CN112204303A - 可调谐白光照明 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于提供发散照明的照明装置。该照明装置包括：光源，用于发射可见光谱中的光；输出孔，从光源发出的光通过该输出孔射出照明装置；层结构，其包括嵌入在主体材料中的多个纳米级散射元件的散射层，并且位于在光源和输出孔之间延伸的发射光的光路中。该层结构还包括一对面状电触点层，其中面状电触点层在散射层的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在散射层上产生电场。由照明装置提供的发散照明的特征在于至少一条具有至少为10°的半高全宽值的发光强度分布曲线。

Description

可调谐白光照明
技术领域
本公开总体上涉及照明系统，尤其涉及允许可调谐白光照明的照明装置。
背景技术
用于封闭环境的人造照明系统通常旨在提高用户体验的视觉舒适度。影响舒适感的一方面是用于照明的光的色谱。基于LED的可调谐白光源混合多个LED的颜色以实现特定的色温，例如在US 2011/0204805A1以及J.H.Oh等人的"Healthy,natural,efficient andtunable lighting:four-package white LEDs for optimizing the circadian effect,color quality and vision performance(健康、自然、高效和可调的照明：用于优化昼夜节律效应、颜色质量和视觉性能的四封装白色LED)"(Light:Science&Applications(2014)3,e141；doi:10.1038/lsa.2014.22)中公开。例如，用这些可调谐白色光源获得的颜色可以如US 2011/0204805A1中所示，在CIE-xy色度图中，可以由直线(在两个LED的情况下)或三角形区域(对于三个LED的情况下)表示。
此外，用于模拟自然照明、特别是日光照明的照明单元为已知技术。这样的照明系统可以提供从光出射表面发射的二向色光。二向色光包括具有第一(较低)相关色温(CCT)的直射光的定向光部分和具有第二(较大)CCT的漫射光的漫射光部分。
在由同一申请人提交的诸如WO 2009/156347 A1、WO 2009/156348 A1、WO 2014/076656 A1和WO 2015/172821 A1的若干申请中公开了使用例如类瑞利漫射层的这种照明系统的示例性实施例。其中公开的照明系统使用例如产生可见光的光源和包含用于透射或反射的纳米颗粒的面板。在这些照明系统的运行期间，面板接收来自光源的光，并且充当所谓的瑞利漫射器，即，其在晴空条件下类似于地球大气地漫射入射光。
在同一申请人于2017年3月24日提交的尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062中(其全部内容通过引用并入本文)公开了可调谐瑞利漫射器的概念。可调谐瑞利漫射器同样也可以用于模拟自然阳光照明的照明装置中。
如上所述，上述实施方式使用纳米颗粒，该纳米颗粒由于其纳米尺寸而在瑞利(或类瑞利)散射状况中与光相互作用，并且嵌入主体材料(周围基体)中。从光散射的基本原理可知，相对于基体具有不同折射率并且具有(显著地)小于可见光波长的尺寸的透明纳米颗粒将优先散射光谱的蓝色部分，并且透射红色部分。具体地，单粒子散射截面由下式给出：
Figure BDA0002794663500000021
并且系综散射截面量由下式给出：
σ(λ)tot＝N·σ(λ)
其中N是每单位面积的纳米颗粒的数量(见下文)。
散射的光学参数由纳米颗粒的尺寸和折射率以及分布在例如透明基体中的颗粒的数量和该基体的折射率所界定。对于纳米颗粒，瑞利散射过程取决于三个参数D、m和N，如下所述：
D与纳米颗粒的尺寸d有关。具体地，考虑有效粒径D＝d nh，其中nh是主体材料的折射率，d[米]是在球形颗粒的情况下颗粒分布上的平均颗粒尺寸，以及在非球形颗粒的情况下在指定传播方向上的颗粒的平均厚度。虽然对于小于或大约等于波长λ的1/10的颗粒尺寸，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，对于纳米颗粒的尺寸，在上述范围内已经可以达到各自可接受的光学效应，通常称为瑞利散射或类瑞利散射(Rayleigh-like scattering)。另一方面，与D6成正比的每单个颗粒的散射效率随着颗粒尺寸的减小而降低，从而使得太小的颗粒使用不方便并且在传播方向上需要大量的颗粒，这又可能受到可实现的填充分数(filling-fraction)的限制。
m与纳米颗粒和基体的折射率失配有关。具体地，色效应基于具有与嵌入基体的折射率不同的折射率的纳米颗粒。为了散射，纳米颗粒具有与主体材料的折射率nh充分不同的真实折射率np，以便允许发生光散射。例如，上述现有技术系统使用特定主体材料内的特定固体颗粒，从而将散射条件设置为颗粒和主体介质折射率之间的固定比率
Figure BDA0002794663500000022
m被称为相对折射率。
N与散射中涉及的纳米颗粒的数量有关。具体地，色效应基于在给定方向上传播的入射光所见的每单位面积纳米颗粒的数目以及体积填充分数f。具体地，色效应基于例如嵌入在色彩漫射层中每单位面积纳米颗粒的数目N。
WO 2005/101445A1公开了以吸收和再发射光的荧光或磷光染料等光致发光物质作为颜色转换物质的可调谐颜色转换单元。
WO 2018/045469公开了一种液晶动态光束控制装置，该装置可以利用聚合物分散液晶(PDLC)元件控制光增宽，该聚合物分散液晶(PDLC)元件在保持光分散质量的同时，不会引入强度或颜色非均匀性。
WO 2017/084756 A1公开了一种模块化的模仿太阳天空的照明系统。
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
在第一方面，本公开涉及一种用于提供发散照明的照明装置，该照明装置包括：
光源，用于发射可见光谱中的光；
输出孔，从光源发出的光通过该输出孔射出照明装置；和
层结构，包括：
嵌入在主体材料中的多个纳米级散射元件的散射层，并且位于在所述光源和所述输出孔之间延伸的发射光的光路中，其中所述散射层被配置为聚合物分散液晶层，其中液晶作为纳米级散射元件嵌入在作为主体材料的主体聚合物中，其中所述液晶形成纳米微滴，由所述聚合物分离，并且具有折射率的各向异性，以及
一对面状电触点层，其中所述面状电触点层在所述散射层的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个所述散射层上产生电场，其中
所述发散照明的特征在于至少一条具有至少10°的半高全宽值的发光强度分布曲线，并且其中
微滴直径d在约10nm至约500nm的范围内，
液晶的各向异性范围为0.02≤|ne-no|≤0.5，并且
分离纳米级散射元件的聚合物主体材料的主体折射率nh在1至3的范围内；和
其中，最大相对折射率
Figure BDA0002794663500000031
是使函数
Figure BDA0002794663500000032
最大化的两个值
Figure BDA0002794663500000033
和
Figure BDA0002794663500000034
中的一个，和
其中，通过
Figure BDA0002794663500000041
所述微滴尺寸、主体折射率和最大相对折射率以及常数c定义了所述散射层(17)的每单位面积的纳米微滴的最小数量N，所述常数c至少为2.918×107nm4。
在一些实施例中，液滴直径d在约20nm至约400nm的范围内，或者在约30nm至约300nm的范围内。在一些实施例中，主体折射率nh在1.2至2.2的范围内或者在1.25至1.75的范围内。在一些实施例中，常数c至少为8.32×107nm4或至少为1.6175×108nm4。
在一些实施例中，常数c等于或大于5.836×107nm4，或者等于或大于1.664×108nm4，或者等于或大于3.235×108nm4。另外或可替代地，常数c等于或小于3.363×109nm4，或者等于或小于2.5×109nm4，或者等于或小于1.6499×109nm4。
在另一方面，本公开涉及一种使用瑞利或类瑞利散射状况提供发散照明的照明装置，该照明装置包括：
光源，用于发射可见光谱中的光；
输出孔，从所述光源发出的光通过该输出孔射出所述照明装置；和
层结构，包括：
嵌入在主体材料中的多个纳米级散射元件的散射层，并且位于在所述光源和所述输出孔之间延伸的发射光的光路中，其中所述散射层被配置为聚合物分散液晶层，其中液晶作为纳米级散射元件嵌入在作为主体材料的主体聚合物中，其中所述液晶形成平均尺寸在约10nm至约500nm范围内的纳米微滴，由所述聚合物分离，并且具有折射率的各向异性，以及
一对面状电触点层，其中所述面状电触点层在所述散射层的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个所述散射层上产生电场，其中
所述发散照明的特征在于至少一条具有至少10°的半高全宽值的发光强度分布曲线。
在另一方面，本公开涉及一种用于提供发散照明的照明装置，该照明装置包括：
光源，用于发射可见光谱中的光；
输出孔，从光源发出的光根据输出方向通过该输出孔射出照明装置；和
层结构，包括：
嵌入在主体材料中的多个纳米级散射元件的散射层，并位于在光源和输出孔之间延伸的发射光的光路中，以及
一对面状电触点层，其中所述面状电触点层在散射层的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个散射层上产生电场，其中
所述发散照明的特征在于至少一条具有至少10°的半高全宽值的发光强度分布曲线。
在一些实施例中，光源被配置为发射具有至少一条发光强度分布曲线的光，该至少一条发光强度分布曲线的半高全宽值至少为10°，特别是作为所述照明装置的发散照明的至少一条发光强度分布曲线的基础。在一些实施例中，光源可以直接向层结构发射具有基本朗伯发光强度分布的漫射光。附加地或可替代地，该层结构可以包括漫射层，以漫射来自光源的光，以产生至少一条发光强度分布曲线，该发光强度分布曲线的半高全宽值至少为10°，特别是作为照明装置的发散照明的至少一条发光强度分布曲线的基础。
在一些实施例中，照明装置可以进一步包括准直光学器件，该准直光学器件被配置为用于对从光源发射的光的至少一部分进行重定向以通过输出孔，并且其中，该准直光学器件可选地配置为产生至少一条具有至少为10°的半高全宽值的发光强度分布曲线，特别是作为照明装置的发散照明的至少一条发光强度分布曲线的基础。
在一些实施例中，从输出孔出射的光的输出发光强度最大的方向可以界定输出方向，并且准直光学器件可以包括总有效区域，该总有效区域由与所述光源的光相互作用的一个或多个表面和/或一个或多个界面在横向于所述输出方向延伸的平面上的投影所界定，它是所述输出孔的分配面积的至少0.3倍、至少0.5倍或甚至至少0.7倍，所述分配面积由所述输出孔或所述输出孔的与相应的准直光学器件相关联的部分在横向于所述输出方向延伸的平面上的投影所界定。
在一些实施例中，所述层结构尤其是所述散射层可以设置在所述准直光学器件、所述光源或尤其是覆盖所述输出孔的光学窗口的透射或反射表面或界面上。在一些实施例中，层结构可以是膜或涂层。
在一些实施例中，所述面状电触点层中的至少一个被配置为在可见光波长范围内是透明的。替代地或附加地，所述面状电触点层中的一个被配置为反射性的。它可以特别地形成所述准直光学器件的反射界面。
在一些实施例中，照明装置可以配置为使得在输出孔下游的光包括
直射光束，其包括在由所述照明装置的发散照明的发光强度分布曲线的半高全宽值给出和/或由所述准直光学器件界定的角度范围内传播的光，和
漫射光，其源自于从所述光源发射的光在所述散射层的所述纳米级散射元件处的散射。
在一些实施例中，散射层可在可见光波长范围内具有波长相关系综光散射截面量，其取决于与照明方向相关联的所述纳米级散射元件和所述主体材料之间的相对折射率。散射层可以被配置为通过设置电场强度而在所述系综光散射截面量方面是可适应的，从而改变所述相对折射率和/或由此特别地提供所述直射光束部分和所述漫射光部分的光谱的可改变性。
在一些实施例中，光源可以包括安装在LED板上的至少一个发光二极管，和/或光源可以包括发光二极管的一维或二维阵列。
在一些实施例中，准直光学器件可以被配置为通过在反射表面处的反射来重定向所述光源的光，并且所述准直光学器件包括全内反射透镜或复合抛物面聚光器，特别是具有矩形或圆形的截面。
在一些实施例中，照明装置可以进一步包括可控功率单元，其与所述一对面状电触点电接触，并且被配置为适配所述散射层上的电场，从而控制所述系综光散射截面量。
在一些实施方案中，分散在透明主体材料中的液晶微滴可以设置为充当用于类瑞利散射的纳米尺寸范围内的散射中心。
在一些实施方案中，分散在透明主体材料中的液晶微滴可以设置为在瑞利或类瑞利散射状况下充当透明纳米级散射元件。
在照明装置的一些实施例中，照明装置的输出孔由光从照明装置出射的区域给出。并且，输出孔的尺寸可以给出为，对于圆形输出孔，直径小于95mm，例如小于80mm，或者甚至小于50mm。对于非圆形的输出孔，输出孔的尺寸可以给出为，包围输出孔的圆的直径小于95mm，例如小于80mm，或者甚至小于50mm。
在一些实施例中，照明装置的输出孔由光从所述照明装置出射的区域给出。并且，输出孔可以在小于或等于10000mm2、小于或等于9000mm2、或者小于或等于6400mm2、或者甚至小于或等于2500mm2的区域上延伸。
在一些实施例中，散射层具有在可见光波长范围内的波长相关系综光散射截面量，其取决于与照明方向相关联的纳米级散射元件的有效尺寸。然后，散射层可以被配置为通过设置电场强度而在所述系综光散射截面量方面是可适应的，从而改变纳米级散射元件(19，63)的有效尺寸和/或从而特别地提供直射光束部分和漫射光部分的光谱中的可改变性。
