包含光發射器/準直器對組陣列的人工照明裝置的制作方法
本申請為申請號201380070311.9的中國發明專利申請的分案申請，原申請的申請日為2013年11月14日，國際申請號為pct/ep2013/073893，發明名稱為“包含光發射器/準直器對組陣列的人工照明裝置”。
本發明涉及能夠給人以太陽和天空自然光感覺的人工照明裝置。
背景技術：
更確切地說，對于來自天空和太陽的自然光的感知與照明裝置照亮周圍環境的能力以及直接觀察時該裝置本身的外觀都有關，照明裝置照亮周圍環境的效果與天空和太陽透過位于同一位置的孔穴(即窗戶)照射同一房間的效果非常類似，而該照明裝置本身的外觀則產生了天空的無限深度視覺外觀以及太陽光源的無窮遠位置。
因此，本發明的實施例所要實現的目的可以分成兩個主要的類別，涉及：
由人工照明裝置發出的光所實現的環境照明；
該照明裝置本身的視覺外觀。
對于獲得天空和太陽自然光感覺的環境照明的要求，可以參考由同一申請人提交的wo2009/156347a1中所描述的人工照明裝置。這些人工照明裝置當中的一種如圖25所示。其包括一個寬波段的點狀光源902和位于相距該光源902一定距離的瑞利散射面板906。面板906將光源902發出的光線分離成透射成分907和漫射成分905，其中透射成分907的相關色溫(correlatedcolortemperature，cct)比光源902的cct要低，而漫射成分905的cct則更高，這種cct的差異是由于散射效率隨著要處理的瑞利區域(rayleighregime)的波長的四次方的減小而提高。
只要光源902小于相比于面板906，則直射光907能夠投射物體的陰影，其在面板906所形成的漫射冷光下是偏藍的。更確切地說，半影角是由光源902的尺寸與光源到物體的距離之間的比值所得出的。值得注意的是，在實際安裝中，可以容易地使得該角度接近于真實太陽的角度(0.5°)。此外，觀察者通過該面板觀察該光源時，會感覺它為一個低cct的光斑，其周圍由高cct的發光背景所環繞，正如他/她觀察太陽和天空所看到的一樣。
然而，半影角雖然小，形成直射光分量的光線907顯然不是平行的，如光來自于太陽的自然光照，因為它們從單一光源發散。值得注意的是，這種情況妨礙物體陰影具有平行的取向，正如在自然陽光下所發生的那樣。事實上每個物體在被照明平面上投射的陰影均朝向光源902在該被照明平面上的投影。例如，當光源902被定位在穿過漫射器906中心的被照明平面(例如地面或墻)的法線上時，具有垂直于所述平面的軸線的細長的物體的陰影朝向被照明場景的中心，這與自然界所發生的情況相反。因此，這種情況妨礙了這些照明裝置如實地再現自然光照射環境的視覺特征。
此外，這些裝置不能完全滿足直接觀察該照明裝置時的自身視覺外觀的要求。事實上，觀察者誰通過面板906看到光源時并沒有感覺它在無窮遠，而是位于該光源902所放置的給定的空間位置。直射光線907的發散意味著看見人工太陽的光斑的方向和孔徑角(半影)都不是固定的，它們依賴于觀察者的位置和他/她與光源的距離。這種視覺線索妨礙了觀察者自然地理解該光源作為位于無限遠處，即這種視覺線索妨礙了天空和太陽場景被視為具有無限深度，光源本身限定了場景的極限深度。所有這些情況下使得所產生的效果不自然，因為它不同于實際天空和太陽產生的效果感。本發明在視覺外觀方面的一個目的在于實現直接觀看照明裝置時由該裝置所產生的太陽和天空圖像的無限深度感知。
視覺感知線索的線索內沖突存在折磨例如在上面提到的wo2009/156347a1所提出的另一種人工照明裝置，如圖26所示。在此結構中，光源902是由白光發光二極管(led)910的擴展陣列制成，其中每一個led910包括藍光/紫外光發射器、熒光劑和圓頂準直透鏡，使得每個led910產生具有有限發散度的白色光錐，即該發散度小于由瑞利面板906散射的光的發散度。在這種情況下，瑞利面板906被放置為幾乎與擴展光源902接觸，使得該照明裝置非常緊湊。從而，圖26的照明裝置提供了具備所需cct的直射光分量和漫射光分量。
然而，如下文將要進一步描述的，圖26所示的照明裝置具有由觀察者感知的兩個不同平面之間的線索內沖突。這些平面是led910陣列的實像和在無窮遠處的太陽斑的虛像。
上述的wo2009/156347a1提出了另一種人工照明裝置，如圖27所示。作為光學準直元件，透鏡980位于光源的一定距離處，該光源包含激光二極管982和(遠程)熒光劑984。包含納米漫射器(nanodiffuser)的透鏡980涂覆有抗反射涂層，以便優化輻射“暖”分量的傳播，防止能夠降低該裝置效率的反射，以及優化該分量的直射部分向外部區域(光束的外部)的傳播，降低了對比度。此外，圖27的裝置還包括反射器986(例如容納熒光源984的反射腔或反射箱體，其具有用于定位透鏡980的孔)，以便取回由納米漫射顆粒反向散射而向后傳播的“冷”漫射光分量，從而向外重定向反向散射漫射光。因此，圖27的照明裝置提供了具備所需cct的直射光分量和漫射光分量。
然而，圖27所示的照明裝置存在由觀察者所感知的至少兩個不同的平面之間的線索內沖突。對于圖26的裝置，這些平面為透鏡980的實像平面和熒光源984的虛像平面，其中所述虛擬像面并沒有被視為在無限遠距離。此外，類似于圖25的情況，圖27的裝置通過使用在有限距離的單一光源的照明所投射的陰影，典型地具有徑向對稱向外指向特點。
在上述wo小冊子還提出了另一種人工照明裝置，如圖28所示。這里，光源990和色彩漫射器992完全分離并以一定距離彼此間隔開，色彩漫射器992形成為房子996的墻壁994上的窗口。然而，歸因于所選擇的結構，圖28中的裝置通過使用在有限距離的單一光源的照明所投射的陰影，典型地具有徑向對稱向外指向特點。最后但也同樣重要的，從色彩漫射器進入觀察者眼睛的環境光會破壞觀察者的天空/太陽視覺印象，所述環境光并非由光源990所產生，而是來自于房子外部環境的環境光。
技術實現要素：
因此，本發明的一個目的是提供一種人工照明裝置，用于合成類似于實際天空和太陽那樣照亮周圍環境的自然光，特別是通過形成平行、清晰、比其余照亮的環境更藍的陰影，當觀察者直接觀看上述人工照明裝置時，他/她能夠獲得天空和太陽圖像的無限視覺深度感知，不存在視覺感知線索當中的線索內沖突和線索間沖突。
這個目的是由獨立權利要求的主題來實現的。
優選實施方式由從屬權利要求的主題來實現。
本發明提供了一種人工照明裝置，用于產生類似于來自太陽和天空照射的自然光，包括：
直射光源(12)，包括第一發射面并配置成從原初光(62)產生直射光(236)，所述直射光(236)沿直射光方向(32)以低發散度從第一發射面(28)出射，所述直射光源(12)包括由第一發光裝置(14；60)和準直器(16；64)組成的多個對組，所述第一發光裝置(14；60)位于第一發射面的上游并配置成發出原初光(62)，所述準直器(16；64)配置成使所述第一發光裝置發射的原初光沿直射光方向(32)準直；
漫射光發生器(10)，配置為在第二發射面(34)產生漫射光(35；242)，
其中，所述第一發射面(28)和第二發射面(34)中的一個位于另一個的下游而形成所述人工照明裝置的外發射面(37)，或者所述第一發射面(28)與第二發射面(34)重合以形成所述人工照明裝置的外發射面(37)，
其中所述人工照明裝置配置為使得所述直射光源(12)和漫射光發生器(10)協同工作以便在所述外發射面(37)上形成外部光(239)，所述外部光(239)包括沿直射光方向在低發散度錐體內傳播的第一光分量(241)和沿所述低發散度錐體外部的方向傳播的第二光分量(243)，其中所述第一光分量(241)的相關色溫比所述第二光分量(243)的相關色溫要低，使得當觀察者(38)望向第一發光面(28)時，所述觀察者(38)看到由模擬天空的藍色背景包圍的光斑(40)，所述光斑(40)對應于太陽且具有較低的相關色溫，而且當觀察者(38)相對于所述第一發射面(28)移動時，所述光斑也移動，使得看起來所述光斑(40)來源于位于無窮遠處的物體。
其中所述漫射光(35；242)的相關色溫比所述直射光(236)的相關色溫要高。
其中所述直射光(236)的相關色溫大于或等于所述第一光分量(241)的相關色溫。
其中所述漫射光發生器(10)包括漫射光源(260)，所述漫射光源(260)包括第二發光裝置(266)，其中所述漫射光源配置為獨立于所述直射光源(12)而發射所述漫射光(35；242)。
其中所述漫射光源(260)包括邊緣照明式散射漫射器(264)或有機發光二極管。
其中所述直射光源(12)或漫射光源(260)中的至少一種光源的相關色溫是可控的。
其中所述漫射光發生器(10)包括定位成由所述直射光(236)或所述原初光或從所述原初光演變而形成直射光(236)的中間光照亮的漫射器(250)，并且配置為使照亮所述漫射器的所述直射光或者所述原初光或所述中間光散射，在可見波長區域內，對于較短波長的散射效率比對于較長波長的散射效率要高。
其中所述漫射器(250)包括由第一材料構成的固體基質(252)，其包括第二材料的納米顆粒(254)分散體，并配置為在可見波長區域內對于較短波長的光散射效率比對于較長波長的光散射效率要高。
其中所述納米顆粒(254)分散體在整個第二發射面(34)上具有納米顆粒面積濃度梯度，相對于照亮漫射光發生器(10)的直射光或原初光或中間光的亮度一致性，所述梯度適于改善所述漫射光在第二發射面上的亮度一致性。
其中所述直射光源(12)配置為使得所述角分布的窄峰迫使直射光源(12)的觀察者(38)的雙眼沿平行方向校直，以便所述觀察者在窄的視錐角內看到所述光斑(40)，基于雙眼會聚線索和運動視差深度線索，所述光斑均被感知為在無窮遠處。
其中所述人工照明裝置包括位于所述第一發射面(28)上游并且由吸光材料構成的吸收器(58；72；82；122；158；200；224)，所述吸收器設置為使得所述第一發射面(28)的總反射系數ηr≤0.4。
其中所述人工照明裝置包括由吸光材料構成的吸收器(58；72；82；122；158；200；224)，所述吸收器設置在第一發光裝置(14；46；60；114；138；150)的下游側和第一發射面(28)的上游側，并構造成基本吸收朝上游方向穿過第一發射面(28)的光線，所述光線在缺少所述吸收器的情況下將不射向所述第一發光裝置。
其中，所述漫射光發生器(10)位于所述第一發射面的下游。
其中，直光源(12)配置為產生直射光(236)，使得所述直射光從第一發射面(28)出射，其亮度分布曲線圖圍繞所述直射光方向(32)具有角分布的窄峰(30)，所述窄峰所對著的立體角小于0.2sr。
其中多個對組并列放置，所述對組的準直透鏡彼此鄰接，使得所述準直透鏡形成接合表面。
其中，對于每個對組，所述準直器(64)的光孔大于300cm2。
還包括：位于所述外發射面(37)下游的格子天花板結構(170)，其中所述格子天花板結構(170)具有第一周期間隔(172)，所述多個對組以第二周期間隔(174)沿所述外發射面(37)布置，所述第一周期間隔(172)為所述第二周期間隔(174)的整數倍或單元分數。
其中所述直射光方向(32)傾斜于所述外發射面(37)的法向。
其中所述直射光方向(32)相對于所述格子天花板結構(170)的90％以上的外表面是傾斜的。
其中所述格子天花板結構(170)的外表面對于可見光的吸收系數低于50％。
其中所述格子天花板結構(170)沿所述直射光方向在所述第一發射面上的投影覆蓋由所述第一發射面所占面積的50％以下。
其中所述格子天花板結構(170)從所述第一發射面沿垂直于該第一發射面的方向突出的長度小于所述格子天花板結構(170)的周期長度。
其包括暗盒，所述暗盒具有頂面和底面，所述頂面與所述準直器的光孔重合，所述第一發光裝置(60)集成在所述底面的孔內。
其中所述暗盒的內表面是由吸光材料形成，并且所述吸光材料對于可見光的吸收系數大于90％。
其中所述準直器為菲涅耳透鏡。
其中所述第一發光裝置(60)包括led。
還包括配置為使所述原初光在所述準直器上的亮度分布平坦化的自由曲面聚光器或自由曲面透鏡。
其中，所述第一發光元件(60)與所述準直器(64)之間設置有自由曲面透鏡(180)，所述自由曲面透鏡(180)配置為使所述原初光在所述準直器上的亮度分布平坦化。
其中第一發光裝置具有圓形光孔。
其中所述直射光源(12)還包括位于所述對組的準直器下游的微光學光束均化層(192)，其中所述微光學光束均化層配置為減少由所述對組的準直器所預準直的光的雜散光分量。
其中所述微光學光束均化層包括微透鏡(194)和光吸收層(202)的二維陣列，所述光吸收層(202)穿設有在微透鏡(194)的二維陣列的下游延伸的小孔(196)的二維陣列，使得每個微透鏡與一個所述小孔相關聯，所述小孔沿與所述直射光方向(32)一致的方向相對于微透鏡而設置，且所述小孔與相應微透鏡之間的距離對應于相應微透鏡的焦距。
其中微透鏡的直徑dm與焦距fm之間的比值為dm/fm<2tan(7.5°)，所述直徑dm<5mm。
其中所述微透鏡(194)具有圓形光孔。
其中所述微光學光束均化層還包括信道間隔結構，所述信道間隔結構設置為減少微透鏡與相關聯的小孔組成的相鄰對組之間的串擾。
其中所述微透鏡之間的空間包括吸收入射到透鏡之間的空間的光的材料。
其中所述微透鏡及小孔的陣列間距小于5mm。
其中所述微光學光束均化層包括微透鏡(194)的二維陣列和信道間隔結構，該信道間隔結構為在微透鏡的二維陣列下游延伸的微通道的二維陣列，使得每個微透鏡都具有一個與其相關聯并從相應的微透鏡沿直射光方向(32)延伸的微通道，其中微透鏡的直徑dm與微透鏡的焦距fm之間的比率為dm/fm<2·tan(7.5°)，所述直徑dm<5mm，其中對于每個微透鏡，與其相關聯的微通道的輸出光孔以距離l與相應的微透鏡間隔開，其中0.5fm<l<1.2fm。
其中所述微光學光束均化層包括焦距為fm1的微透鏡的第一個二維陣列(210)、焦距為fm2的微透鏡的第二個二維陣列(212)以及吸收層(220)，該吸收層220穿設有小孔(214)的陣列并布置在第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列之間，以便形成分布在平行于第一發射面(28)的平面上的望遠鏡(216)的陣列，所述望遠鏡(216)的望遠鏡軸線彼此平行并且平行于直射光方向(32)；在每個望遠鏡中，相應的小孔、第一個二維陣列中對應的微透鏡和第二個二維陣列中對應的微透鏡沿著所述望遠鏡軸線布置，相應的小孔與第一個二維陣列中對應的微透鏡之間的距離為fm1，相應的小孔與第二個二維陣列中對應的微透鏡之間的距離為fm2，其中fm2<γfm1,而γ<1。
其中所述望遠鏡陣列的下游側外表面包括抗反射涂層。
其中所述微光學光束均化層包括串聯透鏡的二維陣列。
還包括小角度白光漫射器(230)，配置為對所述直射光從所述第一發射面出射的亮度分布曲線圖的角度特性以低于10°的濾光器脈沖響應hwhm進行模糊過濾。
其中所述小角度涂白光漫射器包括形成在透明層材料外表面的隨機分布的微型折射體，或在透明塊狀材料中的透明微顆粒的分散體，所述透明微顆粒與透明塊狀材料之間的折射率不一致。
其中所述對組的準直器的下游側外表面包括抗反射涂層。
其中所述直射光源包括角度可選擇的濾光器，該濾光器配置為吸收相對于所述直射光方向超過預定閾值的光發散。
本發明還提供了一種由并置的多個人工照明裝置構成的系統，所述人工照明裝置為上述任一權利要求所述的人工照明裝置，其中所述多個人工照明裝置的直射光方向是相等的。
本發明還提供了一種用于產生類似于從太陽和天空照射的自然光的方法，該方法使用直射光源(12)和漫射光發生器(10)，
所述直射光源(12)包括第一發射面并配置成從原初光(62)產生直射光(236)，所述直射光(236)沿直射光方向(32)以低發散度從第一發射面(28)出射，所述直射光源(12)包括由第一發光裝置(14；60)和準直器(16；64)組成的多個對組，所述第一發光裝置(14；60)位于第一發射面的上游并配置成發出原初光，所述準直器(16；64)配置成使所述第一發光裝置發射的原初光沿直射光方向(32)準直；
其中所述漫射光發生器(10)配置為在第二發射面(34)產生漫射光(35；242)，
其中，所述第一發射面(28)和第二發射面(34)中的一個位于另一個的下游而形成外發射面(37)，或者所述第一發射面(28)與第二發射面(34)重合以形成所述外發射面(37)，
