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ライトチューブ（ソーラーパイプ、チューブ型スカイライト、サントンネルとも呼ばれる[ 1 ] ）は、照明を目的として自然光または人工光を伝送または分配する構造物であり、光導波路の一例である。
採光用途においては、管状採光装置、サンパイプ、サンスコープ、またはデイライトパイプとも呼ばれる。これらは大きく2つのカテゴリーに分けられる。反射面で光を閉じ込める中空構造と、全反射によって光を閉じ込める透明な固体である。非結像光学の原理が、それらを通過する光の流れを支配する。[ 2 ]
特注設計の赤外線ライトパイプ、中空導波路、ホモジナイザーの製造は容易ではありません。これは、これらのチューブが金製の高光沢赤外線反射コーティングで覆われているためです。このコーティングは、腐食性の高い環境下でも使用できるほど厚く塗布する必要があります。ライトパイプの特定の部分には、赤外線を吸収するカーボンブラックを塗布することができます（フォトニクスを参照）。これは、赤外線をパイプの特定の領域のみに限定するために行われます。
ほとんどのライトパイプは円形断面で製造されますが、形状はこれに限定されません。特殊な用途では、正方形や六角形の断面が使用されます。六角形のパイプは、最も均質な赤外線を生成する傾向があります。パイプは直線である必要はありません。パイプの曲がりは効率にほとんど影響を与えません。
最初の商業用反射システムは、1850年代にロンドンのポール・エミール・シャピュイによって特許が取得され、さまざまな角度のミラー設計を使用して販売されました。シャピュイ社の反射器は、1943年に工場が破壊されるまで継続的に生産されていました。 [ 3 ]この概念は、1986年にオーストラリアのソラチューブ・インターナショナルによって再発見され、特許が取得されました。 [ 4 ]このシステムは、住宅用および商業用として広く販売されています。その他の自然採光製品は、「サンスコープ」、「ソーラーパイプ」、「ライトパイプ」、「ライトチューブ」、「チューブラースカイライト」など、さまざまな一般的な名称で販売されています。
高反射材で覆われたチューブが、建物の屋上または外壁に設けられた入口から光線を建物内部へと導きます。ライトチューブは（例えば潜望鏡とは異なり）画像撮影を目的としたものではないため、画像の歪みは問題にならず、むしろ「指向性」のある光が減少することで、歪みが生じることを歓迎する側面もあります。
入射口は通常、ドーム（キューポラ）で構成されており、これはできるだけ多くの太陽光を集めてチューブ内に反射させる役割を果たします。多くの装置には、チューブ内にさらに指向性のある光を集めるための「集光器」、「反射板」、あるいはフレネルレンズ装置も備えられています。
1994年、ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）の窓と採光グループは、年間を通して変化する太陽光と空の条件下で、室内の採光分布と輝度勾配の均一性を向上させるため、4.6～9.1mの距離での採光量を増加させる一連の水平ライトパイプのプロトタイプを開発しました。ライトパイプは、従来のサイドライト窓や天窓よりも深い位置まで太陽光を反射することで、比較的小さな入射ガラス面積を通して自然光をパッシブに輸送するように設計されました。[ 5 ] [ 6 ]
レーザーカットされたアクリルパネルを配置して太陽光を水平または垂直に配置された鏡面パイプに反射させ、さらにレーザーカットされたパネルを三角形に配置して光を室内に拡散させる光拡散システムを組み合わせた装置が、ブリスベンのクイーンズランド工科大学で開発されました。[ 7 ] 2003年、ベロニカ・ガルシア・ハンセン、ケン・ヤン、イアン・エドモンズはこの開発によりファーイースト経済レビュー・イノベーション賞の銅賞を受賞しました。[ 8 ] [ 9 ]
チューブが短くまっすぐな場合、光透過効率は最大になります。長いチューブ、角度のついたチューブ、またはフレキシブルチューブでは、光強度の一部が失われます。損失を最小限に抑えるには、チューブライニングの高い反射率が重要です。メーカーは、可視光領域における自社製品の反射率が最大でほぼ99.5パーセントに達すると主張しています。[ 10 ] [ 11 ]
終点（使用地点）では、拡散板が光を室内に拡散させる。
最初の本格的なパッシブ水平ライトパイプは、テキサスA&M大学のデイライトラボで構築され、幅6m、奥行き10mの360°回転する部屋で年間昼光性能が徹底的に評価されました。パイプは99.3%の鏡面反射フィルムでコーティングされており、ライトパイプの端にある分配要素は、可視光透過率87%の4.6mの長さの拡散放射状フィルムで構成されています。ライトパイプは、 7.6mから10mの距離で、年間を通じて300～2,500ルクスの照度レベルを一定に提供します。[ 12 ]
