CN114607963B - 一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置 - Google Patents

一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置，属于非成像光学技术领域。其由一块散射板和一个可实现定向均匀光照的照明系统构成。照明系统包含若干沿一个方向均匀排列的自由曲面透镜照明单元和照明光源，自由曲面透镜照明单元包含一个光束准直模块和一个实现光束能量分布精准调控的自由曲面阵列。由照明光源出射的光束先经自由曲面透镜照明单元的光束准直模块扩束准直，后经自由曲面阵列偏折产生定向光照，最后通过阵列叠加各自由曲面单元形成定向均匀光照。该定向均匀光照通过散射板内纳米颗粒的瑞利散射作用形成蓝天光照效果，同时定向均匀照明光束在墙壁上产生具有一定清晰边界的均匀照明光斑，达到在室内模拟蓝天和太阳光照的效果。

Description

一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置
技术领域
本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置。
背景技术
用人造照明装置模拟自然光，在室内营造出天空的效果是未来室内照明的重要发展方向之一，然而模拟自然光，对灯具出射光束的平行度与均匀度均有要求，现有的模拟自然光照明系统中，往往使用传统透镜对LED光源进行准直，并采用蜂窝折射网进行匀光，由此得到的出射光束均匀性不够强且照明系统体积较大，进一步缩小照明系统体积，提高照明光斑均匀度是室内模拟自然光的照明装置未来的发展方向。
光学自由曲面是一类不具有轴旋转对称或平移对称的光学曲面，其灵活的面形结构可突破传统光学系统理念创造全新的结构形式；可在有效提高系统性能的同时极大地简化系统结构、减少光学元件数量，可实现具有高性能和新功能的轻小型光束调控系统，在高效节能照明、激光束整形等尖端国防和民用领域均具有重要应用价值；自由曲面极其自由灵活的面型结构在给我们带来机遇的同时也带了很大的设计挑战，自由曲面照明的关键点和难点在于如何根据光操控要求(给定入射光分布和出射光分布)来反求自由曲面面型。全内反射(TIR)透镜是一种采用全反射原理，将光线收集并处理的透镜，其可收集90°范围内的入射光线，可以在显著提高LED光源的能量利用率的同时实现对光束的准直调控。因此，结合TIR透镜和自由曲面进行光束准直与光束均匀度调控将极大优化现有模拟自然光照明装置的照明效果，进一步缩小照明装置的体积，对室内照明的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置。该装置由一块散射板和一个可实现定向均匀光照的照明系统构成，由照明系统产生的定向均匀照明光束经散射板散射形成蓝天光照效果；照明系统包含若干沿一个方向均匀排列的自由曲面透镜照明单元(D)和照明光源(S)，每个自由曲面透镜照明单元(D)形状相同，且照明光源(S)也相同，来自照明光源(S)的光束经自由曲面透镜照明单元(D)偏折后产生定向的均匀光照，自由曲面透镜照明单元(D)包含一个光束准直模块(Z)和一个实现光束能量分布精准调控的自由曲面阵列模块(F)；自由曲面透镜照明单元(D)的设计具体包括如下步骤：
1)照明光源发出的光束经光束准直模块扩束准直后变为准直光束，之后准直光束再经自由曲面阵列模块整形后在墙壁面上产生均匀且边界较为清晰的照明光斑；根据初始设计参数对光束准直模块及自由曲面阵列模块进行设计；
2)根据等光程原理设计准直模块，将照明光源的出射光束扩束准直为准直光束，所述光束准直模块的光轴与照明光源的光轴重合；
3)设计自由曲面阵列模块，所述的自由曲面阵列模块由沿着两个相互垂直的方向阵列排布的若干自由曲面单元组成；所述的自由曲面阵列模块中的自由曲面单元将准直光束整形为目标照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行；
4)将光束准直模块与自由曲面阵列模块建模，得到自由曲面透镜照明单元。
作为本发明的优选方案，所述的步骤3)具体为：
建立直角坐标系xyz，对步骤1)自由曲面单元上的点P的位置用直角坐标表示为P(x,y,z)；入射平行光经自由曲面单元折射后到达目标面上，出射光线在目标照明面上的落点T在xyz坐标系下的坐标为T(tx,ty,tz)，目标面与xyz坐标系的z轴垂直，矢量P为点P的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点P的矢量；矢量T为T点的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点T的矢量；
