用于模拟自然照明的人工照明系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人工照明系统。具体地，本发明涉及一种模拟自然照明的人工照 明系统。这种照明系统可以照亮它所在的房间，效果与在打开另一边有蓝天和太阳的光阑 的情况下在相同房间内发生的效果非常类似。
【背景技术】
[0002] 目前已知的是提供了多种针对封闭环境（"室内"）的人工照明系统，这些系统的目 的在于改善用户感受到的视觉舒适性。具体地，模拟自然照明（即，在开放环境（"室外"） 中可获得的照明类型）的照明系统是已知的。室外照明的熟知特性取决于由太阳产生的光 线与地球大气之间的相互作用。
[0003] 在由本发明人提出的待审欧洲专利申请EP 2304480中，描述了一种包括以产生 可见光为目标的光源以及含有纳米粒子的面板的照明系统。使用时，该面板接收来自光源 的光线，用作所谓的瑞利漫射器，即，它以类似于在晴空条件下的地面大气的方式来漫射光 线。
[0004] 在本发明人提交的待审欧洲专利申请EP2304478中描述了关于和待审专利 EP2304480相同的面板的附加详情。此外，待审专利申请EP 2304480描述了多种面板的实 施例以及面板和光源相对彼此的多种排列，目的在于模拟自然照明的多种条件，例如，在晴 空下并且i)太阳在最高点或ii)太阳靠近地平线的情况下，自然界中发生的照明条件。
[0005] 在专利申请EP 2304480中所述的照明系统模拟自然照明，这是由于它在周围环 境中产生相关色温（"CCT"）较低的直接光线，模仿阳光并在存在被照亮物体的情况下产生 阴影；此外，在专利申请EP 2304480中所述的照明系统模拟自然照明，这是由于它投射CCT 较高的漫射光线，模仿天光并产生具有略带蓝色的阴影。尽管如此，这种照明系统不能完美 地再现当存在面向天空的窗口时观察者感受到的透视效果。具体地，这种照明系统无法引 起观看者感受无限视场深度的视觉感知。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的目的在于提供一种至少能够部分地解决已知的现有技术限制的照 明系统。
[0007] 本发明提供了一种如独立权利要求所述的人工照明系统，从属权利要求记载了有 利的可能实现方案。
【附图说明】
[0008] 为了更好地理解本发明，这里参考附图，仅作为非限制性示例描述多种实施例，其 中：
[0009] -图1、2和7示出了本照明系统的实施例的示意横截面；
[0010]-图3示出了与本照明系统不同的可能照明系统的示意横截面；
[0011] -图4a和4b示意性地示出了光源的透视图；
[0012] -图5a、6和8示意性地示出了本照明系统的多个部分的透视图；
[0013] -图5b示出了图5a所示的照明系统的部分所包括的反射元件的横截面；
[0014] -图9a和10示出了光源的透视图；
[0015] -图9b不出了图9a所不的光源的一部分的横截面；
[0016] -图11示出了本照明系统的实施例的一部分的横截面；以及
[0017] -图12-15示出了本照明系统的其它实施例的多个部分的示意横截面。
[0018] 一般而言，申请人注意到观察者评估物体距离（从而评估构成三维场景的视场深 度）的能力是基于与聚焦、双眼会聚、双眼像差、运动像差、亮度、尺寸、对比度、空间透视等 相关的多个生理和心理机制。根据观察条件（例如，观察者是移动的或静止的，用一只眼或 两只眼观看等）以及场景的特性，一些机制可能变得比其它机制更重要，其中场景的特性 取决于例如是否存在已知尺寸、距离或亮度的物体用作评估场景中被观察的元素的距离的 参考。
[0019] 具体地，发明人注意到，如果围绕投影仪的背景是黑的并且是均匀的，则当投影仪 的距离大于5米（优选地，7米）时，通过窗口观看该投影仪的观察者将失去估计投影仪有 多远的能力。当遇到这种情况时，观察者无法确定到投影仪的距离。由于i)难以对闪耀光 源准确聚焦，阻止了观察者使用聚焦机制来估计物体的距离；并且ii)当物体超过5米远 (优选地，7米）时，双眼会聚很难难以有效地用于距离估计，从而丧失估计距离的能力；此 外，由于受到缺少其他参考点的抑制，在高距离情况下通常有效并且是高效的其他心理机 制失效，因此，丧失了估计能力。
