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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ändern
der Richtungen von Lichtstrahlen und insbesondere eine
Vorrichtung für das Empfangen von Lichtstrahlen aus allen
Richtungen und deren Umwandlung in Lichtstrahlen innerhalb eines
vorbestimmten Richtungsbereichs
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Im Fall der Verwendung von Licht, dessen Einfallswinkel sich
nach und nach ändert, z. B. Sonnenlicht, ist eine
Lichtquellenverfolgungsvorrichtung nötig, um eine effektive Ausnutzung
zu erreichen, welche so gesteuert ist, daß sie in die Richtung
des einfallenden Lichts zeigt.
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Wenn eine Lichteingangs- oder -empfangseinrichtung durch die
Lichtquellenverfolgungsvorrichtung immer in einem Zustand
gehalten wird, in dem sie in die Richtung des Lichteinfalls
zeigt, kann das einfallende Licht in einer höchst effektiven
Weise empfangen werden. Wenn sich jedoch der Einfallswinkel z. B.
von Sonnenlicht allmählich entsprechend der Jahreszeit und
von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang ändert, muß eine
effektive Lichtquellenverfolgungseinrichtung notwendigerweise
hinsichtlich ihrer Konstruktion kompliziert und teuer sein und
kann nicht in der Praxis verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorangehende
und weitere Probleme zu lösen, die man beim Stand der Technik
antrifft und hat als Aufgabe, eine Vorrichtung zum Ändern der
Richtung von Lichtstrahlen zu schaffen, welche ohne die
Verwendung einer Lichtquellenverfolgungseinrichtung im Fall des
Empfangs von Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel sich von Zeit
zu Zeit ändert, oder von Lichtstrahlen aus beliebigen
Richtungen
in einem stationären Zustand gehalten wird und welche
diese in Lichtstrahlen in einem vorbestimmten Richtungsbereich
umwandeln kann, so daß die Ausnutzung der empfangenen
Lichtstrahlen vereinfacht wird.
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Hierbei wird auf FR-A-1184963 und JP-U-53127925 Bezug
genommen. JP-U-53127925 offenbart ein keilförmiges optisches
Bauteil, durch welches Lichtstrahlen von einer Lampe geleitet
werden. Einige Lichtstrahlen werden in dem optischen Bauteil
reflektiert und an Räder zur Beleuchtung abgegeben. FR-A-
1184963 offenbart eine Vorrichtung sehr ähnlicher Natur wie
die der JP-U-53127925. In beiden Fällen haben die
Lichtstrahlen von der Lampe im wesentlichen dieselbe Richtung, so daß
keine Lehre zum Vereinheitlichen der Richtung von
Lichtstrahlen mit verschiedenen Richtungen in diesen Referenzen gegeben
wird.
