CN111506136B - 一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统 - Google Patents

一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，涉及照明领域。所述系统主要包括光源，产生模拟太阳光和蓝色天空光的反光板。所述反光板包括包括依次堆叠设置的分光层、蓝色滤光层和漫反射层。光源发出的光照射到反光板上，一部分光被分光层反射形成模拟太阳光的光束，一部分光透过分光层进入蓝色滤光层，透过蓝色滤光层的蓝光被漫反射层反射再透过蓝色滤光层和分光层形成蓝色漫射光可模拟蓝天背景。本发明可以在室内环境中模拟出渐变蓝色的天空背景及可变色温的太阳光，还可以通过移动光源的位置模拟太阳光不同时间、不同地点的高度角和照度，达到模拟真实自然光照明的效果。

Description

一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统
技术领域
本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统。
背景技术
目前已知封闭环境的照明系统在医学和建筑领域已经广泛应用，在医学上通过照射低强度的蓝光治疗婴儿的黄疸症，可以美白牙齿和皮肤，蓝光在一定程度上控制着人的生物钟，还会刺激促进我们的身体分泌皮质醇产生兴奋感，可以增加室内柔和效果，在帮助人们缓解失眠、降低血压和预防感冒方面起到一定的有益效果。有些医疗器械利用红外线照射人体局部，使温度升高，改善血液循环，消除肿胀和消散炎症。
在建筑领域照明的要求主要有三方面：1、功能性要求，即满足最基本的照明要求；2、装饰性要求，要求美观；3、生理健康和心理健康要求。
随着生活质量的提升，人们对居住环境的要求也随之提升。有令人信服的证据表明，日光照射减少了人们工作压力和消极影响，增强了舒畅情绪和工作效率，并且从长远来看，改善了居住在室内的人的身心健康。然而，现有的部分居住环境受外界因素限制使住户几乎难以感受到阳光或蓝天，这就使能够模拟阳光和蓝天的照明系统受到广泛的青睐。
目前模拟真实的天空环境的主要困难有：一、晴朗的天空是天顶蓝色最深，地平线附近的蓝色比较浅；二、太阳光在不同的时间、不同的地点色温和照度不同；三、不同时间、不同地点的太阳高度角不同。而现有的光源无法解决上述问题，达到模拟真实自然光照明的效果。
发明内容
针对现在的社会需求，本发明提出了一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统。该光源系统应用于类似房屋室内的密闭环境中照明，可在室内照射出天空蓝色背景光和太阳光通过窗口直射室内的效果。
具体的，所述系统包括反光板、匀光板、固定板和光源；
所述反光板和所述匀光板均与所述固定板连接，所述匀光板位于所述固定板的上方，所述反光板位于所述匀光板的上方，所述反光板和所述匀光板之间形成匀光室，所述匀光板和所述固定板之间形成有容置腔体；
所述反光板包括依次堆叠设置的分光层、蓝色滤光层和漫反射层；所述分光层用于将入射到其上的光部分反射，部分透射；
所述匀光板上开设有透光窗口，所述透光窗口贯穿所述匀光板和所述固定板；
所述光源设置在所述匀光板上。
进一步的，所述系统还包括多个白光LED，多个所述白光LED设置在所述容置腔体内，多个所述白光LED由所述固定板的边缘至中心方向按等差递增间距的方式排列。
在一种可实施的方案中，所述光源为多个，多个所述光源可独立控制。优选的，所述光源为白炽灯、卤钨灯或LED；更优选地，所述光源包括多个具有不同窄带光谱的LED灯珠或LED灯组。
在另一种可实施的方案中，所述系统还包括滑轨，所述滑轨安装在所述匀光板上，所述光源移动设置在所述滑轨上，优选的，所述光源为白炽灯、卤钨灯或LED，更优选地，所述光源包括多个具有不同窄带光谱的LED灯珠或LED灯组。
进一步的，所述反光板为球面、柱面、平面或抛物面。
进一步地，所述分光层的反射率：透射率为8～5:2～5。
在一种可实施的方案中，所述分光层为半透半反层。
本发明提供的一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统可以在室内环境照射出蓝色的天空背景光及可变色温的太阳光，同时结合多个LED的渐变布置可实现渐变蓝色的天空背景光模拟，还可以通过移动光源的位置模拟太阳光不同时间、不同地点的高度角和照度，达到模拟真实自然光照明的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的光源系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的反光板的结构示意图
图3为本发明实施例所述的光源系统的照明原理图；
图4为本发明实施例所述的白光LED的排列方式示意图；
图5为本发明实施例所述的光源的发光强度空间分布特性曲线；
图6为光源在第一位置处时，太阳光高度角的模拟示意图；
图7为光源在第二位置处时，太阳光高度角的模拟示意图；。
