СИСТЕМА ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ДЛЯ ИМИТАЦИИ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ
ARTIFICIAL LIGHTING SYSTEM FOR IMITATION OF NATURAL LIGHTING

Область техники
Изобретение относится к системе искусственного освещения. В частности, изобретение относится к системе искусственного освещения, которая имитирует естественное освещение. Такая осветительная система может освещать комнату, в которой она установлена, с эффектами, очень похожими на эффекты, которые возникли бы в той же комнате, если бы имелось открытое отверстие с небом и Солнцем позади него.
Уровень техники
Известно, что на текущую дату доступны системы искусственного освещения для закрытых сред ("в помещении"), задачей которых является улучшение визуального комфорта, ощущаемого пользователями. В частности, известны осветительные системы, которые имитируют естественное освещение, а именно тот тип освещения, который доступен на открытом воздухе ("вне дома"). Хорошо известные характеристики освещения вне дома зависят от взаимодействия между световыми лучами, созданными Солнцем, и атмосферой Земли.
В находящейся на рассмотрении заявке на европейский патент ЕР2304480, зарегистрированной настоящим заявителем, описана осветительная система, которая содержит источник света, задачей которого является создание видимого света, и панель, содержащую наночастицы. Во время использования панель принимает световые лучи, идущие от источника, и действует как так называемый рассеиватель Рэлея, а именно она рассеивает световые лучи аналогично атмосфере Земли в условиях чистого неба.
Дополнительные детали, относящиеся к панели как в находящейся на рассмотрении заявке на европейский патент ЕР2304480, описаны в находящейся на рассмотрении заявке на европейский патент ЕР2304478, зарегистрированной настоящим заявителем. Кроме того, в находящейся на рассмотрении заявке на европейский патент ЕР2304480 описаны различные варианты панели, а также различные расположения панели и источника света относительно друг друга, задачей которых является имитация различных условий естественного освещения, таких как, например, условия освещения, которые возникают в природе в случае чистого неба и i) Солнца в зените или ii) Солнца, близкого к горизонту.
Осветительная система, описанная в заявке на патент ЕР2304480, имитирует естественное освещение в том смысле, что она создает внутри окружающей среды прямой свет с низкой коррелированной цветовой температурой (ССТ), который воспроизводит солнечный свет и создает тени при наличии освещенных объектов; также осветительная система, описанная в заявке на патент ЕР2304480, имитирует естественное освещение в том смысле, что она разбрасывает рассеянный свет с высокой ССТ, который воспроизводит свет неба и создает тени с голубым оттенком. При этом такая осветительная система не безошибочно воспроизводит воспринимаемые эффекты, которые может ощутить наблюдатель при наличии окна, обращенного к небу. В частности, такая осветительная система не приводит к тому, что наблюдатель будет визуально ощущать неограниченную глубину поля.
В документе WO 2012/140579 описан оптический элемент, содержащий светопередающую ячейку, которая содержит светопередающий канал, окно ввода света, окно выхода света и стенку. Окно ввода света расположено на первой стороне светопередающего канала и принимает свет от источника света. Окно выхода света испускает свет, выглядящий как свет неба. По меньшей мере, часть окна выхода света расположена на второй стороне светопередающего канала, находящейся напротив первой стороны. Стенка установлена между окном ввода света и частью окна выхода света; стенка ограждает светопередающий канал. По меньшей мере, часть стенки является отражающей и/или пропускающей в заранее заданном спектральном диапазоне, чтобы получить испускание голубого света под относительно большими углами испускания света относительно нормали к части окна выхода света.
В документе US 7,722,220 описано осветительное устройство, включающее теплопроводный элемент, твердотельные эмиттеры света и отражающий элемент. Теплопроводный элемент задает отверстие, эмиттеры и отражающий элемент установлены на первой стороне теплопроводного элемента.
В документе US 4,747,028 описан светильник, использующий средства создания равномерного освещения без бликов.
В документе US 4,267,489 описано устройство, включающее рассеивающую прозрачную пластину, элемент, гомогенизирующий свет, флуоресцентную лампу и отражающий элемент.
Сущность изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложить осветительную систему, способную устранить известные ограничения существующего уровня техники, по меньшей мере, частично.
Изобретением предлагается система искусственного освещения, которая указана в независимых пунктах формулы изобретения с предпочтительными возможными воплощениями, которые являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения здесь описаны варианты его реализации чисто в качестве примеров, не накладывающих ограничения, и со ссылкой на приложенные чертежи, из которых:
на Фиг.1, 2 и 7 приведены схематичные поперечные сечения вариантов представленной осветительной системы;
на Фиг.3 приведено схематичное поперечное сечение возможной осветительной системы, отличающейся от представленной осветительной системы;
на Фиг.4а и 4b приведены схематичные общие виды источников света;
на Фиг.5а, 6 и 8 приведены схематичные общие виды частей представленной осветительной системы;
на Фиг.5b приведено поперечное сечение отражающего элемента, входящего в состав части осветительной системы, показанной на Фиг.5а;
на Фиг.9а и 10 приведены общие виды источников света;
на Фиг.9b приведено поперечное сечение части источника света, показанного на Фиг.9а;
на Фиг.11 приведено поперечное сечение части варианта представленной осветительной системы; и
на Фиг.12 – Фиг.15 приведены схематичные поперечные сечения частей дополнительных вариантов представленной осветительной системы.
В общем, заявитель заметил, что способность наблюдателя оценивать расстояние до объектов и таким образом глубину поля видов, которые образуют трехмерную картинку, основана на множестве физиологических и психологических механизмов, связанных с фокусированием, бинокулярным совмещением, бинокулярным параллаксом, параллаксом движения, яркостью, размером, контрастом, воздушной перспективой и т.д. Некоторые механизмы могут приобретать значимость по сравнению с другими в соответствии с условиями наблюдения (например, движется ли наблюдатель или стоит неподвижно, смотрит одним или двумя глазами и т.д.), а также с характеристиками картинки, причем последние зависят, например, от того, присутствуют ли объекты с известными размером, расстоянием или яркостью, которые служат эталоном для оценки того, на каком расстоянии находится наблюдаемый объект картинки.
В частности, заявитель заметил, что наблюдатель, который смотрит на проектор света через окно, теряет способность оценки того, как далеко находится проектор, когда такое расстояние свыше пяти метров (предпочтительно семи метров), при условии, что фон, окружающий проектор, является черным и равномерным. Когда встречаются такие обстоятельства, расстояние от проектора не может быть определено наблюдателем. Способность оценки расстояний теряется из-за того, что i) точная фокусировка слепящего источника света затруднена, что препятствует использованию наблюдателем механизма фокусировки для оценки расстояния до объекта, и ii) бинокулярное совмещение едва ли эффективно как инструмент для оценки расстояния, когда объект находится на удалении больше пяти метров (предпочтительно семи метров); помимо этого, способность оценки теряется из-за того, что другие психофизические механизмы, которые обычно действенны и эффективны в случае больших расстояний, не срабатывают, так как им препятствует отсутствие дополнительных точек эталона.
Заявитель дополнительно заметил, что, когда между наблюдателем и проектором света располагают панель с диффузией Рэлея, причем проектор света окружен черным равномерным фоном, это побуждает наблюдателя воспринимать проектор света фактически на бесконечном расстоянии от себя. Если говорить более конкретно, эффект восприятия на бесконечном расстоянии достигается всякий раз, когда наблюдатель смотрит на проектор света через панель с диффузией Рэлея, эта последняя полностью и равномерно освещается проектором, и реальное расстояние от проектора до наблюдателя составляет, по меньшей мере, пять метров (предпочтительно семь метров). Такой эффект может быть интерпретирован как следствие так называемой "воздушной перспективы", механизма восприятия, вызванного панелью с диффузией Рэлея. По сути, цвет и интенсивность света, рассеиваемого панелью с диффузией Рэлея, фактически идентичны соответствующим цвету и интенсивности света неба, где интенсивность оценивается по отношению к интенсивности пропущенного света. В частности, так называемый механизм воздушной перспективы относится к наличию воздушного слоя, расположенного между любыми объектами и наблюдателем; цвет и яркость такого воздушного слоя влияют на оценку расстояния от объекта до наблюдателя, причем объект воспринимается наблюдателем как лежащий позади воздушного слоя как такового; такой механизм преобладает при больших расстояниях или, если говорить в общем, когда другие психофизические механизмы для оценки расстояния подавляются или едва ли эффективны.
Заявитель дополнительно заметил, что наблюдатель побуждается воспринимать свет, испускаемый панелью с диффузией Рэлея, как идущий с фактически бесконечного расстояния при условии, что точечный источник находится внутри визуального поля наблюдателя. Такой эффект может быть интерпретирован за счет учета того, что панель с диффузией Рэлея действует как вторичный  источник светового излучения и что наблюдатель вряд ли может оценить свое расстояние от плоскости испускания такого светового излучения из-за высокой пространственной равномерности светового излучения как такового, что не дает какой-либо визуальной точки эталона, которую можно рассматривать. Таким образом, наличие проектора света в визуальном поле на (физическом) расстоянии пять метров (предпочтительно семь метров) влияет на оценку всей глубины картинки поля за счет "подтаскивания" оцененного положения панели с диффузией Рэлея за порог восприятия расстояния за счет бинокулярного совмещения. Такой эффект связан с яркостью проектора света и с тем фактом, что, помимо панели с диффузией Рэлея, проектор света как таковой является единственным пространственно локализованным элементом, воспринимаемым наблюдателем. В принципе, при взгляде на панель с диффузией Рэлея проектор света принуждает глаза наблюдателя настроиться таким образом, как если бы они смотрели на очень удаленный объект. Тогда сознание подталкивается такой настройкой глаз к тому выводу, что объект в середине визуального поля, то есть свет, испускаемый панелью с диффузией Рэлея, находится очень далеко по сравнению с реальным положением панели как таковой. Кроме того, эффекту восприятия источника рассеянного света на значительном расстоянии от наблюдателя благоприятствует тот факт, что свет, рассеиваемый панелью с диффузией Рэлея, имеет те же цвет и яркость (по сравнению с пропущенным светом), которые типичны для цвета неба. Такой эффект из-за упомянутого выше механизма воздушной перспективы особенно эффективен, что вызывает восприятие проектора света на фактически бесконечном расстоянии. Заявитель также заметил, что описанный эффект, то есть визуальное восприятие бесконечной глубины поля (с настоящего момента называемый "эффектом прорыва"), имеет место вне зависимости от направления наблюдения через панель с диффузией Рэлея.
В дополнение к этому заявитель заметил, что одна воздушная перспектива не может абсолютно гарантировать эффект прорыва, если проектор света находится вне визуального поля, так как превалируют другие психофизические механизмы, такие как фокусирование на царапинах или границах панели с диффузией Рэлея.
