DE102020006276A1

DE102020006276A1 - Regenbogen-Fresnel-Prisma Dispersives, flaches Element zur Erzeugung eines künstlichen und gebogenen Regenbogens

Info

Publication number: DE102020006276A1
Application number: DE102020006276.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Moritz Helge Dr De
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein dispersives und insbesondere flaches Element zur Erzeugung von bogenförmigen, regenbogenähnlichen Lichteffekten.Die Erfindung beschreibt ein Fresnel-Prisma, das für die Farbaufspaltung (Dispersion) optimiert ist, wobei die Fresnel-Strukturen nicht linear oder gerade sondern gebogen sind. Dadurch wird das hindurchtretende (Sonnen-) Licht bogenförmig und zugleich spektral gebrochen, was zu einer regenbogenähnlichen Erscheinung führt. Diese Erscheinung kann zu dekorativen, ästhetischen, vielleicht auch esoterischen und/oder architektonischen Zwecken genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein dispersives und insbesondere flaches Element zur Erzeugung von bogenförmigen, regenbogenähnlichen Lichteffekten.
Anschauliche Beschreibung
Bekannt sind längliche Prismen (1), die man auf eine Fensterbank stellen kann, um zum Beispiel das Sonnenlicht spektral zu zerlegen (auch Sonnenprisma genannt). Diese Prismen haben ein recht großes Volumen. Um das Volumen und die Masse von Linsen und Prismen gering zu halten, werden sogenannte Fresnel-Linsen und Fresnel-Prismen (2) eingesetzt. Herkömmliche Fresnel-Prismen haben lineare, längliche Strukturen und werden meist zur Ablenkung des Lichts in eine Richtung eingesetzt (3).
Die Erfindung beschreibt ein Fresnel-Prisma, das für die Farbaufspaltung (Dispersion) optimiert ist, wobei die Fresnel-Strukturen nicht linear oder gerade sondern gebogen sind. Dadurch wird das hindurchtretende (Sonnen-) Licht bogenförmig und zugleich spektral gebrochen, was zu einer regenbogenähnlichen Erscheinung führt. Diese Erscheinung kann zu dekorativen, ästhetischen, vielleicht auch esoterischen und/oder architektonischen Zwecken genutzt werden.
Einsatz von Fresnel-Optiken
Bekannt sind Fresnel-Linsen, die z. B. für Overheadprojektoren oder als Weitwinkellinse in der Autoheckscheibe eingesetzt werden können. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Fresnel-Prismen, nur das hier das Lichtbündel nicht fokussiert oder defokussiert, sondern insgesamt in eine andere Richtung abgelenkt wird (Prismeneffekt). Einsatzbereiche solcher Fresnel-Prismen finden sich hauptsächlich in der Augenheilkunde (Optometrie), z. B. bei Prismenbrillengläsern, um ein Schielen zu kompensieren. Aber auch bei Stereo-3D-Karten (Stereoskopie) werden Fresnel-Prismen eingesetzt. Ein Nachteil dieser technischen Einsatzbereiche ist der große Farbfehler (Chromatische Aberration), der aber in der hier vorgestellten Erfindung genutzt wird.
Für die hier vorgestellte Erfindung wird ein Lichtbündel zu einem künstlichen gebogenen Regenbogen gebrochen und das mit einer flachen, optischen Vorrichtung. Zur Erzeugung eines künstlichen Regenbogens sind bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt:
Stand der Technik
Das Gebrauchsmuster Nr. 20 2020 002 440 beschreibt ein „Gebogenes Sonnenprisma zur Erzeugung einer künstlichen, gebogenen Regenbogenerscheinung“. In ihrer praktischen Ausführung ist diese Vorrichtung recht voluminös ist. Um eine signifikante Farbaufspaltung (Dispersion) zu erreichen, darf der Prismenbereich nicht zu schmal sein. Ein gläsernes, gebogenes Sonnenprisma wird dann sehr schwer. Ein aus einem geeigneten Kunststoff hergestelltes gebogenes Sonnenprisma ist aufwendig herzustellen. Eine mechanische Herstellung (Zerspanung, polieren) ist sehr zeitintensiv. Die Herstellung über einen Flüssigkunststoff oder ein Spritzgussverfahren ist auch zeitaufwendig, da der Aushärteprozess durch das große Volumen lange dauert. Außerdem kann sich während des Aushärteprozesses die Form des Prismas verziehen.
Das Dokument US 5,146,364 A zeigt ein herkömmliches Prisma und einen konvexen Spiegel, wobei die durch das Prisma hindurchgehende Strahlung an dem Spiegel reflektiert wird und so ein runder Regenbogen erzeugt wird.
Die Druckschrift US 4,953,956 A zeigt eine optische Vorrichtung in der Form einer V-förmigen Wanne aus flexiblem Material, welche mit Flüssigkeit gefüllt ist. In dieser Vorrichtung können durch Verbiegen der Wände der Wanne Lichteffekte erzeugt werden.
Die Druckschrift JP 2001-141914 A zeigt eine prismatische, optische Vorrichtung, bei der das Licht im Prisma intern an einer gebogenen Oberfläche reflektiert wird.
Die Druckschrift WO 2004/095369 A2 zeigt eine optische Vorrichtung, bei der das Licht über Spiegel und viele Prismen zu einem runden Regenbogen aufgespalten wird.
In der Druckschrift DE 10 2006 020 052 A1 wird über ein beleuchtetes Spray ein künstlicher Regenbogen erzeugt.
Die erwähnten Druckschriften ermöglichen zwar die Erzeugung eines Regenbogens, jedoch weisen sie keine zu Dekorationszwecken geeignete geometrische Form auf. Darüber hinaus ist der Aufbau der bekannten Vorrichtungen kompliziert und unpraktisch.