通常，本文中的可见光谱中的光被认为是在从400nm至700nm的波长范围内。通常，光源由电力产生光。在一些实施例中，光源(可选为另外地)经由诸如光纤的光导接收光。例如，在同一申请人于2017年2月28日提交的尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/000272中公开了相应的光接收和光导系统(其全部内容通过引用合并于此)。在后一种情况下，可以将光源视为例如光纤输出面。
对于发射的光，光源应优选满足以下特征中的一个或多个：相关色温：CCT>4000K，优选>5000K，更优选5500K；显色指数：CRI>80，优选>85，更优选>90；亮度：L>104cd/m2，优选>105cd/m2，更优选>106cd/m2。
照明装置的输出孔是光从照明装置出射的区域。对于基本上延伸到输出窗口或壳体的输出开口的准直光学器件，输出孔基本上由准直光学器件的周边边缘(或其在出射窗上的投影)界定。当从照明装置出射的光的横截面尺寸由壳体的输出开口界定时，输出孔基本上由开口的周边边缘界定。通常，平面的光学输出窗口体现出输出孔的区域并封闭壳体的输出开口。对于更复杂的外壳结构，输出孔可以与最适合输出开口的平面相关联。
输出方向与从输出孔出射的光的主方向相关。在输出方向上，输出发光强度最大。输出方向通常在正交于输出窗口(通常是输出孔)的方向上延伸，除非预期特定倾斜地输出。在一些实施例中，输出方向对应于相对于正交于由输出孔界定的平面的方向的角度，该角度小于45°，优选地小于35°，最优选地小于25°。
本文公开的方面涉及提供发散照明的照明装置。在此，可以关于参考方向(在本文中也将其称为照明装置的输出方向)来描述发散照明。该参考(输出)方向通常对应于与照明装置相关联的发光强度分布的最大发光强度的方向。发散的照明可以通过在包括参考/输出方向并且穿过输出孔的几何中心的至少一个截面中的发光强度分布的曲线来表示。通常，在发光强度分布的几何和光学关联主要与输出孔相关联的情况下，该曲线表示穿过光源或输出孔或出射窗口的几何中心的平面中的发光强度。发光强度表示为从某个给定方向(通常是输出方向)测量的角度的函数。围绕输出方向，发光强度分布的FWHM(半高全宽值)至少为10°，例如15°或以上、20°或以上、30°或以上、40°或以上、50°或以上(例如60°或以上)。
输出方向可以对应于与准直光学器件相关联的准直方向。对于基于LED板的系统，输出方向可以正交于LED板界定的平面。
发散照明不同于狭窄的准直光束，该光束在最初提到的出版物中可用来模仿太阳。发散照明的光在围绕输出方向的角度范围内从输出孔出射。
可以通过仅将漫射发射光源的光准直到相应的(有限的)程度来产生发散照明。而且，可以通过例如在漫射层/界面中(宽带)漫射而扩宽光束来产生发散照明。漫射层/界面可以是粗糙的表面结构，或基于散射层内的漫散射(大)颗粒。
发散照明的极限是(完全)漫射光发射，例如以基本上朗伯发光强度分布发射的光。
如上所述，发散照明可以相对于不同的方位角方向(例如，延伸穿过输出方向的不同平面)而不同，而特别地，在任何方位角方向上的发散都满足至少10°的最小FWHM，例如，至少15°或以上、20°或以上、30°或以上、40°或以上、50°或以上，例如60°或以上。
与模仿太阳天空的照明系统相反，本文公开的照明装置的目的不在于模仿太阳外观。相反，漫射照明的光谱组成是最重要的。本文提出的漫射照明将导致通常覆盖整个输出孔的大亮点的感知。
因此，也可以使用小尺寸(与大型的模仿天空的面板相比)的输出孔，由于输出孔的有限的(小)尺寸，在看天空时不允许出现被天空包围的太阳的外观。然后，甚至小尺寸的输出孔也可以与非发散的小照明点结合使用。因此，虽然在任何方位角方向上的发散也可以替代地满足例如小于或等于10°的最小FWHM，例如8°或5°或3°(在本文中被视为非发散照明)，输出孔的尺寸的特征在于直径小于95mm、例如小于80mm、或者甚至小于50mm的圆形输出孔。对于非圆形的输出孔，包围输出孔(或包围准直光学器件的总有效区域)的圆的直径可以用来界定输出孔的尺寸。由区域尺寸界定，该输出孔可以在小于或等于10000mm2、小于或等于9000mm2或者小于或等于6400mm2或者甚至小于或等于2500mm2的区域上延伸。
通常，提供更发散的照明的实施例可以具有更大尺寸的输出孔。例如，漫射LED板可以在一个或两个方向上具有几百毫米的尺寸。
应注意的是，灯的壳体的内表面在对应于内表面的至少30％、优选为20％、更优选为10％的至少一部分中可以是非吸收性的。这意味着，与为了模拟自然日光照明而优化的上述照明单元相比，不需要通过提供特定的吸收结构消除来自环境的光的背反射。相反，任何进入照明装置的光(至少一部分)都可以被准直光学器件或壳体内表面的任何反射部分再次反射回去。
照明装置可以具有这样的光发射，该光发射具有在输出方向上的第一CCT和在相对于输出方向倾斜大于或等于80°(优选大于或等于70°，更优选大于或等于60°)的角度的方向上的第二CCT，并且第二CCT大于第一CCT。
与最初提到的可调谐白光源(其使用以不同CCT或不同颜色为特征的多个光源，通过混合这些光源中的每个光源的亮度进行色彩调谐)相比，本文公开的照明装置使用以散射光的方式可控制的散射层。该可调谐的散射层允许更自然的颜色可调谐性。可调谐的散射层可以特别地允许沿着接近CIE-xy-色度图中的普朗克轨迹的线的曲线进行色彩调谐，例如，在晴天期间靠近太阳和天空的不同色点的区域中。
此外，本文公开的照明装置能够进行更精细的颜色调节，该颜色调节可以与来自真实太阳的光或通过模仿太阳光的光源(如上述专利申请中公开的那些以及基于上述尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062中公开的那些技术)相匹配。
通常，由于房间中白光源之间的较大失配可能被感知为令人不安的，因此令人期望的是将模仿阳光的光源的阳光成分的颜色与定位在与模仿阳光的光源相同的房间中(例如，紧挨着模仿阳光的光源)的辅助照明装置的颜色进行匹配。具体地，本文公开的技术使得能够再现与自然照明相似的颜色范围，从而使得本文公开的概念可以允许在日间变化的太阳照度下紧密且很大程度上遵循太阳光的自然色(再现)。
在从属权利要求中公开了上述方面的进一步实施例，其通过引用结合于此。
在从属权利要求中公开了其他实施例。
例如，在一些实施例中，散射层可以具有由折射率失配的变化范围和/或纳米级散射元件的有效尺寸的变化范围界定的色度可调谐范围。散射层可经配置以提供色度可调谐范围内的光散射截面，使得对于CIE 1931标准观察者(2°)，当光谱功率分布在可见光谱内恒定的非偏振白光(E标准光源)以入射角入射到散射层上时，特别是对于垂直入射或对于在从垂直入射到大约45°、35°、25°或15°的入射角的角度范围内的选定的一个或所有入射角，规则透射光的光谱对应于CIE 1976u'-v'-色度图中的色点，其中u'-v'-坐标分别大于0.20和0.465。散射层可经配置以提供色度可调谐范围内的光散射截面，使得当用以入射角入射到散射层上的非偏振白光测量时，特别是对于垂直入射或者在从垂直入射到大约20°、40°或60°的入射角的角度范围内选定的一个或所有入射角，规则的光谱透射率对应于CIE1976u'-v'-色度图中的色点，u'-v'-坐标分别大于0.20和0.465。散射层可以配置成提供在色度可调谐范围内的光散射截面，使得对于具有在可见光谱内恒定的光谱功率分布的入射白光(E标准光源)，在除了与规则透射角偏离小于20°的那些角度之外的所有散射角上积分的漫射光的光谱分别对应于CIE 1976u'-v'-色度图中u'-v'-坐标分别小于0.22和0.485的色点。散射层可经配置以提供色度可调谐范围内的光散射截面，使得对于具有在可见光谱内恒定的光谱功率分布的入射白光(E标准光源)且对于CIE 1931标准观察者(2°)，与色度可调谐范围内的透射光的光谱或色度可调谐范围内的规则光谱透射率相关的色点和与漫射光的各个光谱相关的色点之间的欧几里德距离Δu'v'等于或大于0.02，特别是甚至等于或大于0.03，或者甚至等于或大于0.04，或者甚至等于或大于0.05。
在一些实施例中，与规则透射光的光谱或色度可调谐范围内的规则光谱透射率相关的至少一个色点与普朗克轨迹的欧几里德距离Δu'v'可以等于或小于0.1，特别是甚至等于或小于0.08，或甚至等于或小于0.05，或甚至等于或小于0.03，或甚至等于或小于0.01。
对于CIE 1931标准观测者(2°)在对应于最大散射截面的色度可调谐范围内的配置，当在可见光谱内具有恒定光谱功率分布的非偏振白光(E标准光源)在从垂直入射到大约60°的入射角范围内以入射角照射到散射层上时，规则透射光或规则光谱透射率可对应于CIE 1976u'-v'-色度图中的色点，其中u'-v'坐标分别大于0.20和0.465，例如分别大于0.2117和0.4851，或者分别大于0.212和0.485，或者甚至分别大于0.225和0.5，或者甚至分别大于0.2265和0.5029，或者甚至分别大于0.24和0.514，或者甚至分别大于0.243和0.5166，或者甚至分别大于0.2598和0.5261。另外或替代地，对于CIE 1931标准观察者(2°)，在对应于最大散射截面的色度可调谐范围内的配置，规则透射光或规则光谱透射率可以对应于CIE 1976u'-v'-色度图中的色点，其中u'-坐标小于0.465，例如小于0.42或0.4，特别是小于0.38或0.3605，或甚至小于0.35。
在一些实施例中，波长相关的光散射截面由散射层的特性的特定选择给出，其影响其光学特性，包括：纳米级散射元件的折射率，特别是所述折射率和/或所述纳米级散射元件的构成物质的折射率的各向异性，纳米级散射元件的尺寸和/形状，特别是几何形状的各向异性，主体材料的折射率，特别是所述折射率和/或主体材料的构成物质的折射率的各向异性，纳米级散射元件与主体材料之间的填充率，和/或散射层的层厚度。在一些实施例中，纳米级散射元件的平均尺寸可以在约10nm至约500nm的范围内，例如在约20nm至约400nm的范围内，例如在约30nm至约300nm的范围内，和/或纳米级散射元件(特别是液晶微滴)与主体材料之间的体积分数可以在约15％至约70％的范围内，例如在约25％至约60％的范围内％(例如30％或25％)，和/或散射层的层厚度可以在约5μm至约500μm的范围内，例如在约10μm至约250μm的范围内，例如在约15μm至约125μm的范围内或者甚至在约20μm至约50μm的范围内，并且可选地，层厚度由间隔元件界定和/或在5cm×5cm(或例如10cm×10cm)的散射层的区域内，厚度变化小于10％。
在一些实施例中，常数c等于或大于5.836×107nm4，特别是等于或大于1.664×108nm4，例如等于或大于3.235×108nm4。此外，在一些实施例中，常数c等于或小于3.363×109nm4，特别是等于或小于2.5×109nm4，例如等于或小于1.6499×109nm4。
在一些实施例中，可以选择散射层的光学参数，使得在没有施加电场的情况下，穿过散射层的白光被分离成较暖的直射光部分(特别是在本文中具有较低的CCT、被认为是在发光强度分布的半高全宽值内的光)和较冷的漫射光部分(特别是具有较高的CCT，例如比较低的CCT高至少1.1倍，优选为1.2倍，更优选为1.5倍，在此被认为是在发光强度分布的半高全宽值之外)。
在一些实施例中，蓝色(例如在440nm至460nm的波长范围内)的波长相关光散射截面可大于黄色(例如在540nm至560nm的波长范围内)的波长相关光散射截面，特别地，其可以大至少约15％，例如至少约30％。此外，黄色(例如在540nm至560nm的波长范围内)的波长相关光散射截面可以大于红色(例如在640nm至660nm的波长范围内)的波长相关光散射截面，特别地，其可以大至少约10％，例如至少约20％。此外，波长相关的光散射截面可以随着波长的增加而减小，例如，当波长增加时，它会单调减小(当λ1>λ2时,σ(λ1)<σ(λ2))。
在一些实施例中，照明系统可以包括控制单元，以控制功率单元并适配由电场发生器产生的电场的强度，从而具体地控制光散射横截面及其任何变化。可以通过改变功率单元产生的功率信号的幅度和/或占空比来适配电场的强度。
为完整起见，参考另一实施例，该实施例提供了使用多个纳米级散射元件在入射白光上的色度可调谐的散射相互作用，这些纳米级散射元件在形状上是几何不对称的(特别是杆状/细长的)并且在电场的存在下提供了(特别是感应的)偶极矩。在液体状主体材料层中设置了非对称散射元件，其中，液体状主体材料的折射率不同于纳米级散射元件的折射率，分离纳米级散射元件，并允许纳米级散射元件的重新定向。一对面状电触点可以提供电场，以与液体状主体材料层内的纳米级散射元件相互作用。对于进一步的细节，具体参考上述尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062，特别是与结合图13和14所讨论的实施例有关的公开，该披露内容通过引用并入本文。
通过以下描述和附图，将能够清楚明白本公开的其它特征和方面。
附图说明
在此并入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。图中：
图1A和图1B分别是照明装置的第一实施例的示意性截面图和正视图；
图2A和2B是第一实施例的可调谐散射的示意图；
图3A和图3B分别是照明装置的第二实施例的示意性截面图和正视图；
图4A和图4B是照明装置的第三和第四实施例的示意性截面图；
图5是照明装置的第五实施例的示意性截面图；
图6是第五实施例的可调谐散射的示意图；
图7是照明装置的第六实施例的示意性截面图；
图8是第六实施例的可调谐散射的示意图；
图9和图10分别是背光LED板实施例和侧光LED板实施例的图示；
图11A是具有照明装置(如图1至图10所示)和用于色度适应照明的模拟太阳天空照明系统的房间的示意图；
图11B示出了照明装置的另外的示例性实施例；
图12A和12B是用于对透射率进行色彩调谐的基于液晶液滴的层结构的运行状态的示意图；
