СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТОПРОПУСКАНИЯ
METHOD OF CONTROLLING DIRECTED LIGHT TRANSMISSION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение применимо в архитектуре и строительстве при остеклении световых проемов, в транспортном машиностроении при остеклении окон и других частей кузова (фюзеляжа и т.п.), в производстве осветительной аппаратуры, очков, окуляров, объективов, а также в других областях техники, в которых используются остекленные конструкции, и относится в основном к тем случаям, когда источник света и/или остекленный объект движутся относительно друг друга, т.е. угол падения световых лучей на приемную поверхность изменяется во времени.
Уровень техники
0
ρ
τ
α
В любой остекленной конструкции независимо от области применения предполагается частичное пропускание падающего на нее светового потока, остальная часть отражается и поглощается. Известно, что падающий световой поток Ф, лм, разделяется на три составляющие: отраженный Ф, проходящий Ф и поглощенный Ф световые потоки, лм:
0
ρ
τ
α
Ф=Ф+Ф+Ф.
Коэффициенты отражения ρ, пропускания τ и поглощения α света определенной длины волны связаны соотношением:
ρ+τ+α=1.
Наиболее распространенная область применения стекла - строительство, где источником света является солнечное излучение. Строительное стекло пропускает солнечное излучение с длиной волны от 280 до 2150 нм, т.е. ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части спектра солнечного излучения, поэтому светопропускание стекла характеризуется множеством параметров, основные из которых: LT - светопропускание в видимой области между 380 и 780 нм, UV - пропускание ультрафиолетового излучения от 280 до 380 нм, DET - прямое пропускание солнечной энергии между 300 и 2150 нм, SF - солнечный фактор, или общая пропускаемая энергия, включающая кроме прямой составляющей DET еще и энергию, излучаемую стеклом внутрь помещения после поглощения им части падающей энергии, т.е. понятие светопропускания связано также и с понятием теплопропускания стекла. Подробная терминология характеристик стекла приведена в материалах сайтов:
http://www.glassffles.com/
http://www.sibsteklo.ru/
http://esco-ecosys.narod.ru/2004_6/art61.him
Характеристики светопропускания стекла в других областях его применения по смыслу принципиально не отличаются от вышеперечисленных и выбираются в зависимости от вида источника света и важности тех или иных составляющих свето- и теплопропускания именно для данной конкретной области.
В зависимости от назначения остекленной конструкции требуются разные соотношения между тремя разделенными составляющими падающего светового потока. Эти соотношения регулируются применением множества различных видов стекла, среди которых обычное (неполированное), флоат-стекло (полированное), армированное, ламинированное (многослойное), солнцезащитное (окрашенное в массе или с покрытием), узорчатое, селективное (низкоэмиссионное e-стекло, разновидности: k-стекло - с твердым покрытием и i-стекло - с мягким покрытием), закаленное, «мягкое» самоочищающееся и покрытое пленками различного назначения стекло. Справочные данные о производимых в настоящее время видах стекла приведены на сайтах:
http://steklo.hl.ru/standarts.shtml/
http://www.interstroy21.com.ua/
http://ufa.shikremont.ru/okna/stekla.php
Соотношение трех частей светового потока для каждого вида стекла зависит от угла падения световых лучей на приемную поверхность остекленной конструкции, т.е. изменяется при движении источника света и/или остекленной конструкции относительно друг друга. В случае остекления световых проемов в зданиях и сооружениях этот угол меняется в зависимости от географического положения объекта и времени года. В случае остекления транспортных средств угол падения дополнительно зависит также от условий движения самого транспортного средства.
0
ρ
ρ
0
n
0
n
τ
0
τ
0
0
n
n
I
II
I
II
Рассмотрим светопропускание листового стекла толщиной 4 мм (фиг.1, масштаб М 10:1) в пределах применимости правил геометрической оптики. Известно, что от угла падения светового луча Θ на поверхность стекла зависят углы отражения Θ, причем Θ=Θ, и преломления луча Θ, sin Θ=n sin Θ (по закону Снелла), где n - показатель преломления стекла. Для плоскопараллельного стекла при одинаковой среде по обе стороны от него Θ=Θ, где Θ - угол наклона прошедшего луча. Сплошными линиями на фиг.1 изображены пути прохождения лучей при Θ=30° (показатель преломления стекла принят n=1,5), пунктирными - при Θ=60°. Соответственно углы преломления луча составляют Θ=19°2812 и Θ=35°1536. Падающие световые потоки, приходящиеся на единицу площади, и связанные с ними интенсивности падающего излучения при обоих углах взяты одинаковыми. В наиболее распространенных случаях применения остекленных конструкций большая часть светового потока проходит через стекло, отражается и поглощается лишь незначительная часть.
Известно, что при увеличении угла падения луча на поверхность увеличивается коэффициент отражения ρ, следовательно, увеличивается отраженная часть светового потока. Из фиг.1 видно, что длина пути прохождения луча через материал, влияющая на величину поглощенного светового потока, также зависит от угла падения луча на поверхность (в данном случае длина пути увеличивается на 14%). Незначительная часть светового потока отражается, затем частично поглощаясь, также при выходе луча из стекла от пограничной с окружающей средой поверхности (фиг.1), причем это происходит многократно, однако этой частью потока из-за малости можно пренебречь. Итак, при увеличении угла падения за счет увеличения отраженного и поглощенного световых потоков уменьшается прошедший световой поток. Например, при двойном остеклении коэффициент светопропускания (отношение прошедшего светового потока к падающему) составляет соответственно: 0,7 при нулевом угле падения; 0,686 при 37°; 0,646 при 53°; 0,531 при 66° и 0,265 при 78° (http://www.nestor.minsk.by/sn/1999/13/sn91317.htm). Видно, что при малых углах падения коэффициент светопропускания меняется незначительно, однако при увеличении углов уменьшается сильно.
Таким образом, при изменении угла падения светового луча на поверхность стекла при одинаковой интенсивности падающего излучения самопроизвольно изменяются соотношения коэффициентов отражения, поглощения и пропускания излучения и, следовательно, изменяются значения характеристик светопропускания стекла в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, т.к. сами коэффициенты зависят от длины волны падающего излучения. Кроме этого при изменении угла падения луча на приемную поверхность в соответствии с правилами геометрической оптики изменяется и угол наклона прошедшего через остекленную конструкцию луча (фиг.1).
Перечисленные признаки характерны для всех видов стекла, применяемых в различных остекленных конструкциях и оптических устройствах любых форм, размеров, свойств, назначения и количества слоев остекления. Эти признаки характерны также для заявляемого изобретения, поэтому практически любая остекленная конструкция является аналогом изобретения.
При изменении угла падения света от источника прошедшая через остекленную конструкцию часть прямого (нерассеянного) света может вызвать и нежелательные явления, например появление бликов и излишне ярко освещенных поверхностей, а также неоптимальное распределение яркости внутри остекленного освещаемого объекта или устройства, ослепленность от прямых лучей и т.п. Поэтому при некоторых углах или диапазонах углов падения света на приемную поверхность остекленной конструкции появляется необходимость селективного регулирования светопропускания и направления проходящих лучей в зависимости от угла падения лучей дополнительно к рассмотренному выше на примере фиг.1 самопроизвольному изменению этих параметров при изменении угла падения. Отношение светового потока, прошедшего под определенным по правилам геометрической оптики углом через остекленную конструкцию направленно, т.е. без учета прошедшего рассеянного светового потока, к падающему на конструкцию под данным углом световому потоку в дальнейшем обозначается термином «направленное светопропускание». При регулировании направленного светопропускания остекленной конструкции в зависимости от углов падения лучей регулируются как направления проходящих лучей, так и величины проходящих в этих направлениях световых потоков.
Частично перечисленные выше проблемы можно решить некоторыми известными способами, например применяя фотохромное стекло (http://www.bse.chemport.ru/fotohromnoe_steklo.shtml), способное обратимо изменять светопропускание в видимой области при изменении интенсивности падающего ультрафиолетового или коротковолнового видимого излучения за счет фотохимических процессов, происходящих внутри стекла. Подробнее описано в литературе: Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. М.: Машиностроение, 1966; Цехомский В.А. Фотохромные стекла. «Оптико-механическая промышленность», 1967, №7.
Для коррекции зрения применяются очки с многофокальными линзами (http://users.iptelecom.net.ua/~optometr/index05.htm), состоящими из зон с разными показателями преломления и предназначенными для регулирования направления лучей, но попутно обеспечивается и позонное распределение светопропускания линзы. На этом же сайте описаны солнцезащитные очковые линзы с «градиентным окрашиванием», характеристики светопропускания которых постепенно меняются в одном направлении вследствие постепенного изменения цвета и/или интенсивности окраски поверхности линзы.
