EP1201986A2 - Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie -ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade zur gezielten Beleuchtung eines Innenraumes - Google Patents

Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie -ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade zur gezielten Beleuchtung eines Innenraumes Download PDF

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EP1201986A2
EP1201986A2 EP01118806A EP01118806A EP1201986A2 EP 1201986 A2 EP1201986 A2 EP 1201986A2 EP 01118806 A EP01118806 A EP 01118806A EP 01118806 A EP01118806 A EP 01118806A EP 1201986 A2 EP1201986 A2 EP 1201986A2
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EP
European Patent Office
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light
optical elements
light exit
solid angle
translucent
Prior art date
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EP01118806A
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English (en)
French (fr)
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EP1201986B1 (de
EP1201986A3 (de
Inventor
Adolf Prof. Dr. Goetzberger
Thomas Kuckelkorn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP1201986A3 publication Critical patent/EP1201986A3/de
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Publication of EP1201986B1 publication Critical patent/EP1201986B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S11/00—Non-electric lighting devices or systems using daylight

Definitions

  • the invention relates to a device for redirecting light as well - Suppression for stationary use in a translucent building facade for the targeted illumination of an interior with at least one translucent optical element, which provides a light entry side and a light exit side which is defined by a first curved interface and at least by a second interface, the curvature the first interface is designed such that light rays that strike the light entry side from a first solid angle area and couple into the optical element are concentrated in the way of total reflection at the first interface onto the area of the second interface and that light rays that come from a second solid angle area impinge on the light entry side and couple into the optical element, exit the optical element through the first interface.
  • the invention relates to an element that is used in open and closed spaces Sun protection element and can be used as a light directing element.
  • Prismatic systems also have those that are often perceived as disadvantageous or disturbing Property that the radiation spectrally in when passing through the prism different directions is split, causing a color decomposition in the visible range of radiation occurs.
  • CPC structures compound Parabolic Concentrators
  • prismatic systems due to the shape within one wide angle range
  • stationary systems are manufactured that one effective sun protection and at the same time high diffuse light transmission allow.
  • Such a system that is based on transparent, CPC structures stationary, seasonally effective sun protection can be used in the Published patent application DE 196 13 222 A1.
  • the device shown in the above publication serves the targeted Shadowing from sunlight that is on translucent building facades Interior lighting hits.
  • the basis of the known device Due to the spatial geometry, the optical principle of operation is one that turns sunlight around or. fading optical element is given and is based on the light concentration as well as the light deflection of solar radiation within a defined angle of incidence range, d. H. the optical element can do all of them Focus sun rays coming from a given first Solid angle range fall on the optical element and all others Sun rays are redirected accordingly.
  • Figure 2 shows four shown in longitudinal section, optical elements C arranged next to one another, each having a common one Light entry side A have.
  • Each individual optical element C points continuously curved side walls, each with a flat design Complete light exit side D.
  • the optical element C can either be uniaxial cut linearly as well as rotationally symmetrical or biaxially or diagonally be formed.
  • the curvature of the side walls of the optical element C is formed in such a way that light rays that come from a Impact solid angle range B, by total reflection on the side surfaces in the Be concentrated inside the optical element on the light exit side D.
  • the light exit side D is provided with a coating E which blocks the radiation either absorbed or reflected back into the inlet half-space B.
  • the invention has for its object a device for redirecting light and blanking for stationary use with a translucent Building facade for targeted lighting of an interior with at least one translucent optical element, according to the preamble of claim 1 to further develop in such a way that the linear or optical elements arranged in an array should exist therethrough.
  • it is a simple and inexpensive device for light suppression as well as specifying light deflection.
  • a device for light deflection and suppression is for stationary use with a translucent building facade for targeted Illumination of an interior with at least two translucent optical Elements formed according to the preamble of claim 1 such that the optical elements are arranged next to each other in such a linear or array-like manner, that the light exit sides of the individual optical elements from each other are spaced, and that in the between the light exit sides intermediate area forming a light reflecting or at least partially light absorbing means is provided.
  • the light reflecting or at least partially or partially light-absorbing agents By providing the light reflecting or at least partially or partially light-absorbing agents, not as in the case of the German patent application DE 196 13 222 A1 directly in the area of the light exit side, but in the Intermediate areas that extend from the respective light exit sides of the linear or optical elements arranged in an array are included specifically hiding that light on the light entry side of the individual optical elements from the second solid angle range.
  • the light entry side of the optical elements arrives almost unhindered Light exit side at which it emerges from the optical element accordingly can. This ensures that the optical element at least on the surfaces the light exit side is completely transparent, provided that the The light entry and exit sides are flat and parallel.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through four linearly arranged side by side optical elements C, the light entry sides A each in a uniform Level.
  • the light entry sides A are free Light exit sides D arranged, none compared to the prior art have light-absorbing layer. Rather are in the intermediate areas between the light exit sides D light-absorbing or reflecting means, For example, provided in the form of diaphragms BL, the light from the side of the Light entry side falls on the screens BL, absorb or into the light entry space reflect back again. In particular, this applies to those light components that affect the Light entry sides of the optical elements from the second solid angle range come to mind. If, on the other hand, light fails within the first solid angle range, that is area B (see FIG.
