光谱可控光阀的制作方法

来自太阳的光可能是用于光照的最便宜并且最可获得的日光源，并且大多数建筑物具有使太阳光或光从外部环境传到建筑物内部中的窗户。通常使用窗帘、百叶窗和其它遮光帘调节进入到环境的太阳光的量。然而，当前的窗户和窗户控制的能力是有限的。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，光照系统可以采用在窗户或其它光通路中的电子光阀或其它电可控设备，以接收诸如自然太阳光的外部光，并调制所接收的光以控制环境的光照的空间、定向、角度、时间、或光谱变化。在一种具体配置中，光阀可以包括具有与在液晶显示器(LCD)或反射显示器技术中发现的结构类似的结构的面板。光阀可以具体地被部署为在窗户、天窗、或其它通道上或附近，该窗户、天窗、或其它通道使光从一个环境传到另一个环境中，例如，从外部环境到内部环境或其它至少部分遮蔽的环境。光阀可以结合控制系统一起操作，控制系统诸如解释光控制信息以控制透射通过光阀的光的空间、时间和光谱特性的通用计算机或专用硬件。控制信息可以采取可以被本地存储或流化到控制系统或光阀的流明(lumen)脚本的形式。

一个具体的实施方式是用于对环境照明的系统。该系统包括光阀，以独立地调制来自诸如太阳的光源的若干波长带透射穿过光阀并进入到系统进行照明的环境中。该控制系统可以操作光阀，以控制透射通过光阀的光的光谱分布，并且由此来控制环境的照明。

附图说明

图1示出了使用外部光源来对内部环境进行光照的系统的实施方式。

图2示出了光阀系统的实施方式。

图3示意性示出了根据使用堆叠的光谱过滤器的实施方式的光阀。

图4示意性示出了根据使用横向分布的光谱过滤器的实施方式的光阀。

图5A和5B示出了采用人造光源和光阀来改变环境的照明的光谱、时间、角度、或空间分布的照明设备的实施方式。

附图为了说明的目的示出了示例，且不是发明本身。在不同附图中使用相同的参考符号指示相似或相同的项。

具体实施方式

光照系统可以采用诸如太阳的外部光源，并且向内部或遮蔽环境提供具有根据照明数据而控制的空间、角度、时间、或光谱变化的光照或照明，在这里照明数据有时被称为脚本(script)。图1示出了向内部环境112和116提供光照或照明的系统100的示例，该内部环境112和116可以是在建筑物110内部的房间、隔间、或其它空间。内部环境112可以包括直接从建筑物110外部接收光的建筑部分，例如，具有窗户、门、或天窗的房间，内部环境116可以包括间接接收穿过建筑物110的居间(intervening)隔间的外部光的建筑部分。建筑物110可以例如是住宅、商店、办公建筑物、医疗机构、医院、仓库、或任何其它建筑物。环境112和116可以例如是内部空间，诸如建筑物110的房间、阁楼、地下室、整个内部，或者例如是通过建筑物110的墙、天花板、或地板分隔开的任何隔间。

建筑物110外部的环境包括一个或多个外部光源120。在这里所描述的示例中，外部光源120是日光，其可以包括：直接来自太阳的太阳光；由空气散射的太阳光，例如，蓝天；由其它气象现象散射的太阳光，例如由云散射的；或由其它自然或人造物体散射或反射的太阳光，例如来自月亮、山脉和水体。大多数时候，太阳产生具有宽光谱和高强度的光，但是在这里总称为光122的入射光122A、122B、122C和122D取决于诸如日时间和外部环境中的条件的因素而变化。具体地，光122可以包括太阳光，太阳光通常包括来自太阳的方向的明亮的、几乎准直(collimated)的光和来自天空中其它方向的漫射(diffuse)光。此外，太阳光可以由诸如云的气象条件、由诸如白雪覆盖或森林覆盖的山脉、水体或其它地形的自然特征、或由诸如相邻建筑物或其它结构的人造特征散射、反射、或过滤。图1示出包括例如太阳跟踪架上的镜子的光收集系统128的示例，其反射或以其它方式收集太阳光以增加可用于内部光照的入射光122的量。因此，入射光122的方向、顶点的角度分布、和空间分布可以变化。入射光122的光谱组成也可以变化。例如，日光一般随方向和时间变化。具体地，漫射日光通常具有比直射太阳光更高的色温。

