DE10338378A1

DE10338378A1 - Lichtdurchlässige Bauelemente zur selektiven Ausblendung von Lichtstrahlung in der Architekturanwendung

Info

Publication number: DE10338378A1
Application number: DE10338378A
Authority: DE
Inventors: Helmut KÖSTER
Original assignee: Koster Brigitte; Koster Helmut Dr-Ing
Current assignee: Koster Brigitte; Koster Helmut Dr-Ing
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft lichtdurchlässige Bauelemente zur Ausblendung selektiver Winkelbereiche. Die lichtdurchlässigen Bauelemente bestehen mindestens aus einer ersten 30 und einer zweiten 31 flächenförmigen linearen Struktur mit dreieckigen, prismatisch ausgeformten Oberflächen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste 30 und eine zweite 31 flächenförmige Struktur jeweils mit einseitig prismenstrukturierter Oberfläche versehen einander so zugeordnet sind, dass sich die ebenen Oberflächen parallel gegenüberliegen und zwischen einer ersten und einer zweiten flächenförmigen Struktur eine Schicht 32 mit einem Lichtbrechungsindex n angeordnet ist, der sich vom Lichtbrechungsindex n der flächenförmigen Strukturen selbst unterscheidet und dass mindestens zwei sich gegenüberliegende Prismenkanten 33, 34 einer ersten 30 und einer zweiten 31 flächenförmigen Struktur parallel zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft lichtdurchlässige Bauelemente zur selektiven Lichtausblendung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es ist bekannt, mit Hilfe von Prismen, die zum Lichteinfall eben und rückseitig eine gezahnte prismenförmige Struktur aufweisen, Licht ein- beziehungsweise auszublenden. Derartige Konstruktionen sind beispielsweise in den folgenden Patenten dargestellt: GB 2220025A , DP 166184 , F1.112.413 , DP 101298 , DP 102095 , PCT 0092322A1 , OS 1797168 . In der DP 103721 ist auch eine Prismenplatte dargestellt, die auf beiden Seiten prismatische Ausformungen aufweist.

All diesen Erfindungen ist zwar eigen, dass das durch die Prismenplatten hindurchtretende Licht umgelenkt und zum Teil auch ausgeblendet wird. Nachteilig ist jedoch, dass sich keine gute Durchsicht durch die Elemente ergibt. Die Elemente sind zwar lichtdurchscheinend aus bestimmten Blickwinkeln und Lichteinfallswinkeln, die Durchsicht ist jedoch extrem verzerrt, weil der Blick in den Prismen umgelenkt wird. Diese Erfindungen sind somit für Anwendungen nicht geeignet, bei denen es aus Blickrichtungen in Normalebene auf eine verzerrungsfreie Durchsicht ankommt oder auf einen Lichtdurchtritt in definierten Winkelbereichen (Lichtaustrittswinkeln).

Weiterer, entscheidender Nachteil ist die teilweise Auflösung des transmittierten Lichts in seine Spektralfarben. Hierdurch wird das Licht im Raum total verändert. Tageslicht ist nicht mehr in seiner eigentlichen Qualität erlebbar. Regenbogenfarben werden sichtbar, die Elemente selbst schimmern farbig.

Bei dem vorgenannten Stand der Technik handelt es sich immer um jeweils eine einzige Prismenplatte, die nur auf einer Seite beziehungsweise beidseitig prismatisch ausgeformt ist. Aus der Lichttechnik sind auch Konstruktionen mit zwei gegeneinander gestellten Prismenplatten bekannt, wobei die prismatisch ausgeformten Seiten nach außen und die glatten Plattenseiten einander zugewandt sind. Eine solche Konstruktion, bei der die Prismenplatten al lerdings nicht parallel sondern konisch zueinander angeordnet sind, ist beispielsweise in der DE 19859936A1 beschrieben. Der Nachteil dieser Entwicklung ist jedoch ebenfalls, dass aus keiner Richtung eine verzerrungsfreie Durchsicht möglich ist. Außerdem ist die Lichtquelle zwischen den Prismenplatten angeordnet. Die Prismenplatten werden also, wie schon eingangs erläutert, auf der glatten Seite der Prismenplatten mit Licht beaufschlagt.

Insbesondere die DE 19853931A1 beschreibt verschiedenste Prismenplatten, die einseitig oder beidseitig mit symmetrischen beziehungsweise asymmetrischen Prismenstrukturen versehen sind. Auch diese Prismenplatten lenken Licht aus bestimmten Vorzugsrichtungen um, lassen jedoch keine verzerrungsfreie Durchsicht zu. Die unter 6 aus obiger Anmeldung dargestellte Prismenplatte wird teilweise auch als lamellenförmiges Beschaffungselement eingesetzt, wobei die „Prismenlamellen" so der Sonne nachgeführt werden, dass die Sonneneinstrahlung jeweils senkrecht auf die Lamellen trifft. Für die senkrechte Lichteinstrahlung sind die Lamellen nicht durchlässig, während diese für Lichtstrahlung im flachen Bestrahlungswinkel zunehmend eine diffuse Durchlässigkeit ermöglichen. Würde man eine solche Prismenplatte beispielsweise als Fenster einsetzen, so würde sich in horizontaler Blickrichtung eine Undurchsichtigkeit ergeben, während die hoch einfallende Sonne durch die Prismenverglasung in den Innenraum eindringt.

