CN116006921A - 一种超薄太阳光模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄太阳光模拟系统，包括第一光源、第二光源以及导光板结构，所述的导光板结构包括导光板，所述第二光源所出射模拟太阳光的白光为发散角较小的白色光线，第一光源发出的蓝色光线通过侧边入射到导光板中，以模拟天空效果，在导光板的界面上设置有能够破坏蓝色光线的全反射条件以及对白色光线的一部分进行散射的散射结构，所述白色光线从导光板出光面的背面入射，经过导光板后从正面射出，实现对着白色光线出射方向观察时，看到的是从远处出射的太阳直射白光效果。本发明实现了一种轻薄的天空灯结构，具有成本低，效果逼真，轻薄的综合优势。

Description

一种超薄太阳光模拟系统

技术领域

本发明涉及一种照明产品的技术领域，尤其涉及一种超薄太阳光模拟系统。

背景技术

照明产品已经被广泛应用于人类生产生活的方方面面，而随着科技进步发展，人们对于照明不仅在效率和亮度的要求提升了，而且要求在场景还原和可变性等方面做出创新。而现有的普通照明装置，虽然能满足基础的亮度照明，办公照明等需求，但所呈现的照明效果较为单调呆板，长久处在此空间中容易产生心理压抑感。近年来国内外厂家在照明方式上做了各种尝试，现有一些厂家开发出了天空灯/青空灯，以模拟天空的颜色和正常阳光的照明，使照明更加生动，场景化。在家居，办公和商用照明领域逐渐流行起来。

如果天空灯/青空灯要有效还原出天空的效果，需要同时实现天空的淡蓝色效果以及太阳直射的小角度直射白光的照明，在真实世界中，天空之所以能够呈现蓝色的原因是太阳光在入射大气层时受到了大气层中微小颗粒的散射，这种散射现象可以被瑞利散射所描述，瑞利散射是指半径比光波长（辐射电磁波波长）小很多的微小颗粒（比如10nm级别颗粒，分子）对入射光束的散射行为，瑞丽散射光的强度和入射波长的四次方成反比：

因此相对平行的白光入射大气层，大气层中气体分子颗粒对于短波长的蓝光散射严重，而对于长波长的散射强度较弱，因此散射更严重的蓝光出射大气层时空间中的角度分布更大，更弥散。而长波长的光散射程度较小，因此出射的角分布更小，也即更平行。更弥散的蓝光使得天空呈现蓝色，而相对平行的白光得以穿过大气层，直射地面，我们人眼观察也可以看到近乎无穷远处发射光线的太阳。但是现有的天空灯照明方式存在以下问题:1、整体结构复杂庞大、成本高；2、采用两种光源进行简单拼接而成，逼真度较差，例如专利CN108474540B中，公开了一种天空灯的实现方式，其主要实现方式可以参考图1，光源系统010发出经过准直的相对平行光020，其光谱包含短波的蓝光成分和长波成分, 从扩散板030的背面入射到扩散板030内部，扩散板030可以是具有透明形状的有机或无机基底，比如可以是有机的PMMA亚克力板，其内部掺杂有纳米颗粒0301充当对光实现瑞利散射效果，因此纳米颗粒尺寸需要显著小于入射光波长，入射到扩散板030中的有些平行光020：比如第四光线0201，与纳米颗粒0301发生散射，散射光分成两个部分，一个是波长相对长的光线（如暖白光）第五光线0401，其瑞利散射强度小，出射光和入射光方向偏离不大；另一个是波长相对短的蓝光0501，其散射强度大，因此其出射发射角度大；因此从扩散板030出射的光总体上有较小发散角的第六光040和较大发散角的第七光050，其中发散角大的第七光050在扩散板030内部传播较为弥散宽泛，使得扩散板030呈现蓝色天空色彩，而发散角小的第六光线040出射充当阳光的效果，虽然此技术能够较好地还原天空和天空中直射出的太阳光效果，但是技术方案主要有几个问题：1. 为模拟天空均匀的蓝色效果，光源系统010需要照射扩散板030的不同位置，而由光源系统010出射的平行光020的发散角决定了光源系统010和扩散板030之间的距离需要比较长，因此该方案从原理上无法实现较薄的尺寸，从而无法方便地安装在家居装饰灯很多场景；2. 从方案描述中可以看到对于扩散板030需要有复杂的掺杂工艺，才能实现一定的瑞利散射效果，因此在成本较高，并且通常基材选择面较窄，无法实现诸如防火板材等特殊要求；3. 由于蓝天和太阳光为同一光源所产生，因此无法实现多种颜色的天空和太阳光搭配的效果，如较逼真的黄昏效果，限制了应用场景和沉浸度。

