DE19728391A1 - Light guide plates - Google Patents

Light guide plates

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DE19728391A1
DE19728391A1 DE19728391A DE19728391A DE19728391A1 DE 19728391 A1 DE19728391 A1 DE 19728391A1 DE 19728391 A DE19728391 A DE 19728391A DE 19728391 A DE19728391 A DE 19728391A DE 19728391 A1 DE19728391 A1 DE 19728391A1
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Michael Dr Meier-Kaiser
Michael Dr Mueller
Helmut Haering
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Abstract

The invention relates to optical diffuser plates (1) made of transparent plastics such as polycarbonate or polymethacrylate. Several thin strips (2) made of plastic B are inserted into plates made of transparent plastic A with the proviso that A and B are incompatible and the strips (2) made of plastic B are subsequently withdrawn. The hollows that are formed in the plate (1) made of plastic A are used to deflect light.

Description

Gebiet der ErfindungField of the Invention

Die Erfindung betrifft Lichtleitplatten aus transparentem Kunststoff, die zur besseren Ausleuchtung von Räumen mittels Tageslicht dienen.The invention relates to light guide plates made of transparent plastic, which for better lighting of rooms with daylight.

Aufgabe und LösungTask and solution

Zu den ganz im Vordergrund stehenden Aufgaben der Technik gehört die Energieeinsparung bzw. die Schonung der vorhandenen Ressourcen. Die diesbezüglichen Untersuchungen haben sich neben der Einsparung fossiler Energieträger auch der Verminderung des Verbrauchs an elektrischer Energie zugewandt.Technology is one of the most important tasks in technology Saving energy or conserving existing resources. The related investigations have been next to the saving fossil fuels also reduce consumption facing electrical energy.

Ein Problem bei der Ausleuchtung von relativ tiefen Räumen mit Tageslicht besteht darin, daß besonders bei steil stehender Sonne der hintere, fensterabgewandte Bereich der Räume nicht adäquat ausgeleuchtet ist [vgl. Fig. 1]. Dieser Umstand führt dazu, daß Teile des Raums auch tagsüber schon mit Kunstlicht ausgeleuchtet werden müssen, was sowohl energetisch als auch ergonomisch von Nachteil ist. Fig. 1 stellt einen typischen Innenraum dar. Für Fig. 1 gelten die folgenden Bezugszeichen:A problem with the illumination of relatively deep rooms with daylight is that the rear, window-facing area of the rooms is not adequately illuminated, especially when the sun is steeply rising [cf. Fig. 1]. This means that parts of the room have to be illuminated with artificial light even during the day, which is disadvantageous in terms of both energy and ergonomics. ... Figure 1 shows a typical interior represents for Figure 1, the following reference numbers are:

S = Einfallendes Sonnenlicht
F = Fenster
T = Tür
H = Zone relativer Helligkeit
D = Zone relativer Dunkelheit.S = incident sunlight
F = window
T = door
H = zone of relative brightness
D = zone of relative darkness.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gesetzt, hier Abhilfe zu schaffen. Zur Lösung des Problems werden sogenannte Lichtleitelemente eingesetzt. Diese Lichtleitelemente sammeln - über einen Teil der Fensterfläche - das Tageslicht und lenken es in die Tiefe des Raums oder gegen die Decke (Fig. 2). Die Lichtleitelemente bewirken somit eine Umlenkung des von außen steil einfallenden Tageslichts in das Innere des Raums.The present invention has set itself the task of remedying this. So-called light-guiding elements are used to solve the problem. These light-guiding elements collect daylight through part of the window surface and direct it into the depth of the room or against the ceiling ( Fig. 2). The light-guiding elements thus redirect the daylight, which falls steeply from the outside, into the interior of the room.

Fig. 2 stellt den in Fig. 1 abgebildeten Raum nunmehr ausgestattet mit dem erfindungsgemäßen Lichtleitelement in einem Teil der Fensterfläche dar. Das Bezugszeichen LLP steht für die Lichtleitplatte. Die übrigen Bezugs­ zeichen entsprechen denen in Fig. 1. FIG. 2 shows the room depicted in FIG. 1 now equipped with the light-guiding element according to the invention in part of the window area. The reference symbol LLP stands for the light-guiding plate. The remaining reference characters correspond to those in Fig. 1st

