DE19700112A1 - Optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch teil­ transparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion. Eine Vorrichtungsalternative weist eine Vielzahl parallel, nebeneinander, angeordneter Lichtumlenkelemente auf, die eine flächige, spiegelartige Anordnung bilden, die eine Oberfläche vorsieht, auf die Licht einfällt und über die das in den Lichtumlenkelementen totalreflektierte Licht aus­ tritt. Eine zweite Vorrichtungsalternative weist zwei flächig ausgebildete, optisch transparente Elementen auf, die jeweils eine komplementär zueinander ausgebildete Oberfläche aufweisen, über die die Elemente in Kontakt bringbar sind. Vorzugsweise dienen beide Vor­ richtungsalternativen als Sonnenschutzvorrichtungen.

Das energetische Potential der Sonne als Wärme- und Lichtquelle hat zur Entwicklung von thermischen Komponenten wie beispielsweise Solarkollektoren und Hausfassaden mit transparenter Wärmedämmung (TWD) angeregt. Die mit diesen Komponenten mittlerweile erreichbaren Wirkungsgrade sind so gut, daß es für Zeiten hoher Einstrahlung spezieller Vorrichtungen bedarf, um hohe Temperaturen und dadurch bedingte mögliche Schäden an den thermischen Komponenten selbst abzuwenden. Auch insbesondere im Hinblick auf den seit geraumer Zeit existierenden Trend zur "gläsernen Architektur", die die Verwendung großzügig dimensionierter Fensterflächen propagiert, sind Ver­ schattungssysteme, die ein zu starkes Aufheizen der Innenräume verhindern sollen, notwendig. Dies gilt nicht nur für großflächige Glasfassaden, sondern insbesondere auch für die in Mode gekommenen Wintergärten, die zum großen Teil annähernd horizontal verlaufende, aus Glas ge­ fertigte Dachkonstruktionen aufweisen, durch die die Sonneneinstrahlung, insbesondere zu Zeiten hohen Son­ nenstandes zum starken Überhitzen der Innenräume führt.

Da es bspw. bislang für Solarkollektoren noch kein marktreifes System für Überhitzungsschutz gibt, setzen die Hersteller für Solarkollektoren kostspielige, Hoch­ temperaturbeständige Materialien und Komponenten ein, die sich jedoch direkt auf die Herstellungskosten de­ rartiger Komponenten nachhaltig auswirkt.

Bei Hausfassaden mit transparenter Wärmedämmung werden in üblicher Weise Jalousien eingesetzt, deren Gesamt­ kosten jedoch sehr hoch liegen, wodurch die Verbreitung von TWD erheblich behindert ist.

Ebenso gibt es für Fensterflächen eine Vielzahl von Sonnenschutzvorrichtungen, die zum größten Teil elektromechanisch oder rein mechanisch angesteuert werden, wie beispielsweise Jalousie- oder Markisen­ systeme. Derartige Schutzvorrichtungen sind jedoch ebenso kostspielig und bieten darüberhinaus nur unbe­ friedigende Kompromisse zwischen der Schutzwirkung, der Lichtdurchlässigkeit bzw. Transparenz und den damit verbundenen Gesamtkosten. Eine Übersicht diesbezüglich bietet der Beitrag "Verschattungsvorrichtungen an Gebäuden - optische und thermische Auswirkungen" von A. Raicu, H.R. Wilson und V. Wittwer aus der Reihe "Innovative Lichttechnik in der Architektur des ostbayrischen Technologietransferinstituts (OTTI)".

Zwar sind derzeit Entwicklungsaktivitäten auf dem Gebiet schaltbarer optischer Schichten bekannt, die über elektrochrome, thermochrome, thermotrope oder ähnliche Eigenschaften verfügen und in Abhängigkeit äußerer physikalischer Parameter ihre Transmissions­ eigenschaften ändern können, doch bestehen derzeit noch ungelöste Fragen und Probleme im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad, Schalthub, der Langzeitstabilität und Serienfertigung derartiger Schichten.

