CN217273928U - 一种太阳光模拟器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳光模拟器，其特征在于：包括反射罩，该反射罩具有一个抛物线形内反射面，该抛物线形内反射面的抛物线具有一个对称轴以及一个焦点；多面体光源，该多面体光源包括多面体支架以及主发光件，所述多面体支架具有用于安装主发光件的主安装面，主安装面均位于抛物线形内反射面的焦点附近，所述主安装面与对称轴之间存在一个夹角。本实用新型的优点在于：通过对反射罩、多面体光源的角度以及主、辅发光件的调整，光源发出的光线在反射罩内各区域光强相差较小，避免光强分布差异影响模拟太阳光的效果，蓝色光芯片位于前安装面的设计，能够让太阳光模拟器无需配备瑞利散射板的基础上，使其达到与瑞利散射面板接近或相同的天空色模拟效果。

Description

一种太阳光模拟器

技术领域

本实用新型涉及一种光源，特别涉及一种太阳光模拟器。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对于人工照明系统的要求也越来越高。模拟出室外太阳光的照明系统能够大幅改善用户的视觉体验，具有很高的市场前景。

太阳光模拟照明系统主要是利用瑞利散射原理，光源发出的可见光经过瑞利散射板后，形成类似于在晴朗天空状态下在地球大气层中出现的浅蓝色光线。为引导观察者感知到的光源为来自较远距离的太阳，对于照明系统中的光源，对于其亮度均匀性提出了要求。

目前已知的太阳光模拟照明系统中，通常采用由若干带透镜或反射罩结构的芯片组成的光源模组，且芯片的出光面面向透镜或反射罩的开口方向。其发出的光经过透镜或反射罩折射出，每个芯片中心以及外围不同位置处光强差异均较大，甚至能够较为清晰的观察到多个芯片的位置，严重影响了太阳光模拟的效果，若要降低中心亮度，需要通过多个扩散板来实现，产品的体积又非常大，影响了在室内有效空间高度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种体积小、出光均匀度高的太阳光模拟器。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：一种太阳光模拟器，其创新点在于：包括反射罩，该反射罩具有一个抛物线形内反射面，该抛物线形内反射面的抛物线具有一个对称轴以及一个焦点；多面体光源，该多面体光源包括多面体支架以及主发光件，所述多面体支架具有至少两个用于安装主发光件的主安装面，主安装面均位于反射罩内，并位于抛物线形内反射面的焦点附近，所述主安装面与对称轴之间存在一个夹角；用于模拟太阳光的主发光件贴装在主安装面上，且使得主发光件的主出光方向朝向反射罩内反射面的同时既不平行也不垂直于对称轴。

本实用新型中的抛物线形为标准抛物线方程曲线或近似标准抛物线方程的曲线，近似的曲线是双曲线，且光源位于双曲线焦点附近时，主发光件发出的光经反射罩反射后，与抛物线形内反射面对称轴的夹角均在±15°内，对于主安装面，至少有两个，且以对称轴为轴线呈环形或矩形阵列或对称分布为宜。

优选的，所述多面体支架还包括前安装面以及设置在前安装面上的辅发光件，所述辅发光件的主出光方向背向反射罩内反射面。

优选的，所述辅发光件包括用于模拟与补充天空色彩的蓝色光芯片，发射波长范围390-500nm。

优选的，所述辅发光件包括用于模拟太阳光的太阳光发光芯片，且太阳光发光芯片的发光功率W_太小于主发光件的发光功率W_主。

优选的，所述辅发光件包括用于模拟与补充天空色彩的蓝色光芯片以及用于模拟太阳光的太阳光发光芯片，且太阳光发光芯片的发光功率W_太小于主发光件的发光功率W_主。

优选的，所述太阳光发光芯片的发光功率与主发光件的发光功率满足：0＜W_太≤2d/D*W_主，D为反射罩内反射面的抛物线开口宽度，d为前棱柱面在抛物线开口宽度方向上的宽度。

优选的，所述多面体支架为三棱柱结构，其横截面为等腰三角形，限定所述等腰三角形的腰所在的两棱柱表面为主安装面，等腰三角形的底边所在的棱柱表面为前安装面。

优选的，所述多面体支架为正四棱锥结构，限定多面体支架上棱锥形的侧面所在表面为主安装面，多面体支架上棱锥形的底面所在表面为前安装面。

优选的，限定多面体支架的两主安装面与抛物线形内反射面对称轴之间的夹角均为α，两主安装面上的两主发光件在自身出光面法线方向上的光强分别为I₁₀、I₂₀，且I₁₀＝I₂₀；

