Применение стекла с покрытием с высоким пропусканием световой энергии
Стекло с антиотражательным покрытием не только снижает степень
видимого отражения, но может существенно увеличить степень светопропускания
световой энергии лучей (что, собственно, противоречит классическим объяснениям
механизма работы таких покрытий).
В этой статье предлагается реалистичное
объяснение того, как работают такие покрытия в однослойном и многослойном
остеклении, а также показывается множество вариантов применения. Кроме того,
здесь приводится руководство по визуальной инспекции устройств с таким покрытием,
поскольку здесь могут иметь место нежелательные оптические иллюзии, которые
могут сбить наблюдателя с толку.
МЕТОДИКА
Как работают антиотражательные покрытия
На границе стекла и воздуха имеется примерно 4,3% отражения видимого света (R) в соответствии с формулой:
R = (n2 – n1)2 ÷ (n2 + n1)2 ,
где: n1 – коэффициент отражения воздуха; n2 – коэффициент отражения стекла.
Чтобы избавиться от этого отражения, существует популярный метод, описанный во многих учебниках, состоящий в использовании покрытия из материала с коэффициентом отражения, величина которого находится между показателями отражения воздуха (1,0) и стекла (1,52), чтобы создать две равные и противонаправленные по фазе волны, которые будут подавлять друг друга за счет интерференции.
Рис. 1
Диаграмма на рис. 1 из Википедии точно показывает взаимоуничтожение
двух отражаемых от покрытия волн с длиной волны в одну четверть длины света, но
здесь не приводятся объяснения того, каким образом, собственно, пропускаемая
волна (T) в действительности увеличивается.
Из уравнения, указанного выше,
не имеется решений для коэффициента отражения такого материала покрытия, который
бы давал отражение «воздух-покрытие» или «покрытие-стекло», равное 4,3%/2 = 2,15%
для получения взаимоподавления волн, как показано на рисунке.
Работоспособное решение состоит в использовании покрытия с коэффициентом
отражения (nc), рассчитанным по формуле:
nc = (n1 × n2) 0,5
Для стекла коэффициент отражения с таким покрытием будет
примерно равен 1,23. Подставив это значение в первое уравнение, получим отражение
на границах «воздух-покрытие» и «покрытие-стекло» только по 1,1% для каждой вместо
желаемого коэффициента отражения 2,15% на них.
Т.е. вместо первоначального
4,3% отражения от поверхности стекла без покрытия мы получим два отражения с
интенсивностью 1,1% и с фазой 180°. Они накладываются «в противофазе» и гасят
друг друга. Тем не менее, остается еще разность 4,3% – 2 × (1,1)% = 2,1%,
которая по закону сохранения энергии добавляется величине первичного пропускания.
Таким образом, пропускание через чистое стекло в воздухе можно увеличить на 4,2%
(дважды по 2,1%), если тщательно подобрать покрытие, наносимое на обе поверхности
стекла.
Процессы
Процесс химического осаждения паров (Chemical Vapor Deposition,
CVD) был относительно недавно разработан для твердых антиотражательных
(Anti-Reflective, A/R) покрытий для поверхности совершенно чистого стекла, пока
оно находится во флоат-ванной.
Это покрытие, выполненное из оксидов металлов,
наносится при температуре свыше 600°C и, после охлаждения, становится твердой
надежной пленкой на поверхности стекла, способной выдерживать атмосферные влияния,
закалку (термообработку) и гнутье. Другие методы нанесения A/R-покрытий – напыление
в вакуумных камерах и окунание в золь-гель.
ТРЕБОВАНИЯ К ИЗДЕЛИЯМ
Спецификации для стекла
Имеются два метода по увеличению светопропускания через остекление без покрытия:
Таким образом, в ваших спецификациях на стекло должно быть
указано одно или другое, или оба эти высокотехнологичные изделия. Поскольку
коэффициент отражения отличается для света с разной длиной волны и для лучистой
энергии, и поскольку толщина данного A/R-покрытия фиксирована, а длина линии взгляда
меняется, когда мы смотрим через стекло под разными углами, толщину A/R-покрытия
следует выбирать путем разностороннего компромисса. Это означает, что для белого
света для большинства архитектурных применений A/R-покрытие всегда будет иметь
некоторую ненулевую отражательную способность. Обычно эта величина оценивается как
0,7% видимого отражения (в противоположность к 4,2% для поверхностей без покрытия).
То есть первое правило для достижения максимальной видимости через остекление
состоит в максимальном снижении яркости отражаемого изображения, маскирующего вид
за стеклом. В помещении этого можно достичь в том числе благодаря цвету окраски
стен или уровню освещенности. Снаружи это достигается благодаря специальному
наклону стекла таким образом, чтобы в стекле больше отражалась темная земля, чем
яркое небо. Лишь после принятия таких мер применение A/R-покрытий будет успешным.
Когда мы смотрим на плоское стекло, нужно осознавать, что обычно мы не видим само
стекло, а скорее воспринимаем два наложенных изображения (подобно двум последовательным
экспозициям на одну фотопленку в фотоаппаратах старого типа): одно пропущенное и
одно отраженное. Если одно изображение примерно в 50 или более раз ярче другого,
то мы воспринимаем только то изображение, которое ярче, несмотря на имеющееся другое.
(Это явление успешно применяется в «прозрачном зеркале» для скрытого слежения или
в допросных комнатах.) То есть, контроль уровня освещенности видимого объекта при
пропускании и отражении света через стекло в обе стороны очень важен при
применении A/R-покрытий.
