Настоящее изобретение относится ко всем применениям, в которых требуется одновременное повышение отражательной способности падающего света (видимого вплоть до инфракрасного) в одном направлении и пропускная способность в противоположном направлении. Т.е. сумма отражательной способности с одной стороны и пропускной способности с другой стороны превышает 1,0. Такая пленка даже называется мультифлектором.
Одной областью применения является улавливание солнечного излучения, при котором пропускание света максимально (отражательная способность минимальна) в направлении, обращенном к Солнцу, и отражательная способность максимальна (пропускаемость минимальна) в направлении, обращенном к коллектору. Изобретение значительно повышает уровень удерживаемой энергии в таких устройствах. Кроме того, изобретение может быть использовано как часть системы отопления, охлаждения и/или выработки энергии, в которой солнечная энергия используется для частичной или всей выработки энергии. Изобретение повышает эффективность солнечных коллекторов и таким образом снижает использование ископаемого топлива.
Второй областью применения является использование в технике неизлучающих устройств отображения: электрохромных, сегнетоэлектрических, ферромагнитных, электромагнитных и на жидких кристаллах, где желательно использовать как образуемый снаружи (окружающий) свет, так и образуемый внутри (искусственный) свет. Пленка представляет собой замену прозрачно-отражающего/отражающего/просветного элемента неизлучающих устройств отображения, где заменяемый элемент является либо независимым, либо выполненным интегрально с источником образуемого внутри света (системой задней подсветки). Использование этой пленки обеспечивает образование яркости одновременно от искусственного света и окружающего света, так что эти системы обладают значительным снижением расхода энергии. В системе, в которой батарея используется для частичного или полного электропитания, срок службы батареи может быть увеличен до 174%.
Третьей областью применения являются строительные материалы, в которых пленка может быть использована для направления света от источника света (такого, как окно или застекленная крыша), в то же самое время отражая окружающий свет внутри здания или конструкции.
Описание известного уровня техники
Солнечные коллекторы
Устройства, известные из уровня техники в отношении солнечных коллекторов, включают фотоэлектрическую энергетику, когда солнечный свет непосредственно преобразуется в электричество, солнечную тепловую энергию, используемую для нагрева воды, и крупномасштабные электростанции на солнечной тепловой энергии, используемые для выработки электричества. В этих системах солнечная энергия «улавливается» посредством размещения панелей или блоков панелей, направленных на Солнце. Эти панели состоят из зеркал или из материала зеркального типа для отражения солнечной энергии в определенную точку для улавливания или изготавливаются из разнообразных поглощающих материалов. Системы, в которых используются поглощающие материалы, далее могут быть разделены на системы, в которых солнечная энергия улавливается ячейками или в которых солнечная энергия поглощается в виде тепловой энергии для нагрева либо воды либо жидкого теплоносителя, такого как смесь воды с гликолевым антифризом. Большинство серийно выпускаемых солнечных элементов выполнено из пластин из очень чистого монокристаллического или поликристаллического кремния. Такие солнечные ячейки, типично, могут достигать эффективности до 18% при выпуске в промышленном производстве. Кремниевые пластины, используемые для их реализации, относительно дорогие, составляющие до 20-40% от стоимости конечного модуля. Альтернативой для этих технологий «объемного кремния» является нанесение тонкого слоя полупроводника на несущий материал, такой как стекло. Различные материалы могут быть использованы, такие как теллурид кадмия, диселенид меди-индия и кремний. В основном существует три типа тепловых коллекторов: плоский коллектор, коллектор на основе вакуумированных труб и концентрирующий коллектор. Плоский коллектор, наиболее общий тип, представляет собой изолированную, защищенную от атмосферных влияний коробку, включающую темную пластину поглотителя под одной или несколькими прозрачными или просвечивающими крышками. Коллектор на основе вакуумированных труб состоит из рядов параллельных прозрачных стеклянных труб. Каждая труба состоит из стеклянной внешней трубы и внутренней трубы (или поглотителя), покрытой селективным покрытием, которое хорошо поглощает солнечную энергию, но препятствует потерям теплоты на излучение. Воздух отводится («откачивается») из пространства между трубами, образуя вакуум, который устраняет потери теплоты на проводимость и конвекцию. Применения с концентрирующим коллектором обычно представляют собой параболоцилиндры, которые используют зеркальные поверхности, для того чтобы концентрировать энергию Солнца на трубе поглотителя (называемой приемником), включающей жидкий теплоноситель.
Излучающие устройства отображения
Устройства из известного уровня техники в отношении неизлучающих устройств отображения, особенно устройства отображения на жидких кристаллах, включают либо отражательные устройства отображения, либо (просветные) устройства отображения с поверхностным источником света, обычно называемые устройствами отображения с задней подсветкой. Традиционное отражательное устройство отображения, которое использует отражающую пленку в качестве нижнего слоя для перенаправления окружающего света обратно через элементы устройства отображения, имеет структуру, изображенную на фиг.1. На этом чертеже окружающий свет 10 (солнечный свет, искусственный свет, такой как офисное освещение, или от источника света, закрепленного в верхней части блока 11) поступает в блок устройства отображения, проходит через различные слои блока, поляризаторы 6, стеклянные пластины 7 (которые могут включать цветные фильтры, общие электроды, матрицу тонкопленочных транзисторов или другие составляющие) и суспензию 8 жидких кристаллов и перенаправляется от отражающей пленки 9 обратно через различные слои для формирования изображения. Этот способ формирования изображения посредством наличия окружающего света ограничивается имеющимся светом. Этот способ не является эффективным средством для создания высококачественных графических изображений и серьезно ограничивает качество цветных изображений при различных условиях. Традиционное (просветное) устройство отображения с подсветкой имеет структуру, изображенную на фиг.2. На этом чертеже свет формируется блок 7 подсветки и направляется в виде светового луча 13 через различные слои, такие как поляризаторы 6, стеклянные пластины 7 (которые могут включать цветные фильтры, общие электроды, матрицу тонкопленочных транзисторов или другие составляющие) и суспензию 8 жидких кристаллов, формируя изображение. Этот способ формирования изображения посредством искусственного света ограничивается количеством окружающего света и в системах, где используется батарея в течение некоторого или всего времени вырабатывания энергии, - ограниченным сроком службы батареи. При наличии окружающего света образуются блики в результате отражения от различных слоев, как описано выше, без прохождения через все слои 6-8. Для устранения этих бликов и для формирования изображения, комфортабельного для пользователя, должна быть увеличена подсветка для получения более приемлемого к использованию света, т.е. большего количества света, проходящего через слои 6-8. Это увеличение искусственного света вызывает дополнительный непроизводительный расход батареи и, таким образом, снижает удобство применения системы, к которой подключено устройство отображения. По мере увеличения окружающего света увеличиваются блики и, таким образом, в некоторый момент подсветка становится неэффективной для формирования соответствующего изображения.