日光是入射光122的免费且高品质的照明源，且在这里将太阳描述为可以提供内部光照的外部光源120的主要示例。然而，恰好在外部环境中的诸如月亮、星星、或人造光源的其它的外部光源120可以替代地可用、或者可以贡献入射光122A、122B、122C和122D。

建筑物110包括一个或多个主动的(active)光通路130，诸如从外部源120将光122传递到内部环境112的窗户、门、天窗、或其它光通路。在图1的示例中，实施例建筑物110包括建筑物110向阳侧的窗户130A和天窗130B以及建筑物110背阴侧的窗户130C和天窗130D。窗户130A和130C以及天窗130B和130D可以占据例如几十厘米至一米到多米的量级的宽度或高度的大的区域。窗户130A和天窗130B可以在北半球朝南(或在南半球朝北)以在一天的大多数时间接收强烈且显著准直的日光，或可以在早晨朝东或在夜间朝西。窗户130C和天窗130D可以在北半球朝北(或在南半球朝南)以在一天的大多数时间接收漫射光，或者可以在夜间或早晨朝东或朝西。

窗户130A和130C以及天窗130B和130D可以包括常规的结构，诸如框架和玻璃板，但是一个或多个光通路130A至130D可以额外地或替代地包括各自的光阀132A至132D，光阀132A至132D能够调制从外部源120到达光通路130A至130D的入射光122A至122D的多个光谱分量。在一种配置中，光阀132A至132D的每一个装配到传统的窗户、天窗、或其它光通路附近的开口。在另一配置中，光阀132A至132D的一个或多个可以代替传统的透明、漫射、或半透明结构，诸如在各个光通路中的玻璃或塑料板。如所提到的，光阀132A至132D的每一个可以采用诸如在LCD或反射显示器中所使用的颜色或光谱过滤技术，但是光阀132A至132D的每一个能够调制比显示系统一般所容纳的更多的光谱带。而且，光阀132A至132D可以不需要视频显示器通常所需的空间或“像素”分辨率，因为光阀132A至132D主要旨在照明并且不用于显示图像以观看。尽管在一些情况下，光阀132A、132B、132C、或132D可以为内部环境提供照明，而且在光阀上具有可观看图像。当不需要显示图像时，光阀可以一致地调制遍及窗户或天窗的整个区域的透射或反射光的光谱成分。可替代地，光阀可以包含独立调制区域的阵列，并且每个区域可以具有典型电流显示器的尺寸或可以具有毫米到米的量级的尺寸的更大的像素。独立调制区域的阵列对于在光照中创建空间变化来说是尤其期望的，以例如创建以类似于太阳、月亮、星星的移动的方式在照明环境中移动的一个或多个明亮的光源。类似地，具有独立调制区域的阵列的光阀可以创建云或其它可变的现象在照明环境的光照中可能具有的影响，并且可以在光阀的表面上同时创建云或其它现象的图像。

在图2中更详细地示出的，示出的实施方式中的每个光通路130还具有阀控制电子装置134。通常，光通路130的光阀132在物理上位于该光通路内，例如，在窗户、天窗、或通过建筑障碍物的其它开口中，并且框架或其它合适的安装结构250可以在适当的位置容纳光阀132。阀控制电子装置134不必需在光通路130的开口中，从而使阀控制逻辑134的全部或部分可以远离开口。阀控制电子装置134在其控制单个光通路位置的意义上来说可以是本地的，但是阀控制电子装置134可以与其它控制系统协作工作。在图2的实施方式中，阀控制电子装置134包括通信接口210，该通信接口210能够与一个或多个光通路130的阀控制电子装置中的类似的通信接口通信或与主控制系统140通信。例如，通信接口210可以与主控制系统140或其它光阀系统通过诸如无线(例如，蓝牙、Zigbee、或Wi-Fi)或硬连线(例如，以太网)网络的网络进行通信。控制逻辑220可以包括微控制器和存储控制程序或脚本的存储器，其可以采用通信接口210来实现合适的通信协议。

