CN108700278A - 具有放大的感知窗口区域的太阳天空模拟照明系统 - Google Patents

Abstract

用于特别是形成房间的房间边缘（12）的照明系统（1），包括放大的天空感知提供单元（2），其包含形成内边缘（14）的透光面板（3）和具有反射面（13A）的镜单元（13）。照明系统还包括光源（41），其配置成通过透光面板（3）将直射光束（43）发射到镜单元（13）上，使得光束的透射部分（9）被反射面（13A）完全反射，从而产生特别是用于模拟太阳光束的反射的直射光束（17）。

Description

具有放大的感知窗口区域的太阳天空模拟照明系统

技术领域

本公开总体上涉及照明系统，尤其涉及用于光学地提供环境空间的加宽感知/印象的照明系统，并且特别地涉及模拟自然阳光照明。此外，本公开总体上涉及例如在室内房间中实现这样的照明系统。

背景技术

用于封闭环境的人工照明系统通常旨在改善用户体验的视觉舒适性。特别地，已知照明系统模拟自然照明，特别是阳光照明，特别是使用具有高相关色温(CCT)和大显色指数(CRI)的光。这种要模拟的户外照明的特性取决于阳光和地球大气之间的相互作用并产生特定的色调(shade)特性。

以下公开至少部分地基于特定的基于纳米颗粒的类瑞利(Rayleigh-like)散射单元，以及它们在诸如一般照明的主动照明领域中的应用。然而，通用概念还可适用于太阳模拟照明系统的其它实施例。

使用类瑞利(Rayleigh-like)漫射层，由相同申请人提交的的若干申请(诸如EP 230 478 A1、EP 2 304 480 A1和WO 2014/076656 A1)公开了使用产生可见光的光源的照明系统，以及包含用于透射的纳米颗粒的面板，即光源和照明区域位于面板的相对侧。在那些照明系统的运行期间，面板接收来自光源的光并作为所谓的瑞利漫射器(在本文中也通常称为瑞利面板或简称面板)进行透射，即它与晴空条件下的地球大气类似地漫射入射光。具体来说，这些概念是指对应于阳光的具有较低相关色温(CCT)的定向光，以及对应于蓝色天空光的具有较大CCT的漫射光。

通常，对于模拟太阳的照明系统，装置需要提供类似太阳般的从上到下延伸的太阳似的光束。因此，在天花板上模拟天空的要求导致天花板后面的照明系统需要空间，并因此影响建筑物/房间的底部到天花板的参数。

因此，本文公开的概念的目的是提供对空间要求较低并且仍然提供用户所期望的模拟自然照明条件的照明系统所需的视觉舒适性的模拟太阳的照明系统。本文公开的概念的另一个目的是提供由模拟自然光照条件的照明系统提供的扩展的天空感知。

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解决。在从属权利要求中给出了本发明的进一步改进。

在第一方面，公开了一种用于太阳天空模拟照明系统的放大的天空感知提供单元，其位于特别用于形成房间边缘的内边缘构造中。所述单元包括：透光面板，其配置成从正面发射漫射光，和镜单元，其具有位于所述透光面板旁边的反射面，以与所述透光面板一起形成内边缘。所述透光面板的尺寸小于所述镜单元的尺寸。这使得至少从预定区域内可以观察到经反射的完整的正面。

在一些实施例中，沿着所述透光面板的所述内边缘的方向的尺寸，特别是其最大延伸，小于所述镜单元的沿着所述内边缘的方向的尺寸。例如，正面的宽度和/或高度分别小于反射面的宽度和/或高度。

在另一方面，一种特别是用于形成房间的房间边缘的照明系统包括：放大的天空感知提供单元，其包含透光面板和具有反射面的镜单元，它们相对于彼此形成例如如上所述的内边缘，以及光源，其配置为通过透光面板将直射光束发射到镜单元上，使得光束的透射部分被反射面完全反射，从而产生特别是用于模拟太阳光束的反射的直射光束。

在另一方面，建筑物的房间包括由侧壁和天花板形成的房间边缘。该房间还包括具有放大的天空感知提供单元的照明系统，例如如上所述，其中天空感知提供单元的透光面板和单元的镜单元分别设置在侧壁和天花板上，反之亦然，以形成表示侧壁和天花板之间的过渡的内边缘。

在另一方面，公开了一种用于形成房间的房间边缘的一部分的照明系统。该照明系统包括例如如上所述的放大的天空感知提供单元，其包含具有正面的透光面板和具有反射面的镜单元，它们相对于彼此形成内边缘，以及光源，其配置为以所述光束的透射部分经过所述镜单元的方式通过所述透光面板发射直射光束，其中所述透光面板和所述镜单元形成所述内边缘。

根据上述方面，发明人的天空延伸概念创建了关于感知的太阳天空模拟照明系统的实施例的非常强大的布局，其可以基于例如在WO 2014/076656A1中所公开的照明系统，并提供了放大的感知窗口区域。在那些实施例中，反射面设置在瑞利面板附近，例如，它以例如约90°的角度附接到瑞利面板上。因此，“在附近”意味着分别位于正面和反射面上的最近的两个点之间的距离小于面板的平均宽度的一半、三分之一和/或四分之一。在这种情况下，例如沿着内边缘的延伸方向测量所述宽度。

发明人的天空延伸概念的结果是，例如在WO2014/076656A1中公开的照明系统可以(例如垂直地)安装或配置成沿向上方向发射直射光束。因此，照明系统的光源可以定位在墙壁的下部后面，因此，比安装在天花板上方的照明系统更容易接近。此外，房间的高度可能不再受照明系统安装的影响。例如，模拟太阳天空的照明系统可以装入例如高2.7米的标准房间中。此外，由于瑞利面板的感知反射图像，所感知的窗口的尺寸增大。