太陽光の利用をさらに最適化するために、太陽の動きを追尾するヘリオスタットを設置することができます。これにより、周囲の制約が許す限り、日中いつでも太陽光をライトチューブに導くことができます。場合によっては、光路に影響を与える追加の鏡やその他の反射要素も使用できます。ヘリオスタットは、夜間には月光を捉えるように設定することも可能です。
光ファイバーは自然光照明にも使用できます。プラスチック光ファイバーをベースにした太陽光照明システムは、2004年にオークリッジ国立研究所で開発されていました。[ 13 ] [ 14 ]このシステムは、2005年に米国テネシー州のアメリカ科学エネルギー博物館に設置され、[ 15 ]同年、Sunlight Direct社によって市場に投入されました。[ 16 ] [ 17 ]しかし、このシステムは2009年に市場から撤退しました。
ファイバーの直径は通常小さいため、効率的な自然光採光システムには、太陽を追尾して光を集光する放物面集光器が必要です。光伝送を目的とした光ファイバーは、コア内でできるだけ多くの光を伝搬させる必要があります。一方、光分配を目的とした光ファイバーは、光の一部がクラッドを通して漏れるように設計されています。[ 18 ]
Parans Solar Lighting AB が販売する Bjork システムにも光ファイバーが使用されています。[ 19 ] [ 20 ]このシステムの光ファイバーは PMMA (ポリメチルメタクリレート) でできており、ハロゲンフリーの熱可塑性樹脂である Megolon で被覆されています。しかし、このようなシステムは非常に高価です。[ 21 ]
Paransシステム[ 22 ]は、集光器、光ファイバーケーブル、屋内に光を拡散する照明器具の3つの部分から構成されています。1つまたは複数の集光器は、直射日光がよく当たる場所に、建物上またはその近くに設置されます。集光器は、保護用のカバーガラスを備えたアルミニウムプロファイルに取り付けられたレンズで構成されています。これらのレンズは、光ファイバーケーブル内に太陽光を集中させます。
集光器はモジュール式で、必要に応じて4本、6本、8本、12本、または20本のケーブルが付属します。各ケーブルの長さは個別に設定可能です。光ファイバーケーブルは、高い光質と光強度を維持しながら、自然光を建物内100メートル（30階分）まで伝送します。導入例としては、カストラップ空港、アリゾナ大学、ストックホルム大学などがあります。
同様のシステムだが、ガラス製の光ファイバーを使用したものが、以前日本で研究されていた。[ 23 ]
コーニング社はFibrance光拡散ファイバーを製造している。Fibranceは、光拡散ファイバーケーブルにレーザー光を照射することで機能する。ケーブルは光を発する。[ 24 ]
プリズムライトガイドは、1981 年にブリティッシュコロンビア大学の物理学教授であるローン・ホワイトヘッドによって開発され、[ 25 ] [ 26 ]太陽光照明において光の伝送と分配の両方に使用されています。[ 27 ] [ 28 ]同じ原理に基づく大型ソーラーパイプが、2001 年にワシントン DC の法律事務所の 14 階建てビルの狭い中庭に設置され、[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]ロンドンでも同様の提案がなされています。[ 34 ]さらに、ベルリンにもシステムが設置されています。[ 35 ]
3M社は光学照明フィルム[ 36 ]に基づくシステムを開発し、微細なプリズム[ 26 ]を組み込んだ薄膜で光を均一に分配するように設計されたライトガイドである3Mライトパイプ[ 37 ]を開発しました。これは、硫黄ランプなどの人工光源に関連して販売されています。
固体コアを持つ光ファイバーとは対照的に、プリズムライトガイドは光を空気中を通すため、中空ライトガイドと呼ばれます。
欧州委員会から一部資金提供を受けたARTHELIOプロジェクト[ 38 ] [ 39 ]は、1998年から2000年にかけて行われた太陽光と人工光の適応混合システムの調査であり、硫黄ランプ、ヘリオスタット、および光の輸送と分配のための中空ライトガイドが含まれています。
ディズニーは、光るおもちゃの内部ライトガイドを印刷するために3Dプリンティングを使用する実験を行ってきた。[ 40 ]
Fluorosolarとシドニー工科大学が開発したシステムでは、フラットパネル内の2つの蛍光ポリマー層が短波長の太陽光、特に紫外線を捕捉し、それぞれ赤色と緑色の光を生成して、建物の内部に導きます。そこで、赤色と緑色の光は人工の青色の光と混合され、赤外線や紫外線を含まない白色光が生成されます。このシステムは、ヘリオスタットや放物面集光器などの可動部品を必要とせずに光を集め、建物内のあらゆる場所に光を伝送することを目的としています。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]紫外線を捕捉することで、このシステムは、晴れているが曇りの日でも特に効果的です。これは、紫外線は太陽光の可視成分よりも雲による減衰が少ないためです。