其中：1-固定板，2-反光板，3-光源，4-透光窗口，5-密闭室，6-匀光板，7-白光LED，8-滑轨，9-容置腔体，A-分光层，B-蓝色滤光层，C-漫反射层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而为了便于本发明的详细诠释，在本发明的描述中，需要理解的术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“穹顶”、“边缘”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，以及“漫反射光”、“镜反射光”、“直射光”、“透射光”、“散射光”、“太阳光”、“天空背景光”、“色温”、“渐变”、“发散角”、“照度”等光学术语来对光线或者照明进行描述。且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例1
如图1所示，图1示出了本发明所述的一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统的结构示意图，所述光源系统用于向密闭室5中照射模拟太阳光和/或天空背景光，所述系统包括光源3、反光板2、匀光板6、固定板1、白光LED 7和滑轨8；
具体的，所述反光板2与所述固定板1连接，所述反光板2位于所述匀光板6的上方，所述反光板2和所述匀光板6之间形成匀光室；
所述滑轨8安装在所述匀光板6上，所述光源3移动设置在所述滑轨8上，所述光源3用于模拟太阳光光源，优选的，所述光源3可以为白炽灯、卤钨灯或LED，在本说明书中，所述光源3为LED，包括多个具有不同窄带光谱的LED灯珠或LED灯组。
所述匀光板6与所述固定板1连接，所述匀光板6位于所述固定板1的上方，所述匀光板6和所述固定板1之间形成有容置腔体9，所述匀光板6上开设有透光窗口4，所述透光窗口4贯穿所述匀光板6和所述固定板1；
可以理解的是，所述密闭室5可以是房屋，所述固定板1可以安装在房屋的顶板上，用于通过所述透光窗口4向所述房屋内照射光，即模拟后的自然光(太阳光和或天空背景光)可以从透光窗口4照射到所述密闭室5中。
进一步的，如图2和图3所示，图2示出了反光板的结构示意图，所述反光板2包括依次堆叠设置的分光层A、蓝色滤光层B和漫反射层C，所述分光层A与所述匀光室连通。所述分光层A用于将入射到其上的光部分反射，部分透射。所述分光层A的反射率和透射率的比值可根据需要设置，优选地，所述分光层A的反射率：透射率为8～5:2～5；更优选地，所述分光层A为半透半反层。
如图3所示，图3示出了本发明所述的光源系统的照明原理图。
具体的，所述光源3发射出的光束Ⅰ照射到所述分光层A时，部分光被反射，形成反射光束Ⅱ；其余部分光透过所述分光层A，进入蓝色滤光层B，形成光束III，由于蓝色滤光层B仅能透过蓝光，其他波段的光均被蓝色滤光层B吸收，因此所述光束III透过所述蓝色滤光层B形成蓝光光束，所述蓝光光束入射到所述漫反射层C上被所述漫反射层C反射，形成蓝色漫反射光Ⅳ，所述蓝色漫反射光Ⅳ透过所述蓝色滤光层B和所述分光层A，形成漫射的天空蓝光。所述反射光束Ⅱ由所述透光窗口4射出，照射到密闭室5中，在视觉上呈现太阳光由室外射入室内的效果。
进一步地，所述白光LED 7为多个，多个白光LED 7发出的白光经过匀光板6形成散射白光，所述散射白光与所述天空蓝光混合后，使所述天空蓝光的颜色变浅。
进一步地，如图1、图3和图4所示，多个所述白光LED 7设置在所述容置腔体9内，多个所述白光LED 7的排列方式为：由所述固定板1的边缘至中心方向按等差递增间距的方式排列，此排列方式使匀光板6下的白光由边缘至中心范围内的亮度逐渐降低，以此实现白光的亮度渐变。此时亮度渐变的白光与亮度不变的蓝光混合，形成由中心向边缘蓝色逐渐变浅的天空背景光。观察者以不同的观察角度观察透光窗口4时，可看见模拟天空由穹顶向地平线蓝色渐变的天空背景光。例如观察者在图3中L位置时，通过透光窗口4向匀光室中观察时，能观察到光源3在反光板2的成像及渐变蓝色的天空背景；当观察者在图3中R位置时，通过透光窗口4向匀光室中观察时，能观察到匀光室中形成的渐变蓝色的天空背景。
进一步的，本发明的反光板2不限于球面、柱面、平面、抛物面等外形结构的限制。
进一步的，通过多个改变LED灯珠或LED灯组的光谱搭配，模拟太阳光的真实光谱，进而能够改变多个LED灯珠或LED灯组输出光的色温，模拟太阳光的色温。
可以理解的是，基于上述方案，本发明可以实现在室内环境照射出渐变蓝色的天空背景光及可变色温的太阳光。
进一步的，所述光源3还可以通过滑块移动设置在所述滑轨8上，通过滑块与滑轨8之间的滑动，带动所述光源3移动，从而基于移动光源3的位置模拟太阳光不同时间、不同地点的高度角和照度，达到模拟真实自然光照明的效果。
具体如图5、图6和图7所示，图5示出了光源的发光强度空间分布特性曲线；LED为近似朗伯光源，即LED光源的发光强度为发光角度的余弦函数：Iθ＝I0cosmθ，其中，θ是发射光线与LED芯片平面法线方向的夹角，I0是法线方向的光强，由上述公式可知，LED光强大小从中心向两边逐渐下降。
图6示出了光源在第一位置处时，太阳光高度角的模拟示意图；具体的，调节所述光源3至第一位置处，使得所述光源3至所述透光窗口4之间的距离为300mm，通过所述透光窗口4照射到密闭室5内的光线是由所述光源3射出的发光角度为-45°～-60°的光，该方向的光通过反光板2反射，投向地面的光与地面形成的角度为α，地面照度为E1，此时，所述光源3可以模拟高度角为α的太阳光光源；
