WO2018113814A2 - Vorrichtung und verfahren zur erhöhung der energiedichte von strahlung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erhöhung der energiedichte von strahlung Download PDF

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    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for spatial and temporal superimposition of light or other radiation by an optical arrangement.
  • light is represented as a set of rays of light propagating away from a light source in a particular direction.
  • the light rays are in a defined spatial and temporal
  • the propagation of light may be parallel, divergent or convergent due to the individual propagation directions of the light rays.
  • lens systems can be used to make a bundle of parallel beams of light convergent to a bundle focused on the focal point of the lens and diverging behind the focus.
  • mirrors can determine the propagation direction of
  • Such optical arrangements are particularly interesting when light beams from a plurality of light sources, for example a plurality of lamps or from a larger area, for example a
  • Another way to focus rays of light is to use a converging lens that focuses light incident on the entrance surface in parallel
  • Focused focus and thus increases the energy density and the irradiance.
  • Beam space angle is to its beam cross section, so that the radiation space as such is always a constant
  • Concentrating apparatus for use in optical communication is described in US 2006/0233492 Al.
  • the device comprises a non-planar support structure with a beam inlet and an energy outlet.
  • the inner surface of the support structure comprises a diffusing and reflecting medium, e.g. B. a bandgap structure to improve the collection and concentration efficiency.
  • the device according to US 2006/0191566 AI is constructed, in which case the calculation means has the form of a prism-shaped wedge.
  • the inner structure is tubular, so that the rays emerging from the tube collimated more strongly and substantially parallel to the
  • Tube axis are focused or directed by the
  • Energy can be collected by a detector, an optical fiber or other collection device.
  • a solar cell is at the top of a V-shape
  • Light beam space overlay is representative of any type of radiation and is therefore also applicable to non-optical radiation, such as heat radiation.
  • non-optical radiation such as heat radiation.
  • light radiation is used below. Furthermore, it is assumed that the
  • Radiation is to be understood as a spatial energy quantity which occupies a space in a corresponding time.
  • Rooms of different periods can not be in one place at the same time. Rooms of different periods, on the other hand, can overlap.
  • the invention is based on the idea that with a bundle of light beams, the beam cross section with the associated solid angle in an optical arrangement can be changed in terms of its divergence and motion, that this original beam cross section temporally and spatially shifts and due to this
  • An optical arrangement refers to a set of optical components arranged such that the
  • Properties can be, for example, the
  • Cross-sectional size or the spatial and temporal relationship to another beam of light are known.
  • An optical refraction device is an optical one
  • an optical element or a mirror may be such a refraction device.
  • a concentrator means an optical
  • Optimized exit surface and spatially superimposed in a beam flow may be one
  • Concentrator device be.
  • the light beam space represents a quantity of light of radiation which is in a room size.
  • the room size is defined by its solid angle and room cross section.
  • a beam room reduction takes place when a
  • a Lichtstrahlenraumenedlagerung takes place when several light beam spaces are each combined with a separate room in a common beam room, so that spaces with a defined amount of light, which each have a
  • a focusing means denotes an optical element which receives a plurality of light beams to a focal point or a focal plane in an optical image Way focused.
  • a converging lens may be such a focusing device.
  • a lighting control system allows the transport of
  • a ray exit area is the beam cross section that meets the optical arrangement.
  • the entrance surface refers to the area through which light enters an optical arrangement.
  • a prism-shaped wedge or double wedge is an optical refraction device that has largely the shape of a wedge.
  • the wedge may have a plane of symmetry and be partially mirrored. It is different in its execution, its task being the spatial and temporal splitting or superposition of a
  • Radiation output surface is.
  • the exit surface is the area through which light exits an optical assembly.
  • An interface represents the interface of two
  • optical elements which have different optical densities, whereby light rays at this surface of the total reflection or penetrate.
  • a decoupling device makes it possible to select light beams with different angular sizes to an optical axis, these being totally reflected or transmitted at an interface of two different optically denser media.
  • Beams of light room reduction by
  • this includes an optical refraction device for divergence adjustment, as well as the spatial and temporal repositioning of
  • Refraction device in the form of a prism-shaped
  • Concentrator device has a parabolic wedge shape, so that the refraction device light, which may be an already focused focus by a
  • Jet space reduction arises.
  • the light beams which have penetrated the concentrator device can now be transported via a light guide system to a further optical arrangement for light beam space superposition, where the beam radiation in their space
  • the newly formed cross-section represents a radiation exit surface from which the exiting light rays, which originate from a plurality of optical arrangements, on the Meeting entrance surface of a refraction device, which adjusts the divergence of the incident radiation and shifts components of the light spatially and temporally to each other, followed by means of a
  • Concentrator device reflects the emerging from the refraction spatially split light, concentrated, spatially and temporally superimposed, so that after passing through the concentrator means the light over the exit surface in the form of a
  • Light beam space overlay in combination with a
  • Steps include:
  • a prismatic wedge or partially mirrored double wedge which adjusts the divergence of the incident radiation and shifts components of the light spatially and temporally to each other, after which by means of a concentrator means, which is a parabolic mirror or optical wedge, from the
  • Concentrator device the light with a reduced beam space through a light guide system in the form of
  • Hollow bodies or of optical fibers to another optical arrangements are transported to the light beam space overlay, where in their beam room
  • Beams of light are performed together and the newly created cross section represents a beam output surface from which the exiting light rays, which comes from a variety of optical arrangements, meet the entrance surface of a refraction device, which adjusts the divergence of the incident radiation and components of the light spatially and temporally to each other, followed by means of a
  • Concentrator device reflects the spatially split light emerging from the refraction device, concentrated, spatially and temporally superimposed, so that after passing through the concentrator the light on the exit surface in the form of a Lichtstrahlenraumüberlagerung in combination with a Lichtstrahlenraumverkleintation this leaves again.
  • the advantage of the invention lies in the fact that the optical arrangement allows a light beam space to be changed individually, ie the beam cross section or beam space angle individually or in combination, without affecting other parameters. As a result, additional radiation power can be added to a beam without changing physical output variables such as cross section or angle. Thus, the irradiance of a beam angle or
  • Beam cross section can be increased.
  • the decisive factor is that the additionally irradiated light rays after
  • a particularly advantageous embodiment of the beam space reduction or beam space superposition provides for reducing a beam cross section without changing its beam space angle.
  • Radiation output surface in comparison to the exit surface of the concentrator device has a larger area, wherein the refraction device adjusts the divergence of the incident radiation and shifts components of the light spatially and temporally to each other, so that subsequently by means of a concentrator from the
  • Concentrator means the light over the reduced exit area with an equal or similar
  • the optical refraction means is an optical element which forms the shape of a curved partially mirrored prismatic double wedge in which a longitudinal side of the wedge as an entrance surface for the
  • Reduction of the beam space or radiation space overlay provides for reducing a beam space angle without changing its beam cross section. This includes the following steps:
  • Radiation output surface for comparison of the exit surface of the concentrator has an equal cross section, which adjusts the divergence of the irradiated radiation and components of the light spatially and temporally relative to each other, so that subsequently reflected by means of a concentrator the emerging from the refraction spatially split light, concentrated, spatial and temporally superimposed, wherein after passing through the concentrator means the light on the exit surface with a smaller solid angle as in the initial situation leaves this again, so that this exit radiation can be individually focused or transported by means of reflective hollow bodies or optical light guides, wherein the optical
  • Refraction device represents an optical element, giving the shape of a curved partially mirrored forms a prismatic double wedge, in which a
  • Refraction represents, in a second
  • Refraction device the form of a simple
  • Concentrator device is a parabolic mirror.
  • the concentrator device is so in this embodiment
  • the light beam cross section of the light beams changed only insignificantly in this embodiment, so that these can be selectively focused or controlled transported.
  • Steps include:
  • Radiation can be transported by a light guide system to the original entrance surface and re-irradiated in the optical arrangement to re-run the process with the newly supplied radiation. On reason whose has the remaining light radiation in the
  • Doping system now a predetermined beam angle to the optical axis, which can not be exceeded, so that this radiation leaves the exit surface again with a very small solid angle.
  • the beam output surface of the refraction device is larger than the exit surface of the concentrator device (at constant beam space angle), coupled together via a light guide system.
  • the light which originates from an exit surface of an optical arrangement is coupled into an optical waveguide.
  • This light guide which can also be part of the concentrator device,
  • the here-mentioned optical arrangements preferably have a uniform size. It is crucial that the cross section of the light guide is smaller than the cross section of the beam output surface of the other optical arrangements. Due to these differences in area conditions are created that several optical fibers from different optical arrangements can be coupled into an optical arrangement. Since the
  • Beam space angle remains constant at reduced cross-section, so many optical fibers can be combined in a cross section in this embodiment, until the original radiation output surface is reached.
