfaces, which results in total reflection conditions.
  • a fluid is introduced into surface elements, which only changes the refractive index when a certain switching temperature is exceeded and which does not necessarily change from the liquid to the gas phase.
  • Such fluids or media are known for example from DE 44 33 090 A1 and relate to thermo-optical variable polymer materials.
  • FIG. 1 half a hollow-cylindrical deflection body
  • FIG. 2 shows a flat, foil-like arrangement of a plurality of such deflection bodies, according to a first embodiment of the invention
  • 4a, b show a device made of two flat, superimposed transparent elements with a temperature-dependent intermediate layer, which illustrates the principle of a second embodiment of the invention
  • Figure 5a, b a film-like arrangement with a plurality of half, hollow-cylindrical body with temperature-dependent intermediate layer according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows an individual component representation for producing a film from a multiplicity of half, hollow-cylindrical shells
  • FIG. 1 shows a basic body of a half hollow-cylindrical deflection body 1, which consists of a material that is transparent to sunlight and has a refractive index n 2 .
  • the deflecting body 1 has an outer cylinder radius R and an inner cylinder radius r. Light strikes the light through the cut surfaces S1 and S2 Deflection body 1 and penetrates into the interior of the deflection body 1.
  • n- ⁇ refractive index of the medium, which on the curved walls 2, 3 of the
  • Deflecting body 1 borders, n 2 : refractive index of the medium from which the deflecting body is made n 3 : refractive index of the medium that borders on the flat cut surfaces S1 and S2 of the deflecting body.
  • the deflecting body 1 shown in FIG. 1 shows, as described above, for light incidence angles ⁇ e in total reflection properties.
  • the light that strikes one of the two cut surfaces S1 and S2 completely leaves the deflection body on the other cut surface, provided that extinction in the material and in the reflections can be disregarded.
  • the above-described formula connection applies to light rays that lie in the plane perpendicular to the cylinder axis. For rays that are not in the plane mentioned, the critical angle projected in this plane for total reflection increases even further.
  • the total reflecting aperture range can be set individually by appropriately selecting the refractive indices used in the formula context and the radius ratio v.
  • a negative structure 5 is provided on the side of the deflecting body opposite the light, according to FIG Foil strikes after the penetration of the foil arrangement in the transmitted light beam is restored.
  • a film arrangement shown in FIG. 3 can be particularly advantageously glued to the outer pane of double glazing in the case of inclined windows and in this way serves as a shading device without complex external installation.
  • FIG. 4a shows an optically partially transparent device for deflecting light by means of total reflection, consisting of two flat optically transparent elements. elements 6 and 7 are shown, which lie on one another over their complementary surfaces. A medium 8 with a temperature-dependent refractive index is introduced in the intermediate gap between the two elements 6 and 7. The temperature-dependent medium in its refractive behavior has a refractive behavior in a temperature range below a switching temperature Ts that corresponds to the material of the surface elements 6 and 7. As can be seen from FIG. 4a, light penetrates the surface element arrangement almost undisturbed.
  • the surrounding temperature level exceeds the switching temperature Ts, which, for example, corresponds to the boiling point temperature of the material, total reflections occur for the incident light at the interface between the two surface elements 6 and 7, as a result of which the incident light is reflected back (see the arrows in the drawing in Figure 4b).
  • the medium 8 introduced into the intermediate layer is a liquid which changes from the liquid into the vapor phase at a certain switching temperature Ts, a volume change associated with the phase change causes a clear spacing of the two flat elements 6 and 7 from one another, as is the case with it is indicated in Figure 4b. Due to the change in the refractive index and the spatial spacing, the originally optical contact is interrupted, as a result of which an interface is required for total reflection.
  • FIGS. 5a and 5b show an advantageous embodiment for a film-like arrangement with a plurality of half-hollow, hollow-cylindrical bodies arranged next to one another with an intermediate layer described above.
  • the arrangement according to Figure 5a represents the case for which the arrangement is largely transparent, especially since the individual stacked bodies are in direct optical contact, since a medium is introduced between the bodies, which has largely the same refractive index as the material of the body self.
  • the arrow indicated in FIG. 5a makes it clear that at temperatures below the switching temperature Ts, the light-transparent arrangement is largely passed through by the light without loss. Only when a switching temperature Ts is exceeded does the intermediate layer experience a change in the refractive index, which is additionally accompanied, for example, by a volume expansion. As a result of this change in state, a totally reflecting boundary layer is formed between two bodies lying on top of one another, as a result of which incident light - as shown by the arrows - is reflected back by total reflection.
  • a reflective layer 9 is applied in the central region of the bodies stacked one inside the other.
  • FIG. 6 shows the individual components with which a flat, film-like structure can be produced for producing a device for deflecting light.
  • the three individual layers 10, 11 and 12 can be produced from profile films by means of extrusion processes and welded to one another using a medium to be introduced into the intermediate layers.
  • reflective layers 9 are applied in the central areas of each individual stacked body.

Abstract

The invention relates to a device for deflecting light comprising a plurality of light deflecting elements arranged parallel to each other on a level surface, where each light deviation element consists of a body made of a transparent material and has the shape of a hollow cylinder bisected along its longitudinal axis, and where the cutting surfaces of the bisected hollow cylinder face the incident light with their bisected cutting plane. The inner and outer radius of the hollow cylinder and the refractive index (n2) of the transparent material in relation to the refractive index (n1) of the material surrounding the transparent material is selected in such a way that light falling on one of the bisected cutting surfaces of the body is deflected by multiple total reflection on the inner and outer lateral surfaces of the bisected hollow cylinder towards each of the respective other bisected cutting surfaces.

