一种模拟自然光场的双光路协同照明系统、灯具及控制方法与流程

本发明涉及照明设备、光学配光、空间光场控制和环境感知，尤其涉及一种通过第一光路和第二光路分别形成方向性光、扩散光，并利用外部反射界面形成可控环境反射光的自然光场协同照明系统、灯具及控制方法。

背景技术：

1、现有室内灯具多以向下直射或大面积扩散照明为主，通过亮度、相关色温或颜色的调节满足阅读、休息、起夜等不同场景。部分吸顶灯、吊灯或氛围灯在主体周缘增设侧向或上向出光结构，使光线照射顶面或墙面以产生擦顶光、光晕、纹理或投影效果。

2、上述方案虽然能够提高装饰性，但基础照明光路与氛围或投影光路常共用透光罩、混光腔或出光空间，高亮基础照明容易抬高投影背景亮度，侧向投影光也可能进入下照扩散区域，导致纹理清晰度下降、眩光增加或照明均匀性变化。简单增加光功率通常又会增加能耗和热负荷。

3、另一方面，实际安装空间的顶高、墙面距离、涂层颜色与反射率、家具遮挡、窗户位置及室外入射光均存在差异。固定的光源比例、固定的擦顶角度或预设场景参数只能保证灯具内部输出相似，不能保证不同房间中最终形成的方向感、顶面亮度、空间梯度和反射贡献相似。

4、从空间传播效果看，自然采光环境通常同时包含具有明显入射方向或局部梯度的方向性光、由天空或大面积亮面形成的扩散光，以及光线经顶面、墙面、地面和物体表面再次反射后形成的环境反射光。仅调节单一色温或单一总照度，难以重构上述多层次的空间光学特征。

5、因此，需要一种既能在结构上降低基础照明与擦顶光之间的光学串扰，又能在安装后识别具体空间光学传播关系的技术方案。尤其是，当仅以灯具输出到工作区的整体贡献系数进行控制时，灯具至建筑反射面之前的变化与建筑反射面至观察区域之后的变化容易被合并在同一系数中；一旦顶面或墙面发生遮挡、反射率变化或照射位置改变，难以判断模型失配发生在哪一传播阶段。由此，还需要把实际建筑反射界面的光学响应作为可测的中间状态，分别辨识反射前和反射后的传播贡献，并据此实施协同控制。

技术实现思路

1、一、要解决的技术问题

2、本发明旨在至少解决以下技术问题之一：第一，基础照明光路与擦顶或自然光场光路相互串扰，导致光效模糊或照明品质下降；第二，固定参数不能适应不同安装空间的几何、反射率和遮挡差异；第三，无法将方向性光、扩散光和环境反射光作为可计算、可调节的目标分量进行协同重构；第四，现有灯具对外部自然光变化、家具移动或表面反射变化缺少持续补偿能力。

3、二、技术方案

4、为解决上述问题，本发明提供一种模拟自然光场的双光路协同照明系统。系统至少包括第一光输出子系统、第二光输出子系统、控制器，以及环境感知模块和环境感知接口中的至少一种。第一光输出子系统主要用于建立具有可识别传播方向、局部梯度、纹理或高亮区域的方向性光学贡献；第二光输出子系统主要用于建立覆盖目标照明区域的扩散基础照明；第一光路和第二光路可在结构上或传播空间上至少部分分离，以降低不同光路之间的光学串扰。

5、所述第一光输出子系统优选从灯具周缘、侧部或上部出光，并将至少部分受控光投向顶面、墙面或其他位于灯具外部的反射区域。该受控光在目标空间中形成方向性第一光成分t1；当其经所述外部反射区域至少一次反射后到达目标空间时，形成环境反射第三光成分t3。

6、所述第二光输出子系统优选从灯具底部或下部出光，通过扩散件、导光件、匀光腔或其他配光结构形成扩散第二光成分t2。t2的空间扩展范围通常大于t1，其主要作用为提供基础照明、整体环境亮度和低眩光背景。

7、t1、t2和t3用于描述目标空间中的光学贡献，并不要求分别由三个独立物理光源产生。t1与t2可以分别由不同光源形成，也可以由同一光源经分光后进入不同光路；t3可以由t1经环境表面反射形成，也可以进一步通过第三光源、转向组件或独立反射贡献调节通道进行增强或削弱。

