עיצוב מערכות אור ידידותיות באמצעות אופטיקה פיזית תאורה ארכיטקטונית

מבוא ל- Light-Guide Systems באדריכלות

תאורה אדריכלית התפתחה הרבה מעבר תאורה פשוטה; כיום היא מגדירה חוויות מרחביות, משפיעה על ההתנהגות האנושית, ומניעה ביצועים אנרגיה במבנים.בין הגישות המתקדמות ביותר להשגת מטרות אלה הן מערכות אור-אופטימיות – אסיפות אופטיות שמעבירות ומחלקות אור ממקור לאזורים בסיכון עם אובדן מינימלי.בניגוד לתקנונים קונבנציונליים שמסתמך על השתקפות דיפרזה או דיור רב, מערכות אור-ממות של עקרונות של רמה פיזית של שליטה, כלומר, באופן חסר תקדים, כלומר, כלומר, יעילות אחידה, באופן חסר תקדים, באופן חסר תקדים, ואפקטים, עיצוב, באופן חסר תקדים, באופן חסר תקדים, כלומר, כלומר, לאין, לא הולם, לאין, לאין, עיצוב, לא הולם, לאין, לאין-אופטימי, לאין-אופטימי, לא מדויק, לאין-יתר דיוק, לא-יתר דיוק, ולאור, לא-אופטימי, כלומר, לא-אופטימית, לא-אופטימית, לא-יתר דיוק, לא רגיל, לא-יתר דיוק, לא-יתר דיוק, ולאור, לא-יתר דיוק, שלא כמו גם לא-יתר דיוק, לא-יתר דיוק, ולא קונבנציונאלי, לא-יתר דיוק, שלא כמו

שינוי זה לעבר עיצוב מבוסס אופטיקה פיזית אינו רק תרגיל אקדמי.זה משפיע ישירות על מדדים בעולם האמיתי: lumens per וואט, דירוגים זוהרים (UGR), עקביות צבע על פני חללים גדולים, ואת היכולת להשתלב עם מערכות ניהול בנייה. על ידי הבנה ויישום אופטי גל - צמצום, הפרעה, השתקפות פנימית מוחלטת (TIR), והערכה של התנהגות שדה רחב - זה יכול ליצור פתרונות חומרים מתקדמים לשימוש.

החלקים הבאים לחקור את הפיזיקה הבסיסית, אסטרטגיות עיצוב, שיקולים חומריים, טכניקות ייצור ותחומים יישומים המגדירים מערכות אור מודרניות מונחות אור.We willבדוק גם מחקרים מקרה ומגמות מתפתחות מצביעות על עתיד שבו תאורה ארכיטקטונית היא גם כלי אופטית וגם אלמנט אסתטי.

יסודות של אופטיקה פיזית באור

כדי לעצב מערכות אור יעילות, תפיסה מוצקה של אופטיקה פיזית היא חיונית. Geometric אופטית, אשר מתייחס אור כמו קרני נוסעים קווים ישר, הוא לא מספיק לחיזוי התנהגות בקנה מידה קטן או בממשקים שבהם תופעות הגל שולט.אופטיקה פיזית, לעומת זאת, מודלים אור כמו גל אלקטרומגנטי, חשבונאות עבור שלב, ampude, ואפקטים קוטביזציה.

גלידת גלים וחשיבה פנימית מוחלטת

[ה] [ה]]] ויקרא [ב] ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]

עם זאת, TIR לבד אינו מבטיח יעילות propagation. Surface גסות, זיהומים, והפסדים מכווצים יכולים לפזר או להדליף אור.אופטיקה פיזית מספקת כלים כדי מודל הפסדים אלה באמצעות פיזור תיאוריות (למשל, Rayleigh-Rice או קירצ'וף approximations) וכדי לחזות את ההפצה הזוויתית של האור.

דיפרקציה והתערבות במילוי האור

במערכות אור רבות, תכונות החילוץ (מיקרו-אופטיקה, גרינגס, או חלקיקים משובצים) משמשים כדי לצאת מן הגל מונחה במקומות הרצויים.תכונות אלה מסתמכות על דיפרקציה: התכווצות של גלים סביב מכשולים או דרך apertures. על ידי תכנון מבנים תקופתיים (למשל, חינני בינארי או תבניות ולוגרפיות), יכולים לשלוט על החוזקה והחומרה של אור המיוצר עם אפקטים כגון ריצוף גבוה, כמו גם על ידי גירויים, כגון אפקטים מרובים, כגון, או חומרים קצרים.

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

פולש ושיקולי לוואי

השפעות Polarization הופכות חשובות כאשר משתמשים בחומרים אנזוטרופיים (למשל, פולימרים מתוחים) או כאשר משלבים מקורות אור עם פליטה מקוטבת (למשל, כמה נוריות וקטנות לייזר) קוטל בלתי מבוקר יכול להוביל לבהירות או משמרות צבע בלתי אחידות במיצוי.מודלים אופטיים פיזיים הכוללים את האופי המלא של השדה - כגון ניתוח גלי גל קפדני (RC) עבור מערכות חיוניות כגון קידוד).

