CN108474540B - 模块化的太阳天空模拟照明系统 - Google Patents

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Abstract

照明系统(100A,100B)包括用于发射光束带(220B)的光源(102),其具有沿纵向方向(X)形成阵列的多个发光单元(603,803A,803B),以及在光源(102)出射侧的光学元件(870),其横跨多个发光单元延伸并且被配置为在横向方向上扩展光束发散度。照明系统(100A,100B)还包括反射器单元,支撑结构(210)和反射表面(104),其沿纵向方向(X)具有基本线性的形状,并且沿纵向的横向方向(Y)具有弯曲的形状,以及包括嵌入在基体中的多个纳米颗粒的色彩漫射层(108),其中所述彩色漫射层(108)定位成使得至少一部分反射光束(220A)穿过色彩漫射层(108),从而通过比所述可见光谱范围内的光的长波长分量更有效地散射所述可见光谱范围内的光的短波长分量来产生漫射光。

Description

模块化的太阳天空模拟照明系统
技术领域
本公开总体来说涉及照明系统,尤其是涉及用于光学地提供环境空间的扩展的感知/印象、尤其是用于模拟自然阳光照明的照明系统。此外,本公开总体上涉及在室内房间环境空间中实现这种照明系统,以及涉及用于这种照明系统的光源。
背景技术
镜子成为室内建筑的重要组成部分,因为它们能够通过扩大感知体积来改善氛围的舒适感。一般来说,在现代和当代建筑中,反射表面被用来为观察者提供特定的感知。
以下公开至少部分地基于特定的基于纳米颗粒的反射单元,以及它们在主动照明领域中的应用,例如一般性的照明。
如本文将公开的,基于特定纳米颗粒的反射单元可以用于为观察者提供墙壁的特定视觉感知。这些单元可以提供特定的色彩和反射特征,其提供例如在2014年5月13日由相同申请人提交的国际专利申请PCT/EP2014/059802中所描述的太阳模拟照明系统的特性,其中对反射层和漫射层进行了组合。
关于类瑞利(Rayleigh-like)漫射层,由相同申请人提交的几个申请(例如EP2304478 A1,EP 2304480 A1和WO 2014/076656 A1)公开的照明系统使用了产生可见光的光源以及包含用于透射的纳米颗粒的面板,即光源和受照区域位于面板的相对侧上。在这些照明系统的工作过程中,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,与晴空条件下的地球大气相似地对入射光进行漫射。具体而言,这些概念是指具有较低相关色温(CCT)的定向光(相当于日光)和具有较大CCT的漫射光(相当于蓝色天空的光)。
然而,由于存在由于可能影响所期望的光学和视觉效果的颜色和亮度的不均匀性而导致的反射,例如在上面提到的PCT/EP2014/059802中引入反射特征可能影响所述感知。
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
这些方面中的一些或全部由独立权利要求的主题来解决。本发明的进一步改进在从属权利要求中给出。
关于应用于反射结构单元或者单独呈现给反射器的色彩漫射层将经受来自光源的光的两次通过或单次通过,本公开涉及由相同申请人提交的WO 2009/156348A1中所公开的光漫射器,该光漫射器为中午构型的天空太阳纳米漫射器。其中术语“天空太阳纳米漫射器”是指模拟自然天空对太阳光的漫射的光学漫射器。因此,本文公开的色彩反射单元可以在一些实施例中涉及WO 2009/156348A1中公开的那种类型的光学纳米漫射器。尤其是,该色彩漫射层可以包括基本上透明的固态基体,其中分散有多个呈固态的基本上透明的纳米颗粒,例如以薄膜、涂层或诸如夹层型实施例的块状材料的形式。在本说明书中,术语“漫射层”、“纳米漫射器”以及主动照明的实施例中的“色彩漫射层”通常表示光学元件,其包括嵌入有这些(基本上透明的)纳米颗粒的基体。
原则上,色彩漫射层能够根据自然界产生色彩分离的相同机制(色彩地)分离具有宽光谱带宽(例如通常为白光)的入射光的不同色彩分量。例如,瑞利散射产生了天空光和太阳光的光谱分布特性。更具体地说,色彩漫射层能够在受到可见白光照射时再现两种不同色彩分量的同时存在:漫射的天空状光,其中蓝色(换句话说,蓝色或“冷”光谱部分)占主导,以及透射的和由反射表面所反射的入射光,其具有蓝色减少的分量(换句话说,黄色或“温暖”光谱部分)。
关于色彩反射单元的色彩反射部分的反射特性,其结构是这样的,即基于纳米颗粒实现这样的特定光学特性,该特定光学特性包括红色方面比蓝色方面更高的镜面反射率,以及蓝色方面比红色方面更高的漫反射率。例如,可以在反射表面部分的至少50%上、优选地在至少70%上、或者甚至在至少90%上实现该光学性质。
这里,如在美国材料和试验协会(ASTM international)的E284-09a标准外观术语(Standard Terminology of Appearance)中所定义的,反射率通常是在给定条件下的发光通量与入射通量之比。例如,漫反射率是由反射通量与入射通量的比率所给出的相应样本的性质,其中除了在镜面反射角度的方向上之外,反射在由测量平面界定的半球内的所有角度上。类似地,镜面反射率是镜面角下的反射率,即与入射角相等且相反的反射角。在本公开的情形中,对于给定的波长和在反射表面部分上的给定位置,漫反射率和镜面反射率适用于相对于给定位置处的反射表面部分的法线具有45°入射角的非偏振入射光。对于测量来说,用于测量镜面反射率和入射光束的角度孔径的检测器的角度大小可以在对于本领域技术人员而言清楚明了的范围内选择。尤其是当考虑(白光)小角度漫射器时,例如,用于测量镜面反射率和入射光束的角度孔径的检测器的角度大小应当被配置为使得检测器接收在围绕反射轴的锥体内反射的光线。在一些实施例中,可以使用2×0.9°的角度孔径,如例如在用于介绍雾度计和光泽度计的BYK-Gartner“反射雾度的感知和客观测量(Perception and Objective Measurement of Reflection Haze)”,FriedhelmFensterseifer,BYK-Gardner,BYK-Gardner目录2010/2011)中所公开的。
此外,反射通量在所有可能的入射方位角上被平均。在漫反射率和/或镜面反射率的测量受到与色彩反射单元的构造相关的几何或其他物理约束的影响的情况下,本领域技术人员可以通过从色彩反射单元形成至少一个分离的色彩反射部分并直接在该部分上测量反射率来获得上述数量。关于微观结构性质的细节,例如参考上述公开说明书WO2009/156348A1。然而,微观参数的不同值也可能是适用的。例如,可以应用相对于非散射光产生更大量散射光的参数。类似地,为了最小化或至少减小镜面反射场景的可见度,人们可能倾向于增加对由于漫射光引起的对于色彩反射单元的亮度的作用,尽管由此产生的感知颜色可能偏离完美晴朗天空的颜色。例如,后者可能是由于其中出现多重散射而降低颜色饱和度的等级所引起,并且甚至可能在浓度低于引起多重散射的浓度下引起。
在下文中,示例性地概述了一些微观特征。
色彩效应基于具有例如10nm至240nm范围内的尺寸的纳米颗粒。例如,平均尺寸可以在该范围内。
从光散射的基础知识可以知道,包含透明基体和相对于基体具有不同折射率并且具有(明显)小于可见光波长的尺寸的透明纳米颗粒的透明光学元件将优先散射光谱的蓝色部分(蓝色),并透射红色部分(红色)。虽然对于小于或约等于波长λ的1/10的粒径,每单个颗粒的散射效率的波长依赖性接近λ-4瑞利极限定律,在纳米颗粒尺寸的上述范围内可以达到相应的可接受的光学效应。一般而言,共振和衍射效应可能会在尺寸例如大于波长一半的情况下开始出现。
另一方面,每个单一颗粒的散射效率随着粒度d的减小而减小,与d-6成比例,使得使用太小的颗粒不方便,并且在传播方向上需要大量的颗粒,这又可能受到允许的填充率的限制。例如,对于厚的散射层,嵌入基体中的纳米颗粒的尺寸(尤其是其平均尺寸)可以在10nm至240nm的范围内,例如20nm至100nm的范围内,例如20nm至50nm,而对于小型器件,例如使用诸如涂层和油漆之类的薄层,尺寸可以在10nm至240nm的范围内,例如50nm至180nm的范围内,例如70nm至120nm。
在一些实施方案中,可以在基体内提供尺寸在该范围之外的较大颗粒,但是那些颗粒可能不会影响类瑞利特征,并且例如仅有助于在镜面反射周围形成小角度散射锥。
色彩效应还基于折射率不同于嵌入基体的折射率的纳米颗粒。为了进行散射,纳米颗粒具有与基体nh(也称为主体材料)足够不同的实际折射率np,以允许发生光散射。例如,颗粒与主体介质的折射率之间的比率可以在0.5≤m≤2.5范围内,例如0.7≤m≤2.1范围内或0.7≤m≤1.9范围内。
