Оптический элемент для получения впечатления дневного света, осветительная система и светильник - RU2604011C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптическим элементам, которые используются для создания впечатления дневного света.

Предпосылки создания изобретения

В опубликованной патентной заявке US 2008/0273323A1 раскрыта специфическая конструкция светильника, предназначенного для излучения света, который воспринимается пользователями как приятный свет. Светильник содержит основной источник света и дополнительный источник света. Дополнительный источник света излучает свет, цветовое распределение которого отличается от цветового распределения основного источника света. Свет основного источника света и свет дополнительного источника света смешиваются перед излучением через основное выходное световое окно светильника. Кроме того, часть света, излучаемого дополнительным источником света, направляется в сторону или заднюю часть светильника для излучения через дополнительное выходное световое окно, находящееся сбоку или позади светильника. В таком светильнике обеспечивается возможность излучения белого света через основное выходное световое окно и также излучения через дополнительное выходное световое окно света другого цвета, например голубого света.

Светильник согласно цитируемой патентной заявке имеет сложную конструкцию и для него требуется относительно большое количество оптических элементов, таких как по меньшей мере два источника света, каждый из которых излучает свет с особым цветовым распределением, средство для смешения света обоих источников света и направляющую свет структуру для направления света дополнительного источника света к дополнительному выходному световому окну. Поэтому известный светильник, предназначенный для излучения привлекательного света, является относительно дорогим.

Краткое изложение изобретения

Задача изобретения заключается в получении экономически более эффективного оптического элемента, предназначенного для создания впечатления дневного света.

Первый объект изобретения представляет собой оптический элемент, заявленный в пункте 1 формулы изобретения. Второй объект изобретения представляет собой осветительную систему, заявленную в пункте 12 формулы изобретения. Третий объект изобретения представляет собой светильник, заявленный в пункте 14 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с первым объектом изобретения оптический элемент, предназначенный для использования перед источником света для получения впечатления света неба, содержит пропускающую свет ячейку. Пропускающая свет ячейка содержит пропускающий свет канал, входное световое окно, выходное световое окно и стенку. Пропускающий свет канал коллимирует часть света, излучаемого источником света. Входное световое окно расположено на первой стороне пропускающего свет канала и принимает свет от источника света. Выходное световое окно излучает свет, производящий впечатление света неба. По меньшей мере, часть выходного светового окна расположена на второй стороне пропускающего свет канала, противоположной первой стороне. Стенка расположена между входным световым окном и частью выходного светового окна. Стенка окружает пропускающий свет канал. По меньшей мере, часть стенки является отражающей и/или пропускающей в заданном спектральном диапазоне для получения излучения голубого света в относительно большом угле излучения света относительно нормали к части выходного светового окна.

Общепризнано большое значение дневного света для жизнедеятельности. Дневной свет влияет, например, на самочувствие, физическое и душевное состояние и/или производительность людей. Внутри зданий не всегда можно иметь дневной свет в каждом помещении здания и источники искусственного дневного света широко используют в таких помещениях. В известных источниках искусственного дневного света основное внимание обращено на характеристики, относящиеся к интенсивности света, цветовой температуре и/или точке цветности, цветовому распределению и медленной динамике для имитации дневного/ночного ритма. Изобретатели поняли, что важны другие характеристики дневного света. Дневной свет содержит прямой солнечный свет, который представляет собой, по существу, белый свет, который воспринимается под единственным углом излучения света, и дневной свет содержит добавочный голубоватый свет, который воспринимается под множеством углов излучения света. Оптический элемент согласно изобретению создает впечатление дневного света в соответствии с этой характеристикой.

Свет, который воспринимается через входное световое окно, по меньшей мере, частично проходит по пропускающему свет каналу к выходному световому окну без падения на стенку. По сравнению с распределением света, излучаемым источником света, часть, которая проходит через оптический элемент без падения на стенку, имеет распределение с углами излучения света, которые являются относительно небольшими относительно нормали к входному световому окну. Эта часть света от источника света становится коллимированным световым пучком. Коллимированный световой пучок имеет свет со спектром источника света, и только угол углового распределения излучения света изменяется по сравнению с исходным светом, излучаемым источником света.

Другая часть света, который воспринимается через входное световое окно, падает на стенку и отражается, рассеивается стенкой и/или проходит сквозь стенку. По меньшей мере, часть стенки, на которую свет падает или сквозь которую свет проходит, является отражающей или пропускающей в заданном спектральном диапазоне. Заданный спектральный диапазон выбирают так, чтобы цвет света, который отражается и/или пропускается сквозь стенку, изменялся в сторону голубого света. Иначе говоря, часть стенки, являющаяся отражающей и/или пропускающей в заданном спектральном диапазоне, поглощает свет цвета, дополнительного к голубому. В частности, световые лучи света, которые падают на стенку, обычно имеют угол с вертикальной осью входного светового окна, который является относительно большим и обычно больше, чем угол световых лучей, которые не падают на стенку. Угол относительно нормали световых лучей, которые падают и которые отражаются или проходят сквозь стенку, в среднем является относительно большим относительно нормали к выходному световому окну. Поэтому на выходном световом окне в относительно больших углах излучения происходит излучение света, цвет которого изменяется в сторону голубого, тогда как свет, который не падает на стенку, коллимируется и излучается в относительно небольших углах излучения. Следует отметить, что в случае, если источник света излучает свет на всем протяжении относительно большой поверхности, некоторые световые лучи, проходящие при относительно небольших углах излучения света и входящие в пропускающий свет канал вблизи стенки, также падают на стенку. Поэтому, в среднем, световые лучи, которые падают на стенку, излучаются в относительно больших углах излучения света, и в среднем, световые лучи, которые излучаются источником света в относительно небольших углах излучения света, не падают на стенку.

