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Walter Ries, 6990 Bad Mergentheim
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Dr. Gerhard Meier, 7809 Denzlingen Temperaturabhängiger Lichtreflektor,
insbesondere zur Glatteiswarnung im Straßenverkehr Die Erfindung betrifft einen
temperaturabhängigen Lichtreflektor, insbesondere für Straßenleitpfähle und Hinweisschilder
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Lichtreflektor ändert die Intensität
oder die Farbe des von der Anordnung reflektierten Lichts in Abhängigkeit von der
Temperatur.
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Durch die Europäische Patentanmeldung 80103061.0, Veröffentlichungsnummer
22 917rist ein Straßenleitpfahl zum Tragen eines oder mehrerer Reflektoren bekanntgeworden,
wodurch der Gedanke offenbart ist, die Reflektoren aus einem Material zu wählen,
das in Abhängigkeit von der Außentemperatur wenigstens zwei verschiedene Färbungen
aufweist.
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Auf diese Weise soll das von den Reflektoren reflektierte Licht (z.B.
von Autoscheinwerfern) bei einer glatteisgefährlichen Außentemperatur deutlich von
dem bei höheren Temperaturen unterscheidbar sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehenden Gedanken
temperaturabhängiger Lichtreflektoren ,insbesondere zur Glatteiswarnung im Straßenverkehrwauf
der Basis von Flüssigkristallen zu realisieren, die die Eigenschaft besitzen, daß
ihr optisches Verhalten je nach Material stark temperaturabhängig ist und sich insbesondere
am Klärpunkt sprunghaft ändert. Die Erfindung soll daher einen einfachen und wirtschaftlich
praktikablen Weg aufzeigen, der mittels Flüssigkristallen zu einem auch als Massenartikel
leicht herstellbaren temperaturabhängigen Lichtreflektor führt,
welcher
bei einer bestimmten Temperatur eine Änderung der Farbe und/oder der Intensität
des von den Reflektoren reflektierten Lichtes herbeiführt. . Der Lichtreflektor
soll damit wenigstens zwei verschiedene Zustände annehmen können. Es soll aber auch
die Möglichkeit bestehen, daß der Lichtreflektor mehr als zwei Zustände, insbesondere
drei Zustände annehmen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführunon und/oder Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Merkmalen der Unteransprüche und/oder der nachfolgenden Beschreibung.
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Die optische Flüssigkristall-Zelle wurde bereits 1911 von C. Mauguin
beschrieben (Bull. Soc. franc. Miner. Vol. 34, P. 71,1911). Sie besteht aus zwei
transparenten Platten zwischen denen sich eine Flüssigkristallschicht derart befindet,
daß der Flüssigkristall in Bezug auf die Schichtebene eine schraubenförmige Struktur
(-z.B. Drehung um 900) besitzt. Eine solche Verdrillung wird durch geeignete Vorbehandlung
der Plattenoberflächen erreicht. Der Flüssigkristall besteht beispielsweise aus
einer nematischen Phase, die bei Erwärmung über eine bestimmte Temperatur T c in
eine normale (isotrope) flüssige Phase übergeht.
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Nematische Flüssigkristalle besitzen eine parallele Struktur, d.h.
ihre Moleküle stellen sich im unbeeinflußten Zustand parallel zu einer Vorzugsrichtung.
Die Verdrillung in der Zelle stellt sich dadurch ein, daß die Moleküle die an der
Plattenoberfläche vorgegebene Vorzugsorientierung parallel zur Oberfläche annehmen.
Der Flüssigkristall kann aber auch vom cholesterinischen Typ sein, der eine natürliche
Verdrillung aufweist. Es sind auch schon elektrisch schaltbare Flüssigkristallzellen
bekannt, die z.B. bei der Anzeige von 7 i ffe rn in elektronischen Urn verwendet
werden. Derartige elektrisch schaltbare Flüstigkristalle
spielen
hier keine Rollen, da die Anzeige der Temperaturänderung ohne jede Hilfsenergie
vonstatten gehen soll.