Description

Optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion Optically partially transparent device for redirecting light by means of total reflection
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion, unter Verwendung von ineinandergestapelter Lichtumlenkkörper aus lichttransparentem Material. Vorzugsweise dient die Vorrichtung als Sonnenschutzvorrichtungen.The invention relates to a device for deflecting light by means of total reflection, using stacked light deflecting bodies made of light-transparent material. The device preferably serves as sun protection devices.
Stand der TechnikState of the art
Das energetische Potential der Sonne als Wärme- und Lichtquelle hat zur Entwicklung 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 existierenden Trend zur "gläsernen Architektur", die die Verwendung großzügig dimensionierter 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 gekommenen Wintergärten, die zum großen Teil annähernd horizontal verlaufende, aus Glas gefertigte Dachkonstruktionen aufweisen, durch die die Sonneneinstrahlung, insbesondere zu Zeiten hohen Sonnenstandes zum starken Überhitzen der Innenräume führt. Da es bspw. bislang für Solarkollektoren noch kein marktreifes System für Uberhitzungsschutz gibt, setzen die Hersteller für Solarkollektoren kostspielige, hochtemperaturbeständige Materialien und Komponenten ein, was sich jedoch direkt auf die Herstellungskosten derartiger Komponenten nachhaltig auswirkt.The energetic potential of the sun as a source of heat and light has stimulated the development of thermal components such as solar collectors and house facades with transparent thermal insulation (TWD). The efficiencies that can now be achieved with these components are so good that special devices are required for times of high irradiation in order to avert high temperatures and possible damage to the thermal components themselves. Especially in view of the trend towards "glass architecture", which has been in use for some time and which propagates the use of generously dimensioned window surfaces, shading systems that are intended to prevent the interior from overheating are necessary. This applies not only to large-scale glass facades, but also in particular to the conservatories that have become fashionable, which for the most part have roof structures made of glass that run almost horizontally, through which the sun's rays, especially at times of high sunshine, lead to severe overheating of the interior. For example, since there is still no market-ready system for overheating protection for solar collectors, the manufacturers use expensive, high-temperature-resistant materials and components for solar collectors, but this has a lasting effect on the manufacturing costs of such components.
Bei Hausfassaden mit transparenter Wärmedämmung werden in üblicher Weise Jalousien eingesetzt, deren Gesamtkosten jedoch sehr hoch liegen, wodurch die Verbreitung von TWD erheblich behindert ist.In the case of house facades with transparent thermal insulation, blinds are used in the usual way, but the total costs are very high, which considerably hinders the spread of TWD.
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 Kompromisse 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 Technologietransferinstituts (OTTI)".There are also a large number of sun protection devices for window surfaces, most of which are controlled electromechanically or purely mechanically, such as blinds or awning systems. However, such protective devices are just as expensive and, moreover, offer only unsatisfactory compromises between the protective effect, the light transmission or transparency and the associated overall costs. The article "Shading devices on buildings - optical and thermal effects" by A. Raicu, H.R. Wilson and V. Wittwer from the series "Innovative lighting technology in the architecture of the East Bavarian Technology Transfer Institute (OTTI)".
Zwar sind derzeit Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet schaltbarer optischer Schichten bekannt, die über elektrochrome, thermochrome, thermotrope oder ähnliche 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, Schalthub, der Langzeitstabiltät und Serienfertigung derartiger Schichten.Development activities are currently known in the field of switchable optical layers which have electrochromic, thermochromic, thermotropic or similar properties and which can change their transmission properties depending on external physical parameters, but there are still unsolved questions and problems in connection with the efficiency, switching stroke, the long-term stability and series production of such layers.
Bislang ist kein marktreifes, selbstregulierendes System für den Uberhitzungsschutz 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 optisch transparenten Schichten eingebracht ist. Zum gezielten Einstellen gewünschter Transmissionsgrade ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, durch die die Flüssigkeit erwärmt werden kann.To date, no market-ready, self-regulating system for overheating protection in the window area and for thermal components is known that works without any external, controlled energy supply. US Pat. No. 4,848,879 describes an optically transparent component whose transmissivity can be determined by the temperature-dependent refractive index behavior of a liquid which is introduced between a layer system consisting of optically transparent layers. A heating device is provided for the targeted setting of the desired transmittance, by means of which the liquid can be heated.
Eine andere Möglichkeit das Transmissionsvermögen durch eine optisch transparente 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.Another possibility to vary the transmittance through an optically transparent pane is to change the reflectance by utilizing interference effects, as is apparent from the German published patent application DE 44 08 712 A1.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtumlenkvorrichtung, die mittels Totalreflexion das auf die Vorrichtung einfallende Licht innerhalb eines bestimmt vorgegebenen Winkelbereiches zurückreflektiert, derart weiterzu bilden, daß der totalreflektierende Winkelbereich vergrößert wird und überdies in weiten Grenzen einstellbar ist. Das auf die Vorrichtung außerhalb dieses Winkelbereiches eintreffende Licht soll die Vorrichtung nahezu ungehindert durchdringen. Die Vorrichtung soll insbesondere als Uberhitzungsschutz dienen, und in selbstregulierender Weise in Abhängigkeit des Sonnenstandes über richtungsselektive Reflextionseigenschaften verfügen.The invention has for its object to further develop a light deflecting device which reflects the light incident on the device within a certain predetermined angular range by means of total reflection in such a way that the totally reflecting angular range is enlarged and moreover can be set within wide limits. The light incident on the device outside this angular range should penetrate the device almost unhindered. The device is intended in particular to protect against overheating and to have directionally selective reflection properties in a self-regulating manner depending on the position of the sun.