Um die gewünschte Umlenkung zu erzielen, wird eine Lichtleitplatte LLP mit folgendem Aufbau vorgeschlagen (Fig. 3):
In eine - in der Regel ebene - Platte aus transparentem Kunststoff A mit dem Brechungsindex nA werden dünne Bänder, aus einem Kunststoff B mit dem Brechungsindex nB eingefügt, vorzugsweise einextrudiert, mit der Maßgabe, daß Kunststoff A nicht mit Kunststoff B verträglich ist und Kunststoff a sich von Kunststoff B trennt. Diese Trennung wird durch das Vorhandensein einer Streckgrenze beim Kunststoff B begünstigt.In order to achieve the desired deflection, a light guide plate LLP with the following structure is proposed ( Fig. 3):
In a - usually flat - plate made of transparent plastic A with the refractive index n A , thin strips of plastic B with the refractive index n B are inserted, preferably extruded, with the proviso that plastic A is not compatible with plastic B and Plastic a separates from plastic B. This separation is favored by the presence of a yield point in plastic B.

Als Kunststoff B kommen beispielsweise folgende Kunststoffe in Frage:
Fluorpolymere, wie beispielsweise thermoplastisch Fluorpolymere, wie beispielsweise das Produkt THV 500 G der Firma 3M,
Polypropylen-Typen, wie beispielsweise die Lupolen-Typen der BASF AG,
Polyethylen-Typen, wie beispielsweise die
Polyamid-Typen, wie beispielsweise die Vestamid-Typen der Hüls AG.The following plastics are suitable as plastic B:
Fluoropolymers, such as, for example, thermoplastic fluoropolymers, such as, for example, the THV 500 G product from 3M,
Polypropylene types, such as the Lupolen types from BASF AG,
Polyethylene types, such as the
Polyamide types, such as the Vestamid types from Hüls AG.

Durch beide, an sich unterschiedliche Merkmale, kann der Lichtleiteffekt erzielt werden. Die Trennfläche der Materialien bzw. der Materialübergang ist dabei dementsprechend entweder nur infolge des Unterschieds der Brechungsindices bemerkbar oder er ist - bei Bildung des Trennspalts - als spiegelnde Fläche sehr deutlich erkennbar. The light-guiding effect can be achieved by both features, which are different per se be achieved. The interface of the materials or the material transition is accordingly either only due to the difference of the Refractive index noticeable or it is - when the separation gap is formed - as reflecting surface very clearly recognizable.  

Die einextrudierten Bänder aus dem Kunststoff B lösen sich während oder nach dem Erkalten von der Platte aus dem Kunststoff A und können aus dieser Platte leicht herausgezogen werden. Dies kann manuell oder durch eine Wickelvorrichtung erfolgen.The extruded tapes from plastic B loosen during or after cooling from the plate made of plastic A and can this plate can be pulled out easily. This can be done manually or by a winding device.

Die aus Kunststoff B bestehenden Bänder können sowohl senkrecht zur Plattenoberfläche als auch in einem Winkel γ < 90° zur Plattenoberfläche angeordnet sein.The belts made of plastic B can be both perpendicular to Plate surface as well as at an angle γ <90 ° to the plate surface be arranged.

Tritt ein Lichtstrahl auf eine Lichtleitplatte LPP der beschriebenen Art, so gelten an der Grenzfläche zwischen den Kunststoffen A und dem Luftspalt die Gesetze der Totalreflexion. Der Grenzwinkel der Totalreflexion αG hängt nur von den Brechungsindices der beiden Kunststoffe ab.If a light beam strikes a light guide plate LPP of the type described, the laws of total reflection apply at the interface between the plastics A and the air gap. The critical angle of the total reflection α G depends only on the refractive indices of the two plastics.

αG = arc sin nA/nB.α G = arc sin n A / n B.

Für den Fall, daß sich der Kunststoff B vom Kunststoff A gelöst hat und damit ein Spalt zwischen den Bändern und der sie umgebenden Matrix vorliegt gilt:In the event that plastic B has detached from plastic A and thus a gap between the bands and the matrix surrounding them the following applies:

αG = arc sin nA/1.α G = arc sin n A / 1.

Ist der Winkel αE, mit dem der Lichtstrahl auf die Grenzfläche auftritt kleiner als der Grenzwinkel αG so erfolgt Totalreflexion (Fall I in Fig. 4). Der steil einfallende Lichtstrahl wird auf eine flachere Bahn oder nach oben abgelenkt. Durch Ersatz der in der DE 195 43 687.3 beschriebenen Kunststoffbänder aus dem Kunststoff B mit einem Kunststoff A unterschiedlichen Brechungsindex durch Luft erreicht man die maximal mögliche Differenz im Brechungsindex.If the angle α E with which the light beam strikes the interface is smaller than the limit angle α G , total reflection takes place (case I in FIG. 4). The steeply incident light beam is deflected onto a flatter path or upwards. By replacing the plastic strips described in DE 195 43 687.3 made of plastic B with a plastic A with a different refractive index by air, the maximum possible difference in the refractive index is achieved.

