本申請為申請?zhí)?01380070311.9的中國發(fā)明專利申請的分案申請，原申請的申請日為2013年11月14日，國際申請?zhí)枮閜ct/ep2013/073893，發(fā)明名稱為“包含光發(fā)射器/準(zhǔn)直器對組陣列的人工照明裝置”。

本發(fā)明涉及能夠給人以太陽和天空自然光感覺的人工照明裝置。

背景技術(shù)：

更確切地說，對于來自天空和太陽的自然光的感知與照明裝置照亮周圍環(huán)境的能力以及直接觀察時該裝置本身的外觀都有關(guān)，照明裝置照亮周圍環(huán)境的效果與天空和太陽透過位于同一位置的孔穴(即窗戶)照射同一房間的效果非常類似，而該照明裝置本身的外觀則產(chǎn)生了天空的無限深度視覺外觀以及太陽光源的無窮遠(yuǎn)位置。

因此，本發(fā)明的實施例所要實現(xiàn)的目的可以分成兩個主要的類別，涉及：

由人工照明裝置發(fā)出的光所實現(xiàn)的環(huán)境照明；

該照明裝置本身的視覺外觀。

對于獲得天空和太陽自然光感覺的環(huán)境照明的要求，可以參考由同一申請人提交的wo2009/156347a1中所描述的人工照明裝置。這些人工照明裝置當(dāng)中的一種如圖25所示。其包括一個寬波段的點(diǎn)狀光源902和位于相距該光源902一定距離的瑞利散射面板906。面板906將光源902發(fā)出的光線分離成透射成分907和漫射成分905，其中透射成分907的相關(guān)色溫(correlatedcolortemperature，cct)比光源902的cct要低，而漫射成分905的cct則更高，這種cct的差異是由于散射效率隨著要處理的瑞利區(qū)域(rayleighregime)的波長的四次方的減小而提高。

只要光源902小于相比于面板906，則直射光907能夠投射物體的陰影，其在面板906所形成的漫射冷光下是偏藍(lán)的。更確切地說，半影角是由光源902的尺寸與光源到物體的距離之間的比值所得出的。值得注意的是，在實際安裝中，可以容易地使得該角度接近于真實太陽的角度(0.5°)。此外，觀察者通過該面板觀察該光源時，會感覺它為一個低cct的光斑，其周圍由高cct的發(fā)光背景所環(huán)繞，正如他/她觀察太陽和天空所看到的一樣。

然而，半影角雖然小，形成直射光分量的光線907顯然不是平行的，如光來自于太陽的自然光照，因為它們從單一光源發(fā)散。值得注意的是，這種情況妨礙物體陰影具有平行的取向，正如在自然陽光下所發(fā)生的那樣。事實上每個物體在被照明平面上投射的陰影均朝向光源902在該被照明平面上的投影。例如，當(dāng)光源902被定位在穿過漫射器906中心的被照明平面(例如地面或墻)的法線上時，具有垂直于所述平面的軸線的細(xì)長的物體的陰影朝向被照明場景的中心，這與自然界所發(fā)生的情況相反。因此，這種情況妨礙了這些照明裝置如實地再現(xiàn)自然光照射環(huán)境的視覺特征。

此外，這些裝置不能完全滿足直接觀察該照明裝置時的自身視覺外觀的要求。事實上，觀察者誰通過面板906看到光源時并沒有感覺它在無窮遠(yuǎn)，而是位于該光源902所放置的給定的空間位置。直射光線907的發(fā)散意味著看見人工太陽的光斑的方向和孔徑角(半影)都不是固定的，它們依賴于觀察者的位置和他/她與光源的距離。這種視覺線索妨礙了觀察者自然地理解該光源作為位于無限遠(yuǎn)處，即這種視覺線索妨礙了天空和太陽場景被視為具有無限深度，光源本身限定了場景的極限深度。所有這些情況下使得所產(chǎn)生的效果不自然，因為它不同于實際天空和太陽產(chǎn)生的效果感。本發(fā)明在視覺外觀方面的一個目的在于實現(xiàn)直接觀看照明裝置時由該裝置所產(chǎn)生的太陽和天空圖像的無限深度感知。

視覺感知線索的線索內(nèi)沖突存在折磨例如在上面提到的wo2009/156347a1所提出的另一種人工照明裝置，如圖26所示。在此結(jié)構(gòu)中，光源902是由白光發(fā)光二極管(led)910的擴(kuò)展陣列制成，其中每一個led910包括藍(lán)光/紫外光發(fā)射器、熒光劑和圓頂準(zhǔn)直透鏡，使得每個led910產(chǎn)生具有有限發(fā)散度的白色光錐，即該發(fā)散度小于由瑞利面板906散射的光的發(fā)散度。在這種情況下，瑞利面板906被放置為幾乎與擴(kuò)展光源902接觸，使得該照明裝置非常緊湊。從而，圖26的照明裝置提供了具備所需cct的直射光分量和漫射光分量。

然而，如下文將要進(jìn)一步描述的，圖26所示的照明裝置具有由觀察者感知的兩個不同平面之間的線索內(nèi)沖突。這些平面是led910陣列的實像和在無窮遠(yuǎn)處的太陽斑的虛像。

上述的wo2009/156347a1提出了另一種人工照明裝置，如圖27所示。作為光學(xué)準(zhǔn)直元件，透鏡980位于光源的一定距離處，該光源包含激光二極管982和(遠(yuǎn)程)熒光劑984。包含納米漫射器(nanodiffuser)的透鏡980涂覆有抗反射涂層，以便優(yōu)化輻射“暖”分量的傳播，防止能夠降低該裝置效率的反射，以及優(yōu)化該分量的直射部分向外部區(qū)域(光束的外部)的傳播，降低了對比度。此外，圖27的裝置還包括反射器986(例如容納熒光源984的反射腔或反射箱體，其具有用于定位透鏡980的孔)，以便取回由納米漫射顆粒反向散射而向后傳播的“冷”漫射光分量，從而向外重定向反向散射漫射光。因此，圖27的照明裝置提供了具備所需cct的直射光分量和漫射光分量。

然而，圖27所示的照明裝置存在由觀察者所感知的至少兩個不同的平面之間的線索內(nèi)沖突。對于圖26的裝置，這些平面為透鏡980的實像平面和熒光源984的虛像平面，其中所述虛擬像面并沒有被視為在無限遠(yuǎn)距離。此外，類似于圖25的情況，圖27的裝置通過使用在有限距離的單一光源的照明所投射的陰影，典型地具有徑向?qū)ΨQ向外指向特點(diǎn)。

在上述wo小冊子還提出了另一種人工照明裝置，如圖28所示。這里，光源990和色彩漫射器992完全分離并以一定距離彼此間隔開，色彩漫射器992形成為房子996的墻壁994上的窗口。然而，歸因于所選擇的結(jié)構(gòu)，圖28中的裝置通過使用在有限距離的單一光源的照明所投射的陰影，典型地具有徑向?qū)ΨQ向外指向特點(diǎn)。最后但也同樣重要的，從色彩漫射器進(jìn)入觀察者眼睛的環(huán)境光會破壞觀察者的天空/太陽視覺印象，所述環(huán)境光并非由光源990所產(chǎn)生，而是來自于房子外部環(huán)境的環(huán)境光。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種人工照明裝置，用于合成類似于實際天空和太陽那樣照亮周圍環(huán)境的自然光，特別是通過形成平行、清晰、比其余照亮的環(huán)境更藍(lán)的陰影，當(dāng)觀察者直接觀看上述人工照明裝置時，他/她能夠獲得天空和太陽圖像的無限視覺深度感知，不存在視覺感知線索當(dāng)中的線索內(nèi)沖突和線索間沖突。

這個目的是由獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實現(xiàn)的。

優(yōu)選實施方式由從屬權(quán)利要求的主題來實現(xiàn)。

本發(fā)明提供了一種人工照明裝置，用于產(chǎn)生類似于來自太陽和天空照射的自然光，包括：

直射光源(12)，包括第一發(fā)射面并配置成從原初光(62)產(chǎn)生直射光(236)，所述直射光(236)沿直射光方向(32)以低發(fā)散度從第一發(fā)射面(28)出射，所述直射光源(12)包括由第一發(fā)光裝置(14；60)和準(zhǔn)直器(16；64)組成的多個對組，所述第一發(fā)光裝置(14；60)位于第一發(fā)射面的上游并配置成發(fā)出原初光(62)，所述準(zhǔn)直器(16；64)配置成使所述第一發(fā)光裝置發(fā)射的原初光沿直射光方向(32)準(zhǔn)直；

漫射光發(fā)生器(10)，配置為在第二發(fā)射面(34)產(chǎn)生漫射光(35；242)，

其中，所述第一發(fā)射面(28)和第二發(fā)射面(34)中的一個位于另一個的下游而形成所述人工照明裝置的外發(fā)射面(37)，或者所述第一發(fā)射面(28)與第二發(fā)射面(34)重合以形成所述人工照明裝置的外發(fā)射面(37)，

其中所述人工照明裝置配置為使得所述直射光源(12)和漫射光發(fā)生器(10)協(xié)同工作以便在所述外發(fā)射面(37)上形成外部光(239)，所述外部光(239)包括沿直射光方向在低發(fā)散度錐體內(nèi)傳播的第一光分量(241)和沿所述低發(fā)散度錐體外部的方向傳播的第二光分量(243)，其中所述第一光分量(241)的相關(guān)色溫比所述第二光分量(243)的相關(guān)色溫要低，使得當(dāng)觀察者(38)望向第一發(fā)光面(28)時，所述觀察者(38)看到由模擬天空的藍(lán)色背景包圍的光斑(40)，所述光斑(40)對應(yīng)于太陽且具有較低的相關(guān)色溫，而且當(dāng)觀察者(38)相對于所述第一發(fā)射面(28)移動時，所述光斑也移動，使得看起來所述光斑(40)來源于位于無窮遠(yuǎn)處的物體。

其中所述漫射光(35；242)的相關(guān)色溫比所述直射光(236)的相關(guān)色溫要高。

其中所述直射光(236)的相關(guān)色溫大于或等于所述第一光分量(241)的相關(guān)色溫。

其中所述漫射光發(fā)生器(10)包括漫射光源(260)，所述漫射光源(260)包括第二發(fā)光裝置(266)，其中所述漫射光源配置為獨(dú)立于所述直射光源(12)而發(fā)射所述漫射光(35；242)。

其中所述漫射光源(260)包括邊緣照明式散射漫射器(264)或有機(jī)發(fā)光二極管。

其中所述直射光源(12)或漫射光源(260)中的至少一種光源的相關(guān)色溫是可控的。

其中所述漫射光發(fā)生器(10)包括定位成由所述直射光(236)或所述原初光或從所述原初光演變而形成直射光(236)的中間光照亮的漫射器(250)，并且配置為使照亮所述漫射器的所述直射光或者所述原初光或所述中間光散射，在可見波長區(qū)域內(nèi)，對于較短波長的散射效率比對于較長波長的散射效率要高。

其中所述漫射器(250)包括由第一材料構(gòu)成的固體基質(zhì)(252)，其包括第二材料的納米顆粒(254)分散體，并配置為在可見波長區(qū)域內(nèi)對于較短波長的光散射效率比對于較長波長的光散射效率要高。

其中所述納米顆粒(254)分散體在整個第二發(fā)射面(34)上具有納米顆粒面積濃度梯度，相對于照亮漫射光發(fā)生器(10)的直射光或原初光或中間光的亮度一致性，所述梯度適于改善所述漫射光在第二發(fā)射面上的亮度一致性。

其中所述直射光源(12)配置為使得所述角分布的窄峰迫使直射光源(12)的觀察者(38)的雙眼沿平行方向校直，以便所述觀察者在窄的視錐角內(nèi)看到所述光斑(40)，基于雙眼會聚線索和運(yùn)動視差深度線索，所述光斑均被感知為在無窮遠(yuǎn)處。

其中所述人工照明裝置包括位于所述第一發(fā)射面(28)上游并且由吸光材料構(gòu)成的吸收器(58；72；82；122；158；200；224)，所述吸收器設(shè)置為使得所述第一發(fā)射面(28)的總反射系數(shù)ηr≤0.4。

其中所述人工照明裝置包括由吸光材料構(gòu)成的吸收器(58；72；82；122；158；200；224)，所述吸收器設(shè)置在第一發(fā)光裝置(14；46；60；114；138；150)的下游側(cè)和第一發(fā)射面(28)的上游側(cè)，并構(gòu)造成基本吸收朝上游方向穿過第一發(fā)射面(28)的光線，所述光線在缺少所述吸收器的情況下將不射向所述第一發(fā)光裝置。

其中，所述漫射光發(fā)生器(10)位于所述第一發(fā)射面的下游。

其中，直光源(12)配置為產(chǎn)生直射光(236)，使得所述直射光從第一發(fā)射面(28)出射，其亮度分布曲線圖圍繞所述直射光方向(32)具有角分布的窄峰(30)，所述窄峰所對著的立體角小于0.2sr。

其中多個對組并列放置，所述對組的準(zhǔn)直透鏡彼此鄰接，使得所述準(zhǔn)直透鏡形成接合表面。

其中，對于每個對組，所述準(zhǔn)直器(64)的光孔大于300cm²。

還包括：位于所述外發(fā)射面(37)下游的格子天花板結(jié)構(gòu)(170)，其中所述格子天花板結(jié)構(gòu)(170)具有第一周期間隔(172)，所述多個對組以第二周期間隔(174)沿所述外發(fā)射面(37)布置，所述第一周期間隔(172)為所述第二周期間隔(174)的整數(shù)倍或單元分?jǐn)?shù)。

其中所述直射光方向(32)傾斜于所述外發(fā)射面(37)的法向。

其中所述直射光方向(32)相對于所述格子天花板結(jié)構(gòu)(170)的90％以上的外表面是傾斜的。

其中所述格子天花板結(jié)構(gòu)(170)的外表面對于可見光的吸收系數(shù)低于50％。

其中所述格子天花板結(jié)構(gòu)(170)沿所述直射光方向在所述第一發(fā)射面上的投影覆蓋由所述第一發(fā)射面所占面積的50％以下。

其中所述格子天花板結(jié)構(gòu)(170)從所述第一發(fā)射面沿垂直于該第一發(fā)射面的方向突出的長度小于所述格子天花板結(jié)構(gòu)(170)的周期長度。

其包括暗盒，所述暗盒具有頂面和底面，所述頂面與所述準(zhǔn)直器的光孔重合，所述第一發(fā)光裝置(60)集成在所述底面的孔內(nèi)。

其中所述暗盒的內(nèi)表面是由吸光材料形成，并且所述吸光材料對于可見光的吸收系數(shù)大于90％。

其中所述準(zhǔn)直器為菲涅耳透鏡。

其中所述第一發(fā)光裝置(60)包括led。

還包括配置為使所述原初光在所述準(zhǔn)直器上的亮度分布平坦化的自由曲面聚光器或自由曲面透鏡。

其中，所述第一發(fā)光元件(60)與所述準(zhǔn)直器(64)之間設(shè)置有自由曲面透鏡(180)，所述自由曲面透鏡(180)配置為使所述原初光在所述準(zhǔn)直器上的亮度分布平坦化。

其中第一發(fā)光裝置具有圓形光孔。

其中所述直射光源(12)還包括位于所述對組的準(zhǔn)直器下游的微光學(xué)光束均化層(192)，其中所述微光學(xué)光束均化層配置為減少由所述對組的準(zhǔn)直器所預(yù)準(zhǔn)直的光的雜散光分量。

其中所述微光學(xué)光束均化層包括微透鏡(194)和光吸收層(202)的二維陣列，所述光吸收層(202)穿設(shè)有在微透鏡(194)的二維陣列的下游延伸的小孔(196)的二維陣列，使得每個微透鏡與一個所述小孔相關(guān)聯(lián)，所述小孔沿與所述直射光方向(32)一致的方向相對于微透鏡而設(shè)置，且所述小孔與相應(yīng)微透鏡之間的距離對應(yīng)于相應(yīng)微透鏡的焦距。

其中微透鏡的直徑dm與焦距fm之間的比值為dm/fm<2tan(7.5°)，所述直徑dm<5mm。

其中所述微透鏡(194)具有圓形光孔。

其中所述微光學(xué)光束均化層還包括信道間隔結(jié)構(gòu)，所述信道間隔結(jié)構(gòu)設(shè)置為減少微透鏡與相關(guān)聯(lián)的小孔組成的相鄰對組之間的串?dāng)_。

其中所述微透鏡之間的空間包括吸收入射到透鏡之間的空間的光的材料。

其中所述微透鏡及小孔的陣列間距小于5mm。

其中所述微光學(xué)光束均化層包括微透鏡(194)的二維陣列和信道間隔結(jié)構(gòu)，該信道間隔結(jié)構(gòu)為在微透鏡的二維陣列下游延伸的微通道的二維陣列，使得每個微透鏡都具有一個與其相關(guān)聯(lián)并從相應(yīng)的微透鏡沿直射光方向(32)延伸的微通道，其中微透鏡的直徑dm與微透鏡的焦距fm之間的比率為dm/fm<2·tan(7.5°)，所述直徑dm<5mm，其中對于每個微透鏡，與其相關(guān)聯(lián)的微通道的輸出光孔以距離l與相應(yīng)的微透鏡間隔開，其中0.5fm<l<1.2fm。

其中所述微光學(xué)光束均化層包括焦距為fm1的微透鏡的第一個二維陣列(210)、焦距為fm2的微透鏡的第二個二維陣列(212)以及吸收層(220)，該吸收層220穿設(shè)有小孔(214)的陣列并布置在第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列之間，以便形成分布在平行于第一發(fā)射面(28)的平面上的望遠(yuǎn)鏡(216)的陣列，所述望遠(yuǎn)鏡(216)的望遠(yuǎn)鏡軸線彼此平行并且平行于直射光方向(32)；在每個望遠(yuǎn)鏡中，相應(yīng)的小孔、第一個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡和第二個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡沿著所述望遠(yuǎn)鏡軸線布置，相應(yīng)的小孔與第一個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡之間的距離為fm1，相應(yīng)的小孔與第二個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡之間的距離為fm2，其中fm2<γfm1,而γ<1。

其中所述望遠(yuǎn)鏡陣列的下游側(cè)外表面包括抗反射涂層。

其中所述微光學(xué)光束均化層包括串聯(lián)透鏡的二維陣列。

還包括小角度白光漫射器(230)，配置為對所述直射光從所述第一發(fā)射面出射的亮度分布曲線圖的角度特性以低于10°的濾光器脈沖響應(yīng)hwhm進(jìn)行模糊過濾。

其中所述小角度涂白光漫射器包括形成在透明層材料外表面的隨機(jī)分布的微型折射體，或在透明塊狀材料中的透明微顆粒的分散體，所述透明微顆粒與透明塊狀材料之間的折射率不一致。

其中所述對組的準(zhǔn)直器的下游側(cè)外表面包括抗反射涂層。

其中所述直射光源包括角度可選擇的濾光器，該濾光器配置為吸收相對于所述直射光方向超過預(yù)定閾值的光發(fā)散。

本發(fā)明還提供了一種由并置的多個人工照明裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，所述人工照明裝置為上述任一權(quán)利要求所述的人工照明裝置，其中所述多個人工照明裝置的直射光方向是相等的。

本發(fā)明還提供了一種用于產(chǎn)生類似于從太陽和天空照射的自然光的方法，該方法使用直射光源(12)和漫射光發(fā)生器(10)，

所述直射光源(12)包括第一發(fā)射面并配置成從原初光(62)產(chǎn)生直射光(236)，所述直射光(236)沿直射光方向(32)以低發(fā)散度從第一發(fā)射面(28)出射，所述直射光源(12)包括由第一發(fā)光裝置(14；60)和準(zhǔn)直器(16；64)組成的多個對組，所述第一發(fā)光裝置(14；60)位于第一發(fā)射面的上游并配置成發(fā)出原初光，所述準(zhǔn)直器(16；64)配置成使所述第一發(fā)光裝置發(fā)射的原初光沿直射光方向(32)準(zhǔn)直；

其中所述漫射光發(fā)生器(10)配置為在第二發(fā)射面(34)產(chǎn)生漫射光(35；242)，

其中，所述第一發(fā)射面(28)和第二發(fā)射面(34)中的一個位于另一個的下游而形成外發(fā)射面(37)，或者所述第一發(fā)射面(28)與第二發(fā)射面(34)重合以形成所述外發(fā)射面(37)，

所述直射光源(12)和漫射光發(fā)生器(10)協(xié)同工作以便在所述外發(fā)射面(37)上形成外部光(239)，所述外部光(239)包括沿直射光方向在低發(fā)散度錐體內(nèi)傳播的第一光分量(241)和沿所述低發(fā)散度錐體外部的方向傳播的第二光分量(243)，其中所述第一光分量(241)的相關(guān)色溫比所述第二光分量(243)的相關(guān)色溫要低，使得當(dāng)觀察者(38)望向第一發(fā)光面(28)時，所述觀察者(38)看到由模擬天空的藍(lán)色背景包圍的光斑(40)，所述光斑(40)對應(yīng)于太陽且具有較低的相關(guān)色溫，而且當(dāng)觀察者(38)相對于所述第一發(fā)射面(28)移動時，所述光斑也移動，使得看起來所述光斑(40)來源于位于無窮遠(yuǎn)處的物體。

附圖說明

特別地，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行描述，其中：

圖1示意性地示出了第一發(fā)光裝置和準(zhǔn)直透鏡的對組陣列，其作為與漫射光發(fā)生器結(jié)合的直射光源的一個例子，其中觀察者的眼睛示意為觀看由此獲得的人工照明裝置；

圖2a示意性地示出了人工照明裝置的一種實施例，其中示意性地示出了直射光的亮度分布曲線圖；

圖2b示意性地示出了人工照明裝置的一種實施例，其中示意性地示出了直射光的亮度分布曲線圖；

圖3a和3b分別以三維的方式示出了根據(jù)圖2a和2b所示實施例的直射光源和漫射光發(fā)生器的布置示意圖；

圖4示意性地示出觀察者觀看直射光源的發(fā)射面以及觀察者在發(fā)射面上所看到的光斑；

圖5示出了led陣列的一種實施例的剖視圖，該led陣列通過適當(dāng)配置而形成適合的直射光源。

圖6為圖5所示陣列的俯視圖；

圖7示出了根據(jù)一種實施例的直射光源的局部立體示意圖，包括由第一發(fā)光裝置和準(zhǔn)直透鏡組成的對；

圖8三維地示出了由圖7所示的對所組成的陣列，以形成直射光源的另一實施例；

圖9示出了格子天花板結(jié)構(gòu)的三維圖，在沿發(fā)射面的橫向方向上的亮度變化變暗；

圖10示意地示出了觀察者觀看格子天花板結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生變暗的方式；

圖11a示意性地示出了圖7的直射光源，其包括一個用于實現(xiàn)均勻照明的不規(guī)則形狀的鏡頭；

圖11b示意性地示出了圖7的直射光源，其包括用于實現(xiàn)均勻照明的聚光器；

圖12示意性地示出了圖11a和11b的自由曲面透鏡和聚光器對于第一發(fā)光裝置的光強(qiáng)分布曲線的針對性影響，其中左手側(cè)示出了原始分布曲線，右手側(cè)示出了沿發(fā)射面的橫向尺寸實現(xiàn)均勻照明的目標(biāo)分布曲線；

