CN107407474B - 用于光学扩展感知的照明系统 - Google Patents

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Abstract

用于提供光学扩展感知的照明系统(1,100,200,300)包括反射器单元(6,206,306)，其包括反射面(8A)和用于均匀发射第一颜色的漫射光的发光层(10,210,310)，该发光层(10,210,310)在反射面(8A)的前面延伸并且包括反射器单元(6,206,306)的可视前部区域部分(10A，210A，310A)，其延伸到第一边界(12A，310A)，并且漫射光通过其发射。所述照明系统(1,100,200,300)还包括光投射器(2,202,302)，其配置为产生尺寸适合于全面照亮可视前部区域部分(10A，210A，310A)的光束(3,203,303)，使得光束(3,203,303)的至少一部分在被反射面(8A)反射之前和之后穿过发光层(10,210,310)，从而形成以与直射光相关色温相关联的第二颜色的照射光束(3A)，并且其中第一颜色和第二颜色在颜色空间中分离。照明系统(1,100,200,300)进一步配置成使得来自位于可视前部区域部分(10A，210A，310A)旁边并围绕可视前部区域部分的框架状区域的可感知光发射基本上独立于光透射器(2,202,302)的光束(3,203,303)。

Description

用于光学扩展感知的照明系统
技术领域
本公开总体来说涉及照明系统，特别是用于光学地提供对环境空间的扩展感知/印象的照明系统，特别是用于模仿自然阳光照射。此外，本公开总体上涉及例如在室内或室外环境中实施这种照明系统。
背景技术
在16世纪的镜面制造技术的改进引起了光学镜元件在室内结构中越来越多的使用。例如，在墙壁的一部分覆盖反射面可产生空间增强的印象和深度感知的增加。从那时起，镜子成为能够通过使感知体积增加至几乎房间尺寸的两倍而提高氛围舒适度的基本组件。在现代和当代建筑中，例如使用反射面来反映出房间的场景，从而实际上呈现出“镜子”背后的双重氛围的感觉。
由相同申请人提交的诸如EP2304478A1、EP 2304480A1和WO 2014/076656A1的几个申请公开了使用产生可见光的光源的照明系统和用于透射的包含纳米颗粒的面板，即光源和照明区域位于该面板的相对侧。在那些照明系统的工作期间，面板接收来自光源的光并作为所谓的瑞利漫射器进行传播，即类似于在晴朗天气条件下地球大气漫射光线。具体地，该概念使用具有较低相关色温(CCT，correlated color temperature)的直射光，其对应于太阳光并且在存在被照亮物体的情况下产生阴影，并且使用具有较高CCT的漫射光，其对应于蓝色天空的光，可以产生带有蓝色色调的阴影。
本公开至少部分地涉及改进或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
一方面，一种用于提供光学扩展感知的照明系统包括反射器单元，该反射器单元包括反射面和用于均匀地发射第一颜色的漫射光的发光层，所述发光层在反射面前延伸并且包括反射器单元的可视前部区域部分，其延伸到第一边界并且漫射光通过该可视前部区域部分发射。所述照明系统还包括光投射器，其被配置为产生尺寸适合于全面照亮所述可视前部区域部分的光束，使得所述光束的至少一部分在被所述反射面反射之前和之后穿过所述发光层，从而形成与直射光相关色温相关联的第二颜色的照明光束，并且其中第一颜色和第二颜色在颜色空间中分离。
另一方面，室内照明系统安装构造包括这种照明系统。室内照明系统安装构造还可以包括房间或舱室，如房屋、电梯舱、走廊、医院病房等，室内安装有如上所述的照明系统。
在一些实施例中，照明系统被进一步配置成使得来自位于可视前部区域部分旁边并围绕该可视前部区域部分的框架状区域的可感知光发射基本上独立于光投射器的光束。
上述方面的其它实施例在权利要求中公开，其通过引用并入本文。例如，在一些实施例中，反射器单元可以是例如上述PCT申请PCT/EP2014/059802中公开的反射镜结构，其由同一申请人于2014年5月13日提交，名称为“色镜、色板及其应用(Chromatic Mirror,Chromatic Panel and Applications thereof)”，其通过引用并入本文。特别地，PCT申请PCT/EP2014/059802公开了一种反射镜，其具有镜面和在镜面前方的漫射层，例如用于以太阳般的方式照射展览的物品。相对于入射光的长波长分量的入射光，该漫射层优先散射短波长成分。例如，散射以瑞利或类瑞利方式进行。
在一些实施例中，使用次级发光层相关联的光源，例如用于从侧面对发光层的附加照明。示例性实施例公开在例如WO 2009/156347A1中。在那些实施例中，发光层可以被配置为主要与该次级光源的光或来自两个光源的光进行交互以提供漫射光。
在一些实施例中，来自发光层的漫射光分量(例如在与照明光束不相关联的那些传播方向上)的CCT为照明光束的光的CCT的1.2倍。
在一些实施例中，来自光源的光束通过发光层两次。在一些实施例中，反射面是平面或弯曲的，例如抛物面。在一些实施例中，反射面被框架元件包围，所述框架元件例如相对于反射面至少部分为浮雕形状，或者相对于反射面至少部分地凹入(例如，包括凹入的凹口或凹槽)。
在一些实施例中，发光层包括瑞利漫射器。
通过下面的描述和附图，能更好地理解本公开的其它特征和方面。
附图说明
并入本文并构成说明书一部分的附图示出了本公开的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。在图中：
图1是应用框架元件的第一实施例的示例性照明系统的示意图；
图2是应用框架元件的其它实施例的另一示例性照明系统的示意图；
图2A和图2B是观察者对于发光层的可视前部区域部分的完全照明的反射器单元的感知的示意图；
图2C和图2D是对发光层的可视前部区域部分的不完全照明的反射器单元的感知的示意图；
图3A和图3B分别是具有光阱构造框架的示例性反射器单元的正视图和示意性横截面图；
图4是具有光阱构造框架的另一示例性反射器单元的示意性横截面图；
图5是采用角部安装构造的另一示例性照明系统的示意图；
图6是采用替代性的角部安装构造的另一示例性照明系统的示意图；
图7是采用灯柱构造的另一示例性照明系统的示意图；
图8是采用“理想拟合”构造的另一示例性照明系统的示意图；
图9A和9B是示出基于光孔的完美配合构造的示意图；
图10是示出基于折叠镜的完美配合构造的示意性3D视图；
图11A是使用反射器单元-壁一体化的示例性室内安装的示意图；
图11B是使用反射器单元-天花板一体化的示例性室内安装的示意图；
图12是用于例如飞机或列车车厢的舱室的示例性装置的示意图；
图13是双光投射器构造的示意图；
图14A和14B是采用侧面照明的示例性反射器单元的示意图；
图15是颜色空间的示意图；和
图16是照明系统中的示例性颜色量度的示意图。
具体实施方式
以下是本公开的示例性实施例的详细描述。其中所描述并在附图中示出的示例性实施例旨在教导本公开的原理，使得本领域普通技术人员能够在许多不同的环境和许多不同的应用中实现和使用本公开。因此，这些示例性实施例不旨在是并且不应被视为对专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应由所附权利要求限定。
本公开部分地基于以下认识：将光投射器的明亮的直射光束引导到集成在反射器单元中的漫射板(就光束被引导到面板后面的镜面上的角度而言)可以显著增加与平面镜相比的深度感知，而基本上不需要镜子后面的室内安装空间。
在这样的配置中，与大脑进行比较，并将包括在光投射器的出射光瞳内的明亮的发光峰值参考诸如反射器单元的框架的周围环境，特别是在相对位置估计和深度估计方面。换句话说，观察者将根据深度线索(景深、运动视差、双目视差等)开始比较反射器单元的亮峰(bright peak)和边缘。
由于这些深度线索及其典型的功效范围，当投射器的光瞳定位在与镜子相应的距离处时，观察者可以开始将反射器单元的周围环境所包围的光源感知为位于反射器单元后面的很远的距离，理想的情况为无限远。结果让观察者获得一种扩大的环境空间感知或印象感的(至少部分的)突破效果。对于大型房间/室外，当投射器的光瞳与反射器单元之间的距离在2米及以上范围内，对于室内应用在1米及以上的范围内，以及对于小型环境(如汽车、列车或飞机的座椅布置)在0.4米及以上范围内，会发生上述结果。太阳仿真的另一方面是提供投射器角光瞳尺寸，即由观察者在某一位置评估的模拟太阳的角度尺寸，该位置位于沿着反射照明光束的光投射器的下游，且该位置与反射器单元的距离与从反射器单元到光投射器的距离相当，该角度尺寸在5°和更小的范围内，如2°或3°(真正的太阳提供0.5°)。