  • the essential advantage of the optical elements shown in FIG. 1 is the possibility a direct view through the optical elements, at least in the area of their Light exit surfaces D.
  • This relationship is shown graphically in FIG. at vertical arrangement of a plurality of arrayed optical elements for example within a window element, it is for an observer in the interior I possible, through the light exit sides of the respective optical elements to the outside to see (passband).
  • sunlight falls on the outside Light entry sides of the optical elements within the second Solid angle range, the so-called Ausbelend Scheme, this is Sunlight hidden by the presence of the BL aperture.
  • FIG. 5 shows a further embodiment for a linear or array-shaped one Arrangement consisting of a plurality of optical elements C shown.
  • the individual optical elements C have a uniform light entry side A and are with their respective light emission sides with a transparent Carrier substrate T connected.
  • the preferably plate-shaped, optical transparent carrier substrate T which is preferably in one piece with the optical Elements C is connected, facing away from the optical elements Side on a flat, flat surface T1.
  • the also plan trained light entry side A is at least in the area of the light exit sides of the individual optical elements C the direct view through the optical Given order.
  • Air inclusions L are provided if the arrangement is array-shaped.
  • the Diaphragms BL themselves preferably have on their side facing the light entry side Surface on a reflective layer so that the incident on it Sunlight is reflected back into the entrance half space.
  • the Passage area For individual light transmission from the first solid angle range, the Passage area, light incident on the optical elements into the interior is the transparent support structure T on its side facing the interior preferably with surface structures S according to FIG. 6.
  • the Surface structures S can do this through the light exit sides in the Carrier substrate T to direct incident light into the interior, for example. for the purpose of targeted optical room lighting.
  • Support structure T is provided with diaphragms BL, for example as opaque Surface strips are formed, the support structure T as a movable Element O is executed (see Figure 7).
  • the movable support plate T basically results in two Applications:
  • the aperture areas BL in shape and size to the spaces between adapted to the individual light exit sides of the individual optical elements and also correspond to the light exit sides D of the individual optical Elements C, for example by moving element O by one Period of the angular range can be switched within which the to the optical Element incident radiation is reflected, d.
  • the transmission behavior of the optical element can be moved by moving the aperture in the area of individual light exit sides of the individual optical elements are reversed.
  • the element O compared to Light exit sides a targeted suppression of direct radiation with increased Diffuse light transmission can be achieved, especially since the radiation in a certain Angular range largely focused on the light exit sides of the respective optical elements occurs.
  • the appearance of the facade is from the outside strongly depends on the viewer's line of sight.
  • direct Sun exposure will affect the exterior appearance of the facade within the Masking area from the relative angle of incidence to the optical axis of each individual optical element determined.
  • This effect can be used, for example be used that with not completely absorbent or opaque coating the BL panels in the interior have a color effect that varies with the position of the sun of the elements can be created.
  • the color temperature in the Interior can be set by the angular position of the elements to the sun.
  • the Color change can also serve to ensure the correct position of the elements Check sun or as a control criterion for automatic control be used.
  • the color scheme can be deliberately considered design element can be used that the inside and outside effect of Facade and a relationship between the viewing location, viewing direction and generated external lighting conditions.
  • the linear or array-shaped optical Design elements as a horizontal or vertical slat system, flat in Facades or in roofs, canopies and other roofs integrate. Use indoors and outdoors, in the space between Double facades or the integration in the space between the panes of Insulating glazing is possible.
  • Figure 8 shows another possible combination of the optical elements C. Das 1 designed with another optical element C in mirror-image arrangement combined as shown. That way Light, on the one hand, via the light entry side A from the first solid angle range B falls into the interior of the optical arrangement, otherwise via the Light entry side A 'in the first solid angle region B' from the arrangement again.
  • FIG. 9 shows a specific form of application of the one designed according to the invention Device for the interior lighting of an atrium shown.
  • the energetic optimization of a roofed between two buildings 1 Atriums 2 often involve direct tasks Block radiation components to prevent overheating in the interior, and on the other hand, let enough diffuse light through for lighting.
  • Block radiation components to prevent overheating in the interior, and on the other hand, let enough diffuse light through for lighting.
  • the optical element designed according to the invention in the roof surface of the Atriums 2 this can be ensured by the optical element in such a way is aligned that the occurring sun angle is not or at least lie outside the passband or the first solid angle range.
  • Improving element is as in some above Specified embodiments, the light exit side of each individual optical Element with another optically transparent body, such as the Support structure T connected.
  • Such an optical coupling can transmitted light can also be redirected in a way that determines Lighting situations is adjusted.
  • the light it is possible for the light to be generated using the light source shown in FIG. 8 shown arrangement for illuminating the interior of the atrium according to the figure 9, which is incident on the optical elements in the pass region, down through the 8 transmitted, whereby the bottom of the atrium in the Cone area 4 is illuminated more.
