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CN100416306C - 多反射光定向膜 - Google Patents

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CN100416306C
CN100416306C CNB008194076A CN00819407A CN100416306C CN 100416306 C CN100416306 C CN 100416306C CN B008194076 A CNB008194076 A CN B008194076A CN 00819407 A CN00819407 A CN 00819407A CN 100416306 C CN100416306 C CN 100416306C
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Abstract

一种透射反射体，同时使透射反射体一侧的光反射率最大，而使透射反射体相反方向的光透射率最大。透射反射体包括一种透明材料(31)，用作主体。为了使光射线(36)透过，透射反射体还包括由反射材料(33)组成的反射区域(32)，例如铝或银，用于采集射出透射反射体的光射线(35)。

Description

多反射光定向膜
技术领域
本发明涉及所有需要同时提高入射光(可见光到红外光)在一个方向的反射率和在相反方向的透射率的应用。即一侧的反射率和另一侧的透射率的和大于1.0。这种膜在下文中称作多反射体(multi-flector)。
一个应用领域是用于太阳能采集，在面向太阳的方向光的透射率达到最大(反射率达到最小)，在面向采集器的方向反射率达到最大(透射率达到最小)。本发明大大增加了此类设备中保持能量的程度。此外，本发明可以用作使用太阳能产生部分或全部动力的加热、冷却和/或发电系统的一部分。本发明将增加太阳能采集器的效率，从而减少矿物燃料的使用。
第二个应用领域包括用于任一种无发射显示技术——例如电化铬、铁电、铁磁、电磁和液晶——其中需要既使用外部产生的(环境)光，又使用内部产生的(人造)光。膜替换了无发射显示器的透射反射/反射/透射元件，其中所替换的元件或是与内部产生的光(背景光)无关，或完全依靠它。使用这种膜使亮度由人造光和环境光同时起作用，这样系统将达到电能使用的大大减少。在使用电池部分或全部供电的系统中，电池的寿命将增加174％。
第三个应用领域包括建筑材料，其中可以使用膜来定向光源(例如窗户或日光)发出的光，而同时反射房屋或建筑物的环境光。
背景技术
太阳能采集器
用于太阳能采集器的现有技术包括日光直接转换成电的光电学、用于加热水的太阳热能，和用于发电的大型太阳热发电厂。在这些系统中，太阳能通过将板或板阵列放置在到太阳的直接路径中来“采集”。这些板由将太阳能反射到特定点采集的镜子或类似镜子的材料构成，或者由各种吸收性材料制成。使用吸收性材料的系统可进一步分成在电池中采集太阳能的系统或吸收太阳能作为热能来加热水或传热液体，例如水-乙二醇防冻混合剂的系统。大多数商用太阳能电池是由非常纯的单晶或多晶硅片制成的。在工业生产中这种太阳能电池典型的可以获得高达18％的效率。制造它们所使用的硅片比较昂贵，占了最终组件成本的20-40％。这些“块硅”技术的替代方法是在象玻璃一样的载体上淀积一个半导体薄膜。可以使用不同的材料，例如碲化镉、二硒化铜铟和硅。主要有三类热采集器：平板、真空管和会聚。最常见类型的平板采集器是一个绝缘的、耐风雨的外壳，包括一个位于一个或多个透明或半透明罩下面的黑色吸热板。真空管采集器由多排平行的、透明玻璃管构成。每个管包括一个玻璃外管和一个内管或吸收器，涂有一个良好吸收太阳能但防止热辐射损耗的选择性涂层。从管之间的空间中取出(“抽出”)空气形成真空，这消除了传导和对流损耗。会聚采集器应用通常是抛物线形的槽，使用镜面将太阳能会聚到一个包含传热液体的吸收管(称作接收器)上。
发射显示
