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Dokumentenidentifikation DE69429113T2 25.07.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0753121
Titel ZUR VERWENDUNG IN DER VERGLASUNG GEEIGNETES OPTISCHES BAUELEMENT
Anmelder Redbus Serraglaze Ltd., Knowle, Solihull, GB
Erfinder Milner, Peter James, Hinckley, GB
Vertreter Hansmann & Vogeser, 81369 München
DE-Aktenzeichen 69429113
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, FR, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.05.1994
EP-Aktenzeichen 949137624
WO-Anmeldetag 03.05.1994
PCT-Aktenzeichen PCT/GB94/00949
WO-Veröffentlichungsnummer 0009425792
WO-Veröffentlichungsdatum 10.11.1994
EP-Offenlegungsdatum 15.01.1997
EP date of grant 14.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.07.2002
IPC-Hauptklasse F21S 11/00
IPC-Nebenklasse G02B 5/00   E06B 9/24   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein optisches Element zum Verglasen und insbesondere zum Verglasen von Öffnungen in festen Konstruktionen wie kommerziellen, industriellen oder privaten Gebäuden. Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter besonderer Bezugnahme auf die Anwendung auf solche festen Konstruktionen, jedoch ohne Einschränkung auf die allgemeine Anwendbarkeit der Erfindung beschrieben, die unabhängig davon bei anderen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, bei denen ihre charakteristischen optischen Eigenschaften sich als zweckmäßig erweisen. Insbesondere kann dies ohne Einschränkung die Verglasung von Öffnungen in Fahrzeugen oder das Abdecken von Austrittsöffnungen von Lichtquellen oder Lichtübertragungsgeräten einschließen.

Es ist bekannt, daß die Intensität der Beleuchtung, die durch Tageslicht bewirkt wird, allgemein mit größeren Einfallswinkeln des auftreffenden Lichts zunimmt. Dies kann an klaren Tagen durch direktes Sonnenlicht beeinflußt werden, in welchem Fall die Spitzenintensität in Abhängigkeit vom Stand der Sonne bei einem niedrigeren Winkel liegen kann. Es wurde festgestellt, daß aus diesem Grund die Beleuchtung in einem Gebäude durch Tageslicht, daß durch ein Fenster oder andere Öffnungen eintritt, die größte Intensität nahe an oder unmittelbar unter der Fensteröffnung hat, und die Intensität mit Zunahme des Abstandes vom Fenster abnimmt. Auch für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung ist der Ausdruck "Fenster" als auf jede Öffnung in einer vertikalen oder nahezu vertikalen (d. h. aufrechten) Wand oder Fassade bezogen zu verstehen, während eine Öffnung in einer horizontalen oder geneigten Fläche als Dachlicht bezeichnet wird.

Für die meisten kommerziellen Gebäude, in denen die Beschäftigen meistens an horizontalen Flächen wie Pulten oder Tischen arbeiten, ist es üblich, die meisten, wenn nicht alle externen Flächen als verglaste Fensteröffnungen auszubilden, ausgenommen von irgendwelchen wesentlichen konstruktiven Komponenten, die als Träger der Verglasung erforderlich sind. Gebäude mit einer größeren Tiefe als die, die selbst von vollständig verglasten Außenwänden beleuchtet werden kann, erfordern eine permanente künstliche Beleuchtung. Dies stellt jedoch einen erheblichen Energieverbrauch dar, und es wurde festgestellt, daß der Energieverbrauch in großen Bürokomplexen für die Beleuchtung im allgemeinen größer als der Energieverbrauch zum Heizen im Winter und/oder Kühlen im Sommer ist.

Das Problem von Blendlicht tritt auch in solchen Gebäuden auf, und wird im allgemeinen durch die Verwendung von mechanischen Sperren wie Jalousien angegangen, während die Zufuhr von thermischer Energie durch die Verwendung von optischen Beschichtungen und/oder durch Klimatisierung angegangen wird, die beide eingestellt werden können, um eine Anpassung an die unmittelbaren Umgebungsbedingungen zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung versucht die obigen Probleme durch Schaffung einer optischen Komponente zu lösen, die zur Verwendung als Teil oder in Verbindung mit einem Verglasungspaneel über einer Öffnung in einer Konstruktion geeignet ist, die auftreffendes Licht derart in ein Gebäude richtet, daß es gleichmäßiger im Inneren verteilt wird.

Bekannte sogenannte "Tageslichtbeleuchtungs"-Systeme zur Verbesserung der Innenbeleuchtung durch verglaste Fenster lenken das auftreffende Licht bei großen Einfallswinkeln durch Reflexion an silberbeschichteten Flächen so ab, daß das Licht mit einem größeren Einfallswinkel in das Innere des Gebäudes gerichtet wird als es durch eine übliche Fensterscheibe übertragen werden würde. Dabei fällt es auf eine horizontale Fläche nahe der Scheibe (die typischerweise keine hohe Reflexionsfähigkeit hat), wird absorbiert und steht und steht daher nicht zur Verwendung zur Verfügung. Ein bekanntes solches System ist in GB593225 beschrieben. Dieses hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß die Reflexionsflächen als ein Hindernis für die direkte Beobachtung durch Fenster fungiert, und daher wird, obwohl die Verteilung des Tageslichts im Inneren verbessert werden kann, die Verbesserung nur auf Kosten eines Verlustes bzw. einer Verringerung der Sicht durch die Fenster erreicht werden kann. Ein weiteres solches System ist in GB2240576 beschrieben, das, obwohl es das Problem nicht hat, gestapelte Elemente bzw. einen Laserschneidvorgang erfordert, die beide für eine Massenproduktion unpraktisch sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Komponente zu schaffen, die, wenn sie verwendet wird, um die Beleuchtung durch Tageslicht in einem Gebäudeinneren zu verbessern, den im Gebäude befindlichen Personen dennoch eine nahezu normale, ungestörte Sicht durch das Fenster ermöglicht.

Ein optisches Element zum Verglasen, bestehend aus wenigstens einem optisch transparenten Körper, der zwei Hauptflächen hat, deren erste im wesentlichen durchgehend ist und deren zweite durch mehrere Hohlräume unterbrochen ist, die die zweite Hauptfläche in mehrere erste Elementarflächen unterteilen und die selbst durch mehrere zweite Elementarflächen begrenzt sind, die durch Gesamtinnenreflexion durch den Körper auf sie auftreffendes Licht innerhalb eines ersten Bereichs von Auftreffwinkeln hierzu reflektieren und durch den Körper darauf auftreffendes Licht in einem zweiten Bereich von Auftreffwinkeln hierzu brechen, ist dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Paare zweiter Elementarflächen zueinander geneigt sind, und daß die Beziehung zwischen der Breite der Hohlräume und den Abmessungen der ersten Elementarflächen, in die die zweite Hauptfläche durch die Hohlräume unterteilt ist, derart ist, daß ein Anteil des Lichts, das auf die erste Hauptfläche in einem begrenzten Bereich von Winkeln von der Normalen auf die erste Hauptfläche aus durch den optisch transparenten Körper im wesentlichen unabgelenkt übertragen wird, so daß ein im wesentlichen unverzerrter Durchblick durch das optische Element über wenigstens einen begrenzten Bereich von Sichtwinkeln erhalten wird.

Elementarflächen an jedem Element können die gleiche Form, eine ähnliche Form haben oder voneinander verschieden sein.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die zweiten Elementarflächen an unterschiedlichen Teilen des optischen Elements derart unterschiedlich, daß bei einem bestimmten Auftreffwinkel der Reflexionswinkel an unterschiedlichen Auftreffpunkten über die Fläche des optischen Elements unterschiedlich ist.

Die zweiten Elementarflächen können mit unterschiedlichen Winkeln derart gegeneinander geneigt sein, daß bei einem bestimmten Auftreffwinkel der Reflexionswinkel an Auftreffpunkten näher an der Unterkante des Elements, wenn es in einer normalen, aufrechten Orientierung verwendet wird, größer als an den von der Unterkante weiter entfernten Auftreffpunkten.

Vorzugsweise sind die zweiten Elementarflächen im wesentlichen eben.

Einige der Elementarflächen können im wesentlichen senkrecht zur ersten Hauptfläche des Elements verlaufen. Elementarflächen können regelmäßig und von gleicher Form oder von ungleicher Form sein, so daß für einen bestimmten Auftreffwinkel der Reflexionswinkel an unterschiedlichen Auftreffstellen über die Fläche der Komponente unterschiedlich ist. Dies kann dazu beitragen, ein Blendlicht zu vermeiden, wie nachstehend in einzelnen beschrieben wird.