Die Erfindung strebt jedoch einen exakt gegenteiligen Effekt an: Die Prismenscheiben sollen z.B. in einer Fassadenverglasung für die flache Sonneneinstrahlung durchlässig und für die hohe Sommersonne zum Spiegel werden.

Auch in der Lichttechnik wird immer wieder versucht, mit prismatischen Konstruktionen z. T. auch durch Verbundkonstruktionen mit Folien unterschiedlicher Lichtbrechungsindizes Lichtlenkeffekte zu realisieren, die es ermöglichen, den Lichtaustritt aus einer Leuchte bezüglich der flachen Ausstrahlwinkel in ihrer Blendwirkung dadurch zu begrenzen, dass die Prismen eine Lichtdurchlässigkeit nur in der Normalebene zulassen. Durch solche Konstruktionen werden Spiegelraster ersetzt, die eine Blendbegrenzung des Lichtaustritts aus der Leuchte ermöglichen. Der Nachteil dieser bekannten Prismen-Konstruktionen, wie sie beispielsweise in einer Prospekt-Veröffentlichung der Firma Zumtobel Staff 10/02 unter der Bezeichnung „Light Fields" auf Seite 6 abgebildet ist, ist wiederum, dass die Konstruktion zwar in Vorzugsrichtungen Lichtdurchgang, jedoch keine verzerrungsfreie Durchsichtig aufweist. Auch ist die Blendbegrenzung nicht vollständig gewährleistet. Zur Entblendung des Lichtaustritts in der C0- sowie C180-Ebene sind die Prismen räumlich, d. h. pyramidal ausgeformt. Der Nachteil einer pyramidalen Ausformung ist, dass für die Herstellung nur das Prägen oder Spritzgießen in Frage kommt; Extrusionsverfahren sind nicht möglich.

Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, eine prismatische Konstruktion zu entwickeln, die insbesondere aus der Betrachtung in der Normalebene eine ungehinderte Lichttransmission τ – eventuell auch eine sehr gute Durchsicht – zulässt und gleichzeitig aus flacheren Betrachtungs- und Bestrahlungswinkeln im Wesentlichen undurchsichtig respektive zum Spiegel wird und die sich einfach herstellen lässt.

Die vorliegende Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist z.B. die Einsatzmöglichkeit, entweder in einer Verglasungsebene in einer Fassade oder im Dach oder auch als eine Leuchtenabdeckung oder als eine abgehängte Decke. Die Anwendung dieser Erfindung ist jedoch auf diese Einsatzgebiete in der Architektur nicht beschränkt.

An eine Fassadenverglasung ist die Aufgabe gestellt, vom Innenraum her aus einer horizontalen Blickrichtung eine verzerrungsfreie Durchsicht zu gewährleisten, ohne dass in Folge der Prismeneffekte eine Ablenkung der Lichtstrahlen bzw. eine Umlenkung der Blickrichtung erfolgt. Umgekehrt soll die hohe, überhitzende Sonne nicht durch die Verglasung in den Innenraum eindringen können. Die Verglasung sollte also aus flachen Bestrahlungswinkeln idealerweise zum Spiegel werden, so dass die überhitzende Sonne von der Fassade weggespiegelt wird. Die Erfindung erfüllt die beschriebenen Aufgaben perfekt.

Der Vorteil der Innovation ist, dass gerade aus einer primär horizontalen Blickrichtung weder eine Farbverschiebung stattfindet – somit natürliches Tageslicht in den Innenraum eindringen kann – noch ist die Durchsicht durch das Fenster durch Lichtlenklamellen (z.B. Jalousien) verstellt und behindert, trotzdem wird die hohe, überhitzende Sonne ausgeblendet. Der Vorteil ist also die Selektivität der Lichttransmission in Übereinstimmung mit dem Heiz- und Kühlbedarf eines Gebäudes. Das Gebäude wird durch die erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Bauelemente im Sommer beschattet, bzw. passiv gekühlt und ermöglicht im Winter gegenüber der flachen Sonne einen Solarenergiezugewinn. Die Erfindung verfügt über am bivalente Eigenschaften, die die gegensätzlichen Anforderungen an eine klimagerechte Fassade erfüllen.