  • the Carrier structure T has suitable deflecting structures S, so that is transmitted Light deflected in such a way that it emerges at a shallow angle.
  • optical element C in a multiple linear arrangement an optical circuit board LE arranged.
  • the light is through the optical Circuit board LE deflected on its surfaces by means of total reflection and guided. Due to the fact that it is in direct contact with the surface of the light guide plate LE, those light components can also be coated with a reflective layer BL be thrown back into the light guide plate LE, which is the total reflection angle exceed.
  • BL are not optically coupled to the surface of the light guide plate LE in order to To get total reflection for shallower angles.
  • the element can also be used as an anti-glare louvre without a light guide by placing it directly in front of a light source.
  • not only linear, but also particularly 3d structures are useful.

Landscapes

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  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Planar Illumination Modules (AREA)

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie und -ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade (F) zur gezielten Beleuchtung eines Innenraumes mit wenigstens einem transluzenten optischen Element (C), das eine eben ausgebildete Lichteintrittsseite (A) aufweist sowie eine Lichtaustrittsseite (D) vorsieht, die von einer ersten gekrümmten Grenzfläche sowie zumindest von einer zweiten Grenzfläche begrenzt ist, wobei die Krümmung der ersten Grenzfläche derart ausgebildet ist, dass Lichtstrahlen, die aus einem ersten Raumwinkelbereich (B) auf die Lichteintrittsseite (A) auftreffen und in das optische Element einkoppeln im Wege der Totalreflexion an der ersten Grenzfläche auf den Bereich der zweiten Grenzfläche konzentriert werden und dass Lichtstrahlen, die aus einem zweiten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite auftreffen und in das optische Element einkoppeln durch die erste Grenzfläche aus dem optischen Element austreten. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Grenzfläche ebenfalls stetig gekrümmt ausgebildet ist und dass die erste und die zweite Grenzfläche nahtlos und mit einem stetigen Krümmungsverhalten aneinander anschließen. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie
- ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade zur gezielten Beleuchtung eines Innenraumes mit wenigstens einem transluzenten optischen Element, das eine eben ausgebildete Lichteintrittsseite sowie eine Lichtaustrittsseite vorsieht, die von einer ersten gekrümmten Grenzfläche sowie zumindest von einer zweiten Grenzfläche begrenzt ist, wobei die Krümmung der ersten Grenzfläche derart ausgebildet ist, dass Lichtstrahlen, die aus einem ersten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite auftreffen und in das optische Element einkoppeln im Wege der Totalreflexion an der ersten Grenzfläche auf den Bereich der zweiten Grenzfläche konzentriert werden und dass Lichtstrahlen, die aus einem zweiten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite auftreffen und in das optische Element einkoppeln, durch die erste Grenzfläche aus dem optischen Element austreten.
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Element, das in offenen und geschlossenen Räumen als Sonnenschutzelement und als Lichtlenkelement eingesetzt werden kann. Die heutigen lichttechnischen und thermischen Anforderungen an Gebäude, speziell im Bereich der Büronutzung, insbesondere bei Bildschirmarbeitsplätzen, stellen hohe Anforderungen an den Sonnenschutz sowie an die Tageslichtversorgung an Arbeitsplätzen. Zur Erfüllung dieser Ansprüche kommen in vielen Gebäuden sensorisch gesteuerte, nachgeführte Jalousiensysteme zum Einsatz. Dabei tritt neben unerwünschten Störeffekten durch die permanente Nachsteuerung solcher Systeme zusätzlich das Problem auf, dass bei flachstehender Sonne der Innenraum zu stark abgedunkelt wird und die Verwendung von Kunstlicht erforderlich ist.
Durch transparente prismatische Sonnenschutzelemente kann der direkte Strahlungsanteil der Sonne wirkungsvoll zurückreflektiert werden und gleichzeitig eine hohe Restlichttransmission des diffusen Himmelslichtes erreicht werden, so dass der mittels prismatischer Sonnenschutzelemente verschattete Raum nicht zu stark abgedunkelt werden muß. Um jedoch einen wirkungsvollen Sonnenschutz für alle auftretenden Sonnenwinkel zu gewährleisten, müssen prismatische Systeme ebenfalls präzise dem aktuellen Sonnenstand nachgeführt werden, da die Prismastruktur die auf diese auftreffende Strahlung nur innerhalb eines kleinen Winkelbereiches reflektiert. Der technische Aufwand für solche System ist dementsprechend hoch.
Prismatische Systeme haben zudem die oft als nachteilig oder störend empfundene Eigenschaft, daß die Strahlung beim Durchgang durch das Prisma spektral in verschiedene Richtungen aufgespalten wird, wodurch eine Farbzerlegung im sichtbaren Bereich der Strahlung auftritt.