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Gemäß der Erfindung wird eine Anordnung zum Ändern der
Richtungen von Lichtstrahlen geschaffen, welche eine Anzahl von
Hauptkörpern aus einem optisch transparenten Werkstoff umfaßt,
die Seite an Seite angeordnet sind und jeweils einen
keilförmigen Querschnitt haben, der in Querrichtung von einer
Stirnfläche an einem Ende zum entgegengesetzten anderen Ende des
Hauptkörpers allmählich abnimmt, wobei die Stirnfläche des
Hauptkörpers als Lichteinfallsfläche ausgebildet ist und der
Hauptkörper weiterhin zwischen der Stirnfläche und dem
entgegengesetzten Ende lichtreflektierende Flächen zum Erzeugen von
aufeinanderfolgenden inneren Reflexionen im Hauptkörper von
Lichtstrahlen hat, welche in den Hauptkörper durch die
Lichteintrittsflächen eingetreten sind, wobei die
lichtreflektierenden Flächen so zueinander geneigt sind, daß beim
sukzessiven inneren Reflektieren der Lichtstrahlen an den
Reflexionsflächen die Richtungen von sukzessiv intern
reflektierten Lichtstrahlen Einfallswinkel haben, die mindestens
einen kritischen Winkel bezüglich der Reflexionsflächen
erreichen,
so daß Bereiche der Reflexionsflächen, in denen die
sukzessiv intern reflektierten Lichtstrahlen Winkel gleich oder
kleiner als den kritischen Winkel erreichen, sowie
Flächenbereiche in der Nachbarschaft dieser Bereiche eine
Lichtaustrittsfläche bilden, durch welche Lichtstrahlen emittiert
werden, wobei die Lichteinfallsflächen der Anzahl von
Hauptkörpern in einem parallelen Feld und in komplanarer Beziehung
zueinander angeordnet sind, und welche durch ein optisches
Hilfselement gekennzeichnet ist, welches aus einem optisch
transparenten Werkstoff hergestellt ist, nahe benachbart der
Reflexionsfläche jedes Hauptkörpers angeordnet ist und einen
keilförmigen Querschnitt zum Verändern der Richtungen der aus
der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichtstrahlen aufweist,
wobei das optische Element so orientiert ist, daß die
Querschnittsabmessung des Elements in Richtung von dem
entgegengesetzten Ende zu den Lichteinfallsflächen hin allmählich
abnimmt.
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Die Lichtstrahlen, welche durch die Einfallsfläche des
Hauptkörpers in diesen eingetreten sind, werden wiederholtermaßen
intern reflektiert und wegen des Profils der Reflexionsflächen
wird der Winkel jedes reflektierten Lichtstrahls relativ zur
Senkrechten allmählich erhöht und wird gleich dem kritischen
Winkel oder einem Winkel, der geringfügig kleiner als der
kritische Winkel ist. Wenn ein solcher Zustand erreicht ist,
werden die Lichtstrahlen nicht mehr länger intern durch die
Reflexionsfläche reflektiert, sondern an den Reflexionsflächen
gebrochen und demgemäß aus dem Hauptkörper emittiert. Da die
Lichtstrahlen auf die Reflexionsflächen unter Winkeln nahe dem
kritischen Winkel einfallen, werden sie an den
Reflexionsflächen gebrochen, wobei sie aus dem Hauptkörper im wesentlichen
in einem vorbestimmten Winkel relativ zu den Reflexionsflächen
oder der äußeren Oberfläche des Hauptkörpers emittiert werden
oder innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs emittiert
werden. Als Folge davon haben die Lichtstrahlen, welche aus
dem Hauptkörper emittiert werden oder aus diesem austreten,
nahezu dieselbe Richtung.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung eines
Hauptkörpers gemäß den früheren Kenntnissen,
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht davon,
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Fig. 3 ist eine Ansicht zum Erklären der Arbeitsweise der
in Fig. 1 gezeigten Anordnung,
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zum
Ändern der Richtungen von Lichtstrahlen, bei welcher
eine Anzahl von Hauptkörpern wie in Fig. 2 gezeigt
in einem parallelen Feld angeordnet sind,
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Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, welche den mit V in
