СПОСОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ОСВЕЩЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫМ МОНОХРОМАТИЧЕСКИМ СВЕТОМ ПРИ МЕЗОПИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ ГЛАЗА ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2018 года по МПК A61F9/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области светотехники

Уровень техники

Известны самые разнообразные способы освещения с использованием различных источников света. Одними из наиболее энергоэффективных источников света являются светодиоды. Наиболее распространен и энергоэффективен люминофорный светодиод белого света. Все приборы освещения созданы по нормам и рассчитаны на использование механизма дневного зрения человека. Также существуют способы освещения, использующие механизмы и дневного, и ночного зрения - механизм сумеречного зрения, или мезопического зрения, при котором используются и колбочковые, и палочковые фоторецепторы сетчатки глаза человека. Для мезопического зрения важен S/P фактор (Scotopic/Photopic), т.е. соотношение световой отдачи источника света в условиях ночного зрения к световой отдаче в условиях дневного зрения. В качестве ближайшего аналога рассмотрим патент США «US 8388174 В2, 05.03.2013» описывающий способ освещения с использованием набора комбинаций различных светодиодных, по существу монохроматических, источников света при мезопической адаптации глаза с соответствующим подбором длин волн, при котором значение S/P фактора составляет больше 2. Способ энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза предлагает использование только одного или нескольких полупроводниковых монохроматических источников света с доминирующей длиной волны 507 (+/-10) нм. Отличием способа энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации от патента США «US 8388174 В2, 05.03.2013» является более высокий S/P фактор и более высокая энергоэффективность. Применение светодиодного источника/источников монохроматического света с доминирующей длиной волны 507 (+/-10) нм, совпадающего/совпадающих с максимумом значения спектральной чувствительности человеческого глаза, адаптированного к скотопическому зрению, позволяет достигнуть значения S/P фактора (S/P=5,6) для способа энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза человека.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является энергоэффективное освещение помещений, территорий и пространств при условии мезопической адаптации глаза человека (от 5*10^-3 до 5 кд/м² (CIE 191:2010)). Это достигается тем, что при освещении способом энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза человека используется преимущество более высокой спектральной чувствительности палочковых фоторецепторов сетчатки глаза человека при λ=507 нм, К'max=1700 лм/Вт, по сравнению с колбочковыми фоторецепторами сетчатки глаза человека при λ=555 нм, Кmах=683 лм/Вт, при котором уровень S/P фактора достигает значения S/P=5,6 для способа энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза человека. В качестве примера сравним энергоэффективность монохроматического светодиодного источника света с λ=507 нм с энергоэффективностями различных комбинаций, по длинам волн, монохроматических светодиодных источников света, предложенных в патенте США «US 8388174 В2, 05.03.2013». В патенте США «US 8388174 В2, 05.03.2013» указаны комбинации монохроматических светодиодных источников света, принадлежащих следующим диапазонам длин волн: 1. 500-525 нм и 600-625 нм; 2. 500-525 нм и 600-640 нм; 3. 500-525 нм, 600-625 нм и 460-490 нм; 4. 500-525 нм, 600-640 нм и 460-490 нм. В каждом диапазоне, для упрощения сравнения, возьмем длину волны, имеющую усредненное значение соответствующего диапазона. Для диапазона 500-525 нм возьмем значение 515 нм, для диапазона 600-625 нм возьмем значение 615 нм, для диапазона 600-640 нм возьмем значение 620 нм, для диапазона 460-490 нм возьмем значение 475 нм. Рассчитаем среднюю энергоэффективность для светодиода с λ=507 нм во всем диапазоне мезопической адаптации при значении коэффициента адаптации 0≤m≤1 с шагом m=0,1. Q_mes=((m*Q_p)+(1-m)*Q_s*(683/1700))/(((m+(1-m))*(683/1700))(CIE 191:2010). Среднее значение Q_mes(507)=816,3 лм/Вт. Рассчитаем среднюю энергоэффективность для комбинаций светодиодов: 1. λ=515 нм и λ=615 нм; 2. λ=515 нм и λ=620 нм; 3. λ=515 нм, λ=615 нм и λ=475 нм; 4. λ=515 нм, λ=620 нм и λ=475 нм. Для комбинации 1. Q_mes1=(Q_mes(515)+Q_mes(615))/2=534,5 лм/Вт; 2. Q_mes2=(Q_mes(515)+Q_mes(620))/2=520,4 лм/Вт; 3. Q_mes3=(Q_mes(515)+Q_mes(615)+Q_mes(475))/3=525,3 лм/Вт; 4. Q_mes4=(Q_mes(515)+Q_mes(620)+Q_mes(475))/3=515,9 лм/Вт. Из расчетов видно, что более высокой энергоэффективностью в мезопическом диапазоне адаптации глаза (более чем в 1,5 раза) обладает способ энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза перед способом, предложенным в патенте США «US 8388174 В2, 05.03.2013». Посчитаем S/P фактор для светодиода с λ=507 нм. Для светодиода с λ=507 нм. S/P фактор = Фs/Фр, где , , где Ре(λ) - функция спектральной плотности мощности, излучаемой источником [Вт/нм]. , т.к. значение функции спектральной плотности мощности излучаемой источником Ре(λ), при длине волны 507 нм равно 1, для монохроматического света с максимальной световой энергоэффективностью при 1700 лм/Вт, V'(λ) при λ=507 нм равно 1 (табличное значение МКО1951).

