LED és ami mögötte van

Átírás

1 LED és ami mögötte van Dr. Szabó Ferenc Virtuális Környezetek és Fénytan Kutatólaboratórium ó Pannon Egyetem Veszprém LG Akadémia, , Budapest, Hungary

2 Tartalomjegyzék Bemutatkozás tk Fényforrások tegnap és ma Fizikai alapok LED ek vezérlése LED élettartam vizsgálatok LED ek hőmérséklet függése Az emberi látórendszer LED fotobiológia Mezopos látás, útvilágítás Bltéi Beltéri világítás Múzeumvilágítás

3 Virtuális Környezetek és Fénytani Kutatólaboratórium Gömbi mérések LED élettartam vizsgálatok Fényforrás színképi optimalizálás 1,2 V'(λ) max S(λ) 1,0 iprgc V(λ) S(λ) max Színképi mérések relat ive SPD / sensitivity 0,8 0,6 0,4 0,2 V'(λ) Laborvezető: Prof Schanda János 0, ,2 wavelength [nm] Goniometria

4 Fényforrások tegnap és ma

5 A fényhasznosítás fogalma, evolúció Fényhasznosítás: egységnyi felvett teljesítményhez (1W) tartozó fényáram [lm]. Mértékegysége: lm/w Izzólámpa: 6 19 lm/w Halogén izzólámpa: lm/w Fénycső: lm/w Higanygőzlámpa: lm/w Kisnyomású Na lámpa: lm/w Nagynyomású Na lámpa: lm/w LED:??? (254 lm/w hó) CCT: 4408K I n = 350 ma

6 Színképi teljesítményeloszlások 1,2 1,4E 03 Szélessávú színképi eos eloszlások: 12E 03 1,2E Izzólámpa 1,0E 03 Természetes (nappali) 8,0E 04 sugárzáseloszlás Keskenysávú színképi eloszlások: Fénycső Na lámpa Világító dióda (LED) Na V(λ) sítményeloszlás 2*str*nm] színképi teljes [W/m2 1,2 60E04 6,0E 04 4,0E 04 2,0E 04 Ch 13 CW Ch 17 WW 0,0E hullámhossz [nm] V(λ) Izzólámpa 3 sávos fénycső D65 1,0 1,0 relatív teljesítményel loszlás / érzékenység 0,8 06 0,6 0,4 0,2 0, tív teljesítmény yeloszlás / érzékenysé ég relat 0,8 06 0,6 0,4 0,2 0, ,2 hullámhossz [nm] -0,2 hullámhossz [nm]

7 Fizikai alapok

8 LED történelem 1907 Henry Joseph Round: rádiótechnológiaikísérletek szilícium karbid (SiC) félvezető kristállyal 1928 Oleg Vladimirovich Losev: megállapította, hogy a fénykibocsátást nem hőmérsékleti sugárzás okozza 1936 George Destriau: cink szulfid (ZnS) port gerjesztett elektromos árammal: elektrolumineszcencia 1950 GaAsinfravörös LED ek, majd Al, P hozzáadásával vörös, sárga, zöld színű LED ek (AlGaAs, GaAsP, GaP) 1991 Shuji Nakamura: InGaN ből készült 1991 Shuji Nakamura: InGaN ből készült kék LED ==> fehér LED ek

9 Fehér fény LED ekkel miért kell kék LED?

10 Fizikai alapok félvezetők A tiltott sáv szélessége (E t ) alapján: E t < 0,1 ev => vezetők 0,1 ev < E t < 5 ev => félvezetők E t > 5 ev => szigetelő (1 ev = 1, J) Az emittált fény színe: E h f h E : a tiltott sáv szélessége h : Planck állandó (6,6261 * Js) c : m/s Λ : az emittált foton hullámhossza c

11 Fizikai alapok félvezetők Nagyobb tiltott sáv szélesség => rövidebb csúcshullámhossz => nagyobb nyitóirányú feszültség I n =350 ma esetén: AlGaInN 3,4 3,9 V AlGaAs 2,7 2,9 V