אסטרטגיות עיצוב עבור מערכות Light-Guide

בניית עקרונות אופטיים פיזיים, ניתן להשתמש בכמה אסטרטגיות עיצוב כדי למקסם את היעילות, אחידות ומיומנות.

אפשרויות ל- Optical Properties

בחירת החומר הנכון הוא הצעד הקריטי הראשון.חומרים משותפים עבור מדריכי אור אדריכליים כוללים:

(FLT:0) באופן פוליל methacrylate (PMMA, אקרילי): שקיפות גבוהה (92% שידור), ערפל נמוך, קל לעצב או מכונה.
(FLT:0)Polycarbonate (PC): FLT:1 (התנגדות להשפעה גבוהה יותר) מאשר PMMA, מעט שידור נמוך יותר (~88%), אינדקס רפלקאקטיבי גבוה יותר ( 1.59).
(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0) ,51 (ב) נעשה שימוש במדריכי אור גמישים; אינדקס נמוך יותר (- 1.41 אך סובלנות טמפרטורה גבוהה.

בנוסף לקליטת הרוב, איכות פני השטח נושאים.הפסדים על פני השטח של גל מונח הם פרופורציה לכיכר של החוספס RMSness מחולק על ידי אורך הגל. A גסות מתחת λ/20 (למשל, - 25 nm עבור אור גלוי) נדרש בדרך כלל עבור תנודות גל נמוך של TIR.

אופטית מתקפלת ו- Thin-סרט הנדסה

ציפוי אנטי-reflective (AR) להפחית את ההשתקפות של Fresnel בממשקי קלט ופלט, הגדלת דרך הכוללת באמצעות לוח. עבור מערכות מונחה אור, ציפוי AR יכול להיות מיושם על פני השטח LED הפיכה ואת הצד החילוץ. ערימה דיאלקטרי רב-שכבות תוכנן באמצעות אופטיקה פיזית (למשל, ערימה של גלי רבע) יכול להשיג פס רחב או דיכוי צר של השתקפות, בדומה גבוהה של ציפויים של 10.

(ב) [ה]: [ה]] [ה]], [ה]], [ה], [ה], [ה]], [ה]], [ה']]], [ה']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''

דף הבית > Surface Texture and Micro-Optic Patterns

הגיאומטריה של תכונות החילוץ - בין אם dots, prism, עדשות, או מרקמים אקראיים - קובע את החלוקה המרחבית והזוויתית של אור פולט. סימולציות אופטיות פיזיות (למשל, סופיות-דפי זמן-דומיין FDTD או ray tracing עם תיקונים גל אופטיים) משמשים כדי להתאים את הדפוסים האלה.

(ב) ⁇ :0) מבנים אפיפיוריים: FLT:1 בצורת V בצורת grooves עם זוויות הכלולות של 90 מעלות-120 מעלות יכול לחלץ אור בזווית מסוימת.
(FLT:0) ,Scattering dots: FLT:1 לבן או מתכתי dots מודפס או לייזר-התרחב על פני השטח גל תאורה החוצה. גודל ודחיסות הם ציונים - קטן / קטן יותר ליד המקור, גדול / גדול / רחוק ממנו - כדי לפצות על התגברות.
(FLT:0)Gings and holograms: ⁇ 1) כפי שתואר קודם לכן, אלמנטים דיפראקטיביים מציעים שליטה זוויתית מדויקת.הם שימושיים במיוחד עבור תאורה כיווןית (למשל, שטיפת קיר או תאורה משימה).

(ב) [ה]המחקר שפורסם ב-[[1924]]:0]]: [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]

אופטימיזציה גיאומטריה: להקות, בנדס, וזוגות

הצורה הפיזית של גל מוד משפיע על אובדן ומיצוי.למצת את עובי ממקור עד הסוף הרחוק יכול לפצות על ספיגה ודליפה, שמירה על בהירות אחידה יותר. בנדס דורש עיצוב זהיר כדי להימנע מפרה תנאי TIR - רדיוס מינימלי ביחס עובי הגל חייב להיות נשמר.ביישומים אדריכליים, מדריכים אור מעוקל יכול לעקוב אחר קווי בנייה, יצירת אפקטים דינמיים.

הפיכה בין מקור האור (מערך LED או לייזר) לבין גל מונח הוא עוד אזור קריטי.טכניקה כוללת:

(FLT:0) Butt-coupling: FIRLT:1 פשוט אך סובל מהפסדים Fresnel (4% לממשק ללא ציפוי AR).
(ב) ויקרא י"א): "העברה הדרגתית של אזור קלט עבה אל גל הגל הדק משפר את מצב ההתאמה.
(ב) ⁇ :0 ⁇ או עקרות: ⁇ 1 (ב) בשימוש מקורות לייזר שבהם סובלנות היערכות היא הדוקה.

