專利名稱：間接照明系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及間接照明系統，尤其涉及結合自由形式反射器的系統。
背景技術：
間接照明系統被人們熟悉已經有些年頭并基本上包括主光源，該主光源的光被引向反射器，反射器接著把光引向目標，由此提供一種間接照明系統，光源借此被隱藏而不會直接看到。這些系統為什么被使用，有許多理由，包含為美學和安全理由而降低眩光；改進照明系統的外觀；避免光源的直接看到，該光源太強以致不能安全地觀看；以及把光源和它的電源定位在遠離必須被照射的區域。當前可用的間接照明系統遇到下面的問題照度級太低，幾乎沒有精確的光束控制，和系統的效率不是高設計優先的。正是這些問題弓丨起本發明。
發明內容
按照本發明的一個方面，是提供一種適合把光引向目標的間接照明系統，該系統包括主光學裝置，被安排成把均勻強度光的展開光束發射到副光學裝置上，該副光學裝置向目標反射該光束，該主光學裝置包括光源和階梯式小面反射器，每一小面的形狀和位置都經過計算，以提供均勻強度的展開光束，該副光學裝置包括分形設計的自由形式 (free form)反射器。
本發明的實施例現在僅以舉例方式參考附圖描述，附圖中圖1是常用的間接照明系統的示意性圖例；圖2是按照本發明實施例的間接照明系統的透視圖；圖3是示意分形小區陣列的圖2的間接照明系統的副反射器平面視圖；圖4是更詳細地示出分形小區陣列的透視圖，；圖5是分形小區陣列的模塊的透視圖；圖6是示意互鎖的分形模塊的透視圖，；圖7是形成間接照明系統一部分的自由形式反射器的截面圖；和圖8是自由形式反射器的另一種形式的透視圖。
具體實施例方式在圖1所示常用的間接照明系統中，光源A，通常是適合產生窄光束的高強度燈， 被藏在錐形或拋物面反射器B內。光的比較窄的光束由周邊C示出，并且這組成間接照明系統的主光學裝置。應當理解，該主光學系統也可以包含透鏡、保護屏和其他裝置。副光學裝置D包括大的反射表面E，該大的反射表面E被離光源某一距離放置，以橫切主光束C并再引導該光進入被引向適當目標的副光束F。如圖1所示，一些主光G未射到反射器而被損失。應當理解，副反射器E是按鏡反射的適當度被加工成的，并形成適合該特定應用的形狀。還應當理解，這些部件應當被支承在外殼和按需要的其他結構設備中。在本發明的優選實施例中，自由形式反射器在間接照明系統中被用于主光學裝置和副光學裝置兩者。如圖2所示，間接照明系統80包括矩形外殼82，該外殼藏有光源85形式的主光學裝置、(拋物面)反射器86、格柵84、和矩形屏81。該外殼支承豎直的支柱83， 該豎直支柱又支承分形反射器形式的副光學裝置87，該分形反射器把光引向沒有畫出的目標。自由形式反射器技術自由形式反射器被用于小型汽車照明、視頻投影器和激光掃描系統。這些反射器有時亦稱“無障礙(all clear)”反射器，并使用NURBS (非均勻有理B樣條)表面設計，以反射器形狀和人工智能的數學模型作為優化設計算法。這一點與一般根據經典錐形截面 (拋物形、橢圓形、雙曲形等等)的幾何學的常用反射器不同。這一幾何領域的先驅發展了評估參數表面的算法。NURBS是樣條的一般化，常常被看作均勻非有理B樣條。分形幾何被用于生產反射器的陣列，這些反射器使用NURBS導出的復雜表面幾何作為它的基礎。分形一般是“能夠被分解成各部分的粗糙或碎片形幾何形狀，每一部分(至少大致地)是該整體的被縮小尺寸的復本”，一種被稱為自相似性的性質。分形幾何的物體，一般有如下特性 它有任意小尺度的精細結構，在本申請中，最小尺度由優選的制造工藝設定。 它太不規則，以致不能容易地按傳統的歐幾里得幾何語言描述。 它是自相似的，在本申請中，該方面是特別清楚的，因為反射器陣列的每一“小區”都產生與整個陣列相同的光分布。 它有大于它的拓撲維數的豪斯道夫維數(雖然這一要求不被空間填充曲線諸如希爾伯特曲線滿足)。 