光源和阳光模仿照明系统的制作方法

本公开内容总体上涉及照明系统，尤其涉及例如旨在模仿自然阳光照明的照明系统的光源。此外，本公开内容总体上涉及从具有高亮度以及在整个区域具有亮度均匀性的区域产生光束。

背景技术：

用于封闭环境的人工照明系统通常旨在改善用户所体验到的视觉舒适度。具体地说，模仿自然光照(特别是阳光照射)的照明系统是已知的，特别是利用相关色温(CCT)高和显色指数(CRI)大的光。这样的被模仿的室外照明的特性依赖于阳光和地球大气之间的相互作用，并创建特定的阴影特性。

在2013年11月14日提交的EP 2304478A1、EP 2304480A1、PCT/IB2013/060141以及在2014年3月27日由同一申请人申请的PCT/EP2014/000835提交的申请所公开的照明系统具有产生可见光的光源以及含有纳米颗粒的面板。在该照明系统的工作过程中，面板从光源接收光，并作为瑞利漫射器，即它以类似于晴空条件下的地球大气的方式漫射光线。具体来说，该概念使用的定向光对应于太阳光，并在照亮物体存在的情况下的产生阴影，并漫射具有更大CCT的光，其对应于蓝色天空的光。

为了提供冷白光以及暖白光，可以采用基于LED的光源，例如基于磷转换的白色LED和/或各种颜色LED的组合。从LED发射的光的光学性质需要光束整形光学结构，通常是例如透镜和/或镜子系统这样的准直光学器件。

技术实现要素：

本公开内容至少部分地涉及改进或克服现有系统的一个或多个方面。

在第一方面，本公开内容涉及一种光学系统，用于接收光和对光进行准直，其中该光学系统包括准直单元和用于对准直单元形成的光进行均匀化的均化单元。准直单元包括限定入口开口和出口开口的至少一个抛物面界面，其中所述至少一个抛物面界面被配置为反射由入口开口进入并穿过出口开口的光，并将光的角展度限制于与所述至少一个抛物面界面相关联的接收角。均化单元包括具有成对的第一透镜和第二透镜的透镜阵列，其中透镜阵列被配置为使得来自出口开口并由第一透镜收集的光照射相应的第二透镜，以提供连续发光的输出光孔。

在另一方面，光源包括具有发光图案的发光单元，例如平面LED的朗伯或准朗伯发射图案以及如上所述的光学系统，其中所述发光图案与所述光学系统的入口开口发生重叠。

在另一方面，一种照明系统包括如上所述的光源，所述光源用于沿着主光束方向提供具有第一相关色温的定向非漫射光的光束，以及窗口状单元，例如照明系统出射窗或用于产生具有大于第一相关色温的第二相关色温的漫射光的漫射光发生器。窗口状单元被定位在光束的远场中，并且窗口状单元的尺寸适应于光束的远场的尺寸。

另外的实施例例如在从属权利要求中给出，其通过引用并入本文。

本公开的其它特征和方面将通过以下描述和附图变得更加清楚。

附图说明

图1是照亮房间的一个示例性照明系统的示意性截面图；

图2是在整个光束上具有非均匀传播方向的光束的示意图；

图3是示例性光源的示意性光束路径；

图4是基于LED的发光单元的示意图；

图5是基于复合抛物面聚光器的准直单元的示意图；

图6是圆形复合抛物面聚光器结构的示意图；

图7是光线与蝇眼聚光器交互的示意图；

图8是位于复合抛物面聚光器下游的蝇眼聚光器的示意图；.和

图9是包括收集单元和均化单元的已安装的光学系统的立体图。

具体实施方式

下面是本公开内容的示例性实施例的详细描述。下文所描述并在附图中所示的示范性实施例旨在教导本公开内容的原理，使本领域普通技术人员能够在众多不同的环境和应用中实施和使用本公开内容，因此，以下的示例性实施例并不意在(也不应被视为)对专利保护范围的限制性说明。专利保护范围而是应由所附的权利要求所限定。

本公开内容的实现部分地基于模仿阳光照明的照明系统需要提供具有这种属性的光，该属性能够避免观察者意识到光源的人工性(即模仿太阳)。例如，该照明状况可以包括蓝色天空光光成分和从具有均匀亮度的光源发射的定向非漫射白色光成分。

通常，观察者评估照明状况的能力是基于多种生理和心理机制，涉及到聚焦、双目汇合、双目视差、运动视差、亮度、尺寸、对比度、鸟瞰透视等。根据观测条件(例如观察者是否正在移动或静止，使用一只或两只眼睛观看，等等)以及照明状况的特性(例如，是否观察已知大小、距离或亮度的物体)，某些机制与其它机制相比作用更为显著。

对于使用光源作为人工太阳得阳光模仿照明装置，该光源被感知为处于无限远距离的太阳的效果涉及到避免(每当所述光源位于观察者的视场内时)人工光源的印象。

本发明人认识到，这尤其包括光源的均匀亮度。另外，人工太阳需要具有圆形的外观。在一些实施方案中，所述光源用来照亮瑞利漫射面板，此外，该瑞利漫射面板由光源完全和均匀地照明是所需的。

眼睛的敏感性在对于太阳模仿以及瑞利漫射面板的亮度调制的很早阶段就已经确定。这种调制可以通过近场的(暗)区域的减少或甚至不促成导致远场光束区域的较小亮度的光发射而创建。

此外，尽管光源的亮度可能不允许观察该光源并聚焦于其上，在(短暂地)观察人工太阳时，在视网膜上产生的后像(after-image)可能显示观察者未意识到的强度波动。

出于完整性考虑，亮度也影响由光源产生的阴影。特别是，当人工太阳在亮度调制时，半阴影可能还表明眼睛会分辨的调制。

类似的考虑也适用于色彩频谱的空间分布和其上的调制。

本发明人认识到，与投影仪光源(其集中于远场中的图像)相比，阳光模仿照明装置的光源在被观察者所观察时，还需要模仿太阳外观的特定近场。如本文中所公开的，所描述的光学元件的系统在各个方面是专门设计的，每个方面都尽可能地有助于光源的亮度和集光率的维持。