Fig. 4 bezeichneten Teil darstellt,
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Fig. 6 ist eine Ansicht zum Erklären des Verhaltens von
Lichtstrahlen, welche auf eine Lichteinfallsfläche
einfallen,
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum
Unterstützen des Einfalls von Lichtstrahlen,
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren, der
Erläuterung dienenden Anordnung, welche nicht die
Erfindung enthält,
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Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht noch einer
weiteren, der Erläuterung dienenden Anordnung,
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Fig. 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung der divergierenden
Winkel von Lichtstrahlen, die aus einem Hauptkörper
emittiert werden,
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Fig. 11 stellt Hilfselemente dar, die an einem Hauptkörper
gemäß der Erfindung angebracht werden,
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Fig. 12 stellt modifizierte Hilfselemente dar,
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Fig. 13 ist eine vergrößerte Teilansicht der Fig. 12,
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Fig. 14 stellt noch weitere Hilfselemente dar,
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Fig. 15 ist eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 14,
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Fig. 16 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Phänomens,
das beobachtet wird, wenn eine Anzahl von
Hauptkörpern
in einem parallelen Feld wie in Fig. 4 und 5
gezeigt angeordnet sind,
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Fig. 17 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer weiteren
Ausführungsform einer Vorrichtung zur Änderung der
Richtungen von Lichtstrahlen gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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Fig. 18 ist eine vergrößerte Schnittansicht noch einer
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Zur Erläuterung der bekannten Technologie besitzt die
Vorrichtung zum Ändern der Richtung von Lichtstrahlen, die in Fig. 1
gezeigt ist, einen Hauptkörper 2 aus einem optisch
transparenten Werkstoff wie transparentem Glas, transparentem Kunststoff
oder dgl. Der Hauptkörper 2 hat z. B. die Form einer Platte
mit keilförmigem Querschnitt, wie in Fig. 2 gezeigt, und seine
Dicke verringert sich allmählich von einer Seite zur
gegenüberliegenden Seite. Eine Stirnfläche 3 auf einer Seite des
Hauptkörpers 2 legt eine Lichteinfallsfläche fest und ein Paar
von gegenüberliegenden Ebenen 5a und 5b, welche sich von der
Lichteinfallsfläche 3 zu einer Stirnfläche 4 auf der anderen
Seite des Hauptkörpers 2 erstrecken, legen Reflexionsflächen
fest, an welchen Lichtstrahlen, die in den Hauptkörper 2 durch
seine Lichteinfallsfläche 3 eingetreten sind, reflektiert
werden. Die Stirnfläche 4 kann mit einer sehr kleinen Fläche
ausgeführt sein oder weggelassen werden.
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Wenn ein Lichtstrahl L&sub1; zu der Lichteinfallsfläche 3 des
Hauptkörpers 2 in der oben beschriebenen Konstruktion, die in Fig.
1 gezeigt ist, geschickt wird, wird er an den Punkten a, b, c,
d und e an den Reflexionsflächen 5a und 5b wiederholtermaßen
intern reflektiert, während er zu der Stirnfläche 4 läuft und
wird schließlich aus dem Hauptkörper 2 an dem Punkt f
emittiert. In ähnlicher Weise wird ein Lichtstrahl L&sub2;, der aus
einer Richtung einfällt, die von der Einfallsrichtung des
Lichtstrahls L&sub1; verschieden ist, intern an a1, b1, c1, d1 und
e1 wiederholtermaßen reflektiert
und schließlich aus dem
Hauptkörper 2 an dem Punkt f1 emittiert. Diese inneren
Reflexionen der Lichtstrahlen L&sub1; und L&sub2; sind Totalreflexionen.
