CN115654418B - 导光隔热棱镜日光重定向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了导光隔热棱镜日光重定向系统，涉及建筑采光遮阳隔热领域。该导光隔热棱镜日光重定向系统包括光学膜，光学膜的一具体实施方式包括：光学基板和设置在光学基板的一个表面的棱镜结构，棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜；棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；第一平面与光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角。该实施方式能够实现大量入射光线的向上重定向，具有较佳的隔热性能，并且易于生产。
Description
技术领域
本发明涉及建筑采光遮阳隔热领域，尤其涉及导光隔热棱镜日光重定向系统。
背景技术
天然光是人类生活中必不可少的元素，天然光的存在有效改善了人类感知与健康，提高了生产效率。随着绿色建筑和建筑节能技术的不断发展，以及人们对健康舒适的室内环境需求的日益增长，充分利用自然光并获得良好的室内光环境成为绿色建筑技术发展的重要方向，充分利用自然采光是减少照明用电、提高视觉舒适度与生产效率的有效途径。
目前，可以通过棱镜膜改善建筑采光，但是现有结构的棱镜膜具有以下缺点：第一，对光线的重定向能力较差，无法将大量的向下入射光线重定向为向上照射的光线，导致眩光严重；并且向下光线的传输距离有限，无法到达室内更深的空间，影响室内采光效果。第二，传统棱镜膜对可见光和红外线的反射率较低，隔热效果较差。第三，传统棱镜膜的棱镜顶角较尖锐，导致棱镜膜生产时容易撕裂膜材质，揭膜效果不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种导光隔热棱镜日光重定向系统，能够实现大量入射光线的向上重定向，具有较佳的隔热性能，并且易于生产。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光学膜。
本发明实施例的光学膜包括：光学基板和设置在所述光学基板的一个表面的棱镜结构；其中，所述棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜；所述棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角。
可选地，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
可选地，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
为实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种导光隔热棱镜日光重定向系统。
本发明实施例的导光隔热棱镜日光重定向系统包括：第一玻璃结构和附接在第一玻璃结构的光学膜；其中，所述光学膜包括：光学基板和设置在所述光学基板的一个表面的棱镜结构；所述棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜；所述棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角。
可选地，所述棱镜结构比所述光学基板靠近于入射的日光。
可选地，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
可选地，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
可选地，所述光学膜比第一玻璃结构靠近于入射的日光。
可选地，第一玻璃结构比所述光学膜靠近于入射的日光。
可选地，所述导光隔热棱镜日光重定向系统进一步包括：与第一玻璃结构平行的第二玻璃结构；第一玻璃结构与第二玻璃结构之间形成容纳空间；所述光学膜处在所述容纳空间内；所述光学膜比第二玻璃结构靠近于入射的日光。
为实现上述目的，根据本发明的又一方面，提供了一种光学膜。
本发明实施例的光学膜包括：光学基板、第一棱镜结构和第二棱镜结构；所述光学基板具有相对的第一表面和第二表面，第一棱镜结构设置在第一表面，第二棱镜结构设置在第二表面；其中，第一棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第一类棱镜；第一棱镜结构中的每一第一类棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角；第二棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第二类棱镜；第二棱镜结构中的每一第二类棱镜包括：第四平面、第六平面以及分别与第四平面和第六平面连接的第五平面；第四平面被设置为平行于所述光学基板的参考平面；第六平面与第四平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第四平面与第五平面之间的夹角被设置为直角或钝角。
