CN1438397A - 一种采光用表面有结构的透光介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采集阳光用的表面有结构的透光介质。当光线通过介质时能改变角度，它还可以具有对入射角度不同的光线加以选择或限制或选择入射光线颜色的功能，与有同样功能的其它透光介质比，具有节省材料、降低重量、减少体积等优点。本发明的技术特征之一是平面透光介质的背面由若干个具有对入射角度不同的光线加以选择并分光功能的透光阶梯排列构成了阶梯透光面；另一个技术特征是在每一个透光阶梯底面下，设置具有限制透光功能的光学薄膜或光学薄片；本发明第三个技术特征是利用两个以上的阶梯透光介质构成复合透光介质。本发明主要用于采光如采光窗、建筑物朝向阳光一面的外层、或玻璃幕墙的内衬。

Description

一种采光用表面有结构的透光介质

本发明涉及一种以采集阳光为主要作用的，表面有结构的透光介质，其IPC分类号为E04D3/28。

现有的固体采光介质以无机玻璃为主，塑料有机化合物如有机玻璃、塑料薄膜等所占比重相对较少，它们的表面结构都有一个共同的特点：正表面和背表面都是一个连续的平面透光面。要想使其本身具有限制或选择光线透过功能一般是用以下两种方法，一是将其表面贴膜或表面镀膜，二是在制造透光介质时加入能吸收光线的原料，其产品如有色玻璃、吸热玻璃、镀膜玻璃等。上述方法制成的透光介质具有工艺简单、成本低廉等优点，目前已经得到广泛应用。

但上述的产品也有缺点，在冬天室内人们需要阳光照射时吸热玻璃等照样限制光线的进入，如茶色玻璃窗可减少应有光线的50％，一般有色玻璃窗也能减少应有光线的30％至40％，夏天在室内，人们不需要阳光照射时，其限制阳光光线进入的功能却很有限，一般仍有20％至40％的光线能透过有色玻璃窗进入室内，当常年使用有色玻璃窗采光时，对人们视神经的光色分辨能力有一定影响；在有些场合人们希望光线通过采光介质时能偏转一定角度，如希望光线通过玻璃窗后不是照在地板上，而是照在更远一些的墙壁上，或照在天棚上，现有的平面采光介质较难实现。

本发明的目的一是，提供一种以采光为主要作用的，表面有结构的透光介质的表面结构方法，当光线通过表面有结构的透光介质时能改变传播角度，将其竖直使用时，具有对来自正面入射角度不同的阳光光线加以选择并能在其背面给以分光的功能，为下一步用其采集阳光光线时对入射角度不同的光线处理不同做了准备，与有同样功能的其它透光介质比，这种表面有结构的透光介质，具有节省材料、降低重量、减少体积等优点；

本发明的目的二是，通过在本发明目的一中所提到的，表面有结构的透光介质的结构表面或结构内部设置光学元件装置，达到人们用其采集阳光光线时对入射角度不同的光线加以取舍的作用，或达到其在采集阳光光线时对入射角度为一定范围内的光线改变其颜色的作用。如允许冬天的阳光光线通过，而限制夏天(或夏天某一时段内)的阳光的光线进入，或只允许少部分光线通过，如允许某一颜色的光线通过。

本发明的目的三是，在实现目标二的基础上，将本发明目的一中所提到的光线通过表面有结构的透光介质时发生的传播角度偏转现象修正过来，使其与现有普通玻璃有同样的视线感觉，另外在实现目标二时，使其同时具有对来自两个以上方向入射角度的光线进行选择和限制能力；

本发明的目的四是，提供一种夹层玻璃的方案使其具有能实现上述三个目标的功能，还可以除实现上述功能外还有保温作用；

本发明的目的五是，提供一种简单的透光介质的结构，用其可以更容易制造上述目标一至目标三中提到的表面有结构的透光介质。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

