DE102008055857B4 - Efficient light deflection device with two-sided prismatic and lenticular surface structuring - Google Patents

Efficient light deflection device with two-sided prismatic and lenticular surface structuring Download PDF

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Abstract

Lichtumlenkvorrichtung bestehend aus einem transparenten Medium, mit einer dem Lichteinfall zugewandten Seite, die eine zylinderlinsenförmige Oberflächenstruktur aufweist, und einer dem Lichtaustritt zugewandten Seite, die eine stabprismenförmige Oberflächenstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenprofil der dem Lichteinfall zugewandten Oberflächenstruktur einen 90°-Ausschnitt aus einer plankonvexen Struktur darstellt, wobei der Abstand (4.25) zwischen zylinderlinsenförmiger Oberflächenstruktur und stabprismenförmiger Oberflächenstruktur größer als die Brennweite des Linsenprofils ist.Light deflection device consisting of a transparent medium, with a side facing the incident light, which has a cylindrical lens-shaped surface structure, and a side facing the light exit, which has a rod prism-shaped surface structure, characterized in that the lens profile of the surface structure facing the incident light has a 90 ° cutout represents a plano-convex structure, the distance (4.25) between the cylindrical lens-shaped surface structure and the rod prism-shaped surface structure being greater than the focal length of the lens profile.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtumlenkvorrichtung, die aus einer transparenten Platte oder Folie besteht, deren dem Lichteinfall zugewandte Seite mit einer linsenartigen und deren dem Lichteinfall abgewandte Seite mit einer prismenartigen Oberflächenstruktur versehen ist, sowie auf Verfahren zur Herstellung einer solchen Lichtumlenkvorrichtung.The invention relates to a light deflection device, which consists of a transparent plate or film whose light incident side facing is provided with a lens-like and their side facing away from light with a prism-like surface structure, and to methods for producing such a Lichtumlenkvorrichtung.

Vorrichtungen zur Lichtumlenkung für eine möglichst blendfreie Innenbeleuchtung von Räumen unter optimierter Ausnutzung des auf eine Fensterfassade einfallenden Tageslichts sind hinlänglich in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Hauptaufgabe derartiger Lichtumlenkungssysteme ist stets, das einfallende Tageslicht bei seitenbelichteten Räumen derart umzulenken, dass eine bessere Ausleuchtung der Raumtiefe erreicht wird. Vorteile der Tageslichtnutzung zur Raum- und Gebäudebeleuchtung sind zum einen die physiologisch vorteilhafte Wirkung von Tageslicht auf das menschliche Befinden und zum anderen der Energiespareffekt, der bis zu 40% der für die Raumbeleuchtung aufgewendeten Energie betragen kann.Devices for the deflection of light for a possible glare-free interior lighting of rooms under optimized utilization of incident on a window facade daylight are well known in various embodiments. The main task of such light deflection systems is always to redirect the incident daylight in the case of side-exposed rooms in such a way that a better illumination of the spatial depth is achieved. Advantages of using daylight for room and building lighting are, on the one hand, the physiologically advantageous effect of daylight on human health and, on the other hand, the energy-saving effect, which can amount to up to 40% of the energy used for room lighting.

So geht beispielsweise aus der DE 43 10 718 A1 eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung des Lichteinfalls in einen Raum hervor. Die Vorrichtung besteht aus mehreren, übereinander angeordneten, gleichartigen Lichtlenkprofilen, die vorzugsweise zwischen zwei Glasplatten angeordnet sind. Die Lichtlenkprofile bestehen ihrerseits aus drei verspiegelten und konkav gewölbten Flächen, so dass das auf sie einfallende Sonnenlicht in steilem Winkel an die Decke oder auf den Boden eines Innenraums reflektiert wird. Durch die Verwendung reflektierender Oberflächen haftet diesem Lichtumlenksystem jedoch der Nachteil an, dass – bedingt durch den Reflexionsgrad üblicher reflektierender Oberflächen von nur ca. 80% – ein bedeutender Anteil des einfallenden Lichtes in der Reflexionsschicht absorbiert wird und aus diesem Grunde nicht in den Raum gelangen kannSo goes for example from the DE 43 10 718 A1 a device for automatically controlling the incidence of light into a room. The device consists of several superimposed, similar light-guiding profiles, which are preferably arranged between two glass plates. In turn, the light guide profiles consist of three mirrored and concavely curved surfaces, so that the sunlight incident on them is reflected at a steep angle to the ceiling or to the floor of an interior. Due to the use of reflective surfaces, however, the light deflection system has the disadvantage that - due to the reflectance of conventional reflective surfaces of only about 80% - a significant portion of the incident light is absorbed in the reflective layer and therefore can not get into the room

