Роль специальной оптики в биологически и эмоционально эффективном освещении и архитектуре

Энтузиасты биологически и эмоционально эффективного освещения стремятся привлечь внимание к преимуществам яркого освещения. Нарушения здоровья, связанные с неудачным планированием освещения, такие как снижение концентрации внимания, расстройства сна, утомление и раздражительность, хорошо подтверждены документально и могут усугубляться у лиц, страдающих светобоязнью, высокой светочувствительностью или сниженной остротой зрения.

По мере замены традиционных ламп и светильников энергоэффективными светодиодными аналогами проектировщики и изготовители светотехнических изделий сталкиваются с новыми трудностями. Свет, излучаемый открытым светодиодом, отличается высокой направленностью в сравнении со светом традиционных источников, и все же расхождение его светового пучка слишком велико для направленного освещения. Первичная оптика — линза — уменьшает расхождение пучка во всех направлениях и сосредотачивает его в пределах конуса с более узким углом раствора (около 80°). Для дополнительной коллимации света в пучок с углом расхождения около 10°, которая необходима для освещения объектов на расстоянии более 1 м, требуется дополнительная вторичная оптика, например рефлектор или оптический компонент на основе эффекта полного внутреннего отражения (TIR-оптика). Обычно кроме этого нужна еще третичная оптика (например, рассеиватель или рассеивающая линза) для устранения неоднородностей светового пучка или получения требуемых геометрических параметров пучка (формы и угла расхождения).

Светодиодные лампы с переменным цветом свечения, подстраивающиеся под циркадные ритмы человеческого организма, а также новые достижения в части формирования необходимой цветовой температуры, освещенности и рассеивания света способствуют совершенствованию светодиодных светильников. Тем не менее равномерного распределения света достичь по-прежнему трудно из-за концентрированной и направленной природы света светодиодов. Кроме того, силы света светодиодов недостаточно для эффективного освещения объектной плоскости, находящейся на расстоянии более полуметра. Специальная оптика (например, рассеиватели и светонаправляющая пленка), изначально предусмотренная конструкцией или добавленная на этапе эксплуатации, может быть эффективным и экономичным способом контроля над уровнем освещенности, блескостью, равномерностью цветовой температуры, направлением светового пучка и другими факторами, придающими освещению более здоровый (биофильный) характер.

Роль третичной оптики в биологически и эмоционально эффективном освещении

Вторичная оптика — основополагающий компонент, обеспечивающий коллимацию светового пучка. В свою очередь, третичная оптика вступает в игру там, где возможностей вторичной оптики недостаточно для решения поставленной задачи. Например, биологически и эмоционально эффективное освещение будет устроено по-разному в крупном розничном магазине и в офисе, где требуется повысить производительность труда персонала за счет более здорового освещения. Рефлекторы могут оказывать слепящее действие при использовании их в помещениях с блестящими полами, а TIR-оптика, хотя и обеспечивает эффективную коллимацию, может оказаться не столь действенной в случае встраиваемых потолочных светильников, которые должны давать рассеянный свет, распределенный по большей площади. Именно в таких прикладных нюансах может помочь третичная оптика, например формирующие рассеиватели (Light Shaping Diffuser, LSD) и свето­направляющие пленки (Direction Turning Film, DTF). Эти оптические элементы позволяют изменить направление светового пучка, повысить однородность цвета, снизить блескость и устранить отвлекающие внимание яркие световые точки от светодиодов. Наконец, третичная оптика может помочь проектировщикам справиться с неудобными пространствами и не слишком удачным расположением светильников.

Коллимация с последующим расширением пучка

В формирующих рассеивателях используются рельефные поверхностные структуры, воспроизведенные с записанного голографическим способом исходного изображения. Эти псевдослучайные непериодические микроструктуры преломляют свет, меняя направление распространения световой энергии. В комбинации со светильником или лампой формирующие рассеиватели позволяют проектировщику создать световой пучок нужной формы для решения конкретной задачи. С их помощью можно эффективно улучшить цветовую и пространственную однородность, а также снизить блескость и ослабить множественные тени. Встроив их в светодиодную ленту, можно устранить пикселизацию светодиодов, отрегулировать угол расхождения светового пучка и повысить однородность света на выходе вторичной оптики. Таким образом, принцип коллимации с последующим расширением заключается в том, что сначала пучок света собирается и коллимируется вторичной оптикой, а затем расширяется до нужного угла.

На рис. 1 показан пример эффектов, создаваемых эллиптическим формирующим рассеивателем с углами рассеивания 60°×1° на светодиодной ленте. Свет рассеивается на угол 60° в горизонтальном направлении и всего на 1° в вертикальном направлении, за счет чего устраняются яркие световые точки, муар, дифракционное разложение и т. д.

Рис. 1. Эффекты, создаваемые эллиптическим формирующим рассеивателем с углами рассеивания 60°×1°

Роль светонаправляющих пленок в биологически и эмоционально эффективном освещении

Светонаправляющая пленка — еще одна разновидность третичной оптики. Она позволяет проектировщикам лучше контролировать угол расхождения пучка. Светонаправляющая пленка представляет несимметричную линейную микропризматическую структуру, которая отклоняет световой пучок полуколлимированного источника света на 20°. Обычно она устанавливается внутри светильника либо архитектурного элемента со светодиодным источником света или над таковым. В сочетании с формирующим рассеивателем такая пленка позволяет проектировщикам повышать однородность светового пучка источника света, отклонять его и менять угол расхождения. Одно из основных преимуществ светонаправляющих пленок — возможность работы с вне­осевым входящим пучком, чему есть множество практических приложений в сфере биологически и эмоционально эффективного освещения.