Bislang ist kein marktreifes, selbstregulierendes System für den Überhitzungsschutz im Fensterbereich und für thermische Komponenten bekannt, das ohne jegliche externe, gesteuerte Energiezufuhr arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung, die mittels Totalreflexion das auf die Vorrichtung ein­ fallende Licht innerhalb eines bestimmt vorgegebenen Winkelbereiches zurückreflektiert, derart weiterzu­ bilden, daß der totalreflektierende Winkelbereich ver­ größert wird und überdies in weiten Grenzen ein stellbar ist. Das auf die Vorrichtung außerhalb dieses Winkelbereiches eintreffende Licht soll die Vorrichtung nahezu ungehindert durchdringen. Die Vorrichtung soll insbesondere als Überhitzungsschutz dienen, und in selbstregulierender Weise in Abhängigkeit des Sonnen­ standes über richtungsselektive Reflexionseigen­ schaften verfügen.

Lösungen der obenangegebenen Aufgabe sind in den An­ sprüchen 1 und 14 angegeben. Die Erfindung vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Erfindungsgemäß ist eine optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion, mit einer Vielzahl parallel, nebeneinander, ange­ ordneter Lichtumlenkelemente, die eine flächige, spiegelartige Anordnung bilden, die eine Oberfläche aufweist, auf die Licht einfällt und über die das in den Lichtumlenkelementen total reflektierte Licht austritt, dadurch ausgezeichnet, daß die Lichtumlenk­ elemente jeweils aus wenigstens einem halben hohlzylinderschaligen Formkörper mit einem Zylinderinnen- und Zylinderaußenradius bestehen, der einer Hälfte eines Hohlzylinders entspricht, die durch einen Schnitt durch den Hohlzylinder in einer Ebene, die die Zylinderachse enthält, erhältlich ist und die zwei Schnittflächen aufweist, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche orientiert sind.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Verwendung sogenannter halbaufgeschnittener, hohlzylinderschaliger Formkörper, deren Konkavseiten dem Lichteinfall zugewandt sind, so daß der Lichteinfall über die offenen Schnittflächen in das Innere der Formkörper erfolgen kann, bei entsprechender Dimensionierung ideale Spiegel darstellen, die auf der Basis von Totalreflexion arbeiten. Je nach Einfallswinkel auf die entsprechenden Schnittflächen relativ zur Oberflächennormalen der Schnittflächen und der Dimensionierung der Formkörper, treten an den inneren Grenzflächen der Formkörper Totalreflexionen auf, die dazu führen, daß das über jeweils eine Schnittfläche in den Formkörper einge­ strahlte Licht verlustfrei über die gegenüber­ liegende Schnittfläche aus dem Formkörper wieder aus­ tritt. Es kann gezeigt werden, daß der Winkelbereich, innerhalb dem der Lichteinfall unter nachfolgender Totalreflexion auftritt, maximal etwa 50° beträgt, wohingegen entsprechende Apperturen bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik lediglich 10° betragen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei geeigneter Montage die direkte Sonneneinstrahlung ganzjährig ohne Nachstellung der Spiegelanordnung zu­ rückreflektiert werden.

Um die vorstehend genannten Apperturen für Total­ reflexionen zu erreichen, sind mehrere, geeignet dimensionierte halbe hohlzylinderschalige Formkörper, gleichsam dem Aufbau einer zur Hälfte aufgeschnittenen Zwiebel, ineinanderzufügen. Die auf diese Weise inein­ andergestapelten Formkörper weisen von außen nach innen abnehmende Zylinderradien auf, jedoch bleibt das Radienverhältnis zwischen Zylinderinnen- und Zylinder­ außenradius jedes einzelnen halben hohlzylinderschali­ gen Formkörpers konstant. Das Ineinanderstapeln unter­ schiedlich groß ausgestalteter Hohlzylinderschalen trägt jedoch nur bis zu einer bestimmten Anzahl von verschachtelten Schalen zu einer Reflexionssteigerung der Anordnung bei, so daß ein verbleibender innerer Be­ reich mit geeignetem, transparentem Material massiv ausgefüllt werden kann. Je nach Anwendung ist dieser innere Bereich transparent oder mit einer reflektie­ renden Schicht auszustatten. Jedoch beeinflußt der innere Flächenanteil des massiv ausgebildeten Stückes bzw. der reflektierenden Schicht den maximal erreich­ baren Schalthub, zumal in diesem Bereich keine Strahlungsselektivität durch Totalreflexion gegeben ist.