进一步认识到，通常，光源的高亮度(例如光投射器的出射光瞳的高亮度)倾向于盖过(就房间内的观察者的视觉感知而言)由镜子反射的场景的其余部分的较低亮度。然而，前者可以向观察者提供一般可能从背景出现的参考，并且人类视觉系统可以继续感知周围的场景。由此，由于由场景的不同对象和深度平面引入的中间参考，由光源驱动的突破效果可能会减少(或甚至可以从无限减少为有限)。这些对象和深度平面可能会抵消光源位于无限距离的效果，并且基于真实的有限情况来增强深度感知。
因此，进一步认识到，如果环境中的物体被排除在反射器单元/反射镜内的感知之外，则超出反射器单元的无限空间/无限距离感知的效果可能保持有效。具体地，已经认识到，如果将特别是均匀的、发光(例如漫射)层覆盖到镜面，则可以确保这样的排除。在这种情况下，发光层用作抑制背景视觉的光学感知的对比度抑制单元。发光层可以如下所述的各种方式提供，例如散射层、由光源投射的光束的漫射部分、发光层、侧面照明面板等。通常，发光层可以作为以宽的散射角发射的漫射光的基础。此外，发光层的感知的均匀性可以进一步增加反射光束与反射器单元上的“围绕物”(surrounding)的分离。
虽然均匀的发光漫射层可能不能提供任何具体的深度线索(例如，没有任何可见的宏观结构能够被看见，或能够驱动聚焦机构和/或可被眼睛解析)，与任何镜像特征重叠的附加雾度(haze)可以用作由特别是高度发光的背景结构引起的那些光信号的对比度抑制器。
换句话说，提供发光层可以例如通过将场景(墙壁、家具等)的亮度压没在发光漫射层的亮度水平以下而克服上述突破性减少的技术问题。这里，可以将该层的亮度设置为显著高于场景的亮度，但远低于光源的亮度。
进一步认识到，可以使观察者基本上感知由反射器单元限定的视场内的三个主要元素：明亮的峰值、均匀的亮度背景以及发光层的直接围绕物(在本文中被称为框架状区域)。
进一步认识到，在反射构造中(与上述透射构造相反)，光束可以横向延伸超过发光层，并且特别是超出发光层的可视前部区域部分。因此，光束可能影响框架状区域(frame-like area)的视觉感知，这可能影响基于光束/投影的照明的印象。因此，发明人意识到，如果特别注意减少或甚至避免对框架状区域的这种基于光束的照明的任何视觉印象，则可能会增加扩展感知的效果。
作为一种类型的构造，实现了可以引入定位在框架状区域中的框架元件，以形成反射器单元的框架区域部分，该框架区域部分延伸到可视前部区域部分的外部，并且至少部分地沿着第一边界。框架元件可以被配置为基本上避免入射到框架区域部分上的光束的光部分对照明光束的影响，使得特别地，入射到框架区域部分上的光束的光通过例如吸收、反射和/或光引导基本上从照明系统移除。
作为另一种类型的构造，已经意识到，可以至少部分地适应光束的尺寸，以便不延伸到至少框架状区域的某一部分。例如，实现了通过形成至少部分地遵循第一边界的光束的第二边界，例如，完全照亮发光层的可视前部区域部分但是不照亮该部分以外的部分，可以实现该框架状区域的基于光束的照明的减少。对于光束的这种限制和适应(特别是其形状和尺寸)，光投射器可以包括例如光学系统。此外，可以提供控制构造以保持光束的外边界与发光层的外边界的匹配。
作为另一种类型的构造，实现了可以配置照明系统，使得光束的光可以自由地通过可视前部区域部分。具体地，关于观察者的感知，至少大部分将例如不落在将反射器单元的观察者关联到光束照明的结构上。例如，已经认识到，反射器单元可以安装在柱的顶端，使得光束仅照亮可视前部区域部分，或者以大的入射角照射，以将光束照射的结构与反射器单元从空间上分离。
进一步认识到，可以组合应用各种类型的配置，例如，在一些部分提供框架元件，并且在框架状区域的另一部分提供光束形状的完美适应。
此外，实现了提供由发光层发出的具有颜色(例如，蓝色天空状，例如在7000K以上的范围内)的光，所获得的蓝色背景(例如在框架元件结构内)可以进一步增强深度感知。特别地，蓝色可以与空气透视(aerial perspective)相关联。这可能进一步将中间亮度层的感知距离变换到无穷远，类似于远离观察者的景观元素的视觉效果。
注意到，整体效果可能类似于可以看到天空和太阳的开放窗口。换句话说，在观察者中引起的感知是由窗户产生的，该窗户面对被蓝色天空包围的无限距离的明亮太阳而敞开。
此外，参考上文所述的使用透射面板的那些照明系统，本公开内容部分地基于以下认识：使用那些“透射”照明系统创建无限深度感知可能需要在面板之外/之后的设置有光投射器(例如，距离面板几米的位置处)的显著体积。即使在使用折叠镜时，由此折叠所需的光程长度并减小系统的深度，透射构造的最终尺寸可能导致室内安装构造的空间的显著损失。相比之下，使用本文所公开的反射构造可以有效地利用室内空间。
在下文中，特别结合图1到图4的框架型结构、结合图5至图7的框架状结构以及结合图8至图10“理想拟合”结构而描述了照明系统的示例性构造。下面结合图11A至图13描述示例性的室内和室外安装构造。结合图14A和14B，描述了反射器单元的示例性侧面照射构造。结合图15和16描述了光分布、着色和颜色测量等方面。
参考图1，对于示例性的基于框架的照明系统1描述了如本文所概述的光学设置的方面以及照明系统的感知方面。
照明系统1包括光源2，其被配置为以发射立体角发射光，以形成沿着主光束方向4(也称为主光束轴)传播的光束3(在图1中由虚线13界定)。通常，光源2可以是例如冷白光源。光源的示例性实施例可以包括基于LED的光发射器或基于放电灯的光发射器或基于金卤灯(hydrargyrum medium-arc iodide lamp)的光发射器或基于卤素灯的光发射器和相应的光发射器下游的相应的光学系统。
关于适用于本文公开的技术的光源，进一步参考由同一申请人于2014年5月14日提交的名称为“光源和阳光模拟照明系统(Light source and sunlight imitatinglighting system)”的申请PCT/EP2014/001293，其内容整体并入本文。特别地，PCT/EP2014/001293示出了提供高质量光束的光源配置。
为了减小照明系统1的尺寸，各个光发射器下游的光学系统可以包括诸如折叠光学器件(图1的实施例中未示出)这样的光学系统，或基于光孔的成像(例如参见下面结合图9A、9B和10的描述)。对于光学成像系统，可以存在例如反射的光束的光线的几何条件，该光线在尺寸上与下游光学部件特别地匹配。
照明系统1还包括将源自光源2的光耦合到待照明的区域(例如建筑物的室内空间或外部环境)的反射器单元6。通常，反射器单元6包括提供反射面8A和发光层10的反射结构8。
反射面8A通常是反射通过发光层10的光的任何类型的光学作用界面。例如，反射面8A可以是铝层的表面或者诸如反射涂层这样的部件之间的界面。由于反射面8A的作用，入射到反射面8A上的光束3的光被重定向，再次通过发光层10，之后形成照明光束3A(在图1中用双虚线点划线7A界定)。在图1中，示出了太阳观察者位置的范围7，其中在措词“太阳观察者位置”中提到“太阳”，因为照明系统1的特别令人印象深刻的类型的实施例涉及类似太阳的照明。因此，照明光束3A被引导到可被照明的区域(可以是室内或室外)，并且包括直射光(下文也称为照明系统的直射(光)分量)。
发光层10通常被配置为以第一颜色(例如模仿天空的天蓝色)发射漫射光(下文也称为照明系统的漫射(光)分量)。发光层10叠加到反射面8A，在反射面8A的前方延伸，并且包括在观察反射器单元6时观察者可以看到的反射器单元6的可视前部区域部分10A。可视前部区域部分10A延伸到第一边界12A(形成闭合线)。通过/从可视前部区域部分10A发射漫射光分量。
在图1的示例性实施例中，框架状区域在可视前部区域部分10A旁边和周围延伸。
光源2提供尺寸大小适于全面照亮可视前部区域部分10A的光束3。特别是对于在模仿太阳的构造中的一致感知，全面照明将确保在观察者跨过被照射区域(参见图2A至2D的描述)移动时可以看见太阳，直到其消失在第一边界12A之后。此外，如下所述，在通过发光层10被动地产生光的情况下，可视前部区域10A的全面照明将导致完整的可见前部区域部分10A，这有助于并产生第一颜色的漫射光分量。
全面照明可视前部区域部分10A进一步确保光束3的至少一部分在被反射面8A反射之前和之后穿过发光层10。由于反射面8A类似地延伸到第一边界12A，因此确保照明光束3A的大小对应于第一边界12A。照明光束3A具有与例如照明光束CCT相关联的第二颜色。与从发光层10发射的光相关联的第一颜色和与照明光束3A相关联的第二颜色在颜色空间中分离。