所述直射光源(12)和漫射光發生器(10)協同工作以便在所述外發射面(37)上形成外部光(239)，所述外部光(239)包括沿直射光方向在低發散度錐體內傳播的第一光分量(241)和沿所述低發散度錐體外部的方向傳播的第二光分量(243)，其中所述第一光分量(241)的相關色溫比所述第二光分量(243)的相關色溫要低，使得當觀察者(38)望向第一發光面(28)時，所述觀察者(38)看到由模擬天空的藍色背景包圍的光斑(40)，所述光斑(40)對應于太陽且具有較低的相關色溫，而且當觀察者(38)相對于所述第一發射面(28)移動時，所述光斑也移動，使得看起來所述光斑(40)來源于位于無窮遠處的物體。
附圖說明
特別地，以下結合附圖對本發明的優選實施例進行描述，其中：
圖1示意性地示出了第一發光裝置和準直透鏡的對組陣列，其作為與漫射光發生器結合的直射光源的一個例子，其中觀察者的眼睛示意為觀看由此獲得的人工照明裝置；
圖2a示意性地示出了人工照明裝置的一種實施例，其中示意性地示出了直射光的亮度分布曲線圖；
圖2b示意性地示出了人工照明裝置的一種實施例，其中示意性地示出了直射光的亮度分布曲線圖；
圖3a和3b分別以三維的方式示出了根據圖2a和2b所示實施例的直射光源和漫射光發生器的布置示意圖；
圖4示意性地示出觀察者觀看直射光源的發射面以及觀察者在發射面上所看到的光斑；
圖5示出了led陣列的一種實施例的剖視圖，該led陣列通過適當配置而形成適合的直射光源。
圖6為圖5所示陣列的俯視圖；
圖7示出了根據一種實施例的直射光源的局部立體示意圖，包括由第一發光裝置和準直透鏡組成的對；
圖8三維地示出了由圖7所示的對所組成的陣列，以形成直射光源的另一實施例；
圖9示出了格子天花板結構的三維圖，在沿發射面的橫向方向上的亮度變化變暗；
圖10示意地示出了觀察者觀看格子天花板結構以及產生變暗的方式；
圖11a示意性地示出了圖7的直射光源，其包括一個用于實現均勻照明的不規則形狀的鏡頭；
圖11b示意性地示出了圖7的直射光源，其包括用于實現均勻照明的聚光器；
圖12示意性地示出了圖11a和11b的自由曲面透鏡和聚光器對于第一發光裝置的光強分布曲線的針對性影響，其中左手側示出了原始分布曲線，右手側示出了沿發射面的橫向尺寸實現均勻照明的目標分布曲線；
圖13示意性示出了具有直射光源12的人工照明裝置，該直射光源12包括微光學光束均化層；
圖14a示意性地示出了微光學光束均化層的第一實施例的橫截面，其中包括一個透鏡陣列和一個小孔陣列；
圖14b示出了圖14a的光束均化層的上游面；
圖14c示出了圖14a的光束均化層的下游面；
圖15示意性地示出了微光學光束均化層的再一實施例的橫截面，其中包括一個透鏡陣列和一個管陣列；
圖16示意性地示出了微光學光束均化層的又一實施例的橫截面，其中包括兩個透鏡陣列和一個小孔陣列或管陣列；
圖17示意地示出了一種人工照明裝置，其包括位于漫射光發生器上游側的小角度白光漫射器；
圖18示意地示出了人工照明裝置的另一種實施例，其包括位于漫射光發生器下游側的小角度白光漫射器；
圖19a-c示意性地示出了包括直射光源和漫射光發生器的組合的人工照明裝置，其中還分別示出了直射光、透射光和漫射光之間的cct偏移；
圖20為用于實現漫射光發生器的漫射板的示意圖；
圖21a和21b示出了用于實現漫射光發生器的漫射板和漫射光源的組合；
圖22為用于實現漫射光發生器的漫射光源的示意圖；
圖23為漫射光源的一種實施例的側視圖；
圖24a-f示意性地示出了人工照明裝置及其直射光源的不同的實施例，聚焦于直射光和漫射光的相互關系以及它們對于外發射面上的外部光的貢獻；
圖25為現有技術的一種人工照明裝置的橫截面圖；
圖26為現有技術的再一種人工照明裝置的示意圖；和
圖27和圖28為現有技術的又一種人工照明裝置的示意圖。
具體實施方式
如已經介紹的，天空和太陽自然照射的感受一方面依賴于照明裝置發射的光具有高度準直且低cct的直射光分量，以模擬陽光，而較高cct的漫射光分量模擬天空的光照效果，使得當物體被照明裝置照射時，直射光分量可投射出清晰平行的陰影，漫射光分量使陰影呈淡藍色。在另一方面，當直接觀看照明裝置本身時，天空和太陽自然照射的感受在于天空和太陽處于無限遠的想象。
觀察者估計物體間距離的能力與構建三維風景的視線深度，是基于多種與聚焦、雙眼視差和融合、運動視差、亮度、大小、對照、空間透視等相聯系的生理和心理機制的。根據觀察條件(如觀察者是移動的還是靜止的、用一只眼睛觀察還是兩只眼睛等)和環境特征這兩種因素，相對于其他機制，一些機制可較重要，后者依據如物品是否具有已知尺寸、存在的距離和亮度而定，用作參照物，以估計環境中觀察到的元件有多遠。值得注意的是，這些機制在實像和虛像的情況下都能持續。更具體地，當兩個或更多不同圖像平面在不同深度之間存在沖突同時被觀察者感知時，由于為單視覺感知線索、或兩個或更多不同高度水平視覺感知線索，可產生視覺上的不舒適或眼疲勞。
換句話說，本發明人確實注意到深度的視覺感知是由一系列的視覺線索所確定的，例如：
調節(accommodation)，即睫狀肌的運動，以使眼睛晶狀體聚焦場景；對于幾米內的距離，調節是最有效的；
雙目會聚(binocularconvergence)，即觀察者兩個眼球的視軸會聚到相同的物體，即匯集到該物體所在的平面。
運動視差(motionparallax)，即物體相對于運動的觀察者所注視的背景的明顯相對運動；通過很輕微的身體晃動，即可由運動視差獲得強烈的深度線索；
空間透視(aerialperspective)，即，由于大氣對光的散射作用，距離較遠的物體擋住具有較低的亮度對比度和色彩飽和度。此外，遠處物體的顏色移向光譜的藍端；
雙眼視差(binoculardisparity)，即該觀察者的每只眼睛對于相同場景分別產生各自的視覺印象；通過利用從稍微不同的角度看到的兩個不同的圖像，觀察者能夠高精確度地三角測量到物體的距離。立體畫(autostereograms)、3d電影和立體照片采用這種視覺線索來獲得二維場景的深度感知；
基于運動的深度(depthfrommotion)，即物體大小的動態變化；
透視，即平行線匯聚在無窮遠處的性質；
已知物體之間的相對大小；
物體被其它物體遮擋(occlusion)。
業已發現，天空和太陽圖像的無限深度感知，其代表了呈現為實際天空和太陽效果的照明裝置的其中一個要求，當它由雙目會聚、運動視差和調節等視覺深度感知線索的協同作用相干支持時，可實現上述無限深度感知，即上面提到的這些視覺線索之間不存在沖突。空間透視對于天空和太陽圖像的無限深度感知也起到了進一步的作用。
本發明人還注意到，視覺感知沖突(visualperceptionconflicts)的出現可能主要有兩個原因：
基于單一的視覺感知線索的兩個或更多個不同深度平面之間的不明確，這稱為線索內沖突(intra-conflict)；
從不同的視覺感知線索獲得的信息之間的沖突，這稱為線索間沖突(inter-conflict)。
避免視覺深度感知線索之間的線索內沖突和線索間沖突是產生太陽和天空的無限深度的自然感知的根本。而且通過避免線索之間一致性的缺失，可以防止眼睛疲勞和不適，同時能夠增加觀看的舒適度。
例如，參考前面提到的圖26所示的人工照明裝置。特別是，當直接觀察光源902時，觀察者會同時察覺到兩個相互矛盾的圖像。由于瑞利面板的固有透明性，第一圖像是led陣列的實像，該有限距離通過調節、雙目會聚到led陣列的平面以及運動視差獲得支撐。第二個圖像是由藍色背景環繞的光斑的虛像，其被感覺在無窮遠處。該第二圖像由以下事實給出，只要每個led910照射的圓形對稱光錐的發散度和取向與其他所有的led相同的，由每只眼睛看到的該組led910在觀察者的眼睛視網膜形成一個圓形光斑。換句話說，這些led910在具有固定方向和固定角光孔的光錐下被看到，該固定方向由led的校準方向給出，對于圖26的情況，該方向垂直于面板906，而固定角光孔則與led發散錐角一致。值得注意的是，觀察者的每一個眼睛在給定方向和錐角下看到其各自的照亮的led910組。這些光斑是由雙目會聚在無窮遠處而被感知，這是正常視覺要求的在視網膜產生這種圓斑的相同的同圓心圖像的設置。此光斑的大小取決于每個led元件910發出的光的發散角。
由于光源902不包含用于防止第一圖像平面(即led910陣列的實像平面)被直接觀察光源902的觀察者看到的任何機構，在不同平面上感知的上述兩個圖像之間會出現視覺感知沖突。這個沖突，例如可以解釋為通過雙目會聚索確定的線內沖突，其阻礙了觀察者感知自然天空和太陽的外觀。值得注意的是，這樣的感知沖突使圖26的裝置不適于解決本發明的技術問題。換言之，該沖突的出現是因為觀察者不僅從圓形光斑而且從整個led陣列看到了暖的直射光分量。事實上，即使led的大部分光是在其發散錐體內照射，該發散錐體外部仍然存在不可忽略的部分(例如，由于在圓頂led器件910內產生的散射，并且由于圓頂透鏡并不是成像光學元件)，這使得幾乎從任何觀察角度，點亮的led都清楚地顯示為發光物體。
由led以大角度(即在led發散錐體外)所產生的背景光是非常不均勻的，并且遵循led的間距周期性。本發明人認為這種不均勻性是導致位于有限距離的led陣列的第一圖像勝過位于無限遠處的光斑的第二圖像的主要原因，即使在led以大角度產生的平均亮度遠低于該光斑，以及，即使它相對于漫射光發生器的均勻亮度要弱。事實上，人的眼睛對于亮度空間梯度非常敏感，尤其是亮度的空間周期性調制(luminancespatialperiodicmodulations)。
此外，對于圖25的實施例，由led以大角度所產生的背景光對于漫射光的光色品質相當有害，從這個意義上說，所得到的顏色與晴朗天空的光照顏色顯著不同。
由于觀察者能夠清楚看到面板后方的整個led陣列，這不可避免地破壞了背景的均勻性和顏色，因為led光源對背景的貢獻輕易地勝過瑞利面板本身的貢獻。
因而，圖26的裝置既不能再現自然天空和太陽景色顏色也不能再現其實際的無限深度感知。
此外，商用的圓頂led能實現的最小發散度通常是在幾十度左右，也就是比實際太陽光束的發散度0.5°大得多的一個數字。此限制使得光源902的半影角遠大于天然的半影角。因此，除了那些具有巨大尺寸的物體外，物體根本無法形成陰影，而所述大尺寸物體的陰影的清晰度也是非常弱。通過使用較大的準直器，例如市售tir(totalinternalreflection，全內反射)透鏡或cpc(compoundparabolicconcentrator，復合拋物面聚光器)反射器，可以將led光束發散度降低至6°～7°這樣的值。然而，這種方式無助于支持無限深度感知，這些大型準直器導致了很粗糙的像素紋理，這比標準的led圓頂更容易被眼睛發現。
實際上，圖26所示的光源902對自然天空和太陽的視覺外觀不利的進一步的問題在于光斑的可感知像素紋理，即可觀察到這種光斑的角度。實際上，高準直的led使得透鏡(以及間距)的大小通常比標準圓頂大得多，即約1厘米或以上，這將使得光斑由極少的像素來形成，由于觀察到該光斑的小錐角和透鏡尺寸的增加，led/透鏡的對組的數量隨led發散度減少而減少。在此情況下，對應于無限深度平面的虛像分割成兩個基本上不同的像素化圖像，這使得led陣列平面的感知勝過無限深度圖像。從而這樣的情況防止觀察者自發地感知太陽圖像的無限深度。
此外，應當考慮環境光(即來自于由照明裝置或一些其他光源照亮的環境的光，其穿越瑞利散射面板906到上游/反方向再次照亮led910陣列)的影響，以及被瑞利面板906反射或漫射回led陣列的光的影響。這種通常來自于所有方向(即漫射性的)的光產生了不希望出現的作用，這進一步增加了led陣列的可見性。換句話說，圖26的裝置即使當它被關掉時也不變黑，當此發生時，從周圍環境反饋的光不發揮作用。
總之，圖26的裝置未能解決本發明的基本技術問題，當觀察者直接觀看該裝置本身時，它不能產生實際天空和太陽的視覺外觀，這是因為它會引發同時存在的視覺平面之間的視覺感知線索沖突，這些視覺平面例如為led910陣列的實像平面和對應于太陽的光斑的虛像平面。此外，它也未能正確表示對應于太陽的圖像，這是由于該光斑是在大錐角下被觀察，并且可以清晰地看到這種虛像的像素紋理。
參考圖27所示的已提到過的實施例，發生視覺線索沖突的又一個例子，這種阻礙了該裝置產生無限深度視覺體驗。在這方面值得一提的是，為了使發光效率最大化，該實施例通過使用單個光學元件(而不是兩個)來同時執行準直和瑞利散射而使直射光和散射光盡可能以前進方向引導。為了增加出光量，提供了抗反射涂層和反射腔，以將反向散射光重新引導至向前的方向。值得注意的是，圖27的裝置沒有設置成產生具有最小發散度的暖(例如低cct)的直射光，這需要將暖光源984設置在透鏡980的焦距位置。與此相反，如圖27所示，光源984位于更靠近透鏡的位置，以使透鏡收集的光量最大化，而不是產生的平行光線。
由于光源984距離透鏡較近，從透鏡的外周部分出射的暖光比中心部分弱得多，由于從熒光劑至透鏡之間較遠的光線路徑和較大的傾斜角(每根光線對亮度貢獻正比于所述路徑長度乘以入射角的余弦的平方的倒數)。在實踐中，假設在透鏡的外部部分具有60°的平均入射角，所述差異可能導致整個透鏡的暖光亮度變化的一個系數8，其引起瑞利散射器光度的強烈空間調制。由于漫射器厚度的減小，當亮度(來自光源984)變低時，不均勻性進一步增加。
因此，圖27的裝置仍然存在幾個問題，包括但不限于視覺線索沖突，這阻礙了觀察者獲得人工照明的自然感覺。事實上，暖光源984和透鏡之間的短距離使光源的虛像顯現在有限的距離，這與太陽的自然圖像的情況不同。此外，該(透鏡)瑞利散射的不均勻亮度導致不均勻的天空亮度分布曲線圖，這使得視覺線索觸發在裝置平面形成發光透鏡的真實圖像，確定所述實像平面和虛像平面之間的線索沖突。另外，光源和透鏡之間同樣的近距離導致圖27的裝置投下的陰影具有典型的徑向對稱向外指向的特點，這與實際太陽的情況不同。最后，反射箱986朝向觀察者發射幾種光線，即直接來自光源984的光、從透鏡與空氣間的兩個界面反射的光、從納米漫射器反向散射的光以及從透鏡下游的被照明場景向上游方向穿過透鏡的光。其結果是，通過在透鏡圖像平面和光源圖像平面之間的中間位置創建一個瑞利散射器之外的不均勻的發光背景，反射器箱進一步阻礙了任何可能的大深度的視覺感受。值得注意的是，由于從光源984和從環境的光對于反射背景的貢獻，其顏色與瑞利散射光的顏色不同，反射箱986使漫射光的顏色不同于從天空光的實際顏色，從而破壞了天空的自然外觀和阻礙了空間透視在深化深度感知方面可能產生的積極影響。總之，圖27的裝置未能解決本發明的技術問題，它既不能滿足當觀察者直接觀看裝置本身時獲得實際天空和太陽的視覺外觀的要求，也不能滿足像天空和太陽那樣照亮周圍環境的要求。
為了進一步說明對于相同光源的陣列的情況下，在無限遠處形成光斑虛像的機理，本發明的發明人對圖26所示的結構進行抽象化，如圖1所示。即，漫射光發生器10位于直射光源12的下游側，直射光源12由第一發光裝置14的二維陣列以及與每個第一發光裝置14相關聯的準直透鏡16組成，準直透鏡16用于使相應的第一發光裝置14輸出的光準直。漫射光發生器10可以是瑞利類漫射器，或者可以采用如將在下面更詳細概述的，可替代地或另外包括一個對于直射光源12所產生的準直光至少部分透明的漫射光源。圖1還示出了望向人工照明裝置的觀察者的眼睛18l和18r，整體用標號20表示。由于雙目視覺(binocularvision)的原因，眼睛18l和18r自然會調整至無窮遠，觀察者會自然地嘗試在相應視網膜22的相同位置形成兩個太陽圖像。由于漫射光發生器10被放置在靠近準直器16的平面，眼睛18l和18r會看到藍色天空環境中的一個圓形的太陽。值得注意的是，當在房間內行走時，眼睛會看到太陽橫過面板，就像現實當中所發生的情形。如果光源角譜不是平頂形而是鐘罩形，太陽圖像不會清晰，而是模糊。值得注意的是，圖1只涉及無限遠處的光斑虛像的形成，而沒有考慮其通過雙眼調節和會聚在led陣列平面形成的而led陣列的實像，以及阻礙圖26的裝置確保天空和太陽自然外觀的因素。
圖1的概念或實施例將通過下文所述的更詳細的實施例得到擴充。正如從下文的描述中會變得清楚，根據圖1和相應的下文中附屬的實施例，人工照明裝置能夠產生與源自太陽和天空相近似的自然光，包括直射光源12,直射光源12依次包括第一發射面并且配置成從原初光產生直射光，直射光從第一發射面出射，形成低分散的直射光方向，直射光源12包括多個由第一發光裝置和準直器組成的對組，第一發光裝置安裝在第一發射面的下游并配置成出射原初光，并且裝配準直器，以準直化由第一發光裝置沿直射光方向出射的原初光；漫射光發生器10配置成在第二發射面34上引起漫射光242。下文同樣會描述到，第一發射面和第二發射面的其中的一個安裝在相對于另一個的下游并形成人工照明裝置的外發射面，或者第一發射面和第二發射面同時形成人工照明裝置的外發射面。直射光源12和漫射光發生器10協同工作，在外發射面形成外部光，外發射面包括第一光分量241和第二光分量243，第一光分量241的傳播沿著直射光方向而具有低分散錐體，第二光分量243傳播沿著低分散錐體的外部的方向，其中，第一光分量的相關色溫低于第二光分量的相關色溫，以使觀察者朝向第一發射面觀察時，能夠看見被藍色背景圍繞的光斑，藍色背景模擬為天空，光斑對應于太陽且具有較低的相關色溫，當觀察者相對于第一發射面移動時，就好像光斑是源自于無窮遠處的物體一樣。
