Представляем вашему вниманию статью, опубликованную в авторитетном международном журнале LED’s Magazine, в переводе с английского.
Читать первоисточник.
Для достижения наилучших результатов в искусственной среде качественное светодиодное освещение требует тонкого баланса спектров, который оптимизирует несколько объективов для достижения идеального опыта и производительности, — советует МАРТИН МУР-ЭД.
Рис.1. Кривая фотопической яркости в стандарте CIE 1924 используется в люксах, люменах и других показателях (синий), тогда как оптимизированная кривая яркости Sharpe et al. (2005, 2011) исправляет недооценку коротковолновой светимости. (Изображение предоставлено: иллюстрация использована с разрешения Wood 2014 — (https://bit.ly/3tQRo0P.)
Освещение для пространства, занимаемого людьми, требует спектральной оптимизации баланса между четырьмя конкурирующими целями:
Самая распространенная ошибка современного электрического освещения заключается в том, что оно оптимизировано для выполнения только одной или двух из этих критических задач, при этом подрывая другие, не менее важные функции. Например, большинство современных светодиодов массового производства оптимизированы для достижения энергоэффективности за счет ухудшения здоровья и производительности человека, а в некоторых случаях обеспечивают эстетически непривлекательное освещение. Это оставляет перед разработчиками освещения и конечными пользователями неприемлемый выбор: выбирать ли наиболее энергоэффективный светодиод за счет здоровья и производительности человека?
Часто используемые сегодня метрики освещения также не учитывают здоровье человека. Например, показатель энергоэффективности в люменах на ватт (лм / Вт) измеряет только эффективность использования электроэнергии для достижения цели фотопического освещения CIE 1924, а не электрическую эффективность для достижения целей циркадного ритма или производительности человека. А коррелированная цветовая температура (CCT), хотя и полезна в эстетическом дизайне, является вводящим в заблуждение руководством по оптимизации здоровья человека и производительности.
Спектрально оптимизированные светодиоды — будущее освещения
Точная спектральная инженерия, ставшая возможной благодаря технологии твердотельного освещения (SSL) на основе светодиодов, открывает двери для получения света, который отвечает всем четырем ключевым целям. Поскольку каждый из этих объективов имеет уникальную спектральную чувствительность в диапазоне видимого света (380–780 нм) и эффективный пороговый уровень, необходимый для достижения желаемого результата, мы можем разработать оптимизацию, уравновешивающую эти конкурирующие цели.
В этой статье мы, в свою очередь, рассмотрим уникальную спектральную чувствительность и эффективные пороговые уровни каждой из четырех основных конкурирующих целей — освещение, здоровье, продуктивность и энергоэффективность — прежде чем изучать общие решения по оптимизации освещения.
Чтобы было ясно, оптимизация — это не то же самое, что корреляция. Диапазон световых спектральных решений может быть статистически коррелирован с желаемым результатом (например, уменьшением циркадных нарушений). Напротив, оптимизированный результат будет спектральным решением, которое максимизирует желаемый результат (например, достигает минимального циркадного нарушения). Поскольку мы должны сбалансировать конкурирующие цели при проектировании освещения, очень важно знать оптимизированную спектральную чувствительность и эффективные пороговые уровни каждой цели, прежде чем начинать делать компромиссы.
Оптимизация освещения
Освещение требует уравновешивания светового спектра, необходимого для оптимизации визуального различения, одновременно обеспечивая сочетание длин волн в белом свете, которое позволит точно воспринимать все цвета. Оптимальное зрительное различение человека в нормальных условиях хорошего освещения определяется усредненным откликом трех основных типов конусов цветового зрения, описываемым функцией фотопической яркости. Пик этой функции яркости составляет 555 нм, потому что система формирования цветного изображения человеческого глаза наиболее чувствительна к зеленому свету на этой длине волны.
Стандартные показатели освещенности, такие как люмен, люкс, кандела и фут-кандела, рассчитываются путем взвешивания доли мощности излучения каждой видимой длины волны (380–780 нм) в соответствии с устаревшей версией функции светимости CIE 1924 (рис. 1, синяя линия) . Более поздние точные измерения светимости (рис. 1, красный) показывают, что стандартная фотопическая кривая недооценивает влияние синей и фиолетовой длин волн примерно на 50%. 1 Это объясняет, почему синие и фиолетовые светодиоды кажутся человеческому глазу ярче, чем показывает люксметр.