Еще один способ заключается в применении ламинированного стекла (http://www.akma.spb.ru/) с регулируемой прозрачностью, изменяющем светопропускание в двух режимах за счет ориентации жидких кристаллов, содержащихся во внутреннем слое стекла. При пропускании электрического тока через этот слой жидкие кристаллы находятся в упорядоченном состоянии и стекло прозрачно, при отсутствии тока неупорядоченные кристаллы рассеивают свет и стекло непрозрачно.
Увеличение светопропускания или отражения достигается при применении «просветленной» оптики за счет интерференции, возникающей при отражении от передней и задней поверхностей тонких непоглощающих слоев материала (http://bse.sci-lib.com/article093447.html) соответственно с меньшим или большим показателем преломления по сравнению с таковым для стекла, наносимых на стекло с толщиной, зависящей от длины волны излучения. Литература: Просветление оптики Под ред. И.В.Гребенщикова. М.-Л., 1946; Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. Л., 1958; Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л., 1973.
Улучшение характеристик светопропускания в инфракрасной области (теплопропускания) обеспечивает применение в оконных конструкциях «теплового зеркала» (http://esco-ecosys.narod.ru/2004_6/art60.htm), отражающего тепловые лучи в сторону поступления - в отопительный период длинноволновое излучение возвращается в помещение, а в жаркое время года интенсивное солнечное излучение отражается обратно.
Все перечисленные выше способы обеспечивают регулирование характеристик светопропускания, однако оно осуществляется во всех случаях в зависимости не непосредственно от угла падения лучей, а от других факторов, т.е. отсутствует прямая зависимость светопропускания от угла падения лучей и не представляется возможности дополнительного (к рассмотренному выше на фиг.1) регулирования характеристик светопропускания селективно в зависимости именно от угла падения лучей. Для достижения этого остекленная конструкция должна содержать различные дополнительные устройства перераспределения светового потока, например жалюзи, решетки, ставни, диафрагмы, которые при изменении своего положения по отношению к самой остекленной конструкции могут обеспечивать регулирование проходящего светового потока в зависимости от угла падения лучей. Таким образом, только сочетание остекленной конструкции и дополнительных устройств перераспределения света обеспечивает селективное регулирование направленного светопропускания в зависимости от угла падения лучей на такую комбинированную конструкцию.
Близкими аналогами изобретения являются ставни, подвижные решетки и жалюзи различного типа с ручным или автоматическим регулированием в тех случаях, когда они применяются совместно с остекленными конструкциями (МПК: Е06В 9/24 (2010.01). - Экранирующие устройства и другие приспособления для защиты от света, в частности от солнечного; прочие устройства для защиты от заглядывания в окна - для закрывания проемов в зданиях, транспортных средствах, ограждениях или т.п. устройствах).
К этой подгруппе относится и прототип изобретения - сочетание пластинчатых жалюзи с окнами (МПК: Е06В 9/264 (2010.01). - Сочетание пластинчатых жалюзи с окнами или окнами с двойным застеклением в качестве устройства для защиты от света, в частности от солнечного, и от заглядывания в окна). Наилучшее селективное регулирование направленного светопропускания такой комбинированной конструкции в зависимости от угла падения лучей (высоты стояния солнца) можно обеспечить при применении горизонтальных подъемных пластинчатых жалюзи с автоматическим или ручным регулированием угла поворота ламелей в зависимости от высоты стояния солнца. Такие устройства производятся, например, компанией Somfy (http://www.somfy.com/portail/index.cfm). Самопроизвольное изменение направленного светопропускания оконной конструкции производится по схеме, представленной на фиг.1, дополнительное селективное регулирование светопропускания и направлений проходящих лучей в зависимости от угла падения лучей - за счет изменения угла поворота ламелей жалюзи, кроме того, позонное пропускание света в помещение регулируется за счет подъема ламелей.
Недостатком данного способа регулирования является необходимость применения дополнительных устройств для перераспределения световых потоков и их ручного или автоматического регулирования, что приводит к усложнению и удорожанию конструкций и к неудобствам пользования. Кроме этого регулируемые устройства, например горизонтальные или вертикальные жалюзи, из-за сложной криволинейной траектории солнца не могут обеспечить оптимального регулирования светопропускания и направлений проходящих световых лучей при любой ориентации окна по сторонам света (для этого необходимы жалюзи с разным углом наклона ламелей по отношению к положению самого окна при разном азимуте его ориентации). Для окон южного сектора более предпочтительны горизонтальные жалюзи, восточного и западного секторов - вертикальные. Позонное регулирование светопропускания при подъеме или сдвиге ламелей соответственно горизонтальных или вертикальных жалюзи также ограничено и доступно только в одном направлении (разделение на две области - верхнюю-нижнюю или правую-левую). Регулируемые устройства перераспределения светового потока сложны, а в некоторых случаях практически невозможны в применении, например, для криволинейных остекленных поверхностей - широко применяемых в строительстве и транспорте гнутых стекол (в цилиндрических, сферических и т.п. остекленных конструкциях), а также для наклонных остекленных поверхностей.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения состоит в совокупности следующих общих для всех случаев его применения признаков:
1) учитывая формы, размеры, назначение, количество слоев остекления, виды применяемых стекол и оптические характеристики существующей остекленной конструкции, прежде всего зависимость коэффициента отражения приемной поверхности и направлений проходящих через конструкцию лучей, следовательно, и коэффициентов пропускания и поглощения, от углов падения лучей на конструкцию, определяют характерные параметры саморегулирования направленного светопропускания, а с учетом тепловой энергии света и теплопропускания всей остекленной конструкции в зависимости от углов падения лучей в рабочем для данной конструкции диапазоне длин волн (при рассмотрении двустороннего пропускания возможны случаи падения с двух сторон лучей разного диапазона), а именно зависимость отношения создаваемого прошедшими через конструкцию направленно лучами (без учета проходящих рассеянных лучей) светового потока к падающему световому потоку и направлений прохождения этих лучей, найденных по правилам геометрической оптики, от углов падения лучей на остекленную конструкцию, далее, при наличии в конструкции дополнительных устройств перераспределения световых потоков учитывают их вклад в общее регулирование направленного светопропускания в зависимости от углов падения лучей, сравнивают полученные параметры регулирования с требуемыми для конструкции данного назначения и определяют возможности для улучшения характеристик регулирования светопропускания конструкции, в т.ч. с учетом позонного распределения светопропускания;
2) в отличие от аналогов и прототипа для обеспечения требуемых параметров регулирования одно- или двусторонних характеристик направленного светопропускания селективно в зависимости от углов падения лучей без применения дополнительных устройств перераспределения световых потоков или с ограниченным их применением, если предлагаемое изобретение использовать как дополнение к существующим устройствам, с учетом оптических и геометрических характеристик конструкции и правил геометрической оптики, определяют, сколько и какие именно поверхности самой остекленной конструкции необходимо изготовить не однородными по оптическим свойствам, а в виде чередующихся параллельных и/или криволинейных полос с разными коэффициентами отражения, пропускания и поглощения, имеющих такие составы, показатели преломления, геометрические формы, размеры и расположенных относительно друг друга как на каждой, так и на разных неоднородных поверхностях с чередующимися полосами, таким образом, чтобы при данных углах или диапазонах углов падения лучей на остекленную конструкцию через всю остекленную площадь одинаково или с позонным распределением (последовательно через все слои остекления и среды, заполняющие полости между ними) направленно проходила только требуемая именно при данных углах или диапазонах углов падения часть лучей требуемого диапазона длин волн, а остальная часть лучей - отражалась, поглощалась и рассеивалась, при этом для определения общего регулирования направленного светопропускания всей конструкции учитывают изменения параметров саморегулирования из-за изменения оптических свойств поверхностей с чередующимися полосами, а также изменения условий применения дополнительных устройств;
3) изготавливают необходимое количество полос на этих определенных поверхностях конструкции с учетом используемых в конкретном случае видов стекла путем дополнительной позонной обработки поверхностей известными методами (окрашивание, диффузия ионов или металлов, пескоструйная обработка, притирка, электролиз, химическая обработка, травление, осаждение термически испаренного вещества, нанесение покрытия, например металлического и/или металлооксидного покрытия, на горячее стекло методом пиролиза или на холодное стекло методом катодного распыления в магнитном поле при глубоком вакууме, обработка с использованием электрической или волновой энергии, облучение различными частицами, сушка, дегидратация, дегидроксилирование и т.д.) или наклеивают пленки с полосами с разными коэффициентами отражения, пропускания и поглощения.
