用于模擬自然照明的人工照明系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種人工照明系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及一種模擬自然照明的人工照 明系統(tǒng)。這種照明系統(tǒng)可以照亮它所在的房間，效果與在打開(kāi)另一邊有藍(lán)天和太陽(yáng)的光闌 的情況下在相同房間內(nèi)發(fā)生的效果非常類似。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前已知的是提供了多種針對(duì)封閉環(huán)境（"室內(nèi)"）的人工照明系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的目 的在于改善用戶感受到的視覺(jué)舒適性。具體地，模擬自然照明（即，在開(kāi)放環(huán)境（"室外"） 中可獲得的照明類型）的照明系統(tǒng)是已知的。室外照明的熟知特性取決于由太陽(yáng)產(chǎn)生的光 線與地球大氣之間的相互作用。
[0003] 在由本發(fā)明人提出的待審歐洲專利申請(qǐng)EP 2304480中，描述了一種包括以產(chǎn)生 可見(jiàn)光為目標(biāo)的光源以及含有納米粒子的面板的照明系統(tǒng)。使用時(shí)，該面板接收來(lái)自光源 的光線，用作所謂的瑞利漫射器，即，它以類似于在晴空條件下的地面大氣的方式來(lái)漫射光 線。
[0004] 在本發(fā)明人提交的待審歐洲專利申請(qǐng)EP2304478中描述了關(guān)于和待審專利 EP2304480相同的面板的附加詳情。此外，待審專利申請(qǐng)EP 2304480描述了多種面板的實(shí) 施例以及面板和光源相對(duì)彼此的多種排列，目的在于模擬自然照明的多種條件，例如，在晴 空下并且i)太陽(yáng)在最高點(diǎn)或ii)太陽(yáng)靠近地平線的情況下，自然界中發(fā)生的照明條件。
[0005] 在專利申請(qǐng)EP 2304480中所述的照明系統(tǒng)模擬自然照明，這是由于它在周圍環(huán) 境中產(chǎn)生相關(guān)色溫（"CCT"）較低的直接光線，模仿陽(yáng)光并在存在被照亮物體的情況下產(chǎn)生 陰影；此外，在專利申請(qǐng)EP 2304480中所述的照明系統(tǒng)模擬自然照明，這是由于它投射CCT 較高的漫射光線，模仿天光并產(chǎn)生具有略帶藍(lán)色的陰影。盡管如此，這種照明系統(tǒng)不能完美 地再現(xiàn)當(dāng)存在面向天空的窗口時(shí)觀察者感受到的透視效果。具體地，這種照明系統(tǒng)無(wú)法引 起觀看者感受無(wú)限視場(chǎng)深度的視覺(jué)感知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種至少能夠部分地解決已知的現(xiàn)有技術(shù)限制的照 明系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明提供了一種如獨(dú)立權(quán)利要求所述的人工照明系統(tǒng)，從屬權(quán)利要求記載了有 利的可能實(shí)現(xiàn)方案。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 為了更好地理解本發(fā)明，這里參考附圖，僅作為非限制性示例描述多種實(shí)施例，其 中：
[0009] -圖1、2和7示出了本照明系統(tǒng)的實(shí)施例的示意橫截面；
[0010]-圖3示出了與本照明系統(tǒng)不同的可能照明系統(tǒng)的示意橫截面；
[0011] -圖4a和4b示意性地示出了光源的透視圖；
[0012] -圖5a、6和8示意性地示出了本照明系統(tǒng)的多個(gè)部分的透視圖；
[0013] -圖5b示出了圖5a所示的照明系統(tǒng)的部分所包括的反射元件的橫截面；
[0014] -圖9a和10示出了光源的透視圖；
[0015] -圖9b不出了圖9a所不的光源的一部分的橫截面；
[0016] -圖11示出了本照明系統(tǒng)的實(shí)施例的一部分的橫截面；以及
[0017] -圖12-15示出了本照明系統(tǒng)的其它實(shí)施例的多個(gè)部分的示意橫截面。