例如，第一颜色和第二颜色可以在CIE 1976(u'，v')颜色空间中分离至少0.008，例如至少0.01、0.025或0.04，其中色差Δu’v’定义为u’v’颜色空间中的欧几里得(Euclidean)距离。特别是对于太阳模拟构造，第二颜色的照明光束CCT可能接近普朗克轨迹(Planckian locus)(例如在800K至6,500K的范围内)。在一些实施例中，第二颜色可以对应于与普朗克轨迹具有最大距离(例如0.06)的u'v'点。换句话说，与普朗克轨迹的距离例如在由Δu’v’≤0.060给出的800K至6500K的范围内。在本文中，也参照图15和相关的公开。
对于本领域技术人员显而易见的是，根据发光层10与光束3的任何相互作用，光束3和照明光束3A的颜色和/或CCT可以基本相同或可以不同。根据纳米颗粒的类型及其浓度，CCT的差值可以是例如至少300K或甚至1000K或更高。
在图1的实施例中，反射器单元6还包括定位在框架状区域中的框架元件14，以形成反射器单元6的框架区域部分14A，该框架区域部分14A在可视前部区域部分12A外部且紧邻其延伸。框架区域部分14A毗邻第一边界12A并且至少部分地(例如在一侧或两侧)沿着第一边界12A延伸。
通常，框架元件14被配置为基本上避免或至少减少入射到框架区域部分14A上的光束3的光部分对照明光束3A的任何影响。因此，入射到框架区域部分14A上的任何光不能再被感知为照射照明系统1的框架区域部分14A。例如，入射到框架区域部分14A上的光束3的任何光通过例如吸收、反射和/或光引导基本上从照明系统1移除。替代地或附加地，框架的表面结构的例如浮雕这样的突出构造，可以提供相对于可视前部区域部分的感知的不连续性，从而可以形成这样一种基本状态，使得来自框架区域部分14A的光被认为独立于光束3。
附加地或替代地，框架区域部分14A的感知可以通过规定一吸收率(即吸收的辐射或光通量与入射光通量的比率，符合E284-09a外观标准术语)而与光束3分离，例如吸收率在60％的范围内或者超过60％。然而，根据通常的感知影响条件，例如表面调制的深度和通常的照明系统的尺寸，框架区域部分14A的基本上明亮的着色也可以是可接受的，例如框架是白色或灰色的。
从范围7内观察反射器单元6，观察者可以具有在图1中示意性地示出的范围7内的光学感知。该光学感知基本上取决于反射器单元6和来自该反射器单元6的如点划线7B所示的光，其对于各个观察者位置是特定的。具体地，照明系统1被配置为使得入射在太阳观察者位置的范围7内的具有显著强度的光来源于第一边界12A内。该具有显著强度的光包括光束3的光(源自光源2并且是由反射器单元6重定向的光束3的光)，以及源自反射器单元6的可视前部区域部分10A(特别是源自发光层10)的漫射光。另外，对于图1的实施例，光学感知将包括在可视前部区域部分10A周围的例如深色的框架状区域。
根据图1所示的光学感知，当从太阳观察者位置的范围7内观察反射器单元6时，观察者将看到与可视前部区域部分10A相对应的大面积区域16，其基于以第一种颜色均匀地发射的漫射光。由于入射在框架区域14A上的光被从照明系统1中移除，所以大面积区域16将被框架状区域18包围，该框架状区域18被均匀地感知或至少基本上不被光束照射，因此大面积区域16不再积极地参与反射器单元6的感知。此外，观察者将看到由光源2(特别是照明光束3A)的反射光引起的第二颜色的太阳状斑点19。
反射器单元6可以是诸如(平面)矩形、二次(quadratic)或圆形的任何形状。反射器单元6至少部分地反射光源2的光。反射器单元6的发光层10可以作为漫射光发生器(例如瑞利漫射器)进行工作，其基本上不吸收可见光范围内的光并且相对于入射光的长波长分量更有效地漫射短波长分量。在上述例如EP 2304478A1这样的透射型专利申请中，详细描述了类瑞利漫射器的光学特性和微观特性。
在一些实施例中，反射器单元6提供发光层10以扩散光源2的光，这里被称为被动的漫射光生成。对于被动的漫射光生成，假设光束3发散足以完全照亮可视前部区域部分10A，反射器单元6将源自完整的可视前部区域部分10A的光束3分离成两个分量中，特别是：
由穿过发光层10两次并且除了反射面8A的反射之外没有经历显著偏离的光线形成的反射(定向非漫射)分量；例如，由相对于彼此小于例如0.1度的偏离的光线形成；透射分量的光通量是入射到发光层10上的总光通量的很大一部分；在一些实施例中，发光层10可以被配置为将小角度白色散射特征叠加在入射光束上，由此照明光束可以包括在小锥体内的传播方向(例如低于5°)，然而基于本公开的目的，这种修改的照明光束仍然被认为是直射光束(注意，这样的小角度散射可以允许平衡光源光孔上的不均匀性；以及
由发光层10通过可视前部区域部分10A出射(除了照射光束方向和与照射光束方向的角度差异小于0.1°的方向)的散射光形成的漫射分量；漫射分量包括直接从发光层10出射的散射光和被反射面8A反射的散射光；漫射分量的光通量可以对应于从入射到发光层10上的总光通量产生的蓝色天空光部分。
对于被动散射光的产生，发光层10的光学特性可以是这样的：
漫射分量的比例为5％～50％的范围，例如为7％～40％，甚至10％～30％，或者为落在可视前部区域部分10A上的总光线(在这点上，小角度散射不被认为影响漫射分量)15～20％的范围；
例如在0.1°以下的角度(例如可以是1.2倍、1.3倍1.5倍或以上)，漫射分量的平均CCT明显高于反射分量的平均相关色温CCT；
发光层10不显著吸收的入射光，即两个分量的总和至少等于80％、或90％、甚至95％或97％以上；
发光层10可能大部分向前散射，即向前散射光大于向后散射光的1.1倍、或1.3倍、甚至1.5或2倍；在第一通过期间的前向散射光被反射面8A反射；和
发光层10本身可以具有低反射度，即光束3的入射光的9％、6％，或甚至小于3％、或2％的一部分被反射。
在其它实施例中，发光层10可以至少部分地由单独光源照亮，该单独光源适于提供作为漫射分量的基础的光，如下面结合图14A和14B所描述的侧方照明构造。
通常，光源2可以整体照射发光层10的前表面，其中入射光束轴线与反射器的法线之间的角度在约15°至约70°的范围内，例如对于倾斜(angled)入射为例如50°，对于陡峭(steep)入射为约20°。在一些实施例中，当例如发光层10相对于房间天花板的平面倾斜时，光源2可以基本垂直地布置在例如发光层10的中心的下方。光束的光孔(全光圈)的角度可以在约10°至约60°的范围内。
通常，反射器单元6定位在光源2的远场中，使得其如图1中示意性所示并与下面更详细描述的光束相互作用。具有例如5°和更小范围内的投射器角光瞳尺寸的高质量光束可允许光源2提供太阳般的印象。
图1示例性地示出了作为远场中的发散光束的光束3。远场取决于由光源2产生的近场，其以主光束方向4为特征。取决于发射光束3和照明光束3A的横截面内的位置，横跨发散光束3的局部传播方向(即直射非漫射光的传播方向)被修改/改变。对于光束3(但是类似地适用于照明光束3A)的示例性说明，中心传播方向22在光束3的内部区域中基本上平行于主光束方向4。然而，随着与内部区域的距离的增加，传播方向24相对于主光束方向4而逐渐倾斜。示例性地，对于最远的光束部分，在图1中示出了5°的最大角度，其对应于发射光束3和照明光束3A的2×5°＝10°的光束发散(也称为远场的总角展度)。
通常，光源2可以包括发射器单元、准直单元和均匀化单元，它们是限定光学近场并通过光源出射孔发光的那些光学单元，例如，充分闪烁并且表示具有均匀的亮度和集光率(etendue)的光发射表面，其维持发射器单元的原始集光率的大部分。
光源2还可以包括用于提供电子背景的电子控制单元(未示出)，以操作在发射器单元中发生的原初光生成过程。类似地，光源2可以包括诸如壳体这样的结构部件，从而为光学单元提供支撑并且以相对于彼此固定的方式它们进行定位。此外，所生成的光适应于各个照明条件的特定方面。特别地，它可以适于与反射器单元6进行相互作用，例如，提供漫射和直射分量所需的颜色。该适应性尤其涉及发射方向分布、色谱和强度分布。
例如，光源2在波长在400nm至700nm之间的光谱的可见光区域中提供光，其光谱宽度大于100nm，例如大于170nm。
根据各个实施例，对于具有例如0.15m的出射孔的光源，光源2和反射器单元6之间的距离可以在1.5m至7m的范围内。对于这种情况，光源和观察者之间的光学距离例如在至少2.5m至9m或更大的范围内。
对于本文公开的照明系统，远场中所需的总角展度取决于要被照射的反射器单元6的距离和尺寸。正交总角展度分别为10°和30°，用于尺寸为1m×2m的矩形物体(反射器单元6)在45°照射下提供光源2和反射器单元6之间的合意的距离。对于本领域技术人员来说，总角展度范围为5°至60°或5°至50°的范围内适用于本文讨论的一些照明系统以及反射器单元6的相应形状。
