A15 Исследование фотометрических характеристик светильников с белыми и цветными светодиодами с регулируемыми параметрами

Гвоздев С.М., Карабин А.Б., ООО ВНИСИ им. С.И.Вавилова, г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

В настоящее время все большее применение в светотехнической и оптической промышленности находят осветительные приборы на основе светодиодов. Твердотельные источники имеют высокий срок службы и малое энергопотребление. Важными эксплуатационными характеристиками светодиодных светильников являются параметры  регулирования их яркости и цветности. Управление светоцветовой средой по заданным алгоритмам может задавать циркадный суточный ритм или биоритм человека, определять индивидуальные психофизиологические особенности. Распределения яркости и цветности может менять психофизиологическое состояние человека,  и создавать новые возможности «умного» и комфортного освещения с использованием оздоровительного эффекта.

Исследованию влияния светоцветового пространства на психофизиологические факторы посвящено множество работ [1, 4-10]. Зрительная система получает информацию об освещенном пространстве исходя из распределения яркости и цветности в поле зрения. Фильтрация этой информации определяется структурой рецептивных полей, которые характеризуются той или иной спектральной чувствительностью. Поэтому объединение пространственно-частотной контрастной чувствительности с цветоразличительной способностью органа зрения может дать единый количественный критерий изменения чувствительности зрения человека и определить психофизиологическое состояние человека. Следует указать, что оценка  изменений цветовой контрастной чувствительности определяет достаточно точный количественный критерий определения психофизиологического состояния человека.

Известно, что экстремальные условия, усталость, болезнь и т.п. приводят к сокращению объема получаемой информации, так как снижается контрастная чувствительность в широкой области пространственных частот, что определяет потерю визуальной информации [2, 3]. Это хорошо видно на примере экспериментальных исследований в условиях гипербарии, где зависимости изменения контрастной чувствительности, определяемой пространственно-частотной характеристикой органа зрения  (ПЧХ ОЗ), указывают на количественную зависимость в экстремальных условиях [3].  При ухудшении внешних факторов ПЧХ ОЗ сужается и пропускает меньшее количество информации, оставляя только информацию для ориентации человека в пространстве (низкие пространственные частоты). Иллюстрацией применения метода контроля на основе ПЧХ в медицине и действия фильтра пространственных частот при заболевании человека  может служить серия автопортретов, созданных немецким живописцем А. Редершейдтом после кровоизлияния в теменную долю правого полушария мозга. Со временем пространственно-частотный фильтр восстанавливался, и после 9 месяцев произошло частичное восстановление зрения, художник видел себя практически так же, как до инсульта, о чем и свидетельствуют его работы [2].

По результатам экспериментальных исследований ПЧХ ОЗ в работе [6] были определены зоны  изменения зависимостей контрастной чувствительности при дневном и сумеречном зрении в широком диапазоне пространственных частот, а также области комфортного восприятия зрительной информации (рис.1). Эти характеристики дали количественную основу для расчета изменений восприятия зрительной информации в условиях монокулярного ахроматического зрения.

 
Рисунок 1. ПЧХ ОЗ при дневном и сумеречном зрении для яркостей адаптации:
1- яркость 30 кд/м2, 2 - 3 кд/м2, 3 - 0,30 кд/м2, 4 - 0,030 кд/м2

Для разработки «интеллектуального» освещения на основе светодиодов было проведено исследование электрических, фотометрических, колориметрических и спектральных характеристик светодиодных линеек с диодами белого цвета (разных цветовых температур: 3500 К  и 7000 К), а также светодиодных RGB-модулей с возможностью регулировки яркости и цветности. Определяющим параметром для создания подобной системы было психофизиологическое состояние человека.

На основе экспериментальных данных была создана система светильников с регулируемыми параметрами. На основе светодиодов белого излучения с изменяемой цветовой температурой для увеличения предела регулирования и RGB-светодиодов, предназначенных  для систем освещения с программным управлением и подстройкой яркости и цветности под индивидуальные психофизиологические характеристики операторов.

 Установка, показанная на рис. 2, состоит из светильника (1),  блока управления и питания светильника (2), DMX-контроллера (3) для управления светильником с удаленного пульта и ноутбука со специальным программным обеспечением (4 на рис. 2).


