CN104181623A - 回射加热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回射加热器。本发明公开了一种朝着或远离目标引导热红外能的设备。所述设备包括具有多个回射元件的覆盖物。所述多个回射元件被配置为回射主要在热红外波长的电磁波束，沿着波束接收路径从目标接收电磁波束，并沿着波束反射路径朝着所述目标反射回电磁波束。所述波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。

Description

回射加热器

技术领域

本申请涉及一种朝着或远离目标引导热红外能的设备和方法。

背景技术

在给定的一组环境条件下维持物体的温度可能难以实现。这种温度稳定性涉及将温暖的物体维持在温暖的温度下，将冷的物体维持在冷的温度下。另外，应该高效且经济地实现温度稳定性。

在宽泛的环境和情形下期望温度稳定性。这些环境和情形包括（例如不限于）：

1)使诸如飞机机械师等的个人在寒冬的天气或炎夏的天气下室外工作时保持舒适和高工作能力；

2)使诸如士兵或航班乘客等的个人在飞行器上飞行过程中保持舒适；

3)在关闭操作期间对引擎或电池进行保暖；以及

4)在使用之前保持诸如复合预浸料卷等的物体凉爽。

通常，人和物体通过四种机制获得或损失热：传导、对流、蒸发和辐射。维持温度稳定性的方法常常解决这四种机制中的一种或更多种，包括（例如不限于）：

1)使用对流加热器、强制通风加热器或空调。这些方法生成热或冷的空气流并减少通过传导和对流产生的损失。

2)使用绝缘材料。这包括机器上或建筑物墙壁中的绝缘覆盖层，并且可包括人穿戴的外套或手套。这一方法减少了通过传导、对流（以及在一些情况下，通过辐射）产生的损失。

3)遮荫。无论是天然的还是人造的，这均阻挡辐射热源。

4)使用辐射加热器。这生成辐射热（通常为红外的），因此通过辐射来加热。

5)使用“太空毯”或反射绝缘材料。当卷绕在人或物体上时，这些材料将人或物体所发射的一些红外能反射回去。然而，除非绝缘材料完全包围人或物体，否则红外反射的效果很低，大部分红外能损失于环境中。航天器上所使用的多层绝缘材料（MLI）是一个例子。

6)以上方法的组合。例如，包含由电池供电的加热器或者包括利用镜面反射来将热返回给穿着者的反射层的夹克。

存在用足够的绝缘材料包裹人或物体并不切实际的情形。这些情况例如包括：

1)诸如机械师等的个人在寒冷的天气下工作，但需要使用他们的手指以进行精细工作；

2)诸如机械师等的个人在寒冷的天气下需要反复到高处以进行工作，在这种情况下沉重外套的重量将妨碍他们够到工件的能力或者导致重复性压迫损伤；

3)在寒冷的办公室中的职员需要他们的手指自由打字，以及需要能够执行其它精细的运动技能；

4)机器或材料必须在冬天不过冷或者在日光下不过热，同时仍允许人触及以进行工作。

主动加热/冷却系统在许多情形下同样不实际或不是最佳的。例如，可能需要将这些系统非常靠近个人和物体放置以维持其温度稳定性。这限制了个人的移动性和/或物体的易接近性或便携性。

发明内容

公开了一种朝着或远离目标引导热红外能的设备。所述设备包括具有多个回射（retroreflective）元件的覆盖物。所述多个回射元件被配置为回射主要在热红外波长的电磁波束，沿着波束接收路径接收来自目标的电磁波束，并沿着波束反射路径朝着所述目标反射回电磁波束。所述波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角（elevation angle）和/或方位角。

还公开了一种朝着或远离目标引导热红外能的方法。所述方法包括将覆盖物相对于所述目标置于平均距离Δx处。从所述覆盖物回射主要在热红外波长的电磁波束。所述覆盖物沿着波束接收路径从所述目标接收所述电磁波束，并沿着波束反射路径将所述电磁波束反射回所述目标。波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。

