CN102203644B - 包括具有光漫射模式块的子光栅的光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透明基体，所述透明基体在其表面上包括由折射率与模式的折射率不同的区带分开的模式的平行线的光栅，所述光栅漫射光并且包括至少4个子光栅，每个子光栅包括多个宽度为L的相同模式的块，每个块包括2至10个所述模式，其中块内相邻模式的重心按照恒定周期p分开，相邻块之间的距离Db从子光栅的一个边缘到所述子光栅的另一边缘以非单调的方式变化，大于0乘L并且小于20乘L，并且至少一次大于1.2Dbm且比至少一次小于0.7Dbm，Dbm为子光栅的块之间的距离的算术平均值，并且其中周期p在从光栅的一个边缘到另一个边缘时在0.5pm与1.5pm之间从一个子光栅到另一个子光栅变化，pm为子光栅特有的周期p的算术平均值，使得至少一个子光栅具有大于1.2pm的周期且至少一个子光栅具有小于0.8pm的周期。该基体可以被用于建筑物的窗户上用来将阳光向天花板重新定向。

Description

包括具有光漫射模式块的子光栅的光栅
本发明涉及用于建筑物的装配玻璃（vitrage）领域，其包括能够在希望的方向上将来自外部的光重新定向到内部、通常重新定向到天花板的元件。当是希望偏转的可见日光时，这种类型的装配玻璃通常称为“采光（Daylighting）”。
由于外部光在室内更有效地被利用，这使得减少人工照明成为可能这一事实，这种类型的装配玻璃通常被认为有助于节能。
US5009484教导了在其表面上包括衍射光栅的装配玻璃，所述衍射光栅由凸起的平行线组成。该文献教导了光栅通常引起光衍射，导致颜色的分开。该效应不一定是所希望的。为了限制该现象的程度，该文献推荐（参见其图3）对于三种基色中的每一种竖直地并置三个连续的光栅，这三种颜色的出现的光束必须在天花板处再次混合以重新形成无色的被照射区带。这三个连续的光栅具有不同的周期性，其以单调的方式依照精确的顺序变化。该文献也教导了这三个连续的光栅可以由单个光栅代替，所述单个光栅的周期性以单调的方式从该单个光栅的一端到另一端变化。该专利教导的解决方案在小程度上起作用，但是并不阻止所有虹色形成。而且，在该文献中，漫射模式是倾斜的，可能地是可变的，并且具有可变的深度，这使得工业上在大的区域上以低成本生产它们是非常困难的。
专利申请PCT/FR2008/050677教导了一种在其表面处具有线光栅的透明基体，所述线光栅具有至少200个光漫射模式，所述模式（motif）由折射率与模式的折射率不同的区带分开，相邻模式的重心之间的距离d以非单调的方式从光栅的一个边缘到另一个边缘变化，从而对于50个连续模式的任何组，所述组的相邻模式的重心之间的距离d比所述组的相邻模式的重心之间的距离d的平均距离dm至少大一次以及至少小一次，dm位于75nm与200μm之间。该基体在直视下是透明的，并且在采光应用中以很少的虹色效应在漫射光的同时对光重新定向。
专利申请PCT/FR2008/050678教导了一种在其表面处具有光漫射组件的透明基体，所述光漫射组件包括至少10个并置的模式平行线子光栅，所述模式由折射率与模式的折射率不同的区带分开，每个子光栅包括周期为p的以等距重复的至少20个连续的相同模式，所述周期以单调的方式从子光栅的组件的一个边缘到另一个边缘变化。该基体在采光应用中以很少的虹色重新定向光。
尽管上述两篇国际申请已经通过减少利用光栅获得的虹色效应而获得了显著的改进，但是本申请提供了虹色（换言之，投射光（通常到天花板）区域中的彩色外观）的更进一步的减少。
本发明涉及一种表面光栅，其限制光的各种颜色的表观分离并且导致具有与入射光基本上相同的显色的照明，而没有偏转光的显著的表观虹色（通常在天花板上）。因此，如果入射光对于肉眼是基本上无色的，那么该出现的光也是无色的。希望的是，利用光栅的单阶（通常，光栅的1阶）偏转光，因为否则的话，这将产生各种分开的照明区带（到天花板，如果光投射到天花板的话），一些区带不会明智地被放置，而且这可能是无吸引力的。
依照本发明的基体是透明的，这意味着有可能透过它清楚地观看，无论观察者的视角如何。光的一部分被基体重新定向（即偏转）。光栅漫射所述光栅所偏转的光。如果光的入射角定义为基体的垂线与光的方向之间的角度，那么重新定向的光为全部透射光（穿过基体）的10至50%，对于入射角大于30°的光而言，尤其如此。因此，本发明对于为房屋装备装配玻璃（竖直地放置）表现出更大的有用性，所述房屋座落于地球纬度，使得在一年期间太阳的光线可以至少部分地与地平线形成大于30°的入射角。
