CN116817216A - 一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑照明技术领域，公开了一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置及控制方法，具有多个采光部和多个透光部，采光部与透光部阵列布置或其他多种布置，采光装置具有：光经由多个采光部而透射的采光区域、光经由透光部而透射的光透射区域。采光部的设置于室外侧的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在所述设置于室外侧的第一凸透镜阵列中对应单个完整凸透镜的中心，使光线发散至室内空间。既可以作为配件用于建筑窗户、幕墙，也可直接用作窗帘、百叶窗以及室内隔断；可高效收集入射进窗户的自然光，将光线发散至室内各个方向，充分利用自然光进行室内采光，节能减排，提高能量利用率，同时可使室外景物可见。

Description

一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置及控制方法

技术领域

本发明属于建筑照明技术领域，尤其涉及一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置及控制方法。

背景技术

目前，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，现阶段全球能源供应面临短缺困局，能源供应的短缺，给全球经济发展带来了一系列严重后果，甚至可能引发战争，因此能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。相关资料显示，全球建筑能源消耗占到总能源消耗的41％，而随着城市化进程的加快，建筑能源消耗占比越来越高，中国有关方面公布的数据显示，2021年建筑能源消耗占到国内总能源消耗的46％，而建筑能源消耗中照明约占建筑能耗的30％。在各种照明光源中，源自太阳的自然光不需要成本且无污染，即使将一小部分人造照明替换成自然光，也可节省大量能源。

建筑室内白天常见的情况是，室内靠南向窗户、幕墙附近位置受到阳光直射、照度大，远离室内靠南向窗户、幕墙的照度不足，靠北向的房间甚至终年见不到太阳。所以在天然光的利用中，如何充分采集自然光线，并使自然光可以引入室内，具有非常重要的意义。

为解决上述问题，利用窗户、窗帘和百叶窗等，技术人员已经开发出将日光引入室内提供照明的多种技术，其中较多见且易行的技术是：将原来不可用于照亮整个室内的自然光，通过一定的装置将光线引至南向室内的全部区间，甚至引至北向的房间，就可以将自然光更有效地用于房间照明。现阶段，技术人员已经开发出将自然光线引到室内，以提供室内照明的多种技术，但存在光线利用率不高、线不均匀、产生眩光和室外景色不可见等问题，限制了室内自然光采集技术的实际应用。为了解决上述问题，美国公布了待审的US20180095196A1等专利申请，美国授权了US20170284619A1等专利，中国公布了待审的CN114321818A等专利，中国授权了CN201320558849等实用新型专利，上述技术为常规尺寸的结构化或微结构化透光装置，但上述均不能同时解决光线利用率不高、光线不均匀、产生眩光和室外景色不可见的问题，仍限制着自然光采集技术的实际应用。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有装置光线利用率不高、线不均匀、产生眩光和室外景色不可见。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置。

本发明是这样实现的，一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置具体为：

装置的表面结构为普通尺寸或微尺寸，所述装置性状为胶片、薄膜和板状，所述装置的材质为透明度大于50％以上的无机陶瓷和有机高聚物以及纤维与纳米复合材料，如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物等。

进一步，所述自然光采光装置可以包括：具有多个采光部，采光部采用基于平透镜和双凸透镜组合的自然光采光装置，其第一凸透镜阵列设置于室外侧，第二凸透镜阵列设置于室内侧；以及平透镜阵列透光部，其设置于所述多个采光部之间，采光装置具有：光经由所述采光部而透射的采光区域，和光经由平透镜组成的透光部而透射的光透射区域，所述采光区域与所述透光区域交替布置。

进一步，采光部包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为第一凸透镜阵列和第二凸透镜阵列，所述第一凸透镜阵列用于收集室外自然光，所述第二凸透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内，已达到白天入射室内的自然光能发散到室内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量的利用率。

进一步，光的传导方式可以为设置在自然光侧的两透镜阵列传递给设置于室内侧的透明材料阵列，也可以是先经设置于自然光侧的透明材料阵列再传导至设置于室内侧的两透镜阵列，优选的，光的传导方式为第一透镜阵列、中间空气和第二凸透镜。更优选的，光的传导方式为第一透镜阵列、中间透明材料和第二凸透镜阵列为同一材质，经第一凸透镜传导至中间透明材料阵列再传导给所述第二凸透镜阵列，