  • multiple optical arrays yield a new beam output area which is identical to one of the original ones
  • Beam output surfaces As part of the physical
  • Laws can thus by irradiating several optical arrangements of the invention, the irradiance the exit surface of a subsequent optical arrangement are further increased without changing the beam space angle.
  • Example character and can also be performed in combination.
  • a series of optical arrangements, 8 shows a schematic representation of an optical arrangement with integrated
  • Fig. 9a / b is a schematic representation for the better
  • FIG. 10 is a schematic flow diagram of
  • Fig. 1 shows the schematic operation of the
  • Refraction device 3 in the form of a simple
  • the running speed of the light radiation is changed in an optical medium.
  • the optical refraction, the changed running speed and the total reflection ensure that light rays 17 which one
  • Beam cross-section in the form of a radiation output surface 14 have obtained in the prism-shaped wedge 13, a spatial and temporal splitting 15, so that the
  • the wedge shape has a direct influence on the cross-sectional or solid angle size, which can be changed individually.
  • the refraction device 3 thus serves, on the one hand, for the conversion of a radiation output surface 14 into a spatial and temporal splitting 15 and, on the other hand, for an angle or cross-sectional change of the radiation.
  • a typical embodiment of the optical arrangement 1 is shown. It comprises a refraction device 3 in the form of a prism-shaped wedge 13 and a
  • Concentrator device 4 in the form of a parabolic
  • the concentrator device 4 Since the radiation output quantity is not a single radiation output surface 14, but rather a single radiation output surface 14 continuous concentric flux, the concentrator device 4 has the task of temporally and spatially superimposing an energy flow, in other words different beam output surfaces 14, which in this embodiment leads to an angular reduction at an approximately constant beam output surface 14.
  • a typical embodiment of the optical arrangement 1 is shown. It comprises a refraction device 3 in the form of a prism-shaped wedge 13, a
  • Concentrator device 4 in the form of a parabolic
  • Exit surface 8 reproducing propagating radiation again in a Figure 18.
  • This reproduced image 18 now has the same diameter as the cross-section of the radiation output surface 14.
  • the solid angle 10 of the reproduced image 18 in this embodiment is still smaller than the solid angle 9 of the original ray output surface 14th
  • the reduced solid angle 10 thus provides a space over which further radiation 9 can be projected onto the image 18. This is shown in FIG.
  • Fig. 4 is a schematic representation of
  • Output radiation 9 with constant cross section, 17 additional light beams 12 are focused on the image 18 in addition to the light rays, so that both the light rays 17 and the additional light rays 12 in the
  • Entry surface 2 focused.
  • FIGS. 5a / b show further typical embodiments of the optical arrangement 1/11. They include one
  • Refraction device 3 in the form of a partially mirrored double wedge 13 and a concentrator device 4 in the form of a prismatic wedge 19 with a higher optical density than 3/13, wherein incident light rays 17 through the optical arrangement 1 from left to right.
  • Light rays 17 enter through the entrance surface 2 into the prism-shaped wedge 13 and enter the
  • Spatial extension 15 represents, so that these spatially offset energy points now have the ability to temporally successive or to classify themselves. Since the radiation output quantity is not a single radiation output surface 14 but a continuous radiation flow, the concentrator device 4 has the task of determining an energy flow, that is to say a different one
  • Radiation output surfaces 14 spatially superimpose in itself, which depending on the design to an angular reduction
  • FIG. 5a leads at a constant beam output surface 14 and / or to a beam output area reduction (Fig.5b) without spatial angle change from the
  • FIG. 6 shows a typical embodiment of the optical arrangement 1. It comprises a refraction device 3 in the form of a partially mirrored double wedge 13, a concentrator device 4 in the form of a prismatic wedge 19 with a higher optical density than 3 and a LichtleitSystem 21, wherein the incident light rays 17 which traverse the optical arrangement 1 from left to right are fed directly from the concentrator device 4 in a LichtleitSystem 21, so that the light radiation contained in this system can be transported to any location. It would be advantageous here that the concentrator device 4 and the light guide 21 have a form a common unity.
  • Fig. 7 is a schematic representation of
  • the starting point is that, in an optical arrangement, the ratio of the reduction in area from the radiation exit surface 14 to the exit surface 8 is 1: 5.
  • the output radiation each represents a focused
  • Focal point e.g., sunbeams having a light concentration of 1: 600.
  • FIG. 8 is a schematic representation of an optical arrangement 1 with integrated extraction system 23
  • Concentrator 4 located light beams 17 are now in the connection by means of total reflection or mirrored surfaces in a decoupling system 23rd
  • This extraction system consists of an optical medium, which corresponds to the concentrator device 4 or similar. At this extraction system 23 is located in a section a
  • Outcoupling device 24 represents an optical medium, which has a lower optical density than the outcoupling system 23 itself.
  • the outcoupling device 24 is to be understood in its further course as a LichtIeitsystem, which undertakes the task of transporting light rays 17. Meeting from the extraction system 23
  • Outcoupling device 24 they are totally reflected or let through, depending on their angular position at this interface 22.
  • the goal is to light rays 17 with too large an angle to the optical axis 5 from the
  • the aim is to produce light rays from a diffused large
  • Fig. 9a / b is a simple optical wedge as
  • Refraction device 3 is shown, which is intended to clarify the procedure and the relationship of the beam space reduction by the temporal and spatial displacement of the light beams 17 again.
  • Refraction device 3 on a large entrance surface 2 light rays 17 supplied.
  • the goal is that the
  • Entrance surface 2 penetrate into the wedge as a refraction device 3, but leave the wedge again on the entrance surface. 2
  • Fig. 9b is in the simple optical wedge as
  • Refraction device 3 a further optical element having a higher optical density than the wedge with introduced.
  • This concentrator device 4 now changes specifically the temporal and spatial radiation of the light beams 25 and 26 in the optical arrangement, so that they are temporally offset from each other. Due to this temporal
  • Fig. 10 is the schematic sequence of the individual
  • a radiation beam which can also be a focused focal point, is irradiated onto an entrance surface of an optical arrangement 1.
  • the divergence of the irradiated radiation is adjusted in a refraction device 102 and components of the light are spatially and temporally displaced relative to one another.
  • the spatially split light emerging from the refraction device is then in a concentrator device 103
  • a light guide system (104) in the form of focusing devices, mirrored
  • the narrowed in their beam space light beams can then be merged with other light beam spaces together (105) wherein the resulting cross-section represents a new radiation exit surface, from which the
  • a refraction device (107), which adjusts the divergence of the incident radiation and shifts components of the light spatially and temporally to each other.
  • the spatially split from the refraction device Light is then connected by means of a

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Energiedichte von Licht oder anderer Strahlung, ausgebildet als eine optische Anordnung (1), welche mindestens eine optische Brechungseinrichtung (3) und eine Konzentratoreinrichtung (4) umfasst, wobei in der optischen Anordnung (1) die optische Brechungseinrichtung (3) zur Divergenzanpassung, sowie dem räumlichen und zeitlichen Repositionieren (15) von Bestandteilen des mit einem Raumwinkel (9) und einer Strahlenausgangsfläche (14) einfallende Licht (17) oder anderen Strahlung die Form eines prismenförmigen Keils (13) aufweist und die Konzentratoreinrichtung (4) so angeordnet ist, dass durch die Konzentratoreinrichtung (4) das aus der Brechungseinrichtung (3) austretende räumlich aufgesplittete Licht oder die Strahlung reflektierbar, konzentrierbar, räumlich und zeitlich überlagerbar ist, so dass das Licht/Strahlung mit einem verkleinerten Strahlungsraum aus der Konzentratoreinrichtung (4) austritt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Energiedichte von Strahlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum räumlichen und zeitlichen Überlagern von Licht oder anderer Strahlung durch eine optische Anordnung.
In der geometrischen Optik wird Licht dargestellt als eine Menge von Lichtstrahlen, welche sich von einer Lichtquelle weg in eine bestimmte Richtung ausbreiten. Die Lichtstrahlen stehen in einer definierten räumlichen und zeitlichen
Beziehung zueinander, welche sich aus ihren individuellen Ausbreitungsrichtungen ergibt. So kann die Ausbreitung von Licht auf Grund der einzelnen Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen parallel, divergent oder konvergent sein.