圖2a示出了根據本發明的一種實施例的優選特點，并舉例說明了本發明的實施例如何能夠如太陽和天空透過窗戶般照亮周圍環境，并且同時保證了照明裝置的視覺外觀，其保證了通過窗口觀察到的自然天空和太陽的幾乎無限深度感知。
換句話說，圖2a示出了用于產生類似太陽和天空自然光的人工照明裝置20，即具有類似于太陽和天空光的亮度分布曲線圖和外觀及其優選特點。
圖2a的人工照明裝置包括直射光源。為了便于理解，圖2僅僅示出了直射光源的第一發射面28。然而，從圖1和以下附圖可以清楚了解，直射光源包括第一發光裝置，該第一發光裝置配置成發射原初光(primarylight)并位于第一發射面的上游。直射光源12配置為從所述原初光產生直射光236，該直射光236從第一發射面28出射，其亮度分布曲線圖
此外，圖2a的人工照明裝置還包括一個位于第一發射面28下游的漫射光發生器10。漫射光發生器10包括第二發射面34和與該第二發射面朝向相反的輸入表面33，并且配置為相對于入射到輸入面33的光至少是部分透明的。此外，漫射光發生器10配置為從第二發射面34發出漫射光35，其中，所述漫射光35是從第二發射面34出射的外部光的分量，漫射光35在幾乎所有的前進方向上散射，并且呈現為一致的或至少弱依賴于空間坐標x，y。例如，漫射光發生器10配置為所發出的漫射光的立體角至少是窄峰30對著的立體角的4倍，優選為9倍，更優選為16倍。
另外，圖2a的裝置構造成使直射光源12所產生的直射光236的cct比漫射光35的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)。由于所述漫射光發生器10是至少部分透光的，至少一部分直射光236的傳播至第二發射面34的下游，因此，外部光包括沿著窄峰30所包含的方向(例如，沿著窄峰30所對著的至少90％的方向，即，極坐標角
圖2b表明，第一發射面28和第二發射面34的位置可以相對于圖2a的實施例進行互換。換言之，在圖2a的實施例中，第二發射面34形成裝置20的外表面37，而在圖2b的實施例中，第一發射面28形成裝置20的外表面37。
具體來說，圖2b表明，人工照明裝置可以包括一個直射光源(未示出)，該直射光源包括構造成發射原初光(未示出)的第一發光裝置14(未示出)和位于直射光源下游的第一發射面28，其中直射光源12配置為從所述原初光產生直射光236，該直射光236從第一發射面28出射，其亮度分布曲線圖
可以采用進一步的實施方案，相對于圖2b的實施例，第一發射面28可以與第二發射面34重合。換言之，本實施例包括一個具備漫射光發生器10和第一發射面28兩者功能的二向色性光學元件，例如產生的漫射光分量的cct比原初光14的cct要高，和準直的互補光分量的cct比原初光14的cct要低(例如前者至少低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好)，如圖27所示的透鏡980。在這種情況下，產生一致(例如，關于空間依賴性)的和沿直射光方向32具有窄峰30(關于角度依賴性)的亮度分布曲線圖
將原初光轉換為直射光的過程(例如，準直的過程)還可以是由位于第一發射面28上游的一些光學元件來執行的，且其中位于第一發射面28上游的漫射光發生器10，即不是被原初光直接照射也不是被直射光直接照射，而是由原初光演變而來并在第一發射面28成為直射光的中間光照射，在本實施例中，在漫射光發生器從照明裝置上物理移除后，必須對
因此，根據圖2a和2b所制成的人工照明裝置可以描述成包括：
直射光源12；和
漫射光發生器10，
其中所述直射光源12包括配置為發射原初光的第一發光裝置14，以及位于該第一發光裝置下游的的第一發射面28，
其中所述漫射光發生器10至少部分地透光，并位于第一發光裝置的下游，該漫射光發生器10包括第二發射面34并配置為在第二發射面34上產生漫射光35，
其中所述直射光源12配置成，當其位于第一發射面28的上游側時，將漫射光發生器10移除，使得直射光源12從原初光產生直射光236，該直射光236從第一發射面28出射，其在第一發射面28上的亮度分布曲線圖是一致的，并且圍繞直射光方向32具有窄峰30，
其中第一發射面28和第二發射面34當中的一個位于另一個的下游，并形成人工照明裝置的外發射面，或者所述第一發射面28和第二發射面34重合以形成人工照明裝置的外發射面，
其中，人工照明裝置配置為使得所述直射光源12和漫射光發生器10協同工作以在其外發射表面形成外部光，該外部光包括沿著窄峰30所包含的方向(例如，沿著窄峰30所對著的至少90％的方向)傳播的第一光分量和沿著與窄峰30間隔開的方向(例如，該方向跨越以方向32為軸線的錐體外的角度區域的至少30％，優選50％，最優選90％，且半孔(half-aperture)為窄峰的hwhm極角的3倍)傳播的第二光分量，
其中，第一光分量的cct比第二光分量的cct要低，例如前者低至后者的1/1.2，低至1/1.3更好，低至1/1.4最好。
因此，圖2a和2b示出了以亮度分布曲線圖
我們注意到，
實際上，沿空間坐標一致分布并產生尖銳角峰的亮度分布曲線圖的存在，類似于圖1所示的設置方式，由雙目會聚于無窮遠處所支撐的虛像。這樣的一致性克服了圖26的實施例的明顯局限性，因為led陣列的實像是由非空間均勻亮度(例如歸因于led元件間距)所確定。
應該注意的是，空間上一致的
此外，由于已經提到的事實，即觀察者的視覺注意力優先被最高亮度、最高對比度和最高空間頻率(低于分辨率極限)發生的平面吸引，在圖2的實施方式的情況下，眼睛調節被優先地帶到一個無限遠平面，這是最高亮度、最高對比度和最高空間頻率發生的虛擬平面，這是因為亮度
此外，以上所描述的的亮度分布曲線圖的特性不依賴于觀察者的數量以及他們相對于光源的相對位置，而在于每個觀察者體驗到由視覺感知線索相干支持的相同的無限深度感知。
因此，從直射光源12的第一發射面28出射的光的亮度分布曲線圖
應該注意的是，
同時也指出，暗背景相對于明亮的能進一步增強占主導的無限深度感知，因為這些非均勻結構關于主要的窄角峰的平均亮度值越低，背景亮度分布曲線圖當中可能的非均勻性的可見性越低。換言之，對于相對于該背景平均值的相同的相對波動幅度，在暗背景中的非均勻性比強背景中的非均勻性確定了弱得多的視覺感知線索沖突，其中“暗”和“強”是相對于窄角峰30的亮度而言的
同時也注意到，對于圖26的情況，
沿直射光方向32的窄角峰30確保了具有清晰半影的平行陰影。漫射光發生器10一方面通過提供具有較高cct的漫射光分量以形成淡藍色的陰影，正如進入實際窗口的自然光一樣，從而保證了圖2所示的環境如自然天空和太陽般照射。在另一方面，所述漫射光發生器10裝置本身在直接觀察時視覺外觀產生影響。事實上，該漫射光發生器10產生圍繞由直射光源的光照所確定的低cct光斑的漫射光照藍色背景。由于空間視覺線索與上述單獨由直射光源支持的其他視覺線索之間的協同作用，此發光背景進一步支持無限深度感知，而不是像白色或灰色發光背景那樣會破壞無限深度感知。
對于所述的協同工作，即當觀察者觀看漫射光發生器10時感知的深度，而在可見區域的一側還具有代表太陽的光斑，發明人注意到三個共同出現的效應起到了重要的作用，三個共同效應是：在ldirect角度分布曲線圖中的窄峰，源于第二發射面34的空間的一致性和平滑的漫射光發射的角度依賴性，以及較高漫射光cct的值(相對于直射光cct)。實際上，單獨的空間的一致性或平滑的漫射光的角度依賴性，會使漫射光的光源的感知距離變得不確定，即觀察者在評估他/她和第二發射面34之間的距離時將會很困難，除非是框架或者相似的部分中一致性消失。在這種情況下，任何吸引觀察者的注意力至漫射光發生器物理平面的小細節的存在(例如在漫射器表面上劃痕的存在)，將使得優先的深度感知聚焦至第二發射面34。與此相反，在ldirect角度分布曲線圖中的窄峰會迫使眼睛聚焦在無窮遠處。其結果是，從平面上感知的漫射光產生的地方，同樣被拖拽至無窮遠處。會發生這種情況，因為當觀察者觀看一致的背景時，距離本身并沒有被定義，會聚(convergence)、調節和運動視差的可見感知，意味著在場景中通過單個定義的結構而保持恒定，在這種情況中通過ldirect中的窄角峰30表示。在圖2的示例中發現，當漫射光具有的顏色和亮度(相對于環境)與天空相似時，這種效應會顯著增強，這正如在瑞利散射體系中漫射器工作時出現的情況。實際上，在這種情況中，觀察者的習慣是強迫性地把天空作為遠距離物體進行感知，從心理學的角度來看，為無限的深度感知。從其它方面看，空間透視(aerialperspective)進一步有助于把背景拖拽至無窮遠處。最后，應該注意到，對于在圖26中的裝置，沒有被觀察到所提到的把藍色背景拖拽至無限遠距離，因為在那種情況下，可感知的像素(pixelation)把漫射光的發射的平面拖拽至了led陣列的平面上。
在下面概述的具體實施方案中，人工照明裝置20可以構造以使其“緊湊”，并在下文進行定義：假設包含直射光源12的最小體積q，t代表q在平行于方向32的直線上的(圓柱形)投影的長度，u表示在第一發射面28上的任意兩點之間的最大距離，直射光源(12)配置為使得ldirect角分布的窄峰30的寬度遠小于arctan(u/2/t)，例如為
如圖3a和3b所示，本發明實施例的照明裝置也可以是緊湊的。直射光源12可被一個長方體內收容，該長方體的接地面12a的面積等于或大于第一發射面的面積，該長方體的高度12b小于第一發射面28的的最大寬度。接地面12a可以包含第一發射面28或者放置為與第一發射面28平行，使得第一發射面28完全位于該長方體內。只是為了舉例說明，第一發射面28的面積可以大于10厘米×10厘米。接地面12a的面積可以小于第一發射面28面積的1.1倍。上述最大寬度可以被定義為第一發射面28任何兩個點之間的最小距離。
在下面進一步概述的實施例的情況下，該漫射光發生器10不占據太多的空間。例如，如圖3a所示，漫射光發生器10可布置在一個長方體內，該長方體的接地面10a與第一發射面28位于同一平面，該長方體沿下游方向36延伸高度10b。接地面10a的面積可以等于或小于接地面12a的面積，該長方體的高度10b可以小于或等于高度12b。與接地面10a相對的頂面10c可以包括第二發射面34，或后者可以包含在漫射光發生器10的長方體內。優選的，第二發射面34的面積近似等于第一發射面28的面積，例如，第一發射面28的面積±10％。如前所述，漫射光發生器10和直射光源12的長方體的接地面可以超過面34和面28的面積，高度10b可以小于第一發射面28的上述最大寬度的10％，或者小于10厘米而不考慮第一發射面28的最大寬度。下游方向36可定義為指向方向32，其中直射光源12產生的直射光從第一發射面28沿方向32發射。如上所述，該方向32可平行于第一發射面28的法線。圖3b對應于圖2b的面28與面34之間的相應結構。漫射光發生器10的長方體可以完全包含在直射光源的長方體內。
由于直射光源產生直射光的能力，使得從所述第一發射面28出射的直射光具有在整個第一發射面28上一致的亮度分布曲線圖ldirect，并且繞直射光方向32具有窄峰30，它遵循：1)在整個第一發射面28上的直射光方向32大致恒定2)發散度小，和3)在整個第一發射面28上的發散度基本恒定。至于需要到達何種程度的“小”和“基本”，下文將更詳細地說明。參考圖4，在任何情況下，由于直射光源12所產生的直射光遵循這些約束條件，當觀察者38分別觀看直射光源及其第一發射面28時，在一個狹窄的視錐角42內看到一個光斑40，對于雙目會聚、調節和運動視差深度線索而言，該光斑會被認為在無限遠處。換言之，當望向第一發射面28時，觀察者38看到一個光斑40，當觀察者相對于該第一發射面移動時，光斑40也相對于上述第一發射面28移動，猶如該光斑40源自于位于無窮遠處的物體。
為了界定上述對于由直射光源12在第一發射面28產生的光的亮度分布曲線圖的一致性和峰值銳度的約束條件，人們可以區分內部直射光分量和周圍相對發散的分量，內部直射光分量有助于窄峰的形成，周圍相對發散的分量有助于剩余背景的形成。并且，基于雙目會聚和運動視差深度線索，人們可以區分在整個第一發射面28較小區域和較大區域之間亮度分布曲線圖的可能變化。上述約束條件如下文所定義。
具體地說，直射光源12發射的光具有一致的強度，以單一的、給定的方向32透過第一發射面28，相對于發射面的法線z，方向32具有非常低的、優選為圓形對稱的分散錐體，并且在分散錐體外具有低背景，其中，分散性和背景透過平面內后還是一致的。在這一方面，
偏離方向32，即極角
接近方向32時，即極角
其中
在公式中，這表示：
和
其中，a表示第一發射面28的面積，
k＝0.1,優選k＝0.01,更優選k＝0.001,
h＝0.5,優選h＝0.2,更優選h＝0.1
且適用以下的定義：
把更多注意力放在偏離方向32殘留的(residual)直射光背景的一致性，對ldirect的要求是在極角
當考慮到一致性的直射光靠近方向32時，在(局部)極角中不會出現對ldirect的空間波動的要求，極角會導致(局部)最大化亮度，最大化亮度的標準偏差比在5cm直徑的空間區域內的
用公式來描述，剛才提到的約束條件可以表達為
對于(x,y)∈a10mm(x,y),
其中j＝0.3,優選j＝0.1
對于(x,y)∈a90％,
其中g＝0.4,優選g＝0.3,更優選g＝0.2.
其中所有的(x,y)∈a90％,
其中
總之，通過上述約束條件可以保證，對于從直射光方向32充分地間隔開的極角，ldirect相當微弱且一致，而對接近引導光方向32的極角，ldirect是弱依賴于方位角坐標，并且在相同的方向具有峰值，即
在某個實施例中，直射光源配置為保證黑暗和一致的背景，在十分明亮的環境中工作的時候也應如此，即光源應該配置為使得環境中光的反射或背散射不會達到一定強度，鑒于背景亮度的等級和一致性，這種強度可能破壞第一發射面28的表面。實際使用時，第一發射面28不僅能出射光，還可以接收例如來自于漫射光發生器10(如果安裝在其下游)和/或環境中的光。舉例來說，人工照明裝置20的理想情況是照亮一間完全白色的房間，由直射光源產生的整個光通量將會返回至直射光源自身。
當直射光源12關閉時，前面的要求轉化為另一種要求，第一發射面28在漫射外部照射下具有黑暗和一致的表面。特別地，本實施例的直射光源12配置為使得第一發射面28具有的總體反射(平均)因子ηr≤0.4，優選地ηr≤0.2,更優選地ηr≤0.1,再更優選地ηr≤0.04，其中總體反射因子ηr被定義為第一光通量與第二光通量的比率，第一光通量是指以樣品的平面為界的半球中在所有角度上的反射，第二光通量是指在相同的幾何和光譜條件下測量時由完全(perfect)反射器反射的磁通量，即在d65標準發光體的漫射亮度下，d65能夠向樣品提供一致的亮度。
在進一步的實施例中,因為反射光通常是直射光的上界,要同時顧及絕對亮度值和其波動，對于偏離方向32的第一發射面28的黑暗和一致表面的要求甚至更加嚴格.更準確地說,考慮到背景光同樣是作為被動光學元件,實施例要保證第一發射面28維持相同的特征,即當其在十分光亮的環境中工作時對于其反射和漫射的光。換句話說，同樣在強光環境存在時，直射光源12保證了在發射錐體30外部觀察的任意極角為黑暗和一致表面。
這種要求可以轉化(translatedin)描述為直射光源12應該配置為使得當漫射光發生器10從人工照明裝置移除并關閉直射光源12以及第一發射面28通過外部漫射光照射時,其中外部漫射光以恒定的亮度傳送至第一發射面28,這里的亮度與通過直射光源12在其打開時其自身傳送至第一發射面的亮度的平均值相等,外部漫射光通過第一發射面反射或背散射,在第一發射面28產生反射亮度分布曲線圖lr,其弱于第一發射面28的至少(atlast)90％中的任意位置和任意角度的ldirect,其中lr表示在任意10mm直徑的圓形區域中振幅標準差,lr低于在第一發射面28的至少90％中相應的標準偏差ldirect.
