Szilárdtest fényforrások alkalmazása a közvilágításban, látásfizikai alapok

Átírás

1 Mivel világítsunk? Szilárdtest fényforrások alkalmazása Dr. Schanda János professzor emeritusz Rövid összefoglalás A közvilágításban jelenleg alkalmazható szilárdtest fényforrások rövid áttekintése után a látásfizikai jelenségeket vesszük sorra, majd a mezopos látásra vonatkozóan ezeket részletezzük, figyelembe véve a közúti látási feladatokat. Végül a fentiek alapján ajánlást teszünk a közvilágításban használandó fényforrásokra vonatkozóan. 1. Bevezetés az alkalmazott LED-ek tulajdonságai A közvilágítás napjainkban nagy váltás előtt áll: a szilárdtest fényforrások a közvilágításban is bevezetésre kerülnek. A szilárdtest fényforrások III-V 1 ötvözet alapú félvezetőkből készülnek, ahol a vörös és sárgás színekben világító diódák alapanyaga az AlInGaP, míg a kékeszöld, és kék színekben világítóké az InGaN. Az egyes összetevők aránya szabja meg a tényleges színképet. Fehér színű világítás két módszerrel érhető el: vagy kéken, zöldesen és vörösen világító dióda fényét keverjük, vagy kéken (esetleg a közeli ultraibolya tartományban) világító dióda sugárzásával gerjesztünk hosszabb hullámhoszszon (sárga vörös szín) világító fényport, s ennek fényét keverjük a dióda saját kék színéhez. Mivel a világítás hőmérsékletfüggése a dióda kémiai összetételétől függ, a két eljárás alapján készített fehér színt emittáló világító dióda (LED: Light Emitting Diode) színének hőmérsékletfüggése eltérő lesz. A diódák öregedése is függ a kémiai összetételtől, ezért a vörös-zöld-kék (RGB: Red- Green-Blue) egyedi diódákkal felépített világító dióda (RGB-LED) színstabilitása roszszabb, mint a kéken világító diódát és fény- 1 III-V: a periódusos rendszer III. és V. oszlopában lévő elemek vegyületkristályaira utal, ahol a III. oszlopban álló elemek közül elsősorban az Al, In és Ga jön számításba, míg az V. oszlop elemei közül a N, P és As. port tartalmazó fehér színben világító dióda (phosphor 2 coated LED kifejezésből: p-led) színstabilitása. A továbbiakban ezért csak a p-led-ekkel fogunk foglalkozni. Ugyancsak nem tárgya a jelen dolgozatnak a szerves elektrolumineszcens anyagokkal felépített világító diódák (OLED: Organic Light Emitting Diode) működése és alkalmazása. Ezek napjainkban még csak kísérleti stádiumban vannak, közvilágítási célra még nem használhatók. A fehér fényt emittáló p-led-ek általában olyan kéken világító LED csippekből 3 készülnek, melyeknél a kilépő fény hullámhosszának maximuma 450 nm 470 nm tájékán van. Ezt alakítja át a fénypor sárgásvöröses színű fénnyé. Az 1. ábra két p-led színképét szemlélteti, az egyik színhőmérséklete 2863 K volt (WW: meleg fehér), a másiké 6930 K (CW: hideg fehér). Mindkettő színvisszaadási indexe átlagos: R a = közötti érték. Az ábrából jól látható a LED morzsa saját emissziós színképe, 454 nm maximális hullámhosszal, és a fénypor emissziós sávja, mely a CW p-led esetén 550 nm tájékán éri el a maximumát, míg a WW p-led esetén 630 nm tájékán. Ebből rögtön következtethetünk arra is, hogy a CW p-led fényhasznosítása, azonos fizikai hatásfokokat feltételezve, lényegesen jobb lesz, mint a WW p-led-é: a fénypor emissziós maximuma abban a tartományban van, melyben az emberi szem a legérzékenyebb, tehát ha a két fénypor azonos hatásfokkal alakítja át a kék fotonokat sárgás-zöld illetve narancs-vörös fotonokká, úgy a CW p-led esetén a keletkező fényáram nagyobb lesz. Ez általános érvényű, 2 Angolban a phosphor szó nem csak foszfort, de fényport is jelent, sajnos magyarba sokszor helytelenül foszforos LED-nek fordítják. 3 chip: morzsa, a félvezető dióda, melyben az elektromos áram hatására a fényjelenség létrejön. 4 Világítástechnikai évkönyv