Eine Recherche im Internet ergab, dass es im Konsumer-, Dekorations- und Geschenkartikelbereich sowie im architektonischen Bereich keine optischen Artikel zur Erzeugung gebogener Regenbögen gibt. Unter Regenbogenprismen werden vielfach geschliffene Objekte angeboten, die mehr oder weniger punktuelle, spektrale Lichteffekte erzeugen. Unter sogenannten Sonnenprismen werden längliche Prismen, die lediglich einen Spektralstreifen aber keinen gebogenen Regenbogen erzeugen, gemeint (1).
Aufgabe und Bedingung der Erfindung ist, dass die Erzeugung eines gebogenen Regenbogens mit einfachen Mitteln herzustellen, sehr benutzerfreundlich, effektiv und für den Konsumermarkt zu attraktiven Preisen anbietbar ist. Daher kommt hierfür zurzeit nur das Regenbogen-Fresnel-Prisma in Frage.
Technische Beschreibung
Die prismatische Fresnel-Struktur eines Regenbogen-Fresnel-Prismas kann einseitig (3) oder zweiseitig sein (4). Um jedoch eine bessere Farbaufspaltung (Dispersion, chromatische Aberration) zu erreichen, empfiehlt es sich, die Fresnel-Struktur beidseitig vorzunehmen.
Die Biegung der prismatischen Fresnel-Struktur bezieht sich senkrecht zur spektralen Aufspaltung des Lichtes und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes im Regenbogen-Fresnel-Prisma.
Dabei kommt es nicht auf die genaue Ausführungsform des Prismas an, wie z. B. dem Biegeradius der Fresnel-Struktur. Dieser kann auch entlang des Prismas variieren, was zu ungleichmäßigen Regenbogenformen führt und auch sehr dekorativ sein kann.
Damit ein Regenbogen-Fresnel-Prisma in einer stabilen Platte hergestellt werden kann, muss ausreichend viel Material an den dünnsten Stellen vorhanden sein. Dies kann man sich so vorstellen, dass mehrere dünne einzelne gebogene Sonnenprismen (Einzelprismen) ineinander aufgebaut sind (5a).
In einer Variante dazu, kann ein Regenbogen-Fresnel-Prisma auch aus einzelnen gebogenen Sonnenprismen bestehen, die miteinander verbunden oder verklebt sind (5b). Die Einzelprismen können dann aus gebogenem Halbzeugmaterial bestehen.
In einer fortgeschrittenen Ausprägung ist das zweiseitige Regenbogen-Fresnel-Prisma nicht symmetrisch sondern jede Seite weist einen unterschiedlichen Brechwinkel auf (5c). Der Vorteil ist, dass je nach Höhe des einfallenden (Sonnen-) Lichtes das Regenbogen-Fresnel-Prisma (um 180° zur Senkrechten) gedreht werden kann und so die bessere Lichteinfallsseite gewählt werden kann (Optimal ist Einfallswinkel = Ausfallswinkel).
Das Material eines Regenbogen-Fresnel-Prismas muss dispersiv sein. Das heißt, Licht unterschiedlicher Farbe (Wellenlänge A) wird unterschiedlich stark gebrochen (der Brechungsindex n ist wellenlängenabhängig: n(λ)). Beispiele hierfür sind Glase, Kunststoffe (z. B. Plexiglas, PMMA), kristalline Materialien. Vorzugsweise sollte das Material gut zu bearbeiten sein (Spritzguß, Presswerkzeug, mechanisch bearbeitbar).
Die Positionierung eines Regenbogen-Fresnel-Prisma sollte so zum (Sonnen-) Licht sein, dass die Eintrittsfläche möglichst gleichmäßig beschienen wird. Dazu wird es optimalerweise an ein Fenster gehängt, wozu eine Vorrichtung zum Aufhängen (z. B. Haken) vorhanden sein kann. Durch eine Bohrung im Regenbogen-Fresnel-Prisma wird eine Montageschnur angebracht.
Es können auch ebene Flächen vorgesehen werden (gestrichelte Flächen in 4), an die doppelseitige Klebepads oder -folien angebracht werden können, sodass das Regenbogen-Fresnel-Prisma an eine Scheibe geklebt werden kann.
Ein Regenbogen-Fresnel-Prisma kann auch in eine Fläche integriert sein, wie z. B. einem Fenster- oder Rollladen (6). Dazu sind Fresnelprismen wegen ihrer flachen Bauweise sehr gut geeignet. Scheint die Morgen- oder Abendsonne auf den Rollladen mit einem Regenbogen-Fresnel-Prisma, ist der künstliche Regenbogen eindrucksvoll im dunklen Raum zu sehen.
Ein zweiseitiges Regenbogen-Fresnel-Prisma kann auch aus zwei einseitigen Regenbogen-Fresnel-Prismen bestehen, wobei jeweils ein einseitiges Regenbogen-Fresnel-Prisma auf eine Seite einer (Fenster-) Scheibe montiert (geklebt) wird (7a).
In einer weiteren Ausführung kann ein Regenbogen-Fresnel-Prisma mit einem Spiegel kombiniert werden. Optimalerweise wird dann ein einseitiges Regenbogen-Fresnel-Prisma mit der ebenen Seite zum Spiegel aufgebracht (7b). Die brechenden Teilwinkel γ₁ und γ₂ sind dann identisch.
Da der dispersive Prismeneffekt in jedem Einzelprisma entsteht, überlagern sich die farbigen Anteile senkrecht zur spektralen Aufspaltung kurz hinter dem Regenbogen-Fresnel-Prisma und die Regenbogenerscheinung ist diffus. Erst in einer Entfernung von mehrfacher Fresnel-Prismenhöhe überlagert sich das Licht gleicher Wellenlänge so, dass eine brillante Regenbogenerscheinung sichtbar ist.
Diese Entfernung wird reduziert, indem die brechenden Teilwinkel γ₁ und/oder γ₂ von Teilprisma zu Teilprisma in der Weise variieren, dass sich ein Linseneffekt einstellt. Die brillante Regenbogenerscheinung entsteht dann, abhängig von der linsenvariierenden Änderung der Teilwinkel γ₁ und/oder γ₂, näher am Regenbogen-Fresnel-Prisma. Dabei entsteht eine optimale Entfernung der Regenbogenerscheinung (Regenbogen-Fresnel-Prismen-Fokus).
Figurenliste

