專利名稱：多反射光定向膜的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及所有需要同時(shí)提高入射光(可見光到紅外光)在一個(gè)方向的反射率和在相反方向的透射率的應(yīng)用。即一側(cè)的反射率和另一側(cè)的透射率的和大于1.0。這種膜在下文中稱作多反射體(multi-flector)。
一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是用于太陽(yáng)能采集，在面向太陽(yáng)的方向光的透射率達(dá)到最大(反射率達(dá)到最小)，在面向采集器的方向反射率達(dá)到最大(透射率達(dá)到最小)。本發(fā)明大大增加了此類設(shè)備中保持能量的程度。此外，本發(fā)明可以用作使用太陽(yáng)能產(chǎn)生部分或全部動(dòng)力的加熱、冷卻和/或發(fā)電系統(tǒng)的一部分。本發(fā)明將增加太陽(yáng)能采集器的效率，從而減少礦物燃料的使用。
第二個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域包括用于任一種無(wú)發(fā)射顯示技術(shù)—-例如電化鉻、鐵電、鐵磁、電磁和液晶——其中需要既使用外部產(chǎn)生的(環(huán)境)光，又使用內(nèi)部產(chǎn)生的(人造)光。膜替換了無(wú)發(fā)射顯示器的透射反射/反射/透射元件，其中所替換的元件或是與內(nèi)部產(chǎn)生的光(背景光)無(wú)關(guān)，或完全依靠它。使用這種膜使亮度由人造光和環(huán)境光同時(shí)起作用，這樣系統(tǒng)將達(dá)到電能使用的大大減少。在使用電池部分或全部供電的系統(tǒng)中，電池的壽命將增加174％。
第三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域包括建筑材料，其中可以使用膜來(lái)定向光源(例如窗戶或日光)發(fā)出的光，而同時(shí)反射房屋或建筑物的環(huán)境光。
現(xiàn)有技術(shù)背景描述太陽(yáng)能采集器用于太陽(yáng)能采集器的現(xiàn)有技術(shù)包括日光直接轉(zhuǎn)換成電的光電學(xué)、用于加熱水的太陽(yáng)熱能，和用于發(fā)電的大型太陽(yáng)熱發(fā)電廠。在這些系統(tǒng)中，太陽(yáng)能通過(guò)將板或板陣列放置在到太陽(yáng)的直接路徑中來(lái)“采集”。這些板由將太陽(yáng)能反射到特定點(diǎn)采集的鏡子或類似鏡子的材料構(gòu)成，或者由各種吸收性材料制成。使用吸收性材料的系統(tǒng)可進(jìn)一步分成在電池中采集太陽(yáng)能的系統(tǒng)或吸收太陽(yáng)能作為熱能來(lái)加熱水或傳熱液體，例如水—乙二醇防凍混合劑，的系統(tǒng)。大多數(shù)商用太陽(yáng)能電池是由非常純的單晶或多晶硅片制成的。在工業(yè)生產(chǎn)中這種太陽(yáng)能電池典型的可以獲得高達(dá)18％的效率。制造它們所使用的硅片比較昂貴，占了最終組件成本的20-40％。這些“塊硅”技術(shù)的替代方法是在象玻璃一樣的載體上淀積一個(gè)半導(dǎo)體薄膜?？梢允褂貌煌牟牧希珥诨k、二硒化銅銦和硅。主要有三類熱采集器平板、真空管和會(huì)聚。最常見類型的平板采集器是一個(gè)絕緣的、耐風(fēng)雨的外殼，包括一個(gè)位于一個(gè)或多個(gè)透明或半透明罩下面的黑色吸熱板。真空管采集器由多排平行的、透明玻璃管構(gòu)成。每個(gè)管包括一個(gè)玻璃外管和一個(gè)內(nèi)管或吸收器，涂有一個(gè)良好吸收太陽(yáng)能但防止熱輻射損耗的選擇性涂層。從管之間的空間中取出(“抽出”)空氣形成真空，這消除了傳導(dǎo)和對(duì)流損耗。會(huì)聚采集器應(yīng)用通常是拋物線形的槽，使用鏡面將太陽(yáng)能會(huì)聚到一個(gè)包含傳熱液體的吸收管(稱作接收器)上。
發(fā)射顯示用于無(wú)發(fā)射顯示，特別是液晶顯示的現(xiàn)有技術(shù)不是包含反射顯示，就是包括面光源(透射)顯示，通常表示為背光顯示。傳統(tǒng)的反射顯示使用一個(gè)反射膜作為底層將環(huán)境光改變方向反向通過(guò)顯示元件，組成如

圖1中所示。在該圖中，環(huán)境光10(日光、人造光—例如辦公室燈光—或由放在設(shè)備11上部的光源發(fā)出的)進(jìn)入顯示單元，穿過(guò)單元的各種層，6偏光鏡、7玻璃板(可能包括濾色器、共用電極、TFT矩陣或其它組件)和8液晶懸浮體，從反射膜9改變方向反向通過(guò)各種層產(chǎn)生一幅圖像。這種使用可用的環(huán)境光來(lái)生成圖像的方法受可用光的限制。這種方法不是用于產(chǎn)生高質(zhì)量圖像的有效裝置，嚴(yán)重限制了各種條件下彩色圖像的質(zhì)量。傳統(tǒng)的背光(透射)顯示的組成如圖2所示。在此圖中，光使用背光部件7產(chǎn)生，作為光射線13直接通過(guò)各種層，例如6偏光鏡、7玻璃板(可能包括濾色器、共用電極、TFT矩陣或其它組件)和8液晶懸浮體，產(chǎn)生一幅圖像。這種使用人造光生成圖像的方法受限于環(huán)境光的量，在使用電池部分或全部時(shí)間發(fā)電的系統(tǒng)中受限于電池壽命。當(dāng)存在環(huán)境光時(shí)，光反射出不同層時(shí)產(chǎn)生眩光，如上所述，不會(huì)穿過(guò)6到8所有的層。為了解決這種眩光并產(chǎn)生合乎用戶心意的圖像，必須要增加背景光增益，產(chǎn)生更合用的光，也就是更多的光穿過(guò)6到8的層。人造光的這一增加使電池的消耗增加，從而減小了顯示附屬的系統(tǒng)的可用性。隨著環(huán)境光增加，眩光隨之增加，因此在一些點(diǎn)上背景光對(duì)產(chǎn)生合乎心意的圖像不起作用。