12 Fizikai alapok LED karakterisztika U AK :a diódára kapcsolt feszültség I max : az a maximális áram, amely a diódán átfolyva még nem okoz károsodást U F: az a feszültség, ahol az áram 0,1 I max értékű (ahol a dióda kinyit) Ge diódák: 0,2 0,4 V qu AK kt I I 0 e 1 Si diódák: 05 0,5 08V 0,8 I 0 : záróirányú áóiá útelítődési áram k : Boltzmann állandó T : abszolút hőmérséklet q: elemi töltés

13 LED ek fényerősség szabályzása y előtét ellenállás változtatása impulzus szélesség moduláció (PWM) impulzus amplitúdó moduláció (PAM) PWM PWM PAM

14 LED élettartam vizsgálatok

15 Hőmérsékletfüggés LED ek hőmérsékletfüggő tulajdonságai: optikai teljesítmény fényhasznosítás, színképi teljesítményeloszlás, színes LED ek: csúcs hh. +/ néhány nm, fehér LED ek: gerjesztő csúcs+fénypor által keletkezett fény aránya élettartam, nyitófeszültség.

16 Mérési eredmények feszültség 2,660 Nyitófeszültségek az életkor függvényében 2,640 2,620 2,600 2,580 USA 1 A USA 1 B ASIA USA 2 2,

17 Mérési eredmények (rel.) fényáram detektor V(λ) illesztett érzékenységgel pozícionáló tubus PC s szoftver időzített mérési lehetőséggel

18 Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 2. USA1A 035A 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% % átlag 70% 65% 60% óra]

19 Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 3. USA1B 035A 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% % átlag 70% 65% 60% óra]

20 Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 4. EU 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% % átlag 70% 65% 60% óra]

21 Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 5. USA2 035A 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% % átlag 70% 65% 60% óra]

22 Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 10. USA2 07A 0,7A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% % átlag 70% 65% 60% óra]

23 Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 8. NoName 07A 0,7A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% % átlag 70% 65% 60% óra]

24 Mérési eredmények színinger színkép mérés OO S2000 integráló tubussal színinger mérés 4 csatornás színingermérővel

25 Mérési eredmények színinger 0, USA1A 0,35A 0,375 0,350 y 0,325 0,0035 0, ,300 1kh 0,0025 0,300 0,325 2kh 0,350 x 0,375 0,400 0,0020 0,0015 3kh 0,0010 4,5kh 0,0005 6kh 0,0000 8kh kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

26 Mérési eredmények színinger 0, USA1B 0,35A 0, USA1B 0,7A 0,375 0,375 1kh 0,350 0,350 2kh 3kh 0,325 0, kh y 6kh y ,300 0,300 8kh 0,0070 D65 0,275 0,275 Planck 0,0060 1kh 0,0050 0,250 0,250 0,275 0,300 0,325 x 0,350 0,375 0,275 0,300 2kh 0,0040 0,325 x 0,350 0, ,0030 3kh 0,0020 4,5kh 0,0010 6kh 0,0000 8kh kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

27 Mérési eredmények színinger 0, EU 0,35A 0,350 0,325 0,0045 0,300 0,0040 0, ,275 1kh 0,0030 0,275 0,300 2kh 0,325 x 0,0025 3kh 0, ,350 0,375 0,0015 4,5kh 0,0010 0,0005 0, y 6kh 8kh 1kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

28 Mérési eredmények színinger 5. USA2 0,35A 0,350 0, USA2 0,7A 0,0070 0,0060 0,0050 0,0040 0, ,0020 0,0010 0,0000 1kh 0,325 0,325 2kh 3kh 4.5kh 0,300 0,300 6kh y 8kh y 0,275 0,275 D65 Planck 0,250 0,250 0,250 0,275 0,300 x ,325 0, ,250 0, ,300 x ,325 0, kh 2kh 3kh 4,5kh 6kh 8kh 1kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