根据以下描述和附图，本公开的其他特征和方面将是清楚易知的。

附图说明

并入本文且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，并且与描述一起用于解释本公开的原理。在附图中：

图1A和1B是分别在房间的透视图和剖视图中由天空感知单元提供的天空延伸概念的用于太阳天空模拟的示例性照明系统的示意图；

图2是示出放大的天空感知提供单元的感知的示意性剖视图；

图3是用于说明放大的天空感知提供单元的ae过渡单元的示例性构造的示意性剖视图；

图4A至4C是具有光井特征的示例性照明系统构造的3D视图和示意性剖视图；

图5A和5B是基于照明系统的实施例的墙壁后面安装的示例性剖视图，该照明系统使用单独的光源来产生光束，该光束被引导以照射面板以产生漫射光；和

图6A到6C是基于照明系统的实施例的一个墙壁后面安装和两个天花板后面安装的示意性剖视图，所述照明系统使用大面积光源来产生例如靠近用于产生漫射光的面板的直射光。

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。

本公开部分地基于这样的认识：为了感知太阳天空模拟，需要特别注意感知中的天空的均匀性降低以及保持所期望的方向性。在本文中，各种特征单独地呈现或与这些特征中的一个或多个其他特征组合，可以帮助确保特别是对于放大的天空感知提供单元的太阳天空模拟的独特感知。

本发明还部分地基于以下认识：用于特别是室内实施方式的照明系统可受益于对放大窗口尺寸的感知以及特别是用于维修和更换的光源的可接近性。

此外，还认识到需要允许在具有较小可用空间的环境中(特别是具有标准高度的房间)安装并同时仍然提供大的窗口外观的配置。由本文公开的照明系统概念产生的照明效果旨在给出天花板中和墙壁(例如顶部)中的开口的印象，因此可以帮助减少约束感。

对于在墙壁处提供面板的光井类型集成的实施例，进一步认识到，应当避免在模拟直射光束的太阳光束反射之前的任何向上照射，以不提供不一致的例如从底部照射的被“太阳”照射的面，因为这将与来自顶部的所预期的太阳似的照明形成明显对比。因此，光井不应被直射光束照射，特别是反射之前。

此外还认识到，可以至少部分地调整光束的尺寸，以使照明不延伸超出镜单元(特别是反射面)的边界。将直射光束保持在反射面内将避免任何对向上照明的感知。类似地，可以避免过渡单元和/或光井的任何面在与预期的太阳光方向不一致的方向上的照射，从而在反射面反射直射光束之后，不引起在具有由传播方向给出的正确预期照明方向的感知的上述冲突。

本公开还部分地基于以下认识：蓝色天空模拟的反射将在漫射发射中存在一些梯度或不均匀性的情况下产生反向梯度(reverse gradient)或镜像不均匀性，使得感知将受到影响。这可能显得不自然，并影响与太阳天空模拟相关的无限深度感知。发明人认识到，在“真实”模拟天空和“反射”模拟天空之间引入人为不一致将使得感知对梯度或不均匀性的所不希望的变化/镜像不太敏感。具体地，面板和镜子之间的空间由过渡单元调节以产生视觉不连续性。

本发明还部分地基于以下认识：希望提供这样的情况，其中模拟的太阳光束自上而下延伸，并且优选地从高于观察者眼睛的位置开始。在天花板的位置处引入镜子将提供来自上方的模拟太阳光束，而天空至少部分地在墙壁处延伸。通常，本文公开的天空延伸到墙壁上将提供来自墙壁的舒适的基于天空的照明(如下所述)，而在窗户的该部分中不会看到太阳。而且，这允许照明系统易于维修和安装。因此，在一些实施例中，面板是垂直定向的，并且镜子例如沿着天花板水平地位于面板上方。

参考图1A中所示的房间的透视图和图1B中所示的房间的边缘的剖视图，太阳天空模拟照明系统1安装在房间中，以产生阳光通过窗户照进房间的的印象。照明系统1包括用于在透射模式下运行的用于产生漫射光的透光面板3，其作为放大的天空感知提供单元2的第一部分。这意味着光源(未示出)通常(光学地)设置在透光面板3的另一侧，即基本上在房间之外，而产生的漫射光用于照亮房间。

透光面板3安装在房间的墙壁5的上部。如下文将更详细说明的那样，透光面板3具有正面3A，漫射光7从该正面3A发射。漫射光7表示例如蓝色天空的模拟，因此被感知为天空的光。例如，透光面板3被配置为类瑞利漫射光发生器，其基于纳米颗粒执行由光源产生的直射光束的类瑞利散射(参见下面关于类瑞利散射的更详细信息)。直射光束的透射部分9由图1B中的箭头示例性地示出，其从面板3向上延伸到房间的天花板11。直射光束的透射部分9基本上包括所有不被认为是漫射光7并且源自光源的光。墙壁5和天花板11之间的过渡在这里被称为房间边缘12的示例。假设垂直延伸的正面3A，光束的部分9例如相对于垂直方向(即相对于正面3A)以大约20°到80°的角度范围进行传播。

照明系统1还包括安装在房间的天花板11处的镜单元13，其作为放大的天空感知提供单元2的第二部分。镜单元13具有反射面13A，其沿着天花板11定位并且延伸到透光面板3旁边(例如，形成天花板表面的一部分)。镜单元13可以包括反射面13A，其通常是反射光的任何类型的光学作用界面。例如，镜单元13的反射面13A可以是铝层的表面或部件之间的界面，例如反射涂层。