Optische Anordnungen dienen einer Anpassung oder Veränderung der geometrischen und physikalischen Eigenschaften von
Licht. Beispielsweise können Linsensysteme dazu dienen, aus einem Bündel paralleler Lichtstrahlen ein konvergentes Strahlenbündel zu machen, das auf den Brennpunkt der Linse gebündelt wird und hinter dem Brennpunkt wieder divergiert. Ferner können Spiegel die Ausbreitungsrichtung von
Lichtstrahlen verändern und je nach Form, beispielsweise wenn sie als Hohlspiegel ausgebildet sind, auch die
Divergenz des Lichts verändern. Besonders interessant sind solche optischen Anordnungen, wenn man Lichtstrahlen aus mehreren Lichtquellen, beispielsweise mehreren Lampen oder von einer größeren Fläche, beispielsweise einem
Sonnenkollektor, auf eine einzige kleinere Fläche
konzentrieren will.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten bekannt, wie eine Konzentration von Lichtstrahlen realisiert werden kann. Zum Beispiel können Hohlspiegelsysteme so angeordnet werden, dass sie Lichtstrahlen, die auf die
Spiegeloberfläche treffen, in einem einzigen Brennpunkt bündeln und somit die Energiedichte bzw. die
Bestrahlungsstärke erhöhen. Das Anwendungsgebiet solcher sogenannten nichtabbildenden Konzentratoren liegt
üblicherweise bei Solarkraftwerken oder Photovoltaikanlagen .
Eine weitere Möglichkeit, Lichtstrahlen zu konzentrieren, ist die Verwendung einer Sammellinse, welche Licht, das parallel auf die Eintrittsfläche trifft, auf einen
Brennpunkt fokussiert und somit die Energiedichte bzw. die Bestrahlungsstärke erhöht.
Ein Nachteil der vorgenannten Konzentratoren ist, dass ein Strahlenbündel hier immer in Abhängigkeit von seinem
Strahlenraumwinkel zu seinem Strahlenquerschnitt steht, so das der Strahlenraum als solcher immer eine konstante
Energiegröße darstellt. Verändert man in den hier
beschriebenen Verfahrensweisen einen Strahlenraumwinkel so verändert sich zwangsläufig auch sein Querschnitt und umgekehrt .
Eine nicht-abbildende optische Sammel- und
Konzentrationsvorrichtung zur Verwendung in der optischen Kommunikation wird in der US 2006/0233492 AI beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine nicht-ebene Trägerstruktur mit einem Strahleneinlass und einem Energieauslass . Die innere Oberfläche der Trägerstruktur umfasst ein streuendes und reflektierendes Medium, z. B. eine Bandlückenstruktur, um die Sammel- und Konzentrationseffizienz zu verbessern.
Dadurch besteht eine gewisse Unabhängigkeit vom
Einfallswinkel der Strahlung und eine Nachführung zur
Sonnenbewegung ist nicht notwendig. Ähnlich ist auch die Vorrichtung gemäß der US 2006/0191566 AI aufgebaut, wobei hier die Berechnungseinrichtung die Form eines prismenförmigen Keils aufweist.
Bei der ebenfalls ähnlich aufgebauten Vorrichtung nach der US 2007/0246040 AI ist die innere Struktur röhrenförmig ausgebildet, so dass die aus der Röhre austretenden Strahlen stärker kollimiert und im Wesentlichen parallel zur
Röhrenachse fokussiert oder gerichtet sind, indem die
Energie durch einen Detektor, eine optische Faser oder eine andere Sammelvorrichtung gesammelt werden kann.
Aus der DE 197 54 047 AI ist ein Solarmodul bekannt, bei dem mittels eines Konzentrators eine hohe Büdelungsgüte der Lichtstrahlen erreicht wird.
Eine Solarzelle ist dabei an der Spitze einer V-Form
angeordnet, die von einem Paar Prismen gebildet wird, deren Brechungsindex größer als der der Luft ist. Das einfallende Licht wird mehrfach reflektiert einschließlich einer inneren Totalreflektion unterzogen. Es kommt zu einer
Strahlenrückführung, ohne Erhöhung der Strahlung im
Strahlungsraum .
Bei der US 6 123 436 A erfolgt eine Strahlungsbündelung, ohne dass diese einer räumlichen Überlagerung unterzogen wird .
Mit diesem bekannten Verfahren der Strahlenbündelung ist Grundsätzlich keine Energieerhöhung des Strahlenflusses durch Strahlenzugabe möglich. Das ist Aufgabe der Erfindung.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des
Vorrichtungsanspruches 1. Ein Verfahren benennt Anspruch 14 Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Mit der Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welche es ermöglichen, den
Strahlenraumwinkel von seinem Strahlenquerschnitt
abzukoppeln, d. h. zum Einen eine grundsätzliche Trennung des Strahlenraumwinkels vom dazugehörigen Strahlenraum- querschnitt und zum Anderen das Einbringen von zusätzlicher Strahlung in einen „konstanten" Strahlenraum, ohne das sich dieser in seiner Größe verändert.
Das im Anschluss beschriebene optische Verfahren der
Lichtstrahlenraumverkleinerung in Kombination mit der
Lichtstrahlenraumüberlagerung steht stellvertretend für jede Art von Strahlung und ist damit auch auf nicht optische Strahlung übertragbar, wie beispielsweise Wärmestrahlung. Zum besseren Verständnis wird nachfolgend von Lichtstrahlung gesprochen. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die
Strahlung als eine räumliche Energiegröße zu verstehen ist, welche einen Raum in einer dazugehörigen Zeit einnimmt.
Verschiedene Räume eines Zeitraumes können hierbei nicht zur gleichen Zeit an einem Ort sein. Räume unterschiedlicher Zeiträume können sich hingegen überlagern.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zu Grunde, dass bei einem Bündel von Lichtstrahlen der Strahlenquerschnitt mit dem dazugehörigen Raumwinkel in einer optischen Anordnung so hinsichtlich seiner Divergenz und Bewegung verändert werden kann, das dieser ursprüngliche Strahlenquerschnitt sich zeitlich und räumlich verlagert und auf Grund dieser
Verlagerung die einzelnen Energieteilchen sich nun räumlich untereinander überlagern lassen, wodurch sich der
Lichtstrahlenraum in seinem Strahlenquerschnitt und/oder Raumwinkel verkleinert.
Durch diese Strahlenraumquerschnitts- oder
Raumwinkelverkleinerung in einem Strahlenfluss , welcher eine Strahlenraumverkleinerung darstellt, ist es nun wiederum möglich, zusätzliche Strahlung dem verkleinerten
Strahlenquerschnitt oder Raumwinkel hinzuzufügen. Somit erreicht der Strahlenraumquerschnitt bzw. Raumwinkel durch diese zusätzliche Strahlung, was in diesem Fall eine
Strahlenraumüberlagerung darstellt, wieder seine
ursprüngliche Ausgangsgröße. Dadurch lässt sich die
Strahlenmenge schrittweise und wiederholt steigern, ohne den Strahlenraum zu vergrößern.
Definitionen :
Eine optische Anordnung bezeichnet eine Menge von optischen Bauelementen, die so angeordnet sind, dass sich die
physikalischen Eigenschaften eines Lichtstrahles verändern. Eigenschaften können beispielsweise die
Ausbreitungsrichtung, RaumwinkelVeränderung,
Querschnittgröße oder die räumliche und zeitliche Beziehung zu einem anderen Lichtstrahl sein.
Eine optische Brechungseinrichtung ist ein optisches
Element, das auf Grund seines Brechungsindexes, seiner Reflexionseigenschaften und seiner geometrischen Form die physikalischen Eigenschaften von Strahlung verändert oder umlenkt. Es hat die Aufgabe, einen Strahlenraumquerschnitt und deren Strahlenraumwinkel zeitlich und räumlich
aufzusplitten und zu verkleinern oder zu überlagern.
Beispielsweise kann ein optisches Element oder ein Spiegel solch eine Brechungseinrichtung sein. Eine Konzentratoreinrichtung bezeichnet ein optisches
Element, das zeitlich und räumlich aufgesplittete Strahlung in ihrer Winkelfunktion und Winkelausrichtung zur
Austrittsfläche optimiert und diese in einem Strahlenfluss räumlich überlagert. Beispielsweise kann ein Hohlspiegel oder ein optisches Element, was einen höheren Brechungsindex als die optische Brechungseinrichtung hat, eine solche
Konzentratoreinrichtung sein.
Der Lichtstrahlenraum stellt eine Lichtmenge an Strahlung dar, welche sich in einer Raumgröße befindet. Dabei
definiert sich die Raumgröße über seinen Raumwinkel und Raumquerschnitt .
Eine Lichtstrahlenraumverkleinerung erfolgt, wenn ein
Raumquerschnitt sich ohne Veränderung des dazugehörigen Raumwinkels verkleinert, wenn ein Raumwinkel sich ohne
Veränderung des dazugehörigen Raumquerschnitts verkleinert oder in Kombination beider Varianten, bei jeweils
gleichbleibender Strahlenmenge.
Eine Lichtstrahlenraumüberlagerung erfolgt, wenn mehrere Lichtstrahlenräume mit jeweils einem eigenständigen Raum in einem gemeinsamen Strahlenraum vereint werden, so dass Räume mit einer definierten Lichtmenge, welche jeweils einen
Raumwinkel mit dem dazugehörigen Raumquerschnitt besitzen, nach einer Strahlenraumüberlagerung nur noch in einem Raum existieren, wobei sich aber die gesamte Lichtmenge aller Räume in diesem verkleinertem Raum überlagert. Nach solch einer Überlagerung stellt diese Lichtmenge nun wiederum einen eigenen Lichtstrahlenraum dar.