Um eine möglichst großflächige Lichtumlenkung zu er­ zielen, sind die einzelnen, ineinander verschachtelten Halbzylinderanordnungen parallel nebeneinander anzu­ ordnen, so daß die nebeneinanderliegenden Schnittflächen jedes einzelnen halben hohlzylinder­ schaligen Formkörpers dem Lichteinfall zugewandt sind.

Da die einzelnen Formkörper aus sonnenlichttranspa­ rentem Material bestehen, sind sie für einfallendes Licht, das nicht innerhalb der totalreflektierenden Appertur auf die Lichtumlenkvorrichtung auftrifft, transparent. Um die Durchblickeigenschaften durch die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung zu verbessern, ist an der, der Lichteintrittsoberfläche des Lichtum­ lenkelementes gegenüberliegenden Seite eine Negativ- Struktur vorgesehen, die die Zwischenräume zwischen den konvexen Rückseiten der Formkörper auffüllt und eine parallel zur Oberseite orientierte, plane Fläche bildet.

Für das Auftreten von Totalreflexionen innerhalb der erfindungsgemäßen Formkörper ist es wesentlich, daß die einzelnen halben hohlzylinderschaligen Formkörper gegeneinander über eine Grenzschicht beabstandet sind, die jeweils einen geringeren Brechungsindex aufweist als das Material, aus dem der Formkörper selbst besteht. Ebenso ist an der Grenzfläche zwischen der äußeren halben hohlzylinderschaligen Kontur und der sich daran anschließenden Negativbindestruktur eine entsprechende Grenzschicht vorzusehen. Eine derartige Grenzschicht ist beispielsweise durch Lufteinschluß zwischen zwei aufeinanderliegenden Formkörpern her­ stellbar oder mittels geeigneter, transparenter Klebematerialien.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen flächigen An­ ordnung der erfindungsgemäß ausgebildeten Formkörper, die beispielsweise in Art einer Folie zu einer flächigen Lichtumlenkeinheit ausgebildet werden können, kann diese insbesondere bei schrägstehenden Fenstern an die äußere Scheibe einer Doppelverglasung geklebt werden. Der thermische Kontakt zur Außenscheibe und die geringe Absorption führen innerhalb der Folie zu einem Minimum an Wärmeeintrag. Dadurch wird die flächig ausgebildete Lichtumlenkeinheit bezüglich ihrer Hitzeschutzwirkung vergleichbar mit außenstehenden Verschattungsvorrichtungen, ohne daß eine aufwendige Außenmontage notwendig wäre.

Eine auf diese Weise ausgebildete Folie kann selbstver­ ständlich in weitgehend beliebiger Form deformiert und geformt werden. So ist es beispielsweise möglich, eine derart flexibel ausgestaltete Folie zu einem Hohlzylinder zu formen, deren Innenfläche der total­ reflektierenden Oberfläche der erfindungsgemäßen Lich­ tumlenkeinheit bildet. Bringt man eine Lichtquelle in diesen, durch die Folie geformten Hohlzylinder ein, so wird das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht auf die Innenseite des Hohlzylinders weitgehend verlustfrei durch die vorbeschriebene Totalreflexion wieder in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert. Lediglich an beiden Hohlzylinderöffnungen kann das Licht von der Lichtquelle nach außen austreten. Selbstverständlich können derartige Öffnungen gezielt in die Folienanordnung eingebracht werden. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung ist es grundsätzlich möglich, Beleuchtungsreflektoren herzustellen, mit denen eine gerichtete, intensive Lichtabstrahlung von einer Licht­ quelle möglich ist.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Ausbildung des Lichtumlenkelementes unter Verwendung halber hohlzylinderschaliger Formkörper ist die weitge­ hend individuelle Anpassung des Apperturbereiches in dem Totalreflexion stattfindet. Durch geeignete Wahl von Material- und Geometriegrößen der Anordnung ist es möglich, den totalreflektierenden Bereich bis zu 50° zu vergrößern. Im einzelnen werden die Appertureinstellmöglichkeiten im Zusammenhang mit den Figuren nachstehend beschrieben.

