背景技術(shù)：

管理建筑物內(nèi)的日光需要注意建筑美學(xué)和人為因素兩者。日光重定向窗玻璃的量度規(guī)定了這些可能相互矛盾的設(shè)計(jì)要求。用于結(jié)合了日光重定向窗的給定空間的照明策略需要最大化可用的日光(其對(duì)于位于空間內(nèi)的多個(gè)位置處的觀察者可用)、最小化有害的眩光和/或照明顏色不均衡，并且在一些實(shí)施方案中，將通過(guò)窗用玻璃到外部環(huán)境的視野最大化。實(shí)現(xiàn)均衡的一種方法是使用由日光重定向光學(xué)器件部分地覆蓋窗玻璃。部分覆蓋通常通過(guò)完全覆蓋具有日光重定向光學(xué)器件的天窗或區(qū)域并且不覆蓋窗空間的其余部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

符合本發(fā)明的用于重定向日光的第一光學(xué)結(jié)構(gòu)包括基部、至少兩個(gè)峰和在基部和峰之間延伸的多個(gè)面，其中該多個(gè)面中的至少一個(gè)面是彎曲的。

符合本發(fā)明的用于重定向日光的第二光學(xué)結(jié)構(gòu)包括基部、至少兩個(gè)峰和在基部和峰之間延伸的多個(gè)面，其中該多個(gè)面中的至少一個(gè)面是彎曲的并且基部具有表面漫射體。

符合本發(fā)明的用于重定向日光的第三光學(xué)結(jié)構(gòu)包括基部、至少兩個(gè)峰、在基部和峰之間延伸的多個(gè)面，其中該多個(gè)面中的至少一個(gè)面是彎曲的，以及在基部的與峰相反的面上的材料，其中材料和基部之間的界面形成漫射體。

附圖說(shuō)明

附圖并入本說(shuō)明書并構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分，它們連同具體實(shí)施方式一起闡明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和原理。在附圖中，

圖1為具有嵌入式表面漫射體的日光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)的圖示；

圖2示出了用于日光重定向結(jié)構(gòu)的參考平面；

圖3為用于光學(xué)結(jié)構(gòu)的雙峰設(shè)計(jì)的側(cè)視圖；

圖4為從10度到45度的圖3的雙峰設(shè)計(jì)的透射分布函數(shù)的曲線圖；

圖5為從45度到80度的圖3的雙峰設(shè)計(jì)的透射分布函數(shù)的曲線圖；

圖6為圖3的雙峰設(shè)計(jì)的炫光、轉(zhuǎn)送效率和光向上重定向和向下重定向的曲線圖；

圖7為用于光學(xué)結(jié)構(gòu)的三峰設(shè)計(jì)的側(cè)視圖；

圖8為從10度到45度的圖7的三峰設(shè)計(jì)的透射分布函數(shù)的曲線圖；

圖9為從45度到80度的圖7的三峰設(shè)計(jì)的透射分布函數(shù)的曲線圖；

圖10為圖7的三峰設(shè)計(jì)的炫光、轉(zhuǎn)送效率和光向上重定向和向下重定向的曲線圖；

圖11為用于光學(xué)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)雙峰設(shè)計(jì)的側(cè)視圖；

圖12為從10度到45度的圖11的雙峰設(shè)計(jì)的透射分布函數(shù)的曲線圖；

圖13為從45度到80度的圖11的雙峰設(shè)計(jì)的透射分布函數(shù)的曲線圖；

圖14為圖11的雙峰設(shè)計(jì)的炫光、轉(zhuǎn)送效率和光向上重定向和向下重定向的曲線圖；

圖15示出了圖3所示的光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)的角度；

圖16示出了具有集成式表面漫射體的圖3所示的光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)；并且

圖17示出了在其基部具有漫射體并且在漫射體的與光重定向結(jié)構(gòu)相反的面上具有材料的圖3所示的光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施方案包括新形式的窗玻璃，其具有面向太陽(yáng)的日光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)，該日光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)具有在其上圖案化的嵌入式表面漫射體。實(shí)施方案包括如下所述的光重定向結(jié)構(gòu)，其一般由由線性的單位單元組成，每個(gè)單位單元具有基部、兩個(gè)或更多個(gè)與基部相反的峰以及在基部與峰之間的至少一個(gè)彎曲的面?；亢头逯g的其它多個(gè)面可以是基本上直的、彎曲的或一系列近似曲線的小平面。