圖13示意性示出了具有直射光源12的人工照明裝置，該直射光源12包括微光學(xué)光束均化層；

圖14a示意性地示出了微光學(xué)光束均化層的第一實施例的橫截面，其中包括一個透鏡陣列和一個小孔陣列；

圖14b示出了圖14a的光束均化層的上游面；

圖14c示出了圖14a的光束均化層的下游面；

圖15示意性地示出了微光學(xué)光束均化層的再一實施例的橫截面，其中包括一個透鏡陣列和一個管陣列；

圖16示意性地示出了微光學(xué)光束均化層的又一實施例的橫截面，其中包括兩個透鏡陣列和一個小孔陣列或管陣列；

圖17示意地示出了一種人工照明裝置，其包括位于漫射光發(fā)生器上游側(cè)的小角度白光漫射器；

圖18示意地示出了人工照明裝置的另一種實施例，其包括位于漫射光發(fā)生器下游側(cè)的小角度白光漫射器；

圖19a-c示意性地示出了包括直射光源和漫射光發(fā)生器的組合的人工照明裝置，其中還分別示出了直射光、透射光和漫射光之間的cct偏移；

圖20為用于實現(xiàn)漫射光發(fā)生器的漫射板的示意圖；

圖21a和21b示出了用于實現(xiàn)漫射光發(fā)生器的漫射板和漫射光源的組合；

圖22為用于實現(xiàn)漫射光發(fā)生器的漫射光源的示意圖；

圖23為漫射光源的一種實施例的側(cè)視圖；

圖24a-f示意性地示出了人工照明裝置及其直射光源的不同的實施例，聚焦于直射光和漫射光的相互關(guān)系以及它們對于外發(fā)射面上的外部光的貢獻(xiàn)；

圖25為現(xiàn)有技術(shù)的一種人工照明裝置的橫截面圖；

圖26為現(xiàn)有技術(shù)的再一種人工照明裝置的示意圖；和

圖27和圖28為現(xiàn)有技術(shù)的又一種人工照明裝置的示意圖。

具體實施方式

如已經(jīng)介紹的，天空和太陽自然照射的感受一方面依賴于照明裝置發(fā)射的光具有高度準(zhǔn)直且低cct的直射光分量，以模擬陽光，而較高cct的漫射光分量模擬天空的光照效果，使得當(dāng)物體被照明裝置照射時，直射光分量可投射出清晰平行的陰影，漫射光分量使陰影呈淡藍(lán)色。在另一方面，當(dāng)直接觀看照明裝置本身時，天空和太陽自然照射的感受在于天空和太陽處于無限遠(yuǎn)的想象。

觀察者估計物體間距離的能力與構(gòu)建三維風(fēng)景的視線深度，是基于多種與聚焦、雙眼視差和融合、運(yùn)動視差、亮度、大小、對照、空間透視等相聯(lián)系的生理和心理機(jī)制的。根據(jù)觀察條件(如觀察者是移動的還是靜止的、用一只眼睛觀察還是兩只眼睛等)和環(huán)境特征這兩種因素，相對于其他機(jī)制，一些機(jī)制可較重要，后者依據(jù)如物品是否具有已知尺寸、存在的距離和亮度而定，用作參照物，以估計環(huán)境中觀察到的元件有多遠(yuǎn)。值得注意的是，這些機(jī)制在實像和虛像的情況下都能持續(xù)。更具體地，當(dāng)兩個或更多不同圖像平面在不同深度之間存在沖突同時被觀察者感知時，由于為單視覺感知線索、或兩個或更多不同高度水平視覺感知線索，可產(chǎn)生視覺上的不舒適或眼疲勞。

換句話說，本發(fā)明人確實注意到深度的視覺感知是由一系列的視覺線索所確定的，例如：

調(diào)節(jié)(accommodation)，即睫狀肌的運(yùn)動，以使眼睛晶狀體聚焦場景；對于幾米內(nèi)的距離，調(diào)節(jié)是最有效的；

雙目會聚(binocularconvergence)，即觀察者兩個眼球的視軸會聚到相同的物體，即匯集到該物體所在的平面。

運(yùn)動視差(motionparallax)，即物體相對于運(yùn)動的觀察者所注視的背景的明顯相對運(yùn)動；通過很輕微的身體晃動，即可由運(yùn)動視差獲得強(qiáng)烈的深度線索；

空間透視(aerialperspective)，即，由于大氣對光的散射作用，距離較遠(yuǎn)的物體擋住具有較低的亮度對比度和色彩飽和度。此外，遠(yuǎn)處物體的顏色移向光譜的藍(lán)端；

雙眼視差(binoculardisparity)，即該觀察者的每只眼睛對于相同場景分別產(chǎn)生各自的視覺印象；通過利用從稍微不同的角度看到的兩個不同的圖像，觀察者能夠高精確度地三角測量到物體的距離。立體畫(autostereograms)、3d電影和立體照片采用這種視覺線索來獲得二維場景的深度感知；

基于運(yùn)動的深度(depthfrommotion)，即物體大小的動態(tài)變化；

透視，即平行線匯聚在無窮遠(yuǎn)處的性質(zhì)；

已知物體之間的相對大??；

物體被其它物體遮擋(occlusion)。

業(yè)已發(fā)現(xiàn)，天空和太陽圖像的無限深度感知，其代表了呈現(xiàn)為實際天空和太陽效果的照明裝置的其中一個要求，當(dāng)它由雙目會聚、運(yùn)動視差和調(diào)節(jié)等視覺深度感知線索的協(xié)同作用相干支持時，可實現(xiàn)上述無限深度感知，即上面提到的這些視覺線索之間不存在沖突。空間透視對于天空和太陽圖像的無限深度感知也起到了進(jìn)一步的作用。

本發(fā)明人還注意到，視覺感知沖突(visualperceptionconflicts)的出現(xiàn)可能主要有兩個原因：

基于單一的視覺感知線索的兩個或更多個不同深度平面之間的不明確，這稱為線索內(nèi)沖突(intra-conflict)；

從不同的視覺感知線索獲得的信息之間的沖突，這稱為線索間沖突(inter-conflict)。

避免視覺深度感知線索之間的線索內(nèi)沖突和線索間沖突是產(chǎn)生太陽和天空的無限深度的自然感知的根本。而且通過避免線索之間一致性的缺失，可以防止眼睛疲勞和不適，同時能夠增加觀看的舒適度。

例如，參考前面提到的圖26所示的人工照明裝置。特別是，當(dāng)直接觀察光源902時，觀察者會同時察覺到兩個相互矛盾的圖像。由于瑞利面板的固有透明性，第一圖像是led陣列的實像，該有限距離通過調(diào)節(jié)、雙目會聚到led陣列的平面以及運(yùn)動視差獲得支撐。第二個圖像是由藍(lán)色背景環(huán)繞的光斑的虛像，其被感覺在無窮遠(yuǎn)處。該第二圖像由以下事實給出，只要每個led910照射的圓形對稱光錐的發(fā)散度和取向與其他所有的led相同的，由每只眼睛看到的該組led910在觀察者的眼睛視網(wǎng)膜形成一個圓形光斑。換句話說，這些led910在具有固定方向和固定角光孔的光錐下被看到，該固定方向由led的校準(zhǔn)方向給出，對于圖26的情況，該方向垂直于面板906，而固定角光孔則與led發(fā)散錐角一致。值得注意的是，觀察者的每一個眼睛在給定方向和錐角下看到其各自的照亮的led910組。這些光斑是由雙目會聚在無窮遠(yuǎn)處而被感知，這是正常視覺要求的在視網(wǎng)膜產(chǎn)生這種圓斑的相同的同圓心圖像的設(shè)置。此光斑的大小取決于每個led元件910發(fā)出的光的發(fā)散角。

由于光源902不包含用于防止第一圖像平面(即led910陣列的實像平面)被直接觀察光源902的觀察者看到的任何機(jī)構(gòu)，在不同平面上感知的上述兩個圖像之間會出現(xiàn)視覺感知沖突。這個沖突，例如可以解釋為通過雙目會聚索確定的線內(nèi)沖突，其阻礙了觀察者感知自然天空和太陽的外觀。值得注意的是，這樣的感知沖突使圖26的裝置不適于解決本發(fā)明的技術(shù)問題。換言之，該沖突的出現(xiàn)是因為觀察者不僅從圓形光斑而且從整個led陣列看到了暖的直射光分量。事實上，即使led的大部分光是在其發(fā)散錐體內(nèi)照射，該發(fā)散錐體外部仍然存在不可忽略的部分(例如，由于在圓頂led器件910內(nèi)產(chǎn)生的散射，并且由于圓頂透鏡并不是成像光學(xué)元件)，這使得幾乎從任何觀察角度，點(diǎn)亮的led都清楚地顯示為發(fā)光物體。

由led以大角度(即在led發(fā)散錐體外)所產(chǎn)生的背景光是非常不均勻的，并且遵循led的間距周期性。本發(fā)明人認(rèn)為這種不均勻性是導(dǎo)致位于有限距離的led陣列的第一圖像勝過位于無限遠(yuǎn)處的光斑的第二圖像的主要原因，即使在led以大角度產(chǎn)生的平均亮度遠(yuǎn)低于該光斑，以及，即使它相對于漫射光發(fā)生器的均勻亮度要弱。事實上，人的眼睛對于亮度空間梯度非常敏感，尤其是亮度的空間周期性調(diào)制(luminancespatialperiodicmodulations)。

此外，對于圖25的實施例，由led以大角度所產(chǎn)生的背景光對于漫射光的光色品質(zhì)相當(dāng)有害，從這個意義上說，所得到的顏色與晴朗天空的光照顏色顯著不同。

由于觀察者能夠清楚看到面板后方的整個led陣列，這不可避免地破壞了背景的均勻性和顏色，因為led光源對背景的貢獻(xiàn)輕易地勝過瑞利面板本身的貢獻(xiàn)。

因而，圖26的裝置既不能再現(xiàn)自然天空和太陽景色顏色也不能再現(xiàn)其實際的無限深度感知。

此外，商用的圓頂led能實現(xiàn)的最小發(fā)散度通常是在幾十度左右，也就是比實際太陽光束的發(fā)散度0.5°大得多的一個數(shù)字。此限制使得光源902的半影角遠(yuǎn)大于天然的半影角。因此，除了那些具有巨大尺寸的物體外，物體根本無法形成陰影，而所述大尺寸物體的陰影的清晰度也是非常弱。通過使用較大的準(zhǔn)直器，例如市售tir(totalinternalreflection，全內(nèi)反射)透鏡或cpc(compoundparabolicconcentrator，復(fù)合拋物面聚光器)反射器，可以將led光束發(fā)散度降低至6°～7°這樣的值。然而，這種方式無助于支持無限深度感知，這些大型準(zhǔn)直器導(dǎo)致了很粗糙的像素紋理，這比標(biāo)準(zhǔn)的led圓頂更容易被眼睛發(fā)現(xiàn)。

實際上，圖26所示的光源902對自然天空和太陽的視覺外觀不利的進(jìn)一步的問題在于光斑的可感知像素紋理，即可觀察到這種光斑的角度。實際上，高準(zhǔn)直的led使得透鏡(以及間距)的大小通常比標(biāo)準(zhǔn)圓頂大得多，即約1厘米或以上，這將使得光斑由極少的像素來形成，由于觀察到該光斑的小錐角和透鏡尺寸的增加，led/透鏡的對組的數(shù)量隨led發(fā)散度減少而減少。在此情況下，對應(yīng)于無限深度平面的虛像分割成兩個基本上不同的像素化圖像，這使得led陣列平面的感知勝過無限深度圖像。從而這樣的情況防止觀察者自發(fā)地感知太陽圖像的無限深度。

此外，應(yīng)當(dāng)考慮環(huán)境光(即來自于由照明裝置或一些其他光源照亮的環(huán)境的光，其穿越瑞利散射面板906到上游/反方向再次照亮led910陣列)的影響，以及被瑞利面板906反射或漫射回led陣列的光的影響。這種通常來自于所有方向(即漫射性的)的光產(chǎn)生了不希望出現(xiàn)的作用，這進(jìn)一步增加了led陣列的可見性。換句話說，圖26的裝置即使當(dāng)它被關(guān)掉時也不變黑，當(dāng)此發(fā)生時，從周圍環(huán)境反饋的光不發(fā)揮作用。

總之，圖26的裝置未能解決本發(fā)明的基本技術(shù)問題，當(dāng)觀察者直接觀看該裝置本身時，它不能產(chǎn)生實際天空和太陽的視覺外觀，這是因為它會引發(fā)同時存在的視覺平面之間的視覺感知線索沖突，這些視覺平面例如為led910陣列的實像平面和對應(yīng)于太陽的光斑的虛像平面。此外，它也未能正確表示對應(yīng)于太陽的圖像，這是由于該光斑是在大錐角下被觀察，并且可以清晰地看到這種虛像的像素紋理。

參考圖27所示的已提到過的實施例，發(fā)生視覺線索沖突的又一個例子，這種阻礙了該裝置產(chǎn)生無限深度視覺體驗。在這方面值得一提的是，為了使發(fā)光效率最大化，該實施例通過使用單個光學(xué)元件(而不是兩個)來同時執(zhí)行準(zhǔn)直和瑞利散射而使直射光和散射光盡可能以前進(jìn)方向引導(dǎo)。為了增加出光量，提供了抗反射涂層和反射腔，以將反向散射光重新引導(dǎo)至向前的方向。值得注意的是，圖27的裝置沒有設(shè)置成產(chǎn)生具有最小發(fā)散度的暖(例如低cct)的直射光，這需要將暖光源984設(shè)置在透鏡980的焦距位置。與此相反，如圖27所示，光源984位于更靠近透鏡的位置，以使透鏡收集的光量最大化，而不是產(chǎn)生的平行光線。

由于光源984距離透鏡較近，從透鏡的外周部分出射的暖光比中心部分弱得多，由于從熒光劑至透鏡之間較遠(yuǎn)的光線路徑和較大的傾斜角(每根光線對亮度貢獻(xiàn)正比于所述路徑長度乘以入射角的余弦的平方的倒數(shù))。在實踐中，假設(shè)在透鏡的外部部分具有60°的平均入射角，所述差異可能導(dǎo)致整個透鏡的暖光亮度變化的一個系數(shù)8，其引起瑞利散射器光度的強(qiáng)烈空間調(diào)制。由于漫射器厚度的減小，當(dāng)亮度(來自光源984)變低時，不均勻性進(jìn)一步增加。

因此，圖27的裝置仍然存在幾個問題，包括但不限于視覺線索沖突，這阻礙了觀察者獲得人工照明的自然感覺。事實上，暖光源984和透鏡之間的短距離使光源的虛像顯現(xiàn)在有限的距離，這與太陽的自然圖像的情況不同。此外，該(透鏡)瑞利散射的不均勻亮度導(dǎo)致不均勻的天空亮度分布曲線圖，這使得視覺線索觸發(fā)在裝置平面形成發(fā)光透鏡的真實圖像，確定所述實像平面和虛像平面之間的線索沖突。另外，光源和透鏡之間同樣的近距離導(dǎo)致圖27的裝置投下的陰影具有典型的徑向?qū)ΨQ向外指向的特點(diǎn)，這與實際太陽的情況不同。最后，反射箱986朝向觀察者發(fā)射幾種光線，即直接來自光源984的光、從透鏡與空氣間的兩個界面反射的光、從納米漫射器反向散射的光以及從透鏡下游的被照明場景向上游方向穿過透鏡的光。其結(jié)果是，通過在透鏡圖像平面和光源圖像平面之間的中間位置創(chuàng)建一個瑞利散射器之外的不均勻的發(fā)光背景，反射器箱進(jìn)一步阻礙了任何可能的大深度的視覺感受。值得注意的是，由于從光源984和從環(huán)境的光對于反射背景的貢獻(xiàn)，其顏色與瑞利散射光的顏色不同，反射箱986使漫射光的顏色不同于從天空光的實際顏色，從而破壞了天空的自然外觀和阻礙了空間透視在深化深度感知方面可能產(chǎn)生的積極影響。總之，圖27的裝置未能解決本發(fā)明的技術(shù)問題，它既不能滿足當(dāng)觀察者直接觀看裝置本身時獲得實際天空和太陽的視覺外觀的要求，也不能滿足像天空和太陽那樣照亮周圍環(huán)境的要求。

為了進(jìn)一步說明對于相同光源的陣列的情況下，在無限遠(yuǎn)處形成光斑虛像的機(jī)理，本發(fā)明的發(fā)明人對圖26所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象化，如圖1所示。即，漫射光發(fā)生器10位于直射光源12的下游側(cè)，直射光源12由第一發(fā)光裝置14的二維陣列以及與每個第一發(fā)光裝置14相關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直透鏡16組成，準(zhǔn)直透鏡16用于使相應(yīng)的第一發(fā)光裝置14輸出的光準(zhǔn)直。漫射光發(fā)生器10可以是瑞利類漫射器，或者可以采用如將在下面更詳細(xì)概述的，可替代地或另外包括一個對于直射光源12所產(chǎn)生的準(zhǔn)直光至少部分透明的漫射光源。圖1還示出了望向人工照明裝置的觀察者的眼睛18l和18r，整體用標(biāo)號20表示。由于雙目視覺(binocularvision)的原因，眼睛18l和18r自然會調(diào)整至無窮遠(yuǎn)，觀察者會自然地嘗試在相應(yīng)視網(wǎng)膜22的相同位置形成兩個太陽圖像。由于漫射光發(fā)生器10被放置在靠近準(zhǔn)直器16的平面，眼睛18l和18r會看到藍(lán)色天空環(huán)境中的一個圓形的太陽。值得注意的是，當(dāng)在房間內(nèi)行走時，眼睛會看到太陽橫過面板，就像現(xiàn)實當(dāng)中所發(fā)生的情形。如果光源角譜不是平頂形而是鐘罩形，太陽圖像不會清晰，而是模糊。值得注意的是，圖1只涉及無限遠(yuǎn)處的光斑虛像的形成，而沒有考慮其通過雙眼調(diào)節(jié)和會聚在led陣列平面形成的而led陣列的實像，以及阻礙圖26的裝置確保天空和太陽自然外觀的因素。

圖1的概念或?qū)嵤├龑⑼ㄟ^下文所述的更詳細(xì)的實施例得到擴(kuò)充。正如從下文的描述中會變得清楚，根據(jù)圖1和相應(yīng)的下文中附屬的實施例，人工照明裝置能夠產(chǎn)生與源自太陽和天空相近似的自然光，包括直射光源12,直射光源12依次包括第一發(fā)射面并且配置成從原初光產(chǎn)生直射光，直射光從第一發(fā)射面出射，形成低分散的直射光方向，直射光源12包括多個由第一發(fā)光裝置和準(zhǔn)直器組成的對組，第一發(fā)光裝置安裝在第一發(fā)射面的下游并配置成出射原初光，并且裝配準(zhǔn)直器，以準(zhǔn)直化由第一發(fā)光裝置沿直射光方向出射的原初光；漫射光發(fā)生器10配置成在第二發(fā)射面34上引起漫射光242。下文同樣會描述到，第一發(fā)射面和第二發(fā)射面的其中的一個安裝在相對于另一個的下游并形成人工照明裝置的外發(fā)射面，或者第一發(fā)射面和第二發(fā)射面同時形成人工照明裝置的外發(fā)射面。直射光源12和漫射光發(fā)生器10協(xié)同工作，在外發(fā)射面形成外部光，外發(fā)射面包括第一光分量241和第二光分量243，第一光分量241的傳播沿著直射光方向而具有低分散錐體，第二光分量243傳播沿著低分散錐體的外部的方向，其中，第一光分量的相關(guān)色溫低于第二光分量的相關(guān)色溫，以使觀察者朝向第一發(fā)射面觀察時，能夠看見被藍(lán)色背景圍繞的光斑，藍(lán)色背景模擬為天空，光斑對應(yīng)于太陽且具有較低的相關(guān)色溫，當(dāng)觀察者相對于第一發(fā)射面移動時，就好像光斑是源自于無窮遠(yuǎn)處的物體一樣。

圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施例的優(yōu)選特點(diǎn)，并舉例說明了本發(fā)明的實施例如何能夠如太陽和天空透過窗戶般照亮周圍環(huán)境，并且同時保證了照明裝置的視覺外觀，其保證了通過窗口觀察到的自然天空和太陽的幾乎無限深度感知。

換句話說，圖2a示出了用于產(chǎn)生類似太陽和天空自然光的人工照明裝置20，即具有類似于太陽和天空光的亮度分布曲線圖和外觀及其優(yōu)選特點(diǎn)。

圖2a的人工照明裝置包括直射光源。為了便于理解，圖2僅僅示出了直射光源的第一發(fā)射面28。然而，從圖1和以下附圖可以清楚了解，直射光源包括第一發(fā)光裝置，該第一發(fā)光裝置配置成發(fā)射原初光(primarylight)并位于第一發(fā)射面的上游。直射光源12配置為從所述原初光產(chǎn)生直射光236，該直射光236從第一發(fā)射面28出射，其亮度分布曲線圖在整個第一發(fā)射面28上是一致(例如，關(guān)于空間依賴性)的，并且沿直射光方向32具有窄峰30(關(guān)于角度依賴性)，其中x和y是沿第一發(fā)射面28的x軸和y軸的橫向坐標(biāo)，是相對于直射光方向32測定的極角，和是方位角。盡管在下文中更清楚地提及術(shù)語“窄”，一般而言，可以被解釋為說具有一個與立體角對著的峰值，該立體角比2π·sr小得多，例如小于0.4sr，小于0.3sr更好，小于0.2sr最好。

此外，圖2a的人工照明裝置還包括一個位于第一發(fā)射面28下游的漫射光發(fā)生器10。漫射光發(fā)生器10包括第二發(fā)射面34和與該第二發(fā)射面朝向相反的輸入表面33，并且配置為相對于入射到輸入面33的光至少是部分透明的。此外，漫射光發(fā)生器10配置為從第二發(fā)射面34發(fā)出漫射光35，其中，所述漫射光35是從第二發(fā)射面34出射的外部光的分量，漫射光35在幾乎所有的前進(jìn)方向上散射，并且呈現(xiàn)為一致的或至少弱依賴于空間坐標(biāo)x，y。例如，漫射光發(fā)生器10配置為所發(fā)出的漫射光的立體角至少是窄峰30對著的立體角的4倍，優(yōu)選為9倍，更優(yōu)選為16倍。

另外，圖2a的裝置構(gòu)造成使直射光源12所產(chǎn)生的直射光236的cct比漫射光35的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)。由于所述漫射光發(fā)生器10是至少部分透光的，至少一部分直射光236的傳播至第二發(fā)射面34的下游，因此，外部光包括沿著窄峰30所包含的方向(例如，沿著窄峰30所對著的至少90％的方向，即，極坐標(biāo)角小于窄峰的hwhm(halfwidthathalfmaximum，半高半寬)極角的那90％的方向)傳播的第一光分量和沿著與窄峰30間隔開的方向(例如，該方向跨越以方向32為軸線的錐體外的角度區(qū)域的至少30％，優(yōu)選50％，最優(yōu)選90％，且半孔(half-aperture)為窄峰的hwhm極角的3倍)傳播的第二光分量，其中第一光分量的cct比第二光分量的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)。

圖2b表明，第一發(fā)射面28和第二發(fā)射面34的位置可以相對于圖2a的實施例進(jìn)行互換。換言之，在圖2a的實施例中，第二發(fā)射面34形成裝置20的外表面37，而在圖2b的實施例中，第一發(fā)射面28形成裝置20的外表面37。

