ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
LIGHTING SYSTEM

Область техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к осветительной системе, прежде всего к осветительной системе для имитации естественного солнечного света. Кроме того, настоящее изобретение, в общем, относится к выполнению такой осветительной системы в здании, а конкретно, в потолке или стене здания. Кроме того, настоящее изобретение относится к конфигурациям потолка, имитирующим освещение естественным солнечным светом.
Предпосылки для создания изобретения
Системы искусственного освещения для закрытых сред часто нацелены на улучшение визуального комфорта, испытываемого пользователями. Прежде всего, известны осветительные системы, которые моделируют естественное освещение, прежде всего освещение солнечным светом. Характеристики имитируемого наружного освещения зависят от взаимодействия между солнечным светом и атмосферой земли, и создают специфическую теневую характеристику.
ЕР 2304478 А1 и ЕР 2304480 А1, поданные этим же заявителем, раскрывают осветительную систему с источником света, производящим видимый свет, и панель, содержащую наночастицы. Во время работы осветительной системы, панель получает свет от источника света и действует как так называемый диффузор Рэлея, а именно, он рассеивает лучи света аналогично атмосфере земли в условиях ясного неба. Конкретно, концепция использует направленный свет с низкой коррелированной цветовой температурой (КЦТ), которая соответствует солнечному свету и генерирует тени в присутствии освещенных объектов, и рассеянный свет с большей КЦТ, который соответствует свету голубого неба и, в принципе, может генерировать тени с синим оттенком.
Настоящее изобретение, по меньшей мере, частично направлено на улучшение или преодоление одного или нескольких аспектов предыдущих систем.
Краткое описание изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение относится к осветительной системе, содержащей источник света для обеспечения светового луча направленного нерассеянного света с первой коррелированной цветовой температурой вдоль основного направления светового луча, причем направление распространения направленного нерассеянного света модифицировано поперек светового луча и по существу параллельно основному направлению светового луча во внутренней области и все более и более наклонено по отношению к основному направлению светового луча с увеличением расстояния от внутренней области, и абажуроподобную структуру, содержащую нижний блок, подлежащий освещению из источника света с одной стороны, и экранную структуру, предусмотренную с противоположной стороны (здесь также называемой противолежащей стороной), причем нижний блок и экранная структура задают световой проход. Кроме того, нижний блок содержит генератор рассеянного света для генерирования рассеянного света при второй коррелированной цветовой температуре, которая больше, чем первая коррелированная цветовая температура, является, по меньшей мере, частично, прозрачным для направленного нерассеянного света светового луча, и выполнен так, что, по меньшей мере, расходящаяся порция светового луча входит в световой проход, а экранная структура пространственно ориентирована относительно основного направления светового луча расходящейся порции светового луча, чтобы освещаться, по меньшей мере, частью расходящейся порции светового луча, обеспечивая тем самым освещенную секцию экрана, действующую как источник рассеянного света.
В другом аспекте раскрывается несколько осветительных систем вышеописанного типа, причем каждая осветительная система характеризуется во время работы, по меньшей мере, одной контрастной линией, и осветительные системы расположены относительно друг друга так, что набор контрастных линий являются параллельными или, по меньшей мере, воспринимаются наблюдателем как параллельные.
В другом аспекте осветительная система содержит источник света для обеспечения светового луча направленного нерассеянного света с первой коррелированной цветовой температурой вдоль основного направления светового луча, и абажуроподобную структуру, содержащую плоскую плиту перекрытия с отверстием, нижний блок и экранную структуру, причем нижний блок расположен для освещения от источника света с одной стороны. Нижний блок и экранная структура задают световой проход, проходящий от противоположной стороны нижнего блока к отверстию, причем нижний блок сдержит генератор рассеянного света для генерирования рассеянного света при второй коррелированной цветовой температуре, которая больше, чем первая коррелированная цветовая температура, является, по меньшей мере, частично, прозрачным для направленного нерассеянного света светового луча, и выполнен так, что, по меньшей мере, например расходящаяся, порция светового луча входит в световой проход. Кроме того, генератор рассеянного света наклонен по отношению к плоской плите перекрытия.
В другом аспекте осветительное устройство содержит несколько осветительных систем, описанных выше, и/или осветительное устройство содержит несколько осветительных систем, причем каждое из них содержит источник света для обеспечения светового луча направленного нерассеянного света с первой коррелированной цветовой температурой вдоль основного направления светового луча, и абажуроподобную структуру, содержащую плоскую плиту перекрытия с отверстием, нижний блок и экранную структуру, причем нижний блок расположен для освещения из источника света с одной стороны, и нижний блок и экранная структура задают световой проход, проходящий от противоположной стороны нижнего блока к отверстию, причем нижний блок содержит генератор рассеянного света для генерирования рассеянного света при второй коррелированной цветовой температуре, которая больше, чем первая коррелированная цветовая температура, является, по меньшей мере, частично, прозрачным для направленного нерассеянного света светового луча, и выполнен так, что, по меньшей мере, например расходящаяся, порция светового луча входит в световой проход. В этих осветительных устройствах, осветительные системы по существу идентичны, и осветительные системы расположены внутри осветительного устройства в пространственной ориентации, которая по существу идентична для всех осветительных систем.
Дополнительные варианты осуществления вышеуказанных аспектов раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения, которые включены здесь в качестве справочного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления протяженность экранной структуры в азимутальном направлении вокруг основного направления светового луча расходящейся порции светового луча, когда он входит в световой проход, и/или пространственная ориентация экранной структуры по отношению к расходящейся порции светового луча могут быть выбраны такими, что освещенная секция экрана проходит частично, например максимально на 220°, 200° или 190° или в некоторых вариантах осуществления лишь несколько десятков градусов, в азимутальном направлении вокруг основного направления светового луча, когда расходящаяся порция светового луча входит в световой проход.
В некоторых вариантах осуществления осветительные системы могут быть интегрированы в стену или потолок помещения и освещать помещение через световую шахту.
Другие признаки и аспекты этого изобретения станут очевидными из следующего описания и сопровождающих чертежей.
Краткое описание чертежей
Показано на:
Фиг. 1: схематическое поперечное сечение примерной осветительной системы, освещающей помещение,
Фиг. 2: схематическая иллюстрация светового луча, имеющего неравномерное направление распространения поперек луча,
Фиг. 3: схематический вид в перспективе примерной световой шахты в потолке,
Фиг. 4: схематический вид, иллюстрирующий геометрию световой шахты согласно фиг. 3,
Фиг. 5: схематическое поперечное сечение в первом направлении вдоль короткой стороны примерной световой шахты согласно фиг. 3,
Фиг. 6: схематическое поперечное сечение в первом направлении вдоль длинной стороны примерной световой шахты согласно фиг. 3,
Фиг. 7: еще одно примерное схематическое поперечное сечение круглой примерной световой шахты,
Фиг. 8: схематический вид, иллюстрирующий геометрию световой шахты согласно фиг. 7,
Фиг. 9: схематический вид в перспективе, иллюстрирующий примерный освещенный экран осветительной системы,
Фиг. 10: схематическое поперечное сечение дополнительных вариантов осуществления осветительной системы с наклонным нижним блоком,
Фиг. 11: схематическое поперечное сечение еще одного варианта осуществления осветительной системы, иллюстрирующее геометрические параметры, и
Фиг. 12: схематический вид в перспективе, иллюстрирующий помещение, освещенное осветительным устройством, содержащим несколько осветительных систем.
Подробное описание
Следующее представляет собой подробное описание примерных вариантов осуществления настоящего изобретения. Примерные варианты осуществления, описанные здесь и иллюстрированные на чертежах, предназначены для обучения принципам настоящего изобретения, позволяющим специалистам в данной области осуществить и использовать настоящее изобретение во многих различных средах и во многих различных целях. Поэтому, предполагается, что примерные варианты осуществления не являются ограничивающим описанием объема патентной охраны и не должны рассматриваться как таковое. Скорее, объем патентной охраны определяется прилагаемой формулой изобретения.
Частично, изобретение основано на понимании того, что осветительные системы, основанные на имитации солнечного света и диффузорах Рэлея, обеспечивают, с одной стороны, рассеянный свет диффузоров Рэлея, а с другой стороны, сильно направленный свет (здесь также называемый прямым светом), проходящий по диффузорам Рэлея. Поэтому, при установке в потолке, освещение лишь в некоторой степени обеспечивается на потолке посредством диффузоров Рэлея, а на полу пятном, созданным там прямым светом. Было понято, что можно увеличить освещение сверху вниз путем дополнительного предусмотрения освещенного экрана в качестве рассеивающей поверхности в пределах траектории прямого света ниже по потоку от диффузора Рэлея, тем самым создавая дополнительный диффузор, который увеличивает световое освещение сверху (здесь также называемые освещенными экранами).
Кроме того, было понято, что впечатление успешной имитации солнечного света может быть улучшено для источников прямого света с помощью в принципе видимого расхождения, когда дополнительно предусмотренный освещенный экран дает светотеневые переходы, которые усиливают впечатление конкретного направления распространения света, хотя сам прямой свет имеет некоторое расхождение.