29 Mérési eredmények hőellenállás Poppe A., MicReD & Techn. Uni. Bp. nyomán

30 Mérési eredmények hőellenállás Poppe A., MicReD & Techn. Uni. Bp. nyomán

31 LED ek hőmérséklet függése

32 A fényáram hőmérséklet függése különböző LED ek esetén

33 Vörös LED színképi teljesítményeloszlása különböző hőmérsékletek esetén RD 6 20 rel. int tensity wavelength, nm 23,0 C 40,0 C 59,2 C 70,7 C

34 LED termikus mérések Egy LED hőellenállása: R thr = T / P heat = T / (P el P opt ) Poppe A., MicReD & Techn. Uni. Bp. nyomán P el : bemenő elektromos teljesítmény, P opt : emittált optikai teljesítmény Meghatározása: á Állandósult lt állapotból kiindulva egy LED bk bekapcsolása (vagy kikapcsolása) után az újbóli állandósult állapot bekövetkezéséig. Amíg a következő állandósult állapotra várunk, rögzítjük a valós tranzienst, ahogy az végbemegy. P P 2 P ΔP 1 t T 2 T 1 T R thja ΔT t T P

35 Az emberi látórendszer

36 Retinális fotoreceptorok Csapok száma: 7 millió Pálcikák száma: 120 millió Az agy felé távozó idegek száma: 1.2 millió

37 Fénysűrűségi tartományok 780 lm L p 683 S( ) V ( ) d W 380? 780 lm L s 1699 S( ) V '( ) d W 380

38 LED ek és a látásélesség

39 Idős megfigyelők vizuális teljesítménye Idősek szemlencséjének áteresztőképessége változik a nm hullámhossz tartományban Ez a hatás leginkább 65 év feletti megfigyelők esetén figyelhető meg A sárgult szemlencse több beeső sugárzást nyel el a látható tartomány rövidebb részén, ami a kék színek esetén csökkent érzékenységet okoz Saját kísérleti eredmények: Melegfehér LED esetén az idős megfigyelők szignifikánsan több hibát vétenek 0,6 Hidegfehér LED es fényforrások esetén a fiatal és idős megfigyelők hibaaránya azonos. 0,4 relative SPD 1,4 1,2 1,0 0,8 warmwhite LED coolwhite LED Konklúzió: Használjunk semleges fehér fényforrásokat melegfehér LED es helyett 0,2 0, wavelength [nm]

40 Purkinje hatás

41 Purkinje hatás A fénysűrűség csökkenésével a mezopos tartomány felső részéből (10 cd/m 2 ) az alsó része (3 cd/m 2 ) felé... Vörös színek tűnnek el először Aztán a zöld színek Végül az emberi látórendszer átáll pálcika monokróm látásra

42 Purkinje hatás Az emberi látórendszer átállása a csaplátásról (fotopos) a pálcika látásra (szkotopos) nem egy lépcsőben, hanem fokozatosan megy végbe.

43 LED ek és a napi életritmus

44 LED ek és a cirkadián ritmus Néhány retinán található ganglion sejt melanopszint tartalmaz, amelynek a látható színképtartomány rövid részében van elnyelési maximuma Ezen ganglion sejtek gerjesztése befolyásolja a melatonin hormon kiömlését a vérbe. A gátló álómechanizmus színképi hatásfüggvénye nem ismert iprgc (Intrinsically Photosensitive Ganglion Cells) érzékenységi függvénye Maximális érzékenység: 464 nm A fényporos fehér LED ek gyártásához használt kék LED ek csúcshullámhossza gyakran ebbe a tartományba esik.

45 Hagyományos y fényforrások és a retinán található receptorok érzékenysége 1,2 V(λ) S(λ) iprgc érzékenység Izzólámpa 3 sávos fénycső D65 1,0 ítményeloszlás s / érzékenység relatív teljes 0,8 06 0,6 0,4 0,2 0, ,2 hullámhossz [nm]

46 Óvatosan a fénnyel! 10 lxmegvilágítás borostyán LED del dlmár aktiválja az éjszakai látást t a fürdőszobában, a napi életritmus befolyásolása nélkül A divatos kék színű fény éjszakai jelzőfényként befolyásolhatja a napi életritmust. t Figueiro LD+A 2005

47 Blue light hazard A nagyképernyős, nagy fénysűrűségű modern TV emissziója befolyásolja a napi életritmust: Ne használjuk a hálószobában!