再比如：专利CN112833350A中公开了另外一种天空灯结构，这种结构本质上是将两种灯结合起来，第一光源发出光线并侧向入射到导光板结构，导光板结构的光将导光板照亮，其中光线可能是模拟天空颜色的蓝色，使得导光板效果类似于天空。而第二光源可能至于第一光源旁边，向下或者斜下方出射指向性的照明光以模拟太阳光，这种组合的方式得到的灯具可以有轻薄，成本较低的优势，但是此方案并非是模拟太阳光照射的效果，只是两种现有通用照明方案的简单物理结构的连接，在效果上出射“太阳光”并不从蓝色“天空”后发出而是之前发出，因此无法实现天空灯的逼真效果。

因此综上所示，如何实现轻薄化，结构简单、更加逼真、照明效果好的天空灯显得尤为重要。

发明内容

（一）要解决的技术问题本发明的目的是提供一种超薄太阳光模拟系统，用以解决现有的模拟太阳光的天空灯存在的整体结构复杂庞大、成本高；逼真度较差的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种超薄太阳光模拟系统，包括第一光源、第二光源以及导光板结构，所述的导光板结构包括导光板，所述第二光源所出射模拟太阳光的白光为发散角较小的白色光线，第一光源发出的蓝色光线通过侧边入射到导光板中，以模拟天空效果，在导光板的界面上设置有能够破坏蓝色光线的全反射条件的散射结构，因此导光板可以出射亮度均匀的蓝色弥散光，模拟天空效果。所述白色光线从导光板出光面的背面入射，经过导光板后从正面射出，上述散射结果对于透射白光散射效果有限，导光板上遗留的白色光印几乎不可见，出射的仍然是较为准直的强烈白光。实现对着白色光线出射方向观察时，看到的是从远处出射的太阳直射白光效果。

作为优选，所述的第一光源、第二光源均可以是激光或LED或荧光灯的有源器件，还可以是具有集光效果而从环境中收集光线的无源器件。

作为优选，在导光板的至少两侧布置若干个RGB/RGBW可调整出射光颜色和亮度的LED灯条，作为所述的第一光源。

作为优选，所述的第二光源可以是一组或者是多组准直光源，分布在导光板背后的不同位置。

作为优选，所述的散射结构可以是磨砂面或激光镭雕打点或透明油漆或波纹结构或柱面镜阵列或菲涅尔透镜。

作为优选，所述的导光板是视觉完全透明的纳米导光板或者是带有轻微雾度效果的热压导光板。

作为优选，第二光源出射光可以先被一组光学元件整形后再出射到导光板上，该一组光学元件分别为第一反射镜和第二反射镜，第二光源出射的白色光线先后经过第一反射镜和第二反射镜反射，最后从导光板背面入射。

