光譜可控光閥的製作方法

2023-07-15 18:03:51 2

來自太陽的光可能是用於光照的最便宜並且最可獲得的日光源，並且大多數建築物具有使太陽光或光從外部環境傳到建築物內部中的窗戶。通常使用窗簾、百葉窗和其它遮光簾調節進入到環境的太陽光的量。然而，當前的窗戶和窗戶控制的能力是有限的。

技術實現要素：

根據本發明的一個方面，光照系統可以採用在窗戶或其它光通路中的電子光閥或其它電可控設備，以接收諸如自然太陽光的外部光，並調製所接收的光以控制環境的光照的空間、定向、角度、時間、或光譜變化。在一種具體配置中，光閥可以包括具有與在液晶顯示器(LCD)或反射顯示器技術中發現的結構類似的結構的面板。光閥可以具體地被部署為在窗戶、天窗、或其它通道上或附近，該窗戶、天窗、或其它通道使光從一個環境傳到另一個環境中，例如，從外部環境到內部環境或其它至少部分遮蔽的環境。光閥可以結合控制系統一起操作，控制系統諸如解釋光控制信息以控制透射通過光閥的光的空間、時間和光譜特性的通用計算機或專用硬體。控制信息可以採取可以被本地存儲或流化到控制系統或光閥的流明(lumen)腳本的形式。

一個具體的實施方式是用於對環境照明的系統。該系統包括光閥，以獨立地調製來自諸如太陽的光源的若干波長帶透射穿過光閥並進入到系統進行照明的環境中。該控制系統可以操作光閥，以控制透射通過光閥的光的光譜分布，並且由此來控制環境的照明。

附圖說明

圖1示出了使用外部光源來對內部環境進行光照的系統的實施方式。

圖2示出了光閥系統的實施方式。

圖3示意性示出了根據使用堆疊的光譜過濾器的實施方式的光閥。

圖4示意性示出了根據使用橫向分布的光譜過濾器的實施方式的光閥。

圖5A和5B示出了採用人造光源和光閥來改變環境的照明的光譜、時間、角度、或空間分布的照明設備的實施方式。

附圖為了說明的目的示出了示例，且不是發明本身。在不同附圖中使用相同的參考符號指示相似或相同的項。

具體實施方式

光照系統可以採用諸如太陽的外部光源，並且向內部或遮蔽環境提供具有根據照明數據而控制的空間、角度、時間、或光譜變化的光照或照明，在這裡照明數據有時被稱為腳本(script)。圖1示出了向內部環境112和116提供光照或照明的系統100的示例，該內部環境112和116可以是在建築物110內部的房間、隔間、或其它空間。內部環境112可以包括直接從建築物110外部接收光的建築部分，例如，具有窗戶、門、或天窗的房間，內部環境116可以包括間接接收穿過建築物110的居間(intervening)隔間的外部光的建築部分。建築物110可以例如是住宅、商店、辦公建築物、醫療機構、醫院、倉庫、或任何其它建築物。環境112和116可以例如是內部空間，諸如建築物110的房間、閣樓、地下室、整個內部，或者例如是通過建築物110的牆、天花板、或地板分隔開的任何隔間。

建築物110外部的環境包括一個或多個外部光源120。在這裡所描述的示例中，外部光源120是日光，其可以包括：直接來自太陽的太陽光；由空氣散射的太陽光，例如，藍天；由其它氣象現象散射的太陽光，例如由雲散射的；或由其它自然或人造物體散射或反射的太陽光，例如來自月亮、山脈和水體。大多數時候，太陽產生具有寬光譜和高強度的光，但是在這裡總稱為光122的入射光122A、122B、122C和122D取決於諸如日時間和外部環境中的條件的因素而變化。具體地，光122可以包括太陽光，太陽光通常包括來自太陽的方向的明亮的、幾乎準直(collimated)的光和來自天空中其它方向的漫射(diffuse)光。此外，太陽光可以由諸如雲的氣象條件、由諸如白雪覆蓋或森林覆蓋的山脈、水體或其它地形的自然特徵、或由諸如相鄰建築物或其它結構的人造特徵散射、反射、或過濾。圖1示出包括例如太陽跟蹤架上的鏡子的光收集系統128的示例，其反射或以其它方式收集太陽光以增加可用於內部光照的入射光122的量。因此，入射光122的方向、頂點的角度分布、和空間分布可以變化。入射光122的光譜組成也可以變化。例如，日光一般隨方向和時間變化。具體地，漫射日光通常具有比直射太陽光更高的色溫。