Neben der vorstehend beschriebenen totalreflektierenden Lichtumlenkeinheit, deren totalreflektierende Appertur im wesentlichen durch Material- und Geometriegrößen der Anordnung selbst bestimmt ist, wird im folgenden eine erfindungsgemäße optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion beschrieben, die zweiflächig ausgebildete, optisch transparente Elemente aufweist, die jeweils eine komplementär zuein­ ander ausgebildete Oberfläche vorsehen, über die die Elemente in Kontakt bringbar sind. Erfindungsgemäß ist zwischen den komplementär ausgebildeten Oberflächen ein Medium eingebracht, das einen temperaturabhängigen Brechungsindex besitzt. Vorzugsweise ist das Medium ein Fluid, das in der fließfähigen Phase einen Brechungsindex aufweist, der weitgehend dem der optisch transparenten Elemente entspricht und nach Über­ schreiten seiner Siedepunktstemperatur in der Dampf- bzw. Gasphase einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex der optisch transparenten Elemente unterscheidet und vorzugsweise nahe 1 ist.

Als transparente Elemente dienen vorzugsweise steife sonnenlichttransparente Kunststoffe wie Acrylglas, Polycarbonat oder sogenannte organische Gläser, die durch übliche Produktionsverfahren im Rahmen von Extrusions- oder Spritzgußverfahren hergestellt werden können. Derartige flächig ausgebildete Elemente weisen mikrorauhe Oberflächen auf, wodurch zwei aufeinander­ liegende Platten des gleichen Materials nicht unmit­ telbar in optischen Kontakt gelangen. Aufgrund der vorhandenen Oberflächenrauhigkeit bildet sich zwischen den aufeinanderliegenden Platten ein Spalt aus, der eine Luftschicht einschließt, die eine Grenzfläche bildet und zu Reflexionen an der Materialoberfläche führt und für bestimmte Strahlen auch totalreflek­ tierend wirkt.

Wird nun in den Spalt ein Fluid gefüllt, dessen Brechungsindex <1 ist, so reduziert sich der Re­ flexionsgrad der Grenzflächen und der Grenzwinkel für Totalreflexion nimmt zu. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß dieser Effekt in Verbindung mit total­ reflektierenden Grenzflächen als optischer Schalter benutzt werden kann. Hierzu muß das Material einen temperaturabhängigen Brechungsindex aufweisen.

Vorzugsweise bestehen die optisch transparenten Flächenelemente aus einem Dielektrikum, deren Oberflächenkonturen ineinandergreifen und aufeinander liegen. Die vorstehend beschriebende Oberflächenrauhig­ keit sorgt für einen Mikrospalt zwischen den komplementär ausgebildeten Profilen. Der Spalt ist mit einem Fluid gefüllt, das unterhalb einer Schalttemperatur T_S, die weitgehend der Siedetemperatur des Fluids entspricht, einen Brechungsindes aufweist, der möglichst gut mit dem Brechungsindex des Dielektrikums übereinstimmt. Bei Überschreiten der Schalttemperatur T_S respektive des Siedepunktes verdampft die Flüssigkeit teilweise oder ganz. Der Spalt füllt sich mit Dampf, wodurch eine Volumenzunahme beim Ver­ dampfen stattfindet und den Spalt auf ein Vielfaches seiner ursprünglichen Breite vergrößert. Durch den sprunghaften Abfall des Brechungsindex beim Verdampfen und durch die Verbreiterung des Spalts geht der unmittelbare optische Kontakt beider komplementär aufeinanderliegender Profile, der im flüssigen Zustand geherrscht hat, verloren und der Reflexionsanteil an den Grenzflächen nimmt stark zu.