如上所述，光源2可以被设计成具有或可以适于提供特定形状的光束3，其特别适于完全照亮可视前部区域部分10A。各个光源可以包括限制和调整光束3的尺寸的光学系统。例如，光源可以包括变焦透镜系统和/或例如蝇眼构造这样的光束形状限定成像系统，基本理想的CPC(复合抛物面聚光器，Compound Parabolic Concentrator)配置，透射孔，和/或反射器单元上游的基于反射光孔的成像系统，从而特别地至少部分地适应光束的尺寸并且形成至少部分地遵循第一边界12A的第二边界。下面结合图9A、9B和10公开了示例性配置。
再次参考如图1所示的光学感知，第一边界12A限定可视前部区域部分10A。对应于虚线13的第二边界13A形成在反射器单元6上。第二边界13A对应于光束3的横向延伸，例如给出在第二边界13A的区域的径向方向亮度急剧下降的平顶光束。
光束3至少足够大以能够完全照亮可视前部区域部分10A。因此，在图1的实施例中，第二边界13A将在框架区域14A上形成由光束3照射的内部区域和不被光束3照射的外部区域。在黑色的框架状区域18上，虚线18A示出了这些区域之间的相应过渡线。然而，由于框架区域部分14A被配置为不会由于入射光而影响其视觉外观，因此黑色的框架状区域18基本上看起来在其内部区域没有被光束3照亮。
由于只有落在第一边界12A内的光束部分被反射，照射光束3A在其横向范围内由如图1所示的虚线点划线7A所示的可视前部区域部分10A的尺寸限定，其示出了第三边界并且定义了太阳观察者位置的范围7。应当注意，当在太阳观察者位置的范围7之外时，观察者将在观察反射器单元6时注意到基本均匀地发射的漫射光区域。漫射光可以在天空的颜色光谱中，并且在图1的实施例中，由框架元件14包围但没有类似太阳的光斑19，因为反射排布不允许观察者看到光源2的出射光瞳。此外，在太阳观察者位置范围7以内或以外的观察者观察到光束3A的准直光照射位于太阳观察者位置范围7内的任何表面。因此，可以实施太阳光模拟的感知。
还要注意的是，为了说明的目的，图1分别示出了反射器单元6的组件且它们彼此分离。然而，本领域技术人员将理解，各种组件按照功能需要彼此相对“接近”。例如，反射结构8及其反射面8A可以与发光层10的背面接触。框架元件14可以根据需要与发光层10尽可能地接近，以确保位于太阳观察者位置范围7内的观察者不会分辨出任何的光学不一致。
此外，如图1所示，反射器单元的正面的框架区域14A和可视前部区域部分10A可以定位在面(例如弯曲或平面)中，从而提供平坦连续正面的印象。
通常，框架元件14可以被定位成基本上不与可视前部区域部分10A重叠以产生光束阴影区域(即，不被光束3照射的框架元件下游的区域)。特别地，这可以确保完全照明，结合图2A至2D进行讨论。另外，阴影区域的范围受到限制，以确保观察者处于太阳观察者位置范围7中，不会分辨出任何光学不一致，例如在本实施例中，通过可视前部区域部分10A发射的漫射分量的不均匀性。
本领域技术人员将认识到结合图1公开的那些方面和特征，同样适用于下面结合附图所公开的实施例。这适用于例如发光层和光源以及光传播的讨论。为了简化以下附图，仅包括一些附图标记，其通常用于描述实施例之间的差异。
返回到图1所示的框架元件14，框架元件的表面构造和/或结构布局通常可以被配置为吸收入射到相应的框架区域部分上的光束3的至少60％的光部分。具体地说，在可见光谱(例如在400nm和700nm之间的范围内)或至少在投射器的功率谱密度大于其峰值的10％的可见光谱部分中可以规定至少60％的吸收率。为此，框架元件14可以设置有吸光颜色。
结合图2，公开了框架元件14B和框架元件14C的示例性构造。
关于结构构造，框架元件14B可以包括框架宽度一定比例尺寸(例如框架宽度的0.02至0.2)的粗粒结构、大型结构、装饰和/或杂色饰面(patchy finishing)。例如，具有粗粒结构的框架元件可以包括大型(例如宏观的、肉眼可见的)结构，例如棋盘、叶子、随机装饰或分形图案，其被绘制或打印(2D)或浮雕似地模制/加工(3D)，其平均颗粒/单元尺寸为框架宽度的0.02-0.4倍。另外或替代地，框架元件可以设置有吸收调制，使得框架元件的至少5％的表面积的吸收率与(框架元件的)平均值之差大于10％。通常，结构化表面可能导致光学外观的不均匀性，即使部分照明可能不允许或至少在很大程度上阻碍框架的外观与光束3的照明之间的任何关联。然而，结构的高度不应该影响可视前部区域部分的完整照明。
此外，框架元件(诸如框架元件14C)的位于可视前部区域部分10A下游的部分可以相对于可视前部区域部分10A的平面倾斜，以增加入射角度并且降低从太阳观察者位置的范围内7过渡时的可见性。特别地，阴影扩展的方面可能不适用于框架元件的那些部分。
图2A和2B示出了综合照明的影响，其特别重要的是在该范围7内部和外部的过渡位置。在该过渡位置，光源2的光圈(aperture)将进入视场。为了完整的照明(在图2A中示出了框架配置，在图2B中示出了下文将进行更详细描述的理想拟合配置)，“太阳”正好在大面积区域16的边缘处出现(和消失)。
相反，参考图2C，假设框架14B在可视前部区域部分10A上产生阴影区域26，光束3仅照亮可视前部区域部分10A的部分16'。因此，可视前部区域部分10A(假定涉及被动构造)的感知被分成不同外观的两部分，一部分被照亮，而一部分在阴影区域26中。此外，“太阳”19'将出现在阴影区域26和可视前部区域部分10A的部分16'之间的边界，即距离框架一定距离，从而减少太阳般的印象。
对于发光层的主动构造，如图2D所示，大面积区域16将在其产生漫射光方面不受阴影区域26的影响。然而，与(第一)光源相关的“太阳”19'将出现在如图2C所示的阴影区域26之间的边界处(即距离框架状区域18一定距离处)，并位于大面积区域16的中间，从而类似地减少太阳般的印象。
图3A和3B以及图4示出了从照明系统1将照射到框架元件14上的可视前部区域部分10A旁边的光束3除去的构造。
具体地，图3A(示意性正视图)和图3B(示意性截面图)示出了在圆形反射器单元6A上的近垂直入射光线29A(由箭头指示)的情况下的光阱28A。入射角可以例如在α＝5°至35°的范围内。光阱28A被配置为能够引导入射光(例如，落在可视前部区域部分10A之外的光束3的至少一部分)偏离的反射框架(例如，基于镜子的重定向框架)。例如，光阱28A可以偏转，并且因此可以将任何潜在的假光重定向到光阱28A内的暗壁31(壁31具有例如如上所述的吸收率，例如至少60％)。另外或者替代地，光阱28A可以重定向在反射器单元6A之后的左右。对于近似正交的入射，例如在α＝5°至15°的范围内，如图3A所示，基本上可以设置围绕可视前部区域部分10A的旋转对称光阱28A。
图4示出了具有框架元件的反射单元6B的替代实施例，特别是用于α＝55°至70°范围内的大角度入射构造(以箭头指示的光线29B)。如图4所示，仅在可视前部区域部分10A的下游侧设置光阱28B，再次构造成用于将光引导偏离，例如，引导至在光阱28B内的吸收表面上。
上面示出的光阱是框架元件的示例性实施例，其相对于可视前部区域部分至少部分地凹入，例如通过包括诸如凹口或凹槽这样的凹部。凹部可以特别地被配置成吸收入射到其壁表面上的光。
在图4的各个实施例中，可视前部区域部分10A的上游和上/下(左/右)，可以不设置框架元件，从而简单地使光束的各个部分通过反射器单元6后面和/或相应地适应光束的尺寸和形状(也参见以下实施例)。
图5示出了不依赖于紧邻发光层110设置的框架元件的照明系统100的实施例，而是在由光源102以一定角度照射时，适配于反射器单元106下游的背景。具体地说，反射器单元106安装为与诸如室内分隔壁部分或室外壁结构之类的壁构造132之间存在一定的距离。壁构造132可以与反射器单元106一起设置，并且可以部分地用作照明系统100的一部分。
壁构造132尤其包括背景壁部分132A，反射器单元106设置和安装在背景壁部分132A的前面。另外或替代地，壁构造132包括受光壁部分132B。光束103的光束部分103A、103B在通过反射器单元106后入射在上述两个部分上。
背景壁部分132A和受光壁部分132B中的至少一个可以设置有吸光颜色和/或可以包括上文结合图2所述的用于框架元件14B的粗粒结构、大型结构、装饰和/或杂色饰面。鉴于在壁部分和反射器单元上的光照射区域之间的吸收和潜在的空间远隔，反射器单元106的视觉感知基本上不受通过反射器单元106的光束部分132A、132B的影响。
通常，反射器单元可以在位置和方向上进行调节，从而影响太阳观察者位置范围107的位置。
