Магистерская диссертация



страница1/4
Дата01.05.2016
Размер2.3 Mb.
ТипПрограмма
  1   2   3   4

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕСИТЕТ

«МЭИ»
УДК: Факультет ИРЭ (ЭТФ)

Кафедра Светотехники

Направление Электроника и

наноэлектроника
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

Программа Теоретическая и прикладная светотехника



Тема: Исследование параметров и характеристик белых светоизлучающих диодов и осветительных приборов на их основе в системах динамичного освещения

Время выполнения работы с 1.09.2012 г. по 05.06.2014г.

Студент ЭР-04-08 Делян Р. А.

Группа подпись фамилия, и., о.

Научный


руководитель доцент Елисеев Н. П.

должность звание подпись фамилия, и., о.,

Рецензент ст. инженер Круглова Т. С.



должность звание подпись фамилия, и., о.,
Магистерская диссертация допущена к защите
Зав. Кафедрой к.т.н. Боос Г. В.

должность звание подпись фамилия, и., о.

Дата___________________


Москва " "__________"2014г.

Исследование параметров и характеристик белых светоизлучающих диодов и осветительных приборов на их основе в системах динамичного освещения

Делян Р. А. стр. 103, рис. 76, табл. 13, прил. 1.
Аннотация

Рассмотрено влияние света на биоритмы человека. Изучены механизмы влияния на биоритмы человека и процесс выработки мелатонина под действием света.

Рассмотрен ассортимент современных цветных светодиодов. Изучены методы моделирования спектров белых четерехкристальных светодиодов. Изучены новые методы оценки цветопередачи. Разработана компьютерная программа в среде MATLAB для моделирования спектров белых светодиодов и расчёта их цветовых и фотобиологических характеристик.

С помощью программы проведён анализ факторов, имеющих влияние на цветовые характеристики излучения белого светодиода.

Получены результаты, позволившие сформулировать требования к белым светодиодам, выполнение которых даст возможность применять их в осветительных установках с высокими требованиями к качеству освещения и в светодинамической среде.

The summary

The influence of light on human biorhythms. The mechanisms of influence on human biorhythms and the process of production of melatonin by light.

Considered range of modern colored LEDs. Studied methods of modeling spectra multichip white LEDs. Study new methods for assessing color. A computer program in MATLAB to simulate the spectra of white LEDs and calculating their color and photobiological characteristics.

With the help of the program analyzes the factors that have an impact on the color characteristics of a white LED light.

The results obtained enabled us to formulate requirements for white LEDs, the implementation of which will provide an opportunity to apply them in lighting systems with high demands on quality lighting and dynamic lighting environment.Введение

По сообщению Всемирной организации здравоохранения, здоровье – это не только отсутствие болезней и недомоганий, но и состояние полного благополучия: физического, психического и социального [34].

Психические нагрузки, утомление и стрессы, нарушения циркадных ритмов, изменения гормонального баланса, депрессии, вызванные несоответствием световой среды и общего дизайна помещений, создают угрозу здоровью.

Качественная оценка освещения производится, как правило, после оценки количественных критериев. Физиологические компоненты зрения учитываются, но не полностью отражают сложные процессы зрительного восприятия. Знание этих процессов необходимо для получения объективных критериев - оценки качества освещения помещений с точки зрения выполнения различных требований (в плане эксплуатации, трудовой деятельности, зрительных задач) [34].

В начале 2000-х годов обнаружен неизвестный ранее тип глазных рецепторов (ipRGC), не участвующих в зрительном процессе, но синхронизирующих функционирование организма с состоянием световой среды.

Основа успешного проектирования освещения — требования к количеству света, его спектру, распределению, времени и продолжительности воздействия с целью обеспечить максимальную пользу для человека. Новые технологии и новые источники света должны учитывать новые стандарты и правила освещения.

В связи появлением на рынке нового типа источника – СД, появилась возможность создания энергоэффективного, безопасного для окружающей среды, компактного источника света с длительным сроком службы. Быстрый темп увеличения световой отдачи и усовершенствование методики отбора (биннирования) цветных СИД позволяют говорить о блестящей перспективе создания источника белого света на основе цветных кристаллов, более эффективного и удовлетворяющего необходимым качественным и количественным показателям для многочисленных осветительных установок [19].

Также СИД позволяют создать спектр любой Тцв, на основе принципа цветосмешения (RGB), что дает возможность реализовывать динамичное управления спектром (цветом) излучения, с новыми возможностями влияния на биологические процессы в организме человека [38].

Полупроводниковые ИС - принципиально новые по своей природе ИС в светотехнике. Многие их особенности в этом качестве до сих пор не изучены. Поэтому представляется актуальным исследование цветовых и фотобиологических характеристик таких ИС и формулировка требований к ним, выполнение которых позволит применять СД в динамичном освещении.


НАЦИАОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»
Факультет ИРЭ (ЭТФ) Кафедра Светотехники

Направление Электроника и наноэлектроника



Задание на магистерскую

ДИССЕРТАЦИЮ
по программе подготовки магистров Теоретическая и прикладная светотехника

210100

Тема: Исследование параметров и характеристик белых светоизлучающих диодов и осветительных приборов на их основе в системах динамичного освещения

Время выполнения работы с 1.09.2012 г. по 05.06.2014 г.

Студент Делян Р. А. ЭР-04-08



фамилия, и., о. группа подпись
Научный руководитель доцент, Елисеев Н. П.

должность, звание, фамилия, и., о., подпись

Консультант _



должность, звание, фамилия, и., о.
Зав. кафедрой к.т.н , Боос Г. В.

звание, фамилия, и., о., подпись, дата, № приказа утверждения задания

Место выполнения научной работы НИУ «МЭИ» (ТУ) кафедра «Светотехника»



Москва ‘’ ‘’ 2014г.





    1. Обоснование выбора темы диссертационной работы

В начале 2000-х годов обнаружен ранее неизвестный тип глазных рецепторов, не участвующих в зрительном процессе, но синхронизирующих функционирование организма с состоянием световой среды. Высокая энергоэффективность светоизлучающих диодов и их уникальная возможность создания источников света с любой цветовой температурой позволяет говорить о использовании этих источников излучения в осветительных установках со светодинамической средой. Поэтому представляется актуальным исследование цветовых и фотобиологических характеристик таких ИС и формулировка требований к ним, выполнение которых позволит применять СД в динамичном освещении.
Научный руководитель Елисеев Н. П. Дата

Студент Делян Р. А. Дата

2. Консультации по разделу

Подпись консультанта Дата

3. Консультации по разделу

Подпись консультанта Дата

4. Пояснительная записка


№ п/п

Содержание разделов

Срок выполнения

Трудоёмкость

I

Теоретическая часть
Изучение влияния светодиодного освещения на психофизическое состояние человека
Изучение методов моделирования спектров цветных и белых СД.
Изучение методов расчёта цветовых характеристик белых СД.

