Исследование видимости объектов наблюдения в осветительных установках со светодиодами

Введение

 

          В современной  практике светотехнического нормирования  осветительных установок определение оптимальных условий освещения возможно при наличии методов оценки влияния качественных и количественных показателей освещения на зрительную работоспособность. Одним из основных качественных показателей освещения является распределение излучения по поверхности объектов наблюдения и в пространстве. Комплексной характеристикой осветительного варианта, учитывающей в полной мере влияние условий освещения на работающего, является видимость. В условиях постоянства яркости на рабочей поверхности видимость объектов с диффузным отражением может изменяться в достаточно широких пределах при вариации пространственного распределения излучения, падающего на объект. Решение этих задач требует наличия метода, позволяющего учитывать влияние распределения излучения в пространстве при нормировании и проектировании осветительных установок. Определение оптимальных условий освещения напряжённых зрительных работ целесообразно проводить по видимости объектов наблюдения. Наличие несложной методики измерения видимости любых объектов наблюдения непосредственно в производственных условиях делает этот метод нормирования удобным для практического использования при разработке отраслевых норм искусственного освещения промышленных предприятий.

          В данном дипломном проекте  для оценки условий освещения  использован метод измерения видимости. Он наиболее чувствителен к изменению качественной стороны освещения и позволяет быстро выявить все взаимосвязи качественной и количественной сторон, учесть влияние таких факторов, как блёскость, неравномерность освещения и т. д., и определить наиболее оптимальные условия освещения.

          Целью настоящего дипломного  проекта является исследование видимости объектов наблюдения в зависимости от  пространственного распределения излучения, освещённости     объекта наблюдения, контраста объекта с фоном  и

 

продолжительности зрительной работы.

          Для  решения поставленной задачи  необходимо:

          - исследовать влияние направления  излучения, создаваемого СИД и  ЛН, на видимость объектов;

          - исследовать  влияние контраста объекта с  фоном на видимость диффузных объектов наблюдения;

          - исследовать  изменение  видимости диффузных объектов наблюдения в зависимости от степени сложности зрительной задачи;

          - установить  влияние уровня освещенности  и продолжительности работы  на видимость объекта с фоном;

          - провести  сравнительный анализ видимости  объектов при освещении СИД и ЛН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Методики оценки условий освещения

 

1.1 Тенденция развития светодиодного излучения

В настоящее время  светоизлучающие диоды (СИД) находят  применение в осветительной технике.

Основные и наиболее крупные  достижения в технологии светоизлучающих диодов (СИД)  произошли в последние пять лет [21,с.32]. В 1992 году благодаря использованию светящегося слоя на основе фосфида галлия (GaP) был достигнут прорыв в технологии СИД : η=25 лм/Вт в оранжевой части спектра и η=12 лм/Вт в жёлто-зелёной. Однако поистине революционное свершение произошло в сине-зелёной части спектра. Синтез СИД синего цвета свечения был впервые произведён фирмой Nichia (Япония) в 1994 г. при использовании многослойной структуры GaN на сапфировой подложке, со η=10 лм/Вт [22,с.67]. Тогда же были представлены зелёные СИД на основе нитрида галлия GaN со η=20лм/Вт. В конце 1999 года для красного СИД на основе AlJnGaP ( =611 нм) была получена η=102лм/Вт [21,с.91].

Первый шаг к созданию высокоэффективных СИД, пригодных для использования в светосигнальных приборах и приборах дистанционного управления был сделан в результате разработки Ж.И.Алферовым с сотрудником концепции  многопроходных двойных гетероструктур в системе GaAlAs [23,с13].

СИД представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые ИС, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». В СИД используются полупроводниковые материалы высокой чистоты, лигированые малыми количествами контролируемых примесей, создающих избыток электронов (материал n-типа), либо их  недостаток, т.е.  избыток «дырок», которые ведут себя  подобно положительным зарядам (материал р-типа). В месте контакта р-и n-материалов образуется полупроводниковый р-n-переход. Если к р-n-переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности, то приложенное  поле  будет  заставлять  перемещаться  электроны  и  «дырки»  навстречу друг к другу и они будут рекомбинировать в зоне контакта, частично испуская при этом фотоны. Спектр излучения зависит от материала полупроводника и вводимой примеси [11,с.60].