进一步，所述采光装置中采光部第一凸透镜阵列面朝向自然光入射方向，所述第一透镜面阵列与入射自然光角度成锐角。

进一步，所述采光装置中采光部采用一种基于平透镜和双凸透镜组合的前后两个阵列形式的理想透镜，分别为双凸透镜阵列，双凸透镜可采用透镜镜面和平面镜面交替布置呈阵列组合，室内可通过平面镜面观察室外景色，室外自然光通过曲面镜面可高效收集入射进窗户的自然光。

进一步，所述采光装置中采光部第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦距为所述第一凸透镜阵列中单个凸透镜焦距的为1-5倍。

进一步，所述采光部的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在所述第一凸透镜阵列中对应单个完整凸透镜的中心，使光线发散至室内空间。

进一步，所述采光部的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在所述第一凸透镜中对应单个完整凸透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

进一步，所述采光部的第二凸透镜阵列与所述第一凸透镜阵列单元大小不相等，所述第二凸透镜大小满足将对应所述第一透镜发散光束全部收集汇聚。

进一步，所述采光部的第二凸透镜阵列为部分透镜阵列，其单元结构为单个凸透镜的通光部分。

进一步，所述采光部的第二凸透镜阵列与所述第一凸透镜阵列错位排列，错位量为第二凸透镜阵列通光孔径大小。

进一步，所述采光部的第二凸透镜阵列与所述第一凸镜阵列单元大小不相等，所述第二凸透镜大小为单个第二凸透镜的通光孔径大小。

进一步，所述采光装置中，从所述平透镜阵列的法线方向观察，也可以是所述采光区域与所述光透射区域以直线条纹状或曲线条纹状、方格图案或非周性阵列布置等。

进一步，所述采光装置中，从所述的平透镜阵列法线方向观察，所述采光区域或所述透光区域也可以以圆形、多边形、椭圆形或其他特殊形状不规则布置等。

进一步，所述采光装置中，所述透光部的光透射率也可以不大于所述采光部透射率。

进一步，所述采光装置中，也可以还包括：保护板，其位于所述的透明材料 的所述外侧或内侧并具有透光性，所述采光板在所述光透射区域中固定于所述采光部和透光部。

进一步，所述采光装置中，也可以还包括：保护板，其位于所述的透明材料的所述内、外侧并具有透光性，所述采光板固定于所述采光部和透光部。

进一步，所述采光装置中，也可以所述透光部的总厚度不小于形成所述采光部的总厚度；优选的，所述透光部的总厚度等于形成所述采光部的总厚度。

进一步，所述采光装置也可以多个所述采光区域在所述透明材料阵列的内侧或外侧或内外侧以曲线状延伸，优选的，所述采光装置也可以多个所述采光区域在所述透明材料的内侧或外侧或内外侧以直线状延伸。

进一步，所述采光装置中，也可以还包括：所述光扩散部，其使从多个所述采光部射出的光、或入射至多个所述采光部的光扩散。

进一步，所述采光装置中，也可以还包括：所述光扩散部形成光扩散区域，所述光扩散区域从所述平透镜的法线方向观察，包括所述采光区域并且比所述采光区域广。

进一步，所述采光装置中，可以具备透明板，所述透明板设置于采光装置的内侧或外侧或内外侧。

进一步，所述采光装置中，另外，作为本发明的一个方式的采光装置，也可以具备：长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：具有多个所述多个采光部、具有透光部至少一个方向交替地设置。

进一步，其实现所述功能的采光装置的组成结构，可以是人眼能分辨的可见结构，优选的，采用人眼不可分辨的微结构。

进一步，其实现所述功能的采光装置可制作为采光膜贴附于其他透明材料一起使用，优选的，为多个所述多个采光部、具有透光性的透明材料、多个所述透光部材质为同一材料的独立采光装置。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

可高效收集入射进窗户的自然光，将光线发散至室内各个方向，充分利用自然光进行室内采光，节能减排，提高能量利用率，同时可使室外景物可见。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明既可以作为配件用于建筑窗户、幕墙，也可直接用作窗帘、百叶窗以及室内隔断。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置