根据折射定律noO＝niI+P1N，求得自由曲面出射光线的单位方向向量O＝(Ox,Oy,Oz)，并建立自由曲面上点P(x,y,z)和点T(tx,ty,tz)之间的坐标关系
其中，x、y、z为点P的位置矢量P的三个分量；Ox、Oy和Oz为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法矢，zx、zy分别是P点的坐标z关于x和y的一阶偏导数，n0为自由曲面周围介质的折射率，ni为自由曲面透镜材料的折射率；
根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至照明面上的目标照明区域，即自由曲面对细光束的偏折满足以下能量关系式E(tx,ty)|J(T)|＝I(x,y)，其中，I(x,y)为光源的强度分布，E(tx,ty)为目标照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，
化简上式进一步得到方程：其中系数Ai(i＝1,...,5)表示为zx,zy,z,x以及y的函数，zxx,zyy分别为P点的坐标z关于x和y的二阶偏导数，zxy为P点的坐标z关于x和y的二阶混合偏导数，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；
自由曲面在满足上述能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标照明区域的边界，即满足以下的边界条件：
其中Ω1表示入射到自由曲面光束的范围，Ω2表示目标照明面上的照明区域，和/>分别为区域Ω1和Ω2的边界；
将上述能量传输方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需自由曲面单元的面型。
作为本发明的优选方案，所述的步骤4)中的自由曲面透镜照明单元可以为分离式和整体式的结构。
作为本发明的优选方案，分离式结构是指该自由曲面透镜照明单元所包含的光束准直模块和自由曲面阵列模块是两个分离的透镜；光束准直模块和自由曲面阵列模块的材料可以相同，也可以采用不同折射率的材料。
作为本发明的优选方案，整体式结构是指该自由曲面透镜照明单元所包含的准直模块和自由曲面阵列模块包含在同一个透镜中。
作为本发明的优选方案，所述的散射板掺有纳米颗粒，由照明系统产生的定向均匀照明光束经散射板中纳米颗粒发生瑞利散射形成蓝天光照效果，同时定向均匀照明光束在墙壁上产生具有一定清晰边界的均匀照明光斑。
作为本发明的优选方案，所述照明光源包括但不限于白光LED光源。
作为本发明的优选方案，所述的光束准直模块为TIR准直透镜，或为由等光程原理得到的折射型准直透镜。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明提出的用于室内模拟蓝天光照的照明装置可以完成对天空自然光的模拟，在室内营造出蓝天的效果；
2)本发明提出的用于室内模拟蓝天光照的照明装置可以提高照明光束在目标照明区域的均匀度，同时目标面上的照明光斑具有清晰的边界，使出射光束更接近自然光照射效果；
3)本发明提出的用于室内模拟蓝天光照的照明装置可以收集来自LED的90度范围内的入射光线，能量利用率高；
4)本发明提出的用于室内模拟蓝天光照的照明装置可以将TIR准直透镜和自由曲面阵列透镜整合为一体式透镜，提高系统紧凑度，进一步减小系统体积，便于室内安装及调整；
5)本发明提出的用于室内模拟蓝天光照的照明装置通过自由曲面阵列来实现光束整形，自由曲面阵列在提高照明均匀度的同时模拟太阳光，使得照射到同一目标区域的光线来自不同的方向，从而避免给观察者产生刺眼的感觉。
附图说明
图1为自由曲面透镜照明单元阵列照明装置的结构示意图；
图2为自由曲面透镜照明单元光路结构示意图；
图3为单个自由曲面透镜照明单元的光学系统示意图；
图4为自由曲面透镜的设计原理图；
图5为实施例中的分离式自由曲面透镜照明单元结构示意图；
图6为实施例中的一体式自由曲面透镜照明单元结构示意图；
图7为实施例中在目标照明面即墙壁面上的照度分布图；
图8为用于室内模拟蓝天光照的照明装置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图进一步说明本发明由一块散射板和一个可实现定向均匀光照的照明系统构成，由照明系统产生的定向均匀照明光束经散射板散射形成蓝天光照效果，用于室内模拟蓝天光照的照明装置的照明系统设计具体步骤如下：