Относительно светотеневого перехода, поддерживающего впечатление солнечного света, тень является тенью по отношению к прямому свету. Кроме того, могут быть теневые переходы относительно рассеянного света. Однако эти тени не обеспечивают направление падения солнечного света, и, поэтому не способствуют в геометрическом аспекте линий впечатлению солнечного света.
Впечатление конкретного направления распространения света может быть достигнуто за счет освещения только ограниченного азимутального углового диапазона вокруг направления распространения светового луча, выходящего из диффузора Рэлея. Для солнечного света, то есть по существу не расходящегося света, половина азимутального углового диапазона для косого угла падения была бы освещена. В искусственных системах, все еще можно предусмотреть впечатление солнечного света на основе азимутального углового диапазона, который может быть увеличен до величины, например, около 220° или 200° или 190°.
Следует отметить, что расхождение идеального азимутального углового диапазона солнечного света в ограниченных пределах может быть приемлемым для создания имитации солнечного света.
Однако структурные конфигурации могут позволять выбирать конкретные азимутальные угловые диапазоны. Например, учитывая прямоугольное отверстие/панель и параллелепипедную световую шахту (то есть со стенами перпендикулярными панели), наклоненный солнечный луч будет освещать максимально две из четырех стен (и таким образом обеспечивать освещение на 180° в азимутальном направлении). В отличие от этого, расходящийся световой луч, который наклонен в одной плоскости прямоугольника и, поэтому светит с одной стороны (не из угла) - другими словами, имея основное направление светового луча, наклоненное относительно двух стен, но распространяющийся в пределах плоскости двух других стен параллелепипедной световой шахты - будет освещать три стены, вместо двух, таким образом, создавая впечатление освещения менее естественного. Следует отметить, что при движении основного направления светового луча из плоскости двух других стен, при некотором угле, который зависит от расхождения, расходящийся луч - таким образом, исходящий из угла, будет освещать только две стены. На основе вышеуказанного понимания, манипулирование расходящимся световым лучом, падающим сбоку, может включать наклон по меньшей мере одной из двух стен на стороне, так что максимально две стены освещаются, несмотря на расхождение. Соответствующие варианты осуществления раскрыты здесь. Конкретно, стена, которая подлежит наклону, является стеной, соответствующей одной из двух стен, находящихся на стороне, например, простирающихся вдоль или даже являющихся по существу параллельными основному направлению светового луча. Это может ограничить освещение боковых стен стеной, обращенной к основному направлению светового луча и одной соседней стеной. Кроме того, наклон стен на стороне, с которой падает световой луч в сторону от основного направления светового луча (здесь также называемый наклоном назад) может дать в результате один или два светотеневых перехода, граничащих с освещенными секциями боковых стен.
Благодаря расхождению, экранная структура может быть адаптирована к углу падения. Например, для прямоугольного диффузора Рэлея, две соседних стороны четырехстороннего экрана могут быть расхождены назад, так что передаваемый направленный свет не будет попадать на те стороны, а будет попадать только на остальные две стороны четырехстороннего экрана, например, частично. В некоторых вариантах осуществления, как указано выше, в простейшем случае требуется наклон только одной стороны.
Для дальнейшего улучшения имитации солнечного света, одна или обе из остальных двух сторон могут быть слегка загнуты назад, обеспечивая тем самым все еще дополнительные рассеивающие поверхности, но дополнительно обеспечивая теневые линии, которые, например, кажутся, по крайней мере, с некоторых позиций в пределах освещенного помещения, по существу параллельными и, поэтому создающими впечатление солнечного света. Если осветительная система встроена, например, рядом со стеной ил углом помещения, по существу, основная часть помещения будет обеспечивать это впечатление. В некоторых вариантах осуществления раскрытые здесь осветительные системы будут установлены в помещении, так что освещенные секции лампы находятся на расстоянии от помещения в диапазоне от 0 до 2 м, например до 1 м.
Например, предлагается абажуроподобная структура с экранной структурой, которая, по меньшей мере, частично освещена. В некоторых вариантах осуществления абажуроподобная структура дает по меньшей мере один переход между освещенной экранной секцией и не освещенной экранной секцией.
Другие аспекты основаны на понимании того, что наклон ориентации диффузора Рэлея относительно пола, стены или, в общем, (например, плоской) фронтальной плоскости осветительной системы допускает более компактную конфигурацию, сохраняя желаемые углы падения прямого света на диффузоры Рэлея. Таким образом, для осветительных систем требуется меньше пространства.
Другие аспекты основаны на понимании того, что путем установки нескольких осветительных систем можно создать дополнительное впечатление направленности освещения. Конкретно, многие, предположительно параллельные контрастные линии осветительных систем могут быть предусмотрены путем расположения осветительных систем в фиксированной геометрической ориентации относительно друг друга.
В отношении раскрытой здесь технике делается дополнительная ссылка на РСТ/ЕР 2012/072648, под названием «Устройство искусственного освещения», поданную 14 ноября 2012 года, и PCT/IB 2013/060141, под названием «Система искусственного освещения для моделирования естественного освещения» того же самого заявителя, содержание которых включено здесь во всей своей полноте иллюстрационных целях для осветительных систем, использующих диффузоры Рэлея. Хотя диффузоры Рэлея раскрытых здесь вариантов осуществления в качестве примеров показаны на чертежах плоскими в форме панелей, тем самым имитируя вид окна. Однако, хотя не схожие с панельными конфигурации могут использоваться, например, в виде изогнутых структур.
Здесь термин «панель» используется, в общем, для диффузора Рэлея, а термин экран используется для освещенного экрана, который рассеивает направленный нерассеянный свет, прошедший через диффузор Рэлея.
В общем, диффузор Рэлея может быть выполнен как пассивный диффузор или как освещаемый сбоку диффузор, например панель, освещаемая, например, синими СИДами сбоку. Поэтому, диффузор Рэлея в некоторых вариантах осуществления может быть вторичным источником света, который испускает рассеянный свет и, тем не менее, является частично прозрачным для света (основного) источника света.
Как раскрыто здесь, экран, как и диффузор Рэлея, по существу являются непоглощающими, и можно понимать, что оба действуют как вторичные источники светового излучения.
На фиг. 1 осветительная система показана схематически в разрезе помещения 30.
В деталях, осветительная система 1 содержит первый источник 2 света, выполненный для испускания света в пространственном угле, чтобы образовывать световой луч 3, распространяющийся вдоль основного направления 4 светового луча. Кроме того, первый источник 2 света испускает свет в видимом диапазоне светового спектра, например, с длинами волны от 400 нм до 700 нм. Кроме того, первый источник 2 света испускает свет (видимое электромагнитное излучение) со спектральной шириной предпочтительно более чем 100 нм, еще предпочтительнее более чем 170 нм. Спектральная ширина может быть определена как стандартное расхождение спектра длин волны первого источника света.
Осветительная система 1 также включает в себя абажуроподобную структуру 10, которая содержит нижний блок 12 и экранную структуру 14. Как показано на фиг. 1, первый источник 2 света и абажуроподобная структура 10 предусмотрены внутри темного ящика 16, тем самым предотвращая вхождение света, происходящего не от первого источника 2 света, в нижний блок 12 внутри ящика 16. Нижний блок 12 называется нижним блоком в связи с тем, что он расположен внизу абажуроподобной структуры при рассмотрении из помещения. Однако следует отметить, что ламповая система может быть предусмотрена в потолках или стенах, и, соответственно, нижний блок 12 не находился бы внизу помещения или вертикально на нижнем конце абажуроподобной структуры.
Темный ящик 16 содержит светонепроницаемую корпусную структуру, имеющую, например, крышку, боковые стенки и дно. Части дна светонепроницаемой корпусной структуры могут быть образованы нижним блоком 12 и экранной структурой 14. При установке осветительной системы на потолке или боковой стене помещения, дно темного ящика было бы частью потолка или боковой стены помещения, соответственно.
Нижний блок 12 содержит генератор 20 рассеянного света. Генератор 20 рассеянного света выполнен, например, в форме панели, такой как параллелепипедная панель. Прежде всего, панель ограничена первой поверхностью и второй поверхностью (см. например, фиг. 10 ссылочные обозначения 1012А 1012В), которые параллельны друг другу, предпочтительно, генератор 20 рассеянного света является тонким с толщиной, измеренной вдоль направления перпендикулярно первой и второй поверхностям, которая имеет квадратную величину не более чем 5%, например, не более чем 1%, площади первой или второй поверхности. Более конкретно, генератор 20 рассеянного света работает как диффузор Рэлея, который по существу не поглощает свет в видимом диапазоне, и который рассеивает более эффективно коротковолновые относительно длинноволновых компонентов падающего света, например панель, которая, по существу, не поглощает свет в видимом диапазоне и которая рассеивает свет в диапазоне длин волны 450 нм (синий) по меньшей мере в 1,2 раза, например по меньшей мере в 1,4 раза, по меньшей мере в 1,6 раза, более эффективно, чем свет в диапазоне длин волны около 650 нм (красный), причем эффективность рассеяния определяется отношением между мощностью излучения рассеянного света относительно мощности излучения падающего света. Оптические свойства и микроскопические характеристики диффузоров подобных диффузорам Рэлея также описаны подробно в заявке на патент ЕР 2304478 А1, упомянутой выше. Дополнительное понимание микроскопических признаков также изложено далее.
