CN109153232B - 用于太阳天空模拟照明系统的分层面板结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于在照明系统(1)中产生太阳天空模拟效果的色彩分层面板结构(100)，包括两个覆盖面板(102，104)，其中至少一个是透明面板；夹在两个覆盖面板的两个内表面之间的粘合剂透明聚合物层(106)和施加到所述两个覆盖面板(102，104)中的至少一个的内表面和/或所述粘合剂透明聚合物层(106)的面上的至少一个基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层(108)，该类瑞利漫射涂层在所述覆盖面板(102，104)中的一个与所述粘合剂透明聚合物层(106)之间形成夹层。

Description

用于太阳天空模拟照明系统的分层面板结构
技术领域
本公开总体来说涉及照明系统，尤其是涉及用于光学地提供环境空间的扩展的感知/印象、尤其是用于模拟自然阳光照明的照明系统。此外，本公开总体上涉及例如具有色彩特征的玻璃结构的面板结构。
背景技术
诸如EP 2 304 478 A1、EP 2 304 480 A1和WO 2014/076656 A1这样的申请人的若干申请所公开的照明系统使用了产生可见光的光源，并使用了包含用于透射的纳米颗粒的面板，即光源和照明区域位于面板的相对侧。
例如2015年5月13日提交的尚未公布(将于2015年11月19日公布)的PCT申请PCT/EP2014/059802或者2015年2月23日提交的PCT/EP2015/000407这样的进一步申请公开的照明系统使用了产生可见光的光源以及包含用于反射的纳米颗粒的色彩镜结构。
在这些照明系统的工作过程中，面板接收来自光源的光并且作为所谓的瑞利漫射器进行传播，即，与晴空条件下的地球大气类似地对光线进行漫射。具体而言，该概念使用具有较低相关色温(CCT)的直射光，其对应于日光并且在存在被照亮的物体时产生阴影，并使用具有较高相关色温(CCT)的漫射光，其对应于蓝色天空的光，并且原则上，可以产生蓝色色调的阴影。
一般认为，涂层可提供诸如抗划伤、防雾、阻燃、抗反射、光学特征等性能。此外，将吸收颜料分散在树脂中，使得能够通过吸收改变涂层上的入射光的光谱来制备色彩涂层。对入射光的光谱进行色彩修正的另一种方法是使用能够通过类瑞利(Rayleigh-like)散射来漫射光的纳米颗粒。
本公开至少部分地针对改进或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
这些方面中的一些或全部由独立权利要求的主题来解决。本发明的进一步改进在从属权利要求中给出。
根据以下的描述和附图，本公开的其他特征和方面将变得清楚明了。
附图说明
并入本文并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：
图1是分层面板结构的示意图；
图2A和图2B分别是在透射结构和反射结构中使用类瑞利作用面板的示例性照明系统的示意图；
图3A至图4C是具有设置为夹层的一个或两个基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层的面板结构的示意图；
图5是用于示例性面板结构的三种支撑材料的概览图；
图6是要施加在支撑材料的选择性表面上的示例性涂层的概览图；
图7A至图7F是使用作为夹层的粘合剂聚合物层的示例性面板结构配置的概览图；
图8是自身进行类瑞利散射的粘合剂聚合物层的变例的概览图；和
图9A至图9E是使用作为夹层的粘合剂聚合物层的变例的另一示例性面板结构配置的概览图；
图10是另一分层面板结构的示意图。
具体实施方式
以下是本公开内容的示例性实施例的详细描述。其中所描述的和附图中示出的示例性实施例旨在教导本公开内容的原理，使得本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中以及许多不同的应用中实现和使用本公开内容。因此，示例性实施例并非旨在且不应被认为是对专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应由所附权利要求限定。
本公开部分地基于以下认识：本文公开的类瑞利散射特征的紧凑配置将能够实现使用产生太阳天空模拟效应的类瑞利散射特征的照明系统的小型化。
具体而言，发明人意识到，基于在诸如分层玻璃结构之类的夹层结构内所设置的涂层来实施类瑞利散射可以对类瑞利散射层进行保护、简化生产过程以及提高类瑞利散射层的均匀性质量。
用于产生太阳天空模拟的色彩分层面板结构100的基本结构可以包括两个覆盖面板102、104。两个覆盖面板102、104中的至少一个被配置为提供所需的透射，即是例如玻璃板这样的透明面板。
将粘合剂透明聚合物层106夹在两个覆盖面板102、104的两个内表面102A、104B之间。将至少一个基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层108施加到两个覆盖面板102、104中的至少一个的内表面102A、104B中的一个上。替代地或另外地，基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层可被施加到粘合剂透明聚合物层106的面上，其中先前形成的分层面板结构100是自支撑的结构，因此可以起到例如涂层的支撑材料的作用。因此，基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层108在覆盖面板102、104中的一个与粘合剂透明聚合物层106之间形成夹层。简言之，这里公开了一种具有类瑞利漫射涂层/涂料的四层系统，其中所述涂层/涂料在(例如玻璃的)分层结构内被保护。在图1中，覆盖面板102、104之间的层在本文中被称为粘合剂夹层110。