图5所示的实施例示例性地示出了可重定向镜单元的概念。具体来说，可适应的安装件136被示意性地示出为附接在反射器单元106的背面。具体地，安装件136可将反射器单元106转动到预设的角度范围内，从而也可以执行“太阳”的移动。壁构造132可以被配置为提供通过反射器单元106的光束部分132A、132B的各自的远隔，以改变反射器单元106的角位置。因此，如果光束103足够大以覆盖任何可调节位置的可视前部区域部分110A，即使照明条件发生改变，期望的感知也不会丧失。例如，围绕轴线138转动反射器单元106，可以产生沿着箭头139的枢转范围7，从而类似于相对于静止观察者的太阳的运动，并且因此加强太阳般照明的印象。
换句话说，安装件136用作机电安装系统，其被配置为安装反射器单元并且产生反射器单元的特别是连续的运动，以将照明光束重定向到环境中，从而特别类似于例如当例如进一步与光束的颜色变化相结合时，通过窗户进入环境的太阳光线的运动，例如用于再现日落、下午和黎明的风景。
此外，照明系统可以安装在诸如船、飞机或汽车此类的非静止环境中，并且照明系统可以使用已经安装了反射器单元和/或光源的机电系统来补偿非静止环境的移动。例如，可以另外提供取向检测装置，例如加速度计、重力传感器和/或倾斜传感器，用于检测诸如船舶的上下颠簸和/或左右摇晃之类的例如非静止环境的倾斜这样的取向变化。控制单元然后可以被配置成驱动机电系统来补偿非静止环境的取向变化，从而特别地产生相对于非静止环境相反移动的照明光束，特别是类似于太阳光线通过窗户进入非静止环境的情况。
图6所示为对于图5的照明系统100的一些修改的实施例，具体在于照明系统100A，受光壁部分132B可以包括窗单元134，通过反射器单元106的光束103的光经由该窗单元134被引导出壁构造132，例如，进入相邻的房间进行照明。
此外，图6示出了例如在反射器单元106的上游侧可以使用框架元件114。具体地，对于上述公开的结构，框架元件114D可以被配置为(例如在尺寸或光阱配置方面)去除例如反射器单元106的所有角位置的相应的光。
通常，本文公开的照明系统可以包括安装结构，该安装结构具有安装在其上的反射器单元和光投射器。安装结构可以(例如在室内构造中)由墙壁和/或天花板和相应的安装构造提供。然而，特别是对于室外实施方案，安装结构可以特别地构造为具有安装在其上的反射器单元和光投射器的柱。
在图7的示例性照明系统200中，柱240例如垂直地延伸并且具有远离地面201例如几米之远的反射器单元206。反射器单元206由类似地附接到柱240的光源202沿着自底向上的方向(即沿着指向天空的柱的方向)照射。在这样的配置中，通过反射器单元206的光束203(由箭头指示)的任何光232(除了安装支架240A)将自由地传播到顶部，并且在室外构造中，将传播到(夜晚)天空250。特别地，夜晚天空250可以用作框架部分并且“吸收”不落在发光层210的可视前部区域部分210A内的光束203的任何光。支架240A可以被视为框架状元件并且被配置成提供对于任何入射光的相应的吸收或重定向。
换句话说，柱240可以安装在提供反射器单元后面至少1.5米的自由空间(例如没有任何光散射或光反射结构)的环境中，从而可以不需要框架元件或以下描述的理想拟合。
参考图5至图7，公开了可能不需要或可能仅需要一部分框架元件的照明系统的实施例。作为替代方法(其可以完全或至少部分地使得框架元件不需要)，基于理想拟合(ideal fit)概念或光束的至少剖面理想拟合概念。理想拟合概念将光束的尺寸和形状至少部分地与可视前部区域部分相匹配。
具体来说，在一些照明系统中，附加地或替代地，第一边界(限定可视前部区域部分)和第二边界(限定光束)的匹配，特别是光束的横向尺寸，至少在框架状区域的某些部分进行。
可以使用高精度安装座和/或特定的预先设计的光源和反射器单元几何来执行匹配/适配。然而，在易于相对移动的实施例中，可以另外设置控制单元以监视并连续地调整/维持上述匹配。
图8示例性地示出了基于理想拟合的照明系统300。具体地，照明系统300包括具有光学系统302A的光投射器302，以限制并调整光束303的大小。光学系统302A可以包括例如变焦透镜系统和/或例如蝇眼构造这样的光束形状限定成像系统的，基本理想的CPC配置，透射孔，和/或反射器单元306上游的基于反射光孔的成像系统。光学系统302A可以至少部分地允许适应光束303的尺寸和形状，并形成至少部分地遵循反射器单元306的第一边界312A的第二边界313A。
照明系统300还包括用于安装和对准光投射器302的高精度安装座360和/或用于适配第二边界313A(限定光束303)的可调谐成像系统，使得特别是至少85％(例如在95％的范围内)的光束303照亮反射器单元306的可视前部区域部分310A，并且在光束303的光的最多15％(例如在5％的范围内)照射在第一边界312A之外。
高精度安装座360还可被配置成安装反射器单元306(图8中未示出)。在预先安装的实施例中，反射器单元306和光源302之间的相对位置可以根据光束的尺寸和反射器单元的取向和位置而被固定。在一些实施例中，可能需要连续控制。
照明系统300还可以包括控制单元362，用于控制高精度安装座360和/或光学系统，以至少部分地使第二边界313A适配于第一边界312A。
作为图8所示的另外的修改，反射器单元306可以包括例如靠近第一边界310A的光检测器364，用于提供关于第二边界313A相对于第一边界310A的位置信息。控制单元362可以经由控制线366连接到光学系统302A、高精度安装座360和光检测器364，以响应于所述位置信息来控制高精度安装座360和/或光学系统302A，从而特别地确保适当和连续的对准以及光束303与反射器单元306的发光层310的可视前部区域部分310A的匹配。
在理想拟合构造中，光源302例如被配置成产生平坦顶部照明，该平坦顶部照明在其边界上被成形为适合于从光源视角看到的可视前部区域部分。
通常，本文公开的光源可以包括具有基于光孔的成像光学器件的光学系统。光孔的图像通过投射光学元件投射在反射器单元上，并且光孔的形状被调整以便通常匹配反射器单元的框架状区域(在存在框架元件的情况下)或第一边界的尺寸(在使用理想拟合的情况下)。投射光学器件可以使用透镜或透镜系统来创建反射器单元上的孔径的图像。
在一些实施例中，成像光学器件可以包括蝇眼透镜阵列，其配置成使得阵列中的每对(透镜)的第二透镜在某个距离(几乎无限大)处产生第一透镜的图像。
在一些实施例中，成像光学器件可以包括与适配其入口孔径(较小孔径)的光发射器配合的理想CPC。
图9A、9B和10示出了如通常结合图8所述的允许照明系统400、500的理想拟合实施的示例性光学配置。
具体地，图9A示出了横截面，而图9B示出了反射器单元406的完全照明的光束传播概念的局部透视图，反射器单元406包括具有示例性的基本上圆形的可视前部区域部分410A的发光层设置。安装结构470以至少部分地围绕可视前部区域部分410A的方式安装发光层410。安装结构470可以是用于保持发光层410的任何类型的结构部件，并且可以包括或可以不包括安装前侧部分472。安装前侧部分472可以不具体地适于不受其前侧部分472的光束403照射的影响，或者，作为预防措施，它可以根据如上面关于框架元件所述方式而进行构造。
为了允许对于可视前部区域部分410A周围的前侧区域的这种灵活性，使用光束403的延伸部与可视前部区域部分410A的延伸部分的理想匹配。为此，光束403可以被配置为平顶光束，其中显著强度仅延伸到第二边界413A。
为了产生这样的光束形状，孔结构474包括开口474A，其形状与倾斜的可视前部区域部分410A在平面404A上的投影相同，该平面404A与主光束轴线(方向404)正交。除了对该投影的形状的适配之外，调整光束发散，使得当光束403入射到反射器单元406时的各个形状的大小相同。例如，该发散可以由布置在孔结构474下游的可移动透镜476调整。例如，透镜476和/或孔结构474可以在轴向方向(在图9B中以Z轴表示)以及横向方向(在图9B中以X轴和Y轴表示)是可移动的。透镜476和孔结构474的安装台(未示出)可以连接到控制单元(如图8所示)，并且可以例如响应于可视前部区域部分旁边的光学检测器接收到的控制信号或者可以在初始安装期间预设的控制信号而被驱动。
因此，图9A和9B所示的成像系统允许调节光束尺寸和光束方向，使得基本上只有可视前部区域部分410A被照亮。因此，观察者没有注意到来自光源402的任何落到可视前部区域部分410A旁边的光，这可能会影响例如类似太阳的模拟的任何感知。
