多反射光定向膜的制作方法

專利名稱：多反射光定向膜的制作方法
背景技術：
本發明涉及所有需要同時提高入射光(可見光到紅外光)在一個方向的反射率和在相反方向的透射率的應用。即一側的反射率和另一側的透射率的和大于1.0。這種膜在下文中稱作多反射體(multi-flector)。
一個應用領域是用于太陽能采集，在面向太陽的方向光的透射率達到最大(反射率達到最小)，在面向采集器的方向反射率達到最大(透射率達到最小)。本發明大大增加了此類設備中保持能量的程度。此外，本發明可以用作使用太陽能產生部分或全部動力的加熱、冷卻和/或發電系統的一部分。本發明將增加太陽能采集器的效率，從而減少礦物燃料的使用。
第二個應用領域包括用于任一種無發射顯示技術—-例如電化鉻、鐵電、鐵磁、電磁和液晶——其中需要既使用外部產生的(環境)光，又使用內部產生的(人造)光。膜替換了無發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部產生的光(背景光)無關，或完全依靠它。使用這種膜使亮度由人造光和環境光同時起作用，這樣系統將達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中，電池的壽命將增加174％。
第三個應用領域包括建筑材料，其中可以使用膜來定向光源(例如窗戶或日光)發出的光，而同時反射房屋或建筑物的環境光。
現有技術背景描述太陽能采集器用于太陽能采集器的現有技術包括日光直接轉換成電的光電學、用于加熱水的太陽熱能，和用于發電的大型太陽熱發電廠。在這些系統中，太陽能通過將板或板陣列放置在到太陽的直接路徑中來“采集”。這些板由將太陽能反射到特定點采集的鏡子或類似鏡子的材料構成，或者由各種吸收性材料制成。使用吸收性材料的系統可進一步分成在電池中采集太陽能的系統或吸收太陽能作為熱能來加熱水或傳熱液體，例如水—乙二醇防凍混合劑，的系統。大多數商用太陽能電池是由非常純的單晶或多晶硅片制成的。在工業生產中這種太陽能電池典型的可以獲得高達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”技術的替代方法是在象玻璃一樣的載體上淀積一個半導體薄膜。可以使用不同的材料，例如碲化鎘、二硒化銅銦和硅。主要有三類熱采集器平板、真空管和會聚。最常見類型的平板采集器是一個絕緣的、耐風雨的外殼，包括一個位于一個或多個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、透明玻璃管構成。每個管包括一個玻璃外管和一個內管或吸收器，涂有一個良好吸收太陽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，這消除了傳導和對流損耗。會聚采集器應用通常是拋物線形的槽，使用鏡面將太陽能會聚到一個包含傳熱液體的吸收管(稱作接收器)上。
發射顯示用于無發射顯示，特別是液晶顯示的現有技術不是包含反射顯示，就是包括面光源(透射)顯示，通常表示為背光顯示。傳統的反射顯示使用一個反射膜作為底層將環境光改變方向反向通過顯示元件，組成如

圖1中所示。在該圖中，環境光10(日光、人造光—例如辦公室燈光—或由放在設備11上部的光源發出的)進入顯示單元，穿過單元的各種層，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改變方向反向通過各種層產生一幅圖像。這種使用可用的環境光來生成圖像的方法受可用光的限制。這種方法不是用于產生高質量圖像的有效裝置，嚴重限制了各種條件下彩色圖像的質量。傳統的背光(透射)顯示的組成如圖2所示。在此圖中，光使用背光部件7產生，作為光射線13直接通過各種層，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，產生一幅圖像。這種使用人造光生成圖像的方法受限于環境光的量，在使用電池部分或全部時間發電的系統中受限于電池壽命。當存在環境光時，光反射出不同層時產生眩光，如上所述，不會穿過6到8所有的層。為了解決這種眩光并產生合乎用戶心意的圖像，必須要增加背景光增益，產生更合用的光，也就是更多的光穿過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的可用性。隨著環境光增加，眩光隨之增加，因此在一些點上背景光對產生合乎心意的圖像不起作用。
以前同時使用環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換窗，該窗在一個時間為全透射，在另一個時間為全反射。