Предыдущие попытки одновременного использования окружающего света и подсветки имели в конечном счете результат применения, в котором достигнут компромисс между пропускающими свойствами и отражательными свойствами устройства отображения. В патенте США 4196973 Хохстрейта для этой цели предлагается использование трансфлектора. В патенте США 5686979, колонка 2, Вебера указываются ограничения трансфлектора при использовании для этой цели и альтернативно предлагается переключаемое окно, которое в одно время является полностью пропускающим, а в другое время - полностью отражающим.
Строительные материалы
Строительные материалы из известного уровня техники относятся к пленкам или покрытиям для источников света (таких, как окна, застекленная крыша или световоды), в которых желательно управление коэффициентом пропускания и/или отражением света. Пленки или покрытия можно, в основном, разделить на две категории: подкрашивающие или отражающие материалы. Подкрашивающие материалы характеризуются свойством отражения определенной части света с одной стороны пленки, в то же самое время пропуская остальную часть света. При подкрашивании пленок или покрытий отношение коэффициента пропускания/коэффициента отражения определяется свойствами материала (материалов) и является одинаковым на обеих сторонах пленки (отражательная способность R + пропускная способность Т =1). Для отражающих пленок или покрытий отражательная способность R меньше или равна 1, где ограничение определяется свойствами материала.
Цели и преимущества
Главная цель настоящего изобретения заключается в направлении света таким образом, чтобы отражать поступающий свет с одного направления с минимальными потерями упомянутого света и с управляемым перенаправлением упомянутого света, в то же самое время одновременно пропуская свет с противоположного направления с минимальными потерями упомянутого света и с минимальным перенаправлением упомянутого света.
Другая цель настоящего изобретения заключается в направлении света таким образом, чтобы пропускать поступающий свет с одного направления с минимальными потерями упомянутого света и с минимальным перенаправлением упомянутого света, в то же самое время одновременно отражать свет с противоположного направления с минимальными потерями упомянутого света и с управляемым перенаправлением упомянутого света так, чтобы удерживать упомянутый свет в системе, т.е. в солнечном коллекторе или конструкции (такой, как офисное здание, музей и т.д.).
Мультифлекторная светонаправляющая пленка в соответствии с настоящим изобретением повышает яркость и снижает эффекты бликов в системе, где это требуется, и/или повышает эффективность системы, где требуется удержание света.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 (известный уровень техники) представлена схема, изображающая работу обычного отражательного устройства отображения.
На фиг.2 (известный уровень техники) представлена схема, изображающая работу традиционного устройства отображения с подсветкой.
На фиг.3 представлена схема, изображающая основные признаки примера устройства отображения с задней подсветкой согласно настоящему изобретению.
На фиг.4 представлена схема, изображающая основные признаки примера реализации солнечной панели согласно настоящему изобретению.
На фиг.5 представлена схема, изображающая типичную структуру неизлучающего устройства отображения, использующего настоящее изобретение.
На фиг.6 представлена схема, изображающая работу примера реализации настоящего изобретения, использующего коллиматор.
На фиг.7 представлена схема, изображающая поперечное сечение примера реализации настоящего изобретения и связанные с ним траектории прохождения луча.
Позиции на фиг.1-5
6 - поляризаторы
7 - стеклянные пластины
8 - суспензия жидких кристаллов
9 - отражающая пленка
10 - окружающий свет от Солнца или комнаты
10А - луч света, падающий непосредственно на поглотитель
10В - луч света падает непосредственно на поглотитель, отражается от поглотителя, отражается от основания задней стороны отражающей конструкции обратно на поглотитель и т.д.
10С - луч света падает на боковую сторону отражающей конструкции и направляется на поглотитель, отражается от поглотителя, отражается основанием задней стороны отражающей конструкции обратно на поглотитель, и т.д.