Следовательно, оптический элемент согласно изобретению излучает через выходное световое окно свет с распределением излучения света, в соответствии с которым он содержит свет, который имеет характеристики света от источника света в относительно небольших углах излучения света, и который содержит свет, цвет которого является более голубым в относительно больших углах излучения света. В частности, если источник света излучает, по существу, белый свет, который имеет точку цветности вблизи линии черного тела в цветовом пространстве согласно стандартизации Международной комиссии по освещению, свет при относительно небольших углах излучения света ощущается пользователями как прямой солнечный свет, а свет при относительно широких углах излучения света ощущается пользователями как добавочный голубой рассеянный свет, который присутствует в дневном свете. Такие образом, получается впечатление света неба.

Оптический элемент имеет структуру, которая состоит в основном из стенки, которая окружает пропускающий свет канал и которая (по меньшей мере) частично является голубой. Поэтому оптический элемент можно изготавливать при небольших затратах и можно размещать перед существующими источниками света и/или светильниками без изменения источника света или светильника. Таким образом, решение является полезным, эффективным и относительно недорогим.

Следует отметить, что выходное световое окно может быть больше, чем часть, которая расположена на второй стороне, поскольку если стенка прозрачная, часть стенки, сквозь которую свет излучается, становится участком выходного светового окна. Часть выходного светового окна, расположенная на второй стороне, излучает свет от источника света, который коллимирован, и голубоватый свет также может излучаться сквозь эту часть. Если выходное световое окно также имеет часть, которая не расположена на второй стороне, через эту часть будет излучаться по меньшей мере голубоватый свет.

«Пропускающий свет» означает, что, по меньшей мере, часть света, который попадает на пропускающий свет объект, проходит через пропускающий свет объект. В контексте изобретения пропускающим свет каналом не изменяется цвет света от источника света, который коллимируется, однако это не означает, что пропускающий свет канал по определению не является полностью прозрачным.

Согласно варианту осуществления пропускающий свет канал является прозрачным. Пропускающий свет канал может быть заполнен воздухом или другим прозрачным материалом, таким как стекло или прозрачный синтетический материал. Согласно дальнейшему варианту осуществления пропускающий свет канал представляет собой полностью закрытое пространство, которое заполнено чистой жидкостью.

Согласно варианту осуществления входное световое окно расположено параллельно выходному световому окну. Кроме того, воображаемая центральная линия стенки, продолжающаяся от входного светового окна к выходному световому окну, расположена перпендикулярно к входному световому окну.

Согласно варианту осуществления оптический элемент содержит множество пропускающих свет ячеек. Если оптический элемент имеет множество пропускающих свет ячеек, оптический элемент предназначен для использования перед источником света или светильником, который имеет относительно большую светоизлучающую поверхность. Различные пропускающие свет ячейки распределены по пространству и принимают свет от разных участков светоизлучающей поверхности источника света или светильника. Поэтому впечатление света неба можно получать на всем протяжении большей поверхности и поэтому будет лучшим проявление света неба, при этом свет неба также не является локальным явлением. Кроме того, размеры пропускающей свет ячейки сильно влияют на коллимацию света от источника света. Если источник света не является точечным источником, размеры пропускающей свет ячейки также увеличивают, чтобы получать впечатление света неба. При расположении рядом множества пропускающих свет ячеек каждая пропускающая свет ячейка принимает свет с ограниченного подучастка источника света и соответственно их размеры могут быть снижены. Поэтому длина пропускающих свет ячеек может быть уменьшена и относительно тонкий слой пропускающих свет ячеек может быть применен перед источником света или светильником, который имеет большую светоизлучающую поверхность. Поэтому размеры комбинации источника света или светильника и оптического элемента остаются в приемлемых пределах.

Согласно дальнейшему варианту осуществления множество пропускающих свет ячеек расположено в растровой структуре. Это означает, что пропускающие свет ячейки в совокупности размещены регулярным образом, что каждая пропускающая свет ячейка имеет множество соседних пропускающих свет ячеек, что все входные световые окна смотрят в определенном направлении, и следовательно, что все выходные световые окна смотрят в другом направлении, противоположном определенному направлению, и поэтому, что оптический элемент становится слоем прилегающих пропускающих свет ячеек. Оптический элемент с растровой структурой пропускающих свет ячеек обеспечивает равномерную отдачу света на всем протяжении относительно большой площади в предположении, что от источника света ко всем пропускающим свет ячейкам поступает свет одного и того же вида. Кроме того, оптический элемент можно изготавливать очень рационально, поскольку стенки соседних пропускающих свет ячеек могут быть общими: одна сторона стенки обращена к первой пропускающей свет ячейке и другая сторона обращена к второй пропускающей свет ячейке, которая прилегает к первой пропускающей свет ячейке.

Согласно еще одному варианту осуществления толщина стенок составляет меньше чем 1/3 шага растровой структуры. Шаг растровой структуры определяется расстоянием от центральной точки пропускающего свет канала до центральной точки соседнего пропускающего свет канала. Толщина стенки определяется как наикратчайшее расстояние от поверхности стенки, обращенной к пропускающему свет каналу, до другой поверхности стенки, обращенной к соседнему пропускающему свет каналу. Торец стенки на стороне входного светового окна пропускающих свет ячеек блокирует часть света, который принимается от источника света. Иначе говоря, свет, который падает на торцы, не проходит в пропускающий свет канал пропускающих свет ячеек и, как таковой, не излучается через выходные световые окна пропускающих свет ячеек. Этим вносится вклад в неэффективность оптического элемента. При поддержании отношения толщины стенки к шагу растровой структуры ниже чем 1/3 неэффективность удерживается в приемлемых границах. Кроме того, другой торец стенок виден наблюдателю на стороне выходных световых окон. Видимый торец стенок может нарушать единообразное восприятие света неба. По существу, предпочтительно поддерживать толщину стенок в приемлемых пределах.