以前同時(shí)使用環(huán)境光和背景光的嘗試得到了折中顯示的透射量和反射量的應(yīng)用。Hochstrate在U.S.4,196,973中提倡使用用于這種用途的多反射體。Weber在U.S.5,686,979，col.2中提倡限制用于這種用途的多反射體，并另外建議一種可轉(zhuǎn)換窗，該窗在一個(gè)時(shí)間為全透射，在另一個(gè)時(shí)間為全反射。
建筑材料關(guān)于建筑材料的現(xiàn)有技術(shù)涉及用于需要控制光的透射率和/或反射率的光源(例如窗口、天空光或光管)的膜或涂層。膜或涂層通常分成兩類著色材料或反射材料。著色材料的性質(zhì)是反射一定比例的來(lái)自膜一側(cè)的光，同時(shí)透射剩余的光。在著色膜或涂層中，透射率/反射率的比由材料的特性確定，在膜的每一側(cè)都是相同的(反射率R+透射率T＝1)。對(duì)于反射膜或涂層，反射率小于或等于1，其中限度由材料的特性確定。
目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的主要目標(biāo)是以這樣的方式控制光以最小的光損耗和光受控的變向來(lái)反射一個(gè)方向的入射光，而同時(shí)以最小的光損耗和最小的光變向來(lái)透射相反方向的光。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是以這樣一種方式控制光以最小的光損耗和最小的光變向來(lái)透射一個(gè)方向的光，而同時(shí)以最小的光損耗和光受控的變向來(lái)反射相反方向的入射光，以這樣的方式將光保持在系統(tǒng)之中，也就是太陽(yáng)能采集器或建筑物(例如辦公大樓、博物館等等)之中。
根據(jù)本發(fā)明的多反射光定向膜將增加需要這種膜的系統(tǒng)中的亮度并減小眩光的影響，和/或增加需要保持光的系統(tǒng)的效率。
附圖簡(jiǎn)述圖1(現(xiàn)有技術(shù))是一幅顯示傳統(tǒng)反射顯示工作的圖。
圖2(現(xiàn)有技術(shù))是一幅顯示傳統(tǒng)背光顯示工作的圖。
圖3是一幅顯示本發(fā)明背光實(shí)施方案一般特征的圖。
圖4是一幅顯示本發(fā)明太陽(yáng)板實(shí)施方案一般特征的圖。
圖5是一幅顯示使用本發(fā)明的無(wú)發(fā)射顯示典型組成的圖。
圖6是一幅顯示本發(fā)明一個(gè)使用準(zhǔn)直光管的實(shí)施方案工作的圖。
圖7是一幅顯示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的截面及相關(guān)光通路的圖。
圖1-5中的引用數(shù)字6 偏光器7 玻璃板8 液晶懸浮體9 反射膜10 來(lái)自太陽(yáng)和室內(nèi)的環(huán)境光10A 直接照射吸收器的光射線10B 直接照射吸收器的光射線，由吸收器反射，由反射結(jié)構(gòu)的底部反射回到吸收器，等等。
10C 照射反射結(jié)構(gòu)側(cè)面的光射線，定向到吸收器，由吸收器反射，由反射結(jié)構(gòu)的底部反射回到吸收器，等等。
11 來(lái)自顯示外部的可控光源12 背光部件13 來(lái)自背光部件的光射線14 多反射體的透明材料15 多反射體的反射材料16 無(wú)發(fā)射顯示系統(tǒng)的剩余部分17 反射結(jié)構(gòu)的底部18 反射結(jié)構(gòu)底部之間的間隔19 多反射體的厚度20 反射結(jié)構(gòu)從底部到頂點(diǎn)的高度21 每個(gè)像素(顯示的圖像元件)的反射結(jié)構(gòu)的數(shù)量22 截面形式的多反射體23 太陽(yáng)24 太陽(yáng)能采集器中的吸收材料優(yōu)選實(shí)施方案詳述膜材料是透明的，并設(shè)計(jì)成系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)部元件，在其中它是一部分。膜包括一組填充有反射材料的刻痕或不連續(xù)形狀?？毯鄣慕孛娉尸F(xiàn)可以以各種樣式排列的三角形或其它多面體形。刻痕可以替換成一連串象錐體、圓錐體或任意多面體那樣的不連續(xù)物體，同樣可以以各種樣式排列。刻痕或物體的不連續(xù)面可以是平面的、凹面的、凸面的或有凹痕的，這樣可以控制所有面反射的光。填充刻痕的優(yōu)選材料是象鋁或銀這樣具有高反射率的材料，但是可以是復(fù)合劑、復(fù)合材料或多種具有不同折射率或反射量的材料。反射材料嵌入到透明材料之中，這樣每種形狀的底部與透明材料大體平行，與透明材料重合或輕微凹進(jìn)?？毯刍虿贿B續(xù)物體平行的重復(fù)排列，以一定間隔橫跨膜區(qū)域。在重復(fù)樣式之前刻痕或不連續(xù)物體可以以各種形狀、高度、角度或間隔排列。
在圖3中，用14表示透明材料，15表示反射刻痕或物體，12表示背光部件，16表示無(wú)發(fā)射顯示系統(tǒng)的剩余部分和觀看顯示的方向。令17＝r＝凹槽或物體底部的半寬度2r＝凹槽或物體的底部f＝凹槽底部半寬度的倍數(shù)18＝fr＝凹槽之間的間隔19＝Th＝膜厚度(根據(jù)凹槽或物體的高度，由透明材料的性質(zhì)決定)K＝凹槽底部半寬度的倍數(shù)20＝Kr＝凹槽或物體的高度21＝M＝每個(gè)像素(圖像元件)的凹槽數(shù)量，這里定義為顯示的最小可控區(qū)域還令RM2＝反射材料對(duì)正常入射光的反射率22表示整個(gè)發(fā)明通過(guò)組合使用適當(dāng)(1)定形包括膜的材料和(2)選擇具有either不同反射率、折射率的材料、復(fù)合材料或兩者的組合來(lái)達(dá)到類似鏡面或集中作用。光定向/集中結(jié)構(gòu)和/或微結(jié)構(gòu)包括，但不限于鋸齒形(交叉或不交叉)、錐形或其它圓錐截面、象棱錐或四面體那樣的多側(cè)面結(jié)構(gòu)(規(guī)則或不規(guī)則)。所有大小相同或不同的結(jié)構(gòu)一般周期性的變化，膜的反射率、透射率和吸收率可能有不同的值。這能夠在一個(gè)方向得到通過(guò)膜的高反射率和低透射率，在另一個(gè)方向得到高透射率和低反射率。