סימולציות ומודלים של תהליכי עבודה

אין עיצוב צריך ללכת למרקם ללא סימולציה יסודית.זרימת העבודה הטיפוסית כוללת:

(ב) [15] ,[[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]
(FLT:0) ו-אופטיקה סימולציה: FIRLT:1 ; עבור מיקרו-אופטיקה, ציפויים ואפקטים דיפרקציה (למשל, באמצעות FDTD Solutions, COMSOL, או ניתוח גלי קפדני).
(FLT:0) המקשר לכלי עיצוב תאורה: FIRLT:1 ייצוא את התפוצה של אינטנסיביות שדה רחוק (IES או LDT קבצים) לתוכנה כמו Dialux או Relux לשילוב ארכיטקטוני.
(ב) ,0) מונטה קרלו מתפזר מודלים: FLT:1 כדי להסביר סובלנות ייצור.

ניתן להשתמש באלגוריתמים מתקדמים (אלגוריתמים גנטיים או שיטות אד-ג'וינט) כדי לכוון באופן אוטומטי את דפוסי דפוס התבניות ואת פרופילי ה-FLT:0External Resources:FLT:1 The FLT:2 Open Source Optics GitHubFLT 3: מספק תסריטים עבור אופטימיזציה של גל.

המונחים: Architectural תאורה

מערכות אור מבוססות אופטיקה הופכות מגוון רחב של יישומים תאורה אדריכלית.

תאורה שטח אחיד (משרדים, כיתות, בריאות)

לוחות קצה באמצעות מערך של נוריות על צד אחד או שני ומדריך אור מעוצב מספק תאורה דק, אחיד, זוהר חינם תאורה. לוחות אלה יכולים להיות דקים כמו 5-10 מ"מ, המאפשר שילוב של תקרת פלוש. על ידי אופטימיזציה דפוס החילוץ, מעצבים להשיג UGRFLT:0100 lm / W יעיל.

מוזיאון וגלריית תאורה

מוזיאונים דורשים שליטה מדויקת של רמות אור וטמפרטורת צבע כדי לשמר חפצים. מערכות אור מונח עם תמצית diffractive יכול לייצר אורות צר-beam או שטיפת קיר מרעה המפחיתה את הקרינת UV ו- IR. כי מקור האור יכול להיות מרוחק (למשל, מנוע LED בplenum התקרה), חום נשאר הרחק מאובייקטים רגישים.

תאורה וספורט

בקמעונאית, תאורה מבטא מדגישה מוצרים תוך צמצום זוהר הוא חיוני.גלי אור הזרקורים המבוססים על WavePSK באמצעות השתקפות פנימית מלאה עדשות הולוגרפיות יכולים להשיג זוויות אמם צרים כמו 10 מעלות עם ירידה חדה.היכולת לעצב את הדבורה ללא אופטיקה משנית (פנינים או עדשות) להפחית את הדיוק והעלות.

תכונות אדריכליות ו תאורה דינמית

מערכות אור מונחות ניתן לשלב בתוך לחיצות, נקודות מדרגות, או אלמנטים façade. על ידי הטמעת מיקרו אופטיקה ישירות לתוך פרופילים אקרופתיים, מעצבים יוצרים אור ליניארי מתמשך כי bends ועקום. אופטיקה פיזית מאפשר החילוץ להיות מותאם כך שהבהירות מופיעה גם כמו הכיוון של הטונה, צבעים ניתן להשיג ללא ממצאים גלויים.

מערכות יום של יום ומיזוג

יישום מתפתח הוא יום היברידית תאורה: מדריכים אור אשר אוספים אור שמש באמצעות אספן גג ומפיץ אותו דרך הליבה הבניין.גישה אופטית פיזית חיונית כדי מודל ספקטרום השמש, זווית הקבלה של האספנים, ואת ההפסדים בגלישת הגל על פני מרחקים ארוכים (10-20) מערכות כאלה יכולות להפחית את צריכת האנרגיה עד 30% בשעות היום.

בקרה ואיכות

עיצוב הוא רק חצי הקרב.דפיק מערכות אור עם דיוק פיזי של אופטיקה בכיתה דורש בחירה של תהליך זהירה.