限定内反射面的对称轴附近两主发光件出射光线重合的区域为叠加区，主发光件在自身出光面法线方向与叠加区之间的区域为内单光区，主发光件在自身出光面法线方向与内反射面的开口边缘之间的区域为外单光区；为满足内反射面上各区域的光强差不超过15％：

限定外单光区的光强I_1β和I_2β，其满足以下关系：

公式一：I_1β＝I₁₀*cos^mβ≥0.85I₁₀，I_2β＝I₂₀*cos^mβ≥0.85I₂₀；1≤m≤30，β为该侧的主发光件出射光线与该侧主发光件自身出光面法线方向的夹角，m为主发光件的最大发光角度系数；

限定叠加区的光强为I_叠加，其满足以下关系：

I_叠加＝I_1γ+I_2γ＝I₁₀*cos^mγ+I₂₀*cos^m(180°-γ-2α)；γ为其中一侧的主发光件出射光线与该侧主发光件出光面法线方向的夹角；

其中，位于对称轴上的内反射面光强满足以下关系：

公式二：0.85I₁₀≤I_叠加＝I_1γ+I_2γ＝2*I₁₀*cos^m(90°-α)≤1.15I₁₀；

叠加区的出射光线、内单光区的出射光线分别与该侧主发光件出光面法线之间的夹角满足以下关系：

公式三：γ＞90°-α。

更具体的，还包括分光准直器，所述分光准直器覆盖住反射罩的端部开口，所述分光准直器由若干柱状导光体精密排列组成的蜂窝状结构。

本实用新型的优点在于：采用具有多面体支架的多面体光源来替代传统的发光芯片，其出光面倾斜背向反射罩的开口方向，避免光源直接射出。而通过对反射罩、多面体光源的角度以及主、辅发光件的调整，光源发出的光线在反射罩内各区域光强相差较小，不但避免光强分布差异影响模拟太阳光的效果，同时还避免需要扩散板来调节光强造成太阳光模拟器整体体积过大的问题。蓝色光芯片位于前安装面的设计，能够让太阳光模拟器无需配备瑞利散射板的基础上，使其达到与瑞利散射面板接近或相同的天空色模拟效果。

附图说明

图1为本实用新型太阳光模拟器结构原理图。

图2为本实用新型一种形式的反射罩结构示意图。

图3为本实用新型第一种多面体支架在反射罩内的示意图。

图4为本实用新型第二种多面体支架在反射罩内的示意图。

图5为本实用新型第三种多面体支架在反射罩内的示意图。

图6为本实用新型多面体支架的主安装面角度以及主发光件光型计算关系图。

具体实施方式

本实用新型的太阳光模拟器，用于在室内区域模拟太阳光的照射，如图1所示，包括

反射罩1，该反射罩1具有一个抛物线形内反射面，该抛物线形内反射面的抛物线具有一个对称轴以及一个焦点；

多面体光源2，包括多面体支架21以及主发光件22，多面体支架具有至少两个用于安装主发光件的主安装面21a，主安装面21a均位于反射罩1内，并位于抛物线形内反射面的焦点附近，主安装面与对称轴之间存在一个夹角；用于模拟太阳光的主发光件22贴装在主安装面21a上，且使得主发光件22的主出光方向朝向反射罩内反射面的同时既不平行也不垂直于对称轴。

本实用新型中

对于抛物线形内反射面更具体点是：抛物线形中的抛物线为标准抛物线方程曲线或近似标准抛物线方程的曲线，近似的曲线是双曲线，且光源位于双曲线焦点附近时，主发光件发出的光经反射罩反射后，与抛物线形内反射面对称轴的夹角均在±15°内。

对于反射罩的空间结构，更具体点：反射罩可以近似看成由四个侧面构成的罩状结构，如图2所示，一个抛物线形内反射面11作为该反射罩的两个对称侧面，以及两个相对平行并对称设置的侧平面12作为另外两个对称的侧面；或者一个抛物线形内反射面11作为该反射罩的两个对称侧面，两个对称设置的弧形面作为另外两个对称的侧面。