可选地，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
可选地，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
可选地，第四平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为90到178度。
可选地，第六平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为32到125度。
可选地，第一棱镜结构和第二棱镜结构的周期相等且错位设置。
可选地，第一棱镜结构和第二棱镜结构的错位距离为所述周期的二分之一。
为实现上述目的，根据本发明的又一方面，提供了一种导光隔热棱镜日光重定向系统。
本发明实施例的导光隔热棱镜日光重定向系统包括：第一玻璃结构和附接在第一玻璃结构的光学膜；其中，所述光学膜包括：光学基板、第一棱镜结构和第二棱镜结构；所述光学基板具有相对的第一表面和第二表面，第一棱镜结构设置在第一表面，第二棱镜结构设置在第二表面；第一棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第一类棱镜；第一棱镜结构中的每一第一类棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角；第二棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第二类棱镜；第二棱镜结构中的每一第二类棱镜包括：第四平面、第六平面以及分别与第四平面和第六平面连接的第五平面；第四平面被设置为平行于所述光学基板的参考平面；第六平面与第四平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第四平面与第五平面之间的夹角被设置为直角或钝角。
可选地，第一棱镜结构比所述光学基板靠近于入射的日光。
可选地，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
可选地，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
可选地，第四平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为90到178度。
可选地，第六平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为32到125度。
可选地，第一棱镜结构和第二棱镜结构的周期相等且错位设置。
可选地，第一棱镜结构和第二棱镜结构的错位距离为所述周期的二分之一。
可选地，所述光学膜比第一玻璃结构靠近于入射的日光。
可选地，第一玻璃结构比所述光学膜靠近于入射的日光。
可选地，所述导光隔热棱镜日光重定向系统进一步包括：与第一玻璃结构平行的第二玻璃结构；第一玻璃结构与第二玻璃结构之间形成容纳空间；所述光学膜处在所述容纳空间内；所述光学膜比第二玻璃结构靠近于入射的日光。
根据本发明的技术方案，上述发明中的实施例具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提供了两种光学膜以及相应的导光隔热棱镜日光重定向系统。第一种光学膜包括光学基板和设置在光学基板的一个表面的棱镜结构，以上棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜，每一棱镜包括第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面。本发明实施例对以上平面之间的夹角做了以下优化设计：第一平面与光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度，第三平面与光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度，第一平面与第二平面之间的夹角被设置为锐角、直角或钝角，第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角。第二种光学膜在第一种光学膜的基础上在以上光学基板的另一表面设置了另一种棱镜结构。
基于以上第一平面、第二平面、第三平面的棱镜形状以及以上特定的平面间夹角设计，这两种光学膜都能够实现大角度的光线重定向，对于以各角度向下入射的日光，这两种光学膜都能够将50％以上的光线重定向为向上光线(即，在输出光线中，向上光线的能量占比大于50％)，从而减轻眩光，并且输出的大量向上光线经过室内的高反射顶板和天花板能够进入室内的深处空间，从而提高室内自然采光面积，提高自然光利用率。并且，基于以上棱镜形状和角度设计，第一种光学膜对可见光和红外线具有较高反射率，能够将大量可见光和红外线反射到室外，经测试，当入射角在40度到50度之间时，反射率达到50％左右，当入射角大于50度时，反射率大于60％，如此产生较佳的隔热效果。此外，相比于两个平面相交的传统棱镜结构，本发明实施例在第一平面与第三平面之间连接第二平面，并将第二平面与第一平面的夹角设计为锐角、直角或钝角，将第二平面与第三平面的夹角设计为钝角，这种新型的三平面棱镜结构具有更强的光线重定向能力和更高反射率，应用在建筑采光实践中能够获得更好的建筑采光效果和隔热性能，同时在光学膜生产过程中还具有引导揭膜作用，减轻或避免揭膜时的膜材质撕裂问题。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例中第一种光学膜的结构示意图；