Eine Fokussierungseinrichtung bezeichnet ein optisches Element, das mehrere Lichtstrahlen auf einen Brennpunkt oder eine Brennebene in einer optischen Abbildung erhaltenden Weise fokussiert. Beispielsweise kann eine Sammellinse eine solche Fokussierungseinrichtung sein.
Ein Lichtleitsystem ermöglicht den Transport von
Lichtstrahlen über eine gewünschte Distanz, beispielsweise durch Zuhilfenahme von Fokussierungseinrichtungen,
verspiegelten Hohlkörpern oder Lichtleitern.
Eine Strahlenausgangsfläche ist der Strahlenquerschnitt, der auf die optische Anordnung trifft.
Die Eintrittsfläche bezeichnet die Fläche, durch die Licht in eine optische Anordnung eintritt.
Ein prismenförmiger Keil oder Doppelkeil ist eine optische Brechungseinrichtung, die weitestgehend die Form eines Keils hat. Der Keil kann dabei eine Symmetrieebene besitzen und teilweise verspiegelt sein. Er ist in seiner Ausführung unterschiedlich, wobei seine Aufgabe die räumlich und zeitliche Aufsplittung oder Überlagerung einer
Strahlenausgangsfläche ist.
Die Austrittsfläche bezeichnet die Fläche, durch die Licht eine optische Anordnung verlässt.
Eine Grenzfläche stellt die Verbindungsfläche zweier
optischer Elemente dar, welche unterschiedliche optische Dichten besitzen, wodurch Lichtstrahlen an dieser Fläche der Totalreflexion unterliegen oder diese durchdringen.
Eine Auskopplungseinrichtung ermöglicht ein Selektieren von Lichtstrahlen mit verschiedenen Winkelgrößen zu einer optischen Achse, wobei diese an einer Grenzfläche von zwei unterschiedlichen optisch dichteren Medien total reflektiert oder durchgelassen werden. Bevorzugte Ausführungsformen :
Insbesondere wird somit eine Vorrichtung zur
Lichtstrahlen:raumverkleinerung durch
Strahlenraumüberlagerung eines LichtStrahlenbündels und zur Lichtstrahlenraumüberlagerung durch Strahlenraumüberlagerung mehrerer Lichtstrahlenbündel geschaffen.
Ausgebildet als eine optische Anordnung, umfasst diese eine optische Brechungseinrichtung zur Divergenzanpassung, sowie dem räumlichen und zeitlichen Repositionieren von
Bestandteilen des Lichts, eine Konzentratoreinrichtung und ein optisches Lichtleitersystem, wobei die optische
Brechungseinrichtung die Form eines prismenförmigen
teilweise verspiegelten Doppelkeils ausbildet und die
Konzentratoreinrichtung eine parabolische Keilform besitzt, so dass die Brechungseinrichtung Licht, welches ein bereits fokussierter Brennpunkt sein kann, durch eine
Strahlenausgangsfläche über die Eintrittsfläche aufnimmt und diese räumlich und zeitlich verlagert. Hierdurch erhält die ursprüngliche Strahlenausgangsfläche eine räumliche
Dimension, die diese als neu entstandener Raumwinkel wieder verlässt, welche von der Konzentratoreinrichtung aufgenommen und in einem weiteren Raumwinkelbereich räumlich und zeitlich überlagert wird, wodurch eine
Strahlenraumverkleinerung entsteht. Die Lichtstrahlen, welche die Konzentratoreinrichtung durchdrungen haben, können nunmehr über ein Lichtleitersystem zu einer weiteren optischen Anordnung zur Lichtstrahlenraumüberlagerung transportiert werden, wo die in ihrem Strahlenraum
verkleinerten Lichtstrahlen mit weiteren verkleinerten Lichtstrahlenräumen zusammen geführt werden und der damit neu entstandene Querschnitt eine Strahlenausgangsfläche darstellt, aus der die austretenden Lichtstrahlen, welche von einer Vielzahl optischer Anordnungen stammt, auf die Eintrittsfläche einer Brechungseinrichtung treffen, welche die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, wobei im Anschluss mittels einer
Konzentratoreinrichtung das aus der Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht reflektiert, konzentriert, räumlich und zeitlich überlagert wird, so dass nach Durchlaufen der Konzentratoreinrichtung das Licht über die Austrittsfläche in Form einer
Lichtstrahlenraumüberlagerung in Kombination mit einer
Lichtstrahlenraumverkleinerung diese wieder verlässt.
Ferner wird vorteilhafterweise ein Verfahren zur
Lichtstrahlenraumverkleinerung durch Strahlenraumüberlagerung eines Lichtstrahlenbündels und zur
Lichtstrahlenraumüberlagerung durch Strahlenraumüberlagerung mehrerer Lichtstrahlenbündel geschaffen, die folgende
Schritte umfassen:
Einstrahlen eines Lichtbündels, was ein bereits fokussierter Brennpunkt sein kann, durch eine Strahlenausgangsfläche auf eine optische Brechungseinrichtung, welche einen
prismenförmigen Keil oder teilweise verspiegelten Doppelkeil darstellt, der die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, wonach im Anschluss mittels einer Konzentratoreinrichtung, was einen parabolischen Spiegel oder optischen Keil darstellt, das aus der
Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht reflektiert, konzentriert, räumlich und zeitlich überlagert wird, so das nach Durchlaufen der
Konzentratoreinrichtung das Licht mit einem verkleinerten Strahlenraum durch ein Lichtleitsystem in Form von
Fokussierungseinrichtungen oder von verspiegelten
Hohlkörpern oder von Lichtleitern zu einer weiteren optischen Anordnungen zur Lichtstrahlenraumüberlagerung transportiert wird, wo die in ihrem Strahlenraum
verkleinerten Lichtstrahlen mit weiteren
Lichtstrahlenräumen zusammen geführt werden und der damit neu entstandene Querschnitt eine Strahlenausgangsfläche darstellt, aus der die austretenden Lichtstrahlen, welche von einer Vielzahl von optischen Anordnungen stammt, auf die Eintrittsfläche einer Brechungseinrichtung treffen, welche die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, wobei im Anschluss mittels einer
Konzentratoreinrichtung das aus der Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht reflektiert, konzentriert, räumlich und zeitlich überlagert, so das nach Durchlaufen der Konzentratoreinrichtung das Licht über die Austrittsfläche in Form einer Lichtstrahlenraumüberlagerung in Kombination mit einer Lichtstrahlenraumverkleinerung diese wieder verlässt.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die optische Anordnung es erlaubt, einen Lichtstrahlenraum individuell, also den Strahlenquerschnitt oder Strahlenraumwinkel einzeln oder in Kombination zu verändern, ohne dass andere Parameter mit betroffen sind. Dadurch kann einem Strahlenbündel zusätzliche Strahlungsleistung hinzugefügt werden, ohne das sich physikalische Ausgangsgrößen wie Querschnitt oder Winkel verändern. Somit kann schrittweise und wiederholt die Bestrahlungsstärke eines Strahlenwinkels oder
Strahlenquerschnitts erhöht werden. Entscheidend dabei ist, dass die zusätzlich eingestrahlten Lichtstrahlen nach
Durchlaufen der optischen Anordnung in einer gemeinsamen Raumgröße überlagert werden. Somit ist eine fortwährende und wiederholte Überlagerung von Lichtstrahlen möglich. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Strahlenraumverkleinerung bzw. Strahlenraumüberlagerung sieht vor, einen Strahlenquerschnitt zu verkleinern ohne dessen Strahlenraumwinkel zu verändern.
