这里所描述的主题涉及用于通过下变频和选择性的反射来控制 光线流和辐射热的固态和“接近固态”的装置。本技术具体地但非 唯一地应用于无源或有源温度调节膜、材料和装置中，尤其是作为 结构材料。

光致变暗(photodarkening)材料已用了数十年，例如，用在太 阳眼镜片中，以便当受到紫外线(UV)辐射的刺激时选择性地削减 入射光。当结合在窗户中时，这种材料能通过以下方式来调节结构 的内部温度：通过变暗以削减明亮的太阳光，并且通过再次变得透 光以允许人造光或散射日光不受阻碍地通过。这种系统是无源的且 是自调节的，除了周围的UV光以外，不需要外部信号来操作。然 而，因为其受紫外线控制，而不是受温度控制，所以，这种系统在 温度调节应用中效用有限。
电致变暗(electrodarkening)和光致变暗材料主要通过吸收而 不是反射来削减入射光，这意味着，当暴露在明亮的光学下时，其 将变热。这产生了传导热通量，其弥补了辐射传输中的减少，从而 极大地限制了其调节温度的能力。
吸收一种波长的光并发出另一种更长波长的光的过程被称为下 变频。此过程发生在许多自然发生的荧光和磷光材料(包括磷)中。 来自能量吸收材料的黑体辐射也是下变频的形式。下变频还发生在 半导体材料中，其通过被称为光致发光的过程吸收较宽波长带上的 能量，并以材料的能带隙能量周围为中心在窄得多的波长带上放出 能量。下变频器能轻松地由一片块状半导体制成。
制造非常小的结构以利用电荷载体(例如，电子或电子“空穴”) 的量子力学性能已很好地得以证实。载体的量子限制能够通过一个 维度或多个维度小于载体的量子力学波长的结构来实现。对一个维 度的限制产生“量子阱”，对两个维度的限制产生“量子线”。
量子点是能够在所有三个维度上限制载体的结构。量子点可形 成为所有三个方向上的尺寸都小于电荷载体的德布罗意波长的微 粒。在尺寸小于电子空穴玻尔直径、载体非弹性平均自由程和离子 化直径(即，载体的量子限制能等于其热质动能时的直径)的微粒 中也可观察到量子限制效应。假设，当同时满足所有这些标准时， 可观察到最强的限制。这种微粒可由半导体材料(例如，Si、GaAs、 AlGaAs、InGaAs、InAlAs、InAs以及其他材料)组成，或者由金 属组成，并且可以有或可以没有绝缘涂层。在此文献中，这种微粒 被称为“量子点微粒”。
量子点可具有与相应的块状材料非常不同的电子结构，且因此 可具有不同的属性。由于其独特的属性，量子点可用在许多电子装 置、光学装置和光电装置中。现在，量子点用作近单色荧光光源、 激光光源、包括红外线(IR)探测器的光探测器，以及包括单电子 晶体管的高度小型化晶体管。
将金属和半导体纳米微粒嵌入块状材料(例如，硫化镉微粒作 为美观性(aesthetic)水晶中的着色剂)内已实践了数个世纪。然而， 仅在最近才对这些材料的物理性质有了相当的理解。这些纳米微粒 是特性由其大小和组成决定的量子点。这些纳米微粒用作嵌入其中 以改变所选光学或电学特性的材料的掺杂剂。这些量子点所代表的 “人造原子”具有在用途上与天然原子不同的特性。然而，必须指 出，量子点的掺杂特性在制造时便固定了，以后不能调节。
Physics Review B(物理评论B)(2000年7月15日)中， Leatherdale等人的《Photoconductivity in CdSe Quantum Dot Solids (CdSe量子点固体中的光电导性)》中详细描述了“具有潜在可调的 光学特性和电学特性的二维和三维人造固体”的制造。这些固体由 沉积在半导体衬底上的胶状半导体纳米晶体组成。结果是得到由量 子点微粒组成的有序的玻璃状薄膜，其能够受到外部光源的光激发 或受到附设于衬底的电极的电激发而改变光学和电学特性。
Burt的美国专利No.5,881,200公开了一种光纤(1)，其包含一 中间开口(2)，其中填充有在支撑介质中的量子点(4)胶状溶液(3)。 量子点的目的是当受到光学方面的刺激时产生光，例如，产生光放 大或激光辐射。量子点替代了当在光纤中用作掺杂剂时能够产生光 放大器的铒原子。量子点的特性会受到制造时所选大小和组成的影 响。尽管本装置具有输入路径(或源径)和输出路径(或漏径)，但 是其没有外部控制装置，因此，在任何有意图的意义上都不是一个 “开关”。因而，其不能阻止或调节通过光纤的光能流。
Proceedings ofthe IBEE(IBEE学报)，85卷，第4期(1997年 4月)中，Goldhaber-Gordon等人的《Overview of Nanoelectronic Devices(纳米电子装置综述)》描述了什么是可能最小的单电子晶体 管。其由内嵌(inline)有“共振隧穿器(或RTD)”的“引线”组 成，该“引线”由导电C6苯分子制成，“共振隧穿器”内嵌物由被 用作绝缘体的CH2分子所围绕的苯分子组成。该装置可能不太准确 地被描述为量子阱(而不是量子点)，并旨在作为开关装置晶体管， 而不是电荷载体的限制机构。然而，原则上，该装置应能包含少量 的多余电子，并由此用作量子限制装置。因此，作者认为该装置可 能“更像量子点而不是固态RTD”(见第19页)。
Fan等人的美国专利No.6,512,242描述了一种用于产生量子效 应的装置，其包括：量子线(504)，能量在电压控制下沿着量子线 传送；以及量子点(502，503)，在持有能量的量子线附近。量子线 通过“共振隧穿”将电子运入一个量子点或多个量子点，并将电子 从其中运出。如Fan等人所描述的，量子点用作“共振耦合元件”， 其在作为电子波导的量子线之间运输电子或在相同波导上的不同端 口之间运输电子。换句话说，量子点用作一种导管。
Stinz等人的美国专利申请公开No.2002/0079485A1公开了一 种“量子段(quantum dash)”装置，其可被认为是一种具有细长轴 的非球形、非径向对称的量子点微粒，或被认为是一种短的、不连 续的量子线段。在这个意义上，量子段仅是一种特殊级别的量子点 微粒。如Stinz等人所描述的，多个量子段装置嵌在固体材料内的特 定位置处，以增强材料内激光能量的激发。所得到的结构是“可调 谐激光器”，其输出频率可在较窄的范围内调节。此调谐通过使用外 部光栅的“波长选择性反馈”来实现，以限制能够到达材料内部的 量子段的输入光频率。此公开指出：“用作理想量子点的均一大小的 量子段的总体将具有类似原子的态密度和光学增益”。Stinz等人依 靠半导体材料的精确几何形状和组成来制造特定大小和形状的量子 段。因此，选择可获得的量子状态只在制造时能实现，“例如，通过 调节InAs单层覆盖范围、生长率和温度来获得各种长-宽-高的比”。 能量均一地影响所有的量子段，且还影响其中嵌有量子段的周围材 料，并且，如果周围材料是不透光的，那么光子能根本不能到达量 子段。此外，此装置不是光开关。
Stinz等人的美国专利申请公开No.2002/0114367A1公开了“一 种理想的量子点层，其包括多种嵌入到夹在阻挡层之间的量子阱层 内的量子点”。类似地，Yoshimura等人的美国专利No.6,294,794B1 公开了“活性层中的多个量子点，从而使量子点在垂直于活性层的 方向上具有通过改变组成或掺杂而得到的不对称”。这些量子点微粒 仅嵌在光学晶体中。Sugiyama等人的美国专利No.6,281,519B1中 公开了类似的量子点层结构。
