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申请/专利权人：浙江大学

摘要：本发明公开了一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置，属于非成像光学技术领域。其由一块散射板和一个可实现定向均匀光照的照明系统构成。照明系统包含若干沿一个方向均匀排列的自由曲面透镜照明单元和照明光源，自由曲面透镜照明单元包含一个光束准直模块和一个实现光束能量分布精准调控的自由曲面阵列。由照明光源出射的光束先经自由曲面透镜照明单元的光束准直模块扩束准直，后经自由曲面阵列偏折产生定向光照，最后通过阵列叠加各自由曲面单元形成定向均匀光照。该定向均匀光照通过散射板内纳米颗粒的瑞利散射作用形成蓝天光照效果，同时定向均匀照明光束在墙壁上产生具有一定清晰边界的均匀照明光斑，达到在室内模拟蓝天和太阳光照的效果。

主权项：1.一种用于室内模拟蓝天光照的照明装置，其特征在于，该装置由一块散射板和一个可实现定向均匀光照的照明系统构成，所述的散射板掺有纳米颗粒，由照明系统产生的定向均匀照明光束经散射板中纳米颗粒发生瑞利散射形成蓝天光照效果，同时定向均匀照明光束在墙壁上产生具有一定清晰边界的均匀照明光斑；所述的用于室内模拟蓝天光照的照明装置安装于天花板上，即由位于天花板上的出光面模拟天窗照射，最终在墙壁面上程均匀的照度分布；照明系统包含若干沿一个方向均匀排列的自由曲面透镜照明单元D和照明光源S，每个自由曲面透镜照明单元D形状相同，且照明光源S也相同，来自照明光源S的光束经自由曲面透镜照明单元D偏折后产生定向的均匀光照，自由曲面透镜照明单元D包含一个光束准直模块Z和一个实现光束能量分布精准调控的自由曲面阵列模块F；所述的光束准直模块Z为TIR准直透镜；自由曲面透镜照明单元D的设计具体包括如下步骤：1照明光源发出的光束经光束准直模块扩束准直后变为准直光束，之后准直光束再经自由曲面阵列模块整形后在墙壁面上产生均匀且边界较为清晰的照明光斑；根据初始设计参数对光束准直模块及自由曲面阵列模块进行设计；2根据等光程原理设计准直模块，将照明光源的出射光束扩束准直为准直光束，所述光束准直模块的光轴与照明光源的光轴重合；3设计自由曲面阵列模块，所述的自由曲面阵列模块由沿着两个相互垂直的方向阵列排布的若干自由曲面单元组成；所述的自由曲面阵列模块中的自由曲面单元将准直光束整形为目标照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行；所述的步骤3具体为：建立直角坐标系xyz，对步骤1自由曲面单元上的点P的位置用直角坐标表示为Px,y,z；入射平行光经自由曲面单元折射后到达目标面上，出射光线在目标照明面上的落点T在xyz坐标系下的坐标为Ttx,ty,tz，目标面与xyz坐标系的z轴垂直，矢量P为点P的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点P的矢量；矢量T为T点的位置矢量，是一个由直角坐标的原点指向点T的矢量；根据折射定律noO＝niI+P1N，求得自由曲面出射光线的单位方向向量O＝Ox,Oy,Oz，并建立自由曲面上点Px,y,z和点Ttx,ty,tz之间的坐标关系其中，x、y、z为点P的位置矢量P的三个分量；Ox、Oy和Oz为点P处出射光线单位方向向量O的三个分量；N为自由曲面在点P处的单位法矢，zx、zy分别是P点的坐标z关于x和y的一阶偏导数，n0为自由曲面周围介质的折射率，ni为自由曲面透镜材料的折射率；根据局部能量守恒定律，在不考虑能量损失的情况下，由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至照明面上的目标照明区域，即自由曲面对细光束的偏折满足以下能量关系式Etx,ty|JT|＝Ix,y，其中，Ix,y为光源的强度分布，Etx,ty为目标照明面上目标照明区域的照度分布，JT为位置矢量T的Jacobi矩阵，化简上式进一步得到方程：其中系数Aii＝1,...,5表示为zx,zy,z,x以及y的函数，zxx,zyy分别为P点的坐标z关于x和y的二阶偏导数，zxy为P点的坐标z关于x和y的二阶混合偏导数，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；自由曲面在满足上述能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标照明区域的边界，即满足以下的边界条件： 其中Ω1表示入射到自由曲面光束的范围，Ω2表示目标照明面上的照明区域，和分别为区域Ω1和Ω2的边界；将上述能量传输方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需自由曲面单元的面型；4将光束准直模块与自由曲面阵列模块建模，得到自由曲面透镜照明单元。

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