Ein weiteres Problem bei der Verwendung prismatischer Elemente tritt häufig dadurch auf, dass die durch das prismatische Element zurückgeworfene Strahlung spiegelnd in den Aussenraum zurückreflektiert wird. Das kann beim Einsatz solcher Elemente in Fassadenbereichen von Gebäuden zu Blendungsproblemen in der Umgebung des Gebäudes führen. Einen Überblick über die bisherige Entwicklung ist im OTTI-Energie-Kolleg: 1.-6. Tagungsband "Innovative Lichttechnik in Gebäuden" zusammengestellt.
Durch Verwendung sogenannter lichttransparenter CPC-Strukturen (Compound Parabolic Concentrators) kann der Einfallswinkelbereich, innerhalb dessen die auftreffende direkte Sonnenstrahlung in den Einfallshalbraum zurückreflektiert wird, im Gegensatz zu prismatischen Systemen durch die Formgebung innerhalb eines weiten Winkelbereiches angepasst werden. So können auf der Basis derartiger CPC-Strukturen auch nicht bewegliche, stationäre Systeme hergestellt werden, die einen wirkungsvollen Sonnenschutz und gleichzeitig eine hohe Diffuslichttransmission erlauben. Ein solches System, das auf der Basis transparenter, CPC-Strukturen als stationärer, saisonal wirksamer Sonnenschutz einsetzbar ist, ist in der Offenlegungsschrift DE 196 13 222 A1 beschrieben.
Die in der vorstehenden Druckschrift dargestellte Vorrichtung dient der gezielten Abschattung von Sonnenlicht, das auf transluzente Gebäudefassaden zur Innenraumbeleuchtung auftrifft. Das der bekannten Vorrichtung zugrundeliegende, optische Funktionsprinzip ist durch die Raumgeometrie eines, das Sonnenlicht um-bzw. ausblendende optischen Elementes vorgegeben und basiert grundsätzlich auf der Lichtkonzentration sowie der Lichtumlenkung von Sonnenstrahlung innerhalb eines definierten Einfallswinkelbereiches, d. h. das optische Element vermag all jene Sonnenstrahlen zu konzentrieren, die aus einem vorgegebenen ersten Raumwinkelbereich auf das optische Element einfallen und alle weiteren Sonnenstrahlen werden entsprechend umgelenkt. Zur näheren Erläuterung wird auf die Figur 2 verwiesen, in der das Funktionsprinzip des bekannten optischen Elementes dargestellt ist. Figur 2 zeigt vier im Längsschnitt dargestellte, nebeneinander angeordnete optische Elemente C, die jeweils über eine gemeinsame Lichteintrittsseite A verfügen. Jedes einzelne optische Element C weist stetig gekrümmte Seitenwände auf, die jeweils mit einer eben ausgebildeten Lichtaustrittsseite D abschließen. Das optische Element C kann entweder einachsig linear als auch rotationssymmetrisch oder zweiachsig oder diagonal verschnitten ausgeformt sein. Die Krümmung der Seitenwände des optischen Elementes C ist derart ausgebildet, dass Lichtstrahlen, die auf die Lichteintrittsseite A aus einem Raumwinkelbereich B auftreffen, im Wege der Totalreflexion an den Seitenflächen im Inneren des optischen Elementes auf die Lichtaustrittsseite D konzentriert werden. Die Lichtaustrittsseite D ist mit einer Beschichtung E versehen, die die Strahlung entweder absorbiert oder in den Eintrittshalbraum B zurückreflektiert. Auf diese Weise werden alle Lichtstrahlen, die aus dem Raumwinkelbereich B auf die Lichteintrittsseite des jeweiligen optischen Elementes C auftreffen, vor dem ungehinderten Hindurchtreten durch das optische Element C gehindert, sie werden demzufolge gezielt ausgeblendet. Lichtstrahlen, die auf die Lichteintrittsseite A auftreffen, die außerhalb des Raumwinkels D liegen, gelangen hingegen in das optische Element C und treten aus den Seitenwänden aus dem Element aus und erfahren dabei eine Umlenkung bzw. Auffächerung.
Sind derartige optische Elemente entsprechend längs einer transluzenten Gebäudefassade F angebracht, wie es in Figur 3 dargestellt ist, so vermögen die optischen Elemente, die auf die Lichteintrittsseite einfallenden Lichtstrahlen entsprechend umzulenken, zu reflektieren bzw. zu absorbieren. In Figur 3 sind Möglichkeiten einer entsprechenden Lichtumlenkung durch das optische Element vor einer Gebäudenfassade F dargestellt. Je nach Orientierung der optischen Elemente gegenüber der einfallenden Lichtstrahlen können somit Lichtstrahlen gezielt in das Innere von Gebäuden umgelenkt oder wieder zurück in die freie Atmosphäre reflektiert werden.