色彩效应还基于由在给定方向上传播的入射光所见的每单位面积的纳米颗粒的数量以及体积填充率f。体积填充率f由给出,其中ρ[米-3]为每单位体积的颗粒数量。通过增加f,漫射层中的纳米颗粒的分布可能失去其随机性,且颗粒位置可能变得相关。结果,由颗粒分布散射的光经历了不仅取决于单颗粒特性而且取决于所谓的结构因子的调制。一般来说,高填充率的影响是散射效率的严重耗散。此外,尤其是对于较小的颗粒尺寸,高填充率也会影响散射效率对波长和角度的依赖性。人们可以通过使用f≤0.4,诸如f≤0.1或甚至f≤0.01,例如f=0.001这样的填充率f来避免那些“紧密堆积(closepacking)”效应。
色彩效应进一步基于根据有效粒径D=d nh的色彩漫射层的每单位面积的纳米颗粒的数量N。因此,d[米]是平均颗粒尺寸,其在球形颗粒的情况下定义为平均颗粒直径,以及在非球形颗粒的情况下定义为体积-面积当量(volume-to-area equivalent)球形颗粒的平均直径,如在[TC GRENFELL和S.G.WARREN,“通过散射和吸收辐射的独立球体的集合表示非球形冰粒(Representation of a non-spherical ice particle by a collectionof independent spheres for scattering and absorption of radiation)”。地球物理研究杂志(Journal of Geophysical Research)104,D24,31,697-31,709。(1999)]中所定义的。有效粒径以米为单位给出,或者在特别规定的情况下以nm为单位给出。
在一些实施例中:(D的单位为[米])以及例如,以及更具体地,以及
例如,对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例而言,(D的单位为[米])以及 例如,以及更具体地,以及
在旨在最小化镜面反射场景的作用的其他实施例中,(D的单位为[米])以及例如, 以及更具体地,以及
关于这些物理参数及其一般的相互作用,再次参考例如WO 2009/156348A1。
本文公开的色彩反射单元尤其是色彩反射部分的宏观光学性质可以用以下两个量来描述:
(i)单色归一化镜面反射率R(λ),定义为色彩反射单元的镜面反射率和参考样本的镜面反射率之间的比率,该参考样本与色彩反射单元相同,除了漫射层不包含尺寸在10nm至240nm范围内的纳米颗粒,即负责优先漫射入射辐射的短波长的纳米颗粒。
(ii)蓝色和红色光密度之间的比率γ定义为:γ≡Log[R(450nm)]/Log[R(630nm)],其度量色彩反射装置在入射辐射的长波长和短波长分量之间提供色度分离的能力。
在一些实施例中,所述色彩反射单元(尤其是色彩反射部分)可以具有:
R(450nm)的范围为0.05-0.95,例如0.1-0.9,例如0.2-0.8。例如,对于旨在模拟纯晴天的存在的实施例,R(450nm)可以在0.4-0.95的范围内,例如0.5-0.9,例如0.6-0.8。
在旨在减少(例如最小化)镜面反射场景所起的作用的实施例中,R(450nm)可以在0.05-0.5的范围内,例如0.1-0.4,例如0.2-0.3。
关于在一些实施例中的蓝色和红色光学密度之间的比率γ,γ可以在5≥γ≥1.5范围内,或者5≥γ≥2,甚至可以是5≥γ≥2.5,例如5≥γ≥3.5。
考虑到完整性,适于这种类型的应用的无机颗粒可以包括但不限于ZnO、TiO2、ZrO2、SiO2和Al2O3,其例如分别具有折射率np=2.0、2.6、2.1、1.5和1.7,以及在可见光区基本上透明的任何其他氧化物。在使用无机颗粒的情况下,可以使用有机基体或无机基体来嵌入诸如钠钙硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、熔融石英、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)的颗粒。通常,也可以使用有机颗粒,尤其是用于例如具有减少的或不具有紫外线(UV)部分的照明构型。
纳米颗粒的形状基本上可以是任何形状,而球形颗粒是最常见的。
如上所述,纳米颗粒和/或基体和/或另外嵌入的颗粒可能不吸收可见光,或者可能仅在一定的有限程度上吸收可见光。因此,离开色彩反射单元的光的亮度和/或光谱(即,颜色)可能仅非常少地或完全不受吸收的影响。可见光谱中基本上与波长无关的吸收也可以是可接受的。
在一些实施例中,使用与色彩漫射层关联的次级光源,例如用于从侧面对色彩漫射层进行附加照明。示例性实施例例如在WO 2009/156347A1中公开。在那些实施例中,色彩漫射层可以被配置为主要与该次级光源的光相互作用或者与来自两个光源的光相互作用以提供漫射光。
在一些实施例中,来自发光层的漫射光分量(例如,在那些与照明光束不相关的传播方向上)的CCT是照明光束的光的CCT的至少1.2倍或至少1.1倍。
在一些实施例中,反射表面是平面的或弯曲的,例如抛物面。
如下文当中将针对各种示例性实施例示例性描述的那样,将色彩漫射层的上述特征与本文公开的结构特征进行结合可以解决现有技术的一个或多个方面的问题。
此外,发光层可以是均匀的,从这个意义上来说,就发光层的任何点而言,发光层在该点处的物理特性不取决于该点的位置。此外,发光层可以为单体形式(monolithic)。
在一些实施方案中,球形或其他形状的纳米颗粒可以是单分散的(monodisperse)和/或具有[5nm-350nm]范围内的有效直径D,例如[10nm-300nm]或甚至[40nm-250nm]或[60nm-200nm],其中有效直径D由纳米颗粒的直径乘以第一材料的折射率得出。
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(也就是每平方米纳米颗粒的数量N,即由发光层的具有1m2面积的一部分表面所限定的体元内的纳米颗粒的数量)满足条件N≥Nmin,其中:
其中ν是等于1m6的量纲常数(dimensional constant),Nmin表示为数量/m2,有效直径D以米表示,并且其中m是颗粒与主介质折射率之间的比率。
在一些实施方式中,至少就面密度而言,纳米颗粒均匀分布,即在发光层上的面密度基本均匀,但纳米颗粒分布可在整个发光层上变化。例如,面密度的变化小于平均面密度的5%。这里的面密度旨在作为在大于0.25mm2的区域上定义的量。
在一些实施例中,面密度发生变化,从而补偿由光源照亮的发光层上的照度差异。例如,在点(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%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,后面的这些量在发光层的表面上平均。在这种情况下,尽管发光层上的光源2的照度分布不均匀,发光层的亮度也可以被均衡。在这种情况下,亮度是从给定方向上从表面发射(或照射在表面上)的光束在从给定方向观察时表面的每单位投影面积以及每单位立体角(solid angle)的光通量,正如在标准ASTM(美国测试与材料协会)E284-09a中所描述的那样。
在小D和小体积分数(即厚板)的限制下,面密度N≈Nmin预期产生大约5%的散射效率。随着每单位面积纳米颗粒数量的增加,散射效率预计会与N成比例地增长,直到发生多次散射或干扰(在体积分数高的情况下),这可能会影响颜色质量。因此,如在EP 2 304478A1中详细描述的那样,通过寻求散射效率与所期望的颜色之间的折中方案来选择纳米颗粒的数量。此外,随着纳米颗粒尺寸变大,前向光通量与后向光通量的比率增大,这个比率等于瑞利极限中的一个。而且,随着该比率的增大,前向散射锥的孔径变小。因此,比率的选择偏向于寻求在大角度散射光和最小化后向散射光的通量之间的折中方案。
根据以下描述和附图,本公开的其他特征和方面将变得清楚明了。
附图说明
并入本文并构成说明书的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。在附图中:
图1A和图1B是具有槽状反射器元件的用于太阳天空模拟的示例性照明系统的示意图;
图2A和图2B是用于具有带移位光源的半槽状反射器元件的用于太阳天空模拟的示例性照明系统的示意图;
图3A至图3C分别是具有带移位光源的半槽状反射器元件的示例性照明系统模块的侧视图、3D视图和仰视图;
图4是图3A至图3C的两个照明系统模块的并排布置的示意图;
图5是具有光井/框架实施方式的另一示例性照明系统模块的示意图;
图6A至图6C是用于示意性地示出太阳天空模拟的照明系统的视觉感知的3D视图、侧视图和一组仰视图;
图7A是基于CPC元件的光源的子单元;
图7B是由两个如图7A所示的子单元形成示例性线性光源的示意图;
图8是基于单侧敞开CPC元件的光源的子单元;
图9A和图9B是在光源的子单元中使用的基于透镜的元件的示意图;
图10A和图10B是如图9A和图9B所示的基于透镜的元件的对准和移位布置的示意图;
图11A和图11B是用于一个或多个子单元的单向增宽元件的3D视图和侧视图;
图12是安装在CPC元件的子单元上的一维增宽元件的示意图。
具体实施方式