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Als nächstes wird das vorangehend beschriebene Phänomen mit
Bezug auf Fig. 3 erörtert. Es wird angenommen, daß der Winkel
zwischen jeder der Reflexionsflächen 5a und 5b und der
Mittelfläche (optische Achse) 0-0 des Hauptkörpers α ist und daß ein
intern reflektierter Lichtstrahl an einem Punkt P auf der
Reflexionsfläche 5b einfällt. Wenn der Winkel zwischen dem
intern reflektierten Einfallslichtstrahl und der Senkrechten zu
der Reflexionsfläche 5b am Punkt P größer als der kritische
Winkel ist, durchläuft der intern reflektierte Lichtstrahl
eine Totalreflexion am Punkt P und wird wieder zu der
gegenüberliegenden Reflexionsfläche 5a gelenkt. Andererseits wird
dann, wenn der Einfallswinkel des intern reflektierten
Lichtstrahls, welcher an dem Punkt P einfällt, gleich dem
kritischen Winkel ist, dieser gebrochen und tritt parallel zu
der äußeren Oberfläche der Reflexionsfläche 5b an dem Punkt P
aus und läuft an ihr entlang. Weiterhin wird dann, wenn der
Einfallswinkel des intern reflektierten Lichtstrahls kleiner
als der kritische Winkel ist, dieser aus dem Hauptkörper 2 in
das Umgebungsmedium unter einem Winkel X bezüglich der
Senkrechten emittiert, wie dies durch die unterbrochenen Linien
angedeutet ist. Wie vorangehend beschrieben ist der
Einfallswinkel eines Lichtstrahls, der auf die Reflexionsfläche
einfällt, klein, der Lichtstrahl wird an der Reflexionsfläche
totalreflektiert und dann, wenn der Einfallswinkel allmählich
abnimmt und gleich dem kritischen Winkel wird, wird mindestens
ein Teil des Lichtstrahls an der Reflexionsfläche gebrochen
und aus dem Hauptkörper 2 in das Umgebungsmedium parallel zu
der äußeren Oberfläche der Reflexionsfläche emittiert.
Weiterhin wird er dann, wenn der Einfallswinkel vergrößert wird, an
der Reflexionsfläche gebrochen und aus dem Körper 2 in das
Umgebungsmedium emittiert.
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Wenn das Material des Hauptkörpers 2 einen Brechungsindex n1
besitzt und die Atmosphäre oder das Medium, das den
Hauptkörper 2 umgibt, einen Brechungsindex n2 besitzt, gilt die
folgende Beziehung:
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n1·sin(δ&sub0;-Δδ) = n2·sin(X).
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In der Zwischenzeit wird immer dann, wenn ein Lichtstrahl eine
Totalreflexion an der Reflexionsfläche 5a oder 5b durchläuft,
der Einfallswinkel des totalreflektierten Lichtstrahls, der an
der gegenüberliegenden Reflexionsfläche 5b oder 5a ankommt, um
2a verringert, so daß der auf die Reflexionsfläche einfallende
Lichtstrahl mehr und mehr aufrecht bezüglich der
Reflexionsfläche wird und dann, wenn der Winkel des Lichtstrahls kleiner
als der kritische Winkel δ&sub0; wird, mindestens ein Teil des
Lichtstrahls an der Reflexionsfläche gebrochen und aus dem
Hauptkörper in das Umgebungsmedium emittiert wird. Es folgt
daraus, daß dann, wenn ein innerer Lichtstrahl am Punkt P
unter einem Winkel einfällt, der um 2a kleiner als der kritische
Winkel δ&sub0; ist, und vollständig an der Reflexionsfläche
gebrochen und in das Umgebungsmedium, wie durch die unterbrochene
Linie in Fig. 3 angedeutet, emittiert wird, die folgende
Beziehung gilt:
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n1·sin(δ&sub0;-2α) = n2·sin(X).
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Wenn das Umgebungsmedium Luft ist, ist n2 = 1 und wenn
= 90º-X ist, erhält man die folgende Beziehung:
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n1·sin(δ&sub0;-2α) = sin(X) = sin(n/2- ) - cos( ).
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Folglich ist
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= cos&supmin;¹ {(n1·sin(δ&sub0;-2α)}.
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Daher wird dann, wenn δ&sub0;-2α < n/2 ist, der Wert umso
größer, je größer der Wert α ist.
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Wenn der Lichtstrahl nicht vollständig gebrochen und aus dem
Hauptkörper emittiert wird und der Lichtstrahl teilweise
wieder reflektiert wird, auch wenn der Einfallswinkel kleiner als
der kritische Winkel ist, erhält man die folgende Beziehung:
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= cos&supmin;¹{n1·sin(δ&sub0;-4α)}.
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Folglich wird der Wert mehr und mehr erhöht.