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Fällt nun polarisiertes Licht auf eine optische Zelle nach Mauguin,
so folgt der Polarisationsvektor des Lichts der Schraubenstruktur, so daß das Licht
hinsichtlich der Polarisationsrichtung um einen bestimmten Winkel (z.B.
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90°) gedreht austritt. Dies gilt jedoch nur, solange sich die Zelle
auf einer Temperatur unterhalb der Klärtemperatur T c des Flüssigkristalls befindet.
Oberhalb der Klärtemperatur Tc befindet sich die Flüssigkristall-Zelle im isotropen
Zustand, und der Polarisationszustand des durchgehenden Lichts bleibt unverändert.
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Durch Kombination einer solchen optischen Zelle nach Mauguin mit polarisierenden
und reflektierenden Elementen, gegebenenfalls auch unter Einschaltung von doppelbrechenden
Elementen lassen sich erfindungsgemäß Reflektoren aufbauen, die ihre Reflexionseigenschaften
(Farbe, Intensität) bei einer bestimmten Kl ärtemperatur Tc sprunghaft ändern, also
zwei verschiedene Zustände annehmen können. Durch Hintereinanderschalten von zwei
Mauguin-Zellen oder durch die Kombination eines temperaturabhängigen optischen Filters
(z.B. Sol-Gel-Filter oder Dispersionsfilter) mit einer Mauguin-Zelle läßt sich auch
ein erfindungsgemäßer Lichtreflektor aufbauen, der temperaturabhängig drei verschiedene
Zustände annehmen kann, was zur Glatteiswarnung im Straßenverkehr besonders vorteilhaft
sein kann.
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Die Erfindung wird nachstehend für Ausführunqsbeispielt beschrieben,
die in einer Zeichnung schematisch dargestellt sind.
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Hierin zeigt
Figur 1 einen Querschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Reflektor mit Intensitätsumschaltung bei der Klärtemperatur T
c für zwei verschiedene Zustände; Figur 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Reflektor mit Farbumschaltung bei der Vlärtempe,atur Tc, ebenfalls für zk/ei verschiedene
Zustände; Figur 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reflektor ähnlich
dem nach Fig. 1 für drei verschiedene Zustände; Figur 4 einen Querschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Reflektor ähnlich dem nach Fig. 2 für drei verschiedene
Zustände; und Figur 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Reflektor für drei verschiedene
Zustände.
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Fig. 1 zeigt eine Kombination der Mauguin-Zelle mit zwei Polarisatoren
1, 3 (z.B. Polarisationsfolien) und einem reflektivem Element 4 (z..B. Retroreflektor).
Das (z.B.
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von einem Autoscheinwerfer) ausgesandte Licht wird zunächst durch
einen Polarisator 1 linear polarisiert. Beim Durchgang durch die Mauguin-Zelle 2
bleibt die Polarisationsebene des Lichts je nach Temperatur T entweder unverändert
(T 7 Tc) oder sie wird um 900 gedreht (T 4 Tc). Ein zweiter Polarisator 3, dessen
Polarisationsrichtung senkrecht zu der des ersten steht, absorbiert das unveränderte
Licht, während er das um 900 gedrehte Licht passieren läßt. Das durchgehende Licht
trifft auf das reflektierende Element 4, wird dort reflektiert, durchsetzt die Polarisator-Zellen-Kombination
ein zweites Mal und tritt in Richtung auf die
Lichtquelle wieder
aus. Diese Reflektoranordnung reflektiert also Licht, wenn die Temperatur unter
der Klärtemperatur Tc liegt, während bei Temperaturen oberhalb Tc kein Licht reflektiert
wird. In den Strahlengang der Schichtenkombination nach Fig. 1 kann an irgendeiner
geeigneten Stelle ein Farbfilter eingeschaltet sein. Auch kann der Reflektor 4 besonders
eingefärbt sein, um ein farbiges Licht zu reflektieren.