用于无发射显示，特别是液晶显示的现有技术不是包含反射显示，就是包括面光源(透射)显示，通常表示为背光显示。传统的反射显示使用一个反射膜作为底层将环境光改变方向反向通过显示元件，组成如图1中所示。在该图中，环境光10(日光、人造光-例如办公室灯光-或由放在设备11上部的光源发出的)进入显示单元，穿过单元的各种层，6偏光镜、7玻璃板(可能包括滤色器、共用电极、TFT矩阵或其它组件)和8液晶悬浮体，从反射膜9改变方向反向通过各种层产生一幅图像。这种使用可用的环境光来生成图像的方法受可用光的限制。这种方法不是用于产生高质量图像的有效装置，严重限制了各种条件下彩色图像的质量。传统的背光(透射)显示的组成如图2所示。在此图中，光使用背光部件12产生，作为光射线13直接通过各种层，例如6偏光镜、7玻璃板(可能包括滤色器、共用电极、TFT矩阵或其它组件)和8液晶悬浮体，产生一幅图像。这种使用人造光生成图像的方法受限于环境光的量，在使用电池部分或全部时间发电的系统中受限于电池寿命。当存在环境光时，光反射出不同层时产生眩光，如上所述，不会穿过6到8所有的层。为了解决这种眩光并产生合乎用户心意的图像，必须要增加背景光增益，产生更合用的光，也就是更多的光穿过6到8的层。人造光的这一增加使电池的消耗增加，从而减小了显示附属的系统的可用性。随着环境光增加，眩光随之增加，因此在一些点上背景光对产生合乎心意的图像不起作用。
以前同时使用环境光和背景光的尝试得到了折中显示的透射量和反射量的应用。Hochstrate在U.S.4,196,973中提倡使用用于这种用途的多反射体。Weber在U.S.5,686,979，col.2中提倡限制用于这种用途的多反射体，并另外建议一种可转换窗，该窗在一个时间为全透射，在另一个时间为全反射。
建筑材料
关于建筑材料的现有技术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)的膜或涂层。膜或涂层通常分成两类：着色材料或反射材料。着色材料的性质是反射一定比例的来自膜一侧的光，同时透射剩余的光。在着色膜或涂层中，透射率/反射率的比由材料的特性确定，在膜的每一侧都是相同的(反射率R+透射率T＝1)。对于反射膜或涂层，反射率小于或等于1，其中限度由材料的特性确定。
发明内容
本发明的主要目标是以这样的方式控制光：以最小的光损耗和光受控的变向来反射一个方向的入射光，而同时以最小的光损耗和最小的光变向来透射相反方向的光。
本发明的另一个目标是以这样一种方式控制光：以最小的光损耗和最小的光变向来透射一个方向的光，而同时以最小的光损耗和光受控的变向来反射相反方向的入射光，以这样的方式将光保持在系统之中，也就是太阳能采集器或建筑物(例如办公大楼、博物馆等等)之中。
根据本发明的一种透射反射体，具有使从第一方向照射到其上的光反射的装置，并具有使来自与第一方向相反的方向的光改变方向并且透射的装置，其中所述反射光相对于来自所述第一方向的光的百分比与所述透射光相对于来自所述相反方向的光量的百分比的和大于百分之百，其中所述透射反射体有第一表面，其中所述反射装置包括一种覆盖至少一部分第一表面的反射材料，其中所述透射光的装置包括一个或多个与反射材料相关的结构，其中所述一个或多个结构包括一个底和多个侧壁，所述底与所述反射材料相关，其中所述侧壁相对于所述第一表面的角度足以将从相反方向照射到所述结构的光反射通过所述第一表面。
根据本发明的一种透光材料，能够使第一方向上的光改变方向和透射，具有一个第一表面，所述第一表面具有反射一部分从相反方向照射到所述第一表面的光的反射装置，并且具有一个或多个与所述反射装置相关的反射结构，所述结构具有从所述第一表面向所述第一方向伸展的侧壁，所述侧壁相对于所述第一表面的内角小于90度，所述角度足以使从第一方向照射到侧壁的光反射和改变方向通过第一表面，使得来自所述第一方向的一部分光穿过所述第一表面，其中所述反射光相对于来自所述相反方向的光的百分比与所述透射光相对于来自所述第一方向的光量的百分比的和大于百分之百。
根据本发明的一种电磁辐射透射材料，能够使第一方向的辐射改变方向和透射，具有一个第一表面，所述第一表面有用于反射一部分从相反方向照射到所述第一表面的辐射的反射装置，并且有一个或多个与反射装置相关的反射结构，所述结构具有从所述第一表面向所述第一方向伸展的侧壁，所述侧壁相对于所述第一表面的内角小于90度，所述角度足以使从第一方向照射到侧壁的辐射反射和改变方向通过第一表面，使得来自所述第一方向的一部分辐射穿过所述第一表面，其中所述反射的辐射相对于来自所述相反方向的辐射的百分比与所述透射的辐射相对于来自所述第一方向的光量的百分比的和大于百分之百。
根据本发明的多反射光定向膜将增加需要这种膜的系统中的亮度并减小眩光的影响，和/或增加需要保持光的系统的效率。