建筑材料關于建筑材料的現有技術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。著色材料的性質是反射一定比例的來自膜一側的光，同時透射剩余的光。在著色膜或涂層中，透射率/反射率的比由材料的特性確定，在膜的每一側都是相同的(反射率R+透射率T＝1)。對于反射膜或涂層，反射率小于或等于1，其中限度由材料的特性確定。
目標和優點本發明的主要目標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反射一個方向的入射光，而同時以最小的光損耗和最小的光變向來透射相反方向的光。
本發明的另一個目標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透射一個方向的光，而同時以最小的光損耗和光受控的變向來反射相反方向的入射光，以這樣的方式將光保持在系統之中，也就是太陽能采集器或建筑物(例如辦公大樓、博物館等等)之中。
根據本發明的多反射光定向膜將增加需要這種膜的系統中的亮度并減小眩光的影響，和/或增加需要保持光的系統的效率。
附圖簡述圖1(現有技術)是一幅顯示傳統反射顯示工作的圖。
圖2(現有技術)是一幅顯示傳統背光顯示工作的圖。
圖3是一幅顯示本發明背光實施方案一般特征的圖。
圖4是一幅顯示本發明太陽板實施方案一般特征的圖。
圖5是一幅顯示使用本發明的無發射顯示典型組成的圖。
圖6是一幅顯示本發明一個使用準直光管的實施方案工作的圖。
圖7是一幅顯示本發明一個實施方案的截面及相關光通路的圖。
圖1-5中的引用數字6 偏光器7 玻璃板8 液晶懸浮體9 反射膜10 來自太陽和室內的環境光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，由反射結構的底部反射回到吸收器，等等。
10C 照射反射結構側面的光射線，定向到吸收器，由吸收器反射，由反射結構的底部反射回到吸收器，等等。
11 來自顯示外部的可控光源12 背光部件13 來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 無發射顯示系統的剩余部分17 反射結構的底部18 反射結構底部之間的間隔19 多反射體的厚度20 反射結構從底部到頂點的高度21 每個像素(顯示的圖像元件)的反射結構的數量22 截面形式的多反射體23 太陽24 太陽能采集器中的吸收材料優選實施方案詳述膜材料是透明的，并設計成系統的一個內部元件，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形狀。刻痕的截面呈現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物體，同樣可以以各種樣式排列。刻痕或物體的不連續面可以是平面的、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，但是可以是復合劑、復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。刻痕或不連續物體平行的重復排列，以一定間隔橫跨膜區域。在重復樣式之前刻痕或不連續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表示無發射顯示系統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18＝fr＝凹槽之間的間隔19＝Th＝膜厚度(根據凹槽或物體的高度，由透明材料的性質決定)K＝凹槽底部半寬度的倍數20＝Kr＝凹槽或物體的高度21＝M＝每個像素(圖像元件)的凹槽數量，這里定義為顯示的最小可控區域還令RM2＝反射材料對正常入射光的反射率22表示整個發明通過組合使用適當(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、復合材料或兩者的組合來達到類似鏡面或集中作用。光定向/集中結構和/或微結構包括，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面結構(規則或不規則)。所有大小相同或不同的結構一般周期性的變化，膜的反射率、透射率和吸收率可能有不同的值。這能夠在一個方向得到通過膜的高反射率和低透射率，在另一個方向得到高透射率和低反射率。
R1＝一側的反射率
T1＝一側的透射率A1＝一側的吸收率R2＝另一側的反射率T2＝另一側的透射率A2＝另一側的吸收率根據能量守恒R1+T1+A1＝1且R2+T2+A2＝1。
在現有技術的多反射體中，R＝R1＝R2；T＝T1＝T2以及A＝A1＝A2。由此可得出結論，在現有的設計中當A＝0時，R+T＝1。即使是在現有技術要求克服多反射體的限制和提出的多反射體必須引導或定向光，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。