图13是根据示例性的基于PDLC的层结构的入射角的总横截面的示意图；
图14A和图14B示出了示例性折射率波长依赖性和在基于PDLC的层结构中使用的物质的示例性组合；
图15A至图15D示出了示意性均匀色度图，用于示出用于白光源照明的层结构的调谐透射率的色度感知以及漫射光的相应色度感知的示例性变化。
图16A和16B示出了两个示意性极坐标图，示出了对于两个示例性可见光波长的光相互作用的差异；
图17A至图17J示出了基于LC纳米微滴的层结构的示意性横截面；
图18是每单位面积的纳米级散射元件的最小数量N的示例性三维图；和
图19示出了用于表示每单位面积的纳米级散射元件的数量N的上限值的示意性均匀色度图。
具体实施方式
以下是本公开的示例性实施例的详细描述。在此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中并针对许多不同的应用来实现和使用本公开。因此，示例性实施例不旨在并且不应被认为是对专利保护范围的限制描述。相反，专利保护的范围应由所附权利要求界定。
本公开部分地基于以下认识：使用本文公开的可调谐瑞利散射概念，可以以自然的方式调谐白光照明的颜色。特别地，可以操作与自然/模拟的阳光束一致的白光二次照明设备，如在例如一天的不同时间所感知的。已经认识到，颜色的改变允许以相对于日光一致的方式照亮房间。换句话说，透射率的调谐实现了可调谐的照度分布曲线，该照度分布曲线允许设置由用于照亮房间的多个照明系统提供的照度的期望的一致性。
本公开还部分地基于以下认识：折射率的各向异性允许改变有助于瑞利或类瑞利散射的相对折射率m。
此外，已经认识到，由于散射参数在大范围内的变化，引入例如基于液晶的结构提供了而获得这种漫射板的透射率的可调谐性，从而能够将散射参数调谐(设定/适应)为多个值(即至少两个不同的散射条件)。例如，已经认识到使用分散在固体透明主体材料中的液晶微滴作为纳米级范围内的散射中心(例如，对于类瑞利散射)，可以通过改变施加在液晶微滴上的电压来设定有贡献的相对折射率。具体地，施加电场在一定程度上使不同纳米微滴内的液晶的取向对准。
此外，认识到可以形成具有均匀厚度(例如小于500μm，例如300μm，或甚至小于200μm，小于100μm或甚至小于50μm)的聚合物分散液晶(PDLC)层，例如在PDLC层的10cm的横向尺寸上具有小于10％的均匀性。
还认识到，折射率的各向异性可以用于反向配置(reverted configurations)，其中例如在自适应主体折射率中使用静态散射体光学条件。
本领域技术人员将认识到，对于变化的条件、实现和/或应用，可以广泛地应用和理解在此公开的那些光学方面以及实施方式的那些方面。因此，针对至少在某种程度上浓缩的公开内容，在一种条件、实施方式和/或应用中更详细地示出了特定方面，本领域技术人员将理解在另一种条件、实施方式和/或应用中的适当转用和相等的适用性。
结合图1至图10，描述了照明装置的示例性示意性实施例，这些照明装置通过输出孔发射源自白光源的光。所述实施例包括层结构的实施例，该层结构位于在光源和输出孔之间延伸的发射光的光路中。因此，该层结构可以在从光源传播到输出孔的发射光线的各种光路的至少一部分中，从而影响发射光的光谱特性。例如，层结构可以是单独的光学面板或应用于光学元件(例如，输出窗口或反射元件)的层(例如膜)。实施例可以进一步包括反射准直光学器件(例如参见图1A、图3A、图5)或折射准直光学器件以至少部分地准直所发射的光(例如参见图9和10)。
图1A示出了照明装置100A的第一示例性实施例的示意性横截面，该照明装置被配置成用于通过输出孔101发射光束。光束包括在由照明装置的发散照明的发光强度分布曲线的半高全宽值给定的角度范围内传播的光，并且例如由准直光学器件界定。图1B示出了照明装置100A的相应示意性前视图。
照明装置100A包括光源103、准直光学器件105和层结构107。
层结构107被配置为照明装置100A的输出窗口。它包括散射层17和一对电触点层23'(或短电触点)。散射层17例如夹在两块ITO玻璃板23之间，为散射层17提供稳定性和保护。下文具体结合图17A至17D以及17G至17J描述适用于本实施例的层结构的进一步的实施例。
经由散射层17，特别是通过在施加在调谐电极108上的散射层17上产生电场，可以在与发射光束相关联的色谱中调谐照明装置100A。对于散射层17的功能，参考以下结合图2A和2B的描述以及与图12至图19相关的描述。
照明装置100A还包括壳体109，该壳体特别地封装光源103、准直光学器件105和层结构107(除了输出孔101之外)。从而，照明装置100A形成单个结构单元。单个结构单元本身可以用作照明器，或者可以在照明器中用作光引擎模块(另请参见图11A和11B)。
光源103安装到电源板111，电源板111具有用于将光源103连接到(光引擎)电源113A的电触点113。可选地，板111承载用于操作例如光源103的基于半导体的发光结构的控制电子设备。基于半导体的发光结构可以包括一个或多个LED。在图1B中示例性地示出了单个LED 103A。光源103被配置为发射例如覆盖从大约400nm到大约700nm的光谱范围的白光。例如，LED 103A可以是宽带白光源/LED，例如包括光转换磷光体层。
光源103可以进一步包括在图1A中示意性地示出的主准直(圆顶)透镜103B。圆顶透镜103B在第一步骤中收集例如源自荧光体的经转换的光。如图1A中的箭头104所示，光以较大的角度范围射出圆顶透镜103B。一部分光将直接朝向输出孔101传播并从照明装置100A出射。
另一部分光将照射在准直光学器件105上。在图1A的示例性实施例中，准直光学器件105是反射准直器，例如圆形复合抛物面聚光器(CPC)。图1B示出了圆形CPC的圆形形状。准直光学器件105将入射光(特别是来自光源103的光)重定向到输出孔101。
通过输出孔101射出的光(假设在此阶段不与散射层相互作用)基本上形成光束。光束的特征在于输出发光强度分布。具有最大输出发光强度的光传播方向界定了输出方向118(在图1A中示意性地表示为箭头，这是由于在这种情况下与输出孔101的平面正交的对称性)。取决于准直光学器件105，光束在至少一条输出发光强度分布曲线中具有从5°至60°或更大的范围内(例如10°、20°、30°、40°、50°或60°)的半高全宽值。即使光束不是准直的，输出方向也通常与光束的主方向相关。
准直光学器件105可以附接到板111，并且经由板111附接到壳体109。图1A还示出例如用于使CPC相对于壳体109稳定在其孔口侧的环形安装结构115。
将光学有效区域(即，反射来自光源103的光的准直光学器件105的区域)在输出孔101处横向于输出方向118延伸的平面上的投影定义为总有效区域105A，则准直光学器件包括在图1B中的两个点划线之间呈环形延伸的总有效区域105A。换句话说，除了中心圆形区域106(阴影)之外，总有效区域105A将基本上径向延伸至输出孔101，在图1A和1B中示出了输出孔101的直径D 101。
通常，准直光学器件105可以被认为包括总有效区域，该总有效区域由与光源的光相互作用的一个或多个表面和/或一个或多个界面在横向于输出方向延伸的平面上的投影所界定。该总有效区域是输出孔101的分配面积的至少0.3、至少0.5或甚至至少0.7倍，该分配面积与相应的准直光学器件105相关联并且由输出孔101或与相应的准直光学器件105相关联的输出孔的一部分在横向于输出方向118延伸的平面上的投影所界定。
图1B进一步示出了输出孔101的圆形形状。输出孔101示例性地由壳体109的圆形保持支架109A界定。
图2A和2B示意性地示出了散射层17对所发射的光束的外观(特别是其所感知的颜色)的影响。为了影响散射层17的散射特性，该对面状电触点层23'经由调谐电极108与(散射控制)电源118A电连接，以在散射层17上产生可调电场27。
在第一运行状态下(例如，在图2A中未施加电场-电压值V1＝0)，散射条件设置为使得从光源103发出的光的宽光谱范围被高度散射。因此，发射光束121呈现红色(例如，当在由照明装置的发散照明的发光强度分布曲线的半高全宽值给出的角度范围内观察时)，而散射光123(仅从侧面可见)呈现为白色。在图2A中，由选定的散射元件63处的许多散射箭头指示了宽光谱范围的散射。
在第二运行状态下(例如，在图2B中的散射层17上施加预设电场-电压值V2)，散射条件被设置为具有低散射。然后，光束121呈现为黄色，而散射光123呈现为蓝色。在图2B中，通过在选定的散射元件63处尺寸变化的散射箭头(小尺寸箭头表示例如红色波长分量的散射减少)来指示主要是蓝色光谱范围的散射。
因此，通过改变电场强度，光束121的光谱外观可以设置为在CIE-xy-色度图中特定于散射层17的散射特性的日光轨迹内的色点。
图3A、图3B、图4A和图4B示出了基于全内反射(TIR)透镜的照明装置100B、100C、100D的替代实施例。通常，TIR透镜内的光传播与结合图1A所示的相似(为简化附图，未显示箭头)。当投影到横向于输出方向延伸的平面上时，总有效区域相对于输出孔101的区域的方面也类似于CPC实施例。
由于TIR透镜的整体结构，照明装置100B、100C、100D可以被构造为紧凑的复合光学元件，其中所有光学元件彼此固定地附接。或者，它们可以设置有壳体(未示出)，其安装如图1A所示的一个或多个光学元件。
在照明装置100B中，如图1A所示，层结构107位于孔侧，并因此基本上与离开准直光学器件的所形成的准直光相互作用。相比之下，照明装置100C和100D是示例性实施例，其中，层结构在入射到准直光学器件上之前与光相互作用。
具体参考图3A，准直光学器件被配置为具有输入侧131A和输出侧131B的TIR透镜131。TIR透镜131对从光源103发出的光进行重定向以通过设置在输出侧131B处的输出孔101。在输入侧131A，TIR透镜131可以包围光源103。TIR透镜131可以与光源103一起安装到板111。在TIR透镜131的输出侧131B，层结构107可以构造为膜，将其与两个透明触点层23′一起施加到TIR透镜131的输出面上。层结构107还可以进一步包括保护性玻璃层或紫外线过滤玻璃层133。如图3A所示，调谐电极108可以沿着TIR透镜131朝向TIR透镜131的输入侧131A被引导并连接至(散射控制)电源(图3A中未示出)。
图3B示例性地示出了TIR透镜131具有矩形的输出孔101。应注意，本领域技术人员将认识到TIR透镜以及图1A的CPC的其他横截面形状。
此外，图3B示例性地示出了光源103可以包括多个基于半导体的发光结构，例如，多个LED 103B。注意，尽管原则上可以将来自这样地多个LED的白光的色彩调谐用于从光源103发射的光(例如，以不同CCT发射的多个LED的光谱，以便提供一些色彩调谐)的光谱的初始设置，本文公开的概念独立于该初始设置提供了色彩调谐。
在图4A和4B所示的照明装置100C和100D中，示出了层结构107的位置的变型。具体地，层结构107位于TIR透镜131的输入侧131A。在图4A所示的实施例中，层结构107位于界面的中心部分，来自光源103的光通过该部分进入TIR透镜131。穿过该中心部分进入的光通常在没有内部反射的情况下离开输出面。因此，通过散射该光的一部分，可以改变输出光束的光谱分布。
在图4B所示的实施例中，光进入TIR透镜131所通过的完整界面与层结构107层叠。与未散射的光相比，散射的光将较少地被TIR透镜131准直，使得输出光束的光谱分布可再次被改变。
在图5所示的实施例中，基于CPC的照明装置100E具有在CPC 141的反射性内表面142上层叠的散射层17。此外，阻挡器元件143定位成阻挡从光源103发射的任何光通过输出孔101直接离开CPC 141。在CPC 141的输出侧141B，输出孔101可以由透射出射窗145形成。调谐电极108可以位于CPC 141的输入侧141A，并且可以与(散射控制)电源相连，以在散射层17上产生电场。
图6示意性地示出了层叠的散射层17对发射光束的外观(特别是其感知颜色)的影响。从光源103发射的光的第一部分在被CPC 141的反射内表面142反射之前被散射，并且光的第二部分在被CPC 141的内表面139反射之后被散射。因此，CPC 141的内表面142是漫散射光147的起点。另外，光被重定向到输出孔而不被散射。
如图2A和2B中所示，分别在图6的左侧部分和右侧部分示出了两种运行状态，每种运行状态再次由相应的电压值V1、V2所界定。
在图6的左侧，示出了如图2A(V1＝0)中未施加电场的第一运行状态。然后，设置散射条件，使得从光源103发射的光的宽光谱范围被高度散射。因此，当从光束149A的外部观察时，准直光束149A(沿着输出方向118离开CPC 141)呈现为红色，而出射窗145(由于宽带散射光147A)呈现为白色。
在图6的右侧，示出了第二运行状态，其中如图2B所示，在散射层17上施加了预设电场(V2＞0)。然后，将散射条件设置为具有低散射，并且当从侧面(即从光束149B的外部)观察时，光束149B呈现黄色，而出射窗145(由于主要是蓝色散射光147B)呈现蓝色。
通过改变电场强度，可以将光束的光谱外观设置为CIE-xy-色度图中的特定于散射层17的散射特性的日光轨迹内的色点。
在图7所示的实施例中，基于CPC的照明装置100F对应于照明装置100E，不同之处在于没有光束阻挡器。
因此，参考图8，光束149A'和149B'包括直接从光源103射向输出孔101的光151。如图6所示，光束149A'和149B'包括与CPC 141相互作用并且因此部分地如在照明装置100E中一样在散射层17处散射的光，。
因此，来自光源103的光151的原始光谱在一定程度上有助于所发射的光束149'的外观。由此，可以修改直射光束149A'和149B'的色谱的可调谐范围，例如在范围上偏移和/或减小。
虽然照明装置100A至100F涉及基于与一个相应的准直光学器件相关联的一个光源的模块，但是通过组合多个相应的照明装置可以对总输出孔的尺寸进行缩放。换句话说，LED板布置可以由多个LED单元(作为光源)形成，每个LED单元发射用多个准直光学元件(例如，微透镜阵列)准直的光。类似于照明装置100A或100B，层结构107可以横跨一个或多个(甚至全部)准直光学元件的输出孔延伸。或者，可以使用如图5所示的配置来形成LED板。