已讨论的特征、功能和优点可在各种实施方式中独立地实现，或者可在其它实施方式中组合，其进一步的细节可参照下面的描述和附图看出。

附图说明

图1示出站在寒冷的环境中的个人。

图2示出站在距以镜面方式反射红外波束的表面距离Δx处的个人。

图3示出应用于位于紧邻个人的表面的至少一部分和/或形成该表面的至少一部分的红外回射覆盖物的一个示例。

图4示出站在四面有墙壁的工作空间中的个人，其中一面墙壁的表面包括红外回射覆盖物。

图5示出站在四面有墙壁的工作空间中的个人，其中所有四面墙壁和天花板具有红外回射覆盖物。

图6A和图6B示出在期望使诸如个人或物体的目标保持凉爽的环境中如何使用红外回射覆盖物。

图7示出在期望使目标保持凉爽的环境中如何使用红外回射覆盖物的另一示例。

图8示出用于制备和使用示例性红外回射覆盖物的方法。

图9示出隅角立方反射器（corner cube reflector）形式的回射元件。

图10是图9所示的隅角立方反射器的正视图。

图11是示出用于红外回射覆盖物的一个示例的尺度和值的表。

图12和图13示出由多个水平槽构成的槽反射器形式的红外回射覆盖物。

图14示出图12和图13所示的红外回射覆盖物的修改版本。

图15和图16示出另一隅角立方反射器形式。

图17A和图17B示出在红外透明材料片材的后表面中形成有回射元件的红外回射覆盖物。

图18A和图18B示出具有红外透明材料的回射球体的红外回射覆盖物。

图19A、图19B和图19C示出在前表面处具有折射形状并且在后表面处具有反射形状的红外回射覆盖物。

图20A和图20B示出由红外透明纤维织成的红外回射覆盖物。

具体实施方式

每一个物体依据斯特藩-玻尔兹曼定律来发射热辐射，其中，热辐射率L（瓦/球面度/m²）与温度T的四次方成正比。因此，给定辐射率对应于给定温度，当物体具有特定温度T时，其也具有特定辐射率L。个人10（图1）的辐射热平衡可通过以下方程式来估计：

P=eA(T_skin ⁴–T_env ⁴)

其中P是由个人释放的辐射功率，e是发射率，是斯特藩-玻尔兹曼常数，A是面积（投影到非凹面包围表面），T_skin是具有对应辐射率L_skin的个人10的皮肤温度，T_env是具有对应辐射率L_env的环境15的温度。在例如307°K的皮肤温度下的人皮肤的发射率可介于约0.9和0.98之间。例如，成人的皮肤面积可在约1.24m²至超过2m²的范围内。利用2m²作为示例面积，个人10辐射大约978瓦。个人10可从环境15吸收辐射能或向环境15发射辐射能。例如，净辐射热平衡可为正，指示个人10在向环境15损失热。另选地，净辐射热平衡可为负，指示个人10在从环境15获得热。在温度约为T_env=296°K的示例性办公室中，个人10吸收844W。个人10还通过传导、对流和蒸发/凝结获得或损失热。然而，在这些情形下，只要对于久坐的成人而言总净热平衡为大约116瓦（或者从对于睡着的成人而言约80瓦至对于做剧烈运动的成人而言超过1000瓦的范围），个人10向环境15损失热的速度大约与个人的身体新陈代谢生成热的速度一样快，个人10将既不会感觉太热，也不会感觉太冷。

图1示出站在寒冷的环境15（如，冬天的机场维护工作区）中的个人10。热通过传导和对流从个人10散逸到邻近空气中。另外，热作为红外辐射束17从个人10散逸。如果穿得单薄，则个人10将快速发射红外辐射并快速损失热。在冰冻环境下热损失可为大约370W，其中温度为（例如）T_env=273°K。个人10无法保持活力的工作，从而将导致失去手指灵活性、口齿不清和难以集中注意力。因此，个人将需要强力加热器或厚实的外套、帽子和手套，以在这样的条件下保持温暖和机能正常。

图2示出站在距以镜面方式反射红外波束30的表面25距离Δx处的个人10。例如，表面25可以是棚或其它形式的围绕物（诸如，例如由铝制成的围绕物）的壁。从个人10发射的红外波束35入射到表面25上并从表面25镜面反射。一小部分的红外波束被反射回给个人10，然而仍将需要强力加热器以使个人10保持温暖，但来自加热器的热的量无需像图1所示情形下那样大。

在图3中，覆盖物40应用于位于紧邻个人10的表面的至少一部分和/或形成该表面的至少一部分。除了别的以外，覆盖物40可以是用于构成围绕物的壁的那种类型的板的形式等。在此示例中，个人10站在距覆盖物40距离Δx处。沿着波束接收路径45从个人10接收红外波束，所述红外波束入射在覆盖物40上，在那里它们作为红外波束沿着波束反射路径50被回射。在当前示例中，各个波束反射路径50的倾斜角基本上与其相应的波束接收路径45的倾斜角相同。覆盖物40还可被配置为以使得各个波束反射路径50的方位角基本上与相应波束接收路径45的方位角相同的方式回射红外波束。结果，入射在覆盖物40上的几乎所有红外能被引导回给个人10。然而，将认识到，覆盖物40无需以这种方式回射所有红外能，只要回射足够的红外能以使个人/目标10维持期望的温度即可。

在图4所示的示例中，个人10正站在四面有墙壁的工作空间60中，其中一面墙壁65的表面包括覆盖物40。在此配置中，个人10所发射的红外能的约1/6从覆盖物40被引导回给个人成为回射的红外能。

在图5所示的示例中，个人10正站在四面有墙壁的工作空间70中，其中所有四面墙壁和天花板具有覆盖物40。在此配置中，由个人10沿着波束接收路径45发射的几乎所有红外能从覆盖物40沿着波束反射路径50被回射给个人10成为回射的红外能。

仅假设看得见的环境的50%，例如，三面墙壁和天花板的大部分具有覆盖物40，图5的环境可被建模为4π单位球面的2π球面度。该情形导致不利的入射角，因此，覆盖物40仅使从个人10到达该覆盖物40的红外能的约50%返回。在这样的条件下，实际上仅单位球面的约25%将辐射率对应于T_skin的红外辐射朝个人10回射。单位球面的另75%发射来自寒冷环境15的红外辐射（这里，具有与值T_env对应的辐射率L_env）或者散射来自寒冷环境15的辐射（具有与T_env对应的相同辐射率）。因此，结果得出的辐射平衡可表示为：

