DE69316743T3

DE69316743T3 - Facettierte linsen mit totaler innerer reflektion, mit gewölbten oberflächen

Info

Publication number: DE69316743T3
Application number: DE69316743T
Authority: DE
Inventors: William Parkyn; David Pelka; John Popovich
Original assignee: Teledyne Lighting and Display Products Inc
Current assignee: Chi Mei Optoelectronics Corp
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2013-04-17
Also published as: DE69316743T2; US5577493A; US5577492A; AU4106793A; JPH08500449A; EP0636232A1; US5404869A; EP0636232B2; EP0636232A4; DE69316743D1; EP0636232B1; WO1993021484A1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein die Konzentration, Umlenkung und Manipulation von Strahlungsenergie, insbesondere elektromagnetischer Energie, und stellt eine Verbesserung gegenüber dem Gegenstand der US-PS 4 377 759 und eines Artikels "Compact non-imaging Lens with Totally Internally Refracting Facets" von W. Parkyn et al. in SPIE, Vol. 1528, Seiten 70 bis 81 dar. Sie betrifft insbesondere ein System zum Verwenden einer transparenten Einrichtung mit Elementen hiervon unter Ausnutzung der totalen inneren Reflexion (TIR) in Verbindung mit Lichtbrechung, wobei solche Elemente zusammen mit rein lichtbrechenden Elementen (wie die in einer Fresnel-Linse) und/oder Metallspiegeln arbeiten, um Strahlungsenergie auf eine vorgegebene Zone oder ensprechende Zonen oder von einer solchen Zone oder solchen Zonen umzulenken, wobei eine derartige Umlenkung einen vorgegebenen Grad an Konzentration und/oder chromatischer Dispersion besitzt. Die Zonen weisen Lichtquellen, wie bei der Fotoillumation, oder Strahlungsenergieempfangseinrichtungen zur Umwandlung der umgelenkten Energie in eine thermische, elektrische, chemische oder mechanische Form auf. Alternativ dazu findet eine weitere transparente Einrichtung Verwendung, wobei Elemente hiervon das gleiche Konstruktionsprinzip (TIR) wie oben besitzen. Diese weitere transparente Einrichtung wirkt als sekundärer
Strahlungsumlenker, um den Grad der Konzentration und/oder chromatischen Dispersion der von der primären transparenten Einrichtung umgelenkten Strahlungsenergie zu vergrößern.
Der Stand der Technik in bezug auf die Konzentration und Illumination von Strahlungsenergie besteht im allgemeinen aus zwei Haupttypen, wie sie durch lichtbrechende und lichtreflektierende astronomische Teleskope verkörpert werden: eine vor einem Empfänger oder einer Lichtquelle angeordnete Brechungslinse oder ein retro-reflektiver Spiegel, der hinter einem Empfänger oder einer Lichtquelle angeordnet ist. Die entsprechenden Vorrichtungen des Standes der Technik in bezug auf die Solareneriekonzentration sind die Fresnel-Linse und der Parabolreflektor, die Solarenergie auf einem Target fokussieren. Des weiteren gibt es nicht- abbildende, reflektierende Konzentratoren, die den Vorteil einer festen täglichen Position (ohne Nachsteuerung) mit nur saisonalen Regelungen besitzen, jedoch den Nachteil aufweisen, daß sie relativ große Reflektorbereiche erfordern und nur relativ niedrige Energiekonzentrationen liefern.
Fresnel-Linsen sind Vorrichtungen, die rein lichtbrechende Elemente umfassen. Sie besitzen jedoch physikalisch inhärente Grenzen in bezug auf die Umlenkung von Strahlungsenergie, die zu hohen f/Verhältnissen und aufwendigen Konzentratorkonstruktionen führen. Darüber hinaus weisen Linear-Fresnel-Linsen für von der Richtung der Rillen abweichende Winkel Fokussierfehler auf, die ebenfalls den Brechungsgesetzen inhärent sind und Einachsen-Nachsteuerungs-Konfigurationen auf eine relativ niedrige Konzentration beschränken.
Parabolreflektorkonzentratoren finden eine weit verbreitete Anwendung. Bei ihnen treten jedoch Verluste der empfangenen Strahlungsenergie auf, da der Empfänger zwischen der Lichtquelle und dem Reflektor angeordnet ist, welcher auf diese Weise abgeschattet wird. Hierdurch wird insbesondere der Einsatz von großen Wärmemaschinen am Brennpunkt verhindert. Des weiteren ist der Empfänger Umwelteinflüssen und thermischen Verlusten ausgesetzt. Die Verwendung einer transparenten Schutzabdeckung über dem Empfänger führt lediglich zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades des optischen Systems.
Ein anderes Reflektionssystem wird in Solar Energy, Vol. 19, Nr. 5 von Rabl beschrieben. Hierbei findet eine retroreflektierende Einrichtung mit Elementen Verwendung, die zwei TIR-Flächen besitzen, um Strahlungsenergie so umzulenken, daß sie aus der gleichen Seite austritt wie sie eintritt. Die einzige Verbesserung gegenüber einem Metallspiegel der gleichen Form ist eine potentiell höhere Reflektivität. Durch die doppelte innere Reflexion wird jedoch auch die Empfindlichkeit in bezug auf Herstellfehler gegenüber der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verdoppelt, bei der Strahlungsenergie mit einer einzigen Reflexion durch die Vorrichtung selbst umgelenkt wird.
Des weiteren beschreibt die US-A-4 299 201 eine Solarenergiefokussiereinrichtung, die als Halbzylinder ausgebildet ist und eine Vielzahl von Mantellinien und Bereichen umfaßt, um eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Facetten zu bilden, die sich in bezug auf die Fokussiereinrichtung in Längsrichtung erstrecken.
Die US-A-4 069 812 beschreibt einen Solarkonzentrator und ein Energiesammelsystem mit einer gekrümmten prismatischen Linse vom Fresnel-Typ. Wie insbesondere aus Fig. 10 dieser Veröffentlichung entnommen weden kann, besitzen die einzelnen Prismen drei gekrümmte Flächen im Schnitt parallel zu den einfallenden Strahlen.
Das Dokument "IX. Internationaler Schiffahrts-Kongreß, Düsseldorf - 1902, Mitteilung von Walter Körte: 'Fortschritte auf dem Gebiet des Seezeichenwesens"' offenbart in einer als "B1.III" bezeichneten Figur ein Strahlungsenergieumlenksystem vom Fresnel-Typ. In einem radialen äußeren Abschnitt umfaßt dieses bekannte System separate prismatische katadioptrische Elemente, die eine Eintrittsfläche, eine Fläche mit totaler innerer Reflexion sowie eine Austrittsfläche aufweisen. Der mittlere Abschnitt dieses bekannten Systems wird von einem angrenzenden Korpus gebildet, der mehrere Strahlungsenergieumlenkungsfacetten besitzt. Diese Facetten besitzen eine ebene Eintrittsfläche und eine gekrümmte Austrittsfläche, haben jedoch keine Fläche mit totaler innerer Reflexion. Die Fig. 3 bis 5 des Artikels von Körte zeigen Ausführungsformen von separaten prismatischen katadioptrischen Elementen mit einer Fläche mit totaler innerer Reflexion, die eine Linseneinrichtung bildet und zur Eintrittsfläche konkav ist, sowie eine Austrittsfläche, die zur Fläche mit totaler innerer Reflexion konvex ist.
Das Dokument DE 60 36 66 offenbart ein System mit einer Strahlungsenergieübertragungskorpuseinrichtung, die eine Vielzahl von aneinander stoßenden katadioptrischen Elementen aufweist. Jedes dieser Elemente besitzt eine Fläche mit totaler innerer Reflexion, eine Eintrittsfläche und eine Austrittsseite, die von einem Teil einer Austrittsfläche gebildet wird. Die Austrittsfläche und die Flächen mit totaler innerer Reflexion können gekrümmt sein.
Ein Strahlungsenergieumlenksystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 ist aus dem Artikel "Compact non-imaging Lens with Totally Internally Reflecting Facets" von W. Parkyn et al. in Spie, Vol. 1528, Seiten 70 bis 81 bekannt.
Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme und Schwierigkeiten des Standes der Technik zu überwinden und eine Einrichtung zum Sammeln und Verwenden von Strahlungsenergie auf sehr kosteneffektive und effiziente Weise unter Verwendung eines neuen Basiswerkzeuges mit Anwendungen, die das Sammeln, Konzentrieren, Umlenken und die Wellenlängentrennung umfassen, zu schaffen.
Erfindungsgemäß werden die obigen Ziele durch das Strahlungsenergieumlenksystem gemäß Patentanspruch 1 erreicht.
Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich durch die Verwendung einer transparenten Einrichtung gekennzeichnet, bei der Elemente zum Umlenken von Strahlungsenergie durch TIR in Verbindung mit Lichtbrechung Verwendung finden, wobei eine derartige Einrichtung zwischen der Strahlungsenergiequelle und einem Empfänger angeordnet ist. Jedes Element lenkt Strahlungsenergie auf eine gemeinsame Targetzone oder Zonen um, während die Energie durch das Innere des Elementes dringt. Ein richtig orientierter Strahl dringt durch die Eintrittsfläche und trifft auf die reflektierende Fläche, die ihn in Richtung auf die Austrittsfläche umlenkt. Darüber hinaus ist eine Linseneinrichtung der Eintrittsfläche und TIR-Fläche zugeordnet.
Die vorliegende Erfindung ist daher durch den vollständigen Durchgang der umgelenkten Strahlungsenergie durch die Übertragungskorpuseinrichtung und aus der gegenüberliegenden Seite ihres Eintritts nach dem Durchgang über eine zugeordnete Linseneinrichtung gekennzeichnet. Diese Erfindung bildet eine dritte Klasse von Strahlungsenergiekonzentratoren, die auch bei anderen Arten einer Strahlungsenergieumlenkung als Konzentration, wie beispielsweise Wellenlängentrennung oder Kollimation, Anwendung finden kann. Andere Flächen des Elementes können in bezug auf den interessierenden Strahl inaktiv sein (d. h. diffuses Himmelslicht von außerwinkligem Sonnenlicht).
Wenn die TIR allein auf Einfallwinkel beschränkt ist, die größer sind als der kritische Winkel, und damit auf alle Umlenkwinkel, die gringer sind als 180º - 2 kritische Winkel (etwa 96º für Acryl), ist eine zusätzliche Umlenkung mit oder ohne Wellenlängentrennung durch die nicht-senkrechte Abwinklung der Eintrittsfläche und Austrittsfläche möglich. Derart große Krümmungswinkel ermöglichen, daß eine transparente Einrichtung mit einem vorgegebenen Durchmesser sehr viel näher am Target liegt als eine Einrichtung, die auf Lichtbrechung allein beschränkt ist, so daß die erforderliche Lagerstruktur stark reduziert wird. Des weiteren kann eine transparente Einrichtung, bei der Krümmungswinkel bis zu 90º Anwendung finden, einen Planspiegel verwenden, der sich vom Target bis zum Rand der Einrichtung erstreckt, so daß auf diese Weise die Solarkonzentration oder der Auffangwirkungsgrad einer Lichtquelle verdoppelt wird.
Die erste Verbesserung der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Gegenstand der US-PS 4 337 759 ist die Krümmung der Flächen der einzelnen Linsenelemente. Diese Krümmung kann an der TIR-Fläche und der Eintrittsfläche oder allen drei Flächen (Eintrittsfläche, Austrittsfläche und TIR-Fläche) vorgesehen sein.
Die Handhabung der Strahlungsenergie wird auf diese Weise gegenüber einem Flächensystem mit ebenen Facetten verbessert, beispielsweise bei der Umlenkung der Strahlen von einer linienförmigen Quelle oder einer Punktquelle innerhalb der Begrenzungen der inneren Abschattung und der Neigung der TIR-Fläche, um in einem System unter Verwendung einer Vielzahl von Flächen entweder parallele oder konvergierende Ausgangsstrahlen zu erzeugen. Ferner werden Verbesserungen in der Strahlenkollimation und Fokussierung realisiert. Die Konstruktionsfreiheit wird erhöht, da jede Fläche individuell gekrümmt werden kann oder verschiedenartige Kombinationen von Flächenkrümmungen verwendet werden können, um aufgrund der finiten Größe der Facetten Aberrationen zu minimieren. Um die Qualitätskontrolle bei der Herstellung zu erleichtern, können die gekrümmten Facettenflächen Kugeln mit Mittelpunkten auf der Achse der Rotationssymmetrie der Linse bilden. Wenn die axialsymmetrische Linse durch Formen eines festen Materiales hergestellt wird, werden hinterschnitte Inemnnenflächen ausgeschlossen, die die Krümmung dieser Flächen begrenzen. Dies ist bei einem elastomeren Linsenmaterial nicht möglich.
Die Facettenausbildung der TIR-Linse besitzt vier Freiheitsgrade: den Winkel der Eintrittsfläche, den Winkel der TIR-Fläche, den Winkel der Austrittsfläche und die Position der einwärts benachbarten Facette. Eine vollständige Lösung erfordert, daß vier Erfordernisse beachtet werden, um diese vier Winkel abzuleiten. Bei vielen der nachfolgend dargestellten Konstruktionen wurden die Freiheitsgrade durch vorangeordnete Auswahlen beschränkt. Allgemein sind jedoch die Anforderungen die folgenden:
a) Die Umlenkung des Lichtes von Lichtquellen zum Target;
b) die vollständige Aufnahme des Lichtes durch die TIR- Fläche;
c) die vollständige Beleuchtung der Austrittsfläche zur Erzielung eines maximalen thermodynamischen Wirkungsgrades; und
d) keine gegenseitige Beeinflussung der Eingangs- und Ausgangsstrahlen einer Facette durch die nächste innere Facette.
Typischerweise wird eine TIR-Linse aus der äußersten Facette oder Randfacette nach innen in einer numerisch gesteuerten Iteration Facette um Facette erzeugt. Die vier Anforderungen bilden einen Satz von nicht-linearen Gleichungen mit vier Unbekannten, die zu lösen sind. Da es kein generelles Verfahren zum Lösen von derartigen Gleichungen gibt, findet bei typischen Computerprogrammen das Matrixinversionsverfahren Anwendung, das von einer Quasi-Linearität in der Nachbarschaft des Hyperraumes der Lösung ausgeht. Dies erfordert eine gewisse vorherige Kenntnis dieses Hyperraumes, so daß ein Ausgangspunkt für die Suche der Lösung innerhalb des quasi-linearen Bereiches liegt. Diese vorherige Kenntnis hängt davon ab, ob die Facette dreieckig oder viereckig ist. Ersteres führt zu größeren Schlitzwinkeln zwischen den Facetten und somit zu einer einfacheren Herstellung. Letzteres fügt jedoch einen weiteren Freiheitsgrad hinzu, so daß eine breitere Auswahl von Gesamtlinsenformen ermöglicht wird. Der Winkel dieser vierten optisch inaktiven Seite der Facette wird typischerweise auf den minimalen Zugwinkel zum Herausziehen der Linse aus einer Form eingestellt (etwa 2º). Im Falle von kleinen Linsen mit nur wenigen Facetten besteht auch die Möglichkeit, eine benachbarte Facette größer oder kleiner auszubilden als die Nachbarfacetten, um die Linsenhöhe zu vergrößern und die Kollimation zu verbessern.
