Светотехническая Торговая Ассоциация :: Светотехнические издания в России

Светотехника завтра: что самое актуальное?

7 октября 2009

Светотехника завтра: что самое актуальное?

Резюме

Вопрос о том, что будет первостепенно важным в ближайшие годы для светотехники, мы рассмотрим с нескольких точек зрения: общественной, производственной и прикладной.

С общественной точки зрения становится более важным экологическая устойчивость и, в этом контексте, энергетически безопасные промышленный и прикладной дизайн будут играть важную роль. Необходимо уделить большое внимание безопасному для окружающей среды и практически безотходному проектированию освещения.[1]

Что касается светотехнических изделий, то необходимо отметить, что всё большее внимание в промышленности уделяется полупроводниковым источникам света. В то же время переход к полупроводниковым источникам света может быть несколько замедлен, поскольку только светодиодным источникам света присущ тот факт, что зачастую неправильные характеристики указываются производителем в спецификации, разочаровывая тем самым новых потребителей в их ожиданиях.

Кроме того, удовлетворительное решение проблемы слепящего света в области освещения светодиодами требует также новых подходов в проектировании оптики. Необходима совершенно иная система решений этой проблемы, так как существующие модели были разработаны опытным путем для области, принципиально отличающейся от освещения светодиодами. Строгие требования к индексу цветопередачи и цветовому восприятию должны быть стандартизированы для основного внутреннего освещения так же, как это было сделано в отношении ламп накаливания.

Одновременно с использованием интеллектуального динамичного освещения все более возрастает роль норм для защиты от невидимых биологических воздействий. Мы увидим широкое применение света в медицине для решения проблем, связанных с нарушением биологических ритмов. Постоянное дорожное освещение теряет свою значимость в связи с развитием систем освещения автомобилей. Вместо концепции дорожного освещения возможна реализация более объемной концепции. Принимая во внимание все эффекты сумеречного зрения, для наибольшей эффективности дорожного освещения необходим переход к теплому белому свету. Это также важно из-за уменьшения зрительного восприятия коротковолновой части видимого спектра у пожилых людей.

ВВЕДЕНИЕ

Мир вокруг нас не стоит на месте, меняется технологический потенциал человека и, вместе с ним, меняются основные направления развития науки и исследований в области светотехники. Мы обсудим аспекты светотехники, которые будут или возможно будут «на острие» в ближайшие годы. Кроме того мы остановимся на некоторых насущных на сей день вопросах, которые, возможно, утратят свою актуальность в ближайшем будущем из-за меняющихся обстоятельств. Настоящий обзор построен с трех позиций: общественной, производственной и прикладной. Предмет нашего исследования будет скорее проиллюстрирован, чем всесторонне рассмотрен.

ОБЩЕСТВО

Устойчивое развитие окружающей среды или экологическая устойчивость

В 1972 году Римский Клуб, маленькая международная группа профессионалов из области дипломатии, промышленности, академии и гражданского общества, представили свой доклад «Ограничения в росте». Этот доклад впервые показал неограниченный рост материальных затрат в мире ограниченных ресурсов. Понадобилось какое-то время, чтобы светотехнический рынок соответственно отреагировал, например, пересмотрел наши светотехнические нормы и развивал более эффективную энергосберегающую продукцию. Первая энергосберегающая, альтернативная лампе накаливания, компактная лампа дневного света, например, была представлена на рынок в 1980 году, т.е. 8 лет спустя после публикации римского доклада. Конечно, с того времени мы научились реагировать быстрее, особенно начиная с 90-х годов прошлого столетия, когда стали очевидны негативные последствия выделения СО₂ на климатические изменения. Сегодня устойчивое состояние экосистемы является ключевым словом для развития общества.

Энергия и срок службы

В профессиональной светотехнике устойчивое развитие окружающей среды связано с энергосбережением и сроком службы изделий. И в самом деле, мы увидели очень важные этапы развития в этом направлении в области газоразрядных ламп и совсем недавно в освещении светодиодами. Также проектирование систем освещения (ламп, светильников, опор и комплектующих) сегодня имеет тенденцию к энергосбережению и увеличению срока службы. Умные установки, которые оптимизируют сегодня использование освещения, в дальнейшем уменьшат потребление электроэнергии.