(一)，众所周知，光在同一种均匀的透光介质里是沿着直线方向传播的，当光线从空气中斜射入密度大于空气的固体透明介质(如玻璃)中时，会发生折射和反射，例如一束光线A从空气中以60度(为便于讨论以下角度除特殊说明外均以顺时针方向计算)的入射角进入一种光线折射率为1.51的固体透明平面透光介质的正面内时，根据折射定律，进入透光介质内的光线折射角应为35度，如果透光介质的正面与背面平行，则该束A光线将以入射光线同样的角度从平面透光介质的背面射出。但如果透光介质正面的平面与其背面的平面成一定角度，比如反时针夹角为15度，此时可以将透光介质视为一个(有15度夹角的)楔形棱镜，其光线A在楔形棱镜内部与楔形棱镜背面的入射角是(35-15＝20)20度，最后光线A将从透光介质的背面以31度的折射角射出，与A开始入射时比较将有14度的偏转角。可见棱镜可以实现令光线传递时偏转的功能；假如与此同时有另一束光线B从空气中以-60度的入射角进入该楔形棱镜正面内时，同样进入楔形棱镜内的光线的折射角应为-35度，光线B在楔形棱镜内部与楔形棱镜背面的入射角是(-35-15＝-50)-50度，根据折射定律，光线B将无法从楔形棱镜背面射出，而是在楔形棱镜的内部反射，最终光线B将从楔形棱镜的底面射出。不仅举例中-60度入射角的那束光线B在楔形棱镜内部进行全反射，所有大于-89度、小于-43度入射角的入射光线在通过有上述角度和光线折射率的楔形棱镜时，根据折射定律，都将在楔形棱镜内部先参与全反射，最终光线将从楔形棱镜的底面射出；而所有小于89度、大于-42度入射角的入射光线在通过有上述角度和折射率的楔形棱镜时，都将顺利从其背面出射。所以楔形棱镜还具有对来自其正面入射角度不同的光线加以选择并能在其背面或底面给以分光的功能，这使人们在用其采集阳光光线时对入射角度不同的光线加以有选择的取舍成为可能。但在现实生活中，用一整块棱镜大范围采集光线(如作采光玻璃)即不方便又难以让人接受。

当然，按下述方案可以弥补棱镜的不足，这是一种以采光为主要作用的表面有结构的透光介质，透光介质由固体透明材料制成，透光介质的表面分具有透光功能的正面和背面，透光介质的正面是一连续的透光平面，其技术特征是：透光介质的背面是由若干个相互平行排列的透光阶梯组成的阶梯透光面，在阶梯透光面上的每个透光阶梯都是由有规律的，一宽一窄两个相交的透光平面构成，两个相交透光平面的相交夹角在75度至95度之间，且其中构成透光阶梯的宽的透光平面的宽向延长线与透光介质正面的连续透光平面的相交夹角小于25度，当沿着垂直于透光阶梯的方向取得一主截面时，透光介质正面的透光平面为主截面内的一条连续直线，透光介质背面的阶梯透光面，在主截面内为与标志正面的直线相对的，若干个倾斜角度相同、方向一致的锯齿形状。不难看出，表面有上述结构的透光介质背面的每一个透光阶梯都可以与其相对应的正面形成一个小的楔形棱镜，透光阶梯又是排列整齐、方向一致的，所以整个阶梯透光面与其相对的整个正面对应组合后所具有的功能与同等面积的楔形棱镜相同，但阶梯透光介质的体积和重量却减少了许多。因此采用背面有透光阶梯结构的透光介质能够实现本发明目的一的目标。