По первому признаку, характерному также для аналогов и прототипа, осуществляется саморегулирование направленного светопропускания остекленной конструкции в зависимости от углов падения лучей, дополнительное регулирование возможно только с помощью устройств перераспределения световых потоков. Второй и третий признаки - отличительные от аналогов и прототипа - обеспечивают дополнительное регулирование и без таких устройств. Эти три основных существенных признака изобретения позволяют достичь во всех случаях его применения следующих технических результатов:
1) селективное регулирование по заранее заданному закону количества лучей (величин световых потоков), проходящих через остекленную конструкцию направленно, без рассеяния, в зависимости от углов падения лучей (МПК: G05D 25/00 (2010.01));
2) селективное регулирование по заранее заданному закону направлений проходящих через остекленную конструкцию лучей в зависимости от углов падения лучей (МПК: G05D 3/00 (2010.01)).
Первый технический результат обеспечивается при регулировании за счет заранее рассчитанных параметров полос и их взаимного расположения, второй - за счет разных показателей преломления полос. Эти два технических результата взаимосвязаны и в комплексе обеспечивают селективное регулирование направленного светопропускания остекленной конструкции в зависимости от углов падения лучей, т.е. изобретение относится к рубрике МПК G05D 27/00 (2010.01). Оно также связано с рубрикой МПК F21V 13/00 (2010.01). В разных случаях применения изобретения степень важности каждого результата может быть разной.
Изобретение предназначено для решения следующих задач (при сохранении форм, размеров, основного назначения остекленной конструкции, количества слоев остекления и видов применяемых стекол):
1) обеспечение требуемых характеристик регулирования направленного светопропускания конструкции в зависимости от углов падения лучей без дополнительных устройств перераспределения световых потоков, что позволяет упростить и удешевить конструкцию, отказаться от ручного или автоматического управления, улучшить внешний вид, ограничить влияние пыли и других атмосферных явлений;
2) расширение возможностей комбинированного регулирования направленного светопропускания конструкции в зависимости от углов падения лучей при применении изобретения совместно с дополнительными устройствами перераспределения световых потоков;
3) расширение возможностей регулирования направленного светопропускания конструкции в зависимости от углов падения лучей при сложном криволинейном и/или наклонном движении источника света и/или остекленного объекта относительно друг друга;
4) обеспечение позонного регулирования светопропускания и/или направлений проходящих лучей в зависимости от углов падения лучей при любых формах и размерах зон и в любых направлениях по поверхности остекленной конструкции, в т.ч. постепенного градиентного регулирования светопропускания и/или направлений проходящих лучей;
5) обеспечение регулирования направленного светопропускания конструкции в зависимости от углов падения лучей как для всего падающего излучения без изменения его спектра, так и выборочно только для определенной части спектра, а также светопропускания с разными спектральными характеристиками по разным зонам и в любом направлении по поверхности конструкции;
6) расширение возможностей регулирования двустороннего направленного светопропускания, в т.ч. теплопропускания конструкции, в зависимости от углов падения лучей;
7) расширение возможностей регулирования направленного светопропускания конструкций с криволинейными и/или наклонными остекленными поверхностями в зависимости от углов падения лучей.
В каждом конкретном случае применения изобретения решают ту или иную задачу или несколько задач в любой необходимой комбинации.
Важнейшими областями применения изобретения являются архитектура и строительство. Из многофункциональных и часто противоречивых требований, предъявляемых к оконным конструкциям, с изобретением связаны: оптимальное светопропускание по временам года и суток, защита помещения от излишней освещенности и перегрева в жаркое время года и сохранение в нем тепла в отопительный сезон, защита от заглядывания в окна и возможность обзора из самого помещения.
1ν
2ν
12h
3ν
4ν
34h
5ν
6ν
56h
7ν
8ν
78h
Для комплексного удовлетворения этим требованиям по первому признаку изобретения определяют параметры саморегулирования данной оконной конструкции, устанавливают иерархию важности требований для этой конструкции при данном азимуте окна данного этажа с учетом окружающей застройки и при данной широте и сложной криволинейной и постоянно изменяющейся траектории солнца в зависимости от времени года и суток. Определяют, в какое время года и суток в какие зоны помещения требуется пропускать какое-то количество светового потока, как защититься от тепловых потерь в отопительный сезон, какие зоны помещения надо защитить от заглядывания в окна и какой обзор нужен изнутри помещения, а также определяют возможность оптимального регулирования без дополнительных устройств перераспределения световых потоков. На фиг.2 и 3 (М 1:100) в качестве примера соответственно приведены разрез и план территории с расчетным 3-этажным зданием (расчетное помещение на 2 этаже, окно ориентировано на юго-запад) и противостоящим 4-этажным зданием. Требуется без применения дополнительных устройств светораспределения обеспечить оптимальное регулирование светопропускания в наиболее жаркий период года, уменьшить тепловые потери от отраженных от стены длинноволновых тепловых лучей от отопительного прибора, защитить зону кровати от заглядывания и обеспечить обзор некоторой территории из самого помещения. Минимальный Θ и максимальный Θ углы падения лучей (фиг.2) показывают, что в вертикальной плоскости необходима защита зоны кровати только от окон 4 этажа и частично 3 этажа, а диапазон углов в горизонтальной плоскости Θ (фиг.3) показывает, что зона кровати доступна для лучей от всех 4 окон 3 и 4 этажей противостоящего здания и необходима защита всей ширины окна. Солнечные лучи в вертикальной плоскости (фиг.2) начинают попадать в расчетное окно поверх крыши противостоящего здания при угле падения Θ, а угол Θ представляет собой максимальный угол падения солнечных лучей для данной широты в наиболее жаркий период. Однако из фиг.3 видно, что при юго-западном азимуте окна солнечные лучи наиболее интенсивны при горизонтальном диапазоне углов Θ, т.е. противостоящее здание при регулировании светопропускания окна можно не учитывать, ведь оптимальное регулирование целесообразно именно в этом диапазоне углов. Далее, пусть из помещения необходим обзор в вертикальной плоскости в диапазоне углов между Θ и Θ, в горизонтальной плоскости - в диапазоне углов Θ. Отраженные тепловые лучи попадают на окно по всей высоте при минимальном Θ и максимальном Θ углах падения (фиг.2). Из фиг.3 видно, что они также попадают и по всей ширине окна - диапазон углов Θ, т.е. всю поверхность окна надо защитить от тепловых потерь.
1ν
2ν
4ν
7ν
8ν
По второму признаку с учетом иерархии предъявляемых требований определяют количество и расположение поверхностей с чередующимися полосами (при возможности эти поверхности выбирают не на двух внешних поверхностях конструкции в целях защиты самих полос или применяют для этого ламинированное стекло с чередующимися полосами между его внутренними слоями) и выбирают параметры полос на этих поверхностях. При необходимости выбранные поверхности оконной конструкции разбивают на зоны с различными оптическими характеристиками (в т.ч. и с изменением спектра, например, при витражном остеклении). Для случая, описанного на фиг.2 и 3, поставленным требованиям удовлетворяют следующим образом. На фиг.4 (М 1:15) приведено окно расчетного помещения с 3-слойным остеклением, все размеры взяты из фиг.2 и 3. Тонкая сплошная горизонтальная линия разделяет окно на нижнюю зону, где более важна защита от заглядывания, и на оставшуюся верхнюю зону, где необходимо оптимальное регулирование светопропускания в наиболее жаркий период. Для выполнения этих двух задач на основе данных фиг.2 и 3 рекомендуют на обе поверхности второго слоя остекления нанести чередующиеся полосы, на виде В серым цветом изображены рассеивающие солнечное излучение полосы (на виде А они изображены тонкими черными линиями), белым - обычное стекло. Как и на фиг.2 и 3, на фиг.4 не учтено преломление света, а также расположение, форма и размеры всех полос указаны схематично, способы точного расчета приведены ниже. Параметры полос на нижней части окна (на фиг.4 указаны только полосы на внутренней стороне 2-го слоя остекления) подбирают таким образом, чтобы по всей ширине окна чередующиеся горизонтальные параллельные полосы (их можно было и наклонить с учетом сдвига фасадов двух зданий относительно друг друга) в диапазоне вертикальных углов Θ-Θ (фиг.2) обеспечивали максимальную непроходимость прямых лучей. На обеих поверхностях верхней части 2-го слоя остекления рекомендуют в данном случае нанести криволинейные чередующиеся полосы, «следящие» за траекторией солнца для данной широты в наиболее жаркий период и обеспечивающие, например, минимальное светопропускание при максимальном угле падения солнечных лучей Θ. На виде В (фиг.4) штриховыми линиями указаны зоны полного пропускания на 1- и 2-м слоях остекления для обеспечения необходимого обзора территории из помещения (из фиг.2 и 3), что незначительно противоречит защите от заглядывания в окно (две взаимно исключающие друг друга задачи). Обратная видимость с территории в помещение приходится на поверхность потолка и несущественна (фиг.2 и 3). Для уменьшения тепловых потерь в отопительный сезон рекомендуют на внутренних поверхностях 1-3-го слоев остекления нанести горизонтальные чередующиеся полосы, максимально отражающие соответствующее длинноволновое излучение внутрь в диапазоне углов Θ-Θ (фиг.2) по всей площади окна, причем прошедшие через 3-й слой остекления и отраженные только от 1-го слоя лучи обеспечат некоторое повышение температуры в двух камерах остекления и ослабят перепад температур между внутренней поверхностью окна и прилегающей областью помещения. На фиг.4 в каждой зоне изображены чередующиеся полосы с неизменной по зоне шириной и неизменными оптическими характеристиками полос. При необходимости же достижения разного по поверхности зоны и заранее заданного распределения направленного светопропускания при разных углах или диапазонах углов падения лучей подбирают соответствующие геометрические размеры (ширины полос) и/или коэффициенты пропускания полос, например обеспечивают градиентное уменьшение или увеличение ширин чередующихся полос и/или коэффициентов пропускания по данной поверхности в перпендикулярном (нормальном) к самим полосам направлении, а также при необходимости вдоль полос.