Безотходное проектирование или проектирование «от истока до истока»

В некоторых областях промышленности помимо энергосбережения и длительного срока службы, предприняты действия по утилизации отходов.

В данном случае последним достижением является проектирование «От истока к истоку», говоря иными словами, создание системы, которая не только эффективна, но и совершенно безотходна. Создатели этого термина Макдонуг и Браунгарт [1], говорят, что просто необходимо: «подмечать то, как мы делаем вещи». В светотехнической промышленности эта «актуально-общественная тема» до сих пор не развивалась. Переработка стекла, ртути и фосфора могут рассматриваться, как важный, но только первый шаг, особенно если мы примем во внимание все компоненты осветительной установки в целом.

ИЗДЕЛИЯ

Освещение светодиодами

После представления первой ламы накаливания в 1879 году, и последним существенным усовершенствованиум лампы в 1917 году (биспиральная лампа накаливания), понадобилось время до 1932 года, когда представили фундаментально новую технологию газоразрядной лампы (первый тип: натриевая лампа низкого давления). Гораздо больше времени было затрачено на разработку следующего принципиально нового источника света для профессионального и потребительского использования. Освещение светодиодами стало доступным на потребительском рынке только к концу века. Сегодня светодиоды по настоящему актуальны, но до сих пор находятся в стадии исследований, и в первую очередь, в части улучшения цветовых характеристик. Таким образом, на данной стадии исследований и разработок мы сталкиваемся с рядом проблем, которые должны преодолеть для того, чтобы не задерживать внедрение светодиодов (СД) в световые решения.

Корректные спецификации (характеристики)

При традиционном освещении значительное большинство поставщиков светотехнических изделий и осветительного проектирования представляют корректные данные касательно их изделий и проектов. Вызывает беспокойство то, что очень часто это не является стандартной процедурой в отношении приборов со светодиодами. Причина, вероятнее всего, кроется в том, что пока очень часто продукция и проектирование не отвечают запросам конечного потребителя. Такое поведение поставщиков приводит к тому, что новые потребители освещения светодиодами разочаровываются в своих ожиданиях, а это в свою очередь мешает быстрому и успешному представлению светодиодов хорошего качества в изделиях и установках, как на потребительском, так и на профессиональном рынке. В качестве примера, Голландский Метрологический Институт VSL в феврале 2009г. протестировал 5 различных брендов светодиодных ламп. Эквивалентный световой поток был заявлен соответствующим лампам накаливания мощностью 25 - 40 Вт, в то время, как реальные измеренные потоки оказались гораздо ниже, чем для ламп 15 Вт [2]. Также и в дизайнерских разработках, порой заявляется «эквивалентность», в то время, как реальный СД светильник «не эквивалентен» в пределах создаваемой освещенности, или её равномерности, или ограничению слепляющего действия.

Блёскость

Очень маленький размер отдельных светодиодов одна из их интереснейших особенностей. Она открывает совершенно новые возможности в создании пространственного распределения силы света, которые не достижимы для больших традиционных источников света. А это в свою очередь ведет к новому типу светового проектирования. Хорошим примером наружного освещения памятников и зданий является новая линейка светодиодов с параллельным пучком: новые возможности позиционирования с одновременным созданием не известных до сих пор драматических эффектов. Тем не менее, те же свойства малой светящей поверхности дает во многих других применениях риск возникновения блескости. Срочно необходимо инновационное оптическое проектирование (светильников). Необходимо понять, что оценка проектирования, также как и ограничение слепящего света очень затруднительна в большинстве, если уж не во всех сегодняшних системах оценок слепящего действия (дискомфорта), т.к. они не пригодны для светодиодных источников света.

При внутреннем освещении используется система UGR для определения блёскости. Эмпирические исследования в США и в Европе, где была создана система UGR, датированы 50-60гг. прошлого столетия (например Лукьеш, Хопкинсон, Гут, Солнер, Бодман, Фишер). Маленькие источники света и зеркальная оптика вряд ли принималась во внимание в те дни. Концепция TI (приращение пороговой разницы яркости), которую мы используем сегодня для ограничения слепящего света при освещении дорог, была разработана на основе исследований, проведенных в 30-х годах прошлого столетия (например: Холлэдый, Стайлс). Концепция была усовершенствована в 60-х и в начале 70-х годов, основываясь на оценке установок с использованием люминесцентных ламп низкого давления и овальных ртутных ламп высокого давления (например: де Боер, Шрёдер, Адриан, Фишер, Сёренсен). Было уже замечено, что при использовании люминесцентных ламп высокого давления, система TI приводит к неожиданным результатам, поскольку затрагивает реальное восприятие блёскости.