Ist der Winkel αE größer als αG (Fall II in Fig. 4), so tritt der einfallende Lichtstrahl durch die Grenzfläche hindurch. Da der bevorzugte Herstellungsmodus der Lichtleitplatten LLP die Koextrusion der Platte samt eingefügten dünnen Bändern ist, bieten sich in erster Linie koextrusionsfähige, transparente Thermoplasten an, die mit dem Kunststoff A der Platte unverträglich sind. Je größer der Brechungsindexunterschied ist, desto größer ist auch der Grenzwinkel αG und damit die Wirksamkeit des Systems. Eine ausreichende Wirksamkeit des Systems auch bei kleinen Grenzwinkeln αG kann durch Schrägstellen der Bänder aus Kunststoff (γ < 90°) erreicht werden. Durch die Schrägstellung der Bänder wird der Einfallswinkel auf die Grenzfläche αE verkleinert (Fall II in Fig. 4).If the angle α E is greater than α G (case II in FIG. 4), the incident light beam passes through the interface. Since the preferred production mode of the light guide plates LLP is the coextrusion of the plate together with the inserted thin ribbons, it is primarily possible to use co-extrusible, transparent thermoplastics which are incompatible with the plastic A of the plate. The greater the difference in refractive index, the greater the critical angle α G and thus the effectiveness of the system. Adequate effectiveness of the system even at small critical angles α G can be achieved by tilting the strips made of plastic (γ <90 °). The angle of incidence on the interface α E is reduced by the inclination of the strips (case II in FIG. 4).

Als derartige Kunststoffe A können beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA und Copolymerisate) oder Polycarbonat (PC) eingesetzt werden, als Kunststoff B kommen die vorstehend erwähnten Polymere in Frage. Es hat sich bei Versuchen zur Herstellung von Lichtleiterplatten, wie sie obenstehend beschrieben wurden, gezeigt, daß noch ein weiteres Merkmal zu unerwarteten Lichtleitereffekten führt. Es wurde gefunden, daß bei Unverträglichkeit des Kunststoffes B mit dem Kunststoff A, wenn also das dünne Band aus dem Kunststoff B keine Haftung mit der Matrix, dem Kunststoff A hat und von diesem durch einen dünnen Spalt getrennt ist, die Lichtleitungswirkung erhöht wird. Die Ablösung des Kunststoffbandes aus dem Kunststoff B von dem Matrixpolymeren A ist optisch leicht zu erkennen: Das Kunststoffband scheint eine spiegelnde Oberfläche zu besitzen. Dies ist ein Zeichen, daß der dünne Spalt entlang der Oberfläche des Bandes eine ausgeprägte Totalreflexion hervorgerufen hat. Die Brechungsindizes von Luft und dem Matrix-Kunststoff A unterscheiden sich noch viel stärker, als die von Kunststoff B und dem Matrix-Kunststoff A, entsprechend der oben angegebenen Formel, was die hohe Totalreflexion erklärt.Such plastics A can be, for example, polymethyl methacrylate (PMMA and copolymers) or polycarbonate (PC) are used as Plastic B are the polymers mentioned above. It has been found in attempts to manufacture light guide plates like this have been described above, showed that yet another feature leads to unexpected light guide effects. It was found that at Incompatibility of plastic B with plastic A, if so thin band of plastic B no adhesion with the matrix, the Has plastic A and is separated from it by a thin gap that Light guiding effect is increased. The detachment of the plastic band the plastic B of the matrix polymer A is easy to recognize optically: The plastic tape seems to have a reflective surface. This is a sign that the thin gap along the surface of the tape is one pronounced total reflection. The refractive indices of Air and the matrix plastic A differ much more than that of plastic B and the matrix plastic A, corresponding to the above given formula, which explains the high total reflection.

Es konnte bislang noch nicht festgestellt werden, ob der Spalt ursprünglich mit Luft gefüllt ist, oder mehr oder weniger luftleer ist. Anzunehmen ist, daß der Spalt sich im Laufe der Zeit durch Nachdiffusion von Luft durch den Kunststoff A hindurch mit Luft füllt, nachdem sich der Kunststoff B vom Kunststoff A gelöst hat. It has not yet been possible to determine whether the gap was originally is filled with air, or is more or less empty. It can be assumed that the gap widened over time through the diffusion of air through the Fills plastic A with air after the plastic B from the Has released plastic A.  