图2是本发明实施例提供的透明材料结构示意图；

图3是本发明实施例提供的透明材料截面示意图；

图4为本发明实施提供的采光部在透明材料的整体截面图；

图5为本发明实施例提供的采光部分别布置于透明材料内外侧上下方向的变化示例整体截面图；

图6为本发明实施例提供的采光部布置于空气介质的上下方向的变化示例整体截面图；

图7是本发明实施例提供的采光部双凸透镜的布置变化示例一的截面图；

图8是本发明实施例提供的采光部双凸透镜的布置的变化示例二的截面图；

图9是本发明实施例提供的采光部的双凸透镜的布置变化示例三的截面图；

图10是本发明实施例提供的采光部的双凸透镜的布置变化示例四的截面图；

图11是本发明实施例提供的采光部的双凸透镜的布置的变化示例五的截面图；

图12是本发明实施例提供的采光部的双凸透镜的布置的变化示例六的截面图；

图13是为本发明实施例提供的表示出采光部双凸透镜全部设置为凸透镜采光的情况示意图；

图14是本发明实施例提供的采光部双凸透镜的示意图；

图15是本发明实施例提供的变化例三的采光装置的整体结构的图；

图16是本发明实施例提供的变化例四的采光装置的整体结构的图；

图17是为本发明实施方式的变化例五的采光装置的整体结构的图；

图18是为本发明实施方式的变化例六的采光装置的整体结构的图；

图19是为本发明实施方式的变化例七的采光装置的整体结构的图；

图20是本发明实施例提供的变化例八的采光装置的整体结构的图；

图21是本发明实施例提供的变化例九的采光装置的整体结构的图；

图22是本发明实施例提供的变化例十的采光装置的整体结构的图；

图23是本发明实施例提供的变化例十一的采光装置的整体结构的图；

图24是本发明实施例提供的变化例十二的采光装置的整体结构的图；

图25是本发明实施例提供的变化例十三的采光装置的整体结构的图；

图26是本发明实施例提供的变化例十四的采光装置的整体结构的图；

图中：1、为采光部；2、为透明材料；3、为透光部；4、为保护板。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1-图26所示，本发明实施例提供的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置：为采光部1、为透明材料2、为透光部3、为保护板4。

自然光采光装置可以包括：具有多个采光部，采光部采用基于平透镜和双凸透镜组合的自然光采光装置，其第一凸透镜阵列设置于室外侧，第二凸透镜阵列设置于室内侧；以及平透镜阵列透光部，其设置于多个采光部之间，采光装置具有：光经由采光部而透射的采光区域，和光经由平透镜组成的透光部而透射的光透射区域，采光区域与透光区域交替布置。

采光部包括前后两个阵列形式的理想透镜，分别为第一凸透镜阵列和第二凸透镜阵列，第一凸透镜阵列用于收集室外自然光，第二凸透镜阵列用于将入射自然光折射后偏转至室内，已达到白天入射室内的自然光能发散到室内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，节能减排，提高能量的利用率。

光的传导方式可以为设置在自然光侧的两透镜阵列传递给设置于室内侧的透明材料阵列，也可以是先经设置于自然光侧的透明材料阵列再传导至设置于室内侧的两透镜阵列，优选的，光的传导方式为第一透镜阵列、中间空气和第二凸透镜。更优选的，光的传导方式为第一透镜阵列、中间透明材料和第二凸透镜阵列为同一材质，经第一凸透镜传导至中间透明材料阵列再传导给第二凸透镜阵列，

采光装置中采光部第一凸透镜阵列面朝向自然光入射方向，第一透镜面阵列与入射自然光角度成锐角。

采光装置中采光部采用一种基于平透镜和双凸透镜组合的前后两个阵列形式的理想透镜，分别为双凸透镜阵列，双凸透镜可采用透镜镜面和平面镜面交替布置呈阵列组合，室内可通过平面镜面观察室外景色，室外自然光通过曲面镜面可高效收集入射进窗户的自然光。

采光装置中采光部第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦距为第一凸透镜阵列中单个凸透镜焦距的为1-5倍。

采光部的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在第一凸透镜阵列中对应单个完整凸透镜的中心，使光线发散至室内空间。

采光部的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在第一凸透镜中对应单个完整凸透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间。