Die Erfindung ist auch mit besonderem Vorteil in einer ganz anderen technischen Umsetzung als Leuchtenabdeckungen von Decken- oder Fußbodenleuchten einzusetzen, um eine Entblendung für flache Ausstrahlwinkel zu erzielen. Die DIN 5035 stellt hohe Anforderungen an die Entblendung von Leuchten, so dass sich die Leuchten zur Vermeidung der sogenannten Reflexblendung im Bildschirm nicht spiegeln können. Durch die vorliegende Erfindung wird der Lichtdurchgang unter flachen Lichtaustnttswinkeln aus der Leuchte behindert, d.h. die Leuchte ist entblendet, während der direkte Lichtaustritt nach unten auf die Arbeitsfläche unbehindert möglich ist. Die Erfindung eignet sich zur Konstruktion sogenannter tiefstrahlender Leuchten im Gegensatz zu den einfachen breitstrahlenden Leuchten. Weiterer Vorteil ist die Brillanz der Elemente, wenn die Elemente zu Spiegeln werden.

Diese Vorteile sind insbesondere auch für tiefstrahlende, punktförmige Leuchten, sog. Downlights zu nutzen, indem die Prismenstruktur der lichtdurchlässigen Bauelemente kreisförmig ausgebildet wird.

Weitere Vorteile werden anhand der Figuren-Beschreibungen erläutert. Es zeigen:
1 den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes, lichtdurchlässiges Bauelement mit den ein- und austretenden Strahlen.
2 den Querschnitt durch einen Innenraum mit einer Verglasung unter Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelemente.
3 typische Lichteintritts- und Beschattungswinkel unter Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelemente z. B. in der Fassade.
4 den Querschnitt durch eine Fassadenzone mit lichtdurchlässigen Elementen als abgehängte Decke.
5 den Querschnitt durch eine Deckeneinbauleuchte mit ebener Leuchtenabdeckungen.
6 eine weitere Deckeneinbauleuchte mit einer konkav gewölbten, unteren Abdeckung.
7 den Querschnitt durch eine Fassadenzone mit den lichtdurchlässigen Bauelementen, verwendet als Lichtlenklamellen und für eine Stehleuchte.
8 den Querschnitt durch eine Fassadenzone mit einem lichtdurchlässigen Bauelement als Lichtlenkschwert in Kombination mit einer Leuchte.
1 zeigt das erfindungsgemäße, lichtdurchlässige Bauelement. Der Begriff „lichtdurchlässiges Bauelement" bezieht sich jeweils auf die Gesamtkonstruktion evtl. auch einschließlich zusätzlicher Abdeckscheiben, Verglasungen usw. Dieses besteht aus flächenförmigen Strukturen in 1 in der Art einer ersten und zweiten prismenstrukturierten Folie 30 und 31. Der Begriff "flächenförmige Strukturen" bezieht sich jeweils auf die Einzelschichten mit einseitiger Prismenstrukturierungen aus denen sich ein lichtdurchlässiges Bauelement aufbaut. Die Folien 30, 31 sind mit den glatten Oberflächen einander zugeordnet. Es ergibt sich somit ein lichtdurchlässiges Bauelement, vorliegend in der Art eines Folienverbundes, der auf beiden Außenseiten prismatische Strukturen aufweist.
Die prismatischen Strukturen sind dreieckig pyramidal ausgebildet und weisen rein beispielhaft einen 90° Winkel auf. Es wäre in Abhängigkeit vom Lichtbrechungsindex n durchaus sinnvoll, die Pyramiden auch spitzer bzw. stumpfer auszubilden. Hierdurch kann der Abblendwinkel bzw. Lichtdurchtrittswinkel und die Winkel der Durchsichtigkeit verändert, also z. B. verengt oder aufgeweitet werden.
Das lichtdurchlässige Bauelement sieht vor, zwischen den lichtdurchlässigen Strukturen – vorliegend den prismatischen Folien 30, 31 eine Luftschicht 32 anzuordnen. Anstelle einer Luftschicht 32 könnte auch eine Kleberschicht angeordnet sein. Die Kleberschicht muß jedoch einen Lichtbrechungsindex n haben, der sich von dem Lichtbrechungsindex n der Prismenfolien 30, 31 unterscheidet. Dieser Lichtbrechungsindex n kann größer gewählt werden, vorzugsweise jedoch auch deutlich kleiner, d.h. gegen eins, damit es zur Spiegelung bzw. zur Totalreflexion für die gewünschten Einfallswinkel an der ersten prismenstrukturierten Folie kommt. Die erste und die zweite flächenförmige Struktur kann auch mit den glatten Seiten fest aufeinandergelegt – sogar aufeinandergepresst sein. Erfindungswesentlich ist ausschließlich, dass in einer ersten flächenförmigen Struktur Totalreflexion entstehen kann. Jede flächenförmige Struktur selbst kann auch aus einer mikroprismenstrukturierten Folie aufgebaut sein, die z. B. aus Stabilitätsgründen gegen eine Scheibe aus Glas oder Kunststoff geklebt ist oder die prismenförmigen Strukturen werden direkt auf eine Trägerplatte z. B. durch prismenstrukturierte Lacke aufgebracht. Zwischen den lichtdurchlässigen Strukturen können auch weitere Folien oder Scheibeneinlagen vorgesehen sein. Dies mag Stabilitäts- aber auch lichttechnische Gründe haben – z. B. UV-Schutzfolien, Farbfolien, lichtstreuende Folien, usw.