在公式中，關于lr的“弱”和“一致性”上述約束條件，表示為：
其中所有x,y∈a90％,所有
其中(x,y)∈a10mm(x,y)所有
其中所有(x,y)∈a90％
a90％表示的部分占據第一發射面28的整個區域的90％,這個部分可以直接相連或者不相連,a10mm表示在a中(x；y)任意10mm直徑的圓形區域,
而在一個不同的實施例中,由直射光源12在第一發射面28產生的光在方向上的空間波動以及窄峰30的寬度的約束是以不同的方式制定(formulated)的,也就是亮度分布曲線圖ldirect表現出的最大值的局部方向的分布的范圍，覆蓋了第一發射面28,其低于2°,并且覆蓋所有方位角度的平均化的ldirect的局部平均極角分布曲線圖的hwhm的第一發射面28的平均值低于5°.用公式的形式來表示,這意味著:
其中
其中
自然地,亮度分布曲線圖的最大值的方向的分布應該不同于徑向對稱的矢量場(radiallysymmetricvectorfield),以使在直射光中被物體投射的陰影不會與沿著聚集的方向相平行,這正如在圖25,圖27和圖28中裝置的情況。更準確地說，直射光源配置為使得由直射光源照射多個細長的物體，且多個細長物體圍繞著方向32，且多個細長物體彼此間平行，多個細長物體被投影至任意的平面上的多個陰影不應是沒有徑向對稱地指向外部的行為的特征，這種特征是由局部光源在無窮遠處的亮度的典型特征。總結來說，在窄峰30的方向上的空間波動,其可能在前面的約束中出現，這可能是無規律的或者隨機的。
以前面所描述的任意方式，通過把直射光源12和漫射光發生器10結合起來,人工照明裝置20提供了一種明亮的優選為藍色的背景，藍色背景模擬了天空并且源于(stemsfrom)漫射光發生器10,由于通過直射光源12所引起的光會導致具有低cct的光斑40。當在第一發射面28的前方移動時，這個光斑40會透過(across)它，這正如太陽光透過真實的的玻璃一樣。
顯然，一旦觀察者38用兩只眼睛看到直射光源12的直射光時,觀察者38將會在無限的距離處感知到光斑40。實際上,為了感知到如圖1中描述的兩個視網膜上相同定位處的光斑，亮度分布曲線圖ldirect所概述的特征會迫使眼睛平行。這種條件保證裝置20提供巨大的深度感知。這些條件將會得到理想地保證,如果ldirect不依賴于x,y和
在有限的距離內，直射光源的真實影像的可見性轉化為給定的亮度分布曲線圖ldirect，因此，為了避免破壞深度效應，ldirect應該受到一些限制。換句話說，如果滿足了前面列出的一些對ldirect理想的約束條件，直射光源12是不可見的，而唯一可見的物體為光斑40。為了說明可被接受的偏差，應該認為觀察者38容易感知到在物體亮度上非常微小的空間變化以及顏色分布，且提供的角度頻率不大于眼睛分辨率產生的極限值，即0.07°。舉例來說，這意味著假定觀察者38從裝置20的1米遠處的最小距離可接受的直射光源12的空間變化是出現小于大約1mm范圍的變化。大范圍亮度變化的發生可以通過觀察者的眼睛輕易捕捉到(spotted)，至少如果
我們注意到，背景亮度為最大亮度的10％是一個非常高的數字，然而這在某些條件下也是可以接受的，例如旨在再現日出或日落時的天空和太陽光照時，即當太陽的亮度相對于天空的亮度不像白天那么高時。
在任何前面概括的約束中，應該清楚的是這些約束是不滿足在圖25中表示的設定的，由于直射光源902必須安裝地離面板906非常遙遠，以保證ldirect的空間一致性，并避免陰影被定義為徑向對稱地指向外部的行為(featuredbyradiallysymmetricoutwardlypointingbehavior)。另外，圖26的設定條件表示一列具有圓頂集中器(concentrators)的leds，其不滿足這些約束，既是因為亮度的hwhm比正常的振幅大一個量綱，也因為產生的亮度表現出強烈的角度的空間波動，波動大于hwhm錐體發射角度，這是由于led的排列的間距(pitch)并大于1mm的范圍。值得注意的是，即使圖26的leds設定條件得到匹配，可能仍然不會得到期望的特殊條件，例如，tir光學聚光器，或者更普遍地，在任何非成像光學領域中使用的標準聚光器，例如復合拋物面聚光器(cpcs)裝置。實際上，這些光學元件應該具有的橫向尺寸是非常大的，以確保期望的低發射性，也就是說，如果考慮到現有的一般照明led芯片為1mm，而耦合這些led至光學器件上需要幾個厘米長。這意味著，在至少接近第一發射面時，即觀察者在距離第一發射面1m處時，舉例來說，觀察者的眼睛將在每一個單獨的光學器件中看見光斑40，即點的尺寸小于光學器件尺寸，例如，對于1°的分散性，點在1m遠處大約為2cm。觀察者從其短距離處(見上文)觀看這樣的低分散的非影像光學器件時，不能夠感知到任何圓形點的真實影像，并且還不能體驗到任何無限的聚集深度。因為由這種非影像光學器件產生的亮度既不是真實一致的(即平移時不變化)也不是相對于方位角度不變化。其結果是，即使發射光源例如led配置的光學器件是圓形且不相同，兩只眼睛將捕捉到兩個通常不是圓形的影像。相對于迫使兩只眼睛定位在平行的方向上，兩只眼睛感知到不同影像的現象是非常有害的。在這種環境下，相反地，如果兩個物體相同，兩只眼睛會更加容易聚集至實際看到的物體(isreallyseenasequalbyboth)，即直射光源物體在有限的距離上。這不僅破壞太陽圓形輪廓，還破壞無限深度感知。
剛才提到的想法表明，如果led能滿足以下的約束條件，直射光源12進一步的實施方式甚至可以理解為與圖26所示的結構一致：
(i)每個led(包括圓頂透鏡)在垂直于發射方向的方向上的尺寸必須大幅減小，也就是說，它應該減少至3毫米，減少至1毫米更好，減少至0.5毫米最好。在開啟和關閉模式下都將遵循一致性約束條件。
(ii)該led發射器的大小(即熒光劑或染色劑的大小，也就是其線性尺寸，對于目前可用的普通照明led而言，該線性尺寸最小通常為約1mm)和圓頂透鏡焦距之間的比值應為約1/10至1/50，以保證1°至5°范圍內的發散度。假設1°的發散度和1毫米的焦距以及與之相當的圓頂直徑，為確保最大的出光量，人們會將led發射器的尺寸選擇為20微米以下。
(iii)另外，每個led發射器及其相關聯的圓頂應嵌入到微型暗箱中。此暗箱應由吸收體所覆蓋，除了返回到led發射器的環境光，該吸收體基本上吸收所有穿過圓頂透鏡的環境光。在這種情況下，當由外部光照射時，led基體會呈現為暗的。此外，應當避免來自于led周邊(例如led基板)的散射光與透鏡圓頂耦合。
(ⅳ)所述led圓頂透鏡可以具有抗反射涂層，以將返回到周圍環境的環境光減到最少。
綜上所述，直射光源12可以理解為，其包括特殊結構的發光二極管的二維陣列，下面結合圖5對其結構進行詳細描述。具體來說，每個發光二極管44包括一個光發射器46和一個準直器，光發射器46可以是發光二極管，其包括熒光劑和/或染色劑等，準直器可以是圓頂透鏡48，其中該圓頂與光發射器46的距離49基本上等于該圓頂的焦距。優選地，為了方便實現獨立于方位角坐標的亮度分布，光發射器46在一個垂直于方向32的平面上具有圓形的橫截面。除了位于上游側的窗口52(光發射器46通過該窗口發射光)以及形成光準直透鏡表面54的下游端之外，圓頂透鏡48的所有內表面都覆蓋了光吸收劑，以便形成微型暗盒56。如上所述，表面54可以具有抗反射涂層，光發射器46的發光區域的橫向尺寸或寬度58應足夠小，使得寬度58與長度49之間的比率小于1/10，優選小于1/20，最優選小于1/50。此外，間距50應小于3毫米，優選為小于1毫米，最優選為小于0.5毫米。如前所述，發光二極管44可以緊密包裝為例如六角形的方式。發光二極管44的陣列所覆蓋的區域面積與第一發射面28一樣寬。
應該指出的是，前面的直射光源的亮度分布曲線圖的特征本質上是與直射光源12匹配的，而漫射光發生器10配置為使得觀察者在朝向第一發射面(以及外發射面)觀看時，當觀察者38(結合圖4)相對于第一發射面移動時，光斑會相對于第一發射面28移動，就好像光斑40是源自于無窮遠處的物體一樣。第一光分量241具有的相關色溫(cct)低于第二光分量243的cct。當觀察者相對于第一發射面移動時，注意到點/太陽相對于第一發射面移動，就好像光斑源自于無窮遠處的物體一樣，還意味著第一發射面的“寬度”w(“width”w)定義為“窗戶”，觀察者38通過“窗戶”來觀看，"寬度"是大于點/太陽40的，例如觀察者眼睛的目標距離d從第一發射面開始至0.5m(即在0-0.5m的范圍內)，優選地至1m，更優選地至3m。
后者的距離是(stemfor)本發明實施例的人工照明裝置典型的應用情況。實際上，如果安裝在天花板上，考慮到：(i)典型的天花板高度在2.4-3.5米的范圍內，(ii)典型的人的高度在1.2(考慮到兒童)至1.9m，以及(iii)直射光方向32相對于水平方向可接受的角度在45°-90°的范圍內(為了避免當光源低于水平線(horizon)時出現眩光)，觀察者觀看由第一光分量241(“太陽光束”)形成的光束時，會出現眼睛距第一發射面的典型距離在0.5m(低天花板，垂直光，高的觀察者)至3m(高天花板，45°的光，兒童觀察者)的范圍內。在類似窗戶、墻壁類型的例子中，可能應用到更近的距離(直到相接觸)，而更大的場景實質上是不存在的(whilstlargerfiguresarevirtuallyprevented)，第一發射面相對于地板的高度對于墻壁來說實質上是低于天花板的。
換句話說，不依賴于具體的應用，存在典型的最大距離，在最大距離內觀察者站在“太陽光束”(即由第一發射元件241形成的光束)中可以觀察到該裝置。第一發射面的條件大于感知到的點/太陽的寬度，寬度是指裝置-觀察者的距離增大至所述的典型的最大距離而實現感知。需要注意的是，由于觀察者是在給定的視野角度下感知到的點/太陽，感知到的點/太陽的相對尺寸相對于第一發射面的尺寸隨著觀察者從發射面的距離的增加而自然增加，透過窗戶看到真的太陽的情況也會發生這種現象。然而，由于前面提及的原因，所述距離不是典型地任意增加。
此外，當觀察者相對于第一發射面移動時，點/太陽相對于第一發射面移動，就好像是光斑是源自于無窮遠處的物體一樣,還意味著當觀察者從某個方向觀看人工照明裝置時，使得點/太陽已經“離開”第一發射面,僅僅看到“天空”，即漫射光是可見的。再換句話說，當比較每個角度方向(θ,φ)時,直射光236的背景即直射光的亮度分布曲線圖的尾部在直射光的錐體的外部,由漫射光發生器10產生的漫射光242(例如沿從直射光方向32完全偏離的方向的外部光239),這時可能會提出臨界角度θcross,θcross是相對于直射光方向32測定的,超過θcross時前者的亮度會落入到后者的亮度內。θcross例如可以是3°，或者更優選地1°，或再更優選地0.5°。這種臨界角度應該小于人工照明裝置的“視野角度”θview(參見圖4),即裝置在半寬角度孔(aperture)下更加精確，在第一光分量241(“太陽光束”)形成的光束下，觀察者用眼睛典型地看到第一發射面。應用前面的示例的距離d，視野角度θview可以定義為觀察者在從第一發射面的0.5、1或3米的距離同時看到太陽和天空的角度孔(aperture)。例如，臨界角度可以是直射光236的分散角度的x倍，x例如是在2-3之間，并且分散角度例如被定義為hwhm。分散角度可以小于2.5°,1.5°或0.5°。這就意味著人工照明裝置的第一發射面是光斑的2-3倍，這將確保觀察者看見太陽(第一或低cct光分量)和天空(第二或高cct光分量)同時出現，當觀察者的眼睛處于沿著直射光方向32上人工照明裝置在第一發射面的投影中時，或者，如果觀察者的眼睛偏離該投影時則僅僅看到天空，投影是指沿著直射光方向人工照明裝置在第一發射面的投影。可替換地，當選擇該裝置的視野角度(即在這個角度下觀察者在“太陽光束”中看見第一發射面)大于臨界角度時，會造成天空/太陽的同時可見，例如是臨界角度的兩倍。例如，第一發射面的整體寬度可以設定為是產品(product)的兩倍，產品為：(i)2倍臨界角度的切線，以及(ii)選定0.5m，1m或3m，0.5m,、1m或3m為觀察者和人工照明裝置之間典型的最大距離。例如，假定裝置具有的臨界角度為3°，第一發射面的最小寬度應該是10cm,20cm或60cm(選定的最大距離分別為0.5m,1m或3m)。這意味著觀察者在某些距離如0.5m,1m或3m處會同時看見太陽和天空，其中，天空(或者“窗戶”)顯著大于太陽。
應該簡要說明的是，前面的想法是對第一發射面的示意性參考，假定第一發射面的寬度與第二和外發射面的寬度基本上相同，但是這些想法同樣應該理解為可同樣轉化應用在外發射面。此外，在第一發射面的不同“寬度”情況依賴于橫向方向的觀察，例如還可以表示最小寬度，即在第一發射面是矩形的情況中側面長度更短。
當然，將圖1所示的第一發光裝置/準直器的對組實施為如圖5和6所示的單個led器件44也不是必須的。這將通過以下實施例進行說明。
例如，圖7示出的直射光源12包括配置為發出原初光62的第一發光裝置60和位于第一發光裝置60下游的以準直透鏡64形式的準直器，該準直透鏡64沿著光軸68設置于焦距66處，所述光軸68與直射光方向32一致。與標準照明裝置(例如圖25所示的led圓頂透鏡)不同，在本實施例中，透鏡64可以是成像光學元件，在這個意義上，對于給定的光學布局參數(即系統數值孔徑，透鏡和發光裝置之間的距離，焦距與發光裝置的橫向尺寸之間的比率，等等)，該透鏡的特點可以是確保透鏡在無窮遠處形成第一發光裝置60的圖像。
為了實現制造成本的降低和結構的緊湊，準直透鏡64可以是菲涅耳透鏡(fresnellens)。第一發光裝置60則可以采用led。
對于圖7的描述，應當指出的是，光軸68可與準直透鏡64的光軸重合或者與之傾斜，此時光軸68定義為交點61與第一發光裝置60的發光區域的重心之間的連線，其中該交點61為準直透鏡64的主平面(如果存在兩個主平面，則是更接近第一發光裝置60那個主平面)與準直透鏡64的光軸之間的交點。對于采用菲涅耳透鏡64的情況，菲涅耳透鏡64可以定向為平行于第一發射面28，或者位于第一發射面28內，如下面進一步所述。如果是其他的準直透鏡64，其主平面同樣適用于上述情況。無論是哪種情況，透鏡64的光孔都與第一發射面28一樣大。
第一發光裝置60可以具有圓形的光孔，以便產生圓形的光斑40，其在觀察者的眼睛內聚焦在無窮遠處。
同樣如圖7所示，圖7的直射光源12可以還包括一個形成暗盒70的吸收器，該暗盒70容納第一發光裝置60并具有用于定位準直透鏡64的孔，其中，所述暗盒70的內表面72由吸光材料形成，所述吸光材料對于可見光的吸收系數大于70％，大于90％更好，大于95％最好。這里說的內表面并不是指100％的內表面，而是涉及大于90％、或者大于80％或者甚至只大于50％的內表面。這將遵循反射亮度角分布的約束條件。
應當指出的是，圖7當中的許多特征可以相應地改變。例如，準直透鏡64的光孔并不一定需要為圖7所示的圓形的，也可以是矩形、六邊形或其它多邊形形狀。對于暗盒70及其內表面72的形狀，應注意的是，暗盒70也不一定需要是如圖所示的圓柱形，該圓柱形的頂面具有準直透鏡64的光孔重合，第一發光裝置60集成在圓柱形的底面的孔內或位于該圓柱形內部，任何其它形狀都可以是適用的，只要在第一發光裝置60和準直透鏡64的光孔之間的任何直射光路是暢通無阻的。例如，內表面72可在圖中所示的圓柱形與非凹的截頭椎體之間延伸，具有最小體積并在第一發光裝置60的發光區和準直透鏡64的光孔之間延伸。
為了滿足以上所述的關于亮度分布曲線圖ldirect的可能的約束條件，準直透鏡64的焦距66與第一發光裝置60的孔徑的寬度74之間的比率可以大于10，優選為大于50。例如，焦距66可以是大于10厘米，優選為大于20厘米。準直透鏡64的孔徑的面積可以是大于80平方厘米，優選為大于300平方厘米。準直透鏡64的下游面可以形成為所述第一發射面。
對于圖5至7的實施例的數值，應當指出的是，例如焦距和發光孔徑之間的比率，不需要完全遵循前面所述的關于亮度分布曲線圖的約束條件。相反，圖5至7的實施方案可以與隨后描述的微光學光束均化層(micro-opticsbeam-homogenizerlayer)實施例進行組合，以便滿足上述約束條件。圖5至7的實施方式可以只形成直射光源12的一個部分，即用于產生預準直光的準直光源，所述預準直光例如為光束具有有限hwhm發散角(例如hwhm發散角小于2.5°)，但在更大的角度范圍內存在雜散光，例如導致光束角分布的副峰(secondarypeaks)或尖峰(spikes)的雜散光。