В конце концов, наружное спортивное освещение также имеет свою систему определения слепящего действия: GR систему. В ее основе лежат оценочные испытания, проведенные в 80-х годах, на тренировочных площадках и стадионах с высоко мощными

металлогалогенными лампами (Ван Боммель, Текеленбург).

В традиционном освещении все эти отдельные три системы в среднем работают хорошо. Учитывая специфические особенности светодиодов, необходимо в кратчайшие сроки, чтобы все три модели определения слепящего действия были оценены в части их применимости к установкам, использующим светодиодные световые приборы. Есть вероятность того, что нужно попробовать создать общую систему оценки слепящего действия для всех прикладных задач. Возможно новые знания о реакции лицевых мышц в ответ на слепящее действие могут играть свою роль в развитии такой системы. Окулярный стрессовый монитор, который производит электромиограммы (электрическая активность лицевых мышц), уже разработан для изучения дискомфортной блёскости [3].

Белый свет и качество его цвета

Светодиоды могут эффективно воспроизводить все цвета спектра без использования фильтров. Однако при использовании светодиодов во многих случаях внутреннего освещения необходимо получение белого света надлежащего качества. Для этого в производстве используется процедура сортировки: проверяются все белые светодиоды, и экземпляры со схожим оттенком белого света отбираются в бины. Естественно, целью должно быть сокращение необходимости в бинах с максимальной целью отказа от сортировки вообще. Превращение порошкового фосфора в твердотельный керамик – один из способов снижения необходимости в процессе сортировки.

Поскольку с этим связано качество белого света, для общего внутреннего освещения нам не следует допускать светодиоды с более низкой цветопередачей, чем у стандартных компактных флуоресцентных ламп (КФЛ), используемых сегодня (Ra>80). Вполне возможно, до тех пор, пока отсутствует стандарт для светодиодных светильников, следует стандартизировать цветопередачу на ином уровне, нежели чем в стандартах для КФЛ. Использование стандартов для КФЛ иногда приводит к жалобам на цветопередачу даже в домашней обстановке. Конечно, это будет означать меньшую эффективность, но это может дать светодиодам потенциал развития до более высокой эффективности и в долгосрочной перспективе не будет серьезной проблемой.

Для широкого применения светодиодов в домашнем освещении также важно, чтобы цветовое восприятие было как можно ближе к эффекту от ламп накаливания. Кроме того, сегодня мы столкнулись с тем, что светодиоды с высокой цветовой температурой («белый свет с насыщенным синим») могут производиться более эффективно, чем с низкой цветовой температурой. Однако нам следует придерживаться последнего требования.

Со времени открытия в 2002 году третьего фоточувствительного элемента в сетчатке нашего глаза мы понимаем незрительные биологические эффекты освещения относительно верно. Мы знаем, что высокая цветовая температура света утром и низкая цветовая температура вечером перед сном являются эффективными для сохранения правильного ритма наших биологических часов. В связи с этим, интерес может представлять разработка специальных светодиодных ламп для домашнего освещения, которые бы автоматически подстраивали свою цветовую температуру под эти ритмы.

Освещение светодиодами: что дальше?

Мы можем задать себе вопрос: возможен ли новый метод создания искусственного света, в корне отличающийся от накаливания проволоки, электрического разряда между электродами и использования полупроводниковых источников света? Возможно, мы научимся захватывать естественный дневной свет и аккумулировать его до того момента, когда он понадобится нам в качестве «искусственного света». То есть - «положить свет в ящик и достать, когда он нам нужен» [4]. Нанотехнологические исследования в физике твердого тела, прогнозируют, что свет действительно может быть аккумулирован [5].