在此技術中，膜一側的反射值與另一側的反射值較大的分離開，一側的透射值與另一側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，對于膜的這種無發射型式，T1＝R2＝A1＝A2＝0。那么R1+T2＝1。
膜的第一實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能采集器或任何設備中的使用，如圖4所示。在此附圖中，太陽23發出的光以光射線10A進入透明材料，直接透射到吸收材料24。光射線10B穿過透明材料14，部分由吸收材料24反射。光射線10C穿過透明材料14，由反射結構15重定向到吸收材料24，部分由吸收材料24反射。通過適當選擇折射率與膜材料為其中一部分的系統的其它元件相匹配，膜材料對大約300-2500納米之間的可見光、紫外光和/或近紅外光具有高光學透射率，對紫外光是穩定的，不會透過水分、不吸濕、抗刮傷和易于保持清潔。粘合劑對大約300-2500納米之間的光具有高光學透射率，且對紫外光是穩定的。在第一實施方案中是為透射率和反射率的和最大設計的。于是將會采集最大量的日光并保持在膜是其中一部分的特定設備中。因此，對于這個實施方案，令RM2＝1.00；一種完全反射材料。令f＝0.1，刻痕制造的實際界限。為r和f選擇足夠大的值，避免衍射效應和干涉效應。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波長。對于只要使用了完全反射材料，透射期間的多重反射就無關緊要的太陽能采集器，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，實際上將收集所有進入系統的光能。膜的第二實施方案涉及用于一種無發射顯示系統，例如液晶顯示，或其它為了產生圖像而定向光的設備。這種膜的實施方案可以插入到背光部件和顯示系統剩余部分之間，可以是背光部件的一個組件，或者可以附在顯示的剩余部分的一個組件上。在這種情況下優選的人造光源包括一個準直光的裝置，從而使大多數光垂直射在膜上。所提出的膜的高透射一側面向背光系統，高反射率一側面向觀看者。膜覆蓋全部顯示區域。刻痕或物體可以以相對于顯示邊緣的、從平行到傾斜的任意角度排列。
使用本發明的無發射顯示系統有一個在圖5中圖解說明的組成。在該附圖中，環境光10穿過不同的層，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，由本發明的反射元件22改變方向，向回通過6到8的不同層，而同時由背光部件12產生的人造光射線13穿過本發明的透光元件22，透光元件可以附在臨近的、象背光部件12這樣的元件上，或作為一個獨立的層安裝在顯示系統中。
設WT＝顯示寬度m＝每個像素(圖像元件)的刻痕數量，這里定義為顯示的最小可控區域。
FW＝水平方向的顯示格式(不同元件的數量，其中每個元件有一個紅、綠、藍像素)那么對于彩色液晶顯示器，r＝WT/[3FWm(2+f)]。為了說明設計方法，令WT＝246mm和FW＝800代表1996/97年彩色液晶顯示器設計的典型值。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、可能是由膜產生的光分布不均勻，例如條紋。
對于顯示的用于第二實施方案的設計，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。對于這個f值，來自背光系統的平行光20％會不反射的透射，40％會因為反射刻痕或物體改變一次方向后透射，40％會因為反射刻痕或物體改變二次方向后透射。在這個例子中，可以使用方程r＝WT/[3FWm(2+f)]計算r為13.7μ，則間隔fr(刻痕之間的間隔)為6.9μ。如果RM2已知(材料的標準反射率)，可以計算反射率R1和透射率T2。注意兩個設計例子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。
兩種設計顯示通過使用多反射體技術來替換已有的透射反射體技術可得到較大的提高。
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備。
圖6顯示了一種實施方案。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(其中無填充，使用氣體、真空或改變折射率來生成結構。)，34表示附在多反射體元件上的準直元件。光射線36從透射能量源(沒有顯示)進入元件，不改變方向的穿過準直光管34，在不照射到任何成形結構32的情況下穿過元件主體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(沒有顯示)進入元件，被準直光管34改變方向為小于10度。光射線37進入元件主體31，不改變方向的穿過。