Die vorstehend beschriebene bekannte Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass sie bei entsprechender Anbringung an eine transluzente Gebäudefassade keine Durchsichteigenschaften besitzt, wodurch ihre Verwendung gerade in Fensterbereichen unattraktiv ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie -ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade zur gezielten Beleuchtung eines Innenraums mit wenigstens einem transluzenten optischen Elementes, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass eine Durchsichtmöglichkeit durch die linear oder arrayförmig angeordneten optischen Elemente hindurch bestehen soll. Insbesondere gilt es eine möglichst einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Lichtausblendung sowie Lichtumlenkung anzugeben.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der übrigen Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie -ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade zur gezielten Beleuchtung eines Innenraumes mit wenigstens zwei transluzenten optischen Elementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass die optischen Elemente derart linear oder arrayförmig nebeneinander angeordnet sind, dass die Lichtaustrittsseiten der einzelnen optischen Elemente voneinander beabstandet sind, und dass in dem sich zwischen den Lichtaustrittsseiten ausbildenden Zwischenbereich ein lichtreflektierendes oder wenigstens partiell lichtabsorbierendes Mittel vorgesehen ist.
Durch das Vorsehen der lichtreflektierenden bzw. wenigstens partiell oder teilweise lichtabsorbierenden Mittel, nicht wie im Falle der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 13 222 A1 unmittelbar im Bereich der Lichtaustrittsseite, sondern in den Zwischenbereichen, die von den jeweiligen Lichtaustrittsseiten der linear bzw. arrayförmig angeordneten optischen Elementen eingeschlossen werden, wird eben jenes Licht gezielt ausgeblendet, das auf die Lichteintrittsseite der einzelnen optischen Elemente aus dem zweiten Raumwinkelbereich einfällt. Licht, das hingegen innerhalb des ersten Raumwinkelbereiches auf die jeweilige Lichteintrittsseite der optischen Elemente eintrifft, gelangt nahezu ungehindert zur Lichtaustrittsseite, an der es entsprechend aus dem optischen Element austreten kann. Somit ist gewährleistet, dass das optische Element zumindest an den Flächen der Lichtaustrittsseite vollständig durchsichtig ist, sofern vorausgesetzt ist, dass die Lichteintrittsseite als auch -austrittsseite eben und parallel ausgebildet sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Figur 1
Längsschnitt durch vier linear nebeneinander angeordnete optische Elemente,
Figur 2
Darstellung zum Stand der Technik,
Figur 3
Darstellung zum Stand der Technik,
Figur 4
schematische Darstellung zur Durchsicht,
Figur 5
optische Elemente mit transparentem Zusatzkörper,
Figur 6
optische Elemente mit optisch transparentem Zusatzkörper mit reliefartig ausgebildeten Strukturen,
Figur 7
optische Elemente mit bewegbarem Zusatzkörper,
Figur 8
spiegelbildliche Anordnung von optischen Elementen,
Figur 9
schematisierte Darstellung zur Beleuchtung des Innenraums eines Atriums sowie
Figur 10
optische Elemente in Kontakt zu einem lichtleitenden Körper.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch vier linear nebeneinander angeordneten optischen Elemente C, deren Lichteintrittsseiten A jeweils in einer einheitlichen Ebene liegen. Den Lichteintrittsseiten A gegenüberliegend sind freie Lichtaustrittsseiten D angeordnet, die verglichen zum Stand der Technik keine lichtabsorbierende Schicht aufweisen. Vielmehr sind in den Zwischenbereichen zwischen den Lichtaustrittsseiten D lichtabsorbierende bzw. reflektierende Mittel, bspw. in Form von Blenden BL vorgesehen, die Licht, das von Seiten der Lichteintrittsseite auf die Blenden BL fällt, absorbieren bzw. in den Lichteintrittsraum wieder zurück reflektieren. Insbesondere trifft dies für jene Lichtanteile zu, die auf die Lichteintrittsseiten der optischen Elemente aus dem zweiten Raumwinkelbereich einfallen. Fällt hingegen Licht innerhalb des ersten Raumwinkelbereiches, also aus dem Bereich B (siehe Figur 2), auf die optischen Elemente ein, so werden diese Lichtanteile durch das optische Element nahezu verlustfrei transmittiert. Der wesentliche Vorteil der in Figur 1 dargestellten optischen Elemente ist die Möglichkeit der direkten Durchsicht durch die optischen Elemente zumindest im Bereich ihrer Lichtaustrittsflächen D. In Figur 4 geht dieser Zusammenhang graphisch hervor. Bei vertikaler Anordnung einer Vielzahl arrayförmig angeordneter optischer Elemente bspw. innerhalb eines Fensterelementes, ist es für einen Betrachter im Innenraum I möglich, durch die Lichtaustrittsseiten der jeweiligen optischen Elemente nach außen zu sehen (Durchlassbereich). Fällt hingegen Sonnenlicht von außen auf die Lichteintrittsseiten der optischen Elemente innerhalb des zweiten Raumwinkelbereiches, dem sogenannten Ausbelendbereich, so wird dieses Sonnenlicht durch die Präsenz der Blenden BL ausgeblendet.