В варианте осуществления согласно фиг. 1, первый источник 2 света вертикально и горизонтально смещен относительно центра генератора 20 рассеянного света (в некоторых вариантах тонкого генератора рассеянного света по существу идентичен ссылочному обозначению X, предусмотренному на некоторых фигурах), и освещает верхнюю поверхность генератора 20 рассеянного света в его полноте под углом около 60° (относительно основного направления светового луча).
В некоторых вариантах осуществления первый источник 2 света может быть распложен вертикально над, например, центром генератора 20 рассеянного света, когда, например генератор 20 рассеянного света наклонен относительно плоскости стены помещения или потолка. Однако, как будет понятно специалисту, прежде всего, относительно некоторых раскрытых здесь аспектов, основное направление 4 светового луча 3 под углом 90° относительно стены или потолка потребует более сложных экранных структур. Соответственно, для простоты, раскрытые здесь варианты осуществления будут основаны на наклонном угле основного направления 4 светового луча относительно потолка или стены, в которые интегрирована осветительная система.
Через экранную структуру 14, осветительная система 1 оптически связана с областью, подлежащей освещению, такой как помещение 30 в здании. Помещение 30 может, например, иметь форму параллелепипеда и быть ограниченным боковыми стенами, полом и потолком 60. Прежде всего, не теряя общности, предполагается, что экранная структура 14 выполнена как световая шахта 40, которая обеспечивает свет помещению 30.
С пониманием этого, нижний блок 12 находится внизу световой шахты 40, а экранная структура обеспечивает боковые стены 42, 44 световой шахты 40. Нижний блок 12 и экранная структура 14 задают световой проход 46. В любом случае, описанные здесь аспекты не ограничены формой и/или расположением световой шахты 40, в качестве примера, согласно другим примерам осуществления (см., например, фиг. 7-9), световая шахта 40 может иметь круглую форму или содержать только один или несколько изолированных экранов, которые являются, например, плоскими, круглыми и/или наклонными.
Снова возвращаясь к генератору 20 рассеянного света и предполагая, что световой луч 3 расходится достаточно для освещения всего или, по меньшей мере, большой части генератора 20 рассеянного света, генератор 20 рассеянного света разделит световой луч 3 на четыре компонента, конкретно на:
передаваемый (направленный нерассеянный) компонент, образованный световыми лучами, которые проходят через генератор 20 рассеянного света и не испытывают значительных расхождений, например, образованный световыми лучами, испытывающими расхождение менее чем на 0,1°, световой поток передаваемого компонента составляет значительную долю общего светового потока, падающего на генератор 20 рассеянного света,
- передний рассеянный компонент, образованный рассеянным светом, выходящим из генератора 20 рассеянного света в световой проход 46 (за исключением того направления светового луча и направлений, отличающихся от того направления светового луча на угол менее чем 0,1°), световой поток переднего рассеянного компонента соответствует доле синего небесного света, сгенерированной из общего светового потока, падающего на генератор 20 рассеянного света,
- задний рассеянный компонент, образованный рассеянным светом, выходящим из генератора 20 рассеянного света в ящик 16, световой поток заднего рассеянного компонента, в общем, находится в пределах, но предпочтительно менее чем доля синего небесного света, и - отраженный компонент, образованный отраженным светом, распространяющимся вдоль направления под зеркальным углом в ящик 16, световой поток отраженного компонента зависит, например, от угла падения светового луча на генератор 20 рассеянного света.
Констатировав это, оптические свойства генератора 20 рассеянного света являются таковыми, что:
- доля синего небесного света составляет от 5% до 50%, например в пределах от 7% до 40% или даже в пределах от 10% до 30% или в пределах от 15% до 20%,
- средняя коррелированная цветовая температура переднего рассеянного компонента значительно выше, чем средняя коррелированная цветовая температура передаваемого компонента, например, она может быть выше в 1,2 раза или 1,3 раза или 1,5 раза или больше,
- генератор 20 рассеянного света значительно не поглощает падающий свет, а именно, сумма четырех компонентов составляет по меньшей мере 80% или 90% или даже 95% или 97% или больше,
- генератор 20 рассеянного света рассеивает по большей части вперед, а именно, более чем в 1,1 или 1,3 или даже 1,5 или 2 раза больше, чем рассеивается назад, и
- генератор 20 рассеянного света может иметь низкое отражение, а именно, отражается менее чем порция в 9% или 6% или даже менее чем 3% или 2% падающего света.
2
2
2
3
В некоторых вариантах осуществления генератор 20 рассеянного света содержит твердую матрицу из первого материала (например, смолы, имеющей отличную оптическую прозрачность, такой как термопластичные смолы, термореактивные смолы, светоотверждающиеся смолы, акриловые смолы, эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, полистироловые смолы, полиолефиновые смолы, полиамидные смолы, полиимидные смолы, смолы на основе поливинилового спирта, бутираловые смолы, фтористые смолы, винилацетатные смолы или пластмассы, такие как поликарбонат, жидкокристаллические полимеры, полифениленовый эфир, полисульфон, полиэфирный сульфон, полиарилат, аморфный полиолефин, или их смеси или сополимеры), в которых рассеяны наночастицы второго материала (например, неорганический оксид, такой как ZnO, TiO, ZrO2, SiO, AlO), причем этот второй материал имеет показатель преломления, отличающийся от показателя преломления первого материала. На чертежах наночастицы схематически показаны точками внутри генератора 20 рассеянного света. В некоторых вариантах осуществления и первый, и второй материал по существу не поглощают электромагнитное излучение в видимом диапазоне длин волны.
Кроме того, генератор 20 рассеянного света может быть однородным, в том смысле, что в любой точке генератора 20 рассеянного света, физические характеристики генератора 20 рассеянного света в этой точке не зависят от положения этой точки. Кроме того, генератор 20 рассеянного света может быть монолитным, а именно, твердая матрица не имеет никаких прерываний из-за склеивания или механического соединения. Однако такие характеристики генератора 20 рассеянного света не являются необходимыми, хотя они могут сделать генератор 20 рассеянного света более легким в изготовлении.
В некоторых вариантах осуществления наночастицы могут быть монодисперсными. Наночастицы могут быть сферическими или иметь другую форму. Эффективный диаметр D наночастиц (определение в случае несферической формы см. ниже) находится в диапазоне [5 нм - 350 нм], например [10 нм - 250 нм] или даже [40 нм - 180 нм] или [60 нм - 150 нм], причем эффективный диаметр D определяется диаметром наночастиц, умноженным на показатель преломления первого материала.
2
min
Кроме того, наночастицы распределены внутри генератора 20 рассеянного света таким образом, что их плотность, а именно, количество N наночастиц на квадратный метр, то есть количество наночастиц внутри объемного элемента, ограниченного порцией поверхности генератора 20 рассеянного света, имеющей площадь 1 м, удовлетворяет условию N≥N, где:
min
2
2
в котором v - это размерная константа равная 1 метру, N - выражается как количество/метр, эффективный диаметр D выражается в метрах, и где m равно отношению показателя преломления второго материала к показателю преломления первого материала. В некоторых вариантах осуществления наночастицы распределены равномерно, по меньшей мере, в том, что касается плотности размещения, то есть плотность размещения является по существу равномерной на генераторе 20 рассеянного света, но распределение наночастиц может меняться поперек генератора 20 рассеянного света. Плотность размещения изменяется, например, на менее чем 5% средней плотности размещения. Здесь плотность размещения подразумевается как количество, ограниченное поверхностями более чем 0,25 мм.
В некоторых вариантах осуществления плотность размещения изменяется, чтобы компенсировать различия в освещении по генератору 20 рассеянного света, освещаемого источником 2 света. Например, плотность N(x,y) размещения в точке (x,y) может быть связана с освещенностью I(x,y), производимой источником 2 света в точке (x,y) посредством уравнения N(x,y)=Nav*Iav/I(x,y)±5%, где Nav и Iav - это средняя освещенность и плотность размещения, причем эти последние величины осредняются по поверхности генератора 20 рассеянного света. В этом случае яркость генератора 20 рассеянного света может быть выровнена, несмотря на неравномерность профиля освещенности источника 2 света на генераторе 20 рассеянного света. В этом отношении, следует напомнить, что яркость - это световой поток луча, исходящего из поверхности (или падающего на поверхность) в данном направлении, на единицу проецированной площади при рассмотрении в из данного направления, и на единицу пространственного угла, как указано, в качестве примера, в стандарте ASTM (Американское общество испытаний и материалов) Е284-09а.
min
В пределах малого D и малых объемных долей (то есть толстые панели) ожидается, что плотность размещения N≈N даст эффективность рассеяния около 5%. По мере того, как количество наночастиц на единицу площади становится больше, ожидается, что эффективность рассеяния будет расти пропорционально N до тех пор, пока не произойдет множественное рассеяние или интерференции (в случае высокой объемной доли), что может повредить качеству цвета. Таким образом, выбор количества наночастиц находится под влиянием поиска компромисса между эффективностью рассеяния и желаемым цветом, как описано подробно в ЕР 2304478 А1. Кроме того, по мере того, как размер наночастиц становится больше, отношение переднего и заднего светового потока растет, причем такое отношение равно отношению в пределах Рэлея. Более того, по мере того, как отношение растет, отверстие конуса переднего рассеяния становится меньше. Поэтому, выбор отношения находится под влиянием поиска компромисса между имением света, рассеянного под большими углами, и сведением к минимуму потока рассеянного сзади света. Однако, самим по себе известным образом, на генераторе 20 рассеянного света может быть нанесен противоотражательный слой (не показан) в целях минимизации отражения, таким образом, световая эффективность осветительной системы 1 повышается, а видимость генератора 20 рассеянного света (как физического элемента) со стороны наблюдателя в помещении 30 уменьшается.
