JP5508255B2 - 光拡散用サブ格子のアレイ - Google Patents

Description

本発明は、外部から到来する光を内部の要求される方向に、一般に天井の方向に方向変換させることができるフィーチャー（feature）を備えるガラス取付け材（glazing）の構造の分野に関連する。このタイプのガラス取付け材は、可視の太陽光を屈折させるときに、一般に「昼光照明」用として適用される。

このタイプのガラス取付け材は、外光を内部で一層効率的に使用して人工の照明を節減することができる理由から、一般にエネルギー節減に貢献するものとして考えられる。

米国特許第５００９４８４号の明細書は、レリーフ（relief）内の平行線からなる回折格子を含むガラス取付け材（glazing）の内容を示唆する。上記明細書は、格子が、色分離を生じさせる光回折を通常導くことを示唆する。この分離効果は、必ずしも必要ではない。この分離現象の範囲を制限するために、上記明細書は、３原色を垂直方向に並置し、しかも、現れる３原色の光線が、天井で再度混合されて無色の照射範囲を再生するように並置することを推奨する（図３参照）。連続する３つの格子は、異なる周期性を有し、この周期は、単調に、かつ正確なオーダーに従って変化する。また、上記明細書は、連続する３つの格子を、単一の格子に置き換えることが可能であり、単一格子の周期性は、単一格子の一方の端部から別端まで単調に変化するものであることを示唆する。本願が示唆する解決方法は、虹色の形成を防ぐだけではなく、ある範囲内で有効となるものである。更に、本明細書において、解決のフィーチャー（feature）は、傾斜し、可能な限り変化し、かつ変化可能な深さを有することで、この深さが、広い領域で低コストでの工業上の生産を非常に難しくしている。

本発明は、表面格子に関連し、この格子は、光の種々の色からの明らかな分離を制限し、入射光と実質的に同一となる配色（一般に天井での配色）を持つ照明を導くようにして、屈折光による明らかな虹色が顕著にならないようにする。故に、入射光が、裸眼に対して無色のとき、出現する光も無色となる。屈折光は、格子の一次（一般に、格子は一次）において、また無色であることが要求される。何故なら、屈折光は、種々の分離された照明帯域を生成（光が天井に投影されたとき、天井で生成）する一方で、この照明帯域のいくつかは、思慮深く配置されないので、更に美しくなくなる可能性があるからである。

本発明の基材は、透明であり、透明とは、観察者が、視角内に見るものは何でも基材を介して鮮明に見ることができることを意味する。

本発明において、格子が、透明な基材の表面上に、該表面とは並行な方向において生成される。この格子は、複数のフィーチャー（features）との平行線を構成する、少なくとも１０個の並置されたサブ格子を含む光拡散アレイであり、上記フィーチャーは、フィーチャーの屈折率とは異なる屈折率を持つドメイン（domains）によって分離されて、各サブ格子は、周期Ｐで等しく繰り返す連続の少なくとも２０個の同一フィーチャーを含み、上記周期は、サブ格子の組の一方の端部から別の端部まで、非単調に変化する。

本発明の範囲内において、拡散の概念は、屈折光に適用され、格子全体（全サブ格子を含む格子）に関連する。

本発明において、透明基材の表面上に、少なくとも２つの屈折率Ｒ１およびＲ２が交互となる格子が生成され、該格子は、屈折率Ｒ２の線形の基本的ドメインによって分離される屈折率Ｒ１の線形の基本的フィーチャーと、屈折率Ｒ２の線形の基本的ドメインとによって交互になっており、基本的ドメインおよび基本的フィーチャーは、幾何学的に相互に補完される。上記基本的ドメインおよび上記基本的フィーチャーは、互いに適合しているので幾何学的に補完される。その理由は、複数の屈折率Ｒ２のドメインが、各フィーチャー間に存在する空間のすべてを満たすので、屈折率Ｒ１のフィーチャーを幾何学的に規定するだけで充分になるからである。フィーチャーの幾何学的内容は、基材に平行な幅Ｌ、サブ格子内で繰り返される周期、およびフィーチャーの深さｈによって、具体的に規定される。用語「周期」の使用は、各サブ格子の内で、各フィーチャーが同一であり、隣り合うフィーチャー間の距離が一定であり、この周期に等しいことを明らかに示している。

