[发明专利]基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明装置和方法

权利要求书

1.基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明装置，其特征在于，包括前后两个阵列形式的表面，第一个表面为透镜阵列，第二个表面为自由曲面阵列，所述透镜阵列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自由曲面阵列；所述自由曲面阵列用于将入射自然光通过倾斜表面折射后偏转至室内空间；

所述透镜阵列的透镜形式为凸透镜或凹透镜，透镜面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与入射自然光角度成锐角；

所述凹透镜上不同位置x₁,y₁的厚度z₁的表达式为r₁为凹透镜曲面半径，曲面半径为凹透镜与自由曲面最小间距的1-5倍；所述凸透镜上不同位置x₂,y₂的厚度z₂的表达式为r₂为凸透镜曲面半径，曲面半径为凸透镜与自由曲面最小间距的1-5倍；

所述自由曲面阵列的形式为凸自由曲面或凹自由曲面，所述凸自由曲面通过折射将光线折射于水平方向，凸自由曲面上不同位置x₃,y₃的厚度d₁的表达式为其中n为折射率，r₃为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ₁为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播；所述凹自由曲面上不同位置x₄,y₄的厚度d₂的表达式为其中n为折射率，r₄为凹自由曲面顶点的曲率半径，θ₂为凹自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播。

2.根据权利要求1所述的基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明装置，其特征在于，所述透镜阵列对入射光附加的相位调制表示为x₅,y₅为透镜阵列入射波前的位置，λ为入射光中心波长，f₁为透镜焦距，所述自由曲面阵列对入射自然光附加的相位调制表示为x₆,y₆为自由曲面阵列入射波前的位置，f₂表示自由曲面等效焦距，θ₃为入射光在自由曲面的入射角度。

3.根据权利要求1所述的基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明装置，其特征在于，所述透镜阵列与所述自由曲面阵列一一对应，单个自由曲面中心位置与透镜单元的光轴相匹配。

4.根据权利要求1所述的基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明装置，其特征在于，单片器件材料为透射率85％以上的透射率材料，包括但不限于玻璃、树脂、及透明塑料。

5.根据权利要求1所述的基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明装置，其特征在于，所述前后表面阵列形式为填充率95％以上的方形全孔径阵列。

6.基于透镜与自由曲面的单片式自然光匀化照明方法，其特征在于，包括：

室外自然光经透镜阵列收集，并经两面间同等材质的中间介质传导至自由曲面阵列；

所述自由曲面阵列经过倾斜表面折射后，将入射自然光偏转至室内空间；

所述透镜阵列的透镜形式为凸透镜或凹透镜，透镜面朝向自然光入射方向，透镜镜面法线与入射自然光角度成锐角；

所述凹透镜上不同位置x₁,y₁的厚度z₁的表达式为r₁为凹透镜曲面半径，曲面半径为凹透镜与自由曲面最小间距的1-5倍；所述凸透镜上不同位置x₂,y₂的厚度z₂的表达式为r₂为凸透镜曲面半径，曲面半径为凸透镜与自由曲面最小间距的1-5倍；

所述自由曲面阵列的形式为凸自由曲面或凹自由曲面，所述凸自由曲面通过折射将光线折射于水平方向，凸自由曲面上不同位置x₃,y₃的厚度d₁的表达式为其中n为折射率，r₃为凸自由曲面顶点的曲率半径，θ₁为凸自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播；所述凹自由曲面上不同位置x₄,y₄的厚度d₂的表达式为其中n为折射率，r₄为凹自由曲面顶点的曲率半径，θ₂为凹自由曲面的面型倾角，通过折射使光线沿水平方向传播。