Diese umfassen folgende Schritte:
Einstrahlen von Licht durch eine Strahlenausgangsfläche auf eine optische Brechungseinrichtung, wobei diese
Strahlenausgangsfläche im Vergleich zur Austrittsfläche der Konzentratoreinrichtung eine größere Fläche besitzt, wobei die Brechungseinrichtung die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, so dass im Anschluss mittels einer Konzentratoreinrichtung das aus der
Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht reflektiert, konzentriert, räumlich und zeitlich überlagert wird, wobei nach Durchlaufen der
Konzentratoreinrichtung das Licht über die verkleinerte Austrittsfläche mit einem gleich großen oder ähnlichen
Raumwinkel wie in der Ausgangssituation diese wieder
verlässt, so dass diese Austrittsstrahlung individuell fokussiert oder mit Hilfe von reflektierenden Hohlkörpern oder optischen Lichtleitern transportiert werden kann, wobei die optische Brechungseinrichtung ein optisches Element darstellt, welches die Form eines geschwungenen teilweise verspiegelten prismenförmigen Doppelkeils ausbildet bei der eine Längsseite des Keils als Eintrittsfläche für die
Lichtaufnahme dient und über die zweite Längsseite die
Lichtstrahlen den Keil räumlich und zeitlich als neuen
Raumwinkel wieder verlassen, so dass diese direkt von der Konzentratoreinrichtung, welche ein optisches keilförmiges Element mit einer höheren optischen Dichte als die
Brechungseinrichtung darstellt, in einem zweiten Raumwinkelbereich überlagert wird, wobei die Austrittsfläche der Konzentratoreinrichtung im Querschnitt kleiner ist als die der Strahlenausgangsfläche, mit dem Ergebnis, dass die Strahlung, die aus der Konzentratoreinrichtung austritt, im Strahlenquerschnitt verkleinert wurde, sich aber der
Strahlenraumwinkel gegenüber der Ausgangssituation nicht oder kaum verändert hat, so dass diese Strahlung im
Anschluss wahlweise fokussiert oder kontrolliert
transportiert werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der
Strahlenraumverkleinerung bzw. Strahlenraumüberlagerung sieht vor, einen Strahlenraumwinkel zu verkleinern ohne dessen Strahlenquerschnitt zu verändern. Dieses umfasst folgende Schritte:
Einstrahlen von Licht mit einem großen Strahlenraumwinkel auf eine optische Brechungseinrichtung, wobei die
Strahlenausgangsfläche zum Vergleich der Austrittsfläche der Konzentratoreinrichtung einen gleichgroßen Querschnitt besitzt, welche die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, so das im Anschluss mittels einer Konzentratoreinrichtung das aus der Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht reflektiert, konzentriert, räumlich und zeitlich überlagert wird, wobei nach Durchlaufen der Konzentratoreinrichtung das Licht über die Austrittsfläche mit einem kleineren Raumwinkel wie in der Ausgangssituation diese wieder verlässt, so dass diese Austrittsstrahlung individuell fokussiert oder mit Hilfe von reflektierenden Hohlkörpern oder optischen Lichtleitern transportiert werden kann, wobei die optische
Brechungseinrichtung ein optisches Element darstellt, was die Form eines geschwungenen teilweise verspiegelten prismenförmigen Doppelkeils ausbildet, bei der eine
Längsseite des Keils als Eintrittsfläche für die
Lichtaufnahme dient und über die zweite Längsseite die
Lichtstrahlen den Keil räumlich und zeitlich als neuen
Raumwinkel wieder verlässt, so dass diese direkt von der Konzentratoreinrichtung, welches ein optisches keilförmiges Element mit einer höheren optischen Dichte als die
Brechungseinrichtung darstellt, in einen zweiten
Raumwinkelbereich überlagert wird, wobei die Austrittsfläche der Konzentratoreinrichtung im Querschnitt gleichgroß ist wie die der Strahlenausgangsfläche, mit dem Ergebnis, dass die Strahlung, die aus der Konzentratoreinrichtung austritt, im Strahlenquerschnitt konstant geblieben ist, sich aber der Strahlenraumwinkel gegenüber der Ausgangssituation
verkleinert hat, so dass diese Strahlung im Anschluss wahlweise fokussiert oder kontrolliert transportiert werden kann .
Eine besonders einfache Form der Strahlenraumverkleinerung bzw. Strahlenraumüberlagerung von Licht umfasst folgende Ausführung :
Einstrahlen von Licht auf eine optische Brechungseinrichtung zur räumlichen und zeitlichen Aufsplittung von Lichtstrahlen mit anschließender Raumüberlagerung in einer
Konzentratoreinrichtung, bei der die optische
Brechungseinrichtung die Form eines einfachen
prismenförmigen Keils ausbildet und die
Konzentratoreinrichtung ein parabolischer Spiegel ist. Die Konzentratoreinrichtung ist in dieser Ausführung so
angeordnet, dass durch die Eintrittsfläche des
prismenförmigen Keils eintretendes Licht, was auch
gleichzeitig die Strahlenausgangsfläche darstellt, dieses an den Längsseiten des prismenförmigen Keils mit einem verkleinerten aber räumlich und zeitlich aufgesplitteten, verlagerten Raumwinkel wieder austritt, wo bei die
Konzentratoreinrichtung diese räumlich und zeitlich
aufgesplitteten Raumwinkel, welche insgesamt einen großen Raumquerschnitt ergeben würden, in einen kleinen
Raumquerschnitt überlagert, so dass dieser neu entstandene Raumwinkelbereich kleiner ist als der ursprüngliche
Raumwinkelbereich der Ausgangssituation.
Der Lichtstrahlenquerschnitt der Lichtstrahlen verändert sich bei dieser Ausführungsform nur unwesentlich, so dass diese im Anschluss wahlweise fokussiert oder kontrolliert transportiert werden können.
Ferner wird vorteilhafterweise ein Verfahren zur
Strahlenraumwinkelausrichtung dargelegt, die folgende
Schritte umfassen:
Einstrahlen von Licht auf eine optische
Brechungseinrichtung, welche die Divergenz der
eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, so das im
Anschluss mittels einer Konzentratoreinrichtung das aus der Brechungseinrichtung austretende Licht reflektiert,
konzentriert, räumlich und zeitlich überlagert wird. Nach dieser hier mehrfach beschriebenen Strahlenraumverkleinerung werden die Lichtstrahlen in ein Auskopplungssystem
überführt, was die Aufgabe hat, Lichtstrahlen, welche einen vorgegebenen Winkel von der optischen Achse weg übersteigt über eine Auskopplungseinrichtung auszukoppeln und in ein Lichtleitsystem wiederum einzukoppeln, so dass diese
Strahlung durch ein Lichtleitsystem zu der ursprünglichen Eintrittsfläche transportiert und erneut in die optische Anordnung eingestrahlt werden kann, um den Prozess mit der neu zugeführten Strahlung nochmals zu durchlaufen. Auf Grund dessen hat die verbleibende Lichtstrahlung im
Auskopplungsystem nun einen vorgegebenen Strahlenwinkel zur optischen Achse, welcher nicht überschritten werden kann, so dass diese Strahlung mit einem sehr kleinen Raumwinkel die Austrittsfläche wieder verlässt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere der optischen Anordnungen der Erfindung, bei denen die Strahlenausgangsfläche der Brechungseinrichtung größer ist als die Austrittsfläche der Konzentratoreinrichtung (bei konstantem Strahlenraumwinkel) , über ein Lichtleitsystem miteinander verkoppelt. Dabei wird das Licht, welches aus einer Austrittsfläche einer optischen Anordnung stammt, in einen Lichtleiter eingekoppelt. Dieser Lichtleiter, der auch Teil der Konzentratoreinrichtung sein kann,
transportiert nun dieses zu einer weiteren optischen
Anordnung, wobei die hier benannten optischen Anordnungen bevorzugt eine einheitliche Größe besitzen. Entscheidend dabei ist, dass der Querschnitt des Lichtleiters kleiner ist als der Querschnitt der Strahlenausgangsfläche der weiteren optischen Anordnungen. Auf Grund dieser Flächenunterschiede sind Voraussetzungen geschaffen, das mehrere Lichtleiter aus unterschiedlichen optischen Anordnungen in eine optische Anordnung eingekoppelt werden können. Da der
Strahlenraumwinkel bei verkleinertem Querschnitt konstant bleibt, können in dieser Ausführung so viele Lichtleiter in einem Querschnitt vereint werden, bis die ursprüngliche Strahlenausgangsfläche erreicht wird. Damit ergeben mehrere optische Anordnungen eine neue Strahlenausgangsfläche, welche identisch ist mit einer der ursprünglichen
Strahlenausgangsflächen. Im Rahmen der physikalischen
Gesetze kann somit durch Hintereinanderschalten mehrerer optischer Anordnungen der Erfindung die Bestrahlungsstärke der Austrittsfläche einer nachfolgenden optischen Anordnung immer weiter erhöht werden, ohne den Strahlenraumwinkel zu verändern .
Die beschriebenen Ausführungsformen haben lediglich
Beispielcharakter und können auch kombiniert ausgeführt werden .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
eine schematische Darstellung des
prismenförmigen Keils, eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der Erfindung,
eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der optischen Anordnung der
Erfindung mit einer Linse als
Fokussierungseinrichtung,
eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der Erfindung, bei der
mehrere optische Anordnungen hintereinander positioniert sind,
weitere typische Ausführungsform der optischen Anordnung,
eine typische Ausführungsform der optischen Anordnung in Verbindung mit einem
Lichtleiter ,
eine schematische Darstellung der
Hintereinanderreihung einer Vielzahl von optischen Anordnungen, Fig.8 eine schematische Darstellung einer optische Anordnung mit integriertem
Aus kopplungssystem,
Fig. 9a/b eine schematische Darstellung zum besseren
Verständnis der Raumüberlagerung und Fig. 10 ein schematisches Flussdiagramm der
einzelnen Schritte eines Verfahrens zur
Strahlenraumüberlagerung .