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Wie aus der vorangehenden Erläuterung mit Bezug auf Fig. 3
hervorgeht, durchlaufen die Lichtstrahlen Totalreflexionen an
den Punkten a, b, c, d und e und den Punkten a1, b1, c1, d1
und e1, wie in Fig. 1 gezeigt, und dann, wenn die
Einfallswinkel der Lichtstrahlen das erste Mal gleich oder kleiner als
der kritische Winkel δ&sub0; an den Punkten f bzw. f1 werden, werden
die Lichtstrahlen gebrochen und aus dem Hauptkörper 2 in das
Umgebungsmedium emittiert. Die Lichtstrahlen werden aus dem
Hauptkörper 2 auch durch seine Stirnfläche 4 in das
Umgebungsmedium emittiert.
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Wenn Lichtstrahlen von allen Richtungen auf die Einfallsfläche
3 einfallen und in den Hauptkörper 2 eintreten und wenn es
gewünscht ist, daß die Lichtstrahlen, die aus dem Hauptkörper
heraus durch die Reflexionsflächen 5a und 5b und die
Stirnfläche 4 emittiert werden, parallel oder nahezu parallel zu der
optischen Achse 0-0 sind, ist es vorzuziehen, daß der Winkel a
so klein wie praktikabel gemacht wird. Wenn jedoch α klein
gemacht wird, wird die Gesamtlänge L erhöht (Fig. 2).
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Um dieses Problem zu überwinden, muß die Dicke d der
Lichteinfallsfläche 3 (Fig. 2) so sehr wie möglich reduziert werden.
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Wenn Hauptkörper 2 mit einer Dicke d, die so klein wie möglich
gemacht wurde, verwendet werden, werden sie in einem
parallelen Feld wie in Fig. 4 und 5 gezeigt angeordnet, so daß die
Lichteinfallsflächen aller Hauptkörper 2 eine große Fläche 3A
festlegen. Dann wird die Propagationsrichtung von
Lichtstrahlen, welche auf die große Fläche 3A aus allen Richtungen
einfallen, innerhalb des Hauptkörpers geändert und die
Lichtstrahlen werden aus dem Hauptkörper in Richtungen nahezu
senkrecht zu der Fläche 3A emittiert.
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Als nächstes wird die Eingabe von Lichtstrahlen durch die
Lichteinfallsfläche 3 in den Hauptkörper 2 betrachtet. Es wird
angenommen, daß die Atmosphäre oder das Umgebungsmedium des
Hauptkörpers 2 Luft mit n2 = 1 ist und daß der Hauptkörper 2
aus einem Acrylharz mit n = 1,491 besteht. Dann gilt, da
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n1·sin(δ&sub0;) = n2·sin(90º)
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1,491·sin(δ&sub0;) = 1·sin(90º).
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Daher ist
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δ&sub0; = sin&supmin;¹(sin(90º)/1,491) = 42,12º.
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Daher können, in einer Querschnittsebene betrachtet,
verschiedene Lichtstrahlen in Luft in einem Winkelbereich von δ&sub0;·2 =
84,240 in den Hauptkörper 2 eintreten und werden durch diesen
hindurch durch Reflexionen an den Reflexionsflächen 5a und 5b
geleitet.
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Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung zum Unterstützen der Aufgabe von
Lichtstrahlen auf den Hauptkörper 2 der Vorrichtung zum Ändern
der Richtung von Lichtstrahlen, welche nicht die Erfindung
enthält. Diese Vorrichtung dient dazu, die Menge des
Werkstoffs des Hauptkörpers 2 so sehr wie möglich zu reduzieren,
so daß die Vorrichtung zum Ändern der Richtung von
Lichtstrahlen
mit geringem Gewicht ausgeführt werden und wirtschaftlich
hergestellt werden kann. Die Vorrichtung umfaßt Spiegel 7,
welche von den entgegengesetzten Seiten der
Lichteinfallsfläche 3 aus derart verlaufen, daß sie zu der
Lichteinfallsfläche 3 hin konvergieren. Einfallende Lichtstrahlen aus
verschiedenen Richtungen werden an den Innenflächen der
Spiegel 7 reflektiert und zu der Einfallsfläche 3 gelenkt.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, konvergieren die
Reflexionsflächen 5a und 5b allmählich in der Richtung weg von
der Lichteinfallsfläche 3; es sollte jedoch klargestellt
werden, daß die Reflexionsflächen nicht einander
gegenüberliegende flache Reflexionsflächen sein müssen.