(1)照明系统包含若干沿一个方向均匀排列的自由曲面透镜照明单元(D)和照明光源(S)，见附图1，其中每个自由曲面透镜照明单元(D)形状相同，且照明光源(S)也相同，自由曲面透镜照明单元(D)包含一个光束准直模块(Z)和一个实现光束能量分布精准调控的自由曲面阵列模块(F)；照明光源为白光LED光源，但不限于白光LED光源；照明光源发出的光束经光束准直模块扩束准直后变为准直光束，之后准直光束再经自由曲面阵列模块整形后在墙壁面上产生均匀且边界较为清晰的照明光斑，见附图2，根据初始设计参数对光束准直模块及自由曲面阵列模块进行设计；
(2)根据等光程原理设计光束准直模块，将照明光源的出射光束扩束准直为准直光束(平行光)，所述光束准直模块的光轴与照明光源的光轴重合；所述的准直模块可以是TIR准直透镜，也可以是由等光程原理得到的折射型准直透镜；
(3)设计自由曲面阵列模块，将平行光整形为目标照明分布。所述的自由曲面阵列模块由沿着两个相互垂直的方向阵列排布的若干自由曲面单元组成；所述的自由曲面阵列模块中的自由曲面单元，将平行光整形为目标照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，其中每个自由曲面单元存在一个焦面，以使出射光束先汇聚后发散，从而避免各阵列单元对光线的遮挡，见附图3；
(4)建立直角坐标系xyz，见附图4，对步骤(1)自由曲面单元上的点P的位置用直角坐标表示为P(x,y,z)；入射平行光经自由曲面单元折射后到达目标面上，出射光线在目标照明面上的落点T在xyz坐标系下的坐标为T(tx,ty,tz)，目标面与xyz坐标系的z轴垂直，矢量P为点P的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点P的矢量；矢量T为T点的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点T的矢量；
(5)根据折射定律noO＝niI+P1N，求得自由曲面出射光线的单位方向向量O＝(Ox,Oy,Oz)，并建立自由曲面上点P(x,y,z)和目标面上点T(tx,ty,tz)之间的坐标关系
其中，x、y、z为点P的位置矢量P的三个分量；Ox、Oy和Oz为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法矢，zx、zy分别是P点的坐标z关于x和y的一阶偏导数，n0为自由曲面周围介质的折射率，ni为自由曲面透镜材料的折射率；
(6)根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，由光源出射的任意一条细光束经自由曲面单元偏折后其所有能量被传输至照明面上的目标照明区域，即自由曲面对细光束的偏折满足以下能量关系式E(tx,ty)|J(T)|＝I(x,y)，其中，I(x,y)为光源的强度分布，E(tx,ty)为目标照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，
(7)化简上式进一步得到方程：
其中系数Ai(i＝1,...,5)表示为zx,zy,z,x以及y的函数，zxx,zyy分别为P点的坐标z关于x和y的二阶偏导数，zxy为P点的坐标z关于x和y的二阶混合偏导数，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；
(8)自由曲面单元在满足上述能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面单元偏折后入射到目标照明区域的边界，即满足以下的边界条件：
其中Ω1表示入射到自由曲面上的光束范围，Ω2表示目标照明面上的照明区域，和/>分别为区域Ω1和Ω2的边界；
(9)将步骤(7)中的能量传输方程和步骤(8)中的边界条件联立求解，得到一组离散数据点，对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需的自由曲面单元面型。
(10)将光束准直模块与自由曲面阵列模块建模，得到自由曲面透镜照明单元，所述的自由曲面透镜照明单元可以为分离式和整体式的结构，分离式结构是指该自由曲面透镜照明单元所包含的光束准直模块和自由曲面阵列模块是两个分离的透镜，见附图5；整体式结构是指该自由曲面透镜照明单元所包含的光束准直模块和自由曲面阵列模块是包含在同一个透镜中，见附图6。所述的分离式自由曲面透镜照明单元所包含的光束准直模块和自由曲面阵列模块的材料可以相同，也可以采用不同折射率的材料。