01.09 – 1.12


1.12 – 15.12

15.12 – 1.01



10%

15%

5%



II

Разработка в среде MATLAB программы для моделирования характеристик белых СД


Моделирование и расчёт цветовых характеристик белых СД



    1. – 15.04

15.04– 1.05





30%

15%



III


Оформление диссертации





1.05 – 15.05



15%


5. Рекомендуемая литература



1. В.В. Мешков, А.Б. Матвеев «Основы светотехники», часть 2,

Энергоатомиздат, 1989 г.

2. А. Берг, П. Дин «Светодиоды», изд. «Мир», 1979 г.

3. Ф. Е. Шуберт « Светодиоды» / пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. –

2-е изд.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496с.- ISBN 978-5-9221-0851-5.

4. Д. Х. Хьюбел «Глаз, мозг, зрение», издательство «Мир», 1990 г.









  1. Краткие сведения о студенте:

Домашний адрес г. Балашиха, ул. Леоновское шоссе, д.9

Телефон служебный 8-925-707-84-26 домашний

ПРИМЕЧАНИЕ: Задание брошюруется вместе с диссертацией и с отзывами руководителя и рецензентов.

Содержание.

Введение....................................................................................................3

1. Литературный обзор.............................................................................11

1.1. Строение и функции органа зрения..............................................11

1.2. Световые ритмы и биоритмы........................................................19

1.3. Влияние света на здоровье человека................................................21

1.4. Влияние света на самочувствие........................................................26

1.5. Опасность синего света.....................................................................29

1.6. История создания светодиодов........................................................31

1.7. Принцип работы и устройство СД..............................................35

1.8. Способы создания белых светодиодов.......................................38

1.9. Характеристики СД......................................................................40

2. Расчётная и аналитическая часть........................................................45

2.1. Методы оценки цветопередачи СД.............................................45

2.1.1. Метод оценки цветовой передачи CRI.....................................46

2.1.2. Метод оценки цветовой передачи CQS................................48

2.2. Функция оносительной спетральной циркадной эффективности.49

2.3. Программа......................................................................................51

2.3.1. Моделирование спектров цветных СД.................................53

2.3.2. Определение спектра белого четырёхкристального СД с заданной цветностью......................................................................................54

2.3.3. Расчёт световой отдачи белого СД.......................................55

2.3.4. Расчет биологической эффективности излучения ...............55

2.3.5. Расчёт цветопередачи белого ИС методом CRI...................56

2.3.6. Расчёт цветопередачи белого ИС методом CQS.....................59

2.3.7. Расчет влияния возраста человека на восприятие им излучения белого СД.....................................................................................61

3. Результаты расчётов...........................................................................62

3.1. Влияние способа аппроксимации спектра цветных СД на характеристики белого СД.............................................................................63

3.2. Влияние тока через СД на его характеристики..........................72

3.3 Влияние температуры на внешней поверхности СД на его характеристики...............................................................................................81

3.4. Влияние цветовой температуры на световую отдачу белого СД..90

3.5. Влияние возраста человека на восприятие им излучения белого СД....................................................................................................................91

4. Выводы............................................................................................97

5. Приложение .....................................................................................102



Список сокращений.

СД – светодиод (-ный)

МКО - Международная комиссия по освещению

КПД - коэффициент полезного действия

ИС - источник света

ОС – оптическая система

ОУ – осветительная установка

ЛЛ – люминесцентные лампы

НЛВД – натриевая лампа высокого давления

МГЛ – металлогалогенная лампа

ДРЛ – дуговая ртутная люминесцентная

Ra – общий индекс цветопередачи

Ri – частный индекс цветопередачи

Qa- индекс шкалы цветности

λp – длина волны, соответствующая спектральному максимуму излучения

Δλ0.5 – ширина спектра излучения на уровне 0.5 от спектрального максимума излучения

Тцв – цветовая температура

ЧТ – чёрное тело




1. Литературный обзор

1.1 Строение и функции органа зрения

Орган зрения – важнейший из органов чувств. Он обеспечивает человеку до 90% информации и теснейшим образом связан с мозгом. Светочувствительная оболочка органа зрения развивается из мозговой ткани [1].

Орган зрения, представляющий собой периферическую часть зрительного анализатора, состоит из глазного яблока (глаза) и вспомогательных органов глаза, которые расположены в глазнице.

Рис. 1. Схема строения глазного яблока: 1  –  фиброзная оболочка (склера),

2  –  собственно сосудистая оболочка,

3  –  сетчатка, 4  –  радужка, 5  –  зрачок, 6  –  роговица, 7  –  хрусталик,

8  –  передняя камера глазного яблока,

9  –  задняя камера глазного яблока,

10  –  ресничный поясок,

11 –  ресничное тело,

12  –  стекловидное тело,

13 – пятно (желтое), 14 – диск зрительного нерва, 15 – зрительный нерв. Сплошная линия  –  наружная ось глаза, пунктирная – зрительная ось глаза
Глазное яблоко имеет шаровидную форму. Оно состоит из трех оболочек и ядра (рис. 1). Наружная оболочка – фиброзная, средняя –сосудистая, внутренняя – светочувствительная, сетчатая (сетчатка). Ядро глазного яблока включает хрусталик, стекловидное тело и жидкую среду – водянистую влагу.

Зрительная часть сетчатки имеет сложное строение. Она состоит из двух листков: внутреннего – светочувствительного и наружного – пигментного. Клетки пигментного слоя участвуют в поглощении света, попадающего в глаз и прошедшего через светочувствительный листок сетчатки. Внутренний листок сетчатки состоит из нервных клеток, расположенных в три слоя: наружный, прилежащий к пигментному слою, – фоторецепторный, средний – ассоциативный, внутренний – ганглиозный.

Фоторецепторный слой сетчатки состоит из нейросенсорных палочковидных и колбочковидных клеток, наружные сегменты которых (дендриты) имеют форму палочек или колбочек. Дископодобные структуры палочковидных и колбочковидных нейроцитов (палочек и колбочек) содержат молекулы фотопигментов: в палочках – чувствительные к свету (черно-белому), в колбочках – чувствительные к красному, зеленому и синему свету.

В палочках сетчатки человека содержится пигмент родопсин, или зрительный пурпур. В колбочках найден пигмент йодопсин, который включает в себя пигменты хлоролаб и эритролаб; первый из них поглощает лучи, соответствующие зеленой, а второй - красной части спектра. На сегодняшний день пигмент, который чувствителен к синей части спектра, не найден, хотя за ним уже закреплено название – цианолаб [3].



Рис.2. Кривые спектров поглощения пигментов содержащихся в колбочках и палочках сетчатки глаза человека. Спектры поглощения коротких (S), средних (М) и длинноволновых (L) пигментов - цианолаб, хлоролаб и эритролаб соответственно и спектр поглощения пигментов в палочках - родопсина при слабом (сумеречном) освещении (R) [3].