以下是本公开内容的示例性实施例的详细描述。其中所描述的和附图中示出的示例性实施例旨在教导本公开内容的原理,使得本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中以及许多不同的应用中实现和使用本公开内容。因此,示例性实施例并非旨在且不应被认为是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。
本公开在某种程度上基于以下认识:为了感知太阳天空模拟和天空的相应深度,需要特别关注天空在感知中的均匀化以及天空相对于周围环境的遥远性。在此,提出了各种特征,其单独存在或与这些特征中的一个或多个其他特征组合可以帮助确保对太阳天空模拟的独特感知。
本公开在某种程度上还基于以下认识:尤其是用于室内安装的照明系统受益于主要产生的光的有效使用以及尤其用于维修和替换的光源的易获得性。
本公开在某种程度上还基于以下认识:提供模块化配置可以允许提供例如照明系统的所需长度的适应性。具体地,本文公开的照明系统概念提供了模块化的照明系统的配置,并且允许例如安装几个模块来形成线性阵列。具体而言,已经认识到,可以通过以不同方式针对两个正交方向分隔光学设计来实现使用相同模块的模块化配置。具体而言,发明人认识到槽状反射器可以提供反射结构,该反射结构特别是可以在纵向(圆柱形的轴线)方向上延伸,同时在该方向上光学状况保持不变,并且各模块之间基本上保持平滑的表面过渡。在横向(圆柱形的径向)方向上,反射器的弯曲可以用作光学准直元件。虽然各模块也可以在这个方向上对齐,但平滑的表面过渡以及光学状况的变化将会出现。因此,提出了可用于支持所排列模块的均匀印象的光学措施。
此外,人们意识到,需要紧凑的配置,允许在具有较少可用空间的环境中进行安装。本文公开的照明系统概念特别设计为用于走廊、步行隧道以及例如可能存在于地下室内环境中的一般的狭长空间。这尤其是由潜在的线性设计支持的。照明系统概念产生的照明效果旨在给人一种天花板开口的印象,因此可以帮助减少局促感。
关于太阳天空方面,本文公开的照明系统概念可以输出两个主要的光分量:具有狭窄发散角的相关色温(CCT)较低的光束以及具有大发散角的CCT较高的漫射分量。观察照明系统输出表面时,观察者将把CCT较高的分量理解为(蓝色)天空光,将CCT较低的分量理解为(明亮的)太阳光,这是照明系统概念的目标之一。因此,照明系统的外观可以设计为使得观察者将透过输出表面看到,在该输出表面后面,例如,太阳盘的图像(或者在一些实施例中,太阳盘的碎裂结构)被模拟天空的均匀的蓝色背景所包围。
本文公开的照明系统概念尤其基于以下两个方面:光谱方面,其中使用可见波长范围内的类瑞利散射由透明层或面板使用和实施,其中在该透明层或面板中分散有透明纳米颗粒,所述透明纳米颗粒具有与所分散的基体不同的特定折射率。太阳光束方面,其通过例如基于LED的原初光源的两级准直来实现。所述两级准直特别是使用反射单元的上述槽状结构。
关于反射配置,通常光源的高亮度(例如,光源的出射光瞳的高亮度)趋向于相对于镜子反射的场景的其余部分的较低亮度方面占主导地位(就房间中的观看者的视觉感知而言)。如果环境中的物体被排除在反射单元内的感知之外,那么超出反射单元的无限空间/无限距离的感知的效果可以保持有效。具体而言,发明人认识到,如果将光传播路径中的漫射(主要是前向散射)层(在此称为霜层)例如覆盖到反射表面或输出表面上,则可以确保这种排除。在这种情况下,该霜层用作抑制背景视野的光学感知、光源的不均匀发射以及照明系统的内部结构的视觉外观的对比度抑制单元(contrast suppressing unit)。设置霜层可以克服上述穿透减少(breakthrough reduction)的技术问题。
发明人进一步认识到,在一些实施例中,当观察照明系统时,可以使观察者基本上感知到三个主要元素:明亮的太阳模拟区域/峰值、均匀亮度的天空模拟(蓝色)背景以及天空模拟背景的直接环境(direct surrounding)。值得注意的是,本文公开的照明系统的整体效果可以类似于可以看到天空和太阳的敞开的窗户。
此外还认识到,与上述透射配置相反,在反射配置中光束可横向延伸超过天空模拟背景,即延伸到模拟天空的周围。因此,除了天空模拟(蓝色)背景的散射光之外,光束可能会影响直接环境的视觉感知,使得天空太阳模拟的印象也可能会失真。因此,发明人认识到,特别注意形成这种基于光束的天空模拟背景的直接环境照明的视觉印象可以增加扩展感知(widened perception)的效果。
作为特别适应的配置的一种类型,发明人意识到可以引入产生漫射光的漫射器。该漫射器例如可以具有白色或大体上任何清晰和/或明亮和/或均匀的颜色。另外,该漫射器可以定位在由光源发射的光的(直射)光束路径中和/或反射光的光束路径中。在这样的配置下,天空模拟背景的直接环境可能或多或少显得均匀明亮。取决于结构定向,该漫射器可以设计为白色的壁,其在天空模拟背景(根据观察方向,其中可以具有明亮的模拟太阳)周围形成光井外观。从而,天空模拟背景的直接环境可以配置为不抵消深度感知,尤其是,其可以配置为使得入射到其上的任何光都不会显著地抵消深度感知。
在下文中,描述了照明系统的示例性配置,其中特别是结合图1A至图2B描述了基本上仅在一个方向上弯曲(即槽状)的反射器的一般概念,结合图3A至图5描述了模块化配置,并且结合图6A至图6C描述了感知方面。然后结合图7A至图10B描述了光源的示例性构造。结合图11A至图12描述了一维增宽元件的示例性构造。由此,具有类似功能或特性的特征通过相似的附图标记来表示。然而,本领域技术人员将认识到,也可能存在实施方式的特定差异。
图1A至图2B示出了解决上述目标的照明系统100A、100B的示例性总体配置,尤其是示出了这些照明系统100A、100B内的光传播方面。
照明系统100A、100B分别包括光源102和反射表面104,光源102被配置为发射具有基本上在可见光谱范围上分布的波长的光。
总体设计使得光源102基本上从照明系统的一侧到另一侧沿一个方向(在此称为纵向或X方向)线性地延伸,而光源102仅在照明系统的范围的一部分上沿与纵向方向正交的方向(在此称为横向方向和Y方向)延伸。
通常,光源102可以例如是冷白光源。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汞介质弧碘化物(hydrargyrum medium-arciodide)灯的光发射器或基于卤素灯的光发射器以及相应光发射器下游的相应光学系统。
图1A和图2A分别示出了在Y-Z平面中穿过照明系统100A、100B的示意性剖视图,而图1B和图2B分别示出了在X-Z平面中穿过照明系统100A、100B的示意性剖视图。
在X-Y平面内,反射表面104基本上在照明系统100A、100B的整个尺寸上延伸。但是,如图1A、图2A的剖视图所示,反射表面104沿着Y方向弯曲,而沿着X方向是线性的。这种一维弯曲构造在本文中也被称为线性/弯曲形状。
而且,照明系统100A、100B在照射反射表面所需的垂直Z方向上具有厚度。具体地,光从光源102的出射侧发射。该出射侧具有与各个发光单元相关联的多个发光区域。来自每个发光区域的光在基本类似的发射立体角内发射,使得所有发光区域一起形成照射反射表面104的光束。
在图1A和图1B所示的实施例中,反射表面104被配置为在Y方向上具有最大曲率的抛物面反射表面,其沿着X方向上的线104A基本居中地跨过照明系统100A。相反,在照明系统100B中,线104A基本上沿一侧延伸。相应地,图1A中的线104A相对于用光束带的中心部分进行照明的光源102定位,而在图2A中的线104A定位在光束带(图3A所示的光束带220B)的边界部分的旁边(例如内部或外部)。值得注意的是,对于弯曲反射表面104的抛物面形状,线104包括各个抛物面的对称点。
光源102位于抛物面形状的对应焦线中或至少靠近抛物面形状的对应焦线。因此,从下方照射反射表面104将导致光束在被反射表面104反射之后基本向下传播,使得在天顶(zenith)处感知到“太阳”图像。然而,对于照明系统100A,光源102沿着线性设置居中地延伸,因此阻挡了照明系统100A的中心线。相比之下,对于照明系统100B,光源102位于反射光束的一侧,并且光束可以延伸到与照明系统100B的光源102相反的一侧。
如将结合图4所描述的那样,沿Y方向延伸到一侧允许并排安装照明系统100B类型的两个系统,使得两个耦合的抛物面(具有不同的单独光源)可用于延长Y方向的照明尺寸。
如上所述,对于两种配置,光源102和反射的光束基本上从照明系统的一侧延伸到另一侧。因此,原则上可以在X方向上(在图1B和图2B的右侧用虚线表示)排列可自由选择数量的(相同类型的)照明系统,从而延伸反射表面并增加光束尺寸。
因此,这些配置允许用于在X方向上缩放复合照明配置的尺寸的模块化概念,而不会使整个反射表面的形状不连续。相反,照明系统100B的第二实施例的Y方向上的尺寸加倍是通过沿着边界的表面中的突变部相连接(参见图4)。