它有簡單且循環的定義，在本申請中，它是產生自由形式反射器表面所要求的 NURBS導出表面的集合。今天已經能夠用大規模生產方法精確制造光學零件，這些方法如，使用復雜的、精確到納米尺度表面的模具的注射鑄模，該精確到納米尺度表面，是借助諸如金剛石車削、離子束加工、計算機控制機加工和精細尺度蝕刻制造技術制作的。在圖2所示實施例中，來自主光學裝置的主光束，是用先進的自由形式反射器設計技術研發的。該技術的目的在于模仿從太陽接收的均勻照射貢獻。該副光學裝置，即副反射器，通過按分形系統設計副反射器，用自由形式反射器使光束向目標偏折，開發主光束的均勻照射特性，大的反射器能夠按小的相似的模塊式標準化互鎖元件的陣列被構成。該設計允許使用大規模生產工具制作小的反射器模塊，并提供簡單的機構把分形反射器模塊組裝成陣列。主光學裝置如圖1所示，常用的間接照明系統使用的主光學裝置，包含光源和基于錐形截面的反射器，該錐形截面可以是拋物形、雙曲形、橢球形或球形。這些組件產生的光束，在需要的光束內呈現顯著強度變化，導致副反射器上顯著的逐點變化。該問題嚴重地限制副光學裝置的設計自由度，因為必須對暴露于主光束峰值的副反射器中的缺陷，或對引起副光束上的不相稱的效應加以考慮。此外，如果要求精確的平移，則主光束與副反射器之間的對準必須非常準確。本領域熟練技術人員用下面的一些或全部手段的組合，傳統地克服這些問題a)他們使用較少聚焦的主光學裝置，常常要求使用成比例地更大的副反射器，以補償“更柔和”的主光束，為副反射器造成制造上并最終機械支承上的復雜化；b)使用更漫射的副反射系統以降低缺陷的影響，從而接受被反射光束形狀和方向不能精確地控制的結果；和c)使用尺寸不足的副反射器，只攔截已知有合適的均勻強度的主光束的一部分， 從而導致顯著的效率損失。正是由于上述理由，使常用的間接照明系統以低效率和不良的光束控制操作。在圖2所示優選實施例中，主光學裝置已經被專門地設計成在預定目標表面上產生有均勻強度的光束。這正是提供恒定強度光束的自由形式光學反射器結構的使用。本發明使用自由形式光學技術創建主反射器，該主反射器被專門地設計成照射作為間接照明系統一部分的副反射器。該主反射器和光源提供展開光束，具有如下好處a)能夠通過從燈引導更多的光進入光束，產生更有效的按給定大小的主反射器；b)在自由形式系統的實踐中，常態的情況是，在光束中產生燈的多個重疊的像，降低主反射器各個缺陷對最后光束的影響。這種平均作用確保從一個樣本到另一個樣本更為一致的性能；c)主光束的均勻強度使副反射器的全部表面能被高效地使用；和d)能夠精確地使主光束的形狀與副反射器的形狀匹配。常用的光學裝置產生大致圓形或梯形的光束。如圖7所示，主光學裝置中使用的自由形式反射器的優選形式，有階梯形小面95， 按弧線形式被安排在光源85兩側。在圖8中，提供拋物面反射器86以包圍光源85，但該拋物面反射器還在它的內部表面包含小的小面105。這些小面是通過自由形式設計被創建的，并被做成專門的角度和被定位，以提供出射的展開光束所需均勻強度。副光學裝置副光學裝置也使用自由形式光學設計工具生產副反射器，該副反射器再引導來自主光束的光分布并且再引導光，進入任何實際上需要的形狀的副光束。自由形式反射器系統能夠被用于研發表面的幾何形狀，該表面只在并準確地在需要照射的地方反射光，由于更早所描述的效應，在實踐中或常用的幾何反射器中，大量損耗是不可避免的。從理論上說，用于間接照明系統的自由形式副反射器，能夠對任何類型的主光束實現。然而，如果主光源在副反射器上產生均勻照射，如在下文所述，只能夠為副反射器創建實用和有效的“分形(fractal)”設計。這種均勻照射可以從定日鏡的太陽光獲得，但必須憑借或者只用錐形光束的小截面，或者使用全部展開光束，為間接照明系統產生。如果副反射器按照本發明被照射，則能夠從計算和制造兩者的觀點，把副反射器表面的每一區域看作是全同的。