11 - управляемый источник света снаружи устройства отображения
12 - блок задней подсветки
13 - луч света от блока задней подсветки
14 - прозрачный материал мультифлектора
15 - отражающий материал мультифлектора
16 - остальная часть системы неизлучающего устройства отображения
17 - основание отражающей конструкции
18 - промежуток между отражающими конструкциями на основании
19 - толщина мультифлекторной пленки
20 - высота отражающей конструкции от основания до вершины
21 - количество отражающих конструкций на пиксель (элемент изображения устройства отображения)
22 - мультифлектор в поперечном сечении
23 - Солнце
24 - поглощающий материал в солнечном коллекторе
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
Материал пленки является прозрачным и выполнен в виде интегрального элемента в системе, часть которой он составляет. Пленка содержит группу углублений, или отдельных форм, которые заполнены отражающим материалом (материалами). Поперечное сечение углублений может принимать форму треугольного или другого многогранника, который может быть расположен различным образом. Углубления могут быть заменены группой отдельных объектов, таких как пирамиды, конусы или любой многогранник, и аналогично могут быть расположены различным образом. Отдельные грани углублений, или объектов, могут быть плоскими, вогнутыми, выпуклыми или с ямками, так чтобы можно было управлять светом, отражающимся от любой грани. Предпочтительным материалом для заполнения углублений является материал с высокой отражательной способностью, такой как алюминий или серебро, но он может быть композиционной пастой, композиционным материалом или многочисленными материалами с различными коэффициентами преломления или отражательными свойствами. Отражающий материал внедряется в прозрачный материал так, что основание каждой формы приблизительно параллельно прозрачному материалу и совпадает с ним или слегка углубленно в него. Углубления, или отдельные объекты, повторяются параллельно и разнесены друг от друга по поверхности пленки. Углубления, или отдельные объекты, могут быть расположены с различными формами, высотами, углами или промежутками до повторения рисунка.
На фиг. 3 позиция 14 представляет прозрачный материал, 15 - отражающие углубления, или объекты, 12 - блок подсветки и под позицией 16 обозначена остальная часть системы неизлучающего устройства отображения и направление, с которого смотрят на устройство отображения.
Пусть:
17 = r = половина ширины основания канавки, или объекта
2r = основание канавки, или объекта
f = кратное половине ширины основания канавки
18 = fr = промежуток между углублениями
19 = Th = толщина пленки (основанная на высоте канавки, или объекта, и определяется природой прозрачного материала)
К = кратное половине ширины основания канавки
20 = Kr = высота канавки, или объекта
21 = М = количество углублений на пиксель (элемент изображения), определяемый здесь как наименьшая управляемая область устройства отображения.
А также:
RM2 = коэффициент отражения отражающего материала к нормально падающему свету
22 представляет изобретение в целом.
Зеркальноподобные и воронкообразные эффекты могут быть осуществлены с использованием комбинации соответствующей (1) формы материала, образующего пленку, и (2) выбора материалов либо с различными отражательными способностями, либо с различными коэффициентами преломления, либо различных композиционных материалов, либо комбинации двух. Светонаправляющие/воронкообразующие конструкции и/или микроконструкции включают, но не ограничиваются ими, углубления (пересекающиеся или нет), конусы или другие конусные участки, многосторонние конструкции (правильные или нет), такие как пирамиды или тетраэдры, все конструкции одинаковых или разных размеров, в основном изменяемых периодически и в которых коэффициент отражения, коэффициент пропускания и поглощения пленки могут иметь различные значения. Это позволяет получить высокую отражательную способность и низкую пропускную способность через пленку в одном направлении и высокую пропускную способность и низкую отражательную способность в другом направлении.
R1 = отражательная способность с одной стороны
T1 = пропускная способность с одной стороны
A1 = поглощаемость с одной стороны
R2 = отражательная способность с другой стороны
Т2 = пропускная способность с другой стороны
А2 = поглощаемость с другой стороны
Из сохранения энергии: R1+T1+A1=1 и R2+T2+A2=1. В трансфлекторах из известного уровня техники R=R1=R2; T=T1=T2 и A=A1=A2. Из этого следует, что в разработках из известного уровня техники R+T=1, когда А=0. Даже, где в известном уровне техники заявлено об устранении ограничения трансфлекторов и где описанный трансфлектор, как подразумевается, канализирует или направляет свет, не показан предельный коэффициент пропускания или коэффициент отражения, так что не может быть определено любое возможное усиление и не является очевидным.
В этом уровне техники значение коэффициента отражения на одной стороне пленки не связано, в значительной степени, со значением коэффициента отражения на другой стороне и значение пропускаемости на одной стороне не связано, в значительной степени, со значением пропускаемости на другой стороне. Эта вновь описанная пленка допускает R1≠R2, Т1≠T2 и A1≠A2. Ниже показан конкретный вариант реализации, в котором T1, R2, A1 и A2 имеют малые значения. Из этого следует, что R1+T2>1. Эта описанная пленка умножает прозрачно-отражающий эффект. В теоретическом пределе для этого неизлучающего варианта пленки T1=R2=A1=A2=0. Тогда R1+T2=2.