Die DE 10338378 A1 und die US 4557565 A versuchen mit rein prismatischen Strukturen eine möglichst blendfreie Innenbeleuchtung mit Tageslicht zu realisieren. Nachteile dieser Strukturen sind unerwünschte Farbsäume, die bei rein prismatischen Systemen prinzipiell immer entstehen, und die Bildung von Schlagschatten in den Randbereichen des gelenkten Lichts. Desweiteren zeigen rein prismatische Strukturen eine relativ geringe Lichtlenkeffizient für kleine Einfallswinkel. In 2 wird die Wirkung einer rein prismatischen Struktur anhand einer numerischen Simulation dargestellt. Das Diagramm zeigt für das in 1 gezeigte Profit die Lichttransmission in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichtes, wobei die durchgezogene Linie die Gesamttransmission darstellt und die gepunktete den an die Decke abgelenkten Lichtanteil. Die gestrichelte Linie stellt den nach unten gelenkten Lichtanteil dar, der der Blendung entspricht. Für flache Einstrahlwinkel unter 30° wird praktisch keine Umlenkung an die Decke erreicht, für Winkel größer als 30° jedoch eine nahezu vollständige Umlenkung in ein sehr enges Winkelspektrum, was eine starke Schlagschattenwirkung hervorruft. Der gesamte Ablenkungswirkungsgrad in den für Tageslichtlenkung relevanten Winkelbereich zwischen 15° und 60° beträgt für diese Anordnung 56%.The DE 10338378 A1 and the US 4557565 A try to achieve a glare-free interior lighting with daylight using purely prismatic structures. Disadvantages of these structures are unwanted color fringes, which in principle always arise in purely prismatic systems, and the formation of drop shadows in the peripheral areas of the steered light. Furthermore, purely prismatic structures show a relatively low Lichtlenkeffizienz for small angles of incidence. In 2 the effect of a purely prismatic structure is shown by means of a numerical simulation. The diagram shows for the in 1 Profit shows the light transmission as a function of the angle of incidence of the light, the solid line representing the total transmission and the dotted the light component deflected to the ceiling. The dashed line represents the downwardly directed light component, which corresponds to the glare. For flat angles of incidence below 30 °, virtually no deflection is achieved at the ceiling, for angles greater than 30 ° but an almost complete deflection in a very narrow angle spectrum, which causes a strong drop shadow effect. The total deflection efficiency in the angular range between 15 ° and 60 °, which is relevant for daylight steering, is 56% for this arrangement.

Ein weiterer Nachteil der DE 10338378 A1 ist das schwierige Herstellungsverfahren. Das Lichtlenkelement besteht aus zwei prismatischen Platten, die für eine ordnungsgemäße Lichtlenkung exakt zueinander ausgerichtet sein müssen. Schon bei geringen fertigungsbedingten Unregelmäßigkeiten kann die lichtlenkende Eigenschaft vollständig verloren gehen. Dieser Zusammenhang wird in 3 für eine geringfügige vertikale Verschiebung der beiden Elemente gegeneinander demonstriert.Another disadvantage of DE 10338378 A1 is the difficult manufacturing process. The light-guiding element consists of two prismatic plates, which must be aligned exactly to one another for proper light guidance. Even with minor production-related irregularities, the light-directing property can be completely lost. This connection is in 3 for a slight vertical displacement of the two elements demonstrated against each other.

Neben den Lichtlenkvorrichtungen mit rein prismatischen Oberflächenstrukturen gibt es die Gattung der äußerlich planaren Lichtlenkvorrichtungen mit innen liegenden Lichtlenkstrukturen. Ein Beispiel hierfür ist die US 6616285 A1 . Diese Vorrichtung besteht aus zwei getrennt voneinander gefertigten strukturierten Seiten, die mit ihren Strukturseiten zusammengefügt bzw. verzahnt werden. Die Lichtlenkung erfolgt an entstehenden Lufteinschlüssen mittels Totalreflexion. Diese Systeme haben die gleichen Nachteile des Farbsaumes und der scharfen Schlagschatten wie alle rein prismatischen Vorrichtungen. Weiterhin verschlechtert sich der Transmissionswirkungsgrad durch Reflexionsverluste bedingt durch zusätzliche Luftschichten im Systeminnern. Die optische einwandfreie Verklebung beider Seiten ist eine hohe technische Hürde im Herstellungsverfahren. Das System wird dadurch verteuert.In addition to the light-guiding devices with purely prismatic surface structures, there is the category of externally planar light-guiding devices with internal light-guiding structures. An example of this is the US 6616285 A1 , This device consists of two structured sides which are produced separately from one another and which are joined or toothed with their structural sides. The light is directed at resulting air bubbles by total reflection. These systems have the same drawbacks of color fringing and sharp drop shadows as all purely prismatic devices. Furthermore, the transmission efficiency deteriorates due to reflection losses due to additional air layers inside the system. The optical perfect bonding of both sides is a high technical hurdle in the manufacturing process. The system is thereby made more expensive.

