CN114198720A - 一种具有太阳图案的天空灯 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种具有太阳图案的天空灯，包括沿着光路依次设置的点光源(10)、匀光元件(20)、聚光元件(30)、消色差元件(40)以及窗口板(50)，所述窗口板(50)用于将所述点光源(10)射出的光线进行散射和透射，以使所述窗口板(50)的出光面(51)呈蓝色并具有太阳图案。本申请提供的具有太阳图案的天空灯，能够使室内人员在窗口板上即看到蓝色天空又看到太阳，从而使天空灯更具真实感，提升室内人员的使用体验。

Description

一种具有太阳图案的天空灯

技术领域

本申请属于灯具技术领域，特别涉及一种具有太阳图案的天空灯。

背景技术

天空灯是一种新型灯具，能够实现模拟天空颜色和阳光照射的照明，减轻了照明的单调性，可以给身处高楼大厦的办公环境的人们提供一个更舒适的光照环境，逐渐得到市场的青睐，被广泛应用于家居、办公楼、商场、体育场、车站或者机场等室内照明。

现有的天空灯通常采用的是阵列LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源模组，LED光源模组通过TIR(total internal reflection，全反射)透镜后变成近似平行光，然后通过阵列复眼透镜，形成类似方形光斑，照射到窗口板(瑞利散射板)上，再结合瑞利散射现象，使窗口板出光面呈现蓝色天空景象，以及类似阳光照射的照明光斑，然而室内人员在抬头看窗口板时只能看到模拟的蓝色天空，无法像在室外一样抬头就能看到蓝天和太阳，使天空灯缺乏真实感，从而使室内人员体验感不足。

发明内容

本申请提供了一种具有太阳图案的天空灯，使室内人员能够在窗口板上既看到蓝色天空又看到太阳，从而使天空灯更具真实感，提升室内人员的使用体验。

为解决上述问题，本申请提供的技术方案为：一种具有太阳图案的天空灯，包括沿着光路依次设置的点光源、匀光元件、聚光元件、消色差元件以及窗口板，所述窗口板用于将所述点光源射出的光线进行散射和透射，以使所述窗口板的出光面呈蓝色并具有太阳图案。

在一种可能的设计中，所述消色差元件与所述窗口板之间设置反射镜，所述反射镜用于将来自消色差元件的光线反射至所述窗口板。

在一种可能的设计中，所述天空灯还包括驱动元件，用于驱动所述反射镜进行旋转以改变所述太阳图案在所述出光面上的位置。

在一种可能的设计中，所述消色差元件为消色差镜头，所述消色差镜头还用于对光线进行光学处理以放大所述出光面上的所述太阳图案。

在一种可能的设计中，所述天空灯还包括多个图案板，每个所述图案板上设有不同的图形，所述图案板用于装配于所述聚光元件与所述消色差元件之间，以在所述出光面上形成区别于所述太阳图案的图案。

在一种可能的设计中，所述聚光元件为锥形耦合镜，所述锥形耦合镜具有沿轴向分布的两端，靠近所述匀光件的一端端面的截面面积小于远离所述匀光件的一端端面的截面面积，所述锥形耦合镜为四棱锥形，任意一组相对的两个侧面之间的夹角小于30度。

在一种可能的设计中，所述匀光元件为积分匀光棒，所述点光源射出的光线在所述积分匀光棒内至少发生3次全反射。

在一种可能的设计中，所述窗口板为瑞利散射板，所述瑞利散射板内均匀分布有多个纳米散射粒子，所述纳米散射粒子的粒径范围为10nm-500nm。

在一种可能的设计中，所述消色差元件射向所述所述窗口板的光斑全覆盖所述窗口板，所述窗口板的为矩形，所述光斑的直径大于所述出光面的对角线长度。

在一种可能的设计中，所述点光源包括高色温白光光谱、低色温白光光谱、日光全光谱、红外波段以及紫外波段中的任意一种。

根据本申请实施例提供的具有太阳图案的天空灯，当室内人员打开天空灯时，设于天空灯内部的点光源就会向周围射出用于照明的光线，这些光线会依次经过匀光元件进行匀化处理，聚光元件进行聚合处理，消色差元件进行消色差处理，从而使点光源射出的光线光色均匀，无色差，光斑边界清晰，且能够优化光线的亮度均匀度，有利于提高天空灯最终的光照效果。点光源发射的光线在经过一系列光学元件(匀光元件、聚光元件和消色差元件)处理后射入窗口板，射入的光线会与窗口板内部的散射粒子发生瑞利散射，短波长的光(蓝光)瑞利散射较激烈，被散射的蓝光会布满整个出光面，从而使出光面呈蓝色，即能够使出光面形成类似蓝色天空的出光效果，而长波长的光会透过窗口板，在墙壁或者地板等地方形成类似阳光照射的照明光斑。同时，由于采用点光源作为天空灯的发光源，能够使室内人员在看天空灯时不仅能够看到模拟的蓝天，还能够看到模拟的太阳，从而可以使天空灯更具真实感，提升室内人员的体验感。