Lösungen der obenangegebenen Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 12 angegeben. Die Erfindung vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.Solutions to the above object are given in claims 1 and 12. Features which advantageously further develop the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß sieht die Lichtumlenkvorrichtung eine Vielzahl parallel nebeneinander 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 (n-ι) des das transparente Material umgebenden Materials so gewählt sind, daß an der einen Halbierungs-Schnittfläche in den Körper einfallendes Licht durch mehrfache Totalreflexion an der inneren und der äußeren Mantelfäche des halbierten Hohlzylinders zur jeweils anderen Halbierungs-Schnittfläche umgelenkt wird.According to the invention, the light deflecting device provides a plurality of light deflecting elements arranged parallel and side by side, each of which consists of a body made of transparent material, which has the shape of a hollow cylinder halved along its longitudinal axis, the intersecting surfaces of which are tion cutting plane are facing the incident light, the inner and outer radius of the hollow cylinder and the refractive index (n 2 ) of the transparent material compared to the refractive index (n-ι) of the material surrounding the transparent material are selected so that at one Halving cut surface into the body light is deflected by multiple total reflection on the inner and outer surface of the halved hollow cylinder to the other halving cut surface.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Verwendung sogenannter halbaufgeschnittener, 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 Oberflächennormalen 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 verlustfrei 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 entsprechende Aperturen bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik lediglich 10° betragen.According to the invention, it has been recognized that the use of so-called half-cut, hollow-cylindrical deflection bodies, the concave sides of which face the incidence of light, so that the incidence of light can take place via the open cut surfaces into the interior of the deflection bodies, with appropriate dimensioning, are ideal mirrors which are based on total reflection work. Depending on the angle of incidence on the corresponding cut surfaces relative to the surface normal of the cut surfaces and the dimensioning of the deflecting bodies, total reflections occur at the inner boundary surfaces of the deflecting bodies, which lead to the fact that the light radiated into the deflecting body via one cut surface in each case is lossless via the opposite cut surface from the Deflector emerges again. It can be shown that the angular range within which the incidence of light occurs with subsequent total reflection is a maximum of approximately 50 °, whereas corresponding apertures in devices from the prior art are only 10 °.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei geeigneter Montage die direkte Sonneneinstrahlung ganzjährig ohne Nachstellung der Spiegelanordnung zurückreflektiert werden.With the aid of the device according to the invention, the direct sunlight can be reflected back all year round without readjusting the mirror arrangement, provided the installation is suitable.
Um die vorstehend genannten Aperturen für Totalreflexionen zu erreichen, sind mehrere, geeignet dimensionierte halbe hohlzylinderschalige Umlenkkörper, gleichsam dem Aufbau einer zur Hälfte aufgeschnittenen Zwiebel, ineinanderzufügen. 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 hohizylinderschaligen 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 Material 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.In order to achieve the above-mentioned apertures for total reflections, several suitably dimensioned half hollow-cylindrical deflection bodies, as it were the structure of an onion cut in half, have to be joined together. The deflecting bodies stacked one inside the other in this way have decreasing cylinder radii from the outside inwards, but the radius ratio remains nis constant between the inner and outer cylinder radius of each individual half hollow-shell deflection body. However, the stacking of hollow cylinder shells of different sizes contributes only up to a certain number of nested shells to an increase in the reflection of the arrangement, so that a remaining inner area can be massively filled with suitable, transparent material. Depending on the application, this inner area is transparent or can be equipped with a reflective layer. However, the inner surface portion of the solid piece or the reflective layer influences the maximum achievable switching stroke, especially since there is no radiation selectivity due to total reflection in this area.
Um eine möglichst großflächige Lichtumlenkung zu erzielen, sind die einzelnen, ineinander verschachtelten Halbzylinderanordnungen parellel nebeneinander anzuordnen, so daß die nebeneinanderliegenden Schnittflächen jedes einzelnen halben hohizylinderschaligen Umlenkkörpers dem Lichteinfall zugewandt sind.In order to achieve the largest possible deflection of light, the individual nested half-cylinder arrangements are to be arranged in parallel next to one another, so that the adjacent cutting surfaces of each half hollow-cylindrical deflection body face the incidence of light.
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 Durchblickeigenschaften durch die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung zu verbessern, ist an der, der Lichteintrittsoberfläche des Lichtumlenkelementes gegenüberliegenden Seite eine Negativ-Struktur vorgesehen, die die Zwischenräume zwischen den konvexen Rückseiten der Formkörper auffüllt und eine parellel zur Oberseite orientierte, plane Fläche bildet.Since the individual deflecting bodies are made of material that is transparent to sunlight, they are transparent to incident light that does not strike the light deflecting device within the totally reflecting aperture. In order to improve the viewing properties through the light deflecting device according to the invention, a negative structure is provided on the side opposite the light entry surface of the light deflecting element, which fills the spaces between the convex rear sides of the shaped bodies and forms a flat surface oriented parallel to the upper side.