Количество колбочек в сетчатке глаза человека достигает 6 – 7 млн., а количество палочек – в 20 раз больше [1]. Колбочки функционируют в условиях больших освещённостей, они обеспечивают дневное и цветное зрение, палочки, более светочувствительны и ответственны за сумеречное зрение. [21].

Палочки и колбочки – это нервные клетки, специализированные таким образом, чтобы генерировать электрические сигналы при попадании на них света. Задача остальной части сетчатки и самого мозга – использовать эти сигналы, чтобы извлечь биологически полезную информацию. Результатом будет зрительная сцена со всей сложностью форм, глубины, движения, цвета и текстуры [24]. Колбочки расположены в центральной части сетчатки и каждая их группа непосредственно связана с мозгом через внутреннюю поверхность сетчатки и зрительный нерв. Также с этими прямыми соединениями в сетчатке имеется неисчислимое количество локальных проводящих путей. Свет, пересекая стекловидное тело, сначала проходит через слой нервной ткани сетчатки и кровеносные сосуды и лишь затем попадает на слой палочек и колбочек [22].

На нижней поверхности мозга правый и левый зрительные нервы образуют частичный перекрест. В зрительном перекресте на другую сторону переходят только те нервные волокна зрительного нерва, которые идут от медиальной части сетчатки. Таким образом, позади зрительного перекреста в составе зрительного тракта идут нервные волокна от латеральной (височной) части сетчатки «своего» глаза и медиальной (носовой) части сетчатки другого глаза. Далее нервные волокна идут к подкорковым зрительным центрам – латеральному коленчатому телу и верхним холмикам пластинки четверохолмия среднего мозга. Из подкорковых центров зрения зрительные импульсы направляются в корковый центр зрения – кору затылочной доли мозга, где происходит высший анализ зрительных восприятий.

Рис. 3. Проводящие пути зрительного анализатора:

1- левая половина зрительного поля;

2-правая половина зрительного поля;

3 - глаз;

4 - сетчатка;

5 - зрительные нервы;

6 - глазодвигательный нерв;

7 - хиазма;

8 - зрительный трактат;

9-латеральное коленчатое тело;

10 - верхние бугры четверохолмия;

11 - неспецифический зрительный путь;

12 – зрительная кора головного мозга.

Зрение двумя глазами (бинокулярное зрение) дает возможность видеть рельефное изображение предметов, глубину их расположения, оценивать расстояние, на котором они находятся. При рассматривании какого-либо предмета правый глаз видит его больше с правой стороны, левый – с левой стороны. В то же время человек эти два изображения воспринимает как одно. Бинокулярное зрение возможно благодаря тому, что изображение возникает на идентичных, соответствующих друг другу, участках сетчатки правого и левого глаза.

Работая сообща, объединяя зрительную информацию, оба глаза обеспечивают стереоскопическое (объемное) зрение, которое позволяет получить более точные представления о форме, величине и глубине расположения предметов [2].

В 2002 году Дэвид Берсон и соавторы из Университета Брауна (США) впервые обнаружили третий тип фоторецепторов в сетчатке млекопитающих. Этот новый фоторецептор является "недостающим звеном" в описании механизма незрительных эффектов, контролируемых светом и тьмой [5].

В 2007 году F. H. Zaidi, R. G. Foster, G. C. Brainard, C. A. Czeisler и S. W. Lockley, объединившись с другими исследователями, обнаружили у людей во внутренней сетчатке рецепторы, идентичные рецепторам некоторых других млекопитающих (ipRGC). Для исследования привлекались пациенты с редкими болезнями, исключающими наличие классических палочек и колбочек, но у которых функционировали клетки ipRGC. Несмотря на отсутствие палочек и колбочек, у пациентов были выявлены циркадный фотозахват, циркадные поведенческие реакции и реакции сужения зрачка [8].

Клетки ipRGC (intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cell - внутренние фоточувствительные клетки ганглии сетчатки) - третий вид чувствительных клеток, которые участвуют в циркадных ритмах, расположенных на внутренней стороне сетчатки (часть сетчатки, которая ближе к стекловидному телу глаза).

Даже при блокировании классических фоторецепторов (палочек и колбочек) или при применении фармакологических агентов, а также при отделении их от сетчатки, клетки ipRGC продолжали реагировать на излучение. Это означает, что они представляют собой третий класс рецепторов сетчатки глаза, которые возбуждаются под действием излучения [8].

На рисунке 4 показана связь нерва между колбочками и палочками в глазе и зрительной коры головного мозга.

Рис. 4. Зрительные и незрительные пути в мозге: нервные связи между сетчаткой глаза, с его колбочками и палочками, и зрительной коры, с одной стороны (красная линия) и между сетчаткой, с клетками ipRGC, и супрахиазматическим ядром (SNC) и шишковидной железой (синяя линия).


Обнаруженные фоторецепторные клетки в сетчатке глаза контролируют незрительные эффекты. Когда свет достигает этих клеток, происходит комплекс химических реакций (здесь с участием фотопигмента меланопсина), далее создавая электрические импульсы. Эти клетки имеют «свои» нервные соединения, в частности, супрахиазматическое ядро ​​(SNC), которое является биологическими часами мозга и шишковидной железы.

За год до открытия Берсона, Джордж К. Брейнард обнаружил, что уровень мелатонина у человека сократился больше всего, когда добровольцы с расширенными зрачками подвергались действию в течение 90 минут между 2:00 часами ночи и 3:30 утра монохроматическим синим светом с длиной волны 464 нм и при освещенности глаза (зрачка) всего 0,1 лк, что эквивалентно освещенности при лунном свете. Брейнард предположил о "новом" незрительном фоторецепторе, отдельном от палочек и колбочек, которым впоследствии оказался меланопсин [6].

Меланопсин, чувствительный к фотопигменту синего света, находится в небольшом количестве в клетках ipRGC. Клетки ipRGC находятся глубоко в сетчатке глаза под палочками и колбочками. Эти специализированные клетки не являются зрительными фоторецепторами и как, считалось ранее только передавали по нерву к мозгу импульсы, возбужденные светом, падающим на палочки и колбочки [6] .

Чувствительность клеток ipRGC изменяется для различных длин волн света. На основе биологического фактора "подавления мелатонина", Брейнард (Brainard) был уже в состоянии определить спектральную кривую "биологического действия". Эта кривая приведена на рисунке 5, вместе с кривой чувствительности колбочек глаза.



Рис. 5. Относительная спектральная циркадная эффективность (на основе подавления мелатонина), синяя кривая, (источник: Brainard), а также относительная спектральная кривая чувствительности глаза, красный кривая.


