DE2430797A1

DE2430797A1 - Kugelfoermiges rueckstrahlendes oder kollimationsfaehiges element fuer strassenmarkierung und aehnliche verwendungszwecke

Info

Publication number: DE2430797A1
Application number: DE19742430797
Authority: DE
Inventors: Ludwig Eigenmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-06-25
Filing date: 1974-06-24
Publication date: 1975-01-16
Also published as: NL7408573A; CH587495A5; CA1012807A; FR2234574B1; DK340374A; BE816830A; JPS5050891A; FR2234574A1; IT989428B; GB1477175A

Description

Georg Hansmann VW Aktz. ρ 24 ?o 797.9 (p.3697)

Patent- Ing β nie or 3^ September 1974

2 Hamburg 50 (Altana)
JgHuj-Ubef-Straße 21

NACHG^RLIiQHT

Anmelder; Ludwig Eigenmann

Vacallo, Kanton Tessin, Schweiz

Kugelförmiges rückstrahlendes oder kollimationsfähiges Element für Straßenmarkierung und ähnliche Verwendungszwecke

Die Erfindung betrifft im allgemeinen die Herstellungstechnik der rückstrahlenden Elemente, die besonders durch kugelförmige Elemente aus durchsichtigen Materialien gebildet sind, welche zu Oberflächen, photoreflektierenden und photodiffundierenden Verbindungen und Stoffen zugeordnet sind, die imstande sind, die optische Rückkollimationsaufgabe zu erfüllen, d.h. die Lichtstrahlen in eine zur Einfall-Richtung parallel oder wesentlich parallel verlaufende Richtung, natürlich in umgekehrten Sinn zurückzusenden.

Die Erfindung hat daher zum Gegenstand kugelförmige Elemente oder besser ausgedrückt durchsichtige und rückkollimationsfähige "Kugeln", die befähigt sind, um eine scharfe Erhöhung an der optischen Wirksamkeit und weitere wichtige Vorzüge zu schaffen.

Die Technologie der rückstrahlenden Materialien im allgemeinen und der rückkollimationsfähigen Kugeln oder Perlchen ist weitgehend bekannt.

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illp-emein und annaehernd betreiben diese rueckkollimationsfaehi^en Kugeln in Anwendung des optischen Prinzipes, wonach ein Buendel von parallel verlaufenden, auf eine ausgesetzte Kalotte der Kugel einfallenden Strahlen innerhalb derselben gebrochen werden, wobei sie zumindest mit guter Approximation an einer entgegengesetzten Stelle der kurelfoermipen Oberflaeche, d.h. auf der Achse des Strahlbuendels, sich fokussierend konvergieren. Gemaess wohlbekannten optischen Prinzipien kommt diese Fokussierung vor, wenn der Lichtbrechungsindex n_ des die Kugel zusammensetzenden Glases oder von anderem durchsichtigen Material gegenueber zum an der genannten ausgesetzten Kalotte anliegenden Medium (in der Praxis Luft ca. 1,90 und 1,95 liegt. Wird an solcher Fokussierungestelle die ausgesetzte Oberflaeche der Kugel reflektierend gemacht, zum Beispiel durch eine geeignete aus Metall bestehende Bekleidung, so werden die fokussierten Strahlen nach einem der Achse des Strahlbuendels gegenueber gleichen uns umgekehrten Winkel reflektiert und erhalten eine durch Lichtbrechung bewirkte gleiche und umgekehrte Ablenkung bei ihrem Durchgang der ausgesetzten Kalotte, wobei sie nach der Lichtquelle in eine parallel verlaufende und dem Einfallsinne umgekehrte Richtung zurueckgelenkt werden. Die nuetzliche Winkelbreite der ausgesetzten Kalotte fuer Rueckreflektionszwecke bei den angegebenen Werten von relativem Lichtbrechungsindex ist theoretisch in der Groessenordnung von ca. 74°. Eine Analyse dieser Erscheinungen

franz. Patentschrift ist in den englischen Patentschrift 1fr. 1 343 196 und/ilr. 2 086 257 desselben Anmelders dargelegt, worauf verwiesen wird, um die Prinzipien und den Gedanken der vorliegenden Erfindung besser zu verstehen.