Ein ähnliches System wird in DE 19622670 A1 beschrieben. Dort werden anstatt prismatischer Elemente bogenförmige Strukturen miteinander verzahnt. Dieses System hat den Nachteil, dass es sehr voluminös ist und eine schwierig zu kontrollierende Verbindung mit Hilfe einer Klebstoffschicht aufweist.A similar system will be in DE 19622670 A1 described. There arcuate structures are interlocked instead of prismatic elements. This system has the disadvantage that it is very voluminous and has a difficult to control compound by means of an adhesive layer.

In der EP 0718547 A1 wird ein System beschrieben, in dem übereinander gestapelte, stabförmige Acrylprofile zwischen zwei Glasscheiben eingebracht sind. Die Lichtlenkung erfolgt mittels Totalreflexion innerhalb der Profile. Auch dieses System ist äußerst voluminös und schwer. Das Herstellungsverfahren ist durch das Übereinanderstapeln der Profile unverkennbar aufwendig und teuer. Desweiteren ergibt sich der Nachteil, dass die großen Abmessungen einen Einbau in Standard-Mehrfachglasfenster verhindern. Die mittlere Scheibe eines Dreifachisolierglasfensters weist beispielsweise eine Dicke von etwa 4 mm auf. Die Dicke des Acrylprofils von annähernd 20 mm ist somit offensichtlich nicht ohne Anpassung des Herstellungsverfahrens in ein solches Fenster integrierbar.In the EP 0718547 A1 describes a system in which stacked, rod-shaped acrylic profiles are inserted between two glass panes. The light control is done by total reflection within the profiles. Also this system is extremely bulky and heavy. The manufacturing process is unmistakably complicated and expensive by stacking the profiles. Furthermore There is the disadvantage that the large dimensions prevent installation in standard multi-pane windows. The middle pane of a triple insulating glass window has, for example, a thickness of about 4 mm. The thickness of the acrylic profile of approximately 20 mm is thus obviously not integrable without adaptation of the manufacturing process in such a window.

Ein weiteres Verfahren zur Realisierung von Lichtlenkvorrichtungen beschreibt die US 7070314 B2 , welches auf Totalreflexion an Laser-geschnittenen Luftspalten basiert, die in Acrylplatten unter definiertem Winkel eingebracht werden. Zwei mit unterschiedlich angewinkelten Luftspalten versehene Platten werden miteinander verklebt und bilden das Lichtlenksystem. Nachteile des Systems sind die aufwendige und damit kostenintensive sequentielle Herstellung der Laser-geschnittenen Luftspalte, ihre Wandrauheit und die damit verbundenen Streuverluste sowie eine Verklebung der beiden Platten ohne die Funktion der Luftspalte zu beeinträchtigen.Another method for the realization of light-guiding devices describes the US 7070314 B2 which is based on total reflection on laser-cut air gaps introduced into acrylic panels at a defined angle. Two plates provided with differently angled air gaps are glued together and form the light-guiding system. Disadvantages of the system are the complex and thus costly sequential production of the laser-cut air gaps, their wall roughness and the associated scattering losses and a bonding of the two plates without affecting the function of the air gaps.

Aus der US 720 386 A und der US 7 418 202 B2 sind Prismenstrukturen bzw. Streuungsstrukturen bekannt, die lichteinfallsseitig oder lichtausfallsseitig gekrümmte Oberflächen aufweisen. Diese Strukturen sind hinsichtlich ihrer Brechungseigenschaften beschränkt.From the US 720 386 A and the US 7 418 202 B2 prismatic structures or scattering structures are known which have light incident side or light emission side curved surfaces. These structures are limited in their refractive properties.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und effiziente Lichtumlenkvorrichtung anzugeben, die einen höheren Ablenkwirkungsgrad hat als rein prismatisch arbeitende Vorrichtungen, die Nachteile rein prismatischer Vorrichtungen wie die des Farbsaumes und des scharfen Schlagschattens nicht aufweist, so geringvolumig ausfällt, dass sie einfach in Standard-Fensterverglasungen zu integrieren ist, und kostengünstig herzustellen ist.The present invention is therefore an object of the invention to provide a compact and efficient Lichtumlenkvorrichtung, which has a higher deflection efficiency than purely prismatic operating devices, the disadvantages of purely prismatic devices such as the color seam and the sharp drop shadow does not have so low volume that they simply is to be integrated in standard window glazing, and is inexpensive to manufacture.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Linsenprofil der dem Lichteinfall zugewandten Oberflächenstruktur einen 90°-Ausschnitt aus einer plankonvexen Struktur darstellt, wobei der Abstand zwischen zylinderlinsenförmiger Oberflächenstruktur und stabprismenförmiger Oberflächenstruktur größer als die Brennweite des Linsenprofils ist.The object is achieved according to the invention in that the lens profile of the surface structure facing the light incidence represents a 90 ° section of a plano-convex structure, wherein the distance between cylindrical-lens-shaped surface structure and rod-prism-shaped surface structure is greater than the focal length of the lens profile.

