一种房屋屋顶用的模拟透光照射天窗环境的装置

摘要

本发明属于模拟光源技术领域，且公开了一种房屋屋顶用的模拟透光照射天窗环境的装置，包括支撑架，所述支撑架的外围固定安装有围板，所述围板内部的左端与右端分别开设有吸光暗室与散热室，所述散热室内部左端的中部固定安装有聚光镜，所述聚光镜的右侧固定安装有白光光源。本发明通过设置有吸光暗室、窗口组件与白光光源等达到阳光模拟效果好与制作成本低的目的，白光光源通过发射白光，随后通过准直聚光镜的预处理照射在反射镜的表面，此时反射镜将光源投射到窗口组件区域，经过窗口组件内部结构的层层处理，随后发射出平行光投入到屋内，蓝光源则是发出蓝光经过纳米级粒子的散射处理，形成柔和的蓝色散射光。

说明书

技术领域

本发明属于模拟光源技术领域，具体是一种房屋屋顶用的模拟透光照射天窗环境的装置。

背景技术

目前可模拟太阳光和天空背景光的技术主要是纳米粒子涂层散射技术，对光学材料表面进行纳米粒子涂料的涂覆，形成纳米粒子涂层，通过混合光源对纳米粒子涂层照明，使混合光与纳米粒子产生瑞利散射，形成天空背景蓝光，并通过控制纳米粒子涂层的厚度，来控制混合光的透过率，实现太阳光照明效果，这种技术难度高，成本较高，且产品生产工艺流程复杂。

本发明涉及一种模拟阳光照明天窗的装置，其目的在于替代瑞利散射的复杂工艺和技术，通过简单的技术实现天空光散射的效果，并实现太阳光照明的效果。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，本发明提供了一种房屋屋顶用的模拟透光照射天窗环境的装置，具有模拟效果好与制作成本低的优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种房屋屋顶用的模拟透光照射天窗环境的装置，包括支撑架，所述支撑架的外围固定安装有围板，所述围板内部的左端与右端分别开设有吸光暗室与散热室，所述散热室内部左端的中部固定安装有聚光镜，所述聚光镜的右侧固定安装有白光光源，所述吸光暗室内部的下端固定安装有窗口组件，且吸光暗室内部的上端固定安装有反射镜，所述支撑架固定安装在室内顶部的中部；

2.1、如图4所示，聚光镜捕获的光通量为：

A为聚光镜面积

f为聚光镜焦距

通过计算聚光镜的直径和焦距，可有效提高聚光镜捕获的光量；

2.2、如图5所示，准直聚光镜采用但不限于菲涅尔透镜、凸透镜、复眼透镜等，本发明以菲涅尔透镜为例，计算准直光发散角。

β为准直光角度

α为入射光角度

可通过对菲涅尔透镜的设计控制准直光准直角度β的大小，可控制准直后的白光的照射方向；

2.3、如图6所示，导光板采用但不限于纳米导光板(气凝胶层)，导光板内部含有纳米级光散射粒子，气凝胶层内部物质为1-50nm之间纳米级散射粒子，当光照射到纳米级散射粒子时，形成瑞利散射，根据瑞利散射公式计算散射光强度W：

I(λ)＝I

I

τ(λ)为垂直方向气凝胶层的厚度；

m为气凝胶层内部物质的质量；

α为分子的极化率；

λ为入射光的波长。

由此可知出射光的光谱强度I(λ)与气凝胶层的厚度τ(λ)为负指数关系衰减；散射光强度W与气凝胶层内随机分布的纳米级粒子个数N成正比；

由于气凝胶层的厚度τ(λ)远小于大气层厚度，且凝胶层内纳米级粒子个数N与空气相同，因此可得出白光光源所发出的白光A照射到纳米级光散射粒子时，发生了瑞利散射的强度远小于太阳光照射到大气层时发生的瑞利散射强度；

2.4、为了实现模拟真实的大气层瑞利散射的强度，在气凝胶层外的外围涂抹有二氧化硅镀层，且在其外增设蓝光光源；

蓝光光源发出蓝光B，蓝光B的波长范围为400nm～460nm区间，根据瑞利散射形成条件可知，粒子直径远小于入射光波长的1/10时，将发生瑞利散射现象，本发明提出的纳米导光板内部的纳米级光散射粒子为5～40nm直径，蓝光源发出的光进入导光板，部分蓝光直接照射到纳米粒子上，发生散射，散射光透过导光板后以不同方向照射；部分未照射到纳米粒子上的蓝光，照射到导光板与空气接触的表面后，由于导光板为光密介质，空气为光疏介质，则蓝光发生全反射；

