CN113623561A - 一种模拟星空背景照明的光源系统 - Google Patents

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CN113623561A CN202010373162.5A CN202010373162A CN113623561A CN 113623561 A CN113623561 A CN 113623561A CN 202010373162 A CN202010373162 A CN 202010373162A CN 113623561 A CN113623561 A CN 113623561A
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丁金延
陈卫波
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Abstract

本发明公开了一种模拟星空背景照明的光源系统，涉及照明领域。所述系统主要包括吸光板、固定板、光导纤维、星光发生器、反光板和星光室。本发明通过在吸光板上设置不同直径的光导纤维，模拟不同大小和星等的星星，可以在室内环境中呈现晴朗夜晚的星空景象；同时配合滤光片和星光发生器的PWM控制电路，可模拟不同天气条件下夜空中星星的亮度，达到模拟真实星光照明的效果；进一步还可以根据需要模拟夜空中不同的星座，既美观又具有科普效果。

Description

一种模拟星空背景照明的光源系统
技术领域
本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种模拟星空背景照明的光源系统。所述的星空背景照明包括星空云图分布和星空照明环境。本发明应用于类似房屋室内的密闭环境中照明，可在室内模拟出真实的夜空星光照明效果。
背景技术
目前仿生态元素设计在医学和建筑领域已经广泛应用，生态学即对自然现象进行搜集、描述和记载的一种方法，仿生态设计则是通过高新技术，将生态自然环境元素通过仪器、设备、影像、声音、触感等多种感观形式展现出来，让使用者在不可能出现生态环境的条件下直接或间接的体验自然生态环境。在医学上，通过提供仿生态环境的照明和影像，使患者在病床上或者病房内即体验亲临大自然环境，通过改善患者的心情，调整患者的身体激素分泌和代谢，可促进病患的康复几率和速度；对于医护人员，长期处于室内封闭环境会极大地影响医护人员的身心健康，进而影响工作，通过仿生态技术，为医护人员打造生态环境的工作情景和氛围，可有效改善医护人员的工作效率和工作质量。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自然的生态环境，例如，白天的阳光照射、夜晚的星空等，这就使能够模拟自然环境的照明系统受到广泛的青睐。
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。满足生理健康要求和心里健康要求，首先需要模拟真实的自然天空环境。
发明内容
针对现在的社会需求，本发明提出了一种模拟星空背景照明的光源系统。该照明系统应用于类似房屋室内的密闭环境中照明，可在室内呈现晴朗夜晚的星空景象。
为了便于本发明的详细诠释，在本发明的描述中，需要对专业术语进行解释：
1.“星等”是天文学上对星星明暗程度的一种表示方法，通俗的说法是星星的等级。星的明暗一律用星等来表示，星等数越小，说明星越亮。
2.视星等
天体光度测量直接得到的星等同天体的距离有关，称为视星等，它反映天体的视亮度。一颗很亮的星可以由于距离远而显得很暗(星等数值大)；而一颗实际上很暗的星可能由于距离近而显得很亮(星等数值小)。对于点光源，则代表天体在地球上的照度。星等常用m表示。对单一波长测定的单色星等差与辐射探测器的特性无关。但在一定波段内测定的星等差，随探测器的选择性而不同。因此，对应不同探测器有各种星等系统。例如：
a.“目视星等mv”是人眼测定的星等。美国哈佛大学天文台规定小熊座λ星的mv＝+6.55等，以此来确定目视星等的零点。例如，太阳的目视星等为-26.74等；天狼星的目视星等为-1.6等。目视星等为1等的星，在地面的照度约等于8.3×10-9勒克司。
b.“照相星等mp”是用蓝敏照相底片测定的星等。国际照相星等Ipg的零点是这样规定的：令目视星等介于5.5～6.5等间的A0型星的平均Ipg为mv。
c.“仿视星等mpv、国际仿视星等Ipv”是用正色底片加黄色滤光片测定的。它的分光特性与人眼相近，实际上取代了目视星等。
d.“绝对星等”，为了比较天体的发光强度，采用绝对星等。
绝对星等的计算：
M的定义是，把天体假想置于距离10秒差距处所得到的视星等。若已知天体的视差π(以弧秒计)和经星际消光改正的视星等m，可按下列公式计算绝对星等：
M＝m+5(1+log10π)