Согласно варианту осуществления толщина стенок составляет меньше чем 1/5 шага растровой структуры. Это приводит к более высокой эффективности и лучшему восприятию света неба. Согласно дальнейшему варианту осуществления толщина стенок составляет меньше чем 1/10 шага растровой структуры, что приводит к еще более лучшим результатам.

Согласно варианту осуществления торец стенок, обращенный к источнику света, является отражающим или диффузно отражающим, или является белым, если является диффузно отражающим. Согласно варианту осуществления, если свет падает на торец стенок на стороне входного светового окна, то свет отражается и не поглощается и может отражаться обратно к оптическому элементу через источник света или светильник. Поэтому вместо поглощения света торцы стенок, обращенные к источнику света, вносят вклад в циркуляцию света.

Согласно другому варианту осуществления поднабор множества пропускающих свет ячеек имеет часть стенки, являющуюся отражающей и/или пропускающей вне голубого спектрального диапазона, для представления изображения пользователю, смотрящему на оптический элемент под относительно большим углом зрения относительно нормали к выходному световому окну. Не являющаяся голубой часть стенки представляет собой подучасток стенки, на который падает свет от источника света, или подобъем стенки, через который передается свет от источника света. Поэтому некоторые пропускающие свет ячейки из множества пропускающих свет ячеек вносят вклад в производящий впечатление свет неба, а некоторые другие пропускающие свет ячейки представляют изображение, которое является, например, аварийным знаком. Изображение даже может вносить вклад в производящий впечатление свет неба, когда представляемое изображение является, например, изображением облаков или изображением летящих птиц. Следует отметить, что относительно большой угол зрения представляет собой угол относительно нормали к выходному световому окну, который больше чем 45°. По желанию, после придания различным участкам стенки одной пропускающей свет ячейки разных цветов могут наблюдаться разные изображения, когда наблюдатель смотрит на оптический элемент с различных направлений.

Согласно другому варианту осуществления оптический элемент представляет собой растянутую стопку удлиненных слоев. Пары последовательных слоев соединены друг с другом во множестве точек. Последовательные пары последовательных слоев соединены друг с другом в других точках. Слои образуют стенки пропускающих свет каналов, а пропускающие свет каналы образуются пространствами между двумя последовательными слоями растянутой стопки удлиненных слоев. Точечное соединение слоев можно осуществлять склеиванием. Такой оптический элемент можно изготавливать с очень большой экономической эффективностью. Удлиненные полоски голубого материала последовательно склеивают друг с другом так, чтобы клеевые точки последовательных пар последовательных слоев были различными в направлении следования по удлиненному слою, а после склеивания стопку удлиненных слоев растягивают до получения оптического элемента. Помимо того, что такую структуру можно изготавливать экономически эффективно, при использовании этого варианта осуществления также можно получать дополнительные преимущества при реализации и хранении оптических элементов. А именно нет необходимости растягивать стопку слоев сразу же после склеивания слоев друг с другом. Это можно делать непосредственно перед размещением оптического элемента перед источником света или светильником. Таким образом, после склеивания слоев друг с другом стопку можно хранить или реализовывать в наиболее компактной форме.

Согласно варианту осуществления сторона стенки, обращенная к пропускающему свет каналу, отражает диффузно. Такая стенка отражает свет, который падает на стенку, обратно к пропускающему свет каналу, и поскольку стенка является голубой, голубой свет отражается обратно. Большая часть этого отраженного света выходит из пропускающего свет канала через выходное световое окно непосредственно или после одного или нескольких дополнительных отражений. Кроме того, вследствие наличия диффузно отражающей стороны стенки выгодно расширяются углы излучения голубоватого света. Стенки, имеющие такую характеристику, можно изготавливать из большого набора материалов. Всего двумя возможными примерами являются пластик с голубым оттенком или металл, на который нанесено голубое отражающее или голубое диффузно отражающее покрытие.

Согласно другому варианту осуществления стенка пропускает свет. Если свет падает на стенки и проходит сквозь (голубые) стенки, выходное излучение оптического элемента в относительно больших углах излучения света содержит свет, который проходит сквозь пропускающие свет стенки и, следовательно, является более голубым (более насыщенным голубым). Как таковой, он вносит вклад в создание впечатления света неба. Можно использовать несколько материалов, подобных голубым прозрачным синтетическим материалам. Если множество пропускающих свет ячеек размещено в растровой структуре и если пользователь смотрит на оптический элемент с голубыми пропускающими свет стенками, голубоватый свет делается более (насыщенным) голубым при больших углах зрения. Свет падает на стенки под относительно большими углами излучения света относительно вертикальной оси входного светового окна и проходит несколько раз через несколько голубых пропускающих свет стенок последовательных пропускающих свет ячеек и, как таковой, голубой цвет усиливается при каждом прохождении такой стенки. Этот эффект ощущается пользователем как производящий приятное впечатление света неба.