In Figur 5 ist eine weiter Ausführungsform für eine lineare oder arrayförmige Anordnung bestehend aus einer Vielzahl optischer Elemente C dargestellt. Die einzelnen optischen Elemente C verfügen über eine einheitliche Lichteintrittsseite A und sind mit ihren jeweiligen Lichtaustrittsseiten mit einem transparenten Trägersubstrat T verbunden. Das vorzugsweise plattenförmig ausgebildete, optisch transparente Trägersubstrat T, das vorzugsweise einstückig mit den optischen Elementen C verbunden ist, weist an seiner den optischen Elementen abgewandte Seite eine ebene, plane Oberfläche T1 auf. Zusammen mit der ebenfalls plan ausgebildeten Lichteintrittsseite A ist zumindest im Bereich der Lichtaustrittsseiten der einzelnen optischen Elemente C der direkte Durchblick durch die optische Anordnung gegeben.
In den Zwischenräumen, in denen die Blenden BL vorgesehen sind, sind Lufteinschlüsse L vorgesehen, sofern die Anordnung arrayförmig ausgebildet ist. Die Blenden BL selbst weisen vorzugsweise an ihrer der Lichteintrittsseite zugewandten Oberfläche eine reflektierende Schicht auf, so dass das auf diese einfallende Sonnenlicht wieder in den Eintrittshalbraum zurück reflektiert wird. Demgegenüber kann die innenraumseitig zugewandte, sichtbare Fläche N der Blenden BL individuell farblich gestaltet sein, so dass zum einen die optische Attraktivität der gesamten optischen Anordnung verbessert wird und überdies die Durchsichteigenschaften von innen nach außen verbessert werden können.
Zur individuellen Lichtweiterleitung von aus dem ersten Raumwinkelbereich, dem Durchlassbereich, auf die optischen Elemente einfallenden Lichtes in den Innenraum ist die transparente Trägerstruktur T an ihrer dem Innenraum zugewandten Seite vorzugsweise mit Oberflächenstrukturen S gemäß Figur 6 ausgebildet. Die Oberflächenstrukturen S vermögen das durch die Lichtaustrittsseiten in das Trägersubstrat T einfallende Licht gezielt in den Innenraum weiter zu führen, bspw. zu Zwecken gezielter optischer Raumbeleuchtung.
Die Einsatzmöglichkeiten der optischen Elemente können auch dadurch erweitert werden, dass die in den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 5 und 6 dargestellte Trägerstruktur T mit Blenden BL versehen ist, die beispielsweise als opake Oberflächenstreifen ausgebildet sind, wobei die Trägerstruktur T als bewegliches Element O ausgeführt ist (siehe hierzu Figur 7).
Durch die beweglich ausgebildete Trägerplatte T ergeben sich grundsätzlich zwei Anwendungsmöglichkeiten:
Sind die Blendenbereiche BL in Form und Größe an die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lichtaustrittsseiten der einzelnen optischen Elemente angepasst und entsprechen darüber hinaus den Lichtaustrittsseiten D der einzelnen optischen Elemente C, so kann durch Verschieben des Elementes O beispielsweise um eine Periode der Winkelbereich umgeschaltet werden, innerhalb dem die auf das optische Element einfallende Strahlung reflektiert wird, d. h. das Transmissionsverhalten des optischen Elementes kann durch Verschieben der Blenden in den Bereich der einzelnen Lichtaustrittsseiten der einzelnen optischen Elemente umgekehrt werden.
Ferner kann im Falle einer schmäleren Ausführung der Blenden BL als der jeweilige Zwischenbereich bei entsprechender Verschiebung das Element O gegenüber den Lichtaustrittsseiten eine gezielte Ausblendung der Direktstrahlung bei gesteigerter Diffuslichttransmission erreicht werden, zumal die Strahlung in einem bestimmten Winkelbereich weitgehend fokussiert auf die Lichtaustrittsseiten der jeweiligen optischen Elemente einfällt.
Da die räumliche Verteilung der auf die Blenden BL auftreffenden Lichtintensität sowie auch die Rückstrahlung in den Außenraum mit Änderung der Einstrahlrichtungen variiert, kann durch gezieltes Aufbringen beispielsweise eines Farbstreifencodes auf die Blenden BL eine richtungsabhängige Farbwirkung erzielt werden. Auf diese Weise kann sowohl die Außenraumwirkung als auch die Innenraumwirkung einer Fassade richtungsabhängig veränderlich farblich gestaltet werden.
Bei einer diffusen Einstrahlung ist das Erscheinungsbild der Fassade von außen stark von der Blickrichtung des Betrachters abhängig. Bei direkter Sonneneinstrahlung wird die Außenwirkung der Fassade innerhalb des Ausblendbereiches vom relativen Einstrahlungswinkel zur optischen Achse jedes einzelnen optischen Elementes bestimmt. Dieser Effekt kann beispielsweise dazu genutzt werden, dass bei nicht vollkommen absorbierenden bzw. opaker Belegung der Blenden BL im Innenraum eine mit dem Sonnenstand veränderlich Farbwirkung der Elemente erzeugt werden kann. Gleichermaßen kann die Farbtemperatur im Innenraum durch die Winkelstellung der Elemente zur Sonne eingestellt werden. Die farbliche Veränderung kann auch dazu dienen, die richtige Stellung der Elemente zur Sonne zu überprüfen oder als Regelkriterium für eine automatische Steuerung genutzt werden. Darüber hinaus kann die farbliche Gestaltung bewusst als gestalterisches Element eingesetzt werden, das die Innen- und Außenwirkung der Fassade prägt und einen Bezug zwischen Betrachtungsort, Blickrichtung und äußeren Lichtverhältnissen erzeugt.