Первый вариант реализации пленки относится к применениям, в которых свет должен направляться независимо от рассеяния при пропускании, в частности для применения в солнечных коллекторах или любом устройстве, в котором излучаемый свет должен направляться или улавливаться так, как показано на фиг. 4. На этом чертеже свет от Солнца 23 поступает в прозрачный материал 14 в виде луча 10А света и пропускается непосредственно на поглощающий материал 24. Луч 10В света пропускается через прозрачный материал 14 и частично отражается поглощающим материалом 24. Луч 10С света проходит через прозрачный материал 14 и перенаправляется отражающей конструкцией 15 на поглощающий материал 24, частично отражается поглощающим материалом 24. Материал пленки является оптически пропускающим в значительной степени видимый ультрафиолетовый свет и/или свет ближней инфракрасной области спектра в диапазоне примерно 300-2,500 нм, устойчивым к ультрафиолетовому свету, не проницаемым для влаги, негигроскопичным, стойким к царапинам и легким для сохранения его чистоты, при этом выбранный соответствующим образом показатель преломления сочетается с другими элементами системы, частью которой он является. Клейкое вещество обладает высоким оптическим пропусканием света в диапазоне примерно 300-2500 нм и является устойчивым к ультрафиолетовому свету. В первом варианте реализации разработка предназначена для получения максимальной суммы пропускаемости и отражательной способности. Тогда максимальный солнечный свет будет улавливаться и удерживаться в конкретном устройстве, частью которого является пленка. Поэтому для этого варианта реализации пусть RM2=1,00; идеально отражающий материал. Пусть f=0,1, практический предел для технологичности углублений. Выберем значения для г и f достаточно большими, чтобы исключить дифракцию и эффекты интерференции. Например, выберем r=200 мкм, так что промежутки между соседними углублениями при основании равны 20 мкм, что намного больше самой большой длины волны видимого света. Для солнечного коллектора, где многократные отражения при пропускании незначительны до тех пор, пока используется идеально отражающий материал, R1=2/(2+f)=0,952 и Т2=1,000. Таким образом R1+T2=1,952, около теоретического предела, равного 2,000. Таким образом будет удержана практически вся световая энергия, поступающая в систему. Второй вариант реализации пленки относится к использованию с системой неизлучающего устройства отображения, такой как устройства отображения на жидких кристаллах или другие устройства, в которых свет направляется с целью формирования изображения. Этот вариант реализации пленки может быть установлен между блоком задней подсветки и остальной частью системы устройства отображения, может быть составляющей частью задней подсветки или может быть присоединен к составляющей остальной части устройства отображения. Предпочтительный источник искусственного света в этом случае включает устройство для коллимирования света, так что большая часть света выходит из пленки перпендикулярно. Сторона с высокой пропускной способностью описываемой пленки обращена к блоку задней подсветки, а сторона с высокой отражательной способностью обращена к наблюдателю. Пленка покрывает всю поверхность устройства отображения. Углубления, или объекты, могут быть расположены под любым углом к краю устройства отображения, от параллельного до наклонного.
Системы неизлучающего устройства отображения, использующие изобретение, имеют структуру, изображенную на фиг.5. На этом чертеже окружающий свет 10 проходит через различные слои поляризаторов 6, стеклянных пластин 7 (которые могут включать цветные фильтры, общие электроды, матрицу тонкопленочных транзисторов или другие составляющие) и суспензию 8 жидких кристаллов и перенаправляется отражающими элементами изобретения 22 обратно через различные слои 6-8, в то же самое время одновременно лучи 13 искусственного света, образуемые блок 12 задней подсветки, проходят через прозрачные элементы изобретения 22, которые могут быть прикреплены к соседним элементам, таким как блок 12 задней подсветки, или установлены в виде отдельного слоя в системе устройства отображения.
Пусть:
WT = ширина устройства отображения;
m = количество углублений на пиксель (элемент изображения), определяемое здесь как наименьшая управляемая область устройства отображения;
FW = формат дисплея в горизонтальном направлении (количество отдельных элементов, где каждый элемент имеет красный, зеленый и синий пиксель).
Тогда r=WT/[3FWm(2+f)] для цветного устройства отображения на жидких кристаллах. Для иллюстрации метода разработки пусть WT=246 мм и FW=800 представляют типичные значения для разработки цветного устройства отображения на жидких кристаллах модели 1996/97 г. Также пусть m=3 для исключения необходимости выравнивания пленки относительно пикселей устройства отображения во время процесса сборки устройства отображения. Кроме того, m может быть увеличено или уменьшено по необходимости для устранения видимых неоднородностей в распределении света, таких как полосатость, которые могут создаваться пленкой.
Для разработок, показанных для второго варианта реализации, пусть f=0,5. Это минимизирует перенаправление света, сохраняя первоначальное направление пропускаемого света. Для этой величины f 20% параллельного света от системы задней подсветки будет пропускаться без отражения, 40% будет пропускаться с одним перенаправлением от отражающих углублений, или объектов, и 40% будет пропускаться после двух перенаправлений от отражающих углублений, или объектов. В этом случае r может быть вычислено с использованием уравнения r=WT/[3FWm(2+f)], равным 13,7 мкм с промежутком fr (промежутком между углублениями) в 6,9 мкм. Коэффициент отражения R1 и коэффициент пропускания Т2 могут быть вычислены, если известно RM2 (нормальный коэффициент отражения материала). Отметьте два конструктивных примера:
1. Пусть RM2=1, тогда R1=2/(2+f)=0, 8 и Т2=1,0, приводя к R1+T2=1,8.
2. Пусть RM2=0,86, тогда R1=2RM2/(2+f)=0, 688 и T2=0,840, приводя к R1+T2=1,528.
Обе разработки демонстрируют значительное улучшение в результате применения технологии мультифлектора вместо существующей технологии трансфлектора.
Используемый здесь мультифлектор представляет собой трансфлектор, который является устройством, способным пропускать и отражать свет.
Вариант реализации показан на фиг.6. Пусть позиция 31 представляет прозрачный материал (тело элемента), позиция 32 - отражающие/преломляющие формы, позиция 33 - отражающий материал (где для создания конструкций не используется заполнение или используется газ, вакуум или изменение коэффициента преломления) и позиция 34 - коллимирующий элемент, прикрепленный к мультифлекторному элементу. Луч 35 света падает на основание 33 формы 32 и перенаправляется от элемента (отражается). Луч 36 света входит в элемент от источника энергии пропускания (не показан), проходит через коллиматор 34 без перенаправления, проходит через тело элемента 31, не попадая ни на какую профилированную конструкцию 32, и выходит через отражающую сторону элемента без перенаправления. Луч 37 света входит в коллиматор от источника энергии пропускания (не показан) под углом падения более 10 градусов и перенаправляется коллиматором 34 с углом менее 10 градусов. Луч 37 света входит в тело элемента 31 и проходит через него без перенаправления.
