用于产生自然光的人工照明装置的制作方法
本申请为申请号201280078131.0的中国发明专利申请的分案申请，原申请的申请日为2012年11月14日，国际申请号为pct/ep2012/072648，发明名称为“用于产生自然光的人工照明装置”。
本发明涉及能够给人以太阳和天空自然光感觉的人工照明装置。
背景技术：
更确切地说，对于来自天空和太阳的自然光的感知与照明装置照亮周围环境的能力以及直接观察时该装置本身的外观都有关，照明装置照亮周围环境的效果与天空和太阳透过位于同一位置的孔穴(即窗户)照射同一房间的效果非常类似，而该照明装置本身的外观则产生了天空的无限深度视觉外观以及太阳光源的无穷远位置。
因此，本发明的实施例所要实现的目的可以分成两个主要的类别，涉及：
由人工照明装置发出的光所实现的环境照明；
该照明装置本身的视觉外观。
对于获得天空和太阳自然光感觉的环境照明的要求，可以参考由同一申请人提交的wo2009/156347a1中所描述的人工照明装置。这些人工照明装置当中的一种如图28所示。其包括一个宽波段的点状光源902和位于相距该光源902一定距离的瑞利散射面板906。面板906将光源902发出的光线分离成透射成分907和漫射成分905，其中透射成分907的相关色温(correlatedcolortemperature，cct)比光源902的cct要低，而漫射成分905的cct则更高，这种cct的差异是由于散射效率随着要处理的瑞利区域(rayleighregime)的波长的四次方的减小而提高。
只要光源902小于相比于面板906，则直射光907能够投射物体的阴影，其在面板906所形成的漫射冷光下是偏蓝的。更确切地说，半影角是由光源902的尺寸与光源到物体的距离之间的比值所得出的。值得注意的是，在实际安装中，可以容易地使得该角度接近于真实太阳的角度(0.5°)。此外，观察者通过该面板观察该光源时，会感觉它为一个低cct的光斑，其周围由高cct的发光背景所环绕，正如他/她观察太阳和天空所看到的一样。
然而，半影角虽然小，形成直射光分量的光线907显然不是平行的，如光来自于太阳的自然光照，因为它们从单一光源发散。值得注意的是，这种情况妨碍物体阴影具有平行的取向，正如在自然阳光下所发生的那样。事实上每个物体在被照明平面上投射的阴影均朝向光源902在该被照明平面上的投影。例如，当光源902被定位在穿过漫射器906中心的被照明平面(例如地面或墙)的法线上时，具有垂直于所述平面的轴线的细长的物体的阴影朝向被照明场景的中心，这与自然界所发生的情况相反。因此，这种情况妨碍了这些照明装置如实地再现自然光照射环境的视觉特征。
此外，这些装置不能完全满足直接观察该照明装置时的自身视觉外观的要求。事实上，观察者谁通过面板906看到光源时并没有感觉它在无穷远，而是位于该光源902所放置的给定的空间位置。直射光线907的发散意味着看见人工太阳的光斑的方向和孔径角(半影)都不是固定的，它们依赖于观察者的位置和他/她与光源的距离。这种视觉线索妨碍了观察者自然地理解该光源作为位于无限远处，即这种视觉线索妨碍了天空和太阳场景被视为具有无限深度，光源本身限定了场景的极限深度。所有这些情况下使得所产生的效果不自然，因为它不同于实际天空和太阳产生的效果感。本发明在视觉外观方面的一个目的在于实现直接观看照明装置时由该装置所产生的太阳和天空图像的无限深度感知。
视觉感知线索的线索内冲突存在折磨例如在上面提到的wo2009/156347a1所提出的另一种人工照明装置，如图29所示。在此结构中，光源902是由白光发光二极管(led)910的扩展阵列制成，其中每一个led910包括蓝光/紫外光发射器、荧光剂和圆顶准直透镜，使得每个led910产生具有有限发散度的白色光锥，即该发散度小于由瑞利面板906散射的光的发散度。在这种情况下，瑞利面板906被放置为几乎与扩展光源902接触，使得该照明装置非常紧凑。从而，图29的照明装置提供了具备所需cct的直射光分量和漫射光分量。
然而，如下文将要进一步描述的，图29所示的照明装置具有由观察者感知的两个不同平面之间的线索内冲突。这些平面是led910阵列的实像和在无穷远处的太阳斑的虚像。
上述的wo2009/156347a1提出了另一种人工照明装置，如图30所示。作为光学准直元件，透镜980位于光源的一定距离处，该光源包含激光二极管982和(远程)荧光剂984。包含纳米漫射器(nanodiffuser)的透镜980涂覆有抗反射涂层，以便优化辐射“暖”分量的传播，防止能够降低该装置效率的反射，以及优化该分量的直射部分向外部区域(光束的外部)的传播，降低了对比度。此外，图30的装置还包括反射器986(例如容纳荧光源984的反射腔或反射箱体，其具有用于定位透镜980的孔)，以便取回由纳米漫射颗粒反向散射而向后传播的“冷”漫射光分量，从而向外重定向反向散射漫射光。因此，图30的照明装置提供了具备所需cct的直射光分量和漫射光分量。
然而，图30所示的照明装置存在由观察者所感知的至少两个不同的平面之间的线索内冲突。对于图29的装置，这些平面为透镜980的实像平面和荧光源984的虚像平面，其中所述虚拟像面并没有被视为在无限远距离。此外，类似于图28的情况，图30的装置通过使用在有限距离的单一光源的照明所投射的阴影，典型地具有径向对称向外指向特点。
在上述wo小册子还提出了另一种人工照明装置，如图31所示。这里，光源990和色彩漫射器992完全分离并以一定距离彼此间隔开，色彩漫射器992形成为房子996的墙壁994上的窗口。然而，归因于所选择的结构，图31中的装置通过使用在有限距离的单一光源的照明所投射的阴影，典型地具有径向对称向外指向特点。最后但也同样重要的，从色彩漫射器进入观察者眼睛的环境光会破坏观察者的天空/太阳视觉印象，所述环境光并非由光源990所产生，而是来自于房子外部环境的环境光。
技术实现要素：
因此，本发明的一个目的是提供一种人工照明装置，用于合成类似于实际天空和太阳那样照亮周围环境的自然光，特别是通过形成平行、清晰、比其余照亮的环境更蓝的阴影，当观察者直接观看上述人工照明装置时，他/她能够获得天空和太阳图像的无限视觉深度感知，不存在视觉感知线索当中的线索内冲突和线索间冲突。
这个目的是由独立权利要求的主题来实现的。
优选实施方式由从属权利要求的主题来实现。
本发明提供了一种人工照明装置，用于产生类似于来自太阳和天空照射的自然光，包括：
直射光源(12)；和
漫射光发生器(10)
其中所述直射光源(12)包括配置为发出原初光(62)的第一发光装置(14；46；60；114；138；150)以及位于所述第一发光装置下游的第一发射面(28)，
其中，所述漫射光发生器(10)至少部分地透光，并位于所述第一发光装置的下游，该漫射光发生器还包括第二发射面(34)和配置为在所述第二发射面(34)产生漫射光(35；242)，
其中，所述直射光源(12)配置成，当漫射光发生器(10)位于第一发射面(28)的上游侧并将漫射光发生器(10)移除时，使得所述直射光源(12)从原初光(62)产生从第一发射面(28)出射的直射光(236)，其在整个第一发射面(28)上的亮度分布曲线图是一致的，且围绕直射光方向(32)具有角分布的窄峰(30)，
其中，所述第一发射面(28)和第二发射面(34)中的一个位于另一个的下游而形成所述人工照明装置的外发射面(37)，或者所述第一发射面(28)与第二发射面(34)重合以形成所述人工照明装置的外发射面(37)，
其中所述人工照明装置配置为使得所述直射光源(12)和漫射光发生器(10)协同工作以便在所述外发射面(37)上形成外部光(239)，所述外部光(239)包括沿包含在窄峰(30)内的方向传播的第一光分量(241)和沿与窄峰(30)间隔开的方向传播的第二光分量(243)，
其中所述第一光分量(241)的相关色温比所述第二光分量(243)的相关色温要低。
其中所述漫射光(35；242)的相关色温比所述直射光(236)的相关色温要高。
其中所述直射光(236)的相关色温大于或等于所述第一光分量(241)的相关色温。
其中所述漫射光发生器(10)包括漫射光源(260)，所述漫射光源(260)包括第二发光装置(266)，其中所述漫射光源配置为独立于所述直射光源(12)而发射所述漫射光(35；242)。
其中所述漫射光源(260)包括边缘照明式散射漫射器(264)或有机发光二极管。
其中所述直射光源(12)或漫射光源(260)中的至少一种光源的相关色温是可控的。
其中所述漫射光发生器(10)包括定位成由所述直射光(236)或所述原初光或从所述原初光演变而形成直射光(236)的中间光照亮的漫射器(250)，并且配置为使照亮所述漫射器的所述直射光或者所述原初光或所述中间光散射，在可见波长区域内，对于较短波长的散射效率比对于较长波长的散射效率要高。
其中所述漫射器(250)包括由第一材料构成的固体基质(252)，其包括第二材料的纳米颗粒(254)分散体，并配置为在可见波长区域内对于较短波长的光散射效率比对于较长波长的光散射效率要高。
其中所述纳米颗粒(254)分散体在整个第二发射面(34)上具有纳米颗粒面积浓度梯度，相对于照亮漫射光发生器(10)的直射光或原初光或中间光的亮度一致性，所述梯度适于改善所述漫射光在第二发射面上的亮度一致性。
其中所述直射光源(12)配置为使得直射光源(12)的观察者(38)在窄的视锥角内看到光斑(40)，基于双目会聚线索和运动视差深度线索，所述光斑均被感知为在无穷远处。
其中所述人工照明装置包括由吸光材料构成的吸收器(58；72；82；122；158；200；224)，所述吸收器设置为使得所述第一发射面(28)的总反射系数ηr≤0.4。
其中所述人工照明装置包括由吸光材料构成的吸收器(58；72；82；122；158；200；224)，所述吸收器设置在第一发光装置(14；46；60；114；138；150)的下游侧和第一发射面(28)的上游侧，并构造成基本吸收朝上游方向穿过第一发射面(28)的光线，所述光线在缺少所述吸收器的情况下将不射向所述第一发光装置。
其中，所述直射光源(12)配置成使得当极角θ＞3θhwhm时的亮度分布曲线图降至亮度分布曲线图最大值的10％以下，其中θhwhm是在对整个第一发射面(28)和所有方位角方向上的亮度分布曲线图进行平均后的平均极角分布的hwhm，并且对于极角θ≤θhwhm的亮度分布曲线图基本上独立于方位角
其中，所述直射光源(12)配置成，对于任何固定的方位角
其中所述人工照明装置配置成，当所述直射光源(12)关闭且所述漫射光发生器(10)被移除时，使得所述直射光源(12)的第一发射面(28)由外部漫射光照亮，该漫射光向所述第一发射面传送恒定的亮度，该恒定的亮度等于由直射光源(12)自身在打开时所传送的平均亮度，
所述外部漫射光由直射光源(12)在第一发射面反射或反向散射而在第一发射面(28)产生的反射亮度分布曲线图lr比直射光源(12)在第一发射面(28)的至少90％区域内的任何位置以及在相对于第一发射面的任何角度的亮度分布曲线图要低，
反射亮度分布曲线图在任何10mm直径的空间区域内呈现振幅标准偏差，对于任何相对于第一发射面的角度，该振幅标准偏差比所述第一发射面(28)的至少90％的区域内的亮度分布曲线图的振幅标准偏差要小。
其中所述直射光源(12)配置成使得多个细长物体投射多个阴影，其中所述多个细长物体的纵向轴线相互平行且平行于所述直射光方向(32)，所述多个阴影以非会聚的方式定向。
其中所述直射光源(12)配置成使得所述亮度分布曲线图显示出：
所述亮度分布曲线图的最大值的方向的分布范围，其与第一发光面(28)的至少90％相关，其小于2度，亮度分布曲线图最大值的方向分布不同于径向对称矢量场，和
在第一发射面(28)上，所述亮度分布曲线图的窄峰(30)的局部极角分布平均值的hwhm的分布的平均值，该平均值为对于所有方位角的平均值，其小于5度。
其中，所述直射光源(12)配置为使得，当直射光源(12)的第一发射面(28)由外部漫射光照射而漫射光发生器(10)被除去时，所述外部散射光从所述第一发射面(28)朝下游方向再次出射，以使得反射角亮度分布曲线图在整个所述第一发射面(28)上是一致的。
其中，直射光源(12)配置为使得所述窄峰(30)的宽度小于arctan(u/2/t)，其中q表示包含直射光源(12)的最小体积q，t代表q在平行于直射光方向(32)的直线上的投影的长度，u表示在第一发射面(28)上的任意两点之间的最大距离。
其中所述直射光源(12)包括：准直透镜(64)，其沿光轴(68)位于所述第一发光装置(60)的下游且位于所述第一发光装置(60)的焦距位置，所述光轴(68)与所述直射光方向(32)相一致。
其中所述直射光源包括配置为由第一发光装置(60)和准直透镜(64)组成的多个对组，所述第一发光装置(60)配置为发出原初光，所述准直透镜(64)沿光轴(68)位于所述第一发光装置的下游且位于所述第一发光装置的焦距位置，所述光轴(68)与所述直射光方向(32)相一致；
其中多个对组并列放置，所述对组的准直透镜彼此邻接，使得所述准直透镜形成接合表面。
还包括：位于所述外发射面(37)下游的格子天花板结构(170)，其中所述格子天花板结构(170)具有第一周期间隔(172)，所述对组的阵列以第二周期间隔(174)沿所述外发射面(37)布置，所述第一周期间隔(172)为所述第二周期间隔(174)的整数倍或单元分数。
其中所述直射光方向(32)倾斜于所述外发射面(37)的法向。
其中所述直射光方向(32)相对于所述格子天花板结构(170)的90％以上的外表面是倾斜的。
其包括容纳所述第一发光装置的暗盒，所述暗盒具有定位所述准直透镜的孔。
其中所述暗盒的内表面是由吸光材料形成，并且所述吸光材料对于可见光的吸收系数大于90％。
其中所述准直透镜为菲涅耳透镜。
其中所述第一发光装置(60)包括led。
其中，所述第一发光元件(60)与所述准直透镜(64)之间设置有自由曲面透镜(180)，所述自由曲面透镜(180)配置为使所述原初光在所述准直透镜上的亮度分布平坦化。
其中第一发光装置具有圆形光孔。
其中所述直射光源(12)包括边缘照明式光导发射板。
其中所述边缘照明式光导发射板包括夹在光吸收层(82)与光出射层(84)之间的楔形层(80)，使得光吸收层(82)位于楔形层(80)的上游而光出射层(84)位于楔形层(80)的下游，其中n3<n2<n1，n1是楔形层的折射率，n2是光出射层的折射率，n3是光吸收层的折射率，其中所述光出射层(84)包括位于光出射层(84)与楔形层(80)之间界面(96)上的多个微型反射器(94)，以便对穿过界面(96)而从光出射层(84)出射的光进行重新定向，使之沿直射光方向(32)传播。
其中所述楔形层(80)的楔形斜率小于1度。
其中1.001<n1/n2<1.1。
其中所述微型反射器(94)是由光出射层(84)中的凹槽或空隙形成，所述微型反射器(94)从界面(96)远离楔形层而突出，并沿着平行于所述界面(96)且垂直于光导引导方向(106)的方向而纵向延伸，所述楔形光导层(80)沿着该光导引导方向(106)而变薄。
其中光被边缘照明式光导板通过微型反射器(126)进行提取，当从直射光方向(32)观察时所述微型反射器的反射面具有圆形外观，并且所述微型反射器(126)定向为使得直射光方向(32)相对于波导中央传播方向(142)形成为镜像方向，其中每个微型反射器沿相应微透镜(130)的光轴设置在其焦距位置，所述微透镜(130)形成在边缘照明式光导板的输出面(132)上，并且其中所述边缘照明式光导板的与所述输出面相对的一侧朝向昏暗层。
其中所述直射光源(12)包括由第一发光装置(114，138)和聚光器(112；140)组成的对组的一维阵列，用于从边缘照明式光导发射板的边缘照射所述边缘照明式光导板。
其中所述聚光器为矩形复合抛物面聚光器(113)的形式。
其中所述直射光源(12)包括由第一发光装置(114，138)和聚光器(112；140)组成的对组的一维阵列，用于从边缘照明式光导板的边缘照射所述边缘照明式光导板，其中所述边缘照明式光导板在第一平面上的照明准直强度比第二平面上的照明准直强度要低，其中所述第一平面由引导方向(106)和直射光方向(32)限定，所述第二平面垂直于所述第一平面并包含该引导方向。
还包括：位于所述外发射面下游的格子天花板结构(170)。
其中所述直射光方向(32)倾斜于所述外发射面的法向。
其中所述直射光方向相对于所述格子天花板结构(170)的90％以上的外表面是倾斜的。
其中所述格子天花板结构(170)具有第一周期间隔，所述直射光源(12)的结构在整个第一发射面(28)上具有第二周期间隔，所述第一周期间隔是所述第二周期间隔的整数倍或单元分数。
其中所述直射光源(12)包括准直光源(190)和位于所述准直光源下游的微光学光束均化层(192)，所述准直光源(190)用于产生预准直光并包含第一发光装置，其中，所述微光学光束均化层配置为减少所述预准直光的杂散光分量。
其中所述微光学光束均化层包括微透镜(194)和光吸收层(202)的二维阵列，所述光吸收层(202)穿设有在微透镜(194)的二维阵列的下游延伸的小孔(196)的二维阵列，使得每个微透镜与一个所述小孔相关联，所述小孔沿与所述直射光方向(32)一致的方向相对于微透镜而设置，且所述小孔与相应微透镜之间的距离对应于相应微透镜的焦距。
其中所述微透镜的直径dm与焦距fm之间的比值为dm/fm<2tan(7.5°)，所述直径dm<5mm。