P=eσA(T_skin ⁴-(0.25T_skin ⁴+0.75T_env ⁴))=277W

与在没有覆盖物40的情况下个人例如损失370瓦的相同环境相比，在存在覆盖物40的情况下个人10损失的热少了约100瓦。诸如工厂、飞机库、办公室等的工作空间70的加热成本可降低。在某些情形下，一个或更多个覆盖物40的话可不再需要加热器，和/或个人10可自由穿着轻的衣服，以便于工作时的更大程度的灵活性。

在期望使诸如个人或物体的目标保持凉爽的环境中也可使用覆盖物40。参照图6A，假设个人10处于不包括覆盖物40的工作空间80（例如，工厂）的炎热区域中。在此示例中，机器85以热红外能的形式向环境15释放热，这使得T_env例如升高至大约338°K（即，150°F）的温度。在此环境下来自机器85的红外能被工作空间80的墙壁、天花板和地板以与约338K对应的辐射率散射和反射。即使当使用空调冷却空气时，个人10仍吸收显著量的红外能。在此示例中，净辐射平衡可为大约P=–459W（假设个人10的皮肤面积为2m²），因此需要进一步的措施来使个人10保持凉爽。

在图6B中，工作空间80中的墙壁和天花板包含覆盖物40。这里，从机器85发射的大部分热红外能入射在覆盖物40上并返回到机器85，而非朝着个人10反射或散射或者增加环境15的温度。来自个人的身体的红外能入射在覆盖物40上并返回。因此，到达个人10的大部分热红外能来自个人的身体，具有与个人的皮肤温度（例如，T_skin=307°K）近似对应的辐射率。此外，假设覆盖物40以50%回射效率提供50%覆盖率，个人10的净辐射平衡近似为：

P=eA(T_skin ⁴–(0.25T_skin ⁴+0.75T_env ⁴))=–344W

这与图6A所示的环境相比，净辐射平衡提高了100瓦。工厂、飞机库等可节省空调成本，并且个人10可更富有工作能力和更舒适。

图7示出目标10将被冷却或保持凉爽的环境。为此，在热源和/或周围环境87与目标10之间另外设置覆盖物40。来自热源/外部环境87的红外能被回射回到同一环境中，而不影响从环境15入射在目标10上的红外能的辐射率。来自目标10的热红外能被覆盖物40回射回给目标，从而将入射在目标10上的红外能的辐射率基本上限制为与目标10的初始温度对应的辐射率值（不存在通过经覆盖物40的传导、对流等的环境15的进一步加热）。在另一示例中，可去除围绕热源/外部环境87的覆盖物40，从而将覆盖物40的使用限于面向目标10的表面。

覆盖物40可包括基底、支撑结构等，其覆盖有多个回射元件、由多个回射元件形成或者嵌入有多个回射元件。当覆盖物40直接由回射元件形成时，回射元件可利用固着（securement）、粘结工艺等彼此固定，而没有基底。如将在下面讨论的，回射元件可以各种不同的形式构造。然而，它们可具有共有特性，例如：

1.主要在热红外波长（例如，在介于约700nm-1mm之间的波长范围内，更优选地，对于接近典型的人皮肤温度的温度，介于约8微米和12微米之间的波长）的电磁波束存在显著反射；

2.有效孔径足够大以使大部分反射的红外波束在其接收方向上返回，从而限制衍射波束扩展和/或旁瓣反射；

3.有效孔径足够小以使大部分反射的红外波束返回给其接收自的物体，而非由于反射位移而损失红外波束的红外能；

4.足够高的光学质量（如，表面的平面度）以使大部分反射的红外波束在其接收方向上返回，而非由于散射或像差而损失能量；以及

5.有效孔径足够小以确保较长波长的能量（如，无线电波和/或可听声波）由于镜面反射或衍射波束扩展和旁瓣而损失。

对于各种应用，覆盖物40足够大并且足够靠近目标对象（如，物体或个人），从而当从目标对象看时，以使得所对的立体角为球面度的至少一半（即，单位球面的八分之一）。此标准可用于设置给定环境中的覆盖物40的大小的下限。

图8示出用于制备和使用示例性覆盖物40的方法100。如图所示，在操作105，选择目标对象W_T的大小。在操作110，针对覆盖物40与目标对象之间的平均距离选择距离Δx。如果目标的温度过热或过冷，则处理中也可结合该温度。

在操作115，为覆盖物40选择各种形式的回射元件中的一种或更多种。在操作120，根据1)目标大小W_T的平均值、2)目标距离Δx的平均值（操作110）、3)由衍射要求施加的限制、以及4)由反射偏移要求施加的限制来选择各个反射元件的有效孔径大小W_R。在操作125，将覆盖物40例如安装或者以其它方式设置在以大约目标距离Δx面向目标对象的表面处或该表面上。