Fig. 1 zeigt die schematische Funktionsweise der
Brechungseinrichtung 3 in Form eines einfachen
prismenförmigen Keils 13. Im Einfallswinkelbereich 9 durchlaufen Lichtstrahlen eine Strahlenausgangsfläche 14 und treffen auf die Eintrittsfläche 2 des prismenförmigen Keils 13. Die Lichtstrahlen 17 breiten sich nun entsprechend des Snelliusschen Brechungsgesetzes in dem prismenförmigen Keil 13 aus. Eine wesentliche Eigenschaft der Lichtstrahlen ist die optische Brechung durch Totalreflexion, die bei
Lichtstrahlen stattfindet, die unterhalb eines bestimmten Winkels auf eine Grenzfläche eines optisch dichteren Mediums mit einem optisch weniger dichteren Medium auftreffen, hier also an den Innenflächen des prismenförmigen Keils 13.
Zusätzlich wird die Laufgeschwindigkeit der Lichtstrahlung in einem optischen Medium verändert. Die optische Brechung, die veränderte Laufgeschwindigkeit und die Totalreflexion sorgen dafür, dass Lichtstrahlen 17 welche einen
Strahlenquerschnitt in Form einer Strahlenausgangsfläche 14 besitzen in dem prismenförmigen Keil 13 eine räumliche und zeitliche Aufsplittung 15 erhalten, so dass die
Lichtstrahlen 17 aus dem prismenförmigen Keil 13 in Form von räumlich versetzten Lichtstrahlen 17 mit einem kleineren Winkel als dem Einfallswinkel 9 wieder austreten. Dabei nimmt die Keilform direkten Einfluss auf die Querschnitts- oder Raumwinkelgröße, welche individuell verändert werden kann. Die Brechungseinrichtung 3 dient also zum einen der Umwandlung einer Strahlenausgangsfläche 14 in eine räumliche und zeitlichen Aufsplittung 15 und zum anderen einer Winkel¬ bzw. Querschnittveränderung der Strahlung.
In Fig. 2 wird eine typische Ausführungsform der optischen Anordnung 1 gezeigt. Sie umfasst eine Brechungseinrichtung 3 in Form eines prismenförmigen Keils 13 und eine
Konzentratoreinrichtung 4 in Form eines parabolischen
Spiegels 20, wobei die einfallenden Lichtstrahlen 17 die optische Anordnung 1 von links nach rechts durchlaufen. Die aus einem Einfallswinkelbereich 9 als Strahlenausgangsfläche 14 auftreffenden konvergenten Lichtstrahlen 17 treten durch die Eintrittsfläche 2 hindurch in den prismenförmigen Keil 13 ein, so dass diese im Anschluss an den Längsseiten des prismenförmigen Keils 13, in einen verkleinerten
Raumwinkelbereich 6, räumlich und zeitlich versetzt wieder austreten. Die Konzentratoreinrichtung 4 ist nun so
angeordnet, dass die aus dem prismenförmigen Keil 13
austretenden Lichtstrahlen 17 in einen Raumwinkelbereich 7 übertragen werden. In diesem Bereich 7/15 werden die
Lichtstrahlen durch Reflexion ineinander auf eine
verkleinerte Austrittsfläche 8 überlagert. Dies ist möglich, da der ursprüngliche Querschnitt der Strahlenausgangsfläche 14, welche als Fläche verstanden werden muss, so nicht mehr existiert. Vielmehr hat diese Fläche nun eine räumliche Ausdehnung 15 angenommen, so dass diese räumlich versetzten Lichtstrahlen 17, welche als eigenständige Räume zu
verstehen sind, sich nun hintereinander bzw. untereinander einordnen können.
Da es sich bei der Strahlenausgangsmenge nicht um eine einzelne Strahlenausgangsfläche 14, sondern um einen kontinuierlichen Strahlenfluss handelt, hat die Konzentratoreinrichtung 4 die Aufgabe, einen Energiefluss , genaugenommen also unterschiedliche Strahlenausgangsflachen 14 zeitlich und räumlich in sich zu überlagern, was in dieser Ausführung zu einer Winkelverkleinerung bei etwa gleichbleibendem Strahlenausgangsfläche 14 führt.
In Fig. 3 wird eine typische Ausführungsform der optischen Anordnung 1 gezeigt. Sie umfasst eine Brechungseinrichtung 3 in Form eines prismenförmigen Keils 13, eine
Konzentratoreinrichtung 4 in Form eines parabolischen
Spiegels 20 und einer Fokussierungseinrichtung 16 in Form einer Linse, wobei diese die sich divergent aus der
Austrittsfläche 8 ausbreitende Strahlung wieder in einer Abbildung 18 reproduzier . Diese reproduzierte Abbildung 18 besitzt nun den gleichen Durchmesser wie der Querschnitt der Strahlenausgangsfläche 14. Dabei ist die Erhaltung der optischen Abbildung nicht relevant, sondern lediglich die Fokussierung der Strahlungsleistung. Der Raumwinkel 10 von der reproduzierten Abbildung 18 ist in dieser Ausführung immer noch kleiner als der Raumwinkel 9 der ursprünglichen Strahlenausgangsfläche 14.
Der verkleinerte Raumwinkel 10 stellt somit einen Raum zur Verfügung, über den weitere Strahlung 9 auf die Abbildung 18 proj izierbar ist. Das wird in Fig. 4 gezeigt.
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der
Hintereinanderreihung einer optischen Anordnung 1 mit weiteren gleichartigen optischen Anordnungen 11 gezeigt. Dabei befindet sich die Position der Abbildung 18 der optischen Anordnung 1 an der Position der nächstfolgenden weiteren optischen Anordnung 11, so dass die Lichtstrahlen 17 auf eine Abbildung 18 gebündelt werden. Auf Grund der Raumwinkelverkleinerung der Abbildung 18 gegenüber der
Ausgangsstrahlung 9 bei gleichbleibendem Querschnitt, werden neben den Lichtstrahlen 17 zusätzliche Lichtstrahlen 12 auf die Abbildung 18 gebündelt, so dass sowohl die Lichtstrahlen 17 als auch die zusätzlichen Lichtstrahlen 12 in den
prismenförmigen Keil 13 der nächstfolgenden weiteren
optischen Anordnung 11 eintreten. Bei jeder weiteren
optischen Anordnung 11 werden nun zusätzliche Lichtstrahlen
12 in gleicher Weise auf eine jeweils nächstfolgende
Eintrittsfläche 2 fokussiert.
Im Rahmen der physikalischen Gesetze kann somit durch
Hintereinanderschalten mehrerer optischer Anordnungen 1/11 der Erfindung die Bestrahlungsstärke der Austrittsfläche einer nächstfolgenden optischen Anordnung immer weiter erhöht werden, ohne den Raumwinkel oder den
Strahlenquerschnitt zu verändern.
In Fig. 5a/b sind weitere typische Ausführungsformen der optischen Anordnung 1/11 gezeigt. Sie umfassen eine
Brechungseinrichtung 3 in Form eines teilweise verspiegelten Doppelkeils 13 und eine Konzentratoreinrichtung 4 in Form eines prismenförmigen Keils 19 mit einer höheren optischen Dichte als 3/13, wobei einfallende Lichtstrahlen 17 die optische Anordnung 1 von links nach rechts durchlaufen. Die aus einem Einfallswinkelbereich 9 auf die
Strahlenausgangsfläche 14 auftreffenden konvergenten
Lichtstrahlen 17 treten durch die Eintrittsfläche 2 hindurch in den prismenförmigen Keil 13 ein und treten an den
Längsseiten des prismenförmigen Keils 13 wieder aus. Die Konzentratoreinrichtung 4 ist nun so angeordnet, dass die in einem ersten Raumwinkelbereich aus dem prismenförmigen Keil
13 austretenden räumlich und zeitlich versetzten
Lichtstrahlen auf einen zweiten Raumwinkelbereich 7 übertragen werden, wobei der zweite Raumwinkelbereich 7/15 diese Strahlung durch optische Brechung, veränderte
Laufgeschwindigkeit und der Totalreflexion ineinander überlagert. Dies ist möglich, da der ursprüngliche
Ausgangsquerschnitt der Strahlenausgangsfläche 14, welcher eine zeitliche Linie für diese Energie darstellt nicht mehr als zeitliche Linie existiert, sondern sich als eine
räumliche Ausdehnung 15 darstellt, so dass diese räumlich versetzten Energiepunkte nun die Möglichkeit haben sich zeitlich hintereinander bzw. untereinander einzuordnen. Da es sich bei der Strahlenausgangsmenge nicht um eine einzelne Strahlenausgangsfläche 14, sondern um einen kontinuierlichen Strahlenfluss handelt, hat die Konzentratoreinrichtung 4 die Aufgabe, einen Energiefluss , also unterschiedliche
Strahlenausgangsflächen 14 räumlich in sich zu überlagern, was je nach Ausführung zu einer Winkelverkleinerung
(Fig. 5a) bei gleichbleibender Strahlenausgangsfläche 14 führt und/oder zu einer Strahlenausgangsflächenverkleinerung (Fig.5b) ohne Raumwinkelveränderung gegenüber der
Ausgangsstrahlung 9 kommt.