其中所述微透镜(194)具有圆形光孔。
其中所述微光学光束均化层还包括信道间隔结构，所述信道间隔结构设置为减少微透镜与相关联的小孔组成的相邻对组之间的串扰。
其中所述微透镜之间的空间包括吸收入射到透镜之间的空间的光的材料。
其中所述微透镜及小孔的阵列间距小于5mm。
其中所述微光学光束均化层包括微透镜(194)的二维阵列和信道间隔结构，该信道间隔结构为在微透镜的二维阵列下游延伸的微通道的二维阵列，使得每个微透镜都具有一个与其相关联并从相应的微透镜沿直射光方向(32)延伸的微通道，其中微透镜的直径dm与该微透镜的焦距fm之间的比率为dm/fm<2·tan(7.5°)，所述直径dm<5mm，其中对于每个微透镜，与其相关联的微通道的输出光孔以距离l与相应的微透镜间隔开，其中0.5fm<l<1.2fm。
其中所述微光学光束均化层包括焦距为fm1的微透镜的第一个二维阵列(210)、焦距为fm2的微透镜的第二个二维阵列(212)以及吸收层(220)，该吸收层220穿设有小孔(214)的阵列并布置在第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间，以便形成分布在平行于第一发射面(28)的平面上的望远镜(216)的阵列，所述望远镜(216)的望远镜轴线彼此平行并且平行于直射光方向(32)；在每个望远镜中，相应的小孔、第一个二维阵列中对应的微透镜和第二个二维阵列中对应的微透镜沿着所述望远镜轴线布置，相应的小孔与第一个二维阵列中对应的微透镜之间的距离为fm1，相应的小孔与第二个二维阵列中对应的微透镜之间的距离为fm2，其中fm2<γfm1,而γ<1。
其中所述望远镜阵列的下游侧外表面包括抗反射涂层。
还包括小角度白光漫射器(230)，配置为根据所述亮度分布曲线图的角度特性以低于10°的滤光器脉冲响应hwhm进行模糊过滤。
其中所述小角度白光漫射器包括形成在透明层材料外表面的随机分布的微型折射体，或在透明块状材料中的透明微颗粒的分散体，所述透明微颗粒与透明块状材料之间的折射率不一致。
本发明还提供了一种由并置的多个人工照明装置构成的系统，所述人工照明装置为上述任一技术方案所述的人工照明装置，其中所述多个人工照明装置的直射光方向是相等的。
本发明还提供了一种用于产生类似于从太阳和天空照射的自然光的方法，该方法使用了直射光源(12)和漫射光发生器(10)，
其中所述直射光源(12)包括配置为发出原初光(62)的第一发光装置(14；46；60；114；138；150)以及位于所述第一发光装置下游的第一发射面(28)，
其中所述漫射光发生器(10)至少部分地透光，并位于所述第一发光装置的下游，该漫射光发生器还包括第二发射面(34)并配置为在第二发射面(34)上产生漫射光(35；242)，
其中，所述直射光源(12)配置成，当漫射光发生器(10)位于第一发射面(28)的上游侧并将漫射光发生器(10)移除时，使得所述直射光源(12)从原初光(62)产生从第一发射面(28)出射的直射光(236)，其在整个第一发射面(28)上的亮度分布曲线图是一致的，且围绕直射光方向(32)具有角分布的窄峰(30)，
其中，所述第一发射面(28)和第二发射面(34)中的一个位于另一个的下游而形成外发射面(37)，或者所述第一发射面(28)与第二发射面(34)重合以形成所述外发射面(37)，
其中，所述直射光源(12)和漫射光发生器(10)协同工作以便在所述外发射面(37)上形成外部光(239)，所述外部光(239)包括沿包含在窄峰(30)内的方向传播的第一光分量(241)和沿与窄峰(30)间隔开的方向传播的第二光分量(243)，
并且，其中所述第一光分量(241)的相关色温比所述第二光分量(243)的相关色温要低。
附图说明
特别地，以下结合附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1示意性地示出了第一发光装置和准直透镜的对组阵列，其作为与漫射光发生器结合的直射光源的一个例子，其中观察者的眼睛示意为观看由此获得的人工照明装置；
图2a示意性地示出了人工照明装置的一种实施例，其中示意性地示出了直射光的亮度分布曲线图；
图2b示意性地示出了人工照明装置的一种实施例，其中示意性地示出了直射光的亮度分布曲线图；
图3a和3b分别以三维的方式示出了根据图2a和2b所示实施例的直射光源和漫射光发生器的布置示意图；
图4示意性地示出观察者观看直射光源的发射面以及观察者在发射面上所看到的光斑；
图5示出了led阵列的一种实施例的剖视图，该led阵列通过适当配置而形成适合的直射光源。
图6为图5所示阵列的俯视图；
图7示出了根据一种实施例的直射光源的局部立体示意图，包括由第一发光装置和准直透镜组成的对；
图8三维地示出了由图7所示的对所组成的阵列，以形成直射光源的另一实施例
图9为边缘照明式光导发射板的一种实施例的示意图；
图10为边缘照明式光导发射板的另一种实施例的示意图；
图11三维地示出了直射光源的一种实施例，该直射光源使用了光学镜体系统、发射面的倾斜式背向照明和暗盒；
图12示出了格子天花板结构的三维图，在沿发射面的横向方向上的亮度变化变暗；
图13示意地示出了观察者观看格子天花板结构以及产生变暗的方式；
图14a示意性地示出了图7的直射光源，其包括一个用于实现均匀照明的不规则形状的镜头；
图14b示意性地示出了图7的直射光源，其包括用于实现均匀照明的聚光器；
图15示意性地示出了图14a和14b的自由曲面透镜和聚光器对于第一发光装置的光强分布曲线的针对性影响，其中左手侧示出了原始分布曲线，右手侧示出了沿发射面的横向尺寸实现均匀照明的目标分布曲线；
图16示意性示出了具有直射光源12的人工照明装置，该直射光源12包括微光学光束均化层；
图17a示意性地示出了微光学光束均化层的第一实施例的横截面，其中包括一个透镜阵列和一个小孔阵列；
图17b示出了图17a的光束均化层的上游面；
图17c示出了图17a的光束均化层的下游面；
图18示意性地示出了微光学光束均化层的再一实施例的横截面，其中包括一个透镜阵列和一个管阵列；
图19示意性地示出了微光学光束均化层的又一实施例的横截面，其中包括两个透镜阵列和一个小孔阵列或管阵列；
图20示意地示出了一种人工照明装置，其包括位于漫射光发生器上游侧的小角度白光漫射器；
图21示意地示出了人工照明装置的另一种实施例，其包括位于漫射光发生器下游侧的小角度白光漫射器；
图22a-c示意性地示出了包括直射光源和漫射光发生器的组合的人工照明装置，其中还分别示出了直射光、透射光和漫射光之间的cct偏移；
图23为用于实现漫射光发生器的漫射板的示意图；
图24a和24b示出了用于实现漫射光发生器的漫射板和漫射光源的组合；
图25为用于实现漫射光发生器的漫射光源的示意图；
图26为漫射光源的一种实施例的侧视图；
图27a-f示意性地示出了人工照明装置及其直射光源的不同的实施例，聚焦于直射光和漫射光的相互关系以及它们对于外发射面上的外部光的贡献；
图28为现有技术的一种人工照明装置的横截面图；
图29为现有技术的再一种人工照明装置的示意图；和
图30和图31为现有技术的又一种人工照明装置的示意图。
具体实施方式
如已经介绍的，天空和太阳自然照射的感受一方面依赖于照明装置发射的光具有高度准直且低cct的直射光分量，以模拟阳光，而较高cct的漫射光分量模拟天空的光照效果，使得当物体被照明装置照射时，直射光分量可投射出清晰平行的阴影，漫射光分量使阴影呈淡蓝色。在另一方面，当直接观看照明装置本身时，天空和太阳自然照射的感受在于天空和太阳处于无限远的想象。
观察者估计物体间距离的能力与构建三维风景的视线深度，是基于多种与聚焦、双眼视差和融合、运动视差、亮度、大小、对照、空间透视等相联系的生理和心理机制的。根据观察条件(如观察者是移动的还是静止的、用一只眼睛观察还是两只眼睛等)和环境特征这两种因素，相对于其他机制，一些机制可较重要，后者依据如物品是否具有已知尺寸、存在的距离和亮度而定，用作参照物，以估计环境中观察到的元件有多远。值得注意的是，这些机制在实像和虚像的情况下都能持续。更具体地，当两个或更多不同图像平面在不同深度之间存在冲突同时被观察者感知时，由于为单视觉感知线索、或两个或更多不同高度水平视觉感知线索，可产生视觉上的不舒适或眼疲劳。
换句话说，本发明人确实注意到深度的视觉感知是由一系列的视觉线索所确定的，例如：
调节(accommodation)，即睫状肌的运动，以使眼睛晶状体聚焦场景；对于几米内的距离，调节是最有效的；
双目会聚(binocularconvergence)，即观察者两个眼球的视轴会聚到相同的物体，即汇集到该物体所在的平面。
运动视差(motionparallax)，即物体相对于运动的观察者所注视的背景的明显相对运动；通过很轻微的身体晃动，即可由运动视差获得强烈的深度线索；
空间透视(aerialperspective)，即，由于大气对光的散射作用，距离较远的物体挡住具有较低的亮度对比度和色彩饱和度。此外，远处物体的颜色移向光谱的蓝端；
双眼视差(binoculardisparity)，即该观察者的每只眼睛对于相同场景分别产生各自的视觉印象；通过利用从稍微不同的角度看到的两个不同的图像，观察者能够高精确度地三角测量到物体的距离。立体画(autostereograms)、3d电影和立体照片采用这种视觉线索来获得二维场景的深度感知；
基于运动的深度(depthfrommotion)，即物体大小的动态变化；
透视，即平行线汇聚在无穷远处的性质；
已知物体之间的相对大小；
物体被其它物体遮挡(occlusion)。
业已发现，天空和太阳图像的无限深度感知，其代表了呈现为实际天空和太阳效果的照明装置的其中一个要求，当它由双目会聚、运动视差和调节等视觉深度感知线索的协同作用相干支持时，可实现上述无限深度感知，即上面提到的这些视觉线索之间不存在冲突。空间透视对于天空和太阳图像的无限深度感知也起到了进一步的作用。
本发明人还注意到，视觉感知冲突(visualperceptionconflicts)的出现可能主要有两个原因：
基于单一的视觉感知线索的两个或更多个不同深度平面之间的不明确，这称为线索内冲突(intra-conflict)；
从不同的视觉感知线索获得的信息之间的冲突，这称为线索间冲突(inter-conflict)。
避免视觉深度感知线索之间的线索内冲突和线索间冲突是产生太阳和天空的无限深度的自然感知的根本。而且通过避免线索之间一致性的缺失，可以防止眼睛疲劳和不适，同时能够增加观看的舒适度。
例如，参考前面提到的图29所示的人工照明装置。特别是，当直接观察光源902时，观察者会同时察觉到两个相互矛盾的图像。由于瑞利面板的固有透明性，第一图像是led阵列的实像，该有限距离通过调节、双目会聚到led阵列的平面以及运动视差获得支撑。第二个图像是由蓝色背景环绕的光斑的虚像，其被感觉在无穷远处。该第二图像由以下事实给出，只要每个led910照射的圆形对称光锥的发散度和取向与其他所有的led相同的，由每只眼睛看到的该组led910在观察者的眼睛视网膜形成一个圆形光斑。换句话说，这些led910在具有固定方向和固定角光孔的光锥下被看到，该固定方向由led的校准方向给出，对于图29的情况，该方向垂直于面板906，而固定角光孔则与led发散锥角一致。值得注意的是，观察者的每一个眼睛在给定方向和锥角下看到其各自的照亮的led910组。这些光斑是由双目会聚在无穷远处而被感知，这是正常视觉要求的在视网膜产生这种圆斑的相同的同圆心图像的设置。此光斑的大小取决于每个led元件910发出的光的发散角。
由于光源902不包含用于防止第一图像平面(即led910阵列的实像平面)被直接观察光源902的观察者看到的任何机构，在不同平面上感知的上述两个图像之间会出现视觉感知冲突。这个冲突，例如可以解释为通过双目会聚索确定的线内冲突，其阻碍了观察者感知自然天空和太阳的外观。值得注意的是，这样的感知冲突使图29的装置不适于解决本发明的技术问题。换言之，该冲突的出现是因为观察者不仅从圆形光斑而且从整个led阵列看到了暖的直射光分量。事实上，即使led的大部分光是在其发散锥体内照射，该发散锥体外部仍然存在不可忽略的部分(例如，由于在圆顶led器件910内产生的散射，并且由于圆顶透镜并不是成像光学元件)，这使得几乎从任何观察角度，点亮的led都清楚地显示为发光物体。
由led以大角度(即在led发散锥体外)所产生的背景光是非常不均匀的，并且遵循led的间距周期性。本发明人认为这种不均匀性是导致位于有限距离的led阵列的第一图像胜过位于无限远处的光斑的第二图像的主要原因，即使在led以大角度产生的平均亮度远低于该光斑，以及，即使它相对于漫射光发生器的均匀亮度要弱。事实上，人的眼睛对于亮度空间梯度非常敏感，尤其是亮度的空间周期性调制(luminancespatialperiodicmodulations)。
此外，对于图28的实施例，由led以大角度所产生的背景光对于漫射光的光色品质相当有害，从这个意义上说，所得到的颜色与晴朗天空的光照颜色显著不同。
由于观察者能够清楚看到面板后方的整个led阵列，这不可避免地破坏了背景的均匀性和颜色，因为led光源对背景的贡献轻易地胜过瑞利面板本身的贡献。
因而，图29的装置既不能再现自然天空和太阳景色颜色也不能再现其实际的无限深度感知。
此外，商用的圆顶(dome-equipped)led能实现的最小发散度通常是在几十度左右，也就是比实际太阳光束的发散度0.5°大得多的一个数字。此限制使得光源902的半影角远大于天然的半影角。因此，除了那些具有巨大尺寸的物体外，物体根本无法形成阴影，而所述大尺寸物体的阴影的清晰度也是非常弱。通过使用较大的准直器，例如市售tir(totalinternalreflection，全内反射)透镜或cpc(compoundparabolicconcentrator，复合抛物面聚光器)反射器，可以将led光束发散度降低至6°～7°这样的值。然而，这种方式无助于支持无限深度感知，这些大型准直器导致了很粗糙的像素纹理，这比标准的led圆顶(domes)更容易被眼睛发现。
实际上，图29所示的光源902对自然天空和太阳的视觉外观不利的进一步的问题在于光斑的可感知像素纹理，即可观察到这种光斑的角度。实际上，高准直的led使得透镜(以及间距)的大小通常比标准圆顶大得多，即约1厘米或以上，这将使得光斑由极少的像素来形成，由于观察到该光斑的小锥角和透镜尺寸的增加，led/透镜的对组的数量随led发散度减少而减少。在此情况下，对应于无限深度平面的虚像分割成两个基本上不同的像素化图像，这使得led阵列平面的感知胜过无限深度图像。从而这样的情况防止观察者自发地感知太阳图像的无限深度。
此外，应当考虑环境光(即来自于由照明装置或一些其他光源照亮的环境的光，其穿越瑞利散射面板906到上游/反方向再次照亮led910阵列)的影响，以及被瑞利面板906反射或漫射回led阵列的光的影响。这种通常来自于所有方向(即漫射性的)的光产生了不希望出现的作用，这进一步增加了led阵列的可见性。换句话说，图29的装置即使当它被关掉时也不变黑，当此发生时，从周围环境反馈的光不发挥作用。
总之，图29的装置未能解决本发明的基本技术问题，当观察者直接观看该装置本身时，它不能产生实际天空和太阳的视觉外观，这是因为它会引发同时存在的视觉平面之间的视觉感知线索冲突，这些视觉平面例如为led910阵列的实像平面和对应于太阳的光斑的虚像平面。此外，它也未能正确表示对应于太阳的图像，这是由于该光斑是在大锥角下被观察，并且可以清晰地看到这种虚像的像素纹理。
参考图30所示的已提到过的实施例，发生视觉线索冲突的又一个例子，这种阻碍了该装置产生无限深度视觉体验。在这方面值得一提的是，为了使发光效率最大化，该实施例通过使用单个光学元件(而不是两个)来同时执行准直和瑞利散射而使直射光和散射光尽可能以前进方向引导。为了增加出光量，提供了抗反射涂层和反射腔，以将反向散射光重新引导至向前的方向。值得注意的是，图30的装置没有设置成产生具有最小发散度的暖(例如低cct)的直射光，这需要将暖光源984设置在透镜980的焦距位置。与此相反，如图30所示，光源984位于更靠近透镜的位置，以使透镜收集的光量最大化，而不是产生的平行光线。
由于光源984距离透镜较近，从透镜的外周部分出射的暖光比中心部分弱得多，由于从荧光剂至透镜之间较远的光线路径和较大的倾斜角(每根光线对亮度贡献正比于所述路径长度乘以入射角的余弦的平方的倒数)。在实践中，假设在透镜的外部部分具有60°的平均入射角，所述差异可能导致整个透镜的暖光亮度变化的一个系数8，其引起瑞利散射器光度的强烈空间调制。由于漫射器厚度的减小，当亮度(来自光源984)变低时，不均匀性进一步增加。