В некоторых вариантах осуществления наночастицы могут не иметь сферическую форму, в таком случае, эффективный диаметр D может быть определен как эффективный диаметр эквивалентных сферических частиц, а именно, эффективный диаметр сферических частиц, имеющих такой же объем, как и вышеупомянутые наночастицы.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления наночастицы являются полидисперсными, то есть их эффективные диаметры характеризуются распределением N(D). Такое распределение описывает количество наночастиц на единицу поверхности и единичный интервал эффективного диаметра по соседству с эффективным диаметром D (то есть, количество частиц на единицу поверхности, имеющих эффективный диаметр от D1 до D2 равно
.
Эти эффективные диаметры могут быть в диапазоне [5 нм - 350 нм], то есть распределение может быть ненулевым в этом диапазоне. В этом случае, учитывая, что эффективность рассеяния растет приблизительно, то есть в пределах малых частиц, в шестой степени диаметра наночастицы, полидисперсное распределение ведет себя приблизительно как монодисперсное распределение с репрезентативным диаметром D'eff, определяемым как:
, где
.
D'
eff
может быть выбран так, чтобы он был в диапазоне [5 нм - 350 нм], предпочтительно [10 нм - 250 нм], более предпочтительно [40 нм - 180 нм], еще более предпочтительно [60 нм - 150 нм].
Кроме того, генератор 20 рассеянного света может находиться на расстоянии от источника 2 света, которое может быть недостаточным для обеспечения солнцеподобного впечатления, когда источник 2 света будет на виду для наблюдателя внутри помещения 30. Однако, как показано ниже, в некоторых вариантах осуществления экранная структура 14 блокирует любой вид из помещения 30 на источник 2 света. Поэтому, расстояние между ожидаемым положением наблюдателя и источником 2 света может быть менее чем 5 м, даже менее чем 3 м. Например, в случае потолочного применения, расстояние между генератором 20 рассеянного света и источником 2 света может быть равным или меньшим чем 2 м, даже таким как 0,2 м или 0,1 м или 0,01 м или меньше, в случае с очень компактными устройствами.
В некоторых вариантах осуществления осветительная система 1 может содержать отражательную систему (не показана), как проиллюстрировано, например, в указанных выше заявках на патент. В тех вариантах осуществления может существовать геометрическое условие к отражаемым лучам света, требующее, чтобы ни один луч света, сгенерированный внутри помещения 30, и мог быть затем отражен отражательной системой таким образом, чтобы он опять падал на генератор 20 рассеянного света. Даже альтернативно, отражательная система может быть расположена так, что все входящие лучи света, испускаемые от генератора 20 рассеянного света и падающие на отражательную систему, независимо от положения на генераторе 20 рассеянного света, от которого исходят входящие лучи света, отражаются на поглощающую внутреннюю поверхность ящика 16.
В некоторых вариантах осуществления геометрическое условие может быть ослаблено из-за наличия экранной структуры 14. Например, геометрическое условие может быть для отражаемых лучей света таковым, что ни один луч света, сгенерированный внутри помещения 30, не может проходить экранную структуру 14 в направлении вниз по потоку. Таким образом, протяженность внутренней поверхности ящика 16, которая должна быть поглощающей, может быть уменьшена.
Возвращаясь к фиг. 1 и конкретной конфигурации абажуроподобной структуры 10, световой луч 3 будет выходить из генератора 20 рассеянного света по существу без изменений относительно основного направления светового луча (потенциально слегка смещенным из-за толщины генератора 20 рассеянного света). Следует отметить, что основное направление 4 светового луча может, в принципе, изменить свою ориентацию в пространстве из-за оптических элементов выше по потоку от генератора 20 рассеянного света. Однако для взаимодействия с генератором 20 рассеянного света и световой экранной структурой, должна учитываться только ориентация прямо вверху по потоку от генератора 20 рассеянного света, как это будет очевидно специалисту. Кроме того, передаваемый световой луч - здесь называемый расходящейся порцией 53 светового луча, потому что некоторые порции светового луча 3 могут быть отсечены ограниченным размером генератора 20 рассеянного света - характеризуется своим основным направлением 54 светового луча, когда расходящаяся порция 53 светового луча выходит из генератора 20 рассеянного света и распространяется внутри светового прохода 46.
Чтобы предусмотреть дополнительный рассеянный свет, который может способствовать освещению помещения 30 сверху (когда осветительная система установлена в потолке, как показано на фиг. 1), боковая стена 44 простирается в расходящуюся порцию 53 светового луча, тем самым вызывая рассеяние направленного нерассеянного света на внутренней экранной поверхности боковой стены 44, как это объяснено позже в связи со следующими фигурами. Степень, до которой боковая стена 44 отсекает расходящуюся порцию 53 светового луча, определяет количество (белого) рассеянного света, действующего как вторичный источник рассеянного цвета. В некоторых вариантах осуществления расходящаяся порция 53 светового луча полностью блокируется боковой стеной (боковыми стенами) световой шахты 40, так что направленный нерассеянный свет не доходит до внутреннего пространства помещения 30. Кроме того, и рассеянный свет генератора 20 рассеянного света может падать на боковую стену и снова рассеиваться снова. Как уже указано на фиг. 1, боковая стена 42 и боковая стена 44 проходят под совершенно разными углами относительно потолка 60. Это различие учитывает то, что осветительная система 1 основана на расходящемся световом луче, как схематически показано на фиг. 2.
Это различие также учитывает то, что хотелось бы расширить видимость небесно-синего рассеяния от генератора 20 рассеянного света. В то время как стена 44 наклонена к основному направлению 4 светового луча (чтобы освещаться прямо световым лучом 3), боковая стена 42 может быть отклонена от основного направления 4 светового луча на сколько угодно. Примечательно, что больший наклон позволит наблюдателю видеть имитирующий небо генератор 20 рассеянного света с больших углов относительно основного направления 4 светового луча. Это увеличивает расстояние от световой шахты, с которого можно ее видеть, в случае если световая шахта расположена в помещении на определенной высоте от пола.
На фиг. 2, расходящийся световой луч 203 характеризуется основным направлением 204 светового луча. Однако направление локального распространения поперек расходящегося светового луча 203, то есть направление распространения направленного нерассеянного света, модифицируется в зависимости от положения внутри поперечного сечения расходящегося светового луча 203. Конкретно, центральное направление 210 распространения по существу параллельно основному направлению 204 светового луча во внутренней области расходящегося светового луча 203. Однако направление 212 распространения все более и более наклоняется относительно основного направления 204 светового луча с увеличением расстояния от внутренней области. В качестве примера, на фиг. 2 указан угол 5° для светового луча, который дальше всего снаружи. В некоторых случаях, расхождение может отличаться для разных поперечных сечений луча. Например, в ортогональных поперечных сечениях луча расхождение может быть 10° и 30°, соответственно, или, в общем, в диапазоне, например, от 5° до 15°, таким как 10°, или от 20° до 40°, таким как 30°. Поэтому, такой расходящийся световой луч 203 при вхождении в полый цилиндр в осевом направлении, освещал бы весь азимутальный диапазон внутренней стенки цилиндра. В отличие от этого, идеальный нерасходящийся световой луч проходил бы через цилиндр, не освещая какую-либо внутреннюю стенку.
Аналогичным образом, идеальный нерасходящийся световой луч освещал бы только противоположную половину при вхождении в полый цилиндр под углом, то есть, максимально, освещался бы диапазон 180° в азимутальном направлении вокруг направления распространения. В отличие от этого, расходящийся световой луч 203 мог бы освещать более чем 180° в азимутальном направлении вокруг основного направления 204 светового луча. В связи с имитацией излучения солнечного света, наблюдатель заметил бы такую ситуацию как парадокс и не получил бы желаемого впечатления источника света, находящегося в бесконечности.
Для предотвращения парадоксального впечатления, только в пределах выбранного азимутального диапазона вокруг основного направления 54 светового луча, абажуроподобная структура 10 будет содержать экранную структуру, направленную на расходящуюся порцию 53 светового луча и вне этого диапазона, экранная структура не будет присутствовать или будет обращена от расходящейся порции 53 светового луча, проходя по существу ортогонально или даже назад относительно основного направления 54 светового луча, тем самым избегая встречи расходящейся порции 53 светового луча в тех азимутальных секциях.