Die relativen Facettenpositionen, festgelegt durch das Nicht-Überlagerungs-Kriterium, bestimmen das Gesamtlinsenprofil, das in Abhängigkeit vom Anwendungsfall niedrig oder roch sein sollte.
In einem Konvergenz- oder Kollimations- TIR-Beleuchtungssystem ist es vorteilhaft, eine etwas größere Linsenhöhe zu haben, so daß die augenscheinliche Größe der Quelle an den zentralen Facetten reduziert und der Ausgangsstrahl dadurch zusammengezogen wird. Diese Überlegung trifft nicht für divergierende TIR-Linsen zu, da hier nur ein guter Wirkungsgrad und keine Strahldichte gefordert wird.
Eine wichtige Anwendung der Facettenkrümmung findet in einer kleinen TIR-Linse mit nur wenigen Facetten, wie beispielsweise einem Kollimator für eine lichtemittierende Diode, statt. Das Formen von sehr kleinen Facetten kann aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung der Form unerwünscht sein. Gekrümmte Facettenflächen ermöglichen die Ausführung von relativ großen Facetten mit der gleichen Genauigkeit wie bei kleinen Facetten. Linsen für lichtemittierende Dioden sind von Interesse für die Rücklichter von Kraftfahrzeugen. In der Tat kann die TIR-Linse in die herkömmliche transparente Abdeckung einer LED eingearbeitet werden, wodurch deren Leuchtwirkung stark verbessert wird.
Die Austrittsfläche kann etwa die gleiche Brechungskrümmung wie die Eintrittsfläche besitzen, wodurch eine unerwünschte Bildvergrößerung verhindert wird, die den Brennpunkt ausweitet. Die individuelle konvexe Krümmung einer jeden Facettenfläche ist lebenswichtig für den Erfolg dieser Konstruktion:
- Durch die Krümmung der Eintrittsfläche kann die gesamte TIR-Fläche durch eine geringfügige Konvergenz, die verhindert, daß Licht die TIR-Fläche nicht trifft, genutzt werden;
- die Krümmung der TIR-Fläche ermöglicht eine Illumination der gesamten Austrittsfläche, indem verhindert wird, daß Licht auf ansteigende Stufenflächen oder die benachbarte TIR-Fläche trifft; und
- die Austrittsflächenkrümmung fokussiert das Licht auf das Target, wodurch die Effekte der finiten Facettengröße eliminiert werden.
Diese Fokussierkonfiguration besitzt zwei herausragende Anwendungsfälle, die den Lichtausnutzungsgrad des Standes der Technik wesentlich verbessern:
Projektoren für Dias, Filme oder Microfiches. Gegenwärtige Ausführungsformen verwenden Ellipsoidreflektoren, denen ein geringer Auffanggrad eigen ist (d. h. der Anteil des Lichtquellenausgangs, der tatsächlich im Ausgangsbild der Vorrichtung endet).
Die TIR-Linse der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung mit einer asphärischen Linse verwendet werden, um die Ungleichmäßigkeit der Cosinus-4.Illumination, die typisch für den Stand der Technik ist, zu beseitigen. Diese Version der TIR-Linse hat typischerweise abgestufte Austrittsflächen, wobei die abgewinkelten Anstiegsflächen parallel zu den konvergierenden Strahlen verlaufen, um eine räumliche Kontinuität des Brennpunktskonus sicherzustellen. Die Flächen der Facetten können gekrümmt sein, um die Wirkung der Hilfslinse zu verstärken.
Ein weiterer Vorteil der TIR-Linse für diesen Anwendungsfall besteht darin, daß sie jegliche Struktur in der Lichtquelle azimuthal verwischt, um eine Rauschquelle zu entfernen, die dem Abbildungsvorgang eines Ellipsoid-Reflektors inhärent ist.
Illuminationsinjektor oder Optikfaserbündel und Lichtröhren. Beim Stand der Technik werden hier ebenfalls Ellipsoid-Reflektoren verwendet. Die TIR-Linse besitzt einen Fokalkonushalbwinkel, der an den Akzeptanzwinkeln des Target angepaßt ist.
Lichtsammeleinrichtungen für Spektrometer, die das diffus emittierte Licht von Proben, die stimuliert worden sind, um Raman - oder fluoreszierendes Licht zu erzeugen, analysieren. Herkömmliche Spektrometer sammeln dieses Licht typischerweise mit Mikroskopobjektiven, die auch eng fokussiertes Laserlicht (50 um) der Probe zuführen. Diese Objektive besitzen üblicherweise eine Brennweite, die ihrem Durchmesser entspricht, so daß sie etwa 50º gegenüberliegen und 5% des diffus emittierten Lichtausganges sammeln. Die konvergierende TIR-Linse kann über die Hälfte dieser Emission sammeln, was eine 10-fache Verbesserung darstellt. Hierdurch wird die Spektralanalyse wegen des größeren Signal/Rausch-Verhältnisses wesentlich unterstützt.
- Eine TIR-Linse, die Licht von einer Quelle umlenkt, um einen divergierenden Lichtkonus zu bilden, wie bei Flutlichtanwendungsfällen. Für Konuswinkel von 450 oder weniger ist diese Linse wirksamer als ein herkömmlicher kongruenter Reflektor und sehr viel kompakter. Diese Divergenz kann entweder für eine gleichmäßige Illumination verwendet werden, oder sie kann in wirksamer Weise von einer virtuellen Lichtquelle kommen, die hinter der Linse angeordnet ist, mit geeigneten Facettenflächenkrümmungen, die die unterschiedlichen Abstände der Facetten von der Lichtquelle kompensieren.
- Eine Kollimations-TIR-Linse aus Silicium. Wegen des hohen Brechungsindex dieses Materiales sind die Brechungsflächen ihrer Facetten etwas anders abgewinkelt als die einer Glaslinse. Der Anwendungsfall einer Siliciumlinse betrifft die Kollimation von Infrarotlicht und den Ausschluß von sichtbarem Licht (da Silicium alle Wellenlängen absorbiert, die kleiner als 1, 1. um sind). Der Zweck dieser Anwendung besteht im Sperren der Führungssensoren von hitzesuchenden Flugabwehrraketen durch fokussierte Strahlen von pulsierendem Infrarotlicht. Der Stand der Technik verwendet viel weniger effiziente Parabolreflektoren in Verbindung mit einem Siliciumfenster. Die Silicium-TIR-Linse stellt eine wichtige neue Art von Infrarotilluminator dar, der in vielen Nachtsichtsystemen vorhanden ist.
Die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung kann bei ihrer Anwendung
zur Umlenkung von Strahlen von einer punktförmigen Lichtquelle, zur Konzentration von sphärischen oder ebenen Wellen, zu einer besseren Kollimation als bei Parabolspiegeln und einer wirksameren Fokussierung als bei Ellipsoidspiegeln festgestellt werden.