2.5、如图6所示，经过菲涅尔透镜准直后的白光，则以垂直角度进入导光板，根据瑞利散射的条件和公式：

可得出白光照射到纳米级光散射粒子时，只有少量蓝光波长发生了散射，其他波长的光线可穿过纳米粒子，投射出去，此时白光穿过导光板后，形成日光照明效果；

3.1、如图1所示，本发明提出的一种模拟阳光照明天窗的装置的结构设计如下：装置主体框架由支撑架组成，围板固定在支撑架上，将装置分离成吸光暗室、散热室、窗口组件三部分，散热室内安装并固定有白光光源，白光光源发光面前放安装并固定有聚光镜，聚光镜可将白光光源发出的白光W 进行汇聚收集；

3.2、吸光暗室内安装有反射镜，反射镜以一定的设计角度固定，可将聚光镜汇聚投来的白光W反射并投向窗口组件上，窗口组件内部安装有准直聚光镜，如2.2和2.5中，可将白光W准直成日光S并投射出去，窗口组件以一定的倾斜角安装在吸光暗室下方，并可设计成角度调节，通过调节窗口组件的角度，改变日光S的照射角度，从而实现模拟不同时间段内太阳光的照射角度；

3.3、窗口组件内部安装有导光板和蓝光源，蓝光源由400nm～460nm区间内不同波段的LED组成，如2.4中，蓝光源经过导光板后形成蓝色散射光K，通过改变蓝光源内不同不同波段的LED的功率，可模拟如晴朗、阴雨、云雾、清晨、傍晚等不同场景天气下、不同时间、不同季节的天空背景光；

3.4、如3.2中模拟不同时间段的太阳照射角度和3.3中模拟不同时间场景下的天空背景光，则本发明的装置将两种技术组合，通过软件及硬件的控制，可模拟任意条件、任意时间、任意环境下的阳光场景和天空光场景。

作为本发明的一种优选技术方案，所述窗口组件包括有窗口框，所述窗口框的内部固定安装有透光板，所述透光板的顶部固定安装有导光板，所述导光板侧边的外围均固定安装有蓝光源，且导光板的顶部固定安装有准直聚光镜，所述准直聚光镜采用但不限于菲涅尔透镜，将反射镜投来的白光进行准直，形成接近平行光的光束，白光光谱接近日光光谱，且形成与日光相同的平行光光束，可实现模拟日光，穿过导光板和透光板后，进入房屋内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述导光板的两侧均固定安装有蓝光源结构，且导光板的内部含有纳米级粒子，所述导光板为气凝胶层结构，且导光板的表面涂抹有二氧化硅镀层，所述蓝光源发射的是蓝光，所述蓝光的波长范围为400nm～460nm，蓝光源发出的蓝色光进入导光板，导光板将蓝光向固定方向散射，形成蓝色散射光，的蓝色散射光透过透光板散射到房屋内，形成与天空背景光相同的蓝色散射光背景；白光穿过窗口组件投向房屋内形成日光照射效果，本发明的实施例可以实现在室内环境照射出太阳光，以及蓝色的天空，达到的模拟自然环境场景的照明效果。

作为本发明的一种优选技术方案，所述吸光暗室的空间值大于散热室的空间值，所述散热室为直角梯形结构，所述支撑架的底部与室内的顶部相连通，所述反射镜与窗口组件固定安装在吸光暗室的内部且二者倾斜角度不相同。

作为本发明的一种优选技术方案，所述吸光暗室的内壁固定安装有吸光棉，所述吸光暗室与散热室被围板所分隔。

作为本发明的一种优选技术方案，所述白光光源采用但不限于与日光光谱相接近的LED光源，且白光光源的照射方向为发散式呈立体空间角度，所述白光光源的发射光线通过聚光镜反射投向反射镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过设置有吸光暗室、窗口组件与白光光源等达到阳光模拟效果好与制作成本低的目的，白光光源通过发射白光，随后通过准直聚光镜的预处理照射在反射镜的表面，此时反射镜将光源投射到窗口组件区域，经过窗口组件内部结构的层层处理，随后发射出平行光投入到屋内，蓝光源则是发出蓝光经过纳米级粒子的散射处理，形成柔和的蓝色散射光，平行光与蓝色散射光混合在一起，就能够有效的模仿天空背景与阳光照射的形式，整个装置布设简单、需要材料简单易得，整体成本大大降低。