Белое свечение, как известно, может  быть получено только смешением красного,  зелёного и  синего  цветов. СИД  белого  свечения  были получены

Ш. Накамурой на основе синего свечения кристаллов из JnGaN и люминофорного покрытия, содержащего алюмоитриевый гранат. Существует 4 способа создания белых СИД со своими достоинствами и недостатками:

а) смешение излучения СИД трёх или более цветов (RGB). В принципе такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из СИД красного, зелёного или голубого можно выбрать значения тока, соответствующего максимуму его внешнего квантового выхода. Но при этих I и V интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям необходимым для результирующих цветовых координат в области белого цвета. Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ встречает  неудобства, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СИД;

          б) белое  свечение может быть получено  также при использовании в  конструкции СИД трёх излучающих  кристаллов: красного, зелёного и синего свечения. Однако такой СИД дороже белого СИД, содержащего один кристалл синего свечения и люминофор;

в) смешение голубого излучения СИД  с излучением либо жёлто-зелёного, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучателем. Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе JnGaN/GaN, подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам  излучения  люминофоров. Кристалл  покрывается слоем геля с порошком люминофора так,

 чтобы часть голубого излучения  возбуждала люминофор, а часть  - проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы спектр имел белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас используется несколько различных люминофоров для белых СИД;

         г) смешение  излучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых  УФ СИД. Этот способ использует  принципы и люминофоры, хорошо разработанные в течение многих лет для ЛЛ. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от СИД в люминофорах. Кроме того эффективность ИИ уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ спектру излучения кристалла СИД.

Суммирование излучения СИД  более трёх цветов даёт возможность  получить белый свет с индексом цветопередачи  Ra близким к 100%. Индекс цветопередачи для суммы голубого излучения СИД с излучением жёлто-зелёного люминофора ниже, чем для других способов, но он может быть улучшен применением дополнительного оранжево-красного люминофора.

Характерные спектры белых СИД показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Характерный   спектр  излучения СИД белого  свечения

         Достигнутая световая отдача  СИД с белым свечением η=25 лм/Вт. Эта величина превосходит световую  отдачу ЛН, что делает возможным  замену ЛН белыми светодиодами.

         По сравнению с тепловыми ИС СИД имеют очень маленькие размеры и мощность  не более 10 Вт. Для них требуется питание только постоянным током с соблюдением полярности. Излучение СИД может модулироваться с большой частотой и в широком диапазоне линейно изменяется с величиной питающего тока без существенного изменения цветности. Низкое напряжение питания, малые размеры, большой срок службы  и «холодный» свет с широкой цветовой гаммой обеспечили массовое использование СИД в качестве индикаторных элементов, управляемых непосредственно от современной электроники, особенно в приборах с питанием от батареек [23,с69].

          Стандартный  срок службы каждого СИД 50-100 тыс. ч. Срок службы СИД мало  зависит от небольших перегрузок  напряжения, рабочего положения или механических воздействий.

          Следовательно,  светодиодный светильник должен  иметь не только большой срок службы, в отличии от обычных ИС, но и значительно большую надёжность в течение этого срока.

           Низкая  рабочая температура СИД - системы  позволяет использовать в них оптику и детали корпуса, изготовленные из полимеров, что также снижает стоимость [21,с.122]. В этом отношении СИД значительно превосходят ЛН, особенно при использовании на подвижных объектах, в том числе и в автомобилях с их широким диапазонам рабочих температур.

         Вторая  группа «обычных» ИС включает  все РЛ ВД и НД. В спектре  излучения ГЛНД присутствуют  линии, типичные для наполняющего  газа. Такие ИС используются, прежде  всего, как цветные светящиеся  трубки (неоновые), особенно для рекламы. Кроме того, они долго использовались в качестве маломощных сигнальных ламп. В большинстве ГЛНД есть небольшое количество ртути, высокое напряжение зажигания всегда опасно для людей. Для таких применений СИД во всех случаях будут более предпочтительны, чем РЛ НД.