在图1的系统100的操作期间，每个光阀132可以接收入射光122并且独立地在多个区域中调制或过滤多个光谱带，以产生作为内部环境112的照明的至少一部分的透射光114。控制逻辑220操作主动光通路130的驱动器230以例如将各个偏置电压施加到区域的阵列，并且由此控制不同波长带的光穿过相关联的光阀132的区域的透射百分比。这种控制一般经过编程，但是控制逻辑220还能够访问一个或多个传感器240并且基于传感器测量操作驱动器电路230，以便控制对应的光阀132的多个独立可控区域的光透射特性。

在图示的实施方式中，控制电子装置134包括一个或多个传感器240。传感器240可以是任何类型的，包括光传感器、温度传感器，运动传感器、占用传感器、或环境112的其它大气成分或其它条件的传感器。具体地，光传感器能够测量入射光122的一个或多个特性和/或透射光114的一个或多个特性。可以测量的一些光特性包括入射光122或透射光114的强度、方向、准直性、和光谱分布。控制逻辑220可以使用这种光测量或可以将测量数据发送到主控制系统140以例如在学习程序或在协调光阀132的操作和照射环境的其它光源的操作中使用。例如，控制逻辑220或主控制系统140可以收集和处理来自传感器240的数据，以学习特定光阀132的特性或在光阀132处的入射光122的特性，然后学习程序可以自动地适应光阀132的操作参数以提供主动光通路130的期望性能。控制逻辑134或主控制系统140还可以基于其它类型的测量改变环境112中的光照。如果传感器240(或传感器148)包括占用或运动传感器，控制逻辑220或主控制系统140可以根据环境112中的人的数量或位置来修改透射通过光通路130的光的强度或光谱。如果传感器240(或传感器148)包括化学或环境条件传感器，控制逻辑220修改透射通过光通路130的光的强度或光谱，以提供感测到的条件的警告或通知。传感器240还可以在光的预测编程中使用以例如基于感测到的用户的活动预测用户的光需求或期望。

在权利要求1的系统中，可以通过主控制系统140协调光阀132A至132D的操作。另外，光通路130至130D中的一些、全部、或没有一个可以自主操作以根据该光通路130的具体编程来控制透射光114A至114D的特性。在一个实施方式中，光通路130A至130D的每一个可以过滤入射光122A至122D，使得其透射光114A至114D具有对于该光通路设定或编程的光谱分布。例如，光通路130A至130D的一个或多个可以被编程通过透射更高百分比的入射红光以使得对应的内部光照114A至114D具有晴天的光谱分布，来补偿阴天。更一般地，阀控制系统134A至134D或主控制系统140可操作以从描述不同照明方案的脚本库中选择脚本，并且根据所选的脚本来控制波长带通过光阀132A至132D的各自的透射百分比。

内部环境112的照明可以仅包括来自光通路130A至130D的透射光114A至114D，或者可以额外地包括来自额外的光源150的光。额外的光源150可以是不与光通路130A至130D协作地操作的光源。例如，光源150可以是不具有光阀或其它光谱控制系统的常规的灯具或常规的光通路，或者否则可以与主控制系统140或光通路130A至130D独立、或不与之通信。可替代地，额外的光源150可以包括一个或多个照明设备，其与光通路130A至130D协作操作且可以在主控制系统140控制下产生具有光谱分布的光。例如，额外的光源150可以包括诸如在名称为“Authoring,Recording and Replication of Lighting”的美国专利No.8,021,021、或名称为“Luminaire System”的美国专利申请公开No.2012/022904中所描述的照明设备，这两者都通过引用将其整体并入本文。

