技术领域
[0001] 本公开总体上涉及基于阳光的投射系统，尤其涉及使用自然光进行室内照明的照明系统。此外，本公开涉及控制基于阳光的照明系统并且用人造光补充基于阳光的照明系统。
背景技术
[0002] 基于阳光的照明系统收集阳光并且尤其通过光学系统将所收集的光引导到分布在
建筑物内的照明器。因此，基于阳光的照明系统是高效节能的，并且允许利用具有自然可见
光谱的光来照射室内环境。
[0003] 市售产品包括基于透镜或基于
反射器的收集器光学器件、用于利用收集器光学器件
跟踪太阳运动的跟踪系统、基于光纤的光分配系统和室内光提供单元。例如，在US 2004/187908 A1和WO 2008/143586 A1中公开了基于阳光的照明系统。非
专利公开的一个例子是M.S.Mayhoub等人的出版物“Towards hybrid lighting systems：A review”，Lighting Res.Technol.2010,42：51-71。
[0004] 收集器光学器件例如是基于抛物面反射器的系统，其使用抛物面主镜布置以通常在二次反射之后将阳光聚焦到多个光纤中。替代
实施例使用多个透镜来收集阳光并将其聚焦到相应的光纤中。对最佳光收集条件的跟踪通常基于跟踪太阳
位置的
传感器系统和/或基于地理
定位系统，从而优化所收集的光量。
[0005] 光分布系统通常基于光纤束，其基本上没有损失地在相当远的距离上接收和引导所收集的光。损耗主要由
接口产生，每个接口产生后向散射和菲涅
耳损耗。通过光吸收在光纤内部产生额外的损耗。因此，接口的数量保持在最小值，并且光纤长度的典型值选择在例如10m至15m的范围内。
[0006] 光提供单元通常是简单的无源发射器，或者它们可以配置为混合照明器。无源发射器可以例如直接使用来自光纤端部的自然光的发散发射，并且可选地通过相应的漫射光学器件漫射所发射的自然光。或者，无源发射器可以包括在光纤端部或特定发射器配置处提供的专
门设计的散射配置。显然，基于无源发射器的系统仅在收集器光学器件收集足够的自然光时才提供照明。无源光提供单元的示例是聚光灯配置，其中单个光纤束被引导到聚光灯安装件以局部地发射自然光。此外，多个这样的聚光灯安装件可以位于公共的漫射板后面，以实现面
光源。在任一种配置中，输出是来自非均匀光源且具有宽的类太阳
波长光谱的漫射光。
[0007] 相反，混合照明器另外提供从人造光源发射光的可能性。在一些装置中，使用发射器配置，其在特定发射器旁边发射人工产生的光，以发射所收集的自然光。例如，已知的光提供单元使用侧发光杆进行自然光发射，其中杆与人造光源并排放置。因此，混合照明器可以独立于自然光条件提供照明。
[0008] 本公开的一个目的是使用这种基于阳光的照明系统，不仅提供波长光谱与太阳类似的光，而且还提供外观与太阳类似的光，从而实现太阳模拟，特别是模拟太阳天空的照明系统。此外，提高太阳天空模拟照明系统的
能量效率也是本公开的一个目的。
[0009] 因此，本公开至少部分地涉及改进或克服现有系统的一个或多个方面。
发明内容
[0010] 在第一方面，本公开涉及一种用于提供直射光束的基于阳光的投射系统，特别是用于在模拟太阳天空的照明系统内产生类似太阳的外观。基于阳光的投射系统包括具有收集器系统、多个光纤和多个光纤输出通道的阳光接收单元。收集器系统被配置用于收集自然室外光，并用于将收集的光耦合到多个光纤中。多个光纤中的每一个包括光纤输出端，并且每个光纤输出通道包括至少一个光纤输出端，发散光纤输出光从该光纤输出端发射。基于阳光的投射系统还包括具有多个光学
准直器单元的阳光形成单元，所述光学
准直器单元以一维或二维阵列布置。每个光学准直器单元与相应的光纤输出通道相关联以接收相应的光纤输出光，并且包括至少一个光学准直器，用于减小所接收的发散光纤输出光的
角分布宽度。多个光学准直器单元的输出区域基本上形成阳光形成单元的连续延伸的大发光面，用于发射基本上并且特别是类似太阳的准直光束。
[0011] 在另一方面，公开了一种用于在模拟太阳天空的照明系统内产生类似太阳外观的照明系统。该照明系统包括如上所述的用于产生基于直射光束的直射光分量的基于阳光的投射系统，以及用于产生跨越直射光束发射的漫射光分量的漫射光产生单元(特别是跨越直射光束延伸)。
[0012] 在另一方面，公开了一种基于阳光的投射系统，其特别地提供可用于在基于阳光的照明系统的大面积光
输出侧内产生类似太阳外观的直射光束。基于阳光的投射系统包括具有收集器系统和多个光纤的阳光接收单元。收集器系统被配置用于收集自然室外光，并用于将收集的光耦合到多个光纤中。基于阳光的投射系统包括有源光源单元，该有源光源单元被配置为用人工产生的光补充所收集的自然光。基于阳光的投射系统还包括具有至少一个光学准直器单元的阳光形成单元。光学准直器单元的至少一个子组与至少一个光纤相关联，接收自然光和人工产生的光，并且基于自然光和人工产生的光提供准直光束。基于阳光的投射系统还包括基于
色度的控制系统，该控制系统包括用于检测所收集的自然室外光和/或所发射的准直光的色度的色度传感器。基于色度的控制系统还包括控制单元，用于响应于检测到的色度来控制有源光源单元。
[0013] 特别是对于太阳天空模拟照明系统，将变得清楚的是，额外使用所收集的自然光将能够实现室内环境的高能效的照明，同时仍然提供特定的无限深度
感知，至少增加自然照明条件。特别是在白天提高能量效率，但也适用于早晨和下午以及(部分)阴天的情形。
[0014] 在
权利要求中公开了以上方面的其它实施方式，其通过引用并入本文。
[0015] 根据以下描述和
附图，本公开的其他特征和方面将会更加清楚明了。
附图说明
[0016] 结合在此并构成
说明书的一部分的附图示出了本公开的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：
[0017] 图1是具有基于阳光的投射系统的示例性照明系统的示意图；
[0018] 图2是投射系统的阳光收集的示意图；
[0019] 图3是具有基于阳光的投射系统的示例性照明系统的另一示意图；
[0020] 图4是投射系统的示例性的基于折射的阳光形成单元的示意图；
[0021] 图5是阳光形成单元的一个实施例的示意性剖视图；
[0022] 图6A至6C是说明远场均匀化单元的功能的示意图；
[0023] 图7是用于在近场中提供直射光的阳光形成单元的光学准直器单元的实施例的示意性剖视图；
[0024] 图8A和8B是说明近场均匀化单元的功能的示意图；
[0025] 图9A和9B是说明在光纤
输入侧将人工产生的光耦合到所收集的自然光的光路中的示意图；
[0026] 图10A至10G是说明在光纤输出侧将人工产生的光耦合到所收集的自然光的光路中的示意图；
[0027] 图11是投射系统的示例性的基于反射的阳光形成单元的示意图；
[0028] 图12A至12C是示出在中间至远场中产生附加漫射光的照明系统的各种配置的示意图；
[0029] 图13A至13C是示出在近场中产生附加漫射光的照明系统的各种配置的示意图；和[0030] 图14A至14C是示出与直射光分量和漫射光分量相关联的发光强度分布的方面的示意图。
具体实施方式
[0031] 以下是本公开的示例性实施例的详细描述。其中描述的和附图中示出的示例性实施例旨在教导本公开的原理，使得本领域普通技术人员能够在许多不同的环境中并且针对许多不同的应用来实现和使用本公开。因此，示例性实施例不旨在且不应被视为对专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应由所附权利要求限定。
[0032] 本公开部分地基于以下认识：所收集的阳光可用于提供室内自然光照条件。为此目的，认识到可以使用基于阳光的照明系统的光提供单元来提供从大面积均匀发射的准直的类阳光。具体地，认识到所发射的准直光需要在发光强度分布(LID)中提供高
对比度。因此，
发明人提出，提供多个光学准直器单元，每个光学准直器单元接收从相应的光纤输出通道收集的光。多个光学准直器单元的输出区域基本上形成连续的发光面，其中每个光学准直器单元被配置为从它们的输出区域均匀地输出光，并且输出光是类太阳准直的。当观察连续延伸的大发光面时，这种多通道准直仅能够从受限的类太阳出现区域直接感知光。由于类太阳准直，观察发光面的观察者不会感觉到来自特定的类太阳区域周围区域的任何光。