Die Ablösung der beiden Kunststoffe A und B voneinander wird durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten begünstigt. Sie erfolgt beim Abkühlen der Extrusionsmasse. Das Band sollte dabei bevorzugt stärker schwinden als die Matrix, d. h. Kunststoff B sollte den höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen als Kunststoff A. Bereits geringe Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ≧ 0 001% führen zum erfindungsgemäßen Effekt.The separation of the two plastics A and B from each other is done by different thermal expansion coefficients favored. she takes place when the extrusion mass cools. The tape should be there preferably shrink more than the matrix, i. H. Plastic B should have higher thermal expansion coefficients than plastic A. Already slight differences in the coefficient of thermal expansion of ≧ 0 001% lead to the effect according to the invention.

Bei Bildung des Trennspaltes zwischen den Kunststoffen A und B ist es unerheblich, ob die beiden Kunststoffe sich im Brechungsindex noch im anfangs beschriebenen Sinne unterscheiden. Der Brechungsindex von Kunststoff A kann bevorzugt höher, aber auch gleich oder niedriger sein als der von Kunststoff B. Die durch Bildung des Trennpunktes hervorgerufene Totalreflexion ist auf jeden Fall stark genug, um einen eindrucksvollen Lichtleiteffekt zu bewirken. Die Breite des Trennspalts muß größer als 1 µm sein.When the gap between the plastics A and B is formed, it is irrelevant whether the two plastics are still in the refractive index distinguish between the senses described at the beginning. The refractive index of Plastic A can preferably be higher, but also equal to or lower than that of plastic B. The one caused by the formation of the separation point Total reflection is definitely strong enough to be impressive To effect light guide. The width of the separation gap must be greater than 1 µm be.

Die Dicke der Lichtleitplatten LLP liegt im allgemeinen im Bereich 2 bis 20 mm. Die eingefügten, vorzugsweise einextrudierten Bänder aus dem Kunststoff B besitzen in der Regel eine Dicke von 0,05-0,5 mm und eine Breite von 50 bis 95% bezogen auf die Dicke der aus A bestehenden Platte. Im allgemeinen sind die Bänder aus dem Kunststoff B regelmäßig in gegenseitigen Abständen von 2 bis 40 mm in den Kunststoffplatten A angeordnet.The thickness of the light guide plates LLP is generally in the range 2 to 20 mm. The inserted, preferably extruded tapes from the Plastic B usually have a thickness of 0.05-0.5 mm and one Width of 50 to 95% based on the thickness of the panel consisting of A. In general, the bands made of plastic B are regularly in mutual distances of 2 to 40 mm in the plastic plates A arranged.

Die übrigen Abmessungen der Lichtleitplatten LLP werden zweckmäßig den Verglasungseinheiten insbesondere den Fenster- oder Türformaten angepaßt. Eine Beschränkung der Abmessungen bedingt durch die angewendete Extrusionstechnologie ist in der Regel nicht zu erwarten.The other dimensions of the light guide plates LLP are expediently the Glazing units especially the window or door formats customized. A limitation of the dimensions due to the extrusion technology used is generally not to be expected.

Die Herstellungstechnologie mittels Extrusion in einer Extrusionsanlage mittels Mehrmaterialdüse entspricht dem Stand der Technik (DE-A 43 26 232). Manufacturing technology using extrusion in an extrusion line by means of a multi-material nozzle corresponds to the state of the art (DE-A 43 26 232).  

Die erfindungsgemäßen Lichtleitplatten LLP werden anhand der Fig. 3 erläutert. Dabei bedeuten die BezugszeichenThe light guide plates LLP according to the invention are explained with reference to FIG. 3. The reference symbols mean

BezugszeichenlisteReference list

11

Lichtleitplatte LLP aus Kunststoff A
Light guide plate LLP made of plastic A

22nd

eingefügte dünne Bänder aus Kunststoff B
inserted thin strips of plastic B

33rd

Abstand zwischen den durch das Herausziehen der Kunststoffe entstandenen Hohlräume
Distance between the cavities created by pulling out the plastics

44th

Hohlräume
Cavities

Zur Halterung der erfindungsgemäßen Lichtleitplatten kann man sich an sich bekannter Halterungsprofile für Platten aus organ. Gläsern bedienen.To hold the light guide plates according to the invention can be per se known mounting profiles for panels made of organ. Use glasses.