Помимо этого, заявитель заметил, что упомянутый выше эффект прорыва уменьшается всякий раз, когда проектор света расположен рядом с панелью с диффузией Рэлея, например, без каких-либо зеркал или линз для перемещения на расстояние ее фактического изображения. Фактически расстояние проектора света было бы в этом случае легко оценено наблюдателем, что ограничило бы глубину поля всей картинки, несмотря на вклад воздушной перспективы. Аналогичным образом, заявитель заметил, что упомянутый выше эффект прорыва уменьшается всякий раз, когда проектор света не окружен черным равномерным фоном. Фактически наблюдатель может определить расстояние от фона, отличающегося от черного и равномерного фона, что ограничивает глубину поля всей картинки, несмотря на вклад воздушной перспективы.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
С учетом указанного выше на Фиг.1 показана система 1 искусственного освещения, которая с настоящего момента кратко будет называться осветительной системой 1.
Если говорить подробно, осветительная система 1 содержит первый источник 2 света, предпочтительно направленный, то есть выполненный, с возможностью испускать свет под телесным углом испускания меньше 4π  стерадиан. Помимо этого, первый источник 2 света испускает свет в видимом диапазоне спектра, то есть с длинами волн между 400 нм и 700 нм. Кроме того, первый источник 2 света испускает свет (видимое электромагнитное излучение) со спектральной шириной Δλ предпочтительно выше 100 нм, более предпочтительно выше 170 нм. Спектральная ширина Δλ может быть задана как стандартное отклонение спектра длин волн первого источника света.
1
2
1
2
1
2
Осветительная система 1 также включает первую панель 4 рассеивателя, которая, например, выполнена в форме параллелепипеда. В частности, первая панель 4 рассеивателя ограничена первой поверхностью S и второй поверхностью S, которые параллельны; предпочтительно первая панель 4 рассеивателя является тонкой, т.е. ее толщина w, измеренная в направлении, перпендикулярном первой и второй поверхностям S и S, имеет значение в квадрате не выше 5%, предпочтительно 1%, от площади первой и второй поверхностей S и S.
Если говорить более конкретно, в варианте, показанном на Фиг.1, первая панель 4 рассеивателя работает как так называемый рассеиватель Рэлея, т.е. как панель, которая, по существу, не поглощает свет в видимом диапазоне и которая рассеивает более эффективно коротковолновые компоненты падающего света по сравнению с длинноволновыми, например панель, которая, по существу, не поглощает свет в видимом диапазоне и которая рассеивает световые лучи с длиной волны λ=450 нм (голубой), по меньшей мере, в 1,2 раза, предпочтительно, по меньшей мере, в 1,4 раза, более предпочтительно, по меньшей мере, в 1,6 раза более эффективно, чем световые лучи с длиной волны λ=650 нм (красный), причем эффективность рассеивания задается отношением между мощностью излучения рассеянного света и мощностью излучения падающего света. Оптические свойства и микроскопические характеристики рассеивателей, подобных рассеивателю Рэлея, также описаны подробно в заявке на патент ЕР2304478, принадлежащей тому же заявителю. Дополнительная информация по микроскопическим особенностям также приведена далее.
1
2
1
1
2
В варианте, показанном на Фиг.1, первый источник 2 света вертикально выровнен относительно первой панели 4 рассеивателя, т.е. расположен вдоль оси Н, которая перпендикулярна первой и второй поверхностям S и S и проходит через центр тяжести этих последних (на Фиг.1 центр тяжести первой поверхности S обозначен символом О). Если говорить в общем, за исключением мест, где указано иное, в настоящем описании термин "центр тяжести" используется в его геометрическом значении вместо его физического значения (центр масс), следовательно, он также применим к плоским поверхностям и в любом случае к объектам, имеющим, по существу, бесконечно малую толщину. Таким образом, термин "центр тяжести" должен восприниматься как "геометрический центр" или "центроид", и он совпадает при условии, что объект (или поверхность) имеет бесконечно малую толщину, с центром масс этого последнего, вычисленным при предположении, что объект имеет равномерную плотность и, в точности, бесконечно малую толщину. Помимо этого, первый источник 2 света полностью освещает первую панель 4 рассеивателя. Однако возможны варианты, в которых первый источник 2 света установлен не по оси относительно центра тяжести первой и второй поверхностей S и S, как описано далее.
1
2
1
2
Осветительная система 1 оптически привязана к среде, например комнате 6, выполненной в форме параллелепипеда и ограниченной нижней стеной Р, верхней стеной Р и четырьмя боковыми стенами Р. В частности, без потери общего характера предполагается, что верхняя стена Р имеет полость 8, которая имеет, если смотреть сверху, ту же форму, что и первая панель 4 рассеивателя, и полностью заполнена этой последней. В любом случае настоящее изобретение не ограничивается формой и/или расположением полости 8; в качестве примера, согласно дополнительным вариантам (не показаны) полость может быть образована внутри боковой стены. Кроме того, настоящее изобретение не ограничивается его использованием в пространствах внутри помещения; поэтому возможны варианты, в которых осветительная система 1 используется как система для дневного освещения вне дома в ночное время. Таким образом, осветительная система 1 может быть привязана к среде вне дома, т.е. среде, эквивалентной комнате, стенки которой либо являются черными, либо установлены на бесконечно большом расстоянии.
1
2
Осветительная система 1 содержит опорный элемент 10, который ограничивает вместе с первой поверхностью S первой панели 4 рассеивателя внешний объем V, который является внешним по отношению к комнате 6; первый источник 2 света помещен внутрь внешнего объема V. Хотя это не показано, возможны варианты, в которых опорный элемент 10 механически привязан к комнате 6 таким образом, что внешний объем V ограничен, по меньшей мере, частично также стеной комнаты 6, в качестве примера верхней стеной Р.
1
Опорный элемент 10 внутри покрыт внутренним слоем 12, состоящим из материала, способного поглощать падающее световое излучение, таким материалом, например, является материал с черным цветом и коэффициентом поглощения выше 70%, предпочтительно выше 90%, наиболее предпочтительно выше 95%, даже более предпочтительно выше 97% в видимом диапазоне.  Задачей внутреннего слоя 12 является поглощение падающего излучения, которое идет, например, непосредственно от первого источника 2 света или образуется в результате процессов отражения и/или рассеивания, осуществляемых первой панелью 4 рассеивателя, или идет от комнаты 6 через первую панель 4 рассеивателя. Предпочтительно объем V внутри покрыт внутренним слоем 12 полностью за исключением первой поверхности S первой панели 4 рассеивателя. Другими словами опорный элемент 10 и внутренний слой 12 задают типа темного ящика (или камеры), где термин "темный" относится к состоянию небольшого освещения и/или к способности поглощать свет, чтобы сделать ящик едва видимым, как описано ниже; таким образом, в дальнейшем ссылка также будет делаться на темный ящик 10. Свет может входить/выходить из темного ящика только через первую панель 4 рассеивателя.
1
Снова обращаясь к первой панели 4 рассеивателя и предполагая, что световой пучок, созданный осветительным точечным источником стандарта D65 CIE (Международной комиссии по освещению) на большом расстоянии от первой панели 4 рассеивателя (пучок, таким образом, образованный световыми лучами, параллельными друг другу) и направленный перпендикулярно первой поверхности S, первая панель 4 рассеивателя разделяет такой пучок на четыре компонента, в частности, на:
direct
- пропущенный компонент, образованный световыми лучами, которые проходят через первую панель 4 рассеивателя и не испытывают значительных отклонений, т.е. световыми лучами, испытывающими отклонение меньше чем 0,1°, со световым потоком, который является долей τ общего светового потока, падающего на первую панель 4 рассеивателя;
2
2
scattered
- компонент прямого рассеивания, образованный световыми лучами, выходящими со второй поверхности S в направлениях, которые распределены вокруг направления, перпендикулярного второй поверхности S (за исключением такого перпендикулярного направления и направлений, отличающихся от такого перпендикулярного направления на угол меньше 0,1°, со световым потоком, который является долей τ общего светового потока, падающего на первую панель 4 рассеивателя;
1
1
scattered
- компонент обратного рассеивания, образованный световыми лучами, выходящими с первой поверхности S в направлениях, которые распределены вокруг направления, перпендикулярного первой поверхности S (за исключением такого перпендикулярного направления и направлений, отличающихся от такого перпендикулярного направления на угол меньше 0,1°), со световым потоком, который является долей ρ общего светового потока, падающего на первую панель 4 рассеивателя; и
1
1
direct
- отраженный компонент, образованный световыми лучами, выходящими с первой поверхности S (или берущими на ней начало) в направлении под зеркальным углом (например, перпендикулярном или отличающемся от перпендикулярного на угол меньше 0,1° в представленном случае) к первой поверхности S, со световым потоком, который является долей ρ общего светового потока, падающего на первую панель 4 рассеивателя.
С учетом указанного выше оптические свойства первой панели 4 рассеивателя таковы, что:
scattered
- τ находится в диапазоне 0,05-0,5, предпочтительно 0,07-0,4, более предпочтительно 0,1-0,3, еще более предпочтительно 0,15-0,25;
scattered
direct
scattered
direct
- средняя коррелированная цветовая температура (ССТ) ССТ_τ компонента прямого рассеяния значительно выше средней коррелированной цветовой температуры ССТ_τ пропущенного компонента, а именно ССТ_τ > h*ССТ_τ c h=1,2, предпочтительно h=1,3, более предпочтительно h=1,5;
direct
scattered
direct
scattered
- первая панель 4 рассеивателя не поглощает значительно падающий свет, а именно сумма τ + τ + ρ + ρ, по меньшей мере, равна 0,8, предпочтительно 0,9, более предпочтительно 0,95, еще более предпочтительно 0,97;
scattered
scattered
- первая панель 4 рассеивателя рассеивает главным образом вперед, а именно τ > η*ρ, где η, по меньшей мере, равно 1,1, предпочтительно η=1,3, более предпочтительно η=1,5, еще более предпочтительно η=2; и
direct
- первая панель 4 рассеивателя имеет низкое отражение, а именно ρ <0,09, предпочтительно <0,06, более предпочтительно <0,03, еще более предпочтительно <0,02.
2
2
2
2
3
Если говорить более подробно, первая панель 4 рассеивателя содержит сплошную матрицу из первого материала (например, смолы, имеющей превосходную оптическую прозрачность, такой как термопластичные смолы, термоусадочные смолы, фотоотверждаемые смолы, акриловые смолы, эпоксидные смолы, смолы из сложного полиэфира, полистироловые смолы, полиолефиновые смолы, полиамидные смолы, полиимидные смолы, смолы из поливинилалкоголя, бутираловые смолы, смолы на основе фтора, смолы из винилацетата или пластики, такие как поликарбонат, жидкокристаллические полимеры, простой эфир полифенилена, полисульфон, полиэфирсульфон, полиарилат, аморфный полиолефин, либо их смеси или сополимеры), в котором распределены наночастицы второго материала (например, неорганического оксида, такого как ZnO, TiO, ZrO, SiO, AlO), причем этот второй материал имеет коэффициент преломления, отличающийся от коэффициента преломления первого материала. Как первый, так и второй материалы, в принципе, не поглощают электромагнитное излучение в видимом диапазоне длин волн.
Помимо этого, в варианте, показанном на Фиг.1, первая панель 4 рассеивателя является однородной в том смысле, что в любой точке этой панели 4 ее физические характеристики  в этой точке не зависят от точки как таковой. Кроме того, первая панель 4 рассеивателя является монолитной, а именно сплошная матрица не обладает какой-либо прерывистостью из-за склейки или механического соединения. Такие характеристики первой панели 4 рассеивателя, однако, не являются обязательными для целей настоящего изобретения, хотя они делают изготовление первой панели 4 рассеивателя более легким.