Рисунок 2.  Схема настольной осветительной установки на базе RGB-светодиодов

В светильнике с регулируемой цветовой температурой использовались белые светодиоды холодной и теплой цветности. Изменяя соотношение яркости «теплых» и «холодных» светодиодов светильника в зависимости от своего психофизиологического состояния, оператор может подобрать наиболее комфортную в данный момент для него цветность излучения. Группы светодиодов соединены таким образом, что при увеличении яркости одной группы («теплой»/«холодной»), яркость другой («холодной»/«теплой») понижается. При этом цветовая температура светильника изменяется, а освещенность и яркость рабочего места остается практически постоянной.

Светильник на базе RGB-светодиодов, из соображений удобства использования, был выполнен в виде настольной лампы на подпружиненном штативе. Плафон выполнен из металла для лучшего теплоотвода, что необходимо ввиду использования мощных светодиодных излучателей. Внутри плафона размещена плата со светодиодами, закрепленными на массивном основании, играющим роль радиатора (теплоотвода). Так как данный светильник предполагается использовать в качестве настольного, что означает небольшое расстояние (не больше метра) между плоскостью свечения и освещаемой поверхностью, необходимо использовать диффузный рассеиватель излучения. На светодиодном модуле находятся светодиодные лампы трех цветов, поэтому стоит задача смешивания их излучения. С этой задачей прекрасно справляется молочное стекло. Очень важно, чтобы молочное стекло было неселективным для наилучшей цветопередачи и управления цветом.

Исследования показали, что на линейном участке вольтамперной характеристики одного типа светодиода можно добиться порядка 200 градаций яркости, что дает широкие возможности в регулировании яркости белых светодиодных линеек, а также позволяет получать порядка 8 млн. различных цветов в RGB-светильнике. Причем, область получаемых цветов для RGB-светильника перекрывает более 70 % локуса цветов по диаграмме цветности XYZ МКО 1931 (рис. 3). Целесообразно использование в RGB-светильнике белых светодиодов, что  увеличивает световой поток и позволяет в более широких пределах регулировать яркость и цветность.  Светильник с белыми светодиодами позволяет регулировать цветовую температуру в диапазоне от 3500 до 7000 К с градацией 100 К.


Рисунок 3. Диапазон изменения цветности излучения RGB-светильника.
1- при добавлении теплых светодиодов; 2- при добавлении холодных светодиодов.

Несомненным плюсом всех разработанных светильников является косинусный тип светораспределения,  что позволяет добиться высокой степени равномерности распределения освещенности. Поток от одного светильника с цветными светодиодами может достигать порядка 200 лм, а от светильников с белыми светодиодами порядка 600 лм при потребляемой мощности 15 Вт.

Для создания регулируемого светильника на основе RGB-светодиодов, учитывающего психофизиологическое состояние оператора, использована цветовая ПЧХ, которая была выбрана в качестве объективного параметра, позволяющего определять наиболее комфортное в данный момент для человека освещение. Управление RGB-светильниками осуществляется с помощью компьютерной программы с обеспечением учета индивидуальных параметров оператора.

Программа работает по следующей методике. Предварительно проводится градуировка RGB-светильника, в результате которой получают зависимости яркости или потока излучения от подаваемых на драйвер питания светодиодов управляющего напряжения, определяемого в относительных делениях на компьютере в диапазоне от 0 до 255 делений  для каждого типа светодиодов.

При включении светильника в начале рабочего дня оператор проходит компьютерное тестирование для определения его текущих психофизиологических параметров, где определяется величина контрастной чувствительности органа зрения при наблюдении тестового изображения. После каждого тестирования, кроме первого, определяется изменение величины контрастной чувствительности для каждого цвета, по сравнению с данными предыдущего тестирования. Для этого на мониторе оператору предъявляется  последовательно три одноцветных тестовых объекта (красный, синий, зеленый) в виде вертикальных полос с синусоидальным распределением яркости на равноярком фоне [8], с помощью которых методом порогов определяется величина контрастной чувствительности. Яркость фона для трех объектов поддерживается одинаковой и соответствует условиям дневного зрения человека - не ниже 10 кд/м2.