在描述色彩分层面板结构100的进一步的细节和实施例之前，公开了示例性的太阳天空模拟照明系统。结合图2A，公开了色彩分层面板结构100处于透射模式的照明系统，并且结合图2B公开了色彩分层面板结构100处于反射模式的照明系统。
参照图2A，在房间30的剖视图中示意性地示出照明系统1。
具体而言，照明系统1包括第一光源2，第一光源2被配置为以发射立体角发射光，以形成沿着主光束方向4传播的光束3。此外，第一光源2发射光谱的可见光区域(例如波长在400nm至700nm之间)内的光。此外，第一光源2发射光谱宽度优选大于100nm、更优选大于170nm的光(可见电磁辐射)。光谱宽度可以被定义为第一光源的波长谱的标准偏差。
对于示例性照明系统1的更多细节，可参考WO2015135560，诸如关于具有底部单元12和屏幕结构14的灯罩状结构10以及(暗)盒16和屏幕结构14。
底部单元12包括基于本文公开的色彩分层面板结构100的漫射光发生器，并且用作类瑞利漫射器，其基本上不吸收可见光范围内的光，并且相对于入射光的长波长分量，该漫射光发生器能更有效地漫射短波长分量，例如，基本上不吸收可见光范围内的光的面板，其对于波长450nm(蓝色)的光的漫射效率至少是波长范围约为650nm(红色)的光的漫射效率的1.2倍，例如至少1.4倍，例如至少1.6倍，其中漫射效率由漫射光辐射功率与入射光辐射功率之间的比率而确定。在上面提到的专利申请EP 2304478A1中还详细描述了类瑞利漫射体的光学特性和微观特性。下面还提供了关于微观特征的进一步见解。
色彩分层面板结构100将光源2的入射光束3分成四个分量，具体为：
透射(定向非漫射)分量(光束3A)，由穿过并且不会经历显著偏离的光线形成，例如，由经历小于0.1°的偏离的光线形成；透射分量的光通量是入射在漫射光发生器20上的总光通量的很大一部分；
前向漫射分量，由传播到光井40/房间30内的散射光(除了光束方向和与该光束方向相差小于0.1°的角度的方向之外)形成；前向漫射分量的光通量对应于从入射在色彩分层面板结构100上的总光通量产生的蓝色天空光部分；
后向漫射分量，由传播到盒16内的散射光形成；后向漫射分量的光通量通常在蓝色天空光部分的范围内，但优选少于蓝色天空光部分；和
反射分量，由反射光形成并沿镜角度方向传播到盒16中，反射分量的光通量例如取决于光束在色彩分层面板结构100上的入射角。
已经说到，色彩分层面板结构100的光学特性是这样的：
蓝色天空光部分在5％至50％的范围内，例如在7％至40％的范围内，或者甚至在10％至30％的范围内，或在15％至20％的范围内；
前向漫射分量的平均CCT明显高于透射分量的平均相关色温CCT，例如可以是其1.2倍、1.3倍、1.5倍或以上；
色彩分层面板结构100不显著地吸收入射光，即所述四个分量的总和至少等于80％、或90％、或者甚至95％、或者97％或更大；
色彩分层面板结构100主要进行向前散射，即大于向后散射的1.1倍、或1.3倍、或1.5倍或2倍或以上；和
色彩分层面板结构100可以具有低反射度，即小于入射光的9％、或6％、或甚至小于3％、或2％的一部分被反射。
参考图2B，针对反射照明系统1描述了如本文所概述的光学设置的各方面以及照明系统的感知方面。
照明系统1包括光源2，其被配置为以发射立体角发射光，以形成沿着主光束方向4(也称为主光束轴)传播的光束3(在图1中由虚线13界定)。通常，光源2可以是例如冷白光源。光源的示例性实施例可以包括基于LED的光发射器或基于放电灯的光发射器或基于汞介质弧碘化物灯(hydrargyrum medium-arc iodide lamp，HMI)的光发射器或基于卤素灯的光发射器以及相应光发射器下游的相应光学系统。
为了减小照明系统1的尺寸，相应光发射器下游的光学系统可以包括诸如折叠光学器件这样的光学系统(可参见图2A)。照明系统1还包括反射器单元6，该反射器单元6将源自光源2的光耦合到待照明的区域。通常，反射器单元6包括设置有反射表面8A和色彩分层面板结构100的反射结构8。
反射表面8A通常是反射已经穿过粘合剂夹层110的光的任何类型的光学作用界面。例如，反射表面8A可以是铝层的表面或者例如反射涂层这样的部件之间的界面。由于反射表面8A的作用，入射到反射表面8A上的光束3的光被重定向以再次穿过色彩分层面板结构100，此后形成照明光束3A(在图2B中由双虚线点划线7A界定)。在图1中，示出了太阳观察者位置的范围7，其中在措辞“太阳观察者位置”中提到“太阳”，因为照明系统1的特别令人印象深刻的类型的实施例涉及类似太阳的照明。因此，照明光束3A被引导到待照明区域，并且包括直射光(下文也称为照明系统的直射(光)分量)。
色彩分层面板结构100通常被配置为以第一颜色(例如模仿天空的天蓝色)发射漫射光(下文也称为照明系统的漫射(光)分量)，在反射表面8A的前方延伸，并且包括在观察反射器单元6时观察者可以看到的可视前部区域部分100A。在图1的示例性实施例中，框架结构14的框架状区域14A延伸到可见前部区域部分100A旁并围绕该可见前部区域部分100A。
例如，第一颜色和第二颜色可以在CIE 1976(u′，v′)颜色空间中分离至少0.008，例如至少0.01、0.025或0.04，其中色差Δu’v’定义为u’v’颜色空间中的欧几里得(Euclidean)距离。特别是对于太阳模拟构造，第二颜色的照明光束CCT可能接近普朗克轨迹(Planckian locus)(例如在800K至6,500K的范围内)。在一些实施例中，第二颜色可以对应于与普朗克轨迹具有最大距离(例如0.06)的u′v′点。换句话说，与普朗克轨迹的距离例如在由Δu’v’≤0.060给出的800K至6500K的范围内。
对于本领域技术人员显而易见的是，根据色彩分层面板结构100与光束3的具体相互作用，光束3和照明光束3A的颜色和/或CCT可以基本相同或可以不同。取决于纳米颗粒的类型及其浓度，CCT的差值可以是例如至少300K或甚至1000K或更高。
