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Die
Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Anordnung von
mindestens zwei bikonkaven Linsen.
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Optische
Systeme der eingangs genannten Art sind hinreichend bekannt und
untersucht worden. Hierbei haben sich die Überlegungen
vornehmlich auf Linsensysteme für die optische Abbildung
bzw. Bildkonstruktion fokussiert.
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Beispielsweise
offenbart ein Linsensystem mit mehreren Linsen die
DE 10 2008 041 098 A1 . Aus
dieser vorbekannten Druckschrift geht ein kompaktes Linsensystem
hervor, welches aus einer Abfolge, d. h. aus hintereinander angeordneten
Linsen besteht. Hierbei ist eine erste Linse vorgesehen, welche
ashpärische Oberflächen auf beiden Seiten und eine
konvexe Oberfläche auf der Objektseite aufweist sowie eine
zweite Linse, die von einer bikonkaven Linse gebildet wird, welche
aspärische Oberflächen auf beiden Seiten aufweist.
Es schließen sich in diesem vorbekannten Linsensystem eine
dritte und vierte Linse an, die asphärische Oberflächen
bzw. bikonkav ausgebildet sind. Dieses vorbekannte Linsensystem
mit zwei bikonkaven Linsen stellt insofern eine Weiterentwicklung
gegenüber den herkömmlichen Linsensystemen dar,
als es als kompaktes Linsensystem in kleinen optischen und elektronischen Vorrichtungen
Verwendung finden kann und somit der allgemeinen Entwicklung bspw.
auf dem Gebiet von digitalen Kameras und Videoeinheiten gerecht wird.
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Die
Weiterentwicklung von Linsensystemen der eingangs genannten Art
zur Verbesserung der Bildkonstruktionen bzw. optischen Abbildungen
lässt jedoch außer Acht, dass Linsensysteme der
eingangs genannten Art möglicherweise ein erhöhtes Potential
für die Erzeugung von Energie durch Nutzung von Sonnenenergie
darstellen. Seit geraumer Zeit werden bekanntlich vermehrte Anstrengungen unternommen,
fossile Brennträger zur Energieerzeugung durch die Nutzung
von Sonnenenergie zu ersetzen. Die Sonnenenergie kann schon heute
vielfältig genutzt werden. Die heute bekannten und größtenteils
bereits erprobten Sonnenenergieanlagen ermöglichen bspw.
sowohl eine Nutzung zur Stromerzeugung als auch zur Wärmebereitstellung.
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Hierbei
ist zu beachten, dass hinsichtlich der Sonnennutzung günstige
oder ungünstige Standorte sich nicht nur bzgl. der eintreffenden
Globalstrahlung unterscheiden, sondern auch nach dem Verhältnis zwischen
direkter und diffuser Strahlung. Große Teile der Erde weisen
zwar eine hohe jährliche Sonneneinstrahlung auf, jedoch
mit einem sehr hohen diffusen Anteil, so dass dort nur Nutzungsformen
der Sonnenenergie angewendet werden können, die auch Diffusorstrahlung,
wie bspw. Photovoltaik, ausschöpfen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches
vermehrt hohe Diffusorstrahlung in entsprechende Nutzungsformen, wie
bspw. Photovoltaik, lenken kann.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung manifestieren sich in
den Unteransprüchen.
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Gemäß der
Erfindung weist die Anordnung unmittelbar aneinander grenzende Linsen
auf.
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Die
Anordnung kann sich aus mehreren einzelnen bikonkaven Linsen zusammensetzen.
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Alternativ
kann im Rahmen der Erfindung die Grenzlinie zwischen den bikonkaven
Linsen auch virtuell, d. h. die Anordnung einstückig ausgebildet
sein.
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Kernidee
der Erfindung ist es, durch die Verbindung von einer Vielzahl von
bikonkaven Linsen direkte und diffuse Sonnenstrahlung vermehrt zu
nutzen. Theoretische Untersuchungen haben nämlich ergeben,
dass sich der Durchmesser einer bikonkaven Linse erhöht,
wenn die Krümmung lichteingangsseitig der Linse, d. h.
auf der Objektseite der Linse, gestreckt, d. h. verringert wird.
Hierdurch wird bei geeigneter Krümmung bis zu 45% mehr
Lichtenergie erzeugt, die von einer nachgeschalteten Photovoltaikzelle
genutzt werden kann. Hierzu trägt auch bei, dass die bikonkaven Linsen
des erfindungsgemäßen optischen Systems derart
angeordnet sind, dass die aus den Linsen austretenden und zerstreuten
Lichtstrahlen konstruktiv interferieren können.