在McCarthy等人的美国专利No.6,978,070中，详细公开了多 个存储体可寻址量子点装置，其能够用作可编程掺杂剂，以便以可 控且可重复的方式来改变衬底(不论是圆柱形、平板形、还是其他 形状)的整体电特性、光特性、热特性、磁特性、化学特性和机械 特性。此控制不仅能在材料制造时发生，也能实时地发生，即，在 使用时响应于变化的需求和条件而发生。
在McCarthy等人的美国专利申请公开No.2006/0011904中， 公开了一种结合有量子点作为可编程掺杂剂的成层的复合膜。详细 描述了一种用于控制大量的量子点以影响衬底的靠近其表面部分的 整体特性的装置。该装置可结合有用于接通和断开动力以控制引线 或控制引线分支的开关，但是这些开关不是热控制的。作者还指出， 该装置“能够用作固态热开关，即，其能够在导热与绝热状态之间 进行切换，形成电子晶体管或可变电阻器的热当量”。然而，尽管清 楚地示出了控制引线中的开关(122)的源极、漏极和栅极，但是这 种热开关的构造并不具体，例如，未画出或描述输入和输出路径。
Harrison的《Quantum Wells，Wires，and Dots(量子阱、量子线 和量子点)》，约翰威立国际出版公司(2000)中指出了“二维电子 气场效应晶体管(TEGFET)”的存在，这是一种被设计为利用高平 面内(x-y)迁移率的高电子迁移率晶体管(HEMT)，“当调制掺杂 异质结时，产生高平面内迁移率”。此设计包括能够在异质结处(即， 在两种电相异材料之间的界面处)发生的载体的一维量子限制(即， 沿着z轴线的限制)。然而，由于载体仅能在x-y平面中自由移动， 并且由于x方向或y方向上没有量子限制，所以，一维量子限制是 伴随发生的而不是主动开发的，并且在使该装置运行时并不是必需 的。虽然该装置的确是一个开关，但是其本质上既不是光控的，也 不是热控的。
Harrison还公开了一种被称为量子限制斯塔克效应的效应，其 中，垂直于量子阱施加电场，以影响限制于其中的载体的能级。尽 管大家都知道这对量子阱的吸收光谱存在细微影响，但是，此效应 是在传感器中使用，而不是在开关中使用。另外，Harrison并未表 明或暗示斯塔克效应曾用来改进TEGFET装置或任何其他类型的开 关的性能。
还有另一种类型的依靠量子限制的开关：单电子晶体管或SET。 其由通向量子点微粒或量子点装置的源径(输入路径)和离开量子 点微粒或量子点装置的漏径(输出路径)、以及控制量子点的栅电极 组成。当一个电子通过栅径进入装置时，开关从导电或闭合状态转 变为非导电或断开状态，或反之亦然。然而，并未将SET设计为可 控制热能流或光能流，并且SET不包括光学下变频器或带阻滤光片。
还存在热开关，当处于其接通或闭合状态时，其允许热能通过， 但是当处于其断开或开启状态时，阻止热能通过。然而，这些开关 是机械式继电器，其依靠两个传导表面(典型地由金属制成)之间 的接触而使热能够通过。当移开这两个表面时，热能不能在其间传 导，除非通过气隙传导。如果将该装置设于真空中，则在断开状态 时热传导可被完全阻止。另一种类型的热开关涉及将气体或液体泵 入腔室中或从腔室中泵出。当腔室充满时，其传导热。当腔室为空 的时，没有传导。显而易见地，这些装置不是固态的，不是多功能 的，不是可编程的，并且不依靠量子限制来进行操作。
还存在光开关。光可被吸收或反射某些特定频率的光但允许其 他频率的光通过的滤光片阻止。可使用短通滤光片和长通滤光片， 或者能够通过陷波滤光片或带阻滤光片来阻止较窄范围的频率。现 在，一些滤光片还结合有量子阱、量子线或量子点微粒。
增加机械式遮光器能够将其他的透光材料(包括滤光片)转变 成光开关。当遮光器打开时，光轻松地通过。当遮光器关闭时，没 有光通过。如果用电致变暗材料(例如液晶)代替机械式遮光器， 那么开关是“近固态的”，除了光子、电子和液晶分子本身以外，没 有移动的部分。其他的电致变暗材料(例如Azens等人的美国专利 No.7,099,062中所描述的)能够起到相似的作用。对于本领域普通 技术人员来说，显而易见地，这些滤光片/光开关组合不是无源的， 而是必须由外部信号操作。
说明书的此背景部分中所包括的信息(包括这里引用的任何参 考文献及对其的任何描述或讨论)都仅用于技术参考的目的，不应 被认为是限制本发明的范围的主题。

这里公开的技术涉及对材料关于辐射能方面的热导率和热透射 率进行单独控制，以便以有效的方式调节热流，而无需保持通过材 料的辐射能的光特性。在具体实施方式中，本技术采用夹在两个具 有不同中心波长或靠近一个单一物体而设置的陷波滤光片或带阻滤 光片之间的温度响应光学下变频器，以调节光能的通道，从而使得 当低于阈值温度时，大多数入射能量通过装置，并且使得，大多数 入射能量被反射，或被吸收并再次辐射，或在高于第二阈值温度时 直接离开装置，由此产生热开关式光学下变频滤光片(下文中称作 “TSOD滤光片”)。
TSOD滤光片表现出三种不同的特性。在低温范围或低于阈值 温度时，光能通过TSOD滤光片。在中间温度范围上时，TSOD滤 光片反射或辐射掉到达其上的近一半光能，并传输(transmit，透射) 另一半光能。在高温范围上或高于阈值温度时，TSOD滤光片反射 或辐射掉几乎所有的入射光能。因此，TSOD滤光片可用来通过控 制其所吸收的太阳辐射的量来调节建筑物或其他结构的内部温度。
TSOD滤光片是无源的、自调节的装置(所谓的智能材料)，其 不需要外部信号或用户输入来操作。因此，TSOD滤光片用作固态 光开关。除了光子和电子以外，该开关不包含移动部分。TSOD滤 光片进一步提供基于温度而对通过其的光能的量的调节。这允许通 过控制对太阳能或其他入射光能的吸收来控制建筑物、车辆和其他 结构的内部温度。
TSOD滤光片的物理实例可以是厚的或薄的、牢固的或不牢固 的、刚性的或柔性的、单片电路的或由多个独立部件组成的，只要 不明显改变其基本功能。当TSOD滤光片被构造为传输很少的可见 光或不传输可见光时，其可用作不透光建筑材料(例如木材、砖、 玻璃纤维和干式墙)的美观性能量调节替代品。当TSOD滤光片被 构造为传输散射的可见光或衰减的可见光时，其可用作半透光建筑 材料(例如玻璃条、调光玻璃和织构聚合物)的美观性能量调节替 代品。当TSOD滤光片被构造为传输略微散射的可见光或略微衰减 的可见光时，其可用作透光建筑材料(例如玻璃窗或聚合物窗)的 美观性能量调节替代品。当TSOD滤光片中的下变频器被构造为发 出可见光谱中的单色光时，其可用作彩色玻璃、彩色窗、窗户贴花 和涂层、或彩色人造光源的明亮的能量调节替代品。
从以下对本发明的各个实施方式的更具体描述中，本发明的其 他特征、细节、用途和优点将显而易见，本发明在附图中进一步示 出，并在附加权利要求中被进一步限定。

请注意，在所有附图中，紧密相关的元件具有相同的元件标号。
