DE10125273B4

DE10125273B4 - Optisches Element nach Art einer linearen Fresnel Linse sowie Verwendung des optischen Elementes als Blendschutz vor direkter Sonneneinstrahlung

Info

Publication number: DE10125273B4
Application number: DE10125273A
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof. Dr. Goetzberger; Manuel Dr. Goller; Michael Dipl.-Phys. Müller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: DE10125273A1

Abstract

Optisches Element nach Art einer Fresnel Linse mit einer strukturierten Vorderseite, die optisch wirksame Flächenteile (A), durch die das optische Element durchsetzende Lichtstrahlen optisch wirksam zu Zwecken einer optischen Abbildung gebrochen werden, und optisch unwirksame Flächenteile (B), die der Dickenreduzierung des optischen Elementes dienen, aufweist, und einer eben ausgebildeten Rückseite (F), wobei die optisch wirksamen Flächenteile (A) durch fiktives lagegetreues Aneinanderreihen unter Außerachtlassung der optisch unwirksamen Flächenteile (B) die Oberfläche einer asymmetrischen einachsigen Zylinderlinse beschreiben,
die optisch unwirksamen Flächenteile (B) jeweils zwei benachbarte optisch wirksame Flächenteile (A) miteinander verbinden,
die optisch unwirksamen Flächenteile (B) in Gruppen unterteilbar sind, pro Gruppe die optisch unwirksamen Flächenteile (B) parallel zueinander ausgerichtet sind, und
wenigstens eine erste Gruppe vorgesehen ist, deren zugehörige optisch unwirksame Flächenteile (B_D) derart orientiert sind, dass die unwirksamen Flächenanteile (B_D) mit der Rückseite einen Winkel α aufspannen, der ungleich 90° ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element, das nach Art einer linearen Fresnel Linse aufgebaut ist und eine strukturierte Vorderseite sowie eine vorzugsweise plane, unstrukturierte Rückseite aufweist. Die strukturierte Vorderseite des optischen Elements sieht optisch wirksame Flächenteile vor, durch die das optische Element durchsetzende Lichtstrahlen zu Zwecken einer optischen Abbildung optisch wirksam gebrochen werden. Ferner sieht die strukturierte Vorderseite optisch unwirksame Flächenteile vor, die der Dickenreduzierung des optischen Elementes dienen und jeweils zwei benachbart liegende optisch wirksame Flächenteile miteinander verbinden.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des optischen Elementes als Blendschutzsystem gegen direkte Sonneneinstrahlung in transluzente Gebäudefassadenbereiche.

Fresnellinsen sind durch Augustin Fresnel seit Beginn des 19. Jahrhunderts bekannt und beruhen auf der Erkenntnis, dass die optische Wirkung einer Linse letztlich lediglich durch die Lichtbrechung an der Linsenoberfläche bestimmt ist. Zur Vermeidung großer Linsendicken, insbesondere bei der Ausbildung großer Linsenkörper, wie sie beispielsweise bei Leuchttürmen für eine möglichst horizontale Lichtabstrahlung Verwendung finden, weisen Fresnellinsen eine gestufte Linsenvorderseite auf, wie sie in an sich bekannter Weise im Querschnitt in 1b dargestellt ist. Die strukturiert ausgebildete Vorderseite E setzt sich im wesentlichen aus optisch wirksamen Teilflächen A und optisch unwirksamen Teilflächen B zusammen, wobei die Teilflächen B lediglich der Dickenreduzierung des Linsenkörpers dienen und als senkrechte Flanken bezogen zur planen Linsenrückseite F ausgebildet sind. Würde man die optisch wirksamen Teilflächen A lagegetreu, unter Vernachlässigung der dickenreduzierenden optisch unwirksamen Teilstücke B aneinander reihen, so ergäbe sich das konvex ausgebildete Linsenprofil gemäß 1a. Für Lichtstrahlen C, die senkrecht zur Linsenrückseite bzw. Linsenebene F einfallen und somit auch parallel zur Flächenorientierung der optisch unwirksamen Teilflächen B verlaufen, besitzt die in 1b dargestellte Fresnellinse die gleichen optischen Abbildungseigenschaften wie die gemäß 1a in der Profildarstellung symmetrisch ausgebildete Konvexlinse.