对于多面体光源，更具体的：针对图2中的反射罩，适宜采用双主安装面对称设置，针对抛物线形内反射面与弧形面组合的反射罩，适宜采用四主安装面结构，四个主安装面以对称轴为轴线呈环形或矩形阵列。

在一些实施例中，多面体支架21还包括前安装面21b以及设置在前安装面21b上的辅发光件23，辅发光件23的主出光方向背向反射罩内反射面。

在一些具体的实施例中，前安装面21b及其上的辅发光件23位于反射罩1内：

如图3所示，多面体支架21为三棱柱结构，其横截面为等腰三角形，限定等腰三角形的腰所在的两棱柱表面为主安装面21a，等腰三角形的底边所在的棱柱表面为垂直于对称轴的前安装面21b。

三棱柱结构的两端延伸至对应反射罩1的两侧侧面进行固定，或一直延伸贯穿所有反射罩1，该结构中，反射罩采用图2中结构较佳。

如图4所示，多面体支架21为正四棱锥结构，限定多面体支架21上棱锥形的侧面所在表面为主安装面21a，多面体支架上棱锥形的底面所在表面为垂直于对称轴的前安装面21b。

多面体支架21还包括连接正四棱锥结构的顶点与反射罩1抛物线形内反射面顶点的连接段211，以便将主发光件22与辅发光件23定位在反射罩1内。该结构中，反射罩采用图3中结构较好。

在另一些具体的实施例中，前安装面21b及其上的辅发光件23位于反射罩1外：

如图5所示，多面体支架21包括位于各反射罩1内的正四棱锥结构，沿对称轴延伸出反射罩1的延伸段212，以及连接各对应反射罩延伸段的连接段(图中未示出)，限定多面体支架上棱锥形的侧面所在表面为主安装面21a，延伸段212的外端所在表面为前安装面21b。

当然，需要注意的是，前安装面不是局限于垂直于对称轴的，前安装面既可以采用平面形式，也可以采用主安装面的多面体形式。

目前现有的太阳光模拟器为达到模拟太阳光在蓝色天空中的效果，均需要配备瑞利散射面板，光源发出的光利用瑞利散射板来形成蓝色天空的颜色。相较普通的散射面板，瑞利散射面板对于蓝色天空的模拟效果更好，但制造成本较高、天空色的色彩固定单一。

因此，在一些实施方式中，辅发光件23包括用于模拟与补充天空色彩的蓝色光芯片，发射波长范围390-500nm。这样，蓝色光芯片发出的光可用于对模拟蓝色天空的非瑞利散射面板进行补光，使其达到与瑞利散射面板接近的天空色模拟效果，降低成本。此外，该结构设计也可以与瑞利散射面板进行配合，能够通过调整蓝色光芯片的功率来呈现不同状态的天空蓝。

为充分还原太阳光的模拟效果，在一种具体的实施方式中，主发光件22包括紫光芯片和蓝光芯片，在紫光芯片外包覆至少位于紫光芯片顶面的蓝色荧光粉，在蓝光芯片外包覆至少位于蓝光芯片顶面的绿色荧光粉和红色荧光粉。优选，紫光芯片外包覆蓝色荧光粉的CSP芯片，以及蓝光芯片外包覆绿色荧光粉和红色荧光粉的CSP芯片。

在另一种具体的实施方式中，主发光件22包括紫光芯片、第一蓝光芯片和第二蓝光芯片，在紫光芯片外包覆至少位于紫光芯片顶面的蓝色荧光粉，在第一蓝光芯片外包覆至少位于第一蓝光芯片顶面的绿粉，在第二蓝光芯片外包覆至少位于第二蓝光芯片顶面的绿色荧光粉和红色荧光粉。优选，紫光芯片、第一蓝光芯片和第二蓝光芯片为CSP芯片。

在模拟太阳光的平行光效果时，棱柱状光源发出的光线经反射罩反射后基本是近似平行射出，而由于多面体支架21的遮挡，使得从反射罩内反射面对称轴位置附近射出的光很少，从而在视觉上造成反射罩对称轴附近暗区的问题。