Wenn z. B. bei einem bestimmten Auftreffwinkel der Reflexionswinkel an Auftreffstellen näher der Unterkante der Komponente bezüglich einer normalen, aufrechten Orientierung beim Gebrauch größer ist als an Auftreffstellen weiter weg von der Unterkante, trägt dies nicht nur dazu bei, das reflektierte Licht über einen größeren Winkel zu verteilen und daher die Möglichkeit zu minimieren, daß ein Beobachter durch die Konzentration von Licht in einer Richtung (nämlich des Lichts, das von der Sonnenscheibe ankommt) geblendet wird, sondern hat auch weitere Vorteile bei der Vermeidung von "heißen Flecken" der Beleuchtung, wie später erläutert wird.

Die Reflektorgrenzflächen können eben und mit unterschiedlichen Neigungen (entweder fortschreitend oder unregelmäßig) eingestellt sein, um die erforderliche Verteilung zu erreichen, oder können entweder konvex oder konkav gekrümmt sein.

Die durch die zweiten Elementarflächen begrenzten Hohlräume können mehrere parallele Nuten umfassen. Weiterhin ist bei den beiden Hauptflächen jeweils wenigstens ein Teil ihrer jeweiligen Oberflächenbereiche im wesentlichen parallel zueinander.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Elementarflächen als Oberflächenunebenheiten ausgebildet, die ineinander übergehen, d. h., daß die Oberflächenunebenheiten eines Elements in die entsprechenden Oberflächenunebenheiten des anderen Elements eindringen.

Wenigstens einige der Elementarflächen der beiden Elemente können einander kontaktieren, entweder durch direkten Kontakt über einen Klebstoff oder ein Zwischenraummedium wie Wasser oder ein Gel. Das Medium kann den gleichen Brechungsindex wie das Material der Elemente oder einen unterschiedlichen Brechungsindex haben, und die Wahl dieser Werte beeinflußt das optische Verhalten der Komponente.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat jedes Element zwei Gruppen von Elementarflächen, die als langgestreckte, ebene Flächen gebildet sind, die zueinander geneigt sind, um in einer Hauptfläche des Elements Nuten mit V- förmigem Querschnitt zu bilden. Die Nuten sind voneinander getrennt oder können aneinander grenzen.

Bei weiteren Ausführungsformen können die Nuten durch eine Anzahl größer 2 von Elementarflächen begrenzt sein. Zum Beispiel können zwei oder mehr Elementarflächen eine Seite einer Nut bilden. Selbstverständlich können die Elementarflächen nicht notwendigerweise eben sein, und Elemente mit gekrümmter Oberfläche können ebenfalls verwendet werden. Die Krümmung solcher Elemente kann eine einfache Krümmung einer Ebene sein (die senkrecht oder parallel zur Hauptfläche des ebenen Elements sein kann) oder kann eine kombinierte Krümmung sowohl parallel als auch senkrecht zur Hauptfläche sein.

Durch geeignete Wahl des Längenverhältnisses (das ist das Verhältnis zwischen der Tiefe und der Breite) der Nuten zusammen mit einer geeigneten Wahl der Trennung zwischen benachbarten Nuten kann erreicht werden, daß die Sichtbarkeit durch eine optische Komponente, die als eine Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist, über den Bereich der Winkel im wesentlichen unbehindert ist, auf den das Auge eines Betrachters begrenzt und in dem das interessierende Sichtfeld liegt. Das heißt, es wurde festgestellt, daß das interessierende Betrachtungsfeld durch das Fenster für einen sitzenden oder stehenden Beobachter auf beiden Seite einer horizontalen Ebene liegt, so daß das Auge des Beobachters auf einen Winkel von etwa einem Bereich von ± 15&sup0; begrenzt ist. Oberhalt 15&sup0; ist der Hauptanteil des Bildes Himmel, dessen größter Teil durch die Insassen eines Raumes nicht im einzelnen beobachtet wird.

Damit der Blick durch die Komponente ungestört ist, ist es wichtig, daß die beiden Hauptflächen wenigstens einen Teil ihres jeweiligen Oberflächenbereichs im wesentlichen parallel zueinander haben: Bei solch einer Ausführungsform nehmen die Elementarflächen, die das auftreffende Licht in zwei getrennte Richtungen ablenken, einen Teil (vorzugsweise einen kleineren Teil) des Gesamtoberflächenbereichs der Komponente ein.

Die Elementarflächen können im Querschnitt symmetrisch oder asymmetrisch sein, und die Anordnung derart sein, daß wenigstens über bestimmte Auftreffwinkel Licht von der Komponente eher reflektiert als durch sie übertragen wird, obwohl bei anderen Auftreffwinkeln Licht reflektiert und übertragen werden kann.

Spezielle Ausführungsformen der Erfindung können durch kooperierend Grenzflächen gebildet sein, die die Wirkung eines ebenen Reflektors erzeugen.

Zwischen kooperierenden Elementarflächen können leere Räume bestehen, die irgendein ausgewähltes Fluid wie Luft, Gas oder eine Flüssigkeit mit einem ausgewählten Brechungsindex enthalten, und die Komponente kann Mittel haben, durch die der Inhalt der leeren Räume verändert werden kann, so daß die effektive optische Leistung dadurch geändert wird, daß der Brechungsindex des Materials in den leeren Räumen verändert wird.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können durch Mikroreproduktionstechniken unter Verwendung von Kunststofffilmmaterial hergestellt werden, das selbsttragend ist oder einen Träger auf einem transparenten Substrat wie Glas erfordern kann, während andere Ausführungsformen der Erfindung direkt aus einem selbsttragenden Material wie Glas hergestellt werden könne.

In jedem Falle können die Elementarflächen als Seiten von Nuten in einer Hauptfläche des Elements ausgebildet sein, und die Nuten können durch Einsatz eines Formwerkzeuges oder eines anderen Formelements gebildet sein, und in bestimmten Fällen, die nachstehend beschrieben werden, können die Formelemente an der Stelle belassen werden, da die innere Gesamtreflexion an den Grenzflächen, die effektiv durch die Formelemente gebildet wird, sicherstellt, daß diese "unsichtbar" sind.

Die Nuten der kooperierenden Elemente, die die oben erwähnten Elementarflächen bilden, können miteinander über die Grenzfläche zwischen den beiden Elementen übereinstimmen oder mit einer bestimmten Phase nicht übereinstimmen und können symmetrisch oder asymmetrisch entsprechend der Funktion sein, die die Komponente erfüllen muß.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist so ausgebildet, daß sie auch als Sonnenblende wirkt, bei der weitere Mittel vorgesehen sind, um einen Teil des auf die eine Fläche auftreffenden Lichts derart abzulenken, daß es weg von der Komponente auf derselben Seite davon wie diese eine Fläche verläuft.

Die Elemente, die eine optische Komponente haben, die als eine Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist, können monolithische Elemente sein, und die Komponente kann auf wenigstens einer Fläche durch ein im wesentlichen starres, ebenes, transparentes Paneel unterstützt sein. Die optische Komponente kann alternativ auf beiden gegenüberliegenden Flächen durch jeweils im wesentlichen starre, ebene transparente Paneele unterstützt sein.

Bei einer optischen Komponente, die als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, kann die Oberflächenformgebung eine oder mehrere Kammern in der Komponente enthalten, die durch unterschiedliche Fluide gefüllt sein können, um die optischen Eigenschaften des Paneels zu ändern. Dies kann es dem Paneel ermöglichen, unterschiedliche Umgebungsbedingungen berücksichtigen zu können, und insbesondere, bei einer Sonnenschutzwirkung durch geeignete Änderung des Brechungsindex des Materials in den Kammern umzuschalten. Dies wird im einzelnen später unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsformen beschrieben.

Das Verbundverglasungspaneel kann als ein Hilfselement in eine vorhandene Verglasungskonstruktion eines Gebäudes eingesetzt werden oder kann angepasst werden, um ein Verglasungselement einer permanenten Verglasungskonstruktion eines Gebäudes zu bilden. Das Paneel kann, wenn eingesetzt, in seiner Orientierung fixiert sein oder kann in eine Tragkonstruktion eingebaut sein, die es ermöglicht, die Orientierung und/oder Positionierung des Paneels selektiv zu ändern.