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung sowie Details einer dargestellten Ausführungsform werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung mit Zeichnungen. Hiervon zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer Ausführungsform einer herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 2 einen Vertikalschnitt einer anderen Ausführungsform einer herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt entlang den Linien 3-3 in Fig. 2;
die Fig. 4a-4e vergrößerte Schnitte durch Elemente von verschiedenen Ausführungsformen;
Fig. 5 eine Ansicht wie Fig. 1, die einen Abschnitt eines optischen Solarkonzentrators einer etwas anderen verwendeten Ausführungsform zeigt;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von zwei Vorrichtungen, die zusammenwirken, von denen eine der von Fig. 1 oder Fig. 5 entspricht und die andere ein Kollimator ist;
Fig. 7 einen vergrößerten Schnitt durch einen Kollimator gemäß Fig. 6;
die Fig. 8-111 13, 14 und 15 schematische Darstellungen von unterschiedlichen Anwendungsfällen der Strahlungsenergiekonzentrationseinrichtung;
die Fig. 12a und 12b Teilschnitte von modifizierten Konzentratoren;
die Fig. 16a-16c Sektionen, die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Winkeln erzeugen, wie gezeigt;
Fig. 17 einen Schnitt, der eine weitere modifizierte Strahlungsenergiekonzentrationseinrichtung zur Verwendung mit einer lichtemittierenden Diode zeigt;
Fig. 18 einen Schnitt noch einer weiteren modifizierten Strahlungsenergiekonzentrationseinrichtung aus Silicium zum Durchlassen von Infrarotstrahlen;
Fig. 19 einen Schnitt einer Strahlungsenergieübertragungskorpuseinrichtung, wie in Fig. 16a, die konvergierendes Licht auf eine Lichtröhre leitet;
Fig. 20 einen Schnitt, der eine Strahlungsenergieübertragungseinrichtung zeigt, die Licht von einer schichtstimulierten Probe leitet, um dieses in einen Spektroskopanalysator zusammenzuführen.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird zuerst der Stand der Technik gemäß US-PS 4 377 759 in Verbindung mit den Fig. 1 bis 15 erläutert.
Wie in der US-PS 4 337 759 beschrieben und in Fig. 1 gezeigt, besitzt ein Strahlungsenergieübertragungskorpus 10 in der Form einer Abdeckung oder eines Domes eine Vielzahl von Facetten oder Elementen, wie bei 11 gezeigt. Jede Facette hat eine Eintrittsfläche zum Empfang einer derartigen Strahlung, eine Austrittsfläche, um Energie zur Außenseite des Körpers zu leiten, und eine Fläche mit innerer Reflexion, die relativ zur Eintrittsfläche und Austrittsfläche winklig angeordnet ist, um die auf die Reflexionsfläche auftreffende Strahlungsenergie in Richtung auf die Austrittsfläche zu reflektieren. Beispielsweise besitzt in den Fig. 1 und 4d eine ausgewählte Facette 11 im Vertikalschnitt eine Eintrittsfläche 12 aus stufigen Flächen 12a und 12b, eine Austrittsfläche 13, die der Zone des Target 15 gegenüberliegt, und eine Fläche 14 mit innere Reflexion. Strahlungsenergie, wie beispielsweise Licht, wird durch die Strahlen 16a und 16b repräsentiert, die in den Korpus 10 an der ebenen Fläche 12a und normal hierzu eindringen und das Innere der Facette passieren, um durch die Fläche 14 reflektiert zu werden. Zu diesem Zweck kann die Fläche bei 17 versilbert sein. Die reflektierten Strahlen 16c dringen dann zur Austrittsfläche 13 und normal durch diese und gelangen direkt zur Targetzone.
Der Korpus 10 kann aus einem festen transparenten Material, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff, bestehen.
Die Vielzahl der in Fig. 1 gezeigten Facetten 11 kann sich ringförmig um eine gemeinsame Achse 18 erstrecken und diese bilden. Die Facetten können jedoch auch parallel zueinander verlaufen (normal zur Ebene der Fig. 1) auf gegenüberliegenden Seiten einer Ebene, wie alternativ bei 18 dargestellt, wobei diese Ebene normal zur Ebene der Fig. 1 verläuft. In jedem Fall bilden entsprechende Punkte auf den Facetten eine konkave Fläche, wie beispielsweise bei 21 (definiert durch die Spitzen 22 der am nächsten zum Target gelegenen Facetten), wobei die Strahlungsenergie, die die Austrittsflächen durchdringt, allgemein in Richtung auf die Targetzone gelenkt wird. Die Spitzen 22 sind an den Schnittstellen der Flächen 13 und 14 ausgebildet. Die Fläche 21 ist parabolisch.
Die Reihe der Facetten in Fig. 1 ist des weiteren durch das Vorhandensein von sich verjüngenden Lücken 23 zwischen benachbarten Flächen 24 und 14 der vorstehenden Abschnitte der Facetten gekennzeichnet. Bei den Flächen 24 handelt es sich um inaktive Flächen, d. h. diese lassen keine Strahlung durch (siehe beispielsweise die repräsentativen Strahlen 25 und 26 in Fig. 1). Der Strahl 25 wird durch seine zugeordnete Facette nahezu um 90º in Richtung auf das Target in der Nähe des Außenrandes 27 der TIR-Linse 10 umgelenkt. Die Fig. 1 und 4 zeigen, daß der Winkel α (Ablenkwinkel des Strahles) für Facetten, deren Abstand von der Achse oder Ebene 18 zunimmt, ansteigt und daß der Winkel β (Winkel der, Fläche 14 relativ zu einer Linie oder Ebene parallel zur Linie oder Ebene 18) für Facetten ansteigt, deren Abstand von 18 zunimmt. Auch die Eintrittsflächen 12 bilden Treppenstufenmuster.
Fig. 1 zeigt des weiteren eine Fresnel-Linse 29, die der TIR-Linse oder dem Körper 10 zugeordnet und an einem Mittelabschnitt desselben angeordnet ist. Somit befindet sich die Fresnel-Linse 29, die einfallende Strahlungsenergie in Richtung auf das Target 15 bricht, in der Bahn von Strahlen die unter den kleinsten Winkeln zum Target umgelenkt werden. Die Linse 29 kann beispielsweise in die Linse 10 integriert sein.
Des weiteren ist eine Reflektor- oder Spiegelfläche bei 30 gezeigt, die von den Facetten beabstandet ist und diesen an der Targetseite gegenüberliegt. Die Fläche 30 ist so angeordnet, das sie Streustrahlung oder divergierende Strahlung von den extrem äußeren Facetten in Richtung auf das Target reflektiert (siehe diesbezüglich Strahl 31 und Reflexionspunkt 31a). Hierdurch kann das Target 15 den Wärmeverlusten ausgesetzten Bereich halbieren, den es ohne die Fläche 30 hätte, da die nicht beleuchtete Bodenhälfte gut isoliert werden kann.
In Fig. 1 ist ferner eine Ausführungsform einer Einrichtung zum gesteuerten Verschwenken der Einheit aus den Linsen 10 und 29 und dem Reflektor 30 dargestellt, damit die Achse 18 in Richtung auf eine sich relativ bewegende Strahlungsquelle, beispielsweise die Sonne, gerichtet bleibt. In diesem Beispiel lagert eine Basisplatte 32 den Reflektor 30 sowie die domförmigen Linsen 10 und 29 über den extrem äußeren Randabschnitt 10a des Körpers 10. Ein Ringzahnrad 33 lagert die Platte 32 und kämmt mit einem Stirnrad 34. Ein Antriebsmotor 35 dreht das Stirnrad 34 zum gesteuerten Drehen des Ringrades 33, und eine Steuereinheit 36 steuert den Motor 35. Die Einheit 36 spricht derart auf Fotozellen 37 und 38 an, daß die Fotozellen zur Lichtquelle hin gerichtet verbleiben. Die Fotozellen werden in geeigneter Weise bei 99 von der Platte 32 getragen, beispielsweise in der Nähe ihres Umfangs.
Das Target 15 kann beispielsweise einen Strömungsmittelbehälter umfassen, der wärmeleitend ist, um Wärme auf das Strömungsmittel im Behälter, beispielsweise Wasser in einem Rohr, zu übertragen.