从范围7内观察反射器单元6，观察者可以具有在图2B中示意性示出的范围7内的光学感知。该光学感知基本上取决于反射器单元6以及来自该反射器单元6的如由点划线7B所示的光，其特定于各个观察者位置是特定的。具体而言，照明系统1被配置为使得入射在太阳观察者位置的范围7内的具有显著强度的光来源于色彩分层面板结构100。所述具有显著强度的光包括光束3A的光(源自光源2并且是由反射器单元6重定向的光束3的光)，以及源自可见前部区域部分10A的漫射光。另外，对于图1的实施例，光学感知将包括例如围绕可见前部区域部分100A的深色框架状区域18。
根据图2B所示的光学感知，当从太阳观察者位置的范围7内观察反射器单元6时，观察者将会看到对应于可见前部区域部分10A的大面积区域16，其基于以第一颜色均匀发射的漫射光。大面积区域16将被框架状区域18包围。此外，观察者将看到由光源2的光(特别是照明光束3A)的反射(定向非漫射)分量引起的第二颜色的类太阳状光斑19。
在色彩分层面板中使用的基于纳米颗粒的类瑞利漫射材料包含第一材料(例如具有优异光学透明度的树脂)的固体基质，其中分散有第二材料(有机或无机纳米颗粒，如ZnO、TiO2、SiO2、Al2O3等)。这两种材料的折射率不同，并且这种在纳米级上的折射率失配是类瑞利散射现象的原因。第一种材料和第二种材料在可见光波长范围内的吸收可以忽略不计。此外，色彩分层面板100可以是均匀的，就给定的色彩分层面板的任何点而言，面板在该点上的物理特性不取决于该点的位置。纳米颗粒可以是单分散或多分散的，它们可以是球形或其他形状。在任何情况下，纳米颗粒的有效直径d落在[5nm-350nm]范围内，例如[10nm-250nm]或甚至[40nm-180nm]或[60nm-150nm]，其中有效直径d是等效球形颗粒的直径，即具有与上述纳米颗粒类似的散射特性的球形颗粒的有效直径。
纳米颗粒的直径、折射率失配和面密度(每平方米的数量)是定义了色彩面板中的散射现象的横截面的参数。另外，通过增加上述参数之一，可以增加从色彩面板散射的入射光量。为了简化说明，我们可以考虑材料在特定波长下的正常透射特性T(λ)。在此，如在标准外观术语ASTM国际E284-09a中所定义的，透射率通常是在给定条件下的透射通量与入射通量的比率。常规透射率T(λ)是未漫射角度下的透射率，即入射角。在本公开的情形中，对于给定波长和色彩漫射层上的给定位置，常规透射率旨在用于具有对应于主光束传播的入射角的非偏振入射光。
为了获得太阳天空模拟照明系统，需要一些特定范围的常规透射率。需要注意的是，第一材料(基体)和第二材料(纳米颗粒)在可见光范围内几乎不吸收，因此不规则透射的部分光线会以类瑞利散射模式完全散射。对于如图2A中描述的那种透射结构，蓝色T[450nm]的常规透射率通常可以在[0.05-0.9]的范围内。特别是在一些针对纯晴天的实施例中，该范围将为[0.3-0.9]，例如[0.35-0.85]或甚至为[0.4-0.8]；在针对北欧天空的实施例中，该范围将为[0.05-0.3]，例如[0.1-0.3]或甚至为[0.15-0.3]。由于透射率测量是评估所提供的材料的光学特性的可行方式，因此这种方法同样也可应用于反射式色彩分层面板。
考虑到在反射结构(图2B)中，纳米负载散射涂层(由于反射镜的存在)而被入射光两次穿过，为了获得对于透射结构的相当的透射率数据，必须去除镜面涂层。在外表面镜面反射之前，色彩分层面板的蓝色T[450nm]的常规透射率通常可以在[0.2-0.95]的范围内。特别是在一些针对纯晴天的实施例中，范围将是[0.55-0.95]，例如[0.6-0.92]或甚至[0.62-0.9]；在针对北欧天空的实施例中，范围将是[0.2-0.55]，例如[0.3-0.55]或甚至[0.4-0.55]。纯晴天的透射率比北欧天空的透射率高。例如，考虑到照射在两个色彩分层面板上的相同光源，一个在纯晴天配置和一个在北欧配置中，在太阳天空效应中的色彩特性将会不同。与纯晴天中的天空相比，北欧配置中的天空将发白。北欧配置中的太阳将比纯晴天中的太阳更黄。
将基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层的上述特征与本文公开的结构特征组合将能够解决现有技术的一个或多个方面，如以下将针对各种示例性实施方式示例性描述的那样。
色彩效应还基于折射率不同于嵌入基体的折射率的纳米颗粒。为了进行散射，纳米颗粒具有与基体nh(也称为主体材料)足够不同的实际折射率np，以允许发生光散射。例如，颗粒与主体介质的折射率之间的比率
Figure BDA0001735350230000071
可以在0.5≤m≤2.5范围内，例如0.7≤m≤2.1范围内或0.7≤m≤1.9范围内。
色彩效应还基于由在给定方向上传播的入射光所见的每单位面积的纳米颗粒的数量以及体积填充率f。体积填充率f由
Figure BDA0001735350230000072
给出，其中ρ[米-3]为每单位体积的颗粒数量。通过增加f，漫射层中的纳米颗粒的分布可能失去其随机性，且颗粒位置可能变得相关。结果，由颗粒分布散射的光经历了不仅取决于单颗粒特性而且取决于所谓的结构因子的调制。一般来说，高填充率的影响是散射效率的严重耗散。此外，尤其是对于较小的颗粒尺寸，高填充率也会影响散射效率对波长和角度的依赖性。人们可以通过使用f≤0.4，诸如f≤0.1或甚至f≤0.01这样的填充率f来避免那些“紧密堆积(close packing)”效应。
