DE19540289A1 - Winkelselektives Verschattungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein winkelselektives Verschattungselement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Das winkelselektive Verschattungselement dient dazu, einen direkten Lichteinfall unter einem bestimmten Lichteinfallswinkel in einen Gebäuderaum zu verhindern, um eine Blendwirkung oder eine unerwünschte Sonnenenergie-Aufwärmung in einem Gebäuderaum zu verhindern.

Bekannte Glaskonstruktionen:

• 1. Einzelne Glasscheiben, welche durchsichtig oder undurchsichtig, jedoch lichtdurchlässig sind.
• 2. Mehrfachglasscheiben. Sie bestehen aus mehreren mit Abstand parallel zueinander angeordneten Glasscheiben und der Zwischenraum zwischen ihnen ist evakuiert oder mit einem Gas gefüllt.
• 3. Verbund-Sicherheitsglas. Es besteht aus zwei oder mehr Spiegelglasscheiben, die durch zähelastische, hochreißfeste Polyvinyl-Butyral-Folien (PVB) fest zu einer Einheit verbunden sind. Die Sicherheitswirkung von Verbund-Sicherheitsglas beruht auf der hohen Reißfestigkeit der PVB-Zwischenschicht und ihrer großen Haftung an Glas. Bei einem Glasbruch haften die Bruchstücke an der PVB-Zwischenschicht. Durch die Kombination unterschiedlich dicker Glasscheiben und Folienschichten lassen sich Sicherheitseigenschaften gegen Durchbruch, Beschuß und Explosion schaffen. Verbund-Sicherheitsglas kann auch als Sonnenschutz- und Sichtschutzgläser verwendet werden. Entsprechend der gewünschten Funktion des Verbund-Sicherheitsglases und der sich daraus ergebenden Kombination der einzelnen Elemente werden zwischen die einzelnen Glasscheiben einzelne oder mehrere PVB-Zwischenschichten gelegt und in einem Walzverfahren mit dem Glas verbunden. Danach kommt die gepreßte Kombination in einen Autoklaven, wo Glas und Zwischenschichten unter Hitze und Druck fest miteinander zu einer Einheit von hoher Festigkeit und klarer, verzerrungsfreier Durchsicht verbunden werden. Das Herstellungsverfahren ermöglicht die Verbindung mehrerer Scheiben gleicher oder unterschiedlicher Glasarten.
• 4. Holographisch optische Elemente. Hierüber sind mehrere Artikel auf den Seiten 171, 172, 211 bis 229, 231 bis 239 in dem Buch "Innovative Fassadentechno­ logie" beschrieben, welches vom Institut für Licht- und Bautechnik (ILB) an der Fachhochschule Köln, Herr Prof. Dr. Helmut Müller, Uni Dortmund, Kremberger Str. 151a, D - 51105 Köln herausgegeben wurde, und die Themen eines Internationalen Forums "Innovative Fassadentech­ nologie" 2. und 4. November 1994, enthält. Seite 172 beschreibt folgendes: Ein holographischer Film wird mit zwei ebenen Wellen mit den Winkeln Alpha 1 und Alpha 2 rechtwinklig zum Film belichtet. Bei geeignetem Film und durch chemischen Bearbeitungsprozeß wird aus diesem belichteten Film ein holographisch optisches Element, welches wegen des sogenannten Bragg-Effekts das Licht nur umlenkt, wenn es mit den Winkeln Alpha 1 oder Alpha 2 einfällt. Wenn das Licht mit Alpha 1 einfällt, wird es nach Alpha 2 umgelenkt, und umgekehrt. Diese Selektivität bedeutet auch, daß das Gitter (der belichtete Film) in allen Richtungen durchsichtig ist, außer für Alpha 1 und Alpha 2. Solch ein Gitter erfüllt schon die Grundeigenschaften der Winkelselektivität.

Aber in diesem Zustand ist es noch nicht als Verschattungselement (Element zur Erzeugung von Schatten) zu gebrauchen, weil es nur die Richtung des Lichts ändert und damit würde Sonnenlicht, das z. B. unter Alpha 2 einfällt, nur nach Alpha 1 umgelenkt und dann doch in den zu verschattenden Raum gelangen.