本発明において、格子は、並置するために異なる周期を有する多数のサブ格子を含み、上記サブ格子は、上記格子内に分散された形で配置され、発生した種々の光線を混同させ、特定のいかなる配色が無い状態で無色の照明を生み出すように配置される。

本発明において、隣接するサブ格子の周期Ｐは、格子の１つの端部から別の端部まで、非単調に変化する（すなわち、サブ格子の組毎に変化）。用語「非単調」は、上記周期が、格子が１つの端部から別の端部まで進行するにつれて、単純に増加または減少することでないことを意味する。むしろ、上記周期Ｐは、格子の１つの端部から別の端部まで通過するときに、より高い値から、より低い値へと交互に変化する。

本発明による１０個のサブ格子（sub-grating）のアレイ（array）を表面に備える透明基材の断面を示す図である。 本発明による１３個のサブ格子のアレイを上部に備えるガラス取付け材のユニットを示す図である。

周期Ｐは、格子の１つの端部から別の端部の間で変化し、平均周期Ｐｍは、隣接するフィーチャーの重心間の距離の合計に対する格子全体のフィーチャーの合計数（すなわち、並置されたサブ格子の全部の組）の比として規定される。具体的には、周期Ｐは、好ましくは、Ｐｍより少なくともｎ回大きく、およびＰｍより少なくともｎ回小さく、Ｐｍを超える周期の２つのサブ格子は、Ｐｍに満たない周期の少なくとも１つのサブ格子によって分離され、Ｐｍに満たない周期の２つのサブ格子は、Ｐｍを超える周期の少なくとも１つのサブ格子によって分離され、ｎは、２に等しいかまたは超える整数であり、特別に、３に等しいかまたは超える整数であり、または４に等しいかまたは超える整数であり、更には５に等しいかまたは超える整数である。このことは、Ｐが、Ｐｍから少なくとも２ｎ回離れることを意味し、具体的には最小相違ｙに対して、Ｐｍ＋ｙを少なくともｎ回上回り、値Ｐｍ−ｙをｎ回下回り、上記値ｙは、屈折を要求される波長に依存するが、一般的には少なくとも５％Ｐｍであり、更に一般的であるには少なくとも１０％Ｐｍであることを意味する。

格子の１つの端部から別の端部までの周期Ｐにおける変化は、更に強調することができる。また、Ｐ内の変動は、格子が１つの端部から別の端部に進行するのに従い、決定することができ、かつ追従させることができ、例えば値Ｐｍ周辺の正弦波曲線で追従させることができる。しかし、上記振動は、好ましいことに独立している。上記振動は、ランダムにすることも可能である。ランダムなケースでは、Ｐｍ周辺のＰの分布を表す曲線は、ガウス曲線のタイプになる。

周期Ｐは、Ｐｍ周辺で変化し、一般にはＰｍ＋ｘおよびＰｍ−ｘの範囲内に留まり、この値ｘは、屈折させるのに望ましい周波数に依存する。ｘは、一般に多くても５０％Ｐｍであり、より一般には、ｘは、多くても２０％Ｐｍである。

各サブ格子は、少なくとも２０個の連続する周期Ｐで繰り返す同一フィーチャーを含み、周期Ｐは、すなわち２つの連続するフィーチャー間の距離である。各サブ格子は、より一般には、全体として少なくとも１００個の連続する同一フィーチャーを含み、更に少なくとも５００個の連続する同一フィーチャーを含む。

各サブ格子は、一般に０.１ｍｍから１２ｍｍまでの間の高さを有し、より一般には、３ｍｍから１０ｍｍまでの間の高さを有する。この高さは、サブ格子内に含まれるフィーチャーの数に乗じた問題内のサブ格子の特性周期に対応する。

