CN117249406A - 基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置及采光方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于室内采光技术领域，公开了一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置及采光方法，包括多个采光部和多个透光部；采光部由第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列和透光材料阵列组成；透光部为平透镜阵列，设置于多个采光部之间；多个采光部透射的采光区域和多个透光部而透射的光透射区域交替布置。本发明可以使白天从窗户入射的自然光发散到屋内各部分，充分利用自然光进行室内采光，同时还可以呈现室外景色，即屋内人员能看见室外景物，且室外景物视觉图像未发生位移或偏仍在原地景物位置。本发明能节能减排，提高能量利用率。该发明装置环保无污染，使用期间不需要能源供应。

Description

基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置及采光方法

技术领域

本发明属于室内采光技术领域，尤其涉及一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置及采光方法。

背景技术

目前，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，现阶段全球能源供应面临短缺困局，能源供应的短缺，给全球经济发展带来了一系列严重后果，甚至可能引发战争，因此能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。相关资料显示，全球建筑能源消耗占到总能源消耗的41％，而随着城市化进程的加快，建筑能源消耗占比越来越高，中国有关方面公布的数据显示，2021年建筑能源消耗占到国内总能源消耗的46％，而建筑能源消耗中照明约占建筑能耗的30％。在各种照明光源中，源自太阳的自然光不需要成本且无污染，即使将一小部分人造照明替换成自然光，也可节省大量能源。

建筑室内白天常见的情况是，室内靠南向窗户、幕墙附近位置受到阳光直射、照度大，远离室内靠南向窗户、幕墙的照度不足，靠北向的房间甚至终年见不到太阳。所以在天然光的利用中，如何充分采集自然光线，并使自然光可以引入室内，具有非常重要的意义。

为解决上述问题，利用窗户、窗帘和百叶窗等，技术人员已经开发出将日光引入室内提供照明的多种技术，其中较多见且易行的技术是：将原来不可用于照亮整个室内的自然光，通过一定的装置将光线引至南向室内的全部区间，甚至引至北向的房间，就可以将自然光更有效地用于房间照明。现阶段，技术人员已经开发出将自然光线引到室内，以提供室内照明的多种技术，但存在光线利用率不高、线不均匀、产生眩光和室外景色不可见等问题，限制了室内自然光采集技术的实际应用。为了解决上述问题，美国公布了待审的US20180095196A1等专利申请，美国授权了US20170284619A1等专利，中国公布了待审的CN114321818A等专利，中国授权了CN201320558849等实用新型专利，上述技术为常规尺寸的结构化或微结构化透光装置，但上述均不能同时解决光线利用率不高、光线不均匀、产生眩光和室外景色不可见的问题，仍限制着自然光采集技术的实际应用。

因此，如何保持室外景物可见的同时，采集自然光是本领域技术人员亟需解决的问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的将自然光线引到室内的方式存在光线利用率不高、光线不均匀、产生眩光和室外景色不可见的问题，限制着自然光采集技术的实际应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置及采光方法。

本发明是这样实现的，一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置包括：

多个采光部和多个透光部；

所述采光部由第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列和透光材料阵列组成；

所述透光部为平透镜阵列，设置于多个采光部之间；

多个采光部透射的采光区域和多个透光部而透射的光透射区域交替布置。

进一步，所述第二菲涅尔凸透镜阵列的单个菲涅尔凸透镜的焦点落在第一菲涅尔凸透镜阵列对应的单个完整菲涅尔凸透镜的中心，使光线发散至室内空间。

进一步，所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在第一菲涅尔凸透镜阵列对应单个完整菲涅尔凸透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

进一步，所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列与所述第一菲涅尔凸透镜阵列单元大小不相等，所述第二菲涅尔凸透镜阵列的大小满足将对应所述第一菲涅尔凸透镜发散光束收集汇聚；

所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列为部分透镜阵列，其单个凸透镜的单元结构为单个菲涅尔凸透镜的通光部分；

所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列与所述第一菲涅尔凸透镜阵列错位排列，错位量为第二菲涅尔凸透镜阵列单个透镜的通光孔径大小。

进一步，所述采光部设置于透光材料阵列的内侧或外侧或内外侧，透光材料阵列为与采光部和透光部材质相同的透明材料；

所述透明材料材质是可见光透明度大于85％以上的无机陶瓷和有机高聚物以及纤维与纳米复合材料。

进一步，从采光部第一菲涅尔凸透镜阵列和菲涅尔凸透镜阵列中间的平透镜的法线方向，所述采光区域与所述透光区域以直线或曲线条纹状配置、方格状配置或其他非周期性的其他任意图案配置。