Für das Auftreten von Totalreflexionen innerhalb der erfindungsgemäßen Umlenkkörper ist es wesentlich, daß die einzelnen halben hohizylinderschaligen Umlenkkörper 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 hohizylinderschaligen Kontur und der sich daran anschließenden Negativbindestruktur eine entsprechende Grenzschicht vorzusehen. Eine derartige Grenzschicht ist beispielsweise durch Lufteinschluß zwischen zwei aufeinanderliegenden Umlenkkörpern herstellbar oder mittels geeigneter, transparenter Klebematerialien.For the occurrence of total reflections within the deflecting body according to the invention, it is essential that the individual half hollow-cylindrical deflecting bodies are spaced apart from one another via an interface layer, each of which has a lower refractive index than the material from which the deflecting body itself consists. Likewise, a corresponding boundary layer must be provided at the interface between the outer half hollow-cylindrical contour and the adjoining negative binding structure. Such a boundary layer is can be produced, for example, by trapping air between two deflecting bodies lying one on top of the other or by means of suitable, transparent adhesive materials.
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 vergleichbar mit außenstehenden Verschattungsvorrichtungen, ohne daß eine aufwendige Außenmontage notwendig wäre.With the aid of the planar arrangement of the deflecting bodies designed according to the invention, which can be formed, for example, in the manner of a film to form a planar light deflecting unit, this can be glued to the outer pane of double glazing, in particular in the case of inclined windows. The thermal contact to the outer pane and the low absorption lead to a minimum of heat input within the film. As a result, the flat-shaped light deflection unit is comparable in terms of its heat protection effect to external shading devices, without the need for complex external installation.
Eine auf diese Weise ausgebildete Folie kann selbstverständlich in weitgehend beliebiger Form deformiert und geformt werden. So ist es beispielsweise möglich, eine derart flexibel ausgestaltete Folie zu einem Hohlzylinder zu formen, deren Innenfläche der totalreflektiernden 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 Hohlzylinders weitgehend verlustfrei durch die vorbeschriebene Totalreflexion wieder in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert. Lediglich an beiden Hohizylinderöffnungen 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.A film formed in this way can of course be deformed and shaped in a largely arbitrary form. It is thus possible, for example, to form a film of such a flexible design into a hollow cylinder, the inner surface of which forms the totally reflecting surface of the light deflection unit according to the invention. If a light source is introduced into this hollow cylinder formed by the film, the light emitted by the light source is reflected back to the inside of the hollow cylinder largely without loss due to the above-described total reflection in the direction of the light source. The light can only emerge from the light source to the outside at both hollow cylinder openings. Of course, such openings can be made in a targeted manner in the film arrangement. With the help of such an arrangement, it is fundamentally possible to produce lighting reflectors with which a directed, intensive light emission from a light source is possible.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Ausbildung des Lichtumlenkelementes unter Verwendung halber hohlzylinderschaliger Umlenkkörper ist die weitgehend individuelle Anpassung des Aperturbereiches in dem Totalreflexion stattfindet. Durch geeigente 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.An essential aspect of the design of the light deflecting element according to the invention using half hollow-cylindrical deflecting bodies is the largely individual adaptation of the aperture area in which total reflection takes place. Through appropriate selection of material and geometry sizes of the arrangement it is possible to enlarge the total reflecting area by up to 50 °. The aperture setting options in connection with the figures are described in detail below.
Der Effekt der Lichtumlenkung kann erfindungsgemäß auch mit einer Lichtumlenkvorrichtung erzielt werden, die aus'mehreren übereinander gestapelten Lagen aus jeweils einer Vielzahl parallel nebeneinander flächig angeordneter Lichtumlenkelemente besteht, von denen jedes aus einem Körper aus transparentem Material gefertigt ist und die Form eines entlang seiner Längsachse halbierten Hohlzylinders 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 Brechungsindex des Materials der Hohlzylinder-Körper entspricht, so daß die Lichtumlenkvorrichtung unterhalb der vorgegebenen Temperatur lichtdurchlässig ist, während er sich bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur derart ändert, daß sich zwischen den ineinander gestapelten Formkörpern eine totalreflektierende Grenzschicht ausbildet, so daß oberhalb der vorgegebenen Temperatur das auf die Umlenkvorrichtung fallende Licht durch Totalreflexion zurückreflektiert wird.The effect of the light deflection can also be achieved according to the invention with a light deflection device which consists of a plurality of layers stacked one on top of the other, each consisting of a plurality of light deflection elements arranged parallel to one another, each of which is made of a body made of transparent material and the shape of which is halved along its longitudinal axis Has hollow cylinder, the cutting surfaces with the bisection plane facing the incident light, the layers being stacked one above the other so that a medium is introduced between the stacked hollow cylinder bodies of the different layers, which has a temperature-dependent refractive index that is below a predetermined Temperature approximately corresponds to the refractive index of the material of the hollow cylinder body, so that the light deflection device is transparent below the predetermined temperature, while it is exceeded when the predetermined The temperature changes in such a way that a totally reflecting boundary layer forms between the stacked moldings, so that the light falling on the deflection device is reflected back by total reflection above the predetermined temperature.