8、第一光路与第二光路之间可设置遮光隔板、独立光学腔体、隔光筋、遮光环、光阱或迷宫式遮光结构，或者利用上下错位、内外错位、侧向与下向错位等空间传播方式降低串扰。所述第一出光区域和第二出光区域优选位于灯具主体的不同表面、不同高度位置或不同周向位置。

9、在一种优选结构中，第一光输出子系统沿灯具主体周向设置多个可独立控制的出光分区，每个分区面向不同方位的顶面或墙面反射子区域。通过单独改变各分区的亮度、色度、出光角度、光斑位置、光斑范围或光效状态，可改变目标空间中的方向性和空间梯度，而无需整体提高灯具功率。

10、第一光输出子系统可包括第一光源、聚光透镜、准直透镜、反射杯、自由曲面透镜、全反射导光件、反射镜、调焦结构中的一种或多种。需要产生结构化光效时，还可设置微棱镜或微透镜阵列、水纹片、菲林片、液晶调光膜、衍射光学元件、散射光学元件或可移动光学件。上述具体光学器件仅为实施方式，不作为本发明核心技术关系的必要限定。

11、环境感知模块用于获取顶面、墙面、目标照明区域及其他空间观察区域的照度、亮度、色度、方向性、距离、边界、反射特性或遮挡状态。传感器可集成在灯具本体，也可设置于无线标定节点、移动终端、遥控器或其他与控制器通信的设备。在传感器未永久集成于照明系统或灯具主体时，控制器可设置环境感知接口，并通过有线或无线方式连接外部标定节点、移动终端或其他感知设备，以获取建筑反射界面和空间观察区域的对应光学响应。

12、控制器在灯具首次安装、安装位置改变、维护、用户触发或检测到空间条件发生变化时进入标定状态。标定时，先在各受控通道关闭或处于已知基准状态时采集背景光学状态；随后使第一光输出子系统形成至少两个空间可区分的照射状态，使外部建筑反射界面上的至少两个反射子区域产生不同的界面响应。环境感知模块或通过环境感知接口连接的外部感知设备同步地或建立时间对应关系地获取各反射子区域的界面响应向量z以及多个空间观察区域的观察响应向量y。空间可区分的照射状态可以通过逐分区单独激励、改变光束方向或光斑位置、正交码、伪随机码、不同频率、不同时间片或其他相互可区分的方式形成。第二光输出子系统另行处于至少一个可识别激励状态，以获得其对空间观察区域的可辨识响应。

13、所述空间光贡献映射至少包含三类分别辨识的关系：第一类为第一光输出子系统的可控输出量u_d至外部建筑反射界面响应z的第一贡献关系c；第二类为实测的外部建筑反射界面响应z至各空间观察区域响应y的第二贡献关系r；第三类为第二光输出子系统的可控输出量u_s至各空间观察区域响应y的第三贡献关系h_s。当第一光输出子系统存在未经所述建筑反射界面直接到达观察区域的分量时，还可同时辨识第四贡献关系h_d。与仅将间接光折算为一个总贡献系数不同，本发明把建筑反射界面的光学响应作为实际测量的中间变量，使反射前传播关系与反射后传播关系能够被分别更新。 在一种线性或局部线性实施方式中，上述关系可分别表示为式（1）和式（2）：

14、z = c · u_d （1）

15、y = h_d · u_d + h_s · u_s + r · z + b （2）

16、所述各贡献关系不限于线性矩阵形式，可以采用矩阵、函数、参数化模型、分段模型、查找表、回归模型或经训练的近似模型表示。其中z不是预设的墙面或顶面反射率常数，而是由环境感知模块或通过环境感知接口连接的外部感知设备在当前安装空间中获得的一个或多个反射子区域的实际光学响应。通过多组空间可区分照射状态获得成对的u_d、z和y变化，可分别估计c与r；通过第二光输出子系统的可识别激励估计h_s。对于明显非线性的光学件或表面，上述关系可由非线性函数或分段模型替代。

17、所述空间观察区域并不要求各自设置独立物理传感器。多个空间观察区域可以由多个独立光学传感器获得，也可以由一个图像传感器、多角度传感器、扫描式传感器、移动标定节点或由几何模型与少量传感数据联合估计得到。所述建筑反射界面的光学响应可以直接采集其亮度、照度、色度或图像响应，也可以通过与其光学状态具有已知对应关系的代理量进行估计。

