CN114294611B - 基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置和方法 - Google Patents

基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置和方法，可用作照明窗帘、室内百叶窗以及窗户玻璃等。包括前后两个阵列形式的表面，第一个表面为自由曲面阵列，第二个表面为锯齿表面阵列，所述自由曲面阵列用于收集室外自然光，并经两面间同等材质的中间介质传导至所述锯齿表面阵列；所述锯齿表面阵列用于将入射自然光通过倾斜表面折射后偏转至室内空间。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。

Description

基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置和方法
技术领域
本发明属于照明***设计与光束整形领域，涉及一种自然光整形的装置和方法。通过所设计的单片式自然光匀化照明装置，可以使白天从窗户入射的自然光均匀发散到屋内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量利用率；并且有效保护室内隐私，该器件轻薄易量产，环保无污染，可用作照明窗帘、室内百叶窗以及窗户玻璃等。
背景技术
我国对自然光照明技术的研发起步于二十世纪六、七十年代，自1996年“绿色照明”工程推广至今，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***也有了更深层次的认识。由于石油、燃煤等自然资源逐渐消耗殆尽，有关太阳能的研究发展愈来愈多，而太阳能应用技术的缺点在于太阳能的转换效率偏低，但相较于其它传统的转换能量方式，在成本上却高出许多，故提高太阳能的利用效率以及降低太阳能转换成本遂成为近年来研究上的重要目标。
为了提高对于太阳光的利用效率，其中一种方法便是使用结合导光组件模块的太阳能集光器，将太阳光通过导光组件的引导，传导至太阳能电池或热传导组件，以增加太阳光的收集效能，进而提升太阳能转换装置的生产效率。已知的太阳能转换装置需要通过太阳能集光器，以将入射的太阳光聚集至出光侧的多个焦点，以供太阳能电池或热传导组件使用。然而，其汇聚光线的焦距造成了已知太阳能转换装置的巨大体积，大体积的太阳能转换装置不仅需要耗费较高的制作及材料成本、较难精密移动控制太阳追踪，而且还需要大面积的装设区域，目前占据市场主流的光导管效率低、采光均匀性差、且在安装过程张可能对原有建筑结构造成破坏，不利于推广和普及。
因此，如何在不改变原有建筑结构的基础上进行高效的太阳能采光是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种基于自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明装置和方法，可以使白天从窗户入射的自然光均匀发散到屋内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量利用率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，包括前后两个阵列形式的表面，第一个表面为自由曲面阵列，第二个表面为锯齿表面阵列，所述自由曲面阵列用于收集室外自然光，并经两面间同等材质的中间介质传导至所述锯齿表面阵列；所述锯齿表面阵列用于将入射自然光通过倾斜表面折射后偏转至室内空间。
优选的，所述自由曲面阵列对入射光附加的相位调制
Figure BDA0003465302770000021
可表示为
Figure BDA0003465302770000022
θ1为自然光在自由曲面的入射角度，λ为入射光中心波长，f为自由曲面等效焦距，x1，y1为自由曲面阵列入射波前的位置，所述锯齿表面阵列对入射自然光附加的相位调制/>
Figure BDA0003465302770000031
可表示为/>
Figure BDA0003465302770000032
y2为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ1为入射自然光在锯齿表面的入射角度。
优选的，所述自由曲面阵列的透镜形式为凸自由曲面或凹自由曲面，所述凸自由曲面或凹自由曲面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与自然光入射角度成锐角。
优选的，所述凸自由曲面阵列上不同位置x1,y1的厚度d1的表达式为
Figure BDA0003465302770000033
其中n为折射率，r为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ2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，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍；所述凹自由曲面上不同位置x1,y1的厚度d2表达式为
Figure BDA0003465302770000034
其中n为折射率，r为凹自由曲面顶点的曲率半径，θ2为凹自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播。曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
优选的，所述锯齿表面阵列中锯齿倾斜角度为θ，θ取值范围为为20°-70°。
优选的，所述自由曲面阵列与所述锯齿表面阵列一一对应，锯齿中心位置与自由曲面透镜单元的光轴相匹配。
优选的，单片器件材料为透射率85％以上的高透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂及透明塑料。
优选的，前后表面阵列形式为填充率95％以上的高填充率的方形全孔径阵列。
基于自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明方法，包括：
室外自然光经自由曲面阵列收集，并经两面间同等材质的中间介质传导至锯齿表面阵列；
所述锯齿表面阵列经过倾斜表面折射后，将入射自然光偏转至室内空间。
有益效果：
本发明提供了一种基于自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明装置和方法，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，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量利用率。并且由于采用自由曲面阵列和锯齿光栅组合结构，打破了光传输的对称性，可以有效保护室内隐私。该器件为单片形式，轻薄易量产，并且材料选择多样，器件环保无污染，可替代照明窗帘、室内百叶窗以及窗户玻璃等，获得更好的室内照明效果。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于凸自由曲面与锯齿光栅组合的阵列式自然光匀化照明装置的结构示意图。
图中：室外高角度自然光通过器件后，水平发散至室内空间；
图2为本发明实施例1提供的基于凸自由曲面与锯齿光栅组合的阵列式自然光匀化照明装置的仿真结果图。
图中：所设计器件第一个表面为凸自由曲面，第二个表面为锯齿表面阵列；入射高角度自然光由透镜阵列面收集，经过两面间同等材质的中间介质汇集至后表面，经过倾斜表面折射后，水平发散至室内空间；
图3为本发明基于凸自由曲面与锯齿光栅组合的阵列式自然光匀化照明装置器件机械结构三维视图；其中图3(a)表示出了凸自由曲面，图3(b)表示出了锯齿表面阵列。
图4为本发明实施例3提供的基于凹自由曲面与锯齿光栅组合的阵列式自然光匀化照明装置的结构示意图。
图中：室外高角度自然光通过器件后，水平发散至室内空间；
图5为本发明实施例3提供的基于凹自由曲面与锯齿光栅组合的阵列式自然光匀化照明装置的仿真结果图。
图中：所设计器件第一个表面为凹自由曲面，第二个表面为锯齿表面阵列；入射高角度自然光由透镜阵列面收集，经过两面间同等材质的中间介质汇集至后表面，经过倾斜表面折射后，水平发散至室内空间；
图6为本发明基于凹自由曲面与锯齿光栅组合的阵列式自然光匀化照明装置器件机械结构三维视图；其中图6(a)表示出了凹自由曲面，图6(b)表示出了锯齿表面阵列。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与***及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：如附图1所示，本实施例提供了一种凸自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明装置，包括前后两个阵列形式的表面，第一个表面为自由曲面阵列，自由曲面阵列的透镜形式为凸自由曲面，如图3(a)所示，第二个表面为锯齿表面阵列，如图3(b)所示；室外大角度自然光由凸自由曲面阵列表面收集，经两面间同等材质的中间介质传导至锯齿表面阵列，经过倾斜表面折射后，偏转至室内空间。其中，凸自由曲面阵列与锯齿表面阵列均包括n个单元结构，且一一对应，n为大于等于1的自然数。
更为具体的：前后两个阵列形式的表面分别实现对入射光不同相位的调制。具体来说，第一个表面对入射光附加的相位调制
Figure BDA0003465302770000061
可表示为/>
Figure BDA0003465302770000062
θ1为自然光在凸自由曲面的入射角度，λ为入射波长，一般取中心波长，f为等效焦距，x1，y1为凸自由曲面阵列入射波前的位置。第二个表面对入射光附加的相位调制/>
Figure BDA0003465302770000063
可表示为
Figure BDA0003465302770000064
y2为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ1为入射光在锯齿表面的入射角度。
更为具体的：第一个表面为凸自由曲面，表面形式为球面、抛物面等，透镜面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与入射自然光角度成锐角，屋外高角度入射的自然光经过所设计的器件可平行发散至屋内各个角落。
更为具体的：凸自由曲面上不同位置(x1,y1)的厚度d1的表达式为
Figure BDA0003465302770000071
其中n为折射率，r为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ2为凸自由曲面面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
更为具体的：锯齿表面阵列通过折射将大部分光线折射于水平方向，锯齿倾斜角度为20°-70°。
更为具体的：凸自由曲面阵列与锯齿表面阵列一一对应，锯齿中心位置与凸自由曲面单元的光轴相匹配。
更为具体的：单片器件材料应为透射率85％以上的高透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂、及透明塑料。
更为具体的：前后表面阵列形式为填充率95％以上的高填充率的方形全孔径阵列。
为了验证本发明上述装置的效果，凸自由曲面的曲率半径r＝1mm，倾斜角θ2＝10°，锯齿表面光栅倾斜角θ＝35°，自由曲面阵列和锯齿光栅一一对应，两平面之间间隔为1.5mm，阵列大小为1mm*1mm，选用5*5阵列，材料选择ZF6玻璃，仿真光线发散效果，仿真结果见图2所示。
实施例2：在实施例1装置的基础上，本实施例提供了基于凸自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明方法，包括：
室外自然光经自由曲面阵列收集，并经两面间同等材质的中间介质传导至锯齿表面阵列；自由曲面阵列的透镜形式为凸自由曲面；
锯齿表面阵列经过倾斜表面折射后，将入射自然光偏转至室内空间。
实施例3：如附图4所示，本实施例提供了一种基于凹自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明装置，包括前后两个阵列形式的表面，第一个表面为自由曲面阵列，自由曲面阵列的透镜形式为凹自由曲面，如图6(a)所示，第二个表面为锯齿表面阵列，如图6(b)所示；室外大角度自然光由凹自由曲面收集，经两面间同等材质的中间介质传导至锯齿表面阵列，经过倾斜表面折射后，偏转至室内空间。其中，凹自由曲面阵列与锯齿表面阵列均包括n个单元结构，且一一对应，n为大于等于1的自然数。
更为具体的：前后两个阵列形式的表面分别实现对入射光不同相位的调制。具体来说，第一个表面对入射光附加的相位调制
Figure BDA0003465302770000084
可表示为/>
Figure BDA0003465302770000085
θ1为自然光在凹自由曲面的入射角度，λ为入射波长，一般取中心波长，f为等效焦距，x1，y1为凹自由曲面阵列入射波前的位置。第二个表面对入射光附加的相位调制/>
Figure BDA0003465302770000082
可表示为
Figure BDA0003465302770000083
y2为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ1为入射光在锯齿表面的入射角度。
更为具体的：第一个表面为凹自由曲面，透镜面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与入射自然光角度成锐角，屋外高角度入射的自然光经过所设计的器件可平行发散至屋内各个角落。
更为具体的：凹自由曲面上不同位置(x1,y1)的厚度d2为
Figure BDA0003465302770000081
其中n为折射率，r为凹自由曲面顶点的曲率半径，θ2为凹自由曲面面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播。曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
更为具体的：锯齿表面阵列通过折射将大部分光线折射于水平方向，其倾斜角度为20°-70°。
更为具体的：凹自由曲面阵列与锯齿表面阵列一一对应，锯齿中心位置与凹自由曲面单元的光轴相匹配。
更为具体的：单片器件材料应为透射率85％以上的高透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂、及透明塑料。
更为具体的：前后表面均为阵列，阵列形式为填充率95％以上的高填充率的方形全孔径阵列。
为了验证本发明上述装置的效果，凹自由曲面曲率半径r＝-1mm，倾斜角θ2＝10°，锯齿表面光栅倾斜角θ＝35°，自由曲面阵列和锯齿光栅一一对应，两平面之间间隔为1.5mm，阵列大小为1mm*1mm，选用5*5阵列，材料选择ZF6玻璃，仿真光线发散效果，仿真结果见图5所示。
实施例4：在实施例3装置的基础上，本实施例提供了基于凹自由曲面与锯齿光栅的阵列式自然光匀化照明方法，包括：
室外自然光经自由曲面阵列收集，并经两面间同等材质的中间介质传导至锯齿表面阵列；自由曲面阵列的透镜形式为凹自由曲面；
锯齿表面阵列经过倾斜表面折射后，将入射自然光偏转至室内空间。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，其特征在于，包括前后两个阵列形式的表面，第一个表面为自由曲面阵列，第二个表面为锯齿表面阵列，所述自由曲面阵列用于收集室外自然光，并经两面间同等材质的中间介质传导至所述锯齿表面阵列；所述锯齿表面阵列用于将入射自然光通过倾斜表面折射后偏转至室内空间；
所述自由曲面阵列的透镜形式为凸自由曲面或凹自由曲面，所述凸自由曲面或凹自由曲面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与自然光入射角度成锐角；
所述凸自由曲面上不同位置x1,y1的厚度d1的表达式为
Figure FDA0004191804560000011
其中n为折射率，r1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，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍；所述凹自由曲面上不同位置x2,y2的厚度d2表达式为
Figure FDA0004191804560000012
其中n为折射率，r2为凹自由曲面顶点的曲率半径，θ2为凹自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
2.根据权利要求1所述的基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述自由曲面阵列对入射光附加的相位调制
Figure FDA0004191804560000013
表示为/>
Figure FDA0004191804560000014
θ3为自然光在自由曲面的入射角度，λ为入射光中心波长，f为自由曲面等效焦距，x3，y3为自由曲面阵列入射波前的位置；所述锯齿表面阵列对入射自然光附加的相位调制/>
Figure FDA0004191804560000015
表示为
Figure FDA0004191804560000016
y4为锯齿表面阵列入射波前的位置，θ4为入射自然光在锯齿表面的入射角度。
3.根据权利要求1所述的基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述锯齿表面阵列中锯齿倾斜角度为θ，θ取值范围为20°～70°。
4.根据权利要求1所述的基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，其特征在于，所述自由曲面阵列与所述锯齿表面阵列一一对应，锯齿中心位置与自由曲面透镜单元的光轴相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，其特征在于，单片器件材料为透射率85％以上的透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂及透明塑料。
6.根据权利要求1所述的基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明装置，其特征在于，前后表面阵列形式为填充率95％以上的方形全孔径阵列。
7.基于自由曲面与锯齿光栅的自然光匀化照明方法，其特征在于，包括：
室外自然光经自由曲面阵列收集，并经两面间同等材质的中间介质传导至锯齿表面阵列；
所述锯齿表面阵列经过倾斜表面折射后，将入射自然光偏转至室内空间；
所述自由曲面阵列的透镜形式为凸自由曲面或凹自由曲面，所述凸自由曲面或凹自由曲面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与自然光入射角度成锐角；
所述凸自由曲面上不同位置x1,y1的厚度d1的表达式为
Figure FDA0004191804560000021
其中n为折射率，r1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，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍；所述凹自由曲面上不同位置x2,y2的厚度d2表达式为
Figure FDA0004191804560000022
其中n为折射率，r2为凹自由曲面顶点的曲率半径，θ2为凹自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播，曲率半径为自由曲面与锯齿光栅最小间距的1-5倍。
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