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Bei der nicht erfindungsgemäßen Anordnung, die in Fig. 8
gezeigt ist, ist eine kreisförmige Lichteinfallsfläche 3M mit
einer konischen Reflexionsfläche 5M derart kombiniert, daß der
Hauptkörper 2M eine Stumpfkegelform hat.
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In der Anordnung, die in Fig. 9 gezeigt ist, hat der
Hauptkörper 2N die Form eines hexagonalen Prismas und die
Reflexionsflächen 5N werden durch die geneigten Oberflächen des
hexagonalen Prismas festgelegt. Weiterhin kann jedes Prisma mit
einer beliebigen Querschnittskonfiguration verwendet werden.
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Bei den beiden in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigten Anordnungen
tritt ein Lichtstrahl durch die Lichteinfallsflächen 3M und 3N
ein und durchläuft wiederholte innere Totalreflexionen in
einer Weise, die im wesentlichen ähnlich zu derjenigen ist, die
vorangehend mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, und wird
aus den Hauptkörpern 2M und 2N emittiert. Man beachte, daß in
diesem Fall der Lichtstrahl entlang eines dreidimensionalen
Weges propagiert.
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Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen werden die
Lichtstrahlen, welche aufeinanderfolgende Totalreflexionen
innerhalb des Hauptkörpers 2, 2M oder 2N durchlaufen, aus dem
Hauptkörper mit einem Divergenzwinkel β wie in Fig. 10 gezeigt
emittiert, so daß die Anzahl der Lichtstrahlen parallel zu der
optischen Achse nicht sehr groß ist.
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Um dieses Problem zu überwinden, werden gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wie in Fig. 11 gezeigt optisch
transparente Hilfselemente 9, die jeweils einen dreieckigen
Querschnitt haben, an der äußeren Oberfläche eines
lichtemittierenden Bereichs des Hauptkörpers 2 angebracht. Die
Lichtstrahlen, welche von dem Hauptkörper 2 mit einem breiten
Divergenzwinkel emittiert werden, laufen durch dünne
Luftschichten zwischen dem Hauptkörper 2 und den Hilfselementen 9 und
werden dann mindestens einmal durch die Reflexionsflächen 10
oder die Hilfselemente 9 reflektiert oder gebrochen, nachdem
die Lichtstrahlen in die letzteren eingetreten sind, wodurch
die Propagationsrichtungen von Lichtstrahlen zu solchen
verändert werden, die im wesentlichen parallel zu der optischen
Achse sind, wenn diese von dem Hauptkörper 2 emittiert werden.
Hierfür divergieren die Reflexionsflächen 10 nach hinten in
der der Lichteinfallsfläche 3 entgegengesetzten Richtung. Die
Reflexionsflächen 10 können aus reflektierenden dünnen
Schichten bestehen, welche z. B. durch einen Vakuumabscheideprozeß
unter Verwendung von Aluminium hergestellt werden. Die
Hilfselemente 9 bestehen aus einem festen Werkstoff. Statt dessen
können lediglich Spiegel an den Positionen der
Reflexionsflächen 10 vorgesehen sein. Im Fall, daß die Hilfselemente 9 für
den Hauptkörper 2 der Fig. 2 vorgesehen werden, haben die
Elemente die Form einer Platte mit einem dreieckigen Querschnitt,
während sie für die Hauptkörper 2M, 2N der Fig. 8 und 9 die
Form eines Rings annehmen, der den Hauptkörper umgibt.