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Die optische Wirksamkeit der genannten ruckkollimationsfähigen Mittel ist sehr niedrig. Auch in der Annahme, daß die Hinterkalotte, worauf das Strahlbündel fokussiert, eine Reflexionsleistung in der Größenordnung von 90% aufweist und geometrischen, den theoretischen Verhältnissen naheliegenden Bedingungen entspricht, kann nicht mehr als ungefähr 25% der die vordere Kalotte treffende Strahlung unter genügenden Selbstkollimations-Bedingungen zurückgelenkt werden.

Der Hauptgrund für diese niedrige'optische Leistung liegt darin, daß der Großteil der Lichtstrahlen an der Zwischenflasche zwischen · der vorderen Kalotte und dem daran anliegenden Mittel reflektiert statt gebrochen werden. Ein äußerst wichtiger Parameter ist durch die Durchsichtigkeit ("T") das.die Kugel oder das Perlchen zusammensetzenden Materials dargestellt, welche Durchsichtigkeit nach dem Ausdruck

T= übertragenes Licht Einfall-Licht ·

verstanden wird.

Der Wert dieser Durchsichtigkeit ist in erster Approximation dem relativen Lichtbrechungsindex zwischen den beiden an der betrachteten Zwischenfläche umgekehrt proportional.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, als durchsichtiges kugelförmiges Element ein Element zu verwenden, dessen Lichtbrechungsindex an seiner Oberfläche relativ niedrig ist, um den Durchsichtigkeitswert zu erhöhen, und an seinem Innenteil relativ hoch ist, um eine geeignete Konvergenz zu haben und die gewünschte Fokussierung zu versichern, d.h. unter Bildung des kugelförmigen Körpers mit einer nichthomogenen Struktur

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aus konzentrischen Schichten, die einzeln einen verschiedenen Lichtbrechungsindex aufweisen, jedoch einen relativ kleinen Unterschied voneinander haben.

Überraschungsweise hat diese Nichthomogenität zu einer unerwarteten Erhöhung an der optischen Wirksamkeit bis zur Größenordnung von ca.75% und mehr geführt.

Es ist festgestellt worden, daß die optimale Leistung durch eine durchsichtige, in der Luft eingetauchten Kugel (n_Q = 1), wenn der Kern dieser Kugel mit Radius R =' 1 R (R = Radius der Gesaratkugel) einen Lichtbre-

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chungsindex n„ der Größenordnung von ca. 1,35 aufweist und dieser Liehtbrechungsindex mit negativer Progression bis auf 1 an der Oberfläche herabsteigt, wobei der Verlauf dieser Abmessung durch eine Kurve ausgedruckt werden kann, deren Endtangente (an der Oberfläche) einen Winkel von ca. 80 ' mit der η = 1 entsprechenden Abszisse aufweist.

Eine derartige durchsichtige Kugel mit Liehtbrechungsindex, der kontinuierlich an deren Äußenteil abnimmt von R zwischen 0,5 und 1 R

könnte eine optische Leistung der Größenordnung von 85 - 90% aufweisen.

In der Praxis lassen sich erhöhte Vorteile optischer Wirksamkeit erreichen, indem man die durchsichtigen Kugeln aus konzentrischen Schichten und mit derartigen Viandstärke and Lichtbrechungsinäizes verwirklicht, daß es zugelassen wird, auf den Verlauf dieser Kurve stufenweise zu folgen. Es ist offensichtlich, daß um so genauer die Wiedergabe des Verlaufes der theoretischen Kurve ist desto mehr erhöht die Anzahl der verschiedenen, den Kern umgebenden Lichtbrechungsindizes ist und daher die optische

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des Systems.