Die optische Funktion des Systems in 1 wird anhand der Strahlengänge 11 bis 28 erläutert. Das Strahlenbündel 11 bis 17 erleidet innerhalb der ersten Prismenfolie 30 eine Totalreflexion und wird im Prinzip von der ersten Folie selbst an der Grenzfläche zum optisch dünneren Medium – vorliegend Luft – gespiegelt.
Die Strahlengänge 18 bis 25 werden wie durch eine übliche plane Glasscheibe hindurchgelassen, wobei die Strahlengänge selbst beim Durchtritt lediglich parallel verschoben werden. Dies zeigt beispielsweise die gestrichelte Linie 18' als Fortsetzung des einfallenden Strahles 18 sowie der Strahl 25' des einfallenden Strahles 25. Somit wäre aus den Blickrichtungen der Strahlen 18 bis 25 eine verzerrungsfreie Durchsicht möglich.
Solange die Prismenschenkel einer ersten Prismenfolie 30 und einer zweiten Prismenfolie 31 jeweils parallel einander zugeordnet sind, wie am Beispiel der Prismenkanten 33, 34 gezeigt, ist eine weitgehend verzerrungsfreie Durchsicht durch das lichtdurchlässige Bauelement möglich. Verzerrungen entstehen allenfalls durch unebene Oberflächen oder ausgerundete Prismenkanten, also durch produktionsbedingte Ungenauigkeiten infolge Schrumpfungsprozessen des Kunststoffmaterials, usw.
Interessante – hier nicht näher erläuterte – optische Effekte lassen sich mit der Erfindung dann erzielen, wenn die angewinkelten Prismenkanten 35, 36 nicht parallel zueinander sondern divergierend ausgebildet sind. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein asymmetrischer Lichtaustritt erzielen.
An den Strahlen 26 bis 28 wird gezeigt, dass sehr flach einfallende Strahlungswinkel eine gewisse Chance haben, durch das Bauelement zu transmittieren, wobei die Richtung des Strahlungseinfalls geändert wird.
Die Erfindung umfasst alle Kombinationsmöglichkeiten mit Folien unterschiedlicher Lichtbrechungsindices. Jede einzelne flächenförmige Struktur kann auf der glatten Seite mit einer oder mehreren Folien mit höheren Lichtbrechungsindices vereint sein, wodurch es zu einem kleineren Lichtaustrittswinkel aus dem lichtdurchlässigen Element kommt. Werden die lichtdurchlässigen Strukturen mit Folien geringerer Lichtbrechungsindices vereint, kommt es zu einer Aufweitung der Lichtaustrittswinkel durch die lichtdurchlässigen Elemente. So lassen sich erste und zweite flächenförmige Strukturen miteinander vereinen, die für sich genom men ganz unterschiedlich aufgebaut sind und durchaus unterschiedliche Lichtbrechungsindices aufweisen.
Die Prismenfolien 30 und 31 haben beispielsweise eine Dicke von 1 mm oder auch deutlich weniger, z. B. 50 my. Die kleinste Kantenlänge der einzelnen Prismen könnte der Wellenlänge des Lichtes entsprechen – also eine Nanostruktur bilden. Andererseits können die Prismenkanten auch sehr viel größer ausgebildet sein, wobei sich dann ein Glas- oder Kunststoffpaneel ergibt. Prismenkantenlängen von 1 bis 2 cm und größer sind durchaus möglich.
Vorteilhafte Einsatzbereiche der lichtdurchlässigen Bauelemente sind beispielsweise Fassadenverglasungen gemäß 2. Zwei Prismenfolien werden dann entweder in einem Spannrahmen in den Scheibenzwischenraum eines Isolierglases oder auch lose zwischen zwei Scheiben in der Art eines Glasverbundes eingelegt. Um die Folien zu straften, können diese umlaufend in einen Rahmen fest eingespannt sein und durch eine Wärmebehandlung gespannt werden. Die Wärmebehandlung erfolgt entweder durch eine Schrumpfvorgang, durch Temperierung nach dem Einbau in einen Spannrahmen oder durch eine Erwärmung der Folien vor oder während des Einbaus. Infolge der anschließenden Abkühlung spannt sich die Folie.