Im vorstehend geschilderten Fall beruht die Änderung des Reflexionsverhaltens der optisch teiltransparenten Vorrichtung hauptsächlich auf der geometrischen Beab­ standung beider Grenzflächen, wodurch sich Totalre­ flexionsverhältnisse einstellen. Es ist jedoch auch denkbar, daß in dem Zwischenraum beider aufeinander­ liegender Flächenelemente ein Fluid eingebracht ist, das bei Überschreiten einer gewissen Schalttemperatur lediglich den Brechungsindex ändert und das nicht notwendigerweise von der flüssigen in die Gasphase übergeht. Derartige Fluide bzw. Medien sind bei­ spielsweise aus der DE 44 33 090 A1 bekannt und be­ treffen thermooptische variable Polymerwerkstoffe.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exempla­ risch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Halber hohlzylinderschaliger Formkörper,

Fig. 2 flächige, folienartige Anordnung aus einer Vielzahl halber, hohlzylinderschaliger Formkörper,

Fig. 3 folienartige Anordnung aus einer Vielzahl halber, hohlzylinderschaliger Formkörper mit Negativ-Struktur,

Fig. 4a, b optisch teiltransparente Vorrichtung zweier flächig aufeinanderliegender transparenter Elemente mit temperaturabhängiger Zwischen­ schicht,

Fig. 5a, b folienartige Anordnung mit einer Vielzahl halber, hohlzylinderschaliger Formkörper mit temperaturabhängiger Zwischenschicht sowie

Fig. 6 Einzelkomponentendarstellung zur Herstellung einer Folie aus einer Vielzahl halber, hohl­ zylinderschalige Formkörper.

In der Fig. 1 ist ein Grundkörper eines halben hohlzylinderschaligen Formkörpers 1 dargestellt, der aus einem sonnenlichttransparenten Material mit einem Brechungsindex n₂ besteht. Der Formkörper 1 weist einen Zylinderaußenradius R und einen Zylinderinnenradius r auf. Über die Schnittflächen S1 und S2 trifft Licht auf dem Formkörper 1 auf und dringt in das Innere des Formkörpers 1 ein. Durch die Wahl des Materials des Formkörpers und die geometrische Ausbildung hin­ sichtlich des Radienverhältnisses v=r/R kann der Winkelbereich innerhalb dem Licht auf die Schnittflächen S1 oder S2 des Formkörpers 1 auftrifft und über Totalreflexionen innerhalb des Formkörpers zur gegenüberliegenden Schnittfläche geleitet wird, an der das Licht weitgehend verlustfrei den Formkörper wieder verläßt, eingestellt werden. Für den totalreflektierenden Winkelbereich, der durch den Winkel α_ein beschrieben wird und der zur Normalen der Schnittfläche zu messen ist, gilt folgender Formelzusammenhang:

Hierbei gilt:
n₁: Brechungsindex des Mediums, das an die gekrümmten Wände 2, 3 des Formkörpers 1 grenzt
n₂: Brechungsindex des Mediums, aus dem der Formkörper gefertigt ist
n₃: Brechungsindex des Mediums, das an die ebenen Schnittflächen S1 und S2 des Formkörpers grenzt.

Der in der Fig. 1 gezeigte Formkörper 1 zeigt wie vor­ stehend beschrieben für Lichteinfallswinkel < α_ein Total­ reflexionseigenschaften. Das Licht, das auf eine der beiden Schnittflächen S1 und S2 trifft, verläßt den Formkörper an der anderen Schnittfläche vollständig, sofern von Extinktion im Material und bei den Re­ flexionen abgesehen werden kann. Der vorstehend ge­ schilderte Formelzusammenhang gilt für Lichtstrahlen, die in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse liegen. Für Strahlen die nicht in der genannten Ebene liegen, vergrößert sich der in dieser Ebene projizierte Grenzwinkel für Totalreflexion noch weiter.

