ИСТОЧНИК СВЕТА И СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ, ИМИТИРУЮЩАЯ СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ
SOURCE OF LIGHT AND LIGHTING SYSTEM, IMITATING SUNLIGHT

Область техники
Настоящее изобретение относится, в основном, к системам освещения, в частности, к источнику света для систем освещения, предназначенных, например, для имитации естественного солнечного освещения. Кроме того, настоящее изобретение относится, в основном, к формированию луча света из области с высокой яркостью и однородным по области распределением яркости.
Уровень техники
Системы искусственного освещения для закрытых помещений часто предназначены для повышения зрительного комфорта пользователей. В частности, известны системы освещения, имитирующие естественное освещение, особенно, солнечное освещение, в частности, используя свет с высокой коррелированной цветовой температурой (CCT - от англ. Correlated Color Temperature) и высоким индексом цветопередачи (CRI - от англ. Color Rendering Index). Характеристики такого имитированного наружного освещения определяются взаимодействием солнечного света и земной атмосферы и спецификой образования теней.
В EP 2304478 A1, EP 2304480 A1, PCT/IB2013/060141, поданных 14 ноября 2013 г., а также РСТ/ЕР2014/000835, поданной 27 марта 2014 г., имеющих одного Заявителя, раскрываются системы освещения с источником света, излучающим видимый свет, и панелью с наночастицами. При работе системы освещения, свет от источника света поступает в панель, которая действует как т.н. Релеевский рассеиватель, рассеивающий лучи света по аналогии с земной атмосферой при ясном небе. В частности, такой принцип построения системы освещения использует направленный свет, соответствующий солнечному свету, и образующий тени в присутствии освещенных объектов, и рассеянный свет с большим значением цветовой температуры (CCT), соответствующий свету голубого неба.
Для создания холодного белого света, а также теплого белого света, могут использоваться источники света на основе светоизлучающих диодов (СД - от англ. LED - Light Emitting Diode), использующие, например, белые СД с преобразованием в люминофоре и/или комбинации светодиодов разного цвета. Оптические характеристики света, излучаемого СД, требуют использования схем формирования оптического луча, обычно включающих коллимирующую оптику, например линзовые и/или зеркальные системы.
Настоящее раскрытие посвящено, по меньшей мере, отчасти, усовершенствованию существующих систем, или преодолению одной или более их негативных особенностей.
Раскрытие изобретения
Согласно первой особенности/аспекту настоящего изобретения, оно направлено на создание оптической системы для приема и коллимирования света, содержащей коллимирующий узел и гомогенизирующий узел для придания пространственной однородности свету, выходящему из коллимирующего узла. Коллимирующий узел содержит по меньшей мере одну параболическую поверхность раздела, образующую входное отверстие и выходное отверстие, причем эта поверхность раздела выполнена с возможностью отражения света, входящего через входное отверстие, через выходное отверстие и ограничения углового расхождения до величины входной угловой апертуры, связанной с по меньшей мере одной параболической поверхностью раздела. Гомогенизирующий узел содержит решетку (совокупность) линз, включающую пары линз, состоящие из первой и второй линз, причем в этой решетке линз свет из выходного отверстия, сфокусированный первой линзой, освещает соответствующую вторую линзу для формирования равномерно излучающей выходной апертуры.
Согласно другой особенности, источник света содержит светоизлучающий узел с Ламбертовской или квази-Ламбертовской диаграммой излучения планарного СД, и оптическую систему в соответствии с описанной выше, причем диаграмма излучения света перекрывает входное отверстие оптической системы.
Согласно другой особенности, система освещения содержит источник света в соответствии с приведенным выше описанием, для создания луча направленного нерассеянного света с первой коррелированной цветовой температурой (далее - цветовая температура) в главном направлении луча света, и оконного узла, например, выходного окна системы освещения, или генератора рассеянного света для формирования рассеянного света со второй цветовой температурой, превышающей первую цветовую температуру. Оконный узел располагается в дальней зоне луча света, а размер оконного узла сопряжен с размером дальней зоны светового луча.
Другие варианты выполнения приведены, например, в зависимых пунктах формулы, которые включены в настоящее раскрытие посредством ссылки.
Другие признаки и особенности настоящего раскрытия будут понятны из приведенного далее описания и приложенных чертежей.
Краткое описание чертежей
на фиг. 1 представлен схематичный вид поперечного сечения частного варианта системы освещения, освещающей комнату;
на фиг. 2 схематично изображен луч света с неоднородным направлением распространения в пределах луча;
на фиг. 3 схематично представлен ход оптических лучей в частном варианте источника света;
на фиг. 4 схематично изображен узел излучателя на основе СД;
на фиг. 5 схематично изображен составной коллимирующий узел с параболическими концентраторами;
на фиг. 6 схематично изображена конструкция составного узла с круглыми параболическими концентраторами;
на фиг. 7 схематично изображено взаимодействие луча света с конденсором на основе решетки микролинз;
на фиг. 8 схематично изображен конденсор на основе решетки микролинз, расположенный на выходе составного параболического концентратора; и
на фиг. 9 представлен перспективный вид собранной оптической системы, содержащей собирающий узел и гомогенизирующий узел.
Подробное описание осуществления изобретения
Ниже приводится подробное описание частных вариантов выполнения настоящего изобретения. Частные варианты выполнения, описанные в данном разделе и изображенные на чертежах, предназначены для разъяснения принципов настоящего изобретения, позволяя специалистам осуществить и использовать настоящее изобретение в самых различных условиях и вариантах применения. Поэтому, описание настоящих частных вариантов выполнения не предназначено для ограничения, и не должно восприниматься ограничивающим области патентной защиты. Напротив, область патентной защиты должна быть определена приложенной формулой.
Настоящее раскрытие отчасти основано на осознании того, что системы освещения, имитирующие солнечный свет, должны формировать свет с такими характеристиками, чтобы наблюдатель не воспринимал его как свет от искусственного источника, т.е., как имитацию солнечного света. Например, освещение может включать компонент света голубого неба и компонент направленного нерассеянного белого света, исходящие из источника с однородной яркостью.
В целом, способность наблюдателя оценивать состояние освещения основана на множестве психологических и физиологических механизмов, связанных с фокусировкой, бинокулярной конвергенцией, бинокулярным параллаксом, параллаксом движения, освещенностью, размером, контрастом, воздушной перспективой и т.д. Некоторые механизмы могут иметь большее значение по сравнению с другими, в соответствии с условиями наблюдения (например, движется наблюдатель или неподвижен, смотрит одним или двумя глазами и т.д.), а также условиями освещения, например, наблюдения объектов с известными размерами, расстоянием или яркостью.
В устройствах имитации солнечного освещения, использующих источник света в качестве искусственного Солнца, для восприятия источника света как Солнца на бесконечном удалении, в случае, если этот источник находится в поле зрения наблюдателя, необходимо, чтобы он не воспринимался как искусственный источник света.
Авторы изобретения пришли к выводу, что это включает, в частности, и равномерность распределения яркости источника света. Кроме того, искусственное Солнце должно восприниматься круглым. В некоторых вариантах выполнения, где источник света используется для освещения панели с Релеевским рассеянием света, дополнительно необходимо, чтобы рассеивающая панель была освещена полностью и однородно.
Чувствительность глаза позволяет заметить даже самые небольшие вариации яркости имитатора Солнца, а также и по панели с Релеевским рассеянием. Такие вариации могут создаваться (темными) областями в ближнем поле с ослабленным или даже отсутствующим излучением света, в результате чего в дальнем поле луча яркость будет уменьшена.
Кроме того, хотя яркость источника может и не позволять смотреть в него и фокусировать на нем взгляд, создаваемый на сетчатке остаточный образ может иметь вариации интенсивности, не воспринимаемые при (коротком) взгляде на искусственное Солнце.
И, наконец, яркость также влияет и на тень, создаваемую источником света. В частности, когда искусственное Солнце имеет вариации яркости, полутень также может обладать вариациями, разрешаемыми глазом.
Аналогичные соображения применимы и к пространственному распределению хроматического спектра и его вариациям.
Авторы изобретения пришли к выводу, что, в отличие от прожекторных источников света, сосредоточенных на изображении в дальнем поле, источнику света устройства, имитирующего солнечное освещение, также требуется и специфическое ближнее поле, имитирующее вид Солнца, когда на него смотрит наблюдатель. Как будет показано ниже, описанная система оптических элементов специально разработана так, что каждая из ее особенностей способствует обеспечению яркости источника света и поддержанию ее на максимальном расстоянии.