若已知天体的距离d和视星等m，可按下列公式计算绝对星等：
Figure BDA0002479103940000031
其中d0是10秒差，即32.616光年。
对应不同系统的视星等有不同的绝对星等。
若已知天体的绝对星等和视差π，或者距离d，可按照下列公式计算可视星等：
Figure BDA0002479103940000032
或m＝M-5(1+log10π)
普森公式：用于计算星等与发光亮度之间的关系
Figure BDA0002479103940000033
联系两个天体的星等m1、m2和它们的亮度E1、E2。这个星等尺度的定义一直沿用至今。星等尺度的零点由规定某颗星的星等值来确定。
e.“光电星等”通过对天体发光的波段的辐射测量，来定义天体的光谱成分。由于天体的辐射光谱不同，因此对于观察者来说，可见星的颜色是不同的。UBV系统包括对天体在三个波长段的辐射测量，传统上通过在检测系统前放置标准滤光星等片实现：U：波长360nm左右，测量近紫外线成份，所得为紫外星等。B：波长440nm左右，测量蓝色成分，所得为蓝色星等(蓝等，英文Blue magnitude)。V：波长550nm左右，测量黄、绿色成分，和人眼所见亮度接近，所得为可见星等。天文文献中，不特别说明的星等一般是可见星等。
本发明提出的一种模拟星空背景照明的光源系统，包括：吸光板、固定板、光导纤维、星光发生器、反光板、和星光室；
所述吸光板与所述固定板连接，所述吸光板位于所述固定板的上方，所述吸光板与所述固定板之间形成有容置腔体；
所述吸光板为具有海绵孔状结构的材料，所述吸光板上开有透光窗口和固定孔，所述透光窗口贯穿所述吸光板和所述固定板，所述固定孔用于固定所述光导纤维；
所述光导纤维的出光端面固定在所述吸光板上，所述光导纤维的入光端面固定在所述星光发生器上；
所述星光发生器设置于所述容置腔体内，所述星光发生器用于发射不同光电星等的光，即不同波长的光；所述星光发生器所发出的光通过所述光导纤维传导至所述吸光板的上表面，形成星点光源；
所述反光板与所述吸光板连接，所述反光板位于所述吸光板的上方，所述反光板和所述吸光板之间形成星光室；
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。
进一步的，所述光导纤维包括多根具有不同直径的光导纤维，用于模拟多个具有不同星等的星星。
进一步的，所述光导纤维(3)的直径d通过以下步骤获得：
1)确定被模拟的星星的星等m1；
2)根据普森公式(1)计算出被模拟的星星的辐射亮度E1；
Figure BDA0002479103940000041
其中，m2＝-26.7，为太阳的星等，E2＝1.865×109cd/m2，为太阳在地面的亮度；
3)根据步骤2)中计算出的辐射亮度E1，利用亮度与光通量的计算公式(2)计算光导纤维(3)输出的光通量Pc；
Pc＝Ω×E1×L2 (2)
其中，Ω为光导纤维(3)的孔径角，为已知量；L＝L1+L2，L1为光导纤维(3)出光面与反光板(2)之间的距离，L2为人眼与反光板(2)之间的距离；
4)根据步骤3)计算出的光通量Pc，利用光通量与直径的关系式(3)、(4)计算出光纤直径d；
As＝Pc/(Ed×τ) (3)
As＝πd2/4 (4)
其中，As为光导纤维(3)的横截面积，Ed为星光发生器(4)在光导纤维(3)的横截面上的照度值，可通过测量得出；τ为光导纤维(3)的透过率，为常数。
进一步的，所述光源系统还包括PWM控制电路，用于控制所述星光发生器(4)中的光源的电流。
进一步的，所述星光发生器与所述光导纤维之间设置有可移动的滤光片。
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星空背景照明的光源系统通过设置不同直径的光导纤维，模拟不同大小和星等的星星，可以在室内环境中呈现晴朗夜晚的星空景象；同时配合滤光片和星光发生器的PWM控制电路，可模拟不同天气条件下(有云朵或无云朵)夜空中星星的亮度，达到模拟真实星光照明的效果；进一步还可以根据需要模拟夜空中不同的星座，既美观又具有科普效果。
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照明系统的结构示意图；
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天蝎座主要恒星星等分布图；
图4为本发明实施例所述的光导纤维传导星光结构示意图；
图5为本发明实施例所述的猎户座目视星等分布图；
其中：1-星光室，2-反光板，3-光导纤维，4-星光发生器，5-透光窗口，6-密闭室，7-吸光板，8-滤光片，9-固定板，10-容置腔体，a-分光层，b-蓝色滤光层，c-漫反射层，A-出光面，B-光导纤维的像，C-人眼。