-.-urcli eine swecl-uaessige *'.;ahl der Teilstrahlen der konzentrischen Schichten und der betreffenden LichtbrechungsIndizes kann man die erfindungsgeciaessen kugelfoeruigen rueckkollimationsfaehigen Elemente erreichen, bei denen axe guenstige Situation vorliegt, eine riciitige ßueckkolliniation aller¹ auf eine an der Grenze der i'iitte der durcnsichtigen Kugel ausgesetzte, ausgedehnte Kalotte einfallenden Strahlen zu erhalten· Es wird nun die Erfindung an Hand der beigefuegten Zeichnungen naeher erlaeutert, Bs zeigen:

- Fig. 2 schematisch in kleiner Skala, jedoch iait genuegender Apx;roximation die Erscheinung der Lichtfokussierung in irgendeiner diametralen Ebene einer Kugel aus Glas mit einem Lichtbrechungsindex von 1' ,■ 92. J-

- Fig. 2 und 3 in. gleicher Ifeise die gleiche Erscheinung bei zwei - aus - zwei Bestandteilen hergestellten Kugeln uit verschiedene Lichtbrecliimgsindizes aufweisendem Kern oder Aussenschicht;

- Fig. k in gleicherweise die Erscheinung bei einer erfindungsgeraaess verbesserten aus drei Bestandteilen hergestellten Kugel;

- Fig, 5 fragKientarisch in grosser Skala und mit verbesserter graphischer Genauigkeit die Fokussierung der die in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemaess verbesserten aus zwei Bestandteilen hergestellten Kugel treffenden Strahlen;

- Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der optimalen Veraenderung

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des Li chtbreciiungs index und vou dessen ¥erten vom Kern auf die Oberflaeche einer Kugel, mit kontinuierlich' variablem Lichtbreclmngs index als Funktion des Strahls an deren dem Kern gegenueber aeusseren Teil, und

- Fig. ist eine graphische Darstellung, die mit einer willkuerlxchen Skala und in rein andeutungsweisen Form die Entwicklungen der optischen Wirksamkeiten als !Funktion des Lichtbrechungsindex einer aus einem bestandteil hergestellten Kugel bzw. von erfxndungsgemaess verbesserten aus mehreren Bestandteilen hergestellten Kugeln wiedergibt.

Die Voraussetzungen fuer die vorliegende Erfindung lassen sich aus der in Fig. 1 wie der gegebenen graphischen Dar stellung erkennen, axe den Schmitt eines jeglichen maximalen Kreises darstellt und daher die Achse A-A einer Kugel 10 aus einem Glas liiit n-Q - 1,92 enthaelt, d.h.« aus einem durchsichtigen Material, das die besten Ergebnisse gewaehrleisten duerfte in Anwendung der gegenwaertigen technischen Kenntnisse. Aus dieser graphischen Darstellung laesst sich ersehen, dass nur eine kleine Gruppe von Strahlen 12, die eine ICaIotte mit Durchmesser in der Groessenordnung von 1:3 ties Durchmessers der Kugel treffen, an der der Oberflaeche der Kugel entgegengesetzten Stelle 14 richtig fekossiert wird. Die auf eine breitere Kalotte mit Durchmesser in der Groessenordnung von 1:2 einfallenden Strahlen koennen als unter genuegenden Bedingungen fekussiert

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- ι/ 2 4 3 Q 7 2ί7

betrachtet -werdeii", IJiIi zu einer apijroximierten Jlueckkollimation zu fuehren· · . ■■

Die axe lcu/jeiföerniige '4one' aasserhalb der letstgenannten Kalotte 16 treibenden Strahlen (auch unter Vcrnachlaessigung des hohen Prozentsatzes der .Reflexion nach Aussen an der Zwischenflaeche Kugel-Luft) ' erfahren derartige Ablenkungen, dass deren Benutzung fuer iiueckl-ollinationszwecke verhindern. Biese negativen Pastoren sind wohl bekannt und die gegenwaertige Technik haelt dafuer, dass eine optische Wirksamkeit in der Groessenordnung von ca· 25/o o.ie maximal erreichbare Wirksamkeit darstellt«