Итак, в эпоху SSL было бы разумно использовать исправленную функцию фото чувствительности для оптимизации освещения. Однако даже эта скорректированная фотопическая функция и колориметрические значения, такие как CCT и CRI, практически ничего не говорят нам о здоровье человека или его продуктивности, или об энергоэффективности света при достижении всех ключевых целей.
Эффективные пороги освещенности
В течение многих лет публиковались стандартные таблицы с указанием рекомендуемых уровней горизонтальной освещенности рабочего стола в зависимости от типа выполняемой задачи, степени отражения или поглощения света окружающими поверхностями и остроты зрения человека. 2 Как показано в таблице рядом, для большинства визуальных задач требуются минимальные пороговые уровни 200–500 лк.
Оптимизация здоровья человека
За последние 20 лет слишком много синего света ночью и слишком мало синего света днем были связаны с десятками серьезных нарушений здоровья, вызванных нарушением циркадного ритма , включая нарушения сна, депрессию, ожирение, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и несколько гормоночувствительных видов рака, включая рак груди и простаты. 3-5
Эти эффекты следует отличать от так называемой «опасности синего света» коротковолнового света, которая требует интенсивности света, никогда не наблюдаемой при внутреннем освещении. Эффекты повреждения сетчатки так называемым «плохим синим светом» видны только при ярком солнечном свете. Таким образом, при освещении занимаемого пространства нам нужно заботиться только о циркадных эффектах синего света.
Оптимизация циркадного спектра. Циркадные эффекты опосредуются чувствительными к синему свету фоторецепторами в глазу, которые называются по своей природе светочувствительными ганглиозными клетками сетчатки (ipRGC), и передаются супрахиазматическому ядру (SCN) — биологическим часам, которые регулируют наши циркадные ритмы. При нормальных условиях освещения на рабочем месте (горизонтальное освещение рабочего стола примерно 500 лк, 12-часовая рабочая смена) кривая спектральной чувствительности циркадной активности человека имеет пик при 477 нм с полушириной полувысоты 438–493 нм «циркадный синий» длины волн, что составляет 76% суточной мощности света. 6 Эта узкая полоса синего света синхронизирует наши циркадные ритмы в течение дня, но может нарушать их ночью.
Оптимизация моделей циркадного освещения. Ранее опубликованные кривые циркадной чувствительности были основаны либо на коротком (30–90 минут) воздействии людей в адаптированных к темноте условиях с фармакологически расширенными зрачками в основном монохроматическим (одноцветным) светом с максимальной чувствительностью между 465–485 нм (циркадный стимул [CS], Циркадный активный фактор) или были основаны на 1-минутной реакции клеточного кальция на вспышки света фотокамеры на фотопигмент меланопсина человека в тканевой культуре с максимальной чувствительностью при 479 нм (эквивалент меланопии люкс [EML]). Напротив, кривая циркадной активности на рис. 2 была получена у людей, живущих в течение длительного времени в реальных условиях освещения на рабочем месте. 6
Циркадный синий свет состоит из узкой полосы синего света (полувысота полной ширины между 438–493 нм), которая синхронизирует наши циркадные ритмы в течение дня и нарушает их ночью. (Изображение предоставлено: иллюстрация любезно предоставлена доктором Мартином Мур-Эде.)
Циркадная модель EML и стандарт CIE 2018 были уточнены путем сдвига вправо этой кривой чувствительности к меланопсину 479 нм на 11 нм, чтобы получить эквивалентную меланопическую освещенность при дневном свете (MEDI) с максимальной чувствительностью при 490 нм. 7 Но нет никаких доказательств того, что эта теоретическая поправка на пре-рецепторную обработку приводит к оптимизированной кривой циркадной чувствительности. Конечно, статистические корреляции физиологических данных с функцией МЕДИ сообщались, а лишь показываем приемлемую R 2 корреляции с данными не такой же, как нахождение оптимального R 2 корреляции.
Чтобы проиллюстрировать это, мы провели оптимизацию максимальной чувствительности к длине волны (λ max ) для функции MEDI (рис. 3), постепенно сдвигая меланопическую кривую λ max с шагом 1 нм с 470 до 490 нм и проверяя корреляцию с общий ночной мелатонин, измеренный у 34 человек, работающих в течение 12 часов в ночную смену при семи спектрально разнообразных источниках света.
Рис. 3. Сравниваются оптимизированные значения пиковой циркадной чувствительности: длины волн пиковой чувствительности стандарта CIE 2018 Melanopic EDI (490 нм) по сравнению с оптимизированным Melanopic EDI (480,8 нм) и пиковая чувствительность функции циркадной активности (477 нм). и меланопсин (479 нм). (Изображение предоставлено: иллюстрация любезно предоставлена доктором Мартином Мур-Эде.)