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”、“星光”、“天空背景光”、“色温”、“渐变”、“发散角”、“照度”、“光亮度”、“光通量”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。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。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星空背景照明的光源系统的结构示意图，所述照明系统用于向密闭室6中照射模拟星光，吸光板7、固定板9、光导纤维3、星光发生器4、反光板2、和星光室1；
所述吸光板7与所述固定板9连接，所述吸光板7位于所述固定板9的上方，所述吸光板7与所述固定板9之间形成有容置腔体10；
所述吸光板7为具有海绵孔状结构的材料，所述吸光板7上开有透光窗口5和固定孔，所述透光窗口5贯穿所述吸光板7和所述固定板9，所述固定孔用于固定所述光导纤维3；
所述光导纤维3的出光端面固定在所述吸光板7上，所述光导纤维3的入光端面固定在所述星光发生器4上；
所述星光发生器4设置于所述容置腔体10内，所述星光发生器4用于发射不同光电星等的光，即不同波长的光，所述星光发生器4所发出的光通过所述光导纤维3传导至所述吸光板7的上表面，形成星点光源；
所述反光板2与所述吸光板7连接，所述反光板2位于所述吸光板7的上方，所述反光板2和所述吸光板7之间形成星光室1；
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。
可以理解的是，所述密闭室5可以是房屋，所述固定板9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，即模拟后的星光可以从透光窗口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与所述星光室连通。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。
所述星光发生器4所发出的光通过所述光导纤维3传导至所述吸光板7的上表面，形成星点光源；所述星点光源发射出的光束①照射到所述分光层a时，部分光被反射，形成反射光束②；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③，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③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④，所述蓝色漫反射光④透过所述蓝色滤光层b和所述分光层a，形成漫射的天空光。由于光源的亮度、色温调至于夜晚晴空时星星的真实的亮度和色温，因此在反光板的背侧形成的蓝色漫反射光较弱，且光呈蓝黑色，与星光透过地球大气层后发生的蓝黑色漫反射光接近，因此在视觉上为观察者提供了逼真的夜空星光景象。所述反射光束②由所述透光窗口5射出，照射到密闭室6中，在视觉上呈现星光由室外射入室内的效果。
吸光板7上布置有多根不同直径的光导纤维3，用于模拟不同大小和具有不同星等的星星。
图3示出了天蝎座主要恒星星等分布图，本实施例以模拟天蝎座恒星分布的光源系统为例，介绍本发明光源系统的具体获得过程。
步骤1：由普森公式(1)计算出天蝎座心宿二I的辐射亮度E1。
Figure BDA0002479103940000091
其中，心宿二I的星等m1＝1，太阳的星等m2＝-26.7，太阳在地面的亮度E2＝1.865×109cd/m2，则心宿二I在地面的亮度E1＝0.0155cd/m2；
步骤2：依次计算出:尾宿五II、尾宿八III、房宿二IV、房宿三V等目视星等的辐射亮度E2、E3……En。
步骤3：如图4所示，光导纤维3的出光面A发出的光，经过反光板2反射，进入观察者C的视野中，根据上述的目视星等的辐射亮度Ei的计算结果，通过亮度与光通量的计算公式(2)计算光导纤维(3)输出的光通量Pci；
Pci＝Ω×Ei×L2 (2)
其中，i＝1……n，Ω为光导纤维3的孔径角，为已知量；
光导纤维3的输出端面距人眼C的距离L为本发明中的设计参量，参考图4中，L＝L1+L2，L1近似为光导纤维3出光面与反光板2之间的距离，L2近似为人眼C与反光板2之间的距离；
步骤4：根据步骤3计算出的光通量Pci，利用光通量与直径的关系式(3)、(4)计算出光导纤维3的直径di；
Asi＝Pci/(Edi×τ) (3)
Asi＝πdi 2/4 (4)
其中，Asi为第i根光导纤维3的横截面积，Edi为星光发生器4在第i根光导纤维3的横截面上的照度值，可通过测量得出；τ为光导纤维3的透过率，为常数。
通过以上步骤计算出安装固定在吸光板7上的多根光导纤维3的直径，可得到能够模拟天蝎座恒星分布的光源系统，该光源系统中，不同直径的光导纤维可以模拟不同大小以及不同星等的星星。