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Fig. 2 unterscheidet sich von der soeben beschriebenen Anordnung durch
ein zusätzliches doppel brechendes Element-5, das sich entweder vor oder - wie dargestellt
- hinter der Mauguin-Zelle befindet. Das Element 5 wird im allgemeinen eine doppelbrechende
Platte oder Folie sein, die so orientiert ist, daß die optische Achse mit der Vertikalen
einen Winkel von 450 bildet. Dieses Element wirkt als optischesVerzögerungselement,
indem das Licht in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen aufgespalten
wird, die wegen der Doppelbrechung des Elementes unterschiedliche Verzögerungen
erleiden. Im Polarisator 3 werden diese Teilstrahlen wieder zusammengesetzt. Da
die optische Weglängendifferenz der beiden Strahlen stark von der Wellenlänge des
Lichts abhängt, ist das aus dem Polarisator 3 austretende und auf das reflektierende
Element 4 treffende Licht farbig. Die Farbe kann durch die Dicke und Doppelbrechung
des Elements 5 gewählt werden. Die durchgelassene Farbe für Temperaturen T7 Tc ist
komplementär zur Farbe für T ( Etc. Nach der Reflektion am Element 4 durchsetzt
das Licht die Anordnung ein zweites Mal und tritt in Richtung auf die Lichtquelle
wieder aus. Diese Refl ektoranordnung reflektiert also das Licht in verschiedenen
Farben, je nachdem, ob die Temperatur ober-oder unterhalb T c liegt. Das entweder
vor oder hinter der Flüssigkristallschicht liegende, doppelbrechende Element 5 kann
zusammen mit dem ihm benachbart liegenden Polarisator 1 bzw. 3 durch ein an sich
bekanntes pleochroitisch selektiv
absorbierendes Element (selektiver
Polarisator) ersetzt sein.
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Der erfindungsgemäße Lichtreflektor eignet sich z.B. vorzüglich zur
Glatteiswarnung im Straßenverkehr. So kann z.B.
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ein Träger mit einem oder mehreren der erfindungsgemäßen Lichtreflektoren
versehen sein. Zur Giatteiswarnung, vor allem in der Dunkelheit ist es vorteilhaft
das reflektierende Element 4 als Retroreflektor auszubilden, so daß das auftreffende
Licht eines Autoscheinwerfers wieder mit hoher Intensität in dieselbe Richtung zurückreflektiert
wird Der Träger kann z.B. ein St-raßenleitpfahl sein. Hierbei kann ein erfindungsgemäßer
Reflektor zusätzlich zu dem herkömmlichen Reflektor bzw. Reflektoren auch in unmittelbarer
Boden
nähe angeordnet sind. . Der Träger kann aber auch z.B.
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ein relativ kurzer gummi elastischer Lappen sein, der zur
Markierung
von Straßenleitlinien in einer Vielzahl in kurzen Abständen entlang Straßenleitlinien
unmittelbar auf der Fahrbahn angeordnet ist und der damit in unmittelbarer Bodennähe
wenigstens einen erfindungsgemäßen Lichtreflektor trägt.
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Solche gummielastischen Lappen sind als Träger für herkömmliche Katzenaugen
bekannt und können von einem Fahrzeug, ohne dieses zu beschädigen, überfahren werden.
Der Träger kann aber auch z.B. ein halbschalenförmiges oder halbkugelförmiges Bauteil
sein, das mit der Fahrbahn fest verbunden ist und sich nur wenig über die Fahrbahnebene
erhebt, so daß es von einem Fahrzeug ohne Beschädigung überfahren werden kann. Auf
einer dem Verkehrsteilnehmer zugewandten freien Sichtfläche des halbschalenförmigen
Trägers befindet sich wenigstens ein erfindungsgemäßer Lichtreflektor. Es ist klar,
daß die Erfindung nicht auf die Anbringung an bestimmten Trägern beschränkt ist.