附图说明
图1(现有技术)是一幅显示传统反射显示工作的图。
图2(现有技术)是一幅显示传统背光显示工作的图。
图3是一幅显示本发明背光实施方案一般特征的图。
图4是一幅显示本发明太阳板实施方案一般特征的图。
图5是一幅显示使用本发明的无发射显示典型组成的图。
图6是一幅显示本发明一个使用准直光管的实施方案工作的图。
图7是一幅显示本发明一个实施方案的截面及相关光通路的图。
图1-5中的引用数字
6偏光器
7玻璃板
8液晶悬浮体
9反射膜
10来自太阳和室内的环境光
10A直接照射吸收器的光射线
10B直接照射吸收器的光射线，由吸收器反射，由反射结构的底部反射回到吸收器，等等。
10C照射反射结构侧面的光射线，定向到吸收器，由吸收器反射，由反射结构的底部反射回到吸收器，等等。
11来自显示外部的可控光源
12背光部件
13来自背光部件的光射线
14多反射体的透明材料
15多反射体的反射材料
16无发射显示系统的剩余部分
17反射结构的底部
18反射结构底部之间的间隔
19多反射体的厚度
20反射结构从底部到顶点的高度
21每个像素(显示的图像元件)的反射结构的数量
22截面形式的多反射体
23太阳
24太阳能采集器中的吸收材料
具体实施方式
膜材料是透明的，并设计成系统的一个内部元件，在其中它是一部分。膜包括一组填充有反射材料的刻痕或不连续形状。刻痕的截面呈现可以以各种样式排列的三角形或其它多面体形。刻痕可以替换成一连串象锥体、圆锥体或任意多面体那样的不连续物体，同样可以以各种样式排列。刻痕或物体的不连续面可以是平面的、凹面的、凸面的或有凹痕的，这样可以控制所有面反射的光。填充刻痕的优选材料是象铝或银这样具有高反射率的材料，但是可以是复合剂、复合材料或多种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，这样每种形状的底部与透明材料大体平行，与透明材料重合或轻微凹进。刻痕或不连续物体平行的重复排列，以一定间隔横跨膜区域。在重复样式之前刻痕或不连续物体可以以各种形状、高度、角度或间隔排列。
在图3中，用14表示透明材料，15表示反射刻痕或物体，12表示背光部件，16表示无发射显示系统的剩余部分和观看显示的方向。令：
17＝r＝凹槽或物体底部的半宽度
2r＝凹槽或物体的底部
f＝凹槽底部半宽度的倍数
18＝fr＝凹槽之间的间隔
19＝Th  ＝膜厚度(根据凹槽或物体的高度，由透明材料的性质决定)
K＝凹槽底部半宽度的倍数
20＝Kr＝凹槽或物体的高度
21＝M ＝每个像素(图像元件)的凹槽数量，这里定义为显示的最小可控区域
还令
RM2＝反射材料对正常入射光的反射率
22表示整个发明
通过组合使用适当(1)定形包括膜的材料和(2)选择具有不同反射率、折射率的材料、复合材料或两者的组合来达到类似镜面或集中作用。光定向/集中结构和/或微结构包括，但不限于锯齿形(交叉或不交叉)、锥形或其它圆锥截面、象棱锥或四面体那样的多侧面结构(规则或不规则)。所有大小相同或不同的结构一般周期性的变化，膜的反射率、透射率和吸收率可能有不同的值。这能够在一个方向得到通过膜的高反射率和低透射率，在另一个方向得到高透射率和低反射率。
R1＝一侧的反射率
T1＝一侧的透射率
A1＝一侧的吸收率
R2＝另一侧的反射率
T2＝另一侧的透射率
A2＝另一侧的吸收率
根据能量守恒：R1+T1+A1＝1且R2+T2+A2＝1。
在现有技术的多反射体中，R＝R1＝R2；T＝T1＝T2以及A＝A1＝A2。由此可得出结论，在现有的设计中当A＝0时，R+T＝1。即使是在现有技术要求克服多反射体的限制和提出的多反射体必须引导或定向光，但显示出不是全透射或全反射，所以可以确定任何可能的增益，而且增益是不明显的。
在此技术中，膜一侧的反射值与另一侧的反射值较大的分离开，一侧的透射值与另一侧的透射值较大的分离开。这种新提出的膜允许R1≠R2；T1≠T2以及A1≠A2。下面将显示T1、R1、A1和A2值小的特定实施方案。因此可得出R1+T2＞1。提出的这种膜增加了传输反射(trans-flecting)效果。在理论界限上，对于膜的这种无发射型式，T1＝R2＝A1＝A2＝0。那么R1+T2＝1。