При сравнении двух кривых видно, что кривая относительной спектральной циркадной эффективности довольно сильно отличается от относительной спектральной кривой чувствительности глаза. Максимум спектральной чувствительности глаза лежит в диапазоне желто-зеленых длин волн - 555 нм, в то время как максимум спектральной циркадной эффективности лежит в синей области спектра - на длинах волн между 460 и 464 нм. Это явление имеет важное значение при создании установок, обеспечивающих более комфортные условия для человека [5].

Клетки ipRGC сетчатки управляют человеческими циркадными ритмами, сложной биологической системой, через восприятие света, передают нашему организму, как регулировать различные функции организма, такие как температура тела, выброс гормонов из гипофиза, режим сна, и воспроизводство мелатонина шишковидной железой [6].

Клетки ipRGC имеют три первичные функции:

1) играют главную роль в синхронизации циркадных ритмов в течение 24 ч одного светового/темнового цикла;

2) передают информацию в другие отдела мозга, например в область мозга, контролирующую зрачок, и в овальное претектальное ядро. Таким образом, они вносят вклад в регулирование размера зрачка и другие поведенческие реакции при изменении окружающего освещения;

3) принимают участие в защите глаза от излучения и в подавлении реакции на внезапное "острое" освещение (прямое солнечное освещение, электросварка, луч прожектора и др.) благодаря выделению гормонального мелатонина из шишковидной железы [8].



Рис. 6. Строение сетчатки: К - колбочки, П- палочки, Г -горизонтальные клетки, Б - биполярные клетки, А - амакриновые клетки, ГК - ганглиозные клетки, фГК - фоточувствительные клетки ганглия.


1.2. Световые ритмы и биоритмы.

Свет регулирует циркадные (ежедневные) и годичные (сезонные) ритмы целого ряда физических процессов. Рисунок 7 иллюстрирует некоторые стандартные ритмы у человека. На рисунке показаны только несколько примеров: температура тела, внимание, и гормоны кортизола и мелатонина.



Рис. 7. Двойной график (2х24 часов). Стандартные суточные ритмы температуры тела, мелатонина, кортизола в организме человека и внимания для естественного 24-часового цикла день/ночь.


Гормоны кортизол ("гормон стресса") и мелатонин ("гормон сна") играют важную роль в управлении внимания и сна. Кортизол, также, повышает уровень сахара в крови и укрепляет иммунную систему. Однако, при высоком уровне кортизола длительный период, организм истощается и становится слабым. Уровень кортизола увеличивается утром и подготавливает тело к работе на будущий день. Он остается на достаточно высоком уровне на протяжении всей светлой части дня, падая, до минимума к полуночи. Уровень гормона сна мелатонина падает утром, уменьшая сонливость. Как правило, он поднимается снова, когда становится темно, что обеспечивает здоровый сон (так как кортизол находится на минимальном уровне). Для нормального здоровья, важно чтобы эти ритмы не были нарушены. В случае нарушения ритма, яркий свет в первой половине дня помогает восстановить нормальный ритм.

В естественной обстановке, свет, особенно утренний, синхронизирует внутренние биологические часы с 24-часовым циклом день/ночь. Без ежедневного воздействия света, несинхронизированный период нашей циркадной системы будет дольше, чем 24 часа. Как следствие, будет происходить все большие отклонения изо дня в день уровня температуры тела, кортизола и мелатонина от стандартных суточных ритмов. Эта дегармонизация в отсутствие "нормального" ритма день/ночь может привести к неправильному ритму активности и сонливости, что в конечном счете, приводит к активности в темное время суток и сонливости днем. По той же причине, такие же симптомы, связаны с нарушением биоритмов после путешествий через несколько часовых поясов. Вахтовые работники также испытывают те же симптомы в течение нескольких дней после каждой пересменки [5].

Хронобиологические и психологические исследования показали, что подгонка к суточному ритму, то есть привязка биологических циклов к естественным, имеет решающее значение с точки зрения обеспечения настроения, работоспособности и здоровья. Кроме того, стимулирующий биологическую систему свет усиливает восприимчивость и приводит к улучшению познавательной деятельности, активируя работу человеческого мозга [9] .

Исследования, проведенные Brainard и др. (2001), связанные с анализом подавления мелатонина, показали, что кривая спектральной циркадной эффективности фото-биологической системы имеет максимум в диапазоне 460 - 464 нм. Для достижения максимального эффекта, нужно создавать высокий уровень освещенности на рабочей поверхности или использовать лампы с увеличенной долей синего излучения в диапазоне длин волн 460 - 464 нм. Более высокие уровни освещенности также влияют на электроэнцефалограмму (ЭЭГ), человек становится более внимательным и менее сонным. Можно, таким образом, использовать ежедневную динамику в освещении для повышения производительности труда, например, путем изменения освещенности и цветовой температуры в зависимости от времени суток [7]. С точки зрения хронобиологии подобные изменения следует обеспечить в комнатах, в которых люди находятся длительное время днём или ночью. Биологическое действие света должно быть использовано таким образом, чтобы обеспечить стабилизацию ритма сна-бодрствования. Это предполагает создание более высокого уровня освещения с большей синей составляющей в глубине комнат в дневное время [9]. Высокий уровень освещенности холодного света разбудит нас утром и сделает нас более внимательными во время обеда. Низкая освещенность с теплой цветовой температурой оказывают успокаивающее действие [7].



Рисунок 8. Зависимость активности человека от соотношения уровней освещенности и Тцв.


1.3. Влияние света на здоровье человека.

На сегодняшний день, в развитых странах мира уделяется большое внимание гипотезе о том, что подавление мелатонина под воздействием света в ночное время может быть одной из причин высоких темпов заболевания раком молочной железы и колоректального рака.

Исследователи косвенно ссылаются на воздействие света на вахтовых рабочих в ночное время и учащения заболеваний раком груди и колоректальным раком. Одним из возможных механизмов является подавление мелатонина при воздействии света в ночное время на вахтовых рабочих . Гормон шишковидной железы мелатонин обычно воспроизводится в ранние утренние часы, но подавляется воздействием светом в ночное время на открытые глаза.

Косвенная связь рака молочной железы с действием света на человека в ночное время подкрепляется экспериментами над лабораторной крысами Дэвида Э. Бласка (Blask) и коллег [6]. В своих исследованиях он показал, что мелатонин действует как защитный онкостатический носитель, который подавляет темпы роста клеток рака молочной железы человека. Мелатонин вероятно осуществляет аналогичную защиту в организме человека.

В своем открытии Дэвида Э. Берсон обнаружил, что максимум чувствительности ганглиозных клеток сетчатки находится в синей части спектра (рис. 5), что связано с биоритмами человека. Эти открытия важны, так как часто используемые современные газоразрядные лампы, такие как МГЛ, ДРЛ, НЛВД и ЛЛ имеют выраженные полосы излучения в коротковолновой части спектра.