日光是入射光122的免費且高品質的照明源，且在這裡將太陽描述為可以提供內部光照的外部光源120的主要示例。然而，恰好在外部環境中的諸如月亮、星星、或人造光源的其它的外部光源120可以替代地可用、或者可以貢獻入射光122A、122B、122C和122D。

建築物110包括一個或多個主動的(active)光通路130，諸如從外部源120將光122傳遞到內部環境112的窗戶、門、天窗、或其它光通路。在圖1的示例中，實施例建築物110包括建築物110向陽側的窗戶130A和天窗130B以及建築物110背陰側的窗戶130C和天窗130D。窗戶130A和130C以及天窗130B和130D可以佔據例如幾十釐米至一米到多米的量級的寬度或高度的大的區域。窗戶130A和天窗130B可以在北半球朝南(或在南半球朝北)以在一天的大多數時間接收強烈且顯著準直的日光，或可以在早晨朝東或在夜間朝西。窗戶130C和天窗130D可以在北半球朝北(或在南半球朝南)以在一天的大多數時間接收漫射光，或者可以在夜間或早晨朝東或朝西。

窗戶130A和130C以及天窗130B和130D可以包括常規的結構，諸如框架和玻璃板，但是一個或多個光通路130A至130D可以額外地或替代地包括各自的光閥132A至132D，光閥132A至132D能夠調製從外部源120到達光通路130A至130D的入射光122A至122D的多個光譜分量。在一種配置中，光閥132A至132D的每一個裝配到傳統的窗戶、天窗、或其它光通路附近的開口。在另一配置中，光閥132A至132D的一個或多個可以代替傳統的透明、漫射、或半透明結構，諸如在各個光通路中的玻璃或塑料板。如所提到的，光閥132A至132D的每一個可以採用諸如在LCD或反射顯示器中所使用的顏色或光譜過濾技術，但是光閥132A至132D的每一個能夠調製比顯示系統一般所容納的更多的光譜帶。而且，光閥132A至132D可以不需要視頻顯示器通常所需的空間或「像素」解析度，因為光閥132A至132D主要旨在照明並且不用於顯示圖像以觀看。儘管在一些情況下，光閥132A、132B、132C、或132D可以為內部環境提供照明，而且在光閥上具有可觀看圖像。當不需要顯示圖像時，光閥可以一致地調製遍及窗戶或天窗的整個區域的透射或反射光的光譜成分。可替代地，光閥可以包含獨立調製區域的陣列，並且每個區域可以具有典型電流顯示器的尺寸或可以具有毫米到米的量級的尺寸的更大的像素。獨立調製區域的陣列對於在光照中創建空間變化來說是尤其期望的，以例如創建以類似於太陽、月亮、星星的移動的方式在照明環境中移動的一個或多個明亮的光源。類似地，具有獨立調製區域的陣列的光閥可以創建雲或其它可變的現象在照明環境的光照中可能具有的影響，並且可以在光閥的表面上同時創建雲或其它現象的圖像。

在圖2中更詳細地示出的，示出的實施方式中的每個光通路130還具有閥控制電子裝置134。通常，光通路130的光閥132在物理上位於該光通路內，例如，在窗戶、天窗、或通過建築障礙物的其它開口中，並且框架或其它合適的安裝結構250可以在適當的位置容納光閥132。閥控制電子裝置134不必需在光通路130的開口中，從而使閥控制邏輯134的全部或部分可以遠離開口。閥控制電子裝置134在其控制單個光通路位置的意義上來說可以是本地的，但是閥控制電子裝置134可以與其它控制系統協作工作。在圖2的實施方式中，閥控制電子裝置134包括通信接口210，該通信接口210能夠與一個或多個光通路130的閥控制電子裝置中的類似的通信接口通信或與主控制系統140通信。例如，通信接口210可以與主控制系統140或其它光閥系統通過諸如無線(例如，藍牙、Zigbee、或Wi-Fi)或硬連線(例如，乙太網)網絡的網絡進行通信。控制邏輯220可以包括微控制器和存儲控制程序或腳本的存儲器，其可以採用通信接口210來實現合適的通信協議。