膜的第一实施方案涉及在不考虑透射散射的光的定向中的使用，特别是在定向或采集辐射光的太阳能采集器或任何设备中的使用，如图4所示。在此附图中，太阳23发出的光以光射线10A进入透明材料，直接透射到吸收材料24。光射线10B穿过透明材料14，部分由吸收材料24反射。光射线10C穿过透明材料14，由反射结构15重定向到吸收材料24，部分由吸收材料24反射。通过适当选择折射率与膜材料为其中一部分的系统的其它元件相匹配，膜材料对大约300-2500纳米之间的可见光、紫外光和/或近红外光具有高光学透射率，对紫外光是稳定的，不会透过水分、不吸湿、抗刮伤和易于保持清洁。粘合剂对大约300-2500纳米之间的光具有高光学透射率，且对紫外光是稳定的。在第一实施方案中是为透射率和反射率的和最大设计的。于是将会采集最大量的日光并保持在膜是其中一部分的特定设备中。因此，对于这个实施方案，令RM2＝1.00；一种完全反射材料。令f＝0.1，刻痕制造的实际界限。为r和f选择足够大的值，避免衍射效应和干涉效应。例如，选择r＝200μ，使得相邻刻痕底部之间的距离为20μ，完全大于可见光的最长波长。对于只要使用了完全反射材料，透射期间的多重反射就无关紧要的太阳能采集器，R1＝2/(2+f)＝0.952，T2＝1.000。因此R1+T2＝1.952，接近理论界限2.000。因此，实际上将收集所有进入系统的光能。膜的第二实施方案涉及用于一种无发射显示系统，例如液晶显示，或其它为了产生图像而定向光的设备。这种膜的实施方案可以插入到背光部件和显示系统剩余部分之间，可以是背光部件的一个组件，或者可以附在显示的剩余部分的一个组件上。在这种情况下优选的人造光源包括一个准直光的装置，从而使大多数光垂直射在膜上。所提出的膜的高透射一侧面向背光系统，高反射率一侧面向观看者。膜覆盖全部显示区域。刻痕或物体可以以相对于显示边缘的、从平行到倾斜的任意角度排列。
使用本发明的无发射显示系统有一个在图5中图解说明的组成。在该附图中，环境光10穿过不同的层，6偏光镜、7玻璃板(可以包括彩色滤色镜、共用电极、TFT矩阵或其它组件)和8液晶悬浮体，由本发明的反射元件22改变方向，向回通过6到8的不同层，而同时由背光部件12产生的人造光射线13穿过本发明的透光元件22，透光元件可以附在临近的、象背光部件12这样的元件上，或作为一个独立的层安装在显示系统中。
设
WT    ＝显示宽度
m  ＝每个像素(图像元件)的刻痕数量，这里定义为显示的最小可控区域。
FW    ＝水平方向的显示格式(不同元件的数量，其中每个元件有一个红、绿、蓝像素)
那么对于彩色液晶显示器，f＝WT/[3FWm(2+f)]。为了说明设计方法，令WT＝246mm和FW＝800代表1996/97年彩色液晶显示器设计的典型值。另外，令m＝3，消除了显示部件处理期间膜与显示像素对齐的需要。此外，可以按需要增加或减少m，以消除明显的、可能是由膜产生的光分布不均匀，例如条纹。
对于显示的用于第二实施方案的设计，令f＝0.5。这使光的方向改变最小，保持了透射光的原始方向。对于这个f值，来自背光系统的平行光20％会不反射的透射，40％会因为反射刻痕或物体改变一次方向后透射，40％会因为反射刻痕或物体改变二次方向后透射。在这个例子中，可以使用方程r＝WT/[3FWm(2+f)]计算r为13.7μ，则间隔fr(刻痕之间的间隔)为6.9μ。如果RM2已知(材料的标准反射率)，可以计算反射率R1和透射率T2。注意两个设计例子：
1.令RM2＝1，则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。
两种设计显示通过使用多反射体技术来替换已有的透射反射体技术可得到较大的提高。
象这里使用的，多反射体是透射反射体，是能够透射和反射光的设备。
图6显示了一种实施方案。用31表示透明材料(元件的主体)，32表示反射/折射形状，33表示反射材料(其中无填充，使用气体、真空或改变折射率来生成结构。)，34表示附在多反射体元件上的准直元件。光射线36从透射能量源(没有显示)进入元件，不改变方向的穿过准直光管34，在不照射到任何成形结构32的情况下穿过元件主体31，不改变方向的离开元件的反射面。光射线37以大于10度的入射角从透射能量源(没有显示)进入元件，被准直光管34改变方向为小于10度。光射线37进入元件主体31，不改变方向的穿过。