依照本发明，在透明基体的表面上在与所述表面平行的方向上产生漫射光的光栅，该光栅包括模式的平行线的子光栅，所述子光栅彼此靠近地或者甚至以并置的方式放置在相同的平面内，使得光栅的模式的所有线彼此平行。
依照本发明的透明基体在其表面处具有由折射率与模式的折射率不同的区带分开的模式的平行线的光栅，所述光栅漫射光并且包括至少4个子光栅，每个子光栅包括模式的平行线，所述模式由折射率与模式的折射率不同的区带分开，所述子光栅中的每一个包括多个（其意味着至少2个）宽度为L的相同模式的块，每个块包括2至10个所述模式，块内相邻模式的重心对于所考虑的和所考虑的子光栅特有的块按照恒定周期p分开，相邻块之间的距离Db在从子光栅的一个边缘到相同子光栅的另一边缘通过时以非单调的方式变化，同时大于0乘L并且小于20乘L，并且从而它比1.2Dbm至少大一次且比0.7Dbm至少小一次，Dbm为子光栅的块之间的距离的算术平均值，并且周期p在从光栅的一个边缘到另一个边缘通过时在0.5pm与1.5pm之间以非单调的方式从一个子光栅到另一个子光栅变化，pm为子光栅特有的周期p的算术平均值，并且从而至少一个子光栅具有大于1.2pm的周期且至少一个子光栅具有小于0.8pm的周期。依照本发明的子光栅必然包含上面给定含义内的块。
如果依照本发明的光栅从其边缘之一横穿到另一边缘，那么具有块的第一子光栅开始于其第一块的第一模式的起始（其也相应于第一块的开始）并且结束于其最后的块的最后模式的末端（其也相应于最后的块的末端）。有可能具有不属于在相同子光栅的两个块之间的块的模式。然而，子光栅的模式的至少80%和优选地至少90%以及甚至100%形成块的部分。优选地，依照本发明的光栅的模式的至少80%和优选地至少90%以及甚至100%形成块的部分（以及因而也形成子光栅的部分）。每个子光栅包含至少4个块以及优选地100至5000个块。有可能具有不属于在依照本发明的光栅的每个子光栅之间的子光栅的模式。然而，依照本发明的光栅的模式的至少80%和优选地至少90%以及甚至100%形成子光栅的部分。子光栅可以通过没有模式的区带隔开。然而，在依照本发明的光栅中，两个相邻模式（属于或不属于块，属于或不属于子光栅）按照这些相邻模式的最宽模式的宽度的不到20倍以及不到5倍（从重心到重心）分开。
依照本发明的光栅通常包括超过10个子光栅。通常包括不到1000个子光栅。
从光栅的一个边缘到另一个边缘，子光栅特有的周期p以非单调的方式变化。以绝对值的方式，该周期p位于100nm与20μm之间。它在0.5pm与1.5pm之间的区带内变化，pm为子光栅特有的周期p的算术平均值。它以非单调的方式变化，使得至少一个子光栅具有大于或等于1.2pm的的周期并且至少一个子光栅具有小于0.8pm的周期。术语“非单调”意味着当从光栅的一个边缘到另一个边缘时，该周期不只是增加或减少。相反地，当从光栅的一个边缘到另一个边缘通过时，该距离p从最高值到最低值交变。优选地，子光栅的超过25%具有大于1.2pm的周期p。优选地，子光栅的超过25%具有小于0.8pm的周期p。
在本申请的上下文中，漫射的概念适用于偏转光并且涉及整个光栅，包括所有子光栅。
依照本发明，光栅在透明基体的表面上并且在平行于所述表面的方向上产生，包括通过折射率为R1的基本线性模式由折射率为R2的线性基本区带分开而形成的至少两个折射率R1和R2的交替，所述模式和区带几何上彼此互补。这些模式和区带几何上是互补的，因为它们是交错的。这就是为什么仅仅折射率为R1的模式的几何形状的定义就足够的原因，因为折射率为R2的区带填充位于模式之间的所有空间。模式的几何形状特别地通过其平行于基体的宽度L、通过相邻模式的重心之间的距离以及通过它们的深度h来定义。
依照本发明，光栅包含许多具有数量至少为4个的平行模式的子光栅（这种平行性适用于子光栅内、而且从一个子光栅到另一个子光栅的模式）。将不同的子光栅放置在光栅中以致于相对于周期性被散布，以便混合不同的出现的辐射并且更成功地达到没有特别的显色的中性照明。