在下文中，结合图1和2对阳光模仿照明装置的示范性配置进行描述。结合图3对光束路径的示例性概述进行说明。形成光束路径的光学单元3的各种示例性配置分别结合图4(基于LED的发光单元)、图5和6(复合抛物面聚光器(CPC，compound parabolic concentrator)准直器单元)、图7和8(基于蝇眼冷凝器(FEC，fly’s eye condenser)的均化单元)、图9(已安装的光学系统)而进行公开。

图1以剖视图的方式示意性地示出了照明系统1。

具体来说，照明系统1包括光源2，构造为以发射立体角发射光，以形成沿主光束方向4传播的光束3。通常，光源2可以是冷白色光源。光源的实施例可以包括基于LED的光发射器、或基于放电灯的光发射器、或基于汞弧碘(hydrargyrum medium-arc iodide)灯的光发射器、或基于卤素灯的光发射器、以及各光发射器下游的相应的光学系统。

为了降低照明系统1的尺寸，各光发射器下游的光学系统可以包括反射系统(如折叠式光学器件，图1中以虚线示例性地表示了镜片5)。光束3所经过的反射系统的具体的例子在上述的专利申请中有所描述，例如PCT/IB2013/060141。

对于反射系统，针对反射光线可能存在的几何条件是要求没有源自外部照明系统的光线可随后由反射系统以使得其再次离开照明系统1的方式反射。

照明系统1还包括窗口状单元6，该单元与从光源2始发并射向区域7的光相耦合，以照亮例如建筑物的内部空间30。

在图1所示的照明系统的实施方式中，窗口状单元6包括灯罩状结构10，该结构包括底部单元12和屏幕结构14。底部单元12被称为底部单元，是鉴于当从房间观看时，它位于灯罩状结构的底部。然而，应该注意的是，灯系统可以没有灯罩状结构或设置在墙壁内，并且相应地，底部单元12不必位于灯罩状结构的下端。关于屏幕结构14的详细公开内容，可参考上述的专利申请，例如PCT/EP2014/000835。

在窗口状单元6的一些实施方案中，底部单元12也可以直接集成到墙壁/天花板，即没有屏幕结构14。例如，底部单元可以形成为天花板表面顶的一部分，而不是如图1所示的从天花板表面当中除去。

窗口状单元6可以是任何形状，例如(平面)矩形、方形或圆形形状。窗口状单元6至少部分地传播光源2的光。窗口状单元6可包括(具体地，图1的底部单元12包括)漫射光发生器20。漫射光发生器20作为瑞利散射器，它基本上不会吸收可见光范围内的光，并且相对于入射光的长波长成分，漫射光发生器20能够更有效地漫射短波长成分。类瑞利散射器的光学性质和微观特性在上述专利申请中进行了详细描述，例如EP2304478 A1。

照明系统1还可以包括暗盒16，该暗盒16包含光源2并具有集成在其盒壁上的窗口状单元6。通常，暗盒16提供了围绕光源2延伸并与窗口状单元6接界的盒壁，并具有暗黑的吸光内表面(至少在光可以照射到的区域)。

在图1的实施例，光源2设置在暗盒16内，从而避免不是从光源2始发的光从暗盒16内进入底部单元12。

在一些实施方案中，窗口状单元提供漫射光发生器20以漫射光源2的光。例如，在前面实施例中，假设该光束3发散为足以照亮整个或至少大部份的漫射光发生器20，漫射光发生器20会将光束3分成四个成分，具体包括：

透射(定向非漫射)成分，由穿过漫射光发生器20并且不产生显著偏向的光线形成，例如由产生偏向小于0.1°的光线形成；所述透射成分的光通量是入射到漫射光发生器20上的总光通量的重要组成部分；

向前漫射成分，由从漫射光发生器20入射到光通道46的散射光形成(除了光束方向和与光束方向的角度差异小于0.1°的方向以外)；所述向前漫射成分的光通量对应于入射到漫射光发生器20上的总光通量的重要组成部分；光通量向前漫射成分对应于入射到漫射光发生器20上的总光通量所产生的蓝色天空光部分；

向后漫射成分，由从漫射光发生器20入射到暗盒16内的散射光形成；向后漫射成分的光通量一般情况下在蓝色天空光部分的范围内，但优选为比蓝色天空光部分少；以及

反射成分，由反射光形成，并沿镜子角度的方向传播进入暗盒16，反射成分的光通量例如取决于光束在漫射光发生器20上的入射角。

如上所说，漫射光发生器20的光学特性是这样的：

蓝色天空光的比例在5％至50％的范围内，例如在7％至40％的范围内，或甚至在10％至30％的范围内，或在15％至20％的范围内；

向前漫射成分的平均相关色温CCT比透射成分的平均相关色温CCT显著更高，例如是其1.2倍、1.3倍、1.5倍或更高的倍数；

漫射光发生器20并不显著地吸收入射光，也就是说，四种成分的总和为至少等于80％、或90％、或者甚至95％、或97％或更多；

漫射光发生器20主要是向前散射，即向前散射超过向后散射的1.1倍、或1.3倍、或1.5倍、或2倍或更多的倍数；以及

漫射光发生器20可具有低反射率，即低于入射光的9％的部分被反射，或低于6％，或甚至低于3％，或低于2％。

在窗口状单元6的实施例中，其包括漫射光发生器20，当光源2位于观察者的视线范围内时，漫射光发生器20相对于光源2的距离可能不足以提供类似太阳的印象时。然而，在一些实施方案中，屏幕结构14可阻止望向光源2的任何视线。因此，观察者的预期位置和光源2之间的距离可以更短。

在其他实施方式中，漫射光发生器可以至少部分地由独立的光源照亮，该独立的光源适于提供作为漫射成分基础的光。

在图1的实施例，光源2相对于窗口状单元6的中心而垂直和水平地偏移。光源2例如以约45°或约60°的角度照射漫射光发生器20的整个顶部表面。在一些实施例中，例如当漫射光发生器20相对于房间的天花板平面倾斜时，光源2例如可以设置在漫射光发生器20中心的垂直上方。

在图1所示的照明系统1的示例性安装结构中，光源2在经由窗口状单元6与建筑物的房间30光学地耦合。房间30例如可以成形为平行六面体，并且由侧壁、地板和天花板60分隔。