色彩效应进一步基于根据有效颗粒尺寸D＝d nh的色彩漫射层的每单位面积的纳米颗粒的数量N。因此，d[米]是平均颗粒尺寸，其在球形颗粒的情况下定义为平均颗粒直径，以及在非球形颗粒的情况下定义为体积-面积当量(volume-to-area equivalent)球形颗粒的平均直径，如在[T.C.GRENFELL和S.G.WARREN，“通过散射和吸收辐射的独立球体的集合表示非球形冰粒(Representation of a non-spherical ice particle by acollection of independent spheres for scattering and absorption ofradiation)”。地球物理研究杂志(Journal of Geophysical Research)104，D24，31697-31709。(1999)]。有效颗粒尺寸以米为单位给出，或者在特别规定的情况下以nm为单位给出。
在一些实施例中：
Figure BDA0001735350230000081
(D的单位为[米])以及
Figure BDA0001735350230000082
Figure BDA0001735350230000083
考虑透射结构：
例如，对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例而言，
Figure BDA0001735350230000084
(D的单位为[米])以及
Figure BDA0001735350230000085
例如，
Figure BDA0001735350230000086
以及
Figure BDA0001735350230000087
更具体地，
Figure BDA0001735350230000088
以及
Figure BDA0001735350230000089
在旨在模拟北欧天空的其他实施例中，
Figure BDA0001735350230000091
(D的单位为[米])以及
Figure BDA0001735350230000092
例如，
Figure BDA0001735350230000093
以及
Figure BDA0001735350230000094
更具体地，
Figure BDA0001735350230000095
以及
Figure BDA0001735350230000096
考虑反射结构：
例如，对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例而言，
Figure BDA0001735350230000097
(D的单位为[米])以及
Figure BDA0001735350230000098
例如，
Figure BDA0001735350230000099
以及
Figure BDA00017353502300000910
更具体地，
Figure BDA00017353502300000911
以及
Figure BDA00017353502300000912
在旨在模拟北欧天空的其他实施例中，
Figure BDA00017353502300000913
(D的单位为[米])以及
Figure BDA00017353502300000914
Figure BDA00017353502300000915
例如，
Figure BDA00017353502300000916
以及
Figure BDA00017353502300000917
更具体地，
Figure BDA00017353502300000918
以及
Figure BDA00017353502300000919
总而言之，穿过漫射涂层的光束将产生散射光和透射光。涂层特征可以改变透射光的光谱特性和强度分布。具体而言，涂层的形态(即平整度、平滑度或橘皮皱)可能引起相变，这意味着透射光的强度分布的调制。换句话说，如果层的表面不平行，特别是如果该层的厚度存在调制，则对于入射光束发生聚焦和散焦效应。如果平顶均匀照度分布穿过具有厚度调制的这种层，则输出分布产生强度的不均匀性。
为了应用太阳天空模拟，照度分布的透射一致性是一个重要特征(就算不是最重要的特征)。
发明人认识到，当考虑粗糙表面(在小范围内非平面)时，光束的相位变化通过增加由粗糙表面分离的两种介质之间的折射率失配而增加。如果涂层暴露在空气中，则失配是涂层和空气折射率之间的失配。本发明人认识到，折射率失配的减小将减小相位变化，从而将增加透射的均匀性(在反射结构的情况下为双透射)。
因此，本发明人尤其在此提出了一种涂覆有漫射涂料的平坦透明支撑件的构造，其中由于折射率适应而减少了穿过涂层的光束的任何变化和失真。
关于各个层，参考下面的相应部分。在下文中，对于层状玻璃结构，示例性地公开了用于制造色彩分层面板结构100的两个简化工艺。
在图3A所示的第一示例性工艺中，玻璃板202被涂覆有纳米颗粒负载(以下称为纳米负载)的漫射涂料208(在考虑其干燥形式时，在本文中也被称为涂层)。透明粘合剂聚合物层206(诸如PVB、EVA或类似物)夹在该涂覆玻璃202和另一玻璃板204之间，其中涂层208与粘合剂层206接触。通过层合工艺，粘合剂层206将两个玻璃板202、204连接在一起。由于涂层208与粘合剂层206之间的折射率失配比涂层208与空气之间存在的折射率失配要低得多，并且进一步考虑到可以实现的玻璃板202、204的外表面的平坦度比用涂层可获得的高得多，穿过该分层玻璃面板结构的光束3的强度分布几乎保持不变。
在图3B所示的第二示例性工艺中，透明粘合剂聚合物层206(诸如PVB、EVA或类似物)涂覆有纳米负载漫射涂料208。然后将透明粘合剂聚合物层206夹在两个玻璃板202、204之间。通过层合过程，粘合剂层206将两个玻璃板202、204连接在一起。同样，穿过该分层玻璃面板结构的光束3在强度分布方面几乎保持不变。
两种工艺的结果可以例如是具有如图1所示结构的安全二向色玻璃板。
在该系统结构中，可以保护漫射层免受诸如UV光、灰尘、湿气等大气因素的影响，这些大气因素会改变漫射层的色彩和光学特性。此外，面板可以足够坚固以满足诸如耐火性、耐冲击性、耐划伤性等的建筑要求。