R1＝一側(cè)的反射率
T1＝一側(cè)的透射率A1＝一側(cè)的吸收率R2＝另一側(cè)的反射率T2＝另一側(cè)的透射率A2＝另一側(cè)的吸收率根據(jù)能量守恒R1+T1+A1＝1且R2+T2+A2＝1。
在現(xiàn)有技術(shù)的多反射體中，R＝R1＝R2；T＝T1＝T2以及A＝A1＝A2。由此可得出結(jié)論，在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中當(dāng)A＝0時(shí)，R+T＝1。即使是在現(xiàn)有技術(shù)要求克服多反射體的限制和提出的多反射體必須引導(dǎo)或定向光，但顯示出不是全透射或全反射，所以可以確定任何可能的增益，而且增益是不明顯的。
在此技術(shù)中，膜一側(cè)的反射值與另一側(cè)的反射值較大的分離開，一側(cè)的透射值與另一側(cè)的透射值較大的分離開。這種新提出的膜允許R1≠R2；T1≠T2以及A1≠A2。下面將顯示T1、R1、A1和A2值小的特定實(shí)施方案。因此可得出R1+T2＞1。提出的這種膜增加了傳輸反射(trans-flecting)效果。在理論界限上，對(duì)于膜的這種無(wú)發(fā)射型式，T1＝R2＝A1＝A2＝0。那么R1+T2＝1。
膜的第一實(shí)施方案涉及在不考慮透射散射的光的定向中的使用，特別是在定向或采集輻射光的太陽(yáng)能采集器或任何設(shè)備中的使用，如圖4所示。在此附圖中，太陽(yáng)23發(fā)出的光以光射線10A進(jìn)入透明材料，直接透射到吸收材料24。光射線10B穿過(guò)透明材料14，部分由吸收材料24反射。光射線10C穿過(guò)透明材料14，由反射結(jié)構(gòu)15重定向到吸收材料24，部分由吸收材料24反射。通過(guò)適當(dāng)選擇折射率與膜材料為其中一部分的系統(tǒng)的其它元件相匹配，膜材料對(duì)大約300-2500納米之間的可見光、紫外光和/或近紅外光具有高光學(xué)透射率，對(duì)紫外光是穩(wěn)定的，不會(huì)透過(guò)水分、不吸濕、抗刮傷和易于保持清潔。粘合劑對(duì)大約300-2500納米之間的光具有高光學(xué)透射率，且對(duì)紫外光是穩(wěn)定的。在第一實(shí)施方案中是為透射率和反射率的和最大設(shè)計(jì)的。于是將會(huì)采集最大量的日光并保持在膜是其中一部分的特定設(shè)備中。因此，對(duì)于這個(gè)實(shí)施方案，令RM2＝1.00；一種完全反射材料。令f＝0.1，刻痕制造的實(shí)際界限。為r和f選擇足夠大的值，避免衍射效應(yīng)和干涉效應(yīng)。例如，選擇r＝200μ，使得相鄰刻痕底部之間的距離為20μ，完全大于可見光的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。對(duì)于只要使用了完全反射材料，透射期間的多重反射就無(wú)關(guān)緊要的太陽(yáng)能采集器，R1＝2/(2+f)＝0.952，T2＝1.000。因此R1+T2＝1.952，接近理論界限2.000。因此，實(shí)際上將收集所有進(jìn)入系統(tǒng)的光能。膜的第二實(shí)施方案涉及用于一種無(wú)發(fā)射顯示系統(tǒng)，例如液晶顯示，或其它為了產(chǎn)生圖像而定向光的設(shè)備。這種膜的實(shí)施方案可以插入到背光部件和顯示系統(tǒng)剩余部分之間，可以是背光部件的一個(gè)組件，或者可以附在顯示的剩余部分的一個(gè)組件上。在這種情況下優(yōu)選的人造光源包括一個(gè)準(zhǔn)直光的裝置，從而使大多數(shù)光垂直射在膜上。所提出的膜的高透射一側(cè)面向背光系統(tǒng)，高反射率一側(cè)面向觀看者。膜覆蓋全部顯示區(qū)域。刻痕或物體可以以相對(duì)于顯示邊緣的、從平行到傾斜的任意角度排列。
使用本發(fā)明的無(wú)發(fā)射顯示系統(tǒng)有一個(gè)在圖5中圖解說(shuō)明的組成。在該附圖中，環(huán)境光10穿過(guò)不同的層，6偏光鏡、7玻璃板(可以包括彩色濾色鏡、共用電極、TFT矩陣或其它組件)和8液晶懸浮體，由本發(fā)明的反射元件22改變方向，向回通過(guò)6到8的不同層，而同時(shí)由背光部件12產(chǎn)生的人造光射線13穿過(guò)本發(fā)明的透光元件22，透光元件可以附在臨近的、象背光部件12這樣的元件上，或作為一個(gè)獨(dú)立的層安裝在顯示系統(tǒng)中。
設(shè)WT＝顯示寬度m＝每個(gè)像素(圖像元件)的刻痕數(shù)量，這里定義為顯示的最小可控區(qū)域。
FW＝水平方向的顯示格式(不同元件的數(shù)量，其中每個(gè)元件有一個(gè)紅、綠、藍(lán)像素)那么對(duì)于彩色液晶顯示器，r＝WT/[3FWm(2+f)]。為了說(shuō)明設(shè)計(jì)方法，令WT＝246mm和FW＝800代表1996/97年彩色液晶顯示器設(shè)計(jì)的典型值。另外，令m＝3，消除了顯示部件處理期間膜與顯示像素對(duì)齊的需要。此外，可以按需要增加或減少m，以消除明顯的、可能是由膜產(chǎn)生的光分布不均勻，例如條紋。