Важным преимуществом изобретения является возможность регулирования направленного светопропускания в наклонных остекленных конструкциях, а также в конструкциях с применением гнутого стекла. Чередующиеся полосы для однослойной наклонной конструкции с гнутым стеклом располагают, как на фиг.5 (изображено схематично, параметры полос подбирают с учетом кривизны поверхностей и преломления света, порядок точного расчета приведен ниже). В данном случае решена задача максимального рассеяния падающего под некоторым углом параллельного пучка лучей, часть лучей рассеивается на входной поверхности с рассеивающими полосами (толстые линии), прошедшая часть - на выходной поверхности.
Для ограничения попадания в помещение прямых солнечных лучей и пропускания преимущественно рассеянного света неба и отраженного от поверхности земли света (альбедо) и для защиты соседних зданий от перегрева и водителей транспорта от ослепления отраженными от зеркальных окон и фасадов многоэтажных зданий лучами (подобные проблемы описаны в литературе: Solar Radiation Control in Buildings / E.L. Hark-ness, M.L. Mehta. - London (1978)) для отделки этих окон и фасадов рекомендуют рифленое стекло с одной рифленой поверхностью с чередующимися полосами, причем некоторые полосы в целях солнцезащиты предполагают с зеркальным покрытием (антибликовая конструкция). Вариант такого остекления приведен на фиг.6, толстыми линиями указаны отражающие солнечное излучение полосы, остальные полосы м.б. пропускающими или рассеивающими, в данном случае изображены пропускающие полосы, т.е. они пропускают часть прямых лучей, а также рассеянный свет неба и альбедо. Видно, что все отраженные лучи направлены выше горизонтали и не будут ослеплять водителей транспорта и т.д. Для уменьшения же оседания пыли и влияния атмосферных осадков рифленую поверхность остекления устанавливают изнутри.
В случае применения «теплового зеркала» в конструкции при технологической возможности мембрану «теплового зеркала» рекомендуют изготовить как одну из поверхностей с чередующимися полосами.
По третьему признаку с учетом условий эксплуатации выбирают наиболее подходящий способ изготовления полос, например при реконструкции существующей оконной конструкции самый простой способ - наклеить пленку с чередующимися полосами. При одновременном решении нескольких задач, особенно при регулировании двустороннего пропускания (фиг.4), способы изготовления полос подбирают комплексно, учитывая все требования, насколько это максимально возможно, например, какая-то полоса может отражать инфракрасное излучение, но при необходимости пропускать или рассеивать видимое и т.д.
Для оконных конструкций важен прежде всего первый из двух технических результатов, а именно регулирование количества лучей (величин световых потоков), проходящих через оконную конструкцию направленно, без рассеяния, в зависимости от углов падения лучей. Дополнительное регулирование направлений проходящих лучей в зависимости от углов их падения (второй технический результат изобретения) для оконных конструкций несущественно, хотя оно незначительно происходит из-за изменения показателей преломления при обработке полос, самопроизвольное же регулирование происходит по схеме, представленной на фиг.1. При необходимости обеспечения равномерного светопропускания оконной конструкции при изменении угла падения лучей параметры чередующихся полос подбирают таким образом, чтобы максимально компенсировать самопроизвольное регулирование светопропускания (фиг.1) с учетом движения световых пятен от окон при движении солнца (например, для обеспечения наиболее равномерного освещения в картинной галерее).
Ниже рассматриваются признаки и технические результаты изобретения для других областей его применения в тех случаях, когда есть какие-либо отличия его признаков и/или технических результатов, а также решаемых в данной области применения задач от случая архитектурного остекления.
При применении изобретения в остеклении транспортных средств принципиальных отличий его признаков и технических результатов по сравнению с архитектурным остеклением нет, за исключением того, что дополнительно учитывают изменение углов падения лучей, зависящее от условий движения самого транспортного средства, особенно автомобильного. Кроме аналогичных, решаемых при архитектурном остеклении задач решают задачу защиты водителя от ослепления светом фар других автомобилей в определенных диапазонах углов падения лучей на стекла и зеркала данного автомобиля с учетом спектра искусственного света фар.
В осветительной аппаратуре источник света находится в непосредственной близости от остекленного светораспределителя, т.е. лучи, падающие на остекленную конструкцию, в большинстве случаев не параллельны, кроме этого источник света и остекленная конструкция неподвижны относительно друг друга (углы падения лучей постоянны), поэтому при применении изобретения учитывают эти отличительные признаки от рассмотренных выше случаев. Назначение осветительной аппаратуры предполагает максимальное светопропускание через остекленный светораспределитель при заданных и неизменных углах падения лучей от источника, поэтому здесь геометрические и оптические параметры чередующихся полос подбирают с учетом саморегулирования в основном для достижения необходимого распределения выходящего светового потока по требуемым углам, в т.ч. позонного, а также с изменением спектра излучения. При применении изобретения в осветительной аппаратуре решают задачу обеспечения для каждой зоны выходной поверхности остекленной конструкции требуемых для различных направлений выходящих лучей значений световых потоков с необходимым спектром.
Оптические системы с линзами, окулярами, объективами и т.п. должны наименьшим образом искажать формы и размеры передаваемых через систему линз изображений, т.е. максимально пропуская свет, исключать искажения при прохождении лучей. При применении изобретения при необходимости обеспечивают позонное распределение светопропускания по поверхности линзы как по кольцевым, так и по секторальным зонам, в т.ч. и с разными по зонам спектральными характеристиками пропускания, для систем из нескольких линз учитывают свойства главных плоскостей системы.
3
2
1
2
3
1
2
3
1
Для исправления геометрической, например сферической, аберрации на одну из поверхностей линзы наносят кольцеобразные чередующиеся полосы одинаковой или разной толщины и ширины с разными показателями преломления. На фиг.7 изображен разрез такой линзы с постепенно уменьшающимися к краям линзы показателями преломления полос (n<n), в области параксиальных лучей полосу не наносят или наносят с показателем преломления n - таким же, как у самой линзы. На верхней половине линзы показано прохождение лучей без участия полос, видно, что с удалением падающих лучей от оси линзы возрастает аберрация - луч 2 попадает в точку F, а луч 3 - в точку F, т.е. еще более удаляется от точки F попадания параксиального луча 1. Показатели преломления n и n и толщины полос подбирают так, чтобы лучи собирались в точке F (показано на нижней половине линзы на фиг.7).
На фиг.8 изображена линза, на поверхности которой нанесены чередующиеся рассеивающие полосы, выделенные толстыми линиями. В данном случае с помощью взаимного расположения полос на обеих поверхностях решают задачу обеспечения максимального направленного светопропускания при падении параллельных лучей (сплошные линии) соосно направлению оси линзы. Из фиг.8 видно, что при другом угле падения лучей, изображенных штриховыми линиями, часть прямых лучей, прошедших в том же количестве, как и при соосном падении лучей, через входную поверхность, рассеивается на выходной поверхности и прямое пропускание уменьшается. Таким образом обеспечивают возможность самоориентировки оси самой оптической системы по направлению к источнику света по максимуму светопропускания или, наоборот, возможность определения угла падения лучей по изменению светопропускания.