(二)，在上述(一)中，不仅举例中的那束-60度入射角的光线B在楔形棱镜内部进行全反射，所有大于-89度、小于-42度入射角的入射光线在通过有上述角度和光线折射率的楔形棱镜时，都无法从楔形棱镜背面射出，而是在楔形棱镜的内部反射，最终光线将从楔形棱镜的底面射出。此时，对于在楔形棱镜内部参与全反射的光线有以下方法，如(一)所述的一种以采光为主要作用的表面有结构的透光介质，透光介质是由固体透明材料制成，透光介质分有透光功能的正面和背面，透光介质的正面是一连续的透光平面，透光介质的背面是由若干个相互平行排列的透光阶梯组成的阶梯透光面，阶梯透光面上的每个透光阶梯都是由有规律的，一宽一窄两个相交的透光平面构成，结合(一)中的说明不难看出，该阶梯透光介质的功能与楔形棱镜相同，将构成透光阶梯的宽的透光平面视为阶梯上部(相当于楔形棱镜的背面)，则构成透光阶梯的窄的透光平面视为阶梯的底面(相当于楔形棱镜的底面)，在透光阶梯底面窄的透光平面下方，置有与透光阶梯底面平行的具有限制透光功能的光学薄膜或光学薄片，光学薄膜是指光反射膜或波长分光膜，光学薄片是指光反射薄片或有色滤光片。所谓“置有”是指以“镀”、“贴”、“夹”等方式将光学薄膜或光学薄片安置在透光阶梯底面窄的透光平面下方。

这时候有两种情况，当设置波长分光膜或干涉滤光片时将有一部分有色光线从透光阶梯的底面通过光学薄膜后射出(可以选择让某一颜色的光线通过)；当设置反射膜或反射薄片时，光线被反射出去，反射的方向由构成透光介质背面透光阶梯的一宽一窄两个相交的透光平面相交夹角来决定，当构成透光介质背面透光阶梯的一宽一窄两个相交透光平面的相交夹角是直角时，在透光阶梯的内部全部参与全反射的光线都将按其来的方向从阶梯透光介质正面反射回去，当构成阶梯透光介质背面透光阶梯的一宽一窄两个相交透光平面的相交夹角，与透光阶梯底面延长线跟阶梯透光介质的正面夹角相等时，在透光阶梯内部全部参与全反射的光线都将按与进来方向对称的方向从阶梯透光介质背面反射出去。

通过(一)和(二)的讨论可知，采用(二)中技术方案所述的阶梯透光介质能够实现本发明目的二的目标。

(三)，通过上述(一)中所见，光线在通过阶梯透光介质时会发生偏转，在有些情况下人们需要这种偏转，但大多数情况下人们不需要这种偏转，那么：由两面具有上述(二)中所描述的、或由两面分别具有上述(二)和上述(一)中所描述的阶梯透光介质复合而成的复合阶梯透光介质，能解决这一问题。复合时，阶梯透光介质的两个阶梯透光面相对、两个平面透光面相背，两个阶梯透光面上的阶梯排列方向相反，两个阶梯透光面之间有一定间隙；或者，复合时阶梯透光介质的两个平面透光面相对、两个阶梯透光面相背，两个阶梯透光面的阶梯排列方向相反，两个平面透光面之间有一定间隙。由于两个阶梯透光面的阶梯排列形状相同，但阶梯排列的方向相反，所以通过前一个阶梯透光介质的光线一旦以同一方式进入了后一个阶梯透光介质时，将按其在进入前一个透光阶梯内的光线行走路线相反的方式，从后一个透光阶梯中以相同的角度射出。另外还有另一种复合方式，它是由两面以上具有(一)或(二)中技术特征的，或具有前一种复合结构技术特征的阶梯透光介质叠加复合而成，叠加时，一个阶梯透光介质上透光阶梯的阶梯排列方向与另一个阶梯透光介质上透光阶梯的阶梯排列方向构成一定角度。由这种复合方式制成的透光介质叠合组，同时具有对来自两个以上方向入射角度的光线进行选择和限制能力，对光线入射角度的限制范围更宽。以上方法能够实现本发明目的三的目标。