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Die Hilfselemente 9M, welche in Fig. 12 gezeigt sind, sind von
denen, die in Fig. 11 gezeigt sind, insofern verschieden, als
die Flächen der Hilfselemente 9M, welche in Kontakt mit dem
Hauptkörper 2 gebracht werden, mit Sägezahnabschnitten 11
ausgebildet sind. Eine Luftschicht wird zwischen dem
Sägezahnabschnitt 11 und dem Hauptkörper 2 gebildet, wodurch, wie dies
in einem vergrößerten Maßstab in Fig. 13 gezeigt ist, die
Lichtstrahlen, welche aus dem Hauptkörper 2 in die Luftschicht
emittiert werden, erhöhte Anteile parallel zu der optischen
Achse enthalten. Daher empfangen, um solche Komponenten
vollständig auszunutzen, die Sägezahnflächen des Hilfselements 9
die von dem Hauptkörper 2 emittierten Lichtstrahlen im
wesentlichen in einem rechten Winkel oder in Richtungen nahezu
parallel zu der optischen Achse. Wenn die Lichtstrahlen aus dem
Hilfselement 9M emittiert werden, sind ihre Komponenten
parallel zu der optischen Achse vergrößert.
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Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 14 gezeigt
ist, besteht das Hilfselement 9N aus einer Schichtung einer
Anzahl von relativ dünnen Schichten. Die Dicke jeder Schicht
des Hilfselements vergrößert sich allmählich in der Richtung
weg von der Einfallsfläche 3, wodurch, wie in Fig. 15 gezeigt,
Komponenten der Lichtstrahlen, welche parallel zu der
optischen Achse sind, allmählich vergrößert werden, wenn das
Licht durch die Schicht durch Reflexionen geleitet wird und
aus der Schicht in das Umgebungsmedium emittiert wird.
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Fig. 16 ist eine schematische Darstellung, welche in einem
stärker vergrößerten Maßstab einen Teil der nicht
erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, in der eine Anzahl von Hauptkörpern 2
in einem parallelen Feld wie in Fig. 4 und 5 gezeigt
angeordnet sind. Wie vorangehend beschrieben, durchläuft ein
Lichtstrahl, wenn er durch die Einfallsfläche 3 in einen der
Hauptkörper 2 eintritt, wiederholte Totalreflexionen innerhalb des
Hauptkörpers 2 und wird dann aus dem Hauptkörper 2 in das
Umgebungsmedium emittiert. Wie vorangehend beschrieben, wird der
Einfallslichtstrahl L in einen Lichtstrahl umgewandelt,
welcher
aus dem Hauptkörper emittiert wird und eine vergrößerte
Komponente parallel zu der Längsrichtung des Hauptkörpers,
verglichen mit dem Einfallslichtstrahl L, aufweist. Wenn die
Lichtstrahlen, welche aus dem einen Hauptkörper 2 emittiert
werden, nachfolgend in den benachbarten Hauptkörper 2
eintreten, wird die Komponente parallel zu der Längsrichtung des
Hauptkörpers 2 allmählich verkleinert, wenn er durch einen
Hauptkörper zu einem anderen läuft, wie in Fig. 16 gezeigt
ist. Es ist daher ziemlich deutlich, daß ein solches Phänomen
nicht erwünscht ist.
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Um ein solches unerwünschtes Phänomen zu verhindern, kann eine
Anordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung
verwendet werden, wie sie in Fig. 17 gezeigt ist. Gemäß dieser
Anordnung wird eine Anzahl von Hauptkörpern 2d, welche in
einem parallelen Feld angeordnet sind und in einer Richtung
ausgerichtet sind, in die Zwischenräume eingefügt, die zwischen
benachbarten Hauptkörpern 2c festgelegt sind, welche in einem
parallelen Feld angeordnet sind und in die andere oder
entgegengesetzte Richtung in komplementärer Weise gerichtet sind.