Для оптимизации характеристик «просветления» оптики, учитывая изменение углов падения параллельных лучей на криволинейную поверхность линзы в зависимости удаленности от оси линзы (фиг.7) и соответственное изменение коэффициента отражения, подбирают для разных кольцеобразных чередующихся полос такие толщины и показатели преломления (полоса м.б. многослойной со ступенчатым изменением показателя преломления или даже с плавным его изменением по толщине), чтобы возникающая по разным радиальным зонам соответствующая интерференция обеспечивала максимальное светопропускание или светоотражение для каждой зоны по всей поверхности линзы для требуемого диапазона длины волны падающего излучения.
Итак, при применении изобретения в оптических системах важно достижение обоих его технических результатов, причем важность того или другого результата зависит от решаемой конкретной задачи.
В очках для коррекции зрения подбирают геометрические и оптические параметры чередующихся полос для получения требуемого распределения по зонам направлений выходящих из очковой линзы лучей (по схеме, представленной на фиг.7, полосы м.б. нанесены также на обе поверхности линзы), при необходимости также обеспечивают разное по зонам линзы светопропускание, в т.ч. и по диапазону длин волн. В солнцезащитных очках полосы взаимно располагают таким образом, чтобы ограничить попадание на сетчатку глаза лучей вредного, например ультрафиолетового, диапазона при определенных диапазонах углов падения лучей, например при высоком стоянии солнца, путем применения отражающих, поглощающих и рассеивающих полос (по схеме, представленной на фиг.8). Для лечебных очков более важен второй технический результат, для солнцезащитных - первый.
За счет дисперсии света обеспечивают выборочное пропускание через остекленную конструкцию лучей только определенного диапазона по длине волны при определенных углах или диапазонах углов падения света. На фиг.9 изображена призма, на входную и выходную поверхности которой нанесены светопоглощающие полосы (выделены толстыми линиями). Данная призма - пример стекла с поверхностями в виде непараллельных плоскостей, обе поверхности которого изготавливают в виде чередующихся параллельных и/или криволинейных полос. Падающий на призму под заданным углом белый свет в результате дисперсии разлагается в спектр, причем из призмы в рассматриваемом случае выходит только длинноволновая часть спектра с меньшим показателем преломления, остальная часть поглощается полосами на выходной поверхности. Так получают светоцветовые эффекты. Здесь важны оба технических результата изобретения.
Для получения специальных светоцветовых эффектов и иллюминаций, в т.ч. в рекламе, а также для защиты от подделок различной стеклотары или других остекленных объектов с помощью соответствующих оптических и геометрических параметров чередующихся полос обеспечивают видимость какого-либо изображения или его части только под определенным и заранее заданным углом или диапазоном углов наблюдения. В качестве примера на фиг.10 приведен разрез остекленного объекта, на внутренней поверхности которого находится зеркальная полоска, а на внешнюю прикреплена полоска из стекла, пропускающая падающий свет только под определенным углом (диапазоном углов). Проходящие через сам объект лучи отражаются и выходят из него также под определенным и заранее известным углом, под которым наблюдают отраженные лучи. Для увеличения степени защиты или получения дополнительных эффектов на зеркальную полоску наносят изображение и/или надпись. Получаемое отраженное от зеркала изображение можно «перекрашивать», для этого прикрепляемую полоску изготавливают таким образом, чтобы она пропускала лучи только определенного спектрального диапазона (например, по принципу, приведенному на фиг.9). Этот же принцип (фиг.9) применяют в голографии для получения более когерентного света от источника, а схему, описанную на фиг.10, - для получения голограмм объекта только под определенными и заранее известными углами, направляя световой поток с помощью взаимного расположения полос на разных поверхностях и соответствующего подбора их оптических характеристик. В приведенном случае важны оба технических результата изобретения.
Краткое описание чертежей
К описанию изобретения относятся следующие фигуры:
1) фигура 1 - схема прохождения лучей через одинарное плоскопараллельное стекло при углах падения 30° и 60° (толщины линий, показывающих падающие, преломленные, отраженные и проходящие лучи, соответствуют интенсивности лучей для распространенного в остекленных конструкциях случая с высоким коэффициентом светопропускания);
2) фигура 2 - схема вертикального разреза территории с двумя зданиями для решения задачи комплексного двустороннего оптимального свето- и теплопропускания (повернута на 90° против часовой стрелки);
3) фигура 3 - схема плана территории с двумя зданиями для решения задачи комплексного двустороннего оптимального свето- и теплопропускания (повернута на 90° против часовой стрелки);
4) фигура 4 - схема для решения задачи комплексного двустороннего оптимального свето- и теплопропускания через окно с тройным остеклением (повернута на 90° против часовой стрелки);
5) фигура 5 - схема прохождения лучей через однослойное гнутое стекло с чередующимися полосами на обеих поверхностях;
6) фигура 6 - схема прохождения и отражения лучей в конструкции с однослойным рифленым стеклом с чередующимися полосами на приемной поверхности;
7) фигура 7 - схема исправления сферической аберрации с помощью чередующихся полос с разными показателями преломления;
8) фигура 8 - схема регулирования светопропускания сферической линзы в зависимости от угла падения лучей;
9) фигура 9 - схема прохождения лучей через призму с двумя поверхностями с чередующимися полосами;
10) фигура 10 - схема отражения лучей от остекленной конструкции под заранее заданным углом;
11) фигура 11 - схема для графоаналитического расчета регулирования светопропускания через одинарное плоскопараллельное стекло;
12) фигура 12 - графики зависимости общего процента пропускания нерассеянных лучей от углов падения для разных ширин чередующихся полос и разного их расположения.
Осуществление изобретения
При осуществлении изобретения последовательно выполняют операции, указанные в трех его признаках.
По первому признаку, учитывая все геометрические и оптические характеристики какой-либо заданной остекленной конструкции, расчетным путем по законам и правилам геометрической оптики и/или с помощью натурных измерений определяют зависимость отношения проходящего направленно светового потока к падающему световому потоку, а также зависимость направлений прохождения лучей от углов падения лучей на конструкцию, т.е. не зависящие от применения изобретения существующие параметры саморегулирования направленного свето- и теплопропускания конструкции в рабочем для нее диапазоне длин волн. Эти две зависимости обеспечивают достижение обоих технических результатов изобретения в любой остекленной конструкции в пределах, устанавливаемых физическими закономерностями. Однако для многих остекленных конструкций этого недостаточно. Поэтому для регулирования светопропускания, как правило, применяют дополнительные устройства перераспределения световых потоков (например, в оконных конструкциях), а для регулирования направлений пропускания лучей само тело стекла делят на зоны с разными показателями преломления (например, в лечебных очках). При применении изобретения для таких случаев учитывают влияние этих факторов и рассматривают возможность эффективного регулирования в требуемых для данной конструкции пределах и в заданных условиях без применения дополнительных устройств или разделения стекла на зоны. Кроме этого рассматривают возможность расширения существующих пределов регулирования и придания новых функций или свойств конструкции с помощью изобретения, в т.ч. позонного распределения светопропускания. Таким образом, при осуществлении первого признака изобретения анализируют характеристики заданной остекленной конструкции и ставят задачу улучшения тех или иных характеристик.
По второму признаку изобретения определяют, какие именно изменения необходимо внести в существующую остекленную конструкцию при заданных условиях, чтобы выполнить поставленные задачи, т.е. определяют количество поверхностей, которые необходимо изготовить с чередующимися полосами, а также оптические и геометрические параметры всех полос. Рассмотрим осуществление простейшего случая применения изобретения при требуемом равномерном по всей площади остекления регулировании одностороннего направленного светопропускания в зависимости от угла падения параллельных лучей на плоскопараллельное одинарное стекло с высоким коэффициентом пропускания (угол падения лучей изменяется только по вертикальной плоскости, проекции лучей на горизонтальную плоскость при всех углах падения перпендикулярны поверхности стекла).
1
3
2
4
1
2
3
4
На фиг.11 в масштабе 10:1 приведена схема прохождения лучей через одинарное плоское стекло с показателем преломления n=1,5 и толщиной s=4 мм, обе поверхности стекла имеют параллельные чередующиеся полосы (разрез произведен перпендикулярно к этим полосам). Сплошными линиями изображены пути прохождения лучей при угле падения 30°, пунктирными - при 60° (отраженные лучи, имеющие в данном случае значительно меньшую интенсивность, не указаны). Тонкими линиями изображены разрезы полос без обработки стекла, толстыми - с дополнительной обработкой для рассеивания проходящих лучей. В данном случае ширина пропускающих полос на приемной и выходной поверхностях составляет t=3,0 мм и t=2,5 мм, ширина рассеивающих полос соответственно - t=1,0 мм и t=1,5 мм. Для равномерного регулирования по всей площади шаг, т.е. сумму ширин двух соседних полос, подбирают одинаковым на обеих поверхностях: t+t=t+t. Процентные соотношения проходящих направленно лучей по отношению к падающим для разных углов падения получают из соотношений ширин полос: за 100% принимают, когда луч не проходит ни одну рассеивающую полосу, за 0% - когда проходит хотя бы одну рассеивающую полосу.
2
1
2
1
4
Из фиг.11 видно, что 25% лучей при любом угле падения рассеивается на приемной поверхности, т.к. t=0,25(t+t). Нерассеянные преломленные лучи, проходя через стекло, попадают на вторую поверхность, где процент рассеиваемых лучей уже зависит от угла их падения. Ширина полосы пропускания через приемную поверхность при всех углах падения t=3,0 мм (границы указаны сплошными линиями при угле падения 30° и пунктирными - при 60°). Т.к. при угле падения 30° на выходной поверхности рассеиваются дополнительно лучи на ширине t, то общий процент Р проходящих через стекло нерассеянных лучей составит:
1
4
1
2
P=(t-t)×100%/(t+t)=(3,0-1,5)×100%/(3,0+1,0)=37,5%.
При угле падения 60° соответственно:
1
2
Р=l×100%/(t+t)=2,1642×100%/(3,0+1,0)=54,105%,
где ширина общего пропускания при угле падения 60° - l, мм, как видно из фиг.11, равна:
1
2
1
4
1
0
1
1
4
0
1
l=t-l=t-(0,5 t+0,5 t+l-l)=0,5 t-0,5 t-l+l=0,5×3-0,5×1,5-1,4142+2,8284=2,1642 мм,
0
1
i
где l и l мм - смещения преломленных лучей на выходной поверхности относительно входной соответственно для углов 30° и 60° на фиг.11 (в общем случае для любых углов падения l, мм).
i
0
Смещения l при прохождении лучей через плоскопараллельное стекло при разных углах падения Θ и данном показателе преломления n и толщине стекла s, мм, определяют из расчетной формулы:
<mrow><msub><mi>l</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mo>×</mo><mi>sin</mi><msub><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>×</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
.
0
1
Например, рассчитанные по этой формуле смещения для углов падения 30° и 60° соответственно равны: l=1,4142 мм и l=2,8284 мм. Формулу получают из закона Снелла и свойств тригонометрических функций. По закону Снелла:
<mrow><mi>sin</mi><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
.
i
0
1
Из соотношений для прямоугольного треугольника с катетами l и s (на фиг.11 катеты l и l соответственно для углов 30° и 60°):
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>s</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>×</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>Θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
.
i
4
4
Отсюда получают приведенную выше формулу для расчета смещений l при любом угле падения. Формулы для определения ширины общего пропускания и расчета процента проходящих через стекло прямых (нерассеянных) лучей для любого угла падения находят из анализа графических построений, подобных приведенным на фиг.11 для углов 30° и 60°. Зависимость общего процента Р проходящих нерассеянных лучей от углов падения, рассчитанная по этой методике для углов падения от 0° до 90° через каждые 10° и для угла 45°, приведена на фиг.12 линией 1. В диапазоне углов падения примерно от 14° до 45° процентное светопропускание составляет 37,5% - одинаково и минимально, т.к. вся рассеивающая полоса шириной t на выходной поверхности (фиг.11) именно в этом диапазоне углов падения перекрывает часть лучей, прошедших направленно через приемную поверхность, причем при угле падения 30° рассеивающая полоса t находится точно в центре полосы пропускания, т.е. именно при углах падения, близких к 30°, будет минимум пропускания. Максимум пропускания по расчетам находится при углах падения примерно от 70° до 90° (фиг.12, линия 1). Для уточнения характера линии 1 в некоторых диапазонах при расчетах найдены значения процентов пропускания для промежуточных углов (аналогично и для других кривых).
4
1
1
4
2
3
2
1
2
4
1
1
3
2
4
1
1
2
При необходимости сужения диапазона одинакового минимального прямого пропускания при углах падения, близких к 30°, увеличивают ширину t рассеивающей полосы на выходной поверхности относительно ее центра вверх и вниз (по фиг.11) при неизменной ширине t пропускающей полосы на приемной поверхности. При равенстве ширин этих полос (t=t=3 мм, следовательно, t=t=1 мм) 100% лучей, падающих под углом 30°, будут рассеянными, 25% рассеивается на приемной поверхности (t=0,25(t+t)), остальные 75% - на выходной поверхности. Таким образом, для угла 30° направленное светопропускание будет равно 0%. Результаты расчета по приведенной выше методике при рассматриваемом условии t=t=3 мм для всех углов падения изображены на фиг.12 линией 2. В данном случае максимум процентного пропускания (25%) находится в диапазонах от 0 до 9° и от 51 до 90°. Линией 3 на фиг.12 изображен обратный случай, когда ширина пропускающих полос на обеих поверхностях одинакова (t=t=3 мм), причем шаги полос на двух поверхностях сдвинуты таким образом, чтобы все не рассеянные на приемной поверхности при угле падения 30° лучи прошли нерассеянными также и через выходную поверхность, ширина рассеивающих полос также одинакова (t=t=1 мм). Т.к. t=0,75(t+t), то максимум прямого процентного пропускания при угле падения 30° равен 75%. Для остальных углов пропускание рассчитано по приведенной методике, минимум процентного пропускания (50%) находится в диапазонах примерно от 0 до 9° и от 51 до 90°. Линии 2 и 3 на фиг.12 симметричны относительно горизонтали, т.к. пропускающие и рассеивающие полосы на выходной поверхности заменены друг другом.
1
2
3
4
1
2
3
4
4
Линией 4 на фиг.12 представлен случай, в отличие от рассмотренных выше, когда шаги на двух поверхностях не равны (t=3 мм; t=1 мм; t=1,25 мм; t=0,75 мм), т.е. (t+t)=2(t+t) - шаг на выходной поверхности в два раза меньше. Шаги сдвинуты для максимума пропускания при 30°, как и в предыдущем случае, - центр рассеивающей полосы шириной t совпадает на выходной поверхности с преломленным лучом при угле падения 30°, однако максимальный процент пропускания из-за уменьшения ширины пропускающей полосы снизился от 75% до 56,25% (фиг.12, линии 3 и 4), и максимум уже не только при угле 30°, но также и в некотором диапазоне углов симметрично относительно этого угла (то же характерно и для двух минимумов пропускания относительно углов примерно 9° и 51°). Кроме этого наблюдается второй максимум пропускания в 56,25% в диапазоне углов падения примерно от 72° до 83°, что также является следствием уменьшения шага на выходной поверхности.
1
2
3
4
1
1
2
Линии 1-4 на фиг.12 показывают широкие возможности селективного регулирования светопропускания при неизменной ширине чередующихся полос на приемной поверхности путем изменения ширины полос и их расположения только на выходной поверхности. Линией 5 на фиг.12 изображен случай, когда ширина всех чередующихся полос на обеих поверхностях одинакова (t=t=t=t=2 мм), причем шаг сдвинут таким образом, чтобы все не рассеянные на приемной поверхности при угле падения 30° лучи прошли нерассеянными также и через выходную поверхность. Т.к. t=0,5(t+t), то максимум прямого процентного пропускания при угле падения 30° равен 50%. В данном случае минимум процентного пропускания (0%) находится при угле примерно 77°.
Таким образом, выбирая ширины чередующихся пропускающих и рассеивающих полос и их взаимное расположение на двух поверхностях, обеспечивают различные возможности селективного регулирования светопропускания, например достижение минимума или максимума направленного пропускания при каких-то углах и/или диапазонах углов падения (фиг.12). Для достижения максимума пропускания при каком-либо угле падения шаги полос на разных поверхностях сдвигают так, чтобы все лучи, не рассеянные на приемной поверхности, прошли нерассеянными и через выходную, причем ширины пропускающих полос подбирают одинаковыми на обеих поверхностях, а увеличение этих ширин по отношению к ширинам рассеивающих полос означает рост процентного направленного пропускания (видно из сравнения линий 3 и 5 на фиг.12 при углах, близких к 30°). Для достижения максимума пропускания при каком-либо диапазоне углов падения симметрично относительно какого-нибудь угла падения ширину пропускающих полос на выходной поверхности выбирают большей, чем на входной (тогда, например, на линии 3 максимум в 75% уже будет для диапазона углов, близких к 30°, причем диапазон будет тем шире, чем больше превышение ширин пропускающих полос на выходной поверхности), или меньшей (тогда значение максимума в диапазоне углов падения около 30° будет меньше 75%, причем при уменьшении ширины пропускающей полосы на выходной поверхности относительно входной уменьшится и само значение максимума, а диапазон углов с этим максимумом пропускания, наоборот, расширится). Очевидно, что 100% направленное пропускание как предел будет достигнуто при нулевой ширине рассеивающих полос на обеих поверхностях, т.е. когда нет чередующихся полос и поверхности стекла не подвергнуты дополнительной обработке. Для достижения минимума пропускания (0%) при каком-либо угле падения шаги полос сдвигают так, чтобы все лучи, не рассеянные на приемной поверхности, рассеивались на выходной, причем ширины пропускающих полос на приемной поверхности и рассеивающих на выходной поверхности подбирают одинаковыми (линия 2 на фиг.12 при угле 30°). Для нулевого пропускания в диапазоне углов увеличивают ширину рассеивающей полосы на выходной поверхности по сравнению со входной, и чем больше эта разница, тем шире диапазон. Из сравнения линий 1 и 2 видно, что ненулевой минимум пропускания можно обеспечить только для диапазона углов, но не для определенного угла, причем для расширения этого диапазона уменьшают ширину рассеивающей полосы на выходной поверхности. По линиям 2 и 4 видно, что максимум пропускания м.б. в двух диапазонах углов падения, а по линиям 3 и 4 - м.б. минимум пропускания также в двух диапазонах.
1
2
3
4
i
i
i
Рассмотренные выше случаи показывают, что на регулирование процентного пропускания в зависимости от угла падения лучей при одном и том же шаге на входной поверхности (линии 1-5 на фиг.12) влияют соотношения ширин чередующихся полос на каждой поверхности и сдвиг шагов на них. Различие шагов на двух поверхностях также влияет на характер регулирования, причем для равномерного регулирования светопропускания по всей площади остекленной конструкции шаги подбирают одинаковыми (все линии на фиг.12, кроме 4) или кратными (линия 4). При равенстве шагов на обеих поверхностях сама величина шага также влияет на характер регулирования. На фиг.12 линией 6 представлен случай, когда ширины всех полос и, следовательно, оба шага увеличены в два раза по сравнению с фиг.11 (t=6 мм; t=2 мм; t=3 мм; t=5 мм) при неизменных остальных параметрах. От 0° примерно до 62° уровень пропускания постоянен и равен 37,5% (как минимум пропускания на линии 1), затем медленно возрастает. Т.е. для ослабления степени регулирования как по диапазонам углов, так и по процентному пропусканию, увеличивают ширины всех полос (видно из сравнения линий 1 и 6 на фиг.12). Ослабление регулирования пропускания в зависимости от угла падения объясняется тем, что при расчетах процентов пропускания размеры смещений l при всех углах падения от 0° до 90° становятся значительно меньше ширин рассеивающих и пропускающих полос (см. расчет общей ширины пропускания l для угла 60° по фиг.11), и изменение этих смещений постепенно перестает влиять на характер регулирования (например, при дальнейшем увеличении всех полос на линии 6 горизонтальная линия смещалась бы правее угла 62°), и для каждой толщины стекла существуют наибольшие предельные ширины полос, когда при любых углах падения будет одинаковый уровень пропускания, т.е. регулирование прекратится (линия 6 стала бы горизонтальной на всем участке). Такая закономерность характерна и для всех других случаев, в т.ч. для линий 2-5 на фиг.12, т.к. именно изменение смещений l при изменении углов падения и определяет изменение процента пропускания. Таким образом, для более интенсивного регулирования для ширин полос подбирают размеры, сравнимые с величинами смещений l при данных толщине и показателе преломления стекла. На любой из двух поверхностей с чередующимися полосами нижним пределом ширин рассеивающих или пропускающих полос будет 0 мм, т.е. соответственно лучи или полностью проходят через эту поверхность, или полностью рассеиваются ей.
Характерным расчетным углом падения при случаях, представленных на фиг.12 линиями 1-6, и их дальнейшем анализе взят угол падения в 30°, т.е. падающий под этим углом луч после преломления проходит через центр рассеивающей или пропускающей полосы на выходной поверхности (например, как на фиг.11), однако подобный графоаналитический расчет по приведенной методике м.б. произведен для любого угла падения исходя из требований к регулированию в конкретном случае. Например, для сравнения на фиг.12 линией 7 представлен случай, когда при всех остальных неизменных параметрах по фиг.11 только шаги сдвинуты для минимума пропускания при угле падения 45°, а не 30°, т.е. при угле 45° преломленный луч проходит через центр рассеивающей полосы на выходной поверхности. Максимум пропускания теперь находится при углах от 0° примерно до 9°, минимум - примерно от 30° до 61°, т.е. значения максимумов (62,5%) и минимумов (37,5%) на линиях 1 и 7 совпадают по причине одинаковых ширин всех полос. Однако характер регулирования из-за увеличения сдвига шагов изменился - вся линия сдвинулась вправо примерно на 15°, как и следовало ожидать при переходе от 30° до 45°, а при больших углах падения снизился процент пропускания.
Таким образом, при заданных изначально параметрах остекленной конструкции и условиях ее взаимодействия с падающим световым потоком при применении двух поверхностей с чередующимися полосами в различных случаях (фиг.12) обнаруживаются следующие общие закономерности регулирования процентного направленного светопропускания:
i
- при углах падения от 0° примерно до 60° зависимость регулирования практически является прямолинейной ломаной, т.е. или строго горизонтальной (в случаях когда ширина пропускания на выходной поверхности остается одинаковой в некотором диапазоне углов падения), или практически прямолинейной наклонной (ширина пропускания меняется практически пропорционально, т.к. разности между смещениями l, рассчитанными для заданных толщины и показателя преломления стекла, почти одинаковы через каждые 10° в этом диапазоне), причем углы наклона линий одинаковы даже для случаев с разными выбранными характерными углами, что видно из сравнения линий 1-5 для характерного угла 30° и линии 7 - для 45°;
i
- при больших углах падения (70°-90°) степень регулирования понижается - линии 1-3 горизонтальны (регулирование в зависимости от угла падения отсутствует), а линии 4-7 пологие (регулирование более слабое, чем при меньших углах, что объясняется известным из тригонометрии слабым изменением синусов больших углов, из-за чего абсолютная разность между рассчитанными смещениями l через каждые 10° при углах 70°-90° значительно меньше, чем в диапазоне 0°-60°, а именно эта разность и определяет степень изменения пропускания внутри каждого диапазона в 10°), - однако для подавляющего большинства остекленных конструкций, например оконных, регулирование при больших углах падения (70°-90°) и не столь востребовано;
i
- при достаточно больших углах падения 60°-90° все линии, за исключением горизонтальных участков, начинают искривляться ощутимо, т.к., несмотря на уменьшение своего абсолютного значения, разности между смещениями l через каждые соседние 10° в этом диапазоне отличаются друг от друга в большей степени, чем при углах до 60°;
i
- при углах падения от 0° примерно до 60° зависимость регулирования симметрична относительно выбранного характерного угла сдвига шагов (линии 1-6 для угла 30°, линия 7 для угла 45°), т.к. разницы смещений l почти одинаковы через каждые 10° в этом диапазоне, а преломленный луч при характерном угле падения проходит через центр рассеивающей или пропускающей полосы на выходной поверхности и по обе стороны от нее находятся соответственно пропускающие или рассеивающие полосы одинаковой для каждого случая ширины.
Рассмотренная выше методика осуществления изобретения позволяет получить его первый технический результат - селективное регулирование по заранее заданному закону количества лучей, проходящих через конструкцию направленно, в зависимости от углов их падения. Для одновременного получения второго технического результата - селективного регулирования направлений проходящих через конструкцию лучей в зависимости от углов их падения - пропускающие полосы на входной и/или выходной поверхности изготавливают с необходимой толщиной из стекла с другим показателем преломления (см. фиг.7 и пояснения к ней), толщину и показатель преломления выбирают на основе графоаналитических расчетов в соответствии с правилами геометрической оптики. Если такие полосы применяют на входной поверхности, то учитывают изменение углов преломления лучей и влияние этого на расчет сдвига шагов чередующихся полос на двух поверхностях.