图9示出隅角立方反射器140形式的回射元件，这样的多个回射元件可用于覆盖物40。隅角立方反射器140包括三个相互垂直的反射表面145、150和155。到达的红外波束沿着波束接收路径160穿过开放面进入隅角立方反射器140。如图所示，红外波束被三个表面145、150和155反射，然后沿着波束反射路径165从隅角立方反射器140出射。沿着波束反射路径165出射的红外波束的倾斜角和/或方位角基本上与红外波束的波束接收路径160的倾斜角和/或方位角相同。这允许隅角立方反射器140将它所接收的热红外能返回给其接收自的目标。在波束反射路径165的倾斜角和方位角均与波束接收路径160相同的那些情况下，反射完全是反向平行的，并且基本上接收自目标的所有红外波束被直接返回给目标。尽管图9示出单个红外波束及其相应的波束接收路径和波束反射路径，但在隅角立方反射器140处从多个方向接收的红外波束具有特性与图9相同的相应波束接收路径和波束反射路径。

如果存在单个固定目标，则隅角立方反射器140可按照不同的取向设置，按照使返回目标的反射最大化的方式选择各个取向。然而，如果存在多个目标（如，挤满了人的房间）或者单个目标可能来回移动，则隅角立方反射器140可相对于墙壁按照共同的角度设置，以便容易制造并且提供更大（尽管效率较低）的回射区域。

隅角立方反射器140可被设计为反射主要在介于约700nm-1mm之间的范围内的红外波长。这里，隅角立方反射器140被配置为反射主要介于约8微米和12微米之间的波长的热红外能。反射表面145、150和155可用铜、金、银和/或铝涂覆，因为这些材料在热红外波长下不具有强吸收共振。具有这类特性的其它涂覆材料同样适用。

选择的涂层的厚度例如可介于在热红外辐射波长下材料的趋肤深度（skin depth）的三倍或四倍之间。由于材料的趋肤深度近似随红外辐射波长的平方根而增加，并且热红外波长可比可见波长大大约20倍，所以用于热红外反射器的涂层比可见或近红外反射器所使用的涂层厚。

在确定隅角立方反射器140的尺度时，应该使衍射最小化以确保反射的红外波束从隅角立方反射器140按照与进入隅角立方反射器140的红外波束平行（但方向相反）的倾斜角和/或方位角出射。当准直的辐射束穿过孔径并扩展成具有角度θ_diff（从波束中心至第一暗环（first null）测量的）的更宽波束时，发生衍射。如果反射的红外波束扩展得太宽，则大部分反射的热红外波束错过目标对象。假设隅角立方反射器140与目标对象之间的距离为Δx，并且衍射按照角度2θ_diff扩展反射能量，则红外波束到达目标时的宽度Δy为：

Δy=Δx2sinθ_diff

≈Δx2θ_diff（对于小角度）

如果宽度Δy大于目标对象的平均宽度W_T的约一半，则大部分红外辐射错过目标。衍射波束的角宽度（即，红外波束进入回射元件的角度与其从回射元件出射的角度之差）随着波长λ与各个回射器元件的孔径宽度之比而增加。因此为了使衍射最小化，孔径宽度应该相对于波长λ足够大。

图10是隅角立方反射器140的正视图，其中入射的红外波束在波束接收点180处进入隅角立方反射器140（垂直地进入页面）并在波束出射点185处从隅角立方反射器140出射（垂直地离开页面）。隅角立方反射器140包括尺度W_R，其决定隅角立方反射器140相对于在表面145、150和155之间连续传播的具有波长λ的红外波束的有效孔径大小。对于具有正方形面的隅角立方反射器140，对于各个面，W_R与边长s具有以下关系：

$s=\frac{2}{\sqrt{3}}{W}_R$

将隅角立方反射器140的正面形状近似为与有效孔径大小W_R对应的圆形，可使用艾里衍射公式将WR的下界定义为：

$W_R\≥1.22\frac{\mathrm{\λ\Δx}}{W_T}$

其中λ在诸如热红外波长等的红外波长的范围内。例如，λ可被选择为使得它在以大约9.6微米（来自人皮肤的辐射的峰值）为中心的范围内。利用近似这些尺度的孔径，降低了由于衍射引起的红外波束的扩展，从而也增加了返回到目标的红外能的量。例如，可使用这些尺度来设置隅角立方反射器140的有效孔径的最小界限。比这小的孔径可能导致过度衍射，从而使得过多的反射红外波束向外扩展并错过目标。

反射偏移也可能导致反射的红外波束错过目标。图10示出反射偏移的一个示例，其示出红外波束的三重反射路径。在此示例中，红外波束在波束进入点180处进入隅角立方反射器140，从表面145、150和155反射，并在波束出射点185处离开。在随机选择的波束进入点180处进入的波束与在波束出射点185处出射的波束之间的平均反射偏移Δy可近似为：