1: Brechung am dreiseitigen Prisma bei symmetrischem Strahlenverlauf.
2: Vergleich zwischen herkömmlichem und Fresnel-Prisma.
3: Strahlengang und Funktionsweise eines Fresnel-Prismas (ohne chromatische Aberration).
4: Prinzipskizze eines Regenbogen-Fresnel-Prismas:
- links die Sicht auf die Regenbogen-Fresnel-Prismenplatte,
- rechts der Schnitt A - A;
- Die drei gestrichelten kleinen Flächen sind eben, und stehen exemplarisch für Klebeflächen, die zur Montage an einer Scheibe dienen können.
5: Detailansichten B des Schnittes A - A aus 4 (Prinzipskizzen):
1. a. Gleichseitige Fresnel-Prismenausführung
2. b. Fresnel-Prisma, das an den Kontaktstellen aus gebogenen Prismen (z. B. Halbzeugen) zusammengeklebt wurde.
3. c. Ungleichseitige Fresnel-Prismenausführung
6: Regenbogen-Fresnel-Prisma, das in eine Rollladenlamelle integriert ist.
7a:
1. a. Zwei einseitige Regenbogen-Fresnel-Prismen unterschiedlicher brechenden Teilwinkel γ₁ und γ₂, montiert auf je einer Seite einer Scheibe.
2. b. Ein einseitiges Regenbogen-Fresnel-Prisma, montiert auf einem Spiegel.