因此，在一些实施方式中，辅发光件23包括用于模拟太阳光的太阳光发光芯片。

当然，考虑到光强差异的问题，太阳光发光芯片的发光功率W_太需要小于主发光件的发光功率W_主。太阳光发光芯片的发光功率与主发光件的发光功率：0＜W_太≤2d/D*W_主，D为反射罩内反射面的抛物线开口宽度，d为前棱柱面在抛物线开口宽度方向上的宽度。这样，反射罩开口内所有区域的光强差异性较小，不易被观察者识别到。

在更优选的实施方式中，辅发光件23可以同时包括用于模拟与补充天空色彩的蓝色光芯片，以及用于模拟太阳光的太阳光发光芯片，且太阳光发光芯片的发光功率W_太小于主发光件的发光功率W_主。通过两种功能芯片的结合。这样，既满足天空色的模拟与调节，又能够解决光强差异性大的问题。

主发光件22与辅发光件23可根据实际情况选择朗博光源、CSP光源。辅发光件23中的太阳光发光件可以选择与主发光件相同或相近似的芯片组合。

为了控制多面体光源发出的光线经反射罩反射出后，在反射罩内对称轴的外围各区域光强差异也在人眼分辨可接受的范围内，对多面体支架的主安装面角度以及主发光件光型进一步优选。

具体如下：

限定多面体支架的两主安装面与抛物线形内反射面对称轴之间的夹角均为α，两主安装面上的两主发光件在自身出光面法线方向上的光强分别为I₁₀、I₂₀，且I₁₀＝I₂₀；参见图6

限定内反射面的对称轴附近两主发光件出射光线重合的区域为叠加区，主发光件在自身出光面法线方向与叠加区之间的区域为内单光区，主发光件在自身出光面法线方向与内反射面的开口边缘之间的区域为外单光区；为满足内反射面上各区域的光强差不超过15％：

限定外单光区的光强I_1β和I_2β，其满足以下关系：

公式一：I_1β＝I₁₀*cos^mβ≥0.85I₁₀，I_2β＝I₂₀*cos^mβ≥0.85I₂₀；1≤m≤30，β为外单光区中该侧的主发光件出射光线与该侧主发光件自身出光面法线方向的夹角，m为主发光件的最大发光角度系数；最大发光角度系数与主发光件的一次光学光学有关，朗博光源、CSP光源，最大发光角度120°时，m为1，150°时，m为1.3～1.4，175°时，m为2.3～2.4。

限定叠加区的光强为I_叠加，其满足以下关系：

I_叠加＝I_1γ+I_2γ＝I₁₀*cos^mγ+I₂₀*cos^m(180°-γ-2α)；γ为叠加区中其中一侧的主发光件出射光线与该侧主发光件出光面法线方向的夹角；

其中，位于对称轴上的内反射面光强满足以下关系：

公式二：0.85I₁₀≤I_叠加＝I_1γ+I_2γ＝2*I₁₀*cos^m(90°-α)≤1.15I₁₀；

叠加区的出射光线、内单光区的出射光线分别与该侧主发光件出光面法线之间的夹角满足以下关系：

公式三：γ＞90°-α。

可利用上述公式组得到的相互关系，能够按太阳光模拟器的设计需求进行更加快速的多面体光源设计。通过控制一侧主发光件发出的经过内反射面的对称轴的出射光线在内反射面上的光强I_1γ在0.425～0.575I₀之间，其与棱柱形多面体支架上对称面的另一主发光件光强I_2γ叠加后，达到0.85～1.15I₁₀；同时，控制侧发光件发出的出射光线在靠近内反射面开口处的最小光强I_1β及I_2β不小于0.85I₁₀，使得该区域内主发光件发出的光线经反射罩反射后，其光强差均不超过15％，达到观察者视觉无法分辨差异的效果。

以下为采用不同类型主发光件的太阳光模拟器参数：

结论：采用具有至少两个主安装面的棱锥或棱柱结构，并通过对多面体支架的主安装面角度以及主发光件光型优选，反射罩反射的光线光强差较小，均能够顺利控制在15％以内，再结合太阳光模拟的效果较好。

此外，本实用新型的太阳光模拟器结构可增加了分光准直器3，分光准直器3通过嵌合或卡嵌结构直接覆盖在反射罩1的端部开口处，分光准直器3由若干柱状导光体精密排列组成的蜂窝状结构，且在分光准直器的内壁上设置反射涂层。