Рис. 2. Светонаправляющие пленки позволяют работать с внеосевым входящим световым пучком

Рис. 2 показывает, как светонаправляющая пленка позволяет использовать внеосевой входящий пучок, а в сочетании с формирующим рассеивателем позволяет также задавать нужную форму и степень однородности пучка. На рис. 3 показаны основные составные части светонаправляющего элемента и поясняется принцип его работы. Коллимированный пучок света падает слева. Свет отклоняется на 20° призматической структурой светонаправляющей пленки, а затем падает на поверхность рассеивателя и рассеивается.

Рис. 3. Основные составные части светонаправляющего элемента и принцип его работы

Например, мы знаем, что на поведение покупателей в розничных магазинах влияет их самочувствие: если покупатель ощущает себя комфортно, он может дольше задержаться в магазине, а плохое освещение, особенно со слепящим эффектом, может негативно сказаться на настроении. Поскольку линейные светильники зачастую расположены по центру проходов между прилавками, блики от них на блестящем полу могут отвлекать. Светонаправляющая пленка, размещенная под вторичной оптикой, может перенаправлять свет с пола на товар, освещая обе стороны прохода без воздействия на покупателей под светильником. Создать более комфортную атмосферу можно с помощью уже имеющихся светильников и без изменений во вторичной оптике.

Пример использования третичной оптики (формирующих рассеивателей и светонаправляющих пленок) в крупных розничных магазинах, где часто применяются линейные светильники, расположенные по центру прохода, показан на рис. 4. Эти пленки могут отклонять световой пучок от блестящего пола в направлении товара на витринах, уменьшая блескость и создавая более приятную атмосферу для покупок.

Рис. 4. Применение формирующих рассеивателей и светонаправляющих пленок в крупном розничном магазине

Светонаправляющую пленку можно применять во встраиваемых потолочных светильниках, которые монтируются близко к стене. Световой пучок, который в обычном случае был бы направлен вниз и отражался бы от стола, стойки или другой поверхности, можно отклонить на 20° и подсветить («залить светом») стену, превратив тем самым направленное освещение в объемное. Призматические структуры светонаправляющей пленки позволяют отклонять направленный свет, обеспечивают повышенную зрительную четкость, снижают блескость и повышают освещенность пола в проходах и на лестницах, что особенно полезно в больницах и домах престарелых. Рассеиватель с противо­положной стороны пленки помогает создать более мягкое и комфортное освещение, ослабить тени, снизить блескость и смягчить другие факторы, способные вызвать дискомфорт. Светонаправляющие пленки могут также пригодиться во встраиваемых в пол или грунт светильниках для отклонения светового пучка на целевую стену или конструкцию и повышения освещенности или увеличения объема освещаемого пространства. Кроме того, светонаправляющие пленки успешно применяются в освещении бассейнов: с их помощью можно направить световой пучок на дно бассейна, не устанавливая светильник под углом.

На рис. 5 показан еще один пример применения светонаправляющих пленок. Помимо решения распространенных задач внутреннего освещения, светонаправляющие пленки могут использоваться для перенаправления света в бассейнах. Помимо создания более приятного и равномерного освещения, пленка помогает предотвратить слепящий эффект, которому подвергаются купальщики, плывущие в направлении подводных светильников.

Рис. 5. Светонаправляющая пленка может также использоваться для создания более приятного и равномерного освещения. Показан пример перенаправления света в бассейнах

Светонаправляющие пленки имеют множество практических применений в биологически и эмоционально эффективном освещении, но им также свойственен ряд ограничений, с которыми следует считаться проектировщикам. Призматическая структура должна быть обращена к светодиоду, и светонаправляющие пленки наиболее эффективны при использовании с полуколлимированными пучками света от открытых светодиодов с большими углами излучения (более 80°). Пленку можно помещать непосредственно на вторичную оптику, но проектировщикам, работающим с открытыми светодиодами, следует оставлять некоторый зазор между источником света и пленкой, чтобы избежать перегрева.

Перспективные применения

Хотя третичная оптика применяется в основном для повышения качества биологически и эмоционального внутреннего и архитектурного освещения, светонаправляющие пленки встраиваются также в дисплеи авионики, чтобы обеспечить оптимальные углы обзора для командира воздушного судна и второго пилота. В числе прочих перспективных применений можно упомянуть сбор солнечного света в энергоэффективных зданиях: с помощью светонаправляющей пленки можно направлять солнечный свет на потолок, откуда он будет рассеиваться вниз для освещения более широких площадей.

Применения третичной оптики ограничены лишь воображением и изобретательностью инженеров, проектировщиков и всех участников рынка светодиодной светотехники. Возможность формировать световой пучок и направлять его в нужное место, не внося конструктивных изменений в светильник, позволяет проектировщикам применять принципы биологически и эмоционально эффективного освещения даже в самых неприспособленных помещениях и пространствах.