CN101680979A - 漫射光的子光栅的阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在其表面上包含市光漫射的阵列的透明基底，所述漫射光的阵列包含至少10个并列子光栅，所述子光栅由平行的构件列构成，所述构件被折光指数不同于构件折光指数的区域隔开，各子光栅包含至少20个以周期p等距离隔开的重复的连续的相同构件，所述周期从该子光栅阵列的一边到另一边非单调变化。该基底在自然采光用途中在没有虹彩色的情况下使光变向。

Description

漫射光的子光栅的阵列
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(élément)的建筑用玻璃板领域。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)垂直并置三个连续光栅(对于三种基本颜色中每种)，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单调变化。该专利所教导的解决方案在一定程度上有效，但不阻止虹彩色形成。此外，在该文献中，漫射元件是倾斜的，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，这也可能是不美观的。
图1以横截面显示在其表面上带有10个本发明的子光栅(sous-réseau)的阵列(ensemble)的透明基底。
图2显示在其上部分带有13个本发明的子光栅的阵列的玻璃板。
本发明的基底是透明的，这意味着无论观测者的视角如何都可以清晰地透过其观看。
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，制造光栅，其是包含至少10个并列的由平行的构件(motifs)列构成的子光栅的漫射光的阵列，所述构件被折光指数不同于构件折光指数的区域隔开，各子光栅包含至少20个以周期p等距离重复的连续相同构件，所述周期从该组子光栅的一边缘到另一边缘非单调变化。
在本发明的范围内，漫射概念适用于偏转光并涉及整个光栅(包括所有子光栅)。
根据本发明，在透明基底的表面上制造包含至少两种折光指数R1和R2交替的光栅(由折光指数为R2的线型基本区域(domainsélémentaires)隔开的折光指数为R1的线型基本构件(motifs élémentaireslinéaires))，所述构件和区域在几何上彼此互补。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。构件的几何特别由它们的与基底平行的宽度L、由它们在子光栅内的重复周期和由它们的深度h来确定。术语“周期”的使用清楚表明，在各子光栅内，构件相同且相邻构件之间的距离恒定并等于该周期。
根据本发明，该光栅含有并列的多个具有不同周期的子光栅，这些子光栅以分散方式(从其各自周期的角度看)布置于该光栅中以混杂各种出射线并产生没有任何特定颜色的中性照明。
根据本发明，相邻子光栅的周期p从该光栅(即该组子光栅)一边到另一边非单调变化。术语“非单调”意味着，从光栅一边到另一边时，这种周期不仅仅提高或降低。相反，从光栅一边到另一边时，这种周期p从较大值交替变成较小值。
周期p从光栅一边到另一边围绕平均周期Pm变动，平均周期Pm是指相邻构件的重心之间的距离总和与整个光栅(即，所有并列子光栅的组合)的构件总数的比率。特别地，周期p优选地大于Pm至少n次和大于Pm至少n次，周期大于Pm的两个子光栅被至少一个周期小于Pm的子光栅隔开，周期小于Pm的两个子光栅被至少一个周期大于Pm的子光栅隔开，n是等于或大于2，尤其等于或大于3，或甚至等于或大于4，甚至等于或大于5的整数。这意味着p偏离Pm至少2n次，尤其具有最小差值y，从而超过值Pm+y达n次，并低于值Pm-y达n次，数值y取决于要偏转的波长，但通常为至少5％Pm，更通常至少10％Pm。
从光栅一边到另一边的p变动还可以进一步加强。当从光栅一边到另一边时，还可以确定p的波动，并可以遵循例如围绕数值Pm的正弦曲线。但是，这种波动优选是独立的。其甚至可以是无规的。在后一情况下，表示围绕Pm的p的分布的曲线是高斯曲线型的。
周期p围绕Pm变动，同时大致保持在Pm+x至Pm-x的范围内，数值x取决于要偏转的波长。通常，x为最多50％Pm，更通常最多20％Pm。
各子光栅包含至少20个以周期p(即两个连续构件之间的距离)重复的连续的相同构件。各子光栅包含更通常总共至少100个连续的相同构件和甚至至少500个连续的相同构件。
各子光栅通常具有0.1毫米至12毫米，更通常3至10毫米的高度。该高度相当于所考虑的子光栅的特征周期乘以所述子光栅中所含的构件数。
本发明的光栅通常含有40至10000个，更通常100至5000个并列子光栅，且其构件列是平行的。
平均周期Pm具有大致为要偏转的射线波长的数值。这同样适用于各子光栅的周期p。
我们要指出，所述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
无论子光栅是什么样，在要偏转的波长的1/2和两倍之间选择其周期p。该数值p因此始终位于75纳米和200微米之间。通常，无论是什么子光栅，p位于100纳米至20微米之间。
如果要偏转的是可见光，优选在200至600纳米范围内，优选在300至500纳米范围内选择子光栅的周期p(因此以及Pm)。
尽管不排除它们是倾斜的，但这些构件通常的是不倾斜的(本领域技术人员称为“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。
通常，构件的宽度L为0.1Pm至0.9Pm，优选为0.4Pm至0.6Pm。
通常，构件的宽度L与深度比为0.2至5，优选0.4至2。
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，区域可以由空气构成。在玻璃基底表面上制造玻璃凸起作为构件时，为这种情况。空气填充构件之间的空间并自然构成所述区域。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制造这种材料交替。
构件和区域的折光指数可以为1至2.2。通常，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。
由于该玻璃板基本为装配建筑物，选择构成具有令人满意的透明度的玻璃板(基底，和可能添加到所述基底中的部分)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。各子光栅因此通常具有整个玻璃板的宽度。通常，子光栅都具有相同高度，但不排除它们具有不同高度。
所述构件可位于玻璃板的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。
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，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(甲基丙烯酸甲酯)、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
它们是单独的或作为其中几种的共聚物或共混物。
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；
反应性离子蚀刻(RIE)或(反应性离子束蚀刻(RIBE))；
等离子体(电感耦合等离子体(ICP))蚀刻。
应指出的是，该压花法能够以适中成本在相对较大的表面上进行快速处理。
制造本发明的光栅的另一可能方法包括光刻法。该方法通常包括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，沉积由光敏树脂构成的第二层。其通过暴露在确定目标的(ciblé)辐射中而在指定位置进行固化。由此在除去该光敏树脂的未固化部分后在要蚀刻的第一层上产生掩模。然后以与上文对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。
图1以横截面显示带有本发明的漫射光栅的透明基底。该光栅位于建筑物的玻璃板的上部。基底1在其表面上包含水平平行的多列具有正方形截面的构件。这些构件因此是线型的并在与图1垂直的方向上平行。这些构件因此是平行六面体，其具有基本相当于玻璃板宽度的长度、宽度L和深度h。该光栅由10个并列的连续子光栅构成，它们各自具有通过p1至P10编号的特有周期。放大所述子光栅中的两个，它们分别具有周期p3和p8，由此能够通过其横截面看到该构件。构件的横截面是正方形(L＝h)且相邻构件的两个相同点(例如它们的重心)之间的距离分别为p3和p8。图1中的构件的重心处于代表所述构件的横截面的正方形的对角线交点处。这两个放大的子光栅各自含有20个构件。在各个子光栅中可以看出，构件是相同的并被间隔给定数值(其确定周期)，该周期从一个子光栅到另一子光栅进行变化，特别地，p8大于p3。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1。虚线AA’穿过周期为p3的子光栅的构件的重心。
图2显示由垂直装在建筑物窗户中的无机玻璃制成的玻璃板2。该玻璃板的上部带有根据本发明的13个子光栅的阵列3。通过水平列标示子光栅的构件。子光栅都具有该玻璃板的整个宽度并且都具有相同高度尺寸。可以看出，当从子光栅阵列的边缘B到该子光栅阵列的另一边缘B’时，这些子光栅在其周期方面以分散次序一些并列在另一些下方。当然，这是纯定性的示意图，以显示子光栅在该玻璃板上一些相对于其它的定位。子光栅和构件列的尺寸与实际不符。
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，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进行操作，只是该结构由50个平均周期性为400纳米的子光栅构成。从一个子光栅到另一子光栅，该周期无规地在300和500纳米之间变化。没有观察到显著虹彩色。