В приведенном далее описании, со ссылкой на фиг. 1 и 2 рассмотрены частные схемы построения устройства освещения, имитирующего солнечный свет. Со ссылкой на фиг. 3 рассмотрен частный вариант хода световых лучей. Различные частные варианты построения оптических узлов для пояснения хода оптического луча далее показаны со ссылкой на фиг. 4 (узел излучателя на базе СД), на фиг. 5 и 6 (коллимирующий узел на базе составного параболического концентратора (CPC - Compound Parabolic Concentrator)), на фиг. 7 и 8 (гомогенизирующий узел с конденсором на основе решетки микролинз (FEC - Fly-Eye Condenser)) и фиг. 9 (оптическая система в сборе).
На фиг. 1 схематично изображена в разрезе система 1 освещения.
Система 1 освещения включает источник 2 света, выполненный с возможностью излучения света в телесном угле излучения для формирования луча 3 света, распространяющегося вдоль главного направления 4 луча. Источником 2 света обычно может быть, например, источник холодного белого света. Частные варианты выполнения источников света могут включать излучатели на основе СД или излучатели на основе газоразрядных ламп, или источники света на основе ртутных ламп с дуговым разрядом, или излучателей на основе галогенных ламп, и соответствующие оптические системы на выходе таких излучателей.
Для уменьшения размеров системы 1 освещения, расположенные на входе соответствующего излучателя оптические системы могут включать зеркальные системы (например, оптическую систему с изломом оптической оси, например, с зеркалом 5, показанным пунктиром на фиг. 1). Конкретные примеры зеркальных (отражательных) систем с прохождением луча 3 показаны в упомянутых выше патентных заявках, например PCT/IB2013/060141.
В отражательной системе для геометрии прохождения отраженных лучей света может существовать условие, требующее, чтобы ни один луч, возникающий за пределами системы освещения, не мог быть отражен зеркальной системой так, чтобы он мог покинуть систему 1 освещения.
Система 1 освещения также включает оконный узел 6, выводящий свет, исходящий из источника 2 света, в область 7 для освещения, например внутреннего пространства комнаты 30 здания.
В частном варианте выполнения системы 1 освещения, показанной на фиг. 1, оконный узел 6 включает экранирующую конструкцию 10, содержащую основание 12 и экран 14. Основание 12 названо так потому, что находится в основании экранирующей конструкции, если смотреть из комнаты. Следует, однако, заметить, что система освещения может и не иметь экранирующей конструкции, или находиться в стенах и, соответственно, основание 12 не потребуется на нижнем конце экранирующей конструкции. Подробно экран 14 описан в упомянутых патентных заявках, например в РСТ/ЕР2014/000835.
В некоторых вариантах выполнения оконного узла 6, основание 12 может быть встроено непосредственно в стену/потолок, т.е., без экрана 14. Например, основание может быть выполнено как часть поверхности потолка, вместо того, чтобы быть вынесенным от поверхности потолка, как это показано на фиг. 1.
Оконный узел 6 может иметь любую форму, например, (планарную) прямоугольную, квадратную или круглую. Оконный узел 6 по меньшей мере частично передает свет от источника 2 света. Оконный узел 6, в частности, основание 12 на фиг. 1, может содержать генератор 20 рассеянного света. Генератор 20 рассеянного света выполняет функцию Релеевского рассеивателя, который не поглощает свет в видимом диапазоне и более эффективно рассеивает коротковолновые компоненты падающего света по сравнению с длинноволновыми компонентами. Оптические свойства и микроскопические характеристики Релеевских рассеивателей подробно описаны в упомянутых ранее патентных заявках, например EP 2304478 A1.
Система 1 освещения также может включать светопоглощающий ящик 16, внутри которого заключен источник 2 света, а в одну из его стен встроен оконный узел 6. Обычно стенки ящика 16 окружают источник 2 света и граничат с оконным узлом 6, и имеют темную светопоглощающую внутреннюю поверхность (по меньшей мере в тех местах, куда может упасть свет).
В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, источник 2 света располагается внутри светопоглощающего ящика 16, благодаря чему свет, не исходящий из источника 2 света, не может попасть из ящика 16 на основание 12.
В некоторых вариантах выполнения, в оконном узле имеется генератор 20 рассеянного света для рассеивания света от источника 2 света. Например, в предположении, что в представленных вариантах выполнения луч 3 света имеет достаточную расходимость для того, чтобы осветить весь генератор 20 рассеянного света или по меньшей мере большую его часть, этот генератор разделит луч 3 света на четыре компонента, в частности:
проходящий (направленный, нерассеянный) компонент, сформированный лучами света, проходящими через генератор 20 рассеянного света и не испытывающий существенных отклонений, например, образованный лучами света, отклоняющимися не более, чем на 0,1°; световой поток проходящего компонента составляет значительную часть общего светового потока, падающего на генератор 20 рассеянного света;
рассеянный вперед компонент, сформированный рассеянным светом, выходящим из генератора 20 рассеянного света в световой проход 46 (за исключением попадающего в направление луча света и направлений, отличающихся от направления луча света не более, чем на 0,1°); световой поток рассеянного вперед компонента соответствует части света голубого неба, выделенной из общего светового потока, падающего на генератор 20 рассеянного света;
рассеянный назад компонент, сформированный рассеянным светом, выходящим из генератора 20 рассеянного света в ящик 16; световой поток рассеянного назад компонента обычно соизмерим, но желательно меньше, части света голубого неба; и
отраженный компонент, сформированный отраженным светом и распространяющийся под углом зеркального отражения в ящик 16; световой поток отраженного компонента зависит, например, от угла падения светового луча на генератор 20 рассеянного света.
С учетом сказанного, оптические свойства генератора 20 рассеянного света обеспечивают следующее:
доля света голубого неба находится в пределах от 5% до 50%, например, в пределах от 7% до 40%, или даже от 10% до 30%, или в пределах от 15% до 20%;
средняя цветовая температура (CCT) рассеянного вперед компонента значительно выше средней CCT проходящего компонента, с коэффициентом превышения, например, более 1,2 или 1,3, или 1,5, или более;
генератор 20 рассеянного света не характеризуется существенным поглощением падающего света, а именно, сумма четырех компонентов составляет по меньшей мере 80% или 90%, или даже 95%, или 97% или более интенсивности падающего света;
генератор 20 рассеянного света рассеивает в основном вперед, более, чем в 1,1 раза, в 1,3 раза, или даже 1,5 или 2 раза больше, чем назад; и
генератор 20 рассеянного света может обладать низким отражением, а именно, может отражать менее 9%, или 6%, или даже менее 3%, или 2% падающего света.
В варианте выполнения оконного узла 6, содержащего генератор 20 рассеянного света, этот генератор может быть расположен на расстоянии от источника 2 света, недостаточном для создания впечатления вида Солнца, когда источник 2 света попадает в поле зрения наблюдателя. В некоторых вариантах выполнения, однако, экран 14 может загораживать источник 2 света из любой точки наблюдения. Соответственно, расстояние между предполагаемым положением наблюдателя и источником 2 света может быть меньше.
В других вариантах выполнения, генератор рассеянного света может быть по меньшей мере частично освещен отдельным источником света, приспособленным для излучения света для получения рассеянного компонента.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 1, источник 2 света смещен по вертикали и горизонтали относительно центра оконного узла 6. Например, источник 2 света освещает всю верхнюю поверхность генератора 20 рассеянного света под углом, например, около 45° или примерно 60°. В некоторых вариантах выполнения, источник 2 света может быть расположен, например, смещенным по вертикали над серединой генератора 20 рассеянного света, когда, например, генератор 20 рассеянного света наклонен под углом относительно плоскости потолка комнаты.
В частном варианте размещения системы 1 освещения, показанном на фиг. 1, источник 2 света оптически связан с комнатой 30 в здании через оконный узел 6. Комната 30 может иметь, например, форму параллелепипеда и быть ограниченной боковыми стенами, полом и потолком 60.
Обычно оконный узел 6 находится в дальнем поле источника 2 света так, что он взаимодействует с лучом света в соответствии с изображением на фиг. 2 и приведенным ниже описанием. При этом источник 2 света может создавать впечатление вида Солнца.
