CN101675365B

CN101675365B - 漫射光的光栅

Info

Publication number: CN101675365B
Application number: CN200880014647.2A
Authority: CN
Inventors: L·梅尼茨; J·-P·穆莱特; P·拉兰恩
Original assignee: Saint Gobain Glass France SAS
Current assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: KR20100016179A; CN101675365A; HUE038016T2; EP2142947A1; JP2010526220A; FR2915811B1; WO2008145895A8; WO2008145895A1; FR2915811A1; ES2655020T3; KR101509072B1; EP2142947B1; PL2142947T3; US20100128349A1; JP5612464B2; US8218239B2

Abstract

本发明涉及在其表面上包含由至少200个光漫射构件成列构成的光栅的透明基底，所述构件被折光指数不同于构件的折光指数的区域隔开，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边缘到另一边缘以非单调方式变化，从而对于任何由50个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次，dm为75纳米至200微米。该基底在自然采光用途中是直视透明的并在漫射光的同时使光变向且没有虹彩色。

Description

漫射光的光栅

本发明涉及包含能使来自室外的光以所需方向朝室内(通常天花板)变向的元件(éléments)的建筑物用玻璃板的领域。当要偏转的光是可见太阳光时，这种类型的玻璃板常被列为“自然采光的(daylighting)”。

由于在室内更有效利用外部光线以致可减少人工照明的事实，这种类型的玻璃板通常被认为有助于节能。

US 5,009,484教导了包含由凸起的平行列构成的衍射光栅的玻璃板。该文献指出，该光栅通常造成引起表现为色彩分离的光衍射。这种效果不是特别希望的。为限制这种现象的程度，同一文献建议(参见其附图3)垂直并置三个连续的光栅(对于三种基本颜色的每种)，以使这三种颜色的出射光束在天花板上混合以重新形成无色照明区域。这三个连续光栅具有以单调方式和依精确次序进行改变的不同周期性。该文献还指出，这三个连续光栅可换成单光栅，其周期性从该单光栅的一端到另一端以单调方式变化。该专利所教导的解决方案在一定程度上有效，但不阻止所有虹彩色形成。此外，在该文献中，漫射构件是倾斜的，任选地可变的，并具有可变深度，这使得在大面积上的低成本工业制造非常困难。

本发明涉及限制光的各种颜色的表观分离并产生具有与入射光基本相同颜色(没有偏转光的显著表观虹彩色)的照明(通常在天花板上)的表面光栅。因此，如果入射光对肉眼而言基本无色，则出射光也如此。合意的是，偏转光依据该光栅的单一级(通常地，光栅的1级)也是无色的，因为否则这会产生各种分离的照明区域(如果光线被投射到天花板上，则在天花板上产生这些区域)，其中一些区域不在合理位置，这可能是不美观的。

根据本发明，在透明基底的表面上并沿着在平行于所述表面的方向上，通过被折光指数R2的线型基本区域(domains élémentaires linéaire)隔开的折光指数R1的线型基本构件(motifs élémentaires linéaires)形成包含至少两种折光指数R1和R2交替的光栅，所述构件(motifs)和区域(domains)在几何上彼此互补。这些构件和区域由于彼此鳞状排列(imbriquent)而在几何平面上互补。因此，仅限定折光指数为R1的构件的几何形状就足够了，因为折光指数为R2的区域填充位于这些构件之间的所有空间。元件的几何由它们的重心、由它们在与基底平行的平面中的宽度L、由相邻构件之间的一个重心与另一重心的距离d和由它们的深度p进行限定。

本发明的基底甚至可以是透明的，这意味着那么可以清晰地透过它观看，而物体看起来没有变形(diffus)或模糊，并且无论观测者的视角如何都如此。如果构件的宽度沿整个光栅保持基本恒定，则直视透明度更好。本发明的成列光栅因此仅对变向光(lumière redirgée)具有漫射效应。包含光栅的透明基底使一部分入射光转向到所需方向(光栅的1级(ordre1))，例如朝天花板。同时，它能使其余入射光在不偏转的情况下透过(光栅的0级(ordre 0))。本发明的透明基底包含漫射变向光以使该光不表现出明显的表观虹彩色的光栅。在1级中的透射(变向光)不随着单一方向发生，而是在宽的角度范围内发生。相反，如果元件的宽度L基本恒定，则未变向地透射的光没有漫射。因此，0级中的透射在与入射光线相同的方向上发生。本发明的基底因此对观测者而言是直视透明和非漫射的。