圖7描述了多反射體元件的截面，其中41表示元件的邊緣。結構43伸入元件總元件厚度的一定百分比。令結構43的頂點(尖端)的角度為4度。此外，令結構43的頂點面向一個光源(沒有顯示)，同時結構43的底部面向另一個光源(沒有顯示)。光射線44垂直于元件的平面進入元件，在不照射到任何成形結構43的情況下穿過元件，不改變方向的離開元件。光射線45垂直于元件的平面進入元件，照射到結構43的中點，被最小程度的改變方向(相對于元件平面垂線4度)，這樣不會照射到相鄰結構43而離開元件。光射線46垂直于元件的平面進入元件，在頂點(尖端)附近照射到結構43，被最小程度的改變方向(相對于元件平面垂線4度)，這樣在結構底部附近照射到相鄰結構(結構高度的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度的角度進入元件，在中點之上照射到結構43，被最小程度的改變方向(相對于元件平面垂線4度)。由于光射線47入射角度增加，在光射線47離開元件之前發生多次方向改變。在這個例子中，光射線47離開元件需要七次方向改變——累計改變方向28度。光射線48被結構43以等于入射角的角度反射。光射線49以相對于平面垂線過大的角度進入元件，在頂點(尖端)附近照射到結構43，由于累計的方向改變，光射線49不能離開元件的相反面。
圖7以14.3的高寬比配置結構43，結構43之間的間隔為底部寬度的25％，結構均勻間隔排列橫跨元件主體42。這種元件達到94％的從最靠近結構43頂點(尖端)的一面垂直于平面進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。在這個例子中，從透射面進入的光20％不改變方向的穿過元件，40％以一次方向改變(相對于元件平面垂線4度)穿過元件，40％的光有兩次方向改變(相對于元件平面垂線8度)。這個例子R+T為1.70。
上面描述的高寬比和結構間隔的組合是為了說明元件配置的效果，不是為了限定。
本發明的另一個實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，其中使用太陽光來照亮內部區域或增強人工照明。在這個實施方案中，刻痕或物體可以轉變角度，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，與光源的角度無關。
本發明可以表述為一個透射反射體，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，其中反射的光相對于從第一方向來的光的百分比與透射的光相對于從相反方向來的光的百分比的和大于百分之百。
本發明也可以表述一個能夠在第一和第二方向透射光的透明材料，有一個第一表面，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，有一個或多個與反射體裝置相關的結構。該結構具有從第一表面伸出的側壁，側壁的角度足夠反射穿過第一表面從第二方向照射到結構的光，這樣來自第二方向的光部分穿過第一表面，其中反射的光相對于從第一方向來的光的百分比與透射的光相對于來自第二方向的光量的百分比的和大于百分之百。
多反射體元件獨立于所有的特定系統，但典型是作為一個系統之中的幾個元件的一個包含進去的。多反射體元件提供一個方向上最佳的能量反射，而同時在相反方向上提供最佳的能量透射。這是通過使用嵌入、浮凸或通過其它方法在元件主體中形成的高高寬比結構來完成的。通過大大增加反射/折射結構在一個方向(結構的頂點)相對于結構底部的表面面積，在一個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，以產生其它的效果。在優選實施方案中，準直元件可以與多反射體結合，形成一單個元件，附在多反射體上，或并入多反射體所依附系統的另一個組件之中，這樣準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。準直元件接收在寬角度范圍內分布的入射能波，將能波改變方向，使角度小于某些從元件表面法線測量的特定角度。準直元件的使用確保了所有實際上從透射面進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。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/折射成形結構的高寬比、結構之間的間隔、和構造元件使用的材料。這些因素決定了(1)能量從一個方向進入元件(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關系。成形結構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)。通過增加成形結構之間的間隔，較小比例的來自透射面的能量改變方向，同時來自相反方向的能量反射減小了。反之，通過減小成形結構之間的間隔，較大比例的透射能量將改變方向，而較大比例的來自相反方向的透射能量將會反射。在下面的例子中說明了反射/折射結構高與底的高寬比和結構之間間隔之間的一般關系。
