漫射光的光栅的制作方法

专利名称：漫射光的光栅的制作方法
第l/9页
漫射光的光栅
本发明涉及包含能使来自室外的光以所需方向朝室内(通常天花板)
变向的元件(616ments)的建筑物用玻璃板的领域。当要偏转的光是可见太 阳光时，这种类型的玻璃板常被列为"自然采光的(daylighting)"。
由于在室内更有效利用外部光线以致可减少人工照明的事实，这种 类型的玻璃板通常被认为有助于节能。
US 5,009,484教导了包含由凸起的平行列构成的衍射光栅的玻璃 板。该文献指出，该光栅通常造成引起表现为色彩分离的光衍射。这种 效果不是特别希望的。为限制这种现象的程度，同一文献建议(参见其附 图3)垂直并置三个连续的光栅(对于三种基本颜色的每种)，以使这三种 颜色的出射光束在天花板上混合以重新形成无色照明区域。这三个连续 光栅具有以单调方式和依精确次序进行改变的不同周期性。该文献还指 出，这三个连续光栅可换成单光栅，其周期性从该单光栅的一端到另一 端以单调方式变化。该专利所教导的解决方案在一定程度上有效，但不 阻止所有虹彩色形成。此外，在该文献中，漫射构件是倾斜的，任选地 可变的，并具有可变深度，这使得在大面积上的低成本工业制造非常困 难。
本发明涉及限制光的各种颜色的表观分离并产生具有与入射光基 本相同颜色(没有偏转光的显著表观虹彩色)的照明(通常在天花板上)的 表面光栅。因此，如果入射光对肉眼而言基本无色，则出射光也如此。 合意的是，偏转光依据该光栅的单一级(通常地，光栅的1级)也是无色 的，因为否则这会产生各种分离的照明区域(如果光线被投射到天花板 上，则在天花板上产生这些区域)，其中一些区域不在合理位置，这可能 是不美观的。
根据本发明，在透明基底的表面上并沿着在平行于所述表面的方向 上,通过#皮4斤光指凄史R2的线型基本区；或(domains S16mentaires lin6aire) 隔开的折光指数R1的线型基本构件(motifs 616mentaires lin6aires)形成包 含至少两种折光指数Rl和R2交替的光栅，所述构件(motifs)和区域 (domains)在几何上彼此互补。这些构件和区域由于彼此鳞状排列 (imbriquent)而在几何平面上互补。因此，仅限定折光指数为Rl的构件的几何形状就足够了，因为折光指数为R2的区域填充位于这些构件之
间的所有空间。元件的几何由它们的重心、由它们在与基底平行的平面
中的宽度L、由相邻构件之间的一个重心与另一重心的距离d和由它们 的深度p进行限定。
本发明的基底甚至可以是透明的，这意味着那么可以清晰地透过它 观看，而物体看起来没有变形(diffus)或模糊，并且无论观测者的视角如 何都如此。如果构件的宽度沿整个光栅保持基本恒定，则直视透明度更 好。本发明的成列光栅因此仅对变向光(lumAre redirg6e)具有漫射效应。 包含光栅的透明基底使一部分入射光转向到所需方向(光栅的1级(ordre l)),例如朝天花板。同时，它能使其余入射光在不偏转的情况下透过(光 栅的0级(ordre0))。本发明的透明基底包含漫射变向光以使该光不表现 出明显的表观虹彩色的光栅。在1级中的透射(变向光)不随着单一方向 发生，而是在宽的角度范围内发生。相反，如果元件的宽度L基本恒定， 则未变向地透射的光没有漫射。因此，0级中的透射在与入射光线相同 的方向上发生。本发明的基底因此对观测者而言是直视透明和非漫射 的。
一部分光线:陂变向(即偏转)，无论其入射角如何。该光栅漫射偏转
的光线。如果该光线的入射角被定义为是基底的垂线与光方向之间的角 度(对应于图2中所示的角度e)，则变向光是总透射光(透过该基底)的10
至50%，特别是对入射角大于30。的光而言。因此，本发明更可用于在
的地球绰度的房屋中装配玻璃板(垂i"安置)。'' ''
根据本发明，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边到另一边以 非单调方式变化。术语"非单调，，意味着，从光栅一边到另一边时，该
距离不是仅仅提高或降低。相反地，从光栅一边到另一边时，这种距离 d较大值与较小值交替。
因此，本发明首先涉及可以是直视透明的基底，在其表面上包含由 至少200个构件成列的光栅，所述构件被折光指数不同于这些构件的区 域隔开，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边到另一边以非单调方 式变化，从而对于任何由50个连续构件构成的组，或甚至任何由20个 连续构件构成的组而言，所迷组的相邻构件的重心之间的距离d比所述 组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm的至少大一倍和至少小一倍，其中dm为75纳米至200微米。因此，无论在光栅上选择的由 50个连续构件构成的组或甚至由20个连续构件构成的组是什么样的， 都可以发现，距离d在该组内不是恒定的。
优选地，在本发明的光栅中，相同的并列构件形成由3至15个构 件，优选3至7个构件构成的区块(bloc)。因此，区块的特征为构件之 间从重心到重心的相等距离。从区块内部开始，构件之间的距离一改变—,
就脱离该区块。可以直接从一个区块转到另一区块，以使两个区块接合 处的构件构成两个区块的一部分。但是，两个区块之间的距离也可以不 同于这些区块之一或另一个的构件之间距离。在这种情况下，不存在同 时属于两个区块的构件。优选地，光栅的至少80%,甚至至少90%的构 件构成区块的一部分。 一区块包含最少3个构件和在这三个构件之间的 两个相等间隔。由n个构件构成的区块含有n-l个间隔。如果说该光栅 的至少80%的构件都构成含3至15个构件的区块的一部分，这意味着， 在该光栅内可能散布着由多于15个构件构成的孤立区块。如果由多于 15个构件构成的"孤立区块"含有多于20个构件，其与下述概念相容， 依据该和无念，对于任何由50个连续构件构成的组而言，所述组的相邻 构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平 均i 巨离dm大至少一次和小至少一次。
考虑到优选区块的这一概念，可以说，该光栅的结构优选进行局部 组织化(organis6e)。这种局部组织化的效果，特别是宽度L的恒定性质 的效果是直视透明而无漫射。透明基底被定义为其吸光性质接近传统玻 璃板的基底，透过该基底观看到的物体不会看起来模糊。
该光栅通常包含总共多于100,000个构件，更通常多于1,000,000 个构件。
在由连续构件(50或甚至优选20个)构成的组中，相邻构件之间的 平均距离dm被定义为所述组的相邻构件的重心之间的所有距离d的总 和与该组的相邻构件的重心之间的距离数目的比率。
由50个或甚至优选20个连续构件构成的组或甚至任何的由50个 连续构件构成的组或甚至任何的由20个连续构件构成的组内的d的变 化可能更多是超过比dm大一次和比dm小一次。特别地，当从该组的 一边到该组的另一边时，d可能比所述组内的距离d的平均距离dm大 至少两次和小至少两次，d比dm大的那两次:故d比dm小的那一次隔开，
6d比dm小的那两次一皮d比dm大的那一次隔开。这种交替频率还可以甚 至更大。
在任何由50个或优选甚至20个连续构件构成的组内，d围绕该组 的dm变化，同时至少两次与dm偏离至少数值y,其中至少一次高于 dm+y,至少一次低于dm-y。 y的数值取决于寻求偏转的波长范围。 一般 可以说，其为至少5。/。dm,更通常至少10。/odm。
数值d围绕dm变化，同时通常保持在dm+x至dm-x的范围内，值 x取决于寻求偏转的波长。通常，x为最多50% dm,更通常地最多20% dm。
无论是该光栅的任何由50个或优选甚至20个连续构件构成的组， 该组的数值dm具有大致为寻求偏转的射线波长的数值。 我们要指出，光射线基本具有下列波长 紫外线150至400纳米 可见光400至800纳米 红外线800纳米至10(H敛米
无论是由50个或优选甚至20个连续构件构成的組，在寻求偏转的 波长的1/2和波长的两倍之间选择数值dm。该数值dm因此始终位于75 纳米和200微米之间。通常，无论是由50个或优选甚至20个连续构件 构成的组，dm位于100纳米至20孩i米之间。
如果寻求偏转的是可见光，优选在200至600纳米范围内，优选在 300至500纳米范围内选择dm。为了偏转可见光，dm优选高于或等于 200纳米，甚至高于或等于300纳米。为了偏转可见光，dm优选小于或 等于600纳米，甚至小于500纳米，再更优选小于或等于450纳米。如 果dm太高，特别是高于500纳米，未偏转的透射光较不强烈，此外， 使光栅的更高级可见，这意味着偏转光在几个位置较不强烈。
尽管不排除它们是倾斜的，但这些构件通常是不倾斜(本领域技术人 员会说"闪耀")，即相对于与基底垂直并穿过构件重心的直线是对称的。
如果用DM表示整个光栅(不仅是其50或20个构件)的d的平均值， 例如，从光4册一边到另一边的d波动可以浮皮确定并且遵循围绕数值DM 的正弦曲线。但是，这种波动可以是无规。在这种情况下，表示d围绕 DM的分布的曲线是高斯曲线型的。在这种情况下，该光栅没有周期性。 在寻求偏转的波长的1/2和两倍之间选择数值DM。该数值DM因此始微米之间，且通常在100纳米至20孩i米之间。已 经看出，所述构件优选以区块形式分组。对整个光栅而言，L优选是恒定或基本恒定的。但是，L可以围绕 平均值Lm变化，该变化优选小于Lm的50%。该宽度L因此可以在0.5Lm 和1.5Lm之间变化。光栅内的L变化越大，该光栅的直视透明度损失越 大。通常，在0.1 DM至0.9 DM,优选0.4DM至0.6DM的范围内选择 构件的宽度Lm。构件的宽度L被定义为在其重心处的宽度。这些构件 通常是平行六面体。在实践中，由于世事无完美，这些平行六面体的角 (凹入和凸起)可能或多或少变圓。通常，对整个光栅而言，构件的深度恒定。通常，在0.2至5,优 选0.4至2的范围内选择构件的宽度L与深度的比率。通常，对整个光 栅而言，构件的宽度L与深度的比率是恒定的。如果随着穿过构件重心的平行于基底的线，则相继经过构件的折光 指数R1和构件之间的区域的折光指数R2。特别地，构件可以由玻璃制 成，所述区域可以由空气构成。当在玻璃基底表面上制造玻璃凸起作为 构件时，其为这种情况。空气填充构件之间的空间并自然构成区域。在 这种情况下，指数R1是玻璃的指数，例如1.5,指数R2是空气的指数， 即1。在此实例中，在基底表面上获得构件的凸起。然而，从构件到区 域的转变可对应于与凸起部分不符的折光指数的变化。实际上，其可以 是彼此鳞状排列以使该表面触摸平滑的两种不同材料。特别可以通过离 子交换技术或基于光折射和电光效应的技术获得这种材料交替。构件和区域的折光指数可以为1至2.2。通常，所述构件可具有1.1 至1.8的折光指数。通常，区域可具有1至1.5的折光指数。这两种折光指数(构件和区域的折光指数)之差通常为0.02至1.5。通常，如果区域是空气，则构件的折光指数高于区域的折光指数。由于基本为装配建筑物玻璃板，选择构成具有令人满意的透明度的 所述玻璃板(基底，和可能添加到所述基底中的片)的材料。本发明的光栅特别用在自然采光用途中。在这种情况下，通常将其 置于垂直的玻璃板上，以使所述构件列是水平的。不排除构件列是倾斜 的。该光栅通常占据玻璃板的至少IO厘米高度，更通常至少20厘米高 度，通常覆盖玻璃板的整个宽度。本发明的光栅通常可通过下列技术进行制造压花、光刻、转印、8上的溶胶-凝胶层或聚合物压花。压花是通过与结构化元件(例如由辊构成)接触并 同时在其上施加压力而产生的塑性或粘塑性形变。可用的溶胶-凝胶层通常是例如溶解在水-醇混合物中的无机氧化物前体，如Si02、 A1203、 Ti02 等的液体层。在使用或不使用辅助加热手段的情况下，这些层在干燥时 硬化。作为Si02前体，可以提到四乙氧基硅烷(TEOS)或曱基三乙氧基 硅烷(MTEOS)。有机官能团可以被包括在这些前体中和最终获得的二氧 化硅中。例如，在EP 799 873中已经描述了用于获得疏水涂层的氟化硅 烷。还可以使用如下的聚合物层获得压花聚对苯二曱酸乙二酯(PET)、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯(如聚(曱基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(曱基丙烯 酸)、聚(曱基丙烯酸2-羟乙S旨)及其共聚物)、 聚环氧(甲基)丙烯酸酯、 聚氨基曱酸S旨(甲基)丙烯酸酯、 聚酰亚胺(如聚甲基戊二酰亚胺)、 聚硅氧烷(如聚环氧硅氧烷)、 聚乙烯基醚、 聚二苯并环丁烯等它们是单独的或其中几种的共聚物或混合物。在一些情况下，在压花后可以蚀刻。可以蚀刻经压花的溶胶-凝胶或 聚合物层直至下方透明板的材料再现，首先在所述凸起构件的深的部分 中，然后逐渐到其高的部分。因此，可以完全在添加的溶胶-凝胶或聚合 物层中或部分在该层中或部分在所述透明薄板中或完全在所述透明板 内形成在蚀刻结束时获得的或多或少不规则表面。应该调节蚀刻条件以 使由此所得表面具有尺寸符合本发明的装置的限定的凸起构件。作为蚀刻方法，可以提到化学蚀刻，特别是用酸，反应性离子(束)蚀刻(Reactive Ion (Beam) Etching- RI(B)E), 等离子体蚀刻(电感耦合等离子体=ICP)。要指出的是 9制造本发明的光栅的另 一 可能方法包括光刻法。该方法通常在于首 先为透明基底提供第一层，可以在其中形成所述凸起构件。该第一层相 当于压花法的添加的溶胶-凝胶或聚合物层。其还可以具有与此相同的性 质，特别是由二氧化硅制成。在该方法的第二步骤中，沉积第二光敏树脂层。其通过暴露在确定目标的(cibl6)辐射中而在指定位置进行硬化。 由此在除去该光敏树脂的未硬化部分后在要蚀刻的第一层上产生掩模。^:;敏树脂的可能的残留物:''；5 、 、 - ' p 、、'、制造本发明的光栅的另 一 方法包括納米结构化层的转印(transfert)。 将在第一载体上的粘附层粘附到第二载体上，以构成本发明的装置。该 层可以由塑料或类似物制成。可用的另一方法基于无机玻璃中的离子交换，例如Na+离子被Ag+ 离子交换。最后，可以利用光折射效应，根据这种效应调制光诱发该材料(例如 钛酸钡的光折射晶体)的折光指数的空间调制。也可以利用电光效应，根 据这种效应电场诱发该材料的折光指数的空间调制。本发明的光栅特别用在自然采光用途中。在这种情况下，将其置于 垂直玻璃板上，以使构件列是水平的。该光栅通常占据玻璃板的至少10 厘米高度，更通常至少20厘米高度，通常覆盖玻璃板的整个宽度和在 玻璃板的上部。所述构件可位于玻璃板接收入射光的面上或在玻璃板的光出射面 (朝向建筑物内部的面)上。

图1以横截面显示带有本发明的漫射光栅的基底。基底1在其表面 上包含平行的多列具有矩形截面的构件m,。这些构件因此是线型的并在 与图1垂直的方向(当带有该光栅的玻璃板被安装时，该方向通常是水平 的)上平行。这些构件因此是平行六面体，图l仅显示其横截面。所有构 件都具有相同几何，但相邻构件之间的距离不等。这些构件具有折光指 数Rl。它们被空气隔开，该空气因此构成构件之间的区域。这些空气 区域具有折光指数R2，通常约为值l。虚线2穿过所有构件的重心。该 线也交替穿过构件和穿过空气区域，并在该线上从光栅一边到另一边 时，交替穿过折光指数Rl和R2。构件的重心当然是超出该基底(即相 对于线AA，从该基底上的凸起)的材料(即构件深度p中的材料)的重心。例如，在构件ml和m2之间标出距离dl。显示了由20个连续构件构成 的组，该组的相邻构件(mi和mi+l)之间的距离di的平均值被标作dm。 在从该由20个构件构成的组的上边缘开始并朝同一组的另一边缘移动 时，d首先低于dm,然后在下行时，d超过dm,然后再低于，然后再 超过，等等。相邻构件的重心之间的距离因此围绕dm波动。图2显示了本发明的基底3对透过其的太阳光的影响。该透明基底 3使一部分入射光以所需方向变向(图2的1级射线5),例如朝向天花板 4。同时，其能使其余入射光(图2的0级射线6)在不使其偏转或不漫射 的情况下透过。该变向光5被漫射并且那么不包括任何明显的表观虹彩 色。图3显示了根据图2的装置的作为光出射角的函数的透射光的百分 比。可以看出，9=-35。附近的1级透射不以随着单向发生，而是在-45。 至-20°的宽角度范围内发生。相反，未变向的透射的光(图2的射线6) 没有被漫射。仅在0 = 40。的角度下发生O级透射。带有本发明的光栅的基底因此 对观测者而言是直视透明和非漫射的。图4 il明了区块扭克念。区块B1含有3个构件，它们;故两个间隔隔 开。当从区块B1内开始时，自构件之间的距离变得不同(在此变大)，就 离开该区块。区块B2与区块B1相同。区块B3含有6个构件和5个间 隔。构件mx是区块B2和B3共有的。实施例l(对比)通过溶胶-凝胶在一块玻璃板(Saint-Gobain Glass France出售的商品 名"Planilux")的上部分50厘米上沉积360纳米厚的二氧化硅层。以本领 域技术人员已知的方式，通过压花制造深度360納米且宽度200纳米的 凸起线型构件结构。这些构件垂直于该薄膜的平面。从光栅一边缘到另 一边缘时(即行经该50厘米光栅的同时)，这些构件的重心之间的间距从 300纳米递增到500纳米。然后将玻璃板安置作为外墙的窗。该玻璃板 使来自室外的光线朝天花板变向，但察觉到虹彩色。实施例2如实施例1地进行操作，只是在50厘米光栅内，重心之间的间距ii以无规方式在300和500纳米之间变化。没有观察到显著虹彩色。
权利要求
1.直视透明并且在漫射光的同时使光偏转的基底，在其表面上包含由至少200个构件成列构成的光栅，所述构件被折光指数不同于构件折光指数的区域隔开，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边缘到另一边缘以非单调方式变化，从而对于任何由50个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次，dm为75纳米至200微米。
2. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，对于任何由50个连续构件构成的组而言，d以高于dm+y的方式偏离所述组内的距离d的平均3巨离dm至少一次，并以4氐于dm-y的方式偏离dm至少一次，y为至少5% dm。
3. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，y为至少10。/odm。
4. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，对于任何由50个连续构件构成的组而言，d保持在dm+x至dm-x内，x为最多50% dm。
5. 如权利要求l所述的基底，其特征在于，对于任何由20个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次，dm为75纳米至20(H啟米。
6. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，对于任何由20个连续构件构成的组而言，d以高于dm+y的方式偏离所述组内的距离d的平均距离dm至少一次，并以4氐于dm-y的方式偏离dm至少一次，y为至少5% dm。
7. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，y为至少10。/。dm。
8. 如前面三个权利要求任一项所述的基底，其特征在于，对于任何由20个连续构件构成的组而言，d保持在dm+x至dm-x内，x为最多50% dm。
9. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，如果DM代表整个光栅的相邻构件的重心之间的距离d的平均值，构件的平均宽度Lm为0.1 DM至0.9 DM。
10. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，该光栅的所有构件具有0.5 Lm至1.5Lm的宽度。
11. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，该光栅的至少80%的构件形成区块，各区块包含3至15个在构件之间具有恒定间隔的并列的相同构件。
12. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，该光栅的至少90%的构件形成区块，各区块包含3至15个在构件之间具有恒定间隔的并列的相同构件。
13. 如前两个权利要求任一项所述的基底，其特征在于，各区块包含3至7个在构件之间具有恒定间隔的并列的相同构件。
14. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，构件的宽度L与深度的比率为0.2至5。
15. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，构件的宽度L与深度的比率为0.4至2。
16. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，在1至2.2的范围内选择构件和区域的折光指数。
17. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，dm小于500纳米。
18. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，dm小于或等于450纳米。
19. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，dm大于或等于200纳米。
20. 如前一权利要求所述的基底，其特征在于，dm大于或等于300纳米。
21. 如前述权利要求任一项所述的基底，其特征在于，入射角大于30。的可见光中透射光的IO至50%被偏转和被漫射，未偏转光不被漫射。
22. 包含前述权利要求任一项的基底的窗户。
23. 包含根据前一权利要求的窗户的建筑物，所述窗户是垂直的并暴露在阳光中。
24. 如前一4又利要求所述的建筑物，特征在于其位于如在一年间的至少部分时间内阳光可与地平线形成大于30。的入射角的地球绵度。
25. 前述基底权利要求任一项的基底用于使阳光朝天花板变向的用途。
全文摘要
本发明涉及在其表面上包含由至少200个光漫射构件成列构成的光栅的透明基底，所述构件被折光指数不同于构件的折光指数的区域隔开，相邻构件的重心之间的距离d从光栅一边缘到另一边缘以非单调方式变化，从而对于任何由50个连续构件构成的组而言，所述组的相邻构件的重心之间的距离d比所述组的相邻构件的重心之间的距离d的平均距离dm大至少一次和小至少一次，dm为75纳米至200微米。该基底在自然采光用途中是直视透明的并在漫射光的同时使光变向且没有虹彩色。
文档编号G02B5/18GK101675365SQ200880014647
公开日2010年3月17日 申请日期2008年4月16日 优先权日2007年5月4日
发明者J·-P·穆莱特, L·梅尼茨, P·拉兰恩 申请人:法国圣戈班玻璃厂