Hierzu wird eine transparente Platte oder Folie auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite mit einer linsenartigen und auf der dem Lichtaustritt zugewandten Seite mit einer prismenartigen Oberflächenstruktur versehen, wobei das Profil der linsenartigen Strukturen vorteilhafterweise aus Viertelkreisen besteht und der Winkelbereich der Linsenkrümmung den Winkelbereich des einfallenden Lichtes umfasst (siehe 4).For this purpose, a transparent plate or film is provided on the light incident side with a lens-like and on the side facing the light exit with a prism-like surface structure, wherein the profile of the lens-like structures advantageously consists of quarter circles and the angular range of the lens curvature comprises the angular range of the incident light (please refer 4 ).

Während bei rein prismatisch arbeitenden Verfahren (1a, b) einfallendes paralleles Licht im Wesentlichen in eine einzige – durch den Prismenwinkel (1.7) definierte – Richtung abgelenkt wirkt und letztlich zur Bildung eines scharfen Schlagschattens sowie eines Farbsaumes führt, bewirken plankonvexe Linsenelemente auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite zunächst eine Bündelung (4.27, 4.28) der einfallenden Strahlen und hinter dem Fokuspunkt eine anschließende winkelmäßige Aufweitung. Das so winkelmäßig aufgeweitete Licht wird auf der Lichtaustrittsseite durch prismatische Strukturen gezielt abgelenkt, wobei die erzielbaren Ablenkwinkel und zugehörigen Ablenkungswirkungsgrade durch die Prismengeometrie und die Geometrie der Gesamtanordnung (4.18–4.25) bestimmt werden. Durch die Winkelaufweitung des austretenden Lichtes wird zum einen der Schlagschatten aufgeweicht und zum anderen findet eine Farbmischung der beim Durchtritt durch die Prismen erzeugten Spektralfarben statt. Dadurch wird die Bildung eines Farbsaumes unterdrückt.While in purely prismatic methods ( 1a , b) incident parallel light substantially in a single - by the prism angle ( 1.7 ) - deflected direction and ultimately leads to the formation of a sharp drop shadow and a fringe of color cause plano-convex lens elements on the side facing the light initially bundling ( 4.27 . 4.28 ) of the incident rays and behind the focal point a subsequent angular expansion. The thus angularly expanded light is selectively deflected on the light exit side by prismatic structures, wherein the achievable deflection angle and associated deflection efficiency by the Prismengeometrie and the geometry of the overall arrangement ( 4.18 - 4.25 ). Due to the angular expansion of the exiting light, the drop shadow is softened on the one hand and, on the other hand, there is a color mixing of the spectral colors produced when passing through the prisms. As a result, the formation of a color fringe is suppressed.

Als Profil der linsenförmigen Strukturen wird erfindungsgemäß ein 90°-Ausschnitt aus einer plankonvexen Linse gewählt (siehe 6), da dadurch zum einen die erwünschte Winkelaufweitung erreicht wird und zum anderen eine Planfläche (6.29) für eine Strahlreflexion durch Totalreflexion zur Verfügung steht. Es ist dabei anzumerken, dass der Krümmungsradius der Linse (6.31) für eine optimale Lichtumlenkwirkung größer ist als die Schenkellängen (6.29 + 6.30) des 90°-Kreisausschnittes.As a profile of the lenticular structures, according to the invention, a 90 ° cut is selected from a plano-convex lens (see 6 ), since on the one hand the desired angular expansion is achieved and on the other hand a plane surface ( 6.29 ) is available for a beam reflection by total reflection. It should be noted that the radius of curvature of the lens ( 6.31 ) for an optimal Lichtumlenkwirkung is greater than the leg lengths ( 6.29 + 30.6 ) of the 90 ° circle cutout.