Если говорить конкретнее, наночастицы могут быть монодисперсными. Наночастицы могут быть выполнены сферической или иной формы. Эффективный диаметр D наночастиц (для определения в случае несферической формы см. ниже) находится в диапазоне [5 нм - 350 нм], предпочтительно [10 нм - 250 нм], более предпочтительно [40 нм - 180 нм], еще более предпочтительно [60 нм - 150 нм], где эффективный диаметр D задается диаметром наночастиц, умноженным на коэффициент преломления первого материала.
1
min
2
Помимо этого, наночастицы распределены внутри первой панели 4 рассеивателя таким образом, что их поверхностная плотность, а именно число N наночастиц на квадратный метр, т.е. число наночастиц в объемном элементе, ограниченном частью первой поверхности S, имеющей площадь 1 м, удовлетворяет условию N≥N, где:
6
2
min
где ν – размерная константа, равная 1 метру, N выражается как число/метр, эффективный диаметр D выражается в метрах и где m равно отношению коэффициента преломления второго материала к коэффициенту преломления первого материала.
1
2
2
Предпочтительно наночастицы распределены равномерно, по меньшей мере, пока это касается поверхностной плотности, т.е. поверхностная плотность, по существу, равномерна для первой панели 4 рассеивателя, но распределение наночастиц может изменяться в направлении, перпендикулярном первой и второй поверхностям S, S. Поверхностная плотность меняется, например, на менее 5% от средней поверхностной плотности. Под поверхностной плотностью здесь подразумевается величина, заданная на площадях больше 0,25 мм.
1
av
av
av
av
1
В качестве альтернативы, возможны варианты, в которых поверхностная плотность меняется, чтобы компенсировать различия в освещении на первой панели 4 рассеивателя, которая освещена первым источником 2 света. Например, поверхностная плотность N(x,y) в точке (x,y) в пределах S может быть связана с яркостью I(x,y), создаваемой первым источником 2 света в точке (x,y) через уравнение N(x,y)=N*I/I(x,y)±5%, где N и I– усредненные яркость и поверхностная плотность, причем эти последние величины усреднены по первой поверхности S. В этом случае яркость первой панели 4 рассеивателя выровнена по этой панели 4, несмотря на неравномерность профиля яркости первого источника 2 света на первой панели 4 рассеивателя. В этой связи напомним, что яркость является световым потоком пучка, исходящего с поверхности (или падающего на поверхность) в заданном направлении, на единицу проецированной площади поверхности, если смотреть с заданного направления, и на единицу телесного угла, как указывается в качестве примера в стандарте Е284-09а ASTM (Американского общества испытания материалов).
min
scattered
scattered
1
2
direct
В пределах небольшого D и небольших объемных долей (т.е. толстые панели) ожидается, что поверхностная плотность N=N дает эффективность рассеивания приблизительно 5%. По мере увеличения числа наночастиц на единицу площади ожидается, что эффективность рассеивания будет расти пропорционально N, до тех пор, пока не возникнет множественное рассеивание или интерференции (в случае большой объемной доли), что может повлиять на качество цвета. На выбор числа наночастиц, таким образом, влияет поиск компромисса между эффективностью рассеивания и требуемым цветом, как подробно описано в заявке на патент ЕР2304478. Кроме того, по мере увеличения размера наночастиц растет отношение η=τ/ρ прямого светового потока к обратному, причем такое отношение равно единице в пределе Рэлея. Помимо этого, по мере роста η становится меньше апертура прямого рассеивания. Таким образом, на выбор η влияет поиск компромисса между наличием рассеивания света под большими углами и минимизацией потока обратно рассеянного света. Однако, по сути, известным образом на первую и вторую поверхности S и S может быть нанесен противоотражательный слой (не показан) с целью минимизации ρ; за счет этого поднимается световая эффективность осветительной системы 1 и уменьшается видимость первой панели 4 рассеивателя (как физического элемента) для наблюдателя в комнате 6.
Однако возможны варианты, в которых наночастицы не имеют сферической формы; в таком случае эффективный диаметр D может быть задан как эффективный диаметр эквивалентных сферических частиц, а именно эффективный диаметр сферических частиц, имеющих тот же объем, что и упомянутые наночастицы.
1
2
eff
Кроме того, возможны варианты, в которых наночастицы являются полидисперсными, т.е. их эффективные диаметры характеризуются распределением N(D). Такое распределение описывает число наночастиц на единицу поверхности и единичный интервал эффективного диаметра по соседству с эффективным диаметром D, то есть, число частиц на единицу поверхности, имеющих эффективный диаметр между D и D, равно . Эти эффективные диаметры могут находиться в диапазоне [5 нм – 350 нм], т.е. распределение может быть ненулевым в пределах этого диапазона. В этом случае, учитывая, что эффективность рассеяния приближенно растет, т.е. в пределе небольших частиц, с шестой степенью диаметра наночастиц, полидисперсное распределение ведет себя приближенно как монодисперсное распределение с репрезентативным диаметром D', заданным как:
где
eff
D' может быть выбран таким образом, чтобы он лежал в диапазоне [5 нм - 350 нм], предпочтительно [10 нм - 250 нм], более предпочтительно [40 нм - 180 нм], еще более предпочтительно [60 нм - 150 нм].
2
Помимо этого, первая панель 4 рассеивателя находится на расстоянии d от первого источника 2 света, измеренном вдоль оси Н. Такое расстояние d может меняться в соответствии с ожидаемым положением наблюдателя внутри комнаты 6 таким образом, чтобы расстояние между ожидаемым положением наблюдателя и первым источником 2 света было равно, по меньшей мере, пяти метрам, предпочтительно семи метрам. Например, в случае варианта использования, по типу относящегося к потолочному, расстояние d может быть равно трем метрам. В качестве предосторожности расстояние d может быть равно пяти метрам в случае, если наблюдатель находится очень близко ко второй поверхности S.
1
Согласно другому варианту, показанному на Фиг.2, первый источник 2 света и в этот раз установлен внутри внешнего объема V, но установлен не по оси, т.е. сбоку относительно первой панели 4 рассеивателя, т.е. он не пересекается любой линией, которая проходит через первую панель 4 рассеивателя и параллельна оси Н. Кроме того, осветительная система 1 включает отражающую систему 20, которая включает первое зеркало 22 и создает путь света, который соединяет первый источник 2 света с первой панелью 4 рассеивателя; другими словами, световые лучи, созданные первым источником 2 света, транспортируются отражающей системой 20 на первую поверхность S. Первое зеркало 22 вызывает последнее отклонение (т.е. последнее изменение направления) пути света перед первой панелью 4 рассеивателя.
В дополнение к этому, первый источник 2 света и отражающая система 20 таковы, что первая панель 4 рассеивателя полностью освещается световыми лучами, идущими от первого источника 2 света. Кроме того, по причинам, которые более точно будут описаны позднее, первая панель 4 рассеивателя и отражающая система 20 установлены таким образом, что они удовлетворяют следующему геометрическому условию. Отсутствуют пары, составленные световым лучом RL1 и световым лучом RL2, такие что:
- световой луч RL1 проходит через первую панель 4 рассеивателя (в качестве примера, идя из комнаты 6) или берет свое начало на первой панели 4 рассеивателя; и
1
- световой луч RL2 представляет собой отражение светового луча RL1 отражающей системой 20 и он направлен таким образом, чтобы снова падать на первую поверхность S.
1
1
1
1
Упомянутое выше геометрическое условие по световым лучам RL1 и RL2 эквивалентно утверждению, что ни один световой луч, созданный внутри комнаты 6 и пересекающий первую поверхность S в первой точке, не может быть впоследствии отражен отражающей системой 20 таким образом, что он снова попадает на первую поверхность S во второй точке. Даже в качестве альтернативы отражающая система 20 установлена таким образом, что все поступающие световые лучи, исходящие от первой поверхности S и падающие на отражающую систему 20, независимо от положения на первой поверхности S, из которого исходят поступающие световые лучи, отражаются на внутренний слой 12.
Упомянутое выше геометрическое условие по световым лучам RL1 и RL2 приводит к уменьшению объема, занимаемого осветительной системой 1, главным образом, с точки зрения объема, занимаемого вне комнаты 6, без ухудшения качества освещения. В частности, осветительная система 1 характеризуется уменьшением пространства, занимаемого по вертикали, т.е. измеренного по оси Н. При условии, что уменьшенное вертикальное пространство является предварительным условием для большого количества вариантов использования, упомянутое выше геометрическое условие позволяет получить эффект прорыва в большом числе ситуаций, представляющих практический интерес. Для краткости с настоящего момента ссылка на вертикальный размер занимаемого пространства будет в основном опускаться.
Если говорить более подробно, кроме того, что оно приводит к уменьшению занимаемого пространства, взаимное расположение отражающей системы 20 и первой панели 4 рассеивателя предотвращает возникновение двух явлений, которые могли бы нарушить естественное качество освещения.
Как показано на Фиг.3, если упомянутое выше геометрическое условие по световым лучам RL1 и RL2 будет нарушено, случится следующее:
- световой луч IR1, созданный первым источником 2 света, попадает в отражающую систему (здесь обозначенную номером 30) и транспортируется на первую панель 4 рассеивателя, пересекает первую панель 4 рассеивателя и достигает наблюдателя; и
1
- световой луч IR2, созданный первым источником 2 света, попадает в отражающую систему 20 в первый раз, транспортируется первый раз на первую панель 4 рассеивателя, частично отражается из-за отражения Френеля первой поверхностью S, попадает в отражающую систему 30 второй раз, транспортируется второй раз на первую панель 4 рассеивателя, пересекает первую панель 4 рассеивателя и достигает наблюдателя с другого направления относительно светового луча IR1.
1
В этом случае наблюдатель будет видеть два различных изображения первого источника 2 света, которые видятся в различных направлениях. Первое изображение - это изображение, созданное IR1 и всеми световыми лучами, близкими к IR1, т.е. световыми лучами, которые пересекли только один раз первую панель 4 рассеивателя. Второе изображение - это изображение, созданное световым лучом IR2 и всеми световыми лучами, близкими к IR2, т.е. лучами, которые, будучи частично отраженными первой поверхностью S, перенаправлены отражающей системой 30 к наблюдателю. Так как отражение Френеля перенаправляет только часть (например, приблизительно 4% на каждую поверхность первой панели 4 рассеивателя для падения почти перпендикулярно и для материала РММА (polymethylmethacrylate - полиметилметакрилат), второе изображение первого источника 2 света слабее первого. Тем не менее, его яркость по-прежнему очень высока; в результате наблюдатель будет ощущать разницу с естественным освещением, которое очевидно характеризуется наличием только одного изображения Солнца.