Согласно варианту осуществления отношение диаметра пропускающего свет канала к длине пропускающего света канала составляет больше чем 0,2. Диаметр пропускающего свет канала определяется как средняя длина всех возможных воображаемых прямых линий через центральную точку пропускающего свет канала от точки на стенке до другой точки на стенке вдоль воображаемой плоскости, параллельной входному световому окну. Длина пропускающего свет канала определяется как среднее расстояние между входным световым окном и выходным световым окном, измеряемое вдоль линий, параллельных стенке. Для предотвращения сильного блеска слишком много света не должно излучаться в углах излучения света, которые больше чем 60° (например, меньше чем 1000 кд/м² (нит)). Если отношение составляет больше чем 0,2, это означает, что пропускающий свет канал является относительно плоским, не так уж много света падает на стенки и, следовательно, не так уж много света будет отражаться или диффузно отражаться и излучаться через выходное световое окно в углах больше чем 60° или даже в меньших углах излучения света, например 30°. Следует отметить, что излучение света в относительно больших углах излучения света также зависит от характеристик источника света. Если источник света излучает только небольшое количество света в относительно больших углах излучения света, то немного света будет попадать на стенки. Если источник света из всего излучаемого света излучает значительное количество света в относительно больших углах излучения света, стенки будут отражать в относительном выражении намного больше света. Поэтому отношение также должно быть согласовано с характеристиками источника света.

Согласно еще одному варианту осуществления отношение диаметра пропускающего свет канала к длине пропускающего канала составляет больше чем 0,5.

Согласно варианту осуществления отношение наибольшей линейной протяженности пропускающего свет канала к высоте пропускающего свет канала составляет больше чем 1,0.

Согласно другому варианту осуществления форма поперечного сечения пропускающего свет канала вдоль воображаемой плоскости, параллельной входному световому окну, является одной из круга, эллипса, треугольника, квадрата, прямоугольника или шестиугольника. Если пропускающий свет канал имеет форму в соответствии с вариантом осуществления, можно образовывать пространственно-эффективный оптический элемент. Кроме того, когда многочисленные пропускающие свет ячейки размещают в растровой структуре и пропускающие свет ячейки имеют пропускающий свет канал такой формы, множество пропускающих свет ячеек можно размещать очень эффективно в растровой структуре без утраты большого пространства между пропускающими свет ячейками.

Согласно варианту осуществления оптический элемент также содержит рассеиватель света и/или дополнительный рассеиватель света. Рассеиватель света размещают на выходном световом окне пропускающей свет ячейки для рассеивания света, излучаемого через выходное световое окно. Дополнительный рассеиватель света размещают на входном световом окне для рассеивания света, излучаемого через входное световое окно. Рассеиватель света и/или дополнительный рассеиватель света должны слабо рассеивать свет. Слабый рассеиватель света вносит вклад в создание более гладкого перехода между (белым) светом, который непосредственно исходит от источника света, и добавочным голубоватым светом, и следствием его использования перед растром из множества пропускающих свет ячеек может быть равномерное излучение света и сокрытие торцов стенок.

Следует отметить, что рассеиватель также можно помещать на ограниченном расстоянии от выходного окна. Результат будет заключаться в маскировке стенок ячеек, поскольку в воздухе будет иметься расстояние для смешения света. Кроме того, рассеиватель можно наслаивать на каналы; это потребует небольших затрат, поскольку в таком случае не будет необходимости в механически жесткой подложке для рассеивателя.

Отметим, что в случае точечного источника света, такого как светоизлучающий диод, без использования дополнительной оптики рассеиватель способствует маскировке проявления точечного характера и большой яркости точечного источника света. Кроме того, когда пропускающие свет каналы имеют пропускающие стенки, при больших углах отдельные точечные источники света становятся плоховидимыми вследствие многочисленных отражений и пропускания света границами раздела между пропускающими свет каналами и стенками. Это является существенным преимуществом.

Кроме того, дополнительный рассеиватель света можно располагать на входном световом окне, чтобы маскировать очень яркий точечный характер точечного источника света.

Преимущество применения рассеивателя света или дополнительного рассеивателя света непосредственно на выходном световом окне или входном световом окне соответственно заключается в том, что рассеиватель дополнительно придает механическую жесткость пропускающей свет ячейке. Согласно другому варианту осуществления рассеиватель света и/или дополнительный рассеиватель света увеличивают (FWHM) угол половинной яркости углового распределения излучения света, проходящего через рассеиватель света, не больше чем на 20°.

Если рассеиватель света рассеивает слишком сильно, это означает, что угол углового распределения света будет чрезмерно возрастать, впечатление света неба, создаваемое оптическим элементом, будет исчезать, поскольку (белый) свет, непосредственно исходящий от источника света, и добавочный голубоватый свет смешиваются слишком сильно при всех углах излучения света. Поэтому рассеяние следует поддерживать в приемлемых пределах, чтобы максимальное возрастание угла половинной яркости углового распределения света составляло 20°.

Кроме того, рассеиватель света и дополнительный рассеиватель света могут быть анизотропными рассеивателями, и это означает, что возрастание угла половинной яркости происходит больше в некоторых направлениях, чем в других; например 5° в направлении x и 10° в направлении y.

Согласно варианту осуществления при наличии рассеивателя света и/или дополнительного рассеивателя света (FWHM) угол половинной яркости углового распределения света, проходящего через слабый рассеиватель света, возрастает не больше чем на 10°.

Согласно другому варианту осуществления при наличии рассеивателя света и/или дополнительного рассеивателя света (FWHM) угол половинной яркости углового распределения света, проходящего через слабый рассеиватель света, возрастает не больше чем на 5°.

В соответствии со вторым объектом изобретения предложена осветительная система, которая содержит источник света и оптический элемент в соответствии с первым объектом изобретения. Источник света выполнен с возможностью излучения света к входному световому окну оптической ячейки оптического элемента.

Осветительная система в соответствии со вторым объектом изобретения обеспечивает такие же преимущества, как и оптический элемент в соответствии с первым объектом изобретения, и имеет варианты осуществления, аналогичные соответствующим вариантам осуществления оптического элемента, при этом достигаются аналогичные результаты.