因此，图9A和9B所示的成像系统允许调节光束尺寸和光束方向，使得基本上只有可视前部区域部分410A被照亮。因此，观察者没有注意到来自光源402的任何落到可视前部区域部分410A旁边的光，这可能会影响例如类似太阳的模拟的任何感知。
图10示出了具有用于相对于类似倾斜的矩形反射器单元506调节光束尺寸和光束形状的反射构造的三维视图照明系统500。具体地，反射器单元506安装在相对于垂直方向成例如30°的角度的壁上(未示出)。
仅示意性地示出光源502，并将光束503发射到折叠镜580上。折叠镜580的形状设置成使得投射器处于(从折叠镜580反射的任何光束都将具有的)特定位置，当遇到作为旁边的反射光学元件的反射器单元506时，具有与反射器单元506在与光束传播方向正交的平面上的投影相同的形状(也参见图9A)。为了得到相应的形状，光束503可以以特定的预设角度照射到折叠镜580，折射镜580的形状相应地进行适应。
如图10所示，可以选择源自光源502的光束503的发散，使得当照射到反射器单元506上时，光束503的尺寸与相关联的可视前部区域部分510A的相应大小相同。
对于如图9A、9B和10所示的构造，观察反射器单元的观察者可能看不到源自照明系统的光源的可视前部区域部分旁边的可能会干扰例如太阳般模拟感知的任何光。
再次参考图10，所示的构造允许用于屋顶内的向下式照明的紧凑构造。然而，本领域技术人员将认识到，可以提供附加的结构部件以避免折射镜580在太阳观察者位置的范围内被看到。
图11A和图11B示意性地示出了照明系统600和700的室内安装构造。该室内安装构造可以设置在较大的大厅、民用房屋的房间或电梯舱等等当中。
图11A示出了在例如矩形房间682内的类似于图9的向下式照明。由此，房间682相应地包括天花板682A和四个壁，其中一个用于安装反射器单元606，称之为反射器单元安装壁682B。光源602设置在天花板682A的顶上。天花板682A可以包括开口，例如被具有防反射涂层的玻璃窗口684覆盖的开口。光源602的光束603穿过玻璃窗口684并落到反射器单元606上，从而被反射到房间682中。观察反射器单元606的观察者686将从房间682内的任何位置看到漫射光分量，而当处于太阳感知位置(图11A中未具体指示)的范围内时，将看到直射光分量。
如图11A进一步示意性地示出的，遮光板结构688覆盖玻璃窗口684并且包括朝向反射器单元606的方向上的开口，使得光束603可以在遮光板结构688内传播，从而进一步对于观察者686隐藏光源602的光学构造和玻璃窗口684。
通常，这里公开的由照明系统照明的房间可以是房屋或舱室，例如房屋的房间、电梯舱、走廊或医院病房。在房间682或舱室内，可以为照明系统的观察者的特定位置定义目标区域。例如，目标区域可以涉及存在于房间682或舱室中的人用家具，诸如床、医院病床、座椅，沙发或椅子等。在一些实施例中，目标区域可以涉及穿过房间682或舱室的观察者路径。照明光束3A被引导以照射目标区域。在一些实施例中，例如在医院环境中，照明系统可以是特别地被控制为例如在一天中的过程中以太阳模拟的方式照射目标区域，例如提供照明光束的入射角或照明光束和/或发光层的各自的配色，从而为患者提供日间的光照/照明模式，其可以提供最佳的唤醒条件和生活节奏的其他益处。
作为另一示例，图11A中示出了用于照亮扶手椅的落地灯构造(作为如图7所示的基于柱的构造的示例)，而在图12中示出了例如在无窗医院病房内的用于病床的照明构造。
图11B示出了具有安装在房间782内的光源702的照明系统700。例如，光源162安装在侧壁782B处，并且发射指向上方并照射反射器单元706的光束703，反射器单元706安装在房间782的天花板782A上。
房间782中的观察者786在观察反射器单元706时将主要看到漫射光分量，而当位于太阳感知位置的范围内时，观察者786还将看到直射光分量。
与图11A类似，可以提供遮光板结构788，以便在将光束703引导到反射器单元706时至少首先隐藏光源70。另外，遮光板结构788可以降低房间782内的人干扰(例如触及)光束703的可能性，从而影响反射器单元706的感知。遮光板结构788可以是透明(例如玻璃)盖或者壳(甚至在所有面完全封闭)以防止人入侵进入光束703。
本文公开的实施例可以还包括体积运动传感器(例如被动红外传感器)，用于检测在反射器单元上游围绕光束的体积内的人的入侵。传感器可以安装到光源和/或例如安装到图11A和11B所公开的遮光板688、788处。此外，可以提供控制单元，用于从体积运动传感器接收相应的信号，并且被配置为在检测到入侵的情况下调暗或关闭来自光源的任何发光。
本文公开的照明系统的另一个应用领域是诸如列车和飞机以及船舶之类的运输工具的照明。作为示例，图12示出了飞机(或列车)的舱室701的横截面，该舱室701在一侧具有一排座位701A，并具有与其平行的供人们停留或行走的区域701B，例如走廊或走道。
该区域701B的照明基于分别被光源703A、703B照射的一个或多个反射器单元706A、706B。例如，反射器单元706A可以设置在舱室701的天花板内(例如由基于深色着色的框架状区域包围)，或者反射器单元706B可以设置在侧壁上或侧壁与天花板之间的过渡处。光源702A、702B可以被定位在例如头顶行李箱结构内或沿侧壁安装。
在图13中，示意性地示出了与单个反射器单元1806组合使用的具有两个光源802A、802B的照明系统800的实施例。每个光源802A、802B产生相应的照明区域890A、890B。照明区域890A、890B可以由诸如墙壁这样的物理结构892分离，以清楚地区分这些照明接收区域890A、890B，并且避免感知混淆。物理结构892的其它可选方案还包括户外/室内构造、树篱、树木、灌木丛或小水域等。
技术人员将认识到，图13所示的两个光源实施例可以容易地扩展到三个或更多个光源。特别地，在室内结构中，可以照亮彼此靠近但被某些结构或空间隔开的特定区域，同时每个照明区域都受到其自己的可控照明源影响。
对于与本文公开的发光层相关的技术，还可参考于2012年11月14日提交的名称为“人工照明装置(Artificial illumination device)”的申请PCT/EP2012/072648以及名称为“用于模拟自然采光的人工照明系统(Artificial lighting system for simulating anatural lighting)”的申请PCT/IB2013/060141，上述申请由相同的申请人提出，其内容整体并入本文以用于说明使用瑞利漫射器的照明系统。
尽管本文公开的实施例的瑞利漫射器在附图中示例性地示出为平面板状，从而模仿窗户外观。然而，也可以使用非平面板状构造，诸如弯曲结构。
通常，瑞利漫射器可以被配置为被动漫射器或侧向照射漫射器，例如，由例如蓝色的LED从侧面照射的面板。因此，在一些实施例中，瑞利漫射器可以是发射漫射光的次级光源，并且对于(主)光源的光仍然是部分透明的。
如上所述，发光层可以基于被动发光层配置，其中光束的光的散射产生漫射光分量。然而，发光层也可以基于包括次级发光层特定光源的主动发光层结构，其被配置为单独产生或至少有助于产生漫射光分量。例如，次级光源可以将光从侧面引导到发光层。
图14A和图14B示出了这种主动发光层结构的一个例子。反射器单元906的总体结构可以包括(如上述实施例所公开的)具有反射面908A和发光层910的反射结构908。另外，例如，可以在发光层910旁边设置框架元件914。
此外，为了产生(或有助于产生)漫射光分量，一个或多个次级光源994从发光层910沿横向设置，例如在框架元件914的后面。在这种侧方照明的配置中，次级光源994从侧面照亮发光层910，而光源的光束从前方射到发光层910的可视前部区域部分910A上。
因此，发光层910可以被特别地配置成与次级光源994的光相互作用。在一些实施例中，发光层910可以被配置为不与(或至少非常有限或减小的程度)光束3的光相互作用，使得由发光层910产生的漫射光分量可以主要基于次级光源994的光，并且(如果发生的话)仅在一定程度上基于初级光源(图14A中未示出)。
图14B示例性地示出了包括围绕发光层910延伸的圆形次级光源994A的这种主动发光层结构的圆形形状。
图15示出了示意性均匀色度图(也称为u'-v'-色度图)。其中，边界上的点对应于单色光谱(δ样)；换句话说，在左侧和顶侧的弯曲表面边界处的波长例如从底部点处的420nm增加到左上角处的约510nm，然后再增加到右角处的约680nm。坐标称为u'-色度坐标和v-色度坐标。此外，图15中示出了普朗克轨迹996，其表示在相应温度下，例如在低于1000K至约100000K的范围内的普朗克辐射器的光谱。普朗克轨迹996进一步定义了各种温度的CCT。