[0018] 一般而言，申請(qǐng)人注意到觀察者評(píng)估物體距離（從而評(píng)估構(gòu)成三維場(chǎng)景的視場(chǎng)深 度）的能力是基于與聚焦、雙眼會(huì)聚、雙眼像差、運(yùn)動(dòng)像差、亮度、尺寸、對(duì)比度、空間透視等 相關(guān)的多個(gè)生理和心理機(jī)制。根據(jù)觀察條件（例如，觀察者是移動(dòng)的或靜止的，用一只眼或 兩只眼觀看等）以及場(chǎng)景的特性，一些機(jī)制可能變得比其它機(jī)制更重要，其中場(chǎng)景的特性 取決于例如是否存在已知尺寸、距離或亮度的物體用作評(píng)估場(chǎng)景中被觀察的元素的距離的 參考。
[0019] 具體地，發(fā)明人注意到，如果圍繞投影儀的背景是黑的并且是均勻的，則當(dāng)投影儀 的距離大于5米（優(yōu)選地，7米）時(shí)，通過(guò)窗口觀看該投影儀的觀察者將失去估計(jì)投影儀有 多遠(yuǎn)的能力。當(dāng)遇到這種情況時(shí)，觀察者無(wú)法確定到投影儀的距離。由于i)難以對(duì)閃耀光 源準(zhǔn)確聚焦，阻止了觀察者使用聚焦機(jī)制來(lái)估計(jì)物體的距離；并且ii)當(dāng)物體超過(guò)5米遠(yuǎn) (優(yōu)選地，7米）時(shí)，雙眼會(huì)聚很難難以有效地用于距離估計(jì)，從而喪失估計(jì)距離的能力；此 外，由于受到缺少其他參考點(diǎn)的抑制，在高距離情況下通常有效并且是高效的其他心理機(jī) 制失效，因此，喪失了估計(jì)能力。
[0020] 申請(qǐng)人還注意到，當(dāng)瑞利漫射面板夾在觀察者和投影儀之間時(shí)（后者被黑色、均 勻背景圍繞），導(dǎo)致觀察者幾乎感覺(jué)到該投影儀在與他相距無(wú)窮距離處。更具體地，每當(dāng)觀 察者通過(guò)瑞利漫射面板觀看投影儀時(shí)，獲得在無(wú)窮距離處的感知效果，其中投影儀完全并 均勻地照亮該瑞利漫射面板，實(shí)際投影儀與觀察者距離為至少5米（優(yōu)選地，7米）。這種 效果可以解釋為所謂的"空間透視"（由瑞利漫射面板引起的感知機(jī)制）的結(jié)果。實(shí)際上， 由瑞利漫射面板散射的光的顏色和強(qiáng)度幾乎與天光的對(duì)應(yīng)顏色和強(qiáng)度相同，其中相對(duì)透射 光的強(qiáng)度評(píng)估強(qiáng)度。具體地，所謂的空間透視機(jī)制涉及夾在任何物體和觀察者之間的空氣 層的存在；這種空氣層的顏色和亮度影響估計(jì)物體與觀察者的距離；由觀察者感知的對(duì)象 處于該空氣層的后方；這種機(jī)制在大距離時(shí)較為明顯，或廣義地，當(dāng)用于距離評(píng)估的其它心 理與生理機(jī)制受到抑制或效率不足時(shí)較為明顯。
[0021] 申請(qǐng)人還注意到，觀察者感知到由瑞利漫射面板發(fā)出的光線仿佛來(lái)自幾乎無(wú)限遠(yuǎn) 的距離，只要發(fā)光點(diǎn)在觀察者的視場(chǎng)內(nèi)。這種效果可能是由于瑞利漫射面板用作發(fā)光輻射 的次級(jí)光源，觀察者可能因?yàn)榭臻g發(fā)光輻射本身的均勻性較高且不提供任何可觀看的視覺(jué) 參考點(diǎn)，因而難以估計(jì)他與這種發(fā)光輻射的發(fā)射面板的距離。因此，在（物理）距離為5米 (優(yōu)選地，7米）的視場(chǎng)中存在投影儀通過(guò)將瑞利漫射面板的估計(jì)位置"拖拽"到雙目會(huì)聚的 距離感知閾值之外，而影響對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的視場(chǎng)深度的估計(jì)。這種效果與投影儀的亮度相關(guān)， 實(shí)際上，除了瑞利漫射面板，投影儀本身是觀察者感知的唯一空間位置元件?；旧希?dāng)觀 看瑞利漫射面板時(shí)，投影儀迫使觀察者的眼睛定位為仿佛它們?cè)谟^看非常遙遠(yuǎn)的對(duì)象。通 過(guò)這種眼睛的定位使得產(chǎn)生如下感覺(jué)：視場(chǎng)中心的對(duì)象（即瑞利漫射面板發(fā)出的光）相較 于瑞利漫射面板本身的實(shí)際位置要遠(yuǎn)得多。此外，如下事實(shí)有利于將漫射光源感知為處于 遠(yuǎn)離觀察者的位置處的效果：由瑞利漫射面板散射的光與典型的天光具有相同顏色和亮度 (相較于透射光）。由于上述空間透視的機(jī)制，這種效果是特別有效的，從而使得將投影儀 感知在幾乎無(wú)限遠(yuǎn)距離處。申請(qǐng)人還注意到，不管通過(guò)瑞利漫射面板的觀察方向如何，都會(huì) 產(chǎn)生視覺(jué)感知無(wú)限視場(chǎng)深度的效果（以下稱作"突破效果"）。