Durch den Effekt der Winkelaufweitung und die zusätzliche Reflexionsebene an der Unterseite der Viertelkreislinsen wird eine deutliche Steigerung des Umlenkungswirkungsgrades insbesondere bei flacher Lichteinstrahlung erreicht (vgl. 1b und 4b). Das Diagramm in 5 zeigt für das in 4a, b gezeigte Profil die Lichttransmission in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichtes, wobei die durchgezogene Linie die Gesamttransmission darstellt und die gepunktete den an die Decke abgelenkten Lichtanteil. Das in 4a, b gezeigte, beispielhafte Profil beruht auf den folgenden geometrischen Daten: Die Schenkellängen (4.18, 4.19) der linsenförmigen Struktur messen 100 μm, der Linsenradius (4.20) beträgt 141 μm. Der Mittelpunktswinkel des wölbungsbildenden Kreisbogens (4.21) beträgt 60°. Die prismatische Seite beruht auf folgenden Werte: horizontaler Schenkel der Prismenspitze (4.23) = 143 μm, Winkel der Prismenspitze (4.24) = 35°, Höhe der prismatischen Struktur (4.22) = 100 μm. Die Dicke der Lichtlenkvorrichtung (4.25) beträgt 1 mm.Due to the effect of the angular expansion and the additional reflection plane at the bottom of the quarter-circle lenses, a significant increase in the deflection efficiency is achieved, in particular in the case of flat light irradiation (cf. 1b and 4b ). The diagram in 5 shows for the in 4a , b profile shows the light transmission as a function of the angle of incidence of the light, wherein the solid line represents the total transmission and the dotted the light component deflected to the ceiling. This in 4a , b, exemplary profile is based on the following geometric data: The leg lengths ( 4.18 . 4.19 ) of the lenticular structure measure 100 μm, the lens radius ( 4.20 ) is 141 μm. The midpoint angle of the vault-forming arc ( 4.21 ) is 60 °. The prismatic side is based on the following values: horizontal leg of the prism tip ( 4.23 ) = 143 μm, angle of the prism tip ( 4.24 ) = 35 °, height of the prismatic structure ( 4.22 ) = 100 μm. The thickness of the light-guiding device ( 4.25 ) is 1 mm.

Es ist bemerkenswert, dass sich bei Skalierung der angegebenen geometrischen Abmessungen ein gleichbleibendes Transmissionsverhalten ergibt.It is noteworthy that scaling the specified geometric dimensions results in a consistent transmission behavior.

Bereits bei einem Lichteinstrahlwinkel von 20° wird ein Ablenkwirkungsgrad in Richtung Raumdecke von über 50% erreicht, während ein solcher Wert bei rein prismatischen Strukturen erst für Einfallswinkel größer als 35° realisiert wird. Der Gesamtwirkungsrad der Lichtumlenkung in dem für Tageslichtlenkung relevanten Winkelbereich zwischen 15° und 60° beträgt mit der erfindungsgemäßen Struktur 65%, während bei rein prismatischen Strukturen maximal 56% erreichbar sind. Ebenso ist der blendende Anteil an Tageslicht im Gegensatz zur rein prismatischen Lichtumlenkvorrichtung in erheblichen Umfang reduziert. Already at a light incidence angle of 20 °, a deflection efficiency in the direction of the ceiling of more than 50% is achieved, while such a value is realized in purely prismatic structures only for angles of incidence greater than 35 °. The total efficiency of the light deflection in the angle range between 15 ° and 60 °, which is relevant for daylight steering, is 65% with the structure according to the invention, while in purely prismatic structures a maximum of 56% can be achieved. Likewise, the dazzling amount of daylight, in contrast to the purely prismatic Lichtumlenkvorrichtung is reduced to a considerable extent.

Für eine ordnungsgemäße Funktion ist zu beachten, dass der Abstand (4.25) zwischen Linsenstruktur und prismatischer Struktur so beschaffen ist, dass er größer ist als die Brennweite der Linsenstrukturen. Eine Ausrichtung der vertikalen Position der Linsenelemente auf der Plattenvorderseite bezogen auf die vertikale Position der Prismenelemente auf der Plattenrückseite ist für ein einwandfreies Funktionieren der Ablenkvorrichtung nicht erforderlich.For a proper function, please note that the distance ( 4.25 ) between lens structure and prismatic structure is such that it is greater than the focal length of the lens structures. An alignment of the vertical position of the lens elements on the front of the plate with respect to the vertical position of the prism elements on the back of the plate is not required for the proper functioning of the deflection device.