一部分光线被变向(即偏转)，无论其入射角如何。该光栅漫射偏转的光线。如果该光线的入射角被定义为是基底的垂线与光方向之间的角度(对应于图2中所示的角度θ)，则变向光是总透射光(透过该基底)的10至50％，特别是对入射角大于30°的光而言。因此，本发明更可用于在位于在一年间的至少部分时间内阳光可与地平线形成大于30°的入射角的地球纬度的房屋中装配玻璃板(垂直安置)。

根据本发明，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边到另一边以非单调方式变化。术语“非单调”意味着，从光栅一边到另一边时，该距离不是仅仅提高或降低。相反地，从光栅一边到另一边时，这种距离d较大值与较小值交替。

因此，本发明首先涉及可以是直视透明的基底，在其表面上包含由至少200个构件成列的光栅，所述构件被折光指数不同于这些构件的区域隔开，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边到另一边以非单调方式变化，从而对于任何由50个连续构件构成的组，或甚至任何由20个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm的至少大一次和至少小一次，其中dm为75纳米至200微米。因此，无论在光栅上选择的由50个连续构件构成的组或甚至由20个连续构件构成的组是什么样的，都可以发现，距离d在该组内不是恒定的。

优选地，在本发明的光栅中，相同的并列构件形成由3至15个构件，优选3至7个构件构成的区块(bloc)。因此，区块的特征为构件之间从重心到重心的相等距离。从区块内部开始，构件之间的距离一改变，就脱离该区块。可以直接从一个区块转到另一区块，以使两个区块接合处的构件构成两个区块的一部分。但是，两个区块之间的距离也可以不同于这些区块之一或另一个的构件之间距离。在这种情况下，不存在同时属于两个区块的构件。优选地，光栅的至少80％，甚至至少90％的构件构成区块的一部分。一区块包含最少3个构件和在这三个构件之间的两个相等间隔。由n个构件构成的区块含有n-1个间隔。如果说该光栅的至少80％的构件都构成含3至15个构件的区块的一部分，这意味着，在该光栅内可能散布着由多于15个构件构成的孤立区块。如果由多于15个构件构成的“孤立区块”含有多于20个构件，其与下述概念相容，依据该概念，对于任何由50个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次。

考虑到优选区块的这一概念，可以说，该光栅的结构优选进行局部组织化(organisée)。这种局部组织化的效果，特别是宽度L的恒定性质的效果是直视透明而无漫射。透明基底被定义为其吸光性质接近传统玻璃板的基底，透过该基底观看到的物体不会看起来模糊。

该光栅通常包含总共多于100,000个构件，更通常多于1,000,000个构件。

在由连续构件(50或甚至优选20个)构成的组中，相邻构件之间的平均距离dm被定义为所述组的相邻构件的重心之间的所有距离d的总和与该组的相邻构件的重心之间的距离数目的比率。

由50个或甚至优选20个连续构件构成的组或甚至任何的由50个连续构件构成的组或甚至任何的由20个连续构件构成的组内的d的变化可能更多是超过比dm大一次和比dm小一次。特别地，当从该组的一边到该组的另一边时，d可能比所述组内的距离d的平均距离dm大至少两次和小至少两次，d比dm大的那两次被d比dm小的那一次隔开， d比dm小的那两次被d比dm大的那一次隔开。这种交替频率还可以甚至更大。

在任何由50个或优选甚至20个连续构件构成的组内，d围绕该组的dm变化，同时至少两次与dm偏离至少数值y，其中至少一次高于dm+y，至少一次低于dm-y。y的数值取决于寻求偏转的波长范围。一般可以说，其为至少5％dm，更通常至少10％dm。

数值d围绕dm变化，同时通常保持在dm+x至dm-x的范围内，值x取决于寻求偏转的波长。通常，x为最多50％dm，更通常地最多20％dm。

无论是该光栅的任何由50个或优选甚至20个连续构件构成的组，该组的数值dm具有大致为寻求偏转的射线波长的数值。

我们要指出，光射线基本具有下列波长：

紫外线：150至400纳米

可见光：400至800纳米

红外线：800纳米至100微米

无论是由50个或优选甚至20个连续构件构成的组，在寻求偏转的波长的1/2和波长的两倍之间选择数值dm。该数值dm因此始终位于75纳米和200微米之间。通常，无论是由50个或优选甚至20个连续构件构成的组，dm位于100纳米至20微米之间。