本発明による格子は、一般に並置したサブ格子を４０個から１００００個まで含み、さらに一般には、並置したサブ格子を１００個から５０００個まで含み、かつ複数のフィーチャー間のラインとは、平行である。

平均周期Ｐｍは、屈折させてほしい放射光の波長オーダーの値を有している。同様なことが、各サブ格子の周期Ｐに関しても適用される。

放射線は、実質的に以下の波長を有している。
紫外線：１５０ｎｍ〜４００ｎｍ
可視線：４００ｎｍ〜８００ｎｍ
赤外線：８００ｎｍ〜１００μｍ

サブ格子が何であろうと、サブ格子の周期Ｐは、屈折が要求される波長の１/２倍から２倍の間で選択される。従って、値Ｐは、常に７５ｎｍから２００μｍまでの間に存在する。一般に、サブ格子が何であろうと、Ｐは、１００ｎｍから２０μｍまでの間に存在する。

可視光が屈折を要求されるとき、サブ格子の周期Ｐ（従って、Ｐｍ）は、好ましくは２００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲内で選択され、さらに好ましくは３００ｎｍから５００ｎｍまでの範囲内で選択される。

フィーチャーが、傾斜することを除外しているわけではないが、フィーチャーは、一般に非傾斜（当業者は「ブレーズド（blazed）」と呼ぶ）であって、換言すると、フィーチャーは、基材に垂直な直線に対して対称で、フィーチャーの重心を通過する。

一般に、フィーチャーの幅Ｌは、０.１Ｐｍから０.９Ｐｍまでの範囲内にあって、また好ましくは、０.４Ｐｍから０.６Ｐｍまでの範囲内にある。

一般に、フィーチャーの深さに対する幅Ｌの比率は、０.２から５までの範囲内にあって、また好ましくは０.４から２までの範囲内にある。

１つの直線が、フィーチャーの重力の中心を通過しながら、基材に平行して追従するとき、この直線は、フィーチャーの屈折率Ｒ１、およびフィーチャー間のドメインの屈折率Ｒ２を連続して通過することになる。具体的には、フィーチャーを、ガラスにすることができ、ドメインを、空気にすることができる。この場合、ガラス内の突起部分が、ガラス基材の表面上にあるフィーチャーとして製作される。空気が、フィーチャーと、自然に構成されたドメインとの間の空間を満たすことになる。このとき、屈折率Ｒ１は、ガラスの屈折率で、例えば１.５であり、屈折率Ｒ２は、空気の屈折率で、すなわち１である。この実施例において、フィーチャーは、基材の表面にあるレリーフ内に製作される。しかし、フィーチャーからドメインへの移行は、レリーフ内の部分に相当しない屈折率で変化に対応させることができる。実際には、屈折率の変化は、表面での接触が滑らかな方法で、１つ材質を別の材質内に瓦状に重ねるようにして２つの異なる材質から構成することができる。このような交互になる材質を製作することは、具体的には、イオン交換技術、または光屈折効果および電気光学効果をベースとした技術によって可能である。

フィーチャーおよびドメインの屈折率は、１から２.２までに拡大させることができる。一般に、フィーチャーは、１.１から１.８までの範囲内の屈折率を有することができる。一般に、ドメインは、１から１.５までの範囲内の屈折率を有することができる。

上記２つの屈折率（フィーチャーおよびドメインの屈折率）の相違は、一般に０.０２から１.５までの間にすることができる。

一般に、ドメインが空気のとき、フィーチャーは、ドメインの屈折率よりも大きい屈折率を有することになる。

ガラス取付け材は、本質的に建物に取り付けるものなので、ガラス取付け材を構成する材料（基材、および可能な限り基材に付加できる部品）は、要求の透明性を満足する範囲内で選択される。

