DE10255552A1

DE10255552A1 - Prisma mit Abstrahlung von einer bevorzugten Seite

Info

Publication number: DE10255552A1
Application number: DE2002155552
Authority: DE
Inventors: Max Dipl.-Ing. Steigerwald; Niluh Steigerwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Strukturierung der Oberfläche einer Seite eines Prismas, so daß es bei dem Prisma eine Seite gibt, von der das Licht bevorzugt abgestrahlt wird. DOLLAR A Licht, das auf die Stirnseite gestrahlt wird, wird von der bevorzugten Seite abgestrahlt. Licht, das auf die andere, nicht bevorzugte Seite gestrahlt wird, dringt durch das Prisma und wird auch von der bevorzugten Seite abgestrahlt. Wird diese bevorzugte Abstrahlungs-Seite unter kleinem Winkel angestrahlt, verhält sie sich ähnlich einem Spiegel. Die einseitige Strukturierung der Oberfläche eines Prismas bildet ein Bauelement für die nicht-abbildende Optik.

Description

In speziellen Anordnungen der nicht abbildenden Optik ist es wünschenswert, daß es ein optisches Element gibt, das prinzipiell lichtdurchlässig ist und das eingedrungene Licht zu einer der Seiten bevorzugt abstrahlt. Dies läßt sich mit einer Strukturierung der Oberfläche eines Prismas einer Seite erreichen.
Trifft Licht in kleinem Winkel auf diese strukturierte Seite, so wird das Licht reflektiert, von den anderen beiden Seiten wird das Licht zu bevorzugten Seite abgestrahlt.
Es läßt sich damit eine Trichteranordnung realisieren, bei der die abstrahlende Seite zur Trichtermündung angeordnet ist, die nicht bevorzugte Seite nach oben zum Trichtereingang.
Das Licht, das in den Trichter gelangt, würde am Trichterausgang ein Steigerung der Lichtintensität erlangen. Dies ist bei der zu erzielende Effekt für nicht bewegte Solarkonzentratoren (statische Konzentratoren), die eine kosten-günstigere Ausnutzung von Solarzellen ermöglichen.
Eine weitere Anwendung ist eine Einkopplung von Licht oder Lichtsignalen in einen Lichtleiter, ohne daß sich der Querschnitt erheblich vergrößern muß.
Das einzukoppelnde Licht kann dabei einen Streuwinkel haben, der größer als 10° ist.
Bisher sind keine Variationen von Prismen bekannt, bei der das von der Stirnseite einfallende Licht mit großem Streuwinkel zu nur einer Seite abgestrahlt wird, flach in Richtung auf die Spitze der abstrahlenden Seite fallendes Licht reflektiert wird, und Licht, das auf die nicht abstrahlende Seite fällt, das Prisma passieren kann.
Ein Dreieck-Prisma hat zwei gleichschenklige Seiten und eine Stirnseite. In 1 ist ein solches Prisma dargestellt.
Die Stirnseite ist mit (1) bezeichnet, die abstrahlende Seite mit (2), die abgewandte, obere Seite mit (3).
Die Oberfläche der abstrahlenden Seite ist nicht glatt, sondern geriffelt, mit den beiden gleichen, sich wiederholenden Seiten (4a) und (4b).
Im Prisma kann man eine lokale Hauptachse LHA definieren, die von der Mitte der Stirnseite zur Spitze verläuft (7). Die lokale Achse zur Spitze sei Y_Pris_lok (7a), zur abstrahlenden Seite X_Pris_lok (7c), nach hinten entlang der Riffelung als Z_Pris_lok (7b).
Das Prisma hat einen Spitzwinkel von alfa_Pris_spitz (9a).
Lichtstrahlen (11), die im Prisma zur Mitte hin laufen, haben eine Winkel zur LHA alfa_Auftreff (10) mit der Y-Komponente alfa_Auftreff_Y (10a) der Z-Komponente alfa_Auftreff_Z (10b) und der X-Komponente alfa_Auftreff_X (10c). Sei der Auftreff-Winkel zur Oberfläche klein, so wird tritt bei glatter Oberfläche eine Totalreflektion ein. Die Z-Komponente wird geringfügig kleiner, die Zunahme für die Y Komponente ist ungefähr alfa_Pris_spitz, der Wert der X_Komponente wird im Vorzeichen umgekehrt und leicht verändert.
Wären beide Seiten (3) und (4) mit gleicher, glatter Oberfläche, so würde sich das Reflektions-Spiel fortsetzen, bis der Winkel zur Oberfläche so groß wäre, daß das Licht austreten kann, der Winkel zur Normalen einer der Oberflächen klein genug ist.
Der Brechungsindex des optischen Materials des Prismas sei mit n bezeichnet. Damit Totalreflektion eintritt, muß alfa_Auftreff > arcsin(1/n) (Gl. 1a) oder 90° – alfa_Auftreff < arcsin (1/n) (Gl. 1b) ist die Z-Komponente von alfa_Auftreff groß, so wird die Bedingung nach Gleichung Gl. 1a nie erfüllt. alfa_Auftreff = sqrt(alfa_Auftreff_Z2 + alfa_Auftreff_Y2 + alfa_Auftreff_X2). (Gl. 2)
