用于选择性控制电磁辐射的交互式装置的制作方法

本发明涉及用于电磁辐射，特别是光辐射，且更特别是太阳辐射的偏振的系统的技术领域。

本发明还涉及这种系统在基本上透明的表面的动态屏蔽中的应用，特别是在建筑结构、汽车、建筑和室内设计行业以及其他需要这种屏蔽的行业中的应用。

背景技术：

现代建筑结构涉及大玻璃表面(glazed surface)的广泛使用。这些表面具有源自建筑设计的美学功能，而且也意图用来照亮内部环境。

然而，这些表面的使用不是没有问题和缺点的。在冬天，玻璃表面比建筑物的不透明砖结构是较不绝缘的，并分散较多的热量。这需要更大的能量消耗来适当地加热环境。另一方面，在夏天，受到强烈辐射的玻璃表面产生所谓的温室效应，导致强烈加热内部环境。此外，强烈的太阳辐射需要在建筑物上采用足够的内部和/或外部屏蔽系统。

现代屏蔽系统的一些实例是光致变色和热致变色可变透明窗，以及悬浮颗粒和电致变色可变透明窗。

这些系统提供一定程度的效率和通用性。然而，还需要能够选择电磁辐射的类型，特别是光辐射，并且更特别是太阳辐射的类型。例如，可能期望阻挡辐射中的已知是有害的紫外线(UV)部分；或负责加热内部环境的近红外(NIR)部分；或光辐射，以便在强烈阳光的情况下针对其他需求来调节其强度。

专利US5164856描述了包括使用两个偏振器的装置的透射率可调窗。该系统不允许选择辐射区域。

专利US8508681描述了在不给出任何特定实际应用的情况下包括能够提供连续或几乎连续的透光率变化的“图案化”偏振器的可变光透射率装置。该装置不能选择电磁辐射的特定区域。

因此，仍然认为需要具有能够以选择性和动态方式屏蔽电磁辐射，特别是光辐射，特别是太阳辐射的装置。

还认为需要一种用于对电磁辐射，特别是光辐射，特别是太阳辐射透明的表面的屏蔽方法，其使得选择电磁辐射的类型并且允许调节所述辐射的透射是可能的。这种需要被认为特别针对光辐射(透明表面暴露于该光辐射)，更特别地针对紫外和/或可见光谱和/或近红外辐射。

这种需要被认为特别针对用于建筑结构中的玻璃表面。

技术实现要素：

现在已经发现，本发明解决了现有技术中的上述问题，特别是能够在装置的设计阶段中通过阻挡/吸收或通过反射来选择电磁辐射，以及随意调节电磁辐射、特别是光辐射和/或近红外辐射(也被理解为热辐射)的透射率。

令人惊奇的是，已经发现，通过在某一波长处确定两个纳米结构偏振器的丝状体(filaments)之间的恒定间距(pitch)并以使得所述偏振器可以执行相互线性平移运动的方式使所述偏振器耦合，解决了上述问题。

本发明涉及一种包括两个纳米结构型的、选择性的、无源的和非均匀的“线栅(wire grid)”型的偏振器的透明多层装置，所述偏振器沿着电磁辐射的传播方向的路径连续布置，并且所述偏振器中的每一个能够相对于另一个执行线性平移运动，其中丝状体之间的间距是恒定的且小于390nm，并且所述丝状体占据在间距间隔的2.5％到50％之间的基本上恒定的空间，所述丝状体由规则形状的平行带构成，并且所述带具有相同的尺寸，但具有不同取向的偏振轴，其中每个带的偏振轴相对于相邻带的偏振轴顺时针或逆时针旋转穿过在介于1/10度到45度之间的范围内选择的恒定角度。

本发明提供了选择性地屏蔽入射辐射(例如太阳辐射)的优点。

根据本发明的装置使得可见光谱和热光谱能偏振或可见光谱能透射而热光谱能偏振。

根据本发明所述的装置能够在偏振分量的最大透射率的位置和最小透射率的位置之间提供渐变的且均匀的通道，从而改善其光学性能。

根据本发明所述的装置的实现相对于其他已知装置更简单，因为专用于电磁辐射的动态调节的部件仅基于两个二维的、纳米结构型的、非均匀的线栅偏振滤波器，而不是如在某些已知装置中的大量的部件。