對(duì)于顯示的用于第二實(shí)施方案的設(shè)計(jì)，令f＝0.5。這使光的方向改變最小，保持了透射光的原始方向。對(duì)于這個(gè)f值，來(lái)自背光系統(tǒng)的平行光20％會(huì)不反射的透射，40％會(huì)因?yàn)榉瓷淇毯刍蛭矬w改變一次方向后透射，40％會(huì)因?yàn)榉瓷淇毯刍蛭矬w改變二次方向后透射。在這個(gè)例子中，可以使用方程r＝WT/[3FWm(2+f)]計(jì)算r為13.7μ，則間隔fr(刻痕之間的間隔)為6.9μ。如果RM2已知(材料的標(biāo)準(zhǔn)反射率)，可以計(jì)算反射率R1和透射率T2。注意兩個(gè)設(shè)計(jì)例子1.令RM2＝1，則R1＝2/(2+f)＝0.8。T2＝1.0，得到R1+T2＝1.8。
2.令RM2＝0.86，那么R1＝2RM2/(2+f)＝0.8。T2＝0.840，得到R1+T2＝1.528。
兩種設(shè)計(jì)顯示通過(guò)使用多反射體技術(shù)來(lái)替換已有的透射反射體技術(shù)可得到較大的提高。
象這里使用的，多反射體是透射反射體，是能夠透射和反射光的設(shè)備。
圖6顯示了一種實(shí)施方案。用31表示透明材料(元件的主體)，32表示反射/折射形狀，33表示反射材料(其中無(wú)填充，使用氣體、真空或改變折射率來(lái)生成結(jié)構(gòu)。)，34表示附在多反射體元件上的準(zhǔn)直元件。光射線36從透射能量源(沒(méi)有顯示)進(jìn)入元件，不改變方向的穿過(guò)準(zhǔn)直光管34，在不照射到任何成形結(jié)構(gòu)32的情況下穿過(guò)元件主體31，不改變方向的離開元件的反射面。光射線37以大于10度的入射角從透射能量源(沒(méi)有顯示)進(jìn)入元件，被準(zhǔn)直光管34改變方向?yàn)樾∮?0度。光射線37進(jìn)入元件主體31，不改變方向的穿過(guò)。
圖7描述了多反射體元件的截面，其中41表示元件的邊緣。結(jié)構(gòu)43伸入元件總元件厚度的一定百分比。令結(jié)構(gòu)43的頂點(diǎn)(尖端)的角度為4度。此外，令結(jié)構(gòu)43的頂點(diǎn)面向一個(gè)光源(沒(méi)有顯示)，同時(shí)結(jié)構(gòu)43的底部面向另一個(gè)光源(沒(méi)有顯示)。光射線44垂直于元件的平面進(jìn)入元件，在不照射到任何成形結(jié)構(gòu)43的情況下穿過(guò)元件，不改變方向的離開元件。光射線45垂直于元件的平面進(jìn)入元件，照射到結(jié)構(gòu)43的中點(diǎn)，被最小程度的改變方向(相對(duì)于元件平面垂線4度)，這樣不會(huì)照射到相鄰結(jié)構(gòu)43而離開元件。光射線46垂直于元件的平面進(jìn)入元件，在頂點(diǎn)(尖端)附近照射到結(jié)構(gòu)43，被最小程度的改變方向(相對(duì)于元件平面垂線4度)，這樣在結(jié)構(gòu)底部附近照射到相鄰結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)高度的16.6％)，再次被最小程度的改變方向(如上)，這樣光射線46在離開元件時(shí)總的方向改變偏離元件平面垂線8度。光射線47以大于元件平面垂線10度的角度進(jìn)入元件，在中點(diǎn)之上照射到結(jié)構(gòu)43，被最小程度的改變方向(相對(duì)于元件平面垂線4度)。由于光射線47入射角度增加，在光射線47離開元件之前發(fā)生多次方向改變。在這個(gè)例子中，光射線47離開元件需要七次方向改變——累計(jì)改變方向28度。光射線48被結(jié)構(gòu)43以等于入射角的角度反射。光射線49以相對(duì)于平面垂線過(guò)大的角度進(jìn)入元件，在頂點(diǎn)(尖端)附近照射到結(jié)構(gòu)43，由于累計(jì)的方向改變，光射線49不能離開元件的相反面。
圖7以14.3的高寬比配置結(jié)構(gòu)43，結(jié)構(gòu)43之間的間隔為底部寬度的25％，結(jié)構(gòu)均勻間隔排列橫跨元件主體42。這種元件達(dá)到94％的從最靠近結(jié)構(gòu)43頂點(diǎn)(尖端)的一面垂直于平面進(jìn)入元件的光射線透射率。上面描述的元件提供的另外的好處是反射76％從相反方向照射到元件的光。在這個(gè)例子中，從透射面進(jìn)入的光20％不改變方向的穿過(guò)元件，40％以一次方向改變(相對(duì)于元件平面垂線4度)穿過(guò)元件，40％的光有兩次方向改變(相對(duì)于元件平面垂線8度)。這個(gè)例子R+T為1.70。
上面描述的高寬比和結(jié)構(gòu)間隔的組合是為了說(shuō)明元件配置的效果，不是為了限定。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案涉及在透射后定向或聚焦光中的使用，特別是用在建筑材料之中，其中使用太陽(yáng)光來(lái)照亮內(nèi)部區(qū)域或增強(qiáng)人工照明。在這個(gè)實(shí)施方案中，刻痕或物體可以轉(zhuǎn)變角度，這樣刻痕或物體的底部與透明材料的邊界不平行或不重合。這種實(shí)施方案允許光以給定的角度定向到透明材料，與光源的角度無(wú)關(guān)。
本發(fā)明可以表述為一個(gè)透射反射體，有用于反射從第一方向反射照射到其上的光的裝置，有透射從與第一方向相反方向照射的光的裝置，其中反射的光相對(duì)于從第一方向來(lái)的光的百分比與透射的光相對(duì)于從相反方向來(lái)的光的百分比的和大于百分之百。