根据本申请实施例提供的具有太阳图案的天空灯，通过沿着光路依次设置的点光源、匀光元件、聚光元件、消色差元件以及窗口板的相互配合，能够使窗口板上的出光面呈现既有蓝色天空又有太阳的视觉效果，提升天空灯的真实感，使室内活动的人员可以体验到室内室外空间相通的感觉，有效增强室内空间延伸感，并且近似阳光从窗户照射进入室内的景象，能够让室内人员心情变得愉悦，有效解决在雾霾、阴雨天气人类无法到室外活动时内心产生的憋闷感。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的光路结构示意图；

图2是本申请另一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的光路结构示意图；

图3是本申请再一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的光路结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的窗口板与射向窗口板的光斑直径的关系示意图。

附图标记：10、点光源；20、匀光元件；30、聚光元件；40、消色差元件；50、窗口板；51、出光面；60、图案板；70、反射镜；71、驱动元件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请中，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，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“底”、“前”、“后”等指示的方位或者位置关系(若有的话)为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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申请的限制。

本申请实施例提供一种具有太阳图案的天空灯，通过沿着光路依次设置点光源、匀光元件、聚光元件、消色差元件以及窗口板，能够使窗口板的出光面上呈现既有蓝天又有太阳的视觉效果，从而使天空灯更具真实感，提升室内人员的体验感。

本申请实施例提供的具有太阳图案的天空灯，可以被应用于家居、办公楼、商场、体育场、车站或者机场等室内照明场所，但不限于此。图1是本申请一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的光路结构示意图。图2是本申请另一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的光路结构示意图。图3是本申请再一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的光路结构示意图。如图1-3所示，本申请实施例提供的具有太阳图案的天空灯包括沿着光路依次设置的点光源10、匀光元件20、聚光元件30、消色差元件40以及窗口板50。

其中，点光源10作为发光源，用于向周围空间发射光线。点光源10可以为LED光源、激光光源或者光纤光源中的任意一种，只要能够保证光源为点光源10即可。

匀光元件20，位于点光源10的出光侧，能够对点光源10射出的光线进行积分匀化处理，使从匀光元件20射出的光线达到光色均匀的光学效果。聚光元件30位于匀光元件20的出光侧，能够会聚从匀光元件20出射的大角度光线，即从聚光元件30射出的光线角度小于从匀光元件20射出的光线角度。消色差元件40位于聚光元件30的出光侧，用于消除从聚光元件30射出的光线的色差，保证出射光线效率的一致性。

窗口板50位于从消色差元件40射出的光线的射出方向上，能够将从点光源10射出的光线进行散射和透射，以使窗口板50的出光面51呈蓝色并具有太阳图案。在这里太阳图案可以理解为在室内人员在窗口板50的出光面51上能够看到具有太阳轮廓，且像太阳一样发光的太阳影像。同时射入窗口板50的光线还能够透过窗口板50，在墙壁或者地面等空间位置显现出明暗边界的类似太阳光照射的照明光斑，该照明光斑呈现出像自然太阳光从窗户入射的似矩形、梯形等形状。

具体地，窗口板50为瑞利散射板，瑞利散射板内部包含很多分散的且粒子尺度小于入射波长十分之一的散射粒子。窗口板50的出光面51呈蓝色主要是通过瑞利散射现象来模拟实现。瑞利散射又称“分子散射”，是一种光学现象，属于散射的一种情况。当粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，其各方向上的散射光强度是不一致的，该强度与入射波长的频率四次方成正比，这种现象称为瑞利散射。

利用瑞利散射现象可以解释天空为什么是蓝色的。当太阳光经过大气层时，与半径远小于可见光的波长的空气分子发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射较激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现蓝色。而紫光虽然波长较蓝光更短，散射较激烈，能量也较高，但因人眼对蓝色的敏感度远大于紫色，所以天空看起来仍是蓝色。