采光部的第二凸透镜阵列与第一凸透镜阵列单元大小不相等，第二凸透镜大小满足将对应第一透镜发散光束全部收集汇聚。

采光部的第二凸透镜阵列为部分透镜阵列，其单元结构为单个凸透镜的通光部分。

采光部的第二凸透镜阵列与第一凸透镜阵列错位排列，错位量为第二凸透镜阵列通光孔径大小。

采光部的第二凸透镜阵列与第一凸镜阵列单元大小不相等，第二凸透镜大小为单个第二凸透镜的通光孔径大小。

采光装置中，从平透镜阵列的法线方向观察，也可以是采光区域与光透射区域以直线条纹状或曲线条纹状、方格图案或非周性阵列布置等。

采光装置中，从的平透镜阵列法线方向观察，采光区域或透光区域也可以以圆形、多边形、椭圆形或其他特殊形状不规则布置等。

采光装置中，透光部的光透射率也可以不大于采光部透射率。

采光装置中，也可以还包括：保护板，其位于的透明材料 的外侧或内侧并具有透光性，采光板在光透射区域中固定于采光部和透光部。

采光装置中，也可以还包括：保护板，其位于的透明材料的内、外侧并具有透光性，采光板固定于采光部和透光部。

采光装置中，也可以透光部的总厚度不小于形成采光部的总厚度；优选的，透光部的总厚度等于形成采光部的总厚度。

采光装置也可以多个采光区域在透明材料阵列的内侧或外侧或内外侧以曲线状延伸，优选的，采光装置也可以多个采光区域在透明材料的内侧或外侧或内外侧以直线状延伸。

采光装置中，也可以还包括：光扩散部，其使从多个采光部射出的光、或入射至多个采光部的光扩散。

采光装置中，也可以还包括：光扩散部形成光扩散区域，光扩散区域从平透镜的法线方向观察，包括采光区域并且比采光区域广。

采光装置中，可以具备透明板，透明板设置于采光装置的内侧或外侧或内外侧。

采光装置中，另外，作为本发明的一个方式的采光装置，也可以具备：长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：具有多个采光部、具有透光部至少一个方向交替地设置。

其实现功能的采光装置的组成结构，可以是人眼能分辨的可见结构，优选的，采用人眼不可分辨的微结构。

其实现功能的采光装置可制作为采光膜贴附于其他透明材料一起使用，优选的，为多个采光部、具有透光性的透明材料、多个透光部材质为同一材料的独立采光装置。

本发明实施例在使用时通过采光部采用基于平透镜和双凸透镜组合的自然光采光装置，可以使白天从装置入射的自然光发散到室内各个角落，充分利用自然光进行室内照明，并同时可使室内人员看见室外景色，节能减排，提高能量的利用率。第一凸透镜阵列设置于室外侧，第二凸透镜阵列设置于室内侧；以及平透镜阵列透光部，其设置于多个采光部之间，将光向室内引导的多个透镜采光部，透镜采光部的透镜阻碍从室内的眺望性，为解决上述问题，在采光部之间设置有平透镜组成的透光部，可从室内通过透光部向外眺望。采光装置具有：光经由采光部而透射的采光区域，和光经由平透镜组成的透光部而透射的光透射区域，采光区域与透光区域交替布置，装置将自然光线传递至室内的同时能呈现室外景色。

装置的表面结构为普通尺寸或微尺寸，装置性状为胶片、薄膜和板状，装置的材质为透明度大于50％以上的无机陶瓷和有机高聚物以及纤维与纳米复合材料，如玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物等。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明实施例基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置应用在室内采光中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，包括：具有多个采光部和多个透光部，采光部与透光部阵列布置或其他多种布置，采光装置具有：光经由多个采光部而透射的采光区域、光经由透光部而透射的光透射区域。

2.如权利要求1所述的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部的设置于室外侧的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在所述设置于室外侧的第一凸透镜阵列中对应单个完整凸透镜的中心，使光线发散至室内空间；

所述采光部的第二凸透镜阵列中单个凸透镜的焦点落在所述第一透镜阵列中对应单个完整凸透镜的焦点后方，使光线发散至室内空间；

所述采光部的二个凸透镜阵列单元大小不相等，第二凸透镜大小满足将对应所述第一凸透镜发散光束收集汇聚。

3.如权利要求1所述的基于平透镜和双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部的凸透镜阵列为部分透镜阵列，其单元结构为单个凸透镜的通光部分；