48 Beltéri világítás

49 A vizuális kísérletek múltja és jelene Megfigyelő dobozos kísérletek Kisméretű és korlátozott számú lehetséges tesztminta A megfigyelő belemerülése (immerzió) nem garantált Teljes méretű kísérletek Valós méretű teszt minták A megfigyelők teljes belemerülése

50 Spektrumszimulációs laboratórium Két azonos méretű laboratóriumi helyiség: konyha, étkező nappali szoba Mindegyik szobában 4 referencia és 4 hangolható színképű LED lámpatest Légkondicionálás, hőmérséklet stabilizálás Vizsgált paraméterek: megvilágítás/fénysűrűség, színességi jellemzők (SPD, CCT) Optimális színképi teljesítményeloszlást találni: Vizuális tisztaság, Vizuális komfort, Preferencia, Élénkség Éberség, munkavégző képesség

51 Spektrumszimulációs laboratórium Nappali szoba Referencia fényforrás: Halogén 3000K CCT Konyha, étkező

52 Elsődleges LED színképek 1,2E-02 C01 C nm C03 C04 1,0E-02 C05 C07 C06 C08 C09 C10 8,0E-03 C11 C12 ab bsolute SPD 6,0E-03 C13 C15 C17 C19 C14 C16 C18 C20 4,0E nm 2,0E-03 0,0E wavelength [nm]

53 Spektrumszimulációs laboratórium LED lámpatestek: 20 független csatorna (bővíthető 24 csatornára), 24 LED /csatorna (névleges teljesítmény: 480W) 16 tápegység, egyenként 24 független csatorna Vezérlés: PAM (Pulse Amplitude Modulation) PWM PAM

54 Kísérlet közben

55

56

57

58 Aktuális kísérletek, Kutatási témák A világítás vizuális hatásai Színpreferencia, színkiemelés Színhűség, Színharmónia, vizuális komfort otthoni környezetben A tekintet vándorlásának követése Eye Tracking System segítségével A világítás nem vizuális hatásai Fénysűrűség/észlelt világosság leírása Ganglion sejt gerjesztés, pupilla átmérő mérése ( Eye Tracking System segítségével) Munkavégző képesség, teljesítmény és éberség tesztek Agyhullámok mérése EEG sapka segítségével Vérnyomás / pulzus szenzorok Véroxigén szaturáció szenzorok Testhőmérséklet szenzorok Galvanikus bőrellenállás szenzorok

59 LED ek a múzeumvilágításban

60 Múzeumvilágítás Követelmények Fényforrás UV tartalom (µw/lm) Természetes (nappali) fény Izzólámpa Halogén izzólámpa Kompakt Fénycső Fémhalogén lámpa Fénykibocsátó dióda (LED) <5 CIE: Control of damage to museum objects by optical radiation. CIE 157:2004.

61 Jelenleg múzeumvilágításra használt fényforrások színképi teljesítményeloszlása spectra al power dis stribution [relative un it] 1,2 10 1,0 0,8 0,6 0,4 420 nm White Phosphor LED Metal Halide lamp Halogen lamp D65 CFL 0,2 0, wavelength [nm]

62 és teljesítménye az UV közeli tartományban spect tral power distribution [relative unit] 12 1,2 1,0 0,8 0,6 04 0,4 420 nm White Phosphor LED Metal Halide lamp Halogen lamp D65 CFL 0,2 0, wavelength [nm]

63 Fényforrás típus kiválasztása Halogén izzólámpa: nagy IR tartalom kiváló színvisszaadás rövid élettartam Fémhalogén lámpa: jó hatásfok megfelelő színvisszaadás hosszú élettartam UV szűrő szükséges LED: Nincs UV és IR! Hosszú élettartam Megfelelő színvisszaadás Jó fényhasznosítás Hangolható színképpel a megjelenés módosítható