本発明による格子は、具体的には昼光照明の応用に役立つものである。この場合、一般に格子は、ガラス取付け材の垂直方向の品目の上に配置され、この結果、フィーチャーのラインは、水平方向になる。フィーチャーのラインが斜めになることを排除する必要はない。格子は、一般にガラス取付け材の少なくとも１０ｃｍの高さを占め、更に一般には、ガラス取付け材の少なくとも２０ｃｍの高さを占め、更に一般には、ガラス取付け材の全体幅をも占める。従って、各サブ格子は、ガラス取付け材の全体幅を有することになる。一般に、全部のサブ格子が、同一の高さを有するが、サブ格子が、異なる高さを有することを排除する必要はない。

フィーチャーは、ガラス取付け材の表面上に配置することができ、ガラス取付け材の表面が入射光を受けるか、またはガラス取付け材の表面から光が現れる（ガラス表面を建物の内側に向けた場合）。

本発明による格子は、一般に次の技術によって製作される。すなわち、エンボス加工、フォトリソグラフィー、輸送（transfer）、イオン交換、光屈折効果または電気光学効果によって製作される。

第１の方法は、ガラスから製作された特定なものにおいて、透明シート（基材）に付加したゾルゲル層またはポリマーをエンボス加工することを含む。エンボス加工は、構造化用エレメントとの接触によって生成される塑性変形または粘塑性変形であり、このようなエレメントとは、例えばローラーであって、ローラーには圧力がいっせいに加わる。使用可能なゾルゲル層とは、一般に鉱物酸化物の先駆物質の液体層であって、Ｓ_iＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔ_iＯ₂等であり、例えばこれらを水とアルコールとの混合液内で溶解させる。上記ゾルゲル層を、補助的加熱手段を使用するかまたは不使用しないで、乾燥により硬化させる。Ｓ_iＯ₂の先駆物質は、言及すれば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）またはメチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＯＳ）から製作することができる。有機機能グループは、上記先駆物質に含むことができ、さらに最終的にシリカを得ることができる。一例として、フルオロシランは、疎水性コーティングを得るためのものとして欧州特許第７９９８７３号明細書内に記載されている。エンボス加工は、以下のポリマー層の上で実施することができる。
ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、
ポリスチレン、
ポリアクリル塩酸で、例えば、ポリメチル・メタクリレート、ポリアクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸、ポリ（２−メタクリル酸ヒドロキシエチル）、およびそれらの共重合体、
ポリエポキシ（ｍｅｔｈ）アクリレート、
ポリウレタン（ｍｅｔｈ）アクリレート、
ポリイミドで、例えば、ポリメチルグルタルイミド（polymethylglutarimide）、
ポリビニル・エーテル、
ポリビスベンゾチクロブテネス（polybisbenzocyclobutenes）、他
上記を、単独またはいくつかの共重合体若しくは混合体として使用する。

いくつかのケースにおいて、エンボス加工に、エッチング加工が追従されることがある。エンボス加工されたゾルゲル層またはポリマー層は、最初に、レリーフ内の上記フィーチャーの深部で、下部にある透明シートの材質が再び現れるまでエッチングされ、次に上位部分がエッチングされ、上位部分がある限り徐々にエッチングされる。こうして、エッチング終了時に得られる多少の不規則な表面は、追加されるゾルゲル層またはポリマー層内で完全に成形することができる。または、上記表面は、部分的にゾルゲル層等で成形し、および部分的に透明シートで成形する、さもなければ、上記表面は、透明シートで全体を成形することもできる。エッチング加工の条件は、得られた表面が、本発明の装置内の規定を満たす寸法でレリーフ内にフィーチャーを有するように調整するべきである。

エッチング方法として、言及すれば以下についてすることができる。
化学的エッチングで、酸による部分的なエッチング、
反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）または反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、
プラズマまたは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング、