作为优选，第二光源还可以先入射到一种能够均匀化第二光源光斑并保证入射到导光板中的光斑线仍然是小角度的导光结构。

（三）有益效果

本发明提供的一种超薄太阳光模拟系统，其优点在于：本结构通过第一光源和第二光源组合的光学照明设计，实现逼真的太阳光照射效果。第一光源发出的光通过侧边入射导光板，特别地，可以是入射蓝色光使得导光板出光面呈蓝色，以模拟天空效果；第二光源设置于导光板出光面的背面，第二光源结构出射准直后的小角度光线，特别地在透过第一光源导光板时基本不破坏第二光源的准直特性。因此第二光源正入射/斜入射导光板后从导光板出光面以较小角度射出，第二光源的发射光谱可以是类似于太阳的色温可变白光，以模拟天空后远处的太阳。通过导光板的侧边导光方式，在较薄的厚度内实现了均匀的天空效果，而在导光板后设置的第二白光光源较好的还原了太阳光照射的特性同时，有效隐藏了相关的发光结构，故本发明实现了一种轻薄的天空灯结构，具有成本低，效果逼真，轻薄的综合优势。

附图说明

图1为现有技术的天空灯结构一；

图2为本实施例1中一种超薄太阳光模拟系统的结构示意图；

图3为实施例1中一种超薄太阳光模拟系统的第一光源和第二光源的出射角度示意图；

图4为实施例1中散射结构的结构参考图；

图5为实施例2中光照的图案示意图；

图6为本实施例3中一种超薄太阳光模拟系统的结构示意图；

图7为本实施例4中一种超薄太阳光模拟系统的结构示意图；

图8为本实施例5中一种超薄太阳光模拟系统的结构示意图；

图9为本实施例5中一种超薄太阳光模拟系统安装到外壳上的结构示意图。

附图标记中：第一光源10、第二光源20、导光板30、蓝色光线40、白色光线50、导光结构60、第一反射镜601、第二反射镜602、散射结构301、散光401、整体外壳400、上壳部4020、左侧部4030、右侧部4010、固定板4040、安装锁附结构4050。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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创造性劳动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。

实施例一

如图2-4所示，本发明提供的一种实施例：一种超薄太阳光模拟系统，包括第一光源10、第二光源20以及导光板结构，所述的导光板结构包括导光板30，所述第二光源20所出射模拟太阳光的白光为发散角较小的白色光线50，第一光源10发出的蓝色光线40通过侧边入射到导光板30中，以模拟天空效果，在导光板30的界面上设置有能够破坏蓝色光线40的全反射条件以及对白色光线50的一部分进行散射的散射结构301，所述白色光线50从导光板30出光面的背面入射，经过导光板30后从正面射出，实现对着白色光线50出射方向观察时，看到的是从远处出射的太阳直射白光效果。且所述的第一光源10、第二光源20以及导光板结构均设置在一个壳体（图中未指出）构成完成的天空灯结构。

作为优选，所述的第一光源10、第二光源20均可以是激光或LED或荧光灯的有源器件，还可以是具有集光效果而从环境中收集光线的无源器件。

作为优选，在导光板的至少两侧布置若干个RGB/RGBW可调整出射光颜色和亮度的LED灯条，作为所述的第一光源10。

作为优选，所述的第二光源20可以是一组或者是多组准直光源，分布在导光板30背后的不同位置，可以分别模拟太阳光从不同方位照射的效果。可以注意到不同位置的第二光源20在导光板30上的光斑强度分布会有差别，例如图3中当第二光源在左侧出射时，导光板30上的白光光功率分布从左到右可能是逐渐衰减的，此时小部分被散射的白光也会让导光板30上在大角度上呈现白色泛光。自然地，导光板上的白光强度从左到右强度也是逐渐衰减。白色泛光和第一光源20出射的光线401最终两种色光混合，最终实现的效果是导光板结构上从左到右有颜色或是亮度的渐变差异。在本案中，我们可以通过调节光源组10的强度和出射颜色，如导光板左侧的第一光源20强度可以强于右侧光源，因此出射蓝光本身从左到右也存在和白色泛光相类似的渐变效果，此时最终合成色光的颜色基本不变，而亮度统一从左到右逐渐变弱。实现了更丰富而逼真的氛围感。总之，本案中第一光源20和第二光源20的驱动是相互联动地。根据最终实现效果需求的不同，在改变一种光源的特性同时，另外一种光源会配合地改变出射的光学特性（色温，颜色，亮度），配合地实现丰富的效果。