$\mathrm{\Δy}=W_R\sqrt{2}$

如果平均反射偏移Δy比平均目标宽度W_T宽约一半，则大部分反射的红外波束将错过目标。为了限制反射偏移，可对有效孔径大小设置上界，以使得：

$W_R\≤\frac{W_T}{2\sqrt{2}}$

对于比这大的孔径，红外波束的反射偏移导致大部分回射的红外能错过目标。

当准直的红外波束从标称平坦的表面反射时，相对于表面的平面度的任何偏差导致波束扩展至更宽的波束角度θ_error（从反射波束的标称中心测量的）。如果反射的红外波束扩展得太宽（如，对于在约2米的距离处的侧面暴露于覆盖物的苗条的人而言，偏离中心约2°，或者对于在约1米的距离处面向覆盖物的大块头的人而言，偏离中心约20°），则反射的红外波束的很大部分热能错过目标。例如，如果从隅角立方反射器140至目标对象的距离为Δx，并且表面误差使得反射的能量按照角度2θ_error扩展，则波束到达目标时的宽度Δy_spread可近似为：

Δy_spread=Δx2sin(θ_error)

≈Δx2θ_error（对于小角度）

如果宽度Δy大于目标的平均宽度W_T的约一半，则反射的红外波束的大部分热能错过目标。因此，θ_error的最大可接受值近似为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{error}}\≤\frac{W_T}{2\mathrm{\Δx}}$

隅角立方反射器140的反射的总角误差θ_error是从三个表面θ₁、θ₂和θ₃中的每一个的反射的累积误差。这些误差通常不相关，因此总误差给出如下：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{error}}=\sqrt{{{\mathrm{\θ}}_1}^2+{{\mathrm{\θ}}_2}^2+{{\mathrm{\θ}}_3}^2}$

假设三个表面中的每一个被精整至相同的平面度误差，即，θ_surface=θ₁=θ₂=θ₃，则：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{error}}=\sqrt{{{3\mathrm{\θ}}^2}_{\mathrm{surface}}}$

结果，可使用下面的方程式来设置表面平面度误差的上界：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{surface}}\≤\frac{W_T}{2\sqrt{3}\mathrm{\Δx}}$

对于比这大的表面误差，由于表面平面度不足而引起的反射红外波束的未对准导致大部分红外能错过目标。

回射元件可潜在地反射各种各样的不期望的辐射，例如电磁能的无线电波长和/或声能的可听波长。例如，来自蜂窝电话的电磁能可能被回射回给用户，并且可能加到电话已经传达给人的RF辐射。这可能导致不适和/或增加与暴露于RF传输关联的健康风险。另外，可听声波波长（例如，语音波长）的回射可能导致声音的回声或混响，这可能使人难以说话和/或倾听。可听声波波长通常在约17mm至17米的范围内，而蜂窝电话的射频波通常具有约1cm至约10厘米的波长。

为了使得回射器元件可用在各种各样的环境中，可将它们的尺度设计成衍射地或镜面地散射这些不期望的RF和可听声波波长的电磁辐射，而非将其回射回给目标。当各个回射元件的尺度大于波长的约一半时，发生衍射散射。当各个回射元件小于波长的约一半时，发生镜面散射。然而，针对射频和/或可听声波波长，回射元件的衍射特性的任何增加应该相对于对热红外波长的衍射的限制保持平衡。可依据下面的方程式对孔径的有效尺度设置示例性最小界限以减少不期望的回射。

$W_R\≤\frac{1.22{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bad}}\mathrm{\Δx}}{W_T}$

这与限制热红外波束的衍射的要求是相反的，因此使用相同的一般公式，但使用“小于”符号而非“大于”关系。这里，λ_bad通常对应于将要限制回射的波长范围，W_T通常对应于目标的平均宽度，Δx对应于目标距回射元件的平均距离。在一个示例中，λ_bad的值可在约17mm至17米的范围内。

图11的表中示出覆盖物40的一个示例性设计中所使用的尺度和值。在此示例中，通过可在多种环境下使用的单个实现方式满足覆盖物40的回射元件的所有有效孔径大小标准。图11的覆盖物设计可在Δx大约为0.5m以使得覆盖物40紧邻目标的甚短距离环境下使用。相同覆盖物设计可在Δx大约为50m以使得覆盖物40和目标彼此分开相当大距离的长距离环境下使用。

对于旨在使个人保持舒适和高工作能力的应用，平均目标宽度W_T通常将不会相对于0.5米变化太多。假设W_T被视作常数，则对于Δx的所有值，反射偏移标准将W_R限制为通常不大于17cm。然而，在大约0.5m左右的Δx值（即，短距离）下可听声音散射标准施加更显著的限制（其中在当前示例中，W_R不大于2cm）。示例中W_R的这一上界高于在大约50m的Δx（即，长距离）下由衍射扩展标准设置的1.2mm的下界，因此在Δx的整个范围上，介于1.2mm和2cm之间的W_R值是可接受的。当Δx大约为50m时，此示例中的最大表面角误差大约为2.9毫弧度。这一表面误差值对应于反射面的宽度上的约0.058mm（～2密耳）的制造公差。然而，对于大多数办公室和工厂应用，不需要这样的长距离性能，因此可能可接受更大的表面角误差。