Die Herstellung der Lichtumlenkvorrichtung kann mit mehreren Verfahren unter Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe erfolgen:

  • 1. Die linsenförmigen (7.33) und prismenförmigen (7.34) Elemente werden auf der Vorder- und Rückseite einer transparenten Platte oder Folie (7.35) gleichzeitig oder nacheinander gefertigt (siehe 7a). Herstellungstechniken für die erfindungsgemäß profilierten Platten oder Folien sind die Extrusionstechnik durch entsprechend profilierte Düsen, die Profilwalzentechnik, bei der die Profile durch entsprechend geformte Walzen in das noch weiche Polymermaterial eingewalzt werden, die Heißprägetechnik und die Gießtechnik, bei der entsprechende profilierte Formmatrizen (7.36 + 7.37) für die Replikation eingesetzt werden. Für die Extrusionstechnik, die Profilwalztechnik sowie das Heißprägen bieten sich transparente thermoplastische Materialien wie z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefincopolymere (COC) wie auch thermoplastisch verarbeitbare Polysiloxane und Polyurethane (PU) an. Für die Gießtechnik sind unter anderen transparente Epoxydharze, Acrylate, Polysiloxane und Polyurethane geeignete Werkstoffe.
  • 2. Es werden zwei Platten oder Folien (7.38 + 7.39) mit jeweils linsenförmigen und prismenförmigen Strukturen mit Hilfe der oben genannten Methoden gefertigt und anschließend durch Lamination, Verklebung, Verschweißung oder weitere stoffspezifische Verbindungstechniken so miteinander verbunden, dass sich die Strukturseiten auf der Außenseite des Zweier-Verbundes befinden (siehe 7b).
  • 3. Es werden zwei Platten oder Folien mit jeweils linsenförmigen (7.40) und prismenförmigen (7.41) Strukturen separat gefertigt und anschließend auf einen planen oder bereits strukturierten und transparenten Träger (7.42) so aufgebracht, dass sich die Strukturseiten auf der Außenseite des Dreier-Verbundes befinden (siehe 7c). Diese Technik kann von Vorteil sein, wenn die mechanische Stabilität z. B. von strukturierten Folien nicht ausreichend ist.
The production of the light deflection device can be carried out with several methods using different materials:
  • 1. The lenticular ( 7:33 ) and prismatic ( 7:34 ) Elements are placed on the front and back of a transparent plate or film ( 7:35 ) at the same time or in succession (see 7a ). Production techniques for the invention profiled plates or sheets are the extrusion technique by correspondingly profiled nozzles, the profile rolling technique, in which the profiles are rolled by appropriately shaped rollers in the still soft polymer material, the hot stamping technique and the casting technique, in the corresponding profiled molding dies ( 7:36 + 7:37 ) are used for replication. For the extrusion technology, the profile rolling technology as well as the hot embossing offer transparent thermoplastic materials such. As polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin (COC) as well as thermoplastically processable polysiloxanes and polyurethanes (PU). For casting, among other transparent epoxy resins, acrylates, polysiloxanes and polyurethanes are suitable materials.
  • 2. There are two plates or foils ( 7:38 + 7:39 ) each with lenticular and prismatic structures using the methods mentioned above and then connected by lamination, adhesive bonding, welding or other fabric-specific bonding techniques together so that the structure sides are located on the outside of the two-member composite (see 7b ).
  • 3. There are two plates or films each with lenticular ( 7:40 ) and prismatic ( 7:41 ) Structures are fabricated separately and then placed on a flat or already structured and transparent support ( 7:42 ) is applied so that the structure sides are on the outside of the triple bond (see 7c ). This technique may be advantageous if the mechanical stability z. B. of structured films is not sufficient.

Der transparente Träger kann aus einer Platte oder Folie bestehen, die aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomeren Kunststoffmaterial oder aus Glas hergestellt ist.The transparent support may consist of a sheet or foil made of thermoplastic, thermoset or elastomeric plastic material or of glass.

Wichtige Anwendungsgebiete der erfindungsmäßigen Vorrichtung sind die Tageslichtlenkung aber auch die gezielte Lichtlenkung im Bereich von Kunstlichtleuchten.Important areas of application of the device according to the invention are the daylight control but also the targeted light control in the range of tungsten lighting.

Die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch dargestellt.The light deflection device according to the invention as well as methods of production are illustrated below by way of example with reference to exemplary embodiments.

Es zeigen:Show it:

1a, b schematische Darstellungen einer rein prismatisch arbeitenden Lichtumlenkvorrichtung: Die Strahlen 1.1 bis 1.4 entsprechen den Sonnenelevationswinkeln 15°, 30°, 45° und 60°. Die rein prismatische Lichtumlenkvorrichtung ermöglicht nicht die vollständige Umlenkung von Winkeln kleiner gleich 30°. Es resultiert eine unerwünschte Blendung. Das Strahlbündel 1.8 wird von der rein prismatischen Lichtumlenkvorrichtung nur teilweise umgelenkt. Das Lichtbündel wird beim Durchtritt durch die Vorrichtung winkelmäßig nicht aufgeweitet. 1a , b are schematic representations of a purely prismatic working Lichtumlenkvorrichtung: The rays 1.1 to 1.4 correspond to the sun elevation angles 15 °, 30 °, 45 ° and 60 °. The purely prismatic Lichtumlenkvorrichtung does not allow the complete deflection of angles equal to 30 °. This results in unwanted glare. The beam 1.8 is only partially deflected by the purely prismatic Lichtumlenkvorrichtung. The light beam is not widened angularly as it passes through the device.