[0022] 此外，申請(qǐng)人還注意到，如果投影儀在視場(chǎng)外部，則單獨(dú)的空間感知無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想 的突破效果，這是由于其他生理與心理機(jī)制（例如對(duì)瑞利漫射面板的劃痕或邊界的聚焦） 將會(huì)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
[0023] 此外，申請(qǐng)人還注意到，每當(dāng)將投影儀放置在緊鄰瑞利漫射面板的位置處時(shí)，例 如，如果沒(méi)有將其虛像移遠(yuǎn)的任何反射鏡或透鏡，則將削弱上述突破效果。實(shí)際上，在這種 情況下，觀察者可以方便地估計(jì)投影儀距離，這樣盡管空間透視起作用，然而整個(gè)場(chǎng)景的視 場(chǎng)深度將受到限制。類似地，申請(qǐng)人還注意到，只要投影儀不是被黑色、均勻背景圍繞，就會(huì) 削弱上述突破效果。實(shí)際上，盡快空間透視起作用，但觀察者可以確定與除了黑色且均勻背 景之外的背景的距離，從而限制整個(gè)場(chǎng)景的視場(chǎng)深度。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 如上所述，圖1示出了人工照明系統(tǒng)1，從現(xiàn)在開(kāi)始被簡(jiǎn)稱作照明系統(tǒng)1。
[0025] 具體地，照明系統(tǒng)1包括第一光源2,優(yōu)選地，為定向光源，設(shè)計(jì)為以小于4 π sr的 發(fā)射立體角發(fā)光。此外，第一光源2在光譜的可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)發(fā)光，也就是具有400nm到700nm 的波長(zhǎng)。此外，第一光源2發(fā)射光譜Δ λ寬度優(yōu)選為高于IOOnm(更優(yōu)選地，高于170nm) 的光（可見(jiàn)電磁輻射）。光譜寬度△ λ可以被定義為第一光源的波長(zhǎng)譜的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0026] 照明系統(tǒng)1還包括第一漫射面板4,其形狀例如為平行六面體。具體地，第一漫射 面板4具有彼此平行的第一表面S 1和第二表面S 2;優(yōu)選地，第一漫射面板4較薄，即，沿垂 直于第一和第二表面Sp S2的方向測(cè)量的厚度w的平方值不高于第一和第二表面S i、&的 面積的5%，優(yōu)選地，1%。
[0027] 更具體地，在圖1所示的實(shí)施例中，第一漫射面板4操作為所謂的瑞利漫射器，即， 作為本質(zhì)上不吸收可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光并且相對(duì)入射光的長(zhǎng)波長(zhǎng)分量更高效地漫射短波長(zhǎng) 的面板，例如，本質(zhì)上不吸收可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光并且相較于波長(zhǎng)=650m的光線（紅光），以 至少1. 2倍（優(yōu)選地至少1. 4倍，更優(yōu)選地至少1. 6倍）更高效地漫射波長(zhǎng)=450nm的光 線（藍(lán)光），其中通過(guò)漫射光輻射功率相對(duì)入射光輻射功率的比值來(lái)給出漫射效率。相同申 請(qǐng)人的專利申請(qǐng)EP 2304478中還詳細(xì)描述了類瑞利漫射器的光學(xué)特性和微觀特性。以下 還提供了微觀特性的進(jìn)一步描述。
[0028] 在圖1所示的實(shí)施例中，第一光源2與第一漫射面板4垂直對(duì)準(zhǔn)，即，第一光源2沿 著H軸擺放，H軸垂直于第一和第二表面S n S2并穿過(guò)第一和第二表面S i、S2的質(zhì)心（圖1 中，第一表面S1的質(zhì)心表示為0)。一般情況下，除了明確描述，否則在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)"質(zhì) 心"意味它的幾何意義，而不是它的物理意義（質(zhì)量的中心），因此，還可以將其應(yīng)用于平面 表面，以及應(yīng)用于具有基本無(wú)窮小厚度的物體。因此，術(shù)語(yǔ)"質(zhì)心"必須表示"幾何中心"或 "形心"，假設(shè)物體（或表面）具有無(wú)限小厚度，則質(zhì)心與在假設(shè)物體具有均勻密度（精確地， 無(wú)限小厚度）的情況下計(jì)算出的質(zhì)量中心相一致。此外，第一光源2照射整個(gè)第一漫射面 板4。然而，如下所述，將第一光源2布置為相對(duì)第一和第二表面Sp S2的質(zhì)心離軸的實(shí)施 例也是可能的。