具體來說，圖2b表明，人工照明裝置可以包括一個直射光源(未示出)，該直射光源包括構(gòu)造成發(fā)射原初光(未示出)的第一發(fā)光裝置14(未示出)和位于直射光源下游的第一發(fā)射面28，其中直射光源12配置為從所述原初光產(chǎn)生直射光236，該直射光236從第一發(fā)射面28出射，其亮度分布曲線圖在整個第一發(fā)射面28上是一致(例如，關(guān)于空間依賴性)的，并且沿直射光方向32具有窄峰30(關(guān)于角度依賴性)。第一發(fā)射面28上游(即位于直射光源12內(nèi)部)設(shè)有一個漫射光發(fā)生器10，該漫射光發(fā)生器10配置為相對于入射到輸入面33的原初光至少是部分透明的，并且配置為從第二發(fā)射面34發(fā)出漫射光35。其中，所述漫射光35是從第二發(fā)射面34出射的光分量，漫射光35在幾乎所有的前進(jìn)方向上散射，并且呈現(xiàn)為一致的或至少弱依賴于空間坐標(biāo)x，y。因此，在圖2b中，第一發(fā)射面28位于第二發(fā)射面34的下游，亮度分布曲線圖為第一發(fā)射面28上的亮度，其中漫射光發(fā)生器10被從系統(tǒng)中物理移除。在圖2b中，照明裝置構(gòu)造成使得原初光14的cct比漫射光35的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)。由于漫射光發(fā)生器10是至少部分透光的，第一發(fā)射面28的外部光包括沿著窄峰30所包含的方向傳播的第一光分量和沿著與窄峰30間隔開的方向傳播的第二光分量，其中第一光分量的cct比第二光分量的cct要低。

可以采用進(jìn)一步的實施方案，相對于圖2b的實施例，第一發(fā)射面28可以與第二發(fā)射面34重合。換言之，本實施例包括一個具備漫射光發(fā)生器10和第一發(fā)射面28兩者功能的二向色性光學(xué)元件，例如產(chǎn)生的漫射光分量的cct比原初光14的cct要高，和準(zhǔn)直的互補(bǔ)光分量的cct比原初光14的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)，如圖27所示的透鏡980。在這種情況下，產(chǎn)生一致(例如，關(guān)于空間依賴性)的和沿直射光方向32具有窄峰30(關(guān)于角度依賴性)的亮度分布曲線圖的屬性應(yīng)歸因于直射光源12，它包括一個與所述二向色性光學(xué)元件相同的光學(xué)元件，但不具備漫射光發(fā)生器的功能。

將原初光轉(zhuǎn)換為直射光的過程(例如，準(zhǔn)直的過程)還可以是由位于第一發(fā)射面28上游的一些光學(xué)元件來執(zhí)行的，且其中位于第一發(fā)射面28上游的漫射光發(fā)生器10，即不是被原初光直接照射也不是被直射光直接照射，而是由原初光演變而來并在第一發(fā)射面28成為直射光的中間光照射，在本實施例中，在漫射光發(fā)生器從照明裝置上物理移除后，必須對的性能進(jìn)行驗證。

因此，根據(jù)圖2a和2b所制成的人工照明裝置可以描述成包括：

直射光源12；和

漫射光發(fā)生器10，

其中所述直射光源12包括配置為發(fā)射原初光的第一發(fā)光裝置14，以及位于該第一發(fā)光裝置下游的的第一發(fā)射面28，

其中所述漫射光發(fā)生器10至少部分地透光，并位于第一發(fā)光裝置的下游，該漫射光發(fā)生器10包括第二發(fā)射面34并配置為在第二發(fā)射面34上產(chǎn)生漫射光35，

其中所述直射光源12配置成，當(dāng)其位于第一發(fā)射面28的上游側(cè)時，將漫射光發(fā)生器10移除，使得直射光源12從原初光產(chǎn)生直射光236，該直射光236從第一發(fā)射面28出射，其在第一發(fā)射面28上的亮度分布曲線圖是一致的，并且圍繞直射光方向32具有窄峰30，

其中第一發(fā)射面28和第二發(fā)射面34當(dāng)中的一個位于另一個的下游，并形成人工照明裝置的外發(fā)射面，或者所述第一發(fā)射面28和第二發(fā)射面34重合以形成人工照明裝置的外發(fā)射面，

其中，人工照明裝置配置為使得所述直射光源12和漫射光發(fā)生器10協(xié)同工作以在其外發(fā)射表面形成外部光，該外部光包括沿著窄峰30所包含的方向(例如，沿著窄峰30所對著的至少90％的方向)傳播的第一光分量和沿著與窄峰30間隔開的方向(例如，該方向跨越以方向32為軸線的錐體外的角度區(qū)域的至少30％，優(yōu)選50％，最優(yōu)選90％，且半孔(half-aperture)為窄峰的hwhm極角的3倍)傳播的第二光分量，

其中，第一光分量的cct比第二光分量的cct要低，例如前者低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好。

因此，圖2a和2b示出了以亮度分布曲線圖為特征的直射光源以及漫射光發(fā)生器，該亮度分布曲線圖關(guān)于空間坐標(biāo)是一致的，同時，其關(guān)于角坐標(biāo)具有窄峰。該漫射光發(fā)生器至少部分地透光，如上所述，的實際特征相對于視覺感知線索是很關(guān)鍵的。

我們注意到，的一致性(相對于空間坐標(biāo))應(yīng)當(dāng)足以避免視覺感知線索沖突。事實上，本發(fā)明人注意到，一致的亮度分布曲線圖不能導(dǎo)致深度感知與調(diào)節(jié)、雙目會聚和運(yùn)動視差當(dāng)中的任何一種視覺線索所產(chǎn)生的無限深度感知之間的不同。此外，角度分布的窄峰30在一個無限深度感知為主的視覺外觀中起著關(guān)鍵作用。

實際上，沿空間坐標(biāo)一致分布并產(chǎn)生尖銳角峰的亮度分布曲線圖的存在，類似于圖1所示的設(shè)置方式，由雙目會聚于無窮遠(yuǎn)處所支撐的虛像。這樣的一致性克服了圖26的實施例的明顯局限性，因為led陣列的實像是由非空間均勻亮度(例如歸因于led元件間距)所確定。

應(yīng)該注意的是，空間上一致的的角分布的峰30進(jìn)一步增進(jìn)了無限深度感知。事實上，觀察者的視覺注意力優(yōu)先被最高亮度、最高對比度和最高空間頻率(假設(shè)它比對應(yīng)于角分辨率極限(angularresolutionlimit)的頻率要小)發(fā)生的平面吸引的。換言之，雙目會聚調(diào)整雙眼以避免清晰、明亮的圖像相對于相關(guān)位置不同地定位在兩個視網(wǎng)膜上。因此，只要是由兩只眼睛從同一方向(由ldirect空間一致性和沿直射光方向32具有峰值而推斷)去看，角分布的窄峰強(qiáng)制兩只眼沿著平行的方向校直，支持代表太陽的光斑的無限深度感知。值得注意的是，這種情況的發(fā)生不依賴于兩個眼球的兩根軸線校直的實際方向，也就是說，即使眼睛被定向為使得ldirect的峰創(chuàng)建遠(yuǎn)離眼睛視網(wǎng)膜中心的一個點(diǎn)。換句話說，只要明亮窄點(diǎn)是在視場內(nèi)，不管它是在中心或一側(cè)，就會產(chǎn)生上述效應(yīng)。

此外，由于已經(jīng)提到的事實，即觀察者的視覺注意力優(yōu)先被最高亮度、最高對比度和最高空間頻率(低于分辨率極限)發(fā)生的平面吸引，在圖2的實施方式的情況下，眼睛調(diào)節(jié)被優(yōu)先地帶到一個無限遠(yuǎn)平面，這是最高亮度、最高對比度和最高空間頻率發(fā)生的虛擬平面，這是因為亮度的窄的角峰30。

的空間一致性也保證了運(yùn)動視差視覺線索的無限深度感知，由于移動的觀察者感受到的歸因于的任何角度結(jié)構(gòu)的虛像(如代表太陽的窄峰30)與他/她一起移動，就像現(xiàn)實當(dāng)中距離很遠(yuǎn)的物體看似移動一樣。

此外，以上所描述的的亮度分布曲線圖的特性不依賴于觀察者的數(shù)量以及他們相對于光源的相對位置，而在于每個觀察者體驗到由視覺感知線索相干支持的相同的無限深度感知。

因此，從直射光源12的第一發(fā)射面28出射的光的亮度分布曲線圖確保了不存在視覺深度感知線索之間的內(nèi)部和線索間沖突，這對于引起太陽和天空的無限深度自然感知是十分重要的。

應(yīng)該注意的是，的確定無限深度感知的能力通常隨著峰和背景之間在亮度角度分布方面的對比度增加而增加，即增加暗背景強(qiáng)烈地襯托一個占主導(dǎo)的無限深度感知，在明亮的角峰存在時。

同時也指出，暗背景相對于明亮的能進(jìn)一步增強(qiáng)占主導(dǎo)的無限深度感知，因為這些非均勻結(jié)構(gòu)關(guān)于主要的窄角峰的平均亮度值越低，背景亮度分布曲線圖當(dāng)中可能的非均勻性的可見性越低。換言之，對于相對于該背景平均值的相同的相對波動幅度，在暗背景中的非均勻性比強(qiáng)背景中的非均勻性確定了弱得多的視覺感知線索沖突，其中“暗”和“強(qiáng)”是相對于窄角峰30的亮度而言的

同時也注意到，對于圖26的情況，同時滿足一致的((x,y)分布和分布達(dá)到峰值的要求是相互矛盾，這是因為，一致的((x,y)分布要求使準(zhǔn)直器尺寸最小化，達(dá)到微光學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，從而察覺不出波動，而在分布的窄峰則要求使準(zhǔn)直器尺寸最大化，以消除led光源固有的發(fā)散度。

沿直射光方向32的窄角峰30確保了具有清晰半影的平行陰影。漫射光發(fā)生器10一方面通過提供具有較高cct的漫射光分量以形成淡藍(lán)色的陰影，正如進(jìn)入實際窗口的自然光一樣，從而保證了圖2所示的環(huán)境如自然天空和太陽般照射。在另一方面，所述漫射光發(fā)生器10裝置本身在直接觀察時視覺外觀產(chǎn)生影響。事實上，該漫射光發(fā)生器10產(chǎn)生圍繞由直射光源的光照所確定的低cct光斑的漫射光照藍(lán)色背景。由于空間視覺線索與上述單獨(dú)由直射光源支持的其他視覺線索之間的協(xié)同作用，此發(fā)光背景進(jìn)一步支持無限深度感知，而不是像白色或灰色發(fā)光背景那樣會破壞無限深度感知。

對于所述的協(xié)同工作，即當(dāng)觀察者觀看漫射光發(fā)生器10時感知的深度，而在可見區(qū)域的一側(cè)還具有代表太陽的光斑，發(fā)明人注意到三個共同出現(xiàn)的效應(yīng)起到了重要的作用，三個共同效應(yīng)是：在ldirect角度分布曲線圖中的窄峰，源于第二發(fā)射面34的空間的一致性和平滑的漫射光發(fā)射的角度依賴性，以及較高漫射光cct的值(相對于直射光cct)。實際上，單獨(dú)的空間的一致性或平滑的漫射光的角度依賴性，會使漫射光的光源的感知距離變得不確定，即觀察者在評估他/她和第二發(fā)射面34之間的距離時將會很困難，除非是框架或者相似的部分中一致性消失。在這種情況下，任何吸引觀察者的注意力至漫射光發(fā)生器物理平面的小細(xì)節(jié)的存在(例如在漫射器表面上劃痕的存在)，將使得優(yōu)先的深度感知聚焦至第二發(fā)射面34。與此相反，在ldirect角度分布曲線圖中的窄峰會迫使眼睛聚焦在無窮遠(yuǎn)處。其結(jié)果是，從平面上感知的漫射光產(chǎn)生的地方，同樣被拖拽至無窮遠(yuǎn)處。會發(fā)生這種情況，因為當(dāng)觀察者觀看一致的背景時，距離本身并沒有被定義，會聚(convergence)、調(diào)節(jié)和運(yùn)動視差的可見感知，意味著在場景中通過單個定義的結(jié)構(gòu)而保持恒定，在這種情況中通過ldirect中的窄角峰30表示。在圖2的示例中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漫射光具有的顏色和亮度(相對于環(huán)境)與天空相似時，這種效應(yīng)會顯著增強(qiáng)，這正如在瑞利散射體系中漫射器工作時出現(xiàn)的情況。實際上，在這種情況中，觀察者的習(xí)慣是強(qiáng)迫性地把天空作為遠(yuǎn)距離物體進(jìn)行感知，從心理學(xué)的角度來看，為無限的深度感知。從其它方面看，空間透視(aerialperspective)進(jìn)一步有助于把背景拖拽至無窮遠(yuǎn)處。最后，應(yīng)該注意到，對于在圖26中的裝置，沒有被觀察到所提到的把藍(lán)色背景拖拽至無限遠(yuǎn)距離，因為在那種情況下，可感知的像素(pixelation)把漫射光的發(fā)射的平面拖拽至了led陣列的平面上。

在下面概述的具體實施方案中，人工照明裝置20可以構(gòu)造以使其“緊湊”，并在下文進(jìn)行定義：假設(shè)包含直射光源12的最小體積q，t代表q在平行于方向32的直線上的(圓柱形)投影的長度，u表示在第一發(fā)射面28上的任意兩點(diǎn)之間的最大距離，直射光源(12)配置為使得ldirect角分布的窄峰30的寬度遠(yuǎn)小于arctan(u/2/t)，例如為的1/2,優(yōu)選為1/4，更優(yōu)選為1/6。這意味著窄峰30絕不是可以通過簡單地將光發(fā)射器定位為遠(yuǎn)離表面28而獲得。

如圖3a和3b所示，本發(fā)明實施例的照明裝置也可以是緊湊的。直射光源12可被一個長方體內(nèi)收容，該長方體的接地面12a的面積等于或大于第一發(fā)射面的面積，該長方體的高度12b小于第一發(fā)射面28的的最大寬度。接地面12a可以包含第一發(fā)射面28或者放置為與第一發(fā)射面28平行，使得第一發(fā)射面28完全位于該長方體內(nèi)。只是為了舉例說明，第一發(fā)射面28的面積可以大于10厘米×10厘米。接地面12a的面積可以小于第一發(fā)射面28面積的1.1倍。上述最大寬度可以被定義為第一發(fā)射面28任何兩個點(diǎn)之間的最小距離。

在下面進(jìn)一步概述的實施例的情況下，該漫射光發(fā)生器10不占據(jù)太多的空間。例如，如圖3a所示，漫射光發(fā)生器10可布置在一個長方體內(nèi)，該長方體的接地面10a與第一發(fā)射面28位于同一平面，該長方體沿下游方向36延伸高度10b。接地面10a的面積可以等于或小于接地面12a的面積，該長方體的高度10b可以小于或等于高度12b。與接地面10a相對的頂面10c可以包括第二發(fā)射面34，或后者可以包含在漫射光發(fā)生器10的長方體內(nèi)。優(yōu)選的，第二發(fā)射面34的面積近似等于第一發(fā)射面28的面積，例如，第一發(fā)射面28的面積±10％。如前所述，漫射光發(fā)生器10和直射光源12的長方體的接地面可以超過面34和面28的面積，高度10b可以小于第一發(fā)射面28的上述最大寬度的10％，或者小于10厘米而不考慮第一發(fā)射面28的最大寬度。下游方向36可定義為指向方向32，其中直射光源12產(chǎn)生的直射光從第一發(fā)射面28沿方向32發(fā)射。如上所述，該方向32可平行于第一發(fā)射面28的法線。圖3b對應(yīng)于圖2b的面28與面34之間的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。漫射光發(fā)生器10的長方體可以完全包含在直射光源的長方體內(nèi)。

由于直射光源產(chǎn)生直射光的能力，使得從所述第一發(fā)射面28出射的直射光具有在整個第一發(fā)射面28上一致的亮度分布曲線圖ldirect，并且繞直射光方向32具有窄峰30，它遵循：1)在整個第一發(fā)射面28上的直射光方向32大致恒定2)發(fā)散度小，和3)在整個第一發(fā)射面28上的發(fā)散度基本恒定。至于需要到達(dá)何種程度的“小”和“基本”，下文將更詳細(xì)地說明。參考圖4，在任何情況下，由于直射光源12所產(chǎn)生的直射光遵循這些約束條件，當(dāng)觀察者38分別觀看直射光源及其第一發(fā)射面28時，在一個狹窄的視錐角42內(nèi)看到一個光斑40，對于雙目會聚、調(diào)節(jié)和運(yùn)動視差深度線索而言，該光斑會被認(rèn)為在無限遠(yuǎn)處。換言之，當(dāng)望向第一發(fā)射面28時，觀察者38看到一個光斑40，當(dāng)觀察者相對于該第一發(fā)射面移動時，光斑40也相對于上述第一發(fā)射面28移動，猶如該光斑40源自于位于無窮遠(yuǎn)處的物體。

為了界定上述對于由直射光源12在第一發(fā)射面28產(chǎn)生的光的亮度分布曲線圖的一致性和峰值銳度的約束條件，人們可以區(qū)分內(nèi)部直射光分量和周圍相對發(fā)散的分量，內(nèi)部直射光分量有助于窄峰的形成，周圍相對發(fā)散的分量有助于剩余背景的形成。并且，基于雙目會聚和運(yùn)動視差深度線索，人們可以區(qū)分在整個第一發(fā)射面28較小區(qū)域和較大區(qū)域之間亮度分布曲線圖的可能變化。上述約束條件如下文所定義。

具體地說，直射光源12發(fā)射的光具有一致的強(qiáng)度，以單一的、給定的方向32透過第一發(fā)射面28，相對于發(fā)射面的法線z，方向32具有非常低的、優(yōu)選為圓形對稱的分散錐體，并且在分散錐體外具有低背景，其中，分散性和背景透過平面內(nèi)后還是一致的。在這一方面，將表示為由直射光源在黑暗環(huán)境下產(chǎn)生的直射光的亮度，即沒有任何外部的直射光源產(chǎn)生的光或者反射，其中的x,y,和在之前已經(jīng)定義。在表示亮度對空間和角度坐標(biāo)的函數(shù)時，應(yīng)該計算出檢測器的實際角度分辨率以及距離光源的距離，這就反過來確定了可檢測到的空間分辨率。在本發(fā)明的全文中，假定角度分辨率為0.07°，這大約是典型的裸眼的角度分辨率，以及1mm的空間分辨率，這對應(yīng)了1m的觀察距離。因而顧忌本發(fā)明全文中描述的亮度分布曲線圖的這些約束，應(yīng)該理解為參考前面提及的分辨率，考慮到最終會出現(xiàn)更大角度或更大空間頻率的變化(即用更大角度分辨率和/或更近的距離能夠檢測到)，這些變化與本發(fā)明的目的是不相關(guān)的。這些約束可以是：

偏離方向32，即極角其中是平均極角分布的hwhm(半幅度半寬值，halfwidthhalfmaximum)，平均極角的分布是指在第一發(fā)射面和所有方位方向中所有位置(x,y)的整個亮度分布曲線圖ldirect的平均值，覆蓋所有位置和角度的亮度分布曲線圖ldirect的最大絕對值降至10％以下，優(yōu)選地在1％以下，最優(yōu)選地在0.1％以下。

接近方向32時，即極角亮度分布曲線圖ldirect輕微地依賴于方位坐標(biāo)如每一個位置(x,y),區(qū)域的外部區(qū)域的ldirect低于最大值的10％，其大體上為具有圓形底座的錐體，這使得觀察者在沿方向32觀看光源時感知到圓點(diǎn)；定量地，在所述區(qū)域的最大和最小的極角之間的差別，被標(biāo)準(zhǔn)化至同樣總量的一半，樣本(sample)中對任意位置來說低于0.5，優(yōu)選地低于0.2，最優(yōu)選地低于0.1.

其中優(yōu)選更優(yōu)選

在公式中，這表示：對于(x,y)∈a,和

和

對于(x,y)∈a和

其中，a表示第一發(fā)射面28的面積，

優(yōu)選更優(yōu)選

k＝0.1,優(yōu)選k＝0.01,更優(yōu)選k＝0.001,

h＝0.5,優(yōu)選h＝0.2,更優(yōu)選h＝0.1

且適用以下的定義：

把更多注意力放在偏離方向32殘留的(residual)直射光背景的一致性，對ldirect的要求是在極角比大的情況下表現(xiàn)出最小的空間波動幅度；例如在所述亮度空間波動和亮度平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的比率可以不超過0.3的值，優(yōu)選地不超過0.1的值，在任意10mm直徑圓形空間區(qū)域內(nèi)，對于第一發(fā)射面的至少90％來說可以不超過0.4的值，優(yōu)選地不超過0.3的值，更優(yōu)選地不超過0.2的值，在整體的第一發(fā)射面的至少90％內(nèi)，對于任意固定方位角度以及任意大于的固定極角來說都是這樣；

當(dāng)考慮到一致性的直射光靠近方向32時，在(局部)極角中不會出現(xiàn)對ldirect的空間波動的要求，極角會導(dǎo)致(局部)最大化亮度，最大化亮度的標(biāo)準(zhǔn)偏差比在5cm直徑的空間區(qū)域內(nèi)的的20％要大，優(yōu)選地10cm直徑，更優(yōu)選地20cm直徑，并且在(局部)極角中沒有表現(xiàn)出空間波動，極角會導(dǎo)致(局部)最大化亮度，最大化亮度的標(biāo)準(zhǔn)差大于在整個第一發(fā)射面整體的至少90％內(nèi)的其中優(yōu)選地最優(yōu)選地

用公式來描述，剛才提到的約束條件可以表達(dá)為

對于(x,y)∈a10mm(x,y),和

其中j＝0.3,優(yōu)選j＝0.1

對于(x,y)∈a90％,和

其中g(shù)＝0.4,優(yōu)選g＝0.3,更優(yōu)選g＝0.2.