Bei dieser Anordnung durchläuft ein Lichtstrahl L, welcher auf
die Einfallsfläche 3 des einen Hauptkörpers 2c einfällt und in
diesen eintritt, wiederholte Totalreflexionen in dem
Hauptkörper 2c, wird aus dem Hauptkörper 2c emittiert und tritt
unmittelbar in einen benachbarten Hauptkörper 2d ein, der in die
eine Richtung orientiert ist. Nach dem Durchlaufen von
wiederholten Totalreflexionen in dem Hauptkörper 2d wird das Licht
aus dem Hauptkörper 3d in das Umgebungsmedium durch die untere
Fläche des Hauptkörpers 2d emittiert. Auf diese Weise kann das
vorangehende mit Bezug auf Fig. 16 beschriebene Phänomen
vermieden werden.
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Im Fall der Anordnung der Hauptkörper 2c und 2d wie in Fig. 17
gezeigt kann ein geeignetes Lichtlenkelement an mindestens
einer Fläche der Anordnung angebracht sein. Im Fall einer
Ausführungsform
wie in Fig. 18 gezeigt, die ein solches Anbringen
von optischen Steuerelementen illustriert, ist eine
linsenförmige Linse 20 an den Einfallsflächen 3 der Hauptkörper 2c
angebracht. Weiterhin ist eine Fresnellinse 21 an den unteren
Flächen der Hauptkörper 2d angebracht. Es ist möglich, die
Positionen einer solchen linsenförmigen Linse und der
Fresnellinse zu vertauschen, oder eine linsenförmige Linse
oder Fresnellinse wegzulassen. Weiterhin ist es möglich, eine
Vielzahl solcher Lichtlenkelemente, eines über dem anderen, zu
überlagern. Weiterhin können andere Lichtlenkelemente
verwendet werden. Wenn solche Lichtlenkelemente vorgesehen sind,
kann eine weitere Lenkung von Lichtstrahlen in Antwort auf
optische Eigenschaften dieser Lichtlenkelemente bewirkt
werden.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, können, wenn die
Vorrichtung zum Ändern der Richtung von Lichtstrahlen gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, Lichtstrahlen aus
verschiedenen Richtungen und innerhalb eines bestimmten
Winkelbereichs, die auf eine stationäre Einfallsfläche einfallen,
eingefangen und wiederholten inneren Reflexionen daran
unterworfen werden, um die Lichtstrahlen in Lichtstrahlen umzuwandeln,
welche im wesentlichen parallel zu einer gewünschten Richtung
sind. Weiterhin ist es selbst dann, wenn die Richtung des
einfallenden Lichts sich ändert, nicht nötig, dem einfallenden
Licht zu folgen. Weiterhin kann der dreidimensionale
Hauptkörper, der bei dieser Erfindung verwendet wird, aus einem
einfachen optisch transparenten Material hergestellt werden.
Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig und
frei von Versagen. Zusätzlich kann bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eine Anzahl von Hauptkörpern zu verschiedenen
Formen zusammengesetzt werden, um weitere nützliche Effekte zu
erzielen. Wenn die erfindungsgemäßen Vorrichtungen einander
überlagert oder gebündelt werden, können weitere komplexe und
nützliche Effekte erreicht werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, Streulicht,
diffuses Licht, Licht, welches von verschiedenen Teilen einer
Lichtquelle mit einer gewissen Ausdehnung emittiert wird,
Licht, dessen Richtung sich ändert, usw., zu empfangen und es
in eine vorbestimmte Richtung neu zu lenken oder es mit einer
gewünschten Form zu projizieren. Daher kann die vorliegende
Erfindung für die Ausnutzung von Solarenergie, die
Beleuchtungssteuerung, die Übertragung von Bildern und Mustern usw.
verwendet werden.