在玻璃板之间的一对例如3mm厚的玻璃板和一个商用EVA膜的典型层合过程开始于使这些层紧密接触。然后将该组件放入例如塑料袋中，并向该系统施加低真空以除去袋中的空气。然后可以将该真空包装的袋放入烘箱中并将温度升高至85℃(例如升高速度为3.5℃/分钟)。该组件在该温度下保持约10分钟。随后在第二步中，将温度进一步升高至约125℃(升高速度3.5℃/分钟)并在该温度下保持约30分钟。将该组件在例如约20分钟内冷却至室温，并将分层玻璃面板结构从塑料袋中取出。
在图4A至图4C中，示出了具有两个纳米负载漫射涂层306的色彩分层面板结构的层合过程的起点。在所得结构中，纳米负载漫射涂层306由透明粘合剂聚合物层308分开。
可以看出，层合过程的起点可以基于两个玻璃板302、304，每个玻璃板在它们的内表面涂覆有纳米负载漫射涂料306(图4A)。或者，可以涂覆透明粘合剂聚合物层308的两侧(图4C)或者可以涂覆玻璃板302、304之一和透明粘合剂聚合物层308的一侧(图4B)。
面板结构通常包括适于涂覆目的的三种主要自由绞合(自支撑)部件(在本文中也称为支撑层)，使得在四个内表面需要接合。这允许多达四个内表面涂覆纳米负载漫射涂料306，其中所有层一起提供所期望的类瑞利散射效应。在具有多个表面涂层的构造中，各种涂层的层厚度的随机性可以减小组合层的厚度的总体变化，从而可以增加面板结构上关于类瑞利(Rayleigh-like)散射过程的均匀性。
通常，可以使用不同类型的玻璃板，例如普通浮法玻璃、钢化玻璃、抗反射(AR)涂层玻璃、表面蚀刻玻璃和类似物。另外，分层面板结构的两个外部玻璃表面中的一个可以设置有反射涂层(即铝涂层)。
通常，通过使用微米级范围内的结构化表面玻璃，可以实现透射/反射光的漫射效果。本领域存在公知的用于制造微观结构表面玻璃的几种方法。
其中，在工业中最广泛应用的涉及用包含氢氟酸作为活性组分的蚀刻溶液处理玻璃表面。不同的参数会影响蚀刻过程的最终结果，例如蚀刻液的组成、反应时间和温度、蚀刻液的施加方法、玻璃的表面质量和玻璃组成。为了最大限度地减少与处理氢氟酸有关的毒性和安全问题，已经开发了涉及使用基于氟化合物的蚀刻霜的类似工艺。
商业上常用的另一种技术是基于玻璃表面的机械磨蚀-磨料喷砂或喷砂。在这种情况下，在高压下与磨料混合的空气被导向玻璃表面。形成深切以形成所需的定制蚀刻玻璃。
一种不太常见的方法涉及在称为模具蚀刻(Mold Etching)的过程中使用模具。在这种情况下，玻璃在结构化模具内部形成，当移除玻璃时，玻璃具有模具的形状和粗糙度。这是玻璃行业最便宜的方法之一。
关于基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层，与术语“粘合剂聚合物层”相比，术语“涂料”、“涂层”和“膜”指的是将会/需要应用于支撑结构的层。相反，“粘合剂聚合物层”被认为是独立的结构单元。
一般来说，在太阳天空模拟的应用中，涂料可以是一种清澈的材料，其以液体形式施加在表面上，并在一段时间后产生干燥的粘附膜。涂料基本上由粘合剂、颗粒和溶剂组成。
粘合剂是指涂料的载体的非挥发性部分，其将颗粒粘合在一起，并将膜作为整体粘合到支撑基材上。粘合剂可以包括合成或天然树脂，并且可以根据干燥或固化的机制进一步分类。
颗粒是指通常具有纳米尺寸或微米尺寸的材料，其实际上不溶于介质并且由于其光学、保护或装饰性质而通常被使用。颗粒大致分为有机或无机颗粒。
溶剂是指单一或混合的液体，其在正常干燥条件下是挥发性的并且粘合剂可溶于其中。
涂料的附加组分可以是稀释剂(挥发性液体，能够促进应用)、催化剂、增稠剂、稳定剂、平光剂、乳化剂，粘合促进剂、紫外线稳定剂等。另外，为了增加涂料到所需基底上的附着力，可以在使用前使用底漆。
本文公开的涂料/涂层/膜可以通过使用工业中常用的有机聚合物作为粘合剂来制备，例如聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯酸树脂、醇酸聚合物、聚酯、含硅氧烷的聚合物、含环氧基的聚合物等或它们的组合。此外，取决于粘合剂的性质，可以加入不同类型的稀释剂，包括用作溶剂的水或有机物(即醇、醚、酮、酯、脂族和芳族烃或其它)。在涂料工业中常用的溶剂的实例例如包括二甲苯、己烷、丙酮、二甘醇和异丙醇。
在所得涂料混合物中加入的粘合剂的性质和组分的相对量将取决于若干参数，例如玻璃表面性质、涂覆方法以及在层合过程中涂层与粘合剂层的相互作用。
用于纳米颗粒或其核心的材料可以由一种或多种基本上不吸收可见光范围内的光的具有有机或无机性质的材料制成。在第一种情况下，发明人指的是聚合物(视情况可以是交联的)，而在第二种情况下优选指具有单相结构或核/壳结构的金属氧化物(例如TiO2，SiO2，ZnO，ZrO2，Fe2O3，Al2O3，Sb2SnO5，Bi2O3，CeO2或其组合)。纳米颗粒核心的外表面优选用特定的有机涂层官能化，以保证在涂料基体中的最佳相容性和分散性。纳米颗粒与涂料基体的相容性较差的话，可能导致形成大的聚集体/团聚体和不均匀的分布，这将眼中影响漫射涂层以及所获得的实施例的散射性质。
可以选择(旨在有助于类瑞利散射的颗粒的)颗粒尺寸以获得所需的色彩性质。例如，直径大小可以在约5nm到250nm之间，例如在20nm到150nm之间。
官能化的纳米颗粒可以直接引入粘合剂/溶剂混合物或具有所需最终组合物的涂料中。分散过程可以使用低/高剪切混合设备，例如磁力搅拌器和/或静态混合器。
可以通过例如浸涂、喷涂、喷墨涂布、电沉积、绢印等常用方法将涂层施加到玻璃上或直接施加在粘合剂聚合物层上。
关于粘合剂聚合物层，合适的材料主要包括通常用于层合(stratification)工业中的材料，例如透明热塑性材料(TPU或PVB，EVA)或透明热固性材料(EVA)。目前EVA和PVB几乎覆盖了分层玻璃生产的100％。