В зависимости от высоты комнаты 30, расстояние между источником 2 света и оконным узлом 6 составляет от 1,5 до 7 м для источника света с выходной апертурой 0,15 м. При этом, расстояние между источником света и наблюдателем составляет, например, в интервале от по меньшей мере 2,5 м до 9 м.
На фиг. 2 показан расходящийся луч 83 света в дальнем поле, используемый для освещения оконного узла 6. Дальнее поле зависит от ближнего поля, создаваемого источником 2 света, и характеризуется главным направлением 84 луча света. Локальное направление распространения в пределах расходящегося луча 83, т.е., направление распространения направленного нерассеянного света, определяется в зависимости от положения в пределах поперечного сечения расходящегося луча 83 света. В частности, центральное направление 85 распространения по существу параллельно главному направлению 84 луча света во внутренней области расходящегося луча 83 света. Однако, направление 87 распространения все больше отклоняется от главного направления 84 луча света по мере удаления от внутренней области. Например, показанный на фиг. 2 максимальный угол 5° отклонения наиболее удаленного луча света соответствует расходимости (здесь также называется полной угловой расходимостью в дальнем поле) расходящегося луча 83 света, составляющей 2×5°=10°.
Далее приводится рассмотрение частных вариантов оптических схем системы освещения, предназначенных для формирования подобного расходящегося луча света. Сначала, со ссылкой на фиг. 3 приводится описание хода оптического луча, и общее объяснение функций отдельных узлов. Затем более подробно описываются различные конкретные оптические узлы со ссылкой (в дополнение к фиг. 3) на соответствующие фигуры.
Обычно источник 2 света включает узел 100 излучателя, коллимирующий узел 200 и гомогенизирующий узел 300, которые, как раз, и определяют оптическое ближнее поле 400. Здесь комбинация коллимирующего узла 200 и гомогенизирующего узла 300 представляет собой оптическую систему 2A, которая получает свет от узла 100 излучателя через одно или более отверстий и излучает свет через выходную апертуру, которая, предпочтительно, полностью освещена и представляет собой светоизлучающую поверхность с равномерной яркостью, протяженность которой соответствует протяженности собственно узла 100 излучателя.
Источник 2 света может также включать электронный узел управления (не показан) для электронного управления первичным процессом генерирования света, происходящего в узле 100 излучателя. Аналогично, источник 2 света может включать конструктивные компоненты, например кожух, в качестве несущей основы для оптических узлов и для фиксации их положения друг относительно друга.
После источника 2 света схематически показана система 500 передачи, в пределах которой расширяющийся луч света трансформируется в оптическое дальнее поле 600. В дальнем поле 600 луч света падает на оконный узел 6. В некоторых вариантах выполнения, система 500 передачи содержит отражательные элементы для излома луча и/или коллимирования луча, который уже приобрел свойства дальнего поля, как показано, например, на фиг. 2.
Обычно, функция узла 100 излучателя состоит в генерировании света, приспособленного для хорошего сопряжения с коллимирующим узлом 200. Кроме того, свет приспособлен для осуществления освещения. В частности, свет приспособлен для взаимодействия с оконным узлом 6, например, для обеспечения требуемого цвета рассеянного вперед компонента. Это свойство, среди прочего, связано с распределением направлений излучения, цветовым спектром и распределением интенсивности.
Например, источник 2 света генерирует свет в видимом диапазоне оптического спектра в интервале длин волн от 400 нм до 700 нм, с шириной спектра более 100 нм, например, более 170 нм. В некоторых вариантах выполнения, узел 100 излучения имеет один излучатель или несколько излучателей, которые в одиночку или в совокупности создают излучение с соответствующим спектром.
Обычно, назначение коллимирующего узла 200 состоит в уменьшении углового расхождения лучей поступающего света. Поэтому излучаемая поверхность на выходе увеличена для выполнения требований к пространственным характеристикам. Кроме того, в максимальной степени должна сохраняться яркость узла 100 излучателя. Другими словами, задачей коллимирующего узла 200 является сбор излучения и выдача пространственно однородного излучения в заданном телесном угле.
Для описанных выше систем освещения, требуемая угловая расходимость в дальнем поле зависит от расстояния до освещаемого объекта и его размера, в данном случае, оконного узла 6. Полная угловая расходимость по ортогональным направлениям, составляющая 10° и 30°, соответственно, для прямоугольного объекта (оконного узла 6) размером 1 м×2 м, освещаемого под углом 45°, позволяет получить приемлемое расстояние между источником 2 света и оконным элементом 6. Специалисту должно быть понятно, что полные угловые расходимости в интервале от 5° до 60° или в интервале от 5° до 50° были бы применимы для описываемых здесь систем освещения, или других применений описанного здесь источника излучения в пределах настоящего раскрытия. Аналогично, для специалиста будет очевидным использование в соответствующих применениях полных угловых расходимостей одинаковой или разной величины в ортогональных направлениях, а также имеющих вращательную симметрию.
В коллимирующем узле 200 используется принцип действия параболического концентратора, преобразующего угловую расходимость направлений лучей падающего света в угловую расходимость направлений выходных лучей посредством отражения параболическими поверхностями.
Комбинацией взаимодействующих узла 100 излучателя и коллимирующего узла 200 можно построить различные схемы, в зависимости от типа и размера источников света (например, одиночных СД или решетки СД) и требуемой формы дальнего поля. Например, в коллимирующем узле 200 может использоваться одиночный составной параболический концентратор (CPC) 210 или решетка (совокупность) таких концентраторов.
CPC 210, схематично показанный на фиг. 3, обычно имеет входное отверстие 212 и выходное отверстие 214. В вариантах выполнения, CPC включает полые концентраторы и концентраторы полного внутреннего отражения (ПВО, также называемые диэлектрическими CPC). Полые параболические концентраторы имеют хорошо отражающую поверхность в форме параболы, в тот время как в ПВО концентраторах используется конструкция из материалов с коэффициентом преломления, при котором в элементе параболической формы возникает полное внутреннее отражение. ПВО концентраторы могут быть выполнены, например, из полимера (например, из силикона) в форме параболоида вращения.
Как показано на фиг. 3, CPC 210 в основном включает расположенные друг против друга сегменты 220, 230 параболы с разными фокальными точками 222, 232. Соответственно, входное отверстие 212 и выходное отверстие 214 соединено параболической границей раздела (т.е., отражающей поверхностью полого CPC или границей раздела материалов с разным коэффициентом преломления). Фокальная точка 222 параболы, образованной сегментом 220 параболы, лежит на параболе, образованной сегментом 230 параболы, в то время как фокальная точка 232 параболы, образованной сегментом 230 параболы, лежит на параболе, образованной сегментом 220 параболы. Два сегмента 220, 230 параболы симметричны относительно оси 240 CPC 210. Ось 240 проходит вдоль коллимирующего узла в направлении излучения света через CPC 210.
Согласно определению, ось 224 параболы, образованной сегментом 220 параболы, проходит через фокальную точку 222, а ось 234 параболы, образованной сегментом 230 параболы, проходит через фокальную точку 232. Угол, образуемый осью 224 параболы 220 и осью 234 параболы 230 с осью 240 CPC, определяет (выходной) полный угол расходимости CPC 210.
CPC
CPC
CPC
Полная угловая расходимость определяется как двойной угол θ приема в случае симметричного составного параболического концентратора CPC, по аналогии со сбором света при использовании CPC в обратном направлении. В этом случае, свет, входящий в выходное отверстие 214 с углом падения относительно оси 240 в пределах угла приема, отражается на входное отверстие, а свет с углом падения, превышающим угол приема, не отражается на входное отверстие. В данном случае, мы также определяем половину угловой расходимости как угол θ приема CPC 210, несмотря на то, что CPC 210 не принимает, а излучает свет с углом в пределах угла θ приема относительно оси 240.
CPC
CPC
CPC
Другими словами, при использовании CPC 210 для коллимирования, входящий во входное отверстие 212 свет выйдет из выходного отверстия с направлениями распространения в пределах угла θ приема, обозначенными рядом раскрытых углов 250 на выходном отверстии 214. Для специалиста должно быть понятно, что в условиях реальных вариантов выполнения, будут возникать некоторые потери и иметь место незначительные излучения под большими углами, однако CPC 210 будет, в основном, создавать на своем выходном отверстии 214 коллимированный луч света с полной угловой расходимостью 2 θ. В решении задачи имитации солнечного света, использование концентратора с формой, наиболее близкой к параболической, улучшит направленные свойства луча (меньшая часть лучей окажется за пределами угла полной расходимости), поскольку угол θ приема наилучшим образом определяется в системах с правильными параболическими поверхностями. С этой точки зрения, направленность будет предпочтительнее эффективности.