在圖1的系統100的操作期間，每個光閥132可以接收入射光122並且獨立地在多個區域中調製或過濾多個光譜帶，以產生作為內部環境112的照明的至少一部分的透射光114。控制邏輯220操作主動光通路130的驅動器230以例如將各個偏置電壓施加到區域的陣列，並且由此控制不同波長帶的光穿過相關聯的光閥132的區域的透射百分比。這種控制一般經過編程，但是控制邏輯220還能夠訪問一個或多個傳感器240並且基於傳感器測量操作驅動器電路230，以便控制對應的光閥132的多個獨立可控區域的光透射特性。

在圖示的實施方式中，控制電子裝置134包括一個或多個傳感器240。傳感器240可以是任何類型的，包括光傳感器、溫度傳感器，運動傳感器、佔用傳感器、或環境112的其它大氣成分或其它條件的傳感器。具體地，光傳感器能夠測量入射光122的一個或多個特性和/或透射光114的一個或多個特性。可以測量的一些光特性包括入射光122或透射光114的強度、方向、準直性、和光譜分布。控制邏輯220可以使用這種光測量或可以將測量數據發送到主控制系統140以例如在學習程序或在協調光閥132的操作和照射環境的其它光源的操作中使用。例如，控制邏輯220或主控制系統140可以收集和處理來自傳感器240的數據，以學習特定光閥132的特性或在光閥132處的入射光122的特性，然後學習程序可以自動地適應光閥132的操作參數以提供主動光通路130的期望性能。控制邏輯134或主控制系統140還可以基於其它類型的測量改變環境112中的光照。如果傳感器240(或傳感器148)包括佔用或運動傳感器，控制邏輯220或主控制系統140可以根據環境112中的人的數量或位置來修改透射通過光通路130的光的強度或光譜。如果傳感器240(或傳感器148)包括化學或環境條件傳感器，控制邏輯220修改透射通過光通路130的光的強度或光譜，以提供感測到的條件的警告或通知。傳感器240還可以在光的預測編程中使用以例如基於感測到的用戶的活動預測用戶的光需求或期望。

在權利要求1的系統中，可以通過主控制系統140協調光閥132A至132D的操作。另外，光通路130至130D中的一些、全部、或沒有一個可以自主操作以根據該光通路130的具體編程來控制透射光114A至114D的特性。在一個實施方式中，光通路130A至130D的每一個可以過濾入射光122A至122D，使得其透射光114A至114D具有對於該光通路設定或編程的光譜分布。例如，光通路130A至130D的一個或多個可以被編程通過透射更高百分比的入射紅光以使得對應的內部光照114A至114D具有晴天的光譜分布，來補償陰天。更一般地，閥控制系統134A至134D或主控制系統140可操作以從描述不同照明方案的腳本庫中選擇腳本，並且根據所選的腳本來控制波長帶通過光閥132A至132D的各自的透射百分比。

內部環境112的照明可以僅包括來自光通路130A至130D的透射光114A至114D，或者可以額外地包括來自額外的光源150的光。額外的光源150可以是不與光通路130A至130D協作地操作的光源。例如，光源150可以是不具有光閥或其它光譜控制系統的常規的燈具或常規的光通路，或者否則可以與主控制系統140或光通路130A至130D獨立、或不與之通信。可替代地，額外的光源150可以包括一個或多個照明設備，其與光通路130A至130D協作操作且可以在主控制系統140控制下產生具有光譜分布的光。例如，額外的光源150可以包括諸如在名稱為「Authoring,Recording and Replication of Lighting」的美國專利No.8,021,021、或名稱為「Luminaire System」的美國專利申請公開No.2012/022904中所描述的照明設備，這兩者都通過引用將其整體併入本文。