2 Szilárdtest fényforrások alkalmazása Mivel világítsunk? és a közvilágításban használandó LED kiválasztásának egyik szempontja: a CW LEDek fényhasznosítása mindig jobb, mint a WW LED-eké. zást fény- és színérzetté, ezek színképi érzékenységét a 2. ábra szemlélteti, ahol S a rövidhullámú (Short wavelength, vagy kék), M a közepes hullámhosszúságú (Medium wavelengh, vagy zöld), L a hosszúhullámú (Long wavelength, vagy vörös) színképtartományban érzékeny csap-spektrum. Az L és M csap jeléből tevődik össze egy olyan ingerület, amely gyakorlatilag megfelel a V(l)- val leírt fénysűrűség észleletnek. Ezt és a sötétben látásért felelős pálcikák színképi érzékenységét (V (l)) a 3. ábra szemlélteti. 1. ábra Meleg fehér (WW) és hideg fehér (CW) p-led színképe. A kérdés ezek után az, hogy a láthatósági függvénnyel (V(l)) meghatározott megvilágításon és fénysűrűségen, mint a láthatóság lényeges paraméterén kívül van-e még a jó látást befolyásoló tényező, melyet a LED kiválasztásánál figyelembe kell venni. 2. Látásfiziológiai és látásfizikai tényezők A közúton mezopos látási körülmények között kell a gyalogosnak és a gépkocsivezetőnek akadályokat felismernie, azok felbukkanására reagálnia. Ezekhez az ember különböző látási funkciókat vesz igénybe, melyek közül legfontosabb a mezopos látás, de lényeges a látásélesség változása a fénysűrűség és kontraszt függvényében. 2.1 Mezopos látás Az ember retináján kétféle fényérzékelő sejt van 4 : a világosban- és színes látásért felelős csapok és a sötétben (és részben a perifériális) látást biztosító pálcikák. A világosban látásért felelős csapokban háromféle szem-bíbor alakítja át az optikai sugár- 4 További, a látásban közvetlenül nem résztvevő sejt csoport a sugárzásérzékeny gangion sejt, ezek működésével jelen tanulmányban nem foglalkozunk. 2. ábra A háromféle csap színképi érzékenysége 3. ábra A pálcikás látás V (l), valamint a világosban látásért felelős V(l) színképi érzékenység. A világosban látás (fotopos látás, kb. 5 cd/ m 2 fölött) és a sötétben látás (szkotopos látás, kb cd/m 2 alatt) között helyezkedik el a mezopos látás tartománya, amelyben mind a csapok, mind a pálcikák részt vesznek a látás folyamatában. Lényeges megje- Világítástechnikai évkönyv

3 Mivel világítsunk? Szilárdtest fényforrások alkalmazása gyeznünk, hogy ebben a tartományban a világosban látáshoz hasonlóan a fénysűrűség jellegű mennyiség leírásához a V(l) és a V (l) görbéből indulhatunk ki. Ez ad felvilágosítást arra vonatkozóan, hogy milyen gyorsan látjuk meg az akadályt az úton, s látjuk-e az akadály (pl. a járdáról lelépő gyalogos) részleteit. A világosság érzet kialakításában mind a három csap típus részt vesz, s ez fontos lehet gyalogos-, sétáló utcák világításához kiválasztandó LED színképek meghatározásánál. Ez azonban a jelen eszmefuttatásnál tovább vezet, és további meggondolásokat tesz szükségessé. További fontos látásfiziológiai felismerés, mely meghatározza, hogy milyen színképi érzékenységgel számoljunk a közvilágítási feladatok megoldásánál az, hogy az emberi foveában, azaz a szemünk legérzékenyebb területén, nincsenek pálcikák, azaz mezopos látási körülmények között is olyan a színképi érzékenység, mint világosban látáskor (a V(l) görbével számolt fénysűrűségek a mérvadók). 