Аналогичным образом, если упомянутое выше геометрическое условие по световым лучам RL1 и RL2 не будет соблюдаться, световые лучи, идущие из комнаты 6 и имеющие любой цвет, будут пересекать первую панель 4 рассеивателя, отражаться отражающей системой 30 и повторно входить в комнату 6 после повторного пересечения первой панели 4 рассеивателя. В таком случае наблюдатель будет ощущать наличие световых объектов, имеющих цвета, отличные от цвета первой панели 4 рассеивателя, как если бы они были установлены за первой панелью 4 рассеивателя. Кроме того, из-за так называемого обратного рассеивания первая панель 4 рассеивателя как таковая будет видима наблюдателем не только напрямую, но также через отражающую систему 30; на практике первая панель 4 рассеивателя будет создавать световую точку, пространственно ограниченную рамой зеркала, что будет нарушать однородность фона. В дополнение к этому наблюдатель мог бы заметить наличие отражающей системы 30 из-за незамедлительного изменения яркости, которое могло бы произойти на краях зеркала. Все эти эффекты привели бы к тому, что освещение казалось бы неестественным, причем изображение первой панели 4 рассеивателя отличалось бы от изображения естественного неба. Помимо этого, восприятие объектов или зеркал в фоне первой панели 4 рассеивателя предотвратило бы получение эффекта прорыва.
1
2
С учетом указанного выше возможны варианты, в которых, как показано на Фиг.2, первое зеркало 22 является плоским и параллельным первой панели 4 рассеивателя (а именно параллельным первой и второй поверхностям S и S), в результате чего занимаемый объем минимизируется.
r
1
r
Помимо этого, независимо от формы и угла наклона первого зеркала 22 первый источник 2 света и первое зеркало 22 установлены таким образом, что, если поверхность первого зеркала 22 называется отражающей поверхностью S, центр О тяжести первой поверхности S и центр О' тяжести отражающей поверхности S могут быть соединены линией, при этом угол АО падения относительно оси Н будет находиться между 40° и 65°, предпочтительно между 42° и 50°, более предпочтительно рядом с 45°. Таким образом достигается компромисс между минимизацией пространства, занимаемого по вертикали осветительной системой 1, которое уменьшается по мере увеличения угла АО падения, и минимизацией потерь света из-за частичного отражения, возникающего на первой панели 4 рассеивателя, которое растет по мере увеличения угла АО падения, исходя из предположения, что первая панель 4 рассеивателя имеет коэффициент преломления, по существу, равный 1,5, и что угол АО падения больше 45°. Стоит также отметить, что выгода от освещения первой панели 4 рассеивателя под углом АО падения, по существу, равным 45°, сохраняется для всех возможных вариантов, включая те, которые описаны позднее, и те, которые не имеют какого-либо зеркала.
Заявитель также проверил, что, когда первое зеркало 22 является плоским, вертикальное пространство, занимаемое осветительной системой 1, минимизируется для любого угла АО падения при условии, что первое зеркало 22 параллельно первой панели 4 рассеивателя.
f
1
Перед дальнейшим описанием зададим "несущий луч" как ломаный путь света, который соединяет центр О" тяжести испускающей поверхности S (определенной позднее) первого источника 2 света с центром О тяжести первой поверхности S посредством отражающей системы 20, или кратчайший среди этих путей света, если существует более одного пути света; существует только один путь света, если отражающая система 20 выполнена как компонент оптики создания изображения.
1
1
r
r
Помимо этого, вводится эталонная Декартова система координат, причем такая эталонная система имеет точку начала координат в центре О тяжести первой поверхности S и включает ось х и ось y, лежащие в плоскости, заданной первой поверхностью S и расположенной таким образом, что ось y перпендикулярна плоскости падения несущего луча на отражающую поверхность S первого зеркала 22 (т.е. плоскости, содержащей два сегмента несущего луча, которые контактируют с первым зеркалом 22, а также линии, перпендикулярной отражающей поверхности S в точке контакта).
1
Независимо от формы и угла наклона первого зеркала 22 возможны варианты, в которых первая поверхность S имеет прямоугольную или, по меньшей мере, вытянутую форму, при этом ее наибольшая ось совпадает с осью y. Заявитель проверил, что эти варианты позволяют исполнить геометрическое условие по световым лучам RL1 и RL2 с меньшей высотой осветительной системы 1 вдоль оси Н относительно случаев, в которых первая панель 4 рассеивателя не является вытянутой или вытянута вдоль оси х, причем площадь первой панели 4 рассеивателя и угол АО падения являются теми же самыми. Иначе говоря, эти варианты позволяют максимизировать площадь первой панели 4 рассеивателя для заданной высоты осветительной системы 1 и заданного угла АО падения. Фактически заявитель отметил, что для заданного угла АО падения максимальная ширина первой панели 4 рассеивателя вдоль оси х пропорциональна минимальной высоте осветительной системы 1 вдоль оси Н, причем коэффициент пропорциональности близок к 1, когда угол АО падения близок к 45°.
f
f
f
f
Заявитель также заметил, что естественное качество освещения дополнительно улучшается, если первый источник 2 света имеет круглую (Фиг.4а) или эллиптическую (Фиг.4b) испускающую поверхность S. При условии, что первый источник 2 света является направленным, он характеризуется основным направлением, которое является направлением абсолютного максимума световой интенсивности, и основной плоскостью, здесь определенной как плоскость, перпендикулярная основному направлению, в которой возникает абсолютный максимум яркости. С учетом сказанного выше испускающая поверхность S является частью основной плоскости, где яркость вдоль основного направления выше 10% от этого абсолютного максимума световой интенсивности. Испускающая поверхность S называется круглой или эллиптической, если существует окружность или эллипс, в которые она заключена и которые имеют площадь больше площади испускающей поверхности S не более чем на 30%, предпочтительно 20%, более предпочтительно 10%.
1
1
С учетом всего сказанного световые лучи попадают на первую поверхность S в соответствующих точках падения и создают соответствующие углы падения с линиями, перпендикулярными первой поверхности S и проходящими через точки падения. С учетом сказанного выше отражающая система 20 и расположение первого источника 2 света и первой панели 4 рассеивателя таковы, что при наличии:
f
1
1
1
- светового луча RL3, который соединяет посредством отражающей системы 20 центр О" тяжести испускающей поверхности S с центром О тяжести первой поверхности S и образует угол θ относительно линии, перпендикулярной первой поверхности S и проходящей через центр О тяжести этой последней; и
f
1
2
1
- светового луча RL4, который соединяет посредством отражающей системы 20 центр О" тяжести испускающей поверхности S с точкой первой поверхности S, которая расположена на расстоянии Х от центра О тяжести этой последней, и который образует угол θ относительно линии, перпендикулярной первой поверхности S и проходящей через эту точку; таким образом получается, что:
где L, по меньшей мере, равно трем метрам и, предпочтительно, X<<L, например X<10 см. Предпочтительно L, по меньшей мере, равно четырем метрам; еще более предпочтительно L, по меньшей мере, равно пяти метрам. Отметим, что такое условие удовлетворяется также вариантом, показанным на Фиг.1, при условии, что упомянутое выше расстояние d первой панели 4 рассеивателя от первого источника 2 света равно L.
1
Таким образом, световые лучи падают на первую поверхность S в почти параллельных направлениях аналогично тому, что происходит в природе. Кроме того, это условие может соблюдаться, даже когда первый источник 2 света находится на физическом расстоянии от первой панели 4 рассеивателя меньше L, при условии, что отражающая система 20 содержит зеркала, обеспечивающие схождение, т.е. зеркала, предназначенные для создания фактического изображения первого источника 2 света на расстоянии больше физического расстояния.
1
Заявитель дополнительно заметил, что в определенных вариантах использования (например, в случае, когда первая панель 4 рассеивателя установлена на небольшом расстоянии от наблюдателя) достаточно, чтобы L было, по меньшей мере, равно 50%, предпочтительно 70%, даже более предпочтительно 100% от максимального расстояния между любыми двумя точками первой поверхности S.
1
min
max
max
min
1
1
1
Независимо от упомянутых выше подробностей по расстоянию первой панели 4 рассеивателя от первого источника 2 света возможны варианты, в которых источник 2 света установлен таким образом, что профиль освещенности первой поверхности Sизменяется между минимальным значением ILLU и максимальным значением ILLU, где ILLU≤3* ILLU, чтобы ограничить изменения освещенности первой панели 4 рассеивателя. Такое условие по равномерности освещенности может быть достигнуто за счет расположения оптики свободной формы между первым источником 2 света и первой поверхностью S и/или за счет расположения источника 2 света на подходящем расстоянии от первой поверхности S. В качестве примера возможны варианты, в которых освещенность, созданная первым источником 2 света на первой поверхности S, является, по существу, равномерной по причине того факта, что выполняется следующая взаимосвязь:
е
f
1
1
1
где θ – угол, под которым дополнительный световой луч, берущий свое начало в центре О" тяжести испускающей поверхности S первого источника 2 света, падает в точку на границе первой поверхности S, причем эта точка является точкой из точек на границе, имеющих максимальное расстояние от центра О тяжести первой поверхности S. Заявитель дополнительно заметил, что также и в этом случае, если наблюдатель находится на небольшом расстоянии от первой панели 4 рассеивателя, достаточно, чтобы L было, по меньшей мере, равно 50%, предпочтительно 70%, даже более предпочтительно 100% от максимального расстояния между любыми двумя точками первой поверхности S.
6
2
6
2
6
2
6
2
Заявитель дополнительно заметил, что естественное качество освещения улучшается всякий раз, когда максимальная яркость первого источника 2 света превышает 10 кд/м, предпочтительно 0,1*10 кд/м, более предпочтительно 1*10 кд/м, еще более предпочтительно 10*10 кд/м. Для таких значений, по сути, первый источник 2 света создает достаточный блеск для того, чтобы было трудно смотреть на сам источник, что предотвращает оценку наблюдателем расстояния до источника при помощи механизма фокусирования глаз. Эти значения яркости таким образом способствуют получению бесконечного эффекта прорыва. Помимо этого, блеск затрудняет обнаружение возможных неравномерностей в профиле яркости первого источника 2 света, что затрудняет обнаружение различий между изображением первого источника 2 света и изображением Солнца.
f
1
Заявитель также проверил, что естественное качество освещения улучшается, если размер и форма первого источника 2 света таковы, что при наличии светового луча, который соединяет периметр испускающей поверхности S с центром О тяжести первой поверхности S, угол, который он образует с упомянутым выше световым лучом RL3, меньше 4°, предпочтительно 3°, более предпочтительно 1,2° и еще более предпочтительно 1,0°. По сути, естественное качество освещения улучшается, когда более низкие значения такого угла связаны с более высокими значениями яркости, это условие позволяет получить более естественное восприятие.
Как показано на Фиг.5а и 5b, независимо от детальных характеристик первой панели 4 рассеивателя первое зеркало 22 может представлять собой вогнутое зеркало, такое как вогнутое зеркало, имеющее параболическую кривизну. В частности, как показано на Фиг.5а и 5b, первое зеркало 22 по форме может быть выполнено как часть круглого параболоида, т.е. поверхность, полученная путем вращения порождающей параболы вокруг ее оси А, в результате чего пересечение с любой плоскостью, включающей ось А, задает ту же порождающую параболу. В частности, часть круглого параболоида получается путем разделения части поверхности круглого параболоида секущей плоскостью, которая пересекает ось А, образуя угол, отличный от 90°. Для простоты с настоящего момента делается ссылка на круглый параболоид без явного упоминания, что зеркало образовано частью круглого параболоида.
f
1
Согласно этому варианту первый источник 2 света расположен в фокусе круглого параболоида; точнее центр О" тяжести испускающей поверхности S первого источника 2 света расположен в фокусе круглого параболоида, в результате чего световые лучи, идущие от этого центра тяжести и отраженные круглым параболоидом, попадают на первую поверхность S с направлениями распространения, все из которых параллельны оси А. Таким образом, наблюдатель воспринимает первый источник 2 света так, как если бы он был установлен на фактически бесконечном расстоянии, аналогично тому, что происходит с Солнцем, что усиливает естественное качество освещения. Другими словами, фактическое изображение первого источника 2 света находится на бесконечном расстоянии от наблюдателя.