術(shù)語(yǔ)“基本上直的”是指由于制造過(guò)程引入的不精確性而大部分是直的，但可偏離直線或可有意地具有微小曲率(即大半徑)以傳播重定向的光的面。

用于包括本文所述那些結(jié)構(gòu)的此類結(jié)構(gòu)的日光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)和材料的實(shí)施例在2014年10月20日提交的題為“具有減少的炫光的面向太陽(yáng)的光重定向膜”(“sun-facinglightredirectingfilmswithreducedglare”)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)62/066302中有所描述，該臨時(shí)專利申請(qǐng)如同完全闡述一樣以引用方式并入本文。日光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)的實(shí)施例也公開(kāi)于2014年12月19日提交的題為“用于重定向日光的光學(xué)結(jié)構(gòu)”(“opticalstructuresforredirectingdaylight”)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)62/094626，該專利申請(qǐng)如同完全闡述一樣以引用方式并入本文。

受權(quán)利要求書保護(hù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的描述

這里公開(kāi)的圖案化光學(xué)多層可包括具有日光重定向結(jié)構(gòu)的嵌入式表面漫射體，如圖1所示。圖1中的復(fù)合制品包括基部10、第一材料12、嵌入式表面漫射體14、第二材料16和日光重定向光學(xué)結(jié)構(gòu)18。基部10可用例如玻璃或用于附接到玻璃窗的柔性透明膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。

可能的日光重定向結(jié)構(gòu)包括具有基本上直的、彎曲的或有小平面的多個(gè)面的多峰功能件，其中有小平面的多個(gè)面可近似曲線。曲線類型可包括但不限于貝塞爾曲線。周期性結(jié)構(gòu)可每個(gè)周期具有一個(gè)或多個(gè)峰。每個(gè)周期的峰數(shù)量可大于2。所公開(kāi)的光學(xué)結(jié)構(gòu)已使用特定的材料組針對(duì)日光重定向進(jìn)行了優(yōu)化。

日光重定向窗用玻璃的期望特性

假設(shè)使用包括被日光重定向光學(xué)器件覆蓋的和未被日光重定向光學(xué)器件覆蓋的區(qū)域的組合窗用玻璃用于為空間提供太陽(yáng)照明。為了均衡由日光重定向窗所照明的空間中的可得日光，入射在窗用玻璃上的陽(yáng)光應(yīng)主要被重新定向深入到所照明的空間中，其中由平面窗直接透射的光線不到達(dá)所照明的空間。短語(yǔ)“主要被重新定向深入到所照明的空間中”意指以稍微在垂直于入射平面的水平面上方的角度而非以靠近窗口平面的角度重定向。后者角度將是主要直接向上而非向外重定向的光。圖2示出了用于本發(fā)明的參考平面。參考平面包括水平面20、窗平面22、具有太陽(yáng)仰角θs和方位角的入射面24和垂直平面26。

為了消除有害的眩光，陽(yáng)光不應(yīng)被立即重定向在垂直于入射平面的水平面下方。為了向較靠近窗戶的觀察者和/或工作表面提供一些光，一些入射日光能夠以垂直于入射平面的水平面下方的相對(duì)陡峭的角度重定向。

實(shí)施例的材料測(cè)量和擬合

使用具有三種不同激光器的metricon棱鏡耦合器(新澤西州彭寧頓的麥崔克股份有限公司(metriconcorp.,pennington,newjersey))來(lái)測(cè)量日光重定向結(jié)構(gòu)材料(圖1中的材料16)和嵌入式漫射體填充物(圖1中的材料12)的折射率，三種不同激光器具有三種單獨(dú)的波長(zhǎng)(分別為針對(duì)藍(lán)色范圍、綠色范圍和紅色范圍的404納米、532納米和632納米)。堿石灰窗玻璃的折射率的測(cè)量值取自太陽(yáng)能文獻(xiàn)。對(duì)于所有的三種材料，使用線性最小二乘法將如在lighttools產(chǎn)品中可獲得的三項(xiàng)laurent模型擬合成測(cè)量值對(duì)波長(zhǎng)。折射率測(cè)量值的擬合算法是使用matlab產(chǎn)品來(lái)寫的。