EVA：(PEVA)聚乙烯-乙酸乙烯酯，是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。乙酸乙烯酯的重量百分比通常在10％至40％之间变化，其余为乙烯。不同的机械/粘合剂和化学性质取决于在合成过程中使用的乙烯和乙酸乙烯酯之间的比例。EVA的主要优点与其优异的透明度、良好的附着力和兼容性、耐湿性和耐久可靠性有关。
PVB：聚(乙烯醇缩丁醛)由聚乙烯醇通过与丁醛反应而制备。弹性、机械强度、韧性、高透光率和对玻璃的粘附性是最重要的PVB性能。
在下文中，描述了在考虑附加涂层和涂层数量的情况下描述色彩分层面板结构的语法。
该语法基于图5中所示的支撑材料，其中G代表玻璃面板(或通常为透光面板)，F代表微观结构表面玻璃(即，一侧具有微观结构的支撑材料)，以及A表示粘合剂聚合物层。
对于每种类型的支撑材料，侧面通过标记“i”和“i”来标识。
Figure BDA0001735350230000141
对于形成诸如“玻璃面板”和“微观结构表面玻璃”这样的外层的材料，在
Figure BDA0001735350230000142
和
Figure BDA0001735350230000143
中，“j”指的是外侧“o”，“i”指的是内侧“i”。
对于内夹层材料“粘合剂聚合物层”，在
Figure BDA0001735350230000144
中，“j”是指右侧“r”，“i”是指左侧“1”。
此外，该语法基于图6中所示的涂层类型，其包括基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层(a)，基于微米颗粒的漫射涂层(b)，结合基于纳米颗粒的类瑞利漫射和基于微米颗粒的漫射的涂层(c)，抗反射涂层(d)和镜面(例如在可见光下反射)涂层(e)。
上文已经描述了基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层(a)的散射特征。
基于微米颗粒的漫射涂层(b)通过与纳米颗粒漫射涂层的情况相同的过程获得，但添加具有微米尺寸而不是纳米尺寸的颗粒。更具体地说，所需的颗粒尺寸范围在1μm至20μm之间。组成颗粒的材料可具有有机或无机性质，在第一种情况下我们主要指聚合物，而在第二种情况下指金属氧化物或类似物，优选不吸收可见光。如同在纳米颗粒的情况下，为了增加颗粒和透明涂料之间的相容性，微米颗粒的表面上也可以包含额外的官能化。
微米颗粒相对于粘合剂所存在的量可以为约1％至约40％(重量百分比)。涂料干燥后得到的涂层可具有约2μm至约100μm的厚度。由于它们的大小，这些颗粒超出了瑞利散射体系。由这些微米颗粒散射的光的色彩和分布强度都不同于由纳米尺寸颗粒散射的光的色彩和分布强度。散射光的光谱和强度严重依赖于散射角。一般来说，考虑到不完全单分散的微米颗粒样品，散射光将主要是前向散射而不依赖于波长。通过增加微米颗粒尺寸，散射角(由前向散射的强度分布所界定的锥角)变得更窄。微米颗粒漫射层在面板上引起模糊的效果。
涂层(c)结合了基于纳米颗粒的类瑞利漫射特征和基于微米颗粒的漫射特征。
抗反射涂层(d)是物理化学表面处理，其允许增加材料的规则透射率。该处理必须在确定的波长范围(本申请为可见光范围)上进行优化，并且强烈依赖于面对抗反射涂层的材料的光学特性。在可见光谱中为玻璃-空气界面而优化的抗反射涂层使得图2所示的面板在透射率方面更有效并且降低反射场景的强度。
可以将镜面涂层(e)施加在分层面板的外表面上，以获得高质量表面色彩分层反射镜。制作反射镜的典型方法是在玻璃表面上沉积铝或银等金属。反射效率取决于沉积材料，反射图像的质量取决于玻璃的平坦度/粗糙度。
为支撑材料A、G和F限定的各种表面可以涂覆例如以下涂层类型：
对于
Figure BDA0001735350230000151
“1”和“r”可以是(a)、(b)或(c)。
对于
Figure BDA0001735350230000152
“i”可以是(a)、(b)或(c)，而“o”可以是(b)、(d)或(e)。
此外，
Figure BDA0001735350230000153
确定微观结构位于外侧，而
Figure BDA0001735350230000154
确定结构位于内侧。
如果没有列出指数，则表示没有涂覆涂层。
基于以上所述，图7A至图7F示出了示例性夹层结构。图7A和图7B分别对应于图3A和图3B。
图7C示出了在一个外表面上具有微观结构的夹层结构。微观结构表面具有将微观结构表面后面的感知场景模糊化的效果。这种属性可能是所需要的，因为透视所看到的那些对象(不需要的后方结构)和面板上的虚拟图像(来自场景的对象的反射图像)将被感知为模糊。因此，观察表面中典型的亮度变化可能最初具有锐利的边缘，但可以通过所基于的微观结构表面的平滑处理，从而增强深度感知。
图7D示出类似于图4B的结构，其中基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层被基于微米颗粒的漫射涂层替代，从而产生前向散射和相应的模糊效应。
图7E示出了在一个外侧上具有微观结构并且在内侧上具有抗反射涂层的夹层结构。在这种情况下，抗反射涂层能够例如增加面板的透射率，从而使照明系统更有效率。
图7F示出了在一个外侧上具有镜面涂层的夹层结构。该结构可以在反射模式中用作图2B所描述的照明系统。
至此描述的分层结构包括至少一个提供基于纳米颗粒的类瑞利散射的涂层。在下文中，公开了一种通用的三层结构，其在粘合剂层中结合了基于纳米颗粒的类瑞利散射。相应地，对实施例进行修改，其中漫射层的漫射性质从例如应用在包括在独立粘合剂聚合物层的侧壁上的界面表面上的单独涂层转移到直接位于聚合物粘合剂层内部。
因此，这些新的实施例包括由两块浮法玻璃板104和106组成的分层玻璃面板结构，所述两块浮法玻璃板104和106通过负载了纳米颗粒的粘合剂透明聚合物层(例如EVA、PVB层或类似物)夹在彼此并且彼此固定。在其它结构中，除了纳米颗粒之外，粘合剂聚合物层还可以一起负载(较大的)微米颗粒。