Кроме того, размер первого источника 2 света, воспринимаемый наблюдателем, задается размером изображения первого источника 2 света на сетчатке глаза и зависит только от физического размера первого источника 2 света и от увеличения оптической телескопической системы, созданной линзой глаза (хрусталиком) и круглым параболоидом; такая оптическая телескопическая система имеет плоскость изображения и плоскость объекта, которые расположены соответственно в фокусе линзы глаза и в фокусе круглого параболоида. Упомянутое выше увеличение задается отношением фокальной длины линзы глаза к фокальной длине круглого параболоида; поэтому размер первого источника 2 света, как он воспринимается наблюдателем, не зависит от расстояния наблюдателя от осветительной системы 1. Таким образом, это дополнительное условие способствует созданию эффекта естественного освещения, так как воспринимаемый размер Солнца не зависит от положения наблюдателя.
f
Заявитель также заметил, что, если испускающая поверхность S выполнена в форме круга, изображение первого источника 2 света, воспринимаемое наблюдателем, по-прежнему имеет форму круга, так как оптическая система, показанная на Фиг.5а, не искажает изображение.
Вариант, показанный на Фиг.5а, характеризуется тем, что вертикальное пространство, занимаемое осветительной системой 1, почти равно размеру первой панели 4 рассеивателя вдоль оси х в случае, если световые лучи, отраженные круглым параболоидом, попадают на первую панель 4 рассеивателя под углом 45° и соблюдается упомянутое выше геометрическое условие.
1
2
1
2
f
Согласно модификации, показанной на Фиг.5а, первая и вторая поверхности S и S первой панели 4 рассеивателя имеют эллиптическую форму, причем такая форма заключена внутри проекции круглого параболоида 22 на плоскость хy в направлении, заданном осью А. Таким образом, первая и вторая поверхности S и S могут быть ограничены световой точкой SP, созданной круглым параболоидом в плоскости xy, что уменьшает потери света. Помимо этого, первое зеркало 22 создано таким образом, чтобы принимать световой пучок, имеющий круговое расхождение, т.е. создано таким образом, что его проекция на плоскость, ортогональную линии, соединяющей центр О" тяжести испускающей поверхности S и вершину круглого параболоида, имеет круглую форму или, по меньшей мере, описывает окружность с хорошим приближением. Однако также возможны и другие формы первого зеркала 22, например форма, вытянутая в направлении y.
Использование круглого параболоида предполагает, что свет, входящий в комнату 6 через первую панель 4 рассеивателя, проецирует на полу комнаты 6 световую точку, имеющую те же форму и размер, что и первая панель 4 рассеивателя, как это происходит с солнечным светом, проходящим через окно, что способствует эффекту естественного освещения. Помимо этого, так как наблюдатель способен оценить расстояние до типичного источника света на основе расхождения светового луча, который он создает, осветительная система 1, показанная на Фиг.5а, создает эффект большой глубины поля, даже если первый источник 2 света не находится непосредственно в визуальном поле наблюдателя.
Как показано на Фиг.6, первое зеркало 22 по форме может быть выполнено как часть параболоида с цилиндрической симметрией, т.е. как часть параболического цилиндра, причем эта часть получается за счет пересечения параболического цилиндра с тремя секущими плоскостями. Если говорить подробно, известно, что при наличии порождающей параболы и эталонной линии R параболический цилиндр представляет собой линейчатую поверхность, образованную линиями, параллельными эталонной линии R и попадающими на порождающую параболу; другими словами, параболический цилиндр получается путем перемещения порождающей параболы вдоль эталонной линии R. В дальнейшем эталонная линия R также называется цилиндрической осью.
1
r
В варианте, показанном на Фиг.6, параболический цилиндр получается путем перемещения порождающей параболы в направлении, параллельном оси х. Помимо этого, порождающая парабола имеет вершину в плоскости хН и ось А, ориентированную вдоль линии, которая является зеркальной к линии, соединяющей центр О тяжести первой поверхности S и центр О' тяжести отражающей поверхности S первого зеркала 22. В этом варианте плоскость, касательная к параболическому цилиндру в вершине порождающей параболы, параллельна плоскости xy. Помимо этого, две из трех секущих плоскостей, например, параллельны плоскости yH, в то время как третья плоскость, например, по существу, параллельна плоскости xy. С учетом всего сказанного выше для простоты будет делаться ссылка на параболический цилиндр без явного упоминания, что зеркало образовано частью параболического цилиндра.
В варианте, показанном на Фиг.6, параболический цилиндр смещен вбок вдоль оси х относительно оси Н, в результате чего угол АО падения, по существу, равен 45°.
f
Если говорить более подробно, центр О" тяжести испускающей поверхности S расположен в плоскости хН близко к линии, образованной фокусами парабол, образующих параболический цилиндр, в положении, которое гарантирует наилучшее коллимирование световых лучей, направленных к первой панели 4 рассеивателя, для того, что касается распространения лучей в плоскости, содержащей ось y и центр тяжести параболического цилиндра, и в более общем смысле, что касается распространения лучей во всех плоскостях, которые пересекают первую панель 4 рассеивателя вдоль линий, параллельных оси y. В дальнейшем среднее расхождение в этих последних плоскостях называется для простоты расхождением в направлении оси y.
f
f
Вариант, показанный на Фиг.6, позволяет использовать первую панель 4 рассеивателя, которая значительно длиннее вдоль оси y, чем вдоль оси х, что приводит к максимизации площади первой панели 4 рассеивателя и таким образом углов, под которыми наблюдатель воспринимает эффект прорыва. Если говорить точнее, такая большая вытянутость первой панели 4 рассеивателя возможна из-за того, что вариант основан на использовании зеркала, которое имеет большую вытянутость в направлении оси y, при одновременном сохранении ограниченного (выходного) расхождения в том же направлении оси y. Если говорить конкретнее, заявитель заметил, что воспринимаемый размер первого источника 2 света в направлении оси y, т.е. диаметр воспринимаемой испускающей поверхности S в направлении оси y, не зависит от расстояния между наблюдателем и первым источником 2 света либо зависит от этого расстояния очень слабо. Что касается размера первого источника 2 света, воспринимаемого наблюдателем в направлении оси х, он зависит от положения наблюдателя и уменьшается с расстоянием. Таким образом, с целью гарантировать, что воспринимается круглая форма первого источника 2 света, может быть использован источник света с эллиптической испускающей поверхностью S, причем эксцентриситет эллипса зафиксирован в соответствии с ожидаемой точкой наблюдения внутри комнаты 6.
1
Дополнительным преимуществом, данным при использовании параболического цилиндра, является тот факт, что такой тип зеркал является легко изготавливаемым, так как они могут быть получены при помощи фольги для плоского зеркала, например алюминиевой фольги для зеркал. Кроме того, что касается наблюдателя, стоящего в вертикальном положении и смотрящего на первый источник 2 света из центрального положения, т.е. через центр О тяжести первой поверхности S, и глаза которого, следовательно, выровнены в направлении оси y, он будет воспринимать первый источник 2 света на дальнем расстоянии из-за того факта, что его глазная конвергенция работает только в плоскостях, содержащих оба глаза (т.е. в направлении оси y), где происходит высокая конвергенция. Это происходит вне зависимости от того, каким является расхождение луча в ортогональном направлении.
В другом варианте (не показан) осветительная система 1 смонтирована таким образом, что первая панель 4 рассеивателя параллельна вертикальной стене вместо потолка, таким образом, чтобы световой пучок от первого источника 2 света входил в комнату 6, будучи параллельным полу и под углом приблизительно 45° относительно вертикальной стены. В этом варианте параболический цилиндр получается путем перемещения порождающей параболы в направлении, параллельном оси y, а не оси х, причем это является той конфигурацией, которая делает возможным наибольшее восприятие глубины для наблюдателя, чьи глаза выровнены по оси х. Также в этом случае, если учитывать высоту осветительной системы 1 за вертикальной стеной, наибольшая площадь первой панели 4 рассеивателя может быть получена путем использования формы, вытянутой в направлении оси y.
В другом варианте отражающая система 20 может включать второе зеркало 24, как показано для примера на Фиг.7. То есть упомянутое выше первое зеркало 22 может быть одним зеркалом из множества зеркал отражающей системы 20, которое вызывает последнее отклонение пути света, вдоль которого световые лучи, созданные первым источником 2 света, транспортируются на первую панель 4 рассеивателя.
Второе зеркало 24 оптически расположено между первым зеркалом 22 и первым источником 2 света. В этом случае упомянутое выше геометрическое условие не меняется, так как это условие относится ко всей отражающей системе 20. Таким образом, не играет особой роли, создается ли световой луч RL2 отражением светового луча RL1 только на первом зеркале 22 либо на первом и втором зеркалах 22, 24. Аналогичным образом отражающая система 20 может включать дополнительные отражающие элементы (не показано).
Любое из первого и второго зеркал 22, 24 может быть плоским или иметь другую форму. В частности, как показано на Фиг.8, возможны варианты, в которых как первое, так и второе зеркала 22, 24 по форме выполнены как части двух соответствующих параболических цилиндров, которые созданы порождающими параболами, лежащими в ортогональных плоскостях и перемещаемыми вдоль ортогональных направлений, и которые таким образом выполняют коллимирование света в ортогональных плоскостях. В представленном варианте, например, первое зеркало 22 аналогично параболическому цилиндру, показанному на Фиг.6, в то время как второй параболический цилиндр, который образует второе зеркало 24, получают, беря вторую порождающую параболу в плоскости хН и перемещая ее в направлении оси y, что позволяет получить уменьшение расхождения пучка в плоскости хН. Помимо этого, заявитель проверил, что хорошее коллимирование во всех направлениях для световых лучей, отраженных вторым зеркалом 24 в направлении первого зеркала 22, получается, когда ось второй порождающей параболы ориентирована в направлении, по существу, параллельном оси порождающей параболы первого зеркала 22, при условии, что два параболических цилиндра расположены таким образом, что они имеют общий фокус (или точнее таким образом, чтобы порождающие параболы имели общий фокус, где положение фокуса порождающей параболы первого зеркала 22 учитывает отражение зеркалом 24), и первый источник 2 света установлен, по существу, в таком общем фокусе.