對于(x,y)∈adiam(x,y),

對于(x,y)∈a90％

其中所有的(x,y)∈a90％,優(yōu)選地最優(yōu)選地并且a90％表示的部分占據(jù)了第一發(fā)射面28的整個區(qū)域的90％，這里的部分可以是直接相連或者不相連。a10mm表示在a中(x；y)任意10mm的圓形區(qū)域，adiam表示在a中(x；y)的5cm直徑的圓形區(qū)域，優(yōu)選地10cm直徑，更優(yōu)選地20cm直徑，表示相對于空間坐標(biāo)自變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，表示相對于空間坐標(biāo)自變量的平均值，其中以下面的定義為準(zhǔn)：

(即，在給定位置的最大亮度)，和

(即，在給定的位置發(fā)生最大亮度的極角)

其中

對于

對于x'＝x,y'＝y(tǒng)

總之，通過上述約束條件可以保證，對于從直射光方向32充分地間隔開的極角，ldirect相當(dāng)微弱且一致，而對接近引導(dǎo)光方向32的極角，ldirect是弱依賴于方位角坐標(biāo)，并且在相同的方向具有峰值，即其中任何(x,y)∈a，從而至少基本上可以確保圓形光斑40的外觀。如上文表示，通過這些約束條件可以確保觀察者38將只看到一個由暗淡而均勻的背景包圍的明亮的圓形光斑40，其全寬角大小42等于或近似于

在某個實施例中，直射光源配置為保證黑暗和一致的背景，在十分明亮的環(huán)境中工作的時候也應(yīng)如此，即光源應(yīng)該配置為使得環(huán)境中光的反射或背散射不會達(dá)到一定強(qiáng)度，鑒于背景亮度的等級和一致性，這種強(qiáng)度可能破壞第一發(fā)射面28的表面。實際使用時，第一發(fā)射面28不僅能出射光，還可以接收例如來自于漫射光發(fā)生器10(如果安裝在其下游)和/或環(huán)境中的光。舉例來說，人工照明裝置20的理想情況是照亮一間完全白色的房間，由直射光源產(chǎn)生的整個光通量將會返回至直射光源自身。

當(dāng)直射光源12關(guān)閉時，前面的要求轉(zhuǎn)化為另一種要求，第一發(fā)射面28在漫射外部照射下具有黑暗和一致的表面。特別地，本實施例的直射光源12配置為使得第一發(fā)射面28具有的總體反射(平均)因子ηr≤0.4，優(yōu)選地ηr≤0.2,更優(yōu)選地ηr≤0.1,再更優(yōu)選地ηr≤0.04，其中總體反射因子ηr被定義為第一光通量與第二光通量的比率，第一光通量是指以樣品的平面為界的半球中在所有角度上的反射，第二光通量是指在相同的幾何和光譜條件下測量時由完全(perfect)反射器反射的磁通量，即在d65標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光體的漫射亮度下，d65能夠向樣品提供一致的亮度。

在進(jìn)一步的實施例中,因為反射光通常是直射光的上界,要同時顧及絕對亮度值和其波動，對于偏離方向32的第一發(fā)射面28的黑暗和一致表面的要求甚至更加嚴(yán)格.更準(zhǔn)確地說,考慮到背景光同樣是作為被動光學(xué)元件,實施例要保證第一發(fā)射面28維持相同的特征,即當(dāng)其在十分光亮的環(huán)境中工作時對于其反射和漫射的光。換句話說，同樣在強(qiáng)光環(huán)境存在時，直射光源12保證了在發(fā)射錐體30外部觀察的任意極角為黑暗和一致表面。

這種要求可以轉(zhuǎn)化(translatedin)描述為直射光源12應(yīng)該配置為使得當(dāng)漫射光發(fā)生器10從人工照明裝置移除并關(guān)閉直射光源12以及第一發(fā)射面28通過外部漫射光照射時,其中外部漫射光以恒定的亮度傳送至第一發(fā)射面28,這里的亮度與通過直射光源12在其打開時其自身傳送至第一發(fā)射面的亮度的平均值相等,外部漫射光通過第一發(fā)射面反射或背散射,在第一發(fā)射面28產(chǎn)生反射亮度分布曲線圖lr,其弱于第一發(fā)射面28的至少(atlast)90％中的任意位置和任意角度的ldirect,其中l(wèi)r表示在任意10mm直徑的圓形區(qū)域中振幅標(biāo)準(zhǔn)差,lr低于在第一發(fā)射面28的至少90％中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差ldirect.

在公式中，關(guān)于lr的“弱”和“一致性”上述約束條件，表示為：

其中所有x,y∈a90％,所有所有

其中(x,y)∈a10mm(x,y)所有所有

其中所有(x,y)∈a90％

a90％表示的部分占據(jù)第一發(fā)射面28的整個區(qū)域的90％,這個部分可以直接相連或者不相連,a10mm表示在a中(x；y)任意10mm直徑的圓形區(qū)域,表示自變量相對于空間坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,

其中x'＝x,y'＝y(tǒng)

而在一個不同的實施例中,由直射光源12在第一發(fā)射面28產(chǎn)生的光在方向上的空間波動以及窄峰30的寬度的約束是以不同的方式制定(formulated)的,也就是亮度分布曲線圖ldirect表現(xiàn)出的最大值的局部方向的分布的范圍，覆蓋了第一發(fā)射面28,其低于2°,并且覆蓋所有方位角度的平均化的ldirect的局部平均極角分布曲線圖的hwhm的第一發(fā)射面28的平均值低于5°.用公式的形式來表示,這意味著:

其中所有x,y∈a90％

其中所有x,y∈a90％

其中

(即，在給定位置的最大亮度)和

(即，在給定的位，發(fā)生最大亮度的極角)

其中

其中x'＝x,y'＝y(tǒng)

自然地,亮度分布曲線圖的最大值的方向的分布應(yīng)該不同于徑向?qū)ΨQ的矢量場(radiallysymmetricvectorfield),以使在直射光中被物體投射的陰影不會與沿著聚集的方向相平行,這正如在圖25,圖27和圖28中裝置的情況。更準(zhǔn)確地說，直射光源配置為使得由直射光源照射多個細(xì)長的物體，且多個細(xì)長物體圍繞著方向32，且多個細(xì)長物體彼此間平行，多個細(xì)長物體被投影至任意的平面上的多個陰影不應(yīng)是沒有徑向?qū)ΨQ地指向外部的行為的特征，這種特征是由局部光源在無窮遠(yuǎn)處的亮度的典型特征。總結(jié)來說，在窄峰30的方向上的空間波動,其可能在前面的約束中出現(xiàn)，這可能是無規(guī)律的或者隨機(jī)的。

以前面所描述的任意方式，通過把直射光源12和漫射光發(fā)生器10結(jié)合起來,人工照明裝置20提供了一種明亮的優(yōu)選為藍(lán)色的背景，藍(lán)色背景模擬了天空并且源于(stemsfrom)漫射光發(fā)生器10,由于通過直射光源12所引起的光會導(dǎo)致具有低cct的光斑40。當(dāng)在第一發(fā)射面28的前方移動時，這個光斑40會透過(across)它，這正如太陽光透過真實的的玻璃一樣。

顯然，一旦觀察者38用兩只眼睛看到直射光源12的直射光時,觀察者38將會在無限的距離處感知到光斑40。實際上,為了感知到如圖1中描述的兩個視網(wǎng)膜上相同定位處的光斑，亮度分布曲線圖ldirect所概述的特征會迫使眼睛平行。這種條件保證裝置20提供巨大的深度感知。這些條件將會得到理想地保證,如果ldirect不依賴于x,y和并且基本上沒有并且具有對于的恒定值，其中的例如是3°，或者更優(yōu)選地1°，或者再更優(yōu)選地0.5°。然而,來自這種理想體系的一些偏差顯然可以被接受,這正如前面的示例表明的可能的約束?？山邮艿钠盍恐饕Q于(dictated)保證前述的巨大的(實質(zhì)上無限)深度感的需要,以保證不出現(xiàn)可見的感知沖突,或者至少是沒有沖突,沖突會導(dǎo)致在有限的距離上優(yōu)先的深度感知。這種條件通過前面的示例中可能的約束得到保證.

在有限的距離內(nèi)，直射光源的真實影像的可見性轉(zhuǎn)化為給定的亮度分布曲線圖ldirect，因此，為了避免破壞深度效應(yīng)，ldirect應(yīng)該受到一些限制。換句話說，如果滿足了前面列出的一些對ldirect理想的約束條件，直射光源12是不可見的，而唯一可見的物體為光斑40。為了說明可被接受的偏差，應(yīng)該認(rèn)為觀察者38容易感知到在物體亮度上非常微小的空間變化以及顏色分布，且提供的角度頻率不大于眼睛分辨率產(chǎn)生的極限值，即0.07°。舉例來說，這意味著假定觀察者38從裝置20的1米遠(yuǎn)處的最小距離可接受的直射光源12的空間變化是出現(xiàn)小于大約1mm范圍的變化。大范圍亮度變化的發(fā)生可以通過觀察者的眼睛輕易捕捉到(spotted)，至少如果時會這樣，這個時候的視野(vision)沒有達(dá)到飽和(saturated)。

我們注意到，背景亮度為最大亮度的10％是一個非常高的數(shù)字，然而這在某些條件下也是可以接受的，例如旨在再現(xiàn)日出或日落時的天空和太陽光照時，即當(dāng)太陽的亮度相對于天空的亮度不像白天那么高時。

在任何前面概括的約束中，應(yīng)該清楚的是這些約束是不滿足在圖25中表示的設(shè)定的，由于直射光源902必須安裝地離面板906非常遙遠(yuǎn)，以保證ldirect的空間一致性，并避免陰影被定義為徑向?qū)ΨQ地指向外部的行為(featuredbyradiallysymmetricoutwardlypointingbehavior)。另外，圖26的設(shè)定條件表示一列具有圓頂集中器(concentrators)的leds，其不滿足這些約束，既是因為亮度的hwhm比正常的振幅大一個量綱，也因為產(chǎn)生的亮度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的角度的空間波動，波動大于hwhm錐體發(fā)射角度，這是由于led的排列的間距(pitch)并大于1mm的范圍。值得注意的是，即使圖26的leds設(shè)定條件得到匹配，可能仍然不會得到期望的特殊條件，例如，tir光學(xué)聚光器，或者更普遍地，在任何非成像光學(xué)領(lǐng)域中使用的標(biāo)準(zhǔn)聚光器，例如復(fù)合拋物面聚光器(cpcs)裝置。實際上，這些光學(xué)元件應(yīng)該具有的橫向尺寸是非常大的，以確保期望的低發(fā)射性，也就是說，如果考慮到現(xiàn)有的一般照明led芯片為1mm，而耦合這些led至光學(xué)器件上需要幾個厘米長。這意味著，在至少接近第一發(fā)射面時，即觀察者在距離第一發(fā)射面1m處時，舉例來說，觀察者的眼睛將在每一個單獨(dú)的光學(xué)器件中看見光斑40，即點(diǎn)的尺寸小于光學(xué)器件尺寸，例如，對于1°的分散性，點(diǎn)在1m遠(yuǎn)處大約為2cm。觀察者從其短距離處(見上文)觀看這樣的低分散的非影像光學(xué)器件時，不能夠感知到任何圓形點(diǎn)的真實影像，并且還不能體驗到任何無限的聚集深度。因為由這種非影像光學(xué)器件產(chǎn)生的亮度既不是真實一致的(即平移時不變化)也不是相對于方位角度不變化。其結(jié)果是，即使發(fā)射光源例如led配置的光學(xué)器件是圓形且不相同，兩只眼睛將捕捉到兩個通常不是圓形的影像。相對于迫使兩只眼睛定位在平行的方向上，兩只眼睛感知到不同影像的現(xiàn)象是非常有害的。在這種環(huán)境下，相反地，如果兩個物體相同，兩只眼睛會更加容易聚集至實際看到的物體(isreallyseenasequalbyboth)，即直射光源物體在有限的距離上。這不僅破壞太陽圓形輪廓，還破壞無限深度感知。

剛才提到的想法表明，如果led能滿足以下的約束條件，直射光源12進(jìn)一步的實施方式甚至可以理解為與圖26所示的結(jié)構(gòu)一致：

(i)每個led(包括圓頂透鏡)在垂直于發(fā)射方向的方向上的尺寸必須大幅減小，也就是說，它應(yīng)該減少至3毫米，減少至1毫米更好，減少至0.5毫米最好。在開啟和關(guān)閉模式下都將遵循一致性約束條件。

(ii)該led發(fā)射器的大小(即熒光劑或染色劑的大小，也就是其線性尺寸，對于目前可用的普通照明led而言，該線性尺寸最小通常為約1mm)和圓頂透鏡焦距之間的比值應(yīng)為約1/10至1/50，以保證1°至5°范圍內(nèi)的發(fā)散度。假設(shè)1°的發(fā)散度和1毫米的焦距以及與之相當(dāng)?shù)膱A頂直徑，為確保最大的出光量，人們會將led發(fā)射器的尺寸選擇為20微米以下。

(iii)另外，每個led發(fā)射器及其相關(guān)聯(lián)的圓頂應(yīng)嵌入到微型暗箱中。此暗箱應(yīng)由吸收體所覆蓋，除了返回到led發(fā)射器的環(huán)境光，該吸收體基本上吸收所有穿過圓頂透鏡的環(huán)境光。在這種情況下，當(dāng)由外部光照射時，led基體會呈現(xiàn)為暗的。此外，應(yīng)當(dāng)避免來自于led周邊(例如led基板)的散射光與透鏡圓頂耦合。

(ⅳ)所述led圓頂透鏡可以具有抗反射涂層，以將返回到周圍環(huán)境的環(huán)境光減到最少。

綜上所述，直射光源12可以理解為，其包括特殊結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的二維陣列，下面結(jié)合圖5對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述。具體來說，每個發(fā)光二極管44包括一個光發(fā)射器46和一個準(zhǔn)直器，光發(fā)射器46可以是發(fā)光二極管，其包括熒光劑和/或染色劑等，準(zhǔn)直器可以是圓頂透鏡48，其中該圓頂與光發(fā)射器46的距離49基本上等于該圓頂?shù)慕咕?。?yōu)選地，為了方便實現(xiàn)獨(dú)立于方位角坐標(biāo)的亮度分布，光發(fā)射器46在一個垂直于方向32的平面上具有圓形的橫截面。除了位于上游側(cè)的窗口52(光發(fā)射器46通過該窗口發(fā)射光)以及形成光準(zhǔn)直透鏡表面54的下游端之外，圓頂透鏡48的所有內(nèi)表面都覆蓋了光吸收劑，以便形成微型暗盒56。如上所述，表面54可以具有抗反射涂層，光發(fā)射器46的發(fā)光區(qū)域的橫向尺寸或?qū)挾?8應(yīng)足夠小，使得寬度58與長度49之間的比率小于1/10，優(yōu)選小于1/20，最優(yōu)選小于1/50。此外，間距50應(yīng)小于3毫米，優(yōu)選為小于1毫米，最優(yōu)選為小于0.5毫米。如前所述，發(fā)光二極管44可以緊密包裝為例如六角形的方式。發(fā)光二極管44的陣列所覆蓋的區(qū)域面積與第一發(fā)射面28一樣寬。

應(yīng)該指出的是，前面的直射光源的亮度分布曲線圖的特征本質(zhì)上是與直射光源12匹配的，而漫射光發(fā)生器10配置為使得觀察者在朝向第一發(fā)射面(以及外發(fā)射面)觀看時，當(dāng)觀察者38(結(jié)合圖4)相對于第一發(fā)射面移動時，光斑會相對于第一發(fā)射面28移動，就好像光斑40是源自于無窮遠(yuǎn)處的物體一樣。第一光分量241具有的相關(guān)色溫(cct)低于第二光分量243的cct。當(dāng)觀察者相對于第一發(fā)射面移動時，注意到點(diǎn)/太陽相對于第一發(fā)射面移動，就好像光斑源自于無窮遠(yuǎn)處的物體一樣，還意味著第一發(fā)射面的“寬度”w(“width”w)定義為“窗戶”，觀察者38通過“窗戶”來觀看，"寬度"是大于點(diǎn)/太陽40的，例如觀察者眼睛的目標(biāo)距離d從第一發(fā)射面開始至0.5m(即在0-0.5m的范圍內(nèi))，優(yōu)選地至1m，更優(yōu)選地至3m。

后者的距離是(stemfor)本發(fā)明實施例的人工照明裝置典型的應(yīng)用情況。實際上，如果安裝在天花板上，考慮到：(i)典型的天花板高度在2.4-3.5米的范圍內(nèi)，(ii)典型的人的高度在1.2(考慮到兒童)至1.9m，以及(iii)直射光方向32相對于水平方向可接受的角度在45°-90°的范圍內(nèi)(為了避免當(dāng)光源低于水平線(horizon)時出現(xiàn)眩光)，觀察者觀看由第一光分量241(“太陽光束”)形成的光束時，會出現(xiàn)眼睛距第一發(fā)射面的典型距離在0.5m(低天花板，垂直光，高的觀察者)至3m(高天花板，45°的光，兒童觀察者)的范圍內(nèi)。在類似窗戶、墻壁類型的例子中，可能應(yīng)用到更近的距離(直到相接觸)，而更大的場景實質(zhì)上是不存在的(whilstlargerfiguresarevirtuallyprevented)，第一發(fā)射面相對于地板的高度對于墻壁來說實質(zhì)上是低于天花板的。

換句話說，不依賴于具體的應(yīng)用，存在典型的最大距離，在最大距離內(nèi)觀察者站在“太陽光束”(即由第一發(fā)射元件241形成的光束)中可以觀察到該裝置。第一發(fā)射面的條件大于感知到的點(diǎn)/太陽的寬度，寬度是指裝置-觀察者的距離增大至所述的典型的最大距離而實現(xiàn)感知。需要注意的是，由于觀察者是在給定的視野角度下感知到的點(diǎn)/太陽，感知到的點(diǎn)/太陽的相對尺寸相對于第一發(fā)射面的尺寸隨著觀察者從發(fā)射面的距離的增加而自然增加，透過窗戶看到真的太陽的情況也會發(fā)生這種現(xiàn)象。然而，由于前面提及的原因，所述距離不是典型地任意增加。

此外，當(dāng)觀察者相對于第一發(fā)射面移動時，點(diǎn)/太陽相對于第一發(fā)射面移動，就好像是光斑是源自于無窮遠(yuǎn)處的物體一樣,還意味著當(dāng)觀察者從某個方向觀看人工照明裝置時，使得點(diǎn)/太陽已經(jīng)“離開”第一發(fā)射面,僅僅看到“天空”，即漫射光是可見的。再換句話說，當(dāng)比較每個角度方向(θ,φ)時,直射光236的背景即直射光的亮度分布曲線圖的尾部在直射光的錐體的外部,由漫射光發(fā)生器10產(chǎn)生的漫射光242(例如沿從直射光方向32完全偏離的方向的外部光239),這時可能會提出臨界角度θcross,θcross是相對于直射光方向32測定的,超過θcross時前者的亮度會落入到后者的亮度內(nèi)。θcross例如可以是3°，或者更優(yōu)選地1°，或再更優(yōu)選地0.5°。這種臨界角度應(yīng)該小于人工照明裝置的“視野角度”θview(參見圖4),即裝置在半寬角度孔(aperture)下更加精確，在第一光分量241(“太陽光束”)形成的光束下，觀察者用眼睛典型地看到第一發(fā)射面。應(yīng)用前面的示例的距離d，視野角度θview可以定義為觀察者在從第一發(fā)射面的0.5、1或3米的距離同時看到太陽和天空的角度孔(aperture)。例如，臨界角度可以是直射光236的分散角度的x倍，x例如是在2-3之間，并且分散角度例如被定義為hwhm。分散角度可以小于2.5°,1.5°或0.5°。這就意味著人工照明裝置的第一發(fā)射面是光斑的2-3倍，這將確保觀察者看見太陽(第一或低cct光分量)和天空(第二或高cct光分量)同時出現(xiàn)，當(dāng)觀察者的眼睛處于沿著直射光方向32上人工照明裝置在第一發(fā)射面的投影中時，或者，如果觀察者的眼睛偏離該投影時則僅僅看到天空，投影是指沿著直射光方向人工照明裝置在第一發(fā)射面的投影?？商鎿Q地，當(dāng)選擇該裝置的視野角度(即在這個角度下觀察者在“太陽光束”中看見第一發(fā)射面)大于臨界角度時，會造成天空/太陽的同時可見，例如是臨界角度的兩倍。例如，第一發(fā)射面的整體寬度可以設(shè)定為是產(chǎn)品(product)的兩倍，產(chǎn)品為：(i)2倍臨界角度的切線，以及(ii)選定0.5m，1m或3m，0.5m,、1m或3m為觀察者和人工照明裝置之間典型的最大距離。例如，假定裝置具有的臨界角度為3°，第一發(fā)射面的最小寬度應(yīng)該是10cm,20cm或60cm(選定的最大距離分別為0.5m,1m或3m)。這意味著觀察者在某些距離如0.5m,1m或3m處會同時看見太陽和天空，其中，天空(或者“窗戶”)顯著大于太陽。

應(yīng)該簡要說明的是，前面的想法是對第一發(fā)射面的示意性參考，假定第一發(fā)射面的寬度與第二和外發(fā)射面的寬度基本上相同，但是這些想法同樣應(yīng)該理解為可同樣轉(zhuǎn)化應(yīng)用在外發(fā)射面。此外，在第一發(fā)射面的不同“寬度”情況依賴于橫向方向的觀察，例如還可以表示最小寬度，即在第一發(fā)射面是矩形的情況中側(cè)面長度更短。

當(dāng)然，將圖1所示的第一發(fā)光裝置/準(zhǔn)直器的對組實施為如圖5和6所示的單個led器件44也不是必須的。這將通過以下實施例進(jìn)行說明。

例如，圖7示出的直射光源12包括配置為發(fā)出原初光62的第一發(fā)光裝置60和位于第一發(fā)光裝置60下游的以準(zhǔn)直透鏡64形式的準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直透鏡64沿著光軸68設(shè)置于焦距66處，所述光軸68與直射光方向32一致。與標(biāo)準(zhǔn)照明裝置(例如圖25所示的led圓頂透鏡)不同，在本實施例中，透鏡64可以是成像光學(xué)元件，在這個意義上，對于給定的光學(xué)布局參數(shù)(即系統(tǒng)數(shù)值孔徑，透鏡和發(fā)光裝置之間的距離，焦距與發(fā)光裝置的橫向尺寸之間的比率，等等)，該透鏡的特點(diǎn)可以是確保透鏡在無窮遠(yuǎn)處形成第一發(fā)光裝置60的圖像。

為了實現(xiàn)制造成本的降低和結(jié)構(gòu)的緊湊，準(zhǔn)直透鏡64可以是菲涅耳透鏡(fresnellens)。第一發(fā)光裝置60則可以采用led。

對于圖7的描述，應(yīng)當(dāng)指出的是，光軸68可與準(zhǔn)直透鏡64的光軸重合或者與之傾斜，此時光軸68定義為交點(diǎn)61與第一發(fā)光裝置60的發(fā)光區(qū)域的重心之間的連線，其中該交點(diǎn)61為準(zhǔn)直透鏡64的主平面(如果存在兩個主平面，則是更接近第一發(fā)光裝置60那個主平面)與準(zhǔn)直透鏡64的光軸之間的交點(diǎn)。對于采用菲涅耳透鏡64的情況，菲涅耳透鏡64可以定向為平行于第一發(fā)射面28，或者位于第一發(fā)射面28內(nèi)，如下面進(jìn)一步所述。如果是其他的準(zhǔn)直透鏡64，其主平面同樣適用于上述情況。無論是哪種情況，透鏡64的光孔都與第一發(fā)射面28一樣大。

第一發(fā)光裝置60可以具有圓形的光孔，以便產(chǎn)生圓形的光斑40，其在觀察者的眼睛內(nèi)聚焦在無窮遠(yuǎn)處。

同樣如圖7所示，圖7的直射光源12可以還包括一個形成暗盒70的吸收器，該暗盒70容納第一發(fā)光裝置60并具有用于定位準(zhǔn)直透鏡64的孔，其中，所述暗盒70的內(nèi)表面72由吸光材料形成，所述吸光材料對于可見光的吸收系數(shù)大于70％，大于90％更好，大于95％最好。這里說的內(nèi)表面并不是指100％的內(nèi)表面，而是涉及大于90％、或者大于80％或者甚至只大于50％的內(nèi)表面。這將遵循反射亮度角分布的約束條件。

應(yīng)當(dāng)指出的是，圖7當(dāng)中的許多特征可以相應(yīng)地改變。例如，準(zhǔn)直透鏡64的光孔并不一定需要為圖7所示的圓形的，也可以是矩形、六邊形或其它多邊形形狀。對于暗盒70及其內(nèi)表面72的形狀，應(yīng)注意的是，暗盒70也不一定需要是如圖所示的圓柱形，該圓柱形的頂面具有準(zhǔn)直透鏡64的光孔重合，第一發(fā)光裝置60集成在圓柱形的底面的孔內(nèi)或位于該圓柱形內(nèi)部，任何其它形狀都可以是適用的，只要在第一發(fā)光裝置60和準(zhǔn)直透鏡64的光孔之間的任何直射光路是暢通無阻的。例如，內(nèi)表面72可在圖中所示的圓柱形與非凹的截頭椎體之間延伸，具有最小體積并在第一發(fā)光裝置60的發(fā)光區(qū)和準(zhǔn)直透鏡64的光孔之間延伸。