Что поразило, так это то, что все значения λ max для MEDI между 470–490 нм имели приемлемые корреляции R 2, превышающие 0,9. Однако оптимальное соответствие меланопической кривой с R 2, равным 0,968, было при λ max = 480,8 нм, что позволяет предположить, что пререцепторная корректировка не была оправдана или компенсировалась пост-рецепторным SCN или обработкой пинеальной железы. Для сравнения, кривая циркадной активности на фиг. 3 не предполагала меланопическую функцию и допускала искаженную кривую чувствительности и, следовательно, лучше подходила (R 2 = 0,991 при 477 нм) к данным ночного мелатонина человека.
Напротив, мы не обнаружили никакой корреляции (R 2 = 0,001) между значениями CS, как описано в UL DG 24480, 8, и данными о человеческом мелатонине за ночь, полученными у наших 34 субъектов при нормальных условиях освещения на рабочем месте. 6 Примечательно, что даже очень разные спектры, такие как дневные и ночные SPD на рис. 6 (внизу) с очень разными циркадными эффектами, имеют почти одинаковое значение CS (0,30 день, 0,29 ночь) при фотопическом освещении 300 люкс.
Эффективные пороги циркадного синего цвета. В отличие от освещения, которое измеряется горизонтально на рабочем столе, эффективный циркадный свет измеряется как вертикальная освещенность циркадного синего цвета, попадающего в глаз (синяя освещенность роговицы в мкВт / см 2 ). В условиях естественного внешнего освещения наши циркадные ритмы надежно синхронизированы, а наши циклы сна и бодрствования и функции организма здоровы благодаря значительному контрасту уровней циркадного синего цвета роговицы между днем и ночью.
Рис. 4. Кривая чувствительности к мелатонину коррелирует с порогами освещенности роговицы синим циркадным и ночным и дневным синим. Синяя освещенность роговицы нанесена на логарифмический график зависимости от степени подавления мелатонина. [Изображение предоставлено: данные взяты из West et al. (2011 г.) — https://bit.ly/3fb8PoS.]
Как показано на рис. 4, синяя освещенность роговицы ночью даже при самом ярком лунном свете (0,02 мкВт / см 2 ) в несколько тысяч раз меньше, чем синяя освещенность роговицы в течение обычного дня, будь то пасмурная погода или дождь (60 мкВт / см). 2 ) или глядя на юг с ярко-голубым небом (3500 мкВт / см 2 ). В доэлектрическую эпоху естественный дневной свет (за исключением сумерек и ночи) доставлял нашим глазам голубую освещенность роговицы в диапазоне от примерно 20 мкВт / см 2 в самый темный день до 7000 мкВт / см 2 в самый яркий солнечный день.
Чувствительность циркадных часов человека к циркадным длинам волн синего света можно измерить с помощью ключевого маркера системы циркадных ритмов — уровня гормона мелатонина, выделяемого ночью. 9 Минимальные изменения в подавлении мелатонина происходят от самых низких уровней ночного света до синего излучения роговицы около 2 мкВт / см 2 . Но когда уровни циркадного синего света превышают 2 мкВт / см 2 , влияние на уровни мелатонина быстро растет, достигая 50% подавления при 20 мкВт / см 2 . После этого в естественном диапазоне дневного освещения (20–7000 мкВт / см 2 ) скорость изменения замедляется, достигая 70% подавления при уровнях освещенности роговицы синего цвета в солнечный день 1000–7000 мкВт / см 2 .
Это говорит о том, что пороговые уровни дневной дозы циркадного синего цвета, необходимые для надежной синхронизации циркадных ритмов, составляют примерно 20 мкВт / см 2 , а минимальный уровень циркадного синего цвета, который можно безопасно использовать ночью, не вызывая нарушения циркадного ритма, составляет примерно 2 мкВт / см 2 . Эти пороговые уровни <2 мкВт / см 2 для вечернего и ночного освещения (от заката до восхода солнца) и> 20 мкВт / см 2 для дневного освещения (от восхода до заката) были подтверждены путем изучения многочисленных исследований циркадного освещения, в которых влияние на Были оценены сон, циркадные ритмы, гены часов, когнитивные способности, подавление мелатонина и другие показатели здоровья. 10
Освещенность роговицы синим цветом можно легко измерить без сложной модели или калькулятора , используя спектрометр, расположенный на уровне глаз, направленный в поле зрения, и затем суммируя значения освещенности синего цвета роговицы в диапазоне 438–493 нм.