, т.к. значение функции спектральной плотности мощности, излучаемой источником Ре(λ), при длине волны 507 нм равно 1, V(λ) при λ=507 нм равно 0,4443 (табличное значение МКО1951). S/P фактор = Фs/Фр = 1700/303,46 = 5,6. Для монохромного светодиодного источника с доминирующей длиной волны 507 нм S/P фактор имеет значение 5,6.

Осуществление изобретения

Способ энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза предлагает использовать при освещении монохромный светодиодный источник или источники света с доминирующей длиной волны λ=507(+/-10) нм, при яркости фона в пределах от 5*10^-3 до 5 кд/м². Данные условия соответствуют мезопическому зрению человека (CIE 191:2010). При мезопической адаптации зрения человека и использовании светодиодного монохроматического источника света с доминирующей длиной волны 507(+/-10) нм происходит существенное увеличение световой эффективности вследствие работы палочковых фоторецепторов сетчатки глаза человека (в пределе до 1700 лм/Вт (МКО 1951)) по сравнению с условиями работы колбочковых фоторецепторов сетчатки глаза человека (в пределе до 683 лм/Вт (МКО 1924)). При мезопической адаптации глаза человека, при использовании палочек и колбочек, большое значение имеет так называемый S/P фактор, который имеет высокое численное значение при λ=507 нм для способа энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза человека. Предлагаемый способ энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза использует преимущество светочувствительности палочковых фоторецепторов глаза человека, перед светочувствительностью колбочковых фоторецепторов глаза человека. Существующие источники освещения не создают преимущественных условий для использования палочковых фоторецепторов глаза человека. Существующие искусственные источники света, применяемые при освещении, используют различные непрерывные, в том числе и комбинированные диапазоны длин волн в видимом диапазоне спектра электромагнитного излучения, которые не позволяют наиболее энергоэффективно использовать свойства палочковых фоторецепторов человеческого глаза. Сумеречное (мезопическое) зрение осуществляется с помощью палочкового и колбочкового зрительного аппарата глаза, при мезопической адаптации глаза человека к яркости фона, находящейся в пределах от 5*10^-3 до 5 кд/м² (CIE 191:2010). Для реализации способа энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации глаза необходимо наличие двух условий: 1. Яркость освещаемых объектов, создаваемая светодиодным источником монохромного света, должна быть в пределах мезопической адаптации глаза человека, от 5*10^-3 до 5 кд/м² (CIE 191:2010). 2. Доминирующая длина волны светодиодного монохромного источника света должна соответствовать следующему значению - λ=507(+/-10) нм.