进一步，还包括有保护板，保护板是透明或用于采光部漫反射部分，位于所述平透镜的外侧或内侧或内外两侧且具有透光性，采光部及透光部可设置于保护板一侧或其中间。

进一步，还包括有光扩散部，使从多个所属采光部射出的光、或入射至多个所述采光部的光扩散；

所述光扩散部形成光扩散区域，从采光装置的平透镜法线方向，包括所述采光区域并且从所述采光区域扩散。

进一步，长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：具有多个所述多个采光部、多个所述透光部的板条，在透明材料的内侧或外侧或内外侧的至少一个方向交替地设置。

本发明的另一目的在于提供一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光方法，所述基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光方法包括：

步骤一，采光部的第一菲涅尔凸透镜阵列设置于自然光入射面的室外侧，用于传导入射的室外自然光，使得自然光发散，

步骤二，采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列设置于自然光出射面的室内侧。用于传导第一菲涅尔凸透镜的自然光于室内，使得光线聚焦后再发散至室内。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明通过所设计的自然光采光装置，可以使白天从窗户入射的自然光发散到屋内各部分，充分利用自然光进行室内采光，同时还可以呈现室外景色，即屋内人员能看见室外景物，且室外景物视觉图像未发生位移或偏仍在原地景物位置。本发明能节能减排，提高能量利用率。该发明装置环保无污染，使用期间不需要能源供应，可作为配件应用于建筑窗户和幕墙中，也可直接用作窗帘、百叶窗以及室内隔断，以使得自然光进入室内并能呈现室外景色。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明可高效收集入射进窗户的自然光，将光线发散至室内各个方向，充分利用自然光进行室内采光，节能减排，提高能量利用率，同时可使室外景物可见。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的菲涅尔凸透镜的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的采光部沿着透明材料外侧上下方向的变化示例1整体截面图；

图4是本发明实施例图3的局部放大截面图；

图5是本发明实施例提供的采光部沿着透明材料内侧上下方向的变化示例2整体截面图；

图6是本发明实施例提供的采光部分别布置于透明材料内外侧上下方向的变化示例3整体截面图；

图7是本发明实施例提供的采光部布置于空气介质的上下方向的变化示例4整体截面图；

图8是本发明实施例提供的采光部第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜的布置变化示例1的截面图；

图9是本发明实施例提供的采光部第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜的布置的变化示例2的截面图；

图10是本发明实施例提供的采光部第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜的布置变化示例3的截面图；

图11是本发明实施例提供的采光部第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜的布置的变化示例4的截面图；

图12是本发明实施例提供的采光部的第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜的布置的变化示例5的截面图，图中凸透镜数量N1、N2、N3大于等于1，透镜距离L1、L2、L3大于等于0；

图13是本发明实施例提供的采光部的第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜的布置的变化示例6的截面图，表示透镜距离L1、L2、L3可以与示例5不同；

图14是本发明实施例提供的采光部的第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜变化例1的截面图，示例表示出采光部双菲涅尔凸透镜全部设置为菲涅尔凸透镜采光的情况；

图15是本发明实施例提供的采光部的第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜变化例2的截面图，其中采光部菲涅尔凸透镜的一部分采光部为菲涅尔凸透镜，一部分设置为平透镜；

图16是本发明实施例提供的变化例1的采光装置的整体结构示意图；

图17是本发明实施例提供的变化例2的采光装置的整体结构示意图；

图18是本发明实施例提供的变化例3的采光装置的整体结构示意图；

图19是本发明实施例提供的变化例4的采光装置的整体结构示意图；

图20是本发明实施例提供的变化例5的采光装置的整体结构示意图；

图21是本发明实施例提供的变化例6的采光装置的整体结构示意图；

图22是本发明实施例提供的变化例7的采光装置的整体结构示意图；

图23是本发明实施例提供的变化例8的采光装置的整体结构示意图；

图24是本发明实施例提供的变化例9的采光装置的整体结构示意图；

图25是本发明实施例提供的变化例10的采光装置的整体结构示意图；

图26是本发明实施例提供的变化例11的采光装置的整体结构示意图；

图27是本发明实施例提供的变化例12的采光装置的整体结构示意图；

图中：1、采光部；2、透明材料；3、透光部；4、保护板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置具有多个采光部1，采光部1采用基于第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜组合的自然光采光装置，其第一菲涅尔凸透镜阵列设置于室外侧，第二菲涅尔凸透镜阵列设置于室内侧；以及透光部3，其设置于多个采光部之间，采光装置具有：光经由采光部而透射的采光区域，和光经由平透镜组成的透光部而透射的光透射区域，采光区域与透光区域交替布置。

采光部包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列，第一菲涅尔凸透镜阵列用于收集室外自然光，第二菲涅尔凸透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内，已达到白天入射室内的自然光能发散到室内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量的利用率。