即使对于50米目标距离，图11的示例中所使用的最小W_R值也略微超过1mm。对于目标远比50米更近的办公室规模的用途，覆盖物40的前表面的纹理可像小隔间墙壁上所使用的织物一样精细，比一些墙壁和天花板上的粉刷图案更精细。这使覆盖物40能够被构造为具有美观、吸引人的外观以用于办公室和住宅用途。

图12和图13示出由多个水平槽220构成的槽反射器215形式的覆盖物。水平槽220被布置为沿着具有与红外波束进入水平槽220时相同的倾斜角的路径反射红外波束。然而，根据布置方式，这些水平槽220可按照与红外波束进入水平槽220时的方位角不同的方位角来反射接收的红外波束。然而，使反射的红外波束按照与接收红外波束时的倾斜角相同的倾斜角返回仍增加目标的热红外加热。这可在槽反射器215的几个身长内提供足够的性能以用于具有窄的水平取向的目标（例如，躺在医院的患者或者睡在帐篷中的士兵）的应用。槽反射器215还可布置成使得槽为垂直的，与水平相反。在此布置方式中，使接收的红外波束按照与接收红外波束时的倾斜角相同的倾斜角返回，而反射的红外波束的方位角是接收的红外波束的方位角的映像。这可提供足够的性能以用于具有窄的垂直取向的目标（例如，直立站在工地或公共汽车站的人）的应用。根据应用，槽反射器215还可布置成使得槽按照介于水平和垂直之间的任何角度取向。

图12和图13的水平槽220各包括一组交替的垂直面。在示出的示例中，各个水平槽220具有相等大小的两个面230和235。各个面230和235可相对于中心线217按照45°取向，使得面230和235相对于彼此按照约90°的角度布置。对于典型的近距离人舒适应用，范围可为相对于水平面35°至55°，一个面使其反射表面向上，另一个面使其反射表面向下。水平槽220还可取向成使得可易于清洁面230和235。

如图13所示，根据接收的红外波束的倾斜角和位置，反射可为单反射或双反射。在双反射（例如，图13顶部所示的反射）的情况下，红外波束按照与从目标接收红外波束时相同的倾斜角离开水平槽220成为反射的红外波束。在单反射（例如，图13下部所示的反射）的情况下，红外波束按照与从目标接收红外波束时的方位角不同的方位角离开水平槽220成为反射的红外波束。然而，与没有以这种方式将红外波束回射回目标的环境相比，按照相同的倾斜角返回一部分红外波束仍是一种改进。应该注意的是，图13所示的所有红外波束路径均是双向的，即，红外波束可沿着任一路径到来，并在另一路径上离开。因此，各个路径被示出为在各端均带箭头。

多个水平槽220可绕其相应的水平中心线217弯曲，以允许槽反射器215或其部分的折叠以便于携带。槽反射器215的折叠可为理想的，因为槽反射器215可包括几十或者甚至几百个单独的水平槽220，这些水平槽可彼此折叠起来。

图14示出图12和图13所示的覆盖物的修改版本。与图12和图13所示的示例不同，图14的示例包括与多个水平槽220相邻设置的反射壁265。多个反射壁265可沿着覆盖物的长度设置，以将水平槽220垂直分割成多列。另外，多个反射壁265可将不同的多个水平槽220水平地隔开。如箭头270所示，当使用一个或更多个反射壁265时，出射红外线的倾斜角以及方位角通常均与入射红外线的倾斜角和方位角相同，但方向相反。同样，上述各种设计标准可用作确定多个水平槽220的尺度及其与各个反射壁265的关系的准则。

图15和图16示出其它隅角立方反射器形式，其各具有略微不同的表面布置方式。在图15中，隅角立方反射器280包括多个五边形面285、290和295，它们的最外边缘300限定六边形开口。面285、290和295在箭头305的方向上朝着页面内倾斜。各个面与其相邻面在取决于应用的公差_error内以大约90°的内角连接。在图16中，隅角立方反射器315包括多个三角形面320、325和330，其相应最外边缘335限定更大的三角形开口。面320、325和330在箭头340的方向上朝着页面内倾斜。各个面与其相邻面以大约90°的内角连接。

反射器的回射能力随入射辐射的入射角而变化。理想的正方形隅角立方反射器在零入射角下实现100%回射，而理想的三角形隅角立方反射器实现约66.7%回射。这两种隅角立方反射器类型均实现至少50%回射，直至大约20度的入射角。五边形隅角立方反射器在零入射角下也提供100%回射，但在更大入射角下表现出的性能变差。为了向目标提供接近恒定的回射，覆盖物40可形成为具有不同取向的相同部分的集合，因此辐射以各种入射角入射。

上述覆盖物40还可以按不同的方式使用和/或制造。例如，覆盖物40可按照包括分别附着到围绕物的壁上的一组面板的形式提供。例如，覆盖物40可按照壁板、护墙板或者通常用于构造办公楼、飞机库、工厂等的内表面的其它项目的形式提供。另外，可使用各种方法来制造覆盖物40，如，将金属片材冲压成期望的形状，对镀铝塑料片材进行热压，或者使用注塑成型以形成结构，然后在其上沉积反射涂层。