In 2 ist der Querschnitt durch einen Innenraum mit einem Fenster 42 dargestellt, in das das lichtdurchlässige Element aus 1 eingebaut ist. Die Prismen verlaufen horizontal. Eine Verfolgung der einzelnen Strahlen macht die Vorteile der Konstruktion deutlich: hohe Sommersonne 43 repräsentiert durch die Strahlen 11 bis 17 in 1 auf die Fassade in 2 auftreffend, wird an derselben gespiegelt, so dass der Innenraum vor der überhitzenden Sonne geschützt ist. Umgekehrt ist es möglich, verzerrungsfrei aus üblichen Blickrichtungen 44 aus dem Innenraum nach außen zu sehen und umgekehrt. Die Blickrichtung ist beispielsweise durch die Strahlengänge 18 bis 25 in 1 symbolisiert. Zenitstrahlung unter den Einfallswinkeln 26 bis 28 in 1 wird vorteilhafterweise von dem lichtdurchlässigen Bauelement aufgefangen und an die Innenraumdecke umgelenkt.
Die 3 erläutert die Winkelfunktionen. Bei einem hier vorliegenden Lichtbrechungsindex n = 1,5 und einer senkrechten Anordnung des lichtdurchlässigen Bauelementes aus 1 wird die Sonne mit einem Elevationswinkel > 42° zum Horizont innerhalb eines Winkelbereichs von 33° ausgeblendet. Mithin ergibt sich ein sogenannter Ausblendwinkel von 33°. Die Scheiben selbst ermöglichen eine ungehinderte Durchsicht in einem Winkel von 42° oberhalb des Horizonts und 42° unterhalb des Horizonts. Der Durchlassbereich beträgt somit ca. 84°. Zenitstrahlung in einem Winkel > 75° wird über einen Winkelbereich von ca. 15° in den Innenraum eingelenkt.
Tritt man an die Glasscheibe heran, ist der Blick nach unten auf die Straßenebene weitgehend verhindert. Dies ist in Hochhäusern von Vorteil (Höhenangst). Verhindert ist auch die Möglichkeit, von unten in das Gebäude hereinschauen zu können. Das Gebäude bzw. die Glasfassade präsentiert sich bei einem Blick von unten nach oben als perfekte Spiegelfassade. Aus größerer Entfernung betrachtet, d.h. in Blickwinkeln < 42° zur Horizontalen, wird die Fassade transparent.
Denkbar wäre auch der Einbau der Prismen mit Drehung von 90°, so dass diese senkrecht verlaufen. Mit dieser Einbaulage wäre die Fassade vor seitlichem Sonneneinfall (Azimuth) besser zu schützen.
Die lichtdurchlässigen Bauelemente können auch in Dachflächen eingebaut werden, z.B. in geneigten Nordsheds, um das blendfreie Nordlicht herein zulassen und den Sonneneinfall aus östlicher, westlicher und insbesondere südlicher Richtung auszublenden.
Auch für die Kunstlichttechnik ist die Erfindung bei Einsatz in die Fassade von Vorteil: Aus einer Leuchte 40 in 2 austretende Lichtstrahlung 41 wird an der Fassade auf eine Arbeitsebene gespiegelt.
4 zeigt einen weiteren Anwendungsbereich der lichtdurchlässigen Bauelemente: Die abgehängte Decke 50 ist aus dem lichtdurchlässigen Bauelement gemäß 1 aufgebaut. Im Deckenhohlraum 51 angeordnete Leuchen 52, 53, 54 ermöglichen einen nach DIN 5035 zulässigen entblendeten Lichtaustritt durch das Bauelement auf die Arbeitsebene und zwar in einem Austrittswinkel < 42° zur Vertikalen. Gleichzeitig ergibt sich ein abgeblendeter Winkelbereich von 48°. Aus einem Blickwinkel < 48° zur Horizontalen in die abgehängten Decke wirkt diese wie ein Spiegel. Der Vorteil ist, dass Tageslicht 56 in einer tageslichtlenkenden Struktur 55 in der Fassade umgelenkt durch die erfindungsgemäße Decke 50 in die Raumtiefe gespiegelt wird. Somit erfüllt das lichtdurchlässige Bauelement eine integrale Doppelfunk tion der Blendbegrenzung für das aus einer Leuchte austretende Licht einerseits und der Raumtiefenausleuchtung für Tageslicht andererseits.
Auch an diesem Beispiel werden die speziellen Vorteile der Innovation besonders deutlich: Gegenüber flachen Bestrahlungswinkeln wirkt diese wie ein Spiegel, gegenüber anderen Bestrahlungswinkeln ist diese lichtdurchlässig und sogar durchsichtig.
Im vorliegenden Beispiel ersetzt das lichtdurchlässige Bauelement die Spiegelraster, die üblicherweise der Entblendung der Leuchten dienen – vollständig. Weiterer Vorteil: Die einzelnen flächenförmigen Strukturen, bzw. das lichtdurchlässige Bauelement, kann auch als Akustikdecke dienen, indem dieses als sog. akustischer Plattenschwinger ausgebildet wird.