Betrachte l.ian nun eine Iionipoundlcegel der in Fig· 2 dargestellten Gattung (in den Fig. 2 bis 4 ist der liern der Xoinpoundkugeln aus Ilouogenitaetsgruent.en axt gleichem iiurcbxiesser dargestellt Avorden i/ie der Durchmesser der herkoei.u.iliehen, in Fig. 1 dargestellten homogenen Kugel 10). Diese Koupoundkugel vuiifasst einen Korn kO und eine Aussensehicht 22; die diametralen Verliaeltnisse dieser üestandteile sind in der Groessenordnung Λ^οη ca. 2:3· In dargestellten Beispiel weist der Kern einen Lichtbrechungsindex von 1,595 und die Aussenschicht einen Lichtbr echungsindex von 1,52 auf. h±e Kugel kann daher aus einer Ausseixseliicht aus handelsuebIiehern "Fensterglas" und aus einem Kern aus Glas ordentlicher Zusammensetzung und mit durchschnittlichem Lichtbr echungs index hergestellt v/erden. Ilan erhaelt

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eine einwandfreie Fokussierung bei allen auf eine Kalotte mit un 5s9 iiroesserea DurchMessei" als der i.)urchi.iesi;er aer Kegel einfallenden Strahlen mit Fokalpunkt bei P ausserlialb derselben, iveiche Fokussierung fuer ilueckkollimationszwecke bei allen dargesteiltenj auf eine Kalotte ;.:it IftircUnsesser in der Groessenordnung von 9s 10 des der Kugel (cl.h. die mehr als δΟ/ο aller theoretisch verfuegbaren. Cberflaeche treffen) einfallenden Strahlen benutzbar ist. Die axe Kugel unter Einfallwinkeln von 60° und iaehr treffenden Strahlen koennen in der Praxis vernachlaessi_;jt werden, weil sie fast vollkommen reflektiert sind und daher nach aussen hin zerstreut werden«, Lie in Fig· 3 dargestellte Kugel (mit groesserei.i Poia-i:¹ in Pi^. 5) ist vermutlich aus einem Kern 30 r.d.t Lichtbrechungsindex von 1,62 und aus einer Aussenschicht 32 mit Lichtbrecliungsindex von 1 _f ^£"i-7 herfjesteilt. Ilan beobachtet den einwandfreien Verlauf der ί ebrochenen Stralilcn mit Ausnahme von den in !'ig. 5 gezeigten aeussersten Strahl, welcher Strahl die Kugel unter einem in der Ncielie von 90° Brechungswinkel trifft. In diesem Fall kann der Kern aus Glas gefertigt wercen und die Aussenschicht aus Glas mit niedrigem Licht—brechungsindex oder aus einer geeigneten «-usanimensetzung aus transparentem Harz, wie zuui .Beispiel aus einem terephtalischen Urethanpolyester, eirseu Urethanpol^Tiier und aus einer weiteren polymerisiert en Verbindung besteheix.

Jie Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Ko, .pouiidkugel, umfassend

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einen Kern 4ö, eine Zwischenschicht 42 und eine Aus a ens chi cht 44, wobei cie Verhaeltnisse zwischen den rospelctiven Lairchnesser in der Groessenordnung von 1, 1,3 und 1,6 sind. In diesem "Fall kann der Kern aus eixieni Glas mit Lichtbrechungsindex in der Ciroesseiiordnung von 2,08, die Zwischenschicht aus einem Glas oder aus einem Harz mit Lichtbrechungsindex in der Groessenordnung von 1,7² und die Aussenschicht aus einem durchsichtigen Material mit Lichtbrechungsindex in der Groessenordnung von 1»53» d.h. aus liandelsueblichem Fensterglas oder aus einem Polyesterharz usw· bestehen. Eine Kompoundkugel dieser Gattung gestattet eine einwandfreie Fokussierung aller parallel oder praktisch parallel verlaufenden Strahlen, die sie treffen koennen und nicht reflektiert werden; d.h.« die gebrochen werden und daher sind sie fuer Rueckkollimat ions zwecke benutzbar. Wenn man eine Kurve des Lichtbrechungsindex dieser Kompoundkugeln als Funktion des Radius oder genauer gesagt der Entfernung von deren Mittelpunkt bei einheitlichem Radius zieht, dann wuerde sieh daraus eine einstufige oder zweistufige Kurve ergeben, wobei die Stufe oder die Stufen in der Portion des um 0,5 R groesseren Innenradius eingeschlossen sind. Die optimale Kurve waere die in Fig. 6 dargestellte* Eine durchsichtige, den aurch solche Kurve definierten Param etern entsprechende Kurve wuerde eine optimale optische Wirksamkeit, auch in der Groessenordnung von 9Of₀ aufweisen. Diese optimale Kugel soll an deren Innenteil