          Конкуренцию ЛЛ могут составить  СИД- модули, которые сейчас активно разрабатываются. Это может положить начало достижению эколого-политической цели- созданию безртутного освещения. Однако сейчас световая отдача СИД меньше световой отдачи ЛЛ.

          Простое  управление трёхцветными модулями  обеспечивает возможность изменять не только освещённость рабочих мест, но и цветность излучения. Светильники с использованием СИД - модулей, кроме того, могут быть очень простыми и иметь более высокие КПД, чем светильники с ЛН. Экономическое преимущество таких светильников может иметь место даже при меньших световых отдачах, если принимать во внимание затраты на ИС, светильники, эксплуатацию и замену ИС [21,с221].

          Светодиодные осветители содержат либо один кристалл (тип прибора

У-345Бл), либо три - соединённых последовательно (У-342Бл), либо четыре

(У-337Бл). Параметры осветителей приведены в таблице 1.1 [24,с.89].

             Таблица 1.1 - Электрические и световые светодиодные осветители  белого свечения при

Тип светодиод ного осветителя	Входные электричес-кие параметры			Световые параметры			, лм/Вт	мА
	,мА	,В не более	, Вт	Ф,лм	I,кд	,  град.
У-345Бл	350	4,0	1,3	15…28	30…50	25 5	22	400
У-342Бл	350	11,5	4	50…80	30…50	50 10	20	380
У-337Бл	700	7,5	5	70…100	50…60	50 10	20	750

Итак, обобщая всё выше сказанное  можно сделать выводы. Современные СИД излучают свет в диапазоне от УФ до дальней ИК области спектра. Действие большинства эффективных белых СИД основано на преобразовании УФИ (370 нм).

Преимущества светодиодных осветительных  приборов:

- световая отдача выше, чем у  ЛН и ГЛН, малое потребление  энергии и малое тепловыделение;

- возможность получения всех цветов свечения;

- низковольтность, безопасность при прикосновении;

      - хорошая сочетаемость с внешней оптикой;

      - отсутствие УФ  излучения и в ряде случаев-  ИК;

      - высокая механическая  прочность и надёжность;

           - высокое  быстродействие (наносекунды);

           - высокий  срок службы.

 

1.2 Принципы нормирования освещения по видимости объектов 

наблюдения

 

          Анализ  работ отечественных и зарубежных  исследователей показал, что оптимальные  условия освещения промышленных  предприятий определяется качественными и количественными показателями освещения как единым критерием комплексной оценки эффективности установок [1-6]. Оценка осветительных условий по уровням производительности труда, браку продукции и зрительному утомлению является комплексным методом, учитывающим в полной мере влияние внешних  условий среды  на  работающего [6-9].

          Впервые  вопрос о влиянии качественных  и количественных показателей освещения на видимость был поставлен Гершуном А.А. и Лазаревым Д.Н. в 1935 году, а применение этого критерия для нормирования было предложено профессором Мешковым В.В. в 1947 году. В качестве объектов наблюдения служили модели различных геометрических тел с матовой и направленно-отражающей поверхностями. Вариация видимости при изменении направления и структуры излучения объясняется изменением расположения света и теней на элементарных участках поверхности и соотношения яркостей между ними [8,с.5].

           Возможность зрительного обнаружения  одноцветного с фоном объекта наблюдения   и различения его   формы определяется   различием их яркости.

В простейшем случае, когда тест- объект равнояркий, степень его заметности на равноярком фоне можно определить яркостным контрастом (формула 1.1), численно равным отношению разности яркости объекта и фона к яркости фона:

                                                                                  (1.1)

 

          Зрительное  обнаружение объекта на одноцветном  фоне возможно лишь в том  случае, когда разность яркостей  объекта и фона больше либо  равна пороговой разности яркости:

 

                                   

,                                                (1.2)

 

           где  - минимальная разность в яркостях объекта и фона, впервые воспринимаемое глазом, которую принято называть разностью яркостей.

          Пороговой  яркостью (световым порогом) называется  минимальная яркость объекта,  которая позволяет обнаружить  его на фоне с яркостью практически равной 0.

          Контраст  объекта с фоном, обеспечивающий заданную вероятность обнаружения объекта, определяемый его параметрами (угловой размер α  и форма), количественной характеристикой освещения (яркость фона ) и условиями зрительной работы (время наблюдения), принято называть пороговым контрастом и определять по формуле: 

 

                                 

,                                 (1.3)

 

        где угловой размер, мин.;

   пороговая разность яркостей, ;

   яркость фона, ;

   время наблюдения, сек;

        вероятность зрительного обнаружения или опознания формы объекта.

          Пороговые   характеристики  объекта  наблюдения ( ) и условия зри-

тельной работы ( ) взаимосвязаны.

          Принятая  в практике отечественной осветительной  техники оценка основных качественных показателей освещения характеризуется изменением порогового контраста с фоном. Кривые зависимости порогового контраста обнаружения тест- объекта в виде диска на фоне равномерной яркости с вероятностью p=0,5 от яркости фона для различных угловых   размеров диска приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2- Зависимость порогового контраста от яркости фона для дисков

различных угловых размеров

По результатам исследования Р.Блэкуэлла  зависимость между пороговым яркостным контрастом и вероятностью обнаружения объекта наблюдения простейшей формы можно выразить следующим равенством 

 

                                     ,                                        (1.4)

           где - пороговый контраст при вероятности обнаружения объекта;

          - пороговый контраст при вероятности обнаружения объекта p=0,5;

           - функция обнаружения вероятности.

          Анализ  кривых (рисунок 1.1) позволяет сделать следующие выводы, необходимые для нормирования осветительных установок:

         - обнаружения тест - объекта зависит от углового размера α объекта, яркости фона и вероятности обнаружения. уменьшается с ростом углового размера и яркости фона;

         - каждому угловому размеру тест - объекта соответствует некоторая минимальная величина порогового контраста - существующее минимальное значение порогового контраста при меньшем значении которого объект нельзя увидеть при каком угодно большом увеличении яркости фона;

          - яркость фона начиная с которой остаётся практически постоянным, принято называть оптимальной яркостью для данного углового размера объекта, обеспечивающей наибольшую видимость тест - объекта с заданным α;

          - нормируемое значение яркости (освещённости) должно быть тем больше, чем меньше угловой размер объекта и его контраст с фоном.

          Профессором  В.В. Мешковым были введены формулы (1.5 и 1.6) для определения порогового контраста p=0,5.

Эти формулы используются для достаточно точной аппроксимации экспериментальных зависимостей, представленных на рисунке 1.1

 

                                          

                                  

,                                                  (1.5)

                               

                                    ,                                                  (1.6)

 

где параметр, определяющий угол наклона отрезка прямой: ;   

     параметр, равный ординате прямой для ;

     - яркость фона;

     - пороговый контраст;

     - пороговая разность яркостей.

         Чем больше  значение контраста объекта наблюдения  с фоном по сравнению с его пороговым значением, тем заметнее (виднее) объект наблюдения на фоне, тем с большей вероятностью решается  зрительная задача, тем с меньшим напряжением выполняется зрительная работа [9,с.99].

          На практике пользуясь этими свойствами зрительного процесса, принято определять видимость (V) отношением контраста объекта наблюдения с фоном к пороговому значению контраста

 

                                         

,                                                         (1.7)

          где  - видимость;

    -контраст объекта с фоном;

- пороговый контраст.

       

 Физический смысл видимости:  видимость показывает, сколько в  контрасте объекта с фоном содержится пороговых контрастов.

          Согласно исследованию Блэкуэлла практические значения пороговых контрастов существенно отличаются от пороговых значений, измеренных в лабораторных условиях.

         Это различие, которое всегда имеет место  в сторону увеличения практического порогового контраста по сравнению с лабораторным, определяется по Блэкуэллу рядом причин, к которым в первую очередь следует отнести:

         - увеличение трудности зрительной  задачи при незнании того, где  и когда в поле зрения появится объект наблюдения;

    - одновременное наличие  в поле зрения нескольких объектов и т.д.