Die in 1b dargestellte „konventionelle" Fresnellinse ist bezogen zu ihrer Mittenlinie M spiegelsymmetrisch aufgebaut. Fresnellinsen können grundsätzlich kreisförmig, d.h. von einer Kugellinse abgeleitet oder auch linear ausgebildet sein, d.h. von einer Zylinderlinse herrühren. Die weiteren Betrachtungen beziehen sich auf lineare Fresnellinsen, d.h. es sei in Bezug auf die 1a und b angenommen, dass die dargestellte Fresnellinse vorzugsweise als rechteckförmige Flächenlinse ausgebildet ist, deren strukturierte Oberfläche spiegelsymmetrisch zur Mittenlinie M ausgebildet ist.

Der eingangs erwähnte Vorteil von Fresnellinsen bezüglich ihrer geringvolumigen Ausbildung gegenüber herkömmlichen Linsen ist jedoch mit einem optisch gravierenden Nachteil verbunden. Die Fresnellinse gemäß 1b verfügt über eine ideale fokussierende optische Wirkung, sofern die Linse von parallelem Licht C senkrecht zur Linsenebene F durchstrahlt wird. Treffen Lichtstrahlen D jedoch schräg auf die strukturierte Linsenoberseite E, so trifft ein Teil der Lichtstrahlen die senkrecht ausgerichteten Teilflächen B, die ursächlich lediglich zur Dickenreduzierung und nicht zur optischen Abbildung vorgesehen sind. Es kann daher festgehalten werden, dass sich die optischen Abbildungseigenschaften von konventionellen Fresnellinsen bei nichtsenkrechtem Lichteinfall erheblich verschlechtern im Vergleich zu herkömmlichen Linsen mit sonst gleichen optischen Eigenschaften.

Betrachtet man überdies typische Anwendungsfälle für Fresnellinsensysteme so werden derartige Fresnellinsen zumeist in optisch stationären Abbildungssystemen eingesetzt, in denen konstruktiv dafür Sorge getragen ist, dass die das Fresnellinsensystem durchsetzenden Lichtstrahlen stets senkrecht zur Linsenebene orientiert sind, wodurch eine möglichst optimale optische Abbildung garantiert ist. In den häufigsten Anwendungsfällen werden Fresnellinsen als Lichtstrahlen aufweitende optische Elemente eingesetzt, d.h. Lichtstrahlen durchsetzen die Fresnellinse von ihrer Rückseite, wobei dafür Sorge getragen wird, dass die auf die Rückseite der Fresnellinse auftreffenden Lichtstrahlen die Linsenebene senkrecht treffen. Andererseits können Fresnellinsen auch als optisch fokussierende Elemente verwendet werden, indem beispielsweise eine Fresnellinse in einen parallelen Lichtstrahlengang integriert ist, durch die die Lichtstrahlen in einem Fokuspunkt konzentriert werden. Treten jedoch bei den vorstehend sehr allgemein geschilderten stationären optischen Systemen, in denen wenigstens eine Fresnellinse integriert ist, Beleuchtungssituationen auf, die vom senkrechten Lichteinfall auf die Linsenebene der Fresnellinse abweichen, so verschlechtern sich die eingangs beschriebenen optischen Abbildungseigenschaften erheblich.

In der Druckschrift EP 0 468 410 A1 wird eine optisch beugende Linse beschrieben, die insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel gemäß der 14a, 14b als lichttransparente optische Einheit ausgebildet ist, die über eine plane Rückseite sowie eine nach Art einer Fresnellinse strukturierte Vorderseite verfügt. Die auf der Vorderseite der optischen Einheit aufgebrachte Struktur weist hierbei eine Vielzahl ineinanderliegender, elliptisch ausgeformter sägezahnartiger in sich geschlossener Strukturen auf. Sofern Licht unter einem bestimmten Winkel schräg auf die strukturierte Oberfläche trifft, wird es gebeugt und fokussiert.

Aus der Druckschrift DE 198 15 850 A1 geht eine Sonnenschutzvorrichtung für ein Gebäude hervor. Die Sonnenschutzvorrichtung umfasst eine transluzente Anordnung aus transparentem Material, die eine dem direkten Strahlungseinfall von der Sonne zugewandte Oberseite und eine dem Strahlungseinfall abgewandte Rückseite aufweist und die, den durch die Anordnung hindurchtretenden Strahlungsanteil im wesentlichen durch Totalreflektion umlenkt. Die transluzente Anordnung ist um wenigstens eine Achse schwenkbar und wird derart relativ zur einfallenden Strahlung orientiert, dass die Strahlung senkrecht auf die Oberseite der transluzenten Anordnung trifft. Weiterhin weist die Rückseite der transluzenten Anordnung eine Oberflächenstruktur auf, durch die die Strahlung derart senkrecht austritt, dass die Strahlung auf einen, von der transluzenten Anordnung beabstandeten Raumbereich konzentriert wird.