实施例：光源为具有朗伯光强分布的白光LED，其发光面大小为0.7*0.7mm，发光强度分布满足其中/>照明装置的高度为150mm，即入射LED光源距离光学系统出射面的距离为150mm，出射面宽度为300mm，长度可以根据均匀排列的LED数量来确定，见附图2。为更好的模拟来自太阳和天空照射的自然光，要求LED光源经透镜整形后在目标面上呈现均匀的照度分布，本发明所设计的用于室内模拟蓝天光照的照明装置安装于天花板上，即由位于天花板上的出光面模拟天窗照射，最终在墙壁面上程均匀的照度分布，天花板上照明装置边缘到墙角的距离为750mm，墙壁照明面上墙角到照明光斑的距离为350mm，见附图2，TIR自由曲面透镜材料折射率为1.59，透镜周围介质为空气；
根据等光程原理设计光束准直模块，将发散角为90度的白光LED光源准直为平行光，所述光束准直模块光轴与LED光源光轴重合，所述的光束准直模块可以是TIR准直透镜，也可以是由等光程原理得到的折射型准直透镜，所述准直模块与光轴的交点距离LED发光面为5mm；
划分照明装置中每一个LED光源在光学系统出射面上产生的照明光斑长为50mm，即每一个LED光源经透镜整形后在照明装置出射面上产生50mm*300mm的矩形照明分布。结合在墙壁面即目标面上的照度分布均匀以及在出射面上的照明光斑的矩形分布，根据光的直线传播以及能量守恒定律，建立起目标照明面与虚拟面之间的能量映射关系，上述虚拟面与LED光源光轴垂直，即自由曲面阵列光束整形的目标为将来自于准直模块的平行光整形为垂轴虚拟面上的上底为40mm，下底为70mm，高为110mm的梯形分布，梯形区域能量分布满足上述映射关系，虚拟面与LED光轴的交点与LED之间的距离为206mm；
设计自由曲面阵列单元，将平行光整形为目标照明分布，所述的自由曲面阵列模块由沿着两个相互垂直的方向阵列一个自由曲面单元得到，所述的自由曲面阵列模块中的自由曲面单元，将平行光整形为目标照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，所述自由曲面阵列单元存在一焦面，以使出射光束先汇聚后发散，从而避免阵列单元之间对光线的遮挡，见附图3；
建立直角坐标系xyz，见附图4，对自由曲面上的点P的位置用直角坐标表示为P(x,y,z)；入射平行光经自由曲面折射后到达目标面上，出射光线在目标照明面上的落点T在坐标系xyz下的坐标为T(tx,ty,tz)，目标面与xyz坐标系的z轴垂直，矢量P为点P的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点P的矢量；矢量T为T点的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点T的矢量；
根据折射定律noO＝niI+P1N，求得自由曲面出射光线的单位方向向量O＝(Ox,Oy,Oz)，并建立自由曲面上点P(x,y,z)和点T(tx,ty,tz)之间的坐标关系：
其中，x、y、z为点P的位置矢量P的三个分量；Ox、Oy和Oz为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法矢，zx、zy分别是P点的坐标z关于x和y的一阶偏导数，n0为自由曲面周围介质的折射率，n0＝1，ni为自由曲面透镜材料的折射率，ni＝1.59；
根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至照明面上的目标照明区域，即自由曲面对细光束的偏折满足能量关系式：E(tx,ty)|J(T)|＝I(x,y)。其中，I(x,y)为光源的强度分布，E(tx,ty)为目标照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，
化简上式进一步得到方程其中系数Ai(i＝1,...,5)表示为zx,zy,z,x以及y的函数，zxx,zyy分别为P点的坐标z关于x和y的二阶偏导数，zxy为P点的坐标z关于x和y的二阶混合偏导数，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；
自由曲面在满足上述能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标照明区域的边界，即满足边界条件：其中Ω1和Ω2分别为平行光束照明区域以及目标面上的照明区域，/>和/>分别为区域Ω1和Ω2的边界；