本發(fā)明也可以表述一個(gè)能夠在第一和第二方向透射光的透明材料，有一個(gè)第一表面，第一表面有用于反射部分但不是全部從第一方向照射到第一表面的光的裝置，有一個(gè)或多個(gè)與反射體裝置相關(guān)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有從第一表面伸出的側(cè)壁，側(cè)壁的角度足夠反射穿過(guò)第一表面從第二方向照射到結(jié)構(gòu)的光，這樣來(lái)自第二方向的光部分穿過(guò)第一表面，其中反射的光相對(duì)于從第一方向來(lái)的光的百分比與透射的光相對(duì)于來(lái)自第二方向的光量的百分比的和大于百分之百。
多反射體元件獨(dú)立于所有的特定系統(tǒng)，但典型是作為一個(gè)系統(tǒng)之中的幾個(gè)元件的一個(gè)包含進(jìn)去的。多反射體元件提供一個(gè)方向上最佳的能量反射，而同時(shí)在相反方向上提供最佳的能量透射。這是通過(guò)使用嵌入、浮凸或通過(guò)其它方法在元件主體中形成的高高寬比結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。通過(guò)大大增加反射/折射結(jié)構(gòu)在一個(gè)方向(結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn))相對(duì)于結(jié)構(gòu)底部的表面面積，在一個(gè)方向可以反射的能量的量可以與相反方向透射的能量的量分離開。
多反射體元件可以與其它元件一起配置，以產(chǎn)生其它的效果。在優(yōu)選實(shí)施方案中，準(zhǔn)直元件可以與多反射體結(jié)合，形成一單個(gè)元件，附在多反射體上，或并入多反射體所依附系統(tǒng)的另一個(gè)組件之中，這樣準(zhǔn)直元件最接近多反射體元件的透射面，位于元件和透射光源之間。準(zhǔn)直元件接收在寬角度范圍內(nèi)分布的入射能波，將能波改變方向，使角度小于某些從元件表面法線測(cè)量的特定角度。準(zhǔn)直元件的使用確保了所有實(shí)際上從透射面進(jìn)入多反射體元件的能量限制在元件平面垂線大約10度的弧形內(nèi)。以這種方式限制透射能量將提高多反射體元件的性能，但是不是多反射體元件產(chǎn)生有益效果的必要條件。
配置元件的決定因素是反射/折射成形結(jié)構(gòu)的高寬比、結(jié)構(gòu)之間的間隔、和構(gòu)造元件使用的材料。這些因素決定了(1)能量從一個(gè)方向進(jìn)入元件(透射)所容許的入射角，(2)能量從該方向透射的比例，(3)由元件反面反射的能量的比例，(4)從元件射出的能量的分布，(5)內(nèi)部吸收或散射的能量損耗百分比。反射/折射形狀的高寬比(高和底的比)決定了透射能量進(jìn)入元件的特定角度和透射能量從元件射出的角度之間的相關(guān)關(guān)系。成形結(jié)構(gòu)之間的間隔決定了由元件反射的能量的比例(從反射面)和透射能量的分布(從透射面)。通過(guò)增加成形結(jié)構(gòu)之間的間隔，較小比例的來(lái)自透射面的能量改變方向，同時(shí)來(lái)自相反方向的能量反射減小了。反之，通過(guò)減小成形結(jié)構(gòu)之間的間隔，較大比例的透射能量將改變方向，而較大比例的來(lái)自相反方向的透射能量將會(huì)反射。在下面的例子中說(shuō)明了反射/折射結(jié)構(gòu)高與底的高寬比和結(jié)構(gòu)之間間隔之間的一般關(guān)系。
例1單結(jié)構(gòu)，截面是三角形，沿著元件的全長(zhǎng)從一面擴(kuò)展到另一面。等間隔重復(fù)排列上面的結(jié)構(gòu)，這樣整個(gè)元件主體的一面由交替的三角形行的底部和它們之間的間隔所覆蓋。如果對(duì)于元件的特定應(yīng)用需求需要來(lái)自一面(反射面)的能量大約反射66.6％，同時(shí)來(lái)自相反面的透射能量限制在大約5°射出，那么高寬比必須為最小值11.5∶1。在這個(gè)例子中成形結(jié)構(gòu)之間的間隔大約是成形結(jié)構(gòu)底部大小的一半。在此例中，來(lái)自一面的可能有用的反射能量的和R與來(lái)自相反面的可能有用的透射能量的和T相加大約為1.66(R+T＝1.66)。這可以重新描述為從反射面進(jìn)入元件的能量66.6％被反射，從透射面進(jìn)入元件的能量100％被透射(R＝66.6％，T＝100％，從而R+T＝166％)。
例2假設(shè)成形結(jié)構(gòu)與例1的相同，特定應(yīng)用需求需要透射能量的量最大，與所有特定的出射角無(wú)關(guān)。還假設(shè)從透射面進(jìn)入元件的能量一律校正到垂直于元件平面大約10°之內(nèi)。
在此應(yīng)用中，要求是反射一個(gè)方向(反射面)的大約80％的能量，透射相反方向(透射面)的大于95％的能量。假設(shè)成形結(jié)構(gòu)使用了完全反射材料，那么高寬比為15∶1的元件透射率大約為96.8％。成形結(jié)構(gòu)之間的間隔大約為成形結(jié)構(gòu)大小的四分之一。在此例中，來(lái)自一面的可能有用的反射能量的和與來(lái)自相反面的可能有用的透射能量的和相加大約為1.77(R+T＝1.77)。
此外，可以配置元件以明確控制反射和透射能量的分布。舉例來(lái)說(shuō)，這種配置可以用于顯示應(yīng)用來(lái)提高觀看角度。
在頂點(diǎn)附近照射到三角形結(jié)構(gòu)行的光射線具有可能離開元件之前最大數(shù)量的方向改變。通過(guò)使用基本的幾何學(xué)和對(duì)幾何光學(xué)的基本了解，一個(gè)在本領(lǐng)域有技能的人可以計(jì)算需要怎樣的高寬比和結(jié)構(gòu)之間的寬度，使在頂點(diǎn)附近照射的光在離開之前方向改變最好不超過(guò)兩次?？梢允褂霉馍渚€路徑的幾何曲線來(lái)推導(dǎo)不同參數(shù)之間的關(guān)系，包括系統(tǒng)的約束條件。結(jié)構(gòu)的高度由幾個(gè)因素決定，其中一個(gè)是透明材料的厚度。如果特定應(yīng)用需要透射在垂直10度之內(nèi)穿過(guò)透射反射體的光，然后假定了高度，那么可以畫出或計(jì)算出頂角。頂角和高度確定了高寬比，從而確定結(jié)構(gòu)底部的寬度。
