透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置的制作方法

本发明涉及一种自然光匀化装置，属于光学。

背景技术：

1、自然光照明这一绿色能源理念正逐渐进入大众视野，随着对太阳能照明技术的研究不断深入，人们对自然光采集照明系统也有了更深层次的认识。一天之中直射的太阳光因早晚时刻不同，其照明的强度和角度是不一样的，人们根据太阳和地面构成的夹角不同可将全天直射的阳光的变化情况分为三个照明阶段：

2、1、早晚的太阳光：当太阳从东方的地平线上升起以及傍晚太阳即将西落于地平线以下时，太阳光和地面的夹角成0°～15°角；

3、2、上午下午的太阳光：上午下午的太阳光与地面的角度呈15°～60°之间，通常是指上午八点到十一点，下午两点到五点这一时刻的光线，照明强度比较稳定；

4、3、中午的太阳光：又称为顶光，从上向下垂直照射地面，这一时刻的太阳光的照明角度常常受到季节的影响，夏季的中午太阳光基本上以90°垂直向下照射地面景物，地面景物的投影很小，而其它季节的中午，太阳光以近似垂直的角度从上向下照射，冬季的中午，其照射的角度会更偏一些。

5、以上三个照明阶段的自然光入射室内的角度各不相同，传统的采光窗帘无法保证每一个照明阶段的自然光都能均匀散射进室内，难以形成全天候的匀化照射效果。

技术实现思路

1、本发明为解决传统的采光窗帘无法保证每一个照明阶段的自然光都能均匀散射进室内，难以形成全天候匀化照射效果的问题，进而提出一种透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括若干个薄光片，薄光片的外侧面由连续透镜阵列组成，薄光片的内侧面由连续自由曲面透镜阵列组成，且所述连续自由曲面透镜阵列的每个锯齿的下表面为外凸的曲面，若干个薄光片呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光矩阵的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片；

3、第一薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为50°，

4、第二薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为30°，

5、第三薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为20°，

6、第四薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为10°，

7、第五薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为5°，

8、第六薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为175°，

9、第七薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为170°，

10、第八薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为160°，

11、第九薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为150°，

12、第十薄光片的连续自由曲面透镜阵列的直线边与水平面之间的夹角为130°。

13、进一步的，所述连续透镜阵列是指连续的凸透镜阵列。

14、进一步的，所述连续的凸透镜阵列的凸透镜上不同位置x2,y2的厚度z2的表达式为r2为凸透镜曲面半径，曲面半径为凸透镜与自由曲面最小间距的1-5倍。

15、进一步的，所述连续的凸透镜阵列对入射光附加的相位调制表示为x5,,y5为透镜阵列入射波前的位置，λ为入射光中心波长，f1为透镜焦距。

16、进一步的，所述连续透镜阵列是指连续的凸自由曲面阵列。

17、进一步的，所述连续的凸自由曲面阵列的凸自由曲面通过折射将光线折射于水平方向，凸自由曲面上不同位置x3,y3的厚度d1的表达式为其中n为折射率，r3为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ1为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播。

18、进一步的，所述连续的凸自由曲面阵列对入射自然光附加的相位调制表示为x6,y6为自由曲面阵列入射波前的位置，f2表示自由曲面等效焦距，θ3为入射光在自由曲面的入射角度。

19、进一步的，所述连续自由曲面透镜阵列对入射自然光附加的相位调制表示为y4为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ为自然光在锯齿表面的入射角度。

20、进一步的，所述连续透镜阵列的透镜与所述连续自由曲面透镜阵列的锯齿一一对应，且每个锯齿的表面的中心位置与透镜的光轴相匹配。

21、进一步的，所述薄光片是透射率大于85％的透明材料制作的。

22、本发明的有益效果是：

23、1、本发明能够吸收室外各个照明阶段的自然光，并将自然光均匀的散射到室内的每一个角落，形成无死角匀化照明；

24、2、本发明不受室外自然光照射角度的限制，能够将每一时间段、不同入射角度的自然光完全收集起来，均匀散射至室内，形成自然光的匀化照明，实现了绿色能源的充分利用；

25、3、本发明还能够替代传统的窗帘、遮光帘、窗户等保护室内隐私，防止室外对室内的窥探；

26、4、本发明采用轻量化设计理念，整体重量轻，易于批量化生产；

27、5、本发明可高效收集入射进窗户的自然光，将光线均匀发散至室内各个方向，匀化室内照明，并且有效保护室内隐私，轻薄易量产，环保无污染。

技术特征：

1.透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置包括若干个薄光片(1)，薄光片(1)的外侧面由连续透镜阵列(101)组成，薄光片(1)的内侧面由连续自由曲面透镜阵列(102)组成，且所述连续自由曲面透镜阵列(102)的每个锯齿的下表面为外凸的曲面(103)，若干个薄光片(1)呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光矩阵的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片；

2.根据权利要求1所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续透镜阵列(101)是指连续的凸透镜阵列。

3.根据权利要求2所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凸透镜阵列的凸透镜上不同位置x2,y2的厚度z2的表达式为c2为凸透镜曲面半径，曲面半径为凸透镜与自由曲面最小间距的1-5倍。

4.根据权利要求2所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凸透镜阵列对入射光附加的相位调制表示为x5,y5为透镜阵列入射波前的位置，λ为入射光中心波长，f1为透镜焦距。

5.根据权利要求1所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续透镜阵列(101)是指连续的凸自由曲面阵列。

6.根据权利要求5所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凸自由曲面阵列的凸自由曲面通过折射将光线折射于水平方向，凸自由曲面上不同位置x3,y3的厚度d1的表达式为其中n为折射率，r3为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ1为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播。

7.根据权利要求5所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续的凸自由曲面阵列对入射自然光附加的相位调制表示为x6,y6为自由曲面阵列入射波前的位置，f2表示自由曲面等效焦距，θ3为入射光在自由曲面的入射角度。

8.根据权利要求1所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续自由曲面透镜阵列(102)对入射自然光附加的相位调制表示为y4为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ为自然光在锯齿表面的入射角度。

9.根据权利要求1所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述连续透镜阵列(101)的透镜与所述连续自由曲面透镜阵列(102)的锯齿一一对应，且每个锯齿的表面的中心位置与透镜的光轴相匹配。

10.根据权利要求1所述的透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，其特征在于：所述薄光片(1)是透射率大于85％的透明材料制作的。

技术总结
透镜与自由曲面透镜组合式单片正弦布置的自然光匀化装置，它涉及一种自然光匀化装置。本发明为了解决传统的采光窗帘无法保证每一个照明阶段的自然光都能均匀散射进室内，难以形成全天候匀化照射效果的问题。本发明包括若干个薄光片，薄光片的外侧面由连续透镜阵列组成，薄光片的内侧面由连续自由曲面透镜阵列组成，且所述连续自由曲面透镜阵列的每个锯齿的下表面为外凸的曲面，若干个薄光片呈矩阵状排列组成采光矩阵，所述采光矩阵的每排薄光片由左至右依次编号为第一薄光片、第二薄光片、第三薄光片、第四薄光片、第五薄光片、第六薄光片、第七薄光片、第八薄光片、第九薄光片和第十薄光片。本发明属于光学技术领域。

技术研发人员：刘俭,丁旭旻,王新伟
受保护的技术使用者：荣仪尚科光电技术（哈尔滨）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21