Согласно варианту осуществления источник света выполнен с возможностью излучения света в соответствии с точкой цветности. Точка цветности представляет собой точку вблизи линии черного тела цветового пространства. Поэтому источник света излучает белый свет. Прямой солнечный свет также представляет собой свет в соответствии с определенной точкой цветности вблизи линии черного тела цветового пространства. В предпочтительном варианте осуществления точка цветности представляет собой точку на линии черного тела, поскольку свет, относящийся к такой точке цветности, соответствует белому свету. Согласно варианту осуществления точка цветности также может находиться вблизи линии черного тела, поскольку точка цветности солнечного света, который прошел через атмосферу, также может несколько отклоняться от точки цветности, находящейся точно на линии черного тела. Цветовое пространство представляет собой, например, цветовое пространство системы XYZ согласно стандартизации Международной комиссии по освещению.

В соответствии с третьим объектом изобретения предложен светильник, который содержит оптический элемент в соответствии с первым объектом изобретения или содержит осветительную систему в соответствии со вторым объектом изобретения.

Светильник в соответствии с третьим объектом изобретения обеспечивает такие же преимущества, как и оптический элемент в соответствии с первым объектом изобретения, и имеет варианты осуществления, аналогичные соответствующим вариантам осуществления оптического элемента, при этом достигаются аналогичные результаты.

Эти и другие объекты изобретения станут очевидными при обращении к вариантам осуществления, которые будут пояснены ниже.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что два или большее количество упомянутых выше вариантов осуществления, реализаций и/или объектов изобретения могут быть объединены любым способом, считающимся практичным.

Модификации и варианты оптического элемента, осветительной системы или светильника, которые соответствуют описываемым модификациям и вариантам оптического элемента, могут быть осуществлены специалистом в данной области техники на основе настоящего описания.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - схематичная иллюстрация оптического элемента в соответствии с первым объектом изобретения и схематичная иллюстрация осветительной системы в соответствии со вторым объектом изобретения;

фиг.2 - схематичная иллюстрация другого варианта осуществления оптического элемента в соответствии с первым объектом изобретения;

фиг.3 - схематичная иллюстрация поперечного сечения оптического элемента, содержащего множество пропускающих свет ячеек;

фиг.4а - схематичная иллюстрация альтернативного варианта осуществления оптического элемента;

фиг.4b - схематичная иллюстрация другого альтернативного варианта осуществления оптического элемента;

фиг.5а - схематичная иллюстрация варианта осуществления оптического элемента, содержащего множество пропускающих свет ячеек в растровой структуре;

фиг.5b - схематичная иллюстрация другого варианта осуществления оптического элемента, содержащего множество пропускающих свет ячеек в другой растровой структуре;

фиг.6а - схематичная иллюстрация поперечного сечения вдоль плоскости, параллельной входным световым окнам, варианта осуществления оптического элемента, который содержит множество пропускающих свет ячеек;

фиг.6b - схематическая иллюстрация поперечного сечения другого варианта осуществления оптического элемента, который содержит множество пропускающих свет ячеек;

фиг.6с - схематическая иллюстрация поперечного сечения дальнейшего варианта осуществления оптического элемента, который содержит множество пропускающих свет ячеек; и

фиг.7 - схематическая иллюстрация светильника в соответствии с третьим объектом изобретения.

Следует отметить, что элементы, обозначенные одинаковыми позициями на различных чертежах, имеют одинаковые структурные признаки и одинаковые функции или представляют одни и те же сигналы. В тех случаях, когда функция и/или структура такого элемента поясняется, отсутствует необходимость в повторном пояснении в подробном описании.

Чертежи являются весьма схематическими и выполнены не в масштабе. В частности, ради ясности некоторые размеры сильно преувеличены.

Подробное описание

Оптический элемент 100 согласно первому варианту осуществления показан на фиг.1. Оптический элемент 100 совместно с источником 102 света образует осветительную систему 118. Оптический элемент 100 содержит пропускающую свет ячейку, которая содержит входное световое окно 106, выходное световое окно 110, пропускающий свет канал 116 и стенку 108. Стенка 108 окружает пропускающую свет ячейку 116 и расположена между входным световым окном 106 и выходным световым окном 110. Входное световое окно 106 принимает свет 104 от источника 102 света. Свет 104, который излучается источником 102 света, имеет определенные характеристики, наподобие конкретной точки цветности в цветовом пространстве (например, цветовом пространстве XYZ согласно стандартизации Международной комиссии по освещению), и при этом свет 104 излучается с конкретным угловым распределением излучения света. Пропускающий свет канал 116, образованный стенкой 108, пропускает коллимированную часть света 104, который принимается через входное световое окно 106 от источника 102 света. Эта часть излучается через выходное световое окно 110 в виде коллимированного светового пучка 114, который содержит свет такого же цвета, как цвет света 104, излучаемого источником 102 света. Другая часть света 104, которая принимается от источника 102 света через входное световое окно 106, падает на поверхность стенки, которая обращена к пропускающему свет каналу 116. Часть стенки 108, на которую свет падает или через которую свет проходит, является, по меньшей мере, отражающей или пропускающей соответственно в заданном спектральном диапазоне. Заданный спектральный диапазон представляет собой такой, что часть света, которая излучается пропускающей свет ячейкой через выходное световое окно в относительно больших углах излучения света, представляет собой голубой свет. Угол излучения света определяется относительно нормали к выходному световому окну. Таким образом, если свет 104, который излучается источником 102 света, представляет собой белый свет, то заданный спектральный диапазон содержит преимущественно голубой свет. Поэтому если внутренняя поверхность стенки 108 является отражающей, то внутренняя поверхность стенки 108 является голубой. Если стенка (частично или полностью) является пропускающей, внутренняя поверхность стенки 108 является голубой или внутренняя сторона стенки 108 является голубой. Поэтому свет, который падает на внутреннюю поверхность стенки, отражается как голубой свет или проходит через стенку как голубой свет, вследствие чего излучение голубого света 112 происходит в относительно больших углах излучения света.