在無(wú)發(fā)射顯示的優(yōu)選實(shí)施方案中元件不應(yīng)該超過(guò)100密耳厚。元件主體的透射系統(tǒng)大于97％。每個(gè)形成的頂點(diǎn)(尖端)穿入元件主體總厚度的百分比在10％-100％之間。每個(gè)形狀有一個(gè)在2.6°-9.5°之間的固定頂角，高與底的比在6∶1-22∶1之間。在另一個(gè)實(shí)施方案中，形狀有一個(gè)在3.0°-7.0°之間的固定頂角，高與底的比在8∶1-18∶1之間。在每種實(shí)施方案中，高與底的比都可以低到4∶1。這使結(jié)構(gòu)的壁相對(duì)于底的角度在大約83度到小于90度之間。形狀的底與元件的平面平行，底寬度在2.0μ-200.0μ之間(μ＝微米)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，底寬度可以在2.0μ-50.0μ之間。不管形狀是通過(guò)填充材料或通過(guò)光學(xué)處理形成的，每個(gè)結(jié)構(gòu)的底必須是能夠反射的。這可以通過(guò)填充處理、通過(guò)沉積/光致抗蝕處理，或其它如涂層這樣的方法來(lái)完成。三角行結(jié)構(gòu)以每個(gè)三角形頂點(diǎn)之間在3.0μ-300.0μ之間的固定間隔和每個(gè)相鄰的等腰三角形底邊之間在1.0μ-100.0μ之間的固定間隔重復(fù)排列。在另一個(gè)實(shí)施方案中，頂點(diǎn)之間的間隔可以在3.0μ-70.0μ之間，底邊之間的間隔可以在1.0μ-20.0μ之間。在優(yōu)選實(shí)施方案中，準(zhǔn)直元件附在靠近多反射體元件透射面的元件上。在優(yōu)選實(shí)施方案中描述的大小不應(yīng)該解釋成界限，因?yàn)槠渌膽?yīng)用可能需要或允許根據(jù)上面的規(guī)格進(jìn)行變化。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，單個(gè)形狀的截面是三角形，從元件的一邊擴(kuò)展到另一邊，形成一個(gè)單行，位于透明材料(元件主體)之中，這樣三角形的底邊與元件主體的一個(gè)表面平面(反射面)平行且重合或稍稍凹進(jìn)一點(diǎn)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，三角形行在元件整個(gè)區(qū)域內(nèi)平行的重復(fù)并等間隔排列，形成形狀和間隔的條帶狀圖案。在另一個(gè)實(shí)施方案中，三角形的行可以替換成不連續(xù)的物體，例如棱錐體、圓錐體、或任意多面體，同樣可以以各種圖案排列以獲得特定的效果。在另一個(gè)實(shí)施方案中，如上所述的不連續(xù)形狀可以以不同的形狀、高度、角度或間隔排列。在優(yōu)選實(shí)施方案中，每個(gè)三角形行的不連續(xù)面是平的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，行的一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)面或不連續(xù)形狀可以是凹的、凸的和/或有凹痕的。此外，在每個(gè)結(jié)構(gòu)變平的底部上可以沉積微小形狀(例如棱錐或圓錐)來(lái)進(jìn)一步控制反射能量的方向。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，元件透光“主體”的材料的特定屬性是將能量吸收和改變方向——例如內(nèi)部散射最小化。此外，用于元件主體的材料需要具備蝕刻、鑄模或其它改變?cè)黧w的處理所需要的特定屬性。合適材料的例子是聚合物，例如聚碳酸酯和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。在使用蝕刻、鑄?；蚋〉裨谠黧w中形成一連串刻痕的情況下，可以使用高反射金屬這樣的填充材料。此外，可以使用聚合物這樣的純材料或不使用材料(氣體、空氣或真空)來(lái)填充刻痕。在使用純材料或不使用材料填充刻痕的情況下，選擇用于元件主體的材料折射率要高于填充物。填充物和元件主體之間最小的折射率差估計(jì)為0.01。在優(yōu)選實(shí)施方案中，對(duì)于元件主體內(nèi)的每個(gè)形狀來(lái)講折射率相同。對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)反射在討論照射結(jié)構(gòu)主體的光的時(shí)候也包括折射，其中材料折射率中的差異與入射角一道得到實(shí)際的或接近的照射在結(jié)構(gòu)上的光的總反射。
在使用反射材料填充刻痕的情況下，可以使用單材料或復(fù)合材料來(lái)形成上面提到的三角形行。優(yōu)化用于反射形狀的填充材料，使得吸收最小，并對(duì)于能量的受控方向改變具有高反射性。合適材料的例子是鋁或銀，反射率為95％或更大，還可以是具有不同折射率或反射量的復(fù)合膠、復(fù)合材料或混合材料。
如上所述，反射材料可以涂在透光主體上、作為主體凹槽填充物的一部分或作為與透光主體物理分離但附在上面的折射結(jié)構(gòu)的底。