图7描述了多反射体元件的截面，其中41表示元件的边缘。结构43伸入元件总元件厚度的一定百分比。令结构43的顶点(尖端)的角度为4度。此外，令结构43的顶点面向一个光源(没有显示)，同时结构43的底部面向另一个光源(没有显示)。光射线44垂直于元件的平面进入元件，在不照射到任何成形结构43的情况下穿过元件，不改变方向的离开元件。光射线45垂直于元件的平面进入元件，照射到结构43的中点，被最小程度的改变方向(相对于元件平面垂线4度)，这样不会照射到相邻结构43而离开元件。光射线46垂直于元件的平面进入元件，在顶点(尖端)附近照射到结构43，被最小程度的改变方向(相对于元件平面垂线4度)，这样在结构底部附近照射到相邻结构(结构高度的16.6％)，再次被最小程度的改变方向(如上)，这样光射线46在离开元件时总的方向改变偏离元件平面垂线8度。光射线47以大于元件平面垂线10度的角度进入元件，在中点之上照射到结构43，被最小程度的改变方向(相对于元件平面垂线4度)。由于光射线47入射角度增加，在光射线47离开元件之前发生多次方向改变。在这个例子中，光射线47离开元件需要七次方向改变——累计改变方向28度。光射线48被结构43以等于入射角的角度反射。光射线49以相对于平面垂线过大的角度进入元件，在顶点(尖端)附近照射到结构43，由于累计的方向改变，光射线49不能离开元件的相反面。
图7以14.3的高宽比配置结构43，结构43之间的间隔为底部宽度的25％，结构均匀间隔排列横跨元件主体42。这种元件达到94％的从最靠近结构43顶点(尖端)的一面垂直于平面进入元件的光射线透射率。上面描述的元件提供的另外的好处是反射76％从相反方向照射到元件的光。在这个例子中，从透射面进入的光20％不改变方向的穿过元件，40％以一次方向改变(相对于元件平面垂线4度)穿过元件，40％的光有两次方向改变(相对于元件平面垂线8度)。这个例子R+T为1.70。
上面描述的高宽比和结构间隔的组合是为了说明元件配置的效果，不是为了限定。
本发明的另一个实施方案涉及在透射后定向或聚焦光中的使用，特别是用在建筑材料之中，其中使用太阳光来照亮内部区域或增强人工照明。在这个实施方案中，刻痕或物体可以转变角度，这样刻痕或物体的底部与透明材料的边界不平行或不重合。这种实施方案允许光以给定的角度定向到透明材料，与光源的角度无关。
本发明可以表述为一个透射反射体，有用于反射从第一方向反射照射到其上的光的装置，有透射从与第一方向相反方向照射的光的装置，其中反射的光相对于从第一方向来的光的百分比与透射的光相对于从相反方向来的光的百分比的和大于百分之百。
本发明也可以表述一个能够在第一和第二方向透射光的透明材料，有一个第一表面，第一表面有用于反射部分但不是全部从第一方向照射到第一表面的光的装置，有一个或多个与反射体装置相关的结构。该结构具有从第一表面伸出的侧壁，侧壁的角度足够反射穿过第一表面从第二方向照射到结构的光，这样来自第二方向的光部分穿过第一表面，其中反射的光相对于从第一方向来的光的百分比与透射的光相对于来自第二方向的光量的百分比的和大于百分之百。
多反射体元件独立于所有的特定系统，但典型是作为一个系统之中的几个元件的一个包含进去的。多反射体元件提供一个方向上最佳的能量反射，而同时在相反方向上提供最佳的能量透射。这是通过使用嵌入、浮凸或通过其它方法在元件主体中形成的高高宽比结构来完成的。通过大大增加反射/折射结构在一个方向(结构的顶点)相对于结构底部的表面面积，在一个方向可以反射的能量的量可以与相反方向透射的能量的量分离开。
多反射体元件可以与其它元件一起配置，以产生其它的效果。在优选实施方案中，准直元件可以与多反射体结合，形成一单个元件，附在多反射体上，或并入多反射体所依附系统的另一个组件之中，这样准直元件最接近多反射体元件的透射面，位于元件和透射光源之间。准直元件接收在宽角度范围内分布的入射能波，将能波改变方向，使角度小于某些从元件表面法线测量的特定角度。准直元件的使用确保了所有实际上从透射面进入多反射体元件的能量限制在元件平面垂线大约10度的弧形内。以这种方式限制透射能量将提高多反射体元件的性能，但是不是多反射体元件产生有益效果的必要条件。