因此，图30的装置仍然存在几个问题，包括但不限于视觉线索冲突，这阻碍了观察者获得人工照明的自然感觉。事实上，暖光源984和透镜之间的短距离使光源的虚像显现在有限的距离，这与太阳的自然图像的情况不同。此外，该(透镜)瑞利散射的不均匀亮度导致不均匀的天空亮度分布曲线图，这使得视觉线索触发在装置平面形成发光透镜的真实图像，确定所述实像平面和虚像平面之间的线索冲突。另外，光源和透镜之间同样的近距离导致图30的装置投下的阴影具有典型的径向对称向外指向的特点，这与实际太阳的情况不同。最后，反射箱986朝向观察者发射几种光线，即直接来自光源984的光、从透镜与空气间的两个界面反射的光、从纳米漫射器反向散射的光以及从透镜下游的被照明场景向上游方向穿过透镜的光。其结果是，通过在透镜图像平面和光源图像平面之间的中间位置创建一个瑞利散射器之外的不均匀的发光背景，反射器箱进一步阻碍了任何可能的大深度的视觉感受。值得注意的是，由于从光源984和从环境的光对于反射背景的贡献，其颜色与瑞利散射光的颜色不同，反射箱986使漫射光的颜色不同于从天空光的实际颜色，从而破坏了天空的自然外观和阻碍了空间透视在深化深度感知方面可能产生的积极影响。总之，图30的装置未能解决本发明的技术问题，它既不能满足当观察者直接观看装置本身时获得实际天空和太阳的视觉外观的要求，也不能满足像天空和太阳那样照亮周围环境的要求。
为了进一步说明对于相同光源的阵列的情况下，在无限远处形成光斑虚像的机理，本发明的发明人对图29所示的结构进行抽象化，如图1所示。即，漫射光发生器10位于直射光源12的下游侧，直射光源12由第一发光装置14的二维阵列以及与每个第一发光装置14相关联的准直透镜16组成，准直透镜16用于使相应的第一发光装置14输出的光准直。漫射光发生器10可以是瑞利类漫射器，或者可以采用如将在下面更详细概述的，可替代地或另外包括一个对于直射光源12所产生的准直光至少部分透明的漫射光源。图1还示出了望向人工照明装置的观察者的眼睛18l和18r，整体用标号20表示。由于双目视觉(binocularvision)的原因，眼睛18l和18r自然会调整至无穷远，观察者会自然地尝试在相应视网膜22的相同位置形成两个太阳图像。由于漫射光发生器10被放置在靠近准直器16的平面，眼睛18l和18r会看到蓝色天空环境中的一个圆形的太阳。值得注意的是，当在房间内行走时，眼睛会看到太阳横过面板，就像现实当中所发生的情形。如果光源角谱不是平顶形而是钟罩形，太阳图像不会清晰，而是模糊。值得注意的是，图1只涉及无限远处的光斑虚像的形成，而没有考虑其通过双眼调节和会聚在led阵列平面形成的而led阵列的实像，以及阻碍图29的装置确保天空和太阳自然外观的因素。
图2a示出了根据本发明的一种实施例：它能够如太阳和天空透过窗户般照亮周围环境，并且同时保证了照明装置的视觉外观，其保证了通过窗口观察到的自然天空和太阳的几乎无限深度感知。
换句话说，本实施例示出了用于产生类似太阳和天空自然光的人工照明装置20，即具有类似于太阳和天空光的亮度分布曲线图和外观。
图2a的人工照明装置包括直射光源。为了便于理解，图2仅仅示出了直射光源的第一发射面28。然而，从图1和以下附图可以清楚了解，直射光源包括第一发光装置，该第一发光装置配置成发射原初光(primarylight)并位于发光面的上游。直射光源12配置为从所述原初光产生直射光236，该直射光236从第一发射面28出射，其亮度分布曲线图
此外，图2a的人工照明装置还包括一个位于第一发射面28下游的漫射光发生器10。漫射光发生器10包括第二发射面34和与该第二发射面朝向相反的输入表面33，并且配置为相对于入射到输入面33的光至少是部分透明的。此外，漫射光发生器10配置为从第二发射面34发出漫射光35，其中，所述漫射光35是从第二发射面34出射的外部光的分量，漫射光35在几乎所有的前进方向上散射，并且呈现为一致的或至少弱依赖于空间坐标x，y。例如，漫射光发生器10配置为所发出的漫射光的立体角至少是窄峰30对着的立体角的4倍，优选为9倍，更优选为16倍。
另外，图2a的装置构造成使直射光源12所产生的直射光236的cct比漫射光35的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)。由于所述漫射光发生器10是至少部分透光的，至少一部分直射光236的传播至第二发射面34的下游，因此，外部光包括沿着窄峰30所包含的方向(例如，沿着窄峰30所对着的至少90％的方向，即，极坐标角θ小于窄峰的hwhm(halfwidthathalfmaximum，半高半宽)极角的那90％的方向)传播的第一光分量和沿着与窄峰30间隔开的方向(例如，该方向跨越以方向32为轴线的锥体外的角度区域的至少30％，优选50％，最优选90％，且半孔(half-aperture)为窄峰的hwhm极角的3倍)传播的第二光分量，其中第一光分量的cct比第二光分量的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)。
相对于图2a的实施例，在图2b所示的另一实施例中，第一发射面28和第二发射面34的位置进行了互换。换言之，在图2a的实施例中，第二发射面34形成装置20的外表面37，而在图2b的实施例中，第一发射面28形成装置20的外表面37。
具体来说，图2b的实施例所涉及的人工照明装置包括一个直射光源(未示出)，该直射光源包括构造成发射原初光(未示出)的第一发光装置14(未示出)和位于直射光源下游的第一发射面28，其中直射光源12配置为从所述原初光产生直射光236，该直射光236从第一发射面28出射，其亮度分布曲线图
在特定的情况下，可以采用进一步的实施方案，其与图2b的实施例区别仅在于第一发射面28与第二发射面34重合。换言之，本实施例包括一个具备漫射光发生器10和第一发射面28两者功能的二向色性光学元件，例如产生的漫射光分量的cct比原初光14的cct要高，和准直的互补光分量的cct比原初光14的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)，如图30所示的透镜980。在这种情况下，产生一致(例如，关于空间依赖性)的和沿直射光方向32具有窄峰30(关于角度依赖性)的亮度分布曲线图
在另一特定的情况下，还可以采用以下的实施方案，其中将原初光转换为直射光的过程(例如，准直的过程)是由位于第一发射面28上游的一些光学元件来执行的，且其中位于第一发射面28上游的漫射光发生器10，即不是被原初光直接照射也不是被直射光直接照射，而是由原初光演变而来并在第一发射面28成为直射光的中间光照射，在本实施例中，在漫射光发生器从照明装置上物理移除后，必须对
人工照明装置的进一步的实施例具备上述四个实施例的所有特征，因此，它包括：
直射光源12；和
漫射光发生器10，
其中所述直射光源12包括配置为发射原初光的第一发光装置14，以及位于该第一发光装置下游的的第一发射面28，
其中所述漫射光发生器10至少部分地透光，并位于第一发光装置的下游，该漫射光发生器10包括第二发射面34并配置为在第二发射面34上产生漫射光35，
其中所述直射光源12配置成，当其位于第一发射面28的上游侧时，将漫射光发生器10移除，使得直射光源12从原初光产生直射光236，该直射光236从第一发射面28出射，其在第一发射面28上的亮度分布曲线图是一致的，并且围绕直射光方向32具有窄峰30，
其中第一发射面28和第二发射面34当中的一个位于另一个的下游，并形成人工照明装置的外发射面，或者所述第一发射面28和第二发射面34重合以形成人工照明装置的外发射面，
其中，人工照明装置配置为使得所述直射光源12和漫射光发生器10协同工作以在其外发射表面形成外部光，该外部光包括沿着窄峰30所包含的方向(例如，沿着窄峰30所对着的至少90％的方向)传播的第一光分量和沿着与窄峰30间隔开的方向(例如，该方向跨越以方向32为轴线的锥体外的角度区域的至少30％，优选50％，最优选90％，且半孔(half-aperture)为窄峰的hwhm极角的3倍)传播的第二光分量，
其中，第一光分量的cct比第二光分量的cct要低，例如前者低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好。
图2a和2b的实施例及所述的替代方案和概括方案均具备以亮度分布曲线图
我们注意到，
实际上，沿空间坐标一致分布并产生尖锐角峰的亮度分布曲线图的存在，类似于图1所示的设置方式，由双目会聚于无穷远处所支撑的虚像。这样的一致性克服了图29的实施例的明显局限性，因为led阵列的实像是由非空间均匀亮度(例如归因于led元件间距)所确定。
应该注意的是，空间上一致的
此外，由于已经提到的事实，即观察者的视觉注意力优先被最高亮度、最高对比度和最高空间频率(低于分辨率极限)发生的平面吸引，在图2的实施方式的情况下，眼睛调节被优先地带到一个无限远平面，这是最高亮度、最高对比度和最高空间频率发生的虚拟平面，这是因为亮度
此外，在上述实施方式中所描述的的亮度分布曲线图的特性不依赖于观察者的数量以及他们相对于光源的相对位置，而在于每个观察者体验到由视觉感知线索相干支持的相同的无限深度感知。
因此，从直射光源12的第一发射面28出射的光的亮度分布曲线图
应该注意的是，
同时也指出，暗背景相对于明亮的能进一步增强占主导的无限深度感知，因为这些非均匀结构关于主要的窄角峰的平均亮度值越低，背景亮度分布曲线图当中可能的非均匀性的可见性越低。换言之，对于相对于该背景平均值的相同的相对波动幅度，在暗背景中的非均匀性比强背景中的非均匀性确定了弱得多的视觉感知线索冲突，其中“暗”和“强”是相对于窄角峰30的亮度而言的
同时也注意到，对于图29的实施例的情况，
沿直射光方向32的窄角峰30确保了具有清晰半影的平行阴影。漫射光发生器10一方面通过提供具有较高cct的漫射光分量以形成淡蓝色的阴影，正如进入实际窗口的自然光一样，从而保证了图2的实施例如自然天空和太阳般照射环境。在另一方面，所述漫射光发生器10装置本身在直接观察时视觉外观产生影响。事实上，该漫射光发生器10产生围绕由直射光源的光照所确定的低cct光斑的漫射光照蓝色背景。由于空间视觉线索与上述单独由直射光源支持的其他视觉线索之间的协同作用，此发光背景进一步支持无限深度感知，而不是像白色或灰色发光背景那样会破坏无限深度感知。
对于上述协同作用，即当观察者望向漫射光发生器10，同时在视野的一侧还具有表示太阳的光斑时，观察者所感知的深度，本发明人注意到三个同时存在的影响所发挥的关键作用，即ldirect角分布的窄峰、由第二发射面34所发射的漫射光的空间均匀性和平滑的角度依赖性、漫射光的高cct(相对于直射光的cct)。实际上，单独的空间的一致性或平滑的漫射光的角度依赖性，会使漫射光的光源的感知距离变得不确定，即观察者在评估他/她和第二发射面34之间的距离时将会很困难，除非是框架或者相似的部分中一致性消失。在这种情况下，任何吸引观察者的注意力至漫射光发生器物理平面的小细节的存在(例如在漫射器表面上划痕的存在)，将使得优先的深度感知聚焦至第二发射面34。与此相反，在ldirect角度分布曲线图中的窄峰会迫使眼睛聚焦在无穷远处。其结果是，从平面上感知的漫射光产生的地方，同样被拖拽至无穷远处。会发生这种情况，因为当观察者观看一致的背景时，距离本身并没有被定义，会聚(convergence)、调节和运动视差的可见感知，意味着在场景中通过单个定义的结构而保持恒定，在这种情况中通过ldirect中的窄角峰30表示。在图2的示例中发现，当漫射光具有的颜色和亮度(相对于环境)与天空相似时，这种效应会显著增强，这正如在瑞利散射体系中漫射器工作时出现的情况。实际上，在这种情况中，观察者的习惯是强迫性地把天空作为远距离物体进行感知，从心理学的角度来看，为无限的深度感知。从其它方面看，空间透视(aerialperspective)进一步有助于把背景拖拽至无穷远处。最后，应该注意到，对于在图29中的实施例，没有被观察到所提到的把蓝色背景拖拽至无限远距离，因为在那种情况下，可感知的像素(pixelation)把漫射光的发射的平面拖拽至了led阵列的平面上。
在下面概述的具体实施方案中，人工照明装置20可以构造以使其“紧凑”，并在下文进行定义：假设包含直射光源12的最小体积q，t代表q在平行于方向32的直线上的(圆柱形)投影的长度，u表示在第一发射面28上的任意两点之间的最大距离，直射光源(12)配置为使得ldirect角分布的窄峰30的宽度远小于arctan(u/2/t)，例如为2arctan(u/2/t)的1/2,优选为1/4，更优选为1/6。这意味着窄峰30绝不是可以通过简单地将光发射器定位为远离表面28而获得。
在图3a和3b所示的本发明的实施例中，该照明装置是紧凑的。直射光源12可被一个长方体内收容，该长方体的接地面12a的面积等于或大于发光面的面积，该长方体的高度12b小于第一发射面28的的最大宽度。接地面12a可以包含第一发射面28或者放置为与第一发射面28平行，使得第一发射面28完全位于该长方体内。只是为了举例说明，第一发射面28的面积可以大于10厘米×10厘米。接地面12a的面积可以小于第一发射面28面积的1.1倍。上述最大宽度可以被定义为第一发射面28任何两个点之间的最小距离。
在下面进一步概述的实施例的情况下，该漫射光发生器10不占据太多的空间。例如，如图3a所示，漫射光发生器10可布置在一个长方体内，该长方体的接地面10a与第一发射面28位于同一平面，该长方体沿下游方向36延伸高度10b。接地面10a的面积可以等于或小于接地面12a的面积，该长方体的高度10b可以小于或等于高度12b。与接地面10a相对的顶面10c可以包括第二发射面34，或后者可以包含在漫射光发生器10的长方体内。优选的，第二发射面34的面积近似等于第一发射面28的面积，例如，第一发射面28的面积±10％。如前所述，漫射光发生器10和直射光源12的长方体的接地面可以超过面34和面28的面积，高度10b可以小于第一发射面28的上述最大宽度的10％，或者小于10厘米而不考虑第一发射面28的最大宽度。下游方向36可定义为指向方向32，其中直射光源12产生的直射光从第一发射面28沿方向32发射。如上所述，该方向32可平行于第一发射面28的法线。图3b对应于图2b的面28与面34之间的相应结构。漫射光发生器10的长方体可以完全包含在直射光源的长方体内。
由于直射光源产生直射光的能力，使得从所述第一发射面28出射的直射光具有在整个第一发射面28上一致的亮度分布曲线图ldirect，并且绕直射光方向32具有窄峰30，它遵循：1)在整个第一发射面28上的直射光方向32大致恒定2)发散度小，和3)在整个第一发射面28上的发散度基本恒定。至于需要到达何种程度的“小”和“基本”，下文将更详细地说明。参考图4，在任何情况下，由于直射光源12所产生的直射光遵循这些约束条件，当观察者38分别观看直射光源及其第一发射面28时，在一个狭窄的视锥角42内看到一个光斑40，对于双目会聚、调节和运动视差深度线索而言，该光斑会被认为在无限远处。换言之，当望向第一发射面28时，观察者38看到一个光斑40，当观察者相对于该发光面移动时，光斑40也相对于上述第一发射面28移动，犹如该光斑40源自于位于无穷远处的物体。
为了界定上述对于由直射光源12在第一发射面28产生的光的亮度分布曲线图的一致性和峰值锐度的约束条件，人们可以区分内部直射光分量和周围相对发散的分量，内部直射光分量有助于窄峰的形成，周围相对发散的分量有助于剩余背景的形成。并且，基于双目会聚和运动视差深度线索，人们可以区分在整个第一发射面28较小区域和较大区域之间亮度分布曲线图的可能变化。上述约束条件如下文所定义。
具体地说，直射光源12发射的光具有一致的强度，以单一的、给定的方向32透过第一发射面28，相对于发射面的法线z，方向32具有非常低的、优选为圆形对称的分散锥体，并且在分散锥体外具有低背景，其中，分散性和背景透过平面内后还是一致的。在这一方面，
偏离方向32，即极角θ>3θhwhm，其中θhwhm是平均极角分布的hwhm(半幅度半宽值，hwhm)，平均极角的分布是指在第一发射面和所有方位方向
接近方向32时，即极角θ≤θhwhm，亮度分布曲线图ldirect轻微地依赖于方位坐标
其中θhwhm≤2.5°,优选θhwhm≤1.5°,更优选θhwhm≤0.5°.
在公式中：
和
其中，a表示第一发射面28的面积，
θhwhm≤2.5°,优选θhwhm≤1.5°,更优选θhwhm≤0.5°,
k＝0.1,优选k＝0.01,更优选k＝0.001,
h＝0.5,优选h＝0.2,更优选h＝0.1
且适用以下的定义：
θhwhm≡hwhm(lmeanpolarangledistr(θ))
把更多注意力放在偏离方向32残留的(residual)直射光背景的一致性，对ldirect的要求是在极角θ比3θhwhm大的情况下表现出最小的空间波动幅度；例如在所述亮度空间波动和亮度平均值的标准偏差之间的比率可以不超过0.3的值，优选地不超过0.1的值，在任意10mm直径圆形空间区域内，对于第一发射面的至少90％来说可以不超过0.4的值，优选地不超过0.3的值，更优选地不超过0.2的值，在整体的第一发射面的至少90％内，对于任意固定方位角度
当考虑到一致性的直射光靠近方向32时，在(局部)极角中不会出现对ldirect的空间波动的要求，极角会导致(局部)最大化亮度，最大化亮度的标准偏差比在5cm直径的空间区域内的θhwhm的20％要大，优选地10cm直径，更优选地20cm直径，并且在(局部)极角中没有表现出空间波动，极角会导致(局部)最大化亮度，最大化亮度的标准差大于在整个第一发射面整体的至少90％内的θhwhm，其中θhwhm≤2.5°，优选地θhwhm≤1.5°，最优选地θhwhm≤0.5°。
用公式来描述，刚才提到的约束条件可以表达为
对于(x,y)∈a10mm(x,y),
其中j＝0.3,优选j＝0.1
对于(x,y)∈a90％,
其中g＝0.4,优选g＝0.3,更优选g＝0.2.