所述采光部的二个凸透镜阵列错位排列，错位量为第二凸透镜的通光孔径大小。

4.如权利要求1所述的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部的所述第一凸透镜阵列单元使得自然光向上偏转并聚集，第二凸透镜使得经第一凸透镜偏转并聚集的光线在聚焦后再向上偏转发散至室内。

5.如权利要求1所述的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光部设置于透明材料内侧或外侧或内外侧，其中采光部的第一凸透镜阵列设置于室外自然光照射面侧，采光部的第二凸透镜阵列设置于室内侧；

所述采光部第一凸透镜阵列和第二凸透镜阵列之间的材料是透明的，其中一种特殊情况是，采光部第一凸透镜阵列透镜和第二凸透镜阵列之间设置的不是透明材料而是空气，采光部第一凸透镜阵列和第二凸透镜阵列之间材料为与采光部和透光部材质相同；

所述透明材料材质是可见光透明度大于85％以上的无机陶瓷和有机高聚物以及纤维与纳米复合材料，包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂、苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物。

6.如权利要求1所述的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光区域设置的采光部采用一种基于双凸透镜组合的两个阵列形式的理想透镜，分别为第一凸透镜阵列和第二凸透镜阵列，第一凸透镜阵列用于传导入射的室外自然光，第二凸透镜阵列将经第一凸透镜阵列向上偏转并聚集的自然光再向上偏转并聚集传到于室内；光的传导方式可以为设置在室外侧的两透镜阵列传递给设置于室内侧的透明材料，也可以是经第一凸透镜阵列传导至中间透明材料再传导给所述第二凸透镜阵列，也可以是先经设置于室外侧的透明材料再传导至设置于室内侧的两凸透镜阵列；凸透镜阵列用于将入射的自然光折射后偏上转至室内空间，平透镜和双凸透镜组合数量大于等于1，可以取1、2、3等数量，平透镜、双凸透镜组合之间距离大于等于0，可以取大于0的某一值，通过调整平透镜和双凸透镜组合之间距离，调整采光区域透明材料的透视率，满足不同需求。

7.如权利要求1所述的基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述采光区域设置的采光部采用一种基于第一凸透镜和第二凸透镜组合的前后两个阵列形式的理想透镜，分别为双凸透镜阵列，双凸透镜可采用与平面镜面交替布置呈阵列组合，室外自然光通过透镜镜面阵列可高效收集入射进室内的自然光，透光部的平面透镜阵列用以呈现室外景色；

所述采光部双凸透镜中间的平透镜的法线方向观察，采光区域与所述透光区域以直线或曲线条纹状配置、方格状配置或其他非周期性的其他任意图案配置。

8.如权利要求1所述的基于平透镜和双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述透镜和双凸透镜组合的采光装置还包括：可设置保护板，保护板可以是透明或用于采光部漫反射部分，其位于所述平透镜的外侧或内侧或内外二侧且具有透光性，采光部及透光部可设置于保护板一侧或其中间，也可不设置保护板，采光部及透光部可直接设置于所述透明材料的所述外侧；

所述透镜和双凸透镜组合的采光装置还包括：光扩散部，其使从多个所属采光部射出的光、或入射至多个所述采光部的光扩散；

所述光扩散部形成光扩散区域，采光装置的平透镜法线方向观察，包括采光区域并且比采光区域扩散。

9.如权利要求1所述的一种基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置，其特征在于，所述基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置还设有长条状或方形的多个采光板条，该多个采光板条包括：具有多个所述多个采光部、多个所述透光部的板条，在透明材料的内侧或外侧或内外侧的至少一个方向交替地设置；

所述基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置还包括，采光部中可以设置部分透光部；

所述采光装置的组成结构，可以是人眼能分辨的可见结构；

所述采光装置制作为采光膜贴附于其他透明材料一起使用，优选的为多个所述多个采光部、多个所述透光部材质为同一材料的独立采光装置。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述基于平透镜、双凸透镜组合的采光装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：通过采光部采用基于平透镜和双凸透镜组合的自然光采光装置，使白天从装置入射的自然光发散到室内各个角落；第一凸透镜阵列设置于室外侧，第二凸透镜阵列设置于室内侧；以及平透镜阵列透光部，其设置于多个采光部之间，将光向室内引导的多个透镜采光部；在采光部之间设置有平透镜组成的透光部，从室内通过透光部向外眺望。