[0020] 申请人还注意到，当瑞利漫射面板夹在观察者和投影仪之间时（后者被黑色、均 匀背景围绕），导致观察者几乎感觉到该投影仪在与他相距无穷距离处。更具体地，每当观 察者通过瑞利漫射面板观看投影仪时，获得在无穷距离处的感知效果，其中投影仪完全并 均匀地照亮该瑞利漫射面板，实际投影仪与观察者距离为至少5米（优选地，7米）。这种 效果可以解释为所谓的"空间透视"（由瑞利漫射面板引起的感知机制）的结果。实际上， 由瑞利漫射面板散射的光的颜色和强度几乎与天光的对应颜色和强度相同，其中相对透射 光的强度评估强度。具体地，所谓的空间透视机制涉及夹在任何物体和观察者之间的空气 层的存在；这种空气层的颜色和亮度影响估计物体与观察者的距离；由观察者感知的对象 处于该空气层的后方；这种机制在大距离时较为明显，或广义地，当用于距离评估的其它心 理与生理机制受到抑制或效率不足时较为明显。
[0021] 申请人还注意到，观察者感知到由瑞利漫射面板发出的光线仿佛来自几乎无限远 的距离，只要发光点在观察者的视场内。这种效果可能是由于瑞利漫射面板用作发光辐射 的次级光源，观察者可能因为空间发光辐射本身的均匀性较高且不提供任何可观看的视觉 参考点，因而难以估计他与这种发光辐射的发射面板的距离。因此，在（物理）距离为5米 (优选地，7米）的视场中存在投影仪通过将瑞利漫射面板的估计位置"拖拽"到双目会聚的 距离感知阈值之外，而影响对整个场景的视场深度的估计。这种效果与投影仪的亮度相关， 实际上，除了瑞利漫射面板，投影仪本身是观察者感知的唯一空间位置元件。基本上，当观 看瑞利漫射面板时，投影仪迫使观察者的眼睛定位为仿佛它们在观看非常遥远的对象。通 过这种眼睛的定位使得产生如下感觉：视场中心的对象（即瑞利漫射面板发出的光）相较 于瑞利漫射面板本身的实际位置要远得多。此外，如下事实有利于将漫射光源感知为处于 远离观察者的位置处的效果：由瑞利漫射面板散射的光与典型的天光具有相同颜色和亮度 (相较于透射光）。由于上述空间透视的机制，这种效果是特别有效的，从而使得将投影仪 感知在几乎无限远距离处。申请人还注意到，不管通过瑞利漫射面板的观察方向如何，都会 产生视觉感知无限视场深度的效果（以下称作"突破效果"）。
[0022] 此外，申请人还注意到，如果投影仪在视场外部，则单独的空间感知无法实现理想 的突破效果，这是由于其他生理与心理机制（例如对瑞利漫射面板的划痕或边界的聚焦） 将会占据优势。
[0023] 此外，申请人还注意到，每当将投影仪放置在紧邻瑞利漫射面板的位置处时，例 如，如果没有将其虚像移远的任何反射镜或透镜，则将削弱上述突破效果。实际上，在这种 情况下，观察者可以方便地估计投影仪距离，这样尽管空间透视起作用，然而整个场景的视 场深度将受到限制。类似地，申请人还注意到，只要投影仪不是被黑色、均匀背景围绕，就会 削弱上述突破效果。实际上，尽快空间透视起作用，但观察者可以确定与除了黑色且均匀背 景之外的背景的距离，从而限制整个场景的视场深度。
【具体实施方式】
[0024] 如上所述，图1示出了人工照明系统1，从现在开始被简称作照明系统1。
[0025] 具体地，照明系统1包括第一光源2,优选地，为定向光源，设计为以小于4 π sr的 发射立体角发光。此外，第一光源2在光谱的可见光区域内发光，也就是具有400nm到700nm 的波长。此外，第一光源2发射光谱Δ λ宽度优选为高于IOOnm(更优选地，高于170nm) 的光（可见电磁辐射）。光谱宽度△ λ可以被定义为第一光源的波长谱的标准差。
[0026] 照明系统1还包括第一漫射面板4,其形状例如为平行六面体。具体地，第一漫射 面板4具有彼此平行的第一表面S 1和第二表面S 2;优选地，第一漫射面板4较薄，即，沿垂 直于第一和第二表面Sp S2的方向测量的厚度w的平方值不高于第一和第二表面S i、&的 面积的5%，优选地，1%。
[0027] 更具体地，在图1所示的实施例中，第一漫射面板4操作为所谓的瑞利漫射器，即， 作为本质上不吸收可见光范围内的光并且相对入射光的长波长分量更高效地漫射短波长 的面板，例如，本质上不吸收可见光范围内的光并且相较于波长=650m的光线（红光），以 至少1. 2倍（优选地至少1. 4倍，更优选地至少1. 6倍）更高效地漫射波长=450nm的光 线（蓝光），其中通过漫射光辐射功率相对入射光辐射功率的比值来给出漫射效率。相同申 请人的专利申请EP 2304478中还详细描述了类瑞利漫射器的光学特性和微观特性。以下 还提供了微观特性的进一步描述。