Weitere Ausführungsvarianten sind in den 5 und 6 dargestellt. Die 5 zeigt eine abgehängte Decke 60, in die eine Langfeldleuchte 61 eingebaut ist. Diese besteht aus einem Leuchtmittel 62, das oberseitig von einem Reflektor 63 umhüllt ist. In der Ebene der abgehängten Decke weist die Leuchte das erfindungsgemäße, lichtdurchlässige Bauelement 64 auf. Symbolhaft sind zur Kennzeichnung je 4 Prismen in ihrer spezielle Lage dargestellt.
Zur Erläuterung der vorteilhaften Funktion sind einzelne Strahlengänge 65, 67, 68 dargestellt. Der Strahl 68 dringt ungehindert durch die lichtdurchlässigen Bauelemente nach unten durch. Die Strahlen 65 und 67 werden an dem lichtdurchlässigen Bauelement gespiegelt und über eine zweite Reflexion am Reflektor auf das lichtdurchlässige Bauelement zurückgeworfen. Der Lichtaustritt erfolgt in dem nach Güteklasse 1 der DIN 5035 zulässigen Bereich < 43° zur Vertikalen. Die Leuchte ist in den flachen Winkelbereichen > 48° vollständig entblendet. Der Vorteil der erfindungsgemäßen, lichtdurchlässigen Bauelemente ist die Möglichkeit der flachen Bauart der Leuchten. Das Leuchtmittel kann unmittelbar oberhalb des lichtdurchlässigen Bauelementes angeordnet werden, ohne dass es zu Blendungen kommt.
5 könnte auch ein sog. Downlight mit einem rotationssymmetrischen Reflektor sein. Trotz der flachen Bauart ist mittels der Erfindung ein tief ausstrahlendes Downlight möglich. Auch für Uplights, die aus einem Fußboden nach oben strahlen, ist eine perfekte Entblendung bei flachster Bauart möglich. Bei runden Leuchten können die linienförmigen Prismen der lichtdurchlässigen Bauelemente kreisförmig ausgebildet sein.
In 6 handelt es ich um Leuchten, gemäß 5, jedoch ist die untere Abdeckung 70 konkav gewölbt. Durch eine konkave oder auch konvexe Auswölbung der Elemente lassen sich der Lichtaustritt bzw. die Abblend- und Ausstrahlwinkel weiter manipulieren. Die Austrittswinkel lassen sich verengen oder erweitern, die Abblendwinkel können durch Auswölbung der Elemente verkleinert oder vergrößert werden. Die Wölbung kann zwei- oder dreidimensional erfolgen und beispielsweise durch einen Tiefziehvorgang oder durch Drücken der lichtdurchlässigen Strukturen hergestellt werden.
Ein besonderer Vorteil der lichtdurchlässigen Bauelemente ist die Begrenzung des Lichtaustritts durch die Folie nicht nur quer zur Prismenrichtung sondern auch längs zur Prismenrichtung. Die besondere Eigenschaft der erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Bauteeemente ist die Entblendung des Lichtdurchtrittes in Längs- und Querrichtung der Prismenstruktur, also der C90 bzw. C180-Ebene und der C0 bzw. C270-Ebene nach DIN 5035.
Obgleich die verzerrungsfreie Durchsicht ein erfindungswesentlicher Vorteil ist, kann es sinnvoll sein, z.B. beim Leuchtenbau in die lichtdurchlässigen Bauelemente zusätzlich lichtstreuende Folien einzulegen, die die Blicke in das Leuchtmittel einerseits verhindern und die die Übergänge von spiegelnden zu lichtdurchlässigen Eigenschaften weichzeichnen.
Mindestens zwei flächenförmige Prismen-Strukturen, aus denen sich ein lichtdurchlässiges Element zusammensetzt, können lose oder auch fest zusammengedrückt aufeinander liegen. Es muß lediglich gewährleistet sein, dass sich unmittelbar an den Grenzflächen zu den flächenförmigen Prismenstrukturen kleinere Lichtbrechungsindices n gegenüber den Lichtbrechungsindices der flächenförmigen Prismen selbst ergeben, so dass es zur Totalreflexion an den Grenzflächen kommen kann.
Die erfindungsgemäßen lichtdurchlässigen Elemente können genauso mit lichtstreuenden Folien oder sonstigen Schichten einen Folienverbund bilden und auf der zur Lichteinfall gelegenen Seite, zwischen den flächenförmigen Strukturen oder auf der dem Strahlungseinfall abgewandten Seiten angeordnet sein. Die Lichtstreuung ist vorzugsweise mittels geätzter Oberflächen, d.h. durch Oberflächenrauhigkeit zu erzielen. Derartige Effekte können auch auf die glatte Seite der flächenförmigen Strukturen direkt aufgebracht sein.