然而,相邻模块之间的任何过渡可能会引起外观上的一些局部变化。例如,通过在输出光束中引入前向散射,可以减少或甚至消除这种外观变化。例如,所谓的漫射器(例如粗粒漫射器)可以被提供为延伸跨越任何过渡的输出窗口。
在一些实施例中,如图5所示,这种(粗粒)漫射器106(在图1A和图2A中用点划线示意性地示出)可定位在光源之下或光源之间。在图1A中公开的一个实施例中,可以安装两个(粗粒)漫射器106(例如两个磨砂玻璃面板)以将光源102与反射表面104的边界以V形实施方式连接。在另一个实施例中,漫射器106在光源102下方延伸。
粗粒漫射器106可以具有由多个马赛克状表面结构形成的连续的粗粒表面,多个表面部分用于与光束相互作用。马赛克状表面结构可以包括基于几何形状的多面(faceted)结构,例如多面体状形状,诸如棱柱形状、金字塔形状、楔形形状和立方体形状,其中所述多面结构从连续粗粒表面延伸或延伸到连续粗粒表面。所述多面结构可以包括相邻刻面和/或曲面刻面的圆形过渡。
当沿着包括连续粗粒表面的光路观察时,对马赛克状表面结构的相关区域进行选择,以提供光源出射区域的视野的碎裂(fragmentation)。多个表面部分被配置为对入射光束部分进行重定向(redirect),使得连续粗粒表面下游的光束的尺寸变宽,观察者区域上的照度值减小,重定向的光束部分所呈现得局部发光峰值所具有的亮度与发射表面的亮度相当,和/或在重定向光束部分周围感知到散射(“蓝色”)光。粗粒漫射器的马赛克状表面结构可以相对于连续粗粒表面上的形状和定向而部分规则地、不规则地或随机地布置。
马赛克状表面结构的相关面积(即,单个马赛克状表面结构的平均横向尺寸,尺寸基本上与表面部分的尺寸相当,由一个完整的表面振动限定)在大约0.5mm到2cm的范围内,并且特别选择为使得马赛克状表面结构可以在与光照系统的观察者相关联的距离范围内(例如,大于1m或5m的距离)被眼睛解析。
再次参照图1A和图2A,与上述说明的考虑一致,天空-太阳概念基于将类瑞利散射体引入到光束路径中。在接近可见光谱范围内的瑞利散射的状态下的光散射导致入射光束的非散射透射部分与(类瑞利)散射漫射光部分之间的色散分离。由此,可以感知大传播角的蓝色漫射光分量和作为太阳的光源的无限远处的图像。
可以通过使用分别包括每单位面积所需量的散射体的“薄”层或“厚”面板(这里通常被称为色彩漫射层108)来实现蓝色(较高CCT)漫射光的色彩分离和产生。这种层可以是施加到反射表面的膜或涂层。在其他实施例中,该层可以被应用于延伸横穿光束的另一界面,或者可以将面板设置在弯曲反射器附近,或者从弯曲反射器分开,只要从照明系统出射的光在离开照明系统之前已经穿过色彩漫射层108。色彩漫射层108的两个示例性位置在图1A和图2A中的每一个中被示意性地示出为虚线。
图1A至图2B进一步说明了特别是在Y方向上的光准直中的基本的两级(two-stage)概念。在图1A至图2B所示的示例性实施例中,光源102被设计为沿着一个方向(X方向)具有窄发散角的发射并且沿着横向方向(Y方向)具有宽发散角。
上述两级准直通过作为光源102的一部分的光学系统(第一级)来实现。光源102的光学系统在一侧上被配置为提供沿X方向所需的准直。例如,使LED光(作为原初光源的示例)沿着一个方向准直,在此示例性地称为(纵向)X方向。该光学系统可以提供较大的发散度,即在(横向)Y方向上具有减小的准直度,例如具有均匀的强度分布。在图1A和图2A中,Y方向上的大发散由箭头110A表示,而X方向上的小发散由图1B和图2B中的箭头110B表示。参照图7A至图12,描述了光学系统的示例性实施例。那些光学系统还可以允许沿X方向和Y方向形成非常锐利的光发射截止(cutoff),这可以避免或减少源自弯曲反射器周围的杂散光。
对于沿Y方向的准直,通过反射表面104的曲率提供第二级,使来自光源的光输出(在X方向和Y方向上具有较大的发散差异)沿横向的Y方向准直。Y方向上减小的发散由图1A和图2A中的箭头110C表示。
可以选择反射表面104的曲率,使得所得到的最终光发射以例如类似的方式(例如在三倍的范围内)沿着X方向和Y方向准直。两个方向上的准直对应于“太阳”模拟分量的准直。因此,反射表面下游的光束角发散度应当在0.5°至20°的范围内,例如3°至15°。因此,光学系统已经在X方向上提供了相应的发散度,而光学系统可以在反射表面的上游提供横向上的光束角发散度,该光束角发散度在30°至160°的范围内,例如从40°至140°的范围内,例如从50°至120°的范围内。
例如,反射表面可以由在Y方向上具有抛物面形状的弯曲反射器(例如槽状反射器)提供。并且,弯曲反射器具有焦线,该焦线可以被布置成对应于光源102的出射表面。然后,沿着Y方向的准直通过光源102的出射表面沿着Y方向的尺寸与抛物面反射器在Z方向上的焦距之间的比率给出。
通常,反射表面可以形成为具有类似抛物面凹入式圆柱镜的沿着Y方向的凹入的半圆柱状形状。反射表面被配置为仅在与X方向正交的平面(即沿着Y方向的平面)中使得光源的光线准直。例如,该抛物面的有效焦距可以选择为使得沿着Y方向的输出发散角大致为10°,由此例如接近或等于可能由CPC几何结构(光源的光学系统的设计)决定的X方向的发散度。
相反,X方向上的发散不受弯曲反射器影响,因为光源发出的光被弯曲反射器规则地反射(在X方向上基本上是线性的),并且保持了其源于该光源的发散度。因此,光源被配置为在X-Z平面中表现出像太阳一样的低发散性,并且产生沿着X方向的亮度角分布(luminance angular profile),其在其宽度上可以匹配Y方向上的反射和准直亮度的宽度。
光源可以具有基本上不依赖于X坐标的亮度,以沿着X方向基本一致,并且该亮度通常弱依赖于Y方向上的方位角(azimuth angle),但相对于其在X方向上的光轴角依赖性显示出窄峰。例如,所述亮度角分布可以相对于Y方向上的亮度分布的依赖性具有大于60°、例如大于90°、或者甚至大于120°的FWHM(半峰全宽),并且相对于X方向上的亮度分布和轴向角的依赖性具有小于45°、例如小于30°、或者甚至小于15°的FWHM。
在下文中,举例说明了通过例如引入附加的散射元件可以确保类似太阳的外观的措施。第一个措施是介绍之前提到的前向散射体。第二个措施是框架表面的介绍,特别是可能导致通过天花板的开口看到的诸如蓝天等光井外观。
第一种措施特别针对位于原初光源下面的矩形或正方形几何形状。原初光源的这种几何约束通常可以产生非圆形的“太阳”图像,例如,两级准直之后的角分布将被感知为方形太阳。
可以通过在光束穿过的表面或界面处设置一层小角度白光漫射霜(例如发射涂料层)来修改所感知的形状。例如,发明人已经认识到,7°FWHM漫射涂料可以将10°×10°的正方形卷积(convolve)成几乎圆形的感知形状。在一些实施例中,通过在色彩反射表面上设置小角度白光漫射层来获得涉及由色彩反射表面反射的光的圆对称角发散的产生的改进。小角度白光漫射层充当低带通滤波器(low-band pass filter),因此通过用圆对称函数(circularly symmetric function)对其进行卷积来使包括光源图像在内的任何图像发亮(bloom)。
这样的小角度白光漫射霜层也可以避免“太阳”图像被感知为朝向弯曲反射器的边界变形。由于Y方向上的弯曲,从抛物面看,光源的有效尺寸由于反射表面和光源之间的较大距离而发生变化。小角度散射的卷积可能会极大地减少输出角光束的变化。
此外,使用小角度霜可能会降低“太阳”图像的亮度,因此与“没有霜”的情况相比,“太阳”将看起来没那么明亮。
另外,由于光源102的出射表面的范围以及弯曲形状与抛物面形状的偏差,所以光束特性可能不完全在Y方向上移位不变(shift invariant),例如,相关联的主要传播方向可以在Y方向上的光束范围内变化。
通常,这种前向散射层的示例性位置与图1A和图2A中所示的粗粒漫射器106的位置相似。例如,前向散射层可以设置为上述(粗粒)漫射器106,或者在上述(粗粒)漫射器106之外设置。在一些实施例中,前向散射层可以结合到设置有反射表面的反射器单元中,在一些实施例中与色彩漫射层一起(如图1A和图1B中双点划线114所示)。
第二个措施涉及使照明平滑化和/或在模拟天空旁边提供恒定的照亮印象。
这里,基于漫射器结构116来解释该措施,该漫射器结构116在本文中也被称为光井白漫射器或白漫射壁元件。漫射器结构116可以设置为覆盖照明系统100A和100B内的区域,这些区域可能具有诸如照明不足的问题外观,因为来自光源102的光可能不会到达那些区域。此外,这些区域可能会受到来自各种界面(例如粗霜面板)的杂散光的影响。
例如,选择漫射器的白色外观可以形成其颜色与紧挨着它们的“天空”部分的对比。当纳米颗粒涂覆的反射表面的边界部分没有像中心部分那样被强烈照射时,这尤其可以突出天空的外观。这是因为,例如光强度沿着Y方向朝向角发散的边界衰减,使得紧挨着白色漫射器的那些边界区具有比反射表面的上部/中心部分更低的亮度。该区域可能因此显示为“浅灰”蓝色。用白色漫射器产生的颜色对比可以增强蓝色的效果并且至少部分地纠正该外观。