Технический результат изобретения

При использовании способа энергоэффективного освещения светодиодным монохроматическим светом с λ=507(+/-10) нм при мезопической адаптации глаза человека достигаются более высокие значения энергоэффективности и S/P фактора, чем при способе, указанном в патенте США «US 8388174 В2, 05.03.2013». Таким образом, электроэнергии для получения одинаковой зрительной реакции при энергоэффективном освещении светодиодным монохроматическим светом при мезопической адаптации требуется меньше, чем при освещении способом, указанным патентом США «US 8388174 В2, 05.03.2013».

Определение понятий

Дневное (фотопическое) зрение - механизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях относительно высокой освещенности. Осуществляется с помощью колбочек при яркости фона, превышающей 5 кд/м², что соответствует дневным условиям освещения. Палочки в этих условиях не функционируют.

Ночное (скотопическое) зрение - механизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях относительно низкой освещенности. Осуществляется с помощью палочек при яркости фона менее 5*10^-3 кд/м², что соответствует ночным условиям освещения. Колбочки в этих условиях не функционируют, поскольку для их возбуждения требуется более высокая интенсивность света.

Сумеречное (мезопическое) зрение - механизм восприятия света зрительной системой человека, действующий в условиях освещенности, промежуточной по отношению к тем, при которых действуют ночное и дневное зрение. Осуществляется с помощью функционирующих одновременно палочек и колбочек при значениях яркости фона, лежащих в диапазоне между 5*10^-3 и 5 кд/м².

S/P фактор - соотношение световой отдачи источника света в условиях ночного зрения к световой отдаче в условиях дневного зрения - S/P фактор = Фs/Фр, где , , где Ре(λ), (CIE 191:2010) - функция спектральной плотности мощности, излучаемой источником [Вт/нм].

Световая эффективность излучения - физическая величина, равная отношению светового потока к соответствующему потоку излучения: K=Фv/Фе. Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): [лм/Вт].

Спектральная чувствительность зрения - стандартная кривая МКО 1924 и 1951 гг. относительной спектральной чувствительности K(λ), изображенной на Фиг. 2, определяющей световую эффективность, измеряемую в люменах на ватт.

Монохроматический свет, излучение - электромагнитное излучение, обладающее очень малым разбросом частот, в идеале - одной частотой (длиной волны).

Монохроматическое излучение формируется в системах, в которых существует только один разрешенный электронный переход из возбужденного в основное состояние.

Энергоэффективный источник света - источник света, обладающий наибольшей световой эффективностью излучения из всех известных источников света.

Световая отдача источника света - отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в люменах на ватт [лм/Вт]. Является показателем эффективности и экономичности источников света. Выражение для световой отдачи имеет вид: η=Фv/Р, где Фv - световой поток, излучаемый источником, а P - потребляемая им мощность.

Описание графиков и таблиц

На Фиг. 1 представлена зависимость Vmes(λ) от m, где 0≤m≤1.

На Фиг. 2 представлена спектральная чувствительность человеческого глаза V(λ) для дневного и V'(λ) ночного зрения в абсолютных единицах МКО 1924 и МКО 1951.

Изобретение относится к светотехнике и физиологии зрения человека, в частности к обеспечению наиболее энергоэффективного освещения помещений, территорий и пространств при условии мезопической адаптации глаза человека. Для этого способ включает использование одного или нескольких светодиодных источников монохроматического света. При этом освещение проводят с доминирующей длиной волны λ = 507 (+/-10) нм при яркостях освещаемых объектов в интервале от 5*10^-3 до 5 кд/м² (CIE 191:2010), соответствующих мезопической адаптации глаза человека. Способ обеспечивает включение механизма мезопического зрения человека, когда информация воспринимается как палочковыми, так и колбочковыми фоторецепторами сетчатки глаза. 2 ил.

Способ энергоэффективного освещения в условиях мезопической адаптации глаза человека, включающий использование одного или нескольких светодиодных источников монохроматического света, отличающийся тем, что освещение проводят с доминирующей длиной волны λ = 507 (+/-10) нм при яркостях освещаемых объектов в интервале от 5*10^-3 до 5 кд/м² (CIE 191:2010), соответствующих мезопической адаптации глаза человека.