在一些实施例中，共用层结构可以用于控制光谱外观中的多个照明装置(例如，当使用如图3A所示的基于TIR的矩形照明装置的网格时)。这样的系统是一种背光LED板。通常，已知的白光LED板可以与散射层组合，既可以在LED板的分层系统中使用，也可以作为例如由层结构107形成的附加输出窗口单独应用。
图9示意性地示出了设置有层结构107作为输出面板的LED板165A的侧光构造。如同在共用白光侧光LED板中一样，LED 103A及其相关的准直光学器件(示意性地描绘了共用聚光器154)将白光耦合到导光板153中，例如通过棱镜结构155从该导光板中提取光。而且，图9示出了被配置为透镜阵列的附加的(可选的)折射准直光学器件。透镜阵列的透镜157在它们的位置上与棱镜结构155相匹配。作为在一侧耦合到所有LED 103A的共用聚光器154的替代，可以使用分别耦合到LED 103A的聚光器(反射器或TIR透镜)的阵列或者诸如准直透镜阵列(分别耦合到LED 103A)的透射光学器件(例如，类似于图1A和3A)。
图10涉及基于漫射发光LED板159的另一实施例。与先前描述的利用准直光学器件形成光束并使得颜色分量能够散射出光束的实施例相反，图10的LED板装置159借助于安装在公共板111'上的多个漫射发光LED 103A发射漫射光。
然而，由于漫射发射光被层结构107部分地反向散射或反向散射到公共板111'上，并且至少一些反向散射/反向漫射的光被板的结构吸收。在这种情况下，由层结构107引起的散射也会影响LED板159的光谱外观。
虽然图10的LED板159示例性地基于背光构造，但是类似地，也可以使用侧光构造。然后，光被漫射地耦合出导光板，并且光学系统被配置为使得来自散射层的至少一些背向反射光不会对漫射发光LED板的光谱外观产生影响。
在下文中，首先总体上然后在液晶纳米微滴实施方案(图11A至图17J)的背景下示例性地解释光学考虑因素，以及层结构尤其是散射层的具体特征。最后，结合图18和图19公开了与可调谐散射相关联的微观参数范围。
图11A和11B示出了可以在房间3内实现照明装置，由此可以已经利用如上述申请中所公开的模仿太阳天空的照明系统9来对房间3进行照明。具体地，图11A是模型照明配置的类似图片的图示，并且图1B给出了可以基于本文公开的照明装置的另外的灯的概览。
在照明系统9的运行期间，通过白色光源(未示出)以倾斜角从上方照亮(类瑞利)散射层。因此，房间3被源自白光源的白光的两种光照明。具体地说，通过与类瑞利散射层的相互作用，白光被分离为透射的较暖分量(较低的CCT)和漫射的较冷分量(较高的CCT)。作为定向光，较暖分量模拟阳光并照射在房间3内的有限区域11上，将该区域设置为特定的色调，例如，其较低的CCT在有限区域11内的示例性点12A处测量。作为漫射光，发出较冷的分量，并且模拟天空。例如，其较高的CCT是在有限区域11外部的示例性点12B处测量的。
对于本文公开的概念，光源9本身的外观(即当看着光源时)的相关性较小，并且请参考上述申请以获得进一步的细节。
然而，本发明的驱动方面尤其是如在上述尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062中所公开的，光源9的定向光以甚至可以被调谐的类似太阳光束的颜色发射。如果在房间3中安装了额外的白光照明装置，则所发出的色谱的兼容性被确定为房间3中的观察者接受照明的基本参数。
图11A示出了具有不同形状、尺寸和功能的补充照明装置的多个潜在实施例。这些灯可以例如设置在墙壁3和/或天花板7中，例如吊灯161、聚光灯163或LED板165。
此外，在图11A中示意性地示出了独立式照明装置167，针对该照明装置167示意性地示出了由直射光束照射并且由另一点12A'处的色谱表征的区域。
作为进一步配置的示例，图11B示出了具有三个聚光灯169A、悬置面状灯171(形状类似于凹入式或表面灯)以及多个单一照明装置(在所需长度上紧邻彼此排列)的连续行灯系统173的轨道灯光系统169。
此处描述的照明装置的实施例允许通过折射率失配和/或散射中心的有效尺寸来适配散射截面，从而改变透射光(和漫射光)的感知颜色。具体而言，可以调谐散射层17的(光谱)透射率，并且因此可以通过散射来调谐透射光的颜色，从感知为白黄色(在橙色之上)到感知为红色。调谐透射率，从而调谐透射光的颜色，使白天有可能接近太阳的颜色变化–鉴于真实太阳进入房间或模仿太阳的照明系统9。因此，可以在房间内提供一致的颜色感知。
通过散射来对透射光进行调谐，原则上可以实现无损耗调谐，这与基于吸收的色彩调谐相反。通过以与其余透射的定向光具有不同漫射发射特性照亮环境，来(重新)使用散射光。通过依赖于波长的散射过程在图11A中的点12A、12A'和12B处感知到颜色。
由于通过散射进行调谐，在有限区域11、11'被直射光束直接照明(例如在点12A、12A'处)，房间内的照度降低。
换句话说，本文公开的概念允许通过调整照明装置的运行状态(例如与照明系统9一致)来匹配直射光束的色谱。因此，优选覆盖从正午的晴朗蓝天到早晨(或傍晚)的平坦入射太阳的较大的色域。如将在下面解释的，本文描述的实施例允许例如将直射光的颜色转向夕阳红的色调。
参考由照明系统提供的CCT，透射光的CCT低于漫射光的CCT。然而，在不同的运行状态下，由于层结构内的散射活动的减少或增加，透射光的CCT和散射光的CCT将在相同方向上都改变，即都增大或都减小。应当指出，本领域技术人员将理解，如上述尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062中措辞，层结构可以被视为漫射器单元。对于房间3中的人来说，将主要感知直射光的颜色，特别是当照明装置的出射窗与照明系统9的模仿“天空”区域相比而言较小或隐藏的时候。
需要注意的是，为了实现上述调谐效果，不需要调整下面的光源的发射色谱。一般情况下，光源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的发光器或基于放电灯的发光器或基于镝灯(hydrargyrum medium-arc iodide lamp)的发光器或基于卤素灯的发光器以及在相应发光器下游的光学系统。
为了识别本文公开的CCT值、u'v'值和透射率，白光源例如是E标准光源，它是可见光谱内的等能量辐射器。虽然作为理论参考，但是E标准光源对所有波长赋予相同的权重，因此特别适合于与波长相关的散射调谐。例如，当将光学特征与参考样品进行比较并将测量结果传送到例如E标准光源时，例如只需通过光源的光谱对所得到的光谱进行归一化，可以使用其它标准光源(例如，在较大的可见光谱范围内向样品提供均匀照度(lux/m)的D65标准光源)。
再次参考图11A，可以用不同的色调来照明限制区域11、11'，这可以支配房间的感知颜色。同时，漫射光的颜色可以变化，因此也影响房间3的照明。除了所感知的色调之外，区域11、11'的内部和外部的亮度也受到调谐的影响。
在下文中，结合图12A和12B解释了液晶分子系综的折射率的可调谐性方面。在基于液晶(LC)的层结构中的包括纳米微滴的纳米结构中提供这样的系综产生可用于对光相互作用进行色调谐的类瑞利散射。
图12A和12B示出了如下所述的基于LC的层结构13的两种不同运行状态。基于LC的层结构13包括由主体材料21内的LC纳米微滴19形成的散射层17。例如，散射层17可以是聚合物分散液晶(PDLC)膜。散射层17的每一侧与覆盖片(例如提供面状电触点23'的ITO玻璃片23)相接触。面状电触点23'沿散射层17的侧面在二维方向上延伸。当电压(DC或AC)施加到面状电触点23'时(如图12B中由箭头27示意性地指示)，成对的面状电触点23'能够产生(大面积)电场，用于与分布在二维膜/层中的LC纳米微滴19相互作用。成对的面状电触点23'中的至少一个配置为透射可见光。因此，例如来自白光源的光可以进入散射层17并在纳米微滴19处散射，纳米微滴19相应地表示纳米级散射元件。
假设液晶(至少)具有光学单轴各向异性，其折射率可由两个主折射率近似，一个是与正交于光轴的线性偏振态相关的普通折射率no，另一个是具有平行于光轴的线性偏振态的特别折射率ne。因此，沿光轴或垂直于光轴在液晶中传播的光将受到不同折射率的影响。它们的差异产生双折射Δn＝ne-no。双折射Δn对于LC通常是正的，并且可以在从0到大约0.5的范围内变化，例如约为0.1或0.3。下面提到各种类型的液晶，表示ne和no的可能范围。
在图12A中，由箭头25表示多个纳米微滴19中的每一个的所得光轴的方向。在没有任何外部影响(例如没有施加电场)的情况下，可以假设多个纳米微滴19的箭头25的取向在所有方向上是任意分布的。换句话说，在这样的聚合物膜内且没有施加电场的液晶微滴的系综中，在每个单个纳米微滴内，液晶分子可能由于LC的组织特性而具有一定的顺序，从而产生由箭头25所表示的光轴，但是，每个纳米微滴内的顺序将基本上会随纳米微滴的不同而随机变化。结果，平均折射率<n>可与液晶微滴的系综相关联：
Figure BDA0002794663500000221
平均折射率<n>独立于入射角，并且可以与基于LC的层结构13的OFF(关闭)运行状态相关联，即，在面状电触点23'之间没有施加电压(ΔV＝0)。这里，平均折射率<n>也被称为n_OFF。
参照图12B，在面状电触点23'之间施加电场，随着电压/电场的增加而在每个纳米微滴内逐渐引入LC分子的对准，如下面将进一步说明的那样。例如，如图12B所示，例如可能需要约1-20V/μm或10-30V/μm的电场值以强制纳米微滴内的LC的最大对齐以及所有取向的最大对齐。
对准改变了光在特定方向上传播所经历的折射率。具体地，对准消除了纳米微滴的随机取向，从而产生光轴，使得LC的各向异性开始影响层17的光学特征。在面状电触点23'(ΔV≠0)之间施加电压至少在一定程度上迫使箭头25与电场对准，与LC/LC纳米微滴的任何相关的电(永久的或感应的)偶极矩一致。
对准随电场的增加而增加。在纳米微滴内的液晶相与周围主体材料之间的界面处，在主体材料与LC之间可存在相互作用，使得并非纳米微滴内的所有LC可与电场对准。对于散射层17的给定配置，通常，饱和电压Vsat与实现最大(或基本上最大)对准的电场相关联。图2B通过示出平行于箭头27的指示电场方向的所有箭头25示意性地示出了LC在Vsat处的最大(或基本上最大)对齐。
例如，假设所有分子的光轴都沿着电场对齐(即在PDLC膜上施加饱和电压)，沿着电场/光轴传播的光基本上经历折射率no。因此，对于该特定的传播方向，在纳米微滴内经历的折射率的可调谐范围从<n>延伸到no，这里称为调谐范围δn＝|<n>-no|。
由于纳米微滴与主体材料之间的界面的上述影响，对于具有受到影响的相对大体积部分和受影响较小的小中心内部部分的小纳米微滴，将需要更大的电场来重新定向受与主体材料的相互作用影响的那些液晶分子。可以减小层17的厚度以使纳米微滴在较低电压下具有较大的电场强度，对于例如基于纳米微滴的PDLC膜，即使在可接受的低电压下也可以达到Vsat。
相对于光轴方向以一定角度传播的光将至少部分地经历从图13可见的光轴方向上的线性偏振方向的特别折射率ne。
在图13中，针对以下更详细解释的NOA65和E7的PDLC膜构造，针对约550nm的波长和Vsat处的最大对准，对总系综散射截面量σtotal(在此也称为总散射截面)进行模拟。具体地，独立于与折射率no、<n>和ne(分别如线28A、28B和28C所示)相关的各向同性纳米微滴的总散射截面的入射角θ，具有源自类瑞利/米氏散射模型的恒定值。
对于各向异性LC纳米微滴和对于p偏振态的入射光，总散射截面的入射角θ的依赖性示出为示意性曲线29。对于各向异性LC纳米微滴和S偏振状态下的入射光，同样与总散射截面的入射角θ无关，其对应于基于各向同性的基于LC的纳米微滴的线28A(与no相关的截面)的值，因为各向异性不影响s偏振光。人们认识到，对于正交入射，只有与no应用相关的总散射截面适用，而对于倾斜入射，各向异性有助于散射。该相关性与单粒子散射截面有关。
注意到，对于NOA65和E7的PDLC膜构造(例如也参见14A)，对于no，基本上不存在折射率失配，使得总散射截面接近零。给出了ne的最大折射率失配，导致了“平行”入射的p偏振态的总散射截面最大。
参考图14B，应注意，对于其他PDLC膜构造，no可以与nh不同，使得对于s偏振总是存在折射率失配。然而，如本领域技术人员将理解的，取决于nh在由no和ne界定的范围之内或之外的相对位置，总横截面可能存在“零”交叉，或者对于单偏振可能不存在“零”交叉。
此外，对于非偏振光束，适用于p偏振和s偏振的总散射截面的叠加。在图13所示的示例中，这意味着50％的光不以任何角度散射，并且剩余的50％的光根据曲线29散射。换句话说，曲线29的总散射截面将减半但保持其总体形状。类似的考虑适用于其他PDLC膜构造。
对于NOA65和E7的PDLC膜构造，图13还示出了本文讨论的各种基于LC的调谐构造的调谐可能性，诸如基于电场的调谐、基于入射角的调谐和基于偏振的调谐。具体地，在该构造中，PDLC膜包括在Norck optics Inc.(诺克光学公司)生产的Norland OpticalAdhesive 65(称为“NOA65”)中嵌入的Merck KGaA(德国默克公司)生产的向列型液晶混合物“E7”。
关于调谐折射率的失配(以及因此调谐相对折射率m而产生的类瑞利散射截面)，基于LC的层结构13的实施例提供适用于所有入射方向的具有平均折射率n_OFF(即<n>)的关闭(OFF)运行状态。另外，根据所施加的电压，对于每个入射方向，折射率将改变直到达到Vsat并且已经建立了相关的折射率(基于基本上所有对齐的LC)。这对应于一系列V运行状态，从关闭(OFF)运行状态开始并持续到Vsat运行状态。