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Weitere
theoretische Überlegungen haben ergeben, dass bei einer
Verbindung, d. h. einer hierdurch impliziten Angrenzung einer Vielzahl
von bikonkaven Linsen die auf der Objektseite aufgenommene Lichtleitung
optimal an der Lichtaustrittsseite der Linsen, d. h. an der Objektseite
homogen zusammenlaufen.
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Durch
das erfindungsgemäße optische System wird also
erreicht, dass das auf die bikonkaven Linsen auffallende Licht derart
zerstreut wird, dass ausgangsseitig der Linsen, d. h. auf der Bildseite
der Linse, eine erhöhte Überlagerung und Addition
der Strahlengänge gegeben ist, wobei die Lichtstrahlung durch
die Vergrößerung der gekrümmten Eingangsflächen,
die durch die Aneinanderreihung der bikonkaven Linsen resultiert,
ausgangsseitig der Linsen, d. h. auf der Objektseite perfekt und
homogen addieren, so dass bspw. eine photovoltaische Vorrichtung
gemäß der Formel E = ΦA (Phi: = Lichtstrom,
A: = eingangsseitige Fläche der bikonkaven Linse) gewonnene
Beleuchtungsstärke in eine höhere elektrische Leitung
umsetzen kann.
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Gemäß der
Erfindung können die Linsen sowohl symmetrisch als auch
asymmetrisch ausgebildet sein. Bspw. kann sich die Krümmungstiefe
der bikonkaven Linsen auf der Objektseite auf 6 mm und auf der Bildseite
auf 1 mm belaufen, um noch eine Zerstreuung der Lichtstrahlung zu
erzielen.
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Um
keine zusätzlichen Wirkungsgradverluste durch Totalreflexionen
auf der Eingangsseite, d. h. auf der Objektseite der konkaven Linse
zu erhalten, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor,
dass die Linsen lichteingangsseitig mit einer Antireflexbeschichtung
versehen ist.
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Eine
praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass die Linsen nicht
eingangsseitig, d. h. auf der Bildseite mit einem Infrarotfilter
versehen sind. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß an
der Lichtaustrittsseite, d. h. auf der Objektseite vorzugsweise
ein Interferenzsperrfilter auf die bikonkaven Linsen aufgebracht,
so dass die für den Photovoltaikeffekt störende
Wärmeeinstrahlung verhindert und Restwärme abgeleitet
wird.
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Um
die Lichtenergie in elektrische Energie umzusetzen, sieht eine weitere
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass in dem System
den Linsen eine photovoltaische Vorrichtung zugeordnet ist.
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Vorzugsweise
fällt ein Lichtstrahl in dem System schräg auf
die Linsen. Es hat sich gezeigt, dass auch bei schrägem
Einfall der Lichteinstrahlung immer noch eine optimale Streuung
erhalten wird.
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Vorteilhafterweise
manifestieren sich die Linsen geometrisch in einem Sechseck, d.
h. die bikonkaven Linsen weisen sechseckige Randflächen
auf. Diese Symmetrie bietet den Vorteil, dass keine Flächenverluste
erzielt werden, so dass die einzelnen bikonkaven Linsen räumlich
optimal angeordnet werden und ihre Wirkung entfalten können.
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Eine
praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass die bikonkaven
Linsen eine kreisförmige Randfläche, d. h. die
Gestalt eines Zylindermantels aufweisen. Damit weiteres zerstreutes
Licht konstruktiv interferieren kann, ist es zweckmäßig,
dass die mit kreisförmigen Randflächen versehenen
bikonkaven Linsen Teilbereiche der Anordnung umgrenzen, die ebenfalls
als bikonkave Linsen ausgebildet sind. Diese Linsen können
sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch ausgebildet sein.
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Um
eine größere elektrische Leistung zu erzeugen,
sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die
bikonkaven Linsen lichteingangsseitig mit photovoltaischen Materialien
versehen sind.
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Sowohl
die Antireflexbeschichtung als auch die Aufbringung der photovoltaischen
Materialien können dabei vorzugsweise nach dem Dünnschichtverfahren
erfolgen.