Из-за своей способности замедлять воспроизводство мелатонина, свет действует как лекарство. Снижение уровня мелатонина у человека, связанное с воздействием света на открытые глаза в ранние утренние часы, может объяснить рост заболеваемости некоторыми видами рака в развитых странах мира.

Первоначально лампы накаливания были тусклыми и их теплый свет существенно не влиял на циркадные механизмы. Современные источники света стали более эффективными, но также и более яркими. Сегодняшние лампы излучают больше в синей области спектра, чем ранние керосиновые лампы и лампы накаливания. Медицинские исследования показывают, что синий свет является очень эффективным в снижении естественно уровня мелатонина у человека.

Подавление мелатонина зависит от цвета света, его интенсивности и продолжительности воздействия на органы зрения (как открытые, так и закрытые) источников света. Исследование, проведенное Т. Хатоненом и соавторами [6], показало, что только у двух из восьми человек при освещении закрытых глаз 2000 лк белого света в течение 60 минут между 0:00 и 2:00 часами ночи наблюдалось снижение уровня мелатонина. Авторы сомневаются, что у людей, спящих с закрытыми глазами в городских условиях, будет происходить подавление мелатонина.

Исследования показали, что при освещенности 100 люкс (допустимый уровень освещенности в гостиной) для подавления мелатонина на 50% необходимо:

для монохроматического красного света - 403 часа;

для свечи - 66 минут;

для лампы накаливания 60 Вт - 39 минут;

для люминесцентной лампы 58 Вт - 15 минут;

для мощных белых LED - 13 минут.

Синее излучение света подавляет мелатонин в большей степени: Брейнард показал в экспериментах с людьми, даже очень тусклый (0,1 люкс) синий свет подавляет больше мелатонина, чем другие цвета. Таким образом, воздействие на открытые глаза источников света в ночное время, содержащих синее излучение (газоразрядные и люминесцентные лампы содержат выраженное излучение в коротковолновой части спектра) могут представлять потенциальную опасность для здоровья человека.

С.В. Локли и др. обнаружили, что в течение 6,5 часов монохроматический синий свет (460 нм) вызывает:

а) циркадное фазовое запаздывание в два раза больше, при облучении 460 нм, чем при 555 нм (дневного света),

б) подавление мелатонина в два раза больше при облучении 460 нм, чем при 555 нм [6].

Качество освещения всегда должно быть достаточно высоким, чтобы гарантировать зрительную работоспособность, необходимую для решения зрительных задач. Тем не менее, фактическая зрительная работоспособность человека зависит не только от качества освещения, но и от собственной "способности зрения". В этом отношении, возраст является важным критерием, так как требования к освещению увеличиваются с возрастом. На рисунке 9 показано относительное количество света, необходимое для прочтения хорошо напечатанной книги в зависимости от возраста. Это исследование проводилось с испытуемыми, которые носили очки для чтения, если это требовалось. Как видно из этой кривой, влияние возраста является существенным. Одной из многих причин влияния возраста является ухудшение пропускания хрусталика глаза: хрусталик постепенно желтеет (см. рисунок 10) [5].

Низкое пропускание хрусталика у пожилых людей особенно преобладает в короткой области длин волн. Это объясняет, например, почему пожилым людям становится все труднее различать оттенки синего. В дополнение к снижению распознавания цвета, диаметр поля зрения также уменьшается. Хрусталик рассеивает больше света, при этом на сетчатке суммируется яркость светорассеяния и яркость изображения. Увеличение абсолютного порога яркости означает, что чем старше глаз, тем больше времени требуется для адаптации к различным условиям. Глаз пожилого человека не так чувствителен к различным контрастам, но более чувствителен к бликам, из-за чего становится более затруднительным видеть предметы ясно [10].



Рис. 9. Соотношение между возрастом и относительным количеством света, необходимого для чтения хорошего шрифта (источник: Fortuin).


Рис. 10. Пропускание хрусталика для различных возрастных категорий. Величины выражены как процентное отношение от точки 560 нм для новорожденных (источник: адаптировано из Brainard и др.).

На рисунке 11 приведены результаты исследований, касающихся влияния качества освещения на зрительную работоспособность. На рисунке представлены кривые зависимости относительной зрительной работоспособности от уровня освещенности для различных зрительных задач: первая - для умеренно трудных задач (например, работа в офисе или общей машинной работы в промышленных условиях), вторая - для трудных задач (например, тонкая сборочная работа). Наблюдается явное увеличение зрительной работоспособности с повышением уровня освещенности.

Рис. 11. Соотношение между относительной зрительной работоспособностью (в %) и уровнем освещенности (в люксах). Непрерывная синяя линия: молодые люди; пунктирная красная линия: пожилые люди.

График показывает, большинство рекомендаций и стандартов качества освещения ориентированы на людей в возрасте около 30 лет. С другой стороны, зрительная работоспособность пожилых работников значительно ниже. При решении умеренно сложных задач её возможно компенсировать за счет повышения уровня освещенности.

Конечно, улучшение зрительной работоспособности, в свою очередь обеспечивает улучшение работоспособности, которая отражается более высокой производительностью и уменьшением числа ошибок. Степень, в которой хорошее качество освещения повышает производительность работы зависит, конечно, от зрительной составляющей задачи. Хорошие условия наблюдения будут приносить пользу более задачам с важной зрительной составляющей, чем задачи с менее важной зрительной составляющей [5].


1.4. Влияние света на самочувствие

Освещение определяет, что и как мы видим, следовательно, освещение влияет на наше настроение и наше восприятие окружающего пространства. Если уровень освещенности настолько низок, что люди чувствуют, что они не могут выполнять свою работу хорошо, то это будет оказать негативное влияние на их самочувствие. Нормы освещенности, которые используются сегодня, направлены на обеспечение достаточно света, чтобы мы могли выполнять необходимые зрительные задачи. Они основаны на исследованиях, проведенных с лицами в возрасте 20 лет без каких-либо зрительных проблем со зрением. Тем не менее, на многих рабочих местах работают люди с различными зрительными системами [4].

Каллер и Веттерберг исследовали электроэнцефалограммы (ЭЭГ) людей в лаборатории, где создали условия офиса, первый раз с относительно высоким уровнем освещенности (1700 люкс), другой раз с относительно низким уровнем освещенности (450 лк). Анализ ЭЭГ демонстрируют ярко выраженную разницу: результаты при высоком уровне освещенности: меньшее количестве дельта-волн (дельта активность ЭЭГ, являющейся индикатором сонливости), означает, что яркий свет имеет предупредительное влияние на центральную нервную систему (рис. 12).