1
Вариант, показанный на Фиг.8, позволяет использовать панель рассеивателя, имеющую длину вдоль оси y, которая значительно больше длины вдоль оси х, и таким образом позволяет максимизировать площадь первой панели 4 рассеивателя, причем вертикальное пространство, занимаемое этим вариантом, равно занимаемому в случае квадратной панели. Помимо этого, этот вариант позволяет создать световой пучок, который падает на первую поверхность S с уменьшенным расхождением вдоль как оси х, так и оси y (т.е. вдоль плоскостей, которые пересекают плоскость xy по линиям, которые параллельны оси х и оси y соответственно. Таким образом, пропущенные световые лучи имеют расхождение, аналогичное солнечным лучам. Это условие способствует созданию большой глубины восприятия поля, даже когда первый источник 2 света не находится в визуальном поле наблюдателя. Помимо этого, так как первый источник 2 света установлен близко к общему фокусу, размер первого источника 2 света, как он воспринимается наблюдателем, не зависит от расстояния. И, наконец, освещение панели рассеивателя, вытянутой в направлении оси y, здесь сделано возможным за счет начала от светового пучка, который падает на второе зеркало 24 с, по существу, одним и тем же расхождением как в плоскости падения, так и в ортогональной плоскости, т.е. за счет эффективного использования источника света, который создает световой пучок, имеющий поперечное сечение, похожее на квадрат. Этот результат, который достигается за счет выполнения уменьшения первоначального расхождения пучка в два отдельных этапа в двух ортогональных направлениях, представляет собой преимущество относительно случая одного параболического цилиндра, для которого требуются асимметричные пучки, как описано ниже.
f
f
Независимо от детальных характеристик первой панели 4 рассеивателя и отражающей системы 20 первый источник 2 света может иметь, как рассмотрено прежде, испускающую поверхность S с круглой или эллиптической формой. В частности, испускающая поверхность S может иметь эллиптическую форму всякий раз, когда отражающая система 20 включает, по меньшей мере, один параболоид с цилиндрической симметрией, в результате чего компенсируются разные увеличения, введенные вдоль оси х и оси y, что позволяет создать световую точку в форме круга на сетчатке глаза наблюдателя.
Как показано на Фиг.9а и 9b, первый источник 2 света может быть образован группой испускающих устройств 50. Каждое испускающее устройство 50 образовано светодиодным источником 52 и соответствующим составным параболическим концентратором (СРС) 54 прямоугольного типа, который имеет входную апертуру IN и выходную апертуру OUT, входная апертура IN и выходная апертура OUT могут быть соответственно выполнены в форме первого и второго прямоугольников, параллельных и выровненных относительно друг друга, причем первый прямоугольник имеет площадь меньше, чем второй прямоугольник. Помимо этого, первый прямоугольник имеет другое отношение между длинами его осей симметрии, чем второй прямоугольник. Например, первый прямоугольник имеет большее отношение, т.е. является более вытянутым, чем второй. Светодиодный источник 52 может быть образован матрицей светодиодных эмиттеров (не показана) и установлен близко к соответствующей входной апертуре IN таким образом, чтобы излучение, испущенное светодиодным источником 52, поступало в СРС концентратор 54 через входную апертуру и выходило через выходную апертуру OUT. Однако возможны и другие типы отражающих концентраторов; аналогичным образом можно использовать светоиспускающие устройства, отличные от светодиодов.
Световой пучок, созданный каждым испускающим устройством 50, имеет прямоугольное поперечное сечение, причем его расхождение является максимальным в плоскости, содержащей ось пучка как такового, т.е. содержащей оптическую ось 56 пары, образованной концентратором 54 и соответствующим светодиодным источником 52, и большую из осей симметрии прямоугольника, заданного выходной апертурой OUT, которая обозначена номером 57 на Фиг.9а. В случае другой выходной апертуры OUT плоскость максимального расхождения определялась бы направлением вытянутости, т.е. направлением максимальной протяженности выпуска OUT, и оптической осью 56.
IN
OUT
IN
OUT
Степень расхождения пучка в каждой плоскости максимального расхождения и плоскости, ей ортогональной (эта последняя также содержит оптическую ось 56), пропорциональна отношению между длинами соответствующей стороны входного прямоугольника d и соответствующей стороны выходного прямоугольника d, и, в частности, она равна удвоенному арксинусу этого отношения, т.е. arcsin(d/d). В этой связи не только площади, но также и формы входной и выходной апертур должны различаться, чтобы гарантировать разные расхождения в двух ортогональных плоскостях.
Размер входной апертуры IN должен выбираться таким образом, чтобы она охватывала светодиодный источник 52. В варианте, показанном на Фиг.9а и 9b, каждый концентратор 54 имеет форму, как у воронки, и образован четырьмя параболическими отражающими поверхностями, каждая из которых изогнута в одном измерении и имеет порождающие параболы, лежащие либо в плоскости максимального расхождения, либо в плоскости, ей ортогональной, причем все порождающие параболы имеют фокусы во входной плоскости, в которой лежит входная апертура IN. Помимо этого, данные четыре параболические отражающие поверхности имеют одну и ту же длину в направлении оптической оси 56.
f
f
f
Согласно варианту все испускающие устройства 50 равны, и концентраторы 54 установлены таким образом, что входные апертуры IN лежат в одной и той же входной плоскости P_IN, и выходные апертуры OUT лежат в одной и той же выходной плоскости P_OUT. В частности, концентраторы 54 установлены один рядом с другим с выходными апертурами OUT, соседними друг другу, т.е. они плотно упакованы, в результате чего гарантируется максимальная средняя яркость испускающей поверхности S; помимо этого, число и расположение концентраторов 54 таковы, что поверхность, составленная объединением всех выходных апертур OUT, приближается к круглой поверхности, хотя возможны варианты, в которых составная поверхность приближается к эллиптической форме. И, наконец, все испускающие устройства 50 установлены таким образом, чтобы их ось 56 была ориентирована в одном и том же направлении. В этих обстоятельствах первый источник 2 света имеет собственную "плоскость большего расхождения", которая является плоскостью, содержащей центр О" тяжести испускающей поверхности S и параллельной плоскостям максимального расхождения испускающих устройств 50; кроме того, первый источник 2 света имеет "ось большего расхождения" 58, заданную пересечением между плоскостью большего расхождения первого источника 2 света и испускающей поверхностью S первого источника 2 света. Даже если ось большего расхождения введена для случая множества прямоугольных концентраторов 54, очевидно, что другие формы концентраторов 54, похожих на воронку, которые имеют выходные апертуры, вытянутые вдоль параллельных осей 57, приведут к тому, что источник света по-прежнему будет иметь ось большего расхождения, которая параллельна осям 57.
f
f
f
Первый источник 2 света, показанный на Фиг.9а и 9b, позволяет нарушить связь характеристик светового пучка и, в частности, формы его поперечного сечения и его расхождения с формой испускающей поверхности S без введения каких-либо потерь. В представленном случае, в котором испускающие устройства 50 создают идентичные "единичные световые пучки", имеющие прямоугольное поперечное сечение, расстояния между центрами выходных апертур OUT являются небольшими по сравнению с шириной составного светового пучка, образованного путем суммирования всех единичных световых пучков, причем это суммирование возникает из-за распространения составного пучка и расхождения каждого единичного светового пучка. На практике единичные световые пучки объединяются в один составной световой пучок, который имеет то же прямоугольное поперечное сечение и то же расхождение, что и один единичный световой пучок. Другими словами, на расстояниях, которые велики относительно диаметра испускающей поверхности S, составной световой пучок имеет те же форму и расхождение пучка, что и созданный одним испускающим устройством 50, так как он образован множеством идентичных единичных световых пучков, которые слегка смещены один относительно другого. Таким образом, вариант, показанный на Фиг.9а и 9b, позволяет создавать составной пучок, имеющий в плоскости, перпендикулярной его оси, и на требуемом расстоянии от первого источника 2 света сечение, которое представляет собой прямоугольник требуемых площади и формы. Кроме того, этот вариант делает возможным создание источника света, имеющего испускающую поверхность S, которая может иметь любую форму, например круглую или эллиптическую форму. В дальнейшем этот источник света называется "источником с прямоугольным пучком". Необходимо подчеркнуть, что результат получается не на основе апертуры в виде ножа и оптики создания изображения, как это делается, например, для стандартных, похожих на театральные проекторов освещения сцены, где разрезание пучка вызывает высокие потери при пропускании. Таким образом, источник с прямоугольным пучком позволяет минимизировать общее расходование энергии.
f
Хотя это и не показано, возможен другой вариант, в котором первый источник света содержит множество испускающих устройств, каждое из которых образовано светодиодным источником, имеющим квадратную форму, и соответствующий составной параболический концентратор квадратного типа, который имеет квадратную входную апертуру и квадратную выходную апертуру. Таким образом, каждое испускающее устройство создает квадратный пучок, который имеет одно и то же расхождение в двух ортогональных направлениях (т.е. в двух плоскостях, содержащих ось концентратора и соответственно две оси выходной апертуры, которые параллельны сторонам выходной апертуры). В частности, представленный вариант позволяет создать квадратный пучок с требуемым расхождением для произвольной формы испускающей поверхности S. В дальнейшем этот первый источник света будет называться "источником с квадратным пучком".
f
В дополнительном другом варианте (не показан) первый источник света содержит множество испускающих устройств, каждое из которых образовано светодиодным источником, имеющим круглую форму, и соответствующий составной параболический концентратор круглого типа (не показан), который имеет круглую входную апертуру и круглую выходную апертуру. В этом случае первый источник света создает пучок с круглой симметрией. Таким образом, этот первый источник света позволяет создать круглый пучок с требуемым расхождением для произвольной формы испускающей поверхности S. В дальнейшем этот первый источник света будет называться "источником с круглым пучком".
1
1
f
В случае, если отражающая система 20 состоит из одного или более плоских зеркал, либо в случае, если отражающая система 20 включает одно зеркало, имеющее форму параболического цилиндра, источник с прямоугольным пучком позволяет получить световую точку SP, которая вытянута вдоль оси y, т.е. световую точку SP, которая является описывающей для первой поверхности S первой панели 4 рассеивателя, причем первая поверхность S имеет форму прямоугольника, вытянутого вдоль оси y. В обоих случаях источник с прямоугольным пучком ориентирован таким образом, что его ось 58 большего расхождения "отображается" отражающей системой 20 на ось y, чтобы уменьшить сложность компоновки отражающей системы. В контексте настоящего изобретения говорится, что отражающая система отображает ось большего расхождения на ось y, если при наличии узкого пучка световых лучей, включающих несущий луч, которые имеют начало в центре О" тяжести испускающей поверхности S и лежат в плоскости большего расхождения, отражающая система 20 вызывает пересечение пучком лучей первой панели 4 рассеивателя по линии, касательной к оси y. Например, если отражающая система 20 такова, что несущий луч является ломаным в одной плоскости, источник с прямоугольным пучком ориентирован таким образом, что ось 58 большего расхождения параллельна оси y.