作为优选，所述的散射结构301可以是磨砂面或激光镭雕打点或透明油漆或波纹结构或柱面镜阵列或菲涅尔透镜，如下图4所示：只要能破坏全反射条件使光线40出射，何种实现方式不在此限，更可以将此特征面置于出光面的背面，从而保持出光面的平整。鉴于上述结构对于第二光源所发出白色光线50也有折射/散射作用，为保证白光较为准直地出射，需要主要总体上仍满足出射白色光线50的角分布要小于蓝色光线4的角分布即可（如图3所示）。

使用时，第一光源10发出的光线40通过侧边入射到导光板30中，这里特别说明，侧入射只是配合一般直板导光板的一种入射方式，同时起到隐藏光源组10而不被人所直接观察到的效果。其他入射方式如类似于波导的正入射耦入耦出方式只要能实现上述效果亦可，不在此限制。所入射蓝色光线40在导光板30中，绝大部分光线与导光板界面的入射角大于全反射临界角，因此导光板内光线以全反射方式传播而均匀充满整个导光板，因此从侧边入射的一个/几个光源多次反射也可以充满整个导光板30,为了增加整体的均匀性，本实施例优选在导光板的至少两侧（如左右两侧）布置多个RGB/RGBW可调整出射光颜色和亮度的LED灯条，且为还原不同时间段对应的不同天空颜色，如早晨的青灰色，中午的天蓝色，傍晚的淡紫红色，LED灯条所出射的光的颜色可以是近似于上述效果的颜色，比如天蓝色。为了使蓝色光线40能够从导光板中出射，导光板30上需要有一些特殊结构破坏部分40光线的全反射条件使其离开导光板30而入射到空气中，比如导光板30的界面上可以有一些散射结构301破坏蓝色光线40的全反射行为而使得光线从导光板出射，出射光的反射角度较大，因此人眼从侧边观看导光板时，呈现类似于蓝天的蓝色，且较为均匀柔和，整个导光结构呈现出均匀而柔和的蓝色效果。而第二光源20所出射模拟太阳光的白光为发散角较小的白色光线50，从导光板30出光面的背面入射，经过导光板30后从正面射出。前面所述的一些散射结构301对白色光线50确实也存在一部分的散射作用，但是由于散射结构301面积占比较小，或是其结构对于正入射光线的折射作用有限，因此整体来看基本不破坏出射白色光线50的准直性。所以对着白色光线50出射方向观察时，看到的是强烈的似乎从远处出射的白光，实现类似于太阳直射的效果。并且由于第二光源20与导光板30的距离并不影响在导光板30上光斑分布的均匀性，因此本方案在较薄的距离内通过第一光源和第二光源的独特光学设计，实现了逼真的太阳光照射的模拟效果。在本实施例中所述的导光板材料可以是防火的板材如V0亚克力或者V0 PC板材，导光板可以是以导光板和AG膜，磨砂膜等组合而成的复合导光结构。

综上所示，本结构通过第一光源和第二光源组合的光学照明设计，实现逼真的太阳光照射效果。第一光源发出的光通过侧边入射导光板，特别地，可以是入射蓝色光使得导光板出光面呈蓝色，以模拟天空效果；第二光源设置于导光板出光面的背面，第二光源结构出射准直后的小角度光线，特别地在透过第一光源导光板时基本不破坏第二光源的准直特性。因此第二光源正入射/斜入射导光板后从导光板出光面以较小角度射出，第二光源的发射光谱可以是类似于太阳的色温可变白光，以模拟天空后远处的太阳。通过导光板的侧边导光方式，在较薄的厚度内实现了均匀的天空效果，而在导光板后设置的第二白光光源较好的还原了太阳光照射的特性同时，有效隐藏了相关的发光结构，故本发明实现了一种轻薄的天空灯结构，具有成本低，效果逼真，轻薄的综合优势。