針對(duì)日光重定向結(jié)構(gòu)測(cè)量的示例性材料為sa-250p(日本東京永瀨有限責(zé)任公司(nagase&co.,ltd,tokyo,japan))。用于嵌入式漫射體填充物/粘合劑的示例性材料為2013粘合劑(密歇根州米德蘭的道康寧公司(dowcorning,midland,michigan))。

實(shí)施例中用于驗(yàn)證建模的嵌入式表面漫射體

對(duì)于驗(yàn)證階段，使用在緊密填充的六方晶格上圖案化的凹陷半球狀隆起塊對(duì)嵌入式漫射體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。凹陷微球延伸超過(guò)漫射體平面的部分的高度(隆起塊高度)被設(shè)定為微球半徑的0.2975倍。表面法線和漫射體平面的法線之間的rms角度被計(jì)算為約27.8度。使用用材料模型進(jìn)行的光線跟蹤來(lái)計(jì)算具有日光重定向結(jié)構(gòu)材料的光學(xué)疊堆的適光霧度為約80％，該日光重定向結(jié)構(gòu)材料在內(nèi)部用測(cè)試嵌入式漫射體結(jié)構(gòu)圖案化、填充有嵌入式漫射體填充粘合劑并且結(jié)合到堿石灰玻璃。可使用隨機(jī)、偽隨機(jī)或確定性的通用工程化漫射體表面作為嵌入式漫射體。

設(shè)計(jì)實(shí)施例1-雙峰日光重定向光學(xué)器件

針對(duì)示例材料組創(chuàng)建了雙峰設(shè)計(jì)。功能件的一個(gè)周期的設(shè)計(jì)形狀示于圖3。圖3中設(shè)計(jì)和示出的形狀的空間尺寸通過(guò)節(jié)距t歸一化。為了驗(yàn)證，對(duì)于以5度為增量的從10度到80度范圍的一組入射仰角，以90度方位角針對(duì)雙峰設(shè)計(jì)計(jì)算透射率分布函數(shù)。針對(duì)圖4中從10度到45度的入射仰角和針對(duì)圖5中的從45度到80度的入射仰角，繪制了用于雙峰設(shè)計(jì)的垂直出射平面中的透射率分布函數(shù)的曲線圖。從圖4和圖5中看到，在正式眩光范圍內(nèi)透射的光非常少。在圖6中繪制了炫光分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)送效率和被重定向在上面和在下面(向上和向下)的光的轉(zhuǎn)送效率對(duì)入射仰角的曲線圖。對(duì)于所有入射仰角，眩光分?jǐn)?shù)低于0.1，并且對(duì)于小于70度的所有入射仰角，轉(zhuǎn)送效率大于0.7。該結(jié)構(gòu)在70度處在轉(zhuǎn)送效率上具有衰退。雙峰設(shè)計(jì)在80度的入射仰角之前沒(méi)有明顯的顏色失真。

設(shè)計(jì)實(shí)施例2-三峰日光重定向光學(xué)器件

針對(duì)示例材料組創(chuàng)建了三峰設(shè)計(jì)，如圖7所示。與前面的實(shí)施例一樣，如圖中設(shè)計(jì)和示出的形狀的空間尺寸通過(guò)節(jié)距t歸一化。與前面的實(shí)施例一樣，為了驗(yàn)證，對(duì)于以5度為增量的從10度到80度范圍的一組入射仰角，以90度方位角針對(duì)三峰設(shè)計(jì)計(jì)算透射率分布函數(shù)。針對(duì)圖8中從10度到45度的入射仰角和針對(duì)圖9中的從45度到80度的入射仰角，繪制了用于三峰設(shè)計(jì)的垂直出射平面中的透射率分布函數(shù)的曲線圖。從圖8和圖9中可見(jiàn)，對(duì)于在15度與75度之間的入射仰角，在正式眩光范圍內(nèi)透射的光非常少，但在所測(cè)試的仰角的下限和上限中存在一些炫光。在圖10中繪制了炫光分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)送效率和被重定向在水平面上面和下面(向上和向下)的光的轉(zhuǎn)送效率對(duì)入射仰角的曲線圖。對(duì)于在15度與75度之間的所有入射仰角，眩光分?jǐn)?shù)低于0.1，并且對(duì)于小于70度的所有入射仰角，轉(zhuǎn)送效率大于0.65。該結(jié)構(gòu)在70度處在轉(zhuǎn)送效率上具有衰退，但該衰退遠(yuǎn)不像如在前面的實(shí)施例中針對(duì)雙峰設(shè)計(jì)的那樣劇烈。