在一些实施例中,白色漫射壁可以不被来自抛物面反射器的直接反射照射,或者它们仅在非常小的掠射角(grazing angle)下被该分量照射。然而,这些白色漫射器壁主要由蓝色漫射光、来自下游面板的任何背向反射以及直接来自光源102的杂散光照射。
定位在反射光束中并且“隐藏”白色漫射器的霜面板(例如定位在照明系统的出射面上)将会使不同的“天空”亮度和来自观察者的各种颜色之间的差异变得不明显。
如图1B和图2B中示意性所示,在X方向上,壁118可以由于与白色散射壁类似的原因而被配置,或者被配置为具有纳米颗粒涂覆的反射表面以扩展天空的壁。
漫射器结构或漫射壁元件对于白色是必需的,但其可以具有例如白色或一般而言任何清晰和/或明亮和/或均匀的清晰颜色。
在下文中,结合图3A至图3C描述照明系统模块200,其能够通过在X方向上排列可选数量的模块来形成放大的天空区域。而且,可以在Y方向上设置如结合图4所述的一对模块。
照明系统模块200包括作为用于保持照明系统模块200的各种部件(例如光源102)的支撑结构的安装件210、用于冷却光源102的冷却单元212、覆盖光源102的安装区域的装饰罩214以及基本上限定照明系统模块200的出口孔的漫射板216。
安装件210设有面向光源102的出口孔的反射表面204,该反射表面204被配置成所期望的形状,其用于沿Y方向对光进行准直,但基本上仅沿X方向反射光,即它在X方向和Y方向上分别是线性的和弯曲的,如以上所述。具体而言,在Y方向上,表面204可以具有抛物面,该抛物面被移位而使得以其中心点204A位于安装件210的光源侧区域处。
此外,产生人造“天空”亮度的类瑞利漫射器材料可以是反射表面204上的涂层,反射表面204下游的单独面板,和/或甚至集成到漫射板216中。通常,弯曲的反射表面204可以由诸如Alanod Miro 27箔这样的镜面铝箔制成。可以通过形成例如金属(例如铝或钢)保持框架的安装件210将箔应用到弯曲表面(特别是抛物面形状),或者反射表面204可以配置为自支撑结构。
在移位结构中,光源102从出口孔移位而不在中心位置。因此,它不会遮挡通过出口孔离开照明系统模块200内部的光束220A的一部分,由于基本上所有内部光束220B的光都进入到待照亮的环境室,因此照明系统模块200的效率增加。换句话说,该移位结构能够进一步形成连续的出口孔,其总宽度与线性/弯曲表面相当。
在移位结构中,当从下方观看照明系统时,光源102位于反射表面的光源侧部分的前方。在反射表面与色彩漫射层组合的情况下,该部分可能受到照度均匀性降低的影响。如在横截面图中可以看到的那样,光源102进入到照明系统的内腔。因此,它一方面遮挡了可能不够完美的模拟太阳的直接观察。另一方面,该结构提供了更大的天空模拟区域,即在光源上方沿Y方向延伸的反射表面204,使得观察者能够围绕/越过(look around/beyond)光源102观察。因此,通过遮挡位于光源102下方的观察者的直视观察来遮蔽天空的“光源102后面”的袋状部分而将光源102用作光束块。
图3C示出了在光束220A内的观察者所看到的照明系统模块200的仰视图。观察者将在光源侧看到装饰罩214。在装饰罩214旁边,漫射板216将被感知为朝向天空的窗口(由点222表示的蓝色漫射光),其中由反射表面204反射的光源102的光孔将被感知为太阳(由阴影圆圈224表示的黄色直射光)。
值得注意的是,移位结构可以具有较不均匀的反射表面的照明,在反射表面被类瑞利漫射器材料涂覆的情况下,该反射表面确定人造“天空”亮度的轻微不均匀性。
此外,沿着Y方向(即光束例如被抛物面镜进行准直的方向)的输出发散角可以在整个抛物面上(沿着Y轴)从头至尾稍微改变。漫射板216的白光小角度漫射霜效应可以减小该变化,因为它将来自抛物面镜的角输出进行卷积。在漫射板216之外或作为其替代,可以将漫射层设置在反射表面本身之上。此外,这里提到的粗霜(例如作为照明系统模块的出射窗口的单独层)可以具有相同的有益效果。
通常,光束内可能存在一些照度调制。例如,由于构成光源102的潜在的LED阵列的离散结构,和/或由于光源102的光学系统的可能的结构缺陷,光束中可能存在不同照度的线。例如,尽管通常不太明显,但是折射光学元件可以在Y方向上产生阴影线。虽然(例如结合图11A至图12所讨论的)折射光学元件可能能够沿着Y方向冲洗出(wash out)这样的结构,但是这些结构可以沿着X方向存在并且被感知为在天空中的阴影线。例如2°FWHM的小发散角霜可以用来冲洗这些阴影线。小角度漫射器可散射到例如范围从1°到15°的散射锥中。它可以是散料(bulk)漫射器,例如嵌入透明基体中的微米级颗粒(具有比在色彩漫射器中尺寸大得多的尺寸,例如微米级),或微米级(1微米至数微米)的表面结构。除了在出射窗口处设置这种产生霜的散射层之外或作为其替代,其可以例如应用于反射表面(将在下面介绍)和/或直接例如在折射光学元件(将在下面介绍)的外表面处和/或在面向弯曲反射器的表面处设置光源102。在一些实施例中,它甚至可以结合在折射光学元件本身中。
参照图4,图3A至图3C的模块200与相同类型的另一模块200'组合,使得它们的光源侧限定组合照明系统300的相对的两端。
替代地,安装件210可以制成为一个公共单元(由虚线310表示),从而形成如上所述的具有耦合的例如抛物面表面结构的单个结构模块。
在一些实施例中,作为小的单个输出窗口的替代方案,公共输出窗口316可以覆盖耦合的反射表面204并且可以配置为漫射板。在任何情况下,公共输出窗口316的宽度可以是耦合的反射表面204中的一个的宽度的大约两倍。
如上所述,每个反射表面204(现在处于输出窗口316的中心)的远端的照明条件可能不同于更接近光源102的那些。在一些情况下,可能存在亮度的跳变(jump)。在一些实施例中,额外的散射层340可以被施加到出射窗口上,形成在X方向上延伸并且在Y方向上具有有限宽度的条带。散射层340也可以作为在出射窗口上形成的图案,其为吸收性或不透明的。额外地或可选地,可以在中心设置一个或多个漫射器壁342。此外,各个结构还可以作为输出窗口316的安装件。
图5示出了照明系统模块400的另一个实施例,以说明漫射壁的方面。如图1A和图2A所示,在反射表面204的远端侧设置(例如白色的)漫射壁元件116。除漫射壁元件116之外或作为其替代,可以在照明系统模块400内的光源侧设置漫射元件316A、316B、316C。由于例如杂散光、背向反射等,所述位置可能特别受到不均匀的照明条件的影响。具体而言,漫射元件316A、316C对于观察者可以是可见的,并且有助于光井的外观(如白色漫射壁元件116)。这些元件316A、316C不需要是白色的,也可以例如是纳米颗粒涂覆的镜子或镜箔,或者例如白色或明亮颜色的漫射元件。
总的来说,如图3A至图3C或图4和图5所示的照明系统的模块可以一个接一个地连续安装布置,或者作为独立的单元在例如天花板内重新创建多个孔。基于模块化概念,可根据项目、环境和/或可用空间由建筑师/设计师自定义该布置。
总的来说,如图3A至图3C或图4和图5所示的照明系统的模块可以具有可控的尺寸,例如沿X方向和Z方向延伸至约0.5m并且沿Y方向延伸至1m(单部件设计中的双结构可以更大)。然而,更大的尺寸也是可能的。光源配置(特别是其在安装状态下在Z方向上的厚度以及可实现的Z方向上的发散度)限定了这些尺寸。例如,一起揭露的光源可以允许更薄的模块。
在图6A至图6C中,示出了由观察者对于本文公开的由单元/模块组成的照明系统500的感知。基于以上所述并且包括曲面反射层的发散补偿,从下方并且从一定距离直接看到在出射窗口516后面的曲面反射层的观察者在角孔径Δυ下看到明亮的闪光区域524。
图6B表示了沿Y方向穿过照明系统500下方时观察者的位置A至D。相应的感知在图6C的相应图示中示出。观看照明系统的观察者可以将闪光区域524感知为蓝色天空状背景(由点522表示)围绕的几乎在无限远处的光源。当照明系统500被设计成让观察者将前景中的特征(例如出射窗口516处的结构)理解为窗户自身的特征,同时考虑来自无限远处的闪光区域和周围蓝色天空状背景时,可产生这种无限的突破效应。
从光束220A之外观察出射窗口516时,观察者仅能看到来自类瑞利散射的漫射光(图6C;A部分)。当移动到光束220A中时,观察者首先看到出现的(太阳似的)闪光区域524的一部分(图6C;B部分),然后是完整的闪光区域524(图6C;C部分),然后其再次消失(图6C;D部分)。
类似地,如图6C(C部分)所示,观察者在光束220A内沿X方向行走时将类似地把闪光区域524'看作是跟随其移动的太阳外观(表示闪光区域524'的虚线圆圈)。