Рис. 5. Оценивается относительная устойчивая бдительность в течение четырехчасового периода, создаваемая монохроматическим светом с разной длиной волны. Даже более низкая интенсивность света 420 нм стимулировала большую бдительность, чем более высокая интенсивность света 470 нм и 600 нм. ] Изображение предоставлено: данные взяты из Revell et al. (2006; https://bit.ly/3d25k1d).]
Кроме того, источники света можно легко указать с помощью удобного практического правила. Свет, излучающий> 20% своей общей видимой освещенности (380–780 нм) в виде циркадного синего цвета с длиной волны 438–493 нм, будет обеспечивать требуемый дневной уровень> 20 мкВт / см 2 в типичных условиях освещения комнаты при освещенности рабочего стола 300–500 лк. А свет, излучающий <2% своей общей видимой освещенности (380–780 нм) в виде циркадного синего цвета 438–493 нм, будет обеспечивать требуемый уровень ночной освещенности синего цвета роговицы <2 мкВт / см 2 в типичных условиях комнатного освещения 300– Настольная подсветка 500 лк. UL выпустил контрольный знак для осветительных приборов, излучающих в ночное время синий цвет <2%.
Оптимизация продуктивности человека
Свет также оказывает острое стимулирующее действие на центральную нервную систему, повышая бдительность, когнитивные способности и настроение, которые являются важными составляющими продуктивности и творчества человека. Это может быть эффективнее чашки кофе. Эффект предупреждения распространяется от подкорковых структур, связанных с бдительностью (гипоталамус, ствол мозга, таламус) и лимбических областей (миндалина и гиппокамп), до корковых областей, связанных с текущей задачей, что в конечном итоге влияет на поведение и продуктивность. Это прямой эффект, продолжающийся, если свет включен, но быстро гаснет после выключения света.
Спектральная чувствительность. Было показано, что более короткие фиолетовые и синие длины волн (420–480 нм) более эффективны для стимуляции внимания, чем более длинные зеленые и желтые волны (550–600 нм). Максимальные оптимальные эффекты находятся в фиолетовом диапазоне (около 420 нм). 11 Таким образом, этот прямой эффект предупреждения света имеет очень различную оптимальную длину волны , чем фотопическом освещения или циркадные потенции. Это означает, что можно спектрально сконструировать свет для вечернего и ночного освещения с помощью фиолетового светодиодного насоса., который повышает бдительность и когнитивные способности, не влияя отрицательно на циркадные ритмы. Затем в течение дня светодиоды, которые излучают циркадные синие волны, необходимые для вовлечения циркадной системы, имеют дополнительное преимущество, также обеспечивая стимуляцию бдительности.
Рис.. 6. Вверху показано, что система освещения с настраиваемой цветовой гаммой неэффективна из-за ее относительного энергопотребления при различных CCT и длинах волн (пересчитано из Safranek et al., 2021; https://bit.ly/3oijX5g). Ниже представлено эффективное спектрально спроектированное решение для циркадного освещения с использованием светодиодов ZircLight DaySynch и NightSafe (данные Circadian ZircLight на https://bit.ly/3cWLXH3).
Порог. Большее повышение активности наблюдается при использовании 11 мкВт/см 2 роговичного фиолетового света с длиной волны 420 нм, чем при 26 мкВт / см 2 роговичного синего света с длиной волны 470 нм (рис. 6). Другие исследования показали повышенную бдительность при 12 мкВт/см 2 роговичного синего света с длиной волны 460 нм. Таким образом, уровень циркадного синего излучения роговицы, который улучшает когнитивные способности и снижает потерю внимания, сопоставим с>20 мкВт/см 2, необходимым для надежной циркадной синхронизации.
Но использование этих уровней синего света для повышения бдительности и работоспособности после захода солнца нежелательно, поскольку оно значительно превышает порог в 2 мкВт / см 2, вызывающий нарушение циркадных ритмов. К счастью, можно использовать фиолетовый свет мощностью 11 мкВт / см 2 вместо синего в ночное время, поскольку это не нарушает циркадную систему и по-прежнему обеспечивает желаемый предупреждающий эффект. Затем в течение дня синие светодиоды помпы, которые обеспечивают необходимый циркадный синий свет>20 мкВт/см 2 для устойчивого циркадного увлечения, также будут обеспечивать достаточное количество синего света для обеспечения оптимальной активности и когнитивных функций.