Eine als eine Ausführungsform der Erfindung gebildete optische Komponente kann wenigstens ein ebenes Element aufweisen, das mehrere Elementarflächen hat, die zu einer Hauptfläche geneigt sind, deren Abmessungen und Trennung zwischen den Elementarflächenelementen nicht wesentlich größer als die Pupille des menschlichen Auges (1 mm) und nicht kleiner als diejenigen sind, bei denen Beugungseffekte vorherrschen (etwa einige micrometer).

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm ist, aus dem die Änderung der Intensität des in einem Raum durch ein übliches Fenster einfallenden Lichts ist,

Fig. 2 ein Diagramm ist, aus dem die Verteilung der Beleuchtung in einem Raum hervorgeht, der mit einer Verglasungskomponente ausgestattet ist, die als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 3 im vergrößerten Maßstab (aber nicht maßstäblich) eine Darstellung einer optischen Komponente ist, die als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in ein Verglasungspaneel eingesetzt ausgebildet ist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung ist, aus der eine optische Komponente mit unterschiedlichem Längenverhältnis in einem Verbundpaneel hervorgeht,

Fig. 5 eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. 6 ist, aus der eine weitere Ausführungsform zweier optischer Elemente hervorgeht,

Fig. 6 eine schematische Darstellung ist, aus der eine Ausführungsform wie die in Fig. 5 gezeigte hervorgeht, bei der die beiden Elemente einander kontaktieren,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführung ist, bei der die beiden Elemente zwei gegeneinander versetzte Flächenmerkmale haben,

Fig. 8 ein schematisches Diagramm ist, aus dem eine Ausführungsform der Erfindung hervorgeht, bei der die Flächenmerkmale gegenüber den bei den vorherigen Ausführungsformen gezeigten unterschiedliche Form haben,

Fig. 9 und 9a Strahlendiagramme sind, aus denen der Weg der Lichtstrahlen durch eine Ausführungsform hervorgeht, die so konstruiert ist, daß ein Sonnenschutzeffekt erreicht wird,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, die teilweise silberbeschichtete Reflektoren verwendet,

Fig. 11 zur Erläuterung eine nicht maßstabsgetreue auseinandergezogene Darstellung der Ausführungsform der Fig. 10 ist,

Fig. 12, 13 und 14 vergrößerte schematische Darstellungen von Elemente sind, die in weiteren Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können,

Fig. 15 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,

Fig. 16 eine ähnliche Querschnittsdarstellung durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist,

Fig. 17 eine Querschnittsdarstellung durch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die symmetrische Elementarflächen hat,

Fig. 18 eine Querschnittsseitendarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, die asymmetrische Elementarflächen hat,

Fig. 19 eine Querschnittsseitendarstellung ähnlich der der Fig. 18 ist, bei der die asymmetrischen Elementarflächen entgegensetzt geneigt sind,

Fig. 20 eine Querschnittsseitendarstellung in vergrößertem Maßstab einer Ausführungsform der Erfindung mit besonders vorteilhaften Eigenschaften ist,

Fig. 21 eine Querschnittsseitendarstellung einer weiteren Ausführungsform mit symmetrischen Elementarflächen ist, bei der jedoch das Längenverhältnis unterschiedlich ist und zu unterschiedlichen optischen Eigenschaften führt,

Fig. 22 eine Querschnittsseitendarstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit regelmäßiger Anordnung dreier Elementarflächen ist,

Fig. 23 eine Querschnittsseitendarstellung einer alternativen Ausführungsform ist, die unter Verwendung unterschiedlicher Materialien und unterschiedlicher Herstellungstechniken gebildet ist,

Fig. 24 eine Querschnittsseitendarstellung einer weiteren Ausführungsform unter Anwendung von Techniken ähnlich denen der Ausführungsform der Fig. 23 ist,

Fig. 25 eine Querschnittsseitendarstellung einer Ausführungsform mit asymmetrischen Elementarflächen ist, die unter Anwendung der Techniken hergestellt ist, die für die Ausführungsformen der Fig. 23 und 24 verwendet wurden, und

Fig. 26 eine Querschnittsseitendarstellung einer Ausführungsform unter Anwendung mehrerer Formelemente ist.

Nunmehr bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 die Verteilung des Lichts in einem allgemein durch den Kasten 11 angegebenen Raum, das durch ein allgemein mit 12 bezeichnetes Fenster aufgrund von allgemein mit 13 bezeichnetem durchgehendem Tageslicht fällt. Zur Erläuterung ist nur durch einen einzelnen Punkt im Fenster durchlaufendes Tageslicht gezeigt und zur Erläuterung ist das Licht durch Strahlenbündel dargestellt, wobei die Anzahl der Strahlen in jedem Bündel für die Intensität des Tageslichts aus diesem Bereich von Richtungen charakteristisch ist. Es ist somit ersichtlich, daß bei einem relativ niedrigen Einfallswinkel das mit 13a bezeichnete Bündel nur drei Strahlen hat, was eine niedrige Intensität anzeigt, während fortschreitend mit größeren Einfallswinkeln die z. B. mit 13f, 13g und 13h bezeichneten Bündel weitaus mehr Strahlen haben. Die Intensität der Beleuchtung durch die fiktiven Bündel von Lichtstrahlen 13a-13h ist mit den Buchstaben a-h längs des Bodens und Innenwand des Raumes 11 angegeben, wo die Intensität der Beleuchtung durch die Dichtheit des Abstands der auftreffenden Strahlen wiedergegeben ist. Für Vergleichszwecke wurde angenommen, daß ein Tisch 14 im Raum 11 in einer festen Position beabstandet vom Fenster 12 angeordnet ist und für einen bestimmten mittleren Beleuchtungspegel das Licht, das auf die horizontale Oberfläche fällt, als eine Basisbeleuchtung von 100% darstellend angesehen wird.

Fig. 2 zeigt die Verteilung des Lichts in einem Gebäude durch eine Fensteröffnung, die mit einer optischen Komponente der Erfindung versehen ist. Es wurden die gleichen Bezugsziffern zur Kennzeichnung von Lichtstrahlen wie in Fig. 2 zugeordnet, es ist jedoch ersichtlich, daß die Gesamtmenge des auf der Oberfläche des Tischs 14 ankommenden Lichts nahezu zweimal so groß ist wie die, die bei der gleichen externen Beleuchtung durch ein übliches Fenster wie in Fig. 1 gezeigt ankommt. Insbesondere ist die Verteilung des auf der horizontalen Fläche bzw. Bodenfläche näher am Fenster ankommende Licht gleichmäßiger. Wenn anstelle eines ebenen Reflektors an der Decke ein Reflektor mit Facettenreflektionsflächen verwendet wird, kann das Licht von der Decke in jede gewählte Richtung geleitet werden. In Fig. 2 ist ersichtlich, daß der geringere Anteil des reflektierten Strahls a zu klein ist, um in dieser Skala zu erscheinen, und folglich ist der Auftreffbereich a auf der Rückwand im wesentlichen der gleiche wie in Fig. 1, während der auftreffende Strahl 13h im wesentlichen vollständig reflektiert wird, so daß kein entsprechender Bereich h auf dem Boden nahe dem Fenster sichtbar ist. Die Deckenbereich sind mit den gleichen Bezugsbuchstaben gekennzeichnet, um Licht anzugeben, das an den auftreffenden Bündeln ankommt, die durch die gleichen Bezugsbuchstaben an den Boden- und Wandbereichen gekennzeichnet sind.

Es wird bei der Erläuterung in Bezug auf Fig. 1 und 2 angenommen, daß das Fenster 12 eine ebene Scheibe aus transparentem Material wie Glas hat oder zwei solcher Scheiben in einer üblichen Doppelverglasungsanordnung. In Fig. 3 ist ein Teil einer optischen Komponente gezeigt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, die sich in dem Hohlraum zwischen zwei Glaspaneelen oder einer üblichen Doppelverglasungszelle befindet, die als ein äußeres Glaspaneel 15 und ein inneres, durch einen Luftspalt getrenntes Glaspaneel 16 gekennzeichnet ist. Die relative Dicke des Glases und des Luftspalts sind in Relation zu der optischen Komponente nicht maßstabsgetreu, die sich, allgemein mit 18 bezeichnet, im Luftspalt 17 befindet.

