TW201624021A - 用於重定向日光之光學結構 - Google Patents

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Abstract

本文揭示一種窗玻璃，其具有面陽之日光重定向光學結構，該等日光重定向光學結構上圖案化有內嵌式表面擴散器。該等光學結構大致上為線性且由重覆單位單元所形成。每一單位單元具有一基部、相對於該基部之二個或更多個尖峰，以及在該基部與該等尖峰之間的至少一彎曲側面。在該基部與該等尖峰間的其他側面可以是實質上平直的、彎曲的、或近似曲面的一連串刻面。

Description

用於重定向日光之光學結構
管理建築物裡的日光需要注意到建築美學與人性因素。日光重定向窗玻璃的度量需要這些可能相互競爭的設計條件。結合有日光重定向窗的特定地點之照明策略需要的是，極大化在該空間內多個位置的觀看者可得之可用日光，極小化有害眩光及/或照明色彩不平衡，且在一些實施例中極大化在眩光下觀看外部環境的視野。一個能達到平衡的方法是在窗玻璃上部分覆蓋日光重定向光學元件。部分覆蓋通常是藉由以日光重定向光學元件完全覆蓋高側天窗(clerestory windows)或區域，而剩餘的窗戶空間則不加以覆蓋之方式來達成。
符合本發明之用於重定向日光的第一光學結構包括：基部；至少二個尖峰；及延伸在該基部與該等尖峰之間的數個側面，其中該等側面中至少一者為彎曲的。
符合本發明之用於重定向日光的第二光學結構包括：基部；至少二個尖峰；及延伸在該基部與該等尖峰之間的數個側面，其中該等側面中至少一者為彎曲的，且該基部具有表面擴散器。
符合本發明之用於重定向日光的第三光學結構包括：基部；至少二個尖峰；延伸在該基部與該等尖峰之間的數個側面，其中該等側面中至少一者為彎曲的；以及位於該基部之相對於該等尖峰之一側面上的材料，其中該材料與該基部之間的介面形成擴散器。
10‧‧‧基板
12‧‧‧第一材料
14‧‧‧內嵌式表面擴散器
16‧‧‧第二材料
18‧‧‧日光重定向光學結構
隨附圖式併入並構成本說明書之一部分，且與詳細說明一起釋明本發明之優勢與理論。在圖式中，圖1為具有內嵌式表面擴散器的日光重定向光學結構之圖解；圖2繪示日光重定向光學結構的參考平面；圖3為雙尖峰光學結構設計的側面圖；圖4為圖3的雙尖峰設計在10度到45度之透射率分佈函數圖；圖5為圖3的雙尖峰設計在45度到80度之透射率分佈函數圖；圖6為圖3的雙尖峰設計之眩光、前向效率、及光上重定向與下重定向之圖；圖7為三尖峰光學結構設計的側面圖；圖8為圖7的三尖峰設計在10度到45度之透射率分佈函數圖；圖9為圖7的三尖峰設計在45度到80度之透射率分佈函數圖；圖10為圖7的三尖峰設計之眩光、前向效率、及光上重定向與下重定向之圖；圖11為另一個雙尖峰光學結構設計的側面圖；圖12為圖11的雙尖峰設計在10度到45度之透射率分佈函數圖；圖13為圖11的雙尖峰設計在45度到80度之透射率分佈函數圖； 圖14為圖11的雙尖峰設計之眩光、前向效率、及光上重定向與下重定向之圖；圖15繪示圖3所示的光重定向光學結構的角度；圖16繪示圖3所示具有整合式表面擴散器的光重定向光學結構；以及圖17繪示圖3所示的光重定向光學結構，其在基部處具有擴散器，且在擴散器相對於光重定向結構之側面上具有材料。
本發明的實施例包含一種新形式之窗玻璃，其具有面陽之日光重定向光學結構，該等日光重定向光學結構上圖案化有內嵌式表面擴散器。該等實施例包括光重定向結構，如下所述，該等光重定向結構是由大致線性單位單元(unit cells)所構成，該等單位單元各自具有基部、相對於該基部之二個或更多個尖峰、以及在該基部與該等尖峰間之至少一個彎曲側面。在該基部與該等尖峰間的其他側面可以是實質上平直的、彎曲的、或近似曲面的一連串刻面。