為了滿足以上所述的關(guān)于亮度分布曲線圖ldirect的可能的約束條件，準(zhǔn)直透鏡64的焦距66與第一發(fā)光裝置60的孔徑的寬度74之間的比率可以大于10，優(yōu)選為大于50。例如，焦距66可以是大于10厘米，優(yōu)選為大于20厘米。準(zhǔn)直透鏡64的孔徑的面積可以是大于80平方厘米，優(yōu)選為大于300平方厘米。準(zhǔn)直透鏡64的下游面可以形成為所述第一發(fā)射面。

對于圖5至7的實施例的數(shù)值，應(yīng)當(dāng)指出的是，例如焦距和發(fā)光孔徑之間的比率，不需要完全遵循前面所述的關(guān)于亮度分布曲線圖的約束條件。相反，圖5至7的實施方案可以與隨后描述的微光學(xué)光束均化層(micro-opticsbeam-homogenizerlayer)實施例進(jìn)行組合，以便滿足上述約束條件。圖5至7的實施方式可以只形成直射光源12的一個部分，即用于產(chǎn)生預(yù)準(zhǔn)直光的準(zhǔn)直光源，所述預(yù)準(zhǔn)直光例如為光束具有有限hwhm發(fā)散角(例如hwhm發(fā)散角小于2.5°)，但在更大的角度范圍內(nèi)存在雜散光，例如導(dǎo)致光束角分布的副峰(secondarypeaks)或尖峰(spikes)的雜散光。

在任何情況下，菲涅耳透鏡64的典型尺寸為20厘米左右，透鏡64與觀察者之間的典型距離為1.5米左右。對于準(zhǔn)直透鏡64的觀察者，圖7的結(jié)構(gòu)使得第一發(fā)光裝置60的虛像的發(fā)散角比孔徑角要小，從而確保光斑40的圖像(即第一發(fā)光裝置60的圖像)顯示為準(zhǔn)直透鏡64的光孔后方遠(yuǎn)處的亮點(diǎn)。也就是說，太陽的圖像看起來比透鏡64的孔徑要小，而透鏡64本身可理解為眼睛和非常遠(yuǎn)處的物體40之間的透明窗戶。使用菲涅耳透鏡作為透鏡64的一個優(yōu)點(diǎn)在于實現(xiàn)較小輸出發(fā)散角的技術(shù)可行性。作為一個例子，發(fā)光二極管與tir(全內(nèi)反射)透鏡的組合的典型發(fā)散角例如約為8°～10°或大于8°～10°。其中一個主要的限制歸因于光學(xué)元件(即tir透鏡)的焦距，它為1至5厘米左右或小于1至5厘米。對于采用菲涅耳透鏡的情況，這種透鏡的焦距可以是20至30厘米左右。輸出發(fā)散角由第一發(fā)光裝置60(包括或不包括主光學(xué)元件，例如led的圓頂透鏡)的空間孔徑74與上述焦距66之間的比率而給出。在第一發(fā)光裝置60中，如采用1至2毫米的led和20至30厘米的焦距，發(fā)散度約為1°或為1°以下。

圖7所示結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是不存在太陽圖像的像素紋理。在圖26的例子中，對于處在最終觀看距離(例如約為1米或大于1米)的最終觀察者，輸出發(fā)散度有可能比led光學(xué)器件的孔徑角要大，約為1厘米的主光學(xué)器件(即圓頂透鏡)導(dǎo)致0.6°的孔徑角與8°～10°的輸出發(fā)散度進(jìn)行比較。這就決定了圖像在不同透鏡元件的像素化。這樣的像素化特性的角周期比眼睛無法區(qū)分每個元素的極限周期大得多。這一事實連同眼睛對于對比度的額外靈敏度，通過使觀察者實際看到圖26的結(jié)構(gòu)中的每個透鏡元件，破壞了無限遠(yuǎn)處光源的圖像效果。而這種情況不會發(fā)生在圖7的實施例當(dāng)中。

如圖8，第一發(fā)光裝置60和透鏡64的對組可以組合且并列放置，使得多個對組中的準(zhǔn)直透鏡64彼此鄰接以便形成一個連續(xù)接合面。如果準(zhǔn)直透鏡64形成為菲涅耳透鏡(圖8中在一個透鏡64內(nèi)以多根環(huán)形線條表示)，則該菲涅爾透鏡的陣列可以容易地由一個連續(xù)整體物體(如塑料或玻璃)制成。如在圖6的情況下，第一發(fā)光裝置60和準(zhǔn)直透鏡64的對組可以通過六邊形方式沿對組的二維陣列包裝在一起。因此，各個準(zhǔn)直透鏡64中的光孔可以形成為六邊形。第一發(fā)光裝置60和準(zhǔn)直透鏡64的單個對組的光軸68可布置成彼此平行地延伸，并分別平行于直射光方向32。透鏡64的下游面可以形成第一發(fā)射面28，或至少具有一個與第一發(fā)射面28一樣大的區(qū)域。

也就是說，在圖8的實施例中，直射光源12包括第一發(fā)光裝置60的二維陣列和準(zhǔn)直透鏡64的二維陣列，正如上面結(jié)合圖7所描述的，第一發(fā)光裝置60可以包括圓形光孔，以便提供圓形外觀的光斑40，準(zhǔn)直透鏡64優(yōu)選為菲涅耳透鏡，其中上述兩個陣列彼此配準(zhǔn)，使得光軸68彼此平行并平行于直射光方向32。如參照圖7所描述的，透鏡陣列和第一發(fā)光裝置陣列可彼此相對地移置，使得透鏡64的光軸從第一發(fā)光裝置的位置偏移，使得所產(chǎn)生的直射光方向32傾斜于透鏡64中的光孔所定位和分布的平面。

如上面所描述的，通過使每個準(zhǔn)直透鏡64與第一發(fā)光裝置60的距離對應(yīng)于準(zhǔn)直透鏡64的焦距或者大約為該焦距，則能夠?qū)崿F(xiàn)先前制定的低發(fā)散度的約束條件。由于每個準(zhǔn)直透鏡64耦合到相關(guān)聯(lián)的單個第一發(fā)光裝置，第一發(fā)光裝置的間距相對于圖26所示結(jié)構(gòu)而明顯增加，這意味著每個第一發(fā)光裝置60需要具備較高的光通量，以便在每一單位面積上獲得相同的流明。值得注意的是，準(zhǔn)直透鏡64使觀察者的眼睛晶狀體成為望遠(yuǎn)鏡，其分別形成第一發(fā)光裝置和其光孔到視網(wǎng)膜上。這就是為什么每個第一發(fā)光裝置應(yīng)具有一個圓形光孔，以在觀察者的眼睛當(dāng)中形成一個圓形圖像，即形成圓形光斑40的圓度的原因。

到目前為止，直射光源12的實施例顯示出實際發(fā)光區(qū)域沿著與直射光方向一致的光軸設(shè)置在一些準(zhǔn)直透鏡的下游。然而應(yīng)該提到的是，直射光源12可以包括一個邊緣照明式光導(dǎo)發(fā)射板，其包括一個波導(dǎo)面板，經(jīng)由全內(nèi)反射，一個或多個光源耦合到所述波導(dǎo)面板的邊緣，多個微光學(xué)元件(如微透鏡)有助于將光從波導(dǎo)面板內(nèi)的微反射鏡提取至直射光方向。因此，雖然圖5至圖8的實施方案可以稱為“背照式發(fā)射器”，除此之外，還可以使用“邊緣照明式光導(dǎo)發(fā)射板”形式的實施方式。

具體來說，這種邊緣照明式光導(dǎo)發(fā)射板可具有光導(dǎo)層，該光導(dǎo)層包括位于光吸收層和光導(dǎo)層之間界面的多個微型反射器，其中光吸收層位于光導(dǎo)層的上游/向后一側(cè)，以便在光導(dǎo)層內(nèi)改變光的引導(dǎo)方向并使光線射向位于光導(dǎo)層的下游/向前一側(cè)的光出射層，射向光出射層的光線與光導(dǎo)層和光出射層之間界面的角度小于光線在光導(dǎo)層內(nèi)實現(xiàn)全內(nèi)反射的極限角。每個微型反射器分別位于相應(yīng)透鏡的焦點(diǎn)位置，透鏡形成在光出射層背對光導(dǎo)層且朝向下游的外表面上。從而，微型反射器陣列和透鏡陣列的組合構(gòu)成一個準(zhǔn)直器，以減小輸出光的發(fā)散度。

以上概述的一些直射光源的實施例可能會在第一發(fā)射面28發(fā)生強(qiáng)烈的空間亮度調(diào)制。例如，圖7和圖8所示的實施例，光的亮度在每個準(zhǔn)直透鏡64由諸如空間調(diào)制的存在功能，例如，每個準(zhǔn)直透鏡64上的光照亮度存在這樣的空間調(diào)制，例如每個準(zhǔn)直透鏡64在透鏡光孔的中心位置比邊緣位置強(qiáng)幾倍。在圖8的實施例中，這會導(dǎo)致亮度周期性調(diào)制，這在使用瑞利狀漫射器作為漫射光發(fā)生器10的例子中會存在問題，這種漫射光發(fā)生器10通過在第一發(fā)射面上漫射由直射光源產(chǎn)生的一部分直射光而產(chǎn)生漫射光，瑞利狀漫射器的漫射效率與波長具有依存性，即，在可見光區(qū)域內(nèi)，對于短波長的漫射效率比對于長波長的漫射效率更強(qiáng)。在這種情況下，歸因于對周期性亮度調(diào)制的非常高涉外視覺敏感度，剛才提到的準(zhǔn)直透鏡64的亮度周期性調(diào)制的自動轉(zhuǎn)換到由漫射光發(fā)生器10產(chǎn)生的漫射光的高cct背景的周期性亮度調(diào)制。這樣的效應(yīng)相對于自然照明的品質(zhì)是有害的。

針對這個問題的第一個解決方案是，在外發(fā)射面37的下游側(cè)增加格子天花板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有與圖8所示實施例當(dāng)中的準(zhǔn)直透鏡64相同的間距，或者該結(jié)構(gòu)的間距是準(zhǔn)直透鏡64間距的整數(shù)倍或單元分?jǐn)?shù)。

例如，格子天花板結(jié)構(gòu)包括由單元格構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，其通過由壁分隔的空隙體積形成，其中所述壁具有可忽略的總透射率，所述單元格具有輸入面f_in和輸出面f_out，輸入面f_in所在的平面平行于外發(fā)射面37所在的平面，并且輸入面f_in和輸出面f_out可以或可以不具有相同的形狀，輸出面f_out的重心可以相對于輸入面f_in重心的投影沿方向32偏移到輸出面f_out，每個單元格面對一個透鏡64，在這個意義上說，輸入面f_in沿方向32內(nèi)切(inscribed)到透鏡64或透鏡64的光孔投射到含有輸入面f_in的平面上的投影。

例如，參見圖9，其示出了位于漫射光發(fā)生器10下游的一個格子天花板結(jié)構(gòu)170，該格子天花板結(jié)構(gòu)170可體現(xiàn)為瑞利漫射板方面，其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)通過圖8的直射光源12進(jìn)行說明。如圖9所示，格子天花板結(jié)構(gòu)170具有第一周期間隔172，該第一周期間隔172與準(zhǔn)直透鏡64及其相應(yīng)的第一發(fā)光裝置(圖9中未圖示)沿發(fā)射面28分布的周期間隔174相同，在圖9的實施例中，該發(fā)射面28在漫射光發(fā)生器10和準(zhǔn)直透鏡64所在平面之間延伸。為了清楚起見，在圖9的實施例中，漫射光發(fā)生器10位于第一發(fā)射面28的下游側(cè)以構(gòu)成外發(fā)射面37?？偠灾@里提到的格子天花板結(jié)構(gòu)170并不被意為限制于上述情形，而是還適用于第一發(fā)射面28位于漫射光發(fā)生器10的下游并構(gòu)成外發(fā)射面37的情形，或者第一發(fā)射面28與漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)射面34重合以形成外發(fā)射面37的情形。

另外，可以考慮用直射光方向32來增強(qiáng)分散觀察者注意力的效果，避免意識到源自準(zhǔn)直透鏡64的亮度調(diào)節(jié)的亮度周期性。例如，墻壁或者格子天花板結(jié)構(gòu)170的側(cè)面可以圍繞垂直于外發(fā)射面37的方向，由于直射光方向32相對于外發(fā)射面37的法線的平行方向是傾斜的(tiltedoroblique)。更普通地，直射光方向32相對于格子天花板結(jié)構(gòu)的超過90％的外部表面是傾斜的。在這種方式中，觀察者觀察到替代的格子天花板結(jié)構(gòu)170(在圖9中示意為白色)的發(fā)光(低cct)側(cè)面，并且觀察到格子天花板(在圖9中示意為陰影)的側(cè)面陰影(高cct)。這種體系設(shè)定造成了強(qiáng)烈的密度和色彩的亮度空間調(diào)節(jié)，這完全符合自然規(guī)律，并會支配由準(zhǔn)直透鏡64的不一致照明所引起的照度調(diào)節(jié)。然而，通過傾斜格子天花板結(jié)構(gòu)170的墻壁的外部表面，還可能獲得相同的效應(yīng)。例如，可以圍繞格子天花板結(jié)構(gòu)的外部表面，以使其投影沿直射光方向32面對至少30％的格子天花板結(jié)構(gòu)170的外部表面并且至少30％的格子天花板結(jié)構(gòu)170的外部表面是不面對的。在后一種情況下，甚至有可能設(shè)置平行于第一發(fā)射面的法線方向的直射光方向32。

盡管圖9示出的格子天花板結(jié)構(gòu)與圖8的直射光源12實施例相關(guān)，需要提到的是，該格子天花板結(jié)構(gòu)可以與包括下面將要描述的直射光源12在內(nèi)的任何實施例相結(jié)合。此外，諸如周期間隔174這樣的周期間隔也可以出現(xiàn)在直射光源的其他實施例中，因此，周期依賴性也可以視情況適用于其它實施例。此外，還可以對周期依賴性進(jìn)行選擇，使得周期間隔172是周期間隔174的整數(shù)倍數(shù)或單位分?jǐn)?shù)。

為了更詳細(xì)地說明格子天花板結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，參見圖10，圖10參考在圖9中繪制的實施例，其中，漫射光發(fā)生器的第二發(fā)射面34構(gòu)成了外發(fā)射面37。漫射光發(fā)生器10再次假定為類似瑞利散射的漫射器，這將會在下文更加詳細(xì)地論述。具體地說，由于準(zhǔn)直透鏡64的非一致的亮度，格子天花板170克服了人工天空的強(qiáng)度調(diào)節(jié)的問題。實際上，非一致的亮度決定了沿透鏡64的空間尺寸的非一致的輸出光強(qiáng)度。因此，非一致的光照射到漫射面板10產(chǎn)生了一系列在藍(lán)色漫射光中更亮和更暗的區(qū)域，即在“天空”中更明亮和更黑暗的區(qū)域。此外，準(zhǔn)直透鏡的排列(在圖8中的示例)加上漫射面板后決定了determines)這種強(qiáng)度調(diào)節(jié)的周期性，這很容易被觀察者的眼睛捕捉到。格子天花板結(jié)構(gòu)170由一系列的凸起組成，凸起在與單個透鏡64疊加的漫射面板10的單個區(qū)域(在這鐘情況下包括外發(fā)射面37的第二發(fā)射面34)和延伸至外發(fā)射面37外部的之間延伸形成，即由此形成凸起。由于源自人工太陽的準(zhǔn)直的直射光分量的方向具有較低的cct，即方向32，可以相對于垂直于外發(fā)射面37的方向傾斜，這種直射光分量只可以照射到凸起結(jié)構(gòu)170的側(cè)面的一半。當(dāng)看向天花板時，觀察者將看見天空以及每個凸起170的一部分。具體地說，觀察者將會在每個天空亮度的高cct區(qū)域和較低的cct區(qū)域之間，要么看見由直射照明照亮的凸起170的一部分，其可以被稱為“白色”凸起，要么看見凸起的一部分落入到陰影區(qū)域(因而局部地受到漫射的高cct元件的照射，這也可以稱為“暗”凸起)。在這兩種情況下，凸起的亮度將會不同于天空的平均亮度，比“白色”情況更高而比“黑暗”的情況更低。這種在天空區(qū)域和凸起之間具有的不同亮度的變化有助于掩蓋人工天空的調(diào)節(jié)，由于天空至“白色”或者天空至“黑暗”的調(diào)節(jié)相比于天空自身的內(nèi)部調(diào)節(jié)更加強(qiáng)烈，這來自于(stemfrom)前面闡述的意外性亮度調(diào)節(jié)。這種天空調(diào)節(jié)表現(xiàn)得非常微弱。格子天花板結(jié)構(gòu)170將在觀察者和明顯一致的天空之間表現(xiàn)為“白色”和“黑暗”的柵格(grid)。

對于圖9和10，應(yīng)該指出的是，到目前為止，本文的術(shù)語“格子天花板結(jié)構(gòu)”不應(yīng)被理解為限制于將第一發(fā)射面水平設(shè)置以形成室內(nèi)天花板上的人工照明裝置的情況。而是，該術(shù)語應(yīng)該被理解為只是對結(jié)構(gòu)170的結(jié)構(gòu)性描述。此外，格子天花板結(jié)構(gòu)170的外部表面可以進(jìn)行選擇，以使其具有的可見光吸收系數(shù)低于50％。也就是說，天花板結(jié)構(gòu)不是吸收器。格子天花板結(jié)構(gòu)170在第一發(fā)射面所在平面上的投影，沿著直射光方向可以覆蓋低于由第一發(fā)射面所覆蓋面積的50％，即第一發(fā)射面的總體區(qū)域，或者低于35％,或者15％。在這個方面，請注意準(zhǔn)直器64的光孔(apertures)可以通過格子天花板結(jié)構(gòu)相互隔開，周期性出現(xiàn)的成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器以及格子天花板結(jié)構(gòu)彼此分開(beingequaltoeachother)，而不是部分地疊加放置。格子天花板結(jié)構(gòu)170可以沿垂直于第一發(fā)射面的方向突出，突出的長度小于格子天花板結(jié)構(gòu)170從第一發(fā)射面開始的周期長度，這意味著寬高比是相對比較大的，例如大1/4或大1/2，(作為分子的)“閃亮”區(qū)域的寬度是指沿著直射光方向沒有被格子天花板結(jié)構(gòu)170在第一發(fā)射面被投影覆蓋的區(qū)域，而(作為分母的)格子天花板結(jié)構(gòu)170的“深度”，即其沿著垂直于第一發(fā)射面方向的高度。

前面實施例的一些重要的特征做如下總結(jié)：

觀察者觀看燈具時，天空和太陽同時可見，即當(dāng)觀察者觀看到與燈具或第一發(fā)射面(同樣適用外發(fā)射面)相同尺寸的窗戶時，能夠看見相同的天空-太陽的影像。總結(jié)起來，選定的直射光236的分散性要比視野角度更小，在該視野角度下，觀察者從一些合適的選定的最大距離處能夠看到燈具，最大距離是指燈具與觀察者的眼睛之間的距離。正如前面提到的，這樣的典型的最大距離可以是0.5m、1m或3m。在各自的最大距離下，整個的寬度分散小至整個寬度視野角度的1/2倍。根據(jù)一些實施例，整體寬度的分散度可以設(shè)置在3倍于整體寬度視野角度的范圍內(nèi)，在該視野角度下(underwhich)，觀察者的眼睛在第一光分量的照射下，從0.5m-3m的距離、優(yōu)選地1m-2m、更優(yōu)選地從1.5m看見第一發(fā)射表面。

對于在特殊角度下兩個光源的相對亮度(直射光和漫射光)，前面的描述揭示了直射光的亮度分布曲線圖的“尾部”明顯在漫射光的亮度以下。實際上，如果觀察者在30°的全寬視野的孔徑角下時會看見燈具，例如，直射光只有10°的全寬分散度但是偏離直射光方向32達(dá)15°的直射光的尾部仍然向第一發(fā)射面提供了具有比較性的亮度，或者提供了比漫射光在第二發(fā)射表面引起的亮度更高的亮度，這種情況下對于觀察者來說在太陽光束下天空是不可見的。因此，為了獲得天空/太陽的不依賴于直射光32的分散性效果，應(yīng)該找出一個角度，這在前面的描述中被稱為臨界角度，在超過這個鄰接角度時裝置的整體亮度應(yīng)該由天空的性質(zhì)(contribution)(高的cct性質(zhì))所支配，這個角度小于視野角度，在視野角度下觀察者在合適的選定的最大距離處會看見整個系統(tǒng)，已經(jīng)在前面給出了最大距離的示例。根據(jù)一些實施例，臨界角度可以設(shè)定在兩倍于半寬視野角度的范圍內(nèi)，在視野角度下觀察者的眼睛在第一光分量的照射下，在0.5m-3m范圍內(nèi)、優(yōu)選地1m-2m、更優(yōu)選地從1.5m看見第一發(fā)射面。用這種方法觀察者可以同時看到天空和太陽。

至于高cct光(漫射光)的空間一致性，應(yīng)該注意的是，前面所描述的無限深度的印象(impression)在沒有被破壞時某些變化是可以被接受的。例如，如果成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直器的光孔(aperture)足夠大，在3倍于最小亮度范圍內(nèi)的亮度變化可以被接受。公知的是，當(dāng)天空元件變小時，因為亮度的空間梯度成為決定性因素，所以在天空亮度中差的一致性就變?yōu)闆Q定因素，更壞的是，當(dāng)一系列的組件被應(yīng)用(implemented)后，進(jìn)而會導(dǎo)致周期性的影響。在這種情況下，實際上，觀察者的眼睛會不可避免地聚焦和匯聚到燈具，從而破壞我們無限的深度效果。然而，在這種情況下，一些調(diào)制可以利用允許的，例如，如上所述的格子天花板結(jié)構(gòu)。

至于直射光的角度分布，即在大的角度上雜散的白色光的存在時(即在此角度下只出現(xiàn)(competeto)天空，但是沒有太陽影像的形成)，太陽光的強(qiáng)度不應(yīng)該超過藍(lán)色光。另外，考慮到大多數(shù)眼睛對亮度變化是敏感的，由于雜散光的影響，雜散光是在大角度下由直射光分布所產(chǎn)生的，相關(guān)的亮度梯度非常大(atlarge)，這對于感知(concerns)天空的自然表象和產(chǎn)生無限深度感知機(jī)理的效果都是非常重要的。顯然，即使雜散光亮度分布在由漫射光發(fā)生器產(chǎn)生的亮度以下時，這種限制也可能會出現(xiàn)。這種問題可能會升級，舉例來說，當(dāng)使用菲涅爾透鏡準(zhǔn)直化直射光時，由于菲涅爾透鏡的缺陷或固有的非理想的性質(zhì)導(dǎo)致散射、次級內(nèi)部反射等所引起的雜散光。這樣的雜散光可能造成透鏡被當(dāng)作是物理對象而被看見和感知，進(jìn)而使得觀察者在燈具上調(diào)整(accommodate)其視角，而不是在無窮遠(yuǎn)處。針對雜散光可行的對策已經(jīng)在前面描述了，例如過濾器260或者均化器的使用。