4. ábra A gépkocsivezető látómezeje és abban a megfigyelendő látási feladat elhelyezkedése A 4. ábra szemlélteti a gépkocsivezető látómezejét és abban két fontos látási feladatot: vezetés közben elsősorban a gépkocsi előtti útszakaszt figyeli a vezető, azaz foveális látása az útra irányul, az ott látható akadályok felismerése a V(l) görbe szerinti látással történik mezopos körülmények között is. Az út szélén elhelyezett jelzőtáblákat (vagy a gyalogjárón várakozó gyalogost) periferiálisan látja a gépkocsivezető, ezen esetben a pálcikák szolgáltatta jel hozzájárul a látáshoz, fontos, hogy a közvilágítás ezek jó felismerését is lehetővé tegye. Remélhető, hogy mire ez a közlemény megjelenik, a CIE közreadja a mezopos fénysűrűség meghatározására vonatkozó ajánlását. Ennek lényege, hogy ha ismerjük az adott látási feladat világosban látásra (fotopos látás) vonatkozó, hagyományos, fénysűrűségét és a megvilágítást létrehozó fény színképi teljesítményeloszlását, illetve a fotopos fénysűrűség mellett a szkotopos fénysűrűséget is, úgy számítani tudjuk a mért fotopos fénysűrűséghez tartozó mezopos fénysűrűséget, mely tehát a fotopos fénysűrűség mellett függ a megvilágító fényforrás relatív színképi teljesítményeloszlásától. Az 5. ábra azt mutatja, hogy a fotopos fénysűrűség csökkenésével a hideg fehér fémhalogénlámpa (MH-DL) mezopos fénysűrűsége lassan csökken, 0,01 cdm-2 fotopos fénysűrűségnél értéke még kb. 0,02 cd m-2. Ezzel szemben a kisnyomású Na-lámpa ugyanakkor csupán kb. 0,005 cd m-2 fénysűrűségű, azaz fényhasznosítás több mint egy nagyságrenddel csökkent a fémhalogénlámpáéhoz képest. Természetesen nem szabad elfelejtenünk, hogy közutak világításánál 0,01 cd m-2 fénysűrűség nem lép fel, egy nagyságrenddel nagyobb fotopos fénysűrűségnél az eltérés már csupán kb. háromszoros, amit a Na-lámpa nagyobb fényhasznosítás részben kompenzál. LED-es világításra még nem rendelkezünk megbízható elemzéssel, mivel a LED-es világításnál napról napra újabb színképeket dolgoznak ki a gyártók és a fényhasznosítási értékek is folyamatosan javulnak. Egyértelmű azonban, hogy ez az összefüggés a hidegebb fehér LED-ek számára jelent előnyt, hiszen a gázkisülő lámpákkal szemben már fotopos körülmények között is a CW LED fényhasznosítása jobb, mint a WW-é. 6 Világítástechnikai évkönyv

4 Szilárdtest fényforrások alkalmazása Mivel világítsunk? 5. ábra A pálcikás látás V (l), valamint a világosban látásért felelős V(l) színképi érzékenység. 2.2 A megfigyelő életkorának hatása A fotometriai rendszer megalkotásakor elsősorban fiatal észlelőkkel végeztek kísérleteket. Ismeretes azonban, hogy az életkor előrehaladtával a szemlencse áteresztése a rövidebb hullámhosszak felé rohamosan csökken. 450 nm-nél (a kék csipp emissziós maximuma) a 65 éves átlagos megfigyelő szemlencséje 50 %-al kevesebb fényt ereszt át, mint a 25 éves megfigyelő szemlencséje. Annak ellenőrzésére, hogy ennek valóban van-e hatása a finom részletek felismerésére mezopos látási körülmények között, kísérletet végeztünk CW és WW p-led-ekkel, valamint nagynyomású Na-lámpával. A kísérletek azt mutatták, hogy fiatal észlelő ki tudja használni a hidegebb fehér fény nyújtotta nagyobb mezopos fénysűrűség előnyét, de idősebb megfigyelő nem. Ezt az új mezopos fénysűrűség ajánlásoknál figyelembe kell majd venni. 2.3 Mezopos fénysűrűség és világosság A CIE 1924-ben, amikor a fotometriai rendszert megalkották, a V(l) függvényt láthatósági függvénynek (visibility function) keresztelte el, ma spektrális fényhatásfok a hivatalos neve, mivel az évtizedek során felismerték, hogy a fénysűrűség fontos jellemző a látást igénylő munkavégzés során, de nem írja le a világosság (láthatóság?) érzést. Számos közlemény foglalkozott világosság és fénysűrűség viszony kérdésével, első sorban színes fények esetén. A közelmúltban a kutatók érdeklődése a közel fehér fények világosságának leírása felé fordult, mert mind fotopos, mind mezopos fénysűrűségeknél azt