Durch entsprechende Wahl der in dem Formelzusammenhang verwendeten Brechungsindizes sowie des Radienverhält­ nisses v kann der totalreflektierende Apperturbereich individuell eingestellt werden. Maximale Appertur­ bereiche für Winkel von bis zu 50° sind realisierbar, wodurch der erfindungsgemäße Formkörper Grundlage für eine geeignete Sonnenschutzvorrichtung bietet. Um die totalreflektierenden Eigenschaften bezogen auf eine größtmögliche Fläche zu optimieren werden zum einen gemäß Fig. 2 eine Vielzahl in der Größe unter­ schiedlich ausgestalteter halber, hohlzylinderschaliger Formkörper ineinandergestapelt, gleichsam dem Aufbau einer Zwiebelschalenstruktur, und zum anderen derartig ineinandergestapelte Formkörper parallel nebeneinander angeordnet. Zur gegenseitigen Verbindung der parallel angeordneten Formkörper 1 dient eine diese miteinander verbindende Schicht 4.

Das Ineinanderstapeln entsprechend dimensionierter halber hohlzylinderschaliger Formkörper ist jedoch nur bis zu einer gewissen unteren Grenze vernünftig, so daß der innere, verbleibende offene Bereich entweder mit einem sonnenlichttransparenten Material massiv aufge­ füllt wird oder mit einer reflektierenden Schicht überzogen wird.

Um die Durchsichteigenschaften durch die in der Fig. 2 dargestellten folienhaften Anordnung zu verbessern ist gemäß Fig. 3 an der dem Lichteinfall zugewandten Oberfläche gegenüberliegenden Seite der Formkörper eine Negativ-Struktur 5 vorgesehen, durch die die ur­ sprüngliche Richtung, mit der ein Lichtstrahl auf die Oberfläche der Folie auftrifft, nach dem Durchdringen der Folienanordnung beim transmittierten Lichtstrahl wiederhergestellt wird. Dadurch ist sind weitgehend transparente Durchsichtverhältnisse zu erreichen. Eine in der Fig. 3 dargestellte Folienanordnung kann beson­ ders vorteilhaft bei schrägstehenden Fenstern an die äußere Scheibe einer Doppelverglasung geklebt werden und dient auf diese Weise als Verschattungsvorrichtung ohne aufwendige Außenmontage.

In Fig. 4a ist eine optische teiltransparente Vor­ richtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion bestehend aus zwei flächig ausgebildeten optisch transparenten Element 6 und 7 dargestellt, die über ihre komplementär zueinander ausgebildeten Oberflächen aufeinander liegen. Im Zwischenspalt zwischen beiden Elementen 6 und 7 ist ein Medium 8 mit temperaturab­ hängigen Brechungsindex eingebracht. Das in seinen Brechungsverhalten temperaturabhängige Medium weist in einem Temperaturbereich unterhalb einer Schalt­ temperatur T_S ein Brechungsverhalten auf, das dem Material der Flächenelemente 6 und 7 entspricht. Wie in Fig. 4a hervorgeht, durchdringt Licht die Flächenelementanordnung nahezu ungestört.

Überschreitet das umgebende Temperaturniveau die Schalttemperatur T_S, die beispielsweise mit der Siedepunktstemperatur des Materials übereinstimmt, so treten für das einfallende Licht an der sich bildenden Grenzfläche zwischen den beiden Flächenelementen 6 und 7 Totalreflexionen aus, wodurch das einfallende Licht wieder zurückreflektiert wird (s. hierzu die in der Zeichnung eingetragenen Pfeile in Fig. 4b).

Handelt es sich bei dem in der Zwischenschicht einge­ brachten Medium 8 um eine Flüssigkeit, die ab einer bestimmten Schalttemperatur T_S von der flüssigen in die Dampfphase übergeht, so bewirkt eine mit der Phasenumwandlung einhergehende Volumenänderung eine deutliche Beabstandung der beiden flächigen Elemente 6 und 7 voneinander, wie es in der Fig. 4b angegeben ist. Durch die Änderung im Brechungsindex und die räumliche Beabstandung wird der ursprünglich optische Kontakt unterbrochen, wodurch sich eine für die Totalreflexion erforderliche Grenzfläche bildet.