相邻块之间的距离被理解为表示这些块之一的最后模式与另一个块的第一模式之间的距离（参见图3上的Db）。依照本发明，子光栅内相邻块之间的距离以非单调的方式变化，同时大于0乘L且小于20乘L，L为模式的块的宽度，并且它至少一次大于1.2Dbm且至少一次小于0.7Dbm，Dbm为子光栅的块之间的距离的算术平均值。优选地，相邻块之间的距离的超过25%大于1.2Dbm。优选地，相邻块之间的距离的超过25%小于0.7Dbm。
在子光栅中，相同的并置模式形成2至10个模式以及优选地2至5个模式的块。块由模式之间的相同距离表征，该距离从一个重心到另一个重心计算。当从块开始时，模式之间的距离一改变，此即离开块之时。优选地，子光栅的模式的至少80%和甚至至少90%以及甚至100%形成块的部分。块包含至少两个模式以及这两个模式之间的间隔。n个模式的块包含n-1个间隔。子光栅包含至少4个相同的块。
考虑块的这个概念，可以说子光栅的结构是局部地组织的。子光栅中以及优选地整个网络中该局部组织以及特别地宽度L的恒定特征的效果是直视中没有漫射的透明性。透明基体被定义为物体通过其不显得模糊的基体。
依照本发明的光栅通常包含总共超过100000个模式，更一般地超过1000000个模式。
子光栅中相邻模式之间的距离大约为希望偏转的辐射的波长。
应当回顾的是，光辐射具有基本上以下波长。
紫外线：150至400nm
可见光：400至800nm
红外线：800nm至100μm
在依照本发明的整个光栅中，相邻模式之间（其等效于“相邻模式的重心之间”）的距离通常在75nm与200μm之间，并且更一般地在100nm与20μm之间。
如果是希望偏转的可见光，那么pm优选地在范围200至600nm内以及优选地在范围300至500nm内选择。为了偏转可见光，pm优选地大于或等于200nm并且甚至大于或等于300nm。为了偏转可见光，pm优选地小于或等于600nm并且甚至小于500nm，并且甚至更优选地小于或等于450nm。如果pm太高，特别是高于500nm，那么未偏转的透射光不那么强烈，而且使得光栅的更高阶显现，这意味着光在若干位置被偏转。
尽管没有排除模式是倾斜的，但是模式通常是不倾斜的（本领域技术人员说成是来自英文词“闪耀的（blazed）”），即关于基体的穿过模式重心的垂线对称。
模式的宽度L被定义为在其重心区域内的其宽度。模式通常是平行六面体。在实践中，这个世界上没有完美的物，这些平行六面体可以具有其或多或少圆整的棱角（凹的和凸的）。优选地，对于整个光栅而言，L是恒定的或者基本上恒定的。然而，L可以围绕平均值Lm（算术平均值）变化，该变化小于Lm的25%。宽度L因此可以在0.75Lm与1.25Lm之间变化。L在光栅内变化越大，则这在直视下的透明性方面损失越大。通常，L位于0.2乘周期P与0.8乘周期p之间，并且优选地从0.4乘周期p扩展到0.6乘周期p。
通常，模式的深度h对于整个光栅而言是恒定的。通常，模式的宽度L与深度h之比在从0.2到5以及优选地从0.4到2扩展的范围内选择。通常，模式的宽度L与深度h之比对于整个光栅而言是恒定的。
如果沿穿过模式重心的平行于基体的线而行，那么连续地通过模式的折射率R1与模式之间的区带的折射率R2。特别地，模式可以是玻璃的并且区带可以是空气。这是当模式作为玻璃基体表面的玻璃突起而产生时的情况。周围空气填充模式之间的空间并且这自然地构成区带。在这种情况下，折射率R1为玻璃的折射率，例如1.5，并且折射率R2为空气的折射率，即1。在这种情况下（玻璃/空气交替），在基体表面上以浮雕产生模式。然而，从模式到区带的通道可以对应于不与浮雕部分相应的折射率的修改。事实上，可以存在两种不同的交错的材料，使得表面触摸起来是平滑的。特别地，有可能通过离子交换技术或者基于光折射和电光效应的那些技术产生材料的这种交替。
相同光栅内的所有模式通常具有相同的折射率并且所有区带通常具有相同的折射率。模式和区带的折射率可以从1扩展到2.2。通常，模式可以让其折射率从1.1扩展到1.8。通常区带可以让其折射率从1扩展到1.5。
所述两个折射率（模式的折射率和区带的折射率）之间的差通常可以位于0.02与1.5之间。
通常，如果区带为空气，那么模式具有大于区带的折射率的折射率。