(四)，由上述(一)至(三)中所知，以采光为主要作用的阶梯透光介质具有一些双平面透光介质所不具备的优点，但其本身也存在缺点。缺点之一是阶梯透光面为非平面，阶梯透光面上容易积攒灰尘，缺点之二是一般要用质地较软的透明材料制造，用质地较硬的无机玻璃制造相对困难一些，而质地较软的透明材料表面容易被划伤，时间一久其透明性能会受到影响。将其置于夹层玻璃板中则构成一种夹层阶梯透光玻璃板，夹层阶梯透光玻璃板的外层由两面平板玻璃构成，在夹层阶梯透光玻璃板的内层中至少有一层具有上述(一)至(三)中的特征所描述的阶梯透光介质，这种夹层阶梯透光玻璃板的特点在于，它即具备(一)至(三)中的某一独特优点，又利用平板玻璃的优点来克服了上述的缺点。当在夹层阶梯透光玻璃板的内层中除有一层以上的，具有上述(一)至(三)中技术特征所描述的阶梯透光介质外，还有一层起保温作用的中空隔离层时，则这种夹层阶梯透光玻璃板将既有防日晒功能，又有保温作用。以上是满足本发明目标四的措施。

(五)，由上述(一)至(三)中所见，阶梯透光介质表面结构的主要特点之一是，它背面是由具有对入射角度不同的光线加以选择并分光功能的透光阶梯构成的阶梯透光面，但其制造起来要比制造一个以平面为其背面的透光介质困难一些。那么，用一种楔形棱镜，它是由固体透明材料制成，楔形棱镜具有两个宽面和一个窄面的结构，两个宽面的夹角为顶角，一个窄面与顶角相对是楔形棱镜的底面，顶角的角度与楔形棱镜底面的宽度有关，楔形棱镜为长条形状，其顶角所对底面的横向长度超过底面竖向宽度的一百倍，将若干个这种长条的楔形棱镜平行排列、方向一致、首尾相接、角度相同，且一宽面紧贴在其前面的前后双平面透光介质后平面上时，即可制成与阶梯透光介质有相同功能的阶梯透光介质组。此正是本发明目的五的目标。

采用本发明的阶梯透光介质采光时可以整体改变光线的出射角度，当将其嵌在室内有阳光一面的采光窗上时，与普通玻璃比，倒用可以使阳光的光线照射到更远一些的地方，正用可以使阳光的光线照射到更近一些的地方，也可以使阳光照向左边或右边一些，在对阶梯透光介质结构表面或结构内部设置光学元件装置时，用其采集阳光光线有能对入射角度不同的光线加以选择的功能，可以针对面向阳光不同朝向的建筑根据人们的需要，制成使冬天阳光的光线通过窗户时顺利进入室内，使夏天(或夏天某一时段内)的阳光光线通过窗户时全部反射到天空中去；如用其作建筑物朝向阳光一面的外层或朝向阳光一面的玻璃幕墙的内衬时，则在冬天能充分发挥其采集阳光的作用，在夏天将充分发挥其反射阳光的作用。可节约许多能源。

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1是用以说明本发明原理的一个示意图；

图2是用以说明本发明原理的另一个示意图；

图3是本发明的一个实施实例示意图；

图4是用以说明本发明原理的又一个示意图；

图5是本发明的一个实例示意图；

图6是本发明的另一个实施实例示意图。

图中：1.阶梯透光介质、2.具有限制透光功能的光学薄膜或光学薄片、3.直角楔形棱镜、4.从正面逆向反射回去的光线、5.入射光线、6.出射光线。

在图1中，一束光线5从空中以60度的入射角进入光线折射率为1.51的，有(反时针方向)15度夹角的楔形棱镜3的正面内，然后，该束光线的出射光线6从3的背面以31度的折射角射出，与开始进入的入射光线5比较将有14度的偏转角。由图1可见棱镜可以实现令光线传递时偏转的目的。