主控制系統140可以是諸如在美國專利No.8,021,021中所描述的計算機系統或光播放器，並且能夠處理如在美國專利申請公開No.2012/0229048中所描述的照明數據或腳本。主控制系統140可以具體是計算機或數據處理系統，其包括包含程序代碼和光照數據或腳本142的數據貯存器或存儲器、能夠執行該程序代碼來實現解釋器144的處理器、用戶接口(未示出)、以及網絡接口146。通常，對於光照的即時(on-the-fly)控制，根據需要，諸如腳本142的光照數據可以單獨從控制系統140購買並下載到控制系統140中的存儲器，或者可替代地可以被流化(stream)至控制系統140或光通路130。主控制系統140可以進一步包括傳感器系統148，其可以是任何類型的傳感器，包括光傳感器、溫度傳感器，運動傳感器、佔用傳感器、或環境112的其它大氣成分或其它條件的傳感器。例如，光傳感器可以測量內部環境112中或建築物110外部的一個或多個位置處的內部光114或外部光122的光譜成分或其它特性。然而，主控制系統140可以採用諸如以上描述的控制過程中的任何類型的測量以例如根據環境112中存在的用戶的數量來改變環境112中的光照適應於光照條件，給出環境112中的條件的警告或通知，或基於用戶的活動來預測用戶的光需求或期望。如已經提到的，主控制系統140可以不是必需的，並且光通路130A至130D和光源150可以例如通過對等網絡能夠彼此通信和協作而無需主控制系統140。

系統100通常可以操作以允許用戶從多個腳本142中選擇腳本142，該多個腳本142例如腳本庫，其可以已經在例如製造期間或作為例如購買、下載或流化的後續用戶獲取的結果而安裝在主控制系統140的存儲器或控制電子裝置134A、134B、134C、或134D中。所選的腳本142可以表示用戶期望用於內部環境112的光照方案。例如，用戶可以選擇提供環境112的照明的空間、定向、角度、時間、和光譜變化的腳本112：用戶感到舒緩、振奮，或以其它方式意欲影響用戶的心情或表現；提供被認為是健康或醫學治療的光照；以美觀上吸引人、令人震驚或者其它選擇的方式來顯示環境112的內容；顯示或突出用於零售的項目；便利在環境112中進行的活動；或與發生在環境112中的多媒體或其它演示或表現相協調。主控制系統140解釋所選的腳本112並且可以將光照數據或指令發送到與主控制系統140通信的光通路130A至130D和光源150之中的任何照明設備。在控制過程中，主控制系統140(或其它控制系統)可以考慮環境112中的照明的傳感器測量，如在名稱為「Lighting System with Sensor Feedback」的美國專利申請公開No.2013/0307419中所描述的，通過引用將其整體併入本文。主控制系統140還可以考慮來自外部光源120的入射光122的光譜分布的測量。可替代地，即使當這種測量可用時，控制可以獨立於傳感器測量。

光閥132A、132B、132C和132D改變各自的入射光122A、122B、122C和122D，以產生透射光114A、114B、114C和114D，該改變可以不同並且由主控制系統140或控制電子裝置134A、134B、134C和134D的對等系統加以協調。具體地，透射光114A、114B、114C、和114D可以具有根據用於環境112的光照的所選的腳本142而選擇的不同光譜分布。用戶可以控制的環境112的照明的一些特性包括照明的當前光譜、空間、角度、或定向分布和照明的光譜、空間、角度、或定向分布的時間變化的演變。例如，入射光122A和122B可以具有強的定向或準直分量，其允許根據用於光照的期望的定向或角度分布來控制環境112的照明的準直分量。類似地，入射光122C和122D可以是更漫射的，以允許控制環境112的照明的漫射分量。

圖1示出主控制系統140作為單獨的集中式設備，但是主控制系統140的功能可以被包含在一個或多個其它設備中、或在一個或多個其它設備之間分布，該一個或多個其它設備包括但不限於光通路130A至130D或它們的控制電子裝置134A至134D。

