一种侧反式光学结构的模拟天窗环境的装置的制作方法

本发明属于模拟天窗技术领域，具体为一种侧反式光学结构的模拟天窗环境的装置。

背景技术：

模拟天窗是一种模仿自然光下天窗效果的光学装置，这种装置可以在封闭的室内模拟出太阳光照射在室内的效果，令人们可以在实际封闭的室内体验到户外的阳光、看到天空白云，蓝天，有助于舒缓和放松人们紧张的心情。

目前可模拟太阳光和天空背景光的技术主要是纳米粒子涂层散射技术，对光学材料表面进行纳米粒子涂料的涂覆，形成纳米粒子涂层，通过混合光源对纳米粒子涂层照明，使混合光与纳米粒子产生瑞利散射，形成天空背景蓝光，并通过控制纳米粒子涂层的厚度，来控制混合光的透过率，实现太阳光照明效果，这种技术难度高，成本较高，且产品生产工艺流程复杂。

本发明通过侧反式光学结构来替代瑞利散射的复杂工艺和技术，通过相对简单的技术来实现模拟天窗的天空光散射效果，并且在模拟天空光的基础上，可以主动实现夜晚的星空背景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种侧反式光学结构的模拟天窗环境的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种侧反式光学结构的模拟天窗环境的装置，包括光源、外罩和护架，所述光源共设置有四个并分别固定安装于护架内侧的四条侧边处，所述护架固定安装于外罩的底部，所述外罩的内部固定安装有上反射镜和侧反射镜，所述上反射镜固定安装于外罩内腔的顶部，所述侧反射镜共设置有四个并分别固定安装于外罩的四个内侧面，所述侧反射镜和上反射镜共同构成光室，所述护架的中部从上到下叠层安装有匀光板和透光板。

优选的，所述护架的两对称外侧面均安装有收放室和步进电机，两个所述收放室中分别活动安装有幕布卷筒和绕绳柱，所述幕布卷筒和绕绳柱的表面分别绕接有星空幕布和牵引绳，所述星空幕布与牵引绳连接，所述步进电机固定安装于收放室的外侧并与收放室内腔中的幕布卷筒和绕绳柱传动连接，所述护架的底部固定安装有压边条，且压边条将星空幕布压在护架底面，所述压边条与外罩之间卡接有卡板。

优选的，所述光源均设置于其对应侧的匀光板和侧反射镜之间，四个所述光源的发光面与水平面的夹角θ可调，定义垂直于光源发光面的法线为0°，顺时针方向为+90°方向，逆时针方向为-90°方向，通过调整光源与水平面夹角θ，可改变匀光板上的光照度分布，光源采用但不限于散射光线rg第二光陷阱b初始光线w四色芯片的le第四光陷阱d。

优选的，所述光源发射出光线初始光线w经过上反射镜或侧反射镜首次反射形成一次反射光线f，所述一次反射光线f在此经过上反射镜或者侧反射镜反射形成二次反射光线t，所述光室内任意光线透过匀光板和透光板射向外环境形成散射光线r，图11则是对应图10中光源的发光角度上的发光强度的分布曲线，曲线横坐标为光源发光的角度，从-90°至+90°；曲线纵坐标为发光强度值，是以最大发光强度为100％为参照的值，由此曲线可看出，光源的发光角度与光通量关系式为：

φ为光源发光通量；i为光源发光强度；α为初始光线w与法线的夹角。

通过以上公式得出光通量跟发光角度存在的关系，是余弦曲线的关系，则发光角度越靠近0°时，光通量越大，光通量越大，照射出去的光就越强，则落在反射镜或者匀光板上的光就越强，则这个区域的反射镜或者匀光板就越亮。

优选的，四个所述光源所处区域经光源本体遮挡各自形成无法反射光线的第一光陷阱a、第二光陷阱b、第三光陷阱c和第四光陷阱d，光源发射出去的光线经过上反射镜或者侧反射镜反射后可能会照射进任意光陷阱区域，射入该光陷阱区域的光线被吸收，不再对外反射。

优选的，所述收放室内侧面的底部均开设有条形槽供星空幕布或牵引绳穿过，所述条形槽的长度与星空幕布的宽度相适配。

优选的，所述压边条以平行于星空幕布延伸方向的姿态将星空幕布压住，所述牵引绳位于压边条和护架之间，压边条将星空幕布压住主要也是为星空幕布的姿态考虑，防止星空幕布的出现表面出现褶皱，确保透光质量。

优选的，所述压边条的前端设有向下弯折的下沿端，所述星空幕布通过该下沿端穿插入压边条和护架之间，该下沿端是为了保证星空幕布穿插入卡板和护架之间可以通畅进行，所述压边条的尾端开设有一通孔供牵引绳穿过，一方面通孔方便了牵引绳在传动过程中的通行，另一方面其可以稳定住牵引绳的姿态，防止其出现偏斜。