如果寻求偏转的是可见光，优选在200至600纳米范围内，优选在300至500纳米范围内选择dm。为了偏转可见光，dm优选高于或等于200纳米，甚至高于或等于300纳米。为了偏转可见光，dm优选小于或等于600纳米，甚至小于500纳米，再更优选小于或等于450纳米。如果dm太高，特别是高于500纳米，未偏转的透射光较不强烈，此外，使光栅的更高级可见，这意味着偏转光在几个位置较不强烈。

尽管不排除它们是倾斜的，但这些构件通常是不倾斜(本领域技术人员会说“闪耀”)，即相对于与基底垂直并穿过构件重心的直线是对称的。

如果用DM表示整个光栅(不仅是其50或20个构件)的d的平均值，例如，从光栅一边到另一边的d波动可以被确定并且遵循围绕数值DM的正弦曲线。但是，这种波动可以是无规。在这种情况下，表示d围绕DM的分布的曲线是高斯曲线型的。在这种情况下，该光栅没有周期性。在寻求偏转的波长的1/2和两倍之间选择数值DM。该数值DM因此始终位于75纳米和200微米之间，且通常在100纳米至20微米之间。已经看出，所述构件优选以区块形式分组。

对整个光栅而言，L优选是恒定或基本恒定的。但是，L可以围绕平均值Lm变化，该变化优选小于Lm的50％。该宽度L因此可以在0.5Lm和1.5Lm之间变化。光栅内的L变化越大，该光栅的直视透明度损失越大。通常，在0.1DM至0.9DM，优选0.4DM至0.6DM的范围内选择构件的宽度Lm。构件的宽度L被定义为在其重心处的宽度。这些构件通常是平行六面体。在实践中，由于世事无完美，这些平行六面体的角(凹入和凸起)可能或多或少变圆。

通常，对整个光栅而言，构件的深度恒定。通常，在0.2至5，优选0.4至2的范围内选择构件的宽度L与深度的比率。通常，对整个光栅而言，构件的宽度L与深度的比率是恒定的。

如果随着穿过构件重心的平行于基底的线，则相继经过构件的折光指数R1和构件之间的区域的折光指数R2。特别地，构件可以由玻璃制成，所述区域可以由空气构成。当在玻璃基底表面上制造玻璃凸起作为构件时，其为这种情况。空气填充构件之间的空间并自然构成区域。在这种情况下，指数R1是玻璃的指数，例如1.5，指数R2是空气的指数，即1。在此实例中，在基底表面上获得构件的凸起。然而，从构件到区域的转变可对应于与凸起部分不符的折光指数的变化。实际上，其可以是彼此鳞状排列以使该表面触摸平滑的两种不同材料。特别可以通过离子交换技术或基于光折射和电光效应的技术获得这种材料交替。

构件和区域的折光指数可以为1至2.2。通常，所述构件可具有1.1至1.8的折光指数。通常，区域可具有1至1.5的折光指数。

这两种折光指数(构件和区域的折光指数)之差通常为0.02至1.5。

通常，如果区域是空气，则构件的折光指数高于区域的折光指数。

由于基本为装配建筑物玻璃板，选择构成具有令人满意的透明度的所述玻璃板(基底，和可能添加到所述基底中的片)的材料。

本发明的光栅特别用在自然采光用途中。在这种情况下，通常将其置于垂直的玻璃板上，以使所述构件列是水平的。不排除构件列是倾斜的。该光栅通常占据玻璃板的至少10厘米高度，更通常至少20厘米高度，通常覆盖玻璃板的整个宽度。

本发明的光栅通常可通过下列技术进行制造：压花、光刻、转印、离子交换、光折射或电光效应。

第一方法包括将添加到透明薄板(基底)(特别由玻璃制成)上的溶胶-凝胶层或聚合物压花。压花是通过与结构化元件(例如由辊构成)接触并同时在其上施加压力而产生的塑性或粘塑性形变。可用的溶胶-凝胶层通常是例如溶解在水-醇混合物中的无机氧化物前体，如SiO₂、Al₂O₃、TiO₂等的液体层。在使用或不使用辅助加热手段的情况下，这些层在干燥时硬化。作为SiO₂前体，可以提到四乙氧基硅烷(TEOS)或甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)。有机官能团可以被包括在这些前体中和最终获得的二氧化硅中。例如，在EP 799873中已经描述了用于获得疏水涂层的氟化硅烷。还可以使用如下的聚合物层获得压花：