In Fig. 6 ist eine typische Ausführungsform der optischen Anordnung 1 gezeigt. Sie umfasst eine Brechungseinrichtung 3 in Form eines teilweise verspiegelten Doppelkeils 13, eine Konzentratoreinrichtung 4 in Form eines prismenförmigen Keils 19 mit einer höheren optischen Dichte als 3 und ein LichtleitSystem 21, wobei die einfallenden Lichtstrahlen 17, welche die optische Anordnung 1 von links nach rechts durchlaufen, direkt von der Konzentratoreinrichtung 4 in ein LichtleitSystem 21 eingespeist werden, so dass die in diesem System befindliche Lichtstrahlung an jeden beliebigen Ort transportiert werden kann. Vorteilhaft wäre hier, dass die Konzentratoreinrichtung 4 und der Lichtleiter 21 eine gemeinsame Einheit bilden.
In Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der
Hintereinanderreihung einer optischen Anordnung 1 mit weiteren gleichartigen optischen Anordnungen 11 gezeigt. Dabei werden die Lichtstrahlen 17, welche aus einer
Austrittsfläche 8 einer optischen Anordnung 1 stammt, mit Hilfe eines Lichtleiters 21 auf eine Strahlenausgangsfläche 14 transportiert. Erkennbar ist, das der Lichtleiter 21, welcher die Lichtstrahlen transportiert, einen wesentlich kleineren Querschnitt besitzt als der Strahlenquerschnitt der Strahlenausgangsfläche 14 auf die es trifft. Auf Grund dieser Querschnittunterschiede sind Voraussetzungen
geschaffen, das mehrere Lichtleiter 21, welche aus
unterschiedlichen optischen Anordnungen 1 stammen, in eine optische Anordnung 11 eingekoppelt werden können.
Dadurch wird es möglich, zusätzliche Lichtstrahlen in die nachfolgende Eintrittsfläche 2 einstrahlen zu lassen. Im Rahmen der physikalischen Gesetze kann somit durch
Hintereinaderschalten mehrerer optischer Anordnungen 1/11 der Erfindung die Bestrahlungsstärke der Austrittsfläche 8 einer nächstfolgenden optischen Anordnung 11 immer weiter erhöht werden, ohne den Raumwinkel oder den
Strahlenquerschnitt zu verändern.
Ein Beispiel soll das Potenzial verdeutlichen: Ausgegangen wird davon, das in einer optischen Anordnung das Verhältnis der Flächenverkleinerung von Strahlenausgangsfläche 14 zur Austrittsfläche 8 1 : 5 beträgt.
Die Ausgangsstrahlung stellt jeweils ein fokussierter
Brennpunkt (z.B. Sonnenstrahlen) dar, wobei dieser eine Lichtkonzentration von 1 : 600 aufweist.
Bei einer Reihenschaltung, bei der die Lichtstrahlen nur fünf optische Anordnungen durchlaufen, entsteht bereits eine Lichtt konzentration von über 1 : 1,8 Millionen.
Würde ein Brennpunkt doppelt so viele optische Anordnungen durchlaufen, erreicht die Lichtkonzentration mathematisch betrachtet eine unvorstellbare Größe von über 1 : 5,8
Milliarden .
In Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung 1 mit integriertem Auskopplungssystem 23
dargestellt. Im Einfallswinkelbereich 9 durchlaufen
Lichtstrahlen 17 eine Strahlenausgangsfläche 14 und treffen auf die Brechungseinrichtung 3, wobei diese Lichtstrahlen 17 im Anschluss mittels einer Konzentratoreinrichtung 4, welche eine höhere optische Dichte als 3 besitzt, räumlich und zeitlich überlagert werden. Die in der
Konzentratoreinrichtung 4 befindlichen Lichtstrahlen 17 werden nun im Anschluss mittels der Totalreflexion oder verspiegelter Flächen in ein Auskopplungssystem 23
weitertransportiert. Dieses Auskopplungssystem besteht aus einem optischen Medium, was der Konzentratoreinrichtung 4 entspricht oder ähnelt. An diesem Auskopplungssystem 23 befindet sich in einem Abschnitt eine
Auskopplungseinrichtung 24, welche direkt mit dem
Auskopplungssystem 23 verbunden ist, wobei die
Auskopplungseinrichtung 24 ein optisches Medium darstellt, welches eine geringere optische Dichte besitzt als das Auskopplungssystem 23 selbst. Die Auskopplungseinrichtung 24 ist in ihrem weiteren Verlauf als ein LichtIeitsystem zu verstehen, was die Aufgabe übernimmt, Lichtstrahlen 17 zu transportieren. Treffen aus dem Auskopplungssystem 23
Lichtstrahlen 17 auf den Abschnitt der
Auskopplungseinrichtung 24, so werden diese je nach ihrer Winkelstellung an dieser Grenzfläche 22 total reflektiert oder hindurch gelassen. Ziel ist es, Lichtstrahlen 17 mit einem zu großen Winkel zur optischen Achse 5 aus dem
Auskopplungssystem 23 herauszufiltern, um diese im Anschluss über ein Lichtleitsystem 21 erneut in den Ausgangsprozess einzubinden. Die verbleibenden Lichtstrahlen 17 im
Auskopplungssystem 23 haben nun einen vorgegebenen
Maximalwinkel zur optischen Achse 5, welcher nicht
überschritten werden kann, so dass diese im Anschluss mit einem kleineren Raumwinkel 10 das Auskopplungssystem 23 über die Austrittsfläche 8 wieder verlassen.
Natürlich sind auch hier unterschiedliche Verschmelzungen von optischen Anordnungen mit unterschiedlichen Ausführungen möglich .
Ziel ist es, Lichtstrahlen aus einem diffusen großen
Raumwinkelbereich in einen kleinen geordneten
Raumwinkelbereich umzuwandeln.
In der Fig. 9a/b ist ein einfacher optischer Keil als
Brechungseinrichtung 3 dargestellt, der die Verfahrensweise und den Zusammenhang der Strahlenraumverkleinerung durch die zeitliche und räumliche Verschiebung der Lichtstrahlen 17 noch einmal verdeutlichen soll.
Aus diesem Grund werden in Fig. 9a einem Keil als
Brechungseinrichtung 3 auf einer großen Eintrittsfläche 2 Lichtstrahlen 17 zugeführt. Das Ziel ist, dass die
Lichtstrahlen 17 über die kleinere Austrittsfläche 8 den Keil als Brechungseinrichtung 3 wieder verlassen sollen.
Dies ist mit dem vereinfacht dargestelltem Verfahren in Fig. 9a aber nur bedingt möglich, da hier aus physikalischen Gründen (Totalreflexion) , nur ein Teil der Strahlung die Austrittsfläche 8 passieren kann.
Es wird ersichtlich, dass der obere Teil der Lichtbündel 25 die Austrittsfläche 8 problemlos durchdringen kann, der untere Teil der Lichtbündel 26, welche über die
Eintrittsfläche 2 in den Keil als Brechungseinrichtung 3 eindringen, verlassen jedoch den Keil auch wieder über die Eintrittsfläche 2.
Dies ist darin begründet, dass die Lichtbündel 25 und 26 auf Grund ihrer Größe die Austrittsfläche nicht gleichzeitig passieren können.
Nun besteht die Möglichkeit mit dem neuen Verfahren Einfluss auf die Strahlung in ihrer zeitlichen und räumlichen
Anordnung zu nehmen.
In Fig. 9b wird in den einfachen optischen Keil als
Brechungseinrichtung 3 ein weiteres optisches Element mit einer höheren optischen Dichte als der Keil mit eingebracht. Diese Konzentratoreinrichtung 4 verändert nun speziell die zeitliche und räumliche Strahlung von den Lichtbündeln 25 und 26 in der optischen Anordnung, so, dass diese zeitlich voneinander versetzt sind. Auf Grund dieser zeitlichen
Verlagerung können nun die Lichtbündel 25 und 26 die
Austrittsfläche 8 problemlos passieren. Würde man die
Ausgangsstrahlung als einzelne Energieteilchen in einer Zeitebene betrachten, dann würde man feststellen, dass in Fig. 9b diese einzelnen Lichtteilchen mit unterschiedlichen Zeiten durch die Austrittsfläche 8 strömen. Auf Grund dieser Zeitverschiebung ist es möglich, Strahlung räumlich so zu überlagern, dass bei einem kontinuierlichen Strahlenfluss diese Energie in einem vorgegebenen Raum oder Winkel
überlagert existieren können.