術語「實質上平直」係指幾乎平直的側面，但可能因製程引起之誤差而造成偏離直線、或可能刻意具有些微曲率(即，大半徑)以擴散重定向光。
日光重定向光學結構與用於該等結構的材料之實例(包括本文中所述者)揭示於標題為「Sun-Facing Light Redirecting Films with Reduced Glare」且於2014年10月20日申請之美國臨時專利申請案第62/066302號，該案以參照方式併入本文中，視同全文引用。 日光重定向光學結構之實例亦揭示於標題為「Optical Structures for Redirecting Daylight」且於2014年12月19日申請之美國臨時專利申請案第62/094626號，該案以參照方式併入本文中，視同全文引用。
所請求光學結構之說明
本文所揭示之圖案化光學多層可包括具有日光重定向結構的內嵌式表面擴散器，如圖1所繪示。圖1的複合物件包括基板10、第一材料12、內嵌式表面擴散器14、第二材料16、以及日光重定向光學結構18。基板10可以用例如玻璃或用於附貼於窗玻璃上之可撓性透明薄膜來實施。
可能的日光重定向結構包括多尖峰函數，其側面是實質上平直的、彎曲的、或是刻面的，其中呈刻面之數個側面可近似一曲面。曲面形態可包括但不限於Bezier曲線。週期性結構可具有每週期一個或多個尖峰。每週期的尖峰數量可大於二個。所揭示的光學結構已使用特定材料組合使日光重定向最佳化。
日光重定向玻璃之所要特性
假定使用的是包含覆蓋有日光重定向光學元件的區域及未覆蓋有日光重定向光學元件的區域之玻璃組合來提供一空間的陽光照明。為了平衡由日光重定向窗所照亮空間內的可用日光，入射於玻璃上之陽光應主要被深入地重定向至經平面窗直接透射之光線所無法到達的照亮空間中。語句「主要被深入地重定向至照亮空間中」意 指，以略高於垂直於入射平面的水平平面之角度重定向，但不以接近窗戶平面的角度重定向。接近窗戶平面的角度係指經直接重定向為主要是向上的光，而不是向外。圖2繪示此發明的參考平面。參考平面包括水平平面20、窗戶平面22、具有太陽仰角θ s 與方位角φ s 的入射平面24，以及垂直平面26。
為了消除有害眩光，陽光不應被重定向至垂直於入射平面的水平平面之正下方。為了提供部分光給較靠近窗戶的觀看者及/或工作表面，部分入射陽光可能以相對陡峭的角度重定向到垂直於入射平面的水平平面之下。
實例的材料度量與適配
日光重定向結構材料(圖1之材料16)與內嵌式擴散器填料(圖1之材料12)的折射率是使用具有三個個別波長(分別為藍、綠、及紅範圍之404、532、及632奈米)的Metricon稜鏡耦合器(Metricon Corp.,Pennington,New Jersey)進行測量。鹼石灰窗玻璃的折射率測量值取自於太陽能文獻。對這三種材料而言，LightTools產品中可用之三條件Laurent模型(three term Laurent model)係適配用於使用線性最小平方所測量的數值相對於波長。折射率量測的適配演算法是使用MATLAB產品寫出。
所測量之用於日光重定向結構的例示性材料為SA-250P(Nagase & CO.,LTD,Tokyo,Japan)。用於內嵌式擴散器填料/黏著劑的例示性材料為2013黏著劑(Dow Corning,Midland,Michigan)。
實例中用於驗證模型化之內嵌式表面擴散器