2 strahlenoptisch berechneter Lichtumlenkungswirkungsgrad in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel des Lichtes für die rein prismatisch arbeitende Lichtumlenkvorrichtung gemäß 1a, b. 2 calculated beam-optical light deflection efficiency as a function of the angle of incidence of the light for the purely prismatic working Lichtumlenkvorrichtung according to 1a , b.

3a, b schematische Darstellungen einer rein prismatisch arbeitenden doppelseitigen Lichtumlenkvorrichtung: Die prismatischen Elemente sind bei beiden abgebildeten Vorrichtungen identisch. Bei der rechten Vorrichtung sind die prismatischen Elemente um die Länge 3.13 vertikal verschoben. Die Strahlbündel 3.9 treten in identische Bereiche der Lichtlenkvorrichtung ein. Durch die Verschiebung der rechten prismatischen Seite aus 3b ergibt sich eine vollständig veränderte Lichtlenkung. 3a , b are schematic representations of a purely prismatic-working double-sided Lichtumlenkvorrichtung: The prismatic elements are identical in both illustrated devices. In the right-hand device, the prismatic elements are around the length 3.13 moved vertically. The ray bundles 3.9 enter identical areas of the light-guiding device. By shifting the right prismatic side out 3b results in a completely changed light control.

4a, b schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Lichtumlenkvorrichtung mit viertellinsenförmiger Vorderseite (Lichteingangsseite) und stabprismenförmiger Rückseite (Lichtaustrittsseite): Die Strahlen 4.14 bis 4.17 entsprechen den Sonnenelevationswinkeln 15°, 30°, 45° und 60°. Die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung ermöglicht die Umlenkung aller abgebildeten Strahlen. Es resultiert keine unerwünschte Blendung. Das Strahlbündel 4.26 wird von der erfindungsgemäßen Lichtumlenkvorrichtung trotz verschiedener Strahlwege vollständig umgelenkt. Das Lichtbündel wird nach dem Eintritt in die Vorrichtung an den Punkten 4.27 und 4.28 fokussiert und im weiteren Verlauf winkelmäßig aufgeweitet. 4a , b are schematic representations of a light deflection device according to the invention with quarter-lens-shaped front side (light input side) and rod-prism-shaped rear side (light output side): the beams 4.14 to 4.17 correspond to the sun elevation angles 15 °, 30 °, 45 ° and 60 °. The light deflection device according to the invention allows the deflection of all imaged rays. There is no unwanted glare. The beam 4.26 is completely deflected by the light deflection device according to the invention despite different beam paths. The light beam is at the points after entering the device 4.27 and 4.28 focused and later widened angularly.

5 strahlenoptisch berechneter Lichtumlenkungswirkungsgrad in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel des Lichtes für die erfindungsgemäße Lichtumlenkvorrichtung gemäß 4a, b. 5 calculated beam-optical light deflection efficiency as a function of the angle of incidence of the light for the light deflection device according to the invention according to 4a , b.

6 schematische Darstellung der geometrischen Abmessungen der linsenförmigen Struktur. Das Profil der linsenförmigen Struktur wird durch einen 90°-Ausschnitt aus einer plankonvexen Linse gewählt. Der Krümmungsradius der Linse (6.31) ist für eine optimale Lichtumlenkwirkung größer als die Schenkellängen (6.29 + 6.30) des 90°-Kreisausschnittes. 6 schematic representation of the geometric dimensions of the lenticular structure. The profile of the lenticular structure is selected by a 90 ° cut from a plano-convex lens. The radius of curvature of the lens ( 6.31 ) is greater than the leg lengths (Fig. 6.29 + 30.6 ) of the 90 ° circle cutout.

7a Herstellung einer erfindungsgemäßen Lichtumlenkvorrichtung als eine Platte oder Folie (7.35) unter Verwendung der beiden Formwerkzeuge 7.36, 7.37. 7a Production of a light deflection device according to the invention as a plate or foil ( 7:35 ) using the two molds 7:36 . 7:37 ,

7b Herstellung einer erfindungsgemäßen Lichtumlenkvorrichtung als zwei Platten oder Folien (7.38, 7.39), die nach ihrer separaten Fertigung miteinander verbunden werden. 7b Production of a light deflection device according to the invention as two plates or foils ( 7:38 . 7:39 ), which are connected to each other after their separate production.