Zur Beseitigung dieses Mangels wird von einer weiteren Grundtatsache Gebrauch gemacht, nämlich der Totalreflexion. Wird Alpha 1 so groß, daß in dem holographischen Material der Grenzwinkel der Totalreflexion (bei Glas etwa 42°) überschritten wird, so wird bei Einstrahlung unter dem Winkel Alpha 2 das Licht soweit umgelenkt, daß es an der Rückseite des Materials, welches den holographischen Film enthält, totalreflektiert wird. Von dort gelangt das Licht an die Vorderseite des Materials, wo es wieder totalreflektiert wird. Danach wird das Gitter wirksam und das Licht gelangt schließlich in Richtung Alpha 2 in den Raum. Um diesen letzten Schritt zu verhindern, muß ein zweites Gitter benutzt werden, das dem ersten entspricht. Es muß lediglich Alpha 1 durch Minus-Alpha 1, und Alpha 2 durch Minus-Alpha 2 ersetzt werden. Aus dieser Kombination von zwei Gittern wird dann ein Element, welches, wenn es unter dem Winkel Alpha 2 beleuchtet wird, wie ein Spiegel reagiert, und deshalb das Licht unter Minus-Alpha 2 reflektiert. In allen anderen Richtungen ist dieses holographisch optische Element für Licht transparent. Wenn ein solches Gittersandwich in ein Verbundglas eingebracht wird, können großflächige Verschattungselemente gebaut werden.

Dadurch ergibt sich ein winkelselektives holographisches Verschattungselement, welches in Form einer Glastafel oder in Form einer Glaslamelle dazu dienen kann, nur die direkte Sonnenstrahlung aufzufangen, jedoch für das Licht aus allen anderen Einfallsrichtungen transparent ist. Dadurch bleibt das Verschattungselement durchsichtig und die Tageslichtbeleuchtung bleibt erhalten. Bei der Tageslichtbeleuchtung ist zwischen direktem Licht bei klarem Himmel und diffusem Licht bei bedecktem Himmel zu unterscheiden. Das holographische Verschattungselement soll nur direktes Licht abhalten, wenn es unter einem bestimmten Winkel auf das holographische Verschattungselement auftrifft. Dies macht es erforderlich, das Beschattungselement dem Lauf der Sonne folgend zu positionieren. Aus diesem Grunde müssen die Verschattungselemente drehbar sein und justiert werden. Das holographisch optische Verschattungselement kann somit dazu verwendet werden, die direkte Sonnenstrahlung im Sommer zu reflektieren und im Winter zu transmittieren. Hierzu wird die Richtungsempfindlichkeit und Wellenlängenempfindlich­ keit der Reflexionshologramme ausgenutzt. Im Unterschied zu Systemen mit metallischen reflektierenden Flächen, ist das holographische System im visuellen Spektralbereich transparent und direkt durchsichtig. Das System eignet sich zur Verschattung von transparenten Wärmedämmflächen von opaken und lichtdurchlässigen Wänden und als Sonnenschutz in Fensterelementen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein winkelselektives Verschattungselement, insbesondere in Form einer Lamelle, derart auszubilden, daß es preiswert, einfach und schnell hergestellt werden kann, ohne die holographisch optischen Eigenschaften zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Aufgabe der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 schematisch ein winkelselektives holographisch optisches Verschattungselement nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch das Verschattungselement von Fig. 1 in Form einer Lamelle, welche automatisch in Abhängigkeit von der Position und Bewegung der Sonne relativ zu diesem Verschattungselement winkelpositioniert und dabei der Bewegung der Sonne entsprechend bewegt wird.

Das in den Zeichnungen dargestellte winkelselektive holographisch optische Verschattungselement 2 besteht aus zwei planparallel flachen, lichtdurchlässigen und durchsichtigen Glasscheiben 4 und 6, einem winkelselektiven, holographisch optischen Film 10, und beidseitig des Films angeordneten Zwischenfolien 12 und 14, welche sandwichartig angeordnet sind. Die Zwischenfolien 12 und 14 trennen den Film 10 von den Glasscheiben 4 und 6, sind jedoch auf ihrer Innenseite mit dem Film und mit ihrer Außenseite mit der zugehörigen Glasscheibe 4 oder 6 verklebt. Der winkelselektive, holographisch optische Film 10 ist durchsichtig und für diffuses Licht durchlässig, um einen dahinterliegenden Raum zu beleuchten, jedoch für direktes Licht nur durchlässig, wenn es nicht unter einem bestimmten Winkel einfällt. Die beiden Zwischenfolien 12 und 14 sind lichtdurchlässig und durchsichtig. Die Zwischenfolien 12 und 14 sind je auf ihre Glasscheibe 4 oder 6 in einem Walzverfahren oder Rollverfahren aufgebracht, wie dies für Verbund-Sicher­ heitsglas bekannt ist. Danach wird der winkelselektive holographische optische Film 10 zwischen die beiden Zwischenfolien 12 und 14 gelegt. Danach wird dieses Sandwich, welches aus den beiden Glasplatten 4 und 6 sowie den beiden Zwischenfolien 12 und 14 und dem holographisch optischen Film 10 besteht, in einem Autoklaven erwärmt, und vorzugsweise gleichzeitig in Querrichtung zusammengepreßt, um dadurch die Zwischenfolien 12 und 14 einerseits mit ihren jeweils zugehörigen Glasscheiben 4 und 6 und andererseits mit dem holographisch optischen Film 10 zu verkleben.

