CN117722621A - 透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置 - Google Patents
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Abstract
透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，它涉及一种自然光匀化装置。本发明为了解决传统的采光窗帘无法保证每一个照明阶段的自然光都能均匀散射进室内，难以形成全天候匀化照射效果的问题。本发明包括若干个薄光片，每个薄光片的外侧面由连续的透镜阵列组成，每个薄光片的内侧面为连续的锯齿光栅，若干个薄光片呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光举证的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片。本发明属于光学领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种自然光匀化装置，属于光学技术领域。
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。一天之中直射的太阳光因早晚时刻不同，其照明的强度和角度是不一样的，人们根据太阳和地面构成的夹角不同可将全天直射的阳光的变化情况分为三个照明阶段：
1、早晚的太阳光：当太阳从东方的地平线上升起以及傍晚太阳即将西落于地平线以下时，太阳光和地面的夹角成0°～15°角；
2、上午下午的太阳光：上午下午的太阳光与地面的角度呈15°～60°之间，通常是指上午八点到十一点，下午两点到五点这一时刻的光线，照明强度比较稳定；
3、中午的太阳光：又称为顶光，从上向下垂直照射地面，这一时刻的太阳光的照明角度常常受到季节的影响，夏季的中午太阳光基本上以90°垂直向下照射地面景物，地面景物的投影很小，而其它季节的中午，太阳光以近似垂直的角度从上向下照射，冬季的中午，其照射的角度会更偏一些。
以上三个照明阶段的自然光入射室内的角度各不相同，传统的采光窗帘无法保证每一个照明阶段的自然光都能均匀散射进室内，难以形成全天候的匀化照射效果。
发明内容
本发明为解决传统的采光窗帘无法保证每一个照明阶段的自然光都能均匀散射进室内，难以形成全天候匀化照射效果的问题，进而提出一种透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括若干个薄光片，每个薄光片的外侧面由连续的透镜阵列组成，每个薄光片的内侧面为连续的锯齿光栅，若干个薄光片呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光矩阵的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片；
第一薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为50°，
第二薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为30°，
第三薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为20°，
第四薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为10°，
第五薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为5°，
第六薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为175°，
第七薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为170°，
第八薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为160°，
第九薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为150°，
第十薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角为130°。
进一步的，所述连续的透镜阵列是指连续的凹透镜阵列。
进一步的，所述连续的凹透镜阵列上不同位置x1,y1的厚度z1的表达式为r1为凹透镜曲面半径，曲面半径为凹透镜与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
进一步的，所述连续的凹透镜阵列对自然光附加的相位调制表示为x3,y3为透镜阵列入射波前的位置，λ为自然光中心波长，f为透镜焦距。
进一步的，所述连续的透镜阵列是指连续的凸自由曲面透镜阵列。
进一步的，所述连续的凸自由曲面透镜阵列上不同位置x1,y1的厚度d1的表达式为其中n为折射率，r1为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ1为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
进一步的，所述连续的凸自由曲面透镜阵列对入射光附加的相位调制表示为θ3为自然光在自由曲面的入射角度，λ为入射光中心波长，f1为自由曲面等效焦距，x3，y3为自由曲面阵列入射波前的位置；所述连续的锯齿光栅对入射自然光附加的相位调制/>表示为/>y4为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ4为入射自然光在锯齿表面的入射角度。
进一步的，所述连续的锯齿光栅中锯齿倾斜角θ的取值范围为20°～70°。
进一步的，所述连续的透镜阵列中的透镜与所述连续的锯齿光栅中的锯齿一一对应，且所述锯齿的中心位置与所述透镜的光轴相匹配。
进一步的，所述薄光片是透射率大于85％的透明材料制作的。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够吸收室外各个照明阶段的自然光，并将自然光均匀的散射到室内的每一个角落，形成无死角匀化照明；
2、本发明不受室外自然光照射角度的限制，能够将每一时间段、不同入射角度的自然光完全收集起来，均匀散射至室内，形成自然光的匀化照明，实现了绿色能源的充分利用；
3、本发明还能够替代传统的窗帘、遮光帘、窗户等保护室内隐私，防止室外对室内的窥探；
4、本发明采用轻量化设计理念，整体重量轻，易于批量化生产；
5、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，轻薄易量产，环保无污染。
附图说明
图1是本发明的正面结构示意图；
图2是薄光片外侧面为连续的凹透镜阵列时薄光片的侧视图；
图3是薄光片外侧面为连续的凸自由曲面透镜阵列时薄光片的侧视图；
图4是第一薄光片的内侧面示意图；
图5是第二薄光片的内侧面示意图；
图6是第三薄光片的内侧面示意图；
图7是第四薄光片的内侧面示意图；
图8是第五薄光片的内侧面示意图；
图9是第六薄光片的内侧面示意图；
图10是第七薄光片的内侧面示意图；
图11是第八薄光片的内侧面示意图；
图12是第九薄光片的内侧面示意图；
图13是第十薄光片的内侧面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置包括若干个薄光片1，每个薄光片1的外侧面由连续的透镜阵列101组成，每个薄光片1的内侧面为连续的锯齿光栅102，若干个薄光片1呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光举证的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片；
第一薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β1为50°，
第二薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β2为30°，
第三薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β3为20°，
第四薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β4为10°，
第五薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β5为5°，