有利地，根据本发明所述的装置使得能够选择性动态屏蔽有关太阳辐射的热分量。

根据本发明的装置提供了视觉舒适性的实质性改进，因为可以获得在超过利用理想偏振器可获得的50％“理论最大值”的可见光范围[>63％]中的几乎恒定的透射率。

本发明将在下面以其概括形式和某些实现的方式与其它优点一起进行详细说明。

附图说明

图1通过举例示出了关于VIS+NIR(例如双滤波器，约100[nm]的恒定丝状体间距，约100[nm]的丝状体高度)和NIR(例如双滤波器，约230[nm]的恒定丝状体间距，约120[nm]的丝状体高度)的实现方式的选择性透射率特性。这些值关联于太阳光谱的百分比能量分布而设置。

图2以[％]标度示出了相同装置的光谱透射率值，示例了本发明的实现方式和执行可能性。

图3示出了本发明的实现方式的一示例，注意在相等尺寸的平行带中的丝状体的取向和恒定间距。

图4示出了本发明的实现方式的另一个示例，注意平行带的取向、丝状体和相对旋转角度以及可能的分隔条。

图5示出了本发明的实现方式的另一个示例，注意在三维表示中的丝状体的平行带的取向和恒定尺寸和相对旋转角度以及可能的分割条。作为实现形式的简单的、非限制性示例的以3D横截面示出的丝状体的类型、断层图(stratigraphy)、形式和沉积侧根据所使用的技术/生产过程和期望的效率/选择性程度而变化。

图6示出了表示用根据本发明所述的装置获得的最小和最大反射率和吸收值的光谱曲线。

具体实施方式

根据本发明的装置使用“线栅”类型的两个不均匀的各向异性偏振器。通过特定纳米级图案的计算和设计，本发明解决了太阳辐射的选择性和动态屏蔽的问题。

在本发明中使用的“线栅”类型的偏振器对于本领域的专家是已知的。可以参考一般技术文献。实施例描述于JP-2012155163、US2008316599和US20050128587中。

根据本发明的装置使得两个偏振器沿着电磁辐射的传播方向的路径连续地放置，并且这些偏振器在沿着与设计的主方向相反的方向进行线性平移运动时使得设计这些偏振器所针对范围的太阳辐射能选择性透射和反射，消除滤波表面过热的问题。在滤波器的设计中所寻求的选择性的目的是在冬天实现高的太阳光能增益并且在夏天实现太阳光能贡献的减少，从而在照明、加热和冷却方面节省能量。

在一种实现方式中，装置配备有控制系统，该控制系统周期性地处理从适当地布置在环境中的一系列传感器导出的大量数据，所述传感器监测：太阳的位置/存在、可见光分量(380-780nm)和近红外分量(780-2500nm)的辐射的强度、内部和外部温度、受限环境中存在的湿度水平、场所中人的存在以及用户所期望的手动和自动设置的选择。还可以通过网络连接传送关于所记录的数据的报告，以便开发和改进安装在微控制器中的软件的预测能力。

致动器系统，优选精确模型，使得该装置能通过使用合适的装置(例如纳米伺服电机)使两个偏振滤波器以平移运动方式移动。

根据在透明基板(可选地被另一透明保护层覆盖)上的多个取向配置的线构成两个偏振滤波器的非均匀偏振光栅。每种滤波器根据正在创建的图案中的带的宽度和数量包含多个偏振轴。图3-6示出了本发明的实现方式的示例。

在本发明的第一实现方式中，偏振器的纳米取向的丝状体以在范围160>间距<390[nm]内的间距产生。在这种情况下，获得“NIR”选择性装置。

在两个图案中的一个的平移运动(其对于不同或倾斜取向的区段可以是水平的、垂直的、曲线型的或正弦型的)之后，热光谱中的“近红外”部分被偏振并因此被选择性地调节，同时保持可见光辐射部分的高透射率水平[Tvis>63％]。这是由于这些特定380-780波长的低偏振能力，这些特定380-780波长短于近红外范围的那些波长。

这些选择性特性解决了将动态技术应用于透明建筑表面(包括中小尺寸的建筑表面)的问题。

在本发明的第二实施方式中，产生具有小于160[nm]的间距的纳米取向的丝状体，并且获得“VIS+NIR”选择性装置。

每个滤波器根据图案中的带的数量和宽度包含多个偏振轴。在两个图案中的一个的平移运动之后，VIS和NIR分量以实质上线性的方式减小。因此，如果存在在最暖的季节提供高水平的太阳光能增益的大玻璃表面，则这种解决方案是最适合的选择。

在本发明的一个实现方式中，就两个偏振滤波器而言，可以例如通过粘附来添加附加层，从而产生可移动或部分可移动的透明装置，即具有集成的屏蔽或适于航行的空间的双层玻璃单元。根据应用的类型，构成装置的透明层的数量将因此随它们的刚度、距离、类型和尺寸而变化。

根据已经被选择来控制的太阳光分量(UV和/或VIS和/或NIR)，两个偏振滤波器是纳米结构型的并且具有多个偏振轴，以便提供用于在两个偏振滤波器中的一个或两个的线性平移运动(对于不同或倾斜取向的部分是水平的、垂直的、曲线型的或正弦型的)后对电磁辐射的无源但动态调节的能力。这种线性平移运动由单个偏振器和/或两个偏振器的双重和/或单平移运动产生。在本发明的一种实现形式中，由滤波器中的一个和/或两个的双重平移运动产生的平移运动允许控制相互反射现象，从而有利于透射率参数的稳定。

在其中图案被设计成仅调节NIR热分量的透射率和反射水平(在160到390[nm]之间的恒定的丝状体间距)的实现方式中的装置使得可见光分量的透射率能实质上不改变或可见光分量能部分偏振透射并且通过透明基板和/或通过保护层吸收UV分量。

在其中图案被设计成选择性地调节UV-VIS+NIR分量的或仅在UV被吸收的情况下的VIS+NIR的透射率的实现方式中的装置具有<160[nm]的丝状体间的恒定间距。

在某些条件下，由于存在于大气中的气体原子的振动，或者由于来自位于装置附近的建筑物、城市或自然元素的强反射分量的存在，因而例如在可见范围内，在装置的主面中的一个或两个上的入射辐射被部分偏振。

在本发明的一种实现形式中，为了改善装置的光学性质，电磁辐射在其照射所述装置的偏振器之前沿其传播方向穿过去偏振器(depolariser)。

在这种实现方式中，部分偏振的入射电磁辐射穿过去偏振器，其中其主偏振轴根据滤波器的特定特性旋转通过各种角度，并且从其去偏振后射出。线性去偏振器和图案化去偏振器是本领域的专家已知的滤波器(例如，微延迟器消色差去偏振器阵列/图案、液晶聚合物消色差去偏振器、石英楔形消色差去偏振器等)，并且是用于解决由其中使用所述装置的环境造成的主要光学问题的有效仪器。

首先接收太阳辐射(因为其是较外部的)的滤波器包括彼此粘附的2或3个部件。刚性或柔性的透明基板总是存在的，折射率在1.3到2.7之间，并且被计算以便排除可见光范围内的高阶衍射。该计算方法在现有技术中是已知的；参见例如US20050128587。基板选自对于VIS和NIR分量具有高的透射能力并且任选地对于UV分量具有高的吸收能力的任何已知的无机和/或有机材料。其表面可以是平滑的或根据纳米取向的浮雕几何形状结构化并且被制备用于未来的金属偏振图案的固定。

折射率在1.3到2.7之间的透明材料最适合于产生选择性线栅偏振器的基板。最常用于制造这些偏振器的基板的那些材料是例如无机来源的：玻璃或陶瓷，或无机来源的：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯、聚氯乙烯树脂、聚酯树脂、聚乙烯树脂、酮树脂、多酚树脂、聚砜树脂、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯类树脂、三乙酸纤维素等。

有机来源的基板和上保护层优选选自在经受热辐射(“热固化”)时能够硬化的那些或者选自在紫外辐射下硬化的树脂，如在某些纳米制造工艺中所使用的。

用于构造偏振光栅的材料必须具有高的反射率。因此，通常使用铝或银，但也可以使用贵金属，例如金、铂、铜或其它高反射性合金。

在正常反射的辐射分量必须被吸收这样的应用的情况下，产生由介电材料与非介电材料层交替而组成的多层纳米线。要使用的覆盖过程的描述和组件的选择可以在US2008316599中找到。

对于表面保护材料，通常使用聚合物来源的透明材料(聚对苯二甲酸乙二醇酯，三乙酸纤维素等)与粘合剂或硅、钛、铝、锌、锆等的氧化物。

用于产生大的线栅表面的优选的纳米制造技术是纳米压印光刻(NIL)技术，特别是使用卷对卷(Roll-to-Roll)工艺的那些技术，其使得能够根据所生产的滤波器的厚度产生可通过延伸多达数百米复制的大的表面。

根据用于金属丝状体的沉积的技术和所选择的用于基板的材料的类型，在透明基板和偏振图案之间可以存在介电材料层，其能够改善金属丝状体和基板之间的黏附性。介电材料通常选自金属(例如硅)氧化物、氮化物、卤化物和类似材料。

在透明基板上总是有由纳米结构型的反射性金属线产生的偏振图案存在。

该图案的特征在于，由具有规则形状和尺寸的平行带构造的单个金属光栅，其中每一个带由纳米线产生，这些纳米线由具有相同几何特性的反射性材料制成并且以规则(即恒定)间距(<390[nm])布置，使得它们可以针对预期的用途与最合适范围的太阳辐射选择性地相互作用。

在宽度上，金属线占据介于间距间隔(pitch period)的2.5％到50％之间基本上恒定的空间；沉积的金属层的厚度和丝状体的高度主要根据所选择的间距以及在抑制电磁辐射方面的期望效率而变化。为了提高偏振效率，还期望金属层的沉积不应涉及在透明基板上产生的丝状体的两个主侧面。

为了本发明的目的，术语“基本上恒定”是指关于上述范围可以进行变化，只要根据本发明的装置的功能不被改变也不被损坏即可。

因此，对于所考虑的波长，纳米线的高度总是保持在(10[nm]<h<1[μm])之间，并且在该范围内，优选在60[nm]到180[nm]之间的值，但不排除其他h<1[μm]的可能的实现方式。

带具有相等的尺寸，但是相对于偏振轴具有不同的取向。

每个带的宽度取决于装置的应用的类型，并且从5微米至9.9米变化。

每个带的偏振轴相对于相邻带的偏振轴旋转穿过在1/10度到45度之间的范围中选择的恒定角度。该角度越小，介于偏振分量的最大和最小透射率水平之间的中间透射率水平越大。

带的不同偏振角沿一个方向(顺时针或逆时针)旋转，以形成在几乎二维的滤波器的整个表面上重复的图案。参见图3-5。

可选的第三透明元件是根据预期用途产生的偏振图案的保护层。该层可以具有滤除紫外线(UV)辐射的功能和/或提高未被金属图案偏振的电磁辐射的透射水平的功能。其在可见光和近红外区域具有高透明度，并且根据其折射率进行选择和数值验证，该折射率必须总是大于1.3。

其次接收由第一滤波器滤波和偏振的太阳辐射的滤波器被表征并类似于第一偏振器工作。

对于其中对太阳光谱的整个范围(UV-VIS-NIR)具有最大视觉调光和/或最大抑制能力是重要的的器件，第二图案类似于第一图案产生，但是具有能够可选择性地吸收与透射分量正交的偏振分量的多层纳米线。

两个偏振滤波器都是使用纳米制造技术制造的，其中最公知的用于制造大表面的是使用卷对卷工艺的纳米压印光刻(NIL)技术，但是可以使用其他已知的技术作为纳米光刻的替代。

当第一和第二滤波器的各个偏振轴彼此平行并且沿着入射电磁波的传播方向对准时，获得偏振分量的最大透射率。实现所述透射率的与偏振轴正交的电磁辐射的分量被偏振和反射。当第一和第二滤波器的各个偏振轴彼此正交并且沿着入射电磁波的传播方向对准时，获得偏振分量的最小透射率。在这种情况下，反射处于其最大值(参见图6)。

偏振轴之间的中间角度将给出在最小值和最大值之间几乎线性变化的透射率。

入射电磁辐射的没有被金属图案偏振的分量以相对于所使用的透明材料的针对特定波长的透射程度的百分比传输。

偏振器中的一个或两个都连接到已知类型的一个或多个线性平移运动系统，例如机电或精密液压系统。

平移运动通过由连接到各种传感器的微控制器发送到致动器的电输入和用户的临时或永久选择(设置：季节的、每月的、每日的，每小时的和根据环境基准)来调节，所述各种传感器用于监测环境变化(各种VIS和/或NIR波长的内部和外部亮度、温度、湿度、房屋中人的存在、来自互联网或与微控制器通信的静态/动态仿真模型的预测输入)。

图1通过举例示出了关于VIS+NIR(例如双滤波器，约100[nm]的线间间距，约100[nm]的线高度)和NIR(例如双滤波器，约230[nm]的线间间距，约120[nm]的线高度)的实现方式的选择性透射率特性。这些值关联于太阳光谱的百分比能量分布而设置。

图2以[％]标度示出了相同装置的光谱透射率值，示例了本发明的实现方式和执行可能性。

相对于传统的屏蔽系统，根据本发明的装置使得能始终向外部清晰观看，不需要任何维护，因此没有任何额外的成本；它不需要针对来自雪或风的应力进行测试，也不需要检查来自酸侵蚀、盐水/海洋腐蚀或氧化的腐蚀，因为它可以通过将其定位在被密封的玻璃腔中来保护，并且其内部的空气用例如氩、氪或氙等绝缘气体或者用脱水空气替换，和/或可以用适于该目的的分子吸收剂进行修改。该装置可以通过智能控制系统随意调节，智能控制系统根据用户的选择和内部与外部环境条件的变化做出决策。它可以远程控制或通过互联网控制。它可以根据数据库或瞬时根据记录的值复位，并且控制系统可以与用于建筑物的动态仿真模型交互。

控制硬件和软件可以是开放的(Open)并且可由用户定制，用户可以选择哪些变量控制它(内部照明，太阳的位置和存在，瞬时的、季节的或每小时的变量，内部和/或外部温度，手动选择)并因此适用于任何取向和不同纬度。

由于不需要打开透明表面，因此通过通风立即降低热扩散，以及使现代窗户和门框架的空气密封效率最大化。

如果根据本发明所述的装置集成到玻璃系统中，则其直接与窗户被装配并调节，因此不需要任何进一步的装配阶段。它还增加任何有机基板的寿命和在内部与外部之间的隔音(如果与层合窗户安装和/或安装在外部和/或内部层合窗内)。

关于内部屏蔽，除了上述优点之外，本文描述的装置还显著减少了在夏季建筑物因为空调而对能量的需求，因为几乎所有未被直接透射的辐射都被反射到外部。

关于使用TIM(透明绝缘材料)作为框架的填料的窗户，根据本发明所述的装置解决了透明性的问题，在具有TIM的窗户中的透明性由于所使用的产品的半透明性而被否定。它还可以与TIM技术配合，其中存在安装三层玻璃窗的可能性，以便通过传导/对流(在具有极度恶劣的冬天的气候中)减少热交换。

作为另一个优点，根据本发明的装置使得能进行可编程动态控制。

关于光致变色和热致变色可变透明度窗，根据本发明所述的装置实现在冬季更大的太阳光能贡献。

光致变色窗户不适合建筑结构，因为即使在冬天，如果受到直接辐射的照射，它们变暗，因此抵消了对建筑物的自由太阳光能贡献，并且不能对透明度进行个性化调节。

与热致变色单元的平均30分钟相比，本发明的另一个优点通过几乎瞬时的过渡时间呈现。与两种水平的热致变色单元(25-55％冷却和5-12％温热)相比，它具有宽范围的透射率水平，并且能够选择性地并且显著地减少红外辐射，从而使得可见光辐射能穿过。在一些情况下，热致变色窗口仅降低可见光范围内的透明度，而在其他情况下，它们以几乎线性的方式降低可见光和近红外光的透射率。

关于电致变色可变透明窗，本发明提供更长的寿命，因为它不是通过化学-物理转化的循环而工作，而是在有利的情况下使用光的矢量性质。其主要化学成分和其状态在所有正常使用条件下保持不变；它不消耗任何电能以保持透明；并且其不产生对人类潜在地有害的恒定电磁场。

与根据本发明所述的提供远远较宽的选择的装置不同，许多电致变色装置仅具有几个(3-5)水平的透明度选择。

根据方向和使用设置，本文描述的装置可以被设计为在能量方面自给自足持续3至6个月的时间的独立装置。在这段时间之后，它可以像普通便携式装置一样在几小时内充电。另一方面，电致变色装置具有60分钟的平均放电时间，因为即使最佳情况在12[伏]下平均消耗0.3[W/mq]以保持透明度，并且因此需要连续的网络馈电。

本发明发现了在需要或希望获得对电磁辐射，特别是光辐射，更特别是太阳辐射的屏蔽的所有应用中的工业应用。例如：民用和工业建筑(竖直、水平或倾斜封闭物，包括中小尺寸的封闭物)；用于房间分离的内部装修。