Grundsätzlich ist es möglich, die linear oder arrayförmig angeordneten optischen Elemente als horizontales oder vertikales Lamellensystem auszubilden, flächig in Fassaden oder in Dächern, Vordächern und sonstigen Überdachungen zu integrieren. Der Einsatz im Innen- und Außenbereich, im Zwischenraum von Doppelfassaden oder auch die Integration im Scheibenzwischenraum von Isolierverglasungen ist möglich.
Figur 8 zeigt eine weitere Kombinationsmöglichkeit der optischen Elemente C. Das gemäß Figur 1 ausgebildete Element ist mit einem weiteren optischen Element C in spiegelbildlicher Anordnung wie dargestellt kombiniert. Auf diese Weise gelangt Licht, das einerseits über die Lichteintrittsseite A aus dem ersten Raumwinkelbereich B in das Innere der optischen Anordnung einfällt, andereseits über die Lichteintrittsseite A' im ersten Raumwinkelbreich B' aus der Anordnung wieder aus.
In Figur 9 ist eine konkrete Anwendungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung für die Innenraumbeleuchtung eines Atriums dargestellt. Bei der energetischen Optimierung eines zwischen zwei Gebäuden 1 liegenden überdachten Atriums 2 besteht die Aufgabenstellung oft darin, einerseits die direkten Strahlungsanteile abzublocken, um die Überhitzung im Innenraum zu vermeiden, und andererseits genug Diffuslicht zur Beleuchtung hindurch zu lassen. Durch Einsatz des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Elementes in der Dachfläche des Atriums 2 kann dies gewährleistet werden, indem das optische Element derart ausgerichtet wird, dass die auftretenden Sonnenwinkel nicht oder wenigstens außerhalb des Durchlassbereiches bzw. des ersten Raumwinkelbereiches liegen.
Das hindurchtretende Zenithlicht, das aus Winkelbereichen innerhalb des Durchlassbereiches auf das Element trifft, wird weitgehend transmittiert und tritt auf der Lichtaustrittsseite im Bereich 4 diffus aus.
Um das Transmissionsverhalten des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Elementes zu verbessern, ist wie bereits vorstehend in einigen Ausführungsbeispielen angegeben, die Lichtaustrittsseite jedes einzelnen optischen Elementes mit einem weiteren optisch transparenten Körper, beispielsweise der Trägerstruktur T verbunden. Durch eine derartige optische Ankopplung kann das transmittierte Licht zusätzlich in einer Art umgelenkt werden, die bestimmten Beleuchtungssituationen angepasst ist.
So ist es beispielsweise möglich, dass das Licht unter Verwendung der in Figur 8 dargestellten Anordnung zur Beleuchtung des Innenraums des Atriums gemäß Figur 9, das im Durchlassbereich auf die optischen Elemente einfällt, nach unten durch die optische Anordnung gemäß Figur 8 transmittiert, wodurch der Boden des Atriums im Kegelbereich 4 stärker beleuchtet wird. Verwendet man hingegen eine optische Elementanordnung gemäß der Ausführungsform der Figur 6, bei der die Trägerstruktur T geeignete Umlenkstrukturen S aufweist, so wird das transmittierte Licht derart umgelenkt, dass es eher unter einem flachen Winkel austritt. Für die in Figur 9 dargestellte Beleuchtungssituation bedeutet dies, dass die Innenfassaden des Atriums 3 stärker beleuchtet werden.
Eine weitere vorteilhafte Verwendungsweise des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Elementes ist in Figur 10 wiedergegeben. Hierbei ist das erfindungsgemäße optische Element C in einer Vielfachlinearanordnung gegenüber einer optischen Leiterplatte LE angeordnet. Das Licht wird durch die optische Leiterplatte LE im Wege der Totalreflexion an ihren Oberflächen umgelenkt und geführt. Durch die unmittelbar an der Oberfläche der Lichtleiterplatte LE anliegenden, mit einer Reflexionsschicht überzogenen Blenden BL können auch jene Lichtanteile in die Lichtleiterplatte LE zurück geworfen werden, die den Totalreflexionswinkel überschreiten. Vorzugsweise sind bei der in Figur 10 dargestellten Anordnung die Blenden BL nicht optisch an die Oberfläche der Lichtleiterplatte LE gekoppelt, um die Totalreflexion für flachere Winkel erhalten zu können. An jenen Flächen, an denen die optischen Elemente mit ihren Lichtaustrittsseiten an die Oberfläche der Leiterplatte LE ankoppeln, kann Licht aus dem Lichtleiter gezielt austreten. Die in das Innere der optischen Elemente einfallenden Lichtstrahlen erfahren durch Totalreflexion an den gekrümmten Seitenwänden der optischen Elemente eine entsprechende Umlenkung zur Flächennormalen NO. Durch diese Anordnung kann gezielt Licht aus einer Lichtleiterplatte LE bzw. einem lichtleitenden Material ausgekoppelt werden.