其中所有的(x,y)∈a90％,θhwhm≤2.5°,优选地θhwhm≤1.5°,最优选地θhwhm≤0.5°,并且a90％表示的部分占据了第一发射面28的整个区域的90％，这里的部分可以是直接相连或者不相连。a10mm表示在a中(x；y)任意10mm的圆形区域，adiam表示在a中(x；y)的5cm直径的圆形区域，优选地10cm直径，更优选地20cm直径，
其中
总之，通过上述约束条件可以保证，对于从直射光方向32充分地间隔开的极角，ldirect相当微弱且一致，而对接近引导光方向32的极角，ldirect是弱依赖于方位角坐标，并且在相同的方向具有峰值，即θ＝0，其中任何(x,y)∈a，从而至少基本上可以确保圆形光斑40的外观。如上文表示，通过这些约束条件可以确保观察者38将只看到一个由暗淡而均匀的背景包围的明亮的圆形光斑40，其全宽角大小42等于或近似于2·θhwhm。
在某个实施例中，直射光源配置为保证黑暗和一致的背景，在十分明亮的环境中工作的时候也应如此，即光源应该配置为使得环境中光的反射或背散射不会达到一定强度，鉴于背景亮度的等级和一致性，这种强度可能破坏第一发射面28的表面。实际使用时，第一发射面28不仅能出射光，还可以接收例如来自于漫射光发生器10(如果安装在其下游)和/或环境中的光。举例来说，人工照明装置20的理想情况是照亮一间完全白色的房间，由直射光源产生的整个光通量将会返回至直射光源自身。
当直射光源12关闭时，前面的要求转化为另一种要求，第一发射面28在漫射外部照射下具有黑暗和一致的表面。特别地，本实施例的直射光源12配置为使得第一发射面28具有的总体反射(平均)因子ηr≤0.4，优选地ηr≤0.2,更优选地ηr≤0.1,再更优选地ηr≤0.04，其中总体反射因子ηr被定义为第一光通量与第二光通量的比率，第一光通量是指以样品的平面为界的半球中在所有角度上的反射，第二光通量是指在相同的几何和光谱条件下测量时由完全(perfect)反射器反射的磁通量，即在d65标准发光体的漫射亮度下，d65能够向样品提供一致的亮度。
在进一步的实施例中,因为反射光通常是直射光的上界,要同时顾及绝对亮度值和其波动，对于偏离方向32的第一发射面28的黑暗和一致表面的要求甚至更加严格.更准确地说,考虑到背景光同样是作为被动光学元件,实施例要保证第一发射面28维持相同的特征,即当其在十分光亮的环境中工作时对于其反射和漫射的光。换句话说，同样在强光环境存在时，直射光源12保证了在发射锥体30外部观察的任意极角为黑暗和一致表面。
这种要求可以转化(translatedin)描述为直射光源12应该配置为使得当漫射光发生器10从人工照明装置移除并关闭直射光源12以及第一发射面28通过外部漫射光照射时,其中外部漫射光以恒定的亮度传送至第一发射面28,这里的亮度与通过直射光源12在其打开时其自身传送至第一发射面的亮度的平均值相等,外部漫射光通过第一发射面反射或背散射,在第一发射面28产生反射亮度分布曲线图lr,其弱于第一发射面28的至少(atlast)90％中的任意位置和任意角度的ldirect,其中lr表示在任意10mm直径的圆形区域中振幅标准差,lr低于在第一发射面28的至少90％中相应的标准偏差ldirect.
在公式中，关于lr的“弱”和“一致性”上述约束条件，表示为：
其中所有x,y∈a90％,所有
其中(x,y)∈a10mm(x,y)所有
其中所有(x,y)∈a90％
a90％表示的部分占据第一发射面28的整个区域的90％,这个部分可以直接相连或者不相连,a10mm表示在a中(x；y)任意10mm直径的圆形区域,
而在一个不同的实施例中,由直射光源12在第一发射面28产生的光在方向上的空间波动以及窄峰30的宽度的约束是以不同的方式制定(formulated)的,也就是亮度分布曲线图ldirect表现出的最大值的局部方向的分布的范围，覆盖了第一发射面28,其低于2°,并且覆盖所有方位角度的平均化的ldirect的局部平均极角分布曲线图的hwhm的第一发射面28的平均值低于5°.用公式的形式来表示,这意味着:
其中
其中
自然地,亮度分布曲线图的最大值的方向的分布应该不同于径向对称的矢量场(radiallysymmetricvectorfield),以使在直射光中被物体投射的阴影不会与沿着聚集的方向相平行,这正如在图28,图30和图31中装置的情况。更准确地说，直射光源配置为使得由直射光源照射多个细长的物体，且多个细长物体围绕着方向32，且多个细长物体彼此间平行，多个细长物体被投影至任意的平面上的多个阴影不应是没有径向对称地指向外部的行为的特征，这种特征是由局部光源在无穷远处的亮度的典型特征。总结来说，在窄峰30的方向上的空间波动,其可能在前面的约束中出现，这可能是无规律的或者随机的。
以前面所描述的任意方式，通过把直射光源12和漫射光发生器10结合起来,人工照明装置20提供了一种明亮的优选为蓝色的背景，蓝色背景模拟了天空并且源于(stemsfrom)漫射光发生器10,由于通过直射光源12所引起的光会导致在cct方面较暖的光斑40。当在第一发射面28的前方移动时，这个光斑40会透过(across)它，这正如太阳光透过真实的的玻璃一样。
显然，一旦观察者38用两只眼睛看到直射光源12的直射光时,观察者38将会在无限的距离处感知到光斑40。实际上,为了感知到如图1中描述的两个视网膜上相同定位处的光斑，亮度分布曲线图ldirect所概述的特征会迫使眼睛平行。这种条件保证装置20提供巨大的深度感知。这些条件将会得到理想地保证,如果ldirect不依赖于x,y和
在有限的距离内，直射光源的真实影像的可见性转化为给定的亮度分布曲线图ldirect，因此，为了避免破坏深度效应，ldirect应该受到一些限制。换句话说，如果满足了前面列出的一些对ldirect理想的约束条件，直射光源12是不可见的，而唯一可见的物体为光斑40。为了说明可被接受的偏差，应该认为观察者38容易感知到在物体亮度上非常微小的空间变化以及颜色分布，且提供的角度频率不大于眼睛分辨率产生的极限值，即0.07°。举例来说，这意味着假定观察者38从装置20的1米远处的最小距离可接受的直射光源12的空间变化是出现小于大约1mm范围的变化。大范围亮度变化的发生可以通过观察者的眼睛轻易捕捉到(spotted)，至少如果θ>θ0时会这样，这个时候的视野(vision)没有达到饱和(saturated)。
我们注意到，背景亮度为最大亮度的10％是一个非常高的数字，然而这在某些条件下也是可以接受的，例如旨在再现日出或日落时的天空和太阳光照时，即当太阳的亮度相对于天空的亮度不像白天那么高时。
在任何前面概括的约束中，应该清楚的是这些约束是不满足在图28中表示的设定的，由于直射光源902必须安装地离面板906非常遥远，以保证ldirect的空间一致性，并避免阴影被定义为径向对称地指向外部的行为(featuredbyradiallysymmetricoutwardlypointingbehavior)。另外，图29的设定条件表示一列具有圆顶集中器(concentrators)的leds，其不满足这些约束，既是因为亮度的hwhm比正常的振幅大一个量纲，也因为产生的亮度表现出强烈的角度的空间波动，波动大于hwhm锥体发射角度，这是由于led的排列的间距(pitch)并大于1mm的范围。值得注意的是，即使图29的leds设定条件得到匹配，可能仍然不会得到期望的特殊条件，例如，tir光学聚光器，或者更普遍地，在任何非成像光学领域中使用的标准聚光器，例如复合抛物面聚光器(cpcs)装置。实际上，这些光学元件应该具有的横向尺寸是非常大的，以确保期望的低发射性，也就是说，如果考虑到现有的一般照明led芯片为1mm，而耦合这些led至光学器件上需要几个厘米长。这意味着，在至少接近第一发射面时，即观察者在距离第一发射面1m处时，举例来说，观察者的眼睛将在每一个单独的光学器件中看见光斑40，即点的尺寸小于光学器件尺寸，例如，对于1°的分散性，点在1m远处大约为2cm。观察者从其短距离处(见上文)观看这样的低分散的非影像光学器件时，不能够感知到任何圆形点的真实影像，并且还不能体验到任何无限的聚集深度。因为由这种非影像光学器件产生的亮度既不是真实一致的(即平移时不变化)也不是相对于方位角度不变化。其结果是，即使发射光源例如led配置的光学器件是圆形且不相同，两只眼睛将捕捉到两个通常不是圆形的影像。相对于迫使两只眼睛定位在平行的方向上，两只眼睛感知到不同影像的现象是非常有害的。在这种环境下，相反地，如果两个物体相同，两只眼睛会更加容易聚集至实际看到的物体(isreallyseenasequalbyboth)，即直射光源物体在有限的距离上。这不仅破坏太阳圆形轮廓，还破坏无限深度感知。
刚才提到的想法表明，如果led能满足以下的约束条件，直射光源12进一步的实施方式甚至可以理解为与图29所示的结构一致：
(i)每个led(包括圆顶透镜)在垂直于发射方向的方向上的尺寸必须大幅减小，也就是说，它应该减少至3毫米，减少至1毫米更好，减少至0.5毫米最好。在开启和关闭模式下都将遵循一致性约束条件。
(ii)该led发射器的大小(即荧光剂或染色剂的大小，也就是其线性尺寸，对于目前可用的普通照明led而言，该线性尺寸最小通常为约1mm)和圆顶透镜焦距之间的比值应为约1/10至1/50，以保证1°至5°范围内的发散度。假设1°的发散度和1毫米的焦距以及与之相当的圆顶直径，为确保最大的出光量，人们会将led发射器的尺寸选择为20微米以下。
(iii)另外，每个led发射器及其相关联的圆顶应嵌入到微型暗箱中。此暗箱应由吸收体所覆盖，除了返回到led发射器的环境光，该吸收体基本上吸收所有穿过圆顶透镜的环境光。在这种情况下，当由外部光照射时，led基体会呈现为暗的。此外，应当避免来自于led周边(例如led基板)的散射光与透镜圆顶耦合。
(ⅳ)所述led圆顶透镜可以具有抗反射涂层，以将返回到周围环境的环境光减到最少。
综上所述，直射光源12可以理解为，其包括特殊结构的发光二极管的二维阵列，下面结合图5对其结构进行详细描述。具体来说，每个发光二极管44包括一个光发射器46和一个准直器，光发射器46可以是发光二极管，其包括荧光剂和/或染色剂等，准直器可以是圆顶透镜48，其中该圆顶与光发射器46的距离49基本上等于该圆顶的焦距。优选地，为了方便实现独立于方位角坐标的亮度分布，光发射器46在一个垂直于方向32的平面上具有圆形的横截面。除了位于上游侧的窗口52(光发射器46通过该窗口发射光)以及形成光准直透镜表面54的下游端之外，圆顶透镜48的所有内表面都覆盖了光吸收剂，以便形成微型暗盒56。如上所述，表面54可以具有抗反射涂层，光发射器46的发光区域的横向尺寸或宽度58应足够小，使得宽度58与长度49之间的比率小于1/10，优选小于1/20，最优选小于1/50。此外，间距50应小于3毫米，优选为小于1毫米，最优选为小于0.5毫米。如前所述，发光二极管44可以紧密包装为例如六角形的方式。发光二极管44的阵列所覆盖的区域面积与第一发射面28一样宽。
当然，将图1所示的第一发光装置/准直器的对组实施为如图5和6所示的单个led器件44也不是必须的。这将通过以下实施例进行说明。
例如，图7示出的直射光源12包括配置为发出原初光62的第一发光装置60和位于第一发光装置60下游的以准直透镜64形式的准直器，该准直透镜64沿着光轴68设置于焦距66处，所述光轴68与直射光方向32一致。与标准照明装置(例如图28所示的led圆顶透镜)不同，在本实施例中，透镜64可以是成像光学元件，在这个意义上，对于给定的光学布局参数(即系统数值孔径，透镜和发光装置之间的距离，焦距与发光装置的横向尺寸之间的比率，等等)，该透镜的特点可以是确保透镜在无穷远处形成第一发光装置60的图像。
为了实现制造成本的降低和结构的紧凑，准直透镜64可以是菲涅耳透镜(fresnellens)。第一发光装置60则可以采用led。
对于图7的描述，应当指出的是，光轴68可与准直透镜64的光轴重合或者与之倾斜，此时光轴68定义为交点61与第一发光装置60的发光区域的重心之间的连线，其中该交点61为准直透镜64的主平面(如果存在两个主平面，则是更接近第一发光装置60那个主平面)与准直透镜64的光轴之间的交点。对于采用菲涅耳透镜64的情况，菲涅耳透镜64可以定向为平行于第一发射面28，或者位于第一发射面28内，如下面进一步所述。如果是其他的准直透镜64，其主平面同样适用于上述情况。无论是哪种情况，透镜64的光孔都与第一发射面28一样大。
第一发光装置60可以具有圆形的光孔，以便产生圆形的光斑40，其在观察者的眼睛内聚焦在无穷远处。
同样如图7所示，图7的直射光源12可以还包括一个形成暗盒70的吸收器，该暗盒70容纳第一发光装置60并具有用于定位准直透镜64的孔，其中，所述暗盒70的内表面72由吸光材料形成，所述吸光材料对于可见光的吸收系数大于70％，大于90％更好，大于95％最好。这将遵循反射亮度角分布的约束条件。
应当指出的是，图7当中的许多特征可以相应地改变。例如，准直透镜64的光孔并不一定需要为图7所示的圆形的，也可以是矩形、六边形或其它多边形形状。对于暗盒70及其内表面72的形状，应注意的是，暗盒70也不一定需要是如图所示的圆柱形，该圆柱形的顶面具有准直透镜64的光孔重合，第一发光装置60集成在圆柱形的底面的孔内或位于该圆柱形内部，任何其它形状都可以是适用的，只要在第一发光装置60和准直透镜64的光孔之间的任何直射光路是畅通无阻的。例如，内表面72可在图中所示的圆柱形与非凹的截头椎体之间延伸，具有最小体积并在第一发光装置60的发光区和准直透镜64的光孔之间延伸。
为了满足以上所述的关于亮度分布曲线图ldirect的可能的约束条件，准直透镜64的焦距66与第一发光装置60的孔径的宽度74之间的比率可以大于10，优选为大于50。例如，焦距66可以是大于10厘米，优选为大于20厘米。准直透镜64的孔径的面积可以是大于80平方厘米，优选为大于300平方厘米。准直透镜64的下游面可以形成为所述发光面。
对于图5至7的实施例的数值，应当指出的是，例如焦距和发光孔径之间的比率，不需要完全遵循前面所述的关于亮度分布曲线图的约束条件。相反，图5至7的实施方案可以与随后描述的微光学光束均化层(micro-opticsbeam-homogenizerlayer)实施例进行组合，以便满足上述约束条件。因此，图5至7的实施方式可以只形成直射光源12的一个部分，即用于产生预准直光的准直光源，所述预准直光例如为光束具有有限hwhm发散角(例如hwhm发散角小于2.5°)，但在更大的角度范围内存在杂散光，例如导致光束角分布的副峰(secondarypeaks)或尖峰(spikes)的杂散光。
在任何情况下，菲涅耳透镜64的典型尺寸为20厘米左右，透镜64与观察者之间的典型距离为1.5米左右。对于准直透镜64的观察者，图7的结构使得第一发光装置60的虚像的发散角比孔径角要小，从而确保光斑40的图像(即第一发光装置60的图像)显示为准直透镜64的光孔后方远处的亮点。也就是说，太阳的图像看起来比透镜64的孔径要小，而透镜64本身可理解为眼睛和非常远处的物体40之间的透明窗户。使用菲涅耳透镜作为透镜64的一个优点在于实现较小输出发散角的技术可行性。作为一个例子，发光二极管与tir(全内反射)透镜的组合的典型发散角例如约为8°～10°或大于8°～10°。其中一个主要的限制归因于光学元件(即tir透镜)的焦距，它为1至5厘米左右或小于1至5厘米。对于采用菲涅耳透镜的情况，这种透镜的焦距可以是20至30厘米左右。输出发散角由第一发光装置60(包括或不包括主光学元件，例如led的圆顶透镜)的空间孔径74与上述焦距66之间的比率而给出。在第一发光装置60中，如采用1至2毫米的led和20至30厘米的焦距，发散度约为1°或为1°以下。
图7所示结构的进一步优点是不存在太阳图像的像素纹理。在图29的例子中，对于处在最终观看距离(例如约为1米或大于1米)的最终观察者，输出发散度有可能比led光学器件的孔径角要大，约为1厘米的主光学器件(即圆顶透镜)导致0.6°的孔径角与8°～10°的输出发散度进行比较。这就决定了图像在不同透镜元件的像素化。这样的像素化特性的角周期比眼睛无法区分每个元素的极限周期大得多。这一事实连同眼睛对于对比度的额外灵敏度，通过使观察者实际看到图29的结构中的每个透镜元件，破坏了无限远处光源的图像效果。而这种情况不会发生在图7的实施例当中。
如图8，第一发光装置60和透镜64的对组可以组合且并列放置，使得多个对组中的准直透镜64彼此邻接以便形成一个连续接合面。如果准直透镜64形成为菲涅耳透镜(图8中在一个透镜64内以多根环形线条表示)，则该菲涅尔透镜的阵列可以容易地由一个连续整体物体(如塑料或玻璃)制成。如在图6的情况下，第一发光装置60和准直透镜64的对组可以通过六边形方式沿对组的二维阵列包装在一起。因此，各个准直透镜64中的光孔可以形成为六边形。第一发光装置60和准直透镜64的单个对组的光轴68可布置成彼此平行地延伸，并分别平行于直射光方向32。透镜64的下游面可以形成第一发射面28，或至少具有一个与第一发射面28一样大的区域。
也就是说，在图8的实施例中，直射光源12包括第一发光装置60的二维阵列和准直透镜64的二维阵列，正如上面结合图7所描述的，第一发光装置60可以包括圆形光孔，以便提供圆形外观的光斑40，准直透镜64优选为菲涅耳透镜，其中上述两个阵列彼此配准，使得光轴68彼此平行并平行于直射光方向32。如参照图7所描述的，透镜阵列和第一发光装置阵列可彼此相对地移置，使得透镜64的光轴从第一发光装置的位置偏移，使得所产生的直射光方向32倾斜于透镜64中的光孔所定位和分布的平面。