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 Dampfbzw. Gasphase einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex der optisch transparenten Lichtumlenkelemente unterscheidet und vorzugsweise nahe 1 ist.The medium is preferably a fluid which has a refractive index in the flowable phase which largely corresponds to that of the optically transparent elements and, after exceeding its boiling point temperature in the vapor or. Gas phase has a refractive index that differs from the refractive index of the optically transparent light deflecting elements and is preferably close to 1.
Als Material für die transparenten Lichtumlenkelemente dient 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 optischen 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.The material for the transparent light deflection elements is preferably rigid, sunlight-transparent plastics such as acrylic glass, polycarbonate or so-called organic glasses, which are produced by conventional production processes in the context of Extrusion or injection molding processes can be produced. Such planar elements have micro-rough surfaces, so that two light deflection elements of the same material lying on top of each other do not come into direct optical contact. Due to the existing surface roughness, a gap is formed between the light deflection elements lying on top of one another, which encloses an air layer that forms an interface and leads to reflections on the material surface and also has a total reflection for certain rays.
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.If a fluid is now filled into the gap, whose refractive index is> 1, the degree of reflection of the interfaces is reduced and the critical angle for total reflection increases. According to the invention, it has been recognized that this effect can be used as an optical switch in conjunction with totally reflecting interfaces. For this, the material must have a temperature-dependent refractive index.
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 Siedetemperatur des Fluids entspricht, einen Brechungsindes autweist, 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 beider komplementär aufeinanderliegender Profile, der im flüssigen Zustand geherrscht hat, verloren und der Reflexionsanteil an den Grenzflächen nimmt stark zu.The optically transparent light deflecting elements preferably consist of a dielectric. The surface roughness described above creates a micro-gap between the complementary profiles. The gap is filled with a fluid which, below a switching temperature T s , which largely corresponds to the boiling point of the fluid, has a refractive index which corresponds as closely as possible to the refractive index of the dielectric. If the switching temperature Ts or the boiling point is exceeded, the liquid evaporates partially or completely. The gap fills with steam, which leads to an increase in volume when evaporating and increases the gap to a multiple of its original width. As a result of the sudden drop in the refractive index during evaporation and the widening of the gap, the direct optical contact between the two mutually complementary profiles, which prevailed in the liquid state, is lost and the proportion of reflection at the interfaces increases sharply.
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 notwendigerweise von der flüssigen in die Gasphase übergeht. Derartige Fluide bzw. Medien sind bei spielsweise aus der DE 44 33 090 A1 bekannt und betreffen thermooptische variable Polymerwerkstoffe.In the case described above, the change in the reflection behavior of the optically partially transparent device is based primarily on the geometric spacing of the two interfaces, which results in total reflection conditions. However, it is also conceivable that in the space between the two lying one on top of the other A fluid is introduced into surface elements, which only changes the refractive index when a certain switching temperature is exceeded and which does not necessarily change from the liquid to the gas phase. Such fluids or media are known for example from DE 44 33 090 A1 and relate to thermo-optical variable polymer materials.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by way of example with reference to the drawings, without limitation of the general inventive concept. Show it:
Figur 1 Einen halben hohizylinderschaligen Umlenkkörper,FIG. 1 half a hollow-cylindrical deflection body,
Figur 2 eine flächige, folienartige Anordnung aus einer Vielzahl derartiger Umlenkkörper, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,FIG. 2 shows a flat, foil-like arrangement of a plurality of such deflection bodies, according to a first embodiment of the invention,
Figur 3 eine folienartige Anordnung aus einer Vielzahl von Umlenkkörpern mitFigure 3 with a film-like arrangement of a plurality of deflecting bodies
Negativ-Struktur,Negative structure,
Figur 4a,b eine Vorrichtung aus zwei flächig aufeinanderliegenden transparenten Elementen mit temperaturabhängiger Zwischenschicht, die das Prinzip einer zweiten Ausführung der Erfindung verdeutlicht,4a, b show a device made of two flat, superimposed transparent elements with a temperature-dependent intermediate layer, which illustrates the principle of a second embodiment of the invention,
Figur 5a, b eine folienartige Anordnung mit einer Vielzahl halber, hohlzylinderschaliger Körper mit temperaturabhängiger Zwischenschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sowieFigure 5a, b a film-like arrangement with a plurality of half, hollow-cylindrical body with temperature-dependent intermediate layer according to a second embodiment of the invention and
Figur 6 eine Einzelkomponentendarstellung zur Herstellung einer Folie aus einer Vielzahl halber, hohlzylinderschaligeFIG. 6 shows an individual component representation for producing a film from a multiplicity of half, hollow-cylindrical shells
Beschreibung eines AusführungsbeipielsDescription of an example
In der Figur 1 ist ein Grundkörper eines halben hohizylinderschaligen Umlenkkörpers 1 dargestellt, der aus einem sonnenlichttransparenten Material mit einem Brechungsindex 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 Totalreflexionen innerhalb des Umlenkkörpers zur gegenüberliegenden Schnittfläche geleitet wird, an der das Licht weitgehend verlustfrei den Umlenkkörper wieder verläßt, eingestellt werden. Für den totalreflektiernden Winkelbereich, der durch den Winkel otein beschrieben wird und der zur Normalen der Schnittfläche zu messen ist, gilt folgender Formelzusammenhang:FIG. 1 shows a basic body of a half hollow-cylindrical deflection body 1, which consists of a material that is transparent to sunlight and has a refractive index n 2 . The deflecting body 1 has an outer cylinder radius R and an inner cylinder radius r. Light strikes the light through the cut surfaces S1 and S2 Deflection body 1 and penetrates into the interior of the deflection body 1. Due to the choice of the material of the deflecting body and the geometric design with regard to the radius ratio v = r / R, the angular range within which light strikes the cut surfaces S1 or S2 of the deflecting body 1 and is guided via total reflections within the deflecting body to the opposite cutting surface the light leaves the deflection body largely without loss, can be adjusted. For the totally reflecting angular range, which is described by the angle ot e in and which is to be measured to the normal of the cut surface, the following formula connection applies:
sin a .