图2是图1中B部分的放大图；
图3是本发明实施例中第一种光学膜的重定向原理的第一示意图；
图4是本发明实施例中第一种光学膜的重定向原理的第二示意图；
图5是玻璃和两种光学膜在不同入射角下的光线传播比较示意图；
图6是入射角度82度下玻璃和两种光学膜的室内照度比较示意图；
图7是入射角度59度下玻璃和两种光学膜的室内照度比较示意图；
图8是本发明实施例的导光隔热棱镜日光重定向系统的结构示意图；
图9是本发明实施例中第二种光学膜的结构示意图；
图10是图9中C部分的放大图；
图11是本发明实施例中第二种光学膜的重定向原理示意图。
附图标记说明：
1：第二表面；2：光学基板；3：第一表面；4：第一类棱镜；5：第二类棱镜；11：第一平面；12：第二平面；13：第三平面；20：光学基板的参考平面；21：第四平面；22：第五平面；23：第六平面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
需要指出的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
图1是本发明实施例中第一种光学膜的结构示意图，图2是图1中B部分的放大图，图3是本发明实施例中第一种光学膜的重定向原理的第一示意图，图4是本发明实施例中第一种光学膜的重定向原理的第二示意图。在各图中，I0表示入射光线，T1、T2、T3、T4表示经光学膜输出的光线。20表示光学基板的参考平面，即光学基板的法线方向所在的平面，当光学基板处在竖直状态时，其参考平面为水平面。θ1表示入射光线与光学基板的参考平面的夹角(可以称为入射角度)，在本文中，设向下入射光线的θ1为正，向上入射光线的θ1为负。θ2表示输出光线与光学基板的参考平面的夹角与直角之和(可以称为出射角度)，这样，向下输出光线的θ2在零到90度之间，向上输出光线的θ2为90度到180度之间。
参见图1到图4。本发明实施例的光学膜包括：光学基板2和设置在光学基板2的一个表面的棱镜结构。以上光学膜和光学基板2指的是光学透明的、并且可以产生另外的光学效应的膜和基板，以上光学透明指的是在可见光光谱的至少一部分具有高透射率(例如大于预设的透射率阈值)，以上另外的光学效应包括光漫射、光偏振或者光反射。在本发明实施例中，光学基板2可以具有两个相对的表面，棱镜结构可以处在其中的任一表面。
以上棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜，即多个棱镜依次以相同间隔排列。棱镜结构与光学基板2的制作材料可以相同也可以不同。棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面11、第三平面13以及分别与第一平面11和第三平面13连接的第二平面12，在将以上光学膜竖直放置并将其中的棱镜结构面向向下入射的日光时(即，日光先照射到棱镜结构再进入光学基板)，第一平面11处在第三平面13上方。以上第一平面11和第三平面13可以与光学基板2直接接触，也可以不与光学基板2直接接触。
经过理论推导、光学设计、模拟和实验，对棱镜结构中各棱镜的形状进行以下设置，以使光学膜具有优良的重定向性能和隔热效果。将第一平面11与光学基板的参考平面20之间的夹角(α)的角度范围设置为8度到12度(左右端点都可以取值)；将第三平面13与光学基板的参考平面20之间的夹角(β)的角度范围被设置为30度到35度(左右端点都可以取值)；将第一平面11与第二平面12之间的夹角设置为锐角、直角或钝角，将第三平面13与第二平面12之间的夹角设置为钝角。
更优地，可以将第一平面11与第二平面12之间的夹角的角度范围设置为40到102度(左右端点都可以取值)，将第三平面13与第二平面12之间的夹角的角度范围设置为120到178度(左右端点都可以取值)。参见图2，第一平面11与第二平面12之间的夹角的角度范围的最大值、以及第三平面13与第二平面12之间的夹角的角度范围的最小值都对应于第二平面12平行于光学基板2表面的情况。
在将以上光学膜应用在日光重定向场景中时，可以将光学膜中的棱镜结构相对于光学基板2更靠近入射的日光。如上设计的光学膜具有较强的光线重定向能力，能够将大量的向下入射光线重定向为向上光线，同时减少色散。其典型光路图如图3和图4，在图3中，入射光线I0从棱镜的第一平面11进入棱镜，基于各平面间夹角角度的以上设计，进入棱镜的光线被第三平面13反射，最后通过光学基板2后向上出射(T2)。在图4中，光线从第二平面12入射，由于棱镜各平面间夹角的以上设计，入射光线在棱镜内被第三平面13反射后经光学基板2输出为向上光线。
具体应用中，可以使用专业软件进行模拟来统计各入射角度下的光线重定向结果，模拟结果如下表，其中的光学膜折射率为1.52，大小为32mm*32mm，能量比表示出射角度在90到180度之间的光线总能量在所有输出光线能量中的占比。