生成多反射體元件優(yōu)選實(shí)施方案的第二種方法包括在光敏透明材料中生成上述三角形行。通過(guò)在元件主體特定區(qū)域中改變折射率來(lái)生成想要的形狀。在此實(shí)施方案中，在元件臨近三角形行底部(反射面)的一面沉積一個(gè)反射材料薄層，例如鋁。去掉對(duì)應(yīng)于三角形行之間間隔的沉積區(qū)域，形成一個(gè)橫跨元件的條帶圖案。使用優(yōu)化處理來(lái)改變?cè)囟▍^(qū)域的折射率需要光敏材料具有良好的光學(xué)和機(jī)械性質(zhì)。除了足夠的感光折射率改變之外，一組合適的“寫”波長(zhǎng)(典型是在紫外區(qū)中)、光學(xué)透明度、薄膜可成形性和機(jī)械特征也是非常重要的。這樣的材料可以是優(yōu)化了機(jī)械特征的有機(jī)聚合物或組合了有機(jī)聚合物化學(xué)多功能性的有機(jī)—無(wú)機(jī)混合物，即聚硅烷、聚鍺烷和/或它們的溶膠—凝膠混合物。
在另一個(gè)與使用光敏透明材料有關(guān)的實(shí)施方案中，不連續(xù)的形狀可以以不同的形狀、高度、角度或間隔排列，包括三角形行的形狀的一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)面可以是凹的、凸的和/或有凹痕的。此外，或如上所述作為沉積處理的一部分，或作為一個(gè)獨(dú)立的處理，可以在每個(gè)結(jié)構(gòu)底部正上方的元件主體的一面上沉積微小形狀(例如棱錐或圓錐)以進(jìn)一步控制反射能量的方向。在另一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于每個(gè)不連續(xù)形狀折射率可以是不同的，這樣在元件主體范圍內(nèi)可以產(chǎn)生各種交變圖案以達(dá)到特定的效果。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用通過(guò)填充刻痕得到的形狀和改變光敏材料折射率的組合，在元件主體范圍內(nèi)生成各種圖案。
術(shù)語(yǔ)光在本發(fā)明中使用時(shí)包括對(duì)應(yīng)于具有從可見光波長(zhǎng)到紅外波長(zhǎng)的電磁輻射。但是本發(fā)明的儀器可用于任何能夠被反射或折射的電磁輻射，受控于制造這樣做的大小和材料的結(jié)構(gòu)的能力。明確的講，本發(fā)明可以用在無(wú)線電、雷達(dá)、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和格瑪型射線。
另一個(gè)制造本發(fā)明結(jié)構(gòu)的方法是通過(guò)一些能夠在物理工作環(huán)境中保持完整性的合適材料制作結(jié)構(gòu)，然后用一些合適的方法來(lái)懸掛結(jié)構(gòu)。懸掛可以通過(guò)使用形成柵格的線或某種細(xì)絲來(lái)完成。本發(fā)明的這個(gè)方法在太陽(yáng)能應(yīng)用中有用處，其中透射反射體的大小不受無(wú)發(fā)射顯示的大小要求的限制。
采集太陽(yáng)輻射的多種普通方法中的一種是使用鏡子將輻射從太陽(yáng)反射到管道復(fù)合體。管道復(fù)合體包括輸送待加熱液體的第一管道，由第二管道環(huán)繞。兩個(gè)管道之間的空間典型是抽空以減少對(duì)流和傳導(dǎo)損耗量。通過(guò)在管道之間的這個(gè)空間內(nèi)安裝本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，來(lái)自鏡子的大部分太陽(yáng)輻射會(huì)被收集并反射回待加熱的管道上，因此增加了總效率。在大多數(shù)情況下，加熱管道也會(huì)發(fā)射輻射，這也會(huì)被收集并反射回去。因此太陽(yáng)輻射穿過(guò)透射反射體，而在開始沒(méi)有被太陽(yáng)能采集器吸收的輻射和太陽(yáng)能采集器由于溫度而發(fā)射出的輻射一起被反射回到太陽(yáng)能采集器。在這個(gè)實(shí)施方案中，真空是與結(jié)構(gòu)相關(guān)的透明材料。
在這種太陽(yáng)能應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的高度只取決于管道之間的間隔，結(jié)構(gòu)的底部與用在無(wú)發(fā)射顯示中的相比會(huì)大一些。底部的寬度可以是3500μ或更大，雖然對(duì)于這種使用也可以使用較小尺寸的結(jié)構(gòu)。最好是用大量的結(jié)構(gòu)彎曲環(huán)繞至少一部分管道以提高輻射的收集和反射。
在本發(fā)明中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“結(jié)構(gòu)”指折射或反射光的元件的形狀。結(jié)構(gòu)可以是放在光透射材料之上或之中的物理分離成分，它可以用已經(jīng)切入到光透射材料之中的凹槽或刻痕形成或表示，或者它可以是光透射材料部分處理的最終結(jié)果，這樣形成了具有不同折射率的形狀。在透射材料是氣體或真空的情況下，象可以在太陽(yáng)能應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)通過(guò)柵格、線、細(xì)絲或其它這樣的設(shè)備放在材料“中”，柵格表示透射反射體的表面。
本發(fā)明獨(dú)特的能力是能夠反射和透射比任何現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備更多的光。能夠反射的光的百分比的和與能夠透射的光的和相加大于百分之百。
權(quán)利要求
1.一種透射反射體，具有反射從第一方向照射到其上的光的裝置，和透射來(lái)自與第一方向相反的方向的光的裝置，其中反射光相對(duì)于來(lái)自第一方向的光的百分比與透射光相對(duì)于來(lái)自相反方向的光量的百分比的和大于百分之百。