实施例二

如图5所示，本发明提供的一种实施例：一种超薄太阳光模拟系统的大致结构与实施例1相同，不同的是，侧边出射的RGB第一光源可以是除了蓝光外的任意颜色，第二光源亦可以是多种色温组合白光光源或是RGBW可调色光源。使用颜色可变的光源组合可以实现的有益效果可以除了模拟太阳光直射的效果之外，还可以模拟其他的效果，比如在音乐场景下，第一光源10颜色和亮度可以随音乐变幻，营造氛围。而第二光源20出射光线保持不变，提供充足的照明光源。而导光板的散射结构除随机分布或是阵列分布外，也可以具有某种图案，通过散射结构301的密度调整，可以实现蓝天白云的显示效果。如图5所示，中心“白云“图案部分有更多的散光结构，此时对于白色光线50的散射效果会较为强烈，因此图案内会有更多的白光被散射而大角度射出，那么此时和出射蓝光融合后的总体出射光颜色就会更接近白光颜色，图案呈现出白云的效果。其他部分的出射光基本不受影响，此实施例则总体可实现蓝天白云的模拟效果。而当图案是一些星光点或者是月亮形状时，则可以实现夜晚的氛围照明效果。

实施例三

如图6所示，本发明提供的另一种实施例：一种超薄太阳光模拟系统，所述的导光板30是视觉完全透明的纳米导光板或者是带有轻微雾度效果的热压导光板。此前实施例的导光板结构中，散射结构301可以被肉眼所观察到，在光源关闭时导光板不能保持平整透亮的视觉观感。纳米导光板视觉上完全透明，散光401为掺杂在导光板内部的一些透明散射颗粒（折射率与导光板有差异），因此在实现将第一光源10入射光导出的同时，基本不影响光源组20发出的白色光线50，实现同样的太阳光模拟效果。热压导光板则是类似于在导光板表面的一些微结构，如一些微透镜/棱锥阵列，同样可以实现等同的光学效果，同时表面结构会给表面带来一定的雾度效果，在光源器件关闭时可以更好地隐藏导光板后的一些元器件（比如第二光源20）。本实施例主要在于说明选用合适的导光板结构，在保证性能同时更好兼顾了外观要求。

实施例四

如图7所示，本发明提供的另一种实施例：一种超薄太阳光模拟系统，第二光源20出射光可以先被一组光学元件整形后再出射到导光板30上，该一组光学元件分别为第一反射镜601和第二反射镜602，第二光源20出射的白色光线50先后经过第一反射镜601和第二反射镜602反射，最后从导光板30背面入射，第一反射镜601和第二反射镜602两组镜片一方面延长了出射光传播到导光板的距离，使得入射导光板30的光斑更大且均匀，同时反射镜除了可以是平面镜外，还可以是具有曲面镜具有更复杂的光束整形的元器件，实现设计者所要求的最终出射光强度和角度分布要求。此外反光镜可以与一些机械结构如马达连接，通过马达可以改变最终出射白色光线50的角度，实现不同时间不同太阳光照射角度的效果。

实施例五

如图8所示，本发明提供的另一种实施例：一种超薄太阳光模拟系统的大致结构，第二光源20还可以先入射到一种能够均匀化第二光源20光斑并保证入射到导光板30中的光斑线仍然是小角度的导光结构60，导光结构60实现的效果是均匀化第二光源20的光斑的同时，使得从导光结构60出射的光斑线仍然是小角度入射导光板30，导光结构60可以是一系列的半反半透膜片，或是具有某种表面微结构的导光光路。可见本发明不要求第二光源的位置在导光板30的背面，可以是在侧面或者是任意其他位置，只要有相应的导光系统可以使得最终出射光入射导光板30的背面，同时保持较小的发散角，就可以实现类似于天空背后的太阳的效果。