例如，箭头30A和30B表示用于正交入射(0°)和倾斜入射(45°)的基于电场的调谐的调谐范围。对应于V＝0时的<n>，每个入射角的总散射截面开始于不等于零的值，对于正交入射减小到(几乎为)零，而对于45°入射则增加，直至达到曲线29的非偏振光适应值。
此外，对于任何导致至少某种程度的对准(即没有随机分布)的施加电场，当入射角θ不等于零并且“待散射”光的偏振改变时，折射率将改变。
对于30°的入射角，箭头30C示出了对于从s偏振到p偏振的偏振变化的调谐，假设静电场例如由Vsat施加。对于s偏振，每个入射角的总散射截面开始于几乎为零并且增加(假设至少一些入射角大于0°)到p偏振的总散射截面，如对于30°的入射角由箭头30C示意性地表示。
此外，对于导致至少某种程度的对准(即没有随机分布)的任何施加电场，当“待散射”光的入射角θ改变时，折射率将改变。这里，改变的入射角与例如CPC的内表面的不同区域相关联。该方面对应于(V相关的)θ运行状态。θ运行状态原则上适用于任何V≠0的情况，其中Vsat的影响最大。而且，色度调谐的方向取决于<n>和no之间的相对大小，即是否更多的散射发生在接近例如白光在层结构上的垂直入射或“平行”入射。
箭头30D示出了对于入射角变化的调谐，假设例如通过Vsat施加静电场，可以用于所述尚未公布的国际专利申请PCT/EP2017/057062中描述的具体示例性太阳天空模拟照明系统。同样从垂直入射开始，总散射截面几乎为零，随着入射角增加，散射活动沿非偏振光适应曲线29增加。
此外，很明显，在主体材料由LC组成并且纳米微滴例如由静态纳米结构(如固体纳米颗粒)代替的构造中，可以实现折射率失配的相同调谐。
如上所述，当使用本文公开的各种调谐方法时，根据相对折射率(参见下面要提到的图14B)，其它PDLC膜构造的调谐特性(散射活动的增加/减少/增加和减少之间的变化)可能不同。
总之，取决于预先选择或改变的传播方向、预先选择或改变的电场、和/或预先选择或改变的偏振，可以选择具有不同光散射参数的层结构13的运行状态。
考虑到上述情况，存在表征特定层配置的失配的特定折射率参数：主体材料的折射率nh(在PDLC膜中为非可调谐材料)、平均折射率<n>(n_OFF，与纳米微滴内LC的随机平均取向相关)以及饱和时的折射率no。对于基于LC微滴的散射单元上的正交入射，这些参数定义了基于LC的散射单元的色度可调谐性。如上所述，色度可调谐性随入射角而进一步变化。
图14A示出了上述参数，并且因此示出了针对可见光波长范围的上述示例性NOE65和E7的PDLC膜的可调谐性范围。E7具有较高的双折射和正介电各向异性。E7含有特定组成的几种氰基联苯和氰基苯酚组分。光学性质允许纳米微滴的折射率具有较大的可调谐范围，然后可以将其用于PDLC散射单元中的类瑞利散射。
NOA65是一种透明无色的液态光敏聚合物，其形成散射单元的透明结构基础。NOA65的固化可以在紫外线照射下进行，其中固化过程主要取决于用于聚合的紫外光的强度。
具体地，图14A示出了NOA65的折射率nh，其在450nm(在20℃下)从约1.540降低到在650nm处的1.524(数据点“NOA65”)。此外，图14A显示了随机取向的液晶分子的E7的平均折射率n_OFF(未施加电压；数据点“n_OFF”)。然而，平均折射率n_OFF通常在较大的折射率下降低，如NOA65从450nm(在20℃)下的1.632降低到在650nm下的1.590。类似地，对准的液晶分子的普通折射率(即，饱和时的普通折射率no，即施加的饱和电压；V＝Vsat，数据点“no(20°)”)在与NOA65的值相当的值处下降。例如，E7的普通折射率no从450nm处(约20℃)处的约1.543降低至650nm处的1.518。因此，可调谐性范围δn在450nm处为0.09，在650nm处为0.07，因此在可见光波长范围内相当。此外，考虑到完整性，在图14A中还示出了各个液晶分子的特别折射率ne(数据点“ne(20°)”)和作为替代主体材料的NOA81(数据点“NOA81”)的折射率。替代的聚合物NOA81的折射率nh从450nm下(在20℃下)的约1.58降低至650nm下(数据点“NOA81”)的1.56，即大于NOA65的折射率。
考虑到相当的NOA65的基体nh和饱和的液晶的折射率no，可以清楚的是，可调谐性的范围也可以覆盖基本上非散射状态的情况，即具有相应入射角(散射单元的透射模式)的光的不受影响的透射。此外，对于上述情况，主体材料和散射纳米微滴之间的折射率失配由可调谐性δn的范围给出，从而基本上在对于正交入射的Vsat没有折射率失配的情况下结束。
图14B示出了对于四种主体聚合物(包括图4A的NOA65和NOA81以及两种另外的替代主体材料)在650nm处的折射率参数的概述，对于这些主体材料(例如对于NOA81)，在E7(对于正交入射)的可调谐范围的末端不存在散射单元的透射模式。对于E7，示出了普通、特殊和平均折射率以用于比较。
对于主体材料NOA81，折射率nh介于E7的n_OFF和no之间。对于主体材料NOA164，折射率nh约为1.64，即甚至大于E7的n_OFF。对于主体材料NOA1315，折射率nh约为1.32，即显著低于E7的no。类似地，还存在各种各样的液晶和n_OFF、no和ne的相应值，因此原则上存在用于基于可调谐性δn和折射率nh的范围选择界定层结构的运行状态的光学参数的宽范围。
所述尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062中公开了与制造过程有关的其他液晶示例性材料。
图15A至15D示出了示意性均匀色度图(也称为CIE 1976u'-v'-色度图)，以说明透射的直射光(这里认为是在发光强度分布的半高全宽值范围内的光)以及漫射光(在该发光强度分布的半高全宽值范围外)的颜色变化。其中，边界线32上的点(三角形形状的两个边)对应于单色光谱(δ样)；换句话说，波长在左侧和顶侧的曲面边界处从例如底部的420nm增加到左上角的约510nm到右上角的约680nm。这些坐标称为u'-色度坐标和v'-色度坐标。另外，在图中示出了普朗克轨迹31，其表示普朗克辐射器在各个温度下的光谱，例如，在低于1000K至约100000K的范围内。普朗克轨迹31进一步界定了各种温度的CCT。
在图15A中，示意性地示出了颜色区域。具体来说，红色区域为I，绿色区域为II，蓝色区域为III。在从2000K到10000K的范围内，红色区域I和绿色区域II基本上由普朗克轨迹31分开，并且普朗克轨迹31指向蓝色区域III。在普朗克轨迹31的末端区域中，颜色的混合形成了颜色的白色外观。
对于类似太阳的色谱，直射光的颜色接近普朗克轨迹31(第一CCT)，而散射光的颜色位于蓝色区域III(第二CCT)。为了提供第一CCT和第二CCT之间的差异，以形成在中午与太阳和天空相关联的独特感知，均匀色度图内的各个颜色的坐标可以至少在至少为0.008(例如至少0.01、0.02、0.025、0.03或0.04，例如0.5或更多)的Δu'v的范围内不同。例如，在大约10000K处提供在普朗克轨迹31的范围内或至少接近普朗克轨迹31的范围内的第二CCT将在800K到6500K的范围内的第一CCT产生太阳外观。
在图15A中，示例性区域“太阳”/“天空”在均匀色度图内示意性地表示。如下所述，区域“太阳”/“天空”内的关联点表示与层结构的特定参数设置相关联的运行状态。图15A示出了类似于图14B的E7/NOA65散射单元的折射率配置的第一CCT和第二CCT的可调谐性。示例性地，针对第一CCT和第二CCT的正交入射的上述NOA65/E7配置示出了关闭状态(OFF)和开启状态(ON)，其中增加电场减小了总散射截面。应当理解，可以设置不同的调谐方向。
值得注意的是，通过将“待散射”光的光谱从普朗克轨迹31移开，可以实现人工(非自然)效果，从而例如提供绿色背景。
对于明确定义的输入光源，例如E标准照明器(在可见光谱内具有恒定光谱功率分布(SPD)的等能量辐射器)，图15B至15D的均匀色度图说明了透射的直射光的感知颜色的色度变化，每种颜色感知与层结构的相应设定的透射率(即运行状态)相关联。因此，图15B至15D更详细地示意性地示出了第一CCT对于增加的电场的透射定向光的可调谐性。通过散射来调谐第一CCT也将影响第二CCT。
如将从图15A中认识到的，增加散射活动将直射光的颜色移向红色并且将漫射光的蓝色移向白色，同时减少散射活动使透射光变白并增强漫射光的蓝色。这类似于增加/减少自然界中瑞利散射体数量的情况。例如，增加折射率失配会将透射光转换为白黄色(普朗克轨迹值约为6000K/5500K/5000K)、橙色(普朗克轨迹值约为4000K/3000K)和红色(普朗克轨迹值约为2000K)并且至少对于大的散射活动可以使漫射光的蓝色变白。
在图15B的均匀色度图中，基于先前讨论的PDLC膜NOA65/E7的相应u'v'数据点示出了具有增加的电场的十种运行状态，LC微滴尺寸为约100nm，样品厚度为100μm，填充率约为50％。
假设在垂直入射(0°正交入射)下用E标准光源照射PDLC膜。色点E表示与E标准光源相关的颜色。
在OFF状态(色点OFF)，存在最大散射(图3中的最大横截面，<n>)。在ON状态(色点ON)，存在最小散射(图13中的最小横截面，no)。因此，当电场增大时，色点(基本上)沿普朗克轨迹31朝着色点E移动。因此，颜色将从橙色/黄色变为与色点E相关的颜色(其类似于CCT为5455K的D系列光源)。
在图15C和图15D(图15C的相应区域的放大图)的均匀色度图中，三个参考色点分别由u'和v'值0.212/0.485、0.225/0.5和0.24/0.514所给出的线u'1/v'1、u'2/v'2、u'3/v'3所界定。参考色点的u'和v'值逐渐大于色点E(即它们到色点E的欧几里德距离增加)。
此外，对于上述PDLC膜NOA65/E7(在OFF状态下，LC微滴尺寸为约100nm)，同样对于假定用E标准光源的照明，分别通过色点10、20、30、40、50和60表示10μm、20μm、30μm、40μm、50μm和60μm的样品厚度。如果剩余参数保持相同，厚度的增加会改变每单位面积的纳米级散射元件的数量N。人们认识到，与上述厚度相关的每单位面积的纳米级散射元件的数量N超出(大于)相应的线u'/v'1、u'2/v'2、u'3/v'3。因此，对于散射层，本文讨论的参数(最大)相对折射率、主体材料/散射元件的折射率和有效尺寸涉及产生超出上述值的色点所需的每单位面积的纳米级散射元件的最小数量N。另一方面，应该给出二向色照明的要求，应该保持至少一些规则透射光，这导致每单位面积的纳米级散射元件的最大数量N和与特定要求的最小透射率相关的相应的u'极限。
如将进一步理解的，每单位面积的纳米级散射元件的数量N取决于与产生规则透射光的入射光相关联的入射方向，因为一般来说，散射层具有与层厚度相关联的层状二维形状。这通常也适用于弯曲层。因此，虽然对于垂直入射，可能无法达到每单位面积所需的纳米级散射元件数量N，但是对于一些入射角，每单位面积所需的纳米级散射元件数量N可以应用并在所需的色点处产生规则透射光。
在图16A(ON-状态)和6B(OFF-状态)中，使用发光强度的极坐标图进一步示出了那些色彩效应，即，每单位立体角在特定方向上从层结构发射的光功率(由发光效率函数加权并假设入射白光垂直入射到基于NOA65/E7的层结构上。该特性代表任何类型的白光照明，但是示意性地表示在CCT为6500K时使用黑体照明器的假定照明。发光强度分布取决于两个角坐标
Figure BDA0002794663500000291
其中在所示的图中，由于假设旋转对称白光束正交入射到平面层结构上，角坐标
Figure BDA0002794663500000292
指向任意可选择的入射平面(例如，图1A和1B中给出的情况)。在极坐标图中，对应于蓝色分量(450nm：直线)和红色分量(600nm：虚线)的两个波长，以对数任意比例示出了发光强度。
具体地，可以识别出定向光部分33和漫射光部分35。定向光部分33仍然沿0°方向传播，但是其角度宽度为例如约为40°FWHM，对应于大发散的发散照明。
此外，类瑞利散射导致产生具有发光强度分布的漫射光部分35，该发光强度分布以降低强度的小半圆形曲线部分表示。
在图16A中示出了增强的蓝色散射条件，其主要示出了对漫射光部分35有作用的蓝色分量，而定向光部分33(假设类似黑体的波长相关强度分布)示出了蓝色和红色分量的类似作用(comparable contributions)。
参照图16B，由于红色分量的增加的散射类似于低太阳散射条件，对于漫射光部分35，红色贡献显著增加。同时，由于更多的蓝光被散射出去，红色分量在定向光部分33中相对增加，因此，直射光束表现出更多的橙色/红色，而漫射蓝光看起来更发白。
可以注意到，随着定向光和漫射光之间的相对强度差异变小而增加了散射活性，图16B中的均匀性相对于图16A有所增加。
再次注意到，假设折射率的各向异性和LC的至少部分对准，当定向光部分33的方向或偏振状态改变时产生类似的外观效果。用于角型或偏振型调谐方法的示例性PDLC膜可以基于例如嵌入NOA65或NOA1315聚合物膜中的E7 LC微滴。
图17A至17G示出了基于液晶微滴的散射单元的示意性横截面。图17H示出了反向概念，其中静态散射中心(纳米颗粒)嵌入在基于液晶的主体材料中。图17I示出了在PET层之间的基于液晶微滴的散射单元，图17J示出了玻璃夹层结构内的这种PET-PDLC构造。
图17A再次示出了例如在图1A或12A中已经示出的基本设置。在两个ITO玻璃板23之间(作为导电层和至少在一侧透射覆盖层的实例)利用层17进行散射，该层17包括作为散射元件/中心的嵌入在主体材料21内的LC纳米微滴19。
在图17B的实施例中，间隔元件41包括在层17中，以在两个例如刚性覆盖片之间提供层17的界定的层厚度43。例如，作为覆盖片的ITO玻璃足够硬，以允许基本上不影响视觉感知的元件之间的平均距离45。通常，间隔元件41的示例包括聚合物或玻璃珠。此外，可以使用间隔栅格或间隔网，其中基础形状例如适合于诸如光源的照明系统的任何底层结构特征。使用间隔元件41允许减小层厚度43，并因此降低实现层17上所需电场所需施加的电压(例如，用标准220V AC电压来运行)。此外，由于更均匀的厚度并因此在层17的平面中的散射元件分布，使用间隔元件41可以提高层17的光学性质的均匀性。然而，间隔元件41的密度应该足够低。这样他们的存在本身不会影响视觉外观。