具体地，镜单元13(特别是反射面13A)和透光面板3(特别是正面3A)形成墙壁5和天花板11之间的过渡的一部分。该部分在本文中被称为放大的天空感知提供单元2内边缘14，一旦单元2安装在房间中，在物理上被认为是房间边缘12的一部分，但在感知方面，在理想情况下观察者不会将其视为房间边缘。因此，反射面13A相对于正面3A以一角度延伸。具体地，内边缘14具有内边缘角β，正面3A以该内边缘角β相对于反射面13A延伸。内边缘角β在约50°至130°的范围内，例如约70°至110°。例如，正面3A和反射面13A作为平面表面以80°至100°之间的角度(例如图1B所示的约90°)延伸。

正面3A的尺寸小于反射面13A的尺寸。例如，正面3A的宽度Wf和高度Hf分别小于反射面13A的宽度Wr和高度Hr。在这种情况下，例如，沿着内边缘(即墙壁和天花板之间的过渡)的延伸的方向测量宽度，而与宽度正交地(例如分别在正面或反射面的平面中)对高度进行测量。正面3A的宽度Wf和高度Hf的值分别可以是例如1m和0.5m，或者分别是2m和1m。通常，较大的尺寸在0.5m至2m或甚至高达3m的范围内。较小的尺寸可以与较大的尺寸具有相同的尺寸或大约一半的尺寸，低至较大的尺寸的约25％或更小。本领域技术人员将理解，该尺寸可以在相应的范围内自由选择，并且取决于照明系统的实施类型。因此，反射面13A的宽度Wr和高度Hr的值可以分别是例如1.5m和0.75m，或者分别是2.8m和1.5m。通常，尺寸的下限是透射部分9在反射面13A的平面中的照明区域。

假设正面3A与透射部分9的传播方向之间存在倾斜，宽度Wf将与由倾斜角度给出的平面正交地测量，而高度将在由倾斜角度给出的方向上测量(如图所示)。如本领域技术人员将理解的，与反射面13A的尺寸应该更大相比，倾斜不影响宽度Wf。然而，原则上，如果只是想要确保透射部分9完全照射反射面13A，则倾斜可以降低对反射面13A的高度Hr的最小要求。在那些“倾斜”光束实施例中，高度Hr可以约为或甚至小于高度Hf。在上述实施例中，例如0.5m(或0.3m)以及1m(或0.8m)。然而，即使在非最佳观察条件下(例如在从远处的大观察角度下)，延伸高度Hr达到和超过高度Hf(即使对于倾斜的情况)将允许观察者看到完整的正面3A。

此外，选择正面3A和反射面13A的相对布置，使得观察者可以在限定的观察区域内通过镜单元13的反射观察正面3A及其周围15。通常，可从房间内(特别是从限定的观察区域内)观察到反射的完整正面3A。

通常，单元2被配置成使得漫射光7以及漫射光的反射至少部分地发射到内边缘角区域16中。

另外，反射面13A反射直射光束的透射部分9，以形成沿向下方向行进到内边缘角区域16中的反射光束17(如图1B中的箭头所示)。假设反射面13A水平延伸，反射光束17例如相对于(向下)垂直方向(即相对于正面3A，假定其垂直安装)以约20°至80°的角度传播。如果观察者位于反射光束17内，则特别给出了观察完整正面3A的可能性。

照明系统1的反射光束17表示模拟照进房间的太阳光并照亮其落在其上的任何东西。模拟太阳在图1A中示出为在镜单元13的反射面13A中的正面3A的反射图像3A'的区域中的圆形斑点19。正面3A的反射图像3A'在图1A中由虚线表示。光源(特别是光源的发射表面和发射的直射光束的发散)具体地配置成被感知为均匀明亮区域，其根据太阳观测者位置范围内的观察者位置改变其在正面3A的反射图像3A'内的相对位置。太阳观察者位置在上述观察区域内。此外，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，所以将术语“太阳观察者位置”示例性地参照“太阳”。然而，例如也可以用照明系统1来实现月亮的模拟。在太阳观察者位置外移动，观察者仍然可以看到漫射光的反射(即天空模拟的反射)，但是他将位于光束发散之外。甚至移出观察区域，反射条件可以使得观察者不再看到漫射光(即正面3A)，而是仅观察到例如靠近正面3A的墙壁的一部分的反射。

示例性光源例如公开在WO 2015/172794A1中。光源具体被配置为以窄发射立体角发射光以形成沿向上的主光束方向传播的光束。例如，光源在光谱的可见区域中发射光，例如，波长在400nm至700nm之间。此外，光源发射的光(可见电磁辐射)的光谱宽度优选大于100nm，更优选大于170nm。光谱宽度可以定义为第一光源的波长光谱的标准偏差。

如上所述，照明系统1包括透光面板3形式的作为类瑞利漫射器工作的漫射光发生器，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分量能更有效地漫射短波长分量，例如，面板3基本上不吸收可见光范围内的光，并且对波长为450nm(蓝色)的光的漫射效率至少是波长约为650nm(红色)的光的1.2倍、例如至少1.4倍、例如至少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比给出。在上述专利申请EP 2 304 478A1中还详细描述了类瑞利漫射器的光学性质和微观特征。下面还提供了对微观特征的进一步了解。

假设在其背面由特定形成的光束照射的实心面板的实施例，透光面板3将以四个分量对光源的入射光束进行色度分离，具体而言如下：

透射(定向非漫射)分量(光束9)，由穿过并且不产生显著偏差的光线形成，例如，由产生小于0.1°的偏差的光线形成；透射分量的光通量是入射在面板3上的总光通量的重要部分(分数)；