在驗證階段，利用經圖案化於緊密堆積(close packing)之六方晶格上的沉陷半球凸塊(sunken hemispherical bump)，對內嵌式擴散器結構進行模型化。沉陷微球體超出擴散器平面之部分的高度(凸塊高度)經設定為微球體半徑的0.2975倍。表面法線與擴散器平面之法線間的RMS角經計算後約為27.8度。具有日光重定向結構材料的光學堆疊之適光霧度(photopic haze)利用射束覓跡(ray tracing)以材料模型計算得出約為80%，該日光重定向結構材料的內部經圖案化有測試內嵌式擴散器結構、填以內嵌式擴散器填料黏著劑、並黏合於鹼石灰玻璃上。可使用隨機、偽隨機、或確定性的通常建造之擴散器表面做為內嵌式擴散器。
設計實例1-雙尖峰日光重定向光學件
針對例示性材料組建立雙尖峰設計。函數之一個週期的設計形狀繪示於圖3。圖3所設計及繪示的形狀之空間維度是藉由節距T正規化。為了驗證，針對一組從10度到80度範圍內每次遞增5度的入射仰角，以90度方位角計算雙尖峰設計的透光率分佈函數。圖4繪示雙尖峰設計的垂直出射平面中10度到45度之入射仰角下的透光率分佈函數，且圖5繪示其在45度到80度入射仰角下的透光率分佈函數。由圖4及圖5可看出，只有極少的光在形式眩光(formal glare)範圍內透射出。圖6繪示相對於入射仰角的眩光分率、前向效率、及 經重定向於水平平面上方與下方(上與下)的光之前向效率。所有入射仰角的眩光分率都在0.1下方，且所有小於70度入射仰角的前向效率都大於0.7。結構在70度時出現前向效率崩潰。雙尖峰設計在入射仰角到達80度前都沒有明顯的顏色失真。
設計實例2-三尖峰日光重定向光學件
針對例示性材料組建立三尖峰設計，繪示於圖7。如前一實例，所設計及繪示之形狀的空間維度是藉由節距T正規化。如前一實例，為了驗證，針對一組從10度到80度範圍內每次遞增5度的入射仰角，以90度方位角計算三尖峰設計的透光率分佈函數。圖8繪示三尖峰設計的垂直出射平面中10度到45度之入射仰角下的透光率分佈函數，且圖9繪示其在45度到80度入射仰角下的透光率分佈函數。由圖8及圖9可看出，在15度到75度的入射仰角間，只有極少的光在形式眩光範圍內透射出，但在所測試仰角之下方與上方範圍內有出現一些眩光。圖10繪示相對於入射仰角的眩光分率、前向效率、及經重定向於水平平面上方與下方(上與下)的光之前向效率。所有在15度到75度間的入射仰角的眩光分率都在0.1下方，且所有小於70度入射仰角的前向效率都大於0.65。結構在70度時出現前向效率崩潰，但該崩潰不如前一實例中的雙尖峰設計般嚴重。
三尖峰設計在入射仰角到達80度前都沒有明顯的顏色失真。80度時的顏色失真程度比雙尖峰設計低得多，且相較於雙尖峰 設計在80度時因損失藍光而出現的明顯橘色，其顏色可為白得足以讓人接受。
設計實例3-雙尖峰日光重定向光學件
針對例示性材料組建立另一雙尖峰設計。函數之一個週期的設計形狀繪示於圖11。圖11所設計及繪示的形狀之空間維度是藉由節距T正規化。為了驗證，針對一組從10度到80度範圍內每次遞增5度的入射仰角，以90度方位角計算雙尖峰設計的透光率分佈函數。圖12繪示雙尖峰設計的垂直出射平面中10度到45度之入射仰角下的透光率分佈函數，且圖13繪示其在45度到80度入射仰角下的透光率分佈函數。由圖12及圖13可看出，只有極少的光在形式眩光範圍內透射出。圖14繪示相對於入射仰角的眩光分率、前向效率、及經重定向於水平平面上方與下方(上與下)的光之前向效率。
例示性實施例