Die optische Komponente 18 hat einen transparenten Körper mit einer im wesentlichen flachen, ebenen Fläche 19 und einer gegenüberliegenden Fläche 20, in der mehrere horizontale V-förmige Nuten 21 ausgebildet sind. Jede Nut 21 ist durch zwei ebene Flächen gebildet, nämlich einer ersten bzw. reflektierenden Fläche 22, die senkrecht zu den Ebenen verläuft, die durch die Hauptflächen 19, 20 der Komponente 18 definiert sind, und eine zweite Fläche 23, die unter einem flachen Winkel zur ersten Fläche 22 geneigt ist.

Wie im einzelnen nachstehend beschrieben, wird das auf die äußere Scheibe 15 der Doppelverglasungszelle auftreffende Licht zur Hauptfläche 19 der optischen Komponente 18 übertragen, die nachstehend als die Auftrefffläche bezeichnet wird, und läuft durch den Körper der optischen Komponente 18, bis er an entweder der ersten Fläche 22 einer der Nuten 21 oder der Hauptfläche 20 der optischen Komponente 18 selbst auftrifft, die nachstehend als die Austrittsfläche der Komponente bezeichnet wird. Da die erste Fläche 22 jeder Nut 21 senkrecht zu den Hauptflächen 19, 20 verläuft, gelangt das gesamte Licht, das auf die Komponente 18 unter Winkeln oberhalb der Horizontalen auftrifft, durch den Körper 18 und erreicht entweder die Austrittsfläche 20 oder eine erste Fläche 22 einer Nut 21. Licht oberhalb der Horizontalen ist von vorwiegendem Interesse, das es den weitaus größten Teil des Lichts darstellt, das an einem Gebäude ankommt. Licht, das mit einem Winkel unterhalb einer horizontalen Elevation ankommt, wird vom Boden oder umgebenden Objekten reflektiert, hat eine sehr viel geringere Intensität und kann für praktische Zwecke der Beleuchtung vernachlässigt werden, da es von untergeordneter Intensität zur Beeinflussung der Beleuchtung ist. Es ist ersichtlich, daß die Abmessungen und Proportionen dieser optischen Komponente der Klarheit der Erläuterung wegen nicht maßstäblich gezeigt sind.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform in einer mehr praktischen Ausgestaltung, bei der das Längenverhältnis w/d sehr viel geringer ist. Bei dieser Ausführungsform hat die nun mit der Bezugsziffer 25 bezeichnete optische Komponente wieder mehrere Nuten 26, wobei jede Nut eine erste Fläche 27 hat, die senkrecht zu den Hauptflächen 29 und 30 verläuft, wie jedoch ersichtlich ist, ist die Breite w jeder Nut auf einen sehr geringen Wert im Vergleich zu den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 reduziert, und in ähnlicher Weise ist die Tiefe d der Nuten 26 ein kleinerer Teil der gesamten Dicke der optischen Komponente 25 als bei den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 2 ist die optische Komponente 25 ihrer Auftrefffläche 29 mit einer äußeren Scheibe 15 einer Doppelverglasungszelle in Kontakt, und ihre Austrittsfläche 30 ist von der inneren Scheibe 16 durch einen Luftspalt 31 beabstandet, der der gleiche wie der Luftspalt 1517 oder unterschiedlich von der Größe des Luftspalts 17 der Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 sein kann. In der Praxis kann die Breite der Nuten wesentlich geringer als die Pupille des Auges sein, so daß die Nuten tatsächlich unsichtbar sind.

Es ist ersichtlich, daß der Anteil des unter einem bestimmten Winkel reflektierten Lichts durch Änderung des Längenverhältnisses der Nuten geändert werden kann. Zusätzlich ist es möglich, die Neigung der beiden Flächen 22, 23, die jede Nut begrenzen, zu ändern. Dies erlaubt es wiederum dem Konstrukteur, das Verhältnis des übertragenen und reflektierten Lichts bei irgendeinem Winkel zu ändern, so daß reflektiertes Licht, das in den Raum in einer nach oben gerichteten Neigung eintritt, dann von einer hoch reflektierenden Decke reflektiert werden kann, um auf einer horizontalen Fläche wie einem Tisch oder einer Arbeitsfläche anzukommen, die tiefer in den Raum gesetzt sind als sonst, wenn es sie durch eine Ebene übliche Scheibe erreichen würde. Auf diese Weise kann an der Scheibe ankommendes Licht in zwei Komponenten zerlegt derart verteilt werden, daß ein inneres Volumen in einem Gebäude gleichmäßiger durch Fenster in einer Fassade beleuchtet werden kann.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei optische Komponenten 41, 42, die gegeneinander weisen, vorhanden sind. Die optischen Komponenten 41, 42 sind in der gleichen Form wie die Komponente 18 in Fig. 2 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Komponente 42 umgekehrt ist, so daß das auftreffende Licht zuerst an der Hauptseite, die mehrere Nuten hat, ankommt. In Abhängigkeit von der Art des Materials, aus dem die Komponenten 41, 42 hergestellt sind, können die ebenen äußeren Flächen 43, 44 die äußeren Flächen des Verglasungspaneels bilden, oder jede Komponente kann auf eine Glasscheibe wie bei den vorherigen Ausführungsformen sitzen. Wie Fig. 7 zeigt, sind die beiden optischen Komponenten 41, 42 derart angeordnet, daß ihre genuteten Seiten 44, 45 voneinander beabstandet sind, obwohl, wie in Fig. 6 ersichtlich ist, die beiden Komponenten bei einer alternativen Ausführungsform einander kontaktieren können.

Fig. 6 zeigt drei Gruppen von Strahlen, die durch die optische Komponente verlaufen. Das unter einem flachen Winkel auftreffende, mit Ls bezeichnete Licht, wird durch Reflexion und Brechung in drei Strahlen, einen ersten, übertragenen Lichtstrahl Lst, einen zweiten reflektierten Lsr, der von den horizontalen "ersten" Flächen der Nuten reflektiert wird und einen zweiten reflektierten Strahl, der von den unteren "zweiten" Flächen der Nuten in der äußeren Komponente 41 reflektiert wird, abgelenkt und dann einer zweiten Reflexion unterworfen, dieses Mal mit einem größeren Auftreffwinkel an der "ersten" Fläche der inneren optischen Komponente 42, um einen stark abgelenkten Strahl Ls2r zu bilden. Bei mittleren Auftreffwinkeln, die durch den auftreffenden Strahl Lm gezeigt sind, wird der Hauptteil des Lichts in den reflektierten Strahl Lmr mit nur einem geringen Anteil, der durch die Komponente verläuft, um den übertragenen Lichtstrahl Lmt zu bilden, reflektiert. Bei größeren Auftreffwinkeln, wie dem durch den Strahl Lh gezeigten (der z. B. im Bereich von 70º Elevation gegenüber der horizontalen liegen kann), wird das gesamte auftreffende Licht an den "ersten" Flächen der Nuten ohne Übertragung reflektiert, obwohl in Folge der Unterbrechung der unteren oder "zweiten" Fläche der inneren optischen Komponente 42 ein Teil des reflektierten Lichts ein zweites Mal reflektiert wird, um einen zweiten reflektierten Strahl Lh2r zu bilden.

Bei einer Ausführungsform wie der in Fig. 6 gezeigten, können geschlossene Hohlräume, die durch die einander zugewandten Nuten an den Innenseiten der optischen Komponenten 41, 42 gebildet sind, wahlweise mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, die den gleichen oder im wesentlichen den gleichen Brechnungswinkel in den optischen Komponenten 41, 42 hat, so daß das gesamte auftreffende Licht im wesentlichen ohne Ablenkung übertragen wird, und das Tageslicht zur Decke oder wahlweise zum Boden gerichtet werden kann. Dies ermöglicht es, eine "Sonnenschutz"-Wirkung u. U. zu erzielen, bei denen die optische Komponente so konstruiert ist, daß sie den Hauptanteil des auftreffenden Lichts zur Decke ablenkt, so daß eine Blendung durch direktes Sonnenlicht vermieden wird. Bei Lichtbedingungen mit niedrigem Auftreffwinkel kann das Fluid in die Hohlräume eingeleitet werden, damit das Licht direkt eindringen kann.

Unter numeriger Bezugnahme auf Fig. 7 ist eine alternative Ausführungsform unter Verwendung zweier optische Komponenten 41, 42 gezeigt, bei denen die Nuten in den Komponenten gegeneinander um einen halben Abstand zwischen benachbarten Nuten versetzt sind. Wie Fig. 9 zeigt, wird unter einer Elevation von 45º das gesamte auftreffende Licht reflektiert. Dessen ungeachtet wird bei niedrigen Auftreffwinkeln ein Hauptanteil des Lichts übertragen, um eine direkt Beobachtung durch die Komponente zu ermöglichen.