In Fig. 10 ist der schematische Ablauf der einzelnen
Schritte eines Verfahrens zur Erhöhung der Energiedichte von Strahlung - hier Licht - mittels einer Lichtstrahlen- raumverkleinerung durch Strahlenraumüberlagerung eines
Lichtstrahlenbündels und zur Lichtstrahlenraumüberlagerung mehrerer Lichtstrahlenbündel dargestellt, mit dem Ziel der grundsätzlichen Trennung des Strahlenraumwinkels vom
dazugehörigen Raumquerschnitt, so dass diese unabhängig voneinander in ihrer Größe variabel sind.
Im ersten Schritt wird ein Strahlenbündel, welches auch ein fokussierter Brennpunkt sein kann auf eine Eintrittsfläche einer optischen Anordnung 1 eingestrahlt 101. Anschließend wird in einer Brechungseinrichtung 102 die Divergenz der eingestrahlten Strahlung angepasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschoben. Das aus der Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht wird dann in einer Konzentratoreinrichtung 103
räumlich und zeitlich überlagert, so das nach Durchlaufen der Konzentratoreinrichtung das Licht mit einem
verkleinerten Strahlenraum durch ein LichtleitSystem (104) in Form von Fokussierungseinrichtungen, verspiegelten
Hohlkörper oder Lichtleiter zu einer weiteren optischen Anordnungen (106) zur Lichtstrahlenraumüberlagerung
transportiert wird.
Die in ihrem Strahlenraum verkleinerten Lichtstrahlen können dann mit weiteren Lichtstrahlenräumen zusammen geführt werden (105) wobei der damit entstandene Querschnitt eine neue Strahlenausgangsfläche darstellt, aus der die
austretenden Lichtstrahlen, welche aus einer Vielzahl von optischen Anordnungen stammen, auf die Eintrittsfläche einer Brechungseinrichtung (107) treffen, welche die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile des Lichts räumlich und zeitlich zueinander verschiebt. Das aus der Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Licht wird im Anschluss mittels einer
Konzentratoreinrichtung (108) räumlich und zeitlich
überlagert, so dass dieses über eine Austrittsfläche in Form einer Lichtstrahlenraumüberlagerung in Kombination mit einer Lichtstrahlenraumverkleinerung (109) wieder verlässt, so dass der Prozess der Strahlenraumverkleinerung und der
Strahlenraumüberlagerung erneut beginnen kann.
Bezugs zeichenliste
1 optische Anordnung
2 Eintrittsfläche
3 Brechungseinrichtung
4 Konzentratoreinrichtung
5 optische Achse
6 neu entstandener Raumwinkelbereich
7 überlagerter Raumwinkelbereich
8 Austrittsfläche
9 Einfallswinkelbereich auf die Eintrittsfläche
10 reproduzierter Winkel
11 weitere optische Anordnung
12 zusätzliche Lichtstrahlen
13 prismenförmiger Keil
14 Strahlenausgangsfläche
15 räumliche und zeitliche Aufsplittung der
Lichtstrahlung
16 Fokussiereinrichtung
17 Lichtstrahlen
18 Abbildung als fokussierter Energiepunkt
19 prismenförmiger Keil mit höherer optischen
Dichte als 3
20 verspiegelte Flächen
21 Strahlungsleitsystem, insbesondere
Lichtleitsystem
22 Grenzfläche
23 Auskopplungssystem
24 Auskopplungseinrichtung
25 Lichtbündel
26 Lichtbündel
101-109 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erhöhung der Energiedichte von Licht oder anderer Strahlung, ausgebildet als eine optische
Anordnung (1), welche mindestens eine optische
Brechungseinrichtung (3) und eine Konzentratoreinrichtung (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Anordnung (1) die optische
Brechungseinrichtung (3) zur Divergenzanpassung, sowie dem räumlichen und zeitlichen Repositionieren (15) von Bestandteilen des mit einem Raumwinkel (9) und einer Strahlenausgangsfläche (14) einfallende Licht (17) oder anderen Strahlung die Form eines prismenförmigen Keils (13) aufweist und die Konzentratoreinrichtung (4) so angeordnet ist, dass durch die Konzentratoreinrichtung (4) das aus der Brechungseinrichtung (3) austretende räumlich aufgesplittete Licht oder die Strahlung
reflektierbar, konzentrierbar, räumlich und zeitlich überlagerbar ist, so dass das Licht /Strahlung mit einem verkleinerten Strahlenraum aus der
Konzentratoreinrichtung (4) austritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verkleinerte Strahlenraum einen Raumwinkel (10) aufweist, der kleiner ist als der Raumwinkel (9) der ursprünglichen Strahlungsausgangsfläche (14), ohne dass sich der dazugehörige Raumquerschnitt verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, der Raumwinkel (10) durch Zugabe weiterer Strahlen ( bis zu einem Raumwinkel (9) ergänzt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verkleinerte Strahlenraum eine
Austrittsquerschnittsfläche (8) aufweist, die kleiner ist als der Querschnitt der ursprünglichen
Strahlenausgangsfläche (14), ohne dass sich der
dazugehörige Raumwinkel verändert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsquerschnittsfläche (8) durch Zugabe weiterer Strahlen (12) bis zum Querschnitt der ursprünglichen Strahlenausgangsfläche (14) ergänzt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der um Strahlen (12) ergänzte Raumwinkel /Querschnitt (10/8) einer weiteren strahlungsoptischen Anordnung (11), welche mindestens eine Brechungseinrichtung (3) und eine Konzentratoreinrichtung (4) umfasst, zugeleitet wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentratoreinrichtung (4) eine parabolische Form hat oder ein optisch geschwungener prismenförmiger Keil mit einer höheren optischen Dichte als die
Brechungseinrichtung (3) ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brechungseinrichtung (3) ein teilweise verspiegelter prismenförmiger Doppelkeil (13) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brechungseinrichtung (3) selbst eine Strahlungsquelle ist .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass
Ausgangsstrahlung, welche in die Brechungseinrichtung (3) einstrahlt, ein fokussierter Brennpunkt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (16) eine Linse oder ein
Linsensystem ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenleitsystem (21) verspiegelte Hohlkörper aufweist oder ein Lichtleiter ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Lichtstrahlung, welcher ein vorgegebenen Winkel zur optischen Achse (5) überschreitet, in einem Auskopplungssystem (23) über eine Auskopplungseinrichtung (24) mit Hilfe eines Lichtleiters in die
Eintrittsfläche (2 ) der optischen Anordnung ( 1 /II )
rückgekoppelt ist.
14. Verfahren zur Erhöhung der Energiedichte von Strahlung mittels einer Strahlenraumverkleinerung durch
Strahlenraumüberlagerung eines Strahlenbündels oder zur Strahlenraumüberlagerung mehrerer Strahlenbündel, die folgenden Schritte umfassen: Einstrahlen eines
Strahlenbündels durch eine Strahlenausgangsfläche auf eine optische Brechungseinrichtung (101), welche einen prismenförmigen Keil oder teilweise verspiegelten
Doppelkeil darstellt, die die Divergenz der
eingestrahlten Strahlung anpasst und die Bestandteile der Strahlung räumlich und zeitlich zueinander verschiebt (102), wonach im Anschluss mittels einer
Konzentratoreinrichtung (103), die einen parabolischen Spiegel oder einen optischen Keil darstellt, die aus der Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Strahlung reflektiert, konzentriert, räumlich und
zeitlich überlagert, so das nach dem Durchlaufen der Konzentratoreinrichtung die Strahlung diese mit einem verkleinerten Strahlenraum wieder verlässt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der verkleinerte Strahlenraum durch ein Leitsystem (104) in Form von Fokussierungseinrichtungen, verspiegelten Hohlkörpern oder Lichtleitern zu einer weiteren optischen Anordnung (106) zur Strahlenraumüberlagerung
transportiert wird, der verkleinerte Strahlenraum mit weiteren Strahlenräumen zusammengeführt wird (105) und der so neu entstehende Strahlenraum eine neue
Strahlenausgangsgröße darstellt, wobei diese auf die Eintrittsfläche einer Brechungseinrichtung (107) treffen, welche die Divergenz der eingestrahlten Strahlung anpasst und Bestandteile der Strahlung räumlich und zeitlich zueinander verschiebt, wobei im Anschluss mittels einer Konzentratoreinrichtung (108) die aus der
Brechungseinrichtung austretende räumlich aufgesplittete Strahlung reflektiert, konzentriert, räumlich und
zeitlich überlagert wird, so das nach Durchlaufen der Konzentratoreinrichtung die Strahlung über die
Austrittsfläche in Form einer Strahlenraumüberlagerung in Kombination mit einer Strahlenraumverkleinerung (109) wieder verlässt.
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