圖15繪示對應於圖3所示的光重定向結構的多尖峰單位單元的角度。圖16繪示圖3所示的光重定向結構，其於基部處具有擴散器，例如一粗糙化表面。圖17繪示圖3所示的光重定向結構，其於基部處具有擴散器，且在擴散器之相對於光重定向結構的一側面上具有材料，其中該材料的折射率與光重定向結構材料不同。
圖15至圖17及圖7與圖11所示的單位單元可以在整個窗戶或其離散區域上重複設置，其中該等特徵面向太陽以便透過窗 戶將日光重定向，如圖1所繪示。這些結構通常為線性，且單位單元為結構的剖面視圖。
本文所述的光學結構在側面上的至少一點的每間距曲率半徑可小於1.0，或小於2.0，或小於5.0，或小於10.0，或小於20.0。
以下為可作為光學結構回填物的例示性材料：固化矽倍半氧烷，其包含SSQ 60%苯、40%乙烯及聚矽氧烷共聚物HSi(MeHSi-O)(PhMeSi-O)SiH(Gelest HPM-502,75-110cst)；固化矽倍半氧烷系統，其包含SSQ 70%苯、20%異丁基、10%乙烯及聚矽氧烷共聚物HSi(MeHSi-O)(PhMeSi-O)SiH(Gelest HPM-502,75-110cst)；以及固化矽倍半氧烷系統，其包含SSQ 80%甲基、20%乙烯、經SiH封端之PDMS(Gelest DMS-H03 2-3cst)及經PDMS表面處理的氧化鋯。矽氧烷聚乙二醯胺材料可用做光學結構的黏著劑。
10‧‧‧基板
12‧‧‧第一材料
14‧‧‧內嵌式表面擴散器
16‧‧‧第二材料
18‧‧‧日光重定向光學結構

Claims (16)

  1. 一種用於重定向日光的光學結構，其包含：基部；至少二個尖峰；以及延伸在該基部與該等尖峰之間的數個側面，其中該等側面中之至少一者為彎曲的。
  2. 如請求項1之光學結構，其中該等側面中之另一者為實質上平直的。
  3. 如請求項1之光學結構，其中該等側面中之另一者包含近似曲面的一連串刻面。
  4. 如請求項1之光學結構，其中該二個尖峰具有從該基部起之不同高度。
  5. 如請求項1之光學結構，其進一步包含三個尖峰，及延伸在該基部與該三個尖峰之間的數個側面。
  6. 如請求項5之光學結構，其中該三個尖峰中的每一者所具有之從該基部起之高度皆不同於其他二個尖峰。
  7. 一種用於重定向日光的光學結構，其包含：基部；至少二個尖峰；以及延伸在該基部與該等尖峰之間的數個側面，其中該等側面中之至少一者為彎曲的，且該基部具有表面擴散器。
  8. 如請求項7之光學結構，其中該等側面中之另一者為實質上平直的。
  9. 如請求項7之光學結構，其中該等側面中之另一者包含近似曲面之一連串刻面。
  10. 如請求項7之光學結構，其中該表面擴散器包含該基部的粗糙化表面。
  11. 如請求項7之光學結構，其中該二個尖峰具有從該基部起之不同高度。
  12. 一種用於重定向日光的光學結構，其包含：基部；至少二個尖峰；延伸在該基部與該等尖峰之間的數個側面，其中該等側面中之至少一者為彎曲的；以及位於該基部之相對於該等尖峰之一側面上的材料，其中該材料與該基部之間的介面形成擴散器。
  13. 如請求項12之光學結構，其中該等側面中之另一者為實質上平直的。
  14. 如請求項12之光學結構，其中該等側面中之另一者包含近似曲面之一連串刻面。
  15. 如請求項12之光學結構，其中該材料具有不同於該基部的折射率。
  16. 如請求項12之光學結構，其中該二個尖峰具有從該基部起之不同高度。
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