Während die Prismen einer ersten und einer zweiten flächenförmigen Struktur im allgemeinen parallel zueinander verlaufen, ist es auch möglich, die Prismen gegeneinander so zu versetzen, dass sich divergierende Strukturen und damit bei Durchsicht durch die lichtdurchlässigen Bauelemente rasterförmige Muster ergeben.
7 zeigt die Fassadenzone im Querschnitt. Die Oberlichtverglasung des Fensters ist mit den erfindungsgemäßen Bauelementen ausgeführt. Hohe Sonne 85 wird gespiegelt und z. B. in einen Solarpaneel 88 umgelenkt, das als auskragender Sonnenschutz dient. Die Bauelemente dienen damit auch der Beschattung des Innenraumes und gleichzeitig als Strahlungssammler für das Solarpaneel.
Im Innenraum sind Lichtlenklamellen 81–84 angeordnet, die ebenfalls aus den lichtdurchlässigen Bauelementen hergestellt sind und der Lichtlenkung für flache, durch die Fassade eindringende Lichtstrahlen dienen. Die erfindungsgemäßen Bauelemente in der Fassade und die Lamellen funktionieren komplementär: Der Schutz gegenüber der hohen Sonne, für die die Lamellen transparent sind, erfolgt durch die Bauelemente im Oberlicht.
Im Innenraum ist eine Stehleuchte 90 gezeigt. Das lichtdurchlässige Bauelement dient als Reflektor und Abschirmung für die flache Lichtstrahlung gleichzeitig, die durch das Leuchtmittel 92 bzw. den Reflektor 93 auf das Bauelement gelenkt wird. Lichtstrahlen mit einem Austrittswinkel bis ca. 42° tritt durch das Bauelement hindurch, so dass sich ein entblendeter Winkelbereich von ca. 48° ergibt. Lichtstrahlung, die in einem Winkel < 48° von oben auf das Element auftrifft, wird in Winkeln < 48° an die Decke umgelenkt, wodurch eine vorteilhafte Lichtverteilung im Innenraum entsteht. Die sonst üblichen Lichtinseln genau über den Leuchten ist vermeidbar.
Das lichtdurchlässige Bauelement eignet sich auch als Verglasung 110 z. B. vor einer lichtdurchlässigen Wärmedämmung. Hohe überhitzende Sonne 111 wird reflektiert, flache Wintersonne dringt auf das wärmespeicherfähige Mauerwerk durch.
8 zeigt das lichtdurchlässige Bauteil 100 als Lichtlenkschwert zum Innenraum vor einem Fassadenriegel oberhalb 2 m Raumhöhe. Die Lichttechnik des Elementes entspricht der anhand der Stehleuchte aus 7 erläuterten Eigenschaften. Interessant ist jeweils der doppelte Nutzen des Bauelementes als Lichtlenkung für Kunstlicht, Tageslicht und als pelte Nutzen des Bauelementes als Lichtlenkung für Kunstlicht, Tageslicht und als Beschattungselement.
Die Intelligenz des lichtdurchlässigen Bauelementes mit der winkelselektiven Transparenz bzw. des winkelselektiven Spiegels werden anhand der genannten Beispiele besonders deutlich. Die Erfindung erlaubt widersprüchliche Anforderungen integral zu erfüllen und somit Synergieeffekte zu nutzen, die bisher unbekannt waren und ansatzweise allenfalls mit Rasterdrucken von Glasscheiben oder Lochmustern in Spiegeln und Blechen möglich waren. Der Nachteil der bekannten Elemente war jedoch, dass diese nicht winkelselektiv funktionierten sondern – unabhängig vom Bestrahlungswinkel – eine konstante Transparenz bzw. eine konstante Reflektionsfähigkeit aufwiesen.
Neben den bekannten Herstellungsverfahren wie das Prägen oder das Kallandrieren von bahnförmigem Material oder das Extrudieren oder Spritzgiessen von Plattenware können die Strukturen auch durch UV-aushärtende Lacke auf eine ebene Grundplatte oder Folien aufgebracht werden, indem z.B. mittels prismatisch strukturierter Stempel oder Walzen in die noch weichen Lacke geprägt und z.B. durch ein UV-durchlässiges Trägermaterial die Lacke in ihrer prismatischen Struktur mittels UV-Strahlung erstarrt werden. Auch Folien lassen sich auf diese Art bearbeiten. Anstelle von Stempeln werden dann Strukturwalzen in einem kontinuierlichen Durchlaufprozess als formgebende Werkzeuge zur Prägung der Folien eingesetzt.
Es wäre auch möglich, die Werkzeuge bzw. Werkzeugwalzen selbst UV-durchlässig zu gestalten und die UV-Strahlung durch die Werkzeuge selbst auf den Lack aufzubringen. Weitere Herstellungsmöglichkeiten sind das Prägen in eine UV-vorgehärtete aber noch ausreichend weichen Lackschicht, die dann in einem Ofen warm ausgehärtet wird.