Hierzu wird kein zusätzlicher Klebstoff benötigt. Die Zwischenfolien 12 und 14 bestehen aus Kunststoff, welcher durch die Erwärmung im Autoklaven klebefähig wird. Vorzugsweise bestehen die Zwischenfolien 12 und 14 aus Polyvinyl-Butyral.

Gemäß einem anderen Verfahren können die Zwischenfolien 12 und 14 mit ihrer jeweiligen Glasscheibe 4 und 6 durch Erwärmung, und vorzugsweise auch durch gleichzeitige Druckanwendung, je getrennt verklebt werden, bevor der holographisch optische Film 10 auf die Zwischenfolien 12 und 14 gelegt wird. Bei diesem anderen Verfahren wird erst anschließend, nachdem bereits die Zwischenfolien 12 und 14 an den Glasscheiben 4 und 6 festgeklebt wurden, der holographisch optische Film 10 zwischen die an den Glasscheiben 4 und 6 haftenden Zwischenfolien 12 und 24 eingeklemmt und durch Erwärmung mit ihnen verklebt.

Fig. 1 zeigt die Funktion des winkelselektiven holographisch optischen Verschattungselements 2. Ein direkter Sonnenstrahl 20 fällt unter einem Winkel β schräg zum Lot 22 auf die Oberfläche 24 der einen Glasscheibe 4; wird an dieser Oberfläche 24 abgelenkt und tritt dann durch die Zwischenfolie 12 hindurch und unter einem Winkel Alpha 1 in den winkelselektiven holographisch optischen Film 10 ein. Der Film 10 lenkt den Lichtstrahl 20 erneut ab, so daß er unter einem Winkel Alpha 2 derart von innen auf die in Fig. 1 unten dargestellte Oberfläche 26 auftrifft, daß eine Totalreflexion stattfindet. Die in Fig. 1 unten dargestellte Oberfläche 26 der unteren Glasscheibe 2 liegt einem Gebäudeinnenraum gegenüber oder bildet eine Wandbegrenzung dieses Innenraumes, so daß der Sonnenstrahl 20 nicht in diesen Gebäudeinnenraum gelangt, sondern durch die in Fig. 1 unten dargestellte Glasscheibe 6 und deren Zwischenfolie 14 hindurch in einen anderen Bereich des winkelselektiven holographisch optischen Films 10. Der Film 10 lenkt in diesem anderen Bereich den unter einem Winkel Minus-Alpha 2 ankommenden Lichtstrahl 20 auf einen Winkel Minus-Alpha 1 ab, so daß er dann unter einem Winkel Minus-β aus der in Fig. 1 oben dargestellten Oberfläche 24 der oben dargestellten Glasscheibe 4 wieder austritt.

Das winkelselektive holographisch optische Verschattungselement 2 hat gemäß Fig. 2 die Form einer Sonnenschutz-Lamelle und ist an ihren Längsenden je mit einem Lagerzapfen 30 versehen und in einer nicht dargestellten Tragkonstruktion um eine Drehachse 32 drehbar gelagert. Wegen der beschriebenen Winkelselektivität des holographisch optischen Films 10 muß das Verschattungselement dem Höhenwinkel der Sonne 34 um die Drehachse 32 herum nachgeführt werden. Hierfür ist ein voll elektronisches, intelligentes, mikroprozessorgesteuertes Steuerungs- und Regelungssystems 36 vorgesehen, welches die Position des Verschattungselements 2 um seine Drehachse 32 in Abhängigkeit vom Sonnenstand, der gewünschten Lichtintensität im zu beschattenden Raum und der gewünschten Temperatur in dem zu beschattenden Raum regelt und dem Höhenwinkel der Sonne 34 nachführt.

Der winkelselektive holographisch optische Film 10 wurde, bevor er zwischen die Glasscheiben 4 und 6 positioniert und durch die Zwischenfolien 12 und 14 mit diesen Glasscheiben 4 und 6 verklebt wurde, aus einem holographischen Film hergestellt, wobei der holographische Film in bekannter Weise mit ebenen Wellen unter den Winkeln Alpha 1 und Alpha 2 zum Lot des Films belichtet wurde. Dieser belichtete Film wurde dann in bekannter Weise chemisch bearbeitet, so daß daraus der holographisch optische Film wurde, der wegen des sogenannten Bragg-Effekts das Licht nur umlenkt, wenn es mit den Winkeln Alpha 1 oder Alpha 2 einfällt. Wenn statt eines holographischen Films ein anderes holographisches Material zur Verfügung steht, kann auch damit ein holographisch optisches Element-gebildet werden, welches die Funktion des winkelselektiven holographisch optischen Films 10 hat.