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Auch
sieht die Erfindung auch die Verwendung eines Systems nach einem
der Ansprüche 1 bis 18 für die Energieerzeugung
vor.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen in schematischen Darstellungen:
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1a bis 1b in
Draufsicht ein optisches System gemäß der Erfindung
sowie eine Schnittansicht des optischen Systems aus 1a entlang
der Schnittlinie 1b-1b;
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2a bis 2b in
Seitenansicht eine bikonkave Linse sowie in Draufsicht die korrespondierende
Linse in sechseckiger Form gemäß der Erfindung;
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3 in
Draufsicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems;
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4 in
Seitenansicht eine bikonkave Linse mit einer Antireflexbeschichtung
und einem Infrarotfilter gemäß der Erfindung;
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5 in
Seitenansicht das erfindungsgemäße optische System,
in dem eine photovoltaische Vorrichtung den bikonkaven Linsen zugeordnet
ist;
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6 eine
weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optischen Systems; und
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7a bis 7c in
Draufsicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optischen Systems sowie Schnittansichten des optischen Systems aus 7a entlang
der Schnittlinien 7b-7b und 7c-7c.
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Die 1a und 1b zeigen
schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen
optischen Systems 100, wobei sich die beiden Figuren durch
die geometrische Form der Linsen unterscheiden. Das in den 1a und 1b gezeigte
optische System 100 besteht aus zwei bikonkaven Linsen,
nämlich einer ersten Linse 10 und einer zweiten Linse 11.
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1b zeigt
eine Seitenansicht des optischen Systems 100, wohingegen 1a eine
Draufsicht auf das erfindungsgemäße optische System 100 zeigt.
Die Linsen 10, 11 in der in 1b gezeigten
Ausführungsform des optischen Systems 100 sind
symmetrisch um die optischen Achsen 12, 13 des
Systems 100 angeordnet. Die Linsen 10, 11 weisen
erste Seiten 16, 17, die sogenannten Objektseiten,
sowie zweite Seiten 18, 19, die sogenannten Bildseiten,
auf. Die Seiten 16, 17, 18, 19 sind
konkav ausgebildet, so dass die Linsen 10, 11 in
Gestalt von bikonkaven Linsen vorliegen. Blickt man in Richtung der
Lichtstrahlen 20, 21, so sind die Flächen
der Seiten 16, 17 nach innen gewölbt.
Auch die den Seiten 16, 17 gegenüberliegenden
Seiten 18, 19, d. h. die Seiten, aus denen die
Lichtstrahlen 22, 23 austreten und auseinanderlaufen,
weisen ebenfalls gewölbte Flächen auf. Das erfindungsgemäße
System hat den Vorteil, dass es eine Anordnung von bikonkaven Linsen 10, 11 aufweist,
die eine konstruktive Interferenz der zerstreuten Lichtstrahlen 22, 23 bewirken
können.
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Die
den Randflächen 24, 25 der Linsen 10, 11 gegenüberliegenden
Randflächen grenzen unmittelbar aneinander, so dass das
optische System 100 ein Gebilde darstellt, in dem die Linsen 10, 11 unmittelbar
aneinander grenzen.
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Theoretische
Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die in 1b gezeigten
konstruktive Ausgestaltung des optischen Systems 100 eine erhöhte
durch die Lichtstrahlen 20, 21 erzeugte Lichtenergie
im Vergleich zu Linsen, die einen räumlichen Abstand zueinander
aufweisen, durch die bikonkaven Linsen 10, 11 aufgenommen
wird.
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Diese
zusätzliche Lichtleistung kann durch die in 1a gezeigte
Ausführungsform noch gesteigert werden, indem die bikonkaven
Linsen 10, 11 die geometrische Form eines Sechseckes
aufweisen, d. h. sechseckige Randflächen aufweisen. In
der in 1a gezeigten Ausführungsform
des optischen Systems 100 verlaufen die optischen Achsen 14, 15, um
welche die in Draufsicht gezeigten bikonkaven Linsen 10, 11 symmetrisch
angeordnet sind, in Richtung der Zeichenebene. Die in 1a gezeigten
Linsen 10, 11 weisen Teilerrandflächen 28 bis 39 auf, wobei
die Teilerrandflächen 33, 39 unmittelbar
aneinander grenzen und somit eine Grenzlinie zwischen den bikonkaven
Linsen 10, 11 bilden, so dass die bikonkaven Linsen 10, 11 unmittelbar
aneinander angrenzen.
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Die 2a und 2b verdeutlichen
den Zusammenhang zwischen einer bikonkaven Linse 40, bei
der die Randfläche die Form eines Sechsecks aufweisen,
und einer herkömmlichen bikonkaven Linse 50a (2b).
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Bei
der in 2a gezeigten schematischen Darstellung
einer bikonkaven Linse 40 mit sechseckiger Randfläche
handelt es sich um eine Draufsicht, d. h. der Betrachter blickt
auf einen ersten konkaven Bereich 41 der bikonkaven Linse 40.