Figure imgf000012_0001
sin a.
Figure imgf000012_0001
Hierbei gilt: n-ι: Brechungsindex des Mediums, das an die gekrümmten Wände 2, 3 desThe following applies: n-ι: refractive index of the medium, which on the curved walls 2, 3 of the
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.Deflecting body 1 borders, n 2 : refractive index of the medium from which the deflecting body is made n 3 : refractive index of the medium that borders on the flat cut surfaces S1 and S2 of the deflecting body.
Der in der Figur 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 Brechungsindizes sowie des Radienverhältnisses v kann der totalreflektierende Aperturbereich individuell eingestellt werden. Maximale Aperturbereiche für Winkel von bis zu 50° sind realisierbar, wodurch der erfindungsgemäße Umlenkkörper Grundlage für eine geeignete Sonnenschutzvorrichtung bietet. Um die totalreflektierenden Eigenschaften bezogen auf eine größtmögliche Fläche zu optimieren, werden zum einen gemäß Figur 2 eine Vielzahl in der Größe unterschiedlich ausgestalteter halber, hohlzylinderschaliger Umlenkkörper ineinandergestapelt, gleichsam dem Aufbau einer Zwiebelschalenstruktur, und zum anderen derartig ineinandergestapelte Umlenkkörper parallel nebeneinander angeordnet. Zur gegenseitigen Verbindung der parallel angeordneten Umlenkkörper 1 dient eine diese miteinander verbindende Schicht 4.The deflecting body 1 shown in FIG. 1 shows, as described above, for light incidence angles <α e in total reflection properties. The light that strikes one of the two cut surfaces S1 and S2 completely leaves the deflection body on the other cut surface, provided that extinction in the material and in the reflections can be disregarded. The above-described formula connection applies to light rays that lie in the plane perpendicular to the cylinder axis. For rays that are not in the plane mentioned, the critical angle projected in this plane for total reflection increases even further. The total reflecting aperture range can be set individually by appropriately selecting the refractive indices used in the formula context and the radius ratio v. Maximum aperture ranges for angles of up to 50 ° can be achieved, as a result of which the deflecting body according to the invention provides the basis for a suitable sun protection device. In order to optimize the total reflective properties in relation to the largest possible area, a plurality of half-hollow deflection bodies of different sizes are stacked one inside the other, as in FIG. A layer 4 connecting them to one another serves to connect the deflecting bodies 1 arranged in parallel.
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 sonnenlichttransparenten Material massiv aufgefüllt wird oder mit einer reflektierenden Schicht überzogen wird.The stacking of appropriately dimensioned half hollow cylindrical deflection bodies is, however, only reasonable up to a certain lower limit, so that the inner, remaining open area is either massively filled with a sunlight-transparent material or covered with a reflective layer.
Um die Durchsichteigenschaften durch die in der Figur 2 dargestellte folienhaften Anordnung zu verbessern, ist gemäß Figur 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 Figur 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 order to improve the see-through properties through the film-like arrangement shown in FIG. 2, a negative structure 5 is provided on the side of the deflecting body opposite the light, according to FIG Foil strikes after the penetration of the foil arrangement in the transmitted light beam is restored. This allows largely transparent viewing conditions to be achieved. A film arrangement shown in FIG. 3 can be particularly advantageously glued to the outer pane of double glazing in the case of inclined windows and in this way serves as a shading device without complex external installation.
In Figur 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 Temperaturbereich unterhalb einer Schalttemperatur Ts ein Brechungsverhalten auf, das dem Material der Flächenelemente 6 und 7 entspricht. Wie aus Figur 4a hervorgeht, durchdringt Licht die Flächenelementanordnung nahezu ungestört.FIG. 4a shows an optically partially transparent device for deflecting light by means of total reflection, consisting of two flat optically transparent elements. elements 6 and 7 are shown, which lie on one another over their complementary surfaces. A medium 8 with a temperature-dependent refractive index is introduced in the intermediate gap between the two elements 6 and 7. The temperature-dependent medium in its refractive behavior has a refractive behavior in a temperature range below a switching temperature Ts that corresponds to the material of the surface elements 6 and 7. As can be seen from FIG. 4a, light penetrates the surface element arrangement almost undisturbed.