(FLT:0) עיצוב דפוס:FLT:1hil ייצור גבוה של PMMA או מדריכי אור מחשב עם micro-prises או dot תבניות. mold הם עשויים על ידי פנייה יהלום או תחריט.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0)Laser ישיר כתיבה / ablation:031 אידיאלי עבור prototyping או דפוסים מותאמים אישית.UUUUO2 או לייזרים העובריים יכול ליצור תכונות diffactive עם דיוק תת-מיקרוני.
(FLT:0) הדפסה: מיפוי 1 (ראה: ⁇ ) או הדפסה של dots פיזור הוא נפוץ עבור לוחות גדולים-שטח; עם זאת, יש צורך קצה הגדרות וקליטת חומר יש לנהל.

בקרת איכות כוללת מדידת שידור, ze, אחידות סיכה (באמצעות מצלמה CCD וספירה משולבת), והתפלגות זוויתית (gonioPhotometer) עבור אלמנטים diffractive, ספקטרופוטמטר עוזר לאמת התנהגות תלויה גל.

דוגמאות ל-Case Studies and Real-World

(FLT:0Case Study 1: Office רטרוfit with Edge-Lit PanelsFLT:1hilFLT:2 A 10,000 מ"ר פתוח תוכנית בסן פרנסיסקו החליפו 500 צינורות פלורסנט עם 400 מישורים LED קצה-ליטר המשלבים מדריכים אור PMMA עם מיצוי מיקרו-ממים.הפאנלים השיגו 120 lm / W (vsscent lm 80 / W עבור בוהקים) היה מופחתת מחזורי של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של 8.

מחקר 2 (FLT:0Case Study 2: Museum Daylighting SystemearFOVA:2A Museum in Berlin שילב מערכת אור היברידית של אור השמש לגלריה הראשית תוך שמירה על הגנה UV. a holographic Planrator על הגג יחד עם גל זכוכית ארוך סימולציה של 12 מ"מ עם ציפויים פיזיים של 5%, אשר חזו את מערכת השמש הממוצע של אור שמש ממוצע של 300 שעות לאחר מכן, תוך כדי ציון זמן קצר של 12 מ"ל.

מגמות עתידיות ודרכים מחקר

התחום מתקדם במהירות.כמה מגמות יעצבו את הדור הבא של מערכות אור ארכיטקטוניות:

(FLT:0) Metasurfaces:FLT:1 עיגולים בצורת גלי יכול לייצר חזיתות גל שרירותיות עם יעילות גבוהה. מדריכי אור מטבולית נחקרים עבור מ"ממטר-ת'ין, תאורה רחבה ללא תכונות החילוץ דיסקרטי.
(FLT:0) תאורה חכמה ומתאמת: FLT:1irשלב מדריכים קלים עם שכבות גביש נוזלי או חומרים אלקטרו-כרומטיים כדי לשנות באופן דינמי את כיוון החילוץ או עוצמתו.
מקורות אור מונעים על ידי FLT:0 (Laser-oriented Light מקורות: FLT:1) שימוש בגוון לייזר עבור בהירות גבוהה יותר ורוחב ספקטרלי צר יותר, יחד עם גל עיצוב קרן.
(FLT:0) AI-oriented design optimization:FLT:1 Machine Learning Models מאומן על נתונים גדולים של גל מונח גיאוגרפימטים ופלטים מדומים יכולים להאיץ את תהליך העיצוב, מציאת דפוסים לא אינטואיטיביים אשר לנצח עיצובים אנושיים.
חומרים בלתי אפשריים:0 (FLT:1Build) פולימרים המבוססים על ביו-ביו (PLA, cellulose acetate) עם ציונים אופטיים מפותחים להחליף פלסטיק מבוסס נפט, בעודם עדיין עומדים בפני שידור ודרישות חיים.

מסקנה

תכנון מערכות אור יעילות תאורה ארכיטקטונית היא מאמץ בין-תחומי המאחד ידע עמוק של אופטיקה פיזית עם הנדסה מעשית, מדע חומרי וטכניקות ייצור. על ידי מעבר למחיאות גיאומטריות ולחבק את טבע האור, מעצבים יכולים להשיג רמות ביצועים לפני כן בלתי אפשריות: גורמים אולטרה-תאין, מותאמים התפלגות, תאורה אחידה ויעילות אנרגיה יוצאת דופן.

ככל שהקודים של בנייה מתדקים וקיימות דורשים לצמוח, מדריכי אור מבוססי אופטיקה פיזיים יהפכו למרכזיים יותר ויותר לתכנון תאורה אדריכלי. להשקיע בידע זה מאפשר כעת למעצבים ליצור תאורה שאינה רק פונקציונלית ויפה אלא גם טכנית לפני זמנו.

מקורות נוספים (בתרגום חופשי:0)

(FLT:0)Optics & Photonics News (OSAOVA)FLT 1:1 - מכסה מחקר אחרון בעיצוב אופטי.
(FLT:0) מחלקת האנרגיה של ארצות הברית: תאורה אופטימבראטפל (Oracor OpticsFLT) 1:1 - נדר על טכנולוגיות תאורה יעילות באנרגיה.