对于上述步骤中的高度非线性的偏微分方程，只能求得其数值解。首先需要将入射到自由曲面上光束所在的区域Ω1离散化，得到一组离散的网格点，并且在每个网格节点对应一个偏微分方程；之后采用差分替代微分法将能量传输方程和边界条件转换成一个非线性方程组；最后，采用牛顿法求解该非线性方程组可得到一组离散数据点，即求得自由曲面阵列单元的离散数据点；
在CAD软件中对光束准直单元与自由曲面阵列单元建模即可得到该模拟蓝天光照的自由曲面透镜照明单元，其中分离式自由曲面透镜照明单元见附图5，附图5中下方透镜为准直模块，上方透镜为自由曲面透镜模块；一体式自由曲面透镜照明单元见附图6，附图6中透镜单元的入射面为准直面，出射面为自由曲面阵列面。
对透镜模型追迹光线，在目标照明面上得到照度分布图，见附图7。该照度分布图清楚地表明，本发明提出的用于室内模拟蓝天光照的照明装置实现了目标照明要求，有效的模拟出了自然光照射的边界较为清晰的均匀照明光斑。实际应用时将多个上述LED及自由曲面透镜照明单元并联，见附图8，模拟出太阳光透过天窗照射到墙壁上的光束效果。

Claims (5)

1.一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置，其特征在于，该装置由一块散射板和一个可实现定向均匀光照的照明系统构成，所述的散射板掺有纳米颗粒，由照明系统产生的定向均匀照明光束经散射板中纳米颗粒发生瑞利散射形成蓝天光照效果，同时定向均匀照明光束在墙壁上产生具有一定清晰边界的均匀照明光斑；
所述的用于室内模拟蓝天光照的照明装置安装于天花板上，即由位于天花板上的出光面模拟天窗照射，最终在墙壁面上程均匀的照度分布；
照明系统包含若干沿一个方向均匀排列的自由曲面透镜照明单元(D)和照明光源(S)，每个自由曲面透镜照明单元(D)形状相同，且照明光源(S)也相同，来自照明光源(S)的光束经自由曲面透镜照明单元(D)偏折后产生定向的均匀光照，自由曲面透镜照明单元(D)包含一个光束准直模块(Z)和一个实现光束能量分布精准调控的自由曲面阵列模块(F)；所述的光束准直模块(Z)为TIR准直透镜；自由曲面透镜照明单元(D)的设计具体包括如下步骤：
1)照明光源发出的光束经光束准直模块扩束准直后变为准直光束，之后准直光束再经自由曲面阵列模块整形后在墙壁面上产生均匀且边界较为清晰的照明光斑；根据初始设计参数对光束准直模块及自由曲面阵列模块进行设计；
2)根据等光程原理设计准直模块，将照明光源的出射光束扩束准直为准直光束，所述光束准直模块的光轴与照明光源的光轴重合；
3)设计自由曲面阵列模块，所述的自由曲面阵列模块由沿着两个相互垂直的方向阵列排布的若干自由曲面单元组成；所述的自由曲面阵列模块中的自由曲面单元将准直光束整形为目标照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行；
所述的步骤3)具体为：
建立直角坐标系xyz，对步骤1)自由曲面单元上的点P的位置用直角坐标表示为P(x,y,z)；入射平行光经自由曲面单元折射后到达目标面上，出射光线在目标照明面上的落点T在xyz坐标系下的坐标为T(tx,ty,tz)，目标面与xyz坐标系的z轴垂直，矢量P为点P的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点P的矢量；矢量T为T点的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点T的矢量；
根据折射定律noO＝niI+P1N，求得自由曲面出射光线的单位方向向量O＝(Ox,Oy,Oz)，并建立自由曲面上点P(x,y,z)和点T(tx,ty,tz)之间的坐标关系
其中，x、y、z为点P的位置矢量P的三个分量；Ox、Oy和Oz为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法矢，zx、zy分别是P点的坐标z关于x和y的一阶偏导数，n0为自由曲面周围介质的折射率，ni为自由曲面透镜材料的折射率；