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 beiden Fiächenelementen 6 und 7 Totalreflexionen auf, wodurch das einfallende Licht wieder zurückreflektiert wird (s. hierzu die in der Zeichnung eingetragenen Pfeile in Figur 4b).If the surrounding temperature level exceeds the switching temperature Ts, which, for example, corresponds to the boiling point temperature of the material, total reflections occur for the incident light at the interface between the two surface elements 6 and 7, as a result of which the incident light is reflected back (see the arrows in the drawing in Figure 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 Figur 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 Grenzfläche bildet.If the medium 8 introduced into the intermediate layer is a liquid which changes from the liquid into the vapor phase at a certain switching temperature Ts, a volume change associated with the phase change causes a clear spacing of the two flat elements 6 and 7 from one another, as is the case with it is indicated in Figure 4b. Due to the change in the refractive index and the spatial spacing, the originally optical contact is interrupted, as a result of which an interface is required for total reflection.
Es sind jedoch auch Medien bekannt, die ohne Phasenübergang ab einer gewissen Temperatur ihre Brechungseigenschaften ändern, wodurch ebenso eine für die Totalreflexion erforderliche Grenzschichtausbildung erfolgt.However, media are also known which change their refractive properties from a certain temperature without a phase transition, which likewise results in the formation of a boundary layer which is necessary for total reflection.
In den Figuren 5a und 5b ist eine vorteilhafte Ausführungsform für eine folienartige Anordnung mit einer Vielzahl nebeneinanderangeordneter, halber, hohlzylinderschaliger Körper mit einer vorstehend beschriebenen Zwischenschicht dargestellt. Die Anordnung gemäß Figur 5a stellt den Fall dar, für den die Anordnung weitge hend transparent ist, zumal die einzelnen aufeinandergestapelten Körper in unmittelbarem optischen Kontakt stehen, da zwischen den Körpern ein Medium eingebracht ist, das weitgehend den gleichen Brechungsindex aufweist wie das Material der Körper selbst.FIGS. 5a and 5b show an advantageous embodiment for a film-like arrangement with a plurality of half-hollow, hollow-cylindrical bodies arranged next to one another with an intermediate layer described above. The arrangement according to Figure 5a represents the case for which the arrangement is largely transparent, especially since the individual stacked bodies are in direct optical contact, since a medium is introduced between the bodies, which has largely the same refractive index as the material of the body self.
Der in der Figur 5a angedeutete Pfeil macht deutlich, daß bei Temperaturen unterhalb 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 Grenzschicht aus, wodurch einfallendes Licht - wie an den Pfeilen dargestellt - durch Totalreflexion wieder zurückreflektiert wird.The arrow indicated in FIG. 5a makes it clear that at temperatures below the switching temperature Ts, the light-transparent arrangement is largely passed through by the light without loss. Only when a switching temperature Ts is exceeded does the intermediate layer experience a change in the refractive index, which is additionally accompanied, for example, by a volume expansion. As a result of this change in state, a totally reflecting boundary layer is formed between two bodies lying on top of one another, as a result of which incident light - as shown by the arrows - is reflected back by total reflection.
Zusätzlich ist in der Ausführungsform gemäß den Figuren 5a und 5b jeweils eine reflektierende Schicht 9 im zentralen Bereich der ineinandergestapelten Körper aufgebracht.In addition, in the embodiment according to FIGS. 5a and 5b, a reflective layer 9 is applied in the central region of the bodies stacked one inside the other.
Aus der Figur 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. FIG. 6 shows the individual components with which a flat, film-like structure can be produced for producing a device for deflecting light. The three individual layers 10, 11 and 12 can be produced from profile films by means of extrusion processes and welded to one another using a medium to be introduced into the intermediate layers. In addition, reflective layers 9 are applied in the central areas of each individual stacked body.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Lichtumlenkvorrichtung aus einer Vielzahl parallel nebeneinander flächig angeordneter Lichtumlenkelemente, von denen jedes aus einem Körper (1) aus transparentem Material besteht, der die Form eines entlang seiner Längsachse halbierten Hohlzylinders aufweist, dessen Schnittflächen (S1 , S2) mit der Halbierungs-Schnittebene dem einfallenden Licht zugewandt sind, wobei der Innen- und der Außenradius (r, R) des Hohlzylinders und der Brechungsindex (n2) des transparenten Materials gegenüber dem Brechungsindex (ni) des das transparente Material umgebenden Materials so gewählt sind, daß an der einen Halbierungs-Schnittfläche in den Körper (1) einfallendes Licht durch mehrfache Totalreflexion an der inneren und der äußeren Mantelfäche des halbierten Hohlzylinders zur jeweils anderen Halbierungs-Schnittfläche umgelenkt wird.1. Light deflecting device from a plurality of parallel parallel light deflecting elements, each of which consists of a body (1) made of transparent material, which has the shape of a hollow cylinder halved along its longitudinal axis, the cutting surfaces (S1, S2) with the bisection cutting plane incident light are facing, the inner and outer radius (r, R) of the hollow cylinder and the refractive index (n 2 ) of the transparent material compared to the refractive index (ni) of the material surrounding the transparent material are selected so that at one halving -Cutting surface in the body (1) light is deflected by multiple total reflection on the inner and outer surface of the halved hollow cylinder to the other halving cutting surface.
2. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Lichtumlenkelemente jeweils aus mehreren halbierten Hohizylinder-Körpern mit jeweils unterschiedlichen Zylinderradien bestehen, die derart konzentrisch ineinander gestapelt angeordnet sind, daß die Lichtumlenkelemente jeweils annähernd die Form eines halben Vollzylinders aufweisen.2. Light deflection device according to claim 1, wherein the light deflection elements each consist of a plurality of halved hollow cylinder bodies with different cylinder radii, which are arranged concentrically stacked one in the other in such a way that the light deflection elements each have approximately the shape of half a full cylinder.
3. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 2, bei der zwischen den ineinander gestapelten Hohizylinder-Körpern ein Zwischenspalt vorgesehen ist, der mit einem Medium befüllt ist, dessen Brechungsindex (n2) kleiner ist als der Brechungsindex (ni) des Materials, aus dem die Hohlzylinder-Körper bestehen.3. Light deflection device according to claim 2, in which an intermediate gap is provided between the stacked hollow cylinder bodies, which is filled with a medium whose refractive index (n 2 ) is smaller than the refractive index (ni) of the material from which the hollow cylinder Body exist.
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. 4. light deflection device according to claim 2 or 3, wherein the stacked halved hollow cylinder body each have a constant ratio of the inner radius (r) to the outer radius (R).
5. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das auf die Schnittflächen (S1 , S2) einfallende Licht innerhalb der Lichtumlenkelemente totalreflektiert wird, sofern gilt:5. Light deflection device according to one of the preceding claims, in which the light incident on the cut surfaces (S1, S2) is totally reflected within the light deflection elements, provided that:
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mit αein Lichteinfallswinkel auf die Schnittfläche, bezogen auf die Oberflächennormale ni Brechungsindex des Mediums, das die Lichtumlenkelemente zumindest teilweise umgibt, insbesondere des Mediums innerhalb der Zwischenspalte 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 ein tritt bzw. aus diesen austrittwith α e in the angle of incidence of light on the cut surface, based on the surface normal ni refractive index of the medium which at least partially surrounds the light deflecting elements, in particular the medium of halved hollow cylinders stacked one inside the other in the intermediate gaps n 2 refractive index of the light deflecting elements n 3 refractive index of the medium affecting the cut surfaces (S1, S2) through which the light enters or exits the light deflection elements
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.6. Light deflecting device according to one of claims 2 to 5, in which the lateral surfaces facing the incident light of the uppermost halved hollow cylinders are covered with a reflective layer (9).
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.7. Light deflection device according to one of the preceding claims, are filled with an optically transparent material in the spaces between the parallel parallel arranged light deflection elements on the light incident side of the device.
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 parallele, ebene Fläche aufweist. 8. Light deflection device according to one of the preceding claims, in which the flat adjacent light deflection elements on the back facing away from the incident light are surrounded by a material layer which has a flat surface parallel to the surface of the device facing the incident light.
9. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen aus flexiblem Material besteht und als Folie ausgebildet ist.9. Light deflection device according to one of the preceding claims, in which the planar arrangement of light deflection elements consists of flexible material and is designed as a film.
10. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen als Sonnenschutzvorrichtung an Fensterscheiben oder Gebäudefassaden angebracht ist.10. Light deflection device according to one of the preceding claims, in which the planar arrangement of light deflection elements is attached as a sun protection device to window panes or building facades.
11. Lichtumlenkvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen einen hochreflektierenden Spiegel für eine Strahlungsquelle bildet.11. Light deflection device according to one of claims 1 to 9, in which the planar arrangement of light deflection elements forms a highly reflecting mirror for a radiation source.
12. Lichtumlenkvorrichtung aus mehreren übereinander gestapelten Lagen aus jeweils einer Vielzahl parallel nebeneinander flächig angeordneter Lichtumlenkelemente, 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 zwischen den ineinander gestapelten Hohizylinder-Körpern der verschiedenen Lagen ein Medium eingebracht ist, das einen temperaturabhängigen Brechungsindex aufweist, der unterhalb einer vorgegebenen Temperatur annähernd dem Brechungsindex des Materials der Hohlzylinder-Körper entspricht, so daß die Lichtumlenkvorrichtung unterhalb der vorgegebenen Temperatur lichtdurchlässig ist, während er sich bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur derart ändert, daß sich zwischen den ineinander gestapelten Formkörpern eine totalreflektierende Grenzschicht ausbildet, so daß oberhalb der vorgegebenen Temperatur das auf die Umlenkvorrichtung fallende Licht durch Totalreflexion zurückreflektiert wird.12. Light deflecting device consisting of a plurality of layers stacked one above the other, each consisting of a plurality of light deflecting elements arranged parallel and side by side, each of which consists of a body (1) made of transparent material and has the shape of a hollow cylinder halved along its longitudinal axis, the cutting surfaces (S1, S2) of which are included the bisection plane faces the incident light, the layers being stacked one on top of the other in such a way that a medium is introduced between the stacked hollow cylinder bodies of the different layers, which medium has a temperature-dependent refractive index which, below a predetermined temperature, is approximately the refractive index of the material the hollow cylinder body corresponds, so that the light deflection device is transparent below the predetermined temperature, while it changes when the predetermined temperature is exceeded such that between the stacked moldings pern forms a totally reflecting boundary layer, so that above the predetermined temperature, the light falling on the deflection device is reflected back by total reflection.
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 Lagen führt, so daß sich zwischen den Lagen eine totalreflektierende Grenzfläche bildet. 13. The light deflection device as claimed in claim 12, in which the medium changes from the liquid to the vapor phase at the predetermined temperature, a volume change associated with this transition. is that leads to a change in the distance between the layers stacked one above the other, so that a totally reflecting interface is formed between the layers.
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