Claims

Lichtdurchlässige Bauelemente zur Ausblendung selektiver Winkelbereiche bestehend aus mindestens einer ersten (30) und einer zweiten (31) flächenförmigen linearen Struktur mit dreieckigen, prismatisch ausgeformten Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste (30) und eine zweite (31) flächenförmige Struktur jeweils mit einseitig linearprismenstrukturierter Oberfläche versehen, einander so zugeordnet sind, dass sich die ebenen Oberflächen parallel gegenüber liegen und zwischen einer ersten und einer zweiten flächenförmigen Struktur eine Schicht (32) mit einem Lichtbrechungsindex n angeordnet ist, der sich vom Lichtbrechungsindex n der flächenförmigen Strukturen selbst unterscheidet.
Lichtdurchlässiges Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei sich gegenüberliegende Prismenkanten (33, 34) einer ersten (30) und einer zweiten (31) flächenförmigen Struktur parallel zueinander angeordnet sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die prismenstrukturierten Oberflächen der ersten oder zweiten flächenförmigen Strukturen mittels mikroprismenstrukturierter Folien durch Klebung auf eine lichtdurchlässige Trägerplatte aufgebracht sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenförmigen Strukturen aus Platten bestehen, die durch Extrusion, Spritzguss oder durch Pressung mit prismenstrukturierten Werkzeugen hergestellt sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die prismenförmigen Oberflächen einer ersten flächenförmigen Struktur und einer zweiten flächenförmigen Struktur mittels einer Prägung in eine durch ultraviolette Strahlung aushärtende Lackschicht hergestellt sind, die auf ein Trägermaterial aufgebracht ist.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Prismenstrukturen mindestens einer ersten und einer zweiten flächenförmigen Strukturen divergierend zueinander verlaufen.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei flächenförmigen Strukturen (30, 31) eine Folien- und/oder Klebschicht (32) mit einem Lichtbrechungsindex n kleiner als der Lichtbrechungsindex n der flächenförmigen Strukturen (30, 31) selbst angeordnet ist.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenspitzen ≥ rechtwinklig ausgebildet sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenspitzen ≤ rechtwinklig ausgebildet sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenstrukturen aus ungleichschenkligen Dreiecken gebildet werden.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite flächenförmige Struktur (30, 31) Prismen aufweist, wobei nur zwei sich gegenüberliegende Prismenkanten (33, 34) parallel zueinander und die angewinkelten Prismenkanten (35, 36) zueinander divergierend ausgebildet sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass linienförmige Prismen der flächenförmigen Strukturen kreisförmig ausgebildet sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenförmigen Strukturen (30, 31) konkav/konvex gewölbt ausgebildet sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenförmigen Strukturen (30, 31) zwischen zwei Glasscheiben oder im Scheibenzwischenraum eines Isolierglasverbundes eingebaut sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens folienartige, flächenförmige Strukturen (30, 31) in einen Rahmen umlaufend fest eingespannt sind und die folienartigen, flächenförmigen Strukturen durch eine Wärmebehandlung gespannt sind.
Lichtdurchlässige Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbund der lichtdurchlässigen Bauelemente lichtstreuende Oberflächen eingebaut sind.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelemente nach Anspruch 1 als Vertikalverglasung in der Fassade oder als Schrägverglasung im Dach.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelemente nach Anspruch 1 als Leuchtenabdeckung.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelemente nach Anspruch 1 als abgehängte Decken in Kombination mit einer Anordnungen von Leuchten im Deckenhohlraum.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelemente nach Anspruch 1 als Lichtlenklamellen im Dach oder in der Fassade.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelementen nach Anspruch 1 als Strahlungssammler für ein Solarpaneel.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelementen nach Anspruch 1 als Abdeckschirm zur Blendbegrenzung unterhalb eines Leuchtmittels einer Stehleuchte.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelementen nach Anspruch 1 als lichtdurchlässige Fassadenverkleidung vor einer lichtdurchlässigen Wärmedämmung.
Verwendung der lichtdurchlässigen Bauelementen nach Anspruch 1 als Lichtlenkschwert in Riegelhöhe oberhalb 2 m Raumhöhe zur Lichtumlenkung von Kunst- und Tageslicht auf der Oberseite und als Blendbegrenzung für die Arbeitsebene.