所述整体外壳（400）形状设置以及内部吸光工艺处理减少杂散光射出，整体外壳（400）的连接部位设置支持多个太阳光模拟系统横向的连接排列并同时具有较小的连接宽度。

如图9所示，本发明提供的另一种实施例：一种太阳光模拟系统的大致结构，包含第一光源10，第二光源20和导光板30，导光板30结构可以是包含前述实施例一种或多种特性的导光结构，同时将第一光源10，第二光源20和导光板30固定在一个外壳结构中，该外壳结构包含整体外壳400，所述第一光源10固定在整体外壳400侧边，所述第二光源20固定在整体外壳400内的上方，其中所述的整体外壳400由上壳部4020、左侧部4030以及右侧部4010组成，上壳部4020、左侧部4030以及右侧部4010，可以是包含有一定结构强度和散热能力的金属板或是塑料组装而成。内壳形状根据光源发射特性进行光学仿真，以尽量减少从内壳二次发射的杂散光影响系统整体效果。壳体内表面一般为黑色的吸光表面，以较少灯具内部杂散光二次射出影响整体效果，在一些重点的吸光位置如右侧部4010，表面可以是黑色阳极氧化，黑色蜂窝吸光结构或是黑色植绒布等特殊工艺表面。以得到纯净逼真的太阳光模拟效果。实施例所提供的结构中，支持多个灯具并排联合组装，其中包含了外壳40上的锁附机构以及为了支持联合组装，右侧部4010与导光板夹角α一般地要求小于或等于左侧部4030与导光板的夹角，在整体外壳400内固定有固定板4040，固定板4040为导光板上下的固定结构，保证导光板与第一光源的相对位置固定并提供结构支撑，在整体外壳400两侧边设置有安装锁附结构4050，可以是通过螺丝或者卡扣等形式吊装或者安装于铝扣板龙骨上，实现将整个整体外壳400固定在对应位置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超薄太阳光模拟系统，包括整体外壳（400），其特征在于，在整体外壳（400）内设置包括第一光源（10）、第二光源（20）以及导光板结构，所述的导光板结构包括导光板（30），所述第二光源（20）所出射模拟太阳光的白光为发散角较小的白色光线（50），第一光源（10）发出的蓝色光线（40）通过侧边入射到导光板（30）中，以模拟天空效果，在导光板（30）的界面上设置有能够破坏蓝色光线（40）的全反射条件以及对白色光线（50）的一部分进行散射的散射结构（301），所述白色光线（50）从导光板（30）出光面的背面入射，经过导光板（30）后从正面射出，实现对着白色光线（50）出射方向观察时，看到的是从远处出射的太阳直射白光效果。

2.根据权利要求1所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于，所述的第一光源（10）、第二光源（20）均可以是激光或LED或荧光灯的有源器件，还可以是具有集光效果而从环境中收集光线的无源器件。

3.根据权利要求1或2所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于，在导光板的至少两侧布置若干个RGB/RGBW可调整出射光颜色和亮度的LED灯条，作为所述的第一光源（10）。

4.根据权利要求3所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：所述的第二光源（20）可以是一组或者是多组准直光源，分布在导光板（30）背后的不同位置。

5.根据权利要求4所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：所述的散射结构（301）可以是磨砂面或激光镭雕打点或透明油漆或波纹结构或柱面镜阵列或菲涅尔透镜。

6.根据权利要求5所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：所述的导光板（30）是视觉完全透明的纳米导光板或者是带有轻微雾度效果的热压导光板。

7.根据权利要求6所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：所述导光板（30）的材质是防火的板材。

8.根据权利要求4所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：第二光源（20）出射光可以先被一组光学元件整形后再出射到导光板（30）上，该一组光学元件分别为第一反射镜（601）和第二反射镜（602），第二光源（20）出射的白色光线（50）先后经过第一反射镜（601）和第二反射镜（602）反射，最后从导光板（30）背面入射。

9.根据权利要求4所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：第二光源（20）还可以先入射到一种能够均匀化第二光源（20）光斑并保证入射到导光板（30）中的光斑线仍然是小角度的导光结构（60）。

10.根据权利要求1所述的一种超薄太阳光模拟系统，其特征在于：所述整体外壳（400）形状设置以及内部吸光工艺处理减少杂散光射出，整体外壳（400）的连接部位设置支持多个太阳光模拟系统横向的连接排列并同时具有较小的连接宽度。

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