64 A Sixtus Kápolna és világítási rendszere Általános lá adatok: Épült: A világ 10 leghíresebb múzeumának egyike Évente 4,44 millió látogató nemzetközi látogató naponta, Michelangelo Utolsó ítélet című alkotása minden idők második legnagyobb freskója Michelangelo 460 m 2 területen festett freskókat Világítás: Jelenleg a 12 ablak mögött elhelyezett fémhalogén lámpák A padló megvilágítása: 2 lx 6 lx A freskók megvilágítása <50 lx Gála világítás esetén az általános világítást kiegészíti 30 x 500 W + 10 x 1000 W halogén izzó Az új világítási rendszernek LED Az új világítási rendszernek LED alapúnak kell lennie

65 A vatikáni Sixtus kápolna

66 A fényforrások színminőség meghatározásának lehetőségei CIE 13.3 as 3 publikáció (1995): Colour Rendering Index Színminták referencia és teszt fényforrás alatti megjelenése közötti színkülönbségek alapján számítjuk. Referencia fényforrás: teszt ff. CCT < 5000K > > azonos színhőmérsékletű feketetest (Planck) sugárzó teszt ff. CCT > 5000K > azonos korrelált színhőmérsékletű nappali sugárzás eloszlás Színi áthangolódás: Von Kries adaptációs transzformáció Színkülönbségek számítása az 1964 U*V*W* színingertérben speciális színvisszaadási index (R i ): R a általános színvisszaadási index: Commission Internationale de l Eclairage: Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources. Publication CIE (a verbatim re publication of the nd edition). R R i E i 1 8 a R i 8 i 1

67 Reneszánsz freskók reflexiós színképei A mai fényforrás színminőségi formulák mai festékpigmentekbőlkészített tesztmintákat használnak => A reneszánsz kori pigmentek a mai festékektől jl jelentősen eltérő ő színképi reflexióval l rendelkeznek => A színképi optimalizálástreneszánsz A színképi optimalizálást reneszánsz tesztminták használatával kell elvégezni!!!

68 Miért van szükség helyszíni mérésekre? A színvisszaadásiindex index tesztmintáktól való függése: 3-LED-1 3-LED-2 3-LED-3 3-LED mod del gamut 4-LED-1 m ax R a 4-LED-2 m 12) ax R(9-4-LED no yellow 4-LED with yellow Phosphor LED YAG Samples E * ab R i CIE 1 # CIE 2 # A 4 LED 2max R9 esetén ugyanazt az eredményt kapjuk, ha a CIE 1. számú teszt mintát vagy annak metamer párját használjuk, VISZONT a 3 LED 3 3 és 4 LED no yellow fényforrások esetén a színvisszaadási indexek ellentétesre változnak, a CIE 1. számú és CIE 2. számú teszt minta esetén is.

69 Színvisszaadási index tesztminta függése példa 0,009 0,008 0,007 RGB LED 0, ,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0, ncri tesztminta 17 freskó minta CCT 3391 K 3391 K duv 1.2 x x 10 3 Ra, CIE Ra CQS Qa Colour shift in CAM02-UCS space 17 Art sample - ncri 17 sample (o:- reference, Open end:- tested) 70 b c ' a c '

70 LED színképi optimalizálás reneszánsz freskókhoz 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0, Multi Colour LED kombináció Colour shift in CAM02-UCS space 17 Art sample - ncri 17 sample (o:- reference, Open end:- tested) 70 b c ' ncri tesztminta 17 freskó minta CCT 4000 K 4000 K 10 duv 4.5 x x 10 4 Ra, CIE Ra CQS Qa a c '

71 Köszönöm a figyelmet! Dr. Szabó Ferenc Virtuális Környezetek és Fénytani Kutatólaboratórium Pannon Egyetem Veszprém, Egyetem u. 10. E mail: szabof@szafeonline.hu