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"bis zum Radius 0,5 R eine homogene Zusammensetzung- von η = 1,35 s-ufweisen, wobei dieser Lichtbrechungsindex mit progressiver negativer Erhoehuneabnimmt bis zur Erreichung; der Einheit an der Oberflaeche, indem die Kurve ,iedoch eine Endtangente aufweisen soll, die mit der Abszisse einen Winkel von ca. 80° bilden muss. Demsremaess duerfte die "Stufe" oder die "Stufen" einer nichthomogenen Kompoundkugel der Bauart nach den angefuehrten Beispielen selbstverstaendlich annaebernd als Stellung- und Einheit moeglicnst dem Verlauf des Hechtsteils dieser Kurve entsprechen. Der grosse Vorteil der optischen Wirksamkeit der erfindungsgemaessen rueckkollimationsfaehigen Kopound-Elemente laesst sich aus den in Pig. 7 dargestellten Kurven I bis IV ersehen. Diese Kurven stellen die optische Wirksamkeit von homogenen durchsichtigen aus zwei Bestandteilen (Kurve II) bzw. aus drei Bestandteilen (Kurve III) bzw. aus vier Bestandteilen hergestellten Kugeln (Kurve IV) als Punktion des Lichtbrechungsindex der homogenen Kugel bzw. des Kernes der Kompoundkugeln dar. Die Kurve I entspricht selbstverstaendlich der bekannten Technik und man hat vereinbar die maximale Wirksamkeit bei ru = 1,92. Oberhalb dieses Wertes steigt die Kurve schnell herab, waehrend unterhalb des genannten Wertes die Wirksamkeit schnell herabsteigt und sich sehr niedrig haelt. Umgekehrt hat man mit einem aus zwei Bestandteilen hergestellten Element (Fig. 2 oder Pig. 3 und 5) mit Kern von rc = ca. -J,67 eine Wirksamkeit, die fuenffach groesser ist als die einer homogenen Kugel mit gleichem Lichtbrechungsindex. Unter Verwendung einer Struktur aus drei Bestandteilen mit Kern, bestehend aus handelsüblichem Fensterglasί Polyesterharz usw.

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NAc:-:i ξγ.:.:·'ϊ

erhöht sich die Wirksamkeit um mehr als zwölffach gegenüber der durch eine homogene Kugel der gleichen Zusammensetzung erreichbaren Wirksamkeit

Durch Ausführung einer aus vier Bestandteilen hergestellten Kompound-Kugel sind Vergleiche nicht mehr möglich, v/eil dadurch eine sehr erhöhte Wirksamkeit mit einem Kern von n_n - ca. 1,35 (die Wirksamkeit einer homogenen Kugel -.mit derartigem Lichtbrechungsindex wäre praktisch nichtig) gegeben würde,

Die Wirksamkeit einer aus drei Bestandteilen hergestellten Kugel wäre mehr als zweifach als die der besten bisher bekannten homogenen Kugel mit n_D = 1 ,92. ■"■"'."

Natürlich trägt man mit dem Ausdruck "Wirksamkeit" (mit E auf der
Ordinate der in-.Fig. J wiedergegebenen graphischen Darstellung) allen Faktoren Rechnung, die Einfluß haben auf das Verhältnis zwischen
richtig rückkollimatiertem Einfall-Licht, d.h. sowohl Dissipationen
durch Reflexion nach außen (solche nehmen bei Abnahme von η an der
Oberfläche, besser gesagt an der Zwischenfläche Kugel-Luft ab) als
auch Richtigkeit der Fokussierung, u.z. der Ruckkollimationsfähigkeit der Lichtstrahlen»

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Claims

ΡΠΕΙ T A Ti S P R USC Hf?