С учетом локализации источников света, входящих в CPC 210 в части их интенсивности и цвета, при использовании, например, дискретных СД разных цветов, свет, выходящий из CPC 210, может иметь некоторую неоднородность интенсивности и цвета по выходному отверстию 214. Кроме того, в случае использования решетки CPC 210, толщина стенок 226, 236 отражающих CPC 210 вызовет появление темных областей 260 между соседними CPC 210. Соответственно, глядя на выходное отверстие 214, наблюдатель сможет увидеть некоторую неоднородность, например, модуляцию, обусловленную локализацией источников света на входе CPC 210, а также из-за пробелов в областях 260.
Обычно, функция гомогенизирующего узла 300 состоит в дальнейшем усреднении света, выходящего из коллимирующего узла 200, и формирование пучка, аналогичного тому, что выходит из коллимирующего узла 200, но значительно более однородного (П-образной формы распределения в дальнем поле) как по яркости, так и по цвету (в случае разделения цветов).
Гомогенизирующий узел 300 является последним оптическим элементом, формирующим ближнее поле 400, и оптическим элементом, который определяет восприятие имитации Солнца наблюдателем, смотрящим на источник 2 света. С учетом этого, светоизлучающая секция на выходной стороне гомогенизирующего узла 300 называется выходной апертурой 320 источника 2 света. Диаметр (аппроксимированный) круглой выходной апертуры зависит от расходимости и расстояния, требуемых для освещения, имитирующего солнечный свет. Диаметр может составлять от 80 мм до 400 мм (например, 100 мм, или 150 мм, или даже более 400 мм) для расходимости луча в интервале от 5° до 50° и соответствующих расстояний между наблюдателем и источником 2 света.
Задача гомогенизирующего узла 300 состоит в формировании практически постоянной освещенности в пределах луча в ближнем поле, создавая, тем самым, постоянную интенсивность при изменяемых углах наблюдения в дальнем поле луча. Как показано в настоящем описании, в качестве оптических элементов в гомогенизирующем узле 300 могут быть использованы элементы на сдвоенных линзах, например, решетки тандемных сдвоенных линз. Как показано в настоящем описании, в качестве оптических элементов в гомогенизирующем узле 300 могут быть использованы конструкции со сдвоенными линзами, например, решетки тандемных сдвоенных линз.
Примеры решеток тандемных сдвоенных линз включают конденсор 310 на основе решетки микролинз (FEC) или две решетки линз, разделенных воздушным промежутком. Обычно, линзы могут иметь эллипсоидальную форму для снижения сферической аберрации. Однако, для сохранения углового распределения, две расположенные друг против друга линзы имеют одинаковое фокусное расстояние f и располагаются на одинаковом расстоянии e=fn, где n представляет собой (усредненный) коэффициент преломления среды между линзами. FEC 310 может, например, представлять собой сплошной элемент из пластика, на противоположных поверхностях которого сформированы микролинзы в виде решеток микролинз (название "микро"-линза относится к линзам, диаметр которых измеряется миллиметрами или менее, такой размер может быть подходящим для выходных апертур в интервале от 0,1 до 0,2 мм; в выходных апертурах большего размера могут, в принципе, использоваться большие линзы).
CPC
CPC
Гомогенизирующий узел 300 адаптирован для угла θ приема и повторно перемешивает в пределах небольших площадок свет, излученный из коллимирующего узла 200. Гомогенизирующий узел 300 может быть, в свою очередь, охарактеризован углом приема, выбранным в соответствии с углом приема коллимирующего узла 200, например, угла θ CPC 210. Более того, поперечная протяженность и расположение пар линз могут быть выбраны с учетом конкретной формы, например, решетки коллимирующего узла 200, с тем, чтобы избежать какого-либо повторения рисунка расположения.
В процессе распространения луча света внутри системы 500 передачи на расстоянии, например, несколько метров, ближнее поле 400 трансформируется в дальнее поле 600. В некоторых вариантах выполнения, используются изламывающие зеркала для уменьшения размера системы 500 передачи и/или в системе 500 передачи используется какая-либо общая перефокусирующая оптика, приспосабливающая размеры луча света к оконному узлу 6.
Далее приводится описание частных вариантов выполнения оптических узлов для конкретной конструкции, в которой для имитации солнечного света требуется круглое ближнее поле (круглая выходная апертура 320), дальнее поле которого, однако, приспособлено к прямоугольной геометрии оконного узла.
На фиг. 3 узел 100 излучателя показан в виде сечения светодиода 110, излучающая площадка 112 которого обращена к впускному отверстию 210 одного CPC 210. Излучающая площадка 112 излучает свет с большой угловой протяженностью, и, в случае планарного СД, имеющий Ламбертовскую диаграмму излучения.
LED
LED
Как показано на фиг. 3, CPC 210 установлен на некотором расстоянии d (измеряется по оси 240) от поверхности СД 110, поскольку показанный на фиг. 3 отражательный полый CPC может повредить СД 110 при непосредственном их соединении. В зависимости от расстояния d, происходит некоторая потеря света, излучаемого в зазор между СД 110 и CPC 210 и не коллимируемого CPC 210. Эти потери могут быть сокращены при использовании диэлектрического CPC, который, благодаря "мягкости" материала, например, силикона, может соприкасаться с излучающей площадкой 112.
Как также показано на фиг. 3, каждая из парабол 220 и 230 проходит через соответствующие боковые концы излучающей площадки 112, обеспечивая эффективное коллимирование благодаря расположению источника в области сбора света составного параболического концентратора 210. Другими словами, излучающая площадка 112 расположена в фокальных точках 222, 232 или перед ними, то есть в пределах параболического сечения, где обеспечивается коллимирование.
В то время как на фиг. 3 для простоты представления показан только один СД 110 с одной излучающей площадкой 112, с равным успехом может быть использовано несколько СД для излучения в один CPC 210 и/или СД, имеющий несколько излучающих площадок. Например, несколько СД могут быть расположены в виде одномерной или двумерной решетки, стыкуемой с единым CPC нужной геометрии. Однако любые промежутки между излучающими площадками не будут давать вклада в излучение и, тем самым, будут ограничивать размер и, кроме того, влиять на однородность выходного излучения CPC (нарушение однородности может быть, по меньшей мере отчасти, исправлено гомогенизирующим узлом 300).
Для излучающей площадки 112 квадратной формы может быть использован квадратный CPC с четырьмя одинаковыми параболами, с получением, в результате, квадратного ближнего поля и квадратного дальнего поля с одинаковой угловой расходимостью в ортогональных направлениях, в предположении одинаковой формы парабол. Аналогично, излучение площадки 112 круглой формы может быть собрано круглым CPC, с получением круглого ближнего поля и круглого дальнего поля с осевой симметрией угловой расходимости при отсутствии FEC. Для получения лучей с прямоугольным дальним полем, может быть использована прямоугольная излучающая площадка 112 в комбинации с прямоугольной CPC, как это будет описано ниже.
Для получения ближних полей круглой формы, обычно может быть использована диафрагма. Каждая диафрагма, однако, загораживает свет и, тем самым, снижает эффективность. В отличие от установки диафрагмы, использованием нескольких CPC можно аппроксимировать круглую форму, как это будет показано ниже. В частности, для получения прямоугольного дальнего поля могут быть использованы прямоугольные CPC, а для получения круглого дальнего поля могут быть использованы круглые CPC.
На фиг. 4 представлен частный вариант сборки 400 светодиодов, обеспечивающий эффективное излучение в прямоугольные CPC, и дополнительно предусматривающий освещение круглой выходной апертуры системы 2A освещения. Кроме того, может выполняться настройка спектра излучения одного CPC посредством смешивания излучения СД разных типов. Использование нескольких СД для одного CPC обеспечивает гибкость перестройки источника света на уровне CPC.
В качестве примера, на фиг. 4 показано расположение светодиодов холодного белого цвета, теплого белого, зеленого (бирюзового) и голубого цветов (обозначены, соответственно, как C - cold, W - warm, G - green и В - blue) в модулях 410 по шесть светодиодов. Помимо размещения СД, обеспечивающего однородное распределение их по цветам по всем CPC (на уровне коллимирующего узла 200 не наблюдается цветовой модуляции), положение СД различных цветов внутри СД модулей 410 также может быть выбрано так, чтобы в каждом участке луча в дальнем поле равномерно присутствовали все цвета.