tapasztalták, hogy a kékesebb fehér fényeket világosabbnak érzékeljük. Hideg fehér LED-ekkel megvilágított közutakat pl. nagynyomású Na-lámpákkal megvilágított utakkal összehasonlítva a megfigyelő benyomása az, hogy azonos fotopos fénysűrűség esetén (V(l)-hoz igazított mérőműszerrel mérve) a CW-LED-del megvilágított út világosabb, s ez könnyen ahhoz a következtetéshez vezet, hogy ott jobbak a látási feltételek. Egyes országokban ezen szubjektív érzés alapján odáig mentek, hogy engedélyezték, hogy hideg fehér fényű fényforrásokat alkalmazva egy útkategóriával kisebb megvilágítást valósítsanak meg, mint sárgás-fehér (nagynyomású Nalámpa) fény alkalmazása estén. Ezen meggondolások azonban néhány további kérdést nem vesznek figyelembe: A világosság érzet nem azonos a részletek gyors felismerésének képességével. Kísérleteink igazolták, hogy a világosság érzet nem korrelál a gyors reakcióképességgel. A gyors foveális felismerés a CW és a WW fény esetén is jobban egyezik a fotopos fénysűrűséggel, mint valamely világosság metrikával. A kékesebb fehér fénnyel megvilágított vöröses színű felületek mezopos fénysűrűségek esetén a Purkinje hatás következtében gyorsabban veszítenek világosságukból, mint a kék színek. Ez fontos lehet az út mentén elhelyezett jelzőtábla, pl. piros színű behajtani tilos tábla, felismerésénél. Az 1. ábra szerinti CW p-led alkalmazásával már a világosban látás fénysűrűségi szinteken is viszonylag sötét lesz a tiltó tábla vörös felülete, mezopos Világítástechnikai évkönyv

5 Mivel világítsunk? Szilárdtest fényforrások alkalmazása körülmények között ennek világossága már könnyen beleolvadna a környezet világosságába, a színt nem látnánk jól. Egyes vizsgálatok szerint mezopos fénysűrűségi viszonyok között is lényeges szerepe van a jó színvisszaadásnak vagy talán a jó szín-felismerésnek ahhoz, hogy a vizsgált környezetet világosnak, komfortosnak érezzük. További vizsgálatokra lesz szükség ahhoz, hogy számszerűsíteni lehessen a kidolgozás alatt álló új mezopos fotometria összefüggéseit a gyors felismerés, a részletek tiszta megkülönböztethetősége és a világosság érzet kialakulása érdekében. 2.4 Látóélesség, kontraszt, káprázás Az optimális fényforrás színkép meghatározásához még számos további kérdést is tisztázni kell: Szemünk optikája nem tökéletes, ismert a kromatikus aberrációja, azaz, hogy nem képes egyidőben fókuszálni a rövidebb és hosszabb hullámhosszakra. Amikor a nagynyomású higanylámpák helyett a nagynyomású nátrium-lámpák bevezetésre kerültek, számos megfigyelés látott napvilágot, hogy a monokromatikusabb Na-fényben tisztább a látás. Ezt a kromatikus aberráció okozta életlenedés elmaradásának tulajdonították. CW és WW LED-ekkel végzett hasonló vizsgálatokról nem tudunk. Ismert, hogy az emberi szem rontó káprázás érzékenysége ugyancsak változik a fény hullámhosszával, de függ pl. a szem íriszének színétől is: a kék-szeműeknél nagyobb a kialakuló fátyol-fénysűrűség, és valószínűsíthető, hogy a CW p-led nagyobb kék sugárzása nagyobb fokú káprázást okoz majd, de ez is még alaposabb vizsgálatra vár. Szemünk kontrasztérzékenysége is változik a fény színképével. A legkisebb megkülönböztethető kontraszt (kontraszt határérzékenység) fehér fény esetén a 2 3 tájékán van, de finomabb szerkezete (hideg-meleg fehér fény) további vizsgálatokat igényelne. Fentieken túlmenően figyelembe kell venni azt is, hogy a gyalogos számára a szembe jövő másik gyalogos arcvoná sainak a felismerése is fontos. Ezt egyrészt a félcilindrikus megvilágítás értékével számszerüsítjük, s ezt a fényeloszlás megfelelő geometriája határozza meg. Szükséges azonban a jó szín-felismerés