本文中改性的粘合剂透明聚合物层被称为纳米负载的粘合剂聚合物层。纳米负载粘合剂聚合物层可以通过工业上可用的不同方法获得。一种可能的方法可以包括在挤出机中熔化固体热塑性树脂，然后加入所需量的纳米颗粒。在混合两种组分后，将混合物以所需厚度挤出成板状。该方法可以进一步包括在熔融固体热塑性树脂之前预先混合固体热塑性树脂和纳米颗粒。
第二种类型的方法可以包括在聚合过程之前纳米颗粒与单体(聚合物的最简单单元或重复单元)的直接溶解和混合。这个过程可以使得纳米颗粒的分散度更高，尽管它在工业厂房中的放大有一些缺点。
对于纳米颗粒涂层的情况，粘合剂聚合物层可以基于合适的材料，包括通常用于层合工业中的材料，例如透明热塑性材料(TPU或PVB，EVA)或透明热固性材料(EVA)。
纳米颗粒和微米颗粒特征(材料类型、尺寸等)与之前针对纳米颗粒涂层的描述相同。
为了维持聚合物粘合剂层内以及相应地在最终分层结构内的良好的纳米颗粒分散，可以方便地用特定试剂(分子、聚合物等)改变纳米颗粒自身的表面结构，以保证颗粒与聚合物层之间的良好相容性。
以类似的方式，可以在混合过程中与纳米颗粒一起添加微米颗粒。
显而易见，将纳米颗粒从涂层整合到粘合剂层中能够从工业角度简化该工艺。
夹在内部的材料，即用于掺入纳米颗粒以进行类瑞利漫射的“粘合剂聚合物层”，在上面引入的语法中称为NA。在替代构造中，内部夹层材料“粘合剂聚合物层”可以用于结合微米颗粒，所述微米颗粒在用于类瑞利漫射的纳米颗粒之外用于漫射光。这里，该层被称为NA′。在图8中示意性地示出了各自的支撑结构，类似于图5，其也示出了玻璃面板G和F.
值得注意的是，在最简单的夹层结构的情况下，没有一个支撑结构具有“内”涂层，即，NArl仅为NA(对于NA′相同)，并且Goi仅为GO。
为材料所限定的外表面可以例如用抗反射涂层(d)和镜面(例如在可见光下反射)涂层(e)涂覆。
基于以上所述，图9A至图9E示出了示例性夹层结构。图9A和图9B的实施例分别对应于没有和具有微观结构化外表面的简单三层结构。
图9C的实施例将类瑞利散射特征与前向散射特征组合。
图9D的实施例使用在一个玻璃面板的内侧处的微观结构用于漫射，从而还加强NA与该玻璃面板之间的粘附。另外，外侧涂有抗反射涂层，以例如抑制来自背景的任何后向散射。
图9E的实施例涉及反射照明系统结构，并且使用结合了基于纳米颗粒的类瑞利漫射和基于微米颗粒的漫射的涂层，以类似地抑制来自背景的任何后向散射。应注意，图7A至图7F和图9A至图9E仅示出了示例性结构。基于本公开，可以确认其他实施例。
如上所述的纳米涂层实施方式，基于上述考虑的(例如图9A至图9E中所示的那些)结构元件，可以进行如上所述的层合处理(由附图中的箭头示意性地示出)。
图10示意性地示出了所得到的例如用于在照明系统中产生太阳天空模拟效果的色彩分层面板结构400。该色彩分层面板400包括两个覆盖面板102、104，其中至少一个是透明面板和/或在一侧具有微观结构表面。色彩分层面板400进一步包括夹层110，如上所述的粘合剂透明聚合物层406(图10所示实施例的左侧)或包含除用于类瑞利漫射的纳米颗粒之外的用于漫射光的微米颗粒的如上所述的改性粘合剂聚合物层406′(图10所示实施例的右侧)。粘合剂聚合物层406、406′夹在两个覆盖面板102、104的两个内表面之间。此外，它们对于可见光基本上是透明的。
尽管本文已经描述了本发明的优选实施例，但是可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下引入改进和修改。

Claims (18)

1.一种照明系统(1)，包括：
光源(2)，其被配置为产生可见光束(3)；
被所述光源(2)照明的色彩分层面板结构，其中，
所述光束的一部分通过实质上未散射地穿过所述色彩分层面板结构而形成照明光束(3A)，并且如果所述光束的光在所述色彩分层面板结构内由纳米颗粒进行类瑞利散射，则还形成一部分，以及
其中所述色彩分层面板结构选自于以下当中的一个：
一种用于在照明系统(1)中产生太阳天空模拟效果的色彩分层面板结构(100)，所述色彩分层面板结构(100)包括：
两个覆盖面板(102，104)，其中至少一个是透明面板；
夹在所述两个覆盖面板的两个内表面之间的粘合剂透明聚合物层(106)和
至少一个基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层(108)，其施加到所述两个覆盖面板(102，104)中的至少一个的内表面和/或施加到所述粘合剂透明聚合物层(106)的表面并形成一个所述覆盖面板(102，104)与所述粘合剂透明聚合物层(106)之间的夹层；
一种色彩分层玻璃结构(100)，包括：
两块玻璃板(102，104)；和
夹在所述两块玻璃板(102，104)之间的粘合剂透明聚合物层(106)，
其中所述两块玻璃板(102，104)中的一块玻璃板的面向所述粘合剂聚合物层(106)的表面涂覆有作为用于可见光的类瑞利漫射夹层的纳米颗粒负载涂料(108)，其相对于入射光的长波长分量优先散射入射光的短波长分量；
一种色彩分层玻璃结构(100)，包括：
两块玻璃板(102，104)；和
夹在所述两块玻璃板之间的粘合剂透明聚合物层(106)，
其中所述粘合剂聚合物层(106)涂覆有作为用于可见光的类瑞利漫射夹层的纳米颗粒负载涂料(108)，其相对于入射光的长波长分量优先散射入射光的短波长分量。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，进行类瑞利散射的所述光的第一颜色和基本非类瑞利散射的直射光的第二颜色在u'v'颜色空间中分离至少0.008；或
进行类瑞利散射的所述光的第一颜色与漫射光相关色温相关联，该漫射光相关色温不同于所述光束的所述直射光相关色温。
