地下区域自然光照的秘密

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　　想象一下当你下班回家时，在一个漆黑沉闷的地铁站等候地铁。这时如果不经意地瞥见一缕难得的阳光，心情一定会马上舒畅起来，回家的路也会变得不再漫长，但是如何实现这一构想呢?借助光管，不用通电，自然光就能发散到黑暗的区域。在本篇博客文章中，我们将探讨光管这类小巧优美的器件，并通过仿真展示如何详细分析这样的器件。
　　透光管提供自然照明
　　光管也称为光导管，是一种在不同区域间传播光的结构。当光管壁表面发生选择性透光时，可以对较大空间提供照明。该器件具有节能及提供自然光、隔热且灵活等特点，是地下区域(如上述例子中提到的地铁站)自然光照的最佳来源。监狱及限制进入区域没有窗户和通道，但需要采光，因此光管也是这类区域的理想选择。

　　光管用于对地下区域提供照明，图为柏林波茨坦广场火车站使用光管提供照明。(图片由 Till Krech 提供。已获 Creative Commons Attributions 2.0 Generic 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。)
　　在住宅设计中也会布置光管。例如，因为这种光源不用供电，所以对于潮湿区域(例如浴室和游泳池)，这是一种安全的照明方式。一些电子设备中甚至采用小型光管对按钮提供照明，而不用通电。光管全年都能提供自然光，因此还有助于那些患有季节性情感障碍 (SAD) 的病人缓解病情。
　　光管除了能将光传播到原本难以到达的区域外，还可用于生成均匀光源或整合几种不同的光源。光在到达终点前往往会在光管内发生多次反射，因此无论光怎样传入光管，其出口处的光往往分布比较均匀。基于此设计的结构称为均匀化柱。
　　光管主要分为两大类：
　　管壁含反射涂层的中空管
　　固体透光管，通过一种称为全反射的现象传播光
　　在这里我们将讨论第二种类型。
　　通过全反射改变光路

　　光传播到两种不同介质的边界处而发生的完全反射，就是全反射。只有当光从光密介质传播到光疏介质时，才会发生这种现象。在这里，“光密度”指介质的折射率n，是光在真空中传播的速度与在介质中传播的速度之比。例如，水的折射率比空气的折射率大，所以当光从水下传播到水面时，就可能发生全反射。
　　此外，只有当入射角大于临界角时，才会发生全反射。入射角是指传播到表面的光(即入射光)与法线(或与表面垂直的线)之间的夹角，即下图中的Θi。

　　位于两种介质边界处的入射光、反射光和折射光。

　　同样，折射角是指折射光与法线之间的夹角，即图中的Θt。因为我们假设n2＜n1，所以折射角大于入射角。临界角是指折射角为 90° 时的入射角。当入射角增大，接近临界角时，折射光的强度接近于零。如果入射角再增大，超过临界角，则不存在折射角。随后，光线在边界处被完全反射，即发生全反射。
　　我们可以利用这种现象高效捕捉空气包围的固体透光管内的光。如果透光管的折射率大于空气的折射率，则光可能会由于发生全反射而反射到透光管内。为确保这一点，光在传播到透光管外表面时的入射角必须较大，几乎与透光管表面平行。如果入射角小于临界角，则发生折射，部分光会从管壁漏出，如下图所示。

　　如果入射光线(蓝色)传播到管壁的入射角较大，则只会生成反射光线(红色)。如果入射角太小，则可能漏出折射光线(绿色)。
　　我们可以借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件及“射线光学模块”分析透光管的性能。
　　借助 COMSOL Multiphysics 模拟透光管
　　透光管教程模拟了横截面为圆形的弯曲光管中的光线传播。透光管由固体聚酯(甲基丙烯酸甲酯)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成，这类聚酯是透明的热塑性材料。

　　如果透光管的方向突然发生改变，大量光传播到透光管表面时，入射角可能小于临界角，由此发生折射，造成能量的大量损失。我们可以对透光管内某个弯曲处的曲率半径进行参数化扫描，将透光管形状对其性能的影响量化。首先，在透光管一端以锥形发散的方式释放光线。在另一端使用一个“壁”节点及一个“沉积射线功率”子节点，计算传输功率与源功率之比，得到透光管的透光率。

　　弯曲的透光管内用全反射实现 LED 光源的均匀化。

　　在下图中，光线从左端传入透光管，向右端传播。当光线传到第二个弯曲处时，大量的折射光线经管壁漏出。第一个弯曲处比第二个平缓得多，因此没有折射光线漏出来。

　　透光管中光线的轨迹。不同的色彩显示不同的折射光线强度与对应的入射光线强度之比，数值越大表示能量损失越多。

　　当曲率半径为仿真所采用的最大尺寸 20 毫米时，透光管的透光率大约为 100%。

　　透光率绘制为某一透光管弯曲处曲率半径的函数。

　　根据该仿真结果，我们得出这样的结论：透光管弯曲处的曲率半径越大，光的传输就越可靠。但在实际应用中，大弯曲半径的优势可能被密闭区域或光难以传播到的区域这样的安装环境所抵消。借助仿真，我们可以考虑所有各方面的因素，从而优化透光管在各应用领域中的使用。

来源：COMSOL-China

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