可见，在30度以上的各入射角度下(均为向下光线)，大于50％的输出光线被重定向为向上出射。将以上光学膜应用在建筑采光场景，能够减轻眩光，并且输出的大量向上光线经过室内的高反射顶板和天花板能够进入室内的深处空间，从而提高室内照度。
特别地，与两平面型棱镜(剖面参见图5左下角示意)的光学膜相比，基于以上第一平面11、第二平面12和第三平面13的三平面型棱镜的光学膜能够显著增强光学膜的光线重定向性能。为了进行验证，采用光学仿真软件对两平面型棱镜光学膜(无第二平面12)和本发明实施例的三平面型棱镜光学膜(有第二平面12)进行模拟对比，结果如图5，图5中光线的灰度代表其中所包含的能量，黑色66-100％，深灰色33-66％，浅灰色0-33％。从图5中可见，玻璃没有光线重定向功能，两平面型棱镜光学膜的光线重定向能力明显优于玻璃，能够将一定比例的光线重定向为向上光线，而三平面型棱镜光学膜的光线重定向能力明显优于两平面型棱镜光学膜。入射角度35度时，两平面型棱镜光学膜仅能将少量光线重定向，大多数光线仍然向下输出，但是三平面型棱镜光学膜能够将大部分光线重定向为向上出射；入射角度59度时，三平面型棱镜光学膜向上重定向的光线更多并且使大量光线进入深处空间；入射角度82度时，三平面型棱镜光学膜重定向的光线多于两平面型棱镜光学膜。由此可见三平面型棱镜光学膜相比于传统的两平面型棱镜光学膜具有更好的导光性能。
采用采光分析软件对三平面型棱镜光学膜(有第二平面12)和两平面型棱镜光学膜(无第二平面12)的室内采光效果进行模拟，结果如图6和图7。图6是入射角度82度下玻璃和两种光学膜的室内照度比较示意图，图7是入射角度59度下玻璃和两种光学膜的室内照度比较示意图，其中的横坐标为室内距窗户(玻璃和光学膜设置在窗户)的不同距离位置，单位是米，纵坐标为工作面照度，单位是勒克斯lx。从图中可以看到，在入射角度为82度时，两平面型棱镜光学膜与玻璃的采光效果类似，三平面型棱镜光学膜的采光效果则明显优于两平面型棱镜光学膜和玻璃。在入射角度为59度时，两平面型棱镜光学膜的采光效果明显优于玻璃，三平面型棱镜光学膜的采光效果则明显优于两平面型棱镜光学膜，并且，三平面型棱镜光学膜的照度曲线在深处空间照度上升，表示其能够显著提高室内深处空间的照度。
可以看到，通过在棱镜结构的第一平面与第三平面之间增加第二平面，使得光学膜具有更高的透射率和更强的光线重定向能力，由此明显提升室内采光效果并且减少眩光发生几率。
继续参见图3和图4，对于日光中的可见光和红外线，其在入射到棱镜的第一平面11或第二平面12时，首先发生镜面反射将部分可见光和红外线排除，在部分光线进入棱镜之后，基于棱镜以上三个平面之间的特定夹角设计，这些光线容易在三个平面之间发生全反射最终离开棱镜，使得光学膜针对可见光和红外线具有较高反射率。
在图4中，入射光线I0在第二平面被反射，反射光线为R0，根据菲涅尔公式，入射角φ(并不是入射角度θ1)越大，反射率越大，因此第二平面12的存在能够保证光线在大入射角情况下反射率较高，在小入射角情况下反射率较低，从而保证夏季因大部分光线被反射而具有隔热效果，冬季光线可以大量进入室内而利于保暖。因此，棱镜结构中第二平面12的存在不仅能够增强日光的重定向能力和导光性能，还能够提高隔热效果。以下是利用专用模拟软件进行模拟得到的反射率统计数据，反射率指的是被反射的光线总能量与入射光线总能量之比。
可见，在入射角度大于等于40度时，反射率基本可以维持在50％以上；在入射角度大于等于60度时，反射率可以稳定在60％以上，本发明实施例的光学膜从而具有较佳的隔热性能。
另外，现有的两平面型棱镜光学膜在生产时，由于棱镜顶角较为尖锐，揭膜时常常发生膜材质撕裂的情况，经过优化形成的以上三平面型棱镜光学膜能够解决这一问题，由于存在第二平面12作为引导，这种光学膜从模具揭膜时较为顺利，由此减轻或避免现有技术所存在的膜材质在揭膜时的撕裂问题。
本发明实施例进一步提供一种基于前述光学膜的导光隔热棱镜日光重定向系统。以上导光隔热棱镜日光重定向系统可以安装在建筑物的窗户位置，包括：第一玻璃结构和附接在第一玻璃结构的光学膜。在本发明实施例中，第一玻璃结构和以下将要说明的第二玻璃结构可以是各种形状的玻璃制品，优选地，第一玻璃结构和第二玻璃结构中的任一可以是一块玻璃板，也可以是通过粘接等方式连接在一起的多块玻璃板。
实际应用中，光学膜可以通过粘接等方式附接在第一玻璃结构以执行日光重定向。其中，光学膜包括：光学基板2和设置在光学基板2的一个表面的棱镜结构，以上棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜，棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面11、第三平面13、以及分别与第一平面11和第三平面13连接的第二平面12。特别地，第一平面11与光学基板的参考平面20之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度(左右端点都可以取值)，第三平面13与光学基板的参考平面20之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度(左右端点都可以取值)，第一平面11与第二平面12之间的夹角被设置为锐角、直角或钝角，第三平面13与第二平面12之间的夹角被设置为钝角。优选地，第一平面11与第二平面12之间的夹角的角度范围被设置为40到102度(左右端点都可以取值)，第三平面13与第二平面12之间的夹角的角度范围被设置为120到178度(左右端点都可以取值)。由于以上结构设计的优点已在前文说明，此处不再重复。