在任何情況下，菲涅耳透鏡64的典型尺寸為20厘米左右，透鏡64與觀察者之間的典型距離為1.5米左右。對于準直透鏡64的觀察者，圖7的結構使得第一發光裝置60的虛像的發散角比孔徑角要小，從而確保光斑40的圖像(即第一發光裝置60的圖像)顯示為準直透鏡64的光孔后方遠處的亮點。也就是說，太陽的圖像看起來比透鏡64的孔徑要小，而透鏡64本身可理解為眼睛和非常遠處的物體40之間的透明窗戶。使用菲涅耳透鏡作為透鏡64的一個優點在于實現較小輸出發散角的技術可行性。作為一個例子，發光二極管與tir(全內反射)透鏡的組合的典型發散角例如約為8°～10°或大于8°～10°。其中一個主要的限制歸因于光學元件(即tir透鏡)的焦距，它為1至5厘米左右或小于1至5厘米。對于采用菲涅耳透鏡的情況，這種透鏡的焦距可以是20至30厘米左右。輸出發散角由第一發光裝置60(包括或不包括主光學元件，例如led的圓頂透鏡)的空間孔徑74與上述焦距66之間的比率而給出。在第一發光裝置60中，如采用1至2毫米的led和20至30厘米的焦距，發散度約為1°或為1°以下。
圖7所示結構的進一步優點是不存在太陽圖像的像素紋理。在圖26的例子中，對于處在最終觀看距離(例如約為1米或大于1米)的最終觀察者，輸出發散度有可能比led光學器件的孔徑角要大，約為1厘米的主光學器件(即圓頂透鏡)導致0.6°的孔徑角與8°～10°的輸出發散度進行比較。這就決定了圖像在不同透鏡元件的像素化。這樣的像素化特性的角周期比眼睛無法區分每個元素的極限周期大得多。這一事實連同眼睛對于對比度的額外靈敏度，通過使觀察者實際看到圖26的結構中的每個透鏡元件，破壞了無限遠處光源的圖像效果。而這種情況不會發生在圖7的實施例當中。
如圖8，第一發光裝置60和透鏡64的對組可以組合且并列放置，使得多個對組中的準直透鏡64彼此鄰接以便形成一個連續接合面。如果準直透鏡64形成為菲涅耳透鏡(圖8中在一個透鏡64內以多根環形線條表示)，則該菲涅爾透鏡的陣列可以容易地由一個連續整體物體(如塑料或玻璃)制成。如在圖6的情況下，第一發光裝置60和準直透鏡64的對組可以通過六邊形方式沿對組的二維陣列包裝在一起。因此，各個準直透鏡64中的光孔可以形成為六邊形。第一發光裝置60和準直透鏡64的單個對組的光軸68可布置成彼此平行地延伸，并分別平行于直射光方向32。透鏡64的下游面可以形成第一發射面28，或至少具有一個與第一發射面28一樣大的區域。
也就是說，在圖8的實施例中，直射光源12包括第一發光裝置60的二維陣列和準直透鏡64的二維陣列，正如上面結合圖7所描述的，第一發光裝置60可以包括圓形光孔，以便提供圓形外觀的光斑40，準直透鏡64優選為菲涅耳透鏡，其中上述兩個陣列彼此配準，使得光軸68彼此平行并平行于直射光方向32。如參照圖7所描述的，透鏡陣列和第一發光裝置陣列可彼此相對地移置，使得透鏡64的光軸從第一發光裝置的位置偏移，使得所產生的直射光方向32傾斜于透鏡64中的光孔所定位和分布的平面。
如上面所描述的，通過使每個準直透鏡64與第一發光裝置60的距離對應于準直透鏡64的焦距或者大約為該焦距，則能夠實現先前制定的低發散度的約束條件。由于每個準直透鏡64耦合到相關聯的單個第一發光裝置，第一發光裝置的間距相對于圖26所示結構而明顯增加，這意味著每個第一發光裝置60需要具備較高的光通量，以便在每一單位面積上獲得相同的流明。值得注意的是，準直透鏡64使觀察者的眼睛晶狀體成為望遠鏡，其分別形成第一發光裝置和其光孔到視網膜上。這就是為什么每個第一發光裝置應具有一個圓形光孔，以在觀察者的眼睛當中形成一個圓形圖像，即形成圓形光斑40的圓度的原因。
到目前為止，直射光源12的實施例顯示出實際發光區域沿著與直射光方向一致的光軸設置在一些準直透鏡的下游。然而應該提到的是，直射光源12可以包括一個邊緣照明式光導發射板，其包括一個波導面板，經由全內反射，一個或多個光源耦合到所述波導面板的邊緣，多個微光學元件(如微透鏡)有助于將光從波導面板內的微反射鏡提取至直射光方向。因此，雖然圖5至圖8的實施方案可以稱為“背照式發射器”，除此之外，還可以使用“邊緣照明式光導發射板”形式的實施方式。
具體來說，這種邊緣照明式光導發射板可具有光導層，該光導層包括位于光吸收層和光導層之間界面的多個微型反射器，其中光吸收層位于光導層的上游/向后一側，以便在光導層內改變光的引導方向并使光線射向位于光導層的下游/向前一側的光出射層，射向光出射層的光線與光導層和光出射層之間界面的角度小于光線在光導層內實現全內反射的極限角。每個微型反射器分別位于相應透鏡的焦點位置，透鏡形成在光出射層背對光導層且朝向下游的外表面上。從而，微型反射器陣列和透鏡陣列的組合構成一個準直器，以減小輸出光的發散度。
以上概述的一些直射光源的實施例可能會在第一發射面28發生強烈的空間亮度調制。例如，圖7和圖8所示的實施例，光的亮度在每個準直透鏡64由諸如空間調制的存在功能，例如，每個準直透鏡64上的光照亮度存在這樣的空間調制，例如每個準直透鏡64在透鏡光孔的中心位置比邊緣位置強幾倍。在圖8的實施例中，這會導致亮度周期性調制，這在使用瑞利狀漫射器作為漫射光發生器10的例子中會存在問題，這種漫射光發生器10通過在第一發射面上漫射由直射光源產生的一部分直射光而產生漫射光，瑞利狀漫射器的漫射效率與波長具有依存性，即，在可見光區域內，對于短波長的漫射效率比對于長波長的漫射效率更強。在這種情況下，歸因于對周期性亮度調制的非常高涉外視覺敏感度，剛才提到的準直透鏡64的亮度周期性調制的自動轉換到由漫射光發生器10產生的漫射光的高cct背景的周期性亮度調制。這樣的效應相對于自然照明的品質是有害的。
針對這個問題的第一個解決方案是，在外發射面37的下游側增加格子天花板結構，該結構具有與圖8所示實施例當中的準直透鏡64相同的間距，或者該結構的間距是準直透鏡64間距的整數倍或單元分數。
例如，格子天花板結構包括由單元格構成網絡，其通過由壁分隔的空隙體積形成，其中所述壁具有可忽略的總透射率，所述單元格具有輸入面f_in和輸出面f_out，輸入面f_in所在的平面平行于外發射面37所在的平面，并且輸入面f_in和輸出面f_out可以或可以不具有相同的形狀，輸出面f_out的重心可以相對于輸入面f_in重心的投影沿方向32偏移到輸出面f_out，每個單元格面對一個透鏡64，在這個意義上說，輸入面f_in沿方向32內切(inscribed)到透鏡64或透鏡64的光孔投射到含有輸入面f_in的平面上的投影。
例如，參見圖9，其示出了位于漫射光發生器10下游的一個格子天花板結構170，該格子天花板結構170可體現為瑞利漫射板方面，其進一步的細節通過圖8的直射光源12進行說明。如圖9所示，格子天花板結構170具有第一周期間隔172，該第一周期間隔172與準直透鏡64及其相應的第一發光裝置(圖9中未圖示)沿發射面28分布的周期間隔174相同，在圖9的實施例中，該發射面28在漫射光發生器10和準直透鏡64所在平面之間延伸。為了清楚起見，在圖9的實施例中，漫射光發生器10位于第一發射面28的下游側以構成外發射面37。總而言之，這里提到的格子天花板結構170并不被意為限制于上述情形，而是還適用于第一發射面28位于漫射光發生器10的下游并構成外發射面37的情形，或者第一發射面28與漫射光發生器10的第二發射面34重合以形成外發射面37的情形。
另外，可以考慮用直射光方向32來增強分散觀察者注意力的效果，避免意識到源自準直透鏡64的亮度調節的亮度周期性。例如，墻壁或者格子天花板結構170的側面可以圍繞垂直于外發射面37的方向，由于直射光方向32相對于外發射面37的法線的平行方向是傾斜的(tiltedoroblique)。更普通地，直射光方向32相對于格子天花板結構的超過90％的外部表面是傾斜的。在這種方式中，觀察者觀察到替代的格子天花板結構170(在圖9中示意為白色)的發光(低cct)側面，并且觀察到格子天花板(在圖9中示意為陰影)的側面陰影(高cct)。這種體系設定造成了強烈的密度和色彩的亮度空間調節，這完全符合自然規律，并會支配由準直透鏡64的不一致照明所引起的照度調節。然而，通過傾斜格子天花板結構170的墻壁的外部表面，還可能獲得相同的效應。例如，可以圍繞格子天花板結構的外部表面，以使其投影沿直射光方向32面對至少30％的格子天花板結構170的外部表面并且至少30％的格子天花板結構170的外部表面是不面對的。在后一種情況下，甚至有可能設置平行于第一發射面的法線方向的直射光方向32。
盡管圖9示出的格子天花板結構與圖8的直射光源12實施例相關，需要提到的是，該格子天花板結構可以與包括下面將要描述的直射光源12在內的任何實施例相結合。此外，諸如周期間隔174這樣的周期間隔也可以出現在直射光源的其他實施例中，因此，周期依賴性也可以視情況適用于其它實施例。此外，還可以對周期依賴性進行選擇，使得周期間隔172是周期間隔174的整數倍數或單位分數。
為了更詳細地說明格子天花板結構的效應，參見圖10，圖10參考在圖9中繪制的實施例，其中，漫射光發生器的第二發射面34構成了外發射面37。漫射光發生器10再次假定為類似瑞利散射的漫射器，這將會在下文更加詳細地論述。具體地說，由于準直透鏡64的非一致的亮度，格子天花板170克服了人工天空的強度調節的問題。實際上，非一致的亮度決定了沿透鏡64的空間尺寸的非一致的輸出光強度。因此，非一致的光照射到漫射面板10產生了一系列在藍色漫射光中更亮和更暗的區域，即在“天空”中更明亮和更黑暗的區域。此外，準直透鏡的排列(在圖8中的示例)加上漫射面板后決定了determines)這種強度調節的周期性，這很容易被觀察者的眼睛捕捉到。格子天花板結構170由一系列的凸起組成，凸起在與單個透鏡64疊加的漫射面板10的單個區域(在這鐘情況下包括外發射面37的第二發射面34)和延伸至外發射面37外部的之間延伸形成，即由此形成凸起。由于源自人工太陽的準直的直射光分量的方向具有較低的cct，即方向32，可以相對于垂直于外發射面37的方向傾斜，這種直射光分量只可以照射到凸起結構170的側面的一半。當看向天花板時，觀察者將看見天空以及每個凸起170的一部分。具體地說，觀察者將會在每個天空亮度的高cct區域和較低的cct區域之間，要么看見由直射照明照亮的凸起170的一部分，其可以被稱為“白色”凸起，要么看見凸起的一部分落入到陰影區域(因而局部地受到漫射的高cct元件的照射，這也可以稱為“暗”凸起)。在這兩種情況下，凸起的亮度將會不同于天空的平均亮度，比“白色”情況更高而比“黑暗”的情況更低。這種在天空區域和凸起之間具有的不同亮度的變化有助于掩蓋人工天空的調節，由于天空至“白色”或者天空至“黑暗”的調節相比于天空自身的內部調節更加強烈，這來自于(stemfrom)前面闡述的意外性亮度調節。這種天空調節表現得非常微弱。格子天花板結構170將在觀察者和明顯一致的天空之間表現為“白色”和“黑暗”的柵格(grid)。
對于圖9和10，應該指出的是，到目前為止，本文的術語“格子天花板結構”不應被理解為限制于將第一發射面水平設置以形成室內天花板上的人工照明裝置的情況。而是，該術語應該被理解為只是對結構170的結構性描述。此外，格子天花板結構170的外部表面可以進行選擇，以使其具有的可見光吸收系數低于50％。也就是說，天花板結構不是吸收器。格子天花板結構170在第一發射面所在平面上的投影，沿著直射光方向可以覆蓋低于由第一發射面所覆蓋面積的50％，即第一發射面的總體區域，或者低于35％,或者15％。在這個方面，請注意準直器64的光孔(apertures)可以通過格子天花板結構相互隔開，周期性出現的成對的發射器/準直器以及格子天花板結構彼此分開(beingequaltoeachother)，而不是部分地疊加放置。格子天花板結構170可以沿垂直于第一發射面的方向突出，突出的長度小于格子天花板結構170從第一發射面開始的周期長度，這意味著寬高比是相對比較大的，例如大1/4或大1/2，(作為分子的)“閃亮”區域的寬度是指沿著直射光方向沒有被格子天花板結構170在第一發射面被投影覆蓋的區域，而(作為分母的)格子天花板結構170的“深度”，即其沿著垂直于第一發射面方向的高度。
前面實施例的一些重要的特征做如下總結：
觀察者觀看燈具時，天空和太陽同時可見，即當觀察者觀看到與燈具或第一發射面(同樣適用外發射面)相同尺寸的窗戶時，能夠看見相同的天空-太陽的影像。總結起來，選定的直射光236的分散性要比視野角度更小，在該視野角度下，觀察者從一些合適的選定的最大距離處能夠看到燈具，最大距離是指燈具與觀察者的眼睛之間的距離。正如前面提到的，這樣的典型的最大距離可以是0.5m、1m或3m。在各自的最大距離下，整個的寬度分散小至整個寬度視野角度的1/2倍。根據一些實施例，整體寬度的分散度可以設置在3倍于整體寬度視野角度的范圍內，在該視野角度下(underwhich)，觀察者的眼睛在第一光分量的照射下，從0.5m-3m的距離、優選地1m-2m、更優選地從1.5m看見第一發射表面。
對于在特殊角度下兩個光源的相對亮度(直射光和漫射光)，前面的描述揭示了直射光的亮度分布曲線圖的“尾部”明顯在漫射光的亮度以下。實際上，如果觀察者在30°的全寬視野的孔徑角下時會看見燈具，例如，直射光只有10°的全寬分散度但是偏離直射光方向32達15°的直射光的尾部仍然向第一發射面提供了具有比較性的亮度，或者提供了比漫射光在第二發射表面引起的亮度更高的亮度，這種情況下對于觀察者來說在太陽光束下天空是不可見的。因此，為了獲得天空/太陽的不依賴于直射光32的分散性效果，應該找出一個角度，這在前面的描述中被稱為臨界角度，在超過這個鄰接角度時裝置的整體亮度應該由天空的性質(contribution)(高的cct性質)所支配，這個角度小于視野角度，在視野角度下觀察者在合適的選定的最大距離處會看見整個系統，已經在前面給出了最大距離的示例。根據一些實施例，臨界角度可以設定在兩倍于半寬視野角度的范圍內，在視野角度下觀察者的眼睛在第一光分量的照射下，在0.5m-3m范圍內、優選地1m-2m、更優選地從1.5m看見第一發射面。用這種方法觀察者可以同時看到天空和太陽。
至于高cct光(漫射光)的空間一致性，應該注意的是，前面所描述的無限深度的印象(impression)在沒有被破壞時某些變化是可以被接受的。例如，如果成對的發射器/準直器的準直器的光孔(aperture)足夠大，在3倍于最小亮度范圍內的亮度變化可以被接受。公知的是，當天空元件變小時，因為亮度的空間梯度成為決定性因素，所以在天空亮度中差的一致性就變為決定因素，更壞的是，當一系列的組件被應用(implemented)后，進而會導致周期性的影響。在這種情況下，實際上，觀察者的眼睛會不可避免地聚焦和匯聚到燈具，從而破壞我們無限的深度效果。然而，在這種情況下，一些調制可以利用允許的，例如，如上所述的格子天花板結構。
至于直射光的角度分布，即在大的角度上雜散的白色光的存在時(即在此角度下只出現(competeto)天空，但是沒有太陽影像的形成)，太陽光的強度不應該超過藍色光。另外，考慮到大多數眼睛對亮度變化是敏感的，由于雜散光的影響，雜散光是在大角度下由直射光分布所產生的，相關的亮度梯度非常大(atlarge)，這對于感知(concerns)天空的自然表象和產生無限深度感知機理的效果都是非常重要的。顯然，即使雜散光亮度分布在由漫射光發生器產生的亮度以下時，這種限制也可能會出現。這種問題可能會升級，舉例來說，當使用菲涅爾透鏡準直化直射光時，由于菲涅爾透鏡的缺陷或固有的非理想的性質導致散射、次級內部反射等所引起的雜散光。這樣的雜散光可能造成透鏡被當作是物理對象而被看見和感知，進而使得觀察者在燈具上調整(accommodate)其視角，而不是在無窮遠處。針對雜散光可行的對策已經在前面描述了，例如過濾器260或者均化器的使用。
具體地說，為了避免剛剛概述的雜散光效應出現在前面揭示的實施例中：(i)菲涅耳透鏡的抗反射涂層；(ii)用光束均化器作為串聯透鏡列(array)，這消除了覆蓋廣角區的大角度的亮度峰，因此使所述雜散光亮度在天空的亮度以下，并且還顯著性減少雜散光的空間亮度波動；(iii)角度可選擇性過濾器，其吸收不想要的在角度超過某個閾值時的雜散光；(iv)低角度白色光漫射器，其(平均)產生了角度光譜與過濾器脈沖響應函數的卷積(convolution)；任意前面的方式的結合。需要注意的是，伴隨著任何這些均化器裝置的周期性，由于菲涅爾透鏡的周期性的振動，混疊效應可能會出現，其(which)是徑向對稱的。這些剛剛提到的混疊效應可以通過選擇合適的菲涅爾和均化器微毫(micro-milli)結構的周期性的比率而降低。
為了提高直接光和漫射光的空間一致性，自由式的光學元件(例如自由式的透鏡和鏡子)安裝在直射光源和透鏡之間，同樣地，自由式光學元件和菲涅爾透鏡曲線的設計的結合可以進行合適地選擇。