在图2中，一束光线5从空中以60度的入射角进入光线折射率为1.51的有15度夹角的楔形棱镜3的正面内，然而，因为全反射的原因，该束光线5无法从楔形棱镜背面直接射出，而是在楔形棱镜的内部反射，最终光线从楔形棱镜的底面射出，图中6为其出射光线。将图1与图2结合可见，楔形棱镜还具有根据来自其正面入射角度不同的光线加以选择并能在其背面或底面给以分光的功能。

在图3中，一束光线5从空中以50度的入射角进入光线折射率为1.51的阶梯透光介质1中，构成透光介质1中的每一个透光阶梯的宽的透光平面延长线，与1的正面平面都有10度夹角，因为全反射的原因，该束光线5无法从透光介质1中的某一个透光阶梯的宽的透光平面下面直接射出，而是先在1的内部反射，最终光线从构成阶梯透光介质中的一个透光阶梯的窄的透光平面下射出，图中6为其出射光线。

在图4中，一束光线5从空中以50度的入射角进入光线折射率为1.51的有10度夹角的楔形棱镜3的正面内，同样，因为全反射的原因，该束光线5也无法从楔形棱镜背面直接射出，而是先在楔形棱镜3的内部反射，最终光线从楔形棱镜的底面射出，但在楔形棱镜3的底面后方，设置有与底面平行的具有限制透光功能的光学薄膜或光学薄片2，当2为波长分光膜或光色滤光片(干涉截止滤光片或干涉带通滤光片)时，图中6为出射后的有色光线；当2为光反射薄膜或光反射薄片时，在3内部全反射的光线从楔形棱镜的底面射出时遇见2后将按其来的方向逆向从楔形棱镜正面反射回去，见图中虚线4。

在图5中，附图示意的是一种由两个阶梯透光介质1复合而成的，复合阶梯透光介质，构成阶梯透光介质中的每一个透光阶梯的宽的透光平面延长线与其相对的平面透光面的夹角为7度，每一个透光阶梯的一宽一窄两个相交的透光平面的相交夹角是直角。阶梯透光介质1的光线折射率为1.51。两个阶梯透光介质1组合成了：两个阶梯透光面相对、两个平面透光面相背，两个阶梯透光面上的阶梯排列方向相反，两个阶梯透光面之间有一定间隙的结构。图中2为夹在两个透光阶梯底面之间的且与其平行的具有限制透光功能的光学薄膜或光学薄片，该复合阶梯透光介质对于入射角度介于89度至59度之间30度范围内的入射光线，有全部限制其通过或有选择的部分限制其通过的功能，而对于入射角度介于59度至-89度之间150度范围内的入射光线，则允许其全部通过。

在图6中，附图示意的复合阶梯透光介质的结构和性能与图5中所示相同，一束入射角度介于59度至-89度之间的光线5从空中以50度的入射角进入位于上面的阶梯透光介质1中，经过位于下面的阶梯透光介质1修正后，出射光线6的出射角仍然是50度。

Claims (9)

1.一种以采光为主要作用的表面有结构的透光介质，透光介质由固体透明材料制成，透光介质的表面分具有透光功能的正面和背面，透光介质的正面是一连续的透光平面，其技术特征是：透光介质的背面是由若干个相互平行排列的透光阶梯组成的阶梯透光面，在阶梯透光面上的每个透光阶梯都是由有规律的，一宽一窄两个相交的透光平面构成，两个相交透光平面的相交夹角在75度至95度之间，且其中构成透光阶梯的宽的透光平面的宽向延长线与透光介质正面的连续透光平面的相交夹角小于25度，当沿着垂直于透光阶梯的方向取得一主截面时，透光介质正面的透光平面为主截面内的一条连续直线，透光介质背面的阶梯透光面，在主截面内为与标志正面的直线相对的，若干个倾斜角度相同、方向一致的锯齿形状。