18、目标自然光特征状态g至少包含方向性第一光贡献t1、扩散第二光贡献t2和环境反射第三光贡献t3中的至少两类目标值或相对贡献关系，并可进一步包含多个空间观察区域的目标照度、目标色度、光谱特征、空间亮度梯度、方向性指标、局部高亮区域位置及动态变化参数。t1、t2和t3用于描述目标空间中的可区分光学贡献，不要求由三个独立物理光源分别产生。 在一种优化求解实施方式中，可采用式（3）所示目标函数：

19、u* = arg min { ||w(hu + b - g)||^2 + w1||du||^2 + w2p(u) } （3）

20、式（3）中，h表示由第一贡献关系c、第二贡献关系r、第三贡献关系h_s以及可选的第四贡献关系h_d形成的组合贡献映射，u表示第一光输出通道和第二光输出通道的控制向量，w表示目标状态的权重矩阵或权重算子，d表示用于限制控制量变化的差分算子或平滑约束算子，p(u)表示功率、眩光、温升或其他约束对应的惩罚函数，w1、w2为权重系数。

21、在运行状态下，控制器可先根据目标自然光特征状态g确定一个或多个建筑反射子区域的目标中间光学状态z*，再利用第一贡献关系c确定使实际界面响应z趋近z*的第一光输出状态，并结合第二贡献关系r、第三贡献关系h_s、可选的第四贡献关系h_d以及背景状态b确定第二光输出状态或联合修正第一光输出状态。也可以通过统一优化器同时求取z*、u_d和u_s。求解过程中可施加驱动范围、总功率、表面温度、最大亮度或眩光、色度范围以及单位时间变化率等约束。由此，实际建筑反射界面不再只是不可控的环境因素，而成为被测量、被预测并被闭环调节的中间光学节点。

22、输出后，环境感知模块或通过环境感知接口连接的外部感知设备可采集反馈光学状态y_f，控制器根据反馈状态与目标状态之间的偏差修正驱动参数或更新空间光贡献映射。由此可补偿家具移动、墙面或顶面反射率变化、环境自然光变化、光源衰减以及灯具或光学件位置变化造成的模型失配。当偏差持续超过阈值或检测到建筑反射界面被遮挡时，可执行局部重新标定或完整重新标定。

23、在具有窗户或其他自然采光入口的空间中，控制器将环境入射光作为背景状态b的一部分，并估计其已经提供的t1、t2和t3贡献。当自然光已经满足某一空间区域的部分目标时，对相应人工光通道降功率或关闭，以降低能耗并避免过度照明。

24、在连续日节律模式中，可设置清晨、上午、正午、午后、傍晚、夜晚中的至少两个时间锚点，为各锚点设置不同的t1、t2、t3目标贡献、照度、色度或动态参数，并在相邻锚点之间通过分段线性插值、样条插值或受变化率限制的状态过渡生成连续目标轨迹。

25、本发明还提供一种灯具，尤其适用于吸顶灯、吊灯、壁灯、磁吸灯具或独立支架灯具。灯具通过周缘或侧上方的第一出光区域形成擦顶或反射光场，通过底部或下部的第二出光区域形成基础照明，并通过光学隔离结构使两类光路在灯具内部或主要传播区间中保持分离。

26、本发明还提供一种控制方法和实现该方法的计算机可读存储介质。所述方法包括空间标定、背景获取、目标自然光状态生成、驱动参数反求、输出、反馈修正以及必要时的重新标定和安全降级。

27、三、有益效果

28、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：第一，把灯具外部的建筑反射界面作为实测中间光学节点，分别辨识第一通道至反射界面和反射界面至观察区域的传播关系，避免把反射前后变化全部压缩为一个总贡献系数；第二，可根据界面反馈定位模型失配发生在反射前、反射后或第二光通道，从而实施局部更新而非整体重标定；第三，通过双光路空间分离降低基础照明与擦顶或方向性光之间的串扰；第四，通过安装后的空间可区分激励适应不同房间的几何、反射率和遮挡差异；第五，通过把目标反射界面状态与方向性光、扩散光及环境反射光目标共同控制，可使真实顶面或墙面成为可预测的二次光学节点；第六，通过背景自然光补偿、反馈修正及安全降级降低能耗并提高运行稳定性。