优选的，所述卡板的外形为“[”状，所述卡板卡在压边条下沿端后侧，由于压边条与护架的固定部分在压边条的尾端，压边条的长度较长，这就会导致压边条的下沿端由于重力原因会出现一定的下坠，导致其下沿端及前部分对压边条施加的压力可能不足，因此通过卡板卡在压边条的下沿端部分，对对卡板的压力进行补偿。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过在光室内部设置可调节发光面与水平面夹角的光源，矩形的光室四条边侧均设置有一个，光源发射出来的光线通过上反射镜和侧反射镜的反射，照射在匀光板上，使得原本局部不均晕的光线均匀化，并穿过透光板漫反射散射出去，形成均匀的，对环境照明的面型光源，调整光源发光面与水平面之间的夹角实现模拟天空不同位置的背景光强的分布，提高真实性，本发明通过上述侧反式光学结构来替代传统瑞利散射的复杂工艺技术和昂贵的成本，有效模拟出天空光效果，降低了加工难度和成本，具备明显的经济效益。

2、本发明通过启动两个步进电机进行同步运转，幕布卷筒和绕绳柱分别进行对星空幕布的释放和对牵引绳收拢，牵引绳牵引着星空幕布释放，遮住收放室，控制光源发出白色光，光线最终照在星空幕布的表面，星空幕布表面分布的透光片的表面是有色的，通过透光片散射出来的带色光彩模拟出星空的效果，此套装置，成本低廉，易于实现，效果稳定，完善了天空窗的夜晚背景功能，有助于提高用户体验。

附图说明

图1为本发明的外观示意图；

图2为本发明的星空幕布半遮底视图；

图3为本发明收放室和护架拆解示意图；

图4为本发明牵引绳对星空幕布的牵引示意图；

图5为本发明光室的组成结构分解示意图；

图6为本发明光源在光室内分布俯视图；

图7为本发明的光室结构剖视图；

图8为本发明的光室内光路图；

图9为本发明光照在匀光板上的强度示意图；

图10为本发明的光源的发光角度示意图；

图11为本发明光源的发光角度和光照强度分布曲线图。

图中：1、光源；2、匀光板；3、透光板；4、上反射镜；5、光室；6、侧反射镜；7、外罩；8、护架；9、收放室；10、步进电机；11、幕布卷筒；12、星空幕布；13、绕绳柱；14、压边条；15、卡板；16、牵引绳a、第一光陷阱；b、第二光陷阱；c、第三光陷阱；d、第四光陷阱；w、初始光线；f、一次反射光线；t、二次反射光线；r、散射光线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图11所示，本发明实施例中，一种侧反式光学结构的模拟天窗环境的装置，包括光源1、外罩7和护架8，光源1共设置有四个并分别固定安装于护架8内侧的四条侧边处，护架8固定安装于外罩7的底部，外罩7的内部固定安装有上反射镜4和侧反射镜6，上反射镜4固定安装于外罩7内腔的顶部，侧反射镜6共设置有四个并分别固定安装于外罩7的四个内侧面，侧反射镜6和上反射镜4共同构成光室5，护架8的中部从上到下叠层安装有匀光板2和透光板3。

其中，护架8的两对称外侧面均安装有收放室9和步进电机10，两个收放室9中分别活动安装有幕布卷筒11和绕绳柱13，幕布卷筒11和绕绳柱13的表面分别绕接有星空幕布12和牵引绳16，星空幕布12与牵引绳16连接，步进电机10固定安装于收放室9的外侧并与收放室9内腔中的幕布卷筒11和绕绳柱13传动连接，护架8的底部固定安装有压边条14，且压边条14将星空幕布12压在护架8底面，压边条14与外罩7之间卡接有卡板15。

其中，光源1均设置于其对应侧的匀光板2和侧反射镜6之间，四个光源1的发光面与水平面的夹角θ可调，定义垂直于光源1发光面的法线为0°，顺时针方向为+90°方向，逆时针方向为-90°方向，通过调整光源与水平面夹角θ，可改变匀光板2上的光照度分布，光源1采用但不限于散射光线rg第二光陷阱b初始光线w四色芯片的le第四光陷阱d。

其中，光源1发射出光线初始光线w经过上反射镜4或侧反射镜6首次反射形成一次反射光线f，一次反射光线f在此经过上反射镜4或者侧反射镜6反射形成二次反射光线t，光室5内任意光线透过匀光板2和透光板3射向外环境形成散射光线r，图11则是对应图10中光源的发光角度上的发光强度的分布曲线，曲线横坐标为光源发光的角度，从-90°至+90°；曲线纵坐标为发光强度值，是以最大发光强度为100％为参照的值，由此曲线可看出，光源的发光角度与光通量关系式为：