主控制系统140可以是诸如在美国专利No.8,021,021中所描述的计算机系统或光播放器，并且能够处理如在美国专利申请公开No.2012/0229048中所描述的照明数据或脚本。主控制系统140可以具体是计算机或数据处理系统，其包括包含程序代码和光照数据或脚本142的数据贮存器或存储器、能够执行该程序代码来实现解释器144的处理器、用户接口(未示出)、以及网络接口146。通常，对于光照的即时(on-the-fly)控制，根据需要，诸如脚本142的光照数据可以单独从控制系统140购买并下载到控制系统140中的存储器，或者可替代地可以被流化(stream)至控制系统140或光通路130。主控制系统140可以进一步包括传感器系统148，其可以是任何类型的传感器，包括光传感器、温度传感器，运动传感器、占用传感器、或环境112的其它大气成分或其它条件的传感器。例如，光传感器可以测量内部环境112中或建筑物110外部的一个或多个位置处的内部光114或外部光122的光谱成分或其它特性。然而，主控制系统140可以采用诸如以上描述的控制过程中的任何类型的测量以例如根据环境112中存在的用户的数量来改变环境112中的光照适应于光照条件，给出环境112中的条件的警告或通知，或基于用户的活动来预测用户的光需求或期望。如已经提到的，主控制系统140可以不是必需的，并且光通路130A至130D和光源150可以例如通过对等网络能够彼此通信和协作而无需主控制系统140。

系统100通常可以操作以允许用户从多个脚本142中选择脚本142，该多个脚本142例如脚本库，其可以已经在例如制造期间或作为例如购买、下载或流化的后续用户获取的结果而安装在主控制系统140的存储器或控制电子装置134A、134B、134C、或134D中。所选的脚本142可以表示用户期望用于内部环境112的光照方案。例如，用户可以选择提供环境112的照明的空间、定向、角度、时间、和光谱变化的脚本112：用户感到舒缓、振奋，或以其它方式意欲影响用户的心情或表现；提供被认为是健康或医学治疗的光照；以美观上吸引人、令人震惊或者其它选择的方式来显示环境112的内容；显示或突出用于零售的项目；便利在环境112中进行的活动；或与发生在环境112中的多媒体或其它演示或表现相协调。主控制系统140解释所选的脚本112并且可以将光照数据或指令发送到与主控制系统140通信的光通路130A至130D和光源150之中的任何照明设备。在控制过程中，主控制系统140(或其它控制系统)可以考虑环境112中的照明的传感器测量，如在名称为“Lighting System with Sensor Feedback”的美国专利申请公开No.2013/0307419中所描述的，通过引用将其整体并入本文。主控制系统140还可以考虑来自外部光源120的入射光122的光谱分布的测量。可替代地，即使当这种测量可用时，控制可以独立于传感器测量。

光阀132A、132B、132C和132D改变各自的入射光122A、122B、122C和122D，以产生透射光114A、114B、114C和114D，该改变可以不同并且由主控制系统140或控制电子装置134A、134B、134C和134D的对等系统加以协调。具体地，透射光114A、114B、114C、和114D可以具有根据用于环境112的光照的所选的脚本142而选择的不同光谱分布。用户可以控制的环境112的照明的一些特性包括照明的当前光谱、空间、角度、或定向分布和照明的光谱、空间、角度、或定向分布的时间变化的演变。例如，入射光122A和122B可以具有强的定向或准直分量，其允许根据用于光照的期望的定向或角度分布来控制环境112的照明的准直分量。类似地，入射光122C和122D可以是更漫射的，以允许控制环境112的照明的漫射分量。

图1示出主控制系统140作为单独的集中式设备，但是主控制系统140的功能可以被包含在一个或多个其它设备中、或在一个或多个其它设备之间分布，该一个或多个其它设备包括但不限于光通路130A至130D或它们的控制电子装置134A至134D。