Применение
При остеклении аквариума нужен только один слой A/R-покрытия
на наружной поверхности стекла, чтобы снизить маскирующее отражение до величины
менее 1%. (Из-за того, что практически нет отражения на границе «вода-стекло»,
потому что они имеют примерно равные коэффициенты отражения.) Подобно этому
иллюминаторы, установленные ниже ватерлинии судна и сделанные для безопасности
из ламинированного стекла, нуждаются только в одном слое A/R-покрытия на внутренней
стороне стекла (на границе «воздух-стекло»). В этом случае строго рекомендуется
применять «навес» (подобный маркизе) или крышку, иначе 1% отражения от ярких белых
облаков может заслепить тусклое изображение в воде под судном.
Экраны с
проецированием сзади из ламинированного стекла с диффузной прослойкой станут
лучше, если выполнить однослойное A/R-покрытие со стороны просмотра.
Через
витрины внутри помещения (например, застекленные демонстрационные секции в
ювелирном магазине или в музее) станет намного виднее, если правильно контролировать
уровень света, рис. 2.
Рис. 2
Но когда мы делаем остекление для магазинов, выставочных или демонстрационных залов, нам нужно A/R-покрытия на обеих сторонах листа стекла. В этом случае для безопасности и защиты часто применяется ламинированное стекло, причем лучше всего его изготовить из двух листов стекла сторонами с односторонним A/R-покрытием наружу. Таким образом, можно получить примерно 1,5% отражения вместо 8% для ламинированной панели из двух листов стекла без покрытия. Если нужно контролировать поступление солнечного тепла внутрь помещения, между стеклами ламинированного «сэндвича» вкладывается ламинирующий слой из полиэстера, покрытого методом напыления слоем, отражающим инфракрасные лучи. Двухслойное остекление в ИСП для теплоизоляции в холодном климате имеет четыре границы «воздух-стекло». Это означает примерно 16% к отражающей способности стекла (4 × 4%). В витринах это маскирующее отражение можно снизить до 3% при использовании четырех A/R-покрытий по два на каждой из сторон задействованных в ИСП стекол.
Рис. 3
Для больших спортивных арен, где имеются закрытые остекленные ложи на трибунах, характерна интересная архитектурно-дизайнерская проблема, когда отражение от солнечных лучей не должно попадать на игровое поле. В примере, показанном на рис. 3, панели остекления имеют наклон 15° в сторону поля. Здесь применено ламинированное безопасное стекло с A/R-покрытием с обеих сторон. Матовые стеновые панели, расположенные сверху и снизу прозрачного остекления для обзора, окрашены в специфический темно-голубой цвет путем нанесения керамической фритты с обратной стороны панелей и с A/R-покрытием на лицевой поверхности. Это обеспечивает низкую стоимость эксплуатации и обслуживания, постоянно поглощает цвет и блики (засветку от солнца) и снижает отражающую способность до уровня менее 1%.
Этот пример применения дает отличные результаты путем снижения
уровня прямого отражения и бликов, ослепляющих зрителей и игроков. При этом
незначительное повышение светопропускания в видимом диапазоне (несколько процентов)
за счет A/R-покрытия не ухудшает визуальное восприятие для зрителей внутри ложи.
Увеличение видимого светопропускания с помощью A/R-покрытия не реализовано во
всем спектре солнечного излучения от волн короткой длины (ультрафиолет, УФ) до
длинных волн (инфракрасное излучение, ИК). Обычно добавка светопропускания от
A/R-покрытия слегка снижает общий коэффициент пропускания солнечной энергии через
стекло, как показано в таблице.
Для применения в фототермальных и фотоэлектрических
модулях, где точная длина волны света или энергии критична для характеристик
изделия, A/R-покрытие и стекло для подложки должны быть сконструированы, подобраны
и изготовлены особым образом, чтобы обеспечить оптимальность характеристик, что
особенно важно, если идет речь о массовом производстве.
КАК СМОТРЕТЬ НА СТЕКЛО
Цвет света, проходящего через стекло, меняется в зависимости от
окраски стекла, но цвет отраженного света от первой поверхности стекла без покрытия
не меняется, он только снижает свою яркость до 4% от яркости оригинала, не важно,
окрашено стекло или нет, и какова его толщина.
Конечно, свет, проходящий через
стекло, приобретает некоторую окраску. Когда он отражается от задней поверхности,
он возвращается с несколько иным цветом, и окончательное отражение может иметь
существенно изменившуюся окраску. Два отраженных изображения от задней и передней
сторон листа стекла накладываются друг на друга и практически совмещаются, но итоговое
изображение может состоять из изображений, различающихся по цвету.
На восприятие
цвета сильно влияют окружающие цвета. В то время как тренированное ухо может выделить
отдельные звуки определенной частоты из общего потока, никто не может абсолютно
точно идентифицировать цвет без сравнения с эталоном.
Рис. 4
Рис. 4 показывает, как мозг может быть обманут при наличии
соседствующих цветов. Отмеченный прямоугольник в середине каждой половинки картинки –
в действительности одного и того же цвета, что будет видно, если наложить на
рисунок однотонную маску.
Чтобы избежать неожиданных эффектов, рекомендуется
использовать полноразмерное моделирование на месте во всех случаях.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Твердое, подвергаемое термообработке и гнутью антиотражательное химическое покрытие сейчас можно выполнять прямо в процессе выгонки флоат-ленты стекла по всей ее ширине, т.е. без ограничений по размеру. Этот метод производства очень хорошо подходит для применения в разнообразных дизайнерских решениях.
ВЫВОДЫ
Из всего этого можно сделать очень простые выводы:
Кристофер Барри (Christopher Barry),
директор технической
службы строительных проектов, Pilkington NA Inc, Толедо, Огайо, США.
По материалам
доклада на Glass Performance Days, июнь 2009 г.,
Тампере, Финляндия.