在图17A和图17B所示的示例中，由红外透明材料片材400（例如，锗或高密度聚乙烯（HDPE））形成覆盖物40。片材400的后表面405包括回射元件410（如，隅角立方反射器或槽），片材的前表面415在与红外波长对应的尺度上基本上平坦。接收的红外波束420进入片材400的平坦的前表面415，并被后表面405处的回射元件410回射，然后从片材400的平坦前表面415出射，其中它沿着具有与接收波束420相同的倾斜角和/或方位角的路径425离开。

在图18A和18B所示的示例中，覆盖物40形成为红外透明回射球体或猫眼反射器430的层，其通过粘合剂440附着到面板/基底435上。反射器430可在其后表面445上包括红外反射涂层。在这些示例中，按照倾斜角和方位角二者发生回射，其中通过各个球体或猫眼反射器430的前表面450处的折射和后表面445处的反射的组合实现回射。通过以上针对隅角立方反射器所描述的相同限制来管理这些回射器430的孔径。图19A、图19B和图19C示出使用多个红外透明棱镜的覆盖物40的示例。在图19B中，多个红外透明棱镜455中的每一个具有圆形横截面。图19C所示的多个红外透明棱镜460为猫眼反射器的形式。多个红外透明棱镜还可具有介于图19B的圆形形状和图19C的猫眼形状之间的中间形状。如这些图中所示，棱镜被定向为平行于彼此，并且彼此相邻地设置。在此示例中，可（非限制地）通过挤压或者通过平坦片材的单向铣削来制造覆盖物40。可向各个棱镜的后表面465涂布红外反射涂层。像上述槽回射器一样，各个纤维或棱镜仅关于一个对称面回射红外波束。如果定义包括接收的红外波束470以及纤维或棱镜的轴线473的第一几何平面，则反射的红外波束475位于基本上相同的平面中，例如，如果纤维或棱镜的轴线473是水平的，并且接收的红外波束以特定倾斜角入射，则反射的红外波束沿着基本上相同的倾斜角出射。同样，如果纤维或棱镜的轴线473是垂直的，并且接收的红外波束470以特定倾斜角入射，则反射的红外波束475沿着基本上相同的倾斜角出射。

图20A和图20B中示出覆盖物40的另一示例。这里，覆盖物40包括多个红外透明纤维480，各纤维具有类似圆形形状的横截面，并且被织成回射织物485。纤维480可被定向为平行于彼此并附着到基底，或者如图20B所示，纤维480可被织成织物485，使得它们位于大致相同的平面中。各个纤维480具有第一侧和第二侧，其中，第一侧用红外反射涂层涂覆，第二侧未被涂覆。例如，将红外反射涂层涂布于各个纤维480的后表面490，但未涂布于各个纤维480的前表面。各个纤维或棱镜仅关于一个对称面回射红外波束。编织的红外透明纤维480可通过其它材料的绞织结构纤维495连接起来，其中绞织结构纤维495的直径和间距可被选择为仅阻挡到达覆盖物40的一小部分红外辐射。在此示例中，纤维480和/或495可（非限制地）通过挤压或者通过拉延来制造，覆盖物40可（非限制地）通过编织来制造。

另外，本公开包括根据以下条款的实施方式：

条款1、一种包括覆盖物的设备，所述覆盖物具有多个回射元件，所述回射元件被配置为回射主要在热红外波长的电磁波束，其中，所述多个回射元件被配置为沿着波束接收路径从目标接收电磁波束，并沿着波束反射路径朝着所述目标反射回所述电磁波束，并且其中，所述波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。

条款2、根据条款1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括被配置为散射可听声波波长的回射元件，其中，所述散射是漫射或镜面反射（specular）中的一种。

条款3、根据条款2所述的设备，其中，所述多个回射元件包括被配置为散射可听声波波长的回射元件，所述声波波长在约17mm至约17米的范围内，其中，所述散射是漫射或镜面反射中的一种。

条款4、根据条款1所述的设备，其中，所述多个回射元件被配置为回射主要在约700nm至约0.5mm之间的范围或其子范围内的热红外波长的电磁波束。

条款5、根据条款4所述的设备，其中，所述多个回射元件包括被配置为回射主要在大约8微米至12微米之间的波长的电磁波束的回射元件。

条款6、根据条款1所述的设备，所述多个回射元件包括多个隅角立方反射器。

条款7、根据条款6所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器包括具有三角形开口以接收所述电磁波束的隅角立方反射器。

条款8、根据条款6所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器包括具有六边形开口以接收所述电磁波束的隅角立方反射器。

条款9、根据条款1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括具有反射表面的多个槽。

条款10、根据条款9所述的设备，其中，各个槽包括第一反射表面和第二反射表面，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面相对于彼此按照约90°的角度布置。

条款11、根据条款9所述的设备，所述设备还包括与所述多个槽中的至少一个槽相邻地布置的至少一个反射壁。

条款12、根据条款9所述的设备，其中，所述多个槽中的至少一个槽能够绕相应的中心线折叠，以方便所述多个槽的携带。

条款13、根据条款1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括多个红外透明纤维，其中，各个纤维包括第一侧和第二侧，所述第一侧用红外反射涂层涂覆，所述第二侧未涂覆。