通常，窗口状单元6位于光源2的远场，使得其与如图2所示并在下面将要描述的光束相互作用。由此，光源2可以提供类似太阳的印象。

与房间30的高度相关，对于具有0.15米的出光孔径的光源，光源2和窗口状单元6之间的距离是在1.5米至7米的范围内。对于这样的情况，光源和观察者之间的距离，例如，在至少2.5米至9米的范围内。

图2示出了用于照亮窗口状单元6的远场的发散光束83。远场依赖于由光源2产生的近场，其以主光束方向84为特征。横跨发散光束83的局部传播方向，即定向非漫射光的传播方向根据在发散光束83的横截面内的位置而变化。具体来说，中央传播方向85基本上平行于发散光束83的内部区域的主光束方向84。然而，随着与内部区域的距离的增加，传播方向87相对于主光束方向84逐渐倾斜。示例性地，图2中示出的光束的最大倾斜角为5°，其对应于发散光束83的光束发散角(在此也称为在远场中的总角展度)为2×5°的＝10°。

下文公开了用于产生这样的发散光束的照明系统的示例性光学配置。首先，结合图3描述了示例性光束路径的概况，并对各个单元的一般功能进行了说明。然后，通过进一步参照(除了图3的)相应的特定附图，对各种特定的光学单元进行更详细地描述。

通常，光源2包括发光单元100、准直单元200和均化单元300，这些都是限定光学近场400的光学单元。这里，准直单元200和均化单元的组合被称为光学系统2A，该光学系统2A通过一个或多个开口从发光单元100接收光，并通过出光孔发射光，所述出光孔被优选完全闪光并表示具有均匀亮度和尽可能多地维持发光单元100的原始集光率的光发射表面。

光源2还可以包括电子控制单元(未示出)，用于提供电子背景以控制发生在发光单元100内的原初光产生过程，类似地，光源2可以包括结构元件，例如对光学单元提供支撑并将它们以固定的方式相对于彼此定位的壳体。

在光源2的下游示意性地示出了传播系统500，在其内，光束扩展放大成光学远场600。在远场600中，光束投射在窗口状单元6上。在一些实施方案中，传播系统500包括反射元件，该反射元件对已经具有远场特性的光束进行折叠和/或准直，例如图2所示。

通常，发光单元100的功能是以适于与准直单元200良好耦合的方式提供光，此外，所述光适于照明方面。具体来说，它适合于与窗口状单元6相互作用，例如，以提供向前漫射成分的所需颜色。该适应性尤其涉及发射方向分布、颜色光谱和强度分布。

例如，光源2提供光谱的可见光区域的光，其中波长在400纳米至700纳米之间，并且光谱宽度大于100纳米，例如大于170纳米。在一些实施例中，发光单元100包括单个发射器或以单独或组合的方式提供相应频谱的多个发射器。

一般来说，准直单元200的功能是集中入射光的光方向的角展度。由此，在其输出侧的发光面积被增加以满足集光率的要求。另外，发光单元100的亮度应该尽可能地维持。换言之，准直单元200的功能是聚集辐射和将辐射均匀地投射成所限定的投影立体角。

对于上述公开的照明系统，在远场中所需的总角展度取决于与被照明对象(本实施例中的窗口状单元6)之间的距离和被照明对象的尺寸。正交的总角展度分别为10°和30°，大小为1米×2米的矩形对象(窗口状单元6)被以45°照射，提供光源2和窗口状单元6之间的可接受距离。在不脱离所公开概念的情况下，本领域技术人员能够理解，在范围5°～60°或在范围5°～50°内的总角展度对于本文中所论述或本文的其它应用所公开的照明系统是适用的。同样，在各种应用中，在正交方向上的相同或不同尺寸的总角展度以及一个旋转对称的总角展度对于本领域技术人员是显而易见的。

准直单元200是基于抛物面聚光器的概念，抛物面聚光器通过抛物面界面的反射而将光方向的输入角展度变换成光方向的输出角展度。

根据光产生的类型和大小(例如，单个LED或LED的阵列)和远场的所需要形状，发光单元100和准直单元200之间的相互作用允许各种配置。例如，准直单元200可基于单个复合抛物面聚光器(CPCs)210或其阵列。

如图3所示，CPC 210通常具有入口开口212和出口开口214。CPC的的实例包括中空聚光器和全内反射(TIR)聚光器(也被称为介电式CPC)。中空抛物面聚光器提供了抛物面形状的强反射表面，而TIR聚光器提供了一种材料结构，可提供以导致全内反射的抛物面形状的折射过渡指标(index of refraction transition)。TIR聚光器可以例如是以聚合物为基础的(如基于硅酮的)旋转抛物面形状的材料。

再次参考图3，CPC 210的基本形状包括具有不同焦点222、232的对立设置的抛物面部分220、230。相应地，抛物面界面(即中空CPC的反射面或折射过渡指标的界面)连接入口开口212和出口开口214。由抛物面部分220所界定的抛物面的焦点222位于由抛物面部分230所界定的抛物面上，由抛物面部分230所界定的抛物面的焦点232位于由抛物面部分220所界定的抛物面上。这两个抛物面部分220、230关于穿过CPC210的轴线240的对称平面是相互对称的。轴线240沿准直单元的光传输方向延伸穿过CPC210。

根据定义，由抛物面部分220所界定的抛物面的轴线240穿过焦点222，由抛物面部分230所界定的抛物面的轴线234同样地穿过焦点232。抛物面部分220的轴线224和抛物面部分230的轴线234与CPC 210的轴线240的夹角界定了CPC 210的(输出)总角展度。

当CPC是对称时，总角展度定义为接收角θ_CPC的两倍，该用语源自于CPC在以相反方向收集光方面的用途。在这种情况下，以相对于轴线240的入射角小于接收角进入出口开口214的光线被反射穿过入口开口，入射角大于接收角的光不会被反射到入口开口。在此，我们也将半角展度作为CPC 210的接收角θ_CPC，尽管CPC210不接收光，但以相对于轴线240可达接收角θ_CPC的角度提供光。

换言之，使用CPC210进行准直时，进入入口开口212的光将以至多为接收角θ_CPC的传播方向离开出口开口，如在出口开口214处的一系列开口角的图示250所示。本领域技术人员容易理解，在现实的实施方案中，一些损失会发生，并且相应地，较大角度的情况也可能存在，但一般而言，CPC 210基本上在其出口开口214处提供总角展度为2θ_CPC的准直光束，在阳光模仿的应用中，尽可能接近抛物面形状将增加光束的光线跟踪性能(总角展度以外的光线较少)，因为接收角θ_CPC仅用纯理论的抛物面配置能很好地界定。因此，在此方面，光线跟踪性能相对于效率优先考虑。