前向漫射分量，由传播到房间内的散射光(以上称为漫射光7)形成(除了该光束方向和与该光束方向相差小于0.1°的角度的方向之外)；前向漫射分量的光通量对应于从入射在面板上的总光通量产生的蓝色天空光部分(分数)；

后向漫射分量，由远离房间传播的散射光形成；后向漫射分量的光通量通常在蓝色天空光部分的范围内，但优选小于蓝色天空光部分；和

反射分量由反射光形成并沿远离房间的反射镜角方向传播，反射分量的光通量例如取决于光束在面板背面上的入射角。

应注意，在照明系统的其他实施例中，可以使用大面积光源，其允许例如将光源和面板结构合并在一个单元中。例如，由相同的申请人在2015年8月28日提交的尚未公布的PCT/EP2015/069790中，公开了大面积光源的示例性配置，其通过引用并入本文。同样在这种情况下，透射(定向非漫射)分量(光束部分9)和由散射光形成的前向漫射分量(漫射光7)由照明系统产生并发射到房间中(参见图6A至6C的公开内容)。

已经说明了，透光面板3的光学性质可以是这样的：

蓝色天空光部分在5％至50％的范围内，例如在7％至40％的范围内，或者甚至在10％至30％的范围内，或在15％至20％的范围内；

前向漫射分量的平均CCT明显高于透射分量的平均相关色温CCT，例如可以是其1.2倍、1.3倍、1.5倍或以上；

透光面板3不显著地吸收入射光，即所述四个分量的总和至少等于80％、或90％、或者甚至95％、或者97％或更大；

透光面板3主要进行向前散射，即大于向后散射的1.1倍、或1.3倍、或1.5倍或2倍或以上；和/或

透光面板3可以具有低反射度，即小于入射光的9％、或6％、或甚至小于3％、或2％的一部分被反射。

通常，光源可以是例如冷白光源。光源的示例性实施例可包括基于LED的光发射器或基于放电灯的光发射器或基于镝灯(hydrargyrum medium-arc iodide lamp，HMI，汞中弧碘化物灯)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。

透光面板3通常被配置用于以第一颜色发射漫射光7，例如，在天空模拟蓝天色的情况下，并且包括作为观察者在观看时可以看到的可见前部区域部分的正面3A。

例如，光束的漫射光7的第一颜色和透射部分9的第二颜色可以在CIE 1976(u’，v’)颜色空间中被分开至少0.008，例如至少0.01、0.025或0.04，其中色差Δu’v’被定义为u’v’颜色空间中的欧几里德距离。特别是对于太阳模拟构型，第二颜色的照明光束CCT可以接近普朗克轨迹(例如，在800K到6500K的范围内)。在一些实施例中，第二颜色可以对应于距离普朗克轨迹的最大距离例如为0.06的u’v’点。换句话说，距普朗克轨迹的距离例如在800K至6500K的范围内，由Δu’v’≤0.060给出。

对于本领域技术人员显而易见的是，取决于透光面板3与入射光束的特定相互作用，光束的透射部分17的颜色和/或CCT可能受到影响。根据纳米颗粒的类型及其浓度，入射光和透射部分17之间的CCT差值可以是例如至少300K或甚至1000K或更大。

参考图2中所示的光学感知，当从具有照明系统1的房间的边缘处的太阳观察者位置的范围内观察时，观察者将看到例如对应于正面3A和反射面13A的一部分21的蓝色区域，来自该区域的第一颜色的均匀发射的漫射光要么直接被感知要么经由镜单元13被间接地感知。在图2中，反射面板3的虚像3'由虚线表示。蓝色区域被周围区域23(也参见图1A)包围，该周围区域23是直接观察的墙壁的一部分或者在反射中看到的。周围区域23的直接观察部分可以是房间或单元2的一部分。它可以是墙壁5或天花板11的一部分。通常，除了靠近反射面13A的一侧之外，它围绕正面3A的三个侧边。在反射中观察的部分在物理上是位于部分21旁边的反射面13A上的部分25。另外，观察者将看到由光源的光(特别是反射光束17)的反射(定向非漫射)分量引起的第二颜色的太阳状圆形斑点19(参见图1A)。

为了完整起见，在图2中进一步示出了照明系统可以包括用于定位在墙壁5后面的光源的一些壳体27。还要指出的是，在图2的示例性实施例中，过渡单元29设置在面板3的上端和由反射面13A形成的天花板11的部分之间。在对透光面板3的其他特征进行以下详细讨论之后，将讨论其效果。

面板中使用的基于纳米颗粒的类瑞利漫射材料可以例如包括第一材料的固体基体(例如具有优异光学透明度的树脂)，其中分散有第二材料的纳米颗粒(有机或无机纳米颗粒，如ZnO、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃和类似物等)，其例如分别具有折射率n_p＝2.0、2.6、2.1、1.5和1.7，以及在可见光区域中基本上透明的任何其它氧化物。在无机颗粒的情况下，可以使用有机基体或无机基体来嵌入颗粒，例如钠钙硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、熔融二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。通常，也可以使用有机颗粒，特别是对于例如具有减少的或没有UV部分的被照射构造。

在一些实施方案中，可以将面板减小至基底上的层或涂层。在任何情况下，两种材料的折射率是不同的，并且这种纳米级折射率的失配是类瑞利散射现象的原因。可见波长范围内的第一材料和第二材料的吸收可以忽略不计。此外，在给定正面3A上的任何点的情况下，面板3可以是均匀的，在该点处的面板的物理特性不取决于该点的位置。纳米颗粒可以是单分散的或多分散的。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。