条款14、根据权利要求1所述的设备，其中，所述波束接收路径和相应的波束反射路径的倾斜角基本上相同，并且所述波束接收路径和相应的波束反射路径的方位角基本上相同。

条款15、一种包括覆盖物的设备，所述覆盖物包括多个隅角立方反射器元件，所述隅角立方反射器元件被配置为反射处于主要在红外波长的波长的电磁波束，其中，所述多个隅角立方反射器元件沿着波束接收路径从目标接收电磁波束，并沿着波束反射路径朝着所述目标反射回电磁波束，并且其中，所述波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。

条款16、根据条款15所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器元件被配置为回射主要在约700nm到约0.5mm之间的范围或其子范围内的波长的电磁波束。

条款17、根据条款15所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器元件包括被配置为回射主要在8微米到12微米波长之间的范围内的电磁波束的隅角立方反射器元件。

条款18、根据条款15所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器元件包括有效孔径大小与下式对应的隅角立方反射器元件：

$W_R\≥1.22\frac{\mathrm{\λ\Δx}}{W_T}$

其中，λ是电磁波束的红外波长，Δx对应于所述覆盖物与所述目标之间的平均距离，W_T对应于所述目标的平均宽度。

条款19、根据条款15所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器元件包括有效孔径大小被设计成用于散射可听声波波长的隅角立方反射器元件，其中，所述散射是漫射或镜面反射中的一种。

条款20、根据条款19所述的设备，其中，所述有效孔径大小被设计成用于散射在约17mm至约17米的范围内的可听声波波长，其中，所述散射是漫射或镜面反射中的一种。

条款21、一种朝着或远离目标引导热红外能的方法，所述方法包括：将覆盖物相对于所述目标置于平均距离Δx处；以及从所述覆盖物回射主要在热红外波长的电磁波束，其中，所述覆盖物沿着波束接收路径从所述目标接收所述电磁波束，并沿着波束反射路径将所述电磁波束反射回所述目标，其中，各个波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。

条款22、根据条款21所述的方法，其中，所述波束接收路径和波束反射路径具有基本上相同的倾斜角和基本上相同的倾斜角。

条款23、根据条款21所述的方法，所述方法还包括用所述覆盖物散射可听声波波长，其中，所述散射是漫射或镜面反射中的一种。

条款24、根据条款21所述的方法，其中，被所述覆盖物回射的红外波长主要介于约8微米和12微米之间。

Claims (15)

1.一种包括覆盖物(40)的设备，所述覆盖物具有多个回射元件，所述回射元件被配置为回射主要在热红外波长的电磁波束，其中，所述多个回射元件被配置为沿着波束接收路径(45)从目标(10)接收电磁波束，并沿着波束反射路径(50)朝着所述目标反射回所述电磁波束，并且其中，所述波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括被配置为散射可听声波波长的回射元件，其中，所述散射是漫射或镜面反射中的一种。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述声波波长在约17mm至约17米的范围内。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个回射元件被配置为回射主要在约700nm到约0.5mm之间的范围或其子范围内的热红外波长的电磁波束。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述多个回射元件包括被配置为回射主要在大约8微米到12微米之间的波长的电磁波束的回射元件。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括多个隅角立方反射器(140,280,315)。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器(315)包括具有三角形开口以接收所述电磁波束的隅角立方反射器。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器(280)包括具有六边形开口以接收所述电磁波束的隅角立方反射器。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括具有反射面(230,235)的多个槽(220)，其中，各个槽包括第一反射面和第二反射面，并且其中，所述第一反射面和所述第二反射面相对于彼此按照约90°的角度布置。

10.根据权利要求9所述的设备，所述设备还包括与所述多个槽(220)中的至少一个槽相邻地布置的至少一个反射壁(265)。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个回射元件包括多个红外透明纤维(480)，其中，各个纤维包括第一侧和第二侧，所述第一侧用红外反射涂层涂覆，所述第二侧未涂覆。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波束接收路径(45)和相应的波束反射路径(50)的倾斜角基本上相同，并且所述波束接收路径和相应的波束反射路径的方位角基本上相同。

13.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器元件(140)包括有效孔径大小与下式对应的隅角立方反射器元件：

$W_R\≥1.22\frac{\mathrm{\λ\Δx}}{W_T}$

其中，λ是电磁波束的红外波长，Δx对应于所述覆盖物(40)与所述目标(10)之间的平均距离，W_T对应于所述目标的平均宽度。

14.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个隅角立方反射器元件(140)包括有效孔径大小被设计成用于散射可听声波波长的隅角立方反射器元件，其中，所述散射是漫射或镜面反射中的一种。

15.一种朝着或远离目标(10)引导热红外能的方法(100)，所述方法包括：

将覆盖物(40)相对于所述目标置于(125)在平均距离Δx处；以及

从所述覆盖物回射主要在热红外波长的电磁波束，其中，所述覆盖物沿着波束接收路径(45)从所述目标接收所述电磁波束，并沿着波束反射路径(50)将所述电磁波束反射回所述目标，其中，各个波束反射路径具有与其相应的波束接收路径基本相同的倾斜角和/或方位角。