考虑到进入CPC210的光对于使用时的强度和颜色的定位，例如不同颜色LED的定位，离开CPC210的光在出口开口214也可具有不均匀的强度和颜色。另外，在采用CPC210阵列的情况下，反射型CPC210壁226、236的厚度将导致相邻CPC210之间的暗区。因此，当望向出口开口214时，观察者可能会看到一些不均匀的现象，例如由于进入CPC210的光的定位所形成的结构以及空白区260。

通常，均化单元300的功能是使准直单元200产生的光进一步均化，，以产生类似于由准直单元200所产生的投射，但在亮度和(例如)颜色方面更为均匀(在远场中的矩形平顶)。

均化单元300表示形成近场400的最后的光学元件，当望向光源2时，该光学元件确定观察者的太阳模仿的印象。在这种情况下，均化单元300的输出侧的发光部分被称为光源2的出光孔320。(近似)圆形出光孔的直径取决于阳光模仿照明所需的发散度和距离。对于光束发散度在5°至50°的范围内和观察者于光源2之间的相应的距离，该直径可以在80毫米至400毫米的范围内(例如100毫米或150毫米或甚至大于400mm)。

均化单元300的目标是提供整个光束在近场几乎恒定的亮度，从而对于在光束远场的变化的观察角提供恒定的强度。如本文所述，成对的透镜配置，例如串联双透镜阵列可在均化单元300中用作光学元件。

串联双透镜阵列的实例包括蝇眼聚光器(FEC)310或由空气分隔开的两个透镜阵列。通常，透镜可以是椭圆形的，以减少球面像差。然而，为了维持角度分布，通常为两个相对的透镜具有相同的焦距f和被定位在相等的距离e＝fn，n是透镜之间的(平均)折射率。FEC 310例如可以是塑料堆积元件，形成在相对面的微透镜为微透镜阵列(“微”透镜是指直径在几毫米范围内或更小的透镜，该尺寸例如对于0.1至0.2毫米范围内的出光孔是有益的；较大的出光孔基本上也可以使用较大的透镜)。

均化单元300适应于接收角θ_CPC，并在小区域内将准直单元200发射的光混合。均化单元300本身的接收角可以鉴于准直单元200的接收角来选择，例如CPC210的θ_CPC。此外，透镜对的侧向延伸和定位可以考虑特定的配置而进行选择，例如准直单元200的CPC-阵列的配置，以避免图案的任何重复。

在跨度例如为数米的传播系统500内的光束传播，远场600从近场400发展而来。在一些实施例中的，设置有折叠式镜片以减少传播系统500的尺寸和/或在传播系统500中设置一些球形重聚焦光学器件以使光束的尺寸适应窗口状单元6。

在下文中，光学单元的示范性实施例公开为具体的结构，其中太阳模仿需要圆形的近场(圆形出光孔320)，然而其远场适应于窗口状单元的长方形几何形状。

在图3中，发光单元100被示例性地表示为在LED 110的横截面具有发光区域112，该发光区域112面对单个CPC 210的入口开口210。该发光区域112以大角度分布范围发光，例如以朗伯辐射模式的平面LED。

如图3中所示，CPC 210安装在距离LED 110的一段距离d_LED(沿轴线240的方向测量)处，因为图3中示出的反射型中空CPC如果直接安装在其上时可能会损坏LED 110。基于距离d_LED，由于光会发射到LED 110与CPC 210之间的间隙从而没有被CPC 210准直，因此会发生一些光的损失。这些损失原则上可通过使用介电式CPC而减少，其中理论上例如硅酮这样的“软”材料可以接触发光区域112。

图3进一步示出，每个抛物面220和抛物面230延伸穿过发光区域112的相应侧端，从而通过将光源定位在CPC210的光收集区域而实现有效的准直。换句话说，发光区域112的位置是位于焦点222、232处或位于焦点222、232的上游，从而将该发光区域定位在准直的抛物面部分。

虽然在图3中为了简化图示，只示出了具有单个发光区域112的单个LED 110，在原则上可以使用发射到单个CPC210的多个LED和/或具有多个发光区域的LED。例如，多个LED可布置成一维或二维阵列，根据所需几何形状的单个CPC而定。然而发射区之间的任何空间对集光率并无贡献，其限制了集光率，并且影响CPC输出的均匀性(后者至少可以由均化单元300部分地解决)。

对于方形发光区域112，可以使用具有四个相同抛物面形状的二次CPC，这将产生二次近场以及在正交方向具有相同发散角的二次远场(假定相同的抛物面形状)。类似地，圆形发光区域112可以由圆形CPC聚集，这将产生圆形近场和没有蝇眼聚光器(FEC)的具有轴对称发散角的圆形远场。对于矩形远场光束，如以下所讨论的那样，矩形发光区域112可与矩形CPC组合使用。

对于圆形近场，通常可以应用掩模配置。然而，每一个掩模都会挡住光并因此降低效率。相反，多个CPC可以布置成近似圆形的形状，下面将进行描述。特别是，该可采用矩形的CPC来实现以提供矩形远场或采用圆形的CPC以提供圆形的远场。

在图4中示出了发光二极管的示例性装置400，它能够有效地发射到矩形的CPC，此外支撑照明系统2A的出光孔的圆形形状。此外，单个CPC的光谱可以通过混合多种类型的发光二极管而进行调谐。每个CPC设置多个LED提供了在CPC层面的可调谐光源的灵活性。

作为例子，图4示出了含有六个LED的LED框架410当中的冷白色、暖白色、绿色(青色)以及蓝色LED(分别用C、W、G和B来表示)的布置。除了布置LED使得它们的颜色均匀分布在所有CPC上(在水平看向准直单元200时，在外观上没有颜色调制)，各种颜色类型的LED也可以分布在LED框架410内的相应位置，使得LED框架的各个位置以所有的颜色均匀填充在远场的每个位置。