Aus der Druckschrift DE 196 13 221 A1 geht eine Sonnenschutzverglasung zur Abschattung von direktem Sonnenlicht ohne bewegliche Teile hervor. Die Sonnenschutzverglasung umfasst eine transparente Platte auf deren der Sonne zugewandten Oberfläche flächendeckend Linsenstrukturen aufgebracht sind. Die Brennebene der Linsenstrukturen liegt weitgehend hinter der transparenten Platte, wobei hinter der transparenten Platte eine ebene Schicht eines thermotropen Mediums angeordnet derart ist, dass die Brennebene der Linsen weitgehend in der thermotropen Schichte liegt.

Aus der Druckschrift US 5 880 886 A geht eine optische transluzente Komponente hervor, die sich als Verglasung eignet und mit der auf die Komponente einfallendes Sonnenlicht durch Totalreflektion an einer Vielzahl in der Komponente vorhandener Flächen und/oder durch Brechung umgelenkt wird.

Darstellung der Erfindung

Grundsätzlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fresnellinse, die aus konstruktiven Zwängen in einer bestimmten Ebene stationär positioniert ist und auf deren strukturierte Vorderseite hauptsächlich Lichtstrahlen aus einer nicht zur Linsenebene senkrechten Richtung auftreffen, derart auszubilden, dass die optischen Abbildungseigenschaften der Fresnellinse für eben diese Lichtstrahlen optimiert werden sollen. Die optimierten optischen Abbildungseigenschaften einer derart ausgebildeten Fresnellinse sollen dabei nicht nur auf den vorstehend beschriebenen Fall des Lichteintrittes von seiten der strukturierten Vorderseite der Fresnellinse beschränkt sein, sondern sich auch vorteilhaft für eine Durchstrahlung des Fresnellinsenkörpers von seiten der unstrukturierten Rückseite auszeichnen. Schließlich gilt es mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Fresnellinse typische Anwendungsfälle aufzuzeigen, in denen der Einsatz eines diesbezüglichen optischen Elementes besonders vorteilhaft ist.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Elementes ist Gegenstand des Anspruchs 11 sowie des Anspruchs 18. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein optisches Element nach Art einer linearen Fresnellinse mit einer strukturierten Vorderseite, die optisch wirksame Flächenteile (A), durch die das optische Element durchsetzende Lichtstrahlen optisch wirksam zu Zwecken einer optischen Abbildung gebrochen werden, und optisch unwirksame Flächenteile (B), die der Dickenreduzierung des optischen Elementes dienen, aufweist und einer eben ausgebildeten Rückseite, wobei die optisch wirksamen Flächenteile (A) durch fiktives lagegetreues Aneinanderreihen unter Außerachtlassung der optisch unwirksamen Flächenteile (B) die Oberfläche einer asymmetrischen einachsigen Zylinderlinse beschreiben, die optisch unwirksamen Flächenteile (B) jeweils zwei benachbarte optisch wirksame Flächenteile (A) miteinander verbinden, die optisch unwirksamen Flächenteile (B) in Gruppen unterteilbar sind, pro Gruppe die optisch unwirksamen Flächenteile (B) parallel zueinander ausgerichtet sind, und wenigstens eine erste Gruppe vorgesehen ist, deren zugehörige optisch unwirksame Flächenteile (B_D) derart orientiert sind, dass die unwirksamen Flächenanteile (B_D) mit der Rückseite einen Winkel α aufspannen, der ungleich 90° ist.

Die asymmetrische einachsige Zylinderlinse ist dabei an die jeweiligen geometrischen Einstrahlungsverhältnisse möglichst optimal angepasst.

Ferner ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass sich das vorstehend erfindungsgemäß ausgebildete optische Element besonders bevorzugt als Blendschutzelement gegenüber direkter Sonneneinstrahlung zur Anbringung an transluzente Fassadenbereiche von Gebäuden eignet.