ソーラーライトパイプは、従来の天窓やその他の窓と比較して、断熱性に優れ、室内での使用においてより柔軟性があるという利点がある一方で、外部環境との視覚的な接点は少なくなる。
季節性感情障害の観点から、照明器具を追加設置することで、1日あたりの自然光への曝露量を増やすことができるという点を考慮する価値があるかもしれない。これにより、過剰な照明の影響を避けつつ、居住者や従業員の健康増進に貢献できる可能性がある。
人工照明と比較して、ライトチューブは自然光を提供し、エネルギーを節約できるという利点があります。透過光は一日を通して変化しますが、それが望ましくない場合は、ライトチューブを人工照明と組み合わせてハイブリッド構成にすることができます。[ 27 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
人工光源の中には、少なくとも人間の可視スペクトル範囲において太陽光に似たスペクトルを持ち、ちらつきが少ないものもある。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 49 ]これらの光源のスペクトルは、一日を通して自然光の変化を模倣するように動的に変化させることができる。このような光源の製造業者や販売業者は、自社製品が自然光と同じか類似の健康効果をもたらすと主張している。[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]太陽光パイプの代替品として考えると、このような製品は設置コストは低いかもしれないが、使用中にエネルギーを消費するため、全体的なエネルギー資源とコストの観点からは、より無駄が多い可能性がある。
より実用的な観点から言えば、ライトチューブは電気設備や断熱材を必要としないため、浴室やプールなどの屋内湿気の多い場所で特に役立ちます。芸術的な観点から言えば、近年の技術開発、特に透明ライトチューブに関する技術開発は、建築照明デザインに新たな興味深い可能性を切り開いています。
サンパイプは比較的小型で光出力が高いため、刑務所、警察の留置場、その他立ち入り制限が必要な場所など、セキュリティが重視される状況に最適です。直径が狭く、内部のセキュリティグリルによる影響も少ないため、電気接続や脱出経路を設けることなく、また、セキュリティエリアへの物品の持ち込みを許すことなく、自然光を取り込むことができます。
電子産業ではライトパイプ[ 52 ] [ 53 ]と呼ばれ、電子機器内で光を導くためによく使用されます。
ライトパイプの構成は、あらかじめ用意された棒を適切な長さに切断したシンプルなものから、非常に複雑なカスタム成形または機械加工された形状まで、多岐にわたります。ライトパイプは通常、アクリルまたはポリカーボネートの光ファイバー、あるいは透明なアクリルまたはポリカーボネートの固体ポリマーで作られています。場合によっては、他の透明なプラスチックが使用されることもあります。光源は、回路基板上のLEDやその他の内部配置から、デバイス筐体の外側にある表示記号やボタンまで様々です。
さまざまな色の光を表示する方法はいくつかあります。単色を常時表示するには、ライトパイプの材質に色を付けたり、カラーライトパイプレンズを使用したり、単色LEDを使用したりする方法があります。複数の色を表示するには、透明なライトパイプにRGB、RGBW、またはRGBWW LEDを使用します。古い設計では、表示パネルのインジケータから同じライトパイプに2つ以上の個別のカラーLEDを接続して使用していました。
これらのライトパイプの構成は大きく異なります。シンプルなライトパイプは、まっすぐな円筒形の棒から作られる場合もあれば、円筒壁の滑らかで均一な形状を保ちながら、複数の緩やかな曲線で曲げられる場合もあります。あるいは、柔軟な光ファイバーライトパイプを使用することもできます。成形または機械加工された複雑な設計では、光ファイバーのように緩やかな曲線で曲げられたり、角度のついた角で反射する鋭いプリズム状の折り目を持つなど、非常に複雑な形状になるのが一般的です。複数のライトパイプは、多くの場合、1枚のプラスチックから成形または機械加工されます。これにより、細長いライトパイプがすべて1つの剛性部品の一部となり、所定の位置にカチッとはめ込むことができるため、デバイスの組み立てが容易になります。
ライトパイプ式インジケーターは、従来の方法では照明対象箇所の真後ろにある小さなソケットに小型ランプを取り付ける必要があったため、電子機器の製造コストを削減できます。従来の方法では、設置や配線に多くの手作業が必要でした。ライトパイプを使用すれば、すべてのライトを1枚の平らな回路基板に実装できますが、照明は必要な場所に上向きに、つまり基板から離れた方向に照射できます。
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