Bezugszeichenliste
Es wurden im Wesentlichen die in der Literatur übliche Nomenklatur mit griechischen Buchstaben übernommen.

(α): Einfallswinkel
(α'): Ausfallswinkel
(β): Ablenkwinkel
(γ): brechender Winkel (Scheitelwinkel), aufteilbar in die brechenden Teilwinkel γ₁ und γ₂
(L): Längsachse
(s): Basis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5146364 A [0007]
US 4953956 A [0008]
JP 2001141914 A [0009]
WO 2004/095369 A2 [0010]
DE 102006020052 A1 [0011]

Claims

Optische Vorrichtung zur Erzeugung von regenbogenähnlichen Lichteffekten umfassend: - einen Körper aus einem oder mehreren dispersiven Materialien, - einem Körper, der einem Fresnel-Prisma entspricht und somit im Wesentlichen optische Eintritts- und/oder Austrittsflächen besitzt, die keilförmig zueinander angeordnet sind (3 bis 5). - einem Körper, dessen Fresnel-Prismenstrukturen gebogen sind (4), so dass entlang des Körpers die typischen Prismenwinkel (Scheitelwinkel γ, Einfallswinkel, Austrittswinkel, Ablenkwinkel) räumlich variieren und damit auch der Strahlenverlauf durch den Körper. Ein annähernd paralleles Strahlenbündel wird dadurch dem Körper entsprechend spektral zerlegt und räumlich gebogen. - einem Körper, der in seiner Erscheinungsform eher einer mehr oder weniger dünnen Platte (4) als einem herkömmlichen Prisma entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Prismenstruktur nur einseitig aufgebracht ist (3 und 7).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Prismenstrukturen beidseitig aufgebracht sind (4 und 5).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Vorrichtung mit beidseitig aufgebrachter Fresnel-Struktur die (Teil-) Winkel γ₁ und γ₂, die zusammen den brechenden Winkel γ ergeben, ungleich sind, so dass Einfallswinkel und Ausfallswinkel möglichst angenähert werden (5c).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung der Fresnel-Strukturen der optischen Vorrichtung umfasst: - verschiedene Formen (z. B. kreisform, elliptisch, variable Formen), - die Biegung auch unsymmetrisch zum Scheitelwinkel des prismatischen Strukturen sein kann. Die gesamte optische Vorrichtung entspricht dann anschaulicherweise einer gebogenen Platte.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung aus mehreren gebogenen Prismen (Teilprismen) zusammengesetzt ist (5b).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung eine Montagevorrichtung aufweist. Diese Montagevorrichtung kann eine oder mehrere Bohrungen umfassen oder ebene Flächen, mittels derer die optische Vorrichtung auf eine Oberfläche (z. B. Scheibe) geklebt werden kann (4).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung in eine mehr oder weniger lichtundurchlässige Umgebung oder Wand integriert wird. Dies kann z. B. eine Rollladenlamelle sein (6).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - ein oder zwei optische Vorrichtungen mit einseitiger Fresnel-Struktur auf einer (durchsichtigen) Scheibe (7a) oder mehreren hintereinander liegenden Scheiben montiert werden oder - die optische Vorrichtung mit vorzugsweise einseitiger Fresnel-Struktur auf einem Spiegel montiert ist (7b).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die brechenden Teilwinkel γ₁ und/oder γ₂ der optischen Vorrichtung von Teilprisma zu Teilprisma in der Weise variieren, dass sich ein Linseneffekt einstellt, so dass sich in einem bestimmten Abstandsbereich das Licht gleicher Wellenlänge (Farbe) optimal überlagert.