Fig. 8 zeigt eine weitere "Sonnenschutz"-Anordnung, bei der die beiden optischen Komponenten 41, 42 wiederum verwendet sind. Die Nuten in den beiden Komponenten 41, 42 sind einander zugewandt angeordnet und stimmen überein, jedoch ist der Abstand zwischen den Komponenten 41 und 42 so gewählt, daß unter einem bestimmten Erhebungswinkel von z. B. 45º (und darüber) das gesamte auftreffende Licht zur Decke reflektiert und keines übertragen wird. Unter diesen Auftreffwinkeln wird ein geringer Anteil des Lichts übertragen und bei horizontalem (d. h. bei einer 0º Elevation) Auftreffen, wird im wesentlichen das gesamte Licht übertragen.

Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der der Abstand zwischen den Nuten 0 ist. In Fig. 9 ist nur eine optische Komponente 50 gezeigt, obwohl, wie zuvor, sie auf entweder ihrer Auftrefffläche 51 oder ihrer Austrittsfläche, die allgemein mit 52 bezeichnet ist, durch eine Glasscheibe oder eine Glasscheibe auf jeder Seite unterstützt sein kann. Die in der Austrittsfläche 52 ausgebildeten Nuten sind mit der Bezugsziffer 53 bezeichnet und haben, wie zuvor, zwei ebene Flächen 54 und 55 mit dem Längenverhältnis von Tiefe zu Breite d:w zu 0,73 gewählt. Die beiden Flächen 54, 55 bilden tatsächlich Reflektor- und Brechungsfacetten und, wie durch den Strahlenverlauf in Fig. 11a ersichtlich ist, wird bei einem Auftreffwinkel von 45º ein Anteil des Lichts nach oben zur Decke reflektiert, während ein entsprechender Anteil nach oben und weg vom Gebäude reflektiert wird. Aus der eingefügten Zeichnung Fig. 11a die einen Strahlenweg zeigt, ist ersichtlich, daß das vom Gebäude weg reflektierte Licht tatsächlich dreimal reflektiert wird, zweimal durch die gesamte innere Reflexion an der Facette 55 und einmal durch Reflexion an der Facette 54, die für diesen Zweck silberbeschichtet sein kann, um einer Reflexion bei einem großen Auftreffwinkel zu erreichen. Solch eine Ausführungsform ist zweckmäßig, wenn die Menge der Sonnenenergie, die in ein Gebäude eindringt, begrenzt werden soll. Bei solch einer Ausführungsform ist eine direkte Beobachtung durch das Fenster selbstverständlich mit Ausnahme eines Bereiches von Auftreffwinkel unter 0º nicht möglich.

Wenn eine "Sonnenschutz"-Wirkung und eine Beobachtung durch das Fenster bei horizontalen oder nahezu horizontalen Winkeln erforderlich ist, kann dies mit einer Ausführungsform wie der in Fig. 10 gezeigten erzielt werden. Bei dieser Ausführungsform ist eine genutete optische Komponente 50 wie die in Fig. 9 gezeigte durch eine entsprechend geformte, genutete optische Komponente 60 hinterlegt, wobei in ihren Nuten die Spitzen, die die Nuten in der Komponente 50 trennen, eingreifen. Dies ist in einem vergrößerten Maßstab gezeigt, um die Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten zu erläutern. Die relative Positionierung dieser beiden Komponenten ohne wesentliche Abberation durchläuft.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform wie die der Fig. 10, aus der der Strahlenverlauf für Licht mit einer 45º Elevation hervorgeht, das teilweise in das Gebäude reflektiert wird, wobei ein Hauptanteil weg vom Gebäude reflektiert wird. Obwohl als eine einzelne Linie gezeigt, erfordert die Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten notwendigerweise einen geringen Zwischenraum, um die innere Gesamtreflexion zu erreichen. In dieser Hinsicht kann der in Fig. 10 gezeigt Spalt, dessen Maßstab seitlich vergrößert ist, um die Anordnung des Spaltes zu betonen, extrem klein sein, vorausgesetzt, er ist ausreichend groß, damit die innere Gesamtreflexion auftritt.

Die Ausführungsformen der Fig. 12, 13 und 14 richten sich auf das Problem der Reflexion der Sonnenscheibe nach oben durch Reflektorfacetten der optischen Komponente der Erfindung. Obwohl es zutrifft, festzustellen, daß das auf ein Verglasungspaneel auftreffende Licht aus einem breiten Bereich von Richtungen ankommt, besteht die Möglichkeit, daß an wolkenlosen Tagen, wenn die Sonne in einem bestimmten Bereich von Ständen ist, eine Konzentration des Lichts direkt von der Sonnenscheibe ankommt. Dies hat zwei nachteilige Wirkungen: Die erste davon ist die oben genannte Gefahr des Blendens durch nach oben reflektiertes Licht, das von einem Beobachter, der an einem unteren Teil eines Verglasungspaneels nach unten blickt, gesehen wird, z. B. von einer Standposition nahe dem Verglasungspaneel in einem Raum. Obwohl dies nicht notwendigerweise nachteiliger als das Blendlicht ist, das direkt von der Sonne durch ein übliches Verglasungspaneel ankommt, kann eine unerwartete Orientierung Schwierigkeiten hervorrufen, insbesondere da der Beobachter in dieser Situation durch das Verglasungspaneel blicken möchte, um die Umgebung zu sehen. Die Ausführungsform der Fig. 12 richtet sich auf dieses Problem, indem Nuten 17 vorgesehen sind, die, statt eine konstante Neigung zu haben, an wenigstens einer Fläche (nämlich der Reflektorfläche) eine Neigung haben, die sich von oben nach unten am Paneel ändert. In Fig. 12 ist die Ausführungsform mit einem vergrößerten Maßstab dargestellt, um vier Nuten zu zeigen, deren relative Neigungen der Klarheit halber übertrieben sind. Diese Nuten sind mit 70, 71, 72 und 73 bezeichnet, von denen jede durch eine obere bzw. Reflektorfacette 70a, 71a, 72a und 73a und eine 30 untere Facette 70b, 71b, 72b, 73b gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform haben die unteren Facetten 70b-73b eine konstante Neigung bzgl. der Hauptflächen des Paneels, obwohl selbstverständlich die Neigung der unteren Facette sich ebenso wie die der oberen Facette ändern kann.

Wie in Fig. 12 ersichtlich ist, wird Licht, das unter einem bestimmten Winkel z. B. von der Sonnenscheibe ankommt, von den Facetten 70a-73a mit einem größeren Winkel nahe dem Boden des Paneels als nahe dem oberen Ende des Paneels reflektiert, mit der Absicht, daß am unteren Teil des Paneels, wo ein Beobachter nach unten zum Boden blicken kann, Licht aus dem Bereich von Winkeln, der wahrscheinlich von der Sonnenscheibe während des Teils des Tages erfaßt wird, wenn es ausreichend hell ist, so daß eine unangenehme Blendung hervorgerufen wird, stark reflektiert wird, so daß die reflektierten Strahlen nahe dem Paneel liegen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Bereich der Änderung der Neigungen auf das Licht umgekehrt sein, so daß das Licht, das an einer höheren Stelle im Paneel auftrifft, stärker reflektiert wird als das Licht an einer unteren Stelle. Die Absicht ist hierbei, eine Divergenz des reflektierten Lichts zu erreichen, so daß keine Konzentration bei einem bestimmten Winkel auftritt, die eine Unbequemlichkeit bzw. Blendung verursachen könnte. Wie in Fig. 12 ersichtlich ist, tritt der Schnittpunkt unterschiedlicher Strahlen in einem Abstand vom Verglasungspaneel entsprechend nicht mehr als der zweifachen Dicke des Paneels auf (was typischerweise im Bereich von nur einigen Millimetern sein kann), so daß ein Beobachter sein Auge an keiner Stelle positionieren kann, wo sich reflektierte Strahlen schneiden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 13 ist die obere bzw. reflektierende Facette der Nut konvex zur Richtung des auftreffenden Lichts, so daß eine Divergenz im reflektierten Strahl hervorgerufen wird, wie gezeigt ist, und in ähnlicher Weise ist in Fig. 14 die obere Facette konkav zur Richtung des auftreffenden Lichts (was, obwohl es einen Schnittpunkt der reflektierten Strahlen erfordert, dennoch eine Divergenz des reflektierten Lichts bei einem praktischen Betrachtungsabstand hervorruft).

