CN114321820A - 基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置和方法，可用作照明窗帘、室内百叶窗以及窗户玻璃等。包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为负透镜阵列和正透镜阵列，负透镜阵列用于收集室外自然光，并经中间介质传导至正透镜阵列；正透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内空间。本发明可高效收集入射进窗户的自然光，将光线均匀发散至室内各个方向，匀化室内照明，并且有效保护室内隐私，环保无污染。

Description

基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置和方法

技术领域

本发明属于照明系统设计与光束整形领域，涉及一种自然光整形的装置和方法。通过所设计的自然光匀化照明装置，可以使白天从窗户入射的自然光均匀发散到屋内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量利用率；并且有效保护室内隐私，该器件环保无污染，可用作照明窗帘、室内百叶窗以及窗户玻璃等。

背景技术

我国对自然光照明技术的研发起步于二十世纪六、七十年代，自1996年“绿色照明”工程推广至今，自然光照明这一绿色能源理念正逐渐进入大众视野，随着对太阳能照明技术的研究不断深入，人们对自然光采集照明系统也有了更深层次的认识。由于石油、燃煤等自然资源逐渐消耗殆尽，有关太阳能的研究发展愈来愈多，而太阳能应用技术的缺点在于太阳能的转换效率偏低，但相较于其它传统的转换能量方式，在成本上却高出许多，故提高太阳能的利用效率以及降低太阳能转换成本遂成为近年来研究上的重要目标。

为了提高对于太阳光的利用效率，其中一种方法便是使用结合导光组件模块的太阳能集光器，将太阳光通过导光组件的引导，传导至太阳能电池或热传导组件，以增加太阳光的收集效能，进而提升太阳能转换装置的生产效率。已知的太阳能转换装置需要通过太阳能集光器，以将入射的太阳光聚集至出光侧的多个焦点，以供太阳能电池或热传导组件使用。然而，其汇聚光线的焦距造成了已知太阳能转换装置的巨大体积，大体积的太阳能转换装置不仅需要耗费较高的制作及材料成本、较难精密移动控制太阳追踪，而且还需要大面积的装设区域，目前占据市场主流的光导管效率低、采光均匀性差、且在安装过程张可能对原有建筑结构造成破坏，不利于推广和普及。

因此，如何在不改变原有建筑结构的基础上进行高效的太阳能采光是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置和方法，可以使白天从窗户入射的自然光均匀发散到屋内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量利用率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为负透镜阵列和正透镜阵列，所述负透镜阵列用于收集室外自然光，并经两透镜阵列间作为中间介质的空气层传导至所述正透镜阵列；所述正透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内空间。

优选的，所述负透镜阵列的透镜面朝向自然光入射方向，透镜面法线与入射自然光角度成锐角。

优选的，所述正透镜阵列中正透镜的焦距为所述负透镜阵列中负透镜焦距的1-5倍。

优选的，所述正透镜阵列中单个正透镜的焦点落在所述负透镜阵列中对应单个完整负透镜的中心，使光线发散至室内空间。

优选的，所述正透镜阵列中单个正透镜的焦点落在所述负透镜阵列中对应单个完整负透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

优选的，所述正透镜阵列与所述负透镜阵列单元大小不相等，所述正透镜大小满足将对应所述负透镜发散光束全部收集汇聚。

优选的，所述正透镜阵列为部分透镜阵列，其单元结构为单个正透镜的通光部分。

优选的，所述正透镜阵列与所述负透镜阵列错位排列，错位量为正透镜阵列单个正透镜的通光孔径大小。

优选的，所述正透镜阵列与所述负透镜阵列单元大小不相等，所述正透镜大小为单个正透镜的通光孔径大小。

基于双透镜负正组合的自然光匀化照明方法，包括：

室外自然光经负透镜阵列收集，并经中间介质空气层传导至正透镜阵列；

所述正透镜阵列将入射自然光折射后偏转至室内空间。

有益效果：

本发明提供了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置和方法，可高效收集入射进窗户的自然光，将光线均匀发散至室内各个方向，匀化室内照明，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量利用率。并且由于采用透镜阵列组合结构，打破了光传输的对称性，可以有效保护室内隐私。该器件材料选择多样，器件环保无污染，可替代照明窗帘、室内百叶窗以及窗户玻璃等，获得更好的室内照明效果。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置结构示意图。

图中：室外高角度自然光通过器件后，发散至室内空间；

图2为本发明实施例1对应的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置仿真效果图。

图中：入射高角度自然光由负透镜阵列收集，经过中间介质发散至正透镜阵列表面，经过正透镜阵列折射后，发散至室内空间。

图3为本发明实施例3提供的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置结构示意图。

图中：室外高角度自然光通过器件后，发散至室内空间；

图4为本发明实施例3对应的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置仿真效果图。

图中：入射高角度自然光由负透镜阵列收集，经过中间介质发散至正透镜阵列表面，经过正透镜阵列折射后，发散至室内空间。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如附图1所示，本实施例提供了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为负透镜阵列和正透镜阵列，负透镜阵列用于收集室外自然光，并经中间介质空气层传导至正透镜阵列；正透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内空间。负透镜阵列和正透镜阵列均包括n个单元结构，且一一对应，n为大于等于1的自然数。