Sofern der erfindungsgemäße Reflektor zur Glatteiswarnung nicht in unmittelbarer
Bodennähe einer Fahrbahn angebracht werden kann, um glatteisgefährl iche Bodentemperaturen
anzuzeigen, ist es vorteilhaft, den bzw. die Reflektoren über einen metallischen
Leiter
an den Boden anzuschließen. Vorzugsweise handelt es sich um ein Metallband oder
Metallstreifen mit guter Wärmeleiteigenschaft, z.B. Kupfer. Dabei kann das Metallband
oder der Metallstreifen auch folienartig dünn ausgebildet sein. Auf diese Weise
können die erfindungsgemäßen Reflektoren auch zusätzlich oder anstelle der herkömmlichen
Reflektoren an-Straßenleitpfählen angebracht sein, wobei die Bodentemperatur der
Fahrbahn berijcksichtigt ist.
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Die vorliegende Erfindung hat gegenüber anderen Verfahren zur Glatteiswarnung
im Straßenverkehr u.a. vor allem folgende Vorteile: 1. Es sind kein zusätzlicher
Temperatursensor, keine Stromversorgung und keine elektrischen Leitungen erforderlich.
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2. Es sind keine beweglichen Teile vorhanden.
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3. Die Warnung kann je nach Bauart durch eine Umschaltung von nicht-reflektierend
zu reflektierend oder von einer Farbe zu einer anderen erfolgen. Es lassen sich
auch erfindungsgemäße Reflektoren angeben, die temperaturabhängig drei und mehr
Zustände aufweisen.
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4. Die Umschaltung erfolgt nicht schleichend, sondern bei einer scharf
(innerhalb weniger Zehntelgrade) definierten Temperatur Tc, die durch Auswahl des
Flüssigkristall-Materials eingestellt werden kann.
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5. Die Schichtdicke des Flüssigkristalls zwischen dünnen parallelen
Glass- oder flüssigkristall-resistenten Kunststoffplatten kann in weiten Grenzen
frei gewählt werden.
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6. Der erfindungsgemäße Lichtreflektor ist vorteilhafterweise sandwichartig
aufgebaut. Auf die Vorder- und Rück-
seite der Deckschichten des
Flüssigkristalls aus dünnen Glass- oder flüssigkristall-resistenten Kunststoffplättchen
können die Polarisatoren 1 und 3 aus dünnen Folienabschnitten z.B. aufgeklebt sein,
so daß der Flüssigkristall mit den beiden Polarisatoren gemäß Fig. 1 eine Baueinheit
bildet. Der nach außen zu liegen kommende Polarisator 1 kann an seiner Aueenschicht
mit einer lichtdurchlässigen Schutzfolie oder dergleichen überzogen sein. Die Lichtreflektor-Baueinheit
kann auf eine dünne Reflektorplatte oder dergleichen z.B. aufgeklebt werden. Andererseits
kann die Lichtreflektor-Baueinheit aber auch durch ein doppelbrechendes Element
5 in der Form einer dünnen Platte oder Folie gemäß Fig. 2 ergänzt sein. Es ist klar,
daß die Lichtreflektor-Baueinheiten auch entsprechend Fig. 3 und 4 zwei Flüssigkristalle
aufweisen können oder gemäß Fig. 5 mit einem temperaturabhängigen Filter in Form
einer dünnen Platte oder Folie versehen sind.
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7. Als Glatteiswarngerät wird der erfindungsgemäße Lichtreflektor
vorteilhafterweise in unmittelbarer Bodennähe der Fahrbahn angeordnet. Hierzu bieten
sich dem Fachmann eine Vielzahl von Reflektorträgern an. Sofern der erfindungsgemäße
Lichtreflektor nicht in unmittelbarer Bodennähe der Fahrbahn angebracht werden kann,
kann es vorteilhaft sein, den Lichtreflektor über eine Temperaturbrücke (metallischen
Leiter in der Gestalt eines
oder Metallstreifens) an den Fahrbahnboden anzuschließen. Vorzugsweise wird als
Temperaturbrücke eine Kupferfolie verwendet.