在图4中，一个含有六个LED的LED框架410对应于一个CPC的发光体，每个LED具有1mm×1mm的发光面积大小，两个相邻的LED之间具有0.5毫米的间隙(未示出)。在该配置中，界定LED框架410短端的矩形CPC的抛物面可延伸穿过LED框架410的第一和最后一个LED的发光区域的各侧端。

此外，图4的排布支撑圆形的近场。具体来说，发光单元100包括矩形形状的中心部分420(示例性地示出为六行的矩阵，每行具有四个LED框架410)和两个类似于等腰梯形的部分430。类似于等腰梯形的部分430分别紧挨地设置在中心部分420的长边422、424。在每个类似于等腰梯形的部分430，每一行的LED框架的数量逐个递减，直到外线的延伸长度大约与中心部分420在其短边426、428方向上的延伸长度相同，使得该类似于等腰梯形的部分430近似于圆弧形状。

图4的实施例表示了发光单元100的实例，该发光单元100近似于(基于方形发光二极管的紧密布置)专用于矩形(非对称)远场投射的矩形连续发射器。

此外，发光单元100可包括安装结构(如螺丝孔440)，以便将准直单元300精确地装在例如LED结构上，并确保特别是在LED框架410平面方向上的同轴度。

此外，发光单元100可以包括向LED框架410提供电源的控制部分450。

不限制圆顶透镜或任何其他光学部件的角发射，例如直接连接到LED 110，能够向准直单元200供给大角度的输入和向准直单元200提供完整的或至少大角度范围的光传播方向。换句话说，在CPC的入口处的平面LED结构被配置成在CPC的入口提供几乎完全闪光的表面，这对于已准直单独LED的光的圆顶而言是不可能的。

LED以外的发光装置也可以使用，例如，通过提供具有带盖开口的光源，其开口与CPC的入口开口相适配。

图5示出的准直单元1200配置为接收发光单元100的光，例如示于图4的LED装置的光。

特别地，准直单元1200是矩形CPC 1210的二维阵列。具体来说，矩形CPC 1214设置一个挨着另一个并被紧密地封装。所有的矩形CPC 1214均相同，并设置成使得它们的入口开口1212位于同一输入平面，它们的出口开口1214位于同一输出平面。所有出口开口1214的排布组成接近于圆形表面的CPC出光孔。同样地，所有入口开口被定位成接收例如由发光单元100的LED框架410提供的圆形区域所发射的光。

为了接近CPC出光孔的圆形形状，准直单元1200包括形成矩形形状的中心部分的矩形CPC 1214(图5示例性地示出了六行的矩阵，每行具有四个LED)和两个类似于等腰梯形的部分。类似于等腰梯形的部分分别紧挨地设置在中心部分的长边。在每个类似于等腰梯形的部分，每一行的LED的数量逐个递减，直到外线的延伸长度大约与中心部分在其短边方向上的延伸长度相同，使得该类似于等腰梯形的部分近似于圆弧形状。在图5的例子中，每个类似于等腰梯形的部分的内线1270包括三个，外线1272包括两个矩形的CPC 1214。

类似地，采用近似于椭圆形状的合成表面的实施例也是可能的。

单个矩形CPC 1214具有矩形的入口开口1212，其具有例如1.2mm的宽度，稍大于1mm×1mm的LED发光面积(从而精确地拟合单个二次型LED)，并且长度为大约9.0mm，略大于单个矩形LED框架410。此外，单个矩形CPC 1214具有出口开口1214，出口开口1214的宽度为大约12mm，长度为大约32mm。对于图5中的中空CPC，壁厚在0.2mm至1mm的范围内，例如0.4mm。因此，相邻CPC的位移间距1216,1218是出口开口的长度/宽度加上两倍的壁厚，对应于CPC的物理延伸。

矩形CPC 1214具有漏斗状形状，并且由四个抛物面反射表面形成，每个抛物面反射表面根据图3所示呈一维弯曲。内表面是例如金属铝片的镜面，并且是高反射性的。相对的内表面形成为相同的抛物面形状，以在出口开口1214处提供例如30°(横跨其长度)和10°(横跨其宽度)的总角展度。

图5进一步示出了具有第一安装板1280、第二安装板1282和距离保持杆1284的安装结构，其组合可确保CPC 1210的适当对准。具体来说，第一安装板1280包括定位开口1286，其形状对应于CPC装置在出口侧的圆周线。第二安装板1282包括用于每个CPC的单独定位开口1288，其形状对应于与其入口开口相距一定距离的单个CPC 1210的圆周线。

通过距离保持杆1284实现第一安装板1260和第二安装板1262相对于彼此的准确对准。具体来说，多个相同的CPC1210首先定位在(例如胶合到)第一安装板1280的定位开口1286。然后，具有单独定位开口1288的第二安装板1282覆盖至(例如胶合到)CPC1210上。最后，安装板通过距离保持杆1284以固定角度和距离彼此附接。

在一些实施例中，CPC与第一安装板1260对准，然后例如通过粘胶彼此附接以及与第一安装板1260附接。因此，可以不需要第二安装板1262。

准直单元1200允许在光束离开准直单元1200时将光束特性(特别是其横截面形状及其发散度)与光束的形状解耦。

在本情况下，CPC 1210产生相同的“单位光束”，所述“单位光束”具有以CPC的尺寸相对于彼此移位的矩形横截面。该移位与远场中的光束相比较小，使得基本上所有的光束彼此交叠以形成矩形远场照明。在实践中，单位光束融合成具有与单个单位光束相同的矩形横截面和相同发散度的一个复合光束。因此，图4和图5所示的实施例允许在垂直于复合光束本身的轴的平面中产生具有截面的复合光束，并且与光源2形成所需的距离，光源2为具有所需面积和形状的矩形。

此外，图4和图5所示的光源能够产生具有发光表面的光源，该发光表面可以具有任何形状，例如圆形或椭圆形。出口开口的尺寸决定了阶梯状改性圆周。虽然鉴于光束的高亮度，一些掩模可以用于去除圆周线的那些仍然存在的台阶，但是当观察准直单元1200时，观察者通常不会注意到这些台阶，使得可能不需要掩模，并且不需要引入由于阻挡光束而造成的损耗。