根据本申请实施例提供的具有太阳图案的天空灯，当室内人员打开天空灯时，设于天空灯内部的点光源10就会向周围射出用于照明的光线，这些光线会依次经过匀光元件20进行匀化处理，聚光元件30进行聚合处理，消色差元件40进行消色差处理，从而使点光源10射出的光线光色均匀，无色差，光斑边界清晰，且能够优化光线的亮度均匀度，有利于提高天空灯最终的光照效果。点光源10发射的光线在经过一系列光学元件(匀光元件20、聚光元件30和消色差元件40)处理后射入窗口板50，射入的光线会与窗口板50内部的散射粒子发生瑞利散射，短波长的光(蓝光)瑞利散射较激烈，被散射的蓝光会布满整个出光面51，从而使出光面51呈蓝色，即能够使出光面51形成类似蓝色天空的出光效果，而长波长的光会透过窗口板50，在墙壁或者地板等地方形成类似阳光照射的照明光斑。同时，由于采用点光源10作为天空灯的发光源，能够使室内人员在看天空灯时不仅能够看到模拟的蓝天，还能够看到模拟的太阳，从而可以使天空灯更具真实感，提升室内人员的体验感。

根据本申请实施例提供的具有太阳图案的天空灯，通过沿着光路依次设置的点光源10、匀光元件20、聚光元件30、消色差元件40以及窗口板50的相互配合，能够使窗口板50上的出光面51呈现既有蓝色天空又有太阳的视觉效果，提升天空灯的真实感，使室内活动的人员可以体验到室内室外空间相通的感觉，有效增强室内空间延伸感，并且近似阳光从窗户照射进入室内的景象，能够让室内人员心情变得愉悦，有效解决在雾霾、阴雨天气人类无法到室外活动时内心产生的憋闷感。

值得一提的是，本申请实施例提供的天空灯还包括壳体(图中未示出)、控制单元(图中未示出)、电源装置(图中未示出)等部件，点光源10、匀光元件20、聚光元件30以及消色差元件40均设置在壳体内，控制装置包括内置在壳体中的主控板以及控制天空灯模式调节的控制终端(例如遥控器或者移动终端等)，电源装置可以为点光源10以及控制装置等提供电能。

在本申请实施例中，点光源10包括高色温白光光谱、低色温白光光谱、日光全光谱、红外波段以及紫外波段中的任意一种。色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。在一天当中，太阳光色温是在不停发生变化的，例如日出之前的色温是蓝色，日出之后的色温是橙色，中午的色温是白色，而晚上的色温是黄色等。通过以上设置，能够使天空灯更好的模拟太阳光照射的光照效果，使天空灯更具真实感，提升室内人员的体验感。

优选地，在本申请实施例中，点光源10为LED光源，LED光源结构简单，能够使天空灯达到更好的照明效果。

可选地，在本申请实施例中，LED光源可以选用COB(Chiponboard，板上芯片封装)或者CSP(Chip scalepackage，芯片尺寸封装)封装方式，能够使LED光源的体积更小，更轻薄。

如图1-3所示，在本申请实施例中，消色差元件40与窗口板50之间设置反射镜70，反射镜70用于将来自消色差元件40的光线全反射至窗口板50。通过设置反射镜70，能够转折消色差元件40出射的光线的方向，使消色差元件40出射的光线以特定的角度进入窗口板50，有利于缩减天空灯的尺寸，从而使天空灯能够更方便快捷的安装在天窗等空间位置上。

具体地，如图1-3所示，在本申请实施例中，反射镜70可以包括多个，当反射镜70为多个时，能够更大程度的缩减天空灯的尺寸，有利于天空灯体积小型化，更方便安装，但反射镜70过多会影响光线的出光效率，所以，反射镜70的数量和位置需要设计者根据实际情况确定。

进一步地，天空灯还包括驱动元件71，用于驱动所述反射镜70进行旋转以改变太阳图案在出光面51上的位置。通过设置驱动元件71，能够使室内人员随时旋转反射镜70调整太阳图案在出光面51上的位置，使蓝色天空下太阳的位置可变，从而使天空灯更具真实感，提升室内人员的使用体验。

示例性地，在一天当中的午时，室内人员可以通过移动终端(手机等)将太阳图案(太阳影像)调整到天空灯的出光面51的中间位置，在日出或者日落时刻，可以将太阳图案调整到天空灯的出光面51的边缘位置，这样通过使太阳图案处于不同的位置，可以使室内人员体验到室内室外相通的感觉，提升室内人员对照明感觉的舒适度。