图1是TSOD滤光片的一个实施方式的示意性横截面图，示出 了一层夹在两个带阻滤光片之间并附设在透光衬底上的下变频器材 料。描述了TSOD滤光片的冷态下的入射光的行为。
图2是图1的实施方式的示意性横截面图，除此之外描述了入 射光在TSOD滤光片的热态下的行为。
图3是光强度与波长的曲线图，描述了外部光源的发射光谱、 下变频器在冷态和热态中的荧光光谱或光致发光光谱，以及用于 TSOD滤光片的一个实施方式的两个带阻滤光片的反射光谱。
图4是TSOD滤光片的另一实施方式的示意性横截面图，其中， 下变频器中有孔，以允许来自外部光源的部分白光没有改变地通过 TSOD滤光片。
图5是TSOD滤光片的另一实施方式的示意性横截面图，其中， 增加了大量可选部件，以提高装置的性能和美观性。
图6是TSOD滤光片的又一实施方式的示意性横截面图，其中， 来自外部光源的白光在到达下变频器之前穿过聚光透镜。
图7是TSOD滤光片的又一实施方式的示意性横截面图，其中， 结构衬底和带阻反射器被结合成单一部件，在装置的“建筑物外部” 一侧附近采用热致变色衰减器，并且，下变频器被重新放置在装置 的“建筑物内部”表面。
图8是TSOD滤光片的另一实施方式的示意性横截面图，其中， 下变频器也用作热致变色衰减器。
图9是TSOD滤光片的另一实施方式的示意性横截面图，其中， 透光衬底的内表面上设有热致变色衰减器，而带阻滤光片和透光绝 缘体结合为单个部件。
图10是TSOD滤光片的又一实施方式的示意性横截面图，其 用在拱肩(spandrel)形式的潜在特殊应用中。

所公开的技术涉及利用热致变色光学下变频器与一个或多个带 阻滤光片结合，以产生允许光能在低环境温度下通过并在高环境温 度下被反射或辐射掉的热开关式光学下变频滤光片(TSOD滤光 片)。该技术很适于用在建筑材料(例如拱肩、窗和墙板)中，以无 源地调节对建筑物或其他结构的加热和冷却。例如，在环境空气温 度较冷的冬天，结合有TSOD滤光片的建筑材料能够使入射太阳光 中的大部分太阳能进入建筑物的内部，以无源地加热建筑物。同样 地，在环境空气温度较热的夏天，结合有TSOD滤光片的建筑材料 能够阻止入射太阳光中的大部分太阳能进入建筑物的内部，从而保 持建筑物凉爽。
对于本文来说，术语“开关”包括用于选择性地阻止或允许能 量流的固态装置、化学装置和机械装置，并包括数字开关(例如， 晶体管和继电器)和模拟调节器(例如，电子管和可变电阻器)。此 外，用于选择性地阻止或调节气流或液流的阀门可被认为与开关相 似，从而，原则上，这两个术语可以互换地使用。鉴于这个定义， TSOD滤光片是固态光开关，其根据装置的温度从其“断开”或传 输状态移动至其“闭合”或反射/辐射阻止状态。
对于本文来说，术语“无源的”指的是物体或装置响应于环境 条件而不依靠外部信号或操作者的指令来操作。因此，一装置可包 括大量复杂部件(甚至是移动部件)，但对于本文来说其仍被认为是 “无源的”。类似地，可能存在的用户超驰(override)模式并未以 任何实质的方式改变这种装置的无源性质。相反地，有源装置是需 要用户输入以执行其正常功能的装置。(鉴于这些定义，光敏太阳镜 是无源装置，而由壁式开关操作的标准灯泡是有源装置。)
TSOD滤光片包括下变频器，该下变频器吸收大部分光谱(通 常包括可见光、近紫外线和近红外线)上的多种波长的入射光(例 如，太阳光)，并且发荧光或光致发光，从而使其发出比吸收的光的 能量低(即，更低的频率或更长的波长)的不同波长范围的光(通 常是红外线，尽管如此也可用其他的波长替代)。众所周知，许多块 状材料(例如磷)以这种方式发荧光或光致发光。半导体尤其因发 出处于其能带隙能量的光而公知。量子限制结构(例如量子阱、量 子线、量子段和量子点)也可用作下变频器。量子限制结构倾向于 具有比半导体高得多的效率，即其再发射出其所吸收的能量的更大 一部分。
黑体辐射器也可用作下变频器。黑体辐射器不发荧光，但是其 吸收辐射(例如，可见光)并将其以更长的波长(例如，红外线) 再发射。黑体辐射器的示意性形式可以简单地是一片钢或其他可能 被漆成黑色的金属，以确保宽带吸收。可用在TSOD滤光片中的其 他示意性黑体辐射器可包括深色聚合物和陶瓷、蜂窝结构和其他源 自太空的“精密黑体”类结构，或甚至仅是深色(理想地是黑色) 涂层。
下变频器也可被选择或设计为“热致变色的”。换句话说，材料 的发射峰值随着温度而变化。我们知道许多材料都具有这种性质。 黑体辐射器根据韦恩定律而变换其输出波长峰值。因为温度影响半 导体材料的原子间距或晶格常数，且因此改变其有效能带隙，所以 半导体材料改变其发射波长或“颜色”。然而，量子限制结构(典型 地是量子阱、量子线和量子点)的有效能带隙是其尺寸的反函数， 也是其组成和晶格常数的函数。因此，这些结构在一定程度上也是 热致变色的。
TSOD滤光片的另一部件是陷波滤光片或带阻滤光片，陷波滤 光片或带阻滤光片能很好地反射特定波长范围内的光，并且很好地 透过所关注光谱中的其他波长(典型地是近UV光、可见光(VIS) 和近IR光)。UV/VIS/NIR带阻滤光片的实例包括：分布式布拉格 反射器(DBR)，其使用交替的具有不同折射指数的两种透光材料层； 以及梳状滤光片，其依靠从材料的一面到另一面平稳改变的折射指 数。低发射率的涂层或薄膜(例如，氧化锡铟或其他金属氧化物的 涂层)也可用作带阻滤光片。如这里所使用的，术语“涂层”和“薄 膜”可互换使用，并且当应用在任何具体实施方式中时，每个术语 都意在包括另一个。也存在能够以同等效果用在TSOD滤光片中的 普通玻璃板或包括硼硅酸盐的玻璃板以及许多其他类型的带阻滤光 片，在这里不需要对其进行详细描述以完全传达TSOD滤光片的设 计、功能和效用的可能实施方式。因为带阻滤光片对其一个阻带或 多个阻带外的光是透光的，所以，到达TSOD滤光片上的大多数入 射光(例如太阳光)极少衰减或反射地直接通过带阻滤光片。在现 有技术中，众所周知的是光学带阻滤光片、红外线带阻滤光片和紫 外线带阻滤光片，这里不需要详细描述。
TSOD滤光片的许多实施方式还包括热致变色滤光片或衰减 器，该热致变色滤光片或衰减器可定义为对入射辐射(例如可见光) 的透射率随温度改变的任何材料、物体、装置或机构。例如，在每 个表面上都配有偏光器的热致液晶可用作衰减器。此结构通常是透 光的，但是在高于阈值温度(被称为澄清点)或处于电场中时变为 黑色(吸收的)。
在许多实施方式中，处于冷态中的下变频器吸收通过带阻滤光 片的白光，并发射单色光(例如，波长为2000nm的近红外光)。下 变频器层在所有方向上发出此光，但是，此发射的大部分都基本垂 直于或正交于TSOD滤光片。此光的50％向内通过，另外50％向外 通过。然而，如果下变频器的发射波长峰值落在带阻滤光片的阻带 内，那么此光经由下变频器被再次反射回来。因此，通过TSOD滤 光片的白光被转化成低频/长波长的光，其被防止从其进入的路线逃 离。然后，此光通过第二带阻滤光片，此带阻滤光片的阻带被选择 成使得单色光没有衰减地通过冷态中的带阻滤光片。