光的传导方式可以为设置在自然光侧的两透镜阵列传递给设置于室内侧的透明材料，也可以是光先经设置于自然光侧的透明材料阵列再传导至设置于室内侧的两透镜阵列，优选的，光的传导方式为第一菲涅尔凸透镜阵列、中间空气介质和第二菲涅尔凸透镜阵列，更优选的，光的传导方式为第一菲涅尔凸透镜阵列、中间透明材料阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列为同一材质，经第一菲涅尔凸透镜阵列传导至中间透明材料再传导给第二菲涅尔凸透镜阵列，

优选的，采光装置中采光部第一菲涅尔凸透镜阵列面朝向自然光入射方向，第一菲涅尔凸透镜阵列与入射自然光角度成锐角。

优选的，采光装置中采光部采用一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的前后两个阵列形式的理想透镜，分别为第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列，第一菲涅尔凸透镜镜面和第二菲涅尔凸透镜镜可采用透镜镜面和平面镜面交替布置呈阵列组合，室内可通过平面镜面观察室外景色，室外自然光通过曲面镜面可高效收集入射进窗户的自然光。

优先的，采光装置中采光部第二菲涅尔凸透镜阵列中单个菲涅尔凸透镜的焦距为第一菲涅尔凸透镜阵列中单个凸透镜焦距的为1-5倍。

优选的，采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列中单个菲涅尔凸透镜的焦点落在第一菲涅尔凸透镜阵列中对应单个完整第一菲涅尔凸透镜的中心，使光线发散至室内空间。

优选的，采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列中单个菲涅尔凸透镜的焦点落在第一菲涅尔凸透镜阵列中对应单个完整菲涅尔凸透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

优选的，采光部的第一菲涅尔凸透镜阵列与第二菲涅尔凸透镜阵列单元大小不相等，第二菲涅尔凸透镜大小满足将对应第一菲涅尔凸透镜发散光束全部收集汇聚。

优选的，采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列为部分透镜阵列，其单元结构为第二菲涅尔凸透镜阵列中单个凸透镜的通光部分。

优选的，采光部的第一菲涅尔凸透镜阵列与第二菲涅尔凸透镜阵列错位排列，错位量为第二菲涅尔凸透镜阵列中单个凸透镜的通光孔径大小。

优选的，采光装置中，从平透镜阵列的法线方向观察，也可以是采光区域与光透射区域以直线条纹状或曲线条纹状、方格图案或非周性阵列布置等。

优选的，采光装置中，从的平透镜阵列法线方向观察，采光区域或透光区域也可以以圆形、多边形、椭圆形或其他特殊形状不规则布置等。

优选的，采光装置中，透光部的光透射率也可以不大于采光部透射率。

优选的，采光装置中，也可以还包括：保护板，其位于的透明材料的外侧或内侧并具有透光性，采光板在光透射区域中固定于采光部和透光部。

优选的，采光装置中，也可以还包括：保护板，其位于的透明材料的内、外侧并具有透光性，采光板固定于采光部和透光部。

优选的，采光装置中，也可以透光部的总厚度不小于形成采光部的总厚度；优选的，透光部的总厚度等于形成采光部的总厚度。

采光装置也可以多个采光区域在透明材料的内侧或外侧或内外侧以曲线状延伸，优选的，采光装置也可以多个采光区域在透明材料的内侧或外侧或内外侧以直线状延伸。

优选的，采光装置中，也可以还包括：光扩散部，其使从多个采光部射出的光、或入射至多个采光部的光扩散。

优选的，采光装置中，也可以还包括：光扩散部形成光扩散区域，光扩散区域从平透镜的法线方向观察，包括采光区域并且比采光区域广。

优选的，采光装置中，可以具备透明板，透明板设置于采光装置的内侧或外侧或内外侧。

优选的，采光装置中，另外，作为本发明的一个方式的采光装置，也可以具备：长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：具有多个采光部、具有透光部至少一个方向交替地设置。

基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其实现功能的采光装置的组成结构，可以是人眼能分辨的可见结构，优选的，采用人眼不可分辨的微结构。

基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其实现功能的采光装置可制作为采光膜贴附于其他透明材料一起使用，优选的，为多个采光部、具有透光性的透明材料、多个透光部材质为同一材料的独立采光装置。