关于实质上建筑物的装配玻璃安装，选择构成所述装配玻璃（基体，可能地施加到所述基体的部分）的具有足够透明性的材料。特别地，依照本发明的光栅可以通过直接压印在塑料膜（PET、PMMA、聚碳酸酯）上制成。也可以压印例如丙烯酸的薄层并且将其施加到PET膜。然后，将该膜粘附到玻璃基体或者插入到两个玻璃片之间。
特别地，依照本发明的光栅应用于采光。在这种情况下，它通常被置于竖直的装配玻璃上，使得模式线是水平的。光栅通常在装配玻璃的整个宽度上并且通常在装配玻璃的上面部分中通常占据至少10cm的高度并且更一般地占据装配玻璃的至少20cm的高度。
依照本发明的光栅通常可以通过以下技术产生：压印、光刻、转印（transfert）、离子交换、光折射效应或电光效应。
第一方法包括压印施加到特别地由玻璃制成的透明片（基体）的溶胶-凝胶或者聚合物层。压印是通过与结构化元件接触产生的塑性或粘塑性变形，所述结构化元件包括例如滚筒并且在其上同时施加压力。可以使用的溶胶-凝胶层通常为例如溶解在水-酒精混合物中的诸如SiO2、Al2O3、TiO2之类的无机氧化物的前体的液层。这些层在利用或者不利用辅助加热装置的情况下干燥时硬化。可以提及SiO-2前体、四乙氧基硅烷（TEOS）或者甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）。有机官能团可以包含在这些前体以及最后获得的硅石中。作为示例，在EP799873中描述了用于获得疏水涂层的氟化硅烷。也可以在诸如
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），
聚苯乙烯，
聚丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸、聚2-羟乙基甲基丙烯酸酯及其聚合物，
聚环氧（甲基）丙烯酸酯
聚氨酯（甲基）丙烯酸酯
聚酰亚胺，例如聚乙基戊二酰亚胺，
聚硅氧烷，例如聚环氧硅氧烷，
聚乙烯醚，
聚双苯并环丁烯等等
的聚合物层上单独地或者以共聚物或这些中的若干的混合物的方式产生压印。
在一些情况下，压印之后可以是蚀刻。可以侵蚀压印的溶胶-凝胶或者聚合物层，直到下面的透明片的材料首先在所述浮雕模式的深部重新出现，然后逐渐地到其上面的部分。因此，在蚀刻结束时获得的或多或少不规则的表面可以完全在溶胶-凝胶或聚合物层中形成，或者部分地在其中形成，以及部分地在所述透明片中形成或者完全在后者中形成。应当调整蚀刻条件，使得该得到的表面具有凸起的模式，其中尺寸满足本发明设备的限定。
作为蚀刻方法，可以提及：
特别地通过酸的化学蚀刻，
反应离子蚀刻（Reactive Ion (Beam) Etching（反应离子（束）蚀刻）=RI(B)E），
等离子体蚀刻（感应耦合等离子体=ICP）。
应当指出的是，所述压印方法使得以适度的成本处理相对巨大的区域成为可能。
产生依照本发明的光栅的另一种可能的方法包括光刻。该方法通常包括首先向透明基体提供其中可以形成所述浮雕模式的第一层。该第一层相应于压印方法的所施加的溶胶-凝胶或聚合物层。也可能与其具有相同的性质，尤其是由硅石制成。在该方法的第二步骤中，沉积光敏树脂的第二涂层。其在限定的位置通过暴露于目标辐射而硬化。在去除光敏树脂的未硬化部分之后，通过这种方式在要蚀刻的第一层上方产生掩膜。然后，以与通过压印的方法的替换方案有关的上面所述的相同方式执行蚀刻。可以去除光敏树脂的任何残留物。
另一种产生依照本发明的光栅的方法包括转印纳米结构层。使得粘附到第一支撑物的层粘附到第二支撑物，以便构成依照本发明的设备。该层可以由塑料等制成。
可以使用的另一种方法依赖于离子交换，例如无机玻璃中Na+离子通过Ag+离子的离子交换。
最后，可以使用光折射效应，依照该效应，调制光引起材料（例如：由钛酸钡制成的光折射晶体）的折射率的空间调制。同样可能的是，使用电光效应，依照该效应，电场引起材料的折射率的空间调制。
图1示出可以竖直安装在建筑物的窗户上的由无机玻璃制成的装配玻璃1。装配玻璃的上面部分备有依照本发明的由12个子光栅组成的光栅2。这些子光栅由不同的图形纹理表示，所述图形纹理并不代表实际的表面模式。所有子光栅均具有光栅的整个宽度并且它们的尺寸在高度方面变化。将看出的是，子光栅在相同的平面内一个在另一个上地并置在光栅边缘A与光栅边缘A’之间的光栅表面上。它包含纯定性的表示，以便示出子光栅相对于彼此在光栅上的位置。