In den Fig. 2 und 3 sind mit 100 und 129 Linsen bezeichnet, die den vorstehend beschriebenen Linsen 10 und 29 entsprechen. Sie sind in Richtung des Pfeiles 149 länglich ausgebildet und werden von Lagern 150 und 151 gelagert. Eine V-förmige Hülle 152 besitzt Randabschnitte 152a, die mit den gegenüberliegenden Rändern des Linsenkorpus 100 verbunden sind, so daß die Hülle und Linsen eine Umfassung bilden. Eine zweite und isolierende rohrförmige Hülle 153 erstreckt sich innerhalb dieser Umfassung um einen Tank 154, der eine feste (nicht drehbare) Position besitzt. Ein Lager für den Tank kann die Form von Schenkeln 155 und 156 besitzen, wobei Lager bei 157 und 158 vorgesehen sind, um eine Drehung des Tanks und der Hülle um die Mittelachse 159 zusammen mit der Linseneinheit zu ermöglichen. Die Hülle 153 ist an den Stellen 160 und 161 abgetrennt, um den Eintritt von Strahlungsenergie von der Linseneinheit zu ermöglichen, die vom Tank absorbiert werden soll. Erhitzte Luft wird über Dichtungen 163 an einem Entweichen aus dem Spalt 162 gehindert. Die Umfassung besitzt eine reflektierende Innenfläche 152b.
Kalte Flüssigkeit, wie Wasser, dringt in den Tank über das Rohr 164 ein, wird darin erhitzt und bei 164a in das untere Tankende abgegeben. Erwärmte Flüssigkeit fließt langsam bei 200 im Tank zurück nach oben, wird durch Kontakt mit der Außenseite des Rohres 164 weiter erhitzt und verläßt den Tank beim Auslaß 165. Eine Opferanode 166 im Wasser 200 kann korrodieren und somit auf elektrolytische Weise jede Korrosion des Tanks selbst unterdrücken. Eine Zusatzheizeinrichtung 167 im Wasser 200 wird mit elektrischem Strom versorgt, um das Wasser im Tank zu erhitzen, wenn Solarstrahlung blockiert wird oder nicht vorhanden ist, wie beispielsweise nachts. Ein Luftspalt kann bei 162 zwischen der Hülle 153 und dem Tank selbst vorgesehen sein. Ein Sonnennachsteuermechanismus ist bei 170 gezeigt, der die Einheit so dreht, daß die Sonnenstrahlen immer normal auf die Linsen 100 und 129, d. h. in der Richtung 171 in Fig. 3, treffen.
Im Betrieb wird die gesamte parallel zum Pfeil 171 gelenkte und auf die Linsen 100 und 129 treffende Strahlung in Richtung auf den Tank umgelenkt, was durch die Lücken 160 und 161 erleichtert wird, um die Flüssigkeit im Tank zu erhitzen. Ferner ist auf die Fenster 162 und 163 zu verweisen. Es findet eine Weitwinkelsammlung der Sonnenstrahlen, d. h. nahezu von 180º, statt, wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Die Wände 153a der Lücken sind reflektiv und können neben den hier gezeigten Geraden andere gekrümmte Formen besitzen, um eine Sekundärkonzentration zu ermöglichen. Streustrahlung von den diffusen Lichtquellen, wie beispielsweise Himmelslicht, wird durch Schwärzen der Fläche 153a der Hülle 153 und der Linsenlagerrippe bei 130 absorbiert.
Es sind verschiedenartige geometrische Konfigurationen von Elementen und Anordnungen von Elementen möglich, wobei verschiedenartige Elementkonfigurationen die gleichen Relativwinkel wie die drei aktiven Flächen besitzen, jedoch unterschiedliche Entwicklungen innerhalb der transparenten Einrichtung aufweisen, d. h. die TIR-Fläche kann sich in facettierten Schlitzen auf jeder Seite des Körpers oder auf den Wänden von Tunneln innerhalb desselben befinden, während die Eintrittsflächen auf facettierten Stufen oder sogar auf einer vollständig glatten Abdeckfläche angeordnet sein können.
In Fig. 4a bildet ein Tunnel 40 eine TIR-Fläche 41, während eine Austrittsfläche 42 Treppenstufen 42a und 42b besitzt. In Fig. 4b befindet sich ein Schlitz 50 auf der Eintrittsseite des Körpers, der eine TIR-Fläche 51 und eine Eintrittsfläche 54 besitzt. Eine Austrittsfläche 52 besitzt Treppenstufen 52a und 52b. In Fig. 4c bildet ein Tunnel 60 eine TIR-Fläche 61, und eine Eintrittsfläche 62 und Austrittsfläche 64 befinden sich auf glatten kontinuierlichen Flächen. Die TIR-Fläche 61 muß jedoch länger ausgebildet sein als die TIR-Flächen 41 der Fig. 4a oder 51 der Fig. 4b wegen der Brechung des Strahles 63 durch die Eintrittsfläche 62. Allgemein beträgt die Länge einer TIR-Fläche relativ zur Facettenbreite 65:
TIR-Länge = cosδ/(cosηcosη), wobei η der Einfallwinkel des Strahles 63a mit der Flächennormalen 66, η der Winkel des gebrochenen Strahles 63b mit 66, κ der Einfallwinkel des reflektierten Strahles 63c mit der Austrittsflächennormalen 67 und λ der Winkel des gebrochenen Strahles 63d mit 67. Die Beziehungen dieser Winkel werden durch das Snell'sche Gesetz wiedergegeben:
sinη = n·sinδ und sinλ = n·sinκ
worin n der Brechungsindex des Korpusmateriales ist. Um bei aneinandergrenzenden Elementen alle auftreffenden Parallelstrahlen auf das Target umzulenken, müssen benachbarte Elemente überall auf oder über einer Parabel mit dem Target als deren Brennpunkt und einer Randsteigung, die dem halben Randwinkel entspricht (d. h. dem Ablenkwinkel der äußersten Elemente), angeordnet sein.
In Fig. 4d muß der "extreme" Strahl 16c einen Abstand von der Spitze 22 der einwärts benachbarten Facette besitzen, während der andere extreme Strahl 16b einen Abstand zum oberen Ende 27 des Schlitzes 23 aufweisen muß. Diese Abstandsbedingungen erfordern, daß der Linsenneigungswinkel größer ist als der TIR-Schwenkwinkel oder diesem entspricht, der geometrisch äquivalent zu der Tangente 22 auf oder über der Parabel ist. Sämtliche Konfigurationen der Fig. 4 besitzen den gleichen Ablenkwinkel und mit Ausnahme von Fig. 4c die gleichen normalen Eintritts- und Austrittsflächen (siehe hierzu beispielsweise die Elemente 311 der "Abdeckung" 310 in Fig. 5 über der Tangente der Parabel 321 zu den Spitzen 322 und siehe ebenfalls Linie 324). Diese Spitzen unter der Parabel, wie beispielsweise für einen Viertelkreis 325 mit der gleichen Steigung am Rand, leiden bei dieser Treppenstufenkonfiguration unter einem gewissen Auftreffen zwischen den Elementen von etwa 10% für Zylinder und Kugeln. Die Verwendung eines dünnen, flexiblen aufblasbaren Domes für eine transparente Abdeckeinrichtung kann einen derartigen Verlust verhindern, insbesondere da die nicht auf das Target treffenden Strahlen noch auf eine Stelle innerhalb der Abdeckeinrichtung umgelenkt werden, um die Unterdrucksetzung durch Erhitzen der eingeschlossenen Luft zu unterstützen (siehe Fig. 11 für eine einfallfreie Kreisform). Bei einem alternativen Facettenstil versucht man, diese Einfallverluste zu minimieren, indem man die Strahlen konzentriert, bevor sie auf die TIR- Fläche treffen, die dadurch kleiner ausgebildet sein kann, um ein derartiges Einfallen zu reduzieren. Dies kann von konvexen und konkaven Eintritts- und Austrittsflächen erreicht werden, obwohl mit einem gewissen Abfall des Konzentrationsverhältnisses der Abdeckung oder des Akzeptanzwinkels, der jedoch bei einigen Anwendungsfällen ausgeglichen wird, indem die transparenten Umlenkeinrichtungen noch enger am Target angeordnet werden.