Другими словами, в некоторых вариантах осуществления экранная структура 14 выполнена в виде воронкообразной структуры, которая расходится в направлении вниз по потоку больше, чем расходящаяся порция светового луча. При этом может стать возможным ограничение освещения экранной структуры так, что противоположные стороны сохраняются в тени и освещаются, соответственно, тем самым имитируя освещение солнечным светом и компенсируя расхождение луча.
Примерная структура световой шахты 340 в качестве варианта осуществления абажуроподобной структуры раскрывается далее в связи с фиг. 3-6.
Световая шахта 340 интегрирована в потолок 360 и содержит две боковые стены 342 и 343, проходящие под малым углом относительно потолка 360, и две боковые стены 344, 345, проходящие под углом в диапазона около 90° относительно потолка 360. Например, боковые стены 344, 345 проходят под углом в диапазоне от 60° до 130° или больше для расхождения луча в соответствующем направлении, например, на 5°-15°, например 10°, или 20°-40°, например 30°, как показано соответственно на фиг. 5 и 6.
Отверстие 380 образовано четырьмя углами, образованными боковыми стенами 342, 343, 344, 345 и потолком 360. Отверстие 380 может быть прямоугольным с длинами сторон в диапазоне, например, 1,4-1,6 м, такими как 1,5 м, и 2 м - 2,5 м, такими как 2,2 м, соответственно для ширины и длины. Боковые стены 342, 343, 344, 345 образуют асимметричную воронку, соединяющую отверстие 380 с освещенной нижней поверхностью 313, образованной генератором 312 рассеянного света. Нижняя поверхность 313 ограничена (при рассмотрении снизу) четырьмя углами 382, которые образованы боковыми стенами 342, 343, 344, 345 и генератором 312 рассеянного света. Нижняя поверхность 313 также может быть прямоугольной с длинами сторон в диапазоне, например, 0,8 м - 1,1 м, такими как 0,9 м, и 1,5 м - 2 м, такими как 1,8 м, соответственно для ширины и длины. Потолок 360 или его часть может быть примером фронтальной крышки интегрированной в потолке осветительной системы.
В виде в перспективе на фиг. 3, наблюдатель смотрит на световую шахту 340 снизу под углом около 40° относительно потолка 360 в направлении угла 370, образованного боковыми стенами 344, 345. Под аналогичным (горизонтальным) компонентом направления, но сверху, световой луч падает на генератор 312 рассеянного света, причем основное направление светового луча указано стрелкой 304 на фиг. 3-6.
В варианте осуществления согласно фиг. 3-6, соответствующие соседние углы, образующие отверстие 380, и освещенная нижняя поверхность 313 образуют ортогональные кромки, так что оба являются прямоугольными. Боковые поверхности боковых стен 342, 343, 344, 345 простираются между соответствующими углам плоско.
Однако отверстие 380 и освещенная нижняя поверхность 313 могут иметь любые другие геометрические формы, которые могут давать в результате плоские или неплоские боковые поверхности, простирающиеся между ними. Как показано на фиг. 3 штриховкой, боковые поверхности боковых стен 342 и 343 не освещены и поэтому образуют неосвещенные секции 392 и 393 экрана, соответственно указанные на фиг. 4. В отличие от этого, боковые стены 344 и 345 (по меньшей мере) частично освещены и поэтому образуют освещенные секции 394 и 395 экрана, также как и неосвещенные секции 396 и 397 экрана.
Как показано на фиг. 3-6, центр светового луча падает на центр X освещенной нижней поверхности 313. По меньшей мере, расходящаяся порция 353 светового луча проходит генератор 312 рассеянного света и выходит из освещенной нижней поверхности 313 вдоль основного направления 354 светового луча. Относительно основного направления 354 светового луча, освещенные секции 394 и 395 экрана обеспечивают ярко освещенный вторичный источник рассеянного света, который первоначально - прямо рядом с освещенной нижней поверхностью 313 - простирается азимутально на 180°, а затем, из-за расхождения или косого угла секций экрана, уменьшается или увеличивается в азимутальной протяженности (см. например, наличие неосвещенных секций 396 и 397 экрана). Чтобы ограничить эту протяженность на боковых стенах 344 и 345, боковые стены 342 и 343 могут быть наклонены назад относительно основного направления 354 светового луча.
На переходе между освещенными секциями 394 и 395 экрана и неосвещенными секциями 396 и 397 экрана, соответственно, теневые границы (здесь также называемые контрастными линиями или линиями перехода тень/свет) указаны на фиг. 3 и 4 ссылочными обозначениями 400 и 402. В общем, наклонные конфигурации боковых стен могут приводить к тому факту, что сторона проходит от области, которая прямо освещена, к области, которая не освещена, тем самым создавая контрастную линию. Другие боковые стены могут быть не освещены прямым освещением.
В дополнение к различию в освещенности, прямо освещенные секции могут восприниматься как отличающиеся по цвету от тех секций стен, которые освещены только рассеянным светом. Например, прямо освещенные секции могут восприниматься как теплые (освещение полным солнцеподобным спектром), а секции стен, освещенные только рассеянным светом, могут восприниматься как холодные (освещение только синим светом генератора 312 рассеянного света), Из-за расхождения передаваемой расходящейся порции 353 светового луча и косого угла боковых стен 344 и 345, направление теневых границ может быть ориентировано так, что, при рассмотрении с выбранного положения внутри помещения, они кажутся параллельными (как схематически показано на фиг. 3). При этом, и для расходящегося светового луча, управляемая ориентация экранной структуры, прежде всего боковых стен, может усиливать впечатление солнечного света и соответственно ожидаемую направленность теневых границ и протяженность освещенных поверхностей.
Наконец, на фиг. 3-6 показаны различные компоненты света, предусмотренные для освещения осветительной системой 1:
- рассеянный свет 500 генератора 312 рассеянного света, имеющий, например, более высокую коррелированную цветовую температуру, чем падающий световой луч,
- рассеянный свет 510, сгенерированный порцией 353 расходящегося светового луча и происходящий от освещенных экранных секций 394 и 395 боковых стен 344 и 345 световой шахты 340, и
- направленный нерассеянный свет внутри порции 353 расходящегося светового луча.
Количество рассеянного света 500 генератора 312 рассеянного света и направленного нерассеянного света внутри порции 353 расходящегося светового луча может контролироваться глубиной световой шахты 340, а также пространственной ориентацией освещенных экранных секций 394 и 395 и их поверхностными характеристиками. По меньшей мере, освещенные экранные секции 394 и 395 могут состоять из материала или покровного материала, который имеет коэффициент диффузного отражения с большой отражательной способностью, например, выше 70% или 80% или даже выше 90%. Поэтому, освещенные экранные секции 394 и 395 будут рассеивать падающий свет в заднем направлении и по существу будут непоглощающими.
В некоторых вариантах осуществления боковая стена (боковые стены) может (могут) быть покрыта (покрыты) поверхностью, отличающейся неизотропным коэффициентом диффузного отражения, и прежде всего имеющей коэффициент диффузного отражения, отличающийся от коэффициента диффузного отражения идеального диффузора, например коэффициент диффузного отражения с пиком вокруг направления зеркального отражения. Некоторые варианты осуществления поверхности могут иметь пик полной ширины на уровне половинной амплитуды угла не более чем 120°, например 90°, наиболее предпочтительно 60°. Это обстоятельство может предотвратить то, что релевантная порция света, рассеянного экранной структурой 14, возвращается через генератор диффузного света 20 в заднем направлении и поглощается стенами темного ящика 16. Таким образом, специфические признаки поверхности могут допускать увеличение (или предотвращать уменьшение) светового потока, сгенерированного источником 2 света. Кроме того, наличие коэффициента диффузного отражения боковой стены с пиком вокруг направления зеркального отражения могло бы обеспечивать, что практически весь компонент прямого света, который рассеян экранной структурой 14, выходит из светового прохода 46 в направлении вниз по потоку в помещение 30.
В некоторых вариантах осуществления такой непрозрачный экран может быть частично передающим, если направленный недиффузный свет, проходящий через экран предназначен для того, чтобы находиться в помещении 30. В некоторых вариантах осуществления освещенные секции 394 и 395 экрана могут иметь шероховатую поверхность белого цвета. Частично проводящая освещенная секция экрана может, например, быть частью варианта осуществления, показанного на фиг. 9.
Фиг. 7 показывает поперечное сечение, которое, в принципе, похоже на поперечное сечение на фиг. 5. Например, световой луч 703 падает под углом около 25° на генератор диффузного света 712, содержащий панель Рэлея. Однако, как можно видеть на фиг. 8, генератор 712 диффузного света образует круглую нижнюю поверхность 713 световой шахты 740. Глубина световой шахты 740 выбрана такой, что вся порция 753 расходящегося светового луча, прошедшая генератор 712 диффузного света, рассеяна на изогнутой секции 744 боковой стены и там образует освещенную секцию 794 экрана, полностью окруженную неосвещенными секциями 793 экрана, кроме соседней секции круглой нижней поверхности 713. Освещенная секция 794 экрана является ярко освещенным вторичным источником рассеянного света, который первоначально - непосредственно рядом с освещенной нижней поверхностью 713 - простирается азимутально на 180°, а затем, из-за расхождения увеличивается в азимутальной протяженности. Чтобы ограничить эту протяженность на боковой стене 744, боковая стена 744 в возрастающей степени наклонена назад относительно основного направления 354 светового луча, например, до угла 100°, как показано на фиг. 7 секцией 742 стены.
Тем самым, и для расходящегося светового луча 754, контролируемая ориентация экранной структуры, прежде всего боковой стены 744, может усиливать впечатление солнечного света и соответственно ожидаемую направленность перехода 800 тень/свет, прежде всего по существу вертикально секции 802 и 804, и протяженности освещенных поверхностей.
Фиг. 8 дополнительно иллюстрирует эффект косого угла и его влияние на имитацию естественного света. На фиг. 8, секции 802 и 804 (пунктирные линии) указывают на левую сторону в направлении вниз по потоку, таким образом, приводя к увеличению азимутального освещения от 180°, отличаясь освещенным входом полукругом. Эта конфигурация не является совершенно естественной, так как в связи с тем, что освещенная светом стена находится справа, ожидается, что солнце появится слева. Это должно приводить к тому, что секции 802 и 804 перехода 800 тень/свет будут указывать направо в направлении вниз по потоку, как указано линиями 803 и 805, соответственно (и поэтому указывать в ожидаемом направлении солнечных лучей). Увеличение косого угла относительно вертикали, предполагая, что световая шахта установлена в потолке, будет перемещать секции от положения секций 802/804 к положению секций 803/805.
Другими словами, снова предполагая, что световая шахта установлена в потолке, если боковые стены в области вокруг вертикального перехода 800 тень/свет характеризуются расхождением больше, чем расхождение прямого светового луча, указанные секции указывают направо, как показано линиями 803 и 805 и, таким образом, соответствуют тому, что естественно ожидается. В этом случае, азимутальный угол освещенного экрана будет уменьшаться, а не увеличиваться, в направлении пола.
В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг. 3-6, осветительная система, показанная на фиг. 7 и 8, не обеспечивает направленный недиффузный свет внутри помещения, и таким образом содержит только компоненты рассеянного света 500 генератора 712 диффузного света и рассеянный свет 510, сгенерированный порцией 753 расходящегося светового луча, происходящей от освещенных экранных секций 794 боковой стены 744.
Обращаясь к фиг. 9, показана еще одна осветительная система 900, которая, прежде всего, может быть применима для залов, имеющих большую высоту потолка, так, что порция 953 расходящегося светового луча выходящая из генератора 912 диффузного света, будет распространяться по помещению и частично накладываться, например, на расходящиеся световые лучи соседних осветительных систем, по существу идентичных осветительной системе 900.
Примерная иллюстрация будет рассмотрена в связи с фиг. 12.
В общем, создание нескольких «параллельных» светотеневых линий посредством единственной или нескольких пар источник-экран (конфигураций световой шахты) само по себе, не связано с вопросом, связанным с тем фактом, что разные лучи могут перекрываться в помещение.
Первый вопрос предназначен для создания впечатления далекого источника света посредством взятия одной (или двух) линии (линий) из каждого источника и рассмотрения параллельности между всеми этими линиями.
Второй вопрос, в дополнение, может потребовать полной блокировки прямого света для того, чтобы не дать наблюдателю видеть много источников из данного положения.
Возвращаясь к фиг. 9, чтобы предусмотреть перспективное впечатление, абажуроподобная структура редуцирована до единственной экранной структуры 914, прикрепленной к потолку 960, например, посредством креплений 961. Свет только секции порции 953 расходящегося светового луча падает на экранную структуру 914, тем самым создавая освещенные экранные секции 994 и неосвещенную экранную секцию 996.
Из-за ограниченного размера экранной структуры 914, только единственная контрастная линия 902 образуется на экранной структуре 914. Таким образом, снова, в устройстве из нескольких осветительных систем 900, может быть создан перспективный эффект на основе набора параллельных контрастных линий 902. Как было упомянуто ранее, по меньшей мере, освещенная экранная секция 994 выполнена как материал с коэффициентом диффузного отражения и может быть совершенно непрозрачным или передавать некоторый процент направленного недиффузного света. В то время как предшествующее рассмотрение было сосредоточено на вариантах, реализующих имитацию солнечного света на основе расходящихся лучей прямого света, следующие варианты в принципе также могут быть применимы к имитации солнечного света на основе нерасходящихся лучей прямого света. Специалист поймет, что структурные признаки, которые были раскрыты для расходящихся световых лучей, также могут быть применимы для нерасходящихся световых лучей, хотя не любой связанный с этим эффект может быть необходим для создания впечатления солнечного света.
Для специалиста будет очевидно, что следующие варианты осуществления направлены на создание более компактных структур, которые могут позволять устанавливать осветительную систему уменьшенной «высоты» (предполагая, что осветительная система установлена в потолке). В соответствии с этим, осветительные системы могут быть установлены с высотами в диапазоне от 0,5 м до 1 м или даже 0,1 м или 0,01 м или меньше, например, насколько глаз способен обнаружить наличие теневой линии (теневых линий).
Прежде всего, за счет наклона генератора диффузного света, падающий световой луч может быть обеспечен под углом относительно плоскости потолка, то есть меньше, чем для «горизонтального» генератора диффузного света и, тем не менее, поддерживает оптические условия на генераторе диффузного света, например, относительно угла падения на генератор диффузного света и отраженной порции на генераторе диффузного света. В то же время, освещенный экран может быть дальше наклонен относительно потолка, тем самым открывая угол видимости генератора диффузного света. Кроме того, это может позволить увеличить площадь, освещенную прямым светом. В то же время, проекция, а именно, проецируемая площадь, освещенной поверхности на потолок/горизонтальную плоскость увеличивается (опять же, предполагая потолочную установку осветительной системы). Ясно, что может быть затронуто освещение сверху вниз, например, увеличено.
Фиг. 10 и 11 иллюстрируют примерный вариант осуществления осветительной системы с использованием наклоненного генератора диффузного света. В то время как фиг. 10 иллюстрирует различные структурные конфигурации для абажуроподобной структуры, фиг. 11 иллюстрирует геометрические параметры, характеризующие конфигурации, основанные на связанном варианте осуществления абажуроподобной структуры. Геометрические соображения по боковым стенам также относятся к «ненаклоненным» диффузорам Рэлея.
Прежде всего, фиг. 10 раскрывает поперечное сечение осветительной системы 1000 вдоль плоскости, проходящей через центр X генератора 1020 диффузного света. Поперечное сечение проходит перпендикулярно генератору 1020 диффузного света (в качестве примера, предположительно, плоского) и проходит через источник 1002 света.
Для следующего описания и указания пространственного расположения/ориентации, предполагается, что осветительная система 1000 интегрирована в потолок помещения. Конкретно, осветительная система 1000 содержит источник 1002 света, световую шахту 1040 с нижним блоком 1012 и экранной структурой 1014, и плоскую плиту 1011 перекрытия.
Плоская плита 1011 перекрытия интегрирована в потолок и/или образует часть потолка, так что человек внутри помещения будет видеть нижнюю сторону плоской плиты 1011 перекрытия. Плоская плита 1011 перекрытия простирается в горизонтальной плоскости. В некоторых вариантах осуществления осветительная система может быть установлена в стене помещения. Соответственно, пространственное расположение повернулось бы на 90°. Может быть предусмотрен темный ящик с использованием плоской плиты 1011 перекрытия и/или экранных элементов и/или на основе отдельных элементов (не показаны).
Источник 1002 выполнен для испускания, например расходящегося, светового луча 1003, который падает на нижний блок 1012 вдоль основного направления 1004 светового луча. Следующие концепции также могут относиться к по существу нерасходящимся световым лучам.
Световая шахта 1040 задает световой проход 1046 вокруг вертикального направления (указанного пунктирной линией 1013), по которому свет от источника 1002 света входит в помещение.
Нижний блок 1012 имеет первую поверхность 1012А, освещаемую прямым световым лучом 1003. Нижний блок 1012 дополнительно отличается второй поверхностью 1012В, которая обращена в световой проход 1046. Первая и вторая поверхности 1012А и 1012В расположены на противоположных сторонах нижнего блока 1012. Нижний блок 1012 дополнительно содержит генератор 1020 диффузного света.
Если смотреть от нижней осветительной системы 1000 на потолок, можно смотреть в световую шахту 1040 на нижний блок 1012, конкретно, на вторую поверхность 1012В. Во время работы источника 1002 света нижний блок 1012, конкретно, генератор 1020 диффузного света, испускает, например, диффузный небесно-синий свет.
На фиг. 10, нижний блок 1012 наклонен относительно горизонтальной плоскости, указывая, что и генератор 1020 диффузного света также наклонен относительно горизонтальной плоскости. В этой конфигурации, источник 1002 света может быть расположен ближе к потолку 1011, при этом сохраняя угол падения на генератор 1020 диффузного света.
Фиг. 10, кроме того, показывает, что световая шахта 1040 выполнена как абажуроподобная структура 1010, и боковые стены световой шахты 1040 образуют освещенные и неосвещенные экранные секции экранной структуры 1014. Для экранной структуры 1014, показаны различные угловые конфигурации боковых стен световой шахты 1040 (которые, в общем, относятся к ненаклоненным генераторам 1020).
В первом варианте осуществления (показан непрерывными линиями), световая шахта 1040 содержит первую боковую стену 1042А, которая не освещается прямым светом, проходящим через нижний блок 1012. Кроме того, световая шахта 1040 содержит, по меньшей мере, частично освещенную боковую стену 1044А. Как схематически показано на фиг. 10, боковая стена 1042А и боковая стена 1044А проходят по существу параллельно вертикальному направлению. Боковая стена 1044А освещает помещение рассеянным светом, основанном на прямом свете.
На фиг. 10, дополнительные геометрические конфигурации боковых стен указаны штриховыми линиями. Например, для неосвещенной стороны световой шахты 1040, боковая стена может быть наклонена от горизонтали. Например, боковая стена 1042В может быть под углом около 30° относительно вертикали, боковая стена 1042С может быть под углом около 60° относительно вертикали, а боковая стена 1042D проходит по существу в пределах плоскости нижнего блока. Относительно освещенной стороны световой шахты 1040, боковая стена может быть наклонена от горизонтали в противоположном направлении, и таким образом быть наклонена от светового луча, проходящего через нижний блок 1012. Например, боковая стена 1044В может быть под углом около 45° относительно основного направления 1004 светового луча, а боковая стена 1044С может быть под углом около 15° относительно основного направления 1004 светового луча.
Разная ориентация этих боковых стен может быть комбинирована для образования световой шахты 1040, а диапазон наклона может быть адаптирован к углу падения, размеру помещения, высоте потолка и т.д.
Из фиг. 10 очевидно, что наклоненные боковые стены будут увеличивать видимость генератора 1020 диффузного света, то есть угловой диапазон положений, которые позволяют видеть, например, имитацию (голубого) неба. Кроме того, наклоненные освещенные стороны обеспечивают большие площади освещенных поверхностей, так что обеспечивается более яркое освещение сверху вниз (предполагая потолочные установки).
На фиг. 11, показаны геометрические параметры для еще одного варианта осуществления осветительной системы 1100, в котором плоская плита 1111 перекрытия (например, потолок помещения) граничит с одной стороны с наклоненным нижним блоком 1112 световой шахты 1140. Соответственно, поперечное сечение фиг. 11 не показывает (отдельную) неосвещенную боковую стену световой шахты 1140. Освещенная боковая стена 1144 показана схематически. Падающий световой луч 1103 показан схематически двумя граничными линиями и основным направлением 1104 светового луча.
На фиг. 11, перпендикулярное направление nc плоской плиты 1111 перекрытия показано проходящим от плоской плиты 1111 перекрытия в восходящем направлении (предполагая установку осветительной системы в потолке). Основное направление 1104 светового луча проходит под углом αi падения относительно перпендикуляра nc потолка 1111.
Кроме того, перпендикуляр np показан для, например, панелеобразного генератора 1120 диффузного света. Перпендикуляр np наклонен относительно перпендикуляра nc потолка под углом αt наклона (панели). Освещенная экранная секция освещенной боковой стены 1144 проходит относительно основного направления 1104 светового луча (в целях иллюстрации также показанного в виде стрелки 1104') под углом αs экрана.
Примерные величины для различных углов являются следующими в поперечном сечении вдоль плоскости, проходящей ортогонально генератору (20) диффузного света и через источник света:
Перед падением на генератор 120 диффузного света основное направление 1104 светового луча наклонено относительно нормального направления nc плоской плиты 1111 перекрытия на угол αi падения, угол падения может быть установлен в угловом диапазоне от 10° до 80°, таким как 40°, 50° или 60°, и/или
нормальное направление np плоскости, определенной генератором 1120 диффузного света, наклонено относительно нормального направления nc плоской плиты 1111 перекрытия на угол αt наклона, установленный меньше, чем угол αi падения, например угол αt наклона может быть установлен в угловом диапазоне от 5° до 80°, например, в угловом диапазоне от 15° до 75°, таким как 40°, 50° или 60°, и/или
экранная структура содержит освещенную поверхность, которая наклонена относительно основного направления 1104 светового луча под первым углом αs1 экрана, установленным в угловом диапазоне от 0° до 90°, например под углом αi падения, и/или
экранная структура содержит темную поверхность, которая наклонена относительно основного направления 1104 светового луча под вторым углом αs2 экрана, который равен углу αi падения или больше, и/или
нормальное направление темной поверхности наклонено относительно нормального направления nc плоской плиты 1111 перекрытия в диапазоне от угла αt наклона до 90°.
Как дополнительно показано на фиг. 10 и 11, источник света может быть смещен относительно нижнего блока в направлении параллельно плоской плите перекрытия. Кроме того, источник света может иметь расстояние до плоской плиты перекрытия, сравнимое или большее, чем расстояние от нижнего блока до плоской плиты перекрытия. Как было указано ранее, наклоненный генератор диффузного света допускает угол αi падения (относительно потолка), который больше, чем для горизонтального генератора диффузного света. Соответственно, источник света может быть расположен дальше к стороне (в плоскости потолка) относительно генератора диффузного света.
Фиг. 12 иллюстрирует выполнение нескольких световых шахт для произведения в комбинации специфического эффекта освещения. Например, такое несколько может быть расположено в форме конкретных продуктов, таких как (i) интегрированный потолок, например, выполненный как интегрированный металлический потолок, содержащий осветительные устройства и потолочные панели, или как (ii) композитный осветительный модуль, например, выполненный как осветительная плитка. Областями применения могут быть освещение больших помещений, таких как залы в относительно больших зданиях, таких как вокзалы или станции метро.
Как показано на фиг. 12, несколько (например, четыре) осветительных систем установлены в потолок 1360 и таким образом в комбинации образуют потолочный модуль. Осветительные системы имеют по существу идентичные конфигурации и расположены по существу в идентичной пространственной ориентации внутри потолка 1360, поэтому и соответствующие световые шахты расположены по существу в идентичной пространственной ориентации внутри потолка 1360. Каждая световая шахта содержит нижнюю поверхность 1313, например плоский генератор диффузного света в прямоугольной форме. Кроме того, световые шахты содержат освещенные боковые стены, включая освещенные экранные секции 1394 и 1395, а также неосвещенные боковые стены, включая неосвещенные экранные секции 1393 и 1394, и неосвещенные экранные секции 1397 рядом с освещенными экранными секциями 1395. «Освещенные» в этом контексте относится к прямому освещению недиффузным светом источника света. Неосвещенные экранные секции 1393 и 1397 могут быть освещены диффузным светом, испускаемым от генераторов диффузного света.
Для световых шахт, показанных на фиг. 12, показаны контрастные линии 1400 и 1402. Из перспективы, показанной на фиг. 12, пять контрастных линий 1400 и 1402 проходят по существу в параллельном направлении. Параллельный вид предусматривает допущение солнечного света, проходящего через нижние поверхности 1313.
Освещение помещения (ограниченного потолком 1360, стенами 1500 и полом 1510) достигается в направлении сверху вниз диффузным светом генераторов диффузного света, а также рассеянным прямым светом, происходящим от освещенных боковых стен, прежде всего освещенных экранных секций 1394 и 1395. Дополнительно, освещение помещения достигается прямым светом, который доходит до пола 1510 или любого объекта на полу 1510. На фиг. 12, освещенные поля 1600 по существу идентичны по форме и смещены на некоторое расстояние, которое по существу соответствует расстоянию осветительных систем, установленных в потолке 1360, а также расхождению лучей. Так как освещенные поля 1600 не перекрываются, наблюдатель внутри помещения в одно время будет видеть только один источник прямого света при взгляде на потолок (самое большое) и находясь в одном из соответствующих расходящихся порций светового луча, проходящего через световые шахты.
В некоторых вариантах осуществления расхождение светового луча могло бы быть достаточно большим, так что освещенные поля 1600 становятся больше и перекрываются с одним или несколькими соседними полями 1600. Соответственно, пол помещения тогда может освещаться почти непрерывно. Однако в этой ситуации, наблюдатель может видеть несколько источников прямого света при взгляде на потолок, причем это обстоятельство является возможным, когда лучи перекрываются на уровне глаз.
В некоторых вариантах осуществления, когда световой луч, проходящий через генератор диффузного света, полностью блокирован, на полу 1510 не может быть никаких прямых световых полей 1600.
Наличие контрастных линий 1402, геометрических линий световых полей 1600, как и наличие, например, максимально двух освещенных боковых стен световых шахт обеспечит впечатление солнечного освещения помещения.
Осветительные системы могут быть отрегулированы так, что например, не достигается никакого перекрытия или достигается некоторое перекрытие между порциями расходящегося светового луча внутри помещения. Например, когда каждая осветительная система из нескольких осветительных систем выполнена так, что прямой недиффузный свет каждой из осветительных систем, по меньшей мере, частично проходит экранную структуру (генерируя тем самым расходящуюся порцию светового луча), осветительные системы могут быть расположены на расстоянии относительно друг друга и/или оснащены расхождением, так что расходящиеся порции светового луча каждой из соседних осветительных систем являются неперекрывающимися на длине распространения по меньшей мере 1,5 м, например, по меньшей мере 2,5 м, или даже, по меньшей мере 4 м.
В некоторых вариантах осуществления соседние осветительные системы могут быть расположены на расстоянии относительно друг друга и/или оснащены расхождением, так что расходящиеся порции светового луча соседних осветительных систем перекрываются после длины распространения на расстоянии от осветительного устройства, которое меньше, чем 3 м, например меньше, чем 2 м или даже меньше, чем 1 м.
Хотя фиг. 12 показывает световые шахты, выполненные по существу аналогично первому типу световых шахт, раскрытых в связи с фиг. 1-6, также могут быть реализованы альтернативные варианты, такие как раскрытые в связи с фиг. 7-11. Кроме того, потолок на фиг. 12 может считаться осветительным устройством, содержащим несколько осветительных систем. Однако потолок также может быть построен из нескольких осветительных плиток или компонентов осветительной системы, которые объединены для образования потолка.
Промышленная применимость
Как уже было указано, восприятие естественного освещения от неба и солнца зависит, с одной стороны, от света, излучаемого осветительным устройством, которое должно иметь компонент прямого света, в высокой степени коллимированный низкой коррелированной цветовой температурой, имитирующий свет от солнца, и компонент диффузного света с более высокой коррелированной цветовой температурой, имитирующий осветительный эффект неба, так что компонент прямого света способен бросать резкие параллельные тени объектов, освещенных осветительным устройством, и компонент диффузного света придает синеватый цвет таким теням. С другой стороны, восприятие естественного освещения от неба и солнца зависит от восприятия бесконечной глубины небесных и солнечных образов, при взгляде прямо на само осветительное устройство.
Способность наблюдателя оценивать расстояние до объектов, а поэтому глубина видов, которые составляют трехмерный ландшафт, основана на многих физиологических и психологических механизмах, связанных с фокусированием, бинокулярной диспарантностью и конвергенцией, параллаксом движения, освещенностью, размером, контрастом, пространственной перспективой и т.д. Некоторые механизмы могут приобретать значимость по сравнению с другими в соответствии с условиями наблюдения (например, движется наблюдатель или он неподвижен, сморит одним или двумя глазами и т.д.), а также характеристиками ландшафта, причем эти последние зависят, например, от того, имеются ли объекты известного размера, расстояния или освещенности, служащие в качестве основы для оценки удаленности наблюдаемого элемента ландшафта. Прежде всего, эти механизмы действуют, как в случае с реальными образами, так и в случае с виртуальными образами. Более конкретно, может возникать визуальный дискомфорт или напряжение в глазах, когда существуют конфликты между двумя или несколькими разными плоскостями образов, одновременно воспринимаемыми на разных глубинах наблюдателем, из-за одного единственного сигнала визуального восприятия, или двух или нескольких конкурирующих различных высокоуровневых сигналов визуального восприятия.
В положении и/или в вариантах осуществления, в которых наблюдатель не видит имитацию солнца, изобретатели поняли, что визуальное восприятие глубины определяется главным образом по указаниям типа распространяющегося света. Таким образом, такие сигналы, как аккомодация, бинокулярная конвергенция, параллакс движения, пространственная перспектива могут быть менее важными, чем перспективный эффект солнечного света, генерирующего параллельные контрастные линии, сходящиеся в бесконечности.
В некоторых вариантах осуществления раскрытых здесь осветительных систем, несколько этих осветительных систем может обеспечивать повторяющиеся светотеневые переходы, например контрастные линии 400 и 402 или 802 и 804 или 902, показанные на фиг. 3, 8 и 9, соответственно.
Расположение идентичных или, по меньшей мере, сходных осветительных систем в схеме и ориентированных так, что эти контрастные линии проходят параллельно, будет обеспечивать восприятие наблюдателя, что помещение естественно освещается от неба и солнца. Кроме того, несколько осветительных систем может быть интегрировано в одном большом ящике, причем каждая осветительная система имеет свои собственные секции ящика, и каждая секция ящика оптически соединена с помещением посредством своей собственной световой шахты, но оптически не соединена с соседними осветительными системами.
В нескольких осветительных системах, которые расположены для создания в комбинации перспективного впечатления имитированного солнечного света, каждая осветительная система 1, 900 может быть выполнена так, что прямой недиффузный свет каждой из осветительных систем 1, 900 полностью блокируется экранной структурой 14, 914. Это позволяет добиться того, что наблюдатель не сможет видеть несколько имитаций солнца сразу.
В некоторых вариантах осуществления нескольких осветительных систем, которые расположены для создания в комбинации перспективных впечатлений имитированного солнечного света, экранная структура может быть расположена так и иметь такие размеры, что, хотя прямой недиффузный свет каждой из осветительных систем 1, 900 не может быть полностью блокирован экранной структурой 14, 914, по меньшей мере, в пределах выбранного диапазона положений, наблюдателю может быть видимой только единственная имитация солнца.
В некоторых вариантах осуществления нескольких осветительных систем, которые расположены для создания в комбинации перспективных впечатлений имитированного солнечного света, осветительные системы выполнены так, что расходящиеся порции 53, 953 светового луча не перекрываются внутри помещения, обеспечивая тем самым, что не существует положения, из которого можно было бы видеть два имитированных солнца.
В некоторых вариантах осуществления ящик 16 осветительной системы внутри покрыт внутренним слоем, например, изготовленным из материала способного поглощать падающее световое излучение. Таким материалом является, например, материал черного цвета и с коэффициентом поглощения выше, чем 70%, например, выше, чем 90% или 95% или даже выше чем 97% в видимом диапазоне. Внутренний слой поглощает падающее излучение, которое происходит, например, прямо из первого источника 2 света или от процессов отражения и/или рассеяния генератором 20 диффузного света, или из помещения 30 через абажуроподобную структуру 10 или от экранной структуры 14, таким образом, обеспечивая темный фон сзади - с точки зрения наблюдателя - генератора 20 диффузного света. Это может обеспечить, что генератор 20 диффузного света будет иметь желательные цветовые признаки, например цвет, практически идентичный цвету неба, когда генератор 20 диффузного света является рассеивающей панелью Рэлея. Кроме того, это может предотвращать возникновение пространственной вариации в цвете и освещенности генератора 20 диффузного света, что будет восприниматься наблюдателем как нечто неестественное.
Предпочтительно, ящик 16 внутри покрыт внутренним слоем по всей своей протяженности, за исключением поверхности генератора 20 диффузного света. Другими словами, ящик 16 задает нечто вроде темной камеры, причем выражение «темная» относится к состоянию малого освещения и/или способности поглощать свет, тем самым делая ящик внутри едва видимым через генератор 20 диффузного света, несмотря на то, что свет способен, в принципе, входить / выходить из темного ящика 16 посредством абажуроподобной структуры 10.
Однако в некоторых вариантах осуществления (например, когда основным ограничением является увеличение энергетической эффективности устройства и тем самым, например, максимизация характеристика люмен/ватт), является возможным, что только часть темного ящика покрыта светопоглощающим материалом. Например, покрытая часть может быть ограничена частями, соответствующими точкам на внутренней поверхности темного ящика 16, которые могут быть достигнуты прямыми линиями, пересекающими генератор 20 диффузного света и световой проход 46. В этом случае, наблюдатель, который смотрит на внутреннюю поверхность темного ящика 16 через световой проход 46 и полупрозрачный генератор 20 диффузного света, тем не менее, может видеть только темный фон над панелью.
Как здесь было упомянуто, оптические элементы выше по потоку от генератора 20 диффузного света могут быть использованы для сгиба траектории луча падающего света. Однако в целях иллюстрации, соответствующая иллюстрация и описание используют несогнутые оптические конфигурации.
Как здесь было упомянуто, нижний блок содержит генератор диффузного цвета и, например, дополнительные элементы, такие как некоторые осветительные устройства для освещения генератора диффузного света сбоку. Предполагая, что эти дополнительные элементы не присутствуют, можно было бы считать, что генератор диффузного света является нижним блоком.
Кроме того, представленные концепции не ограничиваются использованием только в пространствах внутри здания. В некоторых вариантах осуществления осветительная система 1 используется в качестве системы для уличного дневного освещения в ночное время. Тогда осветительная система 1 была бы соединена с внешней средой, то есть средой эквивалентной помещению, стены которого либо черные, либо расположены на бесконечно большом расстоянии.
Хотя здесь были описаны предпочтительные варианты осуществления этого изобретения, усовершенствования и модификации могут быть включены, не выходя за пределы объема следующей формулы изобретения.