诸如通过光阀132A至132D从外部源120接收直接光照的环境112的环境的照明的控制方法和系统也可以应用到诸如接收间接光照的环境116的环境。具体地，环境116可以通过光通路160从环境112接收光。实际上，环境112可以混合来自光阀132A至132D和其它源150的光，并且该光的一部分可以穿过光通路140来间接照亮环境116。通常，光通路160可以是允许光穿过诸如墙壁、地板、或天花板的建筑阻挡物的被动(passive)结构，或者光通路160可以包括可控地过滤光的光谱分量的光阀。例如，光通路160可以与光通路130A至130D基本相同。在一个配置中，光通路160(或光通路130A至130D)可以占据诸如墙壁、天花板、地板、或屋顶部分的建筑阻挡物的整体。

在阀控制电子装置134A至134D或主控制系统140的控制下的光阀132A至132D可以独立地调制宽光谱入射光122A至122D的多个波长或频带。例如，光阀132可以控制一个或多个调制区域在光的具体波长带所具有的透射、反射、或半透反射影响。能够进行这种调制的光阀结构可以基于当前在计算机监视器、平板电视、和电子阅读器中采用的显示技术的修改。例如，来自通常可获得的、具有标准的红-绿-蓝(RGB)过滤器的LCD面板的层可以被用作光阀。被解构的计算机监视器可以提供能够实现上述光阀的基本原理的LCD矩阵，但是具有“白”屏幕的最大强度可以大约为入射强度的50％或更低。而且，当未供电或“全黑”时，这种矩阵可以泄漏大约入射光强度的10％。在反射显示器中使用的技术和结构可以提供更高的最大强度或更小的不期望的泄漏。然而，常规的显示技术仅可以提供三个调制的波长带，例如，红、蓝、绿或青、品红和黄。可能期望更高数量的过滤器，例如，四个、五个或更多个，以提供光谱分布的更好的控制。较低空间分辨率光阀(例如具有较大像素或仅有单个像素)可以非常适合于宽光谱、高品质照明。

图3示出示意性地图示可以用于图1的光阀的光阀300的一个示例的横截面。光阀300包括N个选择性透射层310-1至310-N，这里总称为层310，其中N为三个或更多个，且优选为五个或更多个。每个层310可以被激活以透射对应的波长带中的入射光330的可控部分(fraction)。每个层310可以透射对应于其它层310的波长带中的全部或大部分的光。这种层310可以使用当前在显示器中使用的各种技术来构造或者可以采用有待开发的技术。在一个示例中，层310-1至310-N包含附着有不同的染料的液晶材料，并且遍及层310-1至310-N施加电势以控制染料如何有效地吸收或反射与染料相关联的波长带中的光。

在图3的示例中，层310-1到310-N的每个具有由诸如氧化铟锡(ITO)的透明导体形成的上部电极312-1至312-N的阵列和下部电极314-1至314-N的阵列，并且上和下电极之间的电压可以激活或改变每个层310-1至310-N从各自的波长带吸收或反射入射光的百分比。上板312-1至312-N或下板314-1至314-N可以被划分成限定独立调制区域或者可能被称为显示技术中的像素的区域。然而，覆盖光阀300的整个区域的单个“像素”区域可能是足够的，或者如果期望遍及光阀300的区域的一致行为，多个单独的“像素”区域可以是大的或者可以在相同电势下控制。如果需要的话，多像素光阀300可以创建透射光的空间变化。驱动器电路320电连接到电极312-1至312-N和314-1至314-N，并且可以对应于图1的阀控制电子装置134A或134B的全部或部分。通过对应于层310-1至310-N的波长带的单独调制，光阀300可以使具有不同于入射光330的光谱分布的透射光340穿过。