观察者看到闪光区域524时的角宽不再取决于观察者–光源距离,而仅取决于光源在Y方向上的宽度和抛物面反射表面的焦距。例如,在理想条件下,对于在Y方向上的宽度例如为0.05m的线性光源,约0.30m的焦距使得观察者在Y方向上以大约10°的角度感知到闪光区域。观察者在X方向上感知到闪光区域的角宽不会由于存在弯曲反射器而改变(由于X-Z平面中的无限焦距),因此也使得在X方向上以大约10°的角度感知闪光区域(假设光源采用相应的光学设计)。这意味着对于任何观察–光源距离以及对于Y方向上的给定光源宽度和光源亮度分布,光源闪光区域的基本上各向同性或至少不拉长的外观条件,即条件Δυ_X=Δυ_Y,可以通过适当选择抛物面镜焦距来满足。因此,本文公开的概念能够基于可能在X方向上具有任意大的长度的照明系统而沿着X方向和Y方向产生等宽的太阳图像的外观。
换句话说,上述因素,诸如Y-Z平面中的聚焦能力、光源的各向异性角度亮度分布、X方向上的所述角度亮度分布的均匀性、圆柱形抛物面形状和光源在反射镜焦线处或其附近的位置、以及最后要提但同样重要的是对入射光的短波长进行散射的能力,同时有助于创造无限远处的蓝天和明亮太阳光斑的外观,其中沿X方向产生的天空窗口的尺寸可以任意大。
值得注意的是,考虑到完整性,可以通过光束所基于的界面的粗粒结构而附加地或替代地使用所谓的粗粒漫射器来影响对光束发散的感知。在大角度处,蓝色漫射光基本上不受粗粒漫射器影响地传输。然而,在小角度处,“太阳”的图像在构成粗粒漫射器的颗粒内部碎裂。在每颗颗粒内的峰值亮度与原始“太阳”图像的峰值亮度相同。整体效应类似于通过磨砂玻璃(如浴室或淋浴房中使用的玻璃)来看太阳。如在小角度白光漫射霜层的情况下,粗粒漫射器也避免感知变形的“太阳”图像。
图7A和图7B示出了包括多个发光单元603并且沿着X方向在安装状态下延伸的线性光源602的示例性构造。具体而言,光源602包括电子板640以及基于安装在电子板640上的发射器并由电路板内的电路供电和控制的原初发光单元的线性阵列。对于太阳-天空模拟的实施例,原初发光单元被配置为在可见光范围内发射光以基本上包括可见太阳光谱的所有波长或至少足够宽的光谱,以实现太阳模拟。
光源602还包括CPC(复合抛物面聚光器)反射器642,其作为用于准直原初光的光学系统的示例。
每个发射器例如包括具有一个或多个LED(例如矩形白光LED)的LED装置,例如沿Y方向排列的一系列的LED。LED可以沿着X方向放置在线性阵列的组当中。在每一组内部,LED沿着Y方向彼此邻接。
LED装置可具有LED发射区域,其例如并排布置以形成LED条带,从而形成发射由LED发射区域之间的暗线中断的光的矩形区域。
LED装置的光被相应的光学系统(即CPC反射器642)收集并准直,其中该光学系统在其输出侧发射光。CPC反射器642分别由两对抛物面反射面643(所谓的矩形CPC反射器)形成,并且与它们各自的LED装置光耦合,以将X方向和Y方向上的发散角减小到例如X方向上10°的发散角和Y方向上30°的发散角,即10°×
30°的全角孔径。
LED装置被配置为在CPC输入侧尽可能多地输入原初光,但空间上留下的任何黑暗将调制(modulate)CPC反射器642的输出光束,其在一些实施例中可以通过在离CPC反射器642的输出侧一定距离处提供的霜(frost)效果来补偿。这些暗线可以作为阴影线被接收在光束中,所述阴影线被变换成由类瑞利散射产生的蓝色“天空”中的调制。为了冲洗(washout)这样的结构,可以应用白光小角度霜片来覆盖整个CPC阵列的出射面,即,尤其是也覆盖下文结合图8所述的那些开口CPC的侧向出口。
再次参照图7A,CPC反射器642可以在X方向上沿着一条线彼此平行地布置,使得一个CPC反射器642的输出侧的长边与相邻CPC反射器642的长边接触。这能够沿着X方向保持例如10°(全角度)的发散度,同时沿着横向的Y方向保持小的横向输出面孔径。
CPC反射器642可以由具有高反射效率(例如约98%的反射)的铝制成。
模块可以包括用于CPC反射器的正确运行和对准的定位和形状保持元件。在一些实施例中,光源602可以包括用于多个CPC反射器的对准的至少一个安装板。例如,如图7A所示,出口安装板644包括单个安装开口,该安装开口被调节为适应多个CPC反射器642的布置。入口安装板646包括用于多个CPC反射器642中的每一个的安装开口。几个距离保持器648以相应的距离和相对定向对入口安装板646和出口安装板644进行安装。
参照图7A,光源602可被认为是产生沿X方向延伸的光束的线性照明器或投影仪。如上所述,光源602可以定位在弯曲反射表面的焦线处或附近,以便或多或少地完全照亮它。
图7A示意性地示出了用于基于LED和CPC阵列的光源模块的模块配置。具体而言,该LED和CPC阵列的示意性设计可以形成例如大约0.25m长度的模块。
一系列如图7A所示的模块可以一个接一个地安装,以获得长度约为几米的单个细长光源602'。一个或多个模块可以与一个弯曲反射器相关联,并且多个弯曲反射器可以形成组合的照明系统装置。图7B中示出了相应的包含两个光源602的光源组,两个光源602由安装件650连接。
在Y方向上例如提供30°全孔径角的CPC配置可能不发散或需要太大的距离以完全照亮反射表面104、204的大部分。例如,如果要获得照明系统的大输出表面,则需要采用沿着Y方向的大型弯曲反射器,使得30°的孔径将仅照射这种弯曲反射器的一小部分。
除了增加距离或调整反射器尺寸之外,以下描述了两种方法,其能够在Y方向上产生较大的发散度。
第一种方法基于矩形CPC反射器在Y方向上的形状的修改。在图8中示出了形成用于光源702的光学系统的一系列示例性修改的宽CPC反射器742。具体地,例如,10°×100°CPC反射器可以沿着Y方向(非常地)伸长。通过允许一定量的非准直光线通过,CPC反射器可以被切割,使得横向尺寸较小。
尽管如图8所示的宽CPC反射器742可以提供横向Y方向的角发散,从而在Y方向上照射完整的弯曲反射表面,其拓宽了弯曲反射器所见的有效光源。在一些实施例中,这可能导致沿着Y方向从弯曲反射器出现较大的输出角发散,使得一系列可能的重影图像可能出现在光束中。此外,宽的CPC形状可以提供可能不够均匀的光分布,并且可能不呈现沿Y方向的锐截止(sharp cut-off)。第一个可以通过光的各自均匀化来解决,第二个可以通过照明系统装置中的各个孔来解决。
在一些实施例中,LED可以包括圆顶透镜,例如用于减小X-Z平面中的发散的柱面透镜。在一些实施例中,原初发射器包括代替CPC反射器62的LED和全内反射器(TIR)透镜,或者TIR透镜和CPC反射器的组合。
图9A和图9B是用于小型光源(在此称为LED-CPC-透镜单元)的示例性原初发光单元803A、803B的示意性横截面。具体而言,LED 805的光由作为第一聚光元件的CPC元件807准直。准直后的输出光束809由常规的准直透镜811(图9A)或菲涅耳透镜811'(图9B)进一步准直。如果不使用第一聚光阶段,则该结构借助于透镜811、811',第一聚光阶段的输出表面的形状或者LED的形状向无限远处(远场)投射。如果CPC输出面或LED为正方形,则最终发散为正方形,角宽由输出面孔径与透镜焦距之间的比率来得出。
在一些实施例中,LED-CPC-透镜单元中的CPC可以由诸如圆顶透镜或全内反射器(TIR)透镜或场透镜之类的另一准直元件代替。
在一些结构中,输出发散813可以是旋转(例如圆形)对称的,或者至少在X方向和Y方向上是相当的。然后可以使用折射元件来扩大Y方向上的发散,例如高达100°或更大(见图11A和图11B)。在其他实施例中,LED-CPC-透镜单元自身被配置用于相应的非对称的光束发散。
在一些实施例中,LED-CPC-透镜单元具有正方形或矩形形状,从而能够形成多个LED-CPC-透镜单元的阵列而没有很多黑暗(非照明)的区域。
多个LED-CPC-透镜单元可以沿着Y方向并排放置成两个或三个单元的组,然后将这些单元沿着X方向布置为线性阵列。例如,图10A的实施例示出对称阵列结构900A,而图10B示出阵列结构900B,其中沿着Y方向并排放置的少数(例如两个或三个)LED-CPC-透镜单元中的一个(构成沿着X方向以线性排列的组)沿着X方向对于相邻的行移位,使得结果呈交替模式,从而减少例如阴影线对称。
通常,用于LED-CPC-透镜单元的CPC形状还可以是圆形CPC,例如进一步对应于圆形LED。尽管这样的结构可能会降低抛物面镜上的均匀性,但抛物面镜准直后产生的太阳图像可能比在采用正方形CPC的类似情况下更圆。
如图11A、图11B和图12所示,用于校准原初光源的原初光的光源的光学系统可以另外包括折射光学元件870。折射光学元件被配置为调整从CPC阵列出射的输出角度。折射光学元件870具体配置为,如果例如与如上所述的小角度发散霜结合,则沿着横向Y方向扩大角度分布,同时沿着该方向和/或还沿着X方向额外引入均匀性。
光学元件870例如包括透镜元件,该透镜元件在多个发光单元上(或者两个或更多个发光单元的至少一个子组)沿纵向方向X基本线性地延伸,并且被配置为使得从光源102出射的光在横向(Y)上的发散度增加到至少50°、60°、90°或大。
参考图11A的3D视图和图11B的横截面图,折射光学元件870通过柱面透镜872在Y方向上产生角扇形放大。柱面透镜872形成在X方向上线性延伸的柱面透镜结构的阵列。可以选择X方向上的长度以覆盖例如光源的CPC阵列的部分或全部,或甚至多于一个的CPC阵列,即多个光源。选择折射特性以确保照明系统的抛物面反射表面的大部分几乎由光源均匀地照射。