ПРИКЛАДНАЯ СВЕТОТЕХНИКА

Невизуальные биологические эффекты

Естественные суточные эффекты

Всего лишь десять лет профессиональное светотехническое сообщество основательно вовлечено в изучение невидимых биологических воздействий света. В 2002 году был обнаружен третий тип светочувствительного элемента глаза. Было установлено, что он связан с биологическими часами нашего мозга, которые, в свою очередь, связаны с пинеальной железой, которая отвечает за выработку части наших гормонов. Некоторые из этих гормонов дают энергию (кортизол, поставляющий глюкозу), а другие отвечают за сон (мелатонин). На сей день мы знаем, почему суточный ритм естественного света днем и естественной темноты ночью отчасти определяет нашу энергичность в течение дня и хороший сон в течение ночи.

В случае если дневного света недостаточно, искусственный свет должен исполнять его функцию. Максимальная чувствительность нового типа элемента получается при коротковолновом излучении. Следовательно, искусственный свет может использоваться эффективно как холодный белый утром и днем и теплый белый вечером. На основани этого установки интеллектуального динамического освещения используются в офисном и промышленном освещении в широком многообразии вариантов. Международные директивы, однако, по-прежнему неполноценны. С выходом светодиодных ламп на пользовательский рынок, система автоматической цветовой адаптации может быть разработана для тех, кто не в состоянии выйти на улицу и получить свою «порцию» дневного света. Итак, интеллектуальное динамическое освещение будет «горячей темой» как для профессионалов, так и для обычных пользователей.

Лечение светом

Знание о невидимых воздействиях света, помимо прочего, дало нам возможность использовать освещение в световой терапии для устранения проблем, связанных с нарушением биологических ритмов. Эти нарушения случаются из-за определенных заболеваний или как следствие нашего образа жизни. Показательным примером для первой категории причин является сезонное аффективное расстройство (депрессия), а для второй категории - нарушение суточного ритма из-за дальнего перелета или сменной работы. Иные возможности применения лечения светом изучены, результаты их соответствующим образом зафиксированы. Гораздо больше ожиданий связано с применением света, как альтернативы внутренним лекарствам. В общей сложности на сегодняшний день нам известно об использовании световой терапии в лечении следующих заболеваний: сезонные аффективные расстройства, депрессии в гериатрии, различные нарушения сна, в том числе и нарушение ритма у больных с синдромом дефицита внимания и гиперактивности, болезнью Альцгеймера, и истощением. В связи с нашим образом жизни во главе списка стоят нарушения ритмов из-за дальних перелетов, сменной работы и так называемых «часов-пик».

Неврологические аспекты и дорожное освещение

Неврологическое воздействие дорожного освещения также начинает обращать на себя внимание. В полевых испытаниях была измерена электроэнцефалограмма (ЭЭГ) проходящих испытание водителей в течение поездки по длинному участку дороги. Целью данного исследования было определение, может ли дорожное освещение снизить эффект сонливости водителей в ночное время. Если это возможно, возникает следующий вопрос: какое дорожное покрытие способно максимизировать это свойство освещения? В качестве иллюстрации важности этого вида исследований можно привести тест, где ЭЭГ водителей была анализирована в течение ночной поездки по трассе длинной в 415 км без постоянного дорожного освещения, который обнаружил, что общая продолжительность этих микро-отрезков дремоты составляет более, чем 6 минут [6]. В данном случае мы имеем абсолютно новый подход к определению необходимого качества дорожного освещения, целиком не зависящий от доводов обыкновенного зрительного воздействия и зрительного комфорта.