Claims (13)

1.在其表面上包含漫射光的阵列的透明基底，所述漫射光的阵列包含至少10个并列的由平行的构件列构成的子光栅，所述构件被折光指数不同于构件折光指数的区域隔开，各子光栅包含至少20个以周期p等距离重复的连续的相同构件，所述周期从该子光栅阵列的一边到另一边非单调变化。
2.如前一权利要求所述的基底，其特征在于，如果Pm是该子光栅阵列的平均周期，则周期p大于Pm至少n次和大于Pm至少n次，周期大于Pm的两个子光栅被至少一个周期小于Pm的子光栅隔开，周期小于Pm的两个子光栅被至少一个周期大于Pm的子光栅隔开，n是等于或大于2的整数。
3.如前一权利要求所述的基底，其特征在于，p偏离Pm最小差值y至少2n次，从而超过值Pm+y达n次，并低于值Pm-y达n次，值y为至少5％Pm。
4.如前一权利要求所述的基底，其特征在于，y为至少10％Pm。
5.如权利要求2至4之一所述的基底，其特征在于n大于或等于3。
6.如权利要求2至5之一所述的基底，其特征在于p围绕Pm变化，同时保持在Pm+x至Pm-x之间，x为最多50％Pm。
7.如前一权利要求所述的基底，其特征在于，x为最多20％Pm。
8.如前述权利要求之一所述的基底，其特征在于，各子光栅包含至少20个构件。
9.如前述权利要求之一所述的基底，其特征在于，该阵列包含40至10000个子光栅。
10.如前述权利要求之一所述的基底，其特征在于，对该阵列的任何子光栅而言，p为75纳米至200微米。
11.如前一权利要求所述的基底，其特征在于，对该阵列的任何子光栅而言，p为100纳米至20微米。
12.包含前述权利要求之一的基底的窗户。
13.前述基底权利要求之一的基底用于使阳光朝天花板变向的用途。
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