2.權(quán)利要求1的透射反射體，其中透射反射體有第一表面，其中反射裝置包括一種覆蓋至少一部分第一表面的反射材料，其中透射光的裝置包括一個(gè)或多個(gè)與反射材料相關(guān)的結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求2的透射反射體，其中結(jié)構(gòu)包括底和側(cè)壁，底與反射材料相關(guān)，其中側(cè)壁相對(duì)于第一表面的角度大到足夠?qū)⑾喾捶较蛘丈涞浇Y(jié)構(gòu)的光反射出第一表面。
4.權(quán)利要求3的透射反射體，其中側(cè)壁的角度在83度和不到90度之間。
5.權(quán)利要求4的透射反射體，其中結(jié)構(gòu)的底是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的矩形，矩形在一個(gè)方向上橫跨第一表面。
6.權(quán)利要求5的透射反射體，其中底的矩形有一個(gè)長(zhǎng)度和一個(gè)寬度，寬度小于長(zhǎng)度，其中結(jié)構(gòu)有一個(gè)高度，該高度與底的寬度之比在大約6到22之間。
7.權(quán)利要求2的透射反射體，其中透射反射體包括一個(gè)具有第一表面的光透射材料，第一表面有一個(gè)或多個(gè)刻痕。
8.權(quán)利要求1的透射反射體，其中刻痕有側(cè)壁與第一表面接觸，且其中側(cè)壁相對(duì)于第一表面的角度在大約83度和不到90度之間。
9.權(quán)利要求7的透射反射體，其中刻痕填充了一種反射材料。
10.權(quán)利要求9的透射反射體，其中反射材料是從包括鋁、銀、金或它們的化合物的組合中選取的。
11.權(quán)利要求8的透射反射體，其中刻痕在透光材料中形成了一個(gè)或多個(gè)凹槽，凹槽在一個(gè)方向上橫跨第一表面。
12.一種透光材料，能夠透射第一方向上的光，有一個(gè)第一表面，第一表面有反射部分但不是所有從相反方向照射到第一表面的光的反射裝置，并且有一個(gè)或多個(gè)與反射體裝置相關(guān)的反射結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)具有從第一表面向第一方向伸展的側(cè)壁，側(cè)壁相對(duì)于第一表面的內(nèi)角小于90度，角度足夠?qū)牡谝环较蛘丈涞絺?cè)壁的光反射通過(guò)第一表面，這樣來(lái)自第一方向的一部分光穿過(guò)第一表面，其中反射光相對(duì)于來(lái)自相反方向的光的百分比與透射光相對(duì)于來(lái)自第一方向的光量的百分比的和大于百分之百。
13.權(quán)利要求32的透光材料，其中反射結(jié)構(gòu)是通過(guò)以足夠產(chǎn)生與光透射材料不同的折射率的方式來(lái)處理材料，在透光材料中形成的。
14.一種電磁輻射透射材料，能夠透射第一方向的輻射，具有第一表面，第一表面有用于反射部分但不是所有從相反方向照射到第一表面的輻射的反射裝置，并且有一個(gè)或多個(gè)與反射體裝置相關(guān)的反射結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)具有從第一表面向第一方向伸展的側(cè)壁，側(cè)壁相對(duì)于第一表面的內(nèi)角小于90度，角度足夠?qū)牡谝环较蛘丈涞絺?cè)壁的幅射反射通過(guò)第一表面，這樣來(lái)自第一方向的一部分幅射穿過(guò)第一表面，其中反射的輻射相對(duì)于來(lái)自相反方向的輻射的百分比與透射的輻射相對(duì)于來(lái)自第一方向的輻射量的百分比的和大于百分之百。
15.一種太陽(yáng)能采集設(shè)備，設(shè)備包括一個(gè)柵格和一個(gè)太陽(yáng)能采集器，其中太陽(yáng)輻射在第一方向穿過(guò)柵格到太陽(yáng)能采集器，一部分太陽(yáng)輻射從采集器以相反方向反射到柵格，柵格有一個(gè)第一表面，第一表面具有用于反射部分但不是所有從相反方向照射到第一表面的太陽(yáng)輻射的反射裝置，并且有一個(gè)或多個(gè)與反射體裝置相關(guān)的反射結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)具有從第一表面向第一方向伸展的側(cè)壁，側(cè)壁相對(duì)于第一表面的內(nèi)角小于90度，角度足夠?qū)牡谝环较蛘丈涞剿鼋Y(jié)構(gòu)的幅射反射通過(guò)第一表面，這樣來(lái)自第一方向的一部分幅射穿過(guò)第一表面，其中反射的太陽(yáng)輻射相對(duì)于來(lái)自相反方向的太陽(yáng)輻射的百分比與透射的太陽(yáng)輻射相對(duì)于來(lái)自第一方向的太陽(yáng)輻射量的百分比的和大于百分之百。
16.權(quán)利要求38的太陽(yáng)能采集設(shè)備，其中太陽(yáng)能采集器產(chǎn)生額外的輻射，額外的輻射從相反方向照射第一表面，其中額外反射的一部分反射回到太陽(yáng)能采集器。
全文摘要
一種透射反射體，同時(shí)使透射反射體一側(cè)的光反射率最大，而使透射反射體相反方向的光透射率最大。透射反射體包括一種透明材料(31)，用作主體。為了使光射線(36)透過(guò)，透射反射體還包括由反射材料(33)組成的反射區(qū)域(32)，例如鋁或銀，用于采集射出透射反射體的光射線(35)。
文檔編號(hào)F24J2/16GK1452722SQ00819407
公開日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2000年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月2日
發(fā)明者R·W·克利克曼, N·D·盧巴特, C·R·梅菲爾德 申請(qǐng)人:特里維恩技術(shù)公司