三峰設(shè)計(jì)在80度的入射仰角之前沒(méi)有明顯的顏色失真。在80度處的顏色失真顯著低于雙峰設(shè)計(jì)，并且對(duì)比由于藍(lán)光損失引起的雙峰設(shè)計(jì)的80度處的明顯橙色，該顏色失真白得足以接受。

設(shè)計(jì)實(shí)施例3-雙峰日光重定向光學(xué)器件

針對(duì)示例材料組創(chuàng)建了另一個(gè)雙峰設(shè)計(jì)。功能件的一個(gè)周期的設(shè)計(jì)形狀示于圖11。圖11中設(shè)計(jì)和示出的形狀的空間尺寸通過(guò)節(jié)距t歸一化。為了驗(yàn)證，對(duì)于以5度為增量的從10度到80度范圍的一組入射仰角，以90度方位角針對(duì)雙峰設(shè)計(jì)計(jì)算透射率分布函數(shù)。針對(duì)圖12中從10度到45度的入射仰角和針對(duì)圖13中的從45度到80度的入射仰角，繪制了用于雙峰設(shè)計(jì)的垂直出射平面中的透射率分布函數(shù)的曲線圖。從圖12和圖13中看到，在正式眩光范圍內(nèi)透射的光非常少。在圖14中繪制了炫光分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)送效率和被重定向在上面和在下面(向上和向下)的光的轉(zhuǎn)送效率對(duì)入射仰角的曲線圖。

示例性實(shí)施方案

圖15示出了對(duì)應(yīng)于圖3所示的光重定向結(jié)構(gòu)的多峰值單位單元的角度。圖16示出了在其基部具有漫射體例如粗糙化表面的圖3所示的光重定向結(jié)構(gòu)。圖17示出了在其基部具有漫射體并且在漫射體的與光重定向結(jié)構(gòu)相反的面上具有材料的圖3所示的光重定向結(jié)構(gòu)，其中該材料具有與光重定向結(jié)構(gòu)的材料不同的折射率。

圖15至圖17以及圖7和圖11中所示的單位單元可在窗或其離散區(qū)域上重復(fù)，其特征在于面向太陽(yáng)以便將日光重定向穿過(guò)窗戶，如圖1所示。這些結(jié)構(gòu)通常為線性的，并且單位單元為結(jié)構(gòu)的橫截面圖。

本文所述的光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)于面上的至少一個(gè)點(diǎn)可具有每節(jié)距小于1.0，或小于2.0，或小于5.0，或小于10.0，或小于20.0的曲率半徑。

以下為可用作光學(xué)結(jié)構(gòu)的回填物的示例性材料：包含ssq60％苯基40％乙烯基和聚硅氧烷共聚物hsi(mehsi-o)(phmesi-o)sih(蓋里斯特公司(gelest)hpm-502,75-110cst)的固化倍半硅氧烷；包含ssq70％苯基20％異丁基10％乙烯基和聚硅氧烷共聚物hsi(mehsi-o)(phmesi-o)sih(蓋里斯特公司(gelest)hpm-502,75-110cst)的固化倍半硅氧烷體系；以及包含ssq80％甲基20％乙烯基、sih封端的pdms(蓋里斯特公司(gelest)dms-h032-3cst)和pdms表面處理的氧化鋯的固化倍半硅氧烷體系。硅氧烷聚氧乙烯材料可用作光學(xué)結(jié)構(gòu)的粘合劑。