Многие исследования воздействия света на внимательность и настроение были проведены в условиях ночной смены, так как по расчетам результат должен проявляться сильнее. На рисунке 13 показаны влияние двух систем освещения на активность человека в зависимости от времени суток для вахтовых рабочих. Снижение активности к ночи происходит для обоих режимов, но система с высоким уровнем освещенности всегда приводит к значительному увеличению уровня активности и таким образом повышается внимательность и настроение.



Рис. 12. Дельта активность ЭЭГ офисных работников при уровнях освещенности 450 люкс и 1700 лк.



Рис. 13. Внимательность и настроение выражается в уровне активности при освещенности 250 лк и 2800 лк, в зависимости от рабочих часов после полуночи.

Другие исследования показывают, что более высокие уровни освещенности в помещении позволяют справиться с усталостью и приводит к тому, что человек становится более внимательным [5].

Исследования уровня стресса и жалоб людей, работающих в помещении, были сделаны путем сравнения группы людей, работающих только при искусственном освещении, с группой, работающей при комбинированном освещении искусственного и дневного света. Как видно на рисунке 14, в январе, когда дневного света недостаточно, чтобы внести существенный вклад в уровень освещенности, разница между результатами двух групп не значительна. Но в мае, когда дневной свет действительно вносит вклад, дневной свет оказывает благотворное влияние на группу и приводит к значительно более низкому уровню стрессов. Другое исследование показывает, что высокий уровень освещенности в помещениях зимой оказывает положительное влияние на настроение и энергичность людей.



Рис. 14. Уровень жалоб на стресс (со статистическим разбросом) в группе работников, работающих либо только при искусственном освещении или при комбинированным освещении искусственного и дневного света [5].




1.5. Опасность синего света

В настоящее время практически все белые СД, выпускаемые самыми разными компаниями, имеют повышенное излучение в наиболее опасной для глаза спектральной полосе 440–460 нм.

Вопрос об опасности избыточного сине-голубого излучения остро встал в первой половине XX века в результате многочисленных световых ожогов сетчатки глаз морских лётчиков США. В середине 1970-х группой физиологов в экспериментах на обезьянах было показано, что различимые пороги светового повреждения сетчатки в голубой области спектра (440–460 нм) в 50–100 раз ниже, чем для света основного зрительного диапазона 500–700 нм [20].

Реальные дозы повреждения человеческой сетчатки светом сине-голубого диапазона могут оказаться близкими к полученным в экспериментах на крысах-альбиносах: 3-часовое освещение при энергетической освещённости 0,64 Вт/ м2 в спектральной полосе 400–480 нм спустя 1–2 дня приводит к массовой, хотя и частично обратимой, гибели фоторецепторных клеток сетчатки [20]. Другими словами, было показано, что даже слабый свет фиолетово-сине-голубого диапазона потенциально опасен для зрения человека.

Повреждение сетчатки коротковолновым видимым излучением – медленная фотохимическая цепная реакция, результаты которой постепенно накапливаются в течение всей жизни. Одним из действующих начал фотохимического повреждения является липофусцин – фототоксичный пигмент старости, который из-за избирательного поглощения света в полосе 440–460 нм генерирует свободные радикалы, отравляющие пигментный эпителий сетчатки. Токсичные гранулы липофусцина постоянно и необратимо накапливаются в клетках пигментного эпителия сетчатки и являются одной из основных причин её возрастных заболеваний. Накопление липофусцина зависит от интегральной световой нагрузки на глаза, и уже к 10–20 -летнему возрасту количество липофусциновых гранул, ответственных за степень фотоповреждения, достигает половины от накапливаемого значения в течение всей жизни человека.

Рис. 15. Спектр действия фотоповреждения сетчатки обезьяны макака-резус при длительности световой экспозиции 1000 с (синяя линия) и относительный спектр поглощения фототоксичного пигмента старости липофусцина (оранжевая линия).


Множественная совокупность биологических и медицинских данных свидетельствует о том, что фототоксичные эффекты сине-голубого света являются кумулятивными и приводят к медленному необратимому падению зрительных функций [20].

Хрусталик является одним из естественных защитных механизмов глаза при воздействии коротковолнового излучения. Существенно, что хрусталики детей практически вдвое прозрачнее в сине-голубой области спектра, чем хрусталики взрослых людей (рис. 9). Соответственно, риск фотоповреждения детских глаз минимум вдвое выше, чем глаз взрослых людей.

С физиологической точки зрения центральная зона сетчатки, ответственная за остроту зрения и работу при чтении, вообще не нуждается в участии сине-голубой составляющей в освещении, так как сформирована без участия синечувствительных колбочек и является сине-слепой [20].

Основа успешного проектирования освещения — требования к количеству света, его спектру, распределению, времени и продолжительности воздействия с целью обеспечить максимальную пользу для человека. Новые технологии и новые источники света должны учитывать новые стандарты и правила освещения.

В связи появлением на рынке нового типа источника – СД, появилась возможность создания энергоэффективного, безопасного для окружающей среды, компактного источника света с длительным сроком службы. Быстрый темп увеличения световой отдачи и усовершенствование методики отбора (биннирования) цветных СИД позволяют говорить о блестящей перспективе создания источника белого света на основе цветных кристаллов, более эффективного и удовлетворяющего необходимым качественным и количественным показателям для многочисленных осветительных установок [19].
1.6. История создания светодиодов.

История светодиодов начинается в 1907 году, когда Г. Д. Раунд впервые заметил свечение карборунда (SiC). Но Г. Д. Раунд не смог объяснить процесса излучения [11]. В 1923 году О. В. Лосев сообщил об открытии явления электролюминесценции в полупроводниках. Он писал: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА... Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света».

К 1950-м годам полупроводниковые материалы типа АIIBVI, а также SiC, были хорошо изучены, так как эти материалы встречаются в природе. Поэтому неслучайно, что первые светодиоды были изготовлены из этих материалов [11].

Положение дел существенно изменилось в начале 60-х годов, когда излучение полупроводниковых соединений типа АIIIBV привело к обнаружению интенсивного излучения в р – n-переходах из арсенида галлия (GaAs). Появились перспективы эффективного преобразования электрической энергии в световую в различных областях спектра и широкого технического применения этого явления [12]. Поскольку полупроводниковые материалы данного типа созданы искусственно, их до этого времени просто не существовало [11].

Первый красный светодиод из GaAsP был создан в 1962 году Ником Холоньяком (Nick Holonyak) в компании General Electric. Монохромные красные светодиоды в 60-е гг. прошлого столетия применялись для производства небольших световых индикаторов, используемых в электронных приборах. Внешний квантовый выход (отношение числа излученных светодиодом фотонов к общему числу перенесенных через p-n-переход элементарных зарядов) таких светодиодов составлял не более 0,2%, а световой поток - всего 0,001 лм.

К 1976 году были получены оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды, яркие настолько, что их можно было разглядеть и при солнечном свете. До 1985 года они использовались исключительно в качестве индикаторов, со световым потоком всего лишь 0,1лм. Все эти СД были созданы на основе арсенидов и фосфидов галлия, алюминия, индия и их смесей.