具體地說，為了避免剛剛概述的雜散光效應(yīng)出現(xiàn)在前面揭示的實施例中：(i)菲涅耳透鏡的抗反射涂層；(ii)用光束均化器作為串聯(lián)透鏡列(array)，這消除了覆蓋廣角區(qū)的大角度的亮度峰，因此使所述雜散光亮度在天空的亮度以下，并且還顯著性減少雜散光的空間亮度波動；(iii)角度可選擇性過濾器，其吸收不想要的在角度超過某個閾值時的雜散光；(iv)低角度白色光漫射器，其(平均)產(chǎn)生了角度光譜與過濾器脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積(convolution)；任意前面的方式的結(jié)合。需要注意的是，伴隨著任何這些均化器裝置的周期性，由于菲涅爾透鏡的周期性的振動，混疊效應(yīng)可能會出現(xiàn)，其(which)是徑向?qū)ΨQ的。這些剛剛提到的混疊效應(yīng)可以通過選擇合適的菲涅爾和均化器微毫(micro-milli)結(jié)構(gòu)的周期性的比率而降低。

為了提高直接光和漫射光的空間一致性，自由式的光學(xué)元件(例如自由式的透鏡和鏡子)安裝在直射光源和透鏡之間，同樣地，自由式光學(xué)元件和菲涅爾透鏡曲線的設(shè)計的結(jié)合可以進(jìn)行合適地選擇。

使用菲涅耳透鏡以及任何的折射元件的進(jìn)一步的問題是涉及(concerns)到色差。對于這個問題，可以用特殊設(shè)計的菲涅耳透鏡(例如其同時包括折射和衍射的類型，它們具有相反符號的色差)，這種透鏡會降低這種效應(yīng)。進(jìn)一步地或者說另一實施例中，可以考慮在透鏡下游設(shè)置低角度漫射器而沖淡色差，通過前面的卷積的方法，其通常出現(xiàn)的情況會超過1度(deg),

此外，前面格子結(jié)構(gòu)的概念使得該裝置恰當(dāng)?shù)毓ぷ?，即使是在所述期望的天空和太陽的一致性不存在時候。

也正如前面說描述的，為獲得人工光的自然表象，太陽光應(yīng)該比天空光更強(qiáng)，舉例來說，使得當(dāng)集成(integrated)所有的角度時，低cct光應(yīng)該是高cct光的8至2倍，而峰亮度應(yīng)該更強(qiáng)，例如是50-100倍。

也是為了實現(xiàn)自然的效果，如前所述的菲涅爾透鏡不應(yīng)該是圓形而是方形，或更好的是六邊形并且彼此鄰接而覆蓋整個天花板區(qū)域。

最后應(yīng)該指出的是，格子天花板結(jié)構(gòu)170不僅對于直射光源12與用作漫射光發(fā)生器10的瑞利散射器的組合而言是有利的，而且對于漫射光發(fā)生器10由漫射光源組成的實施例而言也是有利的，后者將在下文當(dāng)中進(jìn)行更加詳細(xì)地描述。再次重申，如果該結(jié)構(gòu)170位于外發(fā)光面37的下游，該結(jié)構(gòu)170也可與任何其它光源12相結(jié)合，以及與漫射光發(fā)生器10位于第一發(fā)射面28上游側(cè)的情形相結(jié)合。

對于圖7和8的實施方案，還應(yīng)該提到的是，對于剛剛所描述問題，即關(guān)于在準(zhǔn)直透鏡的整個光孔上亮度不恒定的問題，可以通過使用主透鏡或主反射鏡(如自由曲面透鏡或自由曲面反射鏡)來解決，該主透鏡置于第一發(fā)光裝置60的下游且位于該第一發(fā)光裝置60與準(zhǔn)直透鏡64之間，該主透鏡優(yōu)選為更接近第一發(fā)光裝置60，以便在準(zhǔn)直透鏡64的整個光孔上提供均勻的照明。換言之，該自由曲面透鏡配置為矯平分布到準(zhǔn)直透鏡上的原初光的亮度。

作為示例，圖11a示出的自由曲面透鏡180沿光軸68設(shè)置在第一發(fā)光裝置60和它的準(zhǔn)直透鏡64之間，當(dāng)然，這樣的自由曲面透鏡180也可以應(yīng)用在圖8所示實施例的由第一發(fā)光裝置60和準(zhǔn)直透鏡64組成的每一對當(dāng)中。

請參考圖12，以便更好地理解自由曲面透鏡的問題。在上文中結(jié)合圖9和10所描述，均勻照明的要求通過均勻天空外觀的方式提高了人工照明裝置的最終感知的。然而，由于光在第一發(fā)光裝置60與準(zhǔn)直透鏡64之間的傳播上，在透鏡64的在輸入表面(孔徑)上的亮度分布通常而言是非均勻的。另外，為了盡量減少光的損失，對于在透鏡64的輸入表面上的光分布而言，還要求該透鏡64的孔徑區(qū)域之外的亮度迅速減小。

第二個重點(diǎn)是光源60在觀察者的眼睛當(dāng)中的視覺外觀。由于要得到的人工“太陽”的圓形圖像，因此需要一種圓形外觀的第一發(fā)光裝置60。

自由曲面透鏡可以實現(xiàn)一個或甚至大部分的前述要求。尤其是，如圖12的左側(cè)所示，可以通過利用光學(xué)元件對軸向周圍以低傳播角度朝外發(fā)射區(qū)域傳播的光進(jìn)行重新定向，以便滿足均勻照明的要求

在一定的傳播距離之后，這種強(qiáng)度分布可實現(xiàn)在目標(biāo)物上足夠的一致性。

在一個具體的實施方案中，自由曲面透鏡180設(shè)有一個圓形形狀，當(dāng)自由曲面透鏡180通過透鏡64成像于觀察者的眼睛當(dāng)中時，該圓形形狀有利于形成圓形光源的視覺外觀。

最后，應(yīng)該指出的是，與自由曲面透鏡不同的光學(xué)元件也可以適用于上述的要求。例如，反射式復(fù)合拋物面聚光器cpc也可以用于在透鏡64上實現(xiàn)均勻的照明。與自由曲面透鏡的情況類似，這樣的cpc的輸出孔徑可以是圓形的，以便于cpc的輸出孔徑通過透鏡64成像于觀察者的眼睛當(dāng)中時，有利于形成圓形光源的視覺外觀。

為完整起見，圖11b示出了在第一發(fā)光裝置60前面(即下游)使用這樣的反射cpc182的替代方案。

對于圖11a、11b和12所示的實施例，由于自由曲面透鏡180或cpc182的存在，需要對第一發(fā)光裝置60的寬度74以及第一發(fā)光裝置60與透鏡64之間的距離66進(jìn)行校正，以克服制造上的誤差。

值得注意的是，圖11a、11b和12的實施例也可與圖8的實施例進(jìn)行組合。此外，圖11a、11b和12的實施例還可與圖9和10的實施例進(jìn)行組合。

迄今所提供的直射光源12的實施例，在某些情況下，在實現(xiàn)天空/太陽窗口外觀或上述確定的亮度角分布約束條件的過程中，會出現(xiàn)由于散射問題或類似問題所導(dǎo)致的小問題。按照下文進(jìn)一步概述的實施方案中，這些問題通過使用圖5至8、11a、11b和12中任何一種直射光源12與接下來所描述的微光學(xué)光束均化層來解決，任何前述實施例的直射光源9用作一個產(chǎn)生預(yù)準(zhǔn)直光的準(zhǔn)直光源190，微光學(xué)光束均化層192位于準(zhǔn)直光源190的下游側(cè)和漫射光發(fā)生器10的上游側(cè)，第一發(fā)射面28位于光束均化層192與漫射光發(fā)生器10之間，或位于漫射光發(fā)生器10的下游。微光學(xué)光束均化層192這樣定位能夠第一準(zhǔn)直光束變換為第二準(zhǔn)直光束，第一準(zhǔn)直光束的特點(diǎn)為存在從準(zhǔn)直光源190入射到微光學(xué)光束均化層192的雜散光，第二準(zhǔn)直光束的發(fā)散度等于或大于第一準(zhǔn)直光束的發(fā)散度，但不存在雜散光。這樣的第二準(zhǔn)直光束從第一發(fā)射面28朝漫射光發(fā)生器10出射，如圖13所示。在一個不同的實施例中，第一發(fā)射面28被定位在漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)射面34的下游或與之重合，從而該第二準(zhǔn)直光束從光束均化層192出射并朝第一出射面28入射到漫射光發(fā)生器10。

在使用菲涅爾透鏡以實現(xiàn)準(zhǔn)直透鏡64的情況下，剛剛描述的雜散光可能源自于一些菲涅爾透鏡的非理想的表現(xiàn)方式，由于從菲涅耳透鏡64的凹槽尖端的散射以及多重內(nèi)反射等因素，由第一發(fā)光裝置60照射的菲涅爾透鏡64的亮度分布曲線圖在窄峰30之外不變?yōu)榱恪Ｏ喾?，它具有剩余分布，無論是在角度還是位置方面都是規(guī)整的，這最終使得圖7和8的菲涅爾透鏡64成為清楚可見的發(fā)光物體，相反地，需要提供完全黑暗和均勻的背景。像這樣的問題，也可能發(fā)生在已經(jīng)描述過的直射光源和準(zhǔn)直光源190的其它實施例中。

即使這樣的亮度背景較低，例如低于峰值亮度值的1％，由于其不均勻性和由于漫射光發(fā)生器10的透明度，這樣的亮度背景可能是看得見的，從而破壞了自然天空的質(zhì)量。為了解決這樣的問題，也可以使用微光學(xué)光束均化層192，該特定實施例將在下面進(jìn)一步描述。

結(jié)合圖14a-c，對微光學(xué)光束均化層192的第一實施例進(jìn)行描述。圖14a-c示例性地示出了一個光發(fā)射器和準(zhǔn)直器的組合，例如第一發(fā)光裝置60和菲涅爾透鏡64組合作為準(zhǔn)直光源190。但正如前面段落所提到的，圖14a-c所例示的光束均化層192可與上述直射光源12的任一種實施例進(jìn)行組合，以便構(gòu)成包含準(zhǔn)直光源190和光束均化層192組合的直射光源12的進(jìn)一步的實施例。

圖14a-c的微光學(xué)光束均化層192包括微透鏡194的二維陣列和成形為吸收層202的吸收體，吸收層202上穿設(shè)有小孔196的二維陣列，小孔196位于并且沿微透鏡194的二維陣列的下游延伸，以便使每個微透鏡194具有一個與其相關(guān)聯(lián)小孔196。在圖14a的實施例中，直射光方向32垂直于含有微透鏡194二維陣列的平面，每個小孔196與相應(yīng)的微透鏡194之間的距離對應(yīng)于該微透鏡194的焦距198，且小孔196位于與直射光方向32一致的方向上。由于下面將要更加詳細(xì)說明的原因，微透鏡194優(yōu)選為具有直徑dm的圓形光孔。優(yōu)選地，直徑dm小于5毫米，小于3毫米更好，小于1.5毫米最好。優(yōu)選地，微透鏡194盡可能靠近地封裝在一起形成二維陣列，例如獲得盡可能高的密度，而按照圖7和8所示任一種實施例的準(zhǔn)直光源190中，面向一個準(zhǔn)直透鏡64的微透鏡194的數(shù)量，將很可能高于圖14a-c所示的數(shù)量。例如，微透鏡194和小孔196在各自的二維陣列中的間距，可以等于直徑dm或至少小于1.5×dm。

此外，微透鏡194的焦距fm198可選擇為滿足dm/fm<2·tan(7.5°)，dm/fm<2·tan(5°)更好，dm/fm<2·tan(2.5°)最好。作為示例，圓形的小孔196的直徑，按照從準(zhǔn)直光源190入射到光束均化層192的準(zhǔn)直光的hwhm發(fā)散度進(jìn)行選擇，例如，dm可以滿足

使用這些約束條件，以上適用于亮度分布曲線圖ldirect的約束條件可以在光束均化層192(按照圖14a-c的實施例形成第一發(fā)射面28)的下游側(cè)實現(xiàn)。在一個不同的實施方案中，如下所述，第一發(fā)射面28可位于光束均化層192的下游，使得對亮度分布曲線圖ldirect的約束條件將只在這個表面實現(xiàn)。在小孔196為非圓形狀的情況下，dm可以表示與小孔196具有相同面積的圓的直徑。

如圖14a-c所示，微光學(xué)光束均化層192可以進(jìn)一步包括成形為信道間隔結(jié)構(gòu)200的吸收體，其配置為減小微透鏡194和小孔196的相鄰對之間的串?dāng)_。具體的地，信道間隔結(jié)構(gòu)200可以由管所形成，每一個管沿方向32延伸，其中一個微透鏡194位于相應(yīng)的管的上游側(cè)，而且其中一個小孔196位于相應(yīng)的管的下游側(cè)。較好地，信道間隔結(jié)構(gòu)200吸收可見光區(qū)的光，并且對于入射到信道間隔結(jié)構(gòu)200的可見光具有高于70％的吸收率，高于90％更好，高于95％最好。信道間隔結(jié)構(gòu)200可以填充微透鏡194之間的空間204，如圖14b所示。

因此，光束均化層192的該實施方式采用了一層朝向準(zhǔn)直光源190發(fā)射的準(zhǔn)直光前端的透鏡194，以及設(shè)置在這些透鏡194的焦平面的吸收掩模202，吸收掩模202上具有一系列的小孔196。沿方向32，每個小孔196的中部或正中心對應(yīng)于透鏡陣列的一個透鏡194的中部或正中心，即透鏡194和小孔196彼此對齊。通過這種構(gòu)造方式，輸出角分布ldirect呈現(xiàn)為平頂分布，其與透鏡194光孔形狀相同，即如果使用方形透鏡光孔，它是一個正方形的平頂；如果采用六邊形的透鏡194光孔，則是一個六邊形的平頂。為了在觀察者的眼中呈現(xiàn)圓形圖像，有必要采用圓形光孔的透鏡194。小孔之間的空間(即空間204)應(yīng)該是吸收光的，諸如涂黑而形成吸收層。通過測量的輸出光束的發(fā)散度，與焦距fm以及透鏡194的全直徑dm相關(guān)，即

通過引入平頂分布的模糊，從準(zhǔn)直光源190入射到透鏡194陣列的光束發(fā)散度影響輸出發(fā)散度從而圓形圖像的銳度平滑化。小孔196的直徑也影響輸出角分布ldirect的清晰度：小孔196越小，則圖像越清晰；然而，較小的小孔196與鏡頭194陣列前方相對較大的發(fā)散，也意味著該吸收面膜202產(chǎn)生更多的損耗。

圖14a-c所示的光束均化層192的優(yōu)點(diǎn)在于，最后一層(即布置在光束均化器的下游端的那層)是一個具有二維小孔陣列的黑色(吸收)層，其在透鏡194陣列與觀察者的眼睛之間形成掩模。因此，就實現(xiàn)反射亮度最小化這個目標(biāo)而言，圖14a-c的實施例具有最佳的性能，即在該裝置處于關(guān)閉狀態(tài)時，確保了直射光源12具有黑色的外觀。

然而，為了避免由于傳播區(qū)和吸收區(qū)的交替而導(dǎo)致的小孔層202對應(yīng)圖像的像素紋理，可以在小孔層202的下游設(shè)置小角度白光漫射器230，如下所述，為了使小孔196圖像模糊化，并確保在小角度白光漫射器230平面上的均勻亮度，該平面可與第一發(fā)射面28重合。為了防止亮度分布曲線圖的窄峰30處的過度模糊，白光漫射器230采取hwhm響應(yīng)函數(shù)≤10°，優(yōu)選為≤5°，更優(yōu)選為≤2°。為了確保亮度一致性，白光漫射器230與小孔層202所在平面分開足夠的距離，例如間隔開fm的一至三倍的距離。然而，不一定總是必要使用白光漫射器230，例如當(dāng)觀察者需要從遠(yuǎn)距離(例如3-5米的距離)觀察照明裝置時，或者當(dāng)透鏡194的直徑dm對于觀察者的預(yù)見距離足夠小時(例如小于1mm，優(yōu)選為小于0.5mm)，白光漫射器230并不是必需的。

值得一提的是，將透鏡194陣列與小孔196陣列配準(zhǔn)的問題可通過依賴于透鏡194陣列本身而直接制造小孔196陣列的方式來解決。例如，可以利用由透鏡194聚焦的高強(qiáng)度激光在吸收層202上蝕刻以形成小孔196，該吸收層202在制造過程的開始階段為沒有任何孔/小孔196的連續(xù)層。通過控制該激光束的功率和發(fā)散度，可獲得合適的小孔尺寸(即小孔直徑dm)。

作為一個例子，采用1.5毫米孔徑和1.7厘米焦距的透鏡194，可以實現(xiàn)2.5°的半角輸出發(fā)散度，接近上述所需的直射光發(fā)散度。

使用所述的信道間隔結(jié)構(gòu)200(盡管是可選擇性的使用)是為了防止透鏡194和小孔196的相鄰對組之間的串?dāng)_效應(yīng)。這種串?dāng)_效應(yīng)可表現(xiàn)為，在中心的高強(qiáng)度太陽圖像周圍產(chǎn)生一系列的太陽圖像重影。當(dāng)以足夠大的傳播角(例如大于(dm/fm)-(dm/(2fm))弧度，如圖14a的射線206所示)入射至光束均化層192的光束中存在強(qiáng)烈雜散光時，這些情況可能就會發(fā)生。在這種情況下，這種以大角度傳播的強(qiáng)烈雜散光206會被一個透鏡194聚焦至與相鄰?fù)哥R194相關(guān)聯(lián)的小孔106中。

如14a-c所示，以上所說明的信道間隔結(jié)構(gòu)可通過吸收材料構(gòu)成的管的陣列來形成，即每個透鏡194和小孔196組成的對具有一根管，這些管構(gòu)成位于透鏡194陣列和小孔196陣列之間的第三元件陣列。如果沒有信道間隔結(jié)構(gòu)200，以大角度入射到透鏡194陣列的光會聚焦到相鄰的小孔(即屬于相鄰?fù)哥R194的小孔)上，而當(dāng)設(shè)置有信道間隔結(jié)構(gòu)200時，這些光會被信道間隔結(jié)構(gòu)200吸收，從而消除了串?dāng)_。在后一種情況下，輸出小孔層200也可以除去，這是由于它們可由信道間隔結(jié)構(gòu)200本身的管的小孔所取代，其代價是將角模糊加入到輸出亮度分布中。

因此，在圖15所示的另一實施方式中，微光學(xué)光束均化層192包括一個微透鏡194的二維陣列和成形為信道間隔結(jié)構(gòu)的吸收器，該信道間隔結(jié)構(gòu)為在微透鏡194二維陣列下游延伸的微管200的二維陣列，使得每個微透鏡194都具有一個與其相關(guān)聯(lián)并從相應(yīng)的微透鏡194沿直射光方向32延伸的微管，這與圖14a-c的實施例的情況類似。對于微透鏡194的直徑dm和微透鏡194的焦距fm，可參考針對圖14a-c的實施例的描述。對于圖15中標(biāo)記為211的微管200的長度l，該長度l不一定要等于fm，而是可以在0.5fm<l<1.2fm的范圍內(nèi)變化。

圖16示出了微光學(xué)光束均化層192的另一實施例。用于正如它是與相應(yīng)的圖的情況。正如圖14a-c和圖18所示的情況，所示的微光學(xué)光束均化層192與準(zhǔn)直光源190相結(jié)合，以便形成直射光源12的進(jìn)一步的實施例，雖然該準(zhǔn)直光源190(包括發(fā)射器和準(zhǔn)直器)示例性地示出為包括菲涅耳透鏡64和第一發(fā)光裝置60的組合，正如圖7所示實施例的情況，然而之前結(jié)合圖5-8、11和12所描述的任一種實施例都可用于實現(xiàn)準(zhǔn)直光源190。

圖16的微光學(xué)光束均化層192包括焦距為fm1的微透鏡210的第一個二維陣列、焦距為fm2的微透鏡212的第二個二維陣列以及成形為吸收層220的吸收器，該吸收層220穿設(shè)有小孔214的陣列并布置在第一微透鏡陣列210和第二微透鏡陣列212之間，以便形成以陣列狀方式(例如六方結(jié)構(gòu)或類似方式)橫向分布的望遠(yuǎn)鏡216的陣列，望遠(yuǎn)鏡216的望遠(yuǎn)鏡軸線彼此平行并且平行于直射光方向32。在每個望遠(yuǎn)鏡216中，相應(yīng)的小孔214、第一個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡210和第二個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡212沿著望遠(yuǎn)鏡軸線布置，小孔214與第一個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡210之間的距離為fm1，小孔214與第二個二維陣列中對應(yīng)的微透鏡212之間的距離為fm2，其中fm2<γ·fm1,而γ<1,優(yōu)選為γ≤0.9,更優(yōu)選為γ≤0.85。望遠(yuǎn)鏡216的陣列的下游側(cè)外表面218可包括抗反射涂層。

在圖16的實施例中，光束均化層192由透鏡210、212的兩個陣列和小孔214的中心陣列構(gòu)成，小孔214置于兩個透鏡210和212的焦平面中，可以由吸光材料的薄層切割而成。因此，圖16的結(jié)構(gòu)類似于圖14a-c和18中所示的微光學(xué)光束均化系統(tǒng)，只是增加了透鏡212的陣列。每個透鏡210的孔徑對應(yīng)于下游陣列的透鏡212的孔徑，小孔214以兩個透鏡210和212之間的軸線217為中心。從而，光束均化層192形成的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡濾光器。形成有小孔214的吸收層220形成為消除所有空間分量，即傳播角，其位于小孔214以外的焦平面上。光束均化層的輸出發(fā)散角以全寬測量，其最低值在fm1/fm2乘以入射到光束均化器192的光的輸入半寬發(fā)散角以及之間，其中dm是小孔214的小孔直徑。觀察者的眼睛內(nèi)所形成的圖像是下游陣列的單個透鏡212的焦平面的圖像。相應(yīng)地，小孔214的圓形形狀給出了圓形圖像。在存在準(zhǔn)直透鏡64的情況下，準(zhǔn)直透鏡64與透鏡210將原初光源60在中心小孔214上成像。因此，類似于圖7和8所示的裸露的準(zhǔn)直透鏡的情況，圖16的直射光源12在觀察者的眼睛內(nèi)形成原初光源60的圖像，這可能會通過小孔孔徑214削減。從準(zhǔn)直光源190入射到透鏡210陣列上的光線呈現(xiàn)初始發(fā)散度，例如在從準(zhǔn)直透鏡64出射時，焦距fm1和fm2應(yīng)該是不相同的。對于1：1的望遠(yuǎn)鏡216，假設(shè)射到第一陣列210的透鏡上的光具有輸入發(fā)散角，使得在第二陣列212的平面上生成光斑，其大于第二陣列212的相應(yīng)透鏡的最大孔徑。這種情況導(dǎo)致相應(yīng)透鏡周圍的相鄰?fù)哥R受到不需要的光照。從幾何方面考慮，對于給定的輸入發(fā)散角，下游陣列的較短焦距fm2可在避免上述影響的前提下實現(xiàn)對陣列212的單個透鏡的輸出孔徑的充分照明。

為了減少在吸收層220處的損失，小孔的直徑dm可以根據(jù)從準(zhǔn)直光源190入射的光束的發(fā)散度進(jìn)行優(yōu)化選擇。例如，如果原初光源60不表現(xiàn)為圓形形狀，則在對應(yīng)的小孔214處會存在損失。與圖14和15的光束均化層192的情形相反，圖16的實施例不要求透鏡210的光孔是圓形的，也不要求將其輸入表面部分涂黑。也就是說，透鏡210的光孔可以彼此鄰接以形成連續(xù)相，從而與從準(zhǔn)直光源190向前的入射光的橫向尺寸重疊，例如圖8所示的準(zhǔn)直透鏡64或這種透鏡64陣列的橫向尺寸。