Тестирование проводится при включенном  RGB-светильнике, цветность излучения которого должна быть установлена в соответствии с цветностью тестового изображения. Далее автоматически определяется значение изменения яркости по градировочным зависимостям и производится изменение тока, подаваемого на светодиоды. Таким образом, определяется значение изменения яркости каждого типа светодиодов, необходимая для уменьшения величины изменения контрастной чувствительности. При регулировании  яркости отдельных типов светодиодов результирующая яркость светильника остается неизменной.

При первом для данного оператора включении RGB-светильника автоматически выставляется белое излучение (в колориметрической системе RGB). Предварительно осуществляется градуировка RGB-светильника и монитора компьютера, на котором проводится тестирование,  для определения зависимости яркости и координат цветности монитора и светильника от задаваемых программно по яркости и цветности.

Предварительное исследование показало, что использование психологического теста на основе пространственно-частотной цветовой контрастной чувствительности, позволяет согласовать индивидуальные параметры состояния человека с программами управления и задавать параметры яркости и цветности на регулируемом светильнике.

Установка была смонтирована на стенде ИМБП АН РФ для проведения экспериментальных исследований [11].

Литература

  1. Фиш И., Свет и здоровье. М.: ВИГМА. 2001. 40 с.
  2. Ренчлер И., Херцбергер Б., Эпстайн Д., Красота и мозг. Биологические аспекты эстетики. М.: Мир. 1995. 335 с.
  3. Гвоздев С.М., Романов С.С., Исследование пороговых характеристик органа зрения при повышенном давлении. Светотехника. 1986. № 6. С. 17-18.
  4. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. М.: Мир. 1990. 240с.
  5. Брейнард Г.К., Гликман Г.Л., Биологическое влияние света на здоровье и поведение человека. Светотехника. 2004. № 7. С. 4-8.
  6. Гвоздев С.М. Визуальное  восприятие  информации  и  методика   восстановления   зрения  детей школьного возраста. Планета детства. №1. 2000. С. 42-44.
  7. Логвиненко А.Д. Чувственные основы восприятия пространства. М, МГУ, 1985г., 224 с.
  8. Кларк Н.Г. Свет и здоровье. Светотехника. 1999. № 5. С. 37-38.
  9. Шамшинова, Белозеров, Шапиро, Новый метод исследования контрастной чувствительности в клинике глазных болезней. Вестник офтальмологии 1997 №1 с 22-25
  10. Гвоздев С.М., Садовникова Н.Д., Расчет пороговых характеристик восприятия при визуализации цветных изображений наблюдаемых объектов. Труды 1Х международной НТК «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ. 2007. С. 264-267.
  11. Гвоздев С.М., Богатова Р.И. и др. «Изучение пороговой контрастной чувствительности органа зрения и психофизиологических функций на основе цветовой пространственно-частотной характеристики». Материалы международной конференции «Системы жизнеобеспечения как средство освоения человеком дальнего космоса», М. 2008 стр.16. 

Тематика: , ,

Комментариев: 3


» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 12:06:28 }

Цитата: “Несомненным плюсом всех разработанных светильников является косинусный тип светораспределения, что позволяет добиться высокой степени равномерности распределения освещенности”. Вопрос: Почему в качестве образца КСС, создающего равномерное поверхностное распределение освещенности, упомянута косинусная кривая?

» Малис Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 02:06:37 }

Хотелось бы узнать, каким прибором проводились исследования колориметрических характеристик источника? Психологические и физиологические тесты несомненно хороши, но как это стыкуется с общепринятыми законодательными актами об единстве измерений.
Если опереатор при таком освещение будет выполнять работу с цветом, не скажется ли это на результат?

» Николаев Сергей (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 10:06:19 }

Цитата:”Определяющим параметром для создания подобной системы было психофизиологическое состояние человека.”
Все больше появляется в мире разработок на основе светодиодов. Радует, что во главу ставиться человек, но мы живем в мире вещей. Хотелось бы коснуться такой области воздействия света на предметы, в результате чего со временем происходит выцветание материи (в частности, у экспонатов музеев). Ведь даже видимая часть излучения солнечного света наносит примерно четверть от общего ущерба. При своем творение художник интуитивно выбирал тона, чтобы замысленное хорошо выглядело при обычном освещение. В связи с этим, видится интересным использование данной разработки при консервации.

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
28 queries. 0.109 seconds.