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、

聚苯乙烯、

聚丙烯酸酯(如聚(甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)及其共聚物)、

聚环氧(甲基)丙烯酸酯、

聚氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯、

聚酰亚胺(如聚甲基戊二酰亚胺)、

聚硅氧烷(如聚环氧硅氧烷)、

聚乙烯基醚、

聚二苯并环丁烯等

它们是单独的或其中几种的共聚物或混合物。

在一些情况下，在压花后可以蚀刻。可以蚀刻经压花的溶胶-凝胶或聚合物层直至下方透明板的材料再现，首先在所述凸起构件的深的部分中，然后逐渐到其高的部分。因此，可以完全在添加的溶胶-凝胶或聚合物层中或部分在该层中或部分在所述透明薄板中或完全在所述透明板内形成在蚀刻结束时获得的或多或少不规则表面。应该调节蚀刻条件以使由此所得表面具有尺寸符合本发明的装置的限定的凸起构件。

作为蚀刻方法，可以提到：

化学蚀刻，特别是用酸，

反应性离子(束)蚀刻(Reactive Ion(Beam)Etching＝RI(B)E)，

等离子体蚀刻(电感耦合等离子体＝ICP)。

要指出的是，该压花法能够以适中成本在巨大表面进行快速处理。

制造本发明的光栅的另一可能方法包括光刻法。该方法通常在于首先为透明基底提供第一层，可以在其中形成所述凸起构件。该第一层相当于压花法的添加的溶胶-凝胶或聚合物层。其还可以具有与此相同的性质，特别是由二氧化硅制成。在该方法的第二步骤中，沉积第二光敏树脂层。其通过暴露在确定目标的(ciblé)辐射中而在指定位置进行硬化。由此在除去该光敏树脂的未硬化部分后在要蚀刻的第一层上产生掩模。然后以与上文关于压花法的任选步骤所述相同的方式进行蚀刻。可以除去该光敏树脂的可能的残留物。

制造本发明的光栅的另一方法包括纳米结构化层的转印(transfert)。将在第一载体上的粘附层粘附到第二载体上，以构成本发明的装置。该层可以由塑料或类似物制成。

可用的另一方法基于无机玻璃中的离子交换，例如Na⁺离子被Ag⁺离子交换。

最后，可以利用光折射效应，根据这种效应调制光诱发该材料(例如：钛酸钡的光折射晶体)的折光指数的空间调制。也可以利用电光效应，根据这种效应电场诱发该材料的折光指数的空间调制。

本发明的光栅特别用在自然采光用途中。在这种情况下，将其置于垂直玻璃板上，以使构件列是水平的。该光栅通常占据玻璃板的至少10厘米高度，更通常至少20厘米高度，通常覆盖玻璃板的整个宽度和在玻璃板的上部。

所述构件可位于玻璃板接收入射光的面上或在玻璃板的光出射面(朝向建筑物内部的面)上。

图1以横截面显示带有本发明的漫射光栅的基底。基底1在其表面上包含平行的多列具有矩形截面的构件m_i。这些构件因此是线型的并在与图1垂直的方向(当带有该光栅的玻璃板被安装时，该方向通常是水平的)上平行。这些构件因此是平行六面体，图1仅显示其横截面。所有构件都具有相同几何，但相邻构件之间的距离不等。这些构件具有折光指数R1。它们被空气隔开，该空气因此构成构件之间的区域。这些空气区域具有折光指数R2，通常约为值1。虚线2穿过所有构件的重心。该线也交替穿过构件和穿过空气区域，并在该线上从光栅一边到另一边时，交替穿过折光指数R1和R2。构件的重心当然是超出该基底(即相对于线AA’从该基底上的凸起)的材料(即构件深度p中的材料)的重心。例如，在构件m1和m2之间标出距离d1。显示了由20个连续构件构成的组，该组的相邻构件(mi和mi+1)之间的距离di的平均值被标作dm。在从该由20个构件构成的组的上边缘开始并朝同一组的另一边缘移动时，d首先低于dm，然后在下行时，d超过dm，然后再低于，然后再超过，等等。相邻构件的重心之间的距离因此围绕dm波动。

图2显示了本发明的基底3对透过其的太阳光的影响。该透明基底3使一部分入射光以所需方向变向(图2的1级射线5)，例如朝向天花板4。同时，其能使其余入射光(图2的0级射线6)在不使其偏转或不漫射的情况下透过。该变向光5被漫射并且那么不包括任何明显的表观虹彩色。

图3显示了根据图2的装置的作为光出射角的函数的透射光的百分比。可以看出，θ＝-35°附近的1级透射不以随着单向发生，而是在-45°至-20°的宽角度范围内发生。相反，未变向的透射的光(图2的射线6)没有被漫射。