进一步的，图7示出了光源在第二位置处时，太阳光高度角的模拟示意图；具体的，调节所述光源3至第二位置处，使得所述光源3至所述透光窗口4的距离为100mm，通过透光窗口4照射到密闭室5内的光线是由光源3射出的发光角度为-15°～-5°的光，该方向的光通过反射光板2反射，投向地面的光与地面形成的角度为β，地面照度为E2，此时所述光源3可以模拟高度角为β的太阳光光源，其中α<β，E1<E2。
由此，通过移动滑块，带动光源3在滑轨上移动，实现光源3位置的改变，从而改变光源3和透光窗口4之间的距离，实现光源3的高度角的改变，进而模拟一天中不同时刻太阳高度角的变化；同时也可模拟太阳光的光强随高度角变化而在地面产生的照度的大小变化。
进一步的，可以通过改变光源3的电压，控制光源3的亮度，将更真实的模拟出太阳光在不同时间、不同地点时的亮度。
可以理解的是，所述光源3移动后的位置与透光窗口4之间的距离不限于上述实施例中的距离，在其它可实施的方案中，可以调节光源3的位置，使得光源3与透光窗口4之间的距离为200mm，500mm等，以实现通过所述透光窗口4照射到密闭室5内的光线是由所述光源3射出的发光角度为基于光源与透光窗口的不同距离所确定的不同角度的光，该光通过反光板2反射，投向地面的光与地面形成预模拟的太阳高度角，进而模拟一天中不同时刻太阳高度角的变化；同时也可模拟太阳光的光强随高度角变化而产生的大小变化。
本发明实施例可以实现在室内环境照射出渐变蓝色的天空及可变色温的太阳光，还可以通过移动光源的位置模拟太阳光不同时间、不同地点的高度角和照度，达到模拟真实自然光照明的效果。
实施例2
本实施例与实施例1的区别只在于在匀光板6上设置多个所述光源3，多个光源3固定设置在所述匀光板6上，每个光源3与透射窗口4之间距离不同，从而不同时刻通过控制不同位置的所述光源3点亮，模拟不同太阳高度角的太阳光光源。其他设置与实施例1完全相同。
本发明实施例可以实现在室内环境照射出渐变蓝色的天空及可变色温的太阳光，还可以通过控制不同位置的光源点亮模拟太阳光不同时间、不同地点的高度角和照度，达到模拟真实自然光照明的效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述系统包括反光板（2）、匀光板（6）、固定板（1）和光源（3）；
所述反光板（2）和所述匀光板（6）均与所述固定板（1）连接，所述匀光板（6）位于所述固定板（1）的上方，所述反光板（2）位于所述匀光板（6）的上方，所述反光板（2）和所述匀光板（6）之间形成匀光室；
所述反光板（2）包括依次堆叠设置的分光层（A）、蓝色滤光层（B）和漫反射层（C）；所述分光层（A）用于将入射到其上的光部分反射，部分透射；
所述匀光板（6）上开设有透光窗口（4），所述透光窗口（4）贯穿所述匀光板（6）和所述固定板（1）；
所述光源（3）设置在所述匀光板（6）上；
所述匀光板（6）和所述固定板（1）之间形成有容置腔体（9），所述系统还包括多个白光LED（7），多个所述白光LED（7）设置在所述容置腔体（9）内，多个所述白光LED（7）由所述固定板（1）的边缘至中心方向按等差递增间距的方式排列。
2.根据权利要求1所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述光源（3）为多个，多个所述光源（3）可独立控制。
3.根据权利要求1所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述系统还包括滑轨（8），所述滑轨（8）安装在所述匀光板（6）上，所述光源（3）移动设置在所述滑轨（8）上。
4.根据权利要求3所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述光源（3）为白炽灯、卤钨灯或LED。
5.根据权利要求4所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述光源（3）包括多个具有不同窄带光谱的LED灯珠或LED灯组。
6.根据权利要求5所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述反光板（2）为球面、柱面、平面或抛物面。
7.根据权利要求6所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：所述分光层（A）为半透半反层。
8.根据权利要求7所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：通过改变LED灯珠或LED灯组的发射光谱，改变LED灯珠或LED灯组输出光的色温，模拟太阳光的色温。
9.根据权利要求8所述的模拟太阳光及天空背景光照明的光源系统，其特征在于：通过改变所述光源（3）的电压，控制所述光源（3）的亮度，模拟太阳光在不同时间、不同地点时的亮度。
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