is, amit a színvisszaadás fogalmával jellemzünk. Ismeretes, hogy a szilárdtest fényforrások megjelenése épp ezen fényforrásoknak a szokásostól eltérő színképe miatt kérdéseket vetett fel a színvisszaadási index meghatározásával kapcsolatban is. Nemzetközileg ezt a kérdést még nem zárták le, mai ismereteink szerint a jó színvisszaadásnak jelentős szerepe lehet az általános világosság érzet kialakításában, és a másik járókelő felismerésében is. A jelenleg használt rendszert figyelembe véve az R a >80-at célszerű betartani, és külön figyelmet fordítani az R 9 indexre, mely a vörös színű felületek színének visszaadását írja le, s ez az érték legyen nagyobb mint Következtetések és összefoglalás Mint láthattuk, ha csupán a mezopos látás színképi érzékenységét vesszük figyelembe, úgy a hidegebb fehér fénytől a közvilágításban szokásos fénysűrűségek esetén jobb látást remélhetnénk, illetve csökkenthetnénk a megvilágítást azonos látási körülmények elérése érdekében, s ez energia-megtakarításhoz vezethetne. Ez valóban fenn áll, ha csak a környezet világosságát tekintjük. A gépjárművezető feladata azonban elsősorban az, hogy a gépkocsi előtt lévő akadályokat időben felismerje, a gépkocsit megfelelően irányítsa. Ehhez jó foveális látásra van szüksége, s ezt a hagyományos fotometriai rendszer alapján méretezhetjük. A fentieknek megfelelően tehát, ha az eddigi közvilágítási előírások a megvilágítandó úttest számára a forgalom és egyéb mutatók alapján meghatározott fénysűrű- 8 Világítástechnikai évkönyv

6 Szilárdtest fényforrások alkalmazása Mivel világítsunk? séget (vagy megvilágítást) írtak elő, úgy azt a mezopos fénysűrűség új mérőrendszerére áttérve nem értelmezhetjük egyszerűen azonos megkövetelt számértékű mezopos fénysűrűségként/megvilágításként. Ugyanakkor a hidegebb fehér fény alkalmazásával megtartva az úttesten az előírt (fotopos) fénysűrűséget növelhetjük a környezet érzékelt világosságát, így látszólag jobb világítást biztosíthatunk. Nem tehetjük ezt azonban minden határon túl: ha nagyon magas korrelált színhőmérsékletű fényforrást választunk (pl K fölöttit), úgy csökken a környezetben lévő vöröses tárgyak láthatósága, ami adott útjelzések felismerését nehezítheti. Hasonló eredményre jutunk, ha figyelembe vesszük a közutakat használók életkorát: ha csupán a közúton lévő akadály felismerését tekintjük a megvalósítandó világítás értékének kritériumaként, és fiatal megfigyelőkkel dolgozunk, akkor hideg-fehér fényt alkalmazva csökkenthetnénk a megvilágítást. De akkor az idős megfigyelő az adott akadályt már rosszabbul látná, mint meleg-fehér világítás esetén. Tehát az eddigi (meleg-fehér világításhoz készített) előírásokból nem engedhetünk, mivel a hideg-fehér fény alkalmazásával az idős megfigyelő számára nem mutatkozik előny. Mindezeket összevetve a jelen ismeretek alapján azt javasolhatjuk, hogy kb K-es korrelált színhőmérsékletet válasszunk a közvilágítási lámpatestek fényforrásai számára. Ha az adott területen fontos a gyalogos vizuális komfortja is, úgy célszerű a fényforrás színvisszaadási indexét is figyelembe venni. R a >80 és R 9 >50 célszerű értékek. Köszönetnyilvánítás Szerző köszönetet szeretne mondani a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatalnak, mely a Jedlik Ányos program keretében anyagi segítséget nyújtott az egyes kutatási feladatok megoldásában, valamint a Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Kara Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszéke Virtuális Környezetek és Fénytani Laboratóriuma dolgozóinak, akik értékes megjegyzéseikkel és tanácsaikkal hozzájárultak a cikk megírásához. Világítástechnikai évkönyv