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.