在中間吸收層220中的小孔214可以通過使用由第一陣列的透鏡210聚焦的高強(qiáng)度激光束來寫入，類似于上文中結(jié)合圖14a-c所述的制造過程。

也就是說，可以使用激光打印而在上述微光學(xué)光束均化層形成小孔，首先形成與已披露的均化器基本相同的元件，該元件與已披露的均化器的區(qū)別為，在需要形成小孔的表面沉積連續(xù)的昏暗層(obscurantlayer)，然后通過用適合的準(zhǔn)直激光束照射上述元件，以進(jìn)行小孔的激光微加工過程，所述準(zhǔn)直激光束穿過上游的微透鏡層，使得微透鏡將激光束聚焦在需要形成小孔的確切位置，同時調(diào)節(jié)曝光時間和光束發(fā)散度，從而獲得所需的小孔直徑。

對于圖14a-c和圖15的光束均化層的輸出層的像素紋理化的考慮也適用于圖16所示的情形。因此，透鏡212的通光孔徑可以小于5毫米，優(yōu)選為小于3毫米，最優(yōu)選為小于1.5毫米。然而，由于最終的發(fā)散度同透鏡210及212的透鏡孔徑與焦距fm1及fm2之間的比值不相關(guān)，透鏡210和212的焦距fm1和fm2可以分別約等于透鏡210和212的孔徑，即比起圖14和15所示實施例的情形要短得多。

應(yīng)該注意的是，在光束中存在的強(qiáng)烈的雜散光，以足夠大的傳播角度沖擊到光束均化器層192，例如大于(dm/fm1)-(dm/(2fm1))的弧度，其中dm和dm是透鏡210和小孔214的直徑，相應(yīng)地，在圖16的實施例中也可能出現(xiàn)串?dāng)_(crosstalk)，正如圖14的實施例所描述的那樣。所述的串?dāng)_源自于通過透鏡210聚集的光222進(jìn)入到屬于相鄰?fù)哥R210的小孔中，這可能造成在大的傳播角度下出現(xiàn)期望輸出的點(diǎn)的微弱的復(fù)制點(diǎn)(replicas)，這依賴于透鏡210的光孔(aperture)、焦距fm2和小孔直徑dm。在這個角度下所述的微弱的預(yù)期輸出點(diǎn)的復(fù)制點(diǎn)可能是可見的，這個角度對于圖16的實施例來說大于圖14，例如大約45°，其原因是當(dāng)間距(pitch)和焦距之間的比率的值變大時，因而得到更大的范圍，在這個更大的角度下，相對于透鏡194由透鏡210觀察到鄰近的小孔。對于圖16的實施例的情況，例如，在第一級串?dāng)_的情況下，通過次級望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)所述的串?dāng)_(即通過輸入透鏡210和輸出透鏡形成該望遠(yuǎn)鏡，輸出透鏡為設(shè)置在透鏡210的第二個相鄰的物體且安裝在輸入透鏡210的前面)不能夠傳播準(zhǔn)直化光。實際上，所述次級望遠(yuǎn)鏡的軸線相對于方向32進(jìn)行了明顯的傾斜(例如，大約45°,典型的情況是)，所述次級望遠(yuǎn)鏡的小孔214和輸出透鏡2112之間的距離大于fm2(例如大約是√2倍)，而在次級望遠(yuǎn)鏡軸的方向上，透鏡212的實際焦距明顯地比正常值fm2短，這是由于大的工作角度所引起的散光。在這種情況下，鑒于所述小孔偏離了在次級望遠(yuǎn)鏡軸的方向上透鏡212的實際焦點(diǎn)，最終沿著平行方向從透鏡212出射的光線會被小孔214阻隔。次級望遠(yuǎn)鏡不能夠傳播平行的光線，這一事實避免了串?dāng)_的形成，串?dāng)_會導(dǎo)致了亮度分布曲線圖中的次級窄峰，即峰30可比較(comparable)寬度的峰。換句話說，由于串?dāng)_更加迷離而可能形成次級點(diǎn)，進(jìn)而比初始點(diǎn)的可見性更低，即使是在非準(zhǔn)直化光沖擊到光束均化器層192上的情況下也是這樣。由于相對于方向32的更大望遠(yuǎn)鏡軸的角度，更高級別的串?dāng)_會導(dǎo)致更強(qiáng)的迷離效應(yīng)。因此，只要圖14的實施例是在沒有通道分離結(jié)構(gòu)200工作的情況下，相比于圖14的實施例，圖16中的實施例具有產(chǎn)生更加微弱串?dāng)_的優(yōu)勢，價格的變化(played)與需要(registering)相對于透鏡210安裝的透鏡212的陣列的需要相關(guān)。

在進(jìn)一步的實施方案中，吸收管的陣列(即吸收信道間隔結(jié)構(gòu)224)位于透鏡210陣列的下游，其中每個望遠(yuǎn)鏡216具有一個吸收管。正如圖14a-c和15所示實施例當(dāng)中的信道間隔結(jié)構(gòu)200，所述吸收信道間隔結(jié)構(gòu)224具有消除串?dāng)_222的功能，盡管正如剛剛所描述的，串?dāng)_222的不利影響不像之前的實施例那么大。此吸收信道間隔結(jié)構(gòu)224的間隔可以形成與透鏡210直接接觸的柵格。由于圖16當(dāng)中透鏡的直徑和焦距之間的比值可以比圖14a和15的透鏡194的相應(yīng)比值大得多，例如為3-30倍，吸收信道間隔結(jié)構(gòu)224的長寬比(即吸收信道間隔結(jié)構(gòu)224的單個管的管長度226除以透鏡210的孔徑228)要比圖14和15所示情形低得多，例如在0.5-3的范圍，因此對于技術(shù)努力的要求會低得多。

值得注意的是，管的長度226比fm1短，例如比fm1短25％，足以消除串?dāng)_，這從幾何方面考慮是顯而易見的(參照圖16)。

在圖16的實施方式中，對于透鏡212的陣列所形成的外表面218發(fā)射的光的特性，并且特別是涉及與空間周期性等于透鏡212間距的亮度調(diào)制相關(guān)的潛在問題，本發(fā)明人認(rèn)識到，如果輸入透鏡210被準(zhǔn)直光源190均勻地照射，并且比率fm1/fm2選擇為合理匹配準(zhǔn)直光源190的光束發(fā)散度，即在透鏡212上形成的光斑匹配該透鏡的尺寸，則可以保證高均勻性，在這種情況下，事實上，望遠(yuǎn)鏡216再現(xiàn)到表面218(軸向反轉(zhuǎn))的亮度分布曲線圖具有透鏡210的內(nèi)表面，但除去大角度分量，即不會以透鏡間距增加主要的亮度調(diào)制。這就是說，盡管建議間距值小于5mm，然而更高的間距值也是可能的，只要對該望遠(yuǎn)鏡216進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計以匹配準(zhǔn)直光源190的特性。

對于當(dāng)準(zhǔn)直光源190關(guān)閉(即當(dāng)外部照明)時由透鏡212陣列形成的表面218的外觀，發(fā)明人注意到，由于吸收層220及可能的吸收信道間隔結(jié)構(gòu)224的存在，往上游方向穿過透鏡212的(除了連接至第一發(fā)光裝置60的)光線被吸收。這種情況確保了往上游方向穿過透鏡212的光線不產(chǎn)生反射亮度，除了可能出現(xiàn)在光源60發(fā)生的少量反射外，然而其落在窄峰30內(nèi)，因此不會產(chǎn)生任何干擾。對反射亮度的貢獻(xiàn)可能由透鏡212的直接反射所產(chǎn)生。為此，如果選用大光孔(即大于1-3mm)的透鏡212，可以在透鏡212上涂覆抗反射涂層，以避免發(fā)生眼睛能夠發(fā)現(xiàn)的反射亮度周期性調(diào)制的風(fēng)險。

一般來說，光束均化器也可以形成二維串聯(lián)透鏡陣列，即兩個相同的微透鏡陣列位于彼此的焦距的距離上。對于這種情況的實施例，陣列的微透鏡的間距(pitch)將設(shè)置為比成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器的間距(pitch)小，這與其它具有光束均化器的實施例的情況相同。第一(下游)微透鏡陣列把這種光(incidentlight)分割為單個子束。這些子束隨之由第二微透鏡陣列重新定向。在疊加的平面(在遠(yuǎn)場中)中，獲得了通常被稱為“平頂”的一致的亮度。

所有上述直射光源12的實施例可以通過對人工照明裝置20的直射光源12另外提供小角度白光漫射器230而進(jìn)行擴(kuò)展。如圖17和18所示，小角度白光漫射器230可位于漫射光發(fā)生器10的上游或下游，對與將小角度白光漫射器230放置在漫射光發(fā)生器10上游側(cè)的情況，后者位于直射光源12的外部及下游側(cè)，如圖20所示。在其他情況下，例如，小角度白光漫射器230位于漫射光發(fā)生器10的下游側(cè)，則小角度白光漫射器230表示屬于及位于直射光源12內(nèi)部光路內(nèi)的裝置。在兩種情況下，直射光源12的第一發(fā)射面28都形成在小角度白光漫射器230上，即它的外表面上。對于圖18的情況，旨在表示當(dāng)漫射光發(fā)生器10從照明裝置20中物理移除時，在小角度白光漫射器230的外表面(即背對漫射光發(fā)生器10的表面28)上的可測量的亮度。在圖18中，附圖標(biāo)記12'用來識別直射光源12的位于漫光發(fā)生器10上游的部分。圖18中的大括號表示了部分12'和部分230都屬于直射光源12。至于反射亮度分布曲線圖lr而言，同樣可以根據(jù)圖18中所示的漫射光發(fā)生器10保留在直射光源12內(nèi)的情況進(jìn)行限定。例如，小角度白光漫射器230配置為使得在ldirect窄峰30出產(chǎn)生模糊。這樣當(dāng)白光漫射器230位于漫射光發(fā)生器10的上游或下游時，都會發(fā)生這樣的模糊。

小角度白光漫射器230例如可以包括形成在透明層材料外表面的隨機(jī)分布的微折射鏡，如微透鏡、微空隙、微棱鏡、微劃痕，或這些情況的組合，或者透明微顆粒在透明塊狀材料中的分散體，其中透明微顆粒與透明塊狀材料之間的折射率適當(dāng)?shù)劐e配。即，對于透明微顆粒在透明塊狀材料中分散的情況，透明微顆粒和透明塊狀材料之間的折射率不一致可以適用。然而，白光漫射器的其他一些實施方案也是可能的。

需要注意的是，由于入射到小角度白光漫射器的光線可以僅經(jīng)歷小角度偏轉(zhuǎn)(例如小于2.5°)，根據(jù)“透明”在本發(fā)明上下文中的定義，小角度白光漫射器通常為幾乎透明的元件(如果穿過某一元件的光線不經(jīng)歷大于2.5°的角度偏轉(zhuǎn)，則該元件可認(rèn)為是透明的；見下文)。相應(yīng)地，穿過該漫射器而經(jīng)歷小角度偏轉(zhuǎn)的光線在這里視為透射線(詳見下文)。然而，根據(jù)所需的功能，這里所考慮的小角度白光漫射器通常應(yīng)該確保大部分的透射線(例如，至少50％，優(yōu)選70％，最優(yōu)選超過95％)至少經(jīng)歷一些角度偏轉(zhuǎn)(例如至少0.5°的偏差)。換言之，該漫射器應(yīng)保證低的規(guī)則透射率(例如，規(guī)則透射率低于50％，優(yōu)選低于30％，最優(yōu)選低于5％)。

小角度白光漫射器230可以對直射光亮度分布曲線圖ldirect具有以下的積極效果的。特別是，這種白光漫射器230的散射截面可以設(shè)置為2°-10°。第一個范圍是模糊化ldirect分布當(dāng)中任何尖銳的角峰，即hwhm小于1.5°-10°的峰值，這有可能發(fā)生在窄峰30之外。因此在這里，用于減少ldirect分布當(dāng)中尖銳的副角峰。為此目的，漫射器可位于所述亮度角度峰起源的平面的任何下游的平面。第二個范圍是模糊化以降低由明亮度、空間定位和位置所產(chǎn)生的亮度值及其空間導(dǎo)數(shù)(spatialderivative)，以及提高亮度分布曲線圖的空間一致性。為此目的，小角度白光漫射器應(yīng)該定位在離所述亮斑發(fā)生的平面(圖14的實施例中的小孔196的平面)一定的距離。為了允許每個局部的亮斑在該平面上產(chǎn)生足夠大且足夠淡的模糊亮斑。這樣做時，小角度白光漫射器引起在空間亮度分布曲線圖的模糊化，其中(在規(guī)則透射率可忽略的的情況下)一個點(diǎn)被模糊成一個模糊光斑，其半徑約等于漫射角響應(yīng)的正切和原始亮度平面與漫射器之間距離的乘積。當(dāng)然，新的模糊亮度分布曲線圖發(fā)生在漫射器平面。例如，觀察者在減去一個系數(shù)的亮度下看到原始尺寸為ds的局部光斑，如果一個2.5°hwhm白光漫射器230以距離設(shè)置在該光斑的下游，其中對于具有窄角響應(yīng)的白光擴(kuò)散器，比例更大的距離是必要的。

到現(xiàn)在為止，針對直射光源12的不同實現(xiàn)方式，已經(jīng)描述了人工照明裝置20的各種實施例。接下來，針對漫射光發(fā)生器10的不同實現(xiàn)方式進(jìn)行描述。以下的描述可以與上述實施方案中的任一種進(jìn)行組合。

圖19a示出了直射光源12和漫射光發(fā)生器10的一種可能的相對布置。在該圖中，漫射光發(fā)生器10配置于直射光源12的下游側(cè)。這些元件中的其它可能的相對布置之前已經(jīng)描述過，并將在下面進(jìn)一步討論。在圖19a中，漫射光發(fā)生器10的背面通過由直射光源12和第一發(fā)射面28產(chǎn)生的直射光236照亮。如上所述，由于漫射光發(fā)生器10對于直射光236或者從原初光演變并形成直射光236的任何中間光而言至少是部分透明的，從而在漫射光發(fā)生器10的前表面/外發(fā)射面37產(chǎn)生透射光部分238。

除此之外，漫射光發(fā)生器10產(chǎn)生漫射光242，如下面將更詳細(xì)地描述，該漫射光發(fā)生器10可以配置成通過漫射的一部分入射光(例如直射光236或者從原初光演變并形成直射光236的中間光)的方式來產(chǎn)生漫射光242，和/或通過額外發(fā)射漫射光來產(chǎn)生漫射光242。如上面已經(jīng)描述的，漫射光發(fā)生器10可以呈現(xiàn)為一個面板、一個層或者沉積在第一發(fā)射面28或其它一些透明基板上的層堆棧，然而，其他結(jié)構(gòu)也是可行的。

優(yōu)選地，由直射光源12發(fā)出的直射光236覆蓋光譜的可見區(qū)，即400納米至700納米之間的波長。優(yōu)選地，直射光236的光譜的光譜寬度δλ大于100納米，大于200nm更好，其中所述光譜寬度δλ可以被定義為直射光236的光譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差。從而，直射光236的光譜具有相關(guān)聯(lián)的cct值，下文稱為cctdirect。

優(yōu)選的是，如果漫射光發(fā)生器10構(gòu)造成不增加透射光238的cct，即ccttrans≤cctdirect，但偏差也是可能的。至于漫射光242而言，其具有移向較短波長的光譜，從而相對于直射光236具有更高的cct，并且在任何情況下，具有比透射光238的cct更高的cct，即cctdiffuse>cctdirect和cctdiffuse>ccttrans。優(yōu)選地，光236和238為準(zhǔn)直光，即具有窄角分布，并且光236、242和238的光譜基本上獨(dú)立于角方向(當(dāng)光譜標(biāo)準(zhǔn)化至它們的峰值)。在這種情況下，cctdiffuse、cctdiffuse和ccttrans的定義很簡單明了。然而，為了更精確，并在一般情況下，cctdirect可以定義為相對于由照明裝置20產(chǎn)生的光在窄峰30內(nèi)的平均譜的cct，即在內(nèi)，當(dāng)漫射光發(fā)生器10沒有被物理地安裝到裝置20中進(jìn)行工作；ccttrans可以定義為相對于由照明裝置20產(chǎn)生的光在窄峰30內(nèi)的平均譜的cct，即在內(nèi)，當(dāng)漫射光發(fā)生器10被物理地安裝到裝置20中進(jìn)行工作；cctdiffuse可以定義為相對于由照明裝置20產(chǎn)生的光在遠(yuǎn)離方向32的方向上的平均譜的cct，例如為角度當(dāng)直射光源12和漫射光發(fā)生器10都在照明裝置20內(nèi)工作；所有裝置都在所有空間和方位坐標(biāo)中預(yù)制。

如上面已經(jīng)描述的，漫射光發(fā)生器10可以體現(xiàn)為或者可以至少包括漫射板，該漫射板配置為在可見光區(qū)域內(nèi)能比較長波長更有效地漫射較短波長(即400至700納米)的入射光，從而表現(xiàn)為類似于實際天空中太陽光的瑞利散射。例如，該漫射器構(gòu)造成，在采用d65標(biāo)準(zhǔn)光源的情況下，使得該漫射器對于波長在400納米至550納米區(qū)間內(nèi)的漫射/散射部分的光通量為對于波長在550納米至700納米區(qū)間內(nèi)的入射光部分的光通量的至少1.1倍，優(yōu)選為至少1.2倍，更優(yōu)選為至少1.3倍。

例如，cctdiffuse為ccttrans的至少1.2倍，優(yōu)選為大于1.3倍，更優(yōu)選為大于1.4倍。cctdiffuse與cctdirect相比較，cctdiffuse可以是cctdirect的1.2倍，或優(yōu)選為大于1.3倍，或更優(yōu)選為大于1.4倍。

對于剛剛提到的瑞利狀漫射器的情況，該漫射器也可以相對于cctdirect降低ccttrans，透射光238表示入射光的沒有被散射/漫射、不屬于漫射光242的那部分剩余分量。

優(yōu)選地，所述漫射光發(fā)生器10(不管它是漫射器和/或漫射光源)不吸收入射光的顯著部分。優(yōu)選地，所述漫射光發(fā)生器10吸收低于20％的入射光的光通量，更優(yōu)選的是低于10％。然而應(yīng)該指出的是，一些入射光被散射或反射回上游方向而遠(yuǎn)離輸入表面33。當(dāng)比較入射光的反向散射部分和入射光的向前散射部分(即遠(yuǎn)離第二發(fā)射面34而朝向下游方向)，則透射的漫射光部分242應(yīng)當(dāng)優(yōu)選為大于反向散射部分，例如按光通量計，至少為反向散射部分的1.1倍，優(yōu)選為1.3倍，更優(yōu)選1.5倍或甚至2倍。

就反射和反向散射部分的總和而言，即入射光被漫射光發(fā)生器10反射回來或散射回來的那部分，優(yōu)選為低于入射光的光通量的40％，更優(yōu)選的是低于25％，或低于10％，甚至低于入射光的光通量的5％。

圖20示出的實施例中，漫射光發(fā)生器10配置為包含第一材料構(gòu)成的固體基質(zhì)的漫射器250，其中第二材料構(gòu)成的納米顆粒254分散于固體基質(zhì)252內(nèi)。納米顆粒材料的折射率不同于固體基質(zhì)252的材料的折射率。這兩種材料基本上不應(yīng)該吸收在可見光波長范圍內(nèi)的電磁輻射。例如，第一材料可以是透明樹脂。例如，第二材料可以是無機(jī)氧化物，例如氧化鋅、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅、氧化鋁。

納米顆粒254可以是單分散的。納米顆粒254可以為圓形或其它形狀。有效直徑d(見下文對于非圓形實施例的定義)可以是在[5納米-350納米]的范圍內(nèi)，優(yōu)選為[10納米-250納米]，更優(yōu)選為[40納米-180納米]，還更優(yōu)選為[60納米-150納米]，其中d是由納米顆粒254的直徑乘以第一材料的折射率所得出。

此外，納米顆粒254可分布在漫射器250內(nèi)，使得每平方米的數(shù)量，也就是由正交于光傳播方向的面s的一部分所限定的板體積單元內(nèi)的數(shù)量，在1平方米區(qū)域，滿足條件nmin≤n，其中：

[數(shù)量/平方米，d以米來表示]

其中有效直徑d必須以米來表示(尺寸術(shù)語包括在常量中)，并且其中m等于第二材料的折射率與第一材料的折射率的比率。

優(yōu)選地，所述納米顆粒254至少就面密度而言是均勻分布的。該面密度在低于平均面密度的5％范圍內(nèi)變化。替代地，面密度可以特意變化，以便在入射光照亮板250后對板250的亮度變化提供補(bǔ)償。例如，第二發(fā)射面34中的點(diǎn)(x,y)處的面密度n(x,y)與點(diǎn)(x,y)處的光源2所產(chǎn)生亮度i(x,y)之間的關(guān)系為n(x，y)＝naviav/i(x，y)±5％，其中nav和iav為面板區(qū)域的平均亮度和面密度。

在小的d和小的體積分?jǐn)?shù)(即厚板)為極限的面密度n≈nmin預(yù)計將產(chǎn)生約5％的散射效率。當(dāng)每單位面積的納米顆粒的數(shù)目變大時，只要多次散射或干擾(假設(shè)為高體積分?jǐn)?shù))發(fā)生，散射效率預(yù)計與n成比例增長，這可能損害顏色品質(zhì)。如在專利申請ep2304478中詳細(xì)描述的，納米顆粒數(shù)目的選擇偏向于對散射效率和所需顏色之間折衷的研究。此外，隨著納米顆粒的尺寸變大，前向散射光242的光通量除以反向散射光的光通量所得的比率η也變大，該比率等于在瑞利極限中的一個。此外，隨著比率η變大，前向散射錐體的孔徑變小。因此，比率η的選擇偏向于對產(chǎn)生大角度的散射光和盡量減少反向散射光的光通量之間折衷的研究。然而，通過已知的方式，抗反射層可分別沉積在輸入面33和第二發(fā)射面34上，以達(dá)到減少反射的目的；通過這樣做，可提高了裝置的發(fā)光效率，并降低了由面板表面的環(huán)境反射所引致的漫射板250對于觀察者的可見性。

然而，納米顆粒254不具有球形形狀的實施例也是可能的，在這種情況下，有效直徑d可以定義為等于其等效球形顆粒的有效直徑(即與上述納米顆粒體積相同的球形顆粒的有效直徑)。

此外，納米顆粒254為多分散的實施方式也是可能的，即它們的有效直徑具有分布n(d)。這樣的分布描述了在每單位表面和有效直徑d附近的有效直徑單位區(qū)間的納米顆粒的數(shù)量(即，每單位表面的直徑在d1和d2之間的粒子的數(shù)量等于所述有效直徑可以在[5納米-350納米]的范圍內(nèi)，即在該區(qū)間內(nèi)分布可以是不同于零。在這種情況下，考慮到散射效率增長，即在小顆粒的極限，與納米顆粒直徑的六次方，多分散分布，以評價每平方米的納米顆粒的最小數(shù)目的目的，表現(xiàn)形式大致為單分散的代表性的直徑d’eff定義為：

其中

n＝∫n(d)dd

d’eff可以被選擇為位于任何上述區(qū)間內(nèi)，即在[5納米-350納米]的區(qū)間內(nèi)，優(yōu)選[10納米-250納米]，更優(yōu)選[40納米-180納米]，還更優(yōu)選[60納米-150納米]。