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Ersetzt man in der Anordnung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 die Mauguin-Zelle
2 durch zwei derartige Zellen, zwischen denen sich ein Polarisator 1 bzw. 3 befindet,
so kann man erreichen, daß die Gesamt-Anordnung abhängig von
der
herrschenden Temperatur drei verschiedeneZustände annehmen kann. Dazu verwendet
man in den beiden Zellen Flüssigkristall-Materialien mit verschiedenen Phasenübergangstemperaturen,
die mit T cl bzw. T c2 bezeichnet werden mögen.
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Wählt man Tc1 > Etc2, so liegt je einer der Zustände bei Temperaturen
oberhalb TCl, im Bereich zwischen TCl und Tc2 und unterhalb TC2. In Jedem dieser
drei Zustände ist das optische Verhalten der Anordnung verschieden. Durch geeignete
Orientierung der beiden Zellen und der anderen optischen Elemente zueinander läßt
sich bestimmen, in welchem der drei Bereiche die Anordnung in welcher Farbe (auch
weiß) reflektieren oder nicht reflektieren soll.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit zwei Mauguin-Zellen 2' und 2", zwischen
denen ein Polarisator 3' angeordnet ist. Damit ist die Mauguin-Zelle 2 in Fig. 1
durch die beiden Mauguin-Zellen 2' und 2" und einem zwischengeschalteten Polarisator
3' ersetzt. Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung mit zwei Mauguin-Zellen 2' und
2"zwischen denen ein doppel brechendes Element 5' und ein Polarisator 3' angeordnet
ist. Hierdurch ist die Mauguin-Zelle 2 in Fig. 2 durch die beiden Mauguin-Zellen
2' und 2" mit zwischengeschaltetem doppelbrechendem Element 5' und Polarisator 3'
ersetzt. Letztere können auch durch einen selektiven Polarisator ersetzt sein.
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Eine andere Möglichkeit der Erzeugung eines dritten Temperaturbereichs
mit verschiedenen optischen Eigenschaften besteht in der Hinzufügung eines temperaturabhängigen
optischen Elements zu der Anordnung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2. Als derartige Elemente
kommen temperaturabhängige optische Filter in Frage. Derartige Filter sind in der
Literatur bekannt. Beispielsweise wird in der deutschen Patentschrift 939 595 ein
Sol-Gel-Filter beschrieben, der bei Abkühlung in den Gel-Zustand undurchsichtig
wird. Als anderes Beispiel seien Dispersionsfilter genannt, wie sie in der deutschen
Patentschrift 1 573 140 beschrieben werden.
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Solche Filter, die nach ihrem Entdecker auch Christiansen-Filter genannt
werden, nutzen die Tatsache aus, daß die Abhängigkeit des Brechungsindex von der
Wellenlänge des Lichtes, die Dispersion, von der Temperatur abhängt.
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Kombiniert man nun zwei geeignete Substanzen (z.B. dadurch, daß man
die eine als feinkörniges Pulver in die andere einbettet), so kann man erreichen,
daß sich die Farbe oder die Intensität des durchgelassenen Lichtes mit der Temperatur
ändert.
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Durch Hinzufügen eines solchen temperaturabhängigen Filters zu der
Anordnung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 überlagern sich die Transmissionseigenschaften
des Filters und die Reflexionseigenschaften der Anordnung, so daß man - ähnlich
wie im Falle der soeben beschriebenen Anordnung mit einer Doppel-Zelle - drei verschiedene
Bereiche hat, wenn der Umschlagpunkt des Filters bei einer von Tc verschiedenen
Temperatur liegt.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführung, in der vor dem Polarisator 1 gemäß Fig.
2 ein optischer Filter 6 (Sol-Gel-Filter oder Dispersionsfilter) angeordnet ist.
Entsprechend kann der optische Filter 6 auch dem Polarisator 1 in Fig. 1 vorgeschaltet
sein.
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Sollten für besondere Anwendungsfälle der Lichtreflektor mehr als
drei Farb- oder Intensitätszustände anzeigen, so können entsprechend mehrere Mauguin-Zellen
mit jeweils zwischengeschaltetem Polarisator vorgesehen sein. Zusätzlich kann auch
ein temperaturempfindlicher optischer Filter hinzugefügt werden.
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