如上面所描述的，通过使每个准直透镜64与第一发光装置60的距离对应于准直透镜64的焦距或者大约为该焦距，则能够实现先前制定的低发散度的约束条件。由于每个准直透镜64耦合到相关联的单个第一发光装置，第一发光装置的间距相对于图29所示结构而明显增加，这意味着每个第一发光装置60需要具备较高的光通量，以便在每一单位面积上获得相同的流明。值得注意的是，准直透镜64使观察者的眼睛晶状体成为望远镜，其分别形成第一发光装置和其光孔到视网膜上。这就是为什么每个第一发光装置应具有一个圆形光孔，以在观察者的眼睛当中形成一个圆形图像，即形成圆形光斑40的圆度的原因。
到目前为止，直射光源12的实施例显示出实际发光区域沿着与直射光方向一致的光轴设置在一些准直透镜的下游。下面将要进一步概述的实施例表明，直射光源12可以包括一个边缘照明式光导发射板，其包括一个波导面板，经由全内反射，一个或多个光源耦合到所述波导面板的边缘，多个微光学元件(如微棱镜、微透镜等)有助于将光从波导面板提取至直射光方向。因此，虽然图5至图8的实施方案可以称为“背照式发射器”，结合以下的附图进一步概述的实施例被称为“边缘照明式光导发射板”。
图9示出了作为直射光源12一个例子的边缘照明式光导发射板的实施例，包括夹在成形为光吸收层82的吸收器与光出射层84之间的楔形光导层80，使得楔形光导层80通过全内反射引导光，并且使得光吸收层82位于楔形光导层80的上游而光出射层84位于楔形光导层80的下游，其中n3<n2<n1，n1是楔形光导层的折射率，n2是光出射层84的折射率，n3是光吸收层82的折射率。对于层80和84，它们可以由玻璃或透明塑料制成，而光吸收层82存在多种实现方式。楔形光导层80可以设置小于1度的楔形斜面，如图19的标号86所示，光吸收层82实际上可以是一个经由间隙90(例如为空气、真空或其它低折射率的材料，其折射率用n3表示)与楔形光导层80分离的光吸收板88。形成光吸收层82另一种可能方式是通过涂层来实现，该涂层由具有折射率n3的材料构成，该折射率n3同时低于n1和n2，光吸收层82可以吸收照射到光吸收层82上的可见光的至少70％，90％以上更好，95％以上最好。
如图中放大部分92所示，光出射层84包括位于光出射层84和楔形光导层80之间界面96的多个微型反射器94，以便对穿过楔形光导层80和光出射层84之间界面96的光线98进行重新定向。光线98的传播方向与光出射层84的上表面(或外表面)118形成一定的角度，该角度小于在上表面118上发生全内反射的极限角，其中该上表面118为光出射层84背对该楔形层的表面，使得由微型反射器反射的光离开光出射层后沿着直射光方向32传播。
确切地说，图9示例性地示出了由楔形光导层80通过内部反射而沿引导方向106(即该楔形光导层80变薄的梯度方向)传播的光线，所述光线与界面96在点97处相交，其中在相交的点97处，光线相对于界面96法线的角度比全内反射的极限角稍小。这使得光的一部分穿过界面96，并相对于界面96以小的角度沿着引导方向106继续传播，诸如光线98。微型反射器94从界面96上远离楔形光导层8094而凸出，其反射表面102取向为，使得光线98经反射表面102反射并从上表面118折射之后指向直射光方向32。因此，如图的标记104处，微型反射器94可以形成平移不变(translatoryinvariant)或纵向沿着方向99铺设在界面96的平面，并与梯度方向106垂直，它们的朝向引导方向106上游侧的表面102取向为例如与界面96成大约40°～50°，以使直射光方向32接近界面96的法线方向。例如，微型反射器可以是形成在光出射层84材料内的凹槽或空隙，且位于光出射层84与楔形光导层80形成界面96的面上。然而，其他的可能性也是存在的，换句话说，图9的边缘照射光导发射板包括一个三层结构(tls)。中间层80具有楔形形状，并且由折射率为n1的透明材料制成。底层的折射率n3<n1并制成吸收可见光，所述可见光最终从层84的上表面118进入该三层结构，例如环境光或由漫射光发生器10的反向散射光。上层84是透明，其折射率n2满足n3<n2<n1，并且包括微光学元件，例如用于从该三层结构引出光的空隙微棱镜(voidmicroprisms)。
图9的直射光源12还包括配置成沿引导方向106将光从楔形光导层80的边缘110耦合到该楔形光导层80的边缘照明器108。该边缘照明器108包括一个聚光器112(诸如反射式聚光器)和一个光源114形式的第一发光装置。光源114和聚光器112的组合产生在第一平面和第二平面准直的准直光，其中第一平面由方向106和99确定，第二平面由引导方向106和表面118的法线所确定。光在第一平面上的准直度可以比第二平面上的准直度更强。例如，这样的聚光器可以采用如图9所示的矩形复合抛物面聚光器(cpc)的形式，它包括一个与led光源耦合的矩形输入光孔in和面向光导110输入面的矩形输出光孔out，并包括四个抛物面镜面，其中每个镜面都是一维弯曲，并且位于第一平面或者第二平面上的抛物面母线(generatorparabola)，并且所有抛物面的焦点均位于输入光孔in的平面上。例如，该输入光孔in可成形为细长的长方形，其长边沿第一平面的法向延伸。光源114可以形成为第一发光装置111(如led)的一维阵列，这也同样适用于聚光器112，这样，由第一发光装置111和聚光器113(例如反射式聚光器)组成的对组的一维阵列109可以用作边缘照明器108。
对于图9描述的实施例的光学工作原理，发明人注意到，在第一平面内的准直度比在第二平面内的准直度强是为了保证从表面118出射的光束在第三平面和第四平面上具有类似的发散度，其中第三平面包含方向32和106，第四平面含有方向32和99。事实上，这里描述的光引出机构可以大幅降低在光线入射到界面96上的入射平面上的光束发散度，而不是正交平面上的光束发散度。层80和84的组合起到准直器的作用，其降低了在光线入射至界面96时的入射平面上的光束发散度，因此进一步有助于准直光学元件112的准直动作，以减少输出光束的发散。当准直光学元件112将原初光源114产生的光(如白色光)耦合至楔形光导层80中，光线100射入并首先由层80的面对光吸收层82的下表面116和面对层84的界面96通过全内反射进行反射。
值n1/n2应选择足够大，以保证由原初光源114和聚光器112的组合所确定的所选输入光发散的耦合。由于楔形光导层80的楔形结构，光束在光导层80内沿引导方向106传播的过程中光束发散度增加，从而导致光束在穿越界面96时发生从层80到层84的连续泄漏。值得注意的是，如果适当地选择折射率的值，即n1/n2<n1/n3，在中间区域和底部区域之间的界面无泄漏发生。已越过层80和层84之间界面96在光出射层84内传播的的光几乎平行于界面96传播，即以小的掠射角(grazingangle)，例如相对于界面96的角度低于5℃。当光射到层84的背对层80的上表面118后，形成全内反射，然后再次穿过层80和层84之间的界面96。然而，另一方面，光线98射到微型反射器94中的一个，从而沿方向32反射到所述三层结构以外。微型反射器94的指向边缘照明器108方向的反射面被定向为使得这些反射面102的法线方向与界面96的夹角对应于方向32与界面96的夹角加上上述光线98的掠射角的和的一半。换言之，该角需要根据所需的输出角方向32来选择。实际上，微型反射器94可以形成为微棱镜，特别是图示为标记104的已经概述的空隙棱镜。这些空隙棱镜可以通过全内反射对光线进行反射。或者，所述微型反射器可以是涂覆在光出射层84的凹部的反射镜。所有微型反射器94可以被布置为相互平行，并且可以具有相同的顶角，以实现恒定的输出方向32。
微型反射器94的每单位面积的的大小和数量，即它们的密度，可以横跨tsl(也就是沿着引导方向106)而改变，为了优化亮度的一致性，即为了遵守上面概述的亮度一致性要求。
从表面118出射的光束在第三平面内的发散度随着边缘照明器108在第二平面上的输入发散度减小而减小，且随着楔形斜度的减小而减小。例如，对于n1/n2＝1.0076，使光导80支持约14°的内部模式，对于0.5°的楔形斜度，从tls沿方向32出射的光在刚刚提到的第三平面中的输出发散度约为2.25°hwhm。另外，例如1.001<n1/n2<1.1也适用。对于在图9描述的实施例，在正交平面(即第四平面)内的输出发散度与在第一平面内的输入发散度基本相同。值得注意的是，在刚提到两个正交平面的输出分散度是彼此独立的，且输出角谱或亮度角分布ldirect可能会显示出沿方向32的矩形峰。方形光谱可以通过适当地选择第一平面和第二平面的输入发散度之间的比率来获得。光源图像外观所需的圆度，即光斑40的圆形外观，可通过在图9的tls的下游增加小角度白光漫射器来获得，所述小角度白光漫射器例如为“李牌滤镜253汉普福斯特”(“leefilter253hampshireforst”)或“李牌滤镜750达勒姆弗罗斯特”(“leefilter750durhamfrost”)，如下文所述。众所周知，小角度白光漫射器是根据给定的响应函数而执行入射光的角谱的卷积，其围绕一定的方向(例如，该小角度白光漫射器的表面的法向)是对称的，且具有小于10°的hwhm发散度，优选小于5°，更优选小于2°。
为了在所述第一平面获得比第二平面更强的准直度，除了使用边缘照明器108之外，也可以使用类似于图6所描述的led阵列，但构造成在含有方向49的两个正交平面内提供两个不同的发散度值。例如，通过使用尺寸为0.31×2.8mm2的矩形led发射器46和焦距49约为4mm的圆顶透镜，可以在所述两个平面内分别获得2.25°和20°的hwhm发散度。
tls的光吸收层82的光吸收性确保了当直射光源12处于关闭状态时具备黑色的外观，从而满足关于反射比亮度分布曲线图的上述约束条件，即发射锥体外的低亮度值。事实上，光吸收层与层80之间的界面只是对光导层80内引导的光表现为反射镜，但对于来自tls外部的光几乎是透明的，即从外部进入直射光源12的发光面的前述漫射光。这种光随后例如通过光吸收板88而吸收。
图10示出了边缘照明式光导发射器形式的直射光源12的另一实施例。这里，边缘照明光导发射板包括光导层120，其夹在光吸收层122形式的吸收体与光出射层124之间，使得光吸收层122位于光导层120的上游而光出射层124位于光导层120的下游，层120、122和124的可能的实现方式可参考图9的描述。然而，层120、122和124在折射率的选择方面具有更大的自由度，特别是，满足n3<n1和n2<n1即可，其中n1的是光导层120的折射率，n2是光出射层124的折射率，n3为光吸收层122的折射率。光吸收层122可以包括一个透明间隙，如图9的层82的描述。光导层120包括位于光吸收层122和光导层120之间界面128的多个微型反射器126，以便在光导层120内改变光的引导方向并使光线射向光出射层124，射向光出射层124的光线与层120和124之间界面134的角度小于光线在层120内实现全内反射的极限角。每个微型反射器126分别位于相应透镜130的焦点位置，透镜130形成在光出射层124背对光导层120的外表面132上。微型反射器126阵列和透镜130阵列的组合从而构成一个准直器，以减小输出光的发散度。
除了如图9所示的实施例，图10所示的边缘照明式光导发射板的结构是根据一个矩形的光导层120，即该光导层120分别具有通向层122和124的平行界面，即通向光吸收层122的界面128和通向光出射层124的界面134。微型反射器126和形成在光出射层124外表面的准直透镜124分别沿着界面128和外表面132呈二维分布且彼此对齐，以使得穿过每个微型反射器126及相应的准直透镜130延伸的光轴135彼此平行且分别与直射光方向32平行。此外，侧面式照射器108将光耦合到光导层120的边缘136，如10图所示，该侧面式照射器108也可以由第一发光装置138和相应的聚光器140组成的对的一维阵列，如图9所示沿着边缘136一维地延伸。
也就是说，每个微型反射器126面向一个对应的准直透镜130，两者都定位在彼此的焦距。所述微型反射器126具有椭圆镜面，其定向为将光反射至方向32(即沿光轴135)，所述光沿着中心传播方向142(即该光导被照亮的方向)耦合到光导层120。特别是，微型反射器126的形状可以是从界面128突出的圆柱体，并以刚刚提到的反射角进行切割，其横截面在与方向32正交的平面上的投影为圆形。这种情况可以确保圆形输出角谱，以及圆形光源或光斑40的视觉外观。透镜的焦距与反射器在刚才提到的正交于方向32的平面上测量的尺寸/宽度(例如，在方向32垂直于表面134的情况下，如图10所示的144)之间的比率，定义了输出fwhm角谱或亮度分布曲线图ldirect，因此，根据所需的发散度，其具有在10至100范围内的值。例如，当反射器126具有100微米的直径144和3毫米的焦距146，其中所述焦距定义于折射层120和124，可在表面132下游产生大约1.5°的发散度hwhm。其中，层120和124的折射率假设大约为1.5，并假定在层124下游的空气中传播。透镜130的尺寸根据捕获由微型反射器反射的光的需要来确定。例如，它可取值为焦距146和内部光导模式半发散角的正切的2倍之间的乘积的1.5倍，这意味着透镜直径148为光导耦合2×10°内部发散模式的焦距的一半，反射器/透镜耦合器的对组的二维分布的横向分布或密度应进行调整以使得在透镜直径区域上平均的亮度一致性最大化。透镜130可以形成在层124的材料上，层124与光导层120之间具有平的界面134，且具有较低的折射率，在这种情况下，镜片130不会与光导120发生干涉，并且只作用于由微型反射器126反射的光线，使之沿方向32从第一发射面28出射。
图11简要地示出了形成直射光源12的另一种可能情况。在这种情况下，一个原初光源150(例如第一发光装置和聚光器的组合，第一发光装置包含光发射器)通过反射镜系统156(图11中示例性地示出一个反射镜152)照射直射光源的第一发射面28。光源150和反射镜系统156被布置为使得光源150所产生的光束154由反射镜系统156准直，从而准直后入射到第一发射面28的背面，以便沿直射光方向32从第一发射面28出射，使得第一发射面28上的亮度角分布ldirect遵循任何以上提到的约束条件。为此，反射镜系统156例如包括一个凹曲面镜(如镜152)，换言之中，原初光源150放置在反射镜系统156的焦平面，该反射镜系统156又充当原初光源150发出的光的准直器，并且通过第一发射面28沿着方向32将原初光源的150的光孔成像在无穷远处，为了满足上述关于反射亮度角分布的lr的约束条件，光源150和反射镜系统150被容纳在暗盒158形式的吸收体内，暗盒的内表面完全由吸光材料所覆盖，并且包括一个形成第一发射面28的窗口。优选地，反射镜系统150被构造成使得没有光束从第一发射面28进入暗盒158的内部并射到反射镜系统156的镜152(位于从光源150至第一发射面28的弯折光路160的最下游)上，并由该反射镜系统156反射回第一发射面28。
应当指出的是，相对于图11的实施例，图5至10所示直射光源的实施例更优，其结构更紧凑，并且更易于实施，使得直射光方向32与第一发射面28的法线方向之间的角度小于10°，甚至小于5°。
以上概述的一些直射光源的实施例可能会在第一发射面28发生强烈的空间亮度调制。例如，图7和图8所示的实施例，光的亮度在每个准直透镜64由诸如空间调制的存在功能，例如，每个准直透镜64上的光照亮度存在这样的空间调制，例如每个准直透镜64在透镜光孔的中心位置比边缘位置强几倍。在图8的实施例中，这会导致亮度周期性调制，这在使用瑞利状漫射器作为漫射光发生器10的例子中会存在问题，这种漫射光发生器10通过在发光面上漫射由直射光源产生的一部分直射光而产生漫射光，瑞利状漫射器的漫射效率与波长具有依存性，即，在可见光区域内，对于短波长的漫射效率比对于长波长的漫射效率更强。在这种情况下，归因于对周期性亮度调制的非常高涉外视觉敏感度，刚才提到的准直透镜64的亮度周期性调制的自动转换到由漫射光发生器10产生的漫射光的高cct背景的周期性亮度调制。这样的效应相对于自然照明的品质是有害的。
针对这个问题的第一个解决方案是，在外发射面37的下游侧增加格子天花板结构，该结构具有与图8所示实施例当中的准直透镜64相同的间距，或者该结构的间距是准直透镜64间距的整数倍或单元分数。
例如，格子天花板结构包括由单元格构成网络，其通过由壁分隔的空隙体积形成，其中所述壁具有可忽略的总透射率，所述单元格具有输入面f_in和输出面f_out，输入面f_in所在的平面平行于外发射面37所在的平面，并且输入面f_in和输出面f_out可以或可以不具有相同的形状，输出面f_out的重心可以相对于输入面f_in重心的投影沿方向32偏移到输出面f_out，每个单元格面对一个透镜64，在这个意义上说，输入面f_in沿方向32内切(inscribed)到透镜64或透镜64的光孔投射到含有输入面f_in的平面上的投影。
例如，参见图12，其示出了位于漫射光发生器10下游的一个格子天花板结构170，该格子天花板结构170可体现为瑞利漫射板方面，其进一步的细节通过图8的直射光源12进行说明。如图12所示，格子天花板结构170具有第一周期间隔172，该第一周期间隔172与准直透镜64及其相应的第一发光装置(图12中未图示)沿发射面28分布的周期间隔174相同，在图12的实施例中，该发射面28在漫射光发生器10和准直透镜64所在平面之间延伸。为了清楚起见，在图12的实施例中，漫射光发生器10位于第一发射面28的下游侧以构成外发射面37。总而言之，这里提到的格子天花板结构170并不被意为限制于上述情形，而是还适用于第一发射面28位于漫射光发生器10的下游并构成外发射面37的情形，或者第一发射面28与漫射光发生器10的第二发射面34重合以形成外发射面37的情形。