Таким образом, оптический элемент 100 излучает свет 114 с такой же точкой цветности, какую имеет свет 104 источника 102 света, в относительно небольших углах излучения относительно нормали к выходному световому окну 110 и излучает голубой свет 112 в относительно больших углах излучения света относительно нормали к выходному световому окну 110. Такой свет воспринимается людьми как производящий впечатление света неба. Коллимированный световой пучок 114 воспринимается как прямой солнечный свет, тогда как добавочный голубой свет 112 воспринимается как добавочный рассеянный голубой свет, который также присутствует в дневном свете.

Источник 102 света излучает свет с конкретным цветовым распределением, иначе говоря, источник света излучает свет, соответствующий конкретной точке цветности. Согласно варианту осуществления конкретная точка цветности источника 102 света представляет собой точку в цветовом пространстве, близкую к линии черного тела цветового пространства. Прямой солнечный свет также имеет точку цветности на линии черного тела или вблизи нее. Следовательно, если источник 102 света излучает свет, соответствующий точке цветности, близкой к линии черного тела, наблюдатели будут воспринимать коллимированный световой пучок 114 как прямой солнечный свет.

Пропускающий свет канал 116 имеет длину L, которая представляет собой наикратчайшее расстояние от входного светового окна 106 до выходного светового окна 110 вдоль стенки 108. Пропускающий свет канал 116 имеет диаметр d, который представляет собой средний диаметр пропускающего свет канала 116, измеряемый в воображаемой плоскости, параллельной входному световому окну 106. Отношение диаметра d к длине L должно быть больше чем 0,2 для получения определенной коллимации света 104, принимаемого от источника 102 света, и для получения определенного количества голубого света 112 в относительно больших углах излучения света. В частности, количество света, излучаемого в углах излучения света больше, чем 60°, следует ограничивать для предотвращения очень сильного блеска.

На фиг.2 схематично представлено поперечное сечение оптического элемента 200. Оптический элемент 200 имеет входное световое окно 106, выходное световое окно 110, стенку 108 и пропускающий свет канал 116. Внутренняя поверхность 206 стенки 108 диффузно отражает свет и имеет голубой цвет. Если световой пучок падает на отдельно взятую точку внутренней поверхности 206, свет фильтруется и становится голубым светом и при этом свет диффузно отражается. Как показано на фигуре, отдельно взятая точка внутренней поверхности 206 действует как локальный ламбертов источник голубого света. Соответственно, большая часть света, которая диффузно отражается, выходит из выходного светового окна 110 при относительно больших углах 208 излучения света. В относительно небольших углах 210 излучения света излучается только небольшое количество голубого света. Оптический элемент 200 принимает свет 204 от источника 202 света, который излучает свет 204 на всем протяжении площади. Каждая точка излучающей свет площади источника 202 света действует как точечный источник. Источник 202 света и оптический элемент 200 образуют осветительную систему 118.

На фиг.3 схематично показано поперечное сечение оптического элемента 300, который содержит множество пропускающих свет ячеек 302. Многочисленные пропускающие свет ячейки 302 разделены стенками 208 и пропускающие свет каналы 116 имеются между разделительными стенками 208. Каждая одна из пропускающих свет ячеек 302 работает точно таким же образом, как оптические элементы из фиг.1 или фиг.2. Оптический элемент 300 представляет собой слой со множеством ячеек и может быть помещен перед плоским источником 202 света, который излучает свет 204 с определенным угловым распределением излучения света, имеющим (FWHM) угол α₁ половинной яркости. Пропускающие свет ячейки 302 коллимируют часть света 204, которая принимается от плоского источника 202 света, в коллимированный световой пучок 114, который имеет угол α₂ половинной яркости. Следует отметить, что α₂<α₁. Кроме того, оптический элемент 300 излучает голубой свет 112 в относительно больших углах излучения света. В угловом распределении излучения голубого света 112 могут иметься относительно небольшие количества света в небольших углах излучения света, а угловое распределение излучения света имеет максимальное излучение β света. Следует отметить, что β>α₁. Свет, который представляет собой комбинацию коллимированного светового пучка 114 и голубого света 112, при больших углах излучения света воспринимается как приятный искусственный свет неба.

Каждый один из пропускающих свет каналов 116 имеет длину L и средний диаметр d. Как обсуждалось ранее, отношение диаметра d к длине L должно быть больше чем 0,2. Согласно варианту осуществления отношение составляет больше чем 0,5. Согласно другому варианту осуществления отношение составляет больше чем 1,0.

Многочисленные пропускающие свет ячейки 302 размещены относительно друг друга с определенным шагом р. Шаг p определяется как наикратчайшее расстояние от центральной точки 304 пропускающей свет ячейки 302 до центральной точки 304 соседней пропускающей свет ячейки 302. Стенки 208 имеют определенную толщину th. Толщина th стенки 208 определяется как наикратчайшее расстояние от поверхности стенки 208, которая обращена к определенному пропускающему свет каналу 116, до другой поверхности стенки 208, которая обращена к соседнему пропускающему свет каналу 116. Толщина th стенок 208 должна быть меньше чем 1/3 шага p растровой структуры, в которой размещены многочисленные пропускающие свет ячейки 302. Толщина th стенок 208 должна быть ограничена, поскольку стенки 208 вносят вклад в неэффективность оптического элемента 300, так как свет 204 от источника 202 света, падающий на торец 306 стенки 208, который обращен к источнику 202 света, не проходит через оптический элемент 300. Кроме того, другой торец 308 стенок 208, который обращен к наблюдателю, виден наблюдателю и нарушает впечатление света неба, создаваемое оптическим элементом 300.