[0029] 照明系統(tǒng)1被光學(xué)耦接到例如形狀為平行六面體并被下壁P1、上壁P2和四個(gè)側(cè)壁 P1限定的房間6的環(huán)境。具體而不失一般性地，假定上壁P 2具有腔體8,從上方看，腔體8 與第一漫射面板4具有相同形狀，并完全被后者填滿。在任何情況下，本發(fā)明不限于腔體8 的形狀和/或布置；例如，根據(jù)另一實(shí)施例（未示出），腔體可以被形成在側(cè)壁中。此外，本 發(fā)明不限于在室內(nèi)空間使用；因此，將照明設(shè)備1用作在夜間用于室外模擬白天照明的系 統(tǒng)的實(shí)施例也是有可能的。因此，照明系統(tǒng)1可以被耦接到室外環(huán)境，即，等同于壁是黑色 或壁被布置為處于無(wú)限遠(yuǎn)的房間的環(huán)境。
[0030] 照明系統(tǒng)1包括支撐元件10,支撐元件10連同第一漫射面板4的第一表面SJg 定位于房間6外部的外部空間V ;第一光源2布置在外部空間V中。盡管未示出，以如下方 式將支撐元件10機(jī)械耦接到房間6的實(shí)施例也是有可能的：該方式還通過(guò)房間6的壁（例 如，上壁P 2)至少部分地限定外部空間V。
[0031] 將由能夠吸收入射發(fā)光輻射的材料制成的內(nèi)層12內(nèi)部涂覆在支撐元件10上；這 種材料例如是黑色的并且可見(jiàn)光范圍內(nèi)的吸收系數(shù)高于70% (優(yōu)選地高于90%，最優(yōu)選地 高于95%，甚至更優(yōu)選地高于97% )。內(nèi)層12用于吸收例如直接來(lái)自第一光源2的、或來(lái) 自第一漫射面板4的反射和/或散射過(guò)程的、或穿過(guò)第一漫射面板4來(lái)自房間6的入射輻 射。優(yōu)選地，空間V在它的整個(gè)內(nèi)部涂覆有內(nèi)層12,除了第一漫射面板4的第一表面&之 外。換言之，支撐元件10和內(nèi)層12限定了一種黑盒（或暗室），其中術(shù)語(yǔ)"黑"表示光照極 少的情況和/或吸收光的能力，從而無(wú)法看到該盒，如下文所述；因此，在以下描述中，還將 使用術(shù)語(yǔ)"黑盒10"。光線僅可以穿過(guò)第一漫射面板4進(jìn)入/射出黑盒。
[0032] 再次參考第一漫射面板4,假設(shè)由與第一漫射面板4距離較遠(yuǎn)的CIE(國(guó)際照明委 員會(huì)）D65標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光點(diǎn)源產(chǎn)生光束（因此，該光束由彼此平行的光線構(gòu)成）并且該光束垂直 入射到第一表面S 1，第一漫射面板4將該光束分為四個(gè)分量，具體包括：
[0033] -透射分量，由穿過(guò)第一漫射面板4并且沒(méi)有經(jīng)歷明顯偏移的光線形成，即，由經(jīng) 歷的偏移小于〇. Γ的光線形成，其光通量是入射在第一漫射面板4上的全部光通量的一 部分τ
[0034] -前向漫射分量，由沿分布在與第二表面&垂直的方向周圍（除了該垂直方向和 與該垂直方向的角度偏差小于0.Γ的方向之外）的方向射出第二表面S 2的光線形成，其 光通量是入射在第一漫射面板4上的全部光通量的一部分τ _tt_d;
[0035] -后向漫射分量，由沿分布在與第一表面31垂直的方向周圍（除了該垂直方向和 與該垂直方向的角度偏差小于0.Γ的方向之外）的方向射出第一表面S 1的光線形成，其 光通量是入射在第一漫射面板4上的全部光通量的一部分P SMtteed;以及
[0036] -反射分量，由沿第一表面S1的反射角方向（例如，此處為垂直的，或與垂直方向 相差小于0.Γ的角度）從第一表面Sji出或出發(fā)的光線形成，其光通量是入射在第一漫 射面板4上的全部光通量的一部分P dirac;t。
[0037] 如上所述，第一漫射面板4的光學(xué)特性如下：
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