在图17C的实施例中，“静态”散射元件51包括在层17中，以提供与例如所施加的电场或光的入射方向无关的附加散射特征。例如，可以选择静态散射元件51的量以在散射单元上提供所需程度的均匀散射特征。静态散射元件51的尺寸可以为纳米级，以提供类瑞利散射的恒定基础。可替代地或另外地，静态散射元件51的尺寸可以例如为微米级，以提供大颗粒漫散射，用于抹去(smearing out)“待散射”光束上的光强度分布的任何结构，从而特别是强制执行照明装置的发散照明的发光强度分布曲线的半高全宽值(例如大于10°)，例如以旋转对称的方式。通常，静态散射元件51的实例包括有机或无机颗粒。
在图17D中示出了用于提供附加静态散射特征的替代方法。具体而言，例如漫射层53被添加到一个覆盖片的外表面上(或者覆盖两个覆盖片，或者作为其间的单独层，或者在一个或单独的漫射层内具有不同的散射特征)。例如，类似于图17C的实施例，使用例如嵌入支撑基体中的相应静态散射元件51，漫射层53可以提供瑞利散射和/或大颗粒漫散射的恒定基础。在一些实施例中，漫射层53还可以包括全息漫射层、微透镜漫射器或微透镜均化器。一般来说，漫射层53可以在与散射层相互作用之前或之后通过光。
虽然图17A至17D的实施例旨在用于透射，图17E和17F的实施例用于诸如图5或7所示的反射配置。例如，如图17E中示意性所示，反射层55设置在一个覆盖片上。因此，照射在另一个覆盖片上的光将在反射层55的反射之前和之后两次穿过层17。
在图17F的实施例中，其中一个覆盖片本身被配置为反射片57。在这种情况下，反射片57可以进一步被配置为用作面状电触点。这尤其可以在金属CPC结构中实现。
在图17G的实施例中，吸收层59被添加到其中一个覆盖片的外表面上(或者在两个覆盖片上或作为在它们之间的单独层或者在一个或单独的漫射层内具有不同的吸收特征)。例如，吸收层59可以提供UV和/或IR吸收。各个散射单元尤其适合在外面使用。此外，可以直接在预聚物和LC的起始混合物中引入UV(紫外线)和/或IR(红外线)吸收物质。
虽然图17A至17G的实施方案基于以纳米微滴形式提供LC，但图17H的实施方案提供液体形式的LC作为嵌入了“静态”纳米级散射体63的主体材料61。以上公开的LC纳米微滴的光学方面类似地适用于该构造。
如图17I所示，基于PET膜的层结构65使用塑料柔性导电透明膜(例如ITO PET膜65A、65B)来界定层17。层17的厚度可以通过再次添加例如一些间隔元件(未示出)来界定。这可以允许产生如图17J所示的漫射器窗口元件67，其中最终的PDLC层结构是例如夹在两个ITO PET膜65A、65B之间的PDLC膜，其在两个玻璃板67A、67B之间分层。
本领域技术人员将认识到，结合图17A至17J讨论的基本设置的示例性修改通常可以组合以提供散射单元内的附加光学特征(界定的厚度、附加散射、吸收、反射)的组合。此外，可以通过单个添加元素(例如吸收间隔元件)提供添加的特征。此外，该装置可具有额外的光学特征，例如蚀刻、防眩光、防反射表面。
通常，层结构的尺寸可以在与准直光学器件相关联的区域上延伸。具体地，该区域可以与应当发生散射的所选表面/界面相关联。对于在其输出侧具有矩形横截面输出的基于CPC或TIR的单个准直光学器件，位于该输出区域的层结构的尺寸可以在1mm×1mm到10mm×10mm或更大的范围内，例如可达50mm×50mm甚至100mm×100mm。类似地，对于圆形横截面输出，层结构的尺寸可以由在1mm至50mm(例如10mm或25mm)或甚至高达100mm范围内的直径给出。层结构延伸超过若干光源，例如用于基于多个光源的大面积照明装置(例如上述的LED板)，层结构的尺寸可以在一个甚至达到1m×2m或更大的封闭区域上延伸，从而提供大的连续漫射发射区域。对于基于板块结构的照明装置，层结构可以在例如对应于单个板块的大约10cm×10cm的范围内的封闭区域上延伸。
类似地，施加到CPC的内表面的层结构可以在由具有上述横截面输出的CPC的相应尺寸产生的区域上延伸。因此，在相应的平面或非平面形状中，层结构的尺寸可以在1mm×1mm至10mm×10mm或50mm×50mm或高达100mm×100mm或200mm×200mm的范围内。
特别参考图17I和17J，用于夹持PDLC层的ITO-PET支撑膜可以用标准工艺生产，从而产生用于大型层结构的长卷薄膜型材料。另一方面，例如参考图17A，用于夹持PDLS膜的ITO玻璃板可用于较小型的层结构。
具有例如LC纳米微滴内含物的聚合物网络的形成可以通过不同的技术来实现，具体取决于所选材料的化学性质。对于进一步的细节，可以特别参考上面提到的尚未公开的国际专利申请PCT/EP2017/057062，特别是关于结合相应图8至图9B讨论的实施例的公开内容，其通过引用并入本文。
几种不同类型的液晶(LC)可被认为适用于本文公开的方面。原则上，存在各种各样的市售的LC。LC领域的领先公司是Merck KGaA(德国默克公司)。用于本发明的典型种类的有用液晶可包括但不限于氰基联苯和氟化化合物。氰基联苯可与氰基三苯基和各种酯混合。属于该类的向列型液晶的商业实例是“E7”(来自Merck KGaA的Licrilite BL001)。E7是51％的4'-正戊基正氰基联苯(5CB)、21％的4'-正庚基-正氰基联苯(7CB)、16％的4'-正辛氧基-4-氰基联苯、12％的4'-n戊基-4'-正戊基-4-氰基三苯基。该混合物的晶向向相转变温度为-10℃，向列相向各向同性转变温度为60℃。
商业液晶的其他实例是：用于LC混合物的E31、E44、E63；用于单组分LC的K12、K21、K24、M15、M18、M24。液晶混合物的其他有用实例(例如可从Merck KGaA获得)包括BL003、BL004、BL009、BL011、BL012、BL032、BL036、BL037、BL045、BL046、ML-1001、ML-1002和包括氟化物TL202、TL203、TL204、TL205、TL215、TL216的一系列混合物，它们具有非常高的双折射。其他公司提供的液晶包括例如瑞士Hoffman-LaRoche公司的TOTN404和ROTN-570。
在本文中，在聚合的情形下，术语“预聚物”是指能够形成聚合物作为液晶微滴的主体材料的任何种类的聚合物前体。它可以例如是单体、低聚物、短链聚合物或这三种组分的混合物。对于TIPS和SIPS，它也可以是被诱导固化的液态聚合物。适用于本发明的预聚物是能够形成具有优异光学透明度的聚合物的前体。它可以选自热塑性、热固性和光固化树脂。合适的预聚物可属于(但不限于)以下类别：酯、醛、酚、酸酐、环氧化物、丙烯酸酯、乙烯基、烯烃、炔烃、苯乙烯、卤化物、酰胺、胺、苯胺、亚苯基、芳烃和硅氧烷。另外，可以使用氟化聚合物前体。可获得各种商业上有用的预聚物，例如来自Norland optics Inc.(诺兰光学公司)的NOA系列粘合剂和来自Croda International Plc(禾大国际公司)或Henkel AG&Co.KGaA(德国汉高公司)的UV可固化粘合剂和密封剂。
例如参照图12B，覆盖片在一些实施例中提供尽可能接近LC微滴的面状电触点。具体地，它示例性地称为ITO玻璃板23。ITO玻璃板23是使用透明导电氧化物(TCO)作为电极元件的已知板的实例，其在可见光谱中提供至少90％的透射率。与玻璃板一起，可以形成结构模板，其甚至可以形成漫射阻挡层。本实施例中的TCO材料的期望特性包括在宽光谱(特别是可见光谱)上的高光学透射率和低电阻率。
下面结合E标准光源定义本文公开的层结构的光学特征。这里，如外观标准术语ASTM国际标准E 284-09a中所定义的，光谱功率分布SPD通过作为波长函数的辐射量(例如辐射或辐射通量)的光谱组成来指定光源。E标准光源是一种等能量辐射器，其SPD在可见光谱内是恒定的。基于本文公开的各种配置和材料参数来选择光学特征。
当用E标准光源表征的白光照射时，本文公开的层结构透射对应于CIE1976u'-v'-色度图上的具有坐标u'、v'的色点的定向光，对于层结构的色度可调谐范围内的任何配置，上述坐标分别大于0.20和0.465(图15D中的线u'1/v'1)。此外，在一些实施例中，对于色度可调谐范围内的任何配置，透射的直射光的色点与普朗克轨迹之间的欧几里德距离Δu'v'满足Δu'v'小于0.1(示意性地，欧几里德距离δu'v'在图15D中示出)。此外，相应的散射光对应于CIE 1976u'-v'-色度图上的色点，对于层结构的色度可调谐范围内的任何配置，色点的坐标u'、v'分别小于0.20和0.465(图15D中的线u'1/v'1)。关于在CIE 1976u'-v'色度图中与散射光和透射光相关的色点之间的距离，对于层结构的色度可调谐范围内的任何配置，这些点之间的欧几里德距离δu'v'满足δu'v'为0.02或更大(欧几里德距离δu'v'在图15A中示意性地示出)。
特别地，在一些实施例中，对于与相应实施例的调谐范围(图15D中的线u'1/v'1)相关联的最大散射截面，透射的直射光的色点具有分别大于0.20和0.465的坐标u'、v'。此外，在一些实施例中，对于与相应实施例的调谐范围相关联的最大散射截面，透射的直射光的色点的坐标u'、v'分别大于0.2117和0.4851、或者分别大于0.2265和0.5029(例如超出图5D中的线u'2/v'2)、或者分别大于0.243和0.5166(例如超出图5D中的线u'3/v'3)或者分别大于0.2598和0.5261。
此外，对于色度可调谐范围内的任何配置，透射的直射光的色点与普朗克轨迹之间的欧几里德距离Δu'v'满足Δu'v'小于0.1。此外，相应的散射光对应于CIE1976u'-v'-色度图上的色点，对于层结构的色度可调谐范围内的任何配置，坐标u'、v'分别小于0.20和0.465(图15D中的线u'1/v'1)。关于在CIE 1976u'-v'色度图中与散射光和透射光相关的色点之间的距离，对于层结构的色度可调谐范围内的任何配置，这些点之间的欧几里德距离δu'v'满足δu'v'为0.02或更大。
本文公开的实施例允许在透射光中产生显著的红移，例如从5500K(白-黄)范围内的CCT到4000K(黄/橙)范围内的CCT到3000K(红色太阳)范围内的CCT甚至更远。假设厚度在10μm至500μm的范围内，这种红移需要填充率在30％至70％的范围内，并且平均粒径在50nm至300nm的纳米范围内，例如由最大折射率失配或最大尺寸变化给出的折射率调谐能力。
在下文中，本文描述的光学性质与特定材料参数相关联，所述特定材料参数允许描述散射层的特定实施方式的一般概念，所述散射层可用于层结构中以提供色度可调谐(例如规则透射)的直射光。在这种情况下，将参考图15A至15D以及图18和19，调谐能力对应于可以与特定颜色相关的层结构的透射率的变化。对于不改变方向的光束可以提供透射率的这种变化(例如通过电场变化调整纳米微滴的单个散射截面)和/或可以通过光束在入射方向上的变化来实现(例如使用纳米微滴中的对准的LC的起作用的各向异性折射率或使用散射元件的起作用的各向异性形状进行调谐。
考虑到各向同性颗粒的瑞利散射的情况，并假设恒定的(即与波长无关的)折射率，并忽略任何光的吸收(或重新调整光吸收以减少这种附加效应)，假设标准光源E和CIE1931标准观察者(2°)，可以将上面(结合图15C和15D)提到的u'和v'值0.212/0.485、0.225/0.5和0.24/0.514给出的CIE 1976色彩空间u'1/v'1、u'2/v'2、u'3/v'3中的点与规则光谱透射率的值关联起来。通常，规则光谱透射率T(λ)是波长的函数，并且可以根据美国商业技术管理局的NIST(美国国家标准与技术研究所)特刊250-69进行测量。
在CIE 1976色彩空间上的规则光谱透射率与其相关色点之间的过渡是公知的过程。例如，参考标准ASTM E 308-01，其定义了在给定标准光源和标准观察者的情况下获得色点的过程。因此，根据规则透射光的颜色(用CIE 1976色坐标表示)描述层结构的任何和所有特征(用于由非偏振E标准光源和CIE 1931标准观察者(2°)照射))可以根据与层结构的规则光谱透射率相关联的CIE 1976色坐标等效地描述，根据上述标准实践ASTM E308-01中描述的程序执行到相同色彩空间的映射。
例如，对于在450nm波长处的规则光谱透射率(在本文中称为T(450nm))，色点u'1/v'1的T1(450nm)＝0.748，色点u'2/v'2的T2(450nm)＝0.437，色点u'3/v'3的T3(450nm)＝0.200。
透射率允许微观定义。微观上，规则光谱透射率T(λ)是纳米级散射元件的散射截面σ和每单位面积的纳米级散射元件的数量N的函数，其是(三维)数量密度和层厚度的乘积。规则光谱透射率T(λ)由下式给出：
Figure BDA0002794663500000351
其中，如上所述，瑞利散射截面σ是
Figure BDA0002794663500000352
其中，主体材料的折射率nh，有效粒径D＝d nh，以及相对折射率m。
考虑到规则光谱透射率T(450nm)和上述两个方程式，对于450nm，每单位面积的纳米级散射元件的数量N由下式给出：
Figure BDA0002794663500000361
其中对于固定值T，常数c由下式给出
Figure BDA0002794663500000362
从这些方程式来看，N和T之间的关系是明确的。特别地，可以将每单位面积的纳米级散射元件的数量N与T(450nm)的值相关联，然后与作为材料特征(例如d、nh和m)的函数的u'-v'点相关联。
具体地，对于色点u'1/v'1，每单位面积的纳米级散射元件的数量N1是
Figure BDA0002794663500000363
常数c1_transmission＝2×2.918×107nm4。
对于色点u'2/v'2，每单位面积的纳米级散射元件的数量N2是