具体地，在本申请实施例中，驱动元件71可以为电机或者马达等驱动装置，只要能够驱动反射镜70进行旋转即可，在本申请中不做任何限定。

如图1-3所示，在本申请实施例中，消色差元件40为消色差镜头，消色差镜头还用于对光线进行光学处理以放大出光面51上的太阳图案。消色差镜头采用近远心光学结构，不仅能够保证出射光线效率的一致性，使光线光色均匀和无色差，还能够将发光源(点光源10)呈现在出光面51上的太阳图案放大，即消色差镜头能够放大太阳图案，并将放大后的太阳图案射向窗口板50，使太阳图案在出光面51上的尺寸比例更加合适，从而使出光面51上呈现的蓝色天空上有太阳的视觉效果更具真实感，使室内人员仿佛真的能够看到室外的天空和太阳。

在本申请实施例中，天空灯还包括多个图案板60，每个图案板60上设有不同的图形(例如太阳、初月或者满月等形状)，图案板60装配于聚光元件30与消色差元件40之间，使出光面51上形成区别于太阳图案的图案。通过设置图案板60，能够使室内人员不仅能够看到太阳图案(太阳影像)，还能够看到月亮图案(月亮影像)，使室内人员更能体验到室内室外空间相通的感觉，改善灯具照明的单调性，提升室内人员对天空灯的体验感。

具体地，图案板60上的图形处为透光区域，非图形处为遮光区域。多个图案板60可移动安装在聚光元件30与消色差元件40的光路之外，当室内人员需要改变天空灯上的图案时，可以通过电机等驱动装置将相应的图案板60移动到聚光元件30与消色差元件40的光路之间，使从聚光元件30射出的光线经过图案板60和消色差元件40处理后在窗口板50的出光面51上呈现取代太阳图案的图案。

示例性地，当室内人员想要使天空灯呈现初月图案时，可以通过控制装置控制电机等驱动装置将具有初月图形的图案板60移动到聚光元件30与消色差元件40的光路之间，从聚光元件30射出的光线透过具有初月图形的图案板60，再经过消色差元件40处理射入窗口板50后，就能够在窗口板50的出光面51上呈现初月图案，在这里，消色差元件40还具有消除畸变作用，能够防止射向窗口板50的初月图形畸变或者扭曲，使初月等图形形状更逼真。另外，在选择跟月亮相关的图形形状时，需要降低点光源10的光强度和亮度，以避免光线进入窗口板50后使出光面51呈现蓝色天空效果。

当室内人员通过控制装置控制电机等驱动装置将初月图形移出后，再将太阳图形移动到聚光元件30与消色差元件40的光路之间时，从聚光元件30射出的光线透过具有太阳图形的图案板60，再经过消色差元件40处理射入窗口板50后，就能够在窗口板50的出光面51上呈现非直射的太阳图案，这时窗口板50的出光面51上呈现的也是太阳图案，但是这时光线的亮度会降低，使光线变得柔和，从而使天空灯上呈现的太阳图案近似阴天效果。

如图1-3所示，在本申请实施例中，匀光元件20为积分匀光棒，点光源10射出的光线在积分匀光棒内至少发生3次全反射，使从积分匀光棒内射出的光线达到更好的光色均匀的光学效果。

具体地，积分匀光棒为实心棒，其截面呈方形，积分匀光棒具有沿轴向分布的两端，其中靠近点光源10的一端端面为积分匀光棒入光面，远离点光源10的一端端面为积分匀光棒出光面，点光源10发射的光线会从从积分匀光棒入光面进入积分匀光棒，并在积分匀光棒内多次全反射达到光色均匀的光学效果后再从积分匀光棒出光面射出。在这里，积分匀光棒入光面与积分匀光棒出光面均与点光源10出光面平行，且所述积分匀光棒的轴向与点光源10出光面垂直。通过以上设置，能够使点光源10发射的光线尽可能进入到积分匀光棒中，以减少光量损失并获得更好的匀色匀光效果。

可选地，在本申请实施例中，积分匀光棒的材料通常为耐高温光学塑料或者光学玻璃，材质耐温大于120摄氏度。其中光学塑料可以为PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)或者PMMA(Polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)等，光学玻璃可以为石英玻璃或者K9玻璃等。