使用菲涅耳透鏡以及任何的折射元件的進一步的問題是涉及(concerns)到色差。對于這個問題，可以用特殊設計的菲涅耳透鏡(例如其同時包括折射和衍射的類型，它們具有相反符號的色差)，這種透鏡會降低這種效應。進一步地或者說另一實施例中，可以考慮在透鏡下游設置低角度漫射器而沖淡色差，通過前面的卷積的方法，其通常出現的情況會超過1度(deg),
此外，前面格子結構的概念使得該裝置恰當地工作，即使是在所述期望的天空和太陽的一致性不存在時候。
也正如前面說描述的，為獲得人工光的自然表象，太陽光應該比天空光更強，舉例來說，使得當集成(integrated)所有的角度時，低cct光應該是高cct光的8至2倍，而峰亮度應該更強，例如是50-100倍。
也是為了實現自然的效果，如前所述的菲涅爾透鏡不應該是圓形而是方形，或更好的是六邊形并且彼此鄰接而覆蓋整個天花板區域。
最后應該指出的是，格子天花板結構170不僅對于直射光源12與用作漫射光發生器10的瑞利散射器的組合而言是有利的，而且對于漫射光發生器10由漫射光源組成的實施例而言也是有利的，后者將在下文當中進行更加詳細地描述。再次重申，如果該結構170位于外發光面37的下游，該結構170也可與任何其它光源12相結合，以及與漫射光發生器10位于第一發射面28上游側的情形相結合。
對于圖7和8的實施方案，還應該提到的是，對于剛剛所描述問題，即關于在準直透鏡的整個光孔上亮度不恒定的問題，可以通過使用主透鏡或主反射鏡(如自由曲面透鏡或自由曲面反射鏡)來解決，該主透鏡置于第一發光裝置60的下游且位于該第一發光裝置60與準直透鏡64之間，該主透鏡優選為更接近第一發光裝置60，以便在準直透鏡64的整個光孔上提供均勻的照明。換言之，該自由曲面透鏡配置為矯平分布到準直透鏡上的原初光的亮度。
作為示例，圖11a示出的自由曲面透鏡180沿光軸68設置在第一發光裝置60和它的準直透鏡64之間，當然，這樣的自由曲面透鏡180也可以應用在圖8所示實施例的由第一發光裝置60和準直透鏡64組成的每一對當中。
請參考圖12，以便更好地理解自由曲面透鏡的問題。在上文中結合圖9和10所描述，均勻照明的要求通過均勻天空外觀的方式提高了人工照明裝置的最終感知的。然而，由于光在第一發光裝置60與準直透鏡64之間的傳播上，在透鏡64的在輸入表面(孔徑)上的亮度分布通常而言是非均勻的。另外，為了盡量減少光的損失，對于在透鏡64的輸入表面上的光分布而言，還要求該透鏡64的孔徑區域之外的亮度迅速減小。
第二個重點是光源60在觀察者的眼睛當中的視覺外觀。由于要得到的人工“太陽”的圓形圖像，因此需要一種圓形外觀的第一發光裝置60。
自由曲面透鏡可以實現一個或甚至大部分的前述要求。尤其是，如圖12的左側所示，可以通過利用光學元件對軸向周圍以低傳播角度朝外發射區域傳播的光進行重新定向，以便滿足均勻照明的要求
在一定的傳播距離之后，這種強度分布可實現在目標物上足夠的一致性。
在一個具體的實施方案中，自由曲面透鏡180設有一個圓形形狀，當自由曲面透鏡180通過透鏡64成像于觀察者的眼睛當中時，該圓形形狀有利于形成圓形光源的視覺外觀。
最后，應該指出的是，與自由曲面透鏡不同的光學元件也可以適用于上述的要求。例如，反射式復合拋物面聚光器cpc也可以用于在透鏡64上實現均勻的照明。與自由曲面透鏡的情況類似，這樣的cpc的輸出孔徑可以是圓形的，以便于cpc的輸出孔徑通過透鏡64成像于觀察者的眼睛當中時，有利于形成圓形光源的視覺外觀。
為完整起見，圖11b示出了在第一發光裝置60前面(即下游)使用這樣的反射cpc182的替代方案。
對于圖11a、11b和12所示的實施例，由于自由曲面透鏡180或cpc182的存在，需要對第一發光裝置60的寬度74以及第一發光裝置60與透鏡64之間的距離66進行校正，以克服制造上的誤差。
值得注意的是，圖11a、11b和12的實施例也可與圖8的實施例進行組合。此外，圖11a、11b和12的實施例還可與圖9和10的實施例進行組合。
迄今所提供的直射光源12的實施例，在某些情況下，在實現天空/太陽窗口外觀或上述確定的亮度角分布約束條件的過程中，會出現由于散射問題或類似問題所導致的小問題。按照下文進一步概述的實施方案中，這些問題通過使用圖5至8、11a、11b和12中任何一種直射光源12與接下來所描述的微光學光束均化層來解決，任何前述實施例的直射光源9用作一個產生預準直光的準直光源190，微光學光束均化層192位于準直光源190的下游側和漫射光發生器10的上游側，第一發射面28位于光束均化層192與漫射光發生器10之間，或位于漫射光發生器10的下游。微光學光束均化層192這樣定位能夠第一準直光束變換為第二準直光束，第一準直光束的特點為存在從準直光源190入射到微光學光束均化層192的雜散光，第二準直光束的發散度等于或大于第一準直光束的發散度，但不存在雜散光。這樣的第二準直光束從第一發射面28朝漫射光發生器10出射，如圖13所示。在一個不同的實施例中，第一發射面28被定位在漫射光發生器10的第二發射面34的下游或與之重合，從而該第二準直光束從光束均化層192出射并朝第一出射面28入射到漫射光發生器10。
在使用菲涅爾透鏡以實現準直透鏡64的情況下，剛剛描述的雜散光可能源自于一些菲涅爾透鏡的非理想的表現方式，由于從菲涅耳透鏡64的凹槽尖端的散射以及多重內反射等因素，由第一發光裝置60照射的菲涅爾透鏡64的亮度分布曲線圖在窄峰30之外不變為零。相反，它具有剩余分布，無論是在角度還是位置方面都是規整的，這最終使得圖7和8的菲涅爾透鏡64成為清楚可見的發光物體，相反地，需要提供完全黑暗和均勻的背景。像這樣的問題，也可能發生在已經描述過的直射光源和準直光源190的其它實施例中。
即使這樣的亮度背景較低，例如低于峰值亮度值的1％，由于其不均勻性和由于漫射光發生器10的透明度，這樣的亮度背景可能是看得見的，從而破壞了自然天空的質量。為了解決這樣的問題，也可以使用微光學光束均化層192，該特定實施例將在下面進一步描述。
結合圖14a-c，對微光學光束均化層192的第一實施例進行描述。圖14a-c示例性地示出了一個光發射器和準直器的組合，例如第一發光裝置60和菲涅爾透鏡64組合作為準直光源190。但正如前面段落所提到的，圖14a-c所例示的光束均化層192可與上述直射光源12的任一種實施例進行組合，以便構成包含準直光源190和光束均化層192組合的直射光源12的進一步的實施例。
圖14a-c的微光學光束均化層192包括微透鏡194的二維陣列和成形為吸收層202的吸收體，吸收層202上穿設有小孔196的二維陣列，小孔196位于并且沿微透鏡194的二維陣列的下游延伸，以便使每個微透鏡194具有一個與其相關聯小孔196。在圖14a的實施例中，直射光方向32垂直于含有微透鏡194二維陣列的平面，每個小孔196與相應的微透鏡194之間的距離對應于該微透鏡194的焦距198，且小孔196位于與直射光方向32一致的方向上。由于下面將要更加詳細說明的原因，微透鏡194優選為具有直徑dm的圓形光孔。優選地，直徑dm小于5毫米，小于3毫米更好，小于1.5毫米最好。優選地，微透鏡194盡可能靠近地封裝在一起形成二維陣列，例如獲得盡可能高的密度，而按照圖7和8所示任一種實施例的準直光源190中，面向一個準直透鏡64的微透鏡194的數量，將很可能高于圖14a-c所示的數量。例如，微透鏡194和小孔196在各自的二維陣列中的間距，可以等于直徑dm或至少小于1.5×dm。
此外，微透鏡194的焦距fm198可選擇為滿足dm/fm<2·tan(7.5°)，dm/fm<2·tan(5°)更好，dm/fm<2·tan(2.5°)最好。作為示例，圓形的小孔196的直徑，按照從準直光源190入射到光束均化層192的準直光的hwhm發散度
使用這些約束條件，以上適用于亮度分布曲線圖ldirect的約束條件可以在光束均化層192(按照圖14a-c的實施例形成第一發射面28)的下游側實現。在一個不同的實施方案中，如下所述，第一發射面28可位于光束均化層192的下游，使得對亮度分布曲線圖ldirect的約束條件將只在這個表面實現。在小孔196為非圓形狀的情況下，dm可以表示與小孔196具有相同面積的圓的直徑。
如圖14a-c所示，微光學光束均化層192可以進一步包括成形為信道間隔結構200的吸收體，其配置為減小微透鏡194和小孔196的相鄰對之間的串擾。具體的地，信道間隔結構200可以由管所形成，每一個管沿方向32延伸，其中一個微透鏡194位于相應的管的上游側，而且其中一個小孔196位于相應的管的下游側。較好地，信道間隔結構200吸收可見光區的光，并且對于入射到信道間隔結構200的可見光具有高于70％的吸收率，高于90％更好，高于95％最好。信道間隔結構200可以填充微透鏡194之間的空間204，如圖14b所示。
因此，光束均化層192的該實施方式采用了一層朝向準直光源190發射的準直光前端的透鏡194，以及設置在這些透鏡194的焦平面的吸收掩模202，吸收掩模202上具有一系列的小孔196。沿方向32，每個小孔196的中部或正中心對應于透鏡陣列的一個透鏡194的中部或正中心，即透鏡194和小孔196彼此對齊。通過這種構造方式，輸出角分布ldirect呈現為平頂分布，其與透鏡194光孔形狀相同，即如果使用方形透鏡光孔，它是一個正方形的平頂；如果采用六邊形的透鏡194光孔，則是一個六邊形的平頂。為了在觀察者的眼中呈現圓形圖像，有必要采用圓形光孔的透鏡194。小孔之間的空間(即空間204)應該是吸收光的，諸如涂黑而形成吸收層。通過
通過引入平頂分布的模糊，從準直光源190入射到透鏡194陣列的光束發散度影響輸出發散度
圖14a-c所示的光束均化層192的優點在于，最后一層(即布置在光束均化器的下游端的那層)是一個具有二維小孔陣列的黑色(吸收)層，其在透鏡194陣列與觀察者的眼睛之間形成掩模。因此，就實現反射亮度最小化這個目標而言，圖14a-c的實施例具有最佳的性能，即在該裝置處于關閉狀態時，確保了直射光源12具有黑色的外觀。
然而，為了避免由于傳播區和吸收區的交替而導致的小孔層202對應圖像的像素紋理，可以在小孔層202的下游設置小角度白光漫射器230，如下所述，為了使小孔196圖像模糊化，并確保在小角度白光漫射器230平面上的均勻亮度，該平面可與第一發射面28重合。為了防止亮度分布曲線圖的窄峰30處的過度模糊，白光漫射器230采取hwhm響應函數≤10°，優選為≤5°，更優選為≤2°。為了確保亮度一致性，白光漫射器230與小孔層202所在平面分開足夠的距離，例如間隔開fm的一至三倍的距離。然而，不一定總是必要使用白光漫射器230，例如當觀察者需要從遠距離(例如3-5米的距離)觀察照明裝置時，或者當透鏡194的直徑dm對于觀察者的預見距離足夠小時(例如小于1mm，優選為小于0.5mm)，白光漫射器230并不是必需的。
值得一提的是，將透鏡194陣列與小孔196陣列配準的問題可通過依賴于透鏡194陣列本身而直接制造小孔196陣列的方式來解決。例如，可以利用由透鏡194聚焦的高強度激光在吸收層202上蝕刻以形成小孔196，該吸收層202在制造過程的開始階段為沒有任何孔/小孔196的連續層。通過控制該激光束的功率和發散度，可獲得合適的小孔尺寸(即小孔直徑dm)。
作為一個例子，采用1.5毫米孔徑和1.7厘米焦距的透鏡194，可以實現2.5°的半角輸出發散度，接近上述所需的直射光發散度。
使用所述的信道間隔結構200(盡管是可選擇性的使用)是為了防止透鏡194和小孔196的相鄰對組之間的串擾效應。這種串擾效應可表現為，在中心的高強度太陽圖像周圍產生一系列的太陽圖像重影。當以足夠大的傳播角(例如大于(dm/fm)-(dm/(2fm))弧度，如圖14a的射線206所示)入射至光束均化層192的光束中存在強烈雜散光時，這些情況可能就會發生。在這種情況下，這種以大角度傳播的強烈雜散光206會被一個透鏡194聚焦至與相鄰透鏡194相關聯的小孔106中。
如14a-c所示，以上所說明的信道間隔結構可通過吸收材料構成的管的陣列來形成，即每個透鏡194和小孔196組成的對具有一根管，這些管構成位于透鏡194陣列和小孔196陣列之間的第三元件陣列。如果沒有信道間隔結構200，以大角度入射到透鏡194陣列的光會聚焦到相鄰的小孔(即屬于相鄰透鏡194的小孔)上，而當設置有信道間隔結構200時，這些光會被信道間隔結構200吸收，從而消除了串擾。在后一種情況下，輸出小孔層200也可以除去，這是由于它們可由信道間隔結構200本身的管的小孔所取代，其代價是將角模糊加入到輸出亮度分布中。
因此，在圖15所示的另一實施方式中，微光學光束均化層192包括一個微透鏡194的二維陣列和成形為信道間隔結構的吸收器，該信道間隔結構為在微透鏡194二維陣列下游延伸的微管200的二維陣列，使得每個微透鏡194都具有一個與其相關聯并從相應的微透鏡194沿直射光方向32延伸的微管，這與圖14a-c的實施例的情況類似。對于微透鏡194的直徑dm和微透鏡194的焦距fm，可參考針對圖14a-c的實施例的描述。對于圖15中標記為211的微管200的長度l，該長度l不一定要等于fm，而是可以在0.5fm<l<1.2fm的范圍內變化。
圖16示出了微光學光束均化層192的另一實施例。用于正如它是與相應的圖的情況。正如圖14a-c和圖18所示的情況，所示的微光學光束均化層192與準直光源190相結合，以便形成直射光源12的進一步的實施例，雖然該準直光源190(包括發射器和準直器)示例性地示出為包括菲涅耳透鏡64和第一發光裝置60的組合，正如圖7所示實施例的情況，然而之前結合圖5-8、11和12所描述的任一種實施例都可用于實現準直光源190。
圖16的微光學光束均化層192包括焦距為fm1的微透鏡210的第一個二維陣列、焦距為fm2的微透鏡212的第二個二維陣列以及成形為吸收層220的吸收器，該吸收層220穿設有小孔214的陣列并布置在第一微透鏡陣列210和第二微透鏡陣列212之間，以便形成以陣列狀方式(例如六方結構或類似方式)橫向分布的望遠鏡216的陣列，望遠鏡216的望遠鏡軸線彼此平行并且平行于直射光方向32。在每個望遠鏡216中，相應的小孔214、第一個二維陣列中對應的微透鏡210和第二個二維陣列中對應的微透鏡212沿著望遠鏡軸線布置，小孔214與第一個二維陣列中對應的微透鏡210之間的距離為fm1，小孔214與第二個二維陣列中對應的微透鏡212之間的距離為fm2，其中fm2<γ·fm1,而γ<1,優選為γ≤0.9,更優選為γ≤0.85。望遠鏡216的陣列的下游側外表面218可包括抗反射涂層。
在圖16的實施例中，光束均化層192由透鏡210、212的兩個陣列和小孔214的中心陣列構成，小孔214置于兩個透鏡210和212的焦平面中，可以由吸光材料的薄層切割而成。因此，圖16的結構類似于圖14a-c和18中所示的微光學光束均化系統，只是增加了透鏡212的陣列。每個透鏡210的孔徑對應于下游陣列的透鏡212的孔徑，小孔214以兩個透鏡210和212之間的軸線217為中心。從而，光束均化層192形成的光學望遠鏡濾光器。形成有小孔214的吸收層220形成為消除所有空間分量，即傳播角，其位于小孔214以外的焦平面上。光束均化層的輸出發散角以全寬測量，其最低值在fm1/fm2乘以入射到光束均化器192的光的輸入半寬發散角以及
為了減少在吸收層220處的損失，小孔的直徑dm可以根據從準直光源190入射的光束的發散度進行優化選擇。例如，如果原初光源60不表現為圓形形狀，則在對應的小孔214處會存在損失。與圖14和15的光束均化層192的情形相反，圖16的實施例不要求透鏡210的光孔是圓形的，也不要求將其輸入表面部分涂黑。也就是說，透鏡210的光孔可以彼此鄰接以形成連續相，從而與從準直光源190向前的入射光的橫向尺寸重疊，例如圖8所示的準直透鏡64或這種透鏡64陣列的橫向尺寸。
在中間吸收層220中的小孔214可以通過使用由第一陣列的透鏡210聚焦的高強度激光束來寫入，類似于上文中結合圖14a-c所述的制造過程。
也就是說，可以使用激光打印而在上述微光學光束均化層形成小孔，首先形成與已披露的均化器基本相同的元件，該元件與已披露的均化器的區別為，在需要形成小孔的表面沉積連續的昏暗層(obscurantlayer)，然后通過用適合的準直激光束照射上述元件，以進行小孔的激光微加工過程，所述準直激光束穿過上游的微透鏡層，使得微透鏡將激光束聚焦在需要形成小孔的確切位置，同時調節曝光時間和光束發散度，從而獲得所需的小孔直徑。
對于圖14a-c和圖15的光束均化層的輸出層的像素紋理化的考慮也適用于圖16所示的情形。因此，透鏡212的通光孔徑可以小于5毫米，優選為小于3毫米，最優選為小于1.5毫米。然而，由于最終的發散度同透鏡210及212的透鏡孔徑與焦距fm1及fm2之間的比值不相關，透鏡210和212的焦距fm1和fm2可以分別約等于透鏡210和212的孔徑，即比起圖14和15所示實施例的情形要短得多。