Claims (11)

1.一种太阳光模拟器，其特征在于：包括

反射罩，该反射罩具有一个抛物线形内反射面，该抛物线形内反射面的抛物线具有一个对称轴以及一个焦点；

多面体光源，该多面体光源包括多面体支架以及主发光件，所述多面体支架具有至少两个用于安装主发光件的主安装面，主安装面均位于反射罩内，并位于抛物线形内反射面的焦点附近，所述主安装面与对称轴之间存在一个夹角；用于模拟太阳光的主发光件贴装在主安装面上，且使得主发光件的主出光方向朝向反射罩内反射面的同时既不平行也不垂直于对称轴。

2.根据权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述多面体支架还包括前安装面以及设置在前安装面上的辅发光件，所述辅发光件的主出光方向背向反射罩内反射面。

3.根据权利要求2所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述辅发光件包括用于模拟与补充天空色彩的蓝色光芯片，发射波长范围390-500nm。

4.根据权利要求2所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述辅发光件包括用于模拟太阳光的太阳光发光芯片，且太阳光发光芯片的发光功率W_太小于主发光件的发光功率W_主。

5.根据权利要求2所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述辅发光件包括用于模拟与补充天空色彩的蓝色光芯片以及用于模拟太阳光的太阳光发光芯片，且太阳光发光芯片的发光功率W_太小于主发光件的发光功率W_主。

6.根据权利要求4或5所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述太阳光发光芯片的发光功率与主发光件的发光功率满足：0＜W_太≤

2d/D*W_主，D为反射罩内反射面的抛物线开口宽度，d为前棱柱面在抛物线开口宽度方向上的宽度。

7.根据权利要求2所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述多面体支架为三棱柱结构，其横截面为等腰三角形，限定所述等腰三角形的腰所在的两棱柱表面为主安装面，等腰三角形的底边所在的棱柱表面为垂直于对称轴的前安装面。

8.根据权利要求2所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述多面体支架为正四棱锥结构，限定多面体支架上棱锥形的侧面所在表面为主安装面，多面体支架上棱锥形的底面所在表面为垂直于对称轴的前安装面。

9.根据权利要求2所述的太阳光模拟器，其特征在于：所述多面体支架包括位于各反射罩内的正四棱锥结构，沿对称轴延伸出反射罩的延伸段，以及连接各对应反射罩延伸段的连接段，限定多面体支架上棱锥形的侧面所在表面为主安装面，延伸段的外端所在表面为前安装面。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、7、8或9所述的太阳光模拟器，其特征在于：

限定多面体支架的两主安装面与抛物线形内反射面对称轴之间的夹角均为α，两主安装面上的两主发光件在自身出光面法线方向上的光强分别为I₁₀、I₂₀，且I₁₀＝I₂₀；

限定内反射面的对称轴附近两主发光件出射光线重合的区域为叠加区，主发光件在自身出光面法线方向与叠加区之间的区域为内单光区，主发光件在自身出光面法线方向与内反射面的开口边缘之间的区域为外单光区；为满足内反射面上各区域的光强差不超过15％：

限定外单光区的光强I_1β和I_2β，其满足以下关系：

公式一：I_1β＝I₁₀*cos^mβ≥0.85I₁₀，I_2β＝I₂₀*cos^mβ≥0.85I₂₀；1≤m≤30，β为该侧的主发光件出射光线与该侧主发光件自身出光面法线方向的夹角，m为主发光件的最大发光角度系数；

限定叠加区的光强为I_叠加，其满足以下关系：

I_叠加＝I_1γ+I_2γ＝I₁₀*cos^mγ+I₂₀*cos^m(180°-γ-2α)；γ为其中一侧的主发光件出射光线与该侧主发光件出光面法线方向的夹角；

其中，位于对称轴上的内反射面光强满足以下关系：

公式二：0.85I₁₀≤I_叠加＝I_1γ+I_2γ＝2*I₁₀*cos^m(90°-α)≤1.15I₁₀；

叠加区的出射光线、内单光区的出射光线分别与该侧主发光件出光面法线之间的夹角满足以下关系：

公式三：γ＞90°-α。

11.根据权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：还包括

分光准直器，所述分光准直器覆盖住反射罩的端部开口，所述分光准直器由若干柱状导光体精密排列组成的蜂窝状结构。

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