Оптимизация энергоэффективности
В отеле Gat возле контрольно-пропускного пункта Чарли в Берлине, Германия, вы можете остановиться в комнате, освещенной монохроматическим зеленым светом 12 рядом с пиком 555 нм кривой светимости. Это освещение приближается к максимально возможной энергоэффективности 683 лм / Вт. Но большинство из нас предпочли бы обменять потерю энергоэффективности на полихроматический белый свет, который использует комбинацию других менее энергоэффективных длин волн.
Однако лм/Вт указывает только на энергию, потребляемую для обеспечения светового освещения. В нем ничего не говорится об эффективности обеспечения циркадного освещения или освещения, которое оптимизирует продуктивность человека за счет использования более коротких длин волн с небольшим влиянием на световой люмен.
Более подходящим показателем эффективности суточного освещения может быть суточное излучение на ватт, которое измеряет энергию, необходимую для обеспечения эффективного дневного порога в 20 мкВт/см 2 для синего излучения роговицы с длиной волны 438–493 нм. А показатель эффективности освещения для продуктивности человека может дать количественную оценку такой переменной, как предупреждающая освещенность / ватт, которая будет указывать на электрическую энергию, необходимую для соответствия порогу бдительности синего или фиолетового излучения роговицы.
Заключение
Теперь, когда мы определили оптимизированные спектры и пороги для фотопического освещения, здоровой циркадной функции и производительности человека, мы можем посмотреть, что нужно для получения оптимального баланса освещения, действительно подходящего для использования человеком.
Настройка белого цвета, при которой CCT белых светодиодных ламп с накачкой приблизительно 450 нм изменяется вверх и вниз по линии черного тела, является одним, хотя и очень неэффективным, методом обеспечения более насыщенного синего света в течение дня и менее насыщенного синего цвета. свет ночью.
Например, спектральные распределения мощности (SPD) настраиваемых по цвету огней, используемые Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) в ее недавней оценке энергоэффективности ориентированного на человека освещения 13 ( см. Также отчет журнала LEDs Magazine ), мало отличаются. в относительной синей освещенности вокруг пика циркадной чувствительности 477 нм, несмотря на большие изменения CCT от 2700K до 6200K (рис. 6, вверху). Это означает, что для доставки эффективного дневного стимула с порогом> 20 мкВт / см 2 для излучения роговицы синим цветом с длиной волны 438–493 нм потребуется в 4 раза больше мощности (Вт) и интенсивности света, чем те, которые требуются для достижения порога безопасности в ночное время < 2 мкВт / см 2. Такие регулируемые по цвету огни, таким образом, являются неэффективным и неприемлемым решением для циркадного освещения, даже без учета чрезмерно резкого CCT 6200K днем и желтоватого 2700K CCT в вечерние часы.
В отличие от этого, когда дневные и ночные светодиодные чипы спроектированы для оптимизации освещения, циркадной эффективности, продуктивности человека и энергоэффективности 14 (рис. 6, внизу), более энергоэффективная доставка циркадного освещения достигается в пределах более узких 3300–4000K. Диапазон CCT. С 42-кратной разницей в интенсивности циркадного синего излучения на длине волны 477 нм между дневными светодиодами и ночными светодиодами при одинаковых уровнях освещенности можно обеспечить требуемый дневной> 20 мкВт / см 2 и ночной цвет <2 мкВт / см 2 циркадный синий освещенность без изменения уровней освещенности в люксах или энергопотребления и с минимальными изменениями CCT. Кроме того, с этими спектрально спроектированными светодиодами стандарт WELL v2 может быть обеспечен на 40% ниже уровня освещенности настольных ПК по сравнению с традиционными светодиодами.
Еще одна интересная особенность такого спектрально спроектированного циркадного света состоит в том, что продуктивность человека может быть повышена круглосуточно, когда свет включен, с использованием фиолетового света с длиной волны ~ 420 нм в вечерние часы и синего света с длиной волны ~ 477 нм в течение дня. Как напоминает правило 3-30-300 (3 доллара за квадратный метр , 30 долларов за квадратный фут и затраты на рабочую силу 300 долларов за квадратный фут), любая экономия энергии, полученная с помощью SSL, ничтожно мала по сравнению с их влиянием на производительность труда и здоровье человека.
Потенциал передовой спектральной инженерии очевиден. Все светильники для помещений, занятых людьми, должны обеспечивать высококачественное освещение, поддерживать здоровье и продуктивность человека и делать все это с низким энергопотреблением. Этого можно достичь только с помощью точно определенных оптимизированных спектров и достижения пороговых значений эффективности для каждой цели, чтобы можно было определить соответствующие компромиссы.
РЕКОМЕНДАЦИИ