Дорожное освещение

Видимость

В ранние годы прошлого столетия, Вальдрам охарактеризовал основные видимые маленькие объекты, как «принцип силуэта»: большинство объектов на дороге, с дорожным освещением видны, как темные силуэты на ярком фоне освещения поверхности дороги. Это, в свою очередь, было ключом к развитию концепции освещения дорог, которая используется до сих пор. Но очень скоро стало понятно, что объединенный эффект дорожного и автомобильного освещения является отрицательной комбинацией, потому что вертикальный компонент машинных фар уменьшает эффект силуэта. Однако, для ограничения яркого света от приближающихся машин, автомобильные фары не должны достигать освещения далеко впереди себя, и таким образом, это негативное «сочетание эффектов» было ограничено и может быть исключено. С введением Современных Систем Фронтального освещения (AFS) это было изменено. Умные, автоматические автомобильные системы освещения имеют специфическую городскую, магистральную и «кривую» направленность лучей, которые достигают максимально дальнего освещения и даже освещения «за углом». Они повышают видимость объектов на такое расстояние, что часто удовлетворительная видимость может гарантироваться только одной этой самой передовой системой автомобильного освещения. Также были представлены инфракрасные системы ночного видения, которые показывают записанное изображение с помощью невидимых инфракрасных излучателей на приборной панели. В дальнейшем будет повышаться роль собственной системы освещения автомобиля в решении задачи обеспечения видимости на дороге. Ясно, что постоянное дорожное освещение, связанное с видимостью объектов на дороге больше не так «актуально». Роль постоянного дорожного освещения переместилась в направлении, обеспечивающем дорожное управление, движение автомобильного потока, возможное сокращение микро датчиков активности, и что очень важно сегодня, обеспечение собственной безопасности. Поэтому мы должны спросить себя, насколько понятие яркости все еще превалирующее понятие в дорожном освещении? Возможно, трехмерная концепция наиболее пригодна для моделей оценок дорог.

Дорожное освещение и сумеречное зрение.

Уже некоторое время ведутся горячие дебаты по поводу определенного спектра лампы, имеющего преимущества для видимости при низком уровне освещения. Термин “Сумеречное зрение” является ключевым в данном обсуждении. Сегодня это особенно важно, потому что со светодиодами все виды светлых оттенков цвета и всех отчасти различных оттенков белого света могут быть получены. Возможно в этом году, МКО представит важную исчерпывающую Публикацию, акцентирующую внимание на автономных аспектах сумеречного зрения. Помимо того, что это поможет направить обсуждение в правильное русло, это также может означать, что предмет уже не останется больше таким «горячим» для обсуждения.

Полная картина определяется по следующим темам:

• Основное зрение, где фотопическая фотометрия является определяющей.

• Автономное зрение (периферийное), где мезопическая фотометрия является определяющей.

В мезопической фотометрии требуется определение фактического положения адаптации. Эффекты источников яркого света от постоянного дорожного освещения, приближающиеся автомобили, окна и отраженный яркий свет должны приниматься во внимание вместе с освещением дорожной поверхности.

• Цветовое распознавание при идентификации лиц (важно для безопасности).

• Потеря коротковолнового диапазона зрения (синяя и зеленая полоса спектра) у пожилых людей.

Эти основные принципы описаны более подробно в недавней публикации автора этого доклада [7]. С сегодняшними знаниями выводы ясно указывают в направлении тепло-белого освещения, являющегося самым эффективным. Решающие факторы - вклад цветового узнавания и короткой потери восприятия коротковолнового излучения у пожилых людей.

Учитывая увеличение активности пожилых людей в разных областях жизни, мы должны принять во внимание их нужды более серьезно во всех областях освещения, и это другая "актуальная" тема.

[1] McDonough, W; Braungart, M.; “Cradle to cradle”, North Point

press (2002).

[2] Koek, W.; “LED’s be honest; the path to market acceptance”,

Green lighting event, Frankfurt (2009).

[3] Murray, I.J.; Plainis, S.; Carden, D.; “The ocular stress monitor: a

new device for measuring discomfort glare”, Lighting Res. Technol.

34,3 pp. 231–242 (2002).

[4] Knoop, M,; “Light out of the box”, International Lighting

Review, Yearbook (2007).

[5] Flück, E.; Hammer, M.; Vos, W.L.; Hulst van, N.F.; Kuipers, L.;

“Near-field probing of photonic crystals”. Photonics and

Nanostructures - Fundamentals and Applications, 2 (2). pp. 127-135.

(2004).

[6] Mollard, R.; “Hypovigilance and micro-sleep while driving a

stretch of motorway”, Road Lighting Symposium, Brussels (2003).

[7] van Bommel, W.J.M.; “The spectrum of light sources and low

lighting levels: the basics”, The Lighting Journal (ILE), October

(2009).

Оригинальная версия статьи на сайте В. ван Боммеля - www.woutvanbommel.eu

[1] Безотходное проектирование систем освещения, как экологически чистое «от истока до истока» (Cradle to cradle)