1. Rueckstrah 1 ende oder rueckkollimationsfaehi^e Ku.eel, die imstande ist, wesentlich parallel verlaufende, auf eine ausgesetzte Kalotte der Kugel oder Elemente, an einer in der Achse des Strahlhuendelf= enthaltenen Stelle und der der fenannten Kalotte er-tfepenpesetzten Oberflaeche der Kusel selbst naechstIielende, einfallende Lichtstrahlen zu fokussieren,

rekennzeichnet durch die Herstellung- der e-enanrten TCu^eI oder des ernannten Elementes aus durchsichtigen Materialien, deren Licht^rechunfsinder ar den an deren bzw. dessen Oberflaeche anliefernden Schichten niedriger als der an den innerlLebenden Schichten ist.

2. Kufrel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens aus zwei konzentrischen Bestandteilen (20,22; 30,32; 40,42,44) besteht, deren Lichtbrechunp-sindex an den dem MittelDunkt der Kuerel oder des Elementes naechstlieirenden b^w. davon meistentfernten Stellen srroesser bzw. kleiner ist.

3· Kufrel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dap Innenteil

oder Kernteil f20, 30 oder 40) einen Radius aufweist, der nicht kleiner ist als die Haelfte des Gesamtradius der Kugel.

4. Kuffel nach Anspruch 2 und 3» dadurch frekennzeichnet, dass sie aus . zwei konzentrischen Bestandteilen (20,22; ?O,32) besteht, die den Kern bzw. die Aussenschicht der Kue-el materia lisieren, deren Licht brechunfrsindex froesser bzw. kleiner ist.

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5. Kußrel nach Anspruechen 2 und 3j dadurch gekennzeichnet, dass sie aus drei konzentrischen Bestandteilen (40,42,44) besteht, die den Kern bzw. eine Zwischenschicht uns eine 'lussenschicht der Kugel oder des Elementes materialisieren, deren Lichtbrechungsindex groesser bzw. durchschnittlich und kleiner ist.

6. Kugel nach einem oder mehreren der Aneprueohe 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Aussenschicht umfasst, deren Lichtbrechungsindex nicht groesser als 1,6 ist.

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7.. Kugel nach einem oder mehreren der Ansprueche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Aussenschicht umfasst, die aus einem durchsichtigen Polymerstoff besteht.

δ. Kugel nach einem oder mehreren der Ansprueche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch mehrere konzentrische Bestandteile gebildet ist, deren Innenteil den hoechsten Lichtbrechungeinder aufweist und den Innenteil mit mindestens die Haelfte des Gesamtradius der Kugel betragendem-Radius einnimmt, waehrend der oder die konzentrischen Bestandteile, die vom Mittelpunkt der Kugel oder des Elementes progressiv weiter entfernt liegen, einen kleineren Lichtbrechungeindex aufweisen, wobei der Gradient zwischen den verschiedenen, durch vom Mittelpunkt verschieden entfernte Teile aufgewiesenen Lichtbrechungsindizes eine stufenartige Kurve definieren, die annaehernd den Verlauf einer optimalen Kurve wiedergibt, die einen Anteil konstanten Wertes bis zu einem vom Mittelpunkt der Haelfte des Gesamtradius ungefaehr entsprechenden Abstand umfasst und daher eine derartige Verminderung, dass der

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Wert des Lichtbrechungsindex des an der Kugel anliegenden Mittels erreicht wird, wobei die genannte Kurve an deren minimalen, mit der Oberflaeche der Kugel oder des Elementes zusammenfallenden Wertstelle einen Winkel in der Groessenordnung von öO° gegenueber der Koordinate bildet, deren Skala den genannten Abstand vom Mittelpunkt darstellt.

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