LED és ami mögötte van

LED és ami mögötte van Dr. Szabó Ferenc Virtuális Környezetek és Fénytan Kutatólaboratórium ó Pannon Egyetem Veszprém LG Akadémia, 2012.12.06, Budapest, Hungary

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

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 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780-0,2 wavelength [nm] Goniometria

Fényforrások tegnap és ma

A fényhasznosítás fogalma, evolúció Fényhasznosítás: egységnyi felvett teljesítményhez (1W) tartozó fényáram [lm]. Mértékegysége: lm/w Izzólámpa: 6 19 lm/w Halogén izzólámpa: 21 24 lm/w Fénycső: 58 90 lm/w Higanygőzlámpa: 32 58 lm/w Kisnyomású Na lámpa: 100 181 lm/w Nagynyomású Na lámpa: 70 130 lm/w LED:??? (254 lm/w 2012. 04. hó) CCT: 4408K I n = 350 ma

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+00 380 430 480 530 580 630 680 730 780 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 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 tív teljesítmény yeloszlás / érzékenysé ég relat 0,8 06 0,6 0,4 0,2 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780-0,2 hullámhossz [nm] -0,2 hullámhossz [nm]

Fizikai alapok

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

Fehér fény LED ekkel miért kell kék LED?

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 = 1,6 16 10 19 J) Az emittált fény színe: E h f h E : a tiltott sáv szélessége h : Planck állandó (6,6261 * 10 34 Js) c : 299 792 458 m/s Λ : az emittált foton hullámhossza c

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

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

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

LED élettartam vizsgálatok

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.

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 2,560 0 500 550 1000 2000 3000 4000 4500 6000

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

Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 2. USA1A 035A 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% 21 22 23 24 25 26 75% átlag 70% 65% 60% 0 2000 4000 6000 8000 10000 óra]

Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 3. USA1B 035A 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% 31 32 33 34 35 36 75% átlag 70% 65% 60% 0 2000 4000 6000 8000 10000 óra]

Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 4. EU 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% 41 42 43 44 45 46 75% átlag 70% 65% 60% 0 2000 4000 6000 8000 10000 óra]

Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 5. USA2 035A 0,35A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% 51 52 53 54 55 56 75% átlag 70% 65% 60% 0 2000 4000 6000 8000 10000 óra]

Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 10. USA2 07A 0,7A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% 101 102 103 104 105 106 75% átlag 70% 65% 60% 0 2000 4000 6000 8000 10000 óra]

Mérési eredmények (rel.) fényáram 110% 8. NoName 07A 0,7A 105% 100% 95% 90% [%] 85% 80% 81 82 83 84 85 86 75% átlag 70% 65% 60% 0 2000 4000 6000 8000 10000 óra]

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

Mérési eredmények színinger 0,400 1. USA1A 0,35A 0,375 0,350 y 0,325 0,0035 0,00300030 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 380 480 580 680 780 1kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

Mérési eredmények színinger 0,400 3. USA1B 0,35A 0,400 9. USA1B 0,7A 0,375 0,375 1kh 0,350 0,350 2kh 3kh 0,325 0,325 4.5kh y 6kh y 0300 0,300 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 0,375 00030 0,0030 3kh 0,0020 4,5kh 0,0010 6kh 0,0000 8kh 380 480 580 680 780 1kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

Mérési eredmények színinger 0,375 4. EU 0,35A 0,350 0,325 0,0045 0,300 0,0040 0,0035 0035 0,275 1kh 0,0030 0,275 0,300 2kh 0,325 x 0,0025 3kh 0,00200020 0,350 0,375 0,0015 4,5kh 0,0010 0,0005 0,0000 380 480 580 680 780 y 6kh 8kh 1kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

Mérési eredmények színinger 5. USA2 0,35A 0,350 0,350 10. USA2 0,7A 0,0070 0,0060 0,0050 0,0040 0,00300030 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 0325 0,325 0,350 0250 0,250 0,275 0300 0,300 x 0325 0,325 0,350 380 480 580 680 780 1kh 2kh 3kh 4,5kh 6kh 8kh 1kh 2kh 3kh 4.5kh 6kh 8kh D65 Planck

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

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

LED ek hőmérséklet függése

A fényáram hőmérséklet függése különböző LED ek esetén

Vörös LED színképi teljesítményeloszlása különböző hőmérsékletek esetén RD 6 20 rel. int tensity 15 10 5 0 600 620 640 660 680 700-5 wavelength, nm 23,0 C 40,0 C 59,2 C 70,7 C

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

Az emberi látórendszer

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

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

LED ek és a látásélesség

Idős megfigyelők vizuális teljesítménye Idősek szemlencséjének áteresztőképessége változik a 420 500 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 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 wavelength [nm]

Purkinje hatás

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

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

LED ek és a napi életritmus

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.

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 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780-0,2 hullámhossz [nm]

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

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

Beltéri világítás

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

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

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

Elsődleges LED színképek 1,2E-02 C01 C02 414 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-03 693 nm 2,0E-03 0,0E+00 380 430 480 530 580 630 680 730 wavelength [nm]

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

Kísérlet közben

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

LED ek a múzeumvilágításban

Múzeumvilágítás Követelmények Fényforrás UV tartalom (µw/lm) Természetes (nappali) fény 400 1500 Izzólámpa 70 80 Halogén izzólámpa 40 170 Kompakt Fénycső 30 100 Fémhalogén lámpa 160 700 Fénykibocsátó dióda (LED) <5 CIE: Control of damage to museum objects by optical radiation. CIE 157:2004.

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 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 wavelength [nm]

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 0,0 380 390 400 410 420 430 440 450 wavelength [nm]

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

A Sixtus Kápolna és világítási rendszere Általános lá adatok: Épült: 1473 1481 A világ 10 leghíresebb múzeumának egyike Évente 4,44 millió látogató 25.000 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

A vatikáni Sixtus kápolna

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 8 + 6 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 13.3 1995 (a verbatim re publication of the 1974 2nd edition). R R 100 4.6 i E i 1 8 a R i 8 i 1

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!!!

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 #31 93.5 77.9 90.5 79.4 97.6 89.7 88.6 98.7 83.2 1.07 77.9 61.5 75.5 66.5 97.9 70.9 94.7 95.7 83.3 CIE 2 #4 89.2 82.5 98 88.8 93.7 90.3 89.5 88.7 97.3 2.20 78.5 71.2 77.8 78.0 85.9 84.9 70.6 91.6 91.3 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.

Színvisszaadási index tesztminta függése példa 0,009 0,008 0,007 RGB LED 0,006006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 380 480 580 680 780 17 ncri tesztminta 17 freskó minta CCT 3391 K 3391 K duv 1.2 x 10 3 1.2 x 10 3 Ra, 2012 59 40 CIE Ra 38 38 CQS Qa 54 54 Colour shift in CAM02-UCS space 17 Art sample - ncri 17 sample (o:- reference, Open end:- tested) 70 b c ' 50 30 10 70 50 30 10 10 30 50 70 30 50 70 a c '

LED színképi optimalizálás reneszánsz freskókhoz 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Multi Colour LED kombináció Colour shift in CAM02-UCS space 17 Art sample - ncri 17 sample (o:- reference, Open end:- tested) 70 b c ' 50 30 17 ncri tesztminta 17 freskó minta CCT 4000 K 4000 K 10 duv 4.5 x 10 4 4.5 x 10 4 Ra, 2012 95 96 CIE Ra 95 95 CQS Qa 94 94 70 10 70 50 30 10 10 30 50 70 30 50 a c '

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