В случае, если отражающая система 20 содержит два зеркала, имеющих формы параболических цилиндров с ортогональными осями цилиндров, использование источника с квадратным пучком является преимущественным. В этом случае фактически можно исходить из того факта, что первоначальное расхождение квадратного пучка уменьшается на двух разных расстояниях от первого источника 2 света для цели получения световой точки SP, вытянутой вдоль оси y. Этот вариант позволяет достичь оптимальной связи между коммерчески доступными светодиодными эмиттерами, которые, как правило, выполнены квадратной формы, и концентраторами.
f
Кроме того, в случае, если отражающая система 20 содержит зеркало, имеющее форму круглого параболоида, использование источника с круглым пучком является выгодным. В этом случае, однако, источник 2 света может состоять из одного круглого СРС, который привязан к узлу круглых светодиодов, это решение позволяет получить круглую испускающую поверхность S.
f
1
На Фиг.10 показан дополнительный вариант, где первый источник 2 света снова образован идентичными СРС концентраторами 54, причем их входные апертуры IN и выходные апертуры OUT снова, в качестве примера, выполнены в форме прямоугольника. В этом случае, однако, на общую апертуру, образованную выходными апертурами OUT, накладывается маска 60; маска 60, которая лежит в выходной плоскости P_OUT, задает апертуру 62 маски, имеющую форму, которая представляет собой скругленный прямоугольник с площадью больше, чем площадь одной выходной апертуры OUT. В частности, маска 60 может быть образована слоем оптически поглощающего материала, в результате чего излучение может пересекать выходную плоскость P_OUT только через апертуру 62 маски. Таким образом, первый источник 2 света по-прежнему воспринимается как имеющий, в принципе, круглую испускающую поверхность S. Заявитель дополнительно заметил, что маска 60 существенно не искажает форму световой точки SP, образованной в плоскости первой поверхности S.
Независимо от числа и формы зеркал, которые образуют отражающую систему 20, осветительная система 1 может включать второй источник света, который содержит слой, испускающий рассеянный свет, причем этот слой является прозрачным, либо, по меньшей мере, частично прозрачным. При использовании дополнительный источник света испускает рассеянный свет от испускающего слоя независимо от его освещения первым источником 2 света, вместе с тем наблюдатель, который смотрит через слой, испускающий рассеянный свет, второго источника света, может видеть первый источник 2 света за этим испускающим слоем. В представленном описании термин "прозрачный" используется для указания так называемого оптического свойства "сквозного просмотра", т.е. свойства оптического элемента пропускать свет, образующий изображение. Если говорить конкретнее, если рассматривать световой пучок, созданный точечным световым источником стандарта D65, установленным на большом расстоянии от слоя, испускающего рассеянный свет (пучок, таким образом, образован световыми лучами, параллельными друг другу), и направленный перпендикулярно слою, испускающему рассеянный свет, в результате чего часть слоя, испускающего рассеянный свет, освещается определенной связкой лучей, созданных светильником стандарта D65, слой, испускающий рассеянный свет, определяется как частично прозрачный, если, по меньшей мере, 50%, предпочтительно 70%, более предпочтительно 85% световых лучей связки пропускается слоем, испускающим рассеянный свет, в пределах конуса с угловой апертурой FWHM (Full Width at Half Maximum – полная ширина на половине высоты) не больше 8°, предпочтительно 4°, более предпочтительно 2°. Для полноты необходимо дополнительно отметить, что первая панель 4 рассеивателя также является частично прозрачной.
С практической точки зрения, при наличии стандартного светильника (например, источника D65), который испускает свет равномерно с круглой испускающей поверхности, и при наличии стандартного наблюдателя, который смотрит на испускающую поверхность под коническим телесным углом 8°, предпочтительно 4°, наиболее предпочтительно 2°, яркость испускающей поверхности, как она воспринимается наблюдателем, когда между наблюдателем и испускающей поверхностью расположен частично прозрачный слой, испускающий рассеянный свет, следовательно, составляет, по меньшей мере, 50%, предпочтительно, по меньшей мере, 70%, более предпочтительно, по меньшей мере, 85% от соответствующей яркости, воспринимаемой наблюдателем, когда слой, испускающий рассеянный свет, отсутствует.
С учетом всего сказанного выше, как показано на Фиг.11, второй источник света (обозначенный номером 68) может быть установлен параллельно первой панели 4 рассеивателя, например, выше нее и, например, в прямом контакте с ней.
Второй источник 68 света может содержать вторую панель 64 рассеивателя и осветитель 66, причем вторая панель 64 рассеивателя выполнена в форме направляющей света, освещаемой сбоку осветителем 66, причем осветитель 66 образован, в качестве примера, линейной полоской светодиодов или лампой с флуоресцентной трубкой, в результате чего свет, испускаемый осветителем 66, распространяется в направленном режиме внутри второй панели 64 рассеивателя, который рассеивает его равномерно. Вторая панель 64 рассеивателя может, например, быть коммерческим рассеивателем, подходящим для бокового освещения, как, например, Acrylite LED или Plexiglas LED EndLighten. Помимо этого, как показано на Фиг.11, толщина второй панели 64 рассеивателя вдоль оси Н является пренебрежимо малой по сравнению с толщиной в направлении К, перпендикулярном оси Н.
2
2
2
2
3
В конкретной конфигурации вторая панель 64 рассеивателя образована третьим материалом (например, материалом, выбранным из материалов, ранее перечисленных при ссылке на первый материал), в котором распределены микрочастицы четвертого материала (например, ZnO, TiO, ZrO, SiO, AlO); такие третий и четвертый материалы не поглощают свет с длинами волн в видимом диапазоне. В частности, диаметры микрочастиц могут находиться в диапазоне от 2 мкм до 20 мкм.
Во время использования часть излучения, направленного второй панелью 64 рассеивателя, выходит из этой панели 64, одновременно распространяясь вдоль этой панели 64, из-за рассеивания микрочастицами четвертого материала. Так как вторая панель 64 рассеивателя имеет пренебрежимо малую толщину вдоль оси Н по сравнению с направлением К, вторая панель 64 рассеивателя является, в принципе, прозрачной для излучения, распространяющегося вдоль оси Н, но работает как рассеиватель для излучения, распространяющегося в направлении К.
3
4
3
4
3
4
3
4
3
4
Помимо этого, предполагая, что вторая панель 64 рассеивателя ограничена с верхней и нижней стороны третьей и  четвертой поверхностями S, S, по меньшей мере, одна из таких третьей и четвертой поверхностей S, S может быть поверхностью, подвергнутой финишной обработке с созданием шероховатости. Такая шероховатость способствует рассеиванию второй панелью 64 рассеивателя света, созданного осветителем 66, причем процесс рассеивания является фактически равномерным в любом направлении, параллельном направлению К. По сути, известным образом шероховатость может быть создана так, чтобы большая часть света, созданного осветителем 66, рассеивалась главным образом через одну из третьей и четвертой поверхностей S, S и, в частности, в направлении первой панели 4 рассеивателя. В случае если, по меньшей мере, одна из третьей и четвертой поверхностей S, S имеет шероховатость, нет необходимости распределять микрочастицы во второй панели 64 рассеивателя. В любом случае шероховатость может присутствовать как на третьей, так и на четвертой поверхностях S, S второй панели 64 рассеивателя.
В другой конфигурации второй источник 68 света включает, по существу, прозрачную испускающую поверхность, которая состоит из пленки из органических светодиодов. Пленка из органических светодиодов также способна создавать рассеянный свет с управляемыми цветом и интенсивностью, будучи в то же время прозрачной для света, который пересекает ее в направлении, перпендикулярном ее поверхности.
Второй источник 68 света позволяет изменять цвет и интенсивность компонента рассеянного света, созданного осветительной системой 1, в принципе, без изменения цвета и интенсивности пропущенного компонента. Для этой цели можно воздействовать на цвет и интенсивность света, испускаемого вторым источником 68 света.
Например, если поставить целью воспроизводство характеристик света поздней части полудня, в качестве первого источника 2 света можно использовать лампу с низкой ССТ, например 2500 К; таким образом, цвет пропущенного компонента аналогичен цвету солнечного света перед закатом. Без второго источника 68 света цвет компонента, рассеянного только первой панелью 4 рассеивателя, отличался бы от цвета соответствующего естественного компонента. В сущности, в природе происходит то, что небо над наблюдателем освещается белым солнечным светом, т.е. солнечным светом, который еще не пересек атмосферу, имеющим ССТ, которая приближенно равна 6000 К, значение, которое значительно выше, чем ССТ лампы. Как следствие ССТ света, рассеянного небом над наблюдателем в часы поздней части полудня, значительно выше, чем ССТ света, рассеянного первой панелью 64 рассеивателя, в случае, если первый источник 2 света, который освещает эту последнюю, имеет низкую ССТ. Однако, если используется второй источник 68 света и, в частности, если вторая панель 64 рассеивателя используется вместе с осветителем 66 и этот последний состоит из набора из красного, зеленого, голубого (RGB) эмиттеров, можно отрегулировать световой поток для каждого из таких трех элементов; это позволяет второй панели 68 рассеивателя создать рассеянный компонент, имеющий цвет и интенсивность, которые таковы, что совокупный компонент, который выходит из первой панели 4 рассеивателя и рассеивается первой и второй панелями 4, 64 рассеивателя, имеет требуемый цвет. Другими словами, второй источник 68 позволяет нарушить связь цвета пропущенного компонента с цветом рассеянного компонента. Помимо этого, если в качестве первого источника 2 света используется лампа с регулируемой ССТ, можно воспроизвести вариацию естественного освещения в разное время дня.
Также возможны другие варианты, в которых второй источник 68 света помещается под первую панель 4 рассеивателя таким образом, чтобы свет, созданный первым источником 2 света, проходил через первую панель 4 рассеивателя перед прохождением через вторую панель 64 рассеивателя. Помимо этого, возможны дополнительные варианты, в которых первая и вторая панели 4, 64 рассеивателя физически разделены.
Также возможны варианты, в которых второй источник 68 света используется при отсутствии первой панели 4 рассеивателя, т.е. при отсутствии панели Рэлея. В этом случае ось Н представляет собой линию, перпендикулярную слою, испускающему рассеянный свет, и пересекающую центр тяжести этого слоя.
На основании вышеизложенного все описанные варианты относятся к системе, включающей первый источник света, генератор рассеянного света и темную камеру, в которой генератор рассеянного света по форме выполнен как многослойный компонент, ограниченный внутренней поверхностью (обращенной к темной камере) и внешней поверхностью (обращенной в комнату), первый источник света выполнен с возможностью испускания пучка видимого света, и темная камера оптически привязана к комнате посредством генератора рассеянного света. Помимо этого, генератор рассеянного света выполнен с возможностью принимать пучок видимого света и таким образом, чтобы он был, по меньшей мере, частично прозрачным для пучка видимого света, с возможностью пропускать, по меньшей мере, часть пучка видимого света, испускать видимый рассеянный свет с внешней поверхности и создавать пропущенный свет, имеющий ССТ ниже, чем ССТ видимого рассеянного света. Генератор рассеянного света, по существу, может не иметь хроматического поглощения или отражения, т.е. предпочтительного поглощения или отражения ограниченной части спектра видимого света относительно другой части.
Если конкретизировать больше, ССТ рассеянного света выше ССТ пропущенного света; если конкретизировать еще больше, ССТ пропущенного света не больше ССТ светового пучка, созданного первым источником света. Кроме того, как уже сказано в контексте настоящего изобретения, под светом, "пропущенным" оптическим элементом, подразумевается часть световых лучей, падающих на оптический элемент, которые пересекают оптический элемент, не подвергаясь значительному угловому отклонению, например, будучи отклоненными на угол меньше 0,1°. Таким образом, говорится, что оптический компонент "пропускает, по меньшей мере, часть" падающего светового пучка всякий раз, когда он создает компонент пропущенного света.