Für die kleineren Ablenkwinkel treten Schwierigkeiten in bezug auf die Schmalheit auf, die für die Tunnels oder Schlitze 23 in Fig. 4d gefordert wird, welche die TIR- Flächen der Elemente mit geringem Ablenkwinkel bilden. Dies kann etwas vermieden werden, indem das Profil der transparenten Einrichtung 310 über die Parabel 321 angehoben wird, um die Schlitze und Tunnels über ihre Minimalbreiten hinaus zu erweitern. Eine andere Art zur Vermeidung besteht in einer Austrittsfläche 311 der Fig. 5 mit rückwärts gerichtetem Winkel, und zwar derart, daß ihre Brechungsumlenkung der Umlenkung der TIR-Fläche entgegengesetzt ist, die dadurch einen größeren Ablenkwinkel mit einer weniger steilen Neigung erhalten kann, so daß breitere Tunnels oder Schlitze erzielt werden.
Gemäß Fig. 5 trifft der Strahl 330 nicht senkrecht auf die Austrittsfläche 11, so daß der Strahl 330a gegen das Target zurück gelenkt wird. Hierdurch wird ein breiterer Schlitz 323 als in dem Fall, wenn sich die Austrittsfläche normal erstreckt und die TIR-Fläche einen steileren Winkel besitzt, erreicht. Durch die vorstehend erwähnte konvexe Eintrittsfläche werden ebenfalls die Schlitze oder Tunnels erweitert.
Ein anderes Verfahren zum Erweitern der Schlitze stellt die in Fig. 4e gezeigte facettierte Eintrittsfläche dar. Hier ist der Schlitz 70 geöffnet worden, bis er nahezu auf den extremen Strahl 73b auftrifft. Die Austrittsfläche 74 besitzt Miniaturtreppenstufen 74a und 74a, die normal und parallel zum reflektierten Strahl 73b verlaufen. Alternativ dazu kann eine dünne mikrostrukturierte Reihe von Elementen mit hohem Brechungsindex (beispielsweise n = 4) im Korpus eingebettet sein, um günstiger geformte Elemente zu erhalten. Spezielle Herstellverfahren und die Konstruktion legen die Übergangsstelle zu einer Fresnel-Linse oder alternativ zu einem Fenster fest, das Strahlen zu einem kleinen Parabolreflektor unter dem Target durchläßt, das auf diese Weise von einem Vollkreis von Richtungen beleuchtet wird.
Eine andere mögliche Konfiguration besteht darin, daß die äußeren Teile der Umlenkeinrichtung Strahlungsenergie einem zentralen Target zuführen, während die inneren Teile Energie zu äußeren Targets umlenken, wobei insgesamt nur große Ablenkwinkel Verwendung finden. Alle diese Konfigurationen sind Ableitungen des Basisverfahrens dieser Erfindung:
Bei einer Vielzahl von TIR-Übertragungselementen lenken richtig angeordnete Eintritts-, Austritts- und TIR-Flächen Strahlungsenergie auf eine vorgegebene Targetzone oder in einen vorgegebenen festen Targetwinkel um.
Ferner kann eine Abdeckeinrichtung (wie bei 10 oder 110) Verwendung finden, deren Brennweite kürzer sein kann als irgendein Parabolspiegel mit doppelt so hohen Konzentrationen, die jedoch frei von Abschattungseffekten ist und eine konvexe Fläche mit einem geringeren aerodynamischen Widerstand als der konkave Parabolspiegel aufweist. Ihr Target befindet sich in der Nähe des Schwerpunktes und näher am Boden als bei dem Parabolreflektor, so daß eine feste Empfangseinrichtung leichter ausgebildet und unterhalten werden kann. Schließlich liefert der Reflexionswirkungsgrad der TIR-Flächen von nahezu 100% viel größere Möglichkeiten in bezug auf hohe Wirkungsgrade als ein Parabolspiegel.
Aus den Fig. 1 und 5 geht hervor, daß die Elemente 11 und 311 einstückig und kontinuierlich miteinander verbunden sind, um eine Strahlungsenergieübertragungseinrichtung in der allgemeinen Form einer Abdeckung zu bilden. Diese besitzt eine Energieeintrittsfläche (beispielsweise die Deckfläche in Fig. 1) und eine Austrittsfläche (Bodenfläche in Fig. 1), die auf gegenüberliegenden Seiten der Abdeckung liegen. Die Abdeckung bewirkt, daß die Austrittsfläche verlassende Strahlungsenergie normalerweise eine andere Richtung aufweist als die auf die Eintrittsfläche auftreffende Energie. Auch befinden sich mehrere TIR-Flächen auf der Fläche benachbart zu den Schlitzen, die sich der Eintrittsfläche am nächsten befinden, wie vorstehend erläutert. Die Eintrittsfläche besitzt eine facettierte Treppenstufenkonfiguration. Die Austrittsfläche der Abdeckung liegt weiter entfernt vom Target als eine Parabel (siehe 21 und 321). Die Abdeckung kann aus transparentem Material, beispielsweise Kunststoff, konstruiert sein.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Einrichtung 410, die der Einrichtung 10 der Fig. 1 oder 310 der Fig. 5 oder einer äquivalenten Einrichtung hierzu entspricht. Eine Targetzone ist bei 415 gezeigt. Eine Retro-Reflektoreinrichtung 412 ist im Abstand hinter der Targetzone angeordnet und weist auf diese, um Strahlungsenergie auf die Targetzone umzulenken (siehe Strahl 413).
Fig. 9 zeigt in schematischer Weise eine Strahlungsenergiequelle (beispielsweise eine Lichtquelle) bei 430 an der Targetzone. Von der Quelle 430 emittierte Strahlungsenergie wird vom Korpus 435 (wie 10 oder 310) in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt (siehe Strahl 436).
Die Fig. 10a und 10b zeigen zwei Variationen einer Linse mit "einheitlicher Ablenkung" mit gleichmäßigen Facetten, die sich ringförmig um ein zylindrisches Target erstrecken. In Fig. 10a werden die Strahlen 443 vom Korpus 440 um 90º auf das zylindrische Target 441 abgelenkt. In Fig. 10b besitzt ein ebener Korpus 445 identische Facetten 448, die die Strahlen 447 um 45º auf das zylindrische Target 446 ablenken.
Fig. 11 zeigt eine Einrichtung 460, die den Raum 461 hinter der Austrittsfläche der Abdeckeinrichtung 459 (wie 10 oder 310) umgibt, so daß durch Unterdrucksetzen der Atmosphäre des Raumes 461 die flexible Abdeckeinrichtung in ihrer kreisförmigen Gestalt gehalten wird, wobei sich der Krümmungsmittelpunkt am Punkt 426 befindet (siehe Targetzone 462, Einrichtung zum Unterdrucksetzen, wie die Pumpe 463, und den Strahl 464). Ein Dünnfilm 465 haftet an der Innenseite der Abdeckeinrichtung 459, die Miniatursägezahnfacetten 467 aufweist, wie in der vergrößerten Darstellung im Kreis gezeigt.
Fig. 12a zeigt eine Vielzahl (beispielsweise zwei) von Targetzonen 470 und 471, die Strahlungsenergie von dem Übertragungskorpus 472 (wie 10 oder 310) empfangen. Jedes Element 473 lenkt Energie in eine Vielzahl von Richtungen auf die Targetzonen zu um. Somit kann jedes Element 473 dem vorstehend beschriebenen Element 10 oder 310 entsprechen, jedoch eine TIR-Fläche besitzen, die in zwei Unterflächen 474 und 475 unter geringfügig verschiedenen Winkeln unterteilt ist, um die Reflexion der beiden Strahlen 476 und 477 zu realisieren, die von den Flächen 474 und 475 auf die beiden Targetzonen gerichtet werden.