纳米颗粒的直径，折射率失配和面密度(每平方米的数量)是限定色彩面板中散射现象的横截面的参数。另外，通过增加上述参数之一，从色彩面板散射的入射光的量增加。为了简化描述，我们可以仅考虑在特定波长下材料的规则透射率特性T(λ)。在此，如ASTM国际标准术语E 284-09a中所定义的，透射率通常是在给定条件下透射通量与入射通量的比率。规则透射率T(λ)是在非漫射角度(即入射角)下的透射率。在本公开的上下文中，对于给定波长和色彩漫射层上的给定位置，规则透射率用于具有对应于主光束传播的入射角的非偏振入射光。

为了获得模拟太阳天空的照明系统，需要一些特定范围的规则透射率。值得注意的是，第一材料(基体)和第二材料(纳米颗粒)在可见光范围内几乎不吸收，因此光的未规则透射的部分在类瑞利散射模式中完全散射。关于面板的透射率，蓝色T[450nm]的规则透射率通常可以在[0.05-0.9]的范围内。特别是在一些针对纯净晴空的实施例中，该范围将是[0.3-0.9]，例如[0.35-0.85]或甚至[0.4-0.8]；在针对北欧天空的实施例中，该范围将是[0.05-0.3]，例如[0.1-0.3]或甚至[0.15-0.3]。

众所周知，根据光散射的基本原理，对于包括透明基体和相对于基体具有不同折射率并且具有(明显)小于可见波长尺寸的透明纳米颗粒的透明光学面板，将优先散射光谱的蓝色部分(蓝色)，并透射红色部分(红色)。虽然对于颗粒尺寸小于或约等于波长λ的1/10的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，但是可以在上述纳米颗粒尺寸范围内达到相应的可接受的光学效应。通常，共振和衍射效应可开始以大于波长一半的尺寸发生。

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250nm的范围内，例如20nm至100nm的范围内，例如20nm至50nm，而对于紧凑型器件，例如使用诸如涂层和涂料之类的薄层，尺寸可以在10nm至250nm的范围内，例如50nm至180nm的范围内，例如70nm至120nm。对于非球形颗粒，有效直径是等效球形颗粒的直径，即具有与上述纳米颗粒相似的散射性质的有效直径球形颗粒。

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，但是这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n_h(也称为主体材料)足够不同的实际折射率n_p，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这样的填充率f来避免那些“紧密堆积(close packing)”效应。

此外，纳米颗粒可以以这样的方式分布在面板内，使得它们的面密度(也就是每平方米纳米颗粒的数量N，即由面板的具有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≥N_min，其中：

其中ν是等于1m⁶的量纲常数(dimensional constant)，N_min表示为数量/m²，有效直径D＝dn_h以米表示，并且其中m是颗粒与主介质折射率之间的比率。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[T.C.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(Representationof a non-spherical ice particle by a collection of independent spheres forscattering and absorption of radiation)”。地球物理研究杂志(Journal ofGeophysical 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

考虑透射结构：

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

在旨在模拟北欧天空的其他实施例中，

(D的单位为[米])以及

例如,以及

更具体地， 以及

在一些实施方式中，至少就面密度而言，纳米颗粒均匀分布，即在面板上的面密度基本均匀，但纳米颗粒分布可在整个面板上变化。例如，面密度的变化小于平均面密度的5％。这里的面密度在这里是指在大于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面板上的照度差异。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，后面的这些量在面板的表面上平均。在这种情况下，尽管面板上的光源的照度分布不均匀，但面板的亮度也可以相等。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≈N_min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 2 304 478A1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，这个比率在瑞利极限中等于1。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。

从上面可以明显看出，在面板上产生的漫射光的均匀性取决于入射光的分布。例如，假设由于光束的发散而倾斜入射，面板3的第一照射区域(图2中的下部)可能受到比上一个照射区域(图2中的上部)稍高的光强度的照射。因此，可能存在“天空”颜色的微小变化或梯度。假设梯度由于镜单元13而反射，可能会出现潜在的不自然的印象，这会降低原则上可以通过由相应配置的光源照射的透光面板3实现的无限深度感知。

图2中所示的过渡单元29可以在感知的窗口区域上人为地产生强烈的对比度，其克服了眼睛对于上述梯度变化的敏感性。相应地配置过渡单元29可以减少甚至避免观察者对梯度变化的感知。过渡单元29可以形成正面3A和反射面13A之间的过渡，并且特别地可以沿着透光面板3的正面3A和镜单元13的反射面13A的相邻边界区域延伸。如图3所示，过渡单元29可以沿着由单元2形成的内边缘14的非常内边缘部分14'延伸。

然而，应注意，透射光束的部分9不应入射在过渡单元29的表面上，因为该部分9指向上方。因此，该部分9的任何照射都将与太阳的预期照射相反。

图3示出了过渡单元29的形状可以大致配置成使得紧邻其正面3A的面29A在角度α下延伸，该角度α大于与该部分9相关联的出射角度，即主方向加上直射光束的光束发散。面29A和光束的取向差异导致箭头9'和面29A之间的可视化开口。

过渡单元29通常可以被配置为在正面3A的感知图像和正面3A的感知反射图像3'之间产生视觉上感知的不连续性(外观中断)。为此，过渡单元29可包括由白色、吸收性和半透明材料中的至少一种制成的感知过渡表面(例如，面29A)。过渡单元29尤其位于光束的透射部分9的外部。具体地，过渡单元29不被直射光束的透射部分9照射。