从所述的采光区域设置的采光部，是采用一种基于菲涅尔凸透镜和菲涅尔凸透镜组合的两个阵列形式的理想透镜，分别为第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列，所述的第一菲涅尔凸透镜阵列用于发散室外射入的自然光，菲涅尔凸透镜阵列用于聚焦再发散第一菲涅尔凸透镜阵列的光至室内。光的传导方式可以为设置在室外侧的两透镜阵列传递给设置于室内侧的透明材料，也可以是经第一菲涅尔凸透镜发散至中间透明材料再经所述第二菲涅尔凸透镜阵列聚焦发散至室内，也可以是先经设置于室外侧的透明材料阵列再传导至设置于室内侧的两菲涅尔透镜阵列；所述菲涅尔凸透镜阵列的平透镜和双菲涅尔凸透镜组合数量大于等于1，平透镜和双菲涅尔凸透镜组合之间距离大于等于0，通过调整平透镜和双菲涅尔凸透镜组合之间距离，调整采光区域透明材料的透视率，满足不同需求。

从所述的采光区域设置的采光部采用一种基于第一菲涅尔凸透镜和第二菲涅尔凸透镜组合的前后两个阵列形式的理想透镜，分别为第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列与平面镜面阵列交替布置呈阵列组合，室外自然光通过采光部的透镜镜面可高效收集入射进室内的自然光，而所述透光部的平面透镜用以呈现室外景色。

本发明提供一种具有良好采光效果的装置，装置的表面结构为普通尺寸或微尺寸，所述装置性状为胶片、薄膜和板状，所述装置的材质为透明度大于50％以上的无机陶瓷和有机高聚物以及纤维与纳米复合材料，如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物等。

本发明可以使白天从装置入射的自然光发散到室内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，并同时可使室内人员看见室外景色，节能减排，提高能量的利用率。

本发明在表面形成有用于将光向室内引导的多个透镜采光部，所述透镜采光部的透镜阻碍从室内的眺望性，为解决上述问题，在采光部之间设置有平透镜组成的透光部，可从室内通过透光部向外眺望。

本发明提供能够透视室外景色的采光装置，将自然光线传递至室内的同时能呈现室外景色。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明既可以作为配件用于建筑窗户、幕墙，也可直接用作窗帘、百叶窗以及室内隔断。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置包括：

多个采光部和多个透光部；

所述采光部由第一菲涅尔凸透镜阵列和第二菲涅尔凸透镜阵列和透光材料阵列组成；

所述透光部为平透镜阵列，设置于多个采光部之间；

多个采光部透射的采光区域和多个透光部而透射的光透射区域交替布置。

2.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述第二菲涅尔凸透镜阵列的单个菲涅尔凸透镜的焦点落在第一菲涅尔凸透镜阵列对应的单个完整菲涅尔凸透镜的中心，使光线发散至室内空间。

3.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在第一菲涅尔凸透镜阵列对应单个完整菲涅尔凸透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

4.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列与所述第一菲涅尔凸透镜阵列单元大小不相等，所述第二菲涅尔凸透镜阵列的大小满足将对应所述第一菲涅尔凸透镜发散光束收集汇聚；

所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列为部分透镜阵列，其单个凸透镜的单元结构为单个菲涅尔凸透镜的通光部分；

所述采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列与所述第一菲涅尔凸透镜阵列错位排列，错位量为第二菲涅尔凸透镜阵列单个透镜的通光孔径大小。

5.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部设置于透光材料阵列的内侧或外侧或内外侧，透光材料阵列为与采光部和透光部材质相同的透明材料；

所述透明材料材质是可见光透明度大于85％以上的无机陶瓷和有机高聚物以及纤维与纳米复合材料。

6.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，从采光部第一菲涅尔凸透镜阵列和菲涅尔凸透镜阵列中间的平透镜的法线方向，所述采光区域与所述透光区域以直线或曲线条纹状配置、方格状配置或其他非周期性的其他任意图案配置。

7.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，还包括有保护板，保护板是透明或用于采光部漫反射部分，位于所述平透镜的外侧或内侧或内外两侧且具有透光性，采光部及透光部可设置于保护板一侧或其中间。

8.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，还包括有光扩散部，使从多个所属采光部射出的光、或入射至多个所述采光部的光扩散；

所述光扩散部形成光扩散区域，从采光装置的平透镜法线方向，包括所述采光区域并且从所述采光区域扩散。

9.如权利要求1所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置，其特征在于，长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：具有多个所述多个采光部、多个所述透光部的板条，在透明材料的内侧或外侧或内外侧的至少一个方向交替地设置。

10.一种用于实施权利要求1～9任意一项所述的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光装置的基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光方法，其特征在于，所述基于平透镜、双菲涅尔凸透镜组合的采光方法包括：

步骤一，采光部的第一菲涅尔凸透镜阵列设置于自然光入射面的室外侧，用于传导入射的室外自然光，使得自然光发散，

步骤二，采光部的第二菲涅尔凸透镜阵列设置于自然光出射面的室内侧。用于传导第一菲涅尔凸透镜的自然光于室内，使得光线聚焦后再发散至室内。