[0028] 在图1所示的实施例中，第一光源2与第一漫射面板4垂直对准，即，第一光源2沿 着H轴摆放，H轴垂直于第一和第二表面S n S2并穿过第一和第二表面S i、S2的质心（图1 中，第一表面S1的质心表示为0)。一般情况下，除了明确描述，否则在本说明书中，术语"质 心"意味它的几何意义，而不是它的物理意义（质量的中心），因此，还可以将其应用于平面 表面，以及应用于具有基本无穷小厚度的物体。因此，术语"质心"必须表示"几何中心"或 "形心"，假设物体（或表面）具有无限小厚度，则质心与在假设物体具有均匀密度（精确地， 无限小厚度）的情况下计算出的质量中心相一致。此外，第一光源2照射整个第一漫射面 板4。然而，如下所述，将第一光源2布置为相对第一和第二表面Sp S2的质心离轴的实施 例也是可能的。
[0029] 照明系统1被光学耦接到例如形状为平行六面体并被下壁P1、上壁P2和四个侧壁 P1限定的房间6的环境。具体而不失一般性地，假定上壁P 2具有腔体8,从上方看，腔体8 与第一漫射面板4具有相同形状，并完全被后者填满。在任何情况下，本发明不限于腔体8 的形状和/或布置；例如，根据另一实施例（未示出），腔体可以被形成在侧壁中。此外，本 发明不限于在室内空间使用；因此，将照明设备1用作在夜间用于室外模拟白天照明的系 统的实施例也是有可能的。因此，照明系统1可以被耦接到室外环境，即，等同于壁是黑色 或壁被布置为处于无限远的房间的环境。
[0030] 照明系统1包括支撑元件10,支撑元件10连同第一漫射面板4的第一表面SJg 定位于房间6外部的外部空间V ;第一光源2布置在外部空间V中。尽管未示出，以如下方 式将支撑元件10机械耦接到房间6的实施例也是有可能的：该方式还通过房间6的壁（例 如，上壁P 2)至少部分地限定外部空间V。
[0031] 将由能够吸收入射发光辐射的材料制成的内层12内部涂覆在支撑元件10上；这 种材料例如是黑色的并且可见光范围内的吸收系数高于70% (优选地高于90%，最优选地 高于95%，甚至更优选地高于97% )。内层12用于吸收例如直接来自第一光源2的、或来 自第一漫射面板4的反射和/或散射过程的、或穿过第一漫射面板4来自房间6的入射辐 射。优选地，空间V在它的整个内部涂覆有内层12,除了第一漫射面板4的第一表面&之 外。换言之，支撑元件10和内层12限定了一种黑盒（或暗室），其中术语"黑"表示光照极 少的情况和/或吸收光的能力，从而无法看到该盒，如下文所述；因此，在以下描述中，还将 使用术语"黑盒10"。光线仅可以穿过第一漫射面板4进入/射出黑盒。
[0032] 再次参考第一漫射面板4,假设由与第一漫射面板4距离较远的CIE(国际照明委 员会）D65标准发光点源产生光束（因此，该光束由彼此平行的光线构成）并且该光束垂直 入射到第一表面S 1，第一漫射面板4将该光束分为四个分量，具体包括：
[0033] -透射分量，由穿过第一漫射面板4并且没有经历明显偏移的光线形成，即，由经 历的偏移小于〇. Γ的光线形成，其光通量是入射在第一漫射面板4上的全部光通量的一 部分τ
[0034] -前向漫射分量，由沿分布在与第二表面&垂直的方向周围（除了该垂直方向和 与该垂直方向的角度偏差小于0.Γ的方向之外）的方向射出第二表面S 2的光线形成，其 光通量是入射在第一漫射面板4上的全部光通量的一部分τ _tt_d;
[0035] -后向漫射分量，由沿分布在与第一表面31垂直的方向周围（除了该垂直方向和 与该垂直方向的角度偏差小于0.Γ的方向之外）的方向射出第一表面S 1的光线形成，其 光通量是入射在第一漫射面板4上的全部光通量的一部分P SMtteed;以及
[0036] -反射分量，由沿第一表面S1的反射角方向（例如，此处为垂直的，或与垂直方向 相差小于0.Γ的角度）从第一表面Sji出或出发的光线形成，其光通量是入射在第一漫 射面板4上的全部光通量的一部分P dirac;t。
[0037] 如上所述，第一漫射面板4的光学特性如下：
[00