На фиг. 4, один модуль 410 светодиодов с шестью СД размером излучающей площадки 1 мм×1 мм и интервалом 0,5 мм между соседними СД (не показан) соответствует излучателю для одного CPC. В такой конструкции, параболы прямоугольного CPC, ограничивающие короткие концы модуля 410, могут проходить через соответствующие боковые концы излучающих областей первого и последнего СД в модуле 410 светодиодов.
Кроме того, представленная на фиг. 4 схема расположения обеспечивает и получение круглого ближнего поля. В частности, излучающий узел 100 содержит центральную секцию 420 прямоугольной формы (в качестве примера показана матрица из шести строк по четыре модуля 410 СД в каждой) и две секции 430 в форме равнобочной трапеции. Секции 430 в форме равнобочной трапеции, соответственно, расположены рядом с длинными сторонами 422, 424 центральной секции 420. В каждой секции 430 в форме равнобочной трапеции число модулей СД в каждой строке уменьшается на один, пока длина наружной строки не станет приблизительно равна протяженности центральной секции 420 по ее коротким сторонам 426, 428, в результате чего секции 430 в форме равнобочной трапеции аппроксимируют форму сегмента круга.
Вариант выполнения, показанный на фиг. 4, представляет собой образец узла 100 излучателя, который, благодаря своей конструкции в виде плотно упакованных квадратных СД, аппроксимирует прямоугольный сплошной излучатель для формирования прямоугольного (асимметричного) пучка в дальнем поле.
Кроме того, излучающий узел 100 может включать элементы крепления (например, отверстия 440 под винты) для точной установки коллимирующего узла 300 на светодиодную сборку и обеспечения требуемой юстировки, в частности, в направлениях плоскости модулей 410 СД.
Кроме того, излучающий узел 100 может включать секцию 450 управления для питания модулей 410 СД.
При отсутствии ограничения угла излучения путем использования куполообразной линзы или другой оптики, например, прикрепленной непосредственно к СД 110, имеется возможность подать на вход коллимирующего узла 200 широкоугольный пучок, заполняющий все угловые направления распространения коллимирующего узла 200, или, по меньшей мере,  их часть. Другими словами, плоская светодиодная сборка на входе CPC позволяет почти полностью осветить поверхности на входе CPC, что невозможно при наличии куполообраной линзы, уже выполняющей коллимирование излучения отдельных СД.
Могут быть использованы и другие светоизлучающие устройства, помимо СД, например, источник света, имеющий крышку с отверстием(-ями), специально приспособленным для сопряжения с входными отверстиями CPC.
На фиг. 5 показан коллимирующий узел 1200, выполненный с возможностью приема света от светоизлучающего узла 100, например, света светодиодной сборки, показанной на фиг. 4.
В частности, коллимирующий узел 1200 представляет собой двумерную решетку прямоугольных CPC 1210. В частности, прямоугольные CPC 1214 расположены рядом и плотно упакованы. Все прямоугольные CPC 1214 одинаковы и расположены так, что их входные отверстия 1212 лежат в одной входной плоскости, и их выходные отверстия 1214 лежат в одной выходной плоскости. Совокупность всех выходных отверстий 1214 образует выходную апертуру CPC, аппроксимированную круглой поверхностью. Аналогично, все входные отверстия расположены так, чтобы принимать свет, излучаемый из круглой области, например, образуемой СД модулями 410 узла 100 излучателей.
Для аппроксимации круглой формы выходной апертуры CPC, коллимирующий узел 1200 содержит прямоугольные CPC 1214, формирующие центральную секцию прямоугольной формы (на фиг. 5 в качестве примера показана матрица из шести строк по четыре CPC в каждой) и две секции в форме равнобочной трапеции. Секции в виде равнобочной трапеции расположены соответственно, по длинным сторонам центральной секции. В каждой секции в виде равнобочной трапеции число модулей СД в каждой строке ступенчато уменьшается на один, пока длина внешней строки не станет приблизительно равной протяженности центральной секции по ее коротким сторонам, и не будет аппроксимирована форма сегмента круга. В примере на фиг. 5, внутренняя строка 1270 каждой секции в виде равнобочной трапеции содержит три, а внешняя строка 1272 содержит два прямоугольных CPC 1214.
Аналогично, возможны варианты выполнения, в которых составная поверхность аппроксимирует форму эллипса.
Одиночный прямоугольный составной параболический концентратор 1214 имеет прямоугольное входное отверстие 1212, ширина которого, равная 1,2 мм, несколько больше ширины излучающей площадки СД размером 1 мм×1 мм (тем самым точно стыкуется с одиночным квадратным СД), и длину примерно 9,0 мм, несколько превышающую длину одного прямоугольного СД модуля 410. Кроме того, одиночный прямоугольный CPC 1214 имеет выходное отверстие 1214 шириной примерно 12 мм и длиной примерно 32 мм. У полого CPC на фиг. 5 толщина стенки составляет в интервале от 0,2 до 1 мм, например, 0,4 мм. Соответственно, шаги 1216, 1218 смещения соседних CPC равны длине/ширине выходного отверстия плюс удвоенная толщина стенки, в соответствии с физическими размерами CPC.
Прямоугольный CPC 1214 имеет воронкообразную форму и образован четырьмя параболическими отражающими поверхностями, каждая из которых имеет кривизну в одной плоскости, как показано на фиг. 3. Внутренние поверхности являются зеркально отражающими, выполненными, например, из алюминиевого листа и обладающие высоким коэффициентом отражения. Противоположные внутренние поверхности имеют аналогичную параболическую форму для формирования выходного отверстия 1214 с, например, полным углом раскрыва, равным 30° (по длине) и 10° (по ширине).
На фиг. 5 также показана сборочная конструкция узла, имеющая первую опорную плиту 1280, вторую опорную плиту 1282 и распорные стержни 1284, которые вместе обеспечивают правильную юстировку CPC 1210. В частности, первая опорная плита 1280 имеет установочное отверстие 1286, форма которого соответствует линии периметра CPC сборки с выходной стороны. Вторая опорная плита 1282 имеет индивидуальные установочные отверстия 1288 для каждого CPC, форма которых соответствует линии периметра одного CPC 1210 на некотором расстоянии от его входного отверстия.
Точная юстировка первой опорной плиты 1280 и второй опорной плиты 1282 друг относительно друга достигается с использованием распорных стержней 1284. В частности, группа одинаковых CPC 1210 сначала располагается (и, например, вклеиваются) в установочном отверстии 1286 первой опорной плиты 1280. Затем вторая опорная плита 1282 с отдельными установочными отверстиями 1288 надевается (и, например, приклеивается) на CPC 1210. Наконец, опорные плиты скрепляются друг с другом под заданным углом и на заданном расстоянии посредством распорных стержней 1284.
В некоторых вариантах выполнения, CPC совмещаются с первой опорной плитой 1280, после чего прикрепляются друг к другу и первой опорной плите 1280, например, клеем. Соответственно, вторая опорная плита 1282 может не понадобиться.
Коллимирующий узел 1200 позволяет разорвать связь параметров луча света, в частности, формы его поперечного сечения и расходимости, с формой луча на выходе коллимирующего узла 1200.
В данном случае, CPC 1210 генерируют идентичные "единичные лучи света", имеющие прямоугольное поперечное сечение, смещенные друг относительно друга на размер CPC. Это смещение невелико по сравнению с размером луча в дальнем поле, поэтому все лучи перекрывают друг друга, формируя прямоугольное дальнее поле яркости. Практически, единичные лучи света сливаются в единый составной луч света, имеющий такое же прямоугольное поперечное сечение и такую же расходимость, что и одиночный луч света. Таким образом, вариант выполнения, показанный на фиг. 4 и 5, позволяет генерировать составной луч с сечением в плоскости, перпендикулярной оси составного луча и на требуемом расстоянии от источника 2 света, представляющим собой прямоугольник заданного размера и формы.
Кроме того, вариант выполнения, показанный на фиг. 4 и 5, позволяет создать источник света с излучающей поверхностью, которая может иметь любую форму, например, круглую или эллиптическую. Размер выходных отверстий определяет степень дискретности приближения к окружности. Хотя для устранения этой остаточной ступенчатости линии окружности может быть использована какая-либо диафрагма, учитывая высокую яркость луча, глядящий на коллимирующий узел 1200 наблюдатель обычно не заметит этих ступеней, поэтому необходимости в такой диафрагме обычно нет, и нет нужды вносить потери, перегораживая лучи.