In Fig. 12b bildet die TIR-Fläche 453 die Austrittsfläche für den Strahl 451, während die TIR-Fläche 454 die Austrittsfläche für den Strahl 452 bildet. Dieser symmetrische Fall von Zwillingsablenkungen um 60º kann so variiert werden, daß zwei unterschiedliche Ablenkungen nach rechts und links mit einer unterschiedlichen Aufteilung der eintretenden Strahlungsenergie erhalten werden.
Gemäß Fig. 13 besitzt die Abdeckeinrichtung 480 (wie 10 oder 310) unterschiedliche Gruppen von Elementen, die Strahlungsenergie auf unterschiedliche Targetzonen umlenken. Dabei lenken die Elemente an der Stelle 481 Strahlungsenergie zum Target 482, während die Elemente an der Stelle 483 Energie zum Target 484 lenken (siehe die Strahlen 485 und 486).
In Fig. 6 entspricht die Ablenkung oder der Korpus 510 den vorstehend beschriebenen Elementen 10 oder 310. Eine Sekundär-Strahlungsenergieumlenkeinrichtung ist bei 520 vorgesehen, um die Strahlungsenergie vom Korpus 510 aufzufangen und umzulenken (siehe die Strahlen 521 mit den Segmenten 521a, die auf den Korpus 510 fällen, die uzngelenkten Segmente 521b, die auf den Korpus 520 fallen, und die sekundär umgelenkten Segmente 521c, die vom Korpus 520 übertragen werden).
Fig. 7 zeigt den Korpus 520 im Detail mit Eintrittsflächen 530, Austrittsflächen 531 und TIR-Flächen 532. Die Strahlen 521c sind in diesem Fall parallel, d. h. parallel gemacht, so daß die Einrichtung 520 als Kollimator angesehen werden kann.
Die in Fig. 14 gezeigte Einrichtung 550 entspricht den Elementen 10 und 300, mit der Ausnahme, daß die Austrittsflächen 551 individuell zu der diese durchdringenden Strahlungsenergie abgewinkelt sind, um eine refraktive Umlenkung der Strahlungsenergie zu bewirken (siehe den Strahl 552, der an der Fläche 551 gebrochen wird). Auch in Fig. 14 können die Austrittsflächen 551 so angesehen werden, daß sie die Strahlungsenergie in partieller Opposition zur Umlenkung durch die TIR-Flächen 553 refraktiv umlenken. Hierbei erstrecken sich die TIR-Flächen unter weniger steilen Winkeln (als in den Fig. 1 und 5), um die Schlitze 554 zu erweitern. In Fig. 14 ist die Eintrittsfläche glatt und nicht facettiert, wie bei 556 gezeigt. Diese Eintrittsfläche 551 verläuft parallel zum gebrochenen Strahl 552b, wodurch eine maximale Ablenkung zurück und die geringstmögliche Neigung der Eintrittsfläche 556 erhalten wird, die in der Tat geringer ist als die Parabel 321 oder der Viertelkreis 325 in Fig. 5.
In Fig. 15 ist der Korpus 560 wie der von 10 oder 310 ausgebildet, mit der Ausnahme, daß er vom Variationsindex der Brechung Gebrauch macht, der sich mit der Wellenlänge der Strahlungsenergie ändert, um einen Wellenlängentrennungs- und Strahlungsenergieumlenk-Übertragungskorpus zu bilden. Zwei Targetzonen 561 und 562 sind gezeigt, die voneinander beabstandet sind, um unterschiedliche Wellenlängen der Wellenlängen-getrennten und umgelenkten Strahlungsenergie zu empfangen (siehe Strahl 563, der in einen Strahl 563a einer Wellenlänge, der zum Target 561 gerichtet ist, und in einen Strahl 563b einer anderen Wellenlänge, der zum Target 562 gerichtet ist, aufgeteilt ist).
Auch in Fig. 15 kann jedes Target als Einrichtung zur Umwandlung von Strahlungsenergie in Elektrizität betrachtet werden. Eine solche Einrichtung ist eine fotovoltaische Zelle. Eine derartige Vorrichtung kann an den Targetzonen in den Fig. 1 und 5 angeordnet sein. In Fig. 15 kann ein Target eine Fotoilluminationseinrichtung umfassen, die sichtbare Wellenlängen empfängt. Das andere Target kann einen thermischen Empfänger umfassen, der unsichtbare Wellenlängen an der Zone 561 empfängt.
Wenn eine Quelle von Strahlungsenergie in der Zone 562 angeordnet ist, folgen die Strahlen mit sichtbarer Wellenlänge dem umgekehrten Weg der Strahlen 563, d. h. parallel gerichtet, während die Wärmestrahlen mit unsichtbaren längeren Wellenlängen mehr auswärts vom sichtbaren Strahl divergiert werden, so daß bei Scheinwerferlicht auf Schauspieler diese nicht einer Wärmebelastung ausgesetzt werden, die um mehrere Male größer ist als die der sichtbaren Strahlung.
Bestimmte Aspekte det Fig. 1-15 wurden auch in der US-PS 4 337 75º erläutert.
Nachfolgend folgt eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
In den Fig. 16a, 16b und 16c sind die Korpusse 650, 660 und 670 dem in Fig. 17 gezeigten und beschriebenen Korpus 740 sehr ähnlich. Die Winkel der ringförmigen Facetten sind geringfügig verändert, so daß der Korpus 660 parallel gerichtete Lichtstrahlen 664, der Korpus 650 konvergierende Lichtstrahlen bei 654 und der Korpus 670 divergierende Lichtstrahlen 674 erzeugt. Die Lichtquelle ist in jedem Fall bei 680 gezeigt. In jedem Fall ist die Deckfläche 659, 669 und 679 der Linse im gezeigten Schnitt kreisförmig gekrümmt oder bei eines ringförmigen Linse sphärisch gekrümmt.
In Fig. 17 ist die Achse des ringförmigen Strahlungsenergieübertragungskorpus 740 bei 751 dargestellt. Der Korpus besitzt eine Vielzahl von ringförmigen Facetten 742 bis 746, die allgemein konzentrisch angeordnet sind, jedoch Spitzen 742d bis 746d besitzen, welche sich zunehmend einer Ebene 750 normal zur Achse 751 nähern. Die Fläche 742a der Facette 742 ist konvex in Richtung auf die Fläche 742b, und die Fläche 742b ist konkav in Richtung auf die Fläche 742a im dargestellten Schnitt. Diese Beziehung gilt auch für andere Facetten, wie gezeigt. Eine lichtemittierende Diode (LED) 758 befindet sich an der Schnittstelle der Ebene 750 mit der Achse 751 und emittiert Lichtstrahlen in Richtung auf den Korpus 740. Ein Strahl 753 dringt durch die Fläche 742a, wird in Richtung auf die TIR-Fläche 742b gebrochen und in Richtung auf die obere ebene Fläche 748 reflektiert und durchdringt dieselbe (siehe auch den Strahl 752, der die Fläche 743a passiert, an der TIR-Fläche 743b reflektiert wird und nach oben über die Fläche 748 gelenkt wird). Die Breite des Korpus 740 kann beispielsweise von 0,12 bis 1" reichen, und der transparente Korpus 740 kann aus Kunststoff bestehen. Ein Brechungsabschnitt ohne Facetten befindet sich bei 719. Geringere Verhältnisse zwischen dem Linsendurchmesser und der LED-Größe können zu großen äußersten Facetten und sukzessive kleineren inneren Facetten führen, um ein höheres Linsenprofil und gekrümmte Facetten mit besserer Kollimation zu erreichen.