第六薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β6为175°，
第七薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β7为170°，
第八薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β8为160°，
第九薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β9为150°，
第十薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角β10为130°。
具体实施方式二：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的透镜阵列101是指连续的凹透镜阵列。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的凹透镜阵列上不同位置x1,y1的厚度z1的表达式为r1为凹透镜曲面半径，曲面半径为凹透镜与锯齿光栅最小间距的1-5倍。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合体1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的凹透镜阵列对自然光附加的相位调制表示为/>x3,y3为透镜阵列入射波前的位置，λ为自然光中心波长，f为透镜焦距。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的透镜阵列101是指连续的凸自由曲面透镜阵列。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的凸自由曲面透镜阵列上不同位置x1,y1的厚度d1的表达式为其中n为折射率，r1为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ1为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的凸自由曲面透镜阵列对入射光附加的相位调制表示为/>θ3为自然光在自由曲面的入射角度，λ为入射光中心波长，f1为自由曲面等效焦距，x3，y3为自由曲面阵列入射波前的位置；所述连续的锯齿光栅对入射自然光附加的相位调制/>表示为/>y4为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ4为入射自然光在锯齿表面的入射角度。其它组成及连接关系与具体实施方式一或五相同。
具体实施方式八：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的锯齿光栅102中锯齿倾斜角θ的取值范围为20°～70°。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述连续的透镜阵列101中的透镜与所述连续的锯齿光栅102中的锯齿一一对应，且所述锯齿的中心位置与所述透镜的光轴相匹配。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的所述薄光片1是透射率大于85％的透明材料制作的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理
所述连续的透镜阵列101用于收集室外自然光，并经两面间同等材质的中间介质传导至所述连续的锯齿光栅102；所述连续的锯齿光栅102用于将入射自然光通过倾斜表面折射后偏转至室内空间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置包括若干个薄光片(1)，每个薄光片(1)的外侧面由连续的透镜阵列(101)组成，每个薄光片(1)的内侧面为连续的锯齿光栅(102)，若干个薄光片(1)呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光矩阵的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片；
第一薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β1)为50°，
第二薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β2)为30°，
第三薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β3)为20°，
第四薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β4)为10°，
第五薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β5)为5°，
第六薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β6)为175°，
第七薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β7)为170°，
第八薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β8)为160°，
第九薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β9)为150°，
第十薄光片内表面锯齿光栅的锯齿线与水平面之间的夹角(β10)为130°。
2.根据权利要求1所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的透镜阵列(101)是指连续的凹透镜阵列。
3.根据权利要求2所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凹透镜阵列上不同位置x1,y1的厚度z1的表达式为r1为凹透镜曲面半径，曲面半径为凹透镜与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
4.根据权利要求2所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凹透镜阵列对自然光附加的相位调制表示为/>x3,y3为透镜阵列入射波前的位置，λ为自然光中心波长，f为透镜焦距。
5.根据权利要求1所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的透镜阵列(101)是指连续的凸自由曲面透镜阵列。
6.根据权利要求5所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凸自由曲面透镜阵列上不同位置x1,y1的厚度d1的表达式为其中n为折射率，r1为凸自由曲面顶点的曲率半径，μ1为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
7.根据权利要求1或5所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凸自由曲面透镜阵列对入射光附加的相位调制表示为θ3为自然光在自由曲面的入射角度，λ为入射光中心波长，f1为自由曲面等效焦距，x3，y3为自由曲面阵列入射波前的位置；所述连续的锯齿光栅对入射自然光附加的相位调制/>表示为/>y4为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ4为入射自然光在锯齿表面的入射角度。
8.根据权利要求1所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的锯齿光栅(102)中锯齿倾斜角(θ)的取值范围为20°～70°。
9.根据权利要求1所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的透镜阵列(101)中的透镜与所述连续的锯齿光栅(102)中的锯齿一一对应，且所述锯齿的中心位置与所述透镜的光轴相匹配。
10.根据权利要求1所述的透镜与锯齿光栅组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述薄光片(1)是透射率大于85％的透明材料制作的。
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