Es sind jedoch auch Medien bekannt, die ohne Phasenübergang ab einer gewissen Temperatur ihre Brechungseigenschaften ändern, wodurch ebenso eine für die Totalreflexion erforderliche Grenzschichtausbildung erfolgt.

In den Fig. 5a und 5b ist eine vorteilhafte Aus­ führungsform für eine folienartige Anordnung mit einer Vielzahl nebeneinanderangeordneter, halber, hohlzylinder­ schaliger Formkörper mit einer vorstehend beschriebenen Zwischenschicht dargestellt. Die Anordnung gemäß Fig. 5a stellt den Fall dar, für den die Anordnung weitge­ hend transparent ist, zumal die einzelnen aufeinander­ gestapelten Formkörper in unmittelbarem optischen Kontakt stehen, da zwischen den Formkörpern ein Medium eingebracht ist, das weitgehend den gleichen Brechungs­ index aufweist wie das Material der Formkörper selbst. Der in der Fig. 5a angedeutete Pfeil macht deutlich, daß bei Temperaturen unterhalb der Schalttemperatur T_S die lichttransparente Anordnung vom Licht weitgehend verlustfrei passiert wird. Erst bei Überschreiten einer Schalttemperatur T_S erfährt die Zwischenschicht eine Brechungsindexänderung, die beispielsweise zusätzlich durch eine Volumenausdehnung begleitet ist. Durch diese Zustandsänderung bildet sich zwischen zwei aufeinander­ liegenden Formkörpern eine totalreflektierende Grenzschicht aus, wodurch einfallendes Licht - wie an den Pfeilen dargestellt - durch Totalreflexion wieder zurückreflektiert wird.

Zusätzlich ist in der Ausführungsform gemäß den Fig. 5a und 5b jeweils eine reflektierende Schicht 9 im zentralen Bereich der ineinandergestapelten Formkörper aufgebracht.

Aus der Fig. 6 sind die einzelnen Komponenten darge­ stellt, mit denen ein flächenhafter, folienartiger Aufbau zur Herstellung einer Vorrichtung zur Lichtum­ lenkung hergestellt werden kann. Die drei einzelnen Schichten 10, 11 und 12 können mittels Extrusionsver­ fahren aus Profilfolien hergestellt und unter Ver­ wendung eines in die Zwischenschichten einzubringenden Mediums miteinander verschweißt werden. Überdies sind in den zentralen Bereichen eines jeden einzelnen ineinande­ rgestapelten Formkörpers reflektierende Schichten 9 aufgebracht.

Claims (20)

1. Optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion, mit einer Vielzahl parallel, nebeneinander, angeordneter Lichtumlenkelemente, die eine flächige, spiegelartige Anordnung bilden, die eine Oberfläche aufweist, auf die Licht einfällt und über die das in den Lichtum­ lenkelementen totalreflektierte Licht austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkelemente jeweils aus wenigstens einem halben hohlzylinderschaligen Formkörper mit einem Zylinderinnen- (r) und Zylinderaußenradius (R) bestehen, der einer Hälfte eines Hohlzylinders entspricht, die durch einen Schnitt durch den Hohlzylinder in einer Ebene, die die Zylinderachse enthält, erhältlich ist und die zwei Schnittflächen aufweist, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche orientiert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkelemente aus optisch transparentem Material mit einem Brechungsindex n₁ bestehen und wenigstens teilweise mit einem Medium mit einem Brechungsindex n₂ umgeben sind, wobei gilt:
n₁ < n₂