エンボス加工の方法は、比較的大きなエリアについて実施するのに短時間処理を可能にし、適切なコストでの実施を可能にする。

本発明による格子の製作において、別の実施可能な方法として、フォトリソグラフィーが含まれる。一般に、この方法は、最初に第１層を含む透明基材を提供することにあり、第１層内に、レリーフ内フィーチャーを形成することができる。この第１層は、エンボス加工における追加のゾルゲル層またはポリマー層に相当する。更に、第１層は、これと同一の性質、具体的にはシリカと同一の性質にすることができる。この方法の第２のステップにおいて、フォトレジストからなる第２層が配置される。第２層は、標的放射への露光によって、所定の場所において除去される。従って、マスクが、フォトレジストの未処理部分が除去された後に、エッチングされる第１層の上になされる。そして、エッチングは、エンボス加工の追加ステップとの関連で上記に述べた同様な方法で発生させることになる。感光性樹脂の残留物すべてを、除去することができる。

本発明による格子製作ための別の方法は、ナノ構造の層の移動を含む。第１の支持部分に付着した層が、本発明によるデバイスを構築するために、第２の支持部分に付着する。この層は、プラスチックまたは類似材料で製作することができる。

使用可能な別の方法は、イオン交換をベースとしており、例えば、ミネラルガラス（mineral glass）内のＮａ⁺イオンをＡｇ⁺イオンで交換する。

最後になるが、光屈折効果を使用することが可能であり、光屈折効果において、変調された光が、物質（例えば、チタン酸バリウムの光屈折結晶）の屈折率での空間変調を誘導させることが可能である。また、磁界が、物質の屈折率に対して空間変調を誘導させる電気光学効果を使用することも可能である。

図１は、本発明による拡散格子を提供されたセクション内の透明基材を示す。この格子は、建物用のガラス取付け材ユニットの上位部分に配置される。基材１は、その表面に、正方形断面のフィーチャーＰによる、多数の水平方向の平行線を含む。そして、各フィーチャーは、図１の垂直方向に、直線であり、かつ平行である。従って、各フィーチャーは、ガラス取付け材の幅にほぼ対応している長さの平行六面体であり、各フィーチャーは、幅Ｌ、深さｈの平行六面体である。格子は、１０個の並置された連続のサブ格子からなり、各サブ格子は、Ｐ₁からＰ₁₀で表示される個々の周期を有している。サブ格子の２つを拡大しており、拡大の各々は、周期Ｐ３およびＰ８を有しており、そして各々のセクションでフィーチャーを見えるようにしている。フィーチャーのセクションは、正方形（Ｌ＝ｈ）であり、隣接する２つのフィーチャーの同一点（例えば、重心）間の距離が、各々においてＰ₃およびＰ₈となる。図１のフィーチャーの重心は、フィーチャーのセクションを表す正方形の対角線の交点である。２つの拡大したサブ格子は、各々２０個のフィーチャーを含む。各サブ格子において、フィーチャーは同一であり、周期を規定する所定の値で分離され、この周期は、１つのサブ格子から別のサブ格子までの間で変化し、具体的には、Ｐ₈は、Ｐ₃よりも大きい。フィーチャーは、屈折率Ｒ１を有する。各フィーチャーは、空気で分離されており、従って、空気は、フィーチャーの間にドメインを構成する。空気によるドメインは、屈折率Ｒ２を有し、この屈折率の値は、通常ほぼ１である。点線の垂直線ＡＡ’が、周期Ｐ₃のサブ格子のフィーチャーの重心を通過している。

図２は、ミネラルガラスから製作されたガラス取付け材ユニット２を示し、このユニットは、建物の窓において垂直方向に取り付けすることができる。ガラス取付け材ユニットの上位部分は、本発明による１３個のサブ格子のアレイ３と共に提供される。サブ格子のフィーチャーは、水平線として見られる。サブ格子は、全部がガラス取付け材の全体幅を有し、全部が同一の高さを有する。サブ格子は、サブ格子のアレイの１つの端部Ｂからサブ格子のアレイの別の端部Ｂ’に移動するとき、周期に応じて離れた距離で互いに並置されているのを見ることができる。勿論、この図は、ガラス取付け材において各サブ格子が互いに対してどう位置するかを示すために、単純化した定性的表現である。故に、サブ格子の寸法およびフィーチャーの線の寸法は、現品には対応していない。