φ为光源发光通量；i为光源发光强度；α为初始光线w与法线的夹角。

通过以上公式得出光通量跟发光角度存在的关系，是余弦曲线的关系，则发光角度越靠近0°时，光通量越大，光通量越大，照射出去的光就越强，则落在反射镜或者匀光板上的光就越强，则这个区域的反射镜或者匀光板就越亮。

其中，四个光源1所处区域经光源1本体遮挡各自形成无法反射光线的第一光陷阱a、第二光陷阱b、第三光陷阱c和第四光陷阱d，光源1发射出去的光线经过上反射镜4或者侧反射镜6反射后可能会照射进任意光陷阱区域，射入该光陷阱区域的光线被吸收，不再对外反射。

其中，收放室9内侧面的底部均开设有条形槽供星空幕布12或牵引绳16穿过，条形槽的长度与星空幕布12的宽度相适配。

其中，压边条14以平行于星空幕布12延伸方向的姿态将星空幕布12压住，牵引绳16位于压边条14和护架8之间，压边条14将星空幕布12压住主要也是为星空幕布12的姿态考虑，防止星空幕布12的出现表面出现褶皱，确保透光质量。

其中，压边条14的前端设有向下弯折的下沿端，星空幕布12通过该下沿端穿插入压边条14和护架8之间，该下沿端是为了保证星空幕布12穿插入卡板15和护架8之间可以通畅进行，压边条14的尾端开设有一通孔供牵引绳16穿过，一方面通孔方便了牵引绳16在传动过程中的通行，另一方面其可以稳定住牵引绳16的姿态，防止其出现偏斜。

其中，卡板15的外形为“[”状，卡板15卡在压边条14下沿端后侧，由于压边条14与护架8的固定部分在压边条14的尾端，压边条14的长度较长，这就会导致压边条14的下沿端由于重力原因会出现一定的下坠，导致其下沿端及前部分对压边条14施加的压力可能不足，因此通过卡板15卡在压边条14的下沿端部分，对对卡板15的压力进行补偿。

工作原理及使用流程：

如图8所示，当光线夹角α在法线右侧时α＞0，在左侧α＜0；光源以θ角度倾斜时；

当光线夹角α满足0＜α＜δ时，光源的光被侧反射镜6反射到匀光板上，在匀光板2上形成散射光，并通过透光板投射出去；

当光线夹角α满足α＞δ时，光源的光被侧反射镜6反射到上反射镜4上，经过上反射镜4再次反射到匀光板2上；

当光线夹角α满足γ＜α＜0时，光源的光被侧反射镜6反射上，经过侧反射镜6反射到第一光陷阱a内部后，被吸收；

当光线夹角α满足β+γ＜α＜0时，光源的光被上反射镜4反射到侧反射镜6上，经过侧反射镜6再次反射到匀光板2上。

e为光照度；s受光面积，结合光源发光角-照度公式，可得出，匀光板2上左侧区域覆盖的光照度较强，右侧区域覆盖的光照度较弱，如图9所示，综合以上阐述，当第一光陷阱a侧有光源照明时，匀光板上光线分布如第一个图所示，第二光陷阱b侧有光源照明时，匀光板上光线分布如第二个图所示，四周均有光源照明时，匀光板上光线分布如第三个图所示。

由上可得，第二光陷阱b处的光源与第一光陷阱a处的光源对匀光板2相反，因此第二光陷阱b处的光源对匀光板2上右侧区域覆盖的光照度较强，左侧区域覆盖的光照度较弱，同理，第三光陷阱c处、第四光陷阱d处的光源对光源临近处的匀光板2区域覆盖的光照度较强，远离光源处的匀光板2区域覆盖的光照度较弱，光照射到匀光板2上，被匀光板匀光，使局部非均匀光线均匀化，并穿过透光板3投射出去，形成对环境照明的面型光源，通过调整光源与水平面夹角θ，可改变β、γ、α、δ的大小，从而改变匀光板2上的光照度分布，实现模拟天空不同位置的背景光强的分布，从而实现模拟日出、日落、云遮日等动态的天空背景光环境。

且在夜晚时，可通过启动两个步进电机10进行同步运转，通过牵引绳16将星空幕布12拉出，遮住收放室9，星空幕布12表面呈现黑色且点缀有可投光透光片，透光片以绚丽的星空背景排布，通过光源1发出白色光，光线最终照在星空幕布12的表面，透光片的表面是有色的，通过透光片散射出来的带色光彩模拟出星空的效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。