Soweit die Herstellungstechniken betroffen sind, kann es schwierig sein, die Ausführungsform der Fig. 13 zu fertigen, bei der die Reflektorfacette konvex ist, jedoch kann dies durch geeignete Techniken überwunden werden.

Das andere Problem, das durch die Ausführungsformen der Fig. 12, 13 und 14 überwunden wird, ist das der Möglichkeit fokussierter heißer Flecken an der Decke aufgrund der Sonnenscheibe. Durch Erzeugen einer weiten Divergenz des aus einer bestimmten Richtung ankommenden Lichts wird bei Reflexion das Licht der Sonnenscheibe über einen weiten Bereich der Decke verteilt. Dies kann auch Helligkeitsänderungen minimieren, die durch Intensitätsunterschiede des aus unterschiedlichen Richtungen ankommenden Lichts hervorgehoben werden.

Die Ausführungsform der Fig. 15 hat ein Verbundpaneel, das allgemein mit 75 bezeichnet ist und zwei Elemente 70, 77 aufweist, die bei dieser Ausführungsform einander exakt gleich sind. Dies vereinfacht die Herstellung. Das Element 76 hat einen monolithischen, transparenten Körper mit einer flachen Hauptfläche 78 und einer regelmäßigen Anordnung von im wesentlichen gleichen Nuten, die durch entsprechend genormte Rippen 79 getrennt sind. Jede Rippe 79 ist durch eine erste Fläche 80 im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche 78 und einer zweite Fläche 81 gebildet, die mit etwa 30º zur senkrechten Fläche 80 geneigt ist. Der Körper 77 hat eine nach der Hauptfläche 82 gegenüber der, von der eine Anordnung regelmäßiger, dreieckiger Rippen 83 vorsteht, die durch eine erste, senkrechte Fläche 84 und eine zweite geneigte Fläche 85 gebildet sind, deren Neigungswinkel dem der geneigten Fläche 81 der dreieckigen Rippe 79 des ersten Elements 76 gleich ist.

Die beiden Elemente 76, 77 sind zueinander so umgekehrt, daß die Rippen 79 des Elements 76 in die zwischen den Rippen 83 des Elements 77 gebildeten Nuten eingreifen. Die geneigten Flächen 81 und 85 sind miteinander in Kontakt, während die senkrechten Flächen 80, 84 durch einen schmalen Luftspalt 86 getrennt sind.

Die Abmessungen können derart sein, daß die Gesamtdicke der Komponente 75 im Bereich von 1,6 mm liegt, während die Rippen an ihrem Fuß etwa 0,5 mm breit sind (und entsprechend die Spitzen der Rippen 0,5 mm getrennt sind) und eine Höhe im Bereich von 1 mm haben.

Um die mechanische Anordnung der Flächen, die die Rippen bilden, zu bestimmen, ist es möglich, zwei Verhältnisse anzugeben, nämlich das "Längen"-Verhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen der Höhe t und der Spitze-zu-Spitze-Trennung p der Rippen (Längenverhältnis: t/p) und ein Asymmetrieverhältnis, das durch die Scheitelpunktlage jeder Rippe in Relation zu ihrer Fußbreite definiert ist, die durch h/p gegeben ist, wobei h der Abstand von einer Seite des Fußes einer Rippe zum Scheitelpunkt und p die Fußbreite bzw. der Spitze-zu-Spitze-Abstand ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Abmessung h 0, so daß das Scheitelpunktlageverhältnis h/p = 0 wird, während das Längenverhältnis t/p etwa 2 beträgt.

Der Weg mehrerer auftreffender Strahlen wurde unter der Annahme gezeichnet, daß der Brechungsindex des Materials, aus dem die Elemente hergestellt sind, 1,492 beträgt, während der Brechungsindex des Mediums zwischen den geneigten Seiten 81, 85 (das ein Klebstoff sein kann) 1,38 beträgt, und das Medium zwischen den senkrechten Seiten 80, 84 Luft mit einem Brechungsindex 1,00 ist. Diese Ausführungsform hat ein besonders vorteilhaftes Merkmal darin, daß das auftreffende Licht etwa 5º oberhalb der Horizontalen durch interne mehrfache Reflexionen reflektiert wird, horizontal auftreffendes Licht im wesentlichen ohne Ablenkung übertragen wird, und nicht oberhalb eines bestimmten kritischen Winkels durch die Komponente nach einer einzigen Reflexion an der Grenzfläche zwischen den Rippen 79 und dem durch die senkrechten Seiten 80 gebildeten Luftspalt 86 übertragen wird. Die Retroreflexion der gezeigten Strahlen bewirkt einen Sonnenschutzeffekt, der die Übertragung direkter Strahlen von der Sonnenscheibe in das Gebäude unter einem ausgewählten Auftreffwinkel vermeidet, um eine Blendung zu unterbinden. Die geeignete Wahl des Längenverhältnisses t/p, der Scheitelpunktverschiebungsposition h/p und des Brechungsindex des Materials ebenso wie der Dicke des Materials können die Neigung verändern, bei der der Sonnenschutzeffekt auftritt. In dieser Hinsicht ist die Dicke des Teils des Elements zwischen dem Boden der Nuten und der flachen Hauptfläche wesentlich für die Bestimmung des Aspekts des Verhaltens der optischen Komponente der Erfindung.

Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer nur vertikalen Orientierung verwendet werden können, wie Fig. 15 zeigt, können sie zur Neigung einstellbar um eine horizontale Achse angepaßt werden, wobei sie möglicherweise als zusätzliche externe Komponente an der Außenfläche eines üblichen verglasten Fensters ausgebildet sind. Alternativ kann ein Fenster, das mit einer optischen Komponente der Erfindung versehen ist, als Teil davon so montiert werden, daß es kippbar ist, so daß der Winkel eingestellt werden kann, unter dem die Sonnenschutzwirkung einsetzt. Die Neigung der optischen Komponente der vorliegenden Erfindung erhöht auch stark die Menge des zur Übertragung gesammelten Lichts, in dem das Licht sehr nahe der vertikalen erfaßt wird, das in das innere des Gebäudes nach einer oder mehreren Reflexionen an inneren Flächen übertragen wird. Solch ein nahe der Vertikalen auftreffendes Licht geht bei üblichen vertikalen Verglasungspaneelen verloren. Eine Erhöhung der gesamten Innenbeleuchtung in einem Gebäude kann so erzielt werden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 16 sind zwei ähnliche optische Elemente 87, 88 vorhanden, die jeweilige ebene Hauptflächen 89 und 90 und eine Anordnung entgegengesetzter Rippen 91 bzw. 92 haben. Dabei sind jedoch die Rippen 91 durch eine flache ebene Fläche 93 auf der einen Seite gebildet, während sie auf der anderen Seite durch zwei etwas geneigte ebene Flächen 94, 95 gebildet sind. Die Wirkung dafür ist bzgl. der Ausführungsform 1d, daß ein Luftspalt 96 zwischen benachbarten Rippen 91, 92 gebildet ist, der eine Trapezform hat. Dies dient dazu, die Lichtstrahlenbündel in eine schmälere Querabmessung nach Übertragung durch den Luftspalt 96 zu richten, wie durch die beiden beispielsweisen Strahlenbündel 97, 98 gezeigt ist. Dies schafft eine geringere Möglichkeit für die Ränder eines Strahlenbündels, sich bei Reflexion an der inneren Hauptfläche 90 des Elements 88 unterschiedlich zu verhalten. Die Ausführungsform 3 ist mit einer Neigung gezeigt, um den Ablendeffekt zu demonstrieren, auf den im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Fig. 15 Bezug genommen wurde.