在图15中，示意性地示出了颜色区域。具体来说，红色区域被称为I，绿色区域为II，蓝色区域为III。红色区域和绿色区域基本上由普朗克轨迹996分隔，范围从2000K到10000K，普朗克轨迹996结束于蓝色区域。
对于太阳般的模仿，光束的颜色(具体地，在通过反射器单元之后与光束相关联的第二种颜色)将在普朗克轨迹996旁边。
为了提供导致独特感知的第一颜色和第二颜色之间的相应差异，u'-v'均匀色度图内的各种颜色的坐标的不同可以至少在Δu'v'为至少0.008的范围，例如至少0.01、0.025或0.04。例如，提供在大约7 0000K到10 000K的普朗克轨迹996的范围内或至少接近该范围的第一颜色将产生蓝天的印象，并且太阳以第二颜色出现，例如具有800K至6500K的CCT。
可以实现人工背景效果，使第一颜色从普朗克轨迹(Planckian locus)996移开，例如提供绿色背景。
结合图16，描述了用于测量照明光束1003A的漫射光分量和直射光分量的各自颜色的构造1000。在示例性实施例中，光源1002对反射器单元1006的照射在45°以下进行。反射器单元1006安装在“黑暗”角落1032处，例如，在墙壁前面着色为黑色，以吸收任何散射光，例如吸收率大于90％。
如图16中示意性所示，漫射光分量可以用位于光束1003外部的45°以下的色谱仪1098A测量，从而不会干扰反射器单元1006的可视前部区域部分1010A的照射，并收集第一颜色信息。
为了测量直射光分量的第二颜色，将白色参考目标1099(例如具有其90％反射率的灰卡目标，白色侧)定位在太阳观察者位置的照明光束1003A内并且垂直定向到照明光束1003A的主方向1004A。第二色谱仪1098B被引导到相对于白色参考目标1099的法线45度以下的白色参考目标1099上，从而收集第二颜色信息。
尽管上述用于本文描述的照明系统的颜色测量的方法可适用于许多类型的配置，但是本领域技术人员将理解，类似或相关的配置也可以用于识别和测量相应的颜色、颜色差异和相关色温。
对于应用于本文公开的照明系统中的发光层的技术，还可参考于2012年11月14日提交的名称为“人工照明装置(Artificial illumination device)”的申请PCT/EP2012/072648以及名称为“用于模拟自然采光的人工照明系统(Artificial lighting systemfor simulating a natural lighting)”的申请PCT/IB2013/060141，上述申请由相同的申请人提出，其内容整体并入本文以用于说明使用瑞利漫射器的照明系统。
为了完整起见，下面总结发光层的示例性特征。发光层例如被成形为诸如平行六面体板的面板。特别地，该面板可以由两个平行的表面限定，并且具有较薄的厚度，该厚度沿着垂直于表面的方向测量，其具有不大于所述表面面积的5％(例如不大于1％)的平方值(square value)。
发光层可以是瑞利面板，其基本上不吸收可见光范围内的光，并且相对于红色波长范围(约650nm)内的光，该瑞利面板对于蓝色波长范围(约450nm)内的光的漫射效率至少为其1.2倍，例如至少1.4倍，例如至少为1.6倍，其中漫射效率由漫射光辐射功率与入射光辐射功率之间的比值得到。
在一些实施方案中，发光层包括第一材料(例如，具有优异光学透明度的树脂或塑料)的固体基质，其中分散有第二材料(例如无机氧化物，如ZnO、TiO2、ZrO2，SiO2，Al2O3)。第二材料的折射率与第一材料的折射率不同。优选地，第一材料和第二材料基本上不吸收可见波长范围内的电磁辐射。
此外，发光层可以是均匀的，从某种意义上说，在给定的发光层的任何点，在该点上的发光层的物理特性不取决于该点的位置。此外，发光层可以是整体结构。
在一些实施方案中，球形或其它形状的纳米颗粒可以是单分散的和/或具有有效直径D，该有效直径D在[5nm-350nm]范围内，例如[10nm-250nm]或甚至[40nm-180nm]或[60nm-150nm]，其中有效直径D是由纳米颗粒的直径乘以第一材料的折射率得到。
此外，纳米颗粒可以以这样的方式分布在发光层内，使得它们的面密度，即每平方米的纳米颗粒的数量N，即体积元内的纳米颗粒的数量，体积元由面积为1m 2的发光层的表面的一部分所限定，满足条件N≥Nmin，其中：
Figure BDA0001387274570000241
其中ν是等于1米6的尺寸常数，Nmin表示为数量/米2，有效直径D以米表示，其中m是颗粒和主介质折射率之间的比率。
在一些实施方案中，纳米颗粒至少就面密度而言均匀分布，即面密度在发光层上基本是均匀的，但纳米颗粒分布可以在整个发光层上变化。面密度变化例如小于平均面密度的5％。这里的面密度指的是定义在0.25mm2以上面积的量。
在一些实施例中，面密度产生变化，以补偿由光源照亮的发光层上的照明差异。例如，点(x,y)处的面密度N(x,y)可以通过方程式N(x,y)＝Nav*Iav/I(x,y)±5％而与光源在点(x,y)处产生的照度I(x,y)相关，其中Nav和Iav是平均照度和面密度，后面这些是在发光层表面上的平均量。在这种情况下，尽管光源2在发光层上的照度分布不均匀，发光层的亮度也可以相等。在这种情况下，照度是从给定方向观察到的、在给定方向上从表面发出(或落在表面上)的光束的每单位投影面积上的光通量，以及每单位立体角度的光通量，例如，在标准ASTM(American Society for Testing and Materials，美国材料试验协会)E284-09a中报道。
在小D和小体积分数(即厚板)的限定下，面密度N≈Nmin预期将产生约5％的散射效率。随着每单位面积的纳米颗粒数量的增加，散射效率预期与N成正比，直到发生多重散射或干扰(在高体积分数的情况下)，这可能会影响色彩质量。因此，如在EP2304478A1中详细描述的那样，通过寻找散射效率和所需颜色之间的折衷来偏移(biased)纳米颗粒数量的选择。此外，随着纳米粒子的尺寸变大，前向光束和后向光通量的比率增加，这一比例在瑞利极限中等于1。此外，当比率增长时，前向散射锥体的孔径变小。因此，通过寻找在大角度散射的光和最小化向后散射光通量的折中来偏移比率的选择。然而，以一种已知的方式，可以在发光层上沉积防反射层(未示出)，目的是使反射最小化。
在一些实施方案中，纳米颗粒可以不具有球形形状；在这种情况下，有效直径D可以定义为等效球形颗粒的有效直径，即具有与上述纳米颗粒相同体积的球形颗粒的有效直径。
此外，在一些实施方案中，纳米颗粒是多分散的，即它们的有效直径由分布N(D)表征。这种分布描述了每个表面单位的纳米颗粒数量和约为有效直径D的有效直径的单位间隔(即，具有D1e D2之间的有效直径的每个表面单位的颗粒数量等于
Figure BDA0001387274570000251
这些有效直径可以位于[5nm-350nm]的范围内，即在该范围内分布可能不为零。在这种情况下，考虑到散射效率近似地(即以小颗粒为限)随着纳米颗粒直径的六次方而增加，多分散分布近似表现为单分散分布，其代表性直径D'eff定义为：
Figure BDA0001387274570000252
其中
N＝∫N(D)dD
D'eff可以选择为在[5nm-350nm]范围内，优选[10nm-250nm]，更优选[40nm-180nm]，还更优选[60nm-150nm]。
在一些实施例中，每当光源的最大亮度大于0.1*106cd/m2，例如至少1*106cd/m2，或至少5*106cd/m2或更大时，照明的自然质量得到改善。对于这些数值，事实上，光源为其本身产生足够的眩光，使得难以观察，从而防止观察者通过视觉聚焦的机制来评估光源的距离。这些亮度值有助于获得无限的突破性效果。此外，眩光使得难以检测光源的亮度分布中的可能的不均匀性，从而难以检测光源的图像和真实太阳的图像之间的差异。
在一些实施例中，光源的出射孔近似于圆，因为光学系统不扭曲图像，由观察者感知的光源的图像仍然是圆形的。在一些实施例中，发光层具有例如由具有圆形发散(divergence)的光束照射的椭圆形状。然而，其它形状也是可能的，例如细长的形状。
明确地指出，在说明书和/或权利要求中公开的所有特征旨在为了原始公开的目的分别地并且彼此单独地公开，并且为了限制所要求保护的发明独立于实施例和/或权利要求中的特征组成。明确地指出，为了原始公开的目的以及为了限制所要求保护的发明，特别是数值范围的限制，实体组的所有数值范围或读数都公开了所有可能的中间数值或中间实体。
虽然本文已经描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以并入改进和修改。

Claims (23)