[0033] 为了避免由多个光学准直器单元给出的子结构的任何
分辨率，光学准直器单元的输出区域的尺寸可以被限制为，例如直径为5mm或更小，例如3mm、2mm或者甚至为1mm。
[0034] 为了提供所期望的准直，光学准直器单元可以包括两个或更多个准直光学元件，例如三个光学元件，包括场透镜、
准直透镜和(横向尺寸小的)
串联透镜布置。作为串联透镜布置的替代或补充，可以使用透镜/针孔配置来移除会减小LID的对比度的以较大角度发射的光线。
[0035] 对于其中的连续发光面可以接近或甚至形成照明系统的最终输出区域的配置，在每个光学准直器单元内提供吸收器结构能够进一步确保应该被感知为太阳的区域与那些“太阳周围”区域之间的对比。具体地，吸收器结构可以被配置成使得从室内落到发光面上的光线可以进入光纤输出端，或者可以在吸收器结构的表面处被吸收。这样的配置将确保，在感知侧，当观察发光面时，仅感知来自光纤输出端的光，而不会感知到来自室内环境的反射或仅感知到强烈减少的反射。
[0036] 发明人进一步认识到，这种基于阳光的投射系统可以与大面积漫射光发射源(这里也称为漫射光产生单元)结合使用，以产生模拟太阳天空的照明系统。具体地，投射系统产生太阳外观，而大面积源产生天空外观。
[0037] 大面积漫射光发射源可以是独立的人造光源，其独立于收集器系统上的入射阳光而补充(例如蓝色的)天空外观。这种有源配置将被认为是混合照明系统，其至少部分地独立于所收集的自然光的量。
[0038] 在无源配置中，大面积漫射光发射源可以基于类瑞利散射。在类瑞利散射条件下，特别是短波长光将经历增强的散射，使得从发光面发射的直射光将经历形成天空的增强的蓝光漫散射，而直接透射的光保持准直但经历了色度的轻微红移。使用类瑞利散射条件的人工照明系统能够模拟自然照明。在若干
申请中公开了这种照明系统的示例性实施例，例如由相同
申请人提交的WO 2009/156347 A1,WO 2009/156348 A1和WO 2014/076656 A1。其中公开的照明系统使
用例如产生可见光的光源和包含用于透射或反射的纳米颗粒的面板。在那些照明系统的运行期间，面板接收来自光源的光并且充当瑞利漫射器，从而与晴空条件下的地球大气类似地漫射入射光。为了进一步提供类似太阳的感知，光源可以如由相同申请人提交的WO 2015/172794 A1中所公开的那样使用。
[0039] 由于源自大面积漫射光发射源的直射光分量的方向性，观察者将在大距离(优选为无限距离)上感知到局部光源。该局部光源被例如蓝色天空
颜色的均匀出现的背景所包围。而且，局部光源在发光面上的位置根据观察者的位置而变化，例如，如果观察者走过发光面，则“太阳”位置会改变。因此，可以实现无限深度效果，其增加了使用所收集的自然光为室内照明提供的自然光光谱。
[0040] 发明人进一步认识到，变化的外部光条件将导致室内照明的相应变化，不仅对于早晨和晚上之间的巨大变化，而且对于由于天气条件变化(例如太阳被
云层所遮挡)导致的短期变化。为了在保持感知的室内照明类型的同时稳定室内照明，发明人在此提出，不仅补充(或替代地)从次级人造光源的漫射发射光，而且补充光到所收集的自然光的光束路径中。因此，可以在引导所收集的自然室外光的光纤的输入侧提供次级人造光源，和/或可以在阳光形成单元的输入侧，具体地在光学准直器单元的输入侧设置次级人造光源。发明人提出了用于使人造光源的位置与自然采集光的光束路径相匹配的各种布置，以及允
许可比较的光束参数(例如光束尺寸和发散度)的配置。适当的定位允许保持与各个光纤输出通道相关的光学准直器单元的使用。
[0041] 在这种混合系统中，可以通过控制输入人造光的强度以及光谱来补偿所收集的自然光的变化。由此，可以保持太阳天空模拟照明系统的外观。此外，不仅可以补偿(由于云形成的)短期变化而且可以补偿全天变化，并且可以全天提供充分的室内消除。
[0042] 本领域技术人员将理解，混合系统可以为直射光提供补充光源，但也可以为支持漫射天空光的模拟而补充光源。
[0043] 应当理解，补充光源需要补偿外部条件的变化，同时还要保持特定的所需外观类型。
[0044] 通常，这种混合系统包括设计用于在照明的室内环境中模拟任何外部太阳条件(强/弱；晴空/阴天；早晨/中午/晚上)下的太阳分量和/或天空分量的控制单元。
[0045] 在一些混合配置中，有助于天空分量模拟的人造光源被配置为发射CCT大于太阳的光，而补充所收集的自然光的人造光源可被配置为发射CCT与阳光相当的光。
[0046] 补充光源的控制操作可以基于检测室外和/或室内光照条件。然而，不仅收集的光的强度而且收集的光的色度都影响人造光源的控制。因此，控制单元与一个或多个检测器相互作用，所述检测器提供关于受检测器影响的光的强度和颜色的信息。应当理解，当知道光学系统的物理参数时，可以使用检测器的不同位置，因此，可以将不同类型的光信息相互转换以提供所需的控制参数。
[0047] 应当认识到，除了外部条件的补偿之外，混合配置还允许提供独立于外部照明条件的所需照明条件。
[0048] 在下文中，结合附图公开了基于阳光的投射系统和在照明系统中的示例性安装结构的各种实施例。具体地，图1和图3示出了基于阳光的投射系统在照明系统中的示例性安装结构，图4至图8B示出了示例性光学准直器单元配置，图9至图11示出了利用人工产生的光补充自然光，图12A至图13C示出了用于基于阳光的照明系统的照明器的示例性实施例。
[0049] 在图1所示的实施例中，发射的光至少部分地被阻挡，而在图3的实施例中，观察者可以看到发射的光和发射孔。如将要解释的，光学准直器单元的不同配置可以实现那些实施例。
[0050] 参照图1，照明系统1包括具有直射光束5的特定输出的基于阳光的投射系统3。直射光束5用于提供具有照明器7的类似于太阳的照明条件。
[0051] 投射系统3包括阳光接收单元9和阳光形成单元11。阳光接收单元9是在白天主要收集阳光并将所收集的光引导到照明器7的系统。具体地说，它包括收集器系统13和多个光纤15。收集器系统13可以基于安装在例如建筑物外部(例如建筑物的
屋顶)以收集自然光的多个反射或折射光学元件，例如反射镜或透镜17。如图2中更详细所示，透镜17例如允许将入射阳光19聚焦到光纤15的光纤输入端15A处的入射面上，使得所收集的光21通过光纤15内的内反射传播到光纤15的光纤输出端15B处的出射面。在图1的示例性实施例中，每个透镜17与光纤15相关联。
[0052] 在替代配置中，每个透镜17可以与一组光纤相关联。为了说明起见，对于透镜17中的一个，第二光纤由虚线15'表示。在图9A中进一步示出了光纤束耦合实施例。
[0053] 通常，阳光接收单元9提供多个光纤输出通道，其中每个光纤输出通道包括至少一个光纤输出端15B。
[0054] 再次参考图1的示例性实施例，可以提供控制单元23以在操作照明系统1时采取控制措施。例如，控制单元23可以经由控制线27从位于多个透镜17旁边的光传感器25接收信息。因此，光传感器25接收关于室外光条件的信息。另外，可以在每个透镜17(准直器元件)和每个光纤输入端15A之间设置诸如滤色器元件29或遮板元件31的附加元件。滤色器元件29可以从一组滤光器中选择和/或在其透射中可控制，以稳定提供给阳光形成单元11的色度和/或阳光的总量。可以控制遮板元件31以稳定提供给阳光形成单元11的总阳光量。这些元件也可以通过控制线27连接到控制单元23。此外，控制单元23通过另一个控制线27连接到照明器7和/或阳光形成单元11。
[0055] 照明系统1(特别是照明器7)被配置成使得观察者将感知基于由投射系统3提供的直射光束5的直射光分量33。例如，镜元件35(例如，在一个或两个方向上聚焦)可以以特定方式重定向直射光束5。另外，照明器7可能包括产生漫射光的发光发生器的问题，例如次级光源和光导板或特定光学元件。漫射光被观察者感知为漫射光分量37。通过提供具有特定光学特性的直射光分量33和漫射光分量37，可以为观察照明器7的观察者实现太阳天空模拟。
[0056] 在图1的示例性实施例中，照明器7还包括影响光学系统39的外观，例如在由相同申请人于2016年11月19日提交的名称为“具有影响光学系统外观的照明系统”的PCT