Согласно варианту осуществления толщина th стенок 208 составляет меньше чем 1/6 шага p растровой структуры. Согласно еще одному варианту осуществления толщина th стенок 208 составляет меньше чем 1/9 шага p растровой структуры.

Согласно варианту осуществления торец 306 стенки 208, который обращен к источнику 202 света, является отражающим или диффузно отражающим белый свет. Этот свет отражается обратно к источнику 202 света и может быть возвращен в том смысле, что источник 202 света может отражать свет обратно к оптическому элементу 300.

В оптическом элементе 300 из фиг.3 пропускающие свет ячейки имеют открытый пропускающий свет канал, и это означает отсутствие конкретного материала на входном световом окне или на выходном световом окне. Этим обеспечивается дополнительное преимущество вследствие поглощения звука. Кроме того, оптический элемент 300 можно использовать, например, в офисной обстановке для ограничения уровней звука в офисе.

На фиг.4а схематично представлен оптический элемент 400, содержащий одну пропускающую свет ячейку, которая содержит голубые прозрачные стенки 402. Источник 102 света, показанный как точечный источник, излучает, по существу, белый свет в пропускающую свет ячейку. Свет при углах излучения света в пределах показанного угла α проходит через пропускающую свет ячейку без искажения. Свет от источника 102 света за пределами угла α падает на голубые прозрачные стенки 402 и проходит сквозь стенки, которые поглощают составляющую цветов, дополнительную к голубому цвету. Свет 404 имеет увеличенную составляющую голубого цвета и это означает, что свет 404 имеет более насыщенный голубой цвет, чем свет, который принимается от источника 102 света. Поэтому в соответствии с предшествующим вариантом осуществления оптический элемент 400 излучает белый свет 406 в относительно небольших углах излучения света и излучает голубой свет 404 в относительно больших углах излучения света, и поэтому создается впечатление света неба.

Следует отметить, что часть выходного светового окна противоположна по расположению входному световому окну и часть выходного светового окна образована прозрачными стенками 402. Через часть, противоположную по расположению входному световому окну, проходит свет 406, который непосредственно исходит от источника света, а через часть выходного светового окна, которая образована прозрачными стенками 402, проходит голубой свет 404. Также следует отметить, что стенки 402 могут быть частично отражающими и частично пропускающими и что случайный голубой свет также проходит через часть выходного светового окна, противоположную по расположению входному световому окну. Однако свет, излучаемый через выходное световое окно в относительно больших углах излучения света, представляет собой голубой свет. Кроме того, если в оптическом элементе, аналогичном оптическому элементу из фиг.3, все стенки будут пропускающими свет в голубом спектральном диапазоне, из каждого выходного светового окна также будет излучаться голубой свет (который принимается через стенки соседней ячейки). Кроме того, в этой ситуации голубой свет излучается в основном в относительно больших углах излучения света.

На фиг.4b схематично представлен альтернативный оптический элемент 450. Стенки 452 пропускающей свет ячейки оптического элемента 450 сужаются в направлении от входного светового окна к выходному световому окну. Это может быть полезно, поскольку наблюдатель не будет видеть торцов стенок 452 при взгляде на оптический элемент 450. Кроме того, как также показано согласно другим вариантам осуществления, центральная линия 458 стенок 452, по существу, перпендикулярна к входному световому окну 456. На другой стороне пропускающей свет ячейки находится выходное световое окно 460, которое, по существу, параллельно входному световому окну 456. Выходное световое окно 460 покрыто рассеивающим слоем 454. Рассеивающий слой 454 представляет собой слабый рассеиватель и это означает, что рассеивающий слой 454 не увеличивает (FWHM) угол половинной яркости углового распределения излучения света, проходящего через рассеивающий слой 454, больше чем на 20°. Рассеяние должно быть слабым для предотвращения слишком сильного смешения света 104, который непосредственно исходит от источника 102 света, с голубоватым светом, который отражается стенками 452. Тем не менее, слабое рассеяние рассеивающим слоем 454 предпочтительно для получения распределения 462 излучения света, которое имеет плавный переход между светом 104, который непосредственно исходит от источника 102 света, и голубоватым светом, который отражается стенками 452. Кроме того, рассеиватель 454 света может быть размещен на небольшом расстоянии от выходного светового окна.

На фиг.5а представлен оптический элемент 500, который содержит множество пропускающих свет ячеек 502 в растровой структуре. Пропускающие свет ячейки 502 имеют квадратную форму в поперечном сечении. Кроме того, стенки пропускающих свет ячеек 502 являются голубыми и могут быть выполнены из синтетического голубого материала. Оптический элемент 500 можно изготавливать способом литья под давлением. Кроме того, показаны ранее рассмотренные параметры растровой структуры и пропускающих свет ячеек 502, такие как шаг p, толщина th стенок и длина L пропускающих свет каналов.

Следует отметить, что стенки оптического элемента 500 могут быть прозрачными, отражающими или диффузно отражающими. Если стенки прозрачные, наблюдатель видит более темный голубой цвет при больших углах обзора (определяемых относительно нормали к части выходного светового окна, которая противоположна по расположению входному световому окну), поскольку световые лучи при этих углах проходят сквозь множество последовательных стенок, при этом на каждой стенке голубой цвет становится более интенсивным.

На фиг.5b представлен другой оптический элемент 550, который содержит множество пропускающих свет ячеек 552 в растровой структуре. Пропускающие свет ячейки 552 имеют шестиугольную форму в поперечном сечении. Кроме того, стенки пропускающих свет ячеек 552 являются голубыми и могут быть выполнены из синтетического голубого материала. Оптический элемент 550 можно изготавливать способом литья под давлением. Кроме того, показаны ранее рассмотренные параметры растровой структуры и пропускающих свет ячеек 552, такие как шаг p, толщина th стенок и длина L пропускающих свет каналов.