Nun ist eine Seite aber geriffelt, so daß des zwei Möglichkeiten gibt, unter der der Lichtstrahl auf die geriffelte Seite trifft. Entweder trifft er unter sehr kleinem Winkel alfa_Auftreff_rifA = sqrt((alfa_Auftreff_Z – alfa_Rif)2 + alfa_Auftreff_Y2 + alfa_Auftreff_X2) (Gl. 3a) auf die Oberfläche a, von der er auf die Seite B totalreflektiert wird, oder er gelangt zur geriffelten-Oberfläche b, die quer zum Lichtstrahl steht. alfa_Auftreff_rifB = sqrt((alfa_Auftreff_Z + alfa_Rif)2 + alfa_Auftreff_Y2 + alfa_Auftreff_X2) (Gl. 3b)
Der Winkel alfa_Auftreff_rifB (G3b) ist größer als alfa_Auftreff (Gl. 2) alfa_Auftreff_rifB > alfa_Auftreff (Gl. 4) da (alfa_Auftreff_Z + alfa_Rif) > alfa_Auftreff_Z
Der Lichtstrahl kann also eher zur geriffelten Seite austreten als zur nicht geriffelten, glatten Seite.
Es gibt noch zwei Effekte, deren Auswirkung durch geeignete Wahl der Parameter Brechungsindex, des Winkels der Riffelung und des Prismen-Spitzwinkels minimiert werden kann.
Der Lichtstrahl kann auf die geriffelte Seite fallen, die in Richtung des Lichtstrahles fällt (G3a). Die Wahrscheinlichkeit ist jedoch gering, da die projizierten Oberflächen auf die Strahlennormale durch das Verhältnis sin(alfa_Auftreff_Z – alfa_Rif)/sin(alfa_Auftreff_Z + alfa_Rif) << 1 (Gl. 5a) für alfa_Auftreff_Z > alfa_Rif (Gl. 5b)
Der zweite Effekt ist der Wiedereintritt in ein Prisma, nachdem der Lichtstrahl die geriffelte Seite verlassen hat Oft wird nach Wiedereintritt in das Prisma der Strahl immer noch an der glatten Seite reflektiert, so daß ein nächster Versuch an der geriffelten Seite gestartet wird.
2. zeigt die Verwendung des Prismas mit bevorzugter Abstrahlrichtung in einem verspiegelten Trichter in einem seitlichen Schnitt.
Es zeigt den äußeren Spiegel mit Reflektorseite nach innen (5), weiterhin zwei einseitig, nach unten strukturierte Prismen (1).
In der Trichteranordnung gibt es eine optische Hauptachse HA (6). Der Trichter soll zunächst als linearer, eindimensionaler Trichter ausgebildet sein.
Die Anordnung ist gleichförmig entlang der Achse, die senkrecht zum Querschnitt verläuft. Nur die Strukturierung der Oberfläche (4) variiert über diese Achse.
Die bevorzugte Ausstrahlungsrichtung wird für Lichtstrahlen genutzt, die durch die Stirnseite (2a) in das Prisma gelangen.
Aber auch Lichtstrahlen, die zunächst das Prisma mit leichter Beugung passieren, können bei flachem Eintrittswinkel wieder zur bevorzugten Seite austreten (2b).
Lichtstrahlen, in einem flachen Winkel zur LNA von der geriffelten Seite in das Prisma gelangen, werden an der gegenüberliegenden Seite zunächst total-reflektiert. Die Y-Komponente alfa_Auftreff_Y ist zu klein, um das Prisma sofort verlassen zu können. Das Prisma verhält sich hierfür insgesamt ähnliche einem Spiegel, auf der LNA Y-Komponente.
Unter bedingten Umständen kann es sinnvoll sein, daß die glatte Seite auch geriffelt ist, joch mit kleinem Winkel.
3 zeigt die Verwendung des Prismas mit bevorzugter Abstrahlrichtung an einer Licht-Einkoppelstelle in eine Lichtleitung für Strahlen mit einem Streuwinkel > 10° als Winkelabweichung von der Hauptstrahlungsrichtung.
Die Zuleitung der Lichtleitung ist (3), die gemeinsame Weiterleitung der Lichtleitung (1). Licht kann an (5) über das Einkoppel-Prisma (7) in die Weiterleitung (1) eingeleitet werden. Die strukturierte Oberfäche (4) läßt das Licht nach links weiterleiten.
Die angedeutete Auslass-Spitze (2) der Zuleitung ermöglicht mit der strukturierten Oberfläche ein einfaches Verlassen der Lichtstrahlen, um nach Transmission des Einkoppel-Prismas (7) wieder in die Weiterleitung (1) zu gelangen. Um auf ähnliche Querschnitte wie in der Zuleitung (3) zu kommen, muß die Fläche der Weiterleitung (7) mit einer verspiegelten Fläche (6) wieder reduziert werden.
Es ist hervorzuheben, daß die Dämpfung beim Passieren einer solchen Stelle nur durch das Überschreiten von 4 Material-Übergängen gebildet ist, bei einer hochwertigen Vergütung durchaus keiner als 4% sein kann, und einer kleine Dämpfung eines Teiles der Strahlen an Verspiegelung.
4. zeigt die Verwendung des Prismas mit bevorzugter Abstrahlungs-Richtung als Trennelement für Lichtsignale mit unterschiedlichen, gegenläufigen Richtungen in einer Lichtleitung. Kommt ein Lichtstrahl (5a) von dem Lichtleitsystem (1), so wird sein Lichtstrahl an der glatten Oberfläche 3) der Lichtleitung totalreflektiert, es kann die Lichtleitung verlassen. Kommt ein Lichtstrahl ( 5b) von der Lichtleitung (2), kann der Lichtstrahl die Leitung an der strukturierten Oberfläche (4) verlassen und kann ungehindert in die Leitung (1) wieder eintreten. Nur Licht aus Richtung (1) wird ausgekoppelt.