如图1-3所示，在本申请实施例中，聚光元件30为锥形耦合镜，锥形耦合镜具有沿轴向分布的两端，两端的横截面呈方形，靠近匀光元件20的一端端面的截面面积小于远离匀光元件20的一端端面的截面面积，锥形耦合镜为四棱锥形，任意一组相对的两个侧面之间的夹角小于30度。通过设置锥形耦合镜，不仅能够对匀光元件20出射的大角度光线进行耦合作用，将光线会聚，从而得到均匀的照明光斑效果，还能够对从积分匀光棒出射的光线进行二次积分匀化，从而使从锥形耦合镜出射的光线的光色更加均匀，从而能够使最终呈现的照明效果更好。

在这里，锥形耦合镜靠近积分匀光棒的一端端面的截面面积大于等于积分匀光棒出光面的截面面积，这样设置能够使从积分匀光棒射出的光线尽可能进入到锥形耦合镜当中，另外，锥形耦合镜靠近积分匀光棒的一端端面可以与积分匀光棒出光面之间尽可能的贴合，以进一步避免光量损失对天空灯光照效果的影响。

可选地，锥形耦合镜通常由光学玻璃制成。

图4是本申请一实施例提供的具有太阳图案的天空灯的窗口板与射向窗口板的光斑直径的关系示意图。如图4所示，在本申请实施例中，消色差元件40射向窗口板50的光斑全覆盖窗口板50，窗口板50为矩形，光斑的直径φ大于出光面51的对角线长度d。通过以上设置，能够使射向窗口板50的光斑完全覆盖窗口板50，从而使窗口板50的这个出光面51上都能够呈现既有蓝色天空又有太阳的视觉效果，还有阳光照射场景，使天空灯更具真实感，提升室内人员的使用体验。

具体地，窗口板50一般均为矩形，当然，在其他实施例中，根据实际的照明需求或室内设计要求，窗口板50也可以设计为其他形状，只是矩形能够获得更大的出光面51。另外，窗口板50内部的多个纳米散射粒子均匀分布，能够增强对蓝光的散射作用。

优选地，在本申请实施例中，纳米散射粒子的粒径范围为10nm-500nm，将粒径设置在10nm-500nm范围内，能够使窗口板50的出光面51呈现出更好的蓝天效果。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有太阳图案的天空灯，其特征在于，包括沿着光路依次设置的点光源(10)、匀光元件(20)、聚光元件(30)、消色差元件(40)以及窗口板(50)，所述窗口板(50)用于将所述点光源(10)射出的光线进行散射和透射，以使所述窗口板(50)的出光面(51)呈蓝色并具有太阳图案。

2.根据权利要求1所述的天空灯，其特征在于，所述消色差元件(40)与所述窗口板(50)之间设置反射镜(70)，所述反射镜(70)用于将来自消色差元件(40)的光线反射至所述窗口板(50)。

3.根据权利要求2所述的天空灯，其特征在于，所述天空灯还包括：

驱动元件(71)，用于驱动所述反射镜(70)进行旋转以改变所述太阳图案在所述出光面(51)上的位置。

4.根据权利要求3所述的天空灯，其特征在于，所述消色差元件(40)为消色差镜头，所述消色差镜头还用于对光线进行光学处理以放大所述出光面(51)上的所述太阳图案。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的天空灯，其特征在于，所述天空灯还包括：

多个图案板(60)，每个所述图案板(60)上设有不同的图形，所述图案板(60)用于装配于所述聚光元件(30)与所述消色差元件(40)之间，以在所述出光面(51)上形成区别于所述太阳图案的图案。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的天空灯，其特征在于，所述聚光元件(30)为锥形耦合镜，所述锥形耦合镜具有沿轴向分布的两端，靠近所述匀光元件(20)的一端端面的截面面积小于远离所述匀光元件(20)的一端端面的截面面积，所述锥形耦合镜为四棱锥形，任意一组相对的两个侧面之间的夹角小于30度。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的天空灯，其特征在于，所述匀光元件(20)为积分匀光棒，所述点光源(10)射出的光线在所述积分匀光棒内至少发生3次全反射。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的天空灯，其特征在于，所述窗口板(50)为瑞利散射板，所述瑞利散射板内均匀分布有多个纳米散射粒子，所述纳米散射粒子的粒径范围为10nm-500nm。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的天空灯，其特征在于，所述消色差元件(40)射向所述窗口板(50)的光斑全覆盖所述窗口板(50)，所述窗口板(50)为矩形，所述光斑的直径大于所述出光面(51)的对角线长度。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的天空灯，其特征在于，所述点光源(10)包括高色温白光光谱、低色温白光光谱、日光全光谱、红外波段以及紫外波段中的任意一种。

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