Figure BDA0002794663500000364
常数c2_transmission＝2×8.32×107nm4。
对于色点u'3/v'3点，每单位面积的纳米级散射元件的数量N3是
Figure BDA0002794663500000365
常数c3_transmission＝2×1.6175×108nm4。
在这个阶段，需要指出的是，参考“透射”(如图1)或“反射”(如图5)这两类配置，如果在反射配置中使用，则散射层的光学活性可以加倍。因此，为了在反射模式中实现相同的色效应，仅需要透射模式中每单位面积的纳米级散射元件数量的一半。上面为常数c标识的值是针对透射模式(c_transmission)导出的，使得在反射模式中，这些值的一半适用于c_reflection。因此，c_transmission等于2×c_reflection，使得与上述值分开的因子为“2”。
基于常数c_transmission(c_reflection)，对于折射率为nh的特定主体材料，每单位面积的纳米级散射元件的个体数量是参数D和
Figure BDA0002794663500000371
的函数，必须选择它们才能达到最终(所需的色)效应。
参考上述确定的值/色点，每单位面积的纳米级散射元件的相关(光学)有效数量
Figure BDA0002794663500000372
是
Figure BDA0002794663500000373
例如
Figure BDA0002794663500000374
例如
Figure BDA0002794663500000375
其中如果漫射单元不包括反射层或反射片侧，则
Figure BDA0002794663500000376
如果漫射单元包括反射层或反射片侧，则
Figure BDA0002794663500000377
例如，对于嵌入聚合物基体中的LC纳米微滴，可确定与u'-v'-色度图中的特定色点相关联的每单位面积的纳米级散射元件的数量N，其参数在以下范围内：
·0.02≤|ne-no|≤0.5
·d在约10nm至约500nm的范围内，例如在约20nm至约400nm的范围内，例如在约30nm至约300nm的范围内
·nh在1到3的范围内，例如在1.2到2.2的范围内，例如在1.25到1.75的范围内
·
Figure BDA0002794663500000378
为使函数
Figure BDA0002794663500000379
最大化的两个值
Figure BDA00027946635000003710
和
Figure BDA00027946635000003711
中的一个
·散射层(特别是散射层的表面)的每单位面积的纳米微滴的最小数量N，其中
Figure BDA00027946635000003712
并且c是分别选择的常数。
类似地，在静态散射中心(纳米颗粒)嵌入在基于LC的主体材料中的反向概念中，与u'-v-色度图中的特定色点相关联的每单位面积的纳米级散射元件的数量N可以使用以下范围内的参数确定：
·nh(LC主体材料的折射率)，其中0.02≤|ne-no|≤0.5
·纳米级散射元件的d在约10nm至约500nm的范围内，例如在约20nm至约400nm的范围内，例如在约30nm至约300nm的范围内
·np(静态散射中心的折射率)在1至3的范围内，例如在1.1至3.2的范围内，例如在1.2至3的范围内，例如在1.3至2.8的范围内
·具有在no和ne之间的值的液晶主体材料
Figure BDA00027946635000003713
的最大折射率，其中液晶具有在范围0.02≤|ne-no|≤0.5内的各向异性，其中
Figure BDA00027946635000003714
是使函数
Figure BDA00027946635000003715
最大化的值
·散射层(特别是散射层的表面)的每单位面积的静态散射中心的最小数量N，由下式
Figure BDA0002794663500000381
给出，其中
Figure BDA0002794663500000382
并且c是分别选择的常数。
在图18中，假设主体材料nh＝1.5396(示例性地对应于作为主体材料的NOA65)，函数log10(N)的三维图(N以m^-2为单位)显示为D和m的函数，计算波长为450nm并使用瑞利散射公式的近似值得到波长为450nm的T＝0.748的规则光谱透射率。
如图18所示，用于降低D所需的纳米级散射元件的数量增加，这对于小颗粒尤其重要。此外，在图18中，在m＝1时存在接近平面的发散，因为对于m＝1，散射截面σ变为0(对应于上面例如结合图13讨论的透射模式)。
在表面上或表面上方产生值的任何参数集合将涉及色点u'1/v'1上的色点或者具有大于或等于u'1和v'1的u'和/或v'值。例如，可以确定类似的表面，色点u'2/v'2(T2(450nm)＝0.437)，色点u'3/v'3(T3(450nm)＝0.200)。
参见图19和二向色照明，确保用暗红色太阳进行适当的类太阳照射，可以确定每单位面积的纳米级散射元件数量N的上限。类似地，可以导出规则光谱以及总透射率的相应下限。具体地，假设主体材料nh＝1.5396(示例性地对应于作为主体材料的NOA65，对于450nm的波长计算并使用瑞利散射公式的近似)，(注意，限制v'将排除普朗克轨迹31的一部分，如图17中的虚线93所示)对应于u'值0.465(图19中的线91)的规则光谱透射率的特征在于T(450nm)＝5.410×10-8，T(650nm)＝0.02的透射率。得到的与该N(max)值相关的常数c等于3.363×109nm4。
假设u'值为0.3605(图17中的线95)，得到透射率T(450nm)＝2.724×10-4，T(650nm)＝0.150。与该N(max)值相关的各自得到的常数c等于1.6499×109nm4。
另外，在图19中示出了色点的虚线117，其示出了规则透射光的颜色的调谐，以及相应地示出了透射率的相关变化。为了完整起见，还示出了上述三个色点的u'-v'值。
换言之，本文公开的层结构表示可以在漫射状态之间切换(诸如从高透明度状态到高漫射状态)的材料成分。该层结构另外还是色选滤光器，其以频率依赖性漫射光而不降低感知图像的清晰度。
在一些实施例中，可以在(特别是大面积的)散射单元上提供多个面状电触点区域。每个电触点区域可以允许通过在相应的面状电触点上施加相应的电压来设置期望的电场。例如，如果直射光的特征在照射的散射单元上变化(例如入射角、辐射通量或光谱)，则可以相应地调整相应的所选电压参数。此外，例如可以控制不同的区域以提供散射体单元上的颜色的变化。
如本文所使用的，取决于上下文，定向、直射和(规则)透射光可以在含义上等同。此外，面状电触点在可见光波长范围内的透明度优选为至少80％，特别是至少90％，例如甚至95％或99％或更高。类似地，散射层在可见光波长范围内的透明度优选为至少80％，特别是至少90％，例如甚至95％或99％或更高。
在此，如外观标准术语ASTM国际标准E 284-09a中所定义的，总透射率通常是在所有正向角度透射的通量与入射通量之比。
在此，如外观标准术语ASTM国际标准E 284-09a中所定义的，总反射率通常是指在测量平面所界定的半球内所有角度所反射的辐射或光通量与入射光通量之比。
在此，如外观标准术语ASTM国际标准E 284-09a中所定义的，吸收是通过与物质相互作用将辐射能转换为另一种形式的能量。
以下，总结了各个方面：
方面1A。一种用于通过输出孔提供光发射的照明装置(165B)，该照明装置(165B)包括：
在二维板(111’)上空间分布的多个光源(103A)，每个光源被配置为发射可见光谱中的光；
输出孔，从所述多个光源(103A)发出的光通过所述输出孔射出照明装置(165B)；
层结构(107)，包括
嵌入在主体材料(21、61)中的多个纳米级散射元件(19、63)的散射层(17)，并位于从多个光源(103A)发出的光的光路中，其中所述光路在多个光源(3)与输出孔之间延伸，以及
一对面状电触点层(23')，其中面状电触点层(23')在散射层(17)的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个散射层(17)上产生电场(27)(特别是用于影响散射层(17)的散射特性)。
方面1B。一种用于通过输出孔提供光发射的照明装置(165A)，该照明装置(165A)包括：
多个光源(103A)，用于发射可见光谱中的光；
二维导光系统，其接收来自多个光源(103A)的光并从多个发光区域发射所述光；
输出孔，从所述多个发光区域发出的光通过所述输出孔射出所述照明装置(165A)；
层结构(107)，包括
嵌入在主体材料(21、61)中的多个纳米级散射元件(19、63)的散射层(17)，并位于从多个光源(103A)发出的光的光路中，其中所述光路在多个光源(103A)与输出孔之间延伸，并且
一对面状电触点层(23')，其中面状电触点层(23')在散射层(17)的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个散射层(17)上产生电场(27)(特别是用于影响散射层(17)的散射特性)。
方面1C。一种用于通过输出孔(101)提供光发射的照明装置(100A-100F)，该照明装置(100A-100F)包括：
光源(103)，用于发射可见光谱中的光；
-输出孔(101)，从所述光源(3)发出的光通过所述输出孔射出照明装置(100A-100F)；
准直光学器件(105)，其配置为对从所述光源(3)发射的至少一部分光进行重定向以通过所述输出孔(101)；和
层结构(107)，包括
嵌入在主体材料(21、61)中的多个纳米级散射元件(19、63)的散射层(17)，并位于在光源(3)与输出孔(101)之间延伸的发射光的光路中，以及
一对面状电触点层(23')，其中面状电触点层(23')在散射层(17)的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个散射层(17)上产生电场(27)。
方面1D。一种用于通过输出孔(101)提供光发射的照明装置(100A-100F)，该照明装置(100A-100F)包括：
光源(103)，用于发射可见光谱中的光；
输出孔(101)，从光源(3)发射的光通过所述输出孔射出照明装置(100A-100F)；
准直光学器件(105)，其配置为对从光源(3)发出的至少一部分光进行重定向以通过所述输出孔(101)；和
层结构(107)，包括
嵌入在主体材料(21、61)中的多个纳米级散射元件(19、63)的散射层(17)，并位于在光源(3)与输出孔(101)之间延伸的发射光的光路中，以及
一对面状电触点层(23')，其中面状电触点层(23')在散射层(17)的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个散射层(17)上产生电场(27)，其中
对于圆形的输出孔，输出孔(101)的尺寸特征在于直径(D101)可以小于95mm，例如小于80mm，或者甚至小于50mm。对于非圆形的输出孔，围绕输出孔(或围绕准直光学器件的总有效区域)的圆的直径可以用来界定输出孔的尺寸，对于圆形的输出孔，其直径小于95mm，例如小于80mm，甚至小于50mm。此外，输出孔的面积可用于表征输出孔(101)的尺寸。
在某些照明装置中，
所述波长相关系综光散射截面量(σtotal)由所述散射层(17)的特性的特定选择给出，这会影响其光学性质，包括：
所述纳米级散射元件(19,63)的折射率，特别是所述折射率和/或所述纳米级散射元件(19,63)的构成物质的折射率的各向异性，
所述纳米级散射元件(19,63)的尺寸和/或形状，
所述主体材料(21,61)的折射率，特别是所述折射率和/或所述主体材料(21,61)的构成物质的折射率的各向异性，
所述纳米级散射元件(19,63)与所述主体材料(21,61)之间的体积分数，和/或
所述散射层(17)的层厚度。
在某些照明装置中，
所述纳米级散射元件(19,63)的平均尺寸在约10nm至约500nm的范围内，例如在约20nm至约400nm的范围内，例如在约30nm至约300nm的范围内，和/或
所述纳米级散射元件(19,63)特别是液晶微滴与所述主体材料(21,61)之间的体积分数在约30％至约70％的范围内，例如在约40％至约60％的范围内，和/或
所述散射层(17)的层厚度在约10μm至约500μm的范围内，例如在约20μm至约350μm的范围内，例如在约30μm至约200μm的范围内或甚至在约50μm至约100μm的范围内，并且可选地，所述层厚度由间隔元件(41)界定和/或在10cm×10cm的散射层(17)的区域内的厚度变化小于10％。
在某些照明装置中，
微滴直径d在约10nm至约500nm的范围内，例如在约20nm至约400nm的范围内，例如在约30nm至约300nm的范围内，
液晶的各向异性范围为0.02≤|ne-no|≤0.5，并且
分离纳米级散射元件(19)的聚合物主体材料(21、61)的主体折射率nh在1至3的范围内，例如在1.2至2.2的范围内，例如在1.25至1.75的范围内；和
其中，最大相对折射率
Figure BDA0002794663500000421
是使函数
Figure BDA0002794663500000422
最大化的两个值
Figure BDA0002794663500000423
和
Figure BDA0002794663500000424
中的一个，和
通过
Figure BDA0002794663500000425
所述微滴尺寸、主体折射率和最大相对折射率以及常数c定义了所述散射层(17)、特别是所述散射层(17)的表面的每单位面积的纳米微滴的最小数量N，其中所述常数c为
2.918×107nm4或更大，
特别是8.32×107nm4或更大，例如
1.6175×108nm4或更大。
在某些照明装置中，
散射层(17)被配置为
液晶层(61)，其液晶具有折射率的各向异性，和