可以使用其他形状和类型的反射聚光器。一般来说，CPC可以是如上所述的中空CPC和全内反射CPC。

在一些实施例中，方形发光区域与具有正方形输入孔和正方形输出孔特征的对应的方型CPC进行组合。以这种方式，每个发光装置产生方形光束，其可以在两个正交方向上具有相同的发散度。

在一些实施例中，圆形发光区域与圆形类型的相应CPC组合，其具有圆形输入孔和圆形输出孔。在这种情况下，CPC产生具有圆对称性的光束。

图6示出了圆形CPC 1290的布置，其中在相邻的圆形CPC 1290之间具有距离1292。由于圆形几何形状，在(三个)CPC 1290之间的暗区1260的延伸大于壁厚的两倍，这将影响均化单元300的定位，这在下文将更清楚地说明。此外，与紧凑安装的矩形CPC相比，由于输出孔具有(较大的)非发光暗区的部分，因此整体集光率将减小。

此外，在反射系统包括具有圆形抛物面形状的镜子的情况下，使用圆形光束源是有利的。在这种情况下，光源2可以由单个圆形CPC制成，其耦合到圆形LED组件，该技术方案能够获得圆形近场。

如上所述，尽管光源2的出射孔为圆形外观(即圆形近场)，所公开的实施例仍能够在远场中实现矩形投影。此外，CPC能够使得LED光在准直之后仍(几乎)最大程度地保持其亮度。

另外，期望在远场中投影的平顶点的较大的均匀性(在亮度方面，在一些情况下在颜色方面)。然而，该CPC布置确实投射分立的LED光源，使得观察者可以看到亮度/颜色的相应的不均匀性。例如，当从侧面观看CPC结构时，人们总是会看到CPC的一侧。由于LED框架，由于LED框架对侧面的直接照明而在其间具有较少的照明区域，因此人们将看到亮度(外观)的条纹状结构/调制。这导致了CPC输出孔上的网格状结构。此外，特别是对于中空CPC，需要产生暗区域260的最小壁厚，如图3所示。暗区使得网格状结构更明显。

因此，仍然可以改善在没有均化单元300的情况下在出口孔处的均匀性。值得注意的是，对于高亮度投影仪，光源的视觉外观的利害关系不大或几乎无关紧要，因为仅远场投射光能够被观察到。因此，模仿太阳的均匀、完全闪光的圆盘的感知是阳光模仿照明系统的特有方面。均化单元300被配置为去除或至少减少穿过输出孔的损耗和亮度调制。

在下文中，基于微透镜阵列的FEC 310被描述为图3、6和7所示配对的透镜配置的示例。

FEC 310是由一对透镜阵列1312、1314组成的光学系统，所述透镜阵列1312、1314相对于彼此位于焦距处(介质内部)。这里，第一阵列1312的第一透镜1322和第二阵列1314的第二透镜1324所组成的对组被称为小透镜1320。

图7示出了五个小透镜1320的一个系列。每个小透镜的第一透镜将每个平面波分量聚焦到第二透镜的表面。特别地，光在对于平面波传播方向特定的横向(xy)位置聚焦。图3以及图6示出了三个示例性的平面波传播方向。图3示出了沿着0°以及沿着±θ的传播方向，图7示出了0°以及两个“小于”±θ的入射角。

如图3所示，对应于沿0°传播的光束部分的平面波1330将集中地聚焦在第二透镜(焦点1332)上。来自左侧的平面波1340将聚焦在右侧(焦点1342)，并且来自右侧的平面波1350将聚焦在左侧(焦点1352)。在近场中，当FEC位于光源的近场(但不是太靠近...)时，每个小透镜1320被CPC的总角展范围内(|传播角|<θ_CPC)的所有传播方向照射。

当第一透镜(几乎)均匀地被照射时，第二透镜在远场中产生第一透镜的图像(例如，矩形透镜光孔的矩形)。换句话说，每个小透镜再合成照在其上的光，使得第一透镜中的一个点被成像(映射到)远场中的特定位置。换句话说，远场中的每个点是由第一透镜上的每个被照亮的点所促成。这由从图7中的每个焦点所发出的光线的束1334、1344、1354表示。

FEC 310的小透镜1320与由透镜焦距和透镜孔径所确定的接收角相关联。在两个透镜的焦距相同并且透镜位于相等距离e＝fn的情况下，FEC 310的输出发散度(也称为接收角)与单透镜的孔径a除以焦距f的值成正比。

换句话说，FEC接收角β对应于(半)输出角，并且通过公式β～a/(2f)与微透镜阵列的几何结构相关联，如图3所示，a是透镜的(全)孔径(线性尺寸)，f是焦距(在空气中；层的厚度为nf，n是小透镜的平均折射率)。该公式适用于小角度，而对于接收半角>5°至10°，则需要高阶校正。

当观察输出光孔时，FEC 310的外观与CPC 210的接收角θ_CPC和FEC 310的接收角β_FEC之间的匹配情况相关。

如果入射到第一阵列上的光束的(输入)孔径角θ_CPC远小于小透镜的接收角β_FEC，则仅第二阵列的中心部分将接收和传播光。因此，当观察FEC时，对应于这些点的发光小区域的网格将是可见的(仅通过这些点从第二阵列发射光)。

然而，当(输入)孔径角θ_CPC与接收角β_FEC相匹配(或至少接近)时，整个第二阵列透镜接收来自第一阵列的光。然后，当观看FEC时，感知到完全闪光的对象。在一些实施例中，CPC和FEC的角度被精确地匹配，从而以FEC本身的接收角向FEC馈送。

一般来说，如果(输入)孔径角θ_CPC与接收角β_FEC匹配，则该对象的外观仅取决于第一阵列的水平处的亮度分布。

具体地，由于LED阵列的离散化和调整的CPC几何结构(即，CPC不与LED源直接接触)所产生的的任何结构可以通过由FEC 310再合成被清除(或至少减少)。

出于完整性考虑，以大于接收角β_FEC的角度照射到第一透镜上的光线被引导到第二层的相邻透镜(而不是对应的小透镜的透镜)，从而在远场中产生不同的阶(order)(即透镜图像的克隆)。这种效应被称为FEC小透镜之间的串扰，并且可能导致暗盒内的背景照明。