創建分形反射器系統的基本概念，在圖3被示出。矩形CO代表副反射器30的表面的平面圖。重復地把該表面細分為完全相互鄰接的相同幾何部分的更小單元，有效顛倒了為更小自相似實體創建大的復雜形狀中的更常見的分形過程。為清楚起見，在圖3中使用矩形，諸如Cl，然后進入如圖所示的“C2”的另一個子陣列，應當明確，作為基礎的幾何依然相同，與尺度無關。表面的細分能夠通過眾多幾何形狀實施矩形、三角形和六角形尤其合用。協同發揮功能以給出所需結果的兩個關鍵方面是 如圖所示每一個細分小區CO、Cl、C2、C3和C4的尺度，產生特定應用所要求的完整的副光束分布。這可能是因為光學幾何的矢量解是成立的，與它的尺度是否配合整個副反射器或任何任意尺寸的小區無關。 每一小區無論它在副反射器上的坐標位置如何，都產生特定應用所要求的完整的副光束分布。這一點與常用反射器相反，在那里，反射器表面的每一坐標把光引向離散的方向。這種分形細分過程能夠按需要被重復許多次。在該優選實施例中，最小的小區尺寸由選定的反射器生產技術確定，該技術最佳滿足應用的目的。一般說來，制造精密光學裝置的成本要比該物體尺寸的下降快得多，使生產多個小反射器單元比單個大單元經濟得多。本發明在制造工藝中，引進顯著的優點 分形小區(C4)小區的尺寸，能夠被選定適合制造工藝，該工藝適應光學精度所要求的水平-實際上與副反射器的最后大小或形狀無關。 制造大反射器的工藝根本上是從生產少量大的昂貴的零件變化到大規模生產。 大量各種制造工藝和材料，可用于大規模生產小的精密零件。 大規模生產小的精密零件的工業能力具有大的和高的價格競爭力。 在大量分形小區反射器模塊上缺陷的“平均”效應，降低個別缺陷的影響。因而， 與制造單個副反射器相比，顯著地降低對個別部件精度的要求是必須的。 小零件的結構穩定性趨于更優良，允許質量的顯著降低，從而成本和副反射器支承結構的復雜性的顯著降低。 為特定的應用生產定制的光束變得經濟上可行。 由不同生產工藝生產的副反射器模塊，能夠在一種應用中被混合-最常見的反射器模塊可以在多腔注射式鑄模機中生產，而其他較少量需要的則能夠被鑄造或真空形成。 反射器陣列模塊能夠被設計成相互互鎖并與組件上的支承結構互鎖，確保非常高的精度級能夠被達到，無需專門的組裝線工作人員。本發明還在應用設計過程中，引進顯著的優點。自由形式副光束使光學設計員能把光分布按意愿形成一定形狀落在目標上，并帶來如下主要優點 幾何上復雜的區域，通過引導使用別的辦法浪費掉的光進入需要的區域而能夠被有效地照射。 照射強度分布能夠更精確地被控制，消除照射場中傾向于吸引眼睛并使周圍區域似乎黑暗的“熱點”。
炫光和漏光(spill light)能夠被更有效地控制。 由于更高的信心，相信更精密的光學裝置能夠被精密地和經濟地被生產，所以顯著更精密的光學裝置能夠被設計。 一系列不同的副光束模式能夠被設計成無縫地搭接和一體化，以照射幾何上復雜和無限大的區域。圖2示出間接照明系統80的典型實施例，該間接照明系統安裝有封殼82，該封殼為至少包括光源85和主反射器86的主光學系統提供適當艙室。任選的透明保護屏81 (圖上為清楚計，已經移開)為主光學系統提供環境保護，而任選的百葉窗84為人們避免從大多數角度直接看見主光源提供保護。結構83把副反射器支承在有利于橫切由主光學裝置投射的光束的位置。副反射器可以用與主光學裝置無關的其它裝置懸掛在光束中，該主光學裝置自身可以由另一個結構懸掛。整個系統還可以被倒置或設置成任何角度，唯一的條件是，副反射器被放置在一定距離和成一定角度橫切來自主光學裝置的光束的位置，以確保最后的反射光束滿足特定設計的要求。圖2中所用的從透視圖看不見的副反射器87的反射表面，由圖4略微詳細地描述。該示意圖表明，該組自相似反射器模塊25被安排成陣列20。各個模塊25被固定到為計劃的應用適當設計的支承22上。圖6示出單個“分形反射器”模塊25，而應當特別指出， 該模塊的表面以小面觀的排列呈現，每一套都在專門的角度上。