本发明实施例的导光隔热棱镜日光重定向系统在执行日光重定向时，其中的光学膜可以处在外侧(即光学膜在外第一玻璃结构在内，光学膜比第一玻璃结构靠近于入射的日光，见图8左图)，也可以处在内侧(即光学膜在内第一玻璃结构在外，第一玻璃结构比光学膜靠近于入射的日光，见图8中图)，这两种情况下，光学膜中的棱镜结构可以比光学基板靠近于入射的日光，即入射的日光首先入射到棱镜结构再进入光学基板。可选地，以上导光隔热棱镜日光重定向系统可以进一步包括第二玻璃结构，第二玻璃结构与第一玻璃结构平行设置，第一玻璃结构与第二玻璃结构之间形成容纳空间，本发明实施例的光学膜处在容纳空间内，第一玻璃结构比光学膜靠近于入射的日光，光学膜比第二玻璃结构靠近于入射的日光，见图8右图。
以下说明另一种光学膜和相应的导光隔热棱镜日光重定向系统，这种光学膜在前一种光学膜的基础上增加了另一种棱镜结构，参见图9到图11。具体地，这种光学膜包括：光学基板2、第一棱镜结构和第二棱镜结构，光学基板2具有相对的第一表面3和第二表面1，第一棱镜结构设置在第一表面3，第二棱镜结构设置在第二表面1。
第一棱镜结构即前一种光学膜中的棱镜结构，由于其技术细节和技术效果已在前文说明，此处仅做简单说明。第一棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第一类棱镜4，第一棱镜结构中的每一第一类棱镜4包括：第一平面11、第三平面13以及分别与第一平面11和第三平面13连接的第二平面12。第一平面11与光学基板的参考平面20之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度(左右端点都可以取值)；第三平面13与光学基板的参考平面20之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度(左右端点都可以取值)；第一平面11与第二平面12之间的夹角被设置为锐角、直角或钝角；第三平面13与第二平面12之间的夹角被设置为钝角。更优地，可以将第一平面11与第二平面12之间的夹角的角度范围设置为40到102度(左右端点都可以取值)，将第三平面13与第二平面12之间的夹角的角度范围设置为120到178度(左右端点都可以取值)。
第二棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第二类棱镜5，即多个第二类棱镜5依次以相同间隔排列。第一棱镜结构、第二棱镜结构与光学基板2的制作材料可以相同也可以不同。第二棱镜结构中的每一第二类棱镜5包括：第四平面21、第六平面23以及分别与第四平面21和第六平面23连接的第五平面22。在将以上光学膜竖直放置并将其中的第一棱镜结构面向向下入射的日光时(即，日光先照射到第一棱镜结构再进入光学基板)，第四平面21处在第六平面23上方。第四平面21和第六平面23可以与光学基板2的第二表面1直接接触，也可以不直接接触。
经过理论推导、光学设计、模拟和实验，对第二棱镜结构中各棱镜的形状进行以下设置，以使上述光学膜具有优良的重定向性能和隔热效果。将第四平面21设置为平行于光学基板的参考平面20；将第六平面23与第四平面21之间的夹角(γ)的角度范围设置为30度到35度(左右端点都可以取值)；将第四平面21与第五平面22之间的夹角设置为直角或钝角，将第六平面23与第五平面22之间的夹角设置为锐角、直角或钝角。
更优地，可以将第四平面21与第五平面22之间的夹角的角度范围设置为90到178度(左右端点都可以取值)，将第六平面23与第五平面22之间的夹角的角度范围设置为32到125度(左右端点都可以取值)。参见图10，第四平面21与第五平面22之间的夹角的角度范围的最小值、以及第六平面23与第五平面22之间的夹角的角度范围的最大值都对应于第五平面22平行于光学基板2表面的情况。
作为一个优选方案，可以将第一棱镜结构和第二棱镜结构设置为周期相等，以上周期指的是第一棱镜结构和第二棱镜结构中的棱镜排列间隔。也可以将第一棱镜结构和第二棱镜结构的周期设置为具有倍数关系，即，第一棱镜结构的周期是第二棱镜结构周期的数倍，或者第二棱镜结构的周期是第一棱镜结构周期的数倍，由此提高光学膜的光学性能。进一步地，在第一棱镜结构与第二棱镜结构周期相等的情况下，可以将第一棱镜结构和第二棱镜结构进行错位设置以提高光学膜的导光能力和隔热性能。以上错位指的是经过第一棱镜结构波谷(在相邻的两个第一类棱镜中，上一第一类棱镜的第三平面与下一第一类棱镜的第一平面的相交处)处的光学基板的法线不经过第二棱镜结构波谷(在相邻的两个第二类棱镜中，上一第二类棱镜的第六平面与下一第二类棱镜的第四平面的相交处)。