图8示出了FEC 1310与CPC 1210的组合。CPC 1210分别在x方向和y方向上提供10°和30°的光束发散度。为了在x和y方向上提供完全闪光的照明，FEC 1310包括矩形小透镜1360，其尺寸适于输出CPC光束的相应的输入总角展。具体地，10°和30°的输出发散度决定了在例如a_x＝0.7mm和a_y＝2mm和厚度约为e＝5mm时的小透镜的矩形形状。

如上所述，提供光源2的连续照明输出光孔的目标由FEC 310与CPC 210的匹配发散度所支持。然而，需要FEC 210的连续照明，因为未照亮的小透镜1360将不会发射任何光。

为此，均化单元300，特别是FEC 310，位于准直单元200的出口开口214后面一定距离D_CPC-FEC处。因此，由于各个CPC光束的发散，由CPC210的壁所产生的暗区260导致了深度减小(减小的对比度)的阴影样区域的形成，并且基本上可能不再作为阴影样区域存在于光束上，因此也不会存在于FEC310的小透镜上。发明人认识到，为实现FEC310的高度均匀照明的输出光孔，出口开口214和FEC 310之间的最小距离是必须的。光束发散度越小，需要的距离D_CPC-FEC越大。这同样适用于FEC的接收角，在这种情况下，其基本上对应于来自CPC的光束发散(半角)。因此，尽管附加距离随着光束变宽而降低亮度，但是亮度的均匀性增加。

换句话说，微透镜阵列的每个入口微透镜接收光束的近场的一部分(即入口透镜的照明)，并通过用出口微透镜将其成像而将其投射在远场中。CPC的角展度和微透镜阵列的角展度之间的匹配减少了微透镜阵列的视觉外观的损耗(depletions)。如果CPC的角孔径小于微透镜阵列的角孔径，则出射孔看起来不完全闪光，并且在微透镜上出现亮度损耗。该调制将随后导致网格、损坏太阳外观的结构、以及在被照明物体的半阴影中的多个阴影。使用本文公开的光学系统，入口箔的热点和CPC入口(入口开口)处的颜色调制可以最终得到平衡。

为了提供完全闪光的输出孔径，CPC和FEC接收角的匹配可以选择为使得第二透镜阵列表面的至少70％、至少90％、至少85％、至少95％或甚至100％被照亮。类似地，相邻微透镜的高达10％或高达5％可以被照亮，同时仍然具有可接受的输出孔径的均匀外观。

对于不具有任何暗区的CPC布置，可以不给出对于最小距离的上述要求。然而，如上所述，引入微透镜阵列和CPC出口开口之间的最小距离将进一步减少或甚至克服由暗区引起的结构，或者将借助于例如由于LED离散化的传播残余近场结构(在颜色和亮度两者上)而被抹去。

关于角孔径的匹配，建议选择0.90β_FEC≤θ_CPC≤1.10β_FEC。这将例如适用于10°和30°的发散度。在一些实施例中，以下的比率是可接受的：θ_CPC(30°)/β_FEC(30°)＝1.05和θ_CPC(10°)/β_FEC(10°)＝0.90。在一些实施例中，甚至更大的失配在原则上也是可能的，例如0.85β_FEC≤θ_CPC≤1.15β_FEC。

CPC和FEC的可选偏差，对于较小角度例如为7°至20°的范围内，对于较大角度例如为15°至50°。

对于介电CPC(而不是中空CPC)，至少原则上可以生产许多单个电介质CPC并将它们组装在没有分隔壁的阵列中。因此，最小距离可能不是必需的，或者它可能由在过渡区域中由制造过程引起的非理想因素而导致。

如上所述，虽然在CPC和FEC之间引入了一些距离，但是在CPC的紧邻下游没有使用透镜而不插入额外的影响光束的面。因此，稍微减小了最终平均亮度，但获得了用于FEC的更好的输入。

关于最小距离，基于θ_CPC和暗区的延伸来估计为了确保细光束的重叠形成相邻CPC，最小距离D_min为p/(2tan(θ_CPC))，其中p是暗区的延伸，通常在最小发散的方向上，这支配暗区的效应。对于较大的距离，FEC原则上接收没有强的暗网格或者强的暗的网格显着地和逐渐地减少的照明。

对于具有约0.8mm(对应于0.4mm的反射铝双金属箔的壁厚度)和最小发散度为10°的暗区(在CPC的出口侧)的中空矩形CPC，黑色线(壁的栅格状“阴影”)的外观被估计为在10mm至30mm的范围内的距离处消失。10mm的理论最小估计值指示两个相邻光束之间的重叠开始的位置。为了较好地消除感知到的暗网格，应当应用最小距离，例如至少两倍于所述最小长度，例如至少25mm或至少30mm。然而，选择的距离越长，亮度的降低就越多。

对于具有圆形CPC的实施例，具有六边形形状的小透镜的FEC配置可以提供六边形远场，基本上近似圆形远场。

图9示出了光学系统2A，其包括在安装状态下并且附接到FEC 1410上的图5所示的准直单元1200。FEC 1410经由框架支架1420和分离器1430安装在与准直单元1200的CPC的出口开口相距预定距离(大于最小距离D_min)处。FEC 1410可以由将透镜结构成形在圆形区域中的模具制成。

为了进一步避免出口孔中的重复结构，小透镜和出口开口的尺寸选择为使得在相邻CPC之间存在位置偏移，例如，小透镜的长度不是CPC的长度(包括壁厚度)的整数。

如图1所示，窗口状单元6由例如在出口孔和窗口状单元6之间具有至多一个折叠镜子系统的光源2照明。如上面关于照明系统所讨论的，漫射光发生器20例如成形为诸如平行六面体板的板。特别地，该板可以由两个平行的表面限定并且可以是薄的，其沿着垂直于表面的方向测量的厚度的平方值不大于该表面面积的5％，例如不大于其1％。

窗口状单元6可以是瑞利面板，其基本上不吸收可见光范围内的光，并且使蓝色波长范围(约450nm)内的光的漫射效率至少是红色波长范围(约650nm)的光的漫射效率的1.2倍，例如至少1.4倍，例如至少1.6倍，其中漫射效率由漫射光辐射功率与入射光辐射功率之间的比率而确定。

在一些实施例中，漫射光发生器20包括第一材料(例如具有优异光学透明度的树脂或塑料)的固体基质，其中散布有第二材料(例如无机氧化物，如ZnO,TiO₂,ZrO₂,SiO₂,Al₂O₃)的纳米颗粒。第二材料的折射率不同于第一材料的折射率。优选地，第一材料和第二材料基本上不吸收可见波长范围内的电磁辐射。