另外，可以考虑用直射光方向32来增强分散观察者注意力的效果，避免意识到源自准直透镜64的亮度调节的亮度周期性。例如，墙壁或者格子天花板结构170的侧面可以围绕垂直于外发射面37的方向，由于直射光方向32相对于外发射面37的法线的平行方向是倾斜的(tiltedoroblique)。更普通地，直射光方向32相对于格子天花板结构的超过90％的外部表面是倾斜的。在这种方式中，观察者观察到替代的格子天花板结构170(在图12中示意为白色)的发光(低cct)侧面，并且观察到格子天花板(在图12中示意为阴影)的侧面阴影(高cct)。这种体系设定造成了强烈的密度和色彩的亮度空间调节，这完全符合自然规律，并会支配由准直透镜64的不一致照明所引起的照度调节。然而，通过倾斜格子天花板结构170的墙壁的外部表面，还可能获得相同的效应。例如，可以围绕格子天花板结构的外部表面，以使其投影沿直射光方向32面对至少30％的格子天花板结构170的外部表面并且至少30％的格子天花板结构170的外部表面是不面对的。在后一种情况下，甚至有可能设置平行于第一发射面的法线方向的直射光方向32。
尽管图12示出的格子天花板结构与图8的直射光源12实施例相关，需要提到的是，该格子天花板结构可以与包括下面将要描述的直射光源12在内的任何实施例相结合。此外，诸如周期间隔174这样的周期间隔也可以出现在直射光源的其他实施例中，因此，周期依赖性也可以视情况适用于其它实施例。此外，还可以对周期依赖性进行选择，使得周期间隔172是周期间隔174的整数倍数或单位分数。
为了更详细地说明格子天花板结构的效应，参见图13，图13参考在图12中绘制的实施例，其中，漫射光发生器的第二发射面34构成了外发射面37。漫射光发生器10再次假定为类似瑞利散射的漫射器，这将会在下文更加详细地论述。具体地说，由于准直透镜64的非一致的亮度，格子天花板170克服了人工天空的强度调节的问题。实际上，非一致的亮度决定了沿透镜64的空间尺寸的非一致的输出光强度。因此，非一致的光照射到漫射面板10产生了一系列在蓝色漫射光中更亮和更暗的区域，即在“天空”中更明亮和更黑暗的区域。此外，准直透镜的排列(在图8中的示例)加上漫射面板后决定了determines)这种强度调节的周期性，这很容易被观察者的眼睛捕捉到。格子天花板结构170由一系列的凸起组成，凸起在与单个透镜64叠加的漫射面板10的单个区域(在这钟情况下包括外发射面37的第二发射面34)和延伸至外发射面37外部的之间延伸形成，即由此形成凸起。由于源自人工太阳的准直的直射光分量的方向具有较低的cct，即方向32，可以相对于垂直于外发射面37的方向倾斜，这种直射光分量只可以照射到凸起结构170的侧面的一半。当看向天花板时，观察者将看见天空以及每个凸起170的一部分。具体地说，观察者将会在每个天空亮度的高cct区域和较低的cct区域之间，要么看见由直射照明照亮的凸起170的一部分，其可以被称为“白色”凸起，要么看见凸起的一部分落入到阴影区域(因而局部地受到漫射的高cct元件的照射，这也可以称为“暗”凸起)。在这两种情况下，凸起的亮度将会不同于天空的平均亮度，比“白色”情况更高而比“黑暗”的情况更低。这种在天空区域和凸起之间具有的不同亮度的变化有助于掩盖人工天空的调节，由于天空至“白色”或者天空至“黑暗”的调节相比于天空自身的内部调节更加强烈，这来自于(stemfrom)前面阐述的意外性亮度调节。这种天空调节表现得非常微弱。格子天花板结构170将在观察者和明显一致的天空之间表现为“白色”和“黑暗”的栅格(grid)。
对于图12和13，应该指出的是，到目前为止，本文的术语“格子天花板结构”不应被理解为限制于将发光面水平设置以形成室内天花板上的人工照明装置的情况。而是，该术语应该被理解为只是对结构170的结构性描述。
最后应该指出的是，格子天花板结构170不仅对于直射光源12与用作漫射光发生器10的瑞利散射器的组合而言是有利的，而且对于漫射光发生器10由漫射光源组成的实施例而言也是有利的，后者将在下文当中进行更加详细地描述。再次重申，如果该结构170位于外发光面37的下游，该结构170也可与任何其它光源12相结合，以及与漫射光发生器10位于第一发射面28上游侧的情形相结合。
对于图7和8的实施方案，还应该提到的是，对于刚刚所描述问题，即关于在准直透镜的整个光孔上亮度不恒定的问题，可以通过使用主透镜(如自由曲面透镜)来解决，该主透镜置于第一发光装置60的下游且位于该第一发光装置60与准直透镜64之间，该主透镜优选为更接近第一发光装置60，以便在准直透镜64的整个光孔上提供均匀的照明。换言之，该自由曲面透镜配置为矫平分布到准直透镜上的原初光的亮度。
作为示例，图14a示出的自由曲面透镜180沿光轴68设置在第一发光装置60和它的准直透镜64之间，当然，这样的自由曲面透镜180也可以应用在图8所示实施例的由第一发光装置60和准直透镜64组成的每一对当中。
请参考图15，以便更好地理解自由曲面透镜的问题。在上文中结合图12和13所描述，均匀照明的要求通过均匀天空外观的方式提高了人工照明装置的最终感知的。然而，由于光在第一发光装置60与准直透镜64之间的传播上，在透镜64的在输入表面(孔径)上的亮度分布通常而言是非均匀的。另外，为了尽量减少光的损失，对于在透镜64的输入表面上的光分布而言，还要求该透镜64的孔径区域之外的亮度迅速减小。
第二个重点是光源60在观察者的眼睛当中的视觉外观。由于要得到的人工“太阳”的圆形图像，因此需要一种圆形外观的第一发光装置60。
自由曲面透镜(freeformlenses)可以实现一个或甚至大部分的前述要求。尤其是，如图15的左侧所示，可以通过利用光学元件对轴向周围以低传播角度朝外发射区域传播的光进行重新定向，以便满足均匀照明的要求
在一定的传播距离之后，这种强度分布可实现在目标物上足够的一致性。
在一个具体的实施方案中，自由曲面透镜180设有一个圆形形状，当自由曲面透镜180通过透镜64成像于观察者的眼睛当中时，该圆形形状有利于形成圆形光源的视觉外观。
最后，应该指出的是，与自由曲面透镜不同的光学元件也可以适用于上述的要求。例如，反射式复合抛物面聚光器cpc也可以用于在透镜64上实现均匀的照明。与自由曲面透镜的情况类似，这样的cpc的输出孔径可以是圆形的，以便于cpc的输出孔径通过透镜64成像于观察者的眼睛当中时，有利于形成圆形光源的视觉外观。
为完整起见，图14b示出了在第一发光装置60前面(即下游)使用这样的反射cpc182的替代方案。
对于图14a、14b和15所示的实施例，由于自由曲面透镜180或cpc182的存在，需要对第一发光装置60的宽度74以及第一发光装置60与透镜64之间的距离66进行校正，以克服制造上的误差。
值得注意的是，图14a、图14b和图15的实施例也可与图8的实施例进行组合。此外，图14a、14b和15的实施例还可与图12和13的实施例进行组合。
迄今所提供的直射光源12的实施例，在某些情况下，在实现上述确定的亮度角分布约束条件的过程中，会出现由于散射问题或类似问题所导致的小问题。按照下文进一步概述的实施方案中，这些问题通过使用图5至11、14a、14b和15中任何一种直射光源12与接下来所描述的微光学光束均化层来解决，任何前述实施例的直射光源12用作一个产生预准直光的准直光源190，微光学光束均化层192位于准直光源190的下游侧和漫射光发生器10的上游侧，第一发射面28位于光束均化层192与漫射光发生器10之间，或位于漫射光发生器10的下游。微光学光束均化层192这样定位能够第一准直光束变换为第二准直光束，第一准直光束的特点为存在从准直光源190入射到微光学光束均化层192的杂散光，第二准直光束的发散度等于或大于第一准直光束的发散度，但不存在杂散光。这样的第二准直光束从第一发射面28朝漫射光发生器10出射，如图16所示。在一个不同的实施例中，第一发射面28被定位在漫射光发生器10的第二发射面34的下游或与之重合，从而该第二准直光束从光束均化层192出射并朝第一出射面28入射到漫射光发生器10。
在使用菲涅尔透镜以实现准直透镜64的情况下，刚刚描述的杂散光可能源自于一些菲涅尔透镜的非理想的表现方式，由于从菲涅耳透镜64的凹槽尖端的散射以及多重内反射等因素，由第一发光装置60照射的菲涅尔透镜64的亮度分布曲线图在窄峰30之外不变为零。相反，它具有剩余分布，无论是在角度还是位置方面都是规整的，这最终使得图7和8的菲涅尔透镜64成为清楚可见的发光物体，相反地，需要提供完全黑暗和均匀的背景。像这样的问题，也可能发生在已经描述过的直射光源和准直光源190的其它实施例中。
即使这样的亮度背景较低，例如低于峰值亮度值的1％，由于其不均匀性和由于漫射光发生器10的透明度，这样的亮度背景可能是看得见的，从而破坏了自然天空的质量。为了解决这样的问题，也可以使用微光学光束均化层192，该特定实施例将在下面进一步描述。
结合图17a-c，对微光学光束均化层192的第一实施例进行描述。图17a-c示例性地示出了一个光发射器和准直器的组合，例如第一发光装置60和菲涅尔透镜64组合作为准直光源190。但正如前面段落所提到的，图17a-c所例示的光束均化层192可与上述直射光源12的任一种实施例进行组合，以便构成包含准直光源190和光束均化层192组合的直射光源12的进一步的实施例。
图17a-c的微光学光束均化层192包括微透镜194的二维阵列和成形为吸收层202的吸收体，吸收层202上穿设有小孔196的二维阵列，小孔196位于并且沿微透镜194的二维阵列的下游延伸，以便使每个微透镜194具有一个与其相关联小孔196。在图17a的实施例中，直射光方向32垂直于含有微透镜194二维阵列的平面，每个小孔196与相应的微透镜194之间的距离对应于该微透镜194的焦距198，且小孔196位于与直射光方向32一致的方向上。由于下面将要更加详细说明的原因，微透镜194优选为具有直径dm的圆形光孔。优选地，直径dm小于5毫米，小于3毫米更好，小于1.5毫米最好。优选地，微透镜194尽可能靠近地封装在一起形成二维阵列，例如获得尽可能高的密度，而按照图7和8所示任一种实施例的准直光源190中，面向一个准直透镜64的微透镜194的数量，将很可能高于图17a-c所示的数量。例如，微透镜194和小孔196在各自的二维阵列中的间距，可以等于直径dm或至少小于1.5×dm。
此外，微透镜194的焦距fm198可选择为满足dm/fm<2·tan(7.5°)，dm/fm<2·tan(5°)更好，dm/fm<2·tan(2.5°)最好。作为示例，圆形的小孔196的直径，按照从准直光源190入射到光束均化层192的准直光的hwhm发散度θin进行选择，例如，dm可以满足dm≥2ftan(θin)。
使用这些约束条件，以上适用于亮度分布曲线图ldirect的约束条件可以在光束均化层192(按照图17a-c的实施例形成第一发射面28)的下游侧实现。在一个不同的实施方案中，如下所述，第一发射面28可位于光束均化层192的下游，使得对亮度分布曲线图ldirect的约束条件将只在这个表面实现。在小孔196为非圆形状的情况下，dm可以表示与小孔196具有相同面积的圆的直径。
如图17a-c所示，微光学光束均化层192可以进一步包括成形为信道间隔结构200的吸收体，其配置为减小微透镜194和小孔196的相邻对之间的串扰。具体的地，信道间隔结构200可以由管所形成，每一个管沿方向32延伸，其中一个微透镜194位于相应的管的上游侧，而且其中一个小孔196位于相应的管的下游侧。较好地，信道间隔结构200吸收可见光区的光，并且对于入射到信道间隔结构200的可见光具有高于70％的吸收率，高于90％更好，高于95％最好。信道间隔结构200可以填充微透镜194之间的空间204，如图17b所示。
因此，光束均化层192的该实施方式采用了一层朝向准直光源190发射的准直光前端的透镜194，以及设置在这些透镜194的焦平面的吸收掩模202，吸收掩模202上具有一系列的小孔196。沿方向32，每个小孔196的中部或正中心对应于透镜阵列的一个透镜194的中部或正中心，即透镜194和小孔196彼此对齐。通过这种构造方式，输出角分布ldirect呈现为平顶分布，其与透镜194光孔形状相同，即如果使用方形透镜光孔，它是一个正方形的平顶；如果采用六边形的透镜194光孔，则是一个六边形的平顶。为了在观察者的眼中呈现圆形图像，有必要采用圆形光孔的透镜194。小孔之间的空间(即空间204)应该是吸收光的，诸如涂黑而形成吸收层。通过θhwhm测量的输出光束的发散度，与焦距fm以及透镜194的全直径dm相关，即θhwhm≈arctan(dm/(2fm))。
通过引入平顶分布的模糊，从准直光源190入射到透镜194阵列的光束发散度影响输出发散度θhwhm，从而圆形图像的锐度平滑化。小孔196的直径也影响输出角分布ldirect的清晰度：小孔196越小，则图像越清晰；然而，较小的小孔196与镜头194阵列前方相对较大的发散，也意味着该吸收面膜202产生更多的损耗。
图17a-c所示的光束均化层192的优点在于，最后一层(即布置在光束均化器的下游端的那层)是一个具有二维小孔阵列的黑色(吸收)层，其在透镜194阵列与观察者的眼睛之间形成掩模。因此，就实现反射亮度最小化这个目标而言，图17a-c的实施例具有最佳的性能，即在该装置处于关闭状态时，确保了直射光源12具有黑色的外观。
然而，为了避免由于传播区和吸收区的交替而导致的小孔层202对应图像的像素纹理，可以在小孔层202的下游设置小角度白光漫射器230，如下所述，为了使小孔196图像模糊化，并确保在小角度白光漫射器230平面上的均匀亮度，该平面可与第一发射面28重合。为了防止亮度分布曲线图的窄峰30处的过度模糊，白光漫射器230采取hwhm响应函数≤10°，优选为≤5°，更优选为≤2°。为了确保亮度一致性，白光漫射器230与小孔层202所在平面分开足够的距离，例如间隔开fm的一至三倍的距离。然而，不一定总是必要使用白光漫射器230，例如当观察者需要从远距离(例如3-5米的距离)观察照明装置时，或者当透镜194的直径dm对于观察者的预见距离足够小时(例如小于1mm，优选为小于0.5mm)，白光漫射器230并不是必需的。
值得一提的是，将透镜194阵列与小孔196阵列配准的问题可通过依赖于透镜194阵列本身而直接制造小孔196阵列的方式来解决。例如，可以利用由透镜194聚焦的高强度激光在吸收层202上蚀刻以形成小孔196，该吸收层202在制造过程的开始阶段为没有任何孔/小孔196的连续层。通过控制该激光束的功率和发散度，可获得合适的小孔尺寸(即小孔直径dm)。
作为一个例子，采用1.5毫米孔径和1.7厘米焦距的透镜194，可以实现2.5°的半角输出发散度，接近上述所需的直射光发散度。
使用所述的信道间隔结构200(尽管是可选择性的使用)是为了防止透镜194和小孔196的相邻对组之间的串扰效应。这种串扰效应可表现为，在中心的高强度太阳图像周围产生一系列的太阳图像重影。当以足够大的传播角(例如大于(dm/fm)-(dm/(2fm))弧度，如图17a的射线206所示)入射至光束均化层192的光束中存在强烈杂散光时，这些情况可能就会发生。在这种情况下，这种以大角度传播的强烈杂散光206会被一个透镜194聚焦至与相邻透镜194相关联的小孔106中。
如17a-c所示，以上所说明的信道间隔结构可通过吸收材料构成的管的阵列来形成，即每个透镜194和小孔196组成的对具有一根管，这些管构成位于透镜194阵列和小孔196阵列之间的第三元件阵列。如果没有信道间隔结构200，以大角度入射到透镜194阵列的光会聚焦到相邻的小孔(即属于相邻透镜194的小孔)上，而当设置有信道间隔结构200时，这些光会被信道间隔结构200吸收，从而消除了串扰。在后一种情况下，输出小孔层200也可以除去，这是由于它们可由信道间隔结构200本身的管的小孔所取代，其代价是将角模糊加入到输出亮度分布中。
因此，在图18所示的另一实施方式中，微光学光束均化层192包括一个微透镜194的二维阵列和成形为信道间隔结构的吸收器，该信道间隔结构为在微透镜194二维阵列下游延伸的微管200的二维阵列，使得每个微透镜194都具有一个与其相关联并从相应的微透镜194沿直射光方向32延伸的微管，这与图17a-c的实施例的情况类似。对于微透镜194的直径dm和微透镜194的焦距fm，可参考针对图17a-c的实施例的描述。对于图18中标记为211的微管200的长度l，该长度l不一定要等于fm，而是可以在0.5fm<l<1.2fm的范围内变化。
图19示出了微光学光束均化层192的另一实施例。用于正如它是与相应的图的情况。正如图17a-c和图18所示的情况，所示的微光学光束均化层192与准直光源190相结合，以便形成直射光源12的进一步的实施例，虽然该准直光源190(包括发射器和准直器)示例性地示出为包括菲涅耳透镜64和第一发光装置60的组合，正如图7所示实施例的情况，然而之前结合图5-11、14和15所描述的任一种实施例都可用于实现准直光源190。
图19的微光学光束均化层192包括焦距为fm1的微透镜210的第一个二维阵列、焦距为fm2的微透镜212的第二个二维阵列以及成形为吸收层220的吸收器，该吸收层220穿设有小孔214的阵列并布置在第一微透镜阵列210和第二微透镜阵列212之间，以便形成以阵列状方式(例如六方结构或类似方式)横向分布的望远镜216的阵列，望远镜216的望远镜轴线彼此平行并且平行于直射光方向32。在每个望远镜216中，相应的小孔214、第一个二维阵列中对应的微透镜210和第二个二维阵列中对应的微透镜212沿着望远镜轴线布置，小孔214与第一个二维阵列中对应的微透镜210之间的距离为fm1，小孔214与第二个二维阵列中对应的微透镜212之间的距离为fm2，其中fm2<γ·fm1,而γ<1,优选为γ≤0.9,更优选为γ≤0.85。望远镜216的阵列的下游侧外表面218可包括抗反射涂层。