Могут быть использованы и другие формы и типы отражающих концентраторов. Вообще, составными параболическими концентраторами могут быть как полые CPC, так и CPC полного внутреннего отражения (ПВО), описанные выше.
В некоторых вариантах выполнения, квадратные излучающие поверхности комбинируются с соответствующими квадратными CPC, имеющими квадратную входную апертуру и квадратную выходную апертуру. Таким путем, каждое излучающее устройство генерирует квадратный луч, который может иметь одинаковую расходимость в двух ортогональных направлениях.
В некоторых вариантах выполнения, круглые излучающие площадки объединяются с соответствующим CPC круглой формы, имеющим круглое входное отверстие и круглое выходное отверстие. В этом случае, CPC генерирует луч с круговой симметрией.
На фиг. 6 представлена сборка круглых CPC 1290, где расстояние между соседними круглыми CPC 1290 имеет обозначение 1292. Благодаря круглой геометрии, протяженность темных областей 1260 между (тремя) CPC 1290 превышает двойную толщину стенки, что будет влиять на размещение гомогенизирующего узла 300, как это показано ниже. Более того, в сравнении с плотно упакованным прямоугольными CPC, общая протяженность будет сокращена, потому что выходная апертура имеет  неизлучающие темные области.
Кроме того, в том случае, если отражательная система содержит зеркало, имеющее форму кругового параболоида, предпочтительно использование источника с круглым лучом. В этом случае, источник 2 света может быть выполнен из единого кругового СПС, состыкованного с круглой сборкой светодиодов, что позволяет получить круговое ближнее поле.
Как было показано выше, раскрытые варианты выполнения обеспечивают получение, среди прочего, прямоугольного пучка в дальнем поле, несмотря на круглую форму выходной апертуры источника 2 света, т.е., круговое ближнее поле. Более того, CPC обеспечивают (почти) максимальное использование яркости света СД после коллимирования.
Кроме того, требуется достижение в дальнем поле большой однородности (по яркости и, в некоторых случаях, по цвету) в пятне пучка с П-образным распределением. Однако, сборка CPC передает дискретность излучения СД источников света, в результате чего наблюдатель может замечать соответствующую неоднородность яркости/цвета. Например, при наблюдении CPC конструкции сбоку, всегда видна одна сторона CPC. Из-за наличия модулей СД, наблюдатель будет видеть линейчатую структуру/модуляцию яркости (кажущуюся) благодаря прямому освещению боков модулями СД с менее освещенными областями в промежутках. В результате образуется ре5шетчатая структура на выходной апертуре CPC. Более того, в частности, для полого CPC, требуется минимальная толщина стенки, которая, как показано на фиг. 3, дает темные области 260. Темные области дополнительно подчеркивают решетчатю структуру.
Соответственно, однородность по выходной апертуре без гомогенизирующего узла 300 все еще может быть улучшена. Следует отметить, что для генератора пучка высокой яркости, визуальное восприятие источника света представляет меньший интерес или вообще безразлично, поскольку наблюдают только излучаемый свет в дальнем поле. Таким образом, восприятие однородного, полностью освещенного диска, имитирующего Солнце, представляет собой специфическую особенность систем освещения с имитацией солнечного света.
В приведенном далее описании со ссылкой на фиг. 3, 6 и 7, представлен конденсор 310 на основе решетки микролинз (FEC), в качестве примера системы со сдвоенными линзами.
FEC 310 представляет собой оптическую систему в виде двух решеток 1312, 1314 линз, расположенных на расстоянии друг от друга, равном фокусному расстоянию (в среде). В данном описании, пара, составленная из первой линзы 1322 первой решетки 1312 и второй линзы 1324 второй решетки 1314 называется элементарной линзой 1320.
На фиг. 7 представлена группа из пяти элементарных линз 1320. Первая линза каждой элементарной линзы фокусирует каждый компонент плоской волны на поверхности второй линзы. В частности, свет фокусируется в поперечном (xy) положении, соответствующем направлению распространения плоской волны. Это иллюстрируется фиг. 3, а также и на фиг. 6 для трех частных направлений распространения плоской волны. В то время как на фиг. 3 показаны направления распространения под углом 0° и под углами ±θ, на фиг. 7 иллюстрируется случай с углом, равным 0°, а также с углами падения меньше, чем ±θ.
CPC
Как показано на фиг. 3, плоская волна 1330, соответствующая части луча, распространяющегося вдоль направления 0°, будет сфокусирована по центру на второй линзе (фокальная точка 1332). Плоская волна 1340, приходящая слева, будет сфокусирована на правой стороне (фокальная точка 1342), а плоская волна 1350, приходящая справа, будет сфокусирована на левой стороне (фокальная точка 1352). В ближнем поле, например, когда FEC расположен в ближнем поле источника света (но не слишком близко), каждая элементарная линза 1320 освещена со всех направлений распространения в пределах полной угловой расходимости CPC (|углы распространения|<θ).
Вторая линза создает в дальнем поле изображение первой линзы (например, прямоугольника, для линзы с прямоугольной апертурой), когда первая линза (почти) однородно освещена. Другими словами, каждая элементарная линза перемешивает свет, падающий на нее так, что одна точка в первой линзе изображается (располагается) в конкретном положении в дальнем поле. Другими словами, каждая точка в дальнем поле получает вклад от каждой освещенной точки на первой линзе. Это иллюстрируется пучками 1334, 1344, 1354 световых лучей, выходящих из каждой фокальной точки на фиг. 7.
Элементарные линзы 1320 из FEC 310 связаны со входной угловой апертурой, определяемой фокусным расстоянием линз и их апертурой. В случае одинакового фокусного расстояния двух линз и их расположения на одинаковом расстоянии e=fn, выходная расходимость (также называемая входной угловой апертурой) FEC 310 пропорциональна апертуре а одиночной линзы, отнесенной к фокусному расстоянию f.
a
a
Другими словами, входная угловая апертура FEC β соответствует (половине) выходного угла и связана с геометрией решетки микролинз выражением β~/(2ƒ), где, как показано на фиг. 3,  представляет собой (полную) апертуру линзы (линейный размер), а ƒ - фокусное расстояние (в воздухе; толщина слоя составляет nƒ, где n обозначает средний коэффициент преломления элементарной линзы). Эта формула справедлива для малых углов, а при углах более 5°-10° требуется введение поправок на члены высших порядков.
CPC
FEC
Зрительное восприятие FEC 310 при рассматривании выходной апертуры зависит от сопряжения между угловой апертурой θ CPC 210 и угловой апертурой β FEC 310.
CPC
FEC
Если (входная) угловая апертура θ луча, падающего на первую решетку, много меньше входной угловой апертуры β элементарных линз, только центральная часть второй решетки будет получать и рассеивать свет. В результате, при взгляде на FEC будет видна решетка небольших ярких областей, соответствующих этим пятнам (свет из второй решетки излучается только этими пятнами).
CPC
FEC
Однако, когда (входная) угловая апертура θ сопряжена (или по меньшей мере близка к этому) с входной угловой апертурой β, вся целиком вторая решетка линз получает свет от первой решетки. При этом если смотреть на FEC, то воспринимается полностью освещенный объект. В некоторых вариантах выполнения, углы CPC и FEC точно согласованы, благодаря этому свет вводится в FEC во входной угловой апертуре самого FEC.
CPC
FEC
Обычно, зрительное восприятие объекта, при условии, что (входная) угловая апертура θ согласована с входной угловой апертурой β, зависит только от распределения яркости на уровне первой решетки.
В частности, любая модуляция, возникающая из-за дискретности решетки СД и геометрических ограничений CPC (т.е., отсутствие прямого контакта CPC с СД источниками), может быть размыта (или по меньшей мере ослаблена) посредством перемешивания с использованием FEC 310.