国际申请PCT/EP2016/001944中更详细地公开，其全部内容通过引用并入本文。
[0057] 图3示出了照明系统1'的另一种配置，其被配置成使得观察者41基本上能够直接观察照明器7'内的阳光形成单元。为简单起见，图1的照明系统1'和照明系统1的类似组件由相同的附图标记标识。相应的部件具有类似的功能，其特别适用于阳光接收单元9。
[0058] 为了说明替代性配置，在图2中示意性地示出了用于多个光纤15的所有光纤的公共滤光器29'和公共遮板元件31'(以代替图1中的多个元件)。此外，对于光传感器25，室内光传感器25'在房间43内的示例性位置可以作为室外光传感器25的替代或者补充使用。例如，室内光传感器25'可以位于直射光组件33内，或位于直射光组件33外但仍位于漫射光组件37内。可替换地或另外地，室内光传感器25'可以定位在照明器7旁边的
天花板上。可以理解的是，那些室内光传感器25'可以接收关于模仿阳光和/或模仿天空的光的信息。
[0059] 光传感器可以被配置为检测直射光分量33和/或漫射光分量37的色度和/或强度，以及房间43内的一般照明
水平和色度。应当理解，这样的替代性配置可以单独地或组合地同样地用在图1的照明系统1中。
[0060] 类似地，可以以任何期望的取向选择直射光分量33的传播方向。虽然图1示出了相对于垂直方向的倾斜传播，但是图3示出了直射光分量33的垂直传播方向，这基本上是例如在外面正午的情况。
[0061] 参考图4，阳光形成单元11的示意图示意性地示出了多个光纤输出通道44，每个光纤输出通道44具有至少一个光纤输出端。光纤15/光纤输出通道44布置成具有彼此间距P的网格结构。每个光纤输出通道44将所收集的光作为相应的光纤输出光45发射到多个光学准直器单元47中的一个上。示例性地，图4示出了八个光学准直器单元47的二维阵列，每个光学准直器单元47接收来自相应光纤输出通道44的光。应该理解，行和列的数量取决于光学准直器单元的尺寸以及大的发光面。假设发光面的尺寸在30cm×60cm的范围内，并且光学准直器单元的尺寸在3cm的范围内，则在阳光形成单元中将使用200个准直器单元和相应的光纤输出通道(即，至少200个光纤)。
[0062] 原则上，单排光学准直器单元也可以实现类似太阳的照射。多个光学准直器单元然后形成具有大于4(例如8或更多，甚至15或更多)的基数C的一维阵列。光学准直器阵列的输出区域沿阵列方向的尺寸Y和光学准直器阵列的相同输出区域在
正交方向上的尺寸X满足关系式X＝CY*eta，其中eta是在例如约0.8至约1.2的范围内的常数。取决于光学准直器单元的绝对横向尺寸和感知的太阳尺寸(取决于发散度和距离)，只能看到太阳的一部分，即从没有完整的太阳，因为太阳的左部分和/或右部分可能在感知中被切断。然而，穿过光出射表面的“移动”的太阳可以被沿着一维阵列移动的观察者感知。
[0063] 通常，光纤输出通道44的至少一个子组相对于彼此基本上等间隔并形成一维或二维阵列。在图4中，示例性二维阵列具有与多个光纤输出通道44的网格结构相同的间距P。换句话说，光学准直器单元47的至少一个子组相对于彼此基本上相等地间隔开，例如，它们以网格状的方式排列。
[0064] 每个准直器单元47包括至少一个光准直器，例如作为折射聚焦元件的示例的透镜49。透镜49具有横向透镜尺寸S，即透镜49在与光纤输出光45的主传播方向51正交的至少一个方向上的尺寸，并且基本上位于距相应的光纤输出端15B的距离d处。该距离d对应于透镜
49的聚焦长度。通常，选择距离d和透镜尺寸S，使得从相应光纤15发射的光纤输出光45基本上完全落在透镜49的入射侧上。
[0065] 光纤输出光45的发射特性尤其取决于光纤芯的尺寸。通常，发射特性主要由其角分布限定，特别是由相关LID的半峰全宽(FWHM)限定。对于
旋转对称光纤芯，至少在一定的传播长度之后，LID也可以假定为对称的。对于普通光纤配置，LID的FWHM值可以在40°至70°的角度范围内。注意，对于光纤输出光45的平均强度分布的极角坐标的FWHM可以通过沿发光强度分布的方位角坐标 求平均来确定。作为比较，朗伯发射的FWHM为120°。例如，对于约5mm的透镜尺寸S和60°的FWHM，约5mm的距离可以将透镜49与光纤输出端15B分离。
[0066] 选择透镜49的聚焦能
力，以便相对于光纤输出光45，准直光50的发射角减小到例如低于10°(例如5°或3°)的FWHM。
[0067] 示例性地，图4示出了透镜49的六边形形状。六边形形状的相对侧面基本上限定了透镜尺寸S。透镜尺寸S的最大值由间距P给出。透镜49的六边形形状允许在蜂窝结构中紧密地封装透镜49，以形成阳光形成单元11的基本连续延伸的大发光面53。阳光形成单元11包括壳体，多个光学准直器单元47安装在壳体中。除了发光面53之外，
外壳可以是不透光的，使得仅有意提供的光(例如光纤输出光45和可选的补充光源的光)有助于投射系统3的输出。
[0068] 连续延伸的大发光面53由壳体壁限定，例如阳光形成单元11的壳体的长
侧壁55和短侧壁57的下端。
[0069] 在图4的实施例中，壳体还包括后壁59，后壁59具有用于接收以规则图案布置的光纤输出端15B的安装开口61。在壳体的前部，光输出开口或透光窗口允许发射准直光50的多个光束状部分。为了进一步说明，参考图3，其中示例性地示出了单个光学准直器单元的准直光50及其主传播方向51。
[0070] 取决于准直光50的使用，可以在壳体内提供附加的光学元件，或者可以将附加的光学元件连接到壳体上，以在所需的传播距离(例如，在远场和/或近场和/或中间距离)处形成均匀的强度分布。
[0071] 通常，示例性光学准直器单元47的输出区域具有在例如0.2cm2至200cm2的范围内的横向尺寸，例如至少0.2cm2、0.3cm2、0.5cm2和高达150cm2、100cm2、50cm2或10cm2。
[0072] 在图4中，在透镜49之间示意性地示出了在相邻光学准直器单元之间具有宽度I的中间区域63。应注意，该区域在图4中被强调并且通常保持较小，因为其构成光学准直器单元47之间的非发射过渡区域。非发射过渡区域可以
覆盖例如发光面53的最多60％，例如40％或更少，或者甚至30％或更少。相邻光学准直器单元47的输出区域之间的非发射过渡区域的范围通常最多为输出区域的最大横向尺寸的0.5倍，例如0.3倍或0.1倍。非发射过渡区域可以例如由光学准直器单元47的例如用于以规则图案安装透镜49的安装结构(图4中未示出)引起。附加地或替代地，非发射过渡区域可以由用于光学分离相邻光学准直器单元
47的吸收结构(图4中未示出)引起。
[0073] 在一些实施例中，相邻光学准直器单元47的输出区域可彼此邻接，使得基本上没有中间区域63。
[0074] 图5示出了阳光形成单元11A的横截面，该阳光形成单元11A可以用在投射系统中并且被配置为在中间场或远场中提供均匀的准直光束。在壳体65的阳光形成单元11A内，多个光学准直器单元47A接收来自各个光纤15的光。每个光学准直器单元47A包括安装结构的吸收侧表面67。安装结构被配置为以一维或二维布置并排地安装透镜49。在侧表面67之间形成光通道，来自特定光纤15的光通过该光通道传播并落到透镜49上，使得光从与每个光准直器单元47A相关联的输出区域53A发射。
[0075] 在图5的特定实施例中，每个光学准直器单元47A还包括作为主聚焦元件的场透镜69，其位于相关光纤15的相应光纤输出端附近(例如在其顶部)。每个场透镜69将光纤输出光预先准直到透镜49上。透镜49定位在距相应光纤输出端通过场透镜69的虚像的大约焦距距离处。
[0076] 在壳体65内，(光束)均匀化单元71安装在透镜49和发光面53的下游。均匀化单元71被配置为与准直光50的多个部分相互作用。具体地，均匀化单元71被配置为在每个准直器单元47A的准直光50上延伸的二维微透镜阵列。
[0077] 均匀化单元71包括例如串联配置的多对微透镜元件71A、71B。微透镜元件71A、71B的尺寸明显小于透镜49的尺寸，特别是小于光学准直器单元47的尺寸。例如，至少十个微透镜元件与诸如透镜49的光准直器相关联。在一些实施例中，微透镜元件的横向尺寸在3mm至0.1mm的范围内，例如3mm、2mm、1mm、0.5mm或0.2mm。示例性实施例在图6A和6B中示出，其中图6A的实施例示出了形成一对的两个分离的微透镜，并且图6B的实施例具有组合在单个光学部件中的两个分离的微透镜。