然而，当下变频器高于阈值温度时，其发射峰值变换为使得其 落在两个带阻滤光片的阻带之外。在此情况中，由于没有滤光片反 射单色光，所以下变频器的一半发射量辐射到装置中，而另一半辐 射出去。因此，装置传输的总能量是其处于冷态中的能量的一半。
最后，当下变频器高于第二阈值温度时，其发射峰值落在外部 带阻滤光片的阻带之外，并落在内部带阻滤光片的阻带之内。在此 情况中，允许辐射到装置外的单色光离开，而辐射到装置中的单色 光被再次反射回。因此，允许到达装置的非常少的入射光能量通过 该装置。相反地，其被转化成单色光，然后被反射掉。
因此，TSOD滤光片表现出三种不同的性能：在低温时，其使 光能通过。在中间温度时，其反射或辐射掉到达其上的近一半光能， 并传输另一半光能。在高温时，其反射或辐射几乎所有的入射光能。 因此，TSOD滤光片能用来通过控制其吸收的太阳辐射的量来调节 建筑物或其他结构的内部温度。
TSOD滤光片具体地但非唯一地应用在通过控制其吸收的太阳 辐射的量来调节建筑物的温度中。另外，通过提高其冷态光吸收或 热态光阻止，或通过减小其热导率可以提高TSOD滤光片的性能。 此外，可以通过调节下变频器层的厚度、光密度或布置(例如，通 过用透光材料替代下变频器材料的条纹或斑点)来提高TSOD滤光 片的透光度。因此，在某些特定应用中，通过增加可选的特征(例 如翼片、准直器(collimator)、散射屏、衰减器、防反射涂层、聚 光透镜、空气隙或真空隙，或包含但不限于泡沫玻璃和二氧化硅气 凝胶的半透光绝热体)可改善TSOD滤光片的功能。
虽然TSOD滤光片的材料和结构可以是刚性的，但是，实施这 里所述的功能并不需要求其是刚性的。此外，虽然TSOD滤光片的 各个部件都示出和描述为是附设的或直接物理接触的，但是如果部 件仅是靠近且物理上分离，TSOD滤光片也能起作用。因此，虽然 TSOD滤光片可表现为固态物体(例如，砖、拱肩或活动板)或固 态物体组(例如，附于光学工作台的部件)，但其也可表现为柔性物 体，例如，帐篷材料、毯子、窗帘，或能够贴在玻璃窗表面、拱肩 或玻璃条建筑材料上的贴花膜。
虽然，当下变频器的输出波长尽可能大时，出现对TSOD滤光 片的能量传输的最大控制，但是，为了美观性的原因或作为有用光 源，输出波长可选择成出现在可见光谱内。下变频器的输出波长能 够进一步选择成为化学反应或生化反应的最佳催化提供发射波长。 例如，该发射波长可最优为促进光合作用或日光浴，或产生特定光 学效应(例如激光中的晶体激励)。由于下变频器的光致发光特性， TSOD滤光片输出的彩色光比经由仅白光通过滤色片所能获得的彩 色光亮得多。另外，可以通过增加一个或多个附加的带阻滤光片以 反射特定波长的光来对装置表面增加反射的“颜色”，并且对其效率 的影响最小。由此产生的光学属性与任何其他建筑材料的光学特性 并不相似。
图1是TSOD滤光片100的一个实施方式的示意性横截面图， 示出了夹在两个带阻滤光片101和103之间并附设在透光衬底104 上的下变频器层102。在最普遍的情况中，外部光源将是白光，即 具有覆盖可见光谱、近紫外光谱和近红外光谱的很大带宽的很大强 度的光。在TSOD滤光片100的一个示意性使用中，外部光源是太 阳。然而，当外部光源不是白光(例如，蓝天的散射辐射能)时， TSOD滤光片100也将起作用。
入射光首先通过外部带阻滤光片101。在一个实施方式中，带 阻滤光片在光谱的红外部分(即，波长为750nm或更大)中具有相 当窄的阻带(带宽为100nm或更小)。带阻滤光片101的示意性形 式包括分布式布拉格反射器(DBR)或梳状滤光片。两类反射器都 可由多种材料制成。在示意性实施方式中，带阻滤光片101可以是 由两种不同的透光聚合物(例如聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA))的交替层组成的DBR。本领域技术人员将理解，这 些层能够通过各种标准的沉积技术来形成，这些技术在这里不需要 详细描述。然而，在示意性实施方式中，这些层可通过用溶解在溶 剂中的单一聚合物组成的液体将所述层旋涂在衬底上来形成。
入射光谱中落在阻带内的部分被带阻滤光片101反射掉。然而， 阻带的带宽和中心波长通常选择成使得这些反射损失降到最小。例 如，仅有2％的海平面太阳光谱出现在波长为2000至2200nm之间。 因此，反射在此范围内的光的带阻滤光片仍将传输高达98％的入射 太阳光。
入射光(例如太阳光)一旦通过外部带阻滤光片101，就进入 下变频器102，下变频器102是吸收多种波长的高能光并再发射具 有较窄波长带的单一光的装置或材料，所述波长通常等于或长于所 吸收的波长。例如，发射峰值为2000nm的示意性下变频器102将 吸收波长小于此的光，并再发射窄的以2000nm左右为中心的高斯 带的能量。通常地，下变频器102对长于其发射峰值的波长来说是 可透过的，从而，当暴露至通过外部带阻滤光片101的太阳光时， 示意性下变频器102将允许波长大于2000nm的入射辐射(将近总 能量的7％)不衰减地通过。
各种装置和材料都表现出此性能，包括吸收并再热辐射的黑体 和发射峰值出现在其能带隙能量处的块状半导体。然而，量子限制 结构(例如量子阱、量子线和量子点)通常都具有比块状半导体高 的光学效率，从而使大多数的入射光被吸收和转化，仅有一小部分 被反射掉、通过、或作为废热消耗。在一些实施方式中，下变频器 102由嵌在透光聚合物中的多个量子点微粒组成。然而，下变频器 也可以是量子阱、量子线装置、块状材料(例如半导体)、掺杂的或 结构化的光子材料、或黑体吸收器/辐射器。
Lee等人的美国专利申请公开No.2003/0066998中主要教导了 量子点微粒的结构、组成、制造和功能，其内容以如在此完全陈述 一样的方式结合于此以供参考。Futatsugi的美国专利No.5,889,288 中教导了示意性量子点装置的结构、组成、制造和功能，其内容以 如在此完全陈述一样的方式结合于此以供参考。McCarthy等人的美 国专利No.6,978,070中教导了可寻址量子点阵列的结构、组成和制 造，其内容以如在此完全陈述一样的方式结合于此以供参考。本领 域普通技术人员将可理解的是，TSOD滤光片中用作下变频器的任 何量子限制结构或装置可以具有与Lee等人、Futatsugi和McCarthy 等人所描述的那些不同的设计，但仍能执行光学下变频的主要功能。
图1中描述了入射光在TSOD滤光片100的冷态下的行为。下 变频器102吸收入射光，并再发射一波长，该波长位于外部带阻滤 光片101的阻带内。因此，下变频器102在向外的方向上发出的任 何光都被反射回装置中。然而，在冷态中，下变频器102的输出波 长位于内部带阻滤光片103的阻带之外。因此，下变频器102在向 内的方向上发射的任何光都进入并通过透光衬底104。
图2是图1的实施方式的示意性横截面图，除此之外，其描述 了入射光在TSOD滤光片100的热态下的行为。下变频器102吸收 入射光，并再发射位于外部带阻滤光片101的阻带之外的波长。因 此，允许下变频器102在向外的方向上发射的任何光逃离。然而， 在热态中，下变频器102的输出波长在内部带阻滤光片103的阻带 之内。因此，下变频器102在向内的方向上发射的任何光都被反射 回，故不会到达或通过透光衬底104。