例1單結構，截面是三角形，沿著元件的全長從一面擴展到另一面。等間隔重復排列上面的結構，這樣整個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。如果對于元件的特定應用需求需要來自一面(反射面)的能量大約反射66.6％，同時來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。在這個例子中成形結構之間的間隔大約是成形結構底部大小的一半。在此例中，來自一面的可能有用的反射能量的和R與來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入元件的能量66.6％被反射，從透射面進入元件的能量100％被透射(R＝66.6％，T＝100％，從而R+T＝166％)。
例2假設成形結構與例1的相同，特定應用需求需要透射能量的量最大，與所有特定的出射角無關。還假設從透射面進入元件的能量一律校正到垂直于元件平面大約10°之內。
在此應用中，要求是反射一個方向(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。假設成形結構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％。成形結構之間的間隔大約為成形結構大小的四分之一。在此例中，來自一面的可能有用的反射能量的和與來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。舉例來說，這種配置可以用于顯示應用來提高觀看角度。
在頂點附近照射到三角形結構行的光射線具有可能離開元件之前最大數量的方向改變。通過使用基本的幾何學和對幾何光學的基本了解，一個在本領域有技能的人可以計算需要怎樣的高寬比和結構之間的寬度，使在頂點附近照射的光在離開之前方向改變最好不超過兩次。可以使用光射線路徑的幾何曲線來推導不同參數之間的關系，包括系統的約束條件。結構的高度由幾個因素決定，其中一個是透明材料的厚度。如果特定應用需要透射在垂直10度之內穿過透射反射體的光，然后假定了高度，那么可以畫出或計算出頂角。頂角和高度確定了高寬比，從而確定結構底部的寬度。
在無發射顯示的優選實施方案中元件不應該超過100密耳厚。元件主體的透射系統大于97％。每個形成的頂點(尖端)穿入元件主體總厚度的百分比在10％-100％之間。每個形狀有一個在2.6°-9.5°之間的固定頂角，高與底的比在6∶1-22∶1之間。在另一個實施方案中，形狀有一個在3.0°-7.0°之間的固定頂角，高與底的比在8∶1-18∶1之間。在每種實施方案中，高與底的比都可以低到4∶1。這使結構的壁相對于底的角度在大約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)。在另一個實施方案中，底寬度可以在2.0μ-50.0μ之間。不管形狀是通過填充材料或通過光學處理形成的，每個結構的底必須是能夠反射的。這可以通過填充處理、通過沉積/光致抗蝕處理，或其它如涂層這樣的方法來完成。三角行結構以每個三角形頂點之間在3.0μ-300.0μ之間的固定間隔和每個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排列。在另一個實施方案中，頂點之間的間隔可以在3.0μ-70.0μ之間，底邊之間的間隔可以在1.0μ-20.0μ之間。在優選實施方案中，準直元件附在靠近多反射體元件透射面的元件上。在優選實施方案中描述的大小不應該解釋成界限，因為其它的應用可能需要或允許根據上面的規格進行變化。
