一种作用于屋顶区域的天空环境自然光模拟生成的气凝胶装置

技术领域

本发明属于照明技术领域，具体是一种作用于屋顶区域的天空环境自然光模拟生成的气凝胶装置。

背景技术

众所周知光线昏暗会使人沮丧，明亮的自然光线更容易使人愉悦，使人在工作的时候不易产生疲惫感，所以现在很多企业给员工提供能够享受自然光的工作环境，减少员工的负面情绪，使员工更加专注和快乐的工作，以此提高员工的工作效率，自然光还可以调节人的内心情绪，例如用光疗法治疗各种焦虑症等，因此，市场中出现了一种作用于屋顶区域的天空环境自然光模拟生成的气凝胶装置，最大程度上模拟自然光环境，以此来调节工作人员的心情。

现在的建筑中经常会出现类似于地下室、洗浴中心等这类没有窗户的室内空间，这种建筑在采光上严重不足，在这种环境长期生活或者工作的人往往看不见自然光，使其健康受到影响，市面上就出现了相应的仿太阳光装置，最大程度上解决该问题，但现有的装置在具体的利用光照模拟的过程中往往会出现非常多的问题，例如常见的提供光源不真实、整体光源模拟效果差、仿真模拟设备成本高、使用寿命短等情况。

针对上述问题，本专利提出了一种能够用于生成天空环境光的气凝胶板，此气凝胶板在所述的光源照明下，能够模拟出直射日光及以瑞利散射成分为主的蓝色天空光，使所述的照明光源能够模拟真实的自然光照明的效果，具体的，所述的气凝胶板是固态透明体，内部为对于蓝光波长的尺度参数x<<1 空气分子，因此在所述的光源照明下可以形成较为理想的瑞利散射(Rayleigh scattering)；于是在气凝胶的外表面镀上SIO

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，本发明提供了一种作用于屋顶区域的天空环境自然光模拟生成的气凝胶装置，具有仿真效果好、成本低与质量轻盈安装简单的优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种作用于屋顶区域的天空环境自然光模拟生成的气凝胶装置，包括白光光源，所述白光光源的底部放置有气凝胶层，所述气凝胶层外围的顶部涂抹有镀层一，且气凝胶层外围的两侧及底部均涂抹有镀层二，所述气凝胶层的两侧均放置有蓝光光源，所述气凝胶层的内部填充有纳米级散射粒子；

图1中，白光光源发出的白光照射到气凝胶板上，穿过气凝胶板的镀层，进入气凝胶层；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，且气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；

为了实现模拟真实的大气层瑞利散射的强度，在气凝胶层外的镀层二外增设蓝光光源；

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；

全反射蓝光照射到纳米粒子后，发生散射形成蓝色散射光C，蓝色散射光 C与瑞利散射蓝光混合，形成高强度的蓝色出射光D，补充了瑞利散射的蓝光效果，整个过程配合工作下就能够很好的完成蓝色天空散射光的形成。

图3中，本发明提出的镀层一具有光洁度高的平面，降低光的折射率；

图中的气凝胶层的折射率为N

其中SIO

白光光源发出的入射光Ⅰ射向镀层一，入射光线Ⅰ通过光疏介质进入光密介质时发生折射，使入射光Ⅰ的传播方向改变生成折射光一Ⅱ，折射光一Ⅱ与法线的夹角为折射角θ

当折射光一Ⅱ穿过镀层一射入气凝胶层时，是由光密介质进入光疏介质，此时存在光的全反射，根据斯涅夫定律计算发生全反射的临界角θ

折射光一Ⅱ的入射角θ

折射光二Ⅲ穿过气凝胶层进入镀层一，发生折射，形成折射光三Ⅳ，折射光三Ⅳ与法线的夹角为折射角θ

折射光三Ⅳ穿过镀层一进入空气，发生折射后，形成出射光Ⅴ，出射光Ⅴ与法线的夹角为折射角θ

光线Ⅰ的传播角度未发生改变，用此方法消除了气凝胶板的多孔表面使入射光的光路偏离而引起的成像畸变。

作为本发明的一种优选技术方案，所述镀层一与镀层二均为二氧化硅镀层，且镀层一、镀层二与气凝胶层组成了气凝胶板，所述镀层一与镀层二的表面经过抛光或研磨表面光洁，所述气凝胶层的折射率为N1(N1＝1.006)且空气的折射率N2(N2＝1.0003)。