配置元件的决定因素是反射/折射成形结构的高宽比、结构之间的间隔、和构造元件使用的材料。这些因素决定了(1)能量从一个方向进入元件(透射)所容许的入射角，(2)能量从该方向透射的比例，(3)由元件反面反射的能量的比例，(4)从元件射出的能量的分布，(5)内部吸收或散射的能量损耗百分比。反射/折射形状的高宽比(高和底的比)决定了透射能量进入元件的特定角度和透射能量从元件射出的角度之间的相关关系。成形结构之间的间隔决定了由元件反射的能量的比例(从反射面)和透射能量的分布(从透射面)。通过增加成形结构之间的间隔，较小比例的来自透射面的能量改变方向，同时来自相反方向的能量反射减小了。反之，通过减小成形结构之间的间隔，较大比例的透射能量将改变方向，而较大比例的来自相反方向的透射能量将会反射。在下面的例子中说明了反射/折射结构高与底的高宽比和结构之间间隔之间的一般关系。
例1：单结构，截面是三角形，沿着元件的全长从一面扩展到另一面。等间隔重复排列上面的结构，这样整个元件主体的一面由交替的三角形行的底部和它们之间的间隔所覆盖。如果对于元件的特定应用需求需要来自一面(反射面)的能量大约反射66.6％，同时来自相反面的透射能量限制在大约5°射出，那么高宽比必须为最小值11.5∶1。在这个例子中成形结构之间的间隔大约是成形结构底部大小的一半。在此例中，来自一面的可能有用的反射能量的和R与来自相反面的可能有用的透射能量的和T相加大约为1.66(R+T＝1.66)。这可以重新描述为从反射面进入元件的能量66.6％被反射，从透射面进入元件的能量100％被透射(R＝66.6％，T＝100％，从而R+T＝166％)。
例2：假设成形结构与例1的相同，特定应用需求需要透射能量的量最大，与所有特定的出射角无关。还假设从透射面进入元件的能量一律校正到垂直于元件平面大约10°之内。
在此应用中，要求是反射一个方向(反射面)的大约80％的能量，透射相反方向(透射面)的大于95％的能量。假设成形结构使用了完全反射材料，那么高宽比为15∶1的元件透射率大约为96.8％。成形结构之间的间隔大约为成形结构大小的四分之一。在此例中，来自一面的可能有用的反射能量的和与来自相反面的可能有用的透射能量的和相加大约为1.77(R+T＝1.77)。
此外，可以配置元件以明确控制反射和透射能量的分布。举例来说，这种配置可以用于显示应用来提高观看角度。
在顶点附近照射到三角形结构行的光射线具有可能离开元件之前最大数量的方向改变。通过使用基本的几何学和对几何光学的基本了解，一个在本领域有技能的人可以计算需要怎样的高宽比和结构之间的宽度，使在顶点附近照射的光在离开之前方向改变最好不超过两次。可以使用光射线路径的几何曲线来推导不同参数之间的关系，包括系统的约束条件。结构的高度由几个因素决定，其中一个是透明材料的厚度。如果特定应用需要透射在垂直10度之内穿过透射反射体的光，然后假定了高度，那么可以画出或计算出顶角。顶角和高度确定了高宽比，从而确定结构底部的宽度。
在无发射显示的优选实施方案中元件不应该超过100密耳厚。元件主体的透射系统大于97％。每个形成的顶点(尖端)穿入元件主体总厚度的百分比在10％-100％之间。每个形状有一个在2.6°-9.5°之间的固定顶角，高与底的比在6∶1-22∶1之间。在另一个实施方案中，形状有一个在3.0°-7.0°之间的固定顶角，高与底的比在8∶1-18∶1之间。在每种实施方案中，高与底的比都可以低到4∶1。这使结构的壁相对于底的角度在大约83度到小于90度之间。形状的底与元件的平面平行，底宽度在2.0μ-200.0μ之间(μ＝微米)。在另一个实施方案中，底宽度可以在2.0μ-50.0μ之间。不管形状是通过填充材料或通过光学处理形成的，每个结构的底必须是能够反射的。这可以通过填充处理、通过沉积/光致抗蚀处理，或其它如涂层这样的方法来完成。三角行结构以每个三角形顶点之间在3.0μ-300.0μ之间的固定间隔和每个相邻的等腰三角形底边之间在1.0μ-100.0μ之间的固定间隔重复排列。在另一个实施方案中，顶点之间的间隔可以在3.0μ-70.0μ之间，底边之间的间隔可以在1.0μ-20.0μ之间。在优选实施方案中，准直元件附在靠近多反射体元件透射面的元件上。在优选实施方案中描述的大小不应该解释成界限，因为其它的应用可能需要或允许根据上面的规格进行变化。
在优选实施方案中，单个形状的截面是三角形，从元件的一边扩展到另一边，形成一个单行，位于透明材料(元件主体)之中，这样三角形的底边与元件主体的一个表面平面(反射面)平行且重合或稍稍凹进一点。在优选实施方案中，三角形行在元件整个区域内平行的重复并等间隔排列，形成形状和间隔的条带状图案。在另一个实施方案中，三角形的行可以替换成不连续的物体，例如棱锥体、圆锥体、或任意多面体，同样可以以各种图案排列以获得特定的效果。在另一个实施方案中，如上所述的不连续形状可以以不同的形状、高度、角度或间隔排列。在优选实施方案中，每个三角形行的不连续面是平的。在另一个实施方案中，行的一个或多个不连续面或不连续形状可以是凹的、凸的和/或有凹痕的。此外，在每个结构变平的底部上可以沉积微小形状(例如棱锥或圆锥)来进一步控制反射能量的方向。