作为一个优选方案，在第一棱镜结构与第二棱镜结构周期相等以及执行以上错位设置的情况下，可以将第一棱镜结构和第二棱镜结构的错位距离设置为以上周期的二分之一，由此最大程度提高光学膜的导光和隔热效果。第一棱镜结构和第二棱镜结构的错位距离指的是第一棱镜结构的波谷沿光学基板的参考平面延伸在第二表面1的位置与第二棱镜结构的波谷之间的距离在第二表面1方向的投影。
以上光学膜的典型光路如图11所示，基于第一棱镜结构和第二棱镜结构的以上形状设计，入射角度θ1较小的入射光线通过折射由第一类棱镜4的第一平面11进入棱镜内部，经过光学基板后被第二类棱镜5的第四表面21反射形成向上的输出光束T2。入射角θ1较大的入射光线经第一类棱镜4的第一平面11进入第一类棱镜4内部，被第三平面13反射后经光学基板2进入第二类棱镜5内部，被第六平面23反射后形成向上的输出光线T2。值得注意的是，由于两种棱镜各平面夹角的以上特定设计，使得即使入射角度较小(例如10度至30度)，也能保证大于50％的输出光线向上。事实上，在入射角度较小(例如10度至30度)的情况下，这种双表面棱镜结构光学膜的日光重定向性能优于第一种光学膜(单表面棱镜结构光学膜)，但是双表面棱镜结构光学膜的隔热效果相对较差。类似地，由于第二类棱镜5中第五平面22的存在，能够保证揭膜过程中膜材质不损坏。
下表为双表面棱镜结构的光学膜在折射率为1.52，大小为32mm*32mm的情况下，利用专业软件得到的模拟结果。
表中的第二列表示出射角度在90到180度之间的光线总能量在所有输出光线能量中的占比，可以看到，双表面棱镜结构光学膜在入射角度从10度到80度的范围内能够将50％以上的光线重定向为向上出射，具有优良的光线重定向性能进而具有良好的采光效果并能够有效消除眩光，但是反射率较低，隔热性能较差。
本发明实施例进一步提供一种基于双表面棱镜结构光学膜的导光隔热棱镜日光重定向系统。以上导光隔热棱镜日光重定向系统可以安装在建筑物的窗户位置，包括：第一玻璃结构和附接在第一玻璃结构的光学膜。在本发明实施例中，第一玻璃结构和第二玻璃结构可以是各种形状的玻璃制品，优选地，第一玻璃结构和第二玻璃结构中的任一可以是一块玻璃板，也可以是通过粘接等方式连接在一起的多块玻璃板。
实际应用中，双表面棱镜结构光学膜可以通过粘接等方式附接在第一玻璃结构以执行日光重定向。其中，光学膜包括：光学基板2、第一棱镜结构和第二棱镜结构，光学基板2具有相对的第一表面3和第二表面1，第一棱镜结构设置在第一表面3，第二棱镜结构设置在第二表面1。第一棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第一类棱镜4，第一棱镜结构中的每一第一类棱镜包括：第一平面11、第三平面13以及分别与第一平面11和第三平面13连接的第二平面12。特别地，第一平面11与光学基板的参考平面20之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度(左右端点都可以取值)，第三平面13与光学基板的参考平面20之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度(左右端点都可以取值)；第一平面11与第二平面12之间的夹角被设置为锐角、直角或钝角；第三平面13与第二平面12之间的夹角被设置为钝角。优选地，第一平面11与第二平面12之间的夹角的角度范围被设置为40到102度(左右端点都可以取值)，第三平面13与第二平面12之间的夹角的角度范围被设置为120到178度(左右端点都可以取值)。
第二棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第二类棱镜5，第二棱镜结构中的每一第二类棱镜5包括：第四平面21、第六平面23以及分别与第四平面21和第六平面23连接的第五平面22；第四平面21被设置为平行于光学基板的参考平面20；第六平面23与第四平面21之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度(左右端点都可以取值)；第四平面21与第五平面22之间的夹角被设置为直角或钝角；第六平面23与第五平面22之间的夹角被设置为锐角、直角或钝角。更优地，可以将第四平面21与第五平面22之间的夹角的角度范围设置为90到178度(左右端点都可以取值)，将第六平面23与第五平面22之间的夹角的角度范围设置为32到125度(左右端点都可以取值)。较佳地，第一棱镜结构和第二棱镜结构的周期相等且错位设置，错位距离可以设置为周期的二分之一。由于第一棱镜结构和第二棱镜结构的以上设计特点的优点已在前文说明，此处不再重复。
本发明实施例的基于双表面棱镜结构光学膜的导光隔热棱镜日光重定向系统在执行日光重定向时，其中的光学膜可以处在外侧(即光学膜在外第一玻璃结构在内，光学膜比第一玻璃结构靠近于入射的日光，见图8左图)，也可以处在内侧(即光学膜在内第一玻璃结构在外，第一玻璃结构比光学膜靠近于入射的日光，见图8中图)，这两种情况下，光学膜中的第一棱镜结构可以比光学基板靠近于入射的日光，即入射的日光首先入射到第一棱镜结构再进入光学基板最后进入第二棱镜结构。可选地，以上导光隔热棱镜日光重定向系统可以进一步包括第二玻璃结构，第二玻璃结构与第一玻璃结构平行设置，第一玻璃结构与第二玻璃结构之间形成容纳空间，本发明实施例的双表面棱镜结构光学膜处在容纳空间内，第一玻璃结构比光学膜靠近于入射的日光，光学膜比第二玻璃结构靠近于入射的日光，见图8右图。