光阀可以替代地采用横向分布调制区域或透射不同波长带的子像素。例如，图4示出了包括一个或多个像素410的光阀400的一部分，一个或多个像素410的每个包含M个横向隔开的调制区域412-1至412-M，在这里总称为调制区域412。每个像素410中的M个调制区域412-1至412-M可以包括N(N≤M)个不同类型的过滤器，其调制N个不同的光谱带中的光的强度。例如，在其中每个像素410包含对应于九个不同的波长带的九个调制区域412的配置中，每个像素能够独立地控制多达九个不同的波长带的相对强度。在一个实施方式中，每个调制区域412-1至412-M透射具有对应于调制区域412-1至412-M的波长带内的波长的入射光的可控部分，并且吸收或反射具有在对应于调制区域412-1至412-M的波长带之外的波长的光。图4示出了其中调制区域412-1至412-M包括各自的主动层413-1至413-M的示例，在这里总称为主动层413。主动区域413-1至413-M覆盖可以化学上不同(例如包含不同的染料)的各自的过滤器区域414-1至414-M。在一种配置中，调制区域413-1至413-M的每个透射入射光的百分比，以及相关联的过滤器414-1至414-M的每个仅透射对应于相关联的调制区域412-1至412-M的波长带中的光。调制区域412-1至415-M透射的百分比取决于施加到各个透明的端子对415-1至415-M(在这里总称为端子对415)的各个电压。驱动电路420可以连接到像素410或调制区域412，以控制跨电极对415所施加的电压，并且由此控制光阀400的调制区域412的透射百分比。

在图3和图4示出的光阀300和400的结构的示例可以以许多方式改变或组合。例如，两个独立或协同的光阀可以被堆叠或提供在玻璃或其它居间的透明层的板的相对侧上。所描述的光阀结构也可以与其它光学元件或者用于透射光的其它特性的控制器组合。例如，光谱过滤可以与诸如电致变色设备的整体强度控制设备组合。光学元件可以控制光的相干性或漫射或使用干涉来改变透射光的空间分布。透射光的偏振或方向可以被类似地控制。

诸如图3或图4所示的多通道光阀可以与除太阳以外的宽带光源一起使用，尤其与人造光源一起使用以创建具有可控照明光谱且不需要外部光源的照明设备。例如，图5A示出了包括光阀132的照明设备500A，光阀132过滤来自光源510的入射光512以产生用于环境的照明514的可编程光谱分布。光源510是人造宽带光源，并且可以包含一个或多个高强度放电(HID)灯、卤素灯、LED、激光器、准直光源、或偏振光源。阀控制系统134与以上参考图2和图3所描述的基本相同，其可以用于控制对于N个波长带发生的各个透射百分比，其中N是三个、四个、五个、或更多个。然后可以以与诸如在美国专利No.8,021,021或美国专利申请公开No.2012/0229048中所描述的包含多个不同类型的光源的照明设备基本上相同的方式来使用照明设备500。

照明设备系统500A具有其自己的光源510，并且不需要被安装在光通路中。因此，可以采用安装系统550在任何地方安装或设定照明设备500A。如图5B所示的照明设备500B使用允许将照明设备500B安装在光通路中的框架或安装系统250，所述光通路诸如以上所描述的窗户、门、或天窗。在这种配置中，光源510可以是可伸缩的、透明的、或者具有穿过足够外部光122的开口使得光阀132可以用于调制入射日光122(具有或不具有来自光源510的贡献)的特性以用于以上参考图1所描述的内部使用。当外部光可能不够时，例如在夜间，照明设备500B中的光源510可以被激活，从而使光源510单独或与可用外部光源一起在光阀132上提供入射光。例如，当在光通路中采用照明设备500B时，照明设备500B可以在根据选择用于环境的照明514的光照方案单独地转换入射日光122与如有需要则对光源510供电以提供入射光512来维持选择用于环境的照明514的光照方案之间转变。

以上描述的系统的一些元素可以在计算机可读介质中实现，计算机可读介质例如诸如光盘或磁盘的非瞬态介质、存储卡、或其它包含计算设备可以运行以执行这里所描述的具体过程的指令的固态存储器。这种介质还可以是或包含在服务器或连接到网络的其它设备中，该网络诸如提供数据和可执行指令的下载或流化的因特网。

尽管已经公开了特定的实施方式，这些实施方式仅仅是示例并且不应当被视为限制。所公开的实施方式的特征的各种改编和组合在以下权利要求的范围之内。