作为本发明的一种优选技术方案，所述气凝胶板、白光光源与蓝光光源组成了天空环境光的气凝胶装置。

作为本发明的一种优选技术方案，所述气凝胶板的厚度值小于大气层厚度值且气凝胶的密度值小于空气密度值，气凝胶是固体材料中密度最低的物品，其表面呈固体状，内部含有众多孔隙，并且充斥着空气，这才形成了其密度小的状态，整个气凝胶板以气凝胶为主要材料，其密度小于空气，因此整体的重量大大降低，既降低了设备的整体重量，同时安装与维护成本大大降低。

作为本发明的一种优选技术方案，所述白光光源能够穿过镀层一进入到气凝胶层的内部且最终与纳米级散射粒子接触形成瑞利散射，所述瑞利散射形成的光源为蓝色，所述蓝光光源发射的蓝光的波长范围为400nm～460nm区间。

作为本发明的一种优选技术方案，所述白光光源与两个蓝光光源设置在气凝胶板的外围与顶部，且白光光源、蓝光光源与气凝胶板固定安装在房屋屋顶区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过设置有白光光源、镀层一与镀层二等达到仿真效果好与处理效果好的目的，在气凝胶层的表面设置有相应的二氧化硅镀层，同时气凝胶层的内部含有非常多的纳米级散射粒子，白光光源与蓝光光源的光源穿过镀层一、镀层二进入到气凝胶层的内部，随后光源与纳米级散射粒子接触反射与折射，最终又从气凝胶层的内部发射到下方，经过不同光源的折射补充，最终出来的蓝光产生了一定漫反射效果，最大程度上完成了太阳光源的模拟。

2、本发明通过设置有白光光源、蓝光光源与气凝胶层等达到结构简单造价低与安装方便的目的，现有类似装置动辄几十万，并且安装与维护过程非常麻烦，基本上还是依靠大量的电源装置配合模拟，本专利则是利用白光光源与蓝光光源将其设置在气凝胶板的两侧与顶部，光线进入其中，在镀层、气凝胶层与纳米级散射离子的作用下折射反射形成相应的光源效果，整个过程控制简单维护容易，造价成本大大降低。

3、本发明通过设置有白光光源、镀层一与气凝胶层等达到质量轻盈、安装方便的目的，整个气凝胶是固体材料中密度最低的物品，最新的气凝胶材料密度仅为空气的六分之一，相对与传统的及国外的类似设备来说重量大大降低，本专利中整个气凝胶板以气凝胶为主要材料，因此设备整体的重量大大降低，既保证了设备的安装方便与安全，能够有效的适用于各个场合的安装，使用范围大大拓展。

附图说明

图1为本发明结构白光光源与蓝光光源工作传播示意图；

图2为本发明结构外观示意图；

图3为本发明结构白光光源传播工作示意图。

图中：1、白光光源；2、镀层一；3、镀层二；4、蓝光光源；5、气凝胶层；6、纳米级散射粒子；A、白光；B、蓝光；C、蓝色散射光；D、蓝色出射光；E、白色出射光；Ⅰ、入射光一；Ⅱ、折射光一；Ⅲ、折射光二；Ⅳ、折射光三；Ⅴ、出射光。

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3所示，本发明提供一种作用于屋顶区域的天空环境自然光模拟生成的气凝胶装置，包括白光光源1，白光光源1的底部放置有气凝胶层5，气凝胶层5外围的顶部涂抹有镀层一2，且气凝胶层5外围的两侧及底部均涂抹有镀层二3，气凝胶层5的两侧均放置有蓝光光源4，气凝胶层5的内部填充有纳米级散射粒子6；

图1中，白光光源1发出的白光照射到气凝胶板上，穿过气凝胶板的镀层，进入气凝胶层5；气凝胶层5内部物质为1-50nm之间纳米级散射粒子6，当光照射到纳米级散射粒子6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5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5的厚度τ(λ)为负指数关系衰减；散射光强度W与气凝胶层5内随机分布的纳米级粒子个数N成正比；

由于气凝胶层5的厚度τ(λ)远小于大气层厚度，且气凝胶层5内纳米级粒子个数N与空气相同，因此可得出白光光源1所发出的白光A照射到纳米级光散射粒子6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；

为了实现模拟真实的大气层瑞利散射的强度，在气凝胶层5外的镀层二3 外增设蓝光光源4；

蓝光光源4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6为5～40nm 直径，蓝光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；

全反射蓝光照射到纳米粒子后，发生散射形成蓝色散射光C，蓝色散射光 C与瑞利散射蓝光混合，形成高强度的蓝色出射光D，补充了瑞利散射的蓝光效果，整个过程配合工作下就能够很好的完成蓝色天空散射光的形成。

图3中，本发明提出的镀层一2具有光洁度高的平面，降低光的折射率；

图中的气凝胶层5的折射率为N

其中SIO

白光光源1发出的入射光Ⅰ射向镀层一2，入射光线Ⅰ通过光疏介质进入光密介质时发生折射，使入射光Ⅰ的传播方向改变生成折射光一Ⅱ，折射光一Ⅱ与法线的夹角为折射角θ

当折射光一Ⅱ穿过镀层一2射入气凝胶层5时，是由光密介质进入光疏介质，此时存在光的全反射，根据斯涅夫定律计算发生全反射的临界角θ

折射光一Ⅱ的入射角θ

折射光二Ⅲ穿过气凝胶层5进入镀层一2，发生折射，形成折射光三Ⅳ，折射光三Ⅳ与法线的夹角为折射角θ

折射光三Ⅳ穿过镀层一2进入空气，发生折射后，形成出射光Ⅴ，出射光Ⅴ与法线的夹角为折射角θ

光线Ⅰ的传播角度未发生改变，用此方法消除了气凝胶板的多孔表面使入射光的光路偏离而引起的成像畸变。

其中，镀层一2与镀层二3均为二氧化硅镀层，且镀层一2、镀层二3与气凝胶层5组成了气凝胶板，镀层一2与镀层二3的表面经过抛光或研磨表面光洁，气凝胶层5的折射率为N1(N1＝1.006)且空气的折射率N2 (N2＝1.0003)，镀层一2与镀层二3的表面具备一定的强度、硬度与厚度，经过处理后具有光洁度高的平面，光照射到镀层上，只有透射和镜反射效果。

其中，气凝胶板、白光光源1与蓝光光源4组成了天空环境光的气凝胶装置。

其中，气凝胶板的厚度值小于大气层厚度值且气凝胶的密度值小于空气密度值，气凝胶是固体材料中密度最低的物品，其表面呈固体状，内部含有众多孔隙，并且充斥着空气，这才形成了其密度小的状态，整个气凝胶板以气凝胶为主要材料，其密度小于空气，因此整体的重量大大降低，既降低了设备的整体重量，同时安装与维护成本大大降低。

其中，白光光源1能够穿过镀层一2进入到气凝胶层5的内部且最终与纳米级散射粒子6接触形成瑞利散射，瑞利散射形成的光源为蓝色，蓝光光源4发射的蓝光的波长范围为400nm～460nm区间。

其中，白光光源1与两个蓝光光源4设置在气凝胶板的外围与顶部，且白光光源1、蓝光光源4与气凝胶板固定安装在房屋屋顶区域，因为模拟的是太阳光，因此需要设置在使用者的头顶上，同时在其顶部及两端设置不同的光源，在气凝胶板的辅助作用下，白光光源1与蓝光光源4光源互相补充，能够很好的形成自然颜色光，模拟效果强。

本发明的工作原理及使用流程：

气凝胶板是固态透明体，内部为对于蓝光波长的尺度参数x<<1空气分子，因此在的光源照明下可以形成较为理想的瑞利散射；于是在气凝胶层5的外表面镀上SIO

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。