Detaillierte Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Elementes sowie dessen bevorzugte Verwendungsweise sind Gegenstand der Beschreibung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b Darstellungen zur Beschreibung einer an sich bekannten Fresnellinse (Stand der Technik),
2a, b Darstellungen zur Beschreibung der erfindungsgemäß ausgebildeten Fresnellinse,
3 Querschnittsdarstellung durch eine vorteilhaft ausgebildete Fresnellinse,
4 perspektivische Darstellung einer rechteckförmig ausgebildeten Fresnellinse,
5 Beschreibung von Winkelzusammenhängen als Grundlage für den Einsatz des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Elementes als Sonnenschutz,
6, 7 schematisierte Querschnittsdarstellung als Teil einer transparenten Gebäudefassadenfläche, sowie
8 Kombination aus einem optisch transparenten Element mit reflektierender Fläche integriert in einer transluzenten Gebäudefassade.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die optisch wirksamen Flächenteile A der Fresnellinse derart entlang der strukturierten Vorderseite der Fresnellinse anzuordnen, dass die Fokussierung für parallel auf die Linsenvorderseite E auftreffende Lichtstrahlung, im folgenden wird davon ausgegangen, dass es sich hierbei um Sonnenstrahlung handelt, optimiert wird. In Abkehr von der sich durch Aneinanderreihen der einzelnen Flächenteile A ergebenden sphärischen Linsenoberfläche gemäß 1a werden nun erfindungsgemäß die optisch wirksamen Flächenteile A entlang der strukturierten Fresnellinse derart angeordnet, dass sie durch eine entsprechend fiktive Aneinanderreihung eine von der sphärischen Linsenform abweichende, asphärische Linsenform gemäß der 2a ergeben.
Wie bereits eingangs erwähnt, stellt der Ausgangslinsenkörper eine einachsige Zylinderlinse dar, die es gilt, in der erfindungsgemäßen Weise nach Art einer Fresnellinse umzustrukturieren. Der in 2a im Querschnitt dargestellte Linsenkörper stellt somit eine asymmetrische Zylinderlinse dar, deren asphärisch gekrümmte Linsenvorderseite an eine bestimmte Schräglichtbeleuchtungssituation optimal angepaßt ist.
Ausgehend von der in 2a dargestellten, für einen bestimmten Lichteinfall D optimierten, asymmetrischen Zylinderlinse gilt es, die optisch wirksamen Teilflächen A sowie die optisch unwirksamen Teilflächen B in der Weise anzuordnen, so dass die Lichtstrahlen D ausschließlich auf die optisch wirksamen Teilflächen A nicht aber auf die optisch unwirksamen Teilflächen B auftreffen. Dies wird dadurch erreicht, indem die optisch unwirksamen Teilflächen, hier als B_D bezeichnet, parallel zur Einfallsrichtung der Lichtstrahlen D ausgerichtet sind. Auf diese Weise treffen die Lichtstrahlen D keine Flächenanteile B_D, sondern durchdringen ausschließlich die optisch wirksamen Flächenteile A (siehe hierzu 2b). Die optisch wirksamen Flächenteile A sind dabei derart ausgerichtet, dass sie die Form der ursprünglichen asymmetrischen Zylinderlinse gemäß 2a ergeben und für eine bestmögliche Fokussierung der Lichtstrahlen D sorgen.
Die in 2b dargestellte erfindungsgemäß ausgebildete asymmetrische Fresnellinse weist optimierte optische Abbildungseigenschaften bezüglich der Lichtstrahlen D auf, sieht jedoch in dieser Ausführungsform auch Bereiche vor, in denen sogenannte „Hinterschneidungen" auftreten. „Hinterschneidungen" sind in senkrechter Projektion auf die Linsenebene F vorhandene „Selbstabschattungen", bedingt durch „überhängende" Strukturelemente, die sowohl optische als auch fertigungstechnische Nachteile mit sich bringen. Die „Hinterschneidungen" treten insbesondere in der in 2b links der Mittenlinie M befindlichen Bereichen auf, die es gilt möglichst vollständig zu vermeiden.