         - ограничение  времени опознавания наиболее  чётко выявленное при работе на конвейере.

         Для учёта различия практического  и лабораторного значений порогового контраста Блэкуэлл рекомендует принять при нормировании некоторый коэффициент запаса 1,8 2, учитывающий лишь первую причину увеличения

 

 порогового контраста как общую в производственных условиях.

          Для максимального приближения значения видимости к количественному выражению зрительного процесса следует выбирать масштаб количественного выражения видимости логарифмическим. При этом видимость объекта наблюдения одноцветного с фоном при этом следует оценивать логарифмом отношения десятикратного значения (десятикратное значение принято для приведения пороговой минимальной видимости к единичному значению) фактического яркостного контраста объекта с фоном к его практическому пороговому значению , формула 1.8:

 

                                              ,                                                          (1.8)

         

         где - видимость;

    - контраст объекта с фоном;

    - пороговый контраст;

          - коэффициент запаса, определяющий ряд причин, которые выделил Блэкуэлл (1,8 2) [10,с.138].

     При сопоставлении  условий освещения, а также  при выборе уровня 

яркости или освещения рабочей  поверхности принято пользоваться методом оценки видимости, учитывая в коэффициенте запаса е повышение трудности зрительной задачи, зависящей не столько от неопределённости места появления объектов, но не в меньшей степени и от формы объектов различения.

          На основании исследований Блэкуэлла, Кеннера, Геноунга, Вейгеля, Кнолля и других были установлены значения минимального порогового контраста для равнояркого фона. при р=0,5. Каждому угловому размеру тест- объекта соответствует некоторое минимальное значение порогового контраста , меньше которого тест- объект не может быть обнаружен при любом как угодно большем значении его углового размера [11,с.221].

          Максимальное  значение видимости объекта наблюдения  с заданным угловым размером имеет место при

 

                                            

                                                      (1.9)

          Значения видимости для заданных  условий освещения в формулах (1.8) и (1.9) записаны для вероятности обнаружения объекта p=0,5.

          Согласно (1.3) с повышением вероятности  видимости заданного (α и κ)  объекта наблюдения уменьшается  в  раз. Следовательно, в общем случае для заданного значения вероятности обнаружения тест- объекта наблюдения видимость определяется по формуле 1.10

 

                                  

,                                         (1.10)

 

           где функция обнаружения вероятности.

Предельно максимальное значение видимости при этом будет рассчитываться по формуле 1.11:

 

                               

                                        (1.11)

 

          Для  сопоставления заданных условий  освещения с оптимальными, обеспечивающими предельно минимальное значение порогового яркостного контраста тест- объекта с заданным угловым размером, вводят понятие относительной видимости , рассчитываемой по формуле 1.12:

 

                 

.                        (1.12)

 

          Уравнения,  определяющие видимость (1.8) и  (1.12), написаны для зрительной  задачи, выполняемой без ограничения времени наблюдения и с заданным значением вероятности обнаружения тест- объекта .

          В этих  условиях при постоянстве яркости  рабочей поверхности L=const видимость, а следовательно и относительная видимость однозначно определяются фактическим и эквивалентным контрастом яркости объекта и его угловым размером. С ростом и в условиях заданной яркости увеличивается видимость [2,с.28].

          Из проведенных  исследований можно сделать следующие выводы:

          - при  точных зрительных работах (малый  размер объекта, малый контраст) наблюдается заметное расхождение в характере изменения зрительной работоспособности в зависимости от освещенности для кратковременной или длительной работ;

          - сравнение зависимостей зрительной  работоспособности от освещен-ности при кратковременной и длительной работах подтверждает предположение о неправомочности использования разультатов кратковременных опытов для определения освещенности, оптимальной с точки зрения производительности труда;

          - необходимо  дальнейшее изучение взаимосвязи  производительности и освещенности рабочей поверхности на разных моделях зрительной работы с уделением особого внимания точным зрительным работам [17,с.77].