因此，在其冷态中，TSOD滤光片100使到达其外表面上的大 多数光能透过，将其作为波长更长的光(例如红外光)再发射通过 内表面，而在热态中，TSOD滤光片100将此能量再发射穿过外表 面射回，从而有效地阻止其或将其反射掉。因此，TSOD滤光片100 可用来根据TSOD滤光片100的温度来调节进入结构的光线流或辐 射热。
通过上述描述，本领域普通技术人员将认识到，在本实施方式 中，透光衬底104仅作为结构支撑和方便性的原因而存在。在不明 显改变TSOD滤光片100的功能的前提下，可去除此部件。可替代 地，在不很大程度上改变其功能的前提下，透光衬底104可设置在 TSOD滤光片100的外表面上，而不是设置在内表面上，或者，透 光衬底104可设置在两个表面上，或甚至插在TSOD滤光片100的 一个或多个功能层之间。此外，如图1和图2所示，如果透光衬底 104位于装置的内表面上，那么其不需要使所有波长都能透过，并 且，实际上，其可以是长通滤光片、短通滤光片或带通滤光片(只 要下变频器102的输出波长落在衬底104的通频带内即可)。换句话 说，衬底104仅需使下变频器104在冷态中发出的波长透过。然而， 为了方便和节约成本，用常规透光材料(例如玻璃或丙烯酸树脂) 作为衬底104通常将更简单。
图3是光强度与波长的关系图，描述了外部光源的发射光谱、 下变频器102在冷态和热态中的荧光光谱或光致发光光谱，以及用 于TSOD滤光片100的一个实施方式的两个带阻滤光片101和103 的反射光谱。当TSOD滤光片100的温度改变时，下变频器102的 发射峰值前后移动，在低温下该峰值落在外部带阻滤光片101的反 射带内，在高温下该峰值落在内部带阻滤光片103的反射带内。在 中间温度时，发射带可能会落在两个滤光片101，103的反射带外。 然而，在任何情况下，其都不会落在两个滤光片的反射带内。因此， 取决于TSOD滤光片100的温度，下变频器102所发射的光要么被 向内反射、被向外反射，要么在两个方向上被均等地辐射。
虽然为了方便起见，将内部滤光片103描述为带阻滤光片，但 是，其可由长通滤光片代替，长通滤光片的阻带具有与等效带阻滤 光片相同的上截止波长，其下截止波长原则上始终趋向于零。虽然 其阻止TSOD滤光片100传输过长以致被下变频器102吸收的波长， 但是这将不影响TSOD滤光片100的主要功能。
同样，可以设计TSOD滤光片100的这样一种实施方式，其中， 下变频器102不是热致变色的，即，其对所有温度都表现出一个发 射峰值。在此情况中，相反地，外部带阻滤光片101和内部带阻滤 光片103必须是热致变色的。例如，这将在由具有高热膨胀系数的 材料制成的分布式布拉格反射器中出现。除非是在非常大的温度范 围内，否则难以支配这种效果，但是，这种实施方式可能适于某些 特定应用。
图4是TSOD滤光片100的另一实施方式的示意性横截面图， 其中，下变频器102中有间隙105，以允许部分来自外部光源的白 光没有改变地通过TSOD滤光片100。这些间隙105可以是孔或条 纹的形式，或可替代地，下变频器材料本身可以应用于条纹或斑点 中。应该注意，如果下变频器102由液体或微粒材料(例如，悬浮 在透光聚合物中的多个量子点)制成，那么此材料可溶解在溶剂中， 并通过打有多个孔的模版进行“涂色”。然后，和任何其他涂料一样， 将允许溶剂蒸发，留下具有斑点图样(或模版可保持的任何其他图 样)的下变频器材料。然而，本领域普通技术人员将理解，有许多 用于形成间隙105的替代方法，这里不需要对其进行详细描述。例 如，本实施方式在需要从里面相对清楚地看到外面的窗户中可能是 有用的。在此情况中，下变频器102的衰减或阻挡将与通过正常窗 纱观看类似。
用具有间隙105的下变频器102代替均质的下变频器，提高了 所有条件下通过TSOD滤光片100的能量传输，且因此减小了TSOD 滤光片100在热态中阻止辐射热的能力。然而，此装置在冷态性能 比热态性能更重要的情况中可能是有利的。
图5是TSOD滤光片100的另一实施方式的示意性横截面图， 其中，增加了大量可选部件，以提高装置的性能和美观性。外部带 阻滤光片101、下变频器102、内部带阻滤光片103和透光衬底104 的功能与图1和图2所描述的功能相同。然而，每个可选部件提供 能够影响整个装置的性能和/或美观性的新功能。这些可选部件都彼 此独立地操作，即其都不依赖于任何其他可选部件来执行其功能。 为了方便起见，本实施方式将如图5所示地描述为同时具有所有可 选部件，但是，普通技术人员将理解，可具有一些可选部件而不具 有一些可选部件，可能的变换方式非常多，不需要分别进行讨论。
在光进入外部带阻滤光片101之前，其首先通过一组翼片108。 在最简单的实施方式中，这些翼片108是由不透光的、反射的或半 透光的材料制成的平行水平条，其允许入射光在以垂直于或基本垂 直于TSOD滤光片100的表面的角度入射时不受影响地通过，但是 限制、阻止、吸收、反射或衰减以基本平行于装置表面的角度入射 的光。在入射光是太阳光且TSOD滤光片100垂直定向(例如，作 为墙或窗的一部分)的情况中，当太阳位于低空中时(例如，在冬 天)，本装置将允许较多的光进入，当太阳位于高空中时(例如，在 夏天)，允许较少的光进入。因此，TSOD滤光片100具有改进的在 热天阻止来自外界的辐射热进入的能力。本领域普通技术人员将理 解，在不改变其主要功能的前提下，这些翼片可采用各种其他形式。 其可以是与这里所示的形状不同的形状，包括不透光的楔状物和圆 柱体，或各种形状的透光透镜。可替代地，可使用附设在TSOD滤 光片100的表面上或压印于其表面上的衍射栅、菲涅耳透镜或其他 光学器件来使入射光弯曲，从而，仅允许以特定角度进入装置的光 子到达下变频器102。
在通过翼片108之后，入射光接着进入准直器107。准直器107 的目的是使入射光“变直”，从而使其全部垂直于TSOD滤光片100 的层传播，同时其保持在准直器107内。对于结合有精微颗粒、单 元、微粒或层的周期晶体状排列的下变频器102或带阻滤光片101， 103，入射角可对光学属性产生很大的影响，并且，增加准直器107 可有助于减小这种不期望的效果。准直器107的示意性形式可包括 空心圆柱体、熔锥型光纤或硼钠钙石矿物(也叫做“TV石”)的排 列，尽管如此，也还存在其他形式。
在通过准直器107之后，入射光进入衰减器106。衰减器106 的最简单形式是阻止所有波长的入射光中的一定百分比的中性滤光 片(neutral-density filter，中性密度滤光片)，从而在不明显影响其 光谱的前提下减小光强度。增加这种衰减器106将降低在所有温度 状态中通过TSOD滤光片100的光能传输，从而限制TSOD滤光片 100在冷态中直接辐射热的能力。这在热态性能比冷态性能更重要 的应用中可能是有利的。技术人员将要注意，对于某些应用，在准 直器107内放置其他部件(例如衰减器106或下变频器102)可能 是有利的，尽管图5中未这样示出。