Der Flächenanteil, in dem „Hinterschneidungen" auftreten, kann einerseits zumindest dadurch reduziert werden, indem derjenige Teil der Linse, in dem Hinterschneidungen auftreten, verkürzt wird, ohne dass gravierende Änderungen in der Qualität der optischen Abbildung auftreten. Eine derartige Verkürzung kann beispielsweise durch Abtrennen der in 2b dargestellten asymmetrischen Fresnellinse entlang der Trennlinie N erfolgen. Diese Maßnahme führt zu einer weiteren Asymmetrie bezüglich der geometrischen Mittellinie M, wobei nun der rechts von der Mittellinie M befindliche Flächenanteil einen größeren Anteil an der Fokussierung besitzt als der linke Flächenanteil.
Alternativ oder in Kombination zur vorstehend genannten Maßnahme zur Vermeidung von „Hinterschneidungen" ist es überdies möglich, die optisch unwirksamen Flächenteile B_D, durch senkrecht zur Linsenebene F orientierte Flächenteile B_S zu ersetzen, siehe hierzu die Querschnittsdarstellung gemäß 3. Eine derartige Substitution der optisch unwirksamen Flächenteile B_D durch die vorstehend beschriebenen optisch unwirksamen Flächenteile B_S in Bereichen mit „Hinterschneidungen" können ebenso ohne große nennenswerte Nachteile für die Qualität der optischen Abbildungseigenschaften der asymmetrischen Fresnellinse durchgeführt werden. Schließlich besteht letztlich auch die Alternative, auf die mit Hinterschneidungen verbundenen Flächenbereiche der asymmetrischen Fresnellinse vollständig zu verzichten.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten asymmetrischen Fresnellinse ist ihre nahezu beliebige Skalierbarkeit in der Größenwahl. So unterliegen die optischen Abbildungseigenschaften der Fresnellinse nicht der einzelnen Strukturgrößen (A, B, B_D, B_F), solange deren Dimensionen nicht in die Größenordnung der Lichtwellenlänge kommen. Grundsätzlich sind daher die Strukturen der asymmetrischen Fresnellinse entsprechend miniaturisierbar und lassen sich beispielsweise als Prägestruktur auf transluzenten Folien aufbringen.
Ferner lassen sich die optischen Abbildungseigenschaften der asymmetrischen Fresnellinse in weitem Maße individuell einstellen, lediglich durch bloße spezifische Gestaltung der optisch wirksamen Flächenteile A. Grundsätzlich kann eine derartige Optimierung ohne Veränderung der äußeren Abmessungen der asymmetrischen Fresnellinse durchgeführt werden. Hierdurch können die optischen Eigenschaften der asymmetrischen Fresnellinse, beispielsweise die Wahl der Form der Oberfläche, der Brennweite, der Qualität der Fokussierung sowie des Einstrahlungswinkel für die optimale Fokussierung, für verschiedene Anwendungen separat eingestellt werden, ohne dass dadurch die Masse und damit die Dicke der Linse wesentlich verändert werden müsste.
Durch die flexiblen Gestaltungsmöglichkeiten der optisch wirksamen Flächenteile A ist es darüber hinaus möglich, Linsen mit extrem kurzen Brennweiten bei gleichzeitig hohen geometrischen Konzentrationsfaktoren zu erhalten, d.h. die durch die asymmetrische Fresnellinse hindurchtretenden Lichtstrahlen werden in einem sehr kleinen Raumbereich nach Durchtritt durch die Fresnellinse konzentriert. Je nach Einsatz- und Anwendungsfall, wie im weiteren noch ausführlich darzulegen ist, ist es vorteilhaft, im Bereich des Brennfleckes eine Schicht aus Dielektrikum vorzusehen, wodurch die Unempfindlichkeit der Fokussierung in Bezug auf die Einstrahlungsrichtung D verbessert werden kann. Für weitere Verwendungs- und Einsatzfälle gilt es insbesondere, die erfindungsgemäße asymmetrische Fresnellinse derart optisch auszulegen, dass sie über eine extrem kurze Brennweite und zugleich über einen hohen Konzentrationsfaktor bezüglich der optischen Abbildungen durch die einzelnen optisch wirksamen Flächenteile A verfügt.