在優選實施方案中，單個形狀的截面是三角形，從元件的一邊擴展到另一邊，形成一個單行，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表面平面(反射面)平行且重合或稍稍凹進一點。在優選實施方案中，三角形行在元件整個區域內平行的重復并等間隔排列，形成形狀和間隔的條帶狀圖案。在另一個實施方案中，三角形的行可以替換成不連續的物體，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。在另一個實施方案中，如上所述的不連續形狀可以以不同的形狀、高度、角度或間隔排列。在優選實施方案中，每個三角形行的不連續面是平的。在另一個實施方案中，行的一個或多個不連續面或不連續形狀可以是凹的、凸的和/或有凹痕的。此外，在每個結構變平的底部上可以沉積微小形狀(例如棱錐或圓錐)來進一步控制反射能量的方向。
在優選實施方案中，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、鑄模或其它改變元件主體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、鑄模或浮雕在元件主體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為0.01。在優選實施方案中，對于元件主體內的每個形狀來講折射率相同。對本發明來說，術語反射在討論照射結構主體的光的時候也包括折射，其中材料折射率中的差異與入射角一道得到實際的或接近的照射在結構上的光的總反射。
在使用反射材料填充刻痕的情況下，可以使用單材料或復合材料來形成上面提到的三角形行。優化用于反射形狀的填充材料，使得吸收最小，并對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合膠、復合材料或混合材料。
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構的底。
生成多反射體元件優選實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。通過在元件主體特定區域中改變折射率來生成想要的形狀。在此實施方案中，在元件臨近三角形行底部(反射面)的一面沉積一個反射材料薄層，例如鋁。去掉對應于三角形行之間間隔的沉積區域，形成一個橫跨元件的條帶圖案。使用優化處理來改變元件特定區域的折射率需要光敏材料具有良好的光學和機械性質。除了足夠的感光折射率改變之外，一組合適的“寫”波長(典型是在紫外區中)、光學透明度、薄膜可成形性和機械特征也是非常重要的。這樣的材料可以是優化了機械特征的有機聚合物或組合了有機聚合物化學多功能性的有機—無機混合物，即聚硅烷、聚鍺烷和/或它們的溶膠—凝膠混合物。
在另一個與使用光敏透明材料有關的實施方案中，不連續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或多個不連續面可以是凹的、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，或作為一個獨立的處理，可以在每個結構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)以進一步控制反射能量的方向。在另一個實施方案中，對于每個不連續形狀折射率可以是不同的，這樣在元件主體范圍內可以產生各種交變圖案以達到特定的效果。在另一個實施方案中，可以使用通過填充刻痕得到的形狀和改變光敏材料折射率的組合，在元件主體范圍內生成各種圖案。
術語光在本發明中使用時包括對應于具有從可見光波長到紅外波長的電磁輻射。但是本發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構的能力。明確的講，本發明可以用在無線電、雷達、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和格瑪型射線。
另一個制造本發明結構的方法是通過一些能夠在物理工作環境中保持完整性的合適材料制作結構，然后用一些合適的方法來懸掛結構。懸掛可以通過使用形成柵格的線或某種細絲來完成。本發明的這個方法在太陽能應用中有用處，其中透射反射體的大小不受無發射顯示的大小要求的限制。
采集太陽輻射的多種普通方法中的一種是使用鏡子將輻射從太陽反射到管道復合體。管道復合體包括輸送待加熱液體的第一管道，由第二管道環繞。兩個管道之間的空間典型是抽空以減少對流和傳導損耗量。通過在管道之間的這個空間內安裝本發明的結構，來自鏡子的大部分太陽輻射會被收集并反射回待加熱的管道上，因此增加了總效率。在大多數情況下，加熱管道也會發射輻射，這也會被收集并反射回去。因此太陽輻射穿過透射反射體，而在開始沒有被太陽能采集器吸收的輻射和太陽能采集器由于溫度而發射出的輻射一起被反射回到太陽能采集器。在這個實施方案中，真空是與結構相關的透明材料。