実施例１（比較用）
シリカの３６０ｎｍの薄い層を、サンゴバン・ガラス・フランス社（Saint-Gobain Glass France.）によって市場販売されている商品名「Planilux」のガラス取付け材の品目の上位部分を占める５０ｃｍにおいて、ソルゲル法によって配置した。当業者に既知の方法で、レリーフ内の線形フィーチャーの構造が、深さ３６０ｎｍおよび幅２００ｎｍになるように製作した。フィーチャーは、フィルムの面に対して垂直であった。フィーチャーの重力の中心間の分離距離は、格子の１つの端部から他の端部まで通過（すなわち、格子を５０ｃｍに亘って移動）するとき、３００ｎｍから５００ｎｍまで徐々に経過させた。ガラス取付け材は、外部壁の窓として配置された。ガラス取付け材は、外部から入射してきた光を天井の方向に方向変換させたが、虹色が見られた。

実施例２
実施手順は、実施例１と同一にしたが、ただし、構造は、平均周期４００ｎｍの５０個のサブ格子からなるようにした。周期は、サブ格子の１つの端部から他の端部までで、３００ｎｍから５０００ｎｍまでの間でランダムに変化させた。虹色を示すものは観測されなかった。

Claims (13)

1. 表面上に光拡散アレイを含む、透明基材であって、
   前記光拡散アレイは、複数のフィーチャーに平行する線上に並置された、少なくとも１０個のサブ格子を含み、
   前記フィーチャーは、前記フィーチャーの屈折率とは異なる屈折率を有するドメインによって分離され、
   前記サブ格子の各々は、周期Ｐで等しく分離され、かつ少なくとも２０個の連続して繰り返される同一の前記フィーチャーを含み、
   前記周期は、前記サブ格子アレイの一つの端部から別の端部まで非単調に変化する、透明基材。
2. Ｐｍが、前記サブ格子のアレイの平均周期のとき、周期Ｐは、Ｐｍより少なくともｎ回大きく、およびＰｍより少なくともｎ回小さく、Ｐｍより大きい周期の２つのサブ格子は、Ｐｍより小さい周期の少なくとも１つのサブ格子によって分離され、Ｐｍより小さい周期の２つのサブ格子は、Ｐｍより大きい周期の少なくとも１つのサブ格子によって分離され、ｎは、２に等しいかまたは超える整数であることを特徴とする、請求項１に記載の基材。
3. Ｐは、Ｐｍとは最小量ｙまで少なくとも２ｎ回異なり、Ｐが、値Ｐｍ＋ｙをｎ回上回り、および値Ｐｍ−ｙをｎ回下回るように、前記値ｙが少なくとも５％Ｐｍであることを特徴とする、請求項２に記載の基材。
4. ｙが、少なくとも１０％Ｐｍであることを特徴とする、請求項３に記載の基材。
5. ｎが、３を超えるかまたは３に等しいことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の基材。
6. Ｐは、Ｐｍ周辺で変化し、Ｐｍ＋ｘとＰｍ−ｘとの間に留まるとき、ｘは、多くても５０％Ｐｍであることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の基材。
7. ｘが、多くても２０％Ｐｍであることを特徴とする、請求項６に記載の基材。
8. 前記サブ格子の各々が、少なくとも２０個のフィーチャーを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の基材。
9. 前記アレイが、４０個から１００００個までのサブ格子を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の基材。
10. 前記アレイのいずれのサブ格子にとっても、Ｐが７５ｎｍから２００μｍまでの間にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の基材。
11. 前記アレイのいずれのサブ格子にとっても、Ｐが１００ｎｍから２０μｍまでの間にあることを特徴とする、請求項１０に記載の基材。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の基材を有する窓。
13. 太陽光を天井に向け直すために、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の基材を使用する方法。

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