图2示出了与基体4的表面上的模式3相同的4个模式的块（在垂直于基体且垂直于模式线的截面内观看）。模式3的重心在5中。这些模式是平行六面体类型的并且具有宽度L和深度h。块内相邻模式的重心按照恒定距离p分开。块具有由6表示的宽度。如果沿平行于基体穿过模式重心的线BB’而行，那么连续地通过模式的折射率R1以及模式之间的区带的折射率R2。
图3示出了基体7的表面上两个子光栅SR1和SR2之间的过渡区带。看出子光栅SR1的三个块8、9、10事实上是相同的。另一方面，相邻块之间（以及因而相邻块的重心之间）的距离变化。将看出子光栅SR2的三个块11、12、13彼此相同。在这里，同样地，相邻块的重心之间的距离变化。作为针对子光栅SR2的两个块的示例，所理解的是相邻块之间的距离由Db表示。

Claims (18)

1.一种透明基体，在其表面处具有模式的平行线的光栅，其中所述模式由折射率与模式的折射率不同的区带分开，所述光栅漫射光并且包括至少4个子光栅，每个子光栅包括
多个宽度为L的相同模式的块，每个块包括2至10个所述模式，块内相邻模式的重心按照恒定周期p分开，相邻块之间的距离Db在从子光栅的一个边缘到所述子光栅的另一边缘通过时以非单调的方式变化，同时大于0乘L并且小于20乘L，并且从而该距离是1.2Dbm的至少一倍且是0.7Dbm的至多一倍，Dbm为子光栅的块之间的距离的算术平均值，并且
周期p在从光栅的一个边缘到另一个边缘通过时在0.5pm与1.5pm之间以非单调的方式从一个子光栅到另一个子光栅变化，pm为子光栅特有的周期P的算术平均值，并且从而至少一个子光栅具有大于1.2pm的周期且至少一个子光栅具有小于0.8pm的周期。
2.如权利要求1所述的基体，其特征在于，子光栅的模式的至少80%形成块的部分。
3.如权利要求1所述的基体，其特征在于，子光栅的模式的至少90%形成块的部分。
4.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，所述光栅的模式的至少80%形成块的部分。
5.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，所述光栅的模式的至少90%形成块的部分。
6.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，每个子光栅包含至少4个块。
7.如权利要求6所述的基体，其特征在于，每个子光栅包含100至5000个块。
8.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，所述光栅包括10和1000个之间的子光栅。
9.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，超过25%的子光栅具有大于1.2pm的周期p，并且超过25%的子光栅具有小于0.8pm的周期p。
10.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，子光栅内相邻块之间的距离的超过25%大于1.2Dbm，并且相邻块之间的距离的超过25%小于0.7Dbm。
11.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，子光栅内的任何块包含2至10个模式。
12.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，子光栅内的任何块包含2至5个模式。
13.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，相邻模式的重心之间的距离位于100nm与20μm之间。
14.如权利要求1-3之一所述的基体，其特征在于，对于所有子光栅而言，pm位于300nm与500nm之间。
15.一种窗户，包括权利要求1-14之一的基体。
16.一种建筑物，具有如权利要求所述15的窗户，所述窗户是竖直的并且暴露于阳光。
17.如权利要求16所述的建筑物，其特征在于，该建筑物座落于地球纬度，使得在一年期间太阳的光线能够至少部分地与地平线形成大于30°的入射角。
18.如基体权利要求1-14之一的基体的用途，用于将阳光向天花板重新定向。
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