На фиг.7 представлено поперечное сечение мультифлекторного элемента, где позиция 41 представляет граничную кромку элемента. Конструкция 43 входит в элемент на часть общей толщины элемента. Пусть вершина (кончик) конструкции 43 имеет угол, составляющий 4 градуса. Кроме того, пусть вершина конструкции 43 будет обращена к одному источнику света (не показан), тогда как основание конструкции 43 обращено к другому источнику света (не показан). Луч 44 света входит в элемент перпендикулярно плоскости элемента и проходит через элемент, не попадая на профилированную конструкцию 43, и выходит из элемента без перенаправления. Луч 45 света входит в элемент перпендикулярно плоскости элемента и падает на среднюю точку конструкции и минимально перенаправляется (4 градуса относительно перпендикуляра к плоскости элемента), так что он выходит из элемента, не попадая на соседнюю конструкцию 43. Луч 46 света входит в элемент перпендикулярно плоскости элемента и падает на конструкцию 43 около вершины (кончика) и минимально перенаправляется (4 градуса относительно перпендикуляра к плоскости элемента), так что он попадает на соседнюю конструкцию около основания конструкции (16,6% высоты конструкции) и также минимально перенаправляется (как и выше), так что суммарное перенаправление луча 46 света составляет 8 градусов относительно перпендикуляра к плоскости элемента при выходе из элемента. Луч 47 света входит в элемент под углом более 10 градусов относительно перпендикуляра к плоскости элемента и попадает на конструкцию 43 выше средней точки и минимально перенаправляется (4 градуса относительно перпендикуляра к плоскости элемента). Вследствие увеличенного угла входа луча 47 света происходят многочисленные перенаправления до выхода луча 47 света из элемента. В этом примере необходимы семь перенаправлений для луча 47 света, чтобы он вышел из элемента - суммарное перенаправление составляет 28 градусов. Луч 48 света отражается конструкцией 43 под углом, равным углу падения. Луч 49 света входит в элемент под большим углом относительно перпендикуляра к плоскости и падает на конструкцию 43 около вершины (кончика), вследствие суммарного перенаправления луч 49 света не может выйти с противоположной стороны элемента.
На фиг.7 конструкциям 43 придана форма с отношением геометрических размеров 14,3, промежуток между конструкциями 43 составляет 25% от ширины основания и конструкции равномерно расположены по телу элемента 42. Такой элемент создает пропускаемость 94% для лучей света, входящих в элемент перпендикулярно плоскости со стороны, ближайшей к вершине (кончику) конструкций 43 (пропускающая сторона). Описанный выше элемент создает дополнительное преимущество, заключающееся в отражении 76% света, падающего на элемент с противоположного направления. В этом примере 20% света, поступающего с пропускающей стороны, проходит через элемент без перенаправления, 40% проходит через него с одним перенаправлением (4 градуса относительно перпендикуляра к плоскости элемента) и 40% света имеет два перенаправления (8 градусов относительно перпендикуляра к плоскости элемента). Этот пример обеспечивает R+T, равный 1,70.
Сочетание отношения геометрических размеров и промежутка в описанных выше конструкциях предназначено для иллюстрации влияния придания формы элемента и не предназначено быть ограничивающим.
Другой вариант реализации изобретения относится к применениям, в которых свет должен быть направлен или сфокусирован при пропускании, в частности, для применения в строительных материалах, где свет от Солнца используется для освещения внутреннего помещения или в дополнение к искусственному освещению. В этом варианте реализации углубления, или объекты, могут быть установлены под углом, так что основание углубления, или объекта, не параллельно или не совпадает с границей прозрачного материала. Этот вариант реализации позволяет направить свет под заданным углом к прозрачному материалу независимо от угла расположения источника света.
Настоящее изобретение может быть сформулировано как являющееся трансфлектором, имеющим средство для отражения света, падающего на него с первого направления, и имеющим средство для пропускания света, поступающего с направления, которое противоположно упомянутому первому направлению, в котором сумма части света, отражаемого относительно света, поступающего с первого направления, и части света, пропускаемого относительно количества света, поступающего с противоположного направления, составляет более 100 процентов.
Настоящее изобретение также может быть сформулировано как светопропускающий материал, способный пропускать свет в первом и втором направлениях, имеющий первую поверхность, причем упомянутая первая поверхность имеет устройство отражения для отражения части, но не всего света, падающего на упомянутую первую поверхность с упомянутого первого направления, и имеет одну или несколько отражающих конструкций, связанных с упомянутым устройством отражения, причем упомянутые конструкции имеют боковые стенки, проходящие от упомянутой первой поверхности, при этом упомянутые боковые стенки расположены под углом, достаточным для отражения света, падающего на упомянутую конструкцию с упомянутого второго направления, через упомянутую первую поверхность, так что часть света с упомянутого второго направления проходит через упомянутую первую поверхность, в котором сумма части света, отражаемого относительно света, поступающего с первого направления, и части света, пропускаемого относительно количества света, поступающего с упомянутого второго направления, составляет более 100 процентов.
Мультифлекторный элемент - независимый в любой конкретной системе, но типично включен как один из нескольких элементов, встроенных в систему. Мультифлекторный элемент обеспечивает оптимальное отражение энергии в одном направлении, в то же самое время одновременно оптимизируя пропускание энергии в противоположном направлении. Это осуществляется использованием конструкций с высоким отношением геометрических размеров, встроенных, выдавленных или иным образом созданных в теле элемента. Посредством значительного увеличения площади поверхности отражающих/преломляющих конструкций в одном направлении (вершина конструкции) относительно основания конструкции количество энергии, которое может быть отражено в одном направлении, может быть не связано с количеством энергии, передаваемым в противоположном направлении.