In Fig. 18 kann der Strahlungsenergieübertragungskorpus 760 die gleiche allgemeine Konstruktion wie in Figur besitzen. Der Linsenkorpus 760 besteht aus Silicium oder einem entsprechenden Material zum Durchlassen von Infrarotstrahlen und zum Blockieren von sichtbarem Licht. Eine Strahlungsenergiequelle in Form einer Bogenlampe ist bei 764 in der gleichen Position wie die LED in Fig. 17 gezeigt. Eine Reflektorfläche 765 kann Anwendung finden und sich in einer Ebene 766 erstrecken, die der Ebene 705 in Fig. 17 mit parabolischem Abschnitt 762 entspricht. Die von 767 ausgehenden Infrarotstrahlen werden typischerweise parallel gerichtet, können jedoch auch divergieren oder konvergieren, wie in Fig. 16a gezeigt. Der nicht facettierte mittlere Abschnitt 770 bricht die Strahlen, wie gezeigt. Die Bogenlampe bei 764 kann aus Anoden- und Kathodenelementen 764a und 764b bestehen. Die obere Austrittsfläche 759 ist im gezeigten Schnitt kreisförmig gekrümmt. Die Linse kann jedoch auch eine externe Treppenstufenfacettierung besitzen. Eine transparente Schutzhülle 769 schützt den Bogen gegenüber der Außenluft.
In Fig. 19 kann der Korpus 780 die gleiche oder eine ähnliche Konstruktion wie der der Fig. 16a besitzen, um konvergierendes Licht zu erzeugen und bei 781 in das Eintrittsende 782 einer Lichtröhre 783 zu leiten. Die Linse besitzt eine nach oben konvexe bogenförmige obere Austrittsfläche 785, Eintrittsflächen 786 und TIR-Flächen 787. Die Flächen 786 und 787 verjüngen sich nach unten in Richtung auf die Ebene 790 entsprechend der Ebene 710 in Fig. 17. Eine zentrale Lichtquelle 788 ist in der Art aer LED in Fig. 17 angeordnet. Ein planerer Rückspiegel 789 erstreckt sich in der der Ebene 710 entsprechenden Ebene 790 und weist nach oben. Diese Vorrichtung kann bis zu 80% des Lichtes in die Röhre 783 einführen, was im Gagensatz zu einem herkömmlichen Ellipsoidreflektor steht, der nur 10% des Lichtes einführen kann.
In Fig. 20 entspricht der Linsenkorpus dem der Fig. 17 mit der Ausnahme, daß die zentrale Brechungseinrichtung durch ein Mikroskopobjektiv 854 ersetzt worden ist, das axial innerhalb der Linse gleiten kann, um eine Fokussierung auf der Probe 851 zu bewirken. Die charakteristische diffuse (d. h. in allen Richtungen) Emission 856 von der Probe 851 wird von der Linse 850 gesammelt und auf einen Analysatoreintrittsschlitz 852 fokussiert. Ein parallel gerichteter Laserstrahl 855 wird vom Spiegel 853 in das Objektiv 854 reflektiert und auf die Probe 851 fokussiert. Der Spiegel 853 ist entfernbar, um das Mikroskopobjektiv 854 zur Betrachtung der Probe 851 zu verwenden und deren Position genau einzustellen. Der Linsenkorpus 850 kann sich nach unten unter die Probe 851 erstrecken, um noch mehr der diffusen Emission zu sammeln. Hei der Probe 851 kann es sich um ein Glaskapillargefäß, das ein Gas oder eine Flüssigkeit enthält, eine mit einer Probensubstanz beschichtete Goldhalbkugel, eine integrierte Schaltung auf einer Produktionsstraße (Prüfung der Materialzusammensetzung oder Verunreinigung) oder eine Probe aus einem biologischen Gewebe handeln.

Claims

1. Strahlungsenergieumlenksystem mit

a) einem Strahlungsenergieübertragungskorpus (749, 760, 780, 850),

b) der eine Vielzahl von aneinanderstoßenden Elementen umfaßt, die jeweils eine Facette (742 bis 746) bilden und als Strahlungsenergieumlenkmodul wirken sowie auf ihrem Querschnittsumfang eine Eintrittsfläche (742a, 743a, 786) zum Empfang der in das Innere des Umfanges eindringenden Energie, eine Austrittsfläche zum Leiten der Energie zur Außenseite des Umfanges in einer Richtung zu der von der Eintrittsseite des Korpus entgegengesetzten Seite und eine Fläche (742b, 743b, 787) mit totaler innerer Reflexion, die winklig zu der Eintrittsfläche und Austrittsfläche angeordnet ist, um die von der Eintrittsfläche eindringende Strahlungsenergie in Richtung auf die Austrittsfläche umzulenken, aufweisen,

c) wobei der Korpus die eindringende Strahlungsenergie allgemein in Richtung auf eine vorgegebene Targetzone umlenkt, die in bezug auf die Eintrittsseite des Korpus entfernt und auf der dieser entgegengesetzten Seite desselben angeordnet ist,

d) wobei die Fläche mit totaler innerer Reflexion (742b, 743b, 787) und die Eintrittsfläche (742a, 743a, 786) auf der gleichen Seite einer Facette (742 bis 746) angeordnet sind,

e) die Facetten (742 bis 746) in bezug auf eine zentrale Achse (751) konzentrisch angeordnet sind,

f) der Korpus (740, 769, 780, 850) eine Austrittsseite (747, 759, 785) an seiner entgegengesetzten Seite besitzt, die sämtlichen Facetten gegenüberliegt, wobei sich die Austrittsflächen auf der Austrittsseite befinden,

g) die Fläche (742b, 743b, 787) mit totaler innerer Reflexion und die Eintrittsfläche (742a, 743a, 786) an jeder Facette konvergieren und eine Spitze (742d, 743d, 746d) bilden, wobei diese Spitzen zunehmend näher an einer Ebene (750, 766, 790) normal zur Achse 8751) liegen und wobei die Ebene die Spitze der radial äußeren Facette (746) schneidet,

h) die Flächen (742b, 743b, 787) mit totaler innerer Reflexion der Facetten (742 bis 746) eine Linseneinrichtung bilden und in Richtung auf die Eintrittsflächen (742a, 743a, 786) in Ebenen, die die zentrale Achse (751) enthalten, konkav ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

i) die Eintrittsflächen (742a, 743a, 786) der Facetten (742 bis 746) in Richtung auf die Flächen (742b, 743b, 787) mit totaler innerer Reflexion in Ebenen, die die zentrale Achse (751) enthalten, konvex ausgebildet sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (742b, 743b, 787) mit totaler innerer Reflexion eine Grenze des Korpus bildet, so daß der Brechungsindex "n" der Substanz des transparenten Korpus an dieser Grenze zu einer vollständigen inneren Reflexion der gesamten Strahlungsenergie führt, deren Einfallwinkel mit der Normalen der Grenze am Einfallpunkt den Brewster'schen Winkel übersteigt, der dem inversen Sinus des reziproken Wertes von "n" entspricht.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aneinanderstoßend angeordnet sind, um eine Strahlungsenergieübertragungsabdeckeinrichtung mit einer Eintrittsfläche und der Austrittsfläche, die auf gegenüberliegenden Seiten der Abdeckeinrichtung liegen, zu bilden, welche bewirkt, daß die die Austrittsfläche verlassende Strahlungsenergie eine allgemein andere Richtung besitzt als die in die Eintrittsfläche eindringende Strahlungsenergie.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche und/oder Austrittsfläche relativ zu der diese durchdringenden Strahlungsenergie individuell abgewinkelt sind, um eine Brechungsumlenkung der Strahlungsenergie zu bewirken.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korpus ringförmig ausgebildet ist.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite konkav zu den Facetten ausgebildet ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite in einem die zentrale Achse enthaltenen Schnitt eine kreisförmige Linie bildet.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite in der kreisförmigen Linie einem Winkel zwischen 25º und 45º gegenüberliegt.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korpus einen mittleren Abschnitt besitzt, der ein Mikroskopobjektiv (854) umfaßt.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv entlang der Achse, um die sich die Facetten erstrecken, verstellbar beweglich ist.