如图11B所示,折射光学元件可以被构造成包括在Y-Z平面中的具有椭圆形状的柱面透镜,因为根据潜在的几何形状,来自正常柱面透镜的输出发散角对于大的弯曲反射表面的尺寸可能不够大。在一些实施例中,透镜可以实现60°至120°范围内(例如约100°)的角度孔径。
此外,图11B示出了示例性地定位在折射光学元件870的平坦侧上的霜层806。霜层806可以实施小角度散射,例如在2°至3°的范围内。从而,它以旋转对称的方式提供了局部发散的扩大,这减少了如上所述的阴影线。在一些实施例中,霜层806可以设置为例如安装在折射光学元件870或CPC装置的顶部的单独面板。
参考图12,具有折射光学元件870的光源的出射部分的横截面图示意性地示出了折射光学元件870安装到图7A示例性示出的CPC结构的出射侧上。折射光学元件870安装到间隔保持器648,使得柱面透镜阵列延伸穿过单独CPC出射侧以及沿X方向并排定位的多个CPC元件。
在这里,虽然该示例性实施例特别涉及中午构型,但是本领域技术人员将会理解,基于基本概念,照明系统可以类似地制成具有倾斜的光束方向(例如,通过倾斜整个装置或者仅倾斜例如反射器这样的单独元件)。
例如,抛物面镜/反射表面204上的反射下游的平均反射光束方向(反射光束)220A与出射窗口的法线形成约30°至约60°范围内的角度,该角度优选地从大约40°至大约50°,例如45°。换句话说,将抛物面镜/反射表面204的受光部分的重心(或面中心)与出射窗口(例如具有或不具有类瑞利漫射器材料的漫射板216)的重心(或面中心)连接的线可以在这些角度范围内与出射窗口的法线形成角度。
例如,参照图3A,利用内部光束220B照射反射表面204,该内部光束220B相对于漫射板216(具有或不具有类瑞利漫射器材料)在其平均光束方向上基本上平行,相应地调整反射表面204的曲率或转动可使得反射光束220A在上述范围内(例如在约45°下)穿过漫射板216。这样的实施例可以具有这样的优点,即光源102被定位在相应外壳的顶部或旁边,并且可以容易地从顶部或侧面触及。
上述角度范围可以特别适用于使用外观影响系统的照明系统,例如由同一申请人在同一天提交的题为“LIGHTING SYSTEM WITH APPEARANCE AFFECTING OPTICAL SYSTEM(具有外观影响光学系统的照明系统)”的国际专利申请中公开的那些方案,该申请通过引用纳入本文。
如本文所示,散射方面与纳米颗粒和主体材料之间的相对折射率有关。因此,纳米颗粒可以指固体颗粒以及具有纳米尺寸并嵌入主体材料中的光学等效液体或气相纳米级元件,通常而言例如液体或气相包含物(例如纳米微滴、纳米空隙、纳米包含物、纳米气泡等)。包含固体基质中的气相包含物(纳米空隙/纳米孔)的示例性材料包括通常由具有纳米级尺寸的三维金属氧化物(例如二氧化硅、氧化铝、氧化铁)或有机聚合物(例如聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯和环氧树脂)固体框架承载孔(空气/气体包含物)形成的气凝胶。包含液相包含物的示例性材料包括具有纳米级尺寸的液晶(LC)相,通常称为包括纳米微滴的液相,其被限制在通常可以具有聚合物性质的基体中。原则上,市场上有很多种LC,例如由Merck KGaA(德国默克集团)提供。典型的液晶类可以包括氰基联苯和氟化化合物。氰基联苯可以与氰基三联苯和各种酯混合。属于该类的向列型液晶的商业实例是“E7”(来自MerckKGaA的BL001)。此外,诸如TOTN404和ROTN-570这样的液晶可以从其他公司(例如瑞士的Hoffman-LaRoche<罗氏公司>)获得。
关于LC,可以存在折射率的各向异性。这可以允许使用分散在固体透明基体材料中的液晶微滴作为纳米尺寸范围内的散射颗粒(例如用于类瑞利散射)。具体而言,可以通过改变施加在液晶微滴上的电压来设定有效的相对折射率,例如,使用设置在夹层结构中的电触头(诸如ITO PET膜或ITO玻璃片)之间的聚合物分散液晶(PDLC)层的夹层结构并且使用电源在PDLC层上施加电压。具体而言,创建电场在一定程度上使液晶定向在不同纳米微滴内对齐。对于进一步的细节,可以参考相同申请人在同一天提交的题为“阳光模拟照明系统中的可调谐性(TUNABILITY IN SUN-LIGHT IMITTING LIGHTING SYSTEMS)”的国际专利申请,在此通过参考并入本文。
此外,如上所述,照明系统可以沿纵向方向(X)在反射表面上游具有在约0.5°至20°(例如3°至15°)范围内的光束角度发散度,并且沿横向方向(Y)具有在约30°至160°(例如40°至140°,甚至50°至120°)范围内的光束发散度和/或沿纵向方向(X)在反射表面下游的光束角度发散度在约0.5°至20°(例如3°至15°)的范围内,并且横向方向(Y)上的光束角度发散度在约0.5°至20°(例如3°至15°)的范围内,和/或者其中在两级准直之后,沿反射表面下游的纵向和横向方向的光束角度发散度是相当的,例如在大约0.5°至20°(例如3°至15°)的范围的三倍以内。
例如,在一些实施例中,从光源和任何原初光学器件出射的光的角度孔径(光束角度发散度)可以在8°至20°(一个方向)和25°至45°(正交方向),例如15°/35°。此外,由反射表面(例如,在抛物面反射器的下游)反射的光的角度孔径可以在8°至25°(一个方向)和5°至25°(正交方向)的范围内,诸如15°/10°。
例如,在反射表面的上游,沿纵向方向(X)的光束角度发散度可以为15°,沿横向方向(Y)的光束角度发散度可以为35°,而在反射表面的下游,沿纵向方向(X)的光束角度发散度可以维持在约为15°,而沿着横向方向(Y),光束角度发散度可减小到例如10°-15°。
参考图11A中所示的柱面透镜872,折射光学元件870可以进一步包括例如具有矩形小透镜孔径的均化微光学器件阵列,以产生与来自与LED阵列(方形LED)相关联的市售TIR透镜阵列的光输出的角扇扩大。
尽管本文已经描述了本发明的优选实施例,但是也可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下引入改进和修改。

Claims (25)

1.一种照明系统(100A,100B),包括:
光源(102),其被配置为提供在可见光谱范围内的光束带(220B),该光束带(220B)沿纵向方向(X)具有低发散度并且沿与所述纵向方向(X)正交的横向方向(Y)具有高发散度;
反射器单元,其包括支撑结构(210)和反射表面(104),所述反射表面(104)沿所述纵向方向(X)具有基本上线性的延伸,并且围绕沿所述横向方向(Y)延伸的焦线形成弯曲的延伸,其中所述光源(102)被定位成将来自所述焦线的区域的光发射到所述反射表面(104)上,使得所发射的光被至少部分地反射以形成定向非漫射光的反射光束(220A),由于所述反射表面(104)沿所述横向方向(Y)的准直效应,所述反射光束(220A)在所述纵向方向(X)和所述横向方向(Y)上具有相当的发散度,并且所述光源(102)位于所述反射光束(220A)的一侧;和
色彩漫射层(108),其包括嵌入在基体中的多个纳米颗粒,其中所述色彩漫射层(108)被定位为使得所述反射光束(220A)的至少一部分穿过所述色彩漫射层(108),从而通过比所述可见光谱范围内的光的长波长分量更有效地散射所述可见光谱范围内的光的短波长分量来产生漫射光。
2.一种照明系统(100A,100B),包括:
光源(102),其被配置为提供在可见光谱范围内的光束带(220B),该光束带(220B)沿纵向方向(X)具有低发散度并且沿与所述纵向方向(X)正交的横向方向(Y)具有高发散度;
反射器单元,其包括支撑结构(210)和反射表面(104),所述反射表面(104)沿所述纵向方向(X)具有基本上线性的延伸,并且围绕沿所述横向方向(Y)延伸的焦线形成弯曲的延伸,其中所述光源(102)被定位成将来自所述焦线的区域的光发射到所述反射表面(104)上,使得所发射的光被至少部分地反射以形成定向非漫射光的反射光束(220A),由于所述反射表面(104)沿所述横向方向(Y)的准直效应,所述反射光束(220A)在所述纵向方向(X)和所述横向方向(Y)上具有相当的发散度;和
色彩漫射层(108),其包括嵌入在基体中的多个纳米颗粒,其中所述色彩漫射层(108)被定位为使得所述反射光束(220A)的至少一部分穿过所述色彩漫射层(108),从而通过比所述可见光谱范围内的光的长波长分量更有效地散射所述可见光谱范围内的光的短波长分量来产生漫射光,其中在所述光源(102)的出射侧设置有小角度散射层(806)。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中沿所述纵向方向(X)在所述反射表面(104)上游的所述光束角度发散度在0.5°至20°的范围内,并且沿所述横向方向(Y)的所述光束角度发散度在30°至160°的范围内,和