仅在θ＝40°的角度下发生0级透射。带有本发明的光栅的基底因此对观测者而言是直视透明和非漫射的。

图4说明了区块概念。区块B1含有3个构件，它们被两个间隔隔开。当从区块B1内开始时，自构件之间的距离变得不同(在此变大)，就离开该区块。区块B2与区块B1相同。区块B3含有6个构件和5个间隔。构件mx是区块B2和B3共有的。

实施例1(对比)

通过溶胶-凝胶在一块玻璃板(Saint-Gobain Glass France出售的商品名“Planilux”)的上部分50厘米上沉积360纳米厚的二氧化硅层。以本领域技术人员已知的方式，通过压花制造深度360纳米且宽度200纳米的凸起线型构件结构。这些构件垂直于该薄膜的平面。从光栅一边缘到另一边缘时(即行经该50厘米光栅的同时)，这些构件的重心之间的间距从300纳米递增到500纳米。然后将玻璃板安置作为外墙的窗。该玻璃板使来自室外的光线朝天花板变向，但察觉到虹彩色。

实施例2

如实施例1地进行操作，只是在50厘米光栅内，重心之间的间距以无规方式在300和500纳米之间变化。没有观察到显著虹彩色。

Claims

1.直视透明并且在漫射光的同时使光偏转的基底，在其表面上包含由至少200个构件成列构成的光栅，所述构件被折光指数不同于构件折光指数的区域隔开，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边缘到另一边缘以非单调方式变化，从而对于任何由50个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次，dm为75纳米至500纳米。

2.如权利要求1所述的基底，其特征在于，对于任何由50个连续构件构成的组而言，d以高于dm+y的方式偏离所述组内的距离d的平均距离dm至少一次，并以低于dm-y的方式偏离dm至少一次，y为至少5％dm。

3.如权利要求2所述的基底，其特征在于，y为至少10％dm。

4.如权利要求1-3任一项所述的基底，其特征在于，对于任何由50个连续构件构成的组而言，d保持在dm+x至dm-x内，x为最多50％dm。

5.如权利要求1所述的基底，其特征在于，对于任何由20个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次，dm为75纳米至200微米。

6.如权利要求5所述的基底，其特征在于，对于任何由20个连续构件构成的组而言，d以高于dm+y的方式偏离所述组内的距离d的平均距离dm至少一次，并以低于dm-y的方式偏离dm至少一次，y为至少5％dm。

7.如权利要求6所述的基底，其特征在于，y为至少10％dm。

8.如权利要求5-7任一项所述的基底，其特征在于，对于任何由20个连续构件构成的组而言，d保持在dm+x至dm-x内，x为最多50％dm。

9.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，如果DM代表整个光栅的相邻构件的重心之间的距离d的平均值，构件的平均宽度Lm为0.1DM至0.9DM。

10.如权利要求9所述的基底，其特征在于，该光栅的所有构件具有0.5Lm至1.5Lm的宽度。

11.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，该光栅的至少80％的构件形成区块，各区块包含3至15个在构件之间具有恒定间隔的并列的相同构件。

12.如权利要求11所述的基底，其特征在于，该光栅的至少90％的构件形成区块，各区块包含3至15个在构件之间具有恒定间隔的并列的相同构件。

13.如权利要求11所述的基底，其特征在于，各区块包含3至7个在构件之间具有恒定间隔的并列的相同构件。

14.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，构件的宽度L与深度的比率为0.2至5。

15.如权利要求14所述的基底，其特征在于，构件的宽度L与深度的比率为0.4至2。

16.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，在1至2.2的范围内选择构件和区域的折光指数。

17.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，dm小于或等于450纳米。

18.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，dm大于或等于200纳米。

19.如权利要求17所述的基底，其特征在于，dm大于或等于200纳米。

20.如权利要求18所述的基底，其特征在于，dm大于或等于300纳米。

21.如权利要求1-3和5-7任一项所述的基底，其特征在于，入射角大于30°的可见光中，透射光的10％至50％被偏转和被漫射，未偏转光不被漫射。

22.如权利要求11所述的基底，其特征在于，该基底用于窗户中。

23.包含权利要求1-22任一项的基底的窗户。

24.包含根据权利要求23的窗户的建筑物，所述窗户是垂直的并暴露在阳光中。

25.如权利要求24所述的建筑物，特征在于其位于如在一年间的至少部分时间内阳光可与地平线形成大于30°的入射角的地球纬度内。

26.前述权利要求1-22任一项的基底用于使阳光朝天花板变向的用途。