應該注意的是，在光束中存在的強烈的雜散光，以足夠大的傳播角度沖擊到光束均化器層192，例如大于(dm/fm1)-(dm/(2fm1))的弧度，其中dm和dm是透鏡210和小孔214的直徑，相應地，在圖16的實施例中也可能出現串擾(crosstalk)，正如圖14的實施例所描述的那樣。所述的串擾源自于通過透鏡210聚集的光222進入到屬于相鄰透鏡210的小孔中，這可能造成在大的傳播角度下出現期望輸出的點的微弱的復制點(replicas)，這依賴于透鏡210的光孔(aperture)、焦距fm2和小孔直徑dm。在這個角度下所述的微弱的預期輸出點的復制點可能是可見的，這個角度對于圖16的實施例來說大于圖14，例如大約45°，其原因是當間距(pitch)和焦距之間的比率的值變大時，因而得到更大的范圍，在這個更大的角度下，相對于透鏡194由透鏡210觀察到鄰近的小孔。對于圖16的實施例的情況，例如，在第一級串擾的情況下，通過次級望遠鏡實現所述的串擾(即通過輸入透鏡210和輸出透鏡形成該望遠鏡，輸出透鏡為設置在透鏡210的第二個相鄰的物體且安裝在輸入透鏡210的前面)不能夠傳播準直化光。實際上，所述次級望遠鏡的軸線相對于方向32進行了明顯的傾斜(例如，大約45°,典型的情況是
在進一步的實施方案中，吸收管的陣列(即吸收信道間隔結構224)位于透鏡210陣列的下游，其中每個望遠鏡216具有一個吸收管。正如圖14a-c和15所示實施例當中的信道間隔結構200，所述吸收信道間隔結構224具有消除串擾222的功能，盡管正如剛剛所描述的，串擾222的不利影響不像之前的實施例那么大。此吸收信道間隔結構224的間隔可以形成與透鏡210直接接觸的柵格。由于圖16當中透鏡的直徑和焦距之間的比值可以比圖14a和15的透鏡194的相應比值大得多，例如為3-30倍，吸收信道間隔結構224的長寬比(即吸收信道間隔結構224的單個管的管長度226除以透鏡210的孔徑228)要比圖14和15所示情形低得多，例如在0.5-3的范圍，因此對于技術努力的要求會低得多。
值得注意的是，管的長度226比fm1短，例如比fm1短25％，足以消除串擾，這從幾何方面考慮是顯而易見的(參照圖16)。
在圖16的實施方式中，對于透鏡212的陣列所形成的外表面218發射的光的特性，并且特別是涉及與空間周期性等于透鏡212間距的亮度調制相關的潛在問題，本發明人認識到，如果輸入透鏡210被準直光源190均勻地照射，并且比率fm1/fm2選擇為合理匹配準直光源190的光束發散度，即在透鏡212上形成的光斑匹配該透鏡的尺寸，則可以保證高均勻性，在這種情況下，事實上，望遠鏡216再現到表面218(軸向反轉)的亮度分布曲線圖具有透鏡210的內表面，但除去大角度分量，即不會以透鏡間距增加主要的亮度調制。這就是說，盡管建議間距值小于5mm，然而更高的間距值也是可能的，只要對該望遠鏡216進行適當設計以匹配準直光源190的特性。
對于當準直光源190關閉(即當外部照明)時由透鏡212陣列形成的表面218的外觀，發明人注意到，由于吸收層220及可能的吸收信道間隔結構224的存在，往上游方向穿過透鏡212的(除了連接至第一發光裝置60的)光線被吸收。這種情況確保了往上游方向穿過透鏡212的光線不產生反射亮度，除了可能出現在光源60發生的少量反射外，然而其落在窄峰30內，因此不會產生任何干擾。對反射亮度的貢獻可能由透鏡212的直接反射所產生。為此，如果選用大光孔(即大于1-3mm)的透鏡212，可以在透鏡212上涂覆抗反射涂層，以避免發生眼睛能夠發現的反射亮度周期性調制的風險。
一般來說，光束均化器也可以形成二維串聯透鏡陣列，即兩個相同的微透鏡陣列位于彼此的焦距的距離上。對于這種情況的實施例，陣列的微透鏡的間距(pitch)將設置為比成對的發射器/準直器的間距(pitch)小，這與其它具有光束均化器的實施例的情況相同。第一(下游)微透鏡陣列把這種光(incidentlight)分割為單個子束。這些子束隨之由第二微透鏡陣列重新定向。在疊加的平面(在遠場中)中，獲得了通常被稱為“平頂”的一致的亮度。
所有上述直射光源12的實施例可以通過對人工照明裝置20的直射光源12另外提供小角度白光漫射器230而進行擴展。如圖17和18所示，小角度白光漫射器230可位于漫射光發生器10的上游或下游，對與將小角度白光漫射器230放置在漫射光發生器10上游側的情況，后者位于直射光源12的外部及下游側，如圖20所示。在其他情況下，例如，小角度白光漫射器230位于漫射光發生器10的下游側，則小角度白光漫射器230表示屬于及位于直射光源12內部光路內的裝置。在兩種情況下，直射光源12的第一發射面28都形成在小角度白光漫射器230上，即它的外表面上。對于圖18的情況，
小角度白光漫射器230例如可以包括形成在透明層材料外表面的隨機分布的微折射鏡，如微透鏡、微空隙、微棱鏡、微劃痕，或這些情況的組合，或者透明微顆粒在透明塊狀材料中的分散體，其中透明微顆粒與透明塊狀材料之間的折射率適當地錯配。即，對于透明微顆粒在透明塊狀材料中分散的情況，透明微顆粒和透明塊狀材料之間的折射率不一致可以適用。然而，白光漫射器的其他一些實施方案也是可能的。
需要注意的是，由于入射到小角度白光漫射器的光線可以僅經歷小角度偏轉(例如小于2.5°)，根據“透明”在本發明上下文中的定義，小角度白光漫射器通常為幾乎透明的元件(如果穿過某一元件的光線不經歷大于2.5°的角度偏轉，則該元件可認為是透明的；見下文)。相應地，穿過該漫射器而經歷小角度偏轉的光線在這里視為透射線(詳見下文)。然而，根據所需的功能，這里所考慮的小角度白光漫射器通常應該確保大部分的透射線(例如，至少50％，優選70％，最優選超過95％)至少經歷一些角度偏轉(例如至少0.5°的偏差)。換言之，該漫射器應保證低的規則透射率(例如，規則透射率低于50％，優選低于30％，最優選低于5％)。
小角度白光漫射器230可以對直射光亮度分布曲線圖ldirect具有以下的積極效果的。特別是，這種白光漫射器230的散射截面可以設置為2°-10°。第一個范圍是模糊化ldirect分布當中任何尖銳的角峰，即hwhm小于1.5°-10°的峰值，這有可能發生在窄峰30之外。因此在這里，用于減少ldirect分布當中尖銳的副角峰。為此目的，漫射器可位于所述亮度角度峰起源的平面的任何下游的平面。第二個范圍是模糊化以降低由明亮度、空間定位和位置所產生的亮度值及其空間導數(spatialderivative)，以及提高亮度分布曲線圖的空間一致性。為此目的，小角度白光漫射器應該定位在離所述亮斑發生的平面(圖14的實施例中的小孔196的平面)一定的距離。為了允許每個局部的亮斑在該平面上產生足夠大且足夠淡的模糊亮斑。這樣做時，小角度白光漫射器引起在空間亮度分布曲線圖的模糊化，其中(在規則透射率可忽略的的情況下)一個點被模糊成一個模糊光斑，其半徑約等于漫射角響應的正切和原始亮度平面與漫射器之間距離的乘積。當然，新的模糊亮度分布曲線圖發生在漫射器平面。例如，觀察者在減去一個系數
到現在為止，針對直射光源12的不同實現方式，已經描述了人工照明裝置20的各種實施例。接下來，針對漫射光發生器10的不同實現方式進行描述。以下的描述可以與上述實施方案中的任一種進行組合。
圖19a示出了直射光源12和漫射光發生器10的一種可能的相對布置。在該圖中，漫射光發生器10配置于直射光源12的下游側。這些元件中的其它可能的相對布置之前已經描述過，并將在下面進一步討論。在圖19a中，漫射光發生器10的背面通過由直射光源12和第一發射面28產生的直射光236照亮。如上所述，由于漫射光發生器10對于直射光236或者從原初光演變并形成直射光236的任何中間光而言至少是部分透明的，從而在漫射光發生器10的前表面/外發射面37產生透射光部分238。
除此之外，漫射光發生器10產生漫射光242，如下面將更詳細地描述，該漫射光發生器10可以配置成通過漫射的一部分入射光(例如直射光236或者從原初光演變并形成直射光236的中間光)的方式來產生漫射光242，和/或通過額外發射漫射光來產生漫射光242。如上面已經描述的，漫射光發生器10可以呈現為一個面板、一個層或者沉積在第一發射面28或其它一些透明基板上的層堆棧，然而，其他結構也是可行的。
優選地，由直射光源12發出的直射光236覆蓋光譜的可見區，即400納米至700納米之間的波長。優選地，直射光236的光譜的光譜寬度δλ大于100納米，大于200nm更好，其中所述光譜寬度δλ可以被定義為直射光236的光譜的標準偏差。從而，直射光236的光譜具有相關聯的cct值，下文稱為cctdirect。
優選的是，如果漫射光發生器10構造成不增加透射光238的cct，即ccttrans≤cctdirect，但偏差也是可能的。至于漫射光242而言，其具有移向較短波長的光譜，從而相對于直射光236具有更高的cct，并且在任何情況下，具有比透射光238的cct更高的cct，即cctdiffuse>cctdirect和cctdiffuse>ccttrans。優選地，光236和238為準直光，即具有窄角分布，并且光236、242和238的光譜基本上獨立于角方向(當光譜標準化至它們的峰值)。在這種情況下，cctdiffuse、cctdiffuse和ccttrans的定義很簡單明了。然而，為了更精確，并在一般情況下，cctdirect可以定義為相對于由照明裝置20產生的光在窄峰30內的平均譜的cct，即在
如上面已經描述的，漫射光發生器10可以體現為或者可以至少包括漫射板，該漫射板配置為在可見光區域內能比較長波長更有效地漫射較短波長(即400至700納米)的入射光，從而表現為類似于實際天空中太陽光的瑞利散射。例如，該漫射器構造成，在采用d65標準光源的情況下，使得該漫射器對于波長在400納米至550納米區間內的漫射/散射部分的光通量為對于波長在550納米至700納米區間內的入射光部分的光通量的至少1.1倍，優選為至少1.2倍，更優選為至少1.3倍。
例如，cctdiffuse為ccttrans的至少1.2倍，優選為大于1.3倍，更優選為大于1.4倍。cctdiffuse與cctdirect相比較，cctdiffuse可以是cctdirect的1.2倍，或優選為大于1.3倍，或更優選為大于1.4倍。
對于剛剛提到的瑞利狀漫射器的情況，該漫射器也可以相對于cctdirect降低ccttrans，透射光238表示入射光的沒有被散射/漫射、不屬于漫射光242的那部分剩余分量。
優選地，所述漫射光發生器10(不管它是漫射器和/或漫射光源)不吸收入射光的顯著部分。優選地，所述漫射光發生器10吸收低于20％的入射光的光通量，更優選的是低于10％。然而應該指出的是，一些入射光被散射或反射回上游方向而遠離輸入表面33。當比較入射光的反向散射部分和入射光的向前散射部分(即遠離第二發射面34而朝向下游方向)，則透射的漫射光部分242應當優選為大于反向散射部分，例如按光通量計，至少為反向散射部分的1.1倍，優選為1.3倍，更優選1.5倍或甚至2倍。
就反射和反向散射部分的總和而言，即入射光被漫射光發生器10反射回來或散射回來的那部分，優選為低于入射光的光通量的40％，更優選的是低于25％，或低于10％，甚至低于入射光的光通量的5％。
圖20示出的實施例中，漫射光發生器10配置為包含第一材料構成的固體基質的漫射器250，其中第二材料構成的納米顆粒254分散于固體基質252內。納米顆粒材料的折射率不同于固體基質252的材料的折射率。這兩種材料基本上不應該吸收在可見光波長范圍內的電磁輻射。例如，第一材料可以是透明樹脂。例如，第二材料可以是無機氧化物，例如氧化鋅、二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅、氧化鋁。
納米顆粒254可以是單分散的。納米顆粒254可以為圓形或其它形狀。有效直徑d(見下文對于非圓形實施例的定義)可以是在[5納米-350納米]的范圍內，優選為[10納米-250納米]，更優選為[40納米-180納米]，還更優選為[60納米-150納米]，其中d是由納米顆粒254的直徑乘以第一材料的折射率所得出。
此外，納米顆粒254可分布在漫射器250內，使得每平方米的數量，也就是由正交于光傳播方向的面s的一部分所限定的板體積單元內的數量，在1平方米區域，滿足條件nmin≤n，其中：
其中有效直徑d必須以米來表示(尺寸術語包括在常量中)，并且其中m等于第二材料的折射率與第一材料的折射率的比率。
優選地，所述納米顆粒254至少就面密度而言是均勻分布的。該面密度在低于平均面密度的5％范圍內變化。替代地，面密度可以特意變化，以便在入射光照亮板250后對板250的亮度變化提供補償。例如，第二發射面34中的點(x,y)處的面密度n(x,y)與點(x,y)處的光源2所產生亮度i(x,y)之間的關系為n(x，y)＝naviav/i(x，y)±5％，其中nav和iav為面板區域的平均亮度和面密度。
在小的d和小的體積分數(即厚板)為極限的面密度n≈nmin預計將產生約5％的散射效率。當每單位面積的納米顆粒的數目變大時，只要多次散射或干擾(假設為高體積分數)發生，散射效率預計與n成比例增長，這可能損害顏色品質。如在專利申請ep2304478中詳細描述的，納米顆粒數目的選擇偏向于對散射效率和所需顏色之間折衷的研究。此外，隨著納米顆粒的尺寸變大，前向散射光242的光通量除以反向散射光的光通量所得的比率η也變大，該比率等于在瑞利極限中的一個。此外，隨著比率η變大，前向散射錐體的孔徑變小。因此，比率η的選擇偏向于對產生大角度的散射光和盡量減少反向散射光的光通量之間折衷的研究。然而，通過已知的方式，抗反射層可分別沉積在輸入面33和第二發射面34上，以達到減少反射的目的；通過這樣做，可提高了裝置的發光效率，并降低了由面板表面的環境反射所引致的漫射板250對于觀察者的可見性。
然而，納米顆粒254不具有球形形狀的實施例也是可能的，在這種情況下，有效直徑d可以定義為等于其等效球形顆粒的有效直徑(即與上述納米顆粒體積相同的球形顆粒的有效直徑)。
此外，納米顆粒254為多分散的實施方式也是可能的，即它們的有效直徑具有分布n(d)。這樣的分布描述了在每單位表面和有效直徑d附近的有效直徑單位區間的納米顆粒的數量(即，每單位表面的直徑在d1和d2之間的粒子的數量等于
其中
n＝∫n(d)dd
d’eff可以被選擇為位于任何上述區間內，即在[5納米-350納米]的區間內，優選[10納米-250納米]，更優選[40納米-180納米]，還更優選[60納米-150納米]。
然而，可替代地，除了圖20的漫射板250之外，漫射光發生器10還可以由漫射光源260構成或包括該漫射光源260，如圖21a和21b所示，或單獨如圖23所示。與漫射板250不同，漫射光源260可以單獨從直射光源12發出漫射光，這是因為它包括一個第二發光裝置266，其不同于直射光源的第一發光裝置。
如圖21a和21b所示的漫射光源260可以位于漫射板250的下游或上游相。如下文所述，所述漫射光源260可以是板狀、層狀或體現為層堆棧。當圖21a和21b的實施例與圖17和18的實施例相結合時，應注意的是，小角度白光漫射器230可以位于漫射器250和漫射光源260兩者的下游或上游或位于它們之間。此外，漫射器250和/或漫射光源260可以包含有白光漫射器230的功能。漫射光源260能夠發射漫射光。此外，所述漫射光源對于直射光236或從原初光演變而形成為直射光236的中間光基本上是透明的。如圖21a和21b所示，所述漫射光源260可被定位成平行于面板250并幾乎與之接觸。
漫射光源260可使用漫射板264來實現，該漫射板264成形為可由第二發光裝置266從邊緣照明的光導板，第二發光裝置266可形成為led條帶或熒光燈管，使得由第二發光裝置266發出的光可在漫射板264內以被引導的模式傳播，該漫射板264對光均勻地漫射。這樣的面板264例如可以為適于邊緣照明的商用漫射器，如，例如“
在一個特定配置中，漫射板264由一種材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯)形成，而另一種材料(如氧化鋅)的微粒分散在其中；這樣的材料優選為不吸收可見光波長范圍的光。具體地，微粒的直徑范圍從2微米至20微米。
在使用時，當沿著漫射板264傳播時，通過漫射板264引導的一部分輻射離開漫射板264，例如，由嵌入到漫射板264內的微粒所漫射。由于漫射板264沿正交于面板主表面的方向h的厚度相對于邊緣照明方向k是可忽略的，面板264對于沿方向h傳播的輻射基本上是透明的，但可以作為沿方向k傳播的輻射的漫射器。