在优选实施方案中，元件透光“主体”的材料的特定属性是将能量吸收和改变方向——例如内部散射最小化。此外，用于元件主体的材料需要具备蚀刻、铸模或其它改变元件主体的处理所需要的特定属性。合适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)。在使用蚀刻、铸模或浮雕在元件主体中形成一连串刻痕的情况下，可以使用高反射金属这样的填充材料。此外，可以使用聚合物这样的纯材料或不使用材料(气体、空气或真空)来填充刻痕。在使用纯材料或不使用材料填充刻痕的情况下，选择用于元件主体的材料折射率要高于填充物。填充物和元件主体之间最小的折射率差估计为0.01。在优选实施方案中，对于元件主体内的每个形状来讲折射率相同。对本发明来说，术语反射在讨论照射结构主体的光的时候也包括折射，其中材料折射率中的差异与入射角一道得到实际的或接近的照射在结构上的光的总反射。
在使用反射材料填充刻痕的情况下，可以使用单材料或复合材料来形成上面提到的三角形行。优化用于反射形状的填充材料，使得吸收最小，并对于能量的受控方向改变具有高反射性。合适材料的例子是铝或银，反射率为95％或更大，还可以是具有不同折射率或反射量的复合胶、复合材料或混合材料。
如上所述，反射材料可以涂在透光主体上、作为主体凹槽填充物的一部分或作为与透光主体物理分离但附在上面的折射结构的底。
生成多反射体元件优选实施方案的第二种方法包括在光敏透明材料中生成上述三角形行。通过在元件主体特定区域中改变折射率来生成想要的形状。在此实施方案中，在元件临近三角形行底部(反射面)的一面沉积一个反射材料薄层，例如铝。去掉对应于三角形行之间间隔的沉积区域，形成一个横跨元件的条带图案。使用优化处理来改变元件特定区域的折射率需要光敏材料具有良好的光学和机械性质。除了足够的感光折射率改变之外，一组合适的“写”波长(典型是在紫外区中)、光学透明度、薄膜可成形性和机械特征也是非常重要的。这样的材料可以是优化了机械特征的有机聚合物或组合了有机聚合物化学多功能性的有机-无机混合物，即聚硅烷、聚锗烷和/或它们的溶胶-凝胶混合物。
在另一个与使用光敏透明材料有关的实施方案中，不连续的形状可以以不同的形状、高度、角度或间隔排列，包括三角形行的形状的一个或多个不连续面可以是凹的、凸的和/或有凹痕的。此外，或如上所述作为沉积处理的一部分，或作为一个独立的处理，可以在每个结构底部正上方的元件主体的一面上沉积微小形状(例如棱锥或圆锥)以进一步控制反射能量的方向。在另一个实施方案中，对于每个不连续形状折射率可以是不同的，这样在元件主体范围内可以产生各种交变图案以达到特定的效果。在另一个实施方案中，可以使用通过填充刻痕得到的形状和改变光敏材料折射率的组合，在元件主体范围内生成各种图案。
术语光在本发明中使用时包括对应于具有从可见光波长到红外波长的电磁辐射。但是本发明的仪器可用于任何能够被反射或折射的电磁辐射，受控于制造这样做的大小和材料的结构的能力。明确的讲，本发明可以用在无线电、雷达、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和格玛型射线。
另一个制造本发明结构的方法是通过一些能够在物理工作环境中保持完整性的合适材料制作结构，然后用一些合适的方法来悬挂结构。悬挂可以通过使用形成栅格的线或某种细丝来完成。本发明的这个方法在太阳能应用中有用处，其中透射反射体的大小不受无发射显示的大小要求的限制。
采集太阳辐射的多种普通方法中的一种是使用镜子将辐射从太阳反射到管道复合体。管道复合体包括输送待加热液体的第一管道，由第二管道环绕。两个管道之间的空间典型是抽空以减少对流和传导损耗量。通过在管道之间的这个空间内安装本发明的结构，来自镜子的大部分太阳辐射会被收集并反射回待加热的管道上，因此增加了总效率。在大多数情况下，加热管道也会发射辐射，这也会被收集并反射回去。因此太阳辐射穿过透射反射体，而在开始没有被太阳能采集器吸收的辐射和太阳能采集器由于温度而发射出的辐射一起被反射回到太阳能采集器。在这个实施方案中，真空是与结构相关的透明材料。