Claims

Prisma zur Abstrahlung einfallenden Lichtes von einer bevorzugten Seite, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugte Seite mindestens eine strukturierte Oberfläche besitzt.
Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt hat.
Prisma nach Anspruch 1, daß die Strukturierung der Oberfläche einen dreieckigen Querschnitt hat, der in Richtung der Hauptachse zur Spitze des Prismas verläuft.
Prisma nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Element der Struktur auf der Oberfläche vorhanden ist.
Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Strukturierung kleiner sind als die Abmessungen des Prismas.
Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Prismen mit der Spitze schräg nach unten in einem Trichter mit reflektierenden Wänden angebracht werden kann, um eine bevorzugte Lichtführung zur Trichtermündung zu erhalten.
Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Prisma das Endstück einer vorhandene Lichtleitung bildet.
Prisma nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Seite auf der Seite ist, die der Lichtleitung abgewandt ist.
Prisma nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Prisma einen ähnlichen Brechungsindex hat (n1), wie es der der Lichtleitung (n2) ist.
Prisma nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen dem Prisma und der Lichtleitung (n3) einen ähnlichen Brechungsindex wie der der Lichtleitung (n1).
Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Prisma nach einer durch ein Endstück abgeschlossene Lichtleitung angeordnet wird.
Prisma nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Seite des Prismas in die Richtung zeigt, in der das Licht weitergeführt werden soll.
Prisma nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Licht über die Stirnseite des Prismas eingekoppelt wird.
Prisma nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Licht der Stirnseite nach Anspruch 13 in die selbe Richtung abgestrahlt wird, wie die der abgeschlossenen Leitleitung.