Мультифлекторный элемент может быть размещен вместе с другими элементами для создания дополнительных эффектов. В предпочтительном варианте реализации коллимирующий элемент может быть выполнен за одно целое с мультифлектором, образуя один элемент, присоединенный к мультифлектору или встроенный в другую составляющую системы, к которой присоединен мультифлектор, так что коллимирующий элемент расположен ближе к пропускающей стороне мультифлекторного элемента и между элементом и источником света пропускания. Коллимирующий элемент собирает поступающие волны энергии, распределенные по большому углу, и перенаправляет волны энергии, чтобы они выходили под углом, который меньше некоторого заданного угла, измеренного от нормали к поверхности элемента. Использование коллимирующего элемента обеспечивает то, что практически вся энергия, поступающая на мультифлекторный элемент с пропускающей стороны, ограничивается в пределах дуги примерно 10° относительно перпендикуляра к плоскости элемента. Ограничение таким образом пропускаемой энергии улучшает характеристики мультифлекторного элемента, но не является необходимым условием для получения мультифлекторным элементом полезных результатов.
Определяющими факторами для конфигурирования элемента являются отношение геометрических размеров отражающих/преломляющих профилированных конструкций, промежуток между конструкциями и материалы, используемые для реализации элемента. Эти факторы определяют (1) допустимый угол падения энергии, поступающей в элемент с одного направления (пропускания), (2) соотношение энергии, пропускаемой с этого направления, (3) соотношение энергии, отражаемой противоположной стороной элемента, (4) распределение энергии, выходящей из элемента, (5) долю энергии, потерянной вследствие внутреннего поглощения или рассеяния. Отношение геометрических размеров (отношение высоты к основанию) отражающих/преломляющих форм определяет зависимость между конкретным углом, под которым пропускаемая энергия входит в элемент, и углом, под которым пропускаемая энергия выходит из элемента. Промежуток между профилированными конструкциями определяет соотношение энергии, отраженной элементом (от отражающей стороны), и распределение пропускаемой энергии (с пропускающей стороны). В результате увеличения промежутка между профилированными конструкциями меньшее соотношение энергии перенаправляется с пропускающей стороны, тогда как уменьшается отражение энергии с противоположного направления. Наоборот, в результате уменьшения промежутка между профилированными конструкциями перенаправляется большее соотношение пропускаемой энергии, тогда как отражается большее соотношение энергии с противоположного направления. Общая зависимость между отношением геометрических размеров высоты к основанию для отражающих/преломляющих конструкций и промежутком между конструкциями изображена в следующих примерах:
Пример 1: Одиночная конструкция является треугольной в поперечном сечении и проходит вдоль всей длины элемента с одной стороны до другой. Вышеупомянутая конструкция повторяется с постоянными интервалами, так что одна сторона всего тела элемента покрывается основаниями чередующихся треугольных рядов с промежутков между ними. Если требованием конкретного применения для элемента является то, чтобы примерно 66,6% энергии с одной стороны (отражающей стороны) должно отражаться и пропускаемая энергия с противоположной стороны ограничивается углом выхода примерно 5°, то тогда отношение геометрических размеров должно быть минимум 11,5:1. Промежуток между профилированными конструкциями в этом примере примерно равен половине размера основания профилированной конструкции. В этом примере сумма потенциально полезной отраженной энергии от одной стороны R плюс сумма потенциально полезной пропускаемой энергии с противоположной стороны Т составляют приблизительно 1,66 (R+T=1,66). Это может быть переформулировано, что отражается 66,6% энергии, поступающей в элемент с отражающей стороны, и пропускается 100% энергии, поступающей с пропускающей стороны (R=66,6% и Т=100%, так что R+T=166%).
Пример 2: Предположим, что профилированные конструкции те же, что и в Примере 1, и что требованиями конкретного применения являются максимизирование количества пропускаемой энергии независимо от любого конкретного угла выхода. Также предположим, что энергия, поступающая на элемент с пропускающей стороны, равномерно коллимируется в пределах примерно 10° относительно перпендикуляра к плоскости элемента.
В этом применении требованиями являются отражение примерно 80% энергии в одном направлении (отражающая сторона) и пропускание более 95% энергии с противоположной стороны (пропускающей стороны). У элемента с отношением геометрических размеров 15:1 пропускание составляет примерно 96,8%, предполагая идеально отражающий материал у профилированных конструкций. Промежуток между профилированными конструкциями составляет примерно одну четвертую размера профилированных конструкций. В этом примере сумма потенциально полезной отраженной энергии с одной стороны R плюс сумма потенциально полезной пропускаемой энергии с противоположной стороны Т составляет приблизительно 1,77 (R+T=1,77).
Кроме того, элемент может быть сконфигурирован так, чтобы специально управлять распределением как отраженной, так и пропускаемой энергии. В качестве примера такая конфигурация может быть полезна в применении с устройством отображения для улучшения угла обзора.
Луч света, падающий на треугольный ряд конструкций около вершины, имеет наибольшее количество перенаправлений до возможного выхода из элемента. В результате использования элементарной геометрии и поверхностного понимания геометрической оптики специалист в этой области техники может вычислить, какое отношение геометрических размеров и размер между конструкциями необходимы для предпочтительного перенаправления света, падающего около вершины, не более двух раз до его выхода. Может быть использована геометрическая диаграмма траектории прохождения луча света для получения зависимости между различными параметрами, включая ограничение системы. Высота конструкции определяется несколькими факторами, среди которых присутствует толщина прозрачного материала. Если требованием конкретного применения является пропускание света через трансфлектор в пределах 10 градусов относительно перпендикуляра, то тогда, определив высоту, можно начертить или вычислить угол при вершине. Угол при вершине и высота дадут отношение геометрических размеров и, таким образом, ширину основания конструкции.