[0078] 准直光50的每个部分73落在上游微透镜元件71A上。光聚焦到相关的(在光束传播方向上)下游微透镜元件71B的出射表面上。如图6C中的夸张所示，由于准直光50准直到约10°或更小的有限角度范围，仅下游微透镜元件71B的中心区域75受到准直光50的相应部分影响。在图6C中，示例性地示出了沿主传播方向51传播的主光线77A以及最发散的光线77B、
77C。由于以间距p(与微透镜元件的横向尺寸相关联并且小于准直器单元的间距P)定位的串联配置的大量的成对的微透镜，从这些中心区域75产生的远场强度分布79相对于相关联的光学准直器单元47以及整个发光面53在强度上是均匀的。
[0079] 通常，均匀化单元71的配置可以防止观察者在投射系统的运行期间解析均匀化单元71的底层结构。此外，均匀化单元71可用于通过将下游透镜移出上游透镜的焦点来进一步适应直射光束15的发散。
[0080] 参考图7，基于作为2D布置的一部分的示例性光学准直器单元47B示出了阳光形成单元11B的一部分。光学准直器单元47B基于从相关光纤15接收光纤输出光45的场透镜69。场透镜69在菲涅耳透镜49'上部分预准直光纤输出光45，菲涅耳透镜49'位于下游，其定位在基本上对应于菲涅耳透镜49'的焦距F的距离处。光学准直器单元47B产生准直光50，其具有例如LID在10°或更小范围内的FWHM。
[0081] 准直光50可能包含在较大角度下传播的杂散光，从而导致不均匀的光分布。例如，杂散光可能由菲涅耳透镜49'的非理想行为引起，例如存在来自凹槽尖端的散射、多次内部反射等。因此，准直光50的发光强度分布可能不会在期望的窄峰值周围平滑地减小到零。相反，它可以根据需要包括在较大角度下传播的光分量。
[0082] 这种情况可能导致均匀性的损失，使得在观察阳光形成单元时菲涅耳透镜可以作为光学元件被看到。杂散光的类似问题可能存在于光学准直器单元的其他配置中。需要提到的是，杂散光效应在需要非常低的发光强度背景的情况下可能尤其是不期望的，因为特定的强度峰值可能产生随后被观察者感知的不均匀性。
[0083] 为了避免例如所提到的杂散光对感知的影响，在图7的实施例中，阳光形成单元11B还包括均匀化单元81。均匀化单元81基于在多个光学准直器单元47B前面延伸的两个微透镜阵列83A、83B。相关联的成对的微透镜83A、83B布置为形成望远镜阵列。望远镜阵列与布置在第一微透镜83A的焦平面中的针孔结构85组合。针孔结构85的针孔87定位在相应的第一微透镜83A的每个焦点处(或附近)。在图7中，对于每个望远镜，微透镜83A、83B和针孔
87沿中
心轴89排列。微透镜83A、83B再次以与微透镜的横向尺寸相关联的间距p定位并且小于准直器单元的间距P(在图7中与菲涅耳透镜49'的尺寸相当)。
[0084] 在这样的配置中，针孔结构85消除了在第一微透镜的焦平面中落在针孔87外部的空间分量(传播角)。因此，针孔结构85是作为空间滤光器从系统中移除光的吸收器系统。针孔结构85例如由光
吸收材料制成。结果，针孔结构85过滤掉来自准直光50的任何大角度光线，使得均匀化的准直光50'离开均匀化单元81。
[0085] 在观察均匀化单元81的观察者的眼睛中形成的图像是均匀化单元81内的第二透镜83B的焦平面的图像。因此，假设针孔被光学准直器单元47B均匀地照射，则针对针孔的圆形形状给出圆形图像。关于将均匀化准直光50'感知为太阳模拟光，针孔87可相应地配置为具有(针孔)直径dp的圆形孔，如图7所示。取决于均匀化元件的横向尺寸，直径dp可以小于3mm，例如小于1.5mm，例如0.5mm或0.2mm。微透镜阵列可以布置在诸如蜂窝结构的紧密封装结构中。针孔的直径可以根据照射到均匀化单元81上的准直光50的发散度来选择。
[0086] 取决于由微透镜阵列83A、83B形成的望远镜阵列的对准，LID的FWHM可以保持或略微增大或减小。在图7中，微透镜83A的焦距FA示例性地表示为大于微透镜83B的焦距FB。均匀化单元81的面向下游的表面还可包括抗反射涂层。
[0087] 可以理解，均匀化单元81产生均匀的近场。因此，位于该近场中的光学元件被均匀化光束50'均匀地照射。作为示例，类瑞利散射板91在图7中示意性地示出并且将产生均匀的漫射光，下面将进行更详细的描述。
[0088] 在图8A和8B中，示出了用于均匀化单元81的望远镜的示例性实施方式。例如，图8A的实施例基于两个被间隔开的平凸微透镜93A、93B，它们的平面彼此面对，并且在它们之间具有孔元件95。相比之下，图8B的实施例包括组合的微透镜元件97，其具有由每侧的
曲率提供的相应聚焦能力，以及集成在其中的孔形成
修改或结构99。
[0089] 根据结合图1至图8B描述的特征，阳光形成单元可以被配置成使得观察者在投射系统的运行期间观察阳光形成单元的发光面时在窄视锥角下感知由均匀背景围绕的亮点。在亮点以及整个背景中提供足够的均匀性将使得对该点的感知就好像它将位于无限远距离处一样。这可能是由于在双眼会聚(binocular-convergence)和运动
视差深度线索(motion-parallax depth cues)方面产生的感知的移不变性(shift invariance)，这在上述申请中也进行了讨论。
[0090] 如上所述，
太阳能(混合)照明系统的光提供单元可以被配置为混合照明器，其中人造光源被耦合以确保从照明器发射的所期望/最小水平的通量。在
现有技术的混合照明系统中，人造光源通常放置在自然光的发射表面附近。如果收集器系统附近的传感器(或照明器中的传感器)指示所测量的收集的自然光显示出低于
阈值的通量水平，则由现有技术的混合照明系统的人造光源提供额外的光。
[0091] 在由发明人实现并在此公开的投射系统的实施例中，投射系统可以包括控制单元23以及光传感器25(例如参见图1和图3)。如果投射系统特别地配置用于提供特定的彩色照明情形，则不仅在所收集的光通量方面而且在所收集的光的色度方面来分析进入的自然光的光检测。然后，光通量信息和光谱信息构成控制单元23内提供的反馈控制单元的输入。反馈涉及不仅在强度上而且在发射的可见光谱中控制另外提供的人造光。因此，下面提到的人造光源可以是颜色可调光源，例如RGBW LED。此外，滤色器可以由控制室使用和控制，并进入睡眠单元23以实现颜色可调性(color tunability)。
[0092] 为了保持照明类型和照明器的外观，人造光源能够补偿由于收集器系统的暂时减少的照明而导致的自然光的缺乏，例如当云覆盖太阳时。类似地，人造光源能够补偿由于一天的特定时间(例如，在(早/晚)早晨或(早/晚)下午、傍晚和夜晚)而导致的自然光的缺乏。在那个时候，可用于收集的自然光明显较少。此外，尽管收集的自然光的色度从清晨到中午到下午晚些时候会发生变化，但对缺乏自然光的颜色敏感补偿允许保持特定的照明条件。
关于本文中的色度的含义，参考ASTM国际标准外观术语E284-09a，根据该标准外观术语，色度对应于由其色度坐标定义的颜色刺激的颜色
质量(例如，任何观察到的光的三刺激值(tristimulus values)中的每个与三个三刺激值之和的比率。
[0093] 可以提供基于阳光的投射系统和照明系统的各种程度的可调性。例如，来自人造光源的光可以仅补充可以在照明系统中用于模拟阳光的直射(准直)光，即，在发光面下游的光束。此配置在本文中也称为混合模拟太阳配置。在照明系统内，来自人造光源的光可以用于产生例如为了模拟天空的漫射光，这在本文中也称为混合模拟天空配置。例如，侧光式光导板可以产生从面板发射的漫射蓝光，同时明亮的(类似太阳的)直射光束照射并进一步照亮房间。而且，来自人造光源的光可以对光束和漫射光产生影响，例如通过瑞利散射或通过单独类型和配置的人造光源。
[0094] 参考本文公开的用于太阳天空模拟的混合照明系统的方面，人造光源可以补充自然光以用于定向照明和模拟太阳。因此，人造光源可以在自然光缺乏或减少期间确保标准的太阳天空模拟和功能。可以进一步控制直射光相关的人造光源，以调整模拟太阳的颜色，就像一天中的自然动态一样。
[0095] 在混合式太阳天空模拟照明系统的一些运行模式中，可能还需要保持日落运行模式，尽管正午的太阳光照射到收集器系统上以进行收集。然后，可能需要衰减所收集的光。光衰减可以通过放置在收集系统附近(例如光纤的上游或下游)的滤色器实现，从而实现所收集的光的所需颜色。另外，可以用人造光源进行颜色的微调。此外，可以通过收集器系统的受控未对准来执行颜
色调整。通常，在其标准工作条件下，收集器系统将被对准以通过处理通量
信号和/或收集器系统相对于太阳的地理定位来最大化能量耦合。因此，未对准将减少通量信号。进一步的控制机构可以基于放置在光纤的一侧或两侧的遮板和/或孔。
[0096] 显然，混合模拟太阳配置可以与混合模拟天空配置组合。例如，具有纳米尺寸散射体(例如纳米颗粒、纳米空隙或纳米液滴)的散射板可用于产生漫射光分量。人造光源可以用于增强照射在散射板上的直射光的相关
色温(CCT)，在散射板上，直射光然后部分地类瑞利散射，就像大气对阳光的散射一样。在另一个实施例中，侧光式光导板可以接收来自人造光源的光，或者可以与散射板组合工作。
[0097] 为了完整性，应注意，当使用侧光式光导板时，自然光可以类似地在外部收集并且由光纤引导到侧光式光导板。在那里，它可以补充例如来自人造光源的光。在一些实施例或运行模式中，自然光可以仅专用于漫射天空模拟，可选地与色调调谐和/或衰减相结合。
[0098] 总结通过将基于自然光的照明与基于人造光的照明相结合可能实现的各种混合配置，当投射系统由真实太阳“供电”时，直射光束可以基于自然光，或者在混合操作条件下，直射光束可以基于自然光和人造光。另外，如果需要照明，直射光在夜间可能只是人造光。
[0099] 在混合式太阳天空模拟照明系统中，类似于天空的漫射光可以基于直射光束(通过散射自然光和/或人造光)，或者可以基于例如在侧光式实施例中提供到光导板的自然光和人造光。此外，人造光源的颜色调谐可以确保所需的直射光和漫射光的色分离。
[0100] 结合图9A至图11，描述了用于将人工产生的光耦合到收集的自然光的光束路径中的各种实施例，其形成混合投射系统的
基础。
[0101] 例如，图9A和9B示出了用阳光平衡光源人工产生的光和/或收集到光纤束中的自然光的耦合。具体地，阶梯式
波导101用于将由例如透镜17聚焦的收集光21例如通过镜状反射耦合到光纤15的束103中。为此，阶梯式波导101包括(自然光接收)面101A，自然光通过该面101A进入阶梯式波导101，以及将自然光反射到光纤15的光纤输入端上的重定向面101B。与光纤输入端相对，阶梯式波导101提供输入面101C，来自一个或多个阳光平衡光源105的人工产生的光可以通过该输入面101C耦合到阶梯式波导101中。在图9A中将LED表示为阳光平衡光源105的示例。因此，人工产生的光以及自然光由光纤15引导到相应的光学准直器单元，并且自然光和人造光的光束路径在光纤15的输入侧组合。
[0102] 在图9B所示的照明系统1"中，使用多个基于阶梯波导的耦合配置来向照明器7提供自然光和人工产生的光。图9B基本上对应于图1，并且示出了多个透镜17、多个滤光器元件29和遮板元件31、多个阶梯式波导101，每个阶梯式波导101接收来自相应透镜17以及相应LED(未示出)的光，以及多个光纤束103，其接收来自相应的阶梯式波导101的光并将其引导至照明器7。如图1所示，控制单元23从光传感器25接收信息并控制人造光源的操作，可选地与控制滤光器元件和/或遮板元件的操作/存在相结合，和/或与控制照明设备7内的阳光形成单元的部件相结合。
[0103] 图10A和10G示意性和示例性地示出了光学准直器单元如何能够被提供人工产生的光和自然光。
[0104] 在图10A的简单配置中，LED 107位于光纤15的光纤输出端的旁边。在这种简单的配置中，对阳光形成单元的发光面的感知可能显示出一些不均匀性，使得该配置对于使用影响光学系统外观的照明系统尤其感兴趣(参见图1和9B)。
[0105] 通过诸如复合抛物面聚光器(CPC)109或安装在LED 107上的TIR透镜的预准直光学器件来改进图10B的配置。预准直光学器件允许相对于准直器(这里为透镜49)定制人工照明，因为准直器可以相对于光纤输出光进行优化。假设适当调整的光束参数，可以充分抑制对于相邻光学准直器单元的串扰，使得图10B的配置也可以应用于可从照明室内观察到发光面的照明系统中。
[0106] 如图10C所示，作为限制LED输出到相邻光学准直器单元(相邻准直器/透镜)的任何潜在串扰的替代方法，可以设置吸收器结构元件111以界定准直器(例如透镜49)上游的光学准直器单元47。因此，不需要的LED光被从系统中取出。
[0107] 图10D示出了图10B和图10C的实施例的组合，使得LED光充分地耦合到透镜49中，并且潜在的杂散光仍然被吸收器结构元件111所减少。
[0108] 参照图10E，为了进一步改善光纤输出光的光束参数的适应性，可以如结合图5所讨论的那样使用场透镜69。相应地，场透镜69和CPC 109可以相对于透镜49的焦距和尺寸进行调整和优化。
[0109] 如图10F所示，可以在吸收器结构元件111处提供附加的光束阻挡结构113。由此，可以从系统中去除进入和离开光学准直器单元47的光。光束阻挡结构113包括减少不想要的反射的示例性吸收刀结构。
[0110] 图10G示出了用于在光纤15的输出侧将人工产生的光耦合到所收集的自然光的光路中的另一种实施方式。具体地，光纤15和LED 107被配置和定位成将光耦合到将光引导向透镜49的混合光导115中。
[0111] 如将特别参照图10A至10G所理解的，当将(人造和自然)光耦合到光学准直器单元中时，阳光平衡光源定位成靠近提供自然光的光纤输出端。例如，LED的光输出区域位于光纤输出端附近。此外，人工产生的光和自然光的发散相对于彼此适应，以确保光学准直器单元内的两种类型的光的有效和类似的准直过程。
[0112] 通常，控制阳光平衡光源以稳定由投射系统提供的总光量和/或稳定混合照明系统的直射光束和/或漫射光分量和/或直射光分量的颜色外观。示例性阳光平衡光源包括例如LED光源这样的动态光发射器，其在所发射的光谱(CCT和颜色)中是可控的并且是可调光的(降低发光功率)。LED光源可以基于蓝色LED、白色LED、琥珀色LED、青色LED、绿色LED等当中的一个或组合。阳光平衡光源有助于从发光面出射的总光，并且可以控制为动态地贡献于从发光面出射的总光，并补偿由收集器系统提供的光束的颜色和强度变化。
[0113] 参照图11，阳光形成单元可以包括2D布置的多个光学准直器单元，其可以基于诸如CPC 117的反射收集器。在CPC 117的相应输入开口117A处，图11示出了多个
星座。例如，在纯阳光操作的照明系统/投射系统中，只有来自光纤15的光可以耦合到CPC 117中。对于照明系统/投射系统的混合实施例，光纤15和一个或多个LED 107可以将光耦合到CPC 117中。在一些实施例中，特别是对于观察者不能看到发光面的小型光学准直器单元或照明系统的实施例，一些CPC可仅从光纤接收光，而一些CPC仅从LED接收光。
[0114] 为完整起见，需要注意的是，图11的2D布置对应于允许形成良好准直的直射光束15的紧密封装布置。如图11所示，较大的非发射过渡区域119位于CPC 117之间。相邻的CPC
117以间距P布置，其在图11中相对于CPC 117的输出区域121的中心位置示出。
[0115] 图12A至12C示意性地示出了照明系统的照明器7，其将如前所述的投射系统与平面漫射板组合。为了简单起见，图12A至12C的实施例被示出为没有用于阳光形成单元的单独壳体(但是如果需要可以添加)，并且没有影响光学系统的外观。在直射光束15的均匀性降低的情况下，可以提供影响光学系统的外观，使得阳光形成单元的连续发光面的发光结构特征不影响外观，特别是与太阳天空模拟相关的无限距离。
[0116] 参照图12A，阳光形成单元包括简单配置的光学准直器单元(每个仅包括单个透镜49)、均匀化单元71和镜元件35。镜元件35用于重定向已经通过均匀化单元71的光束。在一些实施例中，镜元件35可以进一步减小直射光束在例如一个方向上的发散，如图12A所示。
多个光学准直器单元、均匀化单元71和镜元件35安装在仅具有用于接收光纤15的小开口的不透光壳体123内。光纤15分布在规则的网格上以覆盖大面积。壳体123包括开口125，光束
15通过该开口125被镜元件35反射以照亮房间。
[0117] 开口125由基于透光纳米颗粒的瑞利漫射板127封闭。由于纳米颗粒的特定浓度、它们的尺寸和它们相对于周围基质折射率的折射率，直射光束15短波长分量比长波长分量更有效地散射。因此，直射照明15的一部分将作为漫射光分量37从漫射板127发射。由于类瑞利散射，直射光分量33(直射光束15的剩余部分)的CCT将相对于漫射光分量37的CCT而减少。
[0118] 参考图12B，阳光形成单元基于如图10C所示的光学准直器单元。因此，图12B的照明系统包括阳光平衡LED 107，其可以贡献人工产生的光来引导光束15。如图12B中示意性地所示，光传感器25被布置为测量外壳123内的直射光束15的强度和色度信息。光传感器25连接到控制单元，该控制单元分析强度和色度信息并向阳光平衡LED 107提供
控制信号。
[0119] 参照图12C，照明器7包括侧光式光导板129，而不是图12A和12B的瑞利漫射板127。侧光式光导板129接收来自LED 131(这里也称为辅助光源)的人工产生的光。基于特定设置的漫散射结构元件(未示出)，光从侧光式光导板129散射出来，从而独立于光束15产生漫射光分量37。因此，当通过侧光式光导板129时，直射光束15在色度上不会受到影响，因此基本上形成直射光分量33。因此，图12C的实施例类似地包括在壳体123内的光传感器25，其可以接收直射光束15的强度和色度的信息，在这种情况下，直射光束15仅基于自然光。控制单元将分析该信息并控制输入到侧光式光导板129中的光量，使得提供给房间的整体照明可以保持基本恒定，而不管所收集的自然室外光量的任何变化。
[0120] 图12A至12C的实施例主要用于产生均匀的中间场或远场，然后用于通过漫射板上的均匀瑞利散射条件来产生漫射光分量。相反，图13A至13C的实施例可以用于产生均匀的近场，使得在图13A至13C的情况下，已经在空间滤波均匀化单元81附近实现了均匀的瑞利散射条件。由此，可以建立使用自然光以及可选的人工产生的光的阳光形成单元的紧凑配置。
[0121] 图13A至13C示意性地示出了照明系统的照明器7，其将如前所述的紧凑型投射系统与平面漫射板组合。由于这样的系统可以允许感知在连续延伸的大发光面的主峰方向下观察到圆形亮点，因此通常不需要外观影响光学系统，并且可以允许观察者观察到照明器7。然而，如果没有给出所需的均匀性或出于美观原因，则可以提供外观影响光学系统。
[0122] 参照图13A，阳光形成单元包括多个光学准直器单元，这些光学准直器单元被配置成例如通过图10C至10F中公开的配置而使串扰最小化。因此，即使在透镜49的下游，光束50也相对于其角度LID具有高对比度。光束15另外用均匀化单元81进行均匀化。因此，在壳体123内可以不需要图12A至12C所示的镜元件。多个光学准直器单元和均匀化单元81与漫射光产生板127一起安装在不透光的壳体123内。壳体123仅具有用于接收光纤15的小开口，光纤15分布在后侧的规则网格上。网格覆盖所需的大面积，该大面积基本上决定了连续延伸的大发光面的尺寸，该大发光面照亮房间并且可被观察者观察到。
[0123] 如图12A中所示，壳体123的开口125由基于透光纳米颗粒的瑞利漫射板127封闭。由于纳米颗粒的特定浓度，它们的尺寸和它们相对于周围基质折射率的折射率，直射光束
15的短波长分量相对于较长波长分量能更有效地散射。因此，一部分直射光束15将作为漫射光分量37从漫射板127发射。由于瑞利散射，直射光分量33(直射光束15的剩余部分)的CCT将相对于漫射光分量37的CCT而减小。
[0124] 与图13A相反，图13B的阳光形成单元基于包括阳光平衡LED 107的光学准直器单元，使得可以将人工产生的光添加到直射光束15中。如图13B中示意性地所示，在壳体123内的光传感器25被布置成测量漫射光分量37的后向散射光的强度和色度信息。光传感器25连接到控制单元，该控制单元分析强度和色度信息并向阳光平衡LED107提供控制信号。
[0125] 参照图13C，照明器7包括侧光式光导板129，而不是图13A的瑞利漫射板127。侧光式光导板129允许独立于直射光束产生漫射光分量，如结合图12C所述。如图13B所示，壳体包括壳体123内的光传感器25，该光传感器25测量漫射光分量37的强度和色度信息。控制单元将分析该信息(可选地与直射光的信息一起)并控制输入到侧光式光导板129中光量，使得提供给房间的整体照明可以保持基本恒定，而不管所收集的自然室外光21的量的任何变化。
[0126] 本领域技术人员将理解，诸如结合图12A至图13C以及图9A和图9B描述的实施例的其他组合是可能的，并且可以进一步增加照明系统在可调性方面的灵活性。例如，阳光平衡LED 107、阳光平衡LED 105和/或辅助光源131可以彼此组合。
[0127] 在下文中，总结了可以利用混合照明系统的人造光源实现的照明情形的方案。混合系统可以进一步使用一个或多个“太阳滤色器”进行颜色调整(位于相应光纤的上游/下游)和一个或多个“遮阳板”(或主动地引发收集器系统的未对准程序)以减少传输的通量。
[0128] 通常，与由蓝光单独供应的侧光式光导板相比，蓝色天空的存在将对用于通过散射产生漫射天空光的任何定向光施加更高的CCT水平。在侧光式系统也由携带自然光的光纤提供光源的情况下，该组光纤上游的滤色器和遮板可以相对于与定向光相关的另一组独立。应当理解，天空状照明可以独立地设置或者可以与直射光束相关联，并且为了简单起见，在基于阳光的投射系统的以下控制方面忽略天空状照明。
[0129] 假设房间内的所需照明要对应于中午的外部照明条件。在一天中，外部照明条件将从早晨、中午、下午变为夜晚。另外，可能发生阴天的情况，其在色彩方面可能类似于夜晚，例如，假设可以感知到类似灰色的照明。以下的控制假设直射光束用于通过瑞利散射产生漫射光。
[0130] 应当理解，在中午(假设明亮的天空)，基本上仅收集类似太阳的光并利用光纤将其引导至发光面。因此，不需要致动遮阳板元件、滤色器元件或任何附加的补充光源以提供具有阳光的色度的类似太阳的直射光束。
[0131] 相反，在早晨或下午，由于天空中瑞利散射的增加，所收集的自然光的CCT减小。为了抵消，可以使用滤色器，其去除所收集的自然光的较低CCT分量，和/或可以使用补充光源将较高的CCT分量添加到所收集的自然光。
[0132] 显然，在夜间或阴天，投射系统可以使用补充光源专门操作，特别是提供所需的色谱。
[0133] 当房间内的所需照明涉及早晨或下午，并且外部照明条件对应于中午时，可以使用滤色器，其去除所收集的光的较高CCT分量，和/或可以使用补充光源将较低的CCT分量添加到所收集的自然光中。
[0134] 对于这种所期望的早晨/下午照明，显然，在早晨或下午期间，不需要采取任何动作，尽管可以使用补充光源来微调所提供的直射光束的CCT和/或增加提供给房间的照明量。
[0135] 同样地，在夜间或阴天，投射系统可以使用补充光源专门操作。
[0136] 当在白天期间，房间内的所期望照明应当表示例如夜间的月光(具有低
亮度)时，可以在中午使用遮阳板来降低亮度。在早晨或下午，虽然可以不使用遮阳板，但是可以通过太阳滤色器减少较低CCT分量。在夜晚，可以使用辅助光源调谐至月亮的颜色，同时可以不需要遮阳板以及太阳滤色器。
[0137] 应当理解，用于产生漫射光的补充光源的可用性提供了使用基于阳光的投射系统影响照明系统的颜色感知的附加选项。例如，假设附加地向瑞利散射板提供侧光式光导，如果所收集的自然光(例如由于云移入)的高CCT分量减少，
LED灯可以在缺少的分量方面提供给侧光式光导，从而保持色彩外观。另外，如果收集的阳光不太明亮，则可以通过向侧光式光导添加白光分量来补偿房间的整体所有照明。
[0138] 鉴于以上所述，可以理解的是，可使用各种实施例来实现导致所期望的太阳天空模拟照明的特定发光强度分布。为此，发光强度分布包括两个分量，一个用于漫射光37，一个用于定向光33。
[0139] 图14A至14C示出了直射光束15以及与直射光分量33和漫射光分量37相关的示意性LID。
[0140] 首先参见图14A，直射光束15可包括基本上沿局部主方向51A-51E(如图14A中的箭头所示)传播的光线。局部主方向51A-51E与横跨光束15的位置相关联。局部主方向51A-51E与主传播方向51的偏差随着距直射光束15的中心的距离增加而增加。
[0141] 参照图14B，观察平面瑞利漫射板135的光出射表面133，并假设直射光束15与瑞利漫射板135相互作用，在光出射表面133的每个位置处，特定位置的相关直射光分量33A的局部发光强度峰值将沿相应的局部主方向51A-51E对准。
[0142] 如本领域技术人员将理解的，在远场的上游(即，在近场和远场之间的中间场中)，在直射光束15上的每个位置处，例如在对应于例如5°的局部立体角范围内，光仍将包括多个传播方向。因此，照射瑞利漫射板135导致横跨平面瑞利漫射板的基本恒定的局部主方向，如图14B中箭头51A-51E表示了局部相关的直射光分量137A的方向。相应的直射光分量137A可以与的二向色光出射表面133的特定位置相关联，并且局部直射光线可以基本上覆盖直射光束15的发射立体角。
[0143] 关于通过类瑞利散射产生漫射光，利用瑞利漫射板135产生的漫射光在光出射表面133的每个位置处具有基本相同的类朗伯型发光强度分布，如图14B中通过移位不变漫射光分量137B局部地示出的那样。
[0144] 对于太阳天空模拟照明，直射光分量33的CCT小于漫射光分量37的CCT，瑞利漫射板可以被认为是二向色光出射表面133。
[0145] LID的分量137A、137B取决于两个角坐标θ、 在所示的极坐标图中，角坐标 位于图纸平面内，0°垂直指向地面。发光强度以任意比例示出。
[0146] 图14C更详细地示出了具有分量137A、137B的LID的极坐标图，分量137A、137B分别与角坐标 的直射光分量33和漫射光分量37相关联。直射光分量137A的最大值为45°。这意味着，直射光束15以45°的角度入射到瑞利漫射板127上以及外观影响光学系统39的薄片上。对应于直射光分量137A的LID的发光强度峰值在图14C中可以具有大约30°或更小的半峰全宽(full width half maximum)。(在其他实施例中，它可以是例如15°或更小，例如10°或更小，或甚至5°或更小。)图14C中报告的分布的这种更宽的FWHM可以存在如图1所示的实施例中，其中直射光束15穿过由一组平行薄片组成的薄片结构，该组平行薄片例如通过前向散射而扩宽了对应于直射光束15的原始LID的FWHM。
[0147] 瑞利散射导致与类朗伯型LID 137B相关联的漫射光分量37的产生，其在图14C中由低强度的小圆形曲线截面表示，即在远低于直射光贡献的强度下。
[0148] 应当理解，在图纸平面中给出的分布可以在所有方向(对称光束)上类似地给出，或者在穿过光束的不同横截面方向上可以存在一些差异。例如，可以使用如图1所示的镜单元来校正差异。
[0149] 为了在类似太阳大小的光束横截面上提供直射光分量的空间不变感知，发光面需要至少具有最小尺寸。该最小尺寸取决于要被感知/模拟的太阳的期望尺寸，其再次涉及从光出射表面133到观察者的距离。在常见的室内配置(观察距离为1m至5m)中，光出射表面尺寸在每个方向上基本上至少为10cm，例如至少15cm、20cm或30cm。应当注意的是，之前提到的尺寸还应当确保不仅可以感知到太阳，而且还可以从一些周围区域看到天空般的效果。这意味着更大的发散太阳需要更大的单元以确保不是从发光面的所有区域仅感知到直射光，而是从一些周围区域感知到漫射光。此外，在如图13A至13C所示的实施例中，光出射表面133可以与阳光形成单元的连续延伸的大发光面(至少在尺寸上)相同，同时由于光束发散和例如瑞利散射板和阳光形成单元之间的所需距离，图13A至图13C的阳光形成单元的连续延伸的大发光面可以小于光出射表面133。
[0150] 回到图14B的漫射光LID 137B，基本上类朗伯分布将确保在基本上所有角度下看到天空光分量(只要不被更明亮的类似太阳的直射光“隐藏”)。由于宽分布确保了在从任何方向观察发光面时基本上提供窗口般的感知。在任何情况下，漫射光生成可以优选地具有在整个面板上基本上均匀的发射，如图14B所示。
[0151] 如果想要均匀的天空外观，则假定LID的漫射光分量37以及局部漫射光分量137B在光出射表面133上基本上是移位不变的。如上所述，提供直射光分量以及漫射光分量的均匀感知可以导致无限
深度感知。
[0152] 在一些实施例中，LID的直射光分量的均匀性可以通过要求直射光分量分布相对于面板的独立/局部空间坐标(x，y)在第一发射表面上是均匀的来定义，使得对于光出射表面135的至少90％、对于任何固定的方位角以及对于大于峰值的半峰半宽的3倍的任何固定的极角，局部LIDdirect空间
波动的标准偏差与LIDdirect平均值之间的比率在任何10mm直径的空间圆形区域内不超过0.3的值。
[0153] 在主传播方向51周围的分布中，LID的直射光分量 具有进一步的窄峰值，使得对于大于半峰半宽(HWHM)的角度的3倍的极角，LIDdirect分布下降到LIDdirect分布的最大值的1％以下，其中HWHM是在从所有光出射表面上生成的LIDdirect分布曲线上计算的。HWHM的角度可小于5°。小于HWHM角度的极角的LIDdirect分布实际上与方位角无关，其中极角和方位角是在角
坐标系中测量的，该角坐标系
指定0°到主传播方向，其对应于从所有光出射表面生成的LIDdirect分布的最大值。
[0154] 在一些实施例中，补充光源可包括白色可调谐发射器。可以调节白色可调谐发射器的强度和/或光谱发射特性，例如光输出CCT。在可调谐CCT的情况下，次级光源发出的光可以在2000K到10000K的范围内调谐，例如3000K到7000K。通常，光源可以是例如冷白光源。光源的示例性实施例可包括基于LED的光发射器或基于放电灯的光发射器或基于汞中弧碘化物灯(hydrargyrum medium-arc iodide lamp)的光发射器或基于
卤素灯的光发射器以及相应光发射器下游的相应光学系统。
[0155] 通常参考由本文公开的照明系统提供的光的二向色特征，例如，漫射光分量可以包括总入射能量的一部分，在5％至70％的范围内，例如在7％到50％的范围内，或甚至在10％到30％的范围内，或在15％到20％的范围内。漫射光分量的平均CCT可以显著高于定向光分量的平均
相关色温CCT。例如，它可以是其1.2倍，或1.3倍，或1.5倍或更高。通常，漫射器单元可能不会显著地吸收入射光。
[0156] 关于无源瑞利漫射器，取决于瑞利漫射器与入射光的特定相互作用，直射光和漫射光的颜色和/或CCT可以以各种方式受到影响。
[0157] 例如，直射光分量和漫射光分量可以在CIE 1976(u'，v')颜色空间中分离至少0.008，例如至少0.01、0.025或0.04，其中色差Δu’v’定义为u’v’颜色空间中的欧几里得(Euclidean)距离。特别是对于基于阳光的配置，直射光束CCT可以接近普朗克轨迹(例如在
800K到6500K的范围内)。在一些实施例中，第二颜色可以对应于与普朗克轨迹具有最大距离(例如0.06)的u'v'点。换句话说，与普朗克轨迹的距离例如在由Δu’v’≤0.060给出的
800K至6500K的范围内。
[0158] 无源漫射光发生器可以包括嵌入在透明基质中的多个
纳米级元件。纳米级元件和透明基质在折射率上具有差异。例如，选择折射率、嵌入基质中的纳米级元件的尺寸分布和每单位表面积的纳米级元件的数量的差异，使得对于红色(在入射宽光谱中的较长波长)比对于蓝色(在入射宽光谱中的较短波长)具有更大的透射率。因此，无源漫射光发生器被构造成使得它相对于可见入射光的长波分量优先散射可见入射光的短波长分量。
[0159] 漫射板中使用的基于纳米结构的类瑞利漫射材料可包括第一材料(例如具有优异光学透明度的
树脂)的固体基质，其中分散有纳米散射中心，例如第二材料的纳米颗粒或纳米液滴(有机或无机的纳米颗粒，诸如ZnO、TiO2、SiO2,Al2O3和类似的或