示例性形状包括平面可视面29A(例如，当由过渡单元29的三角形横截面形状提供时，相对于正面3A共面或者相对于正面3A和反射面13A成角度)，或者凹形可视面或阶梯式平面形状在图3中示出。

在图4A至4C的示例性实施例中，照明系统包括光井结构31，其形成邻近并部分地围绕正面3A延伸的框状区域。具体地，图4A中所示的照明系统1'的实施例类似于图1A中的实施例，不同之处在于，透光面板3设置在形成于壁5中的光井结构31的底部。光井结构31沿着面板3的下侧以及右侧和左侧延伸。在光井结构31的侧面处的面31A朝向房间具有开度角地敞开，该开度角避免了光束的透射部分9与这些面31A的任何接触，从而不会引入与镜单元13中的反射图像形成对比的非自然的向上照射。由于透射部分9的向上传播方向，面31B不能被照亮。

此外，在图4A的实施例中，镜单元13也设置在具有侧壁33A的凹槽中。然而，由于反射面13A大于透射光束部分9的尺寸，所以这些侧壁33A也不被透射光束9照射。然而，它们通常可以被漫射光7照射。

如图1A所示，由于光束的向下反射，太阳仅出现在反射面13A的部分21中，即在所感知的窗口的上半部分中，即在“真实”的窗口模拟(正面3A)的反射中。在正交方向上远离“窗口”移动将使太阳在“真实”窗口模拟和反射的“真实”窗口模拟之间的过渡区域(即在窗口的中间)处消失，这是不自然的，也不是观察者所期望的。例如，选择房间的几何形状以及镜单元13的安装凹陷的深度可以减少易于出现太阳的不真实消失的观察者区域。

此外，过渡单元29在图4A中示出为在“真实”窗口模拟和反射的“真实”窗口模拟之间延伸越过“感知的完整窗口”。因此，“真实”窗口模拟和反射的“真实”窗口模拟的任何不均匀性将不容易被观察者所察觉。此外，过渡单元29的尺寸也可以在某种程度上覆盖在感知窗口模拟的中心处太阳的非自然消失。

图4B示出了图4A的照明系统1'在靠近房间的角落35的安装。因此，第二侧壁5'沿光束传播方向延伸。由于所选择的反射光束17的传播方向和/或发散，一些光将照射侧壁5'并通过靠近壁5'上的非照亮区域38的照亮区域37来强调太阳光束特性。应注意的是，由于反射构造，在壁5'处的照亮区域37原则上仅沿其边界向后追溯到窗口模拟的上半部分21。然而，安装与侧壁5'具有一定距离的照明系统1'将使得难以将照亮区域37仅连接到该上半部分21。

在图4C中，剖视图还示出了光井方面。面板3的正面3A相对于壁5凹进。从正面3A延伸到壁5的表面的下过渡面31B显然不能被透射光束部分9照射，但它可以被漫射光照射7。此外，示出了具有倾斜面29A'的过渡元件29'的替代形状，其同样不被透射光束部分9照亮。

应注意，在本文所公开的所有实施例中，反射面13A的尺寸大于正面3A的尺寸，甚至大于透射部分9在反射面13A上的投影。这确保了没有不自然的向上照射影响反射面13A的边界处的感知。例如，取决于透射光束部分9向上传播的角度，该尺寸至少与具有与被光束的透射部分9照亮的反射面相同形状的区域一样大。镜单元上的投射光束的尺寸的描述受到诸如倾斜角度和正面形状的各种特征的影响。照明区域的形状可以是例如梯形(并且由于透射光束的45°倾斜方向而不是矩形)。此外，需要考虑关于照度分布的考虑以及光束发散本身。可以通过考虑光源距离和光束发散，然后量化被照射区域的尺寸来进行反射面所需尺寸的量化。当然，尺寸也与反射面相对于光束传播轴的取向有关。例如，考虑到在相应方向上30°和10°的完全发散，在6m的距离处与主光束正交的反射面应该大于1.6m×0.5m。例如，在图4C的剖视图中通过仅在图的左半部分示出箭头以示出反射光束17的事实示出了这一点。

对于类似于图2所示实施例的两个实施例，图5A和5B示出了在壁5后面的壳体27内的光学布局。图5A的实施例基本上对应于EP 2 920 508A1中公开的照明系统的使用。光源41将光束43投射到面板3的背面上。为了引导光束43，在壳体27内提供两个反射器(未明确示出)。反射器被具体布置和配置为折叠光学器件以减小照明系统1的尺寸。

图5B的改进实施例通过引导光束来区分其光学布局，使得光源41'可从房间内容易地接近。例如，光源41'可以如图5B所示进入房间，或者可以仍然位于墙壁的水平面内。在任何情况下，维修光源41'都很简单，因为它比光源41更容易接近。

光源41和41'被配置为通过透光面板3将直射光束(即光束43)发射到镜单元13上，使得光束的透射部分9被反射面13A完全反射，从而产生特别用于模拟房间内的太阳光束的反射的直射光束17。

通常，光源和透光面板3被配置为将光束43的透射部分9提供为具有第一相关色温并沿主光束方向延伸的非漫射定向光，并且在面板3内产生第二相关色温的漫射光。

通常，光源位于透光面板3的上游和/或产生作为光束43的准直的直射光束。图5A和5B中使用的光源的例子包括特定的投影仪，其例如在正交平面中具有两个不同的发散度，例如30°和10°的FWHM孔，或类似地，能够透射例如矩形。