Die Ausführungsform der Fig. 17 ist wiederum eine optische Komponente 99, die zwei identische Elemente 100, 101 mit flachen ebenen Flächen 102, 103 und entgegengesetzt gerichteten symmetrischen Rippen 104, 105 aufweist. Nicht nur die Rippen 104, 105 sind symmetrisch und identisch in der Form, sondern auch die zwischen den benachbarten Rippen 104, 105 gebildeten Rippen sind exakt von gleicher Form, so daß, wenn die beiden Elemente 100, 101 zusammengesetzt werden, wie in Fig. 17 gezeigt, die beiden Gruppen von Nuten gänzlich durch die entsprechend geformten Gruppen von Rippen 104, 105 gefüllt werden. Die einander kontaktierenden Flächen der Rippen 104, 105 können wieder durch einen Klebstoff verbunden werden, der einen ausgewählten Brechungsindex hat, so daß optische Verhalten der Komponente beeinflußt wird. In durchgehenden Linien sind die Strahlenbahnen der beiden Strahlen 106, 107 gezeigt, die senkrecht auf die Außenfläche 102 des äußeren Elements 100 auftreffen. Wenn der Brechungsindex des Mediums zwischen den beiden Elementen Luft ist (mit dem angenommenen Brechungsindex 1,00), folgen die Strahlen den in durchgehenden Linien angegebenen Bahnen und werden auf sich selbst zurückreflektiert, während, wenn der Brechungsindex zwischen den beiden Elementen 100, 101 durch einen Klebstoff von z. B. 1,40 bestimmt wird, die auftreffenden Strahlen 106, 107 dann längs der in unterbrochenen Linien gezeigten Bahnen übertragen, statt reflektiert werden. Diese Konstruktionsmöglichkeiten erlauben es dem Konstrukteur, die optischen Eigenschaften der Komponenten in Abhängigkeit von der geforderten Funktion zu bestimmen.

Nunmehr Bezug nehmend auf Fig. 18 ist eine Ausführungsform ähnlich der der Fig. 17 gezeigt (ähnlich darin, daß die entgegengesetzt gerichteten Rippen identische sind), jedoch sind dabei die Rippen (bei dieser Ausführungsform mit den Bezugsziffern 108, 109 bezeichnet) etwas asymmetrisch mit jeweiligen Flächenwinkeln von 94,9º und 67,5º. Das Längenverhältnis t/p beträgt 2. Wenn der Berechnungsindex des Mediums zwischen den Elementen 110, 111 1,00 ist, dann wird ein auftreffender Strahl, der mit 112 bezeichnet ist, an der Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Rippen 108, 109 reflektiert, so daß er mit einer erhöhten Elevation in das Innere des Gebäudes übertragen wird. Der gezeigte auftreffende Strahl 112 wurde so gewählt, daß er bei Beugung auf der Auftrefffläche 113 des Elements 110 durch das Element 110 parallel zu der stärker geneigten Grenzfläche zwischen benachbarten Rippen 108, 109 übertragen wird, und durch Vergleich mit Fig. 19 ist die Reversibilität des Übertragungsweges ersichtlich. In Fig. 19 ist eine Komponente 115 gezeigt, die zwei Elemente 116, 117 mit Rippen 118, 119 hat, von denen eine erste Fläche 120 mit dem gleichen Winkel wie die entsprechende Grenzfläche 121 bei der Ausführungsform der Fig. 18 geneigt ist, jedoch ist die stärker geneigt Grenzfläche 122 entgegengesetzt zu der entsprechend geneigten Grenzfläche 123 bei der Ausführungsform der Fig. 18 geneigt. Unabhängig davon ist der Weg des Strahls 112 ersichtlicher Weise im wesentlichen der gleiche, da er bei seiner Übertragung durch die Grenzfläche 122 nicht abgelenkt wird, wenn der Brechungsindex des Mediums zwischen den Rippen 1,00 ist, und daher erfolgt die innere Gesamtreflexion an der Grenzfläche 120, die exakt die gleich wie bei der Ausführungsform der Fig. 18 ist.

Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Scheitelpunktverschiebungsverhältnis h/p 0 oder 1 ist und die für Abbildungszwecke verwendet werden kann, wo ersichtlicher Weise eine Schar von Strahlen 130, die auf die Fläche 131 eines Elements 132 auftreffen, an senkrechten Grenzflächen 133 reflektiert wird, so daß sie durch geneigte Grenzflächen 134 übertragen und wiederum an einer ebenen Hauptseite 135 des zweiten Elements 136 gebrochen werden, das in der Form gleich dem Element 132 ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 21 ist eine weitere Anordnung gezeigt, bei der die Komponente 137 zwei Elemente 138, 139 hat, die ebene Hauptflächen 140, 141 und symmetrische Rippen 142, 143 hat, die durch symmetrische und entsprechend geformte Nuten (nicht bezeichnet) mit einer solchen Form getrennt sind, daß die Rippen 142, 143 in einander eindringen und beide symmetrisch geneigten Flächen einander kontaktieren, um Grenzflächen 144, 145 zu bilden. Das Längenverhältnis ist bei dieser Ausführungsform etwa 1,9 und das Scheitelpunktverschiebungsverhältnis ist 1/2 (so daß eine symmetrische Anordnung gebildet wird). Für bestimmte Auftreffwinkel, für die der auftreffende Strahl 146 typisch ist, wird die Komponente als ein ebener Reflektor mit mehrfachen inneren Reflexionen und einer virtuellen Reflexionsebene, die durch die unterbrochene Linie 147 bezeichnet ist. Diese Reflexion tritt nur in einem begrenzten Bereich von Auftreffwinkeln auf, und Licht wird durch die Komponente 137 bei Auftreffwinkeln außerhalb dieses Bereiches übertragen. Solch eine Ausführungsform ist für einen zeitlich begrenzten Reflektor zweckmäßig, bei dem eine Reflexion oder Übertragung durch Änderung der Neigung der Komponente bzgl. des Beobachters oder durch Bewegen des Kopfes des Beobachters bzgl. einer festen Komponente erreicht werden kann. Solch ein Reflektor kann z. B. als ein Rückblickspiegel mit erweiterter Breite eingesetzt werden, der für einen Lastkraftwagen oder zum Anhängen eines Wohnwagens geeignet ist, bei denen der Blick nach vorne und hinten beide aus dem gleichen Teil des Beobachtungsfeldes erforderlich sind und nach Belieben durch den Beobachter erreicht werden können.

Fig. 22 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ineinandergreifende Rippen unterschiedlicher, jedoch entsprechender Form, die durch die Bezugsziffern 150, 151 bezeichnet sind, eine Gruppe von Grenzflächen 160 bilden, die zueinander parallel und zu den Hauptflächen 148, 149 der jeweiligen optischen Komponenten 152, 153 geneigt sind. Bei dieser Ausführungsform kann, wie aus Fig. 22 ersichtlich ist, die Beleuchtung unter dem gleichen Auftreffwinkel in Abhängigkeit von ihrer Querposition unterschiedlich übertragen werden. Dabei fällt der auftreffende Strahl 154 auf eine erste Facette der Grenzfläche 155 und wird etwa senkrecht zur Hauptflächen 149 übertragen, während ein identisch geneigter auftreffender Strahl 156 auf eine zweite Facette der Grenzfläche 155 fällt und mit einem spitzeren Winkel übertragen und damit an der Austrittsseite 149 steiler gebrochen wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Dicke des Materials zwischen der Fläche 148 und dem Fuß der Rippen 151 größer.

Für die Rippen ist es nicht wesentlich, in die Nuten einzudringen, und bei der Ausführungsform der Fig. 23 ist eine Komponente 160 mit zwei identischen Elementen 161, 162 gezeigt, die eine Gruppe geneigter, V-förmiger Nuten 163, 164 hat, die um eine größere Strecke als die Breite der Nut von einander entfernt sind. Dabei können die Nuten typischerweise an ihrer breitesten Stelle in der Größenordnung von 1 mm liegen, während der Abstand zwischen benachbarten Nuten in der Größenordnung von 2 oder 3 mm liegen kann. Die zugewandte Flächen der Elemente 161, 162 sind durch einen Klebstoff 165 verbunden, der vorzugsweise den gleichen Brechungsindex wie das Material der Elemente 161, 162 hat, so daß das Verbundelement 160 sich tatsächlich wie ein monolithischer Körper mit trapezförmigen Hohlräumen verhält, die durch die paarweisen Nuten 163, 164 gebildet sind. Solch eine Struktur ist typischerweise für eine Herstellung aus Glas geeignet.

Eine weitere, der Fig. 23 ähnliche Ausführungsform, jedoch mit einem unterschiedlichen Abmessungsverhältnis ist in Fig. 24 gezeigt. Die Komponente 170 besteht hierbei aus zwei Elementen 171, 172, die einander gleich sind und jeweilige V-förmige Nuten 173, 174 in Übereinstimmung miteinander haben. Die beiden Elemente 171, 172 sind durch Klebstoff entweder zwischen benachbarten Nuten wie durch das Verbindungselement 175 gezeigt oder in die Nuten übergreifend, wie durch das Verbindungselement 176 gezeigt, verbunden.