Согласно варианту осуществления (непоказанному) некоторые из поверхностей стенок имеют другой цвет, а не голубой, для представления изображения наблюдателю, который смотрит на оптический элемент 550. Иначе говоря, некоторые ячейки из множества ячеек 552 имеют стенки другого цвета. Наблюдатель, который смотрит, например, под углом 60° к оптическому элементу 550, в основном видит стенки ячеек 552 и не воспринимает никакого прямого света от источника света вследствие относительно большого угла зрения. Поэтому наблюдатель видит разные цвета различных окрашенных ячеек и воспринимает комбинацию их как изображение. Изображение представляет собой, например, аварийный знак, показывающий запасный выход, или может быть изображением облаков на небе, которые усиливают производимое впечатление света неба.

Согласно другому варианту осуществления (непоказанному) стенки имеют градиент цвета, например, от белого вблизи входного светового окна до голубого вблизи выходного светового окна. Этим создается плавный переход к более насыщенному голубому цвету, когда наблюдатель смотрит на оптический элемент под большими углами зрения.

На фиг.6а представлено поперечное сечение оптического элемента 600 согласно еще одному варианту осуществления, который содержит множество пропускающих свет ячеек 602, 604. Оптический элемент 600 можно изготавливать склеиванием отрезков голубых трубок. Пространства внутри небольших отрезков трубок становятся круглыми пропускающими свет ячейками 604 и пространства между множеством отрезков голубых трубок становятся пропускающими свет ячейками 602 другой формы. Аналогичный оптический элемент получается при использовании отрезков трубок, которые имеют в поперечном сечении цилиндрическую форму или которые имеют другую форму.

На фиг.6b представлено поперечное сечение другого оптического элемента 630 согласно дальнейшему варианту осуществления, который содержит множество пропускающих свет ячеек 634. Оптический элемент 600 можно изготавливать просверливанием отверстий в пластине 632 из голубого синтетического материала. Отверстия образуют пропускающие свет ячейки 634.

На фиг.6с представлено поперечное сечение еще одного оптического элемента 660 согласно еще одному варианту осуществления, который содержит множество пропускающих свет ячеек 674 в растровой структуре. Оптический элемент 660 изготовлен в виде стопки голубых слоев 660, 662, 664, 666, 668. Голубые слои 660, 662, 664, 666, 668 могут быть прозрачными или диффузно отражающими. Изготовление оптического элемента 600 начинают с первого голубого слоя 660, поверх которого помещают второй голубой слой 662. Первый голубой слой 660 и второй голубой слой 662 локально склеивают друг с другом на месте, показанном, например, позицией 670. После этого третий голубой слой 664 помещают поверх первого и второго голубых слоев 660, 662. Третий голубой слой 664 локально приклеивают ко второму голубому слою 662 в конкретных точках, которые отличаются от точек, в которых первый голубой слой 660 и второй голубой слой 662 склеивают друг с другом. Такое другое место показано, например, позицией 672. Это повторяют для последующих слоев 666, 668. После склеивания последующих слоев друг с другом стопку слоев растягивают, чтобы получить структуру из фиг.6с. Следует отметить, что действие по растягиванию можно выполнять отдельно от действия по склеиванию последовательных слоев друг с другом, и, как таковое, промежуточное изделие в виде нерастянутой стопки слоев будет иметь относительно небольшой объем и может эффективно храниться.

На фиг.7 схематично показан вариант осуществления светильника 700 в соответствии с третьим объектом изобретения. Светильник 700 содержит оптический элемент согласно одному из предшествующих вариантов осуществления. Оптический элемент схематично показан на фиг.7 вместе с растровой структурой на светоизлучающей поверхности светильника 700. Светильник также содержит плоский источник света, который излучает свет на всем протяжении относительно большой поверхности.

Следует отметить, что упомянутыми выше вариантами осуществления изобретение иллюстрируется, а не ограничивается, и что специалисты в данной области техники способны разработать многочисленные альтернативные варианты осуществления без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения любые позиции, помещенные в круглые скобки, не должны толковаться как ограничивающие формулу изобретения. Использование глагола «содержит» и его спряжений не исключает наличия других элементов или этапов, помимо указанных в формуле изобретения. Неопределенные артикли, стоящие впереди элемента, не исключают наличия множества таких элементов. В случае перечисления в формуле изобретения на устройство нескольких средств некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же компонентом аппаратного обеспечения. То, что некоторые признаки перечисляются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих признаков не может с успехом использоваться.

Реферат

Изобретение относится к оптическим элементам, которые используются для создания впечатления дневного света. Предложены оптический элемент, предназначенный для использования перед источником света для получения впечатления света неба, осветительная система и светильник. Оптический элемент содержит пропускающую свет ячейку, которая содержит пропускающий свет канал, входное световое окно, выходное световое окно и стенку. Пропускающий свет канал коллимирует часть света, излучаемого источником света. Входное световое окно расположено на первой стороне пропускающего свет канала и принимает свет от источника света. Выходное световое окно излучает свет, производящий впечатление света неба. По меньшей мере, часть выходного светового окна расположена на второй стороне пропускающего свет канала, противоположной первой стороне. Стенка расположена между входным световым окном и частью выходного светового окна. Стенка окружает пропускающий свет канал. По меньшей мере, часть стенки является отражающей и/или пропускающей в заданном спектральном диапазоне для получения излучения голубого света в относительно больших углах излучения света относительно нормали к части выходного светового окна. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула