[发明专利]基于自由曲面的阵列式自然光匀化照明装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于自由曲面的阵列式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，分别为第一自由曲面阵列和第二自由曲面阵列，第一自由曲面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第二自由曲面阵列；第二自由曲面阵列用于将入射自然光通过自由曲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。

技术领域

本发明属于照明系统设计与光束整形领域，涉及一种自然光整形的装置和方法。通过所设计的阵列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系统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，分别为第一自由曲面阵列和第二自由曲面阵列，所述第一自由曲面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第二自由曲面阵列；所述第二自由曲面阵列用于将入射自然光通过自由曲面折射后偏转至室内空间。

优选的，第一自由曲面阵列对入射光附加的相位调制可表示为x₁,y₁为第一自由曲面阵列入射波前的位置，f₁为第一自由曲面等效焦距，θ₁为入射光在第一自由曲面的入射角度，，λ为入射光中心波长，第二个自由曲面阵列对入射光附加的相位调制可表示为x₂,y₂为第二自由曲面阵列入射波前的位置，f₂为第二自由曲面等效焦距，θ₁为入射光在第二自由曲面的入射角度，λ为入射波长，一般取中心波长。