在这种太阳能应用中，结构的高度只取决于管道之间的间隔，结构的底部与用在无发射显示中的相比会大一些。底部的宽度可以是3500μ或更大，虽然对于这种使用也可以使用较小尺寸的结构。最好是用大量的结构弯曲环绕至少一部分管道以提高辐射的收集和反射。
在本发明中使用时，术语“结构”指折射或反射光的元件的形状。结构可以是放在光透射材料之上或之中的物理分离成分，它可以用已经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处理的最终结果，这样形成了具有不同折射率的形状。在透射材料是气体或真空的情况下，象可以在太阳能应用中发现的，结构通过栅格、线、细丝或其它这样的设备放在材料“中”，栅格表示透射反射体的表面。
本发明独特的能力是能够反射和透射比任何现有技术设备更多的光。能够反射的光的百分比的和与能够透射的光的和相加大于百分之百。

Claims (12)

1. 一种透射反射体，具有使从第一方向照射到其上的光反射的装置，并具有使来自与第一方向相反的方向的光改变方向并且透射的装置，其中所述反射光相对于来自所述第一方向的光的百分比与所述透射光相对于来自所述相反方向的光量的百分比的和大于百分之百，其中所述透射反射体有第一表面，其中所述反射装置包括一种覆盖至少一部分第一表面的反射材料，其中所述透射光的装置包括一个或多个与反射材料相关的结构，其中所述一个或多个结构包括一个底和多个侧壁，所述底与所述反射材料相关，其中所述侧壁相对于所述第一表面的角度足以将从相反方向照射到所述结构的光反射通过所述第一表面。
2. 按照权利要求1所述的透射反射体，其中，所述侧壁的角度为大于或等于83度和小于90度。
3. 按照权利要求2所述的透射反射体，其中，所述结构的底是一个细长的矩形，所述矩形在一个方向上横跨所述第一表面。
4. 按照权利要求3所述的透射反射体，其中，所述底的矩形具有一个长度和一个宽度，所述宽度小于所述长度，并且其中所述结构具有一个高度，并且所述高度与所述底的宽度之比在6和22之间。
5. 按照权利要求1所述的透射反射体，其中，所述透射反射体包括一个具有第一表面的光透射材料，所述第一表面有一个或多个刻痕。
6. 按照权利要求5所述的透射反射体，其中，所述刻痕具有与所述第一表面接触的侧壁，并且其中所述侧壁相对于所述第一表面的角度为大于或等于83度和小于90度。
7. 按照权利要求5所述的透射反射体，其中，所述刻痕被填充一种反射材料。
8. 按照权利要求7所述的透射反射体，其中，所述反射材料是从包括铝、银、金或它们的化合物的组中选取的。
9. 按照权利要求6所述的透射反射体，其中，所述刻痕在所述透光材料中形成了一个或多个凹槽，所述凹槽在一个方向上横跨所述第一表面。
10. 一种透光材料，能够使第一方向上的光改变方向和透射，具有一个第一表面，所述第一表面具有反射一部分从相反方向照射到所述第一表面的光的反射装置，并且具有一个或多个与所述反射装置相关的反射结构，所述结构具有从所述第一表面向所述第一方向伸展的侧壁，所述侧壁相对于所述第一表面的内角小于90度，所述角度足以使从第一方向照射到侧壁的光反射和改变方向通过第一表面，使得来自所述第一方向的一部分光穿过所述第一表面，其中所述反射光相对于来自所述相反方向的光的百分比与所述透射光相对于来自所述第一方向的光量的百分比的和大于百分之百。
11. 按照权利要求10所述的透光材料，其中，所述反射结构是通过以足以产生与所述光透射材料不同的折射率的方式来处理所述材料，在所述透光材料中形成的。
12. 一种电磁辐射透射材料，能够使第一方向的辐射改变方向和透射，具有一个第一表面，所述第一表面有用于反射一部分从相反方向照射到所述第一表面的辐射的反射装置，并且有一个或多个与反射装置相关的反射结构，所述结构具有从所述第一表面向所述第一方向伸展的侧壁，所述侧壁相对于所述第一表面的内角小于90度，所述角度足以使从第一方向照射到侧壁的辐射反射和改变方向通过第一表面，使得来自所述第一方向的一部分辐射穿过所述第一表面，其中所述反射的辐射相对于来自所述相反方向的辐射的百分比与所述透射的辐射相对于来自所述第一方向的光量的百分比的和大于百分之百。
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