Эффективность светодиодов по световому потоку постоянно увеличивалась, и к 1990 г. световой поток красных, желтых и зеленых светодиодов достиг значения 1 люмен, и они уже стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобилях. 

Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям - увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу российских учёных, в частности, Ж.И. Алферова с сотрудниками, ещё в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15% для красной части спектра (световая отдача до 10 лм/Вт) и более 30% - для инфракрасной [13].

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Попытки реализовать синие и зелёные светодиоды и лазеры были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок внешний квантовый выход излучения. У светодиодов на основе твёрдых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Исследования свойств нитридов элементов группы III (AlN, GaN, InN) и их сплавов, представляющих собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами, позволили прийти к выводу, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240...620 нм) областях спектра. Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных пленок GaN, было отсутствие подходящих подложек, параметры решётки и коэффициент теплового расширения которых соответствовали бы GaN. Долгое время такие плёнки выращивали на сапфире (рассогласование решеток 13,5%), достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность очистки перед началом роста. Другая проблема – получение кристаллов p-типа. Первые работы в этом направлении были начаты ещё в 60-е годы XX века, однако все попытки надёжно внедрить элементы группы II (Mg, Zn, Be) как примеси замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей.

Ещё в 70-х годах группа Дж. Панкова (J. Pankove, RCA, Princetone, USA) из лаборатории компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе эпитаксиальных пленок нитрида галлия (GaN) на сапфировой подложке. Квантовый выход был достаточен для практики (доли процента), но срок их службы был ограничен. В р-области p-n-перехода концентрация дырок была мала, и сопротивление диодов из-за высокой концентрации дефектов оказалось слишком большим, они довольно быстро перегревались и выходили из строя. При этом Панкову так и не удалось осуществить легирование p-типа.

В начале 80-х годов Г.В. Сапарин и М.В. Чукичев в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова обнаружили, что после действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, становится ярким люминофором. Но причину яркого свечения – активацию акцепторов Zn под влиянием пучка электронов – тогда понять не удалось. Эту причину раскрыл И. Акасаки (I. Akasaki) из Нагойского университета. Из многих его достижений выделим два основных, сделанных в 80-е годы XX века. Он предложил включить между сапфиром и активным слоем буферный слой AlN, что отчасти снимало проблему несоответствия решёток, и уже в 1986 году получил пленки GaN высокого качества. А в 1989 году И. Акасаки вместе со своим аспирантом Амано (Н. Amano) впервые изготовили образец p-типа. Изучая под электронным микроскопом легированную Mg плёнку GaN, Акасаки и Амано обнаружили свечение образца после бомбардировки электронами. Завершив электронно-микроскопические исследования, они установили, что образец приобрёл проводимость p-типа, и связали это с воздействием электронного пучка на плёнку, способствовавшим замещению атомов Ga атомами Mg. Авторы заявили патент на эффективное легирование GaN р-типа. К тому времени большинство исследователей прекратили работать с GaN, и сообщение Акасаки почти не привлекло внимания. Но эти работы не оставил без внимания Шуджи Накамура (Shuji Nakamura) из фирмы Nichia Chemical, который и совершил прорыв в изготовлении голубых светодиодов. Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10 — 20 млн. голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов[14].

В 2000–2005 гг. уровень светового потока светодиодов достиг значения 100 лм и выше. Появились белые светодиоды с теплыми и холодными оттенками. Постепенно светодиоды начали конкурировать с традиционными источниками света и стали применяться в театральном и сценическом освещении. В настоящее время светодиоды широко используются в различных системах общего освещения. По мнению Департамента энергетики (Department of Energy) и Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности (Optoelectronics Industry Development Association), к 2025 г. светодиоды станут самым распространенным источником света в жилых домах и офисах[15].


1.7. Принцип работы и устройство СД

Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий свет при прохождении тока через p-n – переход в прямом направлении.

С помощью легирования, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа – положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале р-типа приобретают дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны [15].

Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода[17].



Рис. 16. Схема и энергетическая диаграмма p-n-перехода.

Все современные СД разрабатываются на основе гетеропереходов. Применение гетероструктур позволяет улучшить эффективность СД. Это происходит за счет ограничения носителей с помощью барьерных слоев в активной области, что увеличивает вероятность рекомбинации [11].

Рис. 17. Энергетическая диаграмма прямосмещённого р-n гетероперехода.

Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Еg > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (Eg > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового [17].

http://www.lighting.philips.ru/pwc_li/ru_ru/lightcommunity/assets/anatomy/dif_colors_ruler.jpg Рис.18. Схематическое изображение «охвата» видимого диапазона современными полупроводниковыми излучающими материалами.
Основные материалы для производства монохромных светодиодов. AllnGaP и InGaN покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности, кроме желто-зеленой и желтой областей спектра с длиной волны 550–585 нанометров (нм). Цвета, соответствующие этому диапазону длин волн, могут быть получены с помощью совместного использования зеленых и красных светодиодов [15].

СД состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы.

Рис.19. Конструкция светодиода Luxeon (Philips).

Светоизлучающий кристалл закреплён на теплоотводящей подложке (основе). При приложении прямого напряжения к p-n-переходу кристалла через катод и анод в нём генерируется излучение. Часть его не выходит из кристалла, так как в нём проходит перепоглощение, а другая, большая часть – через линзу выходит наружу. Кристалл, подложка и внутренние электроды залиты прозрачным полимером с максимально высоким коэффициентом преломления, образующим корпус СД. Купол корпуса выполняет функции линзы или рассеивателя, в зависимости от нужной кривой силы света (КСС) СД .


1.8. Способы создания белых светодиодов.

Существует три способа создания белых светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.



светодиоды - физика история и фэнтези
светодиоды - физика история и фэнтези

Второй способ заключается смешении излучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. Этот способ использует принципы и люминофоры, хорошо разработанные в технологии люминесцентных ламп.



светодиоды - физика история и фэнтези
Третий способ - желто-зеленый или зеленый и красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет. светодиоды - физика история и фэнтези

светодиоды - физика история и фэнтези
У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.светодиоды - физика история и фэнтези

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки этого метода: во-первых, у них меньше светоотдача, чем у RGB-матриц, из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно проконтролировать равномерность нанесения люминофора во время технологического процесса и, следовательно, цветовую температуру; и в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод [18].


1.9. Характеристики СД.