在這種太陽能應用中，結構的高度只取決于管道之間的間隔，結構的底部與用在無發射顯示中的相比會大一些。底部的寬度可以是3500μ或更大，雖然對于這種使用也可以使用較小尺寸的結構。最好是用大量的結構彎曲環繞至少一部分管道以提高輻射的收集和反射。
在本發明中使用時，術語“結構”指折射或反射光的元件的形狀。結構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，象可以在太陽能應用中發現的，結構通過柵格、線、細絲或其它這樣的設備放在材料“中”，柵格表示透射反射體的表面。
本發明獨特的能力是能夠反射和透射比任何現有技術設備更多的光。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，和透射來自與第一方向相反的方向的光的裝置，其中反射光相對于來自第一方向的光的百分比與透射光相對于來自相反方向的光量的百分比的和大于百分之百。
2.權利要求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或多個與反射材料相關的結構。
3.權利要求2的透射反射體，其中結構包括底和側壁，底與反射材料相關，其中側壁相對于第一表面的角度大到足夠將相反方向照射到結構的光反射出第一表面。
4.權利要求3的透射反射體，其中側壁的角度在83度和不到90度之間。
5.權利要求4的透射反射體，其中結構的底是一個細長的矩形，矩形在一個方向上橫跨第一表面。
6.權利要求5的透射反射體，其中底的矩形有一個長度和一個寬度，寬度小于長度，其中結構有一個高度，該高度與底的寬度之比在大約6到22之間。
7.權利要求2的透射反射體，其中透射反射體包括一個具有第一表面的光透射材料，第一表面有一個或多個刻痕。
8.權利要求1的透射反射體，其中刻痕有側壁與第一表面接觸，且其中側壁相對于第一表面的角度在大約83度和不到90度之間。
9.權利要求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或多個凹槽，凹槽在一個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，并且有一個或多個與反射體裝置相關的反射結構，結構具有從第一表面向第一方向伸展的側壁，側壁相對于第一表面的內角小于90度，角度足夠將從第一方向照射到側壁的光反射通過第一表面，這樣來自第一方向的一部分光穿過第一表面，其中反射光相對于來自相反方向的光的百分比與透射光相對于來自第一方向的光量的百分比的和大于百分之百。
13.權利要求32的透光材料，其中反射結構是通過以足夠產生與光透射材料不同的折射率的方式來處理材料，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，并且有一個或多個與反射體裝置相關的反射結構，結構具有從第一表面向第一方向伸展的側壁，側壁相對于第一表面的內角小于90度，角度足夠將從第一方向照射到側壁的幅射反射通過第一表面，這樣來自第一方向的一部分幅射穿過第一表面，其中反射的輻射相對于來自相反方向的輻射的百分比與透射的輻射相對于來自第一方向的輻射量的百分比的和大于百分之百。
15.一種太陽能采集設備，設備包括一個柵格和一個太陽能采集器，其中太陽輻射在第一方向穿過柵格到太陽能采集器，一部分太陽輻射從采集器以相反方向反射到柵格，柵格有一個第一表面，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輻射的反射裝置，并且有一個或多個與反射體裝置相關的反射結構，結構具有從第一表面向第一方向伸展的側壁，側壁相對于第一表面的內角小于90度，角度足夠將從第一方向照射到所述結構的幅射反射通過第一表面，這樣來自第一方向的一部分幅射穿過第一表面，其中反射的太陽輻射相對于來自相反方向的太陽輻射的百分比與透射的太陽輻射相對于來自第一方向的太陽輻射量的百分比的和大于百分之百。
16.權利要求38的太陽能采集設備，其中太陽能采集器產生額外的輻射，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能采集器。
全文摘要
一種透射反射體，同時使透射反射體一側的光反射率最大，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，透射反射體還包括由反射材料(33)組成的反射區域(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F24J2/16GK1452722SQ00819407
公開日2003年10月29日 申請日期2000年2月2日 優先權日2000年2月2日
發明者R·W·克利克曼, N·D·盧巴特, C·R·梅菲爾德 申請人:特里維恩技術公司