嵌入在液晶层(61)中并具有折射率的多个纳米级散射元件(63)。
在某些照明装置中，
静态散射中心的直径d在大约10nm至大约500nm的范围内，例如在大约20nm至大约400nm的范围内，例如在大约30nm至大约300nm的范围内；
静态散射中心的折射率np在1.1至3.2的范围内，例如在1.2至3的范围内，例如在1.3至2.8的范围内，和
液晶主体材料的最大折射率
Figure BDA0002794663500000431
具有介于no和ne之间的值，其中所述液晶具有在0.02≤|ne-no|≤0.5范围内的各向异性；和
其中，
Figure BDA0002794663500000432
是使函数
Figure BDA0002794663500000433
最大化的值，通过
Figure BDA0002794663500000434
其中
Figure BDA0002794663500000435
所述微滴尺寸、最大化主体折射率、静态散射中心折射率和常数c定义了所述散射层(17)、特别是所述散射层(17)的表面的每单位面积的所述静态散射中心的最小数量N，其中所述常数c为
2.918×107nm4或更大，
特别是8.32×107nm4或更大，例如
1.6175×108nm4或更大。
在某些照明装置中，
所述常数c是
等于或大于5.836×107nm4，
特别是等于或大于1.664×108nm4，
例如等于或大于3.235×108nm4，
和/或
其中所述常数c是
等于或小于3.363×109nm4，
特别是等于或小于2.5×109nm4，
例如等于或小于1.6499×109nm4。
在某些照明装置中，
蓝色(例如在440nm至460nm的波长范围内)的波长相关系综光散射截面量(σtotal)大于黄色(例如在540nm至560nm的波长范围内)的波长相关系综光散射截面量(σtotal)，特别地，至少大大约15％，例如至少大大约30％，并且黄色(例如在540nm至560nm的波长范围内)中的波长相关系综光散射截面量(σtotal)大于红色(例如在640nm至660nm的波长范围内)，特别是至少大大约10％，例如至少大大约20％，和/或
其中，所述波长相关系综光散射截面量(σtotal)随着波长的增加而减小，例如，当波长增加时，它会单调减小，即当λ1>λ2时，σ(λ1)<σ(λ2)。
在某些照明装置中，
所述散射层(17)的光学参数被选择为，使得在没有施加电场的情况下，穿过所述散射层(17)的白光在较暖的规则透射光部分(特别是具有较低CCT)和较冷的漫射光部分(特别是具有较高的CCT，例如是所述较低CCT的至少1.1倍，优选1.2倍，更优选地是1.5倍)。
在一些实施例中，照明装置还包括仅封装(单个)光源以及与该(单个)光源相关联的(单个)准直光学器件的壳体。在进一步的改进中，还可以封装与(单个)光源和/或(单个)准直光学器件特别关联的层结构。或者，可以将与壳体特别关联的层结构定位在壳体的开口的内部或外部，形成发散照明的光通过该开口离开壳体。
在一些实施例中，壳体可以封装一个或多个光源，以及与光源相关联的准直光学元件，由此壳体包括开口，形成发散照明的光通过该开口离开壳体，并且，对于矩形开口，开口的尺寸可以在1mm×1mm至10mm×10mm或更大的范围内，例如直至50mm×50mm甚至100mm×100mm，或者，对于圆形开口，开口的直径可以在1mm至50mm(例如10mm或25mm)或者甚至直至100mm的范围内。类似地，开口的面积可以在从1mm2直至100mm2或250mm2或高达10000mm2的范围内。
尽管这里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还可以进行改进和修改。

Claims (21)

1.一种用于提供发散照明的照明装置(100A-100F)，该照明装置(100A-100F)包括：
光源(103)，用于发射可见光谱中的光；
输出孔(101)，从所述光源(3)发出的光通过所述输出孔射出所述照明装置(100A-100F)；和
层结构(107)，包括：
嵌入在主体材料(21、61)中的多个纳米级散射元件(19、63)的散射层(17)，并且位于在所述光源(3)和所述输出孔(101)之间延伸的发射光的光路中，其中所述散射层(17)被配置为聚合物分散液晶层(17)，其中液晶作为纳米级散射元件嵌入在作为主体材料的主体聚合物(21)中，其中所述液晶形成纳米微滴(19)，由所述聚合物(21)分离，并且具有折射率的各向异性，以及
一对面状电触点层(23')，其中所述面状电触点层(23')在所述散射层(17)的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个所述散射层(17)上产生电场(27)，其中
所述发散照明的特征在于至少一条具有至少10°的半高全宽值的发光强度分布曲线，并且其中
微滴直径d在约10nm至约500nm的范围内，
所述液晶的各向异性范围为0.02≤|ne-no|≤0.5，并且
分离所述纳米级散射元件(19)的所述聚合物主体材料(21、61)的主体折射率nh在1至3的范围内；和
其中，最大相对折射率
Figure FDA0002794663490000011
是使函数
Figure FDA0002794663490000012
最大化的两个值
Figure FDA0002794663490000013
和
Figure FDA0002794663490000014
中的一个，和
其中，通过
Figure FDA0002794663490000015
所述微滴尺寸、所述主体折射率和所述最大相对折射率以及常数c定义了所述散射层(17)的每单位面积的纳米微滴的最小数量N，所述常数c至少为2.918×107nm4。
2.根据权利要求1所述的照明装置(100A-100F)，其中所述液滴直径d在约20nm至约400nm的范围内，或在约30nm至约300nm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置(100A-100F)，其中所述主体折射率nh在1.2至2.2的范围内或者在1.25至1.75的范围内。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，所述常数c至少为8.32×107nm4或至少为1.6175×108nm4。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，所述常数c为
等于或大于5.836×107nm4，或者等于或大于1.664×108nm4，或者等于或大于3.235×108nm4，
和/或
其中所述常数c等于或小于3.363×109nm4，或者等于或小于2.5×109nm4，或者等于或小于1.6499×109nm4。
6.一种使用瑞利或类瑞利散射状况提供发散照明的照明装置(100A-100F)，该照明装置(100A-100F)包括：
光源(103)，用于发射可见光谱中的光；
输出孔(101)，从所述光源(3)发出的光通过所述输出孔射出所述照明装置(100A-100F)；和
层结构(107)，包括：
嵌入在主体材料(21、61)中的多个纳米级散射元件(19、63)的散射层(17)，并且位于在所述光源(3)和所述输出孔(101)之间延伸的发射光的光路中，其中所述散射层(17)被配置为聚合物分散液晶层(17)，其中液晶作为纳米级散射元件嵌入在作为主体材料的主体聚合物(21)中，其中所述液晶形成平均尺寸在约10nm至约500nm范围内的纳米微滴(19)，由所述聚合物(21)分离，并且具有折射率的各向异性，以及
一对面状电触点层(23')，其中所述面状电触点层(23')在所述散射层(17)的相对两侧延伸，并且能够与电源电连接以在整个所述散射层(17)上产生电场(27)，其中
所述发散照明的特征在于至少一条具有至少10°的半高全宽值的发光强度分布曲线。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，所述光源(103)发射具有至少一条发光强度分布曲线的光，所述至少一条发光强度分布曲线的半高全宽值至少为10°，特别是作为所述照明装置的发散照明的所述至少一条发光强度分布曲线的基础，或者
所述光源(103)直接向所述层结构(107)发射具有基本上为朗伯发光强度分布的漫射光，和/或
其中，所述层结构(107)包括漫射层，以漫射来自所述光源(103)的光，以产生至少一条发光强度分布曲线，所述至少一条发光强度分布曲线的半高全宽值至少为10°，特别是作为所述照明装置的发散照明的所述至少一条发光强度分布曲线的基础。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，所述照明装置(100A-100F)还包括准直光学器件(105)，所述准直光学器件被配置为用于对从所述光源(103)发射的光的至少一部分进行重定向以通过所述输出孔(101)，并且其中所述准直光学器件(105)可选地配置为产生至少一条具有至少为10°的半高全宽值的发光强度分布曲线，特别是作为所述照明装置的发散照明的所述至少一条发光强度分布曲线的基础。
9.根据权利要求8所述的照明装置(100A-100F)，其中，从所述输出孔(101)出射的光的输出发光强度最大的方向界定了输出方向(118)，并且
其中，所述准直光学器件(105)包括总有效区域，该总有效区域由与所述光源的光相互作用的一个或多个表面和/或一个或多个界面在横向于所述输出方向(118)延伸的平面上的投影所界定，它是所述输出孔(101)的分配面积的至少0.3倍、至少0.5倍或甚至至少0.7倍，所述分配面积由所述输出孔(101)或所述输出孔的与相应的准直光学器件(105)相关联的部分在横向于所述输出方向(118)延伸的平面上的投影所界定。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中
所述层结构(107)尤其是所述散射层(17)设置在所述准直光学器件(105)、所述光源(103)或尤其是覆盖所述输出孔(101)的光学窗口(25)的透射或反射表面或界面上，和/或
其中所述层结构(107)是膜或涂层。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中
所述面状电触点层(23')中的至少一个被配置为在可见光波长范围内是透明的；和/或
所述面状电触点层(23')中的一个被配置为反射性的，并且特别地形成所述准直光学器件的反射界面。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中
所述照明装置(100A-100F)配置为使得所述输出孔(101)下游的光包括
直射光束(121、149)，其包括在由所述照明装置的发散照明的发光强度分布曲线的半高全宽值给出和/或由所述准直光学器件(105)界定的角度范围内传播的光，以及
漫射光(123)，其源自于从所述光源(103)发射的光在所述散射层(17)的所述纳米级散射元件(19、63)处的散射。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中
所述散射层(17)在所述可见光波长范围内具有波长相关系综光散射截面量(σtotal)，其取决于
与照明方向相关联的所述纳米级散射元件(19、63)和所述主体材料(21、61)之间的相对折射率。
14.根据权利要求13所述的照明装置(1)，其中
所述散射层(17)被配置为通过设置电场强度而在所述系综光散射截面量(σtotal)方面是可适应的，从而改变所述相对折射率和/或由此特别地提供所述直射光束部分和所述漫射光部分的光谱的可改变性。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中
所述光源(103)包括安装在LED板(111)上的至少一个发光二极管(103A、103B)，和/或
所述光源(103)包括发光二极管(103A)的一维或二维阵列。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中
所述准直光学器件(105)被配置为通过在反射表面处的反射来重定向所述光源(103)的光，并且所述准直光学器件包括全内反射透镜或复合抛物面聚光器，特别是具有矩形或圆形的截面。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，还包括
可控功率单元(113A)，其与所述一对面状电触点(23')电接触，并且被配置为适配所述散射层(17)上的电场，从而控制所述系综光散射截面量(σtotal)。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，分散在所述透明主体材料中的所述液晶微滴被设置为充当用于类瑞利散射的纳米尺寸范围内的散射中心。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，分散在所述透明主体材料中的所述液晶微滴被设置为在瑞利或类瑞利散射状况下充当透明纳米级散射元件。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，所述照明装置的输出孔由光从所述照明装置出射的区域给出，并且
所述输出孔的尺寸给出为
对于圆形输出孔，直径小于95mm，例如小于80mm，甚至小于50mm，
对于非圆形的输出孔，包围所述输出孔的圆的直径小于95mm，例如小于80mm，或甚至小于50mm。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的照明装置(100A-100F)，其中，所述照明装置的输出孔由光从所述照明装置出射的区域给出，并且所述输出孔在小于或等于10000mm2、小于或等于9000mm2、或者小于或等于6400mm2、或者甚至小于或等于2500mm2的区域上延伸。
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