In 4 ist eine asymmetrische Fresnellinse in Form eines plattenförmigen Elementes mit einer strukturierten Vorderseite E und einer flachen Hinterseite F dargestellt. Grundsätzlich lassen sich eine Vielzahl derartig ausgebildeter plattenförmiger Elemente flächig derart kombinieren, dass sie beliebig große Flächen überdecken können.
Insbesondere in Form der vorstehend genannten Ausführungsform ist die asymmetrische Fresnellinse erfindungsgemäß zum Einsatz als optisches Blendschutzelement geeignet, das an transluzenten Gebäudefassadenbereiche anbringbar ist, um das Rauminnere vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen. Gattungsgemäße Blendschutzelemente gehen beispielsweise aus der EP 0 800 035 A1 sowie aus der DE 196 13 221 C2 hervor und sind als stationäre Systeme, d.h. sie werden dem aktuellen Sonnenstand nicht nachgeführt, an transluzenten Gebäudefassadenbereichen, vorzugsweise an Fenstern, angebracht. Sie dienen dem Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung und ermöglichen darüber hinaus blendfreies Diffuslicht in das Rauminnere durchzulassen.
Die bekannten Systeme haben jedoch den Nachteil, dass sie im Einsatz an senkrechten transluzenten Gebäudefassadenbereichen nur über unbefriedigende optische Eigenschaften hinsichtlich Blendfreiheit gegenüber direkten Sonnenlichteinfall sowie Transmissivität bezüglich Diffuslichtes verfügen. In genau diesen Punkten erweist sich jedoch die erfindungsgemäße asymmetrische Fresnellinse als besonders geeignet als Blendschutzelement vor direkter Sonneneinstrahlung zu dienen.
So dient das in 4 flächig ausgebildete, optische Element, das modular durch Zusammenfügung mit weiteren gleichartigen optischen Elementen eine großflächige optische Einheit bildet, als Blendschutzsystem an senkrechten transluzenten Gebäudefassadenbereichen, vorzugsweise an großflächigen Fensterbereichen. Hierbei ist darauf zu achten, dass bei senkrechter Anbringung des optischen Elementes beispielsweise an einer senkrechten Südfassade eines Gebäudes, die optisch wirksamen Teilflächen von den schräg einfallenden Sonnenstrahlen beschienen werden, wohingegen die optisch unwirksamen Flächenteile möglichst parallel zu den Lichtstrahlen orientiert sind.
Zur geeigneten Auslegung und Anbringung der asymmetrischen Fresnellinse an senkrechte Gebäudefassaden und speziell zur Bestimmung der Neigung der optisch unwirksamen Flächenteile (B, B_D bzw. B_S) dient der sogenannte Profilwinkel α_P der Sonne, der zum besseren Verständnis aus der Darstellung gemäß 5 entnommen werden kann. Der Profilwinkel α_P der Sonne ist definiert als der Winkel zwischen der Projektion des sogenannten Höhenwinkels α_H der Sonne auf eine vertikale, senkrecht auf der ebenfalls vertikalen Fassade W stehende Ebene P. Für mittlere geographische Breitengrade betragen bei einer Südfassade die Profilwinkel typischerweise > 30°. Eine diesbezügliche Anordnung bei senkrechter Orientierung des optischen Elementes ist in 6 gezeigt, in der zur Verdeutlichung der Profilwinkel α_P eingetragen ist.
In 7 ist eine bevorzugte Kombination des optischen Elementes O mit einem Fensterelement FE in senkrechter Anordnung längs einer Gebäudefassade G dargestellt. Das optische Element O ist derart ausgelegt, dass direktes Sonnenlicht, das unter Profilwinkeln > 30° auf die Gebäudefassade G auftrifft, durch die optisch wirksamen Flächenteile derart auf die Rückseite F des optischen Elementes O fokussiert wird, dass das Sonnenlicht zugleich innerhalb eines nichttransparenten Flächenteiles NT zusätzlich konzentriert wird. Der nichtttransparente Flächenbereich NT ist vorzugsweise an der innenraumseitigen