人眼目视星等最大为6等星，除太阳以外最亮星等为-4.6(金星)，本发明可以模拟6～-4.6星等的星星。
进一步地，本实施例中的光源系统还包括PWM控制电路，用于控制星光发生器4中的光源的电流，进而控制星光发生器4中的光源的功率，最终控制星光发生器4产生的照度值Ed的大小。该PWM控制电路采用10000步细分的值的控制电路，可将星光发生器4的照度值Ed控制输出104个等级。
本实施例中星光发生器4与光导纤维3之间设置有可移动的滤光片8，通过配置滤光片8和星光发生器4的PWM控制电路，实现模拟多种天气条件下夜空中星星的亮度，例如：当夜空中云层较厚时，星星的亮度较低，此时可以通过减小星光发生器4的电流和/或使用透光率低的滤光片，降低星星的亮度；而在晴朗的夜空，星星的亮度高，此时可以通过增大星光发生器4的电流和/或使用透光率高的滤光片，增加星星的亮度。
如图4所示，光纤出光面A形成具有相应星等的星点光源，该星点光源通过反光板2反射，形成星点光源的像B，并通过透光窗口5进入观察者C的视野内。由于星点光源以反射镜成像的原理进入观察者C的视野，因此所述的星点光源与观察者C之间的距离L＝L2+L1，本方案可使观察者C观察的星光具有距离感。
实施例2
本实施例通过光电星等测量和计算机分析，计算出猎户座及附近恒星的UBV光谱组成，以及各恒星的亮度，恒星亮度的计算过程同实施例1。根据恒星的亮度计算各光导纤维的直径，计算过程同实施例1。根据计算结果可在本实施例的装置内实现模拟真实的猎户座区域内的星等分布，如图5所示，给观察者呈现出真实的立体星空景象。
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 (6)

1.一种模拟星空背景照明的光源系统，其特征在于：所述光源系统包括：吸光板(7)、固定板(9)、光导纤维(3)、星光发生器(4)、反光板(2)和星光室(1)；
所述吸光板(7)与所述固定板(9)连接，所述吸光板(7)位于所述固定板(9)的上方，所述吸光板(7)与所述固定板(9)之间形成有容置腔体(10)；
所述吸光板(7)为具有海绵孔状结构的材料，所述吸光板(7)上开有透光窗口(5)和固定孔，所述透光窗口(5)贯穿所述吸光板(7)和所述固定板(9)，所述固定孔用于固定所述光导纤维(3)；
所述光导纤维(3)的出光端面固定在所述吸光板(7)上，所述光导纤维(3)的入光端面固定在所述星光发生器(4)上；
所述星光发生器(4)设置于所述容置腔体(10)内，所述星光发生器(4)用于发射不同波长的光，所述星光发生器(4)所发出的光通过所述光导纤维(3)传导至所述吸光板(7)的上表面，形成星点光源；
所述反光板(2)与所述吸光板(7)连接，所述反光板(2)位于所述吸光板(7)的上方，所述反光板(2)和所述吸光板(7)之间形成星光室(1)；
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。
2.如权利要求1所述的模拟星空背景照明的光源系统，其特征在于：所述光导纤维(3)包括多根具有不同直径的光导纤维，用于模拟多个具有不同星等的星星。
3.如权利要求1或2所述的模拟星空背景照明的光源系统，其特征在于：所述光导纤维(3)的直径d通过以下步骤获得：
1)确定被模拟的星星的星等m1；
2)根据普森公式(1)计算出被模拟的星星的辐射亮度E1；
Figure FDA0002479103930000021
其中，m2＝-26.7，为太阳的星等，E2＝1.865×109cd/m2，为太阳在地面的亮度；
3)根据步骤2)中计算出的辐射亮度E1，利用亮度与光通量的计算公式(2)计算光导纤维(3)输出的光通量Pc；
Pc＝Ω×E1×L2 (2)
其中，Ω为光导纤维(3)的孔径角，为已知量；L＝L1+L2，L1为光导纤维(3)出光面与反光板(2)之间的距离，L2为人眼与反光板(2)之间的距离；
4)根据步骤3)计算出的光通量Pc，利用光通量与直径的关系式(3)、(4)计算出光导纤维(3)的直径d；
As＝Pc/(Ed×τ) (3)
As＝πd2/4 (4)
其中，As为光导纤维(3)的横截面积，Ed为星光发生器(4)在光导纤维(3)的横截面上的照度值，可通过测量得出；τ为光导纤维(3)的透过率，为常数。
4.如权利要求3所述的模拟星空背景照明的光源系统，其特征在于：所述光源系统还包括PWM控制电路，用于控制所述星光发生器(4)中的光源的电流。
5.如权利要求4所述的模拟星空背景照明的光源系统，其特征在于：所述星光发生器(4)与所述光导纤维(3)之间设置有可移动的滤光片(8)。
6.如权利要求1所述的模拟星空背景照明的光源系统，其特征在于：所述分光层(a)为半透半反层。
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