在图19的实施例中，光束均化层192由透镜210、212的两个阵列和小孔214的中心阵列构成，小孔214置于两个透镜210和212的焦平面中，可以由吸光材料的薄层切割而成。因此，图19的结构类似于图17a-c和18中所示的微光学光束均化系统，只是增加了透镜212的阵列。每个透镜210的孔径对应于下游阵列的透镜212的孔径，小孔214以两个透镜210和212之间的轴线217为中心。从而，光束均化层192形成的光学望远镜滤光器。形成有小孔214的吸收层220形成为消除所有空间分量，即传播角，其位于小孔214以外的焦平面上。光束均化层的输出发散角以全宽测量，其最低值在fm1/fm2乘以入射到光束均化器192的光的输入半宽发散角以及δθ≈arctan(dm/2·fm2)之间，其中dm是小孔214的小孔直径。观察者的眼睛内所形成的图像是下游阵列的单个透镜212的焦平面的图像。相应地，小孔214的圆形形状给出了圆形图像。在存在准直透镜64的情况下，准直透镜64与透镜210将原初光源60在中心小孔214上成像。因此，类似于图7和8所示的裸露的准直透镜的情况，图19的直射光源12在观察者的眼睛内形成原初光源60的图像，这可能会通过小孔孔径214削减。从准直光源190入射到透镜210阵列上的光线呈现初始发散度，例如在从准直透镜64出射时，焦距fm1和fm2应该是不相同的。对于1：1的望远镜216，假设射到第一阵列210的透镜上的光具有输入发散角，使得在第二阵列212的平面上生成光斑，其大于第二阵列212的相应透镜的最大孔径。这种情况导致相应透镜周围的相邻透镜受到不需要的光照。从几何方面考虑，对于给定的输入发散角，下游阵列的较短焦距fm2可在避免上述影响的前提下实现对阵列212的单个透镜的输出孔径的充分照明。
为了减少在吸收层220处的损失，小孔的直径dm可以根据从准直光源190入射的光束的发散度进行优化选择。例如，如果原初光源60不表现为圆形形状，则在对应的小孔214处会存在损失。与图17和18的光束均化层192的情形相反，图19的实施例不要求透镜210的光孔是圆形的，也不要求将其输入表面部分涂黑。也就是说，透镜210的光孔可以彼此邻接以形成连续相，从而与从准直光源190向前的入射光的横向尺寸重叠，例如图8所示的准直透镜64或这种透镜64阵列的横向尺寸。
在中间吸收层220中的小孔214可以通过使用由第一阵列的透镜210聚焦的高强度激光束来写入，类似于上文中结合图17a-c所述的制造过程。
也就是说，可以使用激光打印而在上述微光学光束均化层形成小孔，首先形成与已披露的均化器基本相同的元件，该元件与已披露的均化器的区别为，在需要形成小孔的表面沉积连续的昏暗层(obscurantlayer)，然后通过用适合的准直激光束照射上述元件，以进行小孔的激光微加工过程，所述准直激光束穿过上游的微透镜层，使得微透镜将激光束聚焦在需要形成小孔的确切位置，同时调节曝光时间和光束发散度，从而获得所需的小孔直径。
对于图17a-c和图18的光束均化层的输出层的像素纹理化的考虑也适用于图19所示的情形。因此，透镜212的通光孔径可以小于5毫米，优选为小于3毫米，最优选为小于1.5毫米。然而，由于最终的发散度同透镜210及212的透镜孔径与焦距fm1及fm2之间的比值不相关，透镜210和212的焦距fm1和fm2可以分别约等于透镜210和212的孔径，即比起图17和18所示实施例的情形要短得多。
应该注意的是，在光束中存在的强烈的杂散光，以足够大的传播角度冲击到光束均化器层192，例如大于(dm/fm1)-(dm/(2fm1))的弧度，其中dm和dm是透镜210和小孔214的直径，相应地，在图19的实施例中也可能出现串扰(crosstalk)，正如图17的实施例所描述的那样。所述的串扰源自于通过透镜210聚集的光222进入到属于相邻透镜210的小孔中，这可能造成在大的传播角度下出现期望输出的点的微弱的复制点(replicas)，这依赖于透镜210的光孔(aperture)、焦距fm2和小孔直径dm。在这个角度下所述的微弱的预期输出点的复制点可能是可见的，这个角度对于图19的实施例来说大于图17，例如大约45°，其原因是当间距(pitch)和焦距之间的比率的值变大时，因而得到更大的范围，在这个更大的角度下，相对于透镜194由透镜210观察到邻近的小孔。对于图19的实施例的情况，例如，在第一级串扰的情况下，通过次级望远镜实现所述的串扰(即通过输入透镜210和输出透镜形成该望远镜，输出透镜为设置在透镜210的第二个相邻的物体且安装在输入透镜210的前面)不能够传播准直化光。实际上，所述次级望远镜的轴线相对于方向32进行了明显的倾斜(例如，大约45°,典型的情况是
在进一步的实施方案中，吸收管的阵列(即吸收信道间隔结构224)位于透镜210阵列的下游，其中每个望远镜216具有一个吸收管。正如图17a-c和18所示实施例当中的信道间隔结构200，所述吸收信道间隔结构224具有消除串扰222的功能，尽管正如刚刚所描述的，串扰222的不利影响不像之前的实施例那么大。此吸收信道间隔结构224的间隔可以形成与透镜210直接接触的栅格。由于图19当中透镜的直径和焦距之间的比值可以比图17a和18的透镜194的相应比值大得多，例如为3-30倍，吸收信道间隔结构224的长宽比(即吸收信道间隔结构224的单个管的管长度226除以透镜210的孔径228)要比图17和18所示情形低得多，例如在0.5-3的范围，因此对于技术努力的要求会低得多。
值得注意的是，管的长度226比fm1短，例如比fm1短25％，足以消除串扰，这从几何方面考虑是显而易见的(参照图19)。
在图19的实施方式中，对于透镜212的阵列所形成的外表面218发射的光的特性，并且特别是涉及与空间周期性等于透镜212间距的亮度调制相关的潜在问题，本发明人认识到，如果输入透镜210被准直光源190均匀地照射，并且比率fm1/fm2选择为合理匹配准直光源190的光束发散度，即在透镜212上形成的光斑匹配该透镜的尺寸，则可以保证高均匀性，在这种情况下，事实上，望远镜216再现到表面218(轴向反转)的亮度分布曲线图具有透镜210的内表面，但除去大角度分量，即不会以透镜间距增加主要的亮度调制。这就是说，尽管建议间距值小于5mm，然而更高的间距值也是可能的，只要对该望远镜216进行适当设计以匹配准直光源190的特性。
对于当准直光源190关闭(即当外部照明)时由透镜212阵列形成的表面218的外观，发明人注意到，由于吸收层220及可能的吸收信道间隔结构224的存在，往上游方向穿过透镜212的(除了连接至第一发光装置60的)光线被吸收。这种情况确保了往上游方向穿过透镜212的光线不产生反射亮度，除了可能出现在光源60发生的少量反射外，然而其落在窄峰30内，因此不会产生任何干扰。对反射亮度的贡献可能由透镜212的直接反射所产生。为此，如果选用大光孔(即大于1-3mm)的透镜212，可以在透镜212上涂覆抗反射涂层，以避免发生眼睛能够发现的反射亮度周期性调制的风险。
所有上述直射光源12的实施例可以通过对人工照明装置20的直射光源12另外提供小角度白光漫射器230而进行扩展。如图20和21所示，小角度白光漫射器230可位于漫射光发生器10的上游或下游，对与将小角度白光漫射器230放置在漫射光发生器10上游侧的情况，后者位于直射光源12的外部及下游侧，如图20所示。在其他情况下，例如，小角度白光漫射器230位于漫射光发生器10的下游侧，则小角度白光漫射器230表示属于及位于直射光源12内部光路内的装置。在两种情况下，直射光源12的第一发射面28都形成在小角度白光漫射器230上，即它的外表面上。对于图21的情况，
小角度白光漫射器230例如可以包括形成在透明层材料外表面的随机分布的微折射镜，如微透镜、微空隙、微棱镜、微划痕，或这些情况的组合，或者透明微颗粒在透明块状材料中的分散体，其中透明微颗粒与透明块状材料之间的折射率适当地错配。即，对于透明微颗粒在透明块状材料中分散的情况，透明微颗粒和透明块状材料之间的折射率不一致可以适用。然而，白光漫射器的其他一些实施方案也是可能的。
需要注意的是，由于入射到小角度白光漫射器的光线可以仅经历小角度偏转(例如小于2.5°)，根据“透明”在本发明上下文中的定义，小角度白光漫射器通常为几乎透明的元件(如果穿过某一元件的光线不经历大于2.5°的角度偏转，则该元件可认为是透明的；见下文)。相应地，穿过该漫射器而经历小角度偏转的光线在这里视为透射线(详见下文)。然而，根据所需的功能，这里所考虑的小角度白光漫射器通常应该确保大部分的透射线(例如，至少50％，优选70％，最优选超过95％)至少经历一些角度偏转(例如至少0.5°的偏差)。换言之，该漫射器应保证低的规则透射率(例如，规则透射率低于50％，优选低于30％，最优选低于5％)。
小角度白光漫射器230可以对直射光亮度分布曲线图ldirect具有以下的积极效果的。特别是，这种白光漫射器230的散射截面可以设置为2°-10°。第一个范围是模糊化ldirect分布当中任何尖锐的角峰，即hwhm小于1.5°-10°的峰值，这有可能发生在窄峰30之外。因此在这里，用于减少ldirect分布当中尖锐的副角峰。为此目的，漫射器可位于所述亮度角度峰起源的平面的任何下游的平面。第二个范围是模糊化以降低由明亮度、空间定位和位置所产生的亮度值及其空间导数(spatialderivative)，以及提高亮度分布曲线图的空间一致性。为此目的，小角度白光漫射器应该定位在离所述亮斑发生的平面(图17a的实施例中的小孔196的平面)一定的距离。为了允许每个局部的亮斑在该平面上产生足够大且足够淡的模糊亮斑。这样做时，小角度白光漫射器引起在空间亮度分布曲线图的模糊化，其中(在规则透射率可忽略的的情况下)一个点被模糊成一个模糊光斑，其半径约等于漫射角响应的正切和原始亮度平面与漫射器之间距离的乘积。当然，新的模糊亮度分布曲线图发生在漫射器平面。例如，观察者在减去一个系数
到现在为止，针对直射光源12的不同实现方式，已经描述了人工照明装置20的各种实施例。接下来，针对漫射光发生器10的不同实现方式进行描述。以下的描述可以与上述实施方案中的任一种进行组合。
图22a示出了直射光源12和漫射光发生器10的一种可能的相对布置。在该图中，漫射光发生器10配置于直射光源12的下游侧。这些元件中的其它可能的相对布置之前已经描述过，并将在下面进一步讨论。在图22a中，漫射光发生器10的背面通过由直射光源12和第一发射面28产生的直射光236照亮。如上所述，由于漫射光发生器10对于直射光236或者从原初光演变并形成直射光236的任何中间光而言至少是部分透明的，从而在漫射光发生器10的前表面/外发射面37产生透射光部分238。
除此之外，漫射光发生器10产生漫射光242，如下面将更详细地描述，该漫射光发生器10可以配置成通过漫射的一部分入射光(例如直射光236或者从原初光演变并形成直射光236的中间光)的方式来产生漫射光242，和/或通过额外发射漫射光来产生漫射光242。如上面已经描述的，漫射光发生器10可以呈现为一个面板、一个层或者沉积在第一发射面28或其它一些透明基板上的层堆栈，然而，其他结构也是可行的。
优选地，由直射光源12发出的直射光236覆盖光谱的可见区，即400纳米至700纳米之间的波长。优选地，直射光236的光谱的光谱宽度δλ大于100纳米，大于200nm更好，其中所述光谱宽度δλ可以被定义为直射光236的光谱的标准偏差。从而，直射光236的光谱具有相关联的cct值，下文称为cctdirect。
优选的是，如果漫射光发生器10构造成不增加透射光238的cct，即ccttrans≤cctdirect，但偏差也是可能的。至于漫射光242而言，其具有移向较短波长的光谱，从而相对于直射光236具有更高的cct，并且在任何情况下，具有比透射光238的cct更高的cct，即cctdiffuse>cctdirect和cctdiffuse>ccttrans。优选地，光236和238为准直光，即具有窄角分布，并且光236、242和238的光谱基本上独立于角方向(当光谱标准化至它们的峰值)。在这种情况下，cctdiffuse、cctdiffuse和ccttrans的定义很简单明了。然而，为了更精确，并在一般情况下，cctdirect可以定义为相对于由照明装置20产生的光在窄峰30内的平均谱的cct，即在θhwhm内，当漫射光发生器10没有被物理地安装到装置20中进行工作；ccttrans可以定义为相对于由照明装置20产生的光在窄峰30内的平均谱的cct，即在θhwhm内，当漫射光发生器10被物理地安装到装置20中进行工作；cctdiffuse可以定义为相对于由照明装置20产生的光在远离方向32的方向上的平均谱的cct，例如为角度θ>3θhwhm，当直射光源12和漫射光发生器10都在照明装置20内工作；所有装置都在所有空间和方位坐标中预制。
如上面已经描述的，漫射光发生器10可以体现为或者可以至少包括漫射板，该漫射板配置为在可见光区域内能比较长波长更有效地漫射较短波长(即400至700纳米)的入射光，从而表现为类似于实际天空中太阳光的瑞利散射。例如，该漫射器构造成，在采用d65标准光源的情况下，使得该漫射器对于波长在400纳米至550纳米区间内的漫射/散射部分的光通量为对于波长在550纳米至700纳米区间内的入射光部分的光通量的至少1.1倍，优选为至少1.2倍，更优选为至少1.3倍。
例如，cctdiffuse为ccttrans的至少1.2倍，优选为大于1.3倍，更优选为大于1.4倍。cctdiffuse与cctdirect相比较，cctdiffuse可以是cctdirect的1.2倍，或优选为大于1.3倍，或更优选为大于1.4倍。
对于刚刚提到的瑞利状漫射器的情况，该漫射器也可以相对于cctdirect降低ccttrans，透射光238表示入射光的没有被散射/漫射、不属于漫射光242的那部分剩余分量。
优选地，所述漫射光发生器10(不管它是漫射器和/或漫射光源)不吸收入射光的显著部分。优选地，所述漫射光发生器10吸收低于20％的入射光的光通量，更优选的是低于10％。然而应该指出的是，一些入射光被散射或反射回上游方向而远离输入表面33。当比较入射光的反向散射部分和入射光的向前散射部分(即远离第二发射面34而朝向下游方向)，则透射的漫射光部分242应当优选为大于反向散射部分，例如按光通量计，至少为反向散射部分的1.1倍，优选为1.3倍，更优选1.5倍或甚至2倍。
就反射和反向散射部分的总和而言，即入射光被漫射光发生器10反射回来或散射回来的那部分，优选为低于入射光的光通量的40％，更优选的是低于25％，或低于10％，甚至低于入射光的光通量的5％。
图23示出的实施例中，漫射光发生器10配置为包含第一材料构成的固体基质的漫射器250，其中第二材料构成的纳米颗粒254分散于固体基质252内。纳米颗粒材料的折射率不同于固体基质252的材料的折射率。这两种材料基本上不应该吸收在可见光波长范围内的电磁辐射。例如，第一材料可以是透明树脂。例如，第二材料可以是无机氧化物，例如氧化锌、二氧化钛、氧化锆、二氧化硅、氧化铝。
纳米颗粒254可以是单分散的。纳米颗粒254可以为圆形或其它形状。有效直径d(见下文对于非圆形实施例的定义)可以是在[5纳米-350纳米]的范围内，优选为[10纳米-250纳米]，更优选为[40纳米-180纳米]，还更优选为[60纳米-150纳米]，其中d是由纳米颗粒254的直径乘以第一材料的折射率所得出。
此外，纳米颗粒254可分布在漫射器250内，使得每平方米的数量，也就是由正交于光传播方向的面s的一部分所限定的板体积单元内的数量，在1平方米区域，满足条件nmin≤n，其中：
其中有效直径d必须以米来表示(尺寸术语包括在常量中)，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。
优选地，所述纳米颗粒254至少就面密度而言是均匀分布的。该面密度在低于平均面密度的5％范围内变化。替代地，面密度可以特意变化，以便在入射光照亮板250后对板250的亮度变化提供补偿。例如，第二发射面34中的点(x,y)处的面密度n(x,y)与点(x,y)处的光源2所产生亮度i(x,y)之间的关系为n(x，y)＝naviav/i(x，y)±5％，其中nav和iav为面板区域的平均亮度和面密度。
在小的d和小的体积分数(即厚板)为极限的面密度n≈nmin预计将产生约5％的散射效率。当每单位面积的纳米颗粒的数目变大时，只要多次散射或干扰(假设为高体积分数)发生，散射效率预计与n成比例增长，这可能损害颜色品质。如在专利申请ep2304478中详细描述的，纳米颗粒数目的选择偏向于对散射效率和所需颜色之间折衷的研究。此外，随着纳米颗粒的尺寸变大，前向散射光242的光通量除以反向散射光的光通量所得的比率η也变大，该比率等于在瑞利极限中的一个。此外，随着比率η变大，前向散射锥体的孔径变小。因此，比率η的选择偏向于对产生大角度的散射光和尽量减少反向散射光的光通量之间折衷的研究。然而，通过已知的方式，抗反射层可分别沉积在输入面33和第二发射面34上，以达到减少反射的目的；通过这样做，可提高了装置的发光效率，并降低了由面板表面的环境反射所引致的漫射板250对于观察者的可见性。