Oberfläche des Fensterelementes FE angebracht und dient der selektiven Abschattung des direkten, auf das optische Element O auftreffenden Sonnenlichtes. Der nichttransparente Flächenbereich NT kann beispielsweise als spiegelnd reflektierende Schicht, als weißer Anstrich, oder als eine diffusreflektierende Schicht ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der nichttransparente Bereich NT über hohe Reflexionswerte verfügt, zumal jegliche Absorption von Sonnenlicht zu einer Erwärmung des Fensterelementes FE führen würde. Hierbei wird der größte Teil der auf den nichtreflektierenden Flächenbereich NT auftreffenden Strahlung nach Außen reflektiert, wohingegen lediglich ein geringer Anteil durch Mehrfachreflexionen als nichtblendende Streustrahlung in das Rauminnere transmittiert wird. Ebenso ist es denkbar, den nichttransparenten Flächenbereich NT zur Gewinnung von Energie mit Solarzellen entsprechend abzudecken.
Der Hauptnutzeffekt des erfindungsgemäßen optischen Elementes O besteht im wesentlichen darin, dass der größere Flächenanteil T der Fensteröffnung FE nicht abgedeckt ist, also für das nichtkonzentrierbare Tagesdiffuslicht uneingeschränkt transparent bleibt und dass gleichzeitig durch für das auf den abgedeckten Flächenteil NT konzentrierte Direktsonnenlicht eine Blendschutzwirkung gewährleistet ist.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform für die Verwendungsweise des optischen Elementes O als Blendschutzsystem in einer senkrechten Gebäudefassade G dargestellt. Hierbei wird das auf die optischen Elemente O, die durch Zusammenfügung eine größere transluzente Fassadenfläche überdecken, auftreffende Tageslicht nicht durch Vorsehen geeigneter nichttransparenter Flächenteile NT ausgeblendet, sondern mittels reflektierender Elemente R derart in das Rauminnere umgelenkt, dass das Direktsonnenlicht an die Decke des Innenraumes reflektiert wird, um die Beleuchtungsverhältnisse innerhalb des Raumes durch blendfreie Nutzung des Direktlichtes zu verbessern. Die reflektierenden Elemente R können als Spiegelflächenelemente im Rauminneren hinter dem Fensterelement FE angebracht werden, wie es in 8 dargestellt ist. Alternativ können auch totalreflektierende Flächen zur Lichtumlenkung dienen, die innerhalb des Fensterelementes FE eingearbeitet sind.
Schließlich sieht ein weiteres (nicht dargestelltes) Ausführungsbeispiel vor, den Abschattungseffekt auch bei Diffuslichttagesbedingungen so gering wie nur möglich zu halten. Dies kann dadurch realisiert werden, dass entweder unmittelbar an der glatten Oberfläche F des optischen Elementes im Bereich des nichttransparenten Flächenbereiches NT (siehe hierzu 7) oder in Kombination mit einem Fensterelement FE eine thermotrope Schicht innerhalb des nichttransparenten Bereiches NT vorgesehen wird. Dies hat den Vorteil, dass die in 7 dargestellte nichttransparente Abdeckung NT bei diffusen Tageslichtbedingungen wegfällt, zumal die thermotrope Schicht innerhalb des Bereiches NT nicht geschaltet ist und über weitgehend transluzente optische Eigenschaften verfügt. In diesem Fall kann auch durch den Flächenteil NT Licht in das Rauminnere eintreten und nicht nur durch den stets transparenten Flächenteil T. Durch Vorsehen einer möglichst kurzen Brennweite der Fresnellinse kann zudem erreicht werden, dass bei Auftreffen direkter solarer Strahlung die fokale Ebene innerhalb der thermotropen Schicht liegt, deren Transmission bei ausreichender Bestrahlungsstärke innerhalb des Fokus deutlich reduziert wird, wodurch die direkte Sonnenstrahlung größtenteils diffusreflektiert und teilweise diffusgestreut transmittiert wird, wodurch der beschriebene Abschattungseffekt wieder zum tragen kommt.