3.根据权利要求1所述的照明系统，其中，直射光相关色温是在800K至6500K的范围内的黑体色温；或
直射光相关色温是漫射光相关色温的0.85倍或更小。
4.根据权利要求1所述的照明系统，
其中所述类瑞利散射涉及在可见光谱中具有至少150nm的延伸的波长谱的光；以及
其中所述类瑞利漫射涂层(108)已经作为涂料使用，该涂料包含平均尺寸小于250nm的光散射中心的分散体，或者在颗粒尺寸分布中具有在250nm以下的颗粒尺寸处的峰值。
5.根据权利要求1所述的照明系统，
其中作为类瑞利漫射夹层的两个纳米颗粒负载涂层(108)设置在所述粘合剂透明聚合物层(106)和相邻的覆盖面板/玻璃板(102，104)的一侧。
6.根据权利要求1所述的照明系统，其中，根据有效颗粒直径D＝dnh，其中d是平均颗粒尺寸，nh是涂层或涂料的折射率，用作所述类瑞利漫射夹层的每单位面积的类瑞利散射体的纳米颗粒的数量N的范围由下式所确定：
Figure FDA0002940951870000021
(D的单位为[米])以及
Figure FDA0002940951870000023
Figure FDA0002940951870000022
其中m是所述纳米颗粒折射率与所述涂层或涂料折射率之间的比率。
7.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述色彩分层面板结构还包括以下至少一种：基于纳米颗粒的类瑞利漫射涂层(a)，基于微米颗粒的漫射涂层(b)，结合基于纳米颗粒的类瑞利漫射和基于微米颗粒的漫射的涂层(c)，抗反射涂层(d)和镜面涂层(e)。
8.根据权利要求1所述的照明系统，
其中所述两个覆盖面板/玻璃板(102，104)和所述粘合剂透明聚合物层(106)中的至少一个包含基于纳米颗粒的小角度漫射体涂层。
9.根据权利要求1所述的照明系统，其中，将反射涂层或抗反射涂层施加到所述两个覆盖面板/玻璃板(102，104)中的至少一个的外表面(o)，或
反射涂层在所述两个覆盖面板/玻璃板(102，104)中的一个与所述粘合剂透明聚合物层(106)之间形成夹层。
10.一种照明系统(1)，包括：
光源(2)，其被配置为产生可见光束(3)；
被所述光源(2)照明的色彩分层面板结构，其中，
所述光束的一部分通过实质上未散射地穿过所述色彩分层面板结构而形成照明光束(3A)，并且如果所述光束的光在所述色彩分层面板结构内由纳米颗粒进行类瑞利散射，则还形成一部分；以及
其中所述色彩分层面板结构(400)包括：
两个覆盖面板(102，104)，其中至少一个是透明面板和/或在一侧具有微观结构表面；和
粘合剂透明聚合物层(406，NA)，所述粘合剂透明聚合物层(NA)夹在所述两个覆盖面板的两个内表面之间，其中
所述粘合剂透明聚合物层(406)包括：
聚合物层(106)，其被构造成在固化过程期间充当粘合剂基础结构，其中所述聚合物层(106)包括嵌入在聚合物当中的用于可见光的类瑞利散射的纳米颗粒，其中根据有效颗粒尺寸D＝d nh，其中d是平均颗粒尺寸，nh是所述聚合物的折射率，用作所述聚合物层的每单位面积的类瑞利散射体的纳米颗粒的数量N的范围由下式所确定：
Figure FDA0002940951870000031
(D的单位为[米])以及
Figure FDA0002940951870000032
其中m是所述纳米颗粒折射率与所述聚合物折射率之间的比率。
11.根据权利要求1或10所述的照明系统，其中，用作每单位面积的类瑞利散射体的纳米颗粒的数量N为：
对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例而言，
Figure FDA0002940951870000041
(D的单位为[米])以及
Figure FDA0002940951870000042
12.根据权利要求1或10所述的照明系统，其中，用作每单位面积的类瑞利散射体的纳米颗粒的数量N为：
在旨在模拟北欧天空的实施例中，
Figure FDA0002940951870000043
(D的单位为[米])以及
Figure FDA0002940951870000044
13.根据权利要求1所述的照明系统，其中用作每单位面积的类瑞利散射体的纳米颗粒的数量N为：
对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例而言，
Figure FDA0002940951870000045
(D的单位为[米])以及
Figure FDA0002940951870000046
14.根据权利要求1或10所述的照明系统，其中用作每单位面积的类瑞利散射体的纳米颗粒的数量N为：
针对旨在模拟北欧天空的实施例，
Figure FDA0002940951870000047
(D的单位为[米])以及
Figure FDA0002940951870000048
Figure FDA0002940951870000049
15.根据权利要求1或10所述的照明系统，其中，所述覆盖面板(102，104)被配置为透光支撑材料，或者
所述覆盖面板(102，104)包括玻璃板或玻璃面板或在一侧具有微观结构的微观结构表面玻璃。
16.根据权利要求1或10所述的照明系统，
其中所述粘合剂透明聚合物层(106)是自支撑的，以形成用于涂层的支撑结构，或者是弹性的，或者其材料选自于包含透明热塑性材料的聚合材料的群组。
17.根据权利要求1或10所述的照明系统，
其中所述粘合剂透明聚合物层(NA)包含基于微米颗粒的小角度漫射体涂层。
18.根据权利要求1或10所述的照明系统，
其中反射涂层或抗反射涂层被施加到所述两个覆盖面板/玻璃板(102，104)中的至少一个的外表面(o)。
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