При осуществлении изобретения в случаях, отличающихся от рассмотренного выше простейшего случая (фиг.11 и 12), применяют описанную методику расчетов на основе правил геометрической оптики следующим образом:
- при необходимости позонного регулирования светопропускания рассчитывают параметры чередующихся полос отдельно для каждой зоны с требуемым равномерным внутризонным регулированием (фиг.2-4), причем размеры и конфигурация зон в зависимости от формы самой остекленной конструкции м.б. любыми, количество зон с разными параметрами светопропускания м.б. неограниченным, а именно: при необходимости неравномерного регулирования по поверхности остекленной конструкции или какой-то зоны в каком-либо направлении выбирают изменяющиеся ширины и/или другие геометрические и оптические параметры чередующихся полос (например, градиентное изменение параметров, когда каждая последующая полоса отличается от предыдущей по каким-либо параметрам, а также чередоваться могут не только два вида полос, как, например, пропускающие и рассеивающие на фиг.11, но и несколько и в любом порядке), в т.ч. применяют подобные изменения параметров также вдоль самих полос (например, полоса м.б. с непостоянной шириной, прерывистой, с изменяющимся показателем преломления и т.д.);
- количество поверхностей с чередующимися полосами выбирают больше двух, например, при необходимости двустороннего регулирования, как на фиг.2-4, при этом учитывают взаимное влияние параметров этих поверхностей друг на друга - в данном случае (фиг.4) рассеивающие полосы на обеих поверхностях второго слоя остекления в верхней зоне окна должны по возможности пропускать длинноволновое излучение, в свою очередь, отражающие длинноволновое излучение полосы на первом и третьем слоях - пропускать солнечное излучение;
- для защиты от влияния внешних факторов (например, атмосферных явлений на оконные конструкции) поверхности с чередующимися полосами выбирают на разных слоях остекления внутри конструкции и, соответственно, при расчетах учитывают расстояния между слоями остекления и род вещества, заполняющего пространство между слоями остекления (его влияние на показатели преломления), в конструкциях с рифленым стеклом рифленую поверхность с чередующимися полосами располагают на внутренней поверхности (в отличие от фиг.6);
- для конструкций с криволинейными формами остекления углы падения, отражения и преломления лучей определяют относительно нормалей к криволинейным поверхностям, причем формы полос м.б. как прямолинейными (фиг.5 и 6), так и кольцевыми (фиг.7 и 8);
- при сложном криволинейном движении источника света и/или остекленной конструкции относительно друг друга (например, при движении солнца относительно окна) учитывают, что углы падения лучей изменяются от 0° до 90° не только в одной координатной плоскости (на фиг.11 углы падения изменяются только в вертикальной плоскости), но и в другой, следовательно, для каждого определенного угла падения луча выполняют схему его прохождения по разрезу остекленной конструкции плоскостью, проходящей через сам луч и перпендикулярной плоской приемной поверхности (для криволинейной приемной поверхности - плоскости, касательной к ней в точке падения луча), что несколько усложнит расчеты и приведет к криволинейным формам чередующихся полос, однако позволит достичь при этом оптимального регулирования светопропускания, как бы «следящего» за траекторией движения источника относительно конструкции (при расчетах регулирования светопропускания оконных конструкций в течение светового дня для определенного времени года учитывают соответствующую траекторию солнца относительно окна, т.е. изменение азимута и высоты стояния солнца на данной широте северного или южного полушария, и для данного азимута ориентации окна и его вертикального, наклонного или горизонтального расположения, а также его плоской или криволинейной формы рассчитывают оптимальные параметры всех чередующихся полос);
- в соответствующих случаях при расчетах учитывают непараллельность падающих лучей (например, при близком расположении источника к остекленной конструкции лучи будут радиальными);
- в зависимости от выполняемых задач применяют следующие виды чередующихся полос с требуемыми характеристиками во всем рассматриваемом для данной области применения спектральном диапазоне или в каком-либо участке спектра: пропускающие с возможно большим коэффициентом светопропускания (участки поверхности остекленной конструкции, не подвергнутые дополнительной обработке, или пропускающие полосы с другим показателем преломления, чем у самого стекла, как на фиг.7, т.е. пропускающе-преломляющие полосы, в т.ч. и многослойные с постепенно изменяющимся показателем преломления), отражающие с разным коэффициентом отражения (фиг.6 и 10, часть светового потока отражают и любые другие полосы), поглощающие с разным коэффициентом поглощения (фиг.9, а на фиг.8 вместо рассеивающих полос можно применять поглощающие, само стекло и любые полосы также поглощают часть светового потока) и рассеивающие с разной степенью рассеивания (фиг.5, 8 и 11, само стекло и любые полосы также рассеивают часть светового потока).
При применении изобретения совместно с дополнительными устройствами перераспределения световых потоков расчеты принципиально не отличаются от вышеизложенного, однако следует учитывать вклад этих устройств в общее (комбинированное) регулирование, а также изменения, которые они вносят в расчеты, например жалюзи при их наружном расположении в зависимости от положения ламелей изменяют как интенсивность падающего на оконную поверхность света, так и направление падающих лучей, все это учитывают при расчетах регулирования светопропускания самой остекленной конструкцией.
Для облегчения расчетов по выжеизложенной методике применяют существующие компьютерные программы вычисления или составляют новые программы с учетом специфики расчетов и многообразия переменных, от которых в различных случаях применения зависят параметры свето- и теплопропускания остекленных конструкций.
Приведенная выше методика осуществления изобретения основана на графоаналитических расчетах для разных углов падения лучей общего процента направленного пропускания по отношению общей площади выходной поверхности, через которую проходят направленные (нерассеянные) лучи, к площади всей приемной поверхности (аналогично и для случаев, когда число поверхностей с чередующимися полосами больше двух). Например, для случая, рассмотренного на фиг.11, процент пропускания определен по соотношениям ширин полос, однако это упрощение подходит только для прямоугольных конструкций, когда, как в данном случае, ширина самой конструкции неизменна. В общем же случае процент пропускания определяют именно по соотношениям площадей, в т.ч. и для криволинейных поверхностей и форм самих чередующихся полос. Для окончательного практического применения изобретения при определении направленного светопропускания остекленной конструкции при разных углах падения дополнительно к общему проценту пропускания учитывают и следующие физические факторы, не зависящие от изобретения, но влияющие на его применение и суммарное регулирование светопропускания:
- при увеличении угла падения лучей увеличивается коэффициент отражения и, следовательно, отраженная часть светового потока;
- при увеличении угла падения лучей при неизменной интенсивности падающего света (отношение светового потока к площади приемной плоскости, перпендикулярной направлению лучей, т.е. при угле падения 0°) уменьшается количество реально падающего на площадь приемной поверхности светового потока;
- в некоторых случаях изменяется интенсивность источника света (например, интенсивность солнечных лучей зависит от времени суток);
- при неизменной толщине стекла с увеличением угла падения и, следовательно, длины пути прохождения преломленных лучей через стекло увеличивается количество поглощенного светового потока;
- при уменьшении ширин чередующихся полос увеличивается степень влияния дисперсии, дифракции, интерференции, различных видов аберрации и т.п., а также многократного отражения внутрь стекла от его внешних поверхностей, что особенно важно для высокоточных оптических систем.
В случаях когда предварительные расчеты характеристик регулирования м.б. недостаточно точны из-за невозможности полноценного учета всех влияющих факторов, их устанавливают с помощью опытного образца остекленной конструкции с данными геометрическими и оптическими параметрами чередующихся полос на основе измерений, например, люксметром, падающей и прошедшей освещенности при разных углах падения, при этом учитывают, что при наличии рассеивающих полос люксметр будет измерять также и рассеянное излучение, т.е. для определения параметров регулирования именно направленного пропускания применяют только поглощающие и отражающие полосы при заданных ширинах всех пропускающих полос.
Таким образом, при осуществлении второго признака изобретения решают задачи улучшения тех или иных характеристик заданной остекленной конструкции без изменения ее основного назначения, при возможности расширяют существующие пределы регулирования и придают конструкции новые дополнительные функции и свойства.
По третьему признаку изобретения известными технологическими способами, перечисленными выше или любыми другими, на выбранных поверхностях изготавливают чередующиеся полосы с необходимыми геометрическими и оптическими параметрами или приклеивают пленки с заранее нанесенными на них чередующимися полосами. Для облегчения изготовления чередующихся полос применяют маски с соответствующими полосами пропускания для дополнительной обработки поверхности стекла, чтобы при любом способе изготовления полос остальная часть поверхности была защищена от обрабатывающего воздействия. При использовании пленок с чередующимися полосами, например, в оконных конструкциях пленки с одними и теми же параметрами в некоторых случаях для упрощения применяют на разных поверхностях одного и того же окна с необходимым сдвигом полос.