諸如通過光閥132A至132D從外部源120接收直接光照的環境112的環境的照明的控制方法和系統也可以應用到諸如接收間接光照的環境116的環境。具體地，環境116可以通過光通路160從環境112接收光。實際上，環境112可以混合來自光閥132A至132D和其它源150的光，並且該光的一部分可以穿過光通路140來間接照亮環境116。通常，光通路160可以是允許光穿過諸如牆壁、地板、或天花板的建築阻擋物的被動(passive)結構，或者光通路160可以包括可控地過濾光的光譜分量的光閥。例如，光通路160可以與光通路130A至130D基本相同。在一個配置中，光通路160(或光通路130A至130D)可以佔據諸如牆壁、天花板、地板、或屋頂部分的建築阻擋物的整體。

在閥控制電子裝置134A至134D或主控制系統140的控制下的光閥132A至132D可以獨立地調製寬光譜入射光122A至122D的多個波長或頻帶。例如，光閥132可以控制一個或多個調製區域在光的具體波長帶所具有的透射、反射、或半透反射影響。能夠進行這種調製的光閥結構可以基於當前在計算機監視器、平板電視、和電子閱讀器中採用的顯示技術的修改。例如，來自通常可獲得的、具有標準的紅-綠-藍(RGB)過濾器的LCD面板的層可以被用作光閥。被解構的計算機監視器可以提供能夠實現上述光閥的基本原理的LCD矩陣，但是具有「白」屏幕的最大強度可以大約為入射強度的50％或更低。而且，當未供電或「全黑」時，這種矩陣可以洩漏大約入射光強度的10％。在反射顯示器中使用的技術和結構可以提供更高的最大強度或更小的不期望的洩漏。然而，常規的顯示技術僅可以提供三個調製的波長帶，例如，紅、藍、綠或青、品紅和黃。可能期望更高數量的過濾器，例如，四個、五個或更多個，以提供光譜分布的更好的控制。較低空間解析度光閥(例如具有較大像素或僅有單個像素)可以非常適合於寬光譜、高品質照明。

圖3示出示意性地圖示可以用於圖1的光閥的光閥300的一個示例的橫截面。光閥300包括N個選擇性透射層310-1至310-N，這裡總稱為層310，其中N為三個或更多個，且優選為五個或更多個。每個層310可以被激活以透射對應的波長帶中的入射光330的可控部分(fraction)。每個層310可以透射對應於其它層310的波長帶中的全部或大部分的光。這種層310可以使用當前在顯示器中使用的各種技術來構造或者可以採用有待開發的技術。在一個示例中，層310-1至310-N包含附著有不同的染料的液晶材料，並且遍及層310-1至310-N施加電勢以控制染料如何有效地吸收或反射與染料相關聯的波長帶中的光。

在圖3的示例中，層310-1到310-N的每個具有由諸如氧化銦錫(ITO)的透明導體形成的上部電極312-1至312-N的陣列和下部電極314-1至314-N的陣列，並且上和下電極之間的電壓可以激活或改變每個層310-1至310-N從各自的波長帶吸收或反射入射光的百分比。上板312-1至312-N或下板314-1至314-N可以被劃分成限定獨立調製區域或者可能被稱為顯示技術中的像素的區域。然而，覆蓋光閥300的整個區域的單個「像素」區域可能是足夠的，或者如果期望遍及光閥300的區域的一致行為，多個單獨的「像素」區域可以是大的或者可以在相同電勢下控制。如果需要的話，多像素光閥300可以創建透射光的空間變化。驅動器電路320電連接到電極312-1至312-N和314-1至314-N，並且可以對應於圖1的閥控制電子裝置134A或134B的全部或部分。通過對應於層310-1至310-N的波長帶的單獨調製，光閥300可以使具有不同於入射光330的光譜分布的透射光340穿過。