此外，假設漫射板264分別由表面s1、s2限定上側和下側，可對表面s1、s2當中的至少一個進行表面處理以產生粗糙面。這樣的粗糙面有助于由第二發光裝置266產生的光在漫射板264中的漫射，該漫射過程在沿著平行于方向k的任何方向上幾乎是均勻的。以公知的方式，該粗糙面可以被設計成由第二發光裝置266產生的光的很大一部分主要通過表面s1、s2中的一個面進行散射，特別是朝向下游方向32。在表面s1、s2中的至少一個面具有粗糙度的情況下，可以不需要在漫射板264中分布微粒。在任何情況下，漫射板264的兩個表面s1、s2上都可以具有粗糙度。
在不同的配置中，漫射光源260不是邊緣照明式，而是包括第二發光裝置，該裝置包括以oled膜的方式制成的基本上透明的發光層。類似于邊緣照明式面板光源，該oled膜還能夠以產生具有可控的顏色和強度的漫射光，同時對于沿垂直其平面的方向穿透該oled膜的光是透明的。
漫射光源260可以改變漫射光分量242的顏色和強度，基本上不改變透射分量的顏色和強度。為實現這個目的，也可以作用于由第二發光裝置266所發射的光的顏色和強度。
例如，為了再現傍晚光線的特性，可采用低cct(如2500k)的入射光；以這種方式，當采用了漫射板250時，透射分量238的顏色類似于日落前陽光的顏色。當沒有使用漫射光源260時，由所述漫射板250散射的分量的顏色將于對應的自然分量的顏色明顯不同。事實上，在自然界中發生的情況是，觀察者上方的天空由白色的日光所照亮，即尚未穿透大氣層的日光，其cct約等于6000k，該值比燈的cct高得多。因此，對于入射光具有低cct的情形，在傍晚時分觀察者上方天空的散射光的cct要比漫射板250的散射光的cct要高得多。然而，如果使用了漫射光源260，特別是漫射板250連同第二發光裝置266一起使用，其中第二發光裝置266是紅色、綠色、藍色led發光器的組合體(“rgb”)，將能夠調整每個這樣的組合體的光通量：這使得面板264以產生具有顏色和強度的散射分量，使得從漫射光源260出射的所有分量具有所需要的顏色。換句話說，所述漫射光源260允許透射分量的顏色與散射分量的顏色分開。此外，如果采用可調節cct的燈作為光源260，即可再現在一天的不同時間內的自然光照變化。
板250和260并不需要在物理上分離，圖中分離只是為了便于理解。這對于在其它附圖中繪制為分離的組件也是適用的。
在缺少漫射板250的情況下使用光源260時，只要對光源260進行適當地設計，漫射光發生器10發射的漫射光的cct比直射光236的cct要高。這種漫射光發生器至少是部分透光的。在本文中，關于光學元件的術語“透明”用于指所謂的“透視”屬性，即光學元件的透射成像光的特性，即穿透該光學元件的透射光線沒有經歷角度偏轉或者僅偏轉一個小角度(例如2.5°)。因此在本文中，“透射光”一詞指的是入射光穿透光學元件而未經歷角度偏轉(即未經歷大于2.5°的角度偏轉)的部分。值得注意的是，上述定義不依賴于“規則透射率”的概念，相比之下，“規則透射率”僅針對那些沒有任何角度偏轉的透射光。
更精確地說，給定一個標準光源(例如d65光源)，其從圓形發射面ss均勻地發射光，并給定一個標準觀察者os，其從2.5°(優選為1.5°，更優選為0.5°)的錐形hwhm立體角觀看發射面ss，所述漫射光發生器10在這里被定義為部分透明的，如果d65發射面ss的亮度由標準觀察者os感知到，當漫射光發生器10位于觀察者os和表面ss之間，其主表面正交于觀察者的眼睛與表面ss的重心之間的連線，為觀察者os感知到的亮度的至少50％，優選為至少70％，更優選為至少85％，當漫射光發生器10未置于觀察者os和表面ss之間。
總之，漫射光發生器10體現為漫射板250和/或漫射光源260，即從薄面板發射漫射光的光源。在僅使用漫射光源260的情況下，漫射光源260不用于校正由漫射板250產生的漫射光的顏色，而是用于產生整個漫射分量242進行操作-有或沒有漫射光cct的可調節性。其優點在于具有一個漫射元件，而不是兩個，因此減少了損失。由于圖23所示的邊緣照明的限制，第一個缺點可能在于較難從光源260獲得足夠大的亮度。此外，在漫射板中的漫射機理是發生在真實天空中的漫射機理相同，使得漫射器250的亮度的空間分布和角度分布相較于光源260更類似于天然界。
對于上述眾多實施例，人工照明裝置還包括由吸光材料構成的吸收器，以使第一發射面28具有的總反射系數ηr<0.4。
示例中用標號58,72,200和224對這種吸收器(absorbers)進行表示。吸收器可以由吸光材料制成。盡管沒有在前面的描述中每次都提到，吸光材料對可見光具有的吸收系數高于95％，盡管80％同樣可以滿足。吸光材料可以安裝在直射光源12的第一發光裝置即14、46、60的下游，其中的詞語“下游”定義為跟隨光傳播的方向，方向包括了在反射器上的曲光(light-bending)。在另一方面，吸光材料安裝在第一發射面28的上游，同樣地，安裝在漫射光發生器10和低角度白色光漫射器230(如果存在)的上游，如果它們安裝在第一發射面28的上游。更準確地說，安裝之后吸光材料配置為基本上吸收了上游方向透過直射光源的第一發射面28的光線，而在沒有吸收器時光線將不會直接朝向直射光源的第一發光裝置。在多個前面描述的實施例中，例如人工照明裝置包括了光準直器，光準直器是一種安裝在直射光源的第一發光裝置下游的光學元件并且配置為降低由第一發光裝置產生的原初光的分散性。在前面的實施例中加入了光準直器，例如作為透鏡的14、48、64、13(例如圓頂透鏡、菲涅耳透鏡或微透鏡)，但是通常光準直器可以是任何形式的折射、反射(包括全部的內部折射)、衍射的光學元件，或者任何包括多個這樣的光學元件的系統。在這種情況下，吸收器具有的吸光材料的安裝使得吸收器基本上吸收了透過直接光源的第一發射面28的上游/可逆的方向的光線，光線由光準直器在朝向非指向直射光源的第一發射裝置的其它方向上進行方向調整，其中的詞語“基本上”可以是指這樣的可被吸收的光線至少為70％，優選地90％或者更優選地95％。在這種情況下，吸收器主要的功能為降低在直射光236中雜散光的量，即由直射光源12產生的窄峰30外部的光的量。實際上，可以注意到這樣的實施例保證了當觀察方向從方向32開始偏離的角度大于窄峰30的角度寬度時，直射光源12具有黑色的表面。換句話說，當關閉直射光源12時而在外部照明下，實施例保證了，當打開直射光源12時第一發射面28可以只從那些能看見光斑的方向上重新出射光。此外，這樣的實施例要保證由發射器產生的光線，經過準直器或者其它安裝在發射器下游的裝置20的元件散射或反射后被吸收，而當吸收器不存在時，光線將不會變為準直的光束而從第一發射面28出射。
綜上所述，以上已經描述了具體的實施例及其中的思考。具體來說，圖5至8和11a至18專注于直射光源12的不同示例性實施例。這些實施例的共同點在于，直射光源12包括如圖24a示意性示出的第一發光裝置，它分別體現為元件14、46、60。該第一發光裝置配置為發出(即主動產生)原初光62，它可以為led、白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈或其它一些光源。另外，直射光源12包括位于該發光裝置下游的第一發射面28。至于直射光源12在第一發射面28產生直射光236的能力而言，通過指定從第一發射面28出射的直射光236的狀態(在該狀態下，漫射光發生器10被移除)來暫時不考慮漫射光發生器的10的影響。至少在漫射光發生器的10位于第一發射面28的上游側時，上述移除是會產生影響的。在其他情況下，漫射光發生器10不會對從原初光62產生直射光的過程產生影響。特別是，如上所述，直射光源12從原初光62產生直射光236，使得直射光236從第一發射面28出射時的亮度分布曲線圖在第一發射面28上是一致的，并且具有繞直射光方向32的角分布窄峰30。
雖然在上述實施例中，漫射光發生器10至少部分是透光的并設置在第一發光裝置的下游，可用不同的原理設想出替代實施例，例如把漫射光發生器設置在發光裝置的陣列的上游，或者并排設置。因此，在這種情況下，漫射光發生器將在準直器的下游或者在準直器的焦距產生平面形式的漫射光。然而，準直器沒有對散射產生效果，或者沒有改變散射。實際上，散射光不具有優先的方向，或不具有優先的方向的空間分布，準直器通過一定方式如反射的折射來能夠進行修正。因此，對本發明的內容來說，漫射光的光源相對于準直器的位置在上游和/或下游的方向是無關緊要的。此外，雖然在此之前沒有提到，在每個成對的光發射裝置/聚光器中，準直器64的光孔可以大于300cm2。成對陣列的陣列大小可以大于4×4。再進一步地，雖然成對的發射器/準直器的二維陣列排布在上述實施例中已經表明，但也同樣能設想到其它的排布諸如一維陣列排布。另外，為了抑制環境的反射，成對的準直器的下游的外表面可以包括防反射涂層。再進一步地，如前面表明的，第一發射面可以在相對第二(secondfirst)發射面的上游，并且人工照明裝置可以進一步包括角度選擇過濾器，配置為吸收相對于直射光方向的超過設定的閾值時的發散光，例如，吸收偏離超過直射光方向32的2°的光，優選地超過1°)和安裝在第一發射面下游和第二發射面的上游。至于成對的發射器/準直器的準直器，應該注意是，同樣不必分別通過單個的元件實現。相反地，它們的每個可以由兩個透鏡組合而成，彼此串聯連接，例如凹面鏡和透鏡的組合。這樣形成的組合，可被描述為“有效的準直器”，例如，其具有有效的焦距。成對的發射器/準直器的光學軸線不需要與直射光方向一致，或者換句話說，該光學軸線可以是向其它方向彎曲。舉例來說，光線彎曲元件例如是鏡子、相位板、楔形棱鏡或類似物，在每對的準直器內部或在準直器的下游側，其可能在每對中的第一發光裝置和準直器之間導致光學路徑的彎曲。當使用如前面描述的自由式的透鏡或反射cpc時，在每個成對的發射器/準直器中，準直器和光發射裝置之間的距離可以與焦距不相同。此外，由于如上所述的光學路徑的彎曲，光發射裝置和準直器的幾何排布可以不同于沿直射光方向的串聯排布。
以上圖17至23集中在漫射光發生器10的可能實現方式和相對于直射光源12及其各個部件之間的相對位置。同時也考慮了人工照明裝置所產生的不同光分量的cct。一般來說，如圖24b和24c所示的漫射光發生器10，位于直射光源12的第一發光裝置的下游且至少部分透光。例如，漫射光發生器10使原初光62、直射光236或從原初光演變而最終形成直射光236的任何中間光的50％以上射到漫射光發生器10而沒有大幅角度偏轉地通過，其中“大幅”是指可能只發生小角度的偏轉而已，例如小于2.5°的hwhm角。在圖24b和24c中的陰影框302表示漫射光發生器10可以具有其自身的第二發光裝置，一種可能的實例示于圖23中的標記266。另一種可能是通過使用oled作為漫射光源260而形成。可替代地或附加地，光漫射發生器10可以是被動性的，它與直射光源的第一發光裝置配合使用。換句話說，它可以具有一個漫射器。參考圖20至22以了解可能的替代方案的細節。在使用漫射器的情況下，漫射器被定位成由以下的光照亮，這些光可以為直射光、原初光或對應于原初光轉化成直射光的中間形式的光。無論漫射光發生器10是被動式和/或主動式的，漫射光發生器10可以位于直射光源12的第一發射面28的上游或下游側，并構造成在漫射光發生器10的第二發射面34產生漫射光242。再次說明，漫射光發生器10可以具有也可以不具有其自身的光源302。如果漫射光發生器10位于直射光源12的第一發射面28的下游側，那么直射光236是可用的，及其應用在直射光源12上的要求是可測的，無需移除漫射光發生器10。
從上述實施例中可以知道，發射面28和34中的一個位于另一個的下游側。例如，在圖24b的例子中，直射光源12的第一發射面的28位于漫射光發生器10的第二發射面34的下游，從而形成人工照明裝置的外發射面37；而在圖24c的例子中，漫射光發生器10的第二發射面34位于更下游的位置以形成外發光面37。為完整起見，圖24d示出了進一步的替代方案，直射光源12的第一發射面的28和漫射光發生器10的第二發射面34重合以共同形成人工照明裝置的外發射面37。可以想象，例如，按照圖20的實施方式的漫射光發生器10的顆粒可以散布在具有菲涅耳透鏡的任何實施例的菲涅耳透鏡64的材料內。在這種情況下，直射光源12的透鏡64將同時充當漫射光發生器10。更準確地說，在菲涅耳透鏡的材料內散布的顆粒254形成漫射光發生器10和必須(假想地)除去以確定由直射光源12產生的直射光的亮度特性。在實際中，這種散布有顆粒254的菲涅耳透鏡可用沒有這些顆粒254的相同的菲涅耳透鏡來代替。因此，從圖24b和24d可以看出，無論該漫射光發生器10位于直射光源12的第一發射面28上游側的什么位置，在人工照明裝置被建造在一起的情況下，遵循上述亮度約束條件的直射光236不能直接直接可見。確切的說，如剛才解釋，所述漫射光發生器10必須去除。
圖24e和24f集中于通過圖24b和24c所示的直射光源12和漫射光發生器10的協同工作而在外發射面37形成的外部光239。在圖24e中，其中該漫射光發生器10位于直射光源12的第一發射面28的上游側，使第一發射面28形成外發射面37，遵循剛提到的約束條件的直射光源12的直射光236不會在第一發射面28上直接產生。相反，第一發射面28上產生了已穿過漫射光發生器10的透射變體，其中該透射變體不同于直射光，其原因在于，漫射光發生器10對于入射光(例如原初光62)僅為部分的透明。例如，在漫射光發生器10體現為基于側面照射式漫射板264(沿h方向具有高的規則透射率)的漫射光源260的情況下(參照圖23)，其透射變體與直射光幾乎相同，只是稍微減弱(例如減弱10％)，這主要是因為在漫射器的空氣-面板界面上存在反射損失。在漫射光發生器10實施為體現成oled膜的漫射光源260的情況下，其透射變體相對于直射光大幅減弱(例如減弱40％)，在漫射光發生器10實施為被動式漫射板250(在瑞利區域散射入射光)的情況下，其透射變體與直射光的不同之處只在于較低的cct，如下面針對圖19a的說明。最后，如果漫射光發生器10使通過該發生器的入射光線稍有角度偏轉(即偏轉小于2.5°)，即如果它結合了小角度白光漫射器230的功能，其透射變體可在角譜方面不同于直射光，它可以是直射光角譜與小角度白光漫射器角脈沖響應函數的卷積。
在圖24e的實施例中，外發射面37上的外部光239是剛提到的直射光的透射變體以及由漫射光發生器10發射的漫射光242。從角度方面來說，外部光239包括第一光分量241和第二光分量243，其中第一光分量241沿著包含在窄峰30內(如在前述
通過圖24d與圖24b的比較可以清楚地看出，這兩種實施例的不同之處僅僅在于，由圖24d的實施例中，漫射光發生器10所產生的漫射光不能從由直射光源12發出的直射光直接得到或分離，這是由于直射光和擴散光的透射變體不可逆地融合在一起而形成在所得的外發射面37上的外部光239。
圖24f示出了從圖24c所得到的外部光的情形下。由于漫射光發生器10位于表面28的下游側，直射光236是可進入的，并且其如圖19a所示的具有ccttrans的透射變體，有助于在通過漫射光發生器10的第二發光面34形成的發光面37上形成外部光239。fig.24e示出了外部光239在角度方面的組成。
關于圖24e，圖19b和19c示出將漫射光發生器設置在直射光源12的第一發射面28上游的兩個備選方案。圖19b中示出了有源形式的漫射光發生器10，其對于入射到輸入面33上的光(例如對于原初光62)幾乎是完全透明的，從而使直射光將基本上直接在發光面28和37上參與形成外部光239。盡管如此，但是，應當指出的是，第一角度光分量241與直射光的不同之處在于，第一角度光分量241還包括漫射光發生器10的漫射光成分。然而，由于窄峰30所覆蓋的角度范圍很小，因此后者所占的比重是非常小的，相應地，直射光236的cct或透射光的cct與上述漫射光242的cct之間的所有cct關系也適用于第一光分量。
此外，第一角度光分量241具有一個窄的角支撐，僅通過沿窄峰30內的方向傳播的光線而形成(即在亮度分布曲線圖中支撐峰值的方向)。與此相反，直射光236可以在任何角度存在背景光。
圖19c示出了漫射光發生器10的一種實施例，其包括上述具有波長選擇性漫射率的漫射器，例如，置于發生器10與由發射面28形成的外發射面之間的模糊濾光器。直射光的透射變體生成在表面28和37上，并參與形成外部光。再次說明，外部光239在窄峰30內的角度光分量241與剛才提到的直射光的透射變體的不同于在于，角度光分量241還包括由漫射光發生器10所產生的漫射光的相應角度分量。
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