Die bikonkave Linse 40 weist eine Kontur von sechs Teilrandflächen 42 bis 47 auf,
die jeweils korrespondierende Randflächen 48, 49 von
einzelnen herkömmlichen bikonkaven Linsen 50a haben.
Hierzu kann man sich die aus 2a schematisch
hervorgehende und sich in einem Sechseck manifestierende bikonkave
Linse 40 aus einer Ansammlung von in 2b gezeigten
herkömmlichen bikonkaven Linsen 50a zusammengesetzt
denken, die an ihren Randbereichen 50, 51 derart
bearbeitet, bspw. geschliffen werden, dass sie zusammengesetzt die
in 2a gezeigte Form einer sechseckigen bikonkaven
Linse 40 bilden.
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Die
durch eine entsprechende Bearbeitung verloren gegangenen Bereiche 51, 52 der
herkömmlichen bikonkaven Linsen 50a, die sich
in 2a außerhalb der sechseckigen bikonkaven
Linse 40 befinden, weisen Teilflächen 52, 53, 54, 55 der
konkaven Flächen auf. Auch wenn ein wirksamer Teil der
Krümmung der bikonkaven Linse 50a durch den Wegfall der
Teilflächen 52, 53, 54, 55 verloren
geht, so überwiegt doch die optisch wirksame bikonkave
Fläche der in 2a in Form eines Sechsecks vorliegenden bikonkaven
Linse 40. Herstellungstechnisch kann die bikonkave Linse 40 aus
einem Stück produziert werden.
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Wird
nun, wie aus 3 hervorgeht, eine Vielzahl
von bikonkaven Linsen 56 bis 72, bei der jede
Einzelne die Form der in 2a gezeigten
bikonkaven Linse 40 aufweist, miteinander verbunden, führt
dies zu einer erhöhten aufgenommenen Lichtleistung, wobei
das aus den bikonkaven Linsen 56 austretende Licht perfekt
zusammenläuft. In der in 3 dargestellten
Ausführungsform des optischen Systems 100 hat
die Anordnung der bikonkaven Linsen 56 bis 72 eine
Wabenstruktur.
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Die
in 3 dargestellte Anordnung stellt also ein Gebilde
aus vielen gleich geformten sechseckigen bikonkaven Linsen 56 bis 72 dar,
die mit ihren sechseckigen Randflächen unmittelbar an sechseckigen
Randflächen anderer bikonkaver Linsen 56 bis 72 grenzen.
Beispielsweise grenzt die sechseckige bikonkave Linse 64 mit
ihren Teilrandflächen 73, 74, 75, 76, 77, 78 an
Teilrandflächen der bikonkaven Linsen 58, 59, 63, 65, 69, 70.
Bei der Darstellung in 3 handelt es sich um eine Draufsicht,
d. h. die optische Achse 79 der bikonkaven Linse 66 ragt
in die Zeichenebene hinein und der Betrachter blickt auf konkave
Bereiche der bikonkaven Linsen 56 bis 72. Bei
den Randflächen bzw. Teilrandflächen kann es sich
auch um virtuelle Flächen handeln, d. h. die in 3 dargestellte
Anordnung kann einstückig ausgebildet sein.
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Um
keine zusätzlichen Wirkungsgradverluste durch optische
Totalreflektion auf der Seite der bikonkaven Linsen, auf die das
einfallende Licht fällt, zu erhalten, sind, wie aus 4 hervorgeht,
die bikonkaven Linsen 80, 81, 82, 83 an
ihren ersten Seiten 84, 85, 86, 87,
d. h. an den lichtaufnehmenden Seiten, mit einer Mikrostrukturierung 88 versehen, damit
die auftreffende Lichtstrahlung eine Reflexminderung erfährt
und die bikonkaven Linsen 80, 81, 82, 83,
ihre volle Wirkung an ihren zweiten Seiten 89, 90, 91, 92,
d. h. an den Lichtaustrittsseiten, voll entfalten können.
Zusätzlich sind die Linsen auf ihren zweiten Seiten, d.
h. lichtausgangsseitig, mit einem Infrarotfilter 93 versehen.
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Um
die Lichtenergie 94 in elektrische Energie umsetzen zu
können, ist, wie in 5 dargestellt, in
dem optischen System 100 den bikonkaven Linsen 95, 96, 97, 98, 99 eine
photovoltaische Vorrichtung 9 zugeordnet. Die photovoltaische
Vorrichtung 9 befindet sich auf der Seite des Lichtaustritts
und ist derart angeordnet, dass die aus den bikonkaven Linsen 95, 96, 97, 98, 99 austretenden
Lichtstrahlen 8 von der photovoltaischen Vorrichtung 9 erfasst
werden. Hierzu entspricht die Länge der photovoltai schen
Vorrichtung 9 im Wesentlichen der Gesamtlänge
der unmittelbar aneinander angeordneten bikonkaven Linsen 95, 96, 97, 98, 99.
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6 zeigt,
dass die einzelnen bikonkaven Linsen 7 durch zusätzliche
kleinteilig plane oder gekrümmte Miniaturteilflächen 3, 4, 5, 6 zusammengesetzt
sind oder auf den gewölbten Bereichen der Linsen 7 aufgebracht
sind, um auf diese Weise den Wirkungsgrad der bikonkaven Linsen
weiter zu erhöhen und die Reflektionseigenschaften zu vermindern.
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Die 7a bis 7c zeigen
eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optischen Systems 100. Diese Ausführungsform zeichnet
sich dadurch aus, dass die bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 eine
kreisförmige Randfläche 114 aufweisen.
Die kreisförmigen Randflächen 114 der
bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 haben
also die Form von Zylindermänteln. Wie aus 7a hervorgeht,
die eine Draufsicht auf das optische System 100 zeigt, berühren
die Randflächen 114 der bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 sich gegenseitig,
so dass sie derart angeordnet sind, dass beispielsweise die bikonkave
Linse 105 unmittelbar an vier bikonkave Linsen 102, 104, 106, 108 grenzt. Die
bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 umgrenzen
wiederum Teilbereiche 110, 111, 112, 113 der
in 7a gezeigten Anordnung des optischen Systems 100.
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Die
Teilbereiche 110, 111, 112, 113 sind ebenfalls
als bikonkave Linsen ausgebildet. Die Teilbereiche 110, 111, 112, 113 weisen
Randflächen 115 von konkaver Form auf, die gleichzeitig
Teilrandflächen der bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104 sind.
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Wie
noch einmal aus 7b hervorgeht, die Seitenansichten
des optischen Systems 100 in 7a, d.
h. Schnittansichten des optischen Systems aus 7a entlang
der Schnittlinien 7b-7b und 7c-7c zeigen, sind die bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109,
die sich in den Teilbereichen 110, 111, 112, 113 manifestieren,
und die bikonkaven Linsen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109,
die mit den kreisförmigen Randflächen 114 versehen
sind, zueinander versetzt angeordnet.
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Die
in den 1 bis 7 gezeigten
Anordnungen von bikonkaven Linsen können sowohl aus einzelnen
bikonkaven Linsen zusammengesetzt als auch einstückig ausgebildet
sein. Im Falle einer einstückigen Ausbildung der Anordnung
von bikonkaven Linsen handelt es sich bei den Randflächen
zwischen den bikonkaven Linsen um virtuelle Randflächen,
d. h. um Randfläche, die im Rahmen eines Herstellungsprozesses
des optischen Systems nicht auftreten.
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- 3–6
- Miniaturteilfläche
- 7
- bikonkave
Linse
- 8
- austretender
Lichtstrahl
- 9
- photovoltaische
Vorrichtung
- 100
- optisches
System
- 10
- erste
Linse
- 11
- zweite
Linse
- 12–15
- optische
Achse
- 16
- erste
Seite
- 17
- erste
Seite
- 18
- zweite
Seite
- 19
- zweite
Seite
- 20
- Lichtstrahl
- 21
- Lichtstrahl
- 22
- Lichtstrahl
- 23
- Lichtstrahl
- 24
- Randfläche
- 25
- Randfläche
- 28–39
- Randfläche
- 40
- bikonkave
Linse
- 41
- konkaver
Bereich
- 42–47
- Teilrandfläche
- 48
- Randfläche
- 49
- Randfläche
- 50
- Randbereich
- 51
- Randbereich
- 52–55
- Teilbereich
- 56–72
- bikonkave
Linse
- 73–78
- Randfläche
- 79
- optische
Achse
- 80–83
- bikonkave
Linse
- 84–87
- erste
Seite
- 88
- Mikrostrukturierung
- 89–92
- zweite
Seite
- 93
- Infrarotfilter
- 94
- Lichtenergie
- 95–99
- bikonkave
Linse
- 101–109
- bikonkave
Linse
- 110
- Teilbereich
- 111
- Teilbereich
- 112
- Teilbereich
- 113
- Teilbereich
- 114
- Randfläche
- 115
- Randfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008041098
A1 [0003]