7c Herstellung einer erfindungsgemäßen Lichtumlenkvorrichtung als zwei Platten oder Folien (7.40, 7.41), die nach ihrer separaten Fertigung auf einen mechanisch stabilen Träger (7.42) aufgebracht werden. 7c Production of a light deflection device according to the invention as two plates or foils ( 7:40 . 7:41 ), which after their separate production on a mechanically stable carrier ( 7:42 ) are applied.

Claims (8)

Lichtumlenkvorrichtung bestehend aus einem transparenten Medium, mit einer dem Lichteinfall zugewandten Seite, die eine zylinderlinsenförmige Oberflächenstruktur aufweist, und einer dem Lichtaustritt zugewandten Seite, die eine stabprismenförmige Oberflächenstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenprofil der dem Lichteinfall zugewandten Oberflächenstruktur einen 90°-Ausschnitt aus einer plankonvexen Struktur darstellt, wobei der Abstand (4.25) zwischen zylinderlinsenförmiger Oberflächenstruktur und stabprismenförmiger Oberflächenstruktur größer als die Brennweite des Linsenprofils ist.Light deflecting device consisting of a transparent medium, with a light incident side facing having a cylindrical lens surface structure, and a side facing the light exit, which has a rod-prismatic surface structure, characterized in that the lens profile of the light incident surface structure from a 90 ° -ausschnitt from a plano-convex structure, where the distance ( 4.25 ) between cylindrical-lens-shaped surface structure and rod-prismatic surface structure is greater than the focal length of the lens profile. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Krümmungsradius des Linsenprofils mit den Schenkellängen des 90°-Ausschnitts identisch ist.Light deflection device according to claim 1, characterized in that the radius of curvature of the lens profile is identical to the leg lengths of the 90 ° section. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Krümmungsradius des Linsenprofils größer ist als die Schenkellängen des 90°-Ausschnitts.Light deflection device according to claim 1, characterized in that the radius of curvature of the lens profile is greater than the leg lengths of the 90 ° section. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass das transparente Medium aus einer einzigen Platte oder Folie besteht, welche die linsenförmigen und prismenförmigen Oberflächenstrukturen aufweist.A light deflecting device according to claims 1 to 3, characterized in that the transparent medium consists of a single plate or foil having the lenticular and prismatic surface structures. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass das transparente Medium aus zwei getrennt gefertigten Platten oder Folien besteht, von denen eine auf einer ihrer beiden Oberflächen eine linsenförmige und die andere eine prismenförmige Oberflächenstruktur trägt und die nach ihrer separaten Fertigung mit Hilfe stoffspezifischer Methoden so miteinander verbunden werden, dass die Oberflächenstrukturen die Außenseite des Zweier-Verbundes bilden.A light-deflecting device according to claims 1 to 3, characterized in that the transparent medium consists of two separately manufactured plates or foils, one of which carries a lenticular surface on one of its two surfaces and a prismatic surface structure on the other, and which is fabricated using separate methods be joined together so that the surface structures form the outside of the two-member composite. Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass das transparente Medium aus zwei getrennt gefertigten Platten oder Folien besteht, von denen eine auf einer ihrer beiden Oberflächen eine linsenförmige und die andere eine prismenförmige Oberflächenstruktur trägt und die nach ihrer separaten Fertigung auf den beiden Seiten eines gemeinsamen transparenten Trägers so befestigt werden, dass die Oberflächenstrukturen die Außenseite des Dreier-Verbundes bilden.A light-deflecting device according to claims 1 to 3, characterized in that the transparent medium consists of two separately manufactured plates or foils, one of which carries a lenticular surface on one of its two surfaces and a prism-shaped surface structure on the other, and the two on its separate production on the two sides a common transparent support are attached so that the surface structures form the outside of the three-way composite. Verfahren zur Herstellung einer Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 4–6, gekennzeichnet dadurch, dass die strukturtragenden Elemente durch Gießverfahren, Spritzgießverfahren, Extrusionsverfahren oder Heißprägeverfahren unter Verwendung transparenter thermoplastischer, duroplastischer oder elastomerer Materialien gefertigt werden.Method for producing a light deflection device according to claims 4-6, characterized in that the structure-carrying elements are produced by casting, injection molding, extrusion or hot stamping processes using transparent thermoplastic, thermosetting or elastomeric materials. Verfahren zur Herstellung einer Lichtumlenkvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die strukturtragenden Elemente mit in Anspruch 7 angegebenen Methoden gefertigt werden und der transparente Träger aus Kunststoff oder aus Glas besteht.Method for producing a light deflection device according to claim 6, characterized in that the structure-carrying elements are manufactured with methods specified in claim 7 and the transparent support consists of plastic or of glass.
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