FEC
В завершение можно отметить, что лучи, падающие на первую линзу под углами, превышающими входную угловую апертуру β, направляются в соседнюю линзу второго слоя (не на соответствующую линзу элементарной линзы), что приводит к появлению других порядков в дальнем поле (т.е., двойников изображения линзы). Этот эффект называется перекрестной помехой между элементарными линзами FEC и может приводить к фоновому освещению внутри темного ящика.
x
y
На фиг. 8 представлена комбинация FEC 1310 и CPC 1210. CPC 1210 обеспечивает расходимость луча, составляющую 10° и 30° в x и y направлениях, соответственно. Для получения сплошного освещения в x и y направлениях, FEC 1310 содержит прямоугольные элементарные линзы 1360, размеры которых адаптированы к полной расходимости луча на выходе CPC. В частности, выходная расходимость 10° и 30° требует прямоугольной формы элементарных линз с размером, например a=0,7 мм и a=2 мм, при толщине примерно e=5 мм.
Как было показано выше, решению задачи получения непрерывно освещенной выходной апертуры источника 2 света способствует согласование расходимостей FEC 310 и CPC 210. Однако, требуется сплошное освещение FEC 310, поскольку неосвещенные элементарные линзы 1360 не будут излучать какой-либо свет.
CPC-FEC
CPC-FEC
С этой целью, гомогенизирующий узел 300, и, в частности, FEC 310, располагается на некотором расстоянии D за выходными отверстиями 214 коллимирующего узла 200. При этом благодаря расходимости отдельных CPC лучей, темные области 260, создаваемые стенками CPC 210, дают не столь глубокие затенения (области с пониженным контрастом), и по существу могут отсутствовать в виде затенений в поперечном сечении луча и, значит, на элементарных линзах FEC 310. Авторы изобретения установили, что для обеспечения высокой однородности засветки выходной апертуры FEC 310 требуется минимальное расстояние между выходными отверстиями 214 и FEC 310. Чем меньше расходимость луча, тем больше требуется расстояние D. Это также справедливо и для входной угловой апертуры FEC, которая в данном случае соответствует в основном расходимости луча на выходе CPC (половинный угол). Таким образом, несмотря на то, что дополнительное расстояние снижает яркость по мере расширения луча, однородность яркости повышается.
Другими словами, каждая входная микролинза решетки микролинз получает долю ближнего поля луча (т.е., освещение входной линзы) и передает ее в дальнее поле, отображая посредством выходной микролинзы. Согласование между угловой расходимостью CPC и угловой расходимостью решетки микролинз сокращает провалы в яркости зрительно воспринимаемой решетки микролинз. Если угловая апертура CPC меньше угловой апертуры решетки микролинз, выходная апертура кажется не полностью освещенной, и на микролинзах образуются провалы яркости. В результате возникает модуляция в виде решеток, структур, искажающих воспринимаемый вид Солнца, и многочисленных затенений в области полутени освещенных объектов. При использовании раскрытой здесь оптической системы, могут быть усреднены горячие пятна отражений от фольги на входе и цветная модуляция на входе CPC (входные отверстия).
Для получения полностью светящейся выходной апертуры, согласование входных угловых апертур CPC и FEC может выбираться таким образом, чтобы было освещено по меньшей мере 70%, по меньшей мере 90%, по меньшей мере 85%, по меньшей мере 95% или даже 100% поверхности решетки вторых линз. Аналогично, может быть освещено до 10% или до 5% соседних микролинз с сохранением приемлемой однородности зрительного восприятия выходной апертуры.
Для конструкций CPC, не имеющих каких-либо темных областей, приведенные выше требования на минимальное расстояние могут не потребоваться. Однако, как было объяснено выше, введение минимального расстояния между решеткой микролинз и выходными отверстиями CPC обеспечит дальнейшее сокращение или даже уничтожение модуляции, порождаемой темными областями, либо размоет за счет распространения остаточную модуляцию в ближнем поле (как в отношении цвета, так и яркости), возникающую, например, из-за дискретности СД.
FEC
CPC
FEC
CPC
FEC
CPC
FEC
FEC
CPC
FEC
Что касается согласования угловых апертур, предлагается выбирать 0,90 β≤θ≤1,1 β. Это применимо для расходимостей 10° и 30°. В некоторых вариантах выполнения, будут приемлемы следующие соотношения: θ(30°)/β(30°)=1,05 и θ(10°)/β(10°)=0,9. В некоторых вариантах выполнения, в принципе допустимы даже и большие рассогласования, например 0,85 β≤θ≤1,15 β.
Альтернативные варианты расходимости для CPC и FEC находятся в интервале, например, от 7° до 20° для меньшего угла и от 15° до 50° для большего угла.
Что касается диэлектрических CPC (вместо полых CPC), по меньшей мере, в принципе, можно изготовить много одиночных диэлектрических CPC и собрать их в решетку с использованием разделительных стенок. Соответственно, могут не потребоваться минимальные расстояния, или эти расстояния могут потребоваться из-за дефектов изготовления в области стыковки.
Как было показано выше, хотя между CPC и FEC вводится некоторое расстояние, непосредственно после CPC не устанавливается линза, чтобы не вводить дополнительную(-ые) поверхность, влияющую на луч. Тем самым слегка снижают конечную среднюю яркость, но получают входной луч для FEC с лучшими параметрами.
CPC
min
CPC
Что касается минимального расстояния, то оно было оценено на основании величины θ и протяженности темной области, для гарантии перекрытия элементарных лучей от смежных CPC, и составляет D=p/(2tan(θ)), где p является протяженностью темной области, обычно в направлении минимальной расходимости, где влияние темных областей сильнее. При увеличенных расстояниях, FEC освещается, в принципе, без сильной, темной решетки или сильная, темная решетка существенно подавлена, и тем больше, чем больше расстояние.
В случае полых составных параболических концентраторов с темными областями (на выходной стороне CPC) шириной примерно 0,8 мм (соответствует толщине стенки двух слоев по 0,4 мм отражающей алюминиевой фольги) и минимальной расходимостью 10°, появляющиеся темные линии (решетчатые "тени" стенки), согласно оценкам, должно исчезать на расстояниях от 10 мм до 30 мм. Минимальная теоретическая оценка в 10 мм показывает, где должно начинаться перекрытие двух соседних лучей. Для надежного подавления воспринимаемой темной решетки, должно устанавливаться минимальное расстояние, по меньшей мере, вдвое превышающее эту минимальную оценку, например, по меньшей мере, 25 мм или по меньшей мере, 30 мм. Однако, чем больше это выбранное расстояние, тем сильнее будет снижение яркости.
Для вариантов выполнения с круглыми CPC, конструкции FEC с использованием шестиугольных элементарных линз могут сформировать шестиугольное дальнее поле, хорошо аппроксимирующее круглое дальнее поле.
min
На фиг. 9 показана оптическая система 2A, содержащая показанный на фиг. 5 коллимирующий узел 1200 в смонтированном состоянии, с прикрепленным к нему FEC 1410. FEC 1410 установлен на заданном расстоянии (превышающим минимальное расстояние D) от выходных отверстий CPC коллимирующего узла 1200 посредством держателей 1420 и сепараторов 1430. Конденсор 1410 может быть выполнен литьем с круговым усилением конструкции узла микролинз.
Для дальнейшего ослабления периодической модуляции на выходной апертуре, размеры элементарных линз и выходного отверстия выбираются так, чтобы существовал сдвиг в положении между соседними CPC, например, длина элементарных линз не была целочисленной частью длины CPC (включающей толщину стенок).
Как показано на фиг. 1, оконный узел 6 освещен источником 2 света, содержащим, в лучшем случае, зеркальную систему с изломом оптической оси между выходной апертурой и оконным узлом 6. Как было показано выше в отношении системы освещения, генератор 20 рассеянного света представляет собой, например, панель в форме параллелепипеда. В частности, панель может быть ограничена двумя параллельными поверхностями, а квадрат ее толщины, измеренной в направлении, перпендикулярном этим поверхностям, может не превышать 5%, например, не более 1% площади поверхностей.
Оконный узел 6 может представлять собой панель с Релеевским рассеянием, которая практически не поглощает свет в видимом диапазоне волн, и которая рассеивает свет в волновом диапазоне голубого цвета (примерно 450 нм) по меньшей мере, в 1,2 раза, по меньшей мере, в 1,4 раза, например, по меньшей мере, в 1,6 раз более эффективно, чем свет в волновом диапазоне красного света (примерно 650 нм), где эффективность рассеяния определяется соотношением между лучистым потоком рассеянного света и лучистым потоком падающего света.
2
2
2
2
3
В некоторых вариантах выполнения, генератор 20 рассеянного света содержит сплошную основу/матрицу первого материала (например, полимера или пластика, имеющего отличную оптическую прозрачность), в котором рассеяны наночастицы второго материала (например, неорганического оксида, например, ZnO, TiO, ZrO, SiO, AlO). Коэффициент преломления второго материала отличается от коэффициента преломления первого материала. Предпочтительно, первый и второй материалы в основном не поглощают электромагнитное излучение в видимом волновом диапазоне.
Кроме того, генератор 20 рассеянного света может быть однородным в том смысле, что в каждой данной точке генератора 20 рассеянного света, его физические характеристики в этой точке не зависят от положения этой точки. Кроме того, генератор 20 рассеянного света может быть монолитным.
В некоторых вариантах выполнения, наночастицы сферической или иной формы могут быть монодисперсными и/или иметь эффективный диаметр D в интервале [5 нм-350 нм], например, [10 нм-250 нм], или даже [40 нм-180 нм], или [60 нм-150 нм], где эффективный диаметр D определяется произведением диаметра наночастиц на коэффициент преломления первого материала.
2
min
Более того, наночастицы распределены внутри генератора 20 рассеянного света так, что их поверхностная плотность, а именно, число N наночастиц на квадратный метр, т.е. число нанаочастиц в элементе объема, ограниченного частью поверхности генератора 20 рассеянного света с площадью 1 м, удовлетворяет условию N≥N, где:
6
2
min
где ν представляет собой пространственную постоянную, равную 1 м, N выражается в единицах на м, эффективный диаметр выражается в метрах, a m равно отношению коэффициента преломления второго материала к коэффициенту преломления первого материала.
2
В некоторых вариантах выполнения, наночастицы распределены однородно, по меньшей мере в отношении их поверхностной плотности, т.е., поверхностная плотность в значительной мере однородна на генераторе 20 рассеянного света, но распределение наночастиц может изменяться по генератору 20 рассеянного света. Поверхностная плотность меняется, например, менее чем на 5% от средней поверхностной плотности. Поверхностная плотность в данном случае понимается как количество, определенное по площади более 0,25 мм.
В некоторых вариантах выполнения, поверхностная плотность меняется с тем, чтобы компенсировать различия в освещенности по генератору 20 рассеянного света, освещенному источником 2 света. Например, поверхностная плотность N(x,y) в точке (x,y) может быть связана с освещенностью I(x,y), создаваемой источником 2 света в точке (x,y), посредством уравнения N(x,y)=Naν*Iaν/I(x,y)±5%, где Naν и Iaν представляют собой усредненные освещенность и поверхностную плотность, причем эти последние величины усреднены по поверхности генератора 20 рассеянного света, несмотря на неоднородность распределения освещенности от источника 2 света по генератору 20 рассеянного света. В этом случае, яркость генератора 20 рассеянного света может быть выровнена, несмотря на неоднородность распределения освещенности от источника 2 света по генератору 20 рассеянного света. В этих условиях, яркость представляет собой световой поток луча, исходящего от поверхности (или падающего на поверхность) в данном направлении, на единицу поверхности пучка при наблюдении с этого направления, и в единице телесного угла, как это установлено, например, в стандарте Американского Общества Специалистов по испытаниям и Материалам (ASTM - American Society for Testing and Materials) E284-09a.
min
Ожидается, что в предельном случае малого D и малого объемного содержания (т.е., толстых панелей), поверхностная плотность N≈N обеспечивает эффективность рассеяния около 5%. Ожидается, что по мере увеличения числа наночастиц на единицу поверхности, эффективность рассеяния будет расти пропорционально N, пока не возникнет многократное рассеяние или интерференции (в случае высокого объемного содержания), что может повредить качеству окраски. Поэтому выбор количества наночастиц основан на поиске компромисса между эффективностью рассеяния и требуемым цветом, как это подробно описано в EP 2304478 A1. Кроме того, по мере увеличения размера наночастиц, растет отношение рассеянного вперед лучистого потока к рассеянному назад лучистому потоку, причем это отношение равно единице на Релеевской границе. Кроме того, по мере увеличения этого отношения, апертура конуса переднего рассеяния становится меньше. Поэтому, выбор этого отношения основан на поиске компромисса между получением рассеяния света под большим углом и минимизацией потока обратно рассеянного света. Как известно, с целью снижения отражения, на генератор 20 рассеянного света может быть нанесен противоотражающий слой; таким путем увеличивается световая отдача системы 1 освещения и уменьшается различимость генератора 20 рассеянного света (как физического элемента) со стороны наблюдателя в комнате 30.
В некоторых вариантах выполнения, наночастицы могут не иметь сферической формы; в этом случае, эффективный диаметр D может быть определен как эффективный диаметр эквивалентных сферических частиц, а именно, эффективный диаметр сферических частиц, имеющих тот же объем, что и упомянутые наночастицы.
eff
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения, наночастицы обладают полидисперсностью, т.е., их эффективные диаметры характеризуются распределением N(D). Такое распределение описывает число наночастиц на единицу поверхности и единичный интервал эффективных диаметров вблизи эффективного диаметра D (т.е., число частиц на единицу поверхности, имеющих эффективный диаметр от D1 до D2, равное  Эти эффективные диаметры могут попасть в интервал [5 нм-350 нм], т.е., распределение может иметь ненулевое значение внутри этого интервала. В этом случае, с учетом того, что эффективность рассеяния нарастает приблизительно, т.е., в пределе при уменьшении частиц, пропорционально шестой степени диаметра наночастицы, полидисперсное распределение примерно подчиняется закону монодисперсного распределения, характерный диаметр D' которого определяется как:
где
может быть выбран так, чтобы лежать в интервале [5 нм-350 нм], предпочтительно, [10 нм-250 нм], более предпочтительно, [40 нм-180 нм], еще более предпочтительно, [60 нм-150 нм].
В некоторых вариантах выполнения, оконный узел 6 может включать хроматическое зеркало, освещенное источником 2 света. Соответственно, отражение луча 3 света комбинируется с эффектом рассеяния. Хроматическое зеркало может содержать зеркально отражающую поверхность и рассеивающий слой перед зеркально отражающей поверхностью.
Рассеивающий слой может действовать как описанный выше Релеевский рассеиватель для оптической передающей схемы. Например, рассеивающий слой преимущественно рассеивает коротковолновые компоненты падающего света, по сравнению с длинноволновыми компонентами падающего света. Например, в качестве основы для хроматического зеркала может служить зеркало из стекла, из пластмассы, из металла.
6
2
6
2
6
2
В некоторых вариантах выполнения, естественность освещения улучшается если максимальная яркость источника 2 света превышает 0,1*10 кд/м, например, по меньшей мере, 1*10 кд/м, или по меньшей мере, 5*10 кд/м, или больше. Для таких значений, по существу, яркость создаваемого источником 2 света такова, что на него трудно смотреть, что не позволяет наблюдателю оценить дальность до источника посредством механизма фокусирования глаза. Яркость такого уровня позволяет надежно решить проблему бесконечной дальности до объекта. Более того, яркий свет затрудняет различение возможных неоднородностей в распределении яркости источника 2 света, что осложняет обнаружение различия между изображением источника 2 света и изображения реального Солнца.
В некоторых вариантах выполнения, выходная апертура аппроксимируется кругом, изображение первого источника 2 света, воспринимаемое наблюдателем, сохраняет круговую форму, поскольку оптическая система не искривляет изображения. В некоторых вариантах выполнения, освещенная на оконном узле площадка имеет эллиптическую форму, при освещении лучом света с круговой расходимостью. Возможны также и другие формы, например, удлиненная форма. В некоторых вариантах выполнения, изламывающему зеркалу может быть придана форма части параболоида с цилиндрической симметрией.
В том случае, когда отражающая система включает по меньшей мере один параболоид с цилиндрической симметрией, выходная апертура может быть аппроксимирована эллипсом, благодаря чему компенсируется разное увеличение по ортогональным осям, что позволяет создать круглое световое пятно на сетчатке наблюдателя.
В настоящем раскрытии приведено описание высококачественного источника света высокой яркости для освещения закрытых помещений. Для специалиста, однако, должно быть очевидно, что такой источник освещения может быть использован и для наружного применения. Кроме того, источник света может быть применен и в проекционных системах, в частности, имеющих высокую яркость, приспособленных, например, для однородного освещения прямоугольных объектов, например, произведений искусства, живописи.
Хотя в данном раскрытии приведены описания предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения, в них могут быть внесены усовершенствования и модификации, не выходящие за пределы области притязаний приложенной формулы.