基于本发明实施例提供的两种光学膜以及相应的导光隔热棱镜日光重定向系统，能够实现大角度的光线重定向，对于以各角度向下入射的日光，这两种光学膜都能够将50％以上的光线重定向为向上光线，从而减轻眩光，并且输出的大量向上光线经过室内的高反射顶板和天花板能够进入室内的深处空间，从而提高室内照度。并且，基于以上棱镜形状和角度设计，第一种光学膜对可见光和红外线具有较高反射率，经测试，当入射角在40度到50度之间时，反射率达到50％左右，当入射角大于50度时，反射率大于60％，如此产生较佳的隔热效果。此外，相比于两个平面相交的传统棱镜结构，本发明实施例在第一平面与第三平面之间连接第二平面，并将第二平面与第一平面的夹角设计为锐角、直角或钝角，将第二平面与第三平面的夹角设计为钝角，这种新型的三平面棱镜结构具有更强的光线重定向能力和更高反射率，应用在建筑采光实践中能够获得更好的建筑采光效果和隔热性能，同时在光学膜生产过程中还具有引导揭膜作用，减轻或避免揭膜时的膜材质撕裂问题。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (28)
1.一种光学膜，其特征在于，包括：光学基板和设置在所述光学基板的一个表面的棱镜结构；其中，
所述棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜；
所述棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；在所述光学膜竖直放置并且所述棱镜结构面向向下入射的日光时，第一平面处在第三平面上方；
第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；
第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；
第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角。
2.根据权利要求1所述的光学膜，其特征在于，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
3.根据权利要求1所述的光学膜，其特征在于，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
4.一种导光隔热棱镜日光重定向系统，其特征在于，包括：第一玻璃结构和附接在第一玻璃结构的光学膜；其中，
所述光学膜包括：光学基板和设置在所述光学基板的一个表面的棱镜结构；
所述棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的棱镜；
所述棱镜结构中的每一棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；在所述光学膜竖直放置并且所述棱镜结构面向向下入射的日光时，第一平面处在第三平面上方；
第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；
第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；
第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述棱镜结构比所述光学基板靠近于入射的日光。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光学膜比第一玻璃结构靠近于入射的日光。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，第一玻璃结构比所述光学膜靠近于入射的日光。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述导光隔热棱镜日光重定向系统进一步包括：与第一玻璃结构平行的第二玻璃结构；
第一玻璃结构与第二玻璃结构之间形成容纳空间；
所述光学膜处在所述容纳空间内；
所述光学膜比第二玻璃结构靠近于入射的日光。
11.一种光学膜，其特征在于，包括：光学基板、第一棱镜结构和第二棱镜结构；所述光学基板具有相对的第一表面和第二表面，第一棱镜结构设置在第一表面，第二棱镜结构设置在第二表面；其中，
第一棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第一类棱镜；
第一棱镜结构中的每一第一类棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；在所述光学膜竖直放置并且所述棱镜结构面向向下入射的日光时，第一平面处在第三平面上方；
第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角；
第二棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第二类棱镜；