液晶微滴)。为了实现散射，两种材料的折射率不同，并且这种纳米级折射率的失配是类瑞利散射现象的原因。第一材料和第二材料在可见光波长范围内的吸收通常可以忽略不计。此外，就给定漫射板的任何点而言，漫射板可以是均匀的，在该点处的板的物理特性不取决于该点的位置。纳米结构(纳米散射中心)的有效直径d落在[5nm-500nm]的范围内，例如[10nm-350nm]，或甚至[40nm-180nm]，或[60nm-150nm]。其中，有效直径d是等效球形颗粒的直径，即具有与上述纳米颗粒相似的散射性质的有效直径球形颗粒。
[0160] 纳米颗粒的直径，折射率失配和面
密度(每平方米的数量)是定义漫射光发生器中的散射现象的横截面的参数。另外，通过增加上述参数之一，可以增加从色彩面板散射的入射光量。为了简化描述，可以仅考虑在特定波长下材料的常规透射特性T(λ)。这里，如在ASTM国际标准外观术语E 284-09a中所定义的，透射率通常是在给定条件下的透射通量与入射通量的比率。常规透射率T(λ)是未漫射角度下的透射率，即入射角。在本公开的情形中，对于给定波长和瑞利漫射器上的给定位置，常规透射率旨在用于具有对应于主光束传播的入射角的非偏振入射光。
[0161] 关于透射配置，蓝色T[450nm]的常规透射率通常可以在[0.05-0.9]的范围内。特别是在针对纯晴朗天空的一些实施例中，该范围将是[0.3-0.9]，例如[0.35-0.85]或甚至[0.4-0.8]；在针对北欧天空的实施例中，范围将是[0.05-0.3]，例如[0.1-0.3]或甚至[0.15-0.3]。由于透射率测量是评估所提供的材料的光学性质的可行方式，因此这种方法同样地也可应用于反射式色彩分层面板。
[0162] 考虑到反射配置，瑞利散射体被入射光穿过两次(由于反射镜的存在)，为了获得与透射配置相当的透射率数据，必须去除反射镜方面，这从上面引用的技术中也可以看出。
[0163] 色彩效应进一步基于颗粒与主体介质的折射率之间的比率 该比率m可以可以在0.5≤m≤2.5范围内，例如0.7≤m≤2.1范围内或0.7≤m≤1.9范围内。
[0164] 色彩效应还基于由在给定方向上传播的入射光所见的每单位面积的纳米散射中心的数量以及体积填充率f。体积填充率f由 给出，其中ρ[米-3]为每单位体积的颗粒数量。填充率可以覆盖大范围，对于基质内的固体颗粒，例如f≤0.4，例如f≤0.1，或者对于液晶实施方案而言具有较大的f值(f高达0.7或更大)。
[0165] 色彩效应还基于根据有效颗粒尺寸D＝d nh的瑞利漫射器的每单位面积的纳米散射中心的数量N。因此，d[米]是平均颗粒尺寸，其在球形颗粒的情况下定义为的平均颗粒直径，以及在非球形颗粒情况下定义为体积-面积当量(volume-to-area equivalent)球形颗粒的平均直径，如在[T.C.GRENFELL和S.G.WARREN，“通过散射和吸收
辐射的独立球体的集合表示非球形
冰粒(Representation of a non-spherical ice particle by a collection of independent spheres for scattering and absorption of radiation)”。地球物理研究杂志(Journal of Geophysical Research)104，D24，31697-31709。(1999)]。有效颗粒尺寸以米为单位给出，或者在特别规定的情况下以nm为单位给出。
[0166] 一般情况下，可采用以下任一系数
[0167] 作为上限或下限，在项 中分别包括该值或不包括该值：
[0168]
[0169]
[0170] 关于那些物理参数及其一般相互作用，参考WO 2009/156348 A1。
[0171] 如本文所示，散射方面与纳米颗粒与
主体材料之间的相对折射率有关。因此，纳米颗粒可以指固体颗粒以及光学等效的液相或气相纳米级元件，例如具有纳米尺寸并嵌入主体材料中的通常为液体或气相的内含物(例如纳米液滴、纳米空隙、纳米内含物、纳米气泡等)。在固体基质中包含气相内含物(纳米空隙/纳米孔)的示例性材料包括通常由三维金属
氧化物(例如
二氧化硅、氧化
铝、氧化
铁)或有机
聚合物(例如聚
丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚
氨酯和
环氧树脂)固体
框架，其容纳纳米级尺寸的孔隙(空气/气体内含物)。包含液相内含物的示例性材料包括具有纳米尺寸的液晶(LC)相，其通常被称为液相，包括限制在通常具有聚合性质的基质中的纳米液滴。原则上，市场上有各种各样的LC，例如由Merck KGaA(德国)公司提供。典型的液晶种类可包括氰基联苯和氟化化合物。氰基联苯可与氰基三联苯(cyanoterphenyls)和各种酯混合。属于该类的
向列型液晶的商业实例是“E7”(来自Merck KGaA的 BL001)。此外，诸如TOTN404和ROTN-570的液晶可从其他公司获得，例如瑞士的Hoffman-LaRoche公司。
[0172] 关于LC，可以存在折射率的
各向异性。这可以允许使用分散在固体透明主体材料中的液晶微滴作为纳米尺寸范围内的散射颗粒(例如，对于类瑞利散射)。具体地，可以通过改变施加在液晶微滴上的
电压来设定起作用的相对折射率，例如使用夹层结构中设置在
电触点之间的聚合物分散液晶(PDLC)层(例如ITO PET膜或ITO玻璃板)的夹层结构，并使用电源在PDLC层上施加电压。具体地，产生
电场在一定程度上使不同纳米液滴内的液晶取向对准。对于进一步的细节，参考由相同的申请人在同一天提交的名称为“阳光模拟照明系统中的可调性”的国际专利申请，该申请通过引用结合于此。
[0173] 尽管本文主要结合面板结构公开了类瑞利散射，但是鉴于所引用的公开内容，显而易见的是，诸如
薄膜、涂层、夹层结构等其他构造也可以以平面或弯曲、透射或反射方式应用。
[0174] 虽然在上述示例性实施例中，涉及诸如使用自然光和可选的人工产生的光的照明系统，但是本文公开的概念还涉及基于阳光的投射系统，其使用基于色度的控制系统来特别地维持所收集光束的外观以及基于这种投射系统的照明的外观。
[0175] 为了完整起见，本领域技术人员将以下特征与上述各个实施例相关联。
[0176] 阳光形成单元可以包括由光吸收材料制成的吸收器系统，该吸收器系统布置成使得发光面具有大约或小于0.4的总反射系数，其中总反射系数ηr被定义为，在由提供均匀照度到样品上的D65标准光源的漫射照明下，在由样品平面界定的半球内的所有角度反射的光通量与相同几何和光谱测量条件下从理想反射漫射器反射的光通量的比率，从而特别地配置成基本上吸收在上游方向上穿过发光面的光线，并且在没有吸收器系统的情况下，该光线不会被引向光纤输出通道。
[0177] 阳光形成单元可以被配置为使得直射光束具有发光强度分布，该发光强度分布的特征在于在与直射光束的主传播方向正交的至少一个方向上具有大约20°或小于20°(例如10°或更小，或5°或更小)的半峰全宽的窄峰。
[0178] 可选地，直射光束的发光强度分布的特征在于中心区域与周围区域之间的高对比度，该中心区域基本上由沿着主传播方向的光传播表征，该主传播方向由窄峰限定并且具有高且基本恒定的强度，该周围区域在窄峰外部并且具有发光强度，该发光强度在距离窄峰的中心大约半峰全宽的距离处被减小到窄峰的平均强度的至多0.01，例如0.001或甚至0.0001。
[0179] 多个阳光平衡光源中的至少一个可以由控制单元根据由收集器系统收集的并且根据传感器单元提供的信息推断的光的色度和/或量来控制。
[0180] 可以进一步控制阳光平衡光源以稳定由投射系统提供的总光量和/或稳定漫射光分量和/或直射光分量的颜色外观。
[0181] 阳光形成单元可以被配置为安装成照亮建筑物的室内环境(例如房间或大厅)，例如通过安装在房间或大厅的
天花板或
墙壁上。
[0182] 还应当理解，两个或更多个光纤输出端和/或两个或更多个人造光源可以向准直器单元提供光。
[0183] 尽管这里已经描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离所附权利要求的范围的情况下，还可以包含改进和修改。