A: Optisch wirksame Flächenteile
B, B_S, B_D: Optisch unwirksame Flächenteile
C: Senkrechter Lichteinfall
D: Schräger Lichteinfall
E: Strukturierte Vorderseite
F: Plane Rückseite
FE: Fensterelement
G: Gebäudefassade
M: Mittellinie
N: Nichttransparenter Flächenteil
O: Optisches Element
T: Nichtabgedeckter Teil des Fensters

Claims

Optisches Element nach Art einer Fresnel Linse mit einer strukturierten Vorderseite, die optisch wirksame Flächenteile (A), durch die das optische Element durchsetzende Lichtstrahlen optisch wirksam zu Zwecken einer optischen Abbildung gebrochen werden, und optisch unwirksame Flächenteile (B), die der Dickenreduzierung des optischen Elementes dienen, aufweist, und einer eben ausgebildeten Rückseite (F), wobei die optisch wirksamen Flächenteile (A) durch fiktives lagegetreues Aneinanderreihen unter Außerachtlassung der optisch unwirksamen Flächenteile (B) die Oberfläche einer asymmetrischen einachsigen Zylinderlinse beschreiben, die optisch unwirksamen Flächenteile (B) jeweils zwei benachbarte optisch wirksame Flächenteile (A) miteinander verbinden, die optisch unwirksamen Flächenteile (B) in Gruppen unterteilbar sind, pro Gruppe die optisch unwirksamen Flächenteile (B) parallel zueinander ausgerichtet sind, und wenigstens eine erste Gruppe vorgesehen ist, deren zugehörige optisch unwirksame Flächenteile (B_D) derart orientiert sind, dass die unwirksamen Flächenanteile (B_D) mit der Rückseite einen Winkel α aufspannen, der ungleich 90° ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Gruppe vorgesehen ist, deren zugehörige optisch nicht wirksame Flächenteile (B_S) senkrecht zur Rückseite (F) orientiert sind.
Optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Vorderseite eine durch die asymmetrische Zylinderlinse vorgegebene Scheitellinie (S) aufweist, und dass die erste und die zweite Gruppe der optisch nicht wirksamen Flächenteile (B_D, B_S) auf unterschiedlichen Seiten zur Scheitellinie (S) angeordnet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen, in denen durch Neigung der optisch nicht wirksamen Flächenteile (B_D) Hinterschnitte an der strukturierten Vorderseite (E) entstehen, zur Vermeidung eben dieser Hinterschnitte diesbezügliche optisch nicht wirksame Flächenteile (B_S) senkrechtstehend zur Rückseite (F) ausgebildet sind.
Optisches Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jener Bereich auf der strukturierten Vorderseite (E), in dem Hinterschnitte vorhanden sind oder in dem die optisch nicht wirksamen Flächenteile senkrechtstehend zur Rückseite (F) ausgebildet sind, verkleinert ausgebildet oder vollständig entfernt ist..
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element plattenförmig ausgebildet ist und über Seitenkanten verfügt, über die eine Vielzahl derartiger Elemente modular miteinander kombinierbar sind zur Schaffung eines großflächigen optischen Elementes.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element aus transluzenten Material besteht.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der einzelnen optisch wirksamen Flächenteile (A) derart bezüglich Oberflächenform und Lage ausgebildet sind, dass sich für einen vorgegebenen Strahlungseinfallswinkelbereiches die den optisch wirksamen Flächenteilen (A) zugehörigen Brennlinien in einem räumlichen Bereich (NT) konzentrieren, der kleiner als die Hälfte der Rückseitenfläche ist und die zugehörigen Brennweiten derart bemessen sind, dass die Brennlinien im Bereich der Rückseite (F) liegen.
Optisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (NT) auf der Rückseite (F), in dem sich die Brennlinien konzentrieren mit einer Schicht überzogen ist, die lichtundurchlässig, reflektierend, diffus-reflektierend, weiß ist oder als Solarzelle oder in Form einer thermotropen Schicht ausgebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermotrope Schicht die gesamte Rückseite (F) überzieht.
Verwendung des optischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Blendschutzelement vor direkter Sonneneinstrahlung zur Anbringung an transluzente Fassadenbereiche von Gebäuden.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der transluzente Fassadenbereich senkrecht erstreckt.
Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element derart in einen statischen, transluzenten Fassadenbereich integriert ist, dass die lineare Achse der asymmetrischen Zylinderlinse horizontal verläuft, und dass die strukturierte Vorderseite dem Fassadenbereich abgewandt sowie der Sonne zugewandt und die Rückseite (F) dem Gebäudeinneren zugewandt ist.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element derart an dem transluzenten Fassadenbereich angebracht ist, dass sich die zweite Gruppe der nicht wirksamen Flächenteilen (B_S) unterhalb der linearen Achse der asymmetrischen Zylinderlinse befindet.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zur gezielten Lichtumlenkung eingesetzt wird, durch Vorsehen eines Licht-umlenkenden Elementes in dem Gebäude zugewandten Bereich, zur Umlenkung des im Bereich (NT) der Linse konzentrierten Lichtes.
Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vorsehen eines Spiegels als Lichtumlenkendes Element eine Lichtumlenkung an ein Deckeninneres erfolgt.
Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vorsehen von Einschnitten an der rückwärtigen, ebenen Seite des transparenten Linsenkörpers die Lichtlenkung an das Deckeninnere durch Totalreflexion erfolgt.
Verwendung des optischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Element als Überhitzungsschutz für transparente Wärmedämmung eingesetzt wird.