1.用于提供光学扩展感知的照明系统(1，100，200，300)，所述照明系统(1，200，300)包括：
反射器单元(6，206，306)，其包括反射面(8A)和用于均匀发射第一颜色的漫射光的发光层(10，210，310)，所述发光层(10，210，310)在所述反射面(8A)的前面延伸并且包括所述反射器单元(6，206，306)的可视前部区域部分(10A，210A，310A)，其延伸到第一边界(12A，310A)，并且所述漫射光通过其发射；
光投射器(2,202,302)，其配置为产生尺寸适合于全面照亮所述可视前部区域部分(10A，210A，310A)的光束(3,203,303)，使得所述光束(3,203,303)的至少一部分在被所述反射面(8A)反射之前和之后穿过所述发光层(10,210,310)，从而形成与直射光相关色温相关联的第二颜色的照明光束(3A)，并且其中所述第一颜色和所述第二颜色在颜色空间中分离，以及
框架元件(14),其定位在位于所述可视前部区域部分(10A，210A，310A)旁边并且围绕所述可视前部区域部分(10A，210A，310A)的框架状区域中，以形成所述反射器单元(6)的框架区域部分(14A)，其延伸到所述可视前部区域部分(10A)的外部并且至少部分地沿着所述第一边界(12A)延伸，
其中所述框架元件(14)被配置为基本上避免入射到所述框架区域部分(14A)上的所述光束(3)的所述光部分对所述照明光束(3A)的影响，使得入射到所述框架区域部分(14A)上的所述光束(3)的光基本上从所述照明系统(1)移除，从而将所述照明系统(1,200,300)构造成使得来自所述框架状区域的可感知的光发射基本上独立于所述光投射器(2,202,302)的所述光束(3,203,303)。
2.根据权利要求1所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述第一颜色和所述第二颜色在u’v’-颜色空间中分开至少0.008。
3.根据权利要求2所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述直射光相关色温在800K至6500K之间。
4.根据权利要求1或2所述的照明系统(1)，其中入射到所述框架区域部分(14A)上的所述光束(3)的所述光通过吸收、反射和/或光引导基本上从所述照明系统(1)移除。
5.根据权利要求1或2所述的照明系统(1)，其中所述框架元件(14)的表面构造和/或结构构造被构造成吸收入射到所述框架区域部分(14A)上的所述光束(3)的至少60％的光部分。
6.根据权利要求1或2所述的照明系统(1)，其中，所述框架元件(14)被构造成降低由所述光束(3)照射的所述框架区域部分(14A)的内部部分与不被所述光束(3)照射的所述框架区域部分(14A)的外部部分之间的外观瞬变的可感知性，使得邻近所述可视前部区域部分(12A)的所述框架区域部分(14A)的所述内部部分的外观类似于尽管由所述光束(3)照亮的所述外部部分的外观。
7.根据权利要求1或2所述的照明系统(1)，其中，所述框架元件(14)通过包括凹部而相对于所述可视前部区域部分(10A)至少部分地凹入，其中所述凹部被配置为光阱(28A，28B)以吸收其壁表面(31)上的入射光。
8.根据权利要求1或2所述的照明系统(1)，其中所述框架元件(14)包括为所述框架宽度一定比例尺寸的粗粒结构、大型结构、装饰和杂色饰面中的至少一种，或者所述框架元件(14)被定位成产生与所述可视前部区域部分(10A)不重叠的光束阴影区域。
9.根据权利要求1或2所述的照明系统(100)，还包括壁构造(132)，包括：
背景壁部分(132A)，所述反射器单元(106)设置在所述背景壁部分的前面；和
受光壁部分(132B)，经过所述反射器单元(106)的光束(103)的光入射到所述受光壁部分之上。
10.根据权利要求9所述的照明系统(100)，其中所述背景壁部分(132A)和所述受光壁部分(132B)中的至少一个设置有吸光颜色或者包括粗粒结构、大型结构、装饰和杂色饰面中的至少一种。
11.根据权利要求1或2所述的照明系统(200)，还包括安装结构(240)，所述反射器单元(206)和所述光投射器(202)安装在所述安装结构上。
12.根据权利要求1或2所述的照明系统(300)，其中，所述光投射器(302)包括光学系统(302A)，以调整所述光束(303)的尺寸，从而形成至少部分地遵循所述第一边界(312A)的第二边界(313A，413A)。
13.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，还包括
配置为安装和对准所述光投射器(303)的高精度安装座(136,360)和/或用于适配限定所述光束(303)的第二边界(313A)的可调谐成像系统，使得至少85％的所述光束(303)照亮所述反射器单元(306)的所述可视前部区域部分(310A)，并且所述光束(303)的所述光的最多15％照射在所述第一边界(312A)之外。
14.根据权利要求13所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述高精度安装座(136)还被构造成安装所述反射器单元(303)，其中，取决于所述光束(303)的尺寸和所述反射器单元(306)的取向和相对位置，所述相对位置固定在所述反射器单元(306)和所述光投射器(302)之间。
15.根据权利要求13所述的照明系统(1,100,200,300)，其中，所述反射器单元(306)包括靠近所述第一边界(312A)的光检测器(364)，用于提供所述第二边界(313A)相对于所述第一边界(312A)的位置信息，以及控制单元(362)被配置为响应于所述位置信息来控制所述高精度安装座(360)和/或所述可调谐成像系统，从而确保所述光束(303)与所述可视前部区域部分(310A)的适当对准。
16.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，还包括遮光板
(688,788)，所述遮光板被定位成在入射到所述反射器单元(606,706)之前至少部分地围绕所述光束(603,703)。
17.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述发光层(10,210,310)被配置为在不包含在所述照明光束(3A)内的方向上提供具有第一相关色温的漫射光，所述第一相关色温至少是所述照明光束(3A)的光的第二相关色温的1.2倍。
18.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述发光层(10,210,310)被配置为提供具有与所述照明光束(3A)的光不同的颜色感知的色度的漫射光。
19.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，还包括被配置为安装所述反射器单元(106)并且产生所述反射器单元(106)的运动的机电安装系统(136)，以将所述照明光束(3A)重定向到环境中，从而类似于通过窗口进入环境的太阳光线的运动。
20.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述照明系统(1,100,200,300)安装在非静止环境中，所述照明系统(1,100,200,300)还包括：
机电系统，用于安装所述反射器单元(6)和所述光投射器(2)中的至少一种；
取向检测装置，包括加速度计、重力传感器和倾斜传感器中的至少一种，用于检测所述非静止环境的取向变化；和
控制单元，其驱动所述机电系统以补偿所述非静止环境的所述取向变化，从而产生相对于所述非静止环境相反运动的照明光束(3A)。
21.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，其中所述光投射器(6)被配置为提供具有延伸到第二边界(13A)的平顶部强度分布的光束(3)。
22.根据权利要求1或2所述的照明系统(1,100,200,300)，还包括至少一个折叠镜(580)，所述至少一个折叠镜(580)被定位成将所述光投射器(502)的所述光束(503)沿光路重定向到所述反射器单元(506)上，
其中所述折叠镜(580)的尺寸适于使得在所述折叠镜(580)的下游，所述光束(503)基本上仅照射所述可视前部区域部分(510A)。
23.室内照明系统构造，包括：
房间(682,782)或舱室(701)，其中安装有如权利要求1所述的照明系统。
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