然而，可替代地，除了圖20的漫射板250之外，漫射光發(fā)生器10還可以由漫射光源260構(gòu)成或包括該漫射光源260，如圖21a和21b所示，或單獨(dú)如圖23所示。與漫射板250不同，漫射光源260可以單獨(dú)從直射光源12發(fā)出漫射光，這是因為它包括一個第二發(fā)光裝置266，其不同于直射光源的第一發(fā)光裝置。

如圖21a和21b所示的漫射光源260可以位于漫射板250的下游或上游相。如下文所述，所述漫射光源260可以是板狀、層狀或體現(xiàn)為層堆棧。當(dāng)圖21a和21b的實施例與圖17和18的實施例相結(jié)合時，應(yīng)注意的是，小角度白光漫射器230可以位于漫射器250和漫射光源260兩者的下游或上游或位于它們之間。此外，漫射器250和/或漫射光源260可以包含有白光漫射器230的功能。漫射光源260能夠發(fā)射漫射光。此外，所述漫射光源對于直射光236或從原初光演變而形成為直射光236的中間光基本上是透明的。如圖21a和21b所示，所述漫射光源260可被定位成平行于面板250并幾乎與之接觸。

漫射光源260可使用漫射板264來實現(xiàn)，該漫射板264成形為可由第二發(fā)光裝置266從邊緣照明的光導(dǎo)板，第二發(fā)光裝置266可形成為led條帶或熒光燈管，使得由第二發(fā)光裝置266發(fā)出的光可在漫射板264內(nèi)以被引導(dǎo)的模式傳播，該漫射板264對光均勻地漫射。這樣的面板264例如可以為適于邊緣照明的商用漫射器，如，例如“發(fā)光二極管”或“led(endlighten)”。此外，如圖23中所示，相對于沿與面板法線方向h垂直的方向k的厚度，沿漫射板264的軸h的厚度是可以忽略不計的。

在一個特定配置中，漫射板264由一種材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯)形成，而另一種材料(如氧化鋅)的微粒分散在其中；這樣的材料優(yōu)選為不吸收可見光波長范圍的光。具體地，微粒的直徑范圍從2微米至20微米。

在使用時，當(dāng)沿著漫射板264傳播時，通過漫射板264引導(dǎo)的一部分輻射離開漫射板264，例如，由嵌入到漫射板264內(nèi)的微粒所漫射。由于漫射板264沿正交于面板主表面的方向h的厚度相對于邊緣照明方向k是可忽略的，面板264對于沿方向h傳播的輻射基本上是透明的，但可以作為沿方向k傳播的輻射的漫射器。

此外，假設(shè)漫射板264分別由表面s1、s2限定上側(cè)和下側(cè)，可對表面s1、s2當(dāng)中的至少一個進(jìn)行表面處理以產(chǎn)生粗糙面。這樣的粗糙面有助于由第二發(fā)光裝置266產(chǎn)生的光在漫射板264中的漫射，該漫射過程在沿著平行于方向k的任何方向上幾乎是均勻的。以公知的方式，該粗糙面可以被設(shè)計成由第二發(fā)光裝置266產(chǎn)生的光的很大一部分主要通過表面s1、s2中的一個面進(jìn)行散射，特別是朝向下游方向32。在表面s1、s2中的至少一個面具有粗糙度的情況下，可以不需要在漫射板264中分布微粒。在任何情況下，漫射板264的兩個表面s1、s2上都可以具有粗糙度。

在不同的配置中，漫射光源260不是邊緣照明式，而是包括第二發(fā)光裝置，該裝置包括以oled膜的方式制成的基本上透明的發(fā)光層。類似于邊緣照明式面板光源，該oled膜還能夠以產(chǎn)生具有可控的顏色和強(qiáng)度的漫射光，同時對于沿垂直其平面的方向穿透該oled膜的光是透明的。

漫射光源260可以改變漫射光分量242的顏色和強(qiáng)度，基本上不改變透射分量的顏色和強(qiáng)度。為實現(xiàn)這個目的，也可以作用于由第二發(fā)光裝置266所發(fā)射的光的顏色和強(qiáng)度。

例如，為了再現(xiàn)傍晚光線的特性，可采用低cct(如2500k)的入射光；以這種方式，當(dāng)采用了漫射板250時，透射分量238的顏色類似于日落前陽光的顏色。當(dāng)沒有使用漫射光源260時，由所述漫射板250散射的分量的顏色將于對應(yīng)的自然分量的顏色明顯不同。事實上，在自然界中發(fā)生的情況是，觀察者上方的天空由白色的日光所照亮，即尚未穿透大氣層的日光，其cct約等于6000k，該值比燈的cct高得多。因此，對于入射光具有低cct的情形，在傍晚時分觀察者上方天空的散射光的cct要比漫射板250的散射光的cct要高得多。然而，如果使用了漫射光源260，特別是漫射板250連同第二發(fā)光裝置266一起使用，其中第二發(fā)光裝置266是紅色、綠色、藍(lán)色led發(fā)光器的組合體(“rgb”)，將能夠調(diào)整每個這樣的組合體的光通量：這使得面板264以產(chǎn)生具有顏色和強(qiáng)度的散射分量，使得從漫射光源260出射的所有分量具有所需要的顏色。換句話說，所述漫射光源260允許透射分量的顏色與散射分量的顏色分開。此外，如果采用可調(diào)節(jié)cct的燈作為光源260，即可再現(xiàn)在一天的不同時間內(nèi)的自然光照變化。

板250和260并不需要在物理上分離，圖中分離只是為了便于理解。這對于在其它附圖中繪制為分離的組件也是適用的。

在缺少漫射板250的情況下使用光源260時，只要對光源260進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦O(shè)計，漫射光發(fā)生器10發(fā)射的漫射光的cct比直射光236的cct要高。這種漫射光發(fā)生器至少是部分透光的。在本文中，關(guān)于光學(xué)元件的術(shù)語“透明”用于指所謂的“透視”屬性，即光學(xué)元件的透射成像光的特性，即穿透該光學(xué)元件的透射光線沒有經(jīng)歷角度偏轉(zhuǎn)或者僅偏轉(zhuǎn)一個小角度(例如2.5°)。因此在本文中，“透射光”一詞指的是入射光穿透光學(xué)元件而未經(jīng)歷角度偏轉(zhuǎn)(即未經(jīng)歷大于2.5°的角度偏轉(zhuǎn))的部分。值得注意的是，上述定義不依賴于“規(guī)則透射率”的概念，相比之下，“規(guī)則透射率”僅針對那些沒有任何角度偏轉(zhuǎn)的透射光。

更精確地說，給定一個標(biāo)準(zhǔn)光源(例如d65光源)，其從圓形發(fā)射面ss均勻地發(fā)射光，并給定一個標(biāo)準(zhǔn)觀察者os，其從2.5°(優(yōu)選為1.5°，更優(yōu)選為0.5°)的錐形hwhm立體角觀看發(fā)射面ss，所述漫射光發(fā)生器10在這里被定義為部分透明的，如果d65發(fā)射面ss的亮度由標(biāo)準(zhǔn)觀察者os感知到，當(dāng)漫射光發(fā)生器10位于觀察者os和表面ss之間，其主表面正交于觀察者的眼睛與表面ss的重心之間的連線，為觀察者os感知到的亮度的至少50％，優(yōu)選為至少70％，更優(yōu)選為至少85％，當(dāng)漫射光發(fā)生器10未置于觀察者os和表面ss之間。

總之，漫射光發(fā)生器10體現(xiàn)為漫射板250和/或漫射光源260，即從薄面板發(fā)射漫射光的光源。在僅使用漫射光源260的情況下，漫射光源260不用于校正由漫射板250產(chǎn)生的漫射光的顏色，而是用于產(chǎn)生整個漫射分量242進(jìn)行操作-有或沒有漫射光cct的可調(diào)節(jié)性。其優(yōu)點(diǎn)在于具有一個漫射元件，而不是兩個，因此減少了損失。由于圖23所示的邊緣照明的限制，第一個缺點(diǎn)可能在于較難從光源260獲得足夠大的亮度。此外，在漫射板中的漫射機(jī)理是發(fā)生在真實天空中的漫射機(jī)理相同，使得漫射器250的亮度的空間分布和角度分布相較于光源260更類似于天然界。

對于上述眾多實施例，人工照明裝置還包括由吸光材料構(gòu)成的吸收器，以使第一發(fā)射面28具有的總反射系數(shù)ηr<0.4。

示例中用標(biāo)號58,72,200和224對這種吸收器(absorbers)進(jìn)行表示。吸收器可以由吸光材料制成。盡管沒有在前面的描述中每次都提到，吸光材料對可見光具有的吸收系數(shù)高于95％，盡管80％同樣可以滿足。吸光材料可以安裝在直射光源12的第一發(fā)光裝置即14、46、60的下游，其中的詞語“下游”定義為跟隨光傳播的方向，方向包括了在反射器上的曲光(light-bending)。在另一方面，吸光材料安裝在第一發(fā)射面28的上游，同樣地，安裝在漫射光發(fā)生器10和低角度白色光漫射器230(如果存在)的上游，如果它們安裝在第一發(fā)射面28的上游。更準(zhǔn)確地說，安裝之后吸光材料配置為基本上吸收了上游方向透過直射光源的第一發(fā)射面28的光線，而在沒有吸收器時光線將不會直接朝向直射光源的第一發(fā)光裝置。在多個前面描述的實施例中，例如人工照明裝置包括了光準(zhǔn)直器，光準(zhǔn)直器是一種安裝在直射光源的第一發(fā)光裝置下游的光學(xué)元件并且配置為降低由第一發(fā)光裝置產(chǎn)生的原初光的分散性。在前面的實施例中加入了光準(zhǔn)直器，例如作為透鏡的14、48、64、13(例如圓頂透鏡、菲涅耳透鏡或微透鏡)，但是通常光準(zhǔn)直器可以是任何形式的折射、反射(包括全部的內(nèi)部折射)、衍射的光學(xué)元件，或者任何包括多個這樣的光學(xué)元件的系統(tǒng)。在這種情況下，吸收器具有的吸光材料的安裝使得吸收器基本上吸收了透過直接光源的第一發(fā)射面28的上游/可逆的方向的光線，光線由光準(zhǔn)直器在朝向非指向直射光源的第一發(fā)射裝置的其它方向上進(jìn)行方向調(diào)整，其中的詞語“基本上”可以是指這樣的可被吸收的光線至少為70％，優(yōu)選地90％或者更優(yōu)選地95％。在這種情況下，吸收器主要的功能為降低在直射光236中雜散光的量，即由直射光源12產(chǎn)生的窄峰30外部的光的量。實際上，可以注意到這樣的實施例保證了當(dāng)觀察方向從方向32開始偏離的角度大于窄峰30的角度寬度時，直射光源12具有黑色的表面。換句話說，當(dāng)關(guān)閉直射光源12時而在外部照明下，實施例保證了，當(dāng)打開直射光源12時第一發(fā)射面28可以只從那些能看見光斑的方向上重新出射光。此外，這樣的實施例要保證由發(fā)射器產(chǎn)生的光線，經(jīng)過準(zhǔn)直器或者其它安裝在發(fā)射器下游的裝置20的元件散射或反射后被吸收，而當(dāng)吸收器不存在時，光線將不會變?yōu)闇?zhǔn)直的光束而從第一發(fā)射面28出射。

綜上所述，以上已經(jīng)描述了具體的實施例及其中的思考。具體來說，圖5至8和11a至18專注于直射光源12的不同示例性實施例。這些實施例的共同點(diǎn)在于，直射光源12包括如圖24a示意性示出的第一發(fā)光裝置，它分別體現(xiàn)為元件14、46、60。該第一發(fā)光裝置配置為發(fā)出(即主動產(chǎn)生)原初光62，它可以為led、白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈或其它一些光源。另外，直射光源12包括位于該發(fā)光裝置下游的第一發(fā)射面28。至于直射光源12在第一發(fā)射面28產(chǎn)生直射光236的能力而言，通過指定從第一發(fā)射面28出射的直射光236的狀態(tài)(在該狀態(tài)下，漫射光發(fā)生器10被移除)來暫時不考慮漫射光發(fā)生器的10的影響。至少在漫射光發(fā)生器的10位于第一發(fā)射面28的上游側(cè)時，上述移除是會產(chǎn)生影響的。在其他情況下，漫射光發(fā)生器10不會對從原初光62產(chǎn)生直射光的過程產(chǎn)生影響。特別是，如上所述，直射光源12從原初光62產(chǎn)生直射光236，使得直射光236從第一發(fā)射面28出射時的亮度分布曲線圖在第一發(fā)射面28上是一致的，并且具有繞直射光方向32的角分布窄峰30。

雖然在上述實施例中，漫射光發(fā)生器10至少部分是透光的并設(shè)置在第一發(fā)光裝置的下游，可用不同的原理設(shè)想出替代實施例，例如把漫射光發(fā)生器設(shè)置在發(fā)光裝置的陣列的上游，或者并排設(shè)置。因此，在這種情況下，漫射光發(fā)生器將在準(zhǔn)直器的下游或者在準(zhǔn)直器的焦距產(chǎn)生平面形式的漫射光。然而，準(zhǔn)直器沒有對散射產(chǎn)生效果，或者沒有改變散射。實際上，散射光不具有優(yōu)先的方向，或不具有優(yōu)先的方向的空間分布，準(zhǔn)直器通過一定方式如反射的折射來能夠進(jìn)行修正。因此，對本發(fā)明的內(nèi)容來說，漫射光的光源相對于準(zhǔn)直器的位置在上游和/或下游的方向是無關(guān)緊要的。此外，雖然在此之前沒有提到，在每個成對的光發(fā)射裝置/聚光器中，準(zhǔn)直器64的光孔可以大于300cm²。成對陣列的陣列大小可以大于4×4。再進(jìn)一步地，雖然成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器的二維陣列排布在上述實施例中已經(jīng)表明，但也同樣能設(shè)想到其它的排布諸如一維陣列排布。另外，為了抑制環(huán)境的反射，成對的準(zhǔn)直器的下游的外表面可以包括防反射涂層。再進(jìn)一步地，如前面表明的，第一發(fā)射面可以在相對第二(secondfirst)發(fā)射面的上游，并且人工照明裝置可以進(jìn)一步包括角度選擇過濾器，配置為吸收相對于直射光方向的超過設(shè)定的閾值時的發(fā)散光，例如，吸收偏離超過直射光方向32的2°的光，優(yōu)選地超過1°)和安裝在第一發(fā)射面下游和第二發(fā)射面的上游。至于成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直器，應(yīng)該注意是，同樣不必分別通過單個的元件實現(xiàn)。相反地，它們的每個可以由兩個透鏡組合而成，彼此串聯(lián)連接，例如凹面鏡和透鏡的組合。這樣形成的組合，可被描述為“有效的準(zhǔn)直器”，例如，其具有有效的焦距。成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器的光學(xué)軸線不需要與直射光方向一致，或者換句話說，該光學(xué)軸線可以是向其它方向彎曲。舉例來說，光線彎曲元件例如是鏡子、相位板、楔形棱鏡或類似物，在每對的準(zhǔn)直器內(nèi)部或在準(zhǔn)直器的下游側(cè)，其可能在每對中的第一發(fā)光裝置和準(zhǔn)直器之間導(dǎo)致光學(xué)路徑的彎曲。當(dāng)使用如前面描述的自由式的透鏡或反射cpc時，在每個成對的發(fā)射器/準(zhǔn)直器中，準(zhǔn)直器和光發(fā)射裝置之間的距離可以與焦距不相同。此外，由于如上所述的光學(xué)路徑的彎曲，光發(fā)射裝置和準(zhǔn)直器的幾何排布可以不同于沿直射光方向的串聯(lián)排布。

以上圖17至23集中在漫射光發(fā)生器10的可能實現(xiàn)方式和相對于直射光源12及其各個部件之間的相對位置。同時也考慮了人工照明裝置所產(chǎn)生的不同光分量的cct。一般來說，如圖24b和24c所示的漫射光發(fā)生器10，位于直射光源12的第一發(fā)光裝置的下游且至少部分透光。例如，漫射光發(fā)生器10使原初光62、直射光236或從原初光演變而最終形成直射光236的任何中間光的50％以上射到漫射光發(fā)生器10而沒有大幅角度偏轉(zhuǎn)地通過，其中“大幅”是指可能只發(fā)生小角度的偏轉(zhuǎn)而已，例如小于2.5°的hwhm角。在圖24b和24c中的陰影框302表示漫射光發(fā)生器10可以具有其自身的第二發(fā)光裝置，一種可能的實例示于圖23中的標(biāo)記266。另一種可能是通過使用oled作為漫射光源260而形成?？商娲鼗蚋郊拥兀饴浒l(fā)生器10可以是被動性的，它與直射光源的第一發(fā)光裝置配合使用。換句話說，它可以具有一個漫射器。參考圖20至22以了解可能的替代方案的細(xì)節(jié)。在使用漫射器的情況下，漫射器被定位成由以下的光照亮，這些光可以為直射光、原初光或?qū)?yīng)于原初光轉(zhuǎn)化成直射光的中間形式的光。無論漫射光發(fā)生器10是被動式和/或主動式的，漫射光發(fā)生器10可以位于直射光源12的第一發(fā)射面28的上游或下游側(cè)，并構(gòu)造成在漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)射面34產(chǎn)生漫射光242。再次說明，漫射光發(fā)生器10可以具有也可以不具有其自身的光源302。如果漫射光發(fā)生器10位于直射光源12的第一發(fā)射面28的下游側(cè)，那么直射光236是可用的，及其應(yīng)用在直射光源12上的要求是可測的，無需移除漫射光發(fā)生器10。

從上述實施例中可以知道，發(fā)射面28和34中的一個位于另一個的下游側(cè)。例如，在圖24b的例子中，直射光源12的第一發(fā)射面的28位于漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)射面34的下游，從而形成人工照明裝置的外發(fā)射面37；而在圖24c的例子中，漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)射面34位于更下游的位置以形成外發(fā)光面37。為完整起見，圖24d示出了進(jìn)一步的替代方案，直射光源12的第一發(fā)射面的28和漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)射面34重合以共同形成人工照明裝置的外發(fā)射面37?？梢韵胂?，例如，按照圖20的實施方式的漫射光發(fā)生器10的顆?？梢陨⒉荚诰哂蟹颇哥R的任何實施例的菲涅耳透鏡64的材料內(nèi)。在這種情況下，直射光源12的透鏡64將同時充當(dāng)漫射光發(fā)生器10。更準(zhǔn)確地說，在菲涅耳透鏡的材料內(nèi)散布的顆粒254形成漫射光發(fā)生器10和必須(假想地)除去以確定由直射光源12產(chǎn)生的直射光的亮度特性。在實際中，這種散布有顆粒254的菲涅耳透鏡可用沒有這些顆粒254的相同的菲涅耳透鏡來代替。因此，從圖24b和24d可以看出，無論該漫射光發(fā)生器10位于直射光源12的第一發(fā)射面28上游側(cè)的什么位置，在人工照明裝置被建造在一起的情況下，遵循上述亮度約束條件的直射光236不能直接直接可見。確切的說，如剛才解釋，所述漫射光發(fā)生器10必須去除。

圖24e和24f集中于通過圖24b和24c所示的直射光源12和漫射光發(fā)生器10的協(xié)同工作而在外發(fā)射面37形成的外部光239。在圖24e中，其中該漫射光發(fā)生器10位于直射光源12的第一發(fā)射面28的上游側(cè)，使第一發(fā)射面28形成外發(fā)射面37，遵循剛提到的約束條件的直射光源12的直射光236不會在第一發(fā)射面28上直接產(chǎn)生。相反，第一發(fā)射面28上產(chǎn)生了已穿過漫射光發(fā)生器10的透射變體，其中該透射變體不同于直射光，其原因在于，漫射光發(fā)生器10對于入射光(例如原初光62)僅為部分的透明。例如，在漫射光發(fā)生器10體現(xiàn)為基于側(cè)面照射式漫射板264(沿h方向具有高的規(guī)則透射率)的漫射光源260的情況下(參照圖23)，其透射變體與直射光幾乎相同，只是稍微減弱(例如減弱10％)，這主要是因為在漫射器的空氣-面板界面上存在反射損失。在漫射光發(fā)生器10實施為體現(xiàn)成oled膜的漫射光源260的情況下，其透射變體相對于直射光大幅減弱(例如減弱40％)，在漫射光發(fā)生器10實施為被動式漫射板250(在瑞利區(qū)域散射入射光)的情況下，其透射變體與直射光的不同之處只在于較低的cct，如下面針對圖19a的說明。最后，如果漫射光發(fā)生器10使通過該發(fā)生器的入射光線稍有角度偏轉(zhuǎn)(即偏轉(zhuǎn)小于2.5°)，即如果它結(jié)合了小角度白光漫射器230的功能，其透射變體可在角譜方面不同于直射光，它可以是直射光角譜與小角度白光漫射器角脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。

在圖24e的實施例中，外發(fā)射面37上的外部光239是剛提到的直射光的透射變體以及由漫射光發(fā)生器10發(fā)射的漫射光242。從角度方面來說，外部光239包括第一光分量241和第二光分量243，其中第一光分量241沿著包含在窄峰30內(nèi)(如在前述內(nèi))的方向傳播，第二光分量243沿著基于窄峰30之外的方向(例如大于的方向)傳播，第一光分量241的cct低于第二光分量243的cct。

通過圖24d與圖24b的比較可以清楚地看出，這兩種實施例的不同之處僅僅在于，由圖24d的實施例中，漫射光發(fā)生器10所產(chǎn)生的漫射光不能從由直射光源12發(fā)出的直射光直接得到或分離，這是由于直射光和擴(kuò)散光的透射變體不可逆地融合在一起而形成在所得的外發(fā)射面37上的外部光239。

圖24f示出了從圖24c所得到的外部光的情形下。由于漫射光發(fā)生器10位于表面28的下游側(cè)，直射光236是可進(jìn)入的，并且其如圖19a所示的具有ccttrans的透射變體，有助于在通過漫射光發(fā)生器10的第二發(fā)光面34形成的發(fā)光面37上形成外部光239。fig.24e示出了外部光239在角度方面的組成。

關(guān)于圖24e，圖19b和19c示出將漫射光發(fā)生器設(shè)置在直射光源12的第一發(fā)射面28上游的兩個備選方案。圖19b中示出了有源形式的漫射光發(fā)生器10，其對于入射到輸入面33上的光(例如對于原初光62)幾乎是完全透明的，從而使直射光將基本上直接在發(fā)光面28和37上參與形成外部光239。盡管如此，但是，應(yīng)當(dāng)指出的是，第一角度光分量241與直射光的不同之處在于，第一角度光分量241還包括漫射光發(fā)生器10的漫射光成分。然而，由于窄峰30所覆蓋的角度范圍很小，因此后者所占的比重是非常小的，相應(yīng)地，直射光236的cct或透射光的cct與上述漫射光242的cct之間的所有cct關(guān)系也適用于第一光分量。

此外，第一角度光分量241具有一個窄的角支撐，僅通過沿窄峰30內(nèi)的方向傳播的光線而形成(即在亮度分布曲線圖中支撐峰值的方向)。與此相反，直射光236可以在任何角度存在背景光。

圖19c示出了漫射光發(fā)生器10的一種實施例，其包括上述具有波長選擇性漫射率的漫射器，例如，置于發(fā)生器10與由發(fā)射面28形成的外發(fā)射面之間的模糊濾光器。直射光的透射變體生成在表面28和37上，并參與形成外部光。再次說明，外部光239在窄峰30內(nèi)的角度光分量241與剛才提到的直射光的透射變體的不同于在于，角度光分量241還包括由漫射光發(fā)生器10所產(chǎn)生的漫射光的相應(yīng)角度分量。