2.根据权利要求1中所述的，一种以采光为主要作用的表面有结构的透光介质，透光介质由固体透明材料制成，透光介质分具有透光功能的正面和背面，透光介质的正面是一连续的透光平面，透光介质的背面是由若干个相互平行排列的透光阶梯组成的阶梯透光面，阶梯透光面上的每个透光阶梯都是由有规律的，一宽一窄两个相交的透光平面构成，其技术特征是：构成透光介质背面透光阶梯的一宽一窄两个相交的透光平面的相交夹角是直角。

3.根据权利要求1或权利要求2中所述的一种以采光为主要作用的表面有结构的透光介质，透光介质由固体透明材料制成，透光介质分有透光功能的正面和背面，透光介质的正面是一连续的透光平面，透光介质的背面是由若干个相互平行排列的透光阶梯组成的阶梯透光面，其技术特征是：透光介质背面的阶梯透光面，是由一层平行排列的若干个方向一致、首尾相接、角度相同的长条楔形棱镜紧贴在其前面的前后双平面透光介质后平面上时构成的。

4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3中所述的，一种以采光为主要作用的表面有结构的透光介质，透光介质由固体透明材料制成，透光介质分有透光功能的正面和背面，透光介质的正面是一连续的透光平面，透光介质的背面是由若干个相互平行排列的透光阶梯组成的阶梯透光面，阶梯透光面上的每个透光阶梯都是由有规律的，一宽一窄两个相交的透光平面构成，将构成透光阶梯的宽的透光平面视为阶梯上部，则构成透光阶梯的窄的透光平面视为阶梯的底面，其技术特征是：在透光阶梯底面窄的透光平面下方，置有与透光阶梯底面平行的具有限制透光功能的光学薄膜或光学薄片，光学薄膜是指光反射膜或波长分光膜，光学薄片是指光反射薄片或有色滤光片。

5.一种复合阶梯透光介质，由两面透光介质构成，其技术特征是：它是由两面具有权利要求4、或权利要求4与权利要求2、或权利要求4与权利要求1中技术特征所描述的阶梯透光介质复合而成，复合时阶梯透光介质的两个阶梯透光面相对、两个平面透光面相背，两个阶梯透光面上的阶梯排列方向相反，两个阶梯透光面之间有一定间隙；或者，复合时阶梯透光介质的两个平面透光面相对、两个阶梯透光面相背，两个阶梯透光面上的阶梯排列方向相反，两个平面透光面之间有一定间隙。

6.一种复合阶梯透光介质，由两面以上透光介质构成，其技术特征是：它是由两面以上具有权利要求5或权利要求4或权利要求2或权利要求1中技术特征所描述的阶梯透光介质叠加复合而成，叠加复合时，一个阶梯透光介质上透光阶梯的阶梯排列方向与另一个阶梯透光介质上透光阶梯的阶梯排列方向构成一定角度。

7.一种夹层阶梯透光玻璃板，夹层阶梯透光玻璃板的外层由两面平板玻璃构成，其技术特征是：在夹层阶梯透光玻璃板的内层中有一层以上的具有权利要求6或权利要求5或权利要求4或权利要求2或权利要求1中技术特征所描述的阶梯透光介质。

8.根据权利要求7中所述的一种夹层阶梯透光玻璃板，夹层阶梯透光玻璃板的外层由两面平板玻璃构成，在夹层阶梯透光玻璃板的内层中有一层以上的具有权利要求6或权利要求5或权利要求4或权利要求2或权利要求1中技术特征所描述的阶梯透光介质，其技术特征是：在夹层阶梯透光玻璃板的内层中还有一层起保温作用的中空隔离层。

9.一种用于制造如权利要求3中所述的阶梯透光介质的长条楔形棱镜，由固体透明材料制成，楔形棱镜具有两个宽面和一个窄面的结构，两个宽面的夹角为顶角，一个窄面与顶角相对是楔形棱镜的底面，顶角的角度与楔形棱镜底面的宽度有关，其技术特征是：楔形棱镜为长条形状，其顶角所对底面的横向长度超过底面竖向宽度的一百倍。

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