可替代地，在其他应用中，使用非中性衰减器106(即滤色片) 可能更有利。例如，可使用短通滤光片来反射掉波长太长以致无法 被下变频器102吸收和再辐射的光，因为TSOD滤光片100的基于 温度的切换作用无法控制这些波长。衰减器106也可以是反射较窄 范围波长的光的带阻滤光片(例如分布式布拉格反射器或梳状滤光 片)。其将略微减少下变频器102可获得的能量的量，这对于某些应 用可能是有利的，并且，其也将对TSOD滤光片100的外表面提供 反射的“颜色”，这可用于使颜色落在可见光谱内的美观性目的。
在其他一些情况中，衰减器106可以是光致变暗、光致变色、 电致变暗或电致变色材料或装置，加上可能需要来操作上述材料或 装置的辅助设备(例如光电池、温度传感器，以及使基于电解液的 电致变色滤光片变亮和变暗的控制电路)。衰减器106甚至可以是机 械式衰减器，例如遮光器、窗帘，或一组天窗，加上任何需要来操 作其的传感器、电源和控制系统(例如温敏双金属线圈，诸如在某 些类型的温度计中可发现的那些)。还可能在同一TSOD滤光片100 内包括多个各种类型的衰减器。
在一个实施方式中，衰减器106可以是热致变色或热致变暗的 材料，其透射光谱、吸收光谱和/或反射光谱随温度改变。热致变色 材料的示意性形式包括氧化锌(当被加热并反射光时，从透光变成 黄色)、液晶(在高于给定阈值温度时，可用来吸收或反射一定比例 的入射可见光)、以及掺钨的氧化钒(在高于阈值温度时反射光，部 分地由材料组成中的钨的含量来决定)。
一旦入射光在下变频器102中被下变频为单色光，并通过内部 带阻滤光片103和透光衬底104，那么光通过滤色片109，滤色片 109的目的是为了美观性目的而对TSOD滤光片100的内表面提供 反射性颜色。在一种形式中，滤色片109可以是带阻滤光片，其阻 带落在可见光谱内。然而，滤色片109也可以是长通滤光片、短通 滤光片或带通滤光片，或者是滤光片的层叠(即加成的)组合。只 要滤色片109的一个阻带或多个阻带不包括下变频器102的输出波 长，都将不影响TSOD滤光片100的功能，并将不会减弱装置在其 冷态中传输能量或在其热态中阻挡能量的能力。
另一可选部件是外部反射器112，其以与望远镜的反射镜增加 物体的聚光面积的方式相同的方式增加TSOD滤光片100的聚光面 积。外部反射器112本质上可采用任何形状，并可处于各种外部位 置，此类位置太多，在这里不作详细描述。外部反射器112的最简 单的示意性形式是放置在地面上的普通镜子，其将光向上反射到 TSOD滤光片100中。有争议地，这种部件是外部增强装置或TSOD 滤光片100的附属装置，而不是装置本身的部件，但是部分实施方 式可包括有这种反射器112作为TSOD滤光片110的一体式部件。
图5中未示出的另一可选增强方法是将防反射涂层涂覆在 TSOD滤光片中的任何部件或所有部件的表面上，更具体地，涂覆 在那些暴露至外部空气或内部空气隙、气体隙(例如，氩或氪填充 的间隙)、或真空隙、或其他一种材料的折射率与其相邻材料的折射 率显著不同的界面上。这里使用术语“空气隙”是表示，共同包括 空气隙、气体隙和真空隙，并且，除非另有明确说明，否则都应这 样解释。通常地，这种涂层非常薄，并且根据具体的应用和两种配 合材料的折射率而在组成上有很大不同。现有技术中充分地描述了 此技术，这里不需要详细描述。
图6是TSOD滤光片100的又一实施方式的示意性横截面图， 其中，来自外部光源的白光在到达外部带阻滤光片101和下变频器 102上之前穿过聚光透镜110。聚光透镜110的目的是将入射光从透 镜的较大面积投射到带阻滤光片101和下变频器102的较小面积上， 或者通过局部地增加光强度而增加光学效率，或者通过允许更小的 带阻滤光片101、103和下变频器102而降低材料需求。此透镜110 可采取各种形状，从标准的凸透镜和凹透镜设计到球形、圆锥形、 圆柱形，或其他被设计为以不同方式聚光、或在不同区域上聚光、 或聚光到不同程度的形状，并且，与照相机或望远镜一样，可以是 复杂的一系列透镜。
因为聚集的光(例如，聚集的太阳光)通常具有起火或产生伤 害的危险，所以，本实施方式也可包括散射器或分散透镜111，以 防止从TSOD滤光片100离开的光形成聚焦光束。与聚光透镜110 相同，散射器111可采取各种形状，尽管如此，这些形状比聚光透 镜的可能形状所受限制更少，因为分散光或散射光是需求不太大的 应用。然而，如果不包括散射器111，那么TSOD滤光片100可作 为红外光束发生器(infrared beam generator)使用，在一些方面与 激光器类似(尽管不是相干的)，其能够用于例如可切换烹饪和加热 装置(例如，在适当距离上操作的热水器)中。
普通技术人员将注意到，对于上述任何实施方式中的TSOD滤 光片100，如果去掉一个其带阻滤光片，那么性能将下降。如果去 掉外部带阻滤光片101，那么TSOD滤光片100在其热态和中间态 中仍可正常工作，但是在其冷态中将不能有效地获取能量。换句话 说，冷态将表现得与中间态相同，获取近一半的入射能量，并将其 余的能量辐射回外部。在当冷态性能不是主要问题的炎热气候，建 立并配置这种实施方式可能更简单或更便宜。
如果存在外部带阻滤光片101而去掉内部带阻滤光片103，那 么TSOD滤光片100在冷态和中间态中将正常工作，但是其在热态 中将不能有效地阻止光能。换句话说，热态将表现得与中间态相同， 辐射掉近一半的入射能量，同时允许另一半通过装置。在当热态性 能不是主要问题的寒冷气候中，建立并配置这种实施方式可能更简 单或更便宜。在两种情况中，当热致变色衰减器106作为TSOD滤 光片100的一部分而包括在内时，能够提高装置的可切换性。
在示意性实施方式中，聚光透镜110和分散透镜111可由透光 的平板聚合物(例如PMMA)制成，蚀刻有菲涅耳图样，而带阻滤 光片101、103和109可以是由多层透光聚合物(例如，PS和PMMA) 组成的DBR，下变频器102可由悬浮于透光聚合物(例如PS)中 的半导体量子点微粒(例如，碲化镉纳米微粒)构成。翼片108可 由白色的反射聚合物制成；准直器107可由熔锥型光纤制成；并且 透光衬底104可由透光聚合物制成。衰减器106可由掺钨的氧化钒 薄膜制成。整个TSOD滤光片100可形成能够附于透光建筑材料(例 如，窗玻璃、玻璃拱肩和玻璃砖)的刚性板或柔性贴花薄膜，或者 作为已有结构的翻新改进，或者作为可独立安装的建筑结构。
可替代地，聚光透镜110和分散透镜111可组合成单一部件， 例如，中间纤细两端扩张的透光杆或光纤。这种装置使得可以用光 纤阵列完全穿过的不透光部件替代透光部件(例如衬底104)。可为 了成本、改进绝缘性、结构强度或为了其他原因而进行此操作。
图7是TSOD滤光片100的又一实施方式的示意性横截面图， 其中，去掉了内部带阻滤光片103，并且外部带阻滤光片101与透 光衬底104结合成单一部件。另外，下变频器102位于“建筑物内 部”表面处或靠近该表面，热致变色衰减器106位于装置的“建筑 物外部”表面处或面向太阳的一面，或靠近该表面。