Anstelle eines einzigen holographisch optischen Elements 10 können auch mehrere holographisch optische Elemente übereinander oder nebeneinander angeordnet werden, um eine gewünschte Ablenkung von direkten Lichtstrahlen zu erzielen. Ferner können auch mehr als zwei Glasscheiben 4, 6 übereinander angeordnet werden, wobei zwischen benachbarten Glasscheiben jeweils über Zwischenfolien 12 und 14 ein holographisch optisches Element 10 angeordnet werden kann, um eine gewünschte Ablenkung von Lichtstrahlen zu erzeugen. Ferner können zusätzlich holographisch optische Elemente auf die Glasscheiben 4 und 6 aufgebracht oder zwischen sie eingefügt werden, welche winkelselektiv sind, jedoch nicht zur Erzeugung einer winkelselektiven Verschattung dienen, sondern zur Erzeugung von Displays, wie beispielsweise die Zerlegung des Lichts in verschiedene Lichtfarben, so daß ein Beobachter des Objekts verschiedene Displays oder Lichtfarben sehen kann, wobei das gesehene Display oder die gesehene Farbe je nach Blickrichtung des Beobachters sich ändert. Auch die Verwendung von anderen Display-Systemen in Kombination mit dem winkelselektiven holographisch optischen Verschattungselement 2 ist möglich, entweder durch Integration oder durch externe Anbringung.

Claims (10)

1. Winkelselektives holographisch optisches Verschattungselement, welches mindestens zwei lichtdurchlässige, durchsichtige Glasscheiben (4, 6) und mindestens ein zwischen ihnen angeordnetes winkelselektives holographisch optisches Element aufweist, die sandwichartig angeordnet und zu einer Platteneinheit miteinander verbunden sind, welche lichtdurchlässig und durchsichtig ist, jedoch unter einem bestimmten Winkel auf diese Einheit auftreffendes Licht einer Totalreflexion unterwirft und nicht hindurchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem holographisch optischen Element (10) und den Glasscheiben (4, 6) je mindestens eine aus Kunststoff bestehende Zwischenfolie (12, 14) angeordnet ist, die sowohl an dem holographisch optischen Element (10) als auch an den Glasscheiben (4, 6) haftet.

2. Verschattungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfolie (12, 14) aus Polyvinyl-Butyral besteht.

3. Verschattungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das holographisch optische Element (10) mit den Zwischenfolien (12, 14) und diese Zwischenfolien (12, 14) mit den Glasscheiben (4, 6) durch Erwärmung und Druckeinwirkung während des erwärmten Zustandes ohne die Verwendung von separatem Klebstoff miteinander verklebt sind.

4. Verschattungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als winkelverstellbare Sonnenschutz-Lamelle ausgebildet ist.

5. Verschattungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das holographisch optische Element (10) aus einem holographischen Film gebildet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines winkelselektiven, holographisch optischen Verschattungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches mindestens zwei Glasscheiben und mindestens ein zwischen ihnen angeordnetes winkelselektives holographisch optisches Element aufweist, die sandwichartig angeordnet und zu einer Platteneinheit miteinander verbunden sind, welche lichtdurchlässig und durchsichtig ist, jedoch unter einem bestimmten Winkel auf diese Einheit auftreffendes Licht einer Totalreflexion unterwirft und nicht hindurchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das holographisch optische Element (10) zwischen Zwischenfolien (12, 14) aus Kunststoff eingebettet wird und daß diese Zwischenfolien auf ihrer einen Seite mit den Glasscheiben (4, 6) und auf ihrer anderen Seite mit dem holographisch optischen Element (10) ohne Verwendung von separatem Klebstoff verklebt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das holographisch optische Element (10) mit den Zwischenfolien (12, 14) und diese Zwischenfolien (12, 14) mit den Glasscheiben (4, 6) durch Erwärmung und Druck miteinander verklebt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenfolien (12, 14) Folien aus Polyvinyl-Butyral verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfolien (12, 14) je auf die ihnen zugeordnete Glasscheibe (4, 6) in einem Walzverfahren aufgewalzt werden, bevor das holographisch optische Element (10) auf sie aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als holographisch optisches Element (10) ein holographischer Film verwendet wird.