這些小面觀都是自由形式反射器的有效反射表面。這樣的模塊能夠通過注射鑄模、真空形成和直接加工而被被精確制造。適合制造的材料可以是尺寸上穩定的熱塑料、熱固性塑料、樹脂或金屬中的任何一種。正常的實踐是，在適合于該應用環境和所需生產體積的材料中，生產該模塊觀，然后，該基本模塊按照已知的以高反射材料的涂覆的工藝被制備。該涂層最好在外部表面，并例如通過已知工藝由小于光波長的透明硅聚合物涂層保護以抗污染。也能夠按現有技術所述，從透明材料制造該模塊并涂覆內表面。但這一選項要求光經由不同路徑越過透明材料的厚度兩次。它不但引進額外透射損耗，而且還按照特定透明材料折射，而該路徑長度和幾何形狀，在大批自由形式小面的每一個的設計中必須被接納。反射器模塊25的陣列組件能夠是復雜的，而當組裝大的反射器陣列時，下述的方面尤其重要 每一模塊的方位角取向必須正確，以確保所有副光束投射進需要的方向。 模塊必須組裝進單一的連續的表面，以接收投射的主光束并按需要的角度投射副光束；該表面可以是平面或按一個或多個平面被彎曲。在這方面的誤差是幾何的，且誤差的效應隨距離增長得非常大。 這些模塊必須盡可能緊密地鄰接，以使對投射的光束沒有貢獻的副反射器的面積最小。 理想的是，使固定的硬件最少，和最好從反射器陣列的有效表面區域中消除固定的硬件。圖6所示分形反射器模塊的優選實施例，通過互鎖特性的系統和作為模塊零件制作的固定點，解決了所有這些問題。三塊模塊50被示出在支承表面上，該支承表面處于組裝的和互鎖的狀況，但沒有被固定(以反射表面面對觀察者)。為清楚起見，一塊模塊50A被畫成倒置的。每一分形反射器模塊有一系列互鎖插槽53和互鎖突出部55。這些互鎖元件53和55的布置和尺寸，是由技術熟練的專業人員設計的，以確保當多個模塊被組裝時，沒有互鎖系統的零件可從陣列57的反射面看到-陣列的最后周邊除外。互鎖特性也被設計成不與模塊被附接在其上面的表面干擾，并有足夠的容限防止正常生產的尺寸變差，避免模塊“堆疊起來”和最終妨礙所需尺寸的陣列被組裝。模塊到適當表面的附接的設備，也可以由技術熟練的專業人員做成-該例子表明，螺絲固定孔58能夠被提供，而結構肋條59也可以建立適合粘接的表面。這樣能使不可見的固定件不存在毀壞反射表面的危險。
權利要求
1.一種適合把光引向目標的間接照明系統，該系統包括主光學裝置，被安排成把均勻強度光的展開光束發射到副光學裝置上，該副光學裝置向目標反射該光束，該主光學裝置包括光源和階梯式小面反射器，每一小面的形狀和位置都經過計算，以提供均勻強度的展開光束，該副光學裝置包括分形設計的自由形式反射器。
2.按照權利要求1的間接照明系統，其中該副光學裝置包括分形反射器模塊的組件。
3.按照前面權利要求任一項的間接照明系統，其中該主光學裝置的階梯式小面被定位在拋物面反射器的表面上。
4.按照前面權利要求任一項的間接照明系統，其中透明保護屏被放置在該主光學裝置之上。
5.按照前面權利要求任一項的間接照明系統，其中百葉窗或格柵被放置在主光學裝置與保護屏之間。
6.按照前面權利要求任一項的間接照明系統，其中外殼包含主光學裝置保護屏和格柵，而副光學裝置被支承在在該外殼上方延伸的支柱上。
全文摘要
一種適合把光引向目標的間接照明系統(80)，該系統包括主光學裝置，被安排成把均勻強度光的展開光束發射到分形反射器模塊(25)的組件(87)上，該分形反射器模塊把該光束向目標反射；該主光學裝置包括光源(85)和被定位在拋物面反射器(86)表面上的階梯式小面反射器，每一小面的形狀和位置都經過計算，以提供均勻強度的展開光束。
文檔編號F21V7/09GK102365492SQ201080014000
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月3日 優先權日2009年3月3日
發明者U·都普利塞斯 申請人:黑拉許克聯合股份有限公司