光源的另一示例是大面积光源，其被配置为例如从大平面发射面发射准直的直射光束，并且其中对于准直的直射光束，产生FWHM发散度小于10°的光束。

一般而言，关于本文公开的实施例的镜单元的尺寸，特别是反射面和反射面的表面区域，光束的透射部分(即在正面的“窗口”模拟之后)在镜面(即对应于反射面的平面)上产生照明轮廓(illumination profile)。该轮廓的照度大于最大照度5％的区域与等于A_5％的区域相关联。反射面必须覆盖(以聚集)所有这些区域，并且其总面积应该等于至少A_5％，例如A_5％加上A_5％的5％、15％、30％。

图6A至6C示出了基于紧凑型光束发生器配置(例如在上述PCT/EP2015/069790中公开的那些)的照明系统101、101'、101"。这些配置可包括附接到面板3或与面板3分离的光束发生器45。在所公开的实施例中，假设光束基本上与紧凑型光束发生器45的发光面正交地出现，其尺寸基本上与面板3一样大或更大。

在图6A的实施例中，紧凑型光束发生器45在墙壁5后面倾斜并定位成完全照亮面板3。因此，图6A的照明系统101在外观上基本上对应于图1A的照明系统1。

在图6B的改进的照明系统101'中，紧凑型光单元47包括与面板3组合的紧凑型光束发生器45。例如，面板3附接至光束发生器45的发射面。

紧凑型光单元47安装在天花板11上，使得光束部分9"从上至下沿着墙壁5传播。在这种情况下，镜单元13位于靠近紧凑型光单元47(即，特别是与之附接的面板3)并与之正交的墙壁5处。

在这种情况下，观察者也会感知模拟窗口的扩展尺寸，因为假设镜单元的安装位于观察者的眼睛高度之上，观察者将看到来自面板3的反射漫射光。然而，在该实施例中，观察者将仅在他基本上位于紧凑型光单元47下方时看到太阳，使得在那些位置，镜单元13将不会对增加的窗口感知贡献那么多。

最后，图6C示出了一个实施例，其中薄的紧凑型光束源45和面板3再次形成紧凑型光单元47。紧凑型光单元47安装在倾斜的天花板11'上，使得部分9相对于垂直方向存在倾斜的传播角度。因此，光束部分9可以被引导到镜单元13上，在这种配置中，该镜单元13同样是安装在紧邻紧凑型光束单元47的墙壁5上。在来自面板3的反射中，可以从观察者范围内看到光束17。根据镜单元13上的入射角和房间的高度，该观察者范围可以靠近墙壁5或延伸到房间中。

如图6C中的虚线49进一步所示，天花板可替代地主要水平地延伸，并且仅通过紧凑型光束单元47形成倾斜的并且作为天花板的窗口感知部分。

为了完整性，应注意，在一些实施例中，可以使用次级色彩漫射层相关光源，例如用于从侧面对色彩漫射层进行附加照明。示例性实施方案例如公开于WO 2009/156347A1中。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或来自两个光源的光相互作用以提供漫射光7。

在一些实施例中，正面和/或反射面基本上形成为平面表面，其例如以内边缘角度相对于彼此布置。

虽然这里示出的示例性实施例基于用于正面和反射面的矩形形状，其基本上具有一个并排延伸的边界(或者由过渡单元取代)，但是替代形状是可能的，例如与较大三角形或矩形反射面相结合的三角形正面。通常，该形状由光源(特别是光束)的可行性(feasibility)决定。

此外，本文公开的光束传播方向的范围可以根据房间内的装置的具体类型和取向而相对于例如垂直方向而变化。

如本文中用于透光面板的透明或部分透明是指系统至少部分地透射图像形成光束的能力。换句话说，在本文公开的实施例的情形中，部分透明的面板指的是透射垂直照射到面板上的准直红色光束的至少40％(例如60％、80％或更多)的面板。在这种考虑中，透射光包括传播到前向锥体中的所有光，其中该锥体具有小于10°(例如7°或更小，例如5°或更小)的FWHM(半峰全宽)孔径，并且其轴线在原始传播方向上对齐。在这种情况下，“准直”是指FWHM发散度小于2°的光束，红光例如是光谱分布在650nm至700nm范围内的光束。

尽管本文已描述了本发明的优选实施例，但可在不脱离所附权利要求书的范围的情况下并入改进和修改。

Claims (15)

1.一种用于太阳天空模拟照明系统（1）的放大的天空感知提供单元（2），其位于特别用于形成房间边缘（12）的内边缘构造中，所述单元（2）包括：

透光面板（3），其配置成从正面（3A）发射漫射光（7），和

镜单元（13），其具有位于所述透光面板（3）旁边的反射面（13A），以与所述透光面板（3）一起形成内边缘（14），

其中所述透光面板（3）的尺寸小于所述镜单元（13）的尺寸。

2.根据权利要求1所述的单元（2），其中沿着所述透光面板（3）的所述内边缘（14）的方向的尺寸，特别是其最大延伸，小于所述镜单元（13）的沿着所述内边缘的方向的尺寸，和

其中特别地，所述正面（3A）的宽度（Wf）小于所述反射面（13A）的宽度（Wr）和/或所述正面（3A）的高度（Hf）小于所述反射面（13A）的高度 （Hr），从而特别地允许从预定的观察区域内观察到经反射的完整的所述正面（3A）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的单元（2），其中所述内边缘（14）具有内边缘角（β），所述正面（3A）以所述内边缘角（β）相对于所述反射面（13A）延伸， 所述内边缘角（β）在约50°至130°的范围内，例如从约70°至110°，并且例如在80°至100°之间的角度，例如约90°，和/或

所述单元被配置成使得所述漫射光以及所述漫射光的反射至少部分地发射到内边缘角区域（16）中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的单元（2），其中，