此外，漫射光发生器20可以是均匀的，对于漫射光发生器20的给定的任意一点，漫射光发生器20在该点的物理特性不取决于该点的位置。此外，漫射光发生器20可以是单体机构。

在一些实施方案中，球形或其他形状的纳米颗粒可以是单分散的和/或具有在[5nm-350nm]范围内的有效直径D，例如[10nm-250nm]，或甚至[40nm-180nm]或[60nm-150nm]，其中有效直径D是由纳米粒子的直径乘以第一材料的折射率而确定。

此外，纳米颗粒以这样的方式分布在漫射光发生器20内，使得它们的面密度，即每平方米的纳米颗粒的数目N，即由漫射光发生器20表面的面积为1m²的一部分所界定的体积元素内的纳米颗粒的数目，满足条件N≥Nmin，其中：

其中ν是等于1米⁶的量纲常数，N min表示为数量/米²，有效直径D以米表示，并且其中m等于第二材料的折射率与第一材料的折射率的比率。

在一些实施方案中，纳米颗粒至少就面密度而言是均匀分布的，即，在漫射光发生器20上的面密度基本上是均匀的，但是在整个漫射光发生器20上的纳米颗粒分布可以是变化的。面密度的变化例如小于平均面密度的5％。面密度在这里旨在作为在大于0.25mm²的区域上限定的量。

在一些实施例中，面密度发生变化，以便补偿由光源2照亮的漫射光发生器20上的照明差异。例如，点(x,y)处的面密度N(x,y)可以通过方程式N(x,y)＝Nav*Iav/I(x,y)±5％与在点(x,y)处的光源2所产生的亮度I(x,y)相关，Nav和Iav是平均亮度和面密度，这些后面的量在漫射光发生器20的表面上是平均的。在这种情况下，漫射光发生器20的亮度可以被均衡，尽管光源2在漫射光发生器20上的亮度分布存在不均匀性。在此上下文中，亮度(luminance)是以给定方向从表面发射(或落在表面上)的光束在从该给定方向上观看时的该表面的每单位投影面积和每单位立体角的光通量，例如在标准ASTM(美国试验和材料协会)E284-09a中所记录的。

在小D和低体积分数(即厚板)的极限中，面密度N≈Nmin预期产生约5％的散射效率。随着每单位面积的纳米颗粒的数量变得更多，该散射效率预期与N成比例地增长，直到发生多次散射或干涉(在高体积分数的情况下)，这可能损害颜色质量。因此，通过寻求散射效率和期望颜色之间的折衷来进行纳米颗粒数量的选择，如EP 2 304 478 A1中详细描述的。此外，随着纳米颗粒的尺寸变大，前向光通量与后向光通量的比率增加，这样的比率等于瑞利极限中的一个。此外，随着比率增加，前向散射锥的孔径变小。因此，通过寻求在具有以大角度散射的光和最小化向后散射光通量之间的折衷来进行比率的选择。然而，以本身已知的方式，可以在漫射光发生器20上沉积抗反射层(未示出)，目的是使反射最小化；通过这样做，照明系统1的发光效率提高，并且从房间30中的观察者来说漫射光发生器20(作为物理元件)的可见度降低。

在一些实施方案中，纳米颗粒可以不具有球形形状；在这种情况下，有效直径D可以定义为等效球形颗粒的有效直径，即具有与前述纳米颗粒相同体积的球形颗粒的有效直径。

此外，在一些实施方案中，纳米颗粒是多分散的，即它们的有效直径由分布N(D)表征。这样的分布描述了在有效直径D附近的每个面单元和有效直径的单位间隔的纳米颗粒的数量(即，每个面单元当中的具有D1和D2之间有效直径的纳米颗粒的数量等于这些有效直径可以是在[5nm-350nm]的范围内，即在该范围内的分布可以是非零的。在这种情况下，考虑到散射效率近似地(即在小颗粒的极限下)以纳米颗粒直径的六次方增长，多分散分布近似地表现为单分散分布，其典型的直径D’eff定义为：

其中

N＝∫N(D)dD

D’eff可以选择为使得其位于[5nm-350nm]、优选[10nm-250nm]、更优选[40nm-180nm]、还更优选[60nm-150nm]的范围内。

在一些实施例中，窗口状单元6可以包括由光源2照亮的色镜。因此，光束3的反射与散射效应组合。该色镜可以包括镜面和在镜面前面的漫射层。该漫射层可以用作上述用于透射构造的瑞利漫射器。例如，该漫射层相对于入射光的长波长分量优先地散射入射光的短波长分量。例如，该色镜可以基于玻璃镜、塑料镜或金属镜。

在一些实施例中，当光源2的最大亮度大于0.1*10⁶cd/m²时(例如至少1*10⁶cd/m²或至少5*10⁶cd/m²或以上)，照明的自然质量改善。对于那些值，事实上，光源2产生足够的眩光以使光源本身难以被看到，从而防止观察者通过眼睛聚焦的机制评估光源的距离。这些亮度值有助于获得无限的穿透效果。此外，眩光使得难以检测光源2的亮度分布中的可能的不均匀性，因此使得难以检测光源2的图像和真实太阳的图像之间的差异。

在一些实施例中，出射孔接近圆形，由观察者感知的第一光源2的图像仍然是圆形的，因为该光学系统不扭曲图像。在一些实施例中，该窗口状单元具有例如由具有圆形发散的光束照射的椭圆形状。然而，其它形状也是可能的，例如细长形状。在一些实施例中，折叠式镜子可以成形为具有圆柱对称性的抛物面的一部分。

每当反射系统包括具有圆柱对称性的至少一个抛物面时，出射孔可近似为椭圆形状，使得沿着正交轴引入的不同放大率被补偿，从而在观察者的视网膜上产生圆形光斑。

在这里已经描述了高质量高亮度光源在室内照明领域中的应用。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，也可以利用该照明光源执行外部照明。类似地，该光源也可以应用于投影系统，特别是高亮度的投影系统，其例如被配置用于对诸如艺术品和绘画等的矩形目标进行均匀照明。

虽然本文已经描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以包括各种改进和修改。