Как рассмотрено выше, генератор рассеянного света может быть образован рассеивающим слоем Рэлея, т.е. слоем, который избирательно рассеивает коротковолновый компонент светового излучения, идущий от основного источника света, причем этот рассеивающий слой Рэлея выполнен в форме, например, плоской панели (как в случае первой панели 4 рассеивателя) либо изогнутой панели (не показана). В дополнение к этому (либо в качестве альтернативы) генератор рассеянного света может быть образован источником рассеянного света, т.е. источником света, который испускает рассеянный свет от протяженного слоя, ортогонального оси Н, независимо от света, принятого от основного источника света. В случае использования только источника рассеянного света этот источник не работает для коррекции цвета рассеянного света, который создан, например, первой панелью 4 рассеивателя, но работает для создания полного рассеянного компонента света, испускаемого осветительной системой. В определенных вариантах генератор рассеянного света может иметь вытянутую форму в том смысле, что первая окружность, вписанная во внутреннюю поверхность, имеет диаметр, по меньшей мере, в 1,5 раза меньше, предпочтительно в два раза меньше, чем вторая окружность, описанная вокруг той же внутренней поверхности.
Кроме того, соображения, касающиеся наличия рассеивающего слоя Рэлея и/или источника света, испускающего рассеянный свет, применимы также к модификациям, которые будут описаны в дальнейшем.
Предыдущим описанием сделаны очевидными преимущества, которые дала представленная осветительная система.
Если говорить подробно, представленная осветительная система позволяет наблюдателю ощущать существование неограниченного пространства за генератором рассеянного света аналогично тому, что происходит в природе, когда небо и Солнце освещают комнату через окно. Такой результат обусловлен наличием темной камеры, которая привязана к комнате при помощи генератора рассеянного света. Темная камера позволяет ощущать равномерный черный фон для каждого направления, вдоль которого наблюдаются первая и/или вторая панели рассеивателя. Помимо этого, такой эффект улучшается за счет использования подходящего расстояния от наблюдателя до источника (и, таким образом, расстояния от первой и/или второй панели до источника) и/или за счет использования отражающей системы, которая отражает световые лучи таким образом, что они имеют ограниченный диапазон наклонов.
Кроме того, некоторые варианты реализации настоящего изобретения приводят к появлению упомянутого выше эффекта прорыва, вместе с тем ограничивая пространство, занимаемое осветительной системой. В частности, вариант, показанный на Фиг.2, представляет собой осветительную систему, расположенную не по оси, а именно систему, в которой источник света и первая панель рассеивателя не выровнены относительно  друг друга, что позволяет уменьшить пространство, занимаемое системой как таковой, без ухудшения качества освещения.
В конечном счете, очевидно, что для представленной осветительной системы могут быть сделаны модификации и вариации, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, который определен в пунктах приложенной Формулы изобретения.
Например, положение источника света относительно фокуса/фокусов оптических элементов отражающей системы может отличаться от того, которое описано. Кроме того, вместо или в дополнение к зеркалу, обеспечивающему схождение, отражающая система может содержать зеркало, обеспечивающее расхождение. В дополнение к этому, чтобы достичь полного удаления расхождения, по меньшей мере, в направлении оси y, могут быть рассмотрены более сложные формы зеркал (например, формы свободного вида).
Кроме того, вид темной конструкции может отличаться от того, что было показано ранее. Фактически, чтобы обеспечить, по существу, равномерный фон, достаточно создать темную конструкцию, геометрические и/или светопоглощающие характеристики которой таковы, что, когда включен первый источник 2 света (и осветитель 66, если имеется), накладывается первое условие по конструкции, которое описано ниже со ссылкой на Фиг.12. Для простоты и без какой-либо потери общего характера на Фиг.12 первый источник света относится к точечному типу; кроме того, темная конструкция обозначена номером 300 и не имеет углов, это не предполагает какой-либо потери общего характера. Первое условие по конструкции, описанное ниже, в любом случае применимо также к описанным ранее вариантам, в качестве примера путем отнесения его к характеристикам опорного элемента 10 и внутреннего слоя 12. Кроме того, на Фиг.12 углы показаны качественно.
2
2
2
Если говорить подробно, упомянутое выше первое условие по конструкции, при наличии пучка 200 направлений (например, конического пучка) с углом при вершине, по меньшей мере, 0,1 стерадиан и осью 210 пучка, обеспечивает то, что в любой первой точке 220, по меньшей мере, части второй поверхности S, имеющей площадь, равную, по меньшей мере, 50%, предпочтительно 80%, даже более предпочтительно 100%, от площади всей второй поверхности S, первая и вторая яркости первой точки 220, которые далее будут называться первой и второй яркостями фона, отличаются друг от друга не более чем на 50% от первой яркости фона. Если говорить еще подробнее, первая и вторая яркости фона измеряются в первом и втором направлениях 230, 240 наблюдения соответственно, причем первое направление 230 наблюдения параллельно любому из направлений из пучка 200 направлений и не параллельно любому из направлений 250 локального ослепления, второе направление 240 наблюдения задано на угловом расстоянии от первого направления 230 наблюдения в диапазоне между 0,3° и 1° и не параллельно любому из направлений 250 локального ослепления, и направления 250 локального ослепления представляют собой направления, которые расположены на расстоянии менее 3° от любого направления 260, под которым рассматривается любая точка первого источника 2 света из первой точки 220 (если предположить наличие точечного источника, имеется только одно направление 260). Если говорить еще подробнее, каждая из первой и второй яркостей фона создается только световыми лучами, которые попали на темную конструкцию и никогда не проходили через комнату 6 (на Фиг.12 не показана), которые, следовательно, никогда не пересекали вторую поверхность S, идя из комнаты 6.
В качестве примера, что касается любой из первой и второй яркостей фона, она может быть измерена, если предположить привязку первой панели 4 рассеивателя к первой безэховой камере в видимом диапазоне, а именно предполагая, что комната 6 поглощает 100% падающего света, и выполняя следующие этапы:
- после замены темной конструкции 300 на вторую безэховую камеру в видимом диапазоне, измерения яркости L1 упомянутой выше первой точки 220 в первом направлении 230 наблюдения; и после этого
- удаления второй безэховой камеры и обеспечения темной конструкции 300; и после этого
- измерения яркости L2 первой точки 220 по-прежнему в первом направлении 230 наблюдения; и
- вычисления разницы между яркостью L2 и яркостью L1.
2
Как показано на Фиг.12, ось 210 пучка может совпадать с направлением 250, под которым наблюдается первый источник 2 света из первой точки 220. Кроме того, пучок 200 направлений и его позиция относительно первой панели 4 рассеивателя являются неизменными относительно положения упомянутой выше первой точки 220 на второй поверхности S.
Как упомянуто ранее, первое условие по конструкции может исполняться также и другими вариантами. Таким образом, возможно в качестве примера, чтобы опорный элемент 10 и внутренний слой 12 отличались от того, что показано, но все равно таким образом, чтобы исполнялось первое условие по конструкции. В качестве примера внутренний слой 12 может покрывать только часть опорного элемента 10, который в свою очередь может быть образован больше чем из одной детали. В этой связи, по меньшей мере, часть темной конструкции может быть образована корпусом первого источника 2 света либо одним или более экранами; аналогичным образом, опорный элемент 10 может иметь одну или более оптических апертур, в качестве примера закрытых соответствующими элементами, которые являются матовыми в видимом диапазоне, либо перекрывающихся элементами, расположенными в виде кирпичной кладки.
Темная конструкция 300 может дополнительно быть выполнена таким образом, чтобы исполнялось второе условие по конструкции, а именно, чтобы предотвратить то, что при включении первого источника 2 света упомянутая выше первая яркость фона выше значения порога яркости, равного 30% от общей яркости первой точки 220 в первом направлении 230 наблюдения, причем эта общая яркость измеряется при предположении, что отсутствуют световые лучи, идущие из комнаты 6, и, следовательно, при помощи упомянутой выше первой безэховой камеры. Кроме того, возможны варианты, в которых второе условие по конструкции исполняется, а первое условие по конструкции нет. Кроме того, второе условие по конструкции может исполняться также и другими вариантами. Таким образом, в качестве примера возможно, чтобы опорный элемент 10 и внутренний слой 12 отличались от того, что показано, но таким образом, чтобы в любом случае исполнялось второе условие по конструкции.
1
Дополнительный пример темной конструкции, применимой ко всем ранее описанным вариантам, показан на Фиг.13. В этом примере только часть опорного элемента 10 покрыта соответствующей частью внутреннего слоя, который называется поглощающей накладкой 310. Поглощающая накладка 310 имеет, по существу, равномерный коэффициент поглощения в видимом диапазоне и/или коэффициент поглощения в видимом диапазоне, по меньшей мере, равен 70%, предпочтительно 90%; кроме того, поглощающая накладка 310 предпочтительно не имеет торцов и имеет площадь, по меньшей мере, равную 50%, предпочтительно 80%, от первой поверхности S.
На Фиг.14 показан дополнительный вариант, в котором для простоты делается ссылка на случай, в котором вторая панель 64 рассеивателя и осветитель 66 отсутствуют; кроме того, на Фиг.14 темная конструкция и отражающая система не показаны. В этом варианте ниже первой панели 4 рассеивателя по потоку света установлен визуальный эталонный элемент, такой как, например, отражающая поверхность 320, которая ограничена торцом и установлена таким образом, чтобы, по меньшей мере, одна ее часть вместе с соответствующей частью торца освещалась светом, созданным первым источником 2 света и пропущенным первой панелью 4 рассеивателя. Эта часть отражающей поверхности 320 имеет площадь, по меньшей мере, равную 50%, предпочтительно 70%, даже более предпочтительно 100% от площади всей отражающей поверхности 320. Кроме того, эта часть отражающей поверхности 320 такова, что кратчайший путь из оптических путей, соединяющих первый источник 2 света с отражающей поверхностью 320, имеет длину, равную, по меньшей мере, 50%, предпочтительно 70%, даже более предпочтительно 100% от максимального расстояния между любыми двумя точками этой части отражающей поверхности 320.
Как показано на Фиг.15, диафрагмой 350 между двумя комнатами, которая ограничивает соответствующую апертуру, может быть образован визуальный эталонный элемент, что приводит к оптической связи двух комнат. Эта апертура, таким образом, образует невещественную поверхность (за исключением края) и имеет соответственную часть, ограниченную соответствующей частью края, которая исполняет требования, упомянутые совсем недавно со ссылкой на упомянутую выше часть отражающей поверхности 320.
2
На практике, что касается вариантов, показанных на Фиг.14 и 15, происходит то, что, чем ближе к единице отношение скорости, с которой перемещается наблюдатель, к скорости, с которой он видит первый источник 2 света, перемещающийся относительно визуального эталона (край упомянутых выше частей отражающей поверхности 320 и апертуры диафрагмы 350), т.е. чем ближе наблюдатель к визуальному эталону, тем больше эффект глубины, вызванный так называемым параллаксом движения.  Кроме того, упомянутые выше части отражающей поверхности 320 и апертуры диафрагмы 350 могут иметь ограниченные площади, в качестве примера, равные 1/10, предпочтительно 3/10, даже более предпочтительно 1/2, от площади второй поверхности S.