根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至照明面上的目标照明区域，即自由曲面对细光束的偏折满足以下能量关系式E(tx,ty)|J(T)|＝I(x,y)，其中，I(x,y)为光源的强度分布，E(tx,ty)为目标照明面上目标照明区域的照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，化简上式进一步得到方程：/>其中系数Ai(i＝1,...,5)表示为zx,zy,z,x以及y的函数，zxx,zyy分别为P点的坐标z关于x和y的二阶偏导数，zxy为P点的坐标z关于x和y的二阶混合偏导数，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；
自由曲面在满足上述能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标照明区域的边界，即满足以下的边界条件：
其中Ω1表示入射到自由曲面光束的范围，Ω2表示目标照明面上的照明区域，和/>分别为区域Ω1和Ω2的边界；
将上述能量传输方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需自由曲面单元的面型；
4)将光束准直模块与自由曲面阵列模块建模，得到自由曲面透镜照明单元。
2.根据权利要求1所述的用于室内模拟蓝天光照的照明装置，其特征在于，所述的步骤4)中的自由曲面透镜照明单元可以为分离式和整体式的结构。
3.根据权利要求2所述的用于室内模拟蓝天光照的照明装置，其特征在于，分离式结构是指该自由曲面透镜照明单元所包含的光束准直模块和自由曲面阵列模块是两个分离的透镜；光束准直模块和自由曲面阵列模块的材料可以相同，也可以采用不同折射率的材料。
4.根据权利要求2所述的用于室内模拟蓝天光照的照明装置，其特征在于，整体式结构是指该自由曲面透镜照明单元所包含的准直模块和自由曲面阵列模块包含在同一个透镜中。
5.根据权利要求1所述的用于室内模拟蓝天光照的照明装置，其特征在于，所述照明光源包括但不限于白光LED光源。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115574286B (zh) * 2022-12-12 2023-04-25 浙江大学 一种车用自由曲面符号投影照明装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102928983A (zh) * 2012-10-23 2013-02-13 浙江大学 一种用于准直光整形的自由曲面光学元件的设计方法
CN110537056A (zh) * 2017-01-30 2019-12-03 理想工业照明有限责任公司 照明灯具及方法
CN210462888U (zh) * 2019-10-17 2020-05-05 安徽华夏显示技术股份有限公司 一种形成均匀方形光斑的led透镜
CN214009137U (zh) * 2021-02-02 2021-08-20 成都工业学院 一种仿自然光照明光源
CN214948816U (zh) * 2021-02-26 2021-11-30 深圳市豪恩智能物联股份有限公司 一种蓝色天空灯
CN113958897A (zh) * 2021-09-25 2022-01-21 浙江彩丞照明科技有限公司 一种新型天空灯

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102928983A (zh) * 2012-10-23 2013-02-13 浙江大学 一种用于准直光整形的自由曲面光学元件的设计方法
CN110537056A (zh) * 2017-01-30 2019-12-03 理想工业照明有限责任公司 照明灯具及方法
CN210462888U (zh) * 2019-10-17 2020-05-05 安徽华夏显示技术股份有限公司 一种形成均匀方形光斑的led透镜
CN214009137U (zh) * 2021-02-02 2021-08-20 成都工业学院 一种仿自然光照明光源
CN214948816U (zh) * 2021-02-26 2021-11-30 深圳市豪恩智能物联股份有限公司 一种蓝色天空灯
CN113958897A (zh) * 2021-09-25 2022-01-21 浙江彩丞照明科技有限公司 一种新型天空灯

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
戴瑜兴.《建筑物理》.第124页,1997,第124页. *
王文广.《聚合物改性原理》.中国轻工业出版社,2018,第137页. *

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