附图说明

图1为本发明结构照明系统结构设计示意图；

图2为本发明照明系统结构示意图；

图3为本发明窗口组件结构爆炸示意图；

图4为本发明结构聚光汇聚路线示意图；

图5为本发明结构菲涅尔透镜准直光路示意图；

图6为本发明结构天空光与日光传播示意图。

图中：1、吸光暗室；2、散热室；3、聚光镜；4、白光光源；5、窗口组件；6、支撑架；7、围板；8、反射镜；9、准直聚光镜；10、导光板；11、透光板；12、窗口框；13、蓝光源；14、纳米级粒子；A、室内；B、蓝光；W、白光；K、蓝色散射光；S、日光。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，本发明提供一种房屋屋顶用的模拟透光照射天窗环境的装置，包括支撑架6，支撑架6的外围固定安装有围板7，围板7内部的左端与右端分别开设有吸光暗室1与散热室2，散热室2内部左端的中部固定安装有聚光镜3，聚光镜3的右侧固定安装有白光光源4，吸光暗室1内部的下端固定安装有窗口组件5，且吸光暗室1内部的上端固定安装有反射镜8，支撑架6固定安装在室内顶部的中部；

2.1、如图4所示，聚光镜捕获的光通量为：

A为聚光镜3面积

f为聚光镜焦距

通过计算聚光镜3的直径和焦距，可有效提高聚光镜3捕获的光量；

2.2、如图5所示，准直聚光镜9采用但不限于菲涅尔透镜、凸透镜、复眼透镜等，本发明以菲涅尔透镜为例，计算准直光发散角。

β为准直光角度

α为入射光角度

可通过对菲涅尔透镜的设计控制准直光准直角度β的大小，可控制准直后的白光的照射方向；

2.3、如图6所示，导光板10采用但不限于纳米导光板(气凝胶层)，导光板内部含有纳米级光散射粒子，气凝胶层内部物质为1-50nm之间纳米级散射粒子，当光照射到纳米级散射粒子时，形成瑞利散射，根据瑞利散射公式计算散射光强度W：

I(λ)＝I

I

τ(λ)为垂直方向气凝胶层的厚度；

m为气凝胶层内部物质的质量；

α为分子的极化率；

λ为入射光的波长。

由此可知出射光的光谱强度I(λ)与气凝胶层的厚度τ(λ)为负指数关系衰减；散射光强度W与气凝胶层内随机分布的纳米级粒子个数N成正比；

由于气凝胶层的厚度τ(λ)远小于大气层厚度，且凝胶层内纳米级粒子个数N与空气相同，因此可得出白光光源4所发出的白光A照射到纳米级光散射粒子时，发生了瑞利散射的强度远小于太阳光照射到大气层时发生的瑞利散射强度；

2.4、为了实现模拟真实的大气层瑞利散射的强度，在气凝胶层外的外围涂抹有二氧化硅镀层，且在其外增设蓝光光源；

蓝光光源发出蓝光B，蓝光B的波长范围为400nm～460nm区间，根据瑞利散射形成条件可知，粒子直径远小于入射光波长的1/10时，将发生瑞利散射现象，本发明提出的纳米导光板内部的纳米级光散射粒子为5～40nm直径，蓝光源13发出的光进入导光板10，部分蓝光直接照射到纳米粒子上，发生散射，散射光透过导光板10后以不同方向照射；部分未照射到纳米粒子上的蓝光，照射到导光板10与空气接触的表面后，由于导光板10为光密介质，空气为光疏介质，则蓝光发生全反射；

2.5、如图6所示，经过菲涅尔透镜准直后的白光，则以垂直角度进入导光板10，根据瑞利散射的条件和公式：

可得出白光照射到纳米级光散射粒子时，只有少量蓝光波长发生了散射，其他波长的光线可穿过纳米粒子，投射出去，此时白光穿过导光板10后，形成日光照明效果；

3.1、如图1所示，本发明提出的一种模拟阳光照明天窗的装置的结构设计如下：装置主体框架由支撑架6组成，围板7固定在支撑架6上，将装置分离成吸光暗室1、散热室2、窗口组件5三部分，散热室2内安装并固定有白光光源4，白光光源4发光面前放安装并固定有聚光镜3，聚光镜3可将白光光源4发出的白光W进行汇聚收集；

3.2、吸光暗室1内安装有反射镜8，反射镜8以一定的设计角度固定，可将聚光镜3汇聚投来的白光W反射并投向窗口组件5上，窗口组件5内部安装有准直聚光镜9，如2.2和2.5中，可将白光W准直成日光S并投射出去，窗口组件5以一定的倾斜角安装在吸光暗室1下方，并可设计成角度调节，通过调节窗口组件5的角度，改变日光S的照射角度，从而实现模拟不同时间段内太阳光的照射角度；

3.3、窗口组件5内部安装有导光板10和蓝光源13，蓝光源13由400nm～ 460nm区间内不同波段的LED组成，如2.4中，蓝光源13经过导光板10后形成蓝色散射光K，通过改变蓝光源13内不同不同波段的LED的功率，可模拟如晴朗、阴雨、云雾、清晨、傍晚等不同场景天气下、不同时间、不同季节的天空背景光；

3.4、如3.2中模拟不同时间段的太阳照射角度和3.3中模拟不同时间场景下的天空背景光，则本发明的装置将两种技术组合，通过软件及硬件的控制，可模拟任意条件、任意时间、任意环境下的阳光场景和天空光场景。

其中，窗口组件5包括有窗口框12，窗口框12的内部固定安装有透光板 11，透光板11的顶部固定安装有导光板10，导光板10侧边的外围均固定安装有蓝光源13，且导光板10的顶部固定安装有准直聚光镜9，准直聚光镜9 采用但不限于菲涅尔透镜，将反射镜8投来的白光W进行准直，形成接近平行光的光束，白光光谱接近日光光谱，且形成与日光相同的平行光光束，可实现模拟日光，穿过导光板10和透光板11后，进入房屋内。

其中，导光板10的两侧均固定安装有蓝光源13结构，且导光板10的内部含有纳米级粒子14，导光板10为气凝胶层结构，且导光板10的表面涂抹有二氧化硅镀层，蓝光源13发射的是蓝光B，蓝光B的波长范围为400nm～ 460nm，蓝光源13发出的蓝色光进入导光板10，导光板10将蓝光向固定方向散射，形成蓝色散射光K，的蓝色散射光K透过透光板11散射到房屋内，形成与天空背景光相同的蓝色散射光背景；白光W穿过窗口组件5投向房屋内形成日光照射效果，本发明的实施例可以实现在室内A环境照射出太阳光，以及蓝色的天空，达到的模拟自然环境场景的照明效果。

其中，吸光暗室1的空间值大于散热室2的空间值，散热室2为直角梯形结构，支撑架6的底部与室内的顶部相连通，反射镜8与窗口组件5固定安装在吸光暗室1的内部且二者倾斜角度不相同。

其中，吸光暗室1的内壁固定安装有吸光棉，吸光暗室1与散热室2被围板7所分隔，吸光棉用于将吸光暗室1内部的杂光吸收，放置再次反射，在其内部有效的形成多个光陷阱区域，最大程度上完成光源的消耗处理，保证吸光暗室1内部的阴暗；

其中，白光光源4采用但不限于与日光光谱相接近的LED光源，且白光光源4的照射方向为发散式呈立体空间角度，白光光源4的发射光线通过聚光镜3反射投向反射镜8。

本发明的工作原理及使用流程：

白光光源4发出白光W，通过聚光镜3汇聚收集光能亮后，照射到反射镜 8上，通过反射镜8反射，改变白光W的照射方向，将白光W投射到窗口组件 5上,窗口组件5内包含准直聚光镜9、导光板10、透光板11，白光W进入准直聚光镜9后，通过准直聚光镜9将白光W准直成平行光射出，平行光穿过导光板10、透光板11后，投向房屋内，形成日光光斑以及照明效果，蓝光源 13发出的蓝光进入导光板10内，通过导光板10内粒子散射形成蓝色散射光 K，蓝色散射光K通过透光板11后投向房屋内形成天空背景光及照明效果。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。