所述透光面板（3）包括嵌入基体中的多个纳米颗粒，所述多个纳米颗粒被配置为提供红色方面比蓝色方面更高的可见光的直射透射率，以及蓝色方面比红色方面更高的漫射透射率，和/或

其中所述镜单元（13）位于所述透光面板（3）旁边，并且特别是位于其附近，尤其是在小于所述面板的平均宽度的一半、三分之一和/或四分之一的距离处。

5.根据前述权利要求中任一项所述的单元（2），还包括

过渡单元（29），其形成所述正面（3A）和所述反射面（13A）之间的过渡，特别是沿着所述透光面板（3）的所述正面（3A）与所述镜单元（13）的所述反射面（13A）的相邻边界区域延伸，和/或沿着所形成的所述内边缘（14）的非常内边缘部分（14'）延伸。

6.根据权利要求5所述的单元（2），其中所述过渡单元（29）被配置为在所述正面（3A）的感知图像与所述正面（3A）的感知反射图像（3'）之间产生视觉上感知的不连续性（断裂），和/或

其中所述过渡单元（29）包括由白色、吸收性和半透明材料中的至少一种制成的感知过渡表面（29A）。

7.一种照明系统（1,1'），其特别是用于形成房间的房间边缘（12），所述照明系统（1,1'）包括：

如权利要求1至6任一项所述的放大的天空感知提供单元（2），其包含透光面板（3）和具有反射面（13A）的镜单元（13），所述透光面板（3）和所述镜单元（13）相对于彼此形成内边缘（14），和

光源（41），其配置成通过所述透光面板（3）将直射光束（43）发射到所述镜单元（13）上，使得所述光束的透射部分（9）被所述反射面（13A）完全反射，从而产生特别是用于模拟太阳光束的反射的直射光束（17）。

8.根据权利要求7所述的照明系统（1,1'），其中，

所述光源位于所述透光面板（3）的上游，和/或

所述直射光束是准直光束，和/或

所述光源（41）是投影仪（41）或大面积光源（45），其用于发射FWHM发散角小于10°的准直直射光束，和/或

其中所述光源（41）和所述透光面板（3）被配置成使所述光束的透射部分（9）成为具有第一相关色温并沿主光束方向延伸的非漫射定向光，并且提供第二相关色温的漫射光，和/或

其中，所述放大的天空感知提供单元（2）还包括过渡单元（29），该过渡单元（29）设置在所述透光面板（3）的所述正面（3A）和所述镜单元（13）的所述反射面（13A）的相邻边界之间的空间内，并且所述过渡单元（29）特别地位于所述光束的所述透射部分（9）的外部，特别是不被所述直射光束的所述透射部分（9）照射。

9.一种建筑物的房间，所述房间包括：

由侧壁（5）和天花板（11）形成的房间边缘（12），和

如权利要求7或权利要求8所述的照明系统（1,1'），其具有如权利要求1至6中任一项所述的放大的天空感知提供单元（2），

其中，所述天空感知提供单元的所述透光面板（3）和所述单元（2）的所述镜单元（13）分别设置在所述侧壁（5）和所述天花板（11）上，反之亦然，以形成表示所述侧壁（5）和所述天花板（11）之间的过渡的内边缘（14）。

10.根据权利要求9所述的房间，其中所述放大的天空感知提供单元（2）包括具有正面（3A）的透光面板（3）和具有反射面（13A）的镜单元（13），以及

所述房间还包括

周围区域（23），其为所述侧壁（5）或所述天花板（11）的一部分，并且除了靠近所述反射面（13A）的一侧之外，其围绕所述正面（3A）的其余三个侧边，从而允许整个所述正面（3A）和所述周围区域的至少一部分在反射中可见。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的房间，其中所述照明系统（1,1'）的所述放大的天空感知提供单元（2）形成所述房间边缘（12）的一部分。

12.根据权利要求9至权利要求11中任一项所述的房间，其中所述光源（41）被配置为通过所述透光面板（3）向上发射直射光束，并且所述反射面（13A）被配置为形成房间的所述天花板（11）或所述墙壁（5）的一部分，和/或

其中所述反射面（13A）设置成将所述直射光束的所述透射部分（9）向下反射为反射的直射光束（17）。

13.根据权利要求9至权利要求12中任一项所述的房间，其中所述透光面板（3）由面板光井（31）围绕和/或所述镜单元（13）被镜光井围绕，所述光井是所述墙壁、所述天花板和/或所述照明系统（1,1'）的一部分，和/或

其中，所述照明系统（1,1'）配置成使得所述面板光井的表面和/或所述镜光井的表面位于所述光束的所述透射部分（9）的外部，因此在特别是不被通过所述透光面板（3）发射的所述直射光束的所述透射部分（9）照射。

14.一种用于形成房间的房间边缘（12）的一部分的照明系统（101'），所述照明系统（101'）包括：

如权利要求1至6中任一项所述的放大的天空感知提供单元（2），其包含具有正面（3A）的透光面板（3）和具有反射面（13A）的镜单元（13），所述透光面板（3）和所述镜单元（13）相对于彼此形成内边缘（14），和

光源（45），其配置为以所述光束的透射部分（9''）经过所述镜单元（13）的方式通过所述透光面板发射直射光束，其中所述透光面板（3） 和所述镜单元（13）形成所述内边缘（14）。

15.根据权利要求14所述的照明系统（101'），其中所述正面（3A）和所述反射面（13A）相对于彼此基本上正交地延伸，并且所述光束的所述透射部分基本上平行于所述反射面（13A）或远离所述反射面（13A）传播。