В предпочтительном варианте реализации для неизлучающих устройств отображения толщина элемента не должна превышать 100 мил. Тело элемента должно иметь коэффициент пропускания более 97%. Вершина (кончик) каждой формы проникает в тело элемента на часть общей толщины в диапазоне 10%-100%. Каждая форма имеет фиксированный угол при вершине в диапазоне 2,6°-9,5°, а отношение высоты к основанию - в диапазоне 6:1-22:1. В другом варианте реализации форма имеет фиксированный угол при вершине в диапазоне 3,0°-7,0°, а отношение высоты к основанию - в диапазоне 8:1-18:1. В обоих вариантах реализации отношение высоты к основанию минимально может составлять 4:1. Это приводит к тому, что стенки конструкции располагаются под углом относительно основания в диапазоне примерно от 83 градусов до менее 90 градусов. Основание формы параллельно поверхности элемента и имеет ширину основания в диапазоне 2,0-200,0 мкм. В другом варианте реализации ширина основания может находиться в диапазоне 2,0-50,0 мкм. Создана ли форма материалом заполнения или посредством оптического процесса, основание каждой конструкции должно быть отражающим. Это может быть достигнуто либо посредством процесса заполнения, либо посредством процесса осаждения/фоторезиста, либо другими способами, такими как использование покрытия. Конструкции в виде треугольных рядов периодически повторяются с фиксированным промежутком между вершинами каждого треугольника в диапазоне 3,0-300,0 мкм и промежутком между основанием каждого соседнего равнобедренного треугольника в диапазоне 1,0-100,0 мкм. В другом варианте реализации промежуток между вершинами может быть в диапазоне 3,0-70,0 мкм и промежуток между основаниями может быть в диапазоне 1,0-20,0 мкм. В предпочтительном варианте реализации коллимирующий элемент прикреплен к элементу рядом с пропускающей стороной мультифлекторного элемента. Размеры, указанные в предпочтительном варианте реализации, не должны интерпретироваться как ограничения, так как другие применения могут потребовать, или допускают, изменение вышеуказанных технических требований.
В предпочтительном варианте реализации поперечное сечение одиночной формы является треугольным и она проходит от одного края элемента до противоположного края, образуя один ряд, и ориентирована в прозрачном материале (теле элемента), так что основание треугольника параллельно плоскости одной поверхности тела элемента (отражающей стороны) и совпадает с ней или слегка углублено относительно нее. В предпочтительном варианте реализации упомянутый треугольный ряд повторяется параллельно и равномерно расположен по всей поверхности элемента, образуя полосатый рисунок из форм и промежутков. В других вариантах реализации упомянутые ряды треугольной формы могут быть заменены отдельными объектами, такими как пирамиды, конусы или любой многогранник, и аналогичным образом могут быть размещены в виде разнообразных рисунков для достижения специальных эффектов. В других вариантах реализации отдельные формы, как описано выше, могут быть расположены с изменяющимися формами, высотами, углами или промежутками. В предпочтительном варианте реализации отдельные грани каждого треугольного ряда плоские. В других вариантах реализации одна или несколько отдельных граней ряда, или отдельных форм, могут быть вогнутые, выпуклые и/или с ямками. Кроме того, микроформы (такие, как пирамиды или конусы) могут быть нанесены на выровненное основание каждой конструкции для дополнительного управления направлением отражаемой энергии.
В предпочтительном варианте реализации материал для прозрачного «тела» элемента имеет особые свойства, которые минимизируют поглощение и перенаправление энергии, такие как внутреннее рассеяние. Кроме того, материал для тела элемента требует определенных свойств, необходимых для травления, формовки или других процессов, которые изменяют тело элемента. Примерами подходящих материалов являются полимеры, такие как поликарбонат и полиметилметакрилат. Если используется травление, формовка или тиснение для создания последовательности углублений в теле элемента, может быть использован заполняющий материал, такой как металл с высокой отражательной способностью. Кроме того, чистый материал, такой как полимер, или отсутствие материала (газ, воздух или вакуум) могут быть использованы для заполнения углублений. Если чистый материал или отсутствие материала используются для заполнения углублений, то материал, выбранный для тела элемента, должен иметь более высокий коэффициент преломления, чем заполнение. Минимальное различие в коэффициенте преломления между заполнением и телом элемента оценивается равным 0,01. В предпочтительном варианте реализации коэффициенты преломления одинаковы для каждой формы в теле элемента. Для целей настоящего изобретения термин отражение при описании света, падающего на тело конструкции, также включает преломление, когда различие в показателе преломления материалов, вместе с углом падения, приводит к значительному или почти полному отражению света, падающего на конструкцию.
Если углубления заполнены отражающим материалом, однокомпонентный материал или композиционный материал могут быть использованы для создания вышеупомянутых треугольных рядов. Заполняющий материал для отражательных форм оптимизируется для минимизации поглощения и имеет очень высокие отражательные свойства для управляемого перенаправления энергии. Примерами подходящих материалов являются алюминий или серебро с отражательной способностью 95% или более, но может быть композиционная паста, композиционный материал или гибридные композиционные материалы с различными показателями преломления или отражательными свойствами.
Как описано выше, отражающий материал может быть нанесен на прозрачное тело, может быть частью заполнения для канавок в теле или может быть основанием преломляющей конструкции, физически отдельной от прозрачного тела, но прикрепленной к нему.
Второй способ создания предпочтительного варианта реализации мультифлекторного элемента состоит из получения вышеописанных треугольных рядов в фоточувствительном прозрачном материале. Требуемые формы получаются посредством изменения показателя преломления в определенных областях тела элемента. В этом варианте реализации тонкий слой отражающего материала, такого как алюминий, наносится на одну сторону элемента рядом с основанием треугольных рядов (отражающая сторона). Удаляются области осаждения, соответствующие промежуткам между треугольными рядами, создавая полосатый рисунок на элементе. Использование оптического процесса для изменения показателя преломления определенных областей элемента требует фоточувствительных материалов, которые имеют соответствующие оптические и механические свойства. В дополнение к достаточному фотонаведенному изменению показателя преломления имеет большое значение подходящий набор «записывающих» длин волн (типично в ультрафиолетовой части спектра), оптический транспарант, формуемость тонких пленок и механические характеристики. Такими материалами могут быть органические полимеры, которые имеют оптимизированные механические характеристики, или органические - неорганические гибридные композиционные материалы, которые объединяют химическую универсальность органических полимеров, т.е. полисиланы, полигерманы, и/или их зольгелиевые гибридные композиционные материалы.
В других вариантах реализации, относящихся к использованию фоточувствительного прозрачного материала, отдельные формы могут быть расположены с изменяющимися формами, высотами, углами или промежутком, и одна или несколько отдельных граней формы, включая треугольные ряды, могут быть вогнутыми, выпуклыми и/или с ямками. Кроме того, микроформы (такие как пирамиды или конусы) могут быть нанесены на одну сторону тела элемента непосредственно на основание каждой конструкции либо как часть описанного выше процесса осаждения, либо самостоятельного процесса для дополнительного управления направлением отражаемой энергии. В других вариантах выполнения показатели преломления могут быть различными для каждой отдельной формы, так что различные чередующиеся рисунки создаются по телу элемента для достижения особых эффектов. В других вариантах реализации комбинация форм, создаваемых заполненными углублениями и изменяющих показатель преломления фоточувствительного материала, может быть использована для создания различных рисунков на теле элемента.
Термин «свет», используемый в настоящем изобретении, охватывает электромагнитное излучение с длинами волн, соответствующими видимому свету вплоть до инфракрасного. Устройство настоящего изобретения, однако, применимо к любому электромагнитному излучению, способному отражаться или преломляться, при условии возможности создания конструкций такого размера и материала для реализации этого. Конкретно, настоящее изобретение может найти применение для радиоизлучения, радиолокационного излучения, СВЧ-излучения, инфракрасного излучения, видимого излучения, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения и гамма-излучения.
Другой способ создания конструкций настоящего изобретения заключается в изготовлении конструкций из некоторого соответствующего материала, который сохраняет целостность при физических условиях обработки и подвешивании конструкций некоторым соответствующим способом. Подвешивание может быть осуществлено посредством использования проволоки или некоторых типов нитей, которые образуют сетку, но зависит от конкретного применения и очевидно для специалиста в этой области техники. Этот аспект изобретения полезен в применениях, связанных с солнечным излучением, где размеры трансфлекторов не ограничиваются требованиями на размеры неизлучающих устройств отображения.
Одним из более общих способов улавливания солнечного излучения является использование зеркал для отражения излучения от Солнца на комплекс труб. Комплекс труб состоит из первой трубы, несущей нагреваемую жидкость, окруженную второй трубой. Из пространств между двумя трубами типично откачивается воздух, чтобы уменьшить потери на конвекцию и проводимость. В результате установки конструкции согласно настоящему изобретению внутри этого пространства между трубами большая часть солнечного излучения от зеркала захватывается и отражается обратно на нагреваемую трубу, тем самым повышая общую эффективность. В большинстве случаев нагреваемая труба также испускает излучение, которое также захватывается и отражается обратно. Таким образом, солнечное излучение проходит через трансфлектор, тогда как излучение, первоначально не поглощенное солнечным коллектором, объединенное с любым излучением, испускаемым от солнечного коллектора вследствие его температуры, отражается назад на солнечный коллектор. В этом варианте реализации вакуум является прозрачным материалом, связанным с конструкцией.
В таких применениях, связанных с солнечным излучением, высота конструкции зависит только от промежутка между трубами, и основание конструкции может быть большим по сравнению с использованием в неизлучающих устройствах отображения. Ширина основания может составлять 3500 мкм или более, хотя меньший размер конструкций также применим для этого использования. Множество конструкций предпочтительно изгибается, по меньшей мере, вокруг части трубы, чтобы улучшить как улавливание, так и отражение излучения.
Используемый в настоящем патенте термин «конструкция» относится к форме элемента, преломляющего или отражающего свет. Конструкция может быть физически отдельным элементом, установленным на светопропускающем материале или в нем, он может быть образован или представлять канавку или углубление, которое было прорезано в светопропускающем материале, или он может быть конечным результатом обработки частей светопропускающего материала, так что образуется форма, имеющая различные показатели преломления. Если пропускающим материалом является газ или вакуум, что может быть в применениях, связанных с солнечным излучением, конструкция устанавливается «в» материале при помощи сетки, проволоки, нити или другого такого устройства, при этом сетка представляет поверхность трансфлектора.
Настоящее изобретение имеет уникальную способность отражать и пропускать больше света, чем любое устройство, известное из уровня техники. Сумма части света, способного отражаться, плюс сумма света, способного пропускаться, составляет более 100%.
Трансфлектор содержит устройство для отражения излучения, падающего на него с первого направления, и устройство для пропускания света, поступающего с направления, противоположного упомянутому первому направлению, при этом указанное устройство для пропускания света содержит прозрачный материал, имеющий первую и вторую поверхности и конструкции, которые имеют основания, прилегающие к первой поверхности прозрачного материала, и боковые стенки, которые сходятся в направлении ко второй поверхности указанного прозрачного материала. Устройство для отражения излучения содержит отражающий материал, связанный с основанием конструкции. Сумма части света, отражаемого относительно света, поступающего с первого направления, и части света, пропускаемого относительно света, поступающего с противоположного направления, составляет более 100%. Обеспечивается повышение яркости и снижение эффектов бликов и повышение эффективности системы, в которой требуется удержание света. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
| US 3985116 А, 12.10.1976 | |||
| US 4040727 А, 09.08.1977 | |||
| US 5781342 А, 14.07.1998 | |||
| УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОТОКА | 1998 |
|
RU2134848C1 |