更为具体的：负透镜阵列的透镜面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与入射自然光角度成锐角，屋外高角度入射的自然光经过所设计的器件可发散至屋内各个角落，如图1所示。

更为具体的：正透镜阵列中单个正透镜的焦距为负透镜阵列中对应单个负透镜焦距的1-5倍。

更为具体的：正透镜阵列中单个正透镜的焦点落在负透镜阵列中对应单个完整负透镜的中心，使光线发散至室内空间。

正透镜阵列与负透镜阵列单元大小不相等，正透镜大小满足将对应单个负透镜发散光束全部收集汇聚。

更为具体的：负透镜阵列和正透镜阵列的透镜材料为透射率85％以上的高透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂、及透明塑料。

更为具体的：前后表面阵列形式为方形全孔径阵列。

为了验证本发明上述装置的效果，将负透镜选择焦距为-2mm，正透镜选择焦距为5mm，正透镜阵列和负透镜阵列间隔为5mm，仿真光线发散效果，仿真结果见图2所示。

实施例2：在实施例1装置的基础上，设计了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明方法，包括：

室外自然光经负透镜阵列收集，并经中间介质空气层传导至正透镜阵列；

正透镜阵列将入射自然光折射后偏转至室内空间。

实施例3：如附图3所示，本实施例提供了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，包括前后两个阵列形式的透镜，分别为负透镜阵列和正透镜阵列，负透镜阵列用于收集室外自然光，并经中间介质空气层传导至正透镜阵列；正透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内空间。负透镜阵列和正透镜阵列均包括n个单元结构，且一一对应，n为大于等于1的自然数。

更为具体的：负透镜阵列的透镜面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与入射自然光角度成锐角，屋外高角度入射的自然光经过所设计的器件可发散至屋内各个角落，如图3所示。

更为具体的：正透镜阵列中单个正透镜的焦距为负透镜阵列中对应负透镜焦距的1-5倍。

更为具体的：正透镜阵列中单个正透镜的焦点落在负透镜阵列中对应单个完整负透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

正透镜阵列中单元结构为单个正透镜的通光部分，组成部分透镜阵列使光线发散。

正透镜阵列与负透镜阵列错位排列，错位量为正透镜阵列单个正透镜的通光孔径大小。

正透镜阵列与负透镜阵列单元大小不相等，正透镜大小为单个透镜的通光孔径大小

更为具体的：正透镜阵列和负透镜阵列的透镜材料应为透射率85％以上的高透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂、及透明塑料。

更为具体的：前后表面阵列形式为方形全孔径阵列。

为了验证本发明上述装置的效果，负透镜选择焦距为-2mm，正透镜选择焦距为5mm，负透镜阵列和正透镜阵列间隔为10mm，仿真光线发散效果，仿真结果见图4所示。

实施例4：在实施例3装置的基础上，设计了一种基于双透镜负正组合的自然光匀化照明方法，包括：

室外自然光经负透镜阵列收集，并经中间介质空气层传导至正透镜阵列；

正透镜阵列将入射自然光折射后偏转至室内空间。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为负透镜阵列和正透镜阵列，所述负透镜阵列用于收集室外自然光，并经两透镜阵列间作为中间介质的空气层传导至所述正透镜阵列；所述正透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内空间。

2.根据权利要求1所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述负透镜阵列的透镜面朝向自然光入射方向，透镜面法线与入射自然光角度成锐角。

3.根据权利要求1所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列中单个正透镜的焦距为所述负透镜阵列中对应单个负透镜焦距的1-5倍。

4.根据权利要求1所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列中单个正透镜的焦点落在所述负透镜阵列中对应单个完整负透镜的中心，使光线发散至室内空间。

5.根据权利要求1所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列中单个正透镜的焦点落在所述负透镜阵列中对应单个完整负透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

6.根据权利要求4所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列与所述负透镜阵列单元大小不相等，所述正透镜大小满足将对应所述负透镜发散光束全部收集汇聚。

7.根据权利要求5所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列为部分透镜阵列，其单元结构为单个正透镜的通光部分。

8.根据权利要求5所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列与所述负透镜阵列错位排列，错位量为正透镜阵列单个正透镜的通光孔径大小。

9.根据权利要求5所述的基于双透镜负正组合的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述正透镜阵列与所述负透镜阵列单元大小不相等，所述正透镜大小为单个正透镜的通光孔径大小。

10.基于双透镜负正组合的自然光匀化照明方法，其特征在于，包括：

室外自然光经负透镜阵列收集，并经中间介质空气层传导至正透镜阵列；

所述正透镜阵列将入射自然光折射后偏转至室内空间。

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