然而，纳米颗粒254不具有球形形状的实施例也是可能的，在这种情况下，有效直径d可以定义为等于其等效球形颗粒的有效直径(即与上述纳米颗粒体积相同的球形颗粒的有效直径)。
此外，纳米颗粒254为多分散的实施方式也是可能的，即它们的有效直径具有分布n(d)。这样的分布描述了在每单位表面和有效直径d附近的有效直径单位区间的纳米颗粒的数量(即，每单位表面的直径在d1和d2之间的粒子的数量等于
其中
n＝∫n(d)dd
d’eff可以被选择为位于任何上述区间内，即在[5纳米-350纳米]的区间内，优选[10纳米-250纳米]，更优选[40纳米-180纳米]，还更优选[60纳米-150纳米]。
然而，可替代地，除了图23的漫射板250之外，漫射光发生器10还可以由漫射光源260构成或包括该漫射光源260，如图24a和24b所示，或单独如图25所示。与漫射板250不同，漫射光源260可以单独从直射光源12发出漫射光，这是因为它包括一个第二发光装置266，其不同于直射光源的第一发光装置。
如图24a和24b所示的漫射光源260可以位于漫射板250的下游或上游相。如下文所述，所述漫射光源260可以是板状、层状或体现为层堆栈。当图24a和24b的实施例与图20和21的实施例相结合时，应注意的是，小角度白光漫射器230可以位于漫射器250和漫射光源260两者的下游或上游或位于它们之间。此外，漫射器250和/或漫射光源260可以包含有白光漫射器230的功能。漫射光源260能够发射漫射光。此外，所述漫射光源对于直射光236或从原初光演变而形成为直射光236的中间光基本上是透明的。如图24a和24b所示，所述漫射光源260可被定位成平行于面板250并几乎与之接触。
漫射光源260可使用漫射板264来实现，该漫射板264成形为可由第二发光装置266从边缘照明的光导板，第二发光装置266可形成为led条带或荧光灯管，使得由第二发光装置266发出的光可在漫射板264内以被引导的模式传播，该漫射板264对光均匀地漫射。这样的面板264例如可以为适于边缘照明的商用漫射器，如，例如“
在一个特定配置中，漫射板264由一种材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯)形成，而另一种材料(如氧化锌)的微粒分散在其中；这样的材料优选为不吸收可见光波长范围的光。具体地，微粒的直径范围从2微米至20微米。
在使用时，当沿着漫射板264传播时，通过漫射板264引导的一部分辐射离开漫射板264，例如，由嵌入到漫射板264内的微粒所漫射。由于漫射板264沿正交于面板主表面的方向h的厚度相对于边缘照明方向k是可忽略的，面板264对于沿方向h传播的辐射基本上是透明的，但可以作为沿方向k传播的辐射的漫射器。
此外，假设漫射板264分别由表面s1、s2限定上侧和下侧，可对表面s1、s2当中的至少一个进行表面处理以产生粗糙面。这样的粗糙面有助于由第二发光装置266产生的光在漫射板264中的漫射，该漫射过程在沿着平行于方向k的任何方向上几乎是均匀的。以公知的方式，该粗糙面可以被设计成由第二发光装置266产生的光的很大一部分主要通过表面s1、s2中的一个面进行散射，特别是朝向下游方向32。在表面s1、s2中的至少一个面具有粗糙度的情况下，可以不需要在漫射板264中分布微粒。在任何情况下，漫射板264的两个表面s1、s2上都可以具有粗糙度。
在不同的配置中，漫射光源260不是边缘照明式，而是包括第二发光装置，该装置包括以oled膜的方式制成的基本上透明的发光层。类似于边缘照明式面板光源，该oled膜还能够以产生具有可控的颜色和强度的漫射光，同时对于沿垂直其平面的方向穿透该oled膜的光是透明的。
漫射光源260可以改变漫射光分量242的颜色和强度，基本上不改变透射分量的颜色和强度。为实现这个目的，也可以作用于由第二发光装置266所发射的光的颜色和强度。
例如，为了再现傍晚光线的特性，可采用低cct(如2500k)的入射光；以这种方式，当采用了漫射板250时，透射分量238的颜色类似于日落前阳光的颜色。当没有使用漫射光源260时，由所述漫射板250散射的分量的颜色将于对应的自然分量的颜色明显不同。事实上，在自然界中发生的情况是，观察者上方的天空由白色的日光所照亮，即尚未穿透大气层的日光，其cct约等于6000k，该值比灯的cct高得多。因此，对于入射光具有低cct的情形，在傍晚时分观察者上方天空的散射光的cct要比漫射板250的散射光的cct要高得多。然而，如果使用了漫射光源260，特别是漫射板250连同第二发光装置266一起使用，其中第二发光装置266是红色、绿色、蓝色led发光器的组合体(“rgb”)，将能够调整每个这样的组合体的光通量：这使得面板264以产生具有颜色和强度的散射分量，使得从漫射光源260出射的所有分量具有所需要的颜色。换句话说，所述漫射光源260允许透射分量的颜色与散射分量的颜色分开。此外，如果采用可调节cct的灯作为光源260，即可再现在一天的不同时间内的自然光照变化。
板250和260并不需要在物理上分离，图中分离只是为了便于理解。这对于在其它附图中绘制为分离的组件也是适用的。
在缺少漫射板250的情况下使用光源260时，只要对光源260进行适当地设计，漫射光发生器10发射的漫射光的cct比直射光236的cct要高。这种漫射光发生器至少是部分透光的。在本文中，关于光学元件的术语“透明”用于指所谓的“透视”属性，即光学元件的透射成像光的特性，即穿透该光学元件的透射光线没有经历角度偏转或者仅偏转一个小角度(例如2.5°)。因此在本文中，“透射光”一词指的是入射光穿透光学元件而未经历角度偏转(即未经历大于2.5°的角度偏转)的部分。值得注意的是，上述定义不依赖于“规则透射率”的概念，相比之下，“规则透射率”仅针对那些没有任何角度偏转的透射光。
更精确地说，给定一个标准光源(例如d65光源)，其从圆形发射面ss均匀地发射光，并给定一个标准观察者os，其从2.5°(优选为1.5°，更优选为0.5°)的锥形hwhm立体角观看发射面ss，所述漫射光发生器10在这里被定义为部分透明的，如果d65发射面ss的亮度由标准观察者os感知到，当漫射光发生器10位于观察者os和表面ss之间，其主表面正交于观察者的眼睛与表面ss的重心之间的连线，为观察者os感知到的亮度的至少50％，优选为至少70％，更优选为至少85％，当漫射光发生器10未置于观察者os和表面ss之间。
总之，漫射光发生器10体现为漫射板250和/或漫射光源260，即从薄面板发射漫射光的光源。在仅使用漫射光源260的情况下，漫射光源260不用于校正由漫射板250产生的漫射光的颜色，而是用于产生整个漫射分量242进行操作-有或没有漫射光cct的可调节性。其优点在于具有一个漫射元件，而不是两个，因此减少了损失。由于图26所示的边缘照明的限制，第一个缺点可能在于较难从光源260获得足够大的亮度。此外，在漫射板中的漫射机理是发生在真实天空中的漫射机理相同，使得漫射器250的亮度的空间分布和角度分布相较于光源260更类似于天然界。
对于上述众多实施例，人工照明装置还包括由吸光材料构成的吸收器，以使第一发射面28具有的总反射系数ηr<0.4。
示例中用标号58、72、82、122、158、200和224对这种吸收器(absorbers)进行表示。吸收器可以由吸光材料制成。尽管没有在前面的描述中每次都提到，吸光材料对可见光具有的吸收系数高于95％，尽管80％同样可以满足。吸光材料可以安装在直射光源12的第一发光装置即14、46、60、114、138、150的下游，其中的词语“下游”定义为跟随光传播的方向，方向包括了在图9、10和11的反射器上的曲光(light-bending)。在另一方面，吸光材料安装在第一发射面28的上游，同样地，安装在漫射光发生器10和低角度白色光漫射器230(如果存在)的上游，如果它们安装在第一发射面28的上游。更准确地说，安装之后吸光材料配置为基本上吸收了上游方向透过直射光源的第一发射面28的光线，而在没有吸收器时光线将不会直接朝向直射光源的第一发光装置。在多个前面描述的实施例中，例如人工照明装置包括了光准直器，光准直器是一种安装在直射光源的第一发光装置下游的光学元件并且配置为降低由第一发光装置产生的原初光的分散性。在前面的实施例中加入了光准直器，例如作为透镜的14、48、64、13(例如圆顶透镜、菲涅耳透镜或微透镜)，凹形曲面镜152，耦合到光出射层84的楔形光导80，聚光器(112,113，140)，但是通常光准直器可以是任何形式的折射、反射(包括全部的内部折射)、衍射的光学元件，或者任何包括多个这样的光学元件的系统。在这种情况下，吸收器具有的吸光材料的安装使得吸收器基本上吸收了透过直接光源的第一发射面28的上游/可逆的方向的光线，光线由光准直器在朝向非指向直射光源的第一发射装置的其它方向上进行方向调整，其中的词语“基本上”可以是指这样的可被吸收的光线至少为70％，优选地90％或者更优选地95％。在这种情况下，吸收器主要的功能为降低在直射光236中杂散光的量，即由直射光源12产生的窄峰30外部的光的量。实际上，可以注意到这样的实施例保证了当观察方向从方向32开始偏离的角度大于窄峰30的角度宽度时，直射光源12具有黑色的表面。换句话说，当关闭直射光源12时而在外部照明下，实施例保证了，当打开直射光源12时第一发射面28可以只从那些能看见光斑的方向上重新出射光。此外，这样的实施例要保证由发射器产生的光线，经过准直器或者其它安装在发射器下游的装置20的元件散射或反射后被吸收，而当吸收器不存在时，光线将不会变为准直的光束而从第一发射面28出射。
综上所述，以上已经描述了具体的实施例及其中的思考。具体来说，图5至11和14a至21专注于直射光源12的不同示例性实施例。这些实施例的共同点在于，直射光源12包括如图27a示意性示出的第一发光装置，它分别体现为元件14、46、60、114、138、150。该第一发光装置配置为发出(即主动产生)原初光62，它可以为led、白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯或其它一些光源。另外，直射光源12包括位于该发光装置下游的第一发射面28。至于直射光源12在第一发射面28产生直射光236的能力而言，通过指定从第一发射面28出射的直射光236的状态(在该状态下，漫射光发生器10被移除)来暂时不考虑漫射光发生器的10的影响。至少在漫射光发生器的10位于第一发射面28的上游侧时，上述移除是会产生影响的。在其他情况下，漫射光发生器10不会对从原初光62产生直射光的过程产生影响。特别是，如上所述，直射光源12从原初光62产生直射光236，使得直射光236从第一发射面28出射时的亮度分布曲线图在第一发射面28上是一致的，并且具有绕直射光方向32的角分布窄峰30。
以上图20至26集中在漫射光发生器10的可能实现方式和相对于直射光源12及其各个部件之间的相对位置。同时也考虑了人工照明装置所产生的不同光分量的cct。一般来说，如图27b和27c所示的漫射光发生器10，位于直射光源12的第一发光装置的下游且至少部分透光。例如，漫射光发生器10使原初光62、直射光236或从原初光演变而最终形成直射光236的任何中间光的50％以上射到漫射光发生器10而没有大幅角度偏转地通过，其中“大幅”是指可能只发生小角度的偏转而已，例如小于2.5°的hwhm角。在图27b和27c中的阴影框302表示漫射光发生器10可以具有其自身的第二发光装置，一种可能的实例示于图26中的标记266。另一种可能是通过使用oled作为漫射光源260而形成。可替代地或附加地，光漫射发生器10可以是被动性的，它与直射光源的第一发光装置配合使用。换句话说，它可以具有一个漫射器。参考图23至25以了解可能的替代方案的细节。在使用漫射器的情况下，漫射器被定位成由以下的光照亮，这些光可以为直射光、原初光或对应于原初光转化成直射光的中间形式的光。无论漫射光发生器10是被动式和/或主动式的，漫射光发生器10可以位于直射光源12的第一发射面28的上游或下游侧，并构造成在漫射光发生器10的第二发射面34产生漫射光242。再次说明，漫射光发生器10可以具有也可以不具有其自身的光源302。如果漫射光发生器10位于直射光源12的第一发射面28的下游侧，那么直射光236是可用的，及其应用在直射光源12上的要求是可测的，无需移除漫射光发生器10。
从上述实施例中可以知道，发射面28和34中的一个位于另一个的下游侧。例如，在图27b的例子中，直射光源12的第一发射面的28位于漫射光发生器10的第二发射面34的下游，从而形成人工照明装置的外发射面37；而在图27c的例子中，漫射光发生器10的第二发射面34位于更下游的位置以形成外发光面37。为完整起见，图27d示出了进一步的替代方案，直射光源12的第一发射面的28和漫射光发生器10的第二发射面34重合以共同形成人工照明装置的外发射面37。可以想象，例如，按照图23的实施方式的漫射光发生器10的颗粒可以散布在具有菲涅耳透镜的任何实施例的菲涅耳透镜64的材料内。在这种情况下，直射光源12的透镜64将同时充当漫射光发生器10。更准确地说，在菲涅耳透镜的材料内散布的颗粒254形成漫射光发生器10和必须(假想地)除去以确定由直射光源12产生的直射光的亮度特性。在实际中，这种散布有颗粒254的菲涅耳透镜可用没有这些颗粒254的相同的菲涅耳透镜来代替。因此，从图27b和27d可以看出，无论该漫射光发生器10位于直射光源12的第一发射面28上游侧的什么位置，在人工照明装置被建造在一起的情况下，遵循上述亮度约束条件的直射光236不能直接直接可见。确切的说，如刚才解释，所述漫射光发生器10必须去除。
图27e和27f集中于通过图27b和27c所示的直射光源12和漫射光发生器10的协同工作而在外发射面37形成的外部光239。在图27e中，其中该漫射光发生器10位于直射光源12的第一发射面28的上游侧，使第一发射面28形成外发射面37，遵循刚提到的约束条件的直射光源12的直射光236不会在第一发射面28上直接产生。相反，第一发射面28上产生了已穿过漫射光发生器10的透射变体，其中该透射变体不同于直射光，其原因在于，漫射光发生器10对于入射光(例如原初光62)仅为部分的透明。例如，在漫射光发生器10体现为基于侧面照射式漫射板264(沿h方向具有高的规则透射率)的漫射光源260的情况下(参照图26)，其透射变体与直射光几乎相同，只是稍微减弱(例如减弱10％)，这主要是因为在漫射器的空气-面板界面上存在反射损失。在漫射光发生器10实施为体现成oled膜的漫射光源260的情况下，其透射变体相对于直射光大幅减弱(例如减弱40％)，在漫射光发生器10实施为被动式漫射板250(在瑞利区域散射入射光)的情况下，其透射变体与直射光的不同之处只在于较低的cct，如下面针对图22a的说明。最后，如果漫射光发生器10使通过该发生器的入射光线稍有角度偏转(即偏转小于2.5°)，即如果它结合了小角度白光漫射器230的功能，其透射变体可在角谱方面不同于直射光，它可以是直射光角谱与小角度白光漫射器角脉冲响应函数的卷积。
在图27e的实施例中，外发射面37上的外部光239是刚提到的直射光的透射变体以及由漫射光发生器10发射的漫射光242。从角度方面来说，外部光239包括第一光分量241和第二光分量243，其中第一光分量241沿着包含在窄峰30内(如在前述θhwhm内)的方向传播，第二光分量243沿着基于窄峰30之外的方向(例如大于3θhwhm的方向)传播，第一光分量241的cct低于第二光分量243的cct。
通过图27d与图27b的比较可以清楚地看出，这两种实施例的不同之处仅仅在于，由图27d的实施例中，漫射光发生器10所产生的漫射光不能从由直射光源12发出的直射光直接得到或分离，这是由于直射光和扩散光的透射变体不可逆地融合在一起而形成在所得的外发射面37上的外部光239。
图27f示出了从图27c所得到的外部光的情形下。由于漫射光发生器10位于表面28的下游侧，直射光236是可进入的，并且其如图22a所示的具有ccttrans的透射变体，有助于在通过漫射光发生器10的第二发光面34形成的发光面37上形成外部光239。fig.27e示出了外部光239在角度方面的组成。
关于图27e，图22b和22c示出将漫射光发生器设置在直射光源12的第一发射面28上游的两个备选方案。图22b中示出了有源形式的漫射光发生器10，其对于入射到输入面33上的光(例如对于原初光62)几乎是完全透明的，从而使直射光将基本上直接在发光面28和37上参与形成外部光239。尽管如此，但是，应当指出的是，第一角度光分量241与直射光的不同之处在于，第一角度光分量241还包括漫射光发生器10的漫射光成分。然而，由于窄峰30所覆盖的角度范围很小，因此后者所占的比重是非常小的，相应地，直射光236的cct或透射光的cct与上述漫射光242的cct之间的所有cct关系也适用于第一光分量。
此外，第一角度光分量241具有一个窄的角支撑，仅通过沿窄峰30内的方向传播的光线而形成(即在亮度分布曲线图中支撑峰值的方向)。与此相反，直射光236可以在任何角度存在背景光。
图22c示出了漫射光发生器10的一种实施例，其包括上述具有波长选择性漫射率的漫射器，例如，置于发生器10与由发射面28形成的外发射面之间的模糊滤光器。直射光的透射变体生成在表面28和37上，并参与形成外部光。再次说明，外部光239在窄峰30内的角度光分量241与刚才提到的直射光的透射变体的不同于在于，角度光分量241还包括由漫射光发生器10所产生的漫射光的相应角度分量。
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