沿所述纵向方向(X)在所述反射表面(104)下游的所述光束角度发散度在0.5°至20°的范围内,并且沿所述横向方向(Y)的所述光束角度发散度在0.5°至20°的范围内。
4.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中
所述光源(102)包括
沿所述纵向方向(X)形成阵列的多个发光单元(603,803A,803B),每个发光单元(603,803A,803B)包括配置为发射可见光谱范围内的光的原初光源单元,以及原初光学系统(642,811,811'),其用于接收来自所述原初光源单元的光,并将所述光在输出侧准直成沿所述纵向方向(X)的纵向角展和沿所述横向方向(Y)的横向角展。
5.根据权利要求4所述的照明系统(100A,100B),其中所述光源(102)还包括光学元件(870),其在所述光源(102)的出射侧延伸跨过所述多个发光单元,所述光学元件(870)配置为接收来自所述多个发光单元的所述光,并且将所述横向方向上的所述光束发散度扩展到所述高发散度。
6.根据权利要求5所述的照明系统(100A,100B),其中所述光学元件(870)包括透镜元件,所述透镜元件在所述多个发光单元上或者在两个或多个发光单元的至少一个子组上沿所述纵向方向(X)基本线性地延伸,并且所述光学元件(870)被配置为使得从所述光源(102)出射的光的发散度沿所述横向方向(Y)增加。
7.根据权利要求5所述的照明系统(100A,100B),其中所述光学元件(870)包括由一系列纵向延伸的柱面透镜(872)所形成的柱面透镜阵列,其中所述柱面透镜(872)具有至少部分椭圆形的横截面。
8.根据权利要求1所述的照明系统(100A,100B),其中在所述光源(102)的出射侧设置有小角度散射层(806)。
9.根据权利要求1所述的照明系统(100A,100B),其中所述光源(102)还包括位于所述光源(102)的出射侧的光学元件(870),小角度散射层(806)设置在所述光源(102)的所述出射侧,其位于所述光学元件(870)的一侧或两侧,或者在所述光学元件(870)的平面上。
10.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),还包括:
出射窗口(416),其中所述反射光束(220A)通过该出射窗口离开所述照明系统的内部;和
至少一个漫射壁元件(116),其基本上沿所述反射表面(104)和所述出射窗口(416)之间的所述反射光束(220A)的传播方向延伸。
11.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中,所述反射表面(104)沿着在所述纵向方向(X)上延伸的线(104A)在所述横向方向(Y)上包括其最大曲率,相对于所述光源(102)定位以用所述光束带(220B)的中心部分进行照明,或者定位在所述光束带(220B)的边界部分上,或者位于所述光束带(220B)的边界部分内或之外。
12.根据权利要求1所述的照明系统(100A,100B),其中所述光源(102)还包括位于所述光源(102)的出射侧的光学元件(870),所述光源(102)还包括用于定位所述光源(102)的所述光学元件的距离保持器(648),和/或
所述焦线沿着所述光源(102)的出射侧而形成。
13.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中沿所述纵向方向(X)在所述反射表面(104)上游的所述光束角度发散度在3°至15°的范围内,并且沿所述横向方向(Y)的所述光束角度发散度在40°至140°的范围内,和/或
沿所述纵向方向(X)在所述反射表面(104)下游的所述光束角度发散度在3°至15°的范围内,并且沿所述横向方向(Y)的所述光束角度发散度在3°至15°的范围内;和/或
其中在两级准直之后沿着所述反射表面(104)下游的所述纵向方向和所述横向方向的所述光束角度发散度是相当的,在0.5°至20°的范围的三倍以内。
14.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中,所述光源(102)包括多个发光单元(603,803A,803B),所述发光单元中的至少一个包括具有发光区域的多个LED结构,所述发光区域并排布置以形成LED条并形成被LED发光区域之间的暗线中断的矩形发光区,并且所述多个LED结构的光被相应的光学系统收集并准直。
15.根据权利要求14所述的照明系统(100A,100B),其中,所述相应的光学系统包括折射光学器件和/或反射光学器件。
16.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中所述反射器单元包括线性抛物面反射表面,所述线性抛物面反射表面沿所述横向方向(Y)在一角度范围上延伸,使得所述光源(102)基本上位于所述反射光束(220A)之外,和/或
其中所述反射表面(104)为槽状。
17.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中,所述色彩漫射层位于所述反射表面的旁边和上游,使得所述光束的至少一部分在被所述弯曲反射表面反射之前和反射之后穿过所述色彩漫射层,并且所述反射表面和所述色彩漫射层被配置为提供红色方面比蓝色方面更高的镜面反射率以及蓝色方面比红色方面更高的漫反射率,和/或所述色彩漫射层为面板形状或构造为槽状镜面箔上的涂层,和/或
所述色彩漫射层包括平均尺寸在小于或等于250nm范围内的光散射元件,这有助于类瑞利散射。
18.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中选择所述纳米颗粒的折射率相对于所述基体的折射率的差异、所述纳米颗粒的尺寸分布以及每单位表面积的纳米颗粒的数量,以提供红色方面比蓝色方面更高的镜面反射率以及蓝色方面比红色方面更高的漫反射率,以及
其中,所述镜面反射率的差值和所述漫反射率的差值作为对于可见光谱中的蓝色部分和红色部分的平均值给出,和/或
其中所述纳米颗粒和所述基体基本上是不吸收光的。
19.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中所述光源(102)还包括位于所述光源(102)的出射侧的光学元件(870),单独的漫射器(106)、所述色彩漫射层(108)和/或所述光学元件(870)包括小角度漫射颗粒和/或表面结构,其有助于增加前向散射并且具有比用作类瑞利散射体的所述纳米颗粒更大的尺寸,以及
其中所述小角度漫射颗粒以比由所述类瑞利漫射器产生的全宽半峰值发散度更窄的全宽半峰值发散度进行散射。
20.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),其中所述光源(102)还包括位于所述光源(102)的出射侧的光学元件(870),单独的漫射器(106)、所述色彩漫射层(108)和/或所述光学元件(870)包括小角度漫射颗粒和/或表面结构,其有助于增加前向散射并且具有比用作类瑞利散射体的所述纳米颗粒更大的尺寸,以及
其中所述小角度漫射颗粒以所述类瑞利漫射器产生的全宽半峰值发散度的三分之一的全宽半峰值发散度进行散射。
21.根据权利要求1或2所述的照明系统(100A,100B),还包括
多个马赛克状表面结构的连续粗粒表面,其提供与所述光束相互作用的多个表面部分,其中,
所述马赛克状表面结构的相关区域被选择为使得在沿着包括所述连续粗粒表面的光路观察时产生所述光源发射区域的视野的碎裂,以及
所述多个表面部分被配置成对入射光束部分进行重定向,使得
所述连续粗粒表面下游的所述光束的尺寸变宽,
对观察者区域的照度值降低,
重定向的光束部分呈现具有与所述发射表面的亮度相当的亮度的局部发光峰值,和/或在重定向的光束部分周围感知到漫射光。
22.根据权利要求21所述的照明系统(100A,100B),其中,所述连续粗粒表面形成在单独的漫射器(106)的至少一个表面侧上。
23.根据权利要求21所述的照明系统(100A,100B),其中,在所述连续粗粒表面上设置有反射层。
24.一种光照系统,包括:
多个如权利要求1-23中任一项所述的照明系统(100A,100B),其中,相邻的照明系统沿所述纵向方向(X)彼此相邻定位,使得所述反射表面形成连续表面,从而形成由所述多个照明系统的一系列光束(220A)组成的带状光束。
25.根据权利要求24所述的光照系统,其中至少两对照明系统沿所述纵向方向(X)彼此相邻地定位,使得所述反射表面形成连续表面,从而形成由一系列成对的光束(220A)所组成的带状光束,和/或
其中在横向方向相邻的照明系统之间的边界处,设置有小角度漫射器和/或明亮或白色的壁结构。
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