对于本文来说，应理解，术语“热致变色衰减器”应被理解为 不仅包括响应于温度而改变颜色、不透光性、衰减程度或反射率的 无源装置，而且还包括具有多个部件的复杂装置。例如，组合有电 源、控制系统和温度传感器的电致变色衰减器将具有与天然热致变 色材料相同的功能，并可与其互换地使用，尽管该装置未在图7中 那样示出。
在本实施方式中，白光进入衰减器106，在热态中这些光被吸 收或反射，从而允许最少量的辐射或不允许辐射进入TSOD滤光片 100的内部。在冷态中，热致变色衰减器106是更可透过的，从而， 允许辐射(例如太阳光)通过透光衬底104并射入下变频器102。
与其他实施方式不同，本实施方式中的热致变色下变频器102 将入射辐射转化成更长的红外波长(典型地大于5000nm)，从而， 在低温时，其输出辐射被衬底104反射。这允许衬底104用作带阻 滤光片101，从而，下变频器102的整个输出从TSOD滤光片100 的内部被反射掉，并通过内表面被反射出去。在较高温度时，下变 频器102的输出朝着低频移动，直到越过阈值温度且发出的辐射开 始超过衬底104的截止波长为止，从而落在其通频带内。对于特定 的透光玻璃和塑料，此通频带出现在大约200nm和大约5000nm 的波长之间。换句话说，衬底对这两个波长之间的辐射是可传输的， 并且对长于或短于此波长的辐射是不能穿透的(通常是反射的)。然 而，在热态中，衰减器106将限制或阻止辐射到达下变频器102， 从而限制其再发射。
本装置的一个优点是，在不改变下变频器102的主要功能的前 提下，下变频器102的“建筑物内部”表面本质上能用任何化学涂 料涂成任何颜色。这与给老式蒸汽散热器喷涂类似。可替代地，内 表面可覆有石膏、灰泥或其他处理，其可带有或不带有颜料。
另外，本实施方式包括可选的透光绝缘体113的层。在一个示 意性实施方式中，此绝缘层可由硅石气凝胶组成，可能被其他透光 材料封装。然而，也可使用其他透光材料，包括但不限于玻璃或聚 合物珠或空心球体，薄膜包装、或不论是刚性或柔性的顺序层叠的 透光材料片，其中断热传导和热对流，但对可见光和近红外光的辐 射传输的影响很小。
图8是本发明的另一实施方式的示意性横截面图，其中，透光 衬底104和外部带阻滤光片101结合成如图7所示的单一部件，并 且，下变频器102和热致变色衰减器106结合成单一部件。
在本实施方式中，衰减器106可采用在热态中反射(例如，白 色的、金属的或镜面的)并在冷态中吸收(例如黑色)的热致变色 或电致变色材料的形式。为了示意性的目的，图8示出了作为电致 变色材料的衰减器106，其颜色由电源115、温度传感器116和控制 器117控制。在一个实施方式中，电源115是光电池，温度传感器 116是固态电传感器(例如热电偶)，衰减器106和下变频器102由 双色高反差电致变色材料(例如电子纸)组成，控制器117是通过 引线与电源115和温度传感器116连接的电路。用于感测温度、调 节光伏能(photovoltaic energy)以及控制电致变色材料的颜色的方 法在现有技术中是众所周知的，这里不需要进行详细描述。
当白光(例如太阳光)进入透光衬底104时，其通过衰减器106， 该衰减器在热态中反射该入射白光，从而该白光通过透光衬底104 离开装置。在冷态中，入射辐射被衰减器106吸收，接着，该衰减 器加热并再发射作为长波长红外线的能量。因此，衰减器106也用 作下变频器102的一种形式。
当此能量在冷态中被下变频器102作为红外线再发射时，能量 接着从透光衬底104上反射掉，如图7所示，并通过TSOD滤光片 100的“建筑物内部”表面离开。可替代地，能量可到达可选的镜 子或宽带反射器114上，其将能量再次反射回下变频器102中。读 者将注意到，在此情况中，红外光无法逃离下变频器层，并且所有 内部加热仅通过热传导实现。在此情况中，装置的几何形状和组成 通常被设计成使得传导主要出现在期望的方向上(进入建筑物的方 向)，并在其他方向上具有最小的损失。
在可替代实施方式中，衰减器106在冷态中是吸收光的，而在 热态中是传输光的(例如，可透过的或半透过的)。在本实施方式中， 在热态中，入射白光通过衰减器106并到达镜子114上，镜子将白 光通过透光衬底104反射回。在冷态中，光被下变频，然后被截留 在上述下变频器中。然而，此构造对于热态中阻止热(即在热态中 将辐射能量导向外部)尤其有效。
图8还示出了附加的可选部件：从下变频器102吸收热量并在 一段较长时间之后再释放此热量的能量储存材料118。在一个实施 方式中，能量储存材料118是带有非常大的熔解热的相变材料，熔 点选择成接近于室温，或接近于某些其他期望温度。这种材料(通 常是蜡或专用盐)保持恒温，除非是完全液化或完全固化，因此， 能够很好地消除入射辐射中的巨大变化。一种可用于能量储存的示 意性相变蜡是普通石蜡。在某些实施中，芒硝(十水合硫酸钠)是 典型的可用于能量储存的盐。
图9是TSOD滤光片100的另一实施方式的示意性横截面图， 其中，热致变色衰减器106位于透光衬底104的内表面上，而不是 位于其外表面上。另外，带阻滤光片101和透光绝缘体113结合为 单一部件。此层将衰减器106与建筑物内部分离，从而，衰减器在 热态中吸收的能量不会被再次辐射到建筑物内部中。理想地，绝缘 体113的绝缘电阻值明显大于衬底104的绝缘电阻值，从而，从衰 减器传出的传导热主要进入建筑物外部，而不是进入建筑物内部。 此装置还使得能够方便地用此装置作为以前存在的透光材料部件 (包括窗和玻璃砖墙，以及玻璃拱肩)的翻新改进，将其转变为有 源的、热调节的墙壁元件，其允许或不允许可见光通过。
在冷态中，一旦入射光通过衬底104、衰减器106和绝缘体113/ 带阻反射器101，其到达下变频器102，在此处，其转化为红外线， 被再辐射，并从带阻反射器101被反射掉，从而，能量通向建筑物 内部而不是建筑物外部。也可在下变频器102和绝缘体113/带阻反 射器101之间具有空气隙，尽管如此，这通常不那么有效，因为下 变频器释放的能量的大部分都用来加热此空气隙，而不是进入建筑 物内部。在极端情况中，建筑物内部本身中的物体和表面可用作下 变频器，尽管如此其作为下变频器时效率较低，除非其本质上是高 吸收性和高辐射性的。然而，在此情况中，空气隙和建筑物内部的 空气是相同的。
图10描述了用于建筑物的外部覆层中的玻璃拱肩形式的TSOD 滤光片100的示意性实施方式。拱肩通常是带有玻璃外观(尽管如 此也可以使用不透光材料)的部分，其横跨窗户之间的建筑物部分 并且看起来也像窗户，但实际上，其包括建筑物壳体机械部件的区 域(例如，吊顶上方的空间和窗户下方的地板散热器后的空间)。如 图10所示，从建筑物外部开始的拱肩层可包括靠近热致变色衰减器 106的普通窗户玻璃104的板。热致变色衰减器106的内表面可涂 有用作带阻的低发射率膜101(例如氧化锡铟)。在此拱肩实施方式 中，对于实现TSOD滤光片100的功能而言，此低发射率涂层101 是可选的，但是，如下所述，其可能是非常有帮助的。
黑体辐射器(例如，涂黑的钢板)可用作下变频器102，并可 与热致变色衰减器106隔开以形成空气隙113。空气隙113用作上 述实施方式中讨论的透光绝缘体。第一低发射率涂层101通过阻止 入射光内的大部分红外能量到达空气隙113来帮助减少对空气隙 113的加热，从而提高空气隙113的隔热性能。第二低发射率涂层 103(例如，氧化锡铟)覆盖下变频器102的外表面，以用作带阻。 如图10所示，第二热致变色衰减器119可以可选地插入下变频器 102和第一热致变色衰减器106之间的空气隙113中。如果使用了 第二热致变色衰减器，那么其应与能量储存材料118直接或间接地 热接触，以响应能量储存材料118的温度变化。
背板120形成拱肩的内表面。背板120可以是另一玻璃板或塑 料板或金属板。背板120与下变频器102隔开，以形成间隙。用能 量储存材料118(例如，用来储存和释放热能的蜡或盐)填充间隙。 也可通过美观性表面处理(例如，颜料或薄灰泥)来覆盖背板120 的内表面。
在操作中，在拱肩外侧处靠近的玻璃104的第一热致变色衰减 器106可选择成具有这样的转变温度，例如，当周围外部温度高于 0℃至10℃时，第一热致变色衰减器106在此转变温度下阻止入射 光。这样，在适度温暖的天或热天，入射光不通过拱肩以加热建筑 物。然而，例如，当周围外部温度低于0℃至10℃时，热致变色衰 减器106使入射光通过TSOD滤光片100到达下变频器102。下变 频器102吸收入射光并发射红外波长处的能量。第二低发射率涂层 103反射大部分从下变频器102发射的红外能量，并阻止此能量离 开建筑物外部的TSOD滤光片100。因此，下变频器102发射的红 外能量的大部分都被导向能量储存相变材料118。
相变材料118将红外能量储存为热能，此热能经由通过背板120 的传导传递至建筑物内部。只要建筑物的内部温度低于相变材料 118的温度，热传导都将将热量从相变材料118传递至建筑物。然 而，一旦相变材料118完全熔化，其便不能吸收任何额外的热能， 并且会将任何多余的热能辐射给建筑物，这是因为空气隙113有效 地阻止大量热能传递到建筑物的外部。在建筑物内部达到期望的室 温前，此热流失状况可能是可以接受的。然而，如果不对TSOD滤 光片100进行进一步的控制的话，在热流失过程中，相变材料118 可能会使建筑物变得过热。
可以可选地设置第二热致变色衰减器119，以调节潜在的热流 失并防止建筑物过热。在这种实施方式中，第二热致变色衰减器119 的转变温度可选择成大约是室温，例如20℃。因此，低于室温时， 第二热致变色衰减器119将使所有的入射光都通过到达下变频器 102，以加热相变材料118。注意，由于空气隙113的存在，第二热 致变色衰减器119与周围外部温度隔离，并只能通过与相变材料118 和建筑物内部的热传导来加热。然而，一旦建筑物内部达到室温并 由此相变材料118和下变频器102也达到室温，第二热致变色衰减 器119转变为阻止入射光到达下变频器102，甚至在如图10所示冷 态中也是如此，从而防止热流失并防止对建筑物内部的过度加热。
虽然这里示出并描述了TSOD滤光片的几个实施方式，但是应 该理解，TSOD滤光片不限于这些特定构造。可增加或去除可选部 件，以适应具体应用或具体制造方法的需求，并且，例如，可通过 去掉部件来产生一些实施方式的简化形式，例如在一个通常包含两 个带阻滤光片的实施方式中去掉一个带阻滤光片。可使用大量各种 其他材料来制造TSOD滤光片，包括金属、陶瓷、玻璃、纳米结构 和微结构的光子材料，甚至包括冰、液体和蒸汽。TSOD滤光片可 包括设计为增强其隔热特性的特征，包括但不限于空气隙、气体隙、 真空隙、泡沫、珠、纤维垫或气凝胶。其可以足够厚并具有足够的 刚性，以用作车辆或建筑物墙壁的结构部件。可将其卷绕于或形成 于复杂表面上。可用颜色增强其美观性，或将其伪装成看起来像较 传统的建筑材料。可对某些表面增加热致变色颜料，以在热或冷时 指示。可对再定向部件增加机械增强物，要么使其朝着入射光或背 离入射光，要么改变其波长响应或视厚度。在不改变TSOD滤光片 的主要结构和功能的前提下，各种层的精确布置可与这里描述的不 同，并且，(根据所选择的材料和波长)不同层可组合为单个层、物 体、装置或材料(例如，同时也是热致变色衰减器或带阻反射器的 能量吸收相变材料)。
虽然上述描述包括许多特征，但是，这些都不能解释为限制了 本发明的范围，而应解释为仅提供了本发明的某些示意性实施方式 的例证。存在用不同材料制造装置并将装置制成不同结构的各种可 能性。例如，该结构可以是可膨胀的，或者可被优化为能在水下使 用，或在真空中而不是在正常空气中使用。带阻滤光片可以是热致 变色的，可替代或增加下变频器的任何热致变色特性。虽然上变频 的效果通常比下变频差，但是，在部分应用中也可用上变频器代替 下变频器，尤其是如果上变频技术的发展提高了上变频处理的效果 时。这种实施方式作为本发明的一部分而被明确地要求保护。
存在大量不影响TSOD滤光片的操作的核心原理的其他变型。 例如，下变频器可由单一材料(例如，磷或硅)组成，可由化合物 半导体(例如碲化镉)组成，或者可由掺杂质的、纳米结构的或微 结构的材料(包括但不限于，定制光子晶体)组成。下变频器可以 是单晶体、多晶体或无定形晶体。其可以是量子阱、一组量子线， 或由规则隔开的量子点组成的“晶体”。甚至可以认为，在除了固体 聚合物的其他一些介质中，下变频器可以是液体、蒸汽，或纳米微 粒、纳米线、纳米薄片等的悬浮液。一个或多个带阻滤光片可以是 非平面形状(例如，抛物线形)，或可结合的其他形状的反射器或类 似装置，以帮助从各个角度聚焦入射光。
本发明用作热量调节建筑材料的效果可通过谨慎定位TSOD滤 光片来增强，例如，通过将其放置在房屋南面上的屋檐下，使得 TSOD滤光片在冬天中也能受到充足的太阳光，并且，在夏天太阳 位于高空中时，其可被屋檐遮挡。可替代地，TSOD滤光片可用来 替代传统的天窗，或作为附于普通玻璃窗或玻璃砖的板或贴花。
虽然上面已经在一定程度上具体性的或参考一个或多个单独实 施方式对本发明的各实施方式进行了描述，但是，本领域的技术人 员可在不背离本发明的实质或范围的前提下对所公开的实施方式进 行各种修改。所有方向参考(例如，近端、远端、上面、下面、里 面、外面、向上、向下、左面、右面、横向、前面、后面、顶部、 底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针和逆时针)只用于辨别方 向的目的，以帮助读者理解本发明，并不产生限制，尤其是对本发 明的位置、定向或使用不产生限制。除非特别说明，否则连接参考 (例如，附于、接合、连接和结合)可宽泛地进行解释，其可包括 一组元件之间的中间构件并且这些元件之间可有相对运动。同样地， 连接参考并非必然暗示两个元件直接连接和彼此相对固定。包含在 上述描述中或在附图中示出的所有内容旨在应被解释为仅是示意性 的，而不是限制性的。在不背离所附权利要求所限定的本发明的基 本要素的前提下，可对细节或结构进行修改或改变。