In Fig. 25 ist die Form der Elemente 181, 182 ähnlich der der Elemente 171, 172, jedoch sind die Nuten 183, 184 asymmetrisch, um eine verbesserte Tageslichtleistung zu bewirken.

Eine weitere in Fig. 26 dargestellte Ausführungsform zeigt, wie die Nuten 193, 194 durch Einpressen von Metall oder anderen Formelementen 195 in die sonst flachen Flächen 196, 197 der ebenen Glasscheiben 198, 199 geformt werden können. Da die Formelemente 195 nicht innig mit den Glasoberflächen verbunden sind und einen schmalen Luftspalt belassen, so daß eine innere Gesamtreflexion auftreten kann, sind die Formelemente 195 effektiv "unsichtbar", da das auftreffende Licht, das sonst durch die Lichtundurchlässigkeit der Formelemente blockiert werden würde, an der Grenzfläche reflektiert wird, wohingegen Licht, das in einem schmalen Winkelbereich um eine Richtung senkrecht zur allgemeinen Ebene der Komponente durch die Komponente im wesentlichen ungeändert übertragen wird.


Anspruch[de]

1. Optisches Element zum Verglasen, bestehend aus wenigstens einem optisch transparenten Körper (18; 25), er zwei Hauptflächen (19, 20; 29, 30) hat, deren erste (19; 29) im wesentlichen durchgehend ist und deren zweite (20; 30) durch mehrere Hohlräume (21; 26) unterbrochen ist, die die zweite Hauptfläche (20; 30) in mehrere erste Elementarflächen unterteilen und die selbst durch mehrere zweite Elementarflächen (22, 23; 27, 28) begrenzt sind, die durch Gesamtinnenreflexion durch den Körper (18; 25) auf sie auftreffendes Licht innerhalb eines ersten Bereichs von Auftreffwinkeln hierzu reflektieren und durch den Körper (18; 25) darauf auftreffendes Licht in einem zweiten Bereich von Auftreffwinkeln hierzu brechen, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Paare zweiter Elementarflächen (22, 23; 27, 28) zueinander geneigt sind, und daß die Beziehung zwischen der Breite (W) der Hohlräume (21; 26) und den Abmessungen der ersten Elementarflächen, in die die zweite Hauptfläche (20; 30) durch die Hohlräume (21; 26) unterteilt ist, derart ist, daß ein Anteil des Lichts, das auf die erste Hauptfläche (19; 26) in einem begrenzten Bereich von Winkeln von der Normalen auf die erste Hauptfläche (19; 29) aus durch den optisch transparenten Körper im wesentlichen unabgelenkt übertragen wird, so daß ein im wesentlichen unverzerrter Durchblick durch das optische Element über wenigstens einen begrenzten Bereich von Sichtwinkeln erhalten wird.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elementarflächen (70a, 70b; 21a, 21b) an unterschiedlichen Teilen des optischen Elements derart unterschiedlich sind, daß bei einem bestimmten Auftreffwinkel der Reflexionswinkel an unterschiedlichen Auftreffpunkten über die Fläche des optischen Elements unterschiedlich ist.

3. Optische Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elementarflächen (70a, 70b; 71a, 71b) mit unterschiedlichen Winkeln derart geneigt sind, daß bei einem bestimmten Auftreffwinkel der Reflexionswinkel an Auftreffpunkten näher an der Unterkante des Elements, wenn es in einer normalen, aufrechten Orientierung verwendet wird, größer ist als den von der Unterkante weiter entfernten Auftreffpunkten.

4. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elementarflächen (22, 23) im wesentlichen eben sind.

5. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Elementarflächen (22, 23) im wesentlichen senkrecht zur ersten Hauptfläche (19) des Elements liegen.

6. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der zweiten Elementarflächen (Fig. 13) quer zu ihrer Länge gebogen sind.

7. Optisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der wenigstens einigen Elementarflächen konvex ist (Fig. 14).

8. Optisches Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der wenigstens einigen Elementarflächen konkav ist (Fig. 13).

9. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (21), die durch die zweiten Elementarflächen (22, 23) begrenzt sind, aus mehreren parallelen Nuten bestehen.

10. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehendem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß bei den beiden Hauptflächen jeweils ein Teil ihrer jeweiligen Oberflächenbereiche im wesentlichen parallel ist.

11. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es so geformt ist, daß ein Anteil des auf die erste Hauptfläche auftreffenden Lichts derart gerichtet ist, daß es weg von dem Element auf dessen gleicher Seite hiervon wie die eine Fläche läuft (Fig. 15 bis 17).

12. Optisches Element nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen und die Trennung zwischen den ersten und/oder den zweiten Elementarflächenelementen nicht wesentlich größer als etwa die Pupille des menschlichen Auges (1 mm) und nicht kleiner als diejenigen sind, bei denen Beugungseffekte vorherrschen (etwa einige Micrometer).

13. Optikteil, bestehend aus einem optischen Element (41) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch und dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen ebenes optisches Element (42), das ebenfalls eine erste und zweite Hauptfläche hat, von denen eine durch mehrere Hohlräume unterbrochen ist, die durch jeweilige mehrere zweite Elementarflächen begrenzt sind, die ebenfalls durch Gesamtinnenreflexion darauf durch das entsprechende Element in einem ersten Bereich von Auftreffwinkeln bezüglich jeder Elementarfläche auftreffendes Licht reflektieren, und darauf durch das entsprechende Element in einem zweiten Bereich von Auftreffwinkeln bezüglich jeder Elementarfläche auftreffendes Licht brechen können.

14. Optikteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Hauptflächen der beiden optischen Elemente miteinander in Kontakt stehen.

15. Optikteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden optischen Elemente zwischen jeweiligen starren, im wesentlichen ebenen, transparenten Platten befinden und jeweils von diesen kontaktiert werden.

16. Optikteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elementarflächen der beiden optischen Elemente gegeneinander weisen, und die ersten Elementarflächen des einen optischen Elements parallel zur Ebene der zweiten Hauptfläche dieses optischen Elements bezüglich der ersten Elementarflächen des anderen optischen Elements versetzt sind.

17. Optikteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elementarflächen der beiden optischen Elemente gegeneinander weisen, und die ersten Elementarflächen des einen optischen Teils parallel zur Ebene der zweiten Hauptfläche dieses optischen Elements mit den ersten Elementarflächen des anderen optischen Elements übereinstimmen.

18. Optikteil nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elementarflächen der beiden optischen Elemente miteinander in Kontakt stehen.

19. Optikteil nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Mittel vorgesehen sind, um ein Fluid mit gegenüber Luft unterschiedlichen Brechungsindex in den Zwischenraum zwischen den beiden optischen Elementen einzuleiten, um die Richtung und/oder den Anteil des gebrochenen und/oder reflektierten Austrittlichts zu ändern.

20. Optikteil nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die körperliche Konfiguration der Elementarflächen des oder jedes optischen Elements und damit den Anteil des gebrochenen oder reflektierten Austrittslichts bei seinem Durchgang durch das Teil zu ändern.

21. Optikteil zum Verglasen, bestehend aus zwei optisch transparenten Körpern (76; 77), von denen jeder zwei Hauptflächen (78; 82) hat, von denen eine im wesentlichen durchgehend und die andere durch mehrere Hohlräume unterbrochen ist, von denen jeder durch wenigstens zwei Elementarflächen (80, 81; 84, 85) begrenzt ist, die durch Gesamtinnenreflexion darauf durch den Körper (76; 77) in einen ersten Bereich von Auftreffwinkeln hierzu auftreffendes Licht reflektieren und darauf durch den Körper in einen zweiten Bereich von Auftreffwinkeln hierzu auftreffendes Licht brechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarflächen benachbarter Hohlräume zusammentreffen, um ineinandergreifende Spitzen zu bilden, wobei die Spitzen jedes transparenten Körpers in die Hohlräume des Anderen eindringen, und daß wenigstens ein Teil wenigstens einiger (81, 85) der entsprechenden Elementarflächen (80, 81; 84, 85) der Hohlräume in den beiden optisch transparenten Körpern derart miteinander in Kontakt sind, daß auf die erste Hauptfläche des einen optisch transparenten Körpers in dem begrenzten Bereich von Winkeln von der Normalen aus hierzu auftreffendes Licht durch das Teil im wesentlichen unabgelenkt übertragen wird.







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