С точки зрения светотехники СИД следует характеризовать следующими параметрами (техническими параметрами):



  • доминирующая длина волны– λdom: длина волны монохроматического стимула при температуре окружающей среды 25 °С;

  • пиковая длина волны - λр: длина волны в максимуме спектрального распределения;

  • ширина спектра на уровне 0.5 от спектрального максимума излучения - Δλ0.5;

  • световой поток – Фv: величина, образующаяся от лучистого потока Фе при оценке излучения по его действию на стандартного фотометрического наблюдателя МКО.
              Для дневного зрения

гост р 54814-2011/iec/ts 62504:2011 светодиоды и светодиодные модули для общего освещения. термины и определения
 где гост р 54814-2011/iec/ts 62504:2011 светодиоды и светодиодные модули для общего освещения. термины и определения - спектральное распределение лучистого потока;
 V(λ)  - относительная спектральная световая эффективность;

  • световая отдача источника - ην: Отношение излучаемого светового потока к мощности, потребляемой источником света;

  • номинальное напряжение и  номинальный ток светодиода - Urated, Irated: значение напряжения и тока для заданных условий эксплуатации;

  • прямое направление тока - If: направление тока, при котором к контактной площадке области р-типа полупроводникового светоизлучающего элемента приложен положительный потенциал относительно контактной площадки области n- типа.

  • внутренний (ηin) и внешний (ηex) квантовый выход кристаллов, а так же эффективность ОС (ηОС).

Последний пункт в списке характеристик указывает на их изначальную принадлежность к излучательным кристаллам. Приведем расшифровку этих понятий.

Внутренний квантовый выход определяется как отношение числа излучённых p-n-переходом фотонов к числу инжектированных электронов, и зависит от качества материала, наличия в нём примесей и дефектов, а так же структуры и состава эпитаксиального слоя. Но из кристалла выходит не всё излучение – часть его поглощается в кристалле. Отношение числа вышедших из кристалла фотонов к числу инжектированных электронов – это внешний квантовый выход СИД. А коэффициент выхода оптической системы (ОС) – доля света, выходящего из кристалла и окружающей его оптической системы, зависит от коэффициента преломления, внутренней абсорбции и геометрии линзы. Общая эффективность СИД это произведение внешнего квантового выхода на эффективность выхода ОС. Три этих величины измеряются в процентах.



К эксплуатационным характеристикам относятся:



  • срок службы светодиода в зависимости от температуры активной области - tnLED: время, за которое измеряемые световые параметры при температуре окружающей среды 25 °С и номинальном прямом токе составят не менее n % начальных значений.

  •  диапазон рабочей температуры - top: диапазон температуры окружающей среды, при котором СД или светодиодный модуль может работать в соответствии с установленным в спецификации.

  • диапазон температуры хранения – tstg: диапазон температуры окружающей среды, при котором допускается хранить неработающие СД, светодиодные модули или светодиодные лампы при неизменности параметром, установленных в соответствующем стандарте или изготовителем, или ответственным поставщиком.

  • наибольшая нормируемая температура– tc: наибольшая допустимая температура на внешней поверхности светодиодного модуля (в указанном месте, если приведено в маркировке) при нормальных рабочих условиях и при номинальном напряжении/токе/мощности или при наибольшем значении из диапазона напряжения/тока/мощности [23].


Цветовые характеристики белых СД и факторы, влияющие на них.

Цветопередача и цветовая температура являются важными характеристиками для ИС, применяемых в ОУ.

Изначально, произведённые светодиодные кристаллы отличаются по своим характеристикам в некотором диапазоне. Вследствие несовершенств технологии производства они имеют различные значения длины волны максимума излучения - λd, ширины спектра излучения, светового потока – Фv, прикладываемого прямого напряжения Uf. По этим параметрам они сортируются на группы и в пределах этой группы считаются одинаковыми. Важно понимать, что даже в пределах одной группы СИД отличаются по параметрам и характеристикам.

Таким образом при создании источника белого света с определенной Тцв на основе нескольких кристаллов, а также его последующий расчет (т.е. расчет соотношения яркостей цветных СИД для воспроизведения необходимой Тцв) может оказаться совершенно неверным из-за возможных начальных разбросов. Это может быть как разброс световых характеристик СИД (λp, потока светодиодов), так и электрических характеристик – тока через кристалл, ВАХ.

Вид спектральной плотности излучения СД зависит от температуры кристалла и величины протекающего через него тока. Наличие дефектов в полупроводниковом излучающем кристалле в свою очередь зависит от технологии выращивания кристалла, от его материала и материала подложки, на которой он выращивается.

В многокристальном белом светодиодном ИС цветность излучения определяется пропорцией, в которой взяты излучения кристаллов. Это соотношение обеспечивается тем, что через каждый из кристаллов пропускается ток определённой величины. Он обеспечивается пускорегулирующей аппаратурой. Эта аппаратура имеет свои погрешности в обеспечении заданных характеристик. Также возможны колебания сети, что тоже может привести к изменению электрического режима работы ИС. Кроме того производимых по существующим на данный момент технологиям, всегда есть некий разброс по электрическим характеристикам – сопротивлению, прямому напряжению. Таким образом, несоответствие действительных электрических параметров расчётным приводит к тому, что соотношение излучений кристаллов может исказиться.

Целью данной работы является формулирование требований к осветительным приборам, на основе белых СИД, используемых в помещениях общего назначения с длительным пребыванием людей, с учетом влияния психо-физиологических процессов в организме человека и параметров и характеристик СД на количественные и качественные показатели светодинамических ИС.

Для этого необходимо решить ряд задач:



  • исследовать спектры современных реальных СИД;

  • выбрать оптимальные λdom;

  • рассмотреть влияние отклонения λdom излучения кристаллов и определить требования к их воспроизводимости при изготовлении;

  • оценить воспроизводимость белых многокристальных СИД;

  • оценить биологическую эффективность белых многокристальных СИД;

  • исследовать связь спектрального состава белых многокристальных СИД и циркадных ритмов;

  • оценить возможность создания светодиодных источников белого света с возможностью их последующего использования в светодинамических установках в помещениях с длительным пребыванием людей разного возраста.


Каталог: Structure -> Universe -> ire -> electrical engineering -> structure
Structure -> Программа по общественному здоровью и здравоохранению для студентов 5 курса стоматологического факультета
Structure -> Выступления на конференциях и симпозиумах за 2010-2014 годы К. м н. Бехтеревой М. К
Structure -> Вопросы для тестового контроля
Structure -> Основные научные труды проф. Бабаченко И. В. за период 2010-2014 гг
Structure -> Экзаменационная программа. (медицинская биофизика) Организация психиатрической помощи
Structure -> Экзаменационная программа. (лечебное дело) Организация психиатрической помощи
Structure -> Экзаменационная программа. (педиатрический факультет) Организация психиатрической помощи
Structure -> Геронтология
Structure -> Перечень вопросов к экзамену по дисциплине «Фармакология», специальность Сестринское дело (форма обучения очная и очно-заочная), Акушерское дело (форма обучения очная). Рецептура. Общая фармакология
structure -> Программа: Оптико-электронные приборы и системы


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4




База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница