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Die
Erfindung betrifft Fresnellinsen, die bei vorgegebener Brennweite
eine Fokussierung von Licht auf eine in einem Abstand zur Fresnellinse
angeordnete Fläche
ermöglichen.
Dabei wird häufig auch
der Abstand der Fresnellinse zu einer Fläche/Ebene, auf die die fokussierte
Strahlung abgebildet wird, berücksichtigt,
um eine möglichst
homogene Intensitätsverteilung über die
zu beleuchtende Fläche
zu erreichen. Dies kann für
eine Beleuchtung ausgenutzt werden. Es ist aber auch ein Einsatz
in der Photovoltaik möglich.
Dabei kann Sonnenlicht auf Solarzellen gerichtet und für die Gewinnung
elektrischer Energie genutzt werden.
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Bekanntermaßen weisen
Fresnellinsen den Vorteil einer flachen Bauweise gegenüber konvexen optischen
Linsen auf. Dies muss aber durch Verluste erkauft werden, da die
für die
Lichtbrechung nutzbare Fläche
gegenüber konventionellen
optischen Linsen kleiner ist.
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Fresnellinsen
weisen an einer Oberfläche eine
optisch aktive Struktur auf. Dabei sind um die optische Achse einer
Fresnellinse ringförmige
Wirkflanken und Störflanken
ausgebildet, die in einem Winkel zueinander ausgereichtet sind,
mit dem die Brennweite bestimmt ist. Für die Lichtbrechung werden
in der Regel nur die Flächenbereiche
der Wirkflanken genutzt und auf Störflanken auftreffende Strahlung
wird in nicht gewünschte
Richtungen gebrochen, ist daher für eine Nutzung verloren.
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Durch
die Keilform von Wirk- und Störflanken sind
Spitzen vorhanden, an denen jeweils eine Wirkflanke in eine Störflanke übergeht.
Herstellungsbedingt tritt an Spitzen eine Verrundung auf, durch
die ebenfalls in diesem Bereich Lichtverluste auftreten, da dort
die Lichtbrechung nicht in der gewünschten Richtung erreichbar
ist.
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Üblicherweise
sind Fresnellinsen so ausgebildet, dass bei der jeweiligen vorgegebenen
Brennweite der Abstand der Spitzen (pitch) senkrecht zur optischen
Achse der Fresnellinse konstant gehalten wird. Dadurch ergibt es
sich, dass mit ansteigendem Abstand von der optischen Achse die
Länge von Störflanken
größer wird.
Dies hat zur Folge, dass die Täler
der keilförmigen
Struktur in die radial nach außen
gerichtete Richtung tiefer werden und sich der Winkel α, mit dem
die Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse geneigt sind, in diese
Richtung verkleinert. Störflanken
sind dabei üblicherweise
nahezu parallel zur optischen Achse ausgerichtet, um die Lichtverluste
klein zu halten aber auch eine Entformung bei der Herstellung zu
ermöglichen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Lichtverluste durch Beugung von Lichtstrahlung
in unerwünschte Richtung,
die in Folge von Spitzenverrundung auftreten, zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Fresnellinse, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung,
können
mit in untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Fresnellinse
ist ebenfalls an einer Oberfläche
eine optisch aktive Struktur mit ausgehend von der optischen Achse
alternierend angeordneten ringförmigen
optisch aktiven Wirkflanken und optisch inaktiven Störflanken ausgebildet.
Dabei verkleinert sich mit steigendem Abstand von der optischen
Achse die Länge
der Wirkflanken in radial nach außen weisender Richtung unter
Berücksichtigung
der jeweiligen Brennweite der Fresnellinse sukzessive. Die Länge der
Störflanken wird
aber konstant gehalten. Dementsprechend verkleinert sich der Winkel α mit dem
die Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse geneigt sind, allein
durch die Verkürzung
der Länge
der Wirkflanken.
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Dadurch
kann erreicht werden, dass der Abstand (pitch) von nebeneinander
angeordneten Spitzen der optischen Struktur in der Nähe der optischen Achse
der Fresnellinse deutlich größer gehalten
werden kann, als bei herkömmlichen
Fresnellinsen, was wiederum zur Folge hat, dass die Anzahl der Spitzen mit
deren Spitzenverrundung und damit auch die zu Lichtverlusten führende Fläche einer
Fresnellinse verringert werden kann.
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Da
sich aber die Länge
der Wirkflanken mit steigendem Abstand von der optischen Achse sukzessive
verringert, wird ab einem brennweitenabhängigen Abstand ein Zustand
erreicht, dass der jeweilige Abstand von nebeneinander angeordneten
Spitzen gleich groß und
dann weiter radial nach außen gerichtet
sogar kleiner, als bei herkömmlichen
Fresnellinsen wird.
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Ab
einer bestimmten Größe der Fläche von Fresnellinsen
kann es daher erforderlich sein, mit einer entsprechenden Optimierung
eine Fresnellinse zur Verfügung
zu stellen, bei der ein Bereich A vorhanden ist, bei dem sich in
radial nach außen
gerichteter Richtung die Länge
der Wirkflanken sukzessive verkleinert und die Länge von Störflanken konstant gehalten
ist, an den sich dann ein Bereich B anschließt, bei dem sich mit wachsendem
Abstand zur optischen Achse die Länge von Störflanken sukzessive vergrößert und
dadurch der Neigungswinkel αvon
Wirkflanken in Bezug zur optischen Achse O entsprechend verkleinert
sowie der Abstand der zwischen jeweils einer Wirkflanke und einer
Störflanke vorhandenen
Spitze zwischen nebeneinander angeordneten Spitzen dort konstant
ist.
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Die
Grenze zwischen dem Bereich A und dem Bereich B sollte in einem
Abstand zur optischen Achse angeordnet sein, bei dem der Abstand
der zwischen jeweils einer Wirkflanke und einer Störflanke vorhandenen
Spitze in Folge der Verkürzung
der Länge
von Wirkflanken im Bereich A gleich groß, wie der Abstand zwischen
nebeneinander angeordneten Spitzen im Bereich B geworden ist.
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Dadurch
ist es möglich
die nutzbare Lichtstrahlung auch bei größeren Fresnellinsen zu erhöhen.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
bei einer erfindungsgemäßen Fresnellinse
einsetzbare optisch aktive Struktur;
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2 eine
bei einer herkömmlichen
und in einem Bereich B einer erfindungsgemäßen Fresnellinse einsetzbare
optisch aktive Struktur;
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3 eine
zwei Bereiche A und B, mit unterschiedlicher optisch aktiver Struktur,
aufweisende Fresnellinse;
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4 eine
mit einer Wirk- und einer Störflanke
gebildete Struktur und
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5 ein
Diagramm der Verluste an auf eine Fläche fokussierter Lichtstrahlung
in Bezug zum Abstand zur optischen Achse, für eine herkömmlich und für eine erfindungsgemäß ausgebildete
Fresnellinse mit jeweils gleicher Brennweite.
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Mit 1 soll
eine optisch aktive Struktur einer erfindungsgemäßen Fresnellinse gezeigt werden,
die zumindest in einem Bereich A, ausgehend von der optischen Achse
O einer Fresnellinse ausgebildet ist.
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Dabei
wird deutlich, dass die am nächsten zur
optischen Achse O angeordnete Wirkflanke 1 die größte Länge aufweist.
Mit wachsendem Abstand zur optischen Achse, was mit dem Pfeil verdeutlicht
ist, wird die Länge
der Wirkflanken 1 sukzessive kleiner. Die jeweilige Kürzung der
Länge von
Wirkflanken wird durch die Brennweite bestimmt. Die Länge der Störflanken 2 ist
dabei konstant. Sie sind in Bezug zur optischen Achse O auch im
gleichen Winkel, bevorzugt nahezu parallel zur optischen Achse ausgerichtet.
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In
Gegenüberstellung
dazu ist in 2 eine herkömmlich ausgebildete Fresnelstruktur
gezeigt. Bei dieser sind die Längen
der Störflanken 2 in
der Nähe
der optischen Achse O kleiner und vergrößern sich mit steigendem Abstand
zur optischen Achse O sukzessive. Die Täler zwischen den Spitzen 3 von nebeneinander
angeordneten Wirkflanken 1 und Störflanken 2 werden
dabei radial nach außen
tiefer. Die Spitzen 3 haben dabei konstante Abstände zueinander.
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In
nichtdargestellter Form ist die nicht mit einer Struktur versehene
Oberfläche
an der gegenüberliegenden
Seite der Fresnellinse als planare Fläche, die senkrecht zur optischen
Achse O ausgerichtet ist, ausgebildet.
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In 3 ist
eine Fresnellinse dargestellt, die gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ausgebildet ist.
Dabei würde
die in 1 gezeigte optisch aktive Struktur in einem kreisförmigen Bereich
A unmittelbar um die optische Achse O ausgebildet sein, an den sich radial
nach außen
ein kreisringförmiger
Bereich B anschließt,
an dem eine optisch aktive Struktur ausgebildet ist, wie sie in 2 gezeigt
ist.
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In 4 ist
eine Wirkflanke 1 und eine Störflanke 2 gezeigt,
die sich in einer Spitze 3 treffen. Außerdem sind die Achsrichtung
der optischen Achse O und der Neigungswinkel α mit angegeben. Der Neigungswinkel α mit dem
die Wirkflanke 1 in Bezug zur optischen Achse O ausgerichtet
ist, verkleinert sich bei einer erfindungsgemäßen Fresnellinse durch die Verkürzung der
Länge der
Wirkflanken 1, zumindest jedoch in einem Bereich A, sukzessive.
Dadurch wird der Abstand von Spitzen 3, die jeweils nebeneinander
angeordnet sind, in radial nach außen gerichteter Richtung sukzessive
kleiner. Im Bereich, der nah um die optische Achse O angeordnet
ist, sind die Abstande von nebeneinander angeordneten Spitzen 3 bei der
Erfindung aber größer, als
bei herkömmlichen Fresnellinsen,
wodurch die Gesamtanzahl an Spitzen 3 und Rillen einer
Fresnellstruktur verkleinert werden kann.
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Bei
Annahme einer Spitzenverrundung von 10 μm, was ein realer Wert sein
dürfte,
wurden Berechnungen durchgeführt,
mit denen nachgewiesen werden kann, dass die durch die Verrundung
der Spitzen 3 auftretenden Lichtverluste um ca. 1 reduziert
werden konnten. Dies ist bei einem Einsatz in der Photovoltaik ein
bemerkenswerter Fortschritt.
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Mit
dem in 5 gezeigten Diagramm, kann in Gegenüberstellung
für eine
erfindungsgemäße Fresnellinse
(untere Kennlinie – punktiert)
und eine herkömmliche
Fresnellinse (obere Kennlinie – durchgezogen),
der jeweilige Intensitätsverlust
an eigentlich nutzbarer Lichtstrahlung, in Abhängigkeit des Abstandes zur
optischen Achse O, erkannt werden. Dabei wird deutlich, dass weiter
entfernt von der optischen Achse O auftreffende Lichtstrahlung in
beiden Fällen
mit kleinerer Intensität
auf eine Fläche
fokussiert wird. Die Verluste bei einer herkömmlichen Fresnellinse aber
bei dem untersuchten Beispiel bis zu einem Abstand von mindestens
40 mm zur optischen Achse aber größer, als bei der Erfindung
sind.
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Im
Diagram wird aber nicht deutlich, dass bei Fres nellinsen mit einem
noch größeren Außendurchmesser
bzw. größerer Fläche, sich
dieser Effekt umkehrt und dann mit größer werdendem Abstand zur optischen
Achse O die auftretenden Lichtverluste einer herkömmlichen
Fresnelstruktur kleiner, als bei einer erfindungsgemäßen werden,
da bei dieser die Abstände
kleiner und damit die Anzahl an Spitzen 3 radial nach außen größer werden.