Das Element kann auch ohne Lichtleiter als Entblendungsraster verwendet werden, indem es direkt vor einer Lichtquelle angeordnet wird.
Bei dieser Anwendung sind nicht nur lineare, sondern auch besonders 3d-Strukturen (rotationssymmetrisch, kreuzweise verschnitten) sinnvoll.
Bezugszeichenliste
A
Lichteintrittsseite
B
erster Raumwinkelbereich = Durchlassbereich
BL
Blende
C
optisches Element
D
Lichtsaustrittsseite
E
Beschichtung
F
Fensterfassade
L
Lufteinschluss
LE
Lichtleiterplatte
T
Trägerplatte, Trägersubstrat
T1
Oberseite der Trägerplatte
N
Blendenoberfläche
NO
Flächennormale
1
Gebäude
2
Atrium
3
Innenseite des Gebäudes
4
zentraler Lichtkegel
5
Seitenbereich

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Lichtumlenkung sowie -ausblendung für den stationären Einsatz bei einer transluzenten Gebäudefassade zur gezielten Beleuchtung eines Innenraumes mit wenigstens zwei transluzenten optischen Elementen, die jeweils eine eben ausgebildete Lichteintrittsseite aufweisen sowie eine Lichtaustrittsseite vorsehen, die von einer ersten gekrümmten Grenzfläche sowie zumindest von einer zweiten Grenzfläche begrenzt ist, wobei die Krümmung der ersten Grenzfläche derart ausgebildet ist, dass Lichtstrahlen, die aus einem ersten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite auftreffen und in das optische Element einkoppeln im Wege der Totalreflexion an der ersten Grenzfläche auf den Bereich der zweiten Grenzfläche konzentriert werden und dass Lichtstrahlen, die aus einem zweiten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite auftreffen und in das optische Element einkoppeln durch die erste Grenzfläche aus dem optischen Element austreten,
    dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente derart linear oder arrayförmig nebeneinander angeordnet sind, dass die Lichtaustrittsseiten der einzelnen optischen Elemente voneinander beabstandet sind, und dass in dem sich zwischen den Lichtaustrittsseiten ausbildenden Zwischenbereich ein lichtreflektierendes oder wenigstens partiell lichtabsorbierendes Mittel vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel eine Blende ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein transluzentes Trägersubstrat ist, auf dessen Oberseite in Form und Größe an den Zwischenbereich angepaßt wenigstens ein lichtreflektierender oder wenigstens ein partiell lichtabsorbierender Schichtbereich aufgetragen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das transluzente Trägersubstrat einstückig mit den Lichtaustrittsflächen verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat eine den optischen Elementen abgewandte Oberseite aufweist, die eben oder strukturiert ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein transluzentes Flächenelement ist, das in Form und Größe an den Zwischenbereich angepaßt, wenigstens einen lichtreflektierenden oder wenigstens partiell lichtabsorbierenden Bereich aufweist, und dass das Flächenelement gegenüber der Lichtaustrittsflächen der optischen Elemente verschiebbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Größe des Zwischenbereiches gleich der Form und Größe der Lichtaustrittsseiten ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Größe des Zwischenbereiches kleiner der Form und Größe der Lichtaustrittsseiten ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der lichtreflektierender oder der wenigstens partiell lichtabsorbierende Schichtbereich eingefärbt ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der lichtreflektierende oder der wenigstens partiell lichtabsorbierende Bereich eingefärbt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einfärbung graduell erfolgt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einfärbung stufenweise, mit aus mehreren angrenzenden Farben erfolgt.
  13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Innenraumbeleuchtungsmittel, das derart in eine transluzente Gebäudefassade integriert ist, dass das direkte Sonnenlicht nicht in den ersten Raumwinkelbereich, sondern lediglich aus dem zweiten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite einfällt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass an den Lichtaustrittsseiten der optischen Elemente spiegelbildlich weitere optische Elemente mit ihren jeweiligen Lichtaustrittsseiten angeordnet sind.
  15. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 14 als Innenraumbeleuchtungsmittel, das derart in eine transluzente Gebäudefassade integriert ist, dass das in den ersten Raumwinkelbereich auf die Lichteintrittsseite der zur Sonne gerichteten optischen Elemente einfallende Licht durch die Anordnung der optischen Elemente hindurchtritt und aus den Lichteintrittsseiten der der Sonne abgewandten optischen Elemente in gleicher Weise innerhalb ihres ersten Raumwinkelbereiches austritt.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsseiten der optischen Elemente optisch an eine Oberfläche eines lichtleitenden Körpers gekoppelt ist.
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