Vorteilhafte WirkungenBeneficial effects

Die erfindungsgemäßen Lichtleitplatten können mit Erfolg zur besseren Ausleuchtung von Räumen, u. a. Werkstätten, Sälen, Kellern, Gewölben, Schächten, gegebenenfalls auch Fahrzeugen wie Schiffen u. ä. eingesetzt werden. Ihre Anwendung kann nicht nur zur Energieersparnis sondern auch zur besseren ergonometrischen Gestaltung von Arbeitsräumen beitragen.The light guide plates according to the invention can be used successfully for better Illumination of rooms, u. a. Workshops, halls, cellars, vaults, Manholes, possibly also vehicles such as ships and. Ä. used will. Your application can not only save energy but also contribute to the better ergonomic design of workspaces.

Claims (13)

1. Lichtleitplatten aus transparenten Kunststoffen dadurch gekennzeichnet, daß in die aus einem transparenten Kunststoff A mit einem Brechungsindex nA bestehenden Platten mehrere dünne Bänder aus einem Kunststoff B mit einem Brechungsindex nB eingefügt sind, mit der Maßgabe, daß Kunststoff A und Kunststoff B miteinander unverträglich sind und daß die Bänder aus dem Kunststoff B aus der Platte entfernt werden.1. light guide plates made of transparent plastics, characterized in that in the existing of a transparent plastic A with a refractive index n A several thin strips of a plastic B with a refractive index n B are inserted, with the proviso that plastic A and plastic B together are incompatible and that the strips of plastic B are removed from the plate. 2. Lichtleitplatten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kunststoff B bestehenden Bänder senkrecht zur Plattenoberfläche angeordnet sind.2. light guide plates according to claim 1, characterized, that the strips made of plastic B perpendicular to Plate surface are arranged. 3. Lichtleitplatten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kunststoff B bestehenden Bänder unter einem Winkel γ < 90° zur Plattenoberfläche angeordnet sind.3. light guide plates according to claim 1, characterized, that the strips made of plastic B under one Angle γ <90 ° to the plate surface are arranged. 4. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffe A und B aus thermoplastischem Material bestehen. 4. light guide plates according to claims 1 to 3, characterized, that the plastics A and B made of thermoplastic material consist.   5. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Verfahren der Koextrusion hergestellt sind.5. light guide plates according to claims 1 to 4, characterized, that they are made by the coextrusion process. 6. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Dicken im Bereich 2 bis 30 mm besitzen.6. light guide plates according to claims 1 to 5, characterized, that they have thicknesses in the range of 2 to 30 mm. 7. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Hohlräume eine Dicke von 0,05 bis 0,5 mm besitzen.7. light guide plates according to claims 1 to 6, characterized, that the band-shaped cavities have a thickness of 0.05 to 0.5 mm have. 8. Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Abmessungen den Formaten der bestehenden Verglasungseinheiten angepaßt sind.8. light guide plates according to claims 1 to 7, characterized, that their dimensions match the formats of existing ones Glazing units are adapted. 9. Verglasungseinheiten enthaltend Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1-8.9. glazing units containing light guide plates according to Claims 1-8. 10. Verfahren zur Herstellung der Lichtleitplatten gemäß den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Koextrusion der Lichtleitplatten die dünnen Bänder aus dem Kunststoff B aus der Matrix aus dem Kunststoff A entfernt werden. 10. Process for producing the light guide plates according to the Claims 1-7, characterized, that after co-extrusion of the light guide plates from the thin strips the plastic B removed from the matrix made of plastic A. will.   11. Lichtleitplatten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff A Polymethacrylat oder Polycarbonat ist.11. light guide plates according to one of claims 1-7, characterized, that as plastic A is polymethacrylate or polycarbonate. 12. Lichtleitplatten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff B ein mit Polycarbonat oder mit Polymethacrylat unverträglicher Kunststoff verwendet wird.12. light guide plates according to one of claims 1-7, characterized, that as plastic B with polycarbonate or with polymethacrylate incompatible plastic is used. 13. Lichtleitplatten nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff B ein thermoplastisches Fluorpolymeres, ein Polypropylen, ein Polyethylen oder ein Polyamid verwendet wird.13. light guide plates according to one of claims 1-7, characterized, that as plastic B is a thermoplastic fluoropolymer, a Polypropylene, a polyethylene or a polyamide is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0984131A1 (en) * 1998-08-31 2000-03-08 Glas Schuler GmbH &amp; Co. KG Darkening and light-deflecting system
WO2006060929A1 (en) * 2004-12-08 2006-06-15 Zweig Frederic Optical device for producing lines of light from quasi-point sources of light by means of slit-like cavities

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