第二棱镜结构中的每一第二类棱镜包括：第四平面、第六平面以及分别与第四平面和第六平面连接的第五平面；
第四平面被设置为平行于所述光学基板的参考平面；第六平面与第四平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第四平面与第五平面之间的夹角被设置为直角或钝角。
12.根据权利要求11所述的光学膜，其特征在于，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
13.根据权利要求11所述的光学膜，其特征在于，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
14.根据权利要求11所述的光学膜，其特征在于，第四平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为90到178度。
15.根据权利要求11所述的光学膜，其特征在于，第六平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为32到125度。
16.根据权利要求11所述的光学膜，其特征在于，第一棱镜结构和第二棱镜结构的周期相等且错位设置。
17.根据权利要求16所述的光学膜，其特征在于，第一棱镜结构和第二棱镜结构的错位距离为所述周期的二分之一。
18.一种导光隔热棱镜日光重定向系统，其特征在于，包括：第一玻璃结构和附接在第一玻璃结构的光学膜；其中，
所述光学膜包括：光学基板、第一棱镜结构和第二棱镜结构；所述光学基板具有相对的第一表面和第二表面，第一棱镜结构设置在第一表面，第二棱镜结构设置在第二表面；
第一棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第一类棱镜；
第一棱镜结构中的每一第一类棱镜包括：第一平面、第三平面以及分别与第一平面和第三平面连接的第二平面；在所述光学膜竖直放置并且所述棱镜结构面向向下入射的日光时，第一平面处在第三平面上方；
第一平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为8度到12度；第三平面与所述光学基板的参考平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第三平面与第二平面之间的夹角被设置为钝角；
第二棱镜结构包括周期性排列的、多个形状相同的第二类棱镜；
第二棱镜结构中的每一第二类棱镜包括：第四平面、第六平面以及分别与第四平面和第六平面连接的第五平面；
第四平面被设置为平行于所述光学基板的参考平面；第六平面与第四平面之间的夹角的角度范围被设置为30度到35度；第四平面与第五平面之间的夹角被设置为直角或钝角。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，第一棱镜结构比所述光学基板靠近于入射的日光。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，第一平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为40到102度。
21.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，第三平面与第二平面之间的夹角的角度范围被设置为120到178度。
22.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，第四平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为90到178度。
23.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，第六平面与第五平面之间的夹角的角度范围被设置为32到125度。
24.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，第一棱镜结构和第二棱镜结构的周期相等且错位设置。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，第一棱镜结构和第二棱镜结构的错位距离为所述周期的二分之一。
26.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述光学膜比第一玻璃结构靠近于入射的日光。
27.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，第一玻璃结构比所述光学膜靠近于入射的日光。
28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述导光隔热棱镜日光重定向系统进一步包括：与第一玻璃结构平行的第二玻璃结构；
第一玻璃结构与第二玻璃结构之间形成容纳空间；
所述光学膜处在所述容纳空间内；
所述光学膜比第二玻璃结构靠近于入射的日光。
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