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkelemente jeweils aus mehreren halben hohlzylinderschaligen Formkörpern mit jeweils unterschiedlichen Zylinderradien bestehen, die derart konzentrisch, in­ einander gestapelt angeordnet sind, daß ein Lichtum­ lenkelement wenigstens weitgehend die Form eines halben Vollzylinders annimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende halbe hohlzylinderschalige Formkörper einen Zwischen­ spalt einschließen, der mit einem Medium mit einem Brechungsindex n₂ befüllt ist, der kleiner ist als der Brechungsindex des Materials aus dem die Formkörper bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die halben hohlzylinderschaligen Formkörper eines Lichtum­ lenkelementes jeweils über ein konstantes Radienverhältnis (v=r/R) verfügen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Schnittflächen jedes einzelnen Formkörpers eintreffende Licht in­ nerhalb der Lichtumlenkelemente totalreflektiert wird, sofern gilt:
mit
α_ein Lichteinfallswinkel auf die Schnittfläche bezogen auf die Oberflächennormale,
n₁ Brechungsindex des Mediums, das die Lichtum­ lenkelemente zumindest teilweise umgibt, insbesondere des Mediums innerhalb der Zwischenspalte zweier benachbarter Formkörper
n₂ Brechungsindex der Lichtumlenkelemente
n₃ Brechungsindex des Mediums, das an die ebenen Schnittflächen der Zylinderschalen grenzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkelemente jeweils eine zur Oberfläche orientierte Fläche auf­ weisen, die mit einer reflektierenden Schicht versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkelemente jeweils eine zur Oberfläche orientierte Fläche auf­ weisen, die zusammen mit einer Ebene, die die beiden Schnittflächen wenigstens eines halben hohlzylinderschaligen Formkörpers gemeinsam hat, einen Raumbereich einschließt, der mit optisch transparentem Material befüllt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die flächig nebeneinander angeordneten Lichtumlenkelemente an ihrer, der Oberfläche gegenüberliegenden Seite mit einer Materialschicht umgeben sind, die eine zur Oberfläche weitgehend parallel verlaufende ebene Fläche aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die flächige Anordnung von Lichtumlenkelementen aus flexiblen Material besteht und als Folie ausgebildet ist.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Sonnenschutzvorrichtung, indem die flächig ausgebildete Anordnung von Lichtumlenkelementen derart an Fensterscheiben oder an transparenten Gebäudefassaden anbringbar ist, daß das auf die Lichtumlenkelemente einfallende Sonnenlicht durch Totalreflexion zurückre­ flektiert wird.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als hochreflektierender Spiegel für eine Strahlungsquelle, die wenigstens teilweise von der flächigen Anordnung von Lichtumlenkelementen um­ schlossen ist.

13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Strahlungsquelle stammende Licht vorwiegend durch Öffnungen in der die Strahlungsquelle umschließenden flächigen Anordnung aus tritt und das auf die Lichtum­ lenkelemente treffende Licht wieder zurück in die Strahlungsquelle reflektiert wird.

14. Optisch teiltransparente Vorrichtung zur Lichtumlenkung mittels Totalreflexion, mit zwei flächig ausgebildeten, optisch transparenten Elementen, die jeweils eine komplementär zueinander ausgebildete Oberfläche aufweisen über die die Elemente in Kontakt bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den komplementär ausgebildeten Oberflächen ein Medium eingebracht ist, das einen temperaturabhängigen Brechungsindex besitzt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Fluid ist, das in der fließfähigen Phase einen Brechungsindex auf­ weist, der weitgehend dem der optisch transparenten Elemente entspricht und nach Überschreiten des Siedepunktes in der Dampf- bzw. Gasphase einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex der optisch transparenten Elemente unterscheidet und vorzugsweise nahe 1 ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Siedetemperatur beide optisch transparenten Elemente über das Medium in unmittelbaren optischen Kontakt stehen, so daß auf die Oberflächen der Elemente ein­ fallendes Licht weitgehend verlustfrei beide Elemente passieren.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach Überschreiten der Siedetemperatur das Medium eine Änderung im Brechungsindex und eine Volumenausdehnung erfährt, die zu einer Beabstandung beider optisch transparenter Elemente führt, wodurch zwei optisch wirksame Grenzflächen entstehen, an denen Licht totalreflektierbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch transparenten Elemente aus steifen, optisch transparenten Kunststoffen, bspw. Acrylglas, Polycarbonat, bestehen und eine mikrorauhe Oberfläche aufweisen, wodurch die aufeinanderliegenden Elemente nicht in einen voll­ ständigen optischen Kontakt gelangen.

19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18 als Sonnenschutzvorrichtung.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenspalt ein Medium gemäß der Ansprüche 14 bis 17 einbringbar ist.