光閥可以替代地採用橫向分布調製區域或透射不同波長帶的子像素。例如，圖4示出了包括一個或多個像素410的光閥400的一部分，一個或多個像素410的每個包含M個橫向隔開的調製區域412-1至412-M，在這裡總稱為調製區域412。每個像素410中的M個調製區域412-1至412-M可以包括N(N≤M)個不同類型的過濾器，其調製N個不同的光譜帶中的光的強度。例如，在其中每個像素410包含對應於九個不同的波長帶的九個調製區域412的配置中，每個像素能夠獨立地控制多達九個不同的波長帶的相對強度。在一個實施方式中，每個調製區域412-1至412-M透射具有對應於調製區域412-1至412-M的波長帶內的波長的入射光的可控部分，並且吸收或反射具有在對應於調製區域412-1至412-M的波長帶之外的波長的光。圖4示出了其中調製區域412-1至412-M包括各自的主動層413-1至413-M的示例，在這裡總稱為主動層413。主動區域413-1至413-M覆蓋可以化學上不同(例如包含不同的染料)的各自的過濾器區域414-1至414-M。在一種配置中，調製區域413-1至413-M的每個透射入射光的百分比，以及相關聯的過濾器414-1至414-M的每個僅透射對應於相關聯的調製區域412-1至412-M的波長帶中的光。調製區域412-1至415-M透射的百分比取決於施加到各個透明的端子對415-1至415-M(在這裡總稱為端子對415)的各個電壓。驅動電路420可以連接到像素410或調製區域412，以控制跨電極對415所施加的電壓，並且由此控制光閥400的調製區域412的透射百分比。

在圖3和圖4示出的光閥300和400的結構的示例可以以許多方式改變或組合。例如，兩個獨立或協同的光閥可以被堆疊或提供在玻璃或其它居間的透明層的板的相對側上。所描述的光閥結構也可以與其它光學元件或者用於透射光的其它特性的控制器組合。例如，光譜過濾可以與諸如電致變色設備的整體強度控制設備組合。光學元件可以控制光的相干性或漫射或使用幹涉來改變透射光的空間分布。透射光的偏振或方向可以被類似地控制。

諸如圖3或圖4所示的多通道光閥可以與除太陽以外的寬帶光源一起使用，尤其與人造光源一起使用以創建具有可控照明光譜且不需要外部光源的照明設備。例如，圖5A示出了包括光閥132的照明設備500A，光閥132過濾來自光源510的入射光512以產生用於環境的照明514的可編程光譜分布。光源510是人造寬帶光源，並且可以包含一個或多個高強度放電(HID)燈、滷素燈、LED、雷射器、準直光源、或偏振光源。閥控制系統134與以上參考圖2和圖3所描述的基本相同，其可以用於控制對於N個波長帶發生的各個透射百分比，其中N是三個、四個、五個、或更多個。然後可以以與諸如在美國專利No.8,021,021或美國專利申請公開No.2012/0229048中所描述的包含多個不同類型的光源的照明設備基本上相同的方式來使用照明設備500。

照明設備系統500A具有其自己的光源510，並且不需要被安裝在光通路中。因此，可以採用安裝系統550在任何地方安裝或設定照明設備500A。如圖5B所示的照明設備500B使用允許將照明設備500B安裝在光通路中的框架或安裝系統250，所述光通路諸如以上所描述的窗戶、門、或天窗。在這種配置中，光源510可以是可伸縮的、透明的、或者具有穿過足夠外部光122的開口使得光閥132可以用於調製入射日光122(具有或不具有來自光源510的貢獻)的特性以用於以上參考圖1所描述的內部使用。當外部光可能不夠時，例如在夜間，照明設備500B中的光源510可以被激活，從而使光源510單獨或與可用外部光源一起在光閥132上提供入射光。例如，當在光通路中採用照明設備500B時，照明設備500B可以在根據選擇用於環境的照明514的光照方案單獨地轉換入射日光122與如有需要則對光源510供電以提供入射光512來維持選擇用於環境的照明514的光照方案之間轉變。

以上描述的系統的一些元素可以在計算機可讀介質中實現，計算機可讀介質例如諸如光碟或磁碟的非瞬態介質、存儲卡、或其它包含計算設備可以運行以執行這裡所描述的具體過程的指令的固態存儲器。這種介質還可以是或包含在伺服器或連接到網絡的其它設備中，該網絡諸如提供數據和可執行指令的下載